(57)【要約】【課題】  試料を直接観察することができ、小型で安価な走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構を提供する。【解決手段】  探針位置制御機構２は、基板５と、基板５に取付けられて探針１１を保持する探針取付部１０と、基板５に取付けられて基板５と探針取付部１０を保持する３本以上の保持脚２５を有し、保持脚２５は、それぞれ外周にピッチの細かい微調ネジが設けられ、基板５に取付けられたピッチの細かい微調ネジが設けられたナットに、保持脚２５は回転自在に嵌挿され、ステッピングモータ２１が３本以上の保持脚部にそれぞれ連結され、保持脚２５がステッピングモータ２１によりそれぞれ回転される走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査型トンネル顕微鏡の探針の位置を試料に対して制御する探針位置制御機構は、基板と、該基板に取付けられて探針を保持する探針取付部と、上記基板に取付けられて上記基板と上記探針取付部を保持する３本以上の保持脚を有し、
上記探針取付部は、探針を一端に取付けた圧電素子と、該圧電素子を内部に保持する探針取付筒からなり、
上記３本以上の保持脚は、それぞれ外周にピッチの細かい微調ネジが設けられ、上記基板に取付けられたピッチの細かい微調ネジが設けられたナットに上記保持脚は回転自在に嵌挿され、ステッピングモータが上記３本以上の保持脚にそれぞれ連結され、上記保持脚がステッピングモータによりそれぞれ回転される走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構。
【請求項２】
上記保持脚と上記ステッピングモータの連結は、上記ステッピングモータの回転軸の先端に、外周にギヤを刻設した円板を取付け、上記保持脚の先端に上記円板のギヤに係合する回転子を取付け、該回転子は上記保持脚が所定の寸法を上下したときに、それ以上上記円板の回転を伝えない構成とした請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構。
【請求項３】
上記基板の下面に試料を保持する試料保持板を着脱自在に取り付け、該試料保持板の外周側面の３箇所を１個のバネと２個のネジで押圧し、上記試料保持板を基板と平行に移動可能にした請求項１または２記載の走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構。
【請求項４】
上記試料保持板の試料を観察可能にＣＣＤカメラと照明器具を上記基板に着脱自在に取付けた請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構。
【請求項５】
上記探針にはバイアス電圧がかけられた請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構。
【請求項６】
上記探針の出力を上記基板に設けられたプレアンプで増幅する請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型トンネル顕微鏡の探針を、観察する試料に対して的確に位置するように制御する探針位置制御機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル電流を利用して試料の表面のナノメートル（ｎｍ）のレベルで観察することができる走査型トンネル顕微鏡が開発され、広範囲の分野で利用されている。この走査型トンネル顕微鏡は、先端が極めて細く研磨された探針を観察する試料の表面に１ナノメートル（ｎｍ）程度まで近づけて探針を走査して観察する。
【０００３】
しかしながら、この探針の可動範囲は限定されているため、試料の観察したい部分の位置に、的確に探針を持っていく必要がある。
【０００４】
従来、このため、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡等を用いて、探針と試料表面を同時に観察しながら、走査型トンネル顕微鏡で、観察する試料の部分を探して、その部分に、探針あるいは試料を移動させる制御が必要であった（例えば、特許文献１参照。）。これらの制御により、探針は試料に向かって移動して、トンネル電流が生じる距離まで接近され、その後、圧電素子により試料表面の走査が行われて、観測することができた。
【０００５】
この場合には、走査型トンネル顕微鏡と併せて、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡が必要となり、装置が大きくなるとともに、高価なものとなった。
【０００６】
また、探針と試料の間の距離により、トンネル電流は指数関数的に極めて大きく変動するため、探針が試料に対して直角に向き合い、試料の表面とほぼ平行に走査できるように位置することが好ましかった。このため、探針と試料との角度を微小かつ、正確に制御する必要があった。従って、試料は、走査型トンネル顕微鏡に設けた試料の保持台に取付けて、試料と探針の位置を固定して試料と探針の面との角度を固定していた。
【０００７】
しかしながら、この場合は、観察する場合には、試料の一部を切り取って保持台に載せる必要があり、資料を直接そのままで観察することは困難であった。
【特許文献１】特開平４−１２８６０２号公報（第３−５頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、試料を直接観察することができ、小型で安価な走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために請求項１の本発明は、走査型トンネル顕微鏡の探針の位置を試料に対して制御する探針位置制御機構は、基板と、基板に取付けられて探針を保持する探針取付部と、基板に取付けられて基板と探針取付部を保持する３本以上の保持脚を有し、探針取付部は、探針を一端に取付けた圧電素子と、圧電素子を内部に保持する探針取付筒からなり、３本以上の保持脚は、それぞれ外周にピッチの細かい微調ネジが設けられ、基板に取付けられたピッチの細かい微調ネジが設けられたナットに、保持脚は回転自在に嵌挿され、ステッピングモータが３本以上の保持脚部にそれぞれ連結され、上記保持脚がステッピングモータによりそれぞれ回転される走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構である。
【００１０】
請求項１の本発明では、探針が探針取付部に保持されて、その探針取付部が基板に保持され、その基板が３本以上の保持脚を有しているため、保持脚を動かすことにより、探針と試料の間隔及び角度を制御することができる。
【００１１】
探針取付部は、探針を一端に取付けた圧電素子と、圧電素子を内部に保持する探針取付筒からなり、圧電素子に電圧を印加することにより、探針を試料に対して走査して、試料を観察することができる。
【００１２】
３本以上の保持脚は、それぞれ外周にピッチの細かい微調ネジが設けられ、基板に取付けられたピッチの細かい微調ネジが設けられたナットに、保持脚は回転自在に嵌挿されており、保持脚の回転により保持脚を基板に対して細かく上下に移動させることができ、基板の面を試料に対して細かく角度を変えることができ、探針を試料に対して直角に位置させて、その距離も制御することができる。
【００１３】
ステッピングモータが３本以上の保持脚にそれぞれ連結され、３本以上の保持脚がステッピングモータによりそれぞれ回転されるため、ステッピングモータの回転をコンピュータによりステップ的に回転角度を制御することができ、保持脚の高さを正確に制御することができる。
【００１４】
上記課題を解決するために請求項２の本発明は、保持脚とステッピングモータの連結は、ステッピングモータの回転軸の先端に、外周にギヤを刻設した円板を取付け、保持脚の先端に円板のギヤに係合する回転子を取付け、回転子は保持脚が所定の寸法を上下したときに、それ以上円板の回転を伝えない構成とした走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構である。
【００１５】
請求項２の本発明では、保持脚とステッピングモータの連結は、ステッピングモータの回転軸の先端に外周にギヤを刻設した円板を取付け、保持脚の先端に円板のギヤに係合する回転子を取付け、回転子は保持脚が所定の寸法だけ上下したときに、それ以上円板の回転を伝えない構成としたため、保持脚が、所定の寸法を超えて上下することがなく、探針や試料を破損することがない。
【００１６】
上記課題を解決するために請求項３の本発明は、基板の下面に試料を保持する試料保持板を着脱自在に取り付け、試料保持板の外周側面の３箇所を１個のバネと２個のネジで押圧し、試料保持板を基板と平行に移動可能にした走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構である。
【００１７】
請求項３の本発明では、基板の下面に試料を保持する試料保持板を着脱自在に取り付けたため、試料保持板を外して直接試料に探針を向けることができ、その試料に対して保持脚を制御して、探針を適切な距離と角度を持たせて位置させることができ、試料を試料保持板に置かずに、直接観察することができる。
【００１８】
また、試料保持板の外周側面を１個のバネと２個のネジで押圧し、試料保持板を基板と平行に移動可能にしたため、２個のネジを調整することにより試料が横方向に移動するようにして、探針に対して試料の適切な観察部分を位置させることができる。
【００１９】
上記課題を解決するために請求項４の本発明は、試料保持板の試料を観察可能にＣＣＤカメラと照明器具を基板に着脱自在に取付けた走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構である。
【００２０】
請求項４の本発明は、試料保持板の試料を観察可能にＣＣＤカメラと照明器具を基板に着脱自在に取付けたため、照明器具により試料を照らして、ＣＣＤカメラを使用して試料を観察しながら、探針の位置と角度を制御することにより、試料の適切な観察部分に探針を位置させることができる。
【００２１】
ＣＣＤカメラを使用することにより光学顕微鏡や電子顕微鏡を使用する場合と比べて、装置を小型に安価にすることができる。なお、照明器具を白色ＬＥＤを使用すれば、より一層小型に、安価にすることができる。
【００２２】
上記課題を解決するために請求項５の本発明は、探針にはバイアス電圧がかけられた走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構である。
【００２３】
請求項５の本発明では、探針にはバイアス電圧がかけられているため、試料にバイアス電圧をかけなくても試料と探針の間にトンネル電流を流すことができ、試料を試料保持板の上に置くことなく、直接観察することができる。
【００２４】
上記課題を解決するために請求項６の本発明は、探針の出力を基板に設けられたプレアンプで増幅する走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構である。
【００２５】
請求項６の本発明では、探針の出力を基板に設けられたプレアンプで増幅するため、探針に流れたトンネル電流を探針のすぐ近くで増幅することができ、ノイズを少なくして、確実に観測した信号を走査型トンネル顕微鏡のデータ処理部に送ることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、探針を取付けた基板に３本以上の微調ネジが刻まれた保持脚を設けて、この保持脚をステッピングモータにより上下方向に移動させることができるため、試料に対する探針の角度を調整することができ、試料保持板を使用しない場合には、試料を直接観察することができ、小型で安価な走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施の態様を図１〜図５に基づき説明する。
【００２８】
図１は、本発明の走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構の正面図であり、図２はその底面図、図３はその平面図である。
【００２９】
走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構は、基板５に後述する探針取付部１０、保持脚部２０、試料保持部３０と試料光学観察部４０が取付けられて、それらをその外周にカバー６が取付けられて覆っている。
【００３０】
基板５には、中央に探針取付部１０が取付けられている。探針取付部１０は、探針１１を一端に取付けた圧電素子１２と、圧電素子１２を内部に保持する円筒状の探針取付筒１６からなり、圧電素子１２に電圧を印加することにより、探針１１を試料に対して走査して、試料を観察することができる。
【００３１】
圧電素子１２は円筒状をなして、一方の先端に探針固定座１４が取付けられ、探針固定座１４の中心に探針１１が取付け固定されて、探針１１の先端は試料を観察するために、圧電素子１２の外方に延びている。圧電素子１２の他方の先端は、探針取付筒１６の一方の先端の内面に接着剤１５により接着されている。この接着剤１５は、例えば、熱硬化性のエポキシ樹脂系の接着剤を使用することができる。
【００３２】
探針取付筒１６の他方の先端は基板５のほぼ中央部に固定される。基板５の中心には、探針１１を基板５の外まで出すことができるように、穴が設けられている。
【００３３】
探針１１が探針取付部１０に保持されて、その探針取付部１０が基板５に保持され、その基板５に後述するように３本以上の保持脚２５が取付けられているため、保持脚２５を動かすことにより、探針１１と試料の間隔及び角度を制御することができる。
【００３４】
探針１１の後端からはリード線１３が延説され、探針１１の出力を基板５に設けられたプレアンプ（図示せず）に接続する。プレアンプで増幅するため、探針１１に流れたトンネル電流を探針１１のすぐ近くで増幅することができる。このため、微弱なトンネル電流を長距離送電することがなく、ノイズを少なく確実に観測した信号を走査型トンネル顕微鏡のデータ処理部に送ることができる。
【００３５】
基板５の外周に近い３点には保持脚部２０が設けられている。本実施の形態では３個の保持脚部２０を設けた形態に基づき説明するが、基板５を支えるために４個あるいはそれ以上の保持脚部２０を設けてもよい。
【００３６】
保持脚部２０は、ステッピングモータ２１と保持脚２５からなり、ステッピングモータ２１と保持脚２５はモータギヤ２３と脚部回転子２４により連結されている。
【００３７】
３個のステッピングモータ２１は、図３に示すように、保持脚２５の上方に設けられたモータ取付板２１ｂ上に取付けられている。ステッピングモータ２１のモータ回転軸２２は、モータ取付板２１ｂを貫通して、その先端にモータギヤ２３が取付けられている。モータ回転軸２２は、それぞれ保持脚２５の真上に位置することが好ましい。
【００３８】
モータギヤ２３は、図４に示すように円筒状のギヤ筒２３ａとギヤ筒２３ａの先端に取付けられたギヤ円板２３ｂとから成り、ギヤ円板２３ｂの外周にはギヤ歯２３ｃが刻まれている。ギヤ筒２３ａが、ステッピングモータ２１のモータ回転軸２２に嵌め込まれている。
【００３９】
保持脚２５の外周には、ピッチの細かい微調ネジの雄ネジが刻まれた保持脚外周ネジ２５ａ設けられて、微調ネジの雌ネジが刻まれた保持脚用ナット２５ｃに回転自在に嵌め込まれている。保持脚用ナット２５ｃは基板５に取付けられ、保持脚２５が回転すると、それに応じて保持脚２５の先端部２５ｂが基板５の底面から上下に移動することができる。これによって、基板５が後述する試料保持板３１に対して角度を調整することができ、試料に対して探針１１の距離と角度を制御することができる。
【００４０】
保持脚２５の上部には脚部回転子２４が取付けられている。
【００４１】
脚部回転子２４は、図５に示すように長方形の回転台２４ａとこの回転台２４ａの両側に立てられた長方形の板状の回転板２４ｂ、２４ｃから形成されている。回転台２４ａの中心には、取付孔２４ｆが設けられ、保持脚２５の先端が嵌挿される。回転板２４ｂ、２４ｃには、それぞれ向き合った側面に略半円形の上部凹部２４ｄと下部凹部２４ｅが設けられている。
【００４２】
この回転板２４ｂ、２４ｃにそれぞれ設けられた上部凹部２４ｄと下部凹部２４ｅの間に、ステッピングモータ２１の回転軸２２の先端に取りつけられたモータギヤ２３のギヤ歯２３ｃが嵌めこまれる。ステッピングモータ２１が回転すると、ギヤ歯２３ｃが回転して脚部回転子２４の回転板２４ｂ、２４ｃを回転させ、保持脚２５が回転する。このようにして、ステッピングモータ２１の回転を保持脚２５に伝達することができる。
【００４３】
このとき、保持脚２５が下方に下がり過ぎると、回転板２４ｂ、２４ｃが下がり、回転板２４ｂ、２４ｃの上部凹部２４ｄ位置の位置にギヤ歯２３ｃが位置することとなり、ギヤ歯２３ｃは、空回りをしてそれ以上保持脚２５が下方に移動することを防止することができる。同様に、保持脚２５が上方に上がりすぎると、下部凹部２４ｅ位置の位置にギヤ歯２３ｃが位置することとなり、それ以上保持脚２５が上方に移動することを防止することができる。
【００４４】
基板５の下面には試料保持部３０が設けられている。
【００４５】
試料保持部３０は、試料を載せる試料保持板３１と試料保持板３１を基板５に保持する試料保持板ホルダー３６から形成される。試料保持板３１は略円盤状をなし、側端の３箇所の円弧が一部切り欠かれて直線状となっている。試料保持板３１の上面の中央付近には試料を保持する試料押えバネ３２が設けられている。
【００４６】
試料保持板ホルダー３６は、試料保持板３１を内部に収納することができるように略円筒状をなし、基板５の底面に試料保持板取付ネジ３７で取付けられている。試料保持板ホルダー３６の先端底面には、試料保持板３１の底面を保持する試料保持板支えバネ３３が２箇所設けられている。
【００４７】
試料保持板３１の側端の３箇所の円弧が一部切り欠かれて直線状となっている部分に対応する試料保持板ホルダー３６には、１箇所には、試料保持板３１の側端の直線部分を押す試料保持板移動バネ３５が設けられ、他の２箇所には、微調ネジが設けられた試料保持板移動ネジ３４、３４が設けられている。試料保持板移動バネ３５は板バネを曲げたもので、試料保持板３１の側面を押しており、試料保持板移動ネジ３４、３４は、その頭部が試料保持板ホルダー３６の外側に位置して、その先端が試料保持板３１の側面を押しており、２本の試料保持板移動ネジ３４、３４を調整することにより、試料を探針１１に対して適切な位置に平行移動させることができる。
【００４８】
なお、試料保持板ホルダー３６は、基板５から試料保持板取付ネジ３７を外すことにより、外すことができる。
【００４９】
試料保持板ホルダー３６を基板５からはずした場合には、試料に対して探針１１を直接対向させることができる。この場合には、保持脚２５を試料に直接当てて、探針１１と試料の距離と角度を調整することにより、トンネル電流を観測することができる。
【００５０】
この場合に、従来の走査型トンネル顕微鏡では試料にバイアス電圧を印加してトンネル電流を流していたが、本発明の場合には、探針１１にバイアス電圧を印加しているため、試料にバイアス電圧を印加しなくても探針１１と試料の間にトンネル電流が流れるため、試料を試料保持板３１に取付ける必要がなく、観察が容易である。このトンネル電流に対して、引き算回路を設けて、バイアス電圧を取り除く処理を行い、その後データ処理を行う。
【００５１】
さらに、基板５上には、試料光学観察部４０が設けられている。
【００５２】
試料光学観察部４０は、ＣＣＤカメラ４１、ＣＣＤカメラ保持台４２と照明灯（図示せず）から成る。
【００５３】
ＣＣＤカメラ４１は、ＣＣＤカメラ保持台４２に着脱自在に取付けられ、斜め上方から探針１１の先端と試料の部分を観察して、探針１１と試料の距離と角度を観察して、それに基づき、ステッピングモータ２１を駆動させるとともに、試料保持板移動ネジ３４を操作して、試料を適切な位置に置くことができる。
【００５４】
図１に示すように、ＣＣＤカメラ保持台４２は、上部台４２ａと下部台４２ｂからなり、上部台４２ａと下部台４２ｂはバネ４２ｃにより連結され、上部台４２ａは下部台４２ｂに対してスライド可能となっている。下部台４２ｂは基板５に取付けられ、上部台４２ａをスライドさせて、ＣＣＤカメラ４１を取付け及び取外しを行う。。
【００５５】
照明灯（図示せず）は、試料と探針１１の先端を明るく照らして、ＣＣＤカメラ４１による観察ができるように、ＣＣＤカメラ４１の付近に設置される。照明灯は例えば白色ＬＥＤを使用するとコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本件発明の実施の形態である走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構の正面図である。
【図２】本件発明の実施の形態である走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構の底面図である。
【図３】本件発明の実施の形態である走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構の平面図である。
【図４】本件発明の実施の形態である走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構に使用するモータギヤであり、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその底面図である。
【図５】本件発明の実施の形態である走査型トンネル顕微鏡の探針位置制御機構に使用する脚部回転子であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその正面図である。
【符号の説明】
【００５７】
２  探針位置制御機構
５  基板
１１  探針
１２  圧電素子
１６  探針取付筒
２１  ステッピングモータ
２３  モータギヤ
２４  脚部回転子
２５  保持脚
３１  試料保持板
４１  ＣＣＤカメラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005049187.tif 000005
【図４】
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【図５】
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