JP2001208670A

JP2001208670A - 走査形プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP2001208670A
Application number: JP2000014814A
Authority: JP
Inventors: Masashi Iwatsuki; 槻正志岩
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2001-08-03
Anticipated expiration: 2020-01-24
Also published as: JP3950610B2

Abstract

(57)【要約】【課題】探針や試料を安全にしっかりと装着側に固定
できる走査形プローブ顕微鏡を提供すること。【解決手段】探針ホルダ１７の吸着部１９が探針装着
部１３の回転板１５に当接される。次に、前記回転板１
５を左に９０度ほど回転させるために、吸着部１９が回
転板１５に当接した状態で探針ホルダ１７が左に９０度
ほど回転される。この結果、回転板１５は、９０度ほど
左に回転する。この状態においては、磁場遮断板１４と
回転板１５によって容器口が完全に覆われなくなるの
で、その隙間から永久磁石１２による磁場が外に漏れ
る。このため、探針ホルダ１７の強磁性材料で作製され
た吸着部１９は、探針装着部１３に吸着固定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査形トンネル
顕微鏡や原子間力顕微鏡などの走査形プローブ顕微鏡に
関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、走査形トンネル顕微鏡や原子間
力顕微鏡などの走査形プローブ顕微鏡は、表面観察装置
として必要不可欠な装置となっている。

【０００３】このような走査形プローブ顕微鏡において
は、探針や試料がスキャナに装着されて表面観察が行わ
れるが、その装着方式においては、次の条件などが満た
されていることが重要である。１）探針や試料の装着／脱着が容易である。２）超高真空にも対応できる。３）熱の影響を受けにくい。４）磁場を漏洩させない。５）振動による問題を避けるために、探針や試料をしっ
かりと固定できる。

【０００４】これまで、探針や試料のスキャナへの装着
方式として、ねじ込み式やスプリング方式やマグネット
方式などが一般的に採用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述
したねじ込み式では、探針や試料をスキャナにしっかり
と固定できるが、ねじのねじ込み過ぎにより、圧電素子
で作製されたスキャナに大きな負荷がかかって、スキャ
ナが破損する問題が起きている。

【０００６】また、スプリング方式では、スプリングの
ばね力の低下によって強い固定ができなくなり、表面観
察が正確に行えなくなる。

【０００７】また、マグネット方式では、探針や試料を
スキャナにしっかりと固定できるが、それらをスキャナ
から取り外す時に大きな負荷がスキャナにかかって、ス
キャナが破損する問題が起きている。さらに、走査形プ
ローブ顕微鏡は、走査電子顕微鏡などを装着することが
あるが、この場合に、走査電子顕微鏡像観察中に電子ビ
ームがマグネットによって曲げられる問題が発生してい
る。

【０００８】本発明はこのような点に鑑みて成されたも
ので、その目的は、探針や試料を安全にしっかりと装着
側に固定できると共に、探針や試料を安全に装着側から
取り外すことができ、さらに、荷電粒子線装置を装着し
たときでも荷電粒子線を曲げることのない走査形プロー
ブ顕微鏡を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成する第
１の本発明の走査形プローブ顕微鏡は、以下の構成
（ａ）〜（ｃ）を備えた探針装着機構と、（ａ）試料室
に配置された磁化容器、（ｂ）その磁化容器の中に配置
された磁石、（ｃ）前記磁化容器の容器開口部に取り付
けられ、前記磁石による磁場を遮断および漏洩可能に構
成された探針装着部、強磁性材料で作製された吸着部を
有する、探針を保持するための探針ホルダを備えた走査
形プローブ顕微鏡であり、前記探針装着部において前記
磁石による磁場がその外部に漏洩されて、前記探針ホル
ダの吸着部が探針装着部に吸着固定されることを特徴と
する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実
施の形態について説明する。

【００１１】図１は、本発明の走査形プローブ顕微鏡の
一例として示した、走査形トンネル顕微鏡の概略図であ
る。

【００１２】図１において、１は試料室チャンバであ
り、試料室チャンバ１の内部、すなわち試料室２には試
料ステージ３が配置されている。この試料ステージ３
は、ｘ，ｙおよびｚ方向に移動可能に構成されており、
試料ステージ３上に試料４が載置されている。

【００１３】５は、試料室２の固定端であり、この固定
端５にスキャナ６が固定されている。スキャナ６は、圧
電素子で作製された円筒型のスキャナであり、ｘスキャ
ナ７とｙスキャナ８とｚスキャナ９で構成されている。
そして、探針装着機構１０が、前記ｚスキャナ９の試料
側端面に取り付けられている。

【００１４】この探針装着機構１０は、磁化容器１１
と、その磁化容器１１の中に配置された永久磁石１２
と、磁化容器１１の容器開口部Ｏに取り付けられた探針
装着部１３で構成されている。

【００１５】このような探針装着機構１０の各構成につ
いて詳しく説明すると、前記磁化容器１１は、ＦｅやＮ
ｉなどの強磁性材料で作製された円筒状の容器であり、
その容器の底部が前記ｚスキャナ９に取り付けられてい
る。

【００１６】また、前記探針装着部１３は、図２（ａ）
に示すような磁場遮断板１４と、図２（ｂ）に示すよう
な回転板１５で構成されている。この磁場遮断板１４
は、扇状の遮断部１４ａと扇状の遮断部１４ｂを有して
おり、遮断部１４ｂには回転止め１４ｂ’が設けられて
いる。そして、磁場遮断板１４の中心位置にピン溝１４
ｃが設けられている。

【００１７】一方、前記回転板１５は、扇状の回転部１
５ａと扇状の回転部１５ｂ、および窓部１５ｃ，１５ｄ
を有しており、回転板１５の中心位置にピン穴１５ｅが
開けられている。図２（ｃ）は、図２（ｂ）のＡ−Ｂ断
面図を示した図であり、回転板１５の内径ｌ₁は、前記
磁化容器１１の外径とほぼ同じであり、また、回転板１
５の内側の高さｌ₂は、前記磁場遮断板１４の厚さとほ
ぼ同じである。この回転板１５と前記磁場遮断板１４
は、いずれもＦｅやＮｉなどの強磁性材料で作製されて
いる。

【００１８】図３（ａ）は、図２（ａ）に示した磁場遮
断板１４が、磁化容器１１の容器開口の周縁部に取り付
けられた状態を試料側から見た図であり、この図３
（ａ）は、図２（ｂ）に示した回転板１５が磁場遮断板
１４に取り付けられる前の状態を示したものである。こ
の図３（ａ）の状態においては、磁化容器１１の中の永
久磁石１２が試料側から見えている。

【００１９】そして、図３（ｂ）は、図３（ａ）の状態
から、回転板１５が磁場遮断板１４に取り付けられた状
態を試料側から見た図であり、回転板１５はピン１６に
より磁場遮断板１４に取り付けられている。この回転板
１５は、ピン１６を中心として、磁場遮断板１４上をス
ライドしながら回転可能であるが、その回転は前記回転
止め１４ｂ’で規制される。

【００２０】図３（ｂ）の状態は、回転板１５の回転部
１５ａが回転止め１４ｂ’に当接していて、回転板１５
をそれ以上右に回転できない状態であり、この状態にお
いては、磁化容器１１の中の永久磁石１２は試料側から
全く見えない。また、図３（ｃ）は、図３（ｂ）のＣ−
Ｄ断面図を示した図である。なお、前記回転止め１４
ｂ’は、回転板１５の試料に対向する面よりも試料側に
突出していない。

【００２１】以上、探針装着機構１０の各構成について
説明したが、図１において１７は探針ホルダであり、図
１は、探針ホルダ１７が探針装着部１３に装着される前
の状態を示した図である。探針ホルダ１７は、探針１８
を保持しており、また、ＦｅやＮｉなどの強磁性材料で
作製された吸着部１９を有している。この吸着部１９の
形状は円盤状であり、その直径は前記回転板１５の外径
とほぼ同じである。

【００２２】なお、図１における試料室２は、図示しな
い排気装置により超高真空に排気可能に構成されてい
る。

【００２３】以上、図１の装置構成について説明した
が、以下に、上述した探針ホルダ１７を探針装着部１３
に装着する場合について説明する。

【００２４】なお、この探針ホルダ１７の装着前におい
ては、探針装着部１３は図３（ｂ）に示した状態にある
ものとする。

【００２５】さて、探針ホルダ１７を探針装着部１３に
装着する場合、オペレータは、図示していない探針ホル
ダ移送機構で探針ホルダ１７を把持し、探針ホルダ１７
の吸着部１９が探針装着部１３の回転板１５に当接する
ように、探針ホルダ移送機構を操作する。

【００２６】このような操作により吸着部１９が回転板
１５に当接したとき、探針装着部１３は図３（ｂ）に示
した状態にあるが、この図３（ｂ）の状態においては、
強磁性材料でそれぞれ作製された磁場遮断板１４と回転
板１５によって、磁化容器１１の容器口が完全に覆われ
ており、この磁場遮断板１４と回転板１５と磁化容器１
１で完全に閉じた磁路が形成されている。このように、
前記永久磁石１２による磁場は磁場遮断板１４と回転板
１５で遮断されて、探針装着部１３から外に漏れていな
いので、この状態では、探針ホルダ１７の強磁性材料で
作製された吸着部１９は、探針装着部１３に吸着固定さ
れない。

【００２７】そこで、オペレータは、前記回転板１５を
左に９０度ほど回転させるために、吸着部１９が回転板
１５に当接した状態で探針ホルダ１７が左に９０度ほど
回転するように、前記探針ホルダ移送機構を操作する。

【００２８】このような操作により、回転板１５は、図
４（ａ）に示すように９０度ほど左に回転する。この状
態においては、磁場遮断板１４と回転板１５によって磁
化容器口が完全に覆われなくなり、回転板１５の窓部１
５ｃ，１５ｄから永久磁石１２による磁場が外に漏れ
る。このため、探針ホルダ１７の強磁性材料で作製され
た吸着部１９は、永久磁石１２による磁力によって探針
装着部１３に吸着固定される。

【００２９】そして、探針ホルダ１７が探針装着部１３
に吸着固定されると、オペレータは、前記探針ホルダ移
送機構による探針ホルダの把持を解除して、探針ホルダ
移送機構を所定の位置に退避させる。

【００３０】図４（ｂ）は、探針ホルダ１７が探針装着
部１３に装着されたときの状態を示した図である。

【００３１】このようにして、探針ホルダ１７が探針装
着部１３に吸着固定されるが、このとき、強磁性材料で
それぞれ作製された磁場遮断板１４と回転板１５と吸着
部１９によって、前記磁化容器１１の容器口が完全に覆
われており、この磁場遮断板１４と回転板１５と吸着部
１９と磁化容器１１で完全に閉じた磁路が形成されてい
る。このため、探針ホルダ装着時でも、前記永久磁石１
２による磁場は試料面方向などに漏れることはなく、走
査電子顕微鏡を走査形プローブ顕微鏡に装着した場合で
も、漏洩磁場により電子ビームが偏向されることはな
い。

【００３２】なお、探針ホルダ１７を探針装着部１３か
ら取り外すには、探針移送機構で探針ホルダ１７を把持
して、今度は探針ホルダ１７を右に回転させれば良い。
すると、その回転に伴って回転板１５が右に回転し、磁
石による探針ホルダの吸着力が弱まって、探針ホルダ１
７を探針装着部１３から取り外すことができる。

【００３３】以上、図１に示した走査形トンネル顕微鏡
について説明したが、このような装置においては、装着
側を破損させずに探針を装着側にしっかりと固定でき、
また、装着側を破損させずに探針を装着側から簡単に取
り外すことができる。

【００３４】なお、本発明はこの例に限定されるもので
はなく、以下に他の例について説明する。

【００３５】上記例においては、スキャナに探針ホルダ
を装着する場合について説明したが、図５に示すような
試料ホルダを図１に示したような装着側に装着するよう
にしても良い。図５における試料ホルダ２０は、試料２
１を保持しており、また、ＦｅやＮｉなどの強磁性材料
で作製された吸着部２２を有している。この吸着部２２
の形状および大きさは、前記吸着部１９とほぼ同じであ
る。この場合、前記探針装着機構１０を試料装着機構と
よび、前記探針装着部１３を試料装着部とよぶ。また、
試料ホルダ２０の吸着部２２がその試料装着部に吸着固
定されたとき、試料ホルダ２０と対向する側に探針が配
置される。

【００３６】また、図６は、本発明の他の例として示し
た、走査形トンネル顕微鏡の概略図である。図６におい
て、図１と同じ構成要素には図１と同じ番号を付けてお
り、その詳しい説明を省略する。

【００３７】図６において、２３は探針ホルダ機構であ
り、この探針ホルダ機構２３は、前記探針装着機構１０
と同じ構成のものに探針ホルダ２４が取り付けられたも
のである。探針ホルダ２４は、磁化容器１１の底部に取
り付けられており、探針を保持している。

【００３８】２５は探針ホルダ吸着部であり、この構成
は前記探針装着部１３の構成と同じである。また、２６
は、前記ｚスキャナ９に取り付けられた探針ホルダ機構
装着部であり、この探針ホルダ機構装着部２６は、Ｆｅ
やＮｉなどの強磁性材料で作製された円盤状のものであ
り、その直径は探針ホルダ吸着部２５の回転板１５の外
径とほぼ同じである。

【００３９】このような構成においては、まず、回転板
１５が前記図３（ｂ）の状態で探針ホルダ機構装着部２
６に当接される。その後、回転板１５が装着部２６に当
接した状態で、その回転板１５以外のホルダ機構２３が
一体的に左に回転される。

【００４０】この結果、磁場遮断板１４と回転板１５に
よって、磁化容器１１の容器口が完全に覆われなくな
り、回転板１５の窓部１５ｃ，１５ｄから永久磁石１２
による磁場が外に漏れる。このため、前記探針ホルダ吸
着部２５が探針ホルダ機構装着部２６に吸着固定され
る。

【００４１】なお、探針ホルダ機構２３を探針ホルダ機
構装着部２６から取り外すには、探針ホルダ２４を今度
は右に回転させるようにすれば良い。

【００４２】また、図６の装置は、スキャナに探針ホル
ダを装着する場合のものであるが、図７に示すような試
料ホルダ機構２７を図６に示したようなスキャナ側に装
着するようにしても良い。図７における試料ホルダ機構
２７は、前記探針ホルダ機構２３の探針ホルダ２４が試
料ホルダ２８に置き換わったものであり、試料ホルダ２
８は試料２９を保持している。この場合、前記探針ホル
ダ吸着部２５は試料ホルダ吸着部とよばれると共に、前
記探針ホルダ機構装着部２６は試料ホルダ機構装着部と
よばれ、また、試料ホルダ２８と対向する側に探針が配
置される。

【００４３】また、上記例においては、磁場遮断板や回
転板の形状は扇状であったが、本発明はこの形状に限定
されるものではなく、本発明の目的を達成できる形状で
あればスライド方式も含めどのような形状でも良い。

【００４４】また、上記例においては、磁石として永久
磁石が用いられたが、コイルを磁化容器の中に配置し
て、そのコイルに電流を流すようにしても良い。

【００４５】また、上記例においては、走査形トンネル
顕微鏡を例にあげて説明したが、本発明は、原子間力顕
微鏡における探針や試料を装着側に装着する場合にも適
用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査形プローブ顕微鏡の一例として
示した、走査形トンネル顕微鏡の概略図である。

【図２】図１の装置を説明するために示した図であ
る。

【図３】図１の装置を説明するために示した図であ
る。

【図４】図１の装置を説明するために示した図であ
る。

【図５】本発明の他の例を説明するために示した図で
ある。

【図６】本発明の走査形プローブ顕微鏡の一例として
示した、走査形トンネル顕微鏡の概略図である。

【図７】本発明の他の例を説明するために示した図で
ある。

【符号の説明】

１…試料室チャンバ、２…試料室、３…試料ステージ、
４、２１、２９…試料、５…固定端、６…スキャナ、７
…ｘスキャナ、８…ｙスキャナ、９…ｚスキャナ、１０
…探針装着機構、１１…磁化容器、１２…永久磁石、１
３…探針装着部、１４…磁場遮断板、１４ａ、１４ｂ…
遮断部、１４ｂ’…回転止め、１４ｃ…ピン溝、１５…
回転板、１５ａ、１５ｂ…回転部、１５ｃ、１５ｄ…窓
部、１５ｅ…ピン穴、１６…ピン、１７…探針ホルダ、
１８…探針、１９、２２…吸着部、２０…試料ホルダ、
２３…探針ホルダ機構、２４…探針ホルダ、２５…探針
ホルダ吸着部、２６…探針ホルダ機構装着部、２７…試
料ホルダ機構、２８…試料ホルダ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】以下の構成（ａ）〜（ｃ）を備えた探針
装着機構と、（ａ）試料室に配置された磁化容器、
（ｂ）その磁化容器の中に配置された磁石、（ｃ）前記
磁化容器の容器開口部に取り付けられ、前記磁石による
磁場を遮断および漏洩可能に構成された探針装着部、強
磁性材料で作製された吸着部を有する、探針を保持する
ための探針ホルダを備えた走査形プローブ顕微鏡であ
り、前記探針装着部において前記磁石による磁場がその
外部に漏洩されて、前記探針ホルダの吸着部が探針装着
部に吸着固定されることを特徴とする走査形プローブ顕
微鏡。
【請求項２】前記探針装着部は、強磁性材料で作製さ
れていることを特徴とする請求項１記載の走査形プロー
ブ顕微鏡。
【請求項３】以下の構成（ａ）〜（ｄ）を備えた探針
ホルダ機構と、（ａ）磁化容器、（ｂ）その磁化容器の
中に配置された磁石、（ｃ）前記磁化容器の容器開口部
に取り付けられ、前記磁石による磁場を遮断および漏洩
可能に構成された探針ホルダ吸着部、（ｄ）前記磁化容
器に取り付けられた探針ホルダ、試料室に配置され、強
磁性材料で作製された探針ホルダ機構装着部を備えた走
査形プローブ顕微鏡であり、前記探針ホルダ吸着部にお
いて前記磁石による磁場がその外部に漏洩されて、その
探針ホルダ吸着部が探針ホルダ機構装着部に吸着固定さ
れることを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。
【請求項４】前記探針ホルダ吸着部は、強磁性材料で
作製されていることを特徴とする請求項３記載の走査形
プローブ顕微鏡。
【請求項５】以下の構成（ａ）〜（ｃ）を備えた試料
装着機構と、（ａ）試料室に配置された磁化容器、
（ｂ）その磁化容器の中に配置された磁石、（ｃ）前記
磁化容器の容器開口部に取り付けられ、前記磁石による
磁場を遮断および漏洩可能に構成された試料装着部、強
磁性材料で作製された吸着部を有する、試料を保持する
ための試料ホルダを備えた走査形プローブ顕微鏡であ
り、前記試料装着部において前記磁石による磁場がその
外部に漏洩されて、前記試料ホルダの吸着部が試料装着
部に吸着固定されることを特徴とする走査形プローブ顕
微鏡。
【請求項６】前記試料装着部は、強磁性材料で作製さ
れていることを特徴とする請求項５記載の走査形プロー
ブ顕微鏡。
【請求項７】以下の構成（ａ）〜（ｄ）を備えた試料
ホルダ機構と、（ａ）磁化容器、（ｂ）その磁化容器の
中に配置された磁石、（ｃ）前記磁化容器の容器開口部
に取り付けられ、前記磁石による磁場を遮断および漏洩
可能に構成された試料ホルダ吸着部、（ｄ）前記磁化容
器に取り付けられた試料ホルダ、試料室に配置され、強
磁性材料で作製された試料ホルダ機構装着部を備えた走
査形プローブ顕微鏡であり、前記試料ホルダ吸着部にお
いて前記磁石による磁場がその外部に漏洩されて、その
試料ホルダ吸着部が試料ホルダ機構装着部に吸着固定さ
れることを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。
【請求項８】前記試料ホルダ吸着部は、強磁性材料で
作製されていることを特徴とする請求項７記載の走査形
プローブ顕微鏡。
【請求項９】前記磁化容器は、スキャナに取り付けら
れていることを特徴とする請求項１、２、５、６の何れ
かに記載の走査形プローブ顕微鏡。
【請求項１０】前記探針ホルダ機構装着部は、スキャ
ナに取り付けられていることを特徴とする請求項３また
は４に記載の走査形プローブ顕微鏡。
【請求項１１】前記試料ホルダ機構装着部は、スキャ
ナに取り付けられていることを特徴とする請求項７また
は８に記載の走査形プローブ顕微鏡。