JP4095913B2

JP4095913B2 - 高精度微小移動装置

Info

Publication number: JP4095913B2
Application number: JP2003048480A
Authority: JP
Inventors: 貴司古川
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP2004257844A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピエゾ素子を用いた微小移動装置において、磁力を用いた移動制御方式およびそれを用いた微小移動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピエゾ素子を用いた微小移動装置については、従来、たとえば日本国特許公報：特公平7-119814号「微小運動用調整装置」で公開されており、ここには、基板と、少なくとも１つの、上記基板に固定されかつ剪断作用を利用する圧電変換器をもつ駆動機構と、上記駆動機構に接する移動板とを備える微小移動に対する調整装置が開示されている。この公開公報によれば、上記調整装置は、たとえば図１に示すような構成になっている。図１（a）は微動運動用調整装置の全体構成を明瞭に示すための斜視図であり、図１（b）は側面図である。図１（a）に示すように微動運動用調整装置は基板101、移動板102、駆動機構103、磁石104、丸棒105、106から構成されている。ここで駆動機構103および磁石104は、基板101に対しては固定されている。また駆動機構103はピエゾ素子107および球108からなり、この球108は、移動板102に対しては接しているのみで、固定されていない。また移動板102はたとえば鉄などの磁性金属で作られており、磁石104の磁力によって基板101と移動板102は互いに引き付けあっている。さらに丸棒105、106は図２（b）に示すように、両者の間に球108をはさむような構成になることで案内溝の役割を果たし、これにより球108の駆動方向が丸棒105および106の方向に制御される。このような構成において、図２に示すようにピエゾ素子107を変形駆動させることにより、移動板102は基板101に対して移動させることが可能となる。すなわち、図２（a）に示したピエゾ素子107に０Vから適当な電位を印加することで、図２（b）に示すようにピエゾ素子107を変形させることができる。このとき変形を充分ゆっくり行うことで、移動板102は球108との摩擦力により矢印で示した移動方向201に移動させることができる。この状態でピエゾ素子107に印加している電位を充分すばやく０Vに戻すことによってピエゾ素子107を元の状態（形状）に戻すと、移動板102と球108の間ですべりを生じさせることができる。これにより、図２（c）に示すように移動板102だけが慣性によりその場に留まり、その結果として基板101に対して移動板102を移動方向201に進めることができる。さらに、上記特許公報によれば、図１に示すように移動板102に、上述したように丸棒105および106からなる案内溝を形成することで移動板102の移動方向をより高い精度で制御することが可能になることが述べられている。この場合、ピエゾ素子107の上面に固定された球108がこの案内溝によって駆動方向を制限されるため、移動板102の移動方向は案内溝の方向に制御されることになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１に示した上記従来技術では、移動板102の移動方向を高い精度で制御するためには、案内溝を必要とするため、この微小移動装置の構造を複雑にしてしまう点で問題がある。
【０００４】
さらに、上記従来技術では、案内溝の球108に接する面の平坦性と移動板102の球108に接する面の平坦性とを機械加工等により精度よくコントロールして、両者の間に同じ摩擦力を生じさせる必要があるが、これら加工は実際にこの微小移動装置を作製する上で非常に高い精度の加工技術を必要とする点で問題がある。
【０００５】
さらに、上記従来技術では、上記理由により実際にこの微小移動装置を作製する上で複雑な構成や高度の加工技術を必要とするため、製造価格が高価になる点で問題がある。
【０００６】
上述の問題点に鑑み、本発明の第一の目的は、案内溝を不要にすることで、簡略な構造の微小移動装置を提供することである。
【０００７】
本発明の第二の目的は、案内溝を不要にすることで、非常に高い精度の加工技術が不要となる微小移動装置を提供することである。
【０００８】
本発明の第三の目的は、案内溝を不要にすることで、安価な微小移動装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点は、移動板に磁石を取り付けることで解決できる。これを図３で説明する。本構成は、基板301、および基板301上に固定された駆動機構302と磁石303、および移動板304からなる。ここで駆動機構302はピエゾ素子305と、移動板304に滑らかに接するための球306からなる。また移動板304は非磁性体からなり、その一部分に帯状の磁石307を埋め込んでおく。このとき移動板304に固定された帯状の磁石307の極性と基板301に固定された磁石303の極性は互いに引き合うようにして配置しておく。
【００１０】
このような構成においては、すでに図２を用いて説明した原理による駆動方式において、基板301に固定された磁石303と移動板304に固定された帯状の磁石307とが磁力によって互いに引き合うため、駆動方向が帯状の磁石307方向に制限されることになり、結果として移動板304の駆動方向を高い精度で制御することが可能になる。
【００１１】
このような構成により、従来必要とされていた、複雑な形状で、高精度な加工技術、その結果として高価となる案内溝を不要にすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第一の実施例）
図３は、本発明による微小移動装置のうち、第一の実施例の基本構成を示す。本構成は図３（a）および（b）に示したように、基板301、および基板301上に固定された駆動機構302と磁石303、および移動板304からなる。ここで駆動機構302はピエゾ素子305と移動板304に滑らかに接するための球306からなる。また移動板304は非磁性体からなり、その中央部に帯状の磁石307を埋め込んでおく。このとき図３（c）に示したように、移動板304に固定された帯状の磁石307の極性と基板301に固定された磁石303の極性は互いに引き合うようにして配置しておく。ここで図３（c）においては移動板304に注目して記載し、基板は図示していない。
【００１３】
このような構成においては、すでに図２を用いて説明した原理による駆動方式において、基板301に固定された磁石303と移動板304に固定された帯状の磁石307とが磁力によって互いに引き合うため、駆動方向が帯状の磁石307方向に制限されることになり、結果として移動板304の駆動方向を高い精度で制御することが可能になる。このとき、移動板304の球306に接する面は平坦でよいため、移動板304に案内溝等の複雑かつ高精度の機械加工が不要となり、移動板304の構造および全体の構成を簡略化することが可能になる。
【００１４】
さらに、本発明では、移動板304の表面が滑らかな平坦面であるため、駆動機構302のピエゾ素子305の上面を滑らかな平坦面にすることで、ピエゾ素子305と移動板304とを直接なめらかに接するようにすることが可能となるため、駆動機構302に球306を必要としない構成にすることも可能となる。この場合本発明全体の構成をさらに簡略化することが可能になる。
【００１５】
さらに、本発明では、移動板304について、図４（a）および（b）に示すように、移動板304に組み込んだ磁石307の両側にNS極を反転させた帯状の磁石401、402を組み込むことにより、移動板304の直進性をさらに高めることが可能となる。ここで図４においては移動板304に注目して記載し、基板は図示していない。この場合、図４（b）に示したように、移動板304に組み込んだ磁石307と基板に固定された磁石303は互いに引き合うが、磁石401および磁石402は共に磁石303と反発するため、矢印で示した移動方向403以外の方向には磁石401、402の磁力が磁石303に対してストッパーとして働くことになる。したがって、基板に対する移動板304の移動方向について、矢印403の方向に対する直進性をさらに精度よく向上させることが可能になる。
【００１６】
さらに、本発明では、移動板304について、図５に示すように、移動板304に組み込んだ磁石307の四方にNS極を反転させた帯状の磁石501、502、503、504を組み込むことにより、移動板304の可動範囲を一定の領域内にさらに精度よく制限することが可能になる。ここで図５においては移動板304に注目して記載し、基板は図示していない。この場合、移動板304に組み込んだ磁石307と基板に固定された磁石303は互いに引き合うが、磁石501、502、503、および磁石504はすべて磁石303と反発するため、磁石501、502、503、504で囲まれた領域を越えて移動させようとする場合には磁石501、502、503、504の磁力が基板に固定した磁石303に対してストッパーとして働くことになる。したがって、基板に対する移動板304の移動方向について、矢印で示した移動方向505に対する直進性をさらに向上させることが可能になると同時に、移動範囲を、磁石501、502、503、504で囲まれた領域内にさらに精度よく制御させることが可能になる。
【００１７】
さらに、本発明では、移動板304について、これに組み込んだ磁石を、単なる直線形状のもののかわりに、任意の形状にすることで移動板の移動領域を任意の方向に制御することが可能となる。たとえば、図６に示すように、移動板304に組み込む磁石601をL字形にすることで移動板304の移動方向をL字形に制御することが可能となる。ここで図６においては移動板304に注目して記載し、基板は図示していない。このような構成において、駆動機構302のピエゾ素子305について、ピエゾ素子305に印加する電圧を適当に制御することで、ピエゾ素子305の変位方向をAからBに向う方向から、BからCに向う方向へと切り替えることが可能になる。この場合、すでに図２で説明した原理により、ピエゾ素子305の変位方向をAからBに向う方向にしたとき、移動板304を基板に対してAからBに向う方向に移動させることが可能となるが、基板に固定された磁石303と移動板304に組み込まれた磁石601の相対位置が、移動板304の移動によりAからBに移動したときに、ピエゾ素子305の変位方向をBからCに向う方向に切り替えることで、基板に対して移動板304をBからCに向う方向に移動させることが可能となる。この場合も、図４ないしは図５で説明した場合と同様、磁石601のまわりに極性を反転させた磁石を適当に配置することで、移動範囲の制御性をさらに向上させることも可能になる。
（第二の実施例）
図７は、本発明による微小移動装置の第二の実施例についての基本構成を示す。本構成は基板701、および基板701上に固定された駆動機構702と丸い帯状の磁石703、および移動板704からなる。ここで駆動機構702はピエゾ素子705と移動板704に滑らかに接するための球706からなる。また移動板704は非磁性体からなり、その中央部に丸い帯状の磁石707を埋め込んでおく。このとき、移動板704に固定された丸い帯状の磁石707の極性と基板701に固定された丸い帯状の磁石703の極性は互いに引き合うようにして配置しておく。さらに、移動板704に固定された丸い帯状の磁石707の形状と基板701に固定された丸い帯状の磁石703の形状は同一が望ましい。
【００１８】
このような構成においては、すでに図２を用いて説明した原理の応用により、駆動機構702のピエゾ素子705を矢印で示した円周方向に変位させることで、移動板704を基板701に対して回転させることが可能になる。このとき、基板701に固定された丸い帯状の磁石703と移動板704に固定された丸い帯状の磁石707とが磁力によって互いに引き合うため、駆動方向が丸い帯状の磁石703および丸い帯状の磁石707で決められる方向に制限されることになり、結果として移動板704の円周方向に沿った駆動方向を高い精度で制御することが可能になる。このとき、移動板704の球706に接する面は平坦でよいため、移動板704にガイド溝等の複雑かつ高精度の機械加工が不要となり、移動板704の構造および全体の構成を簡略化することが可能になる。
【００１９】
さらに、本発明においても、第一の実施例と同様に、移動板704が滑らかな平坦面であるため、駆動機構702のピエゾ素子705の上面を滑らかな平坦面にすることで、ピエゾ素子705と移動板704とをなめらかに接するようにすることが可能となるため、駆動機構702に球706を必要としない構成にすることも可能となる。この場合本発明全体の構成をさらに簡略化することが可能になる。
【００２０】
さらに、本発明においても、移動板704について、第一の実施例の図４ないしは図５と同様に、移動板704に組み込んだ丸い帯状の磁石707の内側と外側の両方に、NS極を磁石707に対して反転させた磁石を組み込むことにより、移動板704の可動範囲を一定の領域内にさらに精度よく制御することが可能になる。この場合、移動板704に組み込んだ磁石707と基板701に固定された磁石703は互いに引き合うが、磁石707の内外に配置された反極性の磁石は磁石703と反発するため、磁石703に対してストッパーとして働くことになる。したがって、基板701に対する移動板704の移動方向について、磁石707に沿った円周方向についての移動範囲の制御性をさらに向上させることが可能になると同時に、移動範囲を、磁石707の内外に配した磁石で囲まれた領域内にさらに精度よく制御させることが可能になる。
（第三の実施例）
図８は本発明による微小移動装置を用いたサブミクロン領域での半導体特性評価用のプローバ装置への応用例を示す図である。本構成は本発明による微小移動装置801、およびこの微小移動装置801にそれぞれ固定された、先端を先鋭化したプローブ802、および半導体試料803、および走査電子顕微鏡用のステージ804、および走査電子顕微鏡用の電子銃805、および走査電子顕微鏡用の２次電子検出器806、および電子銃805と２次電子検出器806を駆動し、さらにこれらを用いて半導体試料803の表面形状などを表示する制御コンピュータ807、および微小移動装置801を駆動かつ制御するコンピュータ808からなる。ここでステージ804上に微小移動装置801、および半導体試料803を固定しておく。また電子銃805、２次電子検出器806、制御コンピュータ807の構成は通常の走査電子顕微鏡装置の構成でよい。
【００２１】
このような構成において、本発明による微小移動装置を用いることで、プローブの制御性を向上させることが可能になる。さらに、半導体試料803の表面およびプローブ802の先端を走査電子顕微鏡で観察しながら、プローブ802の先端を半導体試料803面の、例えば微小なトランジスタを構成するプラグに直接接触させ、通常のプローバ装置と同様にプローブ802に適当な電位を印加した状態でそれぞれのプローブに流れる電流値を計測することで、上記トランジスタの特性を測定することが可能となる。このとき、プローブ802を制御コンピュータ808によって、半導体試料803内の任意の場所に移動させることができるようにすることで、半導体試料803内の任意の場所のトランジスタ特性を容易に測定することが可能となる。
【００２２】
なお、全体の駆動および制御を制御コンピュータ807、808を用いて行うことにより半導体特性評価の自動化が可能になる。また、ここでは試料を半導体試料について記載したが、対象とする試料は半導体試料に限定されることは無く、プローブの数も４本に限定されるものでもない。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の微小移動装置は、非磁性体からなる移動板に磁石を取り付けることにより、この磁石と基板に固定された磁石とが磁力によって互いに引き合うため、駆動方向が帯状の磁石方向に制限されることになり、結果として移動板の駆動方向を高い精度で制御することが可能になる効果がある。さらに、移動板に取り付けた上記磁石のまわりに、駆動機構に面する方向に対して極性を反転させた磁石取り付けることにより、移動板をより高精度かつ任意の方向に制御することが可能になる効果がある。さらに、移動板の下面、すなわち駆動機構に取り付けられた球に接する面は平坦でよいため、構成を簡略化することができる効果がある。さらに、本発明で提供される構成においては、上記移動板の下面が平面でかつ平坦となるため、比較的簡便な機械加工が可能となる効果およびこれによって安価な微小移動装置の提供が可能になる効果がある。さらに本発明の微小移動装置は、簡略な構成により小型化が可能になる効果およびこれによって他の計測装置内への装着が容易になる効果がある。これらの効果の学術分野への応用、さらにはその工業的価値は非常に高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のピエゾ素子を用いた微小移動装置の基本構成を表す図であり、特に図（a）は全体の俯瞰図を示し、図（b）は移動板の移動方向からみた側面図を示す。
【図２】ピエゾ素子を用いた微小移動装置の動作機構を説明する図であり、特に図（a）は移動前の状態を示し、図（b）はピエゾ素子の変位による移動板の移動中の様子を示す図であり、図（c）はピエゾ素子の変位が元に戻った時の移動板の状態を示す図である。
【図３】本発明による第一の実施例の基本構成を表す図であり、特に図（a）は全体の俯瞰図を示し、図（b）は移動板の移動方向と直角の方向からみた側面図を示し、図（c）は移動板に組み込まれた磁石の極性と基板に組み込まれた磁石の極性の関係を説明する図である。
【図４】本発明のさらなる高精度化を図るための基本構成を表す図であり、特に図（a）は移動板に組み込まれた磁石の極性を説明する図であり、図（b）は移動板に組み込まれた磁石の極性と基板に組み込まれた磁石の極性の関係を説明する図である。
【図５】本発明のさらなる高精度化を図るための他の基本構成を表す図。
【図６】本発明の高機能化を図るための基本構成を表す図。
【図７】本発明の高機能化を図るための他の基本構成を表す図。
【図８】本発明のサブミクロン領域での半導体特性評価用のプローバ装置への応用例を示す図。
【符号の説明】
101…基板、102…移動板、103…駆動機構、104…磁石、105…丸棒、106…丸棒、107…ピエゾ素子、108…球、201…移動方向、301…基板、302…駆動機構、303…磁石、304…移動板、305…ピエゾ素子、306…球、307…帯状磁石、301…基板、302…駆動機構、303…磁石、304…移動板、305…ピエゾ素子、306…球、307…帯状磁石、401…帯状磁石、402…帯状磁石、403…移動方向、501…帯状磁石、502…帯状磁石、503…帯状磁石、504…帯状磁石、505…移動方向、601…磁石、701…基板、702…駆動機構、703…丸い帯状磁石、704…移動板、705…ピエゾ素子、706…球、707…丸い帯状磁石、801…微小移動装置、802…プローブ、803…半導体試料、804…ステージ、805…電子銃、806…２次電子検出器、807…コンピュータ、808…コンピュータ。

Claims

基板と、ピエゾ素子と前記ピエゾ素子に対して電圧を印加する機構により構成され、前記基板上に固定された駆動機構と、前記基板上に固定された磁石と、移動板とを有し、
前記移動板が非磁性体および帯状の磁石とを含み、
前記帯状の磁石の極性と、前記基板上に固定された磁石の極性とが互いに引き合うように、前記基板上に固定された磁石と前記帯状の磁石とが配置され、
前記帯状の磁石は、前記移動板の駆動方向に延在することを特徴とする移動装置。
請求項１に記載の移動装置において、
さらに、前記移動板に組み込んだ前記帯状の磁石の周囲に配置され、前記帯状の磁石のNS極を反転させた磁石が前記移動基板に配置されていることを特徴とする移動装置。
請求項１に記載の移動装置において、
前記移動板に組み込んだ磁石の形状を前記移動板の駆動方向にあわせた形に成形したことを特徴とする移動装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の移動装置と、前記移動装置に固定されたプローブと、前記移動装置が載置されるステージと、電子銃と、２次電子検出器と、前記電子銃と前記２次電子検出器とを駆動し、被測定試料の表面形状を表示する第１のコンピュータと、前記移動装置を駆動し制御する第２のコンピュータとを有することを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の移動装置と、走査電子顕微鏡と、被測定試料を載置するステージと、前記走査顕微鏡内に配置されたプローブと、前記プローバの移動手段とを有し、前記移動手段は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の移動装置であることを特徴とするプローバ装置。