(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする問題点は、ＳＰＭセルユニットをチャンバ間で移動させる場合、接続された光ファイバが絡まず、損傷させないようにするための送り機構や巻き取り機構が必要であったことである。このため、装置の複雑化、大型化が避けられず、それに伴い、組み立て、分解、メンテナンスも困難であった。【解決手段】  ＳＰＭユニットの外面にユニット・コネクタを取り付けると共に、ＳＰＭユニット受け体の前記ユニット・コネクタと対向する部分に受けコネクタを取り付け、前記ユニット・コネクタには前記光ファイバー支持体に支持された光ファイバーの他端部を取り付け、前記受けコネクタには前記光源に実質的に繋がった光ファイバーの他端部を取り付ける様に成し、前記ユニットを前記ユニット受け体に装着した時に、前記各ファイバー間の光の授受が可能に前記各コネクタの接続が行われる様に成した走査プローブ顕微鏡。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針を備えたカンチレバー、探針を試料表面に近接又は接触させた状態で探針と試料を相対的に走査するためのスキャナ、及び、光ファイバ支持体をユニット化すると共に、該ユニットを着脱自在に受けるユニット受け体を設け、前記光ファイバー支持体に支持された光ファイバーを通して、ユニット外部に設けられた光源からの光を前記カンチレバーに照射し、該カンチレバーからの反射光を前記光ファイバーで受光するように成した走査プローブ顕微鏡において、前記ユニットの外面にユニット・コネクタを取り付けると共に、前記ユニット受け体の前記ユニット・コネクタと対向する部分に受けコネクタを取り付け、前記ユニット・コネクタには前記光ファイバー支持体に支持された光ファイバーの他端部を取り付け、前記受けコネクタには前記光源に実質的に繋がった光ファイバーの他端部を取り付ける様に成し、前記ユニットを前記ユニット受け体に装着した時に、前記各ファイバー間の光の授受が可能に前記各コネクタの接続が行われる様に成した走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記ユニット受け体が複数種類のチャンバーに設けられており、ユニット搬送手段により、前記ユニットを各チャンバー間で移動させ、移動先チャンバーのユニット受け体に装着した時に、前記各ファイバー間の光の授受が可能に前記各コネクタの接続が行われる様に成した請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】
複数種類のチャンバーは真空状態で室温環境にあるチャンバーと真空状態で低温環境にあるチャンバーである請求項２記載の走査プローブ顕微。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡、走査形近接場顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡（以下、ＳＰＭという）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、探針付きカンチレバーと試料を対向配置し、探針と試料の距離を数ナノメートル以下の距離にして、探針により試料表面を走査することにより、探針と試料間に働く原子間力等の物理量を測定し、測定に基づいて試料表面の凹凸像を得るように成した走査プローブ顕微鏡が注目されている。この探針に働く物理量を測定する方法には、探針を有するカンチレバーの背面にレーザ光を照射し、反射したレーザ光を受光し、その位置の変位又はレーザ光の周波数変位を測定する方法がとられる。
【０００３】
観察する場合は目的に応じて真空、超低温、磁場等の異なる雰囲気の環境での観察が必要なことがある。このため、試料ステージ、試料に対向して設けられたカンチレバー、試料とカンチレバーを相対的に走査するスキャナ等をセルユニット化して、ＳＰＭセルユニットをＳＰＭセル搬送ロッドにより各環境のチャンバ間を移動させて観察を行っていた。
【０００４】
ＳＰＭセルユニットには光ファイバが接続され装置外部に検出信号を送っているが、ＳＰＭセルユニットを搬送する際に、光ファイバを接続したまま搬送していた。この場合、弦巻バネ状の光ファイバを用いたり、巻き取り／送り出し機構を用いて弛みを防止していた。
【０００５】
しかしながら、光ファイバの破損を防止するため曲率半径より大きい巻き取り／送り出し機構が必要になり、装置の大型化、複雑化を招いていた。また、装置の組み立て、調整、メンテナンスが大変であった。光ファイバを可動させるため、絡まったり、損傷したりして操作性が悪かった。特に、４Ｋ程度の液体ヘリウム温度では、光ファイバが硬化して動き難くく、室温近くまで温度を上げてから動かす必要があった。
【０００６】
さらに、真空環境においてＳＰＭセルユニットを搬送する場合、弦巻バネ状光ファイバが伸縮した際に、光ファイバのコーティング剤等から微量のガスが出て超高真空環境に影響していた。巻き取り／送り出し機構の可動部からもパーティクルが出て超高真空環境を汚染していた。
【０００７】
従来の光ファイバコネクタは、超高真空、液体窒素温度及び液体ヘリウム等の環境における使用を想定していなかった。このため、人の手で直接の着脱することができないこのような環境においては位置精度を出すことができず、着脱が難しかった。また、熱収縮等が起こり、コネクタが破損することがあった。ほとんどの光ファイバーコネクタは樹脂製であるため、超高真空にするためのベーク時に溶けて変形したり、ガスを出して真空には不適切であった。
【０００８】
なお、従来技術としては、ユニット化して電気コネクタを介して本体と接続した走査型プローブ顕微鏡がある（例えば、特許文献１）。
【０００９】
【特許文献１】特開平８−７５７５７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする問題点は、ＳＰＭセルユニットをチャンバ間で移動させる場合、接続された光ファイバが絡まず、損傷させないようにするための送り機構や巻き取り機構が必要であったことである。このため、装置の複雑化、大型化が避けられず、それに伴い、組み立て、分解、メンテナンスも困難であった。また、清掃な超高真空にも悪い影響を与えていた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、探針を備えたカンチレバー、探針を試料表面に近接又は接触させた状態で探針と試料を相対的に走査するためのスキャナ、及び、光ファイバ支持体をユニット化すると共に、該ユニットを着脱自在に受けるユニット受け体を設け、前記光ファイバー支持体に支持された光ファイバーを通して、ユニット外部に設けられた光源からの光を前記カンチレバーに照射し、該カンチレバーからの反射光を前記光ファイバーで受光するように成した走査プローブ顕微鏡において、前記ユニットの外面にユニット・コネクタを取り付けると共に、前記ユニット受け体の前記ユニット・コネクタと対向する部分に受けコネクタを取り付け、前記ユニット・コネクタには前記光ファイバー支持体に支持された光ファイバーの他端部を取り付け、前記受けコネクタには前記光源に実質的に繋がった光ファイバーの他端部を取り付ける様に成し、前記ユニットを前記ユニット受け体に装着した時に、前記各ファイバー間の光の授受が可能に前記各コネクタの接続が行われる様に成した走査プローブ顕微鏡である。
【００１２】
請求項２の発明は、前記ユニット受け体が複数種類のチャンバーに設けられており、ユニット搬送手段により、前記ユニットを各チャンバー間で移動させ、移動先チャンバーのユニット受け体に装着した時に、前記各ファイバー間の光の授受が可能に前記各コネクタの接続が行われる様に成した請求項１記載の走査プローブ顕微鏡である。
【００１３】
請求項３の発明は、複数種類のチャンバーは真空状態で室温環境にあるチャンバーと真空状態で低温環境にあるチャンバーである請求項２記載の走査プローブ顕微である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＳＰＭセルユニットが光ファイバコネクタを介してチャンバと接続されているため、ＳＰＭセルユニットを移動させても装置内で光ファイバを引き回すことが無く、光ファイバを損傷させる等のトラブルの可能性が低く、チャンバ内を汚染することがなくなる。また、光ファイバの送り機構や巻き取り機構が不要になり装置の複雑化、大型化が避けられる。さらに、組み立て、分解、メンテナンスも容易になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の構成を図１乃至４を用いて説明する。図４は装置全体の断面図である。架台２６の上には除振台２５が設置されており、除振台２５上部にはダンパ機構２４を介してメインチャンバ２０が設置されている。メインチャンバ２０内には図示しない室温部ＳＰＭセルステージが設置されている。メインチャンバ２０上部には搬送ロッド格納チャンバ２３が設置されている。搬送ロッド格納チャンバ２３内にはＳＰＭセルユニット７を移動させるＳＰＭセル搬送ロッド２２が移動自在に格納されている。一方、メインチャンバ２０の下部にはクライオスタット２１が吊り下がるように接続されている。クライオスタット２１内部には、ＳＰＭセルユニット７及びＳＰＭセルステージ５が格納されており、その周りを液体ヘリウム２７で満たしている。メインチャンバ２０、クライオスタット２１内部は、図示しない真空ポンプにより超高真空が保持されている。
【００１６】
図１は、図４におけるＳＰＭセルユニット７、ＳＰＭセルステージ５部分の詳細図である。ＳＰＭセルステージ５の凹部にはＳＰＭセルユニット７が収納されている。
【００１７】
ＳＰＭセルユニット７内にはＳＰＭセルステージ５に固定された慣性駆動式ＸＹＺ粗動機構８が設置され、その上面にはＸＹＺ方向に変位自在な圧電素子から構成されるチューブスキャナ９が設置されている。スキャナ９の上面には試料ホルダ１０が設置されており、試料ホルダ１０の上面には試料１１が交換自在に載置されている。試料１１に対向して一端に探針１２を有するカンチレバー１３が設置されており、カンチレバー１３の他端はＳＰＭセルユニット７に固定されている。
【００１８】
カンチレバー１３の探針位置に対面してセル側光ファイバ１５の照射面が設置され、セル側光ファイバ１５の他端には光ファイバ差込側コネクタ６が設置されている。光ファイバ差込側コネクタ６はＳＰＭセルユニット７外部に設置されている。ＳＰＭセルユニット７の上部にはＳＰＭセル搬送ロッド２２が着脱自在に設置されている。また、ＳＰＭセルユニット７外部にはスキャナ９、ＸＹＺ粗動機構８、カンチレバー１３等に電気的に接続されたスプリングプローブ電極１４が設置されている。
【００１９】
ＳＰＭセルステージ５には光ファイバ受側コネクタ２が設置されており、光ファイバ差込側コネクタ６は光ファイバ受側コネクタ２に嵌合している。また、ＳＰＭセルステージ５にはＳＰＭセルユニット７に電気的信号を伝える受電極３が設置されている。ＳＰＭセルユニット７及びＳＰＭセルステージ５はＳＰＭ中で真空に設置されており、ステージ側光ファイバ１及びリード線４は真空外と接続されている。
【００２０】
図３は、図１における光ファイバ受側コネクタ２及び光ファイバ差込側コネクタ６の詳細図である。
光ファイバ受側コネクタ２において、ハウジング３６内には、光ファイバケーブル１の端末処理を行う受け側フェルール３２を保持するフェルールガイド３４及びバネ３７が収納されている。受側フェルール３２はステージ側光ファイバ１を支持する円筒棒状の部品で、光ファイバ単体では細く折れ易いため、光ファイバをフェルール中心に接着固定し、フェルール同士をお互いに突き合わせることにより光ファイバを精度良く接続する。受側フェルール３２接続面には面取りが成され、ステージ側光ファイバ１が現れている。ステージ側光ファイバ１はテフロン（登録商標）等のベーク、超高真空（以下、ＵＨＶという）及び液体ヘリウム温度環境でも使用することができる材料で被覆されている。また、フェルールガイド３４はバネ３７によりハウジング３６内面に押止されている。バネ３７はテーパ型弦巻バネである。バネ３７の形状は、筒状でもよいが、テーパ状であるとより有効である。
【００２１】
フェルールガイド３４上面には、スリーブガイド３１が設置され、ハウジング３６の開口部より突起し、フェルールガイド３４のフランジ部で係止している。スリーブガイド３１内側にはスリーブ３３が機械的にガタを有して収納されている。差込側フェルール３５とミクロンオーダのはめ合い精度を有している。ハウジング３６、受側フェルール３２及びスリーブ３３はセラミックやジルコニウム等の固く、高温に加熱してもガス等を出さない材料で構成されている。また、４Ｋ程度の液体ヘリウム２７でも熱収縮のため破損することはない。これにより、ベーク、ＵＨＶ、液体ヘリウム温度環境で使用することができる。スリーブガイド３１の内径はスリーブ３３外形より多少大きめに製作されている。スリーブガイド３１上面にはツメが設けられているため、スリーブ３３は多少ガタを有した状態で保持される。スリーブ３３は受側フェルール３２に固定されている。
【００２２】
また、光ファイバ差込側コネクタ６においては、セル側光ファイバ１５の端面には差込側フェルール３５が設置されており、ＳＰＭセル７に固定されている。セル側光ファイバ１６はテフロン(登録商標)等の材料で被覆されている。
【００２３】
光ファイバ差込側コネクタ６は光ファイバ受側コネクタ２のスリーブによってガイドされ、光ファイバの光軸の位置合わせが行われている。バネ３７によって支持されているスリーブ３３は移動自在なため、光ファイバ差込側コネクタ６のずれを吸収し、光ファイバの光軸を正確に合わせることができる。
【００２４】
以上、図１乃至４における各部の構成について説明したが、次に動作について説明する。図１はＳＰＭセルユニット７がＳＰＭセルステージ５に設置された状態である。光ファイバ差込側コネクタ６は光ファイバ受側コネクタ２を通して接続しており、さらに装置外部と接続している。
【００２５】
カンチレバー１３の固定端には振動させるための圧電振動子を備えている。カンチレバー１３はその長さや厚さによって数十kHzから数百kHzの固有振動数を有しており、圧電振動子にこの固有振動周波数を加えると、探針１２が構成されている自由端が固有振動周波数で数nm程度上下動する。
【００２６】
このときの状態を定常状態として探針１２を試料１１に接近させた場合、最下点で探針１２−試料１１間に原子間引力が作用する。探針１２が原子間引力を受けると、カンチレバー１３のバネ定数が見かけ上変化したことになり、定常状態の振動周波数ｆ０に比べて周波数が低く（振動周期が長く）なる。
【００２７】
カンチレバー１３の先端に光ファイバからのレーザ光が照射されており、カンチレバー１３から反射されたレーザ光は同じ光ファイバで検出される。これにより、光干渉を利用してカンチレバー１３の変位を検出することができる。この光干渉方式において、カンチレバー１３から反射されたレーザ光に含まれる周波数成分の内から、引力の作用による周波数変化Δf、振幅変化ΔA、位相変化のいずれかをフィードバック信号として、スキャナ９をＺ方向に変位させることにより探針１２−試料１１間の距離を一定に保つようにしている。この時のスキャナ９に入力する電圧を距離換算したデータに基づいて凹凸情報として画像化している。フィードバック信号の検出においては、真空中では直接それを検出するＦＭ検出法が使用されている。試料１１表面の水分等による表面張力の影響を除外して高分解能の画像を得る目的や、冷却する目的で、真空中での観察が行われる。
【００２８】
セル側光ファイバ１５で受光されたレーザ光は、光ファイバ差込側コネクタ６から光ファイバ受側コネクタ２に伝達され、装置外部に伝達される。
【００２９】
図４におけるクライオスタット２１内部は、４Ｋ程度の液体ヘリウム２７で冷却されている。冷却方式は、液フロー方式、機械式冷凍方式、液溜方式等があるが、シンプルで液の循環する時の音や機械の作動音の影響を受けない、液溜方式を用いる。クライオスタット２１内部でＳＰＭセルユニット７が冷却されている。通常の光テコ方式で用いられるレーザユニットは、４Ｋほどの極低温では作動しないが、光ファイバの干渉方式では極低温においてもレーザ光をカンチレバー１３に照射することができる。
【００３０】
クライオスタット２１からＳＰＭセルユニット７を常温部にあるメインチャンバ２０に移動させる場合は、ＳＰＭセルステージ５に置載されているＳＰＭセルユニット７を、ＳＰＭセル搬送ロッド２２を用いてメインチャンバ２０に引き上げる。ＳＰＭセル搬送ロッド２２を引き上げると、ＳＰＭセル搬送ロッド２２に係合したＳＰＭセルユニット７も一緒に引き上げられる。この時、光ファイバ差込側コネクタ６及びスプリングプローブ電極１４の係合が外れ、図２の状態になる。
【００３１】
ＳＰＭセルユニット７がメインチャンバ２０に引き上げられると、図示しない室温ＳＰＭセルステージにＳＰＭセルユニット７が設置される。この時、光ファイバ差込側コネクタ６は光ファイバ受側コネクタ２と再び接続され、図１の状態になる。スプリングプローブ電極１４も受側電極に接続される。
【００３２】
光ファイバ同士の接続にはミクロンオーダの軸合わせが必要であるが、光ファイバ受側コネクタ２が機械的な位置ズレを吸収する。このため、光ファイバ同士が接続するフェルールの接続面では接触圧力、軸精度等の接続条件を満たしている。また、光ファイバ受側コネクタ２は温度差による収縮も吸収する。
【００３３】
試料を室温から液体窒素温度又は液体ヘリウム温度に冷却して観察をおこなうと物質の相転移を調べることができる。
【００３４】
ところで、良好なＵＨＶ環境を得るためにはベークが必要である。ベークとは装置内に付着した微量のガス等を除去するため２００℃程度で焼き出すことであり、真空を破った時は毎回行われる。光ファイバ、光ファイバ受側コネクタ２及び光ファイバ差込側コネクタ６には樹脂材料等を使用していないため、ベークを行っても、部品からガスが発生することはなく、清浄なＵＨＶ環境を保持することができる。
【００３５】
以上、動作について説明したが、上記の構成によれば、ＳＰＭセルユニット７を移動させても装置内で光ファイバを引き回すことがなく、光ファイバを損傷させる等のトラブルの可能性が低下する。また、光ファイバの送り出しや、巻き取りの機構が不要となり装置の複雑化、大型化が避けられる。さらに、組み立て、分解、メンテナンスも容易である。
【００３６】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、ＳＰＭセルユニット７外部は測定する試料に応じた色々な環境が考えられが、試料を２０ステラ程度の強磁場中で観察する場合がある。この場合、クライオスタット内部に超伝導材料をコイル状に巻いた超伝導磁石が設置される。２０ステラ程度の強磁場の中では、通常の光テコ方式に用いられるレーザユニットやディテクタは動作しないが、本願で用いる光ファイバを用いた光干渉方式は強磁場中でも動作する。
【００３７】
また、走査形プローブ顕微鏡に限らず他の表面観察装置に用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明におけるＳＰＭセルユニットとＳＰＭセルステージの結合した図である。
【図２】本発明におけるＳＰＭセルユニットとＳＰＭセルステージの結合を外した図である。
【図３】本発明における光ファイバコネクタ詳細図である。
【図４】本発明におけるＳＰＭ装置全体図である。
【図５】従来技術におけるＳＰＭセルユニットとＳＰＭセルステージの結合を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  ステージ側光ファイバ
２  光ファイバ受側コネクタ
３  受電極
４  リード線
５  ＳＰＭセルステージ
６  光ファイバ差込側コネクタ
７  ＳＰＭセルユニット
８  ＸＹＺ粗動機構
９  スキャナ
１０  試料ホルダ
１１  試料
１２  探針
１３  カンチレバー
１４  スプリングプローブ電極
１５  セル側光ファイバ
２０  メインチャンバ
２１  クライオスタット
２２  ＳＰＭセル搬送ロッド
２３  搬送ロッド格納チャンバ
２４  ダンパ機構
２５  除振台
２６  架台
２７  液体ヘリウム
３１  スリーブガイド
３２  受側フェルール
３３  スリーブ
３４  フェルールガイド
３５  差込側フェルール
３６  ハウジング
３７  バネ
３８  差込側光ファイバコネクタ
３９  クライオスタット内インナーチャンバ
【図１】
2006349459.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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