JPH03235004A - 走査型トンネル顕微鏡付き走査型電子顕微鏡 - Google Patents

走査型トンネル顕微鏡付き走査型電子顕微鏡

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JPH03235004A
JPH03235004A JP2031142A JP3114290A JPH03235004A JP H03235004 A JPH03235004 A JP H03235004A JP 2031142 A JP2031142 A JP 2031142A JP 3114290 A JP3114290 A JP 3114290A JP H03235004 A JPH03235004 A JP H03235004A
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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〕 本発明は走査型トンネル顕微鏡付き走査型電子顕微鏡に
関し、特に試料室に走査型トンネル顕微鏡を組み込み、
この走査型トンネル顕微鏡による試料上の走査範囲を走
査型電子顕微鏡の観察用表示画面上で正確に設定するの
に好適な走査型トンネル顕微鏡付き走査型電子顕微鏡に
関するものである。
〔従来の技術〕
走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭという）は、金属製
の細い探針を備え、この探針に所要の電圧を印加した状
態で探針を試料の表面にｌｎｍ程度まで近づけたときに
流れるトンネル電流を、探針と試料表面との間隔を一定
に保つことにより一定に保ち、この状態で試料表面上を
一次元又は二次元にて走査すると、探針の軸方向の動き
量から試料表面の凹凸像を作成することができ、試料表
面に関し原子レベルの情報を得る機能を有している。
ＳＴＭは原子を見分けられる程の非常に高い空間分解能
を有する顕微鏡として注目されている。ＳＴＭについて
は、例えばスキャニング／エレクトロン・マイクロコピ
イ／１９８３／ＩＩＩ　　第１０７９〜１０８２頁（Ｓ
ＣＡＮＮＩＮＧ　ＥＬＥＣＴＲＯＮ　ＭＩＣＲＯ３ＣＯ
ＰＹ／１９８３／Ｉ［ＰＰ１０７９〜１０Ｂ２）に詳述
されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記のようにＳＴＭは高い分解能を有している反面、一
方で走査範囲が最大でも１０μｍ程度と狭く、試料上の
観察したい領域を的確に走査するためにはより広い視野
を有する他の種類の顕微鏡との組み合わせが必要となる
。この場合において、他の種類の顕微鏡によって得られ
る広い視野の中でＳＴＭの走査位置を正確に特定するこ
とは大きな問題である。
例えば光学顕微鏡と組み合わせる場合には、ワーキング
デイスタンスすなわち顕微鏡の対物レンズと試料表面と
の間隙か小さく、試料と探針を同時に観察することが難
しい。そのため、例えば文献「荷電粒子ビームの工業へ
の応用」日本学術振興会、第１３２委員会、第１０９回
研究資料、第４１頁〜第４６頁に述べられているように
、光学顕微鏡とＳＴＭをレボルバで切換え、両者の位置
ずれを標準試料を利用して予め測定しておき、補正する
方法が用いられている。
また走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭという）と組み合わ
せる場合には、ワーキングデイスタンスを十分に長くと
ることができるので、探針が試料に対向している状態を
ＳＥＭで観察できるように構成することができる。この
構成では、一般的に、探針の先端と試料表面を観察でき
るように第６図に示す如く試料１００の表面に対して直
交するように配置された探針１０１の移動軸を、ＳＥＭ
の対物レンズ１０３から出る電子ビーム１０４の軸に対
して所要の角度で傾斜させた状態で探針を配置している
。第６図中１０５はＳＥＭベースである。かかる配置に
より、探針１０１の先端と試料１００を同時にＳＥＭの
電子ビーム１０４で走査することができ、これにより両
者をＳＥＭの同一画面で同時に観察することができる。
ところが、上記の構成の場合においてＳＥＭによって見
ることができる走査電子像は、あたかも片目で見たよう
な画像であるため、第７図に示すように探針像１０１ａ
と試料の像１００ａとの位置関係及び距離が不明確であ
り、ＳＥＭによる観察画面だけでは探針１０１をトンネ
ル電流が流れるｌｎｍ程度の距離にまで接近させたとき
、試料１００の表面のどの位置に到達するのかを正確に
判定することができないという問題を有している。
つまり、ＳＥＭによる観察画像によればＳＴＭによる試
料上の走査領域を大まかに知ることができるが、探針と
試料との間の距離情報を得ることができないのである。
また、探針１０１に対して試料１００を移動させる必要
がある場合には、探針と試料とは試料の表面の凹凸が探
針に接触しないようにある程度離す必要があるが、この
距離か大きいほどＳＥＭの画像上での位置関係の見当を
つけることが困難になる。
本発明の目的は、ＳＥＭの観察画面において試料の表面
とＳＴＭの探針の像の位置関係又は距離関係を知ること
のできる構成を有した走査型トンネル顕微鏡付き走査型
電子顕微鏡を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明に係る第１のＳＴＭ付きＳＥＭは、試料室に組込
まれたＳＴＭと、試料室に配置された試料とＳＴＭの探
針とを同一の画面上に同時に表示する画像表示手段と、
試料の上における探針の走査位置を示すマーカを画面に
表示する図形表示手段とを備えるように構成される。
本発明に係る第２のＳＴＭ付きＳＥＭは、前記の第１の
構成において、図形表示手段によって画像表示手段の画
面に表示されるマーカが、試料の表面と探針の移動軸と
の交点を示すマーカであることを特徴とする。
本発明に係る第３のＳＴＭ付きＳＥＭは、前記の第１の
構成において、図形表示手段によって画面に表示される
マーカが、探針と試料との実際の距離を画面上の距離に
変換した長さを有する線分状のマーカであり、この線分
状マーカの一端は探針の移動軸と試料の表面との交点を
示すことを特徴とする。
本発明に係る第４のＳＴＭ付きＳＥＭは、前記の第３の
構成において、画面上の距離を、実際の距離に、走査電
子ビームと探針とのなす角度の正弦と、画面に表示され
る画像の表示倍率とを乗じて得るようにしたことを特徴
とする。
本発明に係る第５のＳＴＭ付きＳＥＭは、前記の第２〜
第４のいずれか１つの構成において、探針による試料の
表面上の走査範囲を示すマークを含むことを特徴とする
。
本発明に係る第６のＳＴＭ付きＳＥＭは、前記の第３又
は第５の構成において、線分状マーカの他端又は探針の
試料表面上の走査範囲を示すマーカの所定の点は位置合
せ用の点を示し、この位置合せ用の点と探針の先端部を
画面上にて位置合せするための移動手段を有することを
特徴とする。
本発明に係る第７のＳＴＭ付きＳＥＭは、前記の第６の
構成において、移動手段が、探針の位置を移動させる移
動手段、マーカの位置を移動させる移動手段、ＳＥＭの
電子ビームの走査位置を移動させる移動手段のうちの少
なくともいずれか１つであることを特徴とする。
本発明に係る第８のＳＴＭ付きＳＥＭは、前記の第７の
構成において、前記移動手段が、回転移動を行わせるこ
とが可能であり、画面上において線分状マーカの方向と
探針の像の方向が一致していないとき、回転移動を行う
ことにより線分状マーカの方向と探針の像の方向とを一
致できるように構成されたことを特徴とする。
〔作用〕
本発明によるＳＴＭ付きＳＥＭでは、実際上の試料の表
面とＳＴＭの探針との距離を、ＳＥＭの観察画面におい
て知ることができるようなマーカを一般的な図形表示手
段によって表示させるように構成される。マーカの種類
や形態等については任意なものを表示させることが可能
である。少なくとも試料の表面と探針の移動軸の交点が
表示できれば十分であるが、更に両者の距離を表すこと
できる線分状のマーカや探針の走査範囲を示すことので
きる矩形等の形状を有するマーカが適宜に表示される。
ＳＥＭの画像表示装置の画面において表示された探針像
とマーカとが一致していない場合、或いは探針像の方向
と線分状のマーカの方向が一致していない場合には、こ
れらの不一致を一致させる各種の移動手段を備えている
。これにによってＳＥＭの観察画面を視認しながら、更
にＳＴＭによる測定領域を正確に設定することができる
。
〔実施例〕
以下に、本発明の実施例を添付図面に基ついて説明する
。
第１図は本発明に係るＳＴＭ付きＳＥＭの構成を概略的
に示す。第１図において、１は試料で、この試料１はＸ
軸方向移動台２とＹ軸方向移動台３からなる試料台に配
置される。試料台は８７Ｍベース４において傾斜された
姿勢で配置されるため、試料１も図示される如く第１図
中の水平線に対し傾斜された姿勢で配設される。試料１
は８７Ｍベース４に対してＸ軸方向移動台２とＹ軸方向
移動台３の移動動作によって２次元方向に移動すること
ができる。
５はＳＴＭの探針であり、探針５は圧電素子６゜７を介
して８７Ｍベース４に取り付けられている。
探針５の先端部は試料１の表面に臨み、探針５の移動軸
は試料表面にほぼ垂直となっている。圧電素子６は電圧
の印加により伸縮して、探針５をその軸方向に移動させ
る。圧電素子７は直交する２方向の電極を有し、この電
極に電圧を印加することにより歪み、探針５を試料表面
上にて２次元方向に走査させる。この走査による距離と
しては、印加される電圧の値により最大１０μｍ程度か
らｌｎｍ程度まで設定できる。
上記ＳＴＭベース４は、防振ダンパ８を介して移動台９
の上に配設される。８７Ｍベース４の上方にはＳＥＭの
対物レンズ１０が設置される。移動台９は、８７Ｍベー
ス４を対物レンズ１０に対して移動させる機能を有する
。１１はＳＥＭの対物レンズ１０から出力される電子ビ
ームであり、この電子ビーム１１は、探針５の先端を含
む最大限数ミリの範囲を走査し、試料１等に電子ビーム
１１が照射されたため発生する２次電子を検出器１２で
検出するように構成されている。前述したように、試料
１及び探針５は８７Ｍベース４において傾斜した状態に
て配設されており、その結果例えば探針５の軸方向は、
第１図に示されるように、電子ビーム１１に対してθの
傾斜角度を有している。
以上のように、８７Ｍベース４や探針５などからなるＳ
ＴＭの構成要素は、ＳＥＭの対物レンズ１０の下方位置
に設置され、すなわち試料室に組込まれた状態にて設け
られ、こうしてＳＴＭ付きＳＥＭが構成されている。
次に、ＳＴＭ及びＳＥＭの周辺のシステム構成を説明す
る。１３はＳＴＭ制御装置であり、３７Ｍ制御装置１３
は、探針５に流れるトンネル電流を検出する機能を有す
ると共に、圧電素子６及び７に所要の電圧を印加して各
圧電素子の長さを変化させる機能を有する。トンネル電
流が一定になるようにして探針５の位置を変化・制御す
る結果８７Ｍ制御装置１３で得られる位置データを、Ｓ
ＴＭ画像表示装置１４に与えると、試料１の表面のＳＴ
Ｍ像を得ることができる。一方、２次電子を検出するＳ
ＥＭの前記検出器１２は、増幅器１５に接続される。検
出器１２で検出された２次電子信号は増幅器１５で増幅
され、ＳＥＭ画像表示装置１６に送られ、ここで走査電
子数を表示する。
１７は図形表示装置であり、この図形表示装置１７はＳ
ＥＭ画像表示装置１６の画面に、ＳＥＭによる走査電子
像に重ねて所要のマークを表示させることができる機能
を有している。図形表示装置１７には従来良く知られた
一般的装置が使用される。また図形表示装置１７は３７
Ｍ制御装置１３と接続され、ＳＥＭ画像表示装置１６の
画面上に前述のマークを表示するときに必要とされる探
針５の位置等のデータを読み込む。
次に、上記構成を有するＳＴＭ付きＳＥＭにおいてＳＥ
Ｍによる観察の手順について説明する。
最初に、３７Ｍ制御装置１３は圧電素子６に印加される
電圧を最小に設定し、探針５を試料１から最も遠ざけた
状態にセットする。そして移動台９を動作させて、ＳＥ
Ｍ画像表示装置１６の画面の走査電子象の中に探針５が
入るようにする。かかる状態において８７Ｍ制御装置１
３は、圧電素子６の印加電圧を徐々に増加して探針５を
トンネル電流が流れるまで試料１に近づけ、トンネル電
流を検出したら、そのときの印加電圧から一定の電圧値
を差し引き、それによって得られた電圧を印加電圧とし
て圧電素子６に与える。差し引かれる一定電圧は、例え
ば探針５の１μｍの移動量に相当する電圧値である。通
常、探針５にトンネル電流が流れるときの探針５と試料
１との距離は約１〜２ｎｍであるので、トンネル電流が
流れている状態では、両者はほぼ接触状態にあると考え
て良い。従って、前記の差し引いた電圧値に相当する圧
電素子６の変位量（第１図中、ｄＬで表されている）が
、はぼ探針５と試料１の距離であると決めることができ
る。このようにして、先ず不明であった探針５と試料１
との距離を確定する。そしてこの距離は、ＳＥＭ画像表
示装置１６の画像において後述するようにマークを用い
て対応する間隔として視認することができる。
以上の距離の決定をＳＥＭ画像表示装置１６の画像との
関係において説明する。前述の如く試料１と探針５との
距離ｄＬが求められると、ＳＥＭ画像表示装置１６の画
面上における探針５の先端部と探針移動軸及び試料表面
の交点との距離は、すなわち対物レンズ１０の側から見
た距離は、前記θとＳＥＭの倍率Ｍを用いることによっ
てＭ×ｄ　Ｌ　Ｘ　ｓｉｎ　θとして与えられる。そこ
でＳＥＭ画像表示装置１６の画面に図形を表示する機能
を有する図形表示装置１７は、８７Ｍ制御装置１３から
前記ｄＬのデータを入力し、且つ予め与えられている前
記傾斜角θと走査電子象の倍率Ｍとを用いて上記の式を
計算し、算出された長さを有する線分状マーカを作成し
、このマーカをＳＥＭ画像表示装置１６の画面上にて走
査電子像に重ねて表示する。第２図は、ＳＥＭ画像表示
装置１６の画面１．６　ａにおいて、探針５の像５ａと
試料１の測定希望領域像１ａに対し重ねて距離ＡＢを有
する線分状のマーカ１８が表示される状態を示す。従っ
て、第２図に示されたＳＥＭ画像において、マーカ１８
の一端Ｂに探針像５ａの先端が一致するように移動台９
を移動させるか、又はＳＥＭの電子ビーム１１に所要の
偏向量を与え、オフセット量を調整することにより前記
一致を行うようにする。また図形表示装置１７による制
御に基づきマーカ１８自体の位置をその方向を維持した
まま変化させ、マーカ１８の一端Ｂと探針像１ａの先端
を一致させることもできる。このように各種の移動手段
の機能に基づいて探針像５ａと線分状マーカ１８との位
置合わせを行った状態では、マーカ１８の他端ＡはＳＴ
Ｍ測定実行時には探針５が試料１に接近する点であるか
ら、第３図に示すようにＸ軸方向移動台２とＹ軸方向移
動台３を調整することにより試料１のＳＴＭによる測定
希望領域像１ａをマーカ１８の他端Ａに一致させる。こ
れによってＳＴＭ画像表示装置１６の画面上で試料１と
探針５の先端との距離が把握された状態にてＳＴＭによ
る試料１の測定希望領域の観察を行える状態になる。
以上のようにして、試料１の所望の領域を、ＳＥＭで観
察しながらＳＴＭの探針５との間で正確に位置合わせを
行い、ＳＴＭで測定し得るように設定することができる
。８７Ｍ制御装置１３は、圧電素子６の印加電圧を徐々
に増加してトンネル電流が検出されるまで探針５を試料
１に接近させ、更にこの状態にて常にトンネル電流が一
定に保持されるように探針５の軸方向の移動を制御しな
がら、圧電素子７を駆動して探針５を２次元的に走査し
、その結果測定希望領域について得られる８７Ｍ像をＳ
ＴＭ画像表示装置１４に表示する。前記において距離ｄ
Ｌを１μｍ１θを４５°とした場合には、ｄＬｓｉｎ　
θ＝０．７μｍとなり、ＳＴＭによる走査電子像の走査
範囲を２〜３μｍまで小さくすることができるので、１
μｍ以下の測定対象に対しても十分に精度良く設定を行
うことができる。
第４図はＳＥＭ画像表示装置１６の画面１６ａにおいて
、探針５と試料１との距離を示す前記マ−カ１８の他に
、探針５の走査範囲を示すマーカ１９を表示した実施例
を示す。このマーカ１９も前記図形表示装置１７の機能
によって画面１６ａに表示される。試料１の表面上にお
ける探針５の走査範囲が矩形であって、異なる２辺の長
さに関して第１図中水平に位置する辺の長さがＸｌこの
水平な辺に直交する辺の長さがｙであるとき、図形表示
装置１７は画面１６ａにおいて辺の長さがＭｘ、Ｍｙｓ
ｉｎθの矩形マーカ１９を表示する。
このマーカ１９の内部が探針５によって走査する試料表
面部分に相当するから、ＳＴＭで走査することを希望す
る領域１ａがマーカ１９の内部に入るように、Ｘ軸方向
移動台２とＹ軸方向移動台３を動作させて試料１を移動
させる。このようにすれば、試料１の測定希望領域１ａ
と探針像１ａとの位置関係が明確になるためＳＥＭによ
る測定を正確に行うことができる。
上記の走査範囲を示すマーカ１９の形状は矩形であった
が、形状は走査範囲が示すことができるものであれば任
意の形状を使用することができる。
またマーカ１９の場面１６ａ上の表示位置の決定には、
例えば線分状マーカ１８の接触点を示す他端Ａを起点と
して決定することができる。そしてこの矩形マーカ１９
を用いても、前記線分状マーカ１８と同様に探針像５ａ
との位置合せを行うことができる。位置合せのための点
は矩形マーカ１９の中の適当な点を用いる。
第５図はマーカ１８の一端Ｂ側を探針像５ａの位置まて
延長した表示例を示す。通常、ＳＥＭの電子ビーム１１
は偏向され、電子ビームの走査方向が探針５の移動軸方
向に平行でない場合も多い。
このような場合には電子ビームの走査方向を回転させて
探針像５ａの移動軸の方向とマーカ１８の方向と一致さ
せる必要がある。第５図に示された端部Ｂが延長された
マーカによれば、電子ビーム１１を回転させることによ
って探針像５ａの方向とマーカ１８との方向戸を一致さ
せるとき、その一致操作を画面１６ａの上で容易に判断
することかできる。このようにして、回転移動により方
向が一致させれば、その後は端部Ｂと探針像５ａの先端
部とを一致させ、前述のように試料１における所望の測
定領域１ａをＳＥＭにより正確に設定することができる
。
前記の実施例では、ＳＥＭ画像表示装置１６の画面に表
示されるマークは線分状又は矩形の形態を有したものが
表示されたが、マークの形態はこれに限定されない。Ｓ
ＥＭ画像表示装置１６の画面上、少なくとも探針５の移
動軸と試料１の表面の接触点を示すマークが表示されれ
ば十分である。
また、前記実施例では、線分状のマーク１８の端部Ｂを
用いて探針像５ａとの位置合せを行った例について説明
したが、矩形のマーク１９の適宜な点を用いて前記移動
又は回転の位置合せを行うこともできる。
〔発明の効果〕
以上の説明で明らかなように本発明によれば、ＳＴＭを
ＳＥＭに組み込み、ＳＥＭの画像表示装置の画面に試料
とＳＴＭの探針とを同時に表示させ、且つ試料と探針と
の位置関係や距離関係を画面上にて把握できるマークを
表示するように構成したため、１０μｍ以下の非常に小
さなＳＴＭによる測定箇所をＳＥＭで試料表面と探針を
観察しながら容易且つ正確に設定することができる。特
にＳＴＭのみによる測定領域の設定はＳＴＭの走査に時
間がかかるので非常に長い時間が要するのに対して、Ｓ
ＥＭを併用するとＳＴＭの観察に要する時間も非常に短
縮することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る走査型トンネル顕微鏡付き走査型
電子顕微鏡のシステム構成図、第２図〜第５図はＳＥＭ
画像表示装置の画面における走査電子像とマーカの表示
態様を示す図、第６図及び第７図は走査型トンネル顕微
鏡付き走査型電子顕微鏡の従来の問題点を説明するため
の図である。 〔符号の説明〕 １・・・・・ ２・・・−・ 、３・・・・・ ５・・・会・ ５ａ・・・・ ・試料 ・Ｘ軸方向移動台 ・Ｙ軸方向移動台 ・探針 ・探針像 ６、７　・ ９　・　・　・ １０　・　・ １１　・　・ １３　・　・ １４　・　・ １６　・　・ １７　・　・ １８　・　・ １９　・　・ ・圧電素子 ・移動台 ・対物レンズ ・電子ビーム ・３７Ｍ制御装置 ・ＳＴＭ画像表示装置 ・ＳＥＭ画像表示装置 ・図形表示装置 ・線分状マーカ ・矩形マーカ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）試料室に組込まれた走査型トンネル顕微鏡と、試
    料室に配置された試料と前記走査型トンネル顕微鏡の探
    針とを同一の画面に同時に表示する画像表示手段と、前
    記試料の上における前記探針の走査位置を示すマーカを
    前記画面に表示する図形表示手段とを備えたことを特徴
    とする走査型トンネル顕微鏡付き走査型電子顕微鏡。
  2. （２）請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡付き走査型
    電子顕微鏡において、前記図形表示手段によって前記画
    像表示手段の前記画面に表示される前記マーカは、前記
    試料の表面と前記探針の移動軸との交点を示すマーカで
    あることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡付き走査型
    電子顕微鏡。
  3. （３）請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡付き走査型
    電子顕微鏡において、前記図形表示手段によつて前記画
    面に表示される前記マーカは、前記探針と前記試料との
    実際の距離を前記画面上の距離に変換した長さを有する
    線分状のマーカであり、この線分状マーカの一端は前記
    探針の移動軸と前記試料の表面との交点を示すことを特
    徴とする走査型トンネル顕微鏡付き走査型電子顕微鏡。
  4. （４）請求項３記載の走査型トンネル顕微鏡付き走査型
    電子顕微鏡において、前記画面上の距離は、前記実際の
    距離に、走査電子ビームと前記探針とのなす角度の正弦
    と、前記画面に表示される画像の表示倍率とを乗じて得
    るようにしたことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡付
    き走査型電子顕微鏡。
  5. （５）請求項２〜４のいずれか１項に記載の走査型トン
    ネル顕微鏡付き走査型電子顕微鏡において、前記探針に
    よる前記試料の表面上の走査範囲を示すマークを含むこ
    とを特徴とする走査型トンネル顕微鏡付き走査型電子顕
    微鏡。
  6. （６）請求項３又は５記載の走査型トンネル顕微鏡付き
    走査型電子顕微鏡において、前記線分状マーカの他端又
    は探針の試料表面上の走査範囲を示す前記マーカの所定
    の点は位置合せ用の点を示し、この位置合せ用の点と前
    記探針の先端部を前記画面上にて位置合せするための移
    動手段を有することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡
    付き走査型電子顕微鏡。
  7. （７）請求項６記載の走査型トンネル顕微鏡付き走査型
    電子顕微鏡において、前記移動手段は、前記探針の位置
    を移動させる移動手段、前記マーカの位置を移動させる
    移動手段、走査型電子顕微鏡の電子ビームの走査位置を
    移動させる移動手段のうち少なくともいずれか１つであ
    ることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡付き走査型電
    子顕微鏡。
  8. （８）請求項７記載の走査型トンネル顕微鏡付き走査型
    電子顕微鏡において、前記移動手段は、回転移動を行わ
    せることが可能であり、前記画面上において前記線分状
    マーカの方向と前記探針の像の方向が一致していないと
    き、前記回転移動を行うことにより前記線分状マーカの
    方向と前記探針の像の方向とを一致できるように構成さ
    れたことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡付き走査型
    電子顕微鏡。
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