JPS62130302A - サンプルの表面を検査する方法及び装置 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は原子的な分解能で物体の表面の像を形成する方
法に関し、この方法を使用する原子開力顕微鏡に関する
。

Ｂ、従来技術 通常の光学顕微鏡は物体のレンズの開口によって決定さ
れる分解能上の限界がある。使用する光の波長の略１／
２より良い分解能を原理的に得られない。特開昭５９−
１２１３０１０号公報は開口の使用による分解能の限界
を、波長よりも小さな、物体からの距離に配置した波長
と比較して小さな入射ひとみの直径の使用によって回避
した光学的近視野走査顕微鏡を開示している。この顕微
鏡は波長の１７１０程度、即ち５０ｎｍ近傍の分解能を
達成している。

電子顕微鏡は代表的には垂直方向に２０ｎ＋ｓ、横方向
にｌｎｍの分解能を有するが、高い分解能を達成するの
に必要な電子ビームの高いエネルギのために、多くの表
面が著しく傷つく。

米国特許第４３４３９９３号の走査トンネル顕微鏡はは
るかに小さなエネルギ動作するが、その動作及び構造が
本発明に関連するので、次に走査トンネル顕微鏡の簡単
な説明を行う、これにおいては、非常に鋭い金属チップ
が検査すべき表面を横切って、チップの頂点の原子の電
子の雲がチップに最も近い表面領域上の原子の電子の雲
とおだかやに接触する様な小さな間隔でラスク走査され
る。従って上記チップと表面間に電位差が存在する時に
ギャップ間にトンネル電流が流れる。このトンネル電流
はチップと表面間の距離に依存して指数的に変化するの
で、チップがプローブの表面を横切って走査する時に生
ずる予定値からの偏差に基づいて修正信号を発生するの
に使用される。

この修正信号を使用してトンネルの距離を制御し、修正
信号を最小にし、又検査している表面上のチップの物理
的位置から構成される装置信号の関数としてグラフにす
る。この技術による原子スケールの分解能が得られ、表
面上の個々の原子が可視的になる。

走査トンネル顕微鏡はトンネル・ギャップを横切る電位
差を必要とする。従って、トンネル・チップと検査すべ
き表面はともに導電性の材料であるか、導電性の材料で
覆ったものでなければならない（トンネル長よりも薄い
絶縁表面層の被覆は許される）。従って走査トンネル顕
微鏡は絶縁体の表面を検査出来ないという本来の制約が
ある。

仮に絶縁体の表面を金属層で覆っても、この様な層がど
の様に薄くても、絶縁体の表面の細部の大部分が害われ
る。

Ｃ１発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は高エネルギもしくは準備金属被覆を必要
とせず、準備が電気的導体の作業だけになる、原子的分
解能で任意の材料の表面の像と形成する方法を与える事
にある。

Ｄ９問題点を解決するための手段 本発明に従えば、上記目的を具体化する原子開力顕微鏡
が与えられる。本発明の方法及び顕微鏡の原理は原子が
互に接近してその電子の雲が接触する。即ち鋭いチップ
の前面の原子と検査すべきサンプルの表面の原子の波動
関数に低いレベルの重畳があると原子間力が発生する事
に基づく。しかしながら、これ等の力は非常に小さく、
従来の実験室の外部で、妥当な走査速度で測定するのは
困難であった。

本発明によれば、原子間力を非常に小さなばねをたわせ
るために使用し、上記ばねのたわみをトンネル顕微鏡で
測定する。

１１００ｎよりも良好な分解能でサンプルの表面の地形
像を発生する本発明の方法は次の段階によって特徴付け
られる。すなわち、ばね状の片持ちばりの一つの端に固
定した鋭い失点を検査すべき表面に近−づけて、上記尖
点とサンプルの表面間に生ずる力が１０−”Ｎより大き
くなる様にし、この力で上記片持ちばりをたわませる。

上記片持ちばりのたわみを該片持ちばりからトンネリン
グ距離にあるトンネル・チップによって検出する。上記
片持ちばりと上記トンネル・チップ間のトンネル・ギャ
ップを流れるトンネル電流はトンネル電流の変化を検出
して修正信号を発生する事により一定値に保持される。

上記修正信号は該修正信号が最小になる様に尖点／サン
プル距離を制御し。

サンプルの表面に関して尖点の現在位置を表わす走査位
置信号の関数としてグラフにするのに使用する。

概略的に上述した方法を実施する本発明の原子開力顕微
鏡はサンプルをナノメータの間隔でステップ状にｘｙｚ
方向に移動させる様に設計したサンプル保持器、第１及
び第２のトンネル電極を含むトンネル装置及び上記トン
ネル電極間の距離を測定して予定の値からの該距離の偏
差に応答して修正信号を発生するための関連電子装置を
含む。

この原子力顕微鏡は上記サンプル保持器がばね状の片持
ちばりの一端に固定した尖点に対向して配列される事を
特徴とする。片持ちぼりは上記トンネル装置の電極の第
１の電極をなすか、これを支持し、第２のトンネル電極
がトンネリング距離で上記第１のトンネル電極と面する
様に可動に配置される。上記修正信号をサンプル保持器
に印加し。

サンプル／尖点距離を一定に保持する。修正信号は又プ
ロッタにも接続される。プロッタはさらにサンプルの表
面を横切って走査する事から構成される装置パルス源に
接続されている。

Ｅ、実施例 第１図を参照するに、原子力顕微鏡の主な構成は例えば
アルミニウム・ブロックより成る剛体ベース１より成る
。ベース１のアーム２はｘｙｚ駆動装置３に取付けられ
ていて、これによってサンプル４は定置尖点５に関して
ｘ、ｙ及び２方向に変位出来る様になっている。尖点５
はベース１から突出し、片持ちばり７を支持するアーム
６上に支持されている。好ましい実施例で、片持ちばり
７は板ばねの形をなし、尖点５は該ばね７の上端に固定
されている。

ばね７の裏にはトンネリング・チップ８が面していて、
チップ８は、ばね７とは相対的に前進及び後退させる２
駆動装置ｉ１９に支持されている。２駆動装置９はベー
ス１から突出するアーム１０に固定されている。

本発明の装置は非常に大きな倍率で表面を検査する事を
意図しているから、建物の振動の様なすべての周囲の振
動を除去する装置を与える必要がある。この振動除去は
ベース１のアーム２及び１０から駆動装置３及び９を分
離するビトン（Ｖｉｔｏｎ）ゴムのクッション１１．１
２によって成る程度達成出来る（ビトン（Ｖｉｔｏｎ）
はＥＩデュポン・ド・ネムアー社（Ｅ、　１．　ＤｕＰ
ｏｎｔ　ｄｅ　Ｎｅｍｏｕｒｓ　＆　Ｃｏ、）製の減衰
材料の商標である）。

動作を説明すると、検査すべきサンプル４はＸｙｚ駆動
装置３上にその表面が尖点５に向き合う様に取付けられ
る。サンプル４が尖点５に向って。

尖点５の頂点の原子の電子雲がサンプル４の表面上の原
子の電子雲に接触する距離迄近づくと、原子間力が発生
する。反撥性のこれ等の力は１Ｏ−１３Ｎの程度であり
、尖点５を固定したばねをたわませる。

勿論１個々の原子間に生ずる力は小さいので、尖点５と
ばね７の質量は出来るだけ小さくなければならない。又
大きなたわみを得るために、ばねはしなやかで、しかも
建物の振動にほどなく不感でなければならない、建物の
振動の最強の振動数成分は約１００七である。従ってば
ね／尖点組立体は１０〇七よりもはるかに高い固有振動
数ｆ０を有さなければならず、それには非常に小さな質
量を有する事が必要である。

１つの実験的な実施例として、手製で可能な最小のばね
に小さなダイヤモンドのスタイラスをつけたものを製作
したが、このばね／尖点組立体の質量は約１０’−”ｋ
ｇであり、固有振動数は２ＫＨｚである事がわかった。

２５μ田の厚さ及び０．８■の長さの薄い金箔より成る
ばねの場合、４０Ｐ！＋１のたわみは１０−”Ｎ程度の
力に対応する。

ばね７のたわみは固定したトンネル顕微鏡によって測定
する。ばね７は圧電素子１３を介してアーム６に支持す
る。トンネリング・チップ８を２駆動装置９によって金
のばね７に向けてトンネリング距離内、即ち約０．３ｎ
１以内に近づけ、トンネル電流をばね７とチップ８間に
流す、この時これ等の間には適切な電位差が存在するも
のとする。

このトンネル電流はトンネル電極間の距離の指数関数で
ある。従ってトンネル電流は定レベル即ちホーム・レベ
ルからの実際の検査位置の表面の高さを導くのに使用出
来る。

本発明の原子開力顕微鏡はその通常の動作において表面
の大部分、例えば半導体ウェハもしくは回路板の表面の
大部分を写像するために使用される。従って尖点５はサ
ンプルを横切ってマトリックス状に走査される。サンプ
ルの表面の各スポットのトンネル電流の値をそのスポッ
トの位置情報に対してプロットすると、サンプルの表面
上の地形学的に像が得られる。（通常平坦でない）表面
の走査から生ずるトンネル電流の変化が修正信号を発生
するのに使用される。この修正信号をフィードバック・
ループによって１’／Ｚ駆動装置３の２部に印加し、尖
点５とサンプル４間の距離を制御して、原子間力を一定
値に保持する。

上述の様に１片持ちぼり（ばね）７は圧電素子１３によ
ってアーム６上に支持されている。これによってばねは
２方向に振動する可能性がある。

例えばばねは以下説明する動作の１つの特定のモードで
、その固有振動数で振動する可能性がある。

第２図は本発明の原子開力顕微鏡の詳細な実施例を示す
。尖点５及びサンプル４間の距離はねじ１４によって大
まかに調節される。ねじ１４は部材１６に固定されてい
るビトン（Ｖｉｔｏｎ）パッド１５を対向して接してい
る０部材１６はビジトン（ＶｉＶｔｏｎ）クッション１
７を介してベース１によって支持されている。部材１６
はｘｙｚ駆動装置３を支持し、駆動装置ｉ３上にサンプ
ル４が保持されている。片持ちばり７はベース１に固定
され、尖点５を支持している。尖点５の頂点がサンプル
４に面している。トンネリング・チップ８はねじ１８に
よって片持ちばり７に関して粗く位置付けられる。ねじ
１８によってビトン（Ｖｉｔｏｎ）クッション１９をし
めつける事が出来る。トンネリング・チップ８の精密な
位置付けは上記ビトン（Ｖｉｔｏｎ）クッション１９を
介してベース１に取付けた部材２０上に支持した２駆動
装［９によって達成される。原子開力顕微鏡を設置する
ペンチ２１に影響を与える可能性のある四辺の振動の影
響を出来るだけ除去するために、ＩＢＭテクニカル・デ
ィスクロージャ・プリテン（ＩＢＭ　Ｔｅｃｈｎｉｃａ
ｌＤｉｓｃｌｏｓｕｖｅ　Ｂｕｌｌｉｔｉｎ）第２７巻
、第５号、第３１３７号、第３１３７頁に開示されてい
る、（下から上に向って）寸法が減少するゴム・パッド
２４によって分離した金属板２３の積層体より成る振動
フィルタ２２を使用する。

本発明の原子開力顕微鏡を動作させる際には４つの異な
るフィードバック・モードが存在する。

第１のモードでは、サンプル４と点５間の距離及び片持
ちばり７とトンネリング・チップ８間の距離を夫々調節
した後に、ｘｙｚ駆動装置３が変調されて、片持ちばり
７の固有振動数で２方向に０゜１乃至１片ｍの振幅で前
進及び後退される。尖点５の頂点の前面とサンプル４の
表面上の間に存在する原子間力によって片持ちばり７が
振動する。この振動は勿論片持ちばり７とトンネリング
・チップ８間の距離を変化させトンネル電流を変調させ
る。第１のフィードバック・ループでは変調トンネル電
流から修正信号が発生され、この修正信号はｘｙｚ駆動
装置３の２部の制御入力に印加され、サンプル４を後退
させる。

第２のモードでは、片持ちばり７（第１図）は圧電素子
１３によって励起されてその固有振動数で２方向に０．
０１乃至０．ｌｎｍ範囲の振幅で振動させる。尖点５と
サンプル４間の境界に存在する原子間力が片持ちばり７
の振動の振幅を変化させる。この変化によっても修正信
号を誘導する事が出来る。

第３のフィードバック動作モードは修正信号を誘導する
のに片持ちばり７の振動の位相の変化を使用する点を除
き第２のモードと同じである。

小さなバイアスが望ましくもしくは必要な場合に適用出
来る第４のモードでは、サンプル４は徐々に静止した片
持ちばり７に接近させて、片持ちばり７のたわみによっ
て片持ちばり７とトンネル・チップ８間のギャップを流
れるトンネル電流を変化させる。トンネル電流の変化に
基づいて、制御信号を誘導して、直接ｘｙｚ駆動装置を
制御する。

従って、サンプル４と尖点５間の距離が減少すると、原
子間力が増強して片持ちばり７をたわませる。このたわ
みによってトンネル・ギャップが小さくなり、従ってト
ンネル電流が増大する。このモードのフィードバック手
段では、増大したトンネル電流によってサンプル４を後
退させ、従って原子間を減少させる。

成る応用の場合には、トンネル電流の変動から誘導され
る制御信号の１部をフィードバックして直接トンネリン
グ顕微鏡の制御を行うのが有利である。

この場合、サンプル４とトンネル・チップ８を反対方向
に駆動する。しかしながらトンネル・チップ８は例えば
振幅は１０分の１．１００分の１もしくは１０００分の
１程度駆動する。ここで上述の第１乃至第３のフィード
バック・モードと対比し、第４のモードでは片持ちばり
７の成るたわみを調整する測定の開始時だけに原子力間
の力の絶対値がはっきりわかっている事に注意されたい
。

しばらくすると、熱的ドリフトのためにたわみがはっき
りしなくなる。

上述の様に、サンプル４がｘｙｚ駆動装置３上に支持さ
れ、２部がサンプル４と点５間の距離を微調節するのに
使用される。ｘｙｚ駆動装置３のｘｙ部は点５に関して
ｘｙ平面○でサンプル４を移動させるのに使用される。

移動は尖点５がサンプル４の表面をラスク走査する様に
制御される。

従ってラスク走査の制御信号はｘｙ平面において。

サンプル４上の点５の位置を表わす。ラスク走査信号を
上述のフィードバック信号もしくは修正信号に対してプ
ロットする事によってサンプル４の表面の地形的像が得
られる。

第２図の実施例のフィードバック・モード４の条件の下
に動作させると、測定は空気中で行われるにもかかわら
すＱ、１部ｍの垂直分解能及び３部ｍの横方向分解能が
達成される。空気中ではすべての表面は水の薄膜で覆わ
れる傾向があるが、そのために尖点５が水の薄膜を横切
るのに成る最小の力を必要とする。

本発明の原子開力顕微鏡を超高真空環境中に置く事によ
って機器の安定性及び分解能が少なく共２桁改善される
事は明らかである。

Ｆ０発明の効果 本発明に従えば、高エネルギもしくは準備金属被覆を必
要としないで原子的分解能を有する原子開力顕微鏡及び
表面の像を形成する方法が与えられる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の原子開力顕微鏡の主要部品の相互の位
置関係を示す概略図である。第２図は第１図の原子開力
顕微鏡の好ましい実施例の図である。 １・・・・剛体ベース、２．６，１０・・・・アーム、
３・・・・ｘｙｚ駆動装置、４・・・・サンプル、５・
・・・尖点、７・・・・片持ちばり、８・・・・トンネ
ル電流・チップ、９・・・・２駆動装置、１１．１２・
・・・クッション、１３・・・・圧電素子、２２・・・
・振動フィルタ。 手続補正書（自発） 昭和６１年１２月３　日 特許庁長官　黒　１）明　雄　殿 １、事件の表示 昭和６１年　特許願　第２４３３３０号２、発明の名称 サンプル表面の像を形成する方法及び装置３、補正をす
る者 事件との関係　　特許出願人 ４、代理人 日本アイ・ビー・エム株式会社内 ・□）５８５−４９２”０ 氏　　　　　　　　　　山　　本　　仁５、補正 、、＋１−　　　　　＋　　　　　−−１−−−６、補
正の対象 （１）明細書の発明の詳細な説明の欄 （２）明細書の図面の簡単な説明の欄 （３）図　面 ７、補正の内容 （１）明細書の第１３頁第１０行目「フィードバック・
モードが存在する。」以下に次の文言を加入する。 「第３図は、その４つのフィードバック・モードを可能
ならしめる回路構成の例を示すブロック図である。この
回路は、トンネル・チップ′８に近接する片持ちばり７
の側面に設けられた電極２５に、リード線２６を介して
接続されたニー■コンバータ２７を有している。コンバ
ータ２７は、トンネル・チップ８と電極２５の間に流れ
るトンネル電流の変動を検出するために、電流値を電圧
値に変換する。コンバータ２７は。 コントローラ２８を含むフィードバック・ループの一部
をなす。コントローラ２８はＸＹＺ駆動装置３のＺ駆動
装置に接続され、Ｚ方向の変調を行う働きを有する。コ
ントローラ２８は、コンバータ２７からの電圧信号を処
理して、ノイズを除去するとともに、上記４つのフィー
ドバック・モードのうちの選択したモードに基づく適当
な符号と振幅の信号を発生する。スイッチ３０は、変調
器３１の信号を、コントローラ２８またはコントローラ
３３に選択的に切換える働きを行う。尚、スイッチ３０
が位置３５にあるとき、変調器３１の出力はコントロー
ラ２８．３３のど゛ちらにも加えられない。コントロー
ラ３３は、サンプル４をＸ及びＹ方向に走査するために
、ＸＹＺ駆動装置３をＸ及びＹ方向に制御するとともに
、圧電素子１３をＺ方向に変調する働きも行う。コント
ローラ３６は、トンネリング顕微鏡の制御に寄与するべ
くトンネル電流の変動によって得られた制御信号の一′
部をＺ駆動装置９にフィードバックするために、コンバ
ータ２７と２駆動装置９の間に接続され、修正信号を発
生する働きを有する。プロッタ３７は、ＸＹＺ駆動装置
３とコントローラ３６に接続され、ＸＹ位置における。 コントローラ３６の出力値をプロットする。」 （２）明細書第１６頁第５行目にｒｘｙ平面Ｏ」とある
のをｒｘｙ平面」と補正する。 （３）図面の簡単な説明を別紙のとおりに補正する。 （４）図面の第３図を別紙のとおり追加する。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明の原子開力顕微鏡の概略図、第２図は
、第１図の装置のより好ましい実施例の図、 第３図は、フィードバック・ループを含む駆動回路のブ
ロック図である。 １・・・・剛体ベース、２．６．１０・・・・アーム、
３・・・・ｘｙｚ駆動装置、４・・・・サンプル、５・
・・・尖点、７・・・・片持ちばり、８・・・・トンネ
ル電流・チップ、９・・・・２駆動装置、１１．１２・
・・・クッション、１３・・・・圧電素子、２２・・・
・振動フィルタ、２７・・・・Ｉ−Ｖコンバータ、３６
・・・・２駆動装置用コントローラ、３７・・・・プロ
ッタ。 第８図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ａ）ばね状の片持ちばりの一端に固定した尖点
   を、検査すべきサンプルの表面に、上記尖点の頂点の原
   子とサンプルの表面上の原子間に発生する力が１０＾−
   ＾２＾０ニュートンよりも大きくなる様に接近させて、
   この原子間力によって上記片持ちばりをたわませ、 （ｂ）上記片持ちばりのたわみを、上記片持ちばりから
   トンネリング距離に配置したトンネル・チップによって
   検出し、 （ｃ）検出したトンネル電流の変化を利用して修正信号
   を発生することによって上記片持ちばりと上記トンネル
   ・チップ間のトンネル・ギャップを流れるトンネル電流
   を一定値に保持し、 （ｄ）上記修正信号を、該修正信号が最小になる様に上
   記尖点とサンプル間の距離を制御し且つサンプルに関連
   する上記尖点の現在の位置を表わす走査位置信号の関数
   としてプロットするために使用する段階より成る、 サンプル表面の像を形成する方法。
2. （２）（ａ）一端にサンプルに近接配置すべき尖点を固
   定したばね状の片持ちばりと、 （ｂ）上記サンプルをＸＹＺ方向に移動するための駆動
   手段と、 （ｃ）上記片持ちばねのたわみ量に応答して変化するト
   ンネル電流を発生するための手段と、（ｄ）印加電圧に
   応じて上記片持ちばりのたわみ量を変化させるための制
   御手段と、 （ｅ）上記トンネル電流の値がほぼ所定の一定値になる
   ように上記制御手段に電圧を印加するための手段と、 （ｆ）上記印加電圧の値を、上記駆動手段による移動位
   置の関数としてプロットするための手段、 とを具備するサンプル表面の像を形成する 装置。