JPH01320402A

JPH01320402A - 走査型トンネル顕微鏡

Info

Publication number: JPH01320402A
Application number: JP15348588A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tokumoto; 洋志徳本; Kazuyoshi Sugihara; 和佳杉原; Yoshiaki Akama; 赤間　善昭; Akira Sakai; 明酒井
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1988-06-23
Filing date: 1988-06-23
Publication date: 1989-12-26
Anticipated expiration: 2012-04-02
Also published as: JP2595313B2

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、走査型トンネル顕微鏡に係わり、特にトンネ
ル電流検出の前段階として探針と試料表面とを微動機構
による検査可能範囲まで近接させるために用いられる粗
動機構を改良した走査型トンネル顕微鏡に関する。

（従来の技術）近年、原子の一つ一つを直視観察できる走査型トンネル
顕微鏡（ＳＴＭ）が注目を集めている。

このＳＴＭを使えば、半導体や金属の原子ステップ、清
浄な表面の原子配列から、原子スケールより少しマクロ
な表面の粗さや形状、スパッタ金属の表面や表面欠陥ま
で検査することができる。

このＳＴＭの原理を簡単に説明する。導電性物質からな
る試料と金属の探針との間に電圧を加えて１ｒ＋ｍ程度
の距離まで近付けると、これらの間にトンネル電流が流
れる。この電流は、両者の距離変化に敏感で、例えばＯ
，ｌｎｎ＋の距離変化に対してトンネル電流が１相変わ
る。ＳＴＭでは、３次元的に微動・走査が可能な圧電素
子からなる微動機構を用い、前記探針を試料の表面に添
ってＸ−Ｙ走査させながら、トンネル電流を一定に保つ
ように探針をＺ方向に移動させる。即ち、探針が試料の
画部分にくるとトンネル電流が増えるので一定の電流に
なるように探針を上げ、凹部分では逆に探針を下げる。

従って、探針の上下の動きが試料表面の凹凸に対応する
。この操作を繰返し、微動機構を構成する圧電素子に加
えた電圧変化を取出して画像化すれば、被検査試料の表
面構造を原子のスケールで観測することができる。

一方、ＳＴＭにおいては、上述した微動機構の他に、被
検査試料を保持した試料ホルダー又は探針を取着した微
動機構を、試料表面と探針とが数１０ｎＱ１以上離れた
位置から数ｎ１１離れた位置まで、原子のスケールに比
べて遥かに大きいマクロな距離で動かすための粗動機構
が必要となる。この粗動機構は、探針を原子尺度で３次
元的に微動・走査する微動機構との連続性が求められる
ので、１ステツプの精度は１ｎＩ１１程度必要となる。

また、粗動機構で被検査試料を動かした後は、試料表面
と探針との間隔が原子スケールの精度で動かないように
保持・固定する必要がある。

第５図は従来のＳＴＭの基本構成を模式的に示す図であ
る。防振機構２により上下方向に防振された基台２上に
ハウジング３が固定されており、このハウジング３内に
は上下方向に移動可能に移動台（粗動機構）４が配置さ
れている。移動台４の上には探針５を取付けた微動機構
６が固定されている。また、ハウジング７の一部には、
被検査試料７が取付けられている。そして、移動台４の
移動により探針５と試料７の表面とが対向近接され、こ
の状態で微動機構６により探針５を走査するものとなっ
ている。図中８はハウジング３に対する移動台４のスベ
リ接触部である。

しかしながら、この種のＳＴＭにあっては次のような問
題があった。即ち、トンネル電流の検出は一般に１０−
”　Ｔｏｒｒ以下の真空中で行われるが、このような超
高真空下ではハウジング３と移動台４とのスベリ接触部
８でスティックが生じ、移動台４が動作不能になる虞れ
がある。また、スティックが起こる状況下では、接触部
８での弾性変形を招き、その応力緩和により移動台４が
ハウジング３に対して微小に変位し、これが探針・試料
間のドリフトとなり、観察の精度が低下する。

また、微動機構６を動かす移動台４は、その移動方向が
防振方向と同じ方向となっている。即ち、移動台４は縦
方向よりも横方向に強く結合されており、縦方向に振動
し易く試料・探針間の相対変位を生じ易い。ここで、防
振機構２によって床から伝わる外部振動は減衰されるが
、基台１を上下に変位させる振動振幅が極めて小さい振
動は残る。

残留振動の周波数成分の中に移動台４の質量と縦方向の
バネ定数で決まる固有振動周波数成分が含まれれば、共
振が起こり安定した像が得られなくなる。共振を起こり
難くするためには移動台４とハウジング２とをボニルプ
ランジャで強固に結合させればよいが、この場合移動台
２は益々動き難くなり、前記したスティックが生じ易く
なる。

（発明が解決しようとする課題）このように、従来のＳＴＭでは、粗動機構の移動方向と
防振機構の防振方向とが一致していることから、探針・
試料間に相対変位が起こり易く、安定した観察像が得ら
れない問題がある。また、これを防止するために移動台
と基台とを強固に結合すると、移動台が動き難くなり、
スティックの発生という問題を招く。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので１、その目
的とするところは、探針・試料間の相対変位をなくすこ
とができ、且つ移動台のスティック等の発生を防止する
ことができ、検査精度の向上等に寄与し得る走査型トン
ネル顕微鏡を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の骨子は、粗動機構による移動方向と防振機構に
よる防振方向とを直交させることにより、探針・試料間
の相対変位をなくすことにある。

即ち本発明は、防振機構により防振された基台と、この
基台上に設置され探針を３次元的に微小移動する微動機
構と、前記基台上に設置され被検査試料を保持する試料
ホルダーと、前記微動機構及び試料ホルダーの一方を移
動し、前記探針と試料表面を対向近接させる粗動機構と
を備え、前記探針と試料との間に所定の電圧を印加し、
両者間に流れるトンネル電流に基づいて試料表面を検査
する走査型トンネル顕微鏡において、前記粗動機構を、
前記基台上に一方向に移動自在に案内支持され前記微動
機構又は試料ホルダーを載置した移動台から構成し、且
つ該移動台の移動方向を前記防振機構の防振方向と直交
するように設定したものである。

（作　用）本発明によれば、移動台の移動方向を防振機構の防振方
向と直交させているので、探針・試料間の剛性が比較的
低くても、外部振動の影響を受けないようにすることが
できる。このため、探針・試料間の相対変位をなくすこ
とができ、良好なＳＴＭ観察像を得ることが可能となる
。さらに、探針・試料間の剛性が低くてもよいことから
、スティックの発生を防止することが可能となる。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わるＳＴＭの概略構成を
示す斜視図である。図中１１は基台であり、この基台１
１は上下方向の外部振動を防振する防振機構１２の上に
設けられている。基台１１の上には外形が角柱状に形成
されたハウジング１３が設置されている。ハウジング１
３内には、円柱状の穴１４が軸心線に沿って形成されて
いる。

この軸心線は、防振機構１２の防振方向と直交する方向
となっている。ハウジング１３の一端は切欠されており
、この切欠部には金属製の探針１５を保持し探針１５を
Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に走査する圧電素子１６が設置されてい
る。この圧電素子１６は、円筒状の圧電体の表面に所定
パターンに電極を形成し、３次元の移動を可能にしたも
のである。

ハウジング１３の穴１４内には、第２図に第１図の要部
断面を示す如く、試料１７を保持する板バネ等からなる
試料ホルダー１８を、探針１５と対向する面に設けた移
動台（粗動機構）１９が収納されている。移動台１９は
、外周の２箇所（上下面）を平坦に加工されている。ハ
ウジング１３の一部には、例えば玉軸受のような第１の
コロガリ軸受２０が穴１４内に突出しており、この軸受
２０と移動台１９の一方の平坦面２１とが当接している
。なお、軸受２０はバネ等の予圧機構２２を介してハウ
ジング１３に接続されている。また、移動台１９の他の
平坦面２１°には、ハウジング１３に接続された第２の
コロガリ軸受２０°が当接している。

これらの機構によって移動台１９は、軸心線に沿って移
動自在に支持される。移動台１９の他端には、メネジ２
３が切られている。２４はウオームホイール機構で、ホ
イール軸の一端は長く突出しており、その先端にはオネ
ジ２５が切られている。そして、このオネジ２５が移動
台１９に設けたメネジ２３と噛合うようになっている。

その結果、ウオームホイール２４を回転することにより
、移動台１９が移動することになる。ウオームホイール
２４と移動台１９との間にはバネ２６が挿入されており
、移動台１９とホイール軸とのガタを抑え込むようにな
っている。なお、ウオームホイール２４の回転は、例え
ば超高真空中で使用可能なステッピングモータ２７を基
台１１上に支持し、カップリング２８で接続して行う。

次に、上記構成のＳＴＭの動作について説明す、る。

まず、最初にモータ２７を回転させ、ウオームホイール
２４を回転させることにより、移動台１９を後退させる
。この状態で、試料１７の交換或いは表面処理を行う。

次に、モータ２７を逆回転させ、移動台１９を探針１５
と試料１７間にトンネル電流が流れるまで前進させる。

このとき、移動台１９はコロガリ軸受２０．２０’で支
持されているためスムーズに移動し、スティックするこ
とはない。

探針１５と試料１７の表面とが十分に近接させたのちは
、従来と同様にトンネル電流の検出を行う。即ち、探針
・試料間に電圧を印加し、微動機構１６により探針１５
を試料表面と平行な方向に走査すると共に、トンネル電
流が一定となるように探針１５を進退移動させる。そし
て、このときの探針１５の進退移動の変化、つまり微動
機構１６に加えた電圧変化を取出して画像化することに
より、試料１７の表面構造を原子スケールで観測するこ
とが可能となる。

本実施例では、ハウジング１３の穴１４内に収納した移
動台１９をコロガリ軸受２０を介して支持している。こ
のような構成とすると、従来のスベり軸受タイプに比べ
て探針・試料間の剛性が低下するが、これは防振方向と
この移動台１９の進行方向とを直交させることで対処す
る。第３図は、この効果を説明するための図である。防
振機構１２によって床から伝わる外部振動は減衰されて
、基台１１上には基台１１を上下に変位させる振動振幅
が極めて小さい振動だけが残る（残留振動）。

従来形では、第３図（ａ）に示す如く移動台１９は縦方
向よりも横方向に強く結合されている。従って、移動台
１９は縦方向に振動し易い。即ち、探針・試料間に相対
変位が起こり易い。残留振動の周波数成分の中に移動台
１９の質量と縦方向のバネ定数で決まる固有振動数成分
が含まれれば共振が起こり、安定したＳＴＭ像は得られ
なくなる。

共振が起こり難くするためには移動台１９とハウジング
１３とをボールプランジャ等で強固に結合させればよい
が、この場合益々移動台は動き難くなる。

これに対し本実施例では、第３図（ｂ）に示す如く移動
台１９は横方向よりも縦方向に強く結合されており、移
動台１９は縦方向に振動し難い。従って、基台上１１で
は横方向に移動台１９を励振する振動成分は存在せず、
探針・試料間の剛性を従来よりもちいさくしても、探針
・試料間で相対変位は起こらない。また、移動台１９は
上下方向にはハウジング１３と強固に結合されているた
め、上下方向に共振した結果、横方向に変位が生じるこ
とをも極めて少ない。移動台１９は、コロガリ軸受によ
り支持されているため、スムーズに動かすことができる
。さらに、探針１５を含む微動機構１６はハウジングに
固定されているため、微動機構１６がハウジング１３に
対して相対変位することもない。

第４図は本発明の他の実施例に係わるＳＴＭの概略構成
を示す斜視図である。同図において１１１は基台であり
、この基台１■１は図示しない防振機構の上に設けられ
ている。基台１１１の上には外形が角柱状に形成された
ハウジング１１２が立設されている。ハウジング１１２
には円柱状の穴１１３が水平方向の軸心線に沿って形成
されている。ハウジング１１２の一側面には３箇所にわ
たって凸部１１４が設けられており、また上端面には上
方から内部を観察することを可能とする観察孔１１５が
形成されている。そして、ハウシング１１２の穴１１３
内には探針１１Ｂを支持した微動機構１１７が探針１１
６の先端を横方向に向けて収容されている。なお、微動
機構１１７は圧電素子で構成され探針１１Ｂを３次元的
に走査できるようになっている。

上記微動機構１１７は、穴１１３の内面にガイドされて
移動自在に収容された円柱状の移動台１１８の一端に固
定されている。移動台１１８には横穴１１９が設けてあ
り、この横穴１１９にはハウジング１１８の壁を回転自
在に貫通した軸１２０の一端側が侵入している。そして
、軸１２０の横穴１１９内に位置する部分の外周には横
穴１１９の内面に摺接する偏心カム１２１が取付けられ
ている。軸１２０のハウジング１１２外に伸びた部分は
ウオームホイール機構・１２２のホイール１２３に接続
されており、このホイール１２３に歯合するウオーム１
２４は図示しない回転伝達機構を介して真空雰囲気外に
設けられた回転駆動機構１３連結されている。従って、
ウオーム１２４が回転すると、この回転がホイール１２
３を介して軸１２０に伝えられる。この結果、偏心カム
１２１が回転して移動台１１８　、つまり探針１１Ｇを
水平方向に移動させる。つまり、穴１１３と、この穴１
１３の内面にガイドされて移動する移動台１１８と、軸
１２０と、偏心カム１２１と、ウオームホイール機構１
２２とは探針１１Ｂを移動させるための粗動機構Ｐを構
成している。なお、ハウジング１１２の側壁にはネジ孔
１２５が設けてあり、このネジ孔１２５の側壁には穴１
１３の内面と移動台ｌ１８との間にガタが生じるのを防
止するために移動台１１ｇに予圧を加えるボールプラン
ジャ１２８が装着されている。

一方、基台１１１の上にはコ字形の支持板１３１立設さ
れている。この支持板１３１には基台ｉｌｌの上面と垂
直に配置された軸１３３の両端が回転自在に支持されて
いる。軸１３３には支持座１３４とウオームホイール機
構１３５の一部切欠されたホイール１３Ｇとが固定され
ている。そして、ホイール１３Ｂに歯合するウオーム１
３７は軸１３８及び図示しない回転力伝達機構を介して
真空雰囲気外に設けられた回転駆動機構に連結されてい
る。支持座１３４の両側面には支持部材１３９，１４０
　　（支持部材１４０は図示せず）の一端側がそれぞれ
固定してあり、これら支持部材１３９．１４０の他端側
には軸１４１．１４２　　（軸１４２は図示せず）を介
してセラミック製の試料ホルダー１４３が支持されてい
る。試料ホルダー１４３は、支持部材１３９．１４０が
図示位置まで回転したとき丁度前述したハウジング１１
２の一側面に衝合する大きさに形成されている。試料ホ
ルダー１４３の中央部には被検査試料１４４を保持する
保持部１４５が形成されており、また前記凸部１１４に
対応する位置には凸部１１４を嵌入させて試料ホルダー
１４３をハウジング１１２の一側面に対して位置決めす
るための凹部１４６が設けられている。また、支持座１
３４の側面には試料ホルダー１４３にハウジング１１２
方向への押圧力を付与するためのステンレス鋼製の抑圧
部材１４７が固定されており、この押圧部材１４７の押
圧力は凹部１４Ｂに対向する部分に装着されたネジ１４
８を介して与えられるようになっている。従って、軸１
３８を回転させると、試料ホルダー１４３を図示のよう
にハウジング１１２の一側面に当接させた位置（検査セ
ット位置）と図中２点鎖線で示す位置（試料交換位置）
とに移動させることができる。つまり、軸１３３と、ウ
オームホイール機構１３５と、支持座１４３と、支持部
材１３９゜１４０と、押圧部材１４７と、ハウジング１
１２とは試料ホルダー１４３を検査セット位置と試料交
換位置とに移動させる粗動機構Ｑを構成している。

次に、上記構成のＳＴＭの動作について説明する。まず
、最初に軸１３８を回転させ、ウオーム１３７及びホイ
ール１３Ｂを回転させることにより、試料ホルダー１４
３を第４図中２点鎖線で示す位置まで回動させる。この
状態で被検査試料１４４の交換或いは表面処理を行う。

次に、軸１３８を逆方向に回転させて試料ホルダー１４
３をハウジング１１２の一側面に当接させ、凹部１４Ｂ
と凸部１１４を嵌合させてハウジング１１２に対して試
料ホルダー１４３を位置決めする。さらに、軸１３８を
回転させ、抑圧部材１４７の先端に装着されたネジ１４
８で試料ホルダー１４３の３箇所を取付け、試料ホルダ
ー１４３をハウジング１１２の一側面に固定する。上記
説明から分かるように、ハウジング１１２は、その−側
面で試料ホルダー１４３を受止めて試料ホルダー１４３
を、検査セット位置に保持する受は部材としての機能を
発揮している。このため、試料ホルダー１４３は弾性変
形することなく、ハウジング１１２の一側面上に高い剛
性をもって固定されることになる。この場合、弾性変形
するのは押圧部材１４７だけで、試料ホルダー１４３と
ハウジング１１２には弾性変形が起こり難い。

次に、被検査試料１４４と探針１１Ｂとの間に所定の電
圧を印加している状態でウオーム１２４を回転させるこ
とによって軸１２０の外周に装着された偏心カム１２１
を回転させ、これによって移動台１１ｇを移動させて探
針１１Ｂを被検査試料１４４に近付ける方向に移動させ
る。この場合、ウオームホイール機構１２２で減速して
いるので、探針１１Ｇの移動速度を十分遅くできる。そ
して、所望のトンネル電流が流れる距離、つまり検査開
始位置まで探針１１６を接近させた時点でウオームホイ
ール機構１２２の駆動を停止する。その後に、微動機構
１１７を駆動し、探針１１６で被検査試料１４４の表面
近傍を３次元的に走査して、試料１４４の表面を検査す
る。

このように、試料ホルダー１４３を検査セット位置に移
動させてセットする粗動機構Ｑと、セット後に探針１１
６を検査開始位置に移動させる粗動機構Ｐとを完全に独
立させている。従って、両機能を１つの粗動機構で行わ
せるようにした従来のものとは違って、試料ホルダー１
４３を弾性変形する部材で支持する必要性をなくすこと
ができ、試料ホルダー１４３を含めて試料ホルダー１４
３を検査セット位置へ固定しておくための要素のほとん
どを剛性の高い部材で構成することができる。このため
、これら要素の応力緩和を防止でき、試料ホルダー１４
３を高い剛性を保って検査セット位置に固定することが
できるので、安定した再現性のあるＳＴＭ像を得ること
ができる。

また、本実施例においても移動台１１８の移動方向を防
振機構の防振方向と直交する方向としているので、外部
振動の影響を受けないようにすることができ、探針・試
料間の相対変位をなくすことができる。従って、良好な
ＳＴＭ観察像を得ることができる。

一方、試料ホルダー１４３を移動させるための粗動機構
Ｑは、試料ホルダー１４３を検査セット位置と試料交換
位置とへ移動できる機能を備えていればよく、試料交換
位置が検査セット位置から離れていても同等支障は生じ
ない。従って、探針１１６から十分離れた位置において
被検査試料の交換も可能化できる。また、探針１１Ｂを
被検査開始位置へ移動させるための粗動機構Ｐは、上記
機能だけを行うものであるため、探針１１Ｂの被検査試
料１４４への接近をスムーズに行わせることもできる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、移動台を支持するには必ずしもコロガリ
軸受を設ける必要はなく、滑り軸受であってもよい。こ
の場合、摺動部の潤滑には２硫化モリブデン等の固体潤
滑剤やＡｕ等の軟質金属をスパッタリングしてやると、
超高真空中でスティック等を起こさずに作動する。また
、移動台はハウジング内に収容されたものに限らず、基
台上で防振機構の防振方向と直交する方向に移動自在に
支持されたものであればよい。その他、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる
。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、粗動機構による移
動方向を防振機構の防振方向と直交する方向に規定して
いるので、探針・試料間の相対変位をなくすことができ
、且つ移動台のスティック等の発生を防止することがで
き、検査精度の向上部に寄与することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わるＳＴＭの概略構成を
示す斜視図、第２図は上記ＳＴＭの要部構成を示す断面
図、第３図は上記ＳＴＭの効果を説明するための模式図
、第４図は本発明の他の実施例の概略構成を示す斜視図
、第５図は従来の問題点を説明するための模式図である
。１１・・・基台、１２・・・防振機構、１３・・・ハウ
ジング、１４・・・穴、１５・・・探針、１６・・・微
動機構、１７・・・被検査試料、１８・・・試料ホルダ
ー、１９・・・移動台、２０・・・コロガリ軸受、２１
・・・平坦面、２２・・・予圧機構、２３・・・メネジ
、２４・・・ウオームホイール、２５・・・オネジ、２
６・・・バネ、２７・・・ステップモータ、２８・・・
カップリング。出願人復代理人　弁理士　鈴江武彦第２図（ａ）　　　　　　　　（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）防振機構により防振された基台と、この基台上に
設置され探針を３次元的に微小移動する微動機構と、前
記基台上に設置され被検査試料を保持する試料ホルダー
と、前記微動機構及び試料ホルダーの一方を移動し、前
記探針と試料表面を所定の距離まで近付ける粗動機構と
を備え、前記探針と試料との間に所定の電圧を印加し、
両者間に流れるトンネル電流に基づいて試料表面を検査
する走査型トンネル顕微鏡において、前記粗動機構は、
前記基台上に一方向に移動自在に案内支持され前記微動
機構又は試料ホルダーを載置する移動台からなり、該移
動台の移動方向を前記防振機構の防振方向と直交するよ
うに構成したことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
（２）前記移動台は、前記基台上にコロガリ軸受で支持
されていることを特徴とする請求項１記載の走査型トン
ネル顕微鏡。