JPH1114634A - 制御装置 - Google Patents
制御装置Info
- Publication number
- JPH1114634A JPH1114634A JP9166852A JP16685297A JPH1114634A JP H1114634 A JPH1114634 A JP H1114634A JP 9166852 A JP9166852 A JP 9166852A JP 16685297 A JP16685297 A JP 16685297A JP H1114634 A JPH1114634 A JP H1114634A
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- Japan
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- probe
- sample
- voltage
- control device
- equation
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 プローブ−試料表面間への電圧印加時に生ず
るプローブと試料表面との接触を防止する制御装置を提
供すること。 【解決手段】 固定櫛形電極3にばね1を介して可動櫛
形電極2及びプローブ4が取り付けられ、固定櫛形電極
3と可動櫛形電極2とが対向している。プローブ4−試
料5表面間への電圧印加時にプローブ4−試料5表面間
に働く静電引力を相殺するように、静電アクチュエータ
あるいは圧電素子を駆動することにより、プローブ4と
試料5表面との接触を防止する。
るプローブと試料表面との接触を防止する制御装置を提
供すること。 【解決手段】 固定櫛形電極3にばね1を介して可動櫛
形電極2及びプローブ4が取り付けられ、固定櫛形電極
3と可動櫛形電極2とが対向している。プローブ4−試
料5表面間への電圧印加時にプローブ4−試料5表面間
に働く静電引力を相殺するように、静電アクチュエータ
あるいは圧電素子を駆動することにより、プローブ4と
試料5表面との接触を防止する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、制御装置に関し、
特に走査プローブ顕微鏡を用いた微細加工技術において
用いられるプローブ位置制御装置に関する。
特に走査プローブ顕微鏡を用いた微細加工技術において
用いられるプローブ位置制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、走査プローブ顕微鏡を用いた微細
加工技術においては、プローブ−試料表面間への電圧パ
ルス印加、プローブによる機械的接触、通電、電気化学
反応等により表面加工を行う。この中で最も一般的に用
いられるのは電圧パルスによるものであり、凸状構造、
凹状構造の形成、及び単原子の除去、付加、移動等が行
われている。一方、走査プローブ顕微鏡はその構造上走
査速度に限界があるために加工速度が遅い。この問題を
解決するために半導体加工技術を用いて形成した集積化
微細走査プローブ顕微鏡を並列に動作させることが提案
されている。
加工技術においては、プローブ−試料表面間への電圧パ
ルス印加、プローブによる機械的接触、通電、電気化学
反応等により表面加工を行う。この中で最も一般的に用
いられるのは電圧パルスによるものであり、凸状構造、
凹状構造の形成、及び単原子の除去、付加、移動等が行
われている。一方、走査プローブ顕微鏡はその構造上走
査速度に限界があるために加工速度が遅い。この問題を
解決するために半導体加工技術を用いて形成した集積化
微細走査プローブ顕微鏡を並列に動作させることが提案
されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】集積化微細走査プロー
ブ顕微鏡においては走査機構として静電駆動型アクチュ
エータが用いられるが、これはコンデンサの静電力とバ
ネの弾性力とのつり合いにより位置を決定している。と
ころが、表面加工を行うためにプローブ−試料表面間に
電圧パルスを印加するとプローブ−試料表面間に静電引
力が働き、プローブが試料表面に接触してしまうという
問題があった。また、走査プローブ顕微鏡のプローブと
して片持ち梁を用いた場合、プローブ−試料間に働く力
と片持ち梁の弾性力とのつり合いにより位置を決定して
いる。そのため、プローブ−試料表面間に電圧パルスを
印加すると、やはり、プローブ−試料表面間に静電引力
が働き、プローブが試料表面に接触してしまうという問
題があった。本発明はプローブ−試料表面間への電圧印
加時に生ずるプローブと試料表面との接触を防止する制
御装置を提供するものである。
ブ顕微鏡においては走査機構として静電駆動型アクチュ
エータが用いられるが、これはコンデンサの静電力とバ
ネの弾性力とのつり合いにより位置を決定している。と
ころが、表面加工を行うためにプローブ−試料表面間に
電圧パルスを印加するとプローブ−試料表面間に静電引
力が働き、プローブが試料表面に接触してしまうという
問題があった。また、走査プローブ顕微鏡のプローブと
して片持ち梁を用いた場合、プローブ−試料間に働く力
と片持ち梁の弾性力とのつり合いにより位置を決定して
いる。そのため、プローブ−試料表面間に電圧パルスを
印加すると、やはり、プローブ−試料表面間に静電引力
が働き、プローブが試料表面に接触してしまうという問
題があった。本発明はプローブ−試料表面間への電圧印
加時に生ずるプローブと試料表面との接触を防止する制
御装置を提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の制御装置は、プ
ローブ−試料表面間への電圧印加時にプローブ−試料表
面間に働く静電引力を相殺するように、静電アクチュエ
ータあるいは圧電素子を同時にあるいは直前に変位させ
ることにより、プローブと試料表面との接触を防止す
る。
ローブ−試料表面間への電圧印加時にプローブ−試料表
面間に働く静電引力を相殺するように、静電アクチュエ
ータあるいは圧電素子を同時にあるいは直前に変位させ
ることにより、プローブと試料表面との接触を防止す
る。
【0005】
(実施例1)本実施例では、静電アクチュエータを用い
た走査トンネル顕微鏡の探針位置制御を行う制御装置の
実施例を示す。図1に本発明の制御装置を示す。本装置
は固定櫛形電極3にばね1を介して可動櫛形電極2及び
プローブ4が取り付けられ、固定櫛形電極3と可動櫛形
電極2とが対向している。固定櫛形電極3と可動櫛形電
極2との間に電圧Vが印加されると、両者間にはαを定
数として数1で表される静電引力f1が作用する。
た走査トンネル顕微鏡の探針位置制御を行う制御装置の
実施例を示す。図1に本発明の制御装置を示す。本装置
は固定櫛形電極3にばね1を介して可動櫛形電極2及び
プローブ4が取り付けられ、固定櫛形電極3と可動櫛形
電極2とが対向している。固定櫛形電極3と可動櫛形電
極2との間に電圧Vが印加されると、両者間にはαを定
数として数1で表される静電引力f1が作用する。
【0006】
【数1】
【0007】また、変位xが生じた時、ばね1の弾性定
数をkとしてばね1により変位を小さくする方向に数2
で表される弾性力f2が作用する。
数をkとしてばね1により変位を小さくする方向に数2
で表される弾性力f2が作用する。
【0008】
【数2】
【0009】そのため、数1及び数2のつり合いによ
り、数3で表されるように変位xが印加電圧Vの関数とし
て決定される。
り、数3で表されるように変位xが印加電圧Vの関数とし
て決定される。
【0010】
【数3】
【0011】そこで、探針4−試料5間を流れるトンネ
ル電流を一定に保つように固定櫛形電極3−可動櫛形電
極2間の電圧を制御装置6を用いて制御することによ
り、探針4−試料5間の距離を一定に保つことができ
る。
ル電流を一定に保つように固定櫛形電極3−可動櫛形電
極2間の電圧を制御装置6を用いて制御することによ
り、探針4−試料5間の距離を一定に保つことができ
る。
【0012】一方、探針4−試料5間に電圧Vaを印加し
た場合、探針4−試料5間には、数4で表される静電引
力f3が作用する。
た場合、探針4−試料5間には、数4で表される静電引
力f3が作用する。
【0013】
【数4】
【0014】ここで、βは、真空の誘電率ε、探針4−
試料5間の距離d、探針4先端の面積Sを用いて数5で表
される。
試料5間の距離d、探針4先端の面積Sを用いて数5で表
される。
【0015】
【数5】
【0016】ここで、電圧印加によって探針4−試料5
間に作用する静電引力を相殺するために、固定櫛形電極
3−可動櫛形電極2間に印加する電圧V'は数6を解くこ
とにより求まる。
間に作用する静電引力を相殺するために、固定櫛形電極
3−可動櫛形電極2間に印加する電圧V'は数6を解くこ
とにより求まる。
【0017】
【数6】
【0018】これを解いて、V'は数7のように求まる。
【0019】
【数7】
【0020】探針4−試料5間への電圧印加時に数7か
ら計算される電圧を固定櫛形電極3−可動櫛形電極2間
に印加することにより、探針4−試料5間距離を一定に
保つことが可能となる。あるいは、V-V'で計算される電
圧を固定櫛形電極3に印加してもよい。
ら計算される電圧を固定櫛形電極3−可動櫛形電極2間
に印加することにより、探針4−試料5間距離を一定に
保つことが可能となる。あるいは、V-V'で計算される電
圧を固定櫛形電極3に印加してもよい。
【0021】本実施例では、走査トンネル顕微鏡を用い
て、探針4−試料5間にパルス電圧Vaの印加を行った場
合に、固定櫛形電極3−可動櫛形電極2間電圧Vを制御
することにより、探針4−試料5間距離dを一定に保っ
た。Vが100V、50V、30Vの時、10VのVaに
対してVをそれぞれ96.8V、43.3V、16.5
Vにすることによりdを維持できた。また、Vが100
V、50V、30Vの時、5VのVaに対してVをそれぞ
れ99.2V、48.4V、27.3Vにすることによ
りdを維持できた。
て、探針4−試料5間にパルス電圧Vaの印加を行った場
合に、固定櫛形電極3−可動櫛形電極2間電圧Vを制御
することにより、探針4−試料5間距離dを一定に保っ
た。Vが100V、50V、30Vの時、10VのVaに
対してVをそれぞれ96.8V、43.3V、16.5
Vにすることによりdを維持できた。また、Vが100
V、50V、30Vの時、5VのVaに対してVをそれぞ
れ99.2V、48.4V、27.3Vにすることによ
りdを維持できた。
【0022】(実施例2)本実施例では、リニア静電ア
クチュエータを用いた走査トンネル顕微鏡の探針位置制
御を行う制御装置の実施例を示す。図2に本発明の制御
装置を示す。本装置は固定櫛形電極13、14にばね1
1を介して可動櫛形電極12及びプローブ15が取り付
けられ、固定櫛形電極13、14と可動櫛形電極12と
が対向している。固定櫛形電極13に電圧Vd、固定櫛形
電極14に電圧-Vd、可動櫛形電極12に電圧Vが印加さ
れると、両者間には数8で表される静電引力f4が作用す
る。
クチュエータを用いた走査トンネル顕微鏡の探針位置制
御を行う制御装置の実施例を示す。図2に本発明の制御
装置を示す。本装置は固定櫛形電極13、14にばね1
1を介して可動櫛形電極12及びプローブ15が取り付
けられ、固定櫛形電極13、14と可動櫛形電極12と
が対向している。固定櫛形電極13に電圧Vd、固定櫛形
電極14に電圧-Vd、可動櫛形電極12に電圧Vが印加さ
れると、両者間には数8で表される静電引力f4が作用す
る。
【0023】
【数8】
【0024】実施例1と同様に、電圧印加によって探針
15−試料16間に作用する静電引力を相殺するため
に、固定櫛形電極13、14及び可動櫛形電極12に印
加する電圧V',Vd'は数9を解くことにより求まる。
15−試料16間に作用する静電引力を相殺するため
に、固定櫛形電極13、14及び可動櫛形電極12に印
加する電圧V',Vd'は数9を解くことにより求まる。
【0025】
【数9】
【0026】Vdを一定とすると、V'は数10のように求
まる。
まる。
【0027】
【数10】
【0028】また、Vを一定とすると、Vd'は数11のよ
うに求まる。
うに求まる。
【0029】
【数11】
【0030】探針15−試料16間への電圧印加時に数
10から計算される電圧を可動櫛形電極12に印加する
ことにより、あるいは数11から計算される電圧を固定
櫛形電極13、14に印加することにより、探針15−
試料16間距離を一定に保つことが可能となる。あるい
は、可動櫛形電極12及び、固定櫛形電極13、14に
印加する電圧を共に数9に基づいて制御してもよい。
10から計算される電圧を可動櫛形電極12に印加する
ことにより、あるいは数11から計算される電圧を固定
櫛形電極13、14に印加することにより、探針15−
試料16間距離を一定に保つことが可能となる。あるい
は、可動櫛形電極12及び、固定櫛形電極13、14に
印加する電圧を共に数9に基づいて制御してもよい。
【0031】本実施例では、走査トンネル顕微鏡を用い
て、探針15−試料16間にパルス電圧Vaの印加を行っ
た場合に、可動櫛形電極12に印加する電圧Vを一定に
保ちながら固定櫛形電極13、14に印加する電圧Vdを
制御することにより、探針15−試料16間距離dを一
定に保った。Vdが30V、Vが100V、50V、30
Vの時、10VのVaに対してVdをそれぞれ28.4V、
26.9V、24.8Vにすることによりdを維持でき
た。Vdが30V、Vが100V、50V、30Vの時、
5VのVaに対してVdをそれぞれ29.6V、29.2
V、28.7Vにすることによりdを維持できた。ま
た、固定櫛形電極13、14に印加する電圧Vdを一定に
保ちながら可動櫛形電極12に印加する電圧Vを制御し
た場合も同様の結果が得られた。
て、探針15−試料16間にパルス電圧Vaの印加を行っ
た場合に、可動櫛形電極12に印加する電圧Vを一定に
保ちながら固定櫛形電極13、14に印加する電圧Vdを
制御することにより、探針15−試料16間距離dを一
定に保った。Vdが30V、Vが100V、50V、30
Vの時、10VのVaに対してVdをそれぞれ28.4V、
26.9V、24.8Vにすることによりdを維持でき
た。Vdが30V、Vが100V、50V、30Vの時、
5VのVaに対してVdをそれぞれ29.6V、29.2
V、28.7Vにすることによりdを維持できた。ま
た、固定櫛形電極13、14に印加する電圧Vdを一定に
保ちながら可動櫛形電極12に印加する電圧Vを制御し
た場合も同様の結果が得られた。
【0032】(実施例3)本実施例では、圧電素子及び
片持ち梁を用いた原子間力顕微鏡の探針位置制御を行う
制御装置の実施例を示す。図3に本発明の制御装置を示
す。本装置はXY走査及びZ位置制御用の圧電素子21
の一端に試料22が取り付けられ、試料22に対向して
片持ち梁23が存在する。通常は片持ち梁23の変位を
変位センサ24により検知し、制御装置25を通して変
位が一定となるように圧電素子21を上下することによ
り、片持ち梁23と試料22との距離を一定に制御す
る。この時、試料22−片持ち梁23間に働く力f5と片
持ち梁23の変位x'による弾性力f6=k x'はつり合って
いる。一方、表面加工を行う場合は、制御装置25を通
して試料22−片持ち梁23間に電圧Vを印加する。こ
の時、試料22−片持ち梁23間には数12で表される
静電引力f7が作用する。
片持ち梁を用いた原子間力顕微鏡の探針位置制御を行う
制御装置の実施例を示す。図3に本発明の制御装置を示
す。本装置はXY走査及びZ位置制御用の圧電素子21
の一端に試料22が取り付けられ、試料22に対向して
片持ち梁23が存在する。通常は片持ち梁23の変位を
変位センサ24により検知し、制御装置25を通して変
位が一定となるように圧電素子21を上下することによ
り、片持ち梁23と試料22との距離を一定に制御す
る。この時、試料22−片持ち梁23間に働く力f5と片
持ち梁23の変位x'による弾性力f6=k x'はつり合って
いる。一方、表面加工を行う場合は、制御装置25を通
して試料22−片持ち梁23間に電圧Vを印加する。こ
の時、試料22−片持ち梁23間には数12で表される
静電引力f7が作用する。
【0033】
【数12】
【0034】ここで、$\beta$は、真空の誘電率ε、試
料22−片持ち梁23間の距離d、片持ち梁23先端の
面積Sを用いて、数5で表される定数である。静電引力
による試料22−片持ち梁23間距離dのずれを相殺す
るために必要な圧電素子21の変位量xはf5+f6+f7=0を
解くことにより数13のように求まる。
料22−片持ち梁23間の距離d、片持ち梁23先端の
面積Sを用いて、数5で表される定数である。静電引力
による試料22−片持ち梁23間距離dのずれを相殺す
るために必要な圧電素子21の変位量xはf5+f6+f7=0を
解くことにより数13のように求まる。
【0035】
【数13】
【0036】試料22−片持ち梁23間への電圧印加時
あるいは直前に式(13)から計算される距離だけ圧電
素子21を変位させることにより、試料22−片持ち梁
23間距離を一定に保つことが可能となる。
あるいは直前に式(13)から計算される距離だけ圧電
素子21を変位させることにより、試料22−片持ち梁
23間距離を一定に保つことが可能となる。
【0037】本実施例では、原子間力顕微鏡を用いて、
試料22−片持ち梁23間にパルス電圧Vの印加を行っ
た場合に、圧電素子21の変位を制御することにより、
試料22−片持ち梁23間距離を一定に保った。この系
ではkは1 N/m、βは10の-9乗N/V/Vであり、1V、10
V、30Vの電圧を印加した場合に、圧電素子21をそ
れぞれ、1nm、100nm、1000nm変位させる
ことにより試料22−片持ち梁23間距離を維持でき
た。
試料22−片持ち梁23間にパルス電圧Vの印加を行っ
た場合に、圧電素子21の変位を制御することにより、
試料22−片持ち梁23間距離を一定に保った。この系
ではkは1 N/m、βは10の-9乗N/V/Vであり、1V、10
V、30Vの電圧を印加した場合に、圧電素子21をそ
れぞれ、1nm、100nm、1000nm変位させる
ことにより試料22−片持ち梁23間距離を維持でき
た。
【0038】
【発明の効果】本発明によれば、プローブ−試料表面間
への電圧印加時に生ずるプローブと試料表面との接触を
防止する制御装置が実現できる。
への電圧印加時に生ずるプローブと試料表面との接触を
防止する制御装置が実現できる。
【図1】静電アクチュエータを用いた走査トンネル顕微
鏡の探針位置制御を行う制御装置を示す図。
鏡の探針位置制御を行う制御装置を示す図。
【図2】リニア静電アクチュエータを用いた走査トンネ
ル顕微鏡の探針位置制御を行う制御装置を示す図。
ル顕微鏡の探針位置制御を行う制御装置を示す図。
【図3】圧電素子を用いた走査トンネル顕微鏡の探針位
置制御を行う制御装置を示す図。
置制御を行う制御装置を示す図。
1、11…ばね、2、12…可動櫛形電極、3、13、
14…固定櫛形電極、4、15…探針、5、16、22
…試料、6、17、25…制御装置、23…片持ち梁、
24…変位センサ。
14…固定櫛形電極、4、15…探針、5、16、22
…試料、6、17、25…制御装置、23…片持ち梁、
24…変位センサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三矢 宗久 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者 石橋 雅義 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内
Claims (5)
- 【請求項1】ばねを介して可動櫛形電極および探針が取
り付けられた固定櫛形電極を有し、固定櫛形電極と可動
櫛形電極とは対向して探針−試料間距離制御アクチュエ
ータを形成し、探針−試料間距離制御アクチュエータを
用いた走査プローブ顕微鏡の探針−試料間への電圧印加
による探針−試料間距離の変化を、探針−試料間距離制
御アクチュエータへの電圧印加により補正し、探針−試
料間距離を所定の値に保つことを特徴とする制御装置。 - 【請求項2】走査プローブ顕微鏡として探針−試料間距
離制御アクチュエータに静電アクチュエータを用いたこ
とを特徴とする請求項1記載の制御装置。 - 【請求項3】走査プローブ顕微鏡として探針−試料間距
離制御アクチュエータにリニア静電アクチュエータを用
いたことを特徴とする請求項1記載の制御装置。 - 【請求項4】走査プローブ顕微鏡として片持ち梁を用い
たことを特徴とする請求項1記載の制御装置。 - 【請求項5】走査プローブ顕微鏡として探針−試料間距
離制御アクチュエータに圧電素子を用いたことを特徴と
する請求項4記載の制御装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9166852A JPH1114634A (ja) | 1997-06-24 | 1997-06-24 | 制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9166852A JPH1114634A (ja) | 1997-06-24 | 1997-06-24 | 制御装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1114634A true JPH1114634A (ja) | 1999-01-22 |
Family
ID=15838852
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9166852A Pending JPH1114634A (ja) | 1997-06-24 | 1997-06-24 | 制御装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH1114634A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007505329A (ja) * | 2003-06-11 | 2007-03-08 | アジレント・テクノロジーズ・インク | 走査型プローブ顕微鏡 |
US7242129B2 (en) | 2004-12-16 | 2007-07-10 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Piezoelectric and electrostatic microelectromechanical system actuator |
CN100360984C (zh) * | 2004-05-28 | 2008-01-09 | 三星电机株式会社 | 转动型梳状驱动致动器以及使用该致动器的可变光学衰减器 |
-
1997
- 1997-06-24 JP JP9166852A patent/JPH1114634A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007505329A (ja) * | 2003-06-11 | 2007-03-08 | アジレント・テクノロジーズ・インク | 走査型プローブ顕微鏡 |
CN100360984C (zh) * | 2004-05-28 | 2008-01-09 | 三星电机株式会社 | 转动型梳状驱动致动器以及使用该致动器的可变光学衰减器 |
US7242129B2 (en) | 2004-12-16 | 2007-07-10 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Piezoelectric and electrostatic microelectromechanical system actuator |
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