JP4102118B2 - 走査型プローブ顕微鏡及び調整治具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡及び調整治具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）など、簡単な構成で原子サイズレベルの高い縦横方向分解能を有する走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が提案されている。ＳＰＭの一つに、先端に探針を設けたカンチレバーを用いるタイプがある。カンチレバーの先端に支持された探針を試料に近づけると、探針先端と試料表面の両原子間に相互作用が働き、その強さに応じてカンチレバーの先端が上下方向（Ｚ方向）に変位する。試料表面の所望の領域の範囲内で探針を表面方向（ＸＹ方向）に走査すれば、その領域の各点における相互作用がカンチレバーの変位として確認される。例えば、相互作用を原子間力とした場合、その強さは探針先端と試料表面の間隔に依存するため、走査領域の各点での高さ情報（Ｚ位置）が得られる。この高さ情報を試料表面上での位置情報（ＸＹ位置）に同期させて処理すれば、試料表面の三次元的な画像が得られる。
【０００３】
カンチレバータイプのＳＰＭでは、カンチレバーの先端の変位を検出するセンサが必要である。このようなセンサには一般に光学的な手法によるものが用いられ、光学系の各素子とカンチレバー先端との間で光学調整を行う必要がある。このため、ＳＰＭには、光学系に対するカンチレバーの位置を調整する位置調整機構が必ず設けられている。通常、このような位置調整機構はカンチレバーを移動可能に保持するよう構成されている。このようなＳＰＭでは、カンチレバーを付け換える度に光学調整を行う必要があり、交換に伴う時間的損失が多い。
【０００４】
そこで、特開平９−１５２５０に、予め、レバーホルダにカンチレバーを位置決めして保持し、カンチレバーホルダをホルダ保持手段に装着するＳＰＭが開示されている。このＳＰＭでは、装着後のカンチレバーの光学調整を不要にして交換に伴うＳＰＭの非可動時間の削減を実現している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＳＰＭでは、カンチレバーの位置決めを行うために、カンチレバーをアーム機構で掴み、レバーホルダに対してカンチレバー自体を相対的に移動する調整治具を用いていた。しかしながら、カンチレバーは極めて小さく、また、その形状も多種であるため、様々なアーム機構が必要になるばかりでなく、作業も困難であった。
【０００６】
本発明は、より簡単にかつ短時間に位置決め作業を行うことができる走査型プローブ顕微鏡及び調整治具を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる走査型プローブ顕微鏡は、
カンチレバーと、
このカンチレバーを保持するホルダスライダと、ホルダベースと、ホルダスライダがホルダベースに対して移動可能なようにホルダスライダを支持する支持手段とを有しているレバーホルダと、
基部と、
この基部に設けられていて、前記レバーホルダのホルダベースを着脱可能に保持し、ホルダベースを保持した状態でホルダベースを基部に対して位置決めするレバーホルダ保持部と、
を備えており、
前記ホルダベースが前記基部に位置決めされた状態で前記ホルダスライダに保持された前記カンチレバーが規準位置に位置するよう、レバーホルダ保持部にホルダベースが保持されていない状態でホルダスライダがホルダベースに対して移動される。
【０００８】
本発明の請求項２に係わる走査型プローブ顕微鏡では、前記レバーホルダの支持手段は、前記ホルダベースの表面に設けられているガイド部と、このガイド部に前記ホルダスライダを押し付けるクランプ機構とを有しており、ホルダスライダはガイド部に押し付けられた状態でガイド部に沿って移動する。
【０００９】
本発明の請求項３に係わる走査型プローブ顕微鏡では、前記レバーホルダの支持手段は、前記ホルダベースの表面に設けられているガイド部と、磁力によりこのガイド部に前記ホルダスライダを押し付ける磁力押付け手段とを有しており、ホルダスライダはガイド部に押し付けられた状態でガイド部に沿って移動する。
【００１０】
本発明の請求項４に係わる調整治具は、前記走査型プローブ顕微鏡に設けられた前記レバーホルダの前記ホルダスライダを前記ホルダベースに対して移動させ、調整治具は、
本体と、
この本体に設けられていて、前記レバーホルダのホルダベースを着脱可能に保持し、ホルダベースを保持した状態でホルダベースを本体に対して位置決めするレバーホルダ調整保持部と、
前記ホルダベースが本体に対して位置決めされた状態で、前記ホルダスライダをホルダベースに対して移動するホルダスライダ駆動手段と、
前記ホルダベースが本体に対して位置決めされた状態で、前記ホルダスライダに保持された前記カンチレバーの拡大光学像を取得する拡大光学系と、
この拡大光学像に、前記カンチレバーの照準位置を指示する照準マーカーを重畳する照準手段と、
を備えており、
前記照準位置は、
前記レバーホルダ調整保持部に前記ホルダベースを保持させてホルダベースを前記本体に対して位置決めし、
ホルダスライダ駆動手段を用いてホルダスライダをホルダベースに対して移動させてホルダスライダに保持されたカンチレバーを照準位置に位置させ、
前記レバーホルダ保持部に前記ホルダベースを保持させてホルダベースを前記基部に対して位置決めすると、
カンチレバーが前記規準位置に位置するよう設定されている。
【００１１】
ホルダベースを前記本体に対して位置決めした状態で、拡大光学系を用いてカンチレバーを観察しながら、ホルダスライダ駆動手段を用いてホルダスライダをホルダベースに対して移動させることで、照準マーカーにより指示された照準位置にカンチレバーを位置させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１〜図７を参照して、本発明の実施の形態に係わる走査型プローブ顕微鏡及びを説明する。先ず、図１〜図３を参照して本発明の第１の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡を説明する。図１は走査型プローブ顕微鏡の側面図である。図中のＺ軸の正の方向は上に向いている。本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡はレバー走査型の走査型プローブ顕微鏡である。探針２３を先端に有するカンチレバー２０が、レバーホルダ３０に保持されている。レバーホルダ３０はセンサヘッド１２に設けられたレバーホルダ保持部１７に取り付けられている。センサヘッド１２は基部として用いられている。センサヘッド１２は、センサヘッド１２を走査するスキャナ１１を介して本体１０に取り付けられている。図１では、センサヘッド１２とレバーホルダ３０の断面が示されている。センサヘッド１２には、光源１３、ミラー１４、受光素子１６が内蔵されている。これらは探針２３の変位を検出する光テコセンサを構成している。
【００１３】
図２はカンチレバー２０の先端の平面図である。レバー支持部２１にはレバー２２が支持されている。レバー２２の先端に探針２３が設けられている。レバー２２の所定の部分１５には、光源１３から出射し、ミラー１４で偏向された光が照射される。レバーホルダ３０はレバーホルダ保持部１７に着脱可能に取り付けられる。レバーホルダ保持部１７は取り付けがなされたときの位置再現性が極めて高くなるように、高精度に加工されている。
【００１４】
図３はレバーホルダ３０の平面図である。カンチレバー２０はクランプ機構３４によりホルダスライダ３３に着脱可能に保持されている。クランプ機構３４は一端がピンでホルダスライダ３３に固定された板バネにより形成されている。ホルダスライダ３３は、ホルダスライダ３３がホルダベース３１に対して移動可能なように、支持手段により支持されている。
【００１５】
支持手段は、ホルダベース３１の表面に設けられているガイド部３１ａと、ガイド部３１ａにホルダスライダ３３を押し付けるクランプ機構３２とにより構成されている。ホルダベース３１の一面は平滑にされている。この平滑な表面がガイド部３１ａとして用いられている。ホルダスライダ３３はガイド部３１ａに押し付けられた状態でガイド部３１ａに沿って移動する。クランプ機構３２は一端がピンでホルダベース３１に固定された板バネにより形成されている。レバーホルダ３０はホルダスライダ３３、ホルダベース３１及び支持手段により構成されている。カンチレバー２０を交換する場合は、ホルダスライダ３３に対してクランプ機構３４の板バネを持ち上げて、カンチレバー２０を外し、別のカンチレバー２０をクランプ機構３４で挟む。
【００１６】
ホルダベース３１は蟻組みを用いてレバーホルダ保持部１７に着脱可能に保持される。レバーホルダ保持部１７は蟻溝を有している。ホルダベース３１の両側にはレバーホルダ保持部１７の蟻溝に嵌合する突出部３１ｂが形成されている。レバーホルダ保持部１７はホルダベース３１を保持した状態でレバーホルダ３０をセンサヘッド１２に対して位置決めする。即ち、蟻溝に突出部３１ｂが嵌合すると、センサヘッド１２に対するホルダベース３１の位置が決まる。蟻溝と突出部３１ｂとは、着脱の位置再現性が比較的高い数μｍ以下になるよう高精度に加工されている。
【００１７】
ホルダベース３１がセンサヘッド１２に位置決めされた状態でホルダスライダ３３に保持されたカンチレバー２０が規準位置に位置するよう、レバーホルダ保持部１７にホルダベース３１が保持されていない状態でホルダスライダ３３がホルダベース３１に対して移動される。規準位置は、カンチレバー２０が規準位置に位置するときに、センサヘッド１２に設けられた光テコセンサの光がカンチレバー２０のレバー２２の所定の部分１５（図２参照）に照射される位置である。上述したように、ホルダベース３１をレバーホルダ保持部１７に対して着脱する際に着脱の位置再現性が比較的高い。従って、上述のようにホルダスライダ３３がホルダベース３１に対して移動された後にホルダベース３１をレバーホルダ保持部１７に保持させると、カンチレバー２０は極めて精度良く規準位置に位置する。即ち、カンチレバー２０交換時の探針２３の位置再現性が高い。
【００１８】
次に、図４〜図６を参照して実施の形態の調整治具を説明する。図４は調整治具４０の側面図である。本体４１には光学顕微鏡４２、ＸＹＺステージ４３、レバーホルダ調整保持部５０が搭載されている。レバーホルダ調整保持部５０は、ホルダベース３１を着脱可能に保持し、ホルダベース３１を保持した状態でホルダベース３１を本体４１に対して位置決めする。ＸＹＺステージ４３にはホルダスライダ３３の周縁を支持することができるアーム４４が固定されている。ＸＹＺステージ４３とアーム４４は、ホルダベース３１が本体４１に対して位置決めされた状態で、ホルダスライダ３３をホルダベース３１に対して移動するホルダスライダ駆動手段として用いられている。光学顕微鏡４２は、ホルダベース３１が本体４１に対して位置決めされた状態で、ホルダスライダ３３に保持されたカンチレバー２０の拡大光学像を取得する。光学顕微鏡４２は拡大光学系として用いられている。
【００１９】
図５はレバーホルダ調整保持部５０に取り付けられたレバーホルダ３０の斜視図である。レバーホルダ調整保持部５０には、レバーホルダ保持部１７の蟻溝と同じ蟻溝５１が形成されている。ホルダベース３１の両側に形成された突出部３１ｂにはＶ字形の切欠き３５が形成されている。蟻溝５１にはクリック機構が設けられている。クリック機構はバネ５２により付勢された球５３により構成されている。突出部３１ｂを蟻溝５１に嵌合させると、球５３がＶ字形の切欠き３５に押し当てられる。これにより、ホルダベース３１は蟻溝５１の内壁に押し当てられるので、ホルダベース３１は本体４１に対して高精度に位置決めされる。このため、ホルダベース３１をレバーホルダ調整保持部５０に対して着脱する際に着脱の位置再現性は高い。
【００２０】
カンチレバー２０の交換手順について説明する。先ず、走査型プローブ顕微鏡から、カンチレバー２０が取り付けられたレバーホルダ３０を取り外す。次に、レバーホルダ調整保持部５０にホルダベース３１を保持させてホルダベース３１を本体４１に対して位置決めする。次に、レバーホルダ３０からカンチレバー２０を取り外し、別のカンチレバー２０を取り付ける。カンチレバー２０はクランプ機構３４の板バネとホルダベースとの間に挟まれているだけなので、カンチレバー２０は位置決めされていない。
【００２１】
図６は光学顕微鏡４２を用いてカンチレバー２０を観察した様子を示す図である。光学顕微鏡４２には、光学顕微鏡４２により取得されたカンチレバー２０の拡大光学像に、カンチレバー２０の照準位置を指示する照準マーカーを重畳する照準手段が内蔵されている。カンチレバー２０を交換後に光学顕微鏡４２を用いてカンチレバー２０を観察すると、照準マーカー、即ちクロスライン４２ａが同時に観察できる。クロスライン４２ａは、カンチレバー２０が取り付けられたレバーホルダ３０を走査型プローブ顕微鏡に取り付けた状態で、光テコセンサの光がカンチレバー２０のレバー２２の所定の部分１５（図２参照）に照射されるよう、カンチレバー２０の探針２３を位置合わせするための指標である。クロスライン４２ａにより指示された照準位置は、光テコセンサの光がレバー２２の部分１５に照射されるときにカンチレバー２０が位置する位置である。
【００２２】
別のカンチレバー２０を取り付けた後、ホルダスライダ駆動手段を用いてホルダスライダ３３をホルダベース３１に対して移動させてホルダスライダ３３に保持されたカンチレバー２０を照準位置に位置させる。このとき、光学顕微鏡４２を用いて探針２３の位置を観察しながら、クロスライン４２ａに探針２３を合わせる。カンチレバー２０を照準位置に位置させるには、ＸＹＺステージ４３を用いてアーム４４をＺ方向（上下方向）に移動させることにより、アーム４４にホルダスライダ３３の周縁を支持させた後、ＸＹＺステージ４３を用いてホルダスライダ３３をＸＹ方向（水平方向）に移動させる。ＸＹ方向に移動させるとき、ホルダスライダ３３はホルダベース３１のガイド部３１ａ（図３及び図５参照）に押し付けられた状態でガイド部３１ａに沿って移動する。カンチレバー２０が照準位置に位置したら、ＸＹＺステージ４３を用いてＺ方向にアーム４４を移動させてアーム４４をホルダスライダ３３から離す。
【００２３】
この後、レバーホルダ３０を調整治具から取り外し、走査型プローブ顕微鏡のレバーホルダ保持部１７にレバーホルダ３０のホルダベース３１を保持させてホルダベース３１をセンサヘッド１２に対して位置決めすると、カンチレバー２０が上述した規準位置に位置する。走査型プローブ顕微鏡のレバーホルダ保持部１７の蟻溝の構造と、調整治具４０のレバーホルダ調整保持部５０の蟻溝５１の構造とは同じであり、レバーホルダ３０はレバーホルダ保持部１７及びレバーホルダ調整保持部５０のどちらにも位置再現性良く着脱可能に取り付けられる。
【００２４】
本実施の形態では平滑な表面がガイド部３１ａとして用いられているが、ホルダベース３１の表面に形成された１方向又は２方向に延びるガイド溝がガイド部３１ａとして用いられても良い。この場合、ガイド溝の延びる方向がホルダスライダ３３の移動方向を規定する。
【００２５】
また、本実施の形態ではアーム４４はホルダスライダ３３の周縁を支持するよう構成されているが、弾性部材でホルダスライダを抑える機構として、Ｚ方向に押圧することで平行移動することも可能であることはいうまでもない。
【００２６】
本実施の形態の調整治具を用いれば、カンチレバー２０を保持したホルダスライダ３３をホルダベース３１に対して移動させることで、カンチレバー２０の形状に左右されることなくカンチレバー２０を規準位置に位置させることができる。従って、カンチレバー２０の交換を短時間で行うことができる。
【００２７】
次に、図７を参照して本発明の第２の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡を説明する。本実施の形態の構成は、基本的に第１の実施の形態の構成と同じである。本実施の形態において、第１の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡の図１〜図３を参照して説明した構成部材と実質的に同一の構成部材は、第１の実施の形態の対応する構成部材を指示していた参照符号と同じ参照符号を付して詳細な説明を省略する。本実施の形態の構成が第１の実施の形態の構成と異なる点は、ホルダスライダ３３をホルダベース３１に対して移動可能なように支持する支持手段の構成である。図７は走査型プローブ顕微鏡のレバーホルダ３０の断面図である。本実施の形態の支持手段は板バネの代わりに磁力によりホルダベース３１のガイド部３１ａにホルダスライダ３３を押し付ける磁力押付け手段を有している。磁力押付け手段はホルダベース３１に内蔵された磁性体３６により構成されている。調整治具によりホルダベース３１に対してホルダスライダ３３が移動される際に、第１の実施の形態と同様にホルダスライダ３３はガイド部３１ａに押し付けられた状態でガイド部３１ａに沿って移動する。調整治具によりホルダベース３１に対してホルダスライダ３３が移動される際に、ホルダベース３１はよりスムーズに移動される。
【００２８】
尚、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることは勿論である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、調整治具を用いてホルダベースに対してホルダスライダを移動させた後にレバーホルダを走査型プローブ顕微鏡のレバーホルダ保持部に装着するだけでカンチレバーは精度良く照準位置に位置する。従って、カンチレバーの交換時の光学調整が不要になり、時間的損失がなくなる。これにより、走査型プローブ顕微鏡の非可動時間が減少する。また、調整治具を利用してカンチレバーを保持したホルダスライダをホルダベースに対して移動させることで、カンチレバーの形状に左右されることなくカンチレバーを規準位置に位置させることができる。従って、カンチレバーの交換を短時間で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における走査型プローブ顕微鏡の側面図。
【図２】カンチレバーの先端の平面図。
【図３】レバーホルダの平面図。
【図４】本発明の実施の形態における調整治具の側面図。
【図５】図４の調整治具のレバーホルダ調整保持部に取り付けられたレバーホルダの斜視図。
【図６】図４の調整治具の光学顕微鏡を用いてカンチレバーを観察した様子を示す図。
【図７】本発明の第２の実施の形態における走査型プローブ顕微鏡のレバーホルダの断面図。
【符号の説明】
１２ センサヘッド（基部）
１７ レバーホルダ保持部
２０ カンチレバー
２３ 探針
３０ レバーホルダ
３１ ホルダベース
３１ａ ガイド部（支持手段）
３２ クランプ機構（支持手段）
３３ ホルダスライダ
３４ クランプ機構
３６ 磁性体（磁力押付け手段）
４０ 調整治具
４１ 本体
４２ 光学顕微鏡（拡大光学系）
４２ａ クロスライン（照準マーカー）
４３ ＸＹＺステージ（ホルダスライダ駆動手段）
４４ アーム（ホルダスライダ駆動手段）
５０ レバーホルダ調整保持部

Claims (4)

1. カンチレバーと、
   このカンチレバーを保持するホルダスライダと、ホルダベースと、ホルダスライダがホルダベースに対して移動可能なようにホルダスライダを支持する支持手段とを有しているレバーホルダと、
   基部と、
   この基部に設けられていて、前記レバーホルダのホルダベースを着脱可能に保持し、ホルダベースを保持した状態でホルダベースを基部に対して位置決めするレバーホルダ保持部と、
   を備えており、
   前記ホルダベースが前記基部に位置決めされた状態で前記ホルダスライダに保持された前記カンチレバーが規準位置に位置するよう、レバーホルダ保持部にホルダベースが保持されていない状態でホルダスライダがホルダベースに対して移動されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記レバーホルダの支持手段は、前記ホルダベースの表面に設けられているガイド部と、このガイド部に前記ホルダスライダを押し付けるクランプ機構とを有しており、ホルダスライダはガイド部に押し付けられた状態でガイド部に沿って移動す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. 前記レバーホルダの支持手段は、前記ホルダベースの表面に設けられているガイド部と、磁力によりこのガイド部に前記ホルダスライダを押し付ける磁力押付け手段とを有しており、ホルダスライダはガイド部に押し付けられた状態でガイド部に沿って移動す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。
4. 請求項１乃至３いずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡に設けられた前記レバーホルダの前記ホルダスライダを前記ホルダベースに対して移動させる調整治具であって、
   本体と、
   この本体に設けられていて、前記レバーホルダのホルダベースを着脱可能に保持し、ホルダベースを保持した状態でホルダベースを本体に対して位置決めするレバーホルダ調整保持部と、
   前記ホルダベースが本体に対して位置決めされた状態で、前記ホルダスライダをホルダベースに対して移動するホルダスライダ駆動手段と、
   前記ホルダベースが本体に対して位置決めされた状態で、前記ホルダスライダに保持された前記カンチレバーの拡大光学像を取得する拡大光学系と、
   この拡大光学像に、前記カンチレバーの照準位置を指示する照準マーカーを重畳する照準手段と、
   を備えており、
   前記照準位置は、
   前記レバーホルダ調整保持部に前記ホルダベースを保持させてホルダベースを前記本体に対して位置決めし、
   ホルダスライダ駆動手段を用いてホルダスライダをホルダベースに対して移動させてホルダスライダに保持されたカンチレバーを照準位置に位置させ、
   前記レバーホルダ保持部に前記ホルダベースを保持させてホルダベースを前記基部に対して位置決めすると、
   カンチレバーが前記規準位置に位置するよう設定されていることを特徴とする調整治具。

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