JP3814097B2 - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents
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Description
【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）等の走査型顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来のＳＴＭステージは、試料移動機構、探針アプローチ機構等の駆動機構はステージ部に一体化された固定式構造で、分離不可能になっていた。そのため雰囲気の異なる環境下でＳＴＭ像を見たい場合には、個別にチャンバーごとにＳＴＭステージをそっくり必要な数だけ構成しなければならない。例えば、図２３に示すように、試料ステージ２、試料３、探針スキャナー４、粗動機構５が、それぞれフランジ６に固定されてチャンバ１に装着される。このような構成では、超伝導磁石を用い、高磁界、極低温の中で観察する場合、ＳＴＭステージを超伝導磁石の中に入れるのは困難である。超伝導磁石を極低温まで冷却できるように試料等を入れる口は細く長くなっていて極低温まで冷やす所は熱容量が小さく設計されている。このような条件のもとでＳＴＭステージを入れるためには小さく設計しなければならない。
【０００３】
このように、試料温度を室温から低温に変化させてＳＴＭ像の観察を行うことを考えると、フランジに固定されたＳＴＭユニット全体を設定温度の低温環境に置くことが理想ではあるが、従来の構成では現実的ではない。これを実現するには巨大な超高真空かつ冷却装置の中にフランジユニットを置かなければならず、試料、探針交換時に再び室温に戻すことを考えると困難である。従って、従来行われているように、ＳＴＭユニットを部分的に冷却することになる。試料ステージ、或いは、試料ステージに固定された試料ホルダ、或いは試料ホルダに熱絶縁されて配置された試料のみを設定した温度に冷却することは可能ではある。しかし、絶えず熱流入を受け、ＳＴＭ観察を安定させることが難しいなど、別の問題が生じる。また、試料は設定温度まで冷却できたとしても、室温の探針をアプローチさせた場合、すなわち、ＳＴＭ観察中は、探針と試料面との間に輻射等の影響を受け、試料温度に疑問が残る。探針も冷却すればよいが、室温中で細い探針を低温にすることには、熱流入が大きく限界がある。
【０００４】
また、従来の構成では、温度環境、雰囲気ガス、蒸着物等が違う異なる環境に試料を置いた時の違いを明確にすることが難しい。例えば、極低温まで冷却できる位置に試料を置いた場合、目で観察できないため試料が本当に設定した環境になっているのかという問題が絶えず残り、また、細く長い筒の底でのＳＴＭ観察はＳＴＭテージを見ることができないため、ＳＴＭ像が良く見えない場合その原因がどこにあるのか分からなくなってしまう。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためのもので、雰囲気の異なる環境下での像観察を容易に行えるようにするとともに、設定した環境下での像観察であるか否かの確認が行えるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、試料ステージと、該ステージ上に配置された試料に対向して設けられた探針が取り付けられたスキャナーと、スキャナーを駆動する粗動機構と、電極端子とを一体化して設けたセルユニットと、該セルユニットを把持するピンが先端部に形成された搬送ロッドとを備え、前記搬送ロッドによりセルユニットを把持して異なる環境の真空チャンバ間を移動可能にしたことを特徴とする。
また、本発明は、異なる環境の各真空チャンバに、前記セルユニットの電極端子と接続するコネクタが設けられていることを特徴とする。
また、本発明は、コネクタの少なくとも１つはスライドコネクタであることを特徴とする。
また、本発明は、セルユニット頂部に搬送ロッド先端部のピンと係合して回転可能なテーパー面が形成された羽根を有する回転板を備えるとともに、前記真空チャンバ底部壁に固定ブロックが形成され、前記ピンによる係合を外す搬送ロッドの回転動作により前記羽根のテーパー面が固定ブロック下面に入り込んでセルユニットが下側に押圧固定されることを特徴とする。
また、本発明は、セルユニットの電極がスプリング内蔵電極からなり、前記固定ブロックによりセルユニットを押圧固定したとき、前記スプリング内蔵電極が真空チャンバ側の固定電極と弾性接触することを特徴とする。
また、本発明は、セルユニットの粗動機構を駆動する回転伝達軸を備え、前記回転伝達軸に軸方向の長さの変化を吸収する回転伝達継手を設けたことを特徴とする。
また、本発明は、セルユニットの粗動機構を平歯車を介して駆動する回転伝達軸を備え、粗動機構と回転伝達軸の平歯車の各歯の全周に渡ってテーパー面を形成したことを特徴とする。
また、本発明は、セルユニット頂部に、搬送ロッドの先端が挿入されるラッパ状のガイド孔が形成されたガイドを形成したことを特徴とする。
また、本発明は、スキャナーの外面３箇所を平坦面として３点支持し、その中の１点は弾性体で支持するようにしたことを特徴とする。
また、本発明は、スキャナー中心からずれた位置に試料蒸着用の偏心孔を形成したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の一例を説明する図で、図１（ａ）は像観察部を示す図、図１（ｂ）はＳＴＭセルを示す図である。
ＳＴＭセルが置かれる真空容器は、上部チャンバ９と細長い下部チャンバ８からなっていて、図示しない真空ポンプにより超高真空に保たれ、上部チャンバ９は常温、下部チャンバ８は液体ヘリウムタンク７で極低温に保たれている。ＳＴＭセル５は、図１（ｂ）に示すように、電線や駆動軸が切り離し可能なカートリッジタイプのユニット化されたカプセル構造であり、カプセル内に粗動機構１３、スキャナー１４、探針ホルダ１５、探針１６が設けられ、これに対向して試料１８が試料ホルダ１７に取り付けられ、カプセルには端子２０が設けられている。そしてＳＴＭセル５は、トランスファーユニット１により、上部チャンバ、下部チャンバの位置へ移動できるようになっている。下部チャンバでは、セットされた位置において電線や駆動軸がカプセルに結合され、上部チャンバではステージサポート１１を介して電線や駆動軸が結合される。ステージサポート１１はベローズ１２により移動可能で、トランスファーユニット１でＳＴＭセル５を移動するときの妨げにならないように構成されている。トランスファーユニット１は、トランスファーロッド３、チャック４から構成されており、回転導入器２を回転することにより、トランスファーロッド３が上下し、その先端のチャック４をＳＴＭセルに結合してＳＴＭセルを移動させる。ゲートバルブ１０は他の真空容器との間により試料等の出し入れ時に開閉するバルブである。
【０００８】
このような構成において、まず、トランスファーユニット１を操作し、ＳＴＭセル５を上部チャンバ９の所定位置に移動させてステージサポート１１上に置くと、ステージサポート１１を介して電線や駆動軸がＳＴＭセル５に結合されて常温での観察が行われる。この位置では目視可能であるので、ＳＴＭ像が得られるか否かの予備観察として位置付けられる。ここで、ＳＴＭ像が得られることを確認した後、トランスファーユニット１を操作し、ＳＴＭセルを下部チャンバ８の底部に移動させる。下部チャンバ８の底部においては、電線や駆動軸がＳＴＭセル５に結合されて極低温での観察が行われる。この位置ではＳＴＭセル５は目で見ることはできないが、予備観察で正常にＳＴＭ像が得られることが確認されているので問題はない。万一、ＳＴＭ像が良く見えない場合でもその原因がどこにあるかのチェックも容易となる。
【０００９】
次に、カプセル化したＳＴＭセルの例と、これを異なる環境のチャンバに入れる例について説明する。
図２は本発明のＳＴＭセルの例を示している。
ＳＴＭセルは円筒形あるいは角柱形等からなり、セルの中に試料ステージ１９に取り付けられて試料ホルダ１７、試料１８が設けられ、さらに、差動ネジ２１を介して駆動されるＺ粗動機構１３ａ、Ｘ，Ｙ粗動機構１３ｂからなる粗動機構、ＰＺＴスキャナー１４、探針ホルダ１５、探針１６が一体化して組み込まれ、キャップ部分に１６個の測温用、加熱用等の電極２０が設けられている。このＳＴＭセルを必要な環境に置けば、試料を含めてセル全体がその環境中にあることになり、その結果、ＳＴＭ像観察中でも試料面の環境変化もなく、安定したＳＴＭ像観察が可能となる。
【００１０】
図３は図２のＳＴＭセルを異なる環境のチャンバに入れる例を示す図である。
搬送用ロッド３は９０°旋回できるようになっており、このロッドを用い、ゲートバルブ１０を開閉してＳＴＭセル５を異なった環境の超高真空（ＵＨＶ）チャンバＡ、Ｂ、Ｃ間で移動可能である。従って、ある温度環境のチャンバ内にＳＴＭセルを置けば、しばらく時間を置くことにより、セル全体がその温度になる。探針を試料にアプローチさせて、ＳＴＭ像観察を行う場合において、探針と試料の温度差、試料と試料ホルダ、試料ステージの温度差がないため、試料温度の変化がなく、このため試料が安定した温度にあるとみなすことができ、さらに温度勾配もないため、熱ドリフトも抑えられる。従って、安定したＳＴＭ像観察を行うことができ、試料の電子状態などの物理特性が厳密に調べられる。また、一体化に伴い、ＳＴＭユニットを小さく、軽く、固くすることができ、固有振動数を上げて、振動に対して強い構造とすることができる。
【００１１】
上記のようにフランジ等に固定されるＳＴＭではなく、移動可能なカプセルタイプのＳＴＭの駆動方法についてより詳細に説明する。
前述したように、ＳＴＭセルは搬送ロッドを用いて環境の異なるチャンバ間を移動でき、セル全体を環境温度にすることができるので、熱流入のない安定した状態でＳＴＭ像観察を行うことができ、また、一体化に伴い、固有振動数を上げて、振動に対して強い構造とすることができる。しかし、ＳＴＭセルを駆動する場合、トンネル電流取り出しライン、一般的に圧電素子からなるスキャナーを駆動するための電圧供給ライン、試料−探針間のバイアス電圧供給ライン等が必要である。このためのリード線をどうするかが問題となる。
【００１２】
図４は外部のＳＴＭコントローラからリード線を引回して２つの環境下を移動するＳＴＭセルを説明する図である。
図４（ａ）は環境Ａ、温度ＡのＵＨＶチャンバ内にＳＴＭセル５が置かれた状態にあり、このように外部のＳＴＭコントローラ２５からＳＴＭセル５までリード線を引き回しては、電気的接続は確実であるが、ＳＴＭセルを容易に移動できるという利便性が失われる。即ち、図４（ｂ）に示すように、環境Ｂ、温度ＢへＳＴＭセル５を移動した場合、リード線が他の部分に絡まったりして断線する可能性がある。また、温度の異なる環境へＳＴＭセルを移動する場合、リード線からの熱流入が起こって熱的安定性が失われる可能性がある。また、図４（ｃ）に示すようにゲートバルブ１０がある場合は、ＳＴＭセルを送り込んだ後搬送ロッドをはずしてもリード線が残るためにゲートバルブを閉じることができなくなる。また、環境Ａが室温で環境Ｂが低温の場合、ＡからＢへの移動はよいが、ＢからＡへの移動の際には、リード線が冷却されて硬化しており移動時に断線する可能性もある。
【００１３】
図５はコネクタを配置したＳＴＭセル駆動方法を示す図である。
図５（ａ）（縦に移動する場合）、図５（ｂ）（横に移動する場合）に示すように、各環境のもとにリード線コネクタ２６、２７を配置してＳＴＭコントローラと接続しておき、ＳＴＭセルを各環境に置いたときＳＴＭセルの電極端子がこれと接続するようにする。こうして、ＳＴＭセルを異なる環境間で移動するとき、ＳＴＭセルのみを移動し、コネクタの位置に置くことで、ＳＴＭ駆動のためのコントローラ２５との接続を行うことができる。もちろん、異なる環境は２個に限定されるものではない。
【００１４】
図６はスライドコネクタを用いた例を説明する図である。
図６（ａ）はＳＴＭセル側の電極２０とスライドコネクタとの接続前の状態を示し、スライドコネクタは固定電極３０に板バネ３０ａを取り付けたもので、図示するようにセルを上から下へ移動したときセル側壁をスライドし、図６（ｂ）に示すようにセルの側面に固定されたセル側電極２０と接続する。
このように、ＳＴＭセルは、図のように環境の中央に配置されるとは限らず、場合によってはある環境の内壁、例えばＵＨＶの場合はチャンバの内壁に接触させるようにしてもよく、搬送用のロッドは装着したままでよく、内壁のどこか（底部）に固定して搬送ロッドとＳＴＭセルを分離してもよい。コネクタの位置は、ＳＴＭセルをどこに配置するかを考慮して配置し、ＵＨＶの場合にはチャンバに電流導入端子を付ける。
【００１５】
図７はＳＴＭセルの形状を説明する図である。
図７はＳＴＭセルを上方から見た図であり、図７（ａ）は角柱の場合、図７（ｂ）は円筒形の場合を示しており、このようにＳＴＭセルは円筒形の場合も角柱の場合あり得る。また、電極数も適宜変更可能である。
【００１６】
次に、ＳＴＭセルの位置決めと固定法について図８〜１５により説明する。
ＳＴＭセルをクライオスタット内部に配置して冷却する場合、効率良く冷却するためにはクライオスタット内部で適切に固定しなければならない。また、ＳＴＭセルを駆動するためにはプリアンプ、ＳＴＭコントローラとリード線等を適切に固定しなければならない。前述したように、ＳＴＭセル自体は搬送ロッドなどで容易に移動でき、所定の位置でコネクタを利用して接続することにより、リード線を引き回すことは避けられる。しかし、効率良く熱伝導を行うこと、ＳＴＭセルが振動しないようにすること、電極を確実に接触させること、複数ある電極同志の位置を間違えないようすることのためには、ＳＴＭセルの位置決めと固定法が問題となる。
【００１７】
図８はＳＴＭセルをクライオスタット底部に配置したときの概略図である。
図示するように、搬送ロッドが装着された室温のＵＨＶチャンバ３１が防振台３５に固定され、このチャンバの下にクライオスタット３２が設けられて内部にＵＨＶチャンバ３３が構成されている。クライオスタット稼働中は内部ＵＨＶチャンバ３３は低温にあり、温度コントロールされている。ＳＴＭセルに装着された試料を冷却する場合には、ＵＨＶチャンバ３１内にあったＳＴＭセル５をＵＨＶチャンバ３３の底部に搬送ロッド３で送り込み、密着固定する。リード線とチャンバ内固定電極３０をクライオスタット内のＵＨＶチャンバ３３の底部に配置しておき、ＳＴＭセル５が搬送ロッド３で搬送されて底部に配置されるときＳＴＭセル側電極と固定電極とが接触する。冷却効率を上げるためにＳＴＭセルの振動を抑える必要があり、そのためＳＴＭセル側電極と、固定電極の接触をそれぞれ確実にし、ＳＴＭセルの位置決めと固定を確実に行う必要がある。
【００１８】
図９はクライオスタット内部チャンバ底部を示す図で、図９（ａ）は平面図であり、そのｂ視野、ｃ視野がそれぞれ図９（ｂ）、図９（ｃ）である。
図示するように、クライオスタット内部ＵＨＶチャンバ３３の壁部の所定高さ位置に対向してＳＴＭセルを固定するための一対の固定ブロック４０が対向して設けられている。
【００１９】
図１０は搬送ロッド先端を示す図（図１０（ａ）はピンと直交する方向から見た図、図１０（ｂ）はピンと同方向から見た図）、図１１はセルキャップを示す図（図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は側面図）、図１２はセルキャップの下に設けられる回転テーパーを示す図（図１２（ａ）、図１２（ｂ）は羽根と同方向からみた平面図と側面図、図１２（ｃ）、図１２（ｄ）は羽根と直交する方向から見た平面図と側面図）、図１３は搬送ロッドでＳＴＭセルを移動させるときの説明図（図１３（ａ）はＳＴＭセルに搬送ロッドを出し入れするときの平面図、図１３（ｂ）はＳＴＭセルを搬送中の平面図、図１３（ｃ）はチャックの出し入れ可能位置を説明するｃ視野の側面図、図１３（ｄ）はチャックの出し入れ不可位置・セル搬送可能位置を説明するｄ視野の側面図）図１４は電極端子を説明する図（図１４（ａ）は接触前を示す図、図１４（ｂ）は接触状態を示す図）、図１５はクライオスタット内部チャンバ底部へのＳＴＭセルの固定を説明する図（図１５（ａ）は平面図、図１５（ｂ）、図１５（ｃ）はそれぞれ図１５（ａ）のｂ視野図、ｃ視野図）である。
【００２０】
図１０に示すように、搬送ロッド３の先端には、ロッドの両側に延びる形でピン４１が埋め込まれている。一方、図１１に示すように、ＳＴＭセル５の頂部には、ＳＴＭセルキャップ５１が、裏面にはくぼみ５１ｂがそれぞれ設けられており、セルキャップに形成されているロッド挿入口５１ａに搬送ロッド３の先端が挿入される。セルキャップ５１の下には、図１２に示すような回転テーパー５２が設けられており、その中心にはセルキャップのロッド挿入口５１ａに対応してロッド受け口５２ａが形成されるとともに、周縁にはテーパー面Ｔを有するくさび状の一対の羽根５２ｂが互いに対向する位置に形成されている。なお、５２ｃはピン４１が入るくぼみである。そして、図１２（ａ）の状態で搬送ロッド３をセルキャップのロッド挿入口５１ａを通してロッド受け口５２ａに挿入し、ロッドを９０°回転すると回転テーパー５２は図１２（ｃ）のように９０°回転する。従って、図１３（ａ）、１３（ｃ）（図１３（ａ）のｃ視野図）に示すチャックの出し入れが可能位置においてセルキャップの挿入口５１ａを通して回転テーパーのロッド受け口５２ａに搬送ロッド３の先端を挿入し、図１３（ｂ）、１３（ｄ）（図１３（ｂ）のｄ視野図）に示すチャックの出し入れ不可位置・セル搬送可能位置までロッドを９０°回転すると回転テーパーが９０°回転し、このときロッド３のピン４１はＳＴＭセルキャップ５１の裏面の溝に嵌合するので、ロッドを上下させることによりＳＴＭセル５を上下に搬送することができる。なお、ＳＴＭセルをＵＨＶチャンバ底部に密着固定した時、同時にＳＴＭセル側電極とチャンバ側固定電極も接触する。図１４に示すように、ＳＴＭセル側電極２０はスプリング内蔵電極となっており、ＳＴＭセルが押さえ込まれるとき電極どうしが強く接触する。
【００２１】
次に、ＳＴＭセルの固定について説明すると、図１３（ａ）に示すように、搬送ロッド３をロッド受け口５２ａに挿入して９０°回転し、ＳＴＭセルを搬送ロッドに接続して（図１３（ｂ））、内部ＵＨＶチャンバ３３の底部に搬送する。図９に示したように、内部ＵＨＶチャンバ３３の底部には一対の固定ブロック４０が設けられており、底部にＳＴＭセルを置いたとき、回転テーパー５２の上面が、固定ブロック４０の下面より少し上方に位置し、羽根５２ｂは一対の固定ブロックと平行となる。そこで、ＳＴＭセルがチャバ底面についたとき搬送ロッド３を９０°もとの方向に回転する。図１５は搬送ロッドを９０°もとの方向に回転した状態を示しており、ロッドの回転により回転テーパー５２が回転して羽根５２ｂのテーパー面の先端部分が固定ブロック４０の下に入り込み、くさび作用により回転テーパーは下側に強く押しつけられ、その結果ＳＴＭセル本体がＵＨＶチャンバ３３の底面に押さえ込まれ、ＳＴＭセルと内部チャンバ底面は密着する。図１５に示すように、ＳＴＭセルには位置決めピン５３が、チャンバ３３には位置決めピン受け口４３がそれぞれ形成されており、ロッドを９０°回転して固定すると同時に位置決めピン５３がピン受け口４３に入り、各電極どうしはスプリングにより強く接触する。このように、回転テーパーのみが回転し、セル全体は回転しないので電気接点部が摩耗することがなく、長寿命のワッタッチ式電気接点が実現できる。位置決めピン５３は中心に対して反対側に非対称な位置に設けられており、位置決めピンが電極より先に接触するので、１８０°間違っているとピン受け口に入らないので、向きを誤って電極を接続することが防止できる。なお、間違い防止は、ピンとピン受け口の形状の違い等を利用するようにしている。
【００２２】
前述したように、セルキャップの挿入口５１ａを通して搬送ロッド３の先端を挿入して９０°回転するとロッド３のピン４１がＳＴＭセルキャップ５１の裏面に当たり、ＳＴＭセル５をチャックして上下に搬送することができる。しかし、ＳＴＭセルが低温チャンバ底部にある場合、目視することができないので、ロッドとセルキャップの挿入口の位置がずれているとうまくロッドを挿入できず、チャッキング不能となってしまう。そこで、図１６に示すように、セルキャップ５１にロッド３の先端部が挿入しやすいような間口が広く徐々に狭くなるラッパ状のガイド孔が形成されたガイド８５を設ける。すなわち、ガイド８５にはロッド先端軸より大きめの孔とピンで方位決めされるガイド溝が切られ、かつ孔はピン長より大きめのテーパー孔からなるラッパ状のガイド孔となっている。チャッキングする場合は、ロッド３の先端をラッパ状のガイド孔のテーパー面に沿ってスライドさせて細いストレート孔まで入れ、ピンが入り込んだ後に、ある角度（例えば９０°）ピンを回転させると、セルキャップの挿入口とロッドピンがずれてＳＴＭセルをチャッキングすることができる。
【００２３】
次に、ＳＴＭセルへの粗動機構を駆動する伝達機構について説明する。
ＵＨＶチャンバ内にあるＳＴＭセルを駆動する場合、回転軸による回転伝達を利用しているが、ベローズ等真空圧の変化による伸縮や温度変化により回転軸の方向に大幅に寸法が変化する。このような寸法の変化が起きても回転軸を通してＳＴＭセルの粗動機構に回転がスムーズに伝達される必要がある。かかる機構について図１７、図１８を参照して説明する。
【００２４】
図１７はＵＨＶチャンバに位置するＳＴＭセルへの回転伝達機構を説明する図である。
モータ６０から延びる水平方向の回転軸による回転を、室温状態にあるＵＨＶチャンバ３１の中心付近でベベルギア６１を介して垂直方向の回転伝達軸６３に伝達する。例えば、ＳＴＭセル５はＵＨＶチャンバ３１からほぼ２ｍ下部にある低温のＵＨＶチャンバ３３の底部に位置し、回転伝達軸先端の回転伝達歯車６４と粗動機構１３とが噛み合ってＸ、Ｙ、Ｚ方向の駆動が行われるが、室温から液体ヘリウムまでの温度変化や、真空圧の変化（大気圧〜１０-10 Ｔｏｒｒ）によるベローズの伸縮により、垂直軸方向の寸法が２０ｍｍ近い変化をする。このような垂直軸方向の寸法変化があっても、回転伝達歯車６４と粗動機構１３との噛み合いを常時維持するために、回転伝達継手６３で寸法変化を吸収する。回転伝達継手６３は軸方向の長さ変化を吸収し、回転の伝達は維持するものであればどのような構成のものでもよい。
【００２５】
図１８は回転伝達継手の例を説明する図で、図１８（ａ）は継手の構造を説明する斜視図、図１８（ｂ）は上面図である。
この回転伝達継手は、ベベルギアからの回転が伝えられる伝達軸７０に、その先端部から所定高さ位置において両側に突出するピン７１を埋め込み、伝達軸７０が挿入される伝達軸７２に、ピン７１と係合する軸方向に所定の長さを有する２つの係合突起７３を形成したもので、伝達軸７０を伝達軸７２に挿入すると、図１８（ｂ）に示すようにピン７１が係合突起７３と係合して回転が伝達される。このような構成であるので、軸方向の長さが変化しても、ピン７１と係合突起７３とがスライドして係合を維持し、回転を伝達することができる。なお、ピン７１の位置、係合突起の軸方向長さは軸方向の長さ変化に応じて適宜選択する必要がある。
【００２６】
ところで、本発明のＳＴＭセルは、試料移動機構、探針粗動機構を内蔵する単一のユニットであり、ワンタッチで着脱し、遠隔操作ができる構造でなければならない。このようなＳＴＭセルは、回転伝達機構を工夫する必要があり、そのためのギアについて図１９、図２０により説明する。
【００２７】
図１９は回転伝達軸とＳＴＭセルとの係合を説明する図、図２０は歯車の構造を説明する図である。
この例では２本の回転伝達軸の先端の平歯車８０とＳＴＭセル側の平歯車８１とが係合しており、前述したようにＵＨＶチャンバ３３の底部にＳＴＭセルを位置させたときに平歯車８１が平歯車８０に確実、かつ簡単に係合する必要がある。そのために、図２０に示すように、伝達軸側、セル側とも平歯車の一歯づつに全周に渡ってテーパー面を形成する。すなわち、図２０（ａ）（歯車の側断面図）この例では２本の回転伝達軸の先端の平歯車８０とＳＴＭセル側の平歯車８１とが係合しており、前述したようにＵＨＶチャンバ３３の底部にＳＴＭセルを位置させたときに平歯車８１が平歯車８０に確実、かつ簡単に係合する必要がある。そのために、図２０に示すように、伝達軸側、セル側とも平歯車の一歯づつに全周に渡ってテーパー面を形成する。すなわち、図２０（ａ）（歯車の側断面図）に示すように、歯８２の長さ方向端部にテーパー８２ａを形成し、図２０（ｂ）（歯車の平断面図）に示すように、歯の頂部両側にテーパー８２ｂを形成し、図２０（ｃ）（歯車の側面図）に示すように、テーパー８２ａの両側をカットしてテーパー面８２ｃを形成する。このように、各歯の全周に渡ってテーパーを形成することにより、ＳＴＭセルを下ろしていって互いの歯を係合させるとき、テーパー部がガイドの役割をしてスムーズに噛み合わせることができ、同様に係合をスムーズに外すことができる。そのため、ワンタッチでの着脱、遠隔操作が可能となる。
【００２８】
図２１はスキャナーが回転方向、Ｘ，Ｙ方向にずれないようにするガイド部を説明する図である。
ＳＴＭセルを低温の下部チャンバに配置する場合、従来のＳＴＭステージのようにガイド部品であるリニアガイドレール等は使用できないため、スペースをとらず回転方向にずれが生ぜず、Ｘ，Ｙ方向にもずれを生じないでＺ動が高精度に案内できる構造のガイド部が必要である。図２１（ａ）（平面図）、図２１（ｂ）（側面図）に示すように、スキャナー１４の３箇所を平坦面とし、２つの面をロッド９１で、他の１つの面を弾性押し板９０で支持する。ロッド９１は丸棒とすることによりスキャナーと線接触となるが、上下２箇所での点接触としてもよい。このような３点支持とすることにより、回転方向、Ｘ，Ｙ方向ともずれを生じないようにすることができる。また、図２１（ｃ）に示すように、押し板部の構造を、押し板９３の真ん中に板バネ９４を設けた構造としてこの部分に押しネジ９５を当て、左右に引っ張りネジ９６を設けて押し板の両端部を引っ張る構造とすることにより、押し板の真ん中部分とスキャナーの平坦面との間のクリアランスを限りなく０に近い、最適なバランスに調整することが可能である。
【００２９】
図２２は試料表面を蒸着可能にしたＳＴＭセルの例を説明する図で、図２２（ａ）は側面図、図２２（ｂ）は側断面図である。
低温のＵＨＶチャンバ３３にＳＴＭを配置し、このとき試料表面を蒸着して観察したい場合がある。しかし、スキャナー自身が試料に対して蒸着物の飛行を遮ってしまうため、試料まで蒸着物を到達させることは不可能である。そこで、図２２に示すように、スキャナー１４の中心から僅かにずれた位置（例えばＸ方向）に２〜３φの偏心孔８７を形成するとともに、中心に対して偏心孔８７と反対方向にずれた位置に探針１６を設け、スキャナー全体をＸ方向に±２ｍｍ程度移動させるＸ移動機構を設ける。そして、ＳＴＭセルをＵＨＶチャンバ３３に配置して用いているときにも、このＸ移動機構で偏心孔８７を中心に移動させ、この孔を通して上部のＵＨＶチャンバ３１に設けられた蒸着装置（図示せず）から発せられた蒸着物を試料１８上に導くことができ、試料表面を蒸着することが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば以下のような効果が達成可能である。
・ＳＴＭセルをカートリッジタイプのものとし、極低温における観察で目視できない場合でも、一度見える所で予備観察して確認した後、観察するようにしているので、像がでなかったような場合のチェックを少なくすることができる。また、電線や駆動軸を引き回さなくてもよいのでＳＴＭセルを簡単に移動することが可能となる。
・一体化ＳＴＭセル構造とすることにより、試料の温度変化による物理特性を調べる場合、ＳＴＭセル全体を同じ温度にすることができ、その結果、試料の温度設定、計測が容易であり、設定値と実際の試料温度との差や試料面への探針のアプローチ前後での試料温度の差がなくなり、また、探針からの輻射による熱の流入がなく、試料の周囲からの伝導、輻射による熱の流入をなくすことができる。また、ＳＴＭセルを移動することにより、容易に異なった環境へ試料を置くことができ、超高真空の中では特に有効である。ゲートバルブによって接続されたチャンバ内をＳＴＭセルを移動することによって、温度、蒸着など異なった環境へ移動可能である。また、大気圧ＳＴＭにおいても、ＳＴＭセルを移動することにより、試料を異なったガス雰囲気中、温度差、真空度差のある環境へ置くことができる。また、一体化に伴い、ＳＴＭユニットを、小さく、軽く、かたくすることができ、固有振動数を上げることができ、その結果、ＳＴＭ像観察で常に問題となる振動に対して強い構造のものを実現することができる。
・異なる閉じた環境にそれぞれＳＴＭコントローラに接続されたコネクタを配置しておくことにより、セルの移動の際にリード線を引きずったり、絡まることがなく、また、リード線からの熱の流入がなく、リード線が動かないのでＳＴＭセルへ振動を伝達することがなく、セルを低温から室温に移動したときなどリード線が断線することがない。また、スライドコネクタの採用で、ＳＴＭセルが上下両方から可能であり、また、スライドコネクタの位置を変えることにより閉じた環境内でＳＴＭセルの配置位置を変えることができる。
・搬送ロッドを利用してクライオスタット内部のチャンバ底部にＳＴＭセルを置き、そのままロッドを９０°回転することにより、固定ブロック下面に対してＳＴＭセルのテーパー面がチャンバ底部に押さえられる力が働き、ＳＴＭセルをチャンバ底部に密着固定することができる。同時にスプリング内蔵の電極どうしが強く接触する。また、位置決めピンが電極より先に接触することにより、ＳＴＭセルの向きを誤って固定するのを防ぐことができる。その結果、回転可能な搬送ロッドで搬送と固定、電極接触を行うことができ、クライオスタット内部チャンバとＳＴＭセルの熱伝達効率を高めることができる。また、ＳＴＭセルの振動を押さえることができ、ＳＴＭ像観察、特性分析などを安定して行うことができ、内部チャンバでの電極の確実な接触を図ることができる。
・粗動機構を駆動する回転伝達軸の途中に軸方向の長さ変化を吸収する回転伝達継手を設けるようにしたので、真空圧の変化や温度変化により軸方向の長さが変化しても、長さ変化を吸収したまま、スムーズに回転を伝えることが可能となり、大気圧下、真空下、室温下、液体ヘリウム温度下等全ての環境下において１つの回転伝達機構での兼用が可能となる。
・粗動機構と回転伝達軸の平歯車の各歯の全周に渡ってテーパー面を形成するようにしたので、超高真空下、強磁場下、極低温下でのワンタッチ着脱が可能となり、かつ遠隔操作が可能になる。
・ＳＴＭセルのキャップにラッパ状のガイド溝が形成されたガイドを設けるようにしたので、搬送ロッドの先端の位置が多少ずれていても容易に嵌合することができ、簡単かつ確実なＳＴＭセルのチャックを行うことができる。
・Ｚ動のガイド部の構造を３点支持とし、その中の１箇所を弾性体による支持としたので、Ｚ動の動きをスムーズに、かつ高精度に行うことができる。
・スキャナーの中心からずれた位置に試料蒸着用の偏心孔を形成し、反対方向にずれた位置に探針を形成したので、蒸着可能なＳＴＭセルを実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一例を説明する図である。
【図２】 本発明のＳＴＭセルの例を示す図である。
【図３】 ＳＴＭセルを異なる環境のチャンバに入れる例を示す図である。
【図４】 外部のＳＴＭコントローラからリード線を接続して２つの環境下を移動するＳＴＭセルを説明する図である。
【図５】 ゲートバルブがある場合におけるＳＴＭセル駆動方法を説明する図である。
【図６】 スライドコネクタを用いる例を説明する図である。
【図７】 ＳＴＭセルの形状を説明する図である。
【図８】 ＳＴＭセルをクライオスタット底部に配置したときの図である。
【図９】 クライオスタット内部チャンバ底部を示す図である。
【図１０】 搬送ロッド先端を示す図である。
【図１１】 セルキャップを示す図である。
【図１２】 回転テーパーを示す図である。
【図１３】 搬送ロッドでＳＴＭセルを移動させるときの説明図である。
【図１４】 電極端子を説明する図である。
【図１５】 内部チャンバ底部へのＳＴＭセルの固定を説明する図である。
【図１６】 ロッドピンによるＳＴＭセルのチャッキングを容易にするガイドを説明する図である。
【図１７】 ＵＨＶチャンバに位置するＳＴＭセルへの回転伝達機構を説明する図である。
【図１８】 回転伝達継手の構成例を説明する図である。
【図１９】 回転伝達軸とＳＴＭセルとの係合を説明する図である。
【図２０】 歯車の構造を説明する図である。
【図２１】 ＳＴＭセルが回転方向、Ｘ，Ｙ方向にズレないようにするガイド部を説明する図である。
【図２２】 試料表面を蒸着可能にしたＳＴＭセルを説明する図である。
【図２３】 従来のＳＴＭステージを説明する図である。
【符号の説明】
３…搬送ロッド、５…ＳＴＭセル、７…ヘリウムタンク、８…下部チャンバ、９…上部チャンバ、１０…ゲートバルブ、１３…粗動機構、１４…スキャナー、１５…探針ホルダ、１６…探針、１７…試料ホルダ、１８…試料、２０…電極、２５…ＳＴＭコントローラ、２６，２７…コネクタ、３０…固定電極、３１…ＵＨＶチャンバ、３２…クライオスタット、３３…クライオスタット内部ＵＨＶチャンバ、４０…固定ブロック、４１…ピン、５１…セルキャップ、５２…回転テーパー、５２ｂ…羽根、６２…回転伝達継手、６３…回転伝達軸、７０，７２…伝達軸、８０…伝達軸側平歯車、８１…セル側平歯車、９０…弾性押し板、９１…ロッド。
【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）等の走査型顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来のＳＴＭステージは、試料移動機構、探針アプローチ機構等の駆動機構はステージ部に一体化された固定式構造で、分離不可能になっていた。そのため雰囲気の異なる環境下でＳＴＭ像を見たい場合には、個別にチャンバーごとにＳＴＭステージをそっくり必要な数だけ構成しなければならない。例えば、図２３に示すように、試料ステージ２、試料３、探針スキャナー４、粗動機構５が、それぞれフランジ６に固定されてチャンバ１に装着される。このような構成では、超伝導磁石を用い、高磁界、極低温の中で観察する場合、ＳＴＭステージを超伝導磁石の中に入れるのは困難である。超伝導磁石を極低温まで冷却できるように試料等を入れる口は細く長くなっていて極低温まで冷やす所は熱容量が小さく設計されている。このような条件のもとでＳＴＭステージを入れるためには小さく設計しなければならない。
【０００３】
このように、試料温度を室温から低温に変化させてＳＴＭ像の観察を行うことを考えると、フランジに固定されたＳＴＭユニット全体を設定温度の低温環境に置くことが理想ではあるが、従来の構成では現実的ではない。これを実現するには巨大な超高真空かつ冷却装置の中にフランジユニットを置かなければならず、試料、探針交換時に再び室温に戻すことを考えると困難である。従って、従来行われているように、ＳＴＭユニットを部分的に冷却することになる。試料ステージ、或いは、試料ステージに固定された試料ホルダ、或いは試料ホルダに熱絶縁されて配置された試料のみを設定した温度に冷却することは可能ではある。しかし、絶えず熱流入を受け、ＳＴＭ観察を安定させることが難しいなど、別の問題が生じる。また、試料は設定温度まで冷却できたとしても、室温の探針をアプローチさせた場合、すなわち、ＳＴＭ観察中は、探針と試料面との間に輻射等の影響を受け、試料温度に疑問が残る。探針も冷却すればよいが、室温中で細い探針を低温にすることには、熱流入が大きく限界がある。
【０００４】
また、従来の構成では、温度環境、雰囲気ガス、蒸着物等が違う異なる環境に試料を置いた時の違いを明確にすることが難しい。例えば、極低温まで冷却できる位置に試料を置いた場合、目で観察できないため試料が本当に設定した環境になっているのかという問題が絶えず残り、また、細く長い筒の底でのＳＴＭ観察はＳＴＭテージを見ることができないため、ＳＴＭ像が良く見えない場合その原因がどこにあるのか分からなくなってしまう。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためのもので、雰囲気の異なる環境下での像観察を容易に行えるようにするとともに、設定した環境下での像観察であるか否かの確認が行えるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、試料ステージと、該ステージ上に配置された試料に対向して設けられた探針が取り付けられたスキャナーと、スキャナーを駆動する粗動機構と、電極端子とを一体化して設けたセルユニットと、該セルユニットを把持するピンが先端部に形成された搬送ロッドとを備え、前記搬送ロッドによりセルユニットを把持して異なる環境の真空チャンバ間を移動可能にしたことを特徴とする。
また、本発明は、異なる環境の各真空チャンバに、前記セルユニットの電極端子と接続するコネクタが設けられていることを特徴とする。
また、本発明は、コネクタの少なくとも１つはスライドコネクタであることを特徴とする。
また、本発明は、セルユニット頂部に搬送ロッド先端部のピンと係合して回転可能なテーパー面が形成された羽根を有する回転板を備えるとともに、前記真空チャンバ底部壁に固定ブロックが形成され、前記ピンによる係合を外す搬送ロッドの回転動作により前記羽根のテーパー面が固定ブロック下面に入り込んでセルユニットが下側に押圧固定されることを特徴とする。
また、本発明は、セルユニットの電極がスプリング内蔵電極からなり、前記固定ブロックによりセルユニットを押圧固定したとき、前記スプリング内蔵電極が真空チャンバ側の固定電極と弾性接触することを特徴とする。
また、本発明は、セルユニットの粗動機構を駆動する回転伝達軸を備え、前記回転伝達軸に軸方向の長さの変化を吸収する回転伝達継手を設けたことを特徴とする。
また、本発明は、セルユニットの粗動機構を平歯車を介して駆動する回転伝達軸を備え、粗動機構と回転伝達軸の平歯車の各歯の全周に渡ってテーパー面を形成したことを特徴とする。
また、本発明は、セルユニット頂部に、搬送ロッドの先端が挿入されるラッパ状のガイド孔が形成されたガイドを形成したことを特徴とする。
また、本発明は、スキャナーの外面３箇所を平坦面として３点支持し、その中の１点は弾性体で支持するようにしたことを特徴とする。
また、本発明は、スキャナー中心からずれた位置に試料蒸着用の偏心孔を形成したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の一例を説明する図で、図１（ａ）は像観察部を示す図、図１（ｂ）はＳＴＭセルを示す図である。
ＳＴＭセルが置かれる真空容器は、上部チャンバ９と細長い下部チャンバ８からなっていて、図示しない真空ポンプにより超高真空に保たれ、上部チャンバ９は常温、下部チャンバ８は液体ヘリウムタンク７で極低温に保たれている。ＳＴＭセル５は、図１（ｂ）に示すように、電線や駆動軸が切り離し可能なカートリッジタイプのユニット化されたカプセル構造であり、カプセル内に粗動機構１３、スキャナー１４、探針ホルダ１５、探針１６が設けられ、これに対向して試料１８が試料ホルダ１７に取り付けられ、カプセルには端子２０が設けられている。そしてＳＴＭセル５は、トランスファーユニット１により、上部チャンバ、下部チャンバの位置へ移動できるようになっている。下部チャンバでは、セットされた位置において電線や駆動軸がカプセルに結合され、上部チャンバではステージサポート１１を介して電線や駆動軸が結合される。ステージサポート１１はベローズ１２により移動可能で、トランスファーユニット１でＳＴＭセル５を移動するときの妨げにならないように構成されている。トランスファーユニット１は、トランスファーロッド３、チャック４から構成されており、回転導入器２を回転することにより、トランスファーロッド３が上下し、その先端のチャック４をＳＴＭセルに結合してＳＴＭセルを移動させる。ゲートバルブ１０は他の真空容器との間により試料等の出し入れ時に開閉するバルブである。
【０００８】
このような構成において、まず、トランスファーユニット１を操作し、ＳＴＭセル５を上部チャンバ９の所定位置に移動させてステージサポート１１上に置くと、ステージサポート１１を介して電線や駆動軸がＳＴＭセル５に結合されて常温での観察が行われる。この位置では目視可能であるので、ＳＴＭ像が得られるか否かの予備観察として位置付けられる。ここで、ＳＴＭ像が得られることを確認した後、トランスファーユニット１を操作し、ＳＴＭセルを下部チャンバ８の底部に移動させる。下部チャンバ８の底部においては、電線や駆動軸がＳＴＭセル５に結合されて極低温での観察が行われる。この位置ではＳＴＭセル５は目で見ることはできないが、予備観察で正常にＳＴＭ像が得られることが確認されているので問題はない。万一、ＳＴＭ像が良く見えない場合でもその原因がどこにあるかのチェックも容易となる。
【０００９】
次に、カプセル化したＳＴＭセルの例と、これを異なる環境のチャンバに入れる例について説明する。
図２は本発明のＳＴＭセルの例を示している。
ＳＴＭセルは円筒形あるいは角柱形等からなり、セルの中に試料ステージ１９に取り付けられて試料ホルダ１７、試料１８が設けられ、さらに、差動ネジ２１を介して駆動されるＺ粗動機構１３ａ、Ｘ，Ｙ粗動機構１３ｂからなる粗動機構、ＰＺＴスキャナー１４、探針ホルダ１５、探針１６が一体化して組み込まれ、キャップ部分に１６個の測温用、加熱用等の電極２０が設けられている。このＳＴＭセルを必要な環境に置けば、試料を含めてセル全体がその環境中にあることになり、その結果、ＳＴＭ像観察中でも試料面の環境変化もなく、安定したＳＴＭ像観察が可能となる。
【００１０】
図３は図２のＳＴＭセルを異なる環境のチャンバに入れる例を示す図である。
搬送用ロッド３は９０°旋回できるようになっており、このロッドを用い、ゲートバルブ１０を開閉してＳＴＭセル５を異なった環境の超高真空（ＵＨＶ）チャンバＡ、Ｂ、Ｃ間で移動可能である。従って、ある温度環境のチャンバ内にＳＴＭセルを置けば、しばらく時間を置くことにより、セル全体がその温度になる。探針を試料にアプローチさせて、ＳＴＭ像観察を行う場合において、探針と試料の温度差、試料と試料ホルダ、試料ステージの温度差がないため、試料温度の変化がなく、このため試料が安定した温度にあるとみなすことができ、さらに温度勾配もないため、熱ドリフトも抑えられる。従って、安定したＳＴＭ像観察を行うことができ、試料の電子状態などの物理特性が厳密に調べられる。また、一体化に伴い、ＳＴＭユニットを小さく、軽く、固くすることができ、固有振動数を上げて、振動に対して強い構造とすることができる。
【００１１】
上記のようにフランジ等に固定されるＳＴＭではなく、移動可能なカプセルタイプのＳＴＭの駆動方法についてより詳細に説明する。
前述したように、ＳＴＭセルは搬送ロッドを用いて環境の異なるチャンバ間を移動でき、セル全体を環境温度にすることができるので、熱流入のない安定した状態でＳＴＭ像観察を行うことができ、また、一体化に伴い、固有振動数を上げて、振動に対して強い構造とすることができる。しかし、ＳＴＭセルを駆動する場合、トンネル電流取り出しライン、一般的に圧電素子からなるスキャナーを駆動するための電圧供給ライン、試料−探針間のバイアス電圧供給ライン等が必要である。このためのリード線をどうするかが問題となる。
【００１２】
図４は外部のＳＴＭコントローラからリード線を引回して２つの環境下を移動するＳＴＭセルを説明する図である。
図４（ａ）は環境Ａ、温度ＡのＵＨＶチャンバ内にＳＴＭセル５が置かれた状態にあり、このように外部のＳＴＭコントローラ２５からＳＴＭセル５までリード線を引き回しては、電気的接続は確実であるが、ＳＴＭセルを容易に移動できるという利便性が失われる。即ち、図４（ｂ）に示すように、環境Ｂ、温度ＢへＳＴＭセル５を移動した場合、リード線が他の部分に絡まったりして断線する可能性がある。また、温度の異なる環境へＳＴＭセルを移動する場合、リード線からの熱流入が起こって熱的安定性が失われる可能性がある。また、図４（ｃ）に示すようにゲートバルブ１０がある場合は、ＳＴＭセルを送り込んだ後搬送ロッドをはずしてもリード線が残るためにゲートバルブを閉じることができなくなる。また、環境Ａが室温で環境Ｂが低温の場合、ＡからＢへの移動はよいが、ＢからＡへの移動の際には、リード線が冷却されて硬化しており移動時に断線する可能性もある。
【００１３】
図５はコネクタを配置したＳＴＭセル駆動方法を示す図である。
図５（ａ）（縦に移動する場合）、図５（ｂ）（横に移動する場合）に示すように、各環境のもとにリード線コネクタ２６、２７を配置してＳＴＭコントローラと接続しておき、ＳＴＭセルを各環境に置いたときＳＴＭセルの電極端子がこれと接続するようにする。こうして、ＳＴＭセルを異なる環境間で移動するとき、ＳＴＭセルのみを移動し、コネクタの位置に置くことで、ＳＴＭ駆動のためのコントローラ２５との接続を行うことができる。もちろん、異なる環境は２個に限定されるものではない。
【００１４】
図６はスライドコネクタを用いた例を説明する図である。
図６（ａ）はＳＴＭセル側の電極２０とスライドコネクタとの接続前の状態を示し、スライドコネクタは固定電極３０に板バネ３０ａを取り付けたもので、図示するようにセルを上から下へ移動したときセル側壁をスライドし、図６（ｂ）に示すようにセルの側面に固定されたセル側電極２０と接続する。
このように、ＳＴＭセルは、図のように環境の中央に配置されるとは限らず、場合によってはある環境の内壁、例えばＵＨＶの場合はチャンバの内壁に接触させるようにしてもよく、搬送用のロッドは装着したままでよく、内壁のどこか（底部）に固定して搬送ロッドとＳＴＭセルを分離してもよい。コネクタの位置は、ＳＴＭセルをどこに配置するかを考慮して配置し、ＵＨＶの場合にはチャンバに電流導入端子を付ける。
【００１５】
図７はＳＴＭセルの形状を説明する図である。
図７はＳＴＭセルを上方から見た図であり、図７（ａ）は角柱の場合、図７（ｂ）は円筒形の場合を示しており、このようにＳＴＭセルは円筒形の場合も角柱の場合あり得る。また、電極数も適宜変更可能である。
【００１６】
次に、ＳＴＭセルの位置決めと固定法について図８〜１５により説明する。
ＳＴＭセルをクライオスタット内部に配置して冷却する場合、効率良く冷却するためにはクライオスタット内部で適切に固定しなければならない。また、ＳＴＭセルを駆動するためにはプリアンプ、ＳＴＭコントローラとリード線等を適切に固定しなければならない。前述したように、ＳＴＭセル自体は搬送ロッドなどで容易に移動でき、所定の位置でコネクタを利用して接続することにより、リード線を引き回すことは避けられる。しかし、効率良く熱伝導を行うこと、ＳＴＭセルが振動しないようにすること、電極を確実に接触させること、複数ある電極同志の位置を間違えないようすることのためには、ＳＴＭセルの位置決めと固定法が問題となる。
【００１７】
図８はＳＴＭセルをクライオスタット底部に配置したときの概略図である。
図示するように、搬送ロッドが装着された室温のＵＨＶチャンバ３１が防振台３５に固定され、このチャンバの下にクライオスタット３２が設けられて内部にＵＨＶチャンバ３３が構成されている。クライオスタット稼働中は内部ＵＨＶチャンバ３３は低温にあり、温度コントロールされている。ＳＴＭセルに装着された試料を冷却する場合には、ＵＨＶチャンバ３１内にあったＳＴＭセル５をＵＨＶチャンバ３３の底部に搬送ロッド３で送り込み、密着固定する。リード線とチャンバ内固定電極３０をクライオスタット内のＵＨＶチャンバ３３の底部に配置しておき、ＳＴＭセル５が搬送ロッド３で搬送されて底部に配置されるときＳＴＭセル側電極と固定電極とが接触する。冷却効率を上げるためにＳＴＭセルの振動を抑える必要があり、そのためＳＴＭセル側電極と、固定電極の接触をそれぞれ確実にし、ＳＴＭセルの位置決めと固定を確実に行う必要がある。
【００１８】
図９はクライオスタット内部チャンバ底部を示す図で、図９（ａ）は平面図であり、そのｂ視野、ｃ視野がそれぞれ図９（ｂ）、図９（ｃ）である。
図示するように、クライオスタット内部ＵＨＶチャンバ３３の壁部の所定高さ位置に対向してＳＴＭセルを固定するための一対の固定ブロック４０が対向して設けられている。
【００１９】
図１０は搬送ロッド先端を示す図（図１０（ａ）はピンと直交する方向から見た図、図１０（ｂ）はピンと同方向から見た図）、図１１はセルキャップを示す図（図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は側面図）、図１２はセルキャップの下に設けられる回転テーパーを示す図（図１２（ａ）、図１２（ｂ）は羽根と同方向からみた平面図と側面図、図１２（ｃ）、図１２（ｄ）は羽根と直交する方向から見た平面図と側面図）、図１３は搬送ロッドでＳＴＭセルを移動させるときの説明図（図１３（ａ）はＳＴＭセルに搬送ロッドを出し入れするときの平面図、図１３（ｂ）はＳＴＭセルを搬送中の平面図、図１３（ｃ）はチャックの出し入れ可能位置を説明するｃ視野の側面図、図１３（ｄ）はチャックの出し入れ不可位置・セル搬送可能位置を説明するｄ視野の側面図）図１４は電極端子を説明する図（図１４（ａ）は接触前を示す図、図１４（ｂ）は接触状態を示す図）、図１５はクライオスタット内部チャンバ底部へのＳＴＭセルの固定を説明する図（図１５（ａ）は平面図、図１５（ｂ）、図１５（ｃ）はそれぞれ図１５（ａ）のｂ視野図、ｃ視野図）である。
【００２０】
図１０に示すように、搬送ロッド３の先端には、ロッドの両側に延びる形でピン４１が埋め込まれている。一方、図１１に示すように、ＳＴＭセル５の頂部には、ＳＴＭセルキャップ５１が、裏面にはくぼみ５１ｂがそれぞれ設けられており、セルキャップに形成されているロッド挿入口５１ａに搬送ロッド３の先端が挿入される。セルキャップ５１の下には、図１２に示すような回転テーパー５２が設けられており、その中心にはセルキャップのロッド挿入口５１ａに対応してロッド受け口５２ａが形成されるとともに、周縁にはテーパー面Ｔを有するくさび状の一対の羽根５２ｂが互いに対向する位置に形成されている。なお、５２ｃはピン４１が入るくぼみである。そして、図１２（ａ）の状態で搬送ロッド３をセルキャップのロッド挿入口５１ａを通してロッド受け口５２ａに挿入し、ロッドを９０°回転すると回転テーパー５２は図１２（ｃ）のように９０°回転する。従って、図１３（ａ）、１３（ｃ）（図１３（ａ）のｃ視野図）に示すチャックの出し入れが可能位置においてセルキャップの挿入口５１ａを通して回転テーパーのロッド受け口５２ａに搬送ロッド３の先端を挿入し、図１３（ｂ）、１３（ｄ）（図１３（ｂ）のｄ視野図）に示すチャックの出し入れ不可位置・セル搬送可能位置までロッドを９０°回転すると回転テーパーが９０°回転し、このときロッド３のピン４１はＳＴＭセルキャップ５１の裏面の溝に嵌合するので、ロッドを上下させることによりＳＴＭセル５を上下に搬送することができる。なお、ＳＴＭセルをＵＨＶチャンバ底部に密着固定した時、同時にＳＴＭセル側電極とチャンバ側固定電極も接触する。図１４に示すように、ＳＴＭセル側電極２０はスプリング内蔵電極となっており、ＳＴＭセルが押さえ込まれるとき電極どうしが強く接触する。
【００２１】
次に、ＳＴＭセルの固定について説明すると、図１３（ａ）に示すように、搬送ロッド３をロッド受け口５２ａに挿入して９０°回転し、ＳＴＭセルを搬送ロッドに接続して（図１３（ｂ））、内部ＵＨＶチャンバ３３の底部に搬送する。図９に示したように、内部ＵＨＶチャンバ３３の底部には一対の固定ブロック４０が設けられており、底部にＳＴＭセルを置いたとき、回転テーパー５２の上面が、固定ブロック４０の下面より少し上方に位置し、羽根５２ｂは一対の固定ブロックと平行となる。そこで、ＳＴＭセルがチャバ底面についたとき搬送ロッド３を９０°もとの方向に回転する。図１５は搬送ロッドを９０°もとの方向に回転した状態を示しており、ロッドの回転により回転テーパー５２が回転して羽根５２ｂのテーパー面の先端部分が固定ブロック４０の下に入り込み、くさび作用により回転テーパーは下側に強く押しつけられ、その結果ＳＴＭセル本体がＵＨＶチャンバ３３の底面に押さえ込まれ、ＳＴＭセルと内部チャンバ底面は密着する。図１５に示すように、ＳＴＭセルには位置決めピン５３が、チャンバ３３には位置決めピン受け口４３がそれぞれ形成されており、ロッドを９０°回転して固定すると同時に位置決めピン５３がピン受け口４３に入り、各電極どうしはスプリングにより強く接触する。このように、回転テーパーのみが回転し、セル全体は回転しないので電気接点部が摩耗することがなく、長寿命のワッタッチ式電気接点が実現できる。位置決めピン５３は中心に対して反対側に非対称な位置に設けられており、位置決めピンが電極より先に接触するので、１８０°間違っているとピン受け口に入らないので、向きを誤って電極を接続することが防止できる。なお、間違い防止は、ピンとピン受け口の形状の違い等を利用するようにしている。
【００２２】
前述したように、セルキャップの挿入口５１ａを通して搬送ロッド３の先端を挿入して９０°回転するとロッド３のピン４１がＳＴＭセルキャップ５１の裏面に当たり、ＳＴＭセル５をチャックして上下に搬送することができる。しかし、ＳＴＭセルが低温チャンバ底部にある場合、目視することができないので、ロッドとセルキャップの挿入口の位置がずれているとうまくロッドを挿入できず、チャッキング不能となってしまう。そこで、図１６に示すように、セルキャップ５１にロッド３の先端部が挿入しやすいような間口が広く徐々に狭くなるラッパ状のガイド孔が形成されたガイド８５を設ける。すなわち、ガイド８５にはロッド先端軸より大きめの孔とピンで方位決めされるガイド溝が切られ、かつ孔はピン長より大きめのテーパー孔からなるラッパ状のガイド孔となっている。チャッキングする場合は、ロッド３の先端をラッパ状のガイド孔のテーパー面に沿ってスライドさせて細いストレート孔まで入れ、ピンが入り込んだ後に、ある角度（例えば９０°）ピンを回転させると、セルキャップの挿入口とロッドピンがずれてＳＴＭセルをチャッキングすることができる。
【００２３】
次に、ＳＴＭセルへの粗動機構を駆動する伝達機構について説明する。
ＵＨＶチャンバ内にあるＳＴＭセルを駆動する場合、回転軸による回転伝達を利用しているが、ベローズ等真空圧の変化による伸縮や温度変化により回転軸の方向に大幅に寸法が変化する。このような寸法の変化が起きても回転軸を通してＳＴＭセルの粗動機構に回転がスムーズに伝達される必要がある。かかる機構について図１７、図１８を参照して説明する。
【００２４】
図１７はＵＨＶチャンバに位置するＳＴＭセルへの回転伝達機構を説明する図である。
モータ６０から延びる水平方向の回転軸による回転を、室温状態にあるＵＨＶチャンバ３１の中心付近でベベルギア６１を介して垂直方向の回転伝達軸６３に伝達する。例えば、ＳＴＭセル５はＵＨＶチャンバ３１からほぼ２ｍ下部にある低温のＵＨＶチャンバ３３の底部に位置し、回転伝達軸先端の回転伝達歯車６４と粗動機構１３とが噛み合ってＸ、Ｙ、Ｚ方向の駆動が行われるが、室温から液体ヘリウムまでの温度変化や、真空圧の変化（大気圧〜１０-10 Ｔｏｒｒ）によるベローズの伸縮により、垂直軸方向の寸法が２０ｍｍ近い変化をする。このような垂直軸方向の寸法変化があっても、回転伝達歯車６４と粗動機構１３との噛み合いを常時維持するために、回転伝達継手６３で寸法変化を吸収する。回転伝達継手６３は軸方向の長さ変化を吸収し、回転の伝達は維持するものであればどのような構成のものでもよい。
【００２５】
図１８は回転伝達継手の例を説明する図で、図１８（ａ）は継手の構造を説明する斜視図、図１８（ｂ）は上面図である。
この回転伝達継手は、ベベルギアからの回転が伝えられる伝達軸７０に、その先端部から所定高さ位置において両側に突出するピン７１を埋め込み、伝達軸７０が挿入される伝達軸７２に、ピン７１と係合する軸方向に所定の長さを有する２つの係合突起７３を形成したもので、伝達軸７０を伝達軸７２に挿入すると、図１８（ｂ）に示すようにピン７１が係合突起７３と係合して回転が伝達される。このような構成であるので、軸方向の長さが変化しても、ピン７１と係合突起７３とがスライドして係合を維持し、回転を伝達することができる。なお、ピン７１の位置、係合突起の軸方向長さは軸方向の長さ変化に応じて適宜選択する必要がある。
【００２６】
ところで、本発明のＳＴＭセルは、試料移動機構、探針粗動機構を内蔵する単一のユニットであり、ワンタッチで着脱し、遠隔操作ができる構造でなければならない。このようなＳＴＭセルは、回転伝達機構を工夫する必要があり、そのためのギアについて図１９、図２０により説明する。
【００２７】
図１９は回転伝達軸とＳＴＭセルとの係合を説明する図、図２０は歯車の構造を説明する図である。
この例では２本の回転伝達軸の先端の平歯車８０とＳＴＭセル側の平歯車８１とが係合しており、前述したようにＵＨＶチャンバ３３の底部にＳＴＭセルを位置させたときに平歯車８１が平歯車８０に確実、かつ簡単に係合する必要がある。そのために、図２０に示すように、伝達軸側、セル側とも平歯車の一歯づつに全周に渡ってテーパー面を形成する。すなわち、図２０（ａ）（歯車の側断面図）この例では２本の回転伝達軸の先端の平歯車８０とＳＴＭセル側の平歯車８１とが係合しており、前述したようにＵＨＶチャンバ３３の底部にＳＴＭセルを位置させたときに平歯車８１が平歯車８０に確実、かつ簡単に係合する必要がある。そのために、図２０に示すように、伝達軸側、セル側とも平歯車の一歯づつに全周に渡ってテーパー面を形成する。すなわち、図２０（ａ）（歯車の側断面図）に示すように、歯８２の長さ方向端部にテーパー８２ａを形成し、図２０（ｂ）（歯車の平断面図）に示すように、歯の頂部両側にテーパー８２ｂを形成し、図２０（ｃ）（歯車の側面図）に示すように、テーパー８２ａの両側をカットしてテーパー面８２ｃを形成する。このように、各歯の全周に渡ってテーパーを形成することにより、ＳＴＭセルを下ろしていって互いの歯を係合させるとき、テーパー部がガイドの役割をしてスムーズに噛み合わせることができ、同様に係合をスムーズに外すことができる。そのため、ワンタッチでの着脱、遠隔操作が可能となる。
【００２８】
図２１はスキャナーが回転方向、Ｘ，Ｙ方向にずれないようにするガイド部を説明する図である。
ＳＴＭセルを低温の下部チャンバに配置する場合、従来のＳＴＭステージのようにガイド部品であるリニアガイドレール等は使用できないため、スペースをとらず回転方向にずれが生ぜず、Ｘ，Ｙ方向にもずれを生じないでＺ動が高精度に案内できる構造のガイド部が必要である。図２１（ａ）（平面図）、図２１（ｂ）（側面図）に示すように、スキャナー１４の３箇所を平坦面とし、２つの面をロッド９１で、他の１つの面を弾性押し板９０で支持する。ロッド９１は丸棒とすることによりスキャナーと線接触となるが、上下２箇所での点接触としてもよい。このような３点支持とすることにより、回転方向、Ｘ，Ｙ方向ともずれを生じないようにすることができる。また、図２１（ｃ）に示すように、押し板部の構造を、押し板９３の真ん中に板バネ９４を設けた構造としてこの部分に押しネジ９５を当て、左右に引っ張りネジ９６を設けて押し板の両端部を引っ張る構造とすることにより、押し板の真ん中部分とスキャナーの平坦面との間のクリアランスを限りなく０に近い、最適なバランスに調整することが可能である。
【００２９】
図２２は試料表面を蒸着可能にしたＳＴＭセルの例を説明する図で、図２２（ａ）は側面図、図２２（ｂ）は側断面図である。
低温のＵＨＶチャンバ３３にＳＴＭを配置し、このとき試料表面を蒸着して観察したい場合がある。しかし、スキャナー自身が試料に対して蒸着物の飛行を遮ってしまうため、試料まで蒸着物を到達させることは不可能である。そこで、図２２に示すように、スキャナー１４の中心から僅かにずれた位置（例えばＸ方向）に２〜３φの偏心孔８７を形成するとともに、中心に対して偏心孔８７と反対方向にずれた位置に探針１６を設け、スキャナー全体をＸ方向に±２ｍｍ程度移動させるＸ移動機構を設ける。そして、ＳＴＭセルをＵＨＶチャンバ３３に配置して用いているときにも、このＸ移動機構で偏心孔８７を中心に移動させ、この孔を通して上部のＵＨＶチャンバ３１に設けられた蒸着装置（図示せず）から発せられた蒸着物を試料１８上に導くことができ、試料表面を蒸着することが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば以下のような効果が達成可能である。
・ＳＴＭセルをカートリッジタイプのものとし、極低温における観察で目視できない場合でも、一度見える所で予備観察して確認した後、観察するようにしているので、像がでなかったような場合のチェックを少なくすることができる。また、電線や駆動軸を引き回さなくてもよいのでＳＴＭセルを簡単に移動することが可能となる。
・一体化ＳＴＭセル構造とすることにより、試料の温度変化による物理特性を調べる場合、ＳＴＭセル全体を同じ温度にすることができ、その結果、試料の温度設定、計測が容易であり、設定値と実際の試料温度との差や試料面への探針のアプローチ前後での試料温度の差がなくなり、また、探針からの輻射による熱の流入がなく、試料の周囲からの伝導、輻射による熱の流入をなくすことができる。また、ＳＴＭセルを移動することにより、容易に異なった環境へ試料を置くことができ、超高真空の中では特に有効である。ゲートバルブによって接続されたチャンバ内をＳＴＭセルを移動することによって、温度、蒸着など異なった環境へ移動可能である。また、大気圧ＳＴＭにおいても、ＳＴＭセルを移動することにより、試料を異なったガス雰囲気中、温度差、真空度差のある環境へ置くことができる。また、一体化に伴い、ＳＴＭユニットを、小さく、軽く、かたくすることができ、固有振動数を上げることができ、その結果、ＳＴＭ像観察で常に問題となる振動に対して強い構造のものを実現することができる。
・異なる閉じた環境にそれぞれＳＴＭコントローラに接続されたコネクタを配置しておくことにより、セルの移動の際にリード線を引きずったり、絡まることがなく、また、リード線からの熱の流入がなく、リード線が動かないのでＳＴＭセルへ振動を伝達することがなく、セルを低温から室温に移動したときなどリード線が断線することがない。また、スライドコネクタの採用で、ＳＴＭセルが上下両方から可能であり、また、スライドコネクタの位置を変えることにより閉じた環境内でＳＴＭセルの配置位置を変えることができる。
・搬送ロッドを利用してクライオスタット内部のチャンバ底部にＳＴＭセルを置き、そのままロッドを９０°回転することにより、固定ブロック下面に対してＳＴＭセルのテーパー面がチャンバ底部に押さえられる力が働き、ＳＴＭセルをチャンバ底部に密着固定することができる。同時にスプリング内蔵の電極どうしが強く接触する。また、位置決めピンが電極より先に接触することにより、ＳＴＭセルの向きを誤って固定するのを防ぐことができる。その結果、回転可能な搬送ロッドで搬送と固定、電極接触を行うことができ、クライオスタット内部チャンバとＳＴＭセルの熱伝達効率を高めることができる。また、ＳＴＭセルの振動を押さえることができ、ＳＴＭ像観察、特性分析などを安定して行うことができ、内部チャンバでの電極の確実な接触を図ることができる。
・粗動機構を駆動する回転伝達軸の途中に軸方向の長さ変化を吸収する回転伝達継手を設けるようにしたので、真空圧の変化や温度変化により軸方向の長さが変化しても、長さ変化を吸収したまま、スムーズに回転を伝えることが可能となり、大気圧下、真空下、室温下、液体ヘリウム温度下等全ての環境下において１つの回転伝達機構での兼用が可能となる。
・粗動機構と回転伝達軸の平歯車の各歯の全周に渡ってテーパー面を形成するようにしたので、超高真空下、強磁場下、極低温下でのワンタッチ着脱が可能となり、かつ遠隔操作が可能になる。
・ＳＴＭセルのキャップにラッパ状のガイド溝が形成されたガイドを設けるようにしたので、搬送ロッドの先端の位置が多少ずれていても容易に嵌合することができ、簡単かつ確実なＳＴＭセルのチャックを行うことができる。
・Ｚ動のガイド部の構造を３点支持とし、その中の１箇所を弾性体による支持としたので、Ｚ動の動きをスムーズに、かつ高精度に行うことができる。
・スキャナーの中心からずれた位置に試料蒸着用の偏心孔を形成し、反対方向にずれた位置に探針を形成したので、蒸着可能なＳＴＭセルを実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一例を説明する図である。
【図２】 本発明のＳＴＭセルの例を示す図である。
【図３】 ＳＴＭセルを異なる環境のチャンバに入れる例を示す図である。
【図４】 外部のＳＴＭコントローラからリード線を接続して２つの環境下を移動するＳＴＭセルを説明する図である。
【図５】 ゲートバルブがある場合におけるＳＴＭセル駆動方法を説明する図である。
【図６】 スライドコネクタを用いる例を説明する図である。
【図７】 ＳＴＭセルの形状を説明する図である。
【図８】 ＳＴＭセルをクライオスタット底部に配置したときの図である。
【図９】 クライオスタット内部チャンバ底部を示す図である。
【図１０】 搬送ロッド先端を示す図である。
【図１１】 セルキャップを示す図である。
【図１２】 回転テーパーを示す図である。
【図１３】 搬送ロッドでＳＴＭセルを移動させるときの説明図である。
【図１４】 電極端子を説明する図である。
【図１５】 内部チャンバ底部へのＳＴＭセルの固定を説明する図である。
【図１６】 ロッドピンによるＳＴＭセルのチャッキングを容易にするガイドを説明する図である。
【図１７】 ＵＨＶチャンバに位置するＳＴＭセルへの回転伝達機構を説明する図である。
【図１８】 回転伝達継手の構成例を説明する図である。
【図１９】 回転伝達軸とＳＴＭセルとの係合を説明する図である。
【図２０】 歯車の構造を説明する図である。
【図２１】 ＳＴＭセルが回転方向、Ｘ，Ｙ方向にズレないようにするガイド部を説明する図である。
【図２２】 試料表面を蒸着可能にしたＳＴＭセルを説明する図である。
【図２３】 従来のＳＴＭステージを説明する図である。
【符号の説明】
３…搬送ロッド、５…ＳＴＭセル、７…ヘリウムタンク、８…下部チャンバ、９…上部チャンバ、１０…ゲートバルブ、１３…粗動機構、１４…スキャナー、１５…探針ホルダ、１６…探針、１７…試料ホルダ、１８…試料、２０…電極、２５…ＳＴＭコントローラ、２６，２７…コネクタ、３０…固定電極、３１…ＵＨＶチャンバ、３２…クライオスタット、３３…クライオスタット内部ＵＨＶチャンバ、４０…固定ブロック、４１…ピン、５１…セルキャップ、５２…回転テーパー、５２ｂ…羽根、６２…回転伝達継手、６３…回転伝達軸、７０，７２…伝達軸、８０…伝達軸側平歯車、８１…セル側平歯車、９０…弾性押し板、９１…ロッド。
Claims (10)
- 試料ステージと、該ステージ上に配置された試料に対向して設けられた探針が取り付けられたスキャナーと、スキャナーを駆動する粗動機構と、電極端子とを一体化して設けたセルユニットと、該セルユニットを把持するピンが先端部に形成された搬送ロッドとを備え、前記搬送ロッドによりセルユニットを把持して異なる環境の真空チャンバ間を移動可能にしたことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
- 異なる環境の各真空チャンバに、前記セルユニットの電極端子と接続するコネクタが設けられていることを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡。
- 前記コネクタの少なくとも１つはスライドコネクタであることを特徴とする請求項２記載の走査型トンネル顕微鏡。
- セルユニット頂部に搬送ロッド先端部のピンと係合して回転可能なテーパー面が形成された羽根を有する回転板を備えるとともに、前記真空チャンバ底部壁に固定ブロックが形成され、前記ピンによる係合を外す搬送ロッドの回転動作により前記羽根のテーパー面が固定ブロック下面に入り込んでセルユニットが下側に押圧固定されることを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡。
- セルユニットの電極がスプリング内蔵電極からなり、前記固定ブロックによりセルユニットを押圧固定したとき、前記スプリング内蔵電極が真空チャンバ側の固定電極と弾性接触することを特徴とする請求項４記載の走査型トンネル顕微鏡。
- セルユニットの粗動機構を駆動する回転伝達軸を備え、該回転伝達軸に軸方向の長さの変化を吸収する回転伝達継手を設けたことを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡。
- セルユニットの粗動機構を平歯車を介して駆動する回転伝達軸を備え、粗動機構と回転伝達軸の平歯車の各歯の全周に渡ってテーパー面を形成したことを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡。
- セルユニット頂部に、搬送ロッドの先端が挿入されるラッパ状のガイド孔が形成されたガイドを形成したことを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡。
- スキャナーの外面３箇所を平坦面として３点支持し、その中の１点は弾性体で支持するようにしたことを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡。
- スキャナー中心からずれた位置に試料蒸着用の偏心孔を形成したことを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡。
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