JPH0712824A - 電位分布測定機能を備える走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents
電位分布測定機能を備える走査型トンネル顕微鏡Info
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- JPH0712824A JPH0712824A JP15540293A JP15540293A JPH0712824A JP H0712824 A JPH0712824 A JP H0712824A JP 15540293 A JP15540293 A JP 15540293A JP 15540293 A JP15540293 A JP 15540293A JP H0712824 A JPH0712824 A JP H0712824A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 走査型トンネル顕微鏡を利用して、試料表面
の微小領域における形状および電位分布を同時に精度良
く、またＳ／Ｎ比良く測定する。 【構成】 探針と、該探針を試料表面に沿って移動させ
る移動手段と、前記探針と試料との間に第１交流電圧を
印加して前記探針と試料表面との間に流れるトンネル電
流を検出し、該電流を一定に保持するように前記探針と
試料表面との間の距離を帰還制御する制御手段を有する
走査型トンネル顕微鏡にあって、前記第１交流電圧と異
なる周波数の第２交流電圧を試料の両電極間に印加する
電圧印加手段と、前記トンネル電流のうち第２交流電圧
に同期した成分の振幅を求める検出手段と、その振幅の
大きさを記録表示する手段を有する。
の微小領域における形状および電位分布を同時に精度良
く、またＳ／Ｎ比良く測定する。 【構成】 探針と、該探針を試料表面に沿って移動させ
る移動手段と、前記探針と試料との間に第１交流電圧を
印加して前記探針と試料表面との間に流れるトンネル電
流を検出し、該電流を一定に保持するように前記探針と
試料表面との間の距離を帰還制御する制御手段を有する
走査型トンネル顕微鏡にあって、前記第１交流電圧と異
なる周波数の第２交流電圧を試料の両電極間に印加する
電圧印加手段と、前記トンネル電流のうち第２交流電圧
に同期した成分の振幅を求める検出手段と、その振幅の
大きさを記録表示する手段を有する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、試料表面数μｍ以下の
領域の凹凸および電位分布を同時に測定する走査型トン
ネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope: STM）に
関するものである。
領域の凹凸および電位分布を同時に測定する走査型トン
ネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope: STM）に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、電
子のトンネル現象を利用して、微細構造素子表面の形状
をオングストロームオーダーの分解能で測定できる顕微
鏡である。ＳＴＭは先端の尖った探針と試料との間にバ
イアス電圧を印加し、探針と試料間に流れるトンネル電
流を一定に保ちながら探針を走査し、探針の位置から試
料の凹凸を反映するＳＴＭ像を得ることができる。
子のトンネル現象を利用して、微細構造素子表面の形状
をオングストロームオーダーの分解能で測定できる顕微
鏡である。ＳＴＭは先端の尖った探針と試料との間にバ
イアス電圧を印加し、探針と試料間に流れるトンネル電
流を一定に保ちながら探針を走査し、探針の位置から試
料の凹凸を反映するＳＴＭ像を得ることができる。
【０００３】しかしトンネル電流は試料と探針間の距離
と電位差に依存するため、通常のＳＴＭ像は試料表面の
形状だけでなく、電位分布情報をも含んでいる。そこで
トンネル電流から試料表面の電位情報を分離・表示する
方法を走査型トンネル電位測定法（Scanning Tunneling
Potentiometry: STP)という。
と電位差に依存するため、通常のＳＴＭ像は試料表面の
形状だけでなく、電位分布情報をも含んでいる。そこで
トンネル電流から試料表面の電位情報を分離・表示する
方法を走査型トンネル電位測定法（Scanning Tunneling
Potentiometry: STP)という。
【０００４】ＳＴＭを応用して素子内部の電位分布を測
定するＳＴＰは、ＩＢＭのP.Muralt等により提案されて
いる。(IBM Journal of Reseach and Developement, pp
443-450, vol.30, No.5, 1986)この方法では試料と探針
の間に交流電圧を印加し、測定試料の面内に直流電位に
よる電位勾配をかけている。トンネル電流のうち交流成
分を用いて探針と試料との距離を一定に保ち、トンネル
電流の直流成分が０になるように電位測定用の信号を試
料の電極に印加し、この信号電圧を測定することによっ
て素子内部の電位を決めている。
定するＳＴＰは、ＩＢＭのP.Muralt等により提案されて
いる。(IBM Journal of Reseach and Developement, pp
443-450, vol.30, No.5, 1986)この方法では試料と探針
の間に交流電圧を印加し、測定試料の面内に直流電位に
よる電位勾配をかけている。トンネル電流のうち交流成
分を用いて探針と試料との距離を一定に保ち、トンネル
電流の直流成分が０になるように電位測定用の信号を試
料の電極に印加し、この信号電圧を測定することによっ
て素子内部の電位を決めている。
【０００５】また試料に電流を流さない状態と電流を流
した状態の２状態での電位測定をそれぞれ行い、その差
分から電位分布を決定する方法も提案されている。
した状態の２状態での電位測定をそれぞれ行い、その差
分から電位分布を決定する方法も提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ＳＴＰは試料表面の電
位分布を測定し、測定した電位分布から試料表面におけ
る局所的な電位勾配を計算することができる。この電位
勾配は試料の局所的な電荷の易動度を反映している。
位分布を測定し、測定した電位分布から試料表面におけ
る局所的な電位勾配を計算することができる。この電位
勾配は試料の局所的な電荷の易動度を反映している。
【０００７】しかし微小領域（μｍ以下）における電位
変化は非常に小さいため、直流電圧により電位分布を測
定するとＳ／Ｎが悪い。さらに、P.Muralt等の方法では
複雑なフィードバック回路が必要になる。
変化は非常に小さいため、直流電圧により電位分布を測
定するとＳ／Ｎが悪い。さらに、P.Muralt等の方法では
複雑なフィードバック回路が必要になる。
【０００８】また試料に電流を流さない状態と電流を流
した状態の２状態での差分から電位分布を決定する方法
の場合、大気中の測定では、熱ドリフト等により測定位
置が変化することによって生ずる測定誤差を取り除くこ
とが不可能であった。
した状態の２状態での差分から電位分布を決定する方法
の場合、大気中の測定では、熱ドリフト等により測定位
置が変化することによって生ずる測定誤差を取り除くこ
とが不可能であった。
【０００９】そこでこの発明は従来の問題を解決し、試
料表面数μｍ以下の領域の凹凸および電位分布を、単純
な回路で精度、およびＳ／Ｎ比良く測定できる走査型ト
ンネル顕微鏡を提供することを目的とする。
料表面数μｍ以下の領域の凹凸および電位分布を、単純
な回路で精度、およびＳ／Ｎ比良く測定できる走査型ト
ンネル顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の走査型トンネル
顕微鏡は、試料と探針との間のトンネル電流を検出する
走査型トンネル顕微鏡において、所定の周期で変化する
所定波形の交流電圧１を前記試料と前記探針との間に印
加する電圧印加手段と、前記トンネル電流のうち前記交
流電圧１に同期した成分の振幅を求める検出手段と、前
記振幅に応じて前記試料と前記探針との間の距離を制御
する手段を有する。同時に、前記交流電圧１と異なった
周波数の所定波形の交流電圧２を試料の両電極間に印加
する電圧印加手段と、前記トンネル電流のうち前記交流
電圧２に同期した成分の振幅を求める検出手段と、その
振幅の大きさを測定・記録する手段を有する。
顕微鏡は、試料と探針との間のトンネル電流を検出する
走査型トンネル顕微鏡において、所定の周期で変化する
所定波形の交流電圧１を前記試料と前記探針との間に印
加する電圧印加手段と、前記トンネル電流のうち前記交
流電圧１に同期した成分の振幅を求める検出手段と、前
記振幅に応じて前記試料と前記探針との間の距離を制御
する手段を有する。同時に、前記交流電圧１と異なった
周波数の所定波形の交流電圧２を試料の両電極間に印加
する電圧印加手段と、前記トンネル電流のうち前記交流
電圧２に同期した成分の振幅を求める検出手段と、その
振幅の大きさを測定・記録する手段を有する。
【００１１】
【作用】試料表面の正確な凹凸像を得るためには、試料
面内の電位分布に影響されずに凹凸に起因するトンネル
電流の変化のみを検出し、さらに探針先端が試料表面に
ぶつからないように探針を走査しなければならない。本
発明の走査型トンネル顕微鏡では、所定の周期で変化す
る交流電圧１をバイアス電圧とし、トンネル電流のうち
この交流電圧１に同期した成分の振幅を求めるものであ
る。トンネル電流のうち交流電圧１と同期する成分は、
探針と試料表面の距離に強く依存し、その他の電位やノ
イズを含まないので、本発明の走査型トンネル顕微鏡で
は、探針が試料とぶつかることなく、試料表面の凹凸像
を正確に得ることができる。
面内の電位分布に影響されずに凹凸に起因するトンネル
電流の変化のみを検出し、さらに探針先端が試料表面に
ぶつからないように探針を走査しなければならない。本
発明の走査型トンネル顕微鏡では、所定の周期で変化す
る交流電圧１をバイアス電圧とし、トンネル電流のうち
この交流電圧１に同期した成分の振幅を求めるものであ
る。トンネル電流のうち交流電圧１と同期する成分は、
探針と試料表面の距離に強く依存し、その他の電位やノ
イズを含まないので、本発明の走査型トンネル顕微鏡で
は、探針が試料とぶつかることなく、試料表面の凹凸像
を正確に得ることができる。
【００１２】さらに本発明の走査型トンネル顕微鏡で
は、上記操作と同時に、交流電圧１と異なる周波数の所
定波形の交流電圧２を試料の電極間に印加し、トンネル
電流のうちこの交流電圧２に同期した成分の振幅を求め
ている。トンネル電流のうち交流電圧２と同期する成分
は、試料表面の電位に依存し、その他の電気的信号やノ
イズを含まないので、本発明の走査型トンネル顕微鏡で
は、試料表面の電位分布を精度良く、試料表面の凹凸像
と同時に得ることができる。
は、上記操作と同時に、交流電圧１と異なる周波数の所
定波形の交流電圧２を試料の電極間に印加し、トンネル
電流のうちこの交流電圧２に同期した成分の振幅を求め
ている。トンネル電流のうち交流電圧２と同期する成分
は、試料表面の電位に依存し、その他の電気的信号やノ
イズを含まないので、本発明の走査型トンネル顕微鏡で
は、試料表面の電位分布を精度良く、試料表面の凹凸像
と同時に得ることができる。
【００１３】検出手段としては、交流電圧に同期した成
分を抽出できるものであればどのようなものも使用でき
るが、例えば、検出されたトンネル電流値を電圧信号に
変換し、この電圧信号と交流電圧信号との積信号を乗算
器で求め、積信号のうち一定周波数以下の成分を出力す
るものが良好に使用できる。
分を抽出できるものであればどのようなものも使用でき
るが、例えば、検出されたトンネル電流値を電圧信号に
変換し、この電圧信号と交流電圧信号との積信号を乗算
器で求め、積信号のうち一定周波数以下の成分を出力す
るものが良好に使用できる。
【００１４】
【実施例】次に本発明の実施例について、図面を参照し
て説明する。図１は本発明の実施例の走査型トンネル顕
微鏡の構成を示すブロック図である。試料１は導電性の
カーボンと絶縁物のバインダーが混じったカーボン抵抗
体である。また探針７にはＰｔ−Ｉｒの電界研磨針を用
いている。測定用の試料１に対向して、先端の尖った探
針７が配置されている。試料１の表面と探針７先端と
は、トンネル電流が流れる程度に接近している。
て説明する。図１は本発明の実施例の走査型トンネル顕
微鏡の構成を示すブロック図である。試料１は導電性の
カーボンと絶縁物のバインダーが混じったカーボン抵抗
体である。また探針７にはＰｔ−Ｉｒの電界研磨針を用
いている。測定用の試料１に対向して、先端の尖った探
針７が配置されている。試料１の表面と探針７先端と
は、トンネル電流が流れる程度に接近している。
【００１５】探針７は探針駆動用圧電素子１５に保持さ
れている。圧電素子１５は、例えば円筒型圧電アクチュ
エータであり、探針７をｘ，ｙ，ｚの３方向に任意に移
動させることができるものである。ここでは、ｘ，ｙ方
向を試料１の表面の面内方向とし、ｚ方向を試料１の表
面に垂直な方向とする。圧電素子１５は、後述する帰還
回路１３の出力によって駆動され、探針７をｘ，ｙ，ｚ
の各方向に変位させるようになっている。
れている。圧電素子１５は、例えば円筒型圧電アクチュ
エータであり、探針７をｘ，ｙ，ｚの３方向に任意に移
動させることができるものである。ここでは、ｘ，ｙ方
向を試料１の表面の面内方向とし、ｚ方向を試料１の表
面に垂直な方向とする。圧電素子１５は、後述する帰還
回路１３の出力によって駆動され、探針７をｘ，ｙ，ｚ
の各方向に変位させるようになっている。
【００１６】試料１には第１電極２と第２電極３が設け
られている。また正弦波Ｖ1 （ｔ）＝ＶT ｓｉｎω1 ｔ
を発生する発振器５が設けられている。この発振器５の
一端は試料１の第１電極２に接続され、他方は接地され
ている。さらにこの発振器５からは、試料１に印加され
る正弦波と同一周期の矩形波が参照信号１として乗算器
１０に出力されている。
られている。また正弦波Ｖ1 （ｔ）＝ＶT ｓｉｎω1 ｔ
を発生する発振器５が設けられている。この発振器５の
一端は試料１の第１電極２に接続され、他方は接地され
ている。さらにこの発振器５からは、試料１に印加され
る正弦波と同一周期の矩形波が参照信号１として乗算器
１０に出力されている。
【００１７】一方発振器５の周波数と異なる周波数の正
弦波Ｖ2 （ｔ）＝ＶP ｓｉｎω2 ｔを発生する発振器６
が設けられている。この発振器６の一端は加算回路４に
接続され、他方は接地されている。加算回路４では発振
器５からの正弦波と発振器６から正弦波を加算し、試料
１の第２電極３に出力している。さらにこの発振器６か
らは、加算器４に印加される正弦波と同一周期の矩形波
が参照信号２として乗算器１７に出力されている。
弦波Ｖ2 （ｔ）＝ＶP ｓｉｎω2 ｔを発生する発振器６
が設けられている。この発振器６の一端は加算回路４に
接続され、他方は接地されている。加算回路４では発振
器５からの正弦波と発振器６から正弦波を加算し、試料
１の第２電極３に出力している。さらにこの発振器６か
らは、加算器４に印加される正弦波と同一周期の矩形波
が参照信号２として乗算器１７に出力されている。
【００１８】探針７には探針７から試料１に流れるトン
ネル電流を検出して電圧信号に変換する電流電圧変換回
路８が接続され、電流電圧変換回路８の出力は増幅回路
９を介して乗算器１０の一方の入力端子に接続されてい
る。乗算器１０の他方の入力端子には発振器５からの参
照信号１が供給されている。
ネル電流を検出して電圧信号に変換する電流電圧変換回
路８が接続され、電流電圧変換回路８の出力は増幅回路
９を介して乗算器１０の一方の入力端子に接続されてい
る。乗算器１０の他方の入力端子には発振器５からの参
照信号１が供給されている。
【００１９】乗算器１０の出力側には低域通過フィルタ
ー１１が設けられている。低域通過フィルター１１の遮
断周波数は、発信器５の発生する正弦波の周波数よりも
十分に小さい値とされている。低域通過フィルター１１
の出力は増幅回路１２を介して帰還回路１３に入力す
る。帰還回路１３は探針７をｘ，ｙ，ｚ軸の各方向に駆
動するために、ｘ，ｙ，ｚ軸の各駆動信号を出力する。
この場合は、帰還回路１３は増幅回路１２の出力に応じ
てｚ軸駆動用信号を出力するようになっている。各駆動
用信号は、圧電素子１５に入力するとともに、記録・表
示装置１４に供給され、記録・表示装置１４により試料
表面の凹凸を３次元的に表示、観察することができる。
ー１１が設けられている。低域通過フィルター１１の遮
断周波数は、発信器５の発生する正弦波の周波数よりも
十分に小さい値とされている。低域通過フィルター１１
の出力は増幅回路１２を介して帰還回路１３に入力す
る。帰還回路１３は探針７をｘ，ｙ，ｚ軸の各方向に駆
動するために、ｘ，ｙ，ｚ軸の各駆動信号を出力する。
この場合は、帰還回路１３は増幅回路１２の出力に応じ
てｚ軸駆動用信号を出力するようになっている。各駆動
用信号は、圧電素子１５に入力するとともに、記録・表
示装置１４に供給され、記録・表示装置１４により試料
表面の凹凸を３次元的に表示、観察することができる。
【００２０】さらに電流電圧変換回路８の出力は増幅回
路１６を介して乗算器１７の一方の入力端子にも接続さ
れている。乗算器１７の他方の入力端子には発振器６か
ら参照信号２が供給されている。
路１６を介して乗算器１７の一方の入力端子にも接続さ
れている。乗算器１７の他方の入力端子には発振器６か
ら参照信号２が供給されている。
【００２１】乗算器１７の出力側には、低域通過フィル
ター１８が設けられている。低域通過フィルター１８の
遮断周波数は、発振器６の発生する正弦波の周波数より
も十分に小さい値とされている。低域通過フィルター１
８の出力は増幅回路１９を介して電圧測定回路２０に入
力する。電圧測定回路２０で測定された電圧と、帰還回
路１３から出力されるｘ，ｙ軸駆動用信号は記録・表示
装置２１に供給され、記録・表示装置２１により試料表
面の電位分布を３次元的に表示、観察することができ
る。
ター１８が設けられている。低域通過フィルター１８の
遮断周波数は、発振器６の発生する正弦波の周波数より
も十分に小さい値とされている。低域通過フィルター１
８の出力は増幅回路１９を介して電圧測定回路２０に入
力する。電圧測定回路２０で測定された電圧と、帰還回
路１３から出力されるｘ，ｙ軸駆動用信号は記録・表示
装置２１に供給され、記録・表示装置２１により試料表
面の電位分布を３次元的に表示、観察することができ
る。
【００２２】次に、この走査型トンネル顕微鏡の動作原
理について、図２を用いて説明する。発振器５は、図２
（ａ）に示すように、正弦波の交流電圧Ｖ1 （ｔ）を出
力し、発振器６は図２（ｄ）で示される正弦波の交流電
圧Ｖ2 （ｔ）を出力する。交流電圧Ｖ1 （ｔ）はバイア
ス電圧として第１電極２を介して試料１と探針７の間に
印加される。第２電極３へは交流電圧Ｖ1 （ｔ）＋Ｖ2
（ｔ）が印加される。このような交流電圧が印加される
ことにより、探針７と試料１との間に図２（ｂ）に示す
ようなトンネル電流Ｉt （ｔ）が流れる。トンネル電流
Ｉt （ｔ）は電圧Ｖ1 （ｔ）によるトンネル電流Ｉ1
（ｔ）成分とＶ2 （ｔ）によるトンネル電流Ｉ2 （ｔ）
成分から成り立つ［Ｉt （ｔ）＝Ｉ1 （ｔ）＋Ｉ2
（ｔ）］。
理について、図２を用いて説明する。発振器５は、図２
（ａ）に示すように、正弦波の交流電圧Ｖ1 （ｔ）を出
力し、発振器６は図２（ｄ）で示される正弦波の交流電
圧Ｖ2 （ｔ）を出力する。交流電圧Ｖ1 （ｔ）はバイア
ス電圧として第１電極２を介して試料１と探針７の間に
印加される。第２電極３へは交流電圧Ｖ1 （ｔ）＋Ｖ2
（ｔ）が印加される。このような交流電圧が印加される
ことにより、探針７と試料１との間に図２（ｂ）に示す
ようなトンネル電流Ｉt （ｔ）が流れる。トンネル電流
Ｉt （ｔ）は電圧Ｖ1 （ｔ）によるトンネル電流Ｉ1
（ｔ）成分とＶ2 （ｔ）によるトンネル電流Ｉ2 （ｔ）
成分から成り立つ［Ｉt （ｔ）＝Ｉ1 （ｔ）＋Ｉ2
（ｔ）］。
【００２３】ところで実際にトンネル電流の検出を行う
場合、トンネル電流自体が微小なので、ノイズの重畳を
避けることができない。ここで図２（ｃ）に示すような
ノイズ成分Ｉn （ｔ）がトンネル電流Ｉt （ｔ）に重畳
するものとする。その結果、電流電圧変換回路８や増幅
回路９，１６を経て、トンネル電流とノイズとの和Ｉ t
（ｔ）＋Ｉn(t)に比例した電圧が乗算器１０，１７の一
方の端子に入力されることになる。
場合、トンネル電流自体が微小なので、ノイズの重畳を
避けることができない。ここで図２（ｃ）に示すような
ノイズ成分Ｉn （ｔ）がトンネル電流Ｉt （ｔ）に重畳
するものとする。その結果、電流電圧変換回路８や増幅
回路９，１６を経て、トンネル電流とノイズとの和Ｉ t
（ｔ）＋Ｉn(t)に比例した電圧が乗算器１０，１７の一
方の端子に入力されることになる。
【００２４】ｋを比例定数とすると、乗算器１０では参
照信号１のＶ1 （ｔ）とトンネル電流とノイズとの和ｋ
（Ｉt （ｔ）＋Ｉn （ｔ））との積を出力する。参照信
号１が単一周波数の矩形波信号であることから、乗算器
１０の出力は、トンネル電流とノイズとの和信号の各成
分周波数と参照信号の周波数との和および差に相当する
周波数成分を有する信号となる。
照信号１のＶ1 （ｔ）とトンネル電流とノイズとの和ｋ
（Ｉt （ｔ）＋Ｉn （ｔ））との積を出力する。参照信
号１が単一周波数の矩形波信号であることから、乗算器
１０の出力は、トンネル電流とノイズとの和信号の各成
分周波数と参照信号の周波数との和および差に相当する
周波数成分を有する信号となる。
【００２５】従って、和信号のうち参照信号１に同期す
る成分は直流に変換され、他の周波数成分は交流に変換
されることになる。乗算器１０の出力側には、十分に低
い遮断周波数の低域通過フィルタ１１が設けられている
ため、乗算器１０の出力のうち、直流成分のみが抽出さ
れることになる。この直流成分は、前記和信号のうち発
振器５の参照信号１に同期する成分であり、この同期す
る成分は、探針７と試料１を流れるトンネル電流Ｉt
（ｔ）のうちＩ1 （ｔ）に対応する成分にほかならない
から、低域通過フィルタ１１の出力は、図２（ｅ）に示
すような、トンネル電流Ｉ1 （ｔ）の振幅のみを表わし
ていることになる。
る成分は直流に変換され、他の周波数成分は交流に変換
されることになる。乗算器１０の出力側には、十分に低
い遮断周波数の低域通過フィルタ１１が設けられている
ため、乗算器１０の出力のうち、直流成分のみが抽出さ
れることになる。この直流成分は、前記和信号のうち発
振器５の参照信号１に同期する成分であり、この同期す
る成分は、探針７と試料１を流れるトンネル電流Ｉt
（ｔ）のうちＩ1 （ｔ）に対応する成分にほかならない
から、低域通過フィルタ１１の出力は、図２（ｅ）に示
すような、トンネル電流Ｉ1 （ｔ）の振幅のみを表わし
ていることになる。
【００２６】低域通過フィルタ１１の出力は増幅回路１
２を介して帰還回路１３に入力し、探針７と試料１の表
面との間隔を一定（すなわちトンネル電流の振幅を一
定）に保つために使用される。これにより帰還回路１３
の出力するｚ軸駆動用信号の値は、試料１の表面の凹凸
を正確に反映していることになる。ｚ軸駆動用信号は記
録・表示回路１４に記録される。
２を介して帰還回路１３に入力し、探針７と試料１の表
面との間隔を一定（すなわちトンネル電流の振幅を一
定）に保つために使用される。これにより帰還回路１３
の出力するｚ軸駆動用信号の値は、試料１の表面の凹凸
を正確に反映していることになる。ｚ軸駆動用信号は記
録・表示回路１４に記録される。
【００２７】一方乗算器１７では、ｋを比例定数とする
と、参照信号２のＶ2 （ｔ）とトンネル電流とノイズと
の和ｋ（Ｉt （ｔ）＋Ｉn （ｔ））との積を出力する。
と、参照信号２のＶ2 （ｔ）とトンネル電流とノイズと
の和ｋ（Ｉt （ｔ）＋Ｉn （ｔ））との積を出力する。
【００２８】従って、乗算器１０の場合と同様に、和信
号のうち発振器６の参照信号２に同期する成分は直流に
変換され、他の周波数成分は交流に変換されることにな
る。乗算器１７の出力側には、十分に低い遮断周波数の
低域通過フィルタ１８が設けられているため、乗算器１
７の出力のうち、直流成分のみが抽出されることにな
る。この直流成分は、前記和信号のうち発振器６の参照
信号２に同期する成分であり、この同期する成分は、探
針７と試料１を流れるトンネル電流Ｉt （ｔ）のうちＩ
2 （ｔ）に対応する成分にほかならないから、低域通過
フィルタ１８の出力は図２（ｆ）に示すような、トンネ
ル電流Ｉ2 （ｔ）の振幅のみを表わしていることにな
る。
号のうち発振器６の参照信号２に同期する成分は直流に
変換され、他の周波数成分は交流に変換されることにな
る。乗算器１７の出力側には、十分に低い遮断周波数の
低域通過フィルタ１８が設けられているため、乗算器１
７の出力のうち、直流成分のみが抽出されることにな
る。この直流成分は、前記和信号のうち発振器６の参照
信号２に同期する成分であり、この同期する成分は、探
針７と試料１を流れるトンネル電流Ｉt （ｔ）のうちＩ
2 （ｔ）に対応する成分にほかならないから、低域通過
フィルタ１８の出力は図２（ｆ）に示すような、トンネ
ル電流Ｉ2 （ｔ）の振幅のみを表わしていることにな
る。
【００２９】低域通過フィルタ１８の出力は増幅回路１
９を介して電圧測定回路２０に入力し、測定された電圧
値は帰還回路１３から出力されるｘ，ｙ軸駆動用信号と
ともに記録・表示回路２１に記録される。従って、トン
ネル電流Ｉ2 （ｔ）の振幅（電位に比例している）を探
針の存在する位置とともに記録することによって、試料
表面の電位分布図を得ることができる。
９を介して電圧測定回路２０に入力し、測定された電圧
値は帰還回路１３から出力されるｘ，ｙ軸駆動用信号と
ともに記録・表示回路２１に記録される。従って、トン
ネル電流Ｉ2 （ｔ）の振幅（電位に比例している）を探
針の存在する位置とともに記録することによって、試料
表面の電位分布図を得ることができる。
【００３０】この方法により、大気中でカーボン抵抗体
表面の凹凸と電位分布を同時に測定することができ、そ
の結果、カーボンだけの部分とバインダーとカーボンが
混じっている部分の２つが存在することがわかった。
表面の凹凸と電位分布を同時に測定することができ、そ
の結果、カーボンだけの部分とバインダーとカーボンが
混じっている部分の２つが存在することがわかった。
【００３１】この方法では電位分布の測定に交流を使用
しているため、直流を使用した場合よりも、微小電位分
布および電位の微小変化を測定することができ、より精
度の良い電位分布図を得ることができる。さらに大気中
で測定を行っても、形状と電位分布を同時に測定してい
るため、熱ドリフト等により測定位置に誤差を生じるこ
とはない。
しているため、直流を使用した場合よりも、微小電位分
布および電位の微小変化を測定することができ、より精
度の良い電位分布図を得ることができる。さらに大気中
で測定を行っても、形状と電位分布を同時に測定してい
るため、熱ドリフト等により測定位置に誤差を生じるこ
とはない。
【００３２】次に本発明の適用例として、金蒸着薄膜の
測定結果について述べる。
測定結果について述べる。
【００３３】本適用例で用いた試料の形態を図３に示
す。２２と２３は石英ガラス基板２４の上に蒸着によっ
て作られた、厚さ１５００オングストロームの金電極
で、両電極の間隔は４０μｍである。さらに、この電極
間には厚さ１００オングストロームの金薄膜２５が蒸着
されている。この試料に、金電極２２と２３を通して電
流を流すと、金薄膜２５が電極に沿って幅１μｍ程度に
わたって局所的に破壊され、金の不連続薄膜２６が形成
される。このような方法によって作られた試料は、非オ
ーム性の電気特性を示すほか、電子放出や発光現象を示
すことが知られている（例えば、オーム社「薄膜ハンド
ブック」ｐｐ．４６３）。
す。２２と２３は石英ガラス基板２４の上に蒸着によっ
て作られた、厚さ１５００オングストロームの金電極
で、両電極の間隔は４０μｍである。さらに、この電極
間には厚さ１００オングストロームの金薄膜２５が蒸着
されている。この試料に、金電極２２と２３を通して電
流を流すと、金薄膜２５が電極に沿って幅１μｍ程度に
わたって局所的に破壊され、金の不連続薄膜２６が形成
される。このような方法によって作られた試料は、非オ
ーム性の電気特性を示すほか、電子放出や発光現象を示
すことが知られている（例えば、オーム社「薄膜ハンド
ブック」ｐｐ．４６３）。
【００３４】この局所的に破壊されてできた不連続薄膜
２６は部分的に石英ガラス基板２４が露出しており、他
の部分より電気伝導性が極端に悪く、探針に流れるトン
ネル電流が大変小さいことから、通常の走査型トンネル
顕微鏡法ではこの部分の表面形状を測定することは非常
に困難である。また同様に、これまで用いられていた電
位分布測定方法では、この部分の電位分布をＳ／Ｎ比良
く測定することも困難であった。
２６は部分的に石英ガラス基板２４が露出しており、他
の部分より電気伝導性が極端に悪く、探針に流れるトン
ネル電流が大変小さいことから、通常の走査型トンネル
顕微鏡法ではこの部分の表面形状を測定することは非常
に困難である。また同様に、これまで用いられていた電
位分布測定方法では、この部分の電位分布をＳ／Ｎ比良
く測定することも困難であった。
【００３５】しかしながら、本発明の走査型トンネル顕
微鏡を用いることによって、電位分布が精度良く測定す
ることができた。測定断面図から、表面電位が金薄膜２
５が局所的に破壊されてできた不連続薄膜２６の部分で
急峻に変化している様子まで見て取れた。
微鏡を用いることによって、電位分布が精度良く測定す
ることができた。測定断面図から、表面電位が金薄膜２
５が局所的に破壊されてできた不連続薄膜２６の部分で
急峻に変化している様子まで見て取れた。
【００３６】さらに、本発明の走査型トンネル顕微鏡法
を半導体試料に対して適用した例について述べる。
を半導体試料に対して適用した例について述べる。
【００３７】本適用例で用いた試料は、砒素をドープし
たｎ型シリコン上にアルミニウムを蒸着して作った、金
属−半導体界面である。この金属とｎ型半導体の界面で
は一般に、荷電粒子の移動が起こり、ショットキー障壁
と呼ばれるエネルギー障壁が生じ、整流効果がみられる
ことが知られている。この界面に対して、順方向に電圧
を印加したとき、界面付近での電位分布は、このエネル
ギー障壁の影響で一様ではなくなる。
たｎ型シリコン上にアルミニウムを蒸着して作った、金
属−半導体界面である。この金属とｎ型半導体の界面で
は一般に、荷電粒子の移動が起こり、ショットキー障壁
と呼ばれるエネルギー障壁が生じ、整流効果がみられる
ことが知られている。この界面に対して、順方向に電圧
を印加したとき、界面付近での電位分布は、このエネル
ギー障壁の影響で一様ではなくなる。
【００３８】そこで、試料の断面部の表面形状と電位分
布を、本発明の走査型トンネル顕微鏡で同時測定したと
ころ、金属−半導体界面より半導体側でなだらかに電圧
降下を生じている様子を観察することができた。
布を、本発明の走査型トンネル顕微鏡で同時測定したと
ころ、金属−半導体界面より半導体側でなだらかに電圧
降下を生じている様子を観察することができた。
【００３９】このような半導体試料の場合、探針と試料
の間のトンネル電流が非オーム性を示す電圧領域では定
量評価に注意が必要となるものの、本発明の走査型トン
ネル顕微鏡が、金属試料のみならず半導体試料にも適用
可能であることがわかる。
の間のトンネル電流が非オーム性を示す電圧領域では定
量評価に注意が必要となるものの、本発明の走査型トン
ネル顕微鏡が、金属試料のみならず半導体試料にも適用
可能であることがわかる。
【００４０】
【発明の効果】本発明の電位分布測定機能をもつ走査型
トンネル顕微鏡は、微小領域における微小な電位変化を
精度良く測定することができ、さらにこの方法によれ
ば、形状と電位分布は同時に測定するため、試料表面の
同一位置における形状と電位分布が同時に測定できると
いう効果がある。
トンネル顕微鏡は、微小領域における微小な電位変化を
精度良く測定することができ、さらにこの方法によれ
ば、形状と電位分布は同時に測定するため、試料表面の
同一位置における形状と電位分布が同時に測定できると
いう効果がある。
【図１】実施例の走査型トンネル顕微鏡の構成を示すブ
ロック図。
ロック図。
【図２】実施例の走査型トンネル顕微鏡の動作原理を説
明する図、（ａ）第１発振器の出力を示す波形図、
（ｂ）トンネル電流を示す波形図、（ｃ）ノイズ成分を
示す波形図、（ｄ）第２発振器の出力を示す波形図、
（ｅ）乗算器の出力として得られるトンネル電流１の振
幅を示す波形図、（ｆ）乗算器の出力として得られるト
ンネル電流２の振幅を示す波形図。
明する図、（ａ）第１発振器の出力を示す波形図、
（ｂ）トンネル電流を示す波形図、（ｃ）ノイズ成分を
示す波形図、（ｄ）第２発振器の出力を示す波形図、
（ｅ）乗算器の出力として得られるトンネル電流１の振
幅を示す波形図、（ｆ）乗算器の出力として得られるト
ンネル電流２の振幅を示す波形図。
【図３】適用例に供する試料の形態を示す図。
１ 測定試料 ２ 第１電極 ３ 第２電極 ４ 加算回路 ５ 第１発振器 ６ 第２発振器 ７ 探針 ８ 電流電圧変換回路 ９，１６ 増幅回路 １０，１７ 乗算器 １１，１８ 低域通過フィルター １２，１９ 増幅回路 １３ 帰還回路 １４，２１ 記録・表示回路 １５ 探針駆動用圧電素子 ２０ 電圧測定回路 ２２，２３ 金電極 ２４ 石英ガラス基板 ２５ 金薄膜 ２６ 不連続薄膜
Claims (2)
- 【請求項１】 探針と、該探針を試料表面に沿って走査
させる走査制御手段と、第１交流電圧を前記探針と試料
との間に印加する第１電圧印加手段と、前記探針と試料
との間を流れるトンネル電流のうち前記第１交流電圧に
同期した成分の振幅を求める第１検出手段と、前記探針
の試料表面に沿った位置と前記第１検出手段の出力とに
応じて試料の表面像を形成する像形成手段と、前記振幅
に応じて前記探針と試料との間の距離を制御する制御手
段と、前記第１交流電圧と異なる周波数の第２交流電圧
を試料の表面に設ける２つの電極に印加する第２電圧印
加手段と、前記トンネル電流のうち前記第２交流電圧に
同期した成分の振幅を求める第２検出手段と、前記探針
の試料表面に沿った位置と前記第２検出手段の出力とに
応じて試料の表面の電位分布図を形成する像形成手段と
から成る電位分布測定機能を具備する走査型トンネル顕
微鏡。 - 【請求項２】 前記検出手段が前記トンネル電流を電圧
信号に変換する信号変換回路と、前記電圧信号と前記交
流電圧とが入力する乗算器と、該乗算器の出力側に設け
られた低域通過フィルターとを有することを特徴とする
請求項１記載の電位分布測定機能を具備する走査型トン
ネル顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15540293A JP3264735B2 (ja) | 1993-06-25 | 1993-06-25 | 電位分布測定機能を備える走査型トンネル顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15540293A JP3264735B2 (ja) | 1993-06-25 | 1993-06-25 | 電位分布測定機能を備える走査型トンネル顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0712824A true JPH0712824A (ja) | 1995-01-17 |
| JP3264735B2 JP3264735B2 (ja) | 2002-03-11 |
Family
ID=15605191
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15540293A Expired - Fee Related JP3264735B2 (ja) | 1993-06-25 | 1993-06-25 | 電位分布測定機能を備える走査型トンネル顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3264735B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000028624A (ja) * | 1998-05-04 | 2000-01-28 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | 走査型力顕微鏡およびそのプロ―ブ・ティップの動きを制御する方法 |
| CN1303415C (zh) * | 2004-12-28 | 2007-03-07 | 中山大学 | 隧穿损耗探针扫描显微镜及其测量方法 |
| CN1303414C (zh) * | 2004-12-28 | 2007-03-07 | 中山大学 | 介电损耗扫描探针显微镜及其测量方法 |
| US8066300B2 (en) | 2007-10-22 | 2011-11-29 | Aprica Children's Products Inc. | Foldable pushcart and foldable baby carriage |
| US8210562B2 (en) | 2007-10-22 | 2012-07-03 | Aprica Children's Products Inc. | Canopied foldable baby carriage |
| JP2018031770A (ja) * | 2016-08-22 | 2018-03-01 | 住友金属鉱山株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡を用いた試料の測定方法および走査型プローブ顕微鏡用試料ホルダー |
-
1993
- 1993-06-25 JP JP15540293A patent/JP3264735B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000028624A (ja) * | 1998-05-04 | 2000-01-28 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | 走査型力顕微鏡およびそのプロ―ブ・ティップの動きを制御する方法 |
| CN1303415C (zh) * | 2004-12-28 | 2007-03-07 | 中山大学 | 隧穿损耗探针扫描显微镜及其测量方法 |
| CN1303414C (zh) * | 2004-12-28 | 2007-03-07 | 中山大学 | 介电损耗扫描探针显微镜及其测量方法 |
| US8066300B2 (en) | 2007-10-22 | 2011-11-29 | Aprica Children's Products Inc. | Foldable pushcart and foldable baby carriage |
| US8210562B2 (en) | 2007-10-22 | 2012-07-03 | Aprica Children's Products Inc. | Canopied foldable baby carriage |
| JP2018031770A (ja) * | 2016-08-22 | 2018-03-01 | 住友金属鉱山株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡を用いた試料の測定方法および走査型プローブ顕微鏡用試料ホルダー |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3264735B2 (ja) | 2002-03-11 |
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