JP4223971B2

JP4223971B2 - 走査電子顕微鏡を備えた走査形プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP4223971B2
Application number: JP2004040756A
Authority: JP
Inventors: 進青木
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2024-02-18
Also published as: JP2005233700A

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。

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。

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。

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。

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。

特開平１０−２７５５８５特開平８−２２２１６１

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ＳＥＭ７の動作は、実施例１と同様である。

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。

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。

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。

本発明の実施例１における走査形トンネル顕微鏡を備えた超高真空チャンバの側面断面図である。本発明の実施例１における他実施例の第１の基台の平面図である。本発明の実施例１における他実施例の第１の基台の平面図である。本発明の実施例２における原子間力顕微鏡を備えた第１の基台の平面図である。従来技術における走査形トンネル顕微鏡を備えた超高真空チャンバの側面断面図である。

符号の説明

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
７ＳＥＭ
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
１３ａＡＦＭ用ＸＹステージ
１４スキャナ
１４ａ試料スキャナ
１５Ｚ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
２１ＳＥＭ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
２７ＳＴＭ

Claims

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。
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。
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。