JP3123607B2 - 圧電素子による微動機構の較正装置 - Google Patents
圧電素子による微動機構の較正装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧電素子による微動機構の較正装置に関し、
特に、例えば走査型トンネル顕微鏡（以下、STMと記
す）の探針の微動や観測試料の微動に使用される圧電素
子を利用した微動機構において非直線性等の較正データ
を作成し、実測時には較正データを用いて高精度の位置
決めを可能にする圧電素子による微動機構の較正装置に
関するものである。
特に、例えば走査型トンネル顕微鏡（以下、STMと記
す）の探針の微動や観測試料の微動に使用される圧電素
子を利用した微動機構において非直線性等の較正データ
を作成し、実測時には較正データを用いて高精度の位置
決めを可能にする圧電素子による微動機構の較正装置に
関するものである。
従来STMでは観測試料の表面に対して探針をオングス
トロームのオーダ（約10オングストローム）まで接近さ
せ、この距離を一定に保持した状態で試料の表面に沿っ
て探針が移動するように探針と試料の相対的位置を微小
に変化させることにより、当該試料の表面における原子
レベルの情報を得るようにしている。このSTMにおける
試料又は探針の微動機構にはアクチュエータとして圧電
素子を利用しているが、従来では特別な較正は行われて
いなかった。また、従来行われていた一般的な微細位置
決め装置における微動機構の較正には、レーザ等による
光学的な干渉作用を利用した測距装置を用いていた。
トロームのオーダ（約10オングストローム）まで接近さ
せ、この距離を一定に保持した状態で試料の表面に沿っ
て探針が移動するように探針と試料の相対的位置を微小
に変化させることにより、当該試料の表面における原子
レベルの情報を得るようにしている。このSTMにおける
試料又は探針の微動機構にはアクチュエータとして圧電
素子を利用しているが、従来では特別な較正は行われて
いなかった。また、従来行われていた一般的な微細位置
決め装置における微動機構の較正には、レーザ等による
光学的な干渉作用を利用した測距装置を用いていた。
STMの探針等のアクチュエータの如く圧電素子を利用
した微動機構では、従来ではその精度上特別に較正装置
を必要としなかったが、厳密には圧電素子はその特性と
して印加電圧と変位との関係において非直線性などが存
在し、その程度も圧電素子ごとに異なっているため、計
測に使用する場合には較正を行うことが望ましい。この
ような圧電素子を利用した微動機構の較正を行うに当っ
て、従来の測距装置による較正法では例えばレーザ変位
計の場合には0.02μｍの精度が限界であり、これに対し
て圧電装置による微動機構では0.1nm程度の精度を要求
されるので、従来の測距装置を用いて較正を行うことは
不可能であった。
した微動機構では、従来ではその精度上特別に較正装置
を必要としなかったが、厳密には圧電素子はその特性と
して印加電圧と変位との関係において非直線性などが存
在し、その程度も圧電素子ごとに異なっているため、計
測に使用する場合には較正を行うことが望ましい。この
ような圧電素子を利用した微動機構の較正を行うに当っ
て、従来の測距装置による較正法では例えばレーザ変位
計の場合には0.02μｍの精度が限界であり、これに対し
て圧電装置による微動機構では0.1nm程度の精度を要求
されるので、従来の測距装置を用いて較正を行うことは
不可能であった。
本発明の目的は、超微細の位置決めを行うことができ
る圧電素子による微動機構において、当該微動機構に使
用される圧電素子の非直線特性を較正できる圧電素子に
よる微動機構の較正装置を提供することにある。
る圧電素子による微動機構において、当該微動機構に使
用される圧電素子の非直線特性を較正できる圧電素子に
よる微動機構の較正装置を提供することにある。
本発明に係わる第１の圧電素子による微動機構の較正
装置は、圧電素子により10オングストローム未満のＸ及
びＹ方向に位置変化を行うXY微動機構と、このXY微動機
構の上に載置されるXY方向及びXY方向に直交するＺ方向
の表面構造が既知の較正用試料と、この較正用試料に接
近して配置される探針と、この探針のＺ方向位置を変化
させる探針制御機構と、前記探針と前記校正用試料との
間のＺ方向の距離を一定に保つため前記探針制御機構に
Ｚ位置制御信号を与える探針制御手段と、前記XY微動機
構にＸ又はＹ方向に一定間隔の移動動作を行わせるため
にXY制御信号を与えるXY微動機構制御手段と、前記探針
制御機構及び探針制御手段と前記XY微動機構及びXY微動
機構制御手段とを作動させ前記較正用試料の表面構造を
検出したとき、前記探針制御機構に与えられた前記Ｚ位
置制御信号を基にこのＺ位置制御信号に対応する前記XY
微動機構に与えられたXY制御信号と前記XY微動機構が実
際に移動した距離とを前記較正用試料の表面構造を基準
にして検出し、前記XY微動機構が等間隔で移動するよう
に前記XY制御信号を較正する較正用データを作成し記憶
すると共に実際の試料観測のときには前記較正用データ
を前記XY微動機構制御手段に与える較正データ計算・記
憶手段とから構成される。
装置は、圧電素子により10オングストローム未満のＸ及
びＹ方向に位置変化を行うXY微動機構と、このXY微動機
構の上に載置されるXY方向及びXY方向に直交するＺ方向
の表面構造が既知の較正用試料と、この較正用試料に接
近して配置される探針と、この探針のＺ方向位置を変化
させる探針制御機構と、前記探針と前記校正用試料との
間のＺ方向の距離を一定に保つため前記探針制御機構に
Ｚ位置制御信号を与える探針制御手段と、前記XY微動機
構にＸ又はＹ方向に一定間隔の移動動作を行わせるため
にXY制御信号を与えるXY微動機構制御手段と、前記探針
制御機構及び探針制御手段と前記XY微動機構及びXY微動
機構制御手段とを作動させ前記較正用試料の表面構造を
検出したとき、前記探針制御機構に与えられた前記Ｚ位
置制御信号を基にこのＺ位置制御信号に対応する前記XY
微動機構に与えられたXY制御信号と前記XY微動機構が実
際に移動した距離とを前記較正用試料の表面構造を基準
にして検出し、前記XY微動機構が等間隔で移動するよう
に前記XY制御信号を較正する較正用データを作成し記憶
すると共に実際の試料観測のときには前記較正用データ
を前記XY微動機構制御手段に与える較正データ計算・記
憶手段とから構成される。
本発明に係わる第２の圧電素子による微動機構の較正
装置は、載置台の上に載置されるＸ、Ｙ方向及びXY方向
に直交するＺ方向の表面構造が既知の較正用試料と、こ
の較正用試料に接近して配置される探針と、この探針が
設けられた圧電素子で構成されるXYZ微動機構と、このX
YZ微動機構で前記探針の位置をＸ、Ｙ、Ｚの３次元方向
に10オングストローム未満の範囲で変化させる探針制御
機構と、前記探針と前記較正用試料との間の距離を一定
に保つため前記探針制御機構にＺ位置制御信号を与える
と共に前記XYZ微動機構のＸ又はＹ方向に一定間隔の移
動動作を行わせるためのXY位置制御信号を与える探針制
御手段と、前記XYZ微動機構と探針制御手段とを作動さ
せ前記較正用試料の表面構造を検出したとき、前記探針
制御機構に与えられた前記Ｚ位置制御信号を基にこのＺ
位置制御信号に対応する前記XY位置制御信号と前記XYZ
微動機構が実際に移動した距離とを前記較正用試料の表
面構造を基準にして検出し、前記XYZ微動機構が等間隔
で移動するように前記XY位置制御信号を較正する較正用
データを作成し記憶すると共に実際の試料観測のときに
は前記較正用データを前記探針制御手段に与える較正デ
ータ計算・記憶手段とから構成される。
装置は、載置台の上に載置されるＸ、Ｙ方向及びXY方向
に直交するＺ方向の表面構造が既知の較正用試料と、こ
の較正用試料に接近して配置される探針と、この探針が
設けられた圧電素子で構成されるXYZ微動機構と、このX
YZ微動機構で前記探針の位置をＸ、Ｙ、Ｚの３次元方向
に10オングストローム未満の範囲で変化させる探針制御
機構と、前記探針と前記較正用試料との間の距離を一定
に保つため前記探針制御機構にＺ位置制御信号を与える
と共に前記XYZ微動機構のＸ又はＹ方向に一定間隔の移
動動作を行わせるためのXY位置制御信号を与える探針制
御手段と、前記XYZ微動機構と探針制御手段とを作動さ
せ前記較正用試料の表面構造を検出したとき、前記探針
制御機構に与えられた前記Ｚ位置制御信号を基にこのＺ
位置制御信号に対応する前記XY位置制御信号と前記XYZ
微動機構が実際に移動した距離とを前記較正用試料の表
面構造を基準にして検出し、前記XYZ微動機構が等間隔
で移動するように前記XY位置制御信号を較正する較正用
データを作成し記憶すると共に実際の試料観測のときに
は前記較正用データを前記探針制御手段に与える較正デ
ータ計算・記憶手段とから構成される。
本発明に係る圧電素子による微動機構の較正装置で
は、前記の第２の装置構成において、微動機構がそれぞ
れ３次元の各方向に独立して探針を移動させることでき
る圧電素子を有し、これらの各次元の圧電素子の少なく
ともいずれか１つについてその較正データを作成するよ
うに構成することもできる。
は、前記の第２の装置構成において、微動機構がそれぞ
れ３次元の各方向に独立して探針を移動させることでき
る圧電素子を有し、これらの各次元の圧電素子の少なく
ともいずれか１つについてその較正データを作成するよ
うに構成することもできる。
また本発明に係る圧電素子による微動機構の較正装置
は、前記の各装置構成において、較正される対象が微動
機構に含まれる圧電素子の非直線性であることを特徴と
する。
は、前記の各装置構成において、較正される対象が微動
機構に含まれる圧電素子の非直線性であることを特徴と
する。
前記の第１の圧電素子による微動機構の較正装置で
は、微動機構の上に較正用試料を載置し、微動機構制御
手段から微動機構に位置データを与えて較正用試料を微
動させ、探針を較正用試料の表面に対して相対的に移動
させて、探針と較正用試料との距離が一定になるように
探針の高さ方向の位置に関し探針制御手段を介して制御
が行われる。探針制御手段からは較正データ計算・記憶
手段に対して平面的位置情報に対する探針の高さ方向の
位置情報として取り込まれる。較正データ計算・記録手
段は、微動機構制御手段が微動機構に与えた位置データ
と、較正用試料が実際に移動したデータとを較正用試料
の既知の表面構造を基準に比較判定し、微動機構の特性
を較正するデータを作成し、その後の実際の試料観測に
利用する。
は、微動機構の上に較正用試料を載置し、微動機構制御
手段から微動機構に位置データを与えて較正用試料を微
動させ、探針を較正用試料の表面に対して相対的に移動
させて、探針と較正用試料との距離が一定になるように
探針の高さ方向の位置に関し探針制御手段を介して制御
が行われる。探針制御手段からは較正データ計算・記憶
手段に対して平面的位置情報に対する探針の高さ方向の
位置情報として取り込まれる。較正データ計算・記録手
段は、微動機構制御手段が微動機構に与えた位置データ
と、較正用試料が実際に移動したデータとを較正用試料
の既知の表面構造を基準に比較判定し、微動機構の特性
を較正するデータを作成し、その後の実際の試料観測に
利用する。
前記の第２の圧電素子による微動機構の較正装置で
は、載置台に較正用試料を載置し、この較正用試料に対
し探針を所定の位置関係で配置し、微動機構制御手段か
ら探針制御機構の微動機構に位置データを与えて探針を
微動させ、探針を較正用試料の表面に対して相対的に移
動させて、探針と較正用試料との距離が一定になるよう
に探針の高さ方向の位置に関し探針制御手段を介して制
御が行われる。探針制御手段からは較正データ計算・記
憶手段に対して平面的位置情報に対する探針の高さ方向
の位置情報として取り込まれる。較正データ計算・記録
手段は、微動機構制御手段が微動機構に与えた位置デー
タと、探針が実際に移動したデータとを較正用試料の既
知の表面構造を基準に比較判定し、微動機構の特性を較
正するデータを作成し、その後の実際の試料観測に利用
する。
は、載置台に較正用試料を載置し、この較正用試料に対
し探針を所定の位置関係で配置し、微動機構制御手段か
ら探針制御機構の微動機構に位置データを与えて探針を
微動させ、探針を較正用試料の表面に対して相対的に移
動させて、探針と較正用試料との距離が一定になるよう
に探針の高さ方向の位置に関し探針制御手段を介して制
御が行われる。探針制御手段からは較正データ計算・記
憶手段に対して平面的位置情報に対する探針の高さ方向
の位置情報として取り込まれる。較正データ計算・記録
手段は、微動機構制御手段が微動機構に与えた位置デー
タと、探針が実際に移動したデータとを較正用試料の既
知の表面構造を基準に比較判定し、微動機構の特性を較
正するデータを作成し、その後の実際の試料観測に利用
する。
前記の各較正装置では、特に微動機構の非直線性を較
正する。
正する。
以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明す
る。
る。
第１図は本発明の圧電素子による微動機構の較正装置
を示すブロック図であり、この較正装置はSTMの観測試
料の位置を変化させる微動機構に適用した例を示してい
る。
を示すブロック図であり、この較正装置はSTMの観測試
料の位置を変化させる微動機構に適用した例を示してい
る。
第１図において、１は較正の対象となる微動機構であ
り、この微動機構１はアクチュエータとして圧電素子が
使用されている。微動機構１の上面には通常は観測用の
試料が載置される。第１図中に載置されている試料２
は、微動機構１の動作特性を較正するために使用される
較正用試料である。そのため較正用試料２にはカーボン
グラファイトやシリコンなど結晶格子定数が既知で且つ
表面が高度に平滑な試料が使用される。微動機構１は除
振機構台３の上に固設されており、この載置構造により
振動によって与えられる試料への外乱を除去している。
微動機構１における微動のための動作は、微動機構制御
回路４から与えられる制御信号により行われる。また微
動機構１では第１図中において水平面（xy平面と定義す
る）内での試料微動が行われる。
り、この微動機構１はアクチュエータとして圧電素子が
使用されている。微動機構１の上面には通常は観測用の
試料が載置される。第１図中に載置されている試料２
は、微動機構１の動作特性を較正するために使用される
較正用試料である。そのため較正用試料２にはカーボン
グラファイトやシリコンなど結晶格子定数が既知で且つ
表面が高度に平滑な試料が使用される。微動機構１は除
振機構台３の上に固設されており、この載置構造により
振動によって与えられる試料への外乱を除去している。
微動機構１における微動のための動作は、微動機構制御
回路４から与えられる制御信号により行われる。また微
動機構１では第１図中において水平面（xy平面と定義す
る）内での試料微動が行われる。
微動機構１の上面に載置された試料の上方位置には探
針５が配設される。この探針５は、その先端が試料の表
面にナノメートルのオーダの距離で接近するように配置
されており、そのような近接状態に配置される結果、所
要の低電圧を印加すると探針５の先端と試料の表面との
間にはトンネル電流が流れる。このトンネル電流はトン
ネル現象の原理に基づいて流れる少流量の電流である。
探針５を流れるトンネル電流はトンネル電流検出回路６
によって検出される。探針５は探針制御機構７に取付け
られ、更に探針制御機構７は、除振機構台３に固設され
た支持台８に取付けられる。探針制御機構７は探針５の
位置を変化させるアクチュエータとして圧電素子を含ん
でおり、この圧電素子によって探針５を第１図中上下方
向、すなわちｚ方向にのみその位置を変化させる。探針
５と試料の表面の距離は、1nm以内の距離に設定され、
試料表面の凹凸に対し前記距離を常に一定に維持するた
めに探針制御機構７は探針制御回路９からの制御信号に
基づき制御を行う。
針５が配設される。この探針５は、その先端が試料の表
面にナノメートルのオーダの距離で接近するように配置
されており、そのような近接状態に配置される結果、所
要の低電圧を印加すると探針５の先端と試料の表面との
間にはトンネル電流が流れる。このトンネル電流はトン
ネル現象の原理に基づいて流れる少流量の電流である。
探針５を流れるトンネル電流はトンネル電流検出回路６
によって検出される。探針５は探針制御機構７に取付け
られ、更に探針制御機構７は、除振機構台３に固設され
た支持台８に取付けられる。探針制御機構７は探針５の
位置を変化させるアクチュエータとして圧電素子を含ん
でおり、この圧電素子によって探針５を第１図中上下方
向、すなわちｚ方向にのみその位置を変化させる。探針
５と試料の表面の距離は、1nm以内の距離に設定され、
試料表面の凹凸に対し前記距離を常に一定に維持するた
めに探針制御機構７は探針制御回路９からの制御信号に
基づき制御を行う。
前記のトンネル電流検出回路６は、探針５に数ボルト
のバイアス電圧を印加し、これにより前述した如く探針
５からトンネル電流を検出する。また探針制御回路９
は、トンネル電流の量が探針５の先端と試料の表面の距
離に依存して決まることから、トンネル電流が常に一定
となるように探針５の位置を探針制御機構７を介して制
御するものである。探針制御回路９はトンネル電流検出
回路６の検出信号に基づき位置制御信号を発生し、この
信号を探針制御機構７に与える。
のバイアス電圧を印加し、これにより前述した如く探針
５からトンネル電流を検出する。また探針制御回路９
は、トンネル電流の量が探針５の先端と試料の表面の距
離に依存して決まることから、トンネル電流が常に一定
となるように探針５の位置を探針制御機構７を介して制
御するものである。探針制御回路９はトンネル電流検出
回路６の検出信号に基づき位置制御信号を発生し、この
信号を探針制御機構７に与える。
なお前記支持台８は、探針７と試料との距離が、自身
のたわみによって変化しないようにするだけの十分な剛
性を有しているものとする。
のたわみによって変化しないようにするだけの十分な剛
性を有しているものとする。
10は較正データ計算・記憶装置であり、一般的にコン
ピュータ又は専用回路により作製されるものである。較
正データ計算・記憶装置10は、微動機構制御回路４から
の微動機構１の移動データと探針制御回路９とからの探
針位置データを入力し、これらのデータを用いて計算を
行い、較正データを算出し、算出した較正データを記憶
する機能を有している。
ピュータ又は専用回路により作製されるものである。較
正データ計算・記憶装置10は、微動機構制御回路４から
の微動機構１の移動データと探針制御回路９とからの探
針位置データを入力し、これらのデータを用いて計算を
行い、較正データを算出し、算出した較正データを記憶
する機能を有している。
上記の構成の大部分はSTMで知られる構成であるが、
観測試料として較正用試料２を用いている点、較正デー
タ計算・記録装置10を備えている点に特徴を有してい
る。次に上記構成を有する較正装置による較正方法につ
いて説明する。
観測試料として較正用試料２を用いている点、較正デー
タ計算・記録装置10を備えている点に特徴を有してい
る。次に上記構成を有する較正装置による較正方法につ
いて説明する。
前述したように微動機構１ではnm（ナノメートル）の
領域の位置精度を得るためにアクチュエータとして圧電
素子を使用している。この圧電素子は、試料をxy平面内
においてｘ方向あるいはｙ方向に移動させるため、それ
ぞれの方向に関して圧電素子が用意される。そこで、こ
こでは例えばｘ方向の圧電素子についてその動作特性の
較正を行う例について説明する。圧電素子は、印加電圧
とその印加電圧による長さ変位との間において、その圧
電素子固有の非直線性を有している。微動機構１のｘ方
向圧電素子の固有の非直線性がｘ方向に関する試料の位
置決め精度を低減させる。そのために、圧電素子の非直
線性を較正する必要がある。
領域の位置精度を得るためにアクチュエータとして圧電
素子を使用している。この圧電素子は、試料をxy平面内
においてｘ方向あるいはｙ方向に移動させるため、それ
ぞれの方向に関して圧電素子が用意される。そこで、こ
こでは例えばｘ方向の圧電素子についてその動作特性の
較正を行う例について説明する。圧電素子は、印加電圧
とその印加電圧による長さ変位との間において、その圧
電素子固有の非直線性を有している。微動機構１のｘ方
向圧電素子の固有の非直線性がｘ方向に関する試料の位
置決め精度を低減させる。そのために、圧電素子の非直
線性を較正する必要がある。
そこで、微動機構１の上面に既知の結晶格子定数を有
する標準サンプルである較正用試料２を載置する。従っ
て較正用試料２の表面構造は既知である。そして、かか
る較正用試料２に対し、STMの通常の測定機能を利用し
て較正用試料２の表面の原子レベルの凹凸を測定し、こ
の測定データと既知の結晶格子定数値を目盛りとして用
いて較正データを算出する。すなわち、微動機構制御回
路４から微動機構１のｘ方向圧電素子に対し位置指令デ
ータを電圧Ｖの形式（V1〜V5）で与え、較正用試料２を
ｘ方向に移動させる。微動機構制御回路４及び微動機構
１によって較正用試料２をｘ方向に移動させている間
に、較正用試料２に対し所要の距離で配置した探針５に
よりトンネル電流を検出し、この検出されたトンネル電
流を利用して較正用試料２の表面の凹凸を測定し、凹凸
データを得る。微動機構制御回路４が微動機構１のｘ方
向圧電素子に与える位置指令データと、探針５が計測
し、探針制御回路９から取り出される較正用試料２の表
面の凹凸に関するデータとを較正データ計算・記録装置
10に取込む。較正データ計算・記録装置10において、上
記の位置指令データと凹凸に関するデータとを用いて較
正データが計算される。較正データの計算の仕方として
は次の通りである。本来較正用試料２をSTMで測定する
と、STMで得られる画像において、ｘ方向について等間
隔で規則正しい凹凸が観察されなければならない。しか
し、ｘ方向圧電素子に非直線性が存在すると、ｘ方向に
ついて観察した画像に歪みが生じ、非直線性に起因して
規則正しい凹凸の距離が等間隔となって現れない。この
状態を第２図（ａ）に示す。第２図（ａ）で明らかなよ
うに、等間隔の電圧（横軸）に対し距離ｌ（縦軸）は次
第に大きくなり、非直線性が現れている。このように、
前記画像の歪みからｘ方向の圧電素子の非直線性特性が
判明する。そこで、非直線の歪み特性を打ち消すように
微動機構１を移動させるための位置データを変更する。
変更した状態の特性図を第２図（ｂ）に示す。この変更
特性によれば、距離ｌにおいて等間隔の特性▲ｌ′ ｎ▼
となるように位置データを表す電圧▲Ｖ′ ｎ▼を、大き
くなるに従い収縮させている。これによって、電圧Ｖ′
を位置データとして微動機構制御回路４から微動機構１
のｘ方向圧電素子に与えて制御を行えば、見掛上直線性
が保たれることになる。
する標準サンプルである較正用試料２を載置する。従っ
て較正用試料２の表面構造は既知である。そして、かか
る較正用試料２に対し、STMの通常の測定機能を利用し
て較正用試料２の表面の原子レベルの凹凸を測定し、こ
の測定データと既知の結晶格子定数値を目盛りとして用
いて較正データを算出する。すなわち、微動機構制御回
路４から微動機構１のｘ方向圧電素子に対し位置指令デ
ータを電圧Ｖの形式（V1〜V5）で与え、較正用試料２を
ｘ方向に移動させる。微動機構制御回路４及び微動機構
１によって較正用試料２をｘ方向に移動させている間
に、較正用試料２に対し所要の距離で配置した探針５に
よりトンネル電流を検出し、この検出されたトンネル電
流を利用して較正用試料２の表面の凹凸を測定し、凹凸
データを得る。微動機構制御回路４が微動機構１のｘ方
向圧電素子に与える位置指令データと、探針５が計測
し、探針制御回路９から取り出される較正用試料２の表
面の凹凸に関するデータとを較正データ計算・記録装置
10に取込む。較正データ計算・記録装置10において、上
記の位置指令データと凹凸に関するデータとを用いて較
正データが計算される。較正データの計算の仕方として
は次の通りである。本来較正用試料２をSTMで測定する
と、STMで得られる画像において、ｘ方向について等間
隔で規則正しい凹凸が観察されなければならない。しか
し、ｘ方向圧電素子に非直線性が存在すると、ｘ方向に
ついて観察した画像に歪みが生じ、非直線性に起因して
規則正しい凹凸の距離が等間隔となって現れない。この
状態を第２図（ａ）に示す。第２図（ａ）で明らかなよ
うに、等間隔の電圧（横軸）に対し距離ｌ（縦軸）は次
第に大きくなり、非直線性が現れている。このように、
前記画像の歪みからｘ方向の圧電素子の非直線性特性が
判明する。そこで、非直線の歪み特性を打ち消すように
微動機構１を移動させるための位置データを変更する。
変更した状態の特性図を第２図（ｂ）に示す。この変更
特性によれば、距離ｌにおいて等間隔の特性▲ｌ′ ｎ▼
となるように位置データを表す電圧▲Ｖ′ ｎ▼を、大き
くなるに従い収縮させている。これによって、電圧Ｖ′
を位置データとして微動機構制御回路４から微動機構１
のｘ方向圧電素子に与えて制御を行えば、見掛上直線性
が保たれることになる。
以上の説明では微動機構１のｘ方向の移動に関与する
圧電素子の非直線性の較正の説明であったが、ｙ方向の
移動に関与する圧電素子についても前記と同様にその非
直線性を較正することができる。
圧電素子の非直線性の較正の説明であったが、ｙ方向の
移動に関与する圧電素子についても前記と同様にその非
直線性を較正することができる。
上記較正が終了した後、試料を第１図中水平面（xy平
面）に移動させる微動機構１に設けられたx,yの各方向
に圧電素子について較正データが較正データ計算・記録
装置10に記憶される。そして微動機構１の上面に観測対
象の試料を載置して当該試料をSTMで測定する場合にお
いて、xy平面内で試料を微動するときには、較正データ
計算・記録装置10に記憶された較正データを用いて微動
制御を行う。
面）に移動させる微動機構１に設けられたx,yの各方向
に圧電素子について較正データが較正データ計算・記録
装置10に記憶される。そして微動機構１の上面に観測対
象の試料を載置して当該試料をSTMで測定する場合にお
いて、xy平面内で試料を微動するときには、較正データ
計算・記録装置10に記憶された較正データを用いて微動
制御を行う。
前記実施例のSTMでは、xy平面内の微動については微
動機構１によって試料を微動し、xy平面に垂直なｚ方向
の微動については探針制御機構７により探針５を微動さ
せるように構成されていた。一方、STMにおける圧電素
子を用いた微動機構としては、例えばトライポッド微動
素子のように１つの微動素子に３次元の各方向の微動に
関与する３個の圧電素子を備え、これらの各圧電素子に
より探針をx,y,zの各方向について移動させる微動機構
が存在する。この探針用微動機構は探針制御機構の中に
含まれる。このような構成を有する微動機構の場合にも
前記実施例の場合と同様に標準サンプルである較正用試
料２を用いて微動機構のx,y方向に関与する圧電素子の
非直線性を較正することができる。ただし、この場合に
は前記微動機構１は存在しないので、較正用試料２は固
定状態で取付けられており、この較正用試料２の表面に
対して探針が３次元微動素子によりｘ又はｙの方向に微
動されながら、且つｚ方向について探針先端と試料表面
との間が微細な一定距離に維持される。これによってｘ
又はｙの方向の圧電素子については、その非直線性を較
正することができる。
動機構１によって試料を微動し、xy平面に垂直なｚ方向
の微動については探針制御機構７により探針５を微動さ
せるように構成されていた。一方、STMにおける圧電素
子を用いた微動機構としては、例えばトライポッド微動
素子のように１つの微動素子に３次元の各方向の微動に
関与する３個の圧電素子を備え、これらの各圧電素子に
より探針をx,y,zの各方向について移動させる微動機構
が存在する。この探針用微動機構は探針制御機構の中に
含まれる。このような構成を有する微動機構の場合にも
前記実施例の場合と同様に標準サンプルである較正用試
料２を用いて微動機構のx,y方向に関与する圧電素子の
非直線性を較正することができる。ただし、この場合に
は前記微動機構１は存在しないので、較正用試料２は固
定状態で取付けられており、この較正用試料２の表面に
対して探針が３次元微動素子によりｘ又はｙの方向に微
動されながら、且つｚ方向について探針先端と試料表面
との間が微細な一定距離に維持される。これによってｘ
又はｙの方向の圧電素子については、その非直線性を較
正することができる。
また３次元方向の各圧電素子を備えた微動素子の取付
け状態を変更し且つ単一の探針の取付け位置を変更する
ことにより、微動素子におけるｚ方向の微動に関与する
圧電素子の較正も行うことができる。更に第３図は予め
xy較正用探針11とyz較正用探針12の２つの探針を備えた
微動素子を示し、第３図に示されるように取り付け状態
を（Ａ）の状態から（Ｂ）の状態に変更することにより
ｘ及びｙの方向の較正とｚ方向の較正を行うことが可能
となる。なお第３図において、13はｘ方向用圧電素子、
14はｙ方向用圧電素子、15はｚ方向用圧電素子である。
け状態を変更し且つ単一の探針の取付け位置を変更する
ことにより、微動素子におけるｚ方向の微動に関与する
圧電素子の較正も行うことができる。更に第３図は予め
xy較正用探針11とyz較正用探針12の２つの探針を備えた
微動素子を示し、第３図に示されるように取り付け状態
を（Ａ）の状態から（Ｂ）の状態に変更することにより
ｘ及びｙの方向の較正とｚ方向の較正を行うことが可能
となる。なお第３図において、13はｘ方向用圧電素子、
14はｙ方向用圧電素子、15はｚ方向用圧電素子である。
以上の説明で明らかなように本発明によれば、STMに
おいて表面構造が既知の較正用試料を用いてその表面の
原子レベルの情報を取り出し、この情報に基づいて圧電
素子による微動機構の非直線性を較正するようにしたた
め、STMにおける実際の測定においては高い精度で測定
を行うことができ、測定精度を向上させることができ
る。また上記の圧電素子の較正のための作動を通して、
微動機構の実際の移動距離を定量的に把握することがで
きるという利点もある。更にSTMにおける測定後のソフ
ト的な処理ではなく測定時の補正として測定画像の歪み
をなくすことができ、簡単に画像歪みを修正することが
できる。
おいて表面構造が既知の較正用試料を用いてその表面の
原子レベルの情報を取り出し、この情報に基づいて圧電
素子による微動機構の非直線性を較正するようにしたた
め、STMにおける実際の測定においては高い精度で測定
を行うことができ、測定精度を向上させることができ
る。また上記の圧電素子の較正のための作動を通して、
微動機構の実際の移動距離を定量的に把握することがで
きるという利点もある。更にSTMにおける測定後のソフ
ト的な処理ではなく測定時の補正として測定画像の歪み
をなくすことができ、簡単に画像歪みを修正することが
できる。
第１図は本発明に係る較正装置の構成を示すブロック
図、第２図は較正の仕方を示す説明図、第３図は２つの
探針を備えた圧電素子及びその使用態様を示す斜視図で
ある。 〔符号の説明〕 １……微動機構 ２……較正用試料 ４……微動機構制御回路 ５……探針 ６……トンネル電流検出回路 ７……探針制御機構 ９……探針制御回路 10……較正データ計算・記録装置
図、第２図は較正の仕方を示す説明図、第３図は２つの
探針を備えた圧電素子及びその使用態様を示す斜視図で
ある。 〔符号の説明〕 １……微動機構 ２……較正用試料 ４……微動機構制御回路 ５……探針 ６……トンネル電流検出回路 ７……探針制御機構 ９……探針制御回路 10……較正データ計算・記録装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 昭 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社土浦工場内 (72)発明者 東海林 宏明 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社土浦工場内 (72)発明者 五十嵐 照夫 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社土浦工場内 (72)発明者 下平 貴之 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社土浦工場内 (72)発明者 山本 光 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社土浦工場内 (72)発明者 黒田 浩史 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社土浦工場内 (72)発明者 羽崎 栄市 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社日 立製作所那珂工場内 (56)参考文献 特開 平２−265155（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−296778（ＪＰ，Ａ)
Claims (4)
- 【請求項１】圧電素子により10オングストローム未満の
Ｘ及びＹ方向に位置変化を行うXY微動機構と、 このXY微動機構の上に載置されるXY方向及びXY方向に直
交するＺ方向の表面構造が既知の較正用試料と、 この較正用試料に接近して配置される探針と、 この探針のＺ方向位置を変化させる探針制御機構と、 前記探針と前記校正用試料との間のＺ方向の距離を一定
に保つため前記探針制御機構にＺ位置制御信号を与える
探針制御手段と、 前記XY微動機構にＸ又はＹ方向に一定間隔の移動動作を
行わせるためにXY制御信号を与えるXY微動機構制御手段
と、 前記探針制御機構及び探針制御手段と前記XY微動機構及
びXY微動機構制御手段とを作動させ前記較正用試料の表
面構造を検出したとき、前記探針制御機構に与えられた
前記Ｚ位置制御信号を基にこのＺ位置制御信号に対応す
る前記XY微動機構に与えられたXY制御信号と前記XY微動
機構が実際に移動した距離とを前記較正用試料の表面構
造を基準にして検出し、前記XY微動機構が等間隔で移動
するように前記XY制御信号を較正する較正用データを作
成し記憶すると共に実際の試料観測のときには前記較正
用データを前記XY微動機構制御手段に与える較正データ
計算・記憶手段とからなることを特徴とする圧電素子に
よる微動機構の較正装置。 - 【請求項２】載置台の上に載置されるＸ、Ｙ方向及びXY
方向に直交するＺ方向の表面構造が既知の較正用試料
と、 この較正用試料に接近して配置される探針と、 この探針が設けられた圧電素子で構成されるXYZ微動機
構と、 このXYZ微動機構で前記探針の位置をＸ、Ｙ、Ｚの３次
元方向に10オングストローム未満の範囲で変化させる探
針制御機構と、 前記探針と前記較正用試料との間の距離を一定に保つた
め前記探針制御機構にＺ位置制御信号を与えると共に前
記XYZ微動機構のＸ又はＹ方向に一定間隔の移動動作を
行わせるためのXY位置制御信号を与える探針制御手段
と、 前記XYZ微動機構と探針制御手段とを作動させ前記較正
用試料の表面構造を検出したとき、前記探針制御機構に
与えられた前記Ｚ位置制御信号を基にこのＺ位置制御信
号に対応する前記XY位置制御信号と前記XYZ微動機構が
実際に移動した距離とを前記較正用試料の表面構造を基
準にして検出し、前記XYZ微動機構が等間隔で移動する
ように前記XY位置制御信号を較正する較正用データを作
成し記憶すると共に実際の試料観測のときには前記較正
用データを前記探針制御手段に与える較正データ計算・
記憶手段とからなることを特徴とする圧電素子による微
動機構の較正装置。 - 【請求項３】請求項２記載の圧電素子による微動機構の
較正装置において、前記XYZ微動機構はそれぞれ３次元
の各方向に独立して前記探針を移動させることができる
圧電素子を有し、これらの各次元の圧電素子の少なくと
もいずれか１つについてその較正用データを作成するよ
うにしたことを特徴とする圧電素子による微動機構の較
正装置。 - 【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電
素子による微動機構の較正装置において、較正される対
象が微動機構に含まれる圧電素子の非直線性であること
を特徴とする圧電素子による微動機構の較正装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02118054A JP3123607B2 (ja) | 1990-05-08 | 1990-05-08 | 圧電素子による微動機構の較正装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02118054A JP3123607B2 (ja) | 1990-05-08 | 1990-05-08 | 圧電素子による微動機構の較正装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0414112A JPH0414112A (ja) | 1992-01-20 |
| JP3123607B2 true JP3123607B2 (ja) | 2001-01-15 |
Family
ID=14726878
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02118054A Expired - Fee Related JP3123607B2 (ja) | 1990-05-08 | 1990-05-08 | 圧電素子による微動機構の較正装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3123607B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107703332A (zh) * | 2017-09-05 | 2018-02-16 | 广州市本原纳米仪器有限公司 | 一种基于扫描速度的压电扫描器扫描范围校正方法及系统 |
-
1990
- 1990-05-08 JP JP02118054A patent/JP3123607B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0414112A (ja) | 1992-01-20 |
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