JPH0814481B2

JPH0814481B2 - 物体表面状態アクセスシステム

Info

Publication number: JPH0814481B2
Application number: JP11465387A
Authority: JP
Inventors: 高司山口; 健次森; 洋武平井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-05-13
Filing date: 1987-05-13
Publication date: 1996-02-14
Anticipated expiration: 2011-02-14
Also published as: JPS63281002A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は物体表面状態アクセスシステムに係り、特に
原子オーダの分解能でしかも広い領域をアクセスするの
に好適な物体表面状態アクセスシステムに関する。

〔従来の技術〕

対象物体とプローブ間に流れる微小電流を検出するこ
とによつてその対象物体の表面状態を測定する装置は、
試料とプローブ間距離によつて、トポグラフアイナ及び
走査形トンネル電流顕微鏡（STM）と呼ばれている。こ
のうちSTMは分解能が高く原子オーダの表面観察が可能
である。STMについては、例えば米国特許第4343993号
や、サーフエスサイエンス126（1983年）第236頁から
244頁（Surface Science126（1983）pp.236-244），サ
ーフエスサイエンス152/153（1985年）第17頁から26
頁（Surface Science152/153（1985）pp.17-26）におい
て論じられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、対象物体を固定させ、プローブの微
動機構で対象物体面を走査しているため測定範囲が小さ
く、MBE装置等によつて生成された膜の欠陥等の検査を
目的とした場合は、測定範囲が限定されるため、十分に
生成膜の評価ができないという問題点がある。

また、上記従来技術を情報記憶装置として応用しよう
とした場合も、走査範囲が微小であるため記憶容量が不
十分になるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、原子オーダの分解能で広い
領域の物体表面状態をアクセスできるシステムを提供す
ることである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、対象物体またはプローブ微動機構のいず
れか一方を、対象物体の直交３方向に移動可能でストロ
ークが長く、しかも高精度な位置決め制御手段を具備し
たXYZ粗動機構（ステージ）上に搭載し、そして本ステ
ージにより試料面とプローブの相対位置決めを行つた
後、プローブにより微動走査を行つて表面状態のアクセ
スを行い、さらに、プローブ微動機構の制御手段は、前
記ステージを固定させた状態でプローブの走査により対
象物体の表面状態の情報を得るための手段（観察モー
ド）と、ステージによりプローブと対象物体の相対的位
置を対象物体面方向に移動させたとき、プローブが対象
物体の同一位置を保持したまま追従するための制御手段
（移動モード）を具備することによつて達成される。

〔作用〕

微動機構によるプローブの移動範囲より広い領域にわ
たつて対象物体の表面状態にアクセスする必要がある場
合、プローブ位置制御とXYZステージ位置制御を連動し
なければならない。そのため、プローブが対象物体面上
のある位置においてその移動範囲内を走査して測定した
後、対象物体面に垂直方向のプローブ位置を固定する。
同時に、プローブの面内方向移動用制御手段が、プロー
ブに流れる微小電流が一定となるように位置決めできる
ように切換える。

次に、対象物体またはプローブを搭載しているXYZス
テージを移動させる。このとき、プローブは対象物体に
追従して移動し、プローブの移動範囲内の測定走査開始
点に戻る。ステージの移動を終させ、固定したので、再
び、プローブの垂直方向の位置制御手段を復帰させる。
以後は、同様にこの状態で対象物体面上を走査させ、測
定する。

又、ステージが移動するとき、その案内精度により試
料が上下方向に移動することがあり、この場合はプロー
ブの垂直方向の制御が必要となる。そこで、プローブを
対象物体に追従させるとき、プローブを微小領域内に高
速に走査させて表面状態を測定し、この形状を認識しつ
つプローブを試料の移動に追従させる必要がある。

又、対象物体及びプローブの運動精度が非常によい場
合は、移動前と移動後の位置決め近傍の状態データを記
憶させ、試料とプローブに同一目標信号を加えて移動さ
せた後、両者の相対位置ずれを状態データを比較するこ
とにより補正し、移動前と同じ位置関係にプローブを位
置決めする方法が有効である。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図及び第２図により説
明する。第１図は本実施例の平面図であり、第２図は正
面図である。図より、１は粗動機構（ステージ）のうち
Ｙ軸アクチユエータ、２はＹ軸ロツド、３はＸ軸方向と
Ｙ軸方向の干渉を避けるためのロツド、４は対象物体取
付台、５はトツプテーブル、６はＸ軸アクチユエータ、
７はＸ軸ロツド、８はＸテーブル、９はベース、10はＸ
軸ミラー、11はＹ軸ミラー、12はくさび形Ｚ軸駆動機
構、13はＺ軸アクチユエータ、14はＹテーブル、15はＹ
軸すべり案内機構、16は微動機構、17はプローブ（探
針）、18は架台、19はローラである。ここで第１図では
微動機構16,探針17,架台18は図示していない。以下、第
１図に開示されたXYステージ型の位置決め装置の動作に
ついて説明する。被測定物である試料は試料取付台４に
搭載される。そしてＸ軸方向に位置決めを行うときはＸ
軸アクチユエータ６が推力を発生し、Ｘ軸ロツド７を介
してｘテーブル８を駆動する。ここでｘ軸アクチユエー
タはリニアモータでも回転形モータにボールねじ等の伝
達手段を付加したものでもよい。Ｘテーブルの移動量
は、トツプテーブル５に取り付けられたＸ軸ミラー10と
レーザ測長系等の精密位置検出手段（図示せず）により
検出され、Ｘ軸アクチユエータ６へ操作量を入力する制
御回路（図示せず）にフイードバツクされる。対象物体
をＹ軸方向に位置決めする場合も同様に、Ｙ軸アクチユ
エータ１の発生する推力がＹ軸ロツド２に伝わり、Ｘ軸
の移動と干渉しないように、ロツド３をはさむように配
置されたローラ19及びロツド３を介してｙテーブル14を
駆動する。Ｙテーブルの移動量は、Ｙ軸ミラー11及びレ
ーザ測長系（図示せず）により検出され、Ｙ軸制御回路
（図示せず）にフイードバツクされる。ここでＹテーブ
ルは、Ｘテーブル８上に設けられたルーロンなどの摺動
子をもつすべり案内機構15により運動方向がガイドされ
る。15a,15bはピツチングの抑制に、15cはヨーイングの
抑制に用いられる。

又、対象物体は、Ｚ軸アクチユエータ13により、くさ
び形Ｚ軸駆動機構12を移動させ、トツプテーブル５を上
下させることにより、鉛直方向の位置決めを行う。

以上のような３軸方向の移動可能なXYステージ上に対
象物体を搭載することにより、試料を微動機構の移動範
囲内の一点に位置決めすることができる。

なお、本実施例に開示したXYZステージは、案内機構
として、ころがり案内機構，静圧浮上案内機構，磁気浮
上案内機構等を具備してもよい。又、アクチユエータの
配置として、各軸のアクチユエータを各々の被駆動テー
ブルの下側に直接に取りつける構造としてもよい。又、
各テーブルの位置検出手段としては、本実施例のレーザ
測長以外にも、リニアスケール，エンコーダ等の検出器
を用いてもよい。

一方、微動機構16は架台18に取りつけられ、微動機構
先端に取りつけられたプローブ17を対象物体上にオング
ストロームオーダで位置決めする。第３図は、微動機構
16を詳細に示したものであり、21はｘ軸微動用変位素子
（たとえばPZTなどの圧電素子あるいは電歪素子）、22
はｙ軸微動用変位素子、23はｚ軸微動用変位素子、24は
ｘ軸継手、25はｙ軸継手、26はｚ軸継手、27はブロツ
ク、28は微動機構ベースである。プローブ17は、各軸毎
に設けられた変位素子により継手を介して駆動される。

第４図は、本装置のXYZステージの制御手段の一実施
例をブロツク線図で表現したものであり、31は目標値発
生回路、32は比較回路、33は安定化補償回路、34はアク
チユエータ駆動用アンプ、35はアクチユエータ、36はテ
ーブル、37は位置検出器である。本ブロツク線図は、Ｘ
軸,Y軸,Z軸各制御手段に共通である。目標値発生回路31
の出力と、位置検出器37により検出されたテーブル36の
位置が比較回路32により比較され、得られた偏差が安定
化補償回路33により安定化された後、アンプ34によつて
増幅されアクチユエータ35へ入力される。アクチユエー
タ35では入力された値に従つて推力を発生し、テーブル
36を駆動して位置決めする。

第５図は本装置の微動機構の制御手段の第１の実施例
をブロツク線図で表現したものであり、41はｘ軸（又は
ｙ軸）目標値発生回路である。42は切換回路であり、42
aは観察モード時、42bは移動モード時の回路端子を示
す。43はｘ軸（ｙ軸）微動用変位素子駆動アンプ、44は
ｘ軸（ｙ軸）微動用変位素子、45はプローブ、46はｚ軸
目標値発生回路、47は比較回路、48は積分器、49はホー
ルド回路、50は切換回路で50aは観察モード時、50bは移
動モード時回路端子、51はＺ軸微動用変位素子駆動アン
プ、52はＺ軸微動用変位素子、53はプローブ試料間微小
電流検出回路、54は増幅器、55は追従制御回路である。

本実施例では、対象物体を固定されて、プローブを走
査することによつて試料の表面観察を行う場合を観察モ
ードとし、試料をXYステージにより移動させて、プロー
ブを微動機構移動範囲内走査原点に移動させてる場合を
移動モードとする。

観察モードでは、プローブ対象物体間の微小電流が一
定になるようにＺ軸微動用変位素子への印加電圧を制御
しつつ、ｘ軸又はｙ軸方向へプローブを走査する。Ｚ軸
目標値発生回路46と、プローブ試料間の微小電流を検出
器53により検出し増幅器54により増幅された信号とが比
較回路47によつて比較され、積分器48によつて積分され
たのち、観察モード回路端子50aを介してＺ軸微動用変
位素子駆動アンプ51で増幅され、Ｚ軸微動用変位素子52
を駆動する。一方、ｘ軸（又はｙ軸）目標値発生回路41
から発生した目標値は観察モード回路端子42aを介して
ｘ軸（ｙ軸）微動用変位素子駆動アンプ43で増幅され、
ｘ軸（ｙ軸）微動用変位素子を駆動する。そして、プロ
ーブはｘ軸（ｙ軸）方向に走査される。このとき、対象
物体の表面状態によりプローブ対象物体間の距離が変化
し、微小電流が変化する。このとき、Ｚ軸微動用変位素
子は微小電流が一定となるように制御されているため、
変位素子への印加電圧を測定することにより、対象物体
の表面状態が観察でき、ｘ軸及びｙ軸方向に走査するこ
とにより対象物体の３次元的な表面状態の情報が得られ
る。

また、対象物体表面の状態が比較的滑らかである場合
には、Ｚ軸微動用変位素子への印加電圧を一定にして
（すなわち、プローブ対象物体間の平均ギヤツプを一定
にして、）ｘ軸及びｙ軸方向に走査し、プローブ対象物
体間の微小電流を検出することにより対象物体の表面状
態の情報を得ることができる。

ちなみに、シリコン結晶（Si（111）７×７構造）の
原子間隔は４Å（オングストローム）程度であり、これ
らの原子配列状態を高分解能で観察するためには、プロ
ーブの走査範囲すなわち微動機構のストロークは一例で
は1000Å（0.1μｍ）程度が限度である。この場合、た
とえば12ビツトの分解能は0.24Åとなる。したがつて、
微動機構のフルストロークの走査によつて最大0.1μｍ
四方程度の観察が１回で可能である。

他方、移動モードは、微動機構の走査範囲でカバーし
きれない広い領域（たとえば数μｍ〜数mm四方）を観察
する必要がある場合に、微動機構の走査範囲を次々に接
続させて広い領域を走査するために用いる。この走査領
域の接続方法について、第６図を用いて説明する。

第６図は、対象物体70の表面の領域を示した図で、Ａ
は微動機構が最初に走査する領域、Ｂは領域Ａに接続し
て次に走査する領域を示す。さらに、次々に領域の接続
を行うが、これらの表示は省略してある。また、領域Ｃ
はXYステージのストロークがカバーする領域を示す。

まず、最初の微小領域Ａの走査を、たとえば、Ｏ→Ｐ
→Ｑ→Ｒ→……→Ｓの順に行い、観察画像を作成する。
次に、領域Ａの中で、次に走査しようとする隣接領域Ｂ
（本実施例ではＸ方向にずらした領域）の走査開始点
Ｏ′に、微動機構によつてプローグを移動させる。次
に、上記実施例では、ステージをＸのマイナス（−）方
向に微動機構のストロークの範囲内で移動させるが、こ
の際、プローブが対象物体の同じ位置を保持するよう
に、微動機構を制御する。

前記第１の実施例においては、プローブを隣接領域Ｂ
の走査開始点Ｏ′に移動させてプローブ対象物体間の微
小電流が一定となつた段階で、ホールド回路49によりＺ
軸微動用変位素子52への印加電圧をホールドする。同時
にｘ軸及びｙ軸駆動回路を移動モードに切換え、微小電
流が一定（すなわちプローブ対象物体間の距離が一定）
となるようにｘ軸及びｙ軸微動用変位素子を駆動制御す
る。

第７図は、第１の実施例において、XYステージの動き
にプローブ17を追従させる原理を表わした図であり、第
８図は上記の第１の実施例の動作をフローチヤートに表
わしたものである。第７図において70はXYステージ上に
固定された対象物体の表面を拡大して表示したものであ
り、破線は試料表面がステージの移動によつて（−Δ
ｘ）だけ移動した状態を表わす。第７図において、領域
Ｂの走査開始点Ｏ′におけるプローブと対象物体のギヤ
ツプをh₀とすると、ステージが（−Δｘ）移動した後の
ギヤツプは（h₀＋Δｈ）となる。このとき、プローブが
平面内で移動すべき方向を決めるために、追従制御回路
55ではプローブを平面内で微小振動（振動幅Δｗ）さ
せ、微小電流の変化の方向から対象物体表面の凹凸の傾
斜を判定する。その結果を元に、プローブの移動方向を
決定する。たとえば、第７図において、ギヤツプがΔｈ
だけ増えたため、それを減少させる方向すなわち（−
Ｘ）方向にプローブを移動させ、ギヤツプがh₀になるま
で補正を続ければよい。

このことにより、対象物体をXYステージによつて移動
させても、プローブは対象物体内のある１点に追従した
ままであり、再び走査モードに切換えて走査したとき、
以前の走査データと連続的につながるデータが得られ、
故に広い領域の対象物体の表面状態が観察できる。

また、第９図は、本装置の微動機構の追従モードにお
ける第２の実施例の制御系ブロツク線図、第10図はその
動作をフローチヤートに表わしたものである。第９図に
おいて、61は基準表面データ発生回路、62は比較回路、
63はつき合わせ回路、64はＸ軸（Ｙ軸）アンプ、65はＸ
軸（Ｙ軸）変位素子、66はプローブ、67は微小範囲走査
信号発生回路、68は表面形状検出回路、69はXYステージ
による試料移動量である。又、鉛直方向の変位素子は、
試料とプローブ間に発生する微小電流を一定に保つよう
に制御され、表面形状に従つた変位素子の変位を表面形
状検出回路68に入力することにより表面形状データが得
られる。次に、水平面内の変位素子の制御方式である
が、微小範囲走査信号発生回路67によつて発生した信号
はアンプ64を通つて変位素子65を駆動し、プローブ66を
ある設定された微小範囲を高速に走査させ、表面形状検
出回路68により対象物体表面の形状データが得られる。
基準表面データ発生回路61には、第６図における領域Ｂ
の走査開始点Ｏ′付近の対象物体表面データがストアさ
れている。ここでXYステージにより対象物体が移動する
と、本制御系にとつてはこの試料移動量69は外乱とな
る。そのため、高速走査されて得られている表面形状デ
ータが基準データとずれを生じる。比較回路62でこのず
れ量を求め、アンプ64,変位素子65を通してプローブ66
を移動させることにより、プローブは試料のある位置に
追従させることができる。

また、第11図は本装置の追従モード時の制御方式の第
３の実施例の制御系ブロツク線図、第12図はその動作を
表わすフローチヤートである。本実施例では、追従モー
ド時ではXYステージとプローブ微動機構に同一の信号
（所要移動量l₀）を入力する。入力信号は、各々のアン
プ，モータを経て、ステージ，プローブを同じ距離だけ
駆動する。ところが、実際には、ステージの位置決め分
解能が微動機構に比べて不十分（たとえば、非常に良い
場合でも0.01μｍ程度）であるため、ステージの移動量
とプローブの移動量は一致しない。そこで、移動後に、
位置決め近傍の表面形状を検出し、基準データと比較す
ることによりプローブの位置を補正する。このことによ
りステージを移動させてもプローブは同一位置を保つた
まま移動でき、対象物体の広い範囲の表面形状を測定す
ることができる。

また、前記実施例はすべて、対象物体をXYZステージ
側に搭載し、プローブを含む微動機構を固定した例であ
るが、XYZ3軸の粗動機能を、対象物体側あるいはプロー
ブ微動機構側にいかように分担させても、本発明が適用
できることはいうまでもない。たとえば、プローブを含
む微動機構をXYZステージに搭載し、対象物体を固定し
た構成をとつてもよい。あるいは、プローブ微動機構側
にはＺ軸粗動機能だけを含め、対象物体をXY粗動ステー
ジに搭載した構成をとつてもよい。

また、上記実施例では主に、対象物体の表面状態（と
くに形状）の観察を用途する場合について説明を行つた
が、対象物体表面の状態を利用した情報記憶装置を用途
とした場合にも、本発明が適用できることはもちろんで
ある。対象物体表面への情報記憶の方法のいつくかの例
を第13図に示す。第13図において（１）は物理的または
化学的手段によつて対象物体70の表面へ極微小くぼみま
たは極微小突起を設ける方法、（２）は超微粒子71を吸
着させる方法、（３）は薄膜72の仕事関数の差を利用す
る方法である。なお、17はプローブを示す。上記のよう
な方法で記録された情報は、前述のようにプローブ対象
物体間の微小電流測定により検出できる。この方法によ
れば極めて高密度の記憶ができ、しかも本発明の適用に
よつて広い領域を利用できるので、極めて大容量の記憶
装置の実現が期待できる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、対象物体またはプロ
ーブ微動機構のいずれか一方を比較的ストロークの長い
XYZステージに搭載し、本ステージにより対象物体面と
プローブの相対位置決めを行つた後、プローブの微動走
査で表面観察を行うことにより、広い領域にわたつて表
面観察ができる。又、本発明によれば、微動機構の移動
範囲を連続的につなげる制御方式を具備しているため、
被測定物を広い領域にわたつて連続的に表面観察ができ
るという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の装置の上面図、第２図は側
面図、第３図は本発明の微動機構の詳細図、第４図は本
発明のXYZステージの制御ブロツク図、第５図は本発明
の第１の実施例の制御ブロツク図、第６図は対象物体表
面の領域を示した図、第７図は対象物体表面とプローブ
を示した図、第８図は第１の実施例の制御方式を表わす
フローチヤート、第９図は第２の実施例の制御ブロツク
図、第10図は第２の実施例の制御方式を表わすフローチ
ヤート、第11図は第３の実施例の制御ブロツク図、第12
図は第３の実施例の制御方式を表わすフローチヤート、
第13図は情報記報方法の例である。１……ｙ軸アクチユエータ、２……ｙ軸ロツド、３……
ロツド、４……対象物体取付台、５……トツプテーブ
ル、６……ｘ軸アクチユエータ、７……ｘ軸ロツド、８
……ｘテーブル、９……ベース、10……ｘ軸ミラー、11
……ｙ軸ミラー、12……くさび形Ｚ軸駆動機構、13……
ｚ軸アクチユエータ、14……ｙテーブル、15……ｙ軸す
べり案内機構、16……微動機構、17……プローブ、18…
…架台、19……ローラ、21……ｘ軸微動用変位素子、22
……ｙ軸微動用変位素子、23……ｚ軸微動用変位素子、
24……ｘ軸継手、25……ｙ軸継手、26……ｚ軸継手、27
……ブロツク、28……微動機構ベース、31……目標値発
生回路、32……比較回路、33……安定化補償回路、34…
…アクチユエータ駆動用アンプ、35……アクチユエー
タ、36……テーブル、37……位置検出器、41……ｘ軸
（ｙ軸）目標値発生回路、42……切換回路、43……ｘ軸
（ｙ軸）微動用変位素子駆動アンプ、44……ｘ軸（ｙ
軸）微動用変位素子、45……プローブ、46……ｚ軸目標
値発生回路、47……比較回路、48……積分器、49……ホ
ールド回路、50……切換回路、51……ｚ軸微動用変位素
子駆動アンプ、52……ｚ軸微動用変位素子、53……プロ
ーブ対象物体間微小電流検出回路、54……増幅器、55…
…追従制御回路、61……基準表面データ発生回路、62…
…比較回路、63……つき合わせ回路、64……ｘ軸（ｙ
軸）アンプ、65……ｘ軸（ｙ軸）変位素子、66……プロ
ーブ、67……微小範囲走査信号発生回路、68……表面形
状検出回路、69……対象物体移動量、70……対象物体、
71……超微粒子、72……薄膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直交する３軸方向の微小範囲にプローブを
動かすプローブ微動機構及びその制御手段と、前記プロ
ーブに電圧を印加し対象物体に近接させた際に流れる微
小電流を検出する検出手段と、前記プローブ微動機構及
び該対象物体の間の相対位置を直交３軸方向に比較的長
いストロークで位置決めするXYZ粗動機構及びその制御
手段とを備えた物体表面状態アクセスシステムにおい
て、粗動機構を固定した状態で微動機構によつてプロー
ブを対象物体表面に沿つた２方向（xy方向）に走査する
と同時に前記プローブに流れる電流を検出するか、ある
いは対象物体に垂直方向（ｚ方向）に対象物体表面の凹
凸にならつてプローブを微動制御することによつて対象
物体表面状態の情報を得る観察モード制御手段と、粗動
機構をＸまたはＹ方向に微動機構のストローク内で移動
させると同時にプローブが対象物体面の同一位置を保持
するように微動機構を粗動機構の動きに追従制御させる
移動モード制御手段とを備えたことを特徴とする物体表
面状態アクセスシステム。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、移動モー
ド制御手段は、微動機構による微小領域Ａの走査終了
後、微小領域Ａと次に走査する微小領域Ｂとの重複する
領域にプローブを移動し、Ｚ軸微動変位素子への印加電
圧をホールドするとともに、プローブ試料間の微小電流
が一定となるようにプローブのxy位置を微動機構で制御
しながら粗動機構の動きにプローブを追従させることを
特徴とする物体表面状態アクセスシステム。
【請求項３】特許請求の範囲第１項において、移動モー
ド制御手段は、微動機構による微小領域Ａの走査終了
後、微小領域Ａと次に走査する微小領域Ｂとの重複する
領域にプローブを移動し、次の走査開始点付近を微動機
構で走査した結果得た基準表面状態データと粗動機構の
動作中に微動機構の走査により得た表面状態データとの
比較によりプローブのずれ量を求め微動機構で補正制御
をしながら、粗動機構の動きにプローブを追従させるこ
とを特徴とする物体表面状態アクセスシステム。
【請求項４】特許請求の範囲第１項において、移動モー
ド制御手段は、微動機構による微小領域Ａの走査終了
後、微小領域Ａと次に走査する微小領域Ｂとの重複する
領域にプローブを移動し、次の走査開始点付近を微動機
構で走査して基準表面状態データを得、さらに微動機構
と粗動機構を所要移動量だけ移動させた後、微動機構で
走査して得た表面状態データと前記基準表面状態データ
との比較によりプローブのずれ量を求め微動機構で位置
補正をすることを特徴とする物体表面状態アクセスシス
テム。