JPH07103989A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 試料表面の測定画像の劣化等が始まる前に探
針を自動的に交換できる走査型トンネル顕微鏡を提供す
る。 【構成】 ＸＹＺステージ６により試料８ａの粗動が完
了した状態で、トンネル電流検手段手段１によって探針
３ｅと試料８ａの間に流れるトンネル電流が検出され、
制御手段２はこの検出されたトンネル電流の信号を一定
時間取り込み、その信号の状態から探針３ｅの良否を判
断する。制御手段２は探針３ｅが不良であると判断した
場合、ドライバ２’を介して探針交換手段３のモータ３
ａを駆動しカートリッジ３ｃを回転させることにより、
他の探針を試料８ａ上に移動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型トンネル顕微鏡
（ＳＴＭ）に関する。

【０００２】

【従来技術】一般に、走査型トンネル顕微鏡は、試料と
これに対向配置した探針との間に電圧を印加し、両者間
に流れるトンネル電流が一定になるよう探針又は試料を
走査することにより、試料表面の形状を原子レベルの分
解能で観察することができる。かかる走査型トンネル顕
微鏡は、米国特許４３４３９９３号に示されているよう
に、顕微鏡本体に設けられた探針の先端を探針先端の原
子の電子雲と試料の電子雲とが重なり合う数ｎｍ（ナノ
メートル）程度まで試料に近づけ、この状態で探針と試
料との間に電圧をかけた場合に流れるトンネル電流の大
きさを測定することにより試料と探針との間の距離を超
精密に測定できるという特性を利用したものである。す
なわち、上記トンネル電流が探針と試料との距離によっ
て一義的に定まるという性質を利用し、このトンネル電
流が一定になるように探針又は試料の高さを圧電素子等
による精密駆動機構により制御しながら、この探針又は
試料を水平方向に走査したときの探針又は試料の高さ方
向の軌跡により試料表面の凹凸形状を原子レベルで測定
するものである。

【０００３】かかる走査型トンネル顕微鏡において、探
針を装置へ装着する場合、通常使用者が１本づつ手作業
で取り付けなければならないため、取付時に探針に物理
的損傷が生じる場合が多く、また、試料表面を測定する
につれて塵等により探針の針先が徐々に汚染される場合
が生じる。かかる場合、走査型トンネル顕微鏡の性能は
針先の微妙な形状に敏感に影響することから、針先の損
傷や汚染は測定精度に多大な悪影響を与えることとな
る。このため、従来においては実際に測定した試料表面
の画像の劣化等を使用者が判断することで探針の交換が
行われていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ように、実際に測定した試料表面の画像の劣化等から探
針の良否を判断する方法では、交換した探針での再度の
試料表面の測定が必要となるため、前回行った測定が無
駄となって測定時間が遅延する。

【０００５】また、試料表面の画像の劣化等を使用者が
判断すると、判断基準が必然的に主観的なものとなり、
わずかに画像の劣化がある場合等では探針の良否の判断
が不可能となる。かかる場合、画像の劣化を見落とし
て、探針の交換を行わないと、正確な測定データが得ら
れないため、試料の表面形状等の解析を高精度に行うこ
とが不可能となる。

【０００６】さらに、製造ラインにおいて走査型トンネ
ル顕微鏡を検査装置として用いる場合には、探針の自動
交換が不可欠となり、従来のように手動によって探針を
交換したのでは到底製造ラインの検査装置として走査型
トンネル顕微鏡を用いることはできない。

【０００７】そこで、本発明はこれらの問題点を解消す
るために創案されたものであって、試料表面の測定画像
の劣化等が始まる前に探針を自動的に交換できる走査型
トンネル顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる走査型ト
ンネル顕微鏡の構成を図１に基づいて説明する。

【０００９】上記目的を達成するために、本発明におけ
る走査型トンネル顕微鏡は、トンネル電流を検出するト
ンネル電流検出手段１と、このトンネル電流検出手段１
により検出されたトンネル電流値から探針３ｅの良否を
判断する制御手段２と、この制御手段２により前記探針
３ｅが不良と判断された場合にこの探針３ｅを別の探針
と交換する探針交換手段３と、を備えたことを特徴とす
る。

【００１０】

【作用】本発明にかかる走査型トンネル顕微鏡の作用を
第１図に基づいて説明する。

【００１１】ＸＹＺステージ６により試料８ａの粗動が
完了した状態で、トンネル電流検手段手段１によって探
針３ｅと試料８ａの間に流れるトンネル電流が検出さ
れ、制御手段２はこの検出されたトンネル電流の信号を
一定時間取り込み、その信号の状態から探針３ｅの良否
を判断する。制御手段２は探針３ｅが不良であると判断
した場合、ドライバ２’を介して探針交換手段３のモー
タ３ａを駆動しカートリッジ３ｃを回転させることによ
り、別の探針を試料８ａ上に移動させる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図６に基づ
いて説明する。

【００１３】図１は、本発明にかかる走査型トンネル顕
微鏡の全体図を示したもので、１はトンネル電流検出手
段で、探針３ｅと測定対象である試料８ａの間に流れる
トンネル電流を検出し、これを所定の信号に加工して制
御手段２及びフィードバックコントローラ４に出力す
る。

【００１４】２は制御手段で、トンネル電流検出手段１
が検出した信号を所定時間の間入力し、その信号状態か
ら後述する方法で探針３ｅの良否を判断し、不良と判断
した場合にはドライバ２’を介してモータ３ａを駆動す
る。また、制御手段２はフィードバックコントローラ
４、スキャナドライバ５及びＸＹＺステージ６に対して
も直接指示を与えることができるよう構成されている。

【００１５】３は探針交換手段で、モータ３ａ、カート
リッジホルダ３ｂ、カートリッジ３ｃ、探針ホルダ３
ｄ、及び探針３ｅから構成され、これらはフレーム１０
に配設されている。モータ３ａの回転軸ははカートリッ
ジホルダ３ｂに取り付けられ、さらにカートリッジホル
ダ３ｂにはカートリッジ３ｃが取り付けられている。図
２はカートリッジを図１の低面から測定したもので、８
つの探針ホルダ３ｄが同心円上に配設され、それぞれの
探針ホルダ３ｄには探針３ｅが取り付けられている。な
お、探針ホルダ３ｄ及びカートリッジ３ｃはそれぞれカ
ートリッジ３ｃ及びカートリッジホルダ３ｂに着脱可能
に嵌合されているため、それぞれの探針ホルダ３ｄに探
針３ｅを取り付けた後、カートリッジ３ｃにそれぞれの
探針ホルダ３ｄを取り付け、さらにこのカートリッジ３
ｃをカートリッジホルダ３ｂに取り付ければ、探針３ｅ
の取り付けが非常に容易となる。このように、探針３ｅ
を取り付けたカートリッジ３ｃをカートリッジホルダ３
ｂに取り付けた状態でモータ３ａを駆動すると、それぞ
れの探針３ｅは順次試料８ａ上を通過することとなる。

【００１６】ここで、本発明の作用を制御手段２の動作
を示した図３のフローチャートに基づいて説明する。ま
ず、Ｓ１で、制御手段２は探針３ｅと試料８ａ間にトン
ネル電流が流れるまでＸＹＺステージ６を垂直方向に駆
動して試料８ａの粗動を開始させる。このとき、トンネ
ル電流検出手段１より検出される信号を監視し、トンネ
ル電流が検出された時点でＸＹＺステージ６の駆動を停
止する。

【００１７】次にＳ２で、所定時間トンネル電流検出手
段１からトンネル電流の値を入力し、これらのデータか
ら探針３ｅの良否を決定する。図４はトンネル電流検出
手段１から送られたトンネル電流の検出信号を横軸に時
間をとって示したもので、図４ａは探針３ｅが正常な場
合の信号を、また図４ｂは探針１が不良である場合の信
号である。そして、Ｓ３で探針３ｅの良否の判断を行
い、正常であると判断した場合には探針３ｅの交換は行
わずにＳ５に進んで通常の表面分析を、不良であると判
断した場合はＳ４で探針３ｅの交換を行う。

【００１８】ここで、Ｓ３で行う探針３ｅの良否の判断
方法の一例を図４に基づいて説明する。上述したように
図４ａは探針３ｅが正常な場合の信号で、図４ｂは探針
３ｅが粉塵等によって汚染されていたり、先端が損傷し
ている場合に得られる信号である。この図から理解でき
るように探針３ｅに異常がある場合には所定振幅の低周
波信号が含まれるため、制御手段２はトンネル電流検出
手段１から送られたトンネル電流の検出信号の高周波成
分の除去を行い、低周波成分の信号についての振幅が所
定値より大きい場合に探針３ｅを不良と判断する。

【００１９】また、図５に示すように探針３ｅと試料８
ａの間に流れるトンネル電流は両者の距離ｄに対して一
意的に定まるという性質を有する。従って、予め正常な
探針に対して図５のように探針と試料の間の距離ｄに対
するトンネル電流Ｉの値を記憶しておき、試料８ａを探
針３ｅに近づけるときに距離ｄに対するトンネル電流Ｉ
の値と、正常なものと比較することにより探針３ｅの良
否の判断を行ってもよい。なお、かかる場合、図１では
不図示であるがＸＹＺステージ６に取り付けたポテンシ
ョメータ等を介してＸＹＺステージ６が垂直方向に移動
した距離を制御手段２で検出すればよい。なお、Ｓ３で
行う探針の評価は測定対象となる試料８ａの影響を避け
るため、別途配設した標準試料８ｂに基づいて行っても
よい。かかる場合には、探針３ｅの評価を行う試料が常
に同じものとなり、測定対象となる試料の影響を受けず
より正確に探針３ｅの良否の判断をなしうる。

【００２０】Ｓ３で探針３ｅが不良であると判断された
場合、Ｓ４に進んで探針３ｅの交換を行う。この場合、
制御手段２はドライバ２’を介してモータ３ａを駆動
し、カートリッジ３ｃを回転させることにより不良と判
断された探針の隣の探針が試料８ａ上に来るようにす
る。

【００２１】そして、Ｓ３で探針３ｅが正常と判断され
た場合や、Ｓ４で探針３ｅの交換が行われた場合にＳ５
に進んで通常の分析動作を行う。なお、試料８ａの表面
分析は周知のようにトンネル電流検出手段１から得たト
ンネル電流の信号が予め制御手段２によって設定された
一定値になるようにフィードバックコントローラ４及び
スキャナドライバー５を介して圧電素子７を駆動し、試
料８ａの移動量を検出することにより行われる。

【００２２】なお、上記実施例では探針交換手段３とし
て回転機構を用いたが、本発明はこれらに限定されるも
のではなく、例えば図６に示すようにラックアンドピニ
オンによる直動形のものを採用してもよい。これは走査
型トンネル顕微鏡としての基本的構成は同じであるがモ
ータ３ａに配設したピニオンギヤ３ｆにラックギヤ３ｇ
を噛合わせ、このラックギヤ３ｇに探針ホルダ３ｄを直
線的に配設し、さらにそれぞれの探針ホルダ３ｄに探針
３ｅを取り付けたもので、モータ３ａを回転駆動するこ
とによってピニオンギヤ３ｆが回転し、ラックギヤ３ｇ
を直線運動させることによって探針３ｅの交換を可能と
するものである。

【００２３】このように、本発明によれば、探針の良否
の判断及び探針の交換を自動的に行えるため、探針の交
換に要する労力を大幅に軽減できる。しかも使用者の熟
練度に拘らず探針の良否の客観的判断が可能となるとと
もに、製造ラインにおいて走査型トンネル顕微鏡を検査
装置として用いることが可能となる。。

【００２４】また、実際の試料表面の測定結果から探針
の良否の判断を行うのではなく、測定に際して事前に探
針の良否の判断を行い探針の交換をなしうるため、常に
良好な試料表面の測定を行うことができる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、実際の試料の分析結果
から探針の良否の判断を行うのではなく、分析に際して
事前に探針の良否の判断を行い探針の交換をなしうるた
め、測定した画像から探針の良否を判断する場合に比べ
て、無駄な試料表面の測定が不要となり測定時間が大幅
に短縮される。

【００２６】また、探針の良否の判断及び探針の交換を
自動的に行えるため、探針の交換に要する労力を大幅に
軽減できる。しかも使用者の熟練度に拘らず探針の良否
を客観的判断することができるとともに、製造ラインに
おいて走査型トンネル顕微鏡を検査装置として用いるこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示した全体図である。

【図２】本発明にかかるカートリッジを示す図である。

【図３】本発明にかかる制御手段の動作を示したフロー
チャートである。

【図４】本発明にかかるトンネル電流検出手段により得
られるトンネル電流の信号を示す図である。

【図５】試料と探針の距離に対するトンネル電流の値の
関係を示す図である。

【図６】本発明に係る探針交換手段の一実施例を示す図
である。

【符号の説明】

１・・・・トンネル電流検出手段 ２・・・・制御手段 ３・・・・探針交換手段 ３ａ・・・モータ ３ｂ・・・カートリッジホルダ ３ｃ・・・カートリッジ ３ｄ・・・探針ホルダ ３ｅ・・・探針

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料とこれに対向配置した探針との間に
   電圧を印加し、両者間に流れるトンネル電流が一定にな
   るよう探針又は試料を走査することにより、試料表面の
   形状を原子レベルの分解能で観察する走査型トンネル顕
   微鏡において、 前記トンネル電流を検出するトンネル電流検出手段と、
   このトンネル電流検出手段により検出されたトンネル電
   流値から前記探針の良否を判断する制御手段と、この制
   御手段により前記探針が不良と判断された場合にこの不
   良と判断された探針を別の探針と交換する探針交換手段
   と、を備えたことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。