KR20160142229A - 주사 프로브 현미경 - Google Patents

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KR20160142229A
KR20160142229A KR1020160059397A KR20160059397A KR20160142229A KR 20160142229 A KR20160142229 A KR 20160142229A KR 1020160059397 A KR1020160059397 A KR 1020160059397A KR 20160059397 A KR20160059397 A KR 20160059397A KR 20160142229 A KR20160142229 A KR 20160142229A
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sample
chamber
moving mechanism
dimensional moving
probe microscope
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KR1020160059397A
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가즈노리 안도
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가부시키가이샤 히다치 하이테크 사이언스
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Abstract

[과제] 외기와 차단된 측정실 내의 주사 프로브 현미경에 시료대를 반송하여 3차원 이동 기구에 장착할 때, 3차원 이동 기구에 과도한 하중이 걸리는 것을 억제한 주사 프로브 현미경을 제공한다.
[해결 수단] 캔틸레버(1)와, 시료대(10)와, 시료대를 이동시키는 3차원 이동 기구(11)와, 외기와 차단 가능한 내부 공간을 갖는 측정실(100)을 구비한 주사 프로브 현미경(200)에 있어서, 적어도 캔틸레버와, 시료대와, 3차원 이동 기구가 측정실의 내부에 수용되고, 측정실은 시료대를 반송하기 위한 한 쌍의 가이드 레일(110)을 구비하고, 시료대는 가이드 레일 위를 주행 가능한 걸어맞춤부(10c, 10d)를 구비하고, 3차원 이동 기구는 소정 위치 근방에 배치되고 한 쌍의 가이드 레일의 사이에 걸쳐 상기 가이드 레일의 상하로 이동 가능하고, 소정 위치로 시료대가 반송되면, 3차원 이동 기구가 가이드 레일의 아래로부터 상승하여 시료대의 하면에 장착되고, 주사 프로브 현미경을 측정 가능하게 한다.

Description

주사 프로브 현미경{SCANNING PROBE MICROSCOPE}
본 발명은, 시료를 외기와 차단하여 프로브 측정하는 주사 프로브 현미경에 관한 것이다.
주사 프로브 현미경은, 탐침을 시료 표면에 근접 또는 접촉시켜, 시료의 표면 형상이나 물성을 측정하는 것이다. 그리고, 시료를 공기 중의 산소, 수분 등에 닿게 하지 않고 프로브 측정하거나, 소정의 분위기나 진공 상태에서 프로브 측정하고 싶다는 요망이 있다.
그래서, 가스 치환이 가능한 글로브 박스 형상의 챔버(실) 내에 주사 프로브 현미경을 배치하고, 주사 프로브 현미경을 소정의 분위기 가스 중에서 측정하는 기술이 개발되어 있다 (특허 문헌 1). 또, 진공 중에서 측정을 행하는 분석 장치 내에 시료를 도입할 때, 시료의 진공을 유지한 채 분석 장치 내에 시료를 도입할 수 있도록, 시료 홀더에 시료 덮개를 씌우는 기술이 개발되어 있다(특허 문헌 2).
일본국 특허제2612395호 공보 일본국 특허공개2001-153760호 공보
그런데, 주사 프로브 현미경에 있어서는, 시료를 올린 시료대를 3차원 이동 기구 상에 장착하고, 시료에 대향 배치된 캔틸레버에 대해, 3차원 이동 기구에 의해 시료를 상대 이동시켜 캔틸레버와의 위치 맞춤을 하거나, 캔틸레버와 시료의 거리나 힘 등을 유지한 상태로 측정을 행하고 있다. 여기서, 3차원 이동 기구(스캐너)는 세라믹제의 피에조 소자 등으로 이루어지고, 과도한 하중이 걸리면 깨지기 쉽기 때문에, 3차원 이동 기구에 시료를 신중하게 설치할 필요가 있다.
그러나, 특허 문헌 1에 기재된 기술의 경우, 글로브 박스에 부착된 고무 장갑을 통해 사람 손으로 작업을 행하기 때문에, 3차원 이동 기구에 시료를 설치할 때에 과도한 하중이 걸릴 우려가 있다.
또, 특허 문헌 2에는, 주사 전자 현미경(SEM) 등의 일반적인 분석 장치 내에 시료를 도입할 때, 시료를 배치한 반송용 시료 용기를 가이드 레일을 통해 시료 도입실, 게이트 밸브에 순서대로 반송하는 것이 기재되어 있지만, 진공이나 소정 분위기로 유지된 주사 프로브 현미경 내의 3차원 이동 기구에 시료를 올릴 때의 하중을 저감하는 방법에 대해서는 기재되어 있지 않다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 외기와 차단된 측정실 내의 주사 프로브 현미경에 시료대를 반송하여 3차원 이동 기구에 장착할 때, 3차원 이동 기구에 과도한 하중이 걸리는 것을 억제한 주사 프로브 현미경의 제공을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 주사 프로브 현미경은, 시료의 표면에 접촉 또는 근접시키는 탐침이 설치된 캔틸레버와, 상기 시료를 설치하는 시료대와, 상기 시료대를 3차원으로 이동시키는 3차원 이동 기구와, 외기와 차단 가능한 내부 공간을 갖는 측정실을 구비한 주사 프로브 현미경에 있어서, 적어도 상기 캔틸레버와, 상기 시료대와, 상기 3차원 이동 기구가 상기 측정실의 내부에 수용되고, 상기 측정실은, 상기 시료대를 도입하기 위한 도입구와, 상기 도입구로부터 도입된 상기 시료대를 상기 측정실의 내부의 소정 위치로 반송하기 위한 한 쌍의 가이드 레일을 구비하고, 상기 시료대는, 상기 가이드 레일과 걸어 맞춰져 상기 가이드 레일 위를 주행 가능한 걸어맞춤부를 구비하고, 상기 3차원 이동 기구는, 상기 소정 위치 근방에 배치되고, 상기 한 쌍의 가이드 레일의 사이에 걸쳐 상기 가이드 레일의 상하로 이동 가능하고, 상기 소정 위치에 상기 시료대가 반송되면, 상기 3차원 이동 기구가 상기 가이드 레일의 아래로부터 상승하여 상기 시료대의 하면에 장착되고, 상기 주사 프로브 현미경을 측정 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.
이 주사 프로브 현미경에 의하면, 시료대가 소정 위치까지 반송된 후에, 3차원 이동 기구를 상승시켜 시료대에 장착하면 되기 때문에, 반송 도중에 시료대가 3차원 이동 기구에 부주의하게 접촉하는 일이 없고, 3차원 이동 기구에 과도한 하중이 걸리는 것을 억제할 수 있다. 또, 시료대를 가이드 레일로 소정 위치까지 반송하면, 3차원 이동 기구와의 위치 맞춤이 완료되므로, 3차원 이동 기구에의 시료대의 장착이 용이해진다.
상기 시료대는, 상기 시료대의 주행 방향으로 이격한 전면과 후면을 갖는 반송 걸어맞춤부를 구비하고, 상기 측정실은, 상기 측정실의 외부로부터 조작하여 상기 측정실의 내부를 상기 주행 방향을 따라 진퇴 가능하고, 또한 상기 반송 걸어맞춤부의 상기 후면과 상기 전면의 사이에 헐겁게 끼워지면서 걸어 맞춰져 상기 시료대를 반송하는 반송 기구를 가져도 된다.
이 주사 프로브 현미경에 의하면, 시료대의 반송 걸어맞춤부에, 반송 기구가 헐겁게 끼워지면서 걸어 맞춰지므로, 예를 들면 양자를 나사 접속하는 경우에 비해, 반송 기구와 반송 걸어맞춤부의 위치가 다소 어긋나 있어도 양자를 용이하게 걸어 맞출 수 있다. 또, 반송 기구에 의한 시료대의 반송 중에 나사가 빠진 경우에, 재접속하는 것은 매우 곤란하지만, 본 실시 형태에서는 반송 기구를 반송 걸어맞춤부에 헐겁게 끼우기만 하면 되므로, 반송 중에 다시 걸어 맞추는 것도 용이하고, 반송 중에 확실히 걸어 맞출 수 있다. 또, 양자가 헐겁게 끼워져 있기 때문에, 반송 중에 무리한 힘이 가해져도, 양자를 나사 접속 등으로 강고하게 접속한 경우에 비해, 예를 들면 로드 형상의 반송 기구가 꺽이거나 하는 것이 억제된다.
상기 3차원 이동 기구의 하방에 접속되고, 상기 3차원 이동 기구보다 상하로 많이 이동하는 조동(粗動) 기구를 구비하고, 상기 3차원 이동 기구가 상기 조동 기구의 상하 이동에 의해 상기 가이드 레일에 대해서 상하로 이동 가능해도 된다.
3차원 이동 기구는, 상하로의 이동량이 미소한 경우가 많지만, 이 주사 프로브 현미경에 의하면, 3차원 이동 기구보다 상하로 많이 이동하는 조동 기구를 통해 3차원 이동 기구를 올리고 내리므로, 3차원 이동 기구를 가이드 레일에 대해 확실히 상하 이동할 수 있다.
상기 시료대의 상면에 씌워져 상기 시료를 외기와 차단하여 밀폐하는 시료 덮개를 더 가지며, 상기 측정실은, 상기 측정실의 외부로부터 조작하여 상기 측정실의 내부를 상하로 진퇴 가능하고, 또한 상기 시료 덮개에 바요넷 결합하여 상기 시료 덮개를 상기 측정실 내에서 착탈하는 덮개 착탈 기구를 가져도 된다.
이 주사 프로브 현미경에 의하면, 바요넷 결합에 의해, 덮개 착탈 기구를 회전시킴으로써 시료 덮개과 용이하게 탈착할 수 있으므로, 덮개 착탈 기구를 측정실 내에서 시료 덮개에 부착하거나, 덮개 착탈 기구에 의해 측정실 내에서 시료 덮개를 끌어올려 시료대로부터 떼어낸 후, 덮개 착탈 기구를 시료 덮개로부터 떼어내는 작업을 용이하고 확실히 행할 수 있다.
상기 측정실은, 상기 캔틸레버와 상기 시료대와 상기 3차원 이동 기구를 수용하는 주실(主室)과, 상기 도입구를 가지면서 상기 주실보다 내용적이 작고, 상기 주실과 연통하는 시료대 도입실을 가지며, 상기 가이드 레일은, 상기 시료대 도입실로부터 상기 주실을 향해 끊김없이 연장되어도 된다.
이 주사 프로브 현미경에 의하면, 주실과 별개로 시료대 도입실을 설치함으로써, 시료대를 측정실에 삽입할 때, 주실 자체를 대형화할 필요가 없고, 주실의 내용적, 나아가서는 시료대 도입실을 포함하는 측정실 전체의 내용적을 저감할 수 있다.
또, 시료대 도입실과 주실의 사이에 게이트 밸브를 설치하여 양자를 기밀하게 차단하면, 가이드 레일이 게이트 밸브에 의해 중단되기 때문에, 이 부위에서 시료대가 가이드 레일로부터 탈락하지 않도록, 반송시에 주의가 필요하게 되지만, 본 실시 형태에서는 시료대 도입실과 주실을 연통시키고, 가이드 레일을 끊김없이(중단되지 않게) 설치하고 있으므로, 반송시의 작업이 용이해진다 .
본 발명에 의하면, 외기와 차단된 측정실 내의 주사 프로브 현미경에 시료대를 반송하여 3차원 이동 기구에 장착할 때, 3차원 이동 기구에 과도한 하중이 걸리는 것을 억제할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 관련된 주사 프로브 현미경의 블럭도이다.
도 2는 시료대의 사시도이다.
도 3은 측정실의 상면도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.
또한, 이하의 설명에서, 「전후」 방향이란, 가이드 레일(110) 위를 주행하는 시료대(10)의 주행 방향(F)이며, 측정실(100) 내의 3차원 이동 기구(11)에 가까운 쪽을 「전측」이라고 하고, 3차원 이동 기구(11)로부터 먼 쪽을 「후측」이라고 한다. 또, 「전방 면」은, 3차원 이동 기구(11)를 향하는 면이다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관련된 주사 프로브 현미경(200)의 블럭도이다. 또한, 도 1(a)가 주사 프로브 현미경(200)의 전체도이며, 도 1(b)는 캔틸레버(1) 근방의 부분 확대도이다.
도 1(a)에 있어서, 주사 프로브 현미경(200)은, 선단에 탐침(99)을 갖는 캔틸레버(1)와, 시료(300)가 올려지는 시료대(10)와, 3차원 이동 기구(스캐너)(11)와, 조동 기구(12)와, 캔틸레버(1)의 변위를 나타내는 신호를 검출하는 변위 검출계(50)와, 외기와 차단 가능한 내부 공간을 갖는 측정실(100)과, 제어 수단(프로브 현미경 콘트롤러(24), 컴퓨터(40)) 등을 갖는다.
측정실(100)은, 진공 펌프(120) 및 분위기 가스 도입부(130)에 접속되고, 측정실(100)의 내부를 진공, 감압, 및 소정의 가스 분위기 등으로 유지할 수 있다. 측정실(100)은, 주실(102)과, 주실(102)에 연통하여 주실(102)보다 내용적이 작은 시료대 도입실(104)을 갖고 있고, 주실(102)과 시료대 도입실(104)은 소경의 경부(頸部)(103)를 통해 연통되어 있다.
그리고, 본 실시 형태에서는, 캔틸레버(1)(및 경사면 블록(2)), 시료대(10), 3차원 이동 기구(11), 및 조동 기구(12)가 주실(102)의 내부에 수용되어 있지만, 적어도 캔틸레버(1)(및 경사면 블록(2)), 시료대(10), 3차원 이동 기구(11)가 측정실(100)의 내부에 수용되어 있으면 된다. 측정실(100)의 내부에 수용되는 주사 프로브 현미경(200)의 구성 부분이 적을수록, 측정실(100)의 내용적을 작게 할 수 있고, 측정실(100)의 내부를 진공이나 소정의 가스 분위기로 안정되게 유지할 수 있다.
또한, 주실(102)의 상덮개(102a)에는 유리제의 창(102w)이 설치되고, 상덮개(102a)의 내면에 부착된 캔틸레버(1)가 창(102w)을 향하고 있다. 그리고, 창(102w)을 통해, 주실(102)의 상방의 변위 검출계(50)로부터 캔틸레버(1)의 배면에 레이저광을 조사 가능하게 되어 있다.
컴퓨터(40)는, 주사 프로브 현미경(200)의 동작을 제어하기 위한 제어 기판, CPU(중앙 제어 처리 장치), ROM, RAM, 하드 디스크 등의 기억 수단, 인터페이스, 조작부 등을 갖는다.
또한, 주사 프로브 현미경(200)은, 캔틸레버(1)가 고정되고, 시료(300)측을 스캔하는 샘플 스캔 방식으로 되어 있어, 캔틸레버(1)가 시료대(10)의 상측에 위치하고 있다. 시료(300)측이 고정되고, 캔틸레버(1)를 스캔하는 레버 스캔 방식의 주사 프로브 현미경은, 샘플 스캔 방식보다 일반적으로 대형이며, 측정실(100)의 내용적을 보다 크게 해야 하기 때문에, 샘플 스캔 방식이 바람직하다.
프로브 현미경 콘트롤러(24)는, 후술하는 Z 제어 회로(20), X, Y, Z 출력 앰프(22), 조동 제어 회로(23)를 갖는다. 프로브 현미경 콘트롤러(24)는 컴퓨터(40)에 접속되어 데이터의 고속 통신이 가능하다. 컴퓨터(40)는, 프로브 현미경 콘트롤러(24) 내의 회로의 동작 조건을 제어하고, 측정된 데이터를 들여와 제어하고, 캔틸레버(1)의 표면 형상 측정, 표면 물성 측정, 힘곡선 측정 등을 실현한다.
조동 기구(12)는, 3차원 이동 기구(11) 및 그 상방의 시료대(10)를 대략적으로 상하 이동시키는 것이며, 조동 제어 회로(23)에 의해 동작이 제어된다. 3차원 이동 기구(11)는, 상하 및 좌우로의 이동량이 미소한 경우가 많지만, 3차원 이동 기구(11)보다 상하로 많이 이동하는 조동 기구(12)를 통해 3차원 이동 기구(11)를 올리고 내림으로써, 후술하는 바와 같이 3차원 이동 기구(11)를 가이드 레일(110)에 대해서 확실히 상하 이동할 수 있다.
조동 기구(12)의 구체적인 상하 이동은, 스테핑 모터와 이송 나사에 의해 동작시키는 구조를 이용하여 행할 수 있지만, 조동 기구(12)의 구조는 이것에 한정되지 않는다.
3차원 이동 기구(11)는, 시료대(10)(및 시료(300))를 3차원으로 이동(미동)시키는 것이며, 시료대(10)를 각각 xy(시료(300)의 평면) 방향으로 주사하는 2개의(2축의) 압전 소자(11a, 11b)와, 시료대(10)를 z(높이) 방향으로 주사하는 압전 소자(11c)를 구비한 원통으로 되어 있다. 압전 소자는, 전계를 인가하면 결정이 왜곡되고, 외력으로 결정을 강제적으로 왜곡시키면 전계가 발생하는 소자이며, 압전 소자로서는, 세라믹스의 일종인 PZT(티탄산지르콘산연)를 일반적으로 사용할 수 있지만, 3차원 이동 기구(11)의 형상이나 동작 방법은 이것에 한정되지 않는다. 또, 조동 기구(12)와 3차원 미동 기구(11)의 사이에, 3차원 이동 기구(11)보다 좌우(XY 방향)로 많이 이동하는 XY 이동 기구를 설치하여, XY 방향으로도 조동시켜도 된다. 이와 같이 함으로써, 시료대(10)가 대형 시료를 올릴 수 있는 경우에, 측정 위치에의 대략적인 위치 맞춤이 가능해진다.
압전 소자(11a~11c)는 X, Y, Z 출력 앰프(22)에 접속되고, X, Y, Z 출력 앰프(22)로부터 소정의 제어 신호(전압)를 출력하여 압전 소자(11a, 11b)를 각각 xy 방향으로 구동하고, 압전 소자(11c)를 z 방향으로 구동한다. 압전 소자(11c)로 출력되는 전기 신호는, 프로브 현미경 콘트롤러(24) 중에서 검출되고, 측정 데이터로서 받아들여진다.
캔틸레버(1)는, 캔틸레버 팁부(8)의 측면에 접하고, 외팔보 스프링의 구조를 구성하고 있다. 캔틸레버 팁부(8)는, 캔틸레버 팁부 누름(9)에 의해 경사면 블록(2)에 눌려 있다.
그리고, 레이저 광원(30)으로부터 레이저광이 다이크로익미러(31)에 입사되어 캔틸레버(1)의 배면에 조사되고, 캔틸레버(1)로부터 반사된 레이저광은 미러(32)에 의해 반사되어 변위 검출기(5)로 검출된다. 변위 검출기(5)는, 예를 들면 4분할 광검출기이며, 캔틸레버(1)의 상하(z 방향)의 변위량은, 캔틸레버(1)로부터 반사된 레이저의 광로의 변화(입사 위치)로서 변위 검출기(5)로 검출된다.
변위 검출기(5)의 전기 신호의 진폭은, 전치 앰프(7)를 통과하여 적절히 증폭되고, Z 제어 회로(20)에 입력된다. Z 제어 회로(20)는, 탐침(99)과 시료(300)의 거리나 힘이 목표치와 일치하도록, Z 출력 앰프(22)의 Z 신호부로 제어 신호를 전달하고, Z 신호부는 압전 소자(11c)를 z 방향으로 구동하는 제어 신호(전압)를 출력한다. 즉, 시료(300)와 탐침(99)의 사이에 작용하는 원자간력에 의해 생기는 캔틸레버(1)의 변위를 상술의 기구로 검출하고, 3차원 이동 기구(11c)를 변위시키고, 탐침(99)과 시료(300)의 거리나 힘을 제어한다. 그리고, 이 상태에서, X, Y, Z 출력 앰프(22)로 xy 방향으로 3차원 이동 기구(11a, 11b)를 변위시켜 시료(300)의 스캔을 행하고, 표면의 형상이나 물성치를 매핑한다.
또한, 레이저 광원(30), 다이크로익미러(31), 미러(32), 변위 검출기(5) 및 전치 앰프(7)가 변위 검출계(50)를 구성한다.
그리고, 시료대(10)의 xy면 내의 변위에 대해서, 시료대(10)의 높이의 변위로부터 3차원 형상 상을 컴퓨터(40) 상에 표시하고, 해석이나 처리를 행함으로써, 프로브 현미경으로서 동작시킬 수 있다. 또한, 도시는 생략하지만, 예를 들면 경사면 블록(2)을 가진기에 접속하여 캔틸레버를 진동시키는 DFM 측정 모드를 행하면, 공진 상태의 위상의 값으로부터 위상 상을, 진동 진폭의 목표치와의 차에 의해 오차 신호상을, 탐침 시료간의 물성치로부터 다기능 측정상을 취득할 수도 있다.
다음에, 도 1~도 3을 참조하여, 본 발명의 특징 부분인, 시료대(10) 및 측정실(100)에 대해 설명한다. 도 2는 시료대(10)의 사시도, 도 3은 측정실(100)의 상면도이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 시료대(10)는 전측(도 2의 우측)이 원호상으로 둥그스름한 대략 직사각형 판상을 이루고, 단면이 L자 형상인 한 쌍의 가이드 레일(110, 110)의 사이에 끼워 지지되도록 되어 있다. 그리고, 시료대(10)의 측면(10c) 및 저면(10d)이 가이드 레일(110)과 걸어 맞춰지고(접하고), 가이드 레일(110) 위를 주행(슬라이딩) 가능하게 되어 있다. 또한, 양가이드 레일(110)의 L자의 모서리부가 외측을 향하도록 되어 있다.
측면(10c) 및 저면(10d)이 특허 청구의 범위의 「걸어맞춤부」에 상당한다.
또, 시료대(10)의 상면의 중앙부(10p)가 원주상으로 돌출하고, 중앙부(10p)의 표면에 시료(300)를 올리도록 되어 있다. 그리고, 상면측이 폐색된 원통형의 시료 덮개(15)가 중앙부(10p)를 둘러싸도록 시료대(10)의 상면에 씌워지고, 시료(300)를 외기와 차단하여 밀폐 가능하게 되어 있다. 또한, 시료 덮개(15)의 내측면에는 홈이 설치되고, 이 홈에 시일 부재(O링)(15r)가 장착되고, 중앙부(10p)의 측면과의 사이를 기밀하게 시일하고 있다.
또한, 시료 덮개(15)의 상면 중앙에는, 바요넷 커넥터(BNC 커넥터)(15b)가 설치되고, 후술하는 덮개 착탈 로드(덮개 착탈 기구)(150)의 선단에 설치된 수 커넥터(150b)와 바요넷 결합 가능하게 되어 있다. 바요넷 결합은, 적어도 한쪽의 결합부에 클로(볼록부)가 설치되고, 다른쪽의 결합부의 공극이나 절결 부위에 클로를 끼워넣고, 그대로 회전함으로써 탈착이 용이해진다. 또, 양쪽의 결합부에 클로(볼록부)가 설치되는 타입도 있다.
한편, 시료대(10)의 후단(도 2의 좌측)에는, 상면에서 보아 대략 C자 형상의 반송 걸어맞춤부(10a)가 설치되어 있다. 여기서, 반송 걸어맞춤부(10a)의 C자의 절결부(10g)의 간격(G)은, 훅(140b)의 직경(d)보다 크기 때문에, 훅(140b)의 길이 방향이 상하가 되도록 반송 로드(140)를 축방향으로 회전시킴으로써, 훅(140b)을 절결부(10g)에 삽입할 수 있다. 또, 훅(140b)의 길이 방향의 길이(W)는 간격(G)보다 길고, 반송 걸어맞춤부(10a)의 내면의 폭방향의 길이(W0)보다 짧기 때문에, 훅(140b)을 절결부(10g)에 삽입한 후에 반송 로드(140)를 축방향으로 90도 회전시키면, 훅(140b)이 반송 걸어맞춤부(10a)의 내부로부터 벗어나는 일이 없어지고, 훅(140b)을 반송 걸어맞춤부(10a)에 걸어 맞출 수 있다.
또한, 반송 걸어맞춤부(10a)의 내면의 전방 면(10f)과 후방 면(10b)의 간격(L)은 훅(140b)의 직경(d)보다 크기 때문에, 훅(140b)이 전방 면(10f)과 후방 면(10b)의 사이에서 헐겁게 끼워지면서 걸어 맞춰진다. 이로 인해, 예를 들면 반송 로드(140)와 반송 걸어맞춤부(10a)를 나사 접속하는 경우에 비해, 반송 로드(140)와 반송 걸어맞춤부(10a)의 위치가 다소 어긋나도 양자를 용이하게 걸어 맞출 수 있다. 또, 반송 로드(140)에 의한 시료대(10)의 반송 중에 나사가 빠진 경우에, 재접속하는 것은 매우 곤란하지만, 본 실시 형태에서는 훅(140b)을 반송 걸어맞춤부(10a)의 내부에 헐겁게 끼우기만 하면 되므로, 반송 중에 다시 걸어 맞추는 것도 용이하고, 반송 중에 확실히 걸어 맞출 수 있다. 또, 훅(140b)과 반송 걸어맞춤부(10a)가 헐겁게 끼워져 있기 때문에, 반송 중에 무리한 힘이 가해져도, 반송 로드(140)와 반송 걸어맞춤부(10a)를 나사 접속 등으로 강고하게 접속한 경우에 비해, 반송 로드(140)가 꺾이거나 하는 것이 억제된다.
다음에, 측정실(100)의 구성에 대해 설명한다.
측정실(100)은, 주실(102)과, 주실(102)의 외측에 경부(103)를 통해 연통하고, 주실(102)보다 내용적이 작은 시료대 도입실(104)을 갖는다. 또, 주실(102)과 시료대 도입실(104)의 저부에는, 시료대 도입실(104)로부터 주실(102)을 향해 끊김없이 연장되는 상술의 한 쌍의 가이드 레일(110, 110)이 부착되어 있다.
시료대 도입실(104)과 주실(102)의 사이에 게이트 밸브를 설치하면, 가이드 레일(110, 110)이 게이트 밸브에 의해 중단되기 때문에, 이 부위에서 시료대(10)가 가이드 레일(110)로부터 탈락하지 않도록, 반송시에 주의가 필요하게 되지만, 본 실시 형태에서는 시료대 도입실(104)과 주실(102)을 연통시켜, 가이드 레일(110)을 중단하지 않고 설치하고 있으므로, 반송시의 작업이 용이해진다.
또, 주실(102)과 별개로 시료대 도입실(104)을 설치함으로써, 시료대(10)를 측정실(100)에 삽입할 때, 주실(102) 자체를 대형화할 필요가 없고, 주실(102)의 내용적, 나아가서는 시료대 도입실(104)을 포함하는 측정실(100) 전체의 내용적을 저감할 수 있다.
주실(102)은 대략 원통형을 이루고, 상면의 원형의 중앙 개구(102h)를 상덮개(102a)가 폐색하도록 되어 있다. 상덮개(102a)에는 유리제의 창(102w)이 설치되고, 상덮개(102a)의 내면에 경사면 블록(2)이 부착되고, 경사면 블록(2)에 캔틸레버(1)를 장착 가능하게 되어 있다. 또한, 상덮개(102a)는 힌지(102L)에 의해, 주실(102)의 상면에 개폐 가능하게 부착되어 있다.
중앙 개구(102h)에 한 쌍의 가이드 레일(110, 110)이 향하고, 가이드 레일(110, 110)의 전단(도 3의 우측)에는 시료대(10)를 거는 스토퍼(110s)가 부착되어 있다. 또한 중앙 개구(102h)의 중앙에서 한 쌍의 가이드 레일(110, 110)의 사이에 원형의 이동 기구 도입구(102j)가 개구되어 있고, 이 이동 기구 도입구(102j)를 통해 3차원 이동 기구(11)가 한 쌍의 가이드 레일(110, 110)의 사이에 걸쳐 가이드 레일(110, 110)의 상하로 이동(돌몰(突沒)) 가능하게 되어 있다.
시료대 도입실(104)은 상자형을 이루고, 상면의 원형의 도입구(104h)를 상덮개(104a)가 폐색하도록 되어 있다. 상덮개(104a)에는, 상하 방향으로 관통하는 상술의 덮개 착탈 로드(150)가 부착되어 있다. 또한, 상덮개(104a)는 나사에 의해, 시료대 도입실(104)의 상면에 착탈 가능하게 부착되어 있다.
또한, 시료대 도입실(104)의 후단에는, 전후방향으로 관통하는 후술의 반송 로드(반송 기구)(140)가 부착되어 있다.
또한, 도시는 생략하지만, 가이드 레일(110)과 교차하는 시료대 도입실(104)의 2개의 측면에는, 시료대 도입실(104)의 내부를 시인 가능한 투명 부재에 의한 창이 설치되어 있다.
다음에, 시료대(10)를 측정실(100)에 삽입하여 반송하는 방법에 대해 설명한다.
우선, 미리 시료 덮개(15)가 씌워지고, 시료(300)를 외기와 차단하여 밀폐한 시료대(10)를 준비한다. 다음에, 시료대 도입실(104)의 상덮개(104a)를 떼어내고, 도입구(104h)로부터, 시료대 도입실(104)의 내부에 시료대(10)를 삽입하고, 한 쌍의 가이드 레일(110, 110)의 사이에서 시료대(10)를 끼워 지지한다. 또한, 이때, 반송 로드(140)는 도입구(104h)보다 후측까지 인출되고, 시료대(10)와 간섭하지 않도록 되어 있다.
그리고, 도입구(104h)를 상덮개(104a)로 폐색하고, 측정실(100)의 내부 전체를 진공 펌프(120)로 진공 배기하고, 또한 필요에 따라서 분위기 가스 도입부(130)로부터 소정의 가스를 도입한다. 다음에, 덮개 착탈 로드(150)의 상단의 손잡이(150a)에 의해, 측정실(100)의 외부로부터 덮개 착탈 로드(150)를 조작하고, 덮개 착탈 로드(150)를 시료대 도입실(104)의 하방을 향해 진행시키고, 덮개 착탈 로드(150)의 선단의 수 컨넥터(150b)를 시료 덮개(15)의 바요넷 커넥터(15b)와 바요넷 결합한다. 이때, 측정실(100)의 내부의 압력은 시료 덮개(15)의 내측의 압력과 대략 동일하게 조정되어 있으므로, 덮개 착탈 로드(150)를 상방으로 당김으로써 시료 덮개(15)를 시료대(10)로부터 간단하게 떼어낼 수 있다.
다음에, 반송 로드(140)의 후단의 손잡이(140a)에 의해, 측정실(100)의 외부로부터 반송 로드(140)를 조작하고, 반송 로드(140)를 측정실(100)의 전방을 향해 진행시키고, 상술한 바와 같이 반송 로드(140)의 선단의 훅(140b)을 반송 걸어맞춤부(10a)에 걸어맞춘다(헐겁게 끼운다). 또한 반송 로드(140)를 측정실(100)의 전방을 향해 진행시키면, 시료대(10)가 가이드 레일(110) 위를 주행하고, 스토퍼(110s)에 맞닿아 소정 위치에서 걸린다. 이때, 시료대(10)는 3차원 이동 기구(11)의 바로 위에 위치하지만, 3차원 이동 기구(11)는 가이드 레일(110, 110)보다 하방으로 줄어들어 있고, 시료대(10)의 주행을 방해하지 않도록 되어 있다.
그리고, 이 상태로 조동 기구(12)를 상승시킴으로써, 조동 기구(12) 상에 접속된 3차원 이동 기구(11)도 상승시킨다. 이로 인해, 시료대(10)의 하면에 3차원 이동 기구(11)를 장착시키고, 레일 상으로부터 시료대(10)를 들어 올리게 함으로써, 주사 프로브 현미경(200)이 측정 가능해진다.
이와 같이, 시료대(10)가 소정 위치까지 반송된 후에, 조동 기구(12)를 통해 상승시킨 3차원 이동 기구(11)를 시료대(10)에 장착하면 되므로, 반송 도중에 시료대(10)가 3차원 이동 기구(11)에 부주의하게 접촉하는 일이 없고, 3차원 이동 기구(11)에 과도한 하중이 걸리는 것을 억제할 수 있다. 또, 시료대(10)를 가이드 레일(110, 110)로 소정 위치까지 반송하면, 3차원 이동 기구(11)와의 위치 맞춤이 완료하므로, 3차원 이동 기구(11)에의 시료대(10)의 장착이 용이해진다.
또한, 시료대(10)를 측정실(100)로부터 꺼내는 경우는, 상기와 반대의 순서로 행하면 된다.
본 발명은 상기 실시 형태로 한정되지 않고, 본 발명의 사상과 범위에 포함되는 여러가지 변형 및 균등물에 이르는 것은 당연하다.
1: 캔틸레버 10: 시료대
10a: 반송 걸어맞춤부 10b: 후면
10c, 10d: 걸어맞춤부 10f: 전면
11: 3차원 이동 기구 15: 시료 덮개
99: 탐침 100: 측정실
102: 주실 104: 시료대 도입실
104h: 도입구 110: 가이드 레일
140: 반송 기구 150: 덮개 착탈 기구
200: 주사 프로브 현미경 300: 시료
F: 주행 방향

Claims (5)

  1. 시료의 표면에 접촉 또는 근접시키는 탐침이 설치된 캔틸레버와, 상기 시료를 설치하는 시료대와, 상기 시료대를 3차원으로 이동시키는 3차원 이동 기구와, 외기와 차단 가능한 내부 공간을 갖는 측정실을 구비한 주사 프로브 현미경에 있어서,
    적어도 상기 캔틸레버와, 상기 시료대와, 상기 3차원 이동 기구가 상기 측정실의 내부에 수용되고,
    상기 측정실은, 상기 시료대를 도입하기 위한 도입구와, 상기 도입구로부터 도입된 상기 시료대를 상기 측정실의 내부의 소정 위치로 반송하기 위한 한 쌍의 가이드 레일을 구비하고,
    상기 시료대는, 상기 가이드 레일과 걸어 맞춰져 상기 가이드 레일 위를 주행 가능한 걸어맞춤부를 구비하고,
    상기 3차원 이동 기구는, 상기 소정 위치 근방에 배치되고, 상기 한 쌍의 가이드 레일의 사이에 걸쳐 상기 가이드 레일의 상하로 이동 가능하고,
    상기 소정 위치에 상기 시료대가 반송되면, 상기 3차원 이동 기구가 상기 가이드 레일의 아래로부터 상승하여 상기 시료대의 하면에 장착되고, 상기 주사 프로브 현미경을 측정 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 주사 프로브 현미경.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 시료대는, 상기 시료대의 주행 방향으로 이격한 전면과 후면을 갖는 반송 걸어맞춤부를 구비하고,
    상기 측정실은, 상기 측정실의 외부로부터 조작하여 상기 측정실의 내부를 상기 주행 방향을 따라 진퇴 가능하고, 또한 상기 반송 걸어맞춤부의 상기 후면과 상기 전면의 사이에 헐겁게 끼워지면서 걸어 맞춰져 상기 시료대를 반송하는 반송 기구를 갖는, 주사 프로브 현미경.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 3차원 이동 기구의 하방에 접속되고, 상기 3차원 이동 기구보다 상하로 많이 이동하는 조동(粗動) 기구를 구비하고,
    상기 3차원 이동 기구가 상기 조동 기구의 상하 이동에 의해 상기 가이드 레일에 대해서 상하로 이동 가능한, 주사 프로브 현미경.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시료대의 상면에 씌워져 상기 시료를 외기와 차단하여 밀폐하는 시료 덮개를 더 가지며,
    상기 측정실은, 상기 측정실의 외부로부터 조작하여 상기 측정실의 내부를 상하로 진퇴 가능하고, 또한 상기 시료 덮개에 바요넷 결합하여 상기 시료 덮개를 상기 측정실 내에서 착탈하는 덮개 착탈 기구를 갖는, 주사 프로브 현미경.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정실은, 상기 캔틸레버와 상기 시료대와 상기 3차원 이동 기구를 수용하는 주실(主室)과,
    상기 도입구를 가지면서 상기 주실보다 내용적이 작고, 상기 주실과 연통하는 시료대 도입실을 가지며,
    상기 가이드 레일은, 상기 시료대 도입실로부터 상기 주실을 향해 끊김없이 연장되는, 주사 프로브 현미경.
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