(57)【要約】【課題】試料あるいはホール・プローブ素子用の駆動部圧電素子を室温部位に設置し、低温下における圧電素子の性能劣化を避け、センサー部のホール・フローブ素子及び試料のみを低温部位に設置する機構を採用することにより走査範囲を広くとることを可能とする走査型ホール・プローブ素子顕微鏡を提供する。【解決手段】チャンバー２と、チャンバー内を冷却する冷却手段１４と、チャンバー内において試料またはホール・プローブ素子を所定の位置関係をもって支持する支持部材３と、前記支持部材の先端に対向して設けた試料またはホール・プローブ素子載置台６と、前記支持部材を水平または垂直に移動するアクチュエータ９〜１１を前記チャンバー外の室温領域に設けたことを特徴とする走査型ホール・プローブ素子顕微鏡。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査型ホール・プローブ素子顕微鏡において、ホール・プローブ素子または試料を駆動するアクチュエータを室温領域に設置することにより、アクチュエータが試料温度の影響を受けることが無いようにしたことを特徴とする走査型ホール・プローブ素子顕微鏡。
【請求項２】
走査型ホール・プローブ素子顕微鏡において、冷却されたチャンバー内にホール・プローブ素子と試料とを配置し、前記チャンバー外の室温領域に前記ホール・プローブ素子または試料のいずれかを駆動するアクチュエータを配置したことを特徴とする走査型ホール・プローブ素子顕微鏡。
【請求項３】
チャンバーと、チャンバー内を冷却する冷却手段と、チャンバー内において試料またはホール・プローブ素子を所定の位置関係をもって支持する支持部材と、前記支持部材の先端に対向して設けた試料またはホール・プローブ素子載置台と、前記支持部材を水平または垂直に移動するアクチュエータを前記チャンバー外の室温領域に設けたことを特徴とする走査型ホール・プローブ素子顕微鏡。
【請求項４】
前記チャンバーを２層とし、さらにその外側に寒剤を配置したことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の走査型ホール・プローブ素子顕微鏡。
【請求項５】
前記アクチュエータはステッピングモータと圧電素子との組み合わせで構成したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の走査型ホール・プローブ素子顕微鏡。
【請求項６】
前記アクチュエータの内、微動にピエゾアクチュエータを使用し、粗動にスッテッピングモータを使用することを特徴とする請求項５に記載の走査型ホール・プローブ素子顕微鏡。
【請求項７】
前記チャンバーを真空とし、真空チャンバー全体を強磁界中に設置し、磁界印加を容易にしたことを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれかに記載の走査型ホール・プローブ素子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温において試料表面をホール・プローブ素子を用いて観察する走査型ホール・プローブ素子顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
低温において試料表面をホール・プローブ素子を用いて観察する走査型ホール・プローブ素子顕微鏡としては非特許文献１に記載のもの等が知られている。
【０００３】
【非特許文献１】１３２４  Ａｐｐｌ，Ｐｈｙｓ，Ｌｅｔｔ．６９（９）  Ａｕｇｕｓｔ  １９９６  〔Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｈａｌｌｐｒｏｖｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ〕
【０００４】
上記文献に示される既存の走査型ホール・プローブ素子顕微鏡装置（ＳＨＰＭ）は磁区の定量的な観察のために必須の測定装置となっている。この走査型ホール・プローブ素子顕微鏡装置（ＳＨＰＭ）の概略構成を図面を参照して簡単に説明しておくと，図６は同装置の全体構成図、図７は同装置の要部拡大図、図８はＰＺＴチューブの作動状態の説明図、図９はホール・プローブ素子の走査（移動）状態の説明図、図１０は従来型走査型ホール・プローブ素子顕微鏡装置（ＳＨＰＭ）によって試料を観察した図である。
【０００５】
図中、５１はＰＺＴチューブ（ＰｌＥＺＯ  ＥＬＥＣＴＲ１Ｃ  ＴＵＢＥ）  、５２は同チューブ５１の先端に取り付けたホール・プローブ素子、５３は試料（サンプル）、５４は制御器、５５は表示装置、５６はパソコンであり、図ではホール・プローブ素子５２が図中中央部に拡大された状態で表示されている。
前記ＰＺＴチューブ５１はＸ、Ｙ方向ピエゾアクチュエータとＺ方向ピエゾアクチュエータを備えており、制御器５４からのスキャンシグナル５７により、試料観察時には図８に示すように試料に対して所定の角度傾斜した状態でＰＺＴチューブを支点５１Ｃを中心に揺動し略水平に走査できるようになっている。ＰＺＴチューブ５１の先端には図６の中央部に拡大して示されているような公知のホール・プローブ素子５２が取り付けられており、ホール・プローブ素子５２には図示のようにチップバイアスが印加され、トンネル電流を検出できるようになっている。
【０００６】
図７を参照して走査型ホール・プローブ素子顕微鏡装置の要部をさらに説明すると、走査型ホール・プローブ素子顕微鏡装置は低温冷却用のクライオスタット５８を備えており、このクライオスタット５８内にチャンバー５９が配置されている。このチャンバーの上方には公知の真空／交換ガス用のスペース６０が形成されており、またチャンバー内にはガラス材などの材料によって作られた支持部材６１が配置され、こん支持部材６１の下部にＺ方向移動用のピエゾアクチュエータ５１ａ、Ｘ、Ｙ方向移動用のピエゾアクチュエータ５１ｂを備えたＰＺＴチューブ５１が取り付けられている。そしてＰＺＴチューブ５１の下方には試料保持台６２が傾斜して取り付けられており、この台上６２に試料５３を配置し、ＰＺＴチューブ５１の先端に設けたホール・プローブ素子５２により試料の磁区観察ができるようになっている。
【０００７】
前記ＰＺＴチューブ５１に設けたホール・プローブ素子５２近傍には、図７に示すようにＰＺＴチューブ５１周囲を冷却領域Ａとするため寒剤貯留槽（例えば液体窒素、液体ヘリウムなど）６４が配置されている。また、チャンバー５９の周囲には寒剤が流れるスペース（ガス排出用出口）６６が形成されており、寒剤が寒剤貯留槽６４からスペース６６内に供給されるようになっている。なお、本例では、寒剤貯留槽と前記スペースとを連通する流路内にバルブ６５を配置し、寒剤の供給を制御できるようになっており、さらにチャンバー５９内には寒剤（例えばヘリウムガス）が満たされている。
【０００８】
上記顕微鏡では、ＰＺＴチューブ５１を構成するＸ、Ｙ方向ピエゾアクチュエータ５１ｂにより図８に示すように試料５３に対して支点５１Ｃを中心に揺動してホール・プローブ素子５２を略水平に走査する。即ちホール素子はトンネル電流を検出するためにチューブ型のＰＺＴチューブ５１の先端に取り付けられており、リフトモードで測定する場合、ＰＺＴチューブ５１は試料に対して図８に示すように傾斜した状態で測定する必要がある。そしてこの測定は、図９に示すように試料表面から０．３４μｍ上空でホール・プローブ素子５２を移動することにより磁区観察を行い・室温で約５０μｍ×５０μｍの走査範囲が可能である。
【０００９】
しかし、この測定法ではＰＺＴチューブ５１を支点５１Ｃを中心に揺動して走査するため、ホール・プローブ素子５２は走査時に図中右方に移動するにつれて、図９に示すように試料から徐々に離れてしまい、このため、試料の観察状況は図ホに示すようにホール・プローブ素子が試料から徐々に離れるにつれて、映像が不鮮明となる問題がある。
また、超伝導材料などのｖｏｒｔｅｘ観察のためには、上述したように試料及びホール・プローブ素子を冷却する（液体Ｈｅ温度）必要があるが、既存ＳＨＰＭの走査範囲は圧電素子（ピエゾ素子）の物性の制限により、低温では約１μｍ×１μｍしか得られず、広範囲での観察が出来ないため実質上、低温応用は困難である、という問題がある。
【００１０】
【発明が解決しようとしている課題】
上記走査型ホール・プローブ素子顕微鏡の問題点を改めて整理すると以下のようになる。
１．サンプル（試料）とＰＺＴチューブ（Ｘ、Ｙ、Ｚピエゾアクチュエータ）は図７に示すように冷却領域内において接近して配置されており、試料を冷却するとピエゾアクチュエータも冷却される。そのため、ピエゾアクチュエータの温度特性により低温ほど変位範囲（測定範囲）が狭くなる。
２．ホール・プローブ素子を試料に接近させる場合、ホールプローブ先端のコーナーを使用してトンネル電流を検出するため、ホール・プローブ素子と試料は約１．５°傾斜している。また、ホール・プローブ素子はピエゾアクチュエータの端面に取り付けられており、さらに図８に示すようにＰＺＴチューブが５１Ｃを中心に揺動する構成となっているため、試料面からの高さを固定してＸＹ面を走査するする測定（リフトモード）では、ホール・プローブ素子と試料距離が徐々に離れ、スキャン方向で測定画像の分解能が悪くなりぼやけてくる（図９、図１０参照、なお図１０は一辺が５０μｍの画像となっている）。
３．走査はピェゾアクチュェータだけで行うため広範囲な測定を行うことが不可能である。
４．ピエゾアクチュエータは試料と同じ空間に設置されているため、熱交換用ガスを置換する場合は、ピェゾアクチュータに印加している高電圧による放電破壊に注意する必要がある。
５．トンネル電流を検出するＺ方向の微動、粗動の移動機構は、スリップスティック機構と呼ばれるピエゾアクチュエータに印加する電圧変化と摩擦を利用した移動方法を採用しているが、温度により摩擦が変化するため移動が不安定となる。
６．ＰＺＴチューブ型ピエゾアクチュエータを採用しているため、Ｚ方向に外部強磁界を印加する方法として手軽に利用できる電磁石を使うことが困難である。などの問題点がある。
【００１１】
そこで、本発明は低温でも広範囲測定が可能な走査型ホール・プローブ素子顕微鏡装置の作製を提案することにより、上記従来の問題点を解決することを目的とする。
具体的には、本発明のＳＨＰＭ装置は試料あるいはホール・プローブ素子用の駆動部圧電素子を室温部位に設置し、低温下における圧電素子の性能劣化を避け、センサー部のホール・フローブ素子及び試料のみを低温部位に設置する機構を採用することにより走査範囲を広くとることを可能とする。また、トンネル電流検出のためのプローブの粗調整にはステツピングモータを用い、微調に圧電素子（ピエゾ素子）を使用しているが、本発明では３軸独立して調整可能の機構とすることで走査型ホール・プローブ素子顕微鏡装置が低温でも広範囲の測定を可能とし、より幅広い応用を可能としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
走査型ホール・プローブ素子顕微鏡において、ホール・プローブ素子または試料を駆動するアクチュエータを室温領域に設置することにより、アクチュエータが試料温度の影響を受けることが無いようにしたことを特徴とする走査型ホール・プローブ素子顕微鏡である。
また、走査型ホール・プローブ素子顕微鏡において、冷却されたチャンバー内にホール・プローブ素子と試料とを配置し、前記チャンバー外の室温領域に前記ホール・プローブ素子または試料のいずれかを駆動するアクチュエータを配置したことを特徴とする走査型ホール・プローブ素子顕微鏡である。
また、チャンバーと、チャンバー内を冷却する冷却手段と、チャンバー内において試料またはホール・プローブ素子を所定の位置関係をもって支持する支持部材と、前記支持部材の先端に対向して設けた試料またはホール・プローブ素子載置台と、前記支持部材を水平または垂直に移動するアクチュエータを前記チャンバー外の室温領域に設けたことを特徴とする走査型ホール・プローブ素子顕微鏡である。
また、前記チャンバーを２層とし、さらにその外側に寒剤を配置したことを特徴とする走査型ホール・プローブ素子顕微鏡である。
また、前記アクチュエータはステッピングモータと圧電素子との組み合わせで構成したことを特徴とする走査型ホール・プローブ素子顕微鏡である。
また、前記アクチュエータの内、微動にピエゾアクチュエータを使用し、粗動にスッテッピングモータを使用することを特徴とする走査型ホール・プローブ素子顕微鏡である。
また、前記チャンバーを真空とし、真空チャンバー全体を強磁界中に設置し、磁界印加を容易にしたことを特徴とする走査型ホール・プローブ素子顕微鏡である。
【００１３】
【実施の形態】
図面を参照して本発明に係る走査型ホール・プローブ素子顕微鏡の構成を説明すると、図１は本発明の走査駆動系の要部拡大図であり、図２がホール・プローブ素子が試料上を移動して行く状態を説明する図、図３は走査時におけるホール・プローブ素子と試料と関係を説明する図、図４は本発明に係る走査型ホール・プローブ素子顕微鏡によって試料を測定した状態の図である。
【００１４】
図１において、１は低温用クライオスタット、２は２層からなるチャンバー、３はホール・プローブ素子支持部材、４はホール・プローブ素子、５は試料、６は試料支持台、７は真空／交換ガス室である。２層チャンバー２の上部にはアクチュエータ載置台８が設けられ、この載置台８上に前記ホール・プローブ支持部材３を駆動するための、Ｘ、Ｙ方向ピエゾアクチュエータ９、Ｘ、Ｙ方向ステッピングモータ１０、Ｚ方向ピエゾアクチュエータ１１、Ｚ方向ステッピングモータ１２が配置されている。そして、ホール・プローブ素子４はホール・プローブ素子支持部材３に所定の角度（約１．５°）を持って取り付けられている。
【００１５】
この顕微鏡では、２層チャンバー２の外側の室温領域にホール・プローブ素子４を駆動するＸ、Ｙ方向ピエゾアクチュエータ９、Ｘ、Ｙ方向ステッピングモータ１０、Ｚ方向ピエゾアクチュエータ１１、Ｚ方向ステッピングモータ１２を配置しているため、観察時に試料５を寒剤によって冷却してもＸ、Ｙ、Ｚ方向のピエゾアクチュエータは室温領域にあるため、ピエゾアクチュエータの温度特性により低温ほど変位範囲（測定範囲）が狭くなるという問題を解消できるようになっている。
【００１６】
クライオスタット１内の２槽チャンバーチャンバー外周には寒剤が流れるスペース１３が形成されており、寒剤が寒剤貯留槽１４からスペース１３内に供給されるようになっている。また寒剤貯留槽１４と前記スペース１３とを連通する流路内にバルブ１５を配置し、バルブ操作部材１５Ａにより寒剤の供給を制御できるようになっている。さらに２層チャンバー２の各層２ａ、２ｂ内には適宜寒剤を供給しチャンバー内も冷却ガスで満たされて状態となっており、これらによってチャンバー内冷却手段が構成されている。こうして、試料周辺を冷却領域Ａとしている。
【００１７】
上記顕微鏡では、載置台８上に設けたＸ、Ｙ方向ピエゾアクチュエータ９、Ｘ、Ｙ方向ステッピングモータ１０を使用してホール・プローブ素子支持部材３を図２に示すように試料表面に対して水平方向に走査する。この時、本顕微鏡ではホール・プローブ素子４を所定の傾斜を持って支持しているホール・プローブ支持部材３が図２、図３に示すように水平に移動するため、ホール・プローブ素子も傾斜した状態を維持しながら試料上を一定の距離を保ちながら移動する。このため、試料表面とホール・プローブ素子との距離は常に一定となり、図４に示すようにＸＹ面を走査する測定（リフトモード）でも、試料全面にわたって鮮明な画像を得ることができる。
また、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のピエゾアクチュエータをチャンバー外側の室温領域内に設置したため、ピエゾアクチュエータが試料温度の影響を受けることがなくなり、試料を低温にしても、室温の走査領域と同じ範囲を測定することができる。
【００１８】
図５に第２実施形態を示す。
第２実施形態は第１実施形態の構成をさらに簡略化し装置を小型化した点に特徴がある。
図５において、２１は真空チャンバー、２２は冷却ステージ、２３は試料、２４はホール・プローブ素子、２５はＸ、Ｙ方向ピエゾアクチュエータ、２６はＸ、Ｙ方向ステッピングモータ、２７はＺ方向ピエゾアクチュエータ、２８はＺ方向ステッピングモータ、２９は真空領域、３０はホール・プローブ素子支持部材、３１は装置全体の載置台である。そして、ホール・プローブ素子２４はホール・プローブ素子支持部材３０に所定の角度（約１．５°）を持って取り付けられている。
【００１９】
この顕微鏡では、真空チャンバー２１の外側の室温領域にＸ、Ｙ方向ピエゾアクチュエータ２５、Ｘ、Ｙ方向ステッピングモータ２６、Ｚ方向ピエゾアクチュエータ２７、Ｚ方向ステッピングモータ２８を配置したため、観察時に試料２３を冷却ステージ２２によって冷却してもＸ、Ｙ、Ｚ方向のピエゾアクチュエータは低温の影響を受けることがなくなり、ピエゾアクチュエータの温度特性により低温ほど変位範囲（測定範囲）が狭くなるという問題を解消できるようになっている。
なお、冷却ステージへの寒剤の供給方法は適宜の方法を選択することができる。
【００２０】
以上、本発明の実施形態を説明したが、前述の実施形態とは逆に、試料を支持部材側に取り付け、ホール・プローブ素子をチャンバー側に固定することも可能であり、この場合には試料の交換作業が容易になるという効果を達成することができる。また、チャンバーの形状、チャンバー内の冷却領域、冷却方法などは装置によって任意に設定することが可能である。また、前記チャンバーを真空とし、真空チャンバー全体を強磁界中に設置し、磁界印加を容易することも可能である。
さらに、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、
１．試料またはホール・プローブ素子の一方を駆動するピエゾアクチュエータを室温領域に設置したため、ピエゾアクチュエータが試料温度の影響を受けることがなくなり、低温でも室温の走査領域と同じ範囲を測定できる。
２．ＸＹＺ軸のそれぞれに独立したピエゾアクチュエータを使用しているため、移動は直線的で測定画像が場所によりボケることは無い。
３．走査はピエゾアクチュエータで行うが移動にスッテッピングモータを使用できるため広範囲な測定が可能である。
４．ピエゾアクチュエータは室温に設置されているため高電圧による放電破壊を起こす心配は無い。
５．トンネル電流の検出は、微動にピエゾアクチュエータを使用し、粗動にスッテッピングモータを使用するため、正確な移動が可能で室温状態と同じ状態で操作でる。移動機構部は室温に設置されているため温度による影響を全く受けない。
６．温度可変部と移動機構部をコンパクトに製作可能なため電磁石による磁界印加も可能である。
などの優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の走査駆動系の要部拡大図である。
【図２】ホール・プローブ素子が試料上を移動して行く状態を説明する図である。
【図３】走査時におけるホール・プローブ素子と試料と関係を説明する図である。
【図４】本発明に係る走査型ホール・プローブ素子顕微鏡によって試料を測定した状態の図である。
【図５】本発明に係る第２実施形態の走査駆動系の要部拡大図である。
【図６】従来のホール・プローブ素子顕微鏡の全体構成図である。
【図７】従来の顕微鏡の要部拡大図である。
【図８】従来のＰＺＴチューブの作動状態の説明図である。
【図９】従来のホール・プローブ素子の走査（移動）状態の説明図である。
【図１０】従来型走査型ホール・プローブ素子顕微鏡装置（ＳＨＰＭ）によって試料を観察した図である。
【符号の説明】
１          低温用クライオスタット
２          ２層からなるチャンバー
３          ホール・プローブ素子支持部材
４          ホール・プローブ素子
５          試料
６          試料支持台
７          真空／交換ガス室
８          アクチュエータ載置台
９          Ｘ、Ｙ方向ピエゾアクチュエータ
１０          Ｘ、Ｙ方向ステッピングモータ
１１          Ｚ方向ピエゾアクチュエータ
１２          Ｚ方向ステッピングモータ
１３          スペース（ガス排出用出口）
１４          寒剤
１５          バルブ
【図１】
2004226292.tif 000003
【図２】
2004226292.tif 000004
【図３】
2004226292.tif 000005
【図４】
2004226292.tif 000006
【図５】
2004226292.tif 000007
【図６】
2004226292.tif 000008
【図７】
2004226292.tif 000009
【図８】
2004226292.tif 000010
【図９】
2004226292.tif 000011
【図１０】
2004226292.tif 000012