JPH0340356A - 位置合わせ機能付複合走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

位置合わせ機能付複合走査型トンネル顕微鏡

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JPH0340356A
JPH0340356A JP1174793A JP17479389A JPH0340356A JP H0340356 A JPH0340356 A JP H0340356A JP 1174793 A JP1174793 A JP 1174793A JP 17479389 A JP17479389 A JP 17479389A JP H0340356 A JPH0340356 A JP H0340356A
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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、高倍率で測定領域の狭い測定機器で希望する
任意の場所に測定領域を位置決めするために他の測定８
１器と複合化した装置において、両者の測定位置のズレ
量を求め、補正するための手段を提供するものであり、
具体的には走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）と光学顕微
鏡（光顕）あるいは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等との
複合装置に関するものである。
〔発明の概要〕
本発明は、他の測定手段で位置合わせした部分に正確に
ＳＴＭの探針を導くａ横を有する走査型トンネル顕微鏡
に関するものであり、光顕又はＳＥＭで位置合わせ用標
準試料を観測し、その後、ＳＴＭで同様の試料を観測し
、２つの画像より光軸とＳＴＭの探針の位置関係を求め
る。この場合ＳＴＭは最大でも走査領域が１０〜１２μ
であるため、この画郭内でその位置がＰ！識可能なよう
な特異性のある標準試料が必要になる。ここではこのよ
うな標準試料を内蔵し、両者（光軸とＳＴＭ探針の距Ｍ
）の位置関係を求め、その距離のみ補正し、両方の装置
で同一点の観測を可能にした装置に関する。
〔従来の技術〕
従来の走査型トンネル顕微鏡では、実体顕微鏡等で測定
試料及び探針を斜め上方より観測していた。このように
、試料の観測は斜め」二方より観測しているために試料
全面で焦点が合わず、又実体顕微鏡は最大２００倍程度
と倍率が低いため、試料の観測場所へ１０μ以下の精度
でＳＴＭの探針を導くことは非常に難しかった。従って
ＳＴＭで最大画郭を走査しては、ステージを送り再度Ｓ
ＴＭを走査することを繰り返し、目的とする試料の場所
を検索していた。しかしこの方法は非常に時間がかかり
実用上不具合であった。
〔発明が解決しようとする課題〕
３７Ｍ装置は、横方向分解能で２〜３人、縦方向分解能
で０．１　Å以上の性能が有するが、最大の走査域は１
０〜１２μ程度と狭く、３７Ｍ単独で試料中の特定の位
置を検索するには視野不足である。
従ってより視野の広い顕微鏡との複合化が必要になり、
両者の視野を連続させるために、ＳＴＭの探針位置と顕
微鏡の光軸との関連をつける必要がある。
又ＳＴＭでは、探針は消耗品であり交換が頻繁に行われ
るため、この位置合わせが容易でなければならないとい
う問題点がある。本発明はかかる問題点を解決するため
になされたものであって、装置の中に標準試料を内蔵し
た試料ステージを有し、この標′ｉ＄試［ｌの中心線に
先願の光軸を合わせる機構を有し、またＳＴＭ像を取り
込み、このＳＴＭ像より標ｔ＄試料のどの位置に相当す
るか認識する機構を存し、これらの光軸とＳＴＭ探針の
位置関係を演算し、この量を正確に移動するｇ１横を有
する３７Ｍ装置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〕
本発明が上記の目的を達成するために採用した主たる手
段は下記のとおりである。
即ち、走査型トンネル顕微鏡とそれより視野の広い′Ｊ
Ａ微鏡とを備えた複合走査型トンネル顕微鏡において、
これを構成するステージに載置された位置合わせ用標準
試料と、上記両顕微鏡による標準試料の観測像の位置関
係から両顕微鏡の光軸の相対距離を計算する算出手段と
、上記算出手段の結果に基づいて走査型トンネル”ａｎ
ａ鏡探針のズレ量を演算する演算手段と、上記演算手段
の結果に基づき両顕微鏡の光軸が試料の同一点に来るよ
うにステージを制ｊｎするステージコントローラとから
なる位置合わせ手段を具備していることを特徴とする位
置合わせ機能付複合走査型トンネル顕微鏡。
〔作用〕
この発明による走査型トンネルＳ！Ｉｌ微鏡複合装置で
は、ＳＴＭとそれより視野の広い８微鏡、具体的には先
願あるいはＳＥＭを組合わせ、両者の光軸の相対距離を
容易に知り得る手段を設けたので試料観察時には、試料
に対し予め視野の広い顕微鏡で定めた試料の同一点上に
ＳＴＭの光軸をもってくることが容易である。そのため
、視野の広い先願あるいはＳＥＭで試料の測定すべき位
置を従来の技術に比べ、予め正確に精度よくかつ迅速に
同定出来るため、ＳＴＭの探針の位置決めが容易になっ
た。
〔実施例〕
ここでは、先願とＳＴＭの複合装置に例を取り詳しく説
明する。位置合わせの方法についてはＳＥＭとＳＴＭの
複合装置にも同様に適用可能である。
第１図に装置の実施例を示す、！Ａ置の構成として、測
定ヘッド部は、視野の広い顕微鏡としての光学５ｉｌｌ
、微鏡対物レンズ１とＳＴＭの探針３及び微動素子２を
支持板４で固定し、アーム１２によって、ｘ７．ｙ６．
ｚ５ステージの直上にくるように配置されている。Ｘス
テージは試料をＳＴＭの探針位置又は先願の対物レンズ
光軸位置に移動させるために、移動ストロークが大きく
しである。測定試料８は、脱着可能な試料台９を介して
２ステージ５に取り付けられている。一方、位置合わせ
用標準試料１０　（詳細は第３図参照〉は固定式試料台
１１を介して２ステージ５に取り付けられている。
先願像は、ＣＣＤカメラ１３を介し、クロス力−ソル表
示１％動系１４でクロスカーソル像を先願像に力■算し
、先頭像表示装置１５に表示される。クロスカーソルの
初期位置は通常先頭視野の中央（光軸位置〉にセットす
る。ＳＴＭ像はｘ、　　ｙ走査系（２０゜２１）で走査
しながら２サーボ系１９より形状の高さ信号を取り込み
中央演算処理ａ２２を通してＳＴＭ画像表示装置２３に
表示される。試料の移動は中央演算処１１４９２２より
ステージコントローラー”＋）’＋ｚ　（１６，１７，
１８）を介してステージを駆動して行われる。
この装置による位置合わせの手順については後に後述す
るが、まず、その概略を示すと次のとおりである。位置
合わせは、当初視野の広い装置（先願又はＳＥＭ）で標
準試料１０を観測する。ここでは先願を例にして説明す
る。第３図に示すパターンの中心線にクロスカーソル又
は視野の中心を合わせておく。
この時のｘ、ｙステージの座標を（ｘｏ、ｙ＋）とする
０次にＸステージを移動させ探針３が上記ノ〈ターンの
中心線の上にくるはずの距離（ＸＬ　）移動さ一仕るが
、実際は探針３の油かり、取り付は誤差等で±２μの請
度で位置することはない、探針３の位置を同定するため
には実際にＳＴＭ像を取り込み、その像が標準試料１０
のどの位置か、すなわちパターン中心からの座標（ｘｔ
、ｙｓ）を求める。従って先願のクロスカーソルとＳＴ
Ｍの探針間の補正量はΔ）ｉｗ）（、＋ｘ、、ΔＶ＝Ｙ
ｓとして求まる０次に測定試料８を先願で観測し、測定
場所を上記クロスカーソルに一致させる。ステージを上
記補正量ΔＸ、Δｙ移動させてＳＴＭの測定を行うこと
により、先願で指定した場所をｓ　′ｒＭで連続的に観
測できる。
次に各手順を第２図に示すフローチャートをもとに詳し
く説明する６手順ｌで探針を交換するＳＴＭでは探針３
は、消耗品のため探針交換のごとに探針先端と先願のク
ロスカーソル位置の関係を求める必要がある。現状では
探針３ごとの位置のバラツキは０．２〜０．３■程度で
ある。ここで、標準試料について説明する。第３図はそ
の例で標準試料は、中央を縦横に走る中心線であり、こ
れにより４つの象限に分割されている。そして、各象限
には、ｌＯμＸＩＯμの井げた（セル）があり、その中
に２文字の英数字が書かれ、これらはパターン内の座標
を示している。　１０μＸＩＯμの大きさはＳＴＭの最
大画郭が１２μ程度のためである。各数字は１．２μル
ールで作られているため第４図ｆａｔに示す２０ケの英
数字を使用した。パターンのエリアを大きく確保するた
めに第４図（ｂｌに示すように英数字の文字（ここでは
、説明の便宜上数字の３を用いた）は第１象限では正立
の凸、第２象限では、９０回転した凸、第３象限では正
立の凹、第４象限では９０″′回転した凹を使用した。
第５図（ａｌに別のパターン例を示す、これは座標の数
字を２進法のビットにおきかえたもので第５図（ｂｌに
示すルールを一例とした方法で示したものである。この
パターンは、パターン認識が中央演算処理機で容易にで
きる長所をもち、又、情報密度が高いため、現状では６
４０　μ口のパターンを構成できる。
フローチャー）２，３．４によってこのパターンの中心
線に先願のクロスカーソルを正石′僅に（±０゜５μ）
程度で一致させ、その時のステージの座標（ｘ＠、ｙｅ
）を中央演算処理機に記憶させる０次に手順５によりＸ
ステージをＸＬ　　（光学顕微鏡光軸とＳＴＭ探針中心
までの設計距離）だけ移動し、次に２ステージを低速で
トンネル領域へ送る０手順６では、ＳＴＭを１０〜１２
μのｉｉ！ｉｉ郭で一画面走査し、ＳＴＭの画像を取り
込む０手順７では、この画像にローパスの空間フィルタ
ーを演算し、次にＳＴＭの微動素子（ピエゾ素子）２の
非直線性補正係数を画像にｌ１ｊｉｉ算し、３７Ｍ画像
の歪を除去する。この補正係数は各ピエゾ素子ごとにラ
ンプ関数状の入力を印加してその時の変位量との関係（
第６図）を求め、この曲線を２次曲線の最小二乗近似す
ることにより補正係数を求めている０手順８では、前述
の井ゲタのセルが第７図ｆａ）のようにＳＴＭ画像表示
装置の画郭の内にあるか判断する。これは、井ゲタのテ
ンプレート（ソフト的に製作したパターン）が上記画郭
内にある井ゲタ像と一致するかで判断する。手順９．１
０は第７図Ｃｂ）に示すように井ゲタのＳＴＭ像が画郭
内にない場合、井ゲタの像が前記表示装置の画郭内に入
るようにステージを微小移動を行う。移動距離は第７図
１ｂ）に示すようにＳＴＭ像の井ゲタの４つの角のうち
、もともと本来あるべき所（破線で示す）に近い距離ｅ
だけ移動する。この時の移動は、２ステージを動かし、
トンネル領域よりはずした後、ｘ、　　ｙステージを移
動させるか、ＳＴＭ’ｄ動素子の２軸に電圧を印加して
、ｚ軸を引き上げた後Ｘ。
ｙステージを移動さセても良いが、後者の方法の方が２
ステージ移動にともなうｘ、ｙ方向の誤差が入らず正確
である。ここでの移動量（△ｘｌ、△ｙ＋）はそれぞれ
５〜６μ以下である０手順１１では、前記表示装置の画
郭内の座標を読み取る。このためには、ＳＴＭの画像を
適当な高さのスレソショールドにより二値化し、第４図
ｔａｌに示した英数字のテンプレートとの一致により、
３７Ｍ画像の英数字を認識する。又、第５図１ａ）に示
したビットパターンの場合は、テンプレートとの一致が
容易にできる長所を持つ、ここでパターンの座標（ｘｓ
、ｙｓ）を中央演算処理機に記録させる０手順１２では
、上記表示装置の中心と井ゲタの中心とのズレ量である
（ΔＸｚ、ｙ２）（第７図ｔｅｌに示す）を求める０手
順１３では △ｘ＝ｘ、＋ｘ、＋△ｘ１　＋Δｘ２ △Ｙ＝Ｙｓ　＋Δｙ、＋△ｙ２ により先頭のクロスカーソル位置と５７Ｍ探針のズレ量
を演算し記憶する。手順１４．１５では実際の測定サン
プルをセントして測定する領域に先頭のクロスカーソル
を合わせその時の座［（ｘ＋、ｙ＋）を記憶する０手順
１６．１７では（ｘ＋　　＋△ｘ、ｙ。
十△ｙ）になるようにステージを移動させＳＴＭにて測
定する。別の方法としては測定試料セット後、第２図（
Ｂ）に示すように先頭のクロスカーソルを前記ズレ量Δ
Ｘ、Δｙに相当するだけ移動し、先頭の視野内にＳＴＭ
の探針位置を表示しても同様の効果が得られる。第８図
に他の実施例を示す、測定ユニット部の先頭のレボルバ
一部２４にＳＴＭの微動素子２を組み入れた構成である
ため、対物レンズを交換して試料の観察を低倍率から高
倍率へ３７Ｍ測定へと連続的に行える。又、第１図に示
すＸステージで一軸移動していた機構は不要になる。又
、光顕像はＣＣＤカメラ１３を介してアナログデジタル
変換器２５によってデジタル画像に変換され中央演算処
理部２２に蓄積される。この画像と３７Ｍ画像（第２図
のフローチャート手順７）を比較すれば、先頭と５７Ｍ
探針のずれ量は直接求めることが可能になる。この場合
、前述のフローチャート手順３．４は光顕像の取り込み
に置き変わる。従って第８図の構成は、第１図の構成に
比較してより簡単になる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本装置は広い領域を先頭又はＳＥ
Ｍで観測し観測域の同定を行い、その場所に正確にＳＴ
Ｍの走査域を重ねることができ、一つの試料を倍率を変
えて数１０倍〜数百万倍で観測できる。又、従来はとん
ど不可能であった観測試料の特定の場所へ４μ以下の精
度で容易にＳＴＭの探針を導きＳＴＭの画像４１す定が
可能になった。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１実施例を示す図、第２図は第１図
の実施例における位置合わせフローチャートを示す図、
第３図は本発明に使用する標準試料の例を示す図、第４
図は第３図における英数字パターン及び象限の区別法を
示す図、第５図は本発明に使用する別の標準試料でビッ
トパターン標準サンプル（中心部分〉及びビットづけル
ールを説明する図、第６図は３７Ｍ微動素子、印加電圧
と変位の関係を示す図、第７図はＳＴＭ像の表示例を説
明する図、第８図は本発明の第２実施例を示す図である
。 先頭対物レンズ ３７Ｍ微動素子 探針 支持板 ２ステージ ｙステージ Ｘステージ 測定試料 ９　・ １０・ １１・ １２・ １３・ １４・ １５・ １６・ １７・ １Ｂ・ １９・ ２０・ ２１・ ２２・ ２３・ ２４・ ２５・ ２６・ ・脱着式試料台 ・位置合わせ用標堆試料 ・固定式試料台 ・支持アーム ・ＣＯＤカメラ ・クロスカーソル表示移動系 ・先願像表示装置 ・ステージコントローラ２ ・ステージコントローラｙ ・ステージコントローラＸ ・２サーボ系 ・Ｘ走査系 ・ｙ走査系 ・中央演算処理機 ・ＳＴＭ画像表示装置 ・先頭レボルバー ・アナログデジタル変換器 ・画像表示装置 ＆ｔλト江フロー→に一ト ＳＴＭ至虜高暮寛用末寥 第 図（ａ） 第 図（ｂ） 丁 甲１℃譚 第 図（ａ） 第 ｙＪ（ｂ） 第 ８ 図 手 続 ネ甫 正 書（方式） ％式％ ２、発明の名称 位置合わせ機能付複合走査型トンネル顕微鏡３、補正を
する者 事件との関係　特許出願人 東京都圧東区亀戸６丁目３１番１号 （２３２）セイコー電子工業株式会社 代表取締役　　原　禮之助 ４、代理人 ５、補正命令の日付 平成　１年１０月３１日 ６、補正の対象 （発送Ｉ３）

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 走査型トンネル顕微鏡とそれより視野の広い顕微鏡とを
    備えた複合走査型トンネル顕微鏡において、これを構成
    するステージに載置された位置合わせ用標準試料と、上
    記両顕微鏡による標準試料の観測像の位置関係から両顕
    微鏡の光軸の相対距離を計算する算出手段と、上記算出
    手段の結果に基づいて走査型トンネル顕微鏡探針のズレ
    量を演算する演算手段と、上記演算手段の結果に基づき
    両顕微鏡の光軸が試料の同一点に来るようにステージを
    制御するステージコントローラとからなる位置合わせ手
    段を具備していることを特徴とする位置合わせ機能付複
    合走査型トンネル顕微鏡。
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