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    公开号:WO1989003510A1
    申请号:PCT/JP1988/000967
    申请日:1988-09-22
    公开日:1989-04-20
    发明作者:Sumio Hosaka；Shigeyuki Hosoki；Keiji Takata；Masatoshi Ohtake；Hiroshi Tooyama；Hitoshi Kondou
    申请人:Hitachi, Ltd.；
    IPC主号:G01Q10-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書
    [0002] 発明の名称 表面測定装置
    [0003] 技 術 分 野
    [0004] * 本発明は探針と試料と を接近させ、 上記探針、 試料間に生 じ る 5 電流等の物理量に基づいて上記試料の表面情報を得る装置に係 り 、 特に高速に探針を走査して表面形状の情報を得た り 、 大面積の観 察を行なう こ と ができ、 かつ微細構造情報取得可能な表面測定装 置に関する。
    [0005] . 背 景 技 術
    [0006] 従来、 固体表面の結晶構造などをオングス ト ローム （ A =
    [0007] 1 0 -10 m ) 以下の分解能で観測する有効な方式と して、 走査型 ト ンネノレ電子顕微鏡 ( S T M ： Scanning* Tunneling Microscope) が知られている。
    [0008] 従来の S T M装置は、 米国特許第 4 3 4 3 9 9 3 に記载のよ う に、 X， Υ , Zの 3軸微動機構の先端に探針を周定し、 Z方向の 粗動用イ ンチワーム機構を用いて試料一探針間の距離を数十から 数オングス ト ロームにまで接近させたのち、 イ ンチヮ一厶機構を ' 固定し Xおよび Y方向に掃引 しながら、 探針に流れる ト ンネル鼋 流を一定にするよ う に探針位置をサ一ボし、 その時の探針変位を 表示する方式となっていた。
    [0009] t 一方、 走査型 ト ンネル顕微鏡での高速走査における表面形状の 情報取得方法については、 アプライ ド フ ィ ジッ ク ス レ タ ー
    [0010] 4 8， （ 1 9 8 6年） 第 8 3 2頁から第 8 3 4頁 （ Appl. Phys. Lett. 48 (1986) PP832-834) において論 じ られている。
    [0011] また、 従来の探針と試料との接返方法や視野選択方法について は、 アプライ ド フ ィ ジッ クス レタ ー第 4 0卷 （ 1 9 8 2 ) 第 1 7 8頁力、ら第上 8 0頁 (Appi. Phys. Lett. 40 (1982) PP17S 〜180) において論じ られている。
    [0012] なお、 走査型ト ンネル電子顕微鏡の原理については、 サイェン ス誌 （SCIENTIFIC AMERICAN 日本版） 1 9 8 5年 1 0月 1 曰号， 第 1 0頁から第 1 7直などに記載されている。
    [0013] 上記従来技術では高速走査する場合、 探針 · 試料間隙を住意の 距離にホールド し、 間隙制御を中止した後、 探針を試料面に走査 して間隙の変化から得られる トンネル電流あるいは電界放射電流 の変化を表面形状の情報と していた。 このために、 この方法では 表面形状の構造情報を正確に得る こ とができないこ と、 さ らに、 大面積を走査しょう とする場合などで走査領域内での凹凸や走 面と試料表面との傾きが 1 0 A以上ある場合や結晶成長のよう に 試料面が成長してい く場合、 探針が試料に衝突する という問題が め'つ た。 .
    [0014] また、 従来の走査型ト ンネル顕微鏡では、 高速走査した場合、 サ一ボ系あるいは圧鼋素子等が高周波数領域に対して応答が出来 ないために微細な構造が全く測定できないという問題があつ た。
    [0015] さ らに上記従来技術は、 試科の傾き、 そ り 'などに起因する試料 と探針間の相封位置変動が、 探針の z方向微動ァクチユエータ の 可動範囲または、 データの量子化範囲を越えてしまった場合への 配慮がなされておらず、 試料と探針の衝突ならびにデータ収集の 中断、 無効化などの問題があっ た。 '
    [0016] また、 上記従来技術は銳ぃ先端を有した探針を試料に接近ある いは トンネル電流が不安定になる こ と について配氤がなされてお らず、 探針と試料と を探針の先端形状を鋭く保っ たま までの近接 あるいは視野選択に問題があっ た。
    [0017] 発 明 の 開 示
    [0018] 本発明の 目的は大面積を有する試料においても高速かつ微細镌
    [0019] 5 造敢得可能な表面測定装置を提供する こ と にある。
    [0020] 本発明の第 1 の作用では、 高速走査において探針をサーボせず、 一定平面に走査して電流像を示していた従柬技術と異な り 、 高速 走査の場合でも探針 · 試料間隙をサ一ボし、 少な く とも探針が試 料に衝突しないよ う にする。 また、 高速走査の場合、 制御系の局 0 波数応答が追いつかないので設定電流値に対して検出電流が誤差 をもつ。 この電流に対して、 電流誤差 · 高さ誤差変換を行ない、 この高さ誤差を用いて上記よ リ得られる構造情報を補正する こ と によ リ正確な表面形状の情報を得る。
    [0021] 本発明の第 2 の作用は、 Z方向微動ァクチユエ一タ を動かすこ 5 とによって トンネル電流を一定に保つサーポループと、 上記微動 - ァクチユエータ 八の印加電圧の低周波成分を抑圧するよ う に Z方 向粗動用ァクチユエータ を制御する 2重'サ一ボル一プ構造と し、 データ採集中常に Z方向微動ァクチユエータ が可動範囲内にある よ う に粗動用ァクチユエ一タ を制御して、 大面積観察を可能にす る こ とである。
    [0022] . 本発明の第 3 の作用は、 データ量子化回路のオ フセ ッ ト鼋圧と して、 探針と試料の間隙を一定に保つ微動ァクチユエータ への印 加電圧の低周波成分を与える こ とで量子化範囲をシ フ ト させ、 デ ータ収集の中断、 無効化な しに広範囲な観察を可能とする こ と に あ 。 本発明の第 4の作用は、 探針と試料の間隙を一定に保つ微動ァ クチユエータ に加え探針と試料を大き く接近あるいは視野選択す るための移動手段を有し、 設定電流値検出後、 直ちに移動手段の 動作を中止し、 さ.らに任意の距離だけ後退させる こと によ リ探針 と試料を衝突させる こ となく近接あるいは視野選択する こ と にあ る。
    [0023] 図面の箇単な説明 一 第 1 図は本発明の一実旌例の構成図、 第 2 図は本発明の一実施 例の構成図、 第 3図は本発明の一作用の原理図、 第 4図は本発明 の一実施例である S T M走査機構系の概念図、 第 5 図は本発明の 一実施例の回路ブロ ッ ク図、 第 6 図は微動用ァクチユエ一タの可 動範囲説明図、 第 7 図は微動用と粗動用のァクチユエ一タ可動範 囲闋係図、 第 8 図は探針と試料の自動接近のための流れ図、 第 9 図は ト ンネル電流検出回路図、 第 1 0 図は本発明の一実施例の構 成図、 第 1 1 図は量子化の概念図、 第 1 2図は本発明の一実施例 の構成図、 第 I S図は本発明の一実施例の S T Mでの探針 ， 試料 の接近を説明するためのブロ ッ ク図、 第 1 4 a〜 d 図は第 1 3図 の動作を説明するためのタ,ィムチャ ー ト、 第 1 5 図は尺取り虫機 搆の伸縮用圧電素子を定速度で駆動するための具体例を表すプロ ジ ク図、 第 1 6 図は 3次元の尺取り虫機構を有した S T Mの平面 図、 第 1 7図は複数の尺取り虫機搆を駆動する と ともに、 自動接 近、 自動移動、 手動等の切換えモー ドを有する移動制御回路の一 具俸例を表すブロ ッ ク図である。
    [0024] 発明を実旖するための最良の形態
    [0025] [実施例 1 ] 以下、 高速走査においても探針、 試料が衝突せず、 かつ高精度 に試料の表面形状を観察 し得る実施例を説明する。 本実施例の原理について、 第 3 図の原理図を用いて説明する。 探針 1 と試料 2 と の間に電位差を設ける （図示していない） と .ト ンネル現象によ リ探針原子 1 a と試料原子 2 a と の間に電流が流 れ、 探針 1 を支持している移動手段 （図示していない） によ り ト ンネル電流が一定にな よ う にサーボする。 この状態で、 探針 1
    [0026] ΐ、 5
    [0027] を試料表面に沿って高速走査する とサ一ボ系が高周波成分に し て追従できないため探針の軌跡 5 は実線のよ う にサーボされる 理想的な軌跡は 6 の点線のよ う になるべきであ り、 雨軌跡 6 と 5 の間に生 じた高さ誤差 Δ Ζ 2が電流の変化 （電流誤差成分） と し て検出される。 従って、 正しい表面形状は、 探針の軌跡 5 の変化 Δ を電流誤差成分よ リ変換される高さ誤差 Δ Z 2で補正する こ と によ り求める こ と ができ る。
    [0028] 尚、 電流誤差成、分よ り高さ誤差 Δ Z 2を求める には次の様な式 を用いる こ と によ り可能となる。 例えば、 ト ンネル電流 I tと間 隙 S との間には理論的に次式の関係がある。
    [0029] 1
    [0030] = Κ χ — e xp ( - K 2 S } ( K ， K 2 ： 定数） ( υ
    [0031] S
    [0032] これによ り 、 電流変化 Δ I tは間隙変化 Δ S を用いる と、 （ 2 ) 式となる。 Δ I t = + K2 ) I t厶 s (2)
    [0033] ( 2 ) 式は S ≥ 5 Aの領域で （ 《 K2) であ り、 （ 3 ) 式の よう になる。 .
    [0034] Δ I t = - K2 I t Δ S ……（3)
    [0035] 従って、 誤差電流 Δ I tから高さ誤差 Δ Z2は次の様に算出され る。
    [0036] 1 A l t
    [0037] Δ Z2 = ……（4)
    [0038] K2 I t
    [0039] 第 1 図は実施例の基本構成を示す。 図に示すよ う に、 本発明は 移動手段と して探針 1 を支持する圧電素子 7 ， サ一ボ手段と して のサーボ回路 1 0 ， 電圧印加手段と しての電源 8 , 電流検出器 9 ， 電流誤差 · 高さ誤差変換回路 1 1 , 襦正回路 1 2 よ り構成される - この様な状態で探針 1 を試料 2 に接近する と、 ト ンネル電流ある いは電界放射電流が流れ、 .電流検出器 9 で該電流が検岀される。 この信号をサ一ボ回路 1 0 に入力する と、 サーボ回路 1 0 は該電 流が一定の目標値になるよう に圧電素子 7 を駆動する。 その結果、 探針 1 は試料 2 と間隙が一定に保たれるよう にサ一ボされる。 し かしこの時、 探針 1 あるいは試料 2 の走査時に間隙が急に変化す る と、 サーボ系が追従できず、 探針 1 と試料 2 との間隙が変化す るので電流誤差が発生し、 電流検岀器 9 の出力信号は変動する、、 この変勣は上記のよう にサ一ボ回路 1 0 に入力する と ともに、 鼋 流誤差 · 高さ誤差変換回路 1 1 にも入力する。 上記変換回路 1 1 では目標値からの誤差電流を検出 し、 （ 4 ) 式に従って間隙誤差 値を検出する。 この検出信号 Δ Ζ2とサ一ボ回路 1 0 よ り 出力さ ' れる高さ情報 Δ Ζ と を加算回路で構成した補正回路 1 2で補正 し、 正確な表面形状情報 （ Δ Ζ + Δ Ζζ ) を得て表示装置 1 3で モニタ 一する こ と ができる。 尚、 サ一ボ回路 1 0 から出力される 高さ情報 Δ Ζ は Δ Ζ 2よ り時間的に早く 出力されるので、 Δ Ζ が補正回路 1 2 に入力する前に遅延回路を通して Δ ？:ェと Δ Ζ 2 と の時間的一致を行なう こ と が望ま しい。 また、 Δ Ζ2は試料表面 の物性値によって変化するので補正する必要がある。 補正は Ζ方 向の加振手段と電流変動から比例定数を決定すれば良い。 補正時 は観察中あるいは観察直前が望しい。 .
    [0040] [実施例 2 ]
    [0041] 第 2 図は第 1 の実施例を走査型 ト ンネル顕微鏡に適用 した具体 例である。 基本的構成は第 1 図と同様だが第 1 図に比較して電流 誤差 · 高さ誤差変換回路 1 1 がサーボ系の中に入っ ている - これ によ リサ一ボ系が非常に安定となる。 電源 8 は試料 2 に電圧を印 加する。 また、 探針 1 を試料 2面上をラスタ走査する機能と して、 2 次元走査回路 2 3 , X軸圧電素子 1 5 ， Υ軸圧電素子 1 6 が付 加され、 3次元形状表示のために画像記憶部 2 4 , Τ Vモニタ ， 2 5 , C R Tモニタ 2 6 ，. X Y レ コーダ 2 7 ， コ ン ピュータ シス テム 2 8 が付加されている。 図において、 電潁 8で電圧を試料 2 に印加し、 サーボ系は電流検出器 9 で電流検出 し、 目標電流設定 回路 1 7 からの 目標値と減算回路 1 8で誤差電流を検 ¾ して、 該 変換回路 1 1 で高さ誤差信号に変換する。 その後、 P I D制御回 路 1 9 ， 高電圧アンプ 2 0， Z軸圧電素子 7 によ り 、 上記の高さ 誤差信号が零になるよ う に制御される。 一方、 表面 ¾状の情報は P I D制御回路 1 9 の出力信号と該変換回路 1 1 からの出力信号 を増幅举 2 1 を通して得られる高さ誤差と を補正回路 2 2で加算 して形成される。 尚、 高さ誤差の符号によっては補正回路が減算 となる。 また、 図ではサーボ系からの高さ情報を P I D制御回路 1 9 の出力と したが、 高電圧アンプ 2 0 の周波数特性が低い場合 には高電圧アンプ 2 0 の出力を減衰して用いる こと が望しい。 ' 走査型 ト ンネル顕微鏡はサーボ系を駆動し、 間隙を一定に保つ た状態で探針 1 を試料面上にラスタ走査して、 画像記憶部 2 4 に ' 試料 2 の表面形状の 3次元情報 X， Υ , Z を記憶する。 その後、 画像記録部 2 4 よ り T Vモニタ 2 5， C R Tモニタ 2 6， X Y レ コーダ 2 7、 あるいはコ ンピュータ システム 2 8 に出力表示ある いは転送して 3次元像を表示する。 コンピュータ システムでは輝 度変調や鳥瞰図表示の他に、 等高線処理や任意角度からの 3次元 表示あるいば陰線処理や傾斜補正など可能となる。 また、 画像記 億部 2 4がコンピュータ システムの中に含まれる こ とも考えられ る。 尚、 サーボ系の回路は主にアナロ グ処理系を想定して第 2図 に記述しているが、 ディ ジタル処理系あるいはこれを含んでも本 発明を逸脱するものではない - さ らに、 電流誤差 ， 高さ誤差変換 回路 1 1 は （ 4 ) 式を基礎と したが、 実験データ に基づいたもの や他の関係が考えられ、 割算器以外にテーブル方式や他の関数の 変換回路を用いても本癸明の範ちゆ うである。
    [0042] 以上の様に、 高速走査に対して本発明を用いた走查型トンネル 頹微鏡は搮 1 を試料 2 に衝突する こ とな く 、 試料 2 の表面形拔 あるいは表面原子像を得る こ とができる。 即ち、 試料 2 の結晶成 長ゃ圾着等の過程がビデオ レイ トで観察でき、 ビデオ映儳でその 場観察を可能にする。 また、 本発明は探針 1 が試料 2 に衝突しな ' いため、 犬容量フ ァ イルメ モ リ の読み出し に応用 しても、 高速な 読み出 しが可能となる等、 効果は大きい。
    [0043] 一方、 サ一ボ系の構成要素からみる と、 本発明は周波数特性を 向上するのが最も難しい P I D制御回路 1 9 ， 高電圧アンプ 2 0， Z軸圧電素子 7 を従来の構成要素を使用 しても、 電流検出器 9， 減算回路 1 8 , 電流誤差 · 高さ誤差変換回路 1 1 ， 増幅器 2 1 ， 補正回路 2 2 の周波数特性を向上するだけで良く 、 容易に実現で さる。
    [0044] 以上の具体例は固体プローブの場合を示したが、 液体金属を使 用 し、 電子あるいはイオンを使用 したものも本発明と同.一である。
    [0045] 本実施例によれば、 探針を試料表面上を高速に走査しても探針 を試料に衝突する こ とな く 、 試料表面を 3次 ¾で形状計測する こ と ができ、 従来できなかつ た結晶成長等におけるその場観察を可 能にする。 また、 本発明は電気回路のアンプ類を高速化する こ と で実現でき、 経済的負担を軽減できる等の経済的効果も大きい。 即ち、 従来技術の要素を向上しただけで、 走査速度は 2桁以上の 向上が図れる。 -
    [0046] , [実施例 3 ]
    [0047] 次に被測定試料に傾き， そ り ， 厚さムラ等が存在する場合でも 広範囲の試料観察を試料と探針を衝突させる こ とな く実施可能な 実施例を示す。 - 本実施例の特徵は、 Z方向微動ァクチユエ一タ を動かすこ と に よっ て トンネル鼋流を一定に保つサーボループと、 上記微動ァク チュエータへの印加電圧の低周波成分が一定となるよ う に z方^ 粗動用ァクチユエ一タ を制御するサーボループとの 2重サ一ボル ープ構造と し、 データ採集中常に Z方向微動ァクチユエ一タ が可 動範囲内にあるよう に制御する こと にある。
    [0048] 第 4 図は走査型小ンネル電子顕微鏡 （ S T M ) の走査璣構系の 概念図でぁ リ、 3次元微動用 トライポッ 卜機構と耝動用イ ンチヮ 一ム機搆とで構成され、 それぞれのァクチユエ一タ はセラミ ッ ク 素材などを用いた圧鼋素子 （ピエゾ） を使用している。 試料 2 と 探針との間隔を一定に保つよう に微動する z方向徽動ァクチユエ
    [0049] - ータ 7， X方向掃引用ァクチユエ一タ 1 5， Y方向掃引两ァクチ ユエータ 1 6 とで 3次元走査機構を構成し、 該走查機構の Z方向 の先端には先端を鋭く加工した探針 1 が固定されている。 一方測 定すべき試料 2 は粗動用イ ンチワーム機構の Z方向耝動 （進行用） ァクチユエータ 4 の先端に固定されている。 上記ァクチユエータ 4 の雨端近傍には、 イ ンチワーム動作 （尺取り 虫移動） を行なわ しめるための保持 （ロ ッ ク） 用 Aァクチユエータ 4 a と進行用ァ クチユエータ 4 の片側を保持せしめるためのロ ッ ク金具 3 0 a お よびその反対側を保持せしめるための Bァクチユエ一タ 4 b と 口 ジ ク金具 3 O b で Z方 ! ¾粗動用イ ンチワーム機構は構成されてい る。 図示の例では Bァクチユエータ 4 b が縮み、 金具 3 0 b は進 行用ァク チユエ一タ 4 の試料取付サイ ドを動かない様に保持し、 一方の Aァクチユエータ 4 a は伸びその金具 3 0 a は進行^ァク チュエータ 4 から離れた状態、 すなわち該ァクチュヱ一タ 4 の試 料取付面と反対側は動きが自由な状態となっている こ と を示して いる。 なお、 実際の S T M機構は、 Xおよび Y方向の耝動機構を 有し、 Z方向粗動機構と の組合せて試料面の任意座標面へ探針 1 を移動し接近させ得る構造となっている。
    [0050] ' 第 S 図は Z方向微動ァクチユエ一タ の動き を説明する図である。
    [0051] 一般に微動用ァクチユエ一タ は高分解能を得るためにも最大可動 (微動） ス ト ローク fi Zは小さいものが選定され、 本実施例にお いては 1 0 0 Α〜4 0 0 Α ( 1 0ナノ メータ 〜 4 0ナノ メ ータ ） のピエゾ素子を使用 した。 探針 1 と試料 2 の間隔は約 1 0 Αに保 たれ、 その状態で探針を掃引する と、 試料 2 の表面凹凸に傲う よ う な軌跡 6 を描きながら探針 1 は掃引される。 - 第 5 図は回路ブロ ッ ク図である。 試料 2 は接地電位であ り 、 ト ンネル印加電圧 8 は検出抵抗 R t'を経て探針 1'に接続されている。 この状態でイ ンチワームコ ン ト ローラ 3 1 のシーケ ンス （第 8 図 を用い、 後で説明する） に従い、 Z粗動用 （進行用） ァクチユエ ータ 4 ， 保持用ァクチユエータ 4 a および 4 b を ピエゾ ドライ ノ アンプ 3 2 ， 3 2 a , 3 2 b で伸び縮みさせながら、 探針 1 と試. 料 2 を接近させてゆき、 1 O A程度に近づく と探針と試料間に 卜 ンネル電流 I tが流れる。 こ の ト ンネル電流 I tは検出抵抗 R tに よって電圧に変換され、 計測用アンプ 3 9 で^幅し、 目標 トンネ ル電流値 V iとの差を と リ、 電流ノ間隙変換回路 1 1 を経て探針 , 1 と試料 2 と の 目標間隔誤差信号 Δ Z 2となる （米国特許第
    [0052] 4， 343， 993で述べられている よ う に、 ト ンネル電流と間隙と の関 係が非線形であるため、 上記変換回路 1 1 を用いて線形信号に戻 す必要が生 じ る） 。 この 目標誤差 Δ Z 2がゼ CI と なるよ う に即ち 試料 2 と探針 1 との間隙が一定と なるよ う に、 A Z2用 ピエゾド ライパア ンプ 3 3で増幅し、 Z方向微動用ァクチユエ一タ 7 を駆 動する。 一方、 上記ピエゾドライバアンプ 3 3 の岀カ信号、 即ち Z方向微動甩ァクチユエータ 7 の伸び縮み情報は、 ア ツテネ一タ 3 4で所定の値に減衰させたものをモニタ T V 2 5 にて明暗表示 させる と とも に、 口一パスフィルタ 3 5で掃引時の高周波成分
    [0053] (試料面の徼細な 凸情報成分） を除去した Z方向徽動招ァクチ ユエ一タ 7への印加電圧平鈎値 （該ァクチユエ一タ 7 の可動範囲 における平鈞長さ） と上記ァクチユエ一タ 7への 目標印加電圧値 (目標伸び寸法） V cとの差分信号 （ Z方向微動用ァクチユエ一 タへの 目標印加電圧誤差成分厶 V ) は、 増幅器 3 8 , 切換スイ ク チ 3 6 を経て、 イ ンチワームコ ン トローラ 3 1 からの指令に基づ き Z方向粗動用ァクチユエータ 4 を伸び縮みさせるための D Aコ ンバ一タ 3 7 の出力信号と合成され、 ピエゾドラ イバアンプ 3 2 に入力 し Z方向耝動用ァクチユエータ 4 を駆動し （このとき傺持 機搆 3 0 a がロ ッ ク状態で 3 0 b は解放状態でなければならな い） 、 Z方向微動用ァクチユエ一タ 7への印加電圧が低周波領域 を抑圧するよう にサーボされる。
    [0054] 第 7 図は、 第 5 図で説明した 2重サ一ボ構造に対する襦足説明 をするための微動用ァクチユエータの可動範囲 J2 Z と耝動用ァク チユエータ β Ζ との闋係を示したものである。 微動用ァクチユエ -―タ 7の可動範囲 JS Ζは第 6 図の説明でも述べたよ う に検出分解 能を向上させるために小さな値 （ 1 0 0 A〜 4 0 0 A ) と なっ て いる。 一方、 粗動用の Z方向ァクチユエ一タ （イ ンチワーム機橇 の違行招ァクチユエータ ） は、 試料と探針と を素早く接近させる ために大きな可動範囲 （実施例では £ 1 = 1 0 μ i 〜 2 0 μ ) を有 している。 こ こで試料 2 が角度 0 なる値でホルダに固定され ている場合 を想定する と、 探針 1 が掃引されたと き、 Z方向微動 用ァ ク チユエ一タ 7 の可動範囲 £ Zではサ一ボの限界を越えて し ' まい、 測定不可能になる かも し く は試料 2 と探針 1 と が衝突 して 5 しま う こ と になるため、 可動範囲の大きい粗動用ァ ク チユエ一タ
    [0055] を用いて前記 0成分を キヤ ンセルさせるベ く 作用するサ一ボル一 プが必要と なる。
    [0056] 第 8 図は、 試料と探針と を 2重サーボループ系で動作を させる に当っ て最適な状態へ自動接近させるための流れ図であ り 、 第 50· 図を一部参照 しながら以下に説明する 。 先ず自動接近シーケ ンス
    [0057] を作動させる前に付加 したル一プ系を開放状態にする 6 1 (第 5 図の切換スィ ッチ 3 6 を O F F側にする） 。 イ ンチ ワームの A側 保持機構用ァクチユエ一タ 4 a への印加電圧をゼロ にする こ と に よっ て A側ロ ッ ク金具 3 0 a を保持状態に し 6 2、 B側保持機構 . 用ァクチユエータ 4 b へ電圧 （- 1 0 Q V ) を印加する こ と に よ り B側の ロ ッ ク金具 3 0 b を解除しておき 6 3 、 Z方向耝動 （進 行） 用ァ クチユエータ 4へステ ッ プ状に鼋.圧 ( ^ 1 0 0 V ) を印 . 加せしめる こ と によっ て該ァ クチユエ一タ を素早く 伸長させ 6 4 、 ト ンネル電流 I tが流れ始めたか否かを判定し 6 5、 未だ流れて
    [0058] ¾ いなければ B側保持機構用ァクチユエータ 4 b への印加電圧をゼ . 口 にする こ と によ り B側を保持状態に し 6 G 、 A側保持機構用ァ
    [0059] クチユエ一タ 4 a へ電圧 （ .1 0 0 V ) を 印加 し A側保持を解除 しておき 6 7、 Z耝動用ァ クチユエ一タ 4 に印加 していた電圧を 急速にゼロ にする こ と によっ て該ァ ク チユエ一タ を速やかに短縮 せ しめ 6 8 、 その後 A側を保持状態にする作業 S 2 へ戻るループ を形成する。 この 6 2 から 6 8 のループを 1 回流る毎に Z方向鉅 ¾甩ァクチユエータ 4 が印加され電圧によって俾びた量 (実施 では約 1 0 〜 2 0 m ) だけ探針 1方向へ進むこ と にな り、 試料 2 と探針 1 は急速に接近してゆき、 トンネル電流 I tが流れ出す 間隔 （ 1 0 A〜 2 0 A ) にまで近づいたとき前記 6 2 〜 6 8 の ル一ブを判定作業 6 5 のと ころで脱出し、 同時に Z耝動用ァクチ ユエ一タ 4 .を速やかに短縮させ 6 9 、 その後、 微小ステ ッ プ階段 浚電圧を Z粗動用ァクチユエ一タ 4 に印加させるこ と によっ て 1 ステッ プ相当の微小変化ずっ該ァクチユエ一タ 4 を伸 し始め (実施例では 1 ステップ当 り約 1 . 5 A相当） 7 0、 -ト ンネル電 流 I tが流れ出すまで上記ァクチユエ一タ 4への印加電圧増加を 続け 7 1 、 トンネル電流 ί tが流れ始め'た時点で該ァクチユエ一 タ 4への印加電圧増加作業を中断し、 Z粗動用ァクチユエータ 4 の可動範囲の中心値も し く は目標値と中靳時点における該ァクチ ユエータ 4へ印加されている電圧値との差分 Δ Ζ を計算しておき. 7 2、 その後 Z粗動用ァクチユエータ 4 を短縮しておく 7 S 。 尚、 6 2〜 6 8 のループは実施例 6で詳細を述べる。 先に計算してお いた Δ Z が正であるか負である かを判定し 7 4、 も し正であれば Z粗動用ァクチユエ一タ 4の伸びが該ァクチユエータ 4の可動範 囲の中心値 （目標値） よ り も短かいことを示しており . その量
    [0060] ( Δ Z ) だけ後退させる こ と によ り上記耝動用ァクチユエータ 4 の可動中心に自動接近させる こ とが可能となる - この Zだけ後 退させる フ ロ ーを 7 5 〜 8 0で示す。 即ち B保持機搆 3 O b を保 持し 7 5 、 A保持機構 3 0 a を解除 4 6する こ と によ り持ち替え を行い、 Z粗動^ァクチ二ェ一タ 4 に Δ z該当の電圧を印加し 4 7 、 Aの保持 7 8 ， B の解除 7 S を行っ て元の保持状態に戾 し たのち、 上記 Z粗動用ァ ク チユエ一タ 4 への印加電圧をゼロ にす る 。 また、 判定作業 7 4 によ っ て Δ Z が負と判定 した場合は、 卜 ンネル電流 I tが流れ始めた時点の Z粗動用ァクチユエ一タ 4 の 伸びは該ァクチユエータ 4 の可動範囲の中心値 （ 目標値） よ り も 長く なつ ていたこ と を示じてぉ リ 、 前記 7 5〜 '8 0 の フ ロ ーと逆 の動作、 即ち Δ Z相当だけ該ァクチユエータ を伸ばしてお く 必要 が生 じている こ と を示 している 。 Δ Z ·だけ Z粗動用ァ クチユエ一 タ 4 を伸 し 8 1 ， B保持 8 2 ， A解除 8 3 の実行で保持機構 3 0 a , 3 0 b をつかみ替えた後、 上記粗動用ァ ク チユエータ 4 の伸 ぴをゼロ に戻 し 8 4 、 今度は A保持 8 5 、 B解除 8 6 で再び試料 2 サイ ドがフ リ ーと なる状態に戾 しておく 。 この Λ様にイ ンチヮー ム機構を ノ ーマライ ズ （作業 7 2 〜作業 8 6 の フ ロ ー） し た機構 を用いて、 τ粗動用ァ クチユエータ 4 をゆつ く り と伸 し始め 8 7 、 ト ン.ネル電流 I tが流れ出 した こ と を確認 し 8 8 、 さ ら に z 方向 微動用ァ クチユエータ 4 の伸びが該ァ クチユエ一タ 4 可勣範囲の 中心 （も し く は設定目標点） になる まで上記ァ クチユエ一タ 4 を 伸 し続け、 上記可能範囲の中心に達したと き に 8 S 、 その ま まの 印加電圧を保持させ 9 0 , 2 重ループ系 を作動させる 9 1 (スィ ツ チ 3 6 を 〇 Nの位置にする） 。 もちろん第 8 図において、 試料 2 と探針 1 と を 自動接近させる だけで良い場合、 即ち Z粗動用ァ ク チユエータ 4 の動作点を該ァ ク チユエ一タ .の可動範囲の中心へ セ ッ ティ ンする必要のない場合は作業 7 2 から作業 8 6 の フ ロ ー を除去すれば良い こ と になる - 尚、 精度を若干犠牲とすれば 2重 サ一ボ系オ フ S 1 , オン S 1 の作業を省唣する こ と も考え られる -- 第 9 図は第 5 図のブロ ッ ク図における検出電流 （または他の物 理量、 例えば圧力， 静電容量， 温度， 光など） を増輻する計測甩 アンプ 3 9 を具体化した回路図である。 試料 2 の表面構造によつ て、 ト ンネル印加電圧 V tが正電位の方が良い場合と負電位の方 が良い場合とがあ り、 該印加電圧 V tはボリ ューム 4 1 によっ て 正おょぴ負の値を任意に設定する こと が可能となっており、 オペ アンプ 4 2 および 4 3 は上記極性切換えに対処するための絶对値 化回路を構成している試料 2 と探針 1 との間には検岀抵抗 R tを 介して トンネル電圧 V tが印加され、 R tと探針 1 との交点は、 R tの近く に配置したダミ ー抵抗 R の リード線と共に、 2芯シ 一ルド線 4 4 を ^いて差動型アンプ 4 5 の + 入力および 一 入 力に接鏡し、 電源誘導等のコモンモー ド雑音が除去された信号成 分が該アンプ 4 5 から出力され、 D ， D 2の作^で検、波し、 オペ アンプ 4 3 によって絶体値出力 （本図では正方向出力のみ） と .な る。 ここで R 〜 R 7は同じ値とな.つている e なお、 トンネル電圧 V tが片極性のと きには上記したオペアンプ 4 2， 4 3 による絶 対値回路部は省略可能である。 - なお、 第 5 図で示す第 3 の実施例のブロ ッ ク図において、 スィ ツチ 3 6 の 0 N.側接点に、 事前に測定しておいた試料傾きなどに する補正値を挿入する こ と によっ て、 該ル一ブを フィ ー ド フォ ワー ド系と して使用する こ と によっ て探針掃引速度の向上を計る ことも可能である。
    [0061] [実旌傚 4 ]
    [0062] 第 1 0 図ば第 4 の実施例でぁ リ、 第 3 の実施例における Z方向 徼動 Sァクチュニ一タ 7 を省略し、 Z方向粗動 ^ァクチニニータ ( 1.7 )
    [0063] 4 に微動機能をも兼 させた方式と なっている。 第 5 図との相異 点は微動用ァクチユエータ 7 を使用せず、 電流 間隙変換回路 1 1 の出力信号 Δ Ζ 2をァヅテネ一タ 回路 3 4で減すいさせ、 ス イ ッチ 3 6 の出力信号と D Aコ ンバータ 3 7 の出力信号との加算 . 5 点へ更に加算し、 ピエゾドライ ノ 3 2 を騮動せしめている。 他の 構成は第 5 図の実施例と同 じである。 こ の第 4 の実施例において は、 可動範囲の大きい Ζ粗動用ァクチユエータ 4 を微動用と して も兼用 した、 周波数蒂域の異なる 2重サーボ系を構成する こ と に よ リ、 ピエゾァクチユエータ 固有の ヒ ステ リ シス特性等によ リ分 0 解能は悪く なるものの简単な機構構成で試料 2 と探針 1 と が衝突 した り離れすぎた り と いう トラブルを回避する こ と ができる。 ま た、 ヒステ リ シス補正回路をルーフ。内に更に付加せしめる こ と に よって分解能の低下もある程度防ぐこ とも可能である。
    [0064] . このよ う に Ζ方向微動ァ クチユエータ への低周波成分印加電圧5 は、 試料の傾きまたは熱的要因などによる試料と探針間の相対位 置変動を検出する。 それによつて、 可動範囲の大きい Ζ方向粗動 ァクチユエータ を有するサーボループは、 試料と探針間の平均的 間隔が一定となるよ う に作動し、 広範囲な試料面を容易に観察し 測定する こ と が可能となる。
    [0065] ；ひ' [実施例 5 ]
    [0066] . 一般的に走査型 ト ンネル電子顕微鏡 （ S Τ Μ ) などの装置で、 探針の上下方向軌跡を明暗像 · 鳥かん像または等高線像な どと し て表示する に当っては、 第 1 図の実施 の記述では省唣 したが、 実際には、 上記探針の上下方向軌跡信号をディ ジタル化 （量子化） し、 メ モ リ に蓄え、 必要に応じて計算機処理などを行なっ たのち、 アナログ信号に裒しモニタ表示している。
    [0067] 第 1 1 図は量子化の概念を説明する図である。 たて軸は Z方向 微動用ァクチユエ一タ ーの徵動量 （ Δ £ Ζ ) を示し、 横皲は X (または Υ ) 方向への掃引量を示しており、 掃引にともなって探 針の Ζ方向軌跡 5 がどうなるかを示したものであ り、 小さなサイ ン波形状の上下動が測定すべき試料面の凹凸状態を示し、 軌跡波 形 5 が全体と して右下り となっているのは資料の傾きまたは歪な どが存在している こと を、 極端な状態で例示している。 上記軌跡 波形 5 の小さな山と谷の関係を調べる （観測する） こ とが主な目 的となるため、 最も分解能を上げるにはその山を上限と し、 谷を 下限とするよ う な量子化範囲に設定すれば良い （例えば 8 ビッ ト に量子化する際にその範囲を 1 0 0 Α と したと きには 0 . 3 9 A , 1 0 A を量子化範囲に設定したときには 0 . 0 3 9 Aがそれぞれ 量子化最小単位となる） が、 S示の波形 5 'のよ う に全体的にシフ ト してゆ く場合には、 その設定範囲を広く しておかなければな ら ず、 分解能の低下を余儀なく されてしま う 。
    [0068] 本実施例ではデータ収集の中断， 無効化な しに広範匪な試料観 察を分解能の低下なしに行ないう る表面測定装置を開示する。
    [0069] 本実施例の特徽は、' 波形 5 のシフ ト量を検岀 し、 量子化範囲を 自動的にシフ トさせる こと によっ て分解能の低下を防止するこ と に ί¾ 。
    [0070] 具体的にはデータ量子化回路のオフセジ ト鼋圧と して、 上記徼 動ァクチユエ一タへの印加電圧の低局波虑分を与えるよう に構成 される。 、
    [0071] 第 1 2 図は箦 5 の実施例のブロ ッ ク 図である。 探針 1 と試料 2 と の間に ト ンネル電圧 8 を検出抵抗 R tを介 して印加 し、 ト ンネ ル電流 I t成分は計測用アンプ 3 9 で増幅し、 目標電流値 V iで減 算し、 電流 間隙変換回路 1 1 で間隙情報に変換し、 ピエゾ ド ラ ィバ 3 3 を経て Z方向微動用.ァ クチユエ一タ 7 を電流 I tが一定 となる よ う に駆動する。 一方、 上記変換回路 1 1 の間隙信号出力 は、 オ フセ ッ ト電圧 V f を差 し 引き、 ク リ ッパ増幅器 1 0 0 を経 て A D コンパ一タ 1 0 1 の入力信号と なる が、 低周波のシ フ ト成 分を キャ ンセルさせるため、 前記ピエゾ ドラ イバ 3 3 の出力 をァ ッテネ一タ 3 4 で減すいさせ、 ローパスフィ ルタ 3 5 で観測すベ き信号成分周波数を除去し、 Zァクチユエータ 7 の 目標伸ぴ値電 圧 V cを差し引いた成分、 即ち初期値からのシ フ ト成分を前記ク リ ッパアンプ 1 0 0 への入力信号か ら差し引 く こ と によ って量子 化範囲が自動シ フ ト される。 なお、 A D コ ンバータ 1— 0 1 で変換 したディ ジタルデータ は 2 次元メモ リ 1 0 2 へ順次記憶 し てゆき .， 必要に応じて計算機 1 0 3 で画像処理な どを行い、 D Aコ ンパ一 タ 1 0 4 を用いてアナロ グ信号に裒 し、 モニタ テ レ ビまたは X Y プロ ッ タ な どの表示装置 1 3 へ出力する。
    [0072] 上記第 5 の実施例によればシ リ コ ン ウェハな どの比較的大面積 でかつ表面精度の余 り 良 く ない試料についても、 オ ン グス ト ロ ー ム （ A = 1 0 - 1 Dメ ー トル） 以下の分解能でその表面祅態を観測 し測定する こ と が容易にでき る効果がある 。
    [0073] [実施例 6 ]
    [0074] 次に、 探針を試料に近づけた り 、 視野選択する場合、 探針が試 料に衝突 しない こ と が必要であ り 、 こ の具体例を示す - 本実施例では、 探針移動装置は複数の移動手段に よ 、 探針 と 試料を近接させた際に得られる物理情報を用い、 第 1 の移動手段 で探針と試钭との間隙を一定に保つよ う にサーボしつつ、 第 2 の 移動手段で探針と試料を近接させるあるいは視野選択するよ う に 動作する。 ；れによ り、 探針と試料は衝突する ことな く 、 接近あ るいば試料面内移動ができ、 探針と試料と を近接した際に得る犊 理現象を高い空間分解能でかつ安定に得ることができる。
    [0075] 第 1 3図に本実施例の基本構成を示す。 図には試料 2 と探針 1 と を接近させ トンネル現象によ り試料 2 と探針 1 と の間隙を制御 する走査型ト ンネル顕微鏡 （ S T M) における試料 2 と探針 1 と を近づける場合について示している。 移動手段と しては搮針 1 を 支持している第 1 の移動手段たる間隙制御素子 （圧電素子） 7 と、 これを支持する第 2 の移動手段たる尺取り虫機構で構成されてい る。 この尺取り虫機構は間隙制御素子 7 を支持する端子 A 4 6 a と伸縮用圧電素子 4 7 と端子 B 4 6 b から成る移動部と、 ク ラン プ金具 A 4 8 a， B 4 8 b 、 クランプ用圧鼋素子 A 4 7 a ， B
    [0076] 4 7 b , 及びバネ 4 S から成る 2つのクランプ部とから構成され ている。 ク ラ ンプの解除はク ランプ用圧鼋素子 4 7 a， 4 7 b に 電圧を印加してク ラ： プ金具 4 8 a , 4 8 b を上に押し上げる こ とにょ リ実行される。 これら 2つの移動手段を用いて本発明では 次の様に回路構成で試料 2 と探針 1 と を接近させる。
    [0077] 回路は主に、 間隙制御回路と移動制御回路 5 0 と の 2つの部分 よ り構成される。 間隙制鹆回路は S T Mで使用されているもので あ リ、 ト ンネル電源 8 ， ト ンネル電流検岀回路 9 , 目標 ト ンネル 電流設定回路 1 7 ， 減算回路 1 8 ， 卄ーボ回 ¾ 1 0 から镌成され る 一方、 移動制御回路 5 0 は電流検出回路 5 1 、 ¾リ虫饽 用圧電素子 4 7 を駆動するための伸縮用駆動回路 5 2、 シーケン ス制御回路 5 3、 ク ラ ンプ用駆動回路 A 5 2 a , B 5 2 b よ り構 成されている。 5 4はテーブル， 5 5は試料台である。
    [0078] ' 以上、 説明した移動手段と制御系から次のよ う に動作して、 探
    [0079] 5 針 1 が試料 2 に衝突せずに接近する。 第 1 4 c 図に制御のための
    [0080] タ イ ムチャ ー ト を示す。
    [0081] まず試料 2 を探針 1 から雛して設置し、 サーボ回路 1 0 を動作 させる。 しかし、 ト ンネル現象が現われないので ト ンネル電流は 流'れず間隙制御素子 7の伸び量は最大となる。 この様な状態で移 . 0 動制御回路 5 0 を駆動 して探針 1 を試料 2に近づける。 シ一ケン
    [0082] ス制御回路 5 3でク ラ ンプ用駆動回路 A 5 2 a を駆動し、 ク ラ ン プ金具 A 4 8 a を クランプ用圧鼋素子 A 4 7 aで押し上げて端子 A 4 6 a のク ランプを解除する （ 1 4 1 の動作） 。 なお、 シ一ケ ンス制御回路 5 3はク ランプ用駆動回路 A 5 2 a の出力をモニタ5 しておリ 、 十分に出力電圧が設定値まで達して、 次の動作に移る。
    [0083] これはク ラン.プ用圧電素子 A， 4 7 a , B 4 7 b、 伸縮用圧電 素子 4 7の伸びあるいは縮む場合も同様に動作する。 端子 A
    [0084] 4 6のク ランプが解除された後、 減算回路 1 8の出力を用いて、 伸縮用駆動回路 5 2 を驄動し、 伸縮用圧鼋素子 4 7 を伸す （ 1 4.0: 2の動作） 。 終了後、 端子 A 4 6 a を ク ラ ンプ （ 1 4 3の動作） ， . 端子 ] B 4 6 b のク ラ ンプを解除 （ 1 4 4の動作） 、 伸縮用電素子
    [0085] 4 7 を縮め （ 1 4 5の動作） 、 さ ら に端子 B 4 6 b を ク ランプす る （ 1 4 6の動作） 。 この様に して、 探針 1 を一歩、 試料 2に近 づける。 しかし、 ト ンネル現象が起るまでには探針 1 が近づいて ないので、 さ ら に、 1 4 1 a ， I 4 2 a y 1 4 3 a , 1 4 a , 1 5 a , 1 4 6 a と各素子は動作する。 その後 1 4 1 b ， 1 4 2 b と勣作し、 ト ンネル電流が流れる と、 鼋流検出回路 5 1 が诈 ' 動して、 伸縮用駆動回路 5 2 の出力電圧を零に、 即ち、 抻びない 状舞に後戻りする。 そ して、 端子 A 4 6 a はク ランプ解除のまま に して自動接近を完了する。 これは端子 A 4 6 a をク ランプする と、 探針 1 の先端が動く ため試料 2 に探針 1 が衝突する危険があ るためである。 その後、 手動で伸縮用圧電素子 4 7 を除々 に伸 し、 ト ンネル電流を得る様に探針 1 を近づけるのが望しい。 また、 ト ンネル現象は間隙数 1 0 Aで起るので、 1 4 7 の動作を素速 .く す る必要がある。 例えば、 尺取り虫の移動速度が 1 0 p m Z s とす る と、 0 . 1 m s の応答性が必要となる。 通常、 圧鼋素子は
    [0086] I 0 O V前後で I 動するため、 応答性の速い演" »増幅素子が使用 できない。 このため、 本癸明では間隙制御回路を動作させ、 第 1 a , b 図に示す様に ト ンネル電流が流れる と同時に間隙制鹳 素子 7 が縮み、 上記の遅い応答性を助ける。 さ らに、 伸縮用駆動 回路 5 2 の入力信号を減算回路の岀カ信号を使 ¾ している ので ト ンネル電流が流れる.と同時に、 伸縮用庄電素子 4 7 の伸びる速度 ― は極めて減少し、 逆に縮み始めるので上記の遅い応答性を上記同 様に助ける こ とができる。
    [0087] 第 1 5 図は移動制御回路 5 0 の具体例であり、 1 3 図の一部 をよ り詳細に示すものである。 移動制御回路 5 0 は伸綰用圧電秦 子 4 7 を駆動するためのものである。 こ こでは、. トン ル現象が 間隙数 1 0 A以下の領域で発生するので、 定遼度で倬びる ことが 望し く 、 伸縮用駆動回路 5 2 の一部に ミ ラ一積分器を埒いた例を 示す。 遼度は 1 / C 2で決定され、 ト ンネル電流検出後、 減算 回路 1 8 の出力が正から負に変化する と、 フ リ ッ プフ ロ ッ プ回路 1 5 1 の出力が " H i g h " と な り 、 O R回路 1 5 2 を通して リ レ一 1 5 3 によ り、 ミ ラー積分器のコ ンデンサ C を放電し、 出力 を零とする。
    [0088] 尚、 電流検出回路 5 1 への入力信号は減算回路 1 8 の出力信号 以外に ト ンネル電流検出回路 9 やサーボ回路 1 0 内の信号を使招 しても構わない。 1 5 4〜 1 5 7 は演算増幅器を 1^1〜 1^5は抵抗 を示している。 1 7 は 目標 ト ンネル電流設定回路である。
    [0089] 第 1 S 図に視野選択を可能とする 3 次元粗動機構を有 した S T Mの平面図を示す。 粗動機構は第 1 3 図で示した尺取 り虫機構を 3次元に拡張したものである。 図での探針の X方向、 Y方向の移 動は、 X方向がク ランプ金具 C 4 8 c ， 端子 C (上テーブル） 4 6 c ， X軸伸縮用圧電素子 4 7 x , ク ラ ンプ金具 D 4' 8 d ， 端 子 D 4 6 d で搆成され、 Y方向がク ラ ンプ金具 E 4 8 e ， 端子 D 4 6 d で構成されている。 Z方向の移動等は第 1 3 図に示すもの と同様の構成である。 尚、 ク ランプ用の圧電素子や Y方向の図示 している部品に対向する ク ラ ンプ金具、 端子及び伸縮用圧鼋素子 は図で省略しているが、 Z方向の場合の尺取 り 虫機構と全く 同様 に動作する。 また、 こ こでは探針 1 を支持する移動手段.に X Y Z、 ： 3 次元駆動可能な トライポッ ト型スキャ ナ 1 6 1 を使招 している。
    [0090] これは、 端子 A 4 6 a に違結している座 1 4 2 に間隙制御のため の Z軸圧電素子 7， X軸走査用圧電素子 7 X， Y軸走查周圧鼋素 子 （'図示していない） を図の様に設置して、 S Τ Μ傣 ¾得のため の動作を行なう 図において、 視野選択才るため に探針 1 を X方 向に動かす場合、 試料 2 の凹凸が存在する と探針 1 と試料 2 と が 衢突し、 探針 1 の先端部が曲がって しまい、 平面分解能の低下や ト ンネル電流の不安定を生じる。 これを防止するため、 X翱方向 の尺取り虫機構にも探針 1 を接近する場合と同様な機構で移動す る こと が望ま しい。 尚、 衝突した事を知らせる表示や、 ステップ 5 数の設定や表示はあっ た方が便利である。 また、 Y軸方向の尺敢 リ虫機構の移動も上記と同様な機構が望しい。 さ らに、 卜ンネル 電流が検出された際、 Z方向の移動手段で後退させ、 Xあるいは Y方向の視野還択を続行させてもよい。
    [0091] 第 1 7図に接近用の Z軸尺取 -リ虫機構と視野選択用の X軸尺敢0 り虫機構を駆動するための移動制御回路 5 0 の一部を示す。 各々 の尺取り虫はその制御回路を持てば良いが通常、 接近と視野選択 は同時に行なわないので 1つの駆動回路を共用するのが便利であ る。 図において、 リ レー Φ 2 5 4 ， リ レー② 2 5 5 がク ランプ用 圧鼋素子 4 7 a 〜 （！ を駆動するためのものであ り、 リ レ一③ 2 55 6 が尺取り虫機構の伸縮用圧鼋素子にステップ電圧を印加して伸 縮するためのものでぁ リ， さ らに、 リ レ一④ 2 5 7 は自動的に接 近した り 、 視野選択するためのものである。 これらは、 モー ド選 护ゝによ り動作するものである。 スイ ジチ A 2 5 8 , B 2 δ 9 , C 2 6 0， D 2 6 1 はク ランプ用圧鼋素子 4 7 a〜 d に印加する電Q' 圧を リ レー① 2 5 4 の指定する電圧にする.か、 リ レー② 2 5 5 の 指定した電圧にするか、 さ らに、 ク ランプにした状態に設定する かを選択するスィ ッチである - スィ ッチ E 2 6 2 , F 2 6 3はリ レ一③ 2 5 6 ， リ レー④ 2 5 7で指定される電圧で駆動する力、、 ' あるいは囅動しないかを違択するものである - 上記の S .鶴のスィ クチは手動スィ ッ チで十分である。 尺 ¾リ虫機橇のシーケ ン ス §!| 御は論理回路 2 5 3で行な う 。 論理回路 2 5 3 はハ一ム ウェア ， マイ ク ロ プロセ ッ サある いは計算機が利用 さ れる。 カ ウ ンタ /表 示手段 2 5 2 はステ ッ プ数、 衝突回数を表示する 。 また、 モー ド ' 切換 2 5 1 は （ i ) 自動接近、 自動視野選択、 ( ϋ ) ステ ッ プ指 5 定数の尺取 り 虫移動、 （ ffi ) 手動等を選択する こ と ができ る。
    [0092] ( i ) の場合は リ レー④ 2 5 7 が図のよ う に設定され、 リ レー① 2 5 4 , リ レー② 2 5 5 を動作する と と も に ミ ラー積分器 （第 1 5 図に示した） の リ セ ッ ト信号 2 6 5 によ り第 1 4 c 図に示 した 動作をする 。 尚、 ミ ラ一積分器の リ セ ッ ト信号 2 6 5 は第 1 4 c0 - 図の 1 4 5 の動作を行なう のに使用する。 スィ ッチ A 2 5 8〜 F
    [0093] 2 6 3 の状態は自動接近の場合を示す。 スィ ッチ A 2 5 8， B 2 5 9及び E 2 6 2 を全て接地し、 スィ ッチ C 2 S 0 を リ レー①， スィ ッチ D 2 6 1 を リ レー② 2 5 5 に、 スィ ッチ F 2 6 3 を .リ レ 一 © 2 5 7 と接鐃される よ う に選択する と、 第 1 6 図の X方向に5 視野選択する 。 また、 逆方向に動かレたい場合はスィ ッチ A 2 5 ' 8〜D 2 6 1 のスィ ッチ選択を逆にすれば良い。 尚、 これは論理 回路 2 5 3でシーケ ンスを変える こ と もでき る 。 （ ) のモー ド ではステ ッ プ数を指定する と と も に、 リ レー④ 2 5 7 を定電圧 V P に接続される よ う に端子を切換え、 高速な尺取 り 虫移動を行 な う 。 これは、 探針 1 と試料 2 と が衝突する心配がない場合、 有 , 効である 。 こ の時の伸縮用圧電素子 4 7 ある いは X軸伸縮用圧電 素子 4 7 Xへの印加電圧は リ レ一③ 2 5 6で定電圧あ るいは O V が選択さ れる。 （ Mi ) のモー ドでは手勢スィ ッ チ 2 5 0 に よ リ リ レー① 2 5 4 , リ レ一② 2 5 5 , リ レー③ 2 5 S が操作さ れる よ う に切換え られる 。 あ る いは、 全て電流検出信号 2 6 6 に接鏡さ れ、 スィ ッチ A 2 5 8〜 F 2 6 3で操作される。 リ レー ® 2 5 7 は （ ii ) のモー ド と同じ状態にある。 一方、 自動接近後、 手動モ — ドで、 端子 A 1 2 を解放したまま、 R 6 の抵抗を用いて ト ンネ ル電流が流れるまで伸縮用圧電秦子 4 7 を除々 に伸し、 S T M像 が得れるように探針 1 を試料に近づける ことができる。 尚、 鼋流 検出信号 2 6 6 は第 1 5 図の潦算増幅器 1 5 4の出力信号である。 第 1 7 図は 2雜の尺取り虫機構を制御する場合を示したが、 多軸 の場合や変形した尺取 y虫、 例えば、 尺取り虫のク ラ ンプ数や伸 縮素子が複数の場合も、 同様に移動制御回路を構成する ことがで きる。 また、 論理回路 2 5 3 のシーケンス制御信号と して圧電素 子-印加電圧の レベルを利用する。 この場合、 素子への電圧が高い ので抵抗で分圧して制御信号に用いた り、 レベルコ ンパ一タ後の 整定時間を予想し'て遅延回路を設置して、 シーケンスを制御する のが望ま しい。 尚、 （ i ) のモードで探針 1 が試料 2 に近づく と トンネル電流に雑音が混入し、 誤^!作の原因となる。 こ のため、 卜ンネル電流を検出するさい、 第 1 4 c 図の 1 4 2 b の動作を複 数回繰り返して、 ト ンネル電流を連鐃して検出した場合、 停止す る様にプロ グラ ミ ングする こ とも重要である。
    [0094] 一方、 尺取り虫機構を使用する と ク ランプした際に探針 1 が前 進する方向に移動する ことがあ り、 試料 2 と衝突する こ と がある。 このため、 第 1 4 d 図のよ う に尺取リ虫機構の伸縮量を歩幅よ り 大き くする こ とによ り、 上記の事故を險ぐこ と ができる。 即ち、 第 1 4 d 図のよ う に伸び量 L o を設定した後、 だけ縮めて歩 幅を小さ くする こと が重要である。
    [0095] 以上の移動手段は圧鼋素子を招いたものであるが、 その外に、 ク ラ ンプ機構に静電チャ ッ ク を用い、 あるいは庄電素子の代り に 電歪， 磁歪素子あるいは熟膨張を利用 しても同様の作用が得られ る。 また、 尺取り虫機構以外に、 ネジゃ縮小機構を用いたモータ
    [0096] ^ 駆動によ る接近方法が考え られるが、 本具体例のよう に探針 1 と 5 試料 2 との接近によ り得られる物理情報を用いて間隙制御を行な う と同時に、 この制御系で使^されている信号を用いてモ一タ躯 動を行なってもよい。 また、 この場合あ らかじめ設定した値の物 理量を検出した時に移動を停止するよ う に本実施例を構成すれば、 設定した物理量に相当する任意の間隙を琛針と試料と の間に保つ
    [0097] 10 こ と ができる。 - 上記した実施例では物理情報と して ト ンネル電流を用いた s T
    [0098] Mの場合について記述したが、 ト ンネ'ル電流以外に、 原子間力， 、 試料表面温度， 容量， 磁束， 磁力等を用いてもよい。 本発明はこ れらの情報を応用 した装置 （顕微鏡のよ う な理科学機器， 記録装 15 置， 等） について全て適用できるものである。 また、 移動機構は 探針， 試料のいずれを支持するよ う にしてもよいのはいう までも ない。
    [0099] 産業上の利用可能性
    [0100] 本 明は探針と試料と を接近して発生する ト ンネル電流や電界 放射電流などの物理量を利用 して試料の表面形状の情報を得る装 . 置において、 広範囲の試料表面を高分解能で測定し う る表面測定 装置を提供する。
    权利要求:
    Claims 請 求 ，の 範 囲
    1 . 探針と、 試料を保持する手段と、 上記探針と試料を接近させ る手段と、 上記探針と試料との間に電位差を設けて電流を流す 手段と、 該電流を測定する.手段と、 上記試料表面で上記探針を " 走査する手段と、 測定電流値が一定の設定電流値になるよ う に 上記探針と試料の間隙をサーボするサーボ手段と、 上記サ一ボ 手段の制御信号に基づいて上記試料の構造情報を得る表面測定 装置において、 上記探針の走査に伴って生じる上記測定電流値 の上記設定電流値からの電流誤差を用いて上記試料の構造情報 を補正する手段を有する こ と を特徵とする表面測定装置。
    2 . 上記電流は ト ンネル鼋流あるいは電界放射電流である こ とを 特徽とする請求項 1記載の表面測定装置。
    3 . 水平方向掃引手段， 垂直方向掃引手段及ぴ高さ方向微動丰段 を有し試料と探針の相対位置を変化させる三次元驄動機構と、 上記探針と試料との間に電圧を印加する手段と、 上記探針に流 れる鼋流を一定とするよう に上記高さ方向微動手段を制御する 手段と、 上記高さ方向微動手段の上下方向微動量に基づき上記 試料表面の状態を表示する手段と を有する表面測定装置におい て、 上記試料と探針間の距離を粗く調節する高さ方向耝動手段 と、 上記高さ方 ^微動手段の駆動信号の低周波成分を抽出する 手段と、 該低周波成分を上記高さ方向粗動作手段の駆動信号と する手段を有する こ と を特徵とする表面測定装置。
    4 . 水平方向撮引手段， 垂直方向掃引手段及び高さ方向微動手段 を有し、 試料と探針の相封位置を変化させる三次元駆動手段と、 上記探針と試料との間に電圧を引加する手段と、 上記探針に流 れる鼋流を一定とな ら しめるよ う に上記高さ方向微動手段を制 御する手段と、 上記探針の上下方向微動量に基づき上記試料表 面の状態を表示する手段を有する表面測定装置において、 上記 試料と探針間の距離を粗く 調節する高さ方向粗動手段と、 上記 5 探針と試料間の距離の変動または予測変動量計算値を記憶する
    2次元メモ リ と 、 該メモ リ から の出力に基づき上記高さ方向粗 動手段を フォ ワー ド制御する手段と を有する こ と を特徴とする 表面測定装置。
    5 . 水平方向掃引手段， 垂直方向掃引手段及び高さ方向駆動手段 10 を有し試料と探針の相対位置を変化させる三次元駆動手段と、 上記探針と試料との間に電圧を印加する手段と、 上記探針に流 れる電流を一定とな ら しめるよ う に上記高さ方向駆動手段を制 御する手段と、 上記探針の上下方向微動量を量子化回路で量子' 化してデータ処理し、 試料表面の物理情報を得る手段を有する 15· 表面測定装置において、 上記高さ方向駆動手段の上下方向微動
    量のう ち時間軸に対してゆるやかに変動する成分を上記量子化 回路のオフセ ッ 卜印加電圧と して印加する手段を有する こ と を 特徴とする表面測定装置。
    6 . 請求項 1 又は 2記載の表面測定装置において上記高さ方向粗 動手段を用いて上記探針先端と試料と を上記微動手段の可動範 . 囲内に接近させる 自動接近手段は、 上記探針の位置が上記可動
    範囲の一定点となるよ う に動作する こ と を特徴とする表面測定 装置。 .
    7 . 請求項 3乃至 5 のう ちいずれかに記載の表面測定装置におい て、 前記探針に流れる電流を絶体値化する回路を有する こ と を 特徵とする表面測定装置。
    8 . 水平方向掃引手段， 垂直方向掃引手段及び高さ方向駆動手段 と を有し試料と探針の相封位置を変化させる三次元駆動手段と、 上記探針によ り検出される.物理量が一定となるよ う に離動信号 を与えて上記高さ方向駆動手段を制御する制御手段と、 上記高 さ方向駆動手段の駆動信号に基づき上記試料表面の情報を得る 表面測定装置において、 上記高さ方向,躯動手段は耝動手段と徵 動手段と によ リ搆成され、 上記制御手段は、 上記駆動信号を高 周波数成分と低周波数成分に二分する手段と、 上記低周波数成 分に基づき上記粗動作手段を駆動する手段と、 上記高周波数成 分に基づき上記微動手段を駆動する手段と を有する こ と を特徴 " ' とする表面測定装置。
    9 . 探針および試料のう ち少なく とも 1 つを複数の移動手段で支 持し、 試料と探針の相対位置を変化させる搮針移動装置と、 上 記探針 試料との間隙に対応する物理情報を検.出する検出手段 を有する表面測定装置において、 上記複数の移動手段は上記探 針と試料の衝突を險ぐための第 1 の移動手段と上記試料と探針 の相対位置を粗く変化させるための第 2の移動手段を有し、 上 記第 1 の移動手段は上記検出手段によ り検出された物理情報を 用いたサ一ボ回路によ り上記採針と試料との間隙を一定に保ち、 上記第 2 の移動手段はあ らかじめ設定された値の物理情報を検 出する こ とによ り駆動を停止する駆動回路にょ リ躯動され、 上 記第 2 の移動手段を動作させつつ上記サーボ回路を勳作させ、 上記あ らかじめ設定された値の物理情報検出後の上記.第 2 の移 動手段の S答時間の遅れによる移動量を上記第 1 の移動手段に よっ て小さ く する こ と を特徴とする表面測定装置。
    10 . 特許請求の範囲第 9 項記載のものにおいて、 上記駆動回路の 被駆動手段と して尺取 り虫機構を用いたこ と を特徵とする表面 ' ' 測定装置。
    5 11 . 特許請求の範囲第 9項記載のものにおいて、 上記第 2 の移動 丰.段を一定の速度で移動するための手段を有する こ と を特徴と する表面測定装置。
    - 1 2 . 特許請求の範囲第 9項記載のものにおいて、 上記第 2 の移動 手段の駆動回路はあ らかじめ設定された値の信号と検出されて0 ' いる物理情報に対応した信号と を減算回路に入力 して得られる 信号で制御されている こ と を特徴とする表面測定装置。
    13 . 犊許請求の範囲第 9頊記載のものにおいて'、 物理情報を検出 した際に、 上記第 2 の移動手段で使用 している ク ランプ機構を 現状のままで保持する こ と を特徴とする表面測定装置。5
    14 . 特許請求の範囲第 9項のものにおいて、 上記第 2 の移動手段 をシーケンス制御する こ と を特徴とする表面測定装置。
    15 . 特許請求の範囲第 1 4項記載のものにおいて、 シーケ ンス制 御後、 手動操作に切換える丰段を有する こ と を特徴とする表面 測定装置。
    Q
    16 . 特許請求の範囲第 1 0項記載のものにおいて、 尺取 り 虫機構 . の伸縮量を歩幅よ く大き く 設定する こ と を特徴とする表面測定
    17 . 特許請求の範囲第 9項記載のものにおいて移動手段の移動量 を設定する手段を有する こ と を特徴とする表面測定装置- 1 S . 特許請求の範囲第 9項記載のも の において、 1 つの躯動丰段 (32) で複数の被移動手段を別々に駆動する切換え手段を設けたこ と を特徵とする表面測定装置。
    . 特許請求の範囲第 1 5項記載のものにおいて、 物理情報を検 出してシーケンス制御を終了する際、 複数回移動動作を繰り返 し、 得られる物理情報を確認した後にシーケンス制御を終了す る こ と を特徴とする表面測定装置。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    EP0338083A1|1989-10-25|
    EP0338083B1|1995-02-22|
    DE3853155T2|1995-06-14|
    US5001409A|1991-03-19|
    DE3853155D1|1995-03-30|
    EP0338083A4|1992-01-15|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    US4343993A|1979-09-20|1982-08-10|International Business Machines Corporation|Scanning tunneling microscope|CN1037125C|1992-07-10|1998-01-21|山东工业大学|一种检测表面粗糙度的方法及装置|JPS62283542A|1986-06-02|1987-12-09|Hitachi Ltd|High-speed driving piezoelectric element loaded cathode|
    US4870352A|1988-07-05|1989-09-26|Fibertek, Inc.|Contactless current probe based on electron tunneling|JP2775464B2|1989-04-27|1998-07-16|キヤノン株式会社|位置検出装置|
    JP2880182B2|1989-06-09|1999-04-05|株式会社日立製作所|表面顕微鏡|
    US5185572A|1989-09-28|1993-02-09|Olympus Optical Co., Ltd.|Scanning tunneling potentio-spectroscopic microscope and a data detecting method|
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    CA2059990C|1991-01-29|1997-11-25|Shun-Ichi Shido|Moving apparatus, a moving method and an information detection and/or input apparatus using the same|
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    CA2761957A1|2009-05-28|2010-12-02|The Research Foundation Of State University Of New York|Metrology probe and method of configuring a metrology probe|
    法律状态:
    1989-04-20| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
    1989-04-20| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE |
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    优先权:
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