JPH05180616A

JPH05180616A - プローブ保持機構

Info

Publication number: JPH05180616A
Application number: JP2041892A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Kawase; 俊光川瀬; Katsuhiko Shinjo; 克彦新庄; Osamu Takamatsu; 修高松; Katsunori Hatanaka; 勝則畑中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-01-08
Filing date: 1992-01-08
Publication date: 1993-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】種々のプローブを容易にかつ確実に固定でき
交換も容易に行うことができるようにする。【構成】トンネル電流検出用のプローブ１０は、弾性
板ばね１１によって板状の固定部材１２に押圧固定され
ており、弾性板ばね１１の自由端には、プローブ１０が
固定部材１２の表面上をＸ方向に滑らないようにするた
めの三角形状の切欠き１３が設けられている。固定部材
１２と弾性板ばね１１の片側端部は保持部材１４の略中
央に略垂直に接合固定されており、その際に弾性板ばね
１１の押圧部が固定部材１２に押圧するように弾性板ば
ね１１を弾性変形させながら固定されている。保持部材
１４はプローブをＸ、Ｙ、Ｚ方向に駆動する円筒型の微
動用圧電素子１５に接着などにより固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
又は原子間力顕微鏡等の表面観察装置や、情報処理装置
に使用されるプローブ保持機構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、実空間で導体表面を原子スケール
の分解能で観察できる走査型トンネル顕微鏡（以後ＳＴ
Ｍと云う）が開発されている。[G.binning et al.,Helv
eticaPhysica Acta.,55,726(1982)] 。また、最近、Ｓ
ＴＭの実用化が進み国内外の数社からのＳＴＭの販売が
開始され、幅広い分野で手軽に使用され始めている。Ｓ
ＴＭは真空中のみならず大気中や液体中でも動作し、そ
の応用分野は表面粗さ計測等に始まり、半導体、生体分
子、化学反応、超微細加工など広範囲に渡っている。

【０００３】このような装置では、プローブを駆動機構
に堅固に保持しかつ容易に交換できるようなプローブ保
持機構が必要であり、図８〜図１０に示すような保持機
構が用いられ、それぞれプローブの材料や使用目的によ
り使い分けられている。

【０００４】図８においては、プローブ１はハウジング
２に螺合する固定ねじ３によってハウジング２の内壁に
押圧固定されている。

【０００５】図９ににおいては、プローブ４は固定ねじ
５と一体に取り付けられ、ハウジング６に螺着されてい
る。

【０００６】図１０においては、プローブ７はくの字状
に弾性変形され、その際に得られる反発力によってハウ
ジング８の内壁に押圧固定されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来例では、次のような問題点がある。 (1) 図８、図９に示すようなねじにより固定する機構で
は、ねじ部の質量がプローブに比べかなり重いため共振
周波数が低下し、装置の高速走査性を損う。また、プロ
ーブを交換する場合に、ねじを廻して交換しなければな
らず手間が掛かる。

【０００８】(2) 図１０に示すようなプローブの弾性変
形から得られる反発力を利用する機構では、ダイヤモン
ドのような高硬度のプローブが使用できない。

【０００９】(3) 表面観察装置や記録再生装置では、観
察目的によりプローブ材料や形状を選択することが求め
られ、それに応じてプローブ保持機構も選択し交換する
必要があり、手間を有する。

【００１０】本発明の目的は、ねじのような比較的重い
材料を使うことなく、ダイヤモンドのような高硬度のプ
ローブを含め、その他の観察目的に応じた種々のプロー
ブを容易にかつ確実に固定でき、交換も容易に行うがこ
とできるプローブ保持機構を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明に係るプローブ保持機構は、プローブを固定
する平面部を有する固定部材と、前記プローブを押圧す
る自由端に切欠きを設けた弾性板ばねとから成ることを
特徴とするものである。

【００１２】

【作用】上述の構成を有するプローブ保持機構は、プロ
ーブを固定する平面部を有する固定部材と弾性板ばねの
切り欠きとの間にプローブを挿入し、弾性板ばねにより
プローブを固定部材側に押圧固定してプローブを保持す
る。

【００１３】

【実施例】本発明を図１〜図７に図示の実施例に基づい
て詳細に説明する。図１は第１の実施例に基づく走査型
トンネル顕微鏡のトンネル電流検出用のプローブ保持機
構の斜視図であり、図２はその断面図である。円柱の形
状を持つタングステン、白金等の材料を電解研磨や機械
加工により先端を鋭利に加工されたトンネル電流検出用
のプローブ１０は、弾性板ばね１１によって板状の固定
部材１２に押圧固定されており、弾性板ばね１１の自由
端である押圧部にはプローブ１０が固定部材１２の表面
上をＸ方向に滑らないようにするための三角形状の切欠
き１３が設けられている。固定部材１２と弾性板ばね１
１の片側端部はスポット溶接により円板状の保持部材１
４の略中央に略垂直に接合固定されており、その際に弾
性板ばね１１の押圧部が固定部材１２を押圧するよう
に、弾性板ばね１１を弾性変形させながら固定されてい
る。また、保持部材１４はプローブをＸ、Ｙ、Ｚ方向に
駆動する円筒型の微動用圧電素子１５に接着などにより
固定されている。

【００１４】図３はプローブ保持機構の作用説明図であ
る。弾性板ばね１１の押圧部は中間部で塑性変形により
曲げ角度θが鋭角になるように折り曲げられている。プ
ローブ１０を固定部材１２と平行にかつ弾性板ばね１１
の切欠き１３に、弾性板ばね１１を軽く持ち上げながら
矢印のように挿入し、プローブ１０の端部が保持部材１
４に当接するまで押し込む。この結果、プローブ１０は
弾性板ばね１１により固定部材１２に押圧され、プロー
ブ１０は固定部材１２と切欠き１３の２個所により３点
支持され、摩擦力により確実に固定される。

【００１５】プローブ１０の材料にはタングステン、白
金、単結晶材料等が使用でき、ダイヤモンドのような高
硬度の材料でもよい。なお、本実施例ではプローブ１０
の材料に円柱状の材料を使用しているが、何らこの形状
に拘泥する必要はなく、例えば四角柱の形状を持つプロ
ーブでもよい。特に、単結晶材料は四角形状を有するこ
とが多いため、この意味からも、また固定するためにも
四角柱のプローブは好適である。

【００１６】弾性板ばね１１の材料にはステンレス板が
好適に適用でき、本実施例では厚さ０．１ｍｍのステン
レス材が用いられている。切欠き１３は三次元に試料を
移動可能なステージを持つ炭酸ガスレーザー加工機を使
用し形成され、その際に生じた加工ばりは電解エッチン
グにより取り除かれる。

【００１７】図４は第２の実施例の斜視図である。下面
に突起状のプローブ１６ａを有し板体状の原子間力顕微
鏡用の微小カンチレバープローブ１６が、第１の実施例
と同様に固定部材１２と弾性板ばね１１との間に挿入さ
れている。従来のプローブ保持機構はこのようなカンチ
レバープローブ１６には適用不能であったが、本プロー
ブ保持機構を用いることにより３点支持により、カンチ
レバープローブ１６は固定部材１２と弾性板ばねの切欠
き１３の両側の２個所により容易に固定することがで
き、観察試料や観察方法に幅を持たせることができる。

【００１８】図５は第１の実施例に示したプローブ保持
機構をＳＴＭに搭載したブロック回路構成図である。ウ
ェットプロセスによるエッチング法を用いて作成され、
結晶面が（２１１）、（１００）、（１１０）面で囲ま
れた形状のＴｉＣ単結晶から成るプローブ１７が、第１
の実施例と同様に固定部材１２と弾性板ばね１１との間
に挿入され保持されている。プローブ１７を三次元に走
査する微動用圧電素子１５は粗動機構２０に取り付けら
れている。粗動機構２０には粗動制御回路２１の出力が
接続されており、粗動制御回路２１は粗動機構２０を制
御し、プローブ１７を観察試料２２に接近させる働きを
持っている。観察試料２２は試料台２３上に固定されて
おり、バイアス電源２４が接続されている。プローブ１
７の出力は電流電圧変換器２５、対数変換器２６、比較
器２７、積分器２８を介して増幅器２９とマイクロコン
ピュータ３０に接続され、増幅器２９の出力は微動圧電
素子１５に接続されている。また、三次元走査回路３１
の出力は微動用圧電素子１５とマイクロコンピュータ３
０に接続され、マイクロコンピュータ３０の出力は表示
装置３２に接続されている。

【００１９】プローブ１７はプローブ１７を三次元に走
査する微動用圧電素子１５の走査方向に対し、プローブ
１７の先端の角度が最小になるようにセッティングされ
ている。また、観察試料２２はＨＯＰＧ（高配向グラフ
ァイト）上に液晶（１０ＣＢ：４−デシル−４’−シア
ノビフェニル）分子を蒸着したものとされている。

【００２０】本実施例の表面観察装置を大気中において
動作させた場合に、プローブ１７と観察試料２２との間
の距離が数ｎｍの一定状態になるように制御するため
に、バイアス電源２４が１００ｍＶの電圧に設定された
状態で、電流電圧変換器２５、対数変換器２６、比較器
２７、積分器２８、増幅器２９を通じてプローブ１７と
観察試料２２との間に流れるトンネル電流による電気フ
ィードバック信号を微動用圧電素子１５に与える。微動
用圧電素子１５の変位量は、１ｋＶ当り１μｍである。
この後に、電気的フィードバックをかけながら微動用圧
電素子１５を三次元走査回路３１により、プローブ１７
と観察試料２２との間に流れるトンネル電流が一定とな
るように走査し、この信号と積分器２８からの信号をマ
イクロコンピュータ３０で解析し、得られた試料表面の
分子像を表示装置３２に出力する。この時のプローブ１
７の走査速度を、１ライン当り２ｍＳの速度としたとこ
ろ、鮮明な液晶の分子像が観測された。

【００２１】図６は情報処理装置にプローブ保持機構を
適用したブロック回路構成図である。記録位置の移動の
ための高精度ＸＹステージ３５の上にＺ方向の粗動を行
う粗動機構３６が取り付けられ、粗動機構３６の上に記
録媒体３７を載置している。記録媒体３７は基板３８の
上にＡｕにより基板電極３９を形成し、その上にスクア
リリュウム−ビス−６−オクチルアズレン（以下ＳＯＡ
Ｚと云う）の８層のＬＢ（ラングミュア・ブロジェッ
ト）膜から成る記録層４０が形成されている。ウエット
プロセスにより作製した単結晶ＴｉＣを用い、固定部材
１２、板ばね１１により保持されたプローブ４１が圧電
素子を用いた微動制御機構４２により記録層４０に対向
して支持され、ＸＹＺ何れの方向にも微動可能とされて
いる。

【００２２】基板電極３９とプローブ４１には記録層４
０に電圧を印加するための電源４３が接続され、電源４
３に接続しているマイクロコンピュータ４４によって、
記録／消去時には記録／消去用のパルス電圧を発生し、
再生時には情報再生用の一定電圧を発生するようになっ
ている。マイクロコンピュータ４４の出力はまたＸＹ走
査駆動回路４５を介して微動制御機構４２のＸＹ方向駆
動用の圧電素子に接続されており、更にサーボ回路４６
を介して微動制御機構４２のＺ方向駆動用の圧電素子に
接続されている。基板電極３９とプローブ４１にはプロ
ーブ電流増幅器４７も接続され、プローブ４１から基板
電極３９に流れるトンネル電流を検出かつ増幅し、サー
ボ回路４６とマイクロコンピュータ４４に伝達する。ま
た、マイクロコンピュータ４４には粗動機構３６を駆動
するＺ方向粗動回路４８と、再生情報の表示等を行う表
示手段４９も接続されている。

【００２３】Ｚ方向粗動回路４８は粗動機構３６を用い
て予め１０^-9Ａ程度のプローブ電流が得られるように、
プローブ４１と記録媒体３７との距離を粗動制御する。
ＸＹ走査駆動回路４５はＸＹ方向にプローブ４１を移動
させるように微動制御機構４２を制御する。このとき、
サーボ回路４６は再生時にはトンネル電流が一定になる
ように微動制御機構４２を制御し、記録／消去時にはパ
ルス電圧を印加する時にプローブ電流が急激に変化する
ので、その間は出力電圧が一定になるようにホールド回
路を作動させながら、同様にトンネル電流が一定になる
ように微動制御機構４２を制御する。これらの各機器
は、全てマイクロコンピュータ４４により中央制御され
ている。

【００２４】また、この場合の圧電素子を用いた移動制
御における機械的性能は次の通りである。Ｚ方向微動制御範囲：０．１ｎｍ〜１μｍＺ方向微動制御範囲：１０ｎｍ〜１０ｍｍＸＹ方向走査範囲：＜０．１ｎｍ〜１μｍ計測、制御許容誤差：＜０．１ｎｍ

【００２５】次に、基板電極３９の上に形成されたＳＯ
ＡＺのＬＢ膜（８層）を用いて記録・再生・消去の実験
を行った。ＳＯＡＺを積層した記録層４０を持つ記録媒
体３７をＸＹステージ３５の上に置き、先ず目視により
プローブ４１の位置を決めて固定する。基板電極３９に
対して、プローブ４１に−１．０Ｖの電圧を印加し、ト
ンネル電流をモニタしながらプローブ４１と記録層４０
の表面との距離Ｚを調整する。その後に、微動制御機構
４２を制御してプローブ４１と記録層４０の表面までの
距離Ｚを変えてゆくと、図７のグラフ図に示すような電
流特性が得られた。

【００２６】なお、プローブ電流及びプローブ電圧を変
化させることで、プローブ４１と記録層４０の表面との
距離Ｚを調整することができるが、距離Ｚを適当な値で
一定に保持するためには、プローブ４１を流れる電流Ip
が、１０^-7Ａ＞Ip＞１０^-12Ａ、好適には１０^-8Ａ＞Ip
＞１０^-10 Ａになるようにプローブ４１に印加する電圧
を調整する必要がある。

【００２７】先ず、図７のａ領域の電流値である１０^-7
Ａに制御電流を設定した。この条件下ではプローブ４１
は記録層４０の表面に接触している。サーボ回路４６の
出力電圧を一定に保持し、プローブ４１と基板電極３９
との間に電気メモリ効果を生ずる閾値電圧を越えていな
い電圧である読取り用電圧０．５Ｖを印加して、電流値
を測定したところ、１μＡ以下のオフ状態を示した。

【００２８】次に、オン状態を生ずる閾値電圧Von 以上
の電圧である三角パルス電圧を、プローブ４１と基板電
極３９との間に印加した後に、再び０．５Ｖの読取り用
電圧を印加して電流を測定したところ、０．３ｍＡ程度
の電流が流れオン状態となっていたことを示した。続い
て、オン状態からオフ状態にへ変化する閾値電圧Voff以
上の電圧である三角波パルス電圧を印加した後に、再び
０．５Ｖの読取り用電圧を印加して電流値を測定したと
ころ、この時の電流値は１μＡ以下でオフ状態に戻るこ
とが確認された。

【００２９】次に、プローブ電圧を０．５Ｖとし、プロ
ーブ電流Ipを図７のｂ領域に相当する１０^-9Ａに設定し
て、プローブ４１と記録層４０の表面との距離Ｚを制御
した。ＸＹステージ３５を一定の間隔の１μｍピッチで
移動させながら、先と同様な波形を有する閾値電圧Von
以上のパルス電圧（Vmax＝−１５Ｖ）を印加して、オン
状態を書き込んだ。なお、パルス電圧を印加する際は、
サーボ回路４６の出力電圧を一定にしている。

【００３０】書き込まれた情報を読取る場合には、書き
込みの際と同じ条件でプローブ４１と記録層４０の表面
の距離を制御した後に、サーボ回路４６の出力を一定に
したままでＸＹステージ３５を駆動し、オン状態領域と
オフ状態領域とのプローブ電流での変化で直接読み取る
か、又はサーボ回路４６を動作させたままつまりホール
ド回路オフのままＸＹステージ３５を駆動し、オン状態
領域とオフ状態領域とでのサーボ回路４６の出力電圧の
変化で情報を読み取ることができた。

【００３１】本実施例では、オン状態領域でのプローブ
電流を記録前と又はオフ状態領域と比較して３桁以上変
化していることを確認した。更に、書き込みの際と同じ
条件でプローブ４１と記録層４０の表面との距離を制御
した後にサーボ回路４６の出力を一定に保持し、プロー
ブ電圧を閾値電圧Voff以上の８Ｖに設定して、再びＸＹ
ステージ３５を駆動して、記録位置をトレースした結
果、全ての記録状態が消去され、オフ状態に遷移したこ
とも確認された。

【００３２】ＸＹステージ３５を駆動する代りにＸＹ走
査駆動回路４５を動作させ、微動制御機構４２を駆動し
て、０．０１μｍ間隔に前述と同じ条件で記録・再生・
消去の実験を行っても、同様な結果が得られた。即ち、
書き込み後の記録層４０の表面との距離を一定に保持し
た後に、サーボ回路４６の出力を一定にし、その後に微
動制御機構４２を駆動して記録位置をトレースしたとこ
ろ、０．０１μｍ周期で３桁以上のプローブ電流の変化
を確認できた。また、同じ条件でプローブ電圧を８Ｖに
設定し、記録位置をトレースした結果、０．０１μｍ周
期の記録状態は全て消去されることも確認された。上述
の記録・再生・消去実験を繰り返して行っても、安定し
た結果が得られた。

【００３３】次に、微動制御機構４２を用いて、０．０
０１μｍから０．０１μｍの間の種々のピッチで長さ１
μｍのストライプを上述の方法で書込み、分解能を測定
したところ、０．０１μｍ以上のピッチでは常に３桁以
上のプローブ電流の変化が書き込みピッチと同じピッチ
で確認された。

【００３４】これらの実験に用いた記録媒体３７は次の
ように作成した。即ち、光学研磨したガラス基板３８を
中性洗剤及びトリクレンを用いて洗浄した後に、下引き
層としてＣｒを真空蒸着法により５０オングストローム
の厚さで堆積させ、更にＡｕを同法により４００オング
ストロームの厚さで蒸着して、基板電極３９を形成す
る。次に、ＳＯＡＺを濃度０．２ｍｇ／ｍｌで溶かした
クロロホルム溶液を２０℃の水相上に展開し、水面上に
単分子膜を形成した。溶媒の蒸発を待ち単分子膜の表面
圧を２０ｍＮ／ｍまで高め、更にこれを一定に保持しな
がらガラス基板３８を水面を横切るように速度５ｍｍ／
分で静かに浸漬し、更に引上げて２層のＹ型単分子膜の
累積を行う。この操作を４回繰り返すことで、ＳＯＡＺ
を積層した記録層４０を持つ記録媒体３７が作成され
る。

【００３５】電流−電圧特性においてメモリスイッチン
グ現象を有する電気メモリの効果は、上述の有機単分子
膜、その累積膜等の薄膜を一対の電極間に配置させた状
態で、それぞれ異なる２つ以上の導電率を示す状態のオ
ン状態、オフ状態に遷移させることが可能な閾値を越え
た電圧を印加することにより、可逆的に低抵抗状態（オ
ン状態）及び高抵抗状態（オフ状態）への遷移つまりス
イッチングさせることができる。また、それぞれの状態
は電圧を印加しなくとも保持つまりメモリしておくこと
ができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るプロー
ブ保持機構は、プローブの保持のために自由端に切欠き
を有する弾性板ばねを使用しているので、観察目的に応
じた種々のプローブを容易にかつ確実に固定でき交換も
容易に行うことができ、また表面観察装置や情報処理装
置に適用した場合に、観察目的に応じた種々のプローブ
が使用可能となり、装置性能を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の斜視図である。

【図２】断面図である。

【図３】作用説明図である。

【図４】第２の実施例の斜視図である。

【図５】プローブ保持機構をＳＴＭに適用した場合のブ
ロック回路構成図である。

【図６】プローブ保持機構を情報処理装置に適用した場
合のブロック回路構成図である。

【図７】プローブと記録層の表面との距離とプローブ電
流との関係のグラフ図である。

【図８】従来例の断面図である。

【図９】従来例の断面図である。

【図１０】従来例の断面図である。

【符号の説明】

１０、１７、４１プローブ１１弾性板ばね１２固定部材１３切欠き１４保持部材１５微動用圧電素子

フロントページの続き (72)発明者畑中勝則東京都大田区下丸子三丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プローブを固定する平面部を有する固定
部材と、前記プローブを押圧する自由端に切欠きを設け
た弾性板ばねとから成ることを特徴とするプローブ保持
機構。
【請求項２】前記弾性板ばねは前記固定部材の一部に
接合した請求項１に記載のプローブ保持機構。
【請求項３】前記弾性板ばねの中間部を、塑性変形に
より折り曲げばね性を持たせた請求項１に記載のプロー
ブ保持機構。
【請求項４】前記切欠きの形状は三角形状とした請求
項１に記載のプローブ保持機構。
【請求項５】前記プローブを走査型トンネル顕微鏡又
は原子間力顕微鏡に適用した請求項１に記載のプローブ
保持機構。
【請求項６】前記プローブと記録層との間に流れるト
ンネル電流又は前記プローブと記録層との間に働く原子
間力の変動から、前記記録層に記録された情報を読み取
る情報処理装置に前記プローブを適用した請求項１に記
載のプローブ保持機構。