JP4032932B2

JP4032932B2 - 試料表面測定装置

Info

Publication number: JP4032932B2
Application number: JP2002324972A
Authority: JP
Inventors: 道也山口
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: JP2004157071A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は試料表面測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の試料表面測定装置の１つとしてのＳＴＭ(走査型トンネル顕微鏡：Scanning Tunneling Microscope)装置は、試料の表面にプローブを近付けてその間のトンネル電流を検出し、この検出結果に基づいて試料の表面の凸凹を測定している（例えば、非特許文献１参照）。
また、従来のＥＰＭＡ(電子プローブ微小分析：Electron Probe Micro Analysis)装置またはＡＥＳ(オージェ電子分光：Auger Electron Spectroscopy)装置は、試料の表面に電子線を照射し、このとき試料の表面から放出される特性Ｘ線またはオージェ電子を検出し、この検出結果に基づいて試料を構成する元素の種類を測定している。（例えば、非特許文献２参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
河東田隆編著「半導体評価技術」初版、産業図書株式会社出版、
１９８９年２月２８日、ｐ．９２−９６
【非特許文献２】
河東田隆編著「半導体評価技術」初版、産業図書株式会社出版、
１９８９年２月２８日、ｐ．２９３−２９８
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のＳＴＭ装置では、試料の表面の凸凹を測定することはできるが、試料を構成する元素の種類を測定することはできない。一方、上記従来のＥＰＭＡ装置またはＡＥＳ装置では、試料を構成する元素の種類を測定することはできるが、試料の表面の凸凹を測定することはできない。したがって、試料の表面の凸凹および試料を構成する元素の種類を測定する場合には、２台の装置が必要となり、設備費が嵩んでしまうという問題があった。
そこで、この発明は、１台の装置で、試料の表面の凸凹および試料を構成する元素の種類を測定することができる試料表面測定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、引出電極と、該引出電極内に出し入れ可能に設けられたプローブと、前記引出電極から突出された前記プローブを試料の表面に近付けてその間のトンネル電流を検出し、この検出結果に基づいて前記試料の表面の凸凹を測定する凸凹測定手段と、前記プローブを前記引出電極内に収納させた状態でその間に引出電圧を印加して前記プローブの先端部から放出される電子線を試料の表面に照射し、このとき前記試料の表面から放出される特性Ｘ線を測定する元素測定手段とを有することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記引出電圧は３．５〜４．５ｋＶ程度であることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記プローブはタングステンからなり、前記引出電極はステンレス鋼からなることを特徴とするものである。
そして、この発明によれば、１つのプローブを試料の表面の凸凹を測定するときも試料を構成する元素の種類を特性Ｘ線を検出することによって測定するときも利用しているので、１台の装置で、試料の表面の凸凹および試料を構成する元素の種類を測定することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１はこの発明の第１実施形態としての試料表面測定装置の概略構成図を示したものである。この試料表面測定装置は、基本的にはＳＴＭ装置にＥＰＭＡ機能を付加したものであり、試料１が載置されるステージ２の上方に配置されたプローブ３および引出電極４を備えている。
【０００７】
プローブ３は、タングステンによって形成され、鋭く尖った先端を有するものからなっている。引出電極４は、ステンレス鋼等の金属によって形成され、先端が細くなった筒状のものからなっている。そして、プローブ３は、例えて言えば、ペン軸の先端部が出し入れ可能なボールペンのように、図２に示すように、全体を引出電極４内に収納された状態と、図３に示すように、先端部を引出電極４から突出された状態とのいずれかに択一的に切り換えられるようになっている。
【０００８】
プローブ３を含む引出電極４は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のピエゾ圧電素子５、６、７によりＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動されるようになっている。Ｘ、Ｙ方向のピエゾ圧電素子５、６は走査回路８により駆動制御されるようになっている。Ｚ方向のピエゾ圧電素子７はフィードバック回路９により駆動制御されるようになっている。
【０００９】
フィードバック回路９は、ステージ２上の試料１とプローブ３との間にトンネル電源１０からトンネル電圧が印加された状態において、試料１とプローブ３との間のトンネル電流をトンネル電流検出回路１１が検出したとき、この検出信号の供給を受けて、トンネル電流が常に一定に保たれるように、Ｚ方向のピエゾ圧電素子７を駆動制御して、プローブ３をＺ方向に変位させるようになっている。この場合、Ｚ方向のピエゾ圧電素子７の駆動を制御する信号（フィードバック電圧）は試料１の表面の凸凹に対応するものであるので、フィードバック回路９はこの駆動制御信号をブラウン管等からなる表示部１２に供給し、表示部１２にＳＴＭ像を表示させるようになっている。
【００１０】
一方、プローブ３と引出電極４との間には引出電圧印加回路１３から引出電圧が印加されるようになっている。この場合、図２に示すように、プローブ３が引出電極４内に収納された状態において、プローブ３と引出電極４との間に３．５〜４．５ｋＶ程度の引出電圧が印加されると、プローブ３の先端部から電界放出により電子線が放出される。このときの電子線のエネルギーは、引出電圧と同等で、特性Ｘ線を励起するのに十分な加速電圧となる。
【００１１】
そして、この電子線がステージ２上の試料１の表面に照射されると、試料１の表面から特性Ｘ線が放出される。ＥＤＳ(Energy Dispersive Spectrometor)検出器等からなる特性Ｘ線検出器１４は、試料１の表面から放出される特性Ｘ線を検出すると、その検出信号を特性Ｘ線データ処理回路１５に供給するようになっている。特性Ｘ線データ処理回路１５は、特性Ｘ線検出器１４からの検出信号に基づいて、特性Ｘ線スペクトル、走査Ｘ線像（元素マッピング）等の処理を行い、その処理結果をブラウン管等からなる表示部１６に表示させるようになっている。
【００１２】
次に、この試料表面測定装置の動作について説明する。まず、ステージ２上の試料１の表面の凸凹を測定する場合について説明する。この場合には、まず、図３に示すように、プローブ３の先端部が引出電極４から突出された状態とし、また引出電極４を接地した状態とし、さらにトンネル電源１０から試料１とプローブ３との間にトンネル電圧を印加する。
【００１３】
そして、引出電極４から突出されたプローブ３の先端部を試料１の表面に近付け、その間のトンネル電流をトンネル電流検出回路１１で検出し、検出信号をフィードバック回路９に供給する。フィードバック回路９は、この検出信号の供給を受けて、トンネル電流が常に一定に保たれるように、Ｚ方向のピエゾ圧電素子７を駆動制御して、プローブ３をＺ方向に変位させる。
【００１４】
すなわち、トンネル電流が常に一定に保たれると、プローブ３の先端部の試料１の表面からの高さが常に一定となり、プローブ３の先端部の実際の高さ（Ｚ方向）位置は試料１の表面の凸凹に追従してＺ方向に変位する。このとき、走査回路８でＸ、Ｙ方向のピエゾ圧電素子５、６を駆動制御してプローブ３を含む引出電極４をＸ、Ｙ方向に移動させると、試料１の表面の凸凹が３次元的に測定され、その凸凹形状つまりＳＴＭ像は表示部１２に表示され、観察することができる。
【００１５】
次に、試料１を構成する元素の種類を測定する場合について説明する。この場合には、まず、試料１が載置されたステージ２、プローブ３、引出電極４、特性Ｘ線検出器１４等の部分は１０−３〜１０−４Ｐａ程度の真空状態とする。また、図２に示すように、プローブ３全体が引出電極４内に収容された状態とし、またトンネル電源１０から試料１とプローブ３との間にトンネル電圧が印加されない状態とする。
【００１６】
そして、引出電圧印加回路１３からプローブ３と引出電極４との間に３．５〜４．５ｋＶ程度の引出電圧を印加する。すると、プローブ３の先端部から電界放出により電子線が放出され、この電子線が試料１の表面に照射されると、試料１の表面から特性Ｘ線が放出される。
【００１７】
特性Ｘ線検出器１４は、試料１の表面から放出される特性Ｘ線を検出すると、その検出信号を特性Ｘ線データ処理回路１５に供給する。特性Ｘ線データ処理回路１５は、特性Ｘ線検出器１４からの検出信号に基づいて、特性Ｘ線スペクトル、走査Ｘ線像（元素マッピング）等の処理を行い、その処理結果を表示部１６に表示させる。そして、この表示から試料１を構成する元素の種類を特定することができる。
【００１８】
以上のように、この試料表面測定装置では、１つのプローブ３を試料１の表面の凸凹を測定するときも試料１を構成する元素の種類を測定するときも利用しているので、１台の装置で、試料１の表面の凸凹および試料１を構成する元素の種類を測定することができ、したがって設備費を低減することができる。
【００１９】
（第２実施形態）
図４はこの発明の第２実施形態としての試料表面測定装置の概略構成図を示したものである。この試料表面測定装置は、基本的にはＳＴＭ装置にＡＥＳ機能を付加したものであり、図１に示す特性Ｘ線検出器１４及び特性Ｘ線データ処理回路１５の代わりに、オージェ電子検出器１７及びオージェ電子データ処理回路１８を備えている。この試料表面測定装置での試料１の表面の凸凹の測定は上記第１実施形態の場合と同じであるので、その説明を省略する。
【００２０】
次に、この試料表面測定装置で試料１を構成する元素の種類を測定する場合について説明する。この場合には、まず、図２に示すように、プローブ３全体が引出電極４内に収容された状態とし、またトンネル電源１０から試料１とプローブ３との間にトンネル電圧が印加されない状態とする。
【００２１】
そして、引出電圧印加回路１３からプローブ３と引出電極４との間に３．５〜４．５ｋＶ程度の引出電圧を印加する。すると、プローブ３の先端部から電界放出により電子線が放出され、この電子線が試料１の表面に照射されると、試料１の表面から特性Ｘ線のほかにオージェ電子も放出される。
【００２２】
オージェ電子検出器１７は、試料１の表面から放出されるオージェ電子を検出すると、その検出信号をオージェ電子データ処理回路１８に供給する。オージェ電子データ処理回路１８は、オージェ電子検出器１７からの検出信号に基づいて、オージェ電子スペクトル、走査オージェ電子像（元素マッピング）等の処理を行い、その処理結果を表示部１６に表示させる。そして、この表示から試料１を構成する元素の種類を測定することができる。
【００２３】
以上のように、この試料表面測定装置でも、１つのプローブ３を試料１の表面の凸凹を測定するときも試料１を構成する元素の種類を測定するときも利用しているので、１台の装置で、試料１の表面の凸凹および試料１を構成する元素の種類を測定することができ、したがって設備費を低減することができる。
【００２４】
なお、上記第１実施形態および第２実施形態では、試料から放出される特性Ｘ線およびオージエ電子を測定する場合で説明したが、これに限らず、反射電子、一次電子、連続Ｘ線など、試料から放出される他の量子を測定する場合にも適用可能である。
【００２５】
（第３実施形態）
図５はこの発明の第３実施形態としての試料表面測定装置の概略構成図を示したものである。この試料表面測定装置は、基本的にはＳＴＭ装置にＳＩＭＳ(２次イオン質量分析：Secondary Ion Mass Spectroscopy)機能を付加したものであり、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のピエゾ圧電素子５、６、７によって直接移動されるプローブ３Ａを備えている。この試料表面測定装置での試料１の表面の凸凹の測定は上記第１実施形態の場合と同じであるので、その説明を省略する。
【００２６】
次に、この試料表面測定装置で試料１を構成する元素の種類を測定する場合について説明する。この場合には、トンネル電源１０から試料１とプローブ３Ａとの間にトンネル電圧が印加されない状態として、高電圧印加回路２１から試料１とプローブ３Ａとの間に数十ｋＶの高電圧を瞬間的に印加する。すると、プローブ３Ａの先端部と試料１の表面との間にグロー放電が瞬間的に発生し、試料１の表面の元素がイオン化される。
【００２７】
四重極質量分析器２２は、試料１の表面から放出される２次イオンの質量を分析し、その分析結果を質量分析データ処理回路２３に供給する。質量分析データ処理回路２３は、四重極質量分析器２２からの分析結果に基づいて、２次イオンの質量スペクトル、イオン像等の処理を行い、その処理結果を表示部１６に表示させる。そして、この表示から試料１を構成する元素の種類を測定することができる。
【００２８】
以上のように、この試料表面測定装置でも、１つのプローブ３Ａを試料１の表面の凸凹を測定するときも試料１を構成する元素の種類を測定するときも利用しているので、１台の装置で、試料１の表面の凸凹および試料１を構成する元素の種類を測定することができ、したがって設備費を低減することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、１つのプローブを試料の表面の凸凹を測定するときも試料を構成する元素の種類を特性Ｘ線を検出することによって測定するときも利用しているので、１台の装置で、試料の表面の凸凹および試料を構成する元素の種類を測定することができ、したがって設備費を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態としての試料表面測定装置の概略構成図。
【図２】プローブを引出電極内に収納させた状態を示す一部の断面図。
【図３】プローブを引出電極から突出させた状態を示す一部の断面図。
【図４】この発明の第２実施形態としての試料表面測定装置の概略構成図。
【図５】この発明の第３実施形態としての試料表面測定装置の概略構成図。
【符号の説明】
１試料
２ステージ
３、３Ａプローブ
４引出電極
５、６、７ピエゾ圧電素子
８走査回路
９フィードバック回路
１０トンネル電源
１１トンネル電流検出回路
１２表示部
１３引出電圧印加回路
１４特性Ｘ線検出器
１５特性Ｘ線データ処理回路
１６表示部
１７オージェ電子検出器
１８オージェ電子データ処理回路
２１高電圧印加回路
２２四重極質量分析器
２３質量分析データ処理回路

Claims

引出電極と、該引出電極内に出し入れ可能に設けられたプローブと、前記引出電極から突出された前記プローブを試料の表面に近付けてその間のトンネル電流を検出し、この検出結果に基づいて前記試料の表面の凸凹を測定する凸凹測定手段と、前記プローブを前記引出電極内に収納させた状態でその間に引出電圧を印加して前記プローブの先端部から放出される電子線を試料の表面に照射し、このとき前記試料の表面から放出される特性Ｘ線を測定する元素測定手段とを有することを特徴とする試料表面測定装置。
請求項１に記載の発明において、前記引出電圧は３．５〜４．５ｋＶ程度であることを特徴とする試料表面測定装置。
請求項１に記載の発明において、前記プローブはタングステンからなり、前記引出電極はステンレス鋼からなることを特徴とする試料表面測定装置。