(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料と探針とを近接して対向配置し、そのどちらかを走査させることで探針と試料表面との間の相互作用により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、
先端に探針を設けたカンチレバーが固着され、下面の一方の稜線から所定の角度でカットされた下面に傾斜面を有する略直方体状のプローブと、
前記プローブを保持するための３つのクランプ面を有するプローブ本体と、前記３つのクランプ面に前記プローブを押圧するレバーとを含んでいるプローブ保持機構と、を具備していて、
前記レバーを前記プローブの傾斜面に作用させて、前記プローブを前記３つのクランプ面に押し付けることで前記プローブを保持することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記クランプ本体の前記クランプ面が、前記クランプ本体の下面に形成された３つの壁面であり、該３つの壁面に対して、前記レバーにより生じる押圧力がそれぞれ約４５°の角度で等しく作用するように、前記略直方体状のプローブの下面に形成された傾斜面が、約４５°の傾斜角度でカットされたＶ字切欠部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】
前記クランプ本体の下面に形成された３つの壁面に微小な径の球が表面が露出する形で埋め込まれ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】
前記クランプ本体下面の３つの壁面のうち、底壁に３個、長手方向の側壁に２個、後の側壁に１個の微小な径の球がそれぞれその一部の表面を露出するように埋め込まれていることを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記プローブ保持機構が、前記プローブを受け入れる前記クランプ本体と、前記レバーを取り付けた回動軸と、該回動軸を回動させるテコ部材と、該テコ部材に作用する駆動機構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６】
前記駆動機構が、前記レバーをロック状態からの解放位置に駆動するためのエアシリンダと、前記レバーをロック位置に戻すためのスプリングによって付勢される押圧棒とを有していることを特徴とする請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記レバーの先端が半球状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記プローブの探針を、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に微調整することができる微調整機構を更に備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記プローブと接触する前記レバー及び前記クランプ本体の接触部が磁性材により形成され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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡に関し、特にそのプローブ保持機構に関する。
【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、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）がこれに該当する。
【０００３】
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づけることによって、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劣化が生じ、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交換することが行われている。
【０００５】
従来より、このような探針をもつプローブの保持方式として、バキュームチャック式、マグネット式、ワイヤ固定式等が、特許第２９００９４５号公報、特許第２８５３５８５号公報、特開平１０−２６７９４８号公報、特開平１１−２１１７３４号公報により公知である。しかしながら、これらの従来の方式は、バキューム源がダウンすると保持不能となることや、バキューム源が必要であるためコストがかかることや、試料が磁界の影響を受けることや、高精度な保持精度が確保できず、プローブを保持した後に光学系でその精度を補償するようにしていたためその調整に時間を要する等の問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、高精度な保持精度が確保できて、光学系でのアライメントを必要とすることなく再現性良くプローブを着脱できると共に、プローブ保持機構の省スペース化が計れ、電源断時等における保持不能の不具合の生じることのないプローブ保持機構を具備した走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【０００７】
【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、先端に探針を設けたカンチレバーを精度補償して固着した略直方体状の、プローブを、プローブの下面に形成された傾斜面にレバーを作用させることで、クランプ本体下面の３つのクランプ面にプローブを押し付けて保持するプローブ保持機構を具備したものであり、プローブの位置を高精度に保持することができ、保持後の光学系でのアライメントを不要としている。
【０００８】
請求項２の該顕微鏡は、直方体のプローブの下面に、該下面の一方の稜線から約４５°の傾斜角度でＶ字状にカットしてＶ字切欠部を設け、この切欠部の面をレバーにより押圧することで、クランプ本体下面に形成された３つの壁面にレバーの押圧力がそれぞれ約４５°の角度で等しく作用するようにしたものであり、単純な機構で３つの面に等しい押圧力を働かすことができる。
請求項３の該顕微鏡は、クランプ本体下面の３つの壁面にその一部の表面を露出する形で微小な径の球を埋め込んだものであり、これにより、壁面の粗さに影響されることなく、点接触によりプローブを高精度に位置付けして保持することができる。
【０００９】
請求項４の該顕微鏡は、３つの壁面に埋め込まれる球の数を規定したものであり、合計６つの球による点接触とレバーによる押圧点の７つの点接触によってプローブを保持するものである。
請求項５の該顕微鏡は、プローブ保持機構の構成を具体化したものであり、レバーの回動動作によりプローブを保持できるので、保持部分の省スペース化を計れ、劣化対策用として予備プローブが多数配列された場合でも、取り出すことが容易である。
【００１０】
請求項６の該顕微鏡は、レバーを駆動する駆動機構が、レバーをロック状態から解放位置へと駆動するエアシリンダと、レバーをロック位置に戻すためのスプリングによって付勢される押圧棒とを有していることを規定したものであり、プローブはバネ圧によってクランプ本体に保持される。
請求項７の該顕微鏡は、レバーの先端を半球状としたものであり、レバーは点接触でプローブを押圧することで押圧力が効率良くプローブに作用する。
【００１１】
請求項８の該顕微鏡は、プローブの探針をＸ，Ｙ，Ｚ方向に微調整することができる微調整機構を更に備えるようにしたもので、原子間力顕微鏡等の光学的手法で微少変位を検出する際に、微調整機構を小型・軽量化することで慣性モーメントによる影響を低減し、測定精度の向上が可能となる。
請求項９の該顕微鏡は、プローブと接触するレバー及びクランプ本体の接触部を磁性材により形成したものであり、これにより、プローブとの当接により発生するゴミ、パーティクル等をこの磁性材の部分に付着させて、落ちて散らばらないようにしている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡のプローブ保持機構について説明する。図１は、本発明の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡のプローブ保持機構の側面図である。図１は、プローブ保持機構Ａと、これに保持される直前のプローブＢと、顕微鏡の対物レンズＣとの関係を示している。この図では対物レンズＣが傾斜して配置されているように見えるが、実際は対物レンズＣが垂直に配置され、これに対してプローブＢがやや傾斜して保持されるものである。なお、前記保持機構Ａは、支持体Ｄにボルト等で固定されている。
【００１３】
図１〜４に示されるように保持機構Ａは、基本的にクランプ本体１、レバーの回動軸２、テコ部材３、及びテコ部材３を回動する駆動機構４とから構成されている。クランプ本体１は、回動軸２を挿入するための垂直方向に貫通する孔１１と、側面がコの字状に切り込まれたスラスト軸受２２の受入れ部１２と、プローブＢの３つの面が当接するように受け入れるための下面に凹設された、クランプ面を構成する凹部１３とが形成されている。クランプ本体１の受入れ部１２に配置されるスラスト軸受２２には、挿入される回動軸２がスラスト方向に移動しないようにするためのロックネジ２４が設けられている。クランプ本体１の下面に形成された、クランプ面を構成する凹部１３は、プローブＢと当接するための底壁１３ａと２つの側壁１３ｂ，１３ｃとを有し、他の２の側壁は除去されている。これらの底壁及び側壁には、プローブＢと点接触させるためにサファイア（アルミナ）製の約０．５ｍｍ程の径の球１４が、その一部の表面が露出する形で、底壁１３ａに３個所、長手方向の側壁１３ｂに２個所、他の側壁１３ｃに１個所埋め込まれている。
【００１４】
クランプ本体１内を挿通する回動軸２の先端部には、先端が半球状に形成されたレバー２１が設けられている。回動軸２は、クランプ本体１のスラスト軸受２２の上下にそれぞれ配設されたラジアル軸受２３に回動自在に軸支されている。したがって、回動軸２の回動にともなって、図４に示すようにレバー２１が、プローブＢをロックする位置と、ロックを解放する位置との間で、例えば約９０°、回動する。この回動軸２は、クランプ本体１の上部に載置された、後に詳述するテコ部材３を挿通している。
【００１５】
テコ部材３には、回動軸２が挿入される孔３１と、この孔につながっているスリット部３２と、被押圧部材３４を軸支するために上部と下部に設けられた２股状の支承部３３とが形成されている。スリット部３２には、回動軸２を締め込むための締め込みネジ３５が設けられており、このネジ３４を締め込むことで、テコ部材３と回動軸２とはしっかりと固定される。
【００１６】
図３に示されるように支持体Ｄには、テコ部材３を回動するための駆動機構４が取り付けられている。この駆動機構４は、テコ部材３に軸支された被押圧部材３４を押圧してテコ部材３を回動させ、図４に示されるようにレバー２１をロックからの開放位置へと動かすためのエアシリンダ４１と、テコ部材３に関してエアシリンダ４１と反対側にバネ力によって被押圧部材３４を押圧しテコ部材３をエアシリンダ４１による回動とは逆方向に回動させ、レバー２１をロック位置へと動かすための押圧棒４２と、を有している。図５に示されるように、押圧棒４２は、調整ネジ４３内に摺動可能に挿入され、この押圧棒４２と調整ネジ４３との間にスプリング４４が配置されている。したがって、調整ネジ４３のナット部を回すことにより、スプリング４４の付勢力が調整できる。符号４５は、調整ネジ４３を固定する止めネジである。
【００１７】
図６は、前記保持機構Ａに保持されるプローブＢを示している。プローブＢは、探針５が設けられたカンチレバー６と、このカンチレバー６を接着等により取り付けるカンチレバーホルダ７とから構成されている。カンチレバーホルダ７には、その先端の下面には、カンチレバー６を接着する接着剤の流れを良くするための溝７１が形成されると共に、直方体部分の下面の一方の稜線から約４５°の角度でＶ字状にカットされたＶ状切欠部７２が形成されている。したがって、Ｖ状切欠部７２の面７２ａは、カンチレバーホルダ７の上面及び２つの側面に対し、等しく約４５°傾斜している。このカンチレバーホルダ７が前述のクランプ本体１に保持されるとき、レバー２１がＶ状切欠部７２内に入り込んで切欠部７２の約４５°の面７２ａを押圧することにより、このカンチレバーボルダ７の上面及び２つの側面（切欠部７２が形成されていない側面と後側の側面）が、クランプ本体１のクランプ面を形成する凹部１３の底壁及び２つの側壁に埋め込まれた６つの球１４にそれぞれ当接し、クランプ面に対し等しい力で作用している。また、プローブＢと接触するレバー２１及びクランプ本体１の接触部を磁性材で形成してもよい。これにより、プローブＢとの当接により発生するゴミ、パーティクル等がこの磁性材の部分に付着し、落ちて散らばることがない。
【００１８】
図７，８，９は、プローブＢの探針をＸ，Ｙ，Ｚ方向に微調整する微調整機構８を示している。この微調整機構８は、プローブ保持機構Ａを固定している支持体Ｄと、対物レンズＣを保持しているホルダ９との間に設けられており、この間にＸスライダ８１とＹスライダ８２とが介在している。ホルダ９とＸスライダ８１とは、Ｘ方向に摺動可能で、Ｙ，Ｚ方向には拘束される形で嵌合している。ホルダ９にはＹ方向に長穴９ａが開孔され、Ｘスライダ８１には長穴９ａに対しやや傾斜した傾斜長溝８１ａが設けられ、この長穴９ａと傾斜長溝８１ａに渡って円柱軸１０ａが配置されている。ホルダ９には、調整ネジ９ｄが長穴９ａの長手方向に横断して配置される。この調整ネジ９ｂは、円柱軸１０ａと直交し、これを貫通する形で円柱軸１０ａと螺嵌している。従って、調整ネジ９ｄの回動により円柱軸１０ａがＹ方向に移動すると、Ｘスライダ８１の傾斜長溝８１ａにも円柱軸１０ａが到達しているため、Ｘスライダ８１はＹ方向の拘束により、Ｘ方向に摺動する。これにより、Ｘ方向の微調整が行える。
【００１９】
同様に、Ｘスライダ８１とＹスライダ８２とは、Ｙ方向に摺動可能で、Ｘ，Ｚ方向には拘束される形で嵌合している。Ｘスライダ８１には、Ｚ方向に長穴８１ｂが開孔され、Ｙスライダ８２には、この長穴８１ｂに対しやや傾斜した傾斜長溝８２ｂが設けられ、この長穴８１ｂと傾斜長溝８２ｂに渡って円柱軸１０ｂが配置されている。Ｘスライダ８１には、調整ネジ８１ｄが長穴８１ｂの長手方向に横断して配置され、この調整ネジ８１ｄは、円柱軸１０ｂと直交し、これを貫通する形で円柱軸１０ｂと螺嵌している。従って調整ネジ８１ｄの回動により円柱軸１０ｂがＺ方向に移動すると、円柱軸１０ｂがＹスライダ８２の傾斜長溝８２ｂに達しているために、Ｙスライダ８２は、Ｚ方向は拘束されているためＹ方向に摺動する。これにより、Ｙ方向の微調整が行える。
【００２０】
同様に、Ｙスライダ８２と、プローブ保持機構Ａを固定している支持体Ｄとは、Ｚ方向に摺動可能で、Ｘ，Ｙ方向に拘束される形で嵌合している。Ｙスライダ８２には、Ｙ方向に長穴８２ｃが開孔され、支持体Ｄには、この長穴８２ｃにやや傾斜して傾斜長溝Ｄｃが設けられ、この長穴８２ｃと傾斜長溝Ｄｃとに渡って円柱軸１０ｃが配置されている。Ｙスライダ８２には、調整ネジ８２ｄが長穴８２ｃの長手方向に横断して配置され、この調整ネジ８２ｄは、円柱軸１０ｃと直交し、これを貫通する形で円柱軸１０ｃと螺嵌している。従って、調整ネジ８２ｄの回動により円柱軸１０ｃがＹ方向に移動すると、円柱軸１０ｃは支持体Ｄの傾斜長溝Ｄｃに達しているために、支持体ＤはＹ方向に拘束されているためＺ方向に摺動する。これにより、Ｚ方向の微調整が行える。
【００２１】
なお、ホルダ９とＸスライダ８１、Ｘスライダ８１とＹスライダ８２、及びＹスライダ８２と支持体Ｄとは、互いにボルト等により支持される。
このように、本発明の走査型プローブ顕微鏡のプローブ探針のＸ，Ｙ，Ｚ方向の位置の微調整機構８は、コンパクトで軽量化できるため、この顕微鏡の光学的手法で微少変位を検出する際に、慣性モーメントによる影響を低減し、測定精度の向上が可能である。
【００２２】
以上のように構成されたプローブ保持機構Ａの作動について説明する。プローブＢがプローブ保持機構Ａに保持されていない初期状態においては、エアシリンダ４１によって、スプリング４４の付勢力に抗してテコ部材３と回動軸２とは約９０°反時計方向に回動してレバー２１は解放状態である長手方向を向いている。この状態で、プローブＢが図示されていない供給機構により、図１に示されるようなセット位置に運ばれクランプ本体１の下面に近接して配置される。次いでエアシリンダ４１による押圧力が解除され、スプリング４４の付勢力によりテコ部材３と回動軸２とは時計方向に約９０°回動し、これによりレバー２１は、図４に示されるようにプローブＢのロック位置（長手方向に直角な方向）へと回動し、カンチレバーボルダ７に形成されたＶ状切欠部７２の面にその先端が当接して、これを押圧し、プローブＢをクランプ本体１の下面で保持する。したがって、スプリング４４の付勢力がプローブＢの保持力となっている。
プローブＢを保持機構Ａから解放するには、スプリングの付勢力に抗してエアシリンダ４１を作動させ、レバー２１を反時計方向に約９０°回動することで行われる。
【００２３】
以上説明したように、本発明の走査型プローブ顕微鏡のプローブ保持機構においては、レバーの回動によってプローブのロック及び解放を行っているために保持機構の省スペース化が計れると共に、プローブを点接触によって保持しているために、保持面の面粗度に影響されることなく高精度にプローブを自動交換することができる。また、バキュームを使用していないのでバキュームダウンの恐れがなく、かつ磁力によらないので磁気の影響を受けることもない。
【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のプローブ保持機構の側面図である。
【図２】本発明の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡のプローブ保持機構の正面図である。
【図３】本発明の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡のプローブ保持機構の上面図である。
【図４】本発明の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡のプローブ保持機構の下面図である。
【図５】本発明のプローブ保持機構の駆動機構を示す図である。
【図６】本発明のプローブ保持機構に使用されるプローブの側面図と平面図である。
【図７】本発明のプローブ保持機構に使用される微調整機構の正面図である。
【図８】図７の微調整機構の側面図である。
【図９】図７の微調整機構の平面図である。
【符号の説明】
Ａ…プローブ保持機構
Ｂ…プローブ
Ｃ…対物レンズ
１…クランプ本体
１４…球
２…回動軸
２１…レバー
３…テコ部材
４…駆動機構
４１…エアシリンダ
４２…押圧棒
４３…調整ネジ
４４…スプリング
８…微調整機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003589630.tif 000009
【図９】
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