JP2554764B2 - 表面形状測定方法及びその装置 - Google Patents
表面形状測定方法及びその装置Info
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- JP2554764B2 JP2554764B2 JP2057915A JP5791590A JP2554764B2 JP 2554764 B2 JP2554764 B2 JP 2554764B2 JP 2057915 A JP2057915 A JP 2057915A JP 5791590 A JP5791590 A JP 5791590A JP 2554764 B2 JP2554764 B2 JP 2554764B2
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- Japan
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- measured
- chip
- magnetostrictive element
- displacement
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はトンネル電流を用いて表面形状を測定する表
面形状測定方法及びその装置に関する。
面形状測定方法及びその装置に関する。
（従来の技術） 極微細な表面形状を測定する技術とし走査型トンネル
顕微鏡がある。この走査型トンネル顕微鏡は、圧電素子
にチップ（探触子）を取付け、このチップと被測定体と
の間にトンネル電流を流す。この状態にチップは被測定
体表面上に走査される。このトンネル電流は制御系に送
られ、この制御系はトンネル電流と設定電流との偏差に
応じた電圧を圧電素子に印加する。すなわち、フィード
バック制御系が形成され、これによりチップと被測定体
との間隔は一定に制御される。しかるに、被測定体の表
面形状はトンネル電流の変化を検出して求めている。
顕微鏡がある。この走査型トンネル顕微鏡は、圧電素子
にチップ（探触子）を取付け、このチップと被測定体と
の間にトンネル電流を流す。この状態にチップは被測定
体表面上に走査される。このトンネル電流は制御系に送
られ、この制御系はトンネル電流と設定電流との偏差に
応じた電圧を圧電素子に印加する。すなわち、フィード
バック制御系が形成され、これによりチップと被測定体
との間隔は一定に制御される。しかるに、被測定体の表
面形状はトンネル電流の変化を検出して求めている。
（発明が解決しようとする課題） ところが、トンネル電流はnA〜μＡオーダという微弱
な電流なために、制御系の電気回路はノイズの影響を受
けない構成にする必要がある。このため、回路構成か複
雑になる。
な電流なために、制御系の電気回路はノイズの影響を受
けない構成にする必要がある。このため、回路構成か複
雑になる。
そこで本発明は、微弱なトンネル電流であってもノイ
ズの影響を受けずに表面形状を測定できる構成の簡単な
表面形状測定方法及びその装置を提供することを目的と
する。
ズの影響を受けずに表面形状を測定できる構成の簡単な
表面形状測定方法及びその装置を提供することを目的と
する。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、探触子と被測定体との間にトンネル電流を
流し、このトンネル電流により発生する磁界によって磁
歪素子を変位させ、この磁歪素子の変位から被測定体の
表面形状を求める表面形状測定方法でる。
流し、このトンネル電流により発生する磁界によって磁
歪素子を変位させ、この磁歪素子の変位から被測定体の
表面形状を求める表面形状測定方法でる。
又、本発明は、探触子と、この探触子と被測定体との
間に流れるトンネル電流により発生する磁界により変位
する磁歪素子と、この磁歪素子の変位に応動して探触子
を被測定体に対して上下動させる上下動機構と、磁歪素
子の変位を検出する変位検出素子と、この変位検出素子
により検出された変位から被測定体の表面形状を求める
形状算出手段とを備えて上記目的を達成しようとする表
面形状測定装置である。
間に流れるトンネル電流により発生する磁界により変位
する磁歪素子と、この磁歪素子の変位に応動して探触子
を被測定体に対して上下動させる上下動機構と、磁歪素
子の変位を検出する変位検出素子と、この変位検出素子
により検出された変位から被測定体の表面形状を求める
形状算出手段とを備えて上記目的を達成しようとする表
面形状測定装置である。
（作用） このような手段を備えたことにより、探触子と被測定
体との間に流れるトンネル電流により発生する磁界によ
り磁歪素子は変位する。この変位に応動して上下動機構
は探触子を被測定体に対して上下動させる。この状態に
磁歪素子の変位は変位検出素子により検出され、形状算
出手段は変位検出素子の検出変位から被測定体の表面形
状を求める。
体との間に流れるトンネル電流により発生する磁界によ
り磁歪素子は変位する。この変位に応動して上下動機構
は探触子を被測定体に対して上下動させる。この状態に
磁歪素子の変位は変位検出素子により検出され、形状算
出手段は変位検出素子の検出変位から被測定体の表面形
状を求める。
（実施例） 以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明
する。
する。
第１図は表面形状測定装置の構成図である。ステージ
１上には被測定体２が載置されている。このステージ１
はｘ−ｙ平面上を移動可能となっている。
１上には被測定体２が載置されている。このステージ１
はｘ−ｙ平面上を移動可能となっている。
被測定体２の上方にはチップ３が配置されている。こ
のチップ３は針状で先端が尖鋭に形成されている。この
チップ３は電源４に電気的に接続される共にこの電源４
の外装に取付けられている。電源４はチップ３と被測定
体２との間にトンネル電流ｉを流すためのもので、被測
定体２側が正極、チップ３側が負極となっている。そし
て、この電源４はチップ上下動機構５に設けられてい
る。
のチップ３は針状で先端が尖鋭に形成されている。この
チップ３は電源４に電気的に接続される共にこの電源４
の外装に取付けられている。電源４はチップ３と被測定
体２との間にトンネル電流ｉを流すためのもので、被測
定体２側が正極、チップ３側が負極となっている。そし
て、この電源４はチップ上下動機構５に設けられてい
る。
このチップ上下動機構５はマイクロ加工により形成さ
れるもので、ベース６に設けられている。すなわち、こ
のベース６には、回動部７を介してＬ字状の第１アーム
８と第２アーム９とが上下の配置で設けられ、第１アー
ム８の長手部と第２アーム９とが平行に配置されてい
る。回動部７は湾曲に切欠されて形成されている。な
お、上記電源４は第１アーム８の先端に設けられてい
る。
れるもので、ベース６に設けられている。すなわち、こ
のベース６には、回動部７を介してＬ字状の第１アーム
８と第２アーム９とが上下の配置で設けられ、第１アー
ム８の長手部と第２アーム９とが平行に配置されてい
る。回動部７は湾曲に切欠されて形成されている。な
お、上記電源４は第１アーム８の先端に設けられてい
る。
ベース６における第２アーム９の真下には支持アーム
10が設けられている。この支持アーム10と第２アーム９
との間には、両端にバイアス用永久磁石11,12を介して
超磁歪素子（以下、磁歪素子と省略する）13が設けられ
ている。
10が設けられている。この支持アーム10と第２アーム９
との間には、両端にバイアス用永久磁石11,12を介して
超磁歪素子（以下、磁歪素子と省略する）13が設けられ
ている。
この磁歪素子13は四角柱に形成され、長手方向がチッ
プ３に対して平行でかつチップから非常な近距離（例え
ば１μｍ）の位置に配置されている。この磁歪素子13は
各バイアス用永久磁石11,12の各磁界により収縮した状
態となっている。又、この磁歪素子13はチップ３に流れ
るトンネル電流により発生する磁界Ｈを受けて収縮す
る。この場合、磁歪素子13は磁界Ｈが強くなるに従って
長手方向に伸縮し、磁界Ｈが弱くなるに従って収縮す
る。すなわち、この磁歪素子13の変位特性は１μm/5000
（A/m）を有している。従って、磁界Ｈが0.1（A/m）で
あれば、磁歪素子13は0.02nm変位する。
プ３に対して平行でかつチップから非常な近距離（例え
ば１μｍ）の位置に配置されている。この磁歪素子13は
各バイアス用永久磁石11,12の各磁界により収縮した状
態となっている。又、この磁歪素子13はチップ３に流れ
るトンネル電流により発生する磁界Ｈを受けて収縮す
る。この場合、磁歪素子13は磁界Ｈが強くなるに従って
長手方向に伸縮し、磁界Ｈが弱くなるに従って収縮す
る。すなわち、この磁歪素子13の変位特性は１μm/5000
（A/m）を有している。従って、磁界Ｈが0.1（A/m）で
あれば、磁歪素子13は0.02nm変位する。
トンネル電流ｉが長れる電気経路、つまり電源４から
被測定体２、チップ３の経路は、チップ３と被測定体２
との間隔が0.1nm狭くなると、トンネル電流ｉが例えば
0.1μＡから１μＡへ変化するように伝達関数及びバイ
アス電圧が設定されている。
被測定体２、チップ３の経路は、チップ３と被測定体２
との間隔が0.1nm狭くなると、トンネル電流ｉが例えば
0.1μＡから１μＡへ変化するように伝達関数及びバイ
アス電圧が設定されている。
又、上記チップ上下動機構５は磁歪素子13の変位を５
倍に拡大してチップ３を上下動する機構となっている。
倍に拡大してチップ３を上下動する機構となっている。
磁歪素子13には超小型の歪ゲージ14が固着されてい
る。この歪ゲージ14はマイクロ加工により形成されたも
ので、磁歪素子13の変位つまり伸縮収縮に応じた電圧を
発生させるものであり、この電圧は歪ゲージ用増幅器15
により増幅されて形状算出コンピュータ16に送られてい
る。
る。この歪ゲージ14はマイクロ加工により形成されたも
ので、磁歪素子13の変位つまり伸縮収縮に応じた電圧を
発生させるものであり、この電圧は歪ゲージ用増幅器15
により増幅されて形状算出コンピュータ16に送られてい
る。
この形状算出コンピュータ16は歪ゲージ14からの電圧
を受けてチップ３と被測定体２との間隔を求め、この間
隔を被測定体２の表面位置に換算し、この表面位置を被
測定体２の全表面について求めて被測定体２の表面形状
を三次元で求めて機能を有するものである。又、この形
状算出コンピュータ16はステージ１に移動指令を発して
ステージ１に載置された被測定体２の全面に対してチッ
プ３を走査させる機能を有している。
を受けてチップ３と被測定体２との間隔を求め、この間
隔を被測定体２の表面位置に換算し、この表面位置を被
測定体２の全表面について求めて被測定体２の表面形状
を三次元で求めて機能を有するものである。又、この形
状算出コンピュータ16はステージ１に移動指令を発して
ステージ１に載置された被測定体２の全面に対してチッ
プ３を走査させる機能を有している。
次に上記の如く構成された装置の作用について説明す
る。
る。
磁歪素子13は各バイアス用永久磁石11,12の磁界によ
り収縮した状態となっている。この状態でチップ３の先
端は被測定体２に接近される。これと共に電源４は被測
定体２とチップ３との間にバイアス電圧を印加する。こ
のバイアス電圧の印加により被測定体２とチップ３との
間には〜１μＡのトンネル電流ｉが流れる。このトンネ
ル電流ｉによりチップ３の周囲には第２図に示すように
磁界Ｈが発生する。この磁界Ｈはチップ３からの距離を
ａとすると、 Ｈ＝（1/2π）（i/a） （A/m） となる。しかるに、チップ３からの距離１μｍに配置さ
れた磁歪素子13にかかる磁界の強さHaは Ha＝（1/2π）（１×10-6/1×10-6） ＝0.1 （A/m） となる。
り収縮した状態となっている。この状態でチップ３の先
端は被測定体２に接近される。これと共に電源４は被測
定体２とチップ３との間にバイアス電圧を印加する。こ
のバイアス電圧の印加により被測定体２とチップ３との
間には〜１μＡのトンネル電流ｉが流れる。このトンネ
ル電流ｉによりチップ３の周囲には第２図に示すように
磁界Ｈが発生する。この磁界Ｈはチップ３からの距離を
ａとすると、 Ｈ＝（1/2π）（i/a） （A/m） となる。しかるに、チップ３からの距離１μｍに配置さ
れた磁歪素子13にかかる磁界の強さHaは Ha＝（1/2π）（１×10-6/1×10-6） ＝0.1 （A/m） となる。
従って、磁歪素子13は上記変位特性に従って0.02nm変
位する。
位する。
この磁歪素子13の変位はチップ上下動機構５を伝達し
て電源４を上下動させ、この上下動に伴ってチップ３を
上下動させる。これにより、チップ３の先端と被測定体
２との間隔は変化する。ここで、チップ３が下降し、チ
ップ３の先端と被測定体２との間隔が0.1nm接近する
と、トンネル電流ｉは0.1μＡから１μＡに大きくな
る。このトンネル電流ｉが増加すると、磁界Ｈは強くな
り、これにより磁歪素子13は伸縮する。この結果、磁歪
素子13の伸縮がチップ上下動機構５に伝達されることに
より、チップ３は上方に移動して被測定体２から離れ
る。これにより、トンネル電流ｉは減少する。なお、チ
ップ上下動機構５は磁歪素子13の伸縮収縮を５倍にして
チップ３に伝達する。
て電源４を上下動させ、この上下動に伴ってチップ３を
上下動させる。これにより、チップ３の先端と被測定体
２との間隔は変化する。ここで、チップ３が下降し、チ
ップ３の先端と被測定体２との間隔が0.1nm接近する
と、トンネル電流ｉは0.1μＡから１μＡに大きくな
る。このトンネル電流ｉが増加すると、磁界Ｈは強くな
り、これにより磁歪素子13は伸縮する。この結果、磁歪
素子13の伸縮がチップ上下動機構５に伝達されることに
より、チップ３は上方に移動して被測定体２から離れ
る。これにより、トンネル電流ｉは減少する。なお、チ
ップ上下動機構５は磁歪素子13の伸縮収縮を５倍にして
チップ３に伝達する。
以上のようにしてトンネル電流ｉに応じてチップ３が
上下移動し、チップ３の先端と被測定体２との間隔が一
定に制御される。
上下移動し、チップ３の先端と被測定体２との間隔が一
定に制御される。
この状態に歪ゲージ14は磁歪素子13の変位に応じた電
圧を発生する。この電圧は歪ゲージ用増幅器15により増
幅されて形状算出コンピュータ１に送られている。
圧を発生する。この電圧は歪ゲージ用増幅器15により増
幅されて形状算出コンピュータ１に送られている。
この形状算出コンピュータ16は歪ゲージ14からの電圧
を受けてチップ３と被測定体２との間隔を求め、この間
隔を被測定体２の表面位置に換算し、この表面位置を被
測定体２の全表面について求めて被測定体２の表面形状
を三次元で求める。この被測定体２の表面形状はnmオー
ダで求められる。
を受けてチップ３と被測定体２との間隔を求め、この間
隔を被測定体２の表面位置に換算し、この表面位置を被
測定体２の全表面について求めて被測定体２の表面形状
を三次元で求める。この被測定体２の表面形状はnmオー
ダで求められる。
このように上記一実施例においては、トンネル電流ｉ
により発生する磁界Ｈにより磁歪素子13を変位させ、こ
の変位に応動してチップ上下動機構５によりチップ３を
被測定体２に対して上下動させ、この状態に磁歪素子13
の変位を検出し、この検出変位から被測定体２の表面形
状を求めるので、トンネル電流ｉが微弱であってもノイ
ズの影響を受けずに被測定体２の表面形状を測定でき
る。そのうえ、nmオーダで被測定体２の表面形状を測定
できる。又、マイクロ加工により構成にでき、系の固有
振動数が高く（剛性が高い）なり高速な走査ができる。
により発生する磁界Ｈにより磁歪素子13を変位させ、こ
の変位に応動してチップ上下動機構５によりチップ３を
被測定体２に対して上下動させ、この状態に磁歪素子13
の変位を検出し、この検出変位から被測定体２の表面形
状を求めるので、トンネル電流ｉが微弱であってもノイ
ズの影響を受けずに被測定体２の表面形状を測定でき
る。そのうえ、nmオーダで被測定体２の表面形状を測定
できる。又、マイクロ加工により構成にでき、系の固有
振動数が高く（剛性が高い）なり高速な走査ができる。
なお、本発明は上記一実施例に限定されるものでなく
その主旨を逸脱しない範囲で変型してもよい。例えば、
チップ３の被測定体２に対する走査はチップ３を移動さ
せて行ってもよい。又、チップ３をコンパクトに形成で
きるので、チップ３を複数設けて被測定体２に対する走
査を行ってもよい。
その主旨を逸脱しない範囲で変型してもよい。例えば、
チップ３の被測定体２に対する走査はチップ３を移動さ
せて行ってもよい。又、チップ３をコンパクトに形成で
きるので、チップ３を複数設けて被測定体２に対する走
査を行ってもよい。
［発明の効果］ 以上詳記したように本発明によれば、微弱なトンネル
電流であってもノイズの影響を受けずに表面形状を測定
できる構成の簡単な表面形状測定方法及びその装置を提
供できる。
電流であってもノイズの影響を受けずに表面形状を測定
できる構成の簡単な表面形状測定方法及びその装置を提
供できる。
第１図は本発明に係わる表面形状測定装置の一実施例を
示す構成図、第２図は同装置における磁歪素子にかかる
磁界を示す図である。 １……ステージ、２……被測定体、３……チップ、４…
…電源、５……チップ上下動機構、６……ベース、７…
…回動部、８……第１アーム、９……第２アーム、11,1
2……バイアス用永久磁石、13……磁歪素子、14……歪
ゲージ、15……歪ゲージ用増幅器、16……形状算出コン
ピュータ。
示す構成図、第２図は同装置における磁歪素子にかかる
磁界を示す図である。 １……ステージ、２……被測定体、３……チップ、４…
…電源、５……チップ上下動機構、６……ベース、７…
…回動部、８……第１アーム、９……第２アーム、11,1
2……バイアス用永久磁石、13……磁歪素子、14……歪
ゲージ、15……歪ゲージ用増幅器、16……形状算出コン
ピュータ。
Claims (2)
- 【請求項１】探触子と被測定体との間にトンネル電流を
流し、このトンネル電流により発生する磁界によって磁
歪素子を変位させ、この磁歪素子の変位から前記被測定
体の表面形状を求めることを特徴とする表面形状測定方
法。 - 【請求項２】探触子と、この探触子と被測定体との間に
流れるトンネル電流により発生する磁界により変位する
磁歪素子と、この磁歪素子の変位に応動して前記探触子
を前記被測定体に対して上下動させる上下動機構と、前
記磁歪素子の変位を検出する変位検出素子と、この変位
検出素子により検出された変位から前記被測定体の表面
形状を求める形状算出手段とを具備したことを特徴とす
る表面形状測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2057915A JP2554764B2 (ja) | 1990-03-12 | 1990-03-12 | 表面形状測定方法及びその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2057915A JP2554764B2 (ja) | 1990-03-12 | 1990-03-12 | 表面形状測定方法及びその装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03261801A JPH03261801A (ja) | 1991-11-21 |
| JP2554764B2 true JP2554764B2 (ja) | 1996-11-13 |
Family
ID=13069294
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2057915A Expired - Fee Related JP2554764B2 (ja) | 1990-03-12 | 1990-03-12 | 表面形状測定方法及びその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2554764B2 (ja) |
-
1990
- 1990-03-12 JP JP2057915A patent/JP2554764B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03261801A (ja) | 1991-11-21 |
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