JPH0771913A

JPH0771913A - 微動装置及び走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH0771913A
Application number: JP21736693A
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: 1993-09-01
Filing date: 1993-09-01
Publication date: 1995-03-17

Abstract

(57)【要約】【目的】走査型プローブ顕微鏡の探針微動機構に好適
な微動装置に関し、微動座標を正確に検出できる装置の
提供を目的とする。【構成】中空円筒の上端面が固定され、外力によって
下端面が微動する装置の下端面に、円筒のＸ軸又はＹ軸
方向にそれぞれ垂直の受光面を有する少なくとも合計３
ケの受光素子をＸ、Ｙの各軸方向に最低１ケ配置する如
くして固定した受光装置を付設し、また前記受光素子の
受光面にそれぞれ垂直方向から入射する集束ビーム光の
放射源を前記円筒の近傍に固設して成り、前記外力の作
用によって前記受光素子の前記集束ビーム光受光位置の
変化を検出して前記微動による前記下端面の座標値を測
定記憶する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は微動装置、特に原子的尺
度での微動を行う微動装置及び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１は、数ｍｍ角で長さ数〜数十ｍｍの３本の積層
型圧電素子１ａ、１ｂ、１ｃを組合せたものであり、各
圧電素子１ａ、１ｂ、１ｃ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を、複数個積
層したものである。そして電極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
ｍｍ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はそれぞれの軸に垂直方向に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、
この運動側に探針を設けて、探針の微動を行う。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、合計４個の電極となっ
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。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の圧電式
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５及び図６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
は各軸まわりの回転（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】これに対処するために従来、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、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
査中に駆動電圧／変位量の座標較正を行い、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、中空円筒形状
を有し、該円筒軸（Ｚ軸）に垂直な一端面が固定され、
該円筒に作用する外力によってＺ軸に垂直な他端面が並
進及び回転の微少運動を行う微動装置において、前記他
端面に固設された、前記円筒のＸ軸又はＹ軸方向にそれ
ぞれ垂直の受光面を有する少なくとも合計３ケの受光器
を持つ受光装置と、該受光装置の近傍に独立して設けら
れ、前記受光素子の受光面にそれぞれ垂直方向から集束
ビーム光を入射させる光学系と、前記外力の作用によっ
て前記受光素子の前記集束ビーム光受光位置の変化をそ
れぞれ検出して前記微少運動による前記他端面の座標値
を算出する手段と、より成る微動装置を開示する。

【００１６】更に本発明は、中空円筒が圧電性材料で形
成され、該円筒軸（Ｚ軸）に垂直な一端面が固定され、
円筒円周面に電極が設けられており、これら電極間に電
圧を印加することによって円筒軸（Ｚ軸）に垂直な他円
筒端部が並進又は回転の微少運動を行う微動装置におい
て、前記円筒他端部に固設された、前記円筒のＸ軸又は
Ｙ軸方向にそれぞれ垂直の受光面を有する少なくとも合
計３ケの受光器を持つ受光装置と、該受光装置の近傍に
独立して設けられ、前記受光素子の受光面にそれぞれ垂
直方向から集束ビーム光を入射させる光学系と、圧電作
用による前記受光素子の前記集束ビーム光受光位置の変
化をそれぞれ検出して前記微少運動による前記他端面の
座標値を算出する手段と、より成る微動装置を開示す
る。

【００１７】更に本発明は、上記受光器は、受光面が少
なくとも４分割されていて、この分割した受光面におけ
る光起電力の大きさで受光位置の変化を検出可能にし
た。

【００１８】更に本発明は、微動装置を用いた走査型プ
ローブ顕微鏡において、測定された前記集束ビーム光受
光位置の変化を帰還することによって前記電極間に印加
する電圧を制御することを特徴とする走査型プローブ顕
微鏡を開示する。

【００１９】

【作用】前記の外力によって上端面が固定された円筒状
微動装置の下端面が移動すると、下端面に固定された受
光装置、探針も同時に同じ移動を行う。一方、円筒近傍
に固定された集束ビーム光の放射源は静止したままであ
るため、受光装置の移動によって受光部位が変化する。
この受光部位の変化には、円筒下端面のＸ、Ｙ及びＺ軸
方向の並進及び各軸まわりの回転に関する情報が含まれ
ている。

【００２０】そこで、各受光器受光部での集束ビーム光
の位置変化を検出し光学部品間の幾何学的な位置関係を
考慮して演算することによって、前記下端面の微動装置
座標が予め測定された受光位置座標によって表示され
る。即ち、微動装置を検出することができる。

【００２１】従って、この微動装置に探針を取付け、前
記外力として圧電歪を用いて探針を印加電圧の関数とし
て駆動走査する走査型プローブ顕微鏡において、試料表
面のの凹凸形状を歪みのない状態で観察することができ
る。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて、より詳し
く述べる。図１は、実施例におけるチューブ型微動素子
の斜視図を示す。図において、１はチューブ型圧電素
子、２はその下流側に固定的に取り付けた受光装置、３
ａ及び３ｂはビームスプリッタ、４はレーザ光源、６ａ
〜６ｃは受光装置２に取り付けた受光素子、７ａ、７ｂ
はビームベンダーである。このレーザ光源４、ビームス
プリッタ３ａ、３ｂ、ビームベンダー７ａ、７ｂは受光
装置２とは独立に設置しており、受光装置２と圧電素子
１とが一体として微動しても動くことはない。本実施例
においては集束ビーム光は適当なレーザ光が用いられ
る。また、円筒に作用する外力として、電極（斜線で示
す）の間に電圧を印加した時生ずる圧電歪が用いられ
る。

【００２３】チューブ型圧電素子１は、例えばＰＺＴの
ような圧電セラミクスで形成された中空円筒の内外壁に
金属電極を蒸着形成したものである。内壁面の電極は各
軸共通用であるが、外壁面の電極はＸ軸、Ｙ軸にそれぞ
れ垂直な方向に４分割されている。チューブ型圧電素子
１の上端面は図示してないホルダーに固着され、適当な
電極間に電圧を印加した時、下端面がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸
方向への並進運動及び回転運動を行う機能を備えてい
る。

【００２４】受光素子６ａ、６ｂ受光面はＹ軸に垂直で
あり、受光素子６ｃ受光面はＸ軸に垂直である。各受光
素子にはビームスプリッタ３ａ、３ｂ及びビームベンダ
ー７ａ、７ｂの働きによってチューブ型圧電素子１の静
止時、レーザ光が各受光素子受光面の中心に垂直入射す
るよう調整されている。

【００２５】チューブ型圧電素子に外力（圧電歪）が作
用して下端面が微少運動を開始すると、下端面に固設さ
れた受光装置２が、従って受光素子６ａ、６ｃの受光面
の受光位置がそれぞれシフトする。

【００２６】受光素子６ａ〜６ｃの受光面は、例えば図
２で示すように４分割されており、各領域がそれぞれ独
立した受光ダイオード８ａ〜８ｄを形成している。チュ
ーブ型圧電素子１が静止状態にあっては、各受光素子６
ａ〜６ｃの受光面の中心に集束ビーム光が当たるように
受光位置が調整されている。そのレーザスポットを９ａ
で表す。しかるにチューブ型圧電素子１に圧電歪が作用
した時には、例えば図２の９ｂのように受光面のレーザ
スポット位置がシフトする。

【００２７】各受光ダイオード８ａ〜８ｂによる起電力
を、それぞれＶ_a〜Ｖ_dとおけば、レーザスポットが９ａ
から９ｂにシフトした時の起電力変化は、水平方向が
（Ｖ_c＋Ｖ_d）−（Ｖ_a＋Ｖ_b）の変化として、また垂直方
向が（Ｖ_a＋Ｖ_c）−（Ｖ_b＋Ｖ_d）の変化としてとらえら
れる。

【００２８】そこで、受光素子６ａ〜６ｃの受光面の座
標を、素子の中心を原点とする（ｈ、ｖ）座標で示すこ
とにすれば、予め各受光素子で水平、垂直方向の起電力
変化量と（ｈ、ｖ）座標値の関係を測定しておくことが
できる。この結果、チューブ型圧電素子１の下端面座標
（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θ_x、θ_y、θ_z）の変化は、前記受光起
電力変化量を測定することによって（ｈ、ｖ）座標即
ち、（ｈ_a、ｖ_a）、（ｈ_b、ｖ_b）、（ｈ_c、ｖ_c）に変換
することができる。

【００２９】次にこれら（ｈ、ｖ）座標値を用いてチュ
ーブ型圧電素子の変位量、即ち変位に伴う座標値（ｘ、
ｙ、ｚ、θ_x、θ_y、θ_z）をマイクロコンピュータ（図
示せず）で自動的に求める方法を述べる。

【００３０】最初は、簡単のために最も変化量の小さい
θ_zを省略して、下端面座標と各受光器受光面座標
（ｈ_i、ｖ_i）（ｉ＝ａ、ｂ、ｃ）との関係を求める。

【００３１】図３は、図１に示した各光学部品間の幾何
学的位置関係を示すＸ−Ｙ平面図である。図３から以下
の関係が成り立つことがわかる。θ_xはｘ軸まわりの微
少回転角、θ_yはｙ軸まわりの微少回転角であり、更に
距離ｌ₁〜ｌ₅は以下の定義に従う。ｌ₁…ビームスプ
リッタ３ｂのｘ軸方向の原点からの距離、ｌ₂…ビームスプリッタ３ａのｘ軸方向の原点からの距
離、ｌ₃…ビームベンダー７ｂ（受光素子６ｃ）のｙ軸方向
の原点からの距離、ｌ₄…受光素子６ａ、６ｂのｙ軸方向の原点からの距
離、ｌ₅…受光素子６ｃのｘ軸方向の原点からの距離。

【数１】

【数２】

【数３】

【００３２】この連立方程式をといてチューブ型圧電素
子１下端面座標を求めると、

【数４】

【数５】

【数６】

【数７】

【数８】が得られる。

【００３３】従って、起電力変位量に対する受光素子受
光面位置（ｈ_i、ｖ_i）が既知であれば、起電力変位量を
検出することによって直ちに前記各式を用いて圧電素子
下端面座標を演算することができる。

【００３４】前記チューブ型圧電素子の受光装置下端面
にＺ軸に沿って探針を固設しておけば、この微動装置を
走査型プローブ顕微鏡の微動機構に用いることができ
る。図１の装置を利用した走査型プローブ顕微鏡におい
ては、検出した光起電力変位量によって微動位置の制御
及び試料表面形状の拡大観察像の較正ができ、歪のない
像が得られる。

【００３５】図４は、図１とは別の実施例における受光
装置２及び光学部品関係の幾何学的配置を示すＸ−Ｙ平
面図である。この受光装置２は図示したようにＹ軸に垂
直な受光素子取付け壁が段差を有する形状を持つ。各光
学部品の幾何学的距離は、図中に示されている。

【００３６】この実施例の場合、前実施例で省略したＺ
軸まわりの微少変位θ_zについても考慮する必要があ
る。図示したような座標において、チューブ型圧電素子
１の下端面が圧電歪によって（ｘ、ｙ、ｚ、θ_x、θ_y、
θ_z）だけ微少変位した時、各受光素子６ａ〜６ｃが図
２に示したと同じ受光面形状、座標を有するとすれば、
レーザスポット９ｂの水平方向及び垂直方向の位置変化
は、受光素子の座標（ｈ_i、ｖ_i）（ｉ＝ａ、ｂ、ｃ）を
用いて以下のように表わすことができる。

【数９】

【数１０】

【数１１】（数９）〜（数１１）を連立させて解けば、下端面の微
少変位座標を（ｈ、ｖ）とｌで表すことができる。予
め、各受光素子の起電力と（ｈ、ｖ）の関係が実験的に
求められているので、（ｈ、ｖ）は既知であり、従って
光起電力値を常時計測演算して下記のテンソル表示式に
フィードバックすることにより、容易に下端面の変位が
数値的に把握できる。

【数１２】

【００３７】図１の受光装置２下端面中央にＺ軸に沿っ
て探針を固設し、これを走査型プローブ顕微鏡の微動機
構に用いるならば、試料表面を２次元的に走査して得ら
れた観察像は、上記演算処理によって歪のないものとす
ることができる。

【００３８】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらにとどまるものではない。例えば、微動
装置の円筒に働く外力は圧電歪でなくてもよい。磁気歪
や機械的振動とすることもできる。また、前記実施例で
は３ケの受光器に入射するレーザ光は、ビームスプリッ
タなどの光学部品で１本のレーザ光を分割した。しか
し、各受光素子に近接して別個のレーザ光源を、例えば
レーザダイオードを設置することもできる。あるいは、
集束ビーム光は必ずしもレーザ光でなくてもよい。例え
ばスリットで絞った平行光線束を用いることもできる。

【００３９】前記実施例では、受光装置に固設する受光
素子を３ケとしたが、更に数を増やせば、より精密な計
測が可能となる。３ケ以上あれば本発明の目的は達せら
れる。その他様々な変更、改良、組合せなどが可能な
ことは当業者にとって自明であろう。尚、顕微鏡の駆動
に際し、探針駆動例と試料駆動例とがあるが、本実施例
の微動装置はどちらに使用してもよい。

【００４０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、微
少移動を検出しながら移動座標（ｘ、ｙ、ｚ、θ_x、
θ_y、θ_z）を演算することができる。従って、本発明の
微動装置を走査型プローブ顕微鏡の探針用微動機構とし
て用いるならば、探針の位置制御及び補正が正確にで
き、試料表面の歪のない形状観察が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるチューブ型圧電素子微
動装置主要部の構成を示す斜視図である。

【図２】図１に示した受光素子受光面の構造と座標を示
すＸ−Ｙ平面図である。

【図３】図１に示した装置の光学部品配置を示す平面図
である。

【図４】本発明の別の実施例のチューブ型圧電素子用受
光装置の光学部品間配置を示すＸ−Ｙ平面図である。

【図５】ＳＴＭの微動素子構成例を示す図である。

【図６】従来のチューブ型圧電素子を示す図である。

【符号の説明】

１チューブ型圧電素子２受光装置３ａ、３ｂビームスプリッタ４レーザ光源６ａ、６ｂ、６ｃ受光素子７ａ、７ｂビームベンダー８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ受光素子の受光領域９ａ、９ｂレーザスポット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中空円筒形状を有し、該円筒軸（Ｚ軸）
に垂直な一端面が固定され、該円筒に作用する外力によ
ってＺ軸に垂直な他端面が並進及び回転の微少運動を行
う微動装置において、前記他端面に固設された、前記円
筒のＸ軸又はＹ軸方向にそれぞれ垂直の受光面を有する
少なくとも合計３ケの受光器を持つ受光装置と、該受光
装置の近傍に独立して設けられ、前記受光素子の受光面
にそれぞれ垂直方向から集束ビーム光を入射させる光学
系と、前記外力の作用によって前記受光素子の前記集束
ビーム光受光位置の変化をそれぞれ検出して前記微少運
動による前記他端面の座標値を算出する手段と、より成
る微動装置。
【請求項２】中空円筒が圧電性材料で形成され、該円
筒軸（Ｚ軸）に垂直な一端面が固定され、円筒円周面に
電極が設けられ、これら電極間に電圧を印加することに
よって円筒軸（Ｚ軸）に垂直な他円筒端部が並進又は回
転の微少運動を行う微動装置において、前記円筒他端部
に固設された、前記円筒のＸ軸又はＹ軸方向にそれぞれ
垂直の受光面を有する少なくとも合計３ケの受光器を持
つ受光装置と、該受光装置の近傍に独立して設けられ、
前記受光素子の受光面にそれぞれ垂直方向から集束ビー
ム光を入射させる光学系と、圧電作用による前記受光素
子の前記集束ビーム光受光位置の変化をそれぞれ検出し
て前記微少運動による前記他端面の座標値を算出する手
段と、より成る微動装置。
【請求項３】上記受光器は、受光面が少なくとも４分
割されていて、この分割した受光面における光起電力の
大きさで受光位置の変化を検出可能にした請求項１又は
２に記載の微動装置。
【請求項４】請求項２の微動装置を用いた走査型プロ
ーブ顕微鏡において、測定された前記集束ビーム光受光
位置の変化を帰還することによって前記電極間に印加す
る電圧を制御することを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡。