JP2880182B2 - 表面顕微鏡 - Google Patents
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- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/10—STM [Scanning Tunnelling Microscopy] or apparatus therefor, e.g. STM probes
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- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/852—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe for detection of specific nanostructure sample or nanostructure-related property
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Description
本発明は探針と試料とを接近して発生するトンネル電
流または電界放射電流を利用する装置に係り、特に、ト
ンネル障壁を計測するのに好適な表面顕微鏡に関する。
流または電界放射電流を利用する装置に係り、特に、ト
ンネル障壁を計測するのに好適な表面顕微鏡に関する。
従来、探針と試料とを接近してトンネル電流あるいは
電界放射電流によりトンネル障壁を計測する手法につい
ては、フィジカル レビュー レター 49,（1982），
第57頁から第61頁（Phys.Rev.Lett.49,1982,pp.57−6
1）において論じられている。
電界放射電流によりトンネル障壁を計測する手法につい
ては、フィジカル レビュー レター 49,（1982），
第57頁から第61頁（Phys.Rev.Lett.49,1982,pp.57−6
1）において論じられている。
上記従来技術では次式のようにトンネル障壁の平方
根の値を間接的に計測し、算出している。 即ち、 はトンネル電流密度JTと、探針と試料との間隙の変動Δ
Ｓより計測される。この中で、ΔＳは探針を振動させる
ことにより設定できる。JTはトンネル電流を電流の放射
面積で割った値である。その放射面積は全く不明であ
る。さらに、JTは間隙の絶対的な変動によっても変化す
る。これは、走査型トンネル顕微鏡における定電流モー
ドにおいても数10％から10％程度誤差電流が発生するの
で、誤差要因となる。従って、（１）式を用いても全く
トンネル障壁 を計測できないという問題があった。 本発明の目的は試料表面のトンネル障壁 分布を正確に測定できる表面顕微鏡を得ることにある。 本発明の他の目的は得られた 分布と表面形状とを重畳してトンネル障壁分布を表面構
造の上から理解し易い形式に表示できる表面顕微鏡を提
供することにある。 また、本発明のさらに他の目的は、得られたデータの
記録，データ処理、および表示系において、多量デー
タ，多品種データに対処できる、いわば、表面形状の表
示システム及び表示方法を得ることにある。
根の値を間接的に計測し、算出している。 即ち、 はトンネル電流密度JTと、探針と試料との間隙の変動Δ
Ｓより計測される。この中で、ΔＳは探針を振動させる
ことにより設定できる。JTはトンネル電流を電流の放射
面積で割った値である。その放射面積は全く不明であ
る。さらに、JTは間隙の絶対的な変動によっても変化す
る。これは、走査型トンネル顕微鏡における定電流モー
ドにおいても数10％から10％程度誤差電流が発生するの
で、誤差要因となる。従って、（１）式を用いても全く
トンネル障壁 を計測できないという問題があった。 本発明の目的は試料表面のトンネル障壁 分布を正確に測定できる表面顕微鏡を得ることにある。 本発明の他の目的は得られた 分布と表面形状とを重畳してトンネル障壁分布を表面構
造の上から理解し易い形式に表示できる表面顕微鏡を提
供することにある。 また、本発明のさらに他の目的は、得られたデータの
記録，データ処理、および表示系において、多量デー
タ，多品種データに対処できる、いわば、表面形状の表
示システム及び表示方法を得ることにある。
上記目的を達成するために、本発明では自由電子近似
のトンネル電流理論式の微分型を使用した。理論式は次
式のように表わされる。 微分型にすると、 となる。これより、探針をわずか変動する（ΔＳ）と、
電流の変動量ΔＩは次式のように導れる。 この式より、 は（５）式のように計測することができる。 K2は であり（m:電子質量,h:プランク定数），ΔS,ΔI,Iが容
易に計測できるので は誤差要因も少なく計測することができる。さらに、
（５）式は電流変動分ΔＩを電流Ｉで割算しているの
で、少々、定電流サーボ系が高精度でなくても殆んどそ
の影響を受けない形をしている。以上のように、（５）
式を使用することにより、上記目的は達成される。 上記他の目的を達成するために、トンネル電流を用い
た走査型トンネル顕微鏡（STM）や探針・試料間に生じ
る力，静電容量，熱，光，音等を用いて試料表面形状を
測定するSTM類似装置と上記のトンネル障壁情報測定手
段とを組み合せて、形状情報とトンネル障壁情報とを同
時に計測できるようにしたものである。また、得られた
情報の表示系においても、同一画像上に上記の試料表面
の形状情報と （あるいは）情報とを重ね合せて表示できるようにし
た。さらに、本発明では多量のデータや多品種データに
も対処できるような表示システム及び表示方法を採用し
た。
のトンネル電流理論式の微分型を使用した。理論式は次
式のように表わされる。 微分型にすると、 となる。これより、探針をわずか変動する（ΔＳ）と、
電流の変動量ΔＩは次式のように導れる。 この式より、 は（５）式のように計測することができる。 K2は であり（m:電子質量,h:プランク定数），ΔS,ΔI,Iが容
易に計測できるので は誤差要因も少なく計測することができる。さらに、
（５）式は電流変動分ΔＩを電流Ｉで割算しているの
で、少々、定電流サーボ系が高精度でなくても殆んどそ
の影響を受けない形をしている。以上のように、（５）
式を使用することにより、上記目的は達成される。 上記他の目的を達成するために、トンネル電流を用い
た走査型トンネル顕微鏡（STM）や探針・試料間に生じ
る力，静電容量，熱，光，音等を用いて試料表面形状を
測定するSTM類似装置と上記のトンネル障壁情報測定手
段とを組み合せて、形状情報とトンネル障壁情報とを同
時に計測できるようにしたものである。また、得られた
情報の表示系においても、同一画像上に上記の試料表面
の形状情報と （あるいは）情報とを重ね合せて表示できるようにし
た。さらに、本発明では多量のデータや多品種データに
も対処できるような表示システム及び表示方法を採用し
た。
本発明の作用について、第１図の原理図を用いて説明
する。図のように、本発明は探針１をわずかに振動する
加振手段，トンネル電流検出手段，電流変動（ΔＩ）検
出手段，（ΔI/I）演算処理手段， 演算手段から構成される。動作としては、まず試料２表
面に近接対向させた探針１をＺ軸ピエゾ素子３を用いて
Ｚ軸方向にΔＳだけ加振する。その結果、得られるトン
ネル電流Ｉとその変動量ΔＩを電流検出器４及び誤差検
出器５で計測し、割算器６によりΔI/I値を得る。これ
を同期整流回路あるいはロックインアンプ７によりその
振幅量を検出して、これに（1/（k2ΔＳ））を掛算して 値を算出できるようにした。尚、この場合、トンネル電
流が流れるような条件、即ち、探針１と試料２とが10Å
前後に接近していることが必要である。これにより、ト
ンネル障壁 情報は正確に得ることができる。 また、表示系に関しては、VTR及びTVモニタが有効に
使用できるような表示システム及び方法を採用した。
する。図のように、本発明は探針１をわずかに振動する
加振手段，トンネル電流検出手段，電流変動（ΔＩ）検
出手段，（ΔI/I）演算処理手段， 演算手段から構成される。動作としては、まず試料２表
面に近接対向させた探針１をＺ軸ピエゾ素子３を用いて
Ｚ軸方向にΔＳだけ加振する。その結果、得られるトン
ネル電流Ｉとその変動量ΔＩを電流検出器４及び誤差検
出器５で計測し、割算器６によりΔI/I値を得る。これ
を同期整流回路あるいはロックインアンプ７によりその
振幅量を検出して、これに（1/（k2ΔＳ））を掛算して 値を算出できるようにした。尚、この場合、トンネル電
流が流れるような条件、即ち、探針１と試料２とが10Å
前後に接近していることが必要である。これにより、ト
ンネル障壁 情報は正確に得ることができる。 また、表示系に関しては、VTR及びTVモニタが有効に
使用できるような表示システム及び方法を採用した。
以下、本発明の実施例を第２〜５図により説明する。 第２図は本発明を走査型トンネル顕微鏡の制御系に応
用した例である。第１図で示したトンネル障壁 情報を得るための構成以外に、STM像（三次元表面構造
像）を取得するための定電流サーボ系、２次元走査部1
5、画像記憶部（Ａ），（Ｂ）、16,17、データ処理及び
表示部より構成されている。定電流サーボ系はバイアス
電源９に直列に結線されている電流検出部４、誤差電流
検出回路５、割算器６、PI制御部10、加算回路11、高電
圧アンプ12より構成されている。 像を得るには加算回路11にロックインアンプ７からの加
振信号SVを入力し、Ｚ軸ピエゾ素子３により探針１を加
振して、トンネル間隙ｇを変動させる。その結果、探針
１と試料２間に流れるトンネル電流itは電流設定回路８
で指定された電流Ｉにほぼ安定化され、かつ、探針１の
加振による交流成分ΔＩをもつ。この交流成分ΔＩは誤
差検出器５で検出され、割算回路６でΔI/I信号に変換
され、このΔI/I信号がロックインアンプ７に入力され
る。ロックインアンプ７では加振周波数に同期したある
いは特定の位相だけずれたΔI/I成分を取り出し、画像
記憶部17に入力する 情報を得る。一方、割算器６の直流成分に近い信号は目
標電流値に相当するトンネル間隙からの誤差を示してお
り、PI制御部10で該誤差が零となるように出力信号が形
成され、加算回路11、高電圧アンプ12を通して探針１の
Ｚ軸方向位置が定電流サーボ制御されている。即ち、PI
制御部10の出力信号を画像記憶部（Ａ）16に入力するこ
とにより、高さ（Ｚ軸）方向の試料表面情報が得られ
る。この場合、Ｚ軸ピエゾ素子３の伸びと印加電圧ある
いは印加電荷との関係をあらかじめ測定しておき、その
データを基にＺ軸方向の変位に換算する必要がある。
尚、PI制御部10は比例要素及び積分要素を直列あるいは
並列に結線したものであり、積分器のみの制御系に比べ
高周波領域までサーボできるよう周波数領域を伸してあ
る。しかし、PI制御部10の代りに、積分器のみの場合や
微分要素を含めたPID制御系も本実施例の制御系に適用
できる。また、 情報と高さ情報を同時に取得する立場から、定電流サー
ボ系の周波数応答領域はロックインアンプ７からの加振
周波数よりも低いことが望しい。 以上のように、探針１をトンネル間隙ｇが10Å前後に
なるように試料２の表面に近づけ（図では接近手段を省
略している）、定電流サーボ及び 情報が得られるように設定した後、２次元走査部よりX,
Y走査信号をＸ軸ピエゾ素子13、Ｙ軸ピエゾ素子14に入
力するとともに画像記憶部（Ａ），（Ｂ）16,17のアド
レス情報として入力する。X,Y走査信号により駆動され
るＸ軸,Y軸ピエゾ素子（図中ではピエゾ素子を省略して
いる）13,14は探針１を試料表面上でラスタ走査して各
々の（X,Y）アドレスでの高さ情報（３次元形状情報）
及び 情報を得ることができる。なお、探針１の３次元移動の
代りに試料２側を３次元移動させてもよいし、探針側と
試料側で移動手段を分担させてもよい。要は探針１と試
料２との相対的な３次元移動が行なわれればよい。これ
らの３次元形状情報は画像記憶部（Ａ）16に、また、 の２次元情報は画像記憶部（Ｂ）17に格納される。デー
タ取得後、画像記憶部（Ａ），（Ｂ）から、スイッチ22
により、どちらかの信号をVTR19やTVモニタ20に高さ情
報あるいは 情報を輝度変調像として表示させ、あるいはCRTモニタ2
1に、TVモニタ20の場合と同様な輝度変調像としてある
いは鳥観図として表示させることができる。また取得し
たデータは計算機18により、上記と同様な表示や、その
他等高線，陰影処理表示あるいは立体表示を行なわせる
ためのデータ処理を行なわせることができる。さらに、
取得したデータをFFT（高速フーリェ変換）処理や平滑
化処理等をすることや、ベースライン調整やゲイン調
整、また、ウィンド（部分拡大，部分処理）処理や指定
座標位置間の断面表示などを可能にすることができる。
また、計算機の表示装置は高品質なものでないので、こ
の計算機による処理データの表示にもTVモニタ20やCRT
モニタ21を使用することが望しい。この場合、計算機に
より処理データを一度、画像記憶部（Ａ），（Ｂ）16,1
7のどちらかに再格納してから表示する方法が最も便利
である。しかし、別途、専用の画像記憶部（図示せず）
を設けることも考えられ、実装的にはどちらを用いても
良い。また、データはVTR19に多量に格納できるのでそ
れも非常に好都合である。尚、VTRはアナログ用ディジ
タル用どちらでも良い。しかし、この生データを計算機
処理にしたい場合がある。この場合、VTR19の信号をVTR
専用のインタフェースを介して、計算機18に入力し、デ
ータ処理後、上記の手順のように、画像記憶部を経てTV
モニタ20,CRTモニタ21で表示する。その時、保存が必要
なデータであればVTR19や計算機18のメモリに記憶すれ
ば良い。 第３図は本発明を原子間力顕微鏡に応用した例であ
る。機構部は一定な原子間力（探針30の先端原子と試料
原子との間の斥力あるいは引力）を検出する機構部、試
料２を３次元に制御するトライポット型スキャナ32と視
野選択及び試料探針接近機能をもった粗動機構33で構成
されている。検出系は図のように先端が導電部30″で覆
われたカンチレバー30′から成る探針30とその変位を高
精度で計測して力検出を行なうための非接触型変位計31
とから構成されている。この時の非接触型変位計31は走
査型トンネル顕微鏡の原理を応用したものあるいは容量
型変位計，レーザ測長器等が考えられる。トライポッド
型スキャナ32は図のようにＺ軸,X軸,Y軸ピエゾ素子、3,
13,14を組み合せて、試料台37を介して試料２を制御し
ている。この方法は第２図で探針１が３次元制御された
方法と逆の構成となっている。尚、試料台37は絶縁物で
形成する必要がある。 動作は最初に、ベース34上の粗動機構を使用して、試
料２を探針30に接近する。この時、一定の力にサーボす
る非接触型変位計31、サーボ系36、加算回路11、高電圧
アンプ12、Ｚ軸ピエゾ素子３は駆動していることが望し
い。これは、急速に接近した際に、探針30と試料２との
衝突を避けるためである。次に、極微小な原子間力が検
出されるとサーボ系では所望の力となるよう上記各素子
が駆動する。この状態でロックインアンプ７より試料２
をＺ軸方向に加振する信号を加算回路11を通して入力す
ると試料２が加振され、導体部30″、バイアス電源９、
電流検出部４とから形成される電気回路によりトンネル
電流が変調される。これを、第１図と同様な電流設定回
路８、誤差検出器後、割算回路６で構成した演算回路35
で（ΔI/I）を検出し、ロックインアンプ７により 情報を取得する。一方、サーボ系36の出力Ｚからは高さ
情報を得ることができる。第３図ではＸ軸,Y軸への２次
元走査信号や画像記憶部，表示部，計算機等を省略して
いるが、第２図と同様に、上記の機能を設定することに
より、３次元形状情報と の２次元情報とが同時に得ることができる。以上のよう
に、探針を用いた形状計測手段に第１図示のトンネル障
壁 情報の計測手段を兼備することは本発明の基本とする所
である。具体的には、トンネル電流（第２図），原子間
力（第３図）の外に、静電容量，光，熱，音を利用した
類似装置を含むものである。さらに、試料に放射線（Ｘ
線，紫外線，レーザ光，可視光，赤外光）を照射しなが
ら測定することも本発明の範ちゅうである。 第４図は得られたトンネル障壁 情報と高さ情報とのより理解しやすい表示形式を実現す
るための具体例である。ここでは、第２図のようにして
得られた画像情報を各々、画像記憶部（Ａ）16,画像記
憶部（Ｂ）17からスキャンコンバータ（Ａ），（Ｂ）,4
0,41を通してアナログ信号で取り出して合成回路42でカ
ラー映像信号に変換してTVモニタ20に表示している。こ
れは、例えば表示の形状情報を緑色で、 情報を赤色で表示すれば表面の微細構造と共に、トンネ
ル障壁 の分布が同時に分かり、非常に有効な情報が得られる。
この外に、色の違いの組合せ、鳥観図表示と輝度変調表
示や色の組合せ等が考えられる。さらに、計算機処理に
より上記の表示以外に、立体表示と色表示，立体表示と
鳥観図表示も可能である。 一方、高速走査による表面観察の場合、表示において
ラスタ走査線を一本毎更新する方式がある。しかし、こ
の場合、整った画像としてはわずかの時間した静止して
いなく、表示する場合など不便である。そこで、一枚毎
の静止画を一画像取得（一画像分のラスタ走査）時間出
力し、その後、別の画像記憶部に記録されたデータを第
４図のスキャンコンバータの手前に切換え入力して表示
すれば、静止画で長い時間表示することができ、便利で
ある。第５図はこれを行なわせるための具体例である。
第４図の構成にさらに画像記憶部（Ｃ），（Ｄ）,50,51
を追加して設け、さらに、データ入力側にスイッチ52,5
3,54を出力側にスイッチ55,56を設置した。図は、３次
元形状情報を画像記憶部（Ｃ）50に、 情報を画像記憶部（Ｄ）51に記録している間に、画像記
憶部（Ａ）16及び画像記憶部（Ｂ）17に先に記憶されて
いた情報を各々、スキャンコンバータ（Ａ）40及び
（Ｂ）41に転送している状態を示している。画像記憶部
（Ｃ），（Ｄ）50,51への記憶が完了すると、スイッチ5
2〜56はそれぞれ反対側の接点に切換え接続されて、記
録は再び画像記憶部（Ａ），（Ｂ）16,17に行なわれ、
その間の表示は画像記憶部（Ｃ），（Ｄ）50,51の記憶
内容を出力することによって行なわれる。この例は、高
さ情報と 情報との組合せについてのものであるが、 情報以外に別の物理量，トンネル電流，容量，音，光，
熱，力等についての情報との組合せが考えられたり、２
個以上の組合せも考えられる。また、本発明は３次元表
面形状情報（STM像）のみの場合にも適用できる。これ
らは本発明を逸脱するものではない。 その外、具体例では示さなかったが、 情報を２乗して、情報として表示することも容易に可
能である。また、 分布が得られるものであるから計測された高さ情報を 一定の状態での真値に近い値に（２）式やトンネル電流
式，電界放射電流式等を使用して補正計算することによ
り、より正確な形状情報を得ることができる。
用した例である。第１図で示したトンネル障壁 情報を得るための構成以外に、STM像（三次元表面構造
像）を取得するための定電流サーボ系、２次元走査部1
5、画像記憶部（Ａ），（Ｂ）、16,17、データ処理及び
表示部より構成されている。定電流サーボ系はバイアス
電源９に直列に結線されている電流検出部４、誤差電流
検出回路５、割算器６、PI制御部10、加算回路11、高電
圧アンプ12より構成されている。 像を得るには加算回路11にロックインアンプ７からの加
振信号SVを入力し、Ｚ軸ピエゾ素子３により探針１を加
振して、トンネル間隙ｇを変動させる。その結果、探針
１と試料２間に流れるトンネル電流itは電流設定回路８
で指定された電流Ｉにほぼ安定化され、かつ、探針１の
加振による交流成分ΔＩをもつ。この交流成分ΔＩは誤
差検出器５で検出され、割算回路６でΔI/I信号に変換
され、このΔI/I信号がロックインアンプ７に入力され
る。ロックインアンプ７では加振周波数に同期したある
いは特定の位相だけずれたΔI/I成分を取り出し、画像
記憶部17に入力する 情報を得る。一方、割算器６の直流成分に近い信号は目
標電流値に相当するトンネル間隙からの誤差を示してお
り、PI制御部10で該誤差が零となるように出力信号が形
成され、加算回路11、高電圧アンプ12を通して探針１の
Ｚ軸方向位置が定電流サーボ制御されている。即ち、PI
制御部10の出力信号を画像記憶部（Ａ）16に入力するこ
とにより、高さ（Ｚ軸）方向の試料表面情報が得られ
る。この場合、Ｚ軸ピエゾ素子３の伸びと印加電圧ある
いは印加電荷との関係をあらかじめ測定しておき、その
データを基にＺ軸方向の変位に換算する必要がある。
尚、PI制御部10は比例要素及び積分要素を直列あるいは
並列に結線したものであり、積分器のみの制御系に比べ
高周波領域までサーボできるよう周波数領域を伸してあ
る。しかし、PI制御部10の代りに、積分器のみの場合や
微分要素を含めたPID制御系も本実施例の制御系に適用
できる。また、 情報と高さ情報を同時に取得する立場から、定電流サー
ボ系の周波数応答領域はロックインアンプ７からの加振
周波数よりも低いことが望しい。 以上のように、探針１をトンネル間隙ｇが10Å前後に
なるように試料２の表面に近づけ（図では接近手段を省
略している）、定電流サーボ及び 情報が得られるように設定した後、２次元走査部よりX,
Y走査信号をＸ軸ピエゾ素子13、Ｙ軸ピエゾ素子14に入
力するとともに画像記憶部（Ａ），（Ｂ）16,17のアド
レス情報として入力する。X,Y走査信号により駆動され
るＸ軸,Y軸ピエゾ素子（図中ではピエゾ素子を省略して
いる）13,14は探針１を試料表面上でラスタ走査して各
々の（X,Y）アドレスでの高さ情報（３次元形状情報）
及び 情報を得ることができる。なお、探針１の３次元移動の
代りに試料２側を３次元移動させてもよいし、探針側と
試料側で移動手段を分担させてもよい。要は探針１と試
料２との相対的な３次元移動が行なわれればよい。これ
らの３次元形状情報は画像記憶部（Ａ）16に、また、 の２次元情報は画像記憶部（Ｂ）17に格納される。デー
タ取得後、画像記憶部（Ａ），（Ｂ）から、スイッチ22
により、どちらかの信号をVTR19やTVモニタ20に高さ情
報あるいは 情報を輝度変調像として表示させ、あるいはCRTモニタ2
1に、TVモニタ20の場合と同様な輝度変調像としてある
いは鳥観図として表示させることができる。また取得し
たデータは計算機18により、上記と同様な表示や、その
他等高線，陰影処理表示あるいは立体表示を行なわせる
ためのデータ処理を行なわせることができる。さらに、
取得したデータをFFT（高速フーリェ変換）処理や平滑
化処理等をすることや、ベースライン調整やゲイン調
整、また、ウィンド（部分拡大，部分処理）処理や指定
座標位置間の断面表示などを可能にすることができる。
また、計算機の表示装置は高品質なものでないので、こ
の計算機による処理データの表示にもTVモニタ20やCRT
モニタ21を使用することが望しい。この場合、計算機に
より処理データを一度、画像記憶部（Ａ），（Ｂ）16,1
7のどちらかに再格納してから表示する方法が最も便利
である。しかし、別途、専用の画像記憶部（図示せず）
を設けることも考えられ、実装的にはどちらを用いても
良い。また、データはVTR19に多量に格納できるのでそ
れも非常に好都合である。尚、VTRはアナログ用ディジ
タル用どちらでも良い。しかし、この生データを計算機
処理にしたい場合がある。この場合、VTR19の信号をVTR
専用のインタフェースを介して、計算機18に入力し、デ
ータ処理後、上記の手順のように、画像記憶部を経てTV
モニタ20,CRTモニタ21で表示する。その時、保存が必要
なデータであればVTR19や計算機18のメモリに記憶すれ
ば良い。 第３図は本発明を原子間力顕微鏡に応用した例であ
る。機構部は一定な原子間力（探針30の先端原子と試料
原子との間の斥力あるいは引力）を検出する機構部、試
料２を３次元に制御するトライポット型スキャナ32と視
野選択及び試料探針接近機能をもった粗動機構33で構成
されている。検出系は図のように先端が導電部30″で覆
われたカンチレバー30′から成る探針30とその変位を高
精度で計測して力検出を行なうための非接触型変位計31
とから構成されている。この時の非接触型変位計31は走
査型トンネル顕微鏡の原理を応用したものあるいは容量
型変位計，レーザ測長器等が考えられる。トライポッド
型スキャナ32は図のようにＺ軸,X軸,Y軸ピエゾ素子、3,
13,14を組み合せて、試料台37を介して試料２を制御し
ている。この方法は第２図で探針１が３次元制御された
方法と逆の構成となっている。尚、試料台37は絶縁物で
形成する必要がある。 動作は最初に、ベース34上の粗動機構を使用して、試
料２を探針30に接近する。この時、一定の力にサーボす
る非接触型変位計31、サーボ系36、加算回路11、高電圧
アンプ12、Ｚ軸ピエゾ素子３は駆動していることが望し
い。これは、急速に接近した際に、探針30と試料２との
衝突を避けるためである。次に、極微小な原子間力が検
出されるとサーボ系では所望の力となるよう上記各素子
が駆動する。この状態でロックインアンプ７より試料２
をＺ軸方向に加振する信号を加算回路11を通して入力す
ると試料２が加振され、導体部30″、バイアス電源９、
電流検出部４とから形成される電気回路によりトンネル
電流が変調される。これを、第１図と同様な電流設定回
路８、誤差検出器後、割算回路６で構成した演算回路35
で（ΔI/I）を検出し、ロックインアンプ７により 情報を取得する。一方、サーボ系36の出力Ｚからは高さ
情報を得ることができる。第３図ではＸ軸,Y軸への２次
元走査信号や画像記憶部，表示部，計算機等を省略して
いるが、第２図と同様に、上記の機能を設定することに
より、３次元形状情報と の２次元情報とが同時に得ることができる。以上のよう
に、探針を用いた形状計測手段に第１図示のトンネル障
壁 情報の計測手段を兼備することは本発明の基本とする所
である。具体的には、トンネル電流（第２図），原子間
力（第３図）の外に、静電容量，光，熱，音を利用した
類似装置を含むものである。さらに、試料に放射線（Ｘ
線，紫外線，レーザ光，可視光，赤外光）を照射しなが
ら測定することも本発明の範ちゅうである。 第４図は得られたトンネル障壁 情報と高さ情報とのより理解しやすい表示形式を実現す
るための具体例である。ここでは、第２図のようにして
得られた画像情報を各々、画像記憶部（Ａ）16,画像記
憶部（Ｂ）17からスキャンコンバータ（Ａ），（Ｂ）,4
0,41を通してアナログ信号で取り出して合成回路42でカ
ラー映像信号に変換してTVモニタ20に表示している。こ
れは、例えば表示の形状情報を緑色で、 情報を赤色で表示すれば表面の微細構造と共に、トンネ
ル障壁 の分布が同時に分かり、非常に有効な情報が得られる。
この外に、色の違いの組合せ、鳥観図表示と輝度変調表
示や色の組合せ等が考えられる。さらに、計算機処理に
より上記の表示以外に、立体表示と色表示，立体表示と
鳥観図表示も可能である。 一方、高速走査による表面観察の場合、表示において
ラスタ走査線を一本毎更新する方式がある。しかし、こ
の場合、整った画像としてはわずかの時間した静止して
いなく、表示する場合など不便である。そこで、一枚毎
の静止画を一画像取得（一画像分のラスタ走査）時間出
力し、その後、別の画像記憶部に記録されたデータを第
４図のスキャンコンバータの手前に切換え入力して表示
すれば、静止画で長い時間表示することができ、便利で
ある。第５図はこれを行なわせるための具体例である。
第４図の構成にさらに画像記憶部（Ｃ），（Ｄ）,50,51
を追加して設け、さらに、データ入力側にスイッチ52,5
3,54を出力側にスイッチ55,56を設置した。図は、３次
元形状情報を画像記憶部（Ｃ）50に、 情報を画像記憶部（Ｄ）51に記録している間に、画像記
憶部（Ａ）16及び画像記憶部（Ｂ）17に先に記憶されて
いた情報を各々、スキャンコンバータ（Ａ）40及び
（Ｂ）41に転送している状態を示している。画像記憶部
（Ｃ），（Ｄ）50,51への記憶が完了すると、スイッチ5
2〜56はそれぞれ反対側の接点に切換え接続されて、記
録は再び画像記憶部（Ａ），（Ｂ）16,17に行なわれ、
その間の表示は画像記憶部（Ｃ），（Ｄ）50,51の記憶
内容を出力することによって行なわれる。この例は、高
さ情報と 情報との組合せについてのものであるが、 情報以外に別の物理量，トンネル電流，容量，音，光，
熱，力等についての情報との組合せが考えられたり、２
個以上の組合せも考えられる。また、本発明は３次元表
面形状情報（STM像）のみの場合にも適用できる。これ
らは本発明を逸脱するものではない。 その外、具体例では示さなかったが、 情報を２乗して、情報として表示することも容易に可
能である。また、 分布が得られるものであるから計測された高さ情報を 一定の状態での真値に近い値に（２）式やトンネル電流
式，電界放射電流式等を使用して補正計算することによ
り、より正確な形状情報を得ることができる。
本発明によれば試料表面を３次元で形状計測すると同
時に、トンネル障壁 の表面分布を計測することができるので、異種の元素で
表面が構成されていてもその判別が可能となる。また、
本発明は通常の表面計測で同時にデータが取得できるの
で、トンネル電流を利用したトンネル電子分光法に比
べ、極めて短時間で計測することができる。例えば、ト
ンネル電流を利用した方法より半分以下の時間で計測す
ることができる。これは、試料ドリフトの影響も少なく
てすみ、好都合である。また、計測時のトンネル電流も
トンネル電子分光法に比べ微小電流で実行可能であり、
非常に安定にデータを取得することができる。 さらに、表示においても合成画像化することにより、
正確に物性情報を得ることができる。また、高速時の画
像毎の静止画像出力により、TVモニタへの表示が見易す
くなった。さらに、VTR,計算機，画像記憶部,TVモニタ
を有機的に使用することにより、膨大なデータが保存で
き、必要に応じて計算機処理及び表示が容易となった。
時に、トンネル障壁 の表面分布を計測することができるので、異種の元素で
表面が構成されていてもその判別が可能となる。また、
本発明は通常の表面計測で同時にデータが取得できるの
で、トンネル電流を利用したトンネル電子分光法に比
べ、極めて短時間で計測することができる。例えば、ト
ンネル電流を利用した方法より半分以下の時間で計測す
ることができる。これは、試料ドリフトの影響も少なく
てすみ、好都合である。また、計測時のトンネル電流も
トンネル電子分光法に比べ微小電流で実行可能であり、
非常に安定にデータを取得することができる。 さらに、表示においても合成画像化することにより、
正確に物性情報を得ることができる。また、高速時の画
像毎の静止画像出力により、TVモニタへの表示が見易す
くなった。さらに、VTR,計算機，画像記憶部,TVモニタ
を有機的に使用することにより、膨大なデータが保存で
き、必要に応じて計算機処理及び表示が容易となった。
第１図は本発明の基本構成図、第２図は本発明を走査型
トンネル顕微鏡に適用した場合の具体構成図、第３図は
本発明を原子間力顕微鏡に適用した場合の具体構成図、
第４図は本発明により 分布像と３次元表面形状（STM）像と重ね合せ表示する
ための表示部制御系のブロック図、第５図は表面の連続
観察における画像走査毎の静止画像表示のための第４図
を改良したデータ記録部および表示部制御系のブロック
図である。 １…探針、２…試料、３…Ｚ軸ピエゾ素子、４…電流検
出器、５…誤差検出器、６…割算器、７…ロックインア
ンプ、８…電流設定回路、９…バイアス電源。
トンネル顕微鏡に適用した場合の具体構成図、第３図は
本発明を原子間力顕微鏡に適用した場合の具体構成図、
第４図は本発明により 分布像と３次元表面形状（STM）像と重ね合せ表示する
ための表示部制御系のブロック図、第５図は表面の連続
観察における画像走査毎の静止画像表示のための第４図
を改良したデータ記録部および表示部制御系のブロック
図である。 １…探針、２…試料、３…Ｚ軸ピエゾ素子、４…電流検
出器、５…誤差検出器、６…割算器、７…ロックインア
ンプ、８…電流設定回路、９…バイアス電源。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−206202（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−5340（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−112289（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−112290（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01N 37/00 G01B 7/34 H01J 37/28 ＷＰＩ／Ｌ ＪＩＣＳＴファイル
Claims (12)
- 【請求項１】探針と試料とを接近させて両者間に流れる
トンネル電流を検出して試料の表面形状を測定する手段
と、探針あるいは試料を試料表面に垂直に加振する手段
と、トンネル電流の変動分をトンネル電流で割算してト
ンネル障壁情報を計測する手段とを有することを特徴と
する表面顕微鏡。 - 【請求項２】上記の表面形状測定手段は、検出したトン
ネル電流の低周波成分を一定の設定電流値にサーボする
ように探針・試料間間隙を制御して表面形状を測定する
ものであることを特徴とする請求項１記載の表面顕微
鏡。 - 【請求項３】上記の表面形状の測定とトンネル障壁情報
の計測とは同時に行なわれるものであることを特徴とす
る請求項１記載の表面顕微鏡。 - 【請求項４】上記のトンネル電流に代えて探針からの電
界放射電流を検出対象としたことを特徴とする請求項１
〜３のいずれかに記載の表面顕微鏡。 - 【請求項５】表面形状を力，静電容量，熱，光，音を用
いて計測する手段と、同時にトンネル障壁の試料表面分
布を測定する手段とを有することを特徴とした請求項１
記載の表面顕微鏡。 - 【請求項６】３次元形状像とトンネル障壁像とを一つの
画面に重ね合せて表示する手段を付加してなることを特
徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面顕微鏡。 - 【請求項７】試料に放射線（Ｘ線，紫外線，レーザ光，
可視光，赤外光）を照射しながら測定することを特徴と
した請求項１〜６のいずれかに記載の表面顕微鏡。 - 【請求項８】２つ以上の物理量を１つの画面に重ね合せ
て表示する機能を付加してなることを特徴とする請求項
１〜５項のいずれかに記載の表面顕微鏡。 - 【請求項９】少なくとも１つあるいは複数の画像記憶部
と、VTR（ビデオテープレコーダ）と、TVモニタと画像
信号処理用の計算機とを付設してなることを特徴とする
請求項１〜８のいずれかに記載の表面顕微鏡。 - 【請求項１０】VTRに記録したデータを計算機でデータ
処理した後、画像記憶部に一時、格納し、画像信号とし
てVTR,TVモニタで記録あるいは表示することを特徴とす
る請求項９記載の表面顕微鏡。 - 【請求項１１】画像記憶部を少なくとも２組以上有し、
表面を連続して観察する際に、一画像の計測中の記録を
任意の１組の画像記憶部が受持ち、前に記録した１組の
画像記憶部を表示部に表示信号として出力し、記録完了
後、次の画像データを別の１組の画像記憶部に記録し、
表示信号として上記の任意の１組の画像記憶部から出力
するように、静止画を一枚毎、表示部に出力することを
特徴とした請求項９記載の表面顕微鏡。 - 【請求項１２】トンネル障壁情報に基づいて計測された
３次元表面形状情報を補正することにより高精度な３次
元表面形状情報を得ることを特徴とした請求項１〜８の
いずれかに記載の表面顕微鏡。
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP1145329A JP2880182B2 (ja) | 1989-06-09 | 1989-06-09 | 表面顕微鏡 |
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|---|---|---|---|
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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| DE69309318T2 (de) * | 1992-01-10 | 1997-10-30 | Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo | Verfahren und Vorrichtung zum Beobachten einer Fläche |
| GB2267761B (en) * | 1992-06-02 | 1996-01-17 | Hitachi Europ Ltd | Method of electrically testing a sample |
| EP0826145B1 (en) * | 1995-05-13 | 2001-08-16 | International Business Machines Corporation | Data acquisition and control apparatus for scanning probe systems |
| US5874668A (en) * | 1995-10-24 | 1999-02-23 | Arch Development Corporation | Atomic force microscope for biological specimens |
| JP2952327B2 (ja) * | 1997-07-16 | 1999-09-27 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| DE19754681A1 (de) * | 1997-12-10 | 1999-06-17 | Peter Heiland | In einem Rastermodus abtastende Vorrichtung mit einer Kompensation des Störeinflusses vonmechanischen Schwingungen auf dem Abtastvorgang |
| US6953930B2 (en) * | 2001-08-27 | 2005-10-11 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Conductive transparent probe and probe control apparatus |
| JP5809850B2 (ja) * | 2011-06-01 | 2015-11-11 | オリンパス株式会社 | 画像処理装置 |
| US10495665B2 (en) * | 2016-09-19 | 2019-12-03 | Zyvex Labs, Llc | Methods, devices and systems for scanning tunneling microscopy control system design |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CH643397A5 (de) * | 1979-09-20 | 1984-05-30 | Ibm | Raster-tunnelmikroskop. |
| US4747698A (en) * | 1986-04-30 | 1988-05-31 | International Business Machines Corp. | Scanning thermal profiler |
| JPS643502A (en) * | 1987-06-25 | 1989-01-09 | Seiko Instr & Electronics | Scanning type tunnel microscope |
| DE3853155T2 (de) * | 1987-10-09 | 1995-06-14 | Hitachi Ltd | Rastertunnelmikroskop mit einer Vorrichtung zum Berichtigen von Oberflächendaten. |
| US4823004A (en) * | 1987-11-24 | 1989-04-18 | California Institute Of Technology | Tunnel and field effect carrier ballistics |
| US4870352A (en) * | 1988-07-05 | 1989-09-26 | Fibertek, Inc. | Contactless current probe based on electron tunneling |
-
1989
- 1989-06-09 JP JP1145329A patent/JP2880182B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1990
- 1990-06-05 US US07/533,341 patent/US5036196A/en not_active Expired - Lifetime
- 1990-06-08 EP EP90110884A patent/EP0401852B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1990-06-08 DE DE69022777T patent/DE69022777T2/de not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| US5036196A (en) | 1991-07-30 |
| EP0401852A3 (en) | 1992-12-09 |
| EP0401852B1 (en) | 1995-10-04 |
| DE69022777D1 (de) | 1995-11-09 |
| JPH0312503A (ja) | 1991-01-21 |
| DE69022777T2 (de) | 1996-03-14 |
| EP0401852A2 (en) | 1990-12-12 |
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |