JPH1114634A - 制御装置 - Google Patents
制御装置Info
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- 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
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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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