JPH0348102A - 微少変位検出装置、この微少変位検出装置を有する圧電アクチュエーター及びこの圧電アクチュエータを有する走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
微少変位検出装置、この微少変位検出装置を有する圧電アクチュエーター及びこの圧電アクチュエータを有する走査型プローブ顕微鏡Info
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- JPH0348102A JPH0348102A JP2090458A JP9045890A JPH0348102A JP H0348102 A JPH0348102 A JP H0348102A JP 2090458 A JP2090458 A JP 2090458A JP 9045890 A JP9045890 A JP 9045890A JP H0348102 A JPH0348102 A JP H0348102A
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- G—PHYSICS
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- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- G—PHYSICS
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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。
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Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
この発明は微少変位検出装置、特に走査型トンネル顕微
鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕＠鏡（ＡＦＭ）等の走査型プ
ローブ顕微鏡で使用される探針の変位を検出する装置に
関する。さらに、この微少変位検出装置を用いた圧電ア
クチュエーター及びこの圧電アクチュエーターを有する
走査型プローブ顕微鏡に関する。
鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕＠鏡（ＡＦＭ）等の走査型プ
ローブ顕微鏡で使用される探針の変位を検出する装置に
関する。さらに、この微少変位検出装置を用いた圧電ア
クチュエーター及びこの圧電アクチュエーターを有する
走査型プローブ顕微鏡に関する。
［従来の技術］
一般に、ＳＴＭやＡＦＭ等の走査型プローブ顕微鏡では
、試料に対する探針の変位量は、例えばＳＴＭでは試料
と探針との間に流れるトンネル電流を検出することによ
って、ＡＦＭでは試料と探針との間に作用する原子間力
を検出することによって、間接的に計測される。
、試料に対する探針の変位量は、例えばＳＴＭでは試料
と探針との間に流れるトンネル電流を検出することによ
って、ＡＦＭでは試料と探針との間に作用する原子間力
を検出することによって、間接的に計測される。
また、ＳＴＭやＡＦＭでは、探針を移動するための微動
機構には主に圧電アクチュエーターが使用される。この
圧電アクチュエーターは、圧電体および圧電体周辺に設
けられる複数の駆動電極を有し、駆動電極に印加される
電圧の大きさに応じた量だけ圧電体が伸縮する。探針は
圧電アクチュエーターに取り付けられ、この圧電アクチ
ュエーターの伸縮によって微少移動される。この場合、
探針の位置（圧電アクチュエーターの変位ｆｆ１）は、
駆動電極に印加される電圧から求められる。
機構には主に圧電アクチュエーターが使用される。この
圧電アクチュエーターは、圧電体および圧電体周辺に設
けられる複数の駆動電極を有し、駆動電極に印加される
電圧の大きさに応じた量だけ圧電体が伸縮する。探針は
圧電アクチュエーターに取り付けられ、この圧電アクチ
ュエーターの伸縮によって微少移動される。この場合、
探針の位置（圧電アクチュエーターの変位ｆｆ１）は、
駆動電極に印加される電圧から求められる。
［発明が解決しようとする課題］
しかし、圧電アクチュエーターに印加する駆動電圧から
圧電アクチュエーターの変位量（即ち、探針の変位量）
を正確に推定することは、以下の理由によって困難であ
る。まず、駆動電極に印加される電圧と圧電アクチュエ
ーターの変位量との関係は１次線形ではなく、第７図に
示されるようにヒステリシスを有し、このため、駆動電
圧印加後に電圧をＯに戻しても、圧電アクチュエーター
が元の位置に戻らない。また、圧電アクチュエーターは
クリープ現象を示すため、長時間にわたって電圧を印加
すると、印加電圧と変位量との関係にずれが生じる。さ
らに、探針が試料表面に非常に接近した際、探針先端の
原子と試料表面の原子との間に原子間力が発生し、探針
が試料表面から離れる方向に力を受けるため、圧電アク
チュエーターに印加される電圧とその変位量との間の比
例関係がくずれる。
圧電アクチュエーターの変位量（即ち、探針の変位量）
を正確に推定することは、以下の理由によって困難であ
る。まず、駆動電極に印加される電圧と圧電アクチュエ
ーターの変位量との関係は１次線形ではなく、第７図に
示されるようにヒステリシスを有し、このため、駆動電
圧印加後に電圧をＯに戻しても、圧電アクチュエーター
が元の位置に戻らない。また、圧電アクチュエーターは
クリープ現象を示すため、長時間にわたって電圧を印加
すると、印加電圧と変位量との関係にずれが生じる。さ
らに、探針が試料表面に非常に接近した際、探針先端の
原子と試料表面の原子との間に原子間力が発生し、探針
が試料表面から離れる方向に力を受けるため、圧電アク
チュエーターに印加される電圧とその変位量との間の比
例関係がくずれる。
これらの理由から、圧電アクチュエーターの駆動電極に
印加される電圧がら探針の位置（変位量）を精度良く旧
測することは困難である。言い換えれば、原子レベルの
微少な変位量を、圧電アクチュエーターに印加する駆動
電圧に基づいて決定することは、その精度の点で正確さ
を欠く。
印加される電圧がら探針の位置（変位量）を精度良く旧
測することは困難である。言い換えれば、原子レベルの
微少な変位量を、圧電アクチュエーターに印加する駆動
電圧に基づいて決定することは、その精度の点で正確さ
を欠く。
そこで、この発明は、微少な変位を精度良く正確に検出
することのできる微少変位検出装置の提供、さらに、こ
の微少変位検出装置が設けられた圧電アクチュエーター
及びこの圧電アクチュエーターを有する走査型プローブ
顕微鏡の提供を目的とする。
することのできる微少変位検出装置の提供、さらに、こ
の微少変位検出装置が設けられた圧電アクチュエーター
及びこの圧電アクチュエーターを有する走査型プローブ
顕微鏡の提供を目的とする。
［課題を解決するための手段］
この発明の微少変位検出装置は、所定の間隔で状態が変
化する平面を有するリファレンス試料と、このリファレ
ンス試料に近接してリファレンス試料面にそって相対的
に移動する探針と、前記リファレンス試料面における探
針の相対的な移動変位量を検出する変位全検出手段とを
備える。
化する平面を有するリファレンス試料と、このリファレ
ンス試料に近接してリファレンス試料面にそって相対的
に移動する探針と、前記リファレンス試料面における探
針の相対的な移動変位量を検出する変位全検出手段とを
備える。
［作用］
この発明によれば、探針は、変位を検出すべき部（イ（
（以ド、検出部キイという）、例えば圧７ぢアクチュエ
ーターの先端部）の移動に対して、検出部材に対する）
０対的な位装置が変わらないように支持される。この結
果、探針は検出部材の変位量と等しい瓜だけ変位する。
（以ド、検出部キイという）、例えば圧７ぢアクチュエ
ーターの先端部）の移動に対して、検出部材に対する）
０対的な位装置が変わらないように支持される。この結
果、探針は検出部材の変位量と等しい瓜だけ変位する。
探針の近くに支持されるリファレンス試料は、探針が移
動する間、不変の位置に保たれる。従って、検出部材の
変位に等しい距離だけ、探針がリファレンス試料の表面
に沿って移動する。探針の移動距離を検出する際、例え
ばリファレンス試料と探針との間にバイアス電圧を印加
し、両者の間に流れるトンネル電流を流す。リファレン
ス試料は、状態（例えば凹凸）が所定の間隔で（例えば
周期的に）低化する表面を備えているので、トンネル電
流の壺化を検出することによって、リファレンス試料表
面の状ｇ変化の間隔を＋１を位とした探針の変位量が検
出される。
動する間、不変の位置に保たれる。従って、検出部材の
変位に等しい距離だけ、探針がリファレンス試料の表面
に沿って移動する。探針の移動距離を検出する際、例え
ばリファレンス試料と探針との間にバイアス電圧を印加
し、両者の間に流れるトンネル電流を流す。リファレン
ス試料は、状態（例えば凹凸）が所定の間隔で（例えば
周期的に）低化する表面を備えているので、トンネル電
流の壺化を検出することによって、リファレンス試料表
面の状ｇ変化の間隔を＋１を位とした探針の変位量が検
出される。
この探針の変位量は、通常の長さの単位、例えばｎｌこ
容易に換算される。
容易に換算される。
［実施例コ
第１図に示されるように、試料１２の表面を走査する走
査用探針１４は、試料１２の表面に垂直な方向（Ｚ方向
）に伸縮移動する第１の圧電アクチュエーター１６の下
面に取り付けられている。
査用探針１４は、試料１２の表面に垂直な方向（Ｚ方向
）に伸縮移動する第１の圧電アクチュエーター１６の下
面に取り付けられている。
第１の圧電アクチュエーター１６は、図示されない複数
の駆動電極が側面部に設けられた直方体のＰＺＴなど、
の圧電体を備え、これらの駆動電極に電圧が印加された
際に例えば１ ｎｍ／ Ｖの割合で伸縮する。この結果
、走査用探針１４は図に示される座標系のＺ方向に微少
移動される。第１の圧電アクチュエーター１６の上端部
は保持部材１８を介してＸ−Ｙ駆動系２０に固定され、
第１の圧電アクチュエータ−１６全体が試料面に平行に
移動される。Ｘ−Ｙ駆動系２０及び圧電アクチュエータ
ー１６を組み合わせて駆動させることにより、走査用探
針１４は３次元方向に移動される。
の駆動電極が側面部に設けられた直方体のＰＺＴなど、
の圧電体を備え、これらの駆動電極に電圧が印加された
際に例えば１ ｎｍ／ Ｖの割合で伸縮する。この結果
、走査用探針１４は図に示される座標系のＺ方向に微少
移動される。第１の圧電アクチュエーター１６の上端部
は保持部材１８を介してＸ−Ｙ駆動系２０に固定され、
第１の圧電アクチュエータ−１６全体が試料面に平行に
移動される。Ｘ−Ｙ駆動系２０及び圧電アクチュエータ
ー１６を組み合わせて駆動させることにより、走査用探
針１４は３次元方向に移動される。
第１の圧電アクチュエーター１６は、その−側面の下端
部に、走査用探針１４と直交する方向に延出する位置測
定用探針２２を備える。走査用探針１４及び位置測定用
探針２２は、これらの探針１４及び２２の位置関係が第
１の圧電アクチュエーター１６の伸縮による影響を受け
ないように、好適には、剛性部材を介して第１の圧電ア
クチュエーター１６に固定される。所定の等しい間隔で
凹凸の形成された面を有するリファレンス試料２６は、
凹凸面が位置測定用探針２２の延びる方向に直交し、探
針２２の先端との間に所定の間隔を有するように、第２
の圧電アクチュエーターを介して保持部材１８に固定さ
れる。従って、垂直方向に所定のピッチを有する凹凸が
配置される。
部に、走査用探針１４と直交する方向に延出する位置測
定用探針２２を備える。走査用探針１４及び位置測定用
探針２２は、これらの探針１４及び２２の位置関係が第
１の圧電アクチュエーター１６の伸縮による影響を受け
ないように、好適には、剛性部材を介して第１の圧電ア
クチュエーター１６に固定される。所定の等しい間隔で
凹凸の形成された面を有するリファレンス試料２６は、
凹凸面が位置測定用探針２２の延びる方向に直交し、探
針２２の先端との間に所定の間隔を有するように、第２
の圧電アクチュエーターを介して保持部材１８に固定さ
れる。従って、垂直方向に所定のピッチを有する凹凸が
配置される。
リファレンス試料２６の面に形成される凹凸は、例えば
ＩＣ製造技術によって１μｍピッチで形成された溝でも
よく、またはグラファイトの結晶表面の原子の凹凸でも
よい。第２の圧電アクチュエーター２４は図示されない
電極を有し、これらの電極に印加される電圧によって、
位置１１ｐ＋定用探針２２の先端とリファレンス試料２
６との間の距離を調整できる。
ＩＣ製造技術によって１μｍピッチで形成された溝でも
よく、またはグラファイトの結晶表面の原子の凹凸でも
よい。第２の圧電アクチュエーター２４は図示されない
電極を有し、これらの電極に印加される電圧によって、
位置１１ｐ＋定用探針２２の先端とリファレンス試料２
６との間の距離を調整できる。
次に、走査用探針１４と試料１２の表面との間隔を一定
に保ちながら走査用探針１４を試料表面に沿って走査さ
せるＳ Ｔ Ｍ定電流モードでの測定について説明する
。走査用探針１４と試料１２の間隔を制御するフィード
バック制御回路、および走査用探針１４のＺ方向の位置
を測定する位置測定回路の構成が第２図に示される。
に保ちながら走査用探針１４を試料表面に沿って走査さ
せるＳ Ｔ Ｍ定電流モードでの測定について説明する
。走査用探針１４と試料１２の間隔を制御するフィード
バック制御回路、および走査用探針１４のＺ方向の位置
を測定する位置測定回路の構成が第２図に示される。
３７Ｍ定電流モードにおいて、走査用探針１４は、フィ
ードバック制御により試料１２の表面との距離が一定に
保たれて移動される。測定の際、走査用探針１４と試料
１２との間には、電源■１によりバイアス電圧が印加さ
れ、両者の間にトンネル電流が流れる。このトンネル電
流は電流−電圧変換器１０１で電圧に変換され、変換さ
れた電圧はプリアンプ１０２で増幅される。プリアンプ
１０２から出力された信号は比較器１０３の正入力端子
に入力され、比較器１０３の負入力端子に入力される基
準電圧と比較され、差信号が出力される。この差信号は
２つに分岐され、一方は積分器１０４に入力されて積分
され、他方は比較回路１１５に入力されて差信号の極性
が調べられる。
ードバック制御により試料１２の表面との距離が一定に
保たれて移動される。測定の際、走査用探針１４と試料
１２との間には、電源■１によりバイアス電圧が印加さ
れ、両者の間にトンネル電流が流れる。このトンネル電
流は電流−電圧変換器１０１で電圧に変換され、変換さ
れた電圧はプリアンプ１０２で増幅される。プリアンプ
１０２から出力された信号は比較器１０３の正入力端子
に入力され、比較器１０３の負入力端子に入力される基
準電圧と比較され、差信号が出力される。この差信号は
２つに分岐され、一方は積分器１０４に入力されて積分
され、他方は比較回路１１５に入力されて差信号の極性
が調べられる。
積分器１０４において積分された差信号は、高電圧増幅
器１０５で増幅された後、第１の圧電アクチュエーター
１６の駆動電極に印加される。これにより、走査用探針
１４が常に試料１２との間隔の変動を打ち消す方向に移
動され、結果として走査用探針１４と試料１２との間隔
が一定に保たれる。
器１０５で増幅された後、第１の圧電アクチュエーター
１６の駆動電極に印加される。これにより、走査用探針
１４が常に試料１２との間隔の変動を打ち消す方向に移
動され、結果として走査用探針１４と試料１２との間隔
が一定に保たれる。
すなわち、走査用探針１４と試料１２の間に流れるトン
ネル電流と基準値との差に対応する逆回性の電圧が第１
の圧電アクチュエーター１６に印加され、走査用探針１
４は試料１２との間隔が一定に保たれるようにフィード
バック制御される。
ネル電流と基準値との差に対応する逆回性の電圧が第１
の圧電アクチュエーター１６に印加され、走査用探針１
４は試料１２との間隔が一定に保たれるようにフィード
バック制御される。
走査用探針１４は、試料１２の表面との距離が一定に保
たれた状態で、試料表面に沿ってＸ−Ｙ方向に移動され
る。
たれた状態で、試料表面に沿ってＸ−Ｙ方向に移動され
る。
一方、位置測定用探針２２とリファレンス試料２６との
間は、電源ｖ２によりバイアス電圧が印加され、両者の
間にトンネル電流が流される。以下、第３Ａ図に示され
る表面形状の試料に対して、図面の左から右の方向に一
定に速度で探針を走査させた場合について説明する。位
置Ｍ」窓用探針２２とリファレンス試料２６との間に流
れるトンネル電流は、第２の電流−電圧変換器１１１で
電圧に変換される。変換された電圧は増幅器１１２で増
幅される。増幅器１１２からの出力のタイムチャートが
第３Ｂ図に示される。増幅器１１２から出力された信号
は、フィルター回路１１３において、リファレンス試料
の凹凸の１周期に対して１回出力される大きさが一定の
規格化パルスに変換される。この規格化パルスのタイム
チャートが第３Ｃ図に示される。フィルター回路から出
力された規格化パルスは、かけ算回路１１４の一方の入
力端子に入力される。かけ算回路１１４の他の入力端子
には、前述した比較回路１１５からの出力、即ちＺ方向
に対する走査用探針１４の移動方向の極性を示す信号が
入力される。この信号のタイムチャートが第３Ｄ図に示
される。これらの２つの信号はかけ算回路でかけ算され
、パルスの極性が第１の圧電アクチュエーター１６の移
動方向に対応し、１１１位時間あたりのパルス数が第１
の圧電アクチュエーター１６の移動距離に対応するパル
ス信号が出力される。このパルス信号は積算回路１１６
において、時系列的に積算されて出力される。この結果
、試料１２の表面の形状を再現する信号が出力される。
間は、電源ｖ２によりバイアス電圧が印加され、両者の
間にトンネル電流が流される。以下、第３Ａ図に示され
る表面形状の試料に対して、図面の左から右の方向に一
定に速度で探針を走査させた場合について説明する。位
置Ｍ」窓用探針２２とリファレンス試料２６との間に流
れるトンネル電流は、第２の電流−電圧変換器１１１で
電圧に変換される。変換された電圧は増幅器１１２で増
幅される。増幅器１１２からの出力のタイムチャートが
第３Ｂ図に示される。増幅器１１２から出力された信号
は、フィルター回路１１３において、リファレンス試料
の凹凸の１周期に対して１回出力される大きさが一定の
規格化パルスに変換される。この規格化パルスのタイム
チャートが第３Ｃ図に示される。フィルター回路から出
力された規格化パルスは、かけ算回路１１４の一方の入
力端子に入力される。かけ算回路１１４の他の入力端子
には、前述した比較回路１１５からの出力、即ちＺ方向
に対する走査用探針１４の移動方向の極性を示す信号が
入力される。この信号のタイムチャートが第３Ｄ図に示
される。これらの２つの信号はかけ算回路でかけ算され
、パルスの極性が第１の圧電アクチュエーター１６の移
動方向に対応し、１１１位時間あたりのパルス数が第１
の圧電アクチュエーター１６の移動距離に対応するパル
ス信号が出力される。このパルス信号は積算回路１１６
において、時系列的に積算されて出力される。この結果
、試料１２の表面の形状を再現する信号が出力される。
積算回路１１６からの出力信号のタイムチャートが第３
Ｅ図に示される。第３Ｅ図の点線が試料表面の凹凸を示
す。この図において、積算回路の出力信号である階段型
波形は、試料表面の形状から大きくずれているが、これ
は説明のために第３Ｂ図〜第３Ｅ図のタイムチャートの
時間軸を粗くしたためで、実際には時間軸は微少に分割
され、試料表面の形状を忠実に再現する波形が得られる
。
Ｅ図に示される。第３Ｅ図の点線が試料表面の凹凸を示
す。この図において、積算回路の出力信号である階段型
波形は、試料表面の形状から大きくずれているが、これ
は説明のために第３Ｂ図〜第３Ｅ図のタイムチャートの
時間軸を粗くしたためで、実際には時間軸は微少に分割
され、試料表面の形状を忠実に再現する波形が得られる
。
このように、この発明の走査型トンネル顕微鏡によれば
、試料１２の表面を走査する走査用探針１４の変位量は
、第１の圧電アクチュエーター１６の駆動電極に印加さ
れる電圧から推定されるのではなく、第１の圧電アクチ
ュエーター１６の変位に伴った位置測定用探針２２のリ
ファレンス試料６の表面に沿った上下方向の移動によっ
て出力されるトンネル電流の波形から走査用探針１４の
変位量か測定される。従って、ヒステリシスやクリープ
現象及び原子間力の影響を排除した正確な変位量が精度
よく決定される。
、試料１２の表面を走査する走査用探針１４の変位量は
、第１の圧電アクチュエーター１６の駆動電極に印加さ
れる電圧から推定されるのではなく、第１の圧電アクチ
ュエーター１６の変位に伴った位置測定用探針２２のリ
ファレンス試料６の表面に沿った上下方向の移動によっ
て出力されるトンネル電流の波形から走査用探針１４の
変位量か測定される。従って、ヒステリシスやクリープ
現象及び原子間力の影響を排除した正確な変位量が精度
よく決定される。
この発明の走査型トンネル顕微鏡に用いられる別のＳＴ
Ｍ圧電アクチュエーターの例が第４図に示される。試料
１２の表面に垂直な方向（Ｚ方向）に伸縮移動可能な直
方体の形をしたＺ方向駆動用圧電アクチュエーター１６
は、試料１２の表面から所定の距離をおいて支持される
試料表面を観察するための走査用探針１４を下面に備え
る。Ｚ方向駆動用圧電アクチュエーター１６は、その上
端がＸＹ力方向移動するためのＸＹ駆動系２０に固定さ
れており、結果として走査用探針１４が試料面に対して
７行に移動され得る。２方向駆動用圧電アクチユエータ
ー１６は、各側面の下端部のそれぞれに位置Ａｐ１定用
採用探針を有する。図には２本の探針２２しか図示され
ていないが、見える探針２２の反対側にも探針が設けら
れている。また、Ｚ方向駆動用圧電アクチュエーター１
６は、各側面の上方に設けられた圧電アクチュエーター
２４を介して、位置測定用探針２２に対向して支持され
るリファレンス試料２６を備える。各リファレンス試料
２６は、各位置測定用探針２２がら所定の距離だけ離れ
て支持され、第１の実施例と同様に探針２２に対向する
面には所定の間隔で設けられた凹凸を有している。それ
ぞれの位置測定用探針２２とこれに対応するリファレン
ス試料２６との間には、第１の実施例で説明した回路と
同様な位置測定回路が設けられている。この位置測定回
路の動作の詳しい説明は上述したので、ここでは省略す
る。
Ｍ圧電アクチュエーターの例が第４図に示される。試料
１２の表面に垂直な方向（Ｚ方向）に伸縮移動可能な直
方体の形をしたＺ方向駆動用圧電アクチュエーター１６
は、試料１２の表面から所定の距離をおいて支持される
試料表面を観察するための走査用探針１４を下面に備え
る。Ｚ方向駆動用圧電アクチュエーター１６は、その上
端がＸＹ力方向移動するためのＸＹ駆動系２０に固定さ
れており、結果として走査用探針１４が試料面に対して
７行に移動され得る。２方向駆動用圧電アクチユエータ
ー１６は、各側面の下端部のそれぞれに位置Ａｐ１定用
採用探針を有する。図には２本の探針２２しか図示され
ていないが、見える探針２２の反対側にも探針が設けら
れている。また、Ｚ方向駆動用圧電アクチュエーター１
６は、各側面の上方に設けられた圧電アクチュエーター
２４を介して、位置測定用探針２２に対向して支持され
るリファレンス試料２６を備える。各リファレンス試料
２６は、各位置測定用探針２２がら所定の距離だけ離れ
て支持され、第１の実施例と同様に探針２２に対向する
面には所定の間隔で設けられた凹凸を有している。それ
ぞれの位置測定用探針２２とこれに対応するリファレン
ス試料２６との間には、第１の実施例で説明した回路と
同様な位置測定回路が設けられている。この位置測定回
路の動作の詳しい説明は上述したので、ここでは省略す
る。
試料面を観測する際、それぞれの対向する位置測定用探
針２２とリファレンス試料２６との間にはバイアス電圧
が印加される。各位置測定用探針２２は、試料表面の形
状に応じて移動した走査用探針１４の変位量と同じ距離
だけ、対応するリファレンス試料２６の凹凸面に対して
移動する。このとき、リファレンス試料２６の凹凸面を
再現する波形のトンネル電流が図示されないトンネル電
流検出器で検出される。各リファレンス試料面の凹凸の
間隔は既知なので、検出されたトンネル電流の波形、即
ち探針が横切ったリファレンス試料の凹凸の数から、探
針がＺ方向に移動した距離が求められる。
針２２とリファレンス試料２６との間にはバイアス電圧
が印加される。各位置測定用探針２２は、試料表面の形
状に応じて移動した走査用探針１４の変位量と同じ距離
だけ、対応するリファレンス試料２６の凹凸面に対して
移動する。このとき、リファレンス試料２６の凹凸面を
再現する波形のトンネル電流が図示されないトンネル電
流検出器で検出される。各リファレンス試料面の凹凸の
間隔は既知なので、検出されたトンネル電流の波形、即
ち探針が横切ったリファレンス試料の凹凸の数から、探
針がＺ方向に移動した距離が求められる。
この例では、試料表面走査用探針１４の変位に際して、
各位置測定用探針２２が移動した各リファレンス試料２
６の表面の形状を再現する４つのトンネル電流の波形が
得られ、走査用探針１４の変位量は、これらの４つのト
ンネル電流の波形から決められる。従って、それぞれ反
対側に位置する位置測定用探針から出力されるトンネル
電流の差からＺ方向駆動用圧電アクチュエーター１６の
わん曲がわかるので、走査用探針１４の変位量をより精
度よく求めることができる。従って、４本の位置測定用
探針２２の変位量を補正することによって、原子間力な
どの影響で生じるＺ方向駆動用圧電アクチュエーター１
６のわん曲による誤差の除かれた正確な変位量が測定で
きる。
各位置測定用探針２２が移動した各リファレンス試料２
６の表面の形状を再現する４つのトンネル電流の波形が
得られ、走査用探針１４の変位量は、これらの４つのト
ンネル電流の波形から決められる。従って、それぞれ反
対側に位置する位置測定用探針から出力されるトンネル
電流の差からＺ方向駆動用圧電アクチュエーター１６の
わん曲がわかるので、走査用探針１４の変位量をより精
度よく求めることができる。従って、４本の位置測定用
探針２２の変位量を補正することによって、原子間力な
どの影響で生じるＺ方向駆動用圧電アクチュエーター１
６のわん曲による誤差の除かれた正確な変位量が測定で
きる。
第５図は、この発明の圧電アクチュエーターの別の実施
例を示す。この実施例では、圧電アクチュエーター１６
は、第１図に示される実施例の於ける探針１４の代わり
に突当部材５０を先端部に備える。この実施例に於ても
、変位検出には、第３図に示される位置検出回路が適用
され、積算回路１１６の出力から探針２２とリファレン
ス試料２６との間の相対的な移動量が計測される。圧電
アクチュエーター１６は、図示しない駆動電源から電圧
が印加されることによって、突当部材５０に付加された
力Ｆに抗して伸張する。この伸張した長さは、積算回路
１１６の出力信号により検出され、所望の距離に達した
時の駆動電圧を保持すれば、負荷を所望距離移動するこ
とができる。
例を示す。この実施例では、圧電アクチュエーター１６
は、第１図に示される実施例の於ける探針１４の代わり
に突当部材５０を先端部に備える。この実施例に於ても
、変位検出には、第３図に示される位置検出回路が適用
され、積算回路１１６の出力から探針２２とリファレン
ス試料２６との間の相対的な移動量が計測される。圧電
アクチュエーター１６は、図示しない駆動電源から電圧
が印加されることによって、突当部材５０に付加された
力Ｆに抗して伸張する。この伸張した長さは、積算回路
１１６の出力信号により検出され、所望の距離に達した
時の駆動電圧を保持すれば、負荷を所望距離移動するこ
とができる。
第６図は、先端部に１皇子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に用い
られる検出部を備える、この発明の圧電アクチュエータ
ーの別の実施例を示す。圧電アクチュエーター１６は、
その下面部に探針１４を備える。その下方には、探針１
４から数人の距離を何して、上面に導電面５３を有する
カンチレバ５２が、圧電体の底面部に固定された圧電体
５１によって支持される。カンチレバー５２は、試料１
２の表面を観察するためのＡ Ｆ Ｍ探針５４を自由端
部の下面に備えている。また、リファレンス試料２６は
、位置測定用探針２２が対向する周辺部にグラフフィト
而２８を備え、圧電アクチュエーター１６の移動量はグ
ラファイト面２８の規則正しく並んだ原子の凹凸を基準
として測定される。
られる検出部を備える、この発明の圧電アクチュエータ
ーの別の実施例を示す。圧電アクチュエーター１６は、
その下面部に探針１４を備える。その下方には、探針１
４から数人の距離を何して、上面に導電面５３を有する
カンチレバ５２が、圧電体の底面部に固定された圧電体
５１によって支持される。カンチレバー５２は、試料１
２の表面を観察するためのＡ Ｆ Ｍ探針５４を自由端
部の下面に備えている。また、リファレンス試料２６は
、位置測定用探針２２が対向する周辺部にグラフフィト
而２８を備え、圧電アクチュエーター１６の移動量はグ
ラファイト面２８の規則正しく並んだ原子の凹凸を基準
として測定される。
Ａ Ｆ Ｍ探針５４と試料１２との位置決めは、第２図
に於いて試料１２をカンチレバー５２の導電面５３に置
き換えたトンネル電流の検出処理を適用できる。この実
施例では、検出部がＡＦＭ構成を白°するので、非導電
性物質の試料の表面を観察することもできる。また、Ａ
ＦＭ探針をＮ１で被覆した磁性感知探針に変更すれば、
磁性物質試料に対しても有効である。
に於いて試料１２をカンチレバー５２の導電面５３に置
き換えたトンネル電流の検出処理を適用できる。この実
施例では、検出部がＡＦＭ構成を白°するので、非導電
性物質の試料の表面を観察することもできる。また、Ａ
ＦＭ探針をＮ１で被覆した磁性感知探針に変更すれば、
磁性物質試料に対しても有効である。
この発明は上述の実施例に限定されない。リファレンス
試料の他のスケール（状態の炭化）として、ソゲラフイ
ー技術で形成された凹凸と原子（１１１造とを組み合イ
）せて用いることもてきる。例えば、グラファイト格子
ピッチの整数を検出して、リソグラフィーで所望の高低
となる人エバターンをグラファイト格子に並存して付加
してもよい。大王バクーンが数１０〜１００人の凹凸で
形成され、リファレンス試料面２６と探針２２との間の
距離をトンネル電流で検出できる最長距離の近くに設定
すれば、探針と試料面とを衝突させることなく、Ｚ方向
に比較的高速で移動でき、目漂値近傍まて粗動送りｉ’
１ｌｌＪ定が可能になる。その後、グラファイトｔ−ｇ
子を参照するために微動送りに切り換えるとともに、探
針をグラファイト格子トラックに移動させ、グラファイ
ト面から数人の距離に近づけて計測することによって、
高分解能計測を実現できる。
試料の他のスケール（状態の炭化）として、ソゲラフイ
ー技術で形成された凹凸と原子（１１１造とを組み合イ
）せて用いることもてきる。例えば、グラファイト格子
ピッチの整数を検出して、リソグラフィーで所望の高低
となる人エバターンをグラファイト格子に並存して付加
してもよい。大王バクーンが数１０〜１００人の凹凸で
形成され、リファレンス試料面２６と探針２２との間の
距離をトンネル電流で検出できる最長距離の近くに設定
すれば、探針と試料面とを衝突させることなく、Ｚ方向
に比較的高速で移動でき、目漂値近傍まて粗動送りｉ’
１ｌｌＪ定が可能になる。その後、グラファイトｔ−ｇ
子を参照するために微動送りに切り換えるとともに、探
針をグラファイト格子トラックに移動させ、グラファイ
ト面から数人の距離に近づけて計測することによって、
高分解能計測を実現できる。
また、原子構造物質にはＣＤＷと呼ばれる長周期の周期
パターンがあり、これをスケール（状態の変化）に利用
することによって、加工を要することなく、上述のスケ
ールと同等の組合せスケ−ルを形成することができる。
パターンがあり、これをスケール（状態の変化）に利用
することによって、加工を要することなく、上述のスケ
ールと同等の組合せスケ−ルを形成することができる。
あるいは、所定の光を照射すると電気伝導率の変化する
物質をリファレンス試料に用いることもできる。
物質をリファレンス試料に用いることもできる。
なお、変位量の単位となる格子ピッチは構成原子の結合
法則に依存し、この格子ピッチはコンピュータに用いて
容易にＭＫＳ単位に換算される。
法則に依存し、この格子ピッチはコンピュータに用いて
容易にＭＫＳ単位に換算される。
また、リファレンス試料の種類によっては、構成原子が
酸素等を吸若するため、スケールを維持することが難し
い場合もある。この場合には、リファレンス試料に通電
を行って、吸着物を排除してリフレッシュすることもで
きる。
酸素等を吸若するため、スケールを維持することが難し
い場合もある。この場合には、リファレンス試料に通電
を行って、吸着物を排除してリフレッシュすることもで
きる。
［発明の効果］
この発明の微少変位検出装置によれば、所定間隔で状態
が変化するリファレンス試料を原子レベルで測定するこ
とにより、圧電アクチュエーターのヒステリシスやクリ
ープ現象に影響されず、微少な変位量を精度良く正確に
検出することができる。
が変化するリファレンス試料を原子レベルで測定するこ
とにより、圧電アクチュエーターのヒステリシスやクリ
ープ現象に影響されず、微少な変位量を精度良く正確に
検出することができる。
また、この微少変位検出装置を有する圧電アクチュエー
ターによれば、変位量を正確に制御することができる圧
電アクチュエーターとすることができる。
ターによれば、変位量を正確に制御することができる圧
電アクチュエーターとすることができる。
さらに、この圧電アクチュエーターを有する走査型プロ
ーブ顕微鏡によれば、微少な変位量を情度良く正確に検
出することができるので、より正確な試料表面の微細形
状を計測するとこができる。
ーブ顕微鏡によれば、微少な変位量を情度良く正確に検
出することができるので、より正確な試料表面の微細形
状を計測するとこができる。
第１図は、この発明による走査型トンネル顕微鏡に使用
される、探針を移動するための圧電アクチュエーターの
一実施例を示す図、第２図は、第１図に示される圧電ア
クチュエーターを駆動するためのフィードバック制御回
路および位置Ａｌｌ定日路の構成を示す図、第３Ａ図〜
第３Ｅ図は、第２図に図示される回路の動作を説明する
ための図、第４図は、この発明による走査型トンネル顕
微鏡に使用される、探針を移動するための圧電アクチュ
エーターの別の実施例を示す図、第５図は、この発明の
圧電アクチュエーターの別の実施例を示す図、第６図は
、先端部に原子開力顕微鏡（ＡＦＭ）に用いられる検出
部を備える、この発明の圧電アクチュエーターの更に別
の実施例を示す図、第７図は圧電体の動作特性を示す図
である。 １４・・・走査用探針、１６・・・圧電アクチュエータ
ー２２・・・位置測定用探針、２６・・・リファレンス
試料。 りｎ
される、探針を移動するための圧電アクチュエーターの
一実施例を示す図、第２図は、第１図に示される圧電ア
クチュエーターを駆動するためのフィードバック制御回
路および位置Ａｌｌ定日路の構成を示す図、第３Ａ図〜
第３Ｅ図は、第２図に図示される回路の動作を説明する
ための図、第４図は、この発明による走査型トンネル顕
微鏡に使用される、探針を移動するための圧電アクチュ
エーターの別の実施例を示す図、第５図は、この発明の
圧電アクチュエーターの別の実施例を示す図、第６図は
、先端部に原子開力顕微鏡（ＡＦＭ）に用いられる検出
部を備える、この発明の圧電アクチュエーターの更に別
の実施例を示す図、第７図は圧電体の動作特性を示す図
である。 １４・・・走査用探針、１６・・・圧電アクチュエータ
ー２２・・・位置測定用探針、２６・・・リファレンス
試料。 りｎ
Claims (6)
- （１）所定の間隔で状態が変化する平面を有するリファ
レンス試料と、 このリファレンス試料に近接してリファレンス試料面に
そって相対的に移動する探針と、前記リファレンス試料
面における探針の相対的な移動変位量を検出する変位量
検出手段とを備えたことを特徴とする微少変位検出装置
。 - （２）前記リファレンス試料は導電性状態が変化する平
面を有し、前記変位量検出手段が探針と試料との間にバ
イアス電圧を印加する手段と、このバイアス電圧により
探針と試料間に流れるトンネル電流を検出する手段を備
える請求項１記載の微少変位検出装置。 - （３）前記リファレンス試料は、所定の間隔で表面の凹
凸状態が変化し、この凹凸状態の変化は試料表面の原子
の凹凸である請求項１記載の微少変位検出装置。 - （４）請求項１記載の微少変位検出装置を有する圧電ア
クチュエーター。 - （５）少なくとも一対の電極に挟持された圧電体からな
る圧電アクチュエーターと、この圧電アクチュエーター
の先端部に設けられた探針と、この探針と所定間隔離間
し、かつ、前記圧電アクチュエーターの伸縮方向に並行
して設けられたリファレンス試料とを有し、前記圧電ア
クチュエーターの伸縮により探針がリファレンス試料上
を移動することにより探針の変位量を検出することを特
徴とする圧電アクチュエーター。 - （６）請求項４記載の圧電アクチュエーターと、この圧
電アクチュエーターに設けられた第２の探針と、この第
２の探針と試料とを所定の間隔に保持するサーボ手段と
を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1-88731 | 1989-04-07 | ||
| JP8873189 | 1989-04-07 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0348102A true JPH0348102A (ja) | 1991-03-01 |
Family
ID=13951063
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2090458A Pending JPH0348102A (ja) | 1989-04-07 | 1990-04-06 | 微少変位検出装置、この微少変位検出装置を有する圧電アクチュエーター及びこの圧電アクチュエータを有する走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4987303A (ja) |
| EP (1) | EP0391429B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0348102A (ja) |
| DE (1) | DE69015406T2 (ja) |
Families Citing this family (30)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0646913B1 (en) * | 1987-08-25 | 1999-01-13 | Canon Kabushiki Kaisha | Encoder using the tunnel current effect |
| JP2834173B2 (ja) * | 1989-02-17 | 1998-12-09 | 株式会社日立製作所 | 走査型トンネル音響顕微鏡 |
| JPH04263142A (ja) * | 1990-02-08 | 1992-09-18 | Canon Inc | プローブユニット、これを用いた情報処理装置及び情報処理方法 |
| US5092163A (en) * | 1990-06-27 | 1992-03-03 | Young Russell D | Precision small scale force sensor |
| JP2945090B2 (ja) * | 1990-07-09 | 1999-09-06 | キヤノン株式会社 | エンコーダ |
| US5193383A (en) * | 1990-07-11 | 1993-03-16 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Mechanical and surface force nanoprobe |
| JPH0758193B2 (ja) * | 1990-09-14 | 1995-06-21 | 三菱電機株式会社 | 原子間力顕微鏡の微動走査機構 |
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| US5186041A (en) * | 1990-11-28 | 1993-02-16 | International Business Machines Corporation | Microprobe-based CD measurement tool |
| US5173605A (en) * | 1991-05-02 | 1992-12-22 | Wyko Corporation | Compact temperature-compensated tube-type scanning probe with large scan range and independent x, y, and z control |
| US5103094A (en) * | 1991-05-02 | 1992-04-07 | Wyko Corporation | Compact temperature-compensated tube-type scanning probe with large scan range |
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| US5179499A (en) * | 1992-04-14 | 1993-01-12 | Cornell Research Foundation, Inc. | Multi-dimensional precision micro-actuator |
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| JPH07140503A (ja) * | 1993-11-16 | 1995-06-02 | Hitachi Ltd | 微小変位発生装置 |
| US5481189A (en) * | 1994-02-07 | 1996-01-02 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Electron tunneling magnetic field sensor with constant tunneling current maintained between tunneling tip and rotatable magnet |
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| US6091248A (en) * | 1994-08-29 | 2000-07-18 | Imec Vzw | Method for measuring the electrical potential in a semiconductor element |
| US5550483A (en) * | 1994-11-18 | 1996-08-27 | International Business Machines | High speed test probe positioning system |
| US5773824A (en) * | 1997-04-23 | 1998-06-30 | International Business Machines Corporation | Method for improving measurement accuracy using active lateral scanning control of a probe |
| US5801381A (en) * | 1997-05-21 | 1998-09-01 | International Business Machines Corporation | Method for protecting a probe tip using active lateral scanning control |
| DE19923462C1 (de) * | 1999-04-20 | 2000-11-16 | Physik Instr Pi Gmbh & Co | Positioniervorrichtung |
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