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JPH02216749A - 走査型トンネル電流検出装置，走査型トンネル顕微鏡，及び記録再生装置 - Google Patents

走査型トンネル電流検出装置，走査型トンネル顕微鏡，及び記録再生装置

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JPH02216749A
JPH02216749A JP1246427A JP24642789A JPH02216749A JP H02216749 A JPH02216749 A JP H02216749A JP 1246427 A JP1246427 A JP 1246427A JP 24642789 A JP24642789 A JP 24642789A JP H02216749 A JPH02216749 A JP H02216749A
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Japan
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tunnel current
probe
electrode
distance
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Yoshihiro Yanagisawa
芳浩 柳沢
Kunihiro Sakai
酒井　邦裕
Isaaki Kawade
一佐哲 河出
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Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Priority to EP89309913A priority patent/EP0361932B1/en
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、熱ドリフトあるいは外部からの振動を除去す
る機構を有した走査型トンネル電流検出装置、走査型ト
ンネル顕微鏡、記録再生装置、及びトンネル電流の検出
方法に関する。
［従来の技術］ 最近、導体の表面原子における電子構造を直接観察でき
る走査型トンネル顕微鏡（以後ＳＴＭと略す）が開発さ
れ　［Ｇ、　Ｂ１ｎｎ１ｇ　ｅｔ　ａｌ、。
Ｈｅ１ｖｅｔｉｃａ　Ｐｈｙｓｉｃａ　Ａｃｔａ、５５
．７２６　（１９８２）　］　、単結晶、非晶質を問わ
ず実空間像の高い分解能の測定ができるようになった。
しかも、電流による損傷を媒体に与えることなく、低電
力で観測できる利点をも有し、さらに大気中でも動作し
種々の材料に対して用いることができるため、高範囲な
応用が期待されている。
かかるＳＴＭは、金属の探針（プローブ電極）と導電性
物質（試料媒体）の間に電圧を加えてｌｎｍ程度の距離
まで近づけるとトンネル電流が流れるごとを利用してい
る。この電流は両者の距離変化に非常に敏感であり、ト
ンネル電流を一定に保つように探針な走査することによ
り、実空間の表面構造を描くことができると同時に、表
面原子の全電子雲に関する種々の情報をも読み取ること
ができる。
このため、ＳＴＭには床振動からの外乱、雰囲気の変化
による構造材の微少な変形を分解能以下に抑える除振装
置が不可欠である。
一般に、除振を行うためには、動吸収器におけるダンパ
ー要素によって振動エネルギーを消散させ、振動の低減
を図ることや、あるいは比較的大きな質量体を装置の支
持体１台等に用いることにより振動に対する抵抗を太き
（し、低い共振周波数を持たせる受動的な方法が行われ
ている。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、ＳＴＭを用い、プローブ電極を局所的に
走査させて試料媒体の局部の原子配列を観察する場合に
はそれほどでもないが、プローブ電極を試料媒体の比較
的広範囲に亘って長時間走査させて試料媒体の表面形状
を観察する場合、観察中に、ＳＴＭを構成している部材
や測定される試料媒体の熱収縮あるいは熱膨張による温
度ドリフトの影響が顕著になり、測定精度が低下すると
いう問題点が生じる。
この温度ドリフトによる変動（Ｚ方向：走査面に対して
垂直方向）は、最大で０．５Ｈになることもある。
すなわち、本発明の目的とするところは、上述した従来
技術の問題点に鑑み、その代表的なものとして、プロー
ブ電極を長時間走査することにより生じる温度ドリフト
あるいは振動による影響を受けない、測定精度の高い走
査型トンネル電流検出装置及びトンネル電流の検出方法
を提供することにある。
また、長時間の使用に際しても測定誤差を殆んど生じな
い走査型トンネル顕微鏡を提供することにある。
さらには、上述のような温度ドリフト、振動等による変
動を除去できる機構を適用した記録再生装置を提供する
ことにある。
［課題を解決するための手段及び作用Ｊ本発明の特徴と
するところは、支持台に支持された少なくとも２つのプ
ローブ電極と、該プローブ電極に対して試料媒体を対向
配置させる手段と、該プローブ電極と該試料媒体との間
に電圧を印加する手段とを具備した走査型トンネル電流
検出装置であって、前記プローブ電極の、少なくとも１
つに該プローブ電極の支持台と前記試料媒体間の距離変
動を計測し、該距離変動を補償する機構を持たせ、他の
少なくとも１つを電流検出用電極とする走査型トンネル
電流検出装置にある。
また、前記距離変動の計測をする手段が、該距離変動に
よって生じるトンネル電流の変化を検出する手段とし、
かかる距離変動を補償する機構を持たせた走査型トンネ
ル電流検出装置にも特徴がある。
さらに、本発明の特徴とするところは、支持台に支持さ
れた少なくとも２つのプローブ電極と、該プローブ電極
に対して試料媒体を対向配置させる手段と、該プローブ
電極と該試料媒体との間に電圧を印加する手段とを具備
した走査型トンネル顕微鏡であって、前記プローブ電極
の、少なくとも１つに該プローブ電極の支持台と前記試
料媒体間の距離変動を計測し、該距離変動を補償する機
構を持たせ、他の少なくとも１つを試料観測用電極とす
る走査型トンネル顕微鏡にある。
また、前記距離変動の計測をする手段が、該距離変動に
よって生じるトンネル電流の変化を検知する段とし、か
かる距離変動を補償する機構を持たせた走査型トンネル
顕微鏡にも特徴がある。
さらなる特徴としては、支持台に支持された少なくとも
２つのプローブ電極と、該プローブ電極に対して記録媒
体を対向配置させる手段と、該プローブ電極と該記録媒
体との間に電圧を印加する手段とを具備した記録再生装
置であって、前記プローブ電極の、少なくとも１つに該
プローブ電極の支持台と前記記録媒体間の距離変動を計
測し、該距離変動を補償する機構を持たせ、他の少なく
とも１つを記録再生用電極とする記録再生装置にある。
また、前記距離変動の計測をする手段が、該距離変動に
よって生じるトンネル電流の変化を検知する手段とし、
かかる距離変動を補償する機構を持たせた記録再生装置
にも特徴がある。
また、トンネル電流を検出する方法として、支持台に支
持された少なくとも１つのプローブ電極を用い、該プロ
ーブ電極と対向配置させた試料媒体との間に流れるトン
ネル電流を検出する際に、前記支持台に別個に支持され
た、少なくとも１つのプローブ電極を用い、前記支持台
と前記記録媒体との距離変動を計測し、該距離変動を補
償することを特徴とするトンネル電流の検出方法とする
点にも特徴がある。
また、前記距離変動の計測が、距離変動によって生じる
トンネル電流の変化を検出する方法であり、これによっ
てかかる距離変動を補償するトンネル電流の検出方法と
することも可能である。
すなわち、本発明の構成によれば、例えばＳＴＭにおい
て、観測用とは別個に設けたプローブ電極（位置制御用
ティップ）と導電性試料媒体との間に流れるトンネル電
流の変化により、ＳＴＭの構造材や測定される試料媒体
の温度ドリフトによる変動あるいは外部からの振動によ
る変動を検知し、この信号に基づいて変動補償用微動機
構を駆動するフィードバックサーボ回路を構成すること
でかかる変動の補償が可能となるものである。
［実施例］ 以下、実施例を用いて本発明の各構成部について詳細に
説明する。
１１■ユ 第１図に本発明の好ましい態様である変動補償機構を有
するＳＴＭのブロック図を示す。尚、本実施例ではプロ
ーブ電極が２つの場合を示す。
装置全体は、比較的大きな質量を有する除振台１０１上
に載せられているため、外乱から受ける振動のうち高周
波成分を除（ことができる。本発明の特徴とする位置制
御用ティップ（プローブ電極）　１０９　、及び観測用
ティップ（プローブ電極）１１１と導電性試料１０ｇと
の相対位置は、面内（Ｘ、Ｙ）方向はＸＹステージ１０
２により、高さ（Ｚ）方向は粗動機構１０３により任意
に決めることができる。１０４は１０３を駆動させるた
めの駆動回路である。観測用ティップ１１１は、観測用
円筒ピエゾ素子１１２により、トンネル電流を一定に保
ったままで、面内方向の掃引が可能であり、この際の観
測用円筒ピエゾ素子１１２のＺ方向の変動が導電性試料
１０８の表面状態となる。また、電流増幅器１１４は観
測用ティップ１１１と導電性試料１０８の間に流れるト
ンネル電流を増幅するものであり、サーボ回路１１５は
、観測用ティップ１１１の掃引においてトンネル電流が
一定になるように観測用円筒ピエゾ素子１１２をＺ方向
に駆動するものである。
さらに、観測用ティップ１１１を駆動する観測用円筒ピ
エゾ素子１１２は、ピエゾ素子支持部材（支持台）１１
６を介して位置制御用ティップ１０９を駆動する位置制
御用ピエゾ素子１１０と一体となっている。
観測用ティップ１１１で導電性試料１０８面内を掃引し
、表面観測を行っている間、位置制御用ティップ１０９
は導電性試料１０８の固定した場所のトンネル電流の測
定を行う。
外部から振動が加わればこのトンネル電流は、変化する
。ここでこのトンネル電流を一定に保つように、位置制
御用サーボ回路１０６により、変動補償用微動機構１０
５を２方向に駆動し、導電性試料１０８を移動させ温度
ドリフト、振動による変動をキャンセルすることができ
る。
また、機械的な補正とは別に、マイクロコンピュータ−
１１７によるデーター解析により、観測用ティップ１１
１で読み取った観測データーから位置制御用ティップ１
０９で読み取った変動分を差し引くことによる振動等の
補正も可能である。これらの手段により、観測用ティッ
プ１１１を用いた試料の掃引を行っている間、外部から
の振動や雰囲気の変化による構造材の微少な変形等の影
響を受けない観測が可能となる。
なお、ここで位置制御用ピエゾ素子１１０は、位置制御
用ティップ１０９のＺ方向の位置を設定することにより
振動などを制御するために適当なトンネル電流の値を、
導電性試料の表面観測を行う前に設定するためのもので
あり、観測を行っている間は、最初に設定した駆動電圧
に保持されている。尚、上述各機器は、マイクロコンピ
ュータ−１１７により中央制御されている。また１１ｇ
は表示装置である。
ここで、以上のＳＴＭを用いて観測するにあたり、位置
制御用ティップ１０９による試料の定点におけるトンネ
ル電流の測定によって、本発明の温度ドリフトや振動等
に対するフィードバック系を作動させた場合と作動させ
ない場合についてそれぞれ１０回観測を行った。そこで
、平均のばらつき程度を求め比較したところ、フィード
バック系を作動させた場合の方が、温度ドリフトによる
影響を１／１００以下にまで低減することができ、本発
明の効果が確認された。尚、ここではＳＴＭとして用い
たが、−船釣なトンネル電流の検出装置として用いるこ
とは可能である。
叉」１肌旦 次に別の実施例を示す。第２図に示すように１つの位置
制御用のティップ１０９、及び変動補償用微動機構１０
５を３対使用することにより導電性試料の観測前に試料
面の水平を出すことと、観測を行っている間はその水平
を維持することを可能にしたものである。
実施例１と同様に、この装置でグラファイト表面を観測
したところ良好なデーターが得られた。
見立■ユ 本実施例では、変動補償機構を記録再生装置に適用した
態様を第３図に示す。記録再生装置の構成は、基本的に
は第１図で示したブロック図と同様であるが、前述試料
媒体１０８の替わりに、グラファイト１０８ａ上に部分
的に記録層１０８ｂを設けた記録媒体を使用した。かか
る試料媒体は、プローブ電極１１１の下に記録層が位置
し、プローブ電極１０９の下にはグラファイト面が位置
するように配置される。
記録層としては、スクアリリウム−ビス−６−オクチル
アズレンのＬＢ膜（１層）を使用した。ＬＢ膜の形成法
は、特開昭６３−１６１５５２号公報に開示の方法に従
った。
かかる記録再生の実験を以下の通り行った。
プローブ電極１０９とグラファイト１０８ａとの間に１
、ＯＶのプローブ電圧を印加し、かかるグラファイトの
固定した場所のプローブ電流Ｉｐが１０−”Ａになるよ
うに微動機構１０５を用いて、プローブ電極１０９とグ
ラファイト１０８８表面との距離（Ｚ方向）を調整した
。１１３は位置制御用のピエゾ素子の駆動回路であり、
１０７はティップ１０９と試料媒体１０８との間に流れ
るトンネル電流を増幅するための電流増幅器である。
次に、プローブ電極１１１を＋側、グラファイト１０８
ａを一側にして、記録層１０８ｂが低抵抗状態（ＯＮ状
態）に変化する閾値電圧Ｖ、、　ＯＮ以上の矩形パルス
電圧（第４図に示す）を印加し、ＯＮ状態を生じさせた
。プローブ電極１１１と記録層１０８ｂとの距離（Ｚ方
向）を保持したまま、プローブ電極１１１とグラファイ
ト１０８ａとの間にｉ、ｏ　ｖのプローブ電圧を印加し
て、プローブ電流Ｉｐを測定したところ、０．５ｍＡ程
度の電流が流れ、ＯＮ状態となっていることが確かめら
れた。
次に、プローブ電圧を、記録層がＯＮ状態からＯＦＦ状
態に変化する閾値電圧Ｖｔｈ　ＯＦＦ以上のＩＯＶに設
定し、再び記録位置に印加した結果、記録状態が消去さ
れＯＦＦ状態に遷移したことも確認した。
以上の記録再生実験において、プローブ電極１０９とグ
ラファイト表面との間に流れるトンネル電流を測定し、
このトンネル電流が一定となるように位置制御用サーボ
回路１０Ｂにより、変動補償用微動機構１０５を駆動さ
せることで、温度ドリフト、振動等による変動をキャン
セルすることができた。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の熱ドリフトによる変動、
振動による変動を除去する機構を備えた装置、方法によ
れば、例えばＳＴＭの観測において、オングストローム
オーダーの振動や、温度変化によるＳＴＭの構造材及び
測定される試料媒体の微少な変形による影響を除くこと
が可能である。
また、本発明の装置、方法は、トンネル電流を検知する
装置で、あるなら、トンネル顕微鏡、トンネル電流を用
いた記録再生装置等に限らず、その他にも好ましく用い
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の変動補償機構を有するＳＴＭを図解
的に示すブロック図である。 第２図は１本発明の実施例２を説明する試料媒体に視点
を置いた斜視図である。 第３図は、本発明の変動補償機構を有する記録再生装置
を図解的に示すブロック図である。 第４図は、実施例３で用いた矩形パルス電圧を示す図で
ある。 １０１・・・除振台　　　　　１０２・・・ＸＹステー
ジ１０３・・・粗動機構　　　　１０４・・・粗動駆動
回路１０７・・・価計徂用警佛關器　１０８・・・導電
性試料１０８ａ・・・グラファイト　　１０８ｂ・・・
記録層・・・位置制御用ピエゾ駆動回路 ・・・観測用電流増幅器１１５・・・観測用サーボ回路
・・・ピエゾ素子支持部材（支持台）

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）支持台に支持された少なくとも２つのプローブ電
    極と、該プローブ電極に対して試料媒体を対向配置させ
    る手段と、該プローブ電極と該試料媒体との間に電圧を
    印加する手段とを具備した走査型トンネル電流検出装置
    であって、前記プローブ電極の、少なくとも１つに該プ
    ローブ電極の支持台と前記試料媒体間の距離変動を計測
    し、該距離変動を補償する機構を持たせ、他の少なくと
    も１つを電流検出用電極とすることを特徴とする走査型
    トンネル電流検出装置。
  2. （２）前記距離変動の計測手段が、該距離変動によって
    生じるトンネル電流の変化により検出する手段であるこ
    とを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル電流検出
    装置。
  3. （３）支持台に支持された少なくとも２つのプローブ電
    極と、該プローブ電極に対して試料媒体を対向配置させ
    る手段と、該プローブ電極と該試料媒体との間に電圧を
    印加する手段とを具備した走査型トンネル顕微鏡であっ
    て、前記プローブ電極の、少なくとも１つに該プローブ
    電極の支持台と前記試料媒体間の距離変動を計測し、該
    距離変動を補償する機構を持たせ、他の少なくとも１つ
    を試料観測用電極とすることを特徴とする走査型トンネ
    ル顕微鏡。
  4. （４）前記距離変動の計測手段が、該距離変動によって
    生じるトンネル電流の変化により検出する手段であるこ
    とを特徴とする請求項３記載の走査型トンネル顕微鏡。
  5. （５）支持台に支持された少なくとも２つのプローブ電
    極と、該プローブ電極に対して記録媒体を対向配置させ
    る手段と、該プローブ電極と該記録媒体との間に電圧を
    印加する手段とを具備した記録再生装置であって、前記
    プローブ電極の、少なくとも１つに該プローブ電極の支
    持台と前記記録媒体間の距離変動を計測し、該距離変動
    を補償する機構を持たせ、他の少なくとも１つを記録再
    生用電極とすることを特徴とする記録再生装置。
  6. （６）前記距離変動の計測手段が、該距離変動によつて
    生じるトンネル電流の変化により検出する手段であるこ
    とを特徴とする請求項５記載の記録再生装置。
  7. （７）支持台に支持された少なくとも１つのプローブ電
    極を用い、該プローブ電極と対向配置させた試料媒体と
    の間に流れるトンネル電流を検出する際に、前記支持台
    に別個に支持された、少なくとも１つのプローブ電極を
    用い、前記支持台と前記記録媒体との距離変動を計測し
    、該距離変動を補償することを特徴とするトンネル電流
    の検出方法。
  8. （８）前記距離変動の計測が、該距離変動によって生じ
    るトンネル電流の変化を検出する方法であることを特徴
    とする請求項７記載のトンネル電流の検出方法。
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