JPH01127902A

JPH01127902A - 微小位置検出装置

Info

Publication number: JPH01127902A
Application number: JP62285835A
Authority: JP
Inventors: Masashi Iwatsuki; 岩槻　正志
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1987-11-12
Filing date: 1987-11-12
Publication date: 1989-05-19

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、電子顕微鏡等の分析装置における試料の微小
変位を検出する微小位置検出装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、探針先端の原子と試料の原子の電子雲とが重な
り合うＩｎｍ程度まで探針を試料に近づけ、この状態で
探針と試料との間に電圧をかけると電流が流れる。この
電流はトンネル電流と呼ばれ、電圧がＬｍＶのとき、１
〜１０ｎＡ程度になる。このトンネル電流の大きさは、
試料と探針との間の距離により変化するので、トンネル
電流の大きさを測定することにより試料と探針との間の
距離を超精密測定することができる。従って、探針位置
が既知であれば試料の表面形状を求めることができる。

またトンネル電流が一定になるように探針位置を制御す
れば探針位置軌跡により同様に試料の表面形状を観察す
ることができる。

このようなトンネル電流により試料の表面形状を観察す
る走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）においては、試料か
らの凹凸像を得るためＷ（タングステン）等で作製した
探針を試料に近づけトンネル電流を検出する必要がある
。この場合、まず、粗動により探針を０．１μｍ程度ま
で試ｒ４に近づけ、そして微動により０．１μｍからさ
らにＩｎｍ程度まで探針を試料に近づけるため、ｎｍオ
ーダーの制御が必要になる。

第５図は走査型トン名ル顕微鏡の概略構成を示す図であ
り、２１は探針、２２は試料、２３は３次元アクチュエ
ータ、２４はＸＹ走査回路、２５はサーボ回路、２６は
トンネル電流増幅器、２７は電池、２８はメモリ、２９
はＭＰＵ、３０は表示装置を示す。

第５回において、３次元アクチュエータ２３は、Ｘ軸、
Ｙ軸、Ｚ軸の圧電素子からなっており、ＭＰＬ１２９、
メモリ２８を通して制御される。３次元アクチエエータ
２３の制御では、ＸＹ走査回路２４によりＸ軸、Ｙ軸方
向圧電素子に対する印加電圧を掃引することにより探計
２１をＸ軸、Ｙ軸方向に移動させて走査し、この走査を
しながらトンネル電流が一定になるようにサーボ回路２
５を通してＺ軸方向圧電素子に対する電圧を制御する。

そこで、この制御電圧値をＭＰＵ２９に読み込み表示装
置３０に表示することによって、試料２２の表面形状を
観察することができる。

３次元アクチュエータ２３としては、第６図に示すよう
に圧電素子３１をトライボット型′に接着した片持ち式
のものが一番多く使用され、またこれよりも剛性を高く
するために、第７図に示すように圧電素子３１を、Ｘ軸
、Ｙ軸は両端支持、Ｚ軸は一端支持するようにしたもの
も使用されている。さらに剛性を高くしたものとして、
第８図に示すように圧電素子３１を円筒型に構成し、そ
の表面に４個の電極３２を貼付し、裏面電極との間に電
圧を印加するようにしたものも使用されている。

また、電子顕微鏡、特に、透過型電子顕微鏡においては
、試料移動距離として３ｍｍ程度が一般的であり、移動
量そのものより移動精度が大きな問題となる。従来は、
このような試料移動部の一部にポテンショメーターなど
を取り付け、その抵抗変化量を読み出すのが一般的であ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記走査型トンネル顕微鏡の試料の移動
において、微動は、トンネル電流をモニタしなから探針
と試料とが接触するまで移動させることによって正確な
位置の検出が可能であるが、粗動では、正確な位置検出
が難しく、試料に探針を近づける移動操作において、探
針の位置が正確に検出できないために探針を試料に衝突
させて壊してしまうというトラブルが生じる。

また、透過型電子顕微鏡においては、試料移動部の一部
にポテンショメーターを使用しており、試料と検出部に
距離があるため、その間の機械的接続により大きなガタ
やバックラッシュ等が生じｎｍオーダーの精度の読み出
しは現実には不可能であるという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するものであって、顕微
鏡における試料や探針等の移動制御を精度よく行うため
に高い精度で微小位置検出が行える微小位置検出装置を
堤供することを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明の微小位置検出装置は、電子顕微鏡等
の分析装置における試料の微小変位を検出する微小位置
検出装置であって、ピエゾ圧電素子を検出対象となる試
料に当接するように配置し、試料の移動に伴ってピエゾ
圧電素子が変位したときに発生する電圧を検出して試料
の微小位置の変位を求めることを特徴とするものである
。

〔作用〕

本発明の微小位置検出装置では、ピエゾ圧電素子を検出
対象となる試料に当接するように配置するので、試料が
微小移動した場合にもピエゾ圧電素子に歪みが生じその
歪みに対応した大きさの電圧が発生する。従って、この
電圧を読み取ることにより試料の微小変位を検出し、位
置を求めることができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明に係る微小位置検出装置の１実施例を示
す図第２図は走査トンフル顕微鏡の探針スキャナーに適
用した微小位置検出装置の他の実施例を示す図である。

図中、１は本体、２ａ、２ｂと６はピエゾ圧電検出器、
３はホルダー、４と７は試料、５は固定端、８は探針、
９は探針スキャナー、Ｖ、　、Ｖ２は電圧計を示す。

まず、電子顕微鏡などの試料移動部に適用した微小位置
検出装置の実施例を説明する。

第１図において、試料４は、電子顕微鏡などのホルダー
３にセットされ、±Ｘ、±Ｙ方向に移動するもの、とす
る。また、ピエゾ圧電検出器２ａ、２ｂは、本体１に固
定され、試料移動に伴い、Ｑ点、Ｒ点にて歪みが与えら
れるものとする。このときピエゾ圧電検出器２ａ、２ｂ
には、この歪みに比例した電圧が発生するので、その電
圧を測定するのが電圧計Ｖ、　、Ｖ、である、典型的な
ピエゾ圧電検出器では、長さ４５ｍｍｘ幅１３ｍｍｘ厚
さＱ、５ｍｍ程度のものにおいて、０．５ｍｍ程度の変
位に対して６０Ｖ程度の出力電圧となる。

従って、試料４がホルダー３にセットされた状態で図示
ｘｙ力方向微小移動させると、その移動に対応してピエ
ゾ圧電検出器２ａ、２ｂのＱ点、Ｒ点に歪みが与えられ
、この歪みに比例した電圧が電圧計Ｖ、　、Ｖｔによっ
て読み取ることができる。

従って、この読み取った電圧を試料の位置に変換してモ
ニターすることにより試料のＸＹ方向移動量を測定する
ことが可能となる。

次に、走査トンネル顕微鏡のような微小変位の検出を行
う場合について説明する。走査トンヱル顕微鏡では、第
２図に示すようにピエゾ圧電素子等を使用した探針スキ
ャナー９により探針８を試料７に近づけるが、このとき
探針８は、トンネル電流を得るために、試料７に対して
数十〜数百人まで近づける必要がある。しかし、探針ス
キャナー９のＺ軸方向圧電素子では、最大でも数μｍ、
小型のものでは、１μｍ程度の範囲しか移動できない。

そのため、機械的な駆動によって近づけることになるが
、この場合には、バックランシュの問題がありこのオー
ダーをモニターする必要がある。そこで、第２図に示す
ように固定端５にバイモルフタイプのピエゾ素子６を取
り付け、探針スキャナー９を近づけながら第１図の場合
と同様にピエゾ素子６に発生する電圧を読み取って位置
をモニターすると、精密に探針スキャナー９の位置が測
定できるとともに、自動的にその位置が補正できるよう
になり、安全回路等の追加により、採針を破壊すること
なく安全に試料に近づけることが可能となる。

第３図ｆａｌ、（ｂｌは微小位置検出における検出方法
の他の例を示す図、第４図はバイモルフピエゾ圧電素子
の典型的な電圧と変位量の関係を説明するための図であ
る。バイモルフピエゾ圧電素子の典型的な電圧と変位量
の関係は、第４図に示すように、ｔ２となる。ここでｄ３＋は圧電素子の圧電定数であり、微
小変位を検出する装置等では、ｌはあまり大きくとれな
いので、５０Ｖの印加電圧で０．１〜０゜４μｍ程度と
なる。しかし、電子顕微鏡等の１敢小位置検出装置に用
いる場合、３ｍｍ程度の変位量をｌ・要とするため、第
３図ｆａ＋に示すようにバイモルフピエゾ圧電素子１１
の先端に、バフ状仮１２を追加する方法を採用してもよ
い。この方法によればバネ状板１２の変位量をＰ点まで
大きくとっても、バイモルフピエゾ圧電素子１１の変位
量は小さ（押さえることが可能となり、検出変位量を大
きくすることができる。

また、第３図（ｂｌに示すように変位物である試料４の
両サイドにバイモルフピエゾ圧電素子＋３ａ、１３ｂを
設置することにより、半分の変位量で同一効果を得るこ
ともできる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、変位
■検出装置としてピエゾ圧電素子を使用して移動物の変
位に応じた歪みを与え、その歪みに比例して発生ずる、
電圧を検出するので、微小な位置変化の検出が可能にな
ると共に検出精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る微小位置検出装置の１実施例を示
す図、第２図は走査トンネル顕微鏡の探針スキャナーに
適用した微小位置検出装置の他の実施例を示す図、第３
図（８１、（ｂｌは微小位置検出における検出方法の他
の例を示す図、第４図はバイモルフピエゾ圧電素子の典
型的な電圧と変位！４の関係を説明するための図、第５
図は走査型Ｉ・ン不ル顕微鏡の概略構成を示す図、第６
図から第８図は３次元アクチュエータの各種形状の例を
示す図である。１・・・本体、２ａ、２ｂと６・・・ピエゾ圧電検出器
、３・・・ホルダー、４と７・・・試料、５・・・固定
端、８・・・探針、９・・・探針スキャナー、Ｖ、　、
Ｖ、・・・電圧計。出　願　人　　日本電子株式会社代理人　弁理士　阿　部　龍　吉（外３名）第１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電子顕微鏡等の分析装置における試料の微小変位
を検出する微小位置検出装置であって、ピエゾ圧電素子
を検出対象となる試料に当接するように配置し、試料の
移動に伴ってピエゾ圧電素子が変位したときに発生する
電圧を検出して試料の微小位置の変位を求めることを特
徴とする微小位置検出装置。