JPH0447654A - 表面顕微鏡 - 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】

［産業上の利用分野） 本発明は、探針と試料とを接近して発生する原子間力、
磁気力およびトンネル電流または電子線あるいはイオン
線を利用した顕微鏡装置に係り。 特に、特定の場所を視野選択して試料の表面形態と物性
的性質、磁気的性質、絶縁膜の厚さや性質の情報を得る
のに好適な原子開力顕微鏡、表面界面顕微鏡、磁気力顕
微鏡および走査型トンネル顕微鏡と走査電子顕微鏡との
複合化装置もしくはその類似装置に関する。 ［従来の技術］ 従来、走査型トンネル顕微鏡等と走査型電子顕微鏡との
複合化に関しては、レビュー　オブ　サイエンティフィ
ック　インスツルメント　５７（１一 ９８６年）第２２１頁から第２２４頁において論じられ
ている。

【発明が解決しようとする課題】

上記従来技術で使用しているＳＥＭではスペースを多く
取ったり、ＳＴＭの機構系にプラスしてＳＥＭ用試料移
動機構系やＳＥＭ用真空系が更に必要となる。 このためＳＴＭ、ＡＦＭ等との複合化が容易とならず、
装置が大型化、複雑化、更には振動対策が難しくなる。 即ち、容易にＳＴＭ等とＳＥＭとが複合化でき、どちら
も性能を落さない表面顕微鏡の開発が重要である。 本発明の目的は、ＳＴＭ等の近視野顕微鏡とＳＥＭ等に
見られるような電子線あるいはイオン線を用いた超小型
顕微鏡とを容易に複合化できる表面顕微鏡を提供するこ
とにある。

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、本発明においては容易にハ
ンドリングできる寸法の小さい小型鏡筒をもつ電子線あ
るいはイオン線を用いた顕微鏡の採用、該顕微鏡の鏡筒
を３次元移動あるいは傾斜できるような移動機構の設置
、及び該顕微鏡の真空排気系を近視野顕微鏡の真空排気
系で共用することを特徴としている。 ［作用］ 本発明の作用について、以下に述べる。既存のＳＴＭ、
ＡＦＭ等に電子線あるいはイオン線を用いた顕微鏡を複
合化する場合、既存の電子線あるいはイオン線を用いた
顕微鏡では鉛直に該顕微鏡の鏡筒を該ＳＴＭ等に設置し
、電子線あるいはイオン線での観察のために該ＳＴＭ等
の本体を該鏡筒に対してＸＹＺあるいはθ軸の移動機構
を設ける必要がある。 これは顕微鏡の改造として極めて大がかりであり、高価
となる。この欠点を解決するため、容易に取扱ができる
小型の電子線あるいはイオン線を用いた顕微鏡鏡筒を採
用し、試料に対する該鏡筒の相対位置あるいは角度の変
更のための鏡筒移動機構と該鏡筒とを有するフランジを
高真空排気系を有する近視野顕微鏡にアタッチメントと
して任意の角度で設置することにより、容易に近視野顕
微鏡の視野選択の高精度化、電子線あるいはイオン線で
の試料の観察評価、及び近視野顕微鏡では不可能なプロ
ーブの制御、アライメント及びプローブの評価が実行で
きる。 ［実施例］ 以下１本発明の実施例を第１〜５図により説明する。 第１図は本発明の基本構成を説明する図であり、ＳＴＭ
　（走査型トンネル顕微鏡）を用いたＡＦＭ　（原子開
力顕微鏡）に超小型ＳＥＭを適用した例である。ここに
は超高真空容器２７の中にＡＦＭが設置され、容器２７
にアタッチメン１−としてｘｙｚ移動機構２付き超小型
ＳＥＭの鏡筒１が設置されている。ＡＦＭは試料台３、
試料４、探針５、カンチレバー６、ＳＴＭ用探針７、探
針ｘＹｚ制御用圧電素子８〜１１．トライボッド型ＸＹ
Ｚスキャナ１２．１３、カンチレバー６とＳＴＭとを搭
載するベース１４、ＳＴＭを搭載してカンチレバー６が
試料４に接近後退するスライダー１５、Ｚ１軸、ｚ２軸
、Ｘ軸、Ｙ軸尺取虫機構１６〜１９、積層型防振機構か
ら構成されている。第１図は一定斥力モードの場合を示
している。 ここでは制御系を省略しているが、ＳＴＭ機構を用いて
常に図のようなカンチレバー６の姿勢を保つようにスキ
ャナ１２の圧電素子１０を制御し、更にＸＹ軸の圧電素
子１１（ｘ軸圧型素子は省略）による試料４のラスター
走査により試料４の表面構造を計測することができる。 この際、ＡＦＭでは高々数μｍの走査範囲しか観察する
ことができず、ＳＥＭ観察により所望の観察領域を探し
出すことが必要である。また、ＡＦＭではＳＴＭ機能を
用いているためカンチレバー６の裏面にＳＴＭ用探針７
をアライメントすることが必要である。従って、第２図
のように、ＡＦＭの視野選択のための援助、直接試料４
及び探針５の観察を行い、更に、ＳＥＭ鏡筒１をｘ、ｙ
あるいはＺ方向に移動して第３図のようにカンチレバー
６の裏面やＳＴＭ用探針７の観察を行い、カンチレバー
６とＳＴＭ用探針７との位置合わせ（アライメント）を
行う。この５８Ｍ鏡筒１の移動は５８Ｍ鏡筒１とｘｙｚ
移動機構２がフランジ（図中では省略）に取り付けられ
実行される。第４図にその詳細を示す。 第４図において、超小型ＳＥＭは集束用レンズとして、
励磁コイルの必要な磁界レンズを用いず、電極１０１，
１０４，１０５，１０６からなる静電レンズのみを用い
ているため非常に小型にできている。第４図において、
第１電極１０１の外径は３４ｍｍ、電子銃用フランジ１
１６の上面と第１電極１０１の下面との距離は１００ｍ
ｍとなっている。このように従来の磁界レンズを用いた
ＳＥＭに比べ体積的に約１／１００となっているため５
８Ｍ鏡筒１を移動させたり、ＡＦＭの超高真空容器の中
にＳＥＭ鏡筒１全体を入れ真空排気系を共有することが
可能となっている。該ＳＥ旧ま電子銃１１４、第１電極
、第２電極、第３電極、第４電極、１０１．１０４．１
０５．１０６、偏向用コイル（あるいはアライメント用
コイルを含んだ偏向用コイル） １０２、該コイル１０２を取り付けるための＃ｆＡｍ部
材であるボビン１０３、及び該５８Ｍ鏡筒１をサポート
するホルダー１０８より構成されている。そして５８Ｍ
鏡筒１はチャンバ２００に取り付られたフランジ１１１
にベローズ１０９介して取り付けられている。また、該
５８Ｍ鏡筒を動かす移動機構は、ホルダー１０８上に形
成されたネジ２０１にはめ合うように構成されナツト１
１３を彩・“８一 回転することにより該５８Ｍ鏡筒１が軸方向に移動する
。更に、ナツト１１３部材と、Ｘ軸、ｙ軸（省略）の対
向された位置に配置した微動ネジ１１０とで軸と直交方
向に移動するために、ナツト１１３をスムーズに動かす
ためのボール１１２とでホルダ１０８を移動する。ホル
ダ１０８とフランジ１１１の間では真空を保持した状態
で弾性変形するベローズ１０９が取付けられている。 該ＳＥＭは次のように動作する。図において、電子銃１
１４のチップ先端から放出された電子線は、３つの第２
電極、第３電極、第４電極、１０４．１０５．１０６か
らなるコンデンサレンズ及び２つの第１電極、第２電極
、１０１．１０４からなる対物レンズによって試料４（
図１参照）上に細く集束される。そして、この対物レン
ズを構成する２つの第１電極、第２電極、１０１．１０
４のうち、電子銃１１４側にある第２電極、１０４の電
圧を試料４側にある第１電極、１０１（アース電位にあ
る）に対して正側の電圧とし、該電圧を調整して第１電
極、１０１と第２電極、１０４との間の電界を調節する
ことで、該対物レンズのレンズ作用がン 調節される。このような各電極への所定の電圧配分によ
って、対物レンズのレンズ主面が第１電極、１０１の下
側に形成されるようになる。このことにより、本願発明
の特徴の一つであるレンズ主面と試料との距離を短くす
ることができ磁界レンズを用いた場合よりもさらに光学
収差を小さくできる。 さらに、電子線は、第２電極、１０４に囲まれているこ
とによって該電極、１０４と同電位に保たれている空間
内において、静電偏向電極または磁界型の偏向用コイル
１０２により偏向され、試料４上で二次元的に走査され
る。電子線の照射によって試料４から発生した二次電子
は二次電子検出器（省略）によって検出され、該検出信
号を映像信号として制御・表示装置１１７内の表示部に
試料４の二次元二次電子像が得られる。これらの制御、
信号処理２表示などに関する操作は、すべて制御・表示
装置１１７によって行なわれる。また、真空内の電極や
コイルに供給する電圧や電流はフランジ１１１に取り付
けられた複数の（図では１本であるが）電流導入端子１
１５から導かれる。図のように、フランジ１１１にＳＥ
に鏡筒１、ｘｙｚ移動機構２のほかにＳＥＭ［動電源供
給のための電流導入端子を設けることはＳＥＭをＡＦＭ
等に具備することを容易ならしめるものであり、極めて
重要である。一方、コンデンサレンズは電子電流の制御
やビームスポット径の調整を行うものであるが、第３図
のようにカンチレバー６の裏面にＳＴＭ用探針７のアラ
イメントを行う場合、低倍率で広い範囲を深い焦点深度
で観察する必要がある。 この機能を実現するために、第２電極、１０４をアース
電位にして対物レンズを動作させず第２電極、第３電極
、第４電極。 １０４．１０５．１０６からなるコンデンサレンズを対
物レンズとして動作させれば広い範囲の観察が可能とな
る。この時、偏向コイル１０２はポスト偏向方式となり
第１電極、第２電極、 １０１、１０４の孔径が問題となり、電子ビームの走査
範囲を制限する。この場合、第１電極、第２電極、１０
１．１０４の孔径を調整できるように、可動絞りを設け
ることが望ましい。該絞りが大きいときには大角偏向が
可能で、広域走査に適用でき、小さい時には本来の機能
である高倍率の観察が可能となる。なお、ＳＥＭ鏡筒１
内の真空排気はＡＦＭの真空排気システムを兼用する。 ＳＥＭ鏡筒１内の真空排気を効率良く行うため、第１電
極、第２電極、第３電極、第４電極、１０１．１０４．
１０５．１０６等の構造を考慮することが必要である。 例えば、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極、１
０１，１０４．１０５．１０６の筒状部分に小さな穴を
多数あけることが重要である。また、真空排気システム
は超高真空排気システムが望ましい。例えば、第１図の
２１にはノープルポンプ、イオンポンプ、あるいはチタ
ンゲッタポンプが、２２にはターボ分子ポンプあるいは
ノープルポンプ、イオンポンプ、チタンゲッタポンプが
、更に、２３には油回転ポンプが使用される。 更に、２次電子検出器は図中には示してないが従来から
使用されているものを用いれば良い。この２次電子検出
器は別のフランジに設置しても良いが、空間的に余裕が
あるならばＳＥＷ鏡筒１が取り付けられているフランジ
に設置できればより便利である。 −ン ｘｙ力方向移動は微動ネジ１１０により、ナツト１１３
を介して鏡筒１を支持するホルダー１０８を微動（たと
えば１ｍｍ程度）させ、実行する。この時、ナツト１１
３は大気圧により常にフランジ面に押し付けられている
ので動きやすいようにボール１１２を介して案内面と接
することが重要である。また、２方向の移動はナツト１
１３を回転することにより鏡筒１がフランジに対して上
下して実行する。これらの移動機構により、第２及び３
図の機能が実現できる。なお、鏡筒１の中心軸に対する
傾斜はボール１１２の面に接するナツト１１３面を球面
あるいは双曲面に加工することにより実現できる。この
時、受は側の面も上記面に相対する曲面に加工する必要
がある。更に、上記運動とｘｙ力方向運動を複合化する
ことにより複雑な運動を実現できる。 第５図は本発明をＳＴにに適用した例である。これはＡ
ＦＭの探針５とカンチレバー６とを取り除き、ＳＴＭ用
探針７を直接試料４に近づけＳＴＭＲ遺を行う際の視野
選択、試料観察あるいはＳＴＭ用探針７の評価に適用し
たものである。ここでも、高倍率から低倍１３−・ 率までのＳＥＭ観察機能とＳＥＭ移動機能が必要となり
、第１〜４図で説明した具体例によりこれらの機能を容
易可能ならしめるものである。 以上の説明は、ＳＥＭを中心として述べたが、第４図の
電子銃１１４の代りに液体金属イオン源を用いればイオ
ン線を用いた観察、分析が可能となる。 但し、引出し等の電圧は極性を考慮する必要があり、従
来から使用されている集束イオン光学系に準じた電位配
置にすることが望ましい。イオン線としてはＧａ　、　
Ｃｓイオンが良く用いられる。表面観察には、２次電子
像や２次イオン像が用いられる。 前者の検出器にはＳＥＭと同様な２次電子検出器を、後
者の場合には従来から用いられている２次イオン引出し
電極、エネルギフィルタ、マスフィルタ、電子増倍管等
からなる質量分析計を用いる。また、表面の任意の点で
の質量スペクトルの計測も可能となる。更には、イオン
のスパッタリングを用いて試料を加工し、その加工領域
を近視野Ｓｉｘ鏡で観察することもできる。この加工は
、スパッタリングの場合であるが、ガスを導入してイオ
ンあるいは電子の補助により加工することもできる。こ
のほかにガス導入によりデポジションも可能となり、こ
れらの機能も本発明の範鴫である。 また、ＳＥＭ鏡体を用いて２次電子像以外に、反射電子
像、吸収電子像やオージェ電子像を得ることができる。 この場合、反射電子は半導体検出器で、オージェ電子は
エネルギアナライザで検出することができる。これらの
検出器は図で示さなかったが一従来から使用されている
もので十分である。 また、試料に小さい角度で電子線を入射し、試料４から
の反射回折図形をマルチチャンネルプレーと螢光体で検
出することにより、試料４表面微小部の結晶性を評価す
ることができる。具体例を第６図に示す。超小型ＳＥＭ
の鏡筒１から出た電子線は試料４上で反射され、反射電
子回折線２８となり、マルチチャンネルプレート２９に
入射し、増幅さ九螢光板３０上で反射回折図形として観
察される。反射回折図形中の一つの反射電子回折線２８
のみを電子線検出器３１で受け、この信号をＳＥＭ像用
検出信号として用いる。このようにして得たＳＥＭ像は
、試料４表面の結晶性の二次元分布を示すこととなり、
試料４表面微小部の結晶性を観察、評価することが可能
となる。従来の大型のＳＥＭを用いた場合には、分子線
エピタキシー装置のような大きな装置内で形成される薄
膜に対しては、このような評価は極めて難しく、真空装
置内で移動可能な超小型ＳＥＭの使用が極めて有効とな
る。 このように電子回折及び５８Ｍ鏡筒１の傾斜移動機構を
有することを考えると５８Ｍ鏡筒１の中心軸は鉛直軸か
ら５度以上傾いていることが望ましい。 一方、上記の具体例では近視野顕微鏡としてＡＦＭ、Ｓ
ＴＭを述べたが、トンネル電流、原子間力（微小力）以
外に、磁気力、静電力、光、電磁波、音、歪波、熱（温
度）、静電容量を用いても表面の構造及び物理的電気的
性質を観察、計測できる。これらの物理量を用いた近視
野顕微鏡も本発明の範囲である。 」二部の真空系は超高真空雰囲気の場合を述べたが、高
真空の場合や他の真空システムの場合が考えられる。更
に、空気サーボ方式の除振台を超高真空容器の下に設置
することも有効である。これらは本発明を逸脱しない。

【発明の効果】

従来のＳＥＭと複合化した場合、広い設置場所、ＳＴＭ
機構系に加えＳＥＭ用機構系やＳＥＭ用真空系が更に必
要であったが、本発明によれば、これらの部品やスペー
スを省くことができ、　ＳＴＭ、ＡＦＭ等の近視や顕＊
鏡に容易に複合化が可能となり、安価でスペスが少なく
、高精度で、信頼性の高い近視野顕微鏡を容易に提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明をＡＦＭに適用した場合の機構系模式図
、第２図は第１図の試料４のＳＥＭ観察、試料４と探針
５の相対位置の観察（ＡＦＭの視野選択）、及び探針５
の評価を行う場合の模式図、第３図はカンチレバー６と
ＳＴＭ用探針７とのアライメントの模式図、第４図は移
動機構を有した超小型ＳＥＭの具体例、第５図は本発明
をＳＴＭに適用した基本構成図、第６図は本発明を反射
電子回折顕微鏡に適用した基本構成図である。 符号の説明 １：超小型ＳＥＭの鏡筒、２：ｘｙｚ移動機構、３：試
料台、４：試料、５：探針、６：カンチレバー、７：Ｓ
ＴＭ用探針、８〜１１：探針ＸＹＺ制御用圧電素子、１
２．１３ニドライボツド型ＸＹＺスキヤナ、１４：カン
チレバー６とＳＴＭとを搭載するベース、１．５：ＳＴ
Ｍを搭載してカンチレバー６が試料４に接近、後退する
スライダー、１６〜１９：Ｚ□軸、ｚ２軸、Ｘ軸、Ｙ軸
尺取虫機構、２０：積層型防振機構、２１．２２：超高
真空ポンプ、２３：粗引きポンプ、２４〜２６：バルブ
、２７：超高真空容器、２８：反射電子回折線、２９：
マルチチャンネルプレーｌ〜、３０：蛍光板、３１：電
子線検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、探針を試料に接近し、トンネル電流、原子間力（微
   小力）、磁気力、静電力、光、電磁波、音、歪波、熱（
   温度）、静電容量を用いて表面の構造及び物理的電気的
   性質を観察、計測できる近視野顕微鏡において、真空系
   が近視野顕微鏡と荷電粒子線を用いた超小型顕微鏡と共
   用することを特徴とする表面顕微鏡。 ２、請求項１記載の表面顕微鏡において、該荷電粒子線
   として電子線を用いた顕微鏡が走査型電子顕微鏡（ＳＥ
   Ｍ）であることを特徴とした表面顕微鏡。 ３、電子線あるいはイオン線を用いた顕微鏡の鏡筒と、
   該鏡筒の光軸を平行移動あるいは回転する移動機構とを
   １つのフランジに具備することを特徴とした表面顕微鏡
   。 ４、上記のフランジに電流導入端子を設けたことを特徴
   とする請求項３記載の表面顕微鏡。 ５、上記のフランジに２次電子検出器を設けたことを特
   徴とする請求項３または４のいずれか記載の表面顕微鏡
   。 ６、上記の電子線あるいはイオン線を用いた顕微鏡がコ
   ンデンサレンズと対物レンズで高倍率観察及び分析、及
   び該対物レンズを駆動せずコンデンサレンズを対物レン
   ズとした低倍率観察及び分析機能の２つの計測方式を有
   することを特徴とした請求項１記載の表面顕微鏡。 ７、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いた原子間力
   顕微鏡において、カンチレバーの裏面にＳＴＭ用探針を
   アライメントするのにＳＥＭを用いて行うことを特徴と
   した表面顕微鏡。 ８、上記２次電子以外に反射電子、透過電子、オージェ
   電子、あるいは電子線回折パターンを用いて試料表面を
   観察することを特徴とする請求項２又は３いずれか記載
   の表面顕微鏡。 ９、イオン線を用いたシステムと近視野顕微鏡との複合
   装置において、試料表面を質量分析し、あるいはイオン
   加工することを特徴とする表面顕微鏡。 １０、請求項３記載の表面顕微鏡において、該鏡筒の光
   軸の移動中心軸を鉛直軸から５度以上ずらしたことを特
   徴とする表面顕微鏡。