JPH05133738A - プローブ、プローブホルダ、プローブとプローブホルダとの組み合わせおよび走査型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】プローブの交換を短時間で容易に行うことがで
きる走査型顕微鏡のプローブおよびプローブホルダを提
供する 【構成】可撓性のカンチレバー部と探針とを有する１以
上のプローブと、前記プローブを保持するためのプロー
ブホルダとにおいて、前記プローブホルダは、前記プロ
ーブを一方向にのみ可動にする案内部を有し、前記プロ
ーブは前記案内部に嵌合する嵌合部を有することを特徴
とするプローブおよびプローブホルダ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型顕微鏡に用いるプ
ローブおよびプローブホルダ、特に、原子間力顕微鏡に
好適なプローブおよびプローブホルダに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、原子間力顕微鏡等の走査型顕微鏡
は、一つのプローブのみを顕微鏡のプローブホルダに取
り付ける構成となっている。プローブホルダには、固定
ねじおよび固定バネが配置されており、固定ねじを締め
ると、固定バネがプローブをプローブホルダに押しつ
け、プローブが固定される。

【０００３】プローブの交換時には、プローブホルダの
プローブ固定ねじおよび固定バネを外し、プローブをピ
ンセットで取り出してから、次に取り付けるプローブを
のせ、固定バネ、固定ねじを再び取り付け、固定ねじを
締めてプローブを固定する。さらに、原子間力顕微鏡の
場合には、プローブのカンチレバー部と、変位検出用レ
ーザービームとの位置を正確に一致させる必要がある。
そのため、一旦締めた固定ねじを少しゆるめては、レー
ザービームの位置を確認しながらピンセット等でプロー
ブをつついて位置をずらし、固定ねじを締めるという動
作を、プローブのカンチレバー部と変位検出用レーザー
ビームとの位置が正確に一致するまで繰返し行う必要が
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のプローブおよび
プローブホルダにおいては、固定ねじを締め付ける際に
ねじを回転させるため、プローブに回転の力が加わり、
プローブとレーザービームを完全に一致させておいて
も、固定ねじを締める際にずれが生じるので、繰返し位
置合わせを行わなければならなかった。そのため、プロ
ーブの交換には、位置合わせのための多大な時間と作業
者の熟練を必要としていた。

【０００５】また、プローブのカンチレバー部に立設し
ている探針は破損しやすく、観察中に破損した場合に
は、観察を中断してプローブを交換を行うことが度々あ
る。また、プローブには複数の種類があり、観察試料に
合わせて使い分けるので、破損していなくても、観察前
にプローブの交換をすることも多い。

【０００６】従って、プローブの交換に多大な時間と熟
練を必要とすることは、観察の効率および顕微鏡の稼働
率を低下させてしまうという問題がある。特に、観察の
途中でプローブを交換をする場合には、観察の長時間の
中断を強いられることになり、観察効率が低下するだけ
でなく、試料が変質、劣化する等の悪影響を及ぼし支障
をきたすという問題がある。さらに、観察を水中やガス
雰囲気中や真空中で行っている場合には、一旦大気雰囲
気に戻してプローブ交換を行い、再び、水中やガス雰囲
気中や真空中に戻さなければならず、さらに長時間の中
断を強いられる。

【０００７】本発明は、上記のような問題を解決するた
めに、プローブの交換を短時間で容易に行うことができ
る走査型顕微鏡のプローブおよびプローブホルダを提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、可撓性のカ
ンチレバー部と探針とを有する１以上のプローブと、前
記プローブを保持するためのプローブホルダとにおい
て、前記プローブホルダは、前記プローブを一方向にの
み可動にする案内部を有することにより達成される。

【０００９】前記プローブは、前記プローブホルダの案
内部に嵌合する嵌合部を有することが可能である。ま
た、前記プローブは、隣接するプローブのカンチレバー
部に接触することなく、隣接するプローブと接触するた
めの凹部を有することが可能である。この場合１以上の
プローブはホルダ上でカンチレバーを破損することなく
直列に配列することができる。

【００１０】

【作用】可撓性のカンチレバー部と探針とを有する１以
上のプローブは、前記プローブを保持するためのプロー
ブホルダの案内部により案内されることにより、一方向
のみに移動可能となる。このように案内部を設けること
で、案内部の長手方向と直行する方向へのプローブの移
動は正確に拘束され、長手方向のみに移動可能となる。
移動方向を減少させることにより、位置合わせの困難性
は、従来の２方向に自由度がある場合の位置合わせと比
較し、少なくとも半分に減少させることができる。

【００１１】また、プローブに、隣接するプローブのカ
ンチレバー部に接触することなく、隣接するプローブと
接触するための凹部を設けた場合、破損しやすいカンチ
レバーを凹部に収納することで、安全に複数のプローブ
をプローブホルダにセットすることができる。従来、プ
ローブホルダーを開けて、次のプローブを挿入し固定す
るという動作は、１つのプローブを入れ替える度に行っ
ていたが、複数のプローブ例えば１０個のプローブを一
度にセットできれば、１０回に１回行うだけで良い。つ
まり、複数のプローブをホルダーにセットしたら、その
複数のプローブを全部使い終わるまでは、ホルダーを開
けることなく位置合わせのみを行えば良い。

【００１２】

【実施例】本発明の一実施例について図面を用いて説明
する。本発明のプローブ４９の本体３は、図１、図２に
示すように、シリコン製の厚さ３ｔの正方形プレートの
一辺３ｃに、凹部２０を設けた形状を有している。本体
３の凹部２０が設けられている辺３ｃと対向する辺３ａ
には、可撓性の薄膜状のカンチレバー部２が延設されて
いる。カンチレバー部２の先端部には、小さな先端曲率
半径を有する探針１が立設されている。また、本体３の
辺３ａ，３ｃと直交する辺３ｂ，３ｄに沿って、Ｖ字型
断面の案内溝４ａ，４ｂが刻設されている。本体３の凹
部２０の長さおよび幅は、カンチレバー部２の長さおよ
び幅より十分大きい。図２に示すように、複数のプロー
ブ４９を互いに辺３ａと辺３ｃが接触するように直列に
並べた時、カンチレバー部２は、隣接するプローブ４９
の凹部２０に収まり、カンチレバー部２を破損すること
はない。

【００１３】つぎに、本発明のプローブホルダ４４を図
３を用いて説明する。一方向に長く延びた板状のシリコ
ン製の底面プレート５の軸方向の側面には、ガラス製の
側面プレート６ａ、６ｂが固定されている。側面プレー
ト６ａには、Ｓ字型に屈曲した板ばね７が、屈曲により
側面プレート６ａを厚み方向に締め付けて、取り外し可
能に取り付けられている。側面プレート６ａおよび６ｂ
の内壁の間隔６ｃは、プローブ４９の幅３ｅよりわずか
に大きい。底面プレート５の上面の中央部には、軸方向
に矩形断面の保護溝９が刻設されている。保護溝９の幅
９ａは、プローブ４９のカンチレバー２の幅２ａより十
分大きく、保護溝９の深さ９ｂは、プローブ４９の探針
１の長さ１ａより十分に大きい。また、矩形断面の保護
溝９の両側には、軸方向に山形断面のレール部８ａ，８
ｂが形成されている。レール部８ａ，８ｂの先端部の間
隔８ｃは、プローブ４９の案内溝４ａ、４ｂの最深部の
間隔４ｃと等しい。

【００１４】従って、プローブ４９をプローブホルダ４
４にセットした場合、プローブホルダ４４のレール８
ａ、８ｂの長手方向にプローブ４９の本体３が移動でき
るように、プローブ４９の案内溝４ａ、４ｂが、それぞ
れプローブホルダ４４のレール８ａ、８ｂに嵌合する。
また、プローブ４９の探針１は、プローブホルダ４４の
保護溝９に収まり、プローブホルダ４４には接触しない
ので、探針１を破損させることなくセットすることがで
きる。

【００１５】プローブ４９およびプローブホルダ４４
は、上記のような構造をとっているので、複数のプロー
ブ４９を直列に並べて一度にプローブホルダ４４にセッ
トすることができる。セット可能なプローブ４９の数
は、プローブホルダ４４の長手方向の長さにより決定さ
れる。プローブ４９セットする際には、プローブホルダ
４４の板バネ７を一旦取外し、複数のプローブ４９を案
内溝４ａ，４ｂとレール８ａ，８ｂが嵌合するように並
べ、次に、後端のプローブ４９ｚを先端のプローブ４９
ａの方向に押し、図２のように、隣接するプローブを本
体３の辺３ａと３ｃとで接触させて直列に並べる。そし
て、再び、板バネ７を取付けて、各プローブ４９をプロ
ーブホルダ４４に押しつけ、観察時の振動でプローブ４
９がずれたり落ちたりしないように固定する。観察時に
は、後端のプローブ４９ｚを矢印５０の方向に押し、先
端のプローブ４９ａのカンチレバー部２が、図４のよう
に、ホルダーから飛び出すようにしてこの状態で観察を
行う。本実施例では、プローブ４９の固定に板バネ７を
用いているので、後端のプローブ４９ｚを押すことによ
り、プローブ４９をプローブホルダ４４にセットしたま
まの状態で、プローブ４９を一方向に移動させることが
できる。また、プローブ４９はレール８ａ、８ｂの長手
方向には移動可能であるが、直交方向にずれることがな
いので、位置合わせを容易に行うことができる。案内溝
４ａ、４ｂおよびレール８ａ、８ｂをフォトリソグラフ
ィで作製した場合には、直交方向のずれ（あそび）量を
１μｍ以下にすることが可能である。

【００１６】プローブホルダは図４に示すように、原子
間力顕微鏡のベース４１に設置されたプローブ粗移動ス
テージ４２に、アーム４２ａを介して固定される。ま
た、プローブ４９のカンチレバー部２の撓み量を検出す
るための変位検出計４３もまたプローブ粗移動ステージ
４２に固定される。変位検出計４３の発するレーザービ
ームとプローブ４９のカンチレバー２の位置合わせは、
プローブ４９の位置をレール８ａ、８ｂの方向のみに位
置合わせするだけで良く、容易に一致させることができ
る。また、プローブホルダには複数のプローブ４９がセ
ットできるので、プローブを交換するときは、後端のプ
ローブ４９ｚを押して、先端のプローブをホルダーから
押出して落下させると、次のプローブ４９ｂのカンチレ
バー部２がプローブホルダ４４からとび出た状態とな
り、観察可能となる。

【００１７】観察途中にプローブ４９が破損した場合に
は、プローブ粗移動ステージ４２または試料粗移動ステ
ージ４５を駆動し、試料４７をプローブ４９の直下から
退避させ、プローブ４９の落下位置に、収納ボックス４
８を配置する。この状態で後端のプローブ４９ｚを押し
て、プローブ４９ａを収納ボックス４８中に落下させ、
新たなプローブ４９ｂをセットして、再び、プローブ粗
移動ステージ４２または試料粗移動ステージ４５により
試料をプローブ直下に移動させれば、観察を再開するこ
とができる。このようにすることで、試料を傷つけるこ
となく素速くプローブを交換することができるので、従
来と比較して観察への支障を大幅に短縮することができ
る。

【００１８】また、プローブホルダ４４にセットされた
後端のプローブ４９ｚを押すための治具をプローブホル
ダまたはベース４１に取り付けることができる。プロー
ブ４９ｚを押すための治具としては、例えばラックとピ
ニオンをパルスモータで駆動する装置を用いることがで
きる。観察を水中やガス雰囲気中や真空中等の外界と遮
断した状態で行っている場合には、この治具を外界から
遠隔操作することにより、外界との遮断を破らずにプロ
ーブの交換を行うことができる。

【００１９】本発明のプローブ４９およびプローブホル
ダ４４の材質および製造方法の一例について説明する。
プローブ本体３の材料としては１００面方位シリコン短
結晶を用い、化学気相成長法や熱酸化法等により、探針
１およびカンチレバー部２となる酸化珪素膜を形成す
る。次にフォトリソグラフィ法により、カンチレバー部
２および案内溝４ａ、４ｂおよび凹部２０をパターニン
グし、不要な部分をアルカリエッチング溶液に浸積除去
し、プローブ４９を完成させる。カンチレバー部２は、
酸化珪素膜に限らず、窒化珪素および種々の金属膜で形
成することができる。

【００２０】また、プローブホルダ４４は、底面プレー
ト５にシリコン板を用い、フォトリソグラフィ法によ
り、レール８ａ、８ｂおよび保護溝９を形成する。次に
ガラス性の側面プレート６を陽極接合法により接合し、
Ｓ字型の板バネを取り付けてプローブホルダ４４を完成
させる。本実施例では、本体３の一辺２〜３ｍｍ、厚さ
２００〜３００μｍ、カンチレバー部２の厚さ約１μ
ｍ、幅約２０μｍ、案内溝４の幅２０〜３０μｍのプロ
ーブ４９と、レール８の幅２０〜３０μｍのプローブホ
ルダ４４を作製した。この場合、レールの長手方向に直
行する方向の、プローブ４９とプローブホルダ４４の遊
びを、１μｍ以下にすることができる。本実施例では、
Ｖ字型断面の案内溝４と山形断面のレール８を用いた
が、これに限られるものではなく、プローブに山形断面
のレールを設け、プローブホルダにＶ字型断面の案内溝
を設けても同様の効果を得ることができる。また、案内
溝４の形状も矩形断面や、段部等の形状を用いることが
できる。さらには、案内溝およびレールを形成せず、プ
ローブ本体３の側面をプローブホルダーの側面プレート
６に接触させて案内することもできる。

【００２１】上述の１０個のプローブ４９をプローブホ
ルダ４４に直列にセットし、１０個をプローブの交換時
間および位置合わせ時間の総和を求め、従来のプローブ
１０個の交換時間および位置合わせ時間の総和と比較し
た。その結果、従来の半分以下の時間で交換できること
がわかった。また、これは大気中での観察時の比較であ
るが、水中やガス雰囲気中や真空中等の外気との遮断さ
れた状態での観察では、外気との遮断を破らずに観察を
続けることができるので、さらに効率が高く、１／３以
下の時間で交換できた。

【００２２】また、図６に示すように、プローブホルダ
の先端に、ストッパー６０を設けることができる。スト
ッパー６０を設けた場合、ストッパー６０につき当たる
までプローブを押し続ければ、自動的に変位検出計のレ
ーザービームと位置合わせをすることができる。この場
合、底面プレート５には、ストッパー６０を内部に格納
するための格納部と、操作者の指示によりストッパー６
０を底面プレート５上に突出させたり、内部に格納させ
たりする駆動部とを配置する。プローブ４９の交換時に
は、ストッパー６０を底面プレート５の内部に格納し、
後端のプローブを押すことにより先端のプローブを落下
させる。先端のプローブは、重心が底面プレートの先端
からとび出した時点、すなわち本体の半分よりやや先端
側よりにある重心が、先端から飛び出した時点で落下す
る。この時、つぎのプローブの本体の先端は、ストッパ
ー６０の上には到達してしないので、ストッパー６０を
突出させる。さらに、つぎのプローブの本体の先端が、
ストッパー６０に突き当たるまで、後端のプローブを押
して位置合わせをする。また、操作者がピンセットで先
端のプローブを上部方向に取り出して交換することもで
きる。この時には、ストッパー６０を底面プレート５の
内部に格納する必要はない。このようにストッパー６０
を設ける場合は、予め位置関係を計算してプローブ４９
およびプローブホルダ４４を設計し、作製する。

【００２３】また、本実施例では、プローブ４９をプロ
ーブホルダに固定するために板バネを用いたが、これに
限られるものではなく真空チャック等で固定することも
もちろん可能である。さらに、本実施例では、プローブ
本体３のカンチレバー部２と対向する辺に凹部２０を設
けて、隣接するプローブのカンチレバー部２を凹部２０
におさめ、カンチレバー部２を保護したが、図５に示す
ように、カンチレバー部２をプローブ自らの凹部２００
に延設してカンチレバー部２を保護することもできる。
この場合、図５のように、カンチレバー部を下方に屈曲
させると観察を行いやすい。また、この場合プローブホ
ルダ４４の保護溝９の深さ９ｂは、カンチレバー部２の
屈曲を考慮して深くする。

【００２４】また、プローブとプローブホルダが接触す
る部分には、テフロン等の摩擦係数の小さい素材の薄膜
でコーティングすることもできる。この場合プローブと
プローブホルダの摩擦が減少し、プローブの滑りがよく
なる。

【００２５】以上のように本発明を用いることにより、
操作性の高いプローブおよびプローブホルダが提供され
るので、効率良くプローブを交換することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本発明を用いることによ
り、プローブの交換を短時間で容易に行うことができる
操作性の良いプローブとプローブホルダを備えた走査型
顕微鏡を提供することができる。

【００２７】さらに、本発明では、複数のプローブを一
度にプローブホルダにセットすることができる。これら
のプローブは、一方向にのみ移動可能であるが、他方向
には拘束されているので容易に位置合わせを行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプローブの一例の斜視図。

【図２】図１のプローブを直列に並べた状態をしめす下
面図。

【図３】本発明のプローブホルダの一例を示す斜視図。

【図４】本発明のプローブおよびプローブホルダを取り
付けた原子間力顕微鏡の構成を示す説明図。

【図５】本発明のプローブの別の例を示す下面図と側面
図。

【図６】ストッパーを取り付けた場合のプローブホルダ
の斜視図。

【符号の説明】

１…探針、２…カンチレバー部、３…プローブ本体、４
…案内溝、５…底面プレート、６…側面プレート、７…
板バネ、８…レール、９…探針保護溝、４１…原子間力
顕微鏡ベース、４２…プローブ粗移動ステージ、４３…
変位検出計、４４…プローブホルダ、４５…試料粗移動
ステージ、４６…ＸＹＺステージ、４７…試料、４８…
収納ボックス、４９…プローブ、６０…ストッパー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松原 隆 東京都品川区西大井１丁目６番３号 株式 会社ニコン大井製作所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可撓性のカンチレバー部と探針とを有する
   １以上のプローブと、前記プローブを保持するためのプ
   ローブホルダとの組み合わせにおいて、 前記プローブホルダは、前記プローブを一方向にのみ可
   動にする案内部を有することを特徴とするプローブとプ
   ローブホルダとの組み合わせ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記プローブは前記案
   内部に嵌合する嵌合部を有することを特徴とするプロー
   ブとプローブホルダとの組み合わせ。
3. 【請求項３】請求項１において、前記１以上のプローブ
   は、隣接するプローブのカンチレバー部に接触すること
   なく、隣接するプローブと接触するための凹部を有する
   ことを特徴とするプローブとプローブホルダとの組み合
   わせ。
4. 【請求項４】可撓性のカンチレバー部と探針を有し、プ
   ローブホルダによって保持されるプローブにおいて、 前記プローブホルダと嵌合するための案内部と、隣接す
   るプローブのカンチレバー部に接触することなく隣接す
   るプローブに接触するための凹部を有することを特徴と
   するプローブ。
5. 【請求項５】可撓性のカンチレバー部と探針とを有する
   １以上のプローブを保持するためのプローブホルダにお
   いて、 前記プローブと嵌合するための案内部を有し、前記プロ
   ーブを一方向のみに可動にすることを特徴とするプロー
   ブホルダ。
6. 【請求項６】可撓性のカンチレバー部と探針とを有する
   １以上のプローブと、前記プローブを保持するためのプ
   ローブホルダとを有する走査型顕微鏡において、 前記プローブホルダは、前記プローブを一方向にのみ可
   動にする案内部を有し、前記プローブは前記案内部に嵌
   合する嵌合部を有することを特徴とする走査型顕微鏡。