JPH0687003B2 - 走査型トンネル顕微鏡付き走査型電子顕微鏡 - Google Patents

走査型トンネル顕微鏡付き走査型電子顕微鏡

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JPH0687003B2
JPH0687003B2 JP2031142A JP3114290A JPH0687003B2 JP H0687003 B2 JPH0687003 B2 JP H0687003B2 JP 2031142 A JP2031142 A JP 2031142A JP 3114290 A JP3114290 A JP 3114290A JP H0687003 B2 JPH0687003 B2 JP H0687003B2
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    • Y10S977/86—Scanning probe structure
    • Y10S977/861—Scanning tunneling probe

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は走査型トンネル顕微鏡付き走査型電子顕微鏡に
関し、特に試料室に走査型トンネル顕微鏡を組み込み、
この走査型トンネル顕微鏡による試料上の走査範囲を走
査型電子顕微鏡の観察用表示画面上で正確に設定するの
に好適な走査型トンネル顕微鏡付き走査型電子顕微鏡に
関するものである。
〔従来の技術〕
走査型トンネル顕微鏡（以下STMという）は、金属製の
細い探針を備え、この探針に所要の電圧を印加した状態
で探針を試料の表面に1nm程度まで近づけたときに流れ
るトンネル電流を、探針と試料表面との間隔を一定に保
つことにより一定に保ち、この状態で試料表面上を一次
元又は二次元にて走査すると、探針の軸方向の動き量か
ら試料表面の凹凸像を作成することができ、試料表面に
関し原子レベルの情報を得る機能を有している。STMは
原子を見分けられる程の非常に高い空間分解能を有する
顕微鏡として注目されている。STMについては、例えば
スキャニング／エレクトロン・マイクロコピイ/1983/II
I第1079〜1082頁（SCANNING ELECTRON MICROSCOPY/1983
/III PP1079〜1082）に詳述されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記のようにSTMは高い分解能を有している反面、一方
で走査範囲が最大でも10μｍ程度と狭く、試料上の観察
したい領域を的確に走査するためにはより広い視野を有
する他の種類の顕微鏡との組み合わせが必要となる。こ
の場合において、他の種類の顕微鏡によって得られる広
い視野の中でSTMの走査位置を正確に特定することは大
きな問題である。
例えば光学顕微鏡と組み合わせる場合には、ワーキング
ディスタンスすなわち顕微鏡の対物レンズと試料表面と
の間隙が小さく、試料と探針を同時に観察することが難
しい。そのため、例えば文献「荷電粒子ビームの工業へ
の応用」日本学術振興会、第132委員会、第109回研究資
料、第41頁〜第46頁に述べられているように、光学顕微
鏡とSTMをレボルバで切換え、両者の位置ずれを標準試
料を利用して予め測定しておき、補正する方法が用いら
れている。
また走査型電子顕微鏡（以下SEMという）と組み合わせ
る場合には、ワーキングディスタンスを十分に長くとる
ことができるので、探針が試料に対向している状態をSE
Mで観察できるように構成することができる。この構成
では、一般的に、探針の先端と試料表面を観察できるよ
うに第６図に示す如く試料100の表面に対して直交する
ように配置された探針101の移動軸を、SEMの対物レンズ
103から出る電子ビーム104の軸に対して所要の角度で傾
斜させた状態で探針を配置している。第６図中105はSEM
ベースである。かかる配置により、探針101の先端と試
料100を同時にSEMの電子ビーム104で走査することがで
き、これにより両者をSEMの同一画面で同時に観察する
ことができる。
ところが、上記の構成の場合においてSEMによって見る
ことができる走査電子像は、あたかも片目で見たような
画像であるため、第７図に示すように探針像101aと試料
の像100aとの位置関係及び距離が不明確であり、SEMに
よる観察画面だけでは探針101をトンネル電流が流れる1
nm程度の距離にまで接近させたとき、試料100の表面の
どの位置に到達するのかを正確に判定することができな
いという問題を有している。つまり、SEMによる観察画
像によればSTMによる試料上の走査領域を大まかに知る
ことができるが、探針と試料との間の距離情報を得るこ
とができないのである。また、探針101に対して試料100
を移動させる必要がある場合には、探針と試料とは試料
の表面の凹凸が探針に接触しないようにある程度離す必
要があるが、この距離が大きいほどSEMの画像上での位
置関係の見当をつけることが困難になる。
本発明の目的は、SEMの観察画面において試料の表面とS
TMの探針の像の位置関係又は距離関係を知ることのでき
る構成を有した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。
〔課題を解決するための手段〕
本発明に係る第１のSTM付きSEMは、試料室に組込まれた
STMと、試料室に配置された試料とSTMの探針とを同一の
画面上に同時に表示する画像表示手段と、試料の上にお
ける探針の走査位置を示すマーカを画面に表示する図形
表示手段とを備えるように構成される。
本発明に係る第２のSTM付きSEMは、前記の第１の構成に
おいて、図形表示手段によって画像表示手段の画面に表
示されるマーカが、試料の表面と探針の移動軸との交点
を示すマーカであることを特徴とする。
本発明に係る第３のSTM付きSEMは、前記の第１の構成に
おいて、図形表示手段によって画面に表示されるマーカ
が、探針と試料との実際の距離を画面上の距離に変換し
た長さを有する線分状のマーカであり、この線分状マー
カの一端は探針の移動軸と試料の表面との交点を示すこ
とを特徴とする。
本発明に係る第４のSTM付きSEMは、前記の第３の構成に
おいて、画面上の距離を、実際の距離に、走査電子ビー
ムと探針とのなす角度の正弦と、画面に表示される画像
の表示倍率とを乗じて得るようにしたことを特徴とす
る。
本発明に係る第５のSTM付きSEMは、前記の第２〜第４の
いずれか１つの構成において、探針による試料の表面上
の走査範囲を示すマークを含むことを特徴とする。
本発明に係る第６のSTM付きSEMは、前記の第３又は第５
の構成において、線分状マーカの他端又は探針の試料表
面上の走査範囲を示すマーカの所定の点は位置合せ用の
点を示し、この位置合せ用の点と探針の先端部を画面上
にて位置合せするための移動手段を有することを特徴と
する。
本発明に係る第７のSTM付きSEMは、前記の第６の構成に
おいて、移動手段が、探針の位置を移動させる移動手
段、マーカの位置を移動させる移動手段、SEMの電子ビ
ームの走査位置を移動させる移動手段のうちの少なくと
もいずれか１つであることを特徴とする。
本発明に係る第８のSTM付きSEMは、前記の第７の構成に
おいて、前記移動手段が、回転移動を行わせることが可
能であり、画面上において線分状マーカの方向と探針の
像の方向が一致していないとき、回転移動を行うことに
より線分状マーカの方向と探針の像の方向とを一致でき
るように構成されたことを特徴とする。
〔作用〕
本発明によるSTM付きSEMでは、実際上の試料の表面とST
Mの探針との距離を、SEMの観察画面において知ることが
できるようなマーカを一般的な図形表示手段によって表
示させるように構成される。マーカの種類や形態等につ
いては任意なものを表示させることが可能である。少な
くとも試料の表面と探針の移動軸の交点が表示できれば
十分であるが、更に両者の距離を表すことできる線分状
のマーカや探針の走査範囲を示すことのできる矩形等の
形状を有するマーカが適宜に表示される。SEMの画像表
示装置の画面において表示された探針像とマーカとが一
致していない場合、或いは探針像の方向と線分状のマー
カの方向が一致していない場合には、これらの不一致を
一致させる各種の移動手段を備えている。これによって
SEMの観察画面を視認しながら、更にSTMによる測定領域
を正確に設定することができる。
〔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。
第１図は本発明に係るSTM付きSEMの構成を概略的に示
す。第１図において、１は試料で、この試料１はＸ軸方
向移動台２とＹ軸方向移動台３からなる試料台に配置さ
れる。試料台はSTMベース４において傾斜された姿勢で
配置されるため、試料１も図示される如く第１図中の水
平線に対し傾斜された姿勢で配設される。試料１はSTM
ベース４に対してＸ軸方向移動台２とＹ軸方向移動台３
の移動動作によって２次元方向に移動することができ
る。
５はSTMの探針であり、探針５は圧電素子6,7を介してST
Mベース４に取り付けられている。探針５の先端部は試
料１の表面に臨み、探針５の移動軸は試料表面にほぼ垂
直となっている。圧電素子６は電圧の印加により伸縮し
て、探針５をその軸方向に移動させる。圧電素子７は直
交する２方向の電極を有し、この電極に電圧を印加する
ことにより歪み、探針５を試料表面上にて２次元方向に
走査させる。この走査による距離としては、印加される
電圧の値により最大10μｍ程度から1nm程度まで設定で
きる。
上記STMベース４は、防振ダンパ８を介して移動台９の
上に配設される。STMベース４の上方にはSEMの対物レン
ズ10が設置される。移動台９は、STMベース４を対物レ
ンズ10に対して移動させる機能を有する。11はSEMの対
物レンズ10から出力される電子ビームであり、この電子
ビーム11は、探針５の先端を含む最大限数ミリの範囲を
走査し、試料１等に電子ビーム11が照射されたため発生
する２次電子を検出器12で検出するように構成されてい
る。前述したように、試料１及び探針５はSTMベース４
において傾斜した状態にて配設されており、その結果例
えば探針５の軸方向は、第１図に示されるように、電子
ビーム11に対してθの傾斜角度を有している。
以上のように、STMベース４や探針５などからなるSTMの
構成要素は、SEMの対物レンズ10の下方位置に設置さ
れ、すなわち試料室に組込まれた状態にて設けられ、こ
うしてSTM付きSEMが構成されている。
次に、STM及びSEMの周辺のシステム構成を説明する。13
はSTM制御装置であり、STM制御装置13は、探針５に流れ
るトンネル電流を検出する機能を有すると共に、圧電素
子６及び７に所要の電圧を印加して各圧電素子の長さを
変化させる機能を有する。トンネル電流が一定になるよ
うにして探針５の位置を変化・制御する結果STM制御装
置13で得られる位置データを、STM画像表示装置14に与
えると、試料１の表面のSTM像を得ることができる。一
方、２次電子を検出するSEMの前記検出器12は、増幅器1
5に接続される。検出器12で検出された２次電子信号は
増幅器15で増幅され、SEM画像表示装置16に送られ、こ
こで走査電子象を表示する。17は図形表示装置であり、
この図形表示装置17はSEM画像表示装置16の画面に、SEM
による走査電子像に重ねて所要のマークを表示させるこ
とができる機能を有している。図形表示装置17には従来
良く知られた一般的装置が使用される。また図形表示装
置17はSTM制御装置13と接続され、SEM画像表示装置16の
画面上に前述のマークを表示するときに必要とされる探
針５の位置等のデータを読み込む。
次に、上記構成を有するSTM付きSEMにおいてSEMによる
観察の手順について説明する。
最初に、STM制御装置13は圧電素子６に印加される電圧
を最小に設定し、探針５を試料１から最も遠ざけた状態
にセットする。そして移動台９を動作させて、SEM画像
表示装置16の画面の走査電子象の中に探針５が入るよう
にする。かかる状態においてSTM制御装置13は、圧電素
子６の印加電圧を徐々に増加して探針５をトンネル電流
が流れるまで試料１に近づけ、トンネル電流を検出した
ら、そのときの印加電圧から一定の電圧値を差し引き、
それによって得られた電圧を印加電圧として圧電素子６
に与える。差し引かれる一定電圧は、例えば探針５の１
μｍの移動量に相当する電圧値である。通常、探針５に
トンネル電流が流れるときの探針５と試料１との距離は
約１〜2nmであるので、トンネル電流が流れている状態
では、両者はほぼ接触状態にあると考えて良い。従っ
て、前記の差し引いた電圧値に相当する圧電素子６の変
位量（第１図中、dLで表されている）が、ほぼ探針５と
試料１の距離であると決めることができる。このように
して、先ず不明であった探針５と試料１との距離を確定
する。そしてこの距離は、SEM画像表示装置16の画像に
おいて後述するようにマークを用いて対応する間隔とし
て視認することができる。
以上の距離の決定をSEM画像表示装置16の画像との関係
において説明する。前述の如く試料１と探針５との距離
dLが求められると、SEM画像表示装置16の画面上におけ
る探針５の先端部と探針移動軸及び試料表面の交点との
距離は、すなわち対物レンズ10の側から見た距離は、前
記θとSEMの倍率Ｍを用いることによってＭ×dL×sinθ
として与えられる。そこでSEM画像表示装置16の画面に
図形を表示する機能を有する図形表示装置17は、STM制
御装置13から前記dLのデータを入力し、且つ予め与えら
れている前記傾斜角θと走査電子象の倍率Ｍとを用いて
上記の式を計算し、算出された長さを有する線分状マー
カを作成し、このマークをSEM画像表示装置16の画面上
にて走査電子像に重ねて表示する。第２図は、SEM画像
表示装置16の画面16aにおいて、探針５の像5aと試料１
の測定希望領域像1aに対し重ねて距離ABを有する線分状
のマーカ18が表示される状態を示す。従って、第２図に
示されたSEM画像において、マーカ18の一端Ｂに探針像5
aの先端が一致するように移動台９を移動させるか、又
はSEMの電子ビーム11に所要の偏向量を与え、オフセッ
ト量を調整することにより前記一致を行うようにする。
また図形表示装置17による制御に基づきマーカ18自体の
位置をその方向を維持したまま変化させ、マーカ18の一
端Ｂと探針像1aの先端を一致させることもできる。この
ように各種の移動手段の機能に基づいて探針像5aと線分
状マーカ18との位置合わせを行った状態では、マーカ18
の他端ＡはSTM測定実行時には探針５が試料１に接近す
る点であるから、第３図に示すようにＸ軸方向移動台２
とＹ軸方向移動台３を調整することにより試料１のSTM
による測定希望領域像1aをマーカ18の他端Ａに一致させ
る。これによってSTM画像表示装置16の画面上で試料１
と探針５の先端との距離が把握された状態にてSTMによ
る試料１の測定希望領域の観察を行える状態になる。
以上のようにして、試料１の所望の領域を、SEMで観察
しながらSTMの探針５との間で正確に位置合わせを行
い、STMで測定し得るように設定することができる。STM
制御装置13は、圧電素子６の印加電圧を徐々に増加して
トンネル電流が検出されるまで探針５を試料１に接近さ
せ、更にこの状態にて常にトンネル電流が一定に保持さ
れるように探針５の軸方向の移動を制御しながら、圧電
素子７を駆動して探針５を２次元的に走査し、その結果
測定希望領域について得られるSTM像をSTM画像表示装置
14に表示する。前記において距離dLを１μｍ、θを45゜
とした場合には、dLsinθ＝0.7μｍとなり、STMによる
走査電子像の走査範囲を２〜３μｍまで小さくすること
ができるので、１μｍ以下の測定対象に対しても十分に
精度良く設定を行うことができる。
第４図はSEM画像表示装置16の画面16aにおいて、探針５
と試料１との距離を示す前記マーカ18の他に、探針５の
走査範囲を示すマーカ19を表示した実施例を示す。この
マーカ19も前記図形表示装置17の機能によって画面16a
に表示される。試料１の表面上における探針５の走査範
囲が矩形であって、異なる２辺の長さに関して第１図中
水平に位置する辺の長さがｘ、この水平な辺に直交する
辺の長さがｙであるとき、図形表示装置17は画面16aに
おいて辺の長さがMx、Mysinθの矩形マーカ19を表示す
る。このマーカ19の内部が探針５によって走査する試料
表面部分に相当するから、STMで走査することを希望す
る領域1aがマーカ19の内部に入るように、Ｘ軸方向移動
台２とＹ軸方向移動台３を動作させて試料１を移動させ
る。このようにすれば、試料１の測定希望領域1aと探針
像1aとの位置関係が明確になるためSEMによる測定を正
確に行うことができる。
上記の走査範囲を示すマーカ19の形状は矩形であった
が、形状は走査範囲が示すことができるものであれば任
意の形状を使用することができる。またマーカ19の場面
16a上の表示位置の決定には、例えば線分状マーカ18の
接触点を示す他端Ａを起点として決定することができ
る。そしてこの矩形マーカ19を用いても、前記線分状マ
ーカ18と同様に探針像5aとの位置合せを行うことができ
る。位置合せのための点は矩形マーカ19の中の適当な点
を用いる。
第５図はマーカ18の一端Ｂ側を探針像5aの位置まで延長
した表示例を示す。通常、SEMの電子ビーム11は偏向さ
れ、電子ビームの走査方向が探針５の移動軸方向に平行
でない場合も多い。このような場合には電子ビームの走
査方向を回転させて探針像5aの移動軸の方向とマーカ18
の方向と一致させる必要がある。第５図に示された端部
Ｂが延長されたマーカによれば、電子ビーム11を回転さ
せることによって探針像5aの方向とマーカ18との方向戸
を一致させるとき、その一致操作を画面16aの上で容易
に判断することができる。このようにして、回転移動に
より方向が一致させれば、その後は端部Ｂと探針像5aの
先端部とを一致させ、前述のように試料１における所望
の測定領域1aをSEMにより正確に設定することができ
る。
前述の実施例では、SEM画像表示装置16の画面に表示さ
れるマークは線分状又は矩形の形態を有したものが表示
されたが、マークの形態はこれに限定されない。SEM画
像表示装置16の画面上、少なくとも探針５の移動軸と試
料１の表面の接触点を示すマークが表示されれば十分で
ある。また、前記実施例では、線分状のマーク18の端部
Ｂを用いて探針像5aとの位置合せを行った例について説
明したが、矩形のマーク19の適宜な点を用いて前記移動
又は回転の位置合せを行うこともできる。
〔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、STMをSEM
に組み込み、SEMの画像表示装置の画面に試料とSTMの探
針とを同時に表示させ、且つ試料と探針との位置関係や
距離関係を画面上にて把握できるマークを表示するよう
に構成したため、10μｍ以下の非常に小さなSTMによる
測定箇所をSEMで試料表面と探針を観察しながら容易且
つ正確に設定することができる。特にSTMのみによる測
定領域の設定はSTMの走査に時間がかかるので非常に長
い時間が要するのに対して、SEMを併用するとSEMの観察
に要する時間も非常に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る走査型トンネル顕微鏡付き走査型
電子顕微鏡のシステム構成図、第２図〜第５図はSEM画
像表示装置の画面における走査電子像とマーカの表示態
様を示す図、第６図及び第７図は走査型トンネル顕微鏡
付き走査型電子顕微鏡の従来の問題点を説明するための
図である。 〔符号の説明〕 １……試料 ２……Ｘ軸方向移動台 ３……Ｙ軸方向移動台 ５……探針 5a……探針像 6,7……圧電素子 ９……移動台 10……対物レンズ 11……電子ビーム 13……STM制御装置 14……STM画像表示装置 16……SEM画像表示装置 17……図形表示装置 18……線分状マーカ 19……矩形マーカ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】試料室に組込まれた走査型トンネル顕微鏡
    と、試料室に配置された試料と前記走査型トンネル顕微
    鏡の探針とを同一の画面に同時に表示する画像表示手段
    と、前記試料の上における前記探針の走査位置を示すマ
    ーカを前記画面に表示する図形表示手段とを備えたこと
    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、前記図形表示手段によって
    前記画像表示手段の前記画面に表示される前記マーカ
    は、前記試料の表面と前記探針の移動軸との交点を示す
    マーカ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。
  3. 【請求項３】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、前記図形表示手段によって
    前記画面に表示される前記マーカは、前記探針と前記試
    料との実際の距離を前記画面上の距離に変換した長さを
    有する線分状のマーカであり、この線分状マーカの一端
    は前記探針の移動軸と前記試料の表面との交点を示すこ
    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。
  4. 【請求項４】請求項３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、前記画面上の距離は、前記
    実際の距離に、走査電子ビームと前記探針とのなす角度
    の正弦と、前記画面に表示される画像の表示倍率とを乗
    じて得るようにした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。
  5. 【請求項５】請求項２〜４のいずれか１項に記載の走査
    型トンネル顕微鏡付き走査型電子顕微鏡において、前記
    探針による前記試料の表面上の走査範囲を示すマークを
    含む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。
  6. 【請求項６】請求項３又は５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、前記線分状マーカの
    他端又は探針の試料表面上の走査範囲を示す前記マーカ
    の所定の点は位置合せ用の点を示し、この位置合せ用の
    点と前記探針の先端部を前記画面上にて位置合せするた
    めの移動手段を有す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。
  7. 【請求項７】請求項６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、前記移動手段は、前記探針
    の位置を移動させる移動手段、前記マーカの位置を移動
    させる移動手段、走査型電子顕微鏡の電子ビームの走査
    位置を移動させる移動手段のうち少なくともいずれか１
    つ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。
  8. 【請求項８】請求項７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、前記移動手段は、回転移動
    を行わせることが可能であり、前記画面上において前記
    線分状マーカの方向と前記探針の像の方向が一致してい
    ないとき、前記回転移動を行うことにより前記線分状マ
    ーカの方向と前記探針の像の方向とを一致できるように
    構成された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。
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