JPH0771912A

JPH0771912A - 微動装置及び走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH0771912A
Application number: JP21736593A
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】原子的尺度で微動を行う装置に関し、圧電性
微動機構を有する装置の移動座標を正確に把握できる微
動の提供を目的とする。【構成】圧電セラミクス１の円筒軸（Ｚ軸）に垂直な
一端面を固定し、他端面に前記円筒のＸ軸及びＹ軸方向
に平行に合計３本以上の集束ビーム光を出射する光路装
置２を固設し、また該光路装置２より出射される前記集
束ビーム光をそれぞれ受光する合計３ケ以上の受光器６
ａ、６ｂ、６ｃを前記円筒に近接して固設し、この３ケ
以上の受光器の前記集束ビーム光受光位置の変化を検出
することにより圧電歪による微少運動座標値を測定記録
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は主として原子的尺度での
微動を行う微動装置及び走査型プローブ顕微鏡微に関す
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、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方向に走査して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、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、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
進及び又は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
平行に合計３本以上の集束ビーム光を出射する光路装置
と、該光路装置の近傍に独立して設けられ、光路装置よ
り出射される前記集束ビーム光をそれぞれ受光する合計
３ケ以上の受光器と、該３ケ以上の受光器の前記集束ビ
ーム光受光位置の変化を検出して前記微少運動による座
標値を算出する手段と、より成る微動装置を提供する。

【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Ｚ軸に垂直な他円筒端部が並
進及び又は回転の微少運動を行う微動装置において、前
記他円筒端部に固設された、前記円筒のＸ軸又はＹ軸方
向に平行に合計３本以上の集束ビーム光を出射する光路
装置と、該光路装置の近傍に独立して設けられ、光路装
置より出射される前記集束ビーム光をそれぞれ受光する
合計３ケ以上の受光器と、該３ケ以上の受光器の前記集
束ビーム光受光位置の変化を検出して前記微少運動によ
る座標値を算出する手段と、より成る微動装置を提供す
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、上記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
ブ顕微鏡を提供する。

【００１９】

【作用】前記の構成の圧電セラミクス円筒電極間に電圧
を印加すると、円筒下端面に固設された光路装置も下端
面と同じ動きをする。その結果光路装置から出射される
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移行す
る。この受光部位の変化は、円筒下端面、従って探針の
並進及び又は回転の情報を含んでいる。圧電以外の外力
による微動側にも適用できる。

【００２０】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。

【００２１】

【実施例】以下、実施例を基にして、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装置、３ａ及び
３ｂは光路装置２内に設けたビームスプリッタ、４はレ
ーザ光源、５はレーザ光源４のレーザ出射孔に一端が固
定接続され他端が光路装置２の入射孔に固定接続された
光ファイバ、６ａ〜６ｃは光路装置２の近傍に設けられ
た、ビームスプリッタ３ａ、３ｂからのレーザ光を受光
する受光素子である。この受光素子６ａ〜６ｃは圧電素
子１及び光路装置２とは独立に設置しており、圧電素子
１及び光路装置２が一体として微動しても、動くことは
ない。

【００２２】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。光路装
置２は中空円筒形状で、図示したようにレーザ光源４か
ら光ファイバ５を介して入射するレーザ光がその内部
（例えば中心）を通ってＸ軸に平行に進行する２ケのビ
ームスプリッタ３ａ、３ｂはＸ軸方向に沿って設けられ
ており、入射レーザ光のビームスプリットを行う。ビー
ムスプリッタ３ａ、３ｂ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３ａ、３ｂに入射したレーザ光は、斜面で反射光と透
過光が、本構成では１本のレーザ光を３本に分割するの
で３ａでは１：２、３ｂでは１：１に分割される。

【００２３】光路装置２には、図示したようにビームス
プリッタ３ｂの透過光及び３ａ、３ｂの反射光が射出で
きるような適当な穴２ａ、２ｂ、２ｃが設けられてい
る。ビームスプリッタ３ａでＹ軸方向に反射されたレー
ザ光は受光器６ｂの受光面に、また、３ｂでＹ軸方向に
反射されたレーザ光は受光器６ａの受光面に、更にビー
ムスプリッタ３ａ、３ｂを透過したＸ軸方向のレーザ光
は受光器６ｃの受光面に入射して電圧に変換される。

【００２４】受光器６ａ〜６ｃ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２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。

【００２５】図２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９ａは、受光器の各領域８ａ〜８ｄ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８ａ〜８ｄ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。

【００２６】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、それにつれて各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２の点線
で示した９ｂ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９ａから９
ｂ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
表れることになる。

【００２７】それ故、受光素子６ａ〜６ｃのそれぞれに
ついて、レーザ光スポットの変位を前記した光起電力変
化の関係を予め測定しておけば、各受光素子でチューブ
型圧電素子の変位量に対応した座標値（ｈ、ｖ）、即ち
（ｈ_a、ｖ_a）、（ｈ_b、ｖ_b）、（ｈ_c、ｖ_c）を確定する
ことができる。

【００２８】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。

【００２９】図３は、図１に斜視図を示した光学部品間
の相対位置を示すＸ−Ｙ平面図である。圧電セラミクス
円筒の中央、３本のレーザ光が存在する平面に座標の原
点をおいている。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…ビームスプリッタ３ａ、３ｂ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。ま
た、最初は簡単のためにＺ軸まわりの微少回転角θ_zは
無視する。

【００３０】各受光器６ａ〜６ｃの各々における座標
（ｈ、ｖ）は、幾何学的関係から以下の式で表される。

【数１】

【数２】

【数３】

【００３１】この結果、チューブ型圧電素子１下端面の
各変位量は、

【数４】

【数５】

【数６】

【数７】

【数８】

【００３２】次に、Ｚ軸まわりの微少回転角θ_zは無視
できない大きさである場合には、前記（数１）〜（数
３）のｈ_a〜ｈ_cは以下の（数９）〜（数１１）のように
なる。但し、ｖ_a、ｖ_b、ｖ_cについては（数１）〜（数
３）の通りである。

【００３３】

【数９】

【数１０】

【数１１】（数９）、（数１０）よりθ_zは次式から求められる。

【数１２】

【００３４】θ_zのプラスマイナス符号の選択は、（数
１２）を（数９）、（数１０）に代入してそれぞれの式
からｘを求め、チューブ型圧電素子１へ印加される電圧
などを考慮して矛盾の生じない方に決める。このθ_zを
（数１１）に代入すれば、ｙが求められる。

【００３５】図４は、本発明の別の実施例における光学
部品配置を示すＸ−Ｙ平面図である。本実施例の場合、
圧電セラミクス円筒下端面に固設された光路装置２の中
央部に、Ｘ軸方向に透過光が、Ｙ軸に沿って互いに逆方
向に２本の反射光が放射されるようなビームスプリッタ
（図示せず）を設置している。即ち、レーザ光源４から
放射されたレーザ光は、光ファイバ５を経由して座標原
点で３方向に分かれ、光路装置２の穴（図示せず）から
出射して、それぞれ受光器６ａ〜６ｃで受光されて光起
電力に変換される。

【００３６】各電極への電圧印加によってチューブ型圧
電素子１が（ｘ、ｙ、ｚ、θ_x、θ_y、θ_z）だけ微少変
位した時、受光素子６ａ〜６ｃの受光面におけるレーザ
光スポットの位置変化座標（ｈ、ｖ）は以下の式で表さ
れる。但し、受光素子６ａ〜６ｃは、図２に示したもの
をそのまま用いるものとする。

【数１３】

【数１４】

【数１５】

【００３７】（数１３）〜（数１５）より、次式が成り
立つ。

【数１６】従って、

【数１７】

【００３８】以上のようにして求められた微動装置の変
位座標は、本微動装置の光路装置２の下面中央にＺ軸に
沿って探針を固設して走査型プローブ顕微鏡に応用した
場合、歪を含まない正確な値を与える。従って、試料表
面を探針で走査して得た２次元情報をそのまま記憶して
ディスプレイに出力すれば、歪のない表面の観察像が得
られる。

【００３９】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。例えば前記実
施例では変位測定用のレーザ光を光ファイバで光路装置
に導入し、ビームスプリッタによって各方向に分割した
が、予め光路装置内に３方向にそれぞれビームを放射す
るレーザダイオードを３ケ、微動装置と共に仕込んでお
くこともできる。また、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もできる。更
に、光路装置内の集束ビームの本数は３本以上であれば
何本あってもよいことは、上記記述から自明であろう。

【００４０】円筒状微動装置に作用する外力は、前記実
施例の場合圧電歪であったが、これにとどまるものでは
ない。例えば磁気歪みや機械的振動であってもよい。
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。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、一
端を固定された円筒状微動装置に外力が作用して生じた
自由端面の変位座標を正確に把握することができる。特
に、微動装置の円筒が圧電セラミクスで構成され、印加
電圧によって生ずる圧電歪によって並進、回転を行うチ
ューブ型圧電素子の場合には、その自由端面に探針を固
設することによって走査型プローブ顕微鏡の微動装置に
用いることができるのるで、歪のない試料表面観察がで
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の
主要部を示す斜視図である。

【図２】図１に示した受光器の受光面とレーザ光スポッ
トの位置を示す図である。

【図３】図１に示した素子の変位検出方法の説明図であ
る。

【図４】本発明の別の実施例におけるチューブ型圧電素
子の光学部品構成を示すＸ−Ｙ平面図である。

【図５】ＳＴＭ用微動素子の代表的形状を示す図であ
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光路装置３ａ、３ｂビームスプリッタ４レーザ光源５光ファイバ６ａ、６ｂ、６ｃ受光素子

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又は回転の微少運動
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軸方向に平行に合計３本以上の集束
ビーム光を出射する光路装置と、該光路装置の近傍に独
立して設けられ、光路装置より出射される前記集束ビー
ム光をそれぞれ受光する合計３ケ以上の受光器と、該３
ケ以上の受光器の前記集束ビーム光受光位置の変化を検
出して前記微少運動による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Ｚ軸に垂直な他円筒端部が並進及び又は回転の微
少運動を行う微動装置において、前記他円筒端部に固設
された、前記円筒のＸ軸又はＹ軸方向に平行に合計３本
以上の集束ビーム光を出射する光路装置と、該光路装置
の近傍に独立して設けられ、光路装置より出射される前
記集束ビーム光をそれぞれ受光する合計３ケ以上の受光
器と、該３ケ以上の受光器の前記集束ビーム光受光位置
の変化を検出して前記微少運動による座標値を算出する
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又は３に記載の微動装置を用い
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。