JPH01127902A - Minute position detecting device - Google Patents

Minute position detecting device

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JPH01127902A
JPH01127902A JP62285835A JP28583587A JPH01127902A JP H01127902 A JPH01127902 A JP H01127902A JP 62285835 A JP62285835 A JP 62285835A JP 28583587 A JP28583587 A JP 28583587A JP H01127902 A JPH01127902 A JP H01127902A
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JP
Japan
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sample
probe
voltage
piezoelectric element
displacement
Prior art date
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Pending
Application number
JP62285835A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masashi Iwatsuki
岩槻 正志
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jeol Ltd
Original Assignee
Jeol Ltd
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Publication date
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

PURPOSE:To detect a minute position with high accuracy by providing piezoelectric element so that it abuts on a sample. CONSTITUTION:Piezoelectric elements 2 (2a, 2b) are placed so that they abut on a sample 4, and by detecting a voltage which is generated when the element 2 has been displaced by following up a movement of the sample 4, a displacement of a minute position is obtained. In such a way, when the sample 4 is brought to minute movement in the X and Y directions in a state that it has been set to a holder 3, a distortion is given to points Q, R of the elements 2a, 2b in accordance with its movement, and a voltage being proportional to this distortion can be read by voltmeters V1, V2. Accordingly, by converting this read voltage to a position of the sample 4 and monitoring it, a moving extent in the X and Y directions of the sample 4 is measured.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子顕微鏡等の分析装置における試料の微小
変位を検出する微小位置検出装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a minute position detection device for detecting minute displacements of a sample in an analysis device such as an electron microscope.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

一般に、探針先端の原子と試料の原子の電子雲とが重な
り合うInm程度まで探針を試料に近づけ、この状態で
探針と試料との間に電圧をかけると電流が流れる。この
電流はトンネル電流と呼ばれ、電圧がLmVのとき、1
〜10nA程度になる。このトンネル電流の大きさは、
試料と探針との間の距離により変化するので、トンネル
電流の大きさを測定することにより試料と探針との間の
距離を超精密測定することができる。従って、探針位置
が既知であれば試料の表面形状を求めることができる。
Generally, when the probe is brought close to the sample to a point where the atoms at the tip of the probe overlap with the electron cloud of the atoms of the sample, and in this state a voltage is applied between the probe and the sample, a current flows. This current is called tunnel current, and when the voltage is LmV, 1
It becomes about 10 nA. The magnitude of this tunnel current is
Since it changes depending on the distance between the sample and the probe, the distance between the sample and the probe can be measured with ultra-precision by measuring the magnitude of the tunnel current. Therefore, if the probe position is known, the surface shape of the sample can be determined.

またトンネル電流が一定になるように探針位置を制御す
れば探針位置軌跡により同様に試料の表面形状を観察す
ることができる。
Furthermore, if the probe position is controlled so that the tunneling current is constant, the surface shape of the sample can be similarly observed from the probe position locus.

このようなトンネル電流により試料の表面形状を観察す
る走査型トンネル顕微鏡(STM)においては、試料か
らの凹凸像を得るためW(タングステン)等で作製した
探針を試料に近づけトンネル電流を検出する必要がある
。この場合、まず、粗動により探針を0.1μm程度ま
で試r4に近づけ、そして微動により0.1μmからさ
らにInm程度まで探針を試料に近づけるため、nmオ
ーダーの制御が必要になる。
In a scanning tunneling microscope (STM), which uses tunneling current to observe the surface shape of a sample, a probe made of W (tungsten) or the like is brought close to the sample in order to obtain an image of the irregularities from the sample, and the tunneling current is detected. There is a need. In this case, first, coarse movement brings the probe closer to the sample r4 to about 0.1 μm, and then fine movement brings the probe closer to the sample from 0.1 μm to about Inm, so control on the nanometer order is required.

第5図は走査型トン名ル顕微鏡の概略構成を示す図であ
り、21は探針、22は試料、23は3次元アクチュエ
ータ、24はXY走査回路、25はサーボ回路、26は
トンネル電流増幅器、27は電池、28はメモリ、29
はMPU、30は表示装置を示す。
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a scanning tunneling microscope, in which 21 is a probe, 22 is a sample, 23 is a three-dimensional actuator, 24 is an XY scanning circuit, 25 is a servo circuit, and 26 is a tunneling current amplifier. , 27 is a battery, 28 is a memory, 29
indicates an MPU, and 30 indicates a display device.

第5回において、3次元アクチュエータ23は、X軸、
Y軸、Z軸の圧電素子からなっており、MPL129、
メモリ28を通して制御される。3次元アクチエエータ
23の制御では、XY走査回路24によりX軸、Y軸方
向圧電素子に対する印加電圧を掃引することにより探計
21をX軸、Y軸方向に移動させて走査し、この走査を
しながらトンネル電流が一定になるようにサーボ回路2
5を通してZ軸方向圧電素子に対する電圧を制御する。
In the fifth time, the three-dimensional actuator 23 is
Consists of Y-axis and Z-axis piezoelectric elements, MPL129,
Controlled through memory 28. In controlling the three-dimensional actuator 23, the probe 21 is moved and scanned in the X-axis and Y-axis directions by sweeping the voltages applied to the piezoelectric elements in the X-axis and Y-axis directions by the XY scanning circuit 24, and this scanning is performed. Servo circuit 2 so that the tunnel current remains constant while
5 to control the voltage to the Z-axis piezoelectric element.

そこで、この制御電圧値をMPU29に読み込み表示装
置30に表示することによって、試料22の表面形状を
観察することができる。
Therefore, by reading this control voltage value into the MPU 29 and displaying it on the display device 30, the surface shape of the sample 22 can be observed.

3次元アクチュエータ23としては、第6図に示すよう
に圧電素子31をトライボット型′に接着した片持ち式
のものが一番多く使用され、またこれよりも剛性を高く
するために、第7図に示すように圧電素子31を、X軸
、Y軸は両端支持、Z軸は一端支持するようにしたもの
も使用されている。さらに剛性を高くしたものとして、
第8図に示すように圧電素子31を円筒型に構成し、そ
の表面に4個の電極32を貼付し、裏面電極との間に電
圧を印加するようにしたものも使用されている。
As the three-dimensional actuator 23, a cantilever type actuator in which a piezoelectric element 31 is bonded to a tribot type is most commonly used, as shown in FIG. As shown in the figure, a piezoelectric element 31 is also used in which the X-axis and Y-axis are supported at both ends, and the Z-axis is supported at one end. With even higher rigidity,
As shown in FIG. 8, a piezoelectric element 31 having a cylindrical shape, four electrodes 32 attached to the front surface of the piezoelectric element 31, and a voltage applied between the piezoelectric element 31 and the back electrode is also used.

また、電子顕微鏡、特に、透過型電子顕微鏡においては
、試料移動距離として3mm程度が一般的であり、移動
量そのものより移動精度が大きな問題となる。従来は、
このような試料移動部の一部にポテンショメーターなど
を取り付け、その抵抗変化量を読み出すのが一般的であ
る。
Further, in an electron microscope, particularly a transmission electron microscope, the sample moving distance is generally about 3 mm, and the movement accuracy becomes a bigger problem than the movement amount itself. conventionally,
It is common to attach a potentiometer or the like to a part of such a sample moving part and read out the amount of change in resistance.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

しかしながら、上記走査型トンネル顕微鏡の試料の移動
において、微動は、トンネル電流をモニタしなから探針
と試料とが接触するまで移動させることによって正確な
位置の検出が可能であるが、粗動では、正確な位置検出
が難しく、試料に探針を近づける移動操作において、探
針の位置が正確に検出できないために探針を試料に衝突
させて壊してしまうというトラブルが生じる。
However, when moving the sample in the scanning tunneling microscope mentioned above, fine movement can be detected accurately by moving the probe until the sample comes into contact without monitoring the tunneling current, but coarse movement cannot detect fine movement. , Accurate position detection is difficult, and when moving the probe close to the sample, trouble occurs in which the probe collides with the sample and breaks because the position of the probe cannot be accurately detected.

また、透過型電子顕微鏡においては、試料移動部の一部
にポテンショメーターを使用しており、試料と検出部に
距離があるため、その間の機械的接続により大きなガタ
やバックラッシュ等が生じnmオーダーの精度の読み出
しは現実には不可能であるという問題がある。
In addition, in transmission electron microscopes, a potentiometer is used in a part of the sample moving part, and because there is a distance between the sample and the detection part, the mechanical connection between them causes large play and backlash, which can be on the order of nanometers. There is a problem in that reading out the accuracy is actually impossible.

本発明は、上記の問題点を解決するものであって、顕微
鏡における試料や探針等の移動制御を精度よく行うため
に高い精度で微小位置検出が行える微小位置検出装置を
堤供することを目的とするものである。
The present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a micro-position detection device capable of detecting micro-positions with high precision in order to precisely control the movement of samples, probes, etc. in a microscope. That is.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

そのために本発明の微小位置検出装置は、電子顕微鏡等
の分析装置における試料の微小変位を検出する微小位置
検出装置であって、ピエゾ圧電素子を検出対象となる試
料に当接するように配置し、試料の移動に伴ってピエゾ
圧電素子が変位したときに発生する電圧を検出して試料
の微小位置の変位を求めることを特徴とするものである
To this end, the micro-position detection device of the present invention is a micro-position detection device for detecting micro-displacement of a sample in an analysis device such as an electron microscope, in which a piezoelectric element is arranged so as to be in contact with the sample to be detected, This method is characterized in that the voltage generated when the piezoelectric element is displaced as the sample moves is detected to determine the displacement of a minute position of the sample.

〔作用〕[Effect]

本発明の微小位置検出装置では、ピエゾ圧電素子を検出
対象となる試料に当接するように配置するので、試料が
微小移動した場合にもピエゾ圧電素子に歪みが生じその
歪みに対応した大きさの電圧が発生する。従って、この
電圧を読み取ることにより試料の微小変位を検出し、位
置を求めることができる。
In the minute position detection device of the present invention, the piezoelectric element is arranged so as to be in contact with the sample to be detected, so even if the sample moves minutely, the piezoelectric element will be distorted and the size corresponding to the distortion will be generated. Voltage is generated. Therefore, by reading this voltage, minute displacement of the sample can be detected and the position can be determined.

〔実施例〕〔Example〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。 Examples will be described below with reference to the drawings.

第1図は本発明に係る微小位置検出装置の1実施例を示
す図第2図は走査トンフル顕微鏡の探針スキャナーに適
用した微小位置検出装置の他の実施例を示す図である。
FIG. 1 shows one embodiment of the micro-position detection device according to the present invention. FIG. 2 shows another embodiment of the micro-position detection device applied to a probe scanner of a scanning tunnel microscope.

図中、1は本体、2a、2bと6はピエゾ圧電検出器、
3はホルダー、4と7は試料、5は固定端、8は探針、
9は探針スキャナー、V、 、V2は電圧計を示す。
In the figure, 1 is the main body, 2a, 2b and 6 are piezoelectric detectors,
3 is a holder, 4 and 7 are samples, 5 is a fixed end, 8 is a probe,
9 is a probe scanner, and V, , V2 are voltmeters.

まず、電子顕微鏡などの試料移動部に適用した微小位置
検出装置の実施例を説明する。
First, an example of a minute position detection device applied to a sample moving unit of an electron microscope or the like will be described.

第1図において、試料4は、電子顕微鏡などのホルダー
3にセットされ、±X、±Y方向に移動するもの、とす
る。また、ピエゾ圧電検出器2a、2bは、本体1に固
定され、試料移動に伴い、Q点、R点にて歪みが与えら
れるものとする。このときピエゾ圧電検出器2a、2b
には、この歪みに比例した電圧が発生するので、その電
圧を測定するのが電圧計V、 、V、である、典型的な
ピエゾ圧電検出器では、長さ45mmx幅13mmx厚
さQ、5mm程度のものにおいて、0.5mm程度の変
位に対して60V程度の出力電圧となる。
In FIG. 1, it is assumed that a sample 4 is set in a holder 3 of an electron microscope or the like, and is moved in the ±X and ±Y directions. It is also assumed that the piezoelectric detectors 2a and 2b are fixed to the main body 1, and are subjected to distortion at point Q and point R as the sample moves. At this time, the piezoelectric detectors 2a and 2b
Since a voltage proportional to this strain is generated, the voltage is measured by a voltmeter V, ,V.A typical piezoelectric detector is 45 mm long x 13 mm wide x 5 mm thick Q. In a case of about 0.5 mm, the output voltage is about 60 V for a displacement of about 0.5 mm.

従って、試料4がホルダー3にセットされた状態で図示
xy力方向微小移動させると、その移動に対応してピエ
ゾ圧電検出器2a、2bのQ点、R点に歪みが与えられ
、この歪みに比例した電圧が電圧計V、 、Vtによっ
て読み取ることができる。
Therefore, when the sample 4 is set in the holder 3 and is slightly moved in the x and y force directions shown in the figure, distortion is applied to the Q and R points of the piezoelectric detectors 2a and 2b in response to the movement. Proportional voltages can be read by voltmeters V, , Vt.

従って、この読み取った電圧を試料の位置に変換してモ
ニターすることにより試料のXY方向移動量を測定する
ことが可能となる。
Therefore, by converting this read voltage into the position of the sample and monitoring it, it is possible to measure the amount of movement of the sample in the X and Y directions.

次に、走査トンネル顕微鏡のような微小変位の検出を行
う場合について説明する。走査トンヱル顕微鏡では、第
2図に示すようにピエゾ圧電素子等を使用した探針スキ
ャナー9により探針8を試料7に近づけるが、このとき
探針8は、トンネル電流を得るために、試料7に対して
数十〜数百人まで近づける必要がある。しかし、探針ス
キャナー9のZ軸方向圧電素子では、最大でも数μm、
小型のものでは、1μm程度の範囲しか移動できない。
Next, a case will be described in which minute displacements are detected using a scanning tunneling microscope. In a scanning tunneling microscope, as shown in FIG. 2, a probe 8 is brought close to the sample 7 by a probe scanner 9 using a piezoelectric element, etc. At this time, the probe 8 approaches the sample 7 in order to obtain a tunneling current. It is necessary to get closer to dozens to hundreds of people. However, the Z-axis piezoelectric element of the probe scanner 9 has a diameter of several μm at most.
Small ones can only move within a range of about 1 μm.

そのため、機械的な駆動によって近づけることになるが
、この場合には、バックランシュの問題がありこのオー
ダーをモニターする必要がある。そこで、第2図に示す
ように固定端5にバイモルフタイプのピエゾ素子6を取
り付け、探針スキャナー9を近づけながら第1図の場合
と同様にピエゾ素子6に発生する電圧を読み取って位置
をモニターすると、精密に探針スキャナー9の位置が測
定できるとともに、自動的にその位置が補正できるよう
になり、安全回路等の追加により、採針を破壊すること
なく安全に試料に近づけることが可能となる。
Therefore, it is brought closer by mechanical driving, but in this case there is a problem of backrunch, and it is necessary to monitor this order. Therefore, as shown in FIG. 2, a bimorph type piezo element 6 is attached to the fixed end 5, and the position is monitored by reading the voltage generated in the piezo element 6 as in the case of FIG. 1 while bringing the probe scanner 9 closer. Then, the position of the probe scanner 9 can be precisely measured, and the position can be automatically corrected, and by adding a safety circuit, it is possible to safely bring the sampling needle close to the sample without destroying it. Become.

第3図fal、(blは微小位置検出における検出方法
の他の例を示す図、第4図はバイモルフピエゾ圧電素子
の典型的な電圧と変位量の関係を説明するための図であ
る。バイモルフピエゾ圧電素子の典型的な電圧と変位量
の関係は、第4図に示すように、 t2 となる。ここでd3+は圧電素子の圧電定数であり、微
小変位を検出する装置等では、lはあまり大きくとれな
いので、50Vの印加電圧で0.1〜0゜4μm程度と
なる。しかし、電子顕微鏡等の1敢小位置検出装置に用
いる場合、3mm程度の変位量をl・要とするため、第
3図fa+に示すようにバイモルフピエゾ圧電素子11
の先端に、バフ状仮12を追加する方法を採用してもよ
い。この方法によればバネ状板12の変位量をP点まで
大きくとっても、バイモルフピエゾ圧電素子11の変位
量は小さ(押さえることが可能となり、検出変位量を大
きくすることができる。
Figure 3 fal, (bl is a diagram showing another example of the detection method in minute position detection, Figure 4 is a diagram for explaining the relationship between typical voltage and displacement amount of a bimorph piezoelectric element.Bimorph The typical relationship between voltage and displacement of a piezoelectric element is t2, as shown in Figure 4. Here, d3+ is the piezoelectric constant of the piezoelectric element, and in devices that detect minute displacements, l is Since it cannot be made very large, it is about 0.1 to 0°4 μm with an applied voltage of 50 V. However, when used in a small position detection device such as an electron microscope, a displacement of about 3 mm is required as l. , as shown in FIG. 3 fa+, the bimorph piezoelectric element 11
A method may be adopted in which a buff-like temporary 12 is added to the tip. According to this method, even if the amount of displacement of the spring plate 12 is large up to point P, the amount of displacement of the bimorph piezoelectric element 11 can be kept small (suppressed), and the amount of detected displacement can be increased.

また、第3図(blに示すように変位物である試料4の
両サイドにバイモルフピエゾ圧電素子+3a、13bを
設置することにより、半分の変位量で同一効果を得るこ
ともできる。
Furthermore, by installing bimorph piezoelectric elements 3a and 13b on both sides of the sample 4, which is a displaced object, as shown in FIG. 3 (bl), the same effect can be obtained with half the amount of displacement.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、変位
■検出装置としてピエゾ圧電素子を使用して移動物の変
位に応じた歪みを与え、その歪みに比例して発生ずる、
電圧を検出するので、微小な位置変化の検出が可能にな
ると共に検出精度を向上させることができる。
As is clear from the above description, according to the present invention, a piezoelectric element is used as a displacement detection device to apply a strain corresponding to the displacement of a moving object, and the distortion is generated in proportion to the displacement of the moving object.
Since voltage is detected, minute position changes can be detected and detection accuracy can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明に係る微小位置検出装置の1実施例を示
す図、第2図は走査トンネル顕微鏡の探針スキャナーに
適用した微小位置検出装置の他の実施例を示す図、第3
図(81、(blは微小位置検出における検出方法の他
の例を示す図、第4図はバイモルフピエゾ圧電素子の典
型的な電圧と変位!4の関係を説明するための図、第5
図は走査型I・ン不ル顕微鏡の概略構成を示す図、第6
図から第8図は3次元アクチュエータの各種形状の例を
示す図である。 1・・・本体、2a、2bと6・・・ピエゾ圧電検出器
、3・・・ホルダー、4と7・・・試料、5・・・固定
端、8・・・探針、9・・・探針スキャナー、V、 、
V、・・・電圧計。 出 願 人  日本電子株式会社 代理人 弁理士 阿 部 龍 吉(外3名)第1図
FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of the micro-position detection device according to the present invention, FIG. 2 is a diagram showing another embodiment of the micro-position detection device applied to a probe scanner of a scanning tunneling microscope, and FIG.
Figure (81, (bl is a diagram showing another example of the detection method in minute position detection, Figure 4 is a diagram for explaining the relationship between typical voltage and displacement of a bimorph piezoelectric element, Figure 5
The figure shows the schematic configuration of a scanning type I/N microscope.
8 to 8 are diagrams showing examples of various shapes of the three-dimensional actuator. 1...Main body, 2a, 2b and 6...Piezo piezoelectric detector, 3...Holder, 4 and 7...Sample, 5...Fixed end, 8...Tip, 9...・Probe scanner, V, ,
V, ... voltmeter. Applicant: JEOL Co., Ltd. Agent: Patent attorney Ryukichi Abe (3 others) Figure 1

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)電子顕微鏡等の分析装置における試料の微小変位
を検出する微小位置検出装置であって、ピエゾ圧電素子
を検出対象となる試料に当接するように配置し、試料の
移動に伴ってピエゾ圧電素子が変位したときに発生する
電圧を検出して試料の微小位置の変位を求めることを特
徴とする微小位置検出装置。
(1) A micro-position detection device for detecting minute displacements of a sample in an analytical device such as an electron microscope, in which a piezoelectric element is placed in contact with the sample to be detected, and as the sample moves, the piezoelectric A micro-position detection device characterized by detecting the voltage generated when an element is displaced to determine the displacement of a micro-position of a sample.
JP62285835A 1987-11-12 1987-11-12 Minute position detecting device Pending JPH01127902A (en)

Priority Applications (1)

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