(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹凸像観察モードによりバイアス電圧を一定の値に固定してトンネル電流が一定になるように探針と試料表面との間をＺ方向に制御しながら試料表面に沿ってＸＹ方向の走査を行う走査トンネル顕微鏡で、局所領域分析モードにより指定された分析点で探針と試料表面との間を固定してバイアス電圧を掃引し、探針と試料表面との間に流れるトンネル電流を検出して試料の局所領域の分析を行うトンネルスペクトロスコピーにおいて、分析点を指定する分析点指定手段を備え、凹凸像観察モードによりＸＹ方向の走査を行い、分析点指定手段により指定された分析点毎にＸＹ方向の走査を中断して局所領域分析モードによる分析を行うことを特徴とするトンネルスペクトロスコピー。
【請求項２】
局所領域分析モードによる分析の終了後はその分析点から凹凸像観察モードによるＸＹ方向の走査を再開させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のトンネルスペクトロスコピー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、バイアス電圧を一定の値に固定してトンネル電流が一定になるように探針を試料表面との間でＺ方向に制御しながら試料表面に沿ってＸＹ方向に移動する走査トンネル顕微鏡において、探針を固定してバイアス電圧を掃引し、探針と試料表面との間に流れるトンネル電流を検出して試料の局所領域の分析を行うトンネルスペクトロスコピーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Ｓcaning  Ｔunneling  Ｍicroscope)は、探針にバイアス電圧をかけて試料の極表面に近づけたときに試料と探針との間に流れるトンネル電流を検出し、該トンネル電流が一定になるように探針のｚ方向（探針と試料との間の距離）をフィードバック制御しながらｘｙ方向に試料表面を走査することによって、試料表面の凹凸像（トポグラフ）を観察するものである。
【０００３】
これに対し、トンネルスペクトロスコピー（ＳＴＳ：Ｓcaning  ＴunnelingＳpectroscopy ）は、探針をＸＹ方向に走査しながらＺ方向を制御して試料表面の凹凸像（トポグラフ）を観察すると共に、指定されたある位置で探針を一時的に止めて固定し、バイアス電圧を掃引してトンネル電流を測定することにより、試料の局所領域における電子の状態を分析するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図５は分析点への探針移動法の従来例を説明するための図である。
ところで、トンネルスペクトロスコピーにより局所領域の分析を行う場合、通常は、まず探針又は試料を移動させてトポグラフを取り込んだ後にそのトポグラフ上から分析点を選択し、そして、図５（イ）に示すようにイニシャルポイントから分析点まで探針又は試料を移動してその位置での分析を行い、また、イニシャルポイントに戻る方法が採られる。また、別の方法としては、図５（ロ）の実線で示すように探針又は試料を移動させてトポグラフを取り込みながら分析点を探し、分析点を指定すると、トポグラフの取り込みを一旦中断して探針又は試料をその位置まで移動して分析を行い、そして、中断位置まで探針又は試料を戻して点線で示すようにトポグラフの取り込みを継続する方法である。
【０００５】
しかし、上記のような従来の分析点への移動方式では位置ズレが生じるという問題があった。すなわち、トンネルスペクトロスコピーには、探針又は試料を走査するピエゾスキャナーのヒステリシスや熱ドリフトがあるため、一度取り込んだトポグラフ上で分析点を指定しても、実際に移動した位置がトポグラフ上の指定点とは異なった位置にズレてしまうという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するものであって、分析点への移動を高い位置精度で行い、その確認が容易に行えるトンネルスペクトロスコピーを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのために本発明は、凹凸像観察モードによりバイアス電圧を一定の値に固定してトンネル電流が一定になるように探針と試料表面との間をＺ方向に制御しながら試料表面に沿ってＸＹ方向の走査を行う走査トンネル顕微鏡で、局所領域分析モードにより指定された分析点で探針と試料表面との間を固定してバイアス電圧を掃引し、探針と試料表面との間に流れるトンネル電流を検出して試料の局所領域の分析を行うトンネルスペクトロスコピーにおいて、分析点を指定する分析点指定手段を備え、凹凸像観察モードによりＸＹ方向の走査を行い、分析点指定手段により指定された分析点毎にＸＹ方向の走査を中断して局所領域分析モードによる分析を行うことを特徴とし、局所領域分析モードによる分析の終了後はその分析点から凹凸像観察モードによるＸＹ方向の走査を再開させるようにしたことを特徴とするものである。
【０００８】
【作用】
本発明のトンネルスペクトロスコピーでは、探針を指定された分析点に移動する場合に、通常のＸＹ方向の走査を行って分析点まで移動させ、しかも分析終了後はその点から通常の走査を再開させるようにしたので、分析の直前までと直後のトポグラフを見られるため、ヒステリシスや熱ドリフトによるズレが少なくできるので（たとえあったとしても分析点を用意に推測できるので）、分析点の位置精度を高めることができる。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明のトンネルスペクトロスコピーの１実施例を示す図、図２は試料上における探針の動きの例を示す図である。
【００１０】
図１において、クロック発生回路１は、制御回路（コンピュータ）８で設定した周波数のクロックを発生するものである。カウンタ２は、そのクロックをカウントし、カウント値をＸ方向の走査信号として出力するものであり、Ｙ方向の走査信号生成のためにオーバーフロー信号を出力する。ピエゾスキャナー５は、Ｘ方向に探針を走査するものであり、そのための信号としてカウンタ２のカウント値をＤＡコンバータ３で変換したアナログ信号が駆動アンプ４を通して供給される。カウンタ９は、カウンタ２のオーバーフロー信号をカウントするものであり、カウント値をＹ方向の走査信号として出力する。ピエゾスキャナー１２は、Ｙ方向に探針を走査するものであり、そのための信号としてカウンタ９のカウント値をＤＡコンバータ１０で変換したアナログ信号が駆動アンプ１１を通して供給される。
【００１１】
分析点アドレスバッファ６は、指定された分析点のアドレスを格納するものであり、比較器７は、分析点アドレスバッファ６に格納されたアドレスとカウンタ２、９の値とを比較し、一致信号によりカウンタ２、９のカウントを停止させるものである。制御回路８は、凹凸像観察モード、局所領域分析モードに応じてクロック発生回路１、カウンタ２、９、分析点アドレスバッファ６、比較器７を制御するものである。
【００１２】
次に、動作を説明する。まず、凹凸像観察モードの場合について説明すると、この場合には、制御回路８により、カウンタ２、９が全領域の走査信号を生成するように分析点アドレスバッファ６、比較器７の動作を制限し、クロック発生回路１、カウンタ２、９の動作を開始させる。これによって、カウンタ２、９は、通常の動作によりクロックをカウントするので、その出力によって動作するピエゾスキャナー５、１２で探針がＸＹ方向に走査され、トポグラフの取り込みが行われる。
【００１３】
これに対して、局所領域分析モードの場合には、制御回路８により、分析点アドレスバッファ６に指定された分析点のアドレスをセットしてクロック発生回路１、カウンタ２、９、比較器７を動作させる。そうすると、カウンタ２、９は、分析点まで通常の動作を続けるが、分析点で比較器７の出力により動作が停止する。制御回路８は、この動作停止を検出して分析処理を実行し、分析処理が終了すると、比較器７をリセットすることによって、カウンタ２、９の停止状態を解除し、カウントを再開させる。つまり、本発明は、図２に示すように分析点を指示して分析点までは通常の走査を行い、分析点で一時的に停止させて分析を行うという動作を繰り返すようにしたものである。
【００１４】
図３はトンネル電流の検出系を含めたトンネルスペクトロスコピーの１実施例を示す図、図４はトンネルスペクトロスコピーの動作を説明するための波形図である。
【００１５】
図３において、走査回路２１は、図１に示すクロック発生回路１、カウンタ２、９、ＤＡコンバータ３、１１、分析点アドレスバッファ６、比較器７からなる回路であり、Ｘ駆動アンプ４１、Ｙ駆動アンプ４２、Ｘピエゾスキャナー５１、Ｙピエゾスキャナー５２がそれぞれ図１に示す駆動アンプ４、１１、ピエゾスキャナー５、１２に対応するものである。バイアス制御回路２６は、試料２５にバイアス電圧を印加するものであり、凹凸像観察モードでは一定のバイアス電圧に固定し、局所領域分析モードではバイアス電圧を掃引する。このバイアスによって、探針２４と試料２５との間隔が１ｎｍ程度まで近づいてくると、トンネル電流が流れる。プリアンプ２８は、このトンネル電流を検出するものであり、帰還アンプ２９は、プリアンプ２８で検出したトンネル電流が一定になるようにＺ駆動アンプ４３を通してＺピエゾスキャナー５３にトンネル電流を帰還するものである。このＺピエゾスキャナー５３に対する帰還制御によって、Ｚピエゾスキャナー５３が試料２５の方向に伸縮し、探針２４と試料２５との間隔が一定に制御される。また、帰還アンプ２９は、スイッチ９１を有し、凹凸像観察モードではスイッチ９１をクローズのままにし、局所領域分析モードではスイッチ９１をオープンにする。前者がサンプル状態であり、後者がホールド状態である。
【００１６】
マルチプレクサ３０は、ＡＤコンバータ３１に入力する信号を、サンプル状態では帰還アンプ２９からＺピエゾスキャナー５３に帰還する信号を選択し、ホールド状態ではプリアンプ２８で検出したトンネル電流を選択するものであり、ＡＤコンバータ３１は、この選択された信号をデジタル信号に変換してコンピュータ３２に出力するものである。コンピュータ３２は、ＡＤコンバータ３１から入力したデジタル信号に必要な処理をした上で試料５の凹凸像や局所領域分析情報を表示装置３３に表示する。クロック制御回路２７は、走査回路２１、バイアス制御回路２６、帰還アンプ２９、マルチプレクサ３０等の動作タイミングをクロック制御するものであり、この制御によって凹凸像観察モードと局所領域分析モードの切り換えを行う。
【００１７】
次に、トンネル顕微鏡としての凹凸像観察モードによる動作とトンネルスペクトロスコピーとしての局所領域分析モードによる動作のそれぞれの動作を説明する。
【００１８】
凹凸像観察モードによる動作では、走査回路２１によりＸ駆動アンプ４１、Ｙ駆動アンプ４２を通してＸピエゾスキャナー５１、Ｙピエゾスキャナー５２を制御して探針２４をＸＹ方向に走査すると共に、バイアス制御回路２６より試料２５に一定のバイアス電圧を印加し、帰還アンプ２９のスイッチ９１をクローズ（サンプル）にしてトンネル電流が一定になるようにＺ駆動アンプ４３を通してＺピエゾスキャナー５３を伸縮させることにより探針２４と試料２５との間隔が一定になるように制御している。そして、マルチプレクサ３０で帰還アンプ２９側を選択し、帰還信号をＡＤコンバータ３１で変換してコンピュータ３２に送ることによって、コンピュータ３２より表示装置３３に試料２５の表面をＸＹ方向に走査して得られる凹凸像を表示している。
【００１９】
上記凹凸像観察モードから指定された分析点の局所領域分析モードに移行する場合には、まず、図４に示すように探針２４が試料２５上の分析すべき点にきたｔ１でクロック制御回路２７がこれを検出し帰還アンプ２９内のスイッチ９１を一時的にオープン（ホールド）にする。このホールドによりＺ駆動アンプ４３を通してＺピエゾスキャナー５３に送られる帰還信号がホールドされ、探針２４と試料２５との間隔が固定される。同時にマルチプレクサ３０も入力を帰還アンプ２９側からプリアンプ２８側に切り換える。続いて、クロック制御回路２７により作られたタイミングにしたがってバイアス制御回路２６から試料２５に印加しているバイアス電圧を掃引する。これにより、マルチプレクサ３０からＡＤコンバータ３１を通してトンネル電流の変化がコンピュータ３２で測定され、分析点での電子の状態が分析される。
【００２０】
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、１つの分析点で説明したが、分析点アドレスバッファに複数のアドレスをセットしたり、分析が終了する毎に新たなアドレスに書き換える等により同様の動作の繰り返しによって複数の分析点に順次探針を止めるようにしてもよい。また、探針を移動するもので説明したが、試料を移動するようにしてもよいことはいうまでもない。さらには、同一分析点でのバイアス電圧走査、トンネル電流検出を必要回数繰り返して平均をとり、測定精度を上げることもできる。
【００２１】
【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、探針を指定された分析点に移動する場合に、通常のＸＹ方向の走査のまま分析点まで移動させるようにしたので、その前後のトポグラフを観察することができ、ヒステリシスや熱ドリフトによる分析点のズレが少なく容易にその位置確認を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のトンネルスペクトロスコピーの１実施例を示す図である。
【図２】  試料上における探針の動きの例を示す図である。
【図３】  トンネル電流の検出系を含めたトンネルスペクトロスコピーの１実施例を示す図である。
【図４】  トンネルスペクトロスコピーの動作を説明するための波形図である。
【図５】  分析点への探針移動法の従来例を説明するための図である。
【符号の説明】
１…クロック発生回路、２、９…カウンタ、３、１０…ＤＡコンバータ、４、１１…駆動アンプ、５、１２…ピエゾスキャナー、６…分析点アドレスバッファ、７…比較器、８…制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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