JP3053485B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡Info
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- JP3053485B2 JP3053485B2 JP4030835A JP3083592A JP3053485B2 JP 3053485 B2 JP3053485 B2 JP 3053485B2 JP 4030835 A JP4030835 A JP 4030835A JP 3083592 A JP3083592 A JP 3083592A JP 3053485 B2 JP3053485 B2 JP 3053485B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】 本発明は、探針を用いて試料の
微視的な表面情報を得る走査型プーローブ顕微鏡に関す
る。
微視的な表面情報を得る走査型プーローブ顕微鏡に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡としては、走査型
トンネル顕微鏡（Scanning TunnelingMicroscope：ＳＴ
Ｍ）や原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：Ａ
ＦＭ）などが知られている。
トンネル顕微鏡（Scanning TunnelingMicroscope：ＳＴ
Ｍ）や原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：Ａ
ＦＭ）などが知られている。
【０００３】ＳＴＭは、１９８２年にビニッヒ（Binni
g）やローラー（Rohrer）らによって米国特許第4,343,9
93号において提案された微細表面形状計測装置で、導電
性試料の表面形状を原子レベルの分解能で測定できる。
g）やローラー（Rohrer）らによって米国特許第4,343,9
93号において提案された微細表面形状計測装置で、導電
性試料の表面形状を原子レベルの分解能で測定できる。
【０００４】鋭く尖った導電性の探針を導電性試料の表
面に数ｎｍ程度の距離まで近づけ、探針と試料の間にバ
イアス電圧を印加すると両者間にトンネル電流が流れ
る。このトンネル電流ＩTは次式で示される。
面に数ｎｍ程度の距離まで近づけ、探針と試料の間にバ
イアス電圧を印加すると両者間にトンネル電流が流れ
る。このトンネル電流ＩTは次式で示される。
【０００５】 ＩT＝Ｂ(ＶT)ｅｘｐ(−Ａφ1/2Ｓ) （１） ここでＶTはバイアス電圧、Ｂ(ＶT)はバイアス電圧に依
存する係数、Ａは約10.25(ｎｍ(ｅＶ)1/2)-1の数係数、
φはバリアハイト、Ｓは探針試料間距離である。清浄な
金属表面のバリアハイトφは約１〜５ｅＶであるから、
探針試料間距離が０．１ｎｍ変化すると、トンネル電流
ＩTは１桁程度変化することが（１）式から分かる。Ｓ
ＴＭの探針は、圧電体などの微動素子により、試料の表
面すなわちｘｙ平面に沿って（例えばラスター）走査さ
れる。走査の間、探針または試料を微動素子を用いて試
料表面に垂直な方向（すなわちｚ方向）に相対的に移動
させ、トンネル電流を一定に保つように探針試料間距離
Ｓを０．１ｎｍ以下の精度で制御する。従って、探針先
端は試料表面から一定の距離だけ離れて試料の表面形状
を反映した曲面上を移動する。探針先端のｘｙ面上の位
置とｚ方向の位置とを微動素子に印加した電圧から求め
て記録することにより、試料表面の微細な凹凸を示すＳ
ＴＭ像が得られる。
存する係数、Ａは約10.25(ｎｍ(ｅＶ)1/2)-1の数係数、
φはバリアハイト、Ｓは探針試料間距離である。清浄な
金属表面のバリアハイトφは約１〜５ｅＶであるから、
探針試料間距離が０．１ｎｍ変化すると、トンネル電流
ＩTは１桁程度変化することが（１）式から分かる。Ｓ
ＴＭの探針は、圧電体などの微動素子により、試料の表
面すなわちｘｙ平面に沿って（例えばラスター）走査さ
れる。走査の間、探針または試料を微動素子を用いて試
料表面に垂直な方向（すなわちｚ方向）に相対的に移動
させ、トンネル電流を一定に保つように探針試料間距離
Ｓを０．１ｎｍ以下の精度で制御する。従って、探針先
端は試料表面から一定の距離だけ離れて試料の表面形状
を反映した曲面上を移動する。探針先端のｘｙ面上の位
置とｚ方向の位置とを微動素子に印加した電圧から求め
て記録することにより、試料表面の微細な凹凸を示すＳ
ＴＭ像が得られる。
【０００６】ところで、ＳＴＭで検出されるトンネル電
流は（１）式から分かるように、試料探針間距離Ｓの他
に、試料の局所的な電子の状態を反映するバリアハイト
にも依存している。バリアハイトφは、試料と探針の間
の電気的なバリアを次式によって台形近似した値にな
る。
流は（１）式から分かるように、試料探針間距離Ｓの他
に、試料の局所的な電子の状態を反映するバリアハイト
にも依存している。バリアハイトφは、試料と探針の間
の電気的なバリアを次式によって台形近似した値にな
る。
【０００７】 φ＝（φTIP＋φS）／２ （２） ここに、φTIPとφSはそれぞれ探針先端と試料表面の局
所的な仕事関数で、一個の電子を表面から取り出すのに
必要なエネルギーを電圧で表したものである。試料表面
の局所的な仕事関数φSは表面の電荷密度や構成原子に
よって異なる。このため、同一の探針を用いればバリア
ハイトは試料表面の局所的な仕事関数φSの分布を反映
することになる。
所的な仕事関数で、一個の電子を表面から取り出すのに
必要なエネルギーを電圧で表したものである。試料表面
の局所的な仕事関数φSは表面の電荷密度や構成原子に
よって異なる。このため、同一の探針を用いればバリア
ハイトは試料表面の局所的な仕事関数φSの分布を反映
することになる。
【０００８】ＳＴＭで検出されるトンネル電流ＩTの値
からバリアハイトφを求める方法には、例えばフィジカ
ルレビューレターズ（Physical Review Letters），第
６０巻，第１２号，１９８８年，第１１６６頁から第１
１６９頁に記載されているものがある。この方法では、
表面凹凸の測定時に試料表面に対して垂直な方向の一定
の微小振動を探針に与えてトンネル電流の振動成分を検
出する。このようにしてトンネル電流の距離微分である
バリアハイトφを試料の凹凸情報と同時に得ている。な
お、この方法で検出されるトンネル電流は振動成分を持
つ信号となるが、このの微小振動の周波数はフィードバ
ック制御系のカットオフ周波数より高く設定されている
ため、通常のＳＴＭと同様にフィードバック制御系の出
力から試料の凹凸情報を得ることができる。
からバリアハイトφを求める方法には、例えばフィジカ
ルレビューレターズ（Physical Review Letters），第
６０巻，第１２号，１９８８年，第１１６６頁から第１
１６９頁に記載されているものがある。この方法では、
表面凹凸の測定時に試料表面に対して垂直な方向の一定
の微小振動を探針に与えてトンネル電流の振動成分を検
出する。このようにしてトンネル電流の距離微分である
バリアハイトφを試料の凹凸情報と同時に得ている。な
お、この方法で検出されるトンネル電流は振動成分を持
つ信号となるが、このの微小振動の周波数はフィードバ
ック制御系のカットオフ周波数より高く設定されている
ため、通常のＳＴＭと同様にフィードバック制御系の出
力から試料の凹凸情報を得ることができる。
【０００９】また、ＡＦＭは特開昭６２−１３０３０２
号公報等に開示されている。探針を試料に近づけると、
探針先端と試料表面の原子間に微小な力（原子間力）が
働く。原子間力は排他律に基づく斥力やファンデルワー
ルス力や共有結合力などを含み、図６のような引力域と
斥力域のあるLennard-Jonesポテンシャルで表される。
ＡＦＭは、カンチレバーのたわみ量または振動振幅に基
づいて、原子間力あるいはその微分に該当する信号を検
出し、この信号を一定に保つように探針試料間距離を制
御しながら探針を走査し、得られる探針の位置情報をＳ
ＴＭと同様に処理することにより、試料の表面形状を原
子レベルの分解能で示す像が得られる。ＡＦＭは、ＳＴ
Ｍ装置の様に導電性試料に限らず、絶縁性試料も測定で
きる。このように、カンチレバーを用いて試料と探針の
間に働く力を検出して試料の測定を行なう走査型プロー
ブ顕微鏡を総称してＳＦＭ（Scanning Force Microscop
e）と呼び、ＡＦＭはＳＦＭの一つの形である。
号公報等に開示されている。探針を試料に近づけると、
探針先端と試料表面の原子間に微小な力（原子間力）が
働く。原子間力は排他律に基づく斥力やファンデルワー
ルス力や共有結合力などを含み、図６のような引力域と
斥力域のあるLennard-Jonesポテンシャルで表される。
ＡＦＭは、カンチレバーのたわみ量または振動振幅に基
づいて、原子間力あるいはその微分に該当する信号を検
出し、この信号を一定に保つように探針試料間距離を制
御しながら探針を走査し、得られる探針の位置情報をＳ
ＴＭと同様に処理することにより、試料の表面形状を原
子レベルの分解能で示す像が得られる。ＡＦＭは、ＳＴ
Ｍ装置の様に導電性試料に限らず、絶縁性試料も測定で
きる。このように、カンチレバーを用いて試料と探針の
間に働く力を検出して試料の測定を行なう走査型プロー
ブ顕微鏡を総称してＳＦＭ（Scanning Force Microscop
e）と呼び、ＡＦＭはＳＦＭの一つの形である。
【００１０】本発明者らは特願平２−３１３３８９号に
おいて、試料と導電性カンチレバー先端の間にバイアス
電圧を印加し、カンチレバーを振動させたときのカンチ
レバー先端の変位量と流れるトンネル電流の平均値と変
動量とを同時に測定することによって、試料と探針先端
との間のバリアハイトを検出する装置を提案した。
おいて、試料と導電性カンチレバー先端の間にバイアス
電圧を印加し、カンチレバーを振動させたときのカンチ
レバー先端の変位量と流れるトンネル電流の平均値と変
動量とを同時に測定することによって、試料と探針先端
との間のバリアハイトを検出する装置を提案した。
【００１１】また仕事関数の異なる金属同士を接触させ
ると、それぞれの仕事関数φAとφBの差で与えられる電
位差φA−φBが生じ、等電位になろうとして両者間に電
流が流れる。そこで金属同士を対向させて配置し相互の
電位差を補償する電位差ＶIoをそれらの金属間に出来た
容量ＣABに与えれば次式のように電荷Ｑが溜らなくな
る。
ると、それぞれの仕事関数φAとφBの差で与えられる電
位差φA−φBが生じ、等電位になろうとして両者間に電
流が流れる。そこで金属同士を対向させて配置し相互の
電位差を補償する電位差ＶIoをそれらの金属間に出来た
容量ＣABに与えれば次式のように電荷Ｑが溜らなくな
る。
【００１２】Ｑ＝ＣAB（φA−φB−ＶI0）＝０ すなわち、ＶI0＝φA−φBとなり、この電位差ＶI0は２
つの金属間の仕事関数の差になる。このような金属間に
出来た容量にたまる電荷を検出して仕事関数の差を求め
る方法をケルビン法と言う。
つの金属間の仕事関数の差になる。このような金属間に
出来た容量にたまる電荷を検出して仕事関数の差を求め
る方法をケルビン法と言う。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】ＳＴＭあるいはＡＦＭ
を用いたバリアハイト測定では、探針と試料の間のトン
ネルバリアを台形近似することによって得られるバリア
ハイトを測定しているために、探針の仕事関数が分から
なければ試料の局所的な仕事関数は分からなかった。ま
た、ケルビン法を用いた仕事関数の差測定においても同
様の問題があり、さらに局所的な仕事関数の分布を測定
することは出来なかった。
を用いたバリアハイト測定では、探針と試料の間のトン
ネルバリアを台形近似することによって得られるバリア
ハイトを測定しているために、探針の仕事関数が分から
なければ試料の局所的な仕事関数は分からなかった。ま
た、ケルビン法を用いた仕事関数の差測定においても同
様の問題があり、さらに局所的な仕事関数の分布を測定
することは出来なかった。
【００１４】本発明は、試料凹凸像と局所的な仕事関数
を同時に測定できる走査型プローブ顕微鏡を提供するこ
とを目的とする。
を同時に測定できる走査型プローブ顕微鏡を提供するこ
とを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、導電性の探針を自由端部に有し、この探針と
試料の間に力が作用した際に変位するカンチレバーと、
試料表面に垂直な方向に探針を振動させる振動手段と、
カンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、試料表
面に対するカンチレバーの振動の中心の位置を一定に保
つサーボ手段と、試料と探針の間にバイアス電圧を印加
する電圧印加手段と、探針と試料の間に流れるトンネル
電流を検出する電流検出手段と、バイアス電圧を変化さ
せた際にトンネル電流が流れなくなる電圧を記録する電
圧記録手段とを備えている。
顕微鏡は、導電性の探針を自由端部に有し、この探針と
試料の間に力が作用した際に変位するカンチレバーと、
試料表面に垂直な方向に探針を振動させる振動手段と、
カンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、試料表
面に対するカンチレバーの振動の中心の位置を一定に保
つサーボ手段と、試料と探針の間にバイアス電圧を印加
する電圧印加手段と、探針と試料の間に流れるトンネル
電流を検出する電流検出手段と、バイアス電圧を変化さ
せた際にトンネル電流が流れなくなる電圧を記録する電
圧記録手段とを備えている。
【００１６】本発明の別の走査型プローブ顕微鏡は、導
電性の探針を自由端部に有し、この探針と試料の間に力
が作用した際に変位するカンチレバーと、試料表面に垂
直な方向に探針を振動させる振動手段と、カンチレバー
の変位を検出する変位検出手段と、カンチレバーの自由
端の振動の振幅を一定に保つサーボ手段と、試料と探針
の間にバイアス電圧を印加する電圧印加手段と、探針と
試料の間に流れるトンネル電流を検出する電流検出手段
と、バイアス電圧を変化させた際にトンネル電流が流れ
なくなる電圧を記録する電圧記録手段とを備えている。
更に、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡及び本発明の
別の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーの変位とト
ンネル電流とからバリアハイトを演算する演算手段を備
える構成としてもよい。
電性の探針を自由端部に有し、この探針と試料の間に力
が作用した際に変位するカンチレバーと、試料表面に垂
直な方向に探針を振動させる振動手段と、カンチレバー
の変位を検出する変位検出手段と、カンチレバーの自由
端の振動の振幅を一定に保つサーボ手段と、試料と探針
の間にバイアス電圧を印加する電圧印加手段と、探針と
試料の間に流れるトンネル電流を検出する電流検出手段
と、バイアス電圧を変化させた際にトンネル電流が流れ
なくなる電圧を記録する電圧記録手段とを備えている。
更に、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡及び本発明の
別の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーの変位とト
ンネル電流とからバリアハイトを演算する演算手段を備
える構成としてもよい。
【００１７】
【作用】探針は振動手段によって特定の周波数でｚ方向
に振動されながら試料表面に沿って走査される。従っ
て、これを支持しているカンチレバーの自由端も振動し
ており、その変位は変位検出手段により常に検出されて
いる。このとき、カンチレバーの自由端の振動の中心や
振幅は、探針先端と試料表面の構成原子の間に原子間力
の強さに応じて変化する。また、探針と試料の間にバイ
アス電圧が印加され、両者の間に流れるトンネル電流が
電流検出手段により検出される。
に振動されながら試料表面に沿って走査される。従っ
て、これを支持しているカンチレバーの自由端も振動し
ており、その変位は変位検出手段により常に検出されて
いる。このとき、カンチレバーの自由端の振動の中心や
振幅は、探針先端と試料表面の構成原子の間に原子間力
の強さに応じて変化する。また、探針と試料の間にバイ
アス電圧が印加され、両者の間に流れるトンネル電流が
電流検出手段により検出される。
【００１８】サーボ手段は、変位検出手段で得られるカ
ンチレバーの変位に基づいて、カンチレバーの自由端の
振動の中心の試料表面に対する位置を検出し、この振動
の中心の位置が試料表面に対して常に一定となるように
探針と試料の相対位置を制御する。あるいは、カンチレ
バーの自由端の振動の振幅を検出し、この振動の振幅を
一定に保つように探針と試料の相対位置を制御する。い
ずれの場合にも、探針と試料の相対位置を制御する際の
サーボ信号が試料表面の凹凸を示す情報となる。
ンチレバーの変位に基づいて、カンチレバーの自由端の
振動の中心の試料表面に対する位置を検出し、この振動
の中心の位置が試料表面に対して常に一定となるように
探針と試料の相対位置を制御する。あるいは、カンチレ
バーの自由端の振動の振幅を検出し、この振動の振幅を
一定に保つように探針と試料の相対位置を制御する。い
ずれの場合にも、探針と試料の相対位置を制御する際の
サーボ信号が試料表面の凹凸を示す情報となる。
【００１９】電圧記録手段は、電圧印加手段により探針
と試料の間に印加されるバイアス電圧を変化させ、トン
ネル電流が流れなくなる電圧を記録することにより、試
料の仕事関数φSと探針の仕事関数φTIPとの差（φTIP
−φS）を検出する。
と試料の間に印加されるバイアス電圧を変化させ、トン
ネル電流が流れなくなる電圧を記録することにより、試
料の仕事関数φSと探針の仕事関数φTIPとの差（φTIP
−φS）を検出する。
【００２０】更に、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡
及び本発明の別の走査型プローブ顕微鏡が、演算手段を
備えることで、電流検出手段で検出されたトンネル電流
と変位検出手段で検出されたカンチレバーの変位とが演
算手段に入力され、バリアハイトが算出される。
及び本発明の別の走査型プローブ顕微鏡が、演算手段を
備えることで、電流検出手段で検出されたトンネル電流
と変位検出手段で検出されたカンチレバーの変位とが演
算手段に入力され、バリアハイトが算出される。
【００２１】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例に
ついて説明する。
ついて説明する。
【００２２】第一実施例の走査型プローブ顕微鏡は、図
１に示すように、自由端に導電性の探針１４を有する導
電性材料で作られた薄膜状のカンチレバー１２を備えて
いる。カンチレバー１２は、その他端すなわち固定端は
圧電アクチュエーター１６に固定されていて、ｘｙｚア
クチュエーター２８の上に載置された試料２６の近くに
探針１４が位置するように支持されている。圧電アクチ
ュエーター１６は、発振器１８から角振動数ωcの交流
電圧が供給され、カンチレバー１２すなわち探針１４を
振動させる。この発振器１８からの交流電圧は二つのロ
ックインアンプ２０と２２にも入力される。振動するカ
ンチレバー１２の自由端の変位は変位検出器２４により
光学的に検出され、その変位信号はロックインアンプ２
０とサーボ回路３６に供給される。サーボ回路３６は、
入力される変位信号に基づいてカンチレバーの自由端の
振動の中心の試料表面に対する位置を検出し、これを一
定に保つように探針１４と試料２６の間隔をｘｙｚアク
チュエーター２８を用いて制御する。また、試料２６に
はバイアス電源３０によりバイアス電圧が印加される。
これにより探針１４と試料２６の間に流れるトンネル電
流はトンネル電流検出回路３４で検出され、ロックイン
アンプ２２とデータサンプリング回路３２に入力され
る。データサンプリング回路３２にはトンネル電流の他
にバイアス電源３０からバイアス電圧が入力される。変
位検出器２４と二つのロックインアンプ２０と２２とト
ンネル電流検出回路３４の出力は、バリアハイトφの平
方根を算出する演算装置３８に入力されている。
１に示すように、自由端に導電性の探針１４を有する導
電性材料で作られた薄膜状のカンチレバー１２を備えて
いる。カンチレバー１２は、その他端すなわち固定端は
圧電アクチュエーター１６に固定されていて、ｘｙｚア
クチュエーター２８の上に載置された試料２６の近くに
探針１４が位置するように支持されている。圧電アクチ
ュエーター１６は、発振器１８から角振動数ωcの交流
電圧が供給され、カンチレバー１２すなわち探針１４を
振動させる。この発振器１８からの交流電圧は二つのロ
ックインアンプ２０と２２にも入力される。振動するカ
ンチレバー１２の自由端の変位は変位検出器２４により
光学的に検出され、その変位信号はロックインアンプ２
０とサーボ回路３６に供給される。サーボ回路３６は、
入力される変位信号に基づいてカンチレバーの自由端の
振動の中心の試料表面に対する位置を検出し、これを一
定に保つように探針１４と試料２６の間隔をｘｙｚアク
チュエーター２８を用いて制御する。また、試料２６に
はバイアス電源３０によりバイアス電圧が印加される。
これにより探針１４と試料２６の間に流れるトンネル電
流はトンネル電流検出回路３４で検出され、ロックイン
アンプ２２とデータサンプリング回路３２に入力され
る。データサンプリング回路３２にはトンネル電流の他
にバイアス電源３０からバイアス電圧が入力される。変
位検出器２４と二つのロックインアンプ２０と２２とト
ンネル電流検出回路３４の出力は、バリアハイトφの平
方根を算出する演算装置３８に入力されている。
【００２３】次に試料表面の凹凸情報を得る動作につい
て説明する。カンチレバー１２を支持している圧電アク
チュエーター１６に発振器１８から角振動数ωcの交流
電圧が印加されると、カンチレバー１２の自由端は約
０．１ｎｍ程度の振幅で振動する。カンチレバー１２の
自由端の変位ＺTIPは、カンチレバー１２の上方に設け
た光学式の変位検出器２４で検出され、ロックインアン
プ２０とサーボ回路３６に入力される。ここで図示しな
いｚ方向微動機構を用いてカンチレバー１２すなわち探
針１４を試料２６に近づけて行くと、探針と試料の間に
は図６に示すような相互の距離に応じた原子間力が作用
する。カンチレバー１２の自由端の振動の中心すなわち
変位ＺTIPの平均は、この原子間力に応じて変化する。
サーボ回路３６は、変位ＺTIPの平均を求め、これを一
定に保つように試料２６をｚ方向（図の上下方向）に移
動させるためのサーボ信号ＺFBをｘｙｚアクチュエータ
ー２８に供給する。このサーボ制御はカンチレバーの角
振動数ωcに比べて遅い時定数で行なわれる。この結
果、カンチレバー１２の自由端の振動の中心は、試料２
６の表面の凹凸を反映した曲面上を移動する。従って、
サーボ信号ＺFBを走査の際のｘｙ位置情報と同期させて
図示しないデータ記録装置に記録することにより、試料
表面の凹凸像が得られる。
て説明する。カンチレバー１２を支持している圧電アク
チュエーター１６に発振器１８から角振動数ωcの交流
電圧が印加されると、カンチレバー１２の自由端は約
０．１ｎｍ程度の振幅で振動する。カンチレバー１２の
自由端の変位ＺTIPは、カンチレバー１２の上方に設け
た光学式の変位検出器２４で検出され、ロックインアン
プ２０とサーボ回路３６に入力される。ここで図示しな
いｚ方向微動機構を用いてカンチレバー１２すなわち探
針１４を試料２６に近づけて行くと、探針と試料の間に
は図６に示すような相互の距離に応じた原子間力が作用
する。カンチレバー１２の自由端の振動の中心すなわち
変位ＺTIPの平均は、この原子間力に応じて変化する。
サーボ回路３６は、変位ＺTIPの平均を求め、これを一
定に保つように試料２６をｚ方向（図の上下方向）に移
動させるためのサーボ信号ＺFBをｘｙｚアクチュエータ
ー２８に供給する。このサーボ制御はカンチレバーの角
振動数ωcに比べて遅い時定数で行なわれる。この結
果、カンチレバー１２の自由端の振動の中心は、試料２
６の表面の凹凸を反映した曲面上を移動する。従って、
サーボ信号ＺFBを走査の際のｘｙ位置情報と同期させて
図示しないデータ記録装置に記録することにより、試料
表面の凹凸像が得られる。
【００２４】続いてバリアハイトの測定動作について説
明する。（１）式によれば、トンネル電流ＩTの距離微
分であるバリアハイトφの平方根は次式で与えられる。
明する。（１）式によれば、トンネル電流ＩTの距離微
分であるバリアハイトφの平方根は次式で与えられる。
【００２５】
【数１】 ここに、<ＩT>はトンネル電流の平均値、ΔＩTはトンネ
ル電流の振幅、ΔＺTIPはカンチレバーの自由端の振動
の振幅である。
ル電流の振幅、ΔＺTIPはカンチレバーの自由端の振動
の振幅である。
【００２６】試料２６にはバイアス電源３０からバイア
ス電圧ＶTが印加される。カンチレバー１２は０電位に
あるので、探針１４と試料２６の間の電位差はＶTとな
る。この電位差ＶTに応じて（１）式で示されるトンネ
ル電流ＩTが探針１４と試料２６の間に流れる。上述し
たようにカンチレバー１２の自由端は角振動数ωcで約
０．１ｎｍ程度の振幅で振動しているので、検出される
トンネル電流ＩTもその平均値<ＩT>を中心として角振動
数ωcで振動する信号となる。このトンネル電流ＩTはロ
ックインアンプ２２に入力される。ロックインアンプ２
２は、発振器１８の出力信号を参照信号として、トンネ
ル電流の振幅ΔＩTを検出し出力する。また、変位検出
器２４で検出されたカンチレバー１２の変位ＺTIPはロ
ックインアンプ２０に入力される。ロックインアンプ２
０は、発振器１８の出力信号を参照信号として、カンチ
レバー１２の自由端の振幅ΔＺTIPを検出し出力する。
これらのトンネル電流ＩTとその振幅ΔＩTとカンチレバ
ーの振幅ΔＺTIPとが演算装置３８に入力され、演算装
置３８は（３）式の演算を行ない、バリアハイトの平方
根にあたる信号φ1/2を出力する。バイアハイトφはこ
の信号を二乗することにより得られる。φ1/2またはφ
の信号をｘｙ走査信号と同期させて記録することによ
り、試料表面のバリアハイト像が得られる。
ス電圧ＶTが印加される。カンチレバー１２は０電位に
あるので、探針１４と試料２６の間の電位差はＶTとな
る。この電位差ＶTに応じて（１）式で示されるトンネ
ル電流ＩTが探針１４と試料２６の間に流れる。上述し
たようにカンチレバー１２の自由端は角振動数ωcで約
０．１ｎｍ程度の振幅で振動しているので、検出される
トンネル電流ＩTもその平均値<ＩT>を中心として角振動
数ωcで振動する信号となる。このトンネル電流ＩTはロ
ックインアンプ２２に入力される。ロックインアンプ２
２は、発振器１８の出力信号を参照信号として、トンネ
ル電流の振幅ΔＩTを検出し出力する。また、変位検出
器２４で検出されたカンチレバー１２の変位ＺTIPはロ
ックインアンプ２０に入力される。ロックインアンプ２
０は、発振器１８の出力信号を参照信号として、カンチ
レバー１２の自由端の振幅ΔＺTIPを検出し出力する。
これらのトンネル電流ＩTとその振幅ΔＩTとカンチレバ
ーの振幅ΔＺTIPとが演算装置３８に入力され、演算装
置３８は（３）式の演算を行ない、バリアハイトの平方
根にあたる信号φ1/2を出力する。バイアハイトφはこ
の信号を二乗することにより得られる。φ1/2またはφ
の信号をｘｙ走査信号と同期させて記録することによ
り、試料表面のバリアハイト像が得られる。
【００２７】最後に試料表面と探針先端との間の接触電
位差の測定について説明する。試料探針間距離Ｓをサー
ボ回路３６によって一定に保っている状態で、試料２６
に印加しているバイアス電圧ＶTを図２（ａ）に示すよ
うに変化させると、検出されるトンネル電流ＩTは図２
（ｂ）に示すようになる。ここで、トンネル電流が０に
なるときのバイアス電圧がちょうど、試料と探針先端の
接触電位差ＶI0＝φTI P−φSに等しくなる。データサン
プリング回路３２は、トンネル電流信号ＩTが０になる
タイミングでバイアス電圧をサンプリングして図２
（ｃ）に示す信号、即ち各点における接触電位差に当た
る信号を出力する。この信号をＸＹ走査信号と同期させ
て記録することにより、試料表面の接触電位差の分布が
得られる。
位差の測定について説明する。試料探針間距離Ｓをサー
ボ回路３６によって一定に保っている状態で、試料２６
に印加しているバイアス電圧ＶTを図２（ａ）に示すよ
うに変化させると、検出されるトンネル電流ＩTは図２
（ｂ）に示すようになる。ここで、トンネル電流が０に
なるときのバイアス電圧がちょうど、試料と探針先端の
接触電位差ＶI0＝φTI P−φSに等しくなる。データサン
プリング回路３２は、トンネル電流信号ＩTが０になる
タイミングでバイアス電圧をサンプリングして図２
（ｃ）に示す信号、即ち各点における接触電位差に当た
る信号を出力する。この信号をＸＹ走査信号と同期させ
て記録することにより、試料表面の接触電位差の分布が
得られる。
【００２８】次に、本発明の第二実施例の走査型プロー
ブ顕微鏡について図３を参照しながら説明する。図にお
いて、上述の実施例と同じ部材は同一の符号で示し、そ
の説明は省略する。本実施例は、サーボ回路３６への入
力信号に変位検出器２４の出力信号でなく、ロックイン
アンプ２０の出力信号を用いている点が第一実施例と異
なっている。従って、試料表面の凹凸像を得る動作が異
なるだけで、試料表面のバリアハイトの測定動作と、試
料表面と探針先端との間の接触電位差の測定動作は、上
述した第一実施例と全く同じである。このため、バリア
ハイトの測定動作と接触電位差の測定動作の説明は省略
し、試料表面の凹凸像を得る動作についてのみ以下に述
べる。
ブ顕微鏡について図３を参照しながら説明する。図にお
いて、上述の実施例と同じ部材は同一の符号で示し、そ
の説明は省略する。本実施例は、サーボ回路３６への入
力信号に変位検出器２４の出力信号でなく、ロックイン
アンプ２０の出力信号を用いている点が第一実施例と異
なっている。従って、試料表面の凹凸像を得る動作が異
なるだけで、試料表面のバリアハイトの測定動作と、試
料表面と探針先端との間の接触電位差の測定動作は、上
述した第一実施例と全く同じである。このため、バリア
ハイトの測定動作と接触電位差の測定動作の説明は省略
し、試料表面の凹凸像を得る動作についてのみ以下に述
べる。
【００２９】カンチレバー１２の自由端は第一実施例と
同様に圧電アクチュエーター１６により一定の角振動数
ωcで約０．１ｎｍ程度の振幅で振動する。変位検出器
２４はカンチレバー１２の自由端の変位ＺTIPを検出し
出力する。この変位ＺTIPはロックインアンプ２０に入
力され、ロックインアンプ２０はカンチレバー１２の自
由端の振幅ΔＺTIPを検出し出力する。カンチレバー１
２の振幅ΔＺTIPは、探針試料間距離Ｓに依存して変化
する原子間力の強さに応じて変化する。サーボ回路３６
は、この振幅ΔＺTIPを一定に保つように、ｘｙｚアク
チュエーター２８を用いて探針試料間距離を制御する。
この結果、探針（正確にはその振動の中心）は試料表面
の凹凸を反映した曲面上を移動する。従って、図示しな
いデータ記録装置を用いて、サーボ回路３６からのサー
ボ信号ＺFB（すなわち探針のｚ方向位置情報）をｘｙ走
査信号（すなわち探針のｘｙ方向の位置情報）に同期さ
せて記録することにより、試料表面の凹凸像が得られ
る。
同様に圧電アクチュエーター１６により一定の角振動数
ωcで約０．１ｎｍ程度の振幅で振動する。変位検出器
２４はカンチレバー１２の自由端の変位ＺTIPを検出し
出力する。この変位ＺTIPはロックインアンプ２０に入
力され、ロックインアンプ２０はカンチレバー１２の自
由端の振幅ΔＺTIPを検出し出力する。カンチレバー１
２の振幅ΔＺTIPは、探針試料間距離Ｓに依存して変化
する原子間力の強さに応じて変化する。サーボ回路３６
は、この振幅ΔＺTIPを一定に保つように、ｘｙｚアク
チュエーター２８を用いて探針試料間距離を制御する。
この結果、探針（正確にはその振動の中心）は試料表面
の凹凸を反映した曲面上を移動する。従って、図示しな
いデータ記録装置を用いて、サーボ回路３６からのサー
ボ信号ＺFB（すなわち探針のｚ方向位置情報）をｘｙ走
査信号（すなわち探針のｘｙ方向の位置情報）に同期さ
せて記録することにより、試料表面の凹凸像が得られ
る。
【００３０】なお、上述の実施例のおいて使用したロッ
クインアンプは信号に含まれる特定の角振動数の信号の
振幅を測定するために用いた。従って、同じ機能を果た
す物であれば他のものを用いてもよく、例えばバンドパ
スフィルタと検波器を使用してもよい。
クインアンプは信号に含まれる特定の角振動数の信号の
振幅を測定するために用いた。従って、同じ機能を果た
す物であれば他のものを用いてもよく、例えばバンドパ
スフィルタと検波器を使用してもよい。
【００３１】続いて本発明の第三実施例について図４と
図５を参照しながら説明する。図において、第一実施例
と同じ部材は同一の符号で示し、その説明は省略する。
本実施例の基本的な構成は第一実施例と同じであり、バ
リアハイトの測定にロックインアンプを使用せずにアナ
ログ演算器４０を用いている点が異なっている。従っ
て、試料表面の凹凸の測定動作と接触電位差の測定動作
は第一実施例と全く同じであるので、その説明は省略す
る。
図５を参照しながら説明する。図において、第一実施例
と同じ部材は同一の符号で示し、その説明は省略する。
本実施例の基本的な構成は第一実施例と同じであり、バ
リアハイトの測定にロックインアンプを使用せずにアナ
ログ演算器４０を用いている点が異なっている。従っ
て、試料表面の凹凸の測定動作と接触電位差の測定動作
は第一実施例と全く同じであるので、その説明は省略す
る。
【００３２】アナログ演算器４０は図５に示すように微
分演算器４２を有し、この微分演算器４２に変位検出器
２４で検出されたカンチレバー１２の変位ＺTIPが入力
される。またアナログ演算器４０は対数演算器４４と微
分演算器４６を有し、トンネル電流検出回路３４で検出
されたトンネル電流ＩTがこれらの演算器４４と４６に
直列に入力される。さらにアナログ演算器４０は、微分
演算器４２の出力Ｘと微分演算器４６の出力Ｙの割り算
すなわちＹ／Ｘを演算して出力する割算器４８を有して
いる。従って、アナログ演算器４０は全体として次式に
示す演算が行ない、その結果としてバリアハイトφの平
方根に比例した信号を出力する。
分演算器４２を有し、この微分演算器４２に変位検出器
２４で検出されたカンチレバー１２の変位ＺTIPが入力
される。またアナログ演算器４０は対数演算器４４と微
分演算器４６を有し、トンネル電流検出回路３４で検出
されたトンネル電流ＩTがこれらの演算器４４と４６に
直列に入力される。さらにアナログ演算器４０は、微分
演算器４２の出力Ｘと微分演算器４６の出力Ｙの割り算
すなわちＹ／Ｘを演算して出力する割算器４８を有して
いる。従って、アナログ演算器４０は全体として次式に
示す演算が行ない、その結果としてバリアハイトφの平
方根に比例した信号を出力する。
【００３３】
【数２】 （４）式から分かるように、ロックインアンプを使用せ
ずにアナログ演算器を用いた場合でも、試料表面の凹凸
とバリアハイトと接触電位差を同時に測定することがで
きる。本実施例は、上述の実施例に比べて装置構成が簡
単になるという利点がある。
ずにアナログ演算器を用いた場合でも、試料表面の凹凸
とバリアハイトと接触電位差を同時に測定することがで
きる。本実施例は、上述の実施例に比べて装置構成が簡
単になるという利点がある。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、試料の表面凹凸と局所
的な仕事関数を同時に測定できる走査型プローブ顕微鏡
を提供することができる。
的な仕事関数を同時に測定できる走査型プローブ顕微鏡
を提供することができる。
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第一実施例の
構成を示す。
構成を示す。
【図２】接触電位差の測定を説明するためのタイムチャ
ートである。
ートである。
【図３】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第二実施例の
構成を示す。
構成を示す。
【図４】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第三実施例の
構成を示す。
構成を示す。
【図５】図４に示したアナログ演算回路４０の構成を示
す。
す。
【図６】探針試料間距離Ｓに対する原子間力の特性を示
すグラフである。
すグラフである。
Claims (3)
- 【請求項１】 導電性の探針を自由端部に有し、この探
針と試料の間に力が作用した際に変位するカンチレバー
と、 試料表面に垂直な方向に探針を振動させる手段と、 カンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、 試料表面に対するカンチレバーの振動の中心の位置を一
定に保つサーボ手段と、試料と探針の間にバイアス電圧
を印加する電圧印加手段と、 探針と試料の間に流れるトンネル電流を検出する電流検
出手段と、 バイアス電圧を変化させた際にトンネル電流が流れなく
なる電圧を記録する電圧記録手段とを備えている走査型
プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 導電性の探針を自由端部に有し、この探
針と試料の間に力が作用した際に変位するカンチレバー
と、 試料表面に垂直な方向に探針を振動させる手段と、 カンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、 カンチレバーの自由端の振動の振幅を一定に保つサーボ
手段と、 試料と探針の間にバイアス電圧を印加する電圧印加手段
と、 探針と試料の間に流れるトンネル電流を検出する電流検
出手段と、 バイアス電圧を変化させた際にトンネル電流が流れなく
なる電圧を記録する電圧記録手段とを備えている走査型
プローブ顕微鏡。 - 【請求項３】 更に、カンチレバーの変位とトンネル電
流とからバリアハイトを演算する演算手段を備えること
を特徴とする請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微
鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4030835A JP3053485B2 (ja) | 1992-02-18 | 1992-02-18 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4030835A JP3053485B2 (ja) | 1992-02-18 | 1992-02-18 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05223520A JPH05223520A (ja) | 1993-08-31 |
| JP3053485B2 true JP3053485B2 (ja) | 2000-06-19 |
Family
ID=12314760
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4030835A Expired - Lifetime JP3053485B2 (ja) | 1992-02-18 | 1992-02-18 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3053485B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002365194A (ja) * | 2001-06-12 | 2002-12-18 | Yuzo Mori | 高周波パルス走査トンネル顕微鏡 |
-
1992
- 1992-02-18 JP JP4030835A patent/JP3053485B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05223520A (ja) | 1993-08-31 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20000229 |