JPS62285005A - 固体表面計測装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は固体表面計測装置に係り、特に試料の表面付近
の状態を詳しく調べることができる固体表面計測装置に
関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は、添付文献Ｆｉｇｌに示すように、トンネ
ル電流ＪＴを一定に保つように探索針（ｓｅｔａｌ　ｔ
ｉｐ）と試料間の距離を調節し表面のトポグラフィ−を
得る。しかし、探索針のＺ軸方向の動きが試料形状に依
るもの（Ａ）か、試料の仕事関数の変化に依るもの（Ｂ
）かを判別することは困難であった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、トンネル電流の変化による探索針のＺ
軸方向すなわち試料垂直方向の動きが、試料の幾何学的
形状の変化によるものかあるいは仕事関数の変化による
ものかを判別することについては考慮されていなかった
。

本発明の目的は、かかる問題点を解決し、試料の表面付
近の状態を知るために、試料表面からより多くの情報を
得ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、試料からの２次電子あるいは反射電子ある
いはオージェ電子を測定することにより達成される。

たとえば、清浄かつ平担な試料面の限定された場所に特
定の原子が１原子層吸着して仕事関数が低下している状
態を考える。走査型トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ）ある
いはトポゲラファイナ−で清浄表面から吸着表面にかけ
て探索針を１次元的に走査して得られる情報は、両者の
間で探索針のＺ軸方向の位置が異なるということのみで
ある。

しかし試料に入射する電界放射電流により発生する２次
電子線強度は、境界で特徴的に変化し、さらに清浄表面
と吸着表面とでは差がある。この情報により初めて上記
の試料表面状態が理解できる。

また試料への入射電子のエネルギーを１ｋｅＶ以上にす
ることによりオージェ電子による表面原子の組成分析も
可能である。

〔作用〕

第１図において、試料から放出された２次電子あるいは
反射電子の一部分は検出器により検出される。次に探索
針を試料面上で走査することにより２次電子像あるいは
反射電子像を得る。この２次電子像あるいは反射電子像
を、トポグラフィ−と対比させることにより、試料の表
面状態を詳しく知ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。３次
元的に精密に移動するステージ］３上に試料１４が固定
されている。この試料１４に対して垂直方向に先端を鋭
利に尖がらせた探索針３があり、これを支持するように
、ｘ、ｙ、ｚ軸圧型素子６，７，８が、ステージとは別
途に固定されている。試料垂直方向をＺ軸にとり、各圧
電素子６゜７．８は互いに直行している。探索針３周辺
には２次電子検出器４，５が対向するように配置されて
いる。これら一連のシステムが１０−”　Ｔ　ｏｒｒ程
度の真空度が保たれている真空容器（図示せず）の中に
設置されている。

探索針３を試料１４と平行平面内で走査させるＸＹ走査
回路１０、探索針３と試料１４間に流れる電流を一定に
保たせるように探索針３と試料１４間の距離を調整させ
、同時にＺ軸圧型素子８に印加されている電圧に相当す
る信号を出力するＺ軸制御回路９、及び試料１４のトポ
グラフィ−と２次電子像を表示する表示装置１１．１２
が大気中に設置されている。

次に動作を説明する。ステージ１３の移動により、試料
１４を探索針３に対して１ｍｌ１１程度にまで近接させ
る。Ｚ軸制御回路９により、探索針３と試料１４との間
に１　ｍ　Ａ程度の電流１が流れるよう電圧を印加する
。次にステージ１３及び２軸圧電素子８を用いて、探索
針３と試料１４間距離を数十人まで近づけると同時に電
流１が一定となるように探索針３と試料１４との間に印
加する電圧を減少させていく。２０人の間隔で印加電圧
１０Ｖ程度である。

第２図は、この状態でのエネルギー準位及びポテンシャ
ル曲線を示す。左側から試料、真空、探索針３を示し、
Ｅｆはフェルミ準位である。探索針３はタングステンを
用いた場合を示している。

タングステンのＥｆ近傍の電子が真空中のポテンシャル
障壁をトンネルし真空中を通り試料へ入射する。この状
態においては、約５ｅＶのエネルギーをもつ電子が入射
したことになる。すなわち印加電圧から探索針３の物質
の仕事間数分を差し引いたエネルギーを持つ電子−が入
射する。

この１次電子線１により、試料１４から放出される２次
電子線２を２次電子検出器４，５により検出する。１次
電子線のエネルギーが真空レベルよりも低い場合におい
ても、多くの電流を探索針３と試料１４間に流すことに
より微量ではあるが２次電子２は発生し、これを静電場
により検出器４．５へ導くか、あるいは検出器４，５を
試料１４近傍に配置することにより検出は可能である。

この２次電子線の強度信号を表示装置１２に入力し、ブ
ラウン管上の輝度あるいは色彩として表示する。一方Ｘ
軸圧電素子６及びｙ軸圧型素子７により探索針３を試料
１４と平行平面内で２次元的に走査すると同時に、電流
１で２軸圧電素子８にフィードバックをかけることによ
り電流１を一定に保つよう探索針３と試料１４間との距
離を調整する、ｘ−Ｙ走査信号を表示装置１２のブラウ
ン管のＸ−Ｙ走査と同期させることにより２０Å以下の
高分解能２次電子線像が得られる。また同時に、Ｚ軸圧
型素子８に印加されている電圧に相当する信号を表示装
置１１に入力し、ブラウン管上の輝度あるいは色彩とし
て表示することにより、試料表面のトポグラフィ−が得
られる。

本実施例によれば１．２次電子検出器４，５を２個対向
させて設置しているため、それぞれの信号強度を比較す
ることにより表面形状を容易に類推することができる。

試料測定位置を中心に、４個の検出器がそれぞれ９０″
の角度をなすように配第３図は、２次電子検出部の、詳
細図である。

試料１４より放出された２次電子２は、検出器５の電場
により収束され検出部に入射する。検出器５は探索針３
及び試料１４とは独立に固定されており、この検出器５
の検出範囲内で探索針は１０μｍ口走査できる。より広
い範囲の試料観察は試料の移動により行う。検出器５か
らのパルスハイドあるいは、検出部のエネルギーアナラ
イザーにより、オージェ電子分析を行う。

第４図は探索針３近傍にチャンネルプレート１５を取り
付けた一例である。この方法によると、探索針３を広範
囲に走査させても２次電子検出効率は不変である。また
２次電子発生領域に対して大きな立体角を占めるため電
場による収束が不必要であり、このため探索針３と試料
１４との間の電場に２次電子検出器の電場が影響を与え
ることがない。

第５図および第６図は、試料からのＸ線あるい１６を発
光させる。この光を光ファイバー１７で光電子増倍管１
８へと導く。シンチレータ１６のかわりに半導体検出器
を用いれば直接電圧信号として検出が可能である。試料
から光が放出される場合は、直接光ファイバー束１９か
ら分光器２０を通して光電子増倍管２１へ導く（第６図
）。本実施例では分光器２０を設けたため、試料１４か
らの放出光の波長分析が可能である。

第７図は試料及び探索針の精密移動に関する一実施例で
ある。機械的にｘ、ｙ、ｚ方向に移動するステージ１３
上に、試料側Ｘ　ｓ　’／軸圧電素子２２゜２３を組み
試料側２軸圧電素子２４を支持している。試料１４を保
持した試料台２５がこの上に取り付けられている。一方
ステージとは別途に固定されているｘ、ｙ、ｚ軸圧型素
子６，７．８により探索針３が支持されている。

試料１４を観察する際、まずステージ１３の動作により
試料１４を走査しトポグラフィ−及び２次電子像を得る
。この際の探索針及び試料間距離は１００μｍ〜１μｍ
であり、探索針３から試料１４へ流れる電界放射電流を
一定に保つようステージ１３の動作により調節する。こ
れにより、広い領域を低い分解能で観察する。この観察
領域内の一部分をより高い分解能で観る際は、試料側Ｘ
。

ＶｅＺ軸圧電素子２２，２３．２４を用いる。各素子２
２，２３．２４は５０μｍ伸縮し、探索針３と試料１４
との距離は１０μｍ〜１００μｍである６さらに分解能
を高めた測定を行う際はＸ。

ｙ、ｚ軸圧型素子６，７．８を用いる。各素子６゜７．
８は１μｍ伸縮し、１００μ秒以下の応答速度で高精度
に探索針３を走査する。試料１４との距離は１１００ｎ
〜０．５ｎｍ程度であり、はぼこの距離と同程度の分解
能が得られる。ｌｎｍ程度の距離では、探索針３から試
料１４へ流れる電流は、Ｆ　ｏｖｌｅｒ　−Ｎ　ｏｒｄ
ｈｅｉ＋ａ則に従う電界放射電流ではなく、距離と共に
指数関数的に変化するトンネル電流となり、トンネル電
子顕Ｉｌｌ！　（ＳＴＭ）像が得られる。しかし２次電
子放出量は著しく低下する。試料側ＸｓＶ軸圧電素子２
２．２３による走査と、試料側２軸圧電素子２４及び２
軸圧電素子８による距離調節とを組み合わせることによ
り、広い領域を高い分解能で観察できる二本実施例によ
ると広い範囲にわたり倍率を変えることができる。その
ため、試料１４をｗｔ？ＩＩ！Ｉシながら、その任意の
場所の高分解能ａｍが可能である。また従来のＳＴＭで
は大きな障害となっている試料面の大きな段差による計
測不能という事態も未然に防止できる。

第８図に、磁場による走査例を示す。Ｘ軸偏向コイル２
５及びｙ軸側向コイル（図示せず）により、Ｘ軸及びｙ
軸方向に偏向磁場を発生させる。

この磁場により探索針３及び試料１４を移動させること
なく２次電子像を得ることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、２次電子９反射電子、オージェ電子さ
らには光、Ｘ線を検出できるので試料表面から、より多
くの情報が得られ状態を適確に把握することができる。

特に絶録物のような電気的不良導体の存在する試料の場
合、試料電位が大きく変動するためトポグラフィ−は大
きく乱れるが、２次電子像では暗い部分として表示され
る。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例を示す斜視図、第２す 図、第合図は駆動系に関する実施例を示す斜視図、第字
図はビーム走査に関する実施例を示す概略図である。 ■・・・電流、２・・・２次電子、３・・・探索針、４
・・・２次電子検出器、５・・・２次電子検出器、６・
・・Ｘ軸圧型素子、７・・・ｙ軸圧型素子、８・・・２
軸圧電素子、９・・・２軸圧電素子、１０・・・ＸＶ走
査回路、１４１・・・表案　ｌ圓 ５　Ｚンンζ、ｔ　ｉμｔ−出」ｇ≦：　　　　　　ｔ
Ｏ，Ｘ　ｆ　謄［］ｉデー篤　２図 ’ｌ／ｇ３　鉛 窮４　図 第５図　　　　　　第１ｍ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、先端を鋭利に突がらせた探索針と、これを試料に近
   接させ試料面を走査させる走査手段と、該電極と該試料
   間に流れる電流を検出し該探索針と該試料間の距離を調
   整する機構と、該探索針または該試料の動きあるいは前
   記電流値を表示する手段を備え、かつ前記電流によつて
   前記試料より二次的に放出される荷電粒子や光、Ｘ線等
   を検出する手段を備え、試料表面の形態観察や組成分析
   等を可能にしたことを特徴とする固体表面計測装置。 ２、前記探索針あるいは前記試料を走査し、かつ該探索
   針と前記試料との距離を調整する手段を設けることによ
   り、広い範囲で倍率を変えることを可能ならしめたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体表面計測
   装置。 ３、前記電流を電磁的に偏向させる手段を設けたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体表面計測装
   置。