JPH07120418A - 局所的光電子検出装置及び検出方法 - Google Patents

局所的光電子検出装置及び検出方法

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JPH07120418A
JPH07120418A JP5263458A JP26345893A JPH07120418A JP H07120418 A JPH07120418 A JP H07120418A JP 5263458 A JP5263458 A JP 5263458A JP 26345893 A JP26345893 A JP 26345893A JP H07120418 A JPH07120418 A JP H07120418A
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JP
Japan
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probe
sample
light
photoelectrons
current
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Application number
JP5263458A
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English (en)
Inventor
Takuma Yamamoto
琢磨 山本
Nobuyuki Nakagiri
伸行 中桐
Yoshihiko Suzuki
美彦 鈴木
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】高い空間分解能で局所的な光電子検出を行う。 【構成】試料からの光電子を受容する探針の内部、好ま
しくは中央部から試料へ光を照射する構成とし、探針自
体に試料への光の照射と試料からの光電子の捕獲という
二つの機能をもたせる構成とした。具体的には、試料か
らの光電子を受容する探針と、探針の内部から前記試料
へ光を照射する光照射手段と、探針を試料に対して相対
的に移動させる移動手段と、探針と試料との間に電圧を
印加する電圧印加手段と、探針の受容する光電子により
探針と試料との間に流れる電流を検出する電流検出手段
と、電流検出手段により検出された電流の情報を表示す
る表示手段とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光電子分析装置、特に局
所的な光電子を検出するための装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】物質表面にその物質の仕事関数よりも大
きなエネルギーを持つ光を照射すると、表面から光電子
が飛び出してくるという現象が知られている。この現象
を表面分析に利用することが知られており、例えば、Ob
servation of local Photoemission using a scanning
tunneling microscope J.K.Gimzewski 他 Ultramicro
scopy 42-44(1992)366-370に報告されている。すなわ
ち、超高真空中において光をスポットに絞って試料表面
に当て、出てくる光電子をSTM(走査型トンネル顕微
鏡)の探針により局所的に捕獲して表面の仕事関数の違
いに由来する像を得たという報告がなされている。この
報告においては、STM探針の周囲を先端部を除いて絶
縁体でコートすることにより、空間分解能を高める手法
が提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た局所的光電子分析法にあっては、期待されるほど空間
分解能が得られないという問題があった。本発明は、こ
のような問題点に鑑みてなされたもので、高い空間分解
能で局所的な光電子検出を行うことのできる検出装置を
提供することを目的としている。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的のために、本発
明では、試料からの光電子を受容する探針の内部、好ま
しくは中央部から試料へ光を照射する構成とし、探針自
体に試料への光の照射と試料からの光電子の捕獲という
二つの機能をもたせる構成としたものである。具体的に
は、本発明による局所的光電子検出装置は、試料からの
光電子を受容する探針と、探針の内部から前記試料へ光
を照射する光照射手段と、探針を試料に対して相対的に
移動させる移動手段と、探針と試料との間に電圧を印加
する電圧印加手段と、探針の受容する光電子により探針
と試料との間に流れる電流を検出する電流検出手段と、
電流検出手段により検出された電流の情報を表示する表
示手段とを有している。
【0005】また、本発明による局所的光電子検出方法
は、探針の内部から試料へ光を照射し、試料から生ずる
光電子を該探針により受容し、探針と試料との間に流れ
る電流量を検出し、電流量の情報を表示するものであ
る。
【0006】
【作用】上記の如き本発明においては、試料に照射され
る光は探針の内部、より好ましくは中央部から供給され
るため、試料に対して光を垂直に照射できる。このた
め、光電子の発生を小さい領域に限定することができ、
実質的分解能を高めることができる。そして、探針を試
料に対して所謂近接場領域にまで接近させることとし、
探針先端に光の波長よりも小さな孔を設けてこの孔を通
して試料に光を照射すると、試料にはエバネッセント光
を照射することができる。このエバネッセント光の照射
領域は探針先端の孔と同程度の大きさであり、照射され
る高の波長よりも小さくできる。したがって、試料から
の光電子を探針で検出した時、検出される光電子はエバ
ネッセント光の照射領域からのみ生じたものであり、探
針先端の孔の大きさ程度の極めて高い空間分解能を得る
ことが可能となる。
【0007】このように、試料に対して探針を所謂近接
場領域にまで接近させて光電子を検出する場合には、光
電子による電流に加えてトンネル電流も発生するが、照
射光を変調してこの変調に同期させて探針と試料間の電
流を検出することにより、光電子による電流のみを検出
することができる。このためには、光照射手段において
探針の中央部から光の波長より小さい開口を通して試料
へ変調光を照射すると共に、電流検出手段において照射
光の変調に同期して探針と試料との間に流れる交流電流
を検出する構成とすることが有効である。
【0008】
【実施例】図1は、本実施例の局所的光電子検出装置の
概略構成を示すブロック図である。前記装置は、先端の
尖ったガラス管1aにアルミニウム膜1bを付けた探針
1、試料2と探針1との間に所定の電圧Vを印加する電
圧印加手段10、探針1と試料2との間に流れる電流を
測定する電流測定手段11、探針1に対して試料2を走
査するためのアクチュエータ5を駆動制御するための第
1の駆動制御手段12、アクチュエータ5を探針1方向
に移動させる移動テーブル6を駆動制御するための第2
の駆動制御手段13、探針保持具7をXおよびY方向に
移動させる駆動制御するための第3の駆動制御手段1
4、探針1の試料2に対する位置情報と該位置において
電流測定手段11で測定された電流値とに基づいて試料
表面より飛び出してくる光電子数の情報を記憶するコン
ピュータ15、前記記憶情報を像として表示するCRT
16を有する。
【0009】第1の駆動制御手段12、第2の駆動制御
手段13および第3の駆動制御手段14は、GPIBケ
ーブルを通してコンピュータ15によって制御される。
そして、探針1の試料2に対する位置は、アクチュエー
タ5および移動テーブル6の移動量をもとにコンピュー
タ15によって算出される。また、本実施例では、アク
チュエータ5によって、探針1と試料2との間を所定の
間隔に維持した状態で試料2を探針1に対してXY方向
に走査させるが、走査させる速度および走査範囲は、コ
ンピュータ15から第1の駆動制御手段12に指令を出
し、第1の駆動制御手段12よりアクチュエータ5に送
られる走査信号(三角波)の周波数と振幅を変えること
で適宜設定できる。電流測定手段11は、電流の交流成
分と直流成分をそれぞれ測定し、2つの独立する情報と
してコンピュータ15にデータを送り出す機能を有して
いる。
【0010】探針1は、先端の尖ったガラス管1aにア
ルミニウム膜を付けた構造であるが、以下に探針1の製
作過程を説明する。 細いガラス管(外径1mm )の一部を熱し、破断するま
で両側に引っ張り、尖った先端を形成する。 この後、所定の長さ(20mm)のなるようガラス管を切
断する。
【0011】次に、尖った先端側の極先端部分にアル
ミニウムを50nmの厚さ蒸着する。 さらに、側面からの光の漏れを防ぐために、ガラス管
の側面にアルミにニウムを先端よりも厚めに(200nm )
蒸着する。 この手順により、先端に約50nm径の穴を有する探針を得
ることができる。図2は、本実施例の局所的光電子検出
装置の構成を示す概念図である。この装置は、先端の尖
ったガラス管1aとアルミニウム膜1bとからなり先端
部に微小な穴を有する探針1、探針1を保持する探針保
持具7、探針保持具7をXY方向に位置調整する駆動装
置25、基台20、探針保持具7を保持するための基台
20に形成された支持台20a、試料2、試料ホルダー
26、試料ホルダー26をXYZ方向に移動させる3次
元アクチュエータ5、アクチュエータ5が設置された移
動テーブル6、光源21と光源21からの光3を探針1
に注入するための光ファイバー22を備えている。 試
料2は、シリコン基板に金を200nm 蒸着し、さらにその
上にセシウムを0.2 μm 周期ライン/スペースのパター
ンで、50nm蒸着して作成した。試料2はアースに接続さ
れており、試料ホルダー26には接着により取り付けら
れている。
【0012】アクチュエータ5は、ピエゾ素子を用いた
チューブスキャナ型と呼ばれるもので、ピエゾ素子に適
当な電圧を印加することで試料2を探針1に対してXY
方向に走査させる。このアクチュエータ5は試料をZ方
向に変位させる際に微動機構としても機能する。さら
に、アクチュエータ5は移動テーブル6に設置され、こ
の移動テーブル6はアクチュエータ5ごと試料2をZ方
向に移動させる。移動テーブル6は、軸受23およびね
じ24を介してねじ部24aで支持されている。ねじ部
24aは、ねじ山のピッチが0.3mm に設定され、基台2
0に形成された支持部20bに設けられためねじ20c
と螺合している。図示していない駆動機構によってねじ
24を回転させると移動テーブル6はZ方向に移動す
る。この移動テーブル6は、試料2を探針1に接近させ
る際に粗動機構として機能する。
【0013】探針保持具7は、支持台20aにより基台
20に支持されている。駆動装置25は、XおよびY方
向に取り付けられており、探針1および探針保持具7を
XおよびY方向に位置調整することができる。光源21
は、633nm (He−Neレーザー)の光3を発し、この
光3を光ファイバー22を通じて探針1に注入する。ま
た、光源21は、光3にモジュレーションをかける手段
を有している。
【0014】図3は、本実験例で用いたチューブスキャ
ナ型アクチュエータの概念斜視図である。アクチュエー
タ5は、円筒上の厚電セラミックス30の外周面にX方
向走査用の厚電素子に対する電極31a,31bおよび
Y方向走査用の厚電素子に対する電極32a,32b
が、それぞれX方向同士、Y方向同士で対向するように
設けられている。厚電セラミックス30の内周面には、
各電極31a、31b、32a、32bに対する共通電
極33が設けられている。XY方向に走査するときは、
それぞれの方向の各電極間に大きさが同じで符号の異な
る電位を印加する。また、Z方向に移動させるときは、
正負どちらか一方の電圧を設定して、この電圧をX、Y
全ての外周面の各電極と共通電極33との間にそれぞれ
等しく印加することで、素子をZ方向に伸縮させる。
【0015】以下、再び図1を用いて本実施例の局所的
光電子検出法について説明する。まず、光3を試料2に
照射しない状態で、電流測定手段11により探針1と試
料2との間に流れる電流(直流)を測定しながら、コン
ピュータ15によって第2の駆動制御手段13を制御し
て移動テーブル6を探針1に向けて移動させる。この
時、探針1には電圧印加手段10により試料2に対して
+5Vのバイアス電圧を印加しておく。電流測定手段1
1によって探針1と試料2との間に電流(電界放射)が
検出されたら移動テーブル6を停止させる。
【0016】その後、探針1の電位を試料2に対して+
1.0Vに設定し、第1の駆動制御手段12を介してア
クチュエータ5を駆動して試料2を探針1に接近させ、
トンネル電流が検出されたら試料2を停止させる。以上
の操作により、探針1と試料2との距離が設定される
が、トンネル電流は探針1の先端部において最も突きだ
した突起部と試料との間で流れるため、探針1先端の穴
と試料との距離は数ナノメートル程度になっている。
【0017】探針1と試料2の距離が設定されたら、光
3を探針1に注入する。ここで、光3には10kHz でモジ
ュレーションをかけておく。これは、電流測定手段11
において、トンネル電流による電流(直流)と光電子に
よる電流(交流10kHz )とに分離して、光電子による電
流値を測定するためである。この後、コンピュータ15
により走査領域を設定し、アクチュエータ5で試料2を
XY方向に移動させることにより、探針1に対して試料
2を走査をさせる。
【0018】なお、探針1をXY方向に走査する際は、
電流測定手段11で測定される電流のトンネル電流(直
流)成分が一定値になるように、アクチュエータ5のZ
方向の変位をフィードバック制御する。さらに走査中
は、電流測定手段11によって探針1と試料2との間に
光電子4により流れる電流(交流)を測定する。コンピ
ュータ15は、試料2上での探針1の位置(XY平面で
の位置)と、この位置での電流測定手段11による測定
結果とを対応させて、試料2より発生した光電子4の数
のデータを取り込む。このデータはCRT16に送ら
れ、試料像として画面上に表示される。
【0019】以上の過程により試料2の分析を行ったと
ころ、高空間分解能の試料像が得られた。これは、試料
2上に光3が照射される領域が光の波長以下に狭められ
た為である。なお、上記の実施例は全て超高真空中にお
いて行った。また上記の実施例においては、探針1に対
してアクチュエータ5により試料2を移動する構成とし
たが、これとは逆に探針1をアクチュエータで動かすこ
ともできる。これにより、試料2を固定させることがで
き、大きな試料の測定も可能になる。
【0020】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、光の波長
以下の大きさの穴を通して試料上に光を照射するため、
この領域のみから光電子が発生する。よって、穴の大き
さを小さくすることにより、高空間分解能の像を得るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】は、実施例の局所的光電子検出装置の構成を示
すブロック図である。
【図2】は、実施例の局所的光電子検出装置の構成を示
す概略図である。
【図3】は、実施例の局所的光電子検出装置で用いたア
クチュエータを示す概略斜視図である。
【符号の説明】
1・・・探針 1a・・先端の尖ったガラス管 1b・・アルミニウム膜 2・・・試料 3・・・光 4・・・光電子 5・・・アクチュエータ 6・・・移動テーブル 7・・・探針保持具 10・・・電圧印加手段 11・・・電流測定手段 12・・・第1の駆動制御手段 13・・・第2の駆動制御手段 14・・・第3の駆動制御手段 15・・・コンピュータ 16・・・CRT 21・・・光源 22・・・光ファイバー 25・・・駆動装置 26・・・試料ホルダー 30・・・厚電セラミックス

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料からの光電子を受容する探針と、該探
    針の内部から前記試料へ光を照射する光照射手段と、前
    記探針を試料に対して相対的に移動させる移動手段と、
    前記探針と前記試料との間に電圧を印加する電圧印加手
    段と、前記探針の受容する光電子により該探針と前記試
    料との間に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記
    電流検出手段により検出された電流の情報を表示する表
    示手段とを有することを特徴とする局所的光電子検出装
    置。
  2. 【請求項2】試料からの光電子を受容する探針と、該探
    針の内部から光の波長より小さい開口を通して前記試料
    へ変調光を照射する光照射手段と、前記探針を試料に対
    して相対的に移動させる移動手段と、前記探針と前記試
    料との間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記探針の
    受容する光電子により該探針と前記試料との間に流れる
    交流電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段
    により検出された電流の情報を表示する表示手段とを有
    することを特徴とする局所的光電子検出装置。
  3. 【請求項3】探針の内部から試料へ光を照射し、該試料
    から生ずる光電子を該探針により受容し、該探針と試料
    との間に流れる電流量を検出し、該電流量の情報を表示
    することを特徴とする局所的光電子検出方法。
JP5263458A 1993-10-21 1993-10-21 局所的光電子検出装置及び検出方法 Pending JPH07120418A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010243377A (ja) * 2009-04-08 2010-10-28 Mitsubishi Electric Corp 走査型プローブ光電子収量分光顕微法および走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010243377A (ja) * 2009-04-08 2010-10-28 Mitsubishi Electric Corp 走査型プローブ光電子収量分光顕微法および走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡

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