JPH05113308A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 真空用走査型トンネル顕微鏡において、研磨
の装置構成及び工程を簡素化し、人手の関与を排除し、
大気との干渉を排除した状態で観察を行い、更に微動機
構部分の固有振動を高くする。 【構成】 探針と、この探針と試料の相対的位置を所定
の位置関係にセットする粗動機構と、試料表面の上で探
針を測定のために移動させる微動機構とを備え、真空環
境にて測定を行う走査型トンネル顕微鏡であり、探針と
微動機構と試料と粗動機構を内部に備え、容器蓋部と容
器基部とからなる内部容器と、探針を研磨する研磨装置
と、探針を、内部容器と研磨装置の間で移送させる移送
装置と、内部容器と研磨装置と移送装置を内部に収容す
る外部容器と、外部容器に不活性ガスを供給するガス供
給装置と、内部容器と外部容器のいずれかを選択的に所
定の真空状態にする排気装置と、容器蓋部と容器基部を
固定する固定装置を備える。この固定装置には、内外の
差圧が利用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型トンネル顕微鏡に
係り、特に真空環境で測定が行われる走査型トンネル顕
微鏡であって、探針の研磨が容易であり、探針の研磨か
ら測定までの過程で探針が大気に晒されない構造を有す
る走査型トンネル顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空環境で測定が行われる真空用の走査
型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭと記す）の従来例として
は、例えば、次の文献、 レビュー・サイエンティフィック・インストルメント５
８（１１） （１９８７年）第２０１０頁から第２０１２頁 （Rev. Sci. Instrum. 58(11) November1987 P2010-P20
12) に記述されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の真空用ＳＴＭで
は、一般的に、次の問題点を有している。第１に、ＳＴ
Ｍの本体部分とＳＴＭの探針を研磨する装置部分が、別
装置として構成される。従って、探針を研磨する必要が
生じたとき、ＳＴＭ本体部分からの探針の取出し作業、
研磨装置よる探針の研磨作業、研磨した探針をＳＴＭの
微動機構に再度取り付ける作業が必要となる。これらの
作業を行うには、真空用ＳＴＭの内部を大気に開放し、
人手により探針の取出し、研磨、再取付けを行う。よっ
て探針は大気中に晒され、この結果大気中の酸素により
酸化され、探針の表面に絶縁物が付着することにより、
探針としての機能が低下するという問題が生じる。

【０００４】第２に、研磨作業の工程を省く目的で、Ｓ
ＴＭ本体の内部に複数の予備の探針を配置する構成と
し、探針が不良になったとき、内部が真空状態にあるＳ
ＴＭの外部から遠隔操作で、探針を交換するように構成
されたものも存在する。この構成を有するＳＴＭは、操
作に熟練を有し、全体的に面倒であり、更に操作中に探
針を損傷するおそれがある。

【０００５】第３に、一般的に、探針を微動機構に固定
するための構成部分が、容積的に大きくなり、また質量
の面でも大きいので、微動機構の有する固有振動数を高
くすることができない。また反面において、外部からの
低い周波数の振動による影響を受ける傾向がある。

【０００６】本発明の目的は、上記問題に鑑み、研磨の
装置構成及び工程を簡素化し、人手の関与を排除し、大
気との干渉を排除した状態で観察を行うことができ、更
に微動機構部分の固有振動を高くしたＳＴＭを提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型トン
ネル顕微鏡は、探針と、この探針と試料の相対的位置を
所定の位置関係にセットする粗動機構と、試料表面の上
で探針を測定のために移動させる微動機構とを備え、真
空環境にて測定を行う走査型トンネル顕微鏡であり、探
針と微動機構と試料と粗動機構を内部に備え、容器蓋部
と容器基部とからなる内部容器と、探針を研磨する研磨
装置と、探針を、内部容器と研磨装置の間で移送させる
移送装置と、内部容器と研磨装置と移送装置を内部に収
容する外部容器と、外部容器に不活性ガスを供給するガ
ス供給装置と、内部容器と外部容器のいずれかを選択的
に所定の真空状態にする排気装置と、容器蓋部と容器基
部を固定する固定装置を備える。前記の構成において、
好ましくは、容器蓋部には探針と微動機構を配置し、容
器基部には試料と粗動機構を配置する。前記の構成にお
いて、好ましくは、固定装置は、内部容器の内部を排気
装置で真空排気し、この真空状態によって容器蓋部と容
器基部が固定されることを利用する装置である。前記の
構成において、好ましくは、外部容器は、相対的に強度
が低い透明な部材で作られる。前記の構成において、好
ましくは、研磨装置は、電解研磨装置である。前記の構
成において、好ましくは、移送装置は、人手を介さず移
送作業を行うことが可能なロボットハンド装置である。

【０００８】

【作用】本発明では、真空環境で測定を行うＳＴＭは、
小型の内部容器の中に設置され、この内部容器は、比較
的に強度の低い透明な外部容器の中に配置される。更に
外部容器には、探針を研磨する研磨装置が配置される
が、この研磨装置には、好ましくは電解研磨装置が使用
される。内部容器の容器蓋部に取り付けられた探針は、
ロボットハンド装置によって電解研磨装置に移送され、
ここで研磨される。その後、再び内部容器の容器基部に
セットされる。外部容器の内部は、真空ポンプで所定の
真空状態にされる。そして、その後、窒素ガス等の不活
性ガスがガス供給装置によって供給される。容器蓋部及
び容器基部で構成される内部容器は、その固定装置とし
て、真空ポンプで内部容器の内部を真空排気すると、内
外の差圧が発生するが、この差圧を利用している。真空
ポンプは、共通に１台のみ配置され、これを利用して選
択的に外部容器又は内部容器を真空排気する。かかる構
成により探針は、外部の大気に触れることなく、また探
針の取り扱いも、人手を介さず、ロボットハンド装置が
自動的に行うので、取扱いが非常に楽である。小型の内
部容器に真空環境を形成し、この中に、探針及び微動機
構、試料を配備するように構成したため、微動機構自体
も小型になり、固有振動数が低減される。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図１は本発明に係る真空用ＳＴＭの全体的
構成を概略的に示している。図１において、１は輪郭線
として示された外部容器であり、この外部容器１の中に
内部容器２、ロボットハンド装置３、電解研磨装置４が
所定の位置関係で配置される。外部容器１は、アクリル
又はガラス等の透明な部材で形成されたケースであり、
開閉自在な蓋部（図示せず）を備えている。外部容器１
の内部は気密になるように形成される。外部容器１の外
部には、例えば窒素ガスを供給するための窒素ガス供給
装置５が配置され、外部容器１の内部に不活性ガスであ
る窒素ガスを充満させることができる。更に外部容器１
には、排気バルブ６が取り付けられる。内部容器２は、
内部が所定の真空状態に設定される真空容器であり、容
器蓋部２Ａ及び容器基部２Ｂと、これらの部材を支持す
る除振機構２Ｃとから構成される。内部容器２の、詳細
な内部構造は図２に示される。内部容器２の内部にはＳ
ＴＭの測定機構部が配置される。従って、除振機構２Ｃ
により支持する必要が生じる。内部容器２の内部空間
は、真空バルブ７を介して、外部に配置された真空ポン
プ８と接続されている。真空ポンプ８によって、内部容
器２の内部空間は、前述の所定の真空状態にされる。ロ
ボットハンド装置３の動作は、外部のロボットハンド制
御装置９によって制御される。ロボットハンド装置３
は、内部容器２の容器蓋部２Ａを把持し、電解研磨装置
４まで移送する機能を有する。また電解研磨装置４は、
ビーカ状の容器に電解液を蓄え、且つ電極を配備してい
る。この電解研磨装置４は、外部容器１の外部に配置さ
れた電解研磨制御装置１０により制御される図２を参照
して、内部容器２の詳細構造と容器蓋部２Ａに装備され
るＳＴＭについて説明する。２１は容器蓋部２Ａの内部
空間に固定された微動機構であり、この微動機構２１の
下部に探針２２を下方向に向けて取り付けている。微動
機構２１は、直交する３つの軸Ｘ，Ｙ，Ｚの方向に探針
２２を微動させる。Ｚ方向は、探針２２の長手方向（軸
方向）であり、Ｘ及びＹの各方向はＺ方向に直交する方
向である。Ｚ方向は探針２２を試料に対して接近又は退
避させるための方向であり、Ｘ及びＹの方向は探針２２
を試料表面に沿って走査させる方向になる。容器蓋部２
Ａの内部空間は、図示例では、下部が開口された状態に
あり、この開口部に探針２２は臨んでいる。２３は試料
である。試料２３は試料ステージ２４の上面に配置され
ている。試料ステージ２４は、粗動機構としての機能を
有し、試料２３をＸＹＺの各方向に移動させる。この試
料２３の測定表面に対して、探針２２の先端部が接近し
ている。試料ステージ２４は、容器基部２Ｂの上面に形
成された凹所２５に配置される。

【００１０】ＳＴＭのシステム構成を図３に示す。図３
において、探針２２と試料２３との間にバイアス発生回
路３１によって所定の電圧が印加される。この印加電圧
により、探針２２と試料２３との距離が所定距離になる
と、探針２２にトンネル電流が流れる。トンネル電流が
流れると、このトンネル電流は、トンネル電流増幅回路
３２で検出され且つ増幅され、サーボ回路３３に供給さ
れる。サーボ回路３３は、検出されるトンネル電流が一
定値になるように、微動機構２１のＺ方向のアクチュエ
ータを長さを制御・調整する。これにより、探針２２を
試料２３の表面に沿って移動させる時、探針２２と試料
２３との距離を所定の一定距離に保持する。３４は探針
２２をＸ及びＹの方向に走査するための走査回路であ
る。走査回路３４によって、微動機構２１に含まれるＸ
及びＹの各方向のアクチュエータの伸縮動作が制御さ
れ、走査動作が行われる。探針２２の走査移動について
は、予めプログラムが与えられている。探針２２のＸ，
Ｙ，Ｚの各方向の移動に関するデータは、演算制御装置
３５に取り込まれる。演算制御装置３５は入力されたデ
ータを用いて、試料２３における測定した表面形状の画
像処理を行い、表示装置３６に当該表面の形状を表示す
る。また３７は、粗動機構２４の動作を制御するための
試料ステージ制御回路であり、この制御回路３７と演算
制御装置３５との間にでも信号のやり取りが行われる。
図１及び図２におけるＳＴＭのシステム構成の図示は、
図示の簡略化を考慮して省略されている。

【００１１】容器蓋部２Ａと容器基部２Ｂは、シール材
２６を介在して当接している。シール材２６は、容器蓋
部２Ａの下縁に沿って配置され、且つ凹所に収容される
如くして配置される。シール材２６は、内部容器２の内
部空間を真空にするとき、その気密性を保つための部材
である。また容器蓋部２Ａの側部には、覗き窓２７が形
成される。覗き窓２７を通して内部容器２における内部
状態を視認することができる。外部容器１は、前述の如
く透明なケースであるから、内部容器２の内部状態は、
外部容器１の外側から覗き窓２７を通して見ることがで
きる。２８は排気用パイプであり、前記の真空ポンプ８
に接続されている。真空ポンプ８で、内部容器２の内部
は所定の低い真空状態になる。

【００１２】次に、上記装置の作動を説明する。試料ス
テージ２４に試料２３を載せる。探針２２を微動機構２
１の所定の位置に取付ける。この操作は、外部容器１の
図示しない蓋部を開け、且つ内部容器２の容器蓋部２Ａ
を開けた状態で行う。この場合、外部容器１及び内部容
器２のそれぞれの内部空間は、大気に開放されている。
試料２３と探針２２のセットが終了したら、内部容器２
の容器蓋部２Ａを容器基部２Ｂにセットしない状態で、
外部容器１の蓋部を閉じる。そして、この状態で真空ポ
ンプ８を作動させて真空排気を行い、外部容器１の内部
空間を所定の真空状態にする。真空排気後、真空バルブ
７を閉じて真空パイプ８の作動を停止させる。

【００１３】次に、窒素ガス供給装置５を作動させ、外
部容器１の内部に窒素ガスを充満させる。こうして、外
部容器１の中から活性のある酸素を排出して、不活性の
窒素ガスで充満させる。外部容器１に窒素ガスが充満し
た後には、ロボットハンド装置３を動作させて、これを
用いて容器蓋部２Ａを把持し、この容器蓋部２Ａを電解
研磨装置４に移送して、探針２２を電解研磨する。その
後、再びロボットハンド装置３を作動させて、容器蓋部
２Ａを移送し、容器基部２Ｂの上面の所定の位置にセッ
トする。容器蓋部２Ａは、シール材２６を介して容器基
部２Ｂの上面に当接される。次に、真空ポンプ８を再び
作動させて、内部容器２の内部空間を排気する。内部容
器２の内部は所定の低い真空状態に設定され、その後
の、真空バルブ７を閉じ、真空ポンプ８の作動を停止
し、その真空状態を保持させる。

【００１４】内部容器１の内部は所定の真空状態に保持
されるので、内外の差圧によって、容器蓋部２Ａは容器
基部２Ｂに押し付けられ、容器基部２Ｂに固定される。

【００１５】その後、ＳＴＭシステムが動作し、良く知
られた測定のための制御動作に基づき、探針２２が微動
機構２１により移動して、試料２３の表面を走査し、表
面データを測定する。

【００１６】上記の構成によれば、内部容器２の内部空
間を真空排気することで、内部容器２を密閉し、容器蓋
部２Ａを容器基部２Ｂに固定することができる。また試
料ステージ２４と微動機構２１の位置合わせも容易に行
うことができる。従って、ＳＴＭの機械的構成部分を固
定するための特別な固定機構は必要なく、測定用の真空
環境を形成する真空容器を小型化することができ、更
に、高剛性化することができる。一方、外部容器１の内
部は高い真空にする必要はなく、そのため、その合成を
高める必要もないので、強度的に低い材料を用いて作る
ことができる。上記実施例では、透明なアクリル等の部
材を用いることを可能としている。

【００１７】ＳＴＭによる測定において、再び探針２２
を研磨する必要が生じたときには、内部容器２の内部の
真空状態を解除し、容器蓋部２Ａをロボットハンド装置
３で移送し、前述と同様に電解研磨を実行する。なお、
電解研磨では、探針２２の実を電解液の中に漬け、研磨
を実行する。このため、探針２２は、容器蓋部２Ａにお
いて、その下部の面よりも下方に飛び出すような位置で
配置される。

【００１８】なお変更実施例として、内部容器２の固定
装置として、内外の差圧を利用しない装置構成を用いる
こともできる。研磨装置についても、電解研磨装置以外
に、その他の類似の研磨装置を用いることができる。

【００１９】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、内部容器内に測定を行うための真空環境を作るよ
うに構成したため、測定のための真空容器を小型に作る
ことができる。また外部容器は自体は、内部を高い真空
状態にする必要がないため、比較的に強度の低い部材で
作ることができ、且つ大型に作ることができる。そして
外部容器の中に研磨装置と自動的に探針を移送する探針
移送装置を設けるように構成したため、探針の研磨を、
外部の大気に接触させることなく探針を移動させ、行う
ことができる。これにより探針の酸化を防止することが
できる。人手の介入を排し、自動化をを達成することに
より、装置構成及び工程をシンプルにすることができ
る。

【００２０】ロボットハンド装置を利用して、探針を、
真空容器の蓋部ごと移動させて、研磨作業を行うように
構成したため、探針の取扱いが極めて楽になった。

【００２１】外部容器は、透明な部材で作ることがで
き、且つ内部容器の覗き窓を通して測定状況を観察する
ことができる。

【００２２】探針は、小型且つ軽量の微動機構に直接的
に取付けられ、微動機構の固有振動数を高くすることが
でき、振動の影響を排除することができる。

【００２３】真空ポンプを１台とし、これにより外部容
器及び内部容器を選択的に真空排気できるように構成し
たため、装置構成が簡単となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の全体構成
図である。

【図２】内部容器の内部構造を示す一部断面構成図であ
る。

【図３】走査型トンネル顕微鏡のシステムを示す構成図
である。

【符号の説明】

１ 外部容器 ２ 内部容器 ２Ａ 容器蓋部 ２Ｂ 容器基部 ３ ロボットハンド装置 ４ 電解研磨装置 ２１ 微動機構 ２２ 探針 ２３ 試料 ２４ 粗動機構

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 探針と、この探針と試料の相対的位置を
   所定の位置関係にセットする粗動機構と、試料表面の上
   で探針を測定のために移動させる微動機構とを備える走
   査型トンネル顕微鏡において、 前記探針と前記微動機構と前記試料と前記粗動機構を内
   部に備え、容器蓋部と容器基部とからなる内部容器と、 前記探針を研磨する研磨装置と、 前記探針を、前記内部容器と前記研磨装置の間で移送さ
   せる移送装置と、 前記内部容器と前記研磨装置と前記移送装置を内部に収
   容する外部容器と、 前記外部容器に不活性ガスを供給するガス供給装置と、 前記内部容器と前記外部容器のいずれかを選択的に所定
   の真空状態にする排気装置と、 前記容器蓋部と前記容器基部を固定する固定装置と、 を備えることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡に
   おいて、前記容器蓋部には前記探針と前記微動機構を配
   置し、前記容器基部には前記試料と前記粗動機構を配置
   することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
3. 【請求項３】 請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡に
   おいて、前記固定装置は、前記内部容器の内部を前記排
   気装置で真空排気し、この真空状態によって前記容器蓋
   部と前記容器基部が固定されることを利用する装置であ
   ることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
4. 【請求項４】 請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡に
   おいて、前記外部容器は、相対的に強度が低い透明な部
   材で作られることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
5. 【請求項５】 請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡に
   おいて、前記研磨装置は、電解研磨装置であることを特
   徴とする走査型トンネル顕微鏡。
6. 【請求項６】 請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡に
   おいて、前記移送装置は、人手を介さず前記移送作業を
   行うことが可能なロボットハンド装置であることを特徴
   とする走査型トンネル顕微鏡。