JPH0269618A - エンコーダー - 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］ 本発明は、微小位置決め、寸法測長、測距、速度および
計測等における位置情報測定、特に原子オーダー（数人
）の分解能を必要とする計測制御に用いるエンコーダー
に関する。

［従来の技術］ 従来この種のエンコーダーは、位置または角度に関する
情報を有する基準目盛とこれと相対的に移動して位置ま
たは角度に関する情報を検出する検出手段とで構成され
ていた。そして、この基準目盛と検出手段によっていく
つかのタイプに分類され、例えば光学式エンコーダー、
磁気式エンコーダー、静電容量エンコーダー等があった
。

また、原子オーターの分解能を有するエンコーダーには
、既に周知の試料表面の情報を原子分解能で観察可能な
米国特許第４３４３９９３号記載の走査型トンネル顕微
鏡の基本原理を応用した特開昭８２−２０９３０２号公
報記載の平行移動量検出装置があった。

従来、このようなエンコーダーには長さに関する基準と
なる目盛と、この目盛に近接して設けられている探針と
が具備されており、駆動機構を備えた基準目盛と探針と
の間に流れるトンネル電流を信号源とし、その情報を信
号処理してエンコードする機能がある。

上記エンコーダーのトンネル電流を検知する探針は、既
に周知の電解研磨法を用いて、先鋭な針を作製し用いる
のが一般的であった。他には、機械研磨を用いる方法等
があった。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、トンネル電流を検出する探針の機能は、
エンコーダーの核となる部分でこの探針の性能は直接エ
ンコーダーの性能にかかわってくるものであるが、基準
目盛と探針との間に流れるｐ　Ａ　”　ｎ　Ａオーター
のトンネル′電流を制御し検知するのに、電解研磨法等
の探針を用いる限り、探針先端の弾性定数が低いことや
、トンネル電流弓き出し電極が検知部分より離れている
ことなどから、音響振動、床振動、電気的ノイズを受け
やすくなっている。このことがら探針が検知した情報を
低減させることになり、ひいてはエンコーダー装置の性
能そのものの低下につながっていた。

本発明の目的は、上述の問題点を解決すべく高性能、高
分解源なエンコーダーを提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、エンコーダーにおけるトンネル電流検知を行
なうための探針に、半導体製造法を用いて作製した探針
、すなわち、結晶成長を行ない先端が特定の面方位をも
ち、かつ特定の結晶面からなるファセットによって囲ま
れた尖頭部を有する単結晶で構成された探針を用いるこ
とにより、従来のエンコーダーがかかえていた、装置性
能の低下を克服し、高性能、高分解能のエンコーダーを
提供しようとするものである。

即ち、本発明は、長さに関する基準となる導電性基準目
盛と、該基準目盛面に先端を近づけて配置された単結晶
で構成されている導電性深針と、該基準目盛と該探針と
の間に電圧を印加する手段と、該基準目盛と該探針の間
に流れるトンネル電流値を検出し該トンネル電流値に基
づき該基準目盛と該探針との横方向の相対動き量に応じ
た信号を出力する手段と、該信号出力手段の出力信号に
基づいて該基準目盛と該探針との横方向の相対動き量お
よび相対動き方向を検知する手段と１該横方向相対動き
着信号と該相対動き方向信号から該基準目盛と該探針の
横方向相対変位量を計数する手段とを具備することを特
徴とするエンコーダーである。

［実施例Ｊ 第１図は、本発明の第１の実施例に係るエンコーダーの
構成を示す。第２図、第３図は、本実施例の各構成部分
において得られる信号を示す。

第４図は、本実施例のトンネル電流検知探針の拡大外観
図である。また、探針に隣接して、初段増ｌ′ｌｌ１ｉ
！塁を構成することも可能である。

第１図において、対象物１０１と対象物１０２は相対的
に横方向（紙面内左右の方向）にのみ移動できるように
設置されている。対象物１０１には導電性の基準目盛１
０３が、対象物＋０２には導電性の探針１０４が設けら
れている。探針１０４　と基準目盛１０３との間にはバ
イアス電源１０Ｂによってバイアス電圧が加えられてい
る。探針１０４の先端と基準目盛１０３　とは、それら
の１■にトンネル電流１０５が流れる程度まで、近づけ
られている。ここで、トンネル電流１０５は、電流電圧
変換回路１０７によって電圧に変換され、増幅回路１０
Ｂによって増幅された後、対数変換回路１０９によって
対数変換される。

また、探針１０４は探針振動手段１１０によって、対象
物＋０１と対象物１０２の相対移動方向に振動３ｆ、振
＠ｄで振動する。探針振動信号は発振器１１１から出力
される振動数ｎｆの矩形波２ａを分周回路１１２、波形
変換回路１１３によって振動数ｆの三角波に変換し、増
幅器！１４によって増幅後（信号２Ｃ）、探針振動手段
１１０に加えられる。ここで、探針を振動させるかわり
に、基準目盛振動手段を対象物１０２に設け、基準目盛
を振動させてもよい。

さらに対象物＋０１と対象物１０２が横方向に相対移動
する際、探針と基準目盛の平均間隔が一定となるように
（検知トンネル電流の平均値が一定となるように）、対
数変換回路１０９からの出力信号を検知し、平均トンネ
ル電流値設定回路１１５、ロー　バスフィルター１１６
、増幅回路１１７によってフィード・パックループを形
成し、探針縦方向位置制御手段！１８によって探針と基
準目盛の間隔を制御する。このとき、ローパスフィルタ
ー１１５のカッ）オフ周波数は、基準目盛上を探針が横
方向に振動することによって生ずるトンネル電流の速い
変調成分を取り除き、対象物１０１と対象物１０２が横
方向に相対移動する際、基準目盛の傾き等によるトンネ
ル電流のゆっくりとした変化分を通すように選ぶ。

探針振動手段１１０による探針の振動によって、探針−
基準目盛間を流れるトンネル電流１０５には探針が基準
目盛上を走査することによる間隔）、ここで、対象物１
０１と対象物１０２が相対的に横方向に移動すると、上
記のトンネル電流１０５えば、探針振動信号）に対して
位相ずれを起こす、信号の１周期（２πの位相ずれ）が
基準目盛１目盛分の探針と基準目盛との相対槽ずれに対
応しているので、この位相ずれを検知することにより、
対象物１０１と対象物１０２の相対的横方向移動量を検
知することができる。以下第２図、第３図を用いて信号
処理の方式について説明する。

は、電流電圧変換回路Ｉ０７．増幅回路１０８．対数変
換回路１０９．バンドパスフィルター１１８を経てとり
出され（図中、　２ｄ）　、二値化回路ｌ１８によって
二値化された後、信号２ｅを得る。ここで、ｄ＝神とな
るように探針振動手段１１０に加える探針振動信号２ｃ
の振幅を（増幅回路１１４のゲインを）調整し、信号２
ｅの周波数をｎｆに一致させる。

さらに発振器Ｉ１１からの信号２ａを分周回路１１２に
よって周波数を−に分周した信号２ｂを参照信号として
、信号２ｅをアナログスイッチ１２０によって２つの信
号２ｆ、　２ｇに分離する。

また、信号２ａをアナログスイッチ１２１によって信号
２ｂを参照信号として、２つの信号２ｈ、　２ｉに分離
する。

ここで、信号２ｆと信号２ｈを位相比較器１２２に入力
し５位相差出力２ｊ信号を平均化回路１２３によって平
均化し信号２ｋを得る。さらに位相差が２ｎπ（ｎ：整
数）となるごとに、例えば位相差出力信号２ｋ（３ａ）
のゼロ・クロス点を二値化回路１２４によって検知し、
パルスを発生させ（信号３ｂ）。

アップ・ダウンカウンタ１２５でパルス数を計数するこ
とにより、信号２ｆと信号２ｈの相対位相ずれ（エンコ
ーダー出力信号３ｃ）を検知することができる。このと
き、カウンタ１２５に入力する位相ずれ方向信号すなわ
ち、アップ・ダウン条件（符号）は次のようにして求め
る。

発振器１１１からの出力信号２ａから位相シフタ１２Ｂ
、アナログスイッチ１２７を用いて信号２ｈに対して位
相が９０°ずれた信号２Ｐを生成する。信号２ｆと信号
２Ｉ！を位相比較器１２８に入力し、位相差出力信号２
層を平均化回路１２９によって平均化し、信号２ｎ（３
ｄ）を得る。さらに信号３ｄを二値化回路１３０によっ
て二値化して位相ずれ方向信号すなわち、アップダウン
カウンタ入力アップダウン信号３ｅとする。

このようにして、対象物１０１と対象物！０２の横方向
相対移動量を検知することができる。なお。

この実施例による方式では、位相ずれ１周期分（２π）
が、基準目盛１目盛分の相対移動量に対応している。ま
た、この実施例中では、触れなかったが、信号２ｉ、　
２ｈについても同様の信号処理を行なって、相対移動量
を検知することができる。

以下に、実施例に使用した単結晶探針１０４を作製する
結晶成長の方法を説明する。

この単結晶体１０４の製造方法は、核形成速度の差を利
用するもので１例えば、基板の一生面上または該基板の
一生面上に形成された薄膜上の所望の部分に、該基板ま
たは薄膜より該形成速度が十分大きく、かつ単一の核だ
けが成長する程度に十分微細な異種材料を設ける工程と
、該材料に単一の核を成長させて単結晶体を形成する工
程を有する方法や、基板上に該基板が一部露出するよう
な微小の開口部を有する絶縁層を積層し、前記絶縁膜を
マスクとして、前記開口部から単結晶体を形成する工程
を有する方法（選択エピタキシャル成長法）などが挙げ
られる。後者の方法をより具体的に説明するなら、その
基本原理は１選択エピタキシャル成長とエピタキシャル
横方向成長の原理にある０選択エピタキシャル成長は、
表面エネルギー、付着係数、表面拡散速度等の結晶成長
過程での核形成を左右する因子の材料間での差を利用し
て、単結晶基板（核形成因子大の材料）上に選択的にエ
ピタキシャル成長を行なわしめるものである。

すなわち、マスク（核形成因子小の材料）上における安
定核の発生を抑止しく従って、マスクからの結晶成長は
生じない）、マスクの開口部に露出した単結晶基板表面
からのみエピタキシャル成長を行なわしめるものである
。

本発明で用いる結晶成長法では、マスク表面は非核形成
面であるので、かかる、安定核の発生は抑制され、マス
ク開口部の単結晶基板のみから選択的に結晶成長が生ず
る。

その間の結晶成長過程を第５図（Ａ）〜（Ｄ）を用いて
説明する。まず、第５図（Ａ）に示すように、単結晶基
板６１の表面が露出するような開口部６３を設けた所望
の結晶方位の単結晶基板６１に前述のような結晶成長法
とマスク６２の表面には結晶の安定核が発生しないよう
な成長条件（具体的には表１記倣の条件）で結晶形成処
理を施すと、結晶は開口部６３の底部の単結晶基板表面
のみからエピタキシャル成長し、次第に開口部６３を埋
めていく（第５図（Ｂ））、ここで成長しつつある結晶
６４は単結晶基板の結晶方位等の結晶性に関する情報を
受は継いでいる。成長が進むとやがて結晶６４はマスク
６２の表面をも覆う形でマスク６２の上方へ成長しくオ
ーバーグロース：　Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）　、ファセ
ットをもつ外形を具えた単結晶６５になる（第５図（Ｃ
））、さらにこれを成長させると単結晶６５の表面積の
増加に伴い単結晶のファセットによる外形は第５図（Ｄ
）に示すような大きな単結晶６５となる。

この単結晶６５はその材料が基板単結晶６１と同じか、
或いは異っていても同じ対称性と近い格子定数をもつな
ら単結晶基板６１と同じ結晶方位をもつ、したがって同
一基板上に複数個形成しても全て同じ結晶方位の外形を
もつ。

次に結晶形成処理によるファセット及び尖頭部の形成に
ついて述べる。

上述したようなＣＶＤ等の結晶形成処理を施すと成長し
た単結晶は成長速度の異方性の為に特定の結晶面からな
るファセットに囲まれた成長形をとる。ファセットをな
す結晶面は一般に成長速度の遅い面であるが、成長速度
は成長中の環境相の変化に敏感でその異方性も大きい為
に結果として単結晶の成長形は成長方法及び成長条件に
依存する。そこで成長させる結晶に応じて適当な面方位
をもった単結晶基板を選びマスクを形成してこれに適当
な成長方法及び適当な成長条件を選択し結晶形成処理を
施すなら、ファセットに囲まれた尖頭部を有する単結晶
を得ることができる０例えば面方位が（１００）である
Ｓｉ単結晶基板を後述する具体例に示すＣＶＤ法のよう
な方法で成長させると尖頭部を有する単結晶が形成され
る。第７図はこのようにして形成されたＳｉ単結晶の斜
視図である。

後述の具体例のような方法で成長したＳｉ単結晶はそれ
ぞれ４つの（１１１）面７６と（３１１）　と（４１１
の間の高次の結晶面７７からなるファセットとを有し、
４つの三角形の面７７によって尖頭部７５を形成する。

ファセット面７７は結晶学的な結晶面であるから、尖頭
部７５の頂点は原理的には原子レベルの鋭利さを具えて
いる。本発明による微小プローブは、このような安定し
た構造をもち、鋭利な尖頭部を有する単結晶体を所望の
位置に制御性よく形成することにより、その性能の向上
を得ている。

また成長条件を変えれば尖頭部が（１１１１面で囲まれ
るようなファセットによる外形にＳｉ単結晶を成長させ
ることもできる。

次に結晶形成処理の具体的な実施例について述へる。

その例として、Ｓｉ単結晶基板に５ｉ０２のマスクを用
いて尖頭部を有するＳｉ単結晶を成長させた例を挙げる
。

まず単結晶基板として半導体デバイスに用いられる、（
１００）の面方位のＳ１ウエハーを用い、この表面に熱
酸化によって膜厚２０００Ａはどの酸化膜を形成した０
次にこの酸化膜にフォトリソグラフィープロセスで孔径
１，２に鵬の開口部を５０Ｈの間隔でマトリクス状に形
成し、その底部にＳｉ単結晶基板の表面を露出させた。

この基板にＣＶＤ法によって下記の成長条件（表１）で
結晶形成処理を施した。

表１ 圧力　　：　１５０　Ｔｏｒｒ 使用ガス：　５ｉＨｒＣｉ’２（ソースガス）　＋ＨＣ
ｉ！（エツチングガス）＋Ｈ２（キャリヤガス） ガス流訃比：　５ｉＨ２ＣＩ！ｚ：ＨＯ２：Ｈ２＝　１
．２：２．４：１００基板温度：　１０３０°Ｃ 成長時間：　１０　ｍｉｎ ［発明の効果］ 以上説明したように、エンコーダーのトンネル電流検出
探針は、先端角度が（４１＋）から（３１１）の範囲内
にあるファセット面で囲まれており、従来の電解研磨法
等により作製した探針に比べ十分な動を行なった際にも
安定した出力信号を得ることが可能となった。また探針
先端においては、半導体製造プロセスによって作製する
ため、条件を制御すれば安定した探針を再現性よく、か
つ、原子オーダーの形状で作製することが可能となる。

このエンコーダーの構成において、探針がトンネル電流
を検出し、この信号に電気的な処理を行ない出力信号と
して取り出すのであるが、そのトンネル電流の初段検出
の際、対象物表面の情報以外に外乱電気ノイズを検出し
てしまうが、そのノイズをいかに小さくするかが装置の
性能を左右するため、ノイズの低減は必須となる。本実
施例に用いた単結晶探針の場合、探針の近傍には、隣接
して引き出し電極や、増幅器を構成することが可能であ
り、従来の探針に比べ、配線の引きまわし距離が格段に
短縮され、それに伴い外乱電気ノイズの低減がなされる
。このため出力信号の信頼性が向上（Ｓ／Ｎの向上）し
、装置の性能向上に大きく寄与した。

以上述べたように、単結晶探針をエンコーダーに搭載す
ることにより、電気ノイズ、振動（音響、地盤等）ノイ
ズに強く、剛性が高いことによる高速振動において有利
であり、情報の再現性、装置の安定性の面において優れ
、高性能・高分解能のエンコーダーを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係るトンネル電流検知
によるエンコーダーの構成図、第２図及び第３図は第１
図の各構成部分において得られる信号を表わす波形図、
第４図はエンコーダーに搭載されている単結晶探針の外
観図、第５図は第４図の探針作製の基本原理説明図であ
る。 ｌ：基板　　　　　　　　２：絶縁膜 ３：電極　　　　　　　　４：単結晶探針５：情報検知
部　　　　　６１：単結晶基板６２：マスク　　　　　
　　６３：開口部６５：単結晶　　　　　　　１０１．
１０２：対象物０３：基準目盛　　　　　１０４：探針
０５：トンネル電流　　　１０６：バイアス電源０７：
電流電圧変換回路　１０８：増幅回路０９：対数変換回
路　　　１１０　：探針振動手段１１：発振器　　　　
　　１１２　：分周回路】３：三角波変換回路　　１１
４：増幅回路１５：平均トンネル電流値設定回路 ：ローパスフィルター ：増幅回路 ：バンドパスフィルター ：二値化回路　　１２０：アナログスイッチ＝アナログ
スイッチ 二位相比較器　　１２３：平均化回路 二二値化回路 ニアツブ・り゛ランカウンタ ：位相シフタ　　１２７：アナログスイツチ：位相比較
器　　１２９：平均化回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）長さに関する基準となる導電性基準目盛と、該基
   準目盛面に先端を近づけて配置された単結晶で構成され
   ている導電性探針と、該基準目盛と該探針との間に電圧
   を印加する手段と、該基準目盛と該探針の間に流れるト
   ンネル電流値を検出し該トンネル電流値に基づき該基準
   目盛と該探針との横方向の相対動き量に応じた信号を出
   力する手段と、該信号出力手段の出力信号に基づいて該
   基準目盛と該探針との横方向の相対動き量および相対動
   き方向を検知する手段と、該横方向相対動き量信号と該
   相対動き方向信号から該基準目盛と該探針の横方向相対
   変位量を計数する手段とを具備することを特徴とするエ
   ンコーダー。
2. （２）特定の面方位を持ちかつ特定の結晶面からなるフ
   ァセットによって囲まれた尖頭部を有する単結晶で構成
   された導電性探針を備える請求項１記載のエンコーダー
   。
3. （３）前記ファセット面が｛４１１｝から｛３１１｝の
   範囲内にある探針を備える請求項１記載のエンコーダー
   。
4. （４）前記探針に隣接して電極配線を備えている請求項
   １記載のエンコーダー。
5. （５）前記探針に隣接して増幅器を備えている請求項１
   記載のエンコーダー。