JP3035395B2 - 表面構造測定装置 - Google Patents
表面構造測定装置Info
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- JP3035395B2 JP3035395B2 JP3281560A JP28156091A JP3035395B2 JP 3035395 B2 JP3035395 B2 JP 3035395B2 JP 3281560 A JP3281560 A JP 3281560A JP 28156091 A JP28156091 A JP 28156091A JP 3035395 B2 JP3035395 B2 JP 3035395B2
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- Japan
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- displacement
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- voltage
- surface structure
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- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
- Control Of Position Or Direction (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
や原子間力顕微鏡・磁気力顕微鏡などの表面構造測定装
置に関する。
や原子間力顕微鏡・磁気力顕微鏡などの表面構造測定装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】試料表面の超微細な構造を測定できる装
置として、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が広く実用
化されつつある。ＳＴＭは鋭く尖った探針を試料に数ｎ
ｍまで近づけて電圧を印加し、両者間に流れるトンネル
電流を一定に保ちながら探針を試料面に沿って走査する
ことにより試料表面の形状を表す三次元実空間像を得る
装置である。
置として、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が広く実用
化されつつある。ＳＴＭは鋭く尖った探針を試料に数ｎ
ｍまで近づけて電圧を印加し、両者間に流れるトンネル
電流を一定に保ちながら探針を試料面に沿って走査する
ことにより試料表面の形状を表す三次元実空間像を得る
装置である。
【０００３】このような装置では、探針は試料表面に沿
って数ｎｍ〜数百μｍの範囲で走査される。探針を走査
する手段には通常は圧電アクチュエーターを用いてい
る。この場合、探針の位置（つまり圧電アクチュエータ
ーの変位量）は圧電アクチュエーターに印加した電圧か
ら求めている。
って数ｎｍ〜数百μｍの範囲で走査される。探針を走査
する手段には通常は圧電アクチュエーターを用いてい
る。この場合、探針の位置（つまり圧電アクチュエータ
ーの変位量）は圧電アクチュエーターに印加した電圧か
ら求めている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、圧電アクチュ
エーターに印加した電圧から変位量を見積ることは、以
下の理由から精度の面で問題がある。第一に、印加電圧
と圧電アクチュエーターの変位量との関係は図５に実線
で示すように一次線形ではなく、ヒステリシスを持った
非線形である。第二に、この関係は走査速度・経年変化
・測定温度等の諸条件により図５の破線のように同じ電
圧に対しても変位量がＸからＸ’に変化してしまう。従
って、正確な変位量を得るには、頻繁に較正する必要が
ある。
エーターに印加した電圧から変位量を見積ることは、以
下の理由から精度の面で問題がある。第一に、印加電圧
と圧電アクチュエーターの変位量との関係は図５に実線
で示すように一次線形ではなく、ヒステリシスを持った
非線形である。第二に、この関係は走査速度・経年変化
・測定温度等の諸条件により図５の破線のように同じ電
圧に対しても変位量がＸからＸ’に変化してしまう。従
って、正確な変位量を得るには、頻繁に較正する必要が
ある。
【０００５】このため、リファレンス試料をスケールに
用いて較正する方法が特開平３−４８１０２や特開平３
−６４０５に提案されている。この方法では、リファレ
ンス試料に安定性が要求されるため、頻繁にリファレン
ス試料を交換する必要が生じたり装置構成が複雑になっ
たりし、装置の汎用性が損なわれるという不都合があ
る。
用いて較正する方法が特開平３−４８１０２や特開平３
−６４０５に提案されている。この方法では、リファレ
ンス試料に安定性が要求されるため、頻繁にリファレン
ス試料を交換する必要が生じたり装置構成が複雑になっ
たりし、装置の汎用性が損なわれるという不都合があ
る。
【０００６】本発明は試料表面の微細構造を正確に測定
することのできる表面構造測定装置の提供を目的とす
る。
することのできる表面構造測定装置の提供を目的とす
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の表面構造測定装
置は、探針を走査して試料表面の微細構造の測定データ
を得る表面構造測定装置において、印加される電圧に応
じて変位し、探針を走査させる圧電素子と、圧電素子に
所望とする変位を与えるための電圧を印加する電圧印加
手段と、探針もしくは圧電素子の実際の変位を測定する
変位検出手段と、所望とする変位と実際の変位とを比較
して補正量を求める手段と、補正量に基づいて測定デー
タを補正する手段とを備えている。また、探針を走査し
て試料表面の微細構造の測定データを得る表面構造測定
装置において、測定データに基づく試料の測定像を構成
する手段と、探針を走査した範囲を含む試料の光学像を
構成する手段と、測定像と光学像とのスケールを一致さ
せる補正手段とを備えている。
置は、探針を走査して試料表面の微細構造の測定データ
を得る表面構造測定装置において、印加される電圧に応
じて変位し、探針を走査させる圧電素子と、圧電素子に
所望とする変位を与えるための電圧を印加する電圧印加
手段と、探針もしくは圧電素子の実際の変位を測定する
変位検出手段と、所望とする変位と実際の変位とを比較
して補正量を求める手段と、補正量に基づいて測定デー
タを補正する手段とを備えている。また、探針を走査し
て試料表面の微細構造の測定データを得る表面構造測定
装置において、測定データに基づく試料の測定像を構成
する手段と、探針を走査した範囲を含む試料の光学像を
構成する手段と、測定像と光学像とのスケールを一致さ
せる補正手段とを備えている。
【０００８】
【作用】圧電アクチュエーターの非線形性を取り除く手
法を図７を参照しながら説明する。圧電アクチュエータ
ーに（Ａ）のような三角波の電圧を印加すると、その変
位のタイムチャートは非線形特性のために三角波になら
ない。この電圧変位特性をレーザー変位計等の高い精度
の変位計で測定して較正用テーブルを作り、このテーブ
ルにより（Ｂ）のような波形の電圧を印加すると、圧電
アクチュエータの変位は（Ｃ）のような三角波となる。
このときの時間と変位の関係を図６の実線で示す。この
特性は測定条件の変化などにより図６の破線のように変
位量がずれるが、このずれは比較的小さいので内部に設
けた精度の悪い変位計でも十分に補正できる。
法を図７を参照しながら説明する。圧電アクチュエータ
ーに（Ａ）のような三角波の電圧を印加すると、その変
位のタイムチャートは非線形特性のために三角波になら
ない。この電圧変位特性をレーザー変位計等の高い精度
の変位計で測定して較正用テーブルを作り、このテーブ
ルにより（Ｂ）のような波形の電圧を印加すると、圧電
アクチュエータの変位は（Ｃ）のような三角波となる。
このときの時間と変位の関係を図６の実線で示す。この
特性は測定条件の変化などにより図６の破線のように変
位量がずれるが、このずれは比較的小さいので内部に設
けた精度の悪い変位計でも十分に補正できる。
【０００９】その補正と較正の様子を図３に示す。圧電
アクチュエーターに三角波の電圧を印加して等間隔の周
期構造を有する回折格子等の試料を走査したときのＳＴ
Ｍ像は、一定間隔となるはずの格子間隔が（Ａ）に示す
ように右側では狭く、左側では広くなる。そこで、予め
探針の動きを精度の高い変位計で測定し、走査速度が一
定となるように較正テーブルを作り、それにより電圧を
印加すると（Ｂ）のように格子が一定間隔の正しいＳＴ
Ｍ像が得られる。このときの走査範囲をＸとする。この
走査範囲は、測定条件の変化などにより変化し、例えば
同じ電圧に対してもＸ’と狭くなる。そのときのＳＴＭ
像は（Ｃ）のようになり、画面上の長さはＸ／Ｘ’倍さ
れたことになる。従って変位計を用いてＸ’を測定して
Ｘ／Ｘ’の値を求め、（Ｃ）のＳＴＭ像をＸ’／Ｘ倍す
ることにより、補正後のＳＴＭ像（Ｄ）を得る。このと
きの変位計は光学顕微鏡のように精度の低いものでもよ
く、それで測定時の探針の動きをモニターすることによ
り、測定と同時に補正が行なえる。また取り込んだＳＴ
Ｍ像と光学像を比較して再較正を行なうことも可能であ
る。
アクチュエーターに三角波の電圧を印加して等間隔の周
期構造を有する回折格子等の試料を走査したときのＳＴ
Ｍ像は、一定間隔となるはずの格子間隔が（Ａ）に示す
ように右側では狭く、左側では広くなる。そこで、予め
探針の動きを精度の高い変位計で測定し、走査速度が一
定となるように較正テーブルを作り、それにより電圧を
印加すると（Ｂ）のように格子が一定間隔の正しいＳＴ
Ｍ像が得られる。このときの走査範囲をＸとする。この
走査範囲は、測定条件の変化などにより変化し、例えば
同じ電圧に対してもＸ’と狭くなる。そのときのＳＴＭ
像は（Ｃ）のようになり、画面上の長さはＸ／Ｘ’倍さ
れたことになる。従って変位計を用いてＸ’を測定して
Ｘ／Ｘ’の値を求め、（Ｃ）のＳＴＭ像をＸ’／Ｘ倍す
ることにより、補正後のＳＴＭ像（Ｄ）を得る。このと
きの変位計は光学顕微鏡のように精度の低いものでもよ
く、それで測定時の探針の動きをモニターすることによ
り、測定と同時に補正が行なえる。また取り込んだＳＴ
Ｍ像と光学像を比較して再較正を行なうことも可能であ
る。
【００１０】
【実施例】次に図面を参照しながら本発明の第一実施例
について説明する。本実施例はＳＴＭで、図１に示すよ
うに、下端に探針１２を取り付けた円筒形状の圧電アク
チュエーター１４を備えている。圧電アクチュエーター
１４は試料１６の上方に配置され、圧電アクチュエータ
ー駆動回路１８とＺ軸サーボ回路２０に従って探針１２
を移動させる。圧電アクチュエーター１４の内側には試
料面を光学的に観察するための対物レンズ２２が配置さ
れている。試料の光学像２６は、対物レンズ２２からの
観察光を受けるＣＣＤカメラ２４により得られる。
について説明する。本実施例はＳＴＭで、図１に示すよ
うに、下端に探針１２を取り付けた円筒形状の圧電アク
チュエーター１４を備えている。圧電アクチュエーター
１４は試料１６の上方に配置され、圧電アクチュエータ
ー駆動回路１８とＺ軸サーボ回路２０に従って探針１２
を移動させる。圧電アクチュエーター１４の内側には試
料面を光学的に観察するための対物レンズ２２が配置さ
れている。試料の光学像２６は、対物レンズ２２からの
観察光を受けるＣＣＤカメラ２４により得られる。
【００１１】予め印加電圧に対するアクチュエーター１
４の変位特性をレーザー変位計等の精密な変位計で求
め、探針１２の走査速度が一定になるように較正テーブ
ルを作る。圧電アクチュエーター駆動回路１８は、この
較正テーブルに基づいて較正した波形の電圧を圧電アク
チュエーター１４に供給する。この結果、探針１２は試
料１６の表面に沿って一定の速度で走査される。走査の
間、Ｚ軸サーボ回路２０はトンネル電流を一定に保つよ
うに圧電アクチュエーター１４を制御し、探針１２と試
料１６との間隔を一定に保つ。このとき圧電アクチュエ
ーター１８とＺ軸サーボ回路２０からの信号に基づいて
ＳＴＭ像が得られる。この間の探針１２の動きは対物レ
ンズ２２を通してＣＣＤカメラ２４に取り込まれる。こ
のときの光学像を図２に示す。（Ａ）は通常の光学像、
（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は測定中の光学像を順に示してい
る。ＳＴＭ測定中には、ＳＴＭ探針１２の先端が光学像
の中心に見え、探針１２の移動を光学像で確認できるの
で、（Ｃ）（Ｄ）より走査範囲Ｘ’が測定できる。光学
像２６とＳＴＭ像２８は比較回路３０で比較され、補正
回路３２により補正係数Ｘ’／Ｘが求められる。ＳＴＭ
像２８をＸ’／Ｘ倍することにより正しいＳＴＭ像３４
が得られる。
４の変位特性をレーザー変位計等の精密な変位計で求
め、探針１２の走査速度が一定になるように較正テーブ
ルを作る。圧電アクチュエーター駆動回路１８は、この
較正テーブルに基づいて較正した波形の電圧を圧電アク
チュエーター１４に供給する。この結果、探針１２は試
料１６の表面に沿って一定の速度で走査される。走査の
間、Ｚ軸サーボ回路２０はトンネル電流を一定に保つよ
うに圧電アクチュエーター１４を制御し、探針１２と試
料１６との間隔を一定に保つ。このとき圧電アクチュエ
ーター１８とＺ軸サーボ回路２０からの信号に基づいて
ＳＴＭ像が得られる。この間の探針１２の動きは対物レ
ンズ２２を通してＣＣＤカメラ２４に取り込まれる。こ
のときの光学像を図２に示す。（Ａ）は通常の光学像、
（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は測定中の光学像を順に示してい
る。ＳＴＭ測定中には、ＳＴＭ探針１２の先端が光学像
の中心に見え、探針１２の移動を光学像で確認できるの
で、（Ｃ）（Ｄ）より走査範囲Ｘ’が測定できる。光学
像２６とＳＴＭ像２８は比較回路３０で比較され、補正
回路３２により補正係数Ｘ’／Ｘが求められる。ＳＴＭ
像２８をＸ’／Ｘ倍することにより正しいＳＴＭ像３４
が得られる。
【００１２】次に本発明の第二実施例について説明す
る。本実施例は図４に示すように探針４２を取り付けた
ブロック４４に三本の圧電アクチュエーター４６と４８
と５０が互いに直交するように固定されている。この三
本の圧電アクチュエーター４６と４８と５０はいわゆる
トライポッドを構成し、探針４２を三次元方向に動かす
ことができる。ブロック４４の近くにはファイバーセン
サー５２が配置されている。このファイバーセンサー５
２は、ＳＴＭ測定中のブロック４４の変位を測定し、上
述した実施例と同様にしてＳＴＭ像を補正する。図では
Ｘ軸方向だけしか行なっていないが、同様にＹ軸とＺ軸
方向にも行なうことができる。
る。本実施例は図４に示すように探針４２を取り付けた
ブロック４４に三本の圧電アクチュエーター４６と４８
と５０が互いに直交するように固定されている。この三
本の圧電アクチュエーター４６と４８と５０はいわゆる
トライポッドを構成し、探針４２を三次元方向に動かす
ことができる。ブロック４４の近くにはファイバーセン
サー５２が配置されている。このファイバーセンサー５
２は、ＳＴＭ測定中のブロック４４の変位を測定し、上
述した実施例と同様にしてＳＴＭ像を補正する。図では
Ｘ軸方向だけしか行なっていないが、同様にＹ軸とＺ軸
方向にも行なうことができる。
【００１３】その他、はじめの較正は、予めパターンの
分かっているリファレンス試料を測定することにより行
なったり、精度が高い変位計を取り付け、それで較正と
補正の両方を行なうことも可能である。
分かっているリファレンス試料を測定することにより行
なったり、精度が高い変位計を取り付け、それで較正と
補正の両方を行なうことも可能である。
【００１４】
【発明の効果】本発明によれば、測定時に、探針による
試料の走査範囲を測定しているので、リファレンス試料
を用意するまでもなく、正確な試料表面の微細構造を測
定することができる。
試料の走査範囲を測定しているので、リファレンス試料
を用意するまでもなく、正確な試料表面の微細構造を測
定することができる。
【図１】本発明の第一実施例の構成を示す。
【図２】図１の装置で得られる光学像とＳＴＭ像を示
す。
す。
【図３】補正した正確なＳＴＭ像を得るまでの手順を説
明するための図である。
明するための図である。
【図４】本発明の第二実施例を示す。
【図５】圧電アクチュエーターの電圧変位特性を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図６】較正後の圧電アクチュエーターの時間変位特性
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図７】圧電アクチュエーターに印加する電圧と圧電ア
クチュエーターの変位のタイムチャートである。
クチュエーターの変位のタイムチャートである。
１２…探針、１４…圧電アクチュエーター、２４…ＣＣ
Ｄカメラ、３０…比較回路、３２…補正回路。
Ｄカメラ、３０…比較回路、３２…補正回路。
Claims (4)
- 【請求項１】 探針を走査して試料表面の微細構造の測
定データを得る表面構造測定装置において、 印加される電圧に応じて変位し、前記探針を走査させる
圧電素子と、 前記圧電素子に所望とする変位を与えるための電圧を印
加する電圧印加手段と、 前記探針もしくは前記圧電素子の実際の変位を測定する
変位検出手段と、 所望とする変位と実際の変位とを比較して補正量を求め
る手段と、 前記補正量に基づいて前記測定データを補正する手段と
を備えており、 前記変位検出手段は光学顕微鏡であり、この光学顕微鏡
により得られる光学像に基づいて、前記探針の実際の変
位を検出することを特徴とする表面構造測定装置。 - 【請求項２】 前記電圧印加手段は、前記圧電素子の電
圧変位特性を測定した較正テーブルを含み、この較正テ
ーブルに基づいて前記圧電素子に電圧を印加することを
特徴とする請求項１に記載の表面構造測定装置。 - 【請求項３】 探針を走査して試料表面の微細構造の測
定データを得る表面構造測定装置において、 前記測定データに基づく試料の測定像を構成する手段
と、 前記探針を走査した範囲を含む試料の光学像を構成する
手段と、 前記測定像と前記光学像とのスケールを一致させる補正
手段とを備えていることを特徴とする表面構造測定装
置。 - 【請求項４】 前記補正手段は、前記測定像と前記光学
像とのスケールを比較する比較回路と、前記比較回路か
らの出力信号に基づいて補正係数を求める補正回路とを
備え、前記補正係数に基づいて前記測定像を補正するこ
とを特徴とする請求項３に記載の表面構造測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3281560A JP3035395B2 (ja) | 1991-10-28 | 1991-10-28 | 表面構造測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3281560A JP3035395B2 (ja) | 1991-10-28 | 1991-10-28 | 表面構造測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05118807A JPH05118807A (ja) | 1993-05-14 |
| JP3035395B2 true JP3035395B2 (ja) | 2000-04-24 |
Family
ID=17640891
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3281560A Expired - Lifetime JP3035395B2 (ja) | 1991-10-28 | 1991-10-28 | 表面構造測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3035395B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5840404B2 (ja) * | 2011-07-12 | 2016-01-06 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | ステージ装置およびこれを用いた観察装置 |
-
1991
- 1991-10-28 JP JP3281560A patent/JP3035395B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05118807A (ja) | 1993-05-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20000118 |