(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査型プローブ顕微鏡と、その試料台に固定された基準格子と、当該走査型プローブ顕微鏡の走査系の移動部および変位測定対象にそれぞれ装着された反射鏡の間に構成された光学干渉計と、その光学干渉計からの干渉光信号の変化を打ち消すように上記走査型プローブ顕微鏡の走査量を制御する制御手段と、上記走査型プローブ顕微鏡の走査による基準格子の像を基準スケールに用いて当該走査型プローブ顕微鏡の走査系の移動量を計測し、その計測結果をもとに変位測定対象の微小変位量を算出する演算手段を備えてなる微小変位量測定機構。
【請求項２】
走査型プローブ顕微鏡と、その試料台に固定された基準格子と、当該走査型プローブ顕微鏡の走査系の移動部および移動対象にそれぞれ装着された反射鏡の間に構成された光学干渉計と、上記走査型プローブ顕微鏡の走査系の移動部に対して走査信号を供給して得られる基準格子の像を基準スケールに用いて、当該走査型プローブ顕微鏡の走査系を所定量移動させたときに得られる干渉光信号の変化を打ち消すように、移動対象を移動させる駆動手段を備えてなる微小量移動機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の変位量を原子スケールの精度で測定することのできる微小変位量測定機構と、物体を原子スケールの精度で移動させることのできる微小量移動機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子スケールの微小距離移動ないしは微小変位量を計測するための機構としては、従来、Ｘ線干渉計を用いた構成等が知られている。
【０００３】
また、近年、走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡の探針と、温調したシリコン結晶等の基準格子を用いた測長および移動機構が研究されている（川勝他「結晶格子を用いた測長と位置決め」、生産研究４３巻１１号（１９９１．１１）。この研究においては、走査型プローブ顕微鏡においてｘｙ方向に移動する試料台の表面側および裏面側のそれぞれに、ｚ方向への移動機能を持つ探針を設けるとともに、試料台の表面側に被測定試料を、裏面側にはスケール基準となる結晶格子を装着して、表面側の探針を通常の走査探針として用いる一方、裏面側の探針により結晶格子の像を観察して、その結晶格子構造の像を目盛りとして用いて、表面側の走査探針と被測定試料（試料台）との刻々の位置情報を得るようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来の微小変位量の計測機構のうち、Ｘ線干渉計を用いたものでは装置構成が大がかりとなり、また、走査型プローブ顕微鏡の試料台の表裏両面に探針を設けて、一方の探針による結晶格子の観察像を基準スケールとして試料台の移動量を計測する方法では、試料台以外の任意の位置に置かれた物体の変位量を測定することはできない。
【０００５】
本発明の目的は、構成が大がかりとなることなく、任意の物体の変位を原子スケールの精度のもとに測定することのできる微小変位量測定機構と、同じく任意の物体を原子スケールの精度で移動させることのできる微小量移動機構を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る微小変位量測定機構は、その実施の形態を表す図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１と、その試料台１１に固定された基準格子２と、当該走査型プローブ顕微鏡１の走査系の移動部（例えば試料台１１）および変位測定対象Ｗにそれぞれ装着された反射鏡３１，３２の間に構成された光学干渉計３と、その光学干渉計３からの干渉光信号に応じて走査型プローブ顕微鏡１の走査量を制御する制御手段４と、走査型プローブ顕微鏡１の走査による基準格子２の像を基準スケールに用いて当該走査型プローブ顕微鏡１の走査系の移動量を計測し、その計測結果をもとに変位測定対象Ｗの微小変位量を算出する演算手段５を備えていることによって特徴づけられる。
【０００７】
以上の構成において、変位測定対象ＷがＡ方向に変位すると、光学干渉計３からの干渉光信号が変化する。制御手段４により、この干渉光信号の変化を打ち消すように走査型プローブ顕微鏡１の走査系を駆動する。この走査時において、走査型プローブ顕微鏡１は、その本来の機能に基づく探針１２のｚ方向への駆動制御手段により、試料台１１に固定された基準格子２の表面凹凸に応じて探針１２をｚ方向に駆動制御し、基準格子２の表面像を得る。基準格子２の表面像は、走査系の駆動方向への原子スケールの基準目盛りとなり得るから、その表面像データを取り込む演算手段５においては、走査型プローブ顕微鏡１の走査系のｘ方向への移動量を原子スケールで把握することができる。また、この走査系のｘ方向への移動量は、変位測定対象ＷのＡ方向への移動による干渉光信号の変化を打ち消すように制御されているが故に、変位測定対象ＷのＡ方向への移動量と一定の関係にあるから、変位測定対象Ｗのｘ方向への変位量を原子スケールで算出することができる。
【０００８】
一方、本発明の請求項２に係る微小量移動機構は、その実施の形態を表す図２に示すように、走査型プローブ顕微鏡１と、その試料台１１に固定された基準格子２と、当該走査型プローブ顕微鏡１の走査系の移動部（例えば試料台１１）および移動対象  にそれぞれ装着された反射鏡３１，３２の間に構成された光学干渉計３と、走査型プローブ顕微鏡１の走査系の移動部に対して走査信号を供給して得られる基準格子の像を基準スケールに用いて、当該走査型プローブ顕微鏡の走査系を所定量移動させたときに得られる干渉光信号の変化を打ち消すように、移動対象Ｐを移動させる駆動手段  を備えていることによって特徴づけられる。
【０００９】
このような構成において、走査型プローブ顕微鏡１の走査系を走査すると、光学干渉計３からの干渉光信号が変化する。駆動手段  は、この変化を打ち消すように移動対象Ｐを移動させる。走査型プローブ顕微鏡１の走査系の走査量は、前述したようにその走査時における基準格子２の顕微鏡像から原子スケールで把握できから、その情報をもとに走査系を所望量走査させることにより、移動対象Ｐを原子スケールの分解能で移動させることができる。
【００１０】
ここで、以上の各請求項に係る発明において、光学干渉計３としてレーザ干渉計を用いれば、光路の空気のゆらぎや試料台１１の温度変化による変動が緩やかな場合、上記した各構成により原子スケールの短時間安定性が得られ、短い変位に対しては、干渉光信号の精度を原子スケール程度にすることは十分に可能である。また、適当な環境制御によりその安定性および再現性はより長時間化、長距離化することも可能である。
【００１１】
本発明において、走査型プローブ顕微鏡１としては、走査型トンネル顕微鏡および原子間力顕微鏡等を用いることができ、基準格子２としては、例えばシリコン結晶等を用いることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の微小変位量測定機構の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。この実施の形態においては、説明を簡素化するために、変位測定対象Ｗの１次元方向への変位を測定する場合の例について述べる。
【００１３】
走査型プローブ顕微鏡１は、この例において走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）とし、試料台１１にｘｙ走査系駆動部１３を設けるとともに、探針１２にｚ方向駆動部１４を設けている。なお、各駆動部１３，１４はそれぞれ圧電素子をアクチュエータとしている。
【００１４】
探針１２と基準格子２との間にはトンネル電圧電源１５により電位差が与えられ、その電位差により探針１２と基準格子２との間に流れるトンネル電流は、トンネル電流増幅回路１６によって増幅された後、ｚ方向サーボ回路１７に導入される。ｚ方向サーボ回路１７は、トンネル電流増幅回路１６から出力されるトンネル電流の検出信号があらかじめ設定された一定値となるように、ｚ方向駆動部１４に対して駆動制御信号を供給する。このｚ方向サーボ回路１７からｚ方向駆動部１４に対して供給される駆動制御信号は、一定の微小時間ごとにメモリ１８に格納される。
【００１５】
ｘｙ走査系駆動部１３は、この例においてはｘ方向への走査のみが変位測定に供され、そのｘ方向への走査はｘ方向サーボ回路４からの制御信号によって制御される。
【００１６】
さて、試料台１１の側面には反射鏡３１が固着されているとともに、変位測定対象Ｗの一面にも反射鏡３２が固着されている。この２つの反射鏡３１と３２は、マイケルソン型光学干渉系３の構成要素を形成している。
【００１７】
すなわち、反射鏡３１に対向してレーザ光源３３が配設されているとともに、反射鏡３２に対向して受光部３４が配置されている。そして、反射鏡３１とレーザ光源３３の間で、かつ、反射鏡３２と受光部３４の間には、半透鏡３５が配置されている。このような構成において、レーザ光源３３からの出力光は反射鏡３５により反射鏡３１と３２に導かれるとともに、反射鏡３１に導かれて反射した光は半透鏡３５により受光部３４に導かれる。また、反射鏡３２に導かれて反射した光は半透鏡３５により受光部３４に導かれる。このような構成により、受光部３４への入射光は干渉縞を含んだ光干渉信号となる。この干渉縞は、反射鏡３１がｘ方向に移動するか、反射鏡３２がＡ方向に移動することによってずれる。
【００１８】
受光部３４による光干渉信号の光電変換信号は、走査型プローブ顕微鏡１のｘｙ走査系駆動部１３のｘ方向への走査を制御するｘ方向サーボ回路４に供給される。ｘ方向サーボ回路４では、その受光部３４による光干渉信号の検出信号に含まれる干渉縞成分が一定となるように、つまり受光部３４への入射光の干渉縞がずれないように、走査型プローブ顕微鏡１のｘｙ走査系駆動部１３をｘ方向に駆動させるべく制御信号を供給する。
【００１９】
このｘ方向への制御信号は、メモリ１８の内容とともに演算部５に取り込まれる。演算部５では、メモリ１８に記憶されている探針１２のｚ方向への刻々の駆動制御データと、試料台１１のｘ方向への駆動制御信号とから、後述する手法によって変位測定対象ＷのＡ方向への変位量を算出する。
【００２０】
さて、以上の構成において、変位測定対象ＷがＡ方向任意の向きに変位すると、光学干渉計３の受光部３４に入射する光の干渉縞がずれるから、これを打ち消すように試料台１１がｘ方向に変位測定対象Ｗの変位の向きに応じた向きに移動する。この移動により、探針１２は基準格子２の表面をｘ方向に走査することになり、メモリ１８には基準格子２のｘ方向への表面凹凸に係る時系列情報、換言すればｘ方向への１次元のＳＴＭ像に係る時系列情報が格納されていく。演算部５では、試料台１１のｘ方向への駆動制御信号から、試料台１１の移動の向きを認識するとともに、メモリ１８の基準格子２の凹凸情報を基準目盛りとして、試料台１１の移動量を算出する。この試料台１１の移動量は変位測定対象Ｗの変位量と一定の関係があるから、変位測定対象Ｗの変位量を求めることができる。そして、ｘ方向への駆動制御信号により把握した試料台１１の移動の向きから、変位測定対象Ｗの変位の向きを認識することができる。基準格子２の凹凸情報は原子スケールの精度を有しており、従って、演算部５では、変位測定対象Ｗの変位量とその向きを原子スケールの精度のもとに算出することができる。
【００２１】
次に、本発明の微小量駆動機構の実施の形態について述べる。図２はその機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す構成図である。
【００２２】
この例は、図１に示した微小変位量測定機構の実施の形態と多くの構成上の類似点があり、従ってこの図２では、図１と同等の部材ないしは機能を有する部分は同一の符号を付して、個々の詳細な説明は省略する。また、この例においても、説明を簡素化するために、移動対象ＰをＡ方向の１次元方向に移動させる場合について述べる。
【００２３】
この微小量駆動機構の実施の形態では、図１と同じ走査型トンネル顕微鏡１と基準格子２、およびマイケルソン型光学干渉計３を備えているが、マイケルソン型光学干渉計３の一方の反射鏡３２は移動対象Ｐに固着される。また、この図２の構成においては、走査型トンネル顕微鏡１のｘｙ走査系駆動部１３には、操作部６の操作により出力されるｘ方向走査信号が供給される。また、走査型トンネル顕微鏡１の探針１２のｚ方向駆動部１４に対して供給されるｚ方向サーボ回路１７からの駆動制御信号は、図１と同様にメモリ１８に取り込まれるが、このメモリ１８には、上記したｘ方向走査信号からの走査信号も併せて取り込まれ、ＣＲＴ１９にリアルタイムで表示される。従って、このＣＲＴ１９には、基準格子２のｘ方向への１次元状のＳＴＭ像が表示されることになる。
【００２４】
また、移動対象Ｐは例えば圧電素子等をアクチュエータとする駆動機構７によってＡ方向に変位が与えられるとともに、その駆動機構７はＡ方向サーボ回路８からの駆動制御信号によって制御される。そして、このＡ方向サーボ回路８は、受光部３４による干渉光信号の光電変換信号に含まれる干渉縞成分が一定となるように、つまり受光部３４への入射光の干渉縞がずれないように、駆動機構７に対して制御信号を供給する。
【００２５】
以上の構成において、操作部６を操作して試料台１１をｘ方向に移動させると、受光部３４への入射光の干渉縞がずれる。このずれを打ち消すように、Ａ方向サーボ回路８が駆動機構７に対して駆動制御信号を供給し、移動対象Ｐを移動させる。試料台１１のｘ方向への移動量は、ＣＲＴ１９に表示される基準格子２のｘ方向へのＳＴＭ像に基づき、その凹凸のピッチを基準スケールとして把握できるから、このＣＲＴ１９の画像を見ながら操作部６を操作することにより、移動対象Ｐを原子スケールの精度で所望の量だけ移動させることができる。
【００２６】
なお、以上の例ではＣＲＴ１９のＳＴＭ像を見ながら操作部６を操作することで移動対象Ｐを所望量だけ移動させたが、メモリ１８に刻々と格納されていくデータからＳＴＭ像の凹凸の数を自動的にカウントするとともに、操作部６に代えて移動量の設定器を設け、その設定器で設定された量と上記のカウント値との関係に基づき、凹凸のピッチを基準スケールとして設定量だけ自動的に移動対象Ｐを移動させるように構成することもできる。
【００２７】
また、図１に示した微小変位量測定機構の実施の形態、および図２に示した微小量移動機構の実施の形態においては、変位量測定対象Ｗおよび移動対象Ｐの変位ないしは移動を１次元方向に測定または制御する例を述べたが、本発明はこれに限定されることなく、２次元ないしは３次元方向の測定ないしは制御に拡張することができる。この場合、各次元ごとに上記の各実施の形態で示した構成を採用してもよいが、例えば図３に光学系の構成を模式的に示すように、１台の走査型トンネル顕微鏡１のｘおよびｙ方向の走査機能を利用するとともに、その試料台１１と変位量測定対象Ｗ（または移動対象Ｐ）の各直交２面にそれぞれ反射鏡３１ａ，３１ｂおよび３２ａ，３２ｂを固着し、これらと２つの光源３３ａ，３３ｂ、２つの受光部３４ａ，３４ｂ、および２つの半透鏡３５ａ，３５ｂ、並びに、各光を適宜の位置に導く反射鏡Ｍまたは光ファイバーによって２つの光学干渉計３ａ，３ｂを構成すれば、１台の走査型トンネル顕微鏡１によって２次元の独立的な微小変位量測定機構ないしは微小量移動機構を構築することができる。なお、３次元化のためには、走査型トンネル顕微鏡はもう１台必要となる。
【００２８】
更に、本発明は微小角度の測定ないしは旋回にも応用することができる。すなわち、図４にその場合の要部構成例を模式的に示すように、Ａ方向に移動可能な図１における変位量測定対象Ｗないしは図２における移動対象Ｐを、軸Ｓを中心として回動自在の対象物Ｑに対して所定方向から接触させる。これにより、変位量測定対象Ｗまたは移動対象ＰのＡ方向への変位量と、軸Ｓを中心とする対象物Ｑの旋回角度とが一対一で対応することになり、対象物Ｑの微小旋回角度の測定ないしは対象物Ｑの微小角度の旋回制御が可能となる。
【００２９】
なお、本発明は走査型トンネル顕微鏡に代えて、原子間力顕微鏡等の他の走査型プローブ顕微鏡を用い得ることは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の微小変位量測定機構によれば、走査型プローブ顕微鏡の試料台に基準格子を固定するとともに、その顕微鏡の走査系の移動部と測定対象とに反射鏡を装着して、これらで光学干渉計を構築し、測定対象の変位による干渉縞のずれを打ち消す向きに走査型プローブ顕微鏡を走査し、その走査量を基準格子の顕微鏡像を基準目盛りとして把握することにより、測定対象の変位を原子スケールの精度で測定することができる。
【００３１】
また、本発明の微小量移動機構によれば、上記と同様に走査型プローブ顕微鏡の試料台に基準格子を固定し、その顕微鏡の走査系の移動部と移動対象とに反射鏡を装着して、これらで光学干渉計を構築し、走査系の走査による干渉縞のずれを打ち消す向きに移動対象を移動させる駆動系を設け、顕微鏡による基準格子像を基準目盛りとして走査型プローブ顕微鏡の走査系を所望量だけ走査することにより、移動対象を原子スケールの精度で移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微小変位量測定機構の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図
【図２】本発明の微小量移動機構の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図
【図３】本発明の微小変位量測定機構および微小量移動機構を２次元化する場合の実施の形態の光学系の構成を示す模式図
【図４】本発明の微小変位量測定機構および微小量移動機構を、物体の微小旋回角度の測定機構ないしは微小角度の旋回機構に応用する場合の要部構成を示す模式図
【符号の説明】
１  走査型トンネル顕微鏡
１１  試料台
１２  探針
１３  ｘｙ走査系駆動部
１４  ｚ方向駆動部
１５  トンネル電圧電源
１６  トンネル電流増幅回路
１７  ｚ方向サーボ回路
１８  メモリ
１９  ＣＲＴ
２  基準格子
３  光学干渉計
３１，３２  反射鏡
３３  レーザ光源
３４  受光部
３５  半透鏡
４  ｘ方向サーボ回路
５  演算部
６  操作部
７  駆動機構
８  Ａ方向サーボ回路
Ｗ  変位量測定対象
Ｐ  移動対象
【図１】
0003617242.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003617242.tif 000004
【図４】
0003617242.tif 000005