JPH05172507A - 走査型トンネル顕微鏡における探針交換機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 トンネルユニットの大型化を招くことなく、
旧探針の回収と新端子の取り付けとを一つの治具で行え
る、簡単な構成の探針交換機構を提供する。 【構成】 トンネルユニットは、Ｘ軸方向に粗動する尺
取り虫型移動機構３０Ｘと、Ｚ軸方向に粗動する尺取り
虫型移動機構３０Ｚとを有している。移動機構３０Ｘ上
には、試料ホルダー収納治具４１が設けられており、試
料ホルダー収納治具４１は、探針運搬装置４３を収納し
ている。探針運搬装置４３はＸ軸方向に着脱可能に探針
ホルダー４６を保持するフォ−クを有している。又、移
動機構３０Ｚ上に設けられたスキャナ４７には、探針ホ
ルダー４９をＺ軸方向に着脱可能に保持する保持手段が
設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、真空中あるいは反応ガ
ス中等の環境雰囲気から隔離された条件下で動作する走
査型トンネル顕微鏡（以下、ＳＴＭという）に係り、特
に動作条件を乱すことなく遠隔走査によって探針を交換
するための探針交換機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＳＴＭは、導電性または半導電性の試料
表面に鋭い金属針を１ナノメートル程度の距離に近接さ
せ、探針と試料との間に流れるトンネル電流が両者間の
距離に対して指数関数的に変化することを利用して試料
表面の凹凸等を原子的分解能で測定する超高分解能の顕
微鏡である。

【０００３】図６を参照して、ＳＴＭの動作を説明す
る。探針１１は、ナノメートルまたはそれ以上の細かさ
で微動する圧電素子（微動機構）によって構成されるチ
ューブ型スキャナ１２の先端に取付けられている。スキ
ャナ１２は、マイクロメートル程度の細かさで移動する
粗動機構１３によって、試料ホルダー１４に固定された
試料１５の表面に近接することができる。探針１１は、
試料１５との間にトンネル電流が流れる距離まで、粗動
機構１３によって近付けられる。探針１１と試料１５と
の間で発生したトンネル電流は、プリアンプ１６により
電圧に変換され、増幅された上でサーボ回路１７を通じ
てスキャナ１２の一部分を構成するＺ軸方向（探針が試
料表面に近接する方向）の微動素子にフィードバックさ
れる。スキャナ１２を試料表面に添ったＸＹ平面内で走
査したときにトンネル電流が一定になるようにサーボ回
路１７を通じてフィードバックをかけると、そのフィー
ドバック電圧は試料表面の原子的スケールでの凹凸等に
対応する。したがって、画像表示部１８にその電圧を三
次元表示すれば試料表面のＳＴＭ像が得られる。

【０００４】このようなＳＴＭのうち、探針１１、微動
機構を含むスキャナ１２、粗動機構１３、および試料ホ
ルダー１５などの機械的部分をトンネルユニットと呼
び、プリアンプ１６、サーボ回路１７、および画像表示
部１８等の電気的な部分を制御系と呼ぶ。

【０００５】ＳＴＭは、試料表面を原子的分解能で観察
できる顕微鏡であり、環境雰囲気においてもグラファイ
ト等の特殊な物質では表面の原子像が観察できるが、ほ
とんどの物質では表面が酸化等により変質してしまい、
原子的スケールでの観察ができない。そこでトンネルユ
ニット全体を真空チャンバーと呼ばれる容器の中に格納
し、チャンバー内部を環境雰囲気から隔離された超高真
空の状態に保持し、試料表面および探針先端を清浄に保
ってＳＴＭ測定する方法が一般に用いられている。ま
た、試料表面と試料を取り巻く反応ガスとの様子を観察
する場合もこの方法が用いられている。

【０００６】ところで、探針１１は、ＳＴＭにとって試
料表面の状態を検知するためのセンサーの役割を果たす
不可欠の構成要素であり、願わくば探針の先端形状は常
に一定のままであって欲しい。ところが実際には、ＳＴ
Ｍ測定中に試料表面に存在する大きな段差の部分に探針
先端がぶつかったり、試料表面上の汚染物質や絶縁物質
の中に探針がもぐりこんだり、あるいは測定系に侵入す
る大きな電気的雑音やトンネルユニットに伝わる大きな
機械的振動によって探針が試料に衝突したりして、探針
が破壊されることがしばしば生じる。このような場合、
破壊された探針は望ましい形状を持つ新しい探針と交換
される必要があり、トンネルユニットを取り巻く超高真
空状態を乱すことなく探針を交換する機構が必要とな
る。

【０００７】探針の交換のために一般には、トンネルユ
ニットを格納している真空チャンバーの隣にゲートバル
ブで仕切られたロードロックチャンバーと呼ばれる真空
チャンバーをもう一つ取り付け、まずロードロックチャ
ンバー内に探針を設置し、このチャンバーを真空状態に
した後、ゲートバルブをあけてトランスファーロッドあ
るいはウォブル・スティック（Wobble stick）等の移動
機構に探針をのせて運ぶ方法が用いられている。この移
動機構はすべて真空チャンバーの外部から、人間自身の
手と目の操作によって機械的に動かされる機構である。
さらに、従来のすべての技術では、上記の移動機構によ
って探針を運ぶだけでなく、微動型スキャナ１２先端に
取り付けられた使用済みの探針を回収したり、逆にスキ
ャナ１２先端に新しい探針を取り付けたりする操作もこ
の移動機構によって行なわれてきた。

【０００８】図７は従来技術の一例（ジャーナル・オブ
・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジーＢ第
９巻第２号６２３頁（１９９１年）に記載の横山他によ
る論文）における探針交換方法を示す。図７（ａ）は使
用済みの探針を回収する場合を示し、図７（ｂ）は新し
い探針を取り付ける場合を示す。

【０００９】破壊した探針（旧探針）を回収するには、
機械的な移動機構の先端に固定されたティップ・リムー
バー（tip remover ）２０を探針の上方から下降させ、
微動素子の上に設置されたテイップ・マウント（tip mo
unt ）２１に格納された旧探針２２が搭載された探針ホ
ルダー２３を引き抜く。新探針を取り付けるには、移動
機構の先端に固定されたテイップ・インサータ（tip in
serter）２４に新探針２５が搭載された探針ホルダー２
６を設置した状態で上方から下降させ、テイップ・マウ
ント２１の中に押し込む。探針ホルダー２３および２６
を各場所に保持するには複雑な形状を有する板バネ２
７、２８、２９の弾性的変形による弾性力を利用してい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このような従来技術の
抱える問題点として、つぎのものがある。

【００１１】真空チャンバーの外部から人間によって操
作される機械的移動機構の位置決めの精度は、２〜３ミ
リメートル程度と粗いため、確実な探針の交換を行なう
には、微動素子に設置された探針を収納する場所はそれ
以上の空間的余裕を持たせる必要がある。そうすると、
トンネルユニットの寸法がそれに応じて大きくなり、ユ
ニットの機械的共振周波数が低下するためＳＴＭの分解
能が悪くなる。

【００１２】一回の新・旧探針の交換には、旧探針の回
収と新探針の取付けという二回の機械的操作が必要であ
るため、操作に手間がかかるだけでなく、探針の着脱の
失敗や移送中の探針の落下という危険性も高くなる。

【００１３】探針の交換にはテイップ・リムーバーとテ
イップ・インサーターという二種類の異なる治具が必要
であり、また探針受けの固定のために種々の形状の異な
る複雑な板バネが必要である等、交換機構が精巧・複雑
になる。そうすると真空中での繰り返しの操作の過程で
機構がうまく機能しなくなる危険性が高くなる。

【００１４】本発明は、トンネルユニットの大型化を招
くことなく、旧探針の回収と新探針の取り付けとを一つ
の治具で行える、簡単な構成の探針交換機構を提供する
ことを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、試料を
保持する試料ホルダーを搭載し、該試料ホルダーをＸ軸
及びＹ軸の少なくとも一方に沿って移動させる試料移動
手段と、前記Ｘ軸と前記Ｙ軸とで規定されるＸＹ平面に
垂直なＺ軸方向に移動するＺ軸移動手段と、前記Ｚ軸移
動手段上に設けられ、先端に探針が設置されたスキャナ
とを有する走査型トンネル顕微鏡の前記探針を交換する
ための探針交換機構において、前記スキャナに前記探針
が固定された探針ホルダーをＺ軸方向に着脱可能に保持
する第１の保持手段を設け、前記試料移動手段に前記試
料ホルダーに代えて搭載され、複数の前記探針ホルダー
を前記試料移動手段の移動方向に着脱可能に保持する第
２の保持手段を有する探針運搬手段を設けることによ
り、前記試料移動手段と前記Ｚ軸移動手段とを交互に移
動させて、前記第１の保持手段に保持された探針ホルダ
ーを前記第２の保持手段に保持させ、前記第２の保持手
段に保持された探針ホルダーを前記第１の保持手段に保
持させることを可能にしたことを特徴とする走査型トン
ネル顕微鏡における探針交換機構が得られる。

【００１６】

【実施例】次に、本発明の一実施例を示した図面を参照
して、本発明をより詳細に説明する。

【００１７】図１は、本発明の一実施例による操作型ト
ンネル顕微鏡におけるトンネルユニットの構造図であ
る。このトンネルユニットは、Ｘ軸方向に粗動する尺取
り虫型移動機構３０Ｘと、Ｚ軸方向に粗動する尺取り虫
型移動機構３０Ｚとを有している。Ｘ軸移動機構３０Ｘ
は、三個の圧電素子３１、３２、３３と二個のセラミッ
クブロック３４、３５とを組み合わせて構成されてい
る。三個の圧電素子３１、３２、３３に加える電子信号
を制御することにより、移動機構３０ＸはＸ軸に沿って
移動する。また、Ｚ軸移動機構３０Ｚは、三個の圧電素
子３６、３７、３８と二個のセラミックブロック３９、
４０とを組み合わせて構成されている。三個の圧電素子
３６、３７、３８に加える電子信号を制御することによ
り、移動機構３０ＺはＺ軸に沿って移動する。

【００１８】さて、Ｘ軸移動機構３０Ｘ上に設置された
試料ホルダーを収納する試料ホルダー収納治具４１に
は、トランスファ・ロッド４２により運ばれた探針運搬
装置４３が板バネ４４の弾性力で固定される。ここで、
探針運搬装置４３は試料ホルダーと同一形状の台部を有
している。探針運搬装置４３には、新しい探針４５が固
定された探針ホルダー４６が保持されている。一方、Ｚ
軸粗動移動機構上に設置された微動用のチューブ型スキ
ャナ４７の先端には、使用できなくなった探針４８が搭
載された探針ホルダー４９が取り付けられている。新・
旧探針の交換の際には、トランスファ・ロッド４２は探
針運搬装置４３から切り離される。

【００１９】探針運搬装置４３は、図２に示されるよう
に、新しい探針４５が固定された探針ホルダー４６を保
持するコの字型部分と旧探針４８が固定された探針ホル
ダー４９を保持するための逆コの字型部分とを含む二本
のフォーク５０および５１を有している。探針運搬装置
４３には、トンネルユニット内のＸ軸粗動の尺取り虫型
移動機構３０Ｘに設けられた試料ホルダー収納治具４１
の中に探針運搬装置４３を収納するために、テーパーの
ついたガイド５２が付けられている。さらに、探針運搬
装置４３は側面にメネジが形成されており、トランスフ
ァ・ロッド４２の先端のオネジをねじ込んで探針運搬装
置４１を移送することができる。トランスファ・ロッド
４２によって、ロードロックチャンバー（図示せず）か
らトンネルユニットが格納されている真空チャンバーへ
探針を移送できる。

【００２０】次に、図３を参照して、探針４５と探針ホ
ルダー４６とを詳細に説明する。探針４５として外径
０．２ｍｍのタングステン・ワイヤが用いられる。探針
ホルダー４６には、内径０．３ｍｍの貫通穴が設けられ
ていて、探針４５がこの貫通穴を通して固定される。図
３において探針ホルダー４６の右端部近傍にリング状の
鍔部５３が設けられている。この鍔部５３の両側を探針
運搬装置４１に備えられた二本のフォーク５０と５１と
の間に入れることによって、移送中に探針ホルダー４６
を落とさないようにしている。またこの鍔部５３には、
探針ホルダー４６を微動用スキャナの先端に取り付けた
り先端から取り外したりする際に必要な力を伝達する役
割も果たしている。なお、探針ホルダーに設けられたテ
ーパー状の突起５４は、探針ホルダーが微動用スキャナ
の先端に挿入される際の位置を決めるストッパーであ
る。

【００２１】次に、実施例における探針の交換動作につ
いて、図４を参照して説明する。まず、図４（ａ）で
は、移動機構３０Ｚを右側に動かし、その上に固定され
チューブ型スキャナ４７を右側に移動させる。図４
（ｂ）では、移動機構３０Ｘを上方に動かし、その上に
設置された探針運搬装置４１を上側に移動させ、使用済
み探針４８を搭載した探針ホルダー４９を探針運搬装置
４１の二本のフォーク５０，５１で挟む。図４（ｃ）で
は、移動機構３０Ｚを左側に動かし、その上に固定され
たチューブ型スキャナ４７を左側に移動させて探針ホル
ダー４９を引き抜く。図４（ｄ）では、移動機構３０Ｘ
を上側に動かし、その上に設置された探針運搬装置４１
を上側に移動させる。図４（ｅ）では、移動機構３０Ｚ
を右方に動かし、その上に固定されたチューブ型スキャ
ナ４７を右側に移動させ、新しい探針４５を搭載した探
針ホルダー４６をチューブ型スキャナ４７の先端部に差
し込む。最後に、図４（ｆ）では、移動機構３０Ｘを上
側に動かし、その上に設置された探針運搬装置４１を上
側に移動させる。

【００２２】尺取り虫型移動機構３０（３０Ｘおよび３
０Ｚ）は、１マイクロメートル程度の細かさで移動でき
るため、交換機構の機械的精度が０．１ミリメートル程
度と高いものであっても確実に探針の交換ができる。ま
た、尺取り虫型移動機構３０は数百グラムの力にも耐え
るので、チューブ型スキャナ４７から探針ホルダー４
９、４６を引き抜いたり押し込んだりすることが十分可
能である。これに対してＳＴＭにおいて従来用いられて
いる静電吸着形のラウス（louse ）型移動機構では、数
十グラムの力にしか耐えられないので、このような探針
の交換に使用することは困難である。

【００２３】図５はチューブ型スキャナ４７の先端への
探針ホルダー４６（４９）の取付け方法を示す。チュー
ブ型スキャナ４７の前面には、探針ホルダー４６の出入
りのための窓のあいた円盤状のセラミック治具５５およ
び探針ホルダー４６のガイド用のＶ溝を切ったセラミッ
ク治具５６が固定されている。チューブ型スキャナ４７
の内側には、セラミック治具５３にねじ止めされた板バ
ネ５７が設けられている。図５の右側から探針４５（４
８）を搭載したホルダー４６（４９）が挿入されると、
板バネ５７は上方に変形し、その復元力により探針ホル
ダー４６は治具５６のＶ溝に押しつけられ固定される。
探針ホルダー４６を引き抜くときは、探針ホルダー４６
がＶ溝上を右方にすべり、容易にチューブ型スキャナ４
７から切り離される。

【００２４】板バネ５７として例えば０．１ミリメート
ルの厚み、３ミリメートルの幅のステンレス板を用いる
と、板バネ５７から探針ホルダー４６を押さえる力は、
１００〜２００グラム程度となり、尺取り虫型移動機構
の力によって容易に探針ホルダーの着脱が行なわれる。
また、板バネを用いてこの程度の力で探針ホルダー４６
（４９）を固定することによって、トンネルユニットの
機械的共振周波数の低下を防ぐことができ、ＳＴＭに要
求される高い分解能が保証される。このように簡単な構
造を持ったただ一つの板バネ５７を用いることにより確
実な探針ホルダーの固定が実現される。

【００２５】この様に、本発明では、圧電素子を利用し
た尺取り虫型移動機構を利用することで、マイクロメー
ター程度の位置決め精度で探針の交換を行うことができ
る。また、探針運搬手段に複数の探針を保持することが
できる保持手段を設けたので、従来、旧探針を取出し、
新探針を装着するという２つの工程が、１つの工程で行
える。さらに、探針ホルダーおよび探針運搬手段の構成
は非常に簡単で、トンネルユニットの小型化を計ること
ができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
機械的精度の優れた交換機構を用いて探針を交換できる
ため、トンネルユニットの小型化が実現できＳＴＭの高
い分解能が保証されるとともに、確実に探針交換が実現
される。また、交換機構の構造が極めて単純となるた
め、機構が故障する危険性が少なく、機構の信頼性が向
上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による走査型トンネル顕微鏡
におけるトンネルユニットの構造図である。

【図２】図１に示した実施例における探針運搬装置の斜
視図である。

【図３】図１に示した実施例で使用される探針および探
針ホルダーを示す図である。

【図４】図１に示した実施例において探針を交換する動
作を示す図である。

【図５】図１に示した実施例において探針を探針ホルダ
ーに取り付ける方法を示す図である。

【図６】操作型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の機能ブロッ
ク図である。

【図７】従来の操作型トンネル顕微鏡において探針が搭
載された探針ホルダーを交換する方法を示す図である。

【符号の説明】

１１ 探針 １２ チューブ型スキャナ １３ 粗動機構 １４ 試料ホルダー １５ 試料 １６ プリアンプ １７ サーボ回路 １８ 画像表示部 ２０ ティップ・リムバー ２１ ティップ・マウント ２２ 探針 ２３ 探針ホルダー ２４ ティップ・インサータ ２５ 新探針 ２６ 探針ホルダー ２７，２８，２９ 板バネ ３０（３０Ｘ，３０Ｚ） 尺取り虫型移動機構 ３１，３２，３３ 圧電素子 ３４，３５ セラミックブロック ３６，３７，３８ 圧電素子 ３９，４０ セラミックブロック ４１ 試料ホルダー収納治具 ４２ トランスファ・ロッド ４３ 探針運搬装置 ４４ 板バネ ４５ 新探針 ４６ 探針ホルダー ４７ チューブ型スキャナ ４８ 旧探針 ４９ 探針ホルダー ５０，５１ フォーク ５２ ガイド ５３ 鍔部 ５４ テーパー状突起 ５５，５６ セラミック治具 ５７ 板バネ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料を保持する試料ホルダーを搭載し、
   該試料ホルダーをＸ軸及びＹ軸の少なくとも一方に沿っ
   て移動させる試料移動手段と、前記Ｘ軸と前記Ｙ軸とで
   規定されるＸＹ平面に垂直なＺ軸方向に移動するＺ軸移
   動手段と、前記Ｚ軸移動手段上に設けられ、先端に探針
   が設置されたスキャナとを有する走査型トンネル顕微鏡
   の前記探針を交換するための探針交換機構において、前
   記スキャナに前記探針が固定された探針ホルダーをＺ軸
   方向に着脱可能に保持する第１の保持手段を設け、前記
   試料移動手段に前記試料ホルダーに代えて搭載され、複
   数の前記探針ホルダーを前記試料移動手段の移動方向に
   着脱可能に保持する第２の保持手段を有する探針運搬手
   段を設けることにより、前記試料移動手段と前記Ｚ軸移
   動手段とを交互に移動させて、前記第１の保持手段に保
   持された探針ホルダーを前記第２の保持手段に保持さ
   せ、前記第２の保持手段に保持された探針ホルダーを前
   記第１の保持手段に保持させることを可能にしたことを
   特徴とする走査型トンネル顕微鏡における探針交換機構
2. 【請求項２】 前記試料移動手段および前記Ｚ軸移動手
   段が、複数の圧電素子と、前記圧電素子に接続された部
   材とを有し、前記複数の圧電素子に加わる電気信号を制
   御することにより移動するしゃくとり虫型移動機構であ
   ることを特徴とする請求項１の走査型トンネル顕微鏡に
   おける探針交換機構。
3. 【請求項３】 前記第１の保持手段が、前記探針ホルダ
   ーを支持する支持部と、該支持部に対向して設けられた
   板ばねとを備えていることを特徴とする請求項１又は請
   求項２の走査型トンネル顕微鏡における探針交換機構。
4. 【請求項４】 前記第２の保持手段が、前記探針ホルダ
   ーの２つの鍔部の間に差し込まれて前記探針ホルダーを
   保持するフォーク部材、及び前記探針ホルダーの１つの
   鍔部を挟み込むように前記探針ホルダーを保持するフォ
   ーク部材のいずれか一方を有することを特徴とする請求
   項１、請求項２、または請求項３記載の走査型トンネル
   顕微鏡における探針交換機構。