JP2000298091A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 雰囲気の異なる環境下での像観察を容易に行
えるようにし、かつ設定した環境下での像観察であるか
否かの確認が行えるようにする。 【解決手段】 試料ステージ１７（１９）と、該ステー
ジ上に配置された試料１８に対向して設けられた探針１
６が取り付けられたスキャナー１４と、スキャナーを駆
動する粗動機構１３と、電極端子２０とを一体化して設
けたセルユニット５と、該セルユニットを把持するピン
が先端部に形成された搬送ロッド３とを備え、前記搬送
ロッドによりセルユニットを把持して異なる環境の真空
チャンバ８、９間を移動可能にしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型トンネル顕微
鏡（ＳＴＭ）等の走査型顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来の
ＳＴＭステージは、試料移動機構、探針アプローチ機構
等の駆動機構はステージ部に一体化された固定式構造
で、分離不可能になっていた。そのため雰囲気の異なる
環境下でＳＴＭ像を見たい場合には、個別にチャンバー
ごとにＳＴＭステージをそっくり必要な数だけ構成しな
ければならない。例えば、図２３に示すように、試料ス
テージ２、試料３、探針スキャナー４、粗動機構５が、
それぞれフランジ６に固定されてチャンバ１に装着され
る。このような構成では、超伝導磁石を用い、高磁界、
極低温の中で観察する場合、ＳＴＭステージを超伝導磁
石の中に入れるのは困難である。超伝導磁石を極低温ま
で冷却できるように試料等を入れる口は細く長くなって
いて極低温まで冷やす所は熱容量が小さく設計されてい
る。このような条件のもとでＳＴＭステージを入れるた
めには小さく設計しなければならない。

【０００３】このように、試料温度を室温から低温に変
化させてＳＴＭ像の観察を行うことを考えると、フラン
ジに固定されたＳＴＭユニット全体を設定温度の低温環
境に置くことが理想ではあるが、従来の構成では現実的
ではない。これを実現するには巨大な超高真空かつ冷却
装置の中にフランジユニットを置かなければならず、試
料、探針交換時に再び室温に戻すことを考えると困難で
ある。従って、従来行われているように、ＳＴＭユニッ
トを部分的に冷却することになる。試料ステージ、或い
は、試料ステージに固定された試料ホルダ、或いは試料
ホルダに熱絶縁されて配置された試料のみを設定した温
度に冷却することは可能ではある。しかし、絶えず熱流
入を受け、ＳＴＭ観察を安定させることが難しいなど、
別の問題が生じる。また、試料は設定温度まで冷却でき
たとしても、室温の探針をアプローチさせた場合、すな
わち、ＳＴＭ観察中は、探針と試料面との間に輻射等の
影響を受け、試料温度に疑問が残る。探針も冷却すれば
よいが、室温中で細い探針を低温にすることには、熱流
入が大きく限界がある。

【０００４】また、従来の構成では、温度環境、雰囲気
ガス、蒸着物等が違う異なる環境に試料を置いた時の違
いを明確にすることが難しい。例えば、極低温まで冷却
できる位置に試料を置いた場合、目で観察できないため
試料が本当に設定した環境になっているのかという問題
が絶えず残り、また、細く長い筒の底でのＳＴＭ観察は
ＳＴＭテージを見ることができないため、ＳＴＭ像が良
く見えない場合その原因がどこにあるのか分からなくな
ってしまう。

【０００５】本発明は上記課題を解決するためのもの
で、雰囲気の異なる環境下での像観察を容易に行えるよ
うにするとともに、設定した環境下での像観察であるか
否かの確認が行えるようにすることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本願発明は、試料ステー
ジと、該ステージ上に配置された試料に対向して設けら
れた探針が取り付けられたスキャナーと、スキャナーを
駆動する粗動機構と、電極端子とを一体化して設けたセ
ルユニットと、該セルユニットを把持するピンが先端部
に形成された搬送ロッドとを備え、前記搬送ロッドによ
りセルユニットを把持して異なる環境の真空チャンバ間
を移動可能にしたことを特徴とする。また、本発明は、
異なる環境の各真空チャンバに、前記セルユニットの電
極端子と接続するコネクタが設けられていることを特徴
とする。また、本発明は、コネクタの少なくとも１つは
スライドコネクタであることを特徴とする。また、本発
明は、セルユニット頂部に搬送ロッド先端部のピンと係
合して回転可能なテーパー面が形成された羽根を有する
回転板を備えるとともに、前記真空チャンバ底部壁に固
定ブロックが形成され、前記ピンによる係合を外す搬送
ロッドの回転動作により前記羽根のテーパー面が固定ブ
ロック下面に入り込んでセルユニットが下側に押圧固定
されることを特徴とする。また、本発明は、セルユニッ
トの電極がスプリング内蔵電極からなり、前記固定ブロ
ックによりセルユニットを押圧固定したとき、前記スプ
リング内蔵電極が真空チャンバ側の固定電極と弾性接触
することを特徴とする。また、本発明は、セルユニット
の粗動機構を駆動する回転伝達軸を備え、前記回転伝達
軸に軸方向の長さの変化を吸収する回転伝達継手を設け
たことを特徴とする。また、本発明は、セルユニットの
粗動機構を平歯車を介して駆動する回転伝達軸を備え、
粗動機構と回転伝達軸の平歯車の各歯の全周に渡ってテ
ーパー面を形成したことを特徴とする。また、本発明
は、セルユニット頂部に、搬送ロッドの先端が挿入され
るラッパ状のガイド孔が形成されたガイドを形成したこ
とを特徴とする。また、本発明は、スキャナーの外面３
箇所を平坦面として３点支持し、その中の１点は弾性体
で支持するようにしたことを特徴とする。また、本発明
は、スキャナー中心からずれた位置に試料蒸着用の偏心
孔を形成したことを特徴とする。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は本発明の一例を説明する図で、図１
（ａ）は像観察部を示す図、図１（ｂ）はＳＴＭセルを
示す図である。ＳＴＭセルが置かれる真空容器は、上部
チャンバ９と細長い下部チャンバ８からなっていて、図
示しない真空ポンプにより超高真空に保たれ、上部チャ
ンバ９は常温、下部チャンバ８は液体ヘリウムタンク７
で極低温に保たれている。ＳＴＭセル５は、図１（ｂ）
に示すように、電線や駆動軸が切り離し可能なカートリ
ッジタイプのユニット化されたカプセル構造であり、カ
プセル内に粗動機構１３、スキャナー１４、探針ホルダ
１５、探針１６が設けられ、これに対向して試料１８が
試料ホルダ１７に取り付けられ、カプセルには端子２０
が設けられている。そしてＳＴＭセル５は、トランスフ
ァーユニット１により、上部チャンバ、下部チャンバの
位置へ移動できるようになっている。下部チャンバで
は、セットされた位置において電線や駆動軸がカプセル
に結合され、上部チャンバではステージサポート１１を
介して電線や駆動軸が結合される。ステージサポート１
１はベローズ１２により移動可能で、トランスファーユ
ニット１でＳＴＭセル５を移動するときの妨げにならな
いように構成されている。トランスファーユニット１
は、トランスファーロッド３、チャック４から構成され
ており、回転導入器２を回転することにより、トランス
ファーロッド３が上下し、その先端のチャック４をＳＴ
Ｍセルに結合してＳＴＭセルを移動させる。ゲートバル
ブ１０は他の真空容器との間により試料等の出し入れ時
に開閉するバルブである。

【０００８】このような構成において、まず、トランス
ファーユニット１を操作し、ＳＴＭセル５を上部チャン
バ９の所定位置に移動させてステージサポート１１上に
置くと、ステージサポート１１を介して電線や駆動軸が
ＳＴＭセル５に結合されて常温での観察が行われる。こ
の位置では目視可能であるので、ＳＴＭ像が得られるか
否かの予備観察として位置付けられる。ここで、ＳＴＭ
像が得られることを確認した後、トランスファーユニッ
ト１を操作し、ＳＴＭセルを下部チャンバ８の底部に移
動させる。下部チャンバ８の底部においては、電線や駆
動軸がＳＴＭセル５に結合されて極低温での観察が行わ
れる。この位置ではＳＴＭセル５は目で見ることはでき
ないが、予備観察で正常にＳＴＭ像が得られることが確
認されているので問題はない。万一、ＳＴＭ像が良く見
えない場合でもその原因がどこにあるかのチェックも容
易となる。

【０００９】次に、カプセル化したＳＴＭセルの例と、
これを異なる環境のチャンバに入れる例について説明す
る。図２は本発明のＳＴＭセルの例を示している。ＳＴ
Ｍセルは円筒形あるいは角柱形等からなり、セルの中に
試料ステージ１９に取り付けられて試料ホルダ１７、試
料１８が設けられ、さらに、差動ネジ２１を介して駆動
されるＺ粗動機構１３ａ、Ｘ，Ｙ粗動機構１３ｂからな
る粗動機構、ＰＺＴスキャナー１４、探針ホルダ１５、
探針１６が一体化して組み込まれ、キャップ部分に１６
個の測温用、加熱用等の電極２０が設けられている。こ
のＳＴＭセルを必要な環境に置けば、試料を含めてセル
全体がその環境中にあることになり、その結果、ＳＴＭ
像観察中でも試料面の環境変化もなく、安定したＳＴＭ
像観察が可能となる。

【００１０】図３は図２のＳＴＭセルを異なる環境のチ
ャンバに入れる例を示す図である。搬送用ロッド３は９
０°旋回できるようになっており、このロッドを用い、
ゲートバルブ１０を開閉してＳＴＭセル５を異なった環
境の超高真空（ＵＨＶ）チャンバＡ、Ｂ、Ｃ間で移動可
能である。従って、ある温度環境のチャンバ内にＳＴＭ
セルを置けば、しばらく時間を置くことにより、セル全
体がその温度になる。探針を試料にアプローチさせて、
ＳＴＭ像観察を行う場合において、探針と試料の温度
差、試料と試料ホルダ、試料ステージの温度差がないた
め、試料温度の変化がなく、このため試料が安定した温
度にあるとみなすことができ、さらに温度勾配もないた
め、熱ドリフトも抑えられる。従って、安定したＳＴＭ
像観察を行うことができ、試料の電子状態などの物理特
性が厳密に調べられる。また、一体化に伴い、ＳＴＭユ
ニットを小さく、軽く、固くすることができ、固有振動
数を上げて、振動に対して強い構造とすることができ
る。

【００１１】上記のようにフランジ等に固定されるＳＴ
Ｍではなく、移動可能なカプセルタイプのＳＴＭの駆動
方法についてより詳細に説明する。前述したように、Ｓ
ＴＭセルは搬送ロッドを用いて環境の異なるチャンバ間
を移動でき、セル全体を環境温度にすることができるの
で、熱流入のない安定した状態でＳＴＭ像観察を行うこ
とができ、また、一体化に伴い、固有振動数を上げて、
振動に対して強い構造とすることができる。しかし、Ｓ
ＴＭセルを駆動する場合、トンネル電流取り出しライ
ン、一般的に圧電素子からなるスキャナーを駆動するた
めの電圧供給ライン、試料−探針間のバイアス電圧供給
ライン等が必要である。このためのリード線をどうする
かが問題となる。

【００１２】図４は外部のＳＴＭコントローラからリー
ド線を引回して２つの環境下を移動するＳＴＭセルを説
明する図である。図４（ａ）は環境Ａ、温度ＡのＵＨＶ
チャンバ内にＳＴＭセル５が置かれた状態にあり、この
ように外部のＳＴＭコントローラ２５からＳＴＭセル５
までリード線を引き回しては、電気的接続は確実である
が、ＳＴＭセルを容易に移動できるという利便性が失わ
れる。即ち、図４（ｂ）に示すように、環境Ｂ、温度Ｂ
へＳＴＭセル５を移動した場合、リード線が他の部分に
絡まったりして断線する可能性がある。また、温度の異
なる環境へＳＴＭセルを移動する場合、リード線からの
熱流入が起こって熱的安定性が失われる可能性がある。
また、図４（ｃ）に示すようにゲートバルブ１０がある
場合は、ＳＴＭセルを送り込んだ後搬送ロッドをはずし
てもリード線が残るためにゲートバルブを閉じることが
できなくなる。また、環境Ａが室温で環境Ｂが低温の場
合、ＡからＢへの移動はよいが、ＢからＡへの移動の際
には、リード線が冷却されて硬化しており移動時に断線
する可能性もある。

【００１３】図５はコネクタを配置したＳＴＭセル駆動
方法を示す図である。図５（ａ）（縦に移動する場
合）、図５（ｂ）（横に移動する場合）に示すように、
各環境のもとにリード線コネクタ２６、２７を配置して
ＳＴＭコントローラと接続しておき、ＳＴＭセルを各環
境に置いたときＳＴＭセルの電極端子がこれと接続する
ようにする。こうして、ＳＴＭセルを異なる環境間で移
動するとき、ＳＴＭセルのみを移動し、コネクタの位置
に置くことで、ＳＴＭ駆動のためのコントローラ２５と
の接続を行うことができる。もちろん、異なる環境は２
個に限定されるものではない。

【００１４】図６はスライドコネクタを用いた例を説明
する図である。図６（ａ）はＳＴＭセル側の電極２０と
スライドコネクタとの接続前の状態を示し、スライドコ
ネクタは固定電極３０に板バネ３０ａを取り付けたもの
で、図示するようにセルを上から下へ移動したときセル
側壁をスライドし、図６（ｂ）に示すようにセルの側面
に固定されたセル側電極２０と接続する。このように、
ＳＴＭセルは、図のように環境の中央に配置されるとは
限らず、場合によってはある環境の内壁、例えばＵＨＶ
の場合はチャンバの内壁に接触させるようにしてもよ
く、搬送用のロッドは装着したままでよく、内壁のどこ
か（底部）に固定して搬送ロッドとＳＴＭセルを分離し
てもよい。コネクタの位置は、ＳＴＭセルをどこに配置
するかを考慮して配置し、ＵＨＶの場合にはチャンバに
電流導入端子を付ける。

【００１５】図７はＳＴＭセルの形状を説明する図であ
る。図７はＳＴＭセルを上方から見た図であり、図７
（ａ）は角柱の場合、図７（ｂ）は円筒形の場合を示し
ており、このようにＳＴＭセルは円筒形の場合も角柱の
場合あり得る。また、電極数も適宜変更可能である。

【００１６】次に、ＳＴＭセルの位置決めと固定法につ
いて図８〜１５により説明する。ＳＴＭセルをクライオ
スタット内部に配置して冷却する場合、効率良く冷却す
るためにはクライオスタット内部で適切に固定しなけれ
ばならない。また、ＳＴＭセルを駆動するためにはプリ
アンプ、ＳＴＭコントローラとリード線等を適切に固定
しなければならない。前述したように、ＳＴＭセル自体
は搬送ロッドなどで容易に移動でき、所定の位置でコネ
クタを利用して接続することにより、リード線を引き回
すことは避けられる。しかし、効率良く熱伝導を行うこ
と、ＳＴＭセルが振動しないようにすること、電極を確
実に接触させること、複数ある電極同志の位置を間違え
ないようすることのためには、ＳＴＭセルの位置決めと
固定法が問題となる。

【００１７】図８はＳＴＭセルをクライオスタット底部
に配置したときの概略図である。図示するように、搬送
ロッドが装着された室温のＵＨＶチャンバ３１が防振台
３５に固定され、このチャンバの下にクライオスタット
３２が設けられて内部にＵＨＶチャンバ３３が構成され
ている。クライオスタット稼働中は内部ＵＨＶチャンバ
３３は低温にあり、温度コントロールされている。ＳＴ
Ｍセルに装着された試料を冷却する場合には、ＵＨＶチ
ャンバ３１内にあったＳＴＭセル５をＵＨＶチャンバ３
３の底部に搬送ロッド３で送り込み、密着固定する。リ
ード線とチャンバ内固定電極３０をクライオスタット内
のＵＨＶチャンバ３３の底部に配置しておき、ＳＴＭセ
ル５が搬送ロッド３で搬送されて底部に配置されるとき
ＳＴＭセル側電極と固定電極とが接触する。冷却効率を
上げるためにＳＴＭセルの振動を抑える必要があり、そ
のためＳＴＭセル側電極と、固定電極の接触をそれぞれ
確実にし、ＳＴＭセルの位置決めと固定を確実に行う必
要がある。

【００１８】図９はクライオスタット内部チャンバ底部
を示す図で、図９（ａ）は平面図であり、そのｂ視野、
ｃ視野がそれぞれ図９（ｂ）、図９（ｃ）である。図示
するように、クライオスタット内部ＵＨＶチャンバ３３
の壁部の所定高さ位置に対向してＳＴＭセルを固定する
ための一対の固定ブロック４０が対向して設けられてい
る。

【００１９】図１０は搬送ロッド先端を示す図（図１０
（ａ）はピンと直交する方向から見た図、図１０（ｂ）
はピンと同方向から見た図）、図１１はセルキャップを
示す図（図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は側面
図）、図１２はセルキャップの下に設けられる回転テー
パーを示す図（図１２（ａ）、図１２（ｂ）は羽根と同
方向からみた平面図と側面図、図１２（ｃ）、図１２
（ｄ）は羽根と直交する方向から見た平面図と側面
図）、図１３は搬送ロッドでＳＴＭセルを移動させると
きの説明図（図１３（ａ）はＳＴＭセルに搬送ロッドを
出し入れするときの平面図、図１３（ｂ）はＳＴＭセル
を搬送中の平面図、図１３（ｃ）はチャックの出し入れ
可能位置を説明するｃ視野の側面図、図１３（ｄ）はチ
ャックの出し入れ不可位置・セル搬送可能位置を説明す
るｄ視野の側面図）図１４は電極端子を説明する図（図
１４（ａ）は接触前を示す図、図１４（ｂ）は接触状態
を示す図）、図１５はクライオスタット内部チャンバ底
部へのＳＴＭセルの固定を説明する図（図１５（ａ）は
平面図、図１５（ｂ）、図１５（ｃ）はそれぞれ図１５
（ａ）のｂ視野図、ｃ視野図）である。

【００２０】図１０に示すように、搬送ロッド３の先端
には、ロッドの両側に延びる形でピン４１が埋め込まれ
ている。一方、図１１に示すように、ＳＴＭセル５の頂
部には、ＳＴＭセルキャップ５１が、裏面にはくぼみ５
１ｂがそれぞれ設けられており、セルキャップに形成さ
れているロッド挿入口５１ａに搬送ロッド３の先端が挿
入される。セルキャップ５１の下には、図１２に示すよ
うな回転テーパー５２が設けられており、その中心には
セルキャップのロッド挿入口５１ａに対応してロッド受
け口５２ａが形成されるとともに、周縁にはテーパー面
Ｔを有するくさび状の一対の羽根５２ｂが互いに対向す
る位置に形成されている。なお、５２ｃはピン４１が入
るくぼみである。そして、図１２（ａ）の状態で搬送ロ
ッド３をセルキャップのロッド挿入口５１ａを通してロ
ッド受け口５２ａに挿入し、ロッドを９０°回転すると
回転テーパー５２は図１２（ｃ）のように９０°回転す
る。従って、図１３（ａ）、１３（ｃ）（図１３（ａ）
のｃ視野図）に示すチャックの出し入れが可能位置にお
いてセルキャップの挿入口５１ａを通して回転テーパー
のロッド受け口５２ａに搬送ロッド３の先端を挿入し、
図１３（ｂ）、１３（ｄ）（図１３（ｂ）のｄ視野図）
に示すチャックの出し入れ不可位置・セル搬送可能位置
までロッドを９０°回転すると回転テーパーが９０°回
転し、このときロッド３のピン４１はＳＴＭセルキャッ
プ５１の裏面の溝に嵌合するので、ロッドを上下させる
ことによりＳＴＭセル５を上下に搬送することができ
る。なお、ＳＴＭセルをＵＨＶチャンバ底部に密着固定
した時、同時にＳＴＭセル側電極とチャンバ側固定電極
も接触する。図１４に示すように、ＳＴＭセル側電極２
０はスプリング内蔵電極となっており、ＳＴＭセルが押
さえ込まれるとき電極どうしが強く接触する。

【００２１】次に、ＳＴＭセルの固定について説明する
と、図１３（ａ）に示すように、搬送ロッド３をロッド
受け口５２ａに挿入して９０°回転し、ＳＴＭセルを搬
送ロッドに接続して（図１３（ｂ））、内部ＵＨＶチャ
ンバ３３の底部に搬送する。図９に示したように、内部
ＵＨＶチャンバ３３の底部には一対の固定ブロック４０
が設けられており、底部にＳＴＭセルを置いたとき、回
転テーパー５２の上面が、固定ブロック４０の下面より
少し上方に位置し、羽根５２ｂは一対の固定ブロックと
平行となる。そこで、ＳＴＭセルがチャバ底面についた
とき搬送ロッド３を９０°もとの方向に回転する。図１
５は搬送ロッドを９０°もとの方向に回転した状態を示
しており、ロッドの回転により回転テーパー５２が回転
して羽根５２ｂのテーパー面の先端部分が固定ブロック
４０の下に入り込み、くさび作用により回転テーパーは
下側に強く押しつけられ、その結果ＳＴＭセル本体がＵ
ＨＶチャンバ３３の底面に押さえ込まれ、ＳＴＭセルと
内部チャンバ底面は密着する。図１５に示すように、Ｓ
ＴＭセルには位置決めピン５３が、チャンバ３３には位
置決めピン受け口４３がそれぞれ形成されており、ロッ
ドを９０°回転して固定すると同時に位置決めピン５３
がピン受け口４３に入り、各電極どうしはスプリングに
より強く接触する。このように、回転テーパーのみが回
転し、セル全体は回転しないので電気接点部が摩耗する
ことがなく、長寿命のワッタッチ式電気接点が実現でき
る。位置決めピン５３は中心に対して反対側に非対称な
位置に設けられており、位置決めピンが電極より先に接
触するので、１８０°間違っているとピン受け口に入ら
ないので、向きを誤って電極を接続することが防止でき
る。なお、間違い防止は、ピンとピン受け口の形状の違
い等を利用するようにしている。

【００２２】前述したように、セルキャップの挿入口５
１ａを通して搬送ロッド３の先端を挿入して９０°回転
するとロッド３のピン４１がＳＴＭセルキャップ５１の
裏面に当たり、ＳＴＭセル５をチャックして上下に搬送
することができる。しかし、ＳＴＭセルが低温チャンバ
底部にある場合、目視することができないので、ロッド
とセルキャップの挿入口の位置がずれているとうまくロ
ッドを挿入できず、チャッキング不能となってしまう。
そこで、図１６に示すように、セルキャップ５１にロッ
ド３の先端部が挿入しやすいような間口が広く徐々に狭
くなるラッパ状のガイド孔が形成されたガイド８５を設
ける。すなわち、ガイド８５にはロッド先端軸より大き
めの孔とピンで方位決めされるガイド溝が切られ、かつ
孔はピン長より大きめのテーパー孔からなるラッパ状の
ガイド孔となっている。チャッキングする場合は、ロッ
ド３の先端をラッパ状のガイド孔のテーパー面に沿って
スライドさせて細いストレート孔まで入れ、ピンが入り
込んだ後に、ある角度（例えば９０°）ピンを回転させ
ると、セルキャップの挿入口とロッドピンがずれてＳＴ
Ｍセルをチャッキングすることができる。

【００２３】次に、ＳＴＭセルへの粗動機構を駆動する
伝達機構について説明する。ＵＨＶチャンバ内にあるＳ
ＴＭセルを駆動する場合、回転軸による回転伝達を利用
しているが、ベローズ等真空圧の変化による伸縮や温度
変化により回転軸の方向に大幅に寸法が変化する。この
ような寸法の変化が起きても回転軸を通してＳＴＭセル
の粗動機構に回転がスムーズに伝達される必要がある。
かかる機構について図１７、図１８を参照して説明す
る。

【００２４】図１７はＵＨＶチャンバに位置するＳＴＭ
セルへの回転伝達機構を説明する図である。モータ６０
から延びる水平方向の回転軸による回転を、室温状態に
あるＵＨＶチャンバ３１の中心付近でベベルギア６１を
介して垂直方向の回転伝達軸６３に伝達する。例えば、
ＳＴＭセル５はＵＨＶチャンバ３１からほぼ２ｍ下部に
ある低温のＵＨＶチャンバ３３の底部に位置し、回転伝
達軸先端の回転伝達歯車６４と粗動機構１３とが噛み合
ってＸ、Ｙ、Ｚ方向の駆動が行われるが、室温から液体
ヘリウムまでの温度変化や、真空圧の変化（大気圧〜１
０^-10 Ｔｏｒｒ）によるベローズの伸縮により、垂直軸
方向の寸法が２０ｍｍ近い変化をする。このような垂直
軸方向の寸法変化があっても、回転伝達歯車６４と粗動
機構１３との噛み合いを常時維持するために、回転伝達
継手６３で寸法変化を吸収する。回転伝達継手６３は軸
方向の長さ変化を吸収し、回転の伝達は維持するもので
あればどのような構成のものでもよい。

【００２５】図１８は回転伝達継手の例を説明する図
で、図１８（ａ）は継手の構造を説明する斜視図、図１
８（ｂ）は上面図である。この回転伝達継手は、ベベル
ギアからの回転が伝えられる伝達軸７０に、その先端部
から所定高さ位置において両側に突出するピン７１を埋
め込み、伝達軸７０が挿入される伝達軸７２に、ピン７
１と係合する軸方向に所定の長さを有する２つの係合突
起７３を形成したもので、伝達軸７０を伝達軸７２に挿
入すると、図１８（ｂ）に示すようにピン７１が係合突
起７３と係合して回転が伝達される。このような構成で
あるので、軸方向の長さが変化しても、ピン７１と係合
突起７３とがスライドして係合を維持し、回転を伝達す
ることができる。なお、ピン７１の位置、係合突起の軸
方向長さは軸方向の長さ変化に応じて適宜選択する必要
がある。

【００２６】ところで、本発明のＳＴＭセルは、試料移
動機構、探針粗動機構を内蔵する単一のユニットであ
り、ワンタッチで着脱し、遠隔操作ができる構造でなけ
ればならない。このようなＳＴＭセルは、回転伝達機構
を工夫する必要があり、そのためのギアについて図１
９、図２０により説明する。

【００２７】図１９は回転伝達軸とＳＴＭセルとの係合
を説明する図、図２０は歯車の構造を説明する図であ
る。この例では２本の回転伝達軸の先端の平歯車８０と
ＳＴＭセル側の平歯車８１とが係合しており、前述した
ようにＵＨＶチャンバ３３の底部にＳＴＭセルを位置さ
せたときに平歯車８１が平歯車８０に確実、かつ簡単に
係合する必要がある。そのために、図２０に示すよう
に、伝達軸側、セル側とも平歯車の一歯づつに全周に渡
ってテーパー面を形成する。すなわち、図２０（ａ）
（歯車の側断面図）この例では２本の回転伝達軸の先端
の平歯車８０とＳＴＭセル側の平歯車８１とが係合して
おり、前述したようにＵＨＶチャンバ３３の底部にＳＴ
Ｍセルを位置させたときに平歯車８１が平歯車８０に確
実、かつ簡単に係合する必要がある。そのために、図２
０に示すように、伝達軸側、セル側とも平歯車の一歯づ
つに全周に渡ってテーパー面を形成する。すなわち、図
２０（ａ）（歯車の側断面図）に示すように、歯８２の
長さ方向端部にテーパー８２ａを形成し、図２０（ｂ）
（歯車の平断面図）に示すように、歯の頂部両側にテー
パー８２ｂを形成し、図２０（ｃ）（歯車の側面図）に
示すように、テーパー８２ａの両側をカットしてテーパ
ー面８２ｃを形成する。このように、各歯の全周に渡っ
てテーパーを形成することにより、ＳＴＭセルを下ろし
ていって互いの歯を係合させるとき、テーパー部がガイ
ドの役割をしてスムーズに噛み合わせることができ、同
様に係合をスムーズに外すことができる。そのため、ワ
ンタッチでの着脱、遠隔操作が可能となる。

【００２８】図２１はスキャナーが回転方向、Ｘ，Ｙ方
向にずれないようにするガイド部を説明する図である。
ＳＴＭセルを低温の下部チャンバに配置する場合、従来
のＳＴＭステージのようにガイド部品であるリニアガイ
ドレール等は使用できないため、スペースをとらず回転
方向にずれが生ぜず、Ｘ，Ｙ方向にもずれを生じないで
Ｚ動が高精度に案内できる構造のガイド部が必要であ
る。図２１（ａ）（平面図）、図２１（ｂ）（側面図）
に示すように、スキャナー１４の３箇所を平坦面とし、
２つの面をロッド９１で、他の１つの面を弾性押し板９
０で支持する。ロッド９１は丸棒とすることによりスキ
ャナーと線接触となるが、上下２箇所での点接触として
もよい。このような３点支持とすることにより、回転方
向、Ｘ，Ｙ方向ともずれを生じないようにすることがで
きる。また、図２１（ｃ）に示すように、押し板部の構
造を、押し板９３の真ん中に板バネ９４を設けた構造と
してこの部分に押しネジ９５を当て、左右に引っ張りネ
ジ９６を設けて押し板の両端部を引っ張る構造とするこ
とにより、押し板の真ん中部分とスキャナーの平坦面と
の間のクリアランスを限りなく０に近い、最適なバラン
スに調整することが可能である。

【００２９】図２２は試料表面を蒸着可能にしたＳＴＭ
セルの例を説明する図で、図２２（ａ）は側面図、図２
２（ｂ）は側断面図である。低温のＵＨＶチャンバ３３
にＳＴＭを配置し、このとき試料表面を蒸着して観察し
たい場合がある。しかし、スキャナー自身が試料に対し
て蒸着物の飛行を遮ってしまうため、試料まで蒸着物を
到達させることは不可能である。そこで、図２２に示す
ように、スキャナー１４の中心から僅かにずれた位置
（例えばＸ方向）に２〜３φの偏心孔８７を形成すると
ともに、中心に対して偏心孔８７と反対方向にずれた位
置に探針１６を設け、スキャナー全体をＸ方向に±２ｍ
ｍ程度移動させるＸ移動機構を設ける。そして、ＳＴＭ
セルをＵＨＶチャンバ３３に配置して用いているときに
も、このＸ移動機構で偏心孔８７を中心に移動させ、こ
の孔を通して上部のＵＨＶチャンバ３１に設けられた蒸
着装置（図示せず）から発せられた蒸着物を試料１８上
に導くことができ、試料表面を蒸着することが可能であ
る。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば以下のよう
な効果が達成可能である。 ・ＳＴＭセルをカートリッジタイプのものとし、極低温
における観察で目視できない場合でも、一度見える所で
予備観察して確認した後、観察するようにしているの
で、像がでなかったような場合のチェックを少なくする
ことができる。また、電線や駆動軸を引き回さなくても
よいのでＳＴＭセルを簡単に移動することが可能とな
る。 ・一体化ＳＴＭセル構造とすることにより、試料の温度
変化による物理特性を調べる場合、ＳＴＭセル全体を同
じ温度にすることができ、その結果、試料の温度設定、
計測が容易であり、設定値と実際の試料温度との差や試
料面への探針のアプローチ前後での試料温度の差がなく
なり、また、探針からの輻射による熱の流入がなく、試
料の周囲からの伝導、輻射による熱の流入をなくすこと
ができる。また、ＳＴＭセルを移動することにより、容
易に異なった環境へ試料を置くことができ、超高真空の
中では特に有効である。ゲートバルブによって接続され
たチャンバ内をＳＴＭセルを移動することによって、温
度、蒸着など異なった環境へ移動可能である。また、大
気圧ＳＴＭにおいても、ＳＴＭセルを移動することによ
り、試料を異なったガス雰囲気中、温度差、真空度差の
ある環境へ置くことができる。また、一体化に伴い、Ｓ
ＴＭユニットを、小さく、軽く、かたくすることがで
き、固有振動数を上げることができ、その結果、ＳＴＭ
像観察で常に問題となる振動に対して強い構造のものを
実現することができる。 ・異なる閉じた環境にそれぞれＳＴＭコントローラに接
続されたコネクタを配置しておくことにより、セルの移
動の際にリード線を引きずったり、絡まることがなく、
また、リード線からの熱の流入がなく、リード線が動か
ないのでＳＴＭセルへ振動を伝達することがなく、セル
を低温から室温に移動したときなどリード線が断線する
ことがない。また、スライドコネクタの採用で、ＳＴＭ
セルが上下両方から可能であり、また、スライドコネク
タの位置を変えることにより閉じた環境内でＳＴＭセル
の配置位置を変えることができる。 ・搬送ロッドを利用してクライオスタット内部のチャン
バ底部にＳＴＭセルを置き、そのままロッドを９０°回
転することにより、固定ブロック下面に対してＳＴＭセ
ルのテーパー面がチャンバ底部に押さえられる力が働
き、ＳＴＭセルをチャンバ底部に密着固定することがで
きる。同時にスプリング内蔵の電極どうしが強く接触す
る。また、位置決めピンが電極より先に接触することに
より、ＳＴＭセルの向きを誤って固定するのを防ぐこと
ができる。その結果、回転可能な搬送ロッドで搬送と固
定、電極接触を行うことができ、クライオスタット内部
チャンバとＳＴＭセルの熱伝達効率を高めることができ
る。また、ＳＴＭセルの振動を押さえることができ、Ｓ
ＴＭ像観察、特性分析などを安定して行うことができ、
内部チャンバでの電極の確実な接触を図ることができ
る。 ・粗動機構を駆動する回転伝達軸の途中に軸方向の長さ
変化を吸収する回転伝達継手を設けるようにしたので、
真空圧の変化や温度変化により軸方向の長さが変化して
も、長さ変化を吸収したまま、スムーズに回転を伝える
ことが可能となり、大気圧下、真空下、室温下、液体ヘ
リウム温度下等全ての環境下において１つの回転伝達機
構での兼用が可能となる。 ・粗動機構と回転伝達軸の平歯車の各歯の全周に渡って
テーパー面を形成するようにしたので、超高真空下、強
磁場下、極低温下でのワンタッチ着脱が可能となり、か
つ遠隔操作が可能になる。 ・ＳＴＭセルのキャップにラッパ状のガイド溝が形成さ
れたガイドを設けるようにしたので、搬送ロッドの先端
の位置が多少ずれていても容易に嵌合することができ、
簡単かつ確実なＳＴＭセルのチャックを行うことができ
る。 ・Ｚ動のガイド部の構造を３点支持とし、その中の１箇
所を弾性体による支持としたので、Ｚ動の動きをスムー
ズに、かつ高精度に行うことができる。 ・スキャナーの中心からずれた位置に試料蒸着用の偏心
孔を形成し、反対方向にずれた位置に探針を形成したの
で、蒸着可能なＳＴＭセルを実現することが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一例を説明する図である。

【図２】 本発明のＳＴＭセルの例を示す図である。

【図３】 ＳＴＭセルを異なる環境のチャンバに入れる
例を示す図である。

【図４】 外部のＳＴＭコントローラからリード線を接
続して２つの環境下を移動するＳＴＭセルを説明する図
である。

【図５】 ゲートバルブがある場合におけるＳＴＭセル
駆動方法を説明する図である。

【図６】 スライドコネクタを用いる例を説明する図で
ある。

【図７】 ＳＴＭセルの形状を説明する図である。

【図８】 ＳＴＭセルをクライオスタット底部に配置し
たときの図である。

【図９】 クライオスタット内部チャンバ底部を示す図
である。

【図１０】 搬送ロッド先端を示す図である。

【図１１】 セルキャップを示す図である。

【図１２】 回転テーパーを示す図である。

【図１３】 搬送ロッドでＳＴＭセルを移動させるとき
の説明図である。

【図１４】 電極端子を説明する図である。

【図１５】 内部チャンバ底部へのＳＴＭセルの固定を
説明する図である。

【図１６】 ロッドピンによるＳＴＭセルのチャッキン
グを容易にするガイドを説明する図である。

【図１７】 ＵＨＶチャンバに位置するＳＴＭセルへの
回転伝達機構を説明する図である。

【図１８】 回転伝達継手の構成例を説明する図であ
る。

【図１９】 回転伝達軸とＳＴＭセルとの係合を説明す
る図である。

【図２０】 歯車の構造を説明する図である。

【図２１】 ＳＴＭセルが回転方向、Ｘ，Ｙ方向にズレ
ないようにするガイド部を説明する図である。

【図２２】 試料表面を蒸着可能にしたＳＴＭセルを説
明する図である。

【図２３】 従来のＳＴＭステージを説明する図であ
る。

【符号の説明】

３…搬送ロッド、５…ＳＴＭセル、７…ヘリウムタン
ク、８…下部チャンバ、９…上部チャンバ、１０…ゲー
トバルブ、１３…粗動機構、１４…スキャナー、１５…
探針ホルダ、１６…探針、１７…試料ホルダ、１８…試
料、２０…電極、２５…ＳＴＭコントローラ、２６，２
７…コネクタ、３０…固定電極、３１…ＵＨＶチャン
バ、３２…クライオスタット、３３…クライオスタット
内部ＵＨＶチャンバ、４０…固定ブロック、４１…ピ
ン、５１…セルキャップ、５２…回転テーパー、５２ｂ
…羽根、６２…回転伝達継手、６３…回転伝達軸、７
０，７２…伝達軸、８０…伝達軸側平歯車、８１…セル
側平歯車、９０…弾性押し板、９１…ロッド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天草貴昭 東京都昭島市武蔵野三丁目１番２号 日本 電子株式会社内 Ｆターム(参考） 2F063 AA04 AA43 CA40 DB01 DB05 DD02 EA16 FA07 FA16 NA02 PA02 PA04 ZA01 ZA05 2F069 AA04 AA60 DD30 EE02 GG04 GG06 GG62 HH30 JJ08 JJ25 KK01 KK07 KK10 LL03 MM01 MM31 PP01 PP06

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料ステージと、該ステージ上に配置さ
   れた試料に対向して設けられた探針が取り付けられたス
   キャナーと、スキャナーを駆動する粗動機構と、電極端
   子とを一体化して設けたセルユニットと、該セルユニッ
   トを把持するピンが先端部に形成された搬送ロッドとを
   備え、前記搬送ロッドによりセルユニットを把持して異
   なる環境の真空チャンバ間を移動可能にしたことを特徴
   とする走査型トンネル顕微鏡。
2. 【請求項２】 異なる環境の各真空チャンバに、前記セ
   ルユニットの電極端子と接続するコネクタが設けられて
   いることを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル顕
   微鏡。
3. 【請求項３】 前記コネクタの少なくとも１つはスライ
   ドコネクタであることを特徴とする請求項２記載の走査
   型トンネル顕微鏡。
4. 【請求項４】 セルユニット頂部に搬送ロッド先端部の
   ピンと係合して回転可能なテーパー面が形成された羽根
   を有する回転板を備えるとともに、前記真空チャンバ底
   部壁に固定ブロックが形成され、前記ピンによる係合を
   外す搬送ロッドの回転動作により前記羽根のテーパー面
   が固定ブロック下面に入り込んでセルユニットが下側に
   押圧固定されることを特徴とする請求項１記載の走査型
   トンネル顕微鏡。
5. 【請求項５】 セルユニットの電極がスプリング内蔵電
   極からなり、前記固定ブロックによりセルユニットを押
   圧固定したとき、前記スプリング内蔵電極が真空チャン
   バ側の固定電極と弾性接触することを特徴とする請求項
   ４記載の走査型トンネル顕微鏡。
6. 【請求項６】 セルユニットの粗動機構を駆動する回転
   伝達軸を備え、該回転伝達軸に軸方向の長さの変化を吸
   収する回転伝達継手を設けたことを特徴とする請求項１
   記載の走査型トンネル顕微鏡。
7. 【請求項７】 セルユニットの粗動機構を平歯車を介し
   て駆動する回転伝達軸を備え、粗動機構と回転伝達軸の
   平歯車の各歯の全周に渡ってテーパー面を形成したこと
   を特徴とする請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡。
8. 【請求項８】 セルユニット頂部に、搬送ロッドの先端
   が挿入されるラッパ状のガイド孔が形成されたガイドを
   形成したことを特徴とする請求項１記載の走査型トンネ
   ル顕微鏡。
9. 【請求項９】 スキャナーの外面３箇所を平坦面として
   ３点支持し、その中の１点は弾性体で支持するようにし
   たことを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル顕微
   鏡。
10. 【請求項１０】 スキャナー中心からずれた位置に試料
    蒸着用の偏心孔を形成したことを特徴とする請求項１記
    載の走査型トンネル顕微鏡。