JPH04215007A - 電界イオン顕微鏡および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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子の配列を実空間で
観察する電界イオン顕微鏡および走査型トンネル顕微鏡
に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子分解能を有する走査型トンネル顕微
鏡（以下、ＳＴＭと略称する。）による観察では、用い
る探針チップの先端形状は、原子的レベルでの制御が必
要である。言い換えれば、原子分解能を達成するために
は、探針チップの先端は、原子１個分が突出して他の原
子はトンネル電流に寄与しない構造が要求される。現実
的な構造の１つとして、円錐状に先細りに形成されて、
最終的に原子１個で終端するチップが提供されている。 一方、このようなチップの先端を観察し、また形状を制
御する方法として、電界イオン顕微鏡（以下、ＦＩＭと
略称する。）を使用する技術が知られている。

【０００３】図３は従来のＦＩＭの概略構成を示してい
る。図３において、３０１は観察すべき試料チップ、３
０２は試料チップ３０１に対向して配置された結像スク
リーン、３０３はこれら試料　　チップ３０１および結
像スクリーン３０２を収容する真空槽、３０４は試料チ
ップ３０１と結像スクリーン３０２との間に高電圧を印
加するための高圧電源、３０５は結像ガスを収容する結
像ガスボンベ、３０６は結像ガスボンベ３０５内の結像
ガスを真空槽３０３内に導く配管、３０７および３０８
は配管３０６の途中に設けられた圧力ゲージおよび可変
リークバルブ、３０９は真空槽３０３内の結像ガスを排
気するターボ分子ポンプである。

【０００４】次に上記従来例の動作について説明する。 第３図おいて、結像ガスボンベ３０５に収容された結像
ガス（ヘリウム）は、配管３０６および圧力ゲージ３０
７を通って、可変リークバルブ３０８により真空槽３０
３の内部全体が一様なガス圧力（１０−３Ｐａ程度）に
なるように、ターボ分子ポンプ３０９により排気されな
がら真空槽３０３に供給される。この結像ガス雰囲気中
で試料チップ３０１と結像スクリーン３０２との間に高
圧電源３０４により高電圧を印加し、試料チップ３０１
の先端でイオン化された結像ガスを結像スクリーンに当
てて光らせ、試料チップ３０１の先端の原子配列を観察
する。また、加える電界をより大きくすることにより、
試料チップ３０１の先端形状の加工を電界蒸発により行
なうことができる。

【０００５】一方、図４には、このようなＦＩＭを複合
化したＳＴＭの概略構成が示されている。図４において
、４０１は探針チップ、４０２は探針チップ４０１を保
持してこれをｘ，ｙ，ｚ方向に３次元に走査させる微動
機構および床面からの振動を防ぐ除振機構等を備えたＳ
ＴＭ本体、４０３は測定対象となる試料、４０４は試料
４０３を先端部下部に保持するアーム、４０５はＦＩＭ
の結像スクリーン、４０６はこれらＳＴＭ本体４０２、
アーム４０４、結像スクリーン４０５等を収容する真空
槽、４０７は試料４０３を保持したアーム４０４を探針
チップ４０１の上方位置から側方位置へ選択的に回動退
避させるアーム駆動装置、４０８は結像スクリーン４０
５を探針チップ４０１の上方位置から側方位置へ選択的
に直動退避させるスクリーン駆動装置、４０９は真空槽
４０６内に結像ガスを選択的に供給する結像ガス供給装
置、４１０は真空槽４０６内の結像ガスを排気して選択
的に超高真空にする排気装置である。

【０００６】次に上記従来例の動作について説明する。 図４において、まず初めに、アーム駆動装置４０７によ
りアーム４０４が探針チップ４０１の上方位置から回動
して側方位置に退避し、スクリーン駆動装置４０８によ
り結像スクリーン４０５が探針チップ４０１の上方位置
に配置される。次に、結像ガス供給装置４０９から結像
ガスが真空槽４０６内に供給され、探針チップ４０１に
高電界を加えてその先端部付近の結像ガスをイオン化し
て結像スクリーン４０５に向けて放出する。これにより
、結像スクリーン４０５上に探針チップ４０１の先端の
原子配列が投影され、その投影像を観察する。必要な場
合は、さらに高電界を加えて探針チップ４０１の先端形
状を整える。

【０００７】探針チップ４０１の先端形状が正しく形成
されている場合は、ＦＩＭによる探針チップ４０１の先
端の測定を終了し、結像ガスの供給を止めて、スクリー
ン駆動装置４０８により結像スクリーン４０５を探針チ
ップ４０１の上方位置から側方位置へ直動退避させ、真
空槽４０６内の結像ガスを排気装置４１０により排気す
るとともに１０−８Ｐａ程度の超高真空状態にする。そ
して、アーム駆動装置４０７によりアーム４０４を下方
に回動させてその先端部の試料４０３を探針チップ４０
１の先端に１ｎｍ程度まで近接させる。次に試料４０３
と探針チップ４０１との間にトンネル電流を流しながら
、ＳＴＭ本体４０２内の微動機構により探針チップ４０
１をｘ，ｙ方向に走査するともに、トンネル電流が一定
になるようにｚ方向に微動させて、その制御信号により
試料４０３の表面状態を観察する。

【０００８】このように、ＦＩＭをＳＴＭに複合化する
ことにより、その場で探針チップの加工と評価ができ、
ＦＩＭがない場合や他の真空槽でＦＩＭ加工した探針チ
ップを大気中を移動させて使用する場合に比べて、ＳＴ
Ｍの測定像の高い信頼性を確保することができ、また、
探針チップの評価後、ＳＴＭの測定までの時間および工
程を効率化できる利点がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＦＩＭでは、結像ガスを供給しつつ、かつ排気しながら
真空槽内部全体を１０−３Ｐａ程度の一様な圧力に保持
して測定を行なっていたため、必要以上の多量の結像ガ
スを使用するという問題があった。

【００１０】また、ＦＩＭをＳＴＭと複合化して使用す
る場合、ＳＴＭを動作させるときには真空槽内の結像ガ
スは不要なものであり、逆にＳＴＭによる測定に悪影響
を及ぼす可能性がある。そのため、従来は真空槽から結
像ガスを取り除いた後に、改めて真空槽内を超高真空状
態にしてＳＴＭの測定を行なっていた。

【００１１】しかしがら、真空槽内から結像ガスを排除
し、超高真空を得るためには通常かなりの時間を要する
。その理由としては、ＦＩＭの測定中に、真空槽を低真
空状態に長時間保っていたためである。また、真空槽内
の探針チップ、電極、結像スクリーン等は、接地電位と
電気的に絶縁されていないため、真空槽内の種々の部位
で結像ガスや残留ガス原子がイオン化される。このため
、真空槽中に余分なガスが真空槽内の壁面等から誘起さ
れ、さらに超高真空への回帰が遅れることになる。この
ため、従来においては、ＦＩＭ測定後、ＳＴＭによる超
高真空下における測定に余分な時間を要するという問題
があった。

【００１２】本発明は、このような従来の問題を解決す
るものであり、結像ガスの使用量を減少させることので
きるＦＩＭを提供することを目的とする。

【００１３】本発明の別の目的は、超高真空への回帰を
速く行なうことのできるＦＩＭを備えたＳＴＭを提供す
ることにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によるＦＩＭは、結像ガスを供給するための
ガスノズルを試料チップの先端部に向けて配置して、試
料チップの先端部のみに結像ガスを供給するようにした
ものである。

【００１５】また、本発明によるＳＴＭは、探針チップ
の先端部のみに結像ガスを供給するガスノズルを備えた
ＦＩＭを複合化したものである。

【００１６】本発明はまた、真空槽のガスノズルに対向
する位置に差動排気装置を備えたものである。

【００１７】

【作用】したがって、本発明のＦＩＭによれば、結像ガ
スを試料チップの先端部のみに供給するので、結像ガス
の使用量を減少させることができる。また、本発明のＳ
ＴＭによれば、結像ガスを試料チップの先端部のみに供
給するので、試料チップ以外の部位でのガスのイオン化
による真空槽内壁面からの余分のガスの誘起を抑制する
ことができ、超高真空への回帰を速く行なうことができ
る。

【００１８】さらにまた、真空槽内に供給された結像ガ
スを真空槽中に広がる前に差動排気装置により排気する
ので、排気速度を一層速めることができる。

【００１９】

【実施例】図１は本発明によるＦＩＭの一実施例の概略
構成を示している。図１において、１０１は観察すべき
試料チップであり、水平に配置されている。１０２は試
料チップ１０１に対向して垂直に配置された結像スクリ
ーンである。１０３はこれら試料チップ１０１および結
像スクリーン１０２を収容する真空槽である。１０４は
試料チップ１０１と結像スクリーン１０２との間に高電
圧を印加するための高圧電源である。１０５は結像ガス
を収容する結像ガスボンベ、１０６は結像ガスボンベ１
０５内の結像ガスを真空槽１０３内に導く配管、１０７
および１０８は配管１０６の途中に設けられた圧力ゲー
ジおよび可変リークバルブである。１０９は真空槽１０
３の内部に延びる配管１０７の先端部に設けられた石英
製のガスノズルであり、試料チップ１０１の先端に向け
て配置されている。１１０は真空槽１０３内の結像ガス
を排気するターボ分子ポンプである。

【００２０】次に上記実施例の動作について説明する。 図１においてて、ガスノズル１０９の先端は、料チップ
１０１の先端に向けてその上方約３ｃｍの位置に配置さ
れている。結像ガスボンベ１０５内に収容された結像ガ
ス（ヘリウム）は、配管１０６および圧力ゲージ１０７
を通って、可変リークバルブ１０８により試料チップ１
０１の先端部付近のガス圧力が１０−３Ｐａ程度になる
ように、ターボ分子ポンプ１１０に排気されながら真空
槽１０３に供給される。この結像ガス雰囲気中で試料チ
ップ１０１と結像スクリーン１０２との間に高圧電源１
０４により高電圧を印加し、試料チップ１０１の先端で
イオン化された結像ガスを結像スクリーンに当てて光ら
せ、試料チップ１０１の先端の原子配列を観察する。ま
た、加える電界をより大きくすることにより、試料チッ
プ１０１の先端形状の加工を電界蒸発により行なうこと
ができる。

【００２１】このように、結像ガスを供給するガスノズ
ル１０９を試料チップ１０１の先端部に向けて配置する
ことにより、観察像が得られる結像ガスの量は、従来に
比べて約１００分の１に減少し、動作中の真空度は、約
１桁程度まで改善された。また測定終了後、真空度が１
０−８Ｐａ台になるまでの時間も、従来に比べて約５０
〜６０％程度改善された。

【００２２】図２はこのようなＦＩＭを複合化した本発
明によるＳＴＭの一実施例の概略構成を示している。図
２において、２０１は水平面に対し垂直に上方に向けて
配置されたに探針チップ、２０２は探針チップ２０１を
保持してこれをｘ，ｙ，ｚ方向に３次元に走査させる微
動機構および床面からの振動を防ぐ除振機構等を備えた
ＳＴＭ本体、２０３は測定対象となる試料、２０４は試
料２０３を先端部下部に保持するアーム、２０５は水平
に配置されたＦＩＭの結像スクリーン、２０６はこれら
ＳＴＭ本体２０２、アーム２０４、結像スクリーン２０
５等を収容する真空槽、２０７は試料２０３を保持した
アーム２０４を探針チップ２０１の上方位置から側方位
置へ選択的に回動退避させるアーム駆動装置、２０８は
結像スクリーン２０５を探針チップ２０１の上方位置か
ら側方位置へ選択的に直動退避させるスクリーン駆動装
置、２０９は真空槽２０６内に結像ガスを選択的に供給
する結像ガス供給装置、２１０は真空槽２０６内に結像
ガスを供給するための配管、２１１は真空槽２０６内で
配管２１０の先端部に接続されて、噴出口を探針チップ
２０１の先端に向けて配置された石英製のガスノズル、
２１２はガスノズル２１１の噴出口の方向に対向して配
置された差動排気装置、２１３は差動排気装置２１２に
連続して設けられて、真空槽２０６内の結像ガスを排気
して選択的に超高真空にするターボ分子ポンプ（排気装
置）である。真空槽２０６内に配置されたＳＴＭの部分
をＳＴＭユニットと呼ぶことにする。

【００２３】次に上記実施例の動作について説明する。 図２において、まず初めに、アーム駆動装置２０７によ
りアーム２０４が探針チップ２０１の上方位置から回動
して側方位置に退避し、スクリーン駆動装置２０８によ
り結像スクリーン２０５が探針チップ２０１の上方位置
に配置される。次に、結像ガス供給装置２０９から結像
ガスが配管２１０を通ってガスノズル２１１の噴出口か
ら探針チップ２１０の先端部に供給され、探針チップ２
０１と結像スクリーン２０５との間に高電圧が印加され
る。これにより、探針チップ２０１の先端部付近の結像
ガスがイオン化されて結像スクリーン２０５に向けて放
出され、結像スクリーン２０５上に探針チップ２０１の
先端の原子配列が投影されるので、その投影像を観察す
る。必要な場合は、さらに高電界を加えて探針チップ２
０１の先端形状を整える。この間、ガスノズル２１１か
ら噴出された結像ガスは、差動排気装置２１２を通過し
てターボ分子ポンプ２１３により排気される。

【００２４】探針チップ２０１の先端形状が正しく形成
されている場合は、ＦＩＭによる探針チップ２０１の先
端形状の測定を終了し、結像ガスの供給を止めて、スク
リーン駆動装置２０８により結像スク　　リーン２０５
を探針チップ２０１の上方位置から側方位置へ直動退避
させ、真空槽２０６内の結像ガスを差動排気装置２１２
により吸引してターボ分子ポンプ２１３により排気し、
１０−８Ｐａ程度の超高真空状態にする。そして、アー
ム駆動装置２０７によりアーム２０４を下方に回動させ
てその先端部の試料２０３を探針チップ２０１の先端に
１ｎｍ程度近接させる。次に試料２０３と探針チップ２
０１との間にトンネル電流を流しながら、ＳＴＭ本体２
０２内の微動機構により探針チップ２０１をｘ，ｙ方向
に走査するともに、トンネル電流が一定になるようにｚ
方向に微動させて、その制御信号により試料２０３の表
面状態を観察する。

【００２５】このように、図１に示したＦＩＭをＳＴＭ
に複合化することにより、試料チップ以外の部位でのガ
スのイオン化による真空槽内壁面からの余分のガスの誘
起を抑制することができるので、超高真空への回帰を速
く行なうことができる。

【００２６】また、差動排気装置２１２を使用すること
により、動作時の真空度は約２桁程度改善され、ＦＩＭ
測定終了後に真空度が１０−８Ｐａ台になるまでの時間
も約４０％程改善された。

【００２７】

【発明の効果】以上のように、本発明によるＦＩＭによ
れば、結像ガスを試料チップの先端部のみに供給するこ
とができるので、結像ガスの使用量の減少を図ることが
できる。

【００２８】また、本発明のＳＴＭによれば、結像ガス
を試料チップの先端部のみに供給するので、試料チップ
以外の部位でのガスのイオン化による真空槽内壁面から
の余分のガスの誘起を抑制することができ、超高真空へ
の回帰を速く行なうことができる。

【００２９】さらにまた、真空槽内に供給された結像ガ
スを真空槽中に広がる前に差動排気装置により排気する
ので、排気速度を一層速めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すＦＩＭの概略構成図

【
図２】本発明の別の実施例を示すＦＩＭを複合化したＳ
ＴＭの概略構成図

【図３】従来のＦＩＭの概略構成図

【図４】従来のＦＩＭを複合化したＳＴＭの概略構成図

【符号の説明】

１０１　　試料チップ １０２　　結像スクリーン １０３　　真空槽 １０４　　高圧電源 １０５　　結像ガスボンベ １０６　　配管 １０７　　圧力ゲージ １０８　　可変リークバルブ １０９　　ガスノズル １１０　　ターボ分子ポンプ ２０１　　探針チップ ２０２　　ＳＴＭ本体 ２０３　　試料 ２０４　　アーム ２０５　　結像スクリーン ２０６　　真空槽 ２０７　　アーム駆動装置 ２０８　　スクリーン駆動装置 ２０９　　結像ガス供給装置 ２１０　　配管 ２１１　　ガスノズル ２１２　　差動排気装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　真空槽内に配置された試料チップの先
   端部のみに結像ガスを供給するために、結像ガスを供給
   するためのガスノズルを試料チップの先端部に向けて配
   置したことを特徴とする電界イオン顕微鏡。
2. 【請求項２】　　真空槽のガスノズルに対向する位置に
   差動排気装置を備えた請求項１記載の電界イオン顕微鏡
   。
3. 【請求項３】　　真空槽内に配置された走査型トンネル
   顕微鏡本体と、前記走査型トンネル顕微鏡本体の試料を
   保持したアームを探針チップの上方位置から選択的に退
   避させるアーム駆動装置と、電界イオン顕微鏡の結像ス
   クリーンを前記探針チップの上方位置から選択的に退避
   させるスクリーン駆動装置と、前記真空槽内に結像ガス
   を選択的に供給する結像ガス供給装置と、前記真空槽内
   の結像ガスを排気して選択的に超高真空にする排気装置
   とを備え、前記電界イオン顕微鏡における結像ガスを前
   記探針チップの先端部に向けて配置されたガスノズルか
   ら供給することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
4. 【請求項４】　　真空槽のガスノズルに対向する位置に
   差動排気装置を備えた請求項３記載の走査型トンネル顕
   微鏡。