JP2001208669A - 探針評価法および走査形プローブ顕微鏡 - Google Patents
探針評価法および走査形プローブ顕微鏡Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 探針形状を正確に測定できる探針評価法およ
び走査形プローブ顕微鏡を提供すること。 【解決手段】 まず、探針７の先端が、突部Ｓの角の横
あたりに位置決めされる。そして、スキャナ制御手段１
１は、探針７を、突部Ｓの中心軸ｏを中心として半径Δ
ｘで回転させるための制御信号を回転信号発生手段２１
に送る。この結果、探針７は、前記中心軸ｏを中心とし
て半径Δｘで回転する。探針７は、突部Ｓとの間にトン
ネル電流が流れるように突部Ｓに接近しているので、こ
の探針回転時には、常に探針７と突部Ｓ間にトンネル電
流が流れている。中央制御手段１０は、トンネル電流検
出手段１６からのトンネル電流信号を探針７の回転位置
に対応させて記憶し、表示制御手段１３は、その記憶さ
れたデータに基づき、探針形状を表すトンネル電流変化
ループを表示手段１７の画面上に表示させる。
び走査形プローブ顕微鏡を提供すること。 【解決手段】 まず、探針７の先端が、突部Ｓの角の横
あたりに位置決めされる。そして、スキャナ制御手段１
１は、探針７を、突部Ｓの中心軸ｏを中心として半径Δ
ｘで回転させるための制御信号を回転信号発生手段２１
に送る。この結果、探針７は、前記中心軸ｏを中心とし
て半径Δｘで回転する。探針７は、突部Ｓとの間にトン
ネル電流が流れるように突部Ｓに接近しているので、こ
の探針回転時には、常に探針７と突部Ｓ間にトンネル電
流が流れている。中央制御手段１０は、トンネル電流検
出手段１６からのトンネル電流信号を探針７の回転位置
に対応させて記憶し、表示制御手段１３は、その記憶さ
れたデータに基づき、探針形状を表すトンネル電流変化
ループを表示手段１７の画面上に表示させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、走査形トンネル
顕微鏡や原子間力顕微鏡などで使用される探針の評価
法、および走査形トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡など
の走査形プローブ顕微鏡に関する。
顕微鏡や原子間力顕微鏡などで使用される探針の評価
法、および走査形トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡など
の走査形プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】 近年、素材やデバイスなどの製品評価
を精度良く行える装置として、原子レベルまでの凹凸を
非接触で測定できる走査形プローブ顕微鏡（SPM:Scanni
ng Probe Microscope）が注目されるようになってきて
いる。
を精度良く行える装置として、原子レベルまでの凹凸を
非接触で測定できる走査形プローブ顕微鏡（SPM:Scanni
ng Probe Microscope）が注目されるようになってきて
いる。
【０００３】この走査形プローブ顕微鏡として、走査形
トンネル顕微鏡（STM:Scanning Tunneling Microscop
e）や原子間力顕微鏡（AFM:Atomic Force Microscope）
などがあり、走査形トンネル顕微鏡は、探針と試料間に
流れるトンネル電流に基づいて試料の凹凸像を得るもの
である。一方、原子間力顕微鏡は、カンチレバーの先端
に固定された探針と試料間に働く原子間力に基づいて、
試料の凹凸像を得るものである。
トンネル顕微鏡（STM:Scanning Tunneling Microscop
e）や原子間力顕微鏡（AFM:Atomic Force Microscope）
などがあり、走査形トンネル顕微鏡は、探針と試料間に
流れるトンネル電流に基づいて試料の凹凸像を得るもの
である。一方、原子間力顕微鏡は、カンチレバーの先端
に固定された探針と試料間に働く原子間力に基づいて、
試料の凹凸像を得るものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】 最近、このような走
査形プローブ顕微鏡において、探針の形状が得られた画
像に非常に大きな影響を及ぼしていることが問題となっ
ている。
査形プローブ顕微鏡において、探針の形状が得られた画
像に非常に大きな影響を及ぼしていることが問題となっ
ている。
【０００５】すなわち、原子レベルの凹凸を測定する場
合には、その測定は探針の最先端原子に依存するため、
探針の形状は大きな問題とはならない。たとえば、１個
の最先端原子が他の原子より０．１ｎｍ飛び出していれ
ば、９９％のトンネル電流がこの最先端原子に流れるの
で、原子レベルの高分解能の凹凸像を得ることができ
る。
合には、その測定は探針の最先端原子に依存するため、
探針の形状は大きな問題とはならない。たとえば、１個
の最先端原子が他の原子より０．１ｎｍ飛び出していれ
ば、９９％のトンネル電流がこの最先端原子に流れるの
で、原子レベルの高分解能の凹凸像を得ることができ
る。
【０００６】しかしながら、１ｎｍからサブミクロンの
凹凸を測定する場合には、探針先端の曲率半径や探針の
Cone angleが、得られた画像に非常に大きな影響を及ぼ
してしまう。図１は、このことを説明するために示した
図であり、３種類の典型的な凹凸（１ｎｍからサブミク
ロンの凹凸）を、先端が比較的大きな探針でＳＴＭ測定
した場合を示した図である。
凹凸を測定する場合には、探針先端の曲率半径や探針の
Cone angleが、得られた画像に非常に大きな影響を及ぼ
してしまう。図１は、このことを説明するために示した
図であり、３種類の典型的な凹凸（１ｎｍからサブミク
ロンの凹凸）を、先端が比較的大きな探針でＳＴＭ測定
した場合を示した図である。
【０００７】図１において、点線ｐは探針の軌跡を示し
ており、この軌跡は、探針と試料間に一定のトンネル電
流が流れるように探針高さを制御したときのものであ
る。また、図１の各凹凸のＳＴＭ像が、図１の各（ｂ）
に示されている。
ており、この軌跡は、探針と試料間に一定のトンネル電
流が流れるように探針高さを制御したときのものであ
る。また、図１の各凹凸のＳＴＭ像が、図１の各（ｂ）
に示されている。
【０００８】この図１からも明らかなように、１ｎｍか
らサブミクロンの凹凸を測定するときに、探針先端が大
きな場合には、被測定物の凹凸を正確に測定することは
できない。
らサブミクロンの凹凸を測定するときに、探針先端が大
きな場合には、被測定物の凹凸を正確に測定することは
できない。
【０００９】これに対し、たとえば図１（１）に示した
凹凸を測定する時に、図２に示すような、先端の曲率半
径が小さくてCone angleθが小さい探針を用いれば、図
２（ｂ）に示すような試料凹凸をほぼ忠実に表した像を
得ることができる。
凹凸を測定する時に、図２に示すような、先端の曲率半
径が小さくてCone angleθが小さい探針を用いれば、図
２（ｂ）に示すような試料凹凸をほぼ忠実に表した像を
得ることができる。
【００１０】このように、探針先端の形状が表面測定に
は大きな影響を及ぼしており、探針先端の形状が良くな
ければ表面粗さ測定に大きな誤差を生じさせるので、そ
の場合には直ちに探針を交換するなどの対応をとらなけ
ればならない。
は大きな影響を及ぼしており、探針先端の形状が良くな
ければ表面粗さ測定に大きな誤差を生じさせるので、そ
の場合には直ちに探針を交換するなどの対応をとらなけ
ればならない。
【００１１】本発明はこのような点に鑑みて成されたも
ので、その目的は、探針形状を正確に測定できる探針評
価法および走査形プローブ顕微鏡を提供することにあ
る。
ので、その目的は、探針形状を正確に測定できる探針評
価法および走査形プローブ顕微鏡を提供することにあ
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】 この目的を達成する本
発明の探針評価法は、突部を有する標準試料を用意し、
その標準試料と探針間にバイアス電圧を印加した状態
で、前記探針を前記突部のまわりに回転させ、その時に
探針と突部間に流れるトンネル電流に基づいて探針形状
を求めて、探針を評価するようにしたことを特徴とす
る。
発明の探針評価法は、突部を有する標準試料を用意し、
その標準試料と探針間にバイアス電圧を印加した状態
で、前記探針を前記突部のまわりに回転させ、その時に
探針と突部間に流れるトンネル電流に基づいて探針形状
を求めて、探針を評価するようにしたことを特徴とす
る。
【００１３】
【発明の実施の形態】 以下、図面を用いて本発明の実
施の形態について説明する。
施の形態について説明する。
【００１４】図３は、本発明の走査形プローブ顕微鏡の
一例として示した、走査形トンネル顕微鏡の概略図であ
る。
一例として示した、走査形トンネル顕微鏡の概略図であ
る。
【００１５】まず、図３の装置構成を説明する。
【００１６】図３において、１は試料室チャンバであ
り、そのチャンバ内の固定端２には、圧電体で作られた
スキャナ３が固定されている。このスキャナ３は、ｘ方
向に移動可能なｘスキャナ４と、ｙ方向に移動可能なｙ
スキャナ５と、ｚ方向に移動可能なｚスキャナ６で構成
されており、スキャナ３の先端中央には探針７が取り付
けられている。
り、そのチャンバ内の固定端２には、圧電体で作られた
スキャナ３が固定されている。このスキャナ３は、ｘ方
向に移動可能なｘスキャナ４と、ｙ方向に移動可能なｙ
スキャナ５と、ｚ方向に移動可能なｚスキャナ６で構成
されており、スキャナ３の先端中央には探針７が取り付
けられている。
【００１７】前記探針７と対向する側には、ｘ，ｙおよ
びｚ方向に移動可能な試料ステージ８が配置されてい
る。そして、この試料ステージ８上に、円柱状の突部Ｓ
を有する標準試料９がセットされており、突部Ｓの中心
軸ｏはｚ軸に平行である。
びｚ方向に移動可能な試料ステージ８が配置されてい
る。そして、この試料ステージ８上に、円柱状の突部Ｓ
を有する標準試料９がセットされており、突部Ｓの中心
軸ｏはｚ軸に平行である。
【００１８】１０は中央制御手段であり、中央制御手段
１０は、スキャナ制御手段１１、探針評価手段１２、表
示制御手段１３および臨界形状情報記憶手段１４を備え
ている。また、この中央制御手段１０は、スキャナ信号
発生手段１５、探針７と試料９間に流れるトンネル電流
を検出するトンネル電流検出手段１６、および表示手段
１７に接続されている。
１０は、スキャナ制御手段１１、探針評価手段１２、表
示制御手段１３および臨界形状情報記憶手段１４を備え
ている。また、この中央制御手段１０は、スキャナ信号
発生手段１５、探針７と試料９間に流れるトンネル電流
を検出するトンネル電流検出手段１６、および表示手段
１７に接続されている。
【００１９】前記スキャナ信号発生手段１５は、ｘスキ
ャナ信号発生手段１８、ｙスキャナ信号発生手段１９、
ｚスキャナ信号発生手段２０、および回転信号発生手段
２１を備えている。この回転信号発生手段２１は、ＡＣ
成分発生回路２２と位相器２３を備えている。そして、
スキャナ信号発生手段１５は、ｘスキャナ電源２４を介
して前記ｘスキャナ４に、またｙスキャナ電源２５を介
して前記ｙスキャナ５に、さらにｚスキャナ電源２６を
介して前記ｚスキャナ５に接続されている。
ャナ信号発生手段１８、ｙスキャナ信号発生手段１９、
ｚスキャナ信号発生手段２０、および回転信号発生手段
２１を備えている。この回転信号発生手段２１は、ＡＣ
成分発生回路２２と位相器２３を備えている。そして、
スキャナ信号発生手段１５は、ｘスキャナ電源２４を介
して前記ｘスキャナ４に、またｙスキャナ電源２５を介
して前記ｙスキャナ５に、さらにｚスキャナ電源２６を
介して前記ｚスキャナ５に接続されている。
【００２０】２７はバイアス電源であり、バイアス電源
２７は、探針７と試料９間にバイアス電圧を印加するた
めのものである。
２７は、探針７と試料９間にバイアス電圧を印加するた
めのものである。
【００２１】以上、図３の装置構成について説明した
が、以下、このような装置の動作説明を行う。
が、以下、このような装置の動作説明を行う。
【００２２】探針７の先端形状を評価するにあたり、ま
ず図４に示すように、探針７の先端Ｔが、前記突部Ｓの
角の横あたりに位置決めされる。図４の場合には、探針
７の先端Ｔは、突部Ｓの上面中心Ｓ0（ｘ0，ｙ0，ｚ0）
からｘ方向にΔｘ、−ｚ方向にΔｚのところ（ｘ0＋Δ
ｘ，ｙ0，ｚ0−Δｚ）に位置決めされている。このと
き、探針７は、探針と突部間に数Ｖのバイアス電圧が印
加されると、突部との間にトンネル電流が流れる程度に
接近している。また、図４の状態において、探針７の中
心軸ｔは、突部Ｓの中心軸ｏに平行である。
ず図４に示すように、探針７の先端Ｔが、前記突部Ｓの
角の横あたりに位置決めされる。図４の場合には、探針
７の先端Ｔは、突部Ｓの上面中心Ｓ0（ｘ0，ｙ0，ｚ0）
からｘ方向にΔｘ、−ｚ方向にΔｚのところ（ｘ0＋Δ
ｘ，ｙ0，ｚ0−Δｚ）に位置決めされている。このと
き、探針７は、探針と突部間に数Ｖのバイアス電圧が印
加されると、突部との間にトンネル電流が流れる程度に
接近している。また、図４の状態において、探針７の中
心軸ｔは、突部Ｓの中心軸ｏに平行である。
【００２３】ここで、図３の装置における、このような
探針の位置決め動作を説明する。
探針の位置決め動作を説明する。
【００２４】まず、突部Ｓを含む試料９のフィールドエ
ミッション電流像（凹凸像）を得るために、探針７が基
準位置に固定され、探針７と試料９間に数ｋＶのバイア
ス電圧が印加された状態で、試料ステージ８がｘｙ方向
に二次元的に走査される。このとき、探針７と試料間に
は、その距離に対応したフィールドエミッション電流が
流れ、その電流はトンネル電流検出手段１６により検出
される。
ミッション電流像（凹凸像）を得るために、探針７が基
準位置に固定され、探針７と試料９間に数ｋＶのバイア
ス電圧が印加された状態で、試料ステージ８がｘｙ方向
に二次元的に走査される。このとき、探針７と試料間に
は、その距離に対応したフィールドエミッション電流が
流れ、その電流はトンネル電流検出手段１６により検出
される。
【００２５】そして、中央制御手段１０は、トンネル電
流検出手段１６からのエミッション電流信号を各ステー
ジ位置に対応させて記憶し、その記憶したデータに基づ
いてエミッション電流像を表示手段１７の画面上に表示
させる。図５は、そのエミッション電流像を示したもの
である。
流検出手段１６からのエミッション電流信号を各ステー
ジ位置に対応させて記憶し、その記憶したデータに基づ
いてエミッション電流像を表示手段１７の画面上に表示
させる。図５は、そのエミッション電流像を示したもの
である。
【００２６】なお、このようなエミッション電流像の取
得については特願平１１−８８５１９に詳しく記載され
ており、図３の装置は、この技術を採用している。
得については特願平１１−８８５１９に詳しく記載され
ており、図３の装置は、この技術を採用している。
【００２７】このようにして、図５に示すようなエミッ
ション電流像が得られると、オペレータは、その像上に
おいて、突部Ｓの上面中心Ｓ0を指示する。すると、中
央制御手段１０は、その指示された位置Ｓ0に対応する
ステージ位置を求め、求めたステージ位置に基づき、突
部Ｓの上面中心Ｓ0が探針７の直下に位置するように試
料ステージ８のｘｙ位置を制御する。
ション電流像が得られると、オペレータは、その像上に
おいて、突部Ｓの上面中心Ｓ0を指示する。すると、中
央制御手段１０は、その指示された位置Ｓ0に対応する
ステージ位置を求め、求めたステージ位置に基づき、突
部Ｓの上面中心Ｓ0が探針７の直下に位置するように試
料ステージ８のｘｙ位置を制御する。
【００２８】図６（ａ）は、この試料ステージ制御後
の、探針７と突部Ｓの状態を示した図であり、このとき
の突部Ｓの上面中心Ｓ0の座標が、上述した（ｘ0，
ｙ0，ｚ0）である。
の、探針７と突部Ｓの状態を示した図であり、このとき
の突部Ｓの上面中心Ｓ0の座標が、上述した（ｘ0，
ｙ0，ｚ0）である。
【００２９】このようにして、突部Ｓの上面中心Ｓ0が
探針７の直下に位置すると、バイアス電源２７が制御さ
れて、探針７と試料間に数Ｖのバイアス電圧が印加され
る。そして、中央制御手段１０のスキャナ制御手段１１
は、トンネル電流検出手段１６からのトンネル電流信号
を受け、そのトンネル電流が所定値に保たれるように、
スキャナ信号発生手段１５のｚスキャナ信号発生手段２
０を制御する。図６（ａ）の状態においては、探針７と
突部Ｓは、それらの間にトンネル電流が流れない程度に
離れているので、スキャナ制御手段１１は、探針７を突
部側に移動させるための制御信号をｚスキャナ信号発生
手段２０に送る。
探針７の直下に位置すると、バイアス電源２７が制御さ
れて、探針７と試料間に数Ｖのバイアス電圧が印加され
る。そして、中央制御手段１０のスキャナ制御手段１１
は、トンネル電流検出手段１６からのトンネル電流信号
を受け、そのトンネル電流が所定値に保たれるように、
スキャナ信号発生手段１５のｚスキャナ信号発生手段２
０を制御する。図６（ａ）の状態においては、探針７と
突部Ｓは、それらの間にトンネル電流が流れない程度に
離れているので、スキャナ制御手段１１は、探針７を突
部側に移動させるための制御信号をｚスキャナ信号発生
手段２０に送る。
【００３０】その制御信号を受けたｚスキャナ信号発生
手段２０は、探針７を突部側に移動させるためのｚスキ
ャナ信号をｚスキャナ電源２６に送る。この結果、ｚス
キャナ６が探針側に伸びて、探針７が突部に近づき、最
終的に探針７は、原子レベルの凹凸に処理された突部Ｓ
上面との間に所定のトンネル電流が流れるｚ位置で停止
する。
手段２０は、探針７を突部側に移動させるためのｚスキ
ャナ信号をｚスキャナ電源２６に送る。この結果、ｚス
キャナ６が探針側に伸びて、探針７が突部に近づき、最
終的に探針７は、原子レベルの凹凸に処理された突部Ｓ
上面との間に所定のトンネル電流が流れるｚ位置で停止
する。
【００３１】図６（ｂ）は、そのときの探針７と突部Ｓ
の状態を示した図であり、探針７の先端は、限りなく突
部Ｓ上面に接近している。
の状態を示した図であり、探針７の先端は、限りなく突
部Ｓ上面に接近している。
【００３２】次に、スキャナ制御手段１１は、探針７を
ｘ方向にΔｘ移動させるための制御信号をｘスキャナ信
号発生手段１８に送る。その制御信号を受けたｘスキャ
ナ信号発生手段１８は、探針７をｘ方向にΔｘ移動させ
るためのｘスキャナ信号をｘスキャナ電源２４に送る。
この結果、ｘキャナ４がｘ方向に移動して、探針７はｘ
方向にΔｘ移動する。
ｘ方向にΔｘ移動させるための制御信号をｘスキャナ信
号発生手段１８に送る。その制御信号を受けたｘスキャ
ナ信号発生手段１８は、探針７をｘ方向にΔｘ移動させ
るためのｘスキャナ信号をｘスキャナ電源２４に送る。
この結果、ｘキャナ４がｘ方向に移動して、探針７はｘ
方向にΔｘ移動する。
【００３３】図６（ｃ）は、そのときの探針７と突部Ｓ
の状態を示した図である。
の状態を示した図である。
【００３４】さらに、スキャナ制御手段１１は、探針７
を−ｚ方向に所定量移動させるための制御信号をｚスキ
ャナ信号発生手段２０に送る。その制御信号を受けたｚ
スキャナ信号発生手段２０は、探針７を−ｚ方向に所定
量移動させるためのｚスキャナ信号をｚスキャナ電源２
６に送る。この結果、ｚキャナ６が−ｚ方向に伸びて、
探針７は図４に示した位置で停止する。
を−ｚ方向に所定量移動させるための制御信号をｚスキ
ャナ信号発生手段２０に送る。その制御信号を受けたｚ
スキャナ信号発生手段２０は、探針７を−ｚ方向に所定
量移動させるためのｚスキャナ信号をｚスキャナ電源２
６に送る。この結果、ｚキャナ６が−ｚ方向に伸びて、
探針７は図４に示した位置で停止する。
【００３５】このようにして、探針７の先端Ｔが、座標
（ｘ0＋Δｘ，ｙ0，ｚ0−Δｚ）に位置決めされると、
スキャナ制御手段１１は、探針７を、前記中心軸ｏを中
心として半径Δｘで回転させるための制御信号を回転信
号発生手段２１に送る。すると、回転信号発生手段２１
のＡＣ成分発生回路２２は、θが０°〜３６０°に連続
的に変化する信号Δｘｃｏｓθをｘスキャナ電源２４と
位相器２３に送る。そして、位相器２３は、信号Δｘｃ
ｏｓθの位相を９０°ずらして信号Δｘｃｏｓ（θ＋９
０°）をｙスキャナ電源２５に送る。この結果、探針７
は、それ自身は自転せずに、前記中心軸ｏを中心として
半径Δｘで回転する。このため、探針が突部Ｓのまわり
に一周すると、探針の側面が一周にわたって突部Ｓと対
向する。なお、このときの回転信号は、回転信号発生手
段２１から中央制御手段１０に参照信号として送られて
いる。
（ｘ0＋Δｘ，ｙ0，ｚ0−Δｚ）に位置決めされると、
スキャナ制御手段１１は、探針７を、前記中心軸ｏを中
心として半径Δｘで回転させるための制御信号を回転信
号発生手段２１に送る。すると、回転信号発生手段２１
のＡＣ成分発生回路２２は、θが０°〜３６０°に連続
的に変化する信号Δｘｃｏｓθをｘスキャナ電源２４と
位相器２３に送る。そして、位相器２３は、信号Δｘｃ
ｏｓθの位相を９０°ずらして信号Δｘｃｏｓ（θ＋９
０°）をｙスキャナ電源２５に送る。この結果、探針７
は、それ自身は自転せずに、前記中心軸ｏを中心として
半径Δｘで回転する。このため、探針が突部Ｓのまわり
に一周すると、探針の側面が一周にわたって突部Ｓと対
向する。なお、このときの回転信号は、回転信号発生手
段２１から中央制御手段１０に参照信号として送られて
いる。
【００３６】上述したように、探針７は、突部Ｓとの間
にトンネル電流が流れるように突部Ｓに接近しているの
で、この探針回転時には、常に探針７と突部Ｓ間にトン
ネル電流が流れている。そして、このトンネル電流は、
探針７と突部Ｓとの距離に応じて変化し、探針と突部の
距離が短いほど多くのトンネル電流が流れる。すなわ
ち、探針先端形状が前記図１に示したように大きい時に
は、探針先端形状が前記図２に示したように小さい時に
比べて、より多くのトンネル電流が流れる。
にトンネル電流が流れるように突部Ｓに接近しているの
で、この探針回転時には、常に探針７と突部Ｓ間にトン
ネル電流が流れている。そして、このトンネル電流は、
探針７と突部Ｓとの距離に応じて変化し、探針と突部の
距離が短いほど多くのトンネル電流が流れる。すなわ
ち、探針先端形状が前記図１に示したように大きい時に
は、探針先端形状が前記図２に示したように小さい時に
比べて、より多くのトンネル電流が流れる。
【００３７】この探針７と突部Ｓ間に流れるトンネル電
流はトンネル電流検出手段１６で検出され、中央制御手
段１０は、トンネル電流検出手段１６からのトンネル電
流信号を探針７の回転位置に対応させて記憶する。
流はトンネル電流検出手段１６で検出され、中央制御手
段１０は、トンネル電流検出手段１６からのトンネル電
流信号を探針７の回転位置に対応させて記憶する。
【００３８】そして、表示制御手段１３は、その記憶さ
れたデータに基づき、図７のｉに示すようなトンネル電
流変化ループを表示手段１７の画面上に表示させる。こ
のループｉは、探針と突部間に流れるトンネル電流を探
針の回転位置に対応させて表示させたものであり、トン
ネル電流の大きさを基準画素ｑからの距離に対応させて
表示させたものである。
れたデータに基づき、図７のｉに示すようなトンネル電
流変化ループを表示手段１７の画面上に表示させる。こ
のループｉは、探針と突部間に流れるトンネル電流を探
針の回転位置に対応させて表示させたものであり、トン
ネル電流の大きさを基準画素ｑからの距離に対応させて
表示させたものである。
【００３９】また、表示制御手段１３は、臨界形状情報
記憶手段１４に記憶された、探針交換が必要である探針
の臨界形状データに基づき、図７のｉｉに示すような円
形ループを表示手段１７の画面上に表示させる。
記憶手段１４に記憶された、探針交換が必要である探針
の臨界形状データに基づき、図７のｉｉに示すような円
形ループを表示手段１７の画面上に表示させる。
【００４０】このような表示が行われると、オペレータ
は、トンネル電流変化ループｉが円形ループｉｉの中に
収まっているかどうかを判断する。そして、オペレータ
は、このケースのようにループｉがループｉｉの中に収
まっていない場合には、すなわち、探針先端形状が大き
くて探針交換が必要である場合には、直ちに探針７を新
しいものに交換する。
は、トンネル電流変化ループｉが円形ループｉｉの中に
収まっているかどうかを判断する。そして、オペレータ
は、このケースのようにループｉがループｉｉの中に収
まっていない場合には、すなわち、探針先端形状が大き
くて探針交換が必要である場合には、直ちに探針７を新
しいものに交換する。
【００４１】なお、図７のループｉは円形ではないが、
これは、探針の断面形状が円形でないことを表してお
り、オペレータはこのループｉから、探針の側面形状を
評価することができる。
これは、探針の断面形状が円形でないことを表してお
り、オペレータはこのループｉから、探針の側面形状を
評価することができる。
【００４２】また、図３の装置において探針評価手段１
２を動作させれば、探針評価手段１２は、探針交換が必
要であるかどうかの判断を自動的に行う。
２を動作させれば、探針評価手段１２は、探針交換が必
要であるかどうかの判断を自動的に行う。
【００４３】その場合、探針評価手段１２は、前記中央
制御手段１０に記憶された、探針７の回転位置に対応し
て記憶されたトンネル電流信号に基づき、上述したトン
ネル電流変化ループｉを作成する。また、探針評価手段
１２は、前記臨界形状情報記憶手段１４に記憶された臨
界形状データに基づき、上述した円形ループｉｉを作成
する。
制御手段１０に記憶された、探針７の回転位置に対応し
て記憶されたトンネル電流信号に基づき、上述したトン
ネル電流変化ループｉを作成する。また、探針評価手段
１２は、前記臨界形状情報記憶手段１４に記憶された臨
界形状データに基づき、上述した円形ループｉｉを作成
する。
【００４４】そして、探針評価手段１２は、トンネル電
流変化ループｉが円形ループｉｉの中に収まっているか
どうかを判断し、このケースのようにループｉがループ
ｉｉの中に収まっていない場合には、探針交換が必要で
あると判断して、その事を表示手段１７の画面上に警告
表示するように表示制御手段１３を制御する。すると、
表示制御手段１３は、前記図７に示した円形ループｉｉ
を明るく点灯させる。なお、この場合、前記図７に示し
たループｉを明るく点灯させるように表示制御手段１３
を構成しても良い。
流変化ループｉが円形ループｉｉの中に収まっているか
どうかを判断し、このケースのようにループｉがループ
ｉｉの中に収まっていない場合には、探針交換が必要で
あると判断して、その事を表示手段１７の画面上に警告
表示するように表示制御手段１３を制御する。すると、
表示制御手段１３は、前記図７に示した円形ループｉｉ
を明るく点灯させる。なお、この場合、前記図７に示し
たループｉを明るく点灯させるように表示制御手段１３
を構成しても良い。
【００４５】また、ループｉがループｉｉの中に収まっ
ていても、ループｉの形状、すなわち探針の側面形状が
不良の場合には、警告表示を出すように探針評価手段１
２を構成するようにしても良い。
ていても、ループｉの形状、すなわち探針の側面形状が
不良の場合には、警告表示を出すように探針評価手段１
２を構成するようにしても良い。
【００４６】また、上述した警告を、スピーカーから音
声で出すように探針評価手段１２を構成するようにして
も良い。
声で出すように探針評価手段１２を構成するようにして
も良い。
【００４７】以上、図３の走査形トンネル顕微鏡につい
て説明したが、このような装置を用いれば、探針形状を
正確に測定することができる。
て説明したが、このような装置を用いれば、探針形状を
正確に測定することができる。
【００４８】なお、本発明はこの例に限定されるもので
はない。
はない。
【００４９】たとえば、上記例では、突部Ｓの形状は円
筒状であったが、円錐状などでも良い。
筒状であったが、円錐状などでも良い。
【００５０】また、前記図４に示した状態から、探針７
を突部Ｓの長手方向、すなわち−ｚ方向に所定量移動さ
せた後に上述した探針形状測定を行い、さらに探針を−
ｚ方向に所定量移動させて同様に探針形状測定を行い、
このような動作を探針が所定のｚ位置に達するまで行う
ようにすれば、探針の長手方向の側面形状を知ることが
できる。その場合、各ｚ位置において得られたトンネル
電流変化ループを、図８（ａ）に示すように同心円状に
表示させたり、または、図８（ｂ）に示すように、楕円
状に変形させた上で縦方向にある間隔をおいて順に並べ
て表示させるようにしても良い。
を突部Ｓの長手方向、すなわち−ｚ方向に所定量移動さ
せた後に上述した探針形状測定を行い、さらに探針を−
ｚ方向に所定量移動させて同様に探針形状測定を行い、
このような動作を探針が所定のｚ位置に達するまで行う
ようにすれば、探針の長手方向の側面形状を知ることが
できる。その場合、各ｚ位置において得られたトンネル
電流変化ループを、図８（ａ）に示すように同心円状に
表示させたり、または、図８（ｂ）に示すように、楕円
状に変形させた上で縦方向にある間隔をおいて順に並べ
て表示させるようにしても良い。
【００５１】また、図３の装置において、探針を突部Ｓ
のまわりに回転させたとき、各回転位置において、探針
と突部Ｓの半径方向の距離が一定距離となるように、す
なわちトンネル電流が一定となるように、探針のｘおよ
びｙ位置をフィードバック制御し、そのｘ位置制御量と
ｙ位置制御量に基づいて、探針形状を求めるようにして
も良い。
のまわりに回転させたとき、各回転位置において、探針
と突部Ｓの半径方向の距離が一定距離となるように、す
なわちトンネル電流が一定となるように、探針のｘおよ
びｙ位置をフィードバック制御し、そのｘ位置制御量と
ｙ位置制御量に基づいて、探針形状を求めるようにして
も良い。
【００５２】また、上記例では、探針を突部のまわりに
回転させるようにしたが、探針の位置を固定させた状態
で、突部側を探針のまわりに回転させ、そのときに探針
と突部間に流れるトンネル電流に基づいて探針形状を求
めるようにしても良い。その際、その突部を有する試料
を３軸方向に移動可能な圧電体スキャナで回転させるよ
うにすれば良い。
回転させるようにしたが、探針の位置を固定させた状態
で、突部側を探針のまわりに回転させ、そのときに探針
と突部間に流れるトンネル電流に基づいて探針形状を求
めるようにしても良い。その際、その突部を有する試料
を３軸方向に移動可能な圧電体スキャナで回転させるよ
うにすれば良い。
【００５３】また、上記例では、トンネル顕微鏡の探針
を評価する場合について説明したが、原子間力顕微鏡の
探針も同様にして評価することができる。その場合も、
探針側を突部のまわりで回転させても、また、突部側を
探針のまわりで回転させても良い。
を評価する場合について説明したが、原子間力顕微鏡の
探針も同様にして評価することができる。その場合も、
探針側を突部のまわりで回転させても、また、突部側を
探針のまわりで回転させても良い。
【００５４】また、探針７を回転時にトンネル電流の変
化を一定にするための信号をｘ、ｙ軸のθ成分に比例し
た形でフィードバックすることで探針７の位置を直接モ
ニターすることも可能であり、直接探針の形状を測定す
ることも可能である。
化を一定にするための信号をｘ、ｙ軸のθ成分に比例し
た形でフィードバックすることで探針７の位置を直接モ
ニターすることも可能であり、直接探針の形状を測定す
ることも可能である。
【００５５】さて、次に、探針形状を評価する別の方法
について説明する。
について説明する。
【００５６】まず、図９に示すような正方形（または長
方形）の穴を有する標準試料を用意する。そして、探針
と試料間にバイアス電圧を印加し、探針と試料間に流れ
るトンネル電流を一定に保ちながら、探針をその穴上を
ｘおよびｙ方向に走査させる。このときの探針のｚ位置
の制御結果から、探針のｘ走査とｙ走査について前記図
１または図２に示すような凹凸像が得られるので、オペ
レータは、その像から、探針の４つの側面の形状評価を
行うことができる。なお、探針の位置を固定しておい
て、試料側をｘ，ｙおよびｚ方向に制御するようにして
も良い。
方形）の穴を有する標準試料を用意する。そして、探針
と試料間にバイアス電圧を印加し、探針と試料間に流れ
るトンネル電流を一定に保ちながら、探針をその穴上を
ｘおよびｙ方向に走査させる。このときの探針のｚ位置
の制御結果から、探針のｘ走査とｙ走査について前記図
１または図２に示すような凹凸像が得られるので、オペ
レータは、その像から、探針の４つの側面の形状評価を
行うことができる。なお、探針の位置を固定しておい
て、試料側をｘ，ｙおよびｚ方向に制御するようにして
も良い。
【００５７】また、図１０に示すように、Ｃ６０を用い
て探針の形状を評価するようにしても良い。Ｃ６０は、
カーボン原子が６０個集まってできた球状のものであ
り、そのサイズは１ｎｍ程度で安定しており、このＣ６
０を平らな試料の上に固定すれば、現在測定が求められ
ている１ｎｍ程度の表面粗さの標準試料とすることがで
きる。
て探針の形状を評価するようにしても良い。Ｃ６０は、
カーボン原子が６０個集まってできた球状のものであ
り、そのサイズは１ｎｍ程度で安定しており、このＣ６
０を平らな試料の上に固定すれば、現在測定が求められ
ている１ｎｍ程度の表面粗さの標準試料とすることがで
きる。
【００５８】そして、探針と試料間にバイアス電圧を印
加し、探針と試料間に流れるトンネル電流を一定に保ち
ながら、探針を前記Ｃ６０上をｘおよびｙ方向に走査さ
せる。このときの探針のｚ位置の制御結果から、探針の
ｘ走査とｙ走査について図１０（ｂ）に示すような凹凸
像が得られるので、オペレータは、その像のＣ６０部分
の画像サイズｌから、探針の先端形状を評価する。
加し、探針と試料間に流れるトンネル電流を一定に保ち
ながら、探針を前記Ｃ６０上をｘおよびｙ方向に走査さ
せる。このときの探針のｚ位置の制御結果から、探針の
ｘ走査とｙ走査について図１０（ｂ）に示すような凹凸
像が得られるので、オペレータは、その像のＣ６０部分
の画像サイズｌから、探針の先端形状を評価する。
【００５９】このとき、探針先端が前記図２に示したよ
うに非常に尖っていれば、探針はＣ６０にかなり接近し
て走査されるので、前記画像サイズｌは小さく、逆に、
探針先端形状が前記図１に示したように大きいときに
は、その画像サイズｌは大きくなる。なお、探針の位置
を固定しておいて、試料側をｘ，ｙおよびｚ方向に制御
するようにしても良い。
うに非常に尖っていれば、探針はＣ６０にかなり接近し
て走査されるので、前記画像サイズｌは小さく、逆に、
探針先端形状が前記図１に示したように大きいときに
は、その画像サイズｌは大きくなる。なお、探針の位置
を固定しておいて、試料側をｘ，ｙおよびｚ方向に制御
するようにしても良い。
【図１】 探針を用いて試料の凹凸をＳＴＭ測定してい
る状態を示した図である。
る状態を示した図である。
【図２】 探針を用いて試料の凹凸をＳＴＭ測定してい
る状態を示した図である。
る状態を示した図である。
【図３】 本発明の走査形プローブ顕微鏡の一例として
示した、走査形トンネル顕微鏡の概略図である。
示した、走査形トンネル顕微鏡の概略図である。
【図４】 探針７の先端を突部Ｓの角の横あたりに位置
決めしたときの状態を示した図である。
決めしたときの状態を示した図である。
【図５】 試料のフィールドエミッション電流像を示し
た図である。
た図である。
【図６】 探針７を図４の状態に位置決めするまでの過
程を説明するために示した図である。
程を説明するために示した図である。
【図７】 図３の装置における表示に関する動作を説明
するために示した図である。
するために示した図である。
【図８】 図３の装置における表示に関する動作を説明
するために示した図である。
するために示した図である。
【図９】 探針形状を評価する他の方法について説明す
るために示した図である。
るために示した図である。
【図１０】 探針形状を評価する他の方法について説明
するために示した図である。
するために示した図である。
【符号の説明】 １…試料室チャンバ、２…固定端、３…スキャナ、４…
ｘスキャナ、５…ｙスキャナ、６…ｚスキャナ、７…探
針、８…試料ステージ、９…標準試料、１０…中央制御
手段、１１…スキャナ制御手段、１２…探針評価手段、
１３…表示制御手段、１４…臨界形状情報記憶手段、１
５…スキャナ信号発生手段、１６…トンネル電流検出手
段、１７…表示手段、１８…ｘスキャナ信号発生手段、
１９…ｙスキャナ信号発生手段、２０…ｚスキャナ信号
発生手段、２１…回転信号発生手段、２２…ＡＣ成分発
生回路、２３…位相器、２４…ｘスキャナ電源、２５…
ｙスキャナ電源、２６…ｚスキャナ電源、２７…バイア
ス電源
ｘスキャナ、５…ｙスキャナ、６…ｚスキャナ、７…探
針、８…試料ステージ、９…標準試料、１０…中央制御
手段、１１…スキャナ制御手段、１２…探針評価手段、
１３…表示制御手段、１４…臨界形状情報記憶手段、１
５…スキャナ信号発生手段、１６…トンネル電流検出手
段、１７…表示手段、１８…ｘスキャナ信号発生手段、
１９…ｙスキャナ信号発生手段、２０…ｚスキャナ信号
発生手段、２１…回転信号発生手段、２２…ＡＣ成分発
生回路、２３…位相器、２４…ｘスキャナ電源、２５…
ｙスキャナ電源、２６…ｚスキャナ電源、２７…バイア
ス電源
Claims (11)
- 【請求項１】 突部を有する標準試料を用意し、その標
準試料と探針間にバイアス電圧を印加した状態で、前記
探針を前記突部のまわりに回転させ、その時に探針と突
部間に流れるトンネル電流に基づいて探針形状を求め
て、探針を評価するようにしたことを特徴とする探針評
価法。 - 【請求項２】 前記突部の形状は、円筒状であることを
特徴とする請求項１記載の探針評価法。 - 【請求項３】 前記突部の長手方向に探針を移動させな
がら、探針を突部のまわりに回転させることを特徴とす
る請求項１または請求項２に記載の探針評価法。 - 【請求項４】 突部を有する標準試料を用意し、その標
準試料と探針間にバイアス電圧を印加した状態で、前記
突部を前記探針のまわりに回転させ、その時に探針と突
部間に流れるトンネル電流に基づいて探針形状を求め
て、探針を評価するようにしたことを特徴とする探針評
価法。 - 【請求項５】 前記突部の形状は、円筒状であることを
特徴とする請求項４記載の探針評価法。 - 【請求項６】 前記突部の長手方向に突部を移動させな
がら、突部を探針のまわりに回転させることを特徴とす
る請求項４または請求項５に記載の探針評価法。 - 【請求項７】 探針を備えた走査形プローブ顕微鏡にお
いて、突部を有する標準試料と前記探針間にバイアス電
圧を印加する手段と、前記探針を前記突部のまわりに回
転させる探針移動手段と、その回転時に探針と突部間に
流れるトンネル電流に基づいて探針形状を求める手段を
備えたことを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。 - 【請求項８】 前記突部の長手方向に探針を移動させな
がら、探針を突部のまわりに回転させることを特徴とす
る請求項７記載の走査形プローブ顕微鏡。 - 【請求項９】 探針を備えた走査形プローブ顕微鏡にお
いて、突部を有する標準試料と前記探針間にバイアス電
圧を印加する手段と、前記突部を前記探針のまわりに回
転させる試料移動手段と、その回転時に探針と突部間に
流れるトンネル電流に基づいて探針形状を求める手段を
備えたことを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。 - 【請求項１０】 前記突部の長手方向に突部を移動させ
ながら、突部を探針のまわりに回転させる事を特徴とす
る請求項９記載の走査形プローブ顕微鏡。 - 【請求項１１】 さらに、探針を評価する手段を備え、
この評価手段は、探針交換が必要である探針の臨界形状
情報を記憶しており、その臨界形状と前記求められた探
針形状を比較し、探針交換が必要であると判断した場合
には、その事を表示画面上に警告表示するか、または音
声的に警告することを特徴とする請求項７から請求項１
０の何れかに記載の走査形プローブ顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000014813A JP3950609B2 (ja) | 2000-01-24 | 2000-01-24 | 探針評価法および走査形プローブ顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000014813A JP3950609B2 (ja) | 2000-01-24 | 2000-01-24 | 探針評価法および走査形プローブ顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001208669A true JP2001208669A (ja) | 2001-08-03 |
| JP3950609B2 JP3950609B2 (ja) | 2007-08-01 |
Family
ID=18542209
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000014813A Expired - Fee Related JP3950609B2 (ja) | 2000-01-24 | 2000-01-24 | 探針評価法および走査形プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3950609B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007078679A (ja) * | 2005-08-16 | 2007-03-29 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 探針形状評価用標準試料 |
-
2000
- 2000-01-24 JP JP2000014813A patent/JP3950609B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007078679A (ja) * | 2005-08-16 | 2007-03-29 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 探針形状評価用標準試料 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3950609B2 (ja) | 2007-08-01 |
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