JP2002168753A

JP2002168753A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP2002168753A
Application number: JP2000363311A
Authority: JP
Inventors: Shiyouzou Katamachi; 省三片町
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2002-06-14
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: JP3539922B2

Abstract

(57)【要約】【課題】アクチエータ及び電磁力を使用することなく
プローブを供給でき、かつプローブ間のピッチ間隔を狭
く多数配置することができて、プローブの交換効率を改
善する。【解決手段】カセット台２に載置された多数のプロー
ブ６を収容したカセット３から、所定のプローブを持ち
上げてプローブ保持機構へと移動させる昇降手段を、カ
セット内に収容可能なプローブ数と同数設けたプローブ
供給機構を備えている。昇降手段は、押し棒１１、テコ
部材１２、押し上げ棒１３及びスプリング１４とから構
成され、プローブ保持機構の上昇下降の動きによって駆
動される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型トンネル顕
微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕
微鏡に関し、特にそのプローブ供給機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、試料とこれに
対向配置した探針とを近接させて、探針又は試料を走査
することにより、探針と試料表面との間の相互作用で生
じる物理量を検出して試料表面の形状を原子レベルの分
解能で測定するもので、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）がこれに該当する。走
査型トンネル顕微鏡は、試料とこれに対向配置した探針
との間に電圧を印加し、両者間に流れるトンネル電流が
一定になるように探針又は試料を走査することで、試料
表面の形状を原子レベルの分解能で観察するものであ
る。しかしながら、走査型トンネル顕微鏡は、トンネル
電流を検知するため観察可能な試料としては導電性のも
のに限られてしまい、絶縁性の試料は観察することがで
きなかった。

【０００３】これに対し原子間力顕微鏡は、カンチレバ
ー等によって支持される探針を試料表面に近付けること
によって、探針先端の原子と試料表面の原子との間に生
じる微小な原子間力を測定し、上記原子間力が探針と試
料との距離によって一義的に定まるという性質を利用
し、試料表面に沿って走査しながらその原子間力が一定
となるように探針と試料との間の距離を調整して、探針
又は試料の高さ方向の軌跡により試料表面の凹凸形状を
測定するものである。

【０００４】このような走査型プローブ顕微鏡の性能は
探針の微妙な形状に敏感に影響される一方で、探針が試
料面内を走査することにより探針の破損や摩耗が生じ、
この探針、主に先端形状の変形は測定精度に多大な悪影
響を及ぼし、装置の信頼性及び分解能に問題を生じる。
そのため探針が劣化する前に交換する必要がある。その
場合、探針を支持するカンチレバーを取り付けたプロー
ブごとに交換することが行われている。

【０００５】この場合、複数のプローブを収容したカセ
ットをステージ上に設置して、プローブ保持機構がこの
カセット上に移動して、カセット内の所定のプローブと
交換するようにしている。カセット内のプローブをプロ
ーブ保持機構に移すのにプローブ供給機構が用いられ
る。このようなプローブの交換機構として、特開平１１
−２１１７３４号公報及び特開平１０−２６７９４８号
公報によるものが、従来公知である。特開平１１−２１
１７３４号公報に記載のものは、磁力を利用してプロー
ブの交換を行うマグネット方式の交換機構であり、ステ
ージベース上にカセットに相当する搭載ブロックベース
が設けられ、多数のプローブがこの搭載ブロックベース
内に配置された電磁石により保持されており、プローブ
の交換の際に所定のプローブ上に移動してくるプローブ
保持機構との間で磁力を調整することで、プローブを搭
載ブロックベースからプローブ保持機構に移載して、保
持するようにしている。しかしながら、このようなマグ
ネット方式の場合には、搭載ブロックベースとプローブ
保持機構との間で磁力を調整する必要があり、また磁力
がプローブに悪影響を及ぼす恐れがある。またこのマグ
ネット方式では、プローブの位置決め精度を高精度に行
うことができず、交換後に光学系を用いて微調整を行う
必要があり、スループットの向上が望めなかった。

【０００６】また特開平１０−２６７９４８号公報に記
載のものは、ステージ上にセットされた複数のプローブ
を、真空吸着式又はマグネット保持式のプローブ保持機
構に移載するのに、アクチュエータによって所定のプロ
ーブを持ち上げて、プローブ保持機構にこのプローブを
保持させるようにしている。しかしながら、この従来の
装置も、アクチュエータを駆動するための駆動装置が必
要であり、プローブの供給機構が大がかりになり、小型
化できない。またこの従来の装置においても、プローブ
の位置決め精度を高精度に行うことができず、交換後に
光学系を用いて微調整を行う必要があり、スループット
の向上が望めなかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記課題に
鑑みなされたもので、その目的は、アクチエータを使用
することなくプローブを供給でき、かつプローブ間のピ
ッチ間隔を狭く配置することができて、小型化したプロ
ーブ供給機構を備えた走査型プローブ顕微鏡を提供する
ことである。また、磁力による悪影響を排除したプロー
ブ供給機構を備えた走査型プローブ顕微鏡を提供するこ
とである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に
記載の走査型プローブ顕微鏡を提供する。請求項１に記
載の走査型プローブ顕微鏡は、カセット台上に載置され
た多数のプローブを収容したカセットから、所定のプロ
ーブをカセット底部から持ち上げてプローブ保持機構へ
と移動させる昇降手段を、カセット内に収容できるプロ
ーブと同じ数だけ設けたプローブ供給機構を具備したも
のであり、電磁力を使用することなくプローブの交換を
可能とすると共に、多数のプローブをピッチ間隔を狭く
して配置でき、小型化とプローブの交換効率を上げるこ
とができる。請求項２の該顕微鏡は、プローブの昇降手
段を具体化したものであり、請求項１の該顕微鏡と同様
の作用効果を奏するものである。

【０００９】請求項３の該顕微鏡は、プローブ保持機構
が、プローブ供給機構の押し棒に作用する押圧部材を備
えるようにしたものであり、別に駆動装置を設けること
なく単にプローブ保持機構を上昇降下させるだけで、プ
ローブ供給機構を駆動できるようにしたものである。請
求項４の該顕微鏡は、カセットがプローブを案内し位置
付けする傾斜部及び止め部とを有するようにしたもので
あり、プローブ保持機構及びプローブ供給機構に多少の
位置ずれがあっても、プローブを案内して精確にカセッ
ト内の所定の位置に位置付けすることができる。

【００１０】請求項５の該顕微鏡は、カセット台にマグ
ネットを設けたものであり、プローブの交換等によって
生じ、プローブに付着したゴミを取り除くことができる
ようにしている。請求項６の該顕微鏡は、カセット内の
プローブの有無を検知するセンサをプローブ保持機構に
設けたものであり、使用後のプローブをカセット内の空
き個所に収容する際の空き個所の検知に好便である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態の走査型プローブ顕微鏡について説明する。図
１は、本発明の走査型プローブ顕微鏡が備えているプロ
ーブの供給部分の縦断面図であり、図２は、その平面図
を示している。図１において、Ａはプローブのストック
部であり、Ｂはプローブ供給機構であり、Ｃはプローブ
保持機構であり、Ｄは顕微鏡の対物レンズ部である。ス
トック部Ａは、プローブ顕微鏡のステージベース１に固
定されたカセット台２と、このカセット台２上に載置さ
れるカセット３と、このカセット３をガイドする、カセ
ット台２に取り付けられた上下のガイド体４とより構成
されている。このカセット台２は、ステージベース１に
対してやや傾斜して取り付けられている。ガイド体４に
は、カセット３を押し当て固定するためのボールプラン
ジャ５が設けられており、カセット側面に設けられた凹
部によってカセット３を位置決め固定する。このボール
プランジャ５のばね力によって位置決め固定する方式の
ため、容易にカセット３をガイド体４に沿って摺動させ
て取り出し、他のカセット３と交換することができる。

【００１２】カセット３には、この実施例では１１個の
プローブ６が収容されるように凹部３ａが形成されてい
る。但し、実際は１０個の新しいプローブ６を収容して
おき、１個は空きの状態にしておき、使用後のプローブ
６を収められるようにしている。この凹部３ａの一方の
側は、プローブ６を所定の位置に案内し位置決めするた
めに傾斜部３ｂが形成されており、傾斜部３ｂと反対の
側は、プローブ６のカンチレバー６１及び探針６２がカ
セット３の面に接触しないように、１１個の一段と深い
部分３Ｃが形成されている。更にカセット３の凹部３ａ
には、後述するプローブ供給機構Ｂの押し上げ棒１３を
上下動できるようにするために、１１個の貫通孔３ｄが
穿設されている。また、カセット３の凹部３ａには、プ
ローブ６がこの凹部３ａに傾斜して収容されたときの位
置決めのために、プローブ６の肩部６ａが当接する止め
部３ｅが、それぞれのプローブの収容個所に形成されて
いる。

【００１３】カセット台２にも、カセット３の１１個の
貫通孔３ｄに対応してそのほぼ中央部に、後述するプロ
ーブ供給機構Ｂの押し上げ棒１３を上下動できるように
するために、窪み部２ａとこれに接続した貫通穴２ｂが
１１個形成されている。また、カセット台２の一方の側
部には、後述のプローブ供給機構Ｂの押し棒を緩く貫挿
するための貫通した孔部２ｃが同じく１１個形成されて
いる。なお、図２に示されるカセット台２が斜めに切り
欠かれている部分２ｄは、単に逃げ部を形成しているに
すぎない。また、カセット台２にプローブの交換等によ
って発生し、プローブに付着したゴミを取り除くための
マグネット７を設置してもよい。また、貫通穴２ｂに
は、押し上げ棒１３を案内するガイド１７が嵌合されて
いる。

【００１４】プローブ供給機構Ｂは、それぞれのプロー
ブに対応して１１個のプローブの昇降手段を有してお
り、各昇降手段は基本的に押し棒１１、テコ部材１２、
押し上げ棒１３及びスプリング１４，１４′とから構成
されている。各押し棒１１は、カセット台２の孔部２ｃ
を貫挿してテコ部材１２の一方の側部に当接していて、
プローブ保持機構Ｃの押圧部材２３の下降によって下方
に駆動される。各々のテコ部材１２は、カセット台２に
取り付けられた軸部材１５により、その両端がシーソー
の動き（揺動）をするように、中央部又は押し棒寄りの
部分で軸支されている。各々のテコ部材１２の他方の側
部には、押し上げ棒１３が貫挿する大きめの孔１２ａが
設けられている。各々の押し上げ棒１３には、その先端
に上面が平坦にされ、プローブ６の載置面を形成する載
置部１３ａが形成されており、かつテコ部材１２のスト
ッパーの役割をする上下に間隔を置いて設けられたナッ
ト等の止め具１６ａ，１６ｂと、カセット台２と上方の
止め具１６ａとの間に装着され、押し上げ棒１３を下方
に付勢しているスプリング１４，１４′とが設けられて
いる。テコ部材１２は、２つの止め具１６ａ，１６ｂ間
で押し上げ棒１３と連結している。スプリング１４は、
止め具１６ａとガイド１７との間に、またスプリング１
４′は、止め具１６ａと押し上げ棒１３の段差部との間
に、それぞれ介在して設けられる。

【００１５】したがって、プローブ保持機構Ｃに取り付
けられた押圧部材２３の降下により、押し棒１１を下方
に動かすと、テコ部材１２の一方の側部が下方に押し下
げられ、他方の側部を上方に押し上げる。これによって
テコ部材１２が上方の止め具１６ａに当接し、スプリン
グ１４，１４′の付勢力に抗して押し上げ棒１３を上方
に押し上げる。押し上げ棒１３の載置部１３ａは、カセ
ット３内のプローブ６を載置して上方に押し上げ、プロ
ーブ保持機構Ｃへと運ぶ。なお、押し上げ棒１３の下方
への移動は、プローブ保持機構Ｃの押圧部材２５の上昇
により押し棒１１への押し下げ力を解除し、スプリング
１４，１４′の付勢力で行う。スプリング１４′は、載
置部１３ａに大きな負荷が加わったときの逃げとして作
用する。

【００１６】プローブ保持機構Ｃは、約９０°回動する
レバー２１を有しており、プローブ保持機構Ｃのクラン
プ本体２２の下面に形成された３のクランプ面からなる
クランプ部２２ａにプローブ６が前記プローブ供給機構
Ｂにより運ばれると、レバー２１が時計方向に回動して
プローブ６を３つのクランプ面に等しく押圧力を働かせ
て押圧保持する。レバー２１をプローブ６の長手方向と
平行になるように反時計方向に回動することで、プロー
ブ６のクランプ解除が行われる。このプローブ保持機構
Ｃは、当然Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動可能であり、プロー
ブ保持機構Ｃの下方への動きによって、これに取り付け
られた押圧部材２３が、プローブ供給機構Ｂの押し棒１
１を押し下げる。即ち、プローブ保持機構Ｃがプローブ
供給機構Ｂの駆動源になっている。また、プローブ保持
機構Ｃは、プローブの有無を検知するためのセンサ（図
示せず）を備えている。

【００１７】図３に示すようにプローブ６は、カンチレ
バー６１及び探針６２を有しており、プローブ本体６３
の下面にはレバー２１が出入する切欠部６３ａが形成さ
れている。この切欠部６３ａは、直方体状のプローブ本
体６３の下面の一方の稜線部を約４５°の傾きでＶ字状
にカットすることで形成される。したがって、この切欠
部６３ａの面は、直方体状のプローブ本体６３の上面、
カンチレパー６１と反対の側面及び切欠部と反対の側面
に対して約４５°傾斜している。これにより、レバー２
１が切欠部６３ａに当接して作用する押圧力が、クラン
プ本体２２のクランプ部２２ａの三つの面に等しい力で
作用することになる。

【００１８】以上のように構成された本発明の走査型プ
ローブ顕微鏡の作動について説明する。１０個の新しい
プローブ６が収容され、１個所だけ空きの状態のカセッ
ト３が、カセット台２にセットされる。プローブ６が収
容できる１１個所の凹部３ａの収容位置は、予めプロー
ブ保持機構Ｃにティーチング等で認識させておく。この
状態で、使用済のプローブ６を保持したプローブ保持機
構Ｃをカセット３の上部に移動し、装着されたセンサに
より、プローブの空き個所を検知し、その上方に移動す
る。この位置でプローブ保持機構Ｃを下降すると、押圧
部材２５が押し棒１１を押し下げ、テコ部材１２により
スプリング１４の付勢力に抗し、スプリング１４′を介
して押し上げ棒１３が上昇し、使用済プローブ６に接触
する。

【００１９】この状態でプローブ保持機構Ｃのレバー２
１を回動して、使用済プローブ６のクランプを解除す
る。その後、プローブ保持機構Ｃを上昇させると、この
上昇につれて押圧部材２５の押し棒１１への押圧力が解
放され、押し上げ棒１３は、その載置部１３ａに使用済
プローブを載せた状態でスプリング１４の付勢力により
下降する。これによって、カセット凹部３ａのプローブ
の空き個所に使用済プローブ６を収容する。このとき、
プローブ保持機構Ｃ及びプローブ供給機構Ｂによって、
或る程度の位置ずれが生じても、カセット３の凹部３ａ
の傾斜部３ｂ及び止め部３ｅによって、プローブは案内
され所定の位置に位置付けすることができる。

【００２０】次いでプローブ保持機構Ｃが新しいプロー
ブの収容位置の上部に移動する。この位置でプローブ保
持機構Ｃを下降させると、前述したように押し上げ棒１
３がスプリング１４に抗し、スプリング１４′を介して
上昇し、その載置部１３ａに新しいプローブ６を載せて
プローブ保持機構Ｃのクランプ位置まで運ぶ。この状態
でプローブ保持機構Ｃのレバー２１を回動して新しいプ
ローブ６をクランプ本体２２のクランプ部２２ａで保持
する。このとき、押し上げ棒１３の載置面１３ａがフラ
ットなので、少々の位置ずれがあっても無理なくクラン
プ本体に位置決めできる。次にプローブ保持機構Ｃを上
昇させることで押し上げ棒１３が下降し、プローブ６の
交換作業が終了する。

【００２１】以上説明したように本発明の走査型プロー
ブ顕微鏡においては、電磁力を利用することなくプロー
ブの交換作業を行えるので電磁力の悪影響を排除でき
る。またアクチエータを使用することなく、単なる棒状
部材の上下動で交換作業を行えるので、プローブを狭い
ピッチ間隔で多数配置することができ、小型化及び交換
作業効率が改善される。更に新たにプローブ供給機構の
駆動源を設ける必要がなく、構造の簡素化及び省エネル
ギー化を計れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡が
備えているプローブの供給部分の縦断面図である。

【図２】図１のプローブの供給部分の平面図である。

【図３】プローブの平面図及び側面図である。

【符号の説明】

Ａ…ストック部Ｂ…プローブ供給機構Ｃ…プローブ保持機構Ｄ…対物レンズ部１…ステージベース２…カセット台３…カセット４…ガイド体６…プローブ１１…押し棒１２…テコ部材１３…押し上げ棒１４…スプリング２１…レバー２２…クランプ本体２３…押圧部材

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【手続補正書】

【提出日】平成１４年１月２１日（２００２．１．２
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】したがって、プローブ保持機構Ｃに取り付
けられた押圧部材２３の降下により、押し棒１１を下方
に動かすと、テコ部材１２の一方の側部が下方に押し下
げられ、他方の側部を上方に押し上げる。これによって
テコ部材１２が上方の止め具１６ａに当接し、スプリン
グ１４，１４′の付勢力に抗して押し上げ棒１３を上方
に押し上げる。押し上げ棒１３の載置部１３ａは、カセ
ット３内のプローブ６を載置して上方に押し上げ、プロ
ーブ保持機構Ｃへと運ぶ。なお、押し上げ棒１３の下方
への移動は、プローブ保持機構Ｃの押圧部材２３の上昇
により押し棒１１への押し下げ力を解除し、スプリング
１４，１４′の付勢力で行う。スプリング１４′は、載
置部１３ａに大きな負荷が加わったときの逃げとして作
用する。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料とこれに対向配置したプローブの探
針とを近接させ、探針又は試料を走査することにより、
探針と試料表面との間の相互作用によって生じる物理量
を検出して試料表面の形状を原子レベルの分解能で測定
する走査型プローブ顕微鏡において、この走査型プロー
ブ顕微鏡が、探針を有した多数のプローブを収容したカセットを載置
するカセット台と、前記プローブを機械的に保持するプローブ保持機構と、前記カセットの底部を貫通して、前記カセット内に収容
されたプローブを下から持ち上げて前記プローブ保持機
構へと移動させる昇降手段であって、前記カセット内に
収容できるプローブと同じ数だけ設けた前記昇降手段を
有しているプローブ供給機構と、を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】前記昇降手段が、前記プローブを載置し
て昇降する押し上げ棒と、前記押し上げ棒を下方に付勢
しているスプリングと、前記押し上げ棒に一端側で連結
し、前記押し上げ棒を前記スプリングに抗して押し上げ
る、前記カセット台に揺動可能に軸支されたテコ部材
と、前記テコ部材に他端側で作用する押し棒とより構成
されていることを特徴とする請求項１に記載の走査型プ
ローブ顕微鏡。
【請求項３】前記プローブ保持機構が、その下降によ
って前記押し棒に当接して、これを押し下げるように作
用する押圧部材を備えていることを特徴とする請求項２
に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】前記カセットが、前記プローブを案内し
て位置付けする傾斜部及び止め部とを有していることを
特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の走査型
プローブ顕微鏡。
【請求項５】前記カセット台に、前記プローブの交換
等によって生じるゴミを取り除くマグネットを設置して
いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記
載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】前記プローブ保持機構が、前記カセット
内のプローブの有無を検知するセンサを備えていること
を特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の走査
型プローブ顕微鏡。