JP2006156431A - 筒型圧電素子と走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸方向の伸縮動作に関して簡単な構成で真直度の誤差を補正することができ、高い真直度を実現し、測定精度を高め、高アスペクト比の測定対象物も確実に測定できる筒型圧電素子および走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】 この筒型圧電素子１１は、軸方向に伸縮動作させるための電極装置と電圧印加装置１３を備え、その外周面に、伸縮方向の真直度の誤差を補正するための円周方向に分割された複数の分割電極１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂを備える。この構成によって、軸方向の伸縮動作における真直度の誤差を、専用の分割電極を設けてその分割電極に印加される電圧のバランスをとることにより補正する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、筒型圧電素子と走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、走査型プローブ顕微鏡等で、試料表面に対して探針を接近・退避させるＺ軸方向の筒型圧電素子の真直度を補正する構成に関するものである。

走査型プローブ顕微鏡では、測定対象である試料の表面にその先端が対向するように配置された探針を、試料の測定領域の表面の形状に沿って走査動作させ、かつ当該表面の形状に追従させるように接近・退避動作させるアクチュエータを備えている。このアクチュエータは、試料表面に平行なＸＹ平面における走査動作用のＸＹアクチュエータと、Ｚ軸方向（または試料表面に対して高さ方向）の接近・退避動作用のＺ軸アクチュエータとから構成される。ＸＹアクチュエータとしては、直交するロッド状の圧電素子、所要の分割電極を備えた筒型圧電素子、または平行平板型のアクチュエータが用いられる。Ｚ軸アクチュエータとしては同様にロッド状態の圧電素子、または筒型圧電素子が用いられる。

近年、走査型プローブ顕微鏡による測定では、表面に形成された深い穴や溝など高アスペクト比を有する測定対象部を測定する必要性が高くなってきた。このような測定では、相対的に長い探針を穴等の内部に真直ぐに進入させることが必要であるため、Ｚ軸アクチュエータには、試料表面に垂直な高さ方向（または深さ方向、Ｚ軸方向）に向かって高い真直度で探針を移動させることが要求される。

Ｚ軸アクチュエータとして筒型圧電素子を用いる構成では、Ｚ軸方向の移動を生じさせる目的で筒型圧電素子をその軸方向に伸縮させるための、電極装置と、この電極装置に含まれる所定電極に電圧を印加する電圧印加装置とを備えている。

従来のＺ軸アクチュエータでは、軸方向の伸縮動作に基づく探針の移動に関して、その真直度を補正する機能を有する特別な構成は存在しなかった。上記筒型圧電素子では、一般的には、機械的な加工精度や組立て精度によって真直度を確保するようにしていた。すなわち、筒型圧電素子の肉厚むらや、付設された複数の電極の電極むらをなくし、高い真直度を実現しようとしていた。

しかしながら、機械的な加工精度や組立て精度を高めることにより真直度を確保することには限度がある。特に走査型プローブ顕微鏡で寸法計測のために用いると、真直度の誤差は寸法計測の誤差に直結し、特に斜面の角度計測においては、左右の角度計測誤差を生じる。アクチュエータの変位を予め計測して、その変位誤差を補正する方法は従来から用いられている。しかし、真直度の誤差を補正するという考えは、従来なかった。また前述のごとくアスペクト比の高い穴を測定する場合には、Ｚ軸アクチュエータ用の筒型圧電素子に真直度に誤差が存在する場合には、探針が穴や溝の底部に到達できないという問題が生じる。

なお走査型プローブ顕微鏡において、探針の走査動作と接近・退避動作を行うアクチュエータに筒型圧電素子を用いる場合、従来、筒型圧電素子の内周面と外周面には所要の電極が設けられている（特許文献１と特許文献２）。

特許文献１に開示される圧電アクチュエータは、円筒型圧電素子の内周面には全面的に共通電極が設けられ、外周面には円周方向に４分割された電極が設けられている。外周面に設けられた４分割の電極に所定の電圧を印加すると、円筒型圧電素子を軸方向へ伸縮させたり、あるいは先端部を振らせるため曲げさせたりすることができる。これにより、円筒型圧電素子の一端に取り付けられた探針の先端を三次元的に微小変位させることができる。

特許文献２では、円筒型圧電素子の内周面および外周面において円周方向に複数の分割電極を設けている。円筒型圧電素子の内周面の分割電極および外周面の分割電極は、いずれも探針に走査動作を行なわせるための横振り運動を行うためのものである。この電極構造によれば、内周面に設けられた電極も外周面に設けられる電極に対応させて分割し、内周面の分割電極への印加電圧を、対応する外周面の電極に印加する電圧と同じ値でその極性を逆にするようにしたため、従来の電極構成に比較して、同じ電圧で変位量を大きくすることができる。

上記のいずれの筒型圧電素子においても、その分割電極は、筒型圧電素子の伸縮動作に基づく探針の移動に関してその真直度を補正するための特別な構成または機能を有していない。
特開平３−１１２３７４号公報 特開平７−２４９３９２号公報

本発明は、筒型圧電素子で探針等をその軸方向（Ｚ軸方向）に移動させるときに真直度の誤差を補正し、極めて高い真直度を実現することを課題とするものである。

従って本発明の目的は、上記の課題に鑑み、軸方向の伸縮動作に関して簡単な構成で真直度の誤差を補正することができ、これにより高い真直度を実現し、測定精度を高めることができ、さらに高アスペクト比の測定対象物も確実に測定することができる筒型圧電素子および走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。

本発明に係る筒型圧電素子および走査型プローブ顕微鏡は、上記目的を達成するために、次のように構成される。

第１の本発明に係る筒型圧電素子（請求項１に対応）は、軸方向に伸縮動作させるための電極装置と電圧印加装置を備えた筒型圧電素子であって、その外周面に、伸縮方向の真直度の誤差を補正するための円周方向に分割された複数の分割電極を備えるように構成されている。

上記筒型圧電素子によれば、軸方向の伸縮動作における真直度の誤差を、専用の分割電極を設けてその分割電極に印加される電圧のバランスをとることにより補正することが可能となる。

第２の本発明に係る筒型圧電素子（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、複数の分割電極のそれぞれに印加される電圧を、真直度の誤差がゼロになるように調整する印加電圧調整部を備えることで特徴づけられる。この構成によれば、印加電圧調整部によって複数の分割電極のそれぞれに印加される電圧のバランスをとることにより真直度誤差をゼロにすることが可能となる。

第３の本発明に係る筒型圧電素子（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、印加電圧調整部で調整される電圧は、筒型圧電素子について予め計測された真直度の誤差に基づいて決定されることを特徴とする。真直度誤差は筒型圧電素子ごとに予め計測され、当該真直度誤差がゼロになるように印加電圧の電圧バランスがとられる。

第４の本発明に係る筒型圧電素子（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、分割電極は、円周方向に４分割された電極であることを特徴とする。４分割の分割電極はＸ軸方向とＹ軸方向のそれぞれに一対ごと配置される。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡（請求項５に対応）は、筒型圧電素子を含むアクチュエータで探針の走査動作および接近・退避動作を行うようにされた走査型プローブ顕微鏡であり、筒型圧電素子を、その軸方向に伸縮動作させるための電極装置および電圧印加装置と、筒型圧電素子の外周面に設けられ、伸縮方向の真直度の誤差を補正するための円周方向に分割された複数の分割電極と、複数の分割電極のそれぞれに印加される電圧を、真直度の誤差がゼロになるように調整する印加電圧調整部と、を備えるように構成されている。

上記の走査型プローブ顕微鏡では、筒型圧電素子の伸縮動作で探針を試料表面に対して接近・退避させるとき、筒型圧電素子の真直度を正確に補正できるので、精度の高い測定を行うことが可能であり、特に、アスペクト比の高い穴や溝の測定についてその底に到るまでの高精度の測定が可能となる。

本発明によれば、筒型圧電素子に真直度を補正するための複数の分割電極を設け、かつ複数の分割電極に印加される電圧の電圧バランスをとるように構成したため、筒型圧電素子の真直度を適切に補正し、走査型プローブ顕微鏡によるアスペクト比の高い穴等の測定を可能にしかつその測定精度を高めることができる。また本発明によれば、筒型圧電素子が本来的に有する真直度誤差を予め計測しておき、当該計測情報に基づいて筒型圧電素子の真直度を補正するため、筒型圧電素子ごとに精度の高い真直度を実現できる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図４に従って本発明に係る筒型圧電素子の第１実施形態を説明する。図１は筒型圧電素子の正面図、図２は分割電極を含む部分についての筒型圧電素子の図１中の水平断面図、図３と図４は作用説明図である。

筒型圧電素子１１は、所要の肉厚および軸方向長さを有する円筒形圧電部材１１ａを基礎に作られている。この筒型圧電素子１１は、その軸方向（図１中、Ｚ軸方向）１２に関して伸縮動作するように、電極装置と電圧印加装置１３とを備えて構成されている。

電極装置は、筒型圧電素子１１における円筒形圧電部材１１ａの内周面の全体に設けられた膜状の共通電極１４と、円筒形圧電部材１１ａの外周面の一部の全円周面に設けられ、その軸方向（Ｚ軸方向）１２の伸縮を生じさせるための膜状のＺ軸電極１５と、円筒形圧電部材１１ａの外周面の一部に設けられ、円周方向に４つに分割して設けられた膜状の補正用分割電極１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂとから構成される。

上記補正用分割電極１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂは、図２から明らかなように、Ｘ軸方向に一対の分割電極（１６ａ，１６ｂ）、Ｙ軸方向に一対の分割電極（１７ａ，１７ｂ）という構成で配置されている。一対の分割電極は、互いに１８０°回転させた位置にあり、点対称の位置関係にある。

Ｚ軸電極１５は、通常、接地電位に保持される共通電極１４に対して、電圧印加装置１３からレベルを変えて所要の正電圧を印加されることにより、筒型圧電素子１１の軸方向１２の長さを変化させる。筒型圧電素子１１、すなわち円筒形圧電部材１１ａは、Ｚ軸電極１５に与えられる印加電圧に応じて伸縮する。

上記の構成を有する筒型圧電素子１１は、一般的に、例えば走査型プローブ顕微鏡等における探針を試料表面に対して接近・退避動作させるＺ軸微動装置として利用される。この場合において、筒型圧電素子１１のＺ軸電極１５には、探針・試料間の距離を一定に保持するためのフィードバック制御部から与えられる制御用電圧信号Ｖｓが印加される。制御用電圧信号Ｖｓは、探針・試料間の距離を定める基準電圧信号と、探針を有するカンチレバーの変位に係る検出電圧信号との偏差に基づいて生成される電圧信号である。制御用電圧信号Ｖｓは、筒型圧電素子１１の軸方向１２の長さのみを決める電圧信号である。通常、制御用電圧信号Ｖｓは増幅器１８から出力される電圧としてＺ軸電極１５に印加される。前述した電圧印加装置１３は、この場合、上記フィードバック制御部となる。

分割電極１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂは、Ｚ軸電極１５に対して電圧印加装置１３から所要の電圧が与えられて筒型圧電素子１１が伸長するときに、その軸方向１２の真直度を補正するための手段である。通常、筒型圧電素子１１では肉厚むらや電極むら等が存在するので、Ｚ軸電極１５に電圧を印加して所要の長さだけ伸長させようとしても、特段の補正を行わなければ、筒型圧電素子１１は真直ぐ伸びず、曲がりが生じる。すなわち、その軸方向１２への伸長動作で真直度の誤差が生じる。その状態を図３に示す。

図３において、筒型圧電素子１１（実際には円筒形圧電部材１１ａ）が破線のごとく伸びたときに、真直度の誤差が生じて矢印２１の方向に伸び、曲がり状態２２が生じる。矢印２１の向きは軸方向１２に対して傾きを有している。この傾きは、具体的には、例えば１°程度である。図３に示した筒型圧電素子１１の曲がり状態２２に対して、分割電極１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂのそれぞれに所要の電圧（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４）を印加することにより、当該曲がり状態２２を解消し、真直度の誤差をゼロする。この状態を図４に示す。図４に示した筒型圧電素子１１では、その伸びの方向は、矢印２３に示されるごとく軸方向１２と一致しており、曲がり状態はなくなっている（破線部２４）。分割電極１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂの各々に与えられる印加電圧Ｖ１〜Ｖ４は、図１に示されるごとく、印加電圧調整部２５から出力される。

印加電圧調整部２５は、筒型圧電素子１１の真直度を補正するための補正用電圧を発生する装置であり、分割電極１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂのそれぞれに対して、増幅器２６，２７，２８，２９を介して前述の曲がり状態２２を補正するための所要の電圧Ｖ１〜Ｖ４を印加する。

図３に示した曲がり状態２２では、Ｘ軸方向に生じた曲がりであるので、Ｘ軸方向に配置された一対の分割電極１６ａ，１６ｂのそれぞれに印加される電圧Ｖ１，Ｖ２を調整することにより、当該曲がり状態２２を解消し、真直度の誤差がゼロになり、筒型圧電素子１１の真直度を補正する。またこの場合、Ｙ軸方向に配置された一対の分極電極１７ａ，１７ｂには、Ｙ軸方向の曲がりが生じていないので、同じ条件の電圧が印加されることになる。Ｙ軸方向に曲がりが生じた場合には、同様にしてＹ軸方向に配置された一対の分割電極１７ａ，１７ｂのそれぞれに印加される電圧Ｖ３，Ｖ４を調整することにより、曲がり状態を解消する。Ｘ軸方向に配置された一対の分極電極１６ａ，１６ｂには同じ条件の電圧が印加される。

筒型圧電素子１１の曲がり状態がＸ軸方向とＹ軸方向が合成された方向に生じる場合には、分割電極１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂに印加される補正用の電圧Ｖ１〜Ｖ４も曲がり状態に応じて調整される。

印加電圧調整部２５から出力される補正用電圧Ｖ１〜Ｖ４の値は、予め、筒型圧電素子１１の伸縮度に応じて生じる筒型圧電素子１１の真直度の誤差を計測して設定される。印加電圧調整部２５内に用意される調整方法は、Ｚ軸圧電素子１５および分割電極１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂを備えた筒型圧電素子１１から成るＺ軸微動装置としての動作特性を予め計測することにより定められる。印加電圧調整部２５は、筒型圧電素子１１の伸びを決める電圧印加装置１３から出力される電圧Ｖ₀に基づいて各分割電極１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂに印加する電圧Ｖ１〜Ｖ４を調整して出力する。分割電極１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂに印加する電圧Ｖ１〜Ｖ４の電圧バランスをとることによって、どのような方向に発生する真直度誤差も補正することができる。

上記の印加電圧調整部２５は、コンピュータで実現し、各分割電極に対する印加電圧値を決定し、各分割電極ごとにＤ／Ａコンバータと増幅器を経由して必要な印加電圧を与えるように構成することができる。さらに、印加電圧調整部２５は、各分割電極の増幅器のゲインをアナログ回路で調整するように構成し、予め計測した真直度誤差を補正できるように調整した回路として実現することもできる。

上記の第１実施形態に係る筒型圧電素子１１によれば、Ｚ軸電極１５とは別に、筒型圧電素子１１の真直度の補正を行うための分割電極１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂを設けたため、機械的な曲がりを電圧バランスを利用することにより最適に調整し、真直度誤差をなくし、真直度を良好に補正することができる。

次に、図５と図６を参照して本発明に係る筒型圧電素子の第２実施形態を説明する。図５は第２実施形態の筒型圧電素子の正面図、図６は図５中の筒型圧電素子の水平断面図である。第２実施形態の構成において、第１実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。第２実施形態に係る筒型圧電素子３１では、円筒形圧電部材３１ａの外周面において、その円周方向に４つに分割された分割電極１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂのみが設けられるように構成されている。筒型圧電素子３１では、第１実施形態で示されたＺ軸電極１５が省略された構成になっている。分割電極１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂは、それぞれ、第１実施形態に係る筒型圧電素子１１の分割電極１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂに対応して真直度を補正する補正電極としての機能を有すると共に、筒型圧電素子３１すなわち円筒形圧電部材３１ａをその軸方向（Ｚ軸方向）に伸縮させる上記Ｚ軸電極１５としての機能も有している。

第２実施形態に係る筒型圧電素子３１においても、電圧印加装置１３、印加電圧調整部２５、分割電極１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂごとの増幅器２６，２７，２８，２９が設けられている。これらは第１実施形態で説明されたものと実質的に同一のものである。また筒型圧電素子３１の円筒形圧電部材３１ａの内周面には共通電極１４が設けられている。

第２実施形態の電圧印加装置１３では、筒型圧電素子３１の伸縮量を決める電圧値Ｖｓが出力される。印加電圧調整部２５は、入力された当該電圧値Ｖｓに基づいて、分割電極１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂのそれぞれに印加される電圧Ｖ１〜Ｖ４を決める電圧値調整を行う。分割電極１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂのそれぞれに印加する電圧Ｖ１〜Ｖ４が同じ値であるときには、筒型圧電素子３１を軸方向１２ａに伸縮駆動させる。この場合において、通常、筒型圧電素子３１には前述のごとく曲がりが生じるという特性を有している。筒型圧電素子３１で発生する曲がり状態、すなわち真直度誤差は、事前に計測し、筒型圧電素子３１の伸縮量に応じたその調整の仕方は印加電圧調整部２５において予め設定されている。従って、分割電極１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂのそれぞれに印加する電圧Ｖ１〜Ｖ４については、筒型圧電素子３１を軸方向１２ａに伸縮駆動するとき、真直度誤差がゼロになるように当該電圧Ｖ１〜Ｖ４の値の大小関係が決定される。分割電極１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂのそれぞれに印加する電圧Ｖ１〜Ｖ４の値を印加電圧調整部２５で調整することにより、筒型圧電素子３１を所要量だけ伸縮させると共に、同時に筒型圧電素子３１で生じる機械的な曲がりを電圧バランスによる曲がりで相殺し、結果として筒型圧電素子３１の真直度を補正する。以上において、分割電極１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂのそれぞれに印加する電圧Ｖ１〜Ｖ４に関する電圧バランスはどのようにも調整でき、どの方向の真直度誤差も補正することができる。

上記の実施形態の筒型圧電素子はＺ軸方向のアクチュエータの例を説明したが、本発明はＸ軸方向およびＹ軸方向のいずれのアクチュエータにも適用することができる。

図７は本発明に係る筒型圧電素子を走査型プローブ顕微鏡のＺ軸微動装置として利用した構成例を示している。

この走査型プローブ顕微鏡は例えば原子間力顕微鏡である。４１はＸＹＺ微動装置である。ＸＹＺ微動装置４１は、平行平板型ＸＹ微動装置４２とＺ微動装置４３から成る。Ｚ微動装置４３は前述した筒型圧電素子（１１，３１）が使用されている。Ｚ微動装置４３の下端には探針４４を備えたカンチレバー４５が取り付けられている。平行平板型ＸＹ微動装置４２は走査動作を行わせる手段であり、Ｚ微動装置４３は接近・退避動作を行わせる手段である。

ＸＹＺ微動装置４１の下方位置では、試料ステージ４６の上に試料４７が配置されている。探針４４は試料４７の表面に臨んでいる。

探針４４と試料４７の間の原子間力で決まる距離は、カンチレバー４５の変位として光学検出系で検出され、制御部４８に入力される。制御部４８は、探針・試料間を所定の距離に維持するための制御電圧（Ｖｓ）を出力し、これを印加電圧調整部２５に与える。印加電圧調整部２５は、入力した制御電圧に基づいてＺ軸微動装置４３の分割電極に与える印加電圧（Ｖ１〜Ｖ４）を決定し、出力する。これによりＺ軸微動装置４３は良好な真直度で伸縮し、探針・試料間距離を一定に保持する。

平行平板型ＸＹ微動装置４２の走査動作はＸＹ走査制御部４９によって制御される。

上記制御部４８から出力される制御電圧に係る信号、およびＸＹ走査制御部４９から与えられる制御信号は信号処理部５０に入力され、ここで信号処理され、測定データが生成される。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、走査型プローブ顕微鏡における主に探針・試料間距離を調整するためのＺ軸微動装置として利用される。

本発明に係る筒型圧電素子の第１実施形態の正面図である。 第１実施形態に係る筒型圧電素子の分割電極を含む部分の水平断面図である。 第１実施形態に係る筒型圧電素子の曲がり状態を含む動作状態を示す図である。 第１実施形態に係る筒型圧電素子の曲がり状態を解消した動作状態を示す図である。 本発明に係る筒型圧電素子の第２実施形態の正面図である。 第２実施形態に係る筒型圧電素子の分割電極を含む部分の水平断面図である。 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の要部構成図である。

符号の説明

１１ 筒型圧電素子
１１ａ 円筒形圧電部材
１３ 電圧印加装置
１５ Ｚ軸電極
１６ａ，１６ｂ 分割電極
１７ａ，１７ｂ 分割電極
２５ 印加電圧調整部
３１ 筒型圧電素子
３１ａ 円筒形圧電部材
１１６ａ，１１６ｂ 分割電極
１１７ａ，１１７ｂ 分割電極

Claims (5)

1. 軸方向に伸縮動作させるための電極装置と電圧印加装置を備えた筒型圧電素子であって、その外周面に、伸縮方向の真直度の誤差を補正するための円周方向に分割された複数の分割電極を備えることを特徴とする筒型圧電素子。
2. 前記複数の分割電極のそれぞれに印加される電圧を、前記真直度の誤差がゼロになるように調整する印加電圧調整部を備えることを特徴とする請求項１記載の筒型圧電素子。
3. 前記印加電圧調整部で調整される電圧は、前記筒型圧電素子について予め計測された前記真直度の誤差に基づいて決定されることを特徴とする請求項２記載の筒型圧電素子。
4. 前記分割電極は、円周方向に４分割された電極であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の筒型圧電素子。
5. 筒型圧電素子を含むアクチュエータで探針の走査動作および接近・退避動作を行うようにされた走査型プローブ顕微鏡において、
   前記筒型圧電素子を、その軸方向に伸縮動作させるための電極装置および電圧印加装置と、
   前記筒型圧電素子の外周面に設けられ、伸縮方向の真直度の誤差を補正するための円周方向に分割された複数の分割電極と、
   前記複数の分割電極のそれぞれに印加される電圧を、前記真直度の誤差がゼロになるように調整する印加電圧調整部と、
   を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
   

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