JP2005233700A - Scanning probe microscope equipped with scanning electron microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は走査電子顕微鏡を備えた、走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡、走査形近接場顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡に関するものである。 The present invention is a generic term for a scanning tunnel microscope, an atomic force microscope, a magnetic force microscope, a friction force microscope, a micro-viscoelastic microscope, a surface potential difference microscope, a scanning near-field microscope, and similar devices equipped with a scanning electron microscope. The present invention relates to a scanning probe microscope.
走査形プローブ顕微鏡(以下、SPMという)は原子レベルの表面形状及び物性を測定することができるが、測定領域が小さい。また、余り凹凸の大きいものの測定は不得意であるが、表面の凹凸が一様でない試料も多い。従って、SPMにより試料を観察する場合は、あらかじめ試料上の観察したい領域を選定し、SPMの探針をその領域に正確に位置させることが必要となる。 A scanning probe microscope (hereinafter referred to as SPM) can measure the surface shape and physical properties at the atomic level, but has a small measurement area. In addition, although it is not good at measuring even those with very large irregularities, many samples have uneven surface irregularities. Therefore, when observing a sample by SPM, it is necessary to select a region to be observed on the sample in advance and to accurately position the SPM probe in that region.
そこで、試料上の観察したい領域を選定する際、解像度ではSPMに及ばないが測定領域が広く、試料表面の凹凸の影響を受け難い走査電子顕微鏡(以下、SEMという)を使用することが有効である。 Therefore, when selecting the region to be observed on the sample, it is effective to use a scanning electron microscope (hereinafter referred to as SEM) that does not reach the SPM in the resolution but has a wide measurement region and is not easily affected by the unevenness of the sample surface. is there.
従来、図5のように、真空を保持した試料観察室に真空フランジを介して走査電子顕微鏡を設置し、別の真空フランジの蓋に固定された第2の基台18を介して走査形プローブ顕微鏡を設置していた。また、SEMの視野中心と探針先端との位置合わせを行うためSEMを移動させる必要があるが、SEMは試料観察室に全体が収納されていないので、真空を保持するためにベローズ6を使用している。ベローズ6は強度的に強くなく、SEM像の振動ノイズの原因となっていた。
Conventionally, as shown in FIG. 5, a scanning electron microscope is installed through a vacuum flange in a sample observation chamber holding a vacuum, and a scanning probe is installed through a
なお、従来技術としては、真空容器に走査形電子顕微鏡を備えた走査形トンネル顕微鏡(例えば、特許文献1)及び超小型走査電子顕微鏡(例えば、特許文献2)がある。 In addition, as a prior art, there exist a scanning tunnel microscope (for example, patent document 1) provided with the scanning electron microscope in the vacuum vessel, and a microminiature scanning electron microscope (for example, patent document 2).
しかし、SEMは直接試料観察室に固定されているが、SPM及び試料は除振機構を介して試料観察室に固定されている。このため、SEMとSPMは別々に振動し、結果としてSEM像に振動ノイズが載ってしまう。さらに、重量の大きいSEMの振動が試料観察室を介してSPMに悪影響を及ぼすことがあった。 However, although the SEM is directly fixed in the sample observation chamber, the SPM and the sample are fixed in the sample observation chamber via a vibration isolation mechanism. For this reason, SEM and SPM vibrate separately, and as a result, vibration noise appears on the SEM image. Furthermore, the heavy SEM vibration may adversely affect the SPM through the sample observation chamber.
本発明が解決しようとする問題点は、SEMの振動のためSEM像及びSPM像にノイズが載ることがあるという点である。 The problem to be solved by the present invention is that noise may appear on the SEM image and the SPM image due to the vibration of the SEM.
請求項1の発明は、内部に試料を収容し真空に保持された試料観察室と、探針と前記試料との間に作用する物理量を検出する走査形プローブ顕微鏡と、前記試料を観察する荷電粒子顕微鏡と、前記試料観察室内に設置された除振手段を有する第1の基台と、を備えた試料観察装置において、前記試料を保持する試料ステージ、前記走査形プローブ顕微鏡及び前記荷電粒子顕微鏡が第1の前記基台に設置されたことを特徴とした試料観察装置である。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a sample observation chamber in which a sample is housed and held in a vacuum, a scanning probe microscope for detecting a physical quantity acting between a probe and the sample, and a charge for observing the sample. In a sample observation apparatus comprising a particle microscope and a first base having a vibration isolation unit installed in the sample observation chamber, a sample stage for holding the sample, the scanning probe microscope, and the charged particle microscope Is a sample observation apparatus characterized in that it is installed on the first base.
請求項2の発明は、前記試料観察室に設置された真空継手と、前記真空継手の蓋と、前記真空継手の蓋に設置された第2の基台と、を備えた請求項1に記載された試料観察装置であって、前記第1の基台が前記第2の基台に設置された試料観察装置である。
The invention of
請求項3の発明は、前記走査形プローブ顕微鏡は走査形トンネル顕微鏡又は原子間力顕微鏡である請求項1又は2に記載された試料観察装置である。 A third aspect of the present invention is the sample observation apparatus according to the first or second aspect, wherein the scanning probe microscope is a scanning tunnel microscope or an atomic force microscope.
本発明により、SEMとSPMを同一の除振機構を備えた基台に載せることができ、ノイズの少ない高分解能のSEM像及びSPM像を得ることができた。 According to the present invention, the SEM and SPM can be mounted on a base having the same vibration isolation mechanism, and a high-resolution SEM image and SPM image with less noise can be obtained.
以下、発明を実施するための最良の形態により、本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail according to the best mode for carrying out the invention.
本発明の構成を図を用いて説明する。図1は試料観察室である超高真空チャンバの断面図である。超高真空チャンバ20は図示しない真空ポンプが接続され、超高真空が保持されている。超高真空チャンバ20には真空フランジ19が設置されており、図示しないパッキングを有した蓋で気密が保持されている。蓋には第2の基台18が設置されており、第2の基台18上面にはゴムスタック除振機構等の除振機構17を介して第1の基台16が設置されている。第1の基台16上面にはXYテーブルから構成される試料ステージ13が設置されており、試料ステージ13には試料11が交換自在に置載されている。
The configuration of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of an ultra-high vacuum chamber which is a sample observation room. The
また、第1の基台16上面にはZ粗動機構15が設置されている。Z粗動機構15にはスキャナ14が設置されている。スキャナ14はピエゾ素子から構成され、表面には図示しない電極がメタライズされている。スキャナ14の自由端には探針12が設置されている。
A Z
さらに、第1の基台16の上面にはSEMベース21が設置されており、SEMベース21にはSEM17が設置されている。SEM17内部にはエミッタ1、ガンレンズ4、アライメント電極3、対物絞り5、スキャン電極8、非点補正電極10、対物レンズ9等が設置されている。
Further, the SEM
以上、図1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。第1の基台16は除振機構17を介して第2の基台18の上に設置されているため、超高真空チャンバ20及び超高真空チャンバ20が設置されている図示しない床からの振動が減衰されている。第1の基台16にはSTM27、SEM7及び試料11が設置されているため振動の影響を受け難いうえ、同一の第1の基台16上に設置されているためSTM27、SEM7及び試料11が別々に振動することがない。
The configuration of each unit in FIG. 1 has been described above. Next, the operation will be described. Since the
SEM7は以下のように動作する。エミッタ1から放出した電子線はガンレンズ4により収束され、アライメント電極3により軸調整され、対物絞り5を通り、対物レンズ9により、試料11にフォーカスされる。非点補正電極10は非点収差を補正して、試料表面ビーム径をより小さくするためのものである。
The SEM 7 operates as follows. The electron beam emitted from the
つまり、SEM7は、試料11の表面を微小電子プローブで走査し、表面から放出される二次電子や反射電子を図示しない検出器で受け、その強度をプローブ走査に同期させた図示しないTVモニタ上に輝点列の像として表示する電子顕微鏡である。試料表面の微細な構造や形態が観察でき、凹凸のある試料の広範囲を観察できる。このため、SEM7により試料11の広い範囲を観察し、STM観察を行う領域を選定することができる。選定された試料の領域に、XYテーブルを備えた試料ステージにより、試料を探針位置に移動させる。
That is, the
SEM7の視野中心とSTM27の探針12のずれは、鏡筒をあらかじめ精度良くSEMベース21に固定することを前提に、SEM7のスキャン電極8にシフト分の電圧を重畳し、電気的に補正することができる。
The deviation between the center of the field of view of the
一方、STM観察では、Z粗動機構15をZ方向にスライドさせ、探針12を試料11に数nm程度近づける。微動機構であるスキャナ14により、試料11と金属製探針12との距離をlnm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12と試料11間の真空間隙を通って電子が移動し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。トンネル電流は試料11と探針12との距離に敏感であり、距離に対して指数関数的に変化する。そこで、スキャナ14によりこのトンネル電流が一定となるように探針12をZ方向に制御して、試料11表面上を二次元的に走査する。この時Z方向を制御するために印加した電圧を距離換算したデータに基づいて凹凸情報として画像化することにより、試料11表面の凹凸を原子レベルで観察することができる。
On the other hand, in STM observation, the Z
以上のように、SEM7、STM27及び試料11は同じ第1の基台16の上に載っているので、超高真空チャンバ20からの振動の影響を受けてSEM7、STM27及び試料11が独立して振動することなく、両方において同時に高分解能の像を得ることができる。
As described above, since the
また、SEM7の分解能は対物レンズ9と試料11間距離に依存するが、SEM7を小型化することにより試料11に近づけることができるので、より高分解能のSEM像を得ることができる。
Further, although the resolution of the
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、図2のようにSTM27の探針12先端位置とSEM7の視野中心を合わせるのに、電気的にではなく、垂直方向移動機構22及び水平方向移動機構23を使用して機械的に合わせてもよい。つまり、図2は図1における上面図に相当する図であり、図1のSEMベース21の替わりに垂直方向移動機構22及び水平方向移動機構23を構成し、垂直方向移動機構22にSEM7鏡筒を固定している。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. For example, as shown in FIG. 2, the tip position of the
また、SEM7は図3のようにガンレンズ4と対物レンズ9に、コンデンサレンズの代わりに磁界型レンズを用いてもよい。
Further, the
本発明の構成を図を用いて説明する。図4は第1の基台の上面図である。実施例1との相違点は、STMの換わりに原子間力顕微鏡(以下、AFMという)を用いた点であり、他は同様である。 The configuration of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a top view of the first base. The difference from Example 1 is that an atomic force microscope (hereinafter referred to as AFM) is used instead of STM, and the others are the same.
図示しない第2の基台上面にはゴムスタック除振機構等の除振機構を介して第1の基台16が設置されている。第1の基台16にはAFM用XYステージ13aが設置されており、AFM用XYステージ13aには試料スキャナ14aが設置されている。試料スキャナ14aはピエゾ素子から構成されており、表面には図示しない電極がコーティングされている。試料スキャナ14a上面には試料11が着脱自在に載置されている。また、第1の基台16にはZ粗動機構15が設置されており、Z粗動機構15には先端に探針を有するカンチレバ24、半導体レーザ25、フォトディテクタ26が設置されている。
A
さらに、第1の基台16にはSEM7が設置されているが、構成は実施例1と同様である。
Further, the
以上、図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。第1の基台16は除振機構17を介して図示しない第2の基台の上に設置されているため、図示しない超高真空チャンバ及び超高真空チャンバが設置されている床からの振動が減衰されている。第1の基台16にはAFM、SEM7及び試料11が設置されているため振動の影響を受け難いうえ、同一の第1の基台16上に設置されているためAFM、SEM及び試料11が別々に振動することがない。
The configuration of each unit in the figure has been described above. Next, the operation will be described. Since the
SEM7の動作は、実施例1と同様である。
The operation of the
一方、AFM観察では、第1の基台16に設置されたZ粗動機構15がスライドして、カンチレバ24の先端に設置された探針を試料11に数nm以下に近づける。微動機構である試料スキャナ14aにより試料11と探針との距離をlnm以下に保ち、試料11を試料スキャナ14aで走査させながら、カンチレバ24のたわみ量を半導体レーザ25とフォトディテクタ26により検出して画像化することにより、試料11表面を原子レベルで観察することが可能である。
On the other hand, in the AFM observation, the Z
カンチレバ24の先端位置とSEM7の視野中心のずれは、垂直方向移動機構22及び水平方向移動機構23を使用して機械的に合わせる。垂直方向移動機構22及び水平方向移動機構23の方式としては小型化し易い慣性駆動方式等を利用する。
The deviation between the tip position of the
以上により、SEM7、AFM及び試料は同じ第1の基台16の上に載っているので、超高真空チャンバ20の振動の影響を受けることなく両方とも高分解能を得ることができる。
As described above, since the
1 エミッタ
2 引出電極
3 アライメント電極
3a ガンアライメントコイル
4 ガンレンズ
5 対物絞り
6 ベローズ
7 SEM
8 スキャン電極
9 対物レンズ
10 非点補正電極
11 試料
12 探針
13 試料ステージ
13a AFM用XYステージ
14 スキャナ
14a 試料スキャナ
15 Z粗動機構
16 第1の基台
17 ゴムスタック除振機構
18 第2の基台
19 真空フランジ
20 超高真空チャンバ
21 SEMベース
22 垂直方向移動機構
23 水平方向移動機構
24 カンチレバ
25 半導体レーザ
26 フォトディテクタ
27 STM
DESCRIPTION OF
8 Scan electrode 9
Claims (3)
探針と前記試料との間に作用する物理量を検出する走査形プローブ顕微鏡と、
前記試料を観察する荷電粒子顕微鏡と、
前記試料観察室内に設置された除振手段を有する第1の基台と、を備えた試料観察装置において、
前記試料を保持する試料ステージ、前記走査形プローブ顕微鏡及び前記荷電粒子顕微鏡が第1の前記基台に設置されたことを特徴とした試料観察装置。 A sample observation chamber in which a sample is stored and held in a vacuum,
A scanning probe microscope for detecting a physical quantity acting between the probe and the sample;
A charged particle microscope for observing the sample;
A sample observation apparatus comprising: a first base having vibration isolation means installed in the sample observation chamber;
A sample observation apparatus, wherein a sample stage for holding the sample, the scanning probe microscope, and the charged particle microscope are installed on the first base.
前記真空継手の蓋と、
前記真空継手の蓋に設置された第2の基台と、を備えた請求項1に記載された試料観察装置であって、
前記第1の基台が前記第2の基台に設置された試料観察装置。 A vacuum joint installed in the sample observation chamber;
A lid of the vacuum joint;
A sample observation device according to claim 1, comprising a second base installed on the lid of the vacuum joint,
A sample observation apparatus in which the first base is installed on the second base.
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