(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を保持する試料保持部と、
前記試料の物理量を計測するために前記試料に対向して装着された超伝導量子干渉計と、
前記試料と前記超伝導量子干渉計の相対位置を制御するための走査ステージと、
前記試料あるいは前記超伝導量子干渉計の少なくとも一方を冷却するための冷却ヘッドと、
前記試料あるいは前記超伝導量子干渉計の少なくとも一方への外部からの輻射熱による熱侵入を抑える熱遮蔽板と、を内部に設けた外装となるチャンバーと、
外部から前記試料および前記超伝導量子干渉計を観察するために前記チャンバーおよび前記熱遮蔽板に設けた第一及び第二の開口部と、
から構成される超伝導量子干渉計顕微鏡において、
前記開口部からの視野中に前記試料および前記超伝導量子干渉計を映し出す鏡を、同時に前記試料および前記超伝導量子干渉計を直接観察できる位置に設置したことを特徴とする超伝導量子干渉計顕微鏡。
【請求項２】
前記開口部から前記鏡を観察した際に映し出される前記試料および前記超伝導量子干渉計の像が、前記開口部から直接前記試料および前記超伝導量子干渉計を観察した像に対し、鉛直方向からの像となるような位置に前記鏡を設置したことを特徴とする請求項１記載の超伝導量子干渉計顕微鏡。
【請求項３】
前記鏡を複数設置したことを特徴とする請求項１記載の超伝導量子干渉計顕微鏡。
【請求項４】
前記鏡が鏡面仕上げを施した金属で作製されていることを特徴とする請求項１記載の超伝導量子干渉計顕微鏡。
【請求項５】
前記鏡が鏡面仕上げを施した金属にメッキ処理したことを特徴とする請求項１記載の超伝導量子干渉計顕微鏡。
【請求項６】
前記鏡がシリコンウェハーの小片で構成されたことを特徴とする請求項１記載の超伝導量子干渉計顕微鏡。
【請求項７】
前記鏡がシリコンウェハーの小片とガラスにより構成されたことを特徴とする請求項１記載の超伝導量子干渉計顕微鏡。
【請求項８】
前記チャンバーが前記超伝導量子干渉計や前記試料への外部からの輻射熱を防ぐために真空にする真空チャンバーであることを特徴とする請求項１記載の超伝導量子干渉計顕微鏡。
【請求項９】
前記試料を冷却するために試料用冷却ヘッドを設けたことを特徴とする請求項１記載の超伝導量子干渉計顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種半導体素子や半導体材料、あるいは超伝導材料、その他金属材料や無機材料など、各種の素子や材料からなる試料について、液化ガスの沸点温度に至る低温においてＳＱＵＩＤやトンネル顕微鏡などにより計測もしくは観察を行うにあたって、センサーに対する試料の位置をマイクロメーター単位の微小精度で３次元方向に制御するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近に至り、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉計）顕微鏡と称されるマイクロメーター程度の空間分解能を有する高感度磁束計が実用化され、各種素子や材料についてＳＱＵＩＤ顕微鏡を用いた計測を行うことが多くなっているが、ＳＱＵＩＤは超伝導を利用しているため液体窒素温度以下（数Ｋから７７Ｋ）の低温に冷却しておく必要があり、また相手方の試料についても、低温に保持する必要がある場合が多い。またＳＱＵＩＤの他、トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡等によって試料の観察を行う場合にも、試料を低温に保持する場合がある。
【０００３】
また、試料の各種物理量を高空間分解能にて計測もしくは観察する場合には、試料あるいはセンサーの少なくとも一方の位置を制御し、試料とセンサー間の距離制御や、試料中の計測もしくは観察したい位置にセンサーを設置し走査させることが必要となる。
図２は試料およびセンサーを低温に冷却する従来の位置制御装置の一例を示した概略図である。真空チャンバー１０の中には、３軸走査ステージ２０、センサー用冷却ヘッド３０ａ、試料用冷却ヘッド３０ｂ、熱遮蔽板３１、センサー５０、および試料６０が設置されている。真空チャンバー１０の内部は、センサー５０と試料６０へ外部から伝導する熱侵入を防ぐために真空に保持される。センサー用冷却ヘッド３０ａはセンサー保持部を持ち、センサー５０を保持し冷却するために用いられる。熱遮蔽板３１は、センサー５０と試料６０へ外部から伝搬する熱の輻射を防ぐために用いられ、センサー用冷却ヘッド３０ａに熱的に接続され、センサー用冷却ヘッド３０ａと共に支柱１１により真空チャンバー１０に保持される。センサー５０としてはＳＱＵＩＤを用いた。試料用冷却ヘッド３０ｂには試料保持部があり、３軸走査ステージ上に設置され、試料６０を保持し冷却するために用いられる。
【０００４】
光学顕微鏡４０は、真空チャンバー１０の外部からセンサー５０および試料６０を観察するための顕微鏡である。真空チャンバーの外部よりセンサー５０および試料６０を３軸走査ステージのＹ軸方向から観察するために、真空チャンバー１０の側面には第１の観察窓１２ａ、熱遮蔽板３１の側面には第１の観察穴３２ａが設けられている。また、場合によってはライトを用いて採光用の光を照らす場合があるため、採光用の窓１３および採光用の穴３３が設けられている。実際に３軸走査ステージのＹ軸方向よりセンサー５０および試料６０を観察する場合は、図２に示した位置に光学顕微鏡４０を設置して観察を行う。また、真空チャンバーの外部よりセンサー５０および試料６０を３軸走査ステージのＺ軸方向から観察するために、真空チャンバー１０の上面には第２の観察窓１２ｂ、熱遮蔽板３１の上面には第２の観察穴３２ｂが設けられている。実際に３軸走査ステージのＺ軸方向よりセンサー５０および試料６０を観察する場合は、第２の観察窓１２ｂより目視で観察を行うか、真空チャンバー１０の上面に光学顕微鏡を設置して観察を行う。真空チャンバーの外部よりセンサー５０および試料６０を３軸走査ステージのＸ軸方向から観察する必要がある場合は、真空チャンバー１０および熱遮蔽板３１に別の観察窓や観察穴を設ける必要がある。
【０００５】
センサー５０により試料６０の物理量を計測あるいは観察するためには、Ｙ軸方向およびＺ軸方向からセンサー５０と試料６０の相対位置を観察し、３軸走査ステージにより計測・観察を行う場所に位置決めして行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
試料あるいはセンサーを低温に冷却する必要がある上記従来の位置制御装置では、試料およびセンサー周辺に外部からの熱侵入を防ぐ断熱機構を施すことから、試料およびセンサーの相対位置を観察する場合、断熱機構に観察用および採光用の開口部を設ける必要性があり、多方向から観察する場合には、開口部の数や面積を増やす必要があるため、外部からの熱侵入が増加するという問題点があった。さらに、試料およびセンサーを多方向から観察するためには、多数の光学顕微鏡を備えるか、または、都度光学顕微鏡を移動して位置合わせや焦点合わせを行う必要性があり、設置面積およびコストの増加や、センサーと試料を観察する手間がかかるという問題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（第１の手段）
本発明は、上記の課題を解決するために、断熱機構およびチャンバーの開口部の視野中に前記試料および前記センサーを映し出す鏡を設置する構造としたものである。
（第２の手段）
第１の手段にさらに、鏡により映し出された試料およびセンサーの像が、光学顕微鏡から直接観察した試料およびセンサーの像に対し、鉛直方向からの像となる位置に鏡を設置する構造とした。
（第３の手段）
第１の手段にさらに、複数の鏡を設置する構造とした。
（第４の手段）
第１の手段にさらに、鏡を鏡面仕上げの金属で製作した。
（第５の手段）
第１の手段にさらに、鏡を鏡面仕上げの金属にメッキ処理した材料で製作した。
（第６の手段）
第１の手段にさらに、鏡をシリコンウェハーの小片で構成した。
（第７の手段）
第１の手段にさらに、鏡をシリコンウェハーの小片とガラスで構成した。
【０００８】
第１の手段による位置制御装置の構造によれば、試料およびセンサーの相対位置を二方向から観察する場合においても、直接観察および鏡による観察を行うことで、一方向からの観察が可能となるため、断熱機構に施す観察用の開口面積は一方向から観察する場合と変わらないことから、外部からの熱侵入の増加が抑えられる。また、光学顕微鏡を用いて試料およびセンサーを観察する場合においても、同一場所に設置した光学顕微鏡により二方向の像が観察可能となることから、光学顕微鏡は一台で済み、かつ、光学顕微鏡を移動させる必要がないことから、設置面積は変化せず、センサーと試料を二方向から観察する場合においても手間がかからない。
【０００９】
第２の手段により、一方向からの観察においても試料面に対して水平および垂直方向からの像を観察することができるため、試料とセンサーの相対位置の座標軸を３軸（試料表面方向の２軸および、試料とセンサーの距離方向の１軸）で観察可能となる。
第３の手段により、試料およびセンサーを多方向から観察することができるため、試料表面に段差等がある場合でも、正確に相対位置の観察を行うことができる。また、一度鏡に映った像は鏡像となるため、試料を観察する際や試料とセンサーの相対位置を移動させる際において、複雑でわかりにくい場合があるが、鏡を複数設けて鏡に映った鏡像をさらにもう一度他の鏡に映して観察することにより、鏡像を実際の像と同様に観察することができるため、容易に正確な判断を行うことが可能となる。さらにまた、採光用の光を反射させるための鏡を設けることができることから、採光用の光を照射する方向が限定されなくなるため、観察用の開口部から光を照射して採光用の鏡で反射させることで対応することができるため、断熱機構に設ける採光用の開口部をなくすことができ、外部からの熱侵入が抑えられる。
【００１０】
第４の手段により、鏡を金属で製作することができるため、冷却による急激な熱収縮が起きても鏡の割れを防ぐことができる。
第５の手段により、鏡を金属で製作してメッキ処理することができるため、鏡に結露した場合等においても、腐食による鏡のくもりを防ぐことができる。
第６の手段により、シリコンウェハーにより鏡を構成できることから、鏡に結露した場合においても、腐食することを防ぎ、さらに、非磁性体で構成することができることから、センサーとしてＳＱＵＩＤなどの高感度磁気センサーを用いた場合においても、センサーに悪影響を与えることがない。
【００１１】
第７の手段により、熱膨張係数が同等のシリコンウェハーの小片とガラスにより鏡を構成できるため、冷却による熱収縮が起きた場合においても、シリコンウェハーの小片の割れや剥がれを防止することができる。
なおこの発明におけるセンサーとは、ＳＱＵＩＤ顕微鏡におけるＳＱＵＩＤのように、試料から発生する磁束や各種放射線、試料の物性や特性などを計測するセンサーのみならず、トンネル顕微鏡および原子間力顕微鏡におけるプローブ等、試料の表面形状や状態を観察するプローブをも含むこととする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１を示す位置制御装置の構造を示した概略図である。真空チャンバー１０の中には、３軸走査ステージ２０、センサー用冷却ヘッド３０ａ、試料用冷却ヘッド３０ｂ、熱遮蔽板３１、センサー５０、および試料６０が設置されている。真空チャンバー１０の内部は、センサー５０と試料６０へ外部から伝導する熱侵入を防ぐために真空に保持される。センサー用冷却ヘッド３０ａはセンサー保持部を持ち、センサー５０を保持し冷却するために用いられる。熱遮蔽板３１は、センサー５０と試料６０へ外部から伝搬する輻射熱を防ぐために用いられ、センサー用冷却ヘッド３０ａに熱的に接続され、センサー用冷却ヘッド３０ａと共に支柱１１により真空チャンバー１０に保持される。センサー５０としてはＳＱＵＩＤを用いた。試料用冷却ヘッド３０ｂは試料保持部を持ち、３軸走査ステージ上に設置されており、試料６０を保持し冷却するために用いられる。
【００１３】
光学顕微鏡４０は、真空チャンバー１０の外部からセンサー５０および試料６０を観察するための顕微鏡である。真空チャンバーの外部よりセンサー５０および試料６０を３軸走査ステージのＹ軸方向から観察するために、真空チャンバー１０の側面には第１の観察窓１２ａ、熱遮蔽板３１の側面には第１の観察穴３２ａが設けられている。また、観察用の光を照らす為に、採光用の窓１３および採光用の穴３３が設けられている。実際に３軸走査ステージのＹ軸方向よりセンサー５０および試料６０を観察する場合は、光学顕微鏡４０により直接観察を行う。また、真空チャンバーの外部よりセンサー５０および試料６０を３軸走査ステージのＺ軸方向から観察するために、センサー用冷却ヘッド３０ａに第１の鏡７０を設置する構造とした。第１の鏡７０はガラスにアルミを蒸着したものを使用し、センサー用冷却ヘッドへ接着により固定した。実際に３軸走査ステージのＺ軸方向よりセンサー５０および試料６０を観察する場合は、光学顕微鏡４０にて第１の鏡７０を観察し、第１の鏡７０に映る像を観察することにより行う。試料６０およびセンサー５０の周辺が暗い場合には、第１の観察窓１２ａから光を照らし、さらに光が必要な場合には、試料６０に対する第１の観察窓と対向する向きに採光用の窓および穴を設け、光を照らす場合もある。
【００１４】
センサー５０により試料６０の計測あるいは観察を行うためには、Ｙ軸方向からの直接観察およびＹ軸方向から第１の鏡７０を介した観察を行い、センサー５０と試料６０の相対位置を確認し、３軸走査ステージにより計測・観察を行う場所に位置決めして行う。
（実施の形態２）
図３（Ａ）は本発明の実施の形態２を示す位置制御装置の構造を示し、図３（Ｂ）は位置制御装置の試料およびセンサー周辺の構造をＺ軸方向から見た場合の概略図である。第１の鏡７０の設置位置以外の構成は実施の形態１となんら変わるところはない。真空チャンバーの外部よりセンサー５０および試料６０を３軸走査ステージのＸ軸方向から観察するために、第１の鏡７０をセンサー用冷却ヘッド３０ａに設置する構造とした。
（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３を示す位置制御装置の構造を示した概略図である。第１の鏡７０の他に第２の鏡７１および採光用の鏡７５を設置した以外の構成は実施の形態１となんら変わるところはない。第２の鏡７１および採光用の鏡７５はセンサー用冷却ヘッド３０ａに設置される。第１の鏡７０に映った試料６０の像が、第２の鏡７１を通して光学顕微鏡４０にて観察できるように、第１の鏡７０および第２の鏡７１を設置する構造とした。また採光用の鏡７５は、第１の観察窓１２ａから光を照らした際、光学顕微鏡４０と対する方向からセンサー５０および試料６０に光を照らすように設置されている。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４の位置制御装置は、第１および第２の鏡７０，７１の材質として、鏡面仕上げを行ったステンレス材を用いた。第１および第２の鏡７０，７１の材質以外は実施の形態１となんら変わるところはない。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５の位置制御装置は、第１および第２の鏡７０，７１として、鏡面仕上げを行った銅に金メッキ処理を行った材料を用いた。第１の鏡７０および第２の鏡７１の材質以外は実施の形態１となんら変わるところはない。
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６の位置制御装置は、第１および第２の鏡７０，７１として、シリコンウェハーの小片を用いた。第１および第２の鏡７０，７１の材質以外は実施の形態１となんら変わるところはない。
（実施の形態７）
図５は本発明の実施の形態７を示す位置制御装置の第１および第２の鏡７０，７１の構造を示した概略図である。
【００１５】
第１および第２の鏡７０，７１の材質以外は実施の形態１となんら変わるところはない。鏡面としてシリコンウェハーの小片７２を用い、ガラス製の台７３に接着剤で固定する構造とした。接着剤としてはワニスを用いた。シリコンウェハーの小片７２とガラスの台７３で構成された第１および第２の鏡７０、７１は、ネジ止め用の穴７４を用いてセンサー用冷却ヘッド３０ａにネジ止めして使用される。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、試料とセンサーを多方向から観察する場合においても、断熱機構に設ける開口部を増やす必要がないため、外部からの熱侵入を防ぐことができる。また、一台の光学顕微鏡を移動させることなくして、多方向からの観察が可能となるため、光学顕微鏡の設置面積およびコストの増加、および光学顕微鏡の移動に伴う位置合わせや焦点合わせを行う手間が省ける。さらに、鏡の腐食や鏡の磁化を防ぐことが可能となるため、明瞭な像の観察や計測を行うことが可能となる。さらにまた、冷却による鏡の剥離や割れを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかわる位置制御装置の構造を示す概略図である。
【図２】従来の位置制御装置の構造を示す概略図である。
【図３】（Ａ）は本発明の実施の形態２にかかわる位置制御装置の構造を示す図である。
（Ｂ）は本発明の実施の形態２にかかわる位置制御装置の試料およびセンサー周辺の構造をＺ軸方向から見た概略を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態３にかかわる位置制御装置の構造を示す概略図である。
【図５】本発明の実施の形態７にかかわる位置制御装置の鏡の構造を示す概略図である。
【符号の説明】
１０    真空チャンバー
１１    支柱
１２ａ  第１の観察窓
１２ｂ  第２の観察窓
１３    採光用の窓
２０    ３軸走査ステージ
３０ａ  センサー用冷却ヘッド
３０ｂ  試料用冷却ヘッド
３１    熱遮蔽板
３２ａ  第１の観察穴
３２ｂ  第２の観察穴
３３    採光用の穴
４０    光学顕微鏡
５０    センサー
６０    試料
７０    第１の鏡
７１    第２の鏡
７２    シリコンウェハーの小片
７３    ガラス製の台
７４    ネジ止め用の穴
７５    採光用の鏡
【図１】
0003937206.tif 000002
【図２】
0003937206.tif 000003
【図３】
0003937206.tif 000004
【図４】
0003937206.tif 000005
【図５】
0003937206.tif 000006