JPS63121740A - Surface analyzing method and its device - Google Patents

Surface analyzing method and its device

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JPS63121740A
JPS63121740A JP26825986A JP26825986A JPS63121740A JP S63121740 A JPS63121740 A JP S63121740A JP 26825986 A JP26825986 A JP 26825986A JP 26825986 A JP26825986 A JP 26825986A JP S63121740 A JPS63121740 A JP S63121740A
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JP
Japan
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probe
sample
work function
height direction
radiation
Prior art date
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Application number
JP26825986A
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Japanese (ja)
Inventor
Keiji Horioka
啓治 堀岡
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To attain accurate and highly reliable surface analysis by allowing a probe to scan the surface of a sample in its height direction by photoirradiating the surface or without photoirradiating, detecting tunnel current, moving the probe in the height direction so that the current is fixed, and measuring the moving distance of the probe in the height direction correspondingly to the scanning position. CONSTITUTION:A fixed voltage is impressed from a power supply 21 to an interval between a sample 13 and the probe 14, and while vertically moving the probe 14 by a piezo-electric element 15a, the surface of the sample 13 is scanned in the prescribed direction so that the tunnel current IP is fixed. Relation between the horizontal driving distance of the scanning and the height direction moving distance of the probe 14 is measured. Then laser beams 32 projected from a laser light source 31 irradiate the surface of the sample 13 through a window 32 and similar measurement is executed. The results of both measurements are compared and the contribution of a work function included in a signal can be separated from the contribution of surface ruggedness in accordance with a change in the height of a peak.

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的コ (産業上の利用分野) 本発明は、半導体若しくは金属等の固体表面の微細構造
並びに表面元素組成を測定する表面分析技術に係わり、
特に被測定試料と金属製探針との間に流れるトンネル電
流を利用した表面分析方法及びこれに使用する表面分析
装置に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Purpose of the Invention (Industrial Application Field) The present invention relates to a surface analysis technique for measuring the fine structure and surface elemental composition of a solid surface such as a semiconductor or a metal.
In particular, the present invention relates to a surface analysis method that utilizes a tunnel current flowing between a sample to be measured and a metal probe, and a surface analysis device used therefor.

(従来の技術) 近年、固体の表面に特有な結晶構造や表面組成の研究が
盛んになっている。このような表面研究は、ガスセンサ
ー等の表面への分子吸着を利用した電子装置や固体触媒
の開発には欠かせないものである。また、ドライエツチ
ングや薄膜成長等の基礎機構を解明する点でも極めて重
要である。
(Prior Art) In recent years, research on crystal structures and surface compositions specific to the surfaces of solids has become active. Such surface research is essential for the development of electronic devices and solid catalysts that utilize molecular adsorption on surfaces such as gas sensors. It is also extremely important for elucidating the basic mechanisms of dry etching and thin film growth.

ところで、固体表面の研究手段には、オージェ電子分光
法や光電子分光法、2次イオン質量分析法等のような表
面元素組成に敏感な分光的方法と、反射電子回折や電子
顕微鏡等のように構造に敏感な方法とがある。これらの
手法に共通している問題点は、いずれも表面上の比較的
大面積の部分からの平均的な情報しか得られないと云う
点である。
By the way, methods for researching solid surfaces include spectroscopic methods that are sensitive to the surface element composition, such as Auger electron spectroscopy, photoelectron spectroscopy, and secondary ion mass spectrometry, and methods such as backscattered electron diffraction and electron microscopy. There are structure-sensitive methods. A common problem with these methods is that they all provide only average information from a relatively large area on the surface.

これに対し、最近注目されている走査型トンネル電子顕
微鏡は、個別の原子的オーダの段差を識別することがで
きる。走査型トンネル電子顕微鏡では、先端の鋭い金属
製探針に正の電圧を印加し、探針を試料表面に極近接さ
せて、試料から探針に流れ込むトンネル電子を検出する
。トンネル電流が探針先端と試料表面との距離に敏感に
依存することを利用し、トンネル電流が一定となるよう
に探針の高さを保って走査すると、試料表面の原子的な
。凹凸を探針の上下動として測定することができる。従
って、試料表面の微細構造等を測定することが可能とな
る。
In contrast, scanning tunneling electron microscopes, which have been attracting attention recently, can identify individual steps on the atomic order. In a scanning tunneling electron microscope, a positive voltage is applied to a metal probe with a sharp tip, the probe is brought very close to the sample surface, and tunneling electrons flowing from the sample into the probe are detected. Taking advantage of the fact that the tunneling current is sensitively dependent on the distance between the tip of the probe and the sample surface, by scanning while keeping the height of the probe constant so that the tunneling current remains constant, it is possible to increase the atomic density of the sample surface. The unevenness can be measured as the vertical movement of the probe. Therefore, it becomes possible to measure the fine structure of the sample surface.

しかしながら、この種の方法にあっては次のような問題
があった。即ち、トンネル電流は、探針先端と試料表面
との距離の他に、試料表面の仕事関数にも依存する。こ
のため、測定された探針の上下動が、試料表面の凹凸を
直接反映したものか、仕事関数の局部的変化を示すもの
かを識別できないと云う問題があった。また、化合物や
合金9表面吸着元素の測定においては、信号変化を表面
元素の変化なのか凹凸の変化なのかを識別できないと云
う問題があった。
However, this type of method has the following problems. That is, the tunneling current depends not only on the distance between the probe tip and the sample surface but also on the work function of the sample surface. For this reason, there is a problem in that it is not possible to distinguish whether the measured vertical movement of the probe directly reflects the unevenness of the sample surface or indicates a local change in the work function. Furthermore, in the measurement of elements adsorbed on the surface of compounds and Alloy 9, there was a problem in that it was not possible to distinguish whether a signal change was due to a change in the surface element or a change in irregularities.

(発明が解決しようとする問題点) このように従来の走査型トンネル電子顕微鏡では、測定
された探針の上下動が試料表面の凹凸を直接反映したも
のか、仕事関数の局部的変化を示すものかを識別するこ
とができず、正確な表面分析を行うことは困難であった
。また、これ以外の分析法では、表面上のかなりの大面
積部分からの平均的な情報しか得られないので、分解能
の高い表面分析を行うことは困難であった。
(Problem to be solved by the invention) In this way, in conventional scanning tunneling electron microscopes, it is difficult to determine whether the measured vertical movement of the probe directly reflects the unevenness of the sample surface or indicates local changes in the work function. It was difficult to perform accurate surface analysis. Furthermore, with other analysis methods, only average information from a fairly large area on the surface can be obtained, making it difficult to perform surface analysis with high resolution.

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、走査型トンネル電子顕微鏡の信号中に
含まれる仕事関数の寄与と、表面凹凸の寄与とを分離す
ることができ、表面組成と表面構造に関してより詳細な
情報を得ることができ、正確で信頼性の高い表面分析を
行い得る表面分析方法を提供することにある。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to be able to separate the contribution of the work function contained in the signal of a scanning tunneling electron microscope and the contribution of surface irregularities, and to The object of the present invention is to provide a surface analysis method that can obtain more detailed information regarding surface composition and surface structure, and can perform accurate and reliable surface analysis.

また、本発明の他の目的は、上記方法を実施するための
表面分析装置を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a surface analysis device for carrying out the above method.

[発明の構成] (問題点を解決するための手段) 本発明の骨子は、試料表面に仕事関数以下の放射線を照
射しながら表面に近接して対向する探針に所定の電圧を
印加することによって、光励起によりフェルミ準位量」
二のエネルギーを獲得した電子のトンネル放出電流を測
定する点にある。さらに、このようにして測定した放射
線照射下でのトンネル電流と、放射線を未照射で測定し
たトンネル電流とを比較(実際には探針の高さ方向変動
量を比較)することにより、試料表面上の局所的な仕事
関数分布を推定することにある。
[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) The gist of the present invention is to apply a predetermined voltage to a probe facing close to the surface while irradiating the sample surface with radiation having a work function or less. , the amount of Fermi level due to photoexcitation
The point is to measure the tunnel emission current of electrons that have acquired two energies. Furthermore, by comparing the tunnel current measured in this way under radiation irradiation with the tunnel current measured without radiation irradiation (actually, by comparing the amount of variation in the height direction of the probe), it is possible to determine whether the sample surface The objective is to estimate the local work function distribution above.

即ち本発明は、被測定試料と金属製探針との間に所定の
電圧を印加し、試料と探針との間に流れるトンネル電流
に基づいて試料表面の分析を行う表面分析方法において
、前記探針を前記試料表面の面内方向に走査してその時
のトンネル電流を検出すると共に、該電流が一定となる
ように探針を試料表面と直交する高さ方向に移動し、走
査位置に対応する探針の高さ方向移動量を測定し、さら
に前記試料の表面に該試料表面の仕事関数以下の光子エ
ネルギーを有する放射線を照射しながら、上記と同様に
して探針の高さ方向移動量を測定するか、又は前記探針
の高さ方向移動量を上記第1の測定工程の際の同一測定
点における上下位置と同一となるように保持しながらト
ンネル電流変化を測定し、次いで上記得られた各測定値
に基づいて前記試料の表面を分析するようにした方法で
ある。
That is, the present invention provides a surface analysis method in which a predetermined voltage is applied between a sample to be measured and a metal probe, and the sample surface is analyzed based on a tunnel current flowing between the sample and the probe. The probe is scanned in the in-plane direction of the sample surface to detect the tunnel current at that time, and the probe is moved in the height direction perpendicular to the sample surface so that the current remains constant, corresponding to the scanning position. Measure the amount of movement of the probe in the height direction, and further measure the amount of movement of the probe in the height direction in the same manner as above while irradiating the surface of the sample with radiation having a photon energy less than the work function of the sample surface. Alternatively, the tunnel current change is measured while holding the vertical movement amount of the probe to be the same as the vertical position at the same measurement point in the first measurement step, and then the change in the tunnel current is measured. In this method, the surface of the sample is analyzed based on each measurement value obtained.

また本発明は、上記方法を実施するための表面分析装置
において、被測定試料の表面に近接して保持した金属製
の探針と、この探針を試料表面の面内方向に走査する手
段と、前記試料と探針との間に所定の電圧を印加する手
段と、前記試料と探針との間に流れるトンネル電流を検
出する手段と、上記電流が一定となるように前記探針を
前記試料表面と直交する高さ方向に移動する手段と、前
記走査位置に対応する上記探針の高さ方向移動量を測定
する手段と、前記試料の表面に該試料表面の仕事関数以
下の光子エネルギーを有する放射線を照射する手段とを
設けるようにしたものである。
The present invention also provides a surface analysis apparatus for carrying out the above method, including a metal probe held close to the surface of a sample to be measured, and means for scanning the probe in the in-plane direction of the sample surface. , means for applying a predetermined voltage between the sample and the probe; means for detecting a tunnel current flowing between the sample and the probe; means for moving the probe in a height direction perpendicular to the sample surface; means for measuring the amount of movement of the probe in the height direction corresponding to the scanning position; and a means for irradiating radiation having a.

(作用) 本発明によれば、光を照射しない時の第1の測定工程で
得られる探針の高さ変動情報に比し、光を照射した時の
第2の測定工程で得られる探針の高さ変動情報は、試料
表面の仕事関数の寄与分が大きいものとなる。このため
、第1及び第2の測定工程で得られる各情報を比較する
ことにより、試料表面の局所的な仕事関数の変化を知る
ことができる。さらに、局所的な仕事関数の変化が判れ
ば、第1の測定工程における検出情報からこの仕事関数
の寄与分を差引くことにより、試料表面の−9一 原子的な凹凸を正確に知ることができる。従って、試料
表面の原子的な凹凸及び局所的な仕事関数の変化を正確
に知ることができ、試料表面の分析を正確に且つ信頼性
良く行うことが可能となる。
(Function) According to the present invention, the tip height variation information obtained in the second measurement step when light is irradiated is higher than the tip height variation information obtained in the first measurement step when light is not irradiated. The height variation information of is largely contributed by the work function of the sample surface. Therefore, by comparing each piece of information obtained in the first and second measurement steps, it is possible to know the local change in work function on the sample surface. Furthermore, if the local change in work function is known, by subtracting the contribution of this work function from the detection information in the first measurement step, it is possible to accurately determine -9 monoatomic irregularities on the sample surface. can. Therefore, the atomic irregularities and local work function changes on the sample surface can be accurately known, and the sample surface can be analyzed accurately and with high reliability.

(実施例) まず、実施例を説明する前に、本発明の基本原理につい
て、第4図を参照して説明する。第4図は、試料表面4
1と探針先端42及びその間の真空中43における電子
に対するポテンシャル状態を示す模式図である。
(Embodiment) First, before describing the embodiment, the basic principle of the present invention will be explained with reference to FIG. 4. Figure 4 shows the sample surface 4.
1 and a probe tip 42, and a schematic diagram showing potential states for electrons in a vacuum 43 between them.

試料のフェルミ準位44と試料表面直上の真空準位45
との間には、仕事関数φ の障壁が存在する。また、探
針のフェルミ準位46と試料のフェルミ準位44との間
には、外部より電圧V がS 印加されている。なお、φ は探針の仕事関数である。
Fermi level 44 of the sample and vacuum level 45 just above the sample surface
There is a barrier of work function φ between . Further, a voltage V 1 is applied from the outside between the Fermi level 46 of the probe and the Fermi level 44 of the sample. Note that φ is the work function of the tip.

ここで、放射線照射が無い場合、試料中の電子は、線路
47を通って真空中にトンネリング放出され、探針先端
42に流れ込む。このとき、電流I と仕事関数φ 、
探針−試料間の距離S r との間には、 S の関係がある。距離r を変化して1 を測定すpS 
           p れば、平均的な仕事関数は測定できる。しかし、距離を
増大すると測定対象が広がるため、原子レベルで仕事関
数の変化がある場合、その変化を表面の凹凸と区別する
ことは困難である。
Here, in the absence of radiation irradiation, electrons in the sample are tunneled and emitted into the vacuum through the line 47 and flow into the probe tip 42. At this time, the current I and the work function φ,
There is a relationship S between the probe-sample distance S r . pS to measure 1 by changing the distance r
If p, then the average work function can be measured. However, as the distance increases, the measurement target expands, so if there is a change in the work function at the atomic level, it is difficult to distinguish that change from surface irregularities.

これに対し、放射線を照射した場合は、線路47に加え
て、フェルミ準位以下の電子が一旦光子エネルギー(h
ν)を吸収した後、線路48を介して真空中に放出され
る。このため、トンネル電で表わされる。但し、Aは光
強度や電子準位の状態密度に依存する定数で、実験的に
測定できる値である。
On the other hand, when radiation is irradiated, in addition to the line 47, electrons below the Fermi level are once exposed to photon energy (h
After absorbing ν), it is released into vacuum via line 48. For this reason, it is expressed as a tunnel electric. However, A is a constant that depends on the light intensity and the density of states of the electronic level, and is a value that can be measured experimentally.

ここで、簡単のためにφ )hνと仮定すると、前記0
式は次のように展開できる。
Here, if we assume that φ ) hν for simplicity, then the 0
The formula can be expanded as follows.

Ip’ =Ip  (1+Ae2φ!’>   、■、
■h ν 、・、φ8− □      ・・・・■4In ((
Ip’−1p)/Alpl■式は、放射線照射時の電流
1 ′のI に対すp る比率が、仕事関数が小さいほど大きくなることを示し
ている。即ち、放射線照射時にはφ の小さい部分はど
信号強度が強調されることを示す。
Ip' = Ip (1+Ae2φ!'>, ■,
■h ν ,・,φ8− □ ・・・・■4In ((
The formula Ip'-1p)/Alp1 indicates that the ratio of current 1' to I during radiation irradiation becomes larger as the work function becomes smaller. That is, during radiation irradiation, the signal intensity is emphasized in the portion where φ is small.

また、■式は、表面凹凸の項r を含んでおらず、s 1 ′とIpとの比較から直接仕事関数φ8が求まるこ
とを示している。即ち、1 ′と1 の分p 布とを測定することによって、試料表面の仕事関数の分
布を測定できることになる。
Furthermore, the equation (2) does not include the term r of surface unevenness, and shows that the work function φ8 can be directly determined from the comparison between s 1 ' and Ip. That is, by measuring the distribution p of 1' and 1, it is possible to measure the distribution of the work function on the sample surface.

以上のようにして、走査型トンネル電子顕微鏡の信号強
度のうち、元素の種類に敏感な仕事関数の項を分離測定
することが可能となる。さらに、この仕事関数の値を0
式に代入することにより、試料表面の本来の凹凸、即ち
r を測定することpS が可能となる。
In the manner described above, it is possible to separate and measure the work function term, which is sensitive to the type of element, in the signal intensity of a scanning tunneling electron microscope. Furthermore, the value of this work function is set to 0
By substituting pS into the equation, it becomes possible to measure the original unevenness of the sample surface, that is, r.

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明の一実施例に係わる表面分析装置を示す
概略構成図である。図中11は真空容器であり、この容
器11内には試料ホルダ12.被測定試料13.金属製
探針14及びピエゾ素子を用いた駆動機構15が収容さ
れている。試料13は、中央部に円穴を設けた試料ホル
ダ12の下面に取付けられる。試料ホルダ12の上面に
は駆動機構15の基端が固定され、この駆動機構15の
自由端に探針14が固定されている。駆動機構15は、
上下微動用ピエゾ素子15a、左右微動用ピエゾ素子1
5b及び上下粗動用ピエゾ積層素子15Cから構成され
ている。なお、真空容器11は、振動を防止するための
防振台(図示せず)の上に設置されている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a surface analysis device according to an embodiment of the present invention. In the figure, 11 is a vacuum container, and inside this container 11 is a sample holder 12. Sample to be measured 13. A metal probe 14 and a drive mechanism 15 using a piezo element are housed. The sample 13 is attached to the lower surface of the sample holder 12, which has a circular hole in the center. The base end of a drive mechanism 15 is fixed to the upper surface of the sample holder 12, and the probe 14 is fixed to the free end of this drive mechanism 15. The drive mechanism 15 is
Piezo element 15a for vertical fine movement, piezo element 1 for horizontal fine movement
5b and a piezo laminated element 15C for vertical coarse movement. Note that the vacuum container 11 is installed on a vibration isolation table (not shown) for preventing vibration.

試料13と探針14との間には、直流電源21及び電流
計22が直列に接続されている。また、上下微動用ピエ
ゾ素子15Hにはフィードバック回路23が接続されて
いる。このフィードバック回路23は電流計22の検出
電流値を入力し、この値が一定となるようにピエゾ素子
15aの伸縮量を制御するものである。これにより、試
料13と探針14との間に流れるトンネル電流が一定と
なるように、試料13の表面と探針14の先端との距離
が保持されるものとなっている。なお、上記フィードバ
ック回路23がらピエゾ素子15.aに与えられる印加
電圧情報、っまり探針14の上下移動量は、探針14の
走査位置に対応して図示しない記憶手段(メモリ、プロ
ッタ等)に記憶されるものとなっている。
A DC power supply 21 and an ammeter 22 are connected in series between the sample 13 and the probe 14. Further, a feedback circuit 23 is connected to the vertical fine movement piezo element 15H. This feedback circuit 23 inputs the current value detected by the ammeter 22 and controls the amount of expansion and contraction of the piezo element 15a so that this value remains constant. Thereby, the distance between the surface of the sample 13 and the tip of the probe 14 is maintained so that the tunnel current flowing between the sample 13 and the probe 14 is constant. In addition to the feedback circuit 23, the piezo element 15. The applied voltage information given to a and the amount of vertical movement of the probe 14 are stored in storage means (memory, plotter, etc.), not shown, in correspondence with the scanning position of the probe 14.

ここまでの構成は従来の走査型トンネル電子顕微鏡と同
様であり、本実施例がこれと異なる点は、試料13の表
面に光を照射する手段を設けたことにある。即ち、容器
11の外部にはレーザ光源31が配置されており、この
レーザ光源31がら放射されたレーザ光32は、容器1
1の側壁に設けた光透過窓33を介して容器11内に導
入され、探針14の下部に位置する試料表面に照射され
るものとなっている。ここで、レーザ光源31としては
波長は48g[r+n+]のArレーザを用い、その出
力は10 [W/cm2コとした。なお、この光は試料
表面の仕事関数以上のエネルギーを有するものであれば
よく、他のレーザ光を用いることもできる。さらに、光
の代りに放射線を用いることも可能である。
The configuration up to this point is the same as that of a conventional scanning tunneling electron microscope, and this embodiment differs from this in that a means for irradiating the surface of the sample 13 with light is provided. That is, a laser light source 31 is arranged outside the container 11, and the laser light 32 emitted from the laser light source 31 is directed toward the container 1.
The light is introduced into the container 11 through a light transmitting window 33 provided on the side wall of the probe 14, and the sample surface located below the probe 14 is irradiated. Here, as the laser light source 31, an Ar laser with a wavelength of 48 g [r+n+] was used, and its output was 10 [W/cm2]. Note that this light only needs to have energy greater than the work function of the sample surface, and other laser light may also be used. Furthermore, it is also possible to use radiation instead of light.

次に、上記装置を用いた表面分析方法について説明する
Next, a surface analysis method using the above device will be explained.

本発明者等は、この分析方法及び分析装置の作用を確認
するために、GaAsの(110)面の分析を試みた。
The present inventors attempted to analyze the (110) plane of GaAs in order to confirm the effects of this analysis method and analyzer.

試料13と探針14との間に2[V]の電圧を印加し、
トンネル電流が1o−10[A]で一定となるように探
針14を上下動しながら、探針14を< 111. >
方向に走査した。ここ゛で、探針14の上下移動は前記
ピエゾ素子15aにより行い、探針14の走査は前記ピ
エゾ索子15bにより行った。
Applying a voltage of 2 [V] between the sample 13 and the probe 14,
While moving the probe 14 up and down so that the tunneling current is constant at 1o-10 [A], the probe 14 is set to <111. >
scanned in the direction. Here, the vertical movement of the probe 14 was performed by the piezo element 15a, and the scanning of the probe 14 was performed by the piezo element 15b.

第2図は測定結果を示す特性図である。横軸に探針走査
位置である水平駆動距離をとり、縦軸に探針高さ方向移
動量である」二下駆動距離をとった。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the measurement results. The horizontal axis is the horizontal driving distance, which is the probe scanning position, and the vertical axis is the vertical driving distance, which is the amount of movement of the probe in the height direction.

実線はレーザ照射を行わないで測定を行ったもので、一
定の周期を持って2つのピークが現われている。なお、
この測定結果は、従来の走査型トンネル電子顕微鏡の出
力信号と同等となるものである。
The solid line is measured without laser irradiation, and two peaks appear at regular intervals. In addition,
This measurement result is equivalent to the output signal of a conventional scanning tunneling electron microscope.

第3図はGaAsの結晶構造を<110>方向から眺め
た模式図である。GaAsはセン亜鉛鉱型の結晶構造を
とり、丸で表わされる原子Aと、十字入りの丸で表わし
た原子Bより成立っている一重丸は表面最外層の原子を
表わし、二重丸は表面第2層の原子を表わしている。第
2図と第3図とを比較すると、探針が第3図の一点鎖線
に沿って走査されたものと考えられる。第2図では、表
面最外層のA原子と表面第2層のB原子に対応して高さ
の異なる2つのピークが見らるが、実線のデータのみで
は高さの差が元素が異なることによるものか、それとも
表面再配列のためにA原子とB原子の高さが異なること
によるかは判断できない。
FIG. 3 is a schematic diagram of the crystal structure of GaAs viewed from the <110> direction. GaAs has a zincite-type crystal structure, consisting of atom A represented by a circle and atom B represented by a circle with a cross.The single circle represents the atoms in the outermost layer of the surface, and the double circle represents the atoms in the outermost layer of the surface. It represents the atoms of the second layer. Comparing FIG. 2 and FIG. 3, it can be seen that the probe was scanned along the dashed line in FIG. In Figure 2, two peaks with different heights can be seen corresponding to the A atoms in the outermost layer of the surface and the B atoms in the second layer of the surface, but when looking only at the solid line data, the difference in height indicates that the elements are different. It cannot be determined whether this is due to the difference in height between the A and B atoms due to surface rearrangement.

これに対し、第2図に示す破線はレーザ光を照射しなが
ら測定した結果である。この場合、無照射の場合と比較
して、ピークの高さが逆転しているのが判る。前記0式
を元にこの結果を検討すると、試料表面の仕事関数が、
B原子上で小さくA原子上では大きいことが判る。A原
子の方が仕事関数が大きいにも拘らず、無照射の場合の
ピークが高いことは、表面再配列によってA原子が飛出
していることが判る。また、GaとAsのイオン化ポテ
ンシャルを考慮すると、A原子がAsでB原子がGaで
あると推測することができる。
On the other hand, the broken line shown in FIG. 2 is the result of measurement while irradiating the laser beam. In this case, it can be seen that the peak height is reversed compared to the case without irradiation. Examining this result based on the above equation 0, the work function of the sample surface is
It can be seen that it is small on the B atom and large on the A atom. Although the work function of A atoms is larger, the peak in the case of no irradiation is higher, which indicates that A atoms are ejected due to surface rearrangement. Furthermore, considering the ionization potentials of Ga and As, it can be inferred that the A atom is As and the B atom is Ga.

かくして本実施例によれば、従来の走査型トンネル電子
顕微鏡と同様の光を照射しない状態におけるトンネル電
流検出(トンネル電流が一定となるように探針を上下動
した時の走査位置に対応する高さ移動量測定)と、光を
照射した状態におけるトンネル電流検出(上記と同様の
高さ移動量測定)とを行うことにより、走査型トンネル
電子顕微鏡の出力信号中に含まれる仕事関数の寄与分と
、表面凹凸の寄与分とを分離して測定することができる
。このため、試料表面の原子的な凹凸及び局新約な仕事
関数の変化を正確に測定することができる。従って、化
合物の表面構造の決定や、表面組成の分析に極めて有効
である。また、装置としては、従来の走査型トンネル電
子顕微鏡に光照射手段を付加するのみで、簡易に実現し
得る等の利点がある。
Thus, according to this embodiment, tunneling current detection in a state where no light is irradiated, similar to the conventional scanning tunneling electron microscope (the height corresponding to the scanning position when the probe is moved up and down so that the tunneling current is constant) is possible. The contribution of the work function contained in the output signal of the scanning tunneling electron microscope can be determined by measuring the amount of height movement) and detecting the tunneling current under light irradiation (measuring the amount of height movement in the same way as above). It is possible to separate and measure the contribution of the surface roughness and the contribution of the surface unevenness. Therefore, it is possible to accurately measure the atomic irregularities on the sample surface and local changes in the work function. Therefore, it is extremely effective for determining the surface structure of compounds and analyzing the surface composition. Further, the apparatus has the advantage that it can be easily realized by simply adding a light irradiation means to a conventional scanning tunneling electron microscope.

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。実施例では光を照射しながらの第2の測定工程にお
いて、トンネル電流が一定となるように探針を上下動し
この上下移動量を測定したが、より純粋に仕事関数の変
化を測定するには次のようにすればよい。即ち、未照射
時の第1の測定工程における探針の上下動位置を記憶し
ておき第2の測定工程において探針の上下動位置を第1
の測定工程と同一に保持しながらトンネル電流を測定す
る。これにより、前記0式に基づいて仕事関数の変化を
より正確に測定することが可能となる。
Note that the present invention is not limited to the embodiments described above. In the example, in the second measurement step while irradiating light, the probe was moved up and down so that the tunneling current remained constant and the amount of vertical movement was measured. can be done as follows. That is, the vertical movement position of the probe in the first measurement step when not irradiated is memorized, and the vertical movement position of the probe is stored in the first measurement step in the second measurement step.
Measure the tunnel current while maintaining the same measurement process as in . This makes it possible to more accurately measure changes in the work function based on the above equation 0.

また、前記試料表面に照射する放射線は、レーザ光等の
ような単一波長光に限るものではなく、単色化されたも
のであればよい。さらに、連続光に限らず、パルス状の
光であってもよい。この場合、電流検出手段としては、
パルス状の光に同期してトンネル電流を検波すればよい
。これにより、仕事関数の分布をより精度m<測定する
ことが可能となる。また、放射線としては、Arレーザ
以外のレーザ光、その他の連続光源等を用いてもよい。
Further, the radiation irradiated onto the sample surface is not limited to single wavelength light such as laser light, but may be any monochromatic radiation. Furthermore, the light is not limited to continuous light, and may be pulsed light. In this case, the current detection means is
The tunnel current can be detected in synchronization with the pulsed light. This makes it possible to measure the work function distribution with greater precision m<. Further, as the radiation, a laser beam other than an Ar laser, another continuous light source, or the like may be used.

さらに、放射線の光子エネルギーは、試料表面の仕事関
数以下の範囲で適宜室めればよい。
Further, the photon energy of the radiation may be appropriately set within a range below the work function of the sample surface.

また、探針の駆動手段は圧電素子に限るものではなく、
高い分解能で探針を移動できるものであればよい。さら
に、試料と探針との間に印加する直流電圧は、探針側の
仕事関数が十分に大きければ、探針側を負にすることも
可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
、種々変形して実施することができる。
Furthermore, the driving means for the probe is not limited to piezoelectric elements;
Any device that can move the probe with high resolution is sufficient. Furthermore, the DC voltage applied between the sample and the probe can be made negative on the probe side if the work function on the probe side is sufficiently large. In addition, various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

[発明の効果] 以上詳述したように本発明によれば、放射線を照射しな
い時と放射線を照射した時との2つの場合でトンネル電
流を検出(走査位置に対応する探針の高さ方向移動量を
測定)し、これらの2つの測定情報を比較することによ
り、走査型トンネル電子顕微鏡の信号中に含まれる仕事
関数の寄与と、表面凹凸の寄与とを分離することができ
る。
[Effects of the Invention] As detailed above, according to the present invention, tunneling current is detected in two cases: when no radiation is irradiated and when radiation is irradiated (in the height direction of the probe corresponding to the scanning position). By measuring the amount of movement) and comparing these two pieces of measurement information, it is possible to separate the contribution of the work function contained in the signal from the scanning tunneling electron microscope and the contribution of surface irregularities.

従って、表面組成と表面構造に関してより詳細な情報を
得ることができ、正確で信頼性の高い表面分析を行うこ
とができる。
Therefore, more detailed information regarding surface composition and surface structure can be obtained, and accurate and reliable surface analysis can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例に係わる表面分析装置を示す
概略構成図、第2図及び第3図はそれぞれ上記実施例の
作用を説明するためのもので第2図は走査位置に対する
探針の上下動位置を示す特性図、第3図はGaAs結晶
の(110)面を示す模式図、第4図は本発明の詳細な
説明するためのもので試料と探針との間のポテンシャル
状態を示す模式図である。 11・・・真空容器、12・・・試料ホルダ、13・・
・被測定試料、14・・・金属製探針、15・・・駆動
機構、15a、〜、15b・・・ピエゾ素子、21・・
・直流電源、22・・・電流計、23・・・フィードバ
ック回路、31・・・レーザ光源、32・・・レーザ光
、33・・・光透過窓。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 = 21−
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a surface analysis device according to an embodiment of the present invention, FIGS. 2 and 3 are for explaining the operation of the above embodiment, and FIG. A characteristic diagram showing the vertical movement position of the needle, Figure 3 is a schematic diagram showing the (110) plane of a GaAs crystal, and Figure 4 is for explaining the present invention in detail, and shows the potential between the sample and the probe. It is a schematic diagram showing a state. 11... Vacuum container, 12... Sample holder, 13...
- Sample to be measured, 14... Metal probe, 15... Drive mechanism, 15a, ~, 15b... Piezo element, 21...
- DC power supply, 22... Ammeter, 23... Feedback circuit, 31... Laser light source, 32... Laser light, 33... Light transmission window. Applicant's agent Patent attorney Takehiko Suzue = 21-

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)被測定試料と金属製の探針との間に所定の電圧を
印加し、試料と探針との間に流れるトンネル電流に基づ
いて試料表面の分析を行う表面分析方法において、前記
探針を前記試料表面の面内方向に走査してその時のトン
ネル電流を検出すると共に、該電流が一定となるように
探針を試料表面と直交する高さ方向に移動し、走査位置
に対応する探針の高さ方向移動量を測定する第1の測定
工程と、前記試料の表面に該試料表面の仕事関数以下の
光子エネルギーを有する放射線を照射しながら、上記第
1の測定工程と同様にして探針の高さ方向移動量を測定
するか、又は前記探針の高さ方向移動量を上記第1の測
定工程の際の同一測定点における上下位置と同一となる
ように保持しながらトンネル電流変化を測定する第2の
測定工程と、次いで前記第1及び第2の測定工程におけ
る各測定値に基づいて前記試料の表面を分析する分析工
程とを含むことを特徴とする表面分析方法。
(1) A surface analysis method in which a predetermined voltage is applied between a sample to be measured and a metal probe, and the sample surface is analyzed based on a tunnel current flowing between the sample and the probe. The probe is scanned in the in-plane direction of the sample surface to detect the tunnel current at that time, and the probe is moved in a height direction perpendicular to the sample surface so that the current is constant, corresponding to the scanning position. a first measurement step of measuring the amount of movement of the probe in the height direction; and a step of irradiating the surface of the sample with radiation having a photon energy less than or equal to the work function of the sample surface, in the same manner as the first measurement step. Measure the amount of vertical movement of the probe, or move the probe in the tunnel while keeping the vertical movement of the probe the same as the vertical position at the same measurement point in the first measurement step. A surface analysis method comprising: a second measurement step of measuring a current change; and an analysis step of analyzing the surface of the sample based on each measurement value in the first and second measurement steps.
(2)前記探針に印加する電圧は、前記試料に対して正
の電圧であり、且つ探針の仕事関数から試料の仕事関数
を差引いた値より大きい電圧であることを特徴とする特
許請求の範囲第1項記載の表面分析方法。
(2) A patent claim characterized in that the voltage applied to the probe is a positive voltage with respect to the sample and is larger than the value obtained by subtracting the work function of the sample from the work function of the probe. The surface analysis method according to item 1.
(3)前記放射線をパルス状に照射し、前記検出電流を
同期検波することを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載の表面分析方法。
(3) The surface analysis method according to claim 1, characterized in that the radiation is irradiated in a pulsed manner and the detected current is synchronously detected.
(4)前記放射線として、レーザ、エキシマレーザ等の
単色光若しくは単色化された連続光を用いたことを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載の表面分析方法。
(4) The surface analysis method according to claim 1, wherein monochromatic light or monochromatic continuous light such as a laser or an excimer laser is used as the radiation.
(5)被測定試料の表面に近接して保持した金属製の探
針と、この探針を試料表面の面内方向に走査する手段と
、前記試料と探針との間に所定の電圧を印加する手段と
、前記試料と探針との間に流れるトンネル電流を検出す
る手段と、上記電流が一定となるように前記探針を前記
試料表面と直交する高さ方向に移動する手段と、前記走
査位置に対応する上記探針の高さ方向移動量を測定する
手段と、前記試料の表面に該試料表面の仕事関数以下の
光子エネルギーを有する放射線を照射する手段とを具備
してなることを特徴とする表面分析装置。
(5) A metal probe held close to the surface of the sample to be measured, a means for scanning the probe in the in-plane direction of the sample surface, and a predetermined voltage applied between the sample and the probe. means for applying an electric current, means for detecting a tunnel current flowing between the sample and the probe, and means for moving the probe in a height direction perpendicular to the sample surface so that the current is constant; comprising means for measuring the amount of movement of the probe in the height direction corresponding to the scanning position, and means for irradiating the surface of the sample with radiation having a photon energy less than or equal to the work function of the sample surface. A surface analysis device featuring:
(6)前記探針に印加する電圧は、前記試料に対して正
の電圧であり、且つ探針の仕事関数から試料の仕事関数
を差引いた値より大きい電圧であることを特徴とする特
許請求の範囲第5項記載の表面分析装置。
(6) A patent claim characterized in that the voltage applied to the probe is a positive voltage with respect to the sample and is larger than the value obtained by subtracting the work function of the sample from the work function of the probe. The surface analysis device according to item 5.
(7)前記試料及び探針は、真空容器内に設置されてい
ることを特徴とする特許請求の範囲第5項記載の表面分
析装置。
(7) The surface analysis apparatus according to claim 5, wherein the sample and the probe are installed in a vacuum container.
(8)前記探針を高さ方向に移動する手段は圧電素子か
らなるものであり、前記探針の高さ方向移動量を測定す
る手段は上記圧電素子の印加電圧を測定するものである
ことを特徴とする特許請求の範囲第5項記載の表面分析
装置。
(8) The means for moving the probe in the height direction is composed of a piezoelectric element, and the means for measuring the amount of movement of the probe in the height direction is for measuring the voltage applied to the piezoelectric element. A surface analysis device according to claim 5, characterized in that:
(9)前記放射線はパルス状に照射され、前記トンネル
電流はこのパルスに同期して検波されるものであること
を特徴とする特許請求の範囲第5項記載の表面分析装置
(9) The surface analysis device according to claim 5, wherein the radiation is applied in a pulsed manner, and the tunnel current is detected in synchronization with this pulse.
(10)前記放射線は、レーザ、エキシマレーザ等の単
色光若しくは単色化された連続光であることを特徴とす
る特許請求の範囲第5項記載の表面分析装置。
(10) The surface analysis device according to claim 5, wherein the radiation is monochromatic light such as a laser or excimer laser, or monochromatic continuous light.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0269643A (en) * 1988-09-06 1990-03-08 Toshiba Corp Surface analysis instrument
JPH06258015A (en) * 1993-03-08 1994-09-16 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Scanning tunneling microscope and atomic analysis method of sample surface

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