(57)【要約】【課題】  原子追跡に適した条件を簡単に設定でき、多くの移動原子の正しい軌跡を自動的に測定できる原子追跡ＳＰＭを提供する。【解決手段】  探針１１が移動原子に追随して移動する限界の追跡領域を指定する入力装置３４と、フィードバック回路２３と２４からの出力信号をＯＮ／ＯＦＦするスイッチ３１と３２を制御する制御演算装置３３を備える。フィードバック回路２３と２４からの出力信号に基づいて記録された探針１１の移動量から、探針１１が追跡領域の限界に達したと判定されたとき、スイッチ３１と３２をＯＦＦして原子追跡を中止し、探針１１を追跡領域の中心に移動させた後、スイッチ３１と３２をＯＮし、探針１１が移動原子に追随して移動することを可能な状態とするようにした。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針と試料上を移動する原子レベルの移動物とを近接させ、両者間に流れる電流又は両者間に働く作用が一定になるように、三次元方向にフィードバック制御を行い、前記探針を前記移動物の動きに追随して移動させる機能を有する走査形プローブ顕微鏡であって、
前記探針と前記試料との間に流れる電流又は両者間に働く作用を検出する検出手段と、
前記探針と前記試料間の垂直方向に直交し且つ互いに直交するＸとＹの両方向について、前記探針の前記試料に対する相対的移動を制御するＸＹ駆動手段と、
前記ＸＹ駆動手段の前記ＸとＹの両方向にそれぞれ位相が９０度異なる交流信号を送るための発振手段と、
前記検出手段により検出された前記電流又は前記作用に基づく信号と前記発振手段からの交流信号とを位相検波し、９０度異なる位相における二つの直流信号を出力する位相検波手段と、
前記Ｘ方向と前記Ｙ方向のそれぞれについて、前記直流信号をフィードバック量としてフィードバック制御を行うフィードバック手段と、
前記ＸとＹの両方向のそれぞれについて、前記交流信号と前記フィードバック手段からの出力を加算し、加算された信号を前記ＸＹ駆動手段に送る加算手段と、
前記ＸとＹの両方向のそれぞれについて、前記フィードバック手段によるフィードバック制御が動作している状態と停止している状態の切り換えを行う切換手段と、
前記探針が前記移動物の移動に追随して移動する追跡領域の限界の大きさを指定する指定手段と、
前記フィードバック手段からの出力信号に基づいて前記探針が前記追跡領域内に在るか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段による判定結果に基づいて前記切換手段を制御する制御手段とを備え、
前記探針が前記移動物の動きに追随して前記移動物の追跡を行っている時、前記探針の前記位置信号から求められる位置が、前記判定手段によって前記指定手段により指定された前記追跡領域の限界に達したと判定された場合、前記制御手段により前記切換手段はフィードバック制御が停止するように切り換えられて前記移動物の追跡を中止し、前記探針を前記ＸＹ駆動手段によって前記追跡領域の中心に移動させた後、再び前記切換手段によって前記フィードバック制御が動作するように切り換えを行い、前記探針が前記移動物の追跡を行う状態にする、ことを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記ＸとＹの両方向に前記探針を二次元走査する信号を前記ＸＹ駆動手段に送るための走査手段と、
前記検出手段からの信号に基づく二次元走査像を観察する観察手段とを備え、
前記走査手段により前記探針を二次元走査させながら、前記それぞれ位相が９０度異なる二つの交流信号により前記探針を螺旋状に旋回させた時の二次元走査像を前記観察手段によって観察しながら、前記発振手段から発振される前記交流信号の周波数及び／又は振幅を調整する発振調整手段を設けた、ことを特徴とする請求項１に記載の走査形プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記発振手段から送られる前記二つの交流信号によって旋回する前記探針を、試料上の段差のあるステップまたは静止している粒子の斜面に配置し、前記観察手段により前記走査プローブ顕微鏡の凹凸像を観察しながら、前記発振手段と前記検出手段から前記位相検波手段へ入力される信号の位相を調整する位相調整手段を設けた、ことを特徴とする請求項１乃至２の何れかに記載の走査形プローブ顕微鏡。
【請求項４】
探針と試料上を移動する原子レベルの移動物とを近接させ、両者間に流れる電流又は両者間に働く作用が一定になるように、三次元方向にフィードバック制御を行い、前記探針を前記移動物の動きに追随して移動させる機能を有する走査形プローブ顕微鏡であって、
前記探針と前記試料との間に流れる電流又は両者間に働く作用を検出する検出手段と、
前記探針と前記試料間の垂直方向に直交し且つ互いに直交するＸとＹの両方向について、前記探針の前記試料に対する相対的移動を制御するＸＹ移駆動手段と、
前記ＸＹ駆動手段の前記ＸとＹの両方向にそれぞれ位相が９０度異なる交流信号を送るための発振手段と、
前記検出手段により検出された前記電流又は前記作用に基づく信号と前記発振手段からの交流信号とを位相検波し、９０度異なる位相における二つの直流信号を出力する位相検波手段と、
前記ＸとＹの両方向のそれぞれについて、前記直流信号をフィードバック量としてフィードバック制御を行うフィードバック手段と、
前記ＸとＹの両方向のそれぞれについて、前記交流信号と前記フィードバック手段からの出力を加算し、加算された信号を前記ＸＹ駆動手段に送る加算手段と、
前記ＸとＹの両方向のそれぞれについて、前記フィードバック手段によるフィードバック制御が動作している状態と停止している状態の切り換えを行う切換手段と、
前記切換手段によってフィードバック制御が停止された時、前記ＸとＹの両方向の前記探針位置を前記フィードバック制御が停止される直前の位置に保持する保持手段と、
前記探針と前記試料間の垂直方向の距離を急激に変化させるようにＺ駆動手段の制御信号の電圧を変更する変更手段とを備え、
前記探針が前記移動物に追随して移動している時、前記変更手段によって前記探針と前記試料間の垂直方向の距離を急激に近づけるとともに、前記切換手段を切断状態にして前記ＸとＹの両方向の前記探針位置を保持することにより前記移動物を前記探針で捕獲し、前記ＸＹ駆動手段で前記探針を移動させることによって前記移動物を任意の位置に移動させるようにした、ことを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記保持手段は、前記ＸとＹの両方向のそれぞれについて、前記切換手段と前記フィードバック手段との間に設けられたコンデンサである、ことを特徴とする請求項４に記載の走査形プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記切換手段は、前記ＸとＹの両方向のそれぞれについて、前記フィードバック手段と前記加算手段との間に配置されて、前記フィードバック手段から前記加算手段に送られる出力信号が接続状態若しくは切断状態となるように切り換え可能に設けられたスイッチである、ことを特徴とする請求項１乃至５に記載の走査形プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子オーダーの分解能で試料表面の形状や物理量を測定できる走査形プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に関わり、特に原子の動きの測定や原子の移動操作を行う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＰＭは、探針と試料とを接近させた状態で探針を試料に対して相対的に走査する際に、探針から試料へ局所的刺激を発生させ、その刺激に対する試料表面からの局所的応答を測定することによって試料の表面を観察する顕微鏡である。ＳＰＭには、その物理量の測定方法の違いから、探針と試料間に流れる電流を検出する走査形トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、試料表面と探針との間に働く色々な力を検出する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、試料表面の磁気分布を測定する磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）をはじめ、試料表面の摩擦力、粘性、弾性、電位等を測定する多くの種類の顕微鏡が実用化されている。
【０００３】
こうした技術の一つとして、試料表面を動き回る原子を追跡する技術が提案されている（例えば、非特許文献１〜３及び特許文献１を参照）。ここでは、試料表面を動き回る原子を追跡する従来技術について簡単に説明する。
【０００４】
図１は、ＳＴＭにより試料表面を動き回る原子を追跡する技術の基本概念を示す図である。一般にＳＴＭは金属探針と導電性の試料間を量子効果によりトンネル電流が流れる距離（１ｎｍ以下）に保持しながら両者間に数Ｖ以下のバイアス電圧を加えて相対的に二次元走査させ、このときの両者間の距離又はトンネル電流の変化を効果的に検出することで、原子レベルの試料表面の凹凸像を得ようとする技術である。
【０００５】
図１ａにおいて、探針１とある傾斜を持った導電性の試料２の間にバイアス電圧Ｖｂを加えて試料表面を測定するとき、探針１と試料２との間には任意のトンネル電流Ｉｔが流れる。トンネル電流Ｉｔを一定にするように、即ち探針１と試料２の間の距離が変化しないようにフィードバックがかけられる。このとき、探針１をある半径をもって水平面内で高速に螺旋状に旋回させる。フィードバックが追随しない程度に探針１の螺旋回転速度を高速にすれば、試料２の傾斜に伴う探針１と試料表面との距離が変化するのでトンネル電流Ｉｔも変化する。この電流変化を検出して、トンネル電流Ｉｔが増える方向や減る方向、又は一定する方向に探針１を移動させることが可能となる。
【０００６】
図１ｂは、上述した基本概念を原子追跡に応用した場合を説明するための図である。探針先端１ａを原子層３上で動く動的原子４の大きさと同程度の大きさで旋回させる。動的原子４が探針先端１ａに近づいたとき、斜面を登るように探針を動かすことにすれば、動的原子４の上に探針先端１ａが登る方向に探針が移動する。この位置制御信号を水平方向の探針微動機構にフィードバックすれば、動的原子４と探針先端１ａの距離を一定するように探針を追随させることができ、動的原子４の軌跡４ａに沿って探針先端１ａも軌跡４ｂを描く。また、位置制御信号から動的原子４の存在位置を決定することができる。
【０００７】
図２に、上述の原子追跡を行うことのできる従来のＳＴＭの概略構成例を模式的に示す。図２において、１０は一般のＳＴＭが備えているＳＰＭ制御系、１１は探針、１２は試料である。１３と１４はピエゾ素子からなる探針１１の微動機構で、１３は探針１１と試料１２間の距離を制御するように駆動されるＺピエゾ、１４は探針と試料１２を相対的に移動させるＸＹピエゾである。２８は試料１２へバイアス電圧Ｖｂを印加する試料バイアス電源、１５は探針１１に流れるトンネル電流Ｉｔを検出するトンネル電流検出器で、トンネル電流検出器１５により検出されたトンネル電流Ｉｔは電圧信号に変換され、Ｚピエゾを駆動するＺ駆動装置１６とロックインアンプ２２に送られる。Ｚ駆動装置１６はトンネル電流Ｉｔが一定となるようにＺピエゾ１３を垂直方向（Ｚ方向）に駆動する。１７はＸＹピエゾを駆動するＸＹ駆動装置、１８はＸＹ駆動装置１７に水平方向（Ｘ、Ｙ方向）の二次元走査信号を送るためのＸＹ走査装置である。ＸＹ駆動装置１７とＸＹ走査装置１８との間にはスイッチ１９が配置されている。スイッチ１９は探針１１を二次元走査し通常のＳＴＭ凹凸像を取得するときはＯＮ（接続状態）で、原子追跡モードのときはＯＦＦ（切断状態）とされる。図２のスイッチ１９は原子追跡モードの場合を示している。
【０００８】
次に原子追跡を行うための構成部分について説明する。発振器２０はＡＣ（交流）のｃｏｓ波形信号を作り加算器２５と移相器２１に送る。移相器２１はｃｏｓ波形を９０度進めたＡＣのｓｉｎ波形信号を加算器２６に送る。これら二つの交流信号により、探針１１を螺旋状に旋回させることができる。旋回半径の大きさは発振器２０から送られる信号の出力電圧に依存する。トンネル電流Ｉｔに基づくトンネル電流検出器１５からの出力信号（以下、「Ｓｉｇ」と略称する）と発振器２０からの基準信号（以下、「Ｏｓｃ」と略称する）とがロックインアンプ２２に入力される。Ｏｓｃに対してＳｉｇは位相の遅れを生じているので、ロックインアンプ２２が備える位相調節機能によりＯｓｃとＳｉｇの位相を合わせる。
【０００９】
位相調節された後、ＡｃｏｓθとＡｓｉｎθの二つのＤＣ（直流）信号がフィードバック量として、ＸとＹのフィードバック回路２３と２４に入力される。なお、図２において、ＸがＡｃｏｓθ、ＹがＡｓｉｎθとなるように示しているが、どちらがＸとＹになっていても良い。ＸとＹのフィードバック信号がいずれもゼロであれば探針１１は動かないが、ゼロで無い場合はフィードバック信号がゼロとなるようにフィードバックが働き、探針１１が移動する。この際に生じたＸとＹの移動量が原子の軌跡となる。フィードバック回路２３と２４の出力はそれぞれ加算器２５と２６に入力され、さらにＸＹ駆動装置１７に入力される。以上のようにして探針１１が移動する原子を連続的に追跡することになる。なお、フィードバック回路２３と２４中の、２３ａと２４ａはローパスフィルタ、２３ｂと２４ｂはゲイン、２３ｃと２４ｃはアンプである。ＸとＹの移動量はフィードバック回路２３と２４から記録装置２７に送られ、必要に応じて追跡原子の軌跡が表示装置（図示せず）に表示される。
【００１０】
図２の構成を持つＳＴＭにおいて、原子追跡は以下に説明するように行われる。まず、原子の大きさ程度で探針１１を旋回させながらトンネル電流Ｉｔを計測する。旋回のために与えた回転角とそのときのトンネル電流Ｉｔに基づく電圧信号はロックインアンプ２２を用いて同期増幅される。試料１２の表面で、拡散による吸着原子の移動が起こる場合、もし吸着原子が右に動いたとすると、旋回している探針１１の右側で左側よりも大きなトンネル電流を観測することになる。ロックインアンプ２２からの二つのＤＣ出力は、ＸとＹのフィードバック回路２３と２４の誤差信号として与えられ、右側と左側のトンネル電流値の違いにより、探針１１が原子の真上に移動するようにフィードバックが動作する。
【００１１】
図５は、原子追跡ＳＴＭによる測定結果の例である。図５ａは、Ｓｉ（１１１）７×７構造表面の二次元走査をおこなって得られたＳＴＭの凹凸像である。画像中心付近に見られるチラツキは、Ｓｉ（１１１）７×７半単位胞の中で表面拡散するシリコン原子が存在するためである。図５ａと同一視野において拡散するシリコン原子の滞在頻度を原子追跡モードにより測定測定したデータを図５ｂの画像に示す。６個の丸印は、７×７構造の半単位胞を構成する６個のアドアトムの位置を示している。三角形の頂点に位置する３個のアドアトムがコーナーアドアトム、他の３個がセンターアドアトムと呼ばれる。拡散するシリコン原子の滞在頻度が大きいほど黒くなるように表示されており、センターアドアトム付近に黒い部分が見られる。図５ｃは図５ｂの画像のコントラストを高くして表示した結果であるが、コーナーアドアトム付近にも短時間であるが拡散するシリコン原子が滞在していることが分かる。
【００１２】
【非特許文献１】”Tracking” tunneling microscopy, D.W. Pohl and R. Moller, Rev. Sci. Instrum. 59 840 (1988)
【非特許文献２】Direct Measurement of Suruface Diffusion Using Atom-Tracking Scanning Tunneling Microscopy, B. S. Swartzentruber, Phys. Rev. Lett. 76 459 (1996)
【非特許文献３】T. Sato, S. Kitamura and M. Iwatsuki, J. Vac. Sci. Technol. A 18 960 (2000)
【特許文献１】特開２０００−１６２２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
原子レベルでは原子追跡の技術によって原子の移動の計測に用いられているが、今までの報告では移動する原子又は分子（以下、移動物と称す）がある領域に閉じ込められた状態で計測されていた。例えば、非特許文献２においては、直線上に拡散する移動物の両側に欠陥が有る場合に計測が制限されることが述べられている。また非特許文献３においては、表面構造の性質から高いエネルギーバリアが存在し半単位胞の外には出られないことが述べられている。しかしながら通常の表面では均一な場合が多く、移動物の拡散長が長い場合が多い。移動物の拡散長が長いと、ＸＹピエゾは追跡のため大きく移動してしまい、場合によっては、ＸＹピエゾの動作する限界まで移動し止まってしまう。そのような場合には、本当に正しく追跡が行われているか不明になることが多い。そのため、移動物をひとつずつ測定しなければならず手間がかかる。また、従来の原子追跡ＳＰＭは、原子追跡に適した条件を見つけて設定するのが面倒であるという問題もある。また、原子追跡ＳＰＭの原子追跡機構を使用して、表面に弱く吸着している移動物を捕獲して任意の場所に強制的に移動させることは行われていない。
本発明は上記の問題を解決するために為されたものであって、その目的は、原子追跡に適した条件を簡単に設定でき、多くの移動物の正しい軌跡を自動的に測定できる原子追跡形ＳＰＭを提供することにある。また、本発明のもう一つの目的は、原子追跡機能を利用して、表面に弱く吸着している移動物を捕獲して任意の場所に強制的に移動させることのできる原子追跡ＳＰＭを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の問題を解決するために、第１の発明は、探針と試料上を移動する原子レベルの移動物とを近接させ、両者間に流れる電流又は両者間に働く作用が一定になるように、三次元方向にフィードバック制御を行い、前記探針を前記移動物の動きに追随して移動させる機能を有する走査形プローブ顕微鏡であって、
前記探針と前記試料との間に流れる電流又は両者間に働く作用を検出する検出手段と、
前記探針と前記試料間の垂直方向に直交し且つ互いに直交するＸとＹの両方向について、前記探針の前記試料に対する相対的移動を制御するＸＹ駆動手段と、
前記ＸＹ駆動手段の前記ＸとＹの両方向にそれぞれ位相が９０度異なる交流信号を送るための発振手段と、
前記検出手段により検出された前記電流又は前記作用に基づく信号と前記発振手段からの交流信号とを位相検波し、９０度異なる位相における二つの直流信号を出力する位相検波手段と、
前記Ｘ方向と前記Ｙ方向のそれぞれについて、前記直流信号をフィードバック量としてフィードバック制御を行うフィードバック手段と、
前記ＸとＹの両方向のそれぞれについて、前記交流信号と前記フィードバック手段からの出力を加算し、加算された信号を前記ＸＹ駆動手段に送る加算手段と、
前記ＸとＹの両方向のそれぞれについて、前記フィードバック手段によるフィードバック制御が動作している状態と停止している状態の切り換えを行う切換手段と、
前記探針が前記移動物の移動に追随して移動する追跡領域の限界の大きさを指定する指定手段と、
前記フィードバック手段からの出力信号に基づいて前記探針が前記追跡領域内に在るか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段による判定結果に基づいて前記切換手段を制御する制御手段とを備え、
前記探針が前記移動物の動きに追随して前記移動物の追跡を行っている時、前記探針の前記位置信号から求められる位置が、前記判定手段によって前記指定手段により指定された前記追跡領域の限界に達したと判定された場合、前記制御手段により前記切換手段はフィードバック制御が停止するように切り換えられて前記移動物の追跡を中止し、前記探針を前記ＸＹ駆動手段によって前記追跡領域の中心に移動させた後、再び前記切換手段によって前記フィードバック制御が動作するように切り換えを行い、前記探針が前記移動物の追跡を行う状態にすることを特徴とする。
【００１５】
また第１の発明に基づく第２の発明は、前記ＸとＹの両方向に前記探針を二次元走査する信号を前記ＸＹ駆動手段に送るための走査手段と、
前記検出手段からの信号に基づく二次元走査像を観察する観察手段とを備え、
前記走査手段により前記探針を二次元走査させながら、前記それぞれ位相が９０度異なる二つの交流信号により前記探針を螺旋状に旋回させた時の二次元走査像を前記観察手段によって観察しながら、前記発振手段から発振される前記交流信号の周波数及び／又は振幅を調整する発振調整手段を設けたことを特徴とする。
【００１６】
また第１乃至第２の何れかの発明に基づく第３の発明は、前記発振手段から送られる前記二つの交流信号によって旋回する前記探針を、試料上の段差のあるステップまたは静止している粒子の斜面に配置し、前記観察手段により前記走査プローブ顕微鏡の凹凸像を観察しながら、前記発振手段と前記検出手段から前記位相検波手段へ入力される信号の位相を調整する位相調整手段を設けたことを特徴とする。
【００１７】
また第４の発明は、探針と試料上を移動する原子レベルの移動物とを近接させ、両者間に流れる電流又は両者間に働く作用が一定になるように、三次元方向にフィードバック制御を行い、前記探針を前記移動物の動きに追随して移動させる機能を有する走査形プローブ顕微鏡であって、
前記探針と前記試料との間に流れる電流又は両者間に働く作用を検出する検出手段と、
前記探針と前記試料間の垂直方向に直交し且つ互いに直交するＸとＹの両方向について、前記探針の前記試料に対する相対的移動を制御するＸＹ移駆動手段と、
前記ＸＹ駆動手段の前記ＸとＹの両方向にそれぞれ位相が９０度異なる交流信号を送るための発振手段と、
前記検出手段により検出された前記電流又は前記作用に基づく信号と前記発振手段からの交流信号とを位相検波し、９０度異なる位相における二つの直流信号を出力する位相検波手段と、
前記ＸとＹの両方向のそれぞれについて、前記直流信号をフィードバック量としてフィードバック制御を行うフィードバック手段と、
前記ＸとＹの両方向のそれぞれについて、前記交流信号と前記フィードバック手段からの出力を加算し、加算された信号を前記ＸＹ駆動手段に送る加算手段と、
前記ＸとＹの両方向のそれぞれについて、前記フィードバック手段によるフィードバック制御が動作している状態と停止している状態の切り換えを行う切換手段と、
前記切換手段によってフィードバック制御が停止された時、前記ＸとＹの両方向の前記探針位置を前記フィードバック制御が停止される直前の位置に保持する保持手段と、
前記探針と前記試料間の垂直方向の距離を急激に変化させるようにＺ駆動手段の制御信号の電圧を変更する変更手段とを備え、
前記探針が前記移動物に追随して移動している時、前記変更手段によって前記探針と前記試料間の垂直方向の距離を急激に近づけるとともに、前記切換手段を切断状態にして前記ＸとＹの両方向の前記探針位置を保持することにより前記移動物を前記探針で捕獲し、前記ＸＹ駆動手段で前記探針を移動させることによって前記移動物を任意の位置に移動させるようにしたことを特徴とする。
【００１８】
また第４の発明に基づく第５の発明は、前記保持手段は、前記ＸとＹの両方向のそれぞれについて、前記切換手段と前記フィードバック手段との間に設けられたコンデンサであることを特徴とする。
【００１９】
また第１乃至第５の何れかの発明に基づく第６の発明は、前記切換手段は、前記ＸとＹの両方向のそれぞれについて、前記フィードバック手段と前記加算手段との間に配置されて、前記フィードバック手段から前記加算手段に送られる出力信号が接続状態若しくは切断状態となるように切り換え可能に設けられたスイッチであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
第１の発明によれば、移動物を追跡する領域を予め設定しておくことにより、移動物の拡散方向、拡散速度や軌道を正しく計測することができる。また、移動物の追跡を自動的に繰り返すことができるので、多くの移動物の軌跡を効率よく計測し、拡散現象を統計的に解明することが容易となる。
【００２１】
また第２の発明によれば、前記探針を螺旋状に旋回させた様子を画像で観察できるので、移動物を追跡するのに適した探針の設定条件を容易に決めることができる。
【００２２】
また第３の発明によれば、前記探針の位置変化に応じて敏感に信号位相の変化を計測できるので、移動物の追跡に必要な前記位相検波手段の位相調整を正確且つ容易に行うことができる。
【００２３】
また第４の発明によれば、前記探針により表面に弱く吸着している移動物を捕獲し、前記探針の位置を移動させることにより、捕獲した移動物を任意の場所に強制的に移動させることができる。即ち、原子レベルのリソグラフィー機能として使用することができる。
また第５の発明によれば、前記切換手段を切断状態にして前記フィードバック制御が停止したとき、コンデンサの働きによって、前記探針のＸとＹ両方向の位置をフィードバック制御が停止する直前の位置に簡単に保持することができる。
また第６の発明によれば、前記フィードバック手段から前記加算手段に送られる出力信号の接続状態と切断状態の切り換えを、スイッチを用いて簡単に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。但し、この例示によって本発明の技術範囲が制限されるものでは無い。図３は、本発明を実施する原子追跡ＳＴＭの概略構成例を示す。図２の従来構成と同一又は類似の動作を行うものには共通の符号を付して説明の重複を避け、本発明で加えられた構成について以下に説明する。なお、スイッチ３１、３２及び３７の設定状態について、ＯＮは接続状態、ＯＦＦは切断状態を表す。
【００２５】
３１と３２はそれぞれＸとＹの両方向のフィードバック制御を動作させるか否かの切り換えを行うスイッチ、３４は探針１１が移動物の移動に追随して移動する限界の追跡領域を指定するための入力装置、３３は探針１１が追跡領域内に在るか否かの判定結果の基づきスイッチ３１と３２の動作状態を制御する制御演算装置である。制御演算装置３３には、探針１１が指定された追跡領域内に在るか否かを判定するための判定手段３３ａが備えられている。３７は探針１１を二次元走査させる機能と制御演算装置３３を介して探針１１の位置を任意に移動させる機能とを備え、ＸＹ駆動装置に必要な制御信号を送ることのできるＸＹ移動制御装置である。
【００２６】
次に、原子追跡に適した探針１１の駆動条件を決める方法について説明する。図６は、スイッチ３１と３２をＯＦＦ、スイッチ１９をＯＮとし、ＸとＹの両方向に二次元走査を行って得られた通常のＳＴＭの凹凸像である。ＸＹピエゾ１４を駆動する発振器２０からの交流信号とＸＹ移動制御装置３７からのＸＹ走査信号が重畳され、探針１１が高速で旋回しながら二次元走査される。二次元走査に伴って動作するＺ方向のフィードバック制御よりも、探針１１がリング状に旋回するスピードのほうが高速なため、元々点状に見えるはずの微粒子が見かけ上リング状に観察されている。図６に示すような画像を観察すれば、探針１１が正確に円形に旋回していることを確認できる。そのため、図３に示す構成のＳＴＭは、操作者が図６に示すような画像を観察しながら、入力装置３４を用いて制御演算装置３３を介し、発振器２０の周波数と出力電圧（振幅）の発振条件の調整が行えるようになっている。これにより原子追跡に適した探針１１の駆動条件を決めることができる。
【００２７】
また、フィードバック回路２３と２４を動作させる場合、ロックインアンプ２２への入力信号ＯｓｃとＳｉｇの位相を調整して、探針１１の移動方向を決めることができる。そのため、図３の構成において、発振器２０からの交流信号によって旋回させた探針１１を、試料上の段差のあるステップまたは静止している粒子の斜面に配置し、入力装置３４を用いて制御演算装置３３を介し、ＳＴＭの凹凸像を観察しながらロックインアンプ２２の位相調整を行えるようになっている。
【００２８】
次に、図７のフロー図を参照しながら、図３に示す原子追跡ＳＴＭの動作について説明する。
ステップＳ１：操作者は入力装置３４を用い、試料や測定測定に応じてＸＹピエゾ１４の動作可能範囲内で追跡領域の大きさを指定する。
ステップＳ２：操作者は、発振器２０の周波数と出力電圧（振幅）の発振条件を調整し、原子追跡に適した探針１１の駆動条件を決める。また、試料上の段差のあるステップまたは静止している粒子の斜面に配置し、ロックインアンプ２２へ入力するＯｓｃとＳｉｇの位相調整を行う。
ステップＳ３：操作者が入力装置３４を用いて追跡開始を指示すると、制御演算装置３３は探針１１が旋回している状態でスイッチ１９をＯＦＦし、スイッチ３１と３２をＯＮにする。移動物が探針１１に近づくとフィードバック制御が動作して自動的に移動物の追跡が開始される。
ステップＳ４：記録装置２７は、フィードバック回路２３と２４からの出力信号に基づいて、探針１１の移動量を記録し制御演算装置３３に送る。
ステップＳ５：制御演算装置３３に備えられた判定手段３３ａは、指定された追跡領域と探針１１の移動量とから、探針１１が指定された追跡領域内に在るか否かを判定する。未だ追跡領域内にあれば探針１１は移動物の追跡を続ける。
ステップＳ６：判定手段３３ａによって探針１１が追跡領域の限界に達したと判定されたとき、制御演算手段３３によってスイッチ３１と３２をＯＦＦするとＸとＹの両方向のフィードバック制御が停止し、原子追跡が中止される。
ステップＳ７：制御演算装置３３は、スイッチ１９をＯＮし、ＸＹ移動制御装置３７を制御して探針１１を追跡領域の中心に移動させる。
ステップＳ８：探針１１による移動物の追跡を継続する場合はステップＳ３に戻る。
ステップＳ３からステップＳ７までの動作を繰り返すことにより、決められた範囲で自動的に多数の移動物を追跡することが可能となる。なお、ステップＳ１とステップＳ２の順序は逆になっていても良い。
【００２９】
次に、上記した原子追跡機能を利用して、表面に弱く吸着している移動物を捕獲して任意の場所に強制的に移動させる原子操作の方法について説明する。図４は、図３の原子追跡ＳＴＭにコンデンサ３５と３６を加えた構成を示している。コンデンサ３５と３６は、スイッチ３１と３２をＯＦＦした時、ＸとＹの両方向の探針１１の位置を、スイッチ３１と３２がＯＦＦされる直前の位置に保持するために設けられている。
【００３０】
図８のフロー図を参照しながら、図４に示す構成のＳＴＭによって原子操作を行う方法について説明する。
ステップＳ１１：操作者は、発振器２０の周波数と出力電圧（振幅）の発振条件を調整し、原子追跡に適した探針１１の駆動条件を決める。また、試料上の段差のあるステップまたは静止している粒子の斜面に配置し、ロックインアンプ２２へ入力するＯｓｃとＳｉｇの位相調整を行う。
ステップＳ１２： 操作者が追跡開始を指示すると、探針１１が旋回している状態でスイッチ１９はＯＦＦされ、スイッチ３１と３２がＯＮとなる。移動物が探針１１に近づくとフィードバック制御が動作して自動的に移動物の追跡が開始される。
ステップＳ１３：移動物を追跡中に、操作者が入力装置３４を用い、制御演算装置３３を介してＺ駆動装置１６にＺピエゾが急激に伸びるように電圧を重畳して印加すると、探針１１と移動物との間の距離が急激に減少する。さらに探針１１の旋回半径を小さくし、試料バイアス電圧Ｖｂを増加させる。これにより移動物は高速回転している探針の中に閉じ込められ、移動物は移動できない状態に入る（本発明ではこの状態を「捕獲モード」と称す）。ここで、スイッチ３１と３２をＯＦＦするとフィードバック制御の動作が停止され、移動物の追跡が停止する。コンデンサ３５と３６の働きによりスイッチ３１と３２をＯＦＦする直前の探針１１の位置が保持される。
ステップＳ１４：捕獲モードにおいて、操作者は入力装置３４を用い、制御演算装置３３を介してＸＹ移動制御装置３７を制御し、探針１１の位置を移動させることができる。探針１１の移動に伴い移動物も探針１１と共に移動する。このようにして移動物を安定な吸着位置まで移動させることができる。旋回する探針１１を移動物の吸着位置から除去させても移動物は静止した状態を保持する。
【００３１】
以上述べたように、本発明により、原子追跡形ＳＰＭにおいて、原子追跡に適した条件を簡単に設定でき、多くの移動物の正しい軌跡を自動的に測定できるとともに、原子追跡機能を利用して、表面に弱く吸着している移動物を捕獲して任意の場所に強制的に移動させることのできる原子操作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】原子追跡ＳＴＭの原理を説明するための図。
【図２】従来の原子追跡ＳＴＭの概略構成例を示すブロック図。
【図３】本発明に関わる原子追跡ＳＴＭの概略構成例を示すブロック図。
【図４】本発明に関わる、原子を捕獲し移動させる操作を行うことのできるＳＴＭの概略構成例を示すブロック図。
【図５】従来の原子追跡ＳＴＭによる移動原子の測定データの例。
【図６】本発明に関わる原子追跡ＳＴＭにおいて、探針を高速回転させて得られたＳＴＭの凹凸像の画像データ。
【図７】本発明に関わる原子追跡ＳＴＭの動作を説明するためのフロー図。
【図８】本発明に関わるＳＴＭにおいて、原子を捕獲し移動させる操作を説明するためのフロー図。
【符号の説明】
【００３３】
（同一または類似の動作を行うものには共通の符号を付す。）
Ｉｔ  トンネル電流                  Ｖｂ  バイアス電圧
１  探針                            ２  試料
３  原子層                          ４  動的原子
４ａ、４ｂ  軌跡
１０  ＳＰＭ制御系                  １１  探針
１２  試料                          １３  Ｚピエゾ
１４  ＸＹピエゾ                    １５  トンネル電流検出器
１６  Ｚ駆動装置                    １７  ＸＹ駆動装置
１８  ＸＹ走査装置                  １９  スイッチ
２０  発振器                        ２１  移相器
２２  ロックインアンプ（位相検波手段）
２３、２４  フィードバック回路      ２３ａ、２４ａ  ローパスフィルタ
２３ｂ、２４ｂ  ゲイン              ２３ｃ、２４ｃ  アンプ
２５、２６  加算器                  ２７  記録装置
２８  試料バイアス電源              ３１、３２  スイッチ（切換手段）
３３  制御演算装置                  ３３ａ  判定手段
３４  入力装置                      ３５、３６  コンデンサ（保持手段）
３７  ＸＹ移動制御装置
【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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【図７】
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【図８】
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