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JPH0795071B2 - チップ交換装置 - Google Patents
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JPH0795071B2 - チップ交換装置 - Google Patents

チップ交換装置

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JPH0795071B2
JPH0795071B2 JP27405789A JP27405789A JPH0795071B2 JP H0795071 B2 JPH0795071 B2 JP H0795071B2 JP 27405789 A JP27405789 A JP 27405789A JP 27405789 A JP27405789 A JP 27405789A JP H0795071 B2 JPH0795071 B2 JP H0795071B2
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JP
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chip
holder
tip
groove
actuator
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和夫 横山
正敏 高尾
英行 田中
勲勇 住田
富博 橋詰
利夫 桜井
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は走査トンネル顕微鏡などに使用するチップ交換
装置に関するものである。
従来の技術 走査トンネル顕微鏡(STM)は、物質表面の構造を原子
オーダの分解能で観察できる装置として近年急速に発展
してきている。まず走査トンネル顕微鏡の測定原理につ
いて述べる。測定したい試料表面に、極めて鋭くて尖ら
せた金属探針を10Å程度の距離まで近付け、試料と探針
の間に10mV〜2Vのバイアス電圧を加えると、数nAのトン
ネル電流が流れる。この電流は試料と探針の間の距離に
極めて敏感であるので帰還制御を用いてこの距離を一定
に保つことができる。一方、探針は3軸方向に微動する
ピエゾ素子よりなるアクチュエータに取りつけてあり、
xy方向にラスタースキャンするときにz方向に帰還制御
のために印加する電圧が表面の凹凸をあらわすことにな
る。
このような走査トンネル顕微鏡の技術は、原子間力顕微
鏡(AFM)、近接視野光学顕微鏡(NFOM)などの観察装
置、さらに原子、分子操作を可能とする超微細加工機な
どの周辺技術を生み出しつつある。これらの技術は探針
(チップ)を原子オーダの距離でなぞることが共通して
おり、観察装置においてはこれらを、近接視野顕微鏡
(NFM)あるいは走査プローブ顕微鏡(SPM)と総称して
いる。
本発明はこれらの装置においてアクチュエータに取りつ
けられたチップを交換する装置に関するものである。
チップを原子オーダの距離でなぞるためには、この距離
の変動に影響する機械振動をまず徹底して除去する必要
がある。本発明のチップ交換装置についてもまず第一に
この観点からの考慮が要請される。さらに物質の表面物
性の研究、半導体のプロセス解析、原子オーダの材料創
製などには超高真空中で走査トンネル顕微鏡技術を駆使
する必要があり、真空中での機構に制約のある中でチッ
プ交換にも信頼性のある機構方式が要請される。
これに対して最近、超高真空用STMに適用するチップホ
ルダの例として、探針のホルダをアクチュエータにきっ
ためねじにねじ込む機構(杉原ら:応用物理学会講演予
稿集、4a檗*V−2(1988))、探針を溶接した板状の
ホルダを、アクチュエータにとりつけた板バネに挟み込
む機構(富取ら:応用物理学会講演予稿集、4a−N−3
(1989))などが発表されている。
発明が解決しようとする課題 しかしながら上記の機構では、チップホルダの剛性を保
って小型、軽量化するには限度があり、高い共振周波数
と高速応答性を要求されるチップホルダとして課題が残
っているとともに、チップホルダをアクチュエータに装
着する動きが複雑で超高真空用STMに適用するに当たっ
て機構を構成するのに制約があったり、装着動作が確実
でないなどの課題があった。
本発明はこれらの課題に鑑み、これを解決して超高真空
用STMに適用して、高速走査時の機械的安定性が高く、
機構構成上の制約が少なく動作が確実なチップ交換装置
を提供するものである。
課題を解決するための手段 上記課題を解決するために本発明は、一端にチップを固
定した段付きピンよりなるチップホルダを、その軸方向
に移動させる手段と、当接部材と薄板バネにより上記チ
ップホルダをアクチュエータの可動部に挟持する手段を
有し、挿入時には上記薄板バネの先端が段付きピンの溝
部に落ち込むラチェット動作をし、引抜き時には突起に
よりラチェットを解除しつつピンの溝部で引っかけてチ
ップホルダを引抜くことにより、一軸方向の運動のみで
チップホルダの着脱を可能とする構成を備えたものであ
る。
さらに、上記当接部材がV溝構造であり、チップホルダ
ピンをこのV溝に薄板バネで押圧する構成とする。
作用 本発明は上記した構成によってチップホルダをピン構造
とすることにより、チップホルダとクランプ部を含めた
アクチュエータの可動部を、高い剛性を保って小型、軽
量化することができ、この結果、 (1)共振周波数が高く、メカニカルノイズ(Mechanic
al Noise)に強い。
(2)高速応答性に優れる。
(3)チップホルダが誘導ノイズを受けにくく、エレク
トリカルノイズ(Electrical Noise)に強い。
という効果があるとともに、段付きピンと薄板バネによ
るラチェット機構により、一方向のみ(ピンの軸方向)
の運動でチップの着脱ができるため、特に機構の構成上
制約のある超高真空中用STMに適用いて有用であるとと
もに、特別のスキルを要することなくチップの着脱が確
実にできる。
さらにチップホルダをV溝に薄板バネで押圧する構成の
ため、チップホルダを安定でかつ高い剛性で保持するこ
とができるとともに、チップ交換に伴うチップホルダの
位置再現性が良い。
実施例 以下本発明の一実施例のチップ交換装置について、図面
を参照しながら説明する。
第5図は本発明のチップ交換装置を適用したSTMユニッ
トを示す。このSTMユニットは超高真空中での表面研究
を目的に考案されたSTM機構であって、デムース型(Dem
uth型)STM機構と呼ばれている。(J.E.Demuth,et al:
J.Vac.Sci.Technol.A4(3)1320(1986)(デムース
等:ジャーナル オブ バキューム サイエンス アン
ド テクノロジィA4(3),1320(1986))) 第5図(a)において、x,y走査用ピエゾアクチュエー
タ1およびz駆動用ピエゾアクチュエータ2がトライポ
ット状にブロック3およびブロック4に取りつけられて
おり、さらにアクチュエータ上に探針5が取り付けられ
ている。一方、試料6は試料ホルダ7に取りつけられ、
さらにこのホルダーは試料アーム8に取りつけられる。
試料アーム8は軸9の回りに回転し、ベースプレート10
に取りつけられたボールブッシュ11に摺動するキャリッ
ジロッド12の上下により試料を探針に近付けたり、遠避
けたりすることができる。即ち、キャリッジロッド12が
上方に移動すると、試料アーム8はキャッチ13に当たっ
て第5図(b)のように試料6は探針5から遠避かる。
またキャリッジロッド12が下方に移動すると試料アーム
8はストッパ14に当たった後、試料6は下方に並行移動
しながら探針5に近づき、フット15に当接する。試料6
がフット15に当接した後、さらにキャリッジロッド12を
下方に移動させると、試料アーム8はストッパ14から離
れ、試料6とフット15の当接点を支点として縮小テコ微
動機構により試料6は探針5に接近する。
試料ホルダ7はドブテイル型スライダ16により試料アー
ム8に取りつける。この取りつけ取り外しは真空装置に
設けたフィードスルーにより真空中で行われる。
次に、第1図(a)および(b)は本発明のチップ交換
装置のチップ取りつけ用治具の断面図および側面図を示
す。例えばタングステン<111>または<110>方向の単
結晶の先端を尖らせた細い針をチップ(探針)20とし、
これを段付きのロッド状のチップホルダ21に取りつけて
ある。チップホルダ21には、チップホルダの取りつけ、
取り外しの際に、治具の薄板バネでチッホルダ21を引っ
かけるための溝22と、薄板バネでチップホルダをアクチ
ュエータに取りつけるための溝23を設けてある。チップ
ホルダ21は、ドブテイル型スライダ24にナット25で取り
つけたチップホルダ保持用円筒部材26と、この円筒部材
にネジ27で取りつけられた薄板バネ28により挟持されて
いる。
第2図(a),(b)、(c)および(d)は上記第1
図で説明したチップ取りつけ用治具でチップホルダ21を
アクチュエータに取りつける動作の説明図である。同図
(a)はチップ取りつけ用治具にセットされたチップホ
ルダ21がアクチュエータ上のチップ取りつけ部に接近す
るところ、同(b)は取りつけられた瞬間、同(c)は
取りつけを終わって治具が離れて行く様子を示してい
る。同(d)はアクチュエータ上のチップ取りつけ部の
平面図である。
アクチュエータ上にはチップホルダ21を保持するために
V溝29を切った当接部材30と、薄板バネ31をねじ32で取
りつけたブロック33とが、ベース板34の上に接着してあ
る。同(a)図のようにチップホルダ21がアクチュエー
タ上のチップ取りつけ部に近づき、同(b)図のように
チップホルダの先端がベース板34まで到達すると、チッ
プホルダ取りつけ用薄板バネ31がチップホルダの溝23に
落ち込み、ラチェットアクションをしてチップホルダ21
2を引き抜けない状態にするとともに、薄板ばね31がチ
ップホルダ21を当接部材30のV溝29の側壁に強く押しつ
け、チップホルダを強固に保持する。この後、治具を上
記の挿入方向と逆に移動させると、同(c)図のように
治具のチップホルダを保持していた薄板バネ28は、チッ
プホルダの溝22から外れ、チップホルダがアクチュエー
タ上に取りつけられた状態となる。
以上の操作は、第1図に示したチップ取りつけ用治具
を、第5図に示した試料ホルダの代わりに試料アーム8
に取りつけることにより、デムース型のSTM機構を使っ
て行うことができる。
次に第3図(a)および(b)は本発明のチップ交換装
置のチップホルダ取り外し用治具の断面図および側面図
を示す。同図では第1図に示した部材と同一の形状およ
び機能を持つ部材には同じ番号を付記してあり、チップ
ホルダ取り外し用の薄板バネ35のみが第1図と構造を異
にしている。
第4図(a)、(b)および(c)はチップホルダ取り
外し用治具によってチップホルダをアクチュエータから
取り外す動作の説明図である。同図(a)の如く、チッ
プホルダ取り外し用治具がアクチュエータ上のチップホ
ルダ取りつけ部に接近し、同図(b)のようにチップホ
ルダ21の先端がベース板34に到達すると、チップ取り外
し用薄板バネ35の先端36がアクチュエータのチップホル
ダ取りつけ用薄板バネ31をチップホルダの溝23から押し
除けるとともに、チップホルダ取り外し用の薄板バネ35
のチップホルダ引き抜き用引っかけ部37がチップホルダ
の溝22に落ち込む。この結果、同(c)図に示す様にチ
ップホルダ取り外し用治具をアクチュエータから引き離
すとチップホルダ21は上記引っかけ部37で引っかけられ
てチップ取り外し治具に回収される。
以上の操作は、チップ取りつけの場合と同様、第3図に
示したチップ取り外し用治具を、第5図に示した試料ホ
ルダの代わりに試料アーム8に取りつけることにより、
デムース型のSTM機構を使って行うことができる。
このようにチップ交換治具と試料ホルダに互換性を持た
せることにより、新たな機構を付加することなくチップ
交換することができる。
以上の実施例の如く、チップホルダをピン構造とするこ
とにより、チップホルダとクランプ部を含めたアクチュ
エータの可動部を、高い剛性を保って小型、軽量化する
ことができる。実施例ではチップホルダピンとして直径
1.5mm、長さ7mmのステンレスロッドを用いた。
この結果、(1)共振周波数が高く、メカニカルノイズ
(Mechanical Noise)に強い、(2)高速応答性に優れ
る、(3)チップホルダが誘導ノイズを受けにくく、エ
レクトリカルノイズ(Electrical Noise)に強いという
効果が得られた。
さらに以上詳細に説明したように、段付きピンと薄板バ
ネによるラチェット機構により、一方向のみ(ピンの軸
方向)の運動でチップの着脱ができるため、特に機構の
構成上制約のある超高真空中用STMに適用して有用であ
る。また、特別のスキルを要することなくチップの着脱
が確実にできる。
さらにチップホルダをV溝に薄板バネで押圧する構成の
ため、チップホルダを安定でかつ高い剛性で保持するこ
とができるとともに、チップ交換に伴うチップホルダの
位置再現性が良い。
本チップ交換装置は、電界イオン顕微鏡複合型STM(FI
−STM)に適用することによりさらに大きな効果を発揮
する。すなわちFI−STMではSTMに用いる針状チップの先
端の原子構造を観察、キャラクタライズすることは勿
論、電界蒸発によりチップ先端を原子オーダで加工する
ことができ、本チップ交換機構と併用して超高真空中で
望み通りのチップを使用することを可能とし、効果は絶
大である。
尚、以上の説明では、主に走査トンネル顕微鏡(STM)
に適用するチップ交換装置について述べたが、STMから
派生しつつある各種の観察装置、加工装置のチップ交換
装置として有効なことは勿論である。
発明の効果 本発明によれば、比較的簡単な動きで確実にチップ交換
でき、機械的ノイズ、電気的ノイズに強く安定な、STM
技術用のチップ交換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)および(b)は本発明の一実施例における
チップ交換装置を構成するチップ取りつけ用治具の断面
図および側面図、第2図(a),(b)および(c)は
同チップ取りつけ用治具の動作を説明する断面図、同
(d)はアクチュエータ上のチップ取りつけ部の平面
図、第3図(a)および(b)は本発明の一実施例にお
けるチップ交換装置を構成するチップホルダ取り外し用
治具の断面図および側面図、第4図(a)、(b)およ
び(c)は同チップ取り外し治具の動作を説明する断面
図、第5図(a)および(b)は本発明を適用したSTM
機構を示す側面図である。 20……チップ、21……チップホルダ(ピン)、22、23…
…チップホルダの溝、30……当接部材、31……薄板バ
ネ、29……当接部材のV溝。
フロントページの続き (72)発明者 住田 勲勇 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 橋詰 富博 神奈川県横浜市栄区小菅谷町2000―10,6 ―108 (72)発明者 桜井 利夫 東京都世田谷区池尻1―3 三宿住宅2― 103 (56)参考文献 実開 平2−93705(JP,U)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一端にチップを固定した段付きピンよりな
    るチップホルダをその軸方向に移動させる手段と、当接
    部材と薄板バネにより上記チップホルダをアクチュエー
    タの可動部に挟持する手段を有し、挿入時には前記薄板
    バネの先端が前記段付きピンの溝部に落ち込むラチェッ
    ト動作をし、引抜き時には突起によりラチェットを解除
    しつつ前記段付きピンの溝部との係合を介してチップホ
    ルダを引抜くことにより、一軸方向の運動のみでチップ
    ホルダの着脱が可能なよう構成したことを特徴とするチ
    ップ交換装置。
  2. 【請求項2】当接部材がV溝構造であり、チップホルダ
    ピンをこのV溝に薄板バネで押圧するよう構成したこと
    を特徴とする請求項1に記載のチップ交換装置。
JP27405789A 1989-10-20 1989-10-20 チップ交換装置 Expired - Lifetime JPH0795071B2 (ja)

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JP3553318B2 (ja) * 1997-05-20 2004-08-11 日本電子株式会社 ホルダ保持装置
EP2312326B1 (en) * 2009-10-16 2014-12-10 SPECS Surface Nano Analysis GmbH Mount for a scanning probe sensor package, scanning probe microscope and method of mounting or dismounting a scanning probe sensor package.
JP6931589B2 (ja) * 2017-11-01 2021-09-08 日本電子株式会社 試料ホルダ

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