JP4575399B2 - 走査型プローブ顕微鏡用自動位置決め走査プローブ - Google Patents

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に取り替え使用される走査プローブに関する。ここで、本発明の走査プローブは、一端にサンプルを走査するための走査探針を有し、他端にプローブホルダに固定された支持部材に走査プローブを着脱可能に取り付けるための保持部材を有する極小カンチレバー（片持ち梁）を備える。また、対応する位置決め部が保持部材と支持部材とに配設される。これらの位置決め部は、保持部材が支持部材に取り付けられる際に、保持部材をプローブホルダに対して自動的に再現可能な方法で位置決めする。

走査型プローブ顕微鏡はよく知られている（例えば、特許文献１参照）。これらは原子レベルまでの分解能を有し、サンプルの表面を走査するために用いられる。このために、プローブホルダを用いて走査型プローブ顕微鏡の走査ヘッドに着脱可能に取り付けられる走査プローブの、ナノメートル領域の鋭さを持つ走査探針がサンプルの表面を誘導され、極小カンチレバーのたわみが検出される。走査型トンネル顕微鏡を用いた場合には、サンプル表面の走査はサンプルとの接触を伴わずに行われる。一方、原子間力顕微鏡はサンプル表面との機械的相互作用を利用する。

走査トンネル顕微鏡法では、走査プローブの走査探針がサンプルから離れたままでいることが必須である。走査プローブとサンプルの接触は、如何なる接触であっても、通常はもはや使用できない程度にまで走査プローブを破損させる。原子間力顕微鏡法では、走査中は走査プローブの走査探針がサンプル表面に接触するが、走査探針は機械的相互作用により絶えず磨耗する。そのため、どちらの方法でも走査プローブ顕微鏡の走査プローブを頻繁に交換する必要がある。一般に、走査プローブの交換の度に、カンチレバーのたわみを検出できるように、走査型プローブ顕微鏡の検出システムを極小カンチレバーの自由端における走査探針の正確な位置に再調整しなければならないため、走査プローブの交換は難しい処理である。

走査型プローブ顕微鏡の利用はまた次のような問題をもたらす。すなわち、走査プローブの交換後は、プローブの交換処理によって中断された測定を中断された正確な位置から再開できるように、走査探針をサンプルに対して位置決めしなければならない。これには、走査探針が高精度に元の走査位置から走査を再開できるように、走査プローブを走査ヘッドに取り付ける際にできる限り正確に走査プローブを位置決めすることが必要である。

従来の走査型プローブ顕微鏡の走査ヘッドは、破損した走査プローブの簡単で迅速な交換を可能にするプローブホルダを備えている。このためにプローブホルダは、プローブホルダに固定され、また走査プローブの保持部材の受容部を有する、走査プローブ用の支持部材を備える。走査プローブの位置決めを容易にするために、Ｕ字形状のガイド部材である取り付けガイドが、支持部材における走査プローブの保持部材に接する側の面にしばしば設けられている。そして、走査プローブが支持部材に取り付けられる際に、保持部材がガイド部材に完全に係合して走査プローブが走査ヘッドに対して位置決めされるまで、保持部材はこの取り付けガイドに沿って誘導される。
特開平９−５４０９８号公報

走査プローブの除去及び挿入の後において、従来知られたガイド部材では、走査プローブの交換前の走査探針の位置と全く同一の走査位置で測定を再開するには十分に正確ではなかった。したがって、走査プローブが交換された際に、走査探針の走査ヘッドに対する再現可能で正確な位置決め、また走査探針のサンプルに対する再現可能で正確な位置決めを確保することができる支持部材と走査プローブの設計が求められている。特に、極小カンチレバーの長さが異なる走査プローブを備えたものについて求められている。

本発明の目的は、走査プローブをプローブホルダに対して迅速且つ簡単に交換することができ、また、極小カンチレバーの長さにかかわらず走査プローブの走査探針が交換の過程でサンプルに対して高い再現性をもって自動的に位置合わせされるように、プローブホルダの適切な位置に固定された支持部材に連結される走査プローブの高精度の自動位置決めを可能にする、走査型プローブ顕微鏡で取り替え使用するための走査プローブを提案することにある。

本発明によれば、前述の問題は、請求項１に記載の特徴を備えた取り替え使用するための走査プローブによって解決される。また、方法クレームに記載された方法によって解決される。さらなる有利な実施形態は、種々の下位クレームに示される。

これによれば、本発明により提案される走査プローブは、走査探針と保持部材の所定の基準点との間の距離が常に一定である、異なる長さの極小カンチレバーを有する。

保持部材の所定の基準点に対して、対応する基準点が支持部材に設けられ、この対応する基準点は、走査プローブが取り付けられたときに走査プローブの基準点と対向する位置に配置される。前者の基準点と対応する基準点に対する所定の位置において、保持部材と支持部材の対応する外側面にそれぞれ位置決め部が配設される。これらの位置決め部は、走査プローブが支持部材に取り付けられた際に、自動的に再現可能な方法で走査プローブを位置決めする。ここで、好ましくは、全ての走査プローブにおける保持部材の所定の基準点から等しい距離に配置された走査探針は、極小カンチレバーの長さによらず、走査するサンプルに対して高い再現性をもって位置合わせされる。

支持部材の位置決め部と保持部材の位置決め部は、積極的に接触する。これらは互いに向かい合うか、あるいはお互いに対して捻じれている。これらの配置次第で、位置決め部の相補的な構造、特に鏡像構造を選択することができ、あるいは単一の接触面とそれに対応する接触面のみを整合する配置となるように設計してもよい。位置決め部は、例えば断面凹形状及び又は断面凸形状であり、同じ長さあるいは異なる長さである。好ましくは、凸状位置決め部の高さは凹状位置決め部の深さよりも大きく、これにより自動位置決めが容易になる。

側方位置決めの精度は、例えば、支持部材に互いに垂直に配置されたＶ字状突起部と、走査プローブの裏面に設けられた正確に合致するＶ字状溝部によって確保される。突起部の高さと溝部の深さは、支持部材に取り付けられた走査プローブが突起部のみによって支えられ、位置決め部のＶ字形状によって三つの空間的方向の全てにおいて最適な位置決めがなされるように、選択される。保持部材と支持部材の位置決め部は、鍵と鍵穴方式に基づいて接触する。保持部材が走査プローブの支持部材に配置されて機械的な接触圧を受けると、走査プローブは高い再現性をもって位置決めされる。

走査プローブの事前位置決めのための取り付けガイドが、極小カンチレバーから見て外方に向く側の支持部材の端部に沿って備えられ、このガイドは、走査プローブが支持部材に配置されると走査プローブに作用する。取り付け処理時にこのガイドは、支持部材の位置決め部と保持部材の位置決め部を、保持部材が支持部材に設置された際に互いに接触できるように位置合わせする。

好ましくは走査プローブについては、いずれの場合にも、極小カンチレバーの長さに応じて、保持部材の所定の基準点と極小カンチレバーが配設された保持部材の前端との間の距離が可変である。

これは、極小カンチレバーの長さにかかわらず、走査探針が常に保持部材の基準点から同一の距離にあり、ひいては走査探針が常に基準点と関連する保持部材の位置決め部から同一の距離にあるという効果を有する。これにより、走査探針に対する保持部材の位置決め部の位置を変えることなく極小カンチレバーの長さを変えることができる。基準点からの距離が同一であるために、走査探針は常に支持部材の基準点からも同一の距離となり、ひいてはサンプルの対応する走査位置から同一の距離となる。

本発明の他の有利な実施形態は、走査探針から、極小カンチレバーから見て外方に向く保持部材の後端までの長さが同一の走査プローブを提供する。

したがって、全ての走査プローブにおいて、保持部材の後端は基準点から同一の距離に位置し、ひいては保持部材の位置決め部から同一の距離に位置する。基準点からの距離が同一であるために、極小カンチレバーの長さにかかわらず、後端は支持部材の基準点から同一の距離にあり、ひいては支持部材の位置決め部、及び取り付けガイドからも同一の距離となる。そのため、極小カンチレバーの長さが様々であっても、後端は取り付け処理時に、極小カンチレバーの方向についての走査プローブの事前位置決めに役立つ。

本発明により提供される方法によれば、走査型プローブ顕微鏡法において取り替え使用される走査プローブの製造は、以下の工程に基づく：
異なる長さの極小カンチレバーを備えた走査プローブの精密な位置決めを行うための位置決め部を備えた通常用いられる支持部材の設計及び製造；
支持部材の位置決め部に対応する位置決め部を備えた、支持部材に向かい合う保持部材の後部の設計；
極小カンチレバーの長さが変わった際に走査探針が配置されるべき位置から一定距離での、保持部材の位置決め部の周辺部における所定の基準点の決定；
極小カンチレバーの所望の長さが得られる範囲で走査探針に面する前端と保持部材の基準点との距離が様々な、極小カンチレバーが取り付けられる保持部材の前部の設計；
端部に走査探針を備え、この走査探針が保持部材の基準点から一定の距離で配置される極小カンチレバーの設計；及び、
この分野における通常の知識を有する者に知られた通常の工業生産方法を用いた走査プローブの製造。

本発明の対象は、個々の請求項に記載されたものからだけでなく、それらの組み合わせからも成る。明細書において開示された全ての特徴、特に図面に示された実施形態は、個々にあるいはそれらの組み合わせで、それらが先行技術に対して新規である範囲で、本発明に不可欠なものとして請求される。

本発明によれば、走査プローブをプローブホルダに対して迅速且つ簡単に交換することができ、また、極小カンチレバーの長さにかかわらず走査プローブの走査探針が交換の過程でサンプルに対して高い再現性をもって自動的に位置合わせされるように、プローブホルダの適切な位置に固定された支持部材に連結される走査プローブの高精度の自動位置決めを可能にする、走査型プローブ顕微鏡で取り替え使用するための走査プローブを提供することができる。

以下、図面に示される実施形態を参照して本発明を詳細に説明する。ここで、図面及びその説明は、本発明のさらなる不可欠な特徴及び利点を示す。

走査型プローブ顕微鏡法において、走査プローブの交換の際に、異なる長さの極小カンチレバーを備えた走査プローブの高精密な自動位置決めを可能にする構造が示される。この構造は、二つの相互作用する構成要素である、走査型プローブ顕微鏡の走査ヘッドに固定される支持部材と、特別なやり方で取り付けられる走査プローブとから成る。

図１は、本発明にしたがった走査プローブ１を示し、その保持部材２はプローブホルダ（不図示）の支持部材３に取り付けられている。保持部材２の後方には極小カンチレバー４が配設される。図１ｂに示されるように、極小カンチレバー４の前端５には、極小カンチレバー４に対して垂直に走査探針６が起立している。この走査探針６はサンプル（不図示）を走査するために用いられる。支持部材３は、プローブホルダの適切な位置に固定され、走査プローブ１は保持部材２を介して支持部材３に着脱可能に取り付けられる。支持部材３及び保持部材２は基本的に四角形で、図２ａから２ｄに示されるように、位置決め部８、８’、８’’、１６、１６’、１６’’、１８としての凹部及び凸部を有する。支持部材３及び保持部材２は、これらを介して積極的な接触をもって互いに作用し合う。

図２において、図２ａは支持部材３に取り付けられていない走査プローブ１を示す。保持部材２は、支持部材３に接する接触面７に、細長い角柱形状の凹部である位置決め部８、８’、８’’を備える。位置決め部８、８’、８’’の斜面１０、１０’と、保持部材２の傾斜側面１１、１１’は、支持部材３に対する接触面として働き、保持部材２が支持部材３に取り付けられると、保持部材２の自動位置決めをもたらし、ひいては走査プローブ１全体の自動位置決めをもたらす。

極小カンチレバー４の前端５に備えられた走査探針６は、保持部材２の所定の基準点９から一定の距離１２を有する。一定の距離１２は、図３に示されるように、全ての走査プローブにおいて極小カンチレバー４の前端（５）から後端（５）までの長さ１４に無関係である。

図２ｃ、２ｄは、走査プローブ１が取り付けられていない状態の支持部材３を示す。保持部材２の接触面７に接する平面部１５から、走査プローブ１が支持部材３に取り付けられた際に、位置決め部８、８’、８’’に作用して走査プローブ１を精密に位置決めする位置決め部１６、１６’、１６’’が突出する。事前位置決めのために、取り付けガイド１８の斜面１７、１７’が保持部材２の傾斜側面１１、１１’と連結する。

保持部材２の位置決め部８、８’、８’’は、保持部材２の基準点９を中心にして配置され、支持部材３の位置決め部１６、１６’、１６’’は、支持部材３の基準点１９を中心にして配置される。これらは、それぞれの基準点９、１９に対して同じ距離、同じ配置である。走査プローブ１の取り付け状態では、基準点９及び基準点１９は互いに向き合い、そのため保持部材２の位置決め部８、８’、８’’と支持部材３の位置決め部１６、１６’、１６’’はお互いが一直線上に位置することとなる。位置決め部８、８’、８’’と位置決め部１６、１６’、１６’’は基本的に相補的な配置であり、保持部材２の位置決め部８、８’、８’’は保持部材３の位置決め部１６、１６’、１６’’と比べて異なる長さを有する。図１ｂに示されるように、これらは互いに積極的な接触をもって係合する。

図３は、本発明によって提供される三つの走査プローブ１を示す。図３ａ、３ｂ及び３ｃに実施形態として示されるように、これらの走査プローブ１は、異なる長さ１４の極小カンチレバー４を備える。ここで、極小カンチレバー４の前端５に配置された走査探針６は、各基準点９から同一の距離１２を有する。三つの実施形態全てにおいて、極小カンチレバー４の前端５と保持部材２の後端２１とで測定される走査プローブ１の全長２０は一定である。いずれの場合であっても、保持部材２の長さ２２の違いによって、極小カンチレバー４の異なる長さ１４が得られ、これは、極小カンチレバー４の後端１３に続く保持部材２の前端２３が保持部材２の基準点９に対して異なる位置になるという効果をもたらす。

ａ、ｂは持部材に取り付けられた走査プローブを示す図 ａ〜ｄは取り付けられていない状態の支持部材と走査プローブを示す図 ａ〜ｃは支持部材に取り付けられた、異なる長さの極小カンチレバーを備えた走査プローブを比較する図

符号の説明

１ 走査プローブ
２ 保持部材
３ 支持部材
４ 極小カンチレバー
６ 走査探針
７ 接触面
８、８’、８’’、１６、１６’、１６’’ 位置決め部
９、１９ 基準点
１８ 取り付けガイド

Claims (4)

1. 走査型プローブ顕微鏡に取り替え使用される走査プローブ（１）であって、
   前端（５）にサンプルを走査するための走査探針（６）を有し、後端（１３）にプローブホルダに固定された支持部材（３）に走査プローブ（１）を着脱可能に取り付けるための保持部材（２）を有する１つの極小カンチレバー（４）を備え、
   前記保持部材（２）及び支持部材（３）にはそれぞれ、保持部材（２）が支持部材（３）に取り付けられた際に、前記保持部材（２）を前記プローブホルダに対して自動的に再現可能に位置決めする、対応する位置決め部（８、８’、８’’）、（１６、１６’、１６’’）が保持部材（２）の所定の基準点（９）を中心に配設され、
   前記極小カンチレバー（４）は前端（５）から後端（１３）までの長さ（１４）を有し、異なる長さ（１４）を有する極小カンチレバー（４）との交換も可能であり、上記長さ（１４）が異なっても前記走査探針（６）と保持部材（２）の所定の基準点（９）との間の距離（１２）が一定であることを特徴とする走査プローブ。
2. 請求項１に記載の走査プローブにおいて、
   前記保持部材（２）の前記所定の基準点（９）と、前記極小カンチレバー（４）に配設された前記保持部材（２）の前端との間の距離（２４）が、前記極小カンチレバー（４）の長さ（１４）に応じて可変であることを特徴とする走査プローブ。
3. 請求項１又は２に記載の走査プローブにおいて、
   前記走査探針（６）から、前記極小カンチレバー（４）から見て外方に向く保持部材（２）の後端（２１）までの長さ（２０）が同一であることを特徴とする走査プローブ。
4. 走査型プローブ顕微鏡用の走査プローブ（１）の製造方法であって、
   前記走査プローブは、前端（５）にサンプルを走査するための走査探針（６）を有し、後端（１３）にプローブホルダの適切な位置に固定された支持部材（３）に走査プローブ（１）を着脱可能に取り付けるための保持部材（２）を有する前端（５）から後端（１３）までの長さ（１４）を有する１つの極小カンチレバー（４）を備え、前記１つの極小カンチレバー（４）は異なる長さ（１４）を有する複数の極小カンチレバー（４）から選ばれ、前記保持部材（２）及び支持部材（３）にはそれぞれ、保持部材（２）が支持部材（３）に取り付けられた際に、前記保持部材（２）を前記プローブホルダに対して自動的に再現可能に位置決めする、対応する位置決め部（８、８’、８’’）、（１６、１６’、１６’’）が配設され、前記走査探針（６）は前記プローブホルダに対して精密に位置決めされるものであり、
   工程Ａ．所定の長さ（１４）の前記極小カンチレバー（４）を備えた走査プローブ（１）の精密な位置決めを行うための前記位置決め部（１６、１６’、１６’’）を備えた通常用いられる前記支持部材（３）の設計及び製造；
   工程Ｂ．前記支持部材（３）の位置決め部（１６、１６’、１６’’）に対応する前記位置決め部（８、８’、８’’）を備えた、支持部材（３）に向かい合う前記保持部材（２）の後部の設計；
   工程Ｃ．前記極小カンチレバー（４）を交換して長さ（１４）が変わった際に前記走査探針（６）が配置されるべき位置から一定距離（１２）での、前記保持部材（２）の位置決め部（８、８’、８’’）の中心となる所定の基準点（９）の決定；
   工程Ｄ．前記極小カンチレバー（４）の所望の長さ（１４）が得られる範囲で前記走査探針（６）に面する前端（２３）と前記保持部材（２）の基準点（９）との距離（２４）が様々な、前記極小カンチレバー（４）が取り付けられる前記保持部材（２）の前部の設計；
   工程Ｅ．前記一端（５）に走査探針（６）を備え、該走査探針（６）が前記保持部材（２）の基準点（９）から一定の距離（１２）で配置される前記極小カンチレバー（４）の設計；
   工程Ｆ．この分野における通常の知識を有する者に知られた通常の工業生産方法を用いた走査プローブ（１）の製造、
   を含むことを特徴とする走査プローブの製造方法。

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