JP2534442B2 - 二重たわみ部材キャリッジ及び二重たわみ部材組立体 - Google Patents

二重たわみ部材キャリッジ及び二重たわみ部材組立体

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JP2534442B2 JP5234466A JP23446693A JP2534442B2 JP 2534442 B2 JP2534442 B2 JP 2534442B2 JP 5234466 A JP5234466 A JP 5234466A JP 23446693 A JP23446693 A JP 23446693A JP 2534442 B2 JP2534442 B2 JP 2534442B2
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  • Details Of Measuring And Other Instruments (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ターゲット表面にわた
って走査プローブ・キャリッジを極めて安定した、ナノ
メータの精度で二次元的に変位させる走査装置に係る。
本発明は、一定のチップ対ターゲット表面間ギャップを
維持し、さらに平坦性と熱補償及びドリフト補償を提供
するようにして、精確な変位を行わせる装置を提供す
る。
【０００２】
【従来の技術】走査プローブ顕微鏡は、表面の輪郭につ
いて高解像度の情報を提供する装置である。ターゲット
表面にわたって走査プローブをラスタ走査する手順に応
答して、ターゲット表面の輪郭を決定するために、走査
プローブが垂直に移動される。走査プローブ顕微鏡の実
現例としては、走査プローブとターゲット表面の間のギ
ャップすなわち距離を一定に維持するために、原子、電
位、磁気、容量又は化学ポテンシャルのような引力の相
互作用を利用するものがある。幾つかの型の走査プロー
ブ顕微鏡は、個々の原子を結像させる能力を有する。
【０００３】表面輪郭の結像だけではなく、数オングス
トロームないし数百ミクロンの範囲の細部の多様な物理
的、化学的な特性を測定するためにも、走査プローブ顕
微鏡を用いることができる。このような応用例につい
て、走査プローブ顕微鏡は、他のどのような型の装置に
よっても得られない、横方向及び垂直方向の解像度を提
供することができる。これらの応用例としては、トラン
ジスタ、シリコン・チップ、デイスク表面、結晶、セル
などの輪郭特性の結像ないしは測定がある。
【０００４】表面輪郭に関する高解像度情報を提供する
ために、走査プローブ顕微鏡に関する変数としては、走
査プローブの有効寸法、ターゲット表面上の走査プロー
ブの位置決め方法及び走査装置それ自体の精度などが含
まれる。
【０００５】ターゲット表面上の走査プローブの位置決
めは、１ないし２原子あるいは数十オングストローム程
度の距離にすべきである。さらに、その位置決めは、非
接触法によるのが好ましい。
【０００６】通常、走査プローブ顕微鏡に設けられてい
るキャリッジは、微調整用の手段を有するピエゾ電気付
勢手段によって、ｘ及びｙ方向に移動することができ
る。この機構は、理論的にはキャリッジの精密な変位を
可能にするが、所望の変位が小さければ小さいほど操作
が困難になる。なぜなら、この機構の内部には、不可避
的なバックラッシュが存在し、また（急激で、しかも必
要以上の運動によってのみ克服される処の）支持台の自
然摩擦が存在するからである。また、ピエゾ電気素子
は、履歴や、クリープや、非線形運動などの好ましくな
い特性を有する。
【０００７】走査手順の間には、キャリッジを単一の平
面内で独立的に移動させることが望ましい。具体的に
は、表面マイクロトポグラフィー（microtopography）
を測定する場合、或る表面領域を正確に調査するために
は、ターゲット表面にわたって走査チップを移動させる
ために用いられるキャリッジは、平坦な運動（すなわ
ち、単一平面内の移動）ができなければならない。大き
な表面領域においてオングストローム・レベルの垂直測
定を行うには、平坦性がキーになる。特に、このことが
顕著となるのは、キャリッジの垂直変動を、（垂直測定
に寄与する処の）表面輪郭の測定から分離したり、（ノ
イズ・レベルに寄与する処の）要素から分離することが
できない場合である。前者の場合、平坦でないキャリッ
ジの運動は、表面輪郭があたかも異常状態であるかの如
き結果を生ぜしめるから、走査手順の精度及び走査の結
果の完全性を低下させることになる。他方、後者の場
合、平坦でないキャリッジの運動は、走査の結果のノイ
ズ・レベルに相当大きな成分を加味する。
【０００８】たわみ装置又はヒンジを用いると、通常は
非可撓性の材料からなる部材の運動ないし変位が可能に
なる。たわみ部材における切除部ないし凹部は、所望の
たわみ能力を提供するように、十分に薄いウェブによっ
て分離することができる。その実施例は、例えば米国特
許第４５５９７１７号に開示されている。しかしなが
ら、この実施例は、１方向のみの運動を与える面内たわ
み装置であって、走査用には適していないものである。
【０００９】さらに、チップ対ターゲット表面ギャップ
において引力測定を行う場合、熱的クリープが問題とな
る。この熱的クリープとは、温度変化によって生ぜられ
るプローブ・チップに対するサンプルの相対的な運動の
ことをいう。これは、時間に依存する関数であって、必
ずしも線形的ないしは単調なものであるとは限らないか
ら、後処理法を用いてもこれを十分に修正することがで
きない。熱的クリープは、（熱膨脹係数、温度勾配の大
きさ及びその印加、材料の形状、材料の熱容量を含む処
の）多数のパラメータの関数である。前記パラメータの
任意の１つ又はその組み合わせは、チップ対ターゲット
表面間ギャップが熱的クリープに起因して変動する際
に、走査手順の完全性を呈せしめ、このため走査結果の
精度を低下させることがある。
【００１０】新規な走査プローブ顕微鏡の解像度と電子
回路製造の要件が数桁高くなったという事実に鑑み、従
来技術の欠点を回避する新規な位置決め装置を設計する
ことが必要になってきた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、極めて平坦で且つ高度に線形の直交運動を行う、走
査プローブ顕微鏡用の走査装置を提供することである。
【００１２】本発明の他の目的は、自然な熱的安定性を
呈する走査プローブ・キャリッジ手段を備えた、走査プ
ローブ顕微鏡用の走査装置を提供することである。
【００１３】本発明の他の目的は、２軸のうち何れかの
軸に沿って選択的な且つ制御された変位を独立的に行う
ことができ、しかも第３の軸に沿って熱補償及び平坦性
補償を提供する、２軸型のキャリッジを提供することで
ある。
【００１４】本発明の他の目的は、たわみ手段の３次元
的に制御された運動を提供する、走査プローブ・キャリ
ッジ装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、ターゲット表
面上を走査プローブでもって走査するための装置を提供
する。走査プローブの一端に一体的に形成されるか又は
取り付けられているマイクロミニチュア・チップは、所
定のギャップを置いてターゲット表面上に位置決めされ
且つ維持される。
【００１６】本発明の１実施例において、走査プローブ
・キャリッジは、一体的な二重たわみ部材（dual quad
flexure） キャリッジから構成される。後者の二重たわ
み部材キャリッジは、基部と、中間キャリッジと、内部
キャリッジから成る。１組の第１のたわみ部材は、中間
キャリッジが第１のたわみ部材によって基部の上部で支
持されるように、基部と中間キャリッジとの間に配置さ
れる。１組の第２のたわみ部材は、内部キャリッジが第
２のたわみ部材によって支持され、しかも中間キャリッ
ジの下部に吊されるように、中間キャリッジと内部キャ
リッジとの間に配置される。さらに、走査プローブ・キ
ャリッジは、走査プローブが受け入れられる表面を提供
する。
【００１７】また、本発明の実施例に含まれている走査
プローブ・キャリッジは、フレーム上に配置され、そし
てピエゾ付勢手段と圧縮状態にあるばね部材との間に位
置決めされる。各ピエゾ付勢手段は、走査プローブ・キ
ャリッジの１側部と支持ブロックとの間に配置される。
他方、各ばね部材の一端は、ピエゾ付勢手段が当接する
走査プローブ・キャリッジの側部と反対の側部を圧接す
るように配置され、各ばね部材の他端には、フレームに
対する支持手段が設けられる。
【００１８】直線性、熱ドリフト補償及び平坦性は、走
査プローブ顕微鏡の技術分野では非常に重要である。な
ぜなら、それらの各々は、走査チップをターゲット表面
の上部に維持した状態で行われる測定の精度を改良する
ものであるからである。
【００１９】
【実施例】図１の組立体は、走査プローブ顕微鏡の内部
で用いられるものである。この組立体のフレーム１０
は、二重たわみ部材キャリッジ１２が取り付けられる基
準表面を提供する。二重たわみ部材キャリッジ１２は、
走査プローブ・チップ（図示せず）を受け入れるための
表面を提供するとともに、この走査プローブ・チップを
フレーム１０に関しＸ又はＹ方向に移動させるものであ
る。
【００２０】１対のピエゾ付勢手段１４（例えば、Quee
ngate Instrument 社製のＤＰＴＣアクチュエータ）
は、それぞれの第１の端部が二重たわみ部材キャリッジ
１２の側部を支えるように、二重たわみ部材キャリッジ
１２の隣接する側部に取り付けられる。各ピエゾ付勢手
段１４の第２の端部は、フレーム１０に固定された支持
ブロック１６に取り付けられる。これらのピエゾ付勢手
段１４は、±０．１５％のフル・レンジの運動直線性を
生じるように、精密ピエゾ付勢手段と容量性の位置フィ
ードバック感知手段を組み合わせた市販の装置である。
好適実施例では、各ピエゾ付勢手段１４の第１の端部と
二重たわみ部材キャリッジ１２の各側部との間、及び各
ピエゾ付勢手段１４の第２の端部と各支持ブロック１６
との間に１次元たわみ部材１７が配置される。１次元た
わみ部材１７の特性及び機構については、例えば米国特
許第４６６７４１５号に開示されている。好適実施例で
は、ピエゾ付勢手段１４の第２端部と１次元たわみ部材
１７との間に、担持部材１８が設けられる。この実施例
において、１次元たわみ部材１７は、たわみ線（flexur
e line）を中心とする摩擦のない微小な回転を可能にす
る。
【００２１】１対のばね部材２０が、ピエゾ付勢手段１
４と対向する二重たわみ部材キャリッジ１２の隣接側部
に取り付けられる。すなわち、各ばね部材２０の第１の
端部は、二重たわみ部材キャリッジ１２の一の側部に当
接され、各ばね部材２０の第２の端部は、ブロック１６
又はこれと同様の支持手段によってフレーム１０に固定
される。かくて、各ばね部材２０は、二重たわみ部材キ
ャリッジ１２をピエゾ付勢手段１４に押しつけて、この
組立体全体を圧縮状態に維持する。本発明の好適実施例
では、ピエゾ付勢手段１４、二重たわみ部材キャリッジ
１２、ばね部材２０、ブロック１６の組み合わせは、ほ
ぼ９．０７Ｋｇ（２０ ｌｂｓ．）の圧力に維持され
る。
【００２２】図２において、二重たわみ部材キャリッジ
１２は、基部２４、中間キャリッジ２２及び内部キャリ
ッジ２６から成る。また、この二重たわみ部材キャリッ
ジ１２は、４つのたわみ部材２８と４つの内部たわみ部
材２９を備えている。
【００２３】中間キャリッジ２２は、４つの外部たわみ
部材２８によって基部２４から離れた位置に支持され
る。中間キャリッジ２２及び基部２４は、それぞれ四辺
形であって、４つの外部たわみ部材２８と共に第１の平
行四辺形構造体（parallelogram）を形成する。同様
に、内部キャリッジ２６は、４つの内部たわみ部材２９
によって、中間キャリッジ２２から懸架した状態に支持
される。内部キャリッジ２６及び中間キャリッジ２２の
各々も四辺形であって、４つの内部たわみ部材２９と共
に第２の平行四辺形構造体を構成する。図２に示すよう
に、第２の平行四辺形構造体は第１の平行四辺形構造体
よりも小さく、中間キャリッジ２２が各平行四辺形構造
体に対する共通面を呈するように、第１の平行四辺形構
造体の内部に配置される。前述のように、内部キャリッ
ジ２６は、走査プローブ組立体（図示せず）を受け入れ
るための表面を提供する。
【００２４】二重たわみ部材キャリッジ１２の一体的構
造は、整合型のたわみ部材の対２８、２９に固有の幾何
学的な集積性（integrity）を提供する。また、二重た
わみ部材キャリッジ１２の一体的構造と整合型のたわみ
部材の対２８、２９とは、極めて平坦な水平運動及び常
態の熱安定性を提供する。すなわち、もし個別的な構成
要素でもって他の形態で構成されていたならば、二重た
わみ部材キャリッジ１２は、整合状態にないたわみ部材
の対から成る構造を呈し、平坦とか熱安定性とかの利点
を欠如する構造体となるであろう。
【００２５】図３には、平坦な運動特性を提供する二重
たわみ部材キャリッジ１２の特徴点が示されている。内
部たわみ部材２９の各々は、内部キャリッジ２６と中間
キャリッジ２２との間で二重片持ばりを構成している。
また、外部たわみ部材２８の各々は、基部２４と中間キ
ャリッジ２２との間で二重片持ばりを構成している。図
３は、典型的な偏向状態にある二重たわみ部材キャリッ
ジ１２の一部破断図を示している。図３から明らかなよ
うに、横方向の力は、内部キャリッジ２６をその力の方
向に、そして中間キャリッジ２２へ向かって上方に駆動
する。同様に、これと同じ横方向の力は、中間キャリッ
ジ２２を、基部２４へ向かって下方に駆動する。もし、
両たわみ部材２８、２９及び全ての片持ばりの寸法と端
部の条件が同じであれば、二重たわみ部材キャリッジ１
２に印加される横方向の力は、たわみ部材２８、２９の
各々を等量だけ偏向させることになる。この場合、中間
キャリッジ２２ヘ向かう内部キャリッジ２６の上方向の
運動は、基部２４へ向かう中間キャリッジ２２の下方向
の運動によって正確に相殺され、これによって内部キャ
リジ２６及び二重たわみ部材キャリッジ１２の平坦な水
平運動が生じることになる。さらに、内部キャリッジ２
６の水平運動並びに外部たわみ部材２８、２９の偏向
は、印加される力の方向に依存する。すなわち、結果的
に生じる内部キャリッジ２６の変位は、二重たわみ部材
キャリッジ１２に加わる力の方向に制限される。しかし
ながら、このシステムの重要な１つの属性は、二重たわ
み部材キャリッジ１２が第１の平面軸に沿って移動する
が、第２の平面軸に沿う変位が最小となる、ということ
にある。二重たわみ部材キャリッジ１２は、各ピエゾ付
勢手段１４に固定された１次元たわみ部材１７のまわり
を回転する。走査運動の量に対してピエゾ付勢手段１４
の寸法が大きいので、線形軸からの変位は小さい。すな
わち、７５ミクロンのフル・レンジに対して５ナノメー
タであり、実用的な１０ミクロンの走査に対して１オン
グストロームより小である。
【００２６】熱的安定性も、整合型のたわみ部材の対２
８、２９の特性である。ここで、二重たわみ部材キャリ
ッジ１２の１つの隅部においてたわみ部材２８、２９の
両方が共に同じ周囲温度を受けるものと仮定すると、そ
の各々は同じ比率で（上方及び下方へ）伸びるから、内
部キャリッジ２６の正味の垂直方向運動が相殺されるこ
とになる。このビーム対構成の差動特性の故に、４つの
たわみ部材対の各々は、理論的には内部キャリッジ２６
の垂直位置に影響することなく、異なった周囲温度（数
度以内）を受けることができる。これによって、温度勾
配に対する予防手段が提供される。さらに熱的効果を小
さくするために、好適実施例では、二重たわみ部材キャ
リッジ１２は、鋼よりも二桁熱膨脹係数が小さいアニー
ルされた超アンバー（super invar）でもって作られ
る。さらに一層熱的効果を小さくするために、整合型の
たわみ部材の対２８、２９は、相互に接近して配置され
る。これによって、これらのたわみ部材の対２８、２９
が同じ温度を維持する蓋然性が大きくなる。熱的安定性
については、整合型のたわみ部材の対２８、２９の各々
を、等しい温度に維持すれば十分である。他の対は、そ
れぞれ異なった温度に維持すればよい。
【００２７】本発明の好適実施例は、二重たわみ部材キ
ャリッジ１２を二つの入れ子型の平行四辺形構造体でも
って構成しているが、他の実施例では、任意の手段を用
いることによって、幾何学的に類似する２つの構造体が
往復運動をする共通の表面と共に入れ子構造を構成する
ようにすることができる。かかる幾何学的に類似する２
つの構造体をたわみ部材によって相互に変位させて、そ
の組み合わせ体を単一の一体的な構造体とすれば、この
構造体は、本発明の好適実施例について説明したよう
に、平坦な運動及び常態の熱安定性を呈することにな
る。
【００２８】図４には、走査装置サブシステムの電子回
路構成が示されている。各ピエゾ付勢手段１４は、サー
ボ・コントローラ３２によって、指令された位置まで駆
動される。サーボ・コントローラ３２は、すぐれた積分
制御則を実現し、高精度のフィードバック・センサ３４
と組み合わされると、ピエゾ付勢手段１４の線形性を与
える。
【００２９】好適実施例では、アナログ指令信号は、マ
ルチチャネル・デイジタル・アナログ変換ボード３８か
ら相互連絡面３６を介してサーボ・コントローラへ送信
される。この高分解能のデイジタル・アナログ変換ボー
ド３８は、システム制御装置４０から高速シリアル・チ
ャネル４２を介して、デイジタル形式の位置指令情報を
受け取る。システム制御装置４０は、全体的な運動の調
整及びデータ収集のタスクの一部として、ＸＹ位置座標
を発生する。
【００３０】走査装置について必要な高分解能の運動を
生じさせるためには、高分解能の１８ビットの変換を行
って小さな指令電圧差を得ることが必要である。アナロ
グ側のノイズは、運動分解能の下限となる全体的なノイ
ズ基部（noise floor）に直接的に影響する。この設計
は、かかるノイズを最小にするために実現される。全て
のアナログ素子は互いに接近して実装され、信号はケー
ブルではなく背面を介して送信される。このアナログ実
装体は均一にシールドされ、アナログ・ケーブル配線は
用いられない。
【００３１】
【発明の効果】本発明によれば、ターゲット表面にわた
って走査プローブ・キャリッジを極めて安定した、ナノ
メータの精度で二次元的に変位させることができ、一定
したチップ−ターゲット表面間ギャップを維持し、さら
に平坦性と熱補償及びドリフト補償を提供する精確な変
位を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二重たわみ部材キャリッジ組立体を示
す図である。
【図２】本発明の二重たわみ部材キャリッジを破断して
示す図である。
【図３】横方向の力が印加された状態下の、二重たわみ
部材キャリッジの一部を拡大して示す図である。
【図４】二重たわみ部材組立体のための制御装置／ドラ
イバの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０・・・・・フレーム １２・・・・・二重たわみ部材キャリッジ １４・・・・・ピエゾ付勢手段 １６・・・・・支持ブロック １７・・・・・１次元たわみ部材 １８・・・・・担持手段 ２０・・・・・ばね組立体 ２２・・・・・中間キャリッジ ２４・・・・・基部 ２６・・・・・内部キャリッジ ２８・・・・・外部たわみ部材 ２９・・・・・内部たわみ部材 ３２・・・・・サーボ・コントローラ ３４・・・・・フィードバック・センサ ３６・・・・・相互連絡面 ３８・・・・・マルチチャネル・デイジタル・アナログ
変換ボード ４０・・・・・システム制御装置 ４２・・・・・高速シリアル・チャネル
フロントページの続き (72)発明者 マーティン・アレン・クロス アメリカ合衆国フロリダ州ボカ・ラト ン、パルメット・サークル・サウス 6972 アパートメント509 (72)発明者 イブス・マーティン アメリカ合衆国ニューヨーク州オシニン グ、シャーウッド・アベニュ 35 (72)発明者 ケネス・ギルバート・ロースラー アメリカ合衆国フロリダ州ボカ・ラト ン、ノース・ウエスト サーテイース・ ロード 2096 (72)発明者 ロバート・マーシャル・ストーウェル アメリカ合衆国フロリダ州デルレイ・ビ ーチ、フォエベ・レーン 3103 (56)参考文献 特開 平６−180222（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】次の各手段から成る、二重たわみ部材キャ
    リッジ。 （イ）基部。 （ロ）中間キャリッジ。 （ハ）内部キャリッジ。 （ニ）複数の第１たわみ部材。 当該第１たわみ部材の各々は下方端部及び上方端部を有
    し、当該下方端部の各々は前記基部の上部に一体的に形
    成され且つ前記基部の上方に垂直に伸びており、当該上
    方端部の各々は前記中間キャリッジの底部に一体的に形
    成されている。 （ホ）複数の第２たわみ部材。 当該第２たわみ部材の各々は下方端部及び上方端部を有
    し、当該上方端部の各々は前記中間キャリッジの底部に
    一体的に形成され且つ前記中間キャリッジの下方に垂直
    に伸びており、当該下方端部の各々は前記内部キャリッ
    ジの上部に一体的に形成されている。
  2. 【請求項２】次の各手段から成る、二重たわみ部材組立
    体。 （イ）二重たわみ部材キャリッジ。 当該二重たわみ部材キャリッジは、基部と、中間キャリ
    ッジと、内部キャリッジと、複数の第１たわみ部材と、
    複数の第２たわみ部材とから構成され、前記第１たわみ
    部材の各々は下方端部及び上方端部を有し、当該下方端
    部の各々は前記基部の上部に一体的に形成され且つ前記
    基部の上方に垂直に伸びており、当該上方端部の各々は
    前記中間キャリッジの底部に一体的に形成されており、
    前記第２たわみ部材の各々は下方端部及び上方端部を有
    し、当該上方端部の各々は前記中間キャリッジの底部に
    一体的に形成され且つ前記中間キャリッジの下方に垂直
    に伸びており、当該下方端部の各々は前記内部キャリッ
    ジの上部に一体的に形成されている。 （ロ）前記二重たわみ部材キャリッジを支持するための
    支持手段。 （ハ）複数のピエゾ付勢手段。 当該ピエゾ付勢手段の各々は前記支持手段の１つと前記
    二重たわみ部材キャリッジとの間に配置されている。 （ニ）複数のばね部材。 当該ばね部材の各々は前記ピエゾ付勢手段の各々に対向
    するように配置され、当該ばね部材の各々の第１端部は
    前記二重たわみ部材キャリッジ上に配置され、当該ばね
    部材の各々の第２端部は前記支持手段の１つの上に配置
    され、当該ばね部材の各々は前記二重たわみ部材キャリ
    ッジを当該各ばね部材に対向する前記ピエゾ付勢手段へ
    向かって押しつけるように配置されている。
  3. 【請求項３】複数の１次元たわみ部材を備え、当該１次
    元たわみ部材の各々が前記ピエゾ付勢手段の各々と前記
    二重たわみ部材キャリッジとの間及び前記ピエゾ付勢手
    段の各々と前記支持手段との間に配置されるようにした
    ことを特徴とする、請求項２記載の二重たわみ部材組立
    体。
  4. 【請求項４】複数の担持手段を備え、当該担持手段の各
    々が前記ピエゾ付勢手段の各々と前記１次元たわみ部材
    の各々との間に配置されるようにしたことを特徴とす
    る、請求項３記載の二重たわみ部材組立体。
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