JPH03291502A

JPH03291502A - アライメント機構及びこのアライメント機構を用いた原子間力顕微鏡

Info

Publication number: JPH03291502A
Application number: JP2094702A
Authority: JP
Inventors: Fumihiko Ishida; 文彦石田; Masakazu Hayashi; 正和林; Tamiyoshi Yasunaga; 安永　民好
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-04-10
Filing date: 1990-04-10
Publication date: 1991-12-20

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、トンネル電流検出用の探針に対して原子間力
により変位するレバーを位置決めするアライメント機構
及びこのアライメント機構を用いた原子間力顕微鏡に関
する。

（従来の技術）原子間力顕微鏡は、トンネル電流検出用の探針を設ける
とともに、この探針から１０　　程度能れて原子間力に
より変位するレバーを配置し、かつ探針とレバーとの間
にトンネル電流を流している。

この状態に試料をレバーに近接すると、レバーの先端は
試料との間における原子間力のファン・デア・ワールス
の力により試料に接近するように変位する。さらに、試
料がレバーに接近すると、レバーにはパウリの排他律で
表される力が働く。これにより、レバーの先端は試料か
ら遠ざかるように変位する。このようにレバーが変位す
ると、トンネル電流はレバーの変位に応じて変化する。

従って、レバーの変位が一定となるように例えば試料を
移動制御させれば、この移動制御から試料の表面形状か
測定される。

ところで、以上のような顕微鏡ではレバーを探針に対し
て精度高く位置決めしないと、レバーの変位を感度高く
検出できなくなり、測定する表面形状の分解能が低下す
る。

そこで、レバーをマイクロメータヘッドにより位置決め
しているが、マイクロメータヘッドでは大型化し、熱に
より伸縮が大きくなって誤差が生じてしまう。又、マイ
クロメータヘッドでは固有振動数が低下するために、分
解能の低下及び高速な測定ができない。

（発明が解決するための課題）以上のようにマイクロメータヘッドによる位置決めては
、誤差が生じ、そのうえ分解能の低下及び高速な測定が
できない。

そこで本発明は、誤差か生ぜずに簡単にレバーを探針に
対して位置決めできるアライメント機構を提供すること
を目的とする。

又本発明は、誤差が生ぜずに簡単にレバーを探針に対し
て位置決めてきるアライメント機構を用いて分解能を向
上できる原子間力顕微鏡を提供することを目的とする。

［発明の構成］（３題を解決するための手段）本発明は、トンネル電流検出用の探針に対して試料との
間に生じる原子間力により変位するレバーをアライメン
トするアライメント機構において、レバーを保持しかつ
探針近傍の固定体に対して移動自在に取り付けられたレ
バーホルダーと、固定体におけるレバーホルダーの側面
位置に対応する位置に形成された複数の孔と、これら孔
に挿入してレバーホルダーを移動させる治具とを備えて
上記目的を達成しようとするアライメント機構である。

又、本発明は、トンネル電流検出用の探針に対して試料
との間に生じる原子間力により変位するレバーをアライ
メントするアライメント機構において、レバーを保持す
るレバーホルダーと、このレバーホルダーを少なくとも
一方向に移動させる圧電素子とを備えて上記目的を達成
しようとするアライメント機構である。

又、本発明は、トンネル電流検出用の探針に対して試料
との間に生じる原子間力により変位するレバーをアライ
メントするアライメント機構において、レバーを保持し
かつ探針近傍の固定体に対して移動自在に取り付けられ
るとともに複数の孔が形成されたレバーホルダーと、こ
れら孔に挿入してレバーホルダーを移動させる治具とを
備えて上記目的を達成しようとするアライメント機構で
ある。

本発明は、試料をＸＹＺ方向に移動させるＸＹＺ移動機
構と、トンネル電流検出用の探針を２方向に粗動させる
粗動機構と、探針をＺ方向に微動させる微動機構と、試
料との間に生じる原子間力により変位するレバーを保持
しかつ探針近傍の固定体に対して移動自在に取り付けら
れたレバホルダー、固定体におけるレバーホルダーの側
面位置に対応する位置に形成された複数の孔及びこれら
孔に挿入してレバーホルダーを移動させる治具から成る
アライメント機構と、探針とレバーとの間に流れるトン
ネル電流から試料の表面形状を測定する測定手段とを備
えて上記目的を達成しようとする原子間力顕微鏡である
。

又本発明は、試料をＸＹＺ方向に移動させるＸＹＺ移動
機構と、トンネル電流検出用の探針をＺ方向に粗動させ
る粗動機構と、探針をＺ方向に微動させる微動機構と、
探針に対して試料との間に生じる原子間力により変位す
るレバーを保持するレバーホルダー及びこのレバーホル
ダーを少なくとも位置方向に移動させる圧電素子から成
るアライメント機構と、探針とレバーとの間に流れるト
ンネル電流から試料の表面形状を測定する測定手段とを
備えて上記目的を達成しようとする原子間力顕微鏡であ
る。

又本発明は、試料をＸＹＺ方向に移動させるＸＹＺ移動
機構と、トンネル電流検出用の探針をＺ方向に粗動させ
る粗動機構と、探針をＺ方向に微動させる微動機構と、
探針に対して試料との間に生じる原子間力により変位す
るレバーを保持しかっ探針近傍の固定体に対して移動自
在に取り付けられるとともに複数の孔が形成されたレバ
ーホルダー及びこれら孔に挿入してレバーホルダーを移
動させる治具とから成るアライメント機構と、探針とシ
バ−との間に流れるトンネル電流から試料の表面形状を
測定する測定手段とを備えて上記目的を達成しようとす
る原子間力顕微鏡である。

（作用）このような手段を備えたことにより、レバーホルダーの
側面位置に対応する固定体の位置に形成された複数の孔
に治具が挿入され、この治具によりレバーホルダーが位
置決めに移動される。

又、上記手段を備えたことにより、圧電素子の変位によ
りレバーホルダーが少なくとも一方向に移動される。

又、上記手段を備えたことにより、レバーホルダーに形
成された複数の孔に治具が挿入され、この治具によりレ
バーホルダーが位置決めに移動される。

さらに、上記手段を備えたことにより、試料をＸＹＺ移
動機構によりＸＹＺ方向に移動させるとともに探針を粗
動機構及び微動機構によらＺ方向に移動させる。又、レ
バーホルダーの側面位置に対応する固定体の位置に形成
された複数の孔に治具が挿入され、この治具によりレバ
ーホルダーのレバーか探針に対して位置決めされる。そ
して、探針とレバーとの間に流れるトンネル電流から試
料の表面形状か測定される。

この場合、レバーの探針に対する位置決めは、圧電素子
の変位によりレバーホルダーが少なくとも一方向に移動
されて行われる。又、レバーホルダーに形成された複数
の孔に治具が挿入され、この治具により位置決めされる
。

（実施例）以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は原子間力顕微鏡の全体構成図である。

本体１の下部には粗動機構２が設けられている。

この粗動機構２はマイクロメータヘッド３により駆動す
る。この粗動機構２にはＸＹステージ３が設けられ、さ
らにこのＸＹステージ３上にＺステージ４が設けられて
いる。

ＸＹステージ３は第２図に示すように固定フレーム５、
可動フレーム６．７，８．９及び可動テーブル１０を備
え、これら固定フレーム５、可動フレーム６〜９及び可
動テーブル１０の各間にそれぞれバイモルフ圧電素子１
１〜２２を挟持させた構成となっている。各バイモルフ
圧電素子１１〜２２は第３図に示すように電極２３を各
圧電素子２４．２５により挾み、これら圧電素子２４．
２５に各電極２８，２７゜２８．２９を取り付け、分極
を矢印方向にほどこしたものとなっている。そして、電
極２３には負極が接続され、各電極２６〜２９には電源
３０の正極が接続されている。

このような構成であれば、各電極２３．２６〜２９に電
圧が印加されると、この印加電圧に応じて各バイモルフ
圧電素子１１〜２２は点線で示すように湾曲する。例え
ば、これらバイモルフ圧電素子１１〜２２の湾曲により
各可動フレーム６〜９は第４図に示すように移動し、こ
の移動に伴って可動テーブル１０はＸＹ力方向移動する
。

Ｚステージ４は鋼により板状に形成されるとともに、第
５図に示すように内部にスリット３１及び屈曲用の孔３
２〜３５が形成されている。そして、Ｚステージ４の内
部には圧電素子３６が設けられている。このような構成
であれば、圧電素子３６が変位すると、６孔３２〜３５
において屈曲してスリット３１の間隔が拡がったり狭（
なったりする、つまり２方向に変位する。

そして、Ｚステージ４上には試料台３７が設けられ、こ
の試料台３７上に試料３８が載置されている。

一方、本体１の上部には粗動機構４０が設けられている
。この粗動機構４０はベース４１が本体１に対して軸４
２を中心として矢印（イ）方向に回動するものとなって
いる。この粗動機構４０はマイクロメータヘッド４３及
びばね機構４４から構成されている。

このばね機構４４には微動機構４５が取り付けられてい
る。この微動機構４５は圧電素子から成るもので、その
先端には探針４６が設けられている。なお、微動機構４
５は捩子４７により締め付けられている。

粗動機構４０のベース４１の下部にはレバー５０を保持
するレバーホルダー５１がアライメント機構５２ととも
に設けられている。

次にアライメント機構５２について説明する。第６図は
アライメント機構５２の構成図である。同図（ａ）は下
方から見た図であり、同図（ｂ）は側面図である。レバ
ーホルダー５１はベース４１に対して捩子５３により締
め付けられている。この締め付は度合いはレバーホルダ
ー５１をベース４１に対して固接せずに外力を与えると
回動する程度となっている。

又、ベース４１には、レバーホルダー５１の外面位置に
相当する位置に６孔５４，５５．５８が形成されている
。

又、アライメント機構５２は第７図に示す構成としても
良い。同図（ａ）は下方から見た図であり、同図（ｂ）
は側面図である。レバーホルダー６０はレバー５０を保
持するとともにレバー５０を保持する側とは反対側に突
起部６Ｉが形成されている。この突起部６Ｉとベース４
１との間にはバイモルフ圧電素子６２．６３．６４．８
５が設けられている。従って、各バイモルフ圧電素子６
２〜６５に電圧か印加されて湾曲すると、レバーホルダ
−６０全体が矢印（ロ）方向に変位する。同図において
点線は変位したときのレバーホルダー６０の位置を示し
ている。

次に電気回路系について説明する。

探針４６とレバー５０との間にはバイアス電源７０が切
換スイッチ７１を介して接続されている。又、探針４６
と試料３８との間にはバイアス電源７０が切換スイッチ
７１を介して接続されている。

又、圧電素子４５には微動用の電源７２が接続されてい
る。

一方、探針４６には増幅回路７３が接続され、トンネル
電流が増幅されて比較増幅回路７４に送られている。こ
の比較増幅回路７４には基準電源７５が接続され、この
比較増幅回路７４はトンネル電流に応じた電圧と基準電
圧との差電圧を増幅している。この差電圧は積分回路７
Ｂを通して駆動回路７７に送られている。この駆動回路
７７は差電圧に応じた電圧を圧電素子３６に印加するも
のである。又、差電圧は駆動回路７７を通ってＡ／Ｄ変
換回路７８によりデジタル変換されて主制御部７９に送
られている。この主制御部７９は差電圧から試料３８の
表面形状を求めてデイスプレィ８０に表示する機能を有
している。

又、この主制御部７９はＸＹ移動信号を送出する機能を
有している。このＸＹ移動信号はＤ／Ａ変換回路８１に
よりアナログ変換されて駆動回路８２に送られている。

そして、この駆動回路８２はＸＹ移動信号により指示さ
れた電圧をＸＹステージ３の各バイモルフ圧電素子１１
〜２２に印加するものである。

ところで、アライメント機構５２がバイモルフ圧電素子
６２〜６５を用いたものであれば、バイモルフに駆動回
路８４が接続される。

次に上記の如く構成された顕微鏡における探針４Ｂに対
するレバー５０の位置決めに作用について説明する。

第８図に示すように粗動機構４０のベース４１が軸４２
を中心として矢印（イ）方向に回動される。この状態に
マイクロメータヘッド４３が駆動されて微動機構４５及
び探針４６を一体的に移動させる。この移動により探針
４Ｂとレバー５０との間隔が１００μｍ程度に接近され
る。この間隔に接近されると、微動機構４５は捩子４７
により締め付けられてばね機構４４に対して固定される
。

次に第６図に示すアライメント機構５２により位置決め
が行なわれる。すなわち、探針４６とレバー５０の先端
との位置が光学顕微鏡により観察される。

この状態に第９図に示すように例えば孔５４に治具９０
が挿入され、この治具９０による“てこの原理”により
レバーホルダー５１が移動される。そして、この移動に
よりレバー５０が探針４６に対して位置決めされる。こ
の場合、レバーホルダー５１は捩子５３により締め付け
られているので、高い剛性を有し微妙な位置決めができ
る。

次に粗動機構４０は軸４２を中心として回動されて本体
１にセットされる。このセットによりレバー５０が試料
３８の上方に配置される。そして、マイクロメータヘッ
ド４３が駆動されるとともに微動機構４５に電圧が電源
７２から印加される。一方、探針４６とレバー５０との
間にはバイアス電源７０からバイアス電圧が印加される
。これにより、探針４６をレバー５０に対して接近させ
、探針４６とレバー５０との間にトンネル電流が流れる
。マイクロメータヘッド４３の駆動を止めて、微動機構
４５への電圧を印加しトンネル電流を流した状態にする
。

トンネル電流が流れると、このトンネル電流は増幅回路
７３によりその電流値に応じた電圧として増幅されて比
較増幅回路７４に送られる。この比較増幅回路７４は基
準電圧とトンネル電流に対応した電圧との差電圧を求め
る。この差電圧は積分回路７６により積分処理されて駆
動回路７７に送られる。

これにより、駆動回路７７によりＺテーブル４の圧電素
子３６に差電圧に応した電圧が印加される。又、これと
ともにマイクロメータヘッド３が駆動され、この駆動に
より粗動機構２が動作する。

このようにして試料３８がレバーに近接すると、レバー
５０の先端は試料３８との間における原子間力のファン
・デア・ワールスの力により試料３８に接近するように
変位する。さらに、試料３８がレバー５０に接近すると
、レバー５０にはパウリの排他律で表される力が働く。

これにより、レバー５０の先端は試料３８から遠ざかる
ように変位する。このようにレバー５０が変位すると、
トンネル電流はレバーの変位に応じて変化する。しかし
て、このトンネル電流の変化は比較増幅回路７４から出
力される差電圧に対応する。この差電圧はＡ／Ｄ変換回
路７８によりディジタル化されて主制御部７９に送られ
る。

この主制御部７９は差電圧から試料３８の表面形状を求
めてデイスプレィ８０に表示する。

次に第７図に示すアライメント機構５２による位置決め
について説明する。第８図に示すように粗動機構４０の
ベース４１が矢印（イ）方向に回動され、この状態にマ
イクロメータヘッド４３が駆動されて探針４６を移動さ
せる。この移動により探針４６とレバー５０との間隔が
１０　　程度に接近される。この間隔に接近されると、
微動機構４５は捩子４７により締め付けられてばね機構
４４に対して固定される。

次に探針４Ｂとレバー５０とが光学顕微鏡により観察さ
れる。この状態に駆動回路８４から各バイモルフ圧電素
子６２〜６５に電圧が印加される。これにより、各バイ
モルフ圧電素子６２〜６５は湾曲し、この湾曲に伴って
レバーホルダー６０が矢印（ロ）方向に移動する。この
移動によりレバー５０の先端が探針４Ｂに対して位置決
めされる。

以下、粗動機構４０が回動されて本体１にセットされる
。そして、探針４Ｂとレバー５０との間にトンネル電流
が流される。しかして、このトンネル電流に対応した電
圧と基準電圧との差電圧がディジタル化されて主制御部
７９に送られる。この主制御部７９は差電圧から試料３
８の表面形状を求めてデイスプレィ８０に表示する。

このように上記一実施例においては、アライメント機構
５２としてレバーホルダー５１の外面位置に対応する固
定体の位置に形成された答礼５４〜５６に治具９０を挿
入して位置決めする構成としたので、温度に対する探針
４６とレバー５０との間の変動を軽減できる。この軽減
量は探針４６からレバー５０への方向をｈとするととも
に熱膨脹係数をｋとすると、ｈｘｋの軽減量となる。例
えばｈを１０　［＋＋ｎ］とし、ｋを１０−’　［１／
Ｋ］とすると、１［Ｋ］の温度変動で１０［ｔ＋＋ｇ］
の変動を軽減できる。又、アライメント機構を小型化で
きるので、剛性を高くでき、高速な測定が可能となる。

又、バイモルフ圧電素子６２〜６５の湾曲により位置決
めする構成としたので、治具９０を用いた場合と同様に
効果を奏する他にＡＦＭ像及びＳＴＭ像を得ることがで
きる。この場合、ＳＴＭ像はレバー５０の先端を試料３
８上に接触することにより得られ、ＡＦＭ像とＳＴＭ像
とを対応させることができる。従って、ＡＦＭ像及びＳ
ＴＭ像からより正確に試料３８の表面形状を測定できる
。

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良い。例えば、第
１０図（ａ）に示すようにレバーホルダー５１に答礼９
１〜９３を形成し、同図（ｂ）に示すように治具９４に
よりレバーホルダー５１を移動させるようにしてもよい
。又、第１１図に示すように各バイモルフ圧電素子９５
〜９８をＸＹ方向にそれぞれ配置してレバーホルダー５
１をＸＹ平面上に移動させるように構成しても良い。さ
らに、ＸＹステージ３及びＺステージ４は円筒型のチュ
ーブスキャナーやトライボッドのような構成としてもよ
い。

また、原子間力の測定において、レバーの変位が一定に
なるようなものばかりではなく、力の私記が一定になる
よう測定する方法を用いてもよい。

［発明の効果コ以上詳記したように本発明によれば、誤差が生ぜずに簡
単にレバーを探針に対して位置決めできるアライメント
機構を提供できる。

又本発明によれば、誤差が生ぜずに簡単にレバーを探針
に対して位置決めできるアライメント機構を用いて分解
能を向上できる原子間力顕微鏡を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第９図は本発明に係わるアライメント機構及
びこのアライメント機構を用いた原子間力顕微鏡の一実
施例を説明するための図であって、第１図は原子間力顕
微鏡の全体構成図、第２図はＸＹステージの構成図、第
３図はバイモルフ圧電素子の構成図、第４図はＸＹステ
ージの移動作用を示す図、第５図はＺステージの構成図
、第６図及び第７図はアライメント機構の構成図、第８
図★ン第９図はアライメント作用を示す図、第１０図及
び第１１図はアライメント機構の他の構成を示す図であ
る。１・・・本体、２・・・粗動機構、３・・・ＸＹステー
ジ、４・・・Ｚステージ、３７・・・試料台、３８・・
・試料、４０・・・粗動機構、４５・・・微動機構、４
６・・・探針、５０・・・レバー５１、６０・・・レバ
ーホルダー、５２・・・アライメント機構、５３・・捩
子、５４〜５Ｂ・・・孔、６２〜Ｂ５・・・バイモルフ
圧電素子、９０・・・治具。

Claims

【特許請求の範囲】（１）トンネル電流検出用の探針に対して試料との間に
生じる原子間力により変位するレバーをアライメントす
るアライメント機構において、前記レバーを保持しかつ
前記探針近傍の固定体に対して移動自在に取り付けられ
たレバーホルダーと、前記固定体におけるレバーホルダ
ーの側面位置に対応する位置に形成された複数の孔と、
これら孔に挿入して前記レバーホルダーを移動させる治
具とを具備したことを特徴とするアライメント機構。（２）トンネル電流検出用の探針に対して試料との間に
生じる原子間力により変位するレバーをアライメントす
るアライメント機構において、前記レバーを保持するレ
バーホルダーと、このレバーホルダーを少なくとも一方
向に移動させる圧電素子とを具備したことを特徴とする
アライメント機構。（３）トンネル電流検出用の探針に対して試料との間に
生じる原子間力により変位するレバーをアライメントす
るアライメント機構において、前記レバーを保持しかつ
前記探針近傍の固定体に対して移動自在に取り付けられ
るとともに複数の孔が形成されたレバーホルダーと、こ
れら孔に挿入して前記レバーホルダーを移動させる治具
とを具備したことを特徴とするアライメント機構。（４）試料をＸＹＺ方向に移動させるＸＹＺ移動機構と
、トンネル電流検出用の探針をＺ方向に粗動させる粗動
機構と、前記探針をＺ方向に微動させる微動機構と、前
記試料との間に生じる原子間力により変位するレバーを
保持しかつ前記探針近傍の固定体に対して移動自在に取
り付けられたレバーホルダー、前記固定体におけるレバ
ーホルダーの側面位置に対応する位置に形成された複数
の孔及びこれら孔に挿入して前記レバーホルダーを移動
させる治具から成るアライメント機構と、前記探針と前
記レバーとの間に流れるトンネル電流から前記試料の表
面形状を測定する測定手段とを具備したことを特徴とす
る原子間力顕微鏡。（５）試料をＸＹＺ方向に移動させるＸＹＺ移動機構と
、トンネル電流検出用の探針をＺ方向に粗動させる粗動
機構と、前記探針をＺ方向に微動させる微動機構と、前
記探針に対して前記試料との間に生じる原子間力により
変位するレバーを保持するレバーホルダー及びこのレバ
ーホルダーを少なくとも位置方向に移動させる圧電素子
から成るアライメント機構と、前記探針と前記レバーと
の間に流れるトンネル電流から前記試料の表面形状を測
定する測定手段とを具備したことを特徴とする原子間力
顕微鏡。（８）試料をＸＹＺ方向に移動させるＸＹＺ移動機構と
、トンネル電流検出用の探針をＺ方向に粗動させる粗動
機構と、前記探針をＺ方向に微動させる微動機構と、前
記探針に対して前記試料との間に生じる原子間力により
変位するレバーを保持しかつ前記探針近傍の固定体に対
して移動自在に取り付けられるとともに複数の孔が形成
されたレバーホルダー及びこれら孔に挿入して前記レバ
ーホルダーを移動させる治具とから成るアライメント機
構と、前記探針と前記レバーとの間に流れるトンネル電
流から前記試料の表面形状を測定する測定手段とを具備
したことを特徴とする原子間力顕微鏡。