WO2006004064A1

WO2006004064A1 - 走査型プローブ顕微鏡システム

Info

Publication number: WO2006004064A1
Application number: PCT/JP2005/012249
Authority: WO
Inventors: Tatsuya Hattori; Pu Qian
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2007-01-02
Also published as: JP4346083B2; US20080017809A1; JP2006017638A; US7578853B2

Abstract

　複数の試料を自動的に処理し得る走査型プローブ顕微鏡システムを提供する。　中空探針３と、中空探針３の後端32に接続されたチューブ４と、中空探針３の下に設けられた支持台１と、支持台１に固定された基板２及び中空探針３の洗浄器５とを具備する走査型プローブ顕微鏡システムであって、試料Sがチューブ４及び中空探針３を通過し、基板２及び洗浄器５は支持台１によって動かされて、それぞれ中空探針３と対向する走査型プローブ顕微鏡システム。

Description

明細書

走査型プローブ顕微鏡システム技術分野

[0001] 本発明は走査型トンネル顕微鏡 (STM： Scanning Tunneling Microscope)、原子間力顕微鏡（AFM : Atomic Force Microscope)等の走査型プローブ顕微鏡（SPM : Scan ning Probe Microscope)を使用した顕微鏡システムに関し、特に複数の試料を自動的に処理できる走査型プローブ顕微鏡システムに関する。

背景技術

[0002] 走査型トンネル顕微鏡 (STM)は、探針と試料との間にバイアス電圧を印加し、そこに発生するトンネル電流を利用する装置である。トンネル電流の大きさは探針と試料との距離に反比例するので、例えばトンネル電流が一定となるようにこれらの距離を調節しながら試料を走査すると、その変位履歴力試料表面の微細な形状を認識することができる。走査型トンネル顕微鏡により原子スケールで表面の原子配列や構造を観察できるので、半導体デバイスの評価や、生体分子の観察等に使用されてきている。しカゝし走査型トンネル顕微鏡を用いて観察をするには、顕微鏡を測定可能な状態にセッティングしたり、劣化した探針を取り替えたりする非常に煩雑な作業を要するため、多数のサンプルを処理するのに適していない。このため研究用に使用されるに留まっており、産業的に繁用されるには至って!/、な!/、。

[0003] 特開 2003-254886号 (特許文献 1)には、カンチレバーの一端側に固定されたプローブの先端で観察試料の観察点を加熱して気化及び分解する手段、並びにプロ一ブ先端の開口からプローブ内及びカンチレバー内を通ってカンチレバーの他端側の開口まで連通するガス導路を備えた走査プローブ顕微鏡と、ガス導管を介して上記カンチレバー他端側開口からのガスを受け入れるガスクロマトグラフ質量分析器とから成るガスクロマトグラフ走査プローブ顕微鏡が記載されて、る。このガスクロマトダラフ走査プローブ顕微鏡を使用すると、観察試料を気化させ、得られたガスを採取して試料の組成を分析することができる。しカゝし一度分析を行うとプローブが汚染された状態になるので、プローブを取り外して洗浄しなければならない。このため複数の試料の分析を自動的に行うことはできな、。

[0004] 米国特許 5,166,520号 (特許文献 2)には、先細で中空の形状を有し、色々な技術分野で試料表面のスキャンに用いられらるプローブ顕微鏡用の探針が記載されている。中空探針は例えばカンチレバーの自由端部に設けられる。中空探針のキヤビティには試料表面との相互作用を考慮して選択された金属、半導体、電解液等が充填され、充填物はカンチレバー内に長手方向に延在する導電線に接続される。中空探針の頂点は予め決められた直径で開口しており、中空探針の充填物はリークする。しかし、中空探針力もリークさせ得るのは予めキヤビティ内に入れた充填物だけであり、所望の試料を連続的に供給しながら使用することはできない。

[0005] 走査型トンネル顕微鏡を用いると、探針を原子スケールで位置決めし、微細なパターンを描くこともできる。特開平 7-49352号 (特許文献 3)には、トンネル電流を検出する中空構造の探針と、前記探針の中に充填され、探針材料とは異なる材質の充填材料と、前記探針近傍に配置された加熱ヒータとを備えてなる走査型トンネル顕微鏡が記載されている。特許文献 3に記載の走査型トンネル顕微鏡によって微細パターンを描くには、走査型トンネル顕微鏡の機能によって原子を付着させた、位置までを探針を移動させ、探針に注入した異種材料を加熱ヒータによって融解又は軟ィヒして試料表面に付着させる。しかしこの顕微鏡によって連続的に試料に付着できるのは、予め充填した材料分だけであり、複数の材料で描くパターンには不向きである。特許文献 3には、探針に充填した「異種材料を選択的に融解あるいは軟化させる」と書かれているが、複数の材料を探針に充填しておいたとしても、そのうちの一種のみを選択的に融解又は軟ィ匕させるのは、非常に難しいと思われる。このため実際には、複数の材料でパターンを描くために探針に材料を充填し直したりしなければならず、非常に煩雑である。

[0006] 特許文献 1：特開 2003-254886号公報

特許文献 2：米国特許 5, 166,520号公報

特許文献 3：特開平 7-49352号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題 [0007] したがって、本発明の目的は、複数の試料を自動的に処理し得る走査型プローブ顕微鏡システムを提供することである。

課題を解決するための手段

[0008] 上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、走査型プローブ顕微鏡の探針として中空探針を使用し、その後端に接続したチューブから中空探針を通じて基板に試料を供給及び Z又は吸引するようにすると共に、チューブから洗浄液等を供給及び Z又は吸引することによって中空探針を洗浄すると、複数の試料を連続して処理できることを発見し、本発明に想到した。

[0009] すなわち、本発明の走査型プローブ顕微鏡システムは、基板と、前記基板の支持台と、前記支持台の上に支持された中空探針と、前記中空探針の後端に接続されたチューブと、前記中空探針の洗浄器とを具備し、前記試料が前記チューブ及び前記中空探針を通過し、前記基板及び前記洗浄器は前記支持台によって動かされて、それぞれ前記中空探針と対向することを特徴とする。

[0010] 前記中空探針の再生用の基板が前記支持台上に設けられており、前記中空探針から前記再生用基板に放電されるのが好ましい。前記チューブ及び前記中空探針を通過して前記試料が前記基板に供給されるカゝ、前記基板に入れられた試料が吸引されて前記チューブ及び前記中空探針を通過するのが好ましい。前記支持台が回転することにより、前記基板又は前記洗浄器が前記中空探針と対向するのが好ましい。前記チューブの後端に多方コックが接続されており、前記基板に供給又は前記基板から吸引される試料が前記多方コックによって切り替えられるのが好ましい。

[0011] 前記中空探針の先端は電解研磨、電解研削、化学研磨及び機械研磨のうち少なくとも一つの方法によって研磨されているのが好ましい。前記中空探針は注射針であるのが好ましい。

発明の効果

[0012] 本発明の走査型プローブ顕微鏡システムにより、複数種のサンプルを自動的に分祈したり、複数種の材料を使って所望のパターンを描いたりすることができる。中空探針はカンチレバーに装着した状態で洗浄可能であるので、連続使用してもサンプルのコンタミネーシヨンが起こらな、。また好まし、走査型プローブ顕微鏡システムにおいては、中空探針の再生もカンチレバーに装着した状態で行うことができるので、中空探針の劣化によって観察不能になったりするおそれも無い。

[0013] 複数種のサンプルを自動的に処理し得る走査型プローブ顕微鏡システムは、クロマトグラフィ一等によって分離した複数の成分をそれぞれ観察し、各成分の立体構造及び Z又は絶対配置を決定するのに好適である。またサンプルを供給した後で即座に観察できるので、複数の化学種の反応を追跡できる。これらの分析を簡単に実現し得る本発明の走査型プローブ顕微鏡システムは、化学や製薬の分野で非常に有用である。さらに、基板加工用の材料を連続的に供給しながら、中空探針をプロダラム通り走査することにより、ナノカ卩ェペンとして使用することもできる。

図面の簡単な説明

[0014] [図 1]本発明の走査型プローブ顕微鏡システムの一例を示す斜視図である。

[図 2]カンチレバーに支持された中空探針の一例を示す断面図である。

[図 3]走査型プローブ顕微鏡システムの使用方法を概略的に示す図であり、 (a)は基板の窪みの一つに試料を供給する様子を示し、 (b)は窪みの底に接近させた中空探針を示し、 (c)は中空探針を洗浄する様子を示し、 (d)は別の窪みに試料を供給する様子を示し、 (e)は中空探針から再生用基板に放電する様子を示す。

[図 4]本発明の走査型プローブ顕微鏡システムの別の例を示す斜視図である。

[図 5]試料、非相溶性液及び洗浄液を充填したチューブを示す断面図である。

[図 6]本発明の走査型プローブ顕微鏡システムのさらに別の例を示す斜視図である。

[図 7]カンチレバーに支持された中空探針の別の例を示す断面図である。

[図 8]本発明の走査型プローブ顕微鏡システムのさらに別の例を示す斜視図である。

[図 9]分析装置に接続した走査型プローブ顕微鏡システムの例を示す斜視図である

[図 10]グラフアイト板のトンネル顕微鏡写真である。

[図 11]ポリア二リン線のトンネル顕微鏡写真である。

[図 12]ポリア二リン線の別のトンネル顕微鏡写真である。

発明を実施するための最良の形態

[0015] 図 1は、本発明の走査型プローブ顕微鏡システムの一例を示す。図 1に示すシステムは回転軸 11を有する支持台 1と、支持台 1に載置された基板装置 2と、支持台 1の上に、支持台 1に垂直に支持された中空探針 3と、中空探針 3に連通する供給チューブ 4と、支持台 1上に設けられた洗浄容器 5及び再生用基板 6とを具備する。

[0016] 支持台 1は回転軸 11と、回転軸 11の上端に水平を維持したまま回転するように取り付けられた天板 12とからなる。支持台 1は走査型プローブ顕微鏡システムの駆動装置（図示せず)からの命令によって所定の角度だけ回転する。

[0017] 基板装置 2は、複数の窪み 211を有する板状の基板 21と、基板 21を支持するステージ 22とからなる。窪み 211には、それぞれ測定すべき試料 Sが入れられる。基板 21は導電性を有し、試料 Sを入れた状態で中空探針 3から放電されるのが好ましい。基板 21はカーボングラファイト、シリコーン、雲母、二硫化モリブデン、石英、ガラス、白金、金、銀、銅、ニッケル等力なるが好ましい。ステージ 22は圧電素子（図示せず)を内蔵しており、基板 21を三次元方向に微動させる。基板 21の動きはナノメートルオーダ一で制御可能である。ステージ 22はネジ止め等によって天板 12に固定されている。ステージ 22の配線 221は天板 12に設けられた穴部 121を通って、システム駆動装置に接続されている。

[0018] 中空探針 3は、カンチレバー 33の自由端付近に取り付けられている。カンチレバー 3 3の固定端はカンチレバー移動装置 30の下端に取り付けられている。カンチレバー 33 は、モータによって二軸方向すなわち天板 12の中心を通る水平軸と、それに垂直な軸に沿って動くのが好ましい。カンチレバー移動装置 30により、各窪み 211の間で中空探針 3を移動させたり、中空探針 3と試料 Sとを接近させたりすることができる。また洗浄容器 5や再生用基板 6が支持台 1の回転によってカンチレバー 33の下に移動した際に、中空探針 3をこれらに接近させることができる。

[0019] 図 1及び 2に示すように、中空探針 3は電極 35に挟まれている。このため中空探針 3 の側面に電極 35が接触しており、中空探針 3は通電可能になっている。図 2に示すように、カンチレバー 33は探針穴 330を有している。探針穴 330の上側の約半分程度は径大部となっており、円柱状の勘合部材 34が嵌められている。勘合部材 34はシリコーン等力なるのが好ましい。中空探針 3は勘合部材 34の中心に嵌められており、探針穴 330を貫通している。 [0020] 中空探針 3は電解研磨、電解研削、化学研磨及び機械研磨のうち少なくとも一つの方法によって研磨されているのが好ましい。これらのうち少なくとも一つにより研磨された中空探針 3は突起を有しており、電圧の印加により lnm程度離れた基板 21との間にトンネル電流を発生させ得る。試料 Sの濃度、粘度等にも拠るが、中空探針 3の内径は 0.01〜0.1 mm程度であるのが好ましぐ外径は 0.1〜lmm程度であるのが好ましい。市販の注射針を電解研磨したものは、中空探針 3として好適である。

[0021] 中空探針 3の後端部 32は、供給チューブ 4の先端部 41に嵌められている。供給チューブ 4の後端 42は多方コック 43に接続されている。多方コック 43は一端側に一つの出入口を有し、他端側に複数の出入口を有している。多方コック 43の一端側（又は他端側）を回転させることにより、多方コック 43の内部で一つの出入口が複数の出入口の V、ずれかに連結して、る状態か、 V、ずれにも連結して、な、状態かの切り替えをすることができる。試料 Sを汚染することなく切り替え可能である限り、多方コック 43の構造は特に限定されない。例えば三方コックでも良いし、マ-ホールドでも良いが、マ- ホールドの場合は、試料 Sの切り替え毎に内部を洗浄できるようになつているのが好ましい。供給チューブ 4の後端 42は一端側に接続されており、他端側には複数のチューブ 45が接続されている。多方コック 43はシステム駆動装置からの命令によって、切り替えられる。

[0022] 洗浄容器 5は廃液出口 51を有しており、廃液出口 51には廃液チューブ 52が取り付けられている。中空探針 3から洗浄容器 5に入れられた洗浄液の液面が所定の高さになると、廃液出口 51に設けられた弁（図示せず）が開いて廃液を排出する。

[0023] 再生用基板 6は、天板 12に固定された台 61の上に取り付けられている。再生用基板 6は導電性を有する材質力なる。再生用基板 6には、アース線 62が取り付けられている。再生用基板 6の材質は基板 21と同じでも良いし、異なっても良い。

[0024] 図 1に示す走査型プローブ顕微鏡システムを用いると、液体クロマトグラフィー、ガスクロマトグラフィー、イオンクロマトグラフィー及びゲルパーミエーシヨンクロマトグラフィ一等によって分離された成分を効率よく観察することができる。液体クロマトグラフィ一を例にとって、このシステムを用いた顕微鏡観察を説明する。図 3(a)に示すように、カンチレバー移動装置 30を駆動させてカンチレバー 33を動かし、中空探針 3を基板 2 1の窪み 211の一つに対向させる。液体クロマトグラフィーによって分離された流分のうち、所定の大きさ以上のピークを示すもの Sは、供給チューブ 4及び中空探針 3を

1

通って窪み 211に入る。所定の大きさ以上のピークを示す流分が複数ある場合、各流分 (S 、 S、 · · は別のチューブ 45に入り、システム駆動装置の命令によって多方コッ

2 3

ク 43が切り替わるまで、多方コック 43の手前、つまり液体クロマトグラフィー側に留まる

[0025] 図 3(b)に示すように、ステージ 22によって基板 21を動かし、中空探針 3との距離を微調整する。中空探針 3の先端 31と窪み 211の底との距離 dを数應 (例えば 1應）にして電極 35から中空探針 3にバイアス電圧を印加すると、中空探針 3と基板 21との間にトンネル電流が流れる。ステージ 22によって平面方向に基板 21を走査しながらバイァス電流を印加し、発生したトンネル電流の値を測定し、常に一定の電流値になるように基板 21の高さを制御する。基板 21の変位履歴から、試料 Sの表面の画像が得られる。

[0026] 顕微鏡観察の後、カンチレバー移動装置 30によって中空探針 3を上げ、中空探針 3が洗浄容器 5に対向するように支持台 1を回転させる。カンチレバー移動装置 30によって中空探針 3の位置を調節した後、供給チューブ 4から洗浄液 Wを流す。供給チユーブ 4を通って中空探針 3から流出した洗浄液 Wは、洗浄容器 5に入る（図 3(c) )。弁を開けた状態で中空探針 3及び供給チューブ 4の内面を十分に洗浄した後、弁を閉じて洗浄液 Wを洗浄容器 5に溜め、カンチレバー移動装置 30によって洗浄液 Wに中空探針 3を浸漬しても良い。洗浄液 Wに中空探針 3を浸漬することにより、中空探針 3の外面を洗浄できる。中空探針 3及び供給チューブ 4を十分に洗浄すると、別の試料の供給及び顕微鏡観察を行える状態になる。

[0027] 次の試料 Sを顕微鏡観察するには、図 3(d)に示すように、支持台 1を回転させると

2

共にカンチレバー 33を動かし、未使用の窪み 211'に中空探針 3を対向させる。クロマトグラフィ一によつて分離された流分 Sは多方コック 43の手前に留まっているので、多

2

方コック 43を切り替えて、供給チューブ 4に Sの入ったチューブ 45を連結させる。多方

2

コック 43の切り替えにより、チューブ 45内に留まっていた流分 Sは供給チューブ 4を通

2

つて未使用の窪み 211'に入る。流分 Sの顕微鏡観察も上述のように行うことができる。 [0028] 顕微鏡観察を繰り返し行ううちに中空探針 3は磨耗するので、研磨する必要が生じる。中空探針 3を研磨するには、支持台 1を回転させて中空探針 3を再生用基板 6に対向させ、中空探針 3から再生用基板 6に放電する。放電により中空探針 3の先端が粗くなり、突起が生じる。突起が生じることによって、そこからトンネル電流を発生可能になる。中空探針 3の先端 31と再生用基板 6との距離を 0.1 5 にして、— 10 10 Vの電圧を印加するのが好ましい。 10 100回の顕微鏡観察毎に研磨を行うように、予めプログラムしておくのが好ましい。

[0029] 図 4に示す走査型プローブ顕微鏡システムは、供給チューブ 4の後端に二方コック 46が接続されている以外、図 1に示す例とほぼ同じであるので、相違点のみ以下に説明する。供給チューブ 4には、図 5に示すように、チューブ 45内には中空探針 3側から順に第一の試料 S、非相溶性液 U、洗浄液 W、非相溶性液 U、第二の試料 S、非

1 2 相溶性液 u、洗浄液 Wが入れられている。非相溶性液 Uは第一及び第二の試料 S , S

1 と殆んど混ざり合わない。洗浄液 Wは各試料 S , Sに対して大きな溶解性を有してお

2 1 2

り、洗浄液 Wが通過すると、供給チューブ 4の内面に付着していた各試料 S , Sは除

1 2 去される。

[0030] 第一の試料 Sを窪み 211に入れて顕微鏡観察した後、二方コック 46を閉じ、カンチ

1

レバー移動装置 30により中空探針 3を上昇させ、支持台 1を回転させて中空探針 3を洗浄容器 5に対向させる。二方コック 46を開くと、供給チューブ 4から非相溶性液 U 洗浄液 W及び非相溶性液 Uがこの順に流れ、洗浄容器 5に入る。洗浄液 Wにより、供給チューブ 4及び中空探針 3の内面が洗浄される。

[0031] 第二の試料 Sが流出し始めた直後に二方コック 46を閉じ、支持台 1を回転させた上

2

でカンチレバー移動装置 30によって中空探針 3の位置を調節し、未使用の窪み 211 ' に中空探針 3を対向させる。この状態で二方コック 46を開き、第二の試料 Sを供給す

2 る。このように、供給チューブ 4に試料 S , S、非相溶性液 U及び洗浄液 Wを上述の順

1 2

番で入れておくと、コンタミネーシヨンを起こすことなく試料 S Sをそれぞれ窪み 211

1 2

211'に供給し、顕微鏡観察を行うことができる。

[0032] 図 1及び 4に示す走査型プローブ顕微鏡システムの別の使用例を説明する。まず窪み 211に第一の試薬 Sを供給して顕微鏡観察した後、中空探針 3を洗浄する。第一の試薬 Sに対して反応性を有する第二の試薬 Sを試薬 Sと同じ窪み 211に供給し、

1 2 1

中空探針 3により顕微鏡観察する。中空探針 3を基板 21に接近させて試薬 Sを供給

2 すると、供給した後即座に試薬 Sと試薬 Sとの反応を観察することができる。

1 2

[0033] 図 6は、本発明の走査型プローブ顕微鏡システムのさらに別の例を示す。図 6に示す走査型プローブ顕微鏡システムは、長方形の天板 71を有するスライド台 7と、スライド台 7上に固定された洗浄容器 5、基板装置 2及び再生用基板 6とを具備する。洗浄容器 5、基板装置 2及び再生用基板 6は天板 71の長手方向にこの順で並べられて!/ヽる。

[0034] スライド台 7は天板 71と、天板 71を支持する一対の脚 72, 72からなる。脚 72, 72は板状であり、脚 72, 72の下端はそれぞれレール（図示せず）に嵌められている。スライド台 7は、駆動装置からの命令によって長手方向に水平移動する。

[0035] 基板装置 2は天板 71に固定されている。基板装置 2のステージ 22は、基板 21を水平面 (xy平面)で微動させる。ステージ 22の微動により、基板 21に対する中空探針 3の相対的な位置が変化する。基板 21に対する中空探針 3の軌跡が所望のパターンになるように、ステージ 22の動きはプログラムされて!/、る。

[0036] 中空探針 3はカンチレバー 33の自由端付近に垂直に取り付けられており、カンチレバー 33は垂直微動装置 36の下端に取り付けられている。垂直微動装置 36は圧電素子を内蔵しており、システム駆動装置力の命令によってカンチレバー 33を垂直方向 (z軸方向）に微動させる。カンチレバー 33が微動すると、カンチレバー 33に取り付けられた中空探針 3も同じだけ微動する。

[0037] 垂直微動装置 36はカンチレバー移動装置 30に取り付けられている。カンチレバー移動装置 30は、モータによって駆動する。垂直微動装置 36とそれに取り付けられた力ンチレバー 33はカンチレバー移動装置 30によって垂直方向に比較的大きく動く。つまりカンチレバー 33に取り付けられた中空探針 3は、垂直微動装置 36によって垂直方向にナノメートルオーダーで微動し、カンチレバー移動装置 30によって垂直方向にミリメートルオーダー又はセンチメートルオーダーで動くようになつているのが好ましい

[0038] 図 7に示すように、中空探針 3は径大部 3aと、径大部 3aから下に延在する径小部 3b と力もなる。径小部 3bはカンチレバー 33の探針穴 330に接着剤 Aによって固定されている。カンチレバー 33の上に板状電極 350が載置されており、板状電極 350に設けられた穴が探針穴 330に係合して、る。径大部 3aの下端は板状電極 350の上面に接触しており、中空探針 3は通電可能である。

[0039] 供給チューブ 4の先端部 41は中空探針 3の径大部 3aに嵌められており、後端 42は多方コック 43に接続されている。多方コック 43の多方側には複数のチューブ 45が接続されており、各チューブ 45にはパターンを描くための材料 M、 M · · ·がそれぞれ充

1 2

填されている。多方コック 43の切り替えにより、複数のチューブ 45のうちの一つが供給チューブ 4に連結する。

[0040] 中空探針 3が基板 21の上にある状態で、カンチレバー移動装置 30を作動させ、中空探針 3を基板 21に接近させる。ステージ 22及び垂直微動装置 36によって基板 21を中空探針 3に対して位置決めした後で多方コック 43を開き、中空探針 3から第一の材料 Mを流出させながら基板 21及び中空探針 3をそれぞれ走査する。走査により基板

1

21に第一の材料 M力もなるパターンが描かれる。

1

[0041] 中空探針 3に供給する材料 Mを材料 Mに切り替える前に、中空探針 3の洗浄を行

1 2

う。具体的にはスライド台 7を動力して洗浄容器 5が中空探針 3の直下に来るようにし、洗浄容器 5及び洗浄液を使用して中空探針 3を洗浄する。その後、スライド台 7を逆に動力して基板 21が中空探針 3の直下に来るようにすると、材料 Mと材料 Mとが混ざ

1 2 り合うことなくパターンを描くことができる。

[0042] 中空探針 3が磨耗した時は、再生用基板 6が中空探針 3の直下に来るようにスライド台 7を動かし、中空探針 3から再生用基板 6に放電して中空探針 3を再生する。このシステムを使用することにより、複数の材料 M、 M · · 'からなるナノメートルスケールの

1 2

パターンを描くことができる。

[0043] 図 8は、本発明の走査型プローブ顕微鏡システムのさらに別の例を示す。図 7に示す例は、複数の小基板 8と、洗浄容器 5と、再生用基板 6とが支持台 1上に同心円状に固定されている以外、図 1に示す例とほぼ同じであるので、相違点のみ以下に説明する。各小基板 8はそれぞれ窪み 81を有する。各小基板 8、洗浄容器 5及び再生用基板 6は天板 12に設けられた窪み 121にそれぞれ嵌められており、支持台 1が回転しても滑らな、ようになって、る。

[0044] 支持台 1はモータ駆動で回転するほか、回転軸 11の伸縮によってミリメートルォーダー又はセンチメートルオーダーで上下に動く。カンチレバー 33は三次元微動装置 3 7の下端に接続されているので、カンチレバー 33とそれに取り付けられた中空探針 3とは三次元方向にナノメートルオーダーで動く。

[0045] 回転軸 11の回転及び伸縮によって小基板 8の一つに中空探針 3を対向させた後、中空探針 3と窪み 81の底との距離が数ナノメートルになるように、三次元微動装置 37 によってこれらを接近させる。中空探針 3から窪み 81に試料 Sを供給し、板状電極 350 から中空探針 3に通電し、発生するトンネル電流を測定しながら三次元微動装置 37 によって中空探針 3を走査する。試料 Sの切り替え、又は中空探針 3の洗浄若しくは再生を行うには、回転軸 11を回転させて洗浄容器 5又は再生用基板 6に中空探針 3 を対向させる。図 8に示す走査型プローブ顕微鏡システムにおいては、顕微鏡観察中は中空探針 3がナノメートルオーダーで動き、試料 Sの切り替え又は中空探針 3の洗浄若しくは再生の際には支持台 1がミリメートル以上のオーダーで動く。

[0046] 図 9は、分析装置 90に接続した走査型プローブ顕微鏡システムの一例を示す。図 9 に示す走査型プローブ顕微鏡システムは、多方コック 43の複数の出入口側に分析装置 90が接続されている以外、図 1に示す例とほぼ同じであるので、相違点のみ以下に説明する。分析装置 90に接続されたチューブ 45は、窪み 211に入れられた試料 Sを分析装置 90によって吸引するのに用いられる。その他のチューブからは試料 Sが供給されるようになっている。分析装置 90の具体例として質量分析装置、クロマトグラフ装置、赤外線吸収スペクトル装置及び可視紫外線吸収スペクトル装置が挙げられる。

[0047] 多方コック 43を調節して中空探針 3から窪み 211の一つに試料 Sを供給し、ステージ 22によって基板 21を微動させることにより、窪み 211の一つに入れられた試料 Sの表面をスキャンする。試料 Sのうち精査すべき位置で中空探針 3を停止させ、多方コック 43 を切り替え、分析装置 90を稼動させる。中空探針 3が分析装置 90に接続された状態で分析装置 90の内部が減圧にされると、試料 Sの一部 pはチューブ 4を通って分析装

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置 90に引き込まれる。分析装置 90に引き込まれるのは、試料 Sのうち中空探針 3にごく近い部分 Pである。このため、このシステムを使用すると、試料 Sの表面を観察した

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上で所望の部分の組成等を簡単に調べることができる。試料 Sの一部 pを分析した後

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は、洗浄容器 5に入れられた洗浄液 Wを吸引することによって中空探針 3及びチューブ 4を洗浄する。

[0048] 以上、走査型トンネル顕微鏡システムを例にとって本発明のシステムを説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明のシステムに使用する顕微鏡は、探針と試料とを相対的に動力しながら走査するタイプの顕微鏡であれば良い。すなわち走査型トンネル顕微鏡システムの他、走査型原子間力顕微鏡、走査型近接場顕微鏡、走查型電気化学顕微鏡等を用いた走査型プローブ顕微鏡システムも本発明の範疇である。

実施例

[0049] 本発明を以下の実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

[0050] 実施例 1

ステンレス管（外径 0.3 mm、内径 0.1 mm、長さ 20 mm)の先端 lmmを塩酸（濃度 1M ) 200 mLに浸漬させ、 15 Vの交流電圧を印加することによって電界研磨し、中空探針を得た。この中空探針を走査型トンネル顕微鏡（日本電子株式会社製、 JSPM-4200) に装着し、図 1に示す走査型プローブ顕微鏡システムを組立てた。基板 21としては、内径 3mm、深さ 0.5 mmの窪みを有する高配向性黒鉛板を使用した。洗浄容器 5にはテトラヒドロフランを入れた。

[0051] 中空探針 3を基板 21の窪み 211を対向させ、電極 35力電圧を印加しながらスキヤンしたところ、グラフアイトの原子像が観察された。黒鉛板のトンネル顕微鏡写真を図 10に示す。観察された原子像は、走査型トンネル顕微鏡用の一般的な探針（白金、タングステン等力もなる中空でない探針)を使用して観察した像と相違な力つた。

[0052] ポリア-リン (ェメラルジン塩基、シグマアルドリッチ社製）のテトラヒドロフラン溶液 ( 濃度 0.01 mgZmL)を中空探針 3から窪み 211に供給しながら中空探針 3を掃引した後、ポリア-リン溶液の供給を停止し、そのままトンネル顕微鏡観察をした。ポリア-リン溶液のトンネル顕微鏡写真を図 11に示す。ポリア-リンが黒鉛板に吸着及び Z又は堆積し、導電性高分子の線が形成していた。導電性高分子線の幅は約 50 應であり、高さは約 10 應であった。顕微鏡観察後、洗浄容器 5に入れられたテトラヒドロフランに中空探針 3を浸漬し、引き上げた。

[0053] 実施例 2

実施例 1で使用及び洗浄した中空探針 3に、濃度 0.001 mgZmLのポリア-リン溶液を供給した以外実施例 1と同様にして、窪み 211内で中空探針 3を掃引した。掃引終了後、そのままトンネル顕微鏡観察を行った。ポリア-リン溶液のトンネル顕微鏡写真を図 12に示す。 0.001 mg/mLという低濃度のポリア-リン溶液を使用した場合も、ポリア-リンが黒船板に吸着及び Z又は堆積し、導電性高分子の線が形成して、た。導電性高分子線の幅は約 20 nmであり、高さは約 5nmであった。

[0054] 中空探針 3が劣化したので、支持台 1を回転させて中空探針 3を再生用基板 6に対向させ、中空探針 3の先端と再生用基板 6との距離を約 1應にして中空探針 3に 3〜 10 Vの電圧を 10秒間印加した。中空探針 3を導電性高分子線に再び対向させてトンネル顕微鏡観察を行ったところ、劣化前と同様に鮮明な分子列の像を見ることができ

Claims

請求の範囲

[1] 基板と、前記基板の支持台と、前記支持台の上に支持された中空探針と、前記中空探針の上端に接続されたチューブと、前記中空探針の洗浄器とを具備する走査型プローブ顕微鏡システムであって、試料は前記チューブ及び前記中空探針を通過し

、前記基板及び前記洗浄器は前記支持台によって動かされて、前記中空探針の下端の下に位置することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。

[2] 請求項 1に記載の走査型プローブ顕微鏡システムにお、て、前記中空探針の再生用の基板を有し、前記再生用基板は前記支持台上に設けられており、前記中空探針から前記再生用基板に放電されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。

[3] 請求項 1又は 2に記載の走査型プローブ顕微鏡システムにおいて、前記試料は前記チューブ及び前記中空探針を通過して前記基板に供給されることを特徴とする走查型プローブ顕微鏡システム。

[4] 請求項 1〜3のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡システムにおいて、前記基板に入れられた試料が吸引されて前記チューブ及び前記中空探針を通過することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。

[5] 請求項 1〜4のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡システムにおいて、前記チューブの後端に多方コックが接続されており、前記基板に供給又は前記基板から吸引される試料が前記多方コックによって切り替えられることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。

[6] 請求項 1〜5のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡システムにおいて、前記中空探針の先端が電解研磨、電解研削、化学研磨及び機械研磨のうちの少なくとも一つの方法によって研磨されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。

[7] 請求項 1〜6のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡システムにおいて、前記中空探針が注射針であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。