JPH03220403A - 走査型トンネル顕微鏡の探針着脱機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 真空用走査型トンネル顕微鏡に用いる探針の着脱機構に
関し、 真空チャンバ外部から探針の着脱作業を行うことで生産
性の向上を図ると共に探針部分の軽量化によって測定精
度の向上を図ることを目的とし、真空チャンバ内のほぼ
水平な固定台に装着されている走査型トンネル顕微鏡用
探針を該固定台から着脱する探針保持具とドライバとか
らなる走査型トンネル顕微鏡の探針着脱機構であって、
上記固定台上の所定位置に装着されている上記探針保持
具が、円柱状の探針固定具と該探針固定具の一端面中心
軸上所定深さの孔に挿入された探針と該探針をその直径
方向両側から押圧固定する該探針固定具の半径を越える
長さの２個の螺子とで構成され、真空チャンバの外壁を
貫通し少なくとも上記探針保持具と対応する位置では軸
方向に移動できる回転軸と一体化した上記ドライバが、
上記探針保持具側端部に、上記探針固定具の外径より大
きい径の貫通孔と、該貫通孔の直径方向に長さが上記探
針保持具の２個の螺子の探針固定具側面から突出する端
部間距離より大きく幅が該螺子の外径より僅かに大きい
平行孔と、上記回転軸側の面上で該平行孔とほぼ直交す
る方向に該平行孔と同形で線面からの深さが少なくとも
上記セ子の外径より大きい平行溝とが形成されている探
針保持具着脱板を、上記固定台と平行して備えて構成す
る。

〔産業上の利用分野〕

本発明は真空用走査型トンネル顕微鏡に係り、特に真空
チャンバ外部から探針の着脱作業を行うことで生産性の
向上を図ると共に探針部分の軽量化によって測定精度の
向上を図った真空用走査型顕微鏡の探針着脱機構に関す
る。

試料表面の極く微細な凹凸や原子配列状態或いは異原子
の混在等を観察し検知測定する装置の一つに、１　ｘＩ
Ｑ−１ｏ　〜１０−”　Ｔｏｒｒ程度の超高真空領域内
に配置した試料表面に、例えば先端径が１原子程度の大
きさに先鋭化された金属針（以下探針とする）をオング
ストロームオーダの距離まで接近させた状態で咳探針を
所要方向に振らせ、その際に生ずる該試料表面の原子と
該探針との間に流れるトンネル電流の変化を検知するこ
とで所要の情報を入手する真空用走査型トンネル顕微鏡
（以下ＳＴＭとする）がある。

かかる顕微鏡では、探針と試料との間の偶発的な衝突等
によって該探針が変形したり該探針の先端形状や特性の
劣化等が発生し易く、そのために該探針の交換作業が不
可欠となっている。

この交換作業の場合、該探針が位置するチャンバ内を一
旦大気圧に戻さなければならないことがちこの作業に工
数がかかり生産性の向上が期待できないためその解決が
望まれている。

こ従来の技術〕 第３図は従来の探針の装着状況と着脱方法を説明する図
であり、（１）はＳＴＭ主要部の構成概念図１（２）は
探針近傍を矢印Ａ方向からみた側面図。

（３）は探針の着脱方法を示す図である。

図（１）　、　（２）で、１は試料載置台２上に垂直に
固定された被検試料であり、該試料載置台２はほぼ等間
隔に配置された３個のバネ３で図示されないステイ等か
ら懸架されている基盤４に外部からの振動を吸収する防
振材５を介して装着されているヘース６の所定位置に固
定されている。

また、該ヘース６の上記被検試料ｌと対応する所定位置
には、互いに直交する３方向にピエゾセラミックの如き
圧電素子棒７ａ、７ｂ、７ｃが装着されている微動台８
が該各圧電素子棒７ａ〜７ｃで固定されており、更に該
微動台８の上記被検試料１の表面と対面する面には探針
１０を固定した側面視り形の探針保持具１１がその横方
向突出部の先端面で絶縁板９を介して接着等の手段で固
定されている。

なお該探針１０は、直径が０．５ｍｍ位のタングステン
線や白金線をほぼ直角に折り曲げ、その−辺の端部１０
ａは曲率半径が０．１μｍ位に先鋭化されていると共に
他片は径が数ｍｍ位のリング状に丸めて形成されており
、上記探針保持具１１の縦方向突出部に上述した横方向
突出部の先端面と直交する方向に設けた溝１１ａに上記
端部１０ａを含む片を該端部１０ａが被検試料１と直交
するように挿入した状態で、線溝１１ａの底部近傍の線
溝１１ａを横断する方向にねじ込まれている螺子１２で
固定されている。

特にこの場合の上記被検試料１の表面と該探針１０の先
端１０ａとの間の間隔ｄは、図示されない機構部によっ
て例えば１０人程度まで接近させられるようになってい
る。

かかる構成になる測定主要部を一点鎖線で示す真空チャ
ンバ１３内の所定位置にセツティングした後、咳チャン
バ１３内をＩ　Ｘｌ０−１０〜１０−”　Ｔｏｒｒ程度
に減圧し、探針ｌＯと被検試料Ｉとの間にＩＶ位の電圧
を印加して該探針１０の先端１０ａと被検試料ｌを１０
人程度まで接近させると、それらの対向する原子の間に
トンネル電流が流れる。

特にこの場合のトンネル電流は上記間隔ｄや被検試料１
の原子の種類等によって変動する。

そこで、互いに直交する上記圧電素子棒７ａ〜７ｃの配
置方向を例えばＸ、Ｙ、Ｚ方向とし、各圧電素子棒７ａ
〜７ｃのそれぞれに所定の電圧を印加すると各圧電素子
棒７ａ〜７ｃがそれぞれの軸方向に僅かに伸縮するため
、微動台８ひいては探針１０の先端１０ａを被検試料１
に対して例えば１μｍ程度の範囲で三次元方向に振らす
ことができる。

従って、該トンネル電流の変動を図示されない測定器で
検知することで試料表面の極く微細な凹凸や原子配列状
態或いは異原子の混在等所要の情報を得ることができる
。

この場合、探針１０とその近傍部分の重さを軽くして該
部分を確実にベース６に固定することが装置としての共
振周波数を高めることに繋がるため、正確な情報を入手
するため探針１０や探針保持具１１をできるだけ軽量化
するようにしている。

一方線探針１０の交換等で該探針１０を装置から着脱す
るには、上述した間隔ｄを図示されない機構部で拡げ、
（３）に示すように上記探針保持具１１の螺子１２をド
ライバ等で緩めて探針ｌＯをフリーの状態にした後先端
に針１３ａを持つ工具１３で該探針工０のリング状部分
を引っ掛けて該探針１０を除去した後、新規の探針１０
を逆の手順で所定位置に装着するようにしている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の探針の着脱方法では、探針移動時に該探針を真空
チャンバ内に落とす危険性があると共に新規探針の位置
決めが難しいと言う問題があり、また探針自体を工具で
引っ掛けて移動させるため探針の小型化に制約が生じ結
果的に得られる情報精変の向上が期待できないと言う問
題があった。

［課題を解決するための手段］ 上記問題点は、真空チャンバ内のほぼ水平な固定台に装
着されている走査型トンネル顕微鏡用探針を該固定台か
ら着脱する探針保持具とドライバとからなる走査型トン
ネル顕微鏡の探針着脱機構であって、上記固定台上の所
定位置に装着されている上記探針保持具が、円柱状の探
針固定具と該探針固定具の一端面中心軸上所定深さの孔
に挿入された探針と該探針をその直径方向両側から押圧
固定する該探針固定具の半径を越える長さの２個のり子
とで構成され、真空チャンバの外壁を貫通し少なくとも
上記探針保持具と対応する位置では軸方向に移動できる
回転軸と一体化した上記ドライバが、上記探針保持具側
端部に、上記探針固定具の外径より大きい径の貫通孔と
、該貫通孔の直径方向に長さが上記探針保持具の２個の
螺子の探針固定具側面から突出する端部間距離より大き
く幅が該螺子の外径より僅かに大きい平行孔と、上記回
転軸側の面上で該平行孔とほぼ直交する方向に該平行孔
と同形で線面からの深さが少なくとも上記螺子の外径よ
り大きい平行溝とが形成されている探針保持具着脱板を
、上記固定台と平行して備えている走査型トンネル顕微
鏡の探針着脱機構によって解決される。

〔作　用〕

真空シール技術の発達した今日では、軸方向に移動でき
る回転軸を外壁面を貫通させて真空チャンバに装着する
ことは容易である。

本発明では、探針と一体化した探針保持具を真空チャン
バ外部からの操作で該チャンバ内部に位置する固定台に
着脱して交換の容易化を図るように探針の着脱機構を構
成している。

この場合には探針を直接保持する必要がない。

従って、探針を含む探針保持具の小型化が実現できると
共に真空チャンバを開放することなく探針を着脱するこ
とができて、生産性がよく測定精度のよい探針の着脱機
構を得ることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の探針の着脱機構を説明する原理積成図
であり、第２図は測定主要部に装着した場合を示す構成
図である。

第１図で、第３図で説明した材料からなる太さ０．５ｍ
ｍ程度、長さ５ｍｍ位の直状の探針２０は、その端部２
０ａが第３図で説明したように先鋭化されている。

また該探針２０を他端側で保持固定する探針保持具２１
は、チタン（Ｔｉ）等からなる直径３１位の円柱状をな
す探針固定具２２と上記探針２０をその直径方向で螺止
周定するねし径が１工位の２個の螺子２３とで構成され
ている。

特にこの場合の探針固定具２２は、片側端面（図では上
面）２２ａにはほぼ中心軸に沿って深さ数ｍｍで上記探
針２０が円滑に挿入できる径の孔２２ｂが設けられ、ま
た他端面には該探針固定具２２を装置側の所定の固定台
２４に螺入するための別螺子２２ｃが形成されていると
共に、上記孔２２ｂの存在領域の側面直径方向には上記
螺子２３と螺合する雌螺子２２ｄが孔２２ｂを横断して
形成されている。

そこで、上記探針２０の先鋭化された端部２０ａの反対
側端部を該探針固定具２２の孔２２ｂに落とし込み、更
に上記雌螺子２２ｄの両端開口から少なくとも該探針固
定具２２の半径より長い長さの螺子２３をそれぞれ螺入
して各螺子２３の先端で上記探針２０を直径方向両サイ
ドから押圧すると、探針２０が固定された探針保持具２
１を構成することができる。

一方、図の２５は探針２０が固定された上記探針保持具
２１を装置側の固定台２４に対して着脱するドライバを
示しているが、該ドライバ２５は図示されない真空チャ
ンバの外壁を貫通する回転軸２６と、該回転軸２６に一
体化された円板状のフランジ２７および該フランジ２７
に２個のステイ２８を介して上記回転軸２６と同心に固
定されたステンレス等からなる厚さ数ｍｍの円板状の探
針保持具着脱板２９とで構成されている。

特にこの場合の探針保持具着脱板２９には、少なくとも
上記探針固定具２２の外径より大きい径の貫通孔２９ａ
　と、該貫通孔２９ａの直径方向に長さ！２が上記探針
保持具２１の２個の螺子２３の頭部間距離ｆ、より大き
く幅ｄ２が螺子２３の外径ｄｉ　ｆ図では１ｍｍ）より
僅かに大きくなるように形成した平行孔２９ｂと、該着
脱板２９の上記回転軸２６側の面（図では上面）２９ｃ
上で該平行孔２９ｂと直交する方向に該平行孔２９ｂと
同形で線面２９ｃからの深さｈが少なくとも上記螺子２
３の外径ｄｌ　（図では１　ｍｍ）より大きい平行溝２
％とが設けられている。

なお図の一点鎖線で示す１３は、第３図同様の真空チャ
ンバを表わしている。

ここで、装置側の固定台２４に螺止固定されている探針
保持具２１の上側対応位置に在る該ドライバ２５を、該
ドライバ２５の平行孔２９ｂと探針保持具２１０２個の
螺子２３の配置方向とを合致させた状態で該ドライバ２
５を探針保持具２工の２個の螺子２３が該トライバ２５
の平行孔２９ｂを通過するまで降下させた後、該ドライ
バ２５を左右いずれかの方向に９０度回転しそのまま上
昇させると、探針固定具２２の側面から突出する上記螺
子２３０頭部を平行溝２９ｄに嵌め込むことができる。

そこで、該ドライバ２５を逆螺子方向に軸回転させると
探針保持具２１を装置側の固定台２４から外すことがで
きる。

その後図示されない制御機構部で該ドライバ２５を他の
所定位置に移動させることで探針保持具２１を上記固定
台２４から除去することができると共に、上述した動作
を逆に動かすことで新規の探針保持具２１を上記固定台
２４に装着することができて探針保持具２１ひいては探
針２０の交換を容易に実現することができる。

かかる構成になる探針の着脱機構をＳＴＭに装着した場
合を断面で示した第２図で、第１図で説明した探針保持
具２１の上部で該保持具２１と対応する位置には第１図
で説明したドライバ２５が回転軸２６の部分で軸回転と
上下動可能なように配設されている。

また該探針保持具２１が螺止固定される装置側の固定台
３１の下部には、所定の電圧を印加することて咳探針保
持具２１すなわち探針２０を水平のＸ、Ｙ。

垂直のＺ方向に振らせることができる円筒形ピエゾ・ス
キャナ３２が絶縁板３３を介して装着されており、更に
該ピエゾ・スキャナ３２の下部には所定の電圧て該探針
２０と被検試料１の距離をＩｎ＋ｍ〜ｌｎｍの範囲で調
整するための積層形ピエゾ・インチワーム３４が装着さ
れており、該積層形ピエゾ・インチワーム３４の部分で
箱形の筺体３５に保持されている。

なお該１体３５はその周囲所定位置にほぼ等間隔に配置
固定されている３個（図では２個のみ示している）のス
テイ３８にそれぞれ繋がれたハネ３７によって外部から
の振動が吸収されるようになっている。

一方、該筐体３５の上部開口近傍の一方の対面する壁面
（図では左右方向壁面）には該両面で対応するアリ溝３
５ａが形成されており、該アリ溝３５ａと嵌合するアリ
３６ａを両辺に備えた被検試料載置板３６が該アリ溝３
５ａと嵌合して紙面の厚さ方向に移動できるように構成
されているが、特に該被検試料載置板３６の筐体３５に
対する図面上下方向の装着位置は、該被検試料載置板３
６に所定の被検試料ｌを載置したときに探針２０の端部
２０ａと該被検試料１の該端部２０ａと対面する面との
間の間隔が第３図で説明した間隔ｄが確保できるように
なっている。

従って、該被検試料載置板３６が探針保持具２１上の所
定位置に在るときは該探針保持具２１の探針２０が被検
試料１の所定領域と対面しているが、該被検試料載置板
３６が紙面厚さ方向に移動した時点では該探針保持具２
１は上述したドライバ２５と対面することになる。

そこで、該被検試料載置板３６ひいては被検試料１が探
針保持具２１上の所定位置に在る状態で、上述した円筒
形ピエゾ・スキャナ３２や積層形ピエゾ・インチワーム
３４に所定の電圧を印加して探針２０を第３図同様に被
検試料１に対してｘ、ｙ、ｚの三次元方向に振らせるこ
とで、第３図で説明したように試料表面の凹凸や原子配
列状態、異原子の混在等の所要情報を得ることができる
。

また探針２０を交換する場合には、上記被検試料載置板
３６を紙面厚さ方向に移動させて探針保持具２１とドラ
・イハ２５とを対面させた後、第１図で説明した手順で
該探針保持具２１を交換することができる。

かかる構成になる探針の着脱機構の場合には、探針を交
換するのに真空チャンバを開放する必要がなくなるため
交換工、数が大幅に短縮できると共に、従来の場合より
も小さい探針を確実に保持固定できるためＳＴＭとして
の性能を同上させることができる。

〔発明の効果〕

上述の如く本発明により、真空チャンバ外部から探針の
着脱作業を行うことで生産性の向上が図れると共に探針
部分の軽量化によって測定精度の向上が実現できる走査
型インネル顕微鏡の探針着脱機構を提供することができ
る。

なお本発明の説明では探針保持具を固定台に対してａ螺
子の螺入で装着する場合について行っているが、螺子に
代えて永久磁石等で装着しても同等の効果を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の探針の着脱機構を説明する原理構成図
、 第２図は測定主要部に装着した場合を示す構成図、 第３図は従来の探針の装着状況と着脱方法を説明する図
、 である。図において、 １は被検試料、 ２０は探針、　　　　　　２０ａは端部、２１は探針保
持具、　　　２２は探針固定具、２２ａ、２９ｃは上面
、　　　２２ｂは孔、２２ｃは雄螺子、　　　　２２ｄ
は雌螺子、２３は螺子、　　　　　　　２４は固定台、
２５はドライバ、　　　　　２６は回転軸、２７はフラ
ンジ、　　　　２８はステイ、２９は探針保持具着脱板
、２９ａは貫通孔、２９ｂは平行孔、　　　　２９ｄは
平行溝、３１は固定台、　３２は円筒型ピエゾ・スキャ
ナ、３３は絶縁十反、 ３４は積層型ピエゾ・インチワーム、 ３５は筐体、　　　　　　　３５ａはアリ溝、３６は被
検試料数置板、　３６ａはアリ、３７はハネ、 をそれぞれ表わす。 」す定王号部に決着しｒ二弓臼Ｆ示Ｔ損、へ同第　２ 図 本発明の探針め層膜機構と説用する涼哩溝１代同第　１
　　図 従来の探針の装着状況ヒ看脱方彦を言地明する同第　３
　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 真空チャンバ内のほぼ水平な固定台（２４）に装着され
   ている走査型トンネル顕微鏡用探針を該固定台（２４）
   から着脱する探針保持具（２１）とドライバ（２５）と
   からなる走査型トンネル顕微鏡の探針着脱機構であって
   、 上記固定台（２４）上の所定位置に装着されている上記
   探針保持具（２１）が、円柱状の探針固定具（２２）と
   該探針固定具（２２）の一端面中心軸上所定深さの孔（
   ２２ｂ）に挿入された探針（２０）と該探針（２０）を
   その直径方向両側から押圧固定する該探針固定具（２２
   ）の半径を越える長さの２個の螺子（２３）とで構成さ
   れ、 真空チャンバの外壁を貫通し少なくとも上記探針保持具
   （２１）と対応する位置では軸方向に移動できる回転軸
   （２６）と一体化した上記ドライバ（２５）が、上記探
   針保持具（２０）側端部に、上記探針固定具（２２）の
   外径より大きい径の貫通孔（２９ａ）と、該貫通孔（２
   ９ａ）の直径方向に長さが上記探針保持具（２１）の２
   個の螺子（２３）の探針固定具（２２）側面から突出す
   る端部間距離より大きく幅が該螺子（２３）の外径より
   僅かに大きい平行孔（２９ｂ）と、上記回転軸（２６）
   側の面上で該平行孔（２９ｂ）とほぼ直交する方向に該
   平行孔（２９ｂ）と同形で該面からの深さが少なくとも
   上記螺子（２３）の外径より大きい平行溝（２９ｄ）と
   が形成されている探針保持具着脱板（２９）を、上記固
   定台（２４）と平行して備えていることを特徴とした走
   査型トンネル顕微鏡の探針着脱機構。