JPH03273101A - 走査形トンネル顕微鏡による測定方法 - 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〉 一？ 本発明は、極めて高感度で数ｎｍ（１０ｍ）以」二の形
状分解能をもつこともできる走査形トンネル顕微鏡を効
率よく使用して微細パターンの測定を行なう走査形トン
ネル顕微鏡（ＳＴＭ）による測定方法に関するものであ
る。

〈従来の技術〉 微細加工技術の進歩から、μｍ以下の微細な形状測定が
必要なことが多くな−ている。従来、このような微細形
状は２次電子顕微鏡（ＳＥＭ）、探針接触型粗さ計（粗
さ計）を用いていた。

更に最近は、探針を極めて近接させ試料の仕事関数より
低い電圧のトンネル電流を一定にする間隔で走査するＳ
ＴＭも用いられている。

〈発明が解決しようとする課題〉 ＳＥＭは、試料を高真空槽内に設置して測定するため測
定迄の準備に時間がかかる、試料の大きさが制限され、
かつ、深さ方向の測定は難しい、及び、電子ビーム照射
により損傷する試料は測定できないなどの問題がある。

又、前記粗さ計（商品名のタリサーフなど）は先端がダ
イヤモンドの探針を、粗さ計が感知できる圧力で測定物
の表面に接触させて走査するため測定物の表面に引っか
き傷をつけ、又、破壊測定になることもあるという欠点
があった。

又、ＳＴＭは大気中や液中でも測定できる特徴があるが
、現在のＳＴＭは探針の先端を測定物との間にトンネル
電流が流れる極めて微小な間隔を保−て走査し、その探
針の先端の移動から形状を測定しているが、この探針の
先端を極めて尖鋭にしているのでその探針の作製と取扱
が難しく、かつ測定に時間がかかるという問題があ−た
。

本発明は、以上のような現在の測定物表面の機運δの変
化に対するトンネル電流の変化を示したのが第４図であ
る。

即ち、トンネル電流■は次の式で表わされる。

を目的としている。

〈課題を解決するための手段〉 本発明はＳＴＭを用いて、原理的に非接触・非破壊の表
面微細形状の測定を行なうものである。

ＳＴＭは、原理的には第８図のび要因のようになってい
る。第８図に於て、探針ｌは先端の曲率半径がＲの金属
で、電気伝導体の試料２との間に微小電圧を印加して両
者を接近させると、直接接触する前にその狭い間隙δを
トンネル効果で流れる電流ｌが流れるようになる。この
トンネル電流は微小な間隙のわずかの変化にも大きく変
わる特性がある。

一例の白金（Ｐｔ）の探針１と、金（Ａｕ）の試料の間
に０．９Ｖの電圧を印加し、両者の間の距・・−・・（
１） （１）式で、ｈニブランクの定数、δ：探針と試料の間
隙、φ二試料の仕事関数０ｍ：電子の質量。

■：印加電圧である。

以上のようにトンネ／Ｌ’電流はδ、７の値のわずかの
変化で大幅に変化する。従って、試料１０表面のφが一
定であれば、前記第８図に示した探針ｌを水平方向に移
動させる圧電素子Ｐｘ　８とＰｉ４により水平移動させ
、垂直方向を圧電素子Ｐｚ５に印加する電圧を制御して
Ｉが一定になるようにすれば、試料表面のφが一定のと
き、それぞれの圧電素子に印加した電圧値で、試料表面
の凹凸に対応する値を示すことになる。

本発明では探針の先端を衝めで鋭くすると、その先端か
ら試料表面迄の電気力線がその表面の局部に集中して表
面の１原子程度の凹凸からのトンネ／Ｌ／＠流も検出で
きるＳＴＭの探針の先端を、ａｔＩＩ定する対欧に応じ
加工を簡単にして一定の曲率半径をもつ形状にすること
で、取扱いも簡単にし、かつ測定した曲線が滑らかにな
ることから、測定時間も短縮させるものである。

以、Ｅの探針の先端に曲率半径をもたせたことによる表
面形状測定の分解能の不足分を、あらかじめ基準にした
標準品を、使用する探針による測定値と、他の先端を極
めて尖鋭にしたＳＴＭ、又はＳＥＭによる精密な測定を
並べた校正図との比較によ）補正することで補う測定法
である。

直接には表面の微細形状の測定ができない太さの先端の
曲率半径にした探針を用いて近似的な測定を行ない、こ
の測定値をあらかじめ作製した校正図によシ補正するこ
とで、目的の微細表面構造の測定を行なうことができる
。

く実施例〉 精密加工技術の進歩により、微細な加工面の高説１１Ｊ
１する。

実施例に使用した探針は次の２種である。

（イ）　白金とロジウム（Ｐｔ−Ｐｈ）の合金探針直径
Ｑ、　５　ａｓのｐｔ−ｐｈ合金線の先端を機械的に研
磨したものである。この研磨の方法は、回転する研磨板
に、研磨する合金線もその軸を中心に回転させながら接
触させるものである。

（ロ）タングステン（Ｗ）の電解研磨による探針直径０
．５藺のＷ線をＫＯＨの１襲溶液を用いて電解研磨によ
シ作製したものである。

以上で作製した探針の先端形状をＳＥＭで拡大したのが
第５図である。第５図ｔａｌは機械的研磨によるＰｔ−
Ｐｈ探針、第５図［ｂｌは電解研磨にょるＷ探針金示し
ている。

本実施例に於てはＰｉ−Ｐｈ探針が大気中で酸化が少な
く、又、試料との間での放電などの損傷が少ないなど使
用上の利点があった。

以トにより作製した探針により回折格子を走査したＳＴ
Ｍ１１！Ｉ定像を示したのが第６図であり、この第６図
の測定像の右下方に測定像の座標軸と、寸法を示した。

以上で測定した回折格子は１鰭に１２００本の格子線を
刻んでいるが、三角波の形状が、このＳＴＭ像から見る
ことができる。

従来のＳＥＭで回折格子を測定するときは、まず回折格
子のレプリカを作製した上、そのレプリカの切断面をＳ
ＥＭで観測することにより、深みのある格子の三角形状
を測定していたので、本実施例のＳＴＭによる方法が短
時間で格段に精度のよい測定ができ、簡便であることが
判る。

上記のＳＴＭによる測定像は極めｉ説な先端の探針を用
いて低電圧の印加により探針と測定面の迄のトンネルギ
ヤＩプを約１０　ｎｒｎにしたのでこのトンネルギヤ・
ノブは表面測定精度に対してはていて、その半球の曲率
半径をＲとして、Ｒの大きさを変えた探針で凹凸をもつ
表面を測定するとその凹凸の大きさに対してＲが小さい
ときは測定誤差も小さいが、その凹凸の大きさに対して
Ｒが大きくなるに従い測定の誤差が大きくなった。以上
の測定形状の大きさに対する探針の先端部のＲの関係を
系統的にまとめたのが第１図である。

第１図は三角波状、つまり鋸歯状の格子による回折格子
で、格子間隔がｄ、立ち上シ角のθが３０°、頂角のψ
が９０°のものを、測定に用いた探針の先端の曲率半径
Ｒが、格子間隔ｄに対する比のｒ（＝Ｒ／ｄ）を０．０
７５から１．０迄の間で変えた７本の探針による測定値
を系統的に並べたものである。

第１０図から判るように測定波形がその左側に記載した
ｒ　（＝　Ｒ／ｄ　）が０．１以下のとき紘はば゛格子
の原形を示す波形になっているが、ｒが０．５近くにな
ると格子の頂角近くに曲率半径の大きい円弧形の波形状
になシかつ円弧形の部分が多くなっている。更にｒが１
．０になると測定波形の直線部がなくな−てしまう。こ
の第１図に於て格子の底角部を破線をＶで示し、かつ、
その頂角部が円弧になる範囲を破線Ｍ及びＮで示してい
る。

次の第２図で示した測定値は、格子の頂角を８０°にし
た以外は第１図で説明した回折格子と同じように測定し
た表示にしている。第２図も第１図とほぼ同じ測定波形
にな−ているが、頂角が８０°と小さくなったため立ち
上がシの直線部分は、ｒが１．５の付近まで残−ている
など、測定値からは直接には正確な形状の測定ができな
いＲの探針１を用いた測定でも測定値を比較することで
識別することが可能になることを示している。

実施例の如き回折格子に於ては、一般に格子間隔ｄが０
．８から０，７μ編程度になることが多く、又、探針ｌ
の先端半径Ｒは０．１から０．０５程度に作製されるこ
とが多い。従って、これらの比であるｒ（−Ｒ／ｄ）は
０，８から０．０７程度の範囲内になるので比較的正確
に格子の表面構造を測定することができ、微細な変化に
ついても検出が可能になる。

以上で説明した、ＳＴＭの探針１の先端の曲率半径Ｒと
測定する回折格子の格子の間隔ｄと立ち上がり角θの関
連からの、測定できる値を示したのが第１表である。

第１表 探針先端部半径と三角波状回折格子の可測値の関連（回
折格子の頂角φが９０’のとき） 上記でＲは探針先端部半径、ｄは回折格子の溝間隔、θ
は立上り角、φは頂角、θは底角、Ａは立上シ面、Ｂは
立下がシ面。Ｃ以上は探針の移行方向を基準としたもの
。） なお、以上で本発明の特徴であるＳＴＭの探針の先端部
に、測定対象に応じた一定の曲率半径をもたせた半球状
に形成することで、探針の作製も容易にし、取扱いや測
定中に破損することも少なく、かつ、その先端部の半球
形から移動の曲線も滑らかになシ走査も容易で短時間の
測定を可能にするものである。上記のように探針の先端
を半球状にしたことで低下するＳＴＭの分解能はあらか
じめ標準試料によυ作製した校正表によ−て補うもので
ある。従って、実施例の回折格子以外にも測定の対象に
応じた標準試料による校正表を作製しておくことで、本
発明による簡単で短時間にできるＳＴＭの測定が可能に
なる。

なお、実施例の説明では、本発明の主要部を説明したが
、本発明のＳＴＭによる測定に於てもマイクロメータ等
による粗動機構によシ迅速に測定位置合せができる。試
料の表面の汚れや酸化、又は、ガス等の吸着による測定
誤差の発生や、湿度や急激な温度変化、及び、雑音や振
動による誤差発生を防止することなどは、従来のＳＴＭ
による測定と同じである。

〈発明の効果〉 本発明は、従来の極めて微細な原子像の表面パ一定の曲
率半径をもたせた先端の探針にして、探針の作製と、そ
の探針を用いたＳＴＭ測定を容易にし、探針先端の曲率
による測定の分解能低下をあらかじめ作製した校正表に
よ−て補正して目的のＳＴＭ測定像を得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の回路格子のＳＴＭ測定に
おける探針先端の曲率半径の大きさの影響を示す図、第
２図は本発明の第２実施例の回折格喝 子の影響を示す図、第８図はＳＴＭでの測定原理を示す
図、第４図はトンネル電流値の探針と試料間距離依存度
を示す図、第５図は探針の先端部形状を示す電子顕微鏡
図、第６図はＳＴＭによる回折格子測定の一実施例を示
す擬示三次元表示図である。 １・・・探針、　　２・・・試料、　　８，４，５．・
・・圧電素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、使用した探針の先端形状に起因する誤差を含む走査
   型トンネル顕微鏡による測定値を、あらかじめ標準試料
   を前記探針を用いて測定することにより作製した校正図
   により、前記探針を用いた測定値から前記誤差を補正す
   ることを特徴とする走査形トンネル顕微鏡による測定方
   法。