CN106229247B - 扫描探测显微镜 - Google Patents

Abstract

提供一种当向与外界气体隔断的测量室内的扫描探测显微镜输送试料台并向3维移动机构装接时、抑制在3维移动机构上作用过度的载荷的扫描探测显微镜。在具备悬臂、试料台、使试料台移动的3维移动机构和具有能够与外界气体隔断的内部空间的测量室的扫描探测显微镜中，在测量室的内部至少收纳有悬臂、试料台和3维移动机构，测量室具备用来输送试料台的一对导轨，试料台具备能够在导轨上行进的卡合部，3维移动机构配置在既定位置附近，能够横跨一对导轨之间向该导轨的上下移动，如果试料台被输送到既定位置，则3维移动机构从导轨的下方上升来被装接到试料台的下表面上，使扫描探测显微镜能够进行测量。

Description

扫描探测显微镜

技术领域

本发明涉及将试料与外界气体隔断来探测测量的扫描探测显微镜。

背景技术

扫描探测显微镜是使探针与试料表面接近或接触来测量试料的表面形状及物性的。并且，有想要将试料不与空气中的氧、水分等接触来进行探测测量、或想要在既定的气体环境或真空状态下进行探测测量的要求。

所以，开发了在能够进行气体置换的球形箱状的腔体（室）内配置扫描探测显微镜、将扫描探测显微镜在既定的环境气体中测量的技术（专利文献1）。此外，开发了当向在真空中进行测量的分析装置内导入试料时在试料保持器上盖上试料盖、以便能够在保持着试料的真空的原状下向分析装置内导入试料的技术（专利文献2）。

专利文献1：日本特许第2612395号公报。

专利文献2：日本特开2001－153760号公报。

可是，在扫描探测显微镜中，将载置着试料的试料台装接到3维移动机构上，相对于与试料对置配置的悬臂，借助3维移动机构使试料相对移动来进行与悬臂的对位，或在保持着悬臂与试料的距离或力等的状态下进行测量。这里，3维移动机构（扫描器）由陶瓷制的压电元件等构成，如果作用有过度的载荷则容易破裂，所以需要向3维移动机构慎重地设置试料。

但是，在专利文献1记载的技术的情况下，由于以人手经由安装在球形箱上的橡胶手套进行作业，所以当向3维移动机构设置试料时有可能作用过度的载荷。

此外，在专利文献2中，记载了当向扫描电子显微镜（SEM）等的通常的分析装置内导入试料时将配置有试料的输送用试料容器经由导轨向试料导入室、闸阀依次输送的技术，但关于减小向被保持为真空或既定气体环境的扫描探测显微镜内的3维移动机构载置试料时的载荷的方法没有记载。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而做出的，目的是提供一种当向与外界气体隔断的测量室内的扫描探测显微镜输送试料台并向3维移动机构装接时、抑制在3维移动机构上作用过度的载荷的扫描探测显微镜。

为了实现上述目的，本发明的扫描探测显微镜具备悬臂、试料台、3维移动机构和测量室，前述悬臂设有相对于试料的表面接触或接近的探针，前述试料台设置前述试料，前述3维移动机构使该试料台3维移动，前述测量室具有能够与外界气体隔断的内部空间，其特征在于，在前述测量室的内部中至少收纳有前述悬臂、前述试料台和前述3维移动机构，前述测量室具备导入口和一对导轨，前述导入口用来导入前述试料台，前述一对导轨用来将从前述导入口导入的前述试料台向前述测量室的内部的既定位置输送，前述试料台具备能够与前述导轨卡合来在该导轨上行进的卡合部，前述3维移动机构配置在前述既定位置附近，能够跨越前述一对导轨之间向该导轨的上下移动，如果向前述既定位置输送前述试料台，则前述3维移动机构从前述导轨的下方上升来被装接到前述试料台的下表面上，使前述扫描探测显微镜能够进行测量。

根据该扫描探测显微镜，由于在将试料台输送到既定位置后，只要使3维移动机构上升来装接到试料台上就可以，所以在输送途中试料台不会意外接触到3维移动机构，能够抑制在3维移动机构上作用过度的载荷。此外，只要将试料台用导轨输送到既定位置，与3维移动机构的定位就完成，所以向3维移动机构的试料台的装接变容易。

也可以是，前述试料台具备输送卡合部，前述输送卡合部具有在前述试料台的行进方向上离开的前表面和后表面，前述测量室具有输送机构，前述输送机构能够从该测量室的外部操作来在该测量室的内部中沿着前述行进方向进退，并且一边在前述输送卡合部的前述后表面与前述前表面之间游隙嵌合一边卡合来输送前述试料台。

根据该扫描探测显微镜，在输送卡合部卡合上，输送机构一边游隙嵌合一边卡合，所以相比例如将两者螺纹连接的情况，即使输送机构和输送卡合部的位置稍稍偏差，也能够将两者容易地卡合。此外，在由输送机构进行的试料台的输送中螺纹脱离的情况下，再连接很困难，但在本实施方式中，仅使输送机构游隙嵌合在输送卡合部上就可以，所以在输送中进行再卡合也较容易，能够在输送中可靠地卡合。此外，由于两者游隙嵌合，所以即使在输送中勉强施加力，与将两者借助螺纹连接等牢固地连接的情况相比，也能够抑制例如杆状的输送机构弯折。

也可以是，具备粗动机构，前述粗动机构连接在前述3维移动机构的下方，与该3维移动机构相比向上下较多地移动，前述3维移动机构借助该粗动机构的上下移动，能够相对于前述导轨上下地移动。

3维移动机构向上下的移动量较微小的情况较多，根据该扫描探测显微镜，经由比3维移动机构向上下更多地移动的粗动机构使3维移动机构上下移动，所以能够将3维移动机构相对于导轨可靠地上下移动。

也可以是，还具有试料盖，前述试料盖覆盖在前述试料台的上表面上，将前述试料与外界气体隔断来密闭，前述测量室具有盖拆装机构，前述盖拆装机构能够从该测量室的外部操作来在该测量室的内部中上下进退，并且卡口结合于前述试料盖来将该试料盖在前述测量室内拆装。

根据该扫描探测显微镜，通过借助卡口结合使盖拆装机构旋转，能够与试料盖容易地拆装，所以在将盖拆装机构在测量室内安装到试料盖上、或借助盖拆装机构在测量室内将试料盖拉起而从试料台拆下后，能够容易且可靠地进行将盖拆装机构从试料盖拆下的作业。

也可以是，前述测量室具有主室、试料台导入室，前述主室收纳前述悬臂、前述试料台和前述3维移动机构，前述试料台导入室具有前述导入口并且内容积比前述主室小，与前述主室连通，前述导轨从前述试料台导入室朝向前述主室没有切缝地延伸。

根据该扫描探测显微镜，通过在除了主室之外的另外的部位设置试料台导入室，当将试料台向测量室插入时，不需要将主室自身大型化，能够减小主室的内容积、以及包括试料台导入室的测量室整体的内容积。

此外，如果在试料台导入室与主室之间设置闸阀来将两者气密地隔断，则导轨被闸阀中断，所以在输送时需要注意使得在该部位试料台不从导轨脱落，而在本实施方式中，由于使试料台导入室与主室连通，将导轨没有接缝（不中断）地设置，所以输送时的作业变容易。

根据本发明，当向与外界气体隔断的测量室内的扫描探测显微镜输送试料台来向3维移动机构装接时，能够抑制在3维移动机构上作用过度的载荷。

附图说明

图1是有关本发明的实施方式的扫描探测显微镜的块图。

图2是试料台的立体图。

图3是测量室的俯视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

另外，在以下的说明中，所谓“前后”方向，是在导轨110上行进的试料台10的行进方向F，设测量室100内的距3维移动机构11较近侧为“前侧”，设距3维移动机构11较远侧为“后侧”。此外，“朝前表面”是朝向3维移动机构11的面。

图1是有关本发明的实施方式的扫描探测显微镜200的块图。另外，图1（a）是扫描探测显微镜200的整体图，图1（b）是悬臂1附近的局部放大图。

在图1（a）中，扫描探测显微镜200具有在末端具有探针99的悬臂1、载置试料300的试料台10、3维移动机构（扫描器）11、粗动机构12、检测表示悬臂1的位移的信号的位移检测系统50、具有能够与外界气体隔断的内部空间的测量室100、控制机构（探测显微镜控制器24、计算机40）等。

测量室100连接在真空泵120及环境气体导入部130上，能够将测量室100的内部保持为真空、减压及既定的气体环境等。测量室100具有主室102、和连通到主室102且内容积比主室102小的试料台导入室104，主室102与试料台导入室104经由小径的颈部103连通。

并且，在本实施方式中，悬臂1（及斜面块2）、试料台10、3维移动机构11及粗动机构12收纳在主室102的内部中，但只要至少悬臂1（及斜面块2）、试料台10、3维移动机构11收纳在测量室100的内部中就可以。收纳到测量室100的内部中的扫描探测显微镜200的构成部分越少，越能够使测量室100的内容积变小，能够将测量室100的内部稳定地保持为真空或既定的气体环境。

另外，在主室102的上盖102a上设有玻璃制的窗102w，安装在上盖102a的内表面上的悬臂1面对窗102w。并且，能够经由窗102w从主室102的上方的位移检测系统50向悬臂1的背面照射激光。

计算机40具有用来控制扫描探测显微镜200的动作的控制基板、CPU（中央控制处理装置）、只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）、硬盘等的存储机构、接口、操作部等。

另外，扫描探测显微镜200为悬臂1被固定、将试料300侧扫掠的试样扫掠方式，悬臂1位于试料台10的上侧。试料300侧被固定、将悬臂1扫掠的臂扫掠方式的扫描探测显微镜通常与试样扫掠方式相比是大型的，必须使测量室100的内容积更大，所以优选的是试样扫掠方式。

探测显微镜控制器24具有后述的Z控制电路20、X、Y、Z输出放大器22、粗动控制电路23。探测显微镜控制器24连接在计算机40上，能够进行数据的高速通信。计算机40控制探测显微镜控制器24内的电路的动作条件，将测量出的数据读取控制，实现悬臂1的表面形状测量、表面物性测量、力曲线测量等。

粗动机构12使3维移动机构11及其上方的试料台10大体地上下移动，借助粗动控制电路23控制动作。3维移动机构11向上下及左右的移动量较微小的情况较多，但通过经由比3维移动机构11向上下更多地移动的粗动机构12使3维移动机构11上下移动，能够如后述那样将3维移动机构11相对于导轨110可靠地上下移动。

粗动机构12的具体的上下移动能够利用借助步进马达和进给丝杠动作的构造来进行，但粗动机构12的构造并不限于此。

3维移动机构11是使试料台10（及试料300）3维地移动（微动）的，为具备将试料台10分别在xy（试料300的平面）方向上扫描的两个（两轴的）压电元件11a、11b、和将试料台10在z（高度）方向上扫描的压电元件11c的圆筒。压电元件是如果施加电场则结晶（結晶）应变、如果在外力下使结晶强制地应变则产生电场的元件，作为压电元件，通常可以使用作为陶瓷的一种的PZT（钛酸锆酸铅），但3维移动机构11的形状及动作方法并不限于此。此外，也可以在粗动机构12与3维微动机构11之间设置比3维移动机构11在左右（XY方向）上更多地移动的XY移动机构，向XY方向也粗动。通过这样，在试料台10能够载置大型试料的情况下，能够进行向测量位置的粗对位。

压电元件11a～11c连接在X、Y、Z输出放大器22上，从X、Y、Z输出放大器22输出既定的控制信号（电压），将压电元件11a、11b分别向xy方向驱动，将压电元件11c向z方向驱动。向压电元件11c输出的电信号在探测显微镜控制器24中被检测到，作为测量数据被读取。

悬臂1与悬臂尖端部8的侧面接触，构成悬臂弹簧的构造。悬臂尖端部8被悬臂尖端部推压体9推压在斜面块2上。

并且，激光被从激光源30向分光反射镜31入射而被照射到悬臂1的背面上，从悬臂1反射的激光被反射镜32反射而被位移检测器5检测到。位移检测器5例如是4分光检测器，悬臂1的上下（z方向）的位移量作为从悬臂1反射的激光的光路的变化（入射位置）而被位移检测器5检测到。

位移检测器5的电信号的振幅穿过预放大器7而被适当放大，被向Z控制电路20输入。Z控制电路20向Z输出放大器22的Z信号部传递控制信号，Z信号部输出将压电元件11c向z方向驱动的控制信号（电压），使得探针99与试料300的距离及力与目标值一致。即，将借助作用在试料300与探针99之间的原子间力产生的悬臂1的位移用上述机构检测，使3维移动机构11c发生位移，控制探针99与试料300的距离及力。并且，在该状态下，用X、Y、Z输出放大器22使3维移动机构11a、11b在xy方向上位移来进行试料300的扫掠，将表面的形状及物性值映射（マッピング）。

另外，激光源30、分光反射镜31、反射镜32、位移检测器5及预放大器7构成位移检测系统50。

并且，对于试料台10的xy面内的位移，从试料台10的高度的位移将3维形像显示到计算机40上，通过进行解析及处理，能够作为探测显微镜动作。另外，虽然没有图示，但如果进行例如将斜面块2连接到振荡器上来使悬臂振动的DFM测量模式，则也能够根据共振状态的相位的值取得相位像，借助与振动振幅的目标值的差取得误差信号像，根据探针试料间的物性取得多功能测量像。

接着，参照图1～图3，对作为本发明的特征部分的试料台10及测量室100进行说明。图2是试料台10的立体图，图3是测量室100的俯视图。

如图2所示，试料台10被夹持在前侧（图2的右侧）呈以圆弧状带有圆度的大致矩形板状、截面为L字形的一对导轨110、110之间。并且，试料台10的侧面10c及底面10d与导轨110卡合（接触），能够在导轨110上行进（滑动）。另外，两导轨110的L字的拐角部朝向外侧。

侧面10c及底面10d相当于技术方案中的“卡合部”。

此外，试料台10的上表面的中央部10p以圆柱状突出，在中央部10p的表面上载置试料300。并且，上表面侧被闭塞的圆筒状的试料盖15以将中央部10p包围的方式覆盖在试料台10的上表面上，将试料300与外界气体隔断而能够密闭。另外，在试料盖15的内侧面上设有槽，在该槽中装接密封部件（O形圈）15r，将与中央部10p的侧面之间气密地密封。

进而，在试料盖15的上表面中央，设有卡口连接器（BNC连接器）15b，能够与设置于后述的盖拆装杆（盖拆装机构）150的末端的阳连接器150b进行卡口结合。卡口结合在至少一方的结合部设有爪（凸起），在另一方的结合部的空隙及缺口部位中插入爪，通过原样旋转，拆装变容易。此外，也有在两方的结合部处设有爪（凸起）的类型。

另一方面，在试料台10的后端（图2的左侧），设有从上方观察为大致C字形的输送卡合部10a。这里，由于输送卡合部10a的C字的缺口部10g的间隔G比钩140b的直径d大，所以通过使输送杆140在轴向上旋转以使钩140b的长度方向处于上下方向，能够将钩140b插入到缺口部10g中。此外，由于钩140b的长度方向的长度W比间隔G长，比输送卡合部10a的内表面的宽度方向的长度d短，所以如果在将钩140b插入到缺口部10g中之后使输送杆140在轴向上旋转90度，则钩140b不会从输送卡合部10a的内部脱离，能够将钩140b卡合到输送卡合部10a中。

进而，由于输送卡合部10a的内表面的朝前表面10f与朝后表面10b的间隔L比钩140b的直径d大，所以钩140b在朝前表面10f与朝后表面10b之间一边游隙嵌合（遊嵌）一边卡合。由此，相比例如将输送杆140与输送卡合部10a螺纹连接的情况，即使输送杆140与输送卡合部10a的位置稍稍偏差也能够将两者容易地卡合。此外，在由输送杆140进行的试料台10的输送中螺纹脱离的情况下，再连接是很困难的，但在本实施方式中仅使钩140b游隙嵌合在输送卡合部10a的内部中就可以，所以在输送中再卡合也较容易，在输送中能够可靠地卡合。此外，由于钩140b与输送卡合部10a游隙嵌合，所以即使在输送中勉强施加力，相比将输送杆140与输送卡合部10a用螺纹连接等牢固地连接的情况，也能够抑制输送杆140弯折。

接着，对测量室100的结构进行说明。

测量室100具有主室102和经由颈部103连通到主室102的外侧、内容积比主室102小的试料台导入室104。此外，在主室102和试料台导入室104的底部，安装着以从试料台导入室104朝向主室102没有切缝的方式延伸的上述一对导轨110、110。

如果在试料台导入室104与主室102之间设置闸阀，则导轨110、110被闸阀中断，所以在输送时需要注意，以使得在该部位试料台10不会从导轨110脱落，但在本实施方式中，由于使试料台导入室104与主室102连通，将导轨110没有中断地设置，所以输送时的作业变得容易。

此外，通过在除了主室102之外的另外的部位设置试料台导入室104，当将试料台10向测量室100插入时，不需要使主室102自身大型化，能够减小主室102的内容积、以及包括试料台导入室104的测量室100整体的内容积。

主室102呈大致圆筒状，上盖102a将上表面的圆形的中央开口102h闭塞。在上盖102a上设有玻璃制的窗102w，在上盖102a的内表面上安装着斜面块2，能够在斜面块2上装接悬臂1。另外，上盖102a借助铰链102L，能够开闭地安装在主室102的上表面上。

一对导轨110、110面向中央开口102h，在导轨110、110的末端（图3的右侧）安装着将试料台10卡止的挡块110S。进而，在中央开口102h的中央，在一对导轨110、110之间开口有圆形的移动机构导入口102j，经由该移动机构导入口102j，3维移动机构11能够跨越一对导轨110、110之间在导轨110、110的上下移动（突出和收回（突没））。

试料台导入室104呈箱型，上盖104a将上表面的圆形的导入口104h闭塞。在上盖104a上，安装着在上下方向上贯通的上述盖拆装杆150。另外，上盖104a借助螺钉能够拆装地安装在试料台导入室104的上表面上。

进而，在试料台导入室104的后端，安装着在前后方向上贯通的后述输送杆（输送机构）140。

另外，虽然没有图示，但在与导轨110交叉的试料台导入室104的两个侧面上，设有由能够辨识试料台导入室104的内部的透明部件形成的窗。

接着，对将试料台10插入到测量室100中来输送的方法进行说明。

首先，准备预先被试料盖15覆盖、将试料300与外界气体隔断来密闭的试料台10。接着，将试料台导入室104的上盖104a拆下，从导入口104h向试料台导入室104的内部插入试料台10，在一对导轨110、110之间夹持试料台10。另外，此时输送杆140被拉出到比导入口104h靠后侧，使得不与试料台10干涉。

并且，将导入口104h用上盖104a闭塞，将测量室100的内部整体用真空泵120抽真空，再根据需要从环境气体导入部130导入既定的气体。接着，借助盖拆装杆150的上端的把手150a，从测量室100的外部操作盖拆装杆150，使盖拆装杆150朝向试料台导入室104的下方行进，将盖拆装杆150的末端的阴连接器150b与试料盖15的卡口连接器15b卡口结合。此时，由于测量室100的内部的压力被调整为与试料盖15的内侧的压力大致相同，所以通过将盖拆装杆150向上方拉起，能够将试料盖15从试料台10简单地拆下。

接着，借助输送杆140的后端的把手140a，从测量室100的外部操作输送杆140，使输送杆140朝向测量室100的前方前进，如上述那样将输送杆140的末端的钩140b与输送卡合部10a卡合（游隙嵌合）。如果进一步使输送杆140朝向测量室100的前方前进，则试料台10在导轨110上行进，抵接在挡块110s上来在既定位置卡止。此时，试料台10位于3维移动机构11的正上方，但3维移动机构11比导轨110、110向下方收缩，不妨碍试料台10的行进。

并且，通过在该状态下使粗动机构12上升，使连接在粗动机构12上的3维移动机构11也上升。由此，通过使3维移动机构11装接在试料台10的下表面上、从轨道上将试料台10抬起，扫描探测显微镜200变得能够进行测量。

这样，在试料台10被输送到既定位置后，只要将经由粗动机构12上升的3维移动机构11装接到试料台10上就可以，所以在输送途中试料台10不会意外接触到3维移动机构11，能够抑制在3维移动机构11上作用过度的载荷。此外，只要将试料台10用导轨110、110输送到既定位置，与3维移动机构11的对位就完成，所以向3维移动机构11的试料台10的装接变容易。

另外，在将试料台10从测量室100取出的情况下，只要以与上述相反的顺序进行就可以。

本发明并不限于上述实施方式，当然包括本发明的思想和范围中包含的各种各样的变形及等价物。

附图标记说明

1 悬臂；10 试料台；10a 输送卡合部；10b 后表面；10c、10d 卡合部；10f 前表面；11 3维移动机构；15 试料盖；99 探针；100 测量室；102 主室；104 试料台导入室；104h 导入口；110 导轨；140 输送机构；150 盖拆装机构；200 扫描探测显微镜；300 试料；F行进方向。

Claims (5)

1.一种扫描探测显微镜，具备悬臂、试料台、3维移动机构和测量室，前述悬臂设有相对于试料的表面接触或接近的探针，前述试料台设置前述试料，前述3维移动机构使该试料台3维移动，前述测量室具有能够与外界气体隔断的内部空间，其特征在于，

在前述测量室的内部中至少收纳有前述悬臂、前述试料台和前述3维移动机构，

前述测量室具备导入口和一对导轨，前述导入口用来导入前述试料台，前述一对导轨用来将从前述导入口导入的前述试料台向前述测量室的内部的既定位置输送，

前述试料台具备能够与前述导轨卡合来在该导轨上行进的卡合部，

前述3维移动机构配置在前述既定位置附近，能够跨越前述一对导轨之间向该导轨的上下移动，

如果向前述既定位置输送前述试料台，则前述3维移动机构从前述导轨的下方上升来被装接到前述试料台的下表面上，使前述扫描探测显微镜能够进行测量。

2.如权利要求1所述的扫描探测显微镜，其特征在于，

前述试料台具备输送卡合部，前述输送卡合部具有在前述试料台的行进方向上离开的前表面和后表面，

前述测量室具有输送机构，前述输送机构能够从该测量室的外部操作来在该测量室的内部中沿着前述行进方向进退，并且一边在前述输送卡合部的前述后表面与前述前表面之间游隙嵌合一边卡合来输送前述试料台。

3.如权利要求1或2所述的扫描探测显微镜，其特征在于，

具备粗动机构，前述粗动机构连接在前述3维移动机构的下方，与该3维移动机构相比向上下较多地移动，

前述3维移动机构借助该粗动机构的上下移动，能够相对于前述导轨上下地移动。

4.如权利要求1或2所述的扫描探测显微镜，其特征在于，

还具有试料盖，前述试料盖覆盖在前述试料台的上表面上，将前述试料与外界气体隔断来密闭，

前述测量室具有盖拆装机构，前述盖拆装机构能够从该测量室的外部操作来在该测量室的内部中上下进退，并且卡口结合于前述试料盖来将该试料盖在前述测量室内拆装。

5.如权利要求1或2所述的扫描探测显微镜，其特征在于，

前述测量室具有主室、试料台导入室，

前述主室收纳前述悬臂、前述试料台和前述3维移动机构，

前述试料台导入室具有前述导入口并且内容积比前述主室小，与前述主室连通，

前述导轨从前述试料台导入室朝向前述主室没有切缝地延伸。