JP3060527B2 - 位置決め装置 - Google Patents

位置決め装置

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JP3060527B2 JP2307383A JP30738390A JP3060527B2 JP 3060527 B2 JP3060527 B2 JP 3060527B2 JP 2307383 A JP2307383 A JP 2307383A JP 30738390 A JP30738390 A JP 30738390A JP 3060527 B2 JP3060527 B2 JP 3060527B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は走査トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡などの
走査プローブ顕微鏡およびその応力装置などに使用する
位置決め装置に関するものである。
従来の技術 走査トンネル顕微鏡(STM)は、物質表面の構造を原
子オーダの分解能で観察できる装置として近年急速に発
展してきている。まず走査トンネル顕微鏡の測定原理に
ついて述べる。
測定したい試料表面に、極めて鋭くて尖らせた金属探
針を10Å程度の距離まで近付け、試料と探針の間に10mV
〜2Vのバイアス電圧を加えると数nAのトンネル電流が流
れる。この電流は試料と探針の間の距離に極めて敏感で
あるので帰還制御を用いてこの距離を一定に保つことが
できる。一方、探針は3軸方向に微動するピエゾ素子よ
りなるアクチュエータに取りつけてあり、xy方向にラス
タースキャンするときにz方向に帰還制御のために印加
する電圧が表面の凹凸をあらわすことになる。
このような走査トンネル顕微鏡の技術は、原子間力顕
微鏡(AFM)、近接視野光学顕微鏡(NFOM)などの観察
装置、さらに原子、分子操作を可能とする超微細加工機
などの周辺技術を生み出しつつある。これらの技術は探
針(チップ)を原子オーダの距離でなぞることが共通し
ており、観察装置においてはこれらを近接視野顕微鏡
(NFM)あるいは走査プローブ顕微鏡(SPM)と総称して
いる。
本発明はこれらの装置に用いる位置決め装置に関する
ものである。
チップを原子オーダの距離でなぞるためには、この距
離の変動に影響する機械振動をまず徹底して除去する必
要がある。本発明の位置決め装置についてもまず第一に
この観点からの考慮が要請される。さらに、半導体素子
の解析、超格子量子効果デバイスの解析などに走査トン
ネル顕微鏡を活用するには、試料の特定箇所を捜し当て
るための位置決め機構が必要である。さらに、走査トン
ネル顕微鏡技術を用いた微細加工機には、ΧY位置座標
を高精度に制御できる位置決め装置が必要である。
大気中で使用するタイプの走査トンネル顕微鏡用の簡
易な位置決め機能の例としては、特定の位置決め装置を
設けず、単に試料と走査プローブを斜め方向から顕微鏡
により観察しながら、走査プローブを取りつけたスキャ
ンヘッドを手動で動かすものがある。
真空中で使用するタイプの走査トンネル顕微鏡用の位
置決め装置の例としては、試料と走査プローブを斜め方
向から走査電子顕微鏡(SEM)により観察しながら、尺
取り虫式駆動装置により試料を位置決めするものがあ
る。
発明が解決しようとする課題 しかしこれらの従来例では、ΧY位置座標を絶対位置
決めする機能はなかった。これらの走査トンネル顕微鏡
においては、プローブを原子オーダの距離でなぞるた
め、この距離の変動に影響する機械振動を徹底して除去
する必要性から、機構上の制約があり、ΧY位置座標を
絶対位置決めする機能の実現が難しかった。
本発明はこれらの課題に鑑み、これを解決して、プロ
ーブの走査時の機械的安定性が高く、超高精度にΧY位
置座標の絶対位置決めが可能な、走査プローブ顕微鏡お
よびその応用装置用の位置決め装置を提供するものであ
る。
課題を解決するための手段 上記課題を解決するために本発明は、ΧYの2次元駆
動テーブルのテーブル面上に、平板状試料を固定し、プ
ローブを有するプローブヘッドのハウジングに設けた3
点の点接触脚を前記平板状試料に当接させ、この平板状
試料面と平行に配置した薄板バネで前記ハウジングを固
定することにより、平板状試料面を摺動面としたもので
ある。
さらに別の手段として、ΧYの2次元駆動テーブルの
テーブル面上に、試料を固定し、プローブを有するプロ
ーブヘッドのハウジングの一部を構成する3点の点接触
脚を前記テーブル面に設けた当接用平面に当接させ、こ
の当接用平面と平行に配置した薄板バネで前記ハウジン
グを固定することにより前記当接用平面を摺動面とす
る。
作用 本発明は上記した構成によってプローブヘッドのハウ
ジングを3点接触により試料そのものと、あるいは試料
の極く近くで機械的に結合することにより、プローブと
試料の間の距離変動に影響する機構全体の共振周波数を
極めて高く構成でき、すなわち十分安定な、原子オーダ
ーのプローブ走査を実現するものである。
さらに、プローブヘッドに結合した薄板バネにより、
上記の機械結合を可能にする安定な3点接触を疎外する
事なく、ΧY方向には高い剛性でプローブヘッドを固定
でき、試料を取りつけたΧYテーブルにより、容易かつ
高精度に試料をプローブに対して位置決めすることがで
きる。
さらに、プローブヘッドに結合する薄板バネを、プロ
ーブZ軸に対して軸対象に構成することにより、熱ドリ
フト(構成部材の熱膨脹によるドリフト)によるΧY方
向の位置変化を最小限に押さえることができる。
実施例 以下本発明の一実施例の位置決め装置について、図面
を参照しながら説明する。
第1図(a)および(b)は本発明の第1の実施例を
示す位置決め装置の斜視図および断面図を示す。第1図
(a)では各構成要素を見通しよく表示するため、部分
的に断面をとった一部切欠き斜視図で表示している。ま
た、第1図(c)はプローブヘッドのA−A方面から見
た平面図である。この実施例は走査トンネル顕微鏡(ST
M)およびSTM原理を利用した加工装置用の位置決め装置
の例である。Χ軸およびY軸駆動ユニット1および2の
上に設けたテーブル3上に試料となる平板状試料4、例
えばSiウエハー、GaAsウエハーなどを固定する。
大気中で使用するシステムではテーブル3上に真空吸
着することで容易に固定することができる。真空中で使
用するシステムではウエハー周辺で機械的にクランプす
る。
本実施例のプローブヘッドは次のような構成をとって
いる。すなわち、Z軸粗動用に円柱状の可動軸5および
円筒状の固定軸6よりなる尺取り虫型駆動装置(インチ
ワーム駆動装置)7を用い、これにΧ軸、Y軸の走査お
よびZ軸の微動が可能な円筒型(チューブ型)スキャナ
ー8を取りつけ、さらにこのチューブスキャナーの先に
プローブとなるSTM探針9を取りつける。
インチワームおよびチューブスキャナーともにPZT圧
電体を使った市販品を使用した。STM探針9は、試料お
よび針先での加工現象に応じて、電界研磨で先を尖らせ
たW針、PtIr針などを用いる。
プローブヘッドのハウジング10は、おおよそ外形が円
筒形状の軸対称構造とし、インチワームの固定軸6をそ
の軸中心に固定してある。さらにハウジング10の脚部に
は3個の鋼球11を設け、3点の点接触脚を構成し、これ
らの部材5〜11によりプローブヘッド12を構成してい
る。
プローブヘッド12は、その3点の点接触脚部11で試料
ウエハー4に載置するとともに、試料ウエハーの試料面
に平行に配置した薄板バネ13をこのハウジングに固定
し、薄板バネ13のもう一端は基台14に固定用板15および
取りつけネジ16で固定されている。薄板バネは、たとえ
ばステンレス製の厚さ0.05〜0.2mmのものを用い、でき
るだけ軸対称に配置する。試作した実験装置では試料ウ
エハーの着脱は薄板バネの取りつけネジ16をはずすこと
で行っている。
ここで3点の点接触脚の形状は球形に限定するもので
はなく、安定な接触を阻害しない範囲でその先端部を平
坦化するなどの工夫を加えることにより、試料ウエハー
の試料面の傷付きを最小限に抑えることができる。
図示はしていないが、実用機ではプローブヘッド12を
薄板バネ13の水平位置で保持するとともに、テーブル面
をZ軸方向に若干降下させ、ΧYの一方向に試料ウエハ
ーを引き出す機構を付加することができる。
尚、Χ軸およびY軸駆動ユニット1および2を駆動す
るためのステッピングモータ、インチワームモータ等の
駆動源やボールねじ等の駆動伝達機構は公知の方法を採
用することができるため、図面上での図示および説明を
省略した。またΧYテーブルやプローブの位置検出は、
公知の光干渉計等を利用して検出できるので、同様に説
明を省略する。
このように本発明の3点接触と、薄板バネの組合せに
よる運動体(プローブヘッド)の拘束は、次のように走
査プローブ顕微鏡およびその応用装置には好都合に作用
する。すなわちプローブヘッドを全く拘束しない場合に
はΧYZの3方向の並進運動およびΧYZ軸のまわりの回転
運動の合計6自由度が存在するわけであるが、試料平面
とプローブヘッドを3点接触させると、試料平面のΧY
方向とZ軸のまわりの回転の3自由度が残り、残りの運
動は拘束される。ところで平板状の薄板バネは、横方向
には容易にたわむが、その平板面内の方向には極めて高
い剛性を持っている。そこでこの性質を残る、上記の運
動の自由度を拘束する手段として用いることにより、安
定な3点接触を疎外することなく、プローブヘッドの全
自由度を拘束することができる。
この結果、試料の走査点の極近くの3点で、スキャナ
ーを機械的に結合できるため、スキャナーを高い共振周
波数に構成でき、原子オーダの凹凸を安定になぞるため
に必須の高い防振効果を得ることができる。一般に原子
オーダのZ軸制御を実現するには、原子の寸法1Å(オ
ングストローム)に対して0.01Å以下の機械振動に抑制
する必要があり、例えば、プローブヘッドを基台に直接
固定する構成では、梁構造による剛性の低下およびΧY
駆動ユニットの剛性の影響など、装置全体のウイークポ
イントに当たる部分の剛性が効いてきて共振周波数の低
下をまねき、このような高い防振効果を得ることは難し
い。
これに対して本発明の構成によれば、比較的簡単に上
記したような高い防振効果を得ることができる。
さらに本発明の構成によれば、平板状試料の表面を振
動面としているため、試料のうねりの影響を除去した、
試料のうねりに沿った位置決めができる。すなわち、お
およそ3点接触脚間の距離をカットオフ周波数とする機
械的なハイパスフィルターを構成している。
しかし本実施例では、極めて高い防振効果がえられる
ものの、試料表面の一部を摺動面として使用しているた
め、観察または加工できる試料表面の面積が制約される
欠点がある。
第2図は本発明の第2の実施例を示す位置決め装置の
断面図である。各構成部材の番号およびその機能は第1
図の第1の実施例の場合と同じである。第1の実施例と
異なる点は、プローブヘッドに設けた3点の点接触脚11
を、試料表面4に直接、接触させるのではなく、ΧYテ
ーブル3の一部を構成する当接用平面3bに当接させ、こ
れを摺動面としている。
当接用平面としては石英製のオプティカルフラット等
が適している。特に限定するものではないが本実施例の
場合は平面度がλ/20のものを用いた。この構成では第
1の実施例に比べて相対的に3点の点接触脚間の距離が
大きくなり、このぶん共振周波数が低下する欠点がある
が、試料表面の全面積を有効な観察または加工面とする
ことができる。またΧYテーブルの運動の平面度に依存
せず、上記当接用平面を基準とした位置決めを行うこと
ができる。
さらに、この構成では3点の点接触脚および当接用平
面をたとえば強誘電体物質で構成することにより、3点
の点接触脚に摺動機能とともに静電力によるクランプ機
能を併せて付与したり、他の機械的押圧手段により3点
の点接触脚を当接用平面に押圧することにより機械的な
クランプ機能を付与することができる。
さらに、上記第1および第2の実施例ともにプローブ
ヘッドに結合する薄板バネを、プローブZ軸に対して軸
対象に構成しているが、このことにより熱ドリフト(構
成部材の熱膨脹によるドリフト)によるΧY方向の位置
変化を最小限に押さえることができ、極めて高い位置決
め精度を実現することができる。
実際の設計例ではこのような構成による熱膨張補償以
外に、装置を構成する各部材、特にプローブハウジング
10、テーブル3、ΧY駆動ユニット1、2、薄板バネ13
および基台14は、インバー等の低熱膨張率材料で構成す
ることにより、極めて高い熱ドリフト安定性を実現して
いる。
尚、以上の実施例ではプローブのZ軸を鉛直方向に配
置する場合について述べたが、3点の点接触脚をバネ等
の押圧手段を設けることにより安定な3点接触を確保し
た上でプローブのZ軸を水平に配置することもできる。
尚、以上の説明では、主に走査トンネル顕微鏡(ST
M)およびSTMを応用した加工装置に適用する位置決め装
置について述べたが、各種の観察装置、加工装置、露光
装置、記録再生装置などの位置決め装置として有効なこ
とは勿論である。
発明の効果 本発明によれば、比較的簡単な構成で高分解能のプロ
ーブ走査を可能にする高い防振効果が実現でき、高精度
の絶対位置決めが可能なSTM技術用の位置決め装置を提
供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は本発明の第1の実施例を示す位置決め装
置の一部切欠き斜視図、第1図(b)は同断面図、第1
図(c)は同プローブヘッドの平面図、第2図は本発明
の第2の実施例を示す位置決め装置の断面図である。 3……テーブル、4……試料、10……ハウジング、11…
…点接触脚、12……プローブヘッド、13……薄板バネ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 13/10 - 13/24 G01B 7/34 G01B 21/30 G12B 5/00 H01J 37/28 JICSTファイル(JOIS)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ΧYの2次元駆動テーブルのテーブル面上
    に、平板状試料を固定し、プローブを有するプローブヘ
    ッドのハウジングに設けた3点の点接触脚を前記平板状
    試料に当接させ、この平板状試料面と平行に配置した薄
    板バネで前記ハウジングを固定することにより、平板状
    試料面を摺動面としたことを特徴とする位置決め装置。
  2. 【請求項2】ΧYの2次元駆動テーブルのテーブル面上
    に、試料を固定し、プローブを有するプローブヘッドの
    ハウジングに設けた3点の点接触脚を前記テーブル面の
    一部を構成する当接用平面に当接させ、この当接用平面
    と平行に配置した薄板バネで前記ハウジングを固定する
    ことにより、前記当接用平面を摺動面としたことを特徴
    とする位置決め装置。
  3. 【請求項3】薄板バネを、プローブヘッドのプローブZ
    軸に対して軸対称に配置したことを特徴とする特許請求
    の範囲第1項または第2項記載の位置決め装置。
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KR100455270B1 (ko) * 1997-10-16 2005-05-13 삼성전자주식회사 고밀도데이터저장매체의기록재생을위한팁칩및그구동방법

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