(57)【要約】【課題】  本発明が解決しようとする問題点は、高い感度のトンネル電流検出部でトンネル電流を検出すると、探針−試料間に生じる浮遊容量による影響も大きく増幅されてしまい、測定結果が補正しきれない悪影響を受けてしまうという点である。【解決手段】  試料に対向した探針と前記試料の間隔を固定した状態で、前記探針と前記試料間に印加するバイアス電圧を走引し、前記探針と前記試料間に流れるトンネル電流を検出して前記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装置において、前記バイアス電圧の極性を反転して増幅し、それを微分した信号を前記トンネル電流に加算して、前記探針と前記試料間に生じる浮遊容量による影響を打ち消すよう構成したことを特徴としたトンネルスペクトロスコピー装置。【選択図】        図２
2007187536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に対向した探針と前記試料の間隔を固定した状態で、前記探針と前記試料間に印加するバイアス電圧を走引し、前記探針と前記試料間に流れるトンネル電流を検出して前記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装置において、
前記バイアス電圧の極性を反転して増幅し、それを微分した信号を前記トンネル電流に加算して、前記探針と前記試料間に生じる浮遊容量による影響を打ち消すよう構成したことを特徴としたトンネルスペクトロスコピー装置。
【請求項２】
前記トンネル電流を検出する手段が増幅器及び検出抵抗を備えたＩ／Ｖ変換回路であり、
前記バイアス電圧の極性を反転して増幅する手段が反転増幅器であり、
前記微分する手段が前記浮遊容量に応じて可変自在である可変コンデンサを備えた微分回路である、請求項１に記載したトンネルスペクトロスコピー装置。
【請求項３】
前記探針と前記試料の相対位置を変化させ、前記探針と前記試料間の相互作用に基づいて前記試料表面の凹凸像を得る請求項１又は２に記載したトンネルスペクトロスコピー装置において、
前記トンネル電流を検出する手段と、前記バイアス電圧の極性を反転して増幅する手段及び前記微分する手段と、を接続−切離自在なスイッチ手段を備え、
凹凸像検出時には前記スイッチ手段の接続を切り離すよう構成したことを特徴としたトンネルスペクトロスコピー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針と試料との間に作用する物理量を検出することにより、試料表面の観察を行う走査形プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、探針と試料を対向配置し、探針と試料の距離を数ナノメートル以下の距離にして、探針と試料表面を相対的に走査することにより、探針と試料間に働く物理量を測定し、測定に基づいて試料表面の凹凸像等を得るように成した走査形プローブ顕微鏡が注目されている。走査形トンネル顕微鏡は走査形プローブ顕微鏡の一種であり、試料と金属製探針との距離を数ナノメートル以下に保ち、これらの間に数Ｖ程度のバイアス電圧をかけると、探針と試料間の真空間隙を通って電子が移動してトンネル電流が流れるという、いわゆるトンネル効果の原理を利用するものである。
【０００３】
走査形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。これは一般にトンネル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形トンネル顕微鏡の動作について説明する。
【０００４】
図１は、走査形トンネル顕微鏡のトンネル電流検出部である。試料ステージ４に載置された試料２に対向して探針１が配置されている。探針１には、増幅器６及び検出抵抗７から構成されたトンネル電流検出手段であるＩ／Ｖ変換回路１０が接続されている。このＩ／Ｖ変換回路１０によりトンネル電流検出を行う。
【０００５】
スペクトル信号の検出を行う場合、図示しない制御装置は操作者の指示に応じた試料位置信号を供給し、探針１は所望の試料面であるＸ、Ｙ位置に移動して停止する。一方、図示しない制御装置は探針１と試料面に対して垂直な所望のＺ位置に停止させると共に、バイアス電圧発生回路５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５は、図４に示すような波形の電圧を発生し、この電圧は試料２に印加される。
【０００６】
このとき、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１０の出力１８の電圧を取り込み、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。これがトンネルスペクトロスコピーである。トンネル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２３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１０の出力１８の電圧にも誤差を生じる。
【０００７】
出力１８における電圧を示したものが図５である。論理的には図１のような回路では、試料−探針間に発生する浮遊容量２３により、バイアス電圧の掃引に伴って検出電圧が図５においての破線で示すような波形に従って変化することが期待される。
【０００８】
しかしながら、走査形プローブ顕微鏡のトンネル電流検出回路ではｎＡからｐＡオーダーの電流を検出するため高抵抗の検出抵抗７を使用している。このように十分な感度を得るために検出抵抗を大きな値にして、増幅率を大きくすると、浮遊容量２３による影響も増幅されて大きくなり、図５の実線における１９のように、増幅器６が電源電圧に飽和することがあった。その場合、飽和からの回復時間があるために測定結果が、補正しきれない影響をうけてしまい、図５における前半の波形が、点線で示す理論値から大きく相違してしまう。検出抵抗７の値を下げると、感度が落ちてしまい、Ｓ／Ｎ比も悪くなる。
【０００９】
なお、従来技術としては、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を行い、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走査形トンネル顕微鏡がある（例えば、特許文献１）。
【００１０】
【特許文献１】特開平７−２７０４３３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明が解決しようとする問題点は、高い感度のトンネル電流検出部でトンネル電流を検出すると、探針−試料間に生じる浮遊容量による影響も大きく増幅されてしまい、測定結果が補正しきれない悪影響を受けてしまうという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明は、試料に対向した探針と前記試料の間隔を固定した状態で、前記探針と前記試料間に印加するバイアス電圧を走引し、前記探針と前記試料間に流れるトンネル電流を検出して前記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装置において、前記バイアス電圧の極性を反転して増幅し、それを微分した信号を前記トンネル電流に加算して、前記探針と前記試料間に生じる浮遊容量による影響を打ち消すよう構成したことを特徴としたトンネルスペクトロスコピー装置である。
【００１３】
請求項２の発明は、前記トンネル電流を検出する手段が増幅器及び検出抵抗を備えたＩ／Ｖ変換回路であり、前記バイアス電圧の極性を反転して増幅する手段が反転増幅器であり、前記微分する手段が前記浮遊容量に応じて可変自在である可変コンデンサを備えた微分回路である、請求項１に記載したトンネルスペクトロスコピー装置である。
【００１４】
請求項３の発明は、前記探針と前記試料の相対位置を変化させ、前記探針と前記試料間の相互作用に基づいて前記試料表面の凹凸像を得る請求項１又は２に記載したトンネルスペクトロスコピー装置において、前記トンネル電流を検出する手段と、前記バイアス電圧の極性を反転して増幅する手段及び前記微分する手段と、を接続−切離自在なスイッチ手段を備え、凹凸像検出時には前記スイッチ手段の接続を切り離すよう構成したことを特徴としたトンネルスペクトロスコピー装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により試料−探針間に生じる浮遊容量による影響を打ち消すことができ、高い感度のトンネル電流検出部でトンネル電流を検出しても、測定結果が補正しきれない悪影響を受けてしまうことがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施例１）
本発明の構成を図２を用いて説明する。図２は本発明を用いた走査形プローブ顕微鏡の制御システム構成例を示す概略図である。試料ステージ４には試料２が載置されており、探針１が試料２に対向かつ接近して配置されている。探針１はピエゾ素子で構成されたチューブ状のスキャナ３の自由端に設置されている。このスキャナ３は、ＸＹ方向に変位自在な部分と、Ｚ方向に変位自在な部分から構成されており、固定端は図示しないチャンバ側の取付部に固定されている。また、スキャナ３表面にはＸ、Ｙ、Ｚ軸用の図示しない電極がメタライズされており、各電極に電圧を印加することにより圧電効果を利用してＸＹＺ方向に自由端が変位する。
【００１７】
スキャナ３のＸＹ変位部には駆動制御手段であるＸＹ駆動回路１６が接続されており、Ｚ変位部にも駆動制御手段であるＺ駆動回路１７が接続されている。ＸＹドライバ及びＺドライバは制御装置１５に接続されており、制御装置１５は各ドライバを制御する。また、制御装置１５は、演算部、メモリ部、表示部、入力部から構成されているコンピュータ２０に接続されている。
【００１８】
一方、探針１には、検出抵抗７、８及び増幅器６から構成されており、トンネル電流検出部であるＩ／Ｖ変換回路１０、対数増幅器１１、比較回路１２、積分器１４が接続されている。また、試料ステージ４には試料２と探針１間に所定のバイアス電圧を印加するバイアス電圧発生回路５が接続されており、制御装置１５によって制御される。さらに、バイアス電圧発生回路５には反転増幅器２１と可変コンデンサ２２が接続されており、その出力はＩ／Ｖ変換回路１０に入力される。
【００１９】
以上、図２における各部の構成について説明したが、次に動作について説明する。凹凸像の二次元表示を行なうため、コンピュータ２０の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１５は、バイアス電圧回路に所定の一定電圧の出力を指示し、ＸＹ駆動回路１６に位置信号を供給する。なお、図２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。
【００２０】
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１０で電圧に変換され、更に図示しない絶対値増幅器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１１で対数に変換されて増幅され、比較回路１２に入力される。比較回路１２には制御装置１５から基準電圧Ｖｒｅｆ１３が入力されており、対数増幅器１１の出力はこの基準電圧Ｖｒｅｆ１３と比較される。比較回路１２の出力は、積分器１４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、Ｚ駆動回路１７に入力され、スキャナ３のＺ動が駆動される。
【００２１】
これにより、探針１は、トンネル電流が基準電圧Ｖｒｅｆ１３に対応する電流になるＺ位置に移動し、出力電圧が制御装置１５に取り込まれる。
以上の動作を、ＸＹ駆動回路に供給する位置信号を走査信号として探針１でＸ−Ｙ平面を走査しながら行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。
【００２２】
スペクトル信号の検出を行う場合、制御装置１５は操作者の指示に応じた試料位置信号を供給し、探針１は所望の試料２面であるＸ、Ｙ位置に移動して停止する。一方、制御装置１５は探針１の試料２面に対して垂直なＺ駆動を停止させると共に、バイアス電圧発生回路５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５は、図４の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。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１０の出力の電圧を取り込み、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２の電子状態を知ることができる。
【００２３】
このとき、バイアス電圧発生回路５から発生したバイアス電圧は分岐され反転増幅器２１に入力される。反転増幅器２１ではバイアス電圧の極性を逆にした信号が増幅され、可変コンデンサ２２に出力される。微分回路を構成する可変コンデンサ２２に入力した信号は微分され、Ｉ／Ｖ変換回路１０に出力される。
つまり、この可変コンデンサ２２からの信号は、浮遊容量２３による影響を打ち消す方向にあるため、バイアス電圧の掃引を繰り返しながら可変容量を調整して、バイアス電圧０Ｖでの検出出力が０Ｖになるようにすると図６のように真のトンネル電流値変化を得ることができる。
【００２４】
図６はＩ／Ｖ変換回路１５の出力電圧を検出電圧としたものであるが、図５における増幅器６の飽和からの回復時間がなくなっている。つまり、図４の点線の論理値において、バイアス電圧の極性を反転して増幅し、それを微分した信号を検出したトンネル電流に加算して、浮遊容量による影響を打ち消したため、浮遊容量２３による影響が少なくなっていることが分かる。このため、高い検出抵抗７、８を使っても増幅器６の飽和を避けることができ、高い感度が得られ、Ｓ／Ｎ比も良い値が得られる。
【００２５】
なお、浮遊容量２３は試料−探針間隔に依存しており、試料−探針間隔はトンネル電流設定値や試料の材質等によりその都度変化するので、可変コンデンサ２２は図６の検出電圧を見ながら検出の度に調整をしなければならない。
【００２６】
以上、動作について説明したが、本発明により試料−探針間に生じる浮遊容量による影響を打ち消すことができ、高抵抗の検出抵抗を用いてもトンネル電流検出回路の増幅器が電源電圧により飽和して測定結果が補正しきれない影響を受けてしまうことがないという効果が得られる。
【００２７】
なお、本発明は、上記実施の形態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、探針−試料間の距離が変わらない場合は、値が固定されたコンデンサでも良い。
また、走査形トンネル顕微鏡と原子間力顕微鏡とを切り替え自在な装置を使用して、導電性のカンチレバーを用いてトンネル電流を測定してもよい。
さらに、反転増幅器の利得を上げた場合、調整する可変コンデンサ２２の値は小さくなるから、ノイズの増加を減らすことができる。
（実施例２）
図３は、基本的に図２と同じ構成であるが、可変コンデンサ２２とＩ／Ｖ変換回路１０の間にスイッチ２４を追加したものである。これはＩ／Ｖ変換器１０に入力する可変コンデンサ２１及び浮遊容量２３からなるコンデンサ容量が大きくなるとその分Ｉ／Ｖ変換器１０の増幅器６の持つノイズ成分が増幅されてＳ／Ｎ比が悪くなるのを避けるためである。通常のＺ動をフィードバックしながら凹凸像を得る時には、スイッチ２４を切ってコンデンサ容量の増加を減らし、トンネルスペクトロスコピーの測定を行う時のみにスイッチを入れる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来技術におけるトンネル電流検出部の図である。
【図２】本発明の実施例１における走査形プローブ顕微鏡の制御システム概略図である。
【図３】本発明の実施例２における走査形プローブ顕微鏡の制御システム概略図である。
【図４】トンネルスペクトロスコピー測定時におけるバイアス電圧の変化を示す図である。
【図５】従来技術における検出電圧の変化を示す図である。
【図６】本発明における検出電圧の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  探針
２  試料
３  スキャナ
４  試料ステージ
５  バイアス電圧発生回路
６  増幅器
７  検出抵抗
８  検出抵抗
９  スイッチ
１０  Ｉ／Ｖ変換回路
１１  対数増幅器
１２  比較回路
１３  基準電圧
１４  積分器
１５  制御装置
１６  ＸＹ駆動回路
１７  Ｚ駆動回路
１８  出力
１９  増幅器の飽和からの回復時間
２０  コンピュータ
２１  反転増幅器
２２  可変コンデンサ
２３  浮遊容量
２４  スイッチ
【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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