JPH07311029A

JPH07311029A - 微動装置及び走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH07311029A
Application number: JP10527394A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Hoshino; 吉弘星野
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1994-05-19
Filing date: 1994-05-19
Publication date: 1995-11-28

Abstract

(57)【要約】【目的】微動検出系を含むアクチュエータ及びこれを
利用した走査型プローブ顕微鏡に関し、移動座標を正確
に把握し、歪のない顕微鏡像の提供を目的とする。【構成】アクチュエータは、一端固定のチューブ型圧
電素子と、このチューブ型圧電素子自由端に固設した光
路ブロック内からＸ軸及びＹ軸方向に出射される２本の
集束ビーム光と、前記光路ブロックの出射孔に嵌合され
た２ケの集光用の凸レンズとから成る。微動検出系は、
更にＸ軸及びＹ軸光路上に前記チューブ型圧電素子から
離れて設けられた受光面分割型受光器と、この受光器を
それぞれの光軸上で微動させる圧電素子とを含んで成
る。前記光路ブロック下端に端針又は試料台を固設すれ
ば、これを走査型プローブ顕微鏡の微動装置として用い
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は微動検出系を含むアクチ
ュエータとしての微動装置及びこれを利用した走査型プ
ローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年量子効果を利用した探針式表面粗さ
計である走査型プローブ顕微鏡が原子的尺度で固体表面
の状態を観察するのに好適な手段として注目、開発され
ている。走査型プローブ顕微鏡には、その動作原理によ
って走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）などがある。いず
れも鋭く尖った探針を試料表面に極めて接近させ、この
時両者間に作用する量子効果を利用して両者間距離を一
定に保持し、試料を走査する探針の動きを連続的にとら
えることによって、原子的尺度で試料表面の凹凸形状を
測定するものである。

【０００３】代表的な走査型プローブ顕微鏡であるＳＴ
Ｍは、電解研磨したタングステン線などの金属探針と導
電性試料との間に電圧を印加して両者間を近接させる
と、約１ｎｍ付近でトンネル電流が流れる現象を利用し
ている。トンネル電流値は両者間隔に鋭敏であるため、
この電流値が一定になるように探針の動きを制御しなが
ら試料表面を２次元的に走査すれば、試料表面の凹凸形
状に関する拡大像が得られる。

【０００４】原子的尺度で凹凸を検出する場合、試料の
走査に要求される距離は数〜数十μｍに亘る。このため
に走査手段として、粗位置駆動系と微位置駆動系が設け
られる。

【０００５】微位置駆動系はｎｍオーダーで探針の動き
を制御するもので、圧電セラミクスなどを利用したＸ，
Ｙ，Ｚ軸直交アーム型や円筒形状の素子が用いられてい
る。図５は、その代表的な形状を示す。

【０００６】図５（Ａ）のトライポッド（三脚）型の微
動素子１１は、数ｍｍ角で長さ数〜数十ｍｍの３本の積
層型圧電素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃを組合せたもので
あり、各圧電素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃのそれぞれ
は、圧電部及びその両側に設けた上下電極より成る個別
素子から成る。そして電極間に電圧を印加すると長手方
向に伸縮する機能を有する。一方、図５（Ｂ）に示すチ
ューブ型の微動素子１は、直径数ｍｍ、長さ数〜十数ｍ
ｍ中空円筒１ｄが圧電性セラミクスで構成されており、
内側と外側の電極（図の斜線部分）１ｅ〜１ｇ間に電圧
を印加すると、円筒が収縮するように分極が与えられて
いる。内側の電極１ｈは共通であり、Ｚ軸用の外側電極
１ｇは一体で単純な収縮を行うが、Ｘ軸及びＹ軸用の電
極１ｅ、１ｆはそれぞれ２分割されており、互いに逆極
性の電圧をかけて筒のたわみを生ぜしめ、Ｚ軸と垂直方
向の変位を起こす機能を有する。

【０００７】図５（Ａ）のトライポッド型に比べて図５
（Ｂ）のチューブ型は応答性と対称性にすぐれているた
め、最近広く用いられるようになっており、本発明の微
動装置もこのタイプの素子を用いるものとする。

【０００８】チューブ型微動素子は、円筒の上端面を固
定し、電極間に所定の電圧を印加して自由面である円筒
の下端面を運動せしめる。走査型プローブ顕微鏡では、
この運動側に探針又は試料台を設けて、探針又は試料台
の微動を行う。図５（Ｂ）では原理説明の都合上、ｘ、
ｙ、ｚ電極を円筒上の別々の位置に形成した例を示した
が、最近実際に用いられるのは、図６に示すようなｘ、
ｙ、ｚ用の電極を一体化した３電極一体型である。この
タイプは、Ｘ軸、Ｙ軸方向に電圧が印加できるようにす
るために圧電セラミクス円筒１ｄの円周上の電極が４分
割（図では手前側の２つの電極１ｉ、１ｊのみを開示し
ているが、裏側にも同様な２つの電極が設けられてい
る）されており、Ｚ軸方向に伸縮する場合には全ての外
周上電極１ｉ、１ｊ、…と内周電極１ｋに電圧を印加す
る。

【０００９】円筒１ｄの素材である圧電セラミクスに
は、ＰＺＴなどが用いられ、印加電圧に対して所定の変
位をとる。この他にも種々の微動素子がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の圧電式
アクチュエータ（微動素子）においては、大振幅動作時
に駆動電圧に対する変位量が非直線性を有することが知
られている。また、印加電圧と歪み量との間でヒステリ
シス現象が発生することや、大電圧印加後はクリープと
呼ばれる緩和現象も報告されている。更に、図６及び図
７で示したチューブ型微動素子の場合には、円筒Ｚ軸に
垂直な一端面（上端面）が固定されているため、Ｘ、Ｙ
軸方向の下端面移動はそれぞれＹ軸、Ｘ軸まわりの回転
（ゆがみ）を伴う。

【００１１】従って、チューブ型微動素子の自由端面
（下端面）に探針を固着した走査型プローブ顕微鏡にお
いて、各関連電極への印加電圧を比例的に変化させて試
料表面をＸ、Ｙ方向に走査し凹凸形状を観察すると、補
正なしでは像が歪むという問題点がある。

【００１２】これに対するために、従来、予め正確な長
さや角度がわかっているテストパターンを用いてＸ−Ｙ
平面を走査し、印加電圧に対する変位量の補正係数を求
めていた。しかし、非直線性やヒステリシス現象が駆動
開始時の電圧値や最大印加電圧によって変化し、またク
リーピングもあるため正確な座標位置の較正は困難であ
った。

【００１３】本発明の目的は、上記の如き圧電素子を含
む種々の微動体についてその移動座標を正確に把握でき
る微動装置を提供することである。

【００１４】本発明の他の目的は、試料表面を探針で走
査中に座標較正を行い、歪のない観察像を得ることがで
きる走査型プローブ顕微鏡を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、微動体に固設
された光路ブロックと、光路ブロックの互いに直交する
出射位置に設けた２個の集光レンズと、光路ブロックの
外部に固設したレーザ光源と、レーザ光源からの集束ビ
ーム光の光路ブロック入射位置に設けた入射孔と、入射
孔からの集束ビーム光を上記２個の集光レンズへ分配す
る、光路ブロック内位置に設けたビームスプリッタと、
上記２個の集光レンズからの放出集束ビーム光を各々受
光する、光路ブロックの外部位置に固設された受光面分
割型受光器と、受光面分割型受光器の出力から前記集束
ビーム光受光位置の変化を検出し微動体の微少運動によ
る座標値の変化を求める手段と、より成る微動装置を提
供する。

【００１６】また本発明は、前記光路ブロック下端面に
探針又は試料台を固設し、前記集束ビーム光位置の変化
を帰還して前記外力を制御することにより、前記探針又
は前記試料台の座標を所定位置に微少移動せしめる前記
微動装置を備えた走査型プローブ顕微鏡を提供する。

【００１７】

【作用】微動体が微動すると、その結果光路ブロックか
ら出射される集束ビーム光の位置及び方向が変化し、近
接して設けられた受光器受光面における受光部位がそれ
ぞれ変位する。この受光部位の変位は、円筒下端面、従
って探針又は試料台の並進の情報を含んでいる。このシ
ステムは圧電以外の外力による微動側にも適用できる。

【００１８】従って、各受光器受光面での受光位置変化
を検出し、幾何学的な相対位置関係を考慮して演算する
ことで微動装置探針の探針又は試料台の補正された正確
な移動座標を得ることができる。この移動座標を基にし
て走査型プローブ顕微鏡の観察像を出力すれば、歪のな
いデータが得られる。

【００１９】前記光路ブロックから出射される集束ビー
ム光は、受光器受光面に到達する前に前記光路ブロック
の光放出孔に設けた集光レンズや凸レンズで更に集光さ
れる。受光器受光面上に焦点を結ぶ如くして配置された
レンズの作用で、集束ビーム光源がシフトした場合、受
光器受光面の集束ビーム光位置は逓倍して変化する。

【００２０】

【実施例】以下に実施例に基づき、本発明を詳しく述べ
る。図１は、本発明の実施例である微動装置の主要部斜
視図を示す。図において１はチューブ型圧電素子、２は
その下端側に固定的に取り付けた光路ブロック、３は光
路ブロック２内に設けたビームスプリッタ、４はレーザ
光源、５ａ、５ｂはそれぞれ光路ブロック２のレーザ出
射孔に嵌合されたＸ軸方向用及びＹ軸方向用の凸レン
ズ、６ａ〜６ｂは光路ブロック２の近傍に独立して設け
られたＸ方向及びＹ方向のレーザ光を受光する受光面分
割型の受光器である。また、図の斜線部は圧電セラミク
スに対する電極を示している。この受光器６ａ〜６ｃは
圧電素子１及び光路ブロック２とは独立に設置している
ため、圧電素子１及び光路ブロック２が一体として微動
しても、動くことはない。

【００２１】チューブ型圧電素子１のＺ軸に垂直な上端
面は、図示してないホルダーに固設されている。光路ブ
ロック２は中空円筒形状で、図示したようにレーザ光源
４からレーザ光入射孔９を経て入射するレーザ光がその
内部（例えば中心）を通ってＸ軸方向及びＹ軸方向にそ
れぞれ平行に進行するようにしてビームスプリッタ３が
中心に設けられている。ビームスプリッタ３は簡単のた
め直角プリズム状に図示したが、通常は２等辺直角プリ
ズムの斜面をあわせたキューブ状をしている。その斜面
には、λ／３程度の薄い空気層が介在していたり、或は
一方のプリズムの斜面に半透膜をコーティングし、他方
のプリズム斜面には反射防止膜がコーティングされてい
る。ビームスプリッタ３に入射したレーザ光は、斜面で
反射光と透過光が１：１に分割される。

【００２２】凸レンズ５ａ、５ｂは、図示したようにビ
ームスプリッタ３の透過光及び反射光がそれぞれその中
心を通るようにして配設されている。ビームスプリッタ
３でＹ軸方向に反射されたレーザ光は凸レンズ５ｂを介
して受光器６ｂの受光面に、また、ビームスプリッタ３
を透過したＸ軸方向のレーザ光は凸レンズ５ａを介して
受光器６ａの受光面に入射して電圧に変換される。

【００２３】レンズ５ａ、５ｂは、チューブ型圧電素子
１と共に微動するが、レンズ５ａ、５ｂの変位により受
光面上での受光位置も対応して変化する。ここでスポッ
ト径の受光位置変化について図２の光学系を用いて説明
する。図２はレーザ光源４とレンズ５ａと受光器６ａの
受光面７との光学位置関係を示す図である。レンズ５ａ
が実線位置から点線位置に変化した例を示している。そ
の変化量をｍ₁とすると、受光面７上では、ｐ₁からｐ₂
へ受光位置が変化する。レンズ５ａの変化量をｍ₁、受
光位置の変化量をｍ₂とすると、

【数１】ここで、ｄ₁はレーザ光源４出射端と凸レンズ５との距
離、ｄ₂は凸レンズ５と受光面７との距離である。

【００２４】例えば、ｄ₁：ｄ₂＝１：１０とすると、円
筒型圧電素子１の変位１ｎｍに対して、受光素子６上で
のレーザスポット８の移動量は１０ｎｍとなる。従っ
て、光源４と集光レンズ５ａと受光素子６ａの位置関係
を適当に配置することにより、円筒型圧電素子１のＸ、
Ｙ、Ｚ方向の変位量を高精度に検出することができる。

【００２５】受光器６ａ、６ｂの受光面は、受光位置の
変化を明確に捕らえるために、例えば図３に示すように
それぞれ４分割されており、各領域毎に別々に起電力値
が測定される。

【００２６】図３で示したように、微動装置の圧電セラ
ミクスに電圧が印加されていない状態では、レーザ光ス
ポット８ａは、受光器の各領域７ａ〜７ｄに均等に受光
されるように受光面の中心にくるよう設定されている。
各領域７ａ〜７ｄにおける光起電力をそれぞれＶ_a〜Ｖ_d
で表すことにする。

【００２７】微動装置の圧電セラミクス電極間に電圧が
印加されると、選択された電極、印加電圧の大きさに応
じて、図１のチューブ型圧電素子下端面が所定の方向に
移動し、それにつれてＸ、Ｙ各軸方向へ放射されるレー
ザ光の出射方向、位置が変わる。これは、受光器の受光
面では、例えば図３の点線で示した８ｂのようにレーザ
光スポットの変位となって現れる。この場合、受光器受
光面の座標を図示したように（ｈ、ｖ）で表すと、レー
ザ光スポットが８ａから８ｂに移動したことによって生
ずる変化は、受光器では水平方向に（Ｖ_c＋Ｖ_d）−（Ｖ
_a＋Ｖ_b）の変化として、また垂直方向に（Ｖ_a＋Ｖ_c）−
（Ｖ_b＋Ｖ_d）の変化として現れることになる。

【００２８】一方、受光素子６ａ、６ｂ上のレーザスポ
ットの位置８ａ、８ｂと前記信号の関係を予め測定して
メモリ（図示せず）にラッチしておく。そして受光素子
６ａ、６ｂでの分割面からの信号を求め、この信号から
上記関係を利用してレーザスポットの位置（ｈ、ｖ）を
求める。更に、レーザスポットの位置から微少運動によ
るチュープ型圧電素子の座標値の変化を算出する。これ
らは、自動的又は手動的に行える。

【００２９】次に図４に基づいて、円筒型圧電素子１が
レーザ光軸Ｆ方向に実線から点線位置に変位した時の状
況について説明する。一般にレンズを用いた結像関係
は、レンズの焦点距離ｆ、物体からレンズ（主点）まで
の距離をａ、レンズ（主点）から像面７までの距離をｂ
とすると、次式で表される。

【数２】従って、同図に示すように集光レンズ５ａの位置が変化
すると、レーザスポットの結像位置が変化する。即ち、
受光面７上でのレーザスポット８の大きさが変化するこ
とになる。例えば、ｆ＝４．５ｍｍ、ａ＝５．０ｍｍ、
ｂ＝４５ｍｍ、レンズ位置でのレーザスポット径２ｍｍ
の結像関係において、集光レンズ５の位置が光軸方向に
１０μｍ移動すると、受光部７上でのレーザスポット８
の大きさ０から約３０μｍに変化する。しかしながら、
レーザスポット８の強度のピーク位置は変化しないの
で、受光面７からの出力は変化しないと推定される。

【００３０】尚、円筒型圧電素子１は、Ｘ、Ｙ方向に変
位する際に、各軸まわりの回転θｙ、θｘを発生する
が、上記発明においては光源の回転による受光素子６上
のレーザスポット８の移動は結像関係から発生しないの
で、回転の影響を受けることなく、微動装置のＸ、Ｙ、
Ｚ方向の変位量を正確に得ることができる。

【００３１】以上説明したような実施例による微動装置
を走査型ブローブ顕微鏡に適用し、検出した変位量に基
づいて微動装置の制御、あるいは観察像の較正を行うこ
とにより、歪みのない観察像を得ることができる。

【００３２】以上本発明を実施例に沿って説明したが、
本発明はこれらにとどまるものではない。例えば、集光
ビームはレーザ光に限らず、レンズで絞った自然放出光
を用いることができる。また、上記実施例では円筒状微
動装置に作用する外力が圧電歪の場合を述べたが、これ
以外に例えば磁気歪や機械的変位を用いうることも自明
であろう。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、チュ
ーブ型微動素子のＸ、Ｙ、Ｚ軸に沿った変位量が高精度
で検出できる。更にこれを帰還することによって作用す
る外力を正確に制御することができる。従って、この微
動装置を走査型プローブ顕微鏡に適用し、検出した変位
量（座標変位）に基づいて微動装置の制御あるいは観察
像の較正を行えば、歪のない微細観察像を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例におけるチューブ型圧電素子を
用いた微動装置構成主要部を示す斜視図である。

【図２】本発明の原理を説明するための図である。

【図３】図１の受光面分割型受光器の受光面におけるレ
ーザ光スポットと受光面の座標系（ｈ、ｖ、ｄ）を示す
図である。

【図４】光軸方向へのシフト例の説明図である。。

【図５】圧電微動素子の形状例を示す図である。

【図６】チューブ型圧電素子の構成を示す図である。

【符号の説明】

１チューブ型圧電素子２光路ブロック３ビームスプリッタ４レーザ光源５、５ａ、５ｂ、凸レンズ６ａ、６ｂ受光器７受光器受光面７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ受光器受光領域８ａ、８ｂ、８ｃレーザ光スポット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微動体に固設された光路ブロックと、光路ブロックの互いに直交する出射位置に設けた２個の
集光レンズと、光路ブロックの外部に固設したレーザ光
源と、レーザ光源からの集束ビーム光の光路ブロック入射位置
に設けた入射孔と、入射孔からの集束ビーム光を上記２個の集光レンズへ分
配する、光路ブロック内位置に設けたビームスプリッタ
と、上記２個の集光レンズからの放出集束ビーム光を各々受
光する、光路ブロックの外部位置に固設された受光面分
割型受光器と、受光面分割型受光器の出力から前記集束ビーム光受光位
置の変化を検出し微動体の微少運動による座標値の変化
を求める手段と、より成る微動装置。
【請求項２】前記２個の集光レンズが凸レンズである
ことを特徴とする請求項１記載の微動装置。
【請求項３】前記光路ブロック下端面に探針又は試料
台を固設し、前記集束ビーム光位置の変化を帰還して前
記外力を制御することにより、前記探針又は前記試料台
の座標を所定位置に微少移動せしめる請求項１又は２記
載の微動装置を備えた走査型プローブ顕微鏡。