JPH03211401A - 形状測定装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、原子間力を利用して３次元形状を測定する形
状測定装置に関する。

（従来の技術） 第２図は原子開力顕微ｍ（ＡＦＭ）と呼ばれる形状測定
装置の構成図であって、装置本体１の下部には粗動機構
２か設けられている。この粗動機構２の上部には圧電素
子３が設けられ、さらにこの圧電素子３の上部にテーブ
ル４が設けられている。そして、このテーブル４上に被
認識体である試料５が載置されている。一方、装置本体
１の上部にも粗動調整用のマイクロメータ６が設けられ
ている。又、装置本体１には変位レバー７が設けられて
いる。この変位レバー７は試料５に対して接近すること
により試料５との間に生じる原子間力により変位するも
のである。この変位レバー７の僅か上方には探針８が配
置されている。なお、この探針８は圧電素子９により位
置が微調整される。この探針８と変位レバー７との間に
はバイアス電圧が印加されており、これにより探針８に
は探針８と変位レバー７との間隔に応したトンネル電流
が流れる。このトンネル電流は間隔制御装置１０に送ら
れており、この間隔制御装置１ｏはトンネル電流に応じ
て変位検知レバー７と試料５との間隔を一定にする間隔
制御電圧を圧電素子３に加える。この場合、間隔制御電
圧はＸＹＺ方向に対する各電圧として圧電素子３に印加
される。これとともに各ＸＹＺ方向の間隔制御電圧は表
示装置１１に送られる。この表示装置１１は各ＸＹＺ方
向の間隔制御電圧のうち２方向の間隔制御電圧から高さ
方向の情報を得るとともにＸＹ力方向間隔制御電圧から
平面方向の情報を得て試料５の表面の３次元形状を得、
この３次元形状を表示する。

ところで、圧電素子３にはヒステリシスがあって、Ｚ方
向の間隔制御電圧からそのまま高さ情報を得ると正確に
３次元形状を得られないので、圧電素子３のヒステリシ
スを補正している。この補正の方法としてはコンデンサ
挿入法と電荷量１す御方法とか行われている。コンデン
サ挿入法は圧電素子３の両端にコンデンサを接続する技
術であり、電荷量制御方法は圧電素子の一方の電極に積
分回路を接続して電極に流れ込む電流を積分する技術で
ある。

ところが、これら補正方法では圧電素子３とコンデンサ
との容量比によって圧電素子３への印加電圧に対する変
位量が決まるので、変位量を大きくする場合に印加電圧
か高くなり、動作上大変危険な状態となる。

（発明か解決しようとする課題） 以上のように圧電素子３のヒステリシスを補正するため
にコンデンサ挿入法と電荷量制御方法とか行われている
が、いずれの方法も変位量を大きくする場合に印加電圧
が高くなり、動作上大変危険である。

そこで本発明は、圧電素子のヒステリシスの影響を受け
ずに高精度に３次元形状を一１定できるとともに圧電素
子の変位量を大きくできて測定範囲を広げられる形状ａ
１定装置を捉供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、被測定体を載置するテーブルと、被測定体と
の間に作用する原子間力に応じて変位する変位レバーと
、この変位レバーの変位方向上に配置された探針と、変
位レバーと探針との間に流れるトンネル電流を受けて変
位に応じて被測定体と変位レバーとの間の間隔を一定に
制御する間隔制御手段と、探針と一体的に設けられてテ
ーブルの変位を検出する変位センサと、この変位センサ
により検出された変位及びテーブルの移動量から被測定
体の３次元形状を求める形状算出手段とを備えて上記目
的を達成しようとする形状測定装置である。

（作用） このような手段を備えたことにより、被測定体との間に
作用する原子間力に応じて変位レバーが変位すると、こ
の変位に応じたトンネル電流か変位レバーと探針との間
に流れる。このトンネル電流は間隔制御手段に送られて
被測定体と変位レバーとの間の間隔が一定に制御される
。又、変位センサはテーブルの変位を検出し、この変位
及びテーブルの移動量から形状算出手段は被測定体の３
次元形状を求める。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について第１図に示す原子開力
顕微鏡の構成図をプ照して説明する。

なお、第２図と同一部分には同一符号を付してその詳し
い説明は省略する。装置本体１におけるテーブル４の上
方には変位センサ２０が設けられている。この変位セン
サ２０はテーブル４の上下動の変位を検出するもので、
具体的には静電容量式変位計が用いられている。この変
位センサ２０から出力される変位検出信号は変位センサ
回路２１により信号処理されて形状算出装置２２に送ら
れている。この形状算出装置２２は、試料５が載置され
て無い状態にテーブル４をＸＹ平面に移動させたときの
テーブル上下動の情報が記憶されており、変位センサ２
０から変位検出信号を受けてこの変位検出信号から得ら
れる上下動情報とテーブル上下動情報との差を演算して
試料５の真の高さ情報を得るとともに各ＸＹ力方向間隔
制御電圧を受けて平面方向の情報を得て試料５の表面の
３次元形状を得る機能を有するものである。そして、こ
の形状算出装置２２において求められた３次元形状は表
示装置２３に送られて映像化されるようになっている。

次に上記の如く構成された装置の作用について説明する
。

粗動機構２及びマイクロメータ６により試料５と探針８
との位置が決められるとともに、これら試料５と探針８
との間にバイアス電圧か印加されると、変位レバー７と
探針８との間にトンネル電流が流れる。又、この状態に
間隔制御装置１０はＸＹ力方向各間隔制御電圧を圧電素
子３に印加する。これにより、テーブル４は試料５を載
置した状態でＸＹ平面方向に移動する。なお、このＸＹ
平面の移動により変位レバー７が試料５全体を走査する
ものとなる。

このようにして試料５がＸＹ平面上を移動すると、変位
レバー７は試料５との間に生しる原子間力により試料５
の表面形状に応じて変位する。この変位により変位レバ
ー７と探針８との間に流れるトンネル電流は変化し、こ
のトンネル電流が間隔制御装置１０に送られる。この間
隔制御装置１０はトンネル電流に応じて変位検知レバー
７と試料５との間隔を一定にするＺ方向の間隔制御電圧
を圧電素子３に加える。

この状態に変位センサ２０はテーブル４の上下動の変位
を検出してその変位検出信号を出力する。

この変位検出信号は変位センサ回路２１により信号処理
されて形状算出装置２２に送られる。この形状算出装置
２２は変位センサ２０から変位検出信号を受けてこの変
位検出信号から得られる上下動情報とテーブル上下動情
報との差を演算し求めて試料５の真の高さ情報を得ると
ともに各ＸＹ力方向間隔制御電圧を受は平面方向の情報
を得て試料５の表面の３次元形状を得る。そして、この
３次元形状は表示装置２３に送られて映像化される。

このように上記一実施例においては、試料５との間に作
用する原子間力に応じて変位レバー７が変位すると、変
位レバー７と探針８との間に流れるトンネル電流に応じ
て試料５と変位レバー７との間の間隔を一定に制御し、
このときテーブル４の上下動の変位を変位センサ２０に
より検出し、この変位及びテーブル４のＸＹ平面上の移
動量から試料５の３次元形状を求めるようにしたので、
圧電素子３のヒステリシスに影響されずに試料５の凹凸
高さの絶対量を測定できるとともに圧電素子３への印加
電圧を高くてきて圧電素子３の変位量を大きくできる。

又、変位センサ２０の検知による上下動情報とテーブル
上下動情報との差から試料５の高さ情報を求め、かつ変
位センサ２０と探針８とか一体的に装置本体１に設けら
れているので、テーブル４の移動時の震動の影響を無く
すことかできる。さらに、原子の種類により原子間力が
異なるので、これを利用して圧電素子３によりテーブル
４をただ単に上下動させたときの変位レバー７の変位−
原子間力特性を求め、この特性から原子を推定すること
ができるか、この推定のときの変位検知レバー７の変位
を高精度に検出てきる。

なお、本発明は上記一実施例に限定されるものでなくそ
の主旨を逸脱しない範囲で変形してもよい。例えば、変
位センサ２０はテーブル４の上方に配置したか、テーブ
ル４の変位を検出できれば下方や横方向に配置してもよ
い。なお、又横方向に配置した場合にはテーブル４のＸ
Ｙ平面上の移動を補正できる。変位センサ２０は光学式
や渦電流式のものでもよい。さらに、変位センサとして
粗動用と微動用の２つを設けてもよい。

又、原子開力顕微鏡に適用するだけけでなく走査型トン
ネル顕微鏡（ＳＴＭ）や先触針式のものにも適用できる
。

さらに、１回形状測定を行うと変位レバー７の先端位置
が検出されるので、２回目以降の形状測定では試料５の
厚さが分かっていれば、変位センサ２０から出力される
変位検出信号により粗動を行うことかできる。

［発明の効果］ 以上詳記したように本発明によれば、圧電素子のヒステ
リシスの影響を受けずに高精度に３次元形状を測定でき
るとともに圧電素子の変位置を大きくてきて測定範囲を
広げられる形状測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる形状測定装置の一実施例を示す
構成図、第２図は従来装置の構成図である。 １・・装置本体、２・・・粗動機構、３・・・圧電素子
、４・・テーブル、５・・・試料、６・・・マイクロメ
ータ、７・・・変位レバー　８・・・探針、９・・・圧
電素子、１０・・・間隔制御装置、２０・・・変位セン
サ、２１・変位センサ回路、２２・・・形状算出装置、
２３・・・表示装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　被測定体を載置するテーブルと、前記被測定体との間
   に作用する原子間力に応じて変位する変位レバーと、こ
   の変位レバーの変位方向上に配置された探針と、前記変
   位レバーと前記探針との間に流れるトンネル電流を受け
   て前記変位に応じて前記被測定体と前記変位レバーとの
   間の間隔を一定に制御する間隔制御手段と、前記探針と
   一体的に設けられて前記テーブルの変位を検出する変位
   センサと、この変位センサにより検出された変位及び前
   記テーブルの移動量から前記被測定体の３次元形状を求
   める形状算出手段とを具備したことを特徴とする形状測
   定装置。