JPH03152845A - 走査型探針顕微装置 - Google Patents

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〕 本発明は、探針と試料の相互作用を利用し、探針を走査
することによって試料を観察する走査型顕微鏡に関し、
特に、動的その場観察に好適な高精度同一領域観察方法
に関する。

〔従来の技術〕 従来走査型トンネル顕微鏡を始めとする走査型顕微鏡の
探針の走査は、例えば、サーフェス・す（３） イエンス、１２６　（１９８３年）第２３７頁（Ｓｕｒ
ｆａｃｅ　５ｃｉｅｎｃｅ、１２　Ｇ　　（１９８３）
　　Ｐ　Ｐ２３７）に示されているように、トライボッ
ド型に組んだ圧電素子を用いて探針の位置制御を行うこ
とによってなされてきた。そのときの走査領域、即ち、
観察領域は、探針走査用の圧電素子に印加する電圧で決
まる。従って、理想的には同じ走査電圧で走査すれば、
試料の同じ領域が観察出来る筈である。しかし、実際に
は圧電素子を始めとする装置の構成素子のわずかな熱膨
張あるいは熱収縮のために探針と試料の相対的な位置が
時間とともに変化してしまい、いわゆる観察視野の温度
ドリフトが発生する。試料加熱後などのように温度変化
が著しい場合には、画像のゆがみが発生するなど高精度
な観察が困難であった。そのため、従来良好な観察を行
うためには温度変化がおさまるまで待つ必要があり、場
合によっては、フィジカル・レビュー・レターズ、５５
　（１９８５年）第２０３２頁から第２０３４頁（Ｐｈ
ｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ。

５５　（１９８５）ＰＰ２０３２−２０３４）に示（４
） されているように、温度ドリフトがおさまるまで１０時
間も待たなければならなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の方法では、温度ドリフトが充分おさまるまで
観察が出来ない。またドリフトが充分おさまって観察が
出来るようになっても、原子レベルでは視野がずれてし
まっていた。そのため従来方法では、同じ場所での経時
変化を継続的にｍ察することは出来なかった。また、わ
ずかな温度ドリフトによって画像のゆがみが発生し、計
算機等でゆがみを補正する必要があった。一方、動的そ
の場観察をする場合にはＭＢＥプロセスのように常に熱
処理が加わるため、温度ドリフトをおさえることは極め
て難しい。このため従来方法では、同一領域を常時観察
することが不可能であった。

本発明の目的は、探針と試料の相対的な位置のずれを常
時補正し、ドリフトがあってもゆがみのない画像を取得
出来るようにするとももに、同一視野を長時間観察出来
るようにすることにある。

〔課題を解決するための手段〕

（５） 上記目的を達成するために本発明においては、従来の走
査型顕微鏡に探針と試料の相対的な位置のずれを打ち消
すように、探針、あるいは試料の位置を変化させる手段
を設けた。

具体的には、探針、または試料の位置を変化させるため
に、走査用の圧電素子に印加する走査電圧をドリフトに
合わせて時間的にシフトさせ、探針と試料の相対的な位
置のずれを補正する方法を採用する。また、他の方法と
して、従来の走査用および制御用の圧電素子以外に他の
圧電素子を用い、ドリフトを打ち消すようにそれらを変
位させていく方法がある。この場合、それらの圧電素子
は、探針側、試料側のいずれかに、あるいは双方に組み
込み、本発明を達成する。

〔作用〕

本発明は従来のＳＴＭ装置に探針と試料の相対変位を発
生させる手段を付加することにより、探針または試料の
位置を時間とともに変化させ、探針と試料の相対的な位
置のずれを無くすように動作する。それによって走査型
顕微鏡は、温度トリ（６） フトがあってもそれを補正出来るので同一領域の長時間
観察が可能となる。また、温度ドリフトのために発生し
ていた画像のゆがみを防止することが出来る。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図に示す。第１図は、探針スキ
ャナーを含む走査型顕微鏡の主要部を示す図である。探
針４は、トライボッド型に組まれた圧電素子１，２．３
の頂点に取り付けられ、試料５に相対している。圧電素
子１，２は、それぞれＸ方向およびＸ方向に探針４を走
査するための圧電素子である。それぞれに周期的な電圧
ＶＸ（ｔ）および、Ｖｙ（ｔ）が印加され、圧電素子１
，２は周期的に伸縮し、探針４を走査する。圧電素子３
は探針４の２方向を制御するためのもので、例えば、探
針４と試料５の間隔を一定に保つ。電圧Ｖ、（ｔ）７が
その制御のために圧電素子３に印加される。

従来はＶｘ（ｔ　）　、Ｖｙ（ｔ　）およびＶＺ（ｔ）
の３てきた。しかし、ＶＸ（ｔ　）およびｖｙ（ｔ）だ
けでは同じ場所を走査しているつもりでも、実際には、
構成素子の熱膨張などのために探針４と試料５の相対的
な位置がずれてしまい、走査領域即ち、観察領域が変わ
ってしまう。そこで本発明では、周期的なＶＸ（ｔ）お
よびｖｙ（ｔ　）に加えて、このずれを補正するように
圧電素子１，２を変位させるために電圧Ｖｘ’　（ｔ）
およびｖｙ’（ｔ）を印加することを特徴としている。

第３図に、探針４をＸ軸方向に走査するための電圧Ｖｘ
（ｔ　）とずれを補正するための電圧Ｖ　Ｘ　’Ｄ）の
例を示す。探針４を走査するために、周期的な電圧ＶＸ
（ｔ）が圧電素子１に印加される。さらに、本発明の特
徴である電圧ＶＸ’　（ｔ）が、探針４と試料５の温度
ドリフトをちょうど打ち消すように圧電素子１が変位す
るよう印加される。従って、全体として圧電素子１には
第４図に示したような電圧が印加される。

第３図、第４図は、時間ｔとともに単調に増加する電圧
ＶＸ’　（ｔ）によって温度ドリフトが補正（８） 出来る場合の例である。単調に減少させて補正出来る場
合は、初期設定電圧Ｖ−’　（ｏ）を正のある電圧に設
定すれば、圧電素子に印加出来る電圧の範囲内でドリフ
ト補正が出来る。初期設定電圧と傾きを任意に設定出来
るようにしておけば、様々なドリフトの大きさと向きに
対応出来る。また例えば、観察の途中でドリフトの大き
さが小さくなってきたら、傾きを小さく設定し直せば上
記同様に補正出来る。上記探針走査用の電圧ＶＸ（ｔ）
およびｖｙ（ｔ）に加えて、ドリフト補正用の電圧Ｖｘ
’　（ｔ）およびＶｙ’　（ｔ）を印加するという方法
は、トライボッド型スキャナーに限らず、円筒型スキャ
ナーを始めとするすべてのタイプのスキャナーに有効で
ある。

本発明の別の実施例を第２図に示す。第２図は、ドリフ
ト補正用の圧電素子を用いた実施例の走査型顕微鏡の主
要部を示す図である。探針４を走査するための圧電素子
１，２および制御するための圧電素子３にそれぞれ、ド
リフト補正用の圧電素子９，１０．１１が付いている。

圧電素子１，２（９） には、探針４を走査するために電圧Ｖｘ（ｔ　）　６　
ａおよびＶｙ（ｔ）８ａがそれぞれに印加される。圧電
素子３には、探針４のＺ方向を制御するために電圧Ｖｚ
（ｔ）７ａが印加される。温度ドリフトをちょうど打ち
消す様に圧電素子９，１０が変位するようにそれぞれに
、Ｖｘ’　（ｔ）６ｂおよび■ア’（ｔ）ｓｂが印加さ
れる。圧電素子９，１０゜１１は、圧電素子１，２．３
よりも変位量の大きい圧電素子で構成した方が望ましい
。特に圧電素子１０は、圧電素子３が伸びきったり、縮
みきって制御不能とならないように変位量の大きい素子
とすることが重要である。圧電素子３に印加される電圧
ＶＺ（ｔ）がある範囲内におさまるように圧電素子１１
には、電圧Ｖ２’　（ｔ）が印加される。

第２図はドリフト補正用の圧電素子がすべて探針スキャ
ナー側にとりつけられている具体例であるが、そのいず
れかが、あるいはすべてが試料側にとりつけられていて
も同様の効果が得られる。

第５図は、Ｘｙｙ方向のドリフト補正を実現するために
圧電素子に印加する電圧を出力する回路（１０） の一実施例を示す図である。回路６１でＶＸ’　（ｔ）
の傾きに相当する電圧Ｖが任意に設定される。その信号
は積分器６２に送られ、出力としてｋｖｔ（ｔは時間、
ｋは積分器のＣ−Ｒで決まる比例定数）が回路６４に送
られる。回路６４には、回路６３で設定された初期電圧
Ｖｏも送られ、回路６４でＶｏとｋｖｔが加算されて信
号（Ｖｏ＋ｋｖｔ）が形成される。増幅器６５は該信号
を増幅して圧電素子駆動信号ｖｘ’　（ｔ）を出力する
。傾きｋｖをドリフトの大きさに合わせて変化させるこ
とにより、ドリフト補正が行える。同様の回路をｙ方向
に対しても用いれば２次元でドリフト補正が行える。

第６図は、Ｚ方向のドリフト補正をするために圧電素子
に印加する電圧を出力する回路の一実施例を示す図であ
る。回路７１は従来め探針制御回路で、ここから探針制
御用の圧電素子に電圧ｖ２（１）が送られる。その信号
ＶＺ（ｔ）を回路７３にも送る。回路７２では、ＶＺ（
ｔ　）が所望の範囲内の電圧に制御されるように、所望
の基準電圧Ｖｚ。

（１１） が設定出来る。比較器７３では、その設定電圧Ｖｚｏと
Ｖｚ（ｔ）とを比較し、Ｖ　ｚ　（ｔ　）　＞　Ｖ　ｚ
ｏならばＶＺ（ｔ）が小さくなるように正の電圧を積分
器７４に出力し、Ｖ２（ｔ）＜Ｖｚｏならば負の電圧を
積分器７４に出力する。積分器７４では送られてきた電
圧を時間積分し、回路７６に出力する。回路７５では、
ドリフト補正開始位置を設定するための初期電圧Ｖ−’
　（ｏ）を設定することが出来る。

回路７６ではその初期設定電圧Ｖ、’（ｏ）と積分器７
４から送られてきた電圧を加算してＶＺ’　（ｔ）を出
力する。この回路の応答を探針制御回路７１の応答速度
より十分遅くすることにより、探針制御用の圧電素子に
印加する電圧Ｖ２（ｔ　）がある範囲内におさまるよう
にすることが出来る。

上記の制御方法は２重サーボ方法であり、別の効果とし
て広領域走査の場合の有利さを特記することができる。

これは、広領域走査の場合、従来方法では、走査速度を
高めることができないため、観察に長時間を費し、高速
化しようとすると探針が試料に衝突してしまうという問
題があった。

（１２） 第２図と第６図の手段を組合せると、試料の原子オーダ
の変化に対して圧電素子３が追随でき、さらに、大きな
変化に対しては圧電素子１０が追従することができるの
で、試料との衝突なしに広領域が走査できる。データと
しては、［子オーダの情報を得る場合には圧電素子３の
動きを、また、Ｉオーダの変化を得たい場合には圧電素
子１０の動きを計測すれば良い。

上記ドリフト補正を行う際の補正量の大きさは、前後し
て得られる顕微鏡像の補野が同じになるようにマニュア
ルで設定することが出来る。また従来からある画像認識
の技術を用いることも出来る。

その場合には、画像にある特徴的なパターンを計算機等
に認識させ、そのパターンが前後する画像間でずれない
様に補正量を該計算機等に算出・設定させることが出来
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、探針と試料の相対的な位置のずれを補
正出来るので、試料加熱後すぐにａ察することが可能と
なる。従来、ａｍを行うためには、（１３） 温度ドリフトがおさまるまで長時間待ったが、この必要
がなくなったり、温度ドリフトがある場合に発生するＩ
ＨｉＩ像のゆがみを防止することが出来る。また、探針
と試料の相対的な位置が時間的に変化しないことから、
同一領域の長時間ｗｔ察が可能となり、従来不可能であ
ったプロセス中の動的その場観察を可能にすることが出
来る。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の走査型顕微鏡の主要部を示
す斜視図、第２図は本発明の別の実施例の走査型顕微鏡
の主要部を示す斜視図、第３図は本発明の実施例におけ
る探針走査電圧とドリフト補正電圧の時間変化を示す波
形図、第４図は、実施例において実際に圧電素子に印加
される電圧を示す波形図、第５図は、）Ｃ＋’／方向の
ドリフト補正を行うための電圧を出力する回路図、第６
図は、２方向のドリフト補正を行うための電圧を出力す
る回路図である。 １．２，３，９，１０．１１・・・圧電素子、４・・・
探針、５・・・試料、６，７．８・・・印加電圧。 （１４） 第 図 第 図 図 （Ｖ’） 名 図 ｆｆ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、探針を試料表面上で走査することによつて該試料表
   面の形状または物性を観察する走査型顕微鏡において、
   試料あるいは探針のドリフトのためにおこる探針と試料
   の相対的な位置のずれを補正するように、探針または試
   料の位置を変化させる手段を有することを特徴とする走
   査型顕微鏡。 ２、請求項１項記載の走査型顕微鏡において、時間的に
   探針または試料の位置を変化せしめる手段を有すること
   を特徴とする走査型顕微鏡。 ３、請求項１もしくは２記載の走査型顕微鏡において、
   試料表面内のＸ，Ｙ軸方向に探針または試料の位置を変
   化せしめる手段を有することを特徴とする走査型顕微鏡
   。 ４、請求項１もしくは２記載のドリフト補正において、
   Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に探針または試料の位置を変化せしめ
   る手段を有することを特徴とする走査型顕微鏡。 ５、請求項１乃至４のいずれかに記載の走査型顕微鏡に
   おいて、上記の手段を、トンネル電流を一定に制御して
   ３次元形状を得たり、トンネル電流の変化により原子像
   を得たりする走査型トンネル顕微鏡に適用することを特
   徴とする走査型顕微鏡。 ６、請求項１乃至４のいずれかに記載の走査型顕微鏡に
   おいて、上記の手段を、トンネル電流以外の電流、抵抗
   、容量、力、音、熱、光のいずれか少なくとも一者を利
   用した表面観察手段に適用することを特徴とする走査型
   顕微鏡。 ７、請求項１乃至４のいずれかに記載の走査型顕微鏡に
   おいて、観察像の特徴ある任意のパターンに注目して、
   該パターンが位置ドリフトしないように上記の手段を制
   御することを特徴とする走査型顕微鏡。 ８、請求項１乃至３および５乃至６のいずれかに記載の
   走査型顕微鏡において、高分解能制御用とドリフト補正
   用の２段階の制御機構によりＺ軸方向の制御を行うこと
   を特徴とする走査型顕微鏡。 ９、請求項１乃至６および８のいずれかに記載の走査型
   顕微鏡において、上記の手段をＸ，Ｙ，Ｚ計測用走査機
   構と別な駆動機構を設けたことを特徴とする走査型顕微
   鏡。 １０、請求項９記載の走査型顕微鏡において、計測用Ｚ
   軸駆動機構の動きあるいはＺ方向の別の駆動機構の動き
   を高さ情報として計測することを特徴とする走査型顕微
   鏡。