(57)【要約】【課題】非接触でマイクロメートルオーダ以下の凹凸を安定に精度よく測定、あるいは画像形成する。【解決手段】プラズマ中に置かれた試料表面に形成されるシースとプラズマの境界を微細な静電プローブ１８で検知し、これをトレースする。また、プラズマ特性を変化させ、プローブ・試料間距離を試料に応じて制御する。【選択図】　図４
2004077146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料室と、前記試料室中にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記試料室中に試料を保持する試料保持台と、前記試料保持台に保持された試料に対向して配置されプラズマ中の電子又はイオンを検出する静電プローブと、前記静電プローブの先端と前記試料台との間の距離を変化させる第１の方向に前記静電プローブあるいは前記試料台を駆動する第１の駆動手段と、前記静電プローブあるいは前記試料台を前記第１の方向と直交する第２の方向に駆動する第２の駆動手段と、前記静電プローブに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段によって検出された電流が所定の値になるように前記第１の駆動手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段によって制御される前記第１の駆動手段によって前記静電プローブの先端をプラズマ中で試料表面に形成されるシースとプラズマの境界位置に保持しながら前記第２の駆動手段によって前記静電プローブを試料に対して相対的に前記第２の方向に走査し、試料に対する前記静電プローブの位置情報を出力することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡において、表示部を有し、前記静電プローブの位置情報を用いて前記表示部に前記シースとプラズマの境界面の形状を画像表示することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記プラズマ生成手段は、マイクロ波発生手段と、磁界発生手段とを備え、ＥＣＲプラズマを生成することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記プラズマ生成手段は、更に、前記試料室に対向して配置された一対の電極と、前記電極に接続された電源とを備え、前記一対の電極間に直流放電プラズマを生成することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記静電プローブは、細い先端部以外を電気絶縁物で被覆された金属線と、前記金属線を加熱する加熱機構を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡において、試料表面に形成される前記シースの厚さを制御する手段を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記電流検出手段は、プラズマ中の電子又はイオンに起因する電流を検出するための第１の電流検出手段と、前記第１の電流検出手段に比較して増幅率が高く前記静電プローブと試料との間に流れるトンネル電流を検出するための第２の電流検出手段とを備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
試料の周囲にプラズマを生成するステップと、
先端部以外を電気絶縁物で被覆した導体からなるプローブの前記先端部を前記試料の表面に形成されたシースとプラズマとの境界面に位置させたとき前記プローブに流れる電流値を動作点電流として検出するステップと、
前記プローブに流れる電流値が前記動作点電流となるように前記試料表面に垂直な方向の位置を制御して前記プローブを試料表面に平行な方向に相対的に走査するステップと、
前記試料に対して相対的な前記プローブの３次元位置データ列を出力するステップとを含むことを特徴とする試料観察方法。
【請求項９】
請求項８記載の試料観察方法において、前記プローブに流れる電流値が前記動作点電流となるように前記試料表面に垂直な方向の位置を制御したとき、前記プローブの先端部と試料表面間の距離は０．１マイクロメートル〜１ミリメートルの範囲にあることを特徴とする試料観察方法。
【請求項１０】
請求項８記載の試料観察方法において、更に、
出力された前記プローブの３次元位置データ列を記憶するステップと、
前記３次元位置データ列を試料表面の形状を表す予備的情報として用い、プローブ先端部を試料表面に１ナノメートル以下に近づけて測定を行う走査プローブ顕微鏡による試料表面の観察を行うステップとを含むことを特徴とする試料観察方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料の微細構造を観察する走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた試料観察方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、マイクロメートル、ナノメートル領域の試料の微細構造を観察するために、光学顕微鏡、電子顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡等が使われている。走査型プローブ顕微鏡には、ＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等があり、また、特開平１１−６４３４９号公報に、プラズマ環境下でトンネル電流を測定する、プラズマ環境下走査式トンネル顕微鏡が示されている。ＳＴＭはプローブに数ボルト程度のバイアス電圧を加え、試料の表面近傍までプローブ先端を近づけることでトンネル電流を計測し、試料微細構造を観察することができる。また、ＡＦＭは試料とプローブ間に働くファンデルワールス力、クーロン力などの力を計測することで、試料微細構造を観察することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
光学顕微鏡は非接触でマイクロメートルオーダの空間分解能、電子顕微鏡は非接触でナノメートルオーダの空間分解能を有しているが、ともに高さ方向の正確な測定が難しい。一方、ＳＴＭ、ＡＦＭ等の走査型プローブ顕微鏡は、空間分解能は原子レベルまで可能であり、また高さ方向を定量的に測定することも可能であるが、原理的に、十分なトンネル電流もしくは原子間力の検出のため、プローブ先端と試料表面の間隔を１ナノメートル程度に近づける必要があり、超高真空雰囲気中で完全に清浄な試料表面を測定するのでない限り、実際には試料表面の付着物層中にプローブ先端を突っ込んだ状態での測定となり、プローブの寿命が短い、あるいは完全に非接触で測定を行うことができない等の問題がある。このため、試料及びプローブ先端を傷つけることなく試料微細形状を測定可能とする、試料・プローブ間距離の新しい制御手段を有する走査型プローブ顕微鏡の実現が望まれている。本発明は、このような走査型プローブ顕微鏡に対する要請に応えるべくなされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
走査型プローブ顕微鏡は、試料表面からマイクロメートルオーダの距離で、試料表面の凹凸をプローブで検知できれば、距離と同程度の空間分解能を得る事ができ、かつ非接触での測定が可能になる。本発明は、試料をプラズマ中に置いたとき試料表面に形成される空間電位層（シース）と、プラズマ雰囲気との境界を検知し、試料・プローブ間距離を制御することによりトレースし、試料表面の形状測定を行うものである。
【０００５】
本発明による走査型プローブ顕微鏡は、試料室と、試料室中にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、試料室中に試料を保持する試料保持台と、試料保持台に保持された試料に対向して配置されプラズマ中の電子又はイオンを検出する静電プローブと、静電プローブの先端と試料台との間の距離を変化させる第１の方向に静電プローブあるいは試料台を駆動する第１の駆動手段と、静電プローブあるいは試料台を第１の方向と直交する第２の方向に駆動する第２の駆動手段と、静電プローブに流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段によって検出された電流が所定の値になるように第１の駆動手段を制御する制御手段とを備え、制御手段によって制御される第１の駆動手段によって静電プローブの先端をプラズマ中で試料表面に形成されるシースとプラズマの境界位置に保持しながら第２の駆動手段によって静電プローブを試料に対して相対的に第２の方向に走査し、試料に対する静電プローブの位置情報を出力することを特徴とする。
好ましくは、表示部を有し、静電プローブの位置情報を用いて表示部にシースとプラズマの境界面の形状を画像表示する。
【０００６】
プラズマ生成手段は、マイクロ波発生手段と、磁界発生手段とを備え、ＥＣＲプラズマを生成するのが好ましい。ＥＣＲプラズマを用いると、試料表面に安定したシースを形成することができる。また、プラズマ生成手段は、更に、試料室に対向して配置された一対の電極と、電極に接続された電源とを備え、一対の電極間に直流放電プラズマを生成するように構成してもよい。ＥＣＲと直流放電を併用すると、試料近傍でのプラズマ密度を上げ、試料表面のシースを薄くすることができる。
【０００７】
静電プローブは、細い先端部以外を電気絶縁物で被覆された金属線と、金属線を加熱する加熱機構を有するのが好ましい。プローブを加熱することにより、プローブ先端に付着した汚染物を除去することができる。また、プローブの先端表面は、イオンエッチング等によりざらつきを持たせ、表面積を大きくして、電流検出効率を向上させるのが好ましい。
【０００８】
また、試料表面に形成されるシースの厚さを制御する手段を有するのが好ましい。シースの厚さを制御する手段としては、プラズマ密度や電子温度等のプラズマ特性を制御する手段、試料に印加する試料バイアス電圧を制御する手段、静電プローブに印加するプローブバイアス電圧を制御する手段等を用いることができる。プラズマ特性制御のためのパラメータとしては、ＥＣＲプラズマ生成のためのマイクロ波エネルギー、外部磁界強度、プラズマ生成ガスの導入量、圧力等がある。シース厚さを厚くすると、プローブ・試料間距離を長く保つことができ、プローブ走査中にプローブ先端が試料表面に接触する危険を低減することができる。また、シースの厚さを薄くすると、測定の分解能を上げることができる。
【０００９】
電流検出手段は、プラズマ中の電子又はイオンに起因する電流を検出するための第１の電流検出手段と、第１の電流検出手段に比較して増幅率が高く静電プローブと試料との間に流れるトンネル電流を検出するための第２の電流検出手段とを備えることもできる。
【００１０】
本発明による試料観察方法は、試料の周囲にプラズマを生成するステップと、先端部以外を電気絶縁物で被覆した導体からなるプローブの先端部を試料の表面に形成されたシースとプラズマとの境界面に位置させたときプローブに流れる電流値を動作点電流として検出するステップと、プローブに流れる電流値が動作点電流となるように試料表面に垂直な方向の位置を制御してプローブを試料表面に平行な方向に相対的に走査するステップと、試料に対して相対的なプローブの３次元位置データ列を出力するステップとを含むことを特徴とする。
【００１１】
プローブに流れる電流値が動作点電流となるように試料表面に垂直な方向の位置を制御したとき、プローブの先端部と試料表面間の距離は０．１マイクロメートルから１ミリメートルの範囲とするのが好ましい。
【００１２】
更に、出力されたプローブの３次元位置データ列を記憶し、その３次元位置データ列を試料表面の形状を表す予備的情報として用い、プローブ先端部を試料表面に１ナノメートル以下に近づけて測定を行う走査プローブ顕微鏡によって試料表面の観察を行ってもよい。プローブ先端部を試料表面に１ナノメートル以下に近づけて測定を行う走査プローブ顕微鏡としては、ＳＴＭ、ＡＦＭ等がある。この方法によると、ＳＴＭやＡＦＭ等によってナノメートルオーダの精密な試料表面構造の測定を行う前に、試料表面に形成されたプラズマとシースの境界面の形状を０．１マイクロメートルから１ミリメートルのオーダの精度で測定し、それを参照してＳＴＭやＡＦＭのプローブ移動速度、走査方向等を制御することによりプローブと試料の接触の抑制及び観察時間の短縮を図ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、試料表面に形成されるシースとプラズマの分布の概略図と電位分布を示す図である。プラズマ中に導体の試料を挿入すると、試料の電位がプラズマ電位に対して正であれば周りに電子が、負であれば周りにイオンが集まってきて過剰になる。特に、試料が接地電位にある場合、試料表面にはイオンの過剰な層が形成され、プラズマ中には図１に示すような空間電位分布が形成される。このイオン又は電子が過剰となってプラズマの中性条件が破れている試料表面近傍の領域をシースと呼ぶ。このシースの厚さは、試料表面に対して均一で、プラズマとシース界面の位置の形状は試料の形状に対応する。
【００１４】
プラズマ中に置いた試料に、プラズマ電位に対し負のバイアス電圧を印加した場合、試料表面に電子が存在しないイオンの過剰な層（イオンシース）が形成される。微小な金属先端を持つ静電プローブ（ラングミュアプローブ）にプラズマ電位程度の正の電圧を印加して試料表面近傍に挿入すると、プラズマ中にプローブ先端がある場合、プラズマ中の電子が静電プローブに流れ込んで電流が流れる。そして、静電プローブを試料に近づけていき、静電プローブがイオンシース中に挿入されると、電子が著しく減少するため電流が減少する。したがって、静電プローブに流れる電流が減少する位置を検知することにより、イオンシースとプラズマ領域との境界面を検知することができる。反対に、試料にプラズマ電位に対して正のバイアス電圧を印加した場合、試料表面には電子シースが形成されるため、プローブに負のバイアス電圧を印加し、電子シースとプラズマ領域との境界面を検知することもできる。
【００１５】
図２は、本発明によるプローブ走査顕微鏡の概略構成図である。容器１中のプラズマ生成領域２には、ガス導入路３からプラズマ生成ガスを導入する。容器１はガス排出路４から真空ポンプ５で排気され、内部のガス圧力は所定の圧力に維持される。プラズマ生成領域２には、マイクロ波発振器６で発生するマイクロ波を、マイクロ波導波管７及びマイクロ波導入窓８を介して導入し、さらに、電磁コイル９を磁界発生用電源１０で励磁して磁界を印加し、電子サイクロトロン共鳴を生じさせて、プラズマを生成する。生成されたプラズマは試料観察領域１１内に拡散し、試料１２の周囲に所要のプラズマ雰囲気を作る。また、試料観察領域１１を挟んで、直流電源１４に接続された直流放電用の一対の平行平板電極１３が配置されている。
【００１６】
試料１２は、容器外に設置するＸＹＺステージ１５の上に設置された試料台１６に搭載して容器１中の試料観察領域１１内に置き、試料バイアス電圧発生装置２０により所要のバイアス電圧を印加する。バイアス電圧発生装置２０は、イオンシースによる観察を行う場合は接地、又はプラズマ電位に対し負の電圧を試料に印加し、電子シースによる観察を行う場合はプラズマ電位に対し正の電圧を試料に印加する。ＸＹＺステージ１５は試料１２を水平方向に二次元走査するＸ，Ｙ軸と、静電プローブ１８との距離を相対的に制御するためのＺ軸からなり、試料台１６は容器１との間をベローズ１７等の可動構造で気密封じし、容器１に対して３次元方向に相対移動できる。
【００１７】
静電プローブ１８は容器壁面に固定保持し、バイアス電圧発生装置２１により所要のバイアス電圧を印加する。バイアス電圧発生装置２１は、イオンシースによる観察を行う場合はプラズマ電位に対し正の電圧（１０〜２０ボルト程度）を静電プローブに印加し、電子シースによる観察を行う場合はプラズマ電位に対し負の電圧（数ボルト〜マイナス数ボルト）を静電プローブに印加する。静電プローブ１８を流れる電流は電流検出器２２で検出する。なお、静電プローブ１８はＳＴＭ用のプローブとして用いることもでき、その時のプローブ電流は電流検出器２２より増幅率の大きなトンネル電流検出器２６を用いて検出する。
【００１８】
図３は、試料１２と静電プローブ１８先端の距離を変化させたとき、静電プローブ１８に流れる電流の変化を示す図である。静電プローブ１８の先端がプラズマ中にあるときには電流が流れ、シース中にあるときには電流が流れない。静電プローブ１８に流れる電流を電流検出器２２により検出増幅し、試料位置の制御は、電流が図３に示す動作点電流より大きいときにはステージ１５を上方（静電プローブ１８に近づく方向）に、電流が小さいときにはステージ１５を下方（静電プローブ１８から遠ざかる方向）に移動させるように、ステージＺ軸制御装置２３を用いてフィードバック制御する。これにより、静電プローブ１８の先端は、常時シース界面位置に保持される。
【００１９】
図４は、プラズマ中の試料近傍に形成されるシースと、プラズマ中を走査するプローブの走査位置を示す概略図である。
電流検出器２２により検出される静電プローブ１８の検出電流がゼロから電子飽和電流の間の任意の一定値になるように、試料１２に対する静電プローブ１８の垂直方向位置を制御し、プローブ先端が常にシース境界に保持されるように制御しながら、ＸＹＺステージ１５をステージＸＹ軸制御装置１９により水平（Ｘ，Ｙ）軸方向に走査すると、Ｚ軸は静電プローブ１８の先端がシース界面の凹凸をトレースするように上下する。ＸＹＺステージ１５のＸＹＺ軸座標値を画像処理装置２４に入力し、ＸＹ軸座標値を平面位置、Ｚ軸座標値を高さ方向位置として、画像を形成し表示装置２７に表示する。前述のように、シース界面の凹凸は試料１２表面の凹凸とほぼ同一であるので、試料の表面形状を画像として形成することができる。形成された画像の倍率は、表示画像の寸法と、ＸＹ走査の幅の比である。ＸＹＺステージ１５のＺ軸は、微小な試料表面の凹凸を精度よくトレースするために、圧電素子を使用するのが良い。ＸＹ軸は、モーターと送りねじの組合せで最小０．１マイクロメートル程度の制御が可能で、さらに小さい範囲が必要な場合には圧電素子の使用が望ましい。
【００２０】
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、シース界面をトレースする試料・プローブ間距離制御方法によるため、シースの厚さが、試料・プローブ間距離に対応する。シースの厚さはＣｈｉｌｄ−Ｌａｎｇｍｕｉｒの法則から見積もられるプラズマのデバイ長λＤ（下記（１）式参照）の数倍程度である。ここで、ε０：真空の誘電率、ｎ：プラズマ密度［／ｃｍ３］である。
【００２１】
【数１】
2004077146.tif 000003
【００２２】
上記（１）式から、プラズマ密度ｎを高く、電子温度Ｔｅを低くすれば、シース厚さは薄くなり、反対にプラズマ密度ｎを低く、電子温度Ｔｅを高くすれば、シース厚さは厚くなることが分かる。この物理現象を応用し、プローブ・試料間距離を試料に適するように制御する。また、本発明の走査型プローブ顕微鏡において、試料表面構造を検出する平面方向の忠実度（空間分解能）は、ほぼシース厚さ程度となり、シースが薄いほど忠実度は向上し、高さ方向の忠実度はシース厚さの１／１０程度が期待できる。
【００２３】
試料表面形状をどれだけ忠実に検知できるかは、静電プローブ１８の先端の大きさと、形成されるシースの厚さに依存する。シース厚さが薄く、プローブ先端が極小さいほど、検出されたシース境界の凹凸と試料表面の凹凸との対応性が向上する。
【００２４】
プラズマとシースの境界を検知するために使用するプローブは、金属線の先端部を必要とされる分解能に応じて電解研磨等で直径０．０５マイクロメートル程度から１ミリメートル程度に細く成型し、先端の曲率半径を極小さくし、先端部分以外を電気絶縁物で被覆した静電プローブを用いる。プラズマ中での検出電流は、下記（２）式のように示すことができる。ここで、Ｓｐ：プローブ先端表面積、ｅ：電気素量［Ｃ］、ｎｅ：電子密度［／ｃｍ３］、Ｔｅ：電子温度［ｅＶ］、ｋ：ボルツマン定数、ｍｅ：電子質量である。
【００２５】
【数２】
2004077146.tif 000004
【００２６】
したがって、十分な検出電流を得るためには、プローブ先端部を表面積Ｓｐを広く、プラズマ密度を高くすることが有効である。一方、走査プローブ顕微鏡としての空間分解能の向上のためには、プローブ先端部を極小さくしておくことが望ましい。
【００２７】
図５に、静電プローブの断面形状の一例を示す。この例の静電プローブ１８は、タングステンワイヤの先端を電解研磨で細く成型し、先端部以外をセラミックで被覆したものである。先端の曲率半径を０．１マイクロメートル程度まで細くすることが可能である。また、プローブ先端の表面にイオンエッチングを施し、ざらつきを持たせてプローブ先端の表面積を増やすことで、分解能を落とすことなく、電流検出効率を数１０パーセント程度向上させる。また、検出系とは別にプローブのセラミック皮膜の内側にてタングステンワイヤ周囲に巻きつけたヒーターに電流を流す電源を備え、プローブの導電部全体を加熱し、付着した汚染物を加熱し除去することを可能にする。
【００２８】
時間的に定常で安定したシースを形成する方法のひとつは、試料観察室にガス導入炉からプラズマ生成用ガスを導入し、マイクロ波を入射して、さらに電子サイクロトロン共鳴が生じるに充分な外部磁界を印加することにより、ＥＣＲプラズマをプラズマ源とする方法である。ＥＣＲプラズマをプラズマ源とする場合、作動ガスがＡｒ、圧力１０−２Ｐａ、マイクロ波周波数２．４５ＧＨｚ、外部磁場０．１Ｔの場合、プラズマ密度は１０１１／ｃｍ３、電子温度は１ｅＶ程度である。このときプローブ先端導電部面積を５×１０−６ｍｍ２程度とすると、プラズマ中で検出される電流は上記（２）式より十ナノアンペア程度、シース厚さは数十マイクロメートルであると見積もることができる。測定は、検出電流を一定値、例えば５ナノアンペアになるように試料・プローブ間距離を制御し、トレースすることで行う。期待できる空間分解能は、シース厚さが支配的で、水平方向が１０マイクロメートル程度、高さ方向は１マイクロメートル程度である。
【００２９】
プローブ・試料間距離の制御、及び分解能の向上のためには、シースの厚さを変化させることで対応できる。分解能向上のためにはマイクロ波のエネルギーを増大させ、外部磁界を強くし、プラズマ密度を高くし、シースを薄くすることが有効である。さらに分解能を向上したい場合は、図２に示すように、プラズマ領域を挟む対向位置に１対の平行平板電極１３を設置し、該電極間に電源１４から直流電圧を印加することにより、ＥＣＲプラズマとともに電極１３間に直流放電プラズマを生成させ、試料近傍でのプラズマ密度を増大させ、シースを薄くする手法も有効である。
【００３０】
これにより、プラズマ密度は１０１２／ｃｍ３程度に増大し、シース厚さは数マイクロメートルとなり、プラズマ中で検出される電流は０．１マイクロアンペア、空間分解能は水平方向１マイクロメートル、高さ方向０．１マイクロメートル程度が可能である。これに対し、ＳＴＭにおいて検出されるトンネル電流は試料極近傍１ナノメートル以下の位置で、１ナノアンペア程度であるため、本発明の走査型プローブ顕微鏡が、試料から離れた位置で効率よく電流検出できることが分かる。
【００３１】
一方、プローブ・試料間距離をより長くし、プローブ先端と試料の接触を極力抑制したい場合には、マイクロ波発振機６で発生するマイクロ波のエネルギーを低くする、容器１に導入するプラズマ生成ガスの量を少なくする、磁界発生用電源１０による励磁磁界を小さくする等によりプラズマの特性を変化させ（プラズマ密度を低くし）、シースを厚くすることが有効である。本発明の走査型プローブ顕微鏡のプローブ・試料間距離はシースの厚さに相当することから、プローブ・試料間距離は十分長くなり、その制御範囲は数マイクロメートルから数センチメートルとなる。これにより、試料間距離をプローブ先端と試料の接触がないように制御することができる。
【００３２】
また、前述のように本発明の走査プローブ顕微鏡はプラズマ特性を変化させることでプローブ・試料間距離を任意に設定できるため、本発明の走査型プローブ顕微鏡とＡＦＭやＳＴＭなど他の走査型プローブ顕微鏡とを組み合わせることで、ＡＦＭやＳＴＭなど他の走査型プローブ顕微鏡の観察効率を向上させることも可能である。ＡＦＭやＳＴＭは、原理的に、十分なトンネル電流もしくは原子間力を検出するためには、プローブ先端と試料表面の間隔を１ナノメートル程度に近づける必要がある。そこで、ＡＦＭやＳＴＭ等の走査型プローブ顕微鏡によるナノメートルオーダの試料微細構造観察の前に、真空容器中にプラズマを生成し、本発明の走査型プローブ顕微鏡のプローブ・試料間距離を十分大きく設定して試料形状の観察を実施することで、ＡＦＭやＳＴＭ等におけるプローブと試料の接触を抑制することが可能である。
【００３３】
この際、設定するプローブ・試料間距離を、前述した手段によりＡＦＭやＳＴＭのプローブ・試料間距離に対し十分大きい数マイクロメートル程度とし、図２のバイアス電圧発生装置２１によりプローブに印加するバイアス電圧を数１０ボルトに設定することで、０．１〜１０マイクロメートルオーダの試料表面構造を観察し、図２の記憶装置２５に記憶する。
【００３４】
次に、真空容器からプラズマを除去後、トンネル電流を検出するためプローブに印加するバイアス電圧を数ボルトに設定する。記憶したデータからプローブ及び試料の損傷原因となる特異的なヒゲ状の凸部を事前に推測し、図２のステージＸＹ軸制御装置１９、ステージＺ軸制御装置２３にフィードバックすることにより、ＡＦＭやＳＴＭ等においてプローブ先端が試料表面近傍をトレースする際の、プローブと試料の接触の可能性を低減する。また、予め０．１〜１０マイクロメートルオーダの試料形状が検知できることから、試料構造の予測によりトレース時間の短縮も可能になる。特にＳＴＭと組み合わせる場合、プラズマ中で検出される電流は、トンネル電流よりも数桁大きくなるため、図２における電流検出器２２による増幅回路と、ＳＴＭにおけるトンネル電流の検出のため増幅率の高いの電流検出器２６による増幅回路をそれぞれ選択することで、同一の静電プローブ１８での両方式による観察も可能になる。
【００３５】
また、プラズマを除去することなく、ＳＴＭによりプラズマ雰囲気中でトンネル電流を検出し観察を行う場合、試料表面とプローブ先端距離に対する静電プローブ電流は図６のようになる。数１０ボルトに印加したプローブ１８の先端を試料表面に近づけていったときに、プラズマ中で検出される電流が一旦マイクロアンペアレベルで減少するので、その後バイアス電圧を数ボルトに設定する。さらに試料表面に静電プローブを近づけていったときに、ナノアンペアレベルでトンネル電流を検出することも可能である。
【００３６】
なお、上記実施の形態では、静電プローブを装置に固定し、試料を保持する試料台を静電プローブに対して移動させる構成を取ったが、逆に試料台を装置に対して固定し、静電プローブを試料台上の試料に対して移動させるようにしてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、プラズマ中の試料近傍に形成されるシースとプラズマとの界面をトレースすることにより試料微細形状の観察を可能にするものである。試料表面とプローブの間隔はマイクロメートルオーダであるので、完全に非接触の状態で、高さ方向を精度よく測定することができる。また、他方式の走査型プローブ顕微鏡と組合せ粗観察を行うことで、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）等の観察効率を向上させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】試料表面に形成されるシースとプラズマの分布と電位分布を示す概略図。
【図２】本発明における走査型プローブ顕微鏡装置の概略図。
【図３】試料表面に形成されるシースとプラズマの分布と、試料からの距離に対する静電プローブの検出電流を示す概略図。
【図４】プラズマ中の試料近傍に形成されるシースと、プラズマ中を走査するプローブの走査位置を示す概略図。
【図５】本発明に使用する静電プローブの一例を示す概略図。
【図６】試料表面に形成されるシースとプラズマの分布の概略図と、検出電流におけるプラズマ中の電流とトンネル電流の違いを示す図。
【符号の説明】
１…真空容器、２…プラズマ生成領域、３…ガス導入路、４…ガス排出路、５…真空ポンプ、６…マイクロ波発振機、７…マイクロ波導波管、８…マイクロ波導入窓、９…電磁コイル、１０…磁場発生用電源、１１…試料観察領域、１２…試料、１３…平行平板電極、１４…平行平板電極用電源、１５…ＸＹＺステージ、１６…試料台、１７…ベローズ、１８…静電プローブ、１９…ステージＸＹ制御装置、２０…試料バイアス電圧発生装置、２１…プローブバイアス電圧発生装置、２２…電流検出器、２３…ステージＺ軸制御装置、２４…画像処理装置、２５…試料構造記憶装置、２６…トンネル電流検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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