(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料とこれに対向配置したプローブの探針とを近接させ、探針又は試料を走査することにより、探針と試料表面との間の相互作用によって生じる物理量を検出して試料表面の形状を原子レベルの分解能で測定する走査型プローブ顕微鏡において、この走査型プローブ顕微鏡が、
探針を有した多数のプローブを収容したカセットを載置するカセット台と、
前記プローブを機械的に保持するプローブ保持機構と、
前記カセットの底部を貫通して、前記カセット内に収容されたプローブを下から持ち上げて前記プローブ保持機構へと移動させる昇降手段であって、前記カセット内に収容できるプローブと同じ数だけ設けた前記昇降手段を有しているプローブ供給機構と、
を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記昇降手段が、前記プローブを載置して昇降する押し上げ棒と、前記押し上げ棒を下方に付勢しているスプリングと、前記押し上げ棒に一端側で連結し、前記押し上げ棒を前記スプリングに抗して押し上げる、前記カセット台に揺動可能に軸支されたテコ部材と、前記テコ部材に他端側で作用する押し棒とより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記プローブ保持機構が、その下降によって前記押し棒に当接して、これを押し下げるように作用する押圧部材を備えていることを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記カセットが、前記プローブを案内して位置付けする傾斜部及び止め部とを有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記カセット台に、前記プローブの交換等によって生じるゴミを取り除くマグネットを設置していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記プローブ保持機構が、前記カセット内のプローブの有無を検知するセンサを備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡に関し、特にそのプローブ供給機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡は、試料とこれに対向配置した探針とを近接させて、探針又は試料を走査することにより、探針と試料表面との間の相互作用で生じる物理量を検出して試料表面の形状を原子レベルの分解能で測定するもので、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）がこれに該当する。
走査型トンネル顕微鏡は、試料とこれに対向配置した探針との間に電圧を印加し、両者間に流れるトンネル電流が一定になるように探針又は試料を走査することで、試料表面の形状を原子レベルの分解能で観察するものである。しかしながら、走査型トンネル顕微鏡は、トンネル電流を検知するため観察可能な試料としては導電性のものに限られてしまい、絶縁性の試料は観察することができなかった。
【０００３】
これに対し原子間力顕微鏡は、カンチレバー等によって支持される探針を試料表面に近付けることによって、探針先端の原子と試料表面の原子との間に生じる微小な原子間力を測定し、上記原子間力が探針と試料との距離によって一義的に定まるという性質を利用し、試料表面に沿って走査しながらその原子間力が一定となるように探針と試料との間の距離を調整して、探針又は試料の高さ方向の軌跡により試料表面の凹凸形状を測定するものである。
【０００４】
このような走査型プローブ顕微鏡の性能は探針の微妙な形状に敏感に影響される一方で、探針が試料面内を走査することにより探針の破損や摩耗が生じ、この探針、主に先端形状の変形は測定精度に多大な悪影響を及ぼし、装置の信頼性及び分解能に問題を生じる。そのため探針が劣化する前に交換する必要がある。その場合、探針を支持するカンチレバーを取り付けたプローブごとに交換することが行われている。
【０００５】
この場合、複数のプローブを収容したカセットをステージ上に設置して、プローブ保持機構がこのカセット上に移動して、カセット内の所定のプローブと交換するようにしている。カセット内のプローブをプローブ保持機構に移すのにプローブ供給機構が用いられる。このようなプローブの交換機構として、特開平１１−２１１７３４号公報及び特開平１０−２６７９４８号公報によるものが、従来公知である。
特開平１１−２１１７３４号公報に記載のものは、磁力を利用してプローブの交換を行うマグネット方式の交換機構であり、ステージベース上にカセットに相当する搭載ブロックベースが設けられ、多数のプローブがこの搭載ブロックベース内に配置された電磁石により保持されており、プローブの交換の際に所定のプローブ上に移動してくるプローブ保持機構との間で磁力を調整することで、プローブを搭載ブロックベースからプローブ保持機構に移載して、保持するようにしている。しかしながら、このようなマグネット方式の場合には、搭載ブロックベースとプローブ保持機構との間で磁力を調整する必要があり、また磁力がプローブに悪影響を及ぼす恐れがある。またこのマグネット方式では、プローブの位置決め精度を高精度に行うことができず、交換後に光学系を用いて微調整を行う必要があり、スループットの向上が望めなかった。
【０００６】
また特開平１０−２６７９４８号公報に記載のものは、ステージ上にセットされた複数のプローブを、真空吸着式又はマグネット保持式のプローブ保持機構に移載するのに、アクチュエータによって所定のプローブを持ち上げて、プローブ保持機構にこのプローブを保持させるようにしている。
しかしながら、この従来の装置も、アクチュエータを駆動するための駆動装置が必要であり、プローブの供給機構が大がかりになり、小型化できない。またこの従来の装置においても、プローブの位置決め精度を高精度に行うことができず、交換後に光学系を用いて微調整を行う必要があり、スループットの向上が望めなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その目的は、アクチエータを使用することなくプローブを供給でき、かつプローブ間のピッチ間隔を狭く配置することができて、小型化したプローブ供給機構を備えた走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
また、磁力による悪影響を排除したプローブ供給機構を備えた走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の走査型プローブ顕微鏡を提供する。
請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡は、カセット台上に載置された多数のプローブを収容したカセットから、所定のプローブをカセット底部から持ち上げてプローブ保持機構へと移動させる昇降手段を、カセット内に収容できるプローブと同じ数だけ設けたプローブ供給機構を具備したものであり、電磁力を使用することなくプローブの交換を可能とすると共に、多数のプローブをピッチ間隔を狭くして配置でき、小型化とプローブの交換効率を上げることができる。
請求項２の該顕微鏡は、プローブの昇降手段を具体化したものであり、請求項１の該顕微鏡と同様の作用効果を奏するものである。
【０００９】
請求項３の該顕微鏡は、プローブ保持機構が、プローブ供給機構の押し棒に作用する押圧部材を備えるようにしたものであり、別に駆動装置を設けることなく単にプローブ保持機構を上昇降下させるだけで、プローブ供給機構を駆動できるようにしたものである。
請求項４の該顕微鏡は、カセットがプローブを案内し位置付けする傾斜部及び止め部とを有するようにしたものであり、プローブ保持機構及びプローブ供給機構に多少の位置ずれがあっても、プローブを案内して精確にカセット内の所定の位置に位置付けすることができる。
【００１０】
請求項５の該顕微鏡は、カセット台にマグネットを設けたものであり、プローブの交換等によって生じ、プローブに付着したゴミを取り除くことができるようにしている。
請求項６の該顕微鏡は、カセット内のプローブの有無を検知するセンサをプローブ保持機構に設けたものであり、使用後のプローブをカセット内の空き個所に収容する際の空き個所の検知に好便である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡について説明する。図１は、本発明の走査型プローブ顕微鏡が備えているプローブの供給部分の縦断面図であり、図２は、その平面図を示している。図１において、Ａはプローブのストック部であり、Ｂはプローブ供給機構であり、Ｃはプローブ保持機構であり、Ｄは顕微鏡の対物レンズ部である。ストック部Ａは、プローブ顕微鏡のステージベース１に固定されたカセット台２と、このカセット台２上に載置されるカセット３と、このカセット３をガイドする、カセット台２に取り付けられた上下のガイド体４とより構成されている。このカセット台２は、ステージベース１に対してやや傾斜して取り付けられている。ガイド体４には、カセット３を押し当て固定するためのボールプランジャ５が設けられており、カセット側面に設けられた凹部によってカセット３を位置決め固定する。このボールプランジャ５のばね力によって位置決め固定する方式のため、容易にカセット３をガイド体４に沿って摺動させて取り出し、他のカセット３と交換することができる。
【００１２】
カセット３には、この実施例では１１個のプローブ６が収容されるように凹部３ａが形成されている。但し、実際は１０個の新しいプローブ６を収容しておき、１個は空きの状態にしておき、使用後のプローブ６を収められるようにしている。この凹部３ａの一方の側は、プローブ６を所定の位置に案内し位置決めするために傾斜部３ｂが形成されており、傾斜部３ｂと反対の側は、プローブ６のカンチレバー６１及び探針６２がカセット３の面に接触しないように、１１個の一段と深い部分３Ｃが形成されている。更にカセット３の凹部３ａには、後述するプローブ供給機構Ｂの押し上げ棒１３を上下動できるようにするために、１１個の貫通孔３ｄが穿設されている。また、カセット３の凹部３ａには、プローブ６がこの凹部３ａに傾斜して収容されたときの位置決めのために、プローブ６の肩部６ａが当接する止め部３ｅが、それぞれのプローブの収容個所に形成されている。
【００１３】
カセット台２にも、カセット３の１１個の貫通孔３ｄに対応してそのほぼ中央部に、後述するプローブ供給機構Ｂの押し上げ棒１３を上下動できるようにするために、窪み部２ａとこれに接続した貫通穴２ｂが１１個形成されている。また、カセット台２の一方の側部には、後述のプローブ供給機構Ｂの押し棒を緩く貫挿するための貫通した孔部２ｃが同じく１１個形成されている。なお、図２に示されるカセット台２が斜めに切り欠かれている部分２ｄは、単に逃げ部を形成しているにすぎない。また、カセット台２にプローブの交換等によって発生し、プローブに付着したゴミを取り除くためのマグネット７を設置してもよい。また、貫通穴２ｂには、押し上げ棒１３を案内するガイド１７が嵌合されている。
【００１４】
プローブ供給機構Ｂは、それぞれのプローブに対応して１１個のプローブの昇降手段を有しており、各昇降手段は基本的に押し棒１１、テコ部材１２、押し上げ棒１３及びスプリング１４，１４′とから構成されている。各押し棒１１は、カセット台２の孔部２ｃを貫挿してテコ部材１２の一方の側部に当接していて、プローブ保持機構Ｃの押圧部材２３の下降によって下方に駆動される。各々のテコ部材１２は、カセット台２に取り付けられた軸部材１５により、その両端がシーソーの動き（揺動）をするように、中央部又は押し棒寄りの部分で軸支されている。各々のテコ部材１２の他方の側部には、押し上げ棒１３が貫挿する大きめの孔１２ａが設けられている。各々の押し上げ棒１３には、その先端に上面が平坦にされ、プローブ６の載置面を形成する載置部１３ａが形成されており、かつテコ部材１２のストッパーの役割をする上下に間隔を置いて設けられたナット等の止め具１６ａ，１６ｂと、カセット台２と上方の止め具１６ａとの間に装着され、押し上げ棒１３を下方に付勢しているスプリング１４，１４′とが設けられている。テコ部材１２は、２つの止め具１６ａ，１６ｂ間で押し上げ棒１３と連結している。スプリング１４は、止め具１６ａとガイド１７との間に、またスプリング１４′は、止め具１６ａと押し上げ棒１３の段差部との間に、それぞれ介在して設けられる。
【００１５】
したがって、プローブ保持機構Ｃに取り付けられた押圧部材２３の降下により、押し棒１１を下方に動かすと、テコ部材１２の一方の側部が下方に押し下げられ、他方の側部を上方に押し上げる。これによってテコ部材１２が上方の止め具１６ａに当接し、スプリング１４，１４′の付勢力に抗して押し上げ棒１３を上方に押し上げる。押し上げ棒１３の載置部１３ａは、カセット３内のプローブ６を載置して上方に押し上げ、プローブ保持機構Ｃへと運ぶ。
なお、押し上げ棒１３の下方への移動は、プローブ保持機構Ｃの押圧部材２３の上昇により押し棒１１への押し下げ力を解除し、スプリング１４，１４′の付勢力で行う。スプリング１４′は、載置部１３ａに大きな負荷が加わったときの逃げとして作用する。
【００１６】
プローブ保持機構Ｃは、約９０°回動するレバー２１を有しており、プローブ保持機構Ｃのクランプ本体２２の下面に形成された３のクランプ面からなるクランプ部２２ａにプローブ６が前記プローブ供給機構Ｂにより運ばれると、レバー２１が時計方向に回動してプローブ６を３つのクランプ面に等しく押圧力を働かせて押圧保持する。レバー２１をプローブ６の長手方向と平行になるように反時計方向に回動することで、プローブ６のクランプ解除が行われる。
このプローブ保持機構Ｃは、当然Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動可能であり、プローブ保持機構Ｃの下方への動きによって、これに取り付けられた押圧部材２３が、プローブ供給機構Ｂの押し棒１１を押し下げる。即ち、プローブ保持機構Ｃがプローブ供給機構Ｂの駆動源になっている。
また、プローブ保持機構Ｃは、プローブの有無を検知するためのセンサ（図示せず）を備えている。
【００１７】
図３に示すようにプローブ６は、カンチレバー６１及び探針６２を有しており、プローブ本体６３の下面にはレバー２１が出入する切欠部６３ａが形成されている。この切欠部６３ａは、直方体状のプローブ本体６３の下面の一方の稜線部を約４５°の傾きでＶ字状にカットすることで形成される。したがって、この切欠部６３ａの面は、直方体状のプローブ本体６３の上面、カンチレパー６１と反対の側面及び切欠部と反対の側面に対して約４５°傾斜している。これにより、レバー２１が切欠部６３ａに当接して作用する押圧力が、クランプ本体２２のクランプ部２２ａの三つの面に等しい力で作用することになる。
【００１８】
以上のように構成された本発明の走査型プローブ顕微鏡の作動について説明する。
１０個の新しいプローブ６が収容され、１個所だけ空きの状態のカセット３が、カセット台２にセットされる。プローブ６が収容できる１１個所の凹部３ａの収容位置は、予めプローブ保持機構Ｃにティーチング等で認識させておく。この状態で、使用済のプローブ６を保持したプローブ保持機構Ｃをカセット３の上部に移動し、装着されたセンサにより、プローブの空き個所を検知し、その上方に移動する。
この位置でプローブ保持機構Ｃを下降すると、押圧部材２５が押し棒１１を押し下げ、テコ部材１２によりスプリング１４の付勢力に抗し、スプリング１４′を介して押し上げ棒１３が上昇し、使用済プローブ６に接触する。
【００１９】
この状態でプローブ保持機構Ｃのレバー２１を回動して、使用済プローブ６のクランプを解除する。その後、プローブ保持機構Ｃを上昇させると、この上昇につれて押圧部材２５の押し棒１１への押圧力が解放され、押し上げ棒１３は、その載置部１３ａに使用済プローブを載せた状態でスプリング１４の付勢力により下降する。これによって、カセット凹部３ａのプローブの空き個所に使用済プローブ６を収容する。このとき、プローブ保持機構Ｃ及びプローブ供給機構Ｂによって、或る程度の位置ずれが生じても、カセット３の凹部３ａの傾斜部３ｂ及び止め部３ｅによって、プローブは案内され所定の位置に位置付けすることができる。
【００２０】
次いでプローブ保持機構Ｃが新しいプローブの収容位置の上部に移動する。この位置でプローブ保持機構Ｃを下降させると、前述したように押し上げ棒１３がスプリング１４に抗し、スプリング１４′を介して上昇し、その載置部１３ａに新しいプローブ６を載せてプローブ保持機構Ｃのクランプ位置まで運ぶ。この状態でプローブ保持機構Ｃのレバー２１を回動して新しいプローブ６をクランプ本体２２のクランプ部２２ａで保持する。このとき、押し上げ棒１３の載置面１３ａがフラットなので、少々の位置ずれがあっても無理なくクランプ本体に位置決めできる。
次にプローブ保持機構Ｃを上昇させることで押し上げ棒１３が下降し、プローブ６の交換作業が終了する。
【００２１】
以上説明したように本発明の走査型プローブ顕微鏡においては、電磁力を利用することなくプローブの交換作業を行えるので電磁力の悪影響を排除できる。またアクチエータを使用することなく、単なる棒状部材の上下動で交換作業を行えるので、プローブを狭いピッチ間隔で多数配置することができ、小型化及び交換作業効率が改善される。更に新たにプローブ供給機構の駆動源を設ける必要がなく、構造の簡素化及び省エネルギー化を計れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡が備えているプローブの供給部分の縦断面図である。
【図２】図１のプローブの供給部分の平面図である。
【図３】プローブの平面図及び側面図である。
【符号の説明】
Ａ…ストック部
Ｂ…プローブ供給機構
Ｃ…プローブ保持機構
Ｄ…対物レンズ部
１…ステージベース
２…カセット台
３…カセット
４…ガイド体
６…プローブ
１１…押し棒
１２…テコ部材
１３…押し上げ棒
１４…スプリング
２１…レバー
２２…クランプ本体
２３…押圧部材
【図１】
0003539922.tif 000002
【図２】
0003539922.tif 000003
【図３】
0003539922.tif 000004