(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料上における探針の位置を指定するための指定手段と、その指定手段の出力に基づいて探針を試料上の指定位置に位置させる手段と、前記指定手段によって指定された探針位置において探針の試料からの高さ方向の駆動を停止させることにより探針と試料の間隔を固定するための手段と、探針と試料間に印加するバイアス電圧をあるバイアス電圧領域についてバイアス電圧が増加する向きと減少する向きの２つの向きで掃引するバイアス電圧掃引手段と、前記バイアス電圧が増加する向きの掃引に伴なって検出されるトンネル電流を表わす信号値と前記バイアス電圧が減少する向きの掃引に伴なって検出されるトンネル電流を表わす信号値との平均値に対応する信号を求める手段を備える走査トンネル顕微鏡であって、
前記指定位置において前記探針と試料の間隔を固定するための手段により前記探針と前記試料の間隔を固定して、前記バイアス電圧掃引手段により前記２つの向きで掃引することを特徴とする走査トンネル顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はトンネル顕微鏡に関し、特に、探針と試料の間隔を固定した状態で探針と試料間に印加するバイアス電圧を掃引し、そのバイアス電圧の掃引に同期してトンネル電流を検出する走査トンネル顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル顕微鏡は試料表面の凹凸を観察する装置として知られているが、そればかりではなく試料の局所領域における電子の状態を検知することもできる。これは一般にスペクトロスコピーと称されているが、先ずこのような走査トンネル顕微鏡の動作について説明する。
【０００３】
図１は従来のトンネル顕微鏡における制御システムの構成例を示す図であり、図２は各部の信号波形を示す。図２Ａはバイアス電圧回路１１から出力される試料２のバイアス電圧の波形を示し、同図ＢはＩ／Ｖ（電流／電圧）変換回路３の出力電圧波形を示し、同図Ｃは制御装置１２からＳ／Ｈ（サンプル／ホールド）回路８に出力される制御信号の波形を示し、同図Ｄは制御装置１２におけるデータ取り込みのタイミング信号の波形を示す。
【０００４】
さて、図１において、凹凸像の二次元表示を行なうため、図示しない入力装置からサンプル動作が指示された場合には、制御装置１２はＳ／Ｈ回路８にサンプル動作を指示する制御信号（図２Ｃ）を出力すると共に，バイアス電圧回路１１には所定の一定電圧の出力を指示し、Ｘ駆動素子及びＹ駆動素子（共に図示せず）に位置信号を供給する。なお、図１では試料２からの高さ方向をＺ方向とし、それに直交する平面を構成する軸をＸ軸及びＹ軸とする。以下同様である。
【０００５】
そして、このとき探針１を流れるトンネル電流はＩ／Ｖ変換回路３で電圧に変換され、更に絶対値増幅器４で一極性の信号になされると共に増幅される。この信号は更に対数増幅器５で対数に変換されて増幅され、比較回路６に入力される。比較回路６には制御装置１２から基準電圧Ｖｒｅｆ  が入力されており、対数増幅器５の出力はこの基準電圧Ｖｒｅｆ  と比較される。比較回路６の出力は、位相補償回路７により当該フィードバックループで機械的振動が増加しないように位相補償され、Ｓ／Ｈ回路８を介してＺ駆動回路９に入力され、Ｚ駆動素子１０が駆動される。これにより、探針１は、トンネル電流が基準電圧Ｖｒｅｆ  に対応する電流になるＺ位置に移動され、そのときのＳ／Ｈ回路８の出力電圧が制御装置１２に取り込まれる。
【０００６】
以上の動作を、Ｘ駆動素子及びＹ駆動素子に供給する前記位置信号を走査信号として探針でＸ−Ｙ平面を走査しながら行なうことによって試料２の表面の凹凸を観察することができる。
【０００７】
次に、スペクトル信号の表示を行なうため、ホールド動作が指示された場合には、制御装置１２は操作者の指示に応じた位置信号を前記Ｘ駆動素子及びＹ駆動素子に供給する。その結果、探針は所望のＸ、Ｙ位置に移動して停止する。一方、制御装置１２はＳ／Ｈ回路８にホールド動作を指示する制御信号を出力して探針１のＺ駆動を停止させると共に、バイアス電圧回路１１には掃引電圧の発生を指示する。これにより、バイアス電圧発生回路１１は、図２Ａに示すようなランプ波形の電圧を発生し、この電圧は試料２に印加される。
【０００８】
そして、このとき、例えば図２Ｄに示すように所定のタイミングでバイアス電圧の掃引に同期してＩ／Ｖ変換回路３の出力電圧を取り込み、取り込んだデータに所定の処理を施すことによって、探針１の位置における試料の電子状態を知ることができる。これがスペクトロスコピーである。
【０００９】
しかしながら、スペクトロスコピーの際には、探針１と試料２との間に存在する浮遊容量Ｃ０  のため、試料２に印加される掃引バイアス電圧自体も同時に検出され、探針１を流れるトンネル電流に誤差を生じ、その結果Ｉ／Ｖ変換回路３の出力電圧にも誤差を生じるという問題があった。
【００１０】
このような問題を解決するため、本発明者は、バイアス発生回路が０（Ｖ）を含む掃引バイアス電圧を発生し、バイアス電圧が０（Ｖ）のときのＩ／Ｖ変換回路の出力電圧値を誤差とし、検出した全てのデータから前記誤差を減算することによりデータを補正する装置を提案した（特願平２−４０７７７０号）。図２ＢのδＶは、バイアス電圧が０（Ｖ）のときのＩ／Ｖ変換回路３の出力電圧であり、図２Ｂの一点鎖線は、検出した全てのデータから誤差δＶを差し引いた真のトンネル電流に対応する値を示している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この装置においては、バイアス発生回路が必ず０（Ｖ）を含む掃引バイアス電圧を発生するようにしなければならないため、０（Ｖ）を含まない狭いバイアス電圧範囲においてバイアス電圧の掃引を行なって誤差を含まないスペクトルを表示し、分析点における電子状態を詳しく調べることができない。
【００１２】
本発明はこのような点に鑑みて成されたもので、その目的は、任意のバイアス電圧範囲において、探針と試料との間の浮遊容量に基づく誤差を除き、真のトンネル電流に対応するスペクトル信号を得ることができる走査トンネル顕微鏡を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成する本発明の走査トンネル顕微鏡は、試料上における探針の位置を指定するための指定手段と、その指定手段の出力に基づいて探針を試料上の指定位置に位置させる手段と、前記指定手段によって指定された探針位置において探針と試料の間隔を固定するための手段と、探針と試料間に印加するバイアス電圧をあるバイアス電圧領域についてバイアス電圧が増加する向きと減少する向きの２つの向きで掃引するバイアス電圧掃引手段と、前記バイアス電圧が増加する向きの掃引に伴なって検出されるトンネル電流を表わす信号値と前記バイアス電圧が減少する向きの掃引に伴なって検出されるトンネル電流を表わす信号値との平均値に対応する信号を求める手段を備えている。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
図３は本発明の走査トンネル顕微鏡の実施例を示したものである。図３において、前記図１と同一番号を付したものは同一構成要素を示し、１３は制御装置、１４はバイアス電圧回路、１５は誤差補正手段である。図４は各部の信号波形を示す。図４Ａはバイアス電圧回路１４から出力される試料２のバイアス電圧の波形を示し、同図ＢはＩ／Ｖ変換回路３の出力電圧波形を示し、同図Ｃは制御装置１３からＳ／Ｈ回路８に出力される制御信号の波形を示し、同図Ｄは制御装置１３におけるデータ取り込みのタイミング信号の波形を示す。
【００１５】
以下、この装置の動作を説明する。
【００１６】
スペクトル信号を得ようとする時には、制御装置１３は従来と同様に、Ｓ／Ｈ回路８にホールド動作を指示すると共に、バイアス電圧回路１４には掃引バイアス電圧の発生を指示する。それにより、バイアス電圧回路１４は、図４Ａに示すように、バイアス電圧が増加する向きの掃引と減少する向きの掃引が行なわれるようバイアス電圧を発生する。制御装置１３は、上述のバイアス電圧の掃引に同期して所定のタイミングでＩ／Ｖ変換回路３の出力電圧を取り込む。そして、制御装置１３による出力電圧の取り込みが終了した後、誤差補正手段１５は、増加と減少の同一のバイアス電圧での出力電圧の平均を求め、探針と試料との間の浮遊容量に基づく誤差を除く。
【００１７】
以上の動作により誤差が補正できる理由は次の通りである。図５はＩ／Ｖ変換回路３の回路図を示したものである。図５において、Ｉｔは探針１を流れるトンネル電流、Ｃ０  は探針１と試料２との間に存在する浮遊容量、ＶＢ  はバイアス電圧、Ｒが抵抗、ＶＡ（Ｃ）が出力電圧である。
【００１８】
さて、正の比例定数をａ、時間をｔで表わすと、バイアス電圧が増加する向きの掃引電圧ＶＢ  をＶＢ  ＝ａｔと表わす時、出力電圧ＶＡ  は、
ＶＡ  ＝−（Ｉｔ・Ｒ＋ａＣ０  Ｒ）          ………（１）
と表わされる。また、バイアス電圧が減少する向きの掃引ＶＢ  をＶＢ  ＝−ａｔと表わす時、出力電圧ＶＣ  は、
ＶＣ  ＝−（Ｉｔ・Ｒ−ａＣ０  Ｒ）          ………（２）
となる。（１），（２）式から、
Ｉｔ・Ｒ＝−（ＶＡ  ＋ＶＣ  ）／２          ………（３）
となり、真のトンネル電流に対応する電圧Ｉｔ・Ｒは、図６の一点鎖線に示すように、同じバイアス電圧印加のもとでホールド期間ａにおいて得られた出力電圧とホールド期間ｃにおいて得られた出力電圧の平均をすれば求めることができる。
【００１９】
なお、前記実施例においては、図４に示したようにバイアス電圧の掃引が反転する間にサンプル期間を入れたが、そのサンプル期間を省き、一度に両極性走査を行なってもよい。
【００２０】
また、反極性の時間を変えて、ＶＢ  ＝−ｎａｔとしても、
Ｉｔ・Ｒ＝−（ｎＶＡ  ＋ＶＣ  ）／（ｎ＋１）………（４）
の演算（加重平均）により、誤差分を除くことができる。
【００２１】
また、上記実施例の装置においては、探針のＸ，Ｙ位置が指定した位置に移動するように構成されているが、探針がＸ，Ｙ位置を変えながら順次移動するように構成してもよい。
【００２２】
【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、任意のバイアス電圧範囲において、スペクトロスコピーの際に生じる探針と試料との間の浮遊容量に基づく誤差を補正し、真のトンネル電流に対応する信号を得ることができる。このため、０（Ｖ）を含まない狭いバイアス電圧範囲でも試料の探針近傍における電子の状態を詳しく調べることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のトンネル顕微鏡における制御システムの構成例を示す図である。
【図２】従来のトンネル顕微鏡における構成の各部の信号波形を示したものである。
【図３】本発明の走査トンネル顕微鏡の実施例を示したものである。
【図４】本発明のトンネル顕微鏡における構成の各部の信号波形を示したものである。
【図５】探針試料間の浮遊容量Ｃ０  を含んだＩ／Ｖ変換回路３の等価回路である。
【図６】誤差補正手段１５の動作を説明するために示した図である。
【符号の説明】
１  探針
２  試料
３  Ｉ／Ｖ変換回路
４  絶対値増幅器
５  対数増幅器
６  比較回路
７  位相補償回路
８  Ｓ／Ｈ回路
９  Ｚ駆動回路
１０  Ｚ駆動素子
１１  バイアス電圧回路
１２  制御装置
１３  制御装置
１４  バイアス電圧回路
１５  誤差補正手段
【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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【図６】
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