JPH01287403A

JPH01287403A - 走査型トンネル顕微鏡

Info

Publication number: JPH01287403A
Application number: JP11712988A
Authority: JP
Inventors: Kunitoshi Nishimura; 国俊西村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-05-16
Filing date: 1988-05-16
Publication date: 1989-11-20

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〕この発明は、走査型トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ
Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　：以下Ｓ
ＴＭという）に関するものである。

（従来の技術）ＳＴＭは１９８２年、スイスのＩＢＭチューリッヒ研究
所でＧ、Ｂ１ｎｎ１ｇと）１．Ｒｏｈｒｅｒによって発
明されて以来、原子の大きさのレベルまで観測できる特
徴をもつため、各国、各企業等で開発競争が繰り広げら
れている。ＳＴＭの基本構成は粗動機構と微動機構であ
り、現在、その基本的な構成はいくつか明らかにされて
いる。

微動機構の代表例を第９図に示す。これはトライボッド
と呼ばれている微動機構であり、単体ブロック１から直
交する３本の腕２．３．４の部分を残して中を切り欠い
たものである。この３本の腕２．３．４は同一構造で、
表面（図のメツシュを施した部分とその反対側）にはそ
れぞれ対をなす電極５．６．７が設けられている。単体
ブロック１は圧電セラミックスで作られているため、各
電極５．６．７に電圧を印加すれば腕２．３．４の部分
はそれぞれ長手方向に伸縮する。また、腕２の先端部分
には針８が設けられている。以上のように構成される微
動機構で、導電性の試料９の表面を観察する手順は以下
の通りである。

観察するべき試料９を、その表面が腕２の長手方向と垂
直となるように固定し、針８と間隔を置いて向い合せる
０次に、単体ブロック１を粗動機構（図示せず）により
試料９に近づけ、針８の先端が試料９の表面と数ｎｍの
距離となった時停止し、固定する。この状態で、試料９
と針８の間にＩＶ以下の電圧を印加すると、両者間の距
離に応じたトンネル電流が流れる。一方、電極６と７に
適当な電圧を印加することにより、針８の先端を試料９
の表面とほぼ平行に走査させることができる。走査と同
時に、トンネル電流が一定となるように電極５に加える
電圧を制御すれば、針８の先端は試料９の表面と一定距
離を保った状態で走査することになる。すなわち、表面
を走査する電圧と電極５に印加する電圧の関係より、試
料９の表面状態を原子レベルで可視化することが可能に
なるわけである。なお、走査範囲は通常１μｍＸ１μｍ
もあれば充分である。

以上トライボッド形の微動機構を概説したが、この他チ
ューブ形微動機構や、やぐら形微動機構が知られている
が、ここでは省略する。

いずれの微動機構においても、圧電セラミックスがアク
チュエータとして使用されるが、入力電圧に対し出力の
変位が線形ではなく、非線形特性およびヒステリシス特
性をもつ欠点がある。このため、得られる観察像は絶対
寸法が不正確であることや、また、像にゆがみが生ずる
欠点がある。

この欠点を補う手段として、あらかじめ較正する手段が
ある。すなわち、あらかじめ表面の原子配列がわかって
いる、例えばグラファイト等の表面を観察することによ
り、入力と出力の関係を求める方法である。しかし、こ
の方法においても走査方向は原子の配列ピッチから較正
できても、高さ方向には正確な較正ができない欠点があ
る。これに対し、ピエゾ素子に細工し、入力電圧と出力
変位を線形化する方法が、昭和６２年度精密工学会秋季
大会学術講演会論文集Ｊ２４に明らかにされている。

第１０図（ａ）にこの概要を示す、すなわち、５ｍｍ程
度のアルミの薄板をワイヤ放電加工により図のように溝
や肉の薄い部分を形成する。肉の薄い部分は回転ヒンジ
であり、全体的には一体形のリンク機構である。ピエゾ
素子１０をほぼ中央に配し、それより上部が拡大機構１
１、それより下部が縮小機構１２となっている。矢印は
変位の取り出し口を示す。また、Ｐ１〜Ｐ１４はリンク
機構のヒンジ部を示す。ピエゾ素子１０の変位が拡大さ
れた部分に歪ゲージ１３が貼られており、その変位を検
出することができる。一方、ピエゾ素子１０の変位は縮
小機構１２を介して、すなわち、分解能を上げて変位の
取り出し口より取り出される。第１０図（ｂ）に、第１
０図（ａ）のリンク機構を示す。

このような構成において、歪ゲージ１３の出力がピエゾ
素子１０の駆動電源にフィードバックされると、入力信
号に対し出力される変位を線形化できる。この機構によ
りトンネル電流を検出でき、また、試料表面の高さ方向
の絶対寸法を計測することが可能であるが、あくまでも
１軸方向のみであるので、試料表面の観測像を得るため
には全体を試料表面に沿って走査させる必要が生ずる。

しかし、この機構は構成が複雑であるので、重量１体積
も大きくなり、全体を精度よく駆動することは、より一
層の走査機構の複雑さを招き、また、高価なものとなる
欠点がある。一方、この機構の変位取り出し口に２軸の
走査機構を設置する方法もあるが、現状ではここに設置
できるような細小形な走査機構はない。

次に、粗動機構の代表例を第１１図に示す。

内部にトライボッド形微動機構等を有するトンネル電流
検出ユニット２０が３本の柱２１．２２．２３上に支持
されている。基台２４のほぼ中央には、観察するべき試
料９が水平に設置され、針８の先端と向い合っている。

柱２１．２２゜２３は基台２４とねじ結合されている。

その回転運動は、柱２１，２２．２３の長平方向の直線
運動に変換されるため、トンネル電流検出ユニット２０
と試料９の間隔を変化させる。また、柱２１の下部には
ステッピングモータ２５が、柱２２゜２３の下側には回
転つまみ２６．２７が設けられており、人が指で回せる
構成になっている。

さて、この粗動機構の動作は、次のようである。図に示
すように、トンネル電流検出ユニット２０および試料９
をセットした後、回転つまみ２６．２７を人手で回しな
がら針８を試料９の表面にできるだけ近づける。この後
、針８と試料９の間に適度な電圧を印加しておき、そこ
に流れるトンネル電流をモニタしながらステッピングモ
ータ２５を駆動し、針８を試料９に近づける。所定のト
ンネル電流が流れ始めた時点でステッピングモータ２５
を停止させる。以後、前述の微動機構を動作させれば試
料９の表面状態を精密に観察することができる。

〔発明が解決しようとする課Ｂ〕

現状のＳＴＭの基本的構成は上記のようであるが、次の
ような欠点を有する。

まず、微動機構においては、互いに直交する３木の腕２
．３．４の部分が一体で形成されているため、それぞれ
の動きが他の動きに影響を及ぼす、すなわち、互いに干
渉する欠点がある。例えば針８と試料９の表面の間の距
離はトンネル電流を検出することにより正確に制御され
るが、それと直角方向の走査運動により乱されるため、
走査速度により得られる表面状態が異なって見える。

また、走査運動は直交する２軸の合成運動により形成さ
れるのが望ましいが、互いに干渉し合うので得られる表
面状態が実表面より歪んでしまう。

さらに、正確な観察像を得るために針８を交換する必要
性がしばしば生ずるが、針８そのものが極めて細いため
交換作業が困難であった。

次に、粗動機構においては、その運動の方向が針８と試
料９の間隔を決める方向のみであり、試料９の任意の点
を観察するためには基台２４に対する試料９の位置を人
手で変える必要があるため、操作性が悪いという欠点が
あった。

この発明の目的は、３軸方向の運動が互いに直交し、か
つ独立である微動機構を提供し、かつ大面積を有する試
料の任意な位置を容易に設定、観察することのできる粗
動機構を備えたＳＴＭを提供することにある。さらに、
微動機構として、試料表面の高さ方向の絶対寸法を正確
に観察できるＳＴＭを提供することにある。

（課題を解決するための手段）この発明にがかるＳＴＭは、トンネル電流を検出する針
の保持体をそれぞれ３軸方向に弾性体で支持するととも
に、弾性体のそれぞれの保持体の反対端に圧電セラミッ
クスを固着した微動機構を備えたものである。

また、微動機構として、指令信号に対し線形の上下方向
の変位を生ずるリニアアクチュエータの先端部分に、リ
ニアアクチュエータの上下の変位とそれぞれ直角方向に
針を移動可能な２軸の移動機構を着脱可能に設けた構成
とすることもできる。

さらに、微動機構を装着した上部支持体と、上部支持体
を支持する上下方向移動可能な第１の粗動機構部と、試
料を任意の位置に移動可能な位置決め用の粗動機構部と
、位置決め用粗動機構部に設置された上下方向移動可能
な第２の粗動機構部とからなる粗動機構を備えたもので
ある。

（作用）この発明においては、微動機構において、針の保持体は
３軸方向に弾性体で支持されているため、一つの軸方向
への駆動が他の軸へ影響をおよぼさない。さらに、微動
機構として、リニアアクチュエータを用いたので試料面
の上下方向の較正が正確にできる。また、この発明では
、粗動機構により、針の駆動範囲を大きくとれるので、
大面積の試料の観察ができる。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す一部を破断した組立
状態を説明するための斜視図である。この発明の解決課
題に対応する部分は微動機構と粗動機構とよりなるので
、まず、第２図によりこの発明の微動機構３０について
説明する。

第２図において、圧電セ゛ラミックスの取付は板３１．
３２．３３は、それぞれ４本の柱状の弾性部材３４，３
５．３６を介して針８の保持体３７に結合されている。

弾性部材３４．３５．３６の長手方向は互いに直交して
おり、また、長手方向の剛性に比較し、それと直角方向
の曲げ剛性が充分低くなるように柱の縦横比が決められ
ている。

この構造は１個の金属ブロックからワイヤ放電加工等に
よって製作可能であるが、接着や溶接等の手段によって
複数の部材を組み合せて製作することも可能である。取
付は板３１．３２．３３には圧電セラミックス３８．３
９．４０が接着や溶接等の手段によって固定されており
、全体的には第９図の従来技術で説明したトライポット
形と同一である。しかし、機能的には異なる。

次にその動作について説明する。

第３図は、第２図の正面図であり、圧電セラミックス３
８に電圧が印加され伸びた状態を点線にて示す。この図
かられかるように、弾性部材３４は長手方向には剛性が
高いので圧電セラミックス３８の伸びはそのまま針８の
保持体３７に伝達されるが、曲げ剛性が低いので弾性部
材３５．３６からの拘束はほとんど受けない。このこと
は逆に圧電セラミックス３８の伸びは他の圧電セラミッ
クス３８．３９にほとんど影響を与えないことになる。

すなわち、３本の圧電セラミックス３８゜３９．４０は
互いに干渉することなく独立に針８の保持体３７を駆動
できるわけである。

第４図はこの微動機構を組み込んだトンネル電流検出ユ
ニット５０の一部を切欠して示した斜視図である。円柱
状のブロック５１の内部が角形に取り除かれ、そこに第
２図の微動機構３０が取り付けられている。また、５２
は針８の先端近くを照明するための光を通す穴または筒
であり、５４は針８の先端近くを観察するための穴また
は筒である。これは、光源や観察用の顕微鏡またはＴＶ
カメラをトンネル電流検出ユニット５０の外部に設置す
る場合の構成であるが、このトンネル電流検出ユニット
５０と一体に組み込んでもよいことはいうまでもない。

次に、第１図の実施例について説明する。

第１図は前記トンネル電流検出ユニット５０を粗動機構
６０に組み込んだものである。トンネル電流検出ユニッ
ト５ｏは３本の凸部６２．６３゜６４を持つ上部支持体
６１のほぼ中央に固定されている。上部支持体６１はほ
ぼ等間隔に配置された３個の第１の粗動機構部６５．６
６．６７　（３個の内１個の６７は図示されず）にその
凸部６２．６３．６４において支持されている。第１の
粗動機構部６５〜６７はリニア形のアクチュエータであ
り、上下方向に移動する各可動片６８を介して上部支持
体６１を昇降させることができる。

第１の粗動機構部６５〜６７はプランジャマグネットの
ような電磁形でも、また、カムのような機械的なもので
あってもよい。

試料９は、ここではＬＳＩウェハの場合で示しているが
、Ｘ−Ｙテーブル形の位置決め用の粗動機構部６９の上
に設置されている。その駆動範囲はトンネル電流検出ユ
ニット５ｏのほぼ中央が試料９の全面に移動可能な量で
ある０位置決め用の粗動機構部６９の上部で試料９の回
りには、はぼ等間隔に上下方向に移動可能な第２の粗動
機構部７０．７１．７２が設けられており、その先端部
は上部支持体６１を支える構成となっている。

次に、第１図の実施例の動作を第５図（ａ）〜（Ｃ）に
よって説明する。

はじめに、第１の粗動機構部６５〜６７を動作させ上部
支持体６１を持ち上げ針８と試料９を完全に離しておく
０次に、位置決め用の粗動機構部６９をＸ−Ｙ方向に動
かし、顕微鏡やＴＶカメラを利用して観察したい試料９
の部分を針８の直下に６動させる。次に、第２の粗動機
構部７０〜７２を動作させるとともに、第１の粗動機構
部６５〜６７を待避させ、上部支持体６１を第２の粗動
機構部７０〜７２で支える。この状態でも針８と試料９
は離れている。次に、第２の粗動機構７０〜７２を徐々
に動作させ、針８と試料９がトンネル電流検出可能範囲
になるまで待避させる。この状態で試料９の表面状態が
観察可能となる。

次に微動機構の他の実施例を第６図により説明する。

第６図において、８０は微動機構全体を示し、８１はリ
ニアアクチュエータで、構成上の考え方は第１０図にお
ける考え方とほぼ同じである。ピエゾ素子８２の表面に
は歪ゲージ８３が貼られており、この出力はピエゾ素子
８２の駆動電源（図示せず）にフィードバックされる。

ピエゾ素子８２の変位は、リンク８４を支点８５を中心
に回転させ、支点８６より平行ばね８７に伝達される。

平行ばね８７は４つの回転中心８８を有し、基台８９に
対し移動部９０が矢印方向に６動する。移動部９０の先
端部には２軸の移動機構１００が設けられ、移動機構１
００の一部には針８が設置されている。

第７図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）に移動機構１００の種々
の具体例を示す。

第７図（ａ）の移動機構１００は先に提案した（特願昭
６１−１８６１４２号参照）微動台と同一構成で、ピエ
ゾ素子１０１．１０２により針８を互いに独立に動かす
ことができる特徴をもつ。

第７図（ｂ）における移動機構１００は、第７図（ａ）
の駆動台を簡素化したもので、やはりピエゾ素子１０１
．１０２により針８を互いに独立に直角方向に動かすこ
とができる。第７図（ａ）の微動台に比べ組み立ての際
の正確さ、例えば２個のピエゾ素子１０１．１０２をい
かに正確に直角方向に設置するかが問題となる。

第７図（Ｃ）における移動機構１００は、１個の圧電セ
ラミックスからワイヤ放電加工等により第７図（ｂ）の
形状を削り出したものである。電極１０３，１０４を設
けることにより、第７図（ｂ）で示す移動機構１００と
同じ動作を実現できる。

第８図（ａ）〜（ｄ）は、第６図の実施例における移動
部９０の先端へ取り付ける移動機構１００の固定手段を
示す図で、いずれも第６図とは上下関係が逆になってい
る。

第８図（ａ）は移動機構１００の一部を隙間９１に押し
込む例であり、第８図（ｂ）はスナップピンと同様に凸
部９２を移動部９０の凹部９３に押し込んで留める場合
であり、第８図（Ｃ）はくさび形切り欠き部９４に横方
向より凸部９２をスライドさせて留める場合である。い
ずれの場合も、両者のはめ合いの程度はしばりばめの程
度に調整する必要がある。第８図（ｄ）は板ばね９５を
利用している。移動部９ｏの先端部周辺には、４つの板
ばね９５が内側に湾曲して固定されており、その中に移
動機構１００を押し込むことにより固定することができ
る。

以上いくつかの例を示したが、容易に着脱可能であり、
しかも装置化した場合は移動機構１００と一体に動く程
度に固定させる構造であればよい。また、第６図に示す
リニアアクチュエータ８１は、ピエゾ素子８２をアクチ
ュエータとし、ピエゾ素子駆動電源にその変位をフィー
ドバックする構成で示したが、これに限定されるもので
はなく、電磁石や静電力を利用したアクチュエータでも
よく、さらに、変位の検出には歪ゲージ８３のみならず
静電容量や光を利用したものでもよい。また、第６図〜
第８図に示す微動機構８０は、第２図に示す微動機構３
０と同じく、第４図のトンネル電流検出ユニット５０に
組み込み使用することは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明は、トンネル電流検出ユニ
ットにおける微動機構が、針の取り付は台が３軸方向に
それぞれ弾性体で支持されている構成なので、３軸方向
の動きが独立しており、互いに干渉がないので得られる
表面状態のゆがみや歪がなく、正確な情報が得られる利
点がある。

また、微動機構をリニアアクチュエータの先端部分に２
軸の移動機構を着脱可能に設けたものは観察像の高さ方
向の絶対寸法が正確であり、針が移動機構とともに本体
側より容易に切り離させるので、針の変換調整や検査が
容易である。さらに、釘付の移動機構は多数用意してお
けば随時新しい針と交換できる等の効果がある。

さらに、この発明は粗動機構として第１の粗動機構部と
第２の粗動機構部とを設けたので、第１の粗動機構部に
より移動範囲が大きくとれるため、ＬＳＩのような大面
積の試料の任意は位置を容易に観察可能であり、また、
第２の粗動機構部により移動範囲の割にトンネル電流検
出ユニットの支持点が試料に近いため、安定した表面の
状態情報が得られる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す一部を切欠いた組立
状態を説明するための斜視図、第２図はこの発明の微動
機構の斜視図、第３図は、第２図の正面図、第４図はこ
の発明のトンネル電流検出ユニットの一部を切欠いて示
した斜視図、第５図は、第１図の実施例の動作説明図、
第６図はこの発明の微動機構の他の実施例を示す斜視図
、第７図は、第６図における移動機構の各種の例を示す
斜視図、第８図は同じく移動機構の取り付は手段の各種
の例を示す説明図、第９図は従来のトライボッド形微動
機構の斜視図、第１０図は従来のリニアアクチュエータ
の一例を示す平面図とその動作説明のための構成図、第
１１図は同じく粗動機構の一部を切欠して示した斜視図
である。図中、８は針、９は試料、３０は微動機構、３１．３２
．３３は取付は板、３４．３５．３６は弾性部材、３７
は保持体、３８．３９．４０は圧電セラミックス、５０
はトンネル電流検出ユニット、６０は粗動機構、６１は
上部支持体、６２゜６３．６４は凸部、６５，６６．６
７は第１の粗動機構部、６８は可動片、６９は位置決め
用の粗動機構部、７０．７１．７２は第２の粗動機構部
、８０は微動機構、８１はリニアアクチュエータ、８２
はピエゾ素子、８３は歪ゲージ、８４はリンク、８５．
８６は支点、８７は平行ばね、８８は回転中心、８９は
基台、９０は移動部、９１は隙間、９２は凸部、９３は
凹部、９４はくさび形切り欠き部、９５は板ばね、１０
０は移動機構、１０１．１０２はピエゾ素子、１０３゜
１０４は電極である。第１図第２図第３図第４図第６図鞭第５図第７図第８図第９図第１１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）針を試料面に間隔を置いて対向させ、前記針と試
料との間に電圧を印加し、前記針で前記試料面上を走査
して得られるトンネル電流を検出する走査型トンネル顕
微鏡において、トンネル電流を検出する前記針の保持体
をそれぞれ３軸方向に弾性体で支持するとともに、前記
弾性体のそれぞれの前記保持体の反対端に圧電セラミッ
クスを固着した微動機構を備えたことを特徴とする走査
型トンネル顕微鏡。
（２）針を試料面に間隔を置いて対向させ、前記針と試
料との間に電圧を印加し、前記針で前記試料面上を走査
して得られるトンネル電流を検出する走査型トンネル顕
微鏡において、指令信号に対し線形の上下方向の変位を
生ずるリニアアクチュエータの先端部分に、前記リニア
アクチュエータの上下の変位とそれぞれ直角方向に前記
針を移動可能な２軸の移動機構を着脱可能に設けたこと
を特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
（３）請求項（１）または（２）に記載の走査型トンネ
ル顕微鏡において、微動機構を装着した上部支持体と、
前記上部支持体を支持する上下方向移動可能な第１の粗
動機構部と、試料を任意の位置に移動可能な位置決め用
の粗動機構部と、前記位置決め用粗動機構部に設置され
た上下方向移動可能な第２の粗動機構部とからなる粗動
機構を備えたことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。