JPH04556B2 - - Google Patents
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- JPH04556B2 JPH04556B2 JP61226285A JP22628586A JPH04556B2 JP H04556 B2 JPH04556 B2 JP H04556B2 JP 61226285 A JP61226285 A JP 61226285A JP 22628586 A JP22628586 A JP 22628586A JP H04556 B2 JPH04556 B2 JP H04556B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric elements
- sample
- guide body
- upper clamp
- piezoelectric element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
- Details Of Measuring And Other Instruments (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、電子顕微鏡やトンネル顕微鏡等の精
密測定機器に用いられる試料位置微小移動機構に
関するもので、特に、圧電素子によつて試料台の
位置を制御するようにした、試料微動機構に関す
るものである。
密測定機器に用いられる試料位置微小移動機構に
関するもので、特に、圧電素子によつて試料台の
位置を制御するようにした、試料微動機構に関す
るものである。
（従来の技術）
最近、ｎｍ（ナノメートル）オーダーの極めて
高い分解能を有する顕微鏡として走査型トンネル
顕微鏡が開発され、表面物理学の分野のみなら
ず、精密加工、超電導、医学、生物学などの広範
な応用分野において注目を浴びている。
高い分解能を有する顕微鏡として走査型トンネル
顕微鏡が開発され、表面物理学の分野のみなら
ず、精密加工、超電導、医学、生物学などの広範
な応用分野において注目を浴びている。
この走査型トンネル顕微鏡というのは、トンネ
ル電流を利用して試料表面の凹凸を観察するよう
にしたものである。先端を1μｍ（マイクロメー
トル）程度に細く研摩したタングステン等の金属
探針を、清浄化したシリコン結晶等の試料表面に
1nｍ程度にまで近づけ、その探針と試料との間
に数ミリボルトから数ボルトのバイアス電圧を加
えると、その間にはトンネル電流が流れる。この
トンネル電流は、探針と試料表面との間の距離に
大きく依存し、その距離に対して指数関数的に変
化する。したがつて、探針を試料表面に沿つて移
動させながら、トンネル電流値が一定に保たれる
ように探針の位置を制御すれば、その制御信号を
利用して試料表面の高さの変化を求めることがで
きる。そして、その探針を試料表面に沿つてＸ方
向及びＹ方向に２次元的に走査することにより、
試料表面の３次元的画像を得ることができる。
ル電流を利用して試料表面の凹凸を観察するよう
にしたものである。先端を1μｍ（マイクロメー
トル）程度に細く研摩したタングステン等の金属
探針を、清浄化したシリコン結晶等の試料表面に
1nｍ程度にまで近づけ、その探針と試料との間
に数ミリボルトから数ボルトのバイアス電圧を加
えると、その間にはトンネル電流が流れる。この
トンネル電流は、探針と試料表面との間の距離に
大きく依存し、その距離に対して指数関数的に変
化する。したがつて、探針を試料表面に沿つて移
動させながら、トンネル電流値が一定に保たれる
ように探針の位置を制御すれば、その制御信号を
利用して試料表面の高さの変化を求めることがで
きる。そして、その探針を試料表面に沿つてＸ方
向及びＹ方向に２次元的に走査することにより、
試料表面の３次元的画像を得ることができる。
このような原理に基づく走査型トンネル顕微鏡
によれば、試料表面の凹凸を、垂直方向で、
0.01nｍ、水平方向で0.2〜0.3nｍという非常に高
い精度で、しかも非破壊的に測定することができ
る。
によれば、試料表面の凹凸を、垂直方向で、
0.01nｍ、水平方向で0.2〜0.3nｍという非常に高
い精度で、しかも非破壊的に測定することができ
る。
ところで、このようなトンネル顕微鏡によつて
試料を観察する場合には、あらかじめ探針と試料
表面との間の距離を、その間にトンネル電流が流
れるだけの大きさにセツトする必要がある。通
常、そのセツトは、試料を載置した試料台を移動
させることによつて行われる。また、試料の観察
位置を変える場合にも、試料台を移動させる。
試料を観察する場合には、あらかじめ探針と試料
表面との間の距離を、その間にトンネル電流が流
れるだけの大きさにセツトする必要がある。通
常、そのセツトは、試料を載置した試料台を移動
させることによつて行われる。また、試料の観察
位置を変える場合にも、試料台を移動させる。
このように試料台を移動させる機構として、従
来は、送りねじ機構やクロスローラガイド機構等
の機械的機構が用いられていた。
来は、送りねじ機構やクロスローラガイド機構等
の機械的機構が用いられていた。
（発明が解決しようとする問題点）
しかしながら、そのような機械的試料移動機構
では、バツクラツシユやクロストーク等を完全に
除去することができないので、精密な位置制御は
極めて難しい。特に上述のようなトンネル顕微鏡
の場合には、ｎｍオーダーの位置制御が求められ
るが、機械的機構ではそのような制御はほとんど
不可能となつている。
では、バツクラツシユやクロストーク等を完全に
除去することができないので、精密な位置制御は
極めて難しい。特に上述のようなトンネル顕微鏡
の場合には、ｎｍオーダーの位置制御が求められ
るが、機械的機構ではそのような制御はほとんど
不可能となつている。
そのために、走査型トンネル顕微鏡において
は、機械的な試料移動機構によつて試料台を移動
させた後、圧電素子からなる探針走査機構によつ
て探針を微小移動させるようにしている。しかし
ながら、圧電素子の伸縮ストロークは極めて小さ
いので、そのようにした場合にも、探針走査機構
によつて位置決めできる範囲に試料をセツトする
ことは極めて難しいものとなつている。また、そ
のように探針走査機構によつて探針と試料との間
の関係位置を決定するようにした場合には、その
探針を移動させた分だけ走査領域が狭められてし
まうという問題もある。
は、機械的な試料移動機構によつて試料台を移動
させた後、圧電素子からなる探針走査機構によつ
て探針を微小移動させるようにしている。しかし
ながら、圧電素子の伸縮ストロークは極めて小さ
いので、そのようにした場合にも、探針走査機構
によつて位置決めできる範囲に試料をセツトする
ことは極めて難しいものとなつている。また、そ
のように探針走査機構によつて探針と試料との間
の関係位置を決定するようにした場合には、その
探針を移動させた分だけ走査領域が狭められてし
まうという問題もある。
試料移動機構に圧電素子を用いるようにすれば
よいのであるが、単に圧電素子によつて試料台を
移動させるようにするだけでは、十分なストロー
クが得られないので、厚さの異なる種々の試料に
対応させることはできない。
よいのであるが、単に圧電素子によつて試料台を
移動させるようにするだけでは、十分なストロー
クが得られないので、厚さの異なる種々の試料に
対応させることはできない。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたもの
であつて、その目的は、試料台を、極めて精密に
位置制御することができ、しかも、比較的大きな
ストロークで移動させることができるようにする
ことである。
であつて、その目的は、試料台を、極めて精密に
位置制御することができ、しかも、比較的大きな
ストロークで移動させることができるようにする
ことである。
（問題点を解決するための手段）
この目的を達成するために、本発明では、Ｘ方
向及びＹ方向に圧電素子が取り付けられた上部ク
ランプ台と下部クランプ台とを、Ｚ方向に伸縮す
る圧電素子によつて連結し、Ｘ方向及びＹ方向の
圧電素子を伸長させたとき、その上部あるいは下
部クランプ台がガイド体に固定されるようにして
いる。Ｘ方向及びＹ方向の圧電素子は、それぞ
れ、互いに反対方向に伸縮する一対の圧電素子に
よつて構成されている。
向及びＹ方向に圧電素子が取り付けられた上部ク
ランプ台と下部クランプ台とを、Ｚ方向に伸縮す
る圧電素子によつて連結し、Ｘ方向及びＹ方向の
圧電素子を伸長させたとき、その上部あるいは下
部クランプ台がガイド体に固定されるようにして
いる。Ｘ方向及びＹ方向の圧電素子は、それぞ
れ、互いに反対方向に伸縮する一対の圧電素子に
よつて構成されている。
そして、第１番目の発明では、ガイド体がベー
スに固定されるとともに、上部及び下部クランプ
台がそのガイド体に沿つて移動し得るものとさ
れ、その上部クランプ台に試料台が設けられてい
る。
スに固定されるとともに、上部及び下部クランプ
台がそのガイド体に沿つて移動し得るものとさ
れ、その上部クランプ台に試料台が設けられてい
る。
また、第２番目の発明では、下部クランプ台が
ベースに固定されるとともに、ガイド体が可動と
され、そのガイド体に試料台が設けられている。
ベースに固定されるとともに、ガイド体が可動と
され、そのガイド体に試料台が設けられている。
（作用）
このように構成することにより、例えば上部ク
ランプ台の圧電素子を伸長させてそのクランプ台
をガイド体に固定するとともに、下部クランプ台
の圧電素子を収縮させ、上部クランプ台と下部ク
ランプ台とを連結するＺ方向の圧電素子を伸縮さ
せれば、下部クランプ台とガイド体との相対位置
が変化する。して、その状態で下部クランプ台を
ガイド体に固定するとともに、上部クランプ台の
圧電素子を収縮させ、Ｚ方向の圧電素子を伸縮さ
せれば、今度は上部クランプ台とガイド体との相
対位置が変化する。
ランプ台の圧電素子を伸長させてそのクランプ台
をガイド体に固定するとともに、下部クランプ台
の圧電素子を収縮させ、上部クランプ台と下部ク
ランプ台とを連結するＺ方向の圧電素子を伸縮さ
せれば、下部クランプ台とガイド体との相対位置
が変化する。して、その状態で下部クランプ台を
ガイド体に固定するとともに、上部クランプ台の
圧電素子を収縮させ、Ｚ方向の圧電素子を伸縮さ
せれば、今度は上部クランプ台とガイド体との相
対位置が変化する。
したがつて、このような動作を繰り返すことに
より、第１番面の発明の場合には上部及び下部ク
ランプ台がガイド体に沿つて移動することにな
り、上部クランプ台に設けられている試料台が移
動する。また、第２番目の発明の場合にはガイド
体が移動することになり、そのガイド体に設けら
れている試料台が移動する。その全移動量は、ガ
イド体の長さによつて定められる。したがつて、
ガイド体を長いものとすることによつて、試料台
の移動ストロークは十分に長くすることができ
る。しかも、Ｚ方向の圧電素子に加える電圧を制
御することによつて、その位置は極めて精密に制
御される。
より、第１番面の発明の場合には上部及び下部ク
ランプ台がガイド体に沿つて移動することにな
り、上部クランプ台に設けられている試料台が移
動する。また、第２番目の発明の場合にはガイド
体が移動することになり、そのガイド体に設けら
れている試料台が移動する。その全移動量は、ガ
イド体の長さによつて定められる。したがつて、
ガイド体を長いものとすることによつて、試料台
の移動ストロークは十分に長くすることができ
る。しかも、Ｚ方向の圧電素子に加える電圧を制
御することによつて、その位置は極めて精密に制
御される。
そして、上部及び下部クランプ台の各一対のＸ
方向圧電素子あるいはＹ方向圧電素子に加える電
圧をそれぞれ異ならせれば、それらの伸長量に差
が生じることになり、上部及び下部クランプ台を
ガイド体に固定した状態で、試料台をＸ方向ある
いはＹ方向に微小移動させることができる。
方向圧電素子あるいはＹ方向圧電素子に加える電
圧をそれぞれ異ならせれば、それらの伸長量に差
が生じることになり、上部及び下部クランプ台を
ガイド体に固定した状態で、試料台をＸ方向ある
いはＹ方向に微小移動させることができる。
（実施例）
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。
る。
図中、第１図は本発明による試料微動機構の一
実施例を示すもので、その試料微動機構を備えた
顕微鏡の縦断側面図であり、第２図はその試料微
動機構の可動部の斜視図である。
実施例を示すもので、その試料微動機構を備えた
顕微鏡の縦断側面図であり、第２図はその試料微
動機構の可動部の斜視図である。
第１図から明らかなように、走査型電子顕微鏡
の試料室内には、送りねじ機構等によつて紙面に
平行なＸ方向及び紙面に垂直なＹ方向に移動され
るベース１が設けられている。このベース１上に
は、円筒状のガイド体２が固定されている。この
ガイド体２は、電子顕微鏡の固定部に取り付けら
れたクランプ用圧電素子３によつて、Ｘ−Ｙ平面
内の任意の位置で固定されるようになつている。
の試料室内には、送りねじ機構等によつて紙面に
平行なＸ方向及び紙面に垂直なＹ方向に移動され
るベース１が設けられている。このベース１上に
は、円筒状のガイド体２が固定されている。この
ガイド体２は、電子顕微鏡の固定部に取り付けら
れたクランプ用圧電素子３によつて、Ｘ−Ｙ平面
内の任意の位置で固定されるようになつている。
ガイド体２の上面には、走査型トンネル顕微鏡
の探針４をＸ方向、Ｙ方向、及びそれらに垂直な
Ｚ方向に微小移動させ得る探針走査機構５が取り
付けられている。その探針走査機構５は、それぞ
れＸ，Ｙ，Ｚ方向に伸縮する複数個の圧電素子に
よつて構成されている。
の探針４をＸ方向、Ｙ方向、及びそれらに垂直な
Ｚ方向に微小移動させ得る探針走査機構５が取り
付けられている。その探針走査機構５は、それぞ
れＸ，Ｙ，Ｚ方向に伸縮する複数個の圧電素子に
よつて構成されている。
トンネル顕微鏡の探針４は、その先端に電子顕
微鏡の対物レンズ６によつて電子ビーム７を照射
し得る範囲に位置するようにされている。そし
て、その電子ビーム７の照射によつて放出される
二次電子８が、電子顕微鏡の二次電子検出器９に
よつて検出されるようになつている。
微鏡の対物レンズ６によつて電子ビーム７を照射
し得る範囲に位置するようにされている。そし
て、その電子ビーム７の照射によつて放出される
二次電子８が、電子顕微鏡の二次電子検出器９に
よつて検出されるようになつている。
ガイド体２は、試料微動機構１１の固定部とさ
れている。そして、そのガイド体２の内部に、試
料微動機構１１の可動部が設けられている。その
可動部は、第１，２図から明らかなように、円板
状の上部クランプ台１２と下部クランプ台１３と
を有するもので、その上部クランプ台１２には、
Ｘ方向の両側面からそれぞれ突出する第１圧電素
子X1，X2と、Ｙ方向の両側面からそれぞれ突出
する第２圧電素子Y1，Y2とが取り付けられてい
る。したがつて、これら第１圧電素子X1，X2は
Ｘ方向の直線上において互いに反対方向に伸縮
し、第２圧電素子Y1，Y2はＹ方向の直線上にお
いて互いに反対方向に伸縮するものとされてい
る。
れている。そして、そのガイド体２の内部に、試
料微動機構１１の可動部が設けられている。その
可動部は、第１，２図から明らかなように、円板
状の上部クランプ台１２と下部クランプ台１３と
を有するもので、その上部クランプ台１２には、
Ｘ方向の両側面からそれぞれ突出する第１圧電素
子X1，X2と、Ｙ方向の両側面からそれぞれ突出
する第２圧電素子Y1，Y2とが取り付けられてい
る。したがつて、これら第１圧電素子X1，X2は
Ｘ方向の直線上において互いに反対方向に伸縮
し、第２圧電素子Y1，Y2はＹ方向の直線上にお
いて互いに反対方向に伸縮するものとされてい
る。
下部クランプ台１３にも、第１圧電素子X1，
X2と同様な第３圧電素子X3，X4及び第２圧電素
子Y1，Y2と同様な第４圧電素子Y3，Y4が取り付
けられている。
X2と同様な第３圧電素子X3，X4及び第２圧電素
子Y1，Y2と同様な第４圧電素子Y3，Y4が取り付
けられている。
こうして、第１及び第２圧電素子X1，X2；
Y1，Y2を伸長させたときには、それらがガイド
体２の内面に圧着されて上部クランプ台１２がガ
イド体２に固定され、第３及び第４圧電素子X3，
X4；Y3，Y4を伸長させたときには、下部クラン
プ台１３がガイド体２に固定されるようになつて
いる。また、それらの圧電素子X1〜X4，Y1〜Y4
を収縮させたときには、各クランプ台１２，１３
がガイド体２に対して自由に昇降し得るようにな
つている。
Y1，Y2を伸長させたときには、それらがガイド
体２の内面に圧着されて上部クランプ台１２がガ
イド体２に固定され、第３及び第４圧電素子X3，
X4；Y3，Y4を伸長させたときには、下部クラン
プ台１３がガイド体２に固定されるようになつて
いる。また、それらの圧電素子X1〜X4，Y1〜Y4
を収縮させたときには、各クランプ台１２，１３
がガイド体２に対して自由に昇降し得るようにな
つている。
これらの圧電素子X1〜X4，Y1〜Y4には、第３
図に示されているような制御装置によつて電圧が
加えられるようになつている。すなわち、一方の
第１圧電素子X1の＋極にはスイツチS1を介して
＋Ｖの電位が与えられ、他方の第１圧電素子X2
の−極にはスイツチS2を介して−Ｖの電位が与え
られるようになつている。そして、一方の第１圧
電素子X1の−極及び他方の第１圧電素子X2の＋
極には、微動制御電位ΔVxが与えられるようにな
つている。その微動制御電位ΔVxは、０を中心と
して一定範囲で変化させ得るようにされている。
こうして、一方の第１圧電素子X1にはＶ−ΔVx
の電圧が加えられ、他方の第１圧電素子X2には
Ｖ＋ΔVxの電圧が加えられるようになつている。
図に示されているような制御装置によつて電圧が
加えられるようになつている。すなわち、一方の
第１圧電素子X1の＋極にはスイツチS1を介して
＋Ｖの電位が与えられ、他方の第１圧電素子X2
の−極にはスイツチS2を介して−Ｖの電位が与え
られるようになつている。そして、一方の第１圧
電素子X1の−極及び他方の第１圧電素子X2の＋
極には、微動制御電位ΔVxが与えられるようにな
つている。その微動制御電位ΔVxは、０を中心と
して一定範囲で変化させ得るようにされている。
こうして、一方の第１圧電素子X1にはＶ−ΔVx
の電圧が加えられ、他方の第１圧電素子X2には
Ｖ＋ΔVxの電圧が加えられるようになつている。
第２圧電素子Y1，Y2、第３圧電素子X3，X4、
第４圧電素子Y3，Y4も同様に接続されている。
そして、第３圧電素子X3，X4には、第１圧電素
子X1，X2と同じ微動制御電位ΔVxが与えられる
ようになつている。また、第２圧電素子Y1，Y2
に与えられる微動制御電位ΔVyと同じ微動制御電
位が第４圧電素子Y3，Y4にも与えられるように
なつている。更に、第２圧電素子Y1，Y2のスイ
ツチS1，S2は、第１圧電素子X1，X2のスイツチ
S1，S2を開閉する制御信号と同じ制御信号によつ
て開閉され、第３圧電素子X3，X4のスイツチS3，
S4及び第４圧電素子Y3，Y4のスイツチS3，S4も、
それぞれ同一の制御信号によつて開閉されるよう
になつている。
第４圧電素子Y3，Y4も同様に接続されている。
そして、第３圧電素子X3，X4には、第１圧電素
子X1，X2と同じ微動制御電位ΔVxが与えられる
ようになつている。また、第２圧電素子Y1，Y2
に与えられる微動制御電位ΔVyと同じ微動制御電
位が第４圧電素子Y3，Y4にも与えられるように
なつている。更に、第２圧電素子Y1，Y2のスイ
ツチS1，S2は、第１圧電素子X1，X2のスイツチ
S1，S2を開閉する制御信号と同じ制御信号によつ
て開閉され、第３圧電素子X3，X4のスイツチS3，
S4及び第４圧電素子Y3，Y4のスイツチS3，S4も、
それぞれ同一の制御信号によつて開閉されるよう
になつている。
第１，２図に示されているように、上部クラン
プ台１２と下部クランプ台１３とは、Ｚ方向に伸
縮する第５圧電素子Z1によつて互いに連結されて
いる。この第５圧電素子Z1には、第１及び第２圧
電素子X1，X2；Y1，Y2あるいは第３及び第４圧
電素子X3，X4；Y3，Y4への電圧印加時期に対し
て所定のタイミングで、制御装置から制御電圧が
加えられるようになつている。
プ台１２と下部クランプ台１３とは、Ｚ方向に伸
縮する第５圧電素子Z1によつて互いに連結されて
いる。この第５圧電素子Z1には、第１及び第２圧
電素子X1，X2；Y1，Y2あるいは第３及び第４圧
電素子X3，X4；Y3，Y4への電圧印加時期に対し
て所定のタイミングで、制御装置から制御電圧が
加えられるようになつている。
上部クランプ台１２上には、試料が載置される
試料台１４が設けられている。
試料台１４が設けられている。
次に、このように構成された試料微動機構１１
の作用について説明する。
の作用について説明する。
試料を観察するときには、試料微動機構１１の
可動部を下降させた状態で、試料台１４上に試料
を載置する。そして、まず、スイツチS1，S2を開
き、スイツチS3，S4を閉じる。このとき、微動制
御電位ΔVx，ΔVyはともに０としておく。する
と、第１及び第２圧電素子X1，X2；Y1，Y2が収
縮し、第３及び第４圧電素子X3，X4；Y3，Y4が
伸長する。それによつて、上部クランプ台１２が
自由状態となるとともに、下部クランプ台１３が
ガイド体２に固定される。
可動部を下降させた状態で、試料台１４上に試料
を載置する。そして、まず、スイツチS1，S2を開
き、スイツチS3，S4を閉じる。このとき、微動制
御電位ΔVx，ΔVyはともに０としておく。する
と、第１及び第２圧電素子X1，X2；Y1，Y2が収
縮し、第３及び第４圧電素子X3，X4；Y3，Y4が
伸長する。それによつて、上部クランプ台１２が
自由状態となるとともに、下部クランプ台１３が
ガイド体２に固定される。
そこで、第５圧電素子Z1に電圧を加える。する
と、その第５圧電素子Z1が伸長し、上部クランプ
台１２が上昇する。
と、その第５圧電素子Z1が伸長し、上部クランプ
台１２が上昇する。
次いで、スイツチS1，S2を閉じ、スイツチS3，
S4を開く。すると、第１及び第２圧電素子X1，
X2；Y1，Y2が伸長して、上部クランプ台１２が
その位置でガイド体２に固定されるとともに、第
３及び第４圧電素子X3，X4；Y3，Y4が収縮し
て、下部クランプ台１２が自由状態となる。そこ
で、第５圧電素子Z1に加えられていた電圧を除去
する。それによつて、第５圧電素子Z1が収縮し、
下部クランプ台１３が上昇する。
S4を開く。すると、第１及び第２圧電素子X1，
X2；Y1，Y2が伸長して、上部クランプ台１２が
その位置でガイド体２に固定されるとともに、第
３及び第４圧電素子X3，X4；Y3，Y4が収縮し
て、下部クランプ台１２が自由状態となる。そこ
で、第５圧電素子Z1に加えられていた電圧を除去
する。それによつて、第５圧電素子Z1が収縮し、
下部クランプ台１３が上昇する。
その状態で、再び下部クランプ台１３をガイド
体２に固定するとともに、上部クランプ台１２を
自由状態にする。そして、第５圧電素子Z1を伸長
させる。すると、上部クランプ台１２が更に上昇
する。
体２に固定するとともに、上部クランプ台１２を
自由状態にする。そして、第５圧電素子Z1を伸長
させる。すると、上部クランプ台１２が更に上昇
する。
このような動作を繰り返すことによつて、試料
台１４が上昇し、試料が探針４に接近する。この
ときには、第５圧電素子Z1に加える電圧を小さく
して、その圧電素子Z1の伸縮量が小さくなるよう
にし、微調整が行われるようにする。
台１４が上昇し、試料が探針４に接近する。この
ときには、第５圧電素子Z1に加える電圧を小さく
して、その圧電素子Z1の伸縮量が小さくなるよう
にし、微調整が行われるようにする。
こうして、探針４と試料との間にトンネル電流
が流れるようになると、その状態で第１〜第４圧
電素子X1〜X4，Y1〜Y4をすべて伸長させ、上部
クランプ台１２及び下部クランプ台１３をともに
ガイド体２に固定する。
が流れるようになると、その状態で第１〜第４圧
電素子X1〜X4，Y1〜Y4をすべて伸長させ、上部
クランプ台１２及び下部クランプ台１３をともに
ガイド体２に固定する。
そして、この状態で走査型電子顕微鏡により試
料を観察する。試料の観察位置を変えるときに
は、その電子顕微鏡のベース１をＸ−Ｙ平面内で
移動させることにより、試料台１４をＸ−Ｙ平面
内で移動させる。
料を観察する。試料の観察位置を変えるときに
は、その電子顕微鏡のベース１をＸ−Ｙ平面内で
移動させることにより、試料台１４をＸ−Ｙ平面
内で移動させる。
試料を更に拡大して観察する必要があるときに
は、その観察部位が探針４の先端部にほぼ位置す
るように試料台１４を位置決めする。そして、そ
の位置で、クランプ用圧電素子３によつてガイド
体２を固定する。次いで、第１及び第３圧電素子
X1〜X4に与えられる微動制御電位ΔVxと、第２
及び第４圧電素子Y1〜Y4に与えられる微動制御
電位ΔVyとを適宜変化させる。すると、一方の第
１及び第３圧電素子X1，X3と他方の第１及び第
３圧電素子X2，X4との伸長量、一方の第２及び
第４圧電素子Y1，Y3と他方の第２及び第４圧電
素子Y2，Y4との伸長量がそれぞれ異なるものと
なる。その結果、上部及び下部クランプ台１２，
１３がガイド体２に固定された状態を保つたま
ま、試料台１４がＸ−Ｙ平面内で微小移動され
る。
は、その観察部位が探針４の先端部にほぼ位置す
るように試料台１４を位置決めする。そして、そ
の位置で、クランプ用圧電素子３によつてガイド
体２を固定する。次いで、第１及び第３圧電素子
X1〜X4に与えられる微動制御電位ΔVxと、第２
及び第４圧電素子Y1〜Y4に与えられる微動制御
電位ΔVyとを適宜変化させる。すると、一方の第
１及び第３圧電素子X1，X3と他方の第１及び第
３圧電素子X2，X4との伸長量、一方の第２及び
第４圧電素子Y1，Y3と他方の第２及び第４圧電
素子Y2，Y4との伸長量がそれぞれ異なるものと
なる。その結果、上部及び下部クランプ台１２，
１３がガイド体２に固定された状態を保つたま
ま、試料台１４がＸ−Ｙ平面内で微小移動され
る。
このようにして、試料の拡大観察部位を探針４
の先端部に正確に位置させることができる。
の先端部に正確に位置させることができる。
次いで、探針走査機構５を作動させ、探針４の
Ｚ方向の位置を微調整して、探針４と試料との間
に流れるトンネル電流が所定の値となるようにす
る。そして、探針４をＸ−Ｙ平面で走査させなが
ら、そのトンネル電流が一定の値に保たれるよう
に探針４のＺ方向の位置を制御する。その制御信
号を画像処理することにより、電子顕微鏡によつ
て観察した試料の同一部位の拡大画像を得ること
ができる。
Ｚ方向の位置を微調整して、探針４と試料との間
に流れるトンネル電流が所定の値となるようにす
る。そして、探針４をＸ−Ｙ平面で走査させなが
ら、そのトンネル電流が一定の値に保たれるよう
に探針４のＺ方向の位置を制御する。その制御信
号を画像処理することにより、電子顕微鏡によつ
て観察した試料の同一部位の拡大画像を得ること
ができる。
このように、この試料微動機構１１によれば、
ガイド体２の長さに応じた距離だけ大きく試料台
１４をＺ方向に移動させることができるととも
に、探針４と試料との間にトンネル電流が流れる
程度にまで、すなわちｎｍオーダーで、試料のＺ
方向の位置を制御することができる。また、試料
のＸ方向及びＹ方向の位置も、ｎｍオーダーで微
調整することができる。
ガイド体２の長さに応じた距離だけ大きく試料台
１４をＺ方向に移動させることができるととも
に、探針４と試料との間にトンネル電流が流れる
程度にまで、すなわちｎｍオーダーで、試料のＺ
方向の位置を制御することができる。また、試料
のＸ方向及びＹ方向の位置も、ｎｍオーダーで微
調整することができる。
そして、ガイド体２を円筒状のものとするとと
もに、上部及び下部クランプ台１２，１３を円板
状のものとしているので、それらを高い精度で加
工することができる。したがつて、高精度の位置
制御が可能となる。しかも、円筒状のガイド体２
の内部に可動部を収容するようにしているので、
その可動部を小形化することができる。
もに、上部及び下部クランプ台１２，１３を円板
状のものとしているので、それらを高い精度で加
工することができる。したがつて、高精度の位置
制御が可能となる。しかも、円筒状のガイド体２
の内部に可動部を収容するようにしているので、
その可動部を小形化することができる。
第４図は、本発明の第２番目による試料微動機
構の一実施例を示す斜視図である。
構の一実施例を示す斜視図である。
この図から明らかなように、この実施例におい
ては、ガイド体２は円柱状のものとされ、その外
周側に、リング状の上部クランプ台１２と下部ク
ランプ台１３とが設けられている。上部クランプ
台１２には、Ｘ方向の直線上に、その内周面から
突出する一対の第１圧電素子X1，X2が取り付け
られ、Ｙ方向の直線上に、同じく内周面から突出
する一対の第２圧電素子Y1，Y2が取り付けられ
ている。これらの圧電素子X1，X2及びY1，Y2
は、中心側のガイド体２に向かつて同時に伸縮
し、伸長したときにはガイド体２に固定され、収
縮したときには自由状態となるようにされてい
る。
ては、ガイド体２は円柱状のものとされ、その外
周側に、リング状の上部クランプ台１２と下部ク
ランプ台１３とが設けられている。上部クランプ
台１２には、Ｘ方向の直線上に、その内周面から
突出する一対の第１圧電素子X1，X2が取り付け
られ、Ｙ方向の直線上に、同じく内周面から突出
する一対の第２圧電素子Y1，Y2が取り付けられ
ている。これらの圧電素子X1，X2及びY1，Y2
は、中心側のガイド体２に向かつて同時に伸縮
し、伸長したときにはガイド体２に固定され、収
縮したときには自由状態となるようにされてい
る。
下部クランプ台１３にも、第１圧電素子X1，
X2と同様の第３圧電素子X3，X4及び第２圧電素
子Y1，Y2と同様な第４圧電素子Y3，Y4が取り付
けられている。
X2と同様の第３圧電素子X3，X4及び第２圧電素
子Y1，Y2と同様な第４圧電素子Y3，Y4が取り付
けられている。
そして、上部クランプ台１２と下部クランプ台
１３とは、Ｚ方向に伸縮する複数本の第５圧電素
子Z1によつて連結されている。
１３とは、Ｚ方向に伸縮する複数本の第５圧電素
子Z1によつて連結されている。
下部クランプ台１３はベース１に固定されてい
る。また、ガイド体２は可動とされ、その上面に
よつて試料台１４が形成されている。
る。また、ガイド体２は可動とされ、その上面に
よつて試料台１４が形成されている。
その他の構成は、第１〜３図の実施例とほぼ同
様である。ただし、この場合には、探針走査機構
５はガイド体２とは別個の支持台によつてベース
１に支持されている。
様である。ただし、この場合には、探針走査機構
５はガイド体２とは別個の支持台によつてベース
１に支持されている。
このように構成された試料微動機構１１におい
ては、上部クランプ台１２の第１及び第２圧電素
子X1，X2；Y1，Y2を収縮させて上部クランプ台
１２を自由状態とするとともに、下部クランプ台
１３の第３及び第４圧電素子X3，X4；Y3，Y4を
伸長させて下部クランプ台１３をガイド体２に固
定し、第５圧電素子Z1を収縮させると、ガイド体
２はその位置のままで、上部クランプ台１２が下
降する。そこで、上部クランプ台１２をガイド体
２に固定するとともに、下部クランプ台１３をガ
イド体２から離し、第５圧電素子Z1を伸長させる
と、上部クランプ台１２が押し上げられ、それに
伴つてガイド体２が引き上げられる。
ては、上部クランプ台１２の第１及び第２圧電素
子X1，X2；Y1，Y2を収縮させて上部クランプ台
１２を自由状態とするとともに、下部クランプ台
１３の第３及び第４圧電素子X3，X4；Y3，Y4を
伸長させて下部クランプ台１３をガイド体２に固
定し、第５圧電素子Z1を収縮させると、ガイド体
２はその位置のままで、上部クランプ台１２が下
降する。そこで、上部クランプ台１２をガイド体
２に固定するとともに、下部クランプ台１３をガ
イド体２から離し、第５圧電素子Z1を伸長させる
と、上部クランプ台１２が押し上げられ、それに
伴つてガイド体２が引き上げられる。
このような動作を繰り返すことによつて、第１
〜３図の実施例と同様に、試料台１４が大きく上
昇する。また、第５圧電素子Z1に加えられる電圧
を制御することによつて、その試料台１４のＺ方
向の位置を微調整することができる。更に、Ｘ方
向の圧電素子X1，X3とX2，X4、Ｙ方向の圧電素
子Y1，Y2とY2，Y4に加えられる電圧を異ならせ
ることによつて、試料台１４のＸ方向及びＹ方向
の位置を微調整することができる。
〜３図の実施例と同様に、試料台１４が大きく上
昇する。また、第５圧電素子Z1に加えられる電圧
を制御することによつて、その試料台１４のＺ方
向の位置を微調整することができる。更に、Ｘ方
向の圧電素子X1，X3とX2，X4、Ｙ方向の圧電素
子Y1，Y2とY2，Y4に加えられる電圧を異ならせ
ることによつて、試料台１４のＸ方向及びＹ方向
の位置を微調整することができる。
このような試料微動機構１１によれば、ベース
１上に長いガイド体２を固定する必要がないの
で、ベース１より上方の高さを小さくすることが
できる。したがつて、走査型電子顕微鏡の試料室
内のスペースを有効に利用することができるよう
になる。また、クランプ台１２，１３及び圧電素
子X1〜X4，Y1〜Y4，Z1がベース１によつて支持
されるので、これらの重量についての設計の自由
度が増大する。そして、ガイド体２をアルミ等の
軽合金によつて形成し、軽量のものとすることに
より、その移動がスムーズに行われるようにな
り、位置制御の精度が一層高められる。
１上に長いガイド体２を固定する必要がないの
で、ベース１より上方の高さを小さくすることが
できる。したがつて、走査型電子顕微鏡の試料室
内のスペースを有効に利用することができるよう
になる。また、クランプ台１２，１３及び圧電素
子X1〜X4，Y1〜Y4，Z1がベース１によつて支持
されるので、これらの重量についての設計の自由
度が増大する。そして、ガイド体２をアルミ等の
軽合金によつて形成し、軽量のものとすることに
より、その移動がスムーズに行われるようにな
り、位置制御の精度が一層高められる。
なお、上記実施例においては、その試料微動機
構１１が、走査型電子顕微鏡の試料室内に組み込
まれた走査型トンネル顕微鏡に用いられるものと
しているが、その試料微動機構１１は、単独の走
査型電子顕微鏡あるいはトンネル顕微鏡に用いて
も、極めて有用なものである。また、顕微鏡に限
らず、その他の精密測定機器に用いることもでき
る。そのような場合には、Ｚ方向が水平方向等と
されることもある。したがつて、「上部クランプ
台」、「下部クランプ台」という用語は、単に区別
するために用いられているだけであつて、必ずし
もその位置関係をいうものではない。
構１１が、走査型電子顕微鏡の試料室内に組み込
まれた走査型トンネル顕微鏡に用いられるものと
しているが、その試料微動機構１１は、単独の走
査型電子顕微鏡あるいはトンネル顕微鏡に用いて
も、極めて有用なものである。また、顕微鏡に限
らず、その他の精密測定機器に用いることもでき
る。そのような場合には、Ｚ方向が水平方向等と
されることもある。したがつて、「上部クランプ
台」、「下部クランプ台」という用語は、単に区別
するために用いられているだけであつて、必ずし
もその位置関係をいうものではない。
第１，２図の実施例のように、ガイド体２の内
部にクランプ台１２，１３を設ける場合にも、第
４図の実施例のようにガイド体２を可動とすると
ともに、下部クランプ台１３をベース１に固定
し、ガイド体２に試料台１４を設けるようにする
こともできる。また、第４図の実施例のように、
クランプ台１２，１３の内側にガイド体２を設け
る場合にも、第１，２図の実施例のようにそのガ
イド体２をベース１に固定するとともに、クラン
プ台１２，１３がそのガイド体２に沿つて移動す
るようにすることもできる。
部にクランプ台１２，１３を設ける場合にも、第
４図の実施例のようにガイド体２を可動とすると
ともに、下部クランプ台１３をベース１に固定
し、ガイド体２に試料台１４を設けるようにする
こともできる。また、第４図の実施例のように、
クランプ台１２，１３の内側にガイド体２を設け
る場合にも、第１，２図の実施例のようにそのガ
イド体２をベース１に固定するとともに、クラン
プ台１２，１３がそのガイド体２に沿つて移動す
るようにすることもできる。
（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、試料台を移動させる駆動機構として圧電素子
を用いるようにしているので、精密な位置制御が
できるとともに、遠隔操作によつて移動量や移動
方向等のすべての制御を容易に行うことができる
ようになる。
ば、試料台を移動させる駆動機構として圧電素子
を用いるようにしているので、精密な位置制御が
できるとともに、遠隔操作によつて移動量や移動
方向等のすべての制御を容易に行うことができる
ようになる。
また、Ｚ方向に伸縮する圧電素子を繰り返して
伸縮させることによつて試料台をＺ方向に移動さ
せるようにしているので、その移動量を十分に大
きくすることが可能となり、任意の厚さの試料に
対応させることができるとともに、試料台への試
料の設置等も容易なものとすることができる。
伸縮させることによつて試料台をＺ方向に移動さ
せるようにしているので、その移動量を十分に大
きくすることが可能となり、任意の厚さの試料に
対応させることができるとともに、試料台への試
料の設置等も容易なものとすることができる。
更に、上部及び下部クランプ台を、Ｘ方向の直
線上において互いに反対方向に伸縮する一対の圧
電素子とＹ方向の直線上において互いに反対方向
に伸縮する一対の圧電素子とによつてガイド体に
固定するようにしているので、その伸長量を異な
らせることによつて、試料台をＸ方向及びＹ方向
に移動させることもできる。
線上において互いに反対方向に伸縮する一対の圧
電素子とＹ方向の直線上において互いに反対方向
に伸縮する一対の圧電素子とによつてガイド体に
固定するようにしているので、その伸長量を異な
らせることによつて、試料台をＸ方向及びＹ方向
に移動させることもできる。
第１図は、本発明による試料微動機構を備えた
顕微鏡の一実施例を示す縦断側面図、第２図は、
その試料微動機構の可動部を示す斜視図、第３図
は、その試料微動機構における圧電素子の制御装
置の回路図、第４図は、本発明による試料微動機
構の他の実施例を示す斜視図である。 １……ベース、２……ガイド体、１１……試料
微動機構、１２……上部クランプ台、１３……下
部クランプ台、１４……試料台、X1，X2……第
１圧電素子、Y1，Y2……第２圧電素子、X3，X4
……第３圧電素子、Y3，Y4……第４圧電素子、
Z1……第５圧電素子。
顕微鏡の一実施例を示す縦断側面図、第２図は、
その試料微動機構の可動部を示す斜視図、第３図
は、その試料微動機構における圧電素子の制御装
置の回路図、第４図は、本発明による試料微動機
構の他の実施例を示す斜視図である。 １……ベース、２……ガイド体、１１……試料
微動機構、１２……上部クランプ台、１３……下
部クランプ台、１４……試料台、X1，X2……第
１圧電素子、Y1，Y2……第２圧電素子、X3，X4
……第３圧電素子、Y3，Y4……第４圧電素子、
Z1……第５圧電素子。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ Ｘ方向の直線上において互いに反対方向に伸
縮する一対の第１圧電素子及びそれに直交するＹ
方向の直線上において互いに反対方向に伸縮する
一対の第２圧電素子がそれぞれ取り付けられてい
る上部クランプ台と、 これら第１及び第２圧電素子とそれぞれ同様な
第３及び第４圧電素子が取り付けられているとと
もに、前記Ｘ，Ｙ方向に直交するＺ方向に伸縮す
る第５圧電素子によつて前記上部クランプ台に連
結されている下部クランプ台と、 前記第１ないし第４圧電素子が収縮していると
きにはそれらの圧電素子に対して微小間隔を置い
て対面するように配置され、その第１及び第２圧
電素子を伸長させたとき、それらが圧着すること
によつて前記上部クランプ台が固定され、第３及
び第４圧電素子を伸長させたときにはそれらが圧
着することによつて前記下部クランプ台が固定さ
れるガイド体と、 前記第１ないし第５圧電素子のそれぞれに加え
られる電圧を制御する制御装置と、 を備え、 前記ガイド体がベースに固定されているととも
に、前記上部クランプ台に試料台が設けられてい
る、 試料微動機構。 ２ Ｘ方向の直線上において互いに反対方向に伸
縮する一対の第１圧電素子及びそれに直交するＹ
方向の直線上において互いに反対方向に伸縮する
一対の第２圧電素子がそれぞれ取り付けられてい
る上部クランプ台と、 これら第１及び第２圧電素子とそれぞれ同様な
第３及び第４圧電素子が取り付けられているとと
もに、前記Ｘ，Ｙ方向に直交するＺ方向に伸縮す
る第５圧電素子によつて前記上部クランプ台に連
結されている下部クランプ台と、 前記第１ないし第４圧電素子が収縮していると
きにはそれらの圧電素子に対して微小間隔を置い
て対面するように配置され、その第１及び第２圧
電素子を伸長させたとき、それらが圧着すること
によつて前記上部クランプ台が固定され、第３及
び第４圧電素子を伸長させたときにはそれらが圧
着することによつて前記下部クランプ台が固定さ
れるガイド体と、 前記第１ないし第５圧電素子のそれぞれに加え
られる電圧を制御する制御装置と、 を備え、 前記下部クランプ台がベースに固定されている
とともに、前記ガイド体が可動とされ、そのガイ
ド体に試料台が設けられている、 試料微動機構。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61226285A JPS6382389A (ja) | 1986-09-26 | 1986-09-26 | 試料微動機構 |
| US07/101,233 US4798989A (en) | 1986-09-26 | 1987-09-24 | Scanning tunneling microscope installed in electron microscope |
| DE19873732426 DE3732426A1 (de) | 1986-09-26 | 1987-09-25 | In ein elektronenmikroskop eingebautes rastertunnelmikroskop |
| GB8722573A GB2197752B (en) | 1986-09-26 | 1987-09-25 | Prove moving mechanism |
| GB9014054A GB2232294B (en) | 1986-09-26 | 1990-06-25 | Scanning electron microscope. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61226285A JPS6382389A (ja) | 1986-09-26 | 1986-09-26 | 試料微動機構 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6382389A JPS6382389A (ja) | 1988-04-13 |
| JPH04556B2 true JPH04556B2 (ja) | 1992-01-07 |
Family
ID=16842816
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61226285A Granted JPS6382389A (ja) | 1986-09-26 | 1986-09-26 | 試料微動機構 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6382389A (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6069593A (ja) * | 1983-09-26 | 1985-04-20 | オムロン株式会社 | 微動ステ−ジ機構 |
-
1986
- 1986-09-26 JP JP61226285A patent/JPS6382389A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6382389A (ja) | 1988-04-13 |
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