JPH0512724Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔概要〕 この考案は、試料表面の高さを検出する高さ測
定検出器において、導電性試料と、この試料に対
向して尖つた先端を持つ針状電極との間に電圧を
印加し、トンネル効果による電子流の大きさを検
出して試料表面の高さを測定する場合、非導電性
あるいは非導電性の物質が点在する試料表面の高
さを測定し得ないなどの問題を解決するため、試
料表面の凹凸に沿つて移動する針状探針を設け、
この針状探針の頭部の平坦部と、別途設けた針状
電極との間に流れるトンネル効果による電子流の
大きさを所定値に保持するよう圧電素子に負帰還
制御し、この負帰還量によつて試料表面の高さを
検出することにより、例え試料が非導電性であつ
ても試料表面の微小高さを正確に検出するように
している。

〔産業上の利用分野〕

本考案は、試料表面の凹凸に沿つて移動する針
状探針を設け、この針状探針の平坦な頭部と、別
途設けた針状電極との間に流れるトンネル効果に
よる電子流の大きさを所定値に保持するよう電圧
素子に負帰還制御し、この負帰還量によつて試料
表面の高さを検出するよう構成した高さ測定検出
器に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、トンネル効果による電子流を測定して試
料表面の微小高さを例えば数Åないし数十Åの精
度で測定するものとして、例えば第２図に示すよ
うなトンネル顕微鏡を用いた高さ測定検出器があ
る。これは、高さを測定しようとする導線性の試
料１７の表面に対向して、尖つた先端を持つ針状
電極１２を配置し、この針状電極１２と、導線性
の試料１７との間にトンネル効果による電子流が
流れる程度の電界（10⁸Ｖ／ｍ程度の電界）をバ
イアス電圧E_vによつて印加する。この時、導電
性の試料１７と、針状電極１２との間（例えば数
十Å離れた間）に流れるトンネル効果による電子
流の大きさを増幅器AMPによつて検出・増幅し
て導電性の試料１７の高さを測定するものであつ
た。例えば第２図図中ハの位置では両者の距離が
小さいため、大きなトンネル効果による電子流が
流れ、図中ニに点線を用いて示す位置では両者の
距離が大きいため、小さなトンネル効果による電
子流しか流れない。この電子流の大きさと距離と
の関係を予め校正して求めておけば、この時の電
子流の値から試料１７の高さを数Åないし数十Å
の程度の精度で測定することができる。

〔考案が解決しようとする問題点〕

しかし、第２図に示す従来の高さ測定検出器
は、試料１７と、針状電極１２との間に流れるト
ンネル効果による電子流を直接に検出して高さを
測定していたため、例えば試料１７が非導電性で
あつたり、試料１７の一部に非導電性の物質が点
在したりなどする場合には、トンネル効果による
電子流が流れないため、試料１７の微小高さを測
定し得ないという問題点があつた。

〔問題点を解決するための手段〕

本考案は、前記問題点を解決するため、高さを
測定しようとする試料表面の凹凸に沿つて移動す
る尖つた針状部を一端に持ち、かつ他端に平坦な
頭部を持つ針状探針１と、この針状探針１の平坦
な頭部に対向して尖つた先端を配置した針状電極
２と、この針状電極２の他端に配置し、かつこの
針状電極２の先端と、上記針状探針１の平坦な頭
部との間の距離を調整する圧電素子３とを設け、
上記針状電極２の先端から上記針状探針１の平坦
な頭部に向かつて流れるトンネル効果による電子
流を検出し、上記圧電素子３に負帰還して当該ト
ンネル効果による電子流を所定値に保持するよう
制御し、この負帰還量によつて試料の高さを検出
するようにしている。

〔作用〕

第１図において、試料７を例えば左右方向に移
動させると、針状探針１の尖つた先端がこの試料
７の凹凸に沿つて上下方向に移動し、この針状探
針１の平坦な頭部も上下方向に移動する。この針
状探針１の平坦な頭部が上下方向に移動すると、
この平坦な頭部に対向して設けた針状電極２との
間に流れるトンネル効果による電子流の値が変化
しようとするが、これが増幅器AMP₁および増幅
器AMP₂によつて圧電素子３に負帰還され、針状
探針１の平坦な頭部と、針状電極１との尖つた先
端との距離が常に所定値に保持されるように制御
される。このため、増幅器AMP₁から出力される
値がこの負帰還量となり、これが求める試料７の
表面の高さ検出信号となる。

以上のように、試料７の表面の凹凸に追従して
移動する針状探針１を設け、この針状探針１の平
坦な頭部と、別途設けた針状電極２との間に流れ
るトンネル効果による電子流を所定値に保持する
よう圧電素子３に負帰還制御することにより、試
料７が例え非導電性のものであつても、精度良好
に高さを検出することが可能となる。

〔実施例〕

次に、第１図を用いて本考案の１実施例の構成
および動作を詳細に説明する。

第１図において、針状探針１は、試料７を例え
ば左右方向に移動させた場合に、当該試料７の表
面の凹凸に追従して上下方向に移動するものであ
る。この針状探針１の先端は、極めて尖つた形状
例えば数十Åないし数百Å程度の曲率半径を持つ
ものであつて、電解研磨などによつて所望の曲率
半径のものを作成すればよい。先端の曲率半径を
小さくすればするほど、試料１７の表面の横方向
の小さな形状変化を測定することができるが、一
方機械的な強度が弱くなるので、用途に応じて適
切なものを作成する。この針状探針１の材料は、
硬い金属の線例えばタングステン線などを電解研
磨して作成すればよい。また、ホイスカーなどを
電解研磨して所望の曲率半径のものを作成しても
よい。この針状探針１は、絶縁端子５によつて支
持されたバネ６によつて試料７の表面に軽く接触
するように保持されている。これにより、針状探
針１は、試料７が例えば左右方向に移動するに追
従して当該試料７の表面の凹凸に対応して上下方
向に移動するようになる。さらに、この針状探針
１の頭部は平坦に形成され、針状探針１との間に
トンネル効果による電子流が流れるようにされて
いる。

針状電極２は、針状探針１と同様に、先端を極
めて尖らせたものである。この針状電極２は、針
状探針１の平坦な頭部との間で通常接触すること
はなく、トンネル効果による電子流が針状電極２
の尖つた先端から、針状探針１の平坦な頭部に向
かつて流れる。

圧電素子３は、針状電極２の尖つた先端と、針
状探針１の平坦な頭部との間に流れるトンネル効
果による電子流の大きさを所定値に保持するよう
に両者の間の距離を調整するものである。トンネ
ル効果による電子流は、針状電極２の尖つた先端
が、針状探針１の平坦な頭部に近づき、約10⁸
Ｖ／ｍ程度の電界になつた時、例えば数十Åの距
離に近づいた時に徐々に流れ出し、更に近づくに
従つて増大するものである。このトンネル効果に
よる電子流を用いれば、数Åの精度で高さを検出
することができる。

保持体４は、試料７を左右方向に移動させる図
示外の試料移動機構と、極めて強固に固定された
ものである。この保持体４には、圧電素子３を介
して針状電極２が固定されると共に、絶縁端子５
に固定されているバネ６を介して針状探針１が保
持されている。これにより、試料７の表面に針状
探針１の尖つた先端が軽く接触し、更にこの針状
探針１の平坦な頭部と、針状電極２の尖つた先端
との間の距離が所定値に保持され、外部からの振
動によつて外乱を受けることがないようにされて
いる。

E_vは、トンネル効果による電子流を流すため
のバイアス電圧である。

AMP₁は、トンネル効果による電子流を差動増
幅するものである。

AMP₂は、AMP₁によつて差動増幅された信号
を更に増幅して、圧電素子３に供給してこれを伸
張させ、針状電極２の先端から針状探針１の平坦
な頭部に向かつて流れるトンネル効果による電子
流の大きさを所定値に保持する（これは両者の距
離を一定に保持することを意味している）よう
に、負帰還制御するためのものである。

次に、試料７の表面の凹凸の高を測定する手順
を詳細に説明する。

第１に、試料７を図示外の試料移動機構に装着
し、この試料７の表面に図示のように、針状探針
１の先端が軽く接触するようにセツトする。

第２に、針状電極２を粗く上下方向に移動させ
る図示外の機械式のＺ移動機構を用いてこの針状
電極２の尖つた先端が、針状探針１の平坦な頭部
に可及的に近づくようにセツトする。

第３に、電圧を圧電素子３に徐々に供給して、
針状電極２の尖つた先端が、針状探針１の平坦な
頭部に近づくように制御し、トンネル効果による
所定値の電子流が流れる状態にセツトする。

第４に、試料７を徐々に左右方向に移動させる
と、試料７の表面の凹凸に追従して針状探針１が
上下方向に移動し、これに伴い針状電極２の尖つ
た先端も針状探針１の平坦な頭部との間の距離を
所定値に保持するように追従する態様で、圧電素
子３によつて負帰還制御される。この時、APM₁
によつて負帰還される電圧が高さ検出信号として
検出される。尚、２点間の高さを測定する場合、
針状電極２の尖つた先端が針状探針１の平坦な頭
部に接触して曲がつたりなどして破損することを
避けるために、保持体４を一端上方向に持ち上
げ、次の測定点で徐々に下方向に下げるようにし
てもよい。

〔考案の効果〕

以上説明したように、本考案によれば、試料表
面の凹凸に沿つて移動する針状探針を設け、この
針状探針の頭部の平坦部と、別途設けた針状電極
との間に流れるトンネル効果による電子流の大き
さを所定値に保持するよう圧電素子に負帰還制御
し、この負帰還量によつて試料表面の高さを検出
する構成を採用しているため、例えば試料が非導
電性であつても試料表面の微小高さを正確に検出
して測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の１実施例構成図、第２図は従
来の高さ測定検出器の構成図を示す。 図中、１は針状探針、２は針状電極、３は圧電
素子、４は保持体、５は絶縁端子、６はバネ、７
は試料、AMP₁，AMP₂は増幅器、E_vはバイアス
電圧を表す。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 試料表面の高さを検出して測定する高さ測定検
   出器において、 高さを測定しようとする試料表面の凹凸に沿つ
   て移動する尖つた針状部を一端に持ち、かつ他端
   に平坦な頭部を持つ針状探針１と、 この針状探針１の平坦な頭部に対向して尖つた
   先端を配置した針状電極２と、 この針状電極２の他端に配置し、かつこの針状
   電極２の先端と、上記針状探針１の平坦な頭部と
   の間の距離を調整する圧電素子３とを備え、 上記針状電極２の先端から上記針状探針１の平
   坦な頭部に向かつて流れるトンネル効果による電
   子流を検出し、上記圧電素子３に負帰還して当該
   トンネル効果による電子流を所定値に保持するよ
   う制御し、この負帰還量によつて試料の高さを検
   出するように構成したことを特徴とする高さ測定
   検出器。