JPH0318702A - 走査型トンネル顕微鏡 - 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） 本発明は超精密加工面の評価、半導体素子の評価に用い
る走査型トンネル顕微鏡に関し、より具体的には試料表
面をオングストロームのオーダで観測すると同時に、ミ
リないしミクロンのオーダで観測可能な走査型トンネル
顕微鏡に関する。

《従来の技術〉 走査型トンネル顕微鏡（以下、「トンネル顕微鏡」とい
う）は、金属や半導体等の試料の断面や表面をオングス
トロームのオーダの原子的レベルで観測する際に用いら
れる。すなわち、トンネル顕微鏡は、探針と試料との間
に一定電圧を印加した状態で探針を試料表面上で走査し
、このときに流れるいわゆるトンネル電流の変化から、
試料表面の原子的レベルでの起伏を観測するものである
。

上記探針の駆動機構として粗動機構と微動機構とが併用
される。

粗動機構は探針を試料表面の観測部分に位置させ、探針
と試料表面との距離をトンネル電流が流れる程度までに
近接させる際に駆動するものであり、例えばマイクロメ
ータ等により構威される。

一方、微動機構はトンネル電流を一定に保ちながら二次
元走査するため探針を試料表面上で三次元移動させるも
のであり、一般に圧電素子が用いられている。

この圧電素子の一例を示すと、例えば試料表面と平行に
圧電素子を十字形状に交叉させて配置し、さらにこの交
叉点から前記試料表面に垂直に圧電素子を取り付けて構
成される格子形のものがある。

そして、この垂直方向の圧電素子と前記交叉点間に所定
電圧を印加することにより試料表面と探針との基準距離
が設定され、前記十字形状の圧電素子の対向する端子間
にそれぞれ所定電圧を印加し、これらの電圧を変化させ
ることにより探針の走査が行われる。

また、円筒状圧電素子の内面側に第１の電極を設け、そ
の外面側に第２〜第５の長方形状電極を軸対称に対向し
て配置するように構成されたチューブスキャナと称する
ものもある。このチューブスキャナの電極は第１の電極
と第２〜第５の電極との間にそれぞれ所望の電圧を印加
し、これらの電圧を変化させることにより円筒状圧電素
子を伸縮させて探針の三次元方向の位置を変化させるこ
とにより探針の走査が行なわれる。

なおトンネル顕微鏡としては、例えば米国特許第４３４
３９９３号明細書、特開昭６１−２０６１４８号公報等
により周知である。さらに、光学顕微鏡のレボルバにト
ンネル顕微鏡の微動機構を組み込み、探針による走査の
前に予め試料表面を光学顕微鏡で観察可能としたもの等
も知られている。

《発明が解決しようとする課題〉 しかし、上記公報に開示されたトンネル顕微鏡では、探
針の走査位置を特定するために校正治具を用いて行わな
ければならず、その作業が煩雑で操作性が悪い。

また、光学顕微鏡の対物レンズが装着されるレボルバの
一つに探針等のトンネル顕微鏡の走査ヘッドを取付けた
場合には、予め光学顕微鏡によりその解像度に応じた光
学的レベルで試料表面を観察し、その後、レボルバを回
転させて走査ヘッドを試料に対向させるとともに、トン
ネル顕微鏡の動作に切り換えて探針走査による原子的レ
ベルでの観測を行わなければならず、試料表面の原子的
レベルでの観測と並行して光学的レベルでその表面を観
察することは不可能であった。

その結果、例えば観察中の試料表面にちり等の不純物が
付着した場合においては、トンネル顕微鏡はこの不純物
による凹凸も観測することになりイレギュラーな検出結
果が得られる。この場合、従来のトンネル顕微鏡では、
探針走査中は光学的レベルでの観察はできないので、そ
の凹凸が試料表面自体に生じているものなのか、あるい
はちり等の不純物によるものなのか判別できないという
不都合がある。

本発明は、、探針走査により原子的レベルで試料表面を
観察している最中であっても、囮時に光学的レベルで試
料表面を観察することができるとともに、探針の走査位
置を容易に特定することができる走査型トンネル顕微鏡
を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明に係る走査型トンネ
ル顕微鏡では、光学顕微鏡の対物レンズの試料対向面側
に走査型トンネル顕微鏡用の探針を配設し、該探針によ
る走査と該光学顕微鏡による観察とを同時に行えるよう
にした。

《作　用〉 まず、被観測対象である試料の表面上の観測位置に探針
を移動させるために、光学顕微鏡の対物レンズを介して
前記試料表面を観察する。この観察による探針移動は、
原子的レベルでの観測に比較して低い倍率により行なわ
れるので容易に達成される。そして、探針と試料表面と
をいわゆるトンネル電流が流れる距離にまで接近させた
後、探針による試料表面の走査を行い、トンネル電流の
値の変化により、該表面の原子的レベルでの高倍率の測
定が行なわれる。この測定中においても、試料表面は前
記対物ｋンズを介し光学的レベルで観察することができ
る。

《実　施　例｝ 第１図は本発明の一実施例を示す説明図で、チューブス
キャナ部を断面で示している。

同図では、対物レンズホルダ２１に保持された対物レン
ズ２が筒形圧電素子（同図では円筒形の圧電体１）の下
部に固着されている。この圧電体１の内側には第１の電
極１１が形成されており、また外側には第２，第３の電
極１２．１３及び図示しない第４．第５の電極がそれぞ
れ対向して形成されている。また、対物レンズ２の下方
には試料５が配置されており、対物レンズ２の光軸上で
あって試料５側には、探針４が、レンズ２に固定されて
設けられている。そして、この探針４と試料５にはそれ
ぞれトンネル電流測定回路６の測定端子が接続されてい
る。

いま、試料表面Ｓの特定位置における原子的レベルでの
観測を行う場合、まず、対物レンズ２を介して光学的レ
ベルでの試料表面Ｓの観察を行いながら、図示しない粗
動機構により前記特定位置にチューブスキャナを移動さ
せる。

次に探針４と試料表面Ｓをトンネル電流が流れる距離に
まで接近させ、両者間にトンネル電流測定用の電圧を印
加するとともに、第１の電極１１と第２，第３の電極１
２．１３及び第４，第５の電極との間にチューブスキャ
ナ駆動用電圧を印加しチューブスキャナを（言いかえる
なら、探針４を）試料表面Ｓ方向に走査させる。これに
より、走査地点におけるトンネル電流の変化がトンネル
電流測定回路６により検出され、この検出結果が、例え
ば図示しないモニタ上に三次元的に表示される。

試料表面Ｓの原子的レベルでの観測と並行して対物レン
ズ２を介して光学的レベルでの観察が行なわれる。従っ
て、試料表面Ｓ上にちり等の不純物が付着している場合
には、探針４は、前記不純物による凹凸も検出してしま
うため、従来ではこの凹凸が試料５自体のものなのか否
かが判別できなかったが、上記対物レンズ４を介した光
学的レベルでの観察によりその判別を容易に行うことが
できる。

なお、対物レンズ２の視界は探針４により遮られるが、
第２図に示すように、同図Ａ点の像から出た光は、図中
ａ，ｂ，ｃ等無数の光路を通り、同図Ａ′点にて結像す
る。したがって、仮に探針４によって同図Ｂを通る光が
遮られてもＡ′点の像の形はＡ点の像と同一の形となる
ので、探針４は、対物レンズ２を介して行う光学的観察
の障害にはならない。

また、第１図の実施例では圧電体２に対物レンズ２が固
着されているので第３図（Ａ）に示すようにチューブス
キャナの駆動により対物レンズ２の光軸がずれ収差が生
ずるが、この収差は第３図（Ｂ）に示すように正常時に
おける光軸と垂直方向への対物レンズ２の移動距離を５
−、チューブスキャナの長さを２０ｍｍとしても０．０
１４°（５秒）程度が最大であるので実用上問題はない
。

第４図は、本発明の他の実施例を示すものである。

本実施例では、対物レンズホルダ２１を圧電体１に固着
することなく配置してある。また、探針４は探針支持材
４１により圧電体１に固着されている。そして、探針４
は圧電体１の伸縮に応じて変位し、対物レンズ２は、こ
の変位とは独立して対物レンズ支持材３１を介して対物
レンズ駆動機構３により、光軸方向に駆動される。本実
施例では、レンズ２の交換により光学的レベルでの観察
は倍率を自由に変えて行うことができる。

なお、第１図において、対物レンズ２を圧電体１の上部
側に固着することにしてもよいし、また、第４図におい
ても、対物レンズ２を圧電体１の上部に配置して光軸方
向に駆動することにしてもよい。さらに、探針４は必ず
しも対物レンズ２の光軸上に一致させる必要はない。

さらにまた、上記した実施例では、探針４の微動機構と
して（円）筒形の圧電体１を用いた例について説明した
が、本発明はこれに限ることなく、例えば第５図に示す
ような、圧電体１’　　　１′Ｉ１″Ｉその他種々形状
のものをを用いることができる。ただしその場合には光
学顕微鏡の観察を可能とするため、各圧電体１　／　，
　　１　１／　，　　１　′１１は図示する如く光軸（
対物レンズ）から外れた位置に配設する必要がある。

さらに゛上記実施例では、トンネル電流の変化を検出し
て試料表面の凹凸を検知するようにしたが、トンネル電
流を一定にし、そのときの探針の上下移動量を検出する
ことにより測定してもよいのはもちろんであり、また、
微動機構として圧電素子以外の機構を用いてもよいのは
いうまでもない。

（発明の効果） 本発明では光学顕微鏡により試料表面を観察しなから探
針の走査を行うことができる。従って、走査中に探針位
置を光学的レベルで確認することが可能となる。これに
より探針と試料との位置関係がリアルタイムで特定でき
るので、特定の場所を探針走査したい場合に作業時間の
短縮化が図れる。

また、探針走査中の試料表面に異変（ちりの付着等）が
生じても、この異変を走査中に確認することができる。

したがって、大気中においても走査型トンネル顕微鏡に
よる測定を積極的に行うことができる。

さらに、探針の微動機構として、筒形圧電素子を用いた
場合１；は、上記効果に加え、その筒形圧電素子の内部
空間部分を光学顕微鏡の対物レンズへの光路として利用
できるため、装置全体としてコンパクトにまとめること
ができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例を示す説明図、第２図は第１
図に示す実施例の作用を説明するための図、第３図は第
１図の実施例において生ずる対物レンズの収差の説明図
、第４図は本発明の他の実施例を示す説明図、第５図は
変形例を示す図である。 １・・・・・・圧電体　　　　　　　２・・・・・・対
物レンズ３・・・・・・対物レンズ駆動機構　４・・・
・・・探　針５・・・・・・試　料　　　６・・・・・
・トンネル電流測定回路１１．１２．１３・・・・・・
電　極 ２１・・・レンズホルダ ３１・・・対物レンズ支持材 Ｓ・・・・・・試料表面 第１図 第 ４ 図 第２図 第３図 （Ａ）　　　　　　（Ｂ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光学顕微鏡の対物レンズの試料対向面側に走査型
   トンネル顕微鏡用の探針を配設し、該探針による走査と
   該光学顕微鏡による観察とを同時に行えるようにしたこ
   とを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
2. （２）前記探針を移動させる微動機構として圧電素子を
   用いたことを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル
   顕微鏡。
3. （３）前記圧電素子が筒形圧電素子であって、該筒形圧
   電素子の軸上に前記探針ならびに前記対物レンズを配置
   したことを特徴とする請求項１または２記載の走査型ト
   ンネル顕微鏡。