JP3598340B2 - 低温試料位置制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は各種半導体素子や半導体材料、あるいは超電導材料、そのほか金属材料や無機材料など、各種の素子や材料からなる試料について、数Ｋ程度に至る極低温においてＳＱＵＩＤなどのセンサにより計測や観察を行なうにあたって、センサに対する試料の位置をミクロン単位の微小精度で３次元方向に制御するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近に至り、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉計）と称される高感度磁束計が実用化され、各種素子や材料についてＳＱＵＩＤを用いた計測を行なうことが多くなっているが、ＳＱＵＩＤは超伝導を利用しているため液体ヘリウム温度程度（数Ｋ程度）の極低温に冷却しておく必要があり、また相手方の試料についても、極低温あるいはそれに近い低温に保持する必要がある場合が多い。またＳＱＵＩＤのほか、トンネル顕微鏡によって試料の観察を行なう場合にも、トンネル顕微鏡を極低温に冷却保持する場合があり、また相手方の試料も極低温やそれに近い低温に保持する必要がある場合が多い。
【０００３】
ところでＳＱＵＩＤなどによる極低温での計測や観察が普及するに従って、ＳＱＵＩＤやトンネル顕微鏡などのセンサに対して試料をミクロンオーダーの高精度で３次元方向へ微小移動させて位置制御する必要性が高まっており、特にスキャンしながら計測や観察を行なう場合には、高精度の位置制御が求められている。しかしながら従来は、センサや試料を極低温に冷却保持しながら、ミクロン単位の高精度で３次元方向へ微小位置制御する装置は未だ実用化されていなかったのが実情である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
センサや試料を極低温に保持しながらセンサに対する試料の位置をミクロンオーダーの高精度で３次元方向へ位置制御する装置を開発するべく、本発明者等は鋭意実験・検討を行なったが、その過程で次のような問題があることが判明した。
【０００５】
すなわち、この種の装置としては、基本的にはセンサおよび試料を液体ヘリウムなどの冷却用媒体で冷却しながら、試料を３次元位置制御手段によって移動、制御すれば良いと考えられる。しかるに液体ヘリウムなどの冷却媒体を外部から導入して試料やセンサを極低温に冷却する場合、冷却媒体の導入や排出による振動、特に冷却媒体導入管や冷却媒体排出管の振動が試料に伝わって、試料の位置精度が低下してしまったり、また正確な計測や観察が困難となって大きな測定誤差が生じてしまったりすることが多い。また高精度で３次元方向へ位置制御する手段としては、圧電素子（ピエゾ素子）を用いることが考えられるが、圧電素子は機械的なストレスに弱く、前述のような冷却媒体の導入、排出による振動が圧電素子に加われば、圧電素子が破壊されてしまうおそれがある。もちろん試料を剛性の高い支持部材によって堅固に固定する構成とすれば、冷却媒体の導入、排出による振動が試料に悪影響を及ぼすことを防止することが可能と考えられるが、このように剛性の高い部材で試料を堅固に固定した場合、その支持部材から試料への熱侵入が大きくなってしまうのが通常であり、そのため冷却効率が低下して試料を極低温に保持することが困難となったり、また冷却媒体の消費量が著しく増加してしまうなどの新たな問題が発生する。そのほか、前述のような極低温での高精度の位置制御を実現するにあたっては、種々の障害が存在する。
【０００６】
この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、基本的には、試料およびセンサを低温に冷却しながら、センサに対する試料の位置をミクロンオーダーの高精度で制御し得る装置を提供することを目的とするものであり、またその場合において、冷却効率の低下を招くことなく、試料に対して冷却媒体の導入、排出による振動が影響を及ぼさないようにし、さらには微小位置制御のために圧電素子の如く機械的ストレスに弱い素子を用いた場合でも、その素子が前述の振動による機械的ストレスによって破壊されることを有効に防止し得るようにすることを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述のような課題を解決するため、この発明の極低温試料位置制御装置においては、基本的には、試料を冷却するための冷却ヘッドと試料を保持する試料台とを構造的に分離し、その間を可撓性を有する熱伝導部材により結んで、冷却ヘッド側からの振動等の機械的ストレスを試料の側へ影響させずに試料を極低温に冷却保持し得るようにした。
【００１４】
具体的には、請求項１の発明の低温試料位置制御装置は、内部を真空に保持し得るチャンバ内に、３次元方向へ相対的に大きな移動量で位置制御を行なう第１の位置制御機構と、その第１の位置制御機構によって位置制御される可動台と、その可動台に断熱性を有するサポート部材を介して取付けられた試料側熱シールド筐体と、その試料側熱シールド筐体内に断熱性を有する冷却ヘッド基台を介して固定されかつ外部から冷却媒体が導入・排出されるように構成された試料用冷却ヘッドと、前記試料側熱シールド筐体内にその筐体に対して非接触状態を保ちかつ試料用冷却へッドに対し分離して設けられた試料台と、前記可動台に取付けられて３次元方向へ相対的に小さな移動量で前記試料台の位置制御を行なうための第２の位置制御機構と、前記試料用冷却ヘッドと試料台との間を結ぶ可撓性を有する熱伝導部材と、前記試料台に対向するセンサ台と、外部から冷却媒体が導入・排出されて前記センサ台を冷却するためのセンサ用冷却ヘッドと、前記センサ台およびセンサ用冷却ヘッドを取囲みかつ前記試料側熱シールド筐体と分離して設けられたセンサ側熱シールド筐体と、前記センサ台、センサ用冷却ヘッドおよびセンサ側熱シールド筐体を支持してその位置を固定するためのセンサ側支持部材とが配設されてなることを特徴とするものである。
【００１５】
さらに請求項２の発明の低温試料位置制御装置は、請求項１に記載の装置において、前記第２の位置制御機構が、圧電素子からなり、かつその圧電素子と試料台との間に断熱性を有する中間連結部材が介在しているものである。
【００１６】
さらにまた請求項３の発明の低温試料位置制御装置は、請求項１に記載の装置において、前記チャンバ内における、少なくともセンサ台、センサ用冷却ヘッド、試料台及び試料用冷却ヘッドの全体を取囲む部分に磁気シールドが設けられているものである。
【００１７】
そして請求項４の発明の低温試料位置制御装置は、請求項３に記載の装置において、前記チャンバの外側に、前記試料用冷却ヘッドおよびセンサ用冷却ヘッドに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置が配設されており、この冷却媒体供給装置は、外側容器と内側容器とからなる少なくとも２重の構造とされて、内側容器内に冷却媒体を貯留するように構成されるとともに、その内側容器と外側容器との間が真空に保持し得るように構成され、しかもその真空部分と前記チャンバ内の真空に保持される空間部分とが気密に隔絶された構成とされているものである。
【００１８】
そしてまた請求項５の発明の低温試料位置制御装置は、請求項４に記載の装置において、前記冷却媒体供給装置の内側容器から前記チャンバ内の試料用冷却ヘッドおよびセンサ用冷却ヘッドへ供給される冷却媒体の流量および温度を制御するための流量制御手段および温度制御手段が、前記冷却媒体供給装置内に設けられているものである。
なおこの発明で“センサ”とは、試料の物性や特性、試料から発生する磁束や各種放射線などを計測するセンサのみならず、試料の表面状況を観察する装置、例えばトンネル顕微鏡等をも含むこととする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
【００２０】
【実施例】
図１にこの発明の低温試料位置制御装置の一例の全体構成を示し、また図２にはその低温試料位置制御装置の一例の要部を拡大して示す。
【００２１】
図１、図２において、チャンバ１は、下面側を開放したチャンバ上部体１Ａと上面側を開放したチャンバ下部体１Ｂとを上下に組合わせて、全体として箱型もしくは円筒形をなすように作られたものであって、その内部が開示しない真空ポンプによって真空に吸引保持されるように構成されている。またこのチャンバ１の上部側面および上面には、外部から試料位置を目視により観察するための光学窓３，５が設けられており、さらにチャンバ１の下部側面側には、冷却媒体供給・還流用開口部１３が突出形成されている。この開口部１３には、後述する冷却媒体供給装置７から冷却媒体としての液体ヘリウムを導入するための２本の冷却媒体供給パイプ９Ａ，９Ｂと、後述する冷却ヘッド３５，５９において温度上昇して気化したヘリウムガスを冷却媒体供給装置７へ戻すための排出用パイプ１１Ａ，１１Ｂとが冷却媒体供給装置７の側から挿入されている。またチャンバ１のチャンバ上部体１Ａとチャンバ下部体１Ｂの内側には、それぞれその内壁面に沿って高透磁率磁性材料からなる内面用磁気シールド１５Ａ，１５Ｂが配設されている。一方チャンバ１内におけるチャンバ上部体１Ａとチャンバ下部体１Ｂとの境界位置には、チャンバ１内の空間を上下に区分するように上下区分用磁気シールド１５Ｃが水平に設けられている。
【００２２】
チャンバ１内の底部（内面用磁気シールド１５Ａ，１５Ｂに対し内側の底部）には、ベースプレート１７が固定されている。そしてこのベースプレート１７上には、パルスモータなどのＸ軸方向駆動装置１９Ａ、Ｙ軸方向駆動装置１９Ｂ、Ｚ軸方向駆動装置１９Ｃを組合わせてなる第１の位置制御機構１９が設けられている。この第１の位置制御機構１９は、その上側の可動台２１を３次元方向へ移動させて後述する試料台２９の３次元方向の位置制御を相対的に大きな移動量で大まかに行なうためのものである。
【００２３】
前記可動台２１上の一方の側には、試料台２９の３次元方向の位置制御を相対的に小さな移動量で微小に行なうための第２の位置制御機構として、柱状の圧電素子２３が垂直に設けられている。前記圧電素子２３の上端には、ＦＲＰなどの断熱効果を有する材料からなる棒状の中間連結部材２５が垂直に設けられ、この中間連結部材２５の上端部分は後述する試料側熱シールド筐体２７内に、その熱シールド筐体２７の底部の開口部２７Ａを介して挿入され、その熱シールド筐体２７内における中間連結部材２５の上端に銅等の良熱伝導性材料からなる試料台２９が設けられている。この試料台２９は、計測対象あるいは観察対象となる各種素子や材料などの試料を上面に保持するように構成されている。
【００２４】
一方可動台２１上の他方の側には、ＦＲＰなどの断熱効果を有する材料からなる柱状のサポート部材３１が垂直に設けられている。そしてこのサポート部材３１の上端には、前述の試料側熱シールド筐体２７が固定されており、この試料側熱シールド筐体２７内における前記サポート部材３１の延長上にはＦＲＰ等の断熱効果を有する材料からなる冷却ヘッド基台３３が設けられている。そして冷却ヘッド基台３３上には、試料用冷却ヘッド３５が配設されている。この試料用冷却ヘッド３５は銅等の良熱伝導材料によって中空なタンク状に作られたものであって、下部から冷却媒体としての液体ヘリウムが冷却媒体導入パイプ３７を介して導入され、かつ上部からその液体ヘリウムが気化されてなるヘリウムガスが排出パイプ３９を介して排出されるように構成されている。そしてこの試料用冷却ヘッド３５と前記試料台２９との間は、可撓性を有する熱伝導部材４１、例えば銅線を編組してなる銅ブレードなどによって結ばれている。なおこの可撓性熱伝導部材４１は、常時撓んだ状態を保つように、すなわち緊張状態とならないような充分な長さとなっている。
【００２５】
さらに試料台２９およびこれを支持する中間連結部材２５は、試料側熱シールド筐体２７に対して非接触の状態を保つようになっている。したがって中間連結部材２５を挿入するために試料側熱シールド筐体２７の底面に形成された開口部２７Ａは、その内径が中間連結部材２５の外径よりも充分大きくなるように定めらてれいる。また試料側熱シールド筐体２７の上面には、試料台２９の上面に対向する位置に開口部２７Ｂが形成されている。さらに試料側熱シールド筐体２７における試料台２９に近い側の側面（前述のチャンバ１における側面側の光学窓３に対応する位置）には、試料位置確認用の開口部２７Ｃが形成されており、この開口部２７Ｃから光学窓３に向かって輻射シールドパイプ４３が延出されている。この輻射シールドパイプ４３は、その内面における熱反射を防止するように、黒色塗料の塗布や着色等により内面を黒色化したものである。また前記試料側熱シールド筐体２７の外面には、前記試料用冷却ヘッド３５から導かれた排出パイプ３９の一部が巻付けられて、試料側熱シールド筐体２７をその外面側から冷却するための冷却コイル部４５が形成されている。
【００２６】
一方前記ベースプレート１７の周辺部４隅からは、その上方へ４本の支柱４７Ａ，４７Ｂ（図では手前側の２本のみを示す）が垂直に立設されており、これら支柱４７Ａ，４７Ｂの上端側には天板４９が水平に設けられている。この天板４９は、上方へ跳ね上げ可能となるように、一方の側の２本の支柱４７Ａの上端に支軸５１により回動可能に支持され、また他方の側の２本の支柱４７Ｂに対しては蝶ネジ５３により容易に着脱可能に取付けられている。上記天板４９の下面には、ＦＲＰなどの断熱効果を作するサポート部材５５を介してセンサ側熱シールド筐体５７が垂下されている。このセンサ側熱シールド筐体５７内には、センサ用冷却ヘッド５９が固定され、そのセンサ側冷却ヘッド５９の下面には銅等の良熱伝導材料からなるセンサ台６１が取付けられている。ここで、センサ台６１はＳＱＵＩＤあるいはトンネル顕微鏡などのセンサが取付けられるものである。またセンサ用冷却ヘッド５９は、前述の試料用冷却ヘッド３５と同様に銅等の良熱伝導材料によって中空なタンク状に作られたものであって、下部から冷却媒体としての液体ヘリウムが冷却媒体導入パイプ６３を介して導入され、かつ上部から気化したヘリウムガスが排出パイプ６５を介して排出されるように構成されている。また前記センサ台６１の下面に対応するセンサ側熱シールド筐体５７の底部には開口部５７Ａが形成されており、さらにセンサ側熱シールド筐体５７の外面には、前述の排出パイプ６５の一部が巻付けられて、冷却用コイル部６７が形成されている。
【００２７】
さらに前述の冷却媒体供給装置７について説明する。
【００２８】
図１において、外側容器７１の内側に間隔をおいて内側容器７３が配設されており、外側容器７１と内側容器７３との間は真空に吸引されて真空断熱されるように作られている。また外側容器７１の下部側面側には、前述のチャンバ１における冷却媒体供給・還流用開口部１３に挿入される冷却媒体供給・還流用突出部７１Ａ〜７１Ｄが形成されている。前記内側容器７３は冷却媒体としての液体ヘリウムを貯留しておくためのものであり、その下底部からは、下方（内側容器７３と外側容器７１との間の空間）へ冷却媒体供給パイプ９Ａ，９Ｂが導き出されており、これらの冷却媒体供給パイプ９Ａ，９Ｂの上端には、流量制御手段として試料側供給制御弁７５およびセンサ側供給制御弁７７が設けられている。これらの供給制御弁７５，７７の側方には内側容器７３内の液体ヘリウムが取入れられる流入ポート７５Ａ，７７Ａが設けられ、またこれらの供給制御弁７５，７７からは操作軸７５Ｂ，７７Ｂが上方へ延出されている。
【００２９】
前記冷却媒体供給パイプ９Ａ，９Ｂは、前述の冷却媒体供給・還流用突出部７１Ｂ，７１Ｄを介してチャンバ１内へ導かれ、一方のパイプ９Ａはフレキシブルパイプ７９を介してサンプル側の冷却媒体導入パイプ３７に接続され、他方のパイプ９Ｂはフレキシブルパイプ８１を介してセンサ側の冷却媒体導入パイプ６３に接続されている。そしてまた冷却媒体供給パイプ９Ａ，９Ｂの中途には、チャンバ１側へ送る冷却媒体の温度を制御するための温度制御手段として、ヒータ８３Ａ，８３Ｂが設けられている。なお内側容器７３の下方には、冷却媒体供給パイプ９Ａ，９Ｂ、ヒータ８３Ａ，８３Ｂのほか、排出用パイプ１１Ａ，１１Ｂが配設されており、各排出用パイプ１１Ａ，１１Ｂの一方の側は、冷却媒体供給・還流用突出部７１Ａ，７１Ｃを介してチャンバ１内へ導かれ、それぞれ冷却媒体排出用パイプ３９，６５にフレキシブルパイプ８７，８９を介して接続され、また各冷却媒体排出用パイプ１１Ａ，１１Ｂの他方の側の端部は外側容器７１の外部へ導き出され、その先端に外気中へヘリウムガスを排出するための排出ポート９１Ａ，９１Ｂが設けられている。
【００３０】
以上のような図１、図２に示されるこの発明の実施例の低温試料位置制御装置の機能、作用について以下に説明する。
【００３１】
試料台２９上には計測対象あるいは観察対象となる試料、例えば半導体素子等の各種素子や超電導材料などの各種材料からなる試料が保持され、センサ台６１にはＳＱＵＩＤやトンネル顕微鏡などのセンサが取付けられる。ここで、センサおよびセンサ台６１の位置は、ベースプレート１７から支柱４７Ａ，４７Ｂ、天板４９等を介して固定されている。一方試料および試料台２９の位置は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各駆動装置１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃからなる第１の位置制御機構１９によって大まかに決定され、また第２の位置制御機構としての圧電素子２３によって高精度で決定される。すなわち、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各駆動装置１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃを作動させれば、可動台２１が３次元各方向へ相対的に大きな移動量、移動速度で移動し、可動台２１に固定されている圧電素子２３、中間連結部材２５、試料台２９、サポート部材３１、試料側熱シールド筐体２７、試料用冷却ヘッド３５も同方向へ移動する。そして圧電素子２３を駆動させれば、中間連結部材２５および試料台２９のみが３次元各方向へ微小移動することになる。ここで試料台２９は、試料側熱シールド筐体２７に対して非接触の状態となり、また試料用冷却ヘッド３５との間の熱伝導部材４１は可撓性を有しているため、圧電素子２３により試料台２９を微小精度で移動させることが可能となっている。
【００３２】
一方冷却媒体供給装置７の内側容器７３には冷却媒体として液体ヘリウムが貯留されており、この液体ヘリウムが、試料側供給制御弁７５、センサ側供給制御弁７７から冷却媒体供給パイプ９Ａ，９Ｂ、フレキシブルパイプ７９，８１、冷却媒体導入パイプ３７，６３を介して試料用冷却ヘッド３５、センサ用冷却ヘッド５９へ導入される。ここで、各冷却ヘッド３５，５９へ導く液体ヘリウムの流量は、供給制御弁７５，７７の操作軸７５Ｂ，７７Ｂを操作することによってそれぞれ制御される。また各冷却ヘッド３５，５９へ導く液体ヘリウムあるいは気化ヘリウムガスの温度は、ヒータ８３Ａ，８３Ｂによって制御される。例えばセンサしてＳＱＵＩＤを用いる場合、センサ用冷却ヘッド５９の温度が４Ｋ程度となるように液体ヘリウムの流量、温度を制御し、また試料用冷却ヘッド３５の温度を、サンプルの種類などに応じて例えば４Ｋ〜１００Ｋの範囲内で制御する。なお各冷却ヘッド３５，５９内において温度上昇して気化したヘリウムガスは、排出用パイプ３９，６５、フレキシブルパイプ８７，８９、排出用パイプ１１Ａ，１１Ｂを介して排出ポート９１Ａ，９１Ｂに導かれ、大気中へ放出される。またここで、排出用パイプ３９，６５の一部は各熱シールド筐体２７，５７の外面に冷却コイル部４５，６７として巻付けられているため、各冷却ヘッド３５，５９から排出される比較的低温のヘリウムガスが各熱シールド筐体２７，５７を冷却するに寄与する。
【００３３】
試料側熱シールド筐体２７内においては、冷却ヘッド３５から可撓性熱伝導部材４１を介して試料台２９へ熱伝導がなされ、試料台２９およびそれに保持されている試料が例えば４Ｋ〜１００Ｋの範囲内の温度に冷却される。ここで、冷却媒体供給装置７から各パイプを介して試料用冷却ヘッド３５に液体ヘリウムを導入させる時には、液体ヘリウムの移動に伴なって機械的振動が発生し、冷却ヘッド３５や熱シールド筐体２７も振動することになるが、冷却へッド３５と試料台２９との間を結ぶ熱伝導部材４１は可撓性を有していてしかも常時撓んでおり、かつ試料台２９は熱シールド筐体２７に対し非接触状態となっているため、冷却ヘッド３５および熱シールド筐体２７の側の振動が試料台２９へ伝えられてしまうことが最小限に抑えられる。したがって冷却ヘッド３５、熱シールド筐体２７の側の振動の影響を受けることなく、試料の位置を高精度で制御することができる。またこのように試料台２９の振動が生じにくいため、圧電素子２３に対しても振動による機械的ストレスが加えられることが最小限に抑えられ、そのため機械的強度が低い圧電素子２３が機械的ストレスにより破壊されてしまうことを有効に防止できる。
【００３４】
なお試料の冷却について補足すれば、試料台２９と圧電素子２３との間の中間連結部材２５は断熱効果を有するＦＲＰ等によって作られているため、圧電素子２３の側から試料台２９の側への熱侵入が生じることが可及的に防止される。また試料側熱シールド筐体２７は既に述べたように冷却コイル部４５によって冷却されており、しかもその熱シールド筐体２７と可動台２１との間のサポート部材３１がＦＲＰの如く断熱効果を有する材料によって作られているため、可動台２１の側から熱シールド筐体２７に熱侵入が生じることを防止して、熱シールド筐体２７を低温に維持することができる。さらにその試料側熱シールド筐体２７内において冷却ヘッド３５はＦＲＰの如く断熱効果を有する材料からなる冷却ヘッド基台３３によって支持されているため、冷却ヘッド３５への熱侵入も少ない。したがってこれらの効果が相俟って、効率良く試料台２９上の試料を低温に冷却し、液体ヘリウムの消費量を少なくすることができる。
【００３５】
またセンサ側熱シールド筐体５７もその外面の冷却用コイル部６７によって低温に冷却され、しかもその熱シールド筐体５７と天板４９との間のサポート部材５５もＦＲＰなどの断熱効果を有する材料によって作られているため、センサ側熱シールド筐体５７への熱侵入を可及的に防止してセンサ側熱シールド筐体５７を低温に保持することができ、そのためセンサ台６１およびそれに取付けられているセンサを効率良く極低温に保持して、液体ヘリウム消費量を少なくすることができる。なおセンサ台６１は既に述べたように天板４９の側から堅牢に固定されているため、冷却ヘッド５９への液体ヘリウムの導入による各パイプの振動がセンサ台６１を振動させてしまうおそれは少ない。
【００３６】
以上のようにして、試料およびセンサを効率良く低温に冷却保持しながら、液体ヘリウム等の導入・排出に伴なう試料用冷却ヘッド３５の側からの振動の影響を受けることなく、ミクロンオーダーでの高精度の位置制御を行なうことができるのである。
【００３７】
またセンサとしてＳＱＵＩＤを用いる場合、外部磁気の影響を抑制する必要があるが、実施例の装置ではチャンバ１の内側に磁気シールド１５Ａ，１５Ｂが設けられているため、外部からの磁束の侵入を抑えることができ、さらにチャンバ１の内部においてパルスモータ等の駆動装置１９Ａ〜１９Ｃからなる第１の位置制御機構１９が位置するチャンバ内下部とセンサや試料が位置するチャンバ内上部との間も磁気シールド１５Ｃによって隔てられているため、パルスモータ等の駆動装置１９Ａ〜１９Ｃによって磁束の影響をセンサや試料が受けることを有効に防止できる。さらに、冷却媒体の温度調整を行なうためのヒータ８３Ａ，８３Ｂや制御弁７５，７７も電磁ノイズ、磁気ノイズの発生源となることが多いが、実施例ではこれらのヒータ８３Ａ，８３Ｂや制御弁７５，７７はチャンバ１の外部（したがって磁気シールド１５Ａの外側）の冷却媒体供給装置７の側に設けられているから、試料やセンサがヒータ８３Ａ，８３Ｂや制御弁７５，７７による電磁ノイズ、磁気ノイズの影響を受けることはない。なお各熱シールド筐体２７，５７についても、これらを高透磁率磁性材料で作っておくことにより、熱シールドのみならず磁気シールドの機能をも付与しておいても良く、このようにすれば外部磁気の影響をより一層軽減することができる。
【００３８】
さらに実施例の装置では、試料の交換（取付け、取外し）、あるいはセンサの交換にあたっては、チャンバ１におけるチャンバ上部体１Ａをチャンバ下部体１Ｂから取外してチャンバ１を開放し、蝶ネジ５３を取外して支軸５１を中心とし天板４９を上方へ跳ね上げれば、試料部分、センサ部分が露出されるから、容易にこれらの交換を行なうことができる。ここで、チャンバ１を開放させればチャンバ１内の真空が破られることになるが、冷却媒体供給装置７はチャンバ１から隔絶されており、その冷却媒体供給装置７の内側容器７３と外側容器７１との間の真空状態はチャンバ１を開放しても破られることはない。そのためチャンバ１の開放時にも冷却媒体供給装置７の内側容器７３内の冷却媒体としての液体ヘリウムを蒸発させることなく、そのまま保存することができる。
【００３９】
そしてまた実施例の装置の場合、試料位置の目視による確認をチャンバ１の光学窓３と試料側熱シールド筐体２７の開口部２７Ｃとを介して行なうことができる。そしてこのような構成では光学窓３から試料に対して外部から輻射熱の侵入が生じやすいが、試料側熱シールド筐体２７の開口部２７Ｃからは光学窓３へ向けて輻射シールドパイプ４３が延出しているため、光学窓３からの輻射熱が試料まで到達してしまうおそれは少ない。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１の装置によれば、試料を冷却するための試料冷却用ヘッドと、試料を保持するための試料台とが、試料側熱シールド筐体内に互いに分離されて配置され、かつ試料用冷却ヘッドと試料台との間が可撓性を有する熱伝導部材によって結合されていて、その可撓性熱伝導部材の熱伝導により試料台および試料を冷却するように構成されているため、試料用冷却ヘッドへの冷却媒体の流入、排出に伴なう冷却ヘッド側の機械的振動が試料台および試料に伝えられることが防止され、そのため振動の影響によって試料の位置精度が低下してしまったり正確な計測が困難となってしまったりすることを有効に防止して、高精度での微小位置制御が可能であり、また上述のように試料用冷却ヘッドへの冷却媒体の導入、排出に伴なう振動が試料台の側に伝達されないため、振動防止のために試料台の支持部分の剛性を極端に高める必要がなく、そのため外部から支持部分を介しての試料台および試料への熱侵入を少なくすることができるから、冷却効率を高めて、試料を充分な極低温に冷却することが可能となるとともに冷却媒体の消費量も少なくすることができ、さらに位置制御のための手段が、大まかな位置制御を行なうための第１の位置制御機構と、微小位置制御を行なうための第２の位置制御機構とによって構成されているため、位置設定、位置制御のための時間を短縮して作業能率を高めることができると同時に、著しく高い精度で微小位置制御を行なうことができる。
【００４６】
そしてまた請求項２の発明によれば、機械的ストレスに弱い圧電素子を微小な位置制御のために用いているが、既に述べたように冷却媒体の導入、排出に伴なう振動が試料台に伝わりにくく、そのため試料台の振動により圧電素子に機械的ストレスが加わるおそれが少なく、したがって圧電素子が機械的ストレスにより破壊されてしまうことを未然に防止できる。
【００４７】
さらに請求項３の発明によれば、試料台やセンサ台の部分が外部側に対して磁気シールドされているため、ＳＱＵＩＤによる測定など、磁気ノイズ、電磁ノイズの影響を嫌う測定の場合でも、外部からの磁気ノイズ、電磁ノイズの影響を受けることなく、少ない誤差で高精度の計測を行なうことができる。
【００４８】
そしてまた請求項４の発明の装置では、チャンバ内の真空空間と冷却媒体供給装置の断熱用の真空空間とが隔絶されるため、チャンバ内の試料やセンサの交換や取付け、取外しを行なうためにチャンバ内の真空を破っても、冷却媒体供給装置の断熱用の真空空間はそのまま真空が保たれ、そのためチャンバでの前述の交換等の作業を行なうにあたっても、冷却媒体供給装置内では温度上昇による冷却媒体の気化を生じさせることなく、冷却媒体をそのまま保持することができるから、前述の交換作業等により冷却媒体をいたずらに消費してしまうことを有効に防止できる。
【００４９】
さらに請求項５の発明の装置では、冷却媒体の流量や温度を制御する手段が冷却媒体供給装置の側に設けられている一方、チャンバ側のセンサや試料は磁気シールドされているため、流量制御手段や温度制御手段の発生する磁気ノイズや電磁ノイズが機器の計測に悪影響を及ぼすおそれがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の低温試料位置制御装置の一実施例の全体構成を示す概略的な縦断面図である。
【図２】図１に示される実施例の装置の要部を拡大して示す略解縦断面である。
【符号の説明】
１ チャンバ
７ 冷却媒体供給装置
１５Ａ，１５Ｂ 内面用磁気シールド
１５Ｃ 上下区分用磁気シールド
１９ 第１の位置制御機構
２１ 可動台
２３ 圧電素子（第２の位置制御機構）
２５ 中間連結部材
２７ 試料側熱シールド筐体
２９ 試料台
３１ サポート部材
３３ 冷却ヘッド基台
３５ 試料用冷却ヘッド
３７ 冷却媒体導入パイプ
３９ 冷却媒体排出パイプ
４１ 可撓性熱伝導部材
５７ センサ側熱シールド筐体
５９ センサ用冷却ヘッド
６１ センサ台
６３ 冷却媒体導入パイプ
６５ 冷却媒体排出パイプ
７１ 外側容器
７３ 内側容器
７５ 試料側供給制御弁（流量制御手段）
７７ センサ側供給制御弁（流量制御手段）
８３Ａ，８３Ｂ ヒータ（温度制御手段）

Claims (5)

1. 内部を真空に保持し得るチャンバ内に；
   ３次元方向へ相対的に大きな移動量で位置制御を行なう第１の位置制御機構と、その第１の位置制御機構によって位置制御される可動台と、その可動台に断熱性を有するサポート部材を介して取付けられた試料側熱シールド筐体と、その試料側熱シールド筐体内に断熱性を有する冷却ヘッド基台を介して固定されかつ外部から冷却媒体が導入・排出されるように構成された試料用冷却ヘッドと、前記試料側熱シールド筐体内にその筐体に対して非接触状態を保ちかつ試料用冷却へッドに対し分離して設けられた試料台と、前記可動台に取付けられて３次元方向へ相対的に小さな移動量で前記試料台の位置制御を行なうための第２の位置制御機構と、前記試料用冷却ヘッドと試料台との間を結ぶ可撓性を有する熱伝導部材と、前記試料台に対向するセンサ台と、外部から冷却媒体が導入・排出されて前記センサ台を冷却するためのセンサ用冷却ヘッドと、前記センサ台およびセンサ用冷却ヘッドを取囲みかつ前記試料側熱シールド筐体と分離して設けられたセンサ側熱シールド筐体と、前記センサ台、センサ用冷却ヘッドおよびセンサ側熱シールド筐体を支持してその位置を固定するためのセンサ側支持部材とが配設されてなることを特徴とする、低温試料位置制御装置。
2. 前記第２の位置制御機構が、圧電素子からなり、かつその圧電素子と試料台との間に断熱性を有する中間連結部材が介在している、請求項１に記載の低温試料位置制御装置。
3. 前記チャンバ内における、少なくともセンサ台、センサ用冷却ヘッド、試料台及び試料用冷却ヘッドの全体を取囲む部分に磁気シールドが設けられている、請求項１に記載の低温試料位置制御装置。
4. 前記チャンバの外側に、前記試料用冷却ヘッドおよびセンサ用冷却ヘッドに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置が配設されており、この冷却媒体供給装置は、外側容器と内側容器とからなる少なくとも２重の構造とされて、内側容器内に冷却媒体を貯留するように構成されるとともに、その内側容器と外側容器との間が真空に保持し得るように構成され、しかもその真空部分と前記チャンバ内の真空に保持される空間部分とが気密に隔絶された構成とされている、請求項３に記載の低温試料位置制御装置。
5. 前記冷却媒体供給装置の内側容器から前記チャンバ内の試料用冷却ヘッドおよびセンサ用冷却ヘッドへ供給される冷却媒体の流量および温度を制御するための流量制御手段および温度制御手段が、前記冷却媒体供給装置内に設けられている、請求項４に記載の低温試料位置制御装置。

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