JP2006349459A - Scanning probe microscope - Google Patents

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Takaaki Amakusa
貴昭 天草
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem wherein a feed mechanism or a taking-up mechanism is required in order to prevent the entanglement and damage of connected optical fibers when an SPM cell unit is moved between chambers and assembly, disassembly and maintenance are difficult as a result because the complication and scaling-up of an apparatus can not be avoided. <P>SOLUTION: This scanning prove microscope is constituted so that a unit connector is attached to the outer surface of the SPM unit, a receiving connector is attached to the part opposed to the unit connector of an SPM unit receiver, the other end parts of the optical fibers supported on an optical fiber support are attached to the unit connector and the respective connectors are connected so as to enable the giving and receiving of light between the respective fibers when the unit is mounted on the unit receiver. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡、走査形近接場顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡(以下、SPMという)に関するものである。   The present invention is a scanning probe microscope (hereinafter referred to as a generic name of a scanning tunnel microscope, an atomic force microscope, a magnetic force microscope, a friction force microscope, a micro viscoelastic microscope, a surface potential difference microscope, a scanning near field microscope, and the like). SPM).

近年、探針付きカンチレバーと試料を対向配置し、探針と試料の距離を数ナノメートル以下の距離にして、探針により試料表面を走査することにより、探針と試料間に働く原子間力等の物理量を測定し、測定に基づいて試料表面の凹凸像を得るように成した走査プローブ顕微鏡が注目されている。この探針に働く物理量を測定する方法には、探針を有するカンチレバーの背面にレーザ光を照射し、反射したレーザ光を受光し、その位置の変位又はレーザ光の周波数変位を測定する方法がとられる。   In recent years, the atomic force acting between the probe and the sample can be achieved by scanning the surface of the sample with the probe by placing the cantilever with the probe and the sample facing each other, setting the distance between the probe and the sample to be a few nanometers or less. Attention has been focused on a scanning probe microscope that measures physical quantities such as those and obtains a concavo-convex image of the sample surface based on the measurement. As a method of measuring the physical quantity acting on the probe, there is a method of irradiating the back surface of the cantilever having the probe with a laser beam, receiving the reflected laser beam, and measuring the displacement of the position or the frequency displacement of the laser beam. Be taken.

観察する場合は目的に応じて真空、超低温、磁場等の異なる雰囲気の環境での観察が必要なことがある。このため、試料ステージ、試料に対向して設けられたカンチレバー、試料とカンチレバーを相対的に走査するスキャナ等をセルユニット化して、SPMセルユニットをSPMセル搬送ロッドにより各環境のチャンバ間を移動させて観察を行っていた。   When observing, it may be necessary to observe in an environment of different atmospheres such as vacuum, ultra-low temperature, and magnetic field depending on the purpose. For this reason, the sample stage, the cantilever provided facing the sample, the scanner that scans the sample and the cantilever relatively, etc. are made into cell units, and the SPM cell unit is moved between the chambers of each environment by the SPM cell transfer rod. And observed.

SPMセルユニットには光ファイバが接続され装置外部に検出信号を送っているが、SPMセルユニットを搬送する際に、光ファイバを接続したまま搬送していた。この場合、弦巻バネ状の光ファイバを用いたり、巻き取り/送り出し機構を用いて弛みを防止していた。   An optical fiber is connected to the SPM cell unit and a detection signal is sent to the outside of the apparatus. However, when the SPM cell unit is transported, it is transported with the optical fiber connected. In this case, slack is prevented by using a string-wound spring-like optical fiber or a winding / feeding mechanism.

しかしながら、光ファイバの破損を防止するため曲率半径より大きい巻き取り/送り出し機構が必要になり、装置の大型化、複雑化を招いていた。また、装置の組み立て、調整、メンテナンスが大変であった。光ファイバを可動させるため、絡まったり、損傷したりして操作性が悪かった。特に、4K程度の液体ヘリウム温度では、光ファイバが硬化して動き難くく、室温近くまで温度を上げてから動かす必要があった。   However, in order to prevent the optical fiber from being damaged, a winding / feeding mechanism larger than the radius of curvature is required, resulting in an increase in size and complexity of the apparatus. Also, the assembly, adjustment and maintenance of the device was difficult. Since the optical fiber is movable, the operability is poor due to entanglement or damage. In particular, at a liquid helium temperature of about 4K, the optical fiber is hardened and difficult to move, and it has been necessary to move it after raising the temperature to near room temperature.

さらに、真空環境においてSPMセルユニットを搬送する場合、弦巻バネ状光ファイバが伸縮した際に、光ファイバのコーティング剤等から微量のガスが出て超高真空環境に影響していた。巻き取り/送り出し機構の可動部からもパーティクルが出て超高真空環境を汚染していた。   Further, when the SPM cell unit is transported in a vacuum environment, when the string-wound spring-shaped optical fiber expands and contracts, a very small amount of gas is emitted from the coating agent of the optical fiber, which affects the ultra-high vacuum environment. Particles also came out from the moving part of the winding / feeding mechanism and contaminated the ultra-high vacuum environment.

従来の光ファイバコネクタは、超高真空、液体窒素温度及び液体ヘリウム等の環境における使用を想定していなかった。このため、人の手で直接の着脱することができないこのような環境においては位置精度を出すことができず、着脱が難しかった。また、熱収縮等が起こり、コネクタが破損することがあった。ほとんどの光ファイバーコネクタは樹脂製であるため、超高真空にするためのベーク時に溶けて変形したり、ガスを出して真空には不適切であった。   Conventional optical fiber connectors were not intended for use in environments such as ultra-high vacuum, liquid nitrogen temperature and liquid helium. For this reason, in such an environment where direct attachment / detachment by a human hand cannot be performed, positional accuracy cannot be obtained, and attachment / detachment is difficult. Further, thermal contraction or the like occurred, and the connector was sometimes damaged. Most optical fiber connectors are made of resin, so they melted and deformed during baking to create an ultra-high vacuum, or were unsuitable for vacuum by releasing gas.

なお、従来技術としては、ユニット化して電気コネクタを介して本体と接続した走査型プローブ顕微鏡がある(例えば、特許文献1)。   As a conventional technique, there is a scanning probe microscope that is unitized and connected to a main body via an electrical connector (for example, Patent Document 1).

特開平8−75757JP-A-8-75757

本発明が解決しようとする問題点は、SPMセルユニットをチャンバ間で移動させる場合、接続された光ファイバが絡まず、損傷させないようにするための送り機構や巻き取り機構が必要であったことである。このため、装置の複雑化、大型化が避けられず、それに伴い、組み立て、分解、メンテナンスも困難であった。また、清掃な超高真空にも悪い影響を与えていた。   The problem to be solved by the present invention is that when the SPM cell unit is moved between chambers, a connected optical fiber is not entangled and a feeding mechanism and a winding mechanism are required to prevent damage. It is. For this reason, complication and enlargement of the apparatus cannot be avoided, and as a result, assembly, disassembly, and maintenance have been difficult. It also had a negative effect on clean ultra-high vacuum.

請求項1の発明は、探針を備えたカンチレバー、探針を試料表面に近接又は接触させた状態で探針と試料を相対的に走査するためのスキャナ、及び、光ファイバ支持体をユニット化すると共に、該ユニットを着脱自在に受けるユニット受け体を設け、前記光ファイバー支持体に支持された光ファイバーを通して、ユニット外部に設けられた光源からの光を前記カンチレバーに照射し、該カンチレバーからの反射光を前記光ファイバーで受光するように成した走査プローブ顕微鏡において、前記ユニットの外面にユニット・コネクタを取り付けると共に、前記ユニット受け体の前記ユニット・コネクタと対向する部分に受けコネクタを取り付け、前記ユニット・コネクタには前記光ファイバー支持体に支持された光ファイバーの他端部を取り付け、前記受けコネクタには前記光源に実質的に繋がった光ファイバーの他端部を取り付ける様に成し、前記ユニットを前記ユニット受け体に装着した時に、前記各ファイバー間の光の授受が可能に前記各コネクタの接続が行われる様に成した走査プローブ顕微鏡である。   According to the first aspect of the present invention, a cantilever having a probe, a scanner for scanning the probe and the sample relatively with the probe approaching or contacting the sample surface, and an optical fiber support are unitized. And a unit receiver that detachably receives the unit, irradiates the cantilever with light from a light source provided outside the unit through an optical fiber supported by the optical fiber support, and reflects light from the cantilever. In the scanning probe microscope configured to receive the light by the optical fiber, a unit connector is attached to the outer surface of the unit, and a receiving connector is attached to a portion of the unit receiver facing the unit connector. Attach the other end of the optical fiber supported by the optical fiber support The receiving connector is configured to attach the other end of an optical fiber substantially connected to the light source, and when the unit is attached to the unit receiver, the light can be exchanged between the fibers. This is a scanning probe microscope in which each connector is connected.

請求項2の発明は、前記ユニット受け体が複数種類のチャンバーに設けられており、ユニット搬送手段により、前記ユニットを各チャンバー間で移動させ、移動先チャンバーのユニット受け体に装着した時に、前記各ファイバー間の光の授受が可能に前記各コネクタの接続が行われる様に成した請求項1記載の走査プローブ顕微鏡である。   In the invention of claim 2, the unit receiver is provided in a plurality of types of chambers, and when the unit is moved between the chambers by a unit transport means and attached to the unit receiver of the destination chamber, 2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the connectors are connected so that light can be exchanged between the fibers.

請求項3の発明は、複数種類のチャンバーは真空状態で室温環境にあるチャンバーと真空状態で低温環境にあるチャンバーである請求項2記載の走査プローブ顕微である。   The invention of claim 3 is the scanning probe microscope according to claim 2, wherein the plurality of types of chambers are a chamber in a room temperature environment in a vacuum state and a chamber in a low temperature environment in a vacuum state.

本発明によれば、SPMセルユニットが光ファイバコネクタを介してチャンバと接続されているため、SPMセルユニットを移動させても装置内で光ファイバを引き回すことが無く、光ファイバを損傷させる等のトラブルの可能性が低く、チャンバ内を汚染することがなくなる。また、光ファイバの送り機構や巻き取り機構が不要になり装置の複雑化、大型化が避けられる。さらに、組み立て、分解、メンテナンスも容易になった。   According to the present invention, since the SPM cell unit is connected to the chamber through the optical fiber connector, the optical fiber is not routed in the apparatus even if the SPM cell unit is moved, and the optical fiber is damaged. The possibility of trouble is low, and the inside of the chamber is not contaminated. In addition, an optical fiber feeding mechanism and a winding mechanism are not required, and the apparatus is prevented from becoming complicated and large. In addition, assembly, disassembly, and maintenance have become easier.

本発明の構成を図1乃至4を用いて説明する。図4は装置全体の断面図である。架台26の上には除振台25が設置されており、除振台25上部にはダンパ機構24を介してメインチャンバ20が設置されている。メインチャンバ20内には図示しない室温部SPMセルステージが設置されている。メインチャンバ20上部には搬送ロッド格納チャンバ23が設置されている。搬送ロッド格納チャンバ23内にはSPMセルユニット7を移動させるSPMセル搬送ロッド22が移動自在に格納されている。一方、メインチャンバ20の下部にはクライオスタット21が吊り下がるように接続されている。クライオスタット21内部には、SPMセルユニット7及びSPMセルステージ5が格納されており、その周りを液体ヘリウム27で満たしている。メインチャンバ20、クライオスタット21内部は、図示しない真空ポンプにより超高真空が保持されている。   The configuration of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a sectional view of the entire apparatus. A vibration isolation table 25 is installed on the gantry 26, and the main chamber 20 is installed above the vibration isolation table 25 via a damper mechanism 24. A room temperature section SPM cell stage (not shown) is installed in the main chamber 20. A transfer rod storage chamber 23 is installed on the main chamber 20. An SPM cell transfer rod 22 for moving the SPM cell unit 7 is movably stored in the transfer rod storage chamber 23. On the other hand, a cryostat 21 is connected to the lower portion of the main chamber 20 so as to hang. The SPM cell unit 7 and the SPM cell stage 5 are stored inside the cryostat 21 and filled with liquid helium 27. The inside of the main chamber 20 and the cryostat 21 is maintained at an ultra high vacuum by a vacuum pump (not shown).

図1は、図4におけるSPMセルユニット7、SPMセルステージ5部分の詳細図である。SPMセルステージ5の凹部にはSPMセルユニット7が収納されている。   FIG. 1 is a detailed view of the SPM cell unit 7 and the SPM cell stage 5 in FIG. An SPM cell unit 7 is accommodated in the recess of the SPM cell stage 5.

SPMセルユニット7内にはSPMセルステージ5に固定された慣性駆動式XYZ粗動機構8が設置され、その上面にはXYZ方向に変位自在な圧電素子から構成されるチューブスキャナ9が設置されている。スキャナ9の上面には試料ホルダ10が設置されており、試料ホルダ10の上面には試料11が交換自在に載置されている。試料11に対向して一端に探針12を有するカンチレバー13が設置されており、カンチレバー13の他端はSPMセルユニット7に固定されている。   An inertial drive type XYZ coarse movement mechanism 8 fixed to the SPM cell stage 5 is installed in the SPM cell unit 7, and a tube scanner 9 composed of a piezoelectric element that is displaceable in the XYZ directions is installed on the upper surface thereof. Yes. A sample holder 10 is installed on the upper surface of the scanner 9, and a sample 11 is placed on the upper surface of the sample holder 10 in a replaceable manner. A cantilever 13 having a probe 12 at one end is installed facing the sample 11, and the other end of the cantilever 13 is fixed to the SPM cell unit 7.

カンチレバー13の探針位置に対面してセル側光ファイバ15の照射面が設置され、セル側光ファイバ15の他端には光ファイバ差込側コネクタ6が設置されている。光ファイバ差込側コネクタ6はSPMセルユニット7外部に設置されている。SPMセルユニット7の上部にはSPMセル搬送ロッド22が着脱自在に設置されている。また、SPMセルユニット7外部にはスキャナ9、XYZ粗動機構8、カンチレバー13等に電気的に接続されたスプリングプローブ電極14が設置されている。   The irradiation surface of the cell side optical fiber 15 is installed facing the probe position of the cantilever 13, and the optical fiber insertion side connector 6 is installed at the other end of the cell side optical fiber 15. The optical fiber insertion side connector 6 is installed outside the SPM cell unit 7. An SPM cell transport rod 22 is detachably installed on the upper part of the SPM cell unit 7. In addition, a spring probe electrode 14 electrically connected to the scanner 9, the XYZ coarse movement mechanism 8, the cantilever 13, and the like is installed outside the SPM cell unit 7.

SPMセルステージ5には光ファイバ受側コネクタ2が設置されており、光ファイバ差込側コネクタ6は光ファイバ受側コネクタ2に嵌合している。また、SPMセルステージ5にはSPMセルユニット7に電気的信号を伝える受電極3が設置されている。SPMセルユニット7及びSPMセルステージ5はSPM中で真空に設置されており、ステージ側光ファイバ1及びリード線4は真空外と接続されている。   The SPM cell stage 5 is provided with an optical fiber receiving side connector 2, and the optical fiber insertion side connector 6 is fitted to the optical fiber receiving side connector 2. The SPM cell stage 5 is provided with a receiving electrode 3 that transmits an electrical signal to the SPM cell unit 7. The SPM cell unit 7 and the SPM cell stage 5 are installed in vacuum in the SPM, and the stage side optical fiber 1 and the lead wire 4 are connected to the outside of the vacuum.

図3は、図1における光ファイバ受側コネクタ2及び光ファイバ差込側コネクタ6の詳細図である。
光ファイバ受側コネクタ2において、ハウジング36内には、光ファイバケーブル1の端末処理を行う受け側フェルール32を保持するフェルールガイド34及びバネ37が収納されている。受側フェルール32はステージ側光ファイバ1を支持する円筒棒状の部品で、光ファイバ単体では細く折れ易いため、光ファイバをフェルール中心に接着固定し、フェルール同士をお互いに突き合わせることにより光ファイバを精度良く接続する。受側フェルール32接続面には面取りが成され、ステージ側光ファイバ1が現れている。ステージ側光ファイバ1はテフロン(登録商標)等のベーク、超高真空(以下、UHVという)及び液体ヘリウム温度環境でも使用することができる材料で被覆されている。また、フェルールガイド34はバネ37によりハウジング36内面に押止されている。バネ37はテーパ型弦巻バネである。バネ37の形状は、筒状でもよいが、テーパ状であるとより有効である。
3 is a detailed view of the optical fiber receiving connector 2 and the optical fiber insertion connector 6 in FIG.
In the optical fiber receiving connector 2, a housing 36 accommodates a ferrule guide 34 and a spring 37 that hold a receiving ferrule 32 that performs terminal processing of the optical fiber cable 1. The receiving-side ferrule 32 is a cylindrical rod-shaped part that supports the stage-side optical fiber 1. Since the optical fiber alone is thin and easy to break, the optical fiber is bonded by fixing the optical fiber to the center of the ferrule and the ferrules are brought into contact with each other. Connect with high accuracy. The connection surface of the receiving ferrule 32 is chamfered, and the stage side optical fiber 1 appears. The stage-side optical fiber 1 is coated with a material that can be used in baking such as Teflon (registered trademark), ultra-high vacuum (hereinafter referred to as UHV), and liquid helium temperature environment. Further, the ferrule guide 34 is held on the inner surface of the housing 36 by a spring 37. The spring 37 is a tapered chord spring. The shape of the spring 37 may be cylindrical, but it is more effective when it is tapered.

フェルールガイド34上面には、スリーブガイド31が設置され、ハウジング36の開口部より突起し、フェルールガイド34のフランジ部で係止している。スリーブガイド31内側にはスリーブ33が機械的にガタを有して収納されている。差込側フェルール35とミクロンオーダのはめ合い精度を有している。ハウジング36、受側フェルール32及びスリーブ33はセラミックやジルコニウム等の固く、高温に加熱してもガス等を出さない材料で構成されている。また、4K程度の液体ヘリウム27でも熱収縮のため破損することはない。これにより、ベーク、UHV、液体ヘリウム温度環境で使用することができる。スリーブガイド31の内径はスリーブ33外形より多少大きめに製作されている。スリーブガイド31上面にはツメが設けられているため、スリーブ33は多少ガタを有した状態で保持される。スリーブ33は受側フェルール32に固定されている。   A sleeve guide 31 is installed on the upper surface of the ferrule guide 34, protrudes from an opening of the housing 36, and is locked by a flange portion of the ferrule guide 34. A sleeve 33 is housed inside the sleeve guide 31 with mechanical backlash. The insertion-side ferrule 35 and the fitting accuracy of micron order are provided. The housing 36, the receiving ferrule 32, and the sleeve 33 are made of a material such as ceramic or zirconium that does not emit gas or the like even when heated to a high temperature. Even liquid helium 27 of about 4K is not damaged due to thermal contraction. Thereby, it can be used in a bake, UHV, or liquid helium temperature environment. The inner diameter of the sleeve guide 31 is made slightly larger than the outer shape of the sleeve 33. Since the upper surface of the sleeve guide 31 is provided with a claw, the sleeve 33 is held with a slight backlash. The sleeve 33 is fixed to the receiving ferrule 32.

また、光ファイバ差込側コネクタ6においては、セル側光ファイバ15の端面には差込側フェルール35が設置されており、SPMセル7に固定されている。セル側光ファイバ16はテフロン(登録商標)等の材料で被覆されている。   Further, in the optical fiber insertion side connector 6, an insertion side ferrule 35 is installed on the end face of the cell side optical fiber 15 and is fixed to the SPM cell 7. The cell side optical fiber 16 is coated with a material such as Teflon (registered trademark).

光ファイバ差込側コネクタ6は光ファイバ受側コネクタ2のスリーブによってガイドされ、光ファイバの光軸の位置合わせが行われている。バネ37によって支持されているスリーブ33は移動自在なため、光ファイバ差込側コネクタ6のずれを吸収し、光ファイバの光軸を正確に合わせることができる。   The optical fiber insertion side connector 6 is guided by the sleeve of the optical fiber receiving side connector 2 to align the optical axis of the optical fiber. Since the sleeve 33 supported by the spring 37 is movable, the shift of the optical fiber insertion side connector 6 can be absorbed and the optical axis of the optical fiber can be accurately aligned.

以上、図1乃至4における各部の構成について説明したが、次に動作について説明する。図1はSPMセルユニット7がSPMセルステージ5に設置された状態である。光ファイバ差込側コネクタ6は光ファイバ受側コネクタ2を通して接続しており、さらに装置外部と接続している。   The configuration of each unit in FIGS. 1 to 4 has been described above. Next, the operation will be described. FIG. 1 shows a state in which the SPM cell unit 7 is installed on the SPM cell stage 5. The optical fiber insertion side connector 6 is connected through the optical fiber receiving side connector 2 and further connected to the outside of the apparatus.

カンチレバー13の固定端には振動させるための圧電振動子を備えている。カンチレバー13はその長さや厚さによって数十kHzから数百kHzの固有振動数を有しており、圧電振動子にこの固有振動周波数を加えると、探針12が構成されている自由端が固有振動周波数で数nm程度上下動する。   The fixed end of the cantilever 13 is provided with a piezoelectric vibrator for vibrating. The cantilever 13 has a natural frequency of several tens of kHz to several hundreds of kHz depending on its length and thickness. When this natural vibration frequency is applied to the piezoelectric vibrator, the free end where the probe 12 is formed is unique. Moves up and down about several nanometers at the vibration frequency.

このときの状態を定常状態として探針12を試料11に接近させた場合、最下点で探針12−試料11間に原子間引力が作用する。探針12が原子間引力を受けると、カンチレバー13のバネ定数が見かけ上変化したことになり、定常状態の振動周波数fに比べて周波数が低く(振動周期が長く)なる。 When the state at this time is set to a steady state and the probe 12 is brought close to the sample 11, an interatomic attractive force acts between the probe 12 and the sample 11 at the lowest point. When the probe 12 receives an atomic attractive force, the spring constant of the cantilever 13 is apparently changed, and the frequency is lower (the vibration period is longer) than the vibration frequency f 0 in the steady state.

カンチレバー13の先端に光ファイバからのレーザ光が照射されており、カンチレバー13から反射されたレーザ光は同じ光ファイバで検出される。これにより、光干渉を利用してカンチレバー13の変位を検出することができる。この光干渉方式において、カンチレバー13から反射されたレーザ光に含まれる周波数成分の内から、引力の作用による周波数変化Δf、振幅変化ΔA、位相変化のいずれかをフィードバック信号として、スキャナ9をZ方向に変位させることにより探針12−試料11間の距離を一定に保つようにしている。この時のスキャナ9に入力する電圧を距離換算したデータに基づいて凹凸情報として画像化している。フィードバック信号の検出においては、真空中では直接それを検出するFM検出法が使用されている。試料11表面の水分等による表面張力の影響を除外して高分解能の画像を得る目的や、冷却する目的で、真空中での観察が行われる。   The tip of the cantilever 13 is irradiated with laser light from the optical fiber, and the laser light reflected from the cantilever 13 is detected by the same optical fiber. Thereby, the displacement of the cantilever 13 can be detected using optical interference. In this optical interference system, among the frequency components included in the laser light reflected from the cantilever 13, any one of the frequency change Δf, amplitude change ΔA, and phase change caused by the attractive force is used as a feedback signal, and the scanner 9 is moved in the Z direction. The distance between the probe 12 and the sample 11 is kept constant. The voltage input to the scanner 9 at this time is imaged as unevenness information based on the data obtained by converting the distance. In the detection of the feedback signal, an FM detection method for directly detecting it in a vacuum is used. Observation in a vacuum is performed for the purpose of obtaining a high-resolution image by excluding the influence of surface tension due to moisture or the like on the surface of the sample 11 or for the purpose of cooling.

セル側光ファイバ15で受光されたレーザ光は、光ファイバ差込側コネクタ6から光ファイバ受側コネクタ2に伝達され、装置外部に伝達される。   The laser light received by the cell side optical fiber 15 is transmitted from the optical fiber insertion side connector 6 to the optical fiber receiving side connector 2 and is transmitted to the outside of the apparatus.

図4におけるクライオスタット21内部は、4K程度の液体ヘリウム27で冷却されている。冷却方式は、液フロー方式、機械式冷凍方式、液溜方式等があるが、シンプルで液の循環する時の音や機械の作動音の影響を受けない、液溜方式を用いる。クライオスタット21内部でSPMセルユニット7が冷却されている。通常の光テコ方式で用いられるレーザユニットは、4Kほどの極低温では作動しないが、光ファイバの干渉方式では極低温においてもレーザ光をカンチレバー13に照射することができる。   The inside of the cryostat 21 in FIG. 4 is cooled by liquid helium 27 of about 4K. Cooling methods include a liquid flow method, a mechanical refrigeration method, a liquid storage method, and the like, but a liquid storage method is used that is simple and not affected by the sound of the liquid circulating or the operating sound of the machine. The SPM cell unit 7 is cooled inside the cryostat 21. A laser unit used in a normal optical lever system does not operate at an extremely low temperature of about 4K, but an optical fiber interference system can irradiate the cantilever 13 with a laser beam even at an extremely low temperature.

クライオスタット21からSPMセルユニット7を常温部にあるメインチャンバ20に移動させる場合は、SPMセルステージ5に置載されているSPMセルユニット7を、SPMセル搬送ロッド22を用いてメインチャンバ20に引き上げる。SPMセル搬送ロッド22を引き上げると、SPMセル搬送ロッド22に係合したSPMセルユニット7も一緒に引き上げられる。この時、光ファイバ差込側コネクタ6及びスプリングプローブ電極14の係合が外れ、図2の状態になる。   When the SPM cell unit 7 is moved from the cryostat 21 to the main chamber 20 in the room temperature portion, the SPM cell unit 7 placed on the SPM cell stage 5 is pulled up to the main chamber 20 using the SPM cell transport rod 22. . When the SPM cell transport rod 22 is lifted, the SPM cell unit 7 engaged with the SPM cell transport rod 22 is also lifted together. At this time, the optical fiber insertion side connector 6 and the spring probe electrode 14 are disengaged, and the state shown in FIG. 2 is obtained.

SPMセルユニット7がメインチャンバ20に引き上げられると、図示しない室温SPMセルステージにSPMセルユニット7が設置される。この時、光ファイバ差込側コネクタ6は光ファイバ受側コネクタ2と再び接続され、図1の状態になる。スプリングプローブ電極14も受側電極に接続される。   When the SPM cell unit 7 is pulled up to the main chamber 20, the SPM cell unit 7 is installed on a room temperature SPM cell stage (not shown). At this time, the optical fiber insertion side connector 6 is again connected to the optical fiber receiving side connector 2 to be in the state shown in FIG. The spring probe electrode 14 is also connected to the receiving electrode.

光ファイバ同士の接続にはミクロンオーダの軸合わせが必要であるが、光ファイバ受側コネクタ2が機械的な位置ズレを吸収する。このため、光ファイバ同士が接続するフェルールの接続面では接触圧力、軸精度等の接続条件を満たしている。また、光ファイバ受側コネクタ2は温度差による収縮も吸収する。   Connection between optical fibers requires micron-order axial alignment, but the optical fiber receiving connector 2 absorbs mechanical misalignment. For this reason, the connection surface of the ferrule which connects optical fibers satisfies connection conditions, such as contact pressure and axial accuracy. Moreover, the optical fiber receiving side connector 2 also absorbs shrinkage due to a temperature difference.

試料を室温から液体窒素温度又は液体ヘリウム温度に冷却して観察をおこなうと物質の相転移を調べることができる。   When the sample is cooled from room temperature to liquid nitrogen temperature or liquid helium temperature and observed, the phase transition of the substance can be examined.

ところで、良好なUHV環境を得るためにはベークが必要である。ベークとは装置内に付着した微量のガス等を除去するため200℃程度で焼き出すことであり、真空を破った時は毎回行われる。光ファイバ、光ファイバ受側コネクタ2及び光ファイバ差込側コネクタ6には樹脂材料等を使用していないため、ベークを行っても、部品からガスが発生することはなく、清浄なUHV環境を保持することができる。   By the way, baking is necessary to obtain a good UHV environment. Baking is to bake out at about 200 ° C. in order to remove a very small amount of gas adhering to the inside of the apparatus, and is performed every time the vacuum is broken. Since the optical fiber, the optical fiber receiving side connector 2 and the optical fiber insertion side connector 6 do not use a resin material or the like, gas is not generated from the parts even when baking is performed, and a clean UHV environment is achieved. Can be held.

以上、動作について説明したが、上記の構成によれば、SPMセルユニット7を移動させても装置内で光ファイバを引き回すことがなく、光ファイバを損傷させる等のトラブルの可能性が低下する。また、光ファイバの送り出しや、巻き取りの機構が不要となり装置の複雑化、大型化が避けられる。さらに、組み立て、分解、メンテナンスも容易である。   Although the operation has been described above, according to the above configuration, even if the SPM cell unit 7 is moved, the optical fiber is not routed in the apparatus, and the possibility of troubles such as damage to the optical fiber is reduced. In addition, an optical fiber feed-out and winding mechanism are not required, and the complexity and size of the apparatus can be avoided. Furthermore, assembly, disassembly, and maintenance are easy.

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、SPMセルユニット7外部は測定する試料に応じた色々な環境が考えられが、試料を20ステラ程度の強磁場中で観察する場合がある。この場合、クライオスタット内部に超伝導材料をコイル状に巻いた超伝導磁石が設置される。20ステラ程度の強磁場の中では、通常の光テコ方式に用いられるレーザユニットやディテクタは動作しないが、本願で用いる光ファイバを用いた光干渉方式は強磁場中でも動作する。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. For example, various environments according to the sample to be measured can be considered outside the SPM cell unit 7, but the sample may be observed in a strong magnetic field of about 20 stellars. In this case, a superconducting magnet in which a superconducting material is wound in a coil shape is installed inside the cryostat. In a strong magnetic field of about 20 stellar, a laser unit and a detector used for a normal optical lever system do not operate, but an optical interference system using an optical fiber used in this application operates even in a strong magnetic field.

また、走査形プローブ顕微鏡に限らず他の表面観察装置に用いてもよい。
Moreover, you may use for not only a scanning probe microscope but another surface observation apparatus.

本発明におけるSPMセルユニットとSPMセルステージの結合した図である。It is the figure which combined the SPM cell unit and SPM cell stage in this invention. 本発明におけるSPMセルユニットとSPMセルステージの結合を外した図である。It is the figure which removed the coupling | bonding of the SPM cell unit and SPM cell stage in this invention. 本発明における光ファイバコネクタ詳細図である。It is an optical fiber connector detailed drawing in this invention. 本発明におけるSPM装置全体図である。1 is an overall view of an SPM device in the present invention. 従来技術におけるSPMセルユニットとSPMセルステージの結合を示す図である。It is a figure which shows the coupling | bonding of the SPM cell unit and SPM cell stage in a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

1 ステージ側光ファイバ
2 光ファイバ受側コネクタ
3 受電極
4 リード線
5 SPMセルステージ
6 光ファイバ差込側コネクタ
7 SPMセルユニット
8 XYZ粗動機構
9 スキャナ
10 試料ホルダ
11 試料
12 探針
13 カンチレバー
14 スプリングプローブ電極
15 セル側光ファイバ
20 メインチャンバ
21 クライオスタット
22 SPMセル搬送ロッド
23 搬送ロッド格納チャンバ
24 ダンパ機構
25 除振台
26 架台
27 液体ヘリウム
31 スリーブガイド
32 受側フェルール
33 スリーブ
34 フェルールガイド
35 差込側フェルール
36 ハウジング
37 バネ
38 差込側光ファイバコネクタ
39 クライオスタット内インナーチャンバ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stage side optical fiber 2 Optical fiber receiving side connector 3 Receiver electrode 4 Lead wire 5 SPM cell stage 6 Optical fiber insertion side connector 7 SPM cell unit 8 XYZ rough movement mechanism 9 Scanner 10 Sample holder 11 Sample 12 Probe 13 Cantilever 14 Spring probe electrode 15 Cell side optical fiber 20 Main chamber 21 Cryostat 22 SPM cell transfer rod 23 Transfer rod storage chamber 24 Damper mechanism 25 Vibration isolation table 26 Mount 27 Liquid helium 31 Sleeve guide 32 Receiving ferrule 33 Sleeve 34 Ferrule guide 35 Insertion Side ferrule 36 Housing 37 Spring 38 Plug-in side optical fiber connector 39 Inner chamber in cryostat

Claims (3)

探針を備えたカンチレバー、探針を試料表面に近接又は接触させた状態で探針と試料を相対的に走査するためのスキャナ、及び、光ファイバ支持体をユニット化すると共に、該ユニットを着脱自在に受けるユニット受け体を設け、前記光ファイバー支持体に支持された光ファイバーを通して、ユニット外部に設けられた光源からの光を前記カンチレバーに照射し、該カンチレバーからの反射光を前記光ファイバーで受光するように成した走査プローブ顕微鏡において、前記ユニットの外面にユニット・コネクタを取り付けると共に、前記ユニット受け体の前記ユニット・コネクタと対向する部分に受けコネクタを取り付け、前記ユニット・コネクタには前記光ファイバー支持体に支持された光ファイバーの他端部を取り付け、前記受けコネクタには前記光源に実質的に繋がった光ファイバーの他端部を取り付ける様に成し、前記ユニットを前記ユニット受け体に装着した時に、前記各ファイバー間の光の授受が可能に前記各コネクタの接続が行われる様に成した走査プローブ顕微鏡。   A cantilever with a probe, a scanner for scanning the probe and the sample relatively with the probe close to or in contact with the sample surface, and an optical fiber support as a unit, and detaching the unit A unit receiver that can be freely received is provided, light from a light source provided outside the unit is irradiated to the cantilever through an optical fiber supported by the optical fiber support, and reflected light from the cantilever is received by the optical fiber. In the scanning probe microscope according to the present invention, a unit connector is attached to the outer surface of the unit, and a receiving connector is attached to a portion of the unit receiver facing the unit connector. The unit connector is attached to the optical fiber support. Attach the other end of the supported optical fiber and connect the receiving connector The other end of the optical fiber substantially connected to the light source is attached, and when the unit is mounted on the unit receiver, the connection of the connectors is possible so that light can be exchanged between the fibers. Scanning probe microscope made to perform. 前記ユニット受け体が複数種類のチャンバーに設けられており、ユニット搬送手段により、前記ユニットを各チャンバー間で移動させ、移動先チャンバーのユニット受け体に装着した時に、前記各ファイバー間の光の授受が可能に前記各コネクタの接続が行われる様に成した請求項1記載の走査プローブ顕微鏡。   The unit receiver is provided in a plurality of types of chambers. When the unit is moved between the chambers by a unit transporting unit and mounted on the unit receiver of the destination chamber, light is transmitted and received between the fibers. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the connectors are connected to each other so as to be possible. 複数種類のチャンバーは真空状態で室温環境にあるチャンバーと真空状態で低温環境にあるチャンバーである請求項2記載の走査プローブ顕微。

The scanning probe microscope according to claim 2, wherein the plurality of types of chambers are a chamber in a room temperature environment in a vacuum state and a chamber in a low temperature environment in a vacuum state.

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