JP4194151B2 - 駆動ステージ、走査型プローブ顕微鏡、加工装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動ステージ、該駆動ステージを有する走査型プローブ顕微鏡及び加工装置に関するもので、特に高速走査時に生じる振動の軽減を目指すものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ナノメートル以下の分解能で導電性物質表面を観察可能な走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭと略す）が開発され（米国特許第４，３４３，９９３号明細書）、金属・半導体表面の原子配列、有機分子の配向等の観察が原子・分子スケールでなされている。また、ＳＴＭ技術を発展させ、絶縁物質等の表面をＳＴＭと同様の分解能で観察可能な原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭと略す）も開発された（米国第特許４，７２４，３１８号明細書）。さらに別の発展形として、尖鋭なプローブ先端の微小開口からしみ出すエバネッセント光を利用して試料表面状態を調べる走査型近接場光顕微鏡（以下ＳＮＯＭと略す）［Ｄｕｒｉｇ他，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５９，３３１８（１９８６）］も開発された。現在ではトンネル電流、電子状態密度、原子間力、分子間力、摩擦力、弾性、エバネッセント光、磁力等試料表面の種々の物理量を高い分解能で測定できるこれらの顕微鏡を走査型プローブ顕微鏡（以下ＳＰＭと略す）と総称している。
【０００３】
さらに、このようなＳＰＭ技術はメモリ技術にも応用されつつある。例えば、特開昭６３−１６１５５２号公報、特開昭６３−１６１５５３号公報等には、記録層として電圧電流のスイッチング特性に対してメモリ効果を持つ材料、例えばπ電子系有機化合物やカルコゲン化合物類の薄膜層を記録媒体として、記録・再生をＳＴＭで行う方法が開示されている。この方法によれば、ＳＴＭの探針にあるしきい値以上の電圧を印加することにより、探針直下の記録媒体に微小な領域で特性変化を生じさせて記録を行い、探針と記録媒体間に流れるトンネル電流が記録部と非記録部により変化することを利用して再生を行うことができる。この方法を用いて、記録のビットサイズを直径１０ｎｍとすれば、１０12ビット／ｃｍ2の記録密度を持つ情報処理装置が実現できる。
また、記録媒体としてあるしきい値以上の電圧を印加すると表面が局所的に溶融または蒸発して表面形状が凹または凸に変化する材料、例えば、Ａｕ、Ｐｔなどの金属薄膜を用いることにより同様に記録再生を行なうことができる。
【０００４】
これらのＳＰＭは、駆動ステージで探針を試料や媒体の表面に対して相対的に駆動し、探針と試料の物理相互作用を検出することで、像を取得したり、情報の記録再生を行ったりするものである。従来の駆動ステージは図１２から図１４に示すようなものであった。
図１２に示した駆動ステージは、円筒形の圧電素子１０００の周囲に４分割された電極１００１〜１００４が配置されているものである（ただし、１００４は図中では影になっていて見えない）。圧電素子１０００の上部には移動台１００５が接合されている（図中では分解して表示）。円筒形の圧電素子１０００は、相対する電極（１００１と１００３、１００２と１００４）の電圧を制御して、一方が伸び他方が縮むようにすることにより屈曲できる。また、４つの電極に同じ電圧を印加することで圧電素子１０００を長軸方向に伸縮できる。つまり、この圧電素子１０００の屈曲、伸縮を４つの電極１００１〜１００４に加える電圧で制御できるので、この圧電素子の上部に接合した移動台１００５を３次元方向に駆動することができる。
また、図１３に示したものは１軸駆動のステージである。本ステージでは、移動台２００２が、平行ヒンジバネ２００３で支持体２００１に連結されている。これらは、一体で製作してもよいし、組み立てて製作してもよい。また、圧電アクチュエータ２００４は、その両端が移動台２００２と支持体２００１に連結している。本ステージでは、圧電アクチュエータ２００４に電圧を印加して伸長させることで、移動台２００２を支持体２００１に対して図中で左右方向に相対的に駆動することができる。
図１４は、特公平６−４６２４６号公報に示される移動機構である。図中で、移動台３００３は、２対の平行ヒンジバネ３０１０、３０１１と３０１２、３０１３に支えられている。平行ヒンジバネ３０１０、３０１１の他端は副支持体３００１を介してＹ軸駆動用の圧電アクチュエータ３００５に接続され、平行ヒンジバネ３０１２、３０１３の他端は副支持体３００２を介してＸ軸駆動用の圧電アクチュエータ３００６に接続されている。
副支持体３００１は、平行ヒンジバネ３０１０、３０１１のほか、それと直角方向の平行ヒンジバネ３０１４、３０１５に支持され、副支持体３００２は、平行ヒンジバネ３０１２、３０１３のほか、それと直角の平行ヒンジバネ３０１６、３０１７に支持されている。平行ヒンジバネ３０１４、３０１５の他端、および平行ヒンジバネ３０１６、３０１７の他端、Ｙ軸駆動用の圧電アクチュエータ３００５およびＸ駆動用の圧電アクチュエータ３００６の他端はいずれも基板３０００に接続されている。
【０００５】
さて、このような構造体において、Ｙ軸駆動用の圧電アクチュエータ３００５が伸びる場合を考えると、移動台３００３と副支持体３００１は、それぞれ平行ヒンジバネ３０１２、３０１３と３０１４、３０１５に支持されているのでＹ軸方向に平行移動する。一方、平行ヒンジバネ３０１０、３０１１はＹ軸方向には剛性が高いので、両者は一体となって動く。同様に移動台３００３は、Ｘ軸駆動用の圧電アクチュエータの伸縮に従って、Ｘ軸方向に副支持体３００２と一体になって動く。
すなわち、移動台３００３はそれぞれＹ軸駆動用の圧電アクチュエータ３００５、Ｘ軸駆動用の圧電アクチュエータ３００６の動きに忠実に従い、互いに相手の動きに干渉されないことがわかる。
このように、移動台３００３は、Ｘ軸、Ｙ軸駆動用の圧電アクチュエータ３００６、３００５によりＸ軸、Ｙ軸方向に任意に動かすことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の図１２から図１４に示したような駆動ステージは、駆動速度を速くしていくと、移動台の発生する慣性力が大きくなり、その慣性力によって支持部が振動してしまうという問題点があった。
すなわち、このような支持部の振動は、駆動ステージをＳＰＭに使用する際には、取得像の不鮮明さの原因となり、また、情報記録再生装置として使用する際には、情報の記録や再生のエラーの原因となる。
また、加工装置として使用する際には、加工精度が低くなる原因となる。
また、その振動を抑制するために筐体を重くすると、装置全体の重量が増加してしまうという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来のものにおける課題を解決し、高速で走査を行っても振動の発生の少ない小型で軽量な駆動ステージと、該駆動ステージを有し、高速に鮮明な像を取得できるＳＰＭや、高速に加工を行っても精度の低下しない加工装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するため、駆動ステージ、該駆動ステージを有する走査型プローブ顕微鏡、加工装置を、つぎのように構成したことを特徴とするものである。
すなわち、本発明の駆動ステージは、支持体と、前記支持体に支持された少なくとも２つ以上の複数の可動部と、
前記複数の可動部を駆動する１つ以上のアクチュエータと、
を有する駆動ステージにおいて、
前記複数の可動部が、前記支持体もしくは他の可動部に対してバネ性部材で弾性的に支持され、
前記アクチュエータによって、前記支持体の振動を少なくすべく、前記複数の可動部における一方の可動部を、他方の可動部に対して相対的に駆動し、それぞれの可動部に生じる慣性力が、互いに相殺されるように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記慣性力を相殺する方向に駆動する構成が、
前記複数の可動部の質量をｍ１，ｍ２，．．．ｍｎとし、前記可動部の駆動時の加速度ベクトルをａ１，ａ２，．．．ａｎとしたとき、
ｍ１・ａ１＋ｍ２・ａ２＋．．．＋ｍｎ・ａｎ＝０の関係を満たして駆動するように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記弾性的に支持された一方の可動部と他方の可動部が、それぞれの自由振動の周波数が等しくなるように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記アクチュエータは、少なくとも２つ以上であり、
該２つ以上のそれぞれのアクチュエータを駆動する駆動信号増幅手段を有し、
前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の増幅率を、前記複数の可動部のそれぞれに発生する慣性力を互いに相殺できるように設定することが可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の増幅率を、前記可動部の積載量に応じて調整することが可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の周波数特性を、前記可動部の駆動特性に応じて設定することが可能に構成されていることを特徴している。
また、本発明の駆動ステージは、支持体と、前記支持体に支持された少なくとも２つ以上の複数の可動部と、前記複数の可動部を駆動するためのアクチュエータと、を有する駆動ステージにおいて、
前記アクチュエータは、少なくとも２つ以上の、同心円状に配置された円筒形圧電素子を具備し、
駆動時に、前記２つ以上のそれぞれの円筒形圧電素子によって、前記支持体の振動を少なくすべく、前記複数の可動部における一方の可動部を、他方の可動部に対して相対的に駆動し、それぞれの可動部に生じる慣性力が、互いに相殺されるように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、周囲に複数の駆動電極が設けられた円筒形圧電素子を少なくとも２つ以上有する駆動ステージであって、
前記２つ以上の円筒形圧電素子が同心円状に配置され、
駆動時に、前記２つ以上のそれぞれの円筒形圧電素子により発生する慣性力が、互いに相殺されるように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記円筒形圧電素子を駆動する駆動信号増幅手段を有し、
前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の増幅率を、前記２つ以上のそれぞれの円筒形圧電素子により発生する慣性力を互いに相殺できるように設定することが可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の増幅率を、積載量に応じて調整することが可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の周波数特性を、前記円筒型圧電素子の駆動特性に応じて設定することが可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、試料表面に対し探針を相対的に駆動する駆動ステージを有し、前記試料と前記探針との物理相互作用を検出し、前記試料表面の観察をする走査型プローブ顕微鏡において、
前記駆動ステージとして、上記したいずれかに記載の駆動ステージを有することを特徴としている。
また、本発明の加工装置は、被加工物表面に対し探針を相対的に駆動する駆動ステージを有し、前記被加工物と前記探針との間に物理相互作用を生じさせることで加工を行う加工装置において、
前記駆動ステージとして、上記したいずれかに記載の駆動ステージを有することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（１）本発明は、上記したように複数の可動部の生じる慣性力が互いに相殺される方向に駆動されるように構成することにより、支持体に伝わる振動を減少させることができ、そのため、支持体を重くすることなく、高速に駆動しても振動の少ない駆動ステージを実現することができる。
（２）また、本発明は、上記したようにｍ１・ａ１＋ｍ２・ａ２＋...＋ｍｎ・ａｎ＝０の関係を満たして駆動するように構成することにより、複数の可動部の生じる慣性力が完全に打ち消し合うので、振動が完全にキャンセルされる駆動ステージを実現することができる。
（３）また、本発明は、上記したように、前記複数の可動部における一方の可動部を、他方の可動部に対して相対的に駆動し、それぞれの可動部の生じる慣性力が、互いに打ち消し合うように構成することにより、作用反作用の法則により、上記のバネ支持された一方の可動部と他方の可動部が互いに逆方向に駆動されるために、それぞれの慣性力が打ち消し合う。そのため、振動の少ない駆動ステージを実現することができる。
【００１０】
（４）また、本発明は、上記したように、一方の可動部と他方の可動部が、それぞれの自由振動の周波数が等しくなるように構成することにより、これら可動部の共振周波数が等しいことにより、振動が完全にキャンセルされる駆動ステージを実現することができる。
以下、本発明で振動が完全にキャンセルされる理由を説明する。
本発明の解析を行うために、図１５のようなモデル化を行う。
図中で、１０は支持部、１１は移動部１、１２は移動部２、１３は弾性部材１、１４は弾性部材２、１５は線形アクチュエータである。
このモデルの運動方程式は、粘性抵抗を無視すると以下で与えられる。
ここで、各記号の意味は以下の通りである。
ｍ１：支持部の質量、ｍ２：移動部１の質量、ｍ３：移動部２の質量、ｘ１：支持部の変位、ｘ２：移動部１の変位、ｘ３：移動部２の変位、ｋ１：弾性部材１のばね定数、ｋ２：線形アクチュエータのばね定数、ｋ３：弾性部材２のばね定数、ｆ：アクチュエータの発生力
数式１をラプラス変換してまとめると、
となる。左辺のマトリクスをΔとおくと、両辺にΔの逆行列をかけて次式を得る。
特に、駆動力ｆに対する支持体の変位ｘ１の伝達関数は、
となるが、本発明では、二つの可動部の共振周波数が等しいことから、
となり、結局、伝達関数は０となる。それゆえ、慣性力が完全にキャンセルされて、駆動力ｆで支持体が加振されないことがわかる。
【００１１】
（５）また、本発明は、上記したように、駆動信号増幅手段の増幅率が複数の可動部の発生する慣性力を相殺するように設定することが可能となるように構成することにより、駆動時に振動の少ない駆動ステージを実現することができる。（６）また、本発明は、上記したように 、駆動信号増幅手段の増幅率を可動部の積載量に応じて制御するように構成することにより、可動部の積載量が変化しても振動が増えることのない駆動ステージを実現することができる。
（７）また、本発明は、上記したように、駆動信号増幅手段の周波数特性を可動部の駆動周波数特性に応じて設定するように構成することにより、可動部の駆動周波数特性がふぞろいであっても、振動の少ない駆動ステージを実現することができる。
（８）また、本発明は、上記したように、駆動時に２つ以上のそれぞれの円筒形圧電素子の発生する慣性力が、互いに相殺されるように構成することにより、複数の円筒形圧電素子の発生する慣性力が互いに相殺されるので、振動の少ない駆動ステージを実現することができる。
（９）また、本発明は、上記したように、駆動信号増幅手段の増幅率が複数の円筒形圧電素子の発生する慣性力を相殺するように設定することが可能となるように構成することにより、駆動時に振動の少ない駆動ステージを実現することができる。
（１０）また、本発明は、上記したように、駆動信号増幅手段の増幅率を可動部の積載量に応じて制御するように構成することにより、可動部の積載量が変化しても振動が増えることのない駆動ステージを実現することができる。
（１１）また、本発明は、上記したように、駆動信号増幅手段の周波数特性を円筒型圧電素子の駆動周波数特性に応じて設定するように構成することにより、円筒型圧電素子の駆動周波数特性がふぞろいであっても、振動の少ない駆動ステージを実現することができる。
（１２）また、本発明は、上記したように、本発明の駆動ステージを有する走査型プローブ顕微鏡を構成することにより、駆動ステージの振動が少なくなるので、高速に走査を行っても、振動が少なく、鮮明な像を取得することができる走査型プローブ顕微鏡を実現できる。
（１３）また、本発明は、上記したように、本発明の駆動ステージを有する情報記録再生装置を構成することにより、駆動ステージの振動が少なくなるので、高速に走査を行っても、振動が少なく、記録再生エラーの少ない情報記録再生装置を実現できる。
（１４）また、本発明は、上記したように、本発明の駆動ステージを有する加工装置を構成することにより、駆動ステージの振動が少なくなるので、高速に走査を行っても、振動が少なく、高精度に加工を行える加工装置を実現することができる。
【００１２】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図１は、実施例１の駆動ステージの概略図である。
支持体１０１の内側に、移動台１０２、１０３がそれぞれ４本の平行ヒンジバネ１０４、１０５で、図中で水平方向に移動できるように支持されている。また、圧電アクチュエータ１０６は、一端を移動台１０２に、他方を移動台１０３に結合されている。
圧電アクチュエータ１０６は、電圧を印加すると長さが図中で左右方向に伸びるように分極処理が施されている。
また、駆動信号は、増幅器１１０で増幅されて圧電アクチュエータ１０６に与えられている。
本発明の駆動ステージには、移動台が２つある。どちらか一方の移動台のみを使用してもよいし、両方を使用してもよい。
本実施例の駆動ステージでは、駆動する際に、移動台１０２により生じる慣性力と移動台１０３の生じる慣性力が相殺し合うため、高速で駆動しても振動が少ない。特に、２つの移動台の共振周波数を等しくすることで、慣性力を完全にキャンセルすることができる。
【００１３】
［実施例２］
図２は、実施例２の概略図である。
支持体２０１の内側に、移動台２０２、２０３がそれぞれ４本の平行ヒンジバネ２０４、２０５で、図中で水平方向に移動できるように支持されている。また、圧電アクチュエータ２０６、２０７は、一端を支持体２０１に結合され、他方がそれぞれ移動台２０２、２０３に結合されている。
２つの圧電アクチュエータ２０６、２０７は、電圧を印加すると長さが図中で左右方向に伸びるように分極処理が施されている。
また、駆動信号は、それぞれ増幅器２１０、２１１で増幅されて圧電アクチュエータ２０６、２０７に与えられている。
ここで、増幅器２１０、２１１の信号増幅率Ａ１、Ａ２は、移動台２０２、２０３を駆動した時の慣性力が逆向きで等しくなるように設定されている。
つまり、移動台２０２、２０３の質量と駆動加速度をそれぞれｍ１、ｍ２と、ａ１、ａ２としたときに、ｍ１×ａ１＝ｍ２×ａ２となるように設定されている。また、移動台２０２、２０３を駆動する際の周波数特性が異なっている場合には、これらの増幅率を駆動周波数に応じて設定するようにするのが望ましい。
【００１４】
また、移動台に搭載されるものの質量に応じて増幅率を制御することで、移動台上に搭載するものの質量によらず振動が生じないようにすることができる。
本発明のステージは、駆動される移動台が２つある。どちらか一方の移動台のみを使用してもよいし、両方を使用してもよい。
以上のように構成した本実施例のステージでは、駆動信号を入力すると移動台２０２、２０３が相対する方向に、かつ慣性力が等しくなるように駆動されるので、支持体２０１に伝わる慣性力が相殺される。
そのため、高速な走査を行っても振動の少ない駆動ステージを提供することができる。また、増幅器の増幅率を制御することで、ステージに搭載するものの質量によらず振動の少ない駆動ステージを提供することができる。
【００１５】
［実施例３］
図３は、実施例３の概略図である。
支持体３０１の内側に、移動台３０２と、永久磁石３０３ａ、３０３ｂがそれぞれ平行ヒンジバネ３０４、３０５で、図中で水平方向に移動できるように支持されている。永久磁石３０３ａと３０３ｂは、Ｎ極どうしが向き合うように配置されている。
移動台３０２にはコイル３０７が固定されており、その内側を連結棒３０６が貫通している。連結棒３０６は永久磁石３０３ａと３０３ｂを連結しており、これら３つの部材は一体化している。
本ステージの駆動信号は、増幅器３１０で増幅されてコイル３０７に入力される。増幅器３１０からコイル３０７に電流を流すと、コイル３０７と永久磁石３０３ａ、３０３ｂとの間に力が働く。この力の向きは、永久磁石３０３ａと３０３ｂの作る磁界と、コイル３０７に流れる電流の向きで決定される。図４は、コイル３０７に電流を流した時に、コイルの右側がＳ極、左側がＮ極になるような磁界が生じ、移動台３０２が図中で右に駆動され、永久磁石３０３ａ、３０３ｂが左に駆動されている様子を示している。このように、移動台３０２と永久磁石３０３ａ、３０３ｂは逆向きに駆動されるため、それぞれの生じる慣性力は相殺され、振動が減少する。また、本実施例では、圧電アクチュエータではなく、コイルと永久磁石とからなる電磁アクチュエータを使用しているので、駆動時にヒステリシスが生じることがない。
また、３０４で弾性支持された３０２の共振周波数を、３０５で弾性支持された３０３ａ、３０３ｂ、３０６の一体化した部材の共振周波数を等しくすることで慣性力を完全にキャンセルすることができる。
【００１６】
［参考例］
図５は、参考例の概略図を示すものであり、実施例３の駆動ステージを情報記録再生装置に適用した例である。
図５において、４０１〜４０７は、３０１〜３０７と同様で駆動ステージを構成している。
図５において、駆動ステージは横方向から見て表示されており、また、一部省略されて表示されている。平行ヒンジバネ４０４、４０５（不図示）は、それぞれ支持しているものの共振周波数が等しくなるようにバネ定数を調整されている。移動台４０２の上部には、導電性基板４２５と記録層４２６からなる記録媒体４２７が配置されており、導電性基板４２５は電気的に接地されている。
また、永久磁石４０３ａ、４０３ｂの上部にはＹ駆動機構ガイド４２０が連結されている。Ｙ駆動機構ガイド４２０の上にはＹ駆動機構スライダ４２１が紙面に垂直方向に移動できるように設置されている。Ｙ駆動機構スライダ４２１は、Ｙ駆動機構ガイド４２０に対して圧電インチウォーム機構で紙面に垂直な方向に駆動されるようになっている。そして、２つのＹ駆動機構スライダ４２１の上にはプローブ固定板４２２が設置されている。そして、プローブ固定板４２２の記録媒体４２７に対抗する側には自由端に探針４２４を有する微小カンチレバー４２３が３本固定されており、探針４２４の先端が記録媒体４２７に所望の接触力で接触するように配置されている。
ここで、探針４２４の先端から見たカンチレバー４２３の弾性変形の弾性定数が約０．１［Ｎ／ｍ］、弾性変形量が約１［μｍ］であるとすると、記録媒体４２７に対する探針４２４の接触力は約１０−７［Ｎ］程度となる。
【００１７】
また、探針４２４は導電性で、切り替えスイッチ４３１を通じて、記録制御回路４３３もしくは電流電圧変換回路４３５と電気的に接続されている。図５では、最も左側のプローブの回路のみが図示されているが、実際にはすべてのプローブに同様な回路が存在している。
記録層４２６としては、電圧印加により流れる電流値が変化するような材料を用いる。
具体例としては、第１に、特開昭６３−１６１５５２号公報、特開昭６３−１６１５５３号公報に開示されているようなポリイミドやＳＯＡＺ（ビス−ｎ−オクチルスクアリリウムアズレン）等電気メモリー効果を有するＬＢ膜（＝Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔｅ法により作製された有機単分子の膜の累積膜）が挙げられる。この材料は、探針−ＬＢ膜−基板間にしきい値以上の電圧（５〜１０［Ｖ］程度）を印加すると間のＬＢ膜の導電性が変化（ＯＦＦ状態→ＯＮ状態）し、再生用のバイアス電圧（０．０１〜２［Ｖ］程度）を印加した際に流れる電流が増大するものである。
第２の具体例として、ＧｅＴｅ，ＧａＳｂ，ＳｎＴｅ等の非晶質薄膜材料が挙げられる。この材料は、探針−非晶質薄膜材料−基板間に電圧を印加し、流れる電流により発生する熱で非晶質→晶質への相転移を起こさせるものである。これにより材料の導電性が変化し、再生用のバイアス電圧を印加した際に流れる電流が増大するものである。
第３の具体例として、ＺｎやＷ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の酸化性金属・半導体材料が挙げられる。この材料は、探針−酸化性金属・半導体材料間に電圧を印加すると、流れる電流により、材料表面に吸着している水や大気中の酸素と反応し、表面に酸化膜が形成される。このため材料表面の接触抵抗が変化し、バイアス電圧を印加した際に流れる電流が減少する。
【００１８】
上記の記録再生装置において記録媒体４２７に対し探針４２４を走査する際、カンチレバー４２３上の探針４２４先端は記録媒体４２７に対し、常に接触した状態を保つ。このような接触走査方式は、探針４２４の先端を記録媒体４２７に対し接触させたまま走査する場合に、記録媒体４２７の表面に凹凸があっても、カンチレバー４２３の弾性変形によりこれを吸収するため、探針４２４の先端と記録媒体４２７の表面の接触力はほぼ一定に保たれ、探針４２４や記録媒体４２７が破壊することを避けられる。この方式は探針４２４を高さ方向に制御する手段が不必要であるため、構成が複雑にならず、特に複数のプローブを有する装置に適している。また、記録媒体４２７に対する個々の探針４２４の高さ方向のフィードバック制御が不必要であるため、記録媒体４２７に対する探針４２４の高速走査が可能となる。
【００１９】
以上のような構成の記録再生装置における、記録再生の手順を説明する。
まず、記録再生時の探針４２４の記録媒体４２７に対する走査は、以下のようにして行う。Ｘ駆動回路４１０には、制御コンピュータより、図６（ａ）に示すような正弦波信号が入力される。すると、移動台４０２と永久磁石４０３ａ、４０３ｂは、対抗する方向に往復運動するように駆動される。本実施例では、駆動周波数を１０Ｈｚ、往復運動の端から端までの振幅を２００μｍとした。このとき、探針４２４の記録媒体４２７に対する走査速度は平均４ｍｍ／ｓとなる。移動台４０２と永久磁石４０３ａ、４０３ｂは対抗する向きに駆動されるため、それぞれの慣性力は相殺し合う。
また、Ｙ駆動回路４１１には、図６（ｂ）に示すような、移動台４０２の駆動方向が切り替わるタイミングで、Ｙ方向に１ステップずつ移動するような信号を与える。その信号によって、Ｙ駆動機構スライダ４２１のインチウォーム機構を駆動して、１ステップずつ移動するようにする。本実施例では、１ステップの移動距離を２０ｎｍとした。Ｙ方向への移動は、加速度がＸ方向の移動に比べて非常に小さいために、それに起因する振動はほとんど生じない。
Ｘ駆動回路４１０とＹ駆動回路４１１に上記のような信号を入力すると、探針４２４は記録媒体４２７に対して図６（ｃ）のようにラスター状に走査される。
【００２０】
まず、情報記録時においては、探針４２４の先端が記録媒体４２７に対し、接触した状態を保った状態で、以上説明したような走査を行いながら、制御コンピュータ４３０により制御された記録制御回路４３３から発生された記録信号が、記録系に切り替えられた切り替えスイッチ４３１を通し、探針４２４から記録媒体４２７に印加される。このようにして、記録層４２６の探針４２４先端が接触する部分に局所的に記録が行われる。
そして、上述のように記録が行われた情報の再生は次のように行う。
切り替えスイッチ４３１により、探針４２４からの信号配線を再生系に切り替えた後、以上説明したような走査を行いながら、バイアス電圧印加手段４３２により、探針４２４と導電性基板４２５との間にバイアス電圧を印加し、間に流れる電流を電流電圧変換回路４３５において電圧に変換する。記録媒体４２７上の記録ビットの部分は記録がなされていない部分に比べ電流が多く（または、少なく）流れるため、ビットの有無が電圧信号に変換される。そして、その再生信号はバンドパスフィルタ４３６と復調回路４３７を通して、バイナリデータとして制御コンピュータ４３０に入力される。このようにして、記録媒体４２７に記録された情報の再生を行なうことができる。
本発明の情報記録再生装置においては、Ｘ方向の駆動に起因する振動がキャンセルされるので、高速な走査を行っても振動することがなく、正確に情報の記録再生を行うことができる。
【００２１】
［実施例４］
図７に実施例４の駆動ステージの斜視図を示す。本ステージは、図７に示すように円筒形の圧電素子からなる駆動ステージが２つ同心円状に重なった構造をしている。
第１の円筒形圧電素子５００の内側に第２の円筒形圧電素子５１０が同心円状に配置されている（図７では分解して表示）。第１の円筒形圧電素子５００の周囲には、４分割された電極５０１〜５０４が配置されており（ただし５０４は図７では裏側にあたるため不図示）、その上部には移動台５０５が接合されている（図７では分解して表示）。また、第２の円筒形圧電素子５１０の周囲には、４分割された電極５１１〜５１４が配置されており（ただし、５１４は図７では裏側にあたるため不図示）、上部には重り５１５が接合されている（図７では分解して表示）。
第１、第２の円筒形圧電素子５００、５１０は、相対する電極（５０１と５０３、５０２と５０４、５１１と５１３、５１２と５１４）の電圧を制御して、一方が伸び他方が縮むようにすることにより、屈曲させることができる。また、４つの電極に同じように電圧を印加することで長軸方向に伸縮させることができる。つまり、この圧電素子５００、５１０の屈曲、伸縮を電圧で制御できる。それゆえ、この圧電素子の上部に配置した移動台５０５と重り５１５をそれぞれ３次元方向に駆動することができる。
【００２２】
図８は、本ステージの結線図を示した図である。本結線図に示すように結線することで、外側の円筒形圧電素子５００と内側の円筒形圧電素子５１０は、常に逆方向に駆動されることになる。
図９は、駆動時の変形の様子の断面図である。図中で、円筒形圧電素子５００は、左向きに曲がって上方向に伸びており、円筒形圧電素子５１０は、右向きに曲がって下方向に縮んでいる。増幅器５２０〜５２２の増幅率−ＡＸ、−Ａｙ、−Ａｚはそれぞれ、円筒形圧電素子５００と５１０の発生する慣性力がキャンセルするように設定されている。
また、これらの増幅率は、移動台に載せるものの質量が変化した時には、最適な値に調整するのが望ましい。
以上のように構成された本発明は、常に外側の第１の円筒形圧電素子５００と内側の第２の円筒形圧電素子５１０の発生する慣性力がキャンセルするように駆動されるので、高速に駆動しても振動の少ないステージを提供することができる。
【００２３】
［実施例５］
図１０は、実施例５の駆動ステージの概略図である。本ステージは、図１０に示すように駆動ステージを４つ組み合わせたような構造になっている。
移動台６１１〜６１４は、平行ヒンジバネ６４０を介して副支持体６０１〜６０４に接続しており、また、それらの平行ヒンジバネの他端は支持体６００に接続されている。
また、アクチュエータ６２１〜６２４はそれぞれ一方の端を副支持体６０１〜６０４に接続され、他端を支持ポスト６３０に接続されている。支持ポスト６３０は、支持体６００と一体になっている（不図示）。これらは、全体として上下左右対称な形状となっている。Ｘ駆動信号は増幅器６５０を通じて、アクチュエータ６２１と６２３に供給され、Ｙ駆動信号は増幅器６５１を通じて、アクチュエータ６２２と６２４に供給される。そのため、対抗して配置されているアクチュエータ６２１と６２３、６２２と６２４はそれぞれ同時に伸縮する。このように動作することで、本発明のステージは駆動した際に全体の慣性力が相殺し合うようになっている。
【００２４】
図１１に、本実施例のステージを駆動した際の例を示す。
図１１（ａ）は、アクチュエータ６２２と６２４が縮んだ様子を示している。アクチュエータ６２２と６２４が縮むことにより副支持体６０２は図中で上方向に移動し、副支持体６０４は図中で下方向に移動する。それらと連動して、移動台６１２と６１３は図中で上方向に移動し、移動台６１１と６１４は図中で下方向に移動する。このように、支持体と移動台が上下対称に動くことで、これらの動作により発生する慣性力はすべて相殺し合う。図１１（ｂ）は、アクチュエータ６２２と６２４が縮み、６２１と６２３が伸びた様子を示している。それにより副支持体６０１は図中右、副支持体６０２は図中上、副支持体６０３は図中左、副支持体６０４は図中下に移動する。また、移動台６１１は図中右下、移動台６１２は図中右上、移動台６１３は図中左上、移動台６１４は図中左下に移動する。このように、支持体と移動台が上下左右対称に動くことで、これらの動作により発生する慣性力は、すべて相殺し合う。
図１１（ｃ）は、Ｘ駆動信号にｃｏｓωｔ、Ｙ駆動信号にｓｉｎωｔを入力した時の様子である。副支持体６０１〜６０４は正弦波状に動き、移動台６１１〜６１４は円状に動く。
（ａ）、（ｂ）と同様に、支持体と移動台が対称的に動くことで、これらの動作により発生する慣性力は、すべて相殺し合う。
本発明のステージでは移動台が４つあるが、それらすべてを使ってもよいし、１つだけを使うようにしてもよい。
以上説明したように、本発明のステージは慣性力が相殺し合うので、高速で２次元駆動した際に振動の少ないステージを供給することができる。
【００２５】
［実施例６］
図１６は、実施例６の走査型トンネル顕微鏡の機構と制御回路の概略を示したものである。実施例４に示したステージを走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）に応用している。
固定台７０１の上に円筒型圧電素子７００が配置され、その上部に移動台７０５が配置されている。円筒型圧電素子７００の内部には、同心円状に、７００よりも小径の円筒型圧電素子が配置され、その上部には重りが配置されている（不図示）。移動台７０５の上部には、導電性の試料７２５が設置されている。導電性の試料７２５は、印加電圧制御回路７３２によって制御コンピュータ７３０から印加する電圧を制御することができる。試料７２５には、導電性の探針７２４が対向するように配置され、探針７２４は、探針支持体７２３で支持されている。探針７２４に流れるトンネル電流は、電流電圧変換回路７３５で電圧に変換され、制御コンピュータ７３０に入力される。また、制御コンピュータ７３０は、Ｘ、Ｙ、Ｚ駆動信号を生成し、円筒型圧電素子７００を駆動し、また、これらの駆動信号は反転アンプ７２０〜７２２を介して、円筒型圧電素子７００の内部の円筒型圧電素子（不図示）を駆動する。これにより、実施例５に示したように、ステージを駆動した時の慣性力はキャンセルされる。
【００２６】
さて、ＳＴＭ測定動作について説明する。本実施例ではトンネル電流が一定になるように探針・試料間距離を制御する場合（トンネル電流一定モード）について説明する。試料７２５には、印加電圧制御回路７３２によって導電性の探針７２４に対して所定量の測定バイアス電圧が印加されている。探針７２４と試料７２５が接近装置（不図示）によって接近させられると、ある距離以内で両者の間にトンネル電流が流れはじめる。このトンネル電流信号は電流電圧変換回路７３５によって電圧信号に変換され制御コンピュータ７３０に送られる。このトンネル電流信号は探針７２４と試料７２５との距離制御に用いられる。本実施例では制御コンピュータ７３０はトンネル電流が一定になるようにＺ駆動信号を生成し、円筒型圧電素子７００の伸縮方向の変位を制御する。このような手続きによってフィードバックループが構成され、トンネル電流一定制御が実現される。
【００２７】
次に、表面観察像を得るために制御コンピュータ７３０は、Ｘ、Ｙ駆動信号を生成して、探針７２４と試料７２５とを試料面と平行な方向（Ｘ，Ｙ方向）に相対移動させる。これを以下ＸＹ走査と呼ぶ。このＸＹ走査によって得られたトンネル電流信号（カレント信号）またはそのそのトンネル電流信号による制御信号（トポグラフィック信号）は、ＣＲＴ等のモニタ（不図示）上のＸ−Ｙ座標に対応する位置に、それらの信号の大きさに応じて輝度や色信号などによって出力されることで試料表面を画像として観察することができるようになっている。本発明のＳＴＭ装置によれば、円筒型圧電素子７００と、内部に配置された円筒型圧電素子を逆方向に駆動することで慣性力をキャンセルするため、高速な駆動を行っても振動が生じることが無く、鮮明な像を取得できるＳＴＭ装置を提供することができる。
なお、本実施例で用いた回路は一例として示したものであってこれに限定されるものではなく、たとえば全体をアナログで制御することも可能であることはいうまでもない。
【００２８】
［実施例７］
本実施例では、実施例６で示したＳＴＭ装置（図１６参照）と、金（Ａｕ）を表面に堆積したシリコンウェハとを、真空排気したチャンバー内に設置し、チャンバー内の真空度が約１×１０−４Ｔｏｒｒとなるように６フッ化タングステン（ＷＦ６）ガスを導入する。この状態で試料（Ａｕ）表面のＳＴＭ観察を行うと、探針走査部分に対応してタングステンが試料表面に堆積する。この様なＳＴＭ装置構成による試料表面への選択堆積あるいはエッチングなどの加工においても、本発明の装置は従来の装置に比較して高速走査時に振動が生じないので、高精度な加工を行うことができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、軽量で、高速に駆動しても振動が少ないステージを提供することができる。
また、本発明のステージを適用することで、軽量で振動が少なく鮮明な像を取得できるＳＰＭを提供することができる。
また、本発明のステージを適用することで、高速に走査を行っても、高精度な加工を行うことができる加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１のステージを説明する図である。
【図２】 実施例２のステージを説明する図である。
【図３】 実施例３のステージを説明する図である。
【図４】 実施例３のステージの動作を説明する図である。
【図５】 参考例の情報記録再生装置を説明する図である。
【図６】 （ａ）は参考例の情報記録再生装置のステージのＸ駆動信号を説明する図である。
（ｂ）は参考例の情報記録再生装置のステージのＹ駆動信号を説明する図である。
（ｃ）は参考例の情報記録再生装置のプローブの動作軌跡を説明する図である。
【図７】 実施例４のステージを説明する図である。
【図８】 実施例４のステージの配線図である。
【図９】 実施例４のステージの動作を説明する図である。
【図１０】 実施例５のステージを説明する図である。
【図１１】 実施例５のステージの動作を説明する図である。
【図１２】 従来の円筒形圧電素子を用いたステージである。
【図１３】 従来の１軸駆動型ステージである。
【図１４】 従来の２軸駆動型スデージである。
【図１５】 慣性力がキャンセルされることを説明するための力学モデルである。
【図１６】 実施例６の走査トンネル顕微鏡を説明する図である。
【符号の説明】
１０：支持部
１１：移動部１
１２：移動部２
１３：弾性部材１
１４：弾性部材２
１５：線形アクチュエータ
１０１、２０１、３０１、４０１、６００、２００１、３０００：支持体
１０２、１０３、２０２、２０３、３０２、４０２、５０５、
６１１〜６１４、１００５、２００２、３００３：移動台
１０４、１０５、２０４、２０５、３０４、３０５、６４０、
２００３、３０１０〜３０１７：平行ヒンジバネ
１０６、２０６、２０７、６２１〜６２４、２００４、
３００５、３００６：圧電アクチュエータ
１１０、２１０、２１１、３１０、６５０、６５１：増幅器
３０３ａ、３０３ｂ、４０３ａ、４０３ｂ：永久磁石
３０６、４０６：連結棒
３０７、４０７：コイル
４１０：Ｘ駆動回路
４１１：Ｙ駆動回路
４２０：Ｙ駆動機構ガイド
４２１：Ｙ駆動機構スライダ
４２２：プローブ固定版
４２３：微小カンチレバー
４２４：探針
４２５：導電性基板
４２６：記録層
４２７：記録媒体
４３０：制御コンピュータ
４３１：切り替えスイッチ
４３２：バイアス印加手段
４３３：記録制御回路
４３４：再生制御回路
４３５：電流電圧変換回路
４３６：バンドパスフィルタ
４３７：復調回路
５００、５１０、１０００：円筒形圧電素子
５０１〜５０４、５１１〜５１４、１００１〜１００４：電極
５１５：重り
５２０〜５２２：増幅器
５３０〜５３３：反転器
５４０〜５４７：加算器
６０１〜６０４、３００１、３００２：副支持体
６３０：支持ポスト
７００：円筒型圧電素子
７０１：固定台
７０５：移動台
７２０〜７２２：反転アンプ
７２３：探針支持体
７２４：導電性の探針
７２５：導電性試料
７３０：制御コンピュータ
７３２：印加電圧制御回路
７３５：電流電圧変換回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動ステージ、該駆動ステージを有する走査型プローブ顕微鏡及び加工装置に関するもので、特に高速走査時に生じる振動の軽減を目指すものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ナノメートル以下の分解能で導電性物質表面を観察可能な走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭと略す）が開発され（米国特許第４，３４３，９９３号明細書）、金属・半導体表面の原子配列、有機分子の配向等の観察が原子・分子スケールでなされている。また、ＳＴＭ技術を発展させ、絶縁物質等の表面をＳＴＭと同様の分解能で観察可能な原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭと略す）も開発された（米国第特許４，７２４，３１８号明細書）。さらに別の発展形として、尖鋭なプローブ先端の微小開口からしみ出すエバネッセント光を利用して試料表面状態を調べる走査型近接場光顕微鏡（以下ＳＮＯＭと略す）［Ｄｕｒｉｇ他，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５９，３３１８（１９８６）］も開発された。現在ではトンネル電流、電子状態密度、原子間力、分子間力、摩擦力、弾性、エバネッセント光、磁力等試料表面の種々の物理量を高い分解能で測定できるこれらの顕微鏡を走査型プローブ顕微鏡（以下ＳＰＭと略す）と総称している。
【０００３】
さらに、このようなＳＰＭ技術はメモリ技術にも応用されつつある。例えば、特開昭６３−１６１５５２号公報、特開昭６３−１６１５５３号公報等には、記録層として電圧電流のスイッチング特性に対してメモリ効果を持つ材料、例えばπ電子系有機化合物やカルコゲン化合物類の薄膜層を記録媒体として、記録・再生をＳＴＭで行う方法が開示されている。この方法によれば、ＳＴＭの探針にあるしきい値以上の電圧を印加することにより、探針直下の記録媒体に微小な領域で特性変化を生じさせて記録を行い、探針と記録媒体間に流れるトンネル電流が記録部と非記録部により変化することを利用して再生を行うことができる。この方法を用いて、記録のビットサイズを直径１０ｎｍとすれば、１０12ビット／ｃｍ2の記録密度を持つ情報処理装置が実現できる。
また、記録媒体としてあるしきい値以上の電圧を印加すると表面が局所的に溶融または蒸発して表面形状が凹または凸に変化する材料、例えば、Ａｕ、Ｐｔなどの金属薄膜を用いることにより同様に記録再生を行なうことができる。
【０００４】
これらのＳＰＭは、駆動ステージで探針を試料や媒体の表面に対して相対的に駆動し、探針と試料の物理相互作用を検出することで、像を取得したり、情報の記録再生を行ったりするものである。従来の駆動ステージは図１２から図１４に示すようなものであった。
図１２に示した駆動ステージは、円筒形の圧電素子１０００の周囲に４分割された電極１００１〜１００４が配置されているものである（ただし、１００４は図中では影になっていて見えない）。圧電素子１０００の上部には移動台１００５が接合されている（図中では分解して表示）。円筒形の圧電素子１０００は、相対する電極（１００１と１００３、１００２と１００４）の電圧を制御して、一方が伸び他方が縮むようにすることにより屈曲できる。また、４つの電極に同じ電圧を印加することで圧電素子１０００を長軸方向に伸縮できる。つまり、この圧電素子１０００の屈曲、伸縮を４つの電極１００１〜１００４に加える電圧で制御できるので、この圧電素子の上部に接合した移動台１００５を３次元方向に駆動することができる。
また、図１３に示したものは１軸駆動のステージである。本ステージでは、移動台２００２が、平行ヒンジバネ２００３で支持体２００１に連結されている。これらは、一体で製作してもよいし、組み立てて製作してもよい。また、圧電アクチュエータ２００４は、その両端が移動台２００２と支持体２００１に連結している。本ステージでは、圧電アクチュエータ２００４に電圧を印加して伸長させることで、移動台２００２を支持体２００１に対して図中で左右方向に相対的に駆動することができる。
図１４は、特公平６−４６２４６号公報に示される移動機構である。図中で、移動台３００３は、２対の平行ヒンジバネ３０１０、３０１１と３０１２、３０１３に支えられている。平行ヒンジバネ３０１０、３０１１の他端は副支持体３００１を介してＹ軸駆動用の圧電アクチュエータ３００５に接続され、平行ヒンジバネ３０１２、３０１３の他端は副支持体３００２を介してＸ軸駆動用の圧電アクチュエータ３００６に接続されている。
副支持体３００１は、平行ヒンジバネ３０１０、３０１１のほか、それと直角方向の平行ヒンジバネ３０１４、３０１５に支持され、副支持体３００２は、平行ヒンジバネ３０１２、３０１３のほか、それと直角の平行ヒンジバネ３０１６、３０１７に支持されている。平行ヒンジバネ３０１４、３０１５の他端、および平行ヒンジバネ３０１６、３０１７の他端、Ｙ軸駆動用の圧電アクチュエータ３００５およびＸ駆動用の圧電アクチュエータ３００６の他端はいずれも基板３０００に接続されている。
【０００５】
さて、このような構造体において、Ｙ軸駆動用の圧電アクチュエータ３００５が伸びる場合を考えると、移動台３００３と副支持体３００１は、それぞれ平行ヒンジバネ３０１２、３０１３と３０１４、３０１５に支持されているのでＹ軸方向に平行移動する。一方、平行ヒンジバネ３０１０、３０１１はＹ軸方向には剛性が高いので、両者は一体となって動く。同様に移動台３００３は、Ｘ軸駆動用の圧電アクチュエータの伸縮に従って、Ｘ軸方向に副支持体３００２と一体になって動く。
すなわち、移動台３００３はそれぞれＹ軸駆動用の圧電アクチュエータ３００５、Ｘ軸駆動用の圧電アクチュエータ３００６の動きに忠実に従い、互いに相手の動きに干渉されないことがわかる。
このように、移動台３００３は、Ｘ軸、Ｙ軸駆動用の圧電アクチュエータ３００６、３００５によりＸ軸、Ｙ軸方向に任意に動かすことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の図１２から図１４に示したような駆動ステージは、駆動速度を速くしていくと、移動台の発生する慣性力が大きくなり、その慣性力によって支持部が振動してしまうという問題点があった。
すなわち、このような支持部の振動は、駆動ステージをＳＰＭに使用する際には、取得像の不鮮明さの原因となり、また、情報記録再生装置として使用する際には、情報の記録や再生のエラーの原因となる。
また、加工装置として使用する際には、加工精度が低くなる原因となる。
また、その振動を抑制するために筐体を重くすると、装置全体の重量が増加してしまうという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来のものにおける課題を解決し、高速で走査を行っても振動の発生の少ない小型で軽量な駆動ステージと、該駆動ステージを有し、高速に鮮明な像を取得できるＳＰＭや、高速に加工を行っても精度の低下しない加工装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するため、駆動ステージ、該駆動ステージを有する走査型プローブ顕微鏡、加工装置を、つぎのように構成したことを特徴とするものである。
すなわち、本発明の駆動ステージは、支持体と、前記支持体に支持された少なくとも２つ以上の複数の可動部と、
前記複数の可動部を駆動する１つ以上のアクチュエータと、
を有する駆動ステージにおいて、
前記複数の可動部が、前記支持体もしくは他の可動部に対してバネ性部材で弾性的に支持され、
前記アクチュエータによって、前記支持体の振動を少なくすべく、前記複数の可動部における一方の可動部を、他方の可動部に対して相対的に駆動し、それぞれの可動部に生じる慣性力が、互いに相殺されるように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記慣性力を相殺する方向に駆動する構成が、
前記複数の可動部の質量をｍ１，ｍ２，．．．ｍｎとし、前記可動部の駆動時の加速度ベクトルをａ１，ａ２，．．．ａｎとしたとき、
ｍ１・ａ１＋ｍ２・ａ２＋．．．＋ｍｎ・ａｎ＝０の関係を満たして駆動するように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記弾性的に支持された一方の可動部と他方の可動部が、それぞれの自由振動の周波数が等しくなるように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記アクチュエータは、少なくとも２つ以上であり、
該２つ以上のそれぞれのアクチュエータを駆動する駆動信号増幅手段を有し、
前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の増幅率を、前記複数の可動部のそれぞれに発生する慣性力を互いに相殺できるように設定することが可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の増幅率を、前記可動部の積載量に応じて調整することが可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の周波数特性を、前記可動部の駆動特性に応じて設定することが可能に構成されていることを特徴している。
また、本発明の駆動ステージは、支持体と、前記支持体に支持された少なくとも２つ以上の複数の可動部と、前記複数の可動部を駆動するためのアクチュエータと、を有する駆動ステージにおいて、
前記アクチュエータは、少なくとも２つ以上の、同心円状に配置された円筒形圧電素子を具備し、
駆動時に、前記２つ以上のそれぞれの円筒形圧電素子によって、前記支持体の振動を少なくすべく、前記複数の可動部における一方の可動部を、他方の可動部に対して相対的に駆動し、それぞれの可動部に生じる慣性力が、互いに相殺されるように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、周囲に複数の駆動電極が設けられた円筒形圧電素子を少なくとも２つ以上有する駆動ステージであって、
前記２つ以上の円筒形圧電素子が同心円状に配置され、
駆動時に、前記２つ以上のそれぞれの円筒形圧電素子により発生する慣性力が、互いに相殺されるように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記円筒形圧電素子を駆動する駆動信号増幅手段を有し、
前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の増幅率を、前記２つ以上のそれぞれの円筒形圧電素子により発生する慣性力を互いに相殺できるように設定することが可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の増幅率を、積載量に応じて調整することが可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の駆動ステージは、前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の周波数特性を、前記円筒型圧電素子の駆動特性に応じて設定することが可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、試料表面に対し探針を相対的に駆動する駆動ステージを有し、前記試料と前記探針との物理相互作用を検出し、前記試料表面の観察をする走査型プローブ顕微鏡において、
前記駆動ステージとして、上記したいずれかに記載の駆動ステージを有することを特徴としている。
また、本発明の加工装置は、被加工物表面に対し探針を相対的に駆動する駆動ステージを有し、前記被加工物と前記探針との間に物理相互作用を生じさせることで加工を行う加工装置において、
前記駆動ステージとして、上記したいずれかに記載の駆動ステージを有することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（１）本発明は、上記したように複数の可動部の生じる慣性力が互いに相殺される方向に駆動されるように構成することにより、支持体に伝わる振動を減少させることができ、そのため、支持体を重くすることなく、高速に駆動しても振動の少ない駆動ステージを実現することができる。
（２）また、本発明は、上記したようにｍ１・ａ１＋ｍ２・ａ２＋...＋ｍｎ・ａｎ＝０の関係を満たして駆動するように構成することにより、複数の可動部の生じる慣性力が完全に打ち消し合うので、振動が完全にキャンセルされる駆動ステージを実現することができる。
（３）また、本発明は、上記したように、前記複数の可動部における一方の可動部を、他方の可動部に対して相対的に駆動し、それぞれの可動部の生じる慣性力が、互いに打ち消し合うように構成することにより、作用反作用の法則により、上記のバネ支持された一方の可動部と他方の可動部が互いに逆方向に駆動されるために、それぞれの慣性力が打ち消し合う。そのため、振動の少ない駆動ステージを実現することができる。
【００１０】
（４）また、本発明は、上記したように、一方の可動部と他方の可動部が、それぞれの自由振動の周波数が等しくなるように構成することにより、これら可動部の共振周波数が等しいことにより、振動が完全にキャンセルされる駆動ステージを実現することができる。
以下、本発明で振動が完全にキャンセルされる理由を説明する。
本発明の解析を行うために、図１５のようなモデル化を行う。
図中で、１０は支持部、１１は移動部１、１２は移動部２、１３は弾性部材１、１４は弾性部材２、１５は線形アクチュエータである。
このモデルの運動方程式は、粘性抵抗を無視すると以下で与えられる。
ｍ１：支持部の質量、ｍ２：移動部１の質量、ｍ３：移動部２の質量、ｘ１：支持部の変位、ｘ２：移動部１の変位、ｘ３：移動部２の変位、ｋ１：弾性部材１のばね定数、ｋ２：線形アクチュエータのばね定数、ｋ３：弾性部材２のばね定数、ｆ：アクチュエータの発生力
数式１をラプラス変換してまとめると、
【００１１】
（５）また、本発明は、上記したように、駆動信号増幅手段の増幅率が複数の可動部の発生する慣性力を相殺するように設定することが可能となるように構成することにより、駆動時に振動の少ない駆動ステージを実現することができる。（６）また、本発明は、上記したように 、駆動信号増幅手段の増幅率を可動部の積載量に応じて制御するように構成することにより、可動部の積載量が変化しても振動が増えることのない駆動ステージを実現することができる。
（７）また、本発明は、上記したように、駆動信号増幅手段の周波数特性を可動部の駆動周波数特性に応じて設定するように構成することにより、可動部の駆動周波数特性がふぞろいであっても、振動の少ない駆動ステージを実現することができる。
（８）また、本発明は、上記したように、駆動時に２つ以上のそれぞれの円筒形圧電素子の発生する慣性力が、互いに相殺されるように構成することにより、複数の円筒形圧電素子の発生する慣性力が互いに相殺されるので、振動の少ない駆動ステージを実現することができる。
（９）また、本発明は、上記したように、駆動信号増幅手段の増幅率が複数の円筒形圧電素子の発生する慣性力を相殺するように設定することが可能となるように構成することにより、駆動時に振動の少ない駆動ステージを実現することができる。
（１０）また、本発明は、上記したように、駆動信号増幅手段の増幅率を可動部の積載量に応じて制御するように構成することにより、可動部の積載量が変化しても振動が増えることのない駆動ステージを実現することができる。
（１１）また、本発明は、上記したように、駆動信号増幅手段の周波数特性を円筒型圧電素子の駆動周波数特性に応じて設定するように構成することにより、円筒型圧電素子の駆動周波数特性がふぞろいであっても、振動の少ない駆動ステージを実現することができる。
（１２）また、本発明は、上記したように、本発明の駆動ステージを有する走査型プローブ顕微鏡を構成することにより、駆動ステージの振動が少なくなるので、高速に走査を行っても、振動が少なく、鮮明な像を取得することができる走査型プローブ顕微鏡を実現できる。
（１３）また、本発明は、上記したように、本発明の駆動ステージを有する情報記録再生装置を構成することにより、駆動ステージの振動が少なくなるので、高速に走査を行っても、振動が少なく、記録再生エラーの少ない情報記録再生装置を実現できる。
（１４）また、本発明は、上記したように、本発明の駆動ステージを有する加工装置を構成することにより、駆動ステージの振動が少なくなるので、高速に走査を行っても、振動が少なく、高精度に加工を行える加工装置を実現することができる。
【００１２】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図１は、実施例１の駆動ステージの概略図である。
支持体１０１の内側に、移動台１０２、１０３がそれぞれ４本の平行ヒンジバネ１０４、１０５で、図中で水平方向に移動できるように支持されている。また、圧電アクチュエータ１０６は、一端を移動台１０２に、他方を移動台１０３に結合されている。
圧電アクチュエータ１０６は、電圧を印加すると長さが図中で左右方向に伸びるように分極処理が施されている。
また、駆動信号は、増幅器１１０で増幅されて圧電アクチュエータ１０６に与えられている。
本発明の駆動ステージには、移動台が２つある。どちらか一方の移動台のみを使用してもよいし、両方を使用してもよい。
本実施例の駆動ステージでは、駆動する際に、移動台１０２により生じる慣性力と移動台１０３の生じる慣性力が相殺し合うため、高速で駆動しても振動が少ない。特に、２つの移動台の共振周波数を等しくすることで、慣性力を完全にキャンセルすることができる。
【００１３】
［実施例２］
図２は、実施例２の概略図である。
支持体２０１の内側に、移動台２０２、２０３がそれぞれ４本の平行ヒンジバネ２０４、２０５で、図中で水平方向に移動できるように支持されている。また、圧電アクチュエータ２０６、２０７は、一端を支持体２０１に結合され、他方がそれぞれ移動台２０２、２０３に結合されている。
２つの圧電アクチュエータ２０６、２０７は、電圧を印加すると長さが図中で左右方向に伸びるように分極処理が施されている。
また、駆動信号は、それぞれ増幅器２１０、２１１で増幅されて圧電アクチュエータ２０６、２０７に与えられている。
ここで、増幅器２１０、２１１の信号増幅率Ａ１、Ａ２は、移動台２０２、２０３を駆動した時の慣性力が逆向きで等しくなるように設定されている。
つまり、移動台２０２、２０３の質量と駆動加速度をそれぞれｍ１、ｍ２と、ａ１、ａ２としたときに、ｍ１×ａ１＝ｍ２×ａ２となるように設定されている。また、移動台２０２、２０３を駆動する際の周波数特性が異なっている場合には、これらの増幅率を駆動周波数に応じて設定するようにするのが望ましい。
【００１４】
また、移動台に搭載されるものの質量に応じて増幅率を制御することで、移動台上に搭載するものの質量によらず振動が生じないようにすることができる。
本発明のステージは、駆動される移動台が２つある。どちらか一方の移動台のみを使用してもよいし、両方を使用してもよい。
以上のように構成した本実施例のステージでは、駆動信号を入力すると移動台２０２、２０３が相対する方向に、かつ慣性力が等しくなるように駆動されるので、支持体２０１に伝わる慣性力が相殺される。
そのため、高速な走査を行っても振動の少ない駆動ステージを提供することができる。また、増幅器の増幅率を制御することで、ステージに搭載するものの質量によらず振動の少ない駆動ステージを提供することができる。
【００１５】
［実施例３］
図３は、実施例３の概略図である。
支持体３０１の内側に、移動台３０２と、永久磁石３０３ａ、３０３ｂがそれぞれ平行ヒンジバネ３０４、３０５で、図中で水平方向に移動できるように支持されている。永久磁石３０３ａと３０３ｂは、Ｎ極どうしが向き合うように配置されている。
移動台３０２にはコイル３０７が固定されており、その内側を連結棒３０６が貫通している。連結棒３０６は永久磁石３０３ａと３０３ｂを連結しており、これら３つの部材は一体化している。
本ステージの駆動信号は、増幅器３１０で増幅されてコイル３０７に入力される。増幅器３１０からコイル３０７に電流を流すと、コイル３０７と永久磁石３０３ａ、３０３ｂとの間に力が働く。この力の向きは、永久磁石３０３ａと３０３ｂの作る磁界と、コイル３０７に流れる電流の向きで決定される。図４は、コイル３０７に電流を流した時に、コイルの右側がＳ極、左側がＮ極になるような磁界が生じ、移動台３０２が図中で右に駆動され、永久磁石３０３ａ、３０３ｂが左に駆動されている様子を示している。このように、移動台３０２と永久磁石３０３ａ、３０３ｂは逆向きに駆動されるため、それぞれの生じる慣性力は相殺され、振動が減少する。また、本実施例では、圧電アクチュエータではなく、コイルと永久磁石とからなる電磁アクチュエータを使用しているので、駆動時にヒステリシスが生じることがない。
また、３０４で弾性支持された３０２の共振周波数を、３０５で弾性支持された３０３ａ、３０３ｂ、３０６の一体化した部材の共振周波数を等しくすることで慣性力を完全にキャンセルすることができる。
【００１６】
［参考例］
図５は、参考例の概略図を示すものであり、実施例３の駆動ステージを情報記録再生装置に適用した例である。
図５において、４０１〜４０７は、３０１〜３０７と同様で駆動ステージを構成している。
図５において、駆動ステージは横方向から見て表示されており、また、一部省略されて表示されている。平行ヒンジバネ４０４、４０５（不図示）は、それぞれ支持しているものの共振周波数が等しくなるようにバネ定数を調整されている。移動台４０２の上部には、導電性基板４２５と記録層４２６からなる記録媒体４２７が配置されており、導電性基板４２５は電気的に接地されている。
また、永久磁石４０３ａ、４０３ｂの上部にはＹ駆動機構ガイド４２０が連結されている。Ｙ駆動機構ガイド４２０の上にはＹ駆動機構スライダ４２１が紙面に垂直方向に移動できるように設置されている。Ｙ駆動機構スライダ４２１は、Ｙ駆動機構ガイド４２０に対して圧電インチウォーム機構で紙面に垂直な方向に駆動されるようになっている。そして、２つのＹ駆動機構スライダ４２１の上にはプローブ固定板４２２が設置されている。そして、プローブ固定板４２２の記録媒体４２７に対抗する側には自由端に探針４２４を有する微小カンチレバー４２３が３本固定されており、探針４２４の先端が記録媒体４２７に所望の接触力で接触するように配置されている。
ここで、探針４２４の先端から見たカンチレバー４２３の弾性変形の弾性定数が約０．１［Ｎ／ｍ］、弾性変形量が約１［μｍ］であるとすると、記録媒体４２７に対する探針４２４の接触力は約１０−７［Ｎ］程度となる。
【００１７】
また、探針４２４は導電性で、切り替えスイッチ４３１を通じて、記録制御回路４３３もしくは電流電圧変換回路４３５と電気的に接続されている。図５では、最も左側のプローブの回路のみが図示されているが、実際にはすべてのプローブに同様な回路が存在している。
記録層４２６としては、電圧印加により流れる電流値が変化するような材料を用いる。
具体例としては、第１に、特開昭６３−１６１５５２号公報、特開昭６３−１６１５５３号公報に開示されているようなポリイミドやＳＯＡＺ（ビス−ｎ−オクチルスクアリリウムアズレン）等電気メモリー効果を有するＬＢ膜（＝Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔｅ法により作製された有機単分子の膜の累積膜）が挙げられる。この材料は、探針−ＬＢ膜−基板間にしきい値以上の電圧（５〜１０［Ｖ］程度）を印加すると間のＬＢ膜の導電性が変化（ＯＦＦ状態→ＯＮ状態）し、再生用のバイアス電圧（０．０１〜２［Ｖ］程度）を印加した際に流れる電流が増大するものである。
第２の具体例として、ＧｅＴｅ，ＧａＳｂ，ＳｎＴｅ等の非晶質薄膜材料が挙げられる。この材料は、探針−非晶質薄膜材料−基板間に電圧を印加し、流れる電流により発生する熱で非晶質→晶質への相転移を起こさせるものである。これにより材料の導電性が変化し、再生用のバイアス電圧を印加した際に流れる電流が増大するものである。
第３の具体例として、ＺｎやＷ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の酸化性金属・半導体材料が挙げられる。この材料は、探針−酸化性金属・半導体材料間に電圧を印加すると、流れる電流により、材料表面に吸着している水や大気中の酸素と反応し、表面に酸化膜が形成される。このため材料表面の接触抵抗が変化し、バイアス電圧を印加した際に流れる電流が減少する。
【００１８】
上記の記録再生装置において記録媒体４２７に対し探針４２４を走査する際、カンチレバー４２３上の探針４２４先端は記録媒体４２７に対し、常に接触した状態を保つ。このような接触走査方式は、探針４２４の先端を記録媒体４２７に対し接触させたまま走査する場合に、記録媒体４２７の表面に凹凸があっても、カンチレバー４２３の弾性変形によりこれを吸収するため、探針４２４の先端と記録媒体４２７の表面の接触力はほぼ一定に保たれ、探針４２４や記録媒体４２７が破壊することを避けられる。この方式は探針４２４を高さ方向に制御する手段が不必要であるため、構成が複雑にならず、特に複数のプローブを有する装置に適している。また、記録媒体４２７に対する個々の探針４２４の高さ方向のフィードバック制御が不必要であるため、記録媒体４２７に対する探針４２４の高速走査が可能となる。
【００１９】
以上のような構成の記録再生装置における、記録再生の手順を説明する。
まず、記録再生時の探針４２４の記録媒体４２７に対する走査は、以下のようにして行う。Ｘ駆動回路４１０には、制御コンピュータより、図６（ａ）に示すような正弦波信号が入力される。すると、移動台４０２と永久磁石４０３ａ、４０３ｂは、対抗する方向に往復運動するように駆動される。本実施例では、駆動周波数を１０Ｈｚ、往復運動の端から端までの振幅を２００μｍとした。このとき、探針４２４の記録媒体４２７に対する走査速度は平均４ｍｍ／ｓとなる。移動台４０２と永久磁石４０３ａ、４０３ｂは対抗する向きに駆動されるため、それぞれの慣性力は相殺し合う。
また、Ｙ駆動回路４１１には、図６（ｂ）に示すような、移動台４０２の駆動方向が切り替わるタイミングで、Ｙ方向に１ステップずつ移動するような信号を与える。その信号によって、Ｙ駆動機構スライダ４２１のインチウォーム機構を駆動して、１ステップずつ移動するようにする。本実施例では、１ステップの移動距離を２０ｎｍとした。Ｙ方向への移動は、加速度がＸ方向の移動に比べて非常に小さいために、それに起因する振動はほとんど生じない。
Ｘ駆動回路４１０とＹ駆動回路４１１に上記のような信号を入力すると、探針４２４は記録媒体４２７に対して図６（ｃ）のようにラスター状に走査される。
【００２０】
まず、情報記録時においては、探針４２４の先端が記録媒体４２７に対し、接触した状態を保った状態で、以上説明したような走査を行いながら、制御コンピュータ４３０により制御された記録制御回路４３３から発生された記録信号が、記録系に切り替えられた切り替えスイッチ４３１を通し、探針４２４から記録媒体４２７に印加される。このようにして、記録層４２６の探針４２４先端が接触する部分に局所的に記録が行われる。
そして、上述のように記録が行われた情報の再生は次のように行う。
切り替えスイッチ４３１により、探針４２４からの信号配線を再生系に切り替えた後、以上説明したような走査を行いながら、バイアス電圧印加手段４３２により、探針４２４と導電性基板４２５との間にバイアス電圧を印加し、間に流れる電流を電流電圧変換回路４３５において電圧に変換する。記録媒体４２７上の記録ビットの部分は記録がなされていない部分に比べ電流が多く（または、少なく）流れるため、ビットの有無が電圧信号に変換される。そして、その再生信号はバンドパスフィルタ４３６と復調回路４３７を通して、バイナリデータとして制御コンピュータ４３０に入力される。このようにして、記録媒体４２７に記録された情報の再生を行なうことができる。
本発明の情報記録再生装置においては、Ｘ方向の駆動に起因する振動がキャンセルされるので、高速な走査を行っても振動することがなく、正確に情報の記録再生を行うことができる。
【００２１】
［実施例４］
図７に実施例４の駆動ステージの斜視図を示す。本ステージは、図７に示すように円筒形の圧電素子からなる駆動ステージが２つ同心円状に重なった構造をしている。
第１の円筒形圧電素子５００の内側に第２の円筒形圧電素子５１０が同心円状に配置されている（図７では分解して表示）。第１の円筒形圧電素子５００の周囲には、４分割された電極５０１〜５０４が配置されており（ただし５０４は図７では裏側にあたるため不図示）、その上部には移動台５０５が接合されている（図７では分解して表示）。また、第２の円筒形圧電素子５１０の周囲には、４分割された電極５１１〜５１４が配置されており（ただし、５１４は図７では裏側にあたるため不図示）、上部には重り５１５が接合されている（図７では分解して表示）。
第１、第２の円筒形圧電素子５００、５１０は、相対する電極（５０１と５０３、５０２と５０４、５１１と５１３、５１２と５１４）の電圧を制御して、一方が伸び他方が縮むようにすることにより、屈曲させることができる。また、４つの電極に同じように電圧を印加することで長軸方向に伸縮させることができる。つまり、この圧電素子５００、５１０の屈曲、伸縮を電圧で制御できる。それゆえ、この圧電素子の上部に配置した移動台５０５と重り５１５をそれぞれ３次元方向に駆動することができる。
【００２２】
図８は、本ステージの結線図を示した図である。本結線図に示すように結線することで、外側の円筒形圧電素子５００と内側の円筒形圧電素子５１０は、常に逆方向に駆動されることになる。
図９は、駆動時の変形の様子の断面図である。図中で、円筒形圧電素子５００は、左向きに曲がって上方向に伸びており、円筒形圧電素子５１０は、右向きに曲がって下方向に縮んでいる。増幅器５２０〜５２２の増幅率−ＡＸ、−Ａｙ、−Ａｚはそれぞれ、円筒形圧電素子５００と５１０の発生する慣性力がキャンセルするように設定されている。
また、これらの増幅率は、移動台に載せるものの質量が変化した時には、最適な値に調整するのが望ましい。
以上のように構成された本発明は、常に外側の第１の円筒形圧電素子５００と内側の第２の円筒形圧電素子５１０の発生する慣性力がキャンセルするように駆動されるので、高速に駆動しても振動の少ないステージを提供することができる。
【００２３】
［実施例５］
図１０は、実施例５の駆動ステージの概略図である。本ステージは、図１０に示すように駆動ステージを４つ組み合わせたような構造になっている。
移動台６１１〜６１４は、平行ヒンジバネ６４０を介して副支持体６０１〜６０４に接続しており、また、それらの平行ヒンジバネの他端は支持体６００に接続されている。
また、アクチュエータ６２１〜６２４はそれぞれ一方の端を副支持体６０１〜６０４に接続され、他端を支持ポスト６３０に接続されている。支持ポスト６３０は、支持体６００と一体になっている（不図示）。これらは、全体として上下左右対称な形状となっている。Ｘ駆動信号は増幅器６５０を通じて、アクチュエータ６２１と６２３に供給され、Ｙ駆動信号は増幅器６５１を通じて、アクチュエータ６２２と６２４に供給される。そのため、対抗して配置されているアクチュエータ６２１と６２３、６２２と６２４はそれぞれ同時に伸縮する。このように動作することで、本発明のステージは駆動した際に全体の慣性力が相殺し合うようになっている。
【００２４】
図１１に、本実施例のステージを駆動した際の例を示す。
図１１（ａ）は、アクチュエータ６２２と６２４が縮んだ様子を示している。アクチュエータ６２２と６２４が縮むことにより副支持体６０２は図中で上方向に移動し、副支持体６０４は図中で下方向に移動する。それらと連動して、移動台６１２と６１３は図中で上方向に移動し、移動台６１１と６１４は図中で下方向に移動する。このように、支持体と移動台が上下対称に動くことで、これらの動作により発生する慣性力はすべて相殺し合う。図１１（ｂ）は、アクチュエータ６２２と６２４が縮み、６２１と６２３が伸びた様子を示している。それにより副支持体６０１は図中右、副支持体６０２は図中上、副支持体６０３は図中左、副支持体６０４は図中下に移動する。また、移動台６１１は図中右下、移動台６１２は図中右上、移動台６１３は図中左上、移動台６１４は図中左下に移動する。このように、支持体と移動台が上下左右対称に動くことで、これらの動作により発生する慣性力は、すべて相殺し合う。
図１１（ｃ）は、Ｘ駆動信号にｃｏｓωｔ、Ｙ駆動信号にｓｉｎωｔを入力した時の様子である。副支持体６０１〜６０４は正弦波状に動き、移動台６１１〜６１４は円状に動く。
（ａ）、（ｂ）と同様に、支持体と移動台が対称的に動くことで、これらの動作により発生する慣性力は、すべて相殺し合う。
本発明のステージでは移動台が４つあるが、それらすべてを使ってもよいし、１つだけを使うようにしてもよい。
以上説明したように、本発明のステージは慣性力が相殺し合うので、高速で２次元駆動した際に振動の少ないステージを供給することができる。
【００２５】
［実施例６］
図１６は、実施例６の走査型トンネル顕微鏡の機構と制御回路の概略を示したものである。実施例４に示したステージを走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）に応用している。
固定台７０１の上に円筒型圧電素子７００が配置され、その上部に移動台７０５が配置されている。円筒型圧電素子７００の内部には、同心円状に、７００よりも小径の円筒型圧電素子が配置され、その上部には重りが配置されている（不図示）。移動台７０５の上部には、導電性の試料７２５が設置されている。導電性の試料７２５は、印加電圧制御回路７３２によって制御コンピュータ７３０から印加する電圧を制御することができる。試料７２５には、導電性の探針７２４が対向するように配置され、探針７２４は、探針支持体７２３で支持されている。探針７２４に流れるトンネル電流は、電流電圧変換回路７３５で電圧に変換され、制御コンピュータ７３０に入力される。また、制御コンピュータ７３０は、Ｘ、Ｙ、Ｚ駆動信号を生成し、円筒型圧電素子７００を駆動し、また、これらの駆動信号は反転アンプ７２０〜７２２を介して、円筒型圧電素子７００の内部の円筒型圧電素子（不図示）を駆動する。これにより、実施例５に示したように、ステージを駆動した時の慣性力はキャンセルされる。
【００２６】
さて、ＳＴＭ測定動作について説明する。本実施例ではトンネル電流が一定になるように探針・試料間距離を制御する場合（トンネル電流一定モード）について説明する。試料７２５には、印加電圧制御回路７３２によって導電性の探針７２４に対して所定量の測定バイアス電圧が印加されている。探針７２４と試料７２５が接近装置（不図示）によって接近させられると、ある距離以内で両者の間にトンネル電流が流れはじめる。このトンネル電流信号は電流電圧変換回路７３５によって電圧信号に変換され制御コンピュータ７３０に送られる。このトンネル電流信号は探針７２４と試料７２５との距離制御に用いられる。本実施例では制御コンピュータ７３０はトンネル電流が一定になるようにＺ駆動信号を生成し、円筒型圧電素子７００の伸縮方向の変位を制御する。このような手続きによってフィードバックループが構成され、トンネル電流一定制御が実現される。
【００２７】
次に、表面観察像を得るために制御コンピュータ７３０は、Ｘ、Ｙ駆動信号を生成して、探針７２４と試料７２５とを試料面と平行な方向（Ｘ，Ｙ方向）に相対移動させる。これを以下ＸＹ走査と呼ぶ。このＸＹ走査によって得られたトンネル電流信号（カレント信号）またはそのそのトンネル電流信号による制御信号（トポグラフィック信号）は、ＣＲＴ等のモニタ（不図示）上のＸ−Ｙ座標に対応する位置に、それらの信号の大きさに応じて輝度や色信号などによって出力されることで試料表面を画像として観察することができるようになっている。本発明のＳＴＭ装置によれば、円筒型圧電素子７００と、内部に配置された円筒型圧電素子を逆方向に駆動することで慣性力をキャンセルするため、高速な駆動を行っても振動が生じることが無く、鮮明な像を取得できるＳＴＭ装置を提供することができる。
なお、本実施例で用いた回路は一例として示したものであってこれに限定されるものではなく、たとえば全体をアナログで制御することも可能であることはいうまでもない。
【００２８】
［実施例７］
本実施例では、実施例６で示したＳＴＭ装置（図１６参照）と、金（Ａｕ）を表面に堆積したシリコンウェハとを、真空排気したチャンバー内に設置し、チャンバー内の真空度が約１×１０−４Ｔｏｒｒとなるように６フッ化タングステン（ＷＦ６）ガスを導入する。この状態で試料（Ａｕ）表面のＳＴＭ観察を行うと、探針走査部分に対応してタングステンが試料表面に堆積する。この様なＳＴＭ装置構成による試料表面への選択堆積あるいはエッチングなどの加工においても、本発明の装置は従来の装置に比較して高速走査時に振動が生じないので、高精度な加工を行うことができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、軽量で、高速に駆動しても振動が少ないステージを提供することができる。
また、本発明のステージを適用することで、軽量で振動が少なく鮮明な像を取得できるＳＰＭを提供することができる。
また、本発明のステージを適用することで、高速に走査を行っても、高精度な加工を行うことができる加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１のステージを説明する図である。
【図２】 実施例２のステージを説明する図である。
【図３】 実施例３のステージを説明する図である。
【図４】 実施例３のステージの動作を説明する図である。
【図５】 参考例の情報記録再生装置を説明する図である。
【図６】 （ａ）は参考例の情報記録再生装置のステージのＸ駆動信号を説明する図である。
（ｂ）は参考例の情報記録再生装置のステージのＹ駆動信号を説明する図である。
（ｃ）は参考例の情報記録再生装置のプローブの動作軌跡を説明する図である。
【図７】 実施例４のステージを説明する図である。
【図８】 実施例４のステージの配線図である。
【図９】 実施例４のステージの動作を説明する図である。
【図１０】 実施例５のステージを説明する図である。
【図１１】 実施例５のステージの動作を説明する図である。
【図１２】 従来の円筒形圧電素子を用いたステージである。
【図１３】 従来の１軸駆動型ステージである。
【図１４】 従来の２軸駆動型スデージである。
【図１５】 慣性力がキャンセルされることを説明するための力学モデルである。
【図１６】 実施例６の走査トンネル顕微鏡を説明する図である。
【符号の説明】
１０：支持部
１１：移動部１
１２：移動部２
１３：弾性部材１
１４：弾性部材２
１５：線形アクチュエータ
１０１、２０１、３０１、４０１、６００、２００１、３０００：支持体
１０２、１０３、２０２、２０３、３０２、４０２、５０５、
６１１〜６１４、１００５、２００２、３００３：移動台
１０４、１０５、２０４、２０５、３０４、３０５、６４０、
２００３、３０１０〜３０１７：平行ヒンジバネ
１０６、２０６、２０７、６２１〜６２４、２００４、
３００５、３００６：圧電アクチュエータ
１１０、２１０、２１１、３１０、６５０、６５１：増幅器
３０３ａ、３０３ｂ、４０３ａ、４０３ｂ：永久磁石
３０６、４０６：連結棒
３０７、４０７：コイル
４１０：Ｘ駆動回路
４１１：Ｙ駆動回路
４２０：Ｙ駆動機構ガイド
４２１：Ｙ駆動機構スライダ
４２２：プローブ固定版
４２３：微小カンチレバー
４２４：探針
４２５：導電性基板
４２６：記録層
４２７：記録媒体
４３０：制御コンピュータ
４３１：切り替えスイッチ
４３２：バイアス印加手段
４３３：記録制御回路
４３４：再生制御回路
４３５：電流電圧変換回路
４３６：バンドパスフィルタ
４３７：復調回路
５００、５１０、１０００：円筒形圧電素子
５０１〜５０４、５１１〜５１４、１００１〜１００４：電極
５１５：重り
５２０〜５２２：増幅器
５３０〜５３３：反転器
５４０〜５４７：加算器
６０１〜６０４、３００１、３００２：副支持体
６３０：支持ポスト
７００：円筒型圧電素子
７０１：固定台
７０５：移動台
７２０〜７２２：反転アンプ
７２３：探針支持体
７２４：導電性の探針
７２５：導電性試料
７３０：制御コンピュータ
７３２：印加電圧制御回路
７３５：電流電圧変換回路
Claims (13)
- 支持体と、前記支持体に支持された少なくとも２つ以上の複数の可動部と、
前記複数の可動部を駆動する１つ以上のアクチュエータと、
を有する駆動ステージにおいて、
前記複数の可動部が、前記支持体もしくは他の可動部に対してバネ性部材で弾性的に支持され、
前記アクチュエータによって、前記支持体の振動を少なくすべく、前記複数の可動部における一方の可動部を、他方の可動部に対して相対的に駆動し、それぞれの可動部に生じる慣性力が、互いに相殺されるように構成されていることを特徴とする駆動ステージ。 - 前記慣性力を相殺する方向に駆動する構成が、
前記複数の可動部の質量をｍ１，ｍ２，．．．ｍｎとし、前記可動部の駆動時の加速度ベクトルをａ１，ａ２，．．．ａｎとしたとき、
ｍ１・ａ１＋ｍ２・ａ２＋．．．＋ｍｎ・ａｎ＝０の関係を満たして駆動するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の駆動ステージ。 - 前記弾性的に支持された一方の可動部と他方の可動部は、それぞれの自由振動の周波数が等しくなるように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の駆動ステージ。
- 前記アクチュエータは、少なくとも２つ以上であり、
該２つ以上のそれぞれのアクチュエータを駆動する駆動信号増幅手段を有し、
前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の増幅率を、前記複数の可動部のそれぞれに発生する慣性力を互いに相殺できるように設定することが可能に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の駆動ステージ。 - 前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の増幅率を、前記可動部の積載量に応じて調整することが可能に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の駆動ステージ。
- 前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の周波数特性を、前記可動部の駆動特性に応じて設定することが可能に構成されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の駆動ステージ。
- 支持体と、前記支持体に支持された少なくとも２つ以上の複数の可動部と、前記複数の可動部を駆動するためのアクチュエータと、を有する駆動ステージにおいて、
前記アクチュエータは、少なくとも２つ以上の、同心円状に配置された円筒形圧電素子を具備し、
駆動時に、前記２つ以上のそれぞれの円筒形圧電素子によって、前記支持体の振動を少なくすべく、前記複数の可動部における一方の可動部を、他方の可動部に対して相対的に駆動し、それぞれの可動部に生じる慣性力が、互いに相殺されるように構成されていることを特徴とする駆動ステージ。 - 周囲に複数の駆動電極が設けられた円筒形圧電素子を少なくとも２つ以上有する駆動ステージであって、
前記２つ以上の円筒形圧電素子が同心円状に配置され、
駆動時に、前記２つ以上のそれぞれの円筒形圧電素子により発生する慣性力が、互いに相殺されるように構成されていることを特徴とする駆動ステージ。 - 前記円筒形圧電素子を駆動する駆動信号増幅手段を有し、
前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の増幅率を、前記２つ以上のそれぞれの円筒形圧電素子により発生する慣性力を互いに相殺できるように設定することが可能に構成されていることを特徴とする請求項８に記載の駆動ステージ。 - 前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の増幅率を、積載量に応じて調整することが可能に構成されていることを特徴とする請求項９に記載の駆動ステージ。
- 前記駆動信号増幅手段は、その駆動信号の周波数特性を、前記円筒型圧電素子の駆動特性に応じて設定することが可能に構成されていることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の駆動ステージ。
- 試料表面に対し探針を相対的に駆動する駆動ステージを有し、前記試料と前記探針との物理相互作用を検出し、前記試料表面の観察をする走査型プローブ顕微鏡において、
前記駆動ステージとして、請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の駆動ステージを有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 被加工物表面に対し探針を相対的に駆動する駆動ステージを有し、前記被加工物と前記探針との間に物理相互作用を生じさせることで加工を行う加工装置において、
前記駆動ステージとして、請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の駆動ステージを有することを特徴とする加工装置。
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