JP2002168755A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度の保持精度が確保でき、光学系でのア
ライメントを必要とすることなく再現性良くプローブを
着脱できる保持機構を備えた走査型プローブ顕微鏡を提
供する。 【解決手段】 本発明の走査型プローブ顕微鏡は、先端
に探針５を設けたカンチレバー６を固着したプローブＢ
を、クランプ本体１の下面の３つのクランプ面３ａ，３
ｂ，３ｃに等しく作用する力でレバー２１によって押し
付けて保持するプローブ保持機構Ａを備えている。直方
体のプローブ下面に、該下面の一方の稜線から約４５°
の傾きでＶ字状にカットしてＶ字切欠部７２を設け、こ
の切欠部の面をレバーによって押圧することで、３つの
クランプ面に等しく押圧力がかかるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡に関し、特にその
プローブ保持機構に関する。

【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、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）がこ
れに該当する。

【０００３】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づけることによって、
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劣化が生じ、
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
ブごと交換することが行われている。

【０００５】従来より、このような探針をもつプローブ
の保持方式として、バキュームチャック式、マグネット
式、ワイヤ固定式等が、特許第２９００９４５号公報、
特許第２８５３５８５号公報、特開平１０−２６７９４
８号公報、特開平１１−２１１７３４号公報により公知
である。しかしながら、これらの従来の方式は、バキュ
ーム源がダウンすると保持不能となることや、バキュー
ム源が必要であるためコストがかかることや、試料が磁
界の影響を受けることや、高精度な保持精度が確保でき
ず、プローブを保持した後に光学系でその精度を補償す
るようにしていたためその調整に時間を要する等の問題
があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
問題に鑑み、高精度な保持精度が確保できて、光学系で
のアライメントを必要とすることなく再現性良くプロー
ブを着脱できると共に、プローブ保持機構の省スペース
化が計れ、電源断時等における保持不能の不具合の生じ
ることのないプローブ保持機構を具備した走査型プロー
ブ顕微鏡を提供することである。

【０００７】

【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、先端に探針を設けたカン
チレバーを精度補償して固着したプローブを、クランプ
本体下面の３つのクランプ面に等しく作用する力でレバ
ーによって押し付けて保持するプローブ保持機構を具備
したものであり、プローブの位置を高精度に保持するこ
とができ、保持後の光学系でのアライメントを不要とし
ている。

【０００８】請求項２の該顕微鏡は、直方体のプローブ
の下面に、該下面の一方の稜線から約４５°の傾斜角度
でＶ字状にカットしてＶ字切欠部を設け、この切欠部の
面をレバーにより押圧することで、クランプ本体下面に
形成された３つの壁面にレバーの押圧力がそれぞれ約４
５°の角度で等しく作用するようにしたものであり、単
純な機構で３つの面に等しい押圧力を働かすことができ
る。請求項３の該顕微鏡は、クランプ本体下面の３つの
壁面にその一部の表面を露出する形で微小な径の球を埋
め込んだものであり、これにより、壁面の粗さに影響さ
れることなく、点接触によりプローブを高精度に位置付
けして保持することができる。

【０００９】請求項４の該顕微鏡は、３つの壁面に埋め
込まれる球の数を規定したものであり、合計６つの球に
よる点接触とレバーによる押圧点の７つの点接触によっ
てプローブを保持するものである。請求項５の該顕微鏡
は、プローブ保持機構の構成を具体化したものであり、
レバーの回動動作によりプローブを保持できるので、保
持部分の省スペース化を計れ、劣化対策用として予備プ
ローブが多数配列された場合でも、取り出すことが容易
である。

【００１０】請求項６の該顕微鏡は、レバーを駆動する
駆動機構が、レバーをロック状態から解放位置へと駆動
するエアシリンダと、レバーをロック位置に戻すための
スプリングによって付勢される押圧棒とを有しているこ
とを規定したものであり、プローブはバネ圧によってク
ランプ本体に保持される。請求項７の該顕微鏡は、レバ
ーの先端を半球状としたものであり、レバーは点接触で
プローブを押圧することで押圧力が効率良くプローブに
作用する。

【００１１】請求項８の該顕微鏡は、プローブの探針を
Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に微調整することができる微調整機構を
更に備えるようにしたもので、原子間力顕微鏡等の光学
的手法で微少変位を検出する際に、微調整機構を小型・
軽量化することで慣性モーメントによる影響を低減し、
測定精度の向上が可能となる。請求項９の該顕微鏡は、
プローブと接触するレバー及びクランプ本体の接触部を
磁性材により形成したものであり、これにより、プロー
ブとの当接により発生するゴミ、パーティクル等をこの
磁性材の部分に付着させて、落ちて散らばらないように
している。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態の走査型プローブ顕微鏡のプローブ保持機構
について説明する。図１は、本発明の実施の形態の走査
型プローブ顕微鏡のプローブ保持機構の側面図である。
図１は、プローブ保持機構Ａと、これに保持される直前
のプローブＢと、顕微鏡の対物レンズＣとの関係を示し
ている。この図では対物レンズＣが傾斜して配置されて
いるように見えるが、実際は対物レンズＣが垂直に配置
され、これに対してプローブＢがやや傾斜して保持され
るものである。なお、前記保持機構Ａは、支持体Ｄにボ
ルト等で固定されている。

【００１３】図１〜４に示されるように保持機構Ａは、
基本的にクランプ本体１、レバーの回動軸２、テコ部材
３、及びテコ部材３を回動する駆動機構４とから構成さ
れている。クランプ本体１は、回動軸２を挿入するため
の垂直方向に貫通する孔１１と、側面がコの字状に切り
込まれたスラスト軸受２２の受入れ部１２と、プローブ
Ｂの３つの面が当接するように受け入れるための下面に
凹設された、クランプ面を構成する凹部１３とが形成さ
れている。クランプ本体１の受入れ部１２に配置される
スラスト軸受２２には、挿入される回動軸２がスラスト
方向に移動しないようにするためのロックネジ２４が設
けられている。クランプ本体１の下面に形成された、ク
ランプ面を構成する凹部１３は、プローブＢと当接する
ための底壁１３ａと２つの側壁１３ｂ，１３ｃとを有
し、他の２の側壁は除去されている。これらの底壁及び
側壁には、プローブＢと点接触させるためにサファイア
（アルミナ）製の約０．５mm程の径の球１４が、その一
部の表面が露出する形で、底壁１３ａに３個所、長手方
向の側壁１３ｂに２個所、他の側壁１３ｃに１個所埋め
込まれている。

【００１４】クランプ本体１内を挿通する回動軸２の先
端部には、先端が半球状に形成されたレバー２１が設け
られている。回動軸２は、クランプ本体１のスラスト軸
受２２の上下にそれぞれ配設されたラジアル軸受２３に
回動自在に軸支されている。したがって、回動軸２の回
動にともなって、図４に示すようにレバー２１が、プロ
ーブＢをロックする位置と、ロックを解放する位置との
間で、例えば約９０°、回動する。この回動軸２は、ク
ランプ本体１の上部に載置された、後に詳述するテコ部
材３を挿通している。

【００１５】テコ部材３には、回動軸２が挿入される孔
３１と、この孔につながっているスリット部３２と、被
押圧部材３４を軸支するために上部と下部に設けられた
２股状の支承部３３とが形成されている。スリット部３
２には、回動軸２を締め込むための締め込みネジ３５が
設けられており、このネジ３４を締め込むことで、テコ
部材３と回動軸２とはしっかりと固定される。

【００１６】図３に示されるように支持体Ｄには、テコ
部材３を回動するための駆動機構４が取り付けられてい
る。この駆動機構４は、テコ部材３に軸支された被押圧
部材３４を押圧してテコ部材３を回動させ、図４に示さ
れるようにレバー２１をロックからの開放位置へと動か
すためのエアシリンダ４１と、テコ部材３に関してエア
シリンダ４１と反対側にバネ力によって被押圧部材３４
を押圧しテコ部材３をエアシリンダ４１による回動とは
逆方向に回動させ、レバー２１をロック位置へと動かす
ための押圧棒４２と、を有している。図５に示されるよ
うに、押圧棒４２は、調整ネジ４３内に摺動可能に挿入
され、この押圧棒４２と調整ネジ４３との間にスプリン
グ４４が配置されている。したがって、調整ネジ４３の
ナット部を回すことにより、スプリング４４の付勢力が
調整できる。符号４５は、調整ネジ４３を固定する止め
ネジである。

【００１７】図６は、前記保持機構Ａに保持されるプロ
ーブＢを示している。プローブＢは、探針５が設けられ
たカンチレバー６と、このカンチレバー６を接着等によ
り取り付けるカンチレバーホルダ７とから構成されてい
る。カンチレバーホルダ７には、その先端の下面には、
カンチレバー６を接着する接着剤の流れを良くするため
の溝７１が形成されると共に、直方体部分の下面の一方
の稜線から約４５°の角度でＶ字状にカットされたＶ状
切欠部７２が形成されている。したがって、Ｖ状切欠部
７２の面７２ａは、カンチレバーホルダ７の上面及び２
つの側面に対し、等しく約４５°傾斜している。このカ
ンチレバーホルダ７が前述のクランプ本体１に保持され
るとき、レバー２１がＶ状切欠部７２内に入り込んで切
欠部７２の約４５°の面７２ａを押圧することにより、
このカンチレバーボルダ７の上面及び２つの側面（切欠
部７２が形成されていない側面と後側の側面）が、クラ
ンプ本体１のクランプ面を形成する凹部１３の底壁及び
２つの側壁に埋め込まれた６つの球１４にそれぞれ当接
し、クランプ面に対し等しい力で作用している。また、
プローブＢと接触するレバー２１及びクランプ本体１の
接触部を磁性材で形成してもよい。これにより、プロー
ブＢとの当接により発生するゴミ、パーティクル等がこ
の磁性材の部分に付着し、落ちて散らばることがない。

【００１８】図７，８，９は、プローブＢの探針をＸ，
Ｙ，Ｚ方向に微調整する微調整機構８を示している。こ
の微調整機構８は、プローブ保持機構Ａを固定している
支持体Ｄと、対物レンズＣを保持しているホルダ９との
間に設けられており、この間にＸスライダ８１とＹスラ
イダ８２とが介在している。ホルダ９とＸスライダ８１
とは、Ｘ方向に摺動可能で、Ｙ，Ｚ方向には拘束される
形で嵌合している。ホルダ９にはＹ方向に長穴９ａが開
孔され、Ｘスライダ８１には長穴９ａに対しやや傾斜し
た傾斜長溝８１ａが設けられ、この長穴９ａと傾斜長溝
８１ａに渡って円柱軸１０ａが配置されている。ホルダ
９には、調整ネジ９ｄが長穴９ａの長手方向に横断して
配置される。この調整ネジ９ｂは、円柱軸１０ａと直交
し、これを貫通する形で円柱軸１０ａと螺嵌している。
従って、調整ネジ９ｄの回動により円柱軸１０ａがＹ方
向に移動すると、Ｘスライダ８１の傾斜長溝８１ａにも
円柱軸１０ａが到達しているため、Ｘスライダ８１はＹ
方向の拘束により、Ｘ方向に摺動する。これにより、Ｘ
方向の微調整が行える。

【００１９】同様に、Ｘスライダ８１とＹスライダ８２
とは、Ｙ方向に摺動可能で、Ｘ，Ｚ方向には拘束される
形で嵌合している。Ｘスライダ８１には、Ｚ方向に長穴
８１ｂが開孔され、Ｙスライダ８２には、この長穴８１
ｂに対しやや傾斜した傾斜長溝８２ｂが設けられ、この
長穴８１ｂと傾斜長溝８２ｂに渡って円柱軸１０ｂが配
置されている。Ｘスライダ８１には、調整ネジ８１ｄが
長穴８１ｂの長手方向に横断して配置され、この調整ネ
ジ８１ｄは、円柱軸１０ｂと直交し、これを貫通する形
で円柱軸１０ｂと螺嵌している。従って調整ネジ８１ｄ
の回動により円柱軸１０ｂがＺ方向に移動すると、円柱
軸１０ｂがＹスライダ８２の傾斜長溝８２ｂに達してい
るために、Ｙスライダ８２は、Ｚ方向は拘束されている
ためＹ方向に摺動する。これにより、Ｙ方向の微調整が
行える。

【００２０】同様に、Ｙスライダ８２と、プローブ保持
機構Ａを固定している支持体Ｄとは、Ｚ方向に摺動可能
で、Ｘ，Ｙ方向に拘束される形で嵌合している。Ｙスラ
イダ８２には、Ｙ方向に長穴８２ｃが開孔され、支持体
Ｄには、この長穴８２ｃにやや傾斜して傾斜長溝Ｄｃが
設けられ、この長穴８２ｃと傾斜長溝Ｄｃとに渡って円
柱軸１０ｃが配置されている。Ｙスライダ８２には、調
整ネジ８２ｄが長穴８２ｃの長手方向に横断して配置さ
れ、この調整ネジ８２ｄは、円柱軸１０ｃと直交し、こ
れを貫通する形で円柱軸１０ｃと螺嵌している。従っ
て、調整ネジ８２ｄの回動により円柱軸１０ｃがＹ方向
に移動すると、円柱軸１０ｃは支持体Ｄの傾斜長溝Ｄｃ
に達しているために、支持体ＤはＹ方向に拘束されてい
るためＺ方向に摺動する。これにより、Ｚ方向の微調整
が行える。

【００２１】なお、ホルダ９とＸスライダ８１、Ｘスラ
イダ８１とＹスライダ８２、及びＹスライダ８２と支持
体Ｄとは、互いにボルト等により支持される。このよう
に、本発明の走査型プローブ顕微鏡のプローブ探針の
Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の位置の微調整機構８は、コンパクトで
軽量化できるため、この顕微鏡の光学的手法で微少変位
を検出する際に、慣性モーメントによる影響を低減し、
測定精度の向上が可能である。

【００２２】以上のように構成されたプローブ保持機構
Ａの作動について説明する。プローブＢがプローブ保持
機構Ａに保持されていない初期状態においては、エアシ
リンダ４１によって、スプリング４４の付勢力に抗して
テコ部材３と回動軸２とは約９０°反時計方向に回動し
てレバー２１は解放状態である長手方向を向いている。
この状態で、プローブＢが図示されていない供給機構に
より、図１に示されるようなセット位置に運ばれクラン
プ本体１の下面に近接して配置される。次いでエアシリ
ンダ４１による押圧力が解除され、スプリング４４の付
勢力によりテコ部材３と回動軸２とは時計方向に約９０
°回動し、これによりレバー２１は、図４に示されるよ
うにプローブＢのロック位置（長手方向に直角な方向）
へと回動し、カンチレバーボルダ７に形成されたＶ状切
欠部７２の面にその先端が当接して、これを押圧し、プ
ローブＢをクランプ本体１の下面で保持する。したがっ
て、スプリング４４の付勢力がプローブＢの保持力とな
っている。プローブＢを保持機構Ａから解放するには、
スプリングの付勢力に抗してエアシリンダ４１を作動さ
せ、レバー２１を反時計方向に約９０°回動することで
行われる。

【００２３】以上説明したように、本発明の走査型プロ
ーブ顕微鏡のプローブ保持機構においては、レバーの回
動によってプローブのロック及び解放を行っているため
に保持機構の省スペース化が計れると共に、プローブを
点接触によって保持しているために、保持面の面粗度に
影響されることなく高精度にプローブを自動交換するこ
とができる。また、バキュームを使用していないのでバ
キュームダウンの恐れがなく、かつ磁力によらないので
磁気の影響を受けることもない。

【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の
プローブ保持機構の側面図である。

【図２】本発明の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡の
プローブ保持機構の正面図である。

【図３】本発明の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡の
プローブ保持機構の上面図である。

【図４】本発明の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡の
プローブ保持機構の下面図である。

【図５】本発明のプローブ保持機構の駆動機構を示す図
である。

【図６】本発明のプローブ保持機構に使用されるプロー
ブの側面図と平面図である。

【図７】本発明のプローブ保持機構に使用される微調整
機構の正面図である。

【図８】図７の微調整機構の側面図である。

【図９】図７の微調整機構の平面図である。

【符号の説明】

Ａ…プローブ保持機構 Ｂ…プローブ Ｃ…対物レンズ １…クランプ本体 １４…球 ２…回動軸 ２１…レバー ３…テコ部材 ４…駆動機構 ４１…エアシリンダ ４２…押圧棒 ４３…調整ネジ ４４…スプリング ８…微調整機構

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料と探針とを近接して対向配置し、そ
   のどちらかを走査させることで探針と試料表面との間の
   相互作用により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、 先端に探針を設けたカンチレバーを固着したプローブ
   を、プローブ保持機構のクランプ本体下面の３つのクラ
   ンプ面に等しく作用する力で、レバーによって押し付け
   て該プローブを該クランプ本体に押圧保持するプローブ
   保持機構を具備することを特徴とする走査型プローブ顕
   微鏡。
2. 【請求項２】 前記クランプ面が、前記クランプ本体の
   下面に形成された３つの壁面であり、該３つの壁面に対
   して、前記レバーにより生じる押圧力がそれぞれ約４５
   °の角度で等しく作用するように、直方体の前記プロー
   ブの下面の一方の稜線から約４５°の傾斜角度でＶ字状
   にカットして、前記プローブの下面にＶ字切欠部を設け
   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。
3. 【請求項３】 前記クランプ本体の下面に形成された３
   つの壁面に微小な径の球が表面が露出する形で埋め込ま
   れ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。
4. 【請求項４】 前記クランプ本体下面の３つの壁面のう
   ち、底壁に３個、長手方向の側壁に２個、後の側壁に１
   個の微小な径の球がそれぞれその一部の表面を露出する
   ように埋め込まれていることを特徴とする請求項３に記
   載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 【請求項５】 前記プローブ保持機構が、前記プローブ
   を受け入れる前記クランプ本体と、前記レバーを取り付
   けた回動軸と、該回動軸を回動させるテコ部材と、該テ
   コ部材に作用する駆動機構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。
6. 【請求項６】 前記駆動機構が、前記レバーをロック状
   態からの解放位置に駆動するためのエアシリンダと、前
   記レバーをロック位置に戻すためのスプリングによって
   付勢される押圧棒とを有していることを特徴とする請求
   項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 【請求項７】 前記レバーの先端が半球状であることを
   特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の走査型
   プローブ顕微鏡。
8. 【請求項８】 前記プローブの探針を、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向
   に微調整することができる微調整機構を更に備えている
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の
   走査型プローブ顕微鏡。
9. 【請求項９】 前記プローブと接触する前記レバー及び
   前記クランプ本体の接触部が磁性材により形成されてい
   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。