JPH04370701A - 探針及び走査型トンネル顕微鏡、探針の異方性検査方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は探針及び走査型トンネル
顕微鏡、探針の異方性検査方法に係り、特に走査型トン
ネル顕微鏡に取り付けられた探針の先端の状態を知るこ
とができる形状を有した探針、及びこの探針を備え且つ
走査型電子顕微鏡又は光学顕微鏡と組み合わされた複合
型の走査型トンネル顕微鏡、更に探針の異方性検査方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属や半導体等の試料物質の微細表面形
状を計測する装置として、近年、走査型トンネル顕微鏡
（以下ＳＴＭという）が知られている。ＳＴＭでは、先
端が非常に鋭い金属製の探針を備え、この探針で試料表
面上を走査し、試料と探針間に流れるトンネル電流が微
小距離に敏感に反応して増減するのを利用して、試料表
面の原子配列や電子状態に関する情報を原子の尺度で得
ることができる。ＳＴＭでは、探針の先端部は、理想的
には、探針を形成する金属原子が１つだけ存在するよう
に形成されることが望ましい。この場合には探針はいず
れの方向に走査移動しても、先端に存在する当該金属原
子と試料との間でトンネル電流が流れる。従って、探針
をいずれの方向に移動させても正確な表面像を得ること
ができる。しかし、探針の先端に１つの金属原子が存在
しない場合には、探針の走査する方向によって、トンネ
ル電流が流れる先端原子が異なることになり、走査方向
によって計測で得られた原子像が異なるという状態が発
生する。このことを「探針先端部に異方性がある、又は
探針先端部は非対称である」という。従って探針先端部
に異方性がある場合には、試料表面について正確な情報
を得ることができない。換言すれば、異方性を有する探
針をその軸回りに回転させて走査すると、試料の表面情
報が変化するという不具合が生じる。そこで、従来では
、かかる不具合をなくすため、ＳＴＭの探針の先端部を
、単一の金属原子が存在するように、理想的に加工する
研究が主に行われていた。また製作された探針が異方性
を有し、かかる探針をＳＴＭに使用する場合に、ＳＴＭ
に電界イオン顕微鏡を付加して、この電界イオン顕微鏡
で探針の先端部の状況を絶えず観察し、更に探針を理想
的な状態に再加工するように構成したものもある（日経
メカニカル１９９０，６．２５等）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の探針加工技術の
みを用いるだけでは、探針の先端部に１つの金属原子を
作って異方性をなくすことは非常に困難である。従って
、新しい探針加工技術を構築することが必要とされる。 また、電界イオン顕微鏡をＳＴＭに付加して探針を再加
工する技術によれば、理想的な探針を作ることができる
が、そのためには探針の先端を観察・加工する高精度な
観察装置及び加工装置が必要となる。その結果、装置が
複雑となり、製作コストが上昇する。

【０００４】ところで、ＳＴＭに取り付けた探針におい
て、この取り付け状態における探針の軸周りの回転状態
を観察することができれば、次のような利点を考えるこ
とができる。第１に、ＳＴＭにて測定のため探針の走査
を行うときに、常に探針の回転状態を一定にすることに
より変動しない正確な試料表面の像を得ることができる
。第２に、探針の回転状態を例えば２通り設定し、回転
角度を異ならせて各回転状態で走査し、測定データを得
れば、２つの測定データを比較することにより、当該探
針の異方性の有無について知ることができる。探針につ
いて異方性の有無を判断できれば、探針の性能を評価で
き、その後の測定に非常に都合がよい。以上のことから
、ＳＴＭに取り付けた状態における探針の軸周りの回転
状態又は回転角度を観察できることが望まれる。

【０００５】本発明の第１の目的は、ＳＴＭに取り付け
た状態にて、軸周りの回転状態又は回転角度を観察でき
る構造を有した探針を提供することにある。本発明の第
２の目的は、上記構造を有する探針を利用して、再現性
良い画像を作成すると共に、更に探針の異方性を検査で
きる構成を有したＳＴＭを提供することにある。本発明
の第３の目的は、前記構造を有する探針を利用して、探
針の異方性を判断する探針の異方性判定方法を提供する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る探針は、Ｓ
ＴＭの探針であり、軸周りの回転状態を示すマークを備
えたことを特徴とするものである。前記の構成において
、好ましくは、マークは、周面に形成された溝、径方向
に突出された突起部である。またマークの数は、１つに
限定されず、複数であってもよい。本発明に係るＳＴＭ
は、好ましくは、走査型電子顕微鏡と組み合わされた走
査型トンネル顕微鏡であり、前記探針を備え、マークが
走査型電子顕微鏡の視野内に配置されるように探針に設
けられたことを特徴とする。また本発明に係るＳＴＭは
、好ましくは、光学顕微鏡と組み合わされた走査型トン
ネル顕微鏡であり、前記探針を備え、マークが光学顕微
鏡の視野内に配置されるように探針に設けられたことを
特徴とする。本発明に係る探針の異方性検査方法は、他
の形式の顕微鏡を備え、且つ前記探針を取り付けたＳＴ
Ｍにおいて行われるものであり、前記顕微鏡で観察を行
いながら探針の取り付け状態を少なくとも２通りに変更
し、それぞれの取り付け状態で測定を行い、得られた２
つの測定データを比較することにより、前記探針の異方
性を判定するようにしたものである。

【０００７】

【作用】探針の周面や後端等に探針の回転状態又は回転
角度状態を検出できるマークを取り付けるようにしたた
め、走査型電子顕微鏡等を備え、これで探針を観察すれ
ば、ＳＴＭにおける探針の回転状態等を観察することが
できる。

【０００８】また探針の回転状態等が分かった状態で、
測定を行えば、測定データに基づいて、探針の異方性を
検査することができる。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図１は、走査型電子顕微鏡と組み合わされ
たＳＴＭの概略的な装置構成の要部を示す。図１におい
て１はＳＴＭの探針であり、探針１は、探針１を微小距
離移動させるための微動機構２に取り付けられる。３は
探針１を大きい距離で移動させるための粗動機構であり
、微動機構２を固定している。４は測定対象である試料
で、試料４は試料台であるＸＹステージ５に配置される
。ＸＹステージ５は、試料４をＸ方向又はＹ方向に移動
させるための機能を有している。上記配置において、探
針１の先端は試料４の表面に臨んでいる。６は支持ベー
スであり、支持ベース６の上面には、側方から見てＶ字
形状をした取り付け面が形成されている。従って支持ベ
ース６は、２つの傾斜面６ａ，６ｂを備える。傾斜面６
ａ，６ｂの交差角度は、例えば９０度である。上記の粗
動機構３は傾斜面６ａの上に配設され、一方ＸＹステー
ジ５は傾斜面６ｂの上に配設される。支持ベース６の下
部にはＺステージ８が配設され、且つ支持ベース６とＺ
ステージ８との間には防振機構７が配設される。以上の
構成は、ＳＴＭ測定部の要部であり、その他のシステム
構成としては、探針１の位置を制御するための微動機構
２及び粗動機構３の動作制御手段、探針１と試料４との
間に流れるトンネル電流を検出し、このトンネル電流の
値を距離データに変換する手段、得られた距離データに
基づき探針１と試料４との距離が一定になるように保持
するための制御手段、測定データを記憶し、この測定デ
ータを処理し、画像データを作成するデータ処理手段、
得られた画像データに基づき画像を作成し表示する手段
等が必要とされる。これらの構成は、既知であるため、
その図示を省略する。

【００１０】探針１及び試料４の上方に配設される９は
、走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭという）の対物レンズ
の先端部を示す。従って、対物レンズ９によって、試料
４の観察領域とそれに臨む探針１の先端部の像が得られ
る。ＳＥＭの方がＳＴＭよりも解像度が低いので、反対
に、広い試料表面領域を観察することができる。

【００１１】上記のＳＴＭで使用される探針１の拡大側
面図を、図２に示す。探針１は、全体的に例えば軸方向
に長形の円柱形で、その先端部１ａは円錐形状に形成さ
れている。実際は、軸方向の寸法はもっと長く、径方向
の寸法は短いものであるが、図２では、径方向の寸法を
拡大して示している。そして、探針１の周面には、軸方
向に向いた長形のマーク１０を設けている。このマーク
１０の形成の仕方には種々のものが考えられる。例えば
、溝を形成したり、傷をつけたり、突起を設けることが
できる。このマークによって、後述するように、ＳＴＭ
に取り付けられた探針１の回転状態又は回転角度状態を
知ることができる。また図示例では、１つのマーク１０
を形成しているが、マーク１０の数は任意であり、複数
のマークを設けることができる。複数のマーク１０を設
けた場合には、例えばマーク間の距離を等間隔にするこ
とにより、これらを目盛りとして利用することができ、
探針１を軸周りに回転させたときに、その回転角度を測
定することが可能となる。例えば、図３に示すように、
９０度の間隔で突起状の４個のマーク１０を形成すると
、例えば突起の長さを変える等の如く、突起のそれぞれ
の位置関係を識別するように構成することにより、探針
の回転角度状態をより正確に知ることができる。上記の
マーク１０を用いて、ＳＴＭに取り付けられた探針１の
取り付け角度状態を知ることができるが、そのためには
、ＳＥＭによる視野内で探針先端部及びマーク１０が確
認できるように、探針１の周面の先端側位置にマーク１
０が設けられる必要がある。

【００１２】第４図は、ＳＥＭによる観察視野を示す。 視野１１において、探針１の先端部１ａと、探針１の周
面に設けられたマーク１１の一部が観察された状態を示
している。この例では、探針１の周面に１つのマーク１
０が設けられた例であるが、この図示例でも、探針１に
おけるマーク１０の位置関係を観察することにより、Ｓ
ＴＭに取り付けられた探針１の回転状態又は回転角度状
態を観察することができる。マーク１０の数が多ければ
、更に正確に探針１の回転角度状態を知ることができる
。

【００１３】次に他の実施例について説明する。この実
施例では、図５に示すように、光学顕微鏡とＳＴＭを組
み合わせた構成を有するものである。このＳＴＭでは、
既知の微動用筒型圧電機構２１を使用しており、この筒
型圧電機構の内部空間を利用して光学顕微鏡の対物レン
ズ２２が配置される。筒型圧電機構２１の内面には例え
ば４枚の電極（図示せず）が貼りつけられ、これらの電
極に適宜に電圧を印加することにより、筒型圧電機構２
１を動作せる。筒型圧電機構２１における試料４に臨む
端面はカバーガラス２３が設けられ、このカバーガラス
２３に探針２４が取り付けられている。探針２４からの
トンネル電流に関する信号の取り出しは、カバーガラス
２３の表面に形成された透明導電膜（図示せず）を介し
て行われる。探針２４はその根元を導電性有機系接着剤
で透明導電膜に固定される。以上の構成によれば、光学
顕微鏡の対物レンズ２２で試料４を観察すると、探針２
４だけが不透明で、その他は透明であるので、その観察
視野内に探針２４のみを、その後端の側から見ることが
できる。

【００１４】上記のＳＴＭに取り付けられた探針２４の
拡大側面図を、図６に示す。探針２４は、例えば後端部
分を９０度の角度で折り曲げ、折曲部２４ａを形成する
。このように、探針２４の後端部に折曲部２４ａを形成
すると、第７図に示すように光学顕微鏡の対物レンズ２
２で得られる観察視野２５で、探針２４の後端部の折曲
部２４ａの位置を視認することができる。従って、探針
の折曲部２４ａの位置で、探針２４の回転状態又は回転
角度状態を知ることができる。かかる探針２４であって
も、折曲部２４ａを複数形成することができる。更に探
針２４の周面に少なくとも１個の突起部を設けることに
より、上記と同様な作用を生じさせることができる。

【００１５】前記の各実施例で説明した探針１，２４を
取り付けたＳＴＭでは、付設されたＳＥＭ又は光学顕微
鏡を利用することにより、当該探針の異方性を判定する
ことができる。探針の異方性は、探針の先端部を観察す
るだけでは、実際上知ることができない。本発明に係る
ＳＴＭでは、探針の取り付け状態において、その回転角
度状態を観察することができるため、取り付けの回転角
度を少なくとも２通りに変更して、それぞれで、試料表
面の測定を行い、得られた２つの測定データを比較する
ことにより、当該探針の異方性を検査することができる
。かかる探針の異方性の検査は、ＳＴＭの操作者であっ
て且つ観察者である人間によって人為的に行われる。

【００１６】探針の異方性の検査は、コンピュータによ
る判断・制御手段を設け、判断基準をソフト的に備える
と共に、ＳＴＭに取り付けた探針を自動的に回転させる
機構を設けることにより、自動的に行うように構成する
こともできる。

【００１７】また、量子力学的な計算を行うことによっ
て、探針先端の異方性がある場合の測定データのシミュ
レーションが可能となれば、数種の測定データと探針の
回転角度に基づいて実データを予想することができる。

【００１８】

【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、次の効果を奏する。探針の周面等にマークを取り
付けるようにしたため、ＳＴＭの取り付け状態において
、探針の回転状態又は回転角度状態を知ることができる
。この回転状態等のデータを得られるようにすれば、同
一の探針を用いて再現性の良い測定データを得ることが
でき、また再現性の良い測定を容易に行うことができる
。

【００１９】また探針の回転状態の情報が得られる状態
にて、複数の測定データを得れば、比較によって探針の
異方性の有無を容易に検査することができる。ＳＴＭに
取り付けた探針を自動的に回転できる手段を付加すれば
、探針の異方性検査の自動化も容易に行い得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１実施例を示し、ＳＥＭと組み
合わされたＳＴＭの要部構成図である。

【図２】探針の拡大側面図である。

【図３】探針の他の実施例の端面図である。

【図４】ＳＥＭで得られた観察視野を示す説明図である
。

【図５】本発明に係る第２実施例を示し、光学顕微鏡と
組み合わされたＳＴＭの要部構成図である。

【図６】探針の他の実施例を示す拡大側面図である。

【図７】光学顕微鏡で得られた観察視野を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１　　　　　　　　　　探針 ２　　　　　　　　　　微動機構 ３　　　　　　　　　　粗動機構 ４　　　　　　　　　　試料 ５　　　　　　　　　　ＸＹステージ ６　　　　　　　　　　支持ベース ７　　　　　　　　　　防振機構 ８　　　　　　　　　　Ｚステージ ９　　　　　　　　　　ＳＥＭ対物レンズ１０　　　　
　　　　　　マーク ２１　　　　　　　　　　筒型圧電機構２２　　　　　
　　　　　光学顕微鏡の対物レンズ２３　　　　　　　
　　　透明導電膜 ２４　　　　　　　　　　探針

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　走査型トンネル顕微鏡の探針であり、
   軸周りの回転状態を示すマークを備えたことを特徴とす
   る探針。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の探針において、前記マ
   ークは、前記周面に形成された溝であることを特徴とす
   る探針。
3. 【請求項３】　　請求項１記載の探針において、前記マ
   ークは、径方向に突出された突起部であることを特徴と
   する探針。
4. 【請求項４】　　請求項１〜３のいずれか１項に記載の
   探針において、前記マークの数は複数であることを特徴
   とする探針。
5. 【請求項５】　　請求項１〜４のいずれか１項に記載の
   探針において、前記複数のマークにより軸周りの回転角
   度が測定されることを特徴とする探針。
6. 【請求項６】　　走査型電子顕微鏡と組み合わされた走
   査型トンネル顕微鏡において、請求項１〜６のいずれか
   １項に記載された探針を備え、前記マークは前記走査型
   電子顕微鏡の視野内に配置されるように前記探針に設け
   られたことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
7. 【請求項７】　　光学顕微鏡と組み合わされた走査型ト
   ンネル顕微鏡において、請求項１，３，４のいずれか１
   項に記載された探針を備え、前記マークは前記光学顕微
   鏡の視野内に配置されるように前記探針に設けられたこ
   とを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
8. 【請求項８】　　他の形式の顕微鏡を備え且つ請求項１
   〜５のいずれか１項に記載された前記探針を取り付けた
   走査型トンネル顕微鏡であり、前記顕微鏡で観察しなが
   ら前記探針の取り付け状態を少なくとも２通りに変更し
   、それぞれの取り付け状態で測定を行い、得られた２つ
   の測定データを比較することにより、前記探針の異方性
   を判定するようにしたことを特徴とする探針の異方性検
   査方法。