JPH03110403A - 観察装置 - 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］ この発明は、例えば半導体チップの表面や結晶の臂開面
等を観察するための観察装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、物体の表面構造を広範囲に観察するには光学顕微
鏡が用いられているが、その分解能は０．２μｍ程度が
限界であり、微細構造の観察は不可能であった。

一方、近年開発された走査トンネル顕＠鏡を用いると、
原子像レベルの微細な構造の観察を行なうことができる
。この走査トンネル顕微鏡では、導電性の探針の先端を
試料表面に接近させて二次元に走査し、探針先端から試
料に流れるトンネル電流を検出することにより、試料表
面の微細な凹凸構造が観察される。

しかし、走査トンネル顕微鏡での観察領域は非常に狭い
ので（例えば１０μｍＸＩＱμｌ程度）、試料中の任意
の微小領域を特定して観察することが極めて困難である
。このため、探針を目的とする観察点に位置合せするた
めに、光学顕微鏡で探針と試料を斜め方向から観察する
ということが提案されている。また、試料の表裏に走査
トンネル顕微鏡と光学顕微鏡を対向させて配置し、試料
の裏側から走査面と探針を観察するという方法も試みら
れている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記のような従来の技術において、光学顕微鏡
で斜め方向から探針と試料を観察する方法では、光学顕
微鏡で高分解能を得ようとすると焦点深度が浅くなって
焦点の合う領域がライン状に狭くなってしまうため、試
料表面を広範囲に観察しながら任意の観察点に探針を合
せることができないという問題点があった。

また、試料の裏面から光学顕微鏡で観察する方法では、
裏面から光を透過させて走査面を観察できる試料にしか
適用できないという制約がある上、走査トンネル顕微鏡
と光学顕微鏡で同一方向から試料表面を観察できず、探
針を正確に位置合せすることが難しいという問題点があ
った。

この発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、試
料を広範囲に観察することが可能であるとともに、任意
の微小領域の構造を高い分解能で観察することのできる
観察装置を提供することを目的としたものである。

［課題を解決するための手段］ この発明においては、対物レンズを含む光学系を有して
なる光学顕微鏡と、導電性の探針と該探針で試料を走査
する走査手段を有してなる走査トンネル顕＠鏡とを備え
た観察装置において、前記走査トンネル顕微鏡の探針先
端を、前記光学顕微鏡の対物レンズから試料に至る光束
内に位置するように配置したことによって、上記の課題
を達成している。

［作用］ 第１図は、本発明にかかる観察装置の基本構成を示す光
路図である。

本発明の観察装置は、試料６を広範囲に観察するための
光学顕微ｔ［（対物レンズ１．接眼レンズ５）と、試料
６の微小領域の構造を高い分解能で観察するための走査
トンネル顕微鏡（探針４．走査手段は省略）を備えてお
り、かつ走査トンネル顕微鏡の探針４の先端が光学顕微
鏡の対物レンズｌから試料６に至る光束内に位置するよ
うに（好ましくけ光軸上に位置するように）配置されて
いる。

このような観察装置では、光学顕微鏡の光束内に走査ト
ンネル顕微鏡の探針４先端が配置されているので、光学
顕微鏡の視野内に試料６表面と探針４先端が同時に観察
される。

即ち、光学顕微鏡の焦点９を試料６表面に合わせて微小
構造を観察したい箇所（Ｉ！察点点８を視野内に移動さ
せた後、焦点９を探針４の先端に合わせて試料６の位置
を微調整（ステージ７を動かす）することにより、探針
４先端を観察点８上に正確にかつ容易に位置合せするこ
とができる。探針４の位置合わせが正確に行なわれれば
、所望の微小領域の構造を走査トンネル顕微鏡によって
観察することができる。

なお、探針４の先端は、光束内の合焦可能な位置であれ
ば必ずしも第１図のように光軸上に配置されている必要
はないが、探針４先端に確実に合焦させて正確に位置合
わせを行なうためには探針４を光軸上に配置することが
好ましい６［実施例］ 第２図は、本発明の第１実施例にかかる観察装置の構成
を示す光路図である。

かかる装置は、対物レンズ２１．接眼レンズ５を含む光
学系を有してなる光学顕微鏡と、白金又はタングステン
等からなる探針４と探針走査・微動機構部２２（走査手
段、後述）を有してなる走査トンネル顕微鏡を備えてお
り、走査トンネル顕微鏡の探針４は光学顕微鏡の光軸上
に配置されている。また、導電性の試料６は光学顕微鏡
の光軸と直交するステージ７に載置されており、このス
テージ７は図示しない駆動手段によって、二次元方向に
移動可能となっている。

本実施例においては、探針４で試料６表面を二次元に走
査するとともに、探針４を光軸方向に微動させる探針走
査・微動機構部２２が対物レンズ２１の中央部に配置さ
れている。この探針走査・微動機構部２２は、圧電素子
を用いて構成されており、光学顕微鏡自体のハウジング
（図示せず）に固定されているのではなく、振動を避け
る目的で対物レンズ２１の上方に別に設けられたフレー
ム（図示せず）に支持されている。フレームと探針走査
・微動機構部２２は、光束をなるべく遮らないように４
本捏度の細い継手で接続されている。

本実施例の観察装置を構成するトンネル顕微鏡において
は、探針４を試料６表面に間５ｉ１ｎｍ程度にまで接近
させて数十μｍ×数十μｍ程度の領域（観察点８）を二
次元に走査しながら、探針４先端から試料６に流れるト
ンネル電流を検出する。

このトンネル電流の大きさは試料６と探針４の距離、即
ち試料表面の凹凸によって変わるので、トンネル電流が
一定となるように探針４を光軸方向に微動させ、探針４
の光軸方向の移動量に対応する値を電気信号として取り
出すことにより、オシロスコープ上に観察点８の拡大像
が得られる。

上述したような観察装置を用いて試料６表面を′観察す
るには、まず、光学顕微鏡の焦点９を試料６表面に合わ
せて、適宜ステージ７を動かして試料６を広範囲に観察
する。そして、試料６の微小構造を観察したい箇所（観
察点８）が視野内に入るようにステージ７を移動させる
。

その後、光学顕微鏡の焦点９を探針４の先端に合せてス
テージ７の位置を微調整して探針４の先端が観察点８と
対向するように位置合わせを行なう。この際、必要に応
じて、探針４先端と試料６表面に交互に合焦させること
により正確に位置合せを行なうことができる。

しかる後、探針４で試料６表面を走査すれば目的とする
観察点８の微細構造を原子像レベルの分解能（例えば光
軸方向０．１人９面方向１人）で観察することができる
。

即ち、上記のような本発明の観察装置を用いれば、試料
６を広範囲に観察して全体を把握した上で、その中の特
定の観察点８の非常に微細な構造を観察することが可能
となる。また、第２図に示された本実施例の観察装置に
おいては、光学顕微鏡の対物レンズ２１内に走査トンネ
ル顕微鏡の探針走査・微動機構部２２を組み込んである
ので、装置全体をコンパクトにまとめることができ、か
つ観察に支障となるように突出部もないので、操作性に
も優れている。

次に、第３図は本発明の第２実施例にかかる観察装置の
構成を示す光路図である。

この実施例の観察装置は、第１の実施例と同様に走査ト
ンネル顕微鏡の探針４は光学顕微鏡の光軸３上に配置さ
れているが、探針走査・微動機構部３２の配置位置が第
１実施例とは異なっている。

即ち、この実施例では光学顕微鏡の対物レンズ３１は通
常のものであり、探針走査・微動機構部３２は光学顕微
鏡の視野外に配置されている。そして、探針走査・微動
機構部３２から光学顕微鏡の光軸位置までステー１０が
延設され、その先端に探針４が取り付けられている。

走査トンネル顕微鏡の動作自体は、第１の実施例の場合
と同様であり、前述した手順に従って試料の広範囲の観
察と、特定の観察点８の微小構造の観察を行なうことが
できる。

本実施例の観察装置は、トンネル顕微鏡の走査・微動機
構部３２が光学顕微鏡とは別に配置されているので構成
が簡単であり、従来の走査トンネル顕微鏡と光学顕微鏡
を用いて、容易に作製することができるという利点があ
る。

なお、上記に説明した第１及び第２実施例では、探針４
全体が光軸３に配置されているが、探針４は必ずしも光
軸に平行（試料６と直交）である必要はなく、探針４を
斜めにして先端だけが光軸上に位置するようにしても良
い。

また、上記においては、導電性の試料について観察を行
なう場合について説明したが、有機物質の分子構造（例
えばＤＮＡの構造）等を観察する場合は、試料を薄膜化
して導電性の基板上に貼りつけて試料の薄膜を介して探
針から基板にトンネル電流が漬れるようにすることによ
って対応できる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明の観察装置においては、光学顕微
鏡の対物レンズから試料に至る光束内に走査トンネル顕
微鏡の探針の先端が配置されているで、試料表面の任意
の観察点に探針先端を正確にかつ容易に位置合わせする
ことができる。

即ち、本発明の観察装置を用いれば、試料表面を広範囲
に観察した上で、任意の観察点の微細構造を非常に高い
分解能で観察することが可能である。

かかる観察装置は、半導体チップの不良解析や結晶側開
面の原子構造、有機物質の分子構造の解明等を初めとし
て各種の研究・開発を進める上で極めて有益である。

４、図面の簡ｊＪＬ　ｆｔ説明 第１図は本発明の基本構成を示す光路図、第２図は本発
明の第１実施例による観察装置の構成を示す光路図、第
３図は本発明の第２実施例による観察装置の構成を示す
光路図である。

［主要部分の符号の説明］ １．２１．：］１・・・対物レンズ ２２）２・・・・・・探針走査・微動機構部（走査手段
）４・・・・・・・・・・・・探針 ５・・・・・・・・・・・・接眼レンズ６・・・・・・
・・・・・・試料 ７・・・・・・・・・・・・ステージ ８・・・・・・・・・・・・観察点

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）対物レンズを含む光学系を有してなる光学顕微鏡
   と、導電性の探針と該探針で試料を走査する走査手段を
   有してなる走査トンネル顕微鏡とを備えた観察装置にお
   いて、 前記走査トンネル顕微鏡の探針先端が、前記光学顕微鏡
   の対物レンズから試料に至る光束内に位置するように配
   置されたことを特徴とする観察装置。
2. （２）前記走査トンネル顕微鏡の探針が、前記光学顕微
   鏡の光軸上に配置されたことを特徴とする請求項１記載
   の観察装置。