JPH03257302A

JPH03257302A - 探針位置合わせ装置及び走査型トンネル顕微鏡

Info

Publication number: JPH03257302A
Application number: JP5487890A
Authority: JP
Inventors: Akira Sakai; 明酒井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-03-08
Filing date: 1990-03-08
Publication date: 1991-11-15

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】［発明の目的コ（産業上の利用分野）この発明は試料表面を原子レベルで観察する技術に係わ
り、特に探針位置合わせ装置、及び走査型トンネル顕微
鏡（以下、ＳＴＭと略記する。）に関する。

（従来の技術）ＳＴＭは高分解能の表面顕微鏡として、原子レベルでの
表面構造観察からマクロな表面形状（表面粗さ）の評価
まで、幅広い分野に応用されている。試料の断面の観察
、特に試料表面に堆積した薄膜と下地との界面をこの界
面と垂直方向に試料を切った時の断面内で観察する技法
は、ＳＴＭの重要な応用の１つとして、最近注目を集め
ている。

第５図は従来の探針位置合わせ装置による探針位置合わ
せを示す概略図である。この図に示すようにＳＴＭは先
端の失った金属針を探針１としており、試料２の下地と
表面に堆積した薄膜５１との界面２ａを観察する場合に
は、この界面２ａと垂直方向に前記試料２を切った時の
断面２ｂ内で前記探針１を前記界面２ａの位置に正確に
合わせることが必要である。多くの場合、前記薄膜５１
の厚さ数μｍまたはそれ以下であり、前記界面２ａに前
記探針１を位置合わせすることは、実質的には前記試料
断面２ｂのエッヂに前記探針１を合わせることに相当し
ている。現在のところ、試料断面のエッヂに探針を合わ
せる方法としては、次のようなものが挙げられる。

第１の方法は、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと略記
する。）とＳＴＭを組み合わせた装置を用いるものであ
り、この場合には前述した断面のエッヂに十分な精度で
探針を合わせることは可能である。しかし、ＳＥＭとＳ
ＴＭの複合化には複雑なステージの構成が必要であり、
試料の交換等のハンドリングは必ずしも容易ではない。

第２の方法は、光学顕微鏡で探針を位置合わせする方法
であり、通常のＳＴＭで広く用いられている手法である
。しかし、光学顕微鏡の実用的な倍率の関（３）（４）係」−１正確に断面のエッヂを観察領域内に入れること
はできない。探針の位置合わせ精度は約±１０μｍであ
り、従って薄膜の界面を観察領域内に入れるためには、
圧電定数の大きな（数１００　ＯＡ／Ｖ）ピエゾ素子を
用いて、走査領域を拡大する必要がある。しかし、圧電
定数の大きなピエゾ素子はノイズに封する応答も大きく
、そのために、空間分解能は数１０久に低下してしまう
ので、探針の位置合わせを正確に行えない。

これに対して、分解能の高い圧電定数の小さな（数１ｏ
　ｏ　Ｘ／Ｖ）ピエゾ索子を使用し、小さな走査領域内
で試料を高精度に移動させて断面のエッヂを観察領域内
に移動させる手法を用いることが可能である。しかしな
がらこの場合には探針をトンネル電流が流れるまで試料
断面に接近させたまま試料を移動させることになる。従
って、試料が平坦である場合には試料移動には問題は無
いが、断面（特にンリコンの断面）の凹凸が大きく、試
料移動を高速（数１０１　／　５ｅｅ）で行うと探針を
試料に衝突させる危険性が大きい。一方、前記衝突を防
ぐため、低速（数Ａ／５ｅｅ）で移動を行う場合には、
光学顕微鏡による最初の位置合わせの精度が約±１０μ
ｍあるために、断面のエッヂを視野内に入れるのに長時
間を要する、という欠点がある。このため以上のような
探針位置合わせ装置を用いた走査型トンネル顕微鏡で試
料表面を観察する場合、観察時間が長くなるという問題
がある。

（発明が解決しようとする課題）前述したように、従来の探針位置合わせ装置では、探針
を試料の断面のエッヂに、簡便にかつ高精度に位置合わ
せすることが困難であった。さらに従来の走査型トンネ
ル顕微鏡で試料表面を観察する場合、観察時間が長くな
るという問題があった。本発明はこの問題点を解決する
探針位置合わせ装置及び走査型トンネル顕微鏡を提供す
ることを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記した問題を解決するため、本発明は探針と、この探
針と対向した位置に設けられた試料をく５）（６）載置する試料台と、前記探針及び前記試料台を前記探針
の軸方向に相対的に移動せしめ、前記試料と探針を所定
距離に設定する移動手段と、前記探針の先端から前前記
試料に荷電粒子ビームを照射せしめるビーム照射手段と
、前記荷電粒子ビームが前記試料に照射される際流れる
電流の変化を検知して、前記探針を前記試料のエッヂに
合わせる位置合わせ手段とからなる探針位置合わせ装置
を提供する。

また本発明は探針と、この探針と対向した位置に設けら
れた試料を載置する試料台と、前記探針及び前記試料台
を前記探針の軸方向に相対的に移動せしめ、前記試料と
前記探針を所定距離に設定する移動手段と、前記探針の
先端から前記試料に荷電粒子ビームを照射せしめるビー
ム照射手段と、前記荷電粒子ビームが前記試料に照射さ
れる際流れる電流の変化を検知して、前記探針を前記試
料のエッチに合わせる位置合わせ手段と、前記位置合わ
せ手段により、前記試料のエッヂに合わせられた前記探
針をこの探針の軸方向に移動した時に試料と探針間で流
れるトンネル電流に基づいて前記試料の表面を観察する
観察手段とからなる走査型トンネル顕微鏡を提供する。

（作　　用）本発明の探針位置合わせ装置であれば、探針の先端から
放射される荷電粒子ビームが、試料台上の試料に照射さ
れ、前記試料に電流を発生させる。前記探針と前記試料
との相対的な移動の際に、前記荷電粒子ビームが、前記
試料の断面のエッヂを通過するのに伴い、前記電流が変
化する。この電流の変化を検出し、前記探針を前記試料
断面のエッヂに合わせることができ、探針の位置合わせ
が簡便に且つ高精度に行える。

また本発明の走査型トンネル顕微鏡であれば、位置合わ
せに用いる探針とＳＴＭ観察に用いる探針とが共通であ
るので、前述したように迅速に探針を位置合わせした後
、すぐにＳＴＭ観察に移れ、試料表面の観察時間を従来
の装置より短縮することができる。

（実施例）〈７〉〈８〉本発明を図を用いて詳細に説明する。

第１の実施例第１図は本発明による探針位置合わせ装置を用いたＳＴ
Ｍの第１の実施例を示す概略図である。

この図に示す、ように、探針１は試料２の断面に対向し
ており、Ｚ軸方向（紙面上下方向）に探針を移動させる
粗動用圧電アクチュエーター３、および探針を３次元に
移動させる微動用圧電アクチュエーター４によって駆動
される。前記探針１は絶縁体（例えばアルミナ、マコー
ル等）により前記微動用圧電アクチュエーター４から絶
縁されており、バイアス電源５、または高圧電源６から
の電圧が印加されている。ＳＴＭ動作時には、前記バイ
アス電源５（−１０Ｖ〜＋ｌ０Ｖ）から前記探針１に電
圧が供給され、前記試料２に流れるトンネル電流は、電
流／電圧変換器７によって検出された後、ＳＴＭ制御回
路８に送られる。一方、後述するフィールドエミッショ
ン動作時には、前記高圧電源６から前記探針１に負電圧
（マイナス数１００Ｖ）が印加され、荷電粒子ビームと
してフィールドエミッションの電子ビームが試料に照射
される。これにより試料に流れる電流は、微小電流計９
によってモニターされる。

ここで、試料２表面には第５図に示したようにこの試料
２とは異なる材料からなる薄膜５１が形成されており、
ＳＴＭによりこの界面を観察する。

前記探針１の位置は、光学顕微鏡１０によって観察する
ことができ（倍率〜１００倍）、これにより探針１のお
およその位置合わせを行なうことが可能となっている。

上記本発明による探針位置合せ装置の実施例の動作を第
１図乃及び第２図を用いて具体的に説明する。第２図は
、探針の位置合わせの過程及び試料電流の特性を示す説
明図である。先づ、光学顕微鏡１０を用いて、探針１を
試料２の断面２ｂのエッヂに位置合わせし、手動接近機
構１１によって前記探針１を前記試料２の断面２ｂに接
近させる。この■与、前記探針１の位置は、前記試料２
の断面２ｂのエッヂよりも僅かに内側（試料側）になる
ように設定する（第２図（ａ））。次に高圧電（９）（１０）源６から、前記探針１に負電圧（約−５００Ｖ）を印加
し、微小電流計９により電流をモニターしながら、粗動
用アクチュエーター３を用いて前記探針１を徐々に前記
試料２の断面２ｂに接近させる。探針１と試料２の断面
２ｂとの間の距離が約０．１μｍになると、前記探針１
から前記試料２の断面２ｂに対し、フィールドエミッシ
ョンが起き、前記試料２にフィールドエミッション電流
が流れ始める。そこで前記探針１の位置を固定し、試料
用圧電アクチュエーター１２によって、前記試料２を断
面２ｂと平行な方向に、そして前記断面２ｂのエッチが
フィールドエミッションの電子ビームを横切るように、
移動させる（第２図（Ｉ））■〜■）。前記試料２の断
面２ｂが前記ビームから外れた時には電流が検出されな
くなるために、前記試料２を■〜■のように移動した時
に、微小電流計９の指示は第２図（Ｃ）に示すように変
化する。

この電流変化の中点が、前記探針１が前記試料２の断面
２ｂのエッヂの直上にある時に対応しており、従って、
電流値が前記電流変化の中点に来るように前記試料２を
移動させることによって、前記探針１を前記試料２の断
面２ｂのエッヂに位置合わせすることができる。

」―記の電流変化の幅は、はぼビーム径に等しく、約０
．１μｍ程度である。従って、探針１の位置合わせ精度
も、電流変化の幅の半分以下、即ち、約±５００大以下
である。

ＳＴＭによる試料２の観察を行なう場合には、上記位置
合わせを行った後、前記探針１の電源をバイアス電源５
に切り換え、また、試料電流の検出手段も前記微小電流
計９から電流／電圧変換器７に切り換えて、ＳＴＭ制御
回路８を動作させながら、トンネル電流が流れるまで、
前記探針１を更に前記試料２の断面２ｂに接近させる。

この接近の過程で、前記探針１の位置の前記断面２ｂと
平行な方向のシフトが生じる。１つの原因は、探針１の
軸の傾斜であるか、傾斜角は±２°以下であり、傾斜に
よる探針１の位置のすれは±３５Ａ以下である。他の１
つの原因は、粗動用アクチュエーター３のＸ−Ｚ軸の干
渉である。この干渉は、（１１）（１２）圧電素子の前記断面２ｂと平行な方向の変位により生ず
る。この干渉は１％以下であり、Ｚ軸方向に前記粗動用
アクチュエーター３を０１１μｍ動かした時の前記探針
１の前記断面２ｂと平行な方向への変位は、１０大程度
である。従っていずれの場合にも、フィールドミッショ
ンの試料電流変化による位置合わせの精度を超えるよう
な探針１の横方向へのシフトは起こらず、従って、上記
位置合わせの精度の範囲内で、ＳＴＭ動作を始めること
ができる。

フィールドエミッション電流による位置合わせの場合、
探針１と試料２の断面２ｂとの距離は約０．１μｍであ
り、これはＳＴＭ動作時の距離の約１００倍である。０
．１　μｍ程度の間隙がある場合には、前記試料２を高
速で前記断面２ｂと平行な方向に移動させても、前記探
針１を前記試料２に衝突させる危険は少ない）。そのた
め数１０久／ｓｅｃ程度の移動が可能であり、第２図（
Ｃ）の電流変化の計測に要する時間は数分程度である。

従って、迅速な探針の位置合わせを行なうことができる
。さらに位置合せ用の探針とＳＴＭ用の探針とが共通で
あるので迅速に位置合せした後、電源等の切り換えです
ぐにＳＴＭの観察に移れる。

第２の実施例第３図は本発明による探針位置合わせ装置を用いたＳＴ
Ｍの第２の実施例を示す概略図である。

第１図の実施例では微小電流計９の指示をモニターしな
がら、試料用圧電アクチュエーター１２を操作して、位
置合わせを行なうが、第３図の実施例では、この位置合
わせを自動的に行なうものである。第３図に於いて、前
記試料用アクチュエタ−１２の駆動電圧に、発振器１３
によって変調された電圧を加え、これによって変調され
た試料電流は電流入力のロックイン増幅器１４によって
ロックイン検波される。この検出法により電流変化の１
次微分、および２次微分を測定することができる。第４
図は、試料電流及びその変化の１次及び２次微分を示し
た特性図である。１次微分の場合には、試料電流出力の
ピークが、また２次微分の場合には前記出力がＯを切る
点が、それぞれ（１３）（１４）探針１が試料２の断面２ｂのエッヂの直上にある場合に
対応している。制御器１５は、前記ロックイン増幅器１
４の出力のピーク、又は出力が０を切る点（ゼロクロス
）を検出し、この出力が、ピク、又はゼロクロスとなる
ように前記試料用アクチュエーター１２を制御する。こ
の手法により、前記探針１を前記断面２ｂのエッヂの直
上に自動的に設定することが可能である。

なお、上記実施例に於いて、試料電流の変調のために、
探針１の粗動用アクチュエーター３に変調を加えても良
い。

また上記の第１．第２の実施例に於いて、試料用アクチ
ュエーター１２の代りに、探針１を試料２の断面２ｂと
平行な方向に移動させるアクチュエーターを使用しても
良い。また、探針と試料を接近させることにおいて、探
針１のかわりに、試料２を２軸方向に移動させてもよい
。さらに、探針１．試料２の移動用アクチュエーターと
して、圧電素子に限らず、他の移動機構、例えばステッ
プモータ等を用いることが可能である。さらにまた、電
子ビームのフィールドエミッションを用いるかわりにイ
オンビームのフィールドエミッションを用いてもよい。

さらに、本発明の探針位置合わせ装置をＳＴＭに用いる
だけでなく、触針式表面粗さ計やＳＥＭにも用いること
ができる。さらにまた、表面薄膜の界面状態の観察だけ
でなく、試料断面のエッヂ観察にも本発明の探針位置合
わせ装置を用いることができる。その他特許請求の範囲
を越えない範囲で、種々変形して使用することが出来る
。

［発明の効果］以上述べたように、本発明の探針位置合わせ装置であれ
ば、探針を試料の断面のエッヂに簡便かつ高精度に、位
置合わせすることができる。

また、本発明の走査型トンネル顕微鏡であれば、従来の
装置より試料表面の観察時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明１による探針位置合わせ装置を用いたＳ
ＴＭの第１の実施例を示す概略図、第２図は第１の実施
例に係わる探針の位置合わせの過程を示す説明図および
、試料電流の変化を示す特性図、第３図は本発明による
探針位置合わせ装置を用いたＳＴＭの第２の実施例を示
す概略図、第４図は第２の実施例に係わる試料電流及び
その変化の１次および２次微分を示す特性図、第５図は
、従来の探針位置合わせ装置による探針位置合わせを示
す説明図である。１・・・探針、２・・・試料、２ａ・・・試料２の下地
と表面に堆積した薄膜５１との界面、２ｂ・・・試料断
面、３・・・粗動用圧電アクチュエーター　４・・・微
動用圧電アクチュエーター　５・・・バイアス電源、６
・・・高圧電源、７・・・電流／電圧変換器、８・・・
ＳＴＭ制御回路、９・・・微小電流計、１０・・・光学
顕微鏡、１１・・・手動接近機構、１２・・・試料用圧
電アクチュエーター　１３・・・発振器、１４・・・ロ
ックイン増幅器、１５・・・制御器、５１・・・薄膜。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）探針と、この探針と対向した位置に設けられた試
料を載置する試料台と、前記探針及び前記試料台を前記
探針の軸方向に相対的に移動せしめ、前記試料と前記探
針を所定距離に設定する移動手段と、前記探針の先端か
ら前記試料に荷電粒子ビームを照射せしめるビーム照射
手段と、前記荷電粒子ビームが前記試料に照射される際
流れる電流の変化を検知して、前記探針を前記試料のエ
ッヂに合わせる位置合わせ手段とからなる探針位置合わ
せ装置。
（２）前記荷電粒子ビームは前記探針からのフィールド
エミッションの電子ビームであることを特徴とする請求
項（１）記載の探針位置合わせ装置。
（３）前記位置合わせ手段は、前記試料に流れる電流の
変化の１次微分のピークあるいは２次微分のゼロクロス
が起こる探針位置を検出し、自動的に前記探針をこの位
置に移動させることにより、前記探針を前記試料のエッ
ヂに位置合わせするものであることを特徴とする請求項
（１）記載の探針位置合わせ装置。
（４）探針と、この探針と対向した位置に設けられた試
料を載置する試料台と、前記探針及び前記試料台を前記
探針の軸方向に相対的に移動せしめ、前記試料と前記探
針を所定距離に設定する。移動手段と、前記探針の先端
から前記試料に荷電粒子ビームを照射せしめるビーム照
射手段と、前記荷電粒子ビームが前記試料に照射される
際流れる電流の変化を検知して、前記探針を前記試料の
エッヂに合わせる位置合わせ手段と、前記位置合わせ手
段により前記試料のエッヂに合わせられた前記探針をこ
の探針の軸方向に移動した時に試料と探針間で流れるト
ンネル電流に基づいて前記試料の表面を観察する観察手
段とからなる走査型トンネル顕微鏡。