(57)【要約】【目的】走査電子顕微鏡を備えた超高真空走査形プローブ顕微鏡の走査電子顕微鏡の分解能を改善することである。また、走査形プローブ顕微鏡の探針と試料を、走査電子顕微鏡を用いて任意の位置倍率で観察することである。さらに、メンテナンス等の操作性を改善することである。【構成】真空に保たれた試料室に設置された試料と試料に対向する探針との間に作用する力又は電流を検出する走査形プローブ顕微鏡であって、荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム源と、荷電粒子ビーム源を内部に固定した鏡筒と、試料上に荷電粒子ビームを収束させる対物レンズと、対物レンズを荷電粒子ビームの中心軸方向に移動させることにより試料と対物レンズの距離を変化させる対物レンズ移動手段と、からなる荷電粒子顕微鏡を備えた走査形プローブ顕微鏡。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空に保たれた試料室に設置された試料と前記試料に対向する探針との間に作用する力又は電流を検出する走査形プローブ顕微鏡であって、
荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム源と、
前記荷電粒子ビーム源を内部に固定した鏡筒と、
前記試料上に前記荷電粒子ビームを収束させる対物レンズと、
前記対物レンズを前記荷電粒子ビームの中心軸方向に移動させることにより前記試料と前記対物レンズの距離を変化させる対物レンズ移動手段と、
からなる荷電粒子顕微鏡を備えた走査形プローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、
前記鏡筒が前記試料室に固定され、
前記対物レンズ移動手段は前記鏡筒とは独立して前記対物レンズを移動させることを特徴とした走査形プローブ顕微鏡。
【請求項３】
請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、
前記対物レンズ移動手段により前記鏡筒と前記対物レンズが一体的に移動されることを特徴とした走査形プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査形プローブ顕微鏡は、原子レベルの分解能があるが走査領域が小さい。このため、走査形プローブ顕微鏡による観察では、試料上の極めて限られた領域しか観察することができない。また、走査形プローブ顕微鏡は探針を試料に近接させるため、余り凹凸の大きいものの測定は不得意である。表面が原子レベルにおいてフラットで一様な試料を観察する場合には、観察領域をさほど限定する必要がないが、表面に凹凸があり一様でない試料も多い。従って、走査形プローブ顕微鏡により試料を観察する場合は、あらかじめ試料上の観察したい領域を選定し、走査形プローブ顕微鏡の探針をその領域に正確に位置させることが必要となる。そこで、試料上の観察したい領域を選定する際、走査電子顕微鏡を使用することが有効である。
【０００３】
従来の技術を図３を用いて説明する。図３は、走査電子顕微鏡と超高真空走査形トンネル顕微鏡を組み合わせたものである。走査形トンネル顕微鏡は、ＳＰＭステージ３２２を介してコンフラットフランジ３２０により超高真空チャンバ３１３内に固定されている。走査形トンネル顕微鏡は、探針３１１を試料３１０に数ｎｍ程度近づけ、探針３１１を走査させながら、探針３１１と試料３１０間に流れるトンネル電流を画像化することにより、試料表面の原子レベルでの観察が可能である。
【０００４】
一方、走査電子顕微鏡の鏡筒３１７はコンフラットフランジ３０６により超高真空チャンバ３１３に固定されている。エミッタ３０１より放出された電子線をスキャンコイル３０７により試料３１０上で走査し、そこから放出される２次電子を図示しない検出器で検出することにより、試料表面のミクロンあるいはサブミクロンオーダーの観察が可能である。この場合、試料ステージ３１２に設置された図示しない試料ステージ移動機構により試料ステージ３１２が探針３１１中心軸方向に移動し、試料３１０と対物レンズ３０８との距離を調整する。
【０００５】
しかし、走査電子顕微鏡専用機は数ｎｍ程度の分解能があるが、超高真空走査形プローブ顕微鏡と組み合わせた走査電子顕微鏡の解像度は走査電子顕微鏡専用機に比べて分解能が余り良くない。走査電子顕微鏡の分解能は主に試料と対物レンズの距離である作動距離に依存するが、ＳＰＭユニット３２３との干渉の問題があり、試料３１０と対物レンズ３０８の距離である作動距離を短くできないためである。このため、走査電子顕微鏡は、主に走査形トンネル顕微鏡の探針と試料との位置合わせ用として使用されることが多い。この場合も、探針と試料との位置合わせには低倍率のほうが有利であるが、走査電子顕微鏡で試料の観察も行うためある程度の高い倍率が必要になり、探針と試料に適した低倍率ではなかった。
【０００６】
また、メンテナンスのためＳＰＭステージ３２２を取り外す場合には、走査電子顕微鏡の鏡筒３１７と干渉してしまうため、鏡筒３１７を取り外さなければならず、作業が繁雑であった。
【０００７】
なお、従来技術としては、鏡筒を伸縮自在とした放射線画像読みとり装置がある（例えば、特許文献１）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−６８７７１
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、走査電子顕微鏡を備えた超高真空走査形プローブ顕微鏡において、走査電子顕微鏡の分解能を改善することである。
【００１０】
また、走査形プローブ顕微鏡の探針と試料を、走査電子顕微鏡を用いて任意の位置倍率で観察することである。
【００１１】
さらに、メンテナンス等の操作性を改善することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、真空に保たれた試料室に設置された試料と前記試料に対向する探針との間に作用する力又は電流を検出する走査形プローブ顕微鏡であって、荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム源と、前記荷電粒子ビーム源を内部に固定した鏡筒と、前記試料上に前記荷電粒子ビームを収束させる対物レンズと、前記対物レンズを前記荷電粒子ビームの中心軸方向に移動させることにより前記試料と前記対物レンズの距離を変化させる対物レンズ移動手段と、からなる荷電粒子顕微鏡を備えたことを特徴とする。
【００１３】
第２の発明は、前記鏡筒が前記試料室に固定され、前記対物レンズ移動手段は前記鏡筒とは独立して前記対物レンズを移動させることを特徴とする。
【００１４】
第３の発明は、前記対物レンズ移動手段により前記鏡筒と前記対物レンズが一体的に移動されることを特徴とする。
【００１５】
【実施例】
本発明の第１の実施例の構成を図１を用いて説明する。図１は、走査電子顕微鏡と超高真空走査形トンネル顕微鏡を組み合わせたものである。超高真空チャンバ１１３にはコンフラットフランジ１２０によりＳＰＭステージ１２２が気密を保って固定されている。ＳＰＭステージ１２２上には試料１１０を置載した試料ステージ１１２とＳＰＭユニット１２３が設置されており、試料１１０にＳＰＭユニット１２３の探針１１１が対向している。
【００１６】
一方、超高真空チャンバ１１３には、コンフラットフランジ１０６により走査電子顕微鏡の鏡筒上部１２４が気密を保って固定されている。超高真空チャンバ１１３の真空を保つことで、試料への電子線の照射が可能になる。鏡筒上部１２４の内部には、電子線を放出するエミッタ１０１、電子線を引き出す引出電極１０２、その電子線の軸調整を行うガンアライメントコイル１０３、電子線を収束するコンデンサレンズ１０４及び対物絞り１０５が固定されている。また、鏡筒上部１２４の下端部には、鏡筒外側ケース１１８が固定されており、その内側には鏡筒内側ケース１１９が移動自在にガイドされている。鏡筒内側ケース１１９内部にはナット部１２１が固定されており、そのナット部１２１に駆動ネジ１１６が係合している。駆動ネジ１１６の上端にはかさ歯車１１５−１が設置されており、そのかさ歯車１１５−１に、鏡筒上部１２４に固定された対物レンズ移動機構１１４のかさ歯車１１５−２が係合している。駆動ネジ１１６にはボールネジが用いられ、高精度に駆動ネジ１１６の回転運動を鏡筒内側ケース１１９の直線運動に変換する。鏡筒内部に固定されたガイド棒１１７は、鏡筒内側ケース１１９に固定された図示しないボールベアリングを介して鏡筒内側ケース１１９が円滑に動くためにガイドする。ガイド棒は鏡筒内側ケース１１９が円滑に動くためには３本以上が望ましい。鏡筒内側ケース１１９の内部には、電子線を走査させるスキャンコイル１０７、電子線を試料１１０表面上にフォーカスさせる対物レンズ１０８及び非点収差を補正しビーム径を小さくする非点補正コイル１０９が設置されている。これらは鏡筒内側ケース１１９に固定され、対物レンズ移動機構１１４により鏡筒内側ケース１１９と共に電子線中心軸方向に移動する。対物レンズ移動機構１１４は、手動で駆動してもよく、コンピュータ制御によるモータを用いて駆動させてもよい。
【００１７】
次に、第１の実施例の動作を説明する。引出電極１０２に電圧を印加することによりエミッタ１０１から放出された電子線は、ガンアライメントコイル１０３により軸調整され、コンデンサレンズ１０４により収束され、対物絞り１０５を経て、対物レンズ１０８によりフォーカスされる。非点補正コイルは、非点収差を補正して試料１１０表面上のビーム径をより小さくするためのものである。照射された電子線により試料１１０より放出される２次電子は、図示しない検出器で検出され、図示しない表示装置に２次電子像として表示される。
【００１８】
走査電子顕微鏡の倍率は、主に対物レンズ１０８と試料１１０表面の距離である作動距離に依存する。対物レンズ移動機構１１４のネジを回すことでかさ歯車１１５を介して駆動ネジ１１６が回転する。駆動ネジ１１６には内部ケースに固定されたナット部１２１が係合しているので、鏡筒内側ケース１１９が電子線中心軸方向に移動する。鏡筒内側ケース１１９の内部には対物レンズ１０８が固定されているので、対物レンズ１０８と試料１１０表面上の距離が変化し、作動距離が可変となる。作動距離が短いほど対物レンズの収差が小さくなり、分解能は良くなるが観察する範囲は狭まる。作動距離が長いほど分解能は落ちるが観察する範囲は広くなる。試料１１０と走査形プローブ顕微鏡の探針１１１の位置関係を調べるときは、作動距離を長くして全体が見えるように分解能を下げ、分解能を上げたい時には作動距離を短くして観察を行う。作動距離を短くする時は、ＳＰＭユニット１２３が鏡筒内側ケース１１９に干渉しないように、ＳＰＭユニット１２３を待避させてもよい。対物レンズ１０８が移動可能なため試料テージ１１２にＺ方向の移動機構が必要無くなり、試料ステージ１１２がコンパクトになる。
【００１９】
また、メンテナンスのためにＳＰＭステージ１２２を取り出す時は、対物レンズ１０８を作動距離の最大である待避位置にすることにより、鏡筒内側ケース１１９と干渉することなく、コンフラットフランジ１２０よりＳＴＭステージを外すことができる。
【００２０】
さらに、図示しない蒸着装置により試料１１０に金属等を蒸着する場合、対物レンズ１０８を待避位置に移動することにより、蒸着物により鏡筒内側ケース１１９が汚染されることを避けることができる。
【００２１】
次に、第２の実施例について、図２を用いて構成を説明する。図２は、走査電子顕微鏡と４探針を備えた超高真空走査形トンネル顕微鏡を組み合わせたものである。超高真空チャンバ２１３にはコンフラットフランジ２２０によりＳＰＭステージ２２２が気密を保って固定されている。ＳＰＭステージ２２２上にはＳＰＭユニット２２３が設置されている。ＳＰＭユニット２２３には、試料２１０の周囲に４個の探針２１１が配置されており、各探針２１１は探針移動機構２２５によりＸＹＺ方向に移動自在である。
【００２２】
一方、走査電子顕微鏡の鏡筒２２４内部には、エミッタ２０１、引出電極２０２、ガンアライメントコイル２０３、コンデンサレンズ２０４、対物絞り２０５、スキャンコイル２０７、対物レンズ２０８及び非点補正コイル２０９が固定されている。また、鏡筒２２４外部には鏡筒支持板２１８が設置されている。鏡筒支持板２１８にはナット部２２１が設置されており、ナット部２２１には駆動ネジ２１６が係合している。駆動ネジ２１６にはかさ歯車２１５−１が設置されており、そのかさ歯車２１５−１は、ガイド棒支持板２１９に設置された対物レンズ移動機構２１４のかさ歯車２１５−２と係合している。駆動ネジ２１６はボールネジが用いられ、その下端はガイド棒支持板２１９に回転自在に設置されている。ガイド棒支持板２１９は、超高真空チャンバ２１３のコンフラットフランジ２０６に固定されており、鏡筒支持板２１８とはベローズ２２６により伸縮自在で気密に接続されている。このため、超高真空チャンバ２１３の気密性は保たれる。また、ガイド棒支持板２１９は、ガイド棒２１７が固定されており、ガイド棒２１７は図示しないボールベアリングを介して鏡筒支持板２１８をガイドする。ガイド棒２１７は、鏡筒支持板２１８が円滑に動くため、３本以上が望ましい。
【００２３】
次に、第２の実施例の動作を説明する。走査電子顕微鏡の電子線の放出方法は、第１の実施例と同様である。本実施例は、対物レンズ２０８が固定された鏡筒２２４全体が移動することによって、動作距離が変化することを特徴とする。対物レンズ移動機構２１４のネジを回転させることで、かさ歯車２１５を介して、駆動ネジ２１６が回転する。駆動ネジ２１６には鏡筒支持板２１８に固定されたナット部２２１が係合しているので、鏡筒２２４全体が電子線中心軸方向に移動する。鏡筒２２４内部には対物レンズ２０８が固定されているので、対物レンズ２０８と試料２１０との距離である作動距離が変化する。
【００２４】
走査形プローブ顕微鏡の４個の探針２１１は、図示しないコンピュータ制御のモータに駆動された探針移動機構２２５により、試料２１０の任意の位置にそれぞれ独立して移動でき、それぞれの探針２１１により走査形プローブ顕微鏡像を得ることが可能である。また、探針２１１を試料２１０に接触させて、その間の抵抗等を計ることもできる。しかし、探針２１１を任意の位置に移動しようとすると、鏡筒２２４と干渉してしまうことがある。このときは鏡筒２２４を待避位置まで移動させることにより干渉させずに済む。また、走査電子顕微鏡の分解能を上げたい時は、探針２１１を鏡筒２２４と干渉しない位置にずらし、対物レンズ２０８を試料２１０に近づけて観察することにより、分解能の良い像を得ることができる。一方、探針２１１同士、又は、探針２１１と試料２１０との位置を調べる時には、対物レンズ２０８を遠ざけて、十分倍率を低くして観察すればよい。
【００２５】
さらに、メンテナンスのためにＳＰＭステージ２２２を外す場合には、鏡筒２２４を待避位置に移動させておけば、干渉することなく外すことができる。
【００２６】
なお、本発明は上記に限定されるものではない。例えば、電子線を放出する走査電子顕微鏡は、イオンビーム等を用いた方式の荷電粒子顕微鏡でもよい。また、走査形トンネル顕微鏡は、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡及びその類似装置でもよく、それらをユニットとして交換自在にしてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により走査電子顕微鏡の対物レンズが移動自在となる。このため、走査形プローブ顕微鏡との干渉の問題なく試料に近づけられ、作動距離をより短くでき、分解能を上げることができる。走査形プローブ顕微鏡の探針と試料位置、又は、４探針の探針同士の関係を観察する場合は、対物レンズが移動可能なため作動距離を十分長くでき、適切に観察できる位い十分低い倍率にすることができる。
【００２８】
また、対物レンズが移動可能なため、ＳＰＭステージを外す場合、対物レンズを待避位置まで移動しておけば、電子顕微鏡の鏡筒を外す必要がなく、メンテナンスの簡易化を実現することができる。
さらに、対物レンズが移動自在なため試料ステージに移動機構を設置する必要がなく、試料ステージをコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鏡筒内側ケースが移動自在な本発明による実施例である。
【図２】鏡筒全体が移動自在な本発明による実施例である。
【図３】従来技術による走査電子顕微鏡を備えた超高真空走査形プローブ顕微鏡である。
【符号の説明】
１０１  エミッタ、１０２  引出電極、１０３  ガンアライメントコイル、１０４  コンデンサレンズ、１０５  対物絞り、１０６  コンフラットフランジ、１０７  スキャンコイル、１０８  対物レンズ、１０９  非点収差コイル、１１０試料、１１１  探針、１１２  試料ステージ、１１３  超高真空チャンバ、１１４  対物レンズ移動機構、１１５  かさ歯車、１１６  駆動ネジ、１１７  ガイド棒、１１８  鏡筒外側ケース、１１９  鏡筒内側ケース、１２０  コンフラットフランジ、１２１  ナット部、１２２  ＳＰＭステージ、１２３  ＳＰＭユニット、１２４  鏡筒上部、２０１  エミッタ、２０２  引出電極、２０３  ガンアライメントコイル、２０４  コンデンサレンズ、２０５  対物絞り、２０６コンフラットフランジ、２０７  スキャンコイル、２０８  対物レンズ、２０９  非点収差コイル、２１０  試料、２１１  探針、２１２  試料ステージ、２１３  超高真空チャンバ、２１４  対物レンズ移動機構、２１５  かさ歯車、２１６  駆動ネジ、２１７  ガイド棒、２１８  鏡筒支持板、２１９  ガイド棒支持板、２２０  コンフラットフランジ、２２１  ナット部、２２２  ＳＰＭステージ、２２３  ＳＰＭユニット、２２４  鏡筒、２２５  探針移動機構、２２６ベローズ、３０１  エミッタ、３０２  引出電極、３０３  ガンアライメントコイル、３０４  コンデンサレンズ、３０５  対物絞り、３０６  コンフラットフランジ、３０７  スキャンコイル、３０８  対物レンズ、３０９  非点収差コイル、３１０  試料、３１１  探針、３１２  試料ステージ、３１３  超高真空チャンバ、３１４  コンフラットフランジ、３１５  ＳＰＭステージ、３１６  ＳＰＭユニット、３１７  鏡筒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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