JPH01186742A - 微小位置決め方法および微小位置決め機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、分析機器および走査型トンネル顕微鏡の分
野において、検出探針部と試料間を微小に位置決めする
微小位置決め方法に関する。

〔発明の概要〕

この発明は、検出探針部と試料間の微小位置決め機構で
、積層圧電素子体を変位させ、検出探針部と試料間の距
離を検出した後、検出した距離に相当する分、送り機構
を用いて、検出探針と試料間の距離を変位させて、検出
探針と試料間を微小に位置決めする微小位置決め機構で
あり、送り機構の送り量を事前に検出できるため、送り
速度を変化させ、短時間に検出探針と試料を接触させる
ことな（微小位置決めが可能となり、産業上、有益な微
小位置決め方法である。

〔従来の技術〕

試料表面と検出探針先端部間に流れるトンネル電流を検
出し、トンネル電流が一定になるように、試料表面と検
出探針先端部との間を制御して、原子構造までの分解能
で試料表面を観察する走査型トンネル顕微鏡において、
試料表面のｘ、　　ｙ方向及び試料表面の凹凸に添って
動作する３次元の微小位置決め機構に固定された検出探
針を検出探針先端部と試料表面間にトンネル電流が流れ
る領域（数ナノメートル）まで、位置出しする機構が必
要であり、従来は圧電素子を用いたインチワーム動作に
よるもの（第３３回応用物理学関係連合講演会予稿ＳＴ
Ｍ用圧電移動機構及び磁気移動機構５徳本洋志他）や、
磁界と電流との間に生じるローレンツ力により位置出し
するもの（第３３回応用物理学関係連合講演会予稿ＳＴ
Ｍ用圧電移動機構及び磁気移動機構、徳本洋志他）や、
第２図に示すようなマイクロメータにより位置出しする
機構により、目標の位置に向かって、人為的に電気信号
又は、力を加えることによって、位置合わせをしていた
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上に示した従来の機構による位置出しにおいて、現時
点での検出探針先端と試料表面との距離がわからない状
態なため、圧電素子を用いたインチワーム動作によるも
のでは、圧電素子の最大伸ばし量をあらかじめ決めるこ
とができず、検出探計先端が試料表面と接することを防
止するためには小さなステップで時間をかけてこれを試
料表面に近づけることが必要になる。また、磁界と電流
との間に生じるローレンツ力により位置出しする磁気ウ
ォーカーについても、磁気ウォーカーを動かすパルス電
流の最大値をあらかじめ決められず、圧電素子を用いた
ものと同様率さな送り量で時間をかけることになる。ま
た、マイクロメータによる送り機構においても同様に最
大送り量が決められず、比較的速い位置からゆっくりし
た送り量で送り込むことになり、位置合わせに時間がか
かるうえ、送り量及び送り速さが適切でないと、サーボ
機構による退避作用が、間に合わずに検出探針先端と試
料表面を接触させてしまい、検出探針先端を損なうとい
う問題があった。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の問題点を解決するために本発明では、単一圧電素
子微小位置決め機構と送り機構との間に、単一圧電素子
より大変位を発生する積層圧電素子体を用いて、検出探
針先端部と試料間の概略距離関係を検出後、それに相当
する分、送り機構を用いて送りこむ方法を採用した。第
５図にその動作ステップを示す、ステップ１において、
積層圧電素子２を伸ばすことにより矢印（イ） 方向に動作させ、検出探針５の先端と試料表面４との距
離を、実際に試料表面上で検出探針を３次元に動作させ
る時に用いる単一の圧電素子微小位置決め機構ｌで、追
従できるトンネル電流領域になるまで接近させ、その時
の積層圧電素子２の伸ばし量により、ステップ０時点で
の検出探針５の先端と試料表面４の距離を知ることがで
きる。そして、ステップ２により積層圧電素子を縮め（
矢印（ロ））ステップ０時点の位置にもどした後、ステ
ップ３で、送り機構６により先に検出した距離分送り込
んで（矢印（ハ））検出探針５の先端と試料表面４の距
離を位置合わせするものである。

〔作用〕

上記の構成にすることにより、積層圧電素子体を用いて
、検出探計先端と試料表面間の距離を、送り機構の動作
の事前に検出することができ、積層圧電素子が伸びきっ
ても届かないほど十分離れているｔＲｆｆ３ｉでは、送
り機構の送りを速め、近い状態では、ゆっくり、微小ス
テップで送ることにより、位置合わせ時の時間短縮及び
、検出探針先端と試料表面の接触を防ぐことができる。

また、最終的な位置合わせには、積層圧電素子体を作動
させていない状態にしているため、積層圧電素子体のク
リープによる問題もさけることができる。

しかも、事前に距離を測定する方法としては、従来ある
レーザー干渉計などの測長器を用いるよりも精度よく距
離が検出でき、検出探針先端部と試料表面との相対的な
位置関係を決めることができる。

〔実施例〕

本実施例は、走査型トンネル顕微鏡の検出探針先端と試
料表面を位置合わせする微小位置決め機構に関するもの
で、以下、図面に基づいて説明する。

（第１実施例） 第１図は、本発明の第１実施例を示したもので送り機構
６の先に積層圧電素子体２が取り付けられ、その先には
、実際に試料表面を３次元に走査する圧電素子微小位置
決め機構１．が取り付けられている。本実施例では、送
り機構６に精密マイクロメーターを用い、積層圧電素子
２には、５鵞畷×５ｍＸ９ｍの柱状体を用い、そして、
圧電素子微小位置決め機構１１は、中空円筒状に形成さ
れた圧電素子体に、３軸（ｘ、ｙ、ｚ）動作可能なよう
に電極構成を施したものを用いた。また、圧電素子微小
位置決め機構１１の先には、検出探針５．が針座を介し
てネジ止めされている。そして、検出探針の反対側には
、試料台３１を介して、試料４１が取り付けられた構成
になっている。このような構成にした機構で、先に示し
たように、積層圧電素子を用いて事前に距離検出をする
というステップに従い位置合わせをすることにより、比
較的短時間に、検出探針５１の先端と試料表面４．を接
触させることなく位置合わせをすることができた。

（第２実施例） 第３図は、本発明の第２実施例を示したもので送り機構
として、ローレンツ力により送るモノヲ用いた。磁石３
１上にガラス３２が置かれ、ガラス３２は、平面がオプ
ティカルなフラット面を有しており、その上に球体３３
を介して、ウォーカー３４が置かれである。そして、ウ
ォーカー３４には、コイル３５が形成されており、この
コイル３５に電流を流すことにより、下の磁石３１の磁
力との関係でウォーカー３４が動くというもので、コイ
ルに流す電流の向きにより前進、後退をするものである
。そして、このウォーカー上には、先の第１実施例と同
様、積層圧電素子体２、円筒型の圧電素子微小位置決め
機構１１そして検出探針５．を取り付け、ガラス３２上
には試料台３．を介して試料４．を取り付ける構成にし
た。この状態においても、先の第１実施例と同様な効果
が得られた。

（第３実施例） 第４図は、本発明の第３実施例を示したもので送り機構
として、圧電素子を交互に伸縮させインチワーム動作に
より送るものを用いた。動作順として、先ず、圧電素子
４２．４３を伸ばし、外枠４６に固定した状態から、圧
電素子４４．４５を縮め、そして中央の圧電素子体４１
を伸ばす、そして圧電素子体４４．４５を伸ばし、外枠
４６に固定する８次に圧電素子体４１と４２を縮ませた
後、圧電素子体４１を縮ませそして、圧電素子体４１と
４２を伸ばすという動作を繰り返すことにより前進、ま
た、逆動作を繰り返すことにより後退するというもので
ある。そして、このインチワームに、先の第１実施例と
同様、積層圧電素子体２、円筒型の圧電素子微小位置決
め機構１１そして、検出探針５１を取り付け、反対側に
は試料台３＃を介して試料４４を取り付ける構成にした
。この状態においても、先の第１実施例と同様な効果が
得られた。

〔発明の効果〕

本発明によると以下、説明したように、積層圧電素子体
を用いて、検出探針部と試料表面間の距離関係を事前に
検出し、それに相当する分、送り機構により送り込むこ
とにより、十分離れている状態では速く送り、近づいた
時点でゆっくり、微小ステップで送ることができ、位置
合わせの時間短縮及び、検出探針先端と試料表面を接触
させることなくトンネル電流が流れる領域まで位置合わ
せすることが可能になった。また、積層圧電素子体を距
離確認時のみ使用していることにより、位置合わせ時、
積層圧電素子のクリープの影響を受けることがなく位置
合わせをすることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例微小位置決め機構の平面図、第２図
はマイクロメータを用いた位置決め機構の平面図、第３
図は第２実施例微小位置決め機構の平面図、第４図は第
３実施例微小位置決め機構の平面図、そして、第５図（
Ａ）〜（Ｄ）は本機構の動作ステップの説明図である。 １．１１，１ｔ・・・圧電素子微小位置決め機構２　　
・・・・・・積層圧電素子体 ３５，３！、３ｓ、　３４・・・試料台４　、４＋、ｈ
、４ａ、４ｅ・試料 ５　、５．、５１・・・検出探針 ６１　　・・・・・・送り機構 以上 第１実元伊ｌ＃栽小ｆｎＪｌ沃め機構の平面図第１図 マイ７０メーフε同い乙位１決め機構の平面図第２図 第２実絶ｔ１徴・１・１立直浅約機構の平面図第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 検出部と前記検出部を３次元に微小に動かす単一圧電素
   子からなる微小位置決め機構と、前記検出部と相対する
   位置に設定された試料へ前記検出部を送る送り機構から
   なる前記検出部と、試料間の微小位置決めを行う機構に
   おいて、前記単一圧電素子微小位置決め機構と前記送り
   機構の間に積層圧電素子体を用いて、事前に前記検出部
   と前記試料表面間の距離関係を検出後、その距離に相当
   する分、前記送り機構を用いて送り込み、検出部と試料
   表面を接触させることなく位置出しすることを特徴とす
   る微小位置決め方法。