JPS62223602A - 表面計測装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、固体表面の計測装置に係り、特に、表面の微
細構造などの三次元の計測ならびに表面電位を測定する
のに好適な表面計測装置に関する。

〔従来の技術〕

走査型トンネル顕微９７９　（Ｓｃａｎｎｊｎｇ　Ｔｕ
ｎｎｅｌ、ｔｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ　；以下ＳＴＭ
と省略）なる測定装置がある。（例えばジー・ピニング
らによるフィジカル　レビュー　レター（Ｐｈｙｓ、　
Ｒｅｖ、　Ｌｅｔｔ、）　４９＆１　　ｐＰ５７〜６１
　（１９８２）　、第５図にその概念を表す略図を示す
、タングステンからなる尖針１の微小な曲率半径（〜１
００人）の突起と試料２の間隔を１０人程度という微小
な大きさに保つとき、尖針１と試料２の間に電源５から
数Ｖ以下の電圧をかけることによって、尖針１という金
属および試料２．という金属の間には、真空という媒質
をトンネル現象によって電子が流れる。

試料２を圧電素子からなる試料走査装置４によって移動
するとき、トンネル電流を検出器６および増幅器７で検
出増幅し試料２の表面の微細な凹凸に対応してトンネル
電流が一定になるように尖針１を圧電素子からなる尖針
駆動装置３によって上下させる。このとき、例えば尖針
駆動装置３を駆動させる電圧は、試料表面の凹凸の信号
を増幅したものであり、Ｘ−Ｙレコーダー等でＹ軸に上
配電圧信号、Ｘ軸に試料微動量を表示することによって
試料表面上のある直線部分での表面形状を得ることがで
きろ。さらに上記を二次元の領域で走査することによっ
て試料表面の該当する領域での形状を得ろことができる
。

一方、上記ＳＴＭの原型とみなされるトポゲラファイナ
−（Ｔｏｐｏｇｒａｆｉｎｅｒ）と称される装置が文献
３に示されている。上記ＳＴＭが真空トンネル領域であ
るのに対して、この装置では、振動対策の困難さ故に上
記ＳＴＭにおける金属実計１と試料２間の間隔１０人が
達成できず、１００〜１０００人となったために、電界
放出領域であり、実計１が陰極となり、電界放出させた
トンネル電子を陽極たる試料２に入射さ仕ている。

すなわち、ＳＴＭでは実計１と試料２間の真空ギャップ
が１３０Å以下の場合であり、実計１と試料２に印加す
る電圧の極性によらないで行われるのに対して、トポゲ
ラファイナ−では、上記真空ギャップが１００〜１００
０人程度であり、程度１には必ず負の極性を印加するよ
うにすなわち実計１゜を陰極として行われる。試料走査
装置および走査像のとり方に関してはＳＴＭと同等であ
る。

分解能に関しては、ＳＴＭおよびトポゲラファイナ−と
もに、試料表面に垂直な方向では１と２間の真空ギャッ
プの１／Ｚｏｏ程度、試料表面内の二次元では真空ギャ
ップと同程度の値がそれぞれ大よその限界と考えられて
いる。すなわち、上記の従来技術では分解能を支配する
ものは実計１と試料２間の真空ギャップであり、分解能
を向上させようとすれば、〜１０人という微小ギャップ
にしなければならないし、逆に〜１０００人という比較
的大きいギャップにすると、分解能の低下を余儀なくさ
れた。

一方、実用上計測しようとする試料の表面の凹凸は、〈
１０人オーダーであることは少なく、当然のことなから
］−００〜１０００人におよぶ場合が多数ある。これら
の表面を例えばＳＴＭで計測することは以下の理由によ
って殆ど不可能である。すなわち、ＳＴＭにおける試料
表面に垂直な（Ｚ）方向での大よその分解能は〜１／１
ｏ人であることを述べたが、それは、Ｚ方向で１／１０
Å以下の安定性をもって圧電素子を制御しているためで
ある。その制御を満足させるためには、尖針駆動装＠３
の駆動範囲を数１０人以内にしなければならない。した
がって、試料の走査によって試料表面にある〜１ｏｏｏ
人の段差に実計駆動装置３が追従して、なおかつ、１／
１ｏ人の分解能をもっことは非常に困難である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記で詳細に説明したように、従来技術では、実計と試
料間の真空ギャップを大きくすると（トポゲラファイナ
−）、分解能が悪くなり、分解能を向上させるためには
真空ギャップを小さくする（ＳＴＭ）Ｉ、かなかった。

本発明の目的は、実用上の観点から大きい真空ギャップ
に対して分解能を向上させる手段を提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記真空ギャップを大きくすることは、既に述べたよう
にトンネル現象の形態としては、実計がらの電界放出電
子を用いることになる。

第６図の略図に示すように、電界放出電子針１から陽極
たる試料２に放出される放射角αは、実計の金属の種類
、実計の先端形状等に依存するが、一般に１　ｒａｄ程
度である。したがって、実計１と試料２間の真空ギャッ
プｄと、試料２における放射電子（電流）分布の広がり
ｎｏは、大よそ等しい。ｄとして１μｍのギャップを定
めると０〜１μｍであり、前記トポグラフッイナーの例
で述べたように試料表面上の分解能としては、〜１μｍ
しか得られないつ そこで、Ｄｏ　を小さくする方法として何らかの電子に
対するレンズ作用を応用して、実計１から〜１　ｒａｄ
程度に広がって放射された電子を集束させることが考え
られる。この場合、実計１と試料２間の真空ギャップの
近傍には電場を乱すようなどんな電極があってもならな
いから電子レンズとして静電型レンズは不適当であり、
磁界型レンズを用いなけれなならない。また通常の電子
光学系では電子ビ・−１１の光路の最もレンズ作用を必
要とする領域で強い磁界がかけられるが、上記静電レン
ズに対するのと同様の理由および、〜１μｍという微小
ギャップから従来用いられているような磁極の構成は不
可能である。

第１図は、本発明の原理を示す図で、実計１の外周空間
に導線で作るコイル８を設け、直流の電流を通ずること
により実計の軸方向に平行な磁界を発生させる。試料２
に対して実計１に負の適当な電圧を印加することにより
実計１から電界放出電子を放射させる。コイル８に通電
しないときの放射領域Ｄｏに対し、通電したときの領域
はＤｌと小さくなる。この場合、１〜２間の真空ギャッ
プへの電界の影響を小さくするため、コイル８の下端は
実計１よりも真空ギャップ側にあってはならない。Ｄの
大きさとしては、実計先端の曲率半径が〜５ｏ人のとき
Ｄｏすなわち真空ギャップの〜１／１０程度が得られる
。

〔作用〕

本発明における磁界の集束作用について以下に詳しく説
明する。一般に磁場中を運動する電子はローレンツ力に
よって磁束に巻き付くように運動し、その回転半径Ｒは
、Ｒｏｃ−で表される。こＪ「 こでＢは磁束密度。したがって電子のエネルギーが一定
であれば磁束密度が大きい程小さい回転半径をもつ。例
として第２図に示すように、先端の曲率半径（１）とし
て大きい５００Ａ程度の実計１が陽極と１μｍ程度の真
空ギャップで対向していて、１００ｖの電圧で電子が引
き出されるとき。

実計の先端のほぼ半球面から放出された電子は、初速か
ら数Ｖないし数１０ｖ程度に加速される領域で磁場によ
る影響を強くうけて磁束と平行方向に進行方向を変える
。その後、磁束密度の低下と電子の運動エネルギーの増
大によって再び広がる。

（実際には、電子は回転しながら進むが、図ではＺ座標
でもつ電子の動径でのみ示しである。）この集束作用に
よる集束の形態は、実計の曲率半径。

磁束密度、ｉｔｔ界放射電圧および真空ギャップのそれ
ぞれの値によって異なるが、試料面上での広がりＤＩは
、実計の先端部直径の２倍程度すなわち上記例で２００
０人程度程度ることができる。

この集束作用を強めるためには、試料に近づく程加速さ
れる電子のエネルギーに合せて磁束密度を大きくするこ
とである。すなわち、第３図に示すように試料２の近傍
で磁束を集中させることによって試料２上での広がりＤ
ｚとしてさらに小さな値とすることができる。第２図と
同様の配置で、Ｄｚとして５０人近傍まで集束すること
ができる。

すなわち、実計の先端部曲率半径（ｒ）が〜５０人であ
るとき、Ｄｚとして〜１０人が得られる。

この値は、真空ギャップを１μｍ程度にしてもＳＴＭと
同様の分解能が得られることを示している。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第４図により説明する。円柱
状の永久磁石１０の中心部に実計１の支持棒９を設け、
この支持棒９および永久磁石１０は、圧Ｗ＆素子からな
る実計駆動装置３と結合させる。非磁性体からなる試料
台１３は、実計１と垂直をなすように実計駆動装置３と
結合する（図中省略）。試料２は試料台１３上に固定し
実計】と１μｍ程度の真空ギャップを保つようにする。

試料台１３の実計に対向する位置の試料２と接する側で
円錐形をなし、反対側で円柱状のパーマロイなどの強磁
性体からなる磁極１１および円柱状部分の外周に絶縁被
覆導線からなるコイル１２を配置し、直流電源（図示せ
ず）からコイル１２に通電して磁極１１の作る磁界が試
料２の表面に垂直な方向となるようにする。この場合、
永久磁石１ｏの作る実計側の磁極と、磁極１１の円錐状
先端部の磁極は互に反対極性となるようにコイル１２に
通電する。

本実施例において、電源５から実計１および試料２の間
に電圧を印加（実計側に負）して電界出電子を放射させ
るとき、その集束作用は第３図で説明したようになる。

すなわち、永久磁石１０からの磁束は、電磁石たる磁極
１１の円錐状部分の先端に集中するため、試料表面２に
入射する電子は、試料表面に近づくほど強い集束作用を
うける。

実計１と試料２間の真空ギャップおよび試料２の厚さが
異なる場合、試料表面上で集束電子の径が最も小さくな
るように電源によってコイル１２への通電電流値を制御
する。尚磁極１１の円錐状部分の先端での磁束密度が飽
和することがあるので、磁極１１はできるだけ飽和磁束
密度の高い物質を選択する方が良い。なお、試料走査装
置については従来と同様であるので省略する。

本実施例で、先端の曲率半径５０人の実計を用いて、実
計１と試料２間の真空ギャップを１μｍ程度に設定した
とき、試料面内の分解能として前記の如くおよそ１０人
が得られる。試料面に垂直な方向の分解能としては、は
ぼ同じｌｏＡＮ度である。

本実施例を用いて、従来のＳＴＭと同様の表面形状ＷＡ
察２表面電位測定が可能であり、真空ギャップが大きい
だけ実用性が高い。

〔発明の効果〕

以上、詳述したように本発明によれば、真空ギャップを
１μｍ程度の大きい間隔に保っても、試料面内での分解
能を真空ギャップの１／１０〜１、　／　１００とする
ことができ、従来のＳＴＭで１０人程度の真空ギャップ
に保たなければ実現できなかった分解能を得ることがで
きる。

また真空ギャップを１μｍという大きい間隔に保てると
いうことは、実計駆動装置の駆動範囲を、例えば０．１
〜１μｍという大きい値に予め設定することができ、そ
のため実用上、試料表面の凹凸２段差等のｗｔ察が容易
となり、対象とする試料の種類が拡大される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理を示す概念図、第２図および第
３図は本発明の詳細な説明するための概念図、第４図は
本発明の一実施例を示す縦断面図、第５図は従来例の原
理を示す概念図、第６図は電界放出電子の放射角分布を
説明する説明図。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、尖針と、この尖針に対向して配置した試料および試
   料表面に平行な面内を二次元に尖針と試料を相対的に走
   査する装置、尖針の軸方向に磁場を加える手段、および
   尖針から試料に放出される電子流を検出する信号検出手
   段を具備してなることを特徴とする表面計測装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、尖針か
   ら放出される電子流を一定に保つように試料表面と尖針
   間の間隙を調整する尖針駆動装置を具備することを特徴
   とする表面計測装置。