JPH04128602A - 走査型トンネル顕微鏡の探針位置調整方法 - 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】

本発明は、トンネル電流を利用して試料表面の凹凸を観
察する走査型トンネル顕微鏡に関するもので、特に、観
察しようとする試料の被観察領域にトンネル顕微鏡の探
針を位置させるための探針位置調整方法に関するもので
ある。

【従来の技術】

先端が１μｍ　（マイクロメートル）程度に細く研磨さ
れたタングステン等の多結晶体の金属探針を、洗浄され
たシリコン結晶等の試料表面にｌｎｍ（ナノメートル）
程度にまで近付け、その探針と試料との間に数ミリボル
ドから数ホルトのバイアス電圧を加えると、その間には
トンネル電流が流れる。このトンネル電流の大きさは探
針と試料との間の間隔に大きく依存し、その間隔の大き
さに対して指数関数的に変化する。したがって、探針を
試料表面に沿ってＸ軸方向及びＹ軸方向に２次元的に走
査させながら、その探針と試料との間に流れるトンネル
電流か一定に保たれるように探針のＺ軸方向位置を制御
し、その制御信号を検出して画像処理するようにすれば
、その制御信号から試料表面の３次元画像を得ることが
できる。 走査型トンネル顕微鏡（以下、ＳＴＭという）はこのよ
うな原理に基づくもので、実空間で原子レヘルの分解能
を有し、しかも、超高真空中から大気中、更には液体中
までの極めて広い環境下で使用可能なことから、最近特
に注目されるようになってきている。特に垂直方向、す
なわちＺ軸方向の分解能は０．０１ｎｍ以下と著しく高
く、試料表面の凹凸の深さ方向の計測が簡単にできるの
で、表面粗さ計として有用であり、この点が他の顕微鏡
にはないＳＴＭの最大の特徴となっている。 ところで、ＳＴＭは走査領域が小さい。そのために、Ｓ
ＴＭによる観察では、試料上の極めて限られた領域しか
し察することができない。 表面が原子レベルでフラットで、しかも−様な試料を観
察する場合には、被観察領域をさ（よど限定する必要も
ないので、そのし察も比較的容易であるが、一般に試料
は表面が一様でなく、凹凸のあるものが多い。したがっ
て、ＳＴＭにより試料を観察しようとするときには、あ
らかじめ試料上の観察したい領域を選定し、ＳＴＭの探
針をその被観察領域に正確に位置させることが必要とな
る。 しかしながら、上述のようにＳＴＭにより歓察し得る領
域は小さいので、ＳＴＭによって試料上の特定の被観察
領域を選択することは極めて難しい。そのために、ＳＴ
Ｍ単独では、試料を観察することも容易ではない。 そこで、光学顕微鏡あるいは走査型電子顕微鏡（以下、
ＳＥＭという）を併用して、それらによってＳＴＭの探
針及び試料表面を同時に観察しながら、ＳＴＭにより観
察するべき試料上の被観察領域を選択し、その被観察領
域にＳＴＭの探針を移動させるということが考えられて
いる。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、光学顕微鏡の分解能はＳＴＭの走査領域
に比べて差が大きいので、光学顕微鏡による観察では、
ＳＴＭの探針を試料表面上の被観察領域に正確に位置さ
せることは難しい。 一方、ＳＥＭによってＳＴＭの探針の位置決めをする場
合には、ＳＥＭの試料室内にＳＴＭの探針走査機構を組
み込み、ＳＥＭによってＳＴＭの探針の先端と試料表面
とを同時に観察することになるが、そのためには、ＳＴ
Ｍの探針走査機構がＳＥＭによるし察の障害となること
のないように、試料表面、したがってＳＥＭの試料位置
調整装置を、そのＳＥＭの電子線光軸に対して４５″傾
斜させることが必要となる。 そして、そのようにＳＥＭの試料位置調整装置を傾斜さ
せると、ＳＥＭの対物レンズから試料表面までの作動距
離、すなわちワーキングデイスタンスが長くなるので、
ＳＥＭの分解能が低下して、高倍率での鮮明なＳＥＭ像
によるＳＴＭ探針及び試料表面の観察が不可能となる。 また、そのように試料を傾斜させて観察するものでは、
ＳＥＭによる観察位置とＳＴＭの探針が対向する試料面
上の位置との間にずれが生じることは避けられない。更
に、ＳＥＭによってＳＴＭ探針先端の高倍率像を得よう
とすると、その電子線のために、探針の先端が破損する
こともある。 本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであっ
て、その目的は、高倍率で鮮明な像によって試料表面上
のＳＴＭ走査領域を選択し、その同じ領域をＳＴＭによ
って観察することができるようにするための探針位置調
整方法を得ることである。

【課題を解決するための手段】

この目的を達成するために、本発明では、ＳＴＭの探針
を、ＳＥＭの電子線光軸上に位置するようにしてＳＥＭ
の試料室内に組み込むとともに、その探針を水平方向に
大きく移動させ得る探針位置制御機構を設けておき、ま
ず、その探針位置制御機構によってＳＴＭの探針なＳＥ
Ｍの光軸上から離れた位置に移動させて、ＳＥＭにより
試料の表面を観察し、ＳＴＭによって観察するべき被観
察領域を選定して、その領域をＳＥＭの光軸上に位置さ
せた後、その光軸上にＳＴＭの探針を戻すようにしてい
る。 ＳＥＭの光軸上にＳＴＭの探針を戻すためには、例えば
ＳＥＭによってその探針の上端面を観測し、そのイメー
ジ信号から探針位置を求めて、サーボ制御によって探針
を移動させるようにすればよい。その場合、ＳＥＭの低
倍率像によって探針位置を粗調整した後、高倍率像によ
って微調整するようにすることもできる。

【作用】

このように、ＳＴＭの探針をＳＥＭの光軸上から離れた
位置に移動させることにより、試料の上方に障害物が存
在しなくなるので、その上方に設置されたＳＥＭの対物
レンズによって試料を観察することが可能となる。した
がって、ＳＥＭの試料位置調整装置を傾ける必要がなく
なり、ワーキングデイスタンスを短くすることができる
。その結果、試料の高倍率で鮮明なＳＥＭ像を得ること
ができるようになり、ＳＴＭによる被観察領域を選定す
ることが容易となる。 そして、ＳＴＭの探針をＳＥＭの光軸上に戻すことによ
り、ＳＥＭで観察した試料上の位置にその探針が移動す
ることになり、同一領域がＳＴＭによって観察されるよ
うになる。その場合、ＳＥＭ像によって探針の上端面を
観測すれば、そのイメージ信号をＳＥＭのＸ−Ｙ走査信
号で処理することによって探針位置を求めることができ
る。したがって、その探針位置に基づいてサーボ制御す
るようにすれば、ＳＴＭの探針は自動的にＳＥＭの光軸
上に正確に位置することになる。

【実施例】

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。 図中、第１図は本発明による探針位置調整方法が適用さ
れるＳＴＭの一例を、ＳＥＭの試料室に組み込んだ状態
で示す切り欠き側面図であり、第２．３図はその方法を
実施するときの状態を示す説明図である。また、第４．
５図はその方法を実施するときに観察されるＳＥＭ像を
示す説明図である。 第１図から明らかなように、ＳＥＭの試料室の上方には
、ＳＥＭの対物レンズ１が設けられている。その対物レ
ンズ１は、ＳＥＭの電子線光軸２が上下方向、すなわち
Ｚ軸方向となるように配置されている。また、試料室の
下部には、その対物レンズ１に対向する位置に、可動ベ
ース３が設けられている。その可動ベース３は、ＳＥＭ
の試料位置調整装置４によって、光軸２に直交する水平
面、すなわちＸ−Ｙ平面内で移動されるようになってい
る。 可動ベース３上には、円筒状の固定ガイド５とその内部
に収容される移動体６とからなる試料昇降機構７が設置
されている。そのガイド５は、その軸線がＺ軸方向、す
なわち上下方向に向かうようにして、可動ベース３上に
固定されている。移動体６は数個の圧電素子からなるも
ので、尺取り虫式に運動することによりガイド５に沿っ
て上下方向に移動するようにされている。その移動体６
の上端には試料台８が設けられ、その試料台８上に観察
試料９が載置されるようになっている。 こうして、試料９は、ＳＥＭの試料位置調整装置４によ
ってＸ−Ｙ平面内で移動され、試料■降機構７によって
２軸方向に移動されるようになっている。 対物レンズ１と試料９との間には、ＳＴＭの探針１０が
配置されている。その探針１０は、探針走査磯ｆ！１１
に設けられた側方に突出するアーム１２の先端に取り付
けられている。その場合、探針】Ｏの軸線がＺ軸方向と
なり、その」１端面が対物レンズｌに対して露出するよ
うにされている。探針走査機構１１は、詳細には図示さ
れていないが、Ｘ軸方向に伸縮するＸ軸圧型素子とＹ軸
方向に伸縮するＹ軸圧型素子とからなるもので、それら
の圧電素子がＳＴＭのＸ−Ｙ走査信号によって駆動され
、その運動がアーム１２を介して伝えられることによっ
て、探針１０がＸ−Ｙ平面内で走査されるようになって
いる。 この探針走査機構１１は、可動ベース３上に立設された
支柱１３の上端に設置されている。 また、その支柱１３上には、ＳＥＭの光軸２に直交する
水平面、すなわちＸ−Ｙ平面内で探針１０を移動させる
探針位置制御機構１４が設けられている。その探針位置
制御機構１４は圧電素子の伸縮をレバーによって拡大し
てアーム１２に伝えるようにしたもので、それによって
、探針１０が比較的大きく移動されるようになっている
。 ＳＴＭの探針１０は、この探針位置制御機構１４により
、第２図に示されているＳＥＭの光軸２から離れた位置
と、第３図に示されているＳＥＭの光軸２上にある位置
との間で移動されるようになっている。 このようにして、試料９は、ＳＥＭとＳＴＭとのいずれ
によっても観察されるようになっている。そして、ＳＴ
Ｍの探針１０がＳＥＭの光軸２の近くにあるときには、
ＳＥＭによって低倍率で観察すると、第４図に示されて
いるように、ＣＲＴ画面１５　Ｌ：、に、探針１０の上
端面の画像が試料９の表面とともに表示されるようにな
っている。ＳＥＭの光軸２は、そのＣＲＴ画面１５の中
心に一致するようにされている。 第４図に示されているように、探針１０の上端面には、
その探針１０の先端に対応する位置、すなわちその中心
に、十文字形のマーカー１６が付されている。そのマー
カー１６は、ＳＥＭによって高倍率で観察したときには
、第５図に示されているように画面１５全体に拡大され
るようになっている。 次に、このようにＳＥＭに組み込まれたＳＴＭにより試
料９を観察する手順について説明する。 試料９を観察するときには、まず、試料昇降機構７の移
動体６を下降させ、試料台８上に試料９をセットする。 次いで、その移動体６を上昇させ、ＳＥＭによって観察
し得る高さ範囲に試料９を位置させる９ このとき、ＳＴＭの探針１０は、探針位置制御機構１４
により、第２図に示されているように、ＳＥＭの光軸２
から離れた位置に移動させておく。そして、その状態で
、ＳＥＭの試料位置調整装置４により試料９をＸ−Ｙ平
面内で移動させながら、ＳＥＭによって試料９を観察し
、ＳＴＭによる観察が求められる試料９上の被観察領域
を選択する。 このようにして、試料９の位置を調整しながら被観察領
域を選定し、ＳＥＭの試料位置調整装Ｎ４によりその領
域をＣＲＴ画面１５の中心に位置させる。すると、その
被観察領域はＳＥＭの光軸２上に位置することになる。 その場合、ＳＥＭの低倍率像によってまず試料９の位置
を粗調整し、次いで高倍率像によって微調整するように
することが望ましい。そのようにすれば、試料９を広範
囲にわたって観察することができるとともに、被観察領
域の位置調整を正確かつ容易に行うことができる。 次いで、探針位置制御機構１４によって、探針１０をＳ
ＥＭの光軸２側へ移動させる。このとき、ＳＥＭのＣＲ
７画面１５には低倍率の画像が表示されるようにしてお
く。探針１０がＳＥＭの視野範囲に入ると、その探針１
０の上端面がＣＲＴ画面１５上に表示される。そこで、
その探針１０の上端面に付されているマーカー１６を見
ながら、探針位置制御機構１４により、そのマーカー１
６が画面１５の中心に移動するように探針１０の位置を
調整する。 こうして、第４図に示されているように、探針１０が低
倍率像を表示した画面１５の中心位置に達すると、次に
、ＳＥＭを高倍率に切り換える。そして、ＣＲ７画面１
５に表示されたマーカー１６の拡大画像を見ながら、そ
のマーカー１６の中心が画面１５の中心に移動するよう
に探針１０の位置を微調整する。このようにして、第５
図に示されているように、マーカー１６の拡大画像の中
心と画面１５の中心とを一致させる。 この状態では、第３図に示されているように、ＳＴＭの
探針１０はＳＥＭの光軸２上に正確に位置することにな
る。したがって、その位置でＳＴＭの探針走査機構１１
によって探針１０を走査させ、トンネル電流を検出して
その制御信号等を画像処理すれば、ＳＥＭ画像によって
選定した試料９の被観察領域の拡大ＳＴＭ画像が得られ
ることになる。 このように、この探針位置調整方法によれば、ＳＴＭの
探針１０をＳＥＭの光軸２上から離れた位置に移動させ
た状態で、ＳＥＭによって試料９を観察するようにして
いるので、試料９を真上から観察することができる。し
たがって、ＳＥＭの対物レンズ１を試料９に近付けるこ
とができ、高倍率でより鮮明なＳＥＭ像によって試料９
の被観察領域を選択することができる。しかも、ＳＥＭ
の電子線によって探針１０の先端が損傷することもない
。そして、ＳＴＭの探針１０をＳＥＭの光軸２上に戻し
た状態でＳＴＭＩＩ！察をするようにしているので、Ｓ
ＥＭ像によって選択した試料９の被観察領域にＳＴＭの
探針１０を正確に位置させることができる。したがって
、ＳＥＭ像と同一領域のＳＴＭ像を得ることができる。 ところで、上記説明では、ＳＴＭの探針１０をＳＥＭの
光軸２上に戻す位置調整を手動によって行うものとして
いるが、その位置調整は、容易に自動化することができ
る。 第６図は、そのように探針位置調整を自動化する場合の
制御回路を示すブロック図である。 この図に示されているように、ＳＥＭ１７には、対物レ
ンズ１が発生する電子線をＸ−Ｙ平面内で走査させるＸ
−Ｙ走査信号発生器１８と、試料９から放出される二次
電子を検出する二次電子検出器１９とが設けられている
。これら走査信号発生器１８及び二次電子検出器１９か
らの信号は、画像処理装置であるイメージ信号発生器２
０に送られ、画像処理された後、ＣＲ７画面１５に画像
として表示されるようになっている。 探針位置制御機構１４を駆動する探針位置制御回路２１
にはマーカー信号検出器２２が設けられており、そのマ
ーカー信号検出器２２に、イメージ信号発生器２０から
のイメージ信号が送られるようになっている。そのマー
カー信号検出器２２は、イメージ信号中から探針１０の
上端面に付されたマーカー１６の中心を表す信号を検出
するもので、そのマーカー信号が演算器２３に送られる
ようになっている。 演算器２３においては、ＳＥ、Ｍ１７のＸ−Ｙ走査信号
発生器１８からのＸ−Ｙ走査信号とマーカー信号検出器
２２からのマーカー信号とに基づいて、探針１０のＳＥ
Ｍ光軸２に対する位置、すなわちＣＲ７画面１５の中心
に対する位置が算出される。Ｘ−Ｙ走査信号は、例えば
Ｘ走査信号に同期して分周したクロック信号及びＹ方向
の走査線数信号である。したがって、そのＸ−Ｙ走査信
号とマーカー信号とによっで、ｘ−Ｙ平面」二における
マーカー１６の中心位置が求められ、その位置とＣＲＴ
画面１５の中心位置との差から探針１０の位置が算出さ
れる。 そし２で、その差信号が探針移動信号発生器２４に送ら
れ、その信号発生器２４からの制御信号により、探針１
０がＳＥＭ光軸２上、すなわちＣＲＴ画面１５の中心に
移動するように探針位置制御機構１４が駆動される。 探針位置制御機構１４によって探針１０が移動すると、
それがＳＥＭ１７の二次電子検出器１９によって検出さ
れ、その信号に基づいてイメージ信号発生器２０により
イメージ信号が形成される。 このようにして、探針１０はサーボ制御によって移動さ
れるようになり、正確にＳＥＭ光軸２上に位置するよう
になる。 第７図は、このような制御回路による制御動作を示すフ
ローチャートである。 当初、Ｓ　ｉ”　Ｍ　（７）探針１０はＳＥＭ（７）光
軸２上から離れた位置にある。 ＳＦＭによって試料９を観察し、その試料９のＳＴＭに
よる被観察領域を選定すると、スタートスイッチを押す
。それによって、この制御が開始される。 制御がスタートすると、まず、探針位置制御機構１４に
よって探針１０か移動される。そして、ＳＥＭ像が観察
される。すなわち、イメージ信号発生器２０からマーカ
ー信号検出器２２に信号が送られる。したがって、その
ＳＥＭ像の中から探針ｌＯの上端面に付されたマーカー
１６の画像信号が検出される。すなわち、探針画像が検
出される。 次いで、その探針画像信号とＳＥＭのＸ−）′走査信号
とが演算され、探針１０の位置が求められる。そして、
その探針位置とＳＥＭの光軸２の位置、すなわちＣＲＴ
画面１５の中心との比較がなされる。探針１０かＳＥＭ
光軸２−トにないときには、再び探針位置制御機構１４
によって探針１０の移動が行われ、同様の制御動作が繰
り返される。 こうして、探針１０がＳＥＭの光軸２上に達すると、探
針１０はその位置で保持される。 このように、この制御回路によれば、探針１０は自動的
にＳＥＭの電子線光軸２上に正確に戻される。 なお、上記実施例においては、ＳＴＭの探針１、　Ｏを
ＳＥＭによって観察しながらＳＥＭの光軸２上に戻すも
のとしているが、探針位置制御機構１４によって移動さ
れる探針１０の位置をあらかじめ正確に定めておけば、
その位置調整時におけるＳＥＭ観察を省略することもで
きる。

【発明の効果】

以Ｆの説明から明らかなように、本発明によれば、ＳＥ
Ｍの電子線光軸上に配置されたＳＴＭの探針を一旦ＳＥ
Ｍ光軸から離れた位置に移動させ、ＳＥＭによって試料
を観察してその被観察領域を選択するようにしているの
で、障害物のない状態でＳＥＭにより試料を真上から観
察することができる。したがって、ＳＥＸの対物レンズ
を試料に近付けることができ、高倍率で鮮明な像により
被観察領域を選定することができる。 そして、その被観察領域をＳＥＭの光軸」−に位置させ
た状態でＳＴＭの探針をその先軸士に戻すようにしてい
るので、ＳＥＭによって選定した被観察領域と同一の領
域をＳＴＭによって正確にし察することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による探針位置調整方法が適用される
走査型トンネル顕微鏡を、走査型電子顕微鏡に組み込ん
だ状態で示す切り欠き側面図、 第２．３図は、その探針位置調整方法の実施状態を示す
説明図、 第４．５図は、その調整方法を実施するときに観察され
る電子顕微鏡のＣＲＴ画像を示す説明図、 第６図は、その探針位置調整方法を自動化するための制
御回路を示すブロック図、 第７図は、その制御回路による制御動作を示すフローチ
ャートである。 ｌ・・・走査型電子顕微鏡の対物レンズ２・・・電子線
光軸 ４・・・試料位置調整装置 ８・・・試料台　　　　　　９・・・試料１０・・・探
針　　　　　　１１・・・探針走査機構１４・・・探針
位置制御機構 １５・・・ＣＲＴ画面　　　１６・・・マーカー１８・
・・Ｘ−Ｙ走査信号発生器 ２０・・・イメージ信号発生器 ２１・・・探針位置制御回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）走査型トンネル顕微鏡の探針を、その軸線が走査
   型電子顕微鏡の電子線光軸上に位置するようにして、走
   査型電子顕微鏡の試料室内に組み込むとともに、その探
   針を前記電子顕微鏡の光軸に直交する面内で大きく移動
   させ得る探針位置制御機構を設けておき、 その探針位置制御機構により前記トンネル顕微鏡の探針
   を前記電子顕微鏡の光軸上から離れた位置に移動させた
   後、その電子顕微鏡により試料を観察して、前記トンネ
   ル顕微鏡によって観察しようとする前記試料の被観察領
   域を前記電子顕微鏡の光軸上に位置させ、 その状態で、前記トンネル顕微鏡の探針を前記探針位置
   制御機構により前記電子顕微鏡の光軸上に戻すことを特
   徴とする、 走査型トンネル顕微鏡の探針位置調整方法。
2. （２）前記トンネル顕微鏡の探針の上端面にマーカーを
   付けておき、その探針を前記電子顕微鏡の光軸上に戻す
   とき、前記電子顕微鏡によってそのマーカーを観察し、
   その電子顕微鏡の低倍率像によって前記トンネル顕微鏡
   の探針が前記電子顕微鏡の光軸上に位置するようにその
   探針の位置を粗調整した後、その電子顕微鏡の高倍率像
   によってその探針の位置を微調整することを特徴とする
   、 請求項１記載の探針位置調整方法。
3. （３）前記電子顕微鏡によって前記トンネル顕微鏡の探
   針の上端面を観測し、そのイメージ信号から探針位置を
   求めて、サーボ制御しながらその探針を前記電子顕微鏡
   の光軸上に戻すことを特徴とする、 請求項１記載の探針位置調整方法。