走査トンネル顕微鏡

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【発明の名称】	走査トンネル顕微鏡
【発明者】	【氏名】内海博
【要約】	【課題】三角波で駆動した場合に、行きだけでなく帰りでも像を取り有効に利用する走査トンネル顕微鏡を提供すること。【解決手段】切り換えアンプ４が反転モードの場合には、Ｘ表示については、Ｘ走査信号Ａの方向が変わるたびに切り換えアンプ４の出力Ｂ及び定電圧発生回路３の出力Ｃを変えて加算回路５で加算し１／２にする。加算回路５の出力信号ＤをＸ表示アンプ８で増幅して表示ＣＲＴ１０のＸ偏向に使う。さらに、図１一点鎖線部（定電圧発生回路３、切り換えアンプ４、加算回路５）をＹ表示アンプ９の前に追加して、Ｘ、Ｙ表示共に反転モードにすると上下左右対称な４つの像が得られる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】試料面に探針を近づけて探針又は試料をＸＹ方向に走査しトンネル電流を検出して試料面の走査像を得る走査トンネル顕微鏡において、Ｙ走査の往路の走査におけるＸ走査の往路の走査の映像信号と、Ｙ走査の復路の走査におけるＸ走査の往路の走査の映像信号に基づき試料の走査像を得るようにしたことを特徴とする走査トンネル顕微鏡。
【請求項２】更に、Ｙ走査の往路の走査におけるＸ走査の復路の走査の映像信号と、Ｙ走査の復路の走査におけるＸ走査の復路の走査の映像信号に基づき試料の走査像を得るようにしたことを特徴とする請求項１記載の走査トンネル顕微鏡。
【請求項３】Ｘ走査の往路の走査の映像信号とＸ走査の復路の走査の映像信号を交互に取得することを特徴とする請求項２記載の走査トンネル顕微鏡。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、試料面に探針を近づけて走査しトンネル電流を検出して試料面の走査像を得る走査トンネル顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】探針先端の原子と試料の原子の電子雲とが重なり合う１ｎｍ以下程度まで探針を試料に近づけ、この状態で探針と試料との間に電圧をかけるとトンネル電流が流れる。このトンネル電流は、電圧が数ｍＶ～数Ｖのとき、１～１０ｎＡ程度になり、試料と探針との間の距離により変化する。そこで、トンネル電流の大きさを測定することにより試料と探針との間の距離を超精密測定することができ、試料の表面形状を求めることができる。
【０００３】走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、トンネル電流が一定になるように探針の高さを制御しながら、探針を水平方向面に動かした時の、探針の高さ軌跡により試料の表面形状を観察するものであり、表面原子配列を解析する上で注目されている装置である。トンネル電流により試料の表面形状（凹凸像）を観察する場合には、まず、粗動により探針を０．１μｍ程度まで試料に近づけ、そして微動により０．１μｍからさらに１ｎｍまで探針を試料に近づけ、オングストロームオーダーでの制御が行われる。
【０００４】図１２は走査トンネル顕微鏡の概略構成を示す図である。図中、４２は試料、４３は探針、４４はヘッド、４６、４８と４９は圧電素子、４５と４７は絶縁板、５１は電極、５２はＸＹ走査回路、５３はサーボ回路、５４はトンネル電流増幅器、５５はバイアス電源、５６は表示装置を示す。
【０００５】図１２において、ＳＴＭユニットは、ヘッド４４に探針４３が装着され、ヘッド４４が絶縁板４５、４７及び圧電素子４６、４８、４９により支持されている。圧電素子４６、４８、４９は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３次元アクチュエータを構成し、圧電素子４６がＺ軸、圧電素子４８がＸ軸、圧電素子４９がＹ軸を駆動するものである。３次元アクチュエータを構成する圧電素子４６、４８、４９のそれぞれ両側に配置された電極51には、駆動電圧が印加される。３次元アクチュエータの制御では、ＸＹ走査回路52によりＸ軸、Ｙ軸方向圧電素子４８、４９に対する印加電圧を掃引することにより探針４３をＸ軸、Ｙ軸方向に移動させ走査し、この走査をしながらトンネル電流が一定になるようにサーボ回路５３を通してＺ軸方向圧電素子４６に対する電圧を制御する。そこで、この制御電圧値を表示装置５６に表示することによって、試料４２の表面形状（凹凸像）を観察することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】図１３及び図１４は従来の走査法の例を説明するための図である。
【０００７】上記のようにトンネル顕微鏡では、試料又は探針の走査のために一般に圧電素子が使われているが、圧電素子にヒステリシスがあるため、三角波で駆動した場合に、同じ電圧でも行きと帰りで位置がずれてしまうという問題がある。
【０００８】そこで、従来は、図１３に示すように帰線消去によりＸ方向走査、Ｙ方向走査で帰り部分の像表示を行なわなかった。すなわち、図１４（ａ）に示すように探針が試料上を実線の方向に行き走査した時は、この走査と同期して同図（ｂ）に示すように像表示を行い、点線の方向に帰り走査した時は消去している。しかも、探信のＺ方向駆動を制御するサーボ回路は常に動作しているので試料面に探針をぶつけないために帰り走査の速度を上げることもできない。そのため、帰り走査は全くの無駄時間になっている。
【０００９】本発明は、上記の課題を解決するものであって、三角波で駆動した場合に、行きだけでなく帰りでも像を取り有効に利用する走査トンネル顕微鏡を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】そのために本発明は、試料面に探針を近づけて探針又は試料をＸＹ方向に走査しトンネル電流を検出して試料面の走査像を得る走査トンネル顕微鏡において、Ｙ走査の往路の走査におけるＸ走査の往路の走査の映像信号と、Ｙ走査の復路の走査におけるＸ走査の往路の走査の映像信号に基づき試料の走査像を得るようにしたことを特徴とするものである。
【００１１】
【作用】本発明の走査トンネル顕微鏡では、往復走査のそれぞれの方向で走査像を得るので、行き走査により得られる像と帰り走査により得られる像との比較情報を得ることができ、帰り走査も無駄なく有効に利用することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。
【００１３】図１は本発明に係るトンネル顕微鏡の１実施例構成を示す図、図２はＸ走査モードの１実施例を示す波形図、図３はＸ走査モードの他の実施例を示す波形図、図４はＹ走査モードを説明するための波形図、図５乃至図８は走査と表示像との対応例を示す図である。
【００１４】１はＹ走査回路、２はＸ走査回路、３は定電圧発生回路、４は切り換えアンプ、５は加算回路、６はＹ駆動アンプ、７はＸ駆動アンプ、８はＸ表示アンプ、９はＹ表示アンプ、１０は表示ＣＲＴ、１１はブランク回路、１２は映像アンプ、１３はＺ制御回路、１４はＸ駆動素子、１５はＹ駆動素子、１６はＺ駆動素子を示す。
【００１５】図１において、Ｘ駆動素子１４、Ｙ駆動素子１５、Ｚ駆動素子１６は、例えば圧電素子であり、３次元アクチュエータを構成するものである。Ｘ走査回路２、Ｙ走査回路１は、それぞれＸ、Ｙの走査信号を発生する回路であり、Ｘ駆動アンプ７、Ｙ駆動アンプ６は、それぞれ走査信号に基づいてＸ駆動素子１４、Ｙ駆動素子１５に印加する電圧を制御するものである。Ｚ制御回路１３は、トンネル電流を検出し、トンネル電流が一定になるようにＺ駆動素子１６に印加する電圧を制御するものであり、その信号が映像信号になる。切り換えアンプ４は、図３に示すようにＸ走査信号Ａをそのまま（Ｂ）加算回路５に送る非反転モードと、図２に示すようにＸ走査信号Ａを半周期だけ反転に切り換えて（Ｂ、＋→－→＋……）送る反転モードを有し、後者の反転モードでは、行きから帰りに切り替わるときＸ走査回路２のタイミング信号ｘにより反転に切り換えている。定電圧発生回路３は、図２及び図３に示すようにＸ走査信号の半周期毎にタイミング信号ｘにより正負反転した定電圧Ｃを発生するものである。加算回路５は、切り換えアンプ４の出力Ｂと定電圧発生回路３の出力Ｃとを加算してＸ表示アンプ８に表示用走査信号Ｄを供給するものである。
【００１６】次に動作を説明する。
【００１７】まず、Ｘ走査回路２で図２Ａ、図３Ａに示す三角波形のＸ走査信号を生成し、この信号をＸ駆動ＡＭＰ７で増幅し、圧電素子からなるＸ駆動素子１４に供給することにより、試料又は探針をＸ方向に移動する。また、Ｙ走査回路１でも図４Ａに示すように必要Ｘ走査線数分のゆっくりした傾きを持った波形のＹ走査信号を生成し、この信号をＹ駆動ＡＭＰ６で増幅し、Ｙ駆動素子１５に供給することにより、試料又は探針をＹ方向に移動する。
【００１８】そこで、切り換えアンプ４が反転モードの場合には、Ｘ表示については、Ｘ走査信号Ａの方向が変わるたびに切り換えアンプ４の出力Ｂ及び定電圧発生回路３の出力Ｃを図２に示すように変えて加算回路５で加算し１／２にする。その結果、加算回路５の出力として、図２Ｄに示す波形が得られ、その信号ＤをＸ表示アンプ８で増幅して表示ＣＲＴ１０のＸ偏向に使う。そして、表示アンプ８の出力Ｄの傾きが変わる時に図２Ｅに示す波形で映像を消却する。また、Ｙ表示については、Ｙ走査信号をそのまま使用してＣＲＴのＹ偏向を行う。このようにすると図５に示すように行きの走査による像と帰りの走査による像が左右対称な像となって表示される。
【００１９】また、切り換えアンプ４が非反転モードの場合には、切り換えアンプ４の出力が図３ＢのようにＸ走査信号Ａと同じになり、図６に示すように行きの走査による像と帰りの走査による像が並列に表示される。
【００２０】さらに、図１一点鎖線部（定電圧発生回路３、切り換えアンプ４、加算回路５）をＹ表示アンプ９の前に追加して、Ｘ、Ｙ表示共に図２の反転モードにすると図７に示すように上下左右対称な４つの像が得られる。同様に、Ｘ、Ｙ表示共に図３の非反転モードにすると、図８に示すように同一方向の４つの像が得られる。
【００２１】図９はフレームメモリを使用した本発明の他の実施例を示す図、図１０はフレームメモリの構成例を示す図、図１１は走査とメモリアドレスとの関係を説明するための図であり、２１はコントローラ、２２、２３と２９はＤ／Ａ変換回路、２４はＡ／Ｄ変換回路、２５はフレームメモリ、２６はＹ駆動アンプ、２７はＸ駆動アンプ、２８はＺ制御回路、３０はモニタＣＲＴ、３１はＸ駆動素子、３２はＹ駆動素子、３３はＺ駆動素子を示す。
【００２２】図９に示す例では、コントローラ２１は、一定時間毎にＸ用のＤ／Ａ変換回路２３、Ｙ用のＤ／Ａ変換回路２２にデータを出力して、それぞれＸ駆動素子３１、Ｙ駆動素子３２共に図２Ａに示す波形の電圧を印加する。
【００２３】またトンネル電流を一定にするためのＺ制御回路２８からの出力を一定時間毎にＡ／Ｄ変換回路２４を通してコントローラ２１に取り込む。
【００２４】そして、例えばフレームメモリ２５の構成を図１０に示すように５１２×５１２画素にした場合には、Ｘ、Ｙ走査に対してフレームメモリ２５上で図１１Ａのようなアルゴリズムでアドレスを発生させてデータを格納する。
【００２５】フレームメモリ２５に格納したデータは、モニタＣＲＴ３０の周期にあったスピードで読み出してＤ／Ａ変換回路２９でＤ／Ａ変換を行い、同期信号を付加してモニタＣＲＴ３０に送る。このようにすることによって図７に示すような像を表示することができる。
【００２６】また、フレームメモリ２５にデータを格納する時、Ｘ、Ｙ共図１１Ｂに示すようなアルゴリズムでアドレルを発生させると、図８に示すような像を表示することができる。
【００２７】なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記の実施例ではＣＲＴを用いたが、ＣＲＴの代わりにＸＹレコーダを用いてもよい。その場合には、Ｙ軸変調で、輝度信号は不要になる。また、輝度消去はペン・アップに対応する。さらには、帰り走査の期間の像を別のフレームメモリに入れて別の画面にしてもよい。
【００２８】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明によれば、往復の走査に対応してそれぞれの像を得るので、同時に並べて表示したり、像を切り換えて表示することによって、Ｘ、Ｙ駆動素子のヒステリシスの様子を知ることができる。また、探針の形状によっては往復の像に不一致が生じるので、探針の評価にも活用することができる。さらには、試料又は探針のもどり（帰り）走査の期間も利用するので、無駄時間をなくし有用な情報を得ることができる。

【出願人】	【識別番号】０００００４２７１【氏名又は名称】日本電子株式会社
【出願日】	昭和６３年（１９８８）７月２０日
【代理人】
【公開番号】	特開平１１－２７１３３６
【公開日】	平成１１年（１９９９）１０月８日
【出願番号】	特願平１１－８９２５