JPH05209713A - 走査型トンネル顕微鏡付き走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）付き走査型
電子顕微鏡（ＳＥＭ）において、ＳＥＭ画像に生じる探
針の影の像を利用して、探針と試料との距離をＳＥＭ画
像上で認識でき、当該距離を迅速に調整する。 【構成】 電子線で試料表面を走査し、この試料表面か
ら発生する二次電子に基づき試料表面の画像を作成する
ＳＥＭと、試料表面に対しトンネル電流が流れるまで探
針を接近させ、トンネル電流を一定に保つ条件の下で探
針を移動して試料表面を走査し、探針の移動データに基
づき試料表面の画像を作成するＳＴＭを組み合わせてな
る複合型の顕微鏡装置であり、ＳＥＭの対物レンズの近
くにＳＴＭが配置され、更に、ＳＥＭの二次電子検出器
は、その二次電子取込み部が探針の中心線と試料表面と
の交点に向かい、電子線と探針の中心線とが形成する面
に所定角度で交差し且つ探針の中心線を含む面に含まれ
るように配置される。好ましくは、所定角度は９０度に
設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型電子顕微鏡（以
下ＳＥＭという）の対物レンズの箇所に走査型トンネル
顕微鏡（以下ＳＴＭという）が付設された複合型の顕微
鏡装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＳＥＭとＳＴＭを組み合わせて構成され
る複合型顕微鏡装置は、例えば、レビュー・オブ・サイ
エンス・アンド・インスツルメント （Rev. Sci. Inst
rum.）59(8),1286 (1988年) に記述される。この複合型
顕微鏡装置は、市販のＳＥＭにＳＴＭを搭載した構成を
有する。かかる構成を有する顕微鏡装置では、ＳＴＭで
極めて微細な原子レベルの対象部を測定しようとすると
きに、ＳＥＭによって事前にＳＴＭの測定対象部が含ま
れる領域を大局的に観察することを可能にし、これによ
りＳＴＭによる測定精度を高めることができる。上記の
文献によれば、ＳＥＭの測定画像に測定対象部分と共に
探針の像及び探針の影を示す像が現れることが、１２８
７頁右段第５行から第７行の箇所に記述されている。こ
れに対して、ＳＥＭの測定画像に映る探針の影の像を利
用して探針の先端と試料表面との距離を認識する手法に
ついての記述はない。更に、探針の影の位置を考慮した
探針と二次電子検出器との位置関係についての詳しい記
述も存在しない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来のＳＥＭ
とＳＴＭを組み合わせた複合型顕微鏡装置では、ＳＥＭ
画像を利用して探針と試料の距離に関する情報を得るこ
とに対し、特に配慮していない。前記文献に特別な記載
がないので、探針を試料に接近させるにあたっては従来
通りトンネル電流の値を目安として行っていると考えら
れる。トンネル電流の値を利用した探針と試料の距離調
整方法では、探針の先端を試料に衝突させないようにす
るため、低速で接近する必要があり、調整のために極め
て時間がかかる。加えて、ＳＥＭの観察下でＳＴＭの測
定対象部を変更する場合、探針の退避動作及び再接近動
作を行うことが必要となる。この場合にも、再接近動作
で長い時間を要することになる。更に、試料表面は局所
的に高い抵抗率を有していたり、絶縁物であったりす
る。このような場合には、トンネル電流は流れないの
で、トンネル電流の検知は不可能となり、探針を試料表
面に衝突させてしまうことになる。そこで、探針と試料
表面との距離を調整する手段として、ＳＥＭの測定画像
に現れる探針の影の像を利用することが考えられる。ま
た一方で、従来の複合型顕微鏡装置では、ＳＥＭの測定
画像における探針の影の位置を考慮した、探針とＳＥＭ
の二次電子検出器との位置関係について、特別に配慮を
行っていなかった。そのため、ＳＥＭの測定画像におい
て探針とその影とが完全に重なり、探針の影を見ること
ができない場合が生じ、探針の試料表面への接近状態
を、的確な把握に利用することができないことがあっ
た。本発明の目的は、ＳＥＭの測定画像に生じる探針の
影の像を利用して、探針と試料との距離をＳＥＭ画像上
で認識でき、当該距離を迅速に調整することのできるＳ
ＴＭ付きＳＥＭ（走査型トンネル顕微鏡付き走査型電子
顕微鏡）を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に係るＳＴＭ付き
ＳＥＭは、電子線で試料表面を走査し、この試料表面か
ら発生する二次電子に基づき試料表面の画像を作成する
ＳＥＭと、試料表面に対しトンネル電流が流れるまで探
針を接近させ、トンネル電流を一定に保つ条件の下で探
針を移動して試料表面を走査し、探針の移動データに基
づき試料表面の画像を作成するＳＴＭを組み合わせてな
る複合型の顕微鏡装置であり、ＳＥＭの対物レンズの近
くにＳＴＭが配置され、更に、ＳＥＭの二次電子検出器
は、その二次電子取込み部が探針の中心線と試料表面と
の交点に向かい、電子線と探針の中心線とが形成する面
に所定角度で交差し且つ探針の中心線を含む面に含まれ
るように配置される。前記の構成において、好ましく
は、所定角度は９０度に設定される。

【０００５】

【作用】本発明では、ＳＥＭの対物レンズ及び二次電子
検出器の近傍にＳＴＭを配置する構成において、対物レ
ンズから与えられる電子線とＳＴＭの探針とＳＥＭの二
次電子検出器との配置関係を、前述の関係に設定するこ
とにより、ＳＥＭ画像の上で発生する探針の影が、探針
像と影の像とが重ならない充分の交差角度を保持して形
成される。探針の影の像は、二次電子発生箇所と二次電
子検出器との間に探針が存在し、二次電子検出器への二
次電子の進行を遮るために発生する。すなわち検出効率
の差によって、発生する。従って、あたかも、二次電子
検出器の配置箇所に光源を配置し、この光源から試料測
定表面に光を照射し、電子線を与える方向に目をおい
て、試料表面を見ると、探針の影が存在するＳＥＭ画像
と同等の画像を見ることができる。二次電子検出器の配
置位置は、電子線と探針の中心線が作る平面に所要の角
度をもって交差する面の中に含まれるように設定される
ため、探針の影も、探針との間で前記の角度を形成して
発生する。これにより、探針像とその影の像を見ること
で、探針と試料表面との位置関係を知ることができる。

【０００６】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図１は本発明に係るＳＴＭ付きＳＥＭの要
部構成を示す正面図である。図１において、参照番号１
〜７によって構成される部分はＳＴＭの機構部である。
ＳＴＭ機構部の上方位置にＳＥＭが配置され、２０はＳ
ＥＭの対物レンズの先部を示す。

【０００７】ＳＴＭ機構部において、１は探針であり、
探針１は微動機構２に固定される。微動機構２は更に粗
動機構３に固定される。微動機構２は、探針１をその中
心線方向に微小距離で移動させる機能を有する。探針１
に示される一点鎖線Ａは、探針１の中心線である。この
中心線の方向における微動は、試料の測定表面に対して
探針１を接近又は退避させるための移動である。微動機
構２を構成するアクチュエータとしては、通常、圧電素
子が使用される。また微動機構２は、通常、探針１の中
心線に直交する平面内にて探針１を微動させる構成を有
する。この微動の動作は、探針１で試料表面の測定対象
領域を走査する時に、探針１に与えられる。粗動機構３
は、探針１を、試料表面に接近させる時又は試料から退
避させる時において、大きな距離で接近又は退避を行う
ように、探針１を移動させるためのものである。この粗
動機構３による移動では、探針１と微動機構２が一体的
に一緒に移動する。粗動機能３の一例として、インチワ
ームと呼ばれるものが良く知られている。

【０００８】４は試料を載置するためのＸＹステージで
ある。図示例で、ＸＹステージ４の上に試料８が載置さ
れている。この試料８の測定表面に、前述の探針１の先
端が臨むように配置される。ＸＹステージ４によって、
試料８はＸＹ平面内を移動することが可能である。この
ＸＹ平面は探針１の中心線Ａに直交する平面である。こ
うして探針１は試料８の測定表面に対して直交する位置
関係にて配置される。かかる配置関係にて、探針１は、
トンネル電流が流れるまでの距離にて試料８に極めて接
近し、この接近状態で試料８の測定表面を走査する。

【０００９】５は支持ベースである。支持ベース５の上
面には、直交する２つの面を有するＶ字型の取付け面が
設けられている。Ｖ字型の取付け面の一方の面に前述の
粗動機構３を取り付け、他方の面にＸＹステージ４を取
り付ける。支持ベース５のＶ字型取付け面における粗動
機構３と試料載置用ＸＹステージの各取り付け関係に基
づいて、前述の如く、探針１と試料８の測定表面とが直
交する位置関係になるように配置される。更に支持ベー
ス５において、６は防振機構、７はＺステージである。
防振機構６は、極めてわずかな振動がＳＴＭ機構部に対
し与えられるのを防止する機能を有する。またＺステー
ジ７は、支持ベース５のＶ字型取付け面の全体を、図１
中上下の方向に移動させる機能を有する。このＺステー
ジ４によって、ＳＥＭの対物レンズ２０とＳＴＭ機構部
との距離が調整される。

【００１０】ＳＥＭの対物レンズ２０において、一点鎖
線Ｂは、対物レンズ２０の先端部から出力される電子線
（集束された電子ビーム）の中心線を示している。通
常、電子線は径を有するビーム状態となっているため、
図示例ではその中心線で表している。対物レンズ２０か
らの電子線の中心線Ｂと、探針１の中心線Ａは、試料表
面上の測定部周辺の点で交差する位置関係にある。この
交差点は、試料８の表面における測定領域に含まれる。
電子線を利用したＳＥＭによる観察では、その観察領域
は、探針１で測定しようとする試料１の測定表面の領域
と、当該領域に接近した探針１の先端部が対象となり、
ＳＥＭ画像では試料表面と探針先端部の二次電子像が作
成される。ＳＥＭによる観測では、よく知られるよう
に、対物レンズ２０の先端部より、試料８の測定表面に
電子線を照射し、電子線の照射に基づき測定表面で生成
される二次電子を二次電子検出器２１に取り込んで、測
定点の二次電子の量を検出する。対物レンズ２０から与
えれる電子線は、試料表面上で所定の領域に関して走査
され、各測定点での二次電子発生量を検出し、検出量に
対応する明るさを用いて測定点に対応させて画像を作成
し、二次電子像を作成する。このＳＥＭ画像によれば、
試料表面に対し電子線が与えられる方向から肉眼で見る
如く画像が作成される。そして、試料表面の凹凸形状に
応じてそれぞれの二次電子量が変化するので、これに対
応してＳＥＭ画像上の明るさも変化し、この結果、試料
表面の形状に関する明暗画像を得ることができる。ただ
しＳＴＭ付きのＳＥＭでは、試料表面の近傍に探針１が
配置されることになるので、探針１の像もＳＥＭ上で見
ることができる。このＳＥＭ画像においては、更に、後
述する原理に基づいて探針１の影を示す像が探針１の像
に対して所要の位置関係で同時に形成される。なお、図
１で明らかなように、電子線に対して試料８の測定表面
及び探針１は４５度の傾斜角を有しているので、ＳＥＭ
画像は、４５度斜めから見た図となる。二次電子像の作
成及び表示に関する構成部分の表示は省略している。図
１に示した二次電子検出器２１の配置位置は、ＳＴＭに
よる測定部の近傍である。二次電子検出器２１は、その
二次電子取入れ部２１ａが、探針１が臨む試料測定表面
に向うように配置される。しかし、図１では、二次電子
検出器２１の配置位置を厳密に正確に示していない。本
発明の場合、二次電子検出器２１の配置位置について、
対物レンズ２０から出力される電子線と試料８の測定表
面と探針１との位置関係を考慮して、後述される所定の
条件を満足するように決められる。ＳＥＭによる観察
は、通常ＳＴＭによる測定の前の段階で行われる。ＳＥ
Ｍによる観察によって、ＳＴＭを用いて測定しようとす
る測定のための試料表面に関する情報を、事前に得るこ
とができる。

【００１１】一方、ＳＴＭによる測定は、良く知られる
ように、通常、次の通り行われる。探針１を、試料表面
の測定しようとする箇所に、探針１にトンネル電流が流
れる程度の原子レベルの距離まで接近させる。この状態
で、トンネル電流が一定値に保持されることを条件に、
フィードバック制御を利用して試料表面と探針の距離が
一定になるように試料表面に対する探針１の位置を制御
しながら、試料表面の測定領域を走査する。この走査動
作において得られた探針１の位置制御に関する制御デー
タを用いて、試料の測定表面の凹凸データを得ることが
できる。更に、この凹凸データを利用して、試料の測定
表面の像が作成される。この実施例ではＳＴＭの探針を
制御するためのシステム構成、及び信号処理並びにＳＴ
Ｍの画像を作成するためのシステム構成の図示及び詳細
説明について省略する。

【００１２】ＳＥＭとＳＴＭを組み合わせて構成される
複合型の顕微鏡装置において、試料８に対する探針１及
び二次電子検出器２１のそれぞれの位置に関し、次の関
係が検討される必要がある。前述の如く、ＳＥＭによる
観察像に従えば、試料８の測定表面と、この測定表面に
臨み且つこの表面に極めて微小な距離で接近した状態に
ある探針１の先部とを見ることができる。ここで図２の
斜視図で、探針１と試料８と二次電子検出器２１との位
置関係を示す。図２において、試料８の測定表面８ａに
対し、探針１が直交する角度で配置される。正確には探
針１の中心線Ａが表面８ａに直角に交差している。また
対物レンズ２０から試料８の測定表面８ａに与えられる
電子線の中心線Ｂは、試料８の測定表面８ａでの点Ｃ
で、探針１の中心線Ａと交差している。図２では、探針
１の中心線Ａと電子線の中心線Ｂを含む平面に直角に交
わり且つ中心線Ａを含む面３０が定義されている。本実
施例による顕微鏡装置では、二次電子取入れ部２１ａを
試料８の測定表面の探針測定領域部に向けて配置される
二次電子検出器２１は、その中心線Ｄが面３０内に含ま
れるように配置されている。このような位置関係で二次
電子検出器２１を配置すると、二次電子検出器２１で作
られる試料８の測定表面のＳＥＭ画像で、探針１の像と
探針１の影を示す像とが９０度の角度を形成する。この
ようにＳＥＭ画像において、探針像とその影の像が０度
及びこれに近い角度以外の所定角度を形成するように、
二次電子検出器２１の配置構成を決定することが本発明
の特徴である。これによってＳＥＭ画像で、探針像とそ
の影の像との位置関係で、探針と試料表面との距離関係
を把握すること可能となる。なおＳＥＭ画像における探
針像とその影の像が形成する所定角度は、９０度に限定
する必要はない。

【００１３】次に、図３を参照して、ＳＥＭ画像におい
て探針１の影の像が形成される現象について説明し、更
に探針像とその影の像が所定の角度を形成することを説
明する。図３において、ａ〜ｇはＳＥＭの対物レンズ２
０から与えられる電子線を線で表したものである。電子
線ａ〜ｇは、ａからｇの順序で走査移動した状態を示し
ている。図１の構成で明らかなように、電子線は、図３
の紙面に対して４５度の角度方向から照射される。また
正確には、電子線ａ〜ｇのそれぞれは、電子線源から出
力され、集束レンズ系を経由して集束された電子ビーム
であるので、実際上、線ａ〜ｇは平行ではない。しか
し、電子線源から試料８までの距離が走査範囲に比較し
て極めて大きいので、ほぼ平行と考えてよい。電子線
は、試料８の測定表面に集束されて照射され、当該測定
表面にて二次電子を発生する。ところで、電気的な構成
としては、試料８と二次電子検出器２１との間には、電
位差が予め設定されている。この電位差は、試料表面で
発生した二次電子を二次電子検出器２１の二次電子取入
れ部２１ａに引き寄せるように作用する。この結果、試
料８の測定表面に電子線があたり二次電子が発生する
と、この二次電子は、二次電子検出器２１に向かって進
行する。二次電子が二次電子検出器２に向けて進行する
とき、その進路の途中に探針１が存在すると、その二次
電子は二次電子検出器２１に到達できない。図３におい
て、試料８の表面の領域３１から発生する二次電子は探
針１で遮られ、二次電子検出器２１に到達することがで
きない。この結果、当該領域３１に照射される電子線の
線ａ〜ｄによる走査では、当該領域に対応するＳＥＭ画
像の部分が暗くなる。これに対し、発生した二次電子
が、探針１に遮られることなく二次電子検出器２１に到
達する場合にはＳＥＭ画像は明るくなる。すなわち、電
子線の線ｅ〜ｇによる走査の場合には、これによって走
査される領域に対応するＳＥＭ画像の部分が明るくな
る。従って領域３１に対応する試料の箇所は、探針１の
影としてＳＥＭ画像に生じる。上記の如く、ＳＥＭの二
次電子検出器２１によって検出される試料測定表面から
の二次電子に基づき作成されるＳＥＭ画像では、二次電
子の発生箇所と探針１と二次電子検出器２１との位置関
係に基づいて、探針１の影が形成される箇所が発生す
る。すなわち、ＳＥＭ画像で形成される探針１の影の像
は、あたかも、二次電子検出器２１の配置位置に光源を
設置して、探針１に光を照射した時に、試料８の表面に
移った探針の影のように見えることになる。上記の配置
原理を用いると、探針周辺のＳＴＭやＳＥＭに関する構
造物による影を発生させることなく探針１の影だけが試
料表面像の上に映るようにする位置に二次電子検出器２
１を設置することができる。

【００１４】図４にＳＥＭ画像の典型的な例を示す。こ
の図に示したＳＥＭ画像４１において、探針１の像４２
と、探針１による二次電子の遮蔽で発生する探針１の影
の像４３が映っている。このとき、前述の位置関係の条
件を満足していると、探針の像４２の中心線４２ａと影
４３の中心線４３ａとは直角に交わっている。そして本
図で明らかなように、ＳＥＭ画像における探針像４２の
先部と影の像４３の先部との位置関係（距離関係）に基
づいて、探針１と試料８の測定表面との距離関係を把握
することができる。

【００１５】前記の実施例では、ＳＥＭ画像における探
針像とその影の像とが形成する角度を９０度としたが、
電子線の中心線Ｂと探針１の中心線Ａとが作る平面と、
二次電子検出器２１を含む平面との作る角度を任意に設
定することにより、探針像とその影の像とが形成する角
度を任意の角度に設定することができる。探針の像とそ
の影の像が重ならない限り、探針と試料の測定表面との
距離についての情報を得ることができる。

【００１６】本実施例の如く、ＳＥＭ画像における探針
１の影を利用すると、探針が試料表面に数ミクロン程度
の距離で接近する動作は、高速で一気に行うことができ
る。

【００１７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、ＳＥＭ画像において探針像と探針の影の像を充分
に認識できる交差角度で発生させることができるように
ＳＥＭの二次電子検出器の配置位置を設定したため、Ｓ
ＥＭ画像における探針像と影の像との距離関係を利用し
て、実際の探針と試料表面との距離を正確に把握するこ
とができる。探針と試料表面との距離関係を正確に把握
することができることは、探針の移動制御を行う際に、
探針の移動速度の制御の自由度が高くなり、高速移動が
可能となり、迅速な移動制御を行うことができる。こう
して探針を試料表面に衝突させることなく、短時間で探
針を所要の位置に配置させることができる。また探針
を、不必要に後退させることなく移動することができ、
探針の損傷を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るＳＴＭ付きＳＥＭの概略構成を示
す一部正面図である。

【図２】探針と試料の測定表面とＳＥＭの二次電子検出
器との配置関係を説明するための斜視図である。

【図３】ＳＥＭ画像の上に探針の影が形成されることを
説明するための図である。

【図４】探針像と探針の影の像との関係の一例を示すＳ
ＥＭ画像を表す図である。

【符号の説明】

１ 探針 ２ 微動機構 ３ 粗動機構 ４ ＸＹステージ ５ 支持ベース ６ 防振機構 ７ Ｚステージ ８ 試料 ２０ 対物レンズ ２１ 二次電子検出器 ２１ａ 二次電子取入れ面 ４１ ＳＥＭ画像 ４２ 探針像 ４３ 探針の影の像

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子線で試料表面を走査し、この試料表
   面から発生する二次電子に基づき前記試料表面の画像を
   作成する走査型電子顕微鏡と、前記試料表面に対しトン
   ネル電流が流れるまで探針を接近させ、トンネル電流を
   一定に保つ条件の下で前記探針を移動して前記試料表面
   を走査し、前記探針の移動データに基づき前記試料表面
   の画像を作成する走査型トンネル顕微鏡とを組み合わせ
   てなる複合型の顕微鏡装置であり、前記走査型電子顕微
   鏡の二次電子検出器は、その二次電子取込み部が前記探
   針の中心線と前記試料表面との交点に向かい、前記電子
   線と前記探針の中心線とが形成する面に所定角度で交差
   し且つ前記探針の中心線を含む面に含まれるように配置
   されることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡付き走査
   型電子顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡付
   き走査型電子顕微鏡において、前記所定角度は９０度で
   あることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡付き走査型
   電子顕微鏡。