(57)【要約】【課題】二次電子検出器を用いることなく、簡単な構成で、トンネル電流と、試料から放出された二次電子の検出を可能とする。【解決手段】プリアンプ４の演算増幅器５の非反転入力端子には、試料３から二次電子を放出させるためのバイアス電圧を与えるバイアス電源６が接続され、これにより探針１の直流電位は当該バイアス電位となる。バイアス電源６により探針１に負のバイアス電圧を印加して探針１と試料３との距離を近づけると、探針１にはトンネル電流が流れ、試料３には、互いに逆向きのトンネル電流と、二次電子放出に基づく二次電子電流が流れる。これらの電流はそれぞれプリアンプ４、８により増幅され、差動増幅器７からはトンネル電流に対応したトンネル電圧が出力され、差動増幅器１０からは二次電子電流に対応した二次電子電圧が出力される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針に接続されるプリアンプを介して、試料から二次電子を放出させるためのバイアス電圧を印加する
ことを特徴とする走査トンネル顕微鏡。
【請求項２】
探針に接続される第１のプリアンプを介して、試料から二次電子を放出させるためのバイアス電圧を印加し、
第１のプリアンプの出力と、試料に接続される第２のプリアンプの出力とに基づいて、トンネル電流に対応したトンネル電圧と、試料から放出された二次電子に基づく二次電子電流に対応した二次電子電圧を出力する手段と
を備えることを特徴とする走査トンネル顕微鏡。
【請求項３】
前記第２のプリアンプを介して、試料に対して、試料から二次電子を放出させるためのバイアス電圧を印加する
ことを特徴とする請求項２記載の走査トンネル顕微鏡。
【請求項４】
探針と、
探針に接続され、一方の入力端子には探針に流れる電流が入力され、他方の入力端子には第１のバイアス電源が接続されてなる演算増幅器で構成される第１のプリアンプと、
試料に接続される第２のプリアンプと、
第１のプリアンプの演算増幅器から出力される電圧から第１のバイアス電圧をキャンセルして、探針に流れるトンネル電流に対応するトンネル電圧を出力する第１の差動増幅器と、
第１の差動増幅器の出力と、第２のプリアンプの出力電圧を演算して、試料から放出された二次電子に対応した二次電子電圧を出力する演算手段と
を備えることを特徴とする走査トンネル顕微鏡。
【請求項５】
前記第２のプリアンプは、一方の入力端子には試料に流れる電流が入力され、他方の入力端子には第２のバイアス電源が接続されてなる演算増幅器で構成されてなることを特徴とする請求項４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、トンネル電流と同時に、試料から放出された２次電子に基づく電流をも検出できる走査トンネル顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ナノテクノロジー分野の急速な発展により、より微細な領域での観察、測定、加工を可能にする装置の登場が望まれている。これらを実現可能とする装置の一つに、走査トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ。以下、ＳＴＭという）がある。
【０００３】
ところで、ＳＴＭでは、視野探し、即ち探針で走査する試料の領域を探す等の目的のため、試料の二次電子像を観察したいという要望があり、そのための一つの手法として、探針と試料との間に、試料から二次電子が放出される程度のバイアス電圧を印加することが知られている（例えば、特開平６−１７６７３２号公報参照）。
【０００４】
これによれば、トンネル電流が一定になるように探針と試料間の距離を制御してＳＴＭ像を観察すると同時に、試料から放出された二次電子を検出することによって、ＳＴＭ像と同視野の試料の二次電子像を観察することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１７６７３２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のものでは次のような問題がある。
一つは、上記特許文献１では、試料から放出された二次電子を検出するために、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）と同じく二次電子検出器を用いているが、トンネル電流を検出する場合には探針と試料との距離は非常に狭くなされ、しかも、その状態で探針と試料の間に二次電子検出器を配置できる程度の空間は無いのが実際であるので、上記特許文献１のように試料の近傍に二次電子検出器を配置することは非常に難しいという問題がある。
【０００７】
また、上記特許文献１では、探針に直接バイアス電圧を印加するようになされている。このような構成は勿論可能ではあるが、実際にはバイアス電圧の接地の取り方が難しいものである。
【０００８】
そこで、本発明は、二次電子検出器を用いることなく、しかも簡単な構成で試料からの二次電子放出を可能とするバイアス電圧を探針に印加することができ、トンネル電流と、試料から放出された二次電子の検出を可能と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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の走査トンネル顕微鏡は、探針に接続されるプリアンプを介して、試料から二次電子を放出させるためのバイアス電圧を印加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は、探針に接続される第１のプリアンプを介して、試料から二次電子を放出させるためのバイアス電圧を印加し、第１のプリアンプの出力と、試料に接続される第２のプリアンプの出力とに基づいて、トンネル電流に対応したトンネル電圧と、試料から放出された二次電子に基づく二次電子電流に対応した二次電子電圧を出力する手段とを備えることを特徴とする。
請求項３記載の走査トンネル顕微鏡は、請求項２において、前記第２のプリアンプを介して、試料に対して、試料から二次電子を放出させるためのバイアス電圧を印加することを特徴とする。
請求項４記載の走査トンネル顕微鏡は、探針と、探針に接続され、一方の入力端子には探針に流れる電流が入力され、他方の入力端子には第１のバイアス電源が接続されてなる演算増幅器で構成される第１のプリアンプと、試料に接続される第２のプリアンプと、第１のプリアンプの演算増幅器から出力される電圧から第１のバイアス電圧をキャンセルして、探針に流れるトンネル電流に対応するトンネル電圧を出力する第１の差動増幅器と、第１の差動増幅器の出力と、第２のプリアンプの出力電圧を演算して、試料から放出された二次電子に対応した二次電子電圧を出力する演算手段とを備えることを特徴とする。
請求項５記載の走査トンネル顕微鏡は、請求項４において、前記第２のプリアンプは、一方の入力端子には試料に流れる電流が入力され、他方の入力端子には第２のバイアス電源が接続されてなる演算増幅器で構成されてなることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係る走査トンネル顕微鏡の第１の実施形態を示す図であり、図中、１は探針、２はＰＺＴスキャナ、３は試料、４はプリアンプ、５は演算増幅器、６はバイアス電源、７は差動増幅器、８はプリアンプ、９は演算増幅器、１０は差動増幅器を示す。
【００１１】
探針１はＰＺＴスキャナ２によりＸ（横方向）、Ｙ（縦方向）、Ｚ（高さ方向）の３軸方向に移動可能となされている。なお、ＰＺＴスキャナ２の構造、及びその駆動回路（図示せず）は周知であり、しかも本発明においては本質的な事項ではないので、説明は省略する。
【００１２】
プリアンプ４は、入力抵抗Ｒ１  、演算増幅器５、帰還抵抗Ｒ２  で構成された周知の構成であるが、演算増幅器５の反転入力端子は入力抵抗Ｒ１  を介して探針１に接続されており、非反転入力端子と接地間にはバイアス電源６が接続されている。このバイアス電源６は電圧が可変な電源を用いるのがよい。また、バイアス電源６の電圧の可変範囲は、演算増幅器５の耐電圧の範囲内とすることは当然であり、現実的には−数百Ｖ〜＋数百Ｖ程度の範囲内で可変とすればよい。
【００１３】
このプリアンプ４の構成によれば、演算増幅器５の動作により、探針１にはバイアス電源６からのバイアス電圧が印加される。つまり、探針１の直流電位はバイアス電圧の電位となる。また、探針１に流れる電流は、プリアンプ４の入力抵抗Ｒ１  により電圧に変換され、演算増幅器５で増幅されて差動増幅器７の一方の入力端子に入力される。また、差動増幅器７の他方の入力端子にはバイアス電源６からのバイアス電圧が入力される。これにより、差動増幅器７においてバイアス電圧がキャンセルされて、差動増幅器７からは探針１に流れた電流に対応する電圧のみが出力される。
【００１４】
試料３に流れた電流はプリアンプ８に入力される。プリアンプ８は、入力抵抗Ｒ３  、演算増幅器９及び帰還抵抗Ｒ４  で構成されている。演算増幅器９の反転入力端子は入力抵抗Ｒ３  を介して試料３に接続されており、演算増幅器９の非反転入力端子は接地されている。
【００１５】
このプリアンプ８の構成によれば、演算増幅器９の動作により、試料３は直流的には接地される。また、試料３に流れる電流は、プリアンプ８の入力抵抗Ｒ３  により電圧に変換され、演算増幅器９で増幅されて差動増幅器１０の一方の入力端子に入力される。また、差動増幅器１０の他方の入力端子には差動増幅器７の出力電圧が入力される。
【００１６】
さて、図１に示す構成において、トンネル電流の検出、及び試料３から放出された二次電子の検出を同時に行う場合には、バイアス電源６の電圧を適当な負の電圧に設定して、探針１と試料３との距離を、探針１と試料３との間にトンネル電流が流れる距離に近づける。このときのバイアス電源６の負のバイアス電圧は、探針１を試料３に近づけた時に、試料３からの二次電子放出が可能な電圧とするのは当然である。
【００１７】
これにより、探針１と試料３との間にはトンネル電流が流れると共に、試料３の探針１に対向する位置からは二次電子が放出されるが、ここで、このときに探針１に流れる電流、及び試料３に流れる電流は次のようである。
【００１８】
まず、探針１、及び試料３にはそれぞれトンネル電流が流れる。周知のように、トンネル電流の向きは試料３から探針１に向かう方向である。
【００１９】
また、試料３からは二次電子が放出されるので、試料３には当該放出された二次電子に基づく電流が流れる。本明細書ではこの電流を二次電子電流と称する。この二次電子電流の向きは、試料３からプリアンプ８に向かう方向である。つまり、二次電子電流はトンネル電流とは逆向きである。従って、試料３にはトンネル電流と二次電子電流の総和の電流、具体的には両者の差の電流が流れる。
【００２０】
試料３から放出された二次電子は探針１に到達することも考えられるが、上述した通り探針１には負のバイアス電圧が印加されているので、二次電子は反発する。従って、仮に探針１に二次電子が到達したとしても、その量は非常に僅かなものであり、その電流はトンネル電流に対しては無視できるものである。従って、探針１に流れるのはトンネル電流のみとしてよい。
【００２１】
さて、探針１に流れるトンネル電流はプリアンプ４において電流／電圧変換及び増幅されて演算増幅器５から出力される。この演算増幅器５の出力にはバイアス電源６からのバイアス電圧が重畳されているので、差動増幅器７により演算増幅器５の出力電圧からバイアス電圧を減算してキャンセルする。これによって、差動増幅器７の出力電圧は、トンネル電流に対応する電圧を有するものとなる。本明細書では差動増幅器７の出力電圧をトンネル電圧と称する。
【００２２】
他方、試料３に流れる電流はプリアンプ８において電流／電圧変換及び増幅されて演算増幅器９から出力される。この演算増幅器９の出力電圧は、トンネル電流と二次電子電流の差の電流に対応する電圧であることは当然である。
【００２３】
そして、差動増幅器７の出力であるトンネル電圧と、プリアンプ８の出力電圧は差動増幅器１０に入力される。差動増幅器１０は、入力された２つの電圧を合成して、プリアンプ８の出力電圧からトンネル電圧をキャンセルする。これによって、差動増幅器１０からは二次電子電流に対応した電圧のみが出力される。本明細書では、差動増幅器１０の出力電圧を二次電子電圧と称する。
【００２４】
なお、以上のようにして検出されたトンネル電圧及び二次電子電圧をどのように利用するかは任意である。例えば、トンネル電圧についてはＳＴＭにおいて通常行われている手法を用いて分析、加工等を行うことができ、また、ＳＴＭ像をモニタに表示することも可能である。二次電子電圧についても同様であり、ＳＥＭにおいて通常行われている手法を用いて分析することができ、また、ＳＥＭ像をモニタに表示することも可能である。
【００２５】
以上のようであるので、この走査トンネル顕微鏡によれば、探針１に接続されるプリアンプ４を構成する演算増幅器５の一方の入力端子にバイアス電源６を接続することによって探針１に対して、試料３から二次電子を放出させるためのバイアス電圧を印加する構成であるので、バイアス電源６の接地を容易に取ることができる。
【００２６】
また、探針１に流れる電流と、試料３に流れる電流をそれぞれ検出して、それらに対して所定の演算を施すことによってトンネル電圧と二次電子電圧を得るようにしているので、上記特許文献１のように二次電子検出器を配置する必要はないものである。
【００２７】
以上が本発明に係る走査トンネル顕微鏡の第１の実施形態であり、次に、図２を参照して本発明に係る走査トンネル顕微鏡の第２の実施形態について説明する。図２において、１１は第２バイアス電源、１２は差動増幅器を示す。なお、図１に示す構成要素と同等なものについては同一の符号を付して重複する説明を最小限に留めることにする。
【００２８】
図２に示す構成は、試料３に接続されるプリアンプ８の演算増幅器９の非反転入力端子と接地との間に第２バイアス電源１１を設けた点、及び、プリアンプ８と、二次電子電圧を出力する差動増幅器１０との間に差動増幅器１２を設けた点で図１に示す構成と異なっており、その他は同じである。
【００２９】
このプリアンプ８の構成によれば、演算増幅器９の動作により、試料３には第２バイアス電源１１からの第２バイアス電圧が印加される。つまり、試料３の直流電位は第２バイアス電圧の電位となる。この第２バイアス電源１１は電圧が可変な電源を用いるのがよい。また、第２バイアス電源１１の電圧の可変範囲は、演算増幅器９の耐電圧の範囲内とすることは当然であり、現実的には−数百Ｖ〜＋数百Ｖ程度の範囲内で可変とすればよい。
【００３０】
差動増幅器１２は、プリアンプ８の演算増幅器９の出力電圧に重畳されている第２バイアス電圧をキャンセルするために設けられているものであり、一方の入力端子には演算増幅器９の出力電圧が入力され、他方の入力端子には第２バイアス電源１１からの第２バイアス電圧が入力される。
【００３１】
図２に示す構成において、トンネル電流の検出、及び試料３から放出された二次電子の検出を同時に行う場合には、バイアス電源６の電圧を適当な負の電圧に設定すると共に、第２バイアス電源１１の第２バイアス電圧を適当な正の電圧に設定し、探針１と試料３との距離を、探針１と試料３との間にトンネル電流が流れる距離に近づける。このときのバイアス電源６の負のバイアス電圧、及び第２バイアス電源１１の正の第２バイアス電圧は、探針１を試料３に近づけた時に、試料３からの二次電子放出が可能な電圧とするのは当然である。
【００３２】
このように、図２に示す構成では、探針１に対しては負のバイアス電圧を印加し、試料３には正の第２バイアス電圧を印加することができるので、探針１と試料３との間の電位差を図１に示す構成より大きくすることができるので、試料３からの二次電子放出をより起こさせ易くすることができる。
【００３３】
なお、図２に示す構成において、探針１に流れる電流、及び試料３に流れる電流は、上述した第１の実施形態の場合と同じである。また、探針１に流れるトンネル電流に関する信号回路系は第１の実施形態と同じである。
【００３４】
試料３に流れる電流はプリアンプ８により電流／電圧変換、及び増幅されて差動増幅器１２の一方の入力端子に入力され、差動増幅器１２の他方の入力端子には第２バイアス電源１１からの第２バイアス電圧が入力される。そして、差動増幅器１２は演算増幅器９の出力電圧から第２バイアス電圧を減算する。これによって、演算増幅器９の出力は重畳されている第２バイアス電圧がキャンセルされる。従って、差動増幅器１２の出力電圧は、トンネル電流と二次電子電流の差の電流に対応する電圧となる。
【００３５】
そして、差動増幅器６の出力であるトンネル電圧と、差動増幅器１２の出力電圧は差動増幅器１０に入力される。差動増幅器１０は、入力された２つの電圧を合成して、差動増幅器１２の出力電圧からトンネル電圧をキャンセルする。これによって、差動増幅器１０からは二次電子電圧が出力される。
【００３６】
以上のようであるので、この第２の実施形態によれば、第１の実施形態で奏される効果に加え、試料３からの二次電子放出をより起こさせ易くすることができるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る走査トンネル顕微鏡の第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明に係る走査トンネル顕微鏡の第２の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１…探針、２…ＰＺＴスキャナ、３…試料、４…プリアンプ、５…演算増幅器、６…バイアス電源、７…差動増幅器、８…プリアンプ、９…演算増幅器、１０…差動増幅器、１１…第２バイアス電源、１２…差動増幅器。
【図１】
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【図２】
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