(57)【要約】【課題】  走査型プローブ顕微鏡構成部材に損傷を与えることなく、特殊ガス環境下での測定が可能な走査型プローブ顕微鏡を提供すること。【解決手段】  先端に微小な探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、試料を移動させる試料移動手段とを有し、少なくとも前記カンチレバーと前記試料および前記試料移動手段を真空槽内に配置し、前記カンチレバーおよび前記試料が設置された真空槽第１室と、前記試料移動手段が配置された真空槽第２室とに前記真空槽を隔てる手段を備えた走査型プローブ顕微鏡とし、前記真空槽第１室へのみ特殊ガスを導入するものとする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に微小な探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、試料を移動させる試料移動手段とを有する走査型プローブ顕微鏡において、少なくとも前記カンチレバーと前記試料および前記試料移動手段を真空槽内に配置し、前記カンチレバーおよび前記試料が設置された真空槽第１室と、前記試料移動手段が配置された真空槽第２室とに前記真空槽を隔てる手段と、前記真空槽第１室へ特殊ガスを導入するためのガス導入機構とを有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
探針と前記探針と試料間に流れるトンネル電流を検出する検出手段と、試料を移動させる試料移動手段とを有する走査型プローブ顕微鏡において、少なくとも前記探針と前記試料および前記試料移動手段を真空槽内に配置し、前記探針および前記試料が設置された真空槽第１室と、前記試料移動手段が配置された真空槽第２室とに前記真空槽を隔てる手段と、前記真空槽第１室へ特殊ガスを導入するためのガス導入機構とを有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記真空槽を隔てる手段に、高分子薄膜を使用したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記真空槽を隔てる手段に、高粘性オイルを使用したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記真空槽を隔てる手段に、磁性流体を使用したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記変位検出手段が、レーザー光を前記カンチレバー背面に照射し、その反射光を光検出器で検出することによってカンチレバーの変位情報を得る光てこ検出方式であり、光てこ方式変位検出部を前記真空槽外に配置したことを特徴とする請求項１、３、４及び５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記真空槽が真空排気手段を有し、前記真空槽を隔てる手段が取り外し可能に構成され、該真空槽を隔てる手段を取り外すことで真空中での試料測定が可能となることを特徴とする請求項１乃至６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査型プローブ顕微鏡に関わり、特に特殊ガス環境下での試料測定が可能な走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の走査型プローブ顕微鏡は、例えば、特許文献１に示すように、真空容器１１内に、カンチレバーと、カンチレバーの変位を検出するＳＰＭヘッド２７と、試料を移動させるためのスキャナ１３とを備えていた。このような構成のプローブ顕微鏡において、特殊ガス環境下での試料測定を行う際は、真空容器１１内全体を特殊ガスで充填していた。
【０００３】
さらに、他の例としては特許文献２に示すように、高圧容器５内に、プローブ１、プローブ１を移動させるためのプローブ走査ユニット３、試料２、及び試料２を移動させるための試料走査ユニット４が収められていた。このような構成のプローブ顕微鏡においても、特殊ガス環境下での試料測定を行う際は、ガス導入口から特殊ガスを導入することで、容器全体を特殊ガスで充填していた。但し、ここで言うところの特殊ガスとは、たとえば高湿度ガスや、強酸性、強アルカリ性などを持つガスなど、プローブ顕微鏡構成部材に損傷を与える可能性のあるガスを指す。
【０００４】
しかし、これらの走査型プローブ顕微鏡の場合、カンチレバーや試料、カンチレバーの変位検出手段、および試料移動手段などすべてが同一の槽内に配置さているため、特殊ガスを槽内に導入した際、カンチレバーの変位検出系や、試料移動手段までもが特殊ガス環境下に曝される。よって、それら変位検出系や試料移動手段を構成する部材の腐食や酸化などが発生し、正常に試料測定が出来なくなるといった問題があった。
【特許文献１】特開２００３−５０１９１号公報
【特許文献２】特開平８−２９２１９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明は、上記問題点を解決し、プローブ顕微鏡構成部材が特殊ガスによって腐食や酸化されることなく、特殊ガス環境下での試料測定が可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するために、本発明では、先端に微小な探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、試料を移動させる試料移動手段とを有し、少なくとも前記カンチレバーと前記試料および前記試料移動手段を真空槽内に配置し、前記カンチレバーおよび前記試料が設置された真空槽第１室と、前記試料移動手段が配置された真空槽第２室とに前記真空槽を隔てる手段と、前記真空槽第１室へ特殊ガスを導入するためのガス導入機構とを有する走査型プローブ顕微鏡とした。
【０００７】
また、本発明では、探針と前記探針と試料間に流れるトンネル電流を検出する検出手段と、試料を移動させる試料移動手段とを有する走査型トンネル顕微鏡において、少なくとも前記探針と前記試料および前記試料移動手段を真空槽内に配置し、前記探針および前記試料が設置された真空槽第１室と、前記試料移動手段が配置された真空槽第２室とに前記真空槽を隔てる手段と、前記真空槽第１室へ特殊ガスを導入するためのガス導入機構とを有することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡とした。
【０００８】
また、本発明では、前記真空槽を隔てる手段に、高分子薄膜を使用する走査型プローブ顕微鏡とした。
【０００９】
また、本発明では、前記真空槽を隔てる手段に、高粘性オイルを使用する走査型プローブ顕微鏡とした。
【００１０】
また、本発明では、前記真空槽を隔てる手段に、磁性流体を使用する走査型プローブ顕微鏡とした。
【００１１】
また、本発明では、前記カンチレバーの変位を検出する前記変位検出手段が、レーザー光を前記カンチレバー背面に照射し、その反射光を光検出器で検出することによってカンチレバーの変位情報を得る光てこ方式であり、その光てこ方式変位検出部を前記真空槽外に配置した走査型プローブ顕微鏡とした。
【００１２】
また、本発明では、前記真空槽が真空排気手段を有し、前記真空槽を隔てる手段が取り外し可能に構成され、該記真空槽を隔てる手段を取り外すことで、真空中での試料測定が可能な走査型プローブ顕微鏡とした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
【００１４】
つまり、本発明の走査型プローブ顕微鏡では、先端に微小な探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、試料を移動させる試料移動手段とを有する走査型プローブ顕微鏡において、少なくとも前記カンチレバーと前記試料および前記試料移動手段を真空槽内に配置し、前記カンチレバーおよび前記試料が設置された真空槽第１室と、前記試料移動手段が配置された真空槽第2室とに前記真空槽を隔て、前記真空槽第１室へ特殊ガスを導入するためのガス導入機構を備えた構成としたことにより、真空槽第１室にのみ特殊ガスを導入することで、真空槽第２室に設置された試料移動機構は特殊ガス環境から隔離することができ、試料移動機構が腐食や酸化することなく、特殊ガス環境下での試料測定が可能である。
【００１５】
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡では、探針と前記探針と試料間に流れるトンネル電流を検出する検出手段と、試料を移動させる試料移動手段とを有する走査型トンネル顕微鏡において、少なくとも前記探針と前記試料および前記試料移動手段を真空槽内に配置し、前記探針および前記試料が設置された真空槽第１室と、前記試料移動手段が配置された真空槽第２室とに前記真空槽を隔て、前記真空槽第１室へ特殊ガスを導入するためのガス導入機構を備えた構成としたことにより、真空槽第１室にのみ特殊ガスを導入することで、真空槽第２室に設置された試料移動機構は特殊ガス環境から隔離することができ、試料移動機構が腐食や酸化することなく、特殊ガス環境下での試料測定が可能である。
【００１６】
また、真空槽を隔てる手段に、高分子薄膜を使用したことにより、試料移動機構の動きを阻害することなく測定することができる。
【００１７】
また、真空槽を隔てる手段に、高粘性オイルを使用したことにより、試料移動機構の動きを阻害することなく測定することができる。
【００１８】
また、真空槽を隔てる手段に、磁性流体を使用したことにより、試料移動機構の動きを阻害することなく測定することができる。
【００１９】
また、カンチレバーの変位を検出する変位検出手段が、レーザー光を前記カンチレバー背面に照射し、その反射光を光検出器で検出することによって、カンチレバーの変位情報を得る、光てこ方式であり、この光てこ方式検出部を真空槽の外に配置したことによって、光てこ方式検出部が特殊ガスに曝されるのを防ぎ、光てこ方式検出部が腐食や酸化することなく、特殊ガス環境下での試料測定が可能である。さらに、真空槽外部に配置したことで、特殊ガス導入後も光てこ方式検出部の光軸調整が可能である。
【００２０】
また、真空槽に真空排気手段を配置し、真空槽を隔てる手段を取り外し可能に構成させたことにより、真空槽を隔てる手段を取り外すことで、真空中での試料測定も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施の形態について、以下に図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明における走査型プローブ顕微鏡の第１の実施例の構成を示す模式図である。図１において、カンチレバー１は材質がシリコン製あるいは窒化珪素製で作られており、長さが２００ｕｍ程度、幅が４０ｕｍ程度、厚みが３ｕｍ程度の形状である。カンチレバー１の先端には、エッチングで作られた高さが３〜７ｕｍ程度、先端半径が１０ｎｍ程度の微小な探針２を有しており、カンチレバー保持部３に装着される。カンチレバー保持部３は例えばステンレス製のフランジ形状をしていて、真空槽上面１５に設置される。カンチレバー保持部３と真空槽上面１５との間は、Ｏリングなどにより気密性が確保されて真空空間を形成するように設置される。また、カンチレバー保持部３は透明なガラス製のウィンドウ５を有し、ウィンドウ５とはＯリングで真空気密性が確保されている。
【００２３】
カンチレバー１の変位を検出する光てこ方式変位検出部６は、真空槽４の外に配置されており、半導体レーザー７とフォトディテクタ８とを有している。半導体レーザー７はウィンドウ５を介してカンチレバー１の背面に照射され、その反射光をフォトディテクタ８で検出する。カンチレバー１の変位は、前記反射光の到達位置をフォトディテクタ８で検出することにより測定できる。
【００２４】
試料９は、着磁性をもつ試料台１０に載置される。試料台１０は、マグネット１１を有する試料台固定ステージ１２に磁着載置されるが、その際に、試料台１０と試料台固定ステージ１２との間に、高分子膜１３を挟み込む。さらに高分子膜１３の端部は真空槽側面１４と真空槽上面１５との間に挟み込まれる。真空槽上面１５には、ガス導入口２０とガス排出口２１とがそれぞれストップバルブ２２を介してを備えられている。
【００２５】
また、試料台固定ステージ１２は、例えば圧電素子などで構成される試料微動機構１６と、例えばステッピングモータなどで構成される試料粗動機構１７の上に設置される。試料粗動機構１７により、カンチレバー１と試料９とを大まかに接近させることができる。また、試料微動機構１６によって、測定中の平面内でのスキャンや、高さ方向の微小位置決めが可能である。
【００２６】
以上のような構成とすることで、高分子薄膜１３により、カンチレバー１と試料９を備えた真空槽第１室１８と、試料微動機構１６と試料粗動機構１７を備えた真空層第２室１９とを空間的に分離することができる。
【００２７】
以上の構成からなる本第１実施例の走査型プローブ顕微鏡において、図１中の左端にある矢印で示すように、ガス導入口２０から特殊ガスを導入すると、カンチレバー１と試料９が設置された真空槽第１室１８のみを特殊ガスで充填することができる。よって、真空槽第２室１９内に設置された試料微動機構１６や試料粗動機構１７、および真空槽４外にある光てこ方式変位検出部６に損傷を与えることなく、特殊ガス環境下での試料測定が可能である。なお、ここで言うところの特殊ガスとは、たとえば高湿度ガスや、強酸性、強アルカリ性などを持つガスなど、プローブ顕微鏡構成部材に損傷を与える可能性のあるガスを指す。
【００２８】
さらに、真空槽４を隔てる手段に使用した高分子薄膜１３は、試料微動機構１６の動きに対して柔軟であるため、測定中の試料微動機構１６の動きを阻害することはない。
【００２９】
さらに、ガス導入後には、カンチレバー１のそりなどの影響でカンチレバーの変位検出系にずれが生じる可能性があるが、本実施例のように、光てこ方式変位検出部６を真空槽４の外に配置したことで、ガス導入後にも調整が可能である。
【００３０】
さらに、高分子薄膜１３の取り外しは簡便に行うことが出来る。高分子薄膜１３を取り外し、ガス導入口２０およびガス排出口２１に設置されたストップバルブ２２を閉め、真空槽４に設置された真空排気ポンプ２３を使用することで、真空槽４内を真空排気し、真空中での試料測定も可能である。
【実施例２】
【００３１】
次に、本発明の第２の実施例について図２を用いて説明する。尚、図１で示した第１の実施例と共通の構成要素には同じ符号を記し、その詳細説明は省略する。
【００３２】
図２は、本発明における走査型プローブ顕微鏡の第２の実施例の構成を示す模式図である。図２において、試料９は試料台１０の上に載置されており、試料台１０の上方には防護壁２４が配置されている。試料台１０と防護壁２４との間には高い粘性を持つ高粘性オイル２５が充填されており、高粘性オイル２５によって、真空槽４は真空槽第１室１８と真空槽第２室１９とに分離されている。真空槽第1室１８は、カンチレバー１および試料２を備えている。一方、真空槽第２室１９には、試料微動機構１６と試料粗動機構１７が設置されている。また、カンチレバーの変位を検出する光てこ方式変位検出部６は、カンチレバー保持部３の直上に配置され、真空槽４の外部にある。さらに、真空槽４はガス導入口２０およびガス排出口２１を備えている。
【００３３】
以上の構成からなる本第２実施例の走査型プローブ顕微鏡において、図２中の左端にある矢印で示すように、ガス導入口２０から特殊ガスを導入すると、真空槽第１室１８のみが特殊ガスで充填される。よって、真空槽第２室１９内にある試料微動機構１６と試料粗動機構１７、および真空槽４の外にある光てこ方式変位検出部６は特殊ガスに触れることがなく、特殊ガスによって腐食や酸化などの損傷を受ける恐れがない。
【００３４】
さらに、真空槽４を隔てる手段に使用した高粘性オイル２５は、試料微動機構１６の動きに対して柔軟であるため、測定中の試料微動機構１６の動きを阻害することはない。
【００３５】
以上のようにすることで、プローブ顕微鏡構成部材に損傷を与えることなく、特殊ガス環境下での試料測定が可能である。
【実施例３】
【００３６】
次に、本発明の第３の実施例について図３を用いて説明する。尚、図１で示した第１の実施例と共通の構成要素には同じ符号を記し、その詳細説明は省略する。
【００３７】
図３は、本発明における走査型プローブ顕微鏡の第３の実施例の構成を示す模式図である。図３において、試料９は試料台１０の上に載置されており、試料台１０には磁性体２６が取り付けられている。試料台１０の上方には、防護壁２４が配置されており、防護壁２４は磁性体２７を有している。試料台１０と防護壁２４との間には、磁性流体２７が充填されており、磁性流体２７によって、真空槽４は真空槽第１室１８と真空槽第２室１９とに分離されている。真空槽第1室１８は、トンネル顕微鏡用探針２８および試料２を備えている。一方、真空槽第２室１９には、試料微動機構１６と試料粗動機構１７が設置されている。さらに、真空槽４はガス導入口２０およびガス排出口２１を備えている。
【００３８】
以上の構成で、ガス導入口２０から特殊ガスを導入すると、真空槽第１室１８のみが特殊ガスで充填される。よって、真空槽第２室１９内にある試料微動機構１６と試料粗動機構１７は特殊ガスに触れることがなく、特殊ガスによって腐食や酸化などの損傷を受ける恐れがない。
【００３９】
さらに、真空槽４を隔てる手段に使用した磁性流体２７は、試料微動機構１６の動きに対して柔軟であるため、測定中の試料微動機構１６の動きを阻害することはない。
【００４０】
以上のようにすることで、プローブ顕微鏡構成部材に損傷を与えることなく、特殊ガス環境下での試料測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明における走査型プローブ顕微鏡の第１の実施例の構成を示す模式図。
【図２】本発明における走査型プローブ顕微鏡の第２の実施例の構成を示す模式図。
【図３】本発明における走査型プローブ顕微鏡の第３の実施例の構成を示す模式図。
【符号の説明】
【００４２】
１  カンチレバー
２  探針
３  カンチレバー保持部
４  真空槽
５  ウィンドウ
６  光てこ方式変位検出部
７  半導体レーザー
８  フォトディテクタ
９  試料
１０  試料台
１１  マグネット
１２  試料台固定ステージ
１３  高分子薄膜
１４  真空槽側面
１５  真空槽上面
１６  試料微動機構
１７  試料粗動機構
１８  真空槽第１室
１９  真空槽第２室
２０  ガス導入口
２１  ガス排出口
２２  ストップバルブ
２３  真空排気ポンプ
２４  防護壁
２５  高粘性オイル
２６  磁性体
２７  磁性流体
２８  トンネル顕微鏡用探針
【図１】
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【図２】
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【図３】
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