JP2783854B2 - 測長装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は単結晶材料からなる比較試料の原子間距離
（格子定数）を単位として測定対象の測長を行なうこと
が可能な測長装置に関するものである。

（従来の技術） 従来、数ミクロン以下の長さを測定可能な装置として
電子顕微鏡が一般的に知られており、他に光走査式測長
器，光干渉測長器等がある。光走査式測長器はレーザ等
を光源して生成される細い光線で測長対象を平行に走査
し、この走査時にできる測長対象の影の部分に相当する
時間等に基づいて測長を行なうものであり、また光干渉
測長器はレーザ等の干渉性良好な光を異なる２つの経路
を通過させた後に重ね合わせ、この時の光の干渉現象に
よる明暗を電気信号に変換して数えることにより測長を
行なうものである。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、先に述べた電子顕微鏡では真空中で測
定対象を導電化しなければならないため破壊測定とな
り、測定上好ましくない。また、光走査式測長器，光干
渉測長器等のレーザを用いた測長では分解能が0.01μｍ
程度が理論的な限界であり、それ以上の分解能を期待で
きないという欠点があった。

本発明は前記問題点に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは、測長の分解能を大幅に改善し、数オ
ングストロームの分解能を有する測長装置を提供するこ
とにある。

（課題を解決するための手段） 前記目的を達成するため、本発明は、単結晶材料から
なる比較試料と、探針と比較試料との間に流れるトンネ
ル電流に基づき比較試料に対する探針の垂直方向の間隔
を一定に保持する垂直方向駆動手段と、探針を測長方向
に相対移動させたときの該探針の垂直方向の位置信号に
基づき比較試料の原子像の起伏に対応した起伏信号を生
成し、該起伏信号を所定のディジタル信号に変換する信
号変換手段とを具備し、該ディジタル信号に基づき比較
試料の原子間距離を単位として測定対象の測長を行う測
長装置において、測長時に前記探針を測長方向と直交す
る方向に所定幅で往復動させる水平方向駆動手段と、測
長時における探針の垂直方向の位置信号及び水平方向の
位置信号に基づき比較試料の原子像の山または谷のピー
クが現れる水平位置を検出し、該検出信号に基づき前記
往復動の中心位置を原子列と一致するように修正するた
めの補正信号を生成して水平方向駆動手段に送出する補
正信号生成手段とを備えた、ことを特徴としている。

（作 用） 本発明の測長装置では、比較試料を測定対象と同期し
て移動させるか、または比較試料の近傍に配置した測定
対象に沿って探針を移動させることによって所望の測長
が行われる。

測長に際して探針を測長方向に相対移動させるとき、
該探針は、垂直方向駆動手段によって比較試料に対する
垂直方向の間隔を一定に保持されつつ、水平方向駆動手
段によって測長方向と直交する方向に所定幅で往復動さ
れる。

この測長時には、探針の垂直方向の位置信号に基づき
信号変換手段によって比較試料の原子像の起伏に対応し
た起伏信号が生成され、且つ該起伏信号の所定のディジ
タル信号に変換されると共に、探針の垂直方向の位置信
号及び水平方向の位置信号に基づき補正信号生成手段に
よって原子像の山または谷のピークが現れる水平位置が
検出され、且つ該検出信号に基づき前記往復動の中心位
置を原子列と一致するように修正するたの補正信号が生
成され水平方向駆動手段に送出される。つまり、探針と
比較試料の原子列との間にずれが生じた場合でも、前記
補正信号によって往復動の中心位置を原子列と一致する
ように随時修正して、比較試料の原子像を正確に捕らえ
ることができる。

（実施例） 第１図乃至第３図は本発明の一実施例を示すもので、
第１図は測長装置の構成図、第２図は探針駆動機構の拡
大斜視図、第３図は測長時における探針及び比較試料の
動作を示す図である。

図において、１は探針、２は探針１を垂直方向に駆動
する第１アクチュエータ、３は探針１を水平方向に駆動
する第２アクチュエータである。

探針１はタングステン（ｗ），鉄（Fe）等の導電性の
金属材料にて先鋭形状に形成されており、第１アクチュ
エータ２の下端にその先鋭端を下向きにして垂設されて
いる。

第１アクチュエータ２は基台４上に立設された略Ｌ字
形の支柱５上部にその上端を固定されている。この第１
アクチュエータ２はピエゾ素子等を内蔵し、圧電効果に
よって探針１を垂直方向に駆動できるようになってい
る。

第２アクチュエータ３は第１アクチュエータ２の下部
と支柱５の側面との間に介装されている。この第２アク
チュエータ３も第１アクチュエータ２と同様にピエゾ素
子等を内蔵しており、圧電効果によって探針１を水平方
向に駆動できるようになっている。

６は基台４上に配設されたステージ用ベースであり、
該ベース６には第２アクチュエータ３の駆動方向と直交
する水平方向に移動可能なステージ７がベアリング等を
介して摺動自在に配置されている。また、このステージ
７の一端には測長時において測長対象（図示省略）に当
接される針状の測定端7aが設けられている。

８はステージ７の上面に固着された平板状の比較試料
である。この比較試料８は空気中でも容易に格子像（原
子像）を捕えることが可能なグラファイト等の単結晶材
料からなる。また、この比較試料８はステージ７の移動
方向に伸びる長方形状をなしていて、ステージ７の上面
に、探針１と対向し且つステージ７の移動方向と格子面
の（100）方向が一致するように固着されている。

９は第１アクチュエータ駆動用の第１駆動部である。
この第１駆動部９は、探針１と比較試料２との間に流れ
るトンネル電流に基づいて第１アクチュエータ２に送出
される駆動信号の電圧レベルを変化し、比較試料８に対
する探針１の垂直方向の間隔を一定に保持する。

10は起伏信号生成部で、第１駆動部９から送出される
駆動信号、即ち探針１の垂直方向の位置信号に基づい
て、比較試料８の原子像の起伏に対応した起伏信号を生
成する。後に詳述するが本実施例では第３図に示すよう
に、探針１は測長時において比較試料８の移動方向と直
交する水平方向にも往復動することから、この起伏信号
生成部10では、往復時と複動時の夫々で得られる垂直方
向の位置信号のピーク値をもとに原子の存在する位置Ａ
を山または谷としてアナログ信号を生成している。

尚、先に述べた探針1,第１アクチュエータ2,第１駆動
部９及び起伏信号生成部10の構成は、周知の走査型トン
ネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope）のそれ
と大差ない。

11はディジタル信号生成部で、起伏信号生成部10で生
成された起伏信号を所定のディジタル信号に変換する。
詳しくは、原子像の起伏に対応した起伏信号（アナログ
信号）を、原子数を表現するに適当なしきい値でその信
号の立上がり或いは立ち下がりを検出してディジタル化
している。

12はディジタル信号計数用のカウンタで、ディジタル
信号生成部11から送出されたディジタル信号を計数し、
図示省略の表示部に表示する。

13は第２アクチュエータ駆動用の第２駆動部である。
この第２駆動部13は、探針１が比較試料８の移動方向と
直交する水平方向に所定幅で往復動するに必要な駆動信
号を第２アクチュエータ３に送出する。

14はピーク位置検出部で、探針往復動時において第１
駆動部９から送出される駆動信号と第２駆動部13から送
出される駆動信号に基づいて、即ち探針１の垂直方向の
位置信号及び水平方向の位置信号に基づいて、垂直方向
の位置信号のピーク値、つまり原子像の山または谷のピ
ークが現れる水平位置を検出する。

15は補正信号生成部で、ピーク位置検出部14で検出さ
れた水平位置と往復動の中心位置との差に基づいて、探
針往復動の中心位置を修正するための補正信号を生成し
第２駆動部13に送出する。

次に、前述の測長装置によって動的な測長対象に対し
て測長を行なう場合について説明する。

測長に際し、ステージ７の測定端7aを測長対象に接触
させ、比較試料８が測長対象と同期して移動するように
する。

比較試料８が水平方向に移動する時、比較試料８に対
する探針１の垂直方向の間隔は、探針１と比較試料８と
の間に流れるトンネル電流に基づき第１駆動部９によっ
て一定に保持される。また、これと同時に、探針１は第
２駆動部13によって駆動され、比較試料８に対する探針
１の垂直方向の間隔を一定に保持されつつ、比較試料８
の移動方向と直交する水平方向に往復動される。つま
り、探針１は比較試料移動時において第３図に示すよう
な走査軌跡Ｋを形成する。

また、この比較試料移動時には、探針１の水平方向の
往復時と複動時の夫々で得られる垂直方向の位置信号の
ピーク値をもとに原子位置Ａを山または谷とした起伏信
号（アナログ信号）が起伏信号生成部10によって生成さ
れ、このアナログ信号はディジタル信号生成部11で原子
数を表現する適当なディジタル信号に変換される。そし
て、このディジタル信号がカウンタ６によって計数され
表示される。

つまり、比較試料８が測長対象の動きに同期して水平
方向に移動した際に、該比較試料２の移動量を原子間距
離（格子定数）を単位としてカウンタ12で計数させるこ
とができるので、この計数値に比較試料２の原子間距離
（格子定数）を乗ずることで所望の測長を行なうことが
可能となる。

ちなみに、比較試料２としてグラファイトを用い、
（100）方向に比較試料８を移動させた場合では、格子
定数である1.42オングストローム毎にディジタル信号が
生成され、これがカウンタ12で計数されるので、この計
数値に基づき格子定数の整数倍を長さとして測長を行な
うことができる。グラファイト以外の単結晶材料を比較
試料として用いた場合にこれらの格子定数が測長の単位
となることは言うもでもない。

また、前述の測長装置では、探針１が往復動する際
に、探針１の垂直方向の位置信号及び水平方向の位置信
号に基づいて、原子像の山または谷のピークが現れる水
平位置がピーク位置検出部14で検出され、このピーク位
置検出部14で検出された水平位置と往復動の中心位置と
の差に基づいて、探針往復動の中心位置を修正するため
の補正信号が補正信号生成部15で生成されて第２駆動部
13に送出され、探針１の往復動の中心位置が格子面方向
に対応するように随時修正される。

つまり、ステージ７にガタがあり比較試料８が直線的
に移動しない場合や、比較試料８の格子面方向がステー
ジ７の移動方向と一致しない場合でも、比較試料８の原
子の存在する位置を正確に捕えることができるので、原
子数をディジタル信号によって的確に表わすことがで
き、測長の精度を高めることができる。

尚、前記実施例ではディジタル信号生成部から出力さ
れたディジタル信号をカウンタによって計数するように
したものを示したが、ディジタル信号をCRT等に表示し
直接読取るようにしても同様の測長を行なうことができ
る。更に、第４図に示すように、比較試料８が固着され
たステージ７をベース６に固定する一方、支柱５を第２
アクチュエータ３の駆動方向と直交する水平方向に移動
可能に構成し、比較試料８の近傍に測長対象を配置して
該測長対象に沿って探針１を移動させることによって測
長を行なうようにしてもよい。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、比較試料の原
子間距離（格子定数）を単位として数オングストローム
の分解能にて測長を行うことができ、加工，組立て，観
察等の種々分野において高精度な製造及び解析等が実現
できる。また、探針と比較試料の原子列との間にずれが
生じた場合でも、探針往復動の中心位置を原子列と一致
するように随時修正して、比較試料の原子像を正確に捕
らえて測長精度をより高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の一実施例を示すもので、第
１図は測長装置の構成図、第２図は探針駆動機構の拡大
斜視図、第３図は探針及び比較試料の動作を示す図、第
４図は本発明の他の実施例を示す探針駆動機構の拡大斜
視図である。 １……探針、２……第１アクチュエータ、３……第２ア
クチュエータ、８……比較試料、９……第１駆動部、10
……起伏信号生成部、11……ディジタル信号生成部、13
……第２駆動部、14……ピーク位置検出部、15……補正
信号生成部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 7/00 - 7/34 G01D 5/00 - 5/62 G01N 37/00 G01B 21/00 - 21/32

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単結晶材料からなる比較試料と、探針と比
   較試料との間に流れるトンネル電流に基づき比較試料に
   対する探針の垂直方向の間隔を一定に保持する垂直方向
   駆動手段と、探針を測長方向に相対移動させたときの該
   探針の垂直方向の位置信号に基づき比較試料の原子像の
   起伏に対応した起伏信号を生成し、該起伏信号を所定の
   ディジタル信号に変換する信号変換手段とを具備し、該
   ディジタル信号に基づき比較試料の原子間距離を単位と
   して測定対象の測長を行う測長装置において、 測長時に前記探針を測長方向と直交する方向に所定幅で
   往復動させる水平方向駆動手段と、 測長時における探針の垂直方向の位置信号及び水平方向
   の位置信号に基づき比較試料の原子像の山または谷のピ
   ークが現れる水平位置を検出し、該検出信号に基づき前
   記往復動の中心位置を原子列と一致するように修正する
   ための補正信号を生成して水平方向駆動手段に送出する
   補正信号生成手段とを備えた、 ことを特徴とする測長装置。