JPH01156604A - 走査トンネル顕微鏡を備えた透過型電子顕微鏡 - 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〕 本発明は走査トンネル顕微鏡に係わり、特に試料加工時
の針逃し機構に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、探針先端の原子と試料の原子の電子雲とが重な
り合うｌｒｖ程度まで探針を試料に近づけ、この状態で
探針と試料との間に電圧をかけると電流が流れる。この
電流はトンネル電流と呼ばれ、電圧が数ｍＶのとき、１
〜１０ｎＡ程度である。

このトンネル電流の大きさは、試料と探針との間の距離
により変化し、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測定することがで
き、探針位置が既知であれば試料の表面形状を原子レベ
ルで求めることができる。またトンネル電流が一定にな
るように探針位置を制御すれば探針位置軌跡により同様
に試料の表面形状を測定することができる。

このような原理に基づく走査型トンネル顕微鏡（Ｓｃａ
ｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌ　ｌｉｎｇ　　Ｍｉｃｒｏｓ
ｃｏｐｅ　％略してＳＴＭ）は、大気中、液体中、真空
中などどのような状態ででも使用できるため、近年、各
方面で開発が行われており、このＳＴＭを走査形電子顕
微鏡（ＳＥＭ）の中に組み込み、二次電子像とＳＴＭ像
を得ることを目的にしたものも報告されており、透過型
電子顕微鏡（ＴＥＭ）においてもＳＴＭ−像を得ること
が望まれていた。

〔発明が解決すべき問題点〕

走査トンネル顕微鏡においては、ＳＴＭ像を得るとき、
探針の形状が非常に重要な要素であることは知られてお
り、また針の先端の原子の数が安定したトンネル電流を
得るポイントとなっている。

この様に大切な針が試料の傍にあるとき、試料に蒸着、
加熱等の加工を行えば、試料から出るガスや蒸着した物
質が針に付着する可能性が大きく、針を汚し、ＳＴＭ像
を得ることが難しくなってしまう。顕微鏡においては試
料を加工することは必ず行われるので、加工時に何らか
の方法で針を保護することはＳＴＭにおいては絶対の要
件となる。

しかしながら、従来、試料にベーク、蒸着等の加工を施
した時、針に蒸気や金属が付着するのを防止する手段等
がなかった。

また、このような走査トンネル顕微鏡をＴＥＭに組み込
もうとしても、ＴＥＭはＳＥＭより分解能が高いため、
対物レンズポールピースのギャップが狭く、ＳＴＭ走査
部が入らないことや、試料と針を近づける手段、試料の
良い視野に針を移動させる手段、ＳＴＭ走査部の剛性を
上げて耐振性良くする方法がなかった。

本発明は上記問題点を解決するためのもので、針逃し手
段を設けることにより試料加工時の針の保護を行えるよ
うにして安定したトンネル電流を得ることができる走査
トンネル顕微鏡を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明の走査トンネルａｎａ鏡は、試料を保
持する試料ホルダーと、試料ホルダー内に配置された探
針及び探針走査部材と、探針走査部材を３軸方向に駆動
する３軸駆動機構とを備えた走査トンネル顕微鏡であっ
て、３軸駆動機構は針逃し手段を備えていることを特徴
とする。

〔作用〕

本発明の走査トンネル顕微鏡は、走査トンネル顕微鏡の
走査部を試料面から十分離すことにより、試料加工時、
試料からでるガスや薄着物質が針に付着することを防止
することができ、常に安定したトンネル電流を得ること
が可能となる。

〔実施例〕

以下、実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明における走査トンネル顕微鏡の針逃し機
構の一実施例を示す図で、同図（イ）は試料観察状態を
示す図、同図（ロ）、（ハ）はＳＴＭ走査部を試料から
離した状態を示す図である。

図中、１はホルダー、２は試料、３は試料固定台、４は
ＳＴＭ走査部、５はＳＴＭ針、１１はアーム、１２は球
、１３．１４．１５は０リングン簿、１６はバー、１７
は内筒、１８はダイアル、１９はロック部材、２０はネ
ジ、２１はネジ、２２はノブ、２３は導線、２４はハー
メチックシール部、２５はくさび、２６はピエゾ素子、
２７はビン、２８はネジ、２９はバネ、３０は導線収納
空間、３１は貫通孔、３２はＬ字溝である。

ホルダー１内には、試料固定台３が固定され、また内筒
１７がホルダー軸方向に摺動可能なように内面に接して
設けられている。内筒１７にはＬ字形の溝３２が設けら
れ、そこにホルダーに固定されたビン２７が嵌合してお
り、このＬ字形の溝は内筒の摺動方向と、これに直角方
向の溝からなっており、摺動方向の溝長骨だけ内筒の摺
動が可能である。そして、摺動方向と直角方向の溝とビ
ン２７とを嵌合させることにより摺動方向の動きをロッ
クすることができるようになっている。試料２は、その
面がホルダー１の中心軸に一致するように試料固定台３
に固定され、これに対向して針５がＳＴＭ走査走査部子
端に取り付けられ、ＳＴＭ走査走査部子−ム１１に固定
されている。内筒１７の先端部には真空シール用のＯリ
ング溝１３を設けたテーパ部が設けられ、アーム１１と
一体の球Ｉ２を気密状態を保持して回動自在に受けるよ
うになっている。そして球１２にはバー１６が一体に設
けられ、その先端はフリーで、バネ２８により上方へ付
勢されると共に、ネジ２１で下方へ押下げられるように
なっている。したがって、ネジ２１を回してバー１６の
自由端を上下に動かすことにより、球１２を支点として
アーム１１を動かすことができ、針５を試料に近づけた
り離したりすることができる。また紙面に垂直にネジ２
１と同様のネジ（図示せず）が設けてあり、このネジを
操作することにより針５を試料面に沿って移動でき、視
野探しを行うことができる。

これらアーム１１、球Ｉ２、バー１６は、ホルダー１の
中心軸から外れた偏心位置（図では上側）に設けられ、
その下方に導線２３の収納空間３０を形成するようにし
ている。また内筒１７とホルダー１との間は真空シール
用のＯリング溝１、　　４が形成され、これとＯリング
ミ１３とにより試料側を真空に保持し、また、ＳＴＭ走
査走査動駆動用トンネル電流取り出し用の導線２３の為
のバーメチ・７クシ一ル部２４が形成されている。また
内筒１７は、ダイアル１８のネジ部と噛み合うネジ２０
を有し、ダイアル１８を回ずと内筒１７はピン２７によ
り回転できないため、軸方向に移動する。この移動によ
り試料の軸方向の視野探しを行うことができる。また内
筒１７の内面にはテーパ状先端部が球１２の所まで伸び
ると共に、ネジ２１が貫通する貫通孔３１が設けられた
ロック部材１９が設けられ、また後端部には、ノブ２２
が取付けられるネジ２８が設けられ、ロック部材の後端
と接している。そして、ノブ２２を回し、ロック部材１
９を押すことにより、ロック部材先端のテーパが球１２
を押圧して固定し、アーム１１を動き難くして剛性を上
げられるようになっている。

また内筒１７のホルダー１との接触面の一部にテーパを
持った溝が設けられ、この溝にはくさび２５と、くさび
を押す積層型のピエゾ素子２６が設けられ、ピエゾ素子
２６を駆動して伸ばすことによりくさび２５を押し、内
筒１７とホルダー１との間に圧入させることにより内筒
１７をロックして剛性を上げる構造となっている。

このような構成において、図示しないサイドエントリゴ
ニオメータにホルダー１を挿入し、ホルダーを移動させ
ることにより試料移動を行って視野探しを行い、反射像
観察法により試料面を観察する。こうして得られた反射
像の中でさらにＳＴＭにより観察したい領域を設定し、
ダイアル１８で軸方向移動、ネジ２１で試料との接近、
ネジ２１と同様の図示しない紙面に直交するネジで試料
面に沿った方向の針の移動を行う。ネジ２１で針５を試
料に近づける場合、ＴＥＭ法で試料と針のギャップを観
察しながらトンネル電流を検出できる距離まで接近させ
るようにすれば、針を試料に衝突させて針と試料に損傷
を与えることを防ぐことができる。こうして、針のセッ
トを行った後、ノブ２２を回してロック部材１９を押し
て球１２、アーム１１を固定し、さらにピエゾ素子２６
を駆動して内筒１７を固定することにより全体として剛
性を上げてＳＴＭ走査の耐振性を良くしてＳＴＭ法によ
る超精密測定を行う。

次に試料加工時の針逃しについて説明する。

先ず、微動による針逃しについて説明すると、ネジ２１
を回して針５を試料２から離し、周囲に当たらなくなる
状態にしてダイアル１Ｂを回すことにより内筒１７を引
き込んで針を試料から離し、第１図（ロ）に示す状態と
し、この状態で試料のベータ、蒸着等を行えば、針が試
料面から離れているので金属や蒸気が針に付着する等の
悪影響を防止することができる。

また粗動による針逃しについて説明すると、内筒１７を
手動で引き出すと、最大引き出し位置ではピン２７がＬ
字形溝３２の摺動方向と直角方向の溝位置になるので、
その位置で９０°回転させることによりＬ字形溝の摺動
方向と直角方向の溝にピン２７を嵌合させてロックする
ことができる（第１図（ハ））、この方法によれば、素
早く針を試料面から逃すことができる。なお、ピン２７
を内筒側に設け、Ｌ字形溝をホルダー側に設けてもよい
。

なお、上記実施例における針の逃しは、ネジによる駆動
力、手動で引き抜く例について説明したが、てこの原理
を使用したり、ピエゾ素子を用いて行う等、駆動機構は
どのような手段を使用してもよい。また上記実施例では
電子顕微鏡に組み込むために針を真空状態内に置く例に
ついて説明したが、５７Ｍ単独で使用する場合は大気開
放になっていてもよい、さらに上記実施例では反射像に
よる観察についてのホルダー構成について説明したが、
透過像による観察の場合のホルダー構成も、針と試料面
との角度が変わるだけで他の構成は全く同様である。

第２図（イ）は本発明の走査トンネル顕微鏡の針逃し機
構を透過型電子顕微鏡に組み込み、反射像を得る場合の
概略構成を示す図、第２図（ロ）は電子線の軌跡を示す
図で、図中、６は対物レンズ（ＯＬ）ポールピース、７
は光軸、８は偏向器、８ａ、８ｂは第１、第２偏向器、
９は対物レンズである。

第１図で説明したホルダー１は、図示しないサイドエン
トリゴニオメータにより移動させられて試料２を所定位
置にセントするようになっている。

このホルダー１内には、試料２が試料固定台３に図示の
ように取りつけられ、またピエゾ素子からなるＳＴＭ走
査部４が収納され、ＳＴＭ針５が試料１に対向して設け
られている。このＳＴＭ走査部４は、約１．５ｗｘ３ｍ
ｘ５ｍ程度のもので、ホルダー１内に十分収納可能であ
る。

このような構成において、光軸に沿って試料面に平行に
放出された電子線が、対物レンズ９の前方磁場と対物レ
ンズ上方に設置された偏向器８により曲げられかつ集束
されて試料面にある角度を持ってスポット状に照射され
そこで反射されたビームは光軸上を通って対物レンズ下
方に反射像を結像する。（第２図口）、その反射像が図
示しない感光面状に結像されて試料面の観察が行われる
。

このとき、試料面が光軸に平行であるために、凹凸部分
が電子線に対して影となるために、その形状に対応して
縞が観察される。この凹凸の程度は一３ＴＭ走査部４を
駆動してＳＴＭ走査針５により超精密に測定される。こ
の場合、前述したようにＳＴＭの分解能は原子レベルで
あるので、ＳＴＭ針の許容される振動の振幅は０．１Å
以下であるが、本発明においては試料と針とが１つのホ
ルダー内に固定されているため耐振上極めて有利となる
。

第３図は電子顕微鏡用走査トンネル顕微鏡により透過像
を得る場合の本発明の他の実施例を示す図である。

本実施例の場合には透過像を得るために試料面が光軸に
対して直角になっており、そのためＳＴＭ針が図示のよ
うに角度をもって試料面に対向している点板外は第２図
の場合と同様である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、走査型トンネル顕微鏡の
計を試料面から微動または粗動により逃すことができる
ので、試料加工時、針を試料面から離しておくことによ
り、試料から発生するガス、蒸着物質等が針に付着する
のを防止することが可能となり、安定したトンネル電流
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の走査トンネル顕微鏡の一実施例を示す
図で、同図（イ）は試料観察状態を示す図、同図（ロ）
、（ハ）はＳＴＭ走査部を試料から離した状態を示す図
、第２図（イ）は走査トンネル顕微鏡を透過型電子顕微
鏡に組み込んで反射像を得る場合の一実施例を示す図、
第２図（ロ）は電子線の軌跡を示す図、第３図は走査ト
ンネルＷ４微鏡を透過型電子顕微鏡に組み込んで透過像
を得る場合の他の実施例を示す図である。 １・・・ホルダー、２・・・試料、３・・・試料固定台
、４・・・ＳＴＭ走査部、５・・・ＳＴＭ針、６・・・
対物レンズ（ＯＬ）ポールピース、７・・・光軸、１１
・・・アーム、１２・・・球、１６・・・バー、１７・
・・内筒、１８・・・グイ７／ｌ、、１９・・・ロック
部材、２２・・・ノブ、２３・・・導線、２８・・・ネ
ジ、２７・・・ピン、３２・・・Ｌ字形溝。 出　　願　　人　　日本電子株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料を保持する試料ホルダーと、試料ホルダー内
   に配置された探針及び探針走査部材と、探針走査部材を
   ３軸方向に駆動する３軸駆動機構とを備えた走査トンネ
   ル顕微鏡であって、３軸駆動機構は、針逃し手段を備え
   ていることを特徴とする走査トンネル顕微鏡。
2. （２）針逃し手段は、微動及び粗動機構を有している特
   許請求の範囲第１項記載の走査トンネル顕微鏡。
3. （３）針逃し手段は、針を逃がした位置においてロック
   する手段を有している特許請求の範囲第１項記載の走査
   トンネル顕微鏡。