(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針と、該探針を試料に対して移動させるピエゾ素子と、前記試料にバイアス電圧が印加されると前記探針と前記試料との間を流れるトンネル電流を電圧変換するプリアンプと、該プリアンプの出力側に設けられ、前記試料にバイアス電圧を印加するＳＴＭ用バイアス電源を備えたＳＴＭ制御回路と、を備えた走査型トンネル顕微鏡における電子放出分布測定装置であって、
前記ＳＴＭ用バイアス電源より高電圧であり前記試料にバイアス電圧を印加するＦＥ用バイアス電源と、ＳＴＭ用バイアス電源とＦＥ用バイアス電源を交互に切り換える切換スイッチと、サンプルホールド回路と、を備えており、
前記サンプルホールド回路は、タイミング信号発生器に互いに並列に接続された第１サンプルホールド回路及び第２サンプルホールド回路を有し、それぞれ前記タイミング信号発生器から送られるサンプル信号により前記プリアンプからの入力を出力するサンプリング動作を行い、ホールド信号により該ホールド信号入力直前の前記プリアンプからの入力を保持して出力する保持動作を行い、
前記第１のサンプルホールド回路は、前記プリアンプとＳＴＭ制御回路との間に設けられ、前記第２のサンプルホールド回路は、前記プリアンプと電子放出分布計測用の回路系との間に設けられており、
前記切換スイッチは、前記タイミング信号発生器から送られるスイッチ切換信号により試料に印加する電源を前記ＳＴＭ用バイアス電源又はＦＥ用バイアス電源に交互に切り換え、
前記試料にＦＥ用バイアス電源の電圧が印加されている期間は、前記第１サンプルホールド回路は保持動作が行われているが、前記第２サンプルホールド回路は前記期間中にサンプル信号が加えられると、前記プリアンプからの出力で前記電子放出分布像の計測に供することを特徴とする電子放出分布測定装置。
【請求項２】
前記プリアンプは、前記探針に接続された第１のプリアンプと、第１のプリアンプの出力側の分岐回路にそれぞれ互いに並列に接続された第２のプリアンプ及び第３のプリアンプから成り、
前記第２のプリアンプの出力側は第１サンプルホールド回路に接続されており、第３のプリアンプの出力側は第２サンプルホールド回路に接続され、
前記第２のプリアンプに対して、第３のプリアンプは増倍率が異なることを特徴とする請求項１に記載の電子放出分布測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型トンネル顕微鏡(scanning tunneling microscope：「ＳＴＭ」という。)などの走査プローブ顕微鏡を応用して、走査型トンネル顕微鏡で通常得られる試料の表面形状像（本明細書では「ＳＴＭ像」ともいう。）だけでなく、試料における高分解能の電子放出分布像（本明細書では「ＦＥ像）」ともいう。）を同時に計測することのできる電子放出分布測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、探針と試料間に流れる電流の大きさ等を検出し、一定に制御することで試料表面の状態を計測する装置として走査型トンネル顕微鏡などの走査型プローブ顕微鏡が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
ＳＴＭは、試料に一定の電圧を印加し、制御機器を用い探針と試料間に流れる電流を一定にするように試料垂直方向の位置をフィードバック制御する状態（定電流トンネルモード）で、試料を水平方向に走査したときの試料垂直方向の軌跡を、試料水平方向位置情報（試料表面の起伏形状）と対応させ、記憶装置内に二次元平面状に再配列することで試料の表面形状像を得るものである。
【０００４】
ところで、従来、走査プローブ顕微鏡を活用して電界電子放出分布を計測する試みがなされている(Scanning Tunneling Field Emission Microscope：ＳＴＦＥＭ法）  （非特許文献１参照)。
【０００５】
また、本発明と目的は異なるものの、関連する技術として、固体表面における電子状態を高空間分解能を保ちつつエネルギー分解にて計測することを可能としたＣＩＴＳ法 （Current Imaging Tunneling Spectroscopy）が知られている（非特許文献２参照）。  
【０００６】
【特許文献１】特開平５−３０６９２６
【非特許文献１】D Frolov, A V Karabutov, V I Konov, S M Pimenov および A M Prokhorov著、 “Scanning tunnelling microscopy: application to field electron emission studies” Journal of Physics D: Applied Physics、32巻、p. 815-819、1999年
【非特許文献２】R. J. Hamers, R. M. Tromp, および J. E. Demuth著、 “Surface Electronic Structure of Si (111)-(7 x 7) Resolved in Real Space” Physical Review Letters、56巻、p 1972-1975, 1986年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記非特許文献１記載のＳＴＦＥＭ法は、通常の定電流トンネルモードのＳＴＭ計測において、一時的に探針と試料間の印加電圧を電界電子放出が起こるまで高めたとき、フィードバックが機能し、電流増大に抗して一定電流を保つように探針は表面から遠ざかるが、このときの探針の試料垂直方向への移動距離を計測するものである。
【０００８】
しかしながら、ＳＴＦＥＭ法は、直接電流を計測するものでないため、定量的な評価が困難であるだけでなく、探針が著しく遠ざかるため電界電子放出において重要な探針と試料間距離を一定に保てないだけでなく、高い分解能を得られないという問題があった。
【０００９】
そして、前記非特許文献２記載のＣＩＴＳ法は、電圧を試料に加えて定電流トンネルモードでＳＴＭ計測をおこなう途中において、時間分割で印加電圧を変化させ、そのときに流れるトンネル電流によりエネルギー分解局所状態密度の空間分布を得るものである。
【００１０】
しかしながら、ＣＩＴＳ法では、印加電圧を電界放出領域まで高めれば、原理的には、電界電子放出分布を計測することが可能である。しかし、測定される電流の変化量が著しく大きいため、計測系が追従できず意図した計測は実現することはできない。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題点を解決することを目的としてなされたものであり、走査型トンネル顕微鏡などにおいて、高分解能電子放出分布の測定も可能な電子放出分布測定装置を実現することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記課題を解決するために、探針と、該探針を試料に対して移動させるピエゾ素子と、前記試料にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加回路と、前記探針と前記試料との間を流れる電流を電圧変換するプリアンプと、該プリアンプの出力側に順次設けられたＳＴＭ制御回路と、を備えた走査型トンネル顕微鏡において、前記プリアンプとＳＴＭ制御回路との間にサンプルホールド回路を設けてなることを特徴とする電子放出分布測定装置を提供する。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するために、探針と、該探針を試料に対して移動させるピエゾ素子と、前記試料にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加回路と、前記探針と前記試料との間を流れる電流を電圧変換するプリアンプと、該プリアンプの出力側に順次設けられたＳＴＭ制御回路と、を備えた走査型トンネル顕微鏡において、前記プリアンプとＳＴＭ制御回路との間にサンプルホールド回路を設けてなる電子放出分布測定装置であって、前記バイアス電圧印加回路は、ＳＴＭ用バイアス電源と、該ＳＴＭ用バイアス電源より高電圧のＦＥ用バイアス電源と、ＳＴＭ用バイアス電源及びＦＥ用バイアス電源を交互に切り換える切換スイッチと、を備え、前記サンプルホールド回路は、前記試料にＦＥ用バイアス電源の電圧が印加されている期間は、前記プリアンプから前記ＳＴＭ制御回路への出力を、前記ＦＥ用バイアス電源の電圧が印加される直前の前記プリアンプからの出力に保持するとともに、電子放出分布像の計測に供することを特徴とする電子放出分布測定装置を提供する。
【００１４】
本発明は上記課題を解決するために、探針と、該探針を試料に対して移動させるピエゾ素子と、前記試料にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加回路と、前記探針と前記試料との間を流れる電流を電圧変換するプリアンプと、該プリアンプの出力側に順次設けられたＳＴＭ制御回路と、を備えた走査型トンネル顕微鏡において、前記プリアンプとＳＴＭ制御回路との間にサンプルホールド回路を設けてなる電子放出分布測定装置であって、前記バイアス電圧印加回路は、ＳＴＭ用バイアス電源と、該ＳＴＭ用バイアス電源より高電圧のＦＥ用バイアス電源と、ＳＴＭ用バイアス電源及びＦＥ用バイアス電源を交互に切り換える切換スイッチと、を備え、前記試料にＳＴＭ用バイアス電源の電圧が印加されている期間中に前記プリアンプからの出力を前記ＳＴＭ制御回路に入力させ、前記試料にＦＥ用バイアス電源の電圧が印加されている期間は、前記プリアンプから前記ＳＴＭ制御回路への出力を、前記ＦＥ用バイアス電源の電圧が印加される直前の前記プリアンプからの入力を保持して出力するとともに、電子放出分布像の計測に供することを特徴とする電子放出分布測定装置を提供する。
【００１５】
本発明は上記課題を解決するために、探針と、該探針を試料に対して移動させるピエゾ素子と、前記試料にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加回路と、前記探針と前記試料との間を流れる電流を電圧変換するプリアンプと、該プリアンプの出力側に順次設けられたＳＴＭ制御回路と、を備えた走査型トンネル顕微鏡において、前記プリアンプとＳＴＭ制御回路との間にサンプルホールド回路を設けてなる電子放出分布測定装置であって、前記バイアス電圧印加回路は、ＳＴＭ用バイアス電源と、該ＳＴＭ用バイアス電源より高電圧のＦＥ用バイアス電源と、ＳＴＭ用バイアス電源及びＦＥ用バイアス電源を交互に切り換える切換スイッチと、を備え、前記サンプルホールド回路は、タイミング信号発生器に互いに並列に接続された第１サンプルホールド回路及び第２サンプルホールド回路を有し、それぞれ前記タイミング信号発生器から送られるサンプル信号により前記プリアンプからの入力を出力するサンプリング動作を行い、ホールド信号により該保持信号入力直前の前記プリアンプからの入力を保持して出力する保持動作を行い、前記電源切換スイッチは、前記タイミング信号発生器から送られるスイッチ切換信号により試料に印加する電源を前記ＳＴＭ用バイアス電源又はＦＥ用の電源に交互に切り換えることを特徴とする電子放出分布測定装置を提供する。
【００１６】
前記試料にＦＥ用電源の電圧が印加されている期間は、前記第１サンプルホールド回路は保持動作が行われているが、前記第２サンプルホールド回路は前記期間中にサンプル信号が加えられると、前記プリアンプからの出力で前記電子放出分布像の計測に供する構成とすることが好ましい。
【００１７】
前記プリアンプは、増倍率の異なる２段の増幅器から成る構成とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る電子放出分布測定装置によれば、次のような効果が生じる。即ち、走査型トンネル顕微鏡などの探針と試料との間に流れる電流を検出し、制御するＳＴＭに簡単な回路を付加するだけで、高分解能の電子放出分布とその絶対値の測定が可能となる。しかも、この回路は、通常のＳＴＭに追加するだけで新たな改造を特別加えることなく目的の機能を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係る電子放出分布測定装置を実施するための最良の形態について、その実施例を、図面を参照して、以下に説明する。
【００２０】
（原理）
探針と試料を近接させた場合のポテンシャルダイアグラムを図１（ａ）、（ｂ）に示す。仕事関数とは材料固有の物性値であり、固体のフェルミ準位（Ｅｆと記載）と無限遠での電子のポテンシャルである真空準位（破線で記載）のエネルギー差である。すなわち、固体内部から真空中に電子を取り出すための必要最小限のエネルギーである。図１（ａ）、（ｂ）中の仕事関数値ΦＨｆＣは試料に用いたＨｆＣ（ハフニウムカーバイド）薄膜（後述）の仕事関数、Φｗはタングステンの探針を使用した場合の探針の仕事関数である。図１（ａ）、（ｂ）に示されている値（３．９ｅＶ、４．５ｅＶ）は、H.B.Michaelsonによる文献値（H.B.Michaelson著、J.Appl．Phys．22，4729(1977)に示された値）である。  
【００２１】
ＳＴＭ計測において、図１（ａ）に示すように、探針と試料の電位差が仕事関数より低い場合は、次の数式１が成り立ち、電子は障壁内をトンネルする。このトンネルする電流（トンネル電流）をＪとすると、数式１は次のとおりである。
【００２２】
【数１】
0004461257.tif 000002
【００２３】
なお、数式１において、ｅは電子の電荷、ｍは電子の電荷、Φ０は仕事関数、ｓは探針試料間距離である。
【００２４】
この数式１により、トンネル電流は探針と試料間の距離に大きく依存することがわかる。定電流トンネルモードで材料表面の観察を行う場合は上記の式に基づき、トンネル電流を一定にするように探針試料間距離ｓを制御し、その移動距離をＳＴＭ像として計測している。
【００２５】
これに対し、図１（ｂ）に示すように、電位差が探針の仕事関数よりも大きい場合は、電界の大きさにより障壁が薄くなり実粒子として電子が真空中に放出される。この状態を電界電子放出と定義し、数式２が成立する。なお、Ｆは電界である。
【００２６】
【数２】
0004461257.tif 000003
【００２７】
更に印加する電圧が高い場合は、数式２の第二項が無視できる値になり数式３が成り立つ。この式は、Fowler-Nordheimの式と呼ばれている。
【００２８】
【数３】
0004461257.tif 000004
【００２９】
この数式３においては、指数関数の引数に電界Ｆが入っており、電界の大きさが大きく放出電流に影響を与えることがわかる。固体金属の仕事関数は最も高い値に属するプラチナが、約５．７ｅＶである。従って、６Ｖ程度以上の電圧を印加することにより電子の電子放出電流を計測し、電子放出分布の状態を計測し、その電子放出分布像を得ることが可能となる。
【００３０】
（構成）
本発明に係る電子放出分布測定装置は、基本的には、ＳＴＭ像を得るＳＴＭを本体とし、これに、探針の位置を保持（ホールド）しといて電子放出分布状態の計測を行って電子放出分像を得ることを可能とする手段（以下、「電子放出分布計測・ホールド手段」という。）を付加した構成を特徴とし、これにより、電子放出分布像とＳＴＭ像を同時に取得することを可能するものである。
【００３１】
本体となるＳＴＭは、探針と試料の間に電圧Ａを印加し、流れるトンネル電流を一定に保つように、探針を移動しその移動距離で二次元表面上にマッピングすることで試料表面のＳＴＭ像を得る装置である。このように、探針と試料の間に流れるトンネル電流を一定に保って試料表面のＳＴＭ像を得るモードを、本明細書では「定電流トンネルモード」（「ＳＴＭモード」ともいう。）という。                          
【００３２】
電子放出分布計測・ホールド手段の概要は、通常の定電流トンネルモードのバイアス電圧と電子放出が可能なバイアス電圧を切り換えて印加するバイアス電圧印加回路と、電子放出が可能なバイアス電圧を試料に印加している際は、電流に応じた探針の移動をしないように保持する二系統のサンプルホールド回路を設け、タイミング発生回路により、定電流トンネルモードと、電子放出分布像を得るモードである電子放出分布計測モード（「ＦＥモード」ともいう。）を交互に切り替えることのできる手段である。    
【００３３】
電子放出分布計測・ホールド手段によって、定電流トンネルモードに切り替えている際には、探針と試料間で電圧Ａを印加し設定した待機時間を経た後にトンネル電流を計測しフィードバック機能を用いて高さ情報を取得する処理を行いＳＴＭ像を得るとともに、その探針の高さ方向の位置を保持する処理を行う。                                    
【００３４】
そして電子放出分布計測・ホールド手段によって、探針の高さ方向の位置を保持した状態で電子放出分布計測モードに切り替え、この電子放出分布計測モードで電子放出を起こすに足るバイアス電圧（試料電圧）を印加する処理を行うとともに、そのバイアス電圧下で設定した待機時間を経た後に放出される電流によって電子放出分布像を得る。その後、再度、定電流トンネルモードにもどる。これにより電子放出分布像とＳＴＭ像を同時に取得することが可能となる測定方法を提供する。
【実施例】
【００３５】
（全体構成）                                    
図２は、本発明に係る電子放出分布測定装置の実施例を説明する図であり、電子放出分布測定装置１の回路ブロック図である。この実施例の電子放出分布測定装置１は、図２の回路ブロック図に示すように、基本となるＳＴＭの主な構成要素として、検知部２とＳＴＭ制御回路３を備えている。さらに、本発明の特徴的な構成として、定電流トンネルモードと電子放出分布計測モードを切り換えて行うための電子放出分布計測・ホールド手段４を備えている。
【００３６】
検知部２は、圧電体であるピエゾ素子５によって、試料に対して垂直に近づいたり離れたりすることのできる探針６を有する。探針６に対向して置かれる試料７には、配線８を介してＳＴＭ用バイアス電源９が接続され、ＳＴＭ用バイアス電圧（通常のＳＴＭモード用のバイアス電圧）が印加される。ＳＴＭ用バイアス電源９は、予めＳＴＭ用バイアス電圧を所定の値に選択的に設定できるように構成されている。
【００３７】
探針６にはプリアンプ１０が接続されている。このプリアンプ１０は、試料７と探針６間に流れる電流を電圧変換（単位：Ｖ／Ａ）し、１０７〜８倍に増幅する。このプリアンプ１０の出力側は、後記する第１サンプルホールド回路１１及び第２サンプルホールド回路１２に接続されている。第１サンプルホールド回路１１は、後記するログアンプ１３に接続されている。
【００３８】
プリアンプ１０は具体的には、内部で二段階の増幅器が組み込まれている。即ち、探針６に接続された第１のプリアンプ１４と、第１のプリアンプ１４の出力側の分岐回路１７にそれぞれ互いに並列に接続された第２のプリアンプ１５及び第３のプリアンプ１６から構成されている。
【００３９】
第１のプリアンプ１４は、探針６からのトンネル電流を１０７（Ｖ／Ａ）倍に電流−電圧変換するものである。第２のプリアンプ１５は、第１サンプルホールド回路１１に接続されており、第１のプリアンプ１４からの出力電圧をさらに１０１倍に増幅し、全体として１０８（Ｖ／Ａ）倍に増幅を行う。この第２のプリアンプ１５からの出力電圧を第１サンプルホールド回路１１を介して ＳＴＭ制御回路３に入力し、探針６と試料７間の距離の高精度な制御を可能とする。さらに、フィードバック回路２０の出力は、ＳＴＭ計測用の回路系１８へ出力され、ＳＴＭ像を得ることができる。
【００４０】
第３のプリアンプ１６は、第１のプリアンプ１４からの出力電圧を等倍に増幅し、全体として１０７（Ｖ／Ａ）倍に増幅し、最大約１．５μＡの放出電流を測定することが可能である。第３のプリアンプ１６からの出力は、電子放出分布計測用の回路系１９へ出力され電子放出電流として計測されて電子放出分布像を得ることができる。なお、電子放出分布像を得る回路系への出力は、増幅率を変更することにより多様な計測条件に対応させ適切な条件下での計測を実現することが可能である。
【００４１】
ＳＴＭ制御回路３は、その入力側にログアンプ１３が設けられ、その出力側にフィードバック回路２０が接続されている。さらに、フィードバック回路２０の出力側にはピエゾ駆動回路２１が接続されており、その出力側がピエゾ素子５に接続されている。また、フィードバック回路２０の出力側には、ＳＴＭ計測用の回路系１８（フィードバック回路の出力に基づいて試料７表面の起伏を計測してＳＴＭ像を形成するＳＴＭ像形成部等）が接続されている。
【００４２】
フィードバック回路２０の出力は、試料７と探針６間に流れるトンネル電流を一定とするために、探針６をピエゾ素子５で制御するための出力となる。そして、この出力は、探針６の移動を決めるものであるが、この出力をＳＴＭ計測用の回路系１８に出力して利用すれば、ＳＴＭ像を計測することができる。
【００４３】
ＳＴＭ計測用の回路系１８自体は、すでに周知のＳＴＭにおいて使用されているものと同じ構成であり、電子放出分布計測用の回路系１９もＳＴＭ計測用の回路系１８とほぼ同じ構成であるが、以下において、これらを簡単に説明する。
【００４４】
図３は、ＳＴＭ計測用の回路系１８と電子放出分布計測用の回路系１９を説明する図であり、実際はコンピュータ２９が利用される。試料７の表面の水平方向の座標軸をＸ軸、Ｙ軸とし、試料７の表面垂直方向をＺ軸と定義する。図３において、ＸＹ制御用の位置情報（位置信号）を生成するＸＹ位置情報生成部３０と、ＳＴＭ像形成部３１と、電子放出分布像形成部３２が、コンピュータ２９に設けられている（実際はコンピュータのＣＰＵが機能して構成される）。
【００４５】
ＳＴＭ像形成部３１は、ＡＤ変換器３３を介してフィードバック回路２０に接続されており、電子放出分布像形成部３２は、ＡＤ変換器３４を介して第２サンプルホールド回路１２に接続されている。そして、ＳＴＭ像形成部３１及び電子放出分布像形成部３２は、それぞれＸＹ位置情報生成部３０に接続されている。
【００４６】
ＸＹ位置情報生成部３０は、ＤＡ変換器３５を介してＸＹ方向ピエゾコントローラ３６に接続されている。ＸＹ方向ピエゾコントローラ３６は、探針６をＸＹ方向に駆動するＸＹ駆動用ピエゾ素子（探針６を試料に対して垂直に近づいたり離れたりするためのピエゾ素子５とは別途設けられたピエゾ素子）を制御するものである。
【００４７】
以上の構成を示す図３において、ＳＴＭ計測用の回路系１８は、ＡＤ変換器３３と、コンピュータ２９におけるＳＴＭ像形成部３１及びＸＹ位置情報生成部３０とから成る。電子放出分布計測用の回路系１９は、ＡＤ変換器３４と、コンピュータ２９における電子放出分布像形成部３２及びＸＹ位置情報生成部３０とから成る。
【００４８】
ＳＴＭモードにおいては、ＳＴＭ計測用の回路系１８は、フィードバック回路２０の出力をＡＤ変換器３３を用いてデジタル値に変換する。そして、ＸＹ位置情報生成部３０から出力される探針６をＸＹ座標上で駆動するＸＹ位置情報の信号に同期して、上記デジタル値をＺ軸方向の位置情報として利用しマッピングを行い、二次元画像化してＳＴＭ像を作成（計測）するものである。
【００４９】
また、ＦＥモードにおいては、電子放出分布計測用の回路系１９は、第２サンプルホールド回路１２の出力をＡＤ変換器３４を用いてデジタル値に変換する。そして、ＸＹ位置情報生成部３０から出力される探針６をＸＹ座標上で駆動するＸＹ位置情報の信号に同期して、上記デジタル値をＺ軸方向の位置情報として利用しマッピングを行い、二次元画像化して電子放出分布像を作成（計測）するものである。
【００５０】
（電子放出分布計測・ホールド手段）
電子放出分布計測・ホールド手段４は、サンプルホールド回路２２と、タイミング信号発生器２３とを備えている。さらに、電子放出分布計測・ホールド手段４は、後記するが、バイアス電圧印加回路を構成する切換スイッチ２４とＦＥ用バイアス電源２５を備えている。サンプルホールド回路２２は、プリアンプ１０の出力側の分岐回路１７に、第１サンプルホールド回路１１と、第２サンプルホールド回路１２が並列して設けられている。
【００５１】
第１サンプルホールド回路１１は、その出力側がログアンプ１３に接続されている。第２サンプルホールド回路１２は、その出力側が電子放出分布計測用の回路系１９（電子放出分布像を計測する電子放出分布像形成回路等の手段）が接続されている。この電子放出分布像は、試料７と探針６間に流れる電流がプリアンプ１０で電圧変換され、第２サンプルホールド回路１２でサンプリングされて、このサンプリング出力により電子放出分布像が得られる。
【００５２】
第１サンプルホールド回路１１及び第２サンプルホールド回路１２は、第１信号線２６及び第２信号線２７を介してタイミング信号発生器２３に接続されている。タイミング信号発生器２３は、発振器２８に接続されており、この発振器２８からの発振信号を利用して、第１サンプルホールド回路１１及び第２サンプルホールド回路１２をそれぞれ制御するＳＴＭモードタイミング信号Ａ及びＦＥモードタイミング信号Ｂを生成する。ＳＴＭモードタイミング信号Ａ及びＦＥモードタイミング信号Ｂは、それぞれサンプリング信号及びホールド信号から成る。                
【００５３】
そして、タイミング信号発生器２３は、これらのＳＴＭモードタイミング信号Ａ及びＦＥモードタイミング信号Ｂを、第１サンプルホールド回路１１及び第２サンプルホールド回路１２にそれぞれ送信する。
【００５４】
図４は、試料７に印加されるバイアス電圧と、第１サンプルホールド回路１１へ入力されるＳＴＭモードタイミング信号Ａと、第２サンプルホールド回路１２へ入力されるＦＥモードタイミング信号Ｂとの経時的な変化を関係的に示すタイミングチャートである。ＳＴＭモードタイミング信号Ａ及びＦＥモードタイミング信号Ｂは、それぞれ、図４に示すようなタイミングのサンプリング信号（図４中のＨｉｇｈ信号）とホールド信号（図４中のＬｏｗ信号）に交互に変化する。
【００５５】
第１サンプルホールド回路１１及び第２サンプルホールド回路１２は、それぞれサンプリング信号が加えられた場合は、その入力電圧（プリアンプ１０の出力電圧）と同じ電圧を出力する。
【００５６】
そして、第１サンプルホールド回路１１及び第２サンプルホールド回路１２は、それぞれホールド信号が加えられた場合は、直前のサンプリング信号の際の入力電圧を保持（ホールド）して、この入力電圧と同じ電圧を出力する。従って、ホールド信号が加えられた場合は、入力電圧（プリアンプ１０の出力電圧）が変化しても、出力電圧には影響を与えない。
【００５７】
電子放出分布計測・ホールド手段４には、 バイアス電圧印加回路の切換スイッチ２４及びＦＥ用バイアス電源２５（ＳＴＭ用バイアス電源９より高い電圧を有する電源）が設けられている。ＦＥ用バイアス電源２５は、切換スイッチ２４を介して試料７にＦＥ用バイアス電圧を印加するように接続されており、しかも予めＦＥ用バイアス電圧を所定の値に選択的に設定できるように構成されている。
【００５８】
バイアス電圧印加回路の切換スイッチ２４は、タイミング信号発生器２３に接続され、タイミング信号発生器２３からのスイッチ切換信号Ｃにより切り換え動作が制御されている。この切り換え制御により、バイアス電圧印加回路において配線８を、ＳＴＭ用バイアス電源９とＦＥ用バイアス電源２５に選択的に切り換え、試料７にＳＴＭ用バイアス電圧又はＦＥ用バイアス電圧を選択的に印加することができる。
【００５９】
タイミング信号発生器２３は、図４のタイミングチャートに示すように、バイアス電圧、ＳＴＭモードタイミング信号Ａ、及びＦＥモードタイミング信号Ｂが互いにそれぞれ同期するように、スイッチ切換信号Ｃ、ＳＴＭモードタイミング信号Ａ、及びＦＥモードタイミング信号Ｂを生成して、それぞれに出力する。
【００６０】
図４のタイミングチャートにおいて、バイアス電圧は、（ａ）に示すように電子放出分布計測モードの際の高いＦＥ用バイアス電圧Ｈと、ＳＴＭモードの際の低いＳＴＭ用バイアス電圧Ｌが一定の周期で交互に印加されている。
【００６１】
そして、第１サンプルホールド回路１１へのＳＴＭモードタイミング信号Ａ及び第２サンプルホールド回路１２へのＦＥモードタイミング信号Ｂは、それぞれ、（ｂ）、（ｃ）に示すように、周期的に一定のサンプリング信号とホールド信号が加わっている。これらのバイアス電圧、ＳＴＭモードタイミング信号Ａ及びＦＥモードタイミング信号Ｂの切換わり周波数は、２ＫＨｚ程度である。なお、この周波数は測定条件により可変できる構成としている。
【００６２】
本発明では、タイミング信号発生器は、次のようなタイミングで切換信号Ｃ、ＳＴＭモードタイミング信号Ａ及びＦＥモードタイミング信号Ｂを生成し出力している。図４のタイミングチャートに示すように、ＳＴＭモードタイミング信号Ａでは、ＳＴＭ用バイアス電圧Ｌのタイミングのみサンプリング信号（Ｈｉｇｈ信号）が加わり、ＦＥ用バイアス電圧のタイミングではホールド信号（Ｌｏｗ信号）しか加わらない。
【００６３】
逆に、ＦＥモードタイミング信号Ｂでは、ＦＥ用バイアス電圧のタイミングのみサンプリング信号（Ｈｉｇｈ信号）が加わり、ＳＴＭ用バイアス電圧のタイミングではホールド信号（Ｌｏｗ信号）しか加わらない。
【００６４】
（作用）
以上の構成から成る実施例の電子放出分布測定装置１の作用（動作）を説明する。タイミング信号発生器２３は、スイッチ切換信号を切換スイッチ２４に送り、切換スイッチ２４を、ＳＴＭ用バイアス電源９とＳＴＭ用バイアス電源９に交互に接続されるように切り換え、図４（ａ）に示すように、ＳＴＭ用バイアス電圧又はＦＥ用バイアス電圧を試料７に交互に印加する。
【００６５】
さらに、このバイアス電圧に図４に示すように同期して、タイミング信号発生器２３は、第１サンプルホールド回路１１及び第２サンプルホールド回路１２にＳＴＭモードタイミング信号Ａ及びＦＥモードタイミング信号Ｂを送り、それぞれサンプリング信号とホールド信号を入力させる。
【００６６】
ＳＴＭモード：                
ＳＴＭモードにおける動作の概要をまず説明する。試料７にＳＴＭ用バイアス電圧（低バイアス電圧）が印加されると、試料７と探針６間にトンネル電流が流れる。探針６は試料７上を走査しているので試料７の起伏により探針６と試料７表面の距離が変化すると、流れるトンネル電流が変化する。
【００６７】
その変化を無くすようにフィードバック回路２０を介してピエゾ素子５を用い探針６を移動させ、トンネル電流が予め設定されている値になるよう探針６と試料７の間隔を調節する。その際の移動距離を二次元表面上にマッピングすることで試料７表面のＳＴＭ像を得ることができる。
【００６８】
この動作を、図４においてさらに詳細に説明する。図４の（イ）の期間では、ＳＴＭ用バイアス電圧Ｌが試料７に印加され、第１サンプルホールド回路１１にＳＴＭモードタイミング信号Ａとしてサンプリング信号が入力され、第２サンプルホールド回路１２にＦＥモードタイミング信号Ｂとしてホールド信号が入力されている。
【００６９】
すると、試料７に印加されたＳＴＭ用バイアス電圧によって、試料７と探針６との間に流れるトンネル電流がプリアンプ１０で電圧に変換され、これが第１サンプルホールド回路１１に入力され同じ値の電圧として出力される。この出力電圧は、ログアンプ１３で増幅されて、フィードバック回路２０に入力されて、ここで試料７と探針６との間に流れるトンネル電流が一定となるようなフィードバック電圧を生成する。
【００７０】
このフィードバック電圧は、ピエゾ駆動回路２１を介してピエゾ素子５に印加され、ピエゾ素子５を移動して試料７と探針６との間に流れるトンネル電流が一定となるようにピエゾ素子５を試料７に対して移動する。他方、フィードバック電圧は、探針６の移動相当電圧として、ＳＴＭ計測用の回路系１８へ出力され、ＳＴＭ像の計測（ＳＴＭ像）の生成に供せられる。
【００７１】
第１サンプルホールド回路１１に加えられるＳＴＭモードタイミング信号Ａが、サンプル信号からホールド信号に変わる（図４（ｂ）の期間（イ）参照）と、第１サンプルホールド回路１１からの出力は、その変わる直前の出力電圧が次のサンプル信号が加わるまで保持（ホールド）され、ピエゾ素子５も移動しない状態に維持される。
【００７２】
電子放出分布計測モード：
電子放出分布計測モードの動作の概要をまず説明する。タイミング信号発生器２３からのスイッチ切換信号によって、切換スイッチ２４がＦＥ用バイアス電源２５に（高バイアス電源）に接続され、図４の（ロ）の期間に示すように、バイアス電圧としてＦＥ用バイアス電圧Ｈが試料７に印加され、第１サンプルホールド回路１１にＳＴＭモードタイミング信号Ａとしてホールド信号が入力され、第２サンプルホールド回路１２にＦＥモードタイミング信号Ｂとしてサンプリング信号が入力される。
【００７３】
すると、試料７に印加されたＦＥ用バイアス電圧によって、試料７と探針６との間には、ＳＴＭモードのトンネル電流に比べてきわめて大きなフィールドエミッション電流が流れる。このフィールドエミッション電流は、プリアンプ１０でＳＴＭモードの場合に比べて大きな電圧として変換される。プリアンプ１０からの出力電圧が第１サンプルホールド回路１１と第２サンプルホールド回路１２に入力される。
【００７４】
ところで、このように試料７と探針６との間に大きなフィールドエミッション電流が流れると、仮にＳＴＭモードであれば、出力電圧は、ＳＴＭ制御回路３により探針６を試料７から離れるように大きく移動する。
【００７５】
しかしながら、電子放出分布計測モードでは、プリアンプ１０からの出力電圧が第１サンプルホールド回路１１に入力されても、第１サンプルホールド回路１１は、ホールド信号が加えられておりホールド状態が維持されているから、第１サンプルホールド回路１１の出力は変わらず、プリアンプ１０から大きな電圧は出力しない。
【００７６】
一方、第２サンプルホールド回路１２にはＦＥモードタイミング信号Ｂとしてサンプリング信号を加えられており、プリアンプ１０からの大きな電圧が入力すると、この入力と同じ大きな電圧を出力し、この出力値に基づいて電子放出分布計測用の回路系１９で、電子放出電流が計測され（例えば、電子放出分布像形成装置により）、電子放出分布像が得られる。
【００７７】
図４の（ロ）の期間において、第２サンプルホールド回路１２に加えられるＳＴＭモードタイミング信号Ａが、サンプル信号からホールド信号に変わると、第２サンプルホールド回路１２からの出力は、その変わる直前の大きな出力電圧が次のサンプル信号が加わるまで保持（ホールド）される。
【００７８】
よって、保持された大きな出力電圧の状態で維持され、しかも第１サンプルホールド回路１１がその出力電圧をホールドしているから、ピエゾ素子５は移動しないように維持される。このため、電子放出分布計測モードでは、電子放出分布像とともに、ＳＴＭ像が計測（生成）される。
【００７９】
図４（ハ）の期間では、図４（イ）の期間と同じ動作が行われ、試料７にはＳＴＭ用バイアス電圧が印加され、第２サンプルホールド回路１２はホールド動作を維持するが、第１サンプルホールド回路１１はサンプル動作を行い、試料７表面の起伏に応じて試料７と探針６との間に流れるトンネル電流が一定となるように、ＳＴＭ制御回路３は動作するとともに、ＳＴＭ像が計測（生成）がされる。
【００８０】
図４（ニ）での期間では、図４（ロ）と同じ動作が行われ、試料７にはＳＴＭ用バイアス電圧が印加され、第１サンプルホールド回路１１及び探針６はホールド状態を維持するが、第２サンプルホールド回路１２サンプル動作を行い、試料７表面の起伏に応じて試料７と探針６との間にフィールドエミッション電流が流れ、この電流がプリアンプ１０で変換された大きな電圧に基づいて、電子放出分布像が計測（生成）される。
【００８１】
以上、説明するとおり、電子放出分布測定装置１ によれば、ＳＴＭモードとなる期間とＦＥモードとなる期間がほぼ２ＫＨｚという周波数で交互に切り替わり、この結果、ＳＴＭ像と電子放出分布像が同時に観察できる。
【００８２】
しかも、試料７にＦＥ用バイアス電圧が印加され、試料７と探針６との間に流れる電流はＳＴＭモードに比べてきわめて大きな電流が流れても、この時は第１サンプルホールド回路１１はホールド状態で、ＳＴＭ制御回路により探針６が大きく移動するようなことなく、きわめて精度の高いＳＴＭ像及び電子放出分布像の計測（生成）ができる。
【００８３】
（実験例）
本発明の実施例の実験例として、電子放出分布測定装置１を用いて測定実験を行ったので以下に説明する。この実験例では、Ｓｉ基板上にスパッタ装置を用いて堆積したＨｆＣ多結晶薄膜を試料とし、その電子放出分布像の測定を行った。試料であるＨｆＣ多結晶薄膜表面は、大気により汚染されているため、測定に先立ちまず、アルゴンイオンスパッタ装置を用い試料の最表面の清浄化を行った。
【００８４】
探針６は、電界研磨を行い作製したタングステンを用いた。ＳＴＭ用バイアス電圧及びＦＥ用バイアス電圧の設定値、並びに設定トンネル電流は任意であり、測定対象とする試料７により適宜設定する。本実験例では、ＳＴＭ用バイアス電圧は−１．０Ｖに設定し、トンネル電流は５．０ｎＡに設定した。そして、ＦＥ用バイアス電圧を−７．０Ｖに設定し計測を行った。
【００８５】
本実験例では、電子放出分布測定装置１でＳＴＭ像及び電子放出分布像が同時に得られたが、そのＳＴＭ像を図５に示し、電子放出分布像を図６に示す。図５に示すＳＴＭ像における明るい部分は、形状の高さが高い部分である。そして、図６に示す電子放出分布像における明るい部分は、電子放出量が多い部分である。この図６によって、この試料７では、粒塊の境界から多くの電子が放出されていることがはじめて確認された。
【００８６】
以上、本発明に係る電子放出分布測定装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
以上のとおりの本発明に係る電子放出分布測定装置によれば、走査型トンネル顕微鏡などの探針と試料との間に流れるトンネル電流等を検出あるいは制御する機器による電子放出分布の測定用途に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の原理を説明する図であり、（ａ）はトンネル電流の概念図で、（ｂ）は電子放出電流の概念図である。
【図２】（ａ）は本発明に係る電子放出分布測定装置の実施例を説明する図であり、電子放出分布測定装置の回路ブロック図であり、（ｂ）はその一部の詳細図である。
【図３】本発明の実施例ＳＴＭ計測用の回路系と電子放出分布計測用の回路系を説明する図である。
【図４】試料に印加されるバイアス電圧と、第１サンプルホールド回路及び第２サンプルホールド回路へ入力されるＳＴＭモードタイミング信号及びＦＥモードタイミング信号との経時的な変化を関係的に示すタイミングチャートである。
【図５】実験例で得られたＳＴＭ像である。
【図６】実験例で得られた電子放出分布像である。
【符号の説明】
【００８９】
１  電子放出分布測定装置              
２  検知部                            
３  ＳＴＭ制御回路                    
４  電子放出分布計測・ホールド手段    
５  ピエゾ素子                        
６  探針                              
７  試料                              
８  配線              
９  ＳＴＭ用バイアス電源              
１０  プリアンプ                      
１１  第１サンプルホールド回路        
１２  第２サンプルホールド回路        
１３  ログアンプ                      
１４  第１のプリアンプ                
１５  第２のプリアンプ                
１６  第３のプリアンプ                
１７  分岐回路                        
１８  ＳＴＭ計測用の回路系            
１９  電子放出分布計測用の回路系      
２０  フィードバック回路              
２１  ピエゾ駆動回路                  
２２  サンプルホールド回路            
２３  タイミング信号発生器            
２４  切換スイッチ                    
２５  ＦＥ用バイアス電源              
２６  第１信号線                      
２７  第２信号線                      
２８  発振器
２９  コンピュータ                     
３０  ＸＹ位置情報生成部               
３１  ＳＴＭ像形成部                  
３２  電子放出分布像形成部             
３３  ＡＤ変換器                       
３４  ＡＤ変換器                       
３５  ＤＡ変換器                       
３６  ＸＹ方向ピエゾコントローラ       
【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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