JPH0368802A

JPH0368802A - 測長装置

Info

Publication number: JPH0368802A
Application number: JP20440389A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kishigami; 順一岸上; Toshibumi Okubo; 俊文大久保
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-08-07
Filing date: 1989-08-07
Publication date: 1991-03-25
Anticipated expiration: 2013-08-06
Also published as: JP2783854B2

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）本発明は単結晶材料からなる比較試料の原子間距１１１
１（格子定数）を単位として測定対象の測長を行なうこ
とが可能な測長装置に関するものである。

（従来の技術）従来、数ミクロン以下の長さを測定可能な装置として電
子顕微鏡が一般的に知られており、他に光走査式測長器
、光干渉測長器等がある。光走査式測長器はレーザ等を
光源して生成される細い光線で測長対象を平行に走査し
、この走査時にできる測長対象の影の部分に相当する時
間等に基づいて測長を行なうものであり、また光干渉測
長器はレーザ等の干渉性良好な光を異なる２つの経路を
通過させた後に重ね合わせ、この時の光の干渉現象によ
る明暗を電気信号に変換して数えることによりａＰＪ長
を行なうものである。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、先に述べた電子顕微鏡では真空中でａｐ
ｊ定対象を導電化しなければならないため破壊測定とな
り、測定上好ましくない。また、光走査式測長器、光干
渉測長器等のレーザを用いた測長では分解能が０．０１
μｍ程度が理論的な限界であり、それ以上の分解能を期
待できないという欠点があった。

本発明は前記問題点にｔみてなされたもので、その目的
とするところは、測長の分解能を大幅に改善し、数オン
グストロームの分解能を有する測長装置を提供すること
にある。

（課題を解決するための手段）本発明は前記目的を達成するため、請求項（１）では、
導線性の探針と、単結晶材料からなる平板状の比較試料
と、探針と比較試料との間に流れるトンネル電流に基づ
いて比較試料に対する探針の垂直方向の間隔を一定に保
持する垂直方向駆動手段と、探針を比較試料に沿って相
対的に移動させた際の垂直方向の位置信号に基づいて比
較試料の原子像の起伏に対応した起伏信号を生成すると
共に、該起伏信号を所定のディジタル信号に変換する信
号変換手段とから測長装置を構成し、ディジタル信号か
ら比較試料の原子間距離を単位として測定対象のａｌｌ
Ｊ長を行なうようにしている。

また、請求項（２）では、請求項（１）記載の測長装置
に、探針を比較試料に沿って水平方向に所定幅で往復動
させる水平方向駆動手段と、探針往復動時における垂直
方向の位置信号及び水平方向の位置信号に基づいて原子
像の山または谷のピーク値が現れる水平位置を検出する
と共に、該検出信号から探針往復動の中心位置を修正す
るための補正信号を生成し水平方向駆動手段に送出する
補正信号生成手段とを設けている。

（作　用）請求項（１）記載の測長装置では、比較試料をＡＰＩ長
対象と同期して移動させるか、または比較試料の近傍に
配置した測長対象に沿って探針を移動させることによっ
て所望の測長が行なわれる。

ＪＩＩＪ長に際し、探針が比較試料に沿って相対的に移
動する時の比較試料に対する探針の垂直方向の間隔は、
探針と比較試料との間に流れるトンネル電流に及づき垂
直方向駆動手段によって一定に保持される。またこの時
、探針の垂直方向の位置信号に基づき信号変換手段によ
って比較試料の原子像の起伏に対応した起伏信号が生成
されると共に該起伏信号が所定のディジタル信号に変換
される。

つまり、請求項（１）記載の測長装置では、信号変換手
段のディジタル信号から比較試料の原子間距離を単位と
してａｐｌ定対象の測長を行なうことが可能となる。

また、請求項（２）記載の測長装置では、探針が比較試
料に沿って相対的に移動する時、該探針は垂直方向駆動
手段によって比較試料に対する探針の垂直方向の間隔を
一定に保持されつつ、水平方向駆動手段によって比較試
料に沿って水平方向に所定幅で往復動される。また、こ
の時の垂直方向の位置信号及び水平方向の位置信号に基
づき補正信号生成手段によって原子像の山または谷のピ
ークが現れる水平位置が検出されると共に、該検出信号
から探針往復動の中心位置を修正するための補正信号が
生成され水平方向駆動手段に送出される。

つまり、請求項（２）記載の測長装置では、探針の往復
動の中心位置を随時修正して、比較試料の原子像を正確
に捕えることが可能となる。

（実施例）第１図乃至第３図は本発明の一実施例を示すもので、第
１図はｎＪ長装置の構成図、第２図は探針駆動機構の拡
大斜視図、第３図は１ｌｌｌＪ長時における探針及び比
較試料の動作を示す図である。

図において、１は探針、２は探針１を垂直方向に駆動す
る第１アクチユエータ、３は探針１を水平方向に駆動す
るｍ２アクチユエータである。

探針１はタングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）等の導電性の
金属材料にて先鋭形状に形成されており、第１アクチエ
ータ２の下端にその先鋭端を下向きにして垂設されてい
る。

第１アクチユエータ２は基台４上に立設された略り字形
の支柱上部５にその上端を固定されている。この第１ア
クチユエータ２はピエゾ素子等を内蔵し、圧電効果によ
って探針１を垂直方向に駆動できるようになっている。

第２アクチユエータ３は第１アクチユエータ２の下部と
支柱５の側面との間に介装されている。

この第２アクチユエータ３も第１アクチユエータ２と同
様にピエゾ索子等を内蔵しており、圧電効果によって探
針１を水平方向に駆動できるようになっている。

６は基台４上に配設されたステージ用ベースであり、該
ベース６には第２アクチユエータ３の駆動方向と直交す
る水平方向に移動可能なステージ７がベアリング等を介
して摺動自在に配置されている。また、このステージ７
の一端には測長時において測長対象（図示省略）に当接
される針状の測定端７ａが設けられている。

８はステージ７の上面に固着された平板状の比較試料で
ある。この比較試料８は空気中でも容易に格子像（原子
像）を捕えることが可能なグラファイト等の小結晶材料
からなる。また、この比較試料８はステージ７の移動方
向に伸びる長方形状をなしていて、ステージ７の上面に
、探針１と対向し且つステージ７の移動方向と格子面の
（１０ｃｉ）方向が一致するように固着されている。

９は第１アクチユエータ駆動用の第１駆動部である。こ
の第１駆動部９は、探針１と比較試料２との間に流れる
トンネル電流に基づいて第１アクチユエータ２に送出さ
れる駆動信号の電圧レベルを変化し、比較試料８に対す
る探針１の垂直方向の間隔を一定に保持する。

１０は起伏信号生成部で、第１駆動部９から送出される
駆動信号、即ち探針１の垂直方向の位置信号に基づいて
、比較試料８の原子像の起伏に対応した起伏信号を生成
する。後に詳述するが本実施例では第３図に示すように
、探針１は測長時において比較試料８の移動方向と直交
する水平方向に往復動することから、この起伏信号生成
部１０では、往動時と複動時の夫々で得られる垂直方向
の位置信号のピーク値をもとに原子の存在する位置Ａを
山または谷としたアナログ信号を生成している。

尚、先に述べた探針１．第１アクチユエータ２゜第１駆
動部９及び起伏信号生成部１０の構成は、周知の走査型
トンネル顕微ｔｆｔ　（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅ
ｌｌｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　）のそれと大差ない
。

１１はディジタル信号生成部で、起伏信号生成部１０で
生成された起伏信号を所定のディジタル信号に変換する
。詳しくは、原子像の起伏に対応した起伏信号（アナロ
グ信号）を、原子間距離（格子定数）を表現するに適当
なしきい値でその信号の立ち上がり或いは立ち下がりを
検出してディジタル化している。

１２はディジタル信号計数用のカウンタで、ディジタル
信号生成部１１から送出されたディジタル信号を計数し
、図示省略の表示部に表示する。

１３は第２アクチユエータ駆動用の第２駆動部である。

この第２駆動部１３は、探針１が比較試料８の移動方向
と直交する水平方向に所定幅で往復動するに必要な駆動
信号を第２アクチユエータ３に送出する。

１４はピーク位置検出部で、探針往復動時において第１
駆動部９から送出される駆動信号と第２駆動部１３から
送出される駆動信号に基づいて、即ち探針１の垂直方向
の位置信号及び水平方向の位置信号に基づいて、垂直方
向の位置信号のピーク値、つまり原子像の山または谷の
ピークが現れる水平位置を検出する。

１５は補正信号生成部で、ピーク位置検出部１４で検出
された水平位置と往復動の中心位置との差に基づいて、
探針往復動の中心位置を修正するための補正信舎を生成
し第２駆動部１３に送出する。

次に、前述の測長装置によって動的な測長対象に対して
測長を行なう場合について説明する。

測長に際し、ステージ７の１１ｐｊ定端７ａを測長対象
に接触させ、比較試料８が測長対象と同期して移動する
ようにする。

比較試料８が水平方向に移動する時、比較試料８に対す
る探針１の垂直方向の間隔は、探針１と比較試料８との
間に流れるトンネル電流に基づき第１駆動部９によって
一定に保持される。また、これと同時に、探針１は第２
駆動部１３によって駆動され、比較試料８に対する探針
１の垂直方向の間隔を一定に保持されつつ、比較試料８
の移動方向と直交する水平方向に往復動される。つまり
、探針１は比較試料移動時において第３図に示すような
走査軌跡Ｋを形成する。

また、この比較試料移動時には、探針１の水平方向の往
動時と複動時の夫々で得られる垂直方向の位置信号のピ
ーク値をもとに原子位置Ａを山または谷とした起伏信号
（アナログ信号）が起伏信号生成部１０によって生成さ
れ、このアナログ信号はディジタル信号生成部１１で原
子間距離（格子定数）を表現する適当なディジタル信号
に変換される。そして、このディジタル信号がカウンタ
６によって計数され表示される。

つまり、比較試料８が測長対象の動きに同期して水平方
向に移動した際に、該比較試料２の移動量を原子間距離
（格子定数）を単位としてカウンタ１２で計数させるこ
とができるので、この計数値に比較試料２の原子間距離
（格子定数）を乗することで所望の副長を行なうことが
可能となる。

ちなみに、比較試料２としてグラファイトを用い、（１
００）方向に比較試料８を移動させた場合では、格子定
数である１、４２オングストローム毎にディジタル信号
が生成され、これがカウンタ１２で計数されるので、こ
の計数値に基づき格子定数の整数倍を長さとしてｌ１Ｐ
Ｉ長を行なうことができる。グラファイト以外の単結晶
材料を比較試料として用いた場合にはこれらの格子定数
が測長の単位となることは言うまでもない。

また、前述の副長装置では、探針１が往復動する際に、
探針１の垂直方向の位置信号及び水平方向の位置信号に
基づいて、原子像の山または谷のピークが現れる水平位
置がピーク位置検出部１４で検出され、このピーク位置
検出部１４で検出された水平位置と往復動の中心位置と
の差に基づいて、探針往復動の中心位置を修正するため
の補正信号が補正信号生成部１５で生成されて第２駆動
部１３に送出され、探針１の往復動の中心位置が格子面
方向に対応するように随時修正される。

つまり、ステージ７にガタがあり比較試料８が直線的に
移動しない場合や、比較試料８の格子面方向がステージ
７の移動方向と一致しない場合でも、比較試料８の原子
の存在する位置を正確に捕えることができるので、原子
間距離（格子定数）をディジタル信号によって的確に表
わすことができ、測長の精度を高めることができる。

尚、前記実施例ではディジタル信号生成部から出力され
たディジタル信号をカウンタによって計数するようにし
たものを示したが、ディジタル信号をＣＲＴ等に表示し
直接読取るようにしても同様の測長を行なうことができ
る。また、比較試料の所定の格子面方向がステージの移
動方向とほぼ一致する場合には、第２アクチユエータ、
第２駆動部、ピーク位置検出部及び補正信号生成部を除
外して測長装置を構成するようにしてもよい。更に、第
４図に示すように、比較資料８が固着されたステージ７
をベース６に固定する一方、支柱５を第２アクチユエー
タ３の駆動方向を直交する水平方向に移動可能に構成し
、比較試料８の近傍に測長対象を配置して該測長対象に
沿って探針１を移動させることによって測長を行なうよ
うにしてもよい。

（発明の効果）以上詳述したように、請求項（１）記載の測長装置によ
れば、信号変換手段のディジタル信号から比較試料の原
子間距離（格子定数）を単位として測長対象の測長を行
なうことができるので、従来の測長装置では得ることが
できなかった数オングストロームの分解能で測長を行な
うことが可能となり、加工１組立て、観察等の種々分野
において高精度な製造及び解析が実現できる。

また、請求項（２〉記載の測長装置によれば、探針また
は比較試料の移動にガタがあるい場合や、探針の相対的
な移動方向と比較試料の格子面方向が一致しない場合で
も、比較試料の原子位置を正確に捕えることができるの
で、原子間距離（格子定数）をディジタル信号によって
的確に表わすことができ、測長の精度を高めることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の一実施例を示すもので、第
１図は測長装置の構成図、第２図は探針駆動機構の拡大
斜視図、第３図は探針及び比較試料の動作を示す図、第
４図は本発明の他の実施例を示す探針駆動機構の拡大斜
視図である。１・・・探針、２・・・第１アクチユエータ、３・・・
第２アクチユエータ、８・・・比較試料、９・・・第１
駆動部、１０・・・起伏信号生成部、１１・・・ディジ
タル信号生成部、１３・・・第２駆動部、１４・・・ピ
ーク位置検出部、１５・・・補正信号生成部。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）導電性の探針と、単結晶材料からなる平板状の比較試料と、探針と比較試料との間に流れるトンネル電流に基づいて
比較試料に対する探針の垂直方向の間隔を一定に保持す
る垂直方向駆動手段と、探針を比較試料に沿って相対的に移動させた際の垂直方
向の位置信号に基づいて比較試料の原子像の起伏に対応
した起伏信号を生成すると共に、該起伏信号を所定のデ
ィジタル信号に変換する信号変換手段とを具備し、ディジタル信号から比較試料の原子間距離を単位として
測定対象の測長を行なうようにしたことを特徴とする測
長装置。
（２）探針を比較試料に沿って水平方向に所定幅で往復
動させる水平方向駆動手段と、探針往復動時における垂直方向の位置信号及び水平方向
の位置信号に基づいて原子像の山または谷のピークが現
れる水平位置を検出すると共に、該検出信号から探針往
復動の中心位置を修正するための補正信号を生成し水平
方向駆動手段に送出する補正信号生成手段と、を設けた請求項（１）記載の測長装置。