JPH05151925A

JPH05151925A - 表面分析装置

Info

Publication number: JPH05151925A
Application number: JP3310860A
Authority: JP
Inventors: Masashi Iwatsuki; 正志岩槻
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1991-11-26
Filing date: 1991-11-26
Publication date: 1993-06-18

Abstract

(57)【要約】【目的】試料表面の所望の領域を所望の深さに均一に
剥離する。【構成】制御部１１のキーボードから試料４の剥離を
行うためのトンネル電流値、バイアス電圧値が入力さ
れ、更にマウス１２により剥離する領域が指示される
と、制御部１１の制御手段は、指示されたトンネル電流
値を比較器７にセットすると共にバイアス電源２に指示
されたバイアス電圧を与え、更に、探針３を指示された
剥離する領域の範囲内を走査させるための駆動信号を走
査駆動増幅回路１０_x,１０_y に与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、オージェ電子分光装置
等の表面分析装置に係り、特に試料の深さ方向の分析を
高精度に行うことのできる表面分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】試料の表面分析を行うための装置として
オージェ電子分光装置等が知られており、例えばオージ
ェ電子分光装置は単に試料の表面を分析するだけにとど
まらず、試料の深さ方向の分析にも使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、オージェ電
子分光装置の場合、オージェ電子の発生する深さは試料
内での電子線の散乱等により数ｎｍ〜数十ｎｍである
が、近年では深さ方向の分析に対する要求が益々増大し
ており、そのためにイオンガン等の表面を剥離するため
の手段を備えているのが通常である。そして、イオンガ
ンにより試料表面を精度よく剥離するために低加速のイ
オンを使用したり、あるいは試料を傾斜させたりするこ
とが行われ、また試料表面を凹凸なしに均一に剥離する
ために試料を回転させながらイオンを照射する等の手法
が採用されている。

【０００４】しかしながら、従来の表面分析装置におい
ては原子レベルあるいは分子レベルでの剥離を行うこと
はできないという問題があった。即ち、近年、半導体デ
バイスの製造においては原子レベル、分子レベルでの薄
膜生成技術や超微細加工技術の進歩には目覚ましいもの
があり、実際にどれだけの厚みの膜が生成されたかとい
う評価手段としての分析装置としても原子レベル、分子
レベルでの分析が可能な装置の開発が強く望まれている
が、従来の表面分析装置は試料表面を原子レベル、分子
レベルで剥離することはできないので、このような要望
に応えることはできないものであった。

【０００５】本発明は、上記の課題を解決するものであ
って、試料表面の所望の領域を所望の深さに均一に加工
することができる表面分析装置を提供することを目的と
するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】さて、走査型トンネル顕
微鏡（ＳＴＭ）は試料表面の凹凸形状を観察する装置と
して知られており、試料の表面の原子配列を解析する上
で注目されている。また、ＳＴＭは表面分析のための手
段として定着しつつあり、更にその応用分野も表面の原
子位置を分析する装置としてのみならず、試料表面の電
子状態を局所的に分析する分野にも広がってきている。
しかも、ＳＴＭは、その原理及び機構の簡便さに加え、
装置としてのサイズも小さいことから各種の分野に普及
してきている。

【０００７】ＳＴＭの応用としては、例えば半導体デバ
イスの分野においては表面の粗さを測定する手段、ある
いは超微細加工を行うための手段等として応用され、特
に半導体デバイスの分野においては近年では表面加工装
置の発展が著しく、それに伴って測定精度もサブミクロ
ンオーダーからオングストロームオーダの高い精度が要
求されており、そのため高精度の測定装置が強く要望さ
れている。その点ＳＴＭは光学式表面粗さ測定装置より
更に高い精度の測定手段として、非破壊でしかも原子ス
ケールまで測定できるのに加え、ｎｍオーダーでのマイ
クロマシニング、マイクロマニピュレーションが可能な
装置として注目を浴びてきている。

【０００８】そこで本発明は、ＳＴＭの原理を使用し、
入力指示手段としてポインティングデバイスからの出力
信号に基づき探針を３次元的に駆動する制御手段を備
え、ポインティングデバイスの操作により探針の駆動を
制御できるようにし、また記憶手段を備えて該記憶手段
から読み出されたデータに基づいて自動的に探針を試料
表面上で３次元的に制御できるようにし、以て探針によ
って試料表面の所望の領域に所望の超微細加工を施すこ
とが可能とすることを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明の表面分析装置では、マウスあるいはジ
ョイスティック等のポインティングデバイスの操作によ
り探針の駆動を制御できるので、電子線で試料面を走査
して得られる走査像を観察しながらポインティングデバ
イスで試料上の所望の位置を指定し、その位置に探針を
移動させることができ、探針と試料との間に印加する電
圧及び／またはトンネル電流を制御することによって試
料表面の剥離等の加工あるいは表面の粗さの測定等種々
の測定を行うことができる。なお、この加工はポイント
加工や線加工にとどまらず、所望の領域の面加工をも含
むものである。そして、この加工操作を繰り返すことに
よって深さ方向の加工を行うことも可能である。深さ方
向の加工を行うためには、探針と試料との間に印加する
電圧を制御する方法、探針を直接試料表面に接触させる
方法がある。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。
図１は本発明に係る表面分析装置の一実施例の構成を示
す図であり、１_x はＸ軸走査用圧電素子、１_y はＹ軸走
査用圧電素子、１_z はＺ軸制御用圧電素子、２はバイア
ス電源、３は探針、４は試料、５は電流／電圧（Ｉ／
Ｖ）変換器、６は対数増幅回路、７は比較器、８は積分
器、９はＺ軸駆動増幅回路、１０_x,１０_yは走査駆動増
幅回路、１１は制御部、１２はマウス、２０は鏡筒を示
す。

【００１１】図１において、鏡筒２０は、３次元ＰＺＴ
スキャナを構成するためのＸ軸走査用圧電素子１_x 、Ｙ
軸走査用圧電素子１_y 、Ｚ軸制御用圧電素子１_z 、探針
３及び試料４を収納するが、これ以外にも図示しないが
表面分析装置として必要な構成を収納するものであり、
例えば当該表面分析装置がオージェ電子分光を行うもの
である場合には、鏡筒２０には、電子銃、試料の表面を
剥離するためのイオンガン、オージェ電子を検出するた
めの検出器等を収納している。また、試料表面の像を観
察するために電子線を走査するための偏向器及び二次電
子検出器等を備えることを可とするものである。なお、
Ｘ軸走査用圧電素子１_x 及びＹ軸走査用圧電素子１_y は
探針３をＸ−Ｙ方向に二次元的に走査するためのもので
あるから剪断変形（シェアー）モードで駆動され、Ｚ軸
制御用圧電素子１_z は探針３と試料４との距離を制御す
るためのものであるので伸縮モードで駆動される。

【００１２】３次元ＰＺＴスキャナーの先端には探針３
が取り付けられ、探針３と試料４との間にはバイアス電
源２が接続されている。そして、バイアス電源２の電圧
は制御部１１により制御されるようになされている。走
査駆動増幅回路１０_x,１０_y は、制御部１１からの駆動
信号に従って圧電素子１_x,１_y を駆動するものである。
Ｉ／Ｖ変換器５は試料４を流れるトンネル電流を電圧に
変換して増幅するものであり、対数増幅回路６は、Ｉ／
Ｖ変換器５の出力電圧と、探針３と試料４の表面との間
の距離との関係が直線で表されるように信号変換して線
形化を行うものである。

【００１３】比較器７は、対数増幅回路６の出力値と制
御部１１の制御手段から与えられるトンネル電流値の基
準値とを比較するものであり、積分器８は比較器７の出
力を積分し、当該出力が圧電素子１_z に対するＺ軸制御
値となり、また試料４の表面像の表示画像データとな
る。即ち積分器８の出力信号は、Ｚ軸駆動増幅回路９に
入力されて圧電素子１_z に対する制御信号として用いら
れると共に、制御部１１にビデオ信号として取り込まれ
る。制御部１１は、当該表面分析装置の動作を統括して
管理するマイクロプロセッサ等からなる制御手段、記憶
手段としてのメモリ、入力手段としてのキーボード、ポ
インティングデバイスとしてのマウス１２及び表示手段
としてのＣＲＴを備えている。

【００１４】次に、制御部１１の制御手段の動作のう
ち、本発明に関する試料４を原子レベルあるいは分子レ
ベルで剥離する場合の動作について説明する。剥離動作
を行わせるための手法としては次のような手法がある。
まず第１の手法としてはキーボードから試料４の剥離を
行うためのトンネル電流、バイアス電圧を入力すると共
に、マウス１２により剥離する領域を指示する手法であ
り、この場合には制御手段は、指示されたトンネル電流
値を比較器７にセットすると共にバイアス電源２に指示
されたバイアス電圧を与え、更に、探針３を指示された
剥離する領域の範囲内を走査させるための駆動信号を走
査駆動増幅回路１０_x,１０_y に与える。これにより試料
４の所望の領域を所望の深さに剥離することができる。
即ち、シリコンを試料とした場合にはバイアス電圧と剥
離深さの関係は図２に示すようになることが確認されて
いる。例えば、Ｓｉ（１１１）７×７再配列構造面で
は、トンネル電流 0.3ｎＡ、試料と探針間に印加する電
圧を 4.0Ｖ（但し試料４側を負電圧とする）とすると原
子レベルでの表面剥離が可能であることが確認されてい
る。なお、図２において「・」でプロットされている曲
線はトンネル電流が 1.0ｎＡの場合であり、「△」でプ
ロットされている曲線はトンネル電流が 0.5ｎＡの場合
であり、「○」でプロットされている曲線はトンネル電
流が 0.3ｎＡの場合である。従って、バイアス電圧及び
トンネル電流を指示することによって所望の深さに剥離
することができることが分かる。

【００１５】第２の手法としては、予め剥離領域、トン
ネル電流及びバイアス電圧を設定して、これらの情報を
メモリ格納しておき、その後オペレータが剥離動作の開
始を指示する手法であり、この場合には制御手段は剥離
動作の開始が指示されると、メモリから当該剥離加工に
関する情報を読み出し、指示されたトンネル電流値を比
較器７にセットすると共にバイアス電源２に指示された
バイアス電圧を与え、更に探針３を指示された剥離する
領域の範囲内を走査させるための駆動信号を走査駆動増
幅回路１０_x,１０_y に与える。

【００１６】第３の手法としては、図２に示すようなト
ンネル電流をパラメータとしたバイアス電圧と剥離深さ
の関係を種々の材料についてテーブル化してメモリに格
納しておき、剥離する材料と、剥離深さと、トンネル電
流またはバイアス電圧を指示する手法であり、この場合
には制御手段は指示された材料に関するテーブルを参照
して、指示された深さに剥離できるバイアス電圧及びト
ンネル電流を決定し、決定したトンネル電流値、バイア
ス電圧をそれぞれ比較器７、バイアス電源２に与え、更
に探針３を指示された剥離する領域の範囲内を走査させ
るための駆動信号を走査駆動増幅回路１０_x,１０_y に与
える。

【００１７】以上、３手法について説明したが、いずれ
を採用するかは任意であり、またこれらの手法の全てを
搭載し、オペレータが所望の手法を選択できるようにし
てもよいものである。また、探針３の走査速度に関して
は、オペレータがその都度入力手段により指示するよう
にしてもよく、材料毎の最適走査速度をテーブル化して
メモリに格納しておき、当該テーブルを参照して入力手
段から指示された材料に対する最適走査速度を求めるよ
うにしてもよいものである。更に、走査方式としては、
ラスタースキャンばかりでなく、ベクトルスキャンある
いはその他の走査方式も行えるようにし、オペレータが
任意に選択可能とする。

【００１８】また、制御手段は、入力手段により試料４
の表面の画像を観察する指示がなされた場合には、積分
器８の出力信号であるビデオ信号をＣＲＴに表示する制
御をも行う。

【００１９】以上のようにして試料４の表面の所望の領
域を所望の深さに剥離した後に表面分析を行う場合に
は、入力手段により表面分析の指示及び種々のパラメー
タの設定を行う。これによって制御手段は、従来の表面
分析装置と同様に、電子銃、検出器等を起動する。な
お、当該表面分析装置がオージェ電子分光を行うもので
ある場合には、オージェ電子の検出感度が十分でないた
め、表面電子層の剥離前後の検出感度の差異により分析
を行うことになる。

【００２０】以上、試料表面の剥離加工について述べた
が、バイアス電圧を試料４側を正の高い電圧に設定した
場合には探針３から試料４側に原子がデポジットする現
象も確認されているから、バイアス電圧の設定により剥
離のみではなく、試料４の表面に原子を所望の階層だけ
積層する加工を行うこともできるものである。そしてこ
のときのバイアス電圧の設定は、上述した手法により行
うことができるものであることは明かである。

【００２１】このように、本発明によれば、試料表面に
超微細加工を施すことができるばかりでなく、原子レベ
ルあるいは分子レベルで表面元素評価を行うことができ
る手段を構成することができる。

【００２２】以上、本発明の一実施例について説明した
が、本発明は上記実施例に限定されるものではなく種々
の変形が可能である。例えば上記の実施例ではトンネル
電流を利用した超微細加工法についてについて述べた
が、ＳＴＭをイオン打ち込み装置として用いた場合に
は、イオン打ち込み後の表面状態の評価が可能な装置と
しても使用することができる。また、ポインティングデ
バイスを直接被加工面に接触させてもよいものである。
更に、表面加工の走査手段としてマウスを組み合わせた
方法について記述したが、ジョイスティックやキーある
いはその他の手段を用いることも可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、ポインティングデバイスで直接探針の動きを
制御できるので、試料に対してリアルタイムで原子レベ
ルあるいは分子レベルでの超微細加工を施すことがで
き、その結果原子レベルでの表面分析が可能となる。ま
た、加工領域、剥離の深さ、デポジットの厚さ等を所望
の値に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る表面分析装置の一実施例の構成
を示す図である。

【図２】トンネル電流、バイアス電圧と剥離深さの関
係を示す図である。

【符号の説明】

１_x …Ｘ軸走査用圧電素子、１_y …Ｙ軸走査用圧電素
子、１_z …Ｚ軸制御用圧電素子、２…バイアス電源、３
…探針、４…試料、５…Ｉ／Ｖ変換器、６…対数増幅回
路、７…比較器、８…積分器、９…Ｚ軸駆動増幅回路、
１０_x,１０_y …走査駆動増幅回路、１１…制御部、１２
…マウス、２０…鏡筒。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ポインティングデバイスと、記憶手段
と、ポインティングデバイスからの出力信号あるいは前
記記憶手段から読み出されたデータに基づいて探針を試
料表面上で３次元駆動する制御手段とを備え、試料表面
の所望の領域を前記探針により加工可能となされている
ことを特徴とする表面分析装置。