JP4068533B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、先端に探針を有するカンチレバーを用いて試料の物理量と表面形状を測定する走査型プローブ顕微鏡に関する。

走査型プローブ顕微鏡は、先端に微小な探針を有するカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する手段と、試料を移動させる手段を備えており、探針と試料を近づけたとき、あるいは接触させたときに働く微小な力によりカンチレバーが変位することを利用して、試料表面形状の測定を行う。また、カンチレバーや装置構成に工夫をすることで試料のミクロな磁気的、機械的、電気的特性をも測定することが可能となる。試料の電気的特性を測定する方法としては、カンチレバー先端部にある探針と試料の間に電圧を印加することで生じる電流を探針側で検出して探針直下のミクロな試料抵抗を求める方法や、探針側からＧＨｚ程度の高周波信号を試料に印加して高周波信号の周波数シフトを検出して探針直下のミクロな試料静電容量を求める方法等がある。前記方法では、導電性コーティングを施した探針あるいは導電性物質で作成された探針を用いる必要があり、前記探針と電気的に接続された電気回路で構成する測定器を使用する。

従来の走査型プローブ顕微鏡においては、導電性探針を有するカンチレバーは顕微鏡本体に取り付けられているカンチレバーホルダに保持される。カンチレバーホルダは、カンチレバーの支持台とカンチレバーを保持する機構を有している。カンチレバーを保持する機構は、例えばワイヤ押え機構であり、レバー保持は支持台の上に置かれたカンチレバーをワイヤで挟みこむことで達成される。カンチレバーホルダ本体は、顕微鏡の機械的特性を高めるためにステンレスやアルミニウムなどの金属で作成され、カンチレバーや試料の交換のために容易に顕微鏡本体と着脱できる構成をとる。試料の電気的特性を測定する用途においては、カンチレバーの支持台等のカンチレバーと接触する部材を導電性として、カンチレバーホルダの何れかに設置した電気用端子とを銅線などを用いて接続する。次に前記電気用端子と測定器の電気回路とを何れかの方法により接続することで、結果的に探針と測定器の電気回路との電気的接続が達成される。ここでカンチレバーホルダの何れかに電気用端子を設置するのは、カンチレバーホルダが容易に顕微鏡本体と着脱できるように電気配線をカンチレバーホルダ部内で完結する必要を有するためである。

例えば、特開平９−３１８６３８号公報（特許文献１）には、カンチレバー押圧面と電極接続片を設けたＬ型形状を組み合わせた金属板バネが、カンチレバーの挟持固定機能と電極への電気リードプレート機能を有するカンチレバーホルダが開示されている。

また、特開平１０−１１１３０１号公報（特許文献２）には、カンチレバーをカンチレバーホルダの片端に接着あるいは押え金具を用いて保持し、接続端子部を設けたホルダ他端を顕微鏡本体のスロット部に挿入してネジ固定し、ホルダ面に作成された金属パターニングにより導通確保したカンチレバーホルダが開示されている。
特開平９−３１８６３８号公報 特開平１０−１１１３０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のカンチレバーホルダでは、カンチレバーと試料の間にある金属板バネが起因となる試料面との大きな電気的浮遊容量により検出器のＳ／Ｎが悪くなる。また、カンチレバーホルダの構造上、測定器をカンチレバー探針部近傍に設置できないため探針と測定器の電気回路との間の電気パスが長くなり、結果的に電気信号が外部ノイズの影響を受けやすく、電気パスで生じる浮遊容量が大きくなり信号の安定性が損なわれる問題があった。

また、特許文献２に記載のカンチレバーホルダでは、交換頻度の高い消耗品であるカンチレバーをカンチレバーホルダに接着しているため、装置の操作性が悪くなり、押え金具を用いてカンチレバーを保持する場合には浮遊容量により検出器のＳ／Ｎが悪くなるという問題があった。

また、試料の電気的特性を測定するときには、試料と探針の表面にある吸着水分層が電気パスになり表面水分層に沿って電気パスが広がることで探針直下の電気的特性を測定できるというプローブ顕微鏡の利点を無くし面内分解能を悪化させることから、試料とカンチレバーを真空環境にすることが望ましい。そのために顕微鏡本体内部を真空引きしてプローブ測定を行うときには、顕微鏡本体内部にある測定器の電気回路が動作するときに発生する熱が真空断熱の影響で電気回路自身に留まることで電気回路特性の安定性が損なわれる。また、電気パスの構成部品と電気回路基板が顕微鏡本体内部に位置することで表面からの放出ガスにより顕微鏡内部の真空の質が劣化する。

更に、真空中でのプローブ測定では、試料と探針の表面のコンタミや水分層を取り除き真の表面を得る目的で顕微鏡本体をベーキングすることが望ましい。測定器の電気回路で使用する電気素子の耐熱温度はベーキング温度よりも低いため、ベーキング時には電気回路基板を取外して、ベーキングを終了し顕微鏡本体温度が電気素子の耐熱温度以下に低下した時には顕微鏡内部の真空を保持した状態で電気回路基板を取りつける必要がある。

本発明は以上の点を鑑みてなされたものであって、探針と測定器の電気回路との間の電気パスを簡素化し、外部電気ノイズの影響と浮遊容量を小さくし、顕微鏡内部の真空を破ることなく電気回路基板が容易に着脱可能なカンチレバーホルダ構成とした走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。

上記の問題点を解決するために、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、カンチレバーを保持する機構と、カンチレバーへ与える信号を発生するあるいはカンチレバーからの信号を処理する回路を有する電気回路基板と、カンチレバーと該電気回路基板とを電気的に接続するために片端部にカンチレバーを直接固定するための支持部と他端部に電気回路基板との接続部とを配置した導電性ピンとからなり、探針により試料の電気特性を測定するようにしている。

また本発明の走査型プローブ顕微鏡は、顕微鏡本体から取り外し可能なホルダーを有し、カンチレバー、カンチレバー保持機構、前記電気回路、および前記導電性ピンはこのホルダに備えた構成としている。

また本発明の走査型プローブ顕微鏡は、貫通穴を備えた電気接続用パッド部を有し導電ピンとは端子部で電気的に接続される電気回路基板を備えている。

また本発明の走査型プローブ顕微鏡は、導電性ピンと押さえ板とからなるカンチレバー保持機構を備えている。

本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。つまり、走査型プローブ顕微鏡において、探針と電気回路との間の電気パスを簡素化し、外部電気ノイズの影響と浮遊容量を小さくする効果がある。

また、顕微鏡の大気側に電気回路基板があることから電気回路特性の安定性が得られるとともに、電気回路基板からの放出ガスによる顕微鏡内部の真空の質の劣化が生じないという効果がある。

また、顕微鏡内部の真空を破ることなく電気回路基板が容易に着脱可能となり、顕微鏡本体のベーキングが可能となる効果がある。さらに、試料と探針の表面にある吸着水分層を飛ばすことで面内分解能を悪化させることなく探針直下の電気的特性を測定できるという効果もある。さらに、顕微鏡内部に湿度やガスを導入した場合でも、電気回路基板が顕微鏡内部雰囲気の影響を受けることなくプローブ測定が可能である効果もある。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の走査型顕微鏡全体の構成を示す。カンチレバーホルダ１は、真空用チャンバーや真空用ポートなどで構成される顕微鏡本体部２の上に配置され、図示しないガスケットリングやＯリングを介して固定される。カンチレバーホルダ１には、先端に探針を有するカンチレバー３が顕微鏡本体部２の内部に位置するように搭載される。試料台４はカンチレバー３に対向する位置に移動機構５と接続して構成され、試料６はカンチレバー３と試料台４の間に保持される。カンチレバー３の変位を検出する検出系７は、カンチレバーホルダ１の上面に位置するように顕微鏡本体部２の外側に固定される。カンチレバーホルダ１には測定器の電気回路基板８が設置され、検出系７と電気回路基板８の出力は制御装置９に取り込まれる。電気回路基板８は形状や物性値を測定するために、カンチレバー３へ信号を発信する回路、あるいはカンチレバーからの信号を処理する回路が形成されている。回路制御装置９は目的に応じた信号を移動機構５と画像表示装置１０に出力して、画像表示装置１０は入力された信号に基づいて試料６の形状および物性値をマッピングする。

図２はカンチレバーホルダ１の構成を詳細に示したものである。カンチレバーホルダ１は、金属製のホルダ本体１１と導電性ピン１２と電気回路基板１３とレバー押え１４で構成されて、下部面に真空シール面１５を有する。ホルダ本体１１の真空シール面１５よりも外周側に顕微鏡本体部との接続孔１１ａを設けて真空シール面１５と図示していない顕微鏡本体部の真空シール面を併せて固定する。ホルダ本体１１の中央部に貫通孔１１ｂを設けて導電性ピン１２を通して真空シール固定する。ここでホルダ本体１１と導電性ピン１２の間に図示しない絶縁材座を介することで導電性ピンの絶縁確保をする。導電性ピン１２の片端面はフラットでも曲面でもスプリングを備えた金属ボールプランジャでもよく、逆側端部に傾斜をもつレバー支持面１２ａを備える。レバー押え１４にはレバー支持面１２ａと同様に傾斜した押圧部１４ａを設けて、レバー支持面１２ａと押圧部１４ａが重なるように取付部１４ｂをホルダ本体１１に固定する。カンチレバー３は、レバー支持面１２ａと押圧部１４ａの間に挟持固定する。

電気回路基板１３には電気信号入力用あるいは電気信号出力用の金属パッド部１３ａを設けて、金属パット部１３ａと導電性ピン１２のフラット端面を併せてスペーサ１６を介してホルダ本体１１にネジ固定する。よって、カンチレバー３と電気回路基板１３とは導電性ピン１２により電気的に接続され、導電性ピン１２を短くすることで浮遊容量を生む電気パスを短くできる。なお、導電性ピンは１本とは限らず、カンチレバー３と電気回路基板１３とを電気的に接続させるために必要な本数としても良い。また、ホルダ本体１１を取りつけた状態で顕微鏡本体部２内を真空引きした場合には、カンチレバー３は対向する試料６とともに真空環境となるため、電気的特性の測定における表面吸着水の影響を低減することができる。また、電気回路基板１３は大気環境側にネジ固定で設置されるので、顕微鏡本体部内を真空引きしてベーキングを行うときに着脱が容易となる。

図３は、本発明におけるカンチレバーホルダの別の模式図である。図２の構成とは、電気回路基板２１と導電性ピン２２の形状が異なる。電気回路基板２１は、貫通孔２１ａと貫通孔２１ａ周辺面に電気信号入力用あるいは電気信号出力用の金属パット部２１ｂを設ける。導電性ピン２２の片端面は雄ネジでも雌ネジでもよく、逆側端部に傾斜をもつレバー支持面２２ａを備える。導電性ピン２２の片端面が雄ネジの場合には、貫通孔２１ａに導電性ピン２２の雄ネジ部２２ｂを通して金属ナット２３を用いて固定する。これにより電気回路基板２１と導電性ピン２２との電気的な接続は、金属パット部２１ｂと金属ナット２３の接触によって確保される。導電性ピン２２の片端面が雌ネジの場合には、貫通孔２１ａと導電性ピン２２の雌ネジ部２２ｂを併せて金属ネジを用いて固定する。これにより電気回路基板２１と導電性ピン２２との電気的な接続は、金属パット部２１ｂと金属ネジ頭部の接触によって確保される。

図４は、本発明におけるカンチレバーホルダのさらに別の模式図である。図２の構成とは、電気回路基板３１と導電性ピン３２の形状が異なる。電気回路基板３１は、貫通孔３１ａと貫通孔３１ａ周辺面に電気信号入力用あるいは電気信号出力用の金属パット部３１ｂを設ける。導電性ピン３２の片端面は雌ソケット端子を備え、逆側端部に傾斜をもつレバー支持面３２ａを備える。貫通孔３１ａと雌ソケット端子部３２ｂを併せて雄ソケット端子３３を用いて固定する。これにより電気回路基板３１と導電性ピン３２との電気的な接続は、金属パット部３１ｂと雄ソケット端子３３の接触によって確保される。

図５は、本発明におけるカンチレバーホルダの押え板による挟持固定構造の模式図である。導電性ピン４１は、カンチレバー４２を載せる傾斜をもつレバー支持面４１ａを備える。レバー支持面４１ａは、フラットでもカンチレバー４２の形状に併せて溝を形成してもよい。レバー押え４３はデルリンやジェラコンやＰＰＳ等の絶縁体で形成され、レバー支持面４１ａと同様に傾斜した押圧部４３ａを設ける。レバー押え４３の中央近傍には貫通孔４３ｂを設ける。絶縁体で形成された取付部４４はホルダ本体４５に設置され、先端部に貫通孔４４ａを設ける。ここで貫通孔４４ａは円孔でも長孔でもよい。レバー押え４３は貫通孔４３ｂと貫通孔４４ａを通る軸４６によって取付部４４に固定される。このときにレバー支持面４１ａと押圧部４３ａが重なるように貫通孔４３ｂと貫通孔４５ａの加工位置を決めている。ピン４７はホルダ本体４５に設置され、ピンを心棒として空芯スプリング４８を挿入する。空芯スプリング４８は取付部４４と比較して長くすることで、レバー押え４３を常に押上げるバネ力を発生する。カンチレバー４２は、空芯スプリング４８を縮めるようにレバー押え４３を押下げて、レバー支持面４１ａと押圧部４３ａに空隙を形成した状態でレバー支持面４１ａに設置する。ここでレバー押え４３の押下げを止めると、カンチレバー４２は空芯スプリング４８のバネ力によりレバー支持面４１ａと押圧部４３ａに挟持固定される。

図６は本発明における走査型プローブ顕微鏡の別の実施例である。図１における本発明の走査型顕微鏡全体の構成に加熱する手段５１と排気する手段５２を付加したものである。加熱する手段５１を動作することで顕微鏡本体２の外周全体を加熱可能な構成をとる。顕微鏡本体２は例えば一般的に使用される真空用チャンバや真空用フランジで構成された真空容器でありカンチレバーホルダ１を装着することで真空気密性が確保される。排気する手段５２は、真空容器である顕微鏡本体２に接続されており、排気する手段５２を動作することで、顕微鏡本体２内部を真空状態にする。加熱する手段５１と排気する手段５２を動作することで、顕微鏡本体２のベーキングが行われる。ここで、加熱時にはカンチレバーホルダ１から電気回路基板８のみを取り外す。よって、熱による回路障害を避けることが可能である。ベーキングの終了後にはカンチレバーホルダ１が室温近傍に降温してから電気回路基板８の取付けを行い、プローブ測定を行う手順をとる。

図７は本発明における走査型プローブ顕微鏡の別の実施例である。図１における本発明の走査型顕微鏡全体の構成に導入する手段６１と排気する手段５２を付加したものである。顕微鏡本体２は例えば一般的に使用される真空用チャンバや真空用フランジで構成された真空容器でありカンチレバーホルダ１を装着することで真空気密性が確保される。水分あるいはガスなどを導入するガス導入手段６１と排気する手段５２は真空容器である顕微鏡本体２に接続される。水分あるいはガスなどを導入するガス導入手段６１を動作することで、顕微鏡本体２内部を任意湿度雰囲気あるいはガス雰囲気にする。電気回路基板８はカンチレバーホルダ１の外周側に設置されることから、顕微鏡本体８内部の雰囲気に影響されずにプローブ測定を行うことが可能となる。

本発明における走査型プローブ顕微鏡の構成を示す模式図。 本発明におけるカンチレバーホルダの実施例を示す模式図。 本発明におけるカンチレバーホルダの実施例を示す模式図。 本発明におけるカンチレバーホルダの実施例を示す模式図。 本発明におけるカンチレバーホルダの実施例を示す模式図。 本発明における走査型プローブ顕微鏡の構成を示す模式図。 本発明における走査型プローブ顕微鏡の構成を示す模式図。

符号の説明

１ カンチレバーホルダ
２ 顕微鏡本体部
３ カンチレバー
４ 試料台
５ 移動機構
６ 試料
７ 検出系
８ 電気回路基板
９ 制御装置
１０ 画像表示装置
１１ ホルダ本体
１１ａ 接続孔
１１ｂ 貫通孔
１２ 導電性ピン
１２ａ レバー支持面
１３ 電気回路基板
１３ａ 金属パッド部
１４ レバー押え
１４ａ 押圧部
１４ｂ 取付部
１５ 真空シール面
１６ スペーサ
２１ 電気回路基板
２１ａ 貫通孔
２１ｂ 金属パット部
２２ 導電性ピン
２２ａ レバー支持面
２２ｂ 雄ネジ部
２３ 金属ナット
３１ 電気回路基板
３１ａ 貫通孔
３１ｂ 金属パット部
３２ 導電性ピン
３２ａ レバー支持面
３２ｂ 雌ソケット端子部
３３ 雄ソケット端子
４１ 導電性ピン
４１ａ レバー支持面
４２ カンチレバー
４３ レバー押え
４３ａ 押圧部
４３ｂ 貫通孔
４４ 取付部
４４ａ 貫通孔
４５ ホルダ本体
４６ 軸
４７ ピン
４８ 空芯スプリング
５１ 加熱する手段
５２ 排気する手段
６１ ガス導入手段

Claims (8)

1. 先端に微小な探針を有するカンチレバーと、
   該カンチレバーを保持する機構と、
   該カンチレバーへ与える信号を発生するあるいは該カンチレバーからの信号を処理する回路を有する電気回路基板と、
   該カンチレバーと該電気回路基板とを電気的に接続する導電ピンとを備え、
   該導電ピンの片端部に前記カンチレバーを直接固定するための支持部と、他端部に前記電気回路基板との接続部を配置して、
   試料の電気特性を測定することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 走査型プローブ顕微鏡本体から取り外し可能なホルダをさらに有し、
   前記カンチレバー、前記カンチレバー保持機構、前記電気回路基板、および前記導電性ピンは、該ホルダに備えられていることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記電気回路基板は、貫通穴を備えた電気接続用パッド部を有し、
   前記導電性ピンとは該端子部で電気的に接続されることを特徴とする請求項１ または２のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記電気回路基板は、前記ホルダとは着脱可能であることを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 前記電気回路基板は、前記導電性ピンに設けたネジ機構により固定されたことを特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 前記電気回路基板は、前記導電性ピンに設けたソケットホールド機構により固定されることを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 前記カンチレバー保持機構は、前記導電性ピンと押さえ板とからなることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. 前記導電性ピンとホルダは真空気密性が確保されていることを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。

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