結晶格子とレーザ干渉計を複合したメートル定義に直結した小型絶対測長器の開発

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13650114
• Research Institution: Nagaoka University of Technology
• Principal Investigator: 明田川 正人 長岡技術科学大学, 工学部, 助教授 (10231854)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高田 孝次 長岡技術科学大学, 工学部, 教授 (80126474)
• Keywords: サブナノメートル / SPM(STM / AFM) / 結晶格子 / 長さ標準 / レーザ干渉計 / トレーサビリティ

Research Abstract

本研究は、ナノテクノロジを支援するため、ナノメートル以下の精度をもちかつメートル定義に直結する測長法の開発を目指すものである。結晶格子表面の格子間隔とレーザ干渉計の波長をそれぞれ微調・粗調基準とする測長法である。以下の研究成果を得た。
(1)超精密・超安定レーザ干渉計制御システムの開発
光路差が波長の整数倍をピコメートル分解能で決定できる位相変調ホモダイン光路差増倍差動型レーザ干渉計を試作開発した。またこのレーザ干渉計の情報を基に、試料台(ステージ)の変位を制御するシステムを高速DSPと高精度AD/DA変換器を用いて開発した。
(2)超精密直動ステージと高安定走査型トンネル顕微鏡の開発
直動性、剛性(共振周波数)、走査範囲がそれぞれ、0.2秒以下、2kHz以上、10μm以上となる超精密直動ステージとこれを試料台とする高安定な走査型トンネル顕微鏡(STM)を開発した。この両者の組み合わせで、外乱(振動と音響)の比較的多い環境下でも、高配向焼結グラファイト(HOPG)結晶格子表面の原子像を容易に観察することが出来た。
(3)グラファイト結晶格子表面の格子間隔測定
(1)(2)で開発した機器を組み合わせ、グラファイト結晶格子表面の格子間隔の精密測定を試みた。測定不確かさをピコメートル以下として、格子間隔約0.25ナノメートルを測定可能とすることが出来た。さらなる不確かさ低減のための間題点を抽出することが出来た。
(4)複合型絶対測長機の試作
位相変調ホモダイン光路差増倍差動型レーザ干渉計、デュアルステージ、高安定STM/AFMヘッド、恒温真空セルを複合した小型絶対測長機を試作した。
以上の結果より、結晶格子とレーザ干渉計を複合した絶対測長法の基本要素技術を開発した。

Research Products

• [Publications] 渡辺友典, P.Perkkumsup, 定方心, 明田川正人, 高田孝次: "結晶格子表面の格子定数測定装置の試作(第3報:位相変調ホモダイン干渉計の導入)"2001年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 632 (2001)
• [Publications] 渡辺友典, P.Perkkumsup, 定方心, 明田川正人, 高田孝次: "結晶格子表面の格子定数測定装置の試作(第4報:格子間隔の試行測定)"2002年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 721 (2002)
• [Publications] Masato Aketagawa, Pongpun Rerhhumsup, Koji Takada, Toshio: "Compact Absolute Length Mesuring Machine by Combining Regular Crystalline Surface and Laser Interferometry"Proc. of the 16th Annual Meeting of the American Society for Precision Engineering, Arlington, Virginia, USA. 107-110 (2001)
• [Publications] Masato Aketagawa, Pongpun Rerkkumsup, Koji Takada: "Direct measurement of lattice spacing on regular crystalline surface using scanning tunneling microscope and laser inetrferometry"Proc. of the 17th Annual Meeting of the American Society for Precision Engineering, St. Louis, Missouri, USA. 373-376 (2002)
• [Publications] Pongpun Perkkumsup, Masato Aketagawa, Koji Takada, Tomonori: "Direct measurement instrument for lattice spacing on regular crystalline surface using a scanning tunneling microscope and laser interferometry"Review of Scientific Instruments. 74. 1205-1210 (2003)