JP2559048B2 - 相対変位量測定装置 - Google Patents
相対変位量測定装置Info
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- JP2559048B2 JP2559048B2 JP62309421A JP30942187A JP2559048B2 JP 2559048 B2 JP2559048 B2 JP 2559048B2 JP 62309421 A JP62309421 A JP 62309421A JP 30942187 A JP30942187 A JP 30942187A JP 2559048 B2 JP2559048 B2 JP 2559048B2
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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、微少位置決め、寸法測長、測距、速度およ
び計測等における位置情報測定、特に原子オーダ（数
Å）の分解能を必要とする計測制御に用いる相対変位量
測定装置に関する。
び計測等における位置情報測定、特に原子オーダ（数
Å）の分解能を必要とする計測制御に用いる相対変位量
測定装置に関する。
［従来の技術］ 従来この種の相対変位量測定装置は、位置または角度
に関する情報を有する基準目盛とこれと相対的に移動し
て位置または角度に関する情報を検出する検出手段とで
構成されていた。そして、この基準目盛と検出手段によ
っていくつかのタイプに分類され、例えば光学式エンコ
ーダ、磁気式エンコーダ、静電容量エンコーダ等を用い
たものがあった。
に関する情報を有する基準目盛とこれと相対的に移動し
て位置または角度に関する情報を検出する検出手段とで
構成されていた。そして、この基準目盛と検出手段によ
っていくつかのタイプに分類され、例えば光学式エンコ
ーダ、磁気式エンコーダ、静電容量エンコーダ等を用い
たものがあった。
このうち、最も高分解能が得られているのは、例えば
格子干渉の原理を用いた光学式エンコーダを用いたもの
である。第30図は、従来より用いられる光学式エンコー
ダの構成を示す。これは、光源3001から出射された単色
光3002を、基準目盛としての回折格子3003に入射させ、
回折された±１次の回折光3004,3005を反射鏡3006を介
して半透鏡3007に入射させる。そして、この半透鏡3007
にて合成、干渉させ、得られた明暗の干渉光を光検出器
3008で光電変換して、干渉光の明暗から光学系と基準目
盛との相対変位量を検知するものである。
格子干渉の原理を用いた光学式エンコーダを用いたもの
である。第30図は、従来より用いられる光学式エンコー
ダの構成を示す。これは、光源3001から出射された単色
光3002を、基準目盛としての回折格子3003に入射させ、
回折された±１次の回折光3004,3005を反射鏡3006を介
して半透鏡3007に入射させる。そして、この半透鏡3007
にて合成、干渉させ、得られた明暗の干渉光を光検出器
3008で光電変換して、干渉光の明暗から光学系と基準目
盛との相対変位量を検知するものである。
［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記に掲げた従来例において最も高分
解能を有する格子干渉光学式エンコーダの性能（分解
能）は主に格子ピッチで決められ、これをいかに精度よ
く微小間隔で刻み、それを精度よく検出するかが重要な
点である。現状の精密加工技術（例えば、電子ビーム描
画やイオンビーム加工）ではせいぜい0.01μｍ（＝100
Å）の精度が限界であり、また検出技術（例えば、光ヘ
テロダイン法）においても0.01μｍの分解能が限界であ
る。従って、半導体製造装置等のため、より高分解能の
相対変位量測定装置が必要な場合には、その要求に応え
ることができなかった。
解能を有する格子干渉光学式エンコーダの性能（分解
能）は主に格子ピッチで決められ、これをいかに精度よ
く微小間隔で刻み、それを精度よく検出するかが重要な
点である。現状の精密加工技術（例えば、電子ビーム描
画やイオンビーム加工）ではせいぜい0.01μｍ（＝100
Å）の精度が限界であり、また検出技術（例えば、光ヘ
テロダイン法）においても0.01μｍの分解能が限界であ
る。従って、半導体製造装置等のため、より高分解能の
相対変位量測定装置が必要な場合には、その要求に応え
ることができなかった。
本発明の目的は、上述の従来形における問題点に鑑
み、原子間距離のオーダの高分解能を有するエンコーダ
を提供することにある。
み、原子間距離のオーダの高分解能を有するエンコーダ
を提供することにある。
［問題点を解決するための手段および作用］ 上記の目的を達成するため、本発明は、長さに関する
基準となる導電性基準目盛とその基準目盛面に先端を近
づけて配置された導電性探針との間に電圧を印加し、基
準目盛と探針の間に流れるトンネル電流値を検出して、
そのトンネル電流信号を波形処理し、処理後の信号から
基準目盛と探針との横方向すなわち目盛面内方向の相対
動き量および相対動き方向を検知してその横方向相対動
き量信号と該相対動き方向信号から基準目盛と探針の横
方向相対変位量を計数して、最終的に探針と基準目盛と
の横方向相対移動量を検知することとしている。
基準となる導電性基準目盛とその基準目盛面に先端を近
づけて配置された導電性探針との間に電圧を印加し、基
準目盛と探針の間に流れるトンネル電流値を検出して、
そのトンネル電流信号を波形処理し、処理後の信号から
基準目盛と探針との横方向すなわち目盛面内方向の相対
動き量および相対動き方向を検知してその横方向相対動
き量信号と該相対動き方向信号から基準目盛と探針の横
方向相対変位量を計数して、最終的に探針と基準目盛と
の横方向相対移動量を検知することとしている。
以下、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明は、導電性物質と導電性探針の間に電圧を印加
して1nm程度の距離まで近づけるとトンネル電流が流れ
ることを利用している（「固体物理」Vol.22 No.3 1987
PP176−186）。トンネル電流は表面での仕事関数に依
存するため、種々の表面状態について情報を読みとるこ
とが可能である。
して1nm程度の距離まで近づけるとトンネル電流が流れ
ることを利用している（「固体物理」Vol.22 No.3 1987
PP176−186）。トンネル電流は表面での仕事関数に依
存するため、種々の表面状態について情報を読みとるこ
とが可能である。
いま導電性物質の代表例として金属試料を考える。距
離Ｚだけ離れた２つの金属探針および基準原子配列の間
に、仕事関数φより低い電圧Ｖ（φ＞eV、ｅは電子の電
荷）を加えると、電子はポテンシャル障壁をトンネルす
ることが知られている。トンネル電流密度JTを自由電子
近似で求めると JT＝（βV/2πλＺ）exp（−2Z/λ） ……（１） のように表すことができる。
離Ｚだけ離れた２つの金属探針および基準原子配列の間
に、仕事関数φより低い電圧Ｖ（φ＞eV、ｅは電子の電
荷）を加えると、電子はポテンシャル障壁をトンネルす
ることが知られている。トンネル電流密度JTを自由電子
近似で求めると JT＝（βV/2πλＺ）exp（−2Z/λ） ……（１） のように表すことができる。
ただし、 金属の外の真空中または大気中での波動関数の減衰距
離（φは１〜5eVでありλは１〜２Åである） m:電子質量 β：β＝e2/n 式（１）において、距離ＺをＺ＝ZCと一定の値とすれ
ば、トンネル電流密度JTは基準原子配列の仕事関係φに
応じ変化する。すなわち、探針と基準原子配列との間の
距離Ｚを一定とした状態で、探針（プローブ）と基準原
子配列に相対的位置ずれが生ずると、基準原子配列に従
って周期的にトンネル電流が変化する。そこで、このト
ンネル電流の変化から位置ずれ量が求まる。
離（φは１〜5eVでありλは１〜２Åである） m:電子質量 β：β＝e2/n 式（１）において、距離ＺをＺ＝ZCと一定の値とすれ
ば、トンネル電流密度JTは基準原子配列の仕事関係φに
応じ変化する。すなわち、探針と基準原子配列との間の
距離Ｚを一定とした状態で、探針（プローブ）と基準原
子配列に相対的位置ずれが生ずると、基準原子配列に従
って周期的にトンネル電流が変化する。そこで、このト
ンネル電流の変化から位置ずれ量が求まる。
また、式（１）において、トンネル電流密度JTをJT＝
JCと一定の値とすれば、探針と基準原子配列間の距離Ｚ
と、基準原子配列の仕事関数φとは、一定の関係を保ち
つつ変化することとなる。従って、トンネル電流密度JT
が一定になるように距離Ｚを制御することとすれば、探
針と基準原子配列に相対的位置ずれが生じた場合に距離
Ｚは基準原子配列に従って周期的に変化するよう制御さ
れることとなる。そこで、この距離Ｚの変化量から位置
ずれ量が求まる。
JCと一定の値とすれば、探針と基準原子配列間の距離Ｚ
と、基準原子配列の仕事関数φとは、一定の関係を保ち
つつ変化することとなる。従って、トンネル電流密度JT
が一定になるように距離Ｚを制御することとすれば、探
針と基準原子配列に相対的位置ずれが生じた場合に距離
Ｚは基準原子配列に従って周期的に変化するよう制御さ
れることとなる。そこで、この距離Ｚの変化量から位置
ずれ量が求まる。
さて、面内の分解能δは探針先端が細いほど高くな
り、モデル計算によれば次のように表わされる。
り、モデル計算によれば次のように表わされる。
δ＝［２λ（Ｒ＋Ｚ）］1/2 ただし、Ｒは金属探針先端の曲率半径である。
探針先端が原子一個であれば、Ｒ＝１Åで、面内分解
能δは３Å程度になる。このようなトンネル電流を用い
る方法は、大気中のみならず液中でも動作し、高い分解
能を持つ等多くの利点を有する。
能δは３Å程度になる。このようなトンネル電流を用い
る方法は、大気中のみならず液中でも動作し、高い分解
能を持つ等多くの利点を有する。
本発明は上に述べた原理を応用して、物質表面の規則
的原子配列による周期的な凹凸を基準として、導電性探
針との間を流れるトンネル電流を用いてエンコーダを構
成し、従来のエンコーダの分解能の限界を超えた、数Å
程度という原子オーダの分解能を有するエンコーダを用
いて相対変位量測定装置を提供しようとするものであ
る。
的原子配列による周期的な凹凸を基準として、導電性探
針との間を流れるトンネル電流を用いてエンコーダを構
成し、従来のエンコーダの分解能の限界を超えた、数Å
程度という原子オーダの分解能を有するエンコーダを用
いて相対変位量測定装置を提供しようとするものであ
る。
［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
第１図は、本発明の一実施例に係る相対変位量測定装
置の構成を示す。第２図は、本実施例の各構成部分にお
いて得られる信号を示す。
置の構成を示す。第２図は、本実施例の各構成部分にお
いて得られる信号を示す。
第１図において、対象物101と対象物102は相対的に横
方向（紙面内左右の方向）にのみ移動できるように設置
されている。対象物101には導電性の基準目盛103が、対
象物102には導電性の探針104が設けられている。探針10
4と基準目盛103との間にはバイアス電源106によってバ
イアス電圧が加えられている。探針104の先端と基準目
盛103とは、それらの間にトンネル電流105が流れる程度
まで、近づけられている。ここで、トンネル電流105
は、電流検出手段107によって検出され、電流増幅手段1
08によって増幅される。
方向（紙面内左右の方向）にのみ移動できるように設置
されている。対象物101には導電性の基準目盛103が、対
象物102には導電性の探針104が設けられている。探針10
4と基準目盛103との間にはバイアス電源106によってバ
イアス電圧が加えられている。探針104の先端と基準目
盛103とは、それらの間にトンネル電流105が流れる程度
まで、近づけられている。ここで、トンネル電流105
は、電流検出手段107によって検出され、電流増幅手段1
08によって増幅される。
増幅後のトンネル電流信号118（その波形を第２図
（ａ）に示す）は、波形処理手段110によってあるしき
い値レベルで切ることによる２値化、得られた２値化信
号のエッジを検出しパルス化する波形処理、および後に
横方向相対変位の向きを検知するための手段の説明に述
べるような方向検知処理が行なわれ、動き量・方向変換
手段111によって動き量信号112（第２図（ｂ））および
方向信号113（第２図（ｃ））に変換され、それぞれカ
ウンタ114に入力される。当該カウンタ114において、入
力された動き量信号112および方向信号113は横方向相対
変位量に変換される。さらに、予めメモリ115に保存さ
れている初期位置データを用いて、減算手段116によっ
て対象物101と対象物102との初期位置からの横方向相対
変位量117（第２図（ｄ））が求められる。当該相対変
位量測定装置の分解能は基準目盛103のピッチ程度（基
準目盛として導電性物質表面原子の周期的配列を用いる
ならば、数オングストローム）であるが、検知位置信号
をさらに分割することにより、オングストローム以下の
分解能とすることも可能である（第２図（ｅ））。
（ａ）に示す）は、波形処理手段110によってあるしき
い値レベルで切ることによる２値化、得られた２値化信
号のエッジを検出しパルス化する波形処理、および後に
横方向相対変位の向きを検知するための手段の説明に述
べるような方向検知処理が行なわれ、動き量・方向変換
手段111によって動き量信号112（第２図（ｂ））および
方向信号113（第２図（ｃ））に変換され、それぞれカ
ウンタ114に入力される。当該カウンタ114において、入
力された動き量信号112および方向信号113は横方向相対
変位量に変換される。さらに、予めメモリ115に保存さ
れている初期位置データを用いて、減算手段116によっ
て対象物101と対象物102との初期位置からの横方向相対
変位量117（第２図（ｄ））が求められる。当該相対変
位量測定装置の分解能は基準目盛103のピッチ程度（基
準目盛として導電性物質表面原子の周期的配列を用いる
ならば、数オングストローム）であるが、検知位置信号
をさらに分割することにより、オングストローム以下の
分解能とすることも可能である（第２図（ｅ））。
次に、本発明で用いられる探針材料について説明す
る。この探針材料は導電性を有するものであれば良く、
例えばAu,Pt,Ag,Pd,Al,In,Sn,Pb,W等の金属やこれらの
合金が使用できる。さらにはグラファイトやシリサイ
ド、またITO（In−Snオキサイド）等の導電性酸化物も
使用することができる。
る。この探針材料は導電性を有するものであれば良く、
例えばAu,Pt,Ag,Pd,Al,In,Sn,Pb,W等の金属やこれらの
合金が使用できる。さらにはグラファイトやシリサイ
ド、またITO（In−Snオキサイド）等の導電性酸化物も
使用することができる。
探針の先端は、相対変位量測定装置の分解能を高くす
るため、できるだけ鋭く原子オーダまで尖らせる必要が
ある。
るため、できるだけ鋭く原子オーダまで尖らせる必要が
ある。
本実施例では1mmφのタングステンワイヤを0.2mmφ程
度まで機械的に削り、電解研磨で先端を尖らせたものを
探針104として使用しているが、処理方法は何らこれに
限定するものではない。
度まで機械的に削り、電解研磨で先端を尖らせたものを
探針104として使用しているが、処理方法は何らこれに
限定するものではない。
次に、基準目盛について説明する。第３図は本実施例
の探針104と導電性基準目盛103を示す模式図であり、基
準目盛として予め格子間距離が既知である導電性材料表
面の周期的な原子や分子の配列301を用いた例である。
このように、基準目盛103として原子や分子等の微小構
造の周期的配列を用いれば、分解能が原子間距離オー
ダ、すなわちオングストローム・オーダの相対変位量測
定装置が実現できる。このような導電性材料の例とし
て、例えば、Au,Pt,TaS2のような金属、CuAu,PtIrのよ
うな合金、グラファイトのような半金属、Si,MoS2,GaA
s,SiCのような半導体、導電性LB（ラングミュア・ブロ
ジェット）膜、TCNQ（テトラシアノキノジメタン）のよ
うな導電性有機物質の本発明への適用が考えられる。
の探針104と導電性基準目盛103を示す模式図であり、基
準目盛として予め格子間距離が既知である導電性材料表
面の周期的な原子や分子の配列301を用いた例である。
このように、基準目盛103として原子や分子等の微小構
造の周期的配列を用いれば、分解能が原子間距離オー
ダ、すなわちオングストローム・オーダの相対変位量測
定装置が実現できる。このような導電性材料の例とし
て、例えば、Au,Pt,TaS2のような金属、CuAu,PtIrのよ
うな合金、グラファイトのような半金属、Si,MoS2,GaA
s,SiCのような半導体、導電性LB（ラングミュア・ブロ
ジェット）膜、TCNQ（テトラシアノキノジメタン）のよ
うな導電性有機物質の本発明への適用が考えられる。
また、上記物質の原子や分子の配列の他にも、第４図
（ａ）に示すような導電性物質表面401に集束イオンビ
ームや電子ビーム等による加工によって作製した目盛40
2や、第４図（ｂ）に示すような回折格子状の形状を持
った物体表面403に導電性物質のコーティング404を施し
たものを基準目盛として用いることもできる。
（ａ）に示すような導電性物質表面401に集束イオンビ
ームや電子ビーム等による加工によって作製した目盛40
2や、第４図（ｂ）に示すような回折格子状の形状を持
った物体表面403に導電性物質のコーティング404を施し
たものを基準目盛として用いることもできる。
次に、原子や分子等の周期的配列と作製目盛を複合さ
せて基準目盛（以下、複合目盛という）として用いる例
を示す。
せて基準目盛（以下、複合目盛という）として用いる例
を示す。
第５図は、複合目盛に関する一実施例を示す断面図で
ある。同図のように、基準目盛103上に基準原点501を加
工し、この原点501の位置に探針104がきたときを初期セ
ット点とすれば、常にこの基準原点501からの移動量が
求まり、対象物101を基準とした対象物102の絶対的移動
量を求めることができる。その他は前述の相対量の検出
で示したものと同様に取り扱える。
ある。同図のように、基準目盛103上に基準原点501を加
工し、この原点501の位置に探針104がきたときを初期セ
ット点とすれば、常にこの基準原点501からの移動量が
求まり、対象物101を基準とした対象物102の絶対的移動
量を求めることができる。その他は前述の相対量の検出
で示したものと同様に取り扱える。
第６図は、複合目盛に関する他の実施例を示す断面図
である。同図（ａ）は、基準目盛103の原子配列の表面
の一部を他の物質で置き換え、基準原点601a1〜601a3と
した例である。また同図（ｂ）は基準目盛103の原子配
列の表面の一部に他の物質を付着させて基準原点601b1
〜601b3とした例である。同図（ｃ）は基準目盛103の原
子配列の表面近傍の一部をエッチングし削り取ることに
よって基準原点601c1〜601c3を形成した例である。
である。同図（ａ）は、基準目盛103の原子配列の表面
の一部を他の物質で置き換え、基準原点601a1〜601a3と
した例である。また同図（ｂ）は基準目盛103の原子配
列の表面の一部に他の物質を付着させて基準原点601b1
〜601b3とした例である。同図（ｃ）は基準目盛103の原
子配列の表面近傍の一部をエッチングし削り取ることに
よって基準原点601c1〜601c3を形成した例である。
これらは基準原点を複数個（これらの図ではそれぞれ
３個を図示している）設けたものである。同図（ａ）を
参照して動作説明すれば、まず探針104が基準原点601ai
（ｉ＝１〜ｎ）を通過するごとに粗動信号を出力し、そ
して基準原点601aiから次の基準原点601ai+1までの間は
微動信号を出力する。同図（ｂ）および（ｃ）の複合目
盛の例でも動作は同様である。対象物101,102の相対的
移動量が大きい場合はこのような粗動信号を取ることに
よって、検出処理の簡略化および時間短縮を図ることが
できる。
３個を図示している）設けたものである。同図（ａ）を
参照して動作説明すれば、まず探針104が基準原点601ai
（ｉ＝１〜ｎ）を通過するごとに粗動信号を出力し、そ
して基準原点601aiから次の基準原点601ai+1までの間は
微動信号を出力する。同図（ｂ）および（ｃ）の複合目
盛の例でも動作は同様である。対象物101,102の相対的
移動量が大きい場合はこのような粗動信号を取ることに
よって、検出処理の簡略化および時間短縮を図ることが
できる。
第７図は、複合目盛に関する別の実施例を示す断面図
である。同図に示す基準原点701d1〜701d4はそれぞれの
基準原点の幅や基準原点間の間隔が異なっているが、そ
の幅や間隔は予めの測定により既知のものであり、それ
らの値はメモリ115（第１図）上に記憶してある。同図
において、701d1の基準原点の幅をLm-1、701d2の基準原
点の幅をLm、701d3の基準原点の幅をLm+1、701d1と701d
2の基準原点間隔をWm-1、701d2と701d3の基準原点間隔
をWmで示し、これらの値を予めメモリ115（第１図）に
格納しておく。そして、探針104が各基準原点を通過す
るたびに、記憶されているこれらの幅や間隔の値をカウ
ントできるようにしておく。すなわち、基準原点通過ご
とに粗動信号（各基準点間の間隔Wm-1やWm）を出力する
一方、各基準原点の幅Lm-1,Lm,Lm+1等を出力すれば、第
６図で示したものと同様に検出処理の簡略化および時間
短縮が実現できる。
である。同図に示す基準原点701d1〜701d4はそれぞれの
基準原点の幅や基準原点間の間隔が異なっているが、そ
の幅や間隔は予めの測定により既知のものであり、それ
らの値はメモリ115（第１図）上に記憶してある。同図
において、701d1の基準原点の幅をLm-1、701d2の基準原
点の幅をLm、701d3の基準原点の幅をLm+1、701d1と701d
2の基準原点間隔をWm-1、701d2と701d3の基準原点間隔
をWmで示し、これらの値を予めメモリ115（第１図）に
格納しておく。そして、探針104が各基準原点を通過す
るたびに、記憶されているこれらの幅や間隔の値をカウ
ントできるようにしておく。すなわち、基準原点通過ご
とに粗動信号（各基準点間の間隔Wm-1やWm）を出力する
一方、各基準原点の幅Lm-1,Lm,Lm+1等を出力すれば、第
６図で示したものと同様に検出処理の簡略化および時間
短縮が実現できる。
第８図は、複合目盛に関するさらに別の実施例を示す
断面図である。同図（ａ）は基準原点801上にi1〜inま
でのｎビットの基準原点の絶対位置情報を記録したもの
である。探針104がこの基準原点801を通過すれば粗動信
号と同じに基準原点の絶対位置情報が出力されるのでど
の位置の基準原点を通過したか特定することができ、位
置情報が短時間で得られる。
断面図である。同図（ａ）は基準原点801上にi1〜inま
でのｎビットの基準原点の絶対位置情報を記録したもの
である。探針104がこの基準原点801を通過すれば粗動信
号と同じに基準原点の絶対位置情報が出力されるのでど
の位置の基準原点を通過したか特定することができ、位
置情報が短時間で得られる。
同図（ｂ）も同様に基準原点802,803,804上に絶対位
置情報を記録したものである。基準原点802,803,804と
して、それぞれ802′,803′,804′のような形状の凹凸
が形成されている。この凹凸が絶対位置情報になってお
り、これにより各基準原点を特定することができる。す
なわち、凹凸802′,803′,804′にはそれぞれ基準原点
の番地ｉ−1,i,i＋１が記録されている。この場合各基
準原点の位置は例えばこの突起状の形状の図中左側面の
位置とする等は予め定めておく。805,806は原子目盛で
ある。なお、この実施例では探針104の進行方向に絶対
位置情報のビットを並べているが、これに限らず基準原
点に隣接した位置に並べたり、対象物101と対象物102と
の相対的移動方向に直交する方向に並べることもでき
る。
置情報を記録したものである。基準原点802,803,804と
して、それぞれ802′,803′,804′のような形状の凹凸
が形成されている。この凹凸が絶対位置情報になってお
り、これにより各基準原点を特定することができる。す
なわち、凹凸802′,803′,804′にはそれぞれ基準原点
の番地ｉ−1,i,i＋１が記録されている。この場合各基
準原点の位置は例えばこの突起状の形状の図中左側面の
位置とする等は予め定めておく。805,806は原子目盛で
ある。なお、この実施例では探針104の進行方向に絶対
位置情報のビットを並べているが、これに限らず基準原
点に隣接した位置に並べたり、対象物101と対象物102と
の相対的移動方向に直交する方向に並べることもでき
る。
第９図は、基準目盛として非周期的目盛を用いた実施
例を示す断面図である。これは、予め既知の目盛を用い
て当該非周期的目盛901の間隔を測定し、その間隔情報
をメモリ115（第１図）上に記憶しておき、対象物101と
対象物102の相対移動により探針104が当該非周期的目盛
901を走査して得られる信号と予めメモリ115上に記憶し
てある間隔情報とを用いて、対象物101と対象物102との
相対移動量を検知するものである。
例を示す断面図である。これは、予め既知の目盛を用い
て当該非周期的目盛901の間隔を測定し、その間隔情報
をメモリ115（第１図）上に記憶しておき、対象物101と
対象物102の相対移動により探針104が当該非周期的目盛
901を走査して得られる信号と予めメモリ115上に記憶し
てある間隔情報とを用いて、対象物101と対象物102との
相対移動量を検知するものである。
次に、第10図〜第18図を用いて、対象物101と対象物1
02との横方向相対変位の向きを検知するための手段につ
き説明する。
02との横方向相対変位の向きを検知するための手段につ
き説明する。
第10図は、相対変位の方向に非対称な形状（の電子雲
分布）を持った基準目盛1001を用いた実施例の構成図を
示す。
分布）を持った基準目盛1001を用いた実施例の構成図を
示す。
対象物101と対象物102との相対変位に伴って、トンネ
ル電流信号118が第11図（ａ）のような変化を示したと
する。このとき横方向相対位置情報抽出手段109におい
て、動き量信号112および方向信号113はそれぞれ第11図
（ｂ）および同図（ｃ）のようになり、これらにより同
図（ｄ）に示される横方向相対変位量が求められる。従
って、この場合第10図において対象物102は対象物101を
基準として紙面内で右向きに、第11図（ｄ）に示される
量だけ変位していることが分る。
ル電流信号118が第11図（ａ）のような変化を示したと
する。このとき横方向相対位置情報抽出手段109におい
て、動き量信号112および方向信号113はそれぞれ第11図
（ｂ）および同図（ｃ）のようになり、これらにより同
図（ｄ）に示される横方向相対変位量が求められる。従
って、この場合第10図において対象物102は対象物101を
基準として紙面内で右向きに、第11図（ｄ）に示される
量だけ変位していることが分る。
同様に、相対変位に伴うトンネル電流が第11図（ｅ）
のような変化を示した場合は、以降の信号波形処理後、
動き量信号112および方向信号113は第11図（ｆ）および
同図（ｇ）に示されるようになる。これらにより、対象
物101を基準として対象物102は紙面内で左向きに、第11
図（ｈ）に示される量だけ変位していることが分る。
のような変化を示した場合は、以降の信号波形処理後、
動き量信号112および方向信号113は第11図（ｆ）および
同図（ｇ）に示されるようになる。これらにより、対象
物101を基準として対象物102は紙面内で左向きに、第11
図（ｈ）に示される量だけ変位していることが分る。
さらに、例えばトンネル電流が第11図（ｉ）のような
変化を示す場合は、Ｔ点において対象物101を基準とす
る対象物102の相対変位の向きが紙面内で右から左に変
化したことが分る。
変化を示す場合は、Ｔ点において対象物101を基準とす
る対象物102の相対変位の向きが紙面内で右から左に変
化したことが分る。
このような非対称な形状（の電子雲分布）を持った基
準目盛の例として、第12図に示すような面心立方格子の
（111）面や、引き上げ方向に非対称性を生じる導電性L
B膜等がある。
準目盛の例として、第12図に示すような面心立方格子の
（111）面や、引き上げ方向に非対称性を生じる導電性L
B膜等がある。
第13図は、対象物101と対象物102との横方向相対変位
の向きを検知する別の実施例を示す。同図は、探針横方
向振動手段1301を用いて探針104を相対変位の方向に微
小振動させる例である。対象物101と対象物102との相対
移動速度に比べて探針104を十分早く振動させれば、ト
ンネル電流信号の横方向相対変位に関する位置微分係数
が得られ、これから横方向相対変位の向きが検知でき
る。
の向きを検知する別の実施例を示す。同図は、探針横方
向振動手段1301を用いて探針104を相対変位の方向に微
小振動させる例である。対象物101と対象物102との相対
移動速度に比べて探針104を十分早く振動させれば、ト
ンネル電流信号の横方向相対変位に関する位置微分係数
が得られ、これから横方向相対変位の向きが検知でき
る。
これを説明する。相対変位の方向に振動させた場合、
得られる信号は目盛位置に対応するトンネル電流信号
に、この目盛位置に対応するトンネル電流信号より振幅
が小さくかつ高周波な探針振動による微小振動信号成分
がのった形になる。この信号を分割して、それぞれロー
パスフィルタとハイパスフィルタに入力し、ローパスフ
ィルタからの出力は微小振動信号成分を除いたほぼ純粋
な目盛位置に対応するトンネル電流信号となるので相対
変位量の計測に用いる。ハイパスフィルタからの出力は
トンネル電流信号成分を除いた、探針振動による微小振
動信号のみとなる。この微小振動信号は、探針の一方向
への振動を正、それと逆方向への移動を負とすると探針
が目盛に対し正方向に移動すれば、トンネル電流信号が
増加する時には、探針の振動と同位相の微小振動信号が
増加量に応じた振幅で発生し、トンネル信号が減少する
時には探針の振動と逆位相の信号が減少量に応じた振幅
で発生する。従って、この得られた信号を、探針振動の
信号を基準信号としてロックインアンプに入力し、得ら
れる振幅および位相からトンネル電流の正方向相対変位
に関する位置微分係数に対応した信号、すなわち第14図
（ｃ）に示す信号が得られる。探針が目盛に対し負方向
に移動すればトンネル電流信号の増加、減少時の微小振
動信号は、探針振動に対しそれぞれ逆位相、同位相にな
り、同様にロックインアンプに入力して得られた信号
は、トンネル電流の負方向相対変位に関する位置微分係
数に対応した信号、すなわち第14図（ｇ）に示す信号と
なる。この様に同じトンネル電流信号に対して得られる
相対変位に関する位置微分係数信号が進む方向によりま
ったく逆位相になるので、この位相を見ることによって
進行方向が分る。
得られる信号は目盛位置に対応するトンネル電流信号
に、この目盛位置に対応するトンネル電流信号より振幅
が小さくかつ高周波な探針振動による微小振動信号成分
がのった形になる。この信号を分割して、それぞれロー
パスフィルタとハイパスフィルタに入力し、ローパスフ
ィルタからの出力は微小振動信号成分を除いたほぼ純粋
な目盛位置に対応するトンネル電流信号となるので相対
変位量の計測に用いる。ハイパスフィルタからの出力は
トンネル電流信号成分を除いた、探針振動による微小振
動信号のみとなる。この微小振動信号は、探針の一方向
への振動を正、それと逆方向への移動を負とすると探針
が目盛に対し正方向に移動すれば、トンネル電流信号が
増加する時には、探針の振動と同位相の微小振動信号が
増加量に応じた振幅で発生し、トンネル信号が減少する
時には探針の振動と逆位相の信号が減少量に応じた振幅
で発生する。従って、この得られた信号を、探針振動の
信号を基準信号としてロックインアンプに入力し、得ら
れる振幅および位相からトンネル電流の正方向相対変位
に関する位置微分係数に対応した信号、すなわち第14図
（ｃ）に示す信号が得られる。探針が目盛に対し負方向
に移動すればトンネル電流信号の増加、減少時の微小振
動信号は、探針振動に対しそれぞれ逆位相、同位相にな
り、同様にロックインアンプに入力して得られた信号
は、トンネル電流の負方向相対変位に関する位置微分係
数に対応した信号、すなわち第14図（ｇ）に示す信号と
なる。この様に同じトンネル電流信号に対して得られる
相対変位に関する位置微分係数信号が進む方向によりま
ったく逆位相になるので、この位相を見ることによって
進行方向が分る。
例えば対象物101と対象物102との横方向相対変位に伴
うトンネル電流信号およびその位置微分係数が第14図
（ａ）および同図（ｃ）のような変化を示す場合は、第
13図において対象物102は対象物101を基準として紙面内
で右向きに、第14図（ｄ）に示される量だけ変位してい
ることが分る。
うトンネル電流信号およびその位置微分係数が第14図
（ａ）および同図（ｃ）のような変化を示す場合は、第
13図において対象物102は対象物101を基準として紙面内
で右向きに、第14図（ｄ）に示される量だけ変位してい
ることが分る。
同様に、相対変位に伴うトンネル電流が第14図（ｅ）
のような変化を示す場合は、以降第14図（ｆ），（ｇ）
に示される信号波形処理後、対象物101を基準として対
象物102は紙面内で左向きに、第14図（ｈ）に示される
量だけ変位していることが分る。
のような変化を示す場合は、以降第14図（ｆ），（ｇ）
に示される信号波形処理後、対象物101を基準として対
象物102は紙面内で左向きに、第14図（ｈ）に示される
量だけ変位していることが分る。
さらに、例えばトンネル電流が第14図（ｉ）や第14図
（ｍ）に示されたような変化を示す場合は、Ｔ点におい
て対象物101を基準とした対象物102の相対変位の向きが
右から左に変化したことが分る。
（ｍ）に示されたような変化を示す場合は、Ｔ点におい
て対象物101を基準とした対象物102の相対変位の向きが
右から左に変化したことが分る。
第15図は、対象物101と対象物102との横方向相対変位
の向きを検知するさらに別の実施例を示す。同図におい
て、探針横方向振動手段1501は探針104を対象物の相対
変位の方向に振動させる。そして、異なる２点A,Bにお
いてトンネル電流信号を得る。この実施例においては、
対象物101と対象物102との相対移動速度に比べて探針10
4を十分速く振動させる必要がある。探針104の振動の幅
をｄとすれば、この方法は、間隔ｄだけ隔てられた２つ
の探針によって基準目盛103に対して位相差を持った２
つのトンネル電流信号から方向検知を行なう方法と同等
である。
の向きを検知するさらに別の実施例を示す。同図におい
て、探針横方向振動手段1501は探針104を対象物の相対
変位の方向に振動させる。そして、異なる２点A,Bにお
いてトンネル電流信号を得る。この実施例においては、
対象物101と対象物102との相対移動速度に比べて探針10
4を十分速く振動させる必要がある。探針104の振動の幅
をｄとすれば、この方法は、間隔ｄだけ隔てられた２つ
の探針によって基準目盛103に対して位相差を持った２
つのトンネル電流信号から方向検知を行なう方法と同等
である。
ここで、例えば基準目盛103のピッチをｐとし、探針1
04の振動の幅ｄを となるようにとるとする。このとき、対象物101と対象
物102との横方向相対変位に伴うトンネル電流が第16図
（ａ）のような変化を示す場合は、第15図において対象
物102は対象物101を基準として紙面内で右向きに変位し
ていることが分り、トンネル電流が第16図（ｅ）のよう
な変化を示す場合は左向きに変位していることが分る。
さらに、トンネル電流が第16図（ｉ）または（ｍ）に示
されたような変化を示す場合は、Ｔ点において、対象物
101を基準とした対象物102の相対変位の向きが右から左
に変化したことを表わす。
04の振動の幅ｄを となるようにとるとする。このとき、対象物101と対象
物102との横方向相対変位に伴うトンネル電流が第16図
（ａ）のような変化を示す場合は、第15図において対象
物102は対象物101を基準として紙面内で右向きに変位し
ていることが分り、トンネル電流が第16図（ｅ）のよう
な変化を示す場合は左向きに変位していることが分る。
さらに、トンネル電流が第16図（ｉ）または（ｍ）に示
されたような変化を示す場合は、Ｔ点において、対象物
101を基準とした対象物102の相対変位の向きが右から左
に変化したことを表わす。
第17図は、対象物101と対象物102との横方向相対変位
の向きを検知するさらに別の実施例を示す。同図は２つ
の探針を用いた実施例である。間隔ｄだけ隔てられた２
つの探針1701Aおよび1701Bにおけるトンネル電流信号17
05Aおよび1705Bを検出することによって、横方向相対変
位の向きを検知することができる。例えば、基準目盛10
3のピッチをｐとし、探針1701Aと探針1701Bとの幅ｄを となるようにする。このとき、対象物101と対象物102の
横方向相対変位に伴う２つの探針1701Aおよび1701Bにお
けるトンネル電流1705Aおよび1705Bが、第18図（ａ）の
ような変化を示す場合は、第17図において対象物102は
対象物101を基準として紙面内で右向きに変位している
ことが分り、一方トンネル電流が第18図（ｅ）のような
変化を示す場合は右向きに変位していることが分る。
の向きを検知するさらに別の実施例を示す。同図は２つ
の探針を用いた実施例である。間隔ｄだけ隔てられた２
つの探針1701Aおよび1701Bにおけるトンネル電流信号17
05Aおよび1705Bを検出することによって、横方向相対変
位の向きを検知することができる。例えば、基準目盛10
3のピッチをｐとし、探針1701Aと探針1701Bとの幅ｄを となるようにする。このとき、対象物101と対象物102の
横方向相対変位に伴う２つの探針1701Aおよび1701Bにお
けるトンネル電流1705Aおよび1705Bが、第18図（ａ）の
ような変化を示す場合は、第17図において対象物102は
対象物101を基準として紙面内で右向きに変位している
ことが分り、一方トンネル電流が第18図（ｅ）のような
変化を示す場合は右向きに変位していることが分る。
さらに、トンネル電流が第18図（ｉ），（ｍ）に示さ
れたような変化を示す場合は、Ｔ点において、対象物10
1を基準とした対象物102の相対変位の向きが右から左に
変化したことが分る。
れたような変化を示す場合は、Ｔ点において、対象物10
1を基準とした対象物102の相対変位の向きが右から左に
変化したことが分る。
［他の実施例］ 次に、トンネル電流値が所定の値となるように探針縦
方向位置制御手段により探針の縦方向位置を制御しつつ
横方向の相対移動量を算出する実施例につき説明する。
方向位置制御手段により探針の縦方向位置を制御しつつ
横方向の相対移動量を算出する実施例につき説明する。
第19図は、本発明の他の実施例に係る相対変位量測定
装置の構成を示す。第20図は、本実施例の動作を説明す
るためのブロック図である。
装置の構成を示す。第20図は、本実施例の動作を説明す
るためのブロック図である。
第19図において、対象物101と対象物102との間の相対
横方向変位を検知するため、まず設定トンネル電流値I0
を定め（第20図ブロックB1）、探針縦方向位置制御手段
1901を用いて探針104の縦方向位置制御を行なう。この
制御は、まずトンネル電流値Ｉを検出し（ブロックB
2）、検出電流値Ｉと設定トンネル電流値I0とを比較す
る（ブロックB4）。Ｉ≠I0のときはフィードバック制御
手段1902から探針縦方向位置制御手段1901にフィードバ
ックする（ブロックB3）。そして検出電流値Ｉが設定電
流値I0と等しくなったところで（ブロックB4）、探針10
4の縦方向の絶対位置信号を横方向相対位置情報抽出手
段109へ出力する（ブロックB5）。以後、対象物101と対
象物102が横方向に相対変位する場合においても、検出
電流値Ｉが常に設定電流値I0と等しくなるように探針縦
方向位置制御手段1901およびフィードバック制御手段19
02を用いて探針104の縦方向位置のフィードバック制御
を行ない、探針104の縦方向の絶対位置信号を横方向相
対位置情報抽出手段109へ出力する。このとき、対象物1
01と対象物102とが基準目盛103の１ピッチ分、相対的に
横方向に変位するのに要する時間に比べ、前述のフィー
ドバック制御に要する時間は十分に小さくなければなら
ない。
横方向変位を検知するため、まず設定トンネル電流値I0
を定め（第20図ブロックB1）、探針縦方向位置制御手段
1901を用いて探針104の縦方向位置制御を行なう。この
制御は、まずトンネル電流値Ｉを検出し（ブロックB
2）、検出電流値Ｉと設定トンネル電流値I0とを比較す
る（ブロックB4）。Ｉ≠I0のときはフィードバック制御
手段1902から探針縦方向位置制御手段1901にフィードバ
ックする（ブロックB3）。そして検出電流値Ｉが設定電
流値I0と等しくなったところで（ブロックB4）、探針10
4の縦方向の絶対位置信号を横方向相対位置情報抽出手
段109へ出力する（ブロックB5）。以後、対象物101と対
象物102が横方向に相対変位する場合においても、検出
電流値Ｉが常に設定電流値I0と等しくなるように探針縦
方向位置制御手段1901およびフィードバック制御手段19
02を用いて探針104の縦方向位置のフィードバック制御
を行ない、探針104の縦方向の絶対位置信号を横方向相
対位置情報抽出手段109へ出力する。このとき、対象物1
01と対象物102とが基準目盛103の１ピッチ分、相対的に
横方向に変位するのに要する時間に比べ、前述のフィー
ドバック制御に要する時間は十分に小さくなければなら
ない。
さて、横方向相対位置情報抽出手段109においては、
入力された探針104の縦方向絶対位置信号1903並びに基
準目盛103および探針104についての情報（ブロックB6）
から、横方向相対動き量と移動方向を検出する（ブロッ
クB7）。すなわち、縦方向絶対位置信号1903（その波形
を第21図（ａ）に示す）は波形処理手段110によって波
形処理が加えられ、動き量・方向変換手段111によって
動き量信号112（第21図（ｂ））および方向信号113（第
21図（ｃ））に変換され、カウンタ114に入力される。
カウンタ114において入力された動き量信号112および方
向信号113は横方向相対変位量に変換され、さらに予め
メモリ115に保存させている初期位置データを用いて減
算手段116によって対象物101と対象物102との横方向相
対変位量117（第21図（ｄ））が求められる（ブロックB
8）。
入力された探針104の縦方向絶対位置信号1903並びに基
準目盛103および探針104についての情報（ブロックB6）
から、横方向相対動き量と移動方向を検出する（ブロッ
クB7）。すなわち、縦方向絶対位置信号1903（その波形
を第21図（ａ）に示す）は波形処理手段110によって波
形処理が加えられ、動き量・方向変換手段111によって
動き量信号112（第21図（ｂ））および方向信号113（第
21図（ｃ））に変換され、カウンタ114に入力される。
カウンタ114において入力された動き量信号112および方
向信号113は横方向相対変位量に変換され、さらに予め
メモリ115に保存させている初期位置データを用いて減
算手段116によって対象物101と対象物102との横方向相
対変位量117（第21図（ｄ））が求められる（ブロックB
8）。
当該相対変位量測定装置の分解能は基準目盛103のピ
ッチ程度（基準目盛として導電性物質表面原子の周期的
配列を用いるならば、数オングストローム）であるが、
探針縦方向変化量信号から動き量パルス信号を作る際に
しきい値を複数設けて（第21図（ｅ））多値化したパル
ス信号（第21図（ｆ））を得れば、（第21図（ｇ）に示
す相対変位方向信号と合せて）検知位置信号をさらに分
割した信号を得ることができ、オングストローム以下の
分解能とすることも可能である（第21図（ｈ））。
ッチ程度（基準目盛として導電性物質表面原子の周期的
配列を用いるならば、数オングストローム）であるが、
探針縦方向変化量信号から動き量パルス信号を作る際に
しきい値を複数設けて（第21図（ｅ））多値化したパル
ス信号（第21図（ｆ））を得れば、（第21図（ｇ）に示
す相対変位方向信号と合せて）検知位置信号をさらに分
割した信号を得ることができ、オングストローム以下の
分解能とすることも可能である（第21図（ｈ））。
次に、第22図〜第29図を用いて、探針縦方向位置を検
出する前記の実施例において対象物101と対象物102との
横方向相対変位の向きを検知するための手段について説
明する。
出する前記の実施例において対象物101と対象物102との
横方向相対変位の向きを検知するための手段について説
明する。
第22図は、第19図に示した実施例において基準目盛と
して第12図に示されるような対象物の相対変位の方向に
非対称な形状（の電子雲分布）を用いた実施例である。
対象物101と対象物102との相対変位に伴う探針の縦方向
変位が第23図（ａ）のような変化を示す場合は、以後の
横方向相対位置情報抽出手段109における動き量信号112
および方向信号113はそれぞれ第23図（ｂ）および
（ｃ）のようになり、これらより第23図（ｄ）に示され
る横方向相対変位量が求められる。従って、この場合は
第22図において対象物102は対象物101を基準として紙面
内で右向きに、第23図（ｄ）に示される量だけ変位して
いることが分る。
して第12図に示されるような対象物の相対変位の方向に
非対称な形状（の電子雲分布）を用いた実施例である。
対象物101と対象物102との相対変位に伴う探針の縦方向
変位が第23図（ａ）のような変化を示す場合は、以後の
横方向相対位置情報抽出手段109における動き量信号112
および方向信号113はそれぞれ第23図（ｂ）および
（ｃ）のようになり、これらより第23図（ｄ）に示され
る横方向相対変位量が求められる。従って、この場合は
第22図において対象物102は対象物101を基準として紙面
内で右向きに、第23図（ｄ）に示される量だけ変位して
いることが分る。
同様に、対象物の相対変位に伴なう探針104の縦方向
変位が第23図（ｅ）のような変化を示す場合は、第23図
（ｆ），（ｇ）に示される信号波形処理後、対象物102
は対象物101を基準として紙面内で左向きに、第23図
（ｈ）に示される量だけ変位していることが分る。
変位が第23図（ｅ）のような変化を示す場合は、第23図
（ｆ），（ｇ）に示される信号波形処理後、対象物102
は対象物101を基準として紙面内で左向きに、第23図
（ｈ）に示される量だけ変位していることが分る。
さらに、例えば探針104の縦方向変位が第23図（ｉ）
のような変化を示す場合は、Ｔ点において対象物101を
基準とした対象物102の相対変位の向きが右から左に変
化したことが分る。
のような変化を示す場合は、Ｔ点において対象物101を
基準とした対象物102の相対変位の向きが右から左に変
化したことが分る。
第24図は、探針の縦方向位置を検出する前記の実施例
において、対象物101と対象物102との横方向相対変位の
向きを検知できる別の実施例を示す。同図において、探
針104は探針横方向振動手段1301により対象物の相対変
位の方向に微小振動させられる。対象物101と対象物102
との相対移動速度に比べて探針104を十分速く振動させ
れば、探針104の縦方向絶対位置信号の横方向相対変位
に関する位置微分係数が得られ、これから横方向相対変
位の向きが検知できる。
において、対象物101と対象物102との横方向相対変位の
向きを検知できる別の実施例を示す。同図において、探
針104は探針横方向振動手段1301により対象物の相対変
位の方向に微小振動させられる。対象物101と対象物102
との相対移動速度に比べて探針104を十分速く振動させ
れば、探針104の縦方向絶対位置信号の横方向相対変位
に関する位置微分係数が得られ、これから横方向相対変
位の向きが検知できる。
例えば、対象物101と102の横方向相対変位に伴う探針
104の縦方向変位およびその位置微分係数が第25図
（ａ）および同図（ｃ）のような変化を示す場合には、
第24図において対象物102は対象物101を基準として紙面
内で右向きに第25図（ｄ）に示される量だけ変位してい
ることが分る。
104の縦方向変位およびその位置微分係数が第25図
（ａ）および同図（ｃ）のような変化を示す場合には、
第24図において対象物102は対象物101を基準として紙面
内で右向きに第25図（ｄ）に示される量だけ変位してい
ることが分る。
同様に対象物の相対変位に伴う探針104の縦方向変位
が第25図（ｅ）のような変化を示す場合は、以降第25図
（ｆ），（ｇ）に示される処理後、対象物101を基準と
して対象物102は紙面内で左向きに、第25図（ｈ）に示
される量だけ変位していることが分る。
が第25図（ｅ）のような変化を示す場合は、以降第25図
（ｆ），（ｇ）に示される処理後、対象物101を基準と
して対象物102は紙面内で左向きに、第25図（ｈ）に示
される量だけ変位していることが分る。
さらに、第25図（ｉ）や同図（ｍ）に示されたような
変化を示す場合は、Ｔ点において対象物101を基準とし
た対象物102の相対変位の向きが右から左に変化したこ
とが分る。
変化を示す場合は、Ｔ点において対象物101を基準とし
た対象物102の相対変位の向きが右から左に変化したこ
とが分る。
第26図は、探針縦方向位置を検出する前記の実施例に
おいて、対象物101と対象物102との横方向相対変位の向
きを検知できるさらに別の実施例を示す。これは探針横
方向振動手段1501を用いて探針104を対象物の相対変位
の方向に振動させ、異なる２点A,Bにおいて探針104の縦
方向絶対位置信号を得るようにしたものである。探針10
4は対象物101と対象物102との相対移動速度に比べて十
分速く振動させ、さらに探針104の振動周期に比べて十
分短い時間で、探針縦方向位置制御手段1901を用いて探
針104の縦方向位置制御（トンネル電流105が一定となる
ようなフィードバック）を行なう必要がある。探針104
の振動の幅をｄとすれば、この方法は間隔ｄだけ隔てら
れた２つの探針によって基準目盛に対して位相差を持っ
た２信号から方向検知を行なう方法と同等である。
おいて、対象物101と対象物102との横方向相対変位の向
きを検知できるさらに別の実施例を示す。これは探針横
方向振動手段1501を用いて探針104を対象物の相対変位
の方向に振動させ、異なる２点A,Bにおいて探針104の縦
方向絶対位置信号を得るようにしたものである。探針10
4は対象物101と対象物102との相対移動速度に比べて十
分速く振動させ、さらに探針104の振動周期に比べて十
分短い時間で、探針縦方向位置制御手段1901を用いて探
針104の縦方向位置制御（トンネル電流105が一定となる
ようなフィードバック）を行なう必要がある。探針104
の振動の幅をｄとすれば、この方法は間隔ｄだけ隔てら
れた２つの探針によって基準目盛に対して位相差を持っ
た２信号から方向検知を行なう方法と同等である。
ここで、例えば基準目盛のピッチをｐとし、探針104
の振動の幅ｄを となるようにとるものとする。このとき、対象物101と
対象物102の横方向相対変位に伴う探針104の縦方向変位
が第27図（ａ）のような変化を示す場合は、第26図にお
いて対象物102は対象物101を基準として紙面内で右向き
に変位していることが分り、探針104の縦方向変位が第2
7図（ｅ）のような場合は左向きに変位していることが
分る。
の振動の幅ｄを となるようにとるものとする。このとき、対象物101と
対象物102の横方向相対変位に伴う探針104の縦方向変位
が第27図（ａ）のような変化を示す場合は、第26図にお
いて対象物102は対象物101を基準として紙面内で右向き
に変位していることが分り、探針104の縦方向変位が第2
7図（ｅ）のような場合は左向きに変位していることが
分る。
さらに、探針104の縦方向変位が第27図（ｉ）および
同図（ｍ）に示されたような変化を示す場合は、Ｔ点に
おいて対象物101を基準とした対象物102の相対変位の向
きが右から左に変化したことが分る。
同図（ｍ）に示されたような変化を示す場合は、Ｔ点に
おいて対象物101を基準とした対象物102の相対変位の向
きが右から左に変化したことが分る。
第28図は、探針縦方向位置を検出する前記の実施例に
おいて対象物101と対象物102との横方向相対変位の向き
を検知できるさらに別の実施例であり、２つの探針を用
いた実施例である。同図において、探針縦方向位置制御
手段2801Aおよび2801Bは、間隔ｄだけ隔てられた２つの
探針1701Aおよび1701Bの縦方向位置制御（トンネル電流
が一定となるようなフィードバック）を独立に行なって
いる。そして、２つの探針縦方向変位信号2803Aおよび2
803Bを検出することによって、横方向相対変位の向きを
検知することができる。
おいて対象物101と対象物102との横方向相対変位の向き
を検知できるさらに別の実施例であり、２つの探針を用
いた実施例である。同図において、探針縦方向位置制御
手段2801Aおよび2801Bは、間隔ｄだけ隔てられた２つの
探針1701Aおよび1701Bの縦方向位置制御（トンネル電流
が一定となるようなフィードバック）を独立に行なって
いる。そして、２つの探針縦方向変位信号2803Aおよび2
803Bを検出することによって、横方向相対変位の向きを
検知することができる。
例えば、基準目盛103のピッチをｐとし、探針1701Aと
探針1701Bとの幅ｄを となるようにする。このとき、対象物101と対象物102の
横方向相対変位に伴う２探針1701A,1701Bの縦方向変位
が第29図（ａ）のような変化を示す場合は、第28図にお
いて対象物102は対象物101を基準として紙面内で右向き
に変位していることが分り、２探針の縦方向変位が第29
図（ｅ）のような変化を示す場合は右向きに変位してい
ることが分る。
探針1701Bとの幅ｄを となるようにする。このとき、対象物101と対象物102の
横方向相対変位に伴う２探針1701A,1701Bの縦方向変位
が第29図（ａ）のような変化を示す場合は、第28図にお
いて対象物102は対象物101を基準として紙面内で右向き
に変位していることが分り、２探針の縦方向変位が第29
図（ｅ）のような変化を示す場合は右向きに変位してい
ることが分る。
さらに、対象物101と対象物102の横方向相対変位に伴
う２探針1701A,1701Bの縦方向変位が第29図（ｉ），
（ｍ）に示されたような変化を示す場合は、Ｔ点におい
て、対象物101を基準とした対象物102の相対変位の向き
が右から左に変化したことが分る。
う２探針1701A,1701Bの縦方向変位が第29図（ｉ），
（ｍ）に示されたような変化を示す場合は、Ｔ点におい
て、対象物101を基準とした対象物102の相対変位の向き
が右から左に変化したことが分る。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、原子配列等を
基準目盛に用い探針と基準目盛との間に流れるトンネル
電流を検出して探針と基準目盛の相対位置ずれを検知し
ているので、原子間距離オーダ（オングストロームオー
ダ）の高分解能を有する相対変位量測定装置が実現可能
である。
基準目盛に用い探針と基準目盛との間に流れるトンネル
電流を検出して探針と基準目盛の相対位置ずれを検知し
ているので、原子間距離オーダ（オングストロームオー
ダ）の高分解能を有する相対変位量測定装置が実現可能
である。
また、探針と基準目盛との間隔を一定にしてトンネル
電流値を検出することとすれば、高速の位置検知が可能
となる。トンネル電流値を一定にして探針の縦方向位置
を検知することとすれば、より高精度の位置検知が可能
となる。
電流値を検出することとすれば、高速の位置検知が可能
となる。トンネル電流値を一定にして探針の縦方向位置
を検知することとすれば、より高精度の位置検知が可能
となる。
さらに、基準目盛として原子配列と作製目盛を複合さ
せて用いることにより、絶対位置の検知、広い位置検知
範囲、高速の位置検知が可能となる。
せて用いることにより、絶対位置の検知、広い位置検知
範囲、高速の位置検知が可能となる。
第１図は、本発明の一実施例に係るトンネル電流検知に
よる相対変位量測定装置の構成図、 第２図は、第１図の各構成部分において得られる信号を
表わす波形図、 第３図は、基準目盛として導電性材料表面の周期的な原
子や分子の配列を用いた例を示す模式図、 第４図（ａ）は、基準目盛として導電性物質表面に集束
イオンビームや電子ビーム等の加工によって作製した目
盛を用いた例を示す断面図、 第４図（ｂ）は、基準目盛として回折格子状の形状を持
った物質表面を導電性物質でコーティングしたものを用
いた例を示す断面図、 第５図は、基準目盛上に基準原点を１個設けた複合目盛
を用いた例を示す断面図、 第６図は、基準目盛上に複数個の基準原点を周期的に設
けた複合目盛を用いた例を示す断面図、 第７図は、基準目盛上に幅および間隔が既知である複数
個の基準原点を設けた複合目盛を用いた例を示す断面
図、 第８図は、基準目盛上の基準原点または基準原点近傍に
絶対的位置情報を記録した複合目盛を用いた例を示す断
面および外観図、 第９図は、基準目盛として非周期的目盛を用いた例を示
す断面図、 第10図は、基準目盛として非対称基準目盛を用いた例を
示す構成図、 第11図は、第10図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第12図は、非対称基準目盛の具体例としての面心立方格
子の（1,1,1）面を示す模式図、 第13図は、探針を横方向に振動させることによって方向
検知を行なう実施例を示す断面図、 第14図は、第13図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第15図は、探針を横方向に振動させることによって方向
検知を行なう実施例を示す断面図、 第16図は、第15図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第17図は、複数の探針を用いて方向検知を行なう実施例
を示す構成図、 第18図は、第17図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第19図は、探針縦方向位置検知による相対変位量測定装
置の構成図、 第20図は、トンネル電流を一定とした状態の下で探針縦
方向位置検知による相対横方向変位検出を行なう際の手
順を説明するためのブロック図、 第21図は、第19図の構成における各構成部分において得
られる信号を表わす波形図、 第22図は、第19図に示す実施例において基準目盛として
非対称目盛を用いた例を示す断面図、 第23図は、第22図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第24図は、第19図に示す実施例において探針を横方向に
振動させることによって方向検知を行なう例を示す断面
図、 第25図は、第24図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第26図は、第19図に示す実施例において探針を横方向に
振動させることによって方向検知を行なう例を示す断面
図、 第27図は、第26図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第28図は、複数の探針を用いて方向検知を行なう実施例
を示す構成図、 第29図は、第28図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第30図は、従来例である格子干渉の原理を用いた光学式
相対変位量測定装置の構成図である。 101,102:対象物、 103:基準目盛、 104:探針、 105:トンネル電流、 106:バイアス電源、 107:電流検出手段、 108:電流増幅手段、 109:横方向相対位置情報抽出手段、 110:波形処理手段、 111:動き量・方向変換手段、 112:動き量信号、 113:方向信号、 114:カウンタ、 115:メモリ、 116:減算手段、 117:横方向相対変位量、 118:トンネル電流信号、 301:導電性材料表面の周期的な原子や分子の配列、 302:導電性材料表面の電子雲、 401:導電性物質表面、 402:作製目盛、 403:回折格子状の形状を持った物質表面、 404:導電性物質によるコーティング、 501:基準原点、 601a1〜a3:基準目盛原子配列の表面の一部を他の物質で
置き換えて作製した基準原点、 601b1〜b3:基準目盛原子配列の表面の一部に他の物質を
付着させて作製した基準原点、 601c1〜c3:基準目盛原子配列の表面の一部を削り取るこ
とによって作製した基準原点、 701d1〜d4:幅および間隔が既知である複数個の基準原
点、 801:絶対位置情報を記録した基準原点、 802,804:基準原点、 803,805:絶対位置情報ビット、 901:非周期的目盛、 1001:非対称基準目盛、 1301,1501:横方向探針振動手段、 1701A,1701B:探針、 1702A,1702B:バイアス電源、 1703A,1703B:電流検出手段 1704A,1704B:電流増幅手段、 1705A,1705B:トンネル電流信号、 1901:探針縦方向位置制御手段、 1902:フィードバック制御手段、 1903:縦方向絶対位置信号、 2801A,2801B:探針縦方向位置制御手段、 2802A,2802B:フィードバック制御手段、 2803A,2803B:縦方向絶対位置信号、 3001:光源、 3002:単色光、 3003:回折格子、 3004,3005:±１次回折光、 3006:反射鏡、 3007:半透鏡、 3008:光検出器。
よる相対変位量測定装置の構成図、 第２図は、第１図の各構成部分において得られる信号を
表わす波形図、 第３図は、基準目盛として導電性材料表面の周期的な原
子や分子の配列を用いた例を示す模式図、 第４図（ａ）は、基準目盛として導電性物質表面に集束
イオンビームや電子ビーム等の加工によって作製した目
盛を用いた例を示す断面図、 第４図（ｂ）は、基準目盛として回折格子状の形状を持
った物質表面を導電性物質でコーティングしたものを用
いた例を示す断面図、 第５図は、基準目盛上に基準原点を１個設けた複合目盛
を用いた例を示す断面図、 第６図は、基準目盛上に複数個の基準原点を周期的に設
けた複合目盛を用いた例を示す断面図、 第７図は、基準目盛上に幅および間隔が既知である複数
個の基準原点を設けた複合目盛を用いた例を示す断面
図、 第８図は、基準目盛上の基準原点または基準原点近傍に
絶対的位置情報を記録した複合目盛を用いた例を示す断
面および外観図、 第９図は、基準目盛として非周期的目盛を用いた例を示
す断面図、 第10図は、基準目盛として非対称基準目盛を用いた例を
示す構成図、 第11図は、第10図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第12図は、非対称基準目盛の具体例としての面心立方格
子の（1,1,1）面を示す模式図、 第13図は、探針を横方向に振動させることによって方向
検知を行なう実施例を示す断面図、 第14図は、第13図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第15図は、探針を横方向に振動させることによって方向
検知を行なう実施例を示す断面図、 第16図は、第15図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第17図は、複数の探針を用いて方向検知を行なう実施例
を示す構成図、 第18図は、第17図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第19図は、探針縦方向位置検知による相対変位量測定装
置の構成図、 第20図は、トンネル電流を一定とした状態の下で探針縦
方向位置検知による相対横方向変位検出を行なう際の手
順を説明するためのブロック図、 第21図は、第19図の構成における各構成部分において得
られる信号を表わす波形図、 第22図は、第19図に示す実施例において基準目盛として
非対称目盛を用いた例を示す断面図、 第23図は、第22図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第24図は、第19図に示す実施例において探針を横方向に
振動させることによって方向検知を行なう例を示す断面
図、 第25図は、第24図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第26図は、第19図に示す実施例において探針を横方向に
振動させることによって方向検知を行なう例を示す断面
図、 第27図は、第26図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第28図は、複数の探針を用いて方向検知を行なう実施例
を示す構成図、 第29図は、第28図の実施例において得られる信号を表わ
す波形図、 第30図は、従来例である格子干渉の原理を用いた光学式
相対変位量測定装置の構成図である。 101,102:対象物、 103:基準目盛、 104:探針、 105:トンネル電流、 106:バイアス電源、 107:電流検出手段、 108:電流増幅手段、 109:横方向相対位置情報抽出手段、 110:波形処理手段、 111:動き量・方向変換手段、 112:動き量信号、 113:方向信号、 114:カウンタ、 115:メモリ、 116:減算手段、 117:横方向相対変位量、 118:トンネル電流信号、 301:導電性材料表面の周期的な原子や分子の配列、 302:導電性材料表面の電子雲、 401:導電性物質表面、 402:作製目盛、 403:回折格子状の形状を持った物質表面、 404:導電性物質によるコーティング、 501:基準原点、 601a1〜a3:基準目盛原子配列の表面の一部を他の物質で
置き換えて作製した基準原点、 601b1〜b3:基準目盛原子配列の表面の一部に他の物質を
付着させて作製した基準原点、 601c1〜c3:基準目盛原子配列の表面の一部を削り取るこ
とによって作製した基準原点、 701d1〜d4:幅および間隔が既知である複数個の基準原
点、 801:絶対位置情報を記録した基準原点、 802,804:基準原点、 803,805:絶対位置情報ビット、 901:非周期的目盛、 1001:非対称基準目盛、 1301,1501:横方向探針振動手段、 1701A,1701B:探針、 1702A,1702B:バイアス電源、 1703A,1703B:電流検出手段 1704A,1704B:電流増幅手段、 1705A,1705B:トンネル電流信号、 1901:探針縦方向位置制御手段、 1902:フィードバック制御手段、 1903:縦方向絶対位置信号、 2801A,2801B:探針縦方向位置制御手段、 2802A,2802B:フィードバック制御手段、 2803A,2803B:縦方向絶対位置信号、 3001:光源、 3002:単色光、 3003:回折格子、 3004,3005:±１次回折光、 3006:反射鏡、 3007:半透鏡、 3008:光検出器。
フロントページの続き (72)発明者 吉井 実 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−147317（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−147318（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−209302（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−261554（ＪＰ，Ａ)
Claims (9)
- 【請求項１】長さに関する基準となる導電性基準目盛
と、該基準目盛に先端を近づけて配置された導電性探針
と、前記基準目盛と探針との間に電圧を印加する電圧印
加手段と、前記基準目盛と探針との間に流れるトンネル
電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段で検出
される電流の変化から前記探針の基準目盛に対する相対
的な動き量を検出する動き量検出手段と、前記電流検出
手段で検出される電流の変化から前記探針の基準目盛に
対する相対的な動きの方向を検出する方向検出手段と、
前記動き量検出手段及び方向検出手段の出力に基づいて
前記探針の基準目盛に対する相対的な変位量を測定する
測定手段とから成る相対変位量測定装置。 - 【請求項２】前記基準目盛は非対称な形状を有し、前記
方向検出手段は、前記電流検出手段で検出される電流の
波形から動きの方向を検出する特許請求の範囲第１項記
載の相対変位量測定装置。 - 【請求項３】前記探針は、相対変位の方向における異な
る位置に配置された複数の探針から成り、前記方向検出
手段は、各探針と基準目盛との間に流れるトンネル電流
の位相の違いから動きの方向を検出する特許請求の範囲
第１項記載の相対変位量測定装置。 - 【請求項４】前記探針を相対変位の方向に振動させる手
段を備え、前記方向検出手段は前記電流検出手段で検出
される電流の振動による変調成分の位相から動きの方向
を検出する特許請求の範囲第１項記載の相対変位量測定
装置。 - 【請求項５】前記方向検出手段は、前記探針が基準目盛
の異なる位置にあるときに前記電流検出手段で検出され
る電流の位相の違いから動きの方向を検出する特許請求
の範囲第１項記載の相対変位量測定装置。 - 【請求項６】前記基準目盛は相対変位の方向に非周期的
に配列された目盛から成り、該非周期目盛の間隔を記憶
したメモリを備え、前記動き量検出手段は前記電流検出
手段で検出される電流の変化と前記メモリに記憶された
間隔とに基づいて動き量を検出する特許請求の範囲第１
項記載の相対変位量測定装置。 - 【請求項７】前記基準目盛は基準原点を有し、前記基準
原点に基づいて前記探針の基準位置を検出する手段と、
検出された基準位置と前記測定手段で測定された変位量
とから前記探針の相対位置を検出する手段とを備えた特
許請求の範囲第１項記載の相対変位量測定装置。 - 【請求項８】前記基準目盛は、所定の間隔で配列された
第１の目盛と、前記所定の間隔より大きい間隔で配列さ
れた第２の目盛とから成り、前記動き量検出手段は第２
の目盛に基づいて粗動量を検出し、第１の目盛に基づい
て微動量を検出する特許請求の範囲第１項記載の相対変
位量測定装置。 - 【請求項９】前記基準目盛は、原子または分子の配列か
ら成る特許請求の範囲第１項記載の相対変位量測定装
置。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62309421A JP2559048B2 (ja) | 1987-12-09 | 1987-12-09 | 相対変位量測定装置 |
| DE3854173T DE3854173T2 (de) | 1987-08-25 | 1988-08-24 | Codiereinrichtung. |
| EP88113794A EP0304893B1 (en) | 1987-08-25 | 1988-08-24 | Encoder |
| DE3856296T DE3856296T2 (de) | 1987-08-25 | 1988-08-24 | Tunnelstromkodierer |
| EP94120561A EP0646913B1 (en) | 1987-08-25 | 1988-08-24 | Encoder using the tunnel current effect |
| CA000575623A CA1328131C (en) | 1987-08-25 | 1988-08-24 | Encoder |
| US08/438,079 US5519686A (en) | 1987-08-25 | 1995-05-08 | Encoder for controlling measurements in the range of a few angstroms |
| US08/589,473 US5721721A (en) | 1987-08-25 | 1996-01-22 | Two scanning probes information recording/reproducing system with one probe to detect atomic reference location on a recording medium |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62309421A JP2559048B2 (ja) | 1987-12-09 | 1987-12-09 | 相対変位量測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01150813A JPH01150813A (ja) | 1989-06-13 |
| JP2559048B2 true JP2559048B2 (ja) | 1996-11-27 |
Family
ID=17992802
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62309421A Expired - Fee Related JP2559048B2 (ja) | 1987-08-25 | 1987-12-09 | 相対変位量測定装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP2559048B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2783854B2 (ja) * | 1989-08-07 | 1998-08-06 | 日本電信電話株式会社 | 測長装置 |
| JP2761801B2 (ja) * | 1990-10-04 | 1998-06-04 | キヤノン株式会社 | 角度的位置関係検出方法及びこれを用いたエンコーダ |
-
1987
- 1987-12-09 JP JP62309421A patent/JP2559048B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01150813A (ja) | 1989-06-13 |
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