JP3617242B2 - 微小変位量測定機構および微小量移動機構 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の変位量を原子スケールの精度で測定することのできる微小変位量測定機構と、物体を原子スケールの精度で移動させることのできる微小量移動機構に関する。
【0002】
【従来の技術】
原子スケールの微小距離移動ないしは微小変位量を計測するための機構としては、従来、X線干渉計を用いた構成等が知られている。
【0003】
また、近年、走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡の探針と、温調したシリコン結晶等の基準格子を用いた測長および移動機構が研究されている(川勝他「結晶格子を用いた測長と位置決め」、生産研究43巻11号(1991.11)。この研究においては、走査型プローブ顕微鏡においてxy方向に移動する試料台の表面側および裏面側のそれぞれに、z方向への移動機能を持つ探針を設けるとともに、試料台の表面側に被測定試料を、裏面側にはスケール基準となる結晶格子を装着して、表面側の探針を通常の走査探針として用いる一方、裏面側の探針により結晶格子の像を観察して、その結晶格子構造の像を目盛りとして用いて、表面側の走査探針と被測定試料(試料台)との刻々の位置情報を得るようにしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来の微小変位量の計測機構のうち、X線干渉計を用いたものでは装置構成が大がかりとなり、また、走査型プローブ顕微鏡の試料台の表裏両面に探針を設けて、一方の探針による結晶格子の観察像を基準スケールとして試料台の移動量を計測する方法では、試料台以外の任意の位置に置かれた物体の変位量を測定することはできない。
【0005】
本発明の目的は、構成が大がかりとなることなく、任意の物体の変位を原子スケールの精度のもとに測定することのできる微小変位量測定機構と、同じく任意の物体を原子スケールの精度で移動させることのできる微小量移動機構を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に係る微小変位量測定機構は、その実施の形態を表す図1に示すように、走査型プローブ顕微鏡1と、その試料台11に固定された基準格子2と、当該走査型プローブ顕微鏡1の走査系の移動部(例えば試料台11)および変位測定対象Wにそれぞれ装着された反射鏡31,32の間に構成された光学干渉計3と、その光学干渉計3からの干渉光信号に応じて走査型プローブ顕微鏡1の走査量を制御する制御手段4と、走査型プローブ顕微鏡1の走査による基準格子2の像を基準スケールに用いて当該走査型プローブ顕微鏡1の走査系の移動量を計測し、その計測結果をもとに変位測定対象Wの微小変位量を算出する演算手段5を備えていることによって特徴づけられる。
【0007】
以上の構成において、変位測定対象WがA方向に変位すると、光学干渉計3からの干渉光信号が変化する。制御手段4により、この干渉光信号の変化を打ち消すように走査型プローブ顕微鏡1の走査系を駆動する。この走査時において、走査型プローブ顕微鏡1は、その本来の機能に基づく探針12のz方向への駆動制御手段により、試料台11に固定された基準格子2の表面凹凸に応じて探針12をz方向に駆動制御し、基準格子2の表面像を得る。基準格子2の表面像は、走査系の駆動方向への原子スケールの基準目盛りとなり得るから、その表面像データを取り込む演算手段5においては、走査型プローブ顕微鏡1の走査系のx方向への移動量を原子スケールで把握することができる。また、この走査系のx方向への移動量は、変位測定対象WのA方向への移動による干渉光信号の変化を打ち消すように制御されているが故に、変位測定対象WのA方向への移動量と一定の関係にあるから、変位測定対象Wのx方向への変位量を原子スケールで算出することができる。
【0008】
一方、本発明の請求項2に係る微小量移動機構は、その実施の形態を表す図2に示すように、走査型プローブ顕微鏡1と、その試料台11に固定された基準格子2と、当該走査型プローブ顕微鏡1の走査系の移動部(例えば試料台11)および移動対象 にそれぞれ装着された反射鏡31,32の間に構成された光学干渉計3と、走査型プローブ顕微鏡1の走査系の移動部に対して走査信号を供給して得られる基準格子の像を基準スケールに用いて、当該走査型プローブ顕微鏡の走査系を所定量移動させたときに得られる干渉光信号の変化を打ち消すように、移動対象Pを移動させる駆動手段 を備えていることによって特徴づけられる。
【0009】
このような構成において、走査型プローブ顕微鏡1の走査系を走査すると、光学干渉計3からの干渉光信号が変化する。駆動手段 は、この変化を打ち消すように移動対象Pを移動させる。走査型プローブ顕微鏡1の走査系の走査量は、前述したようにその走査時における基準格子2の顕微鏡像から原子スケールで把握できから、その情報をもとに走査系を所望量走査させることにより、移動対象Pを原子スケールの分解能で移動させることができる。
【0010】
ここで、以上の各請求項に係る発明において、光学干渉計3としてレーザ干渉計を用いれば、光路の空気のゆらぎや試料台11の温度変化による変動が緩やかな場合、上記した各構成により原子スケールの短時間安定性が得られ、短い変位に対しては、干渉光信号の精度を原子スケール程度にすることは十分に可能である。また、適当な環境制御によりその安定性および再現性はより長時間化、長距離化することも可能である。
【0011】
本発明において、走査型プローブ顕微鏡1としては、走査型トンネル顕微鏡および原子間力顕微鏡等を用いることができ、基準格子2としては、例えばシリコン結晶等を用いることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の微小変位量測定機構の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。この実施の形態においては、説明を簡素化するために、変位測定対象Wの1次元方向への変位を測定する場合の例について述べる。
【0013】
走査型プローブ顕微鏡1は、この例において走査型トンネル顕微鏡(STM)とし、試料台11にxy走査系駆動部13を設けるとともに、探針12にz方向駆動部14を設けている。なお、各駆動部13,14はそれぞれ圧電素子をアクチュエータとしている。
【0014】
探針12と基準格子2との間にはトンネル電圧電源15により電位差が与えられ、その電位差により探針12と基準格子2との間に流れるトンネル電流は、トンネル電流増幅回路16によって増幅された後、z方向サーボ回路17に導入される。z方向サーボ回路17は、トンネル電流増幅回路16から出力されるトンネル電流の検出信号があらかじめ設定された一定値となるように、z方向駆動部14に対して駆動制御信号を供給する。このz方向サーボ回路17からz方向駆動部14に対して供給される駆動制御信号は、一定の微小時間ごとにメモリ18に格納される。
【0015】
xy走査系駆動部13は、この例においてはx方向への走査のみが変位測定に供され、そのx方向への走査はx方向サーボ回路4からの制御信号によって制御される。
【0016】
さて、試料台11の側面には反射鏡31が固着されているとともに、変位測定対象Wの一面にも反射鏡32が固着されている。この2つの反射鏡31と32は、マイケルソン型光学干渉系3の構成要素を形成している。
【0017】
すなわち、反射鏡31に対向してレーザ光源33が配設されているとともに、反射鏡32に対向して受光部34が配置されている。そして、反射鏡31とレーザ光源33の間で、かつ、反射鏡32と受光部34の間には、半透鏡35が配置されている。このような構成において、レーザ光源33からの出力光は反射鏡35により反射鏡31と32に導かれるとともに、反射鏡31に導かれて反射した光は半透鏡35により受光部34に導かれる。また、反射鏡32に導かれて反射した光は半透鏡35により受光部34に導かれる。このような構成により、受光部34への入射光は干渉縞を含んだ光干渉信号となる。この干渉縞は、反射鏡31がx方向に移動するか、反射鏡32がA方向に移動することによってずれる。
【0018】
受光部34による光干渉信号の光電変換信号は、走査型プローブ顕微鏡1のxy走査系駆動部13のx方向への走査を制御するx方向サーボ回路4に供給される。x方向サーボ回路4では、その受光部34による光干渉信号の検出信号に含まれる干渉縞成分が一定となるように、つまり受光部34への入射光の干渉縞がずれないように、走査型プローブ顕微鏡1のxy走査系駆動部13をx方向に駆動させるべく制御信号を供給する。
【0019】
このx方向への制御信号は、メモリ18の内容とともに演算部5に取り込まれる。演算部5では、メモリ18に記憶されている探針12のz方向への刻々の駆動制御データと、試料台11のx方向への駆動制御信号とから、後述する手法によって変位測定対象WのA方向への変位量を算出する。
【0020】
さて、以上の構成において、変位測定対象WがA方向任意の向きに変位すると、光学干渉計3の受光部34に入射する光の干渉縞がずれるから、これを打ち消すように試料台11がx方向に変位測定対象Wの変位の向きに応じた向きに移動する。この移動により、探針12は基準格子2の表面をx方向に走査することになり、メモリ18には基準格子2のx方向への表面凹凸に係る時系列情報、換言すればx方向への1次元のSTM像に係る時系列情報が格納されていく。演算部5では、試料台11のx方向への駆動制御信号から、試料台11の移動の向きを認識するとともに、メモリ18の基準格子2の凹凸情報を基準目盛りとして、試料台11の移動量を算出する。この試料台11の移動量は変位測定対象Wの変位量と一定の関係があるから、変位測定対象Wの変位量を求めることができる。そして、x方向への駆動制御信号により把握した試料台11の移動の向きから、変位測定対象Wの変位の向きを認識することができる。基準格子2の凹凸情報は原子スケールの精度を有しており、従って、演算部5では、変位測定対象Wの変位量とその向きを原子スケールの精度のもとに算出することができる。
【0021】
次に、本発明の微小量駆動機構の実施の形態について述べる。図2はその機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す構成図である。
【0022】
この例は、図1に示した微小変位量測定機構の実施の形態と多くの構成上の類似点があり、従ってこの図2では、図1と同等の部材ないしは機能を有する部分は同一の符号を付して、個々の詳細な説明は省略する。また、この例においても、説明を簡素化するために、移動対象PをA方向の1次元方向に移動させる場合について述べる。
【0023】
この微小量駆動機構の実施の形態では、図1と同じ走査型トンネル顕微鏡1と基準格子2、およびマイケルソン型光学干渉計3を備えているが、マイケルソン型光学干渉計3の一方の反射鏡32は移動対象Pに固着される。また、この図2の構成においては、走査型トンネル顕微鏡1のxy走査系駆動部13には、操作部6の操作により出力されるx方向走査信号が供給される。また、走査型トンネル顕微鏡1の探針12のz方向駆動部14に対して供給されるz方向サーボ回路17からの駆動制御信号は、図1と同様にメモリ18に取り込まれるが、このメモリ18には、上記したx方向走査信号からの走査信号も併せて取り込まれ、CRT19にリアルタイムで表示される。従って、このCRT19には、基準格子2のx方向への1次元状のSTM像が表示されることになる。
【0024】
また、移動対象Pは例えば圧電素子等をアクチュエータとする駆動機構7によってA方向に変位が与えられるとともに、その駆動機構7はA方向サーボ回路8からの駆動制御信号によって制御される。そして、このA方向サーボ回路8は、受光部34による干渉光信号の光電変換信号に含まれる干渉縞成分が一定となるように、つまり受光部34への入射光の干渉縞がずれないように、駆動機構7に対して制御信号を供給する。
【0025】
以上の構成において、操作部6を操作して試料台11をx方向に移動させると、受光部34への入射光の干渉縞がずれる。このずれを打ち消すように、A方向サーボ回路8が駆動機構7に対して駆動制御信号を供給し、移動対象Pを移動させる。試料台11のx方向への移動量は、CRT19に表示される基準格子2のx方向へのSTM像に基づき、その凹凸のピッチを基準スケールとして把握できるから、このCRT19の画像を見ながら操作部6を操作することにより、移動対象Pを原子スケールの精度で所望の量だけ移動させることができる。
【0026】
なお、以上の例ではCRT19のSTM像を見ながら操作部6を操作することで移動対象Pを所望量だけ移動させたが、メモリ18に刻々と格納されていくデータからSTM像の凹凸の数を自動的にカウントするとともに、操作部6に代えて移動量の設定器を設け、その設定器で設定された量と上記のカウント値との関係に基づき、凹凸のピッチを基準スケールとして設定量だけ自動的に移動対象Pを移動させるように構成することもできる。
【0027】
また、図1に示した微小変位量測定機構の実施の形態、および図2に示した微小量移動機構の実施の形態においては、変位量測定対象Wおよび移動対象Pの変位ないしは移動を1次元方向に測定または制御する例を述べたが、本発明はこれに限定されることなく、2次元ないしは3次元方向の測定ないしは制御に拡張することができる。この場合、各次元ごとに上記の各実施の形態で示した構成を採用してもよいが、例えば図3に光学系の構成を模式的に示すように、1台の走査型トンネル顕微鏡1のxおよびy方向の走査機能を利用するとともに、その試料台11と変位量測定対象W(または移動対象P)の各直交2面にそれぞれ反射鏡31a,31bおよび32a,32bを固着し、これらと2つの光源33a,33b、2つの受光部34a,34b、および2つの半透鏡35a,35b、並びに、各光を適宜の位置に導く反射鏡Mまたは光ファイバーによって2つの光学干渉計3a,3bを構成すれば、1台の走査型トンネル顕微鏡1によって2次元の独立的な微小変位量測定機構ないしは微小量移動機構を構築することができる。なお、3次元化のためには、走査型トンネル顕微鏡はもう1台必要となる。
【0028】
更に、本発明は微小角度の測定ないしは旋回にも応用することができる。すなわち、図4にその場合の要部構成例を模式的に示すように、A方向に移動可能な図1における変位量測定対象Wないしは図2における移動対象Pを、軸Sを中心として回動自在の対象物Qに対して所定方向から接触させる。これにより、変位量測定対象Wまたは移動対象PのA方向への変位量と、軸Sを中心とする対象物Qの旋回角度とが一対一で対応することになり、対象物Qの微小旋回角度の測定ないしは対象物Qの微小角度の旋回制御が可能となる。
【0029】
なお、本発明は走査型トンネル顕微鏡に代えて、原子間力顕微鏡等の他の走査型プローブ顕微鏡を用い得ることは勿論である。
【0030】
【発明の効果】
以上のように、本発明の微小変位量測定機構によれば、走査型プローブ顕微鏡の試料台に基準格子を固定するとともに、その顕微鏡の走査系の移動部と測定対象とに反射鏡を装着して、これらで光学干渉計を構築し、測定対象の変位による干渉縞のずれを打ち消す向きに走査型プローブ顕微鏡を走査し、その走査量を基準格子の顕微鏡像を基準目盛りとして把握することにより、測定対象の変位を原子スケールの精度で測定することができる。
【0031】
また、本発明の微小量移動機構によれば、上記と同様に走査型プローブ顕微鏡の試料台に基準格子を固定し、その顕微鏡の走査系の移動部と移動対象とに反射鏡を装着して、これらで光学干渉計を構築し、走査系の走査による干渉縞のずれを打ち消す向きに移動対象を移動させる駆動系を設け、顕微鏡による基準格子像を基準目盛りとして走査型プローブ顕微鏡の走査系を所望量だけ走査することにより、移動対象を原子スケールの精度で移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の微小変位量測定機構の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図
【図2】本発明の微小量移動機構の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図
【図3】本発明の微小変位量測定機構および微小量移動機構を2次元化する場合の実施の形態の光学系の構成を示す模式図
【図4】本発明の微小変位量測定機構および微小量移動機構を、物体の微小旋回角度の測定機構ないしは微小角度の旋回機構に応用する場合の要部構成を示す模式図
【符号の説明】
1 走査型トンネル顕微鏡
11 試料台
12 探針
13 xy走査系駆動部
14 z方向駆動部
15 トンネル電圧電源
16 トンネル電流増幅回路
17 z方向サーボ回路
18 メモリ
19 CRT
2 基準格子
3 光学干渉計
31,32 反射鏡
33 レーザ光源
34 受光部
35 半透鏡
4 x方向サーボ回路
5 演算部
6 操作部
7 駆動機構
8 A方向サーボ回路
W 変位量測定対象
P 移動対象
Claims (2)
- 走査型プローブ顕微鏡と、その試料台に固定された基準格子と、当該走査型プローブ顕微鏡の走査系の移動部および変位測定対象にそれぞれ装着された反射鏡の間に構成された光学干渉計と、その光学干渉計からの干渉光信号の変化を打ち消すように上記走査型プローブ顕微鏡の走査量を制御する制御手段と、上記走査型プローブ顕微鏡の走査による基準格子の像を基準スケールに用いて当該走査型プローブ顕微鏡の走査系の移動量を計測し、その計測結果をもとに変位測定対象の微小変位量を算出する演算手段を備えてなる微小変位量測定機構。
- 走査型プローブ顕微鏡と、その試料台に固定された基準格子と、当該走査型プローブ顕微鏡の走査系の移動部および移動対象にそれぞれ装着された反射鏡の間に構成された光学干渉計と、上記走査型プローブ顕微鏡の走査系の移動部に対して走査信号を供給して得られる基準格子の像を基準スケールに用いて、当該走査型プローブ顕微鏡の走査系を所定量移動させたときに得られる干渉光信号の変化を打ち消すように、移動対象を移動させる駆動手段を備えてなる微小量移動機構。
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JPH10274658A JPH10274658A (ja) | 1998-10-13 |
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