JP2008204813A - プローブ位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブの位置決めを、比較的広いレンジにおいて、精度良く行うことができる装置を提供する。
【解決手段】プローブ１及び２は、試料２０の近傍に配置される。電子銃３は、試料２０の近傍のＸ−Ｙ平面において、電子ビームを走査させる。プローブ用吸収電流測定部４及び５は、電子ビームの走査に伴ってプローブ１及び２に生じる吸収電流を測定する。プローブにおける吸収電流を測定した時点での電子ビームの照射位置の情報を用いて、プローブの位置を特定することができる。電子ビームの走査によりＳＥＭ画像を取得していれば、ＳＥＭ画像中におけるプローブを特定することも可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、プローブの位置決めを行うための装置に関するものである。特に、本発明は、電子顕微鏡と共に用いられるプローブの位置決めに好適な装置に関するものである。

走査型電子顕微鏡（以下「ＳＥＭ」という）は、試料に向けて電子ビームを照射し、試料からの２次電子あるいは反射電子を検出することにより、試料の形状や状態を測定することができる装置である。一方、走査型プローブ顕微鏡（以下「ＳＰＭ」という）は、試料表面に沿ってプローブを走査させることにより、試料の形状や特性を測定する装置である。

近年、ＳＥＭでの観察環境下において、ＳＰＭのプローブを併用する技術が提案されてきている。このような技術によれば、プローブや試料をＳＥＭの画像により直接観察しながら、測定を行うことができる。

ところで、前記した従来の技術においては、プローブと試料との位置決め、あるいは、複数のプローブどうしの位置決めは、目視に頼らざるを得ないという状況にある。目視の場合、観察できるレンジは非常に広いが、精度としては、せいぜい１００μｍのオーダであるという問題がある。

また、プローブを走査型トンネル顕微鏡（以下「ＳＴＭ」という）として用い、プローブからのトンネル電流を用いてプローブの位置決めを行うことも考えられる。しかしながら、この場合には、精度としてはサブオングストロームのオーダを得られるものの、測定レンジがμｍオーダと非常に狭く、現実的には位置決めが難しいという問題がある。

本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、プローブの位置決めを、比較的広いレンジにおいて、精度良く行うことができる装置を提供することである。

本発明は、下記のいずれかの項目に記載の構成を備えている。

（項目１）
プローブと、電子銃と、プローブ用吸収電流測定部とを備えており、
前記プローブは、試料の近傍に配置されるものであり、
前記電子銃は、前記試料近傍のＸ−Ｙ平面において、電子ビームを走査させるものであり、
前記プローブ用吸収電流測定部は、前記電子ビームの走査に伴って前記プローブに生じる吸収電流を測定するものである
ことを特徴とするプローブ位置決め装置。

この発明によれば、プローブに生じた吸収電流に基づいて、プローブの位置を、比較的に広いレンジでかつ精度良く検出することが可能になる。

（項目２）
前記プローブは複数であり、
前記プローブ用吸収電流測定部は、前記各プローブにおける吸収電流をそれぞれ測定する構成となっている
ことを特徴とする項目１に記載のプローブ位置決め装置。

（項目３）
２次電子検出機をさらに備えており、
前記２次電子検出機は、前記電子ビームの照射により前記プローブ及び／又は前記試料で生じる２次電子を検出するものである
ことを特徴とする項目１又は２に記載のプローブ位置決め装置。

項目３の発明によれば、電子ビームの照射によりプローブ及び／又は試料で生じる２次電子を検出することにより、これらのＳＥＭ像を得ることができ、ＳＥＭ像中でのプローブの位置を把握することが可能になる。

（項目４）
反射電子検出機をさらに備えており、
前記反射電子検出機は、前記電子ビームが前記プローブ及び／又は前記試料で反射されることにより生じる反射電子を検出するものである
ことを特徴とする項目１又は２に記載のプローブ位置決め装置。

項目４の発明によれば、電子ビームの照射によりプローブ及び／又は試料で生じる反射電子を検出することにより、これらのＳＥＭ像を得ることができ、ＳＥＭ像中でのプローブの位置を把握することが可能になる。

（項目５）
試料用吸収電流測定部をさらに備えており、
前記試料用吸収電流測定部は、前記電子ビームの走査に伴って前記試料に生じる吸収電流を測定するものである
ことを特徴とする項目１〜４のいずれか１項に記載のプローブ位置決め装置。

項目５の発明によれば、試料での吸収電流を測定することにより、電子ビームが照射されたプローブ等のＳＥＭ像を得ることができ、ＳＥＭ像中でのプローブの位置を把握することが可能になる。

（項目６）
さらにコントローラと駆動装置とを備えており、
前記コントローラは、前記複数のプローブをそれぞれ囲む領域を設定し、さらに、前記領域どうしが重ならないように前記プローブを移動させる制御信号を生成する構成となっており、
前記駆動装置は、前記コントローラからの前記制御信号に基づいて前記プローブを移動させる構成となっている
ことを特徴とする項目２に記載のプローブ位置決め装置。

項目６の発明によれば、領域を設定することにより、プローブどうしが干渉する可能性を低減させることができる。

（項目７）
つぎのステップを備えたことを特徴とするプローブ位置決め方法：
（１）プローブが配置された領域に向けて電子ビームを照射するステップ；
（２）電子ビームの照射による吸収電流が測定された時点での、前記電子ビームの照射位置を特定するステップ；
（３）前記特定された前記電子ビームの照射位置を前記プローブの位置とするステップ。

（項目８）
項目７に記載のステップをコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。

本発明によれば、プローブの位置決めを、比較的広いレンジにおいて、精度良く行うことが可能となる。

以下、本発明の一実施形態に係るプローブ位置決め装置を、添付の図面に基づいて説明する。

（実施形態の構成）
本実施形態に係るプローブ位置決め機構は、図１に示されるように、第１プローブ１と、第２プローブ２と、電子銃３と、第１プローブ用の吸収電流測定部４と、第２プローブ用の吸収電流測定部５と、真空チャンバ６と、２次電子検出機７と、第１プローブ用の駆動機構８と、第２プローブ用の駆動機構９と、試料用の駆動機構１０と、試料用の吸収電流測定部１１と、コントローラ１２と、表示装置１３と、入出力装置１４とを主要な構成として備えている。

第１プローブ１及び第２プローブ２は、試料２０の近傍に配置されるものである（図１参照）。これらのプローブ１及び２は、基本的には、従来のＳＰＭにおいて用いられるものと同様の構成とすることができる。なお、プローブの数としては、この実施形態では２本としているが、１本でもよく、また、３本以上であってもよい。

電子銃３は、試料２０の近傍のＸ−Ｙ平面（図１中で紙面に垂直な平面）において、電子ビームを走査させるものである。より詳しくは、電子銃３は、電界あるいは磁界を用いて、電子ビームを偏向させることによって、電子ビームを走査できるようになっている。電子ビームの走査タイミングや走査間隔は、コントローラ１２により制御できるようになっている。電子銃３自体の構成としては、従来のＳＥＭの場合と同様とすることができる。

吸収電流測定部４及び５は、電子ビームの走査に伴って各プローブ１及び２に生じる吸収電流を測定するものである。具体的には、走査された電子ビームがいずれかのプローブの表面に照射されると、電子の一部はプローブに吸収され、電流を生じる。また、プローブ表面からの２次電子放出によっても、プローブに電流を生じる。つまり、「吸収電流とは、電子線により誘起される電流の変化分のことであり、電子の吸収、放出の総和になる」とも表現できる。これらの原理で生じた吸収電流を、各プローブについて、吸収電流測定部４及び５により測定することができる。

真空チャンバ６は、プローブ１・２や試料２０等を内部に収納するものである。電子銃３の先端も真空チャンバ６の内部に収納されている（図１参照）。真空チャンバ６としては、従来のＳＥＭやＳＰＭの場合と同様の構成を用いることができる。

２次電子検出機７は、プローブ１・２や試料２０に照射された電子ビームにより、プローブや試料において生じた２次電子を検出するものである。この２次電子検出機７としては、従来のＳＥＭの場合と同様の構成を用いることができる。

第１プローブ用の駆動機構８及び第２プローブ用の駆動機構９は、それぞれのプローブを所定の距離だけ移動させるものである。プローブの移動タイミングや移動距離は、コントローラ１２により制御されるようになっている。つまり駆動装置８及び９は、コントローラ１２からの制御信号に基づいてプローブを移動させる構成となっている。これらの駆動機構８及び９は、例えばピエゾ素子により構成することができる。

試料用の駆動機構１０は、その上面に配置された試料２０を、所定の距離だけ移動させるものである。駆動機構８及び９の場合と同様に、試料２０の移動タイミングや移動距離は、コントローラ１２により制御されるようになっている。この駆動機構１０も、例えばピエゾ素子により構成することができる。

試料用の吸収電流測定部１１は、電子ビームの走査に伴って試料２０に生じる吸収電流を測定するものである。

コントローラ１２は、前記したように、電子銃３や、駆動機構８，９及び１０等の動作を制御するようになっている。具体的には、コントローラ１２は、例えばＣＰＵやメモリを備えたマイコンや、それに格納されたコンピュータプログラムにより構成される。ただし、コントローラ１２としては、必要な機能を得られるものであればよく、ハードウエアの構成は特に制約されない。

さらにコントローラ１２は、電子ビームの走査によって得られた２次電子の検出データからＳＥＭ画像を生成して、表示装置１３に送るようになっている。また、コントローラ１２は、プローブの吸収電流データを用いて、ＳＥＭ画像におけるプローブの位置を特定したり、プローブの画像の色を周囲とは異なるものとすることができるようになっている。なお、コントローラ１２の詳しい動作は、実施形態の動作として後述する。

表示装置１３は、コントローラ１２で生成された画像を表示するものである。表示される画像の内容は後述する。表示装置１３としては、例えば、ＣＲＴやＬＣＤなどの各種のディスプレイや、プリンタを用いることができる。ただし、表示装置１３としては、対象者に画像を表示できるものであれば、様々なものを用いることが可能である。

入力装置１４は、この例では、コンピュータ１５を介してコントローラ１２に指令を送るためのキーボードである。ただし、入力装置１４としては、マウス、ジョイスティック、タッチバッド等、各種のものを使用することができる。

（実施形態の動作）
つぎに、本実施形態に係るプローブ位置決め装置の動作について、主に図２〜図６を参照しながら説明する。なお、以降の説明においては、図３に示されるように、図１に示す第１プローブ１及び第２プローブ２に加えて、第３プローブ１７及び第４プローブ１８が用いられた例を説明する。第３プローブ１７及び第４プローブ１８についても、第１プローブ１及び第２プローブ２と同様に、各プローブについての吸収電流を測定する吸収電流測定部（図示せず）及び各プローブを駆動する駆動装置（図示せず）が取り付けられている。

（図２のステップＳＡ−１）
まず、試料２０を試料用の駆動機構１０の上に載置する。また、各プローブ１・２・１７・１８を、試料２０の近傍に、目視によって配置する。

ついで、プローブ１・２・１７・１８及び試料２０が配置された領域に向けて電子ビームを照射し、かつ、走査する。照射された電子ビームは、各プローブ１・２・１７・１８や試料２０に衝突し、２次電子を生じる。この２次電子を２次電子検出機７で検出し、コントローラ１２でデータ解析することにより、ＳＥＭ像を得ることができる。ＳＥＭ像を得るための処理方法自体は、従来のＳＥＭと同様でよい。

（図２のステップＳＡ−２）
電子ビームの走査を行っている間、各吸収電流測定部は、各プローブにおける吸収電流を測定している。あるプローブにおける吸収電流がしきい値を超えると、当該プローブに電子ビームが照射されたと判断できる。ここでしきい値は、例えば実験的に設定しておくことができる。

ここで、コントローラ１２は、電子ビームの照射位置を把握している。さらに、コントローラ１２は、測定された吸収電流がしきい値を超えた時点での、電子ビームの照射位置を特定する。これにより、コントローラ１２は、ＳＥＭ画像中におけるプローブの位置を特定することができる。走査を継続することにより、ＸＹ平面上でのプローブの形状を特定することもできる。

このようにして特定されたプローブの形状を、図３に示す。ここで各プローブの先端は非常に微細であり、変形していることが多いので、図３においては、変形状態を誇張して記載している。前記したプローブの形状を示す画像を、ＳＥＭ画像に重畳させて、あるいは、ＳＥＭ画像とは別に、表示装置１３で表示することも可能である。

また、いずれのプローブにおいても吸収電流がしきい値を超えないときは、走査領域の中にプローブが存在しないと判断し、走査領域を更新する（後述のステップＳＡ−６）。

（図２のステップＳＡ−３）
前記したステップＳＡ−２においてプローブの位置を取得できた場合、コントローラ１２は、プローブ位置についてのデータを更新し、最新のデータを保存する。

本実施形態においては、各プローブにおける吸収電流を個別に取得しているので、各プローブの位置をそれぞれ特定することができる。したがって、コントローラ１２は、ＳＥＭ画像中の各プローブを、例えば異なる色で表示することもできる。そのような画像を表示装置１３で表示することにより、作業者が各プローブを認識しやすくなり、装置の操作や実験に便宜であるという利点もある。

（図２のステップＳＡ−４）
ついで、コントローラ１２は、各プローブの位置が目標値に一致するかどうかを判断する。ここで、目標値は、入力装置１４を用いてコントローラ１２に予め入力されているものとする。もし、プローブ位置が目標値に一致する場合は、動作を終了する。

プローブ位置が目標値でない場合は、次のステップＳＡ−５に進む。

（図２のステップＳＡ−５）
プローブの位置が目標値と異なる場合は、コントローラ１２は、各プローブに対応する駆動機構に駆動信号を送り、各プローブを移動させる。ここで、プローブを移動させる動作の詳細を、図４〜図６を参照しながら説明する。

（領域の設定）
まず、コントローラ１２は、各プローブを囲む領域３１〜３４を設定する（図４参照）。領域の形状は特に制約されないが、一般的には、長方形とすることが便宜である。

本実施形態では、各領域３１〜３４において、最も互いに接近した隅３１ａ〜３４ａにプローブの先端があると仮定する。ただし、用途によっては、他の部分にプローブの先端があると仮定しても良い。

（プローブの移動）
ついで、コントローラ１２は、各領域３１〜３４が重ならないように、各プローブを、駆動機構により移動させる（図５及び図６参照）。

（図２のステップＳＡ−６）
ついで、コントローラ１２は、必要に応じて、走査すべき領域を更新する。例えば、ＳＥＭ画像中にプローブが存在しない場合は、走査領域をずらすか、あるいは、拡大する。走査領域更新の必要がなければ、従前と同様の走査領域とする。

ついで、コントローラ１２は、ステップＳＡ−１の動作に戻り、前記した動作を繰り返す。プローブ位置が目標値に一致すれば動作を終了する。

本実施形態では、前記した動作により、プローブを、自動的に、目標の位置に移動させることができる。あるいは、図４〜図６に示す画像を表示装置１３により表示しながら、操作者がプローブの駆動指令を入力することにより、手動でプローブを移動させることも可能である。

ここで、ＳＥＭの走査領域は、一般に、ミリメートルオーダである。また、ＳＥＭの走査によるプローブの位置決め精度は、１０ｎｍのオーダである。したがって、広いレンジにおいて、高い精度で、プローブの位置決めを行うことができる。よって、本実施形態によれば、プローブどうし、あるいは、プローブと試料との位置関係を精度良く設定することができる。

さらに高い精度での位置決めが必要なときは、プローブをＳＴＭとして用いて、ＳＴＭの場合と同様の位置決めを行うこともできる。ここで、本実施形態では、プローブが、電子ビームの走査により、既に高い精度で位置決めされている。このため、本実施形態によれば、ＳＴＭによる位置決めのレンジが狭いという問題を軽減できるという利点がある。

前記の説明では、プローブの位置決めについて説明したが、試料２０についても、試料の吸収電流を用いることにより、精度よく位置決めを行うことができる。

前記したコントローラ１２の動作は、コンピュータ（ＣＰＵ）を動作させるためのコンピュータプログラムにより実行することができる。コンピュータプログラムは、例えば、コントローラ内のＲＯＭあるいはＲＡＭに記録されていても良いし、適宜参照可能な他の記録媒体に格納されていても良い。

なお、前記実施形態および実施例の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。

たとえば、前記した実施形態では、２次電子検出機を用いたが、これに代えて、反射電子検出機を用いることができる。反射電子検出機は、電子ビームがプローブ又は試料で反射されることにより生じる反射電子を検出するものである。この場合も２次電子検出機を用いた場合と同様にＳＥＭ像を得ることができ、さらに、前記と同様の動作が可能となる。さらには、２次電子検出機も反射電子検出機も用いずに、試料の吸収電流を用いて、プローブ等のＳＥＭ画像を得ることも可能である。電子ビームが照射された物体（例えばプローブ）の２次電子あるいは反射電子の一部は、試料にも入射されるからである。ただし、この場合は、２次電子検出機あるいは反射電子検出機を用いる場合に比較して、ぼけを生じやすくなると想定される。また、試料に入射された電子ビームに起因する吸収電流から、試料そのもののＳＥＭ像を得ることも可能である。

また、前記した実施形態では、ＳＥＭ画像を取得しているが、ＳＥＭ画像が不要なときは、ＳＥＭ画像を取得せず、単にプローブの位置を測定することも可能である。この場合には、電子ビームを細かい間隔で走査する必要はないので、２分法などの適宜なアルゴリズムを用いて、プローブの位置を高速で取得することができる。

本発明の一実施形態に係るプローブ位置決め装置の概略的な縦断面図である。 プローブ位置決め方法の基本的な手順を説明するためのフローチャートである。 ＳＥＭ画像として観察されるプローブの配置状態を示す説明図である。 プローブの移動方法を説明するための説明図である。 プローブの移動方法を説明するための説明図である。 プローブの移動方法を説明するための説明図である。

符号の説明

１ 第１プローブ
２ 第２プローブ
３ 電子銃
４ 第１プローブ用の吸収電流測定部
５ 第１プローブ用の吸収電流測定部
６ 真空チャンバ
７ ２次電子検出機
８ 第１プローブ用の駆動機構
９ 第２プローブ用の駆動機構
１０ 試料用の駆動機構
１１ 試料用の吸収電流測定部
１２ コントローラ
１３ 表示装置
１４ 入力装置
１５ パーソナルコンピュータ
１７ 第３プローブ
１８ 第４プローブ
２０ 試料
３１・３２・３３・３４ プローブを囲む領域

Claims (8)

1. プローブと、電子銃と、プローブ用吸収電流測定部とを備えており、
   前記プローブは、試料の近傍に配置されるものであり、
   前記電子銃は、前記試料近傍のＸ−Ｙ平面において、電子ビームを走査させるものであり、
   前記プローブ用吸収電流測定部は、前記電子ビームの走査に伴って前記プローブに生じる吸収電流を測定するものである
   ことを特徴とするプローブ位置決め装置。
2. 前記プローブは複数であり、
   前記プローブ用吸収電流測定部は、前記各プローブにおける吸収電流をそれぞれ測定する構成となっている
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ位置決め装置。
3. ２次電子検出機をさらに備えており、
   前記２次電子検出機は、前記電子ビームの照射により前記プローブ及び／又は前記試料で生じる２次電子を検出するものである
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプローブ位置決め装置。
4. 反射電子検出機をさらに備えており、
   前記反射電子検出機は、前記電子ビームが前記プローブ及び／又は前記試料で反射されることにより生じる反射電子を検出するものである
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプローブ位置決め装置。
5. 試料用吸収電流測定部をさらに備えており、
   前記試料用吸収電流測定部は、前記電子ビームの走査に伴って前記試料に生じる吸収電流を測定するものである
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプローブ位置決め装置。
6. さらにコントローラと駆動装置とを備えており、
   前記コントローラは、前記複数のプローブをそれぞれ囲む領域を設定し、さらに、前記領域どうしが重ならないように前記プローブを移動させる制御信号を生成する構成となっており、
   前記駆動装置は、前記コントローラからの前記制御信号に基づいて前記プローブを移動させる構成となっている
   ことを特徴とする請求項２に記載のプローブ位置決め装置。
7. つぎのステップを備えたことを特徴とするプローブ位置決め方法：
   （１）プローブが配置された領域に向けて電子ビームを照射するステップ；
   （２）電子ビームの照射による吸収電流が測定された時点での、前記電子ビームの照射位置を特定するステップ；
   （３）前記特定された前記電子ビームの照射位置を前記プローブの位置とするステップ。
8. 請求項７に記載のステップをコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。

Images