JP4658872B2 - シールドカバー、微細駆動装置、ナノピンセット装置および試料観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電アクチュエータで駆動するＭＥＭＳ素子のチャージアップを防ぐために取り付けるシールドカバー、そのシールドカバーを備えた微細駆動装置、ナノピンセット装置、およびその微細駆動装置を備えた試料観察装置に関する。

微小物質を把持するためのフィンガー体を備えたマイクログリッパーが知られている。このようなマイクログリッパーは、たとえば、下記特許文献１に開示されているように、３次元の油圧駆動型マニピュレータの移動部の先端に固定されて用いられる。
特開平８−２５７９２６号公報

上記特許文献１に開示されているような従来のものでは、電子顕微鏡使用時などにおける装置から放射される集束イオンビームや電子ビーム、試料から放射される反射電子や二次電子によるチャージアップにより動作不良が発生するおそれがある。

（１）請求項１の発明の微細駆動装置は、静電アクチュエータにより微細駆動される被駆動体と、前記静電アクチュエータとを所定の平面上に形成して成る微細素子と、前記被駆動体の試料側先端領域のみが露出するよう前記被駆動体および前記静電アクチュエータを前記平面の上側部材および下側部材によりシールドして電荷のチャージアップを防止するシールドカバーとを備え、前記上側部材に設けられている係合突起部と、前記下側部材に設けられている係合切欠部とを嵌め合わせることにより形成したシールド空間内に、前記微細素子を挿入することを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１の微細駆動装置において、前記被駆動体は前記静電アクチュエータにより開閉駆動される一対のアームであることを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載の微細駆動装置において、前記シールド空間は、前記所定の平面上に形成して成る前記微細素子の上下面および両側面に対向した直方体状の内部壁を有していることを特徴とする。
（４）請求項４の発明の試料観察装置は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載されている微細駆動装置と、微細駆動装置で操作される試料を収容する真空チャンバと、真空チャンバ内において、試料に電子ビームまたはイオンビームを照射する照射源とを備えることを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項４に記載の試料観察装置において、微細駆動装置は静電アクチュエータで駆動されるナノピンセットであることを特徴とする。
（６）請求項６の発明は、請求項５に記載の試料観察装置において、真空チャンバ内に照射源と対向配置され、試料を保持する試料台をさらに備え、ナノピンセットは試料台と照射源との間に配置されることを特徴とする。
（７）請求項７の発明のナノピンセット装置は、静電アクチュエータにより微細駆動される被駆動体と、前記静電アクチュエータと、を所定の平面上に形成して成るナノピンセットであって、前記ナノピンセットに含まれているアームの先端領域のみが露出するよう前記ナノピンセットの上側部材および下側部材によりシールドして電荷のチャージアップを防止するシールドカバーを備え、前記上側部材に設けられている係合突起部と、前記下側部材に設けられている係合切欠部とを嵌め合わせることにより形成したシールド空間内に、前記ナノピンセットを挿入することを特徴とする。
（８）請求項８の発明は、請求項７に記載のナノピンセット装置において、前記上側部材および前記下側部材は接地されていることを特徴とする。
（９）請求項９の発明のシールドカバーは、請求項１乃至８のいずれか一項に記載されているものである。

本発明によれば、微細駆動部をシールドするシールドカバーを備えるので、電荷のチャージアップを防止することができる。

以下、本発明によるシールドカバーをナノピンセット装置に適用した一実施の形態について説明する。はじめに、ナノピンセット装置について図を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態によるナノピンセット装置全体の概略を示す構成図である。ナノピンセット装置５０は、ナノピンセット１と、電源回路２とを備えており、ナノピンセット１は、後述するようにＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウエハから一体で作製される。ＳＯＩウエハは、２枚のＳｉ単結晶板の一方にＳｉＯ_２層を形成し、ＳｉＯ_２層を介して貼り合わせたものである。

図１に示すように、ナノピンセット１は、一対のアーム３ａ，３ｂと、一対の静電アクチュエータ４ａ，４ｂと、一対の支持部７ａ，７ｂと、一対の連結部８ａ，８ｂと、一対のアーム支持部９ａ，９ｂと、台座１０とを備える。静電アクチュエータ４ａには、固定電極５ａおよび可動電極６ａが設けられ、静電アクチュエータ４ｂには固定電極５ｂおよび可動電極６ｂが設けられている。台座１０は、後述するホルダ３０に接合され、ホルダ３０は、不図示の移動機構に着脱可能に取り付けられ、３次元方向に移動可能であり、これにより、ナノピンセット１全体が３次元方向に移動可能となっている。

図２を参照しながら、ナノピンセット１の構造を詳しく説明する。図２は、図１に示すナノピンセット１を拡大して示す平面図である。図２以下では、ナノピンセット１の左右対称に設けられる構成部品については、主として左側についてのみ説明する。固定電極５ａおよび可動電極６ａは、いずれも櫛歯形状を呈しており、相互に複数の櫛歯が噛み合うように対向載置されている。固定電極５ａは台座１０に固定されているが、可動電極６ａは、細いビーム状の支持部７ａによって台座１０に弾性的に固定されている。アーム３ａ，３ｂは、それぞれ細いビーム状のアーム支持部９ａ，９ｂを介して台座１０に弾性的に固定されている。アーム３ａと可動電極６ａとは連結部８ａによって連結され、アーム３ｂと可動電極６ｂとは連結部８ｂによって連結されている。

図１および図２を参照すると、ナノピンセット１には、左側電極端子２ａ、左側電極端子２ｂ、左アーム用電極端子２ｃ、右アーム用電極端子２ｄ、右側電極端子２ｅ、右側電極端子２ｆおよびアース電極端子２ｇが形成されている。左側電極端子２ａは固定電極５ａに接続され、左側電極端子２ｂは可動電極６ａに接続され、左アーム用電極端子２ｃはアーム３ａに接続されている。右アーム用電極端子２ｄはアーム３ｂに接続され、右側電極端子２ｅは可動電極６ｂに接続され、右側電極端子２ｆは固定電極５ｂに接続され、アース電極端子２ｇは台座１０に接続されている。これら７つの電極端子２ａ〜２ｇと電源回路２の７つの端子２ａ〜２ｇとが、対応する符号同士接続されている。

左側電極２ａ，２ｂの間にはＤＣ電源２０ａが接続され、右側電極２ｅ，２ｆの間にはＤＣ電源２０ｂが接続されている。左側電極２ａ，２ｂ間に直流電圧を印加することにより、固定電極５ａと可動電極６ａとの間にクーロン力による静電引力を発生させ、可動電極６ａを固定電極５ａに対して動かすことができる。右側の固定電極５ｂ，可動電極６ｂについても同様に動作する。上述したアクチュエータ駆動電流は、ＤＣ電源２０ａ，２０ｂとを有する電源回路２から供給される。

左アーム用電極端子２ｃと右アーム用電極端子２ｄは、アーム３ａ，３ｂ間に作用する電気量などを検出するために設けられている。そのため、アーム３ａ，３ｂは、それぞれ可動電極６ａ，６ｂとは絶縁されている。アース電極端子２ｇは、台座１０が浮遊電極になるのを防ぐために設けられている。また、チップ抵抗Ｒ１〜Ｒ６は、静電アクチュエータ４ａ，４ｂやアーム３ａ，３ｂに、外界の電磁波の交番電界によって導線に生じる起電力が印加されないようにする過電圧印加防止のために設けられている。ナノピンセット１では、アーム３ａ，３ｂの開閉に必要な電圧は数十ボルトオーダーであるが、電源回路２の配線長さや周囲の環境によっては、上述の交番電界による周期的に変化する起電力が数十ボルトに達することもある。この起電力が静電アクチュエータ４ａ，４ｂに印加されると、アーム３ａ，３ｂの先端が過度に振動し、互いに接触して破損をもたらしたり、ナノピンセット１の内部で絶縁破壊を引き起こす恐れがある。このような過電圧が印加されるのを防止するため、電源回路２にチップ抵抗Ｒ１〜Ｒ６を挿入して電流を逃がすようにしている。

図３は、図１に示すナノピンセット１が取り付けられるホルダ３０を説明する図であり、ナノピンセット１および電源回路２の一部をホルダに設置した状態を示している。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図である。ナノピンセット１の平板状の台座１０はセラミックスなどの絶縁材料のホルダ３０に接合され、ナノピンセット１とホルダ３０とが一体化されている。ホルダ３０に形成された配線３２には、端子２ａ〜２ｇが設けられているとともに、チップ抵抗Ｒ１〜Ｒ６が配設されている。７つの端子２ａ〜２ｇは、Ａｕの細線３１により、ナノピンセット１の７つの電極端子２ａ〜２ｇと対応する符号同士が接続されている。この接続箇所には、図４に示すように樹脂５１が塗布されており、樹脂５１によって保護されている。３３ａ〜３３ｇはホルダ３０を貫通するスルーホールであり、各配線３２において、スルーホール３３ａ〜３３ｆとチップ抵抗Ｒ１〜Ｒ６との間に、図４に示すように外部からのケーブル４０が取り付けられる。以下、ナノピンセット１とホルダ３０とケーブル４０とを組合せたものをナノピンセットユニット１１と呼ぶ。

スルーホール３３ａとチップ抵抗Ｒ１との間のケーブル取付け部５３ａおよびスルーホール３３ｂとチップ抵抗Ｒ２との間のケーブル取付け部５３ｂは、ケーブル４０によりＤＣ電源２０ａ（図１および図４参照）に接続され、スルーホール３３ｅとチップ抵抗Ｒ５との間のケーブル取付け部５３ｃおよびスルーホール３３ｆとチップ抵抗Ｒ６との間のケーブル取付け部５３ｄは、ＤＣ電源２０ｂ（図１および図４参照）に接続されている。ケーブル取付け部５３とケーブル４０の配線とは半田によって接続されている。また、図４に示すように、この接続箇所には樹脂５２が塗布され、ケーブル取付け部からケーブル４０の配線が外れないように補強されている。

図５は、図１に示すナノピンセット１の要部を示す平面図である。可動電極６ａと固定電極５ａとの間に電圧を印加すると、可動電極６ａが固定電極５ａに対して、図５の右方向（ｘ方向）に動くことにより、アーム３ａがｘ方向に駆動される。電圧印加を解除すると、アーム３ａは元の位置、つまり図５に示す位置へ復帰する。右側については動作が反転するだけであり、同様に、可動電極６ｂが固定電極５ｂに対して、図中、左方向に動くことにより、アーム３ｂが左方向に駆動される。したがって、アーム間隔Ｄを変えることができ、微小物体を把持したり解放することができる。

次にナノピンセット１のチャージアップについて説明する。ナノピンセット１は表面に絶縁膜が形成されているので、ＳＥＭやＦＩＢで観察すると、ナノピンセット１が徐々にチャージアップしていく。ナノピンセット１は静電アクチュエータ４ａ，４ｂによって駆動するため、ナノピンセット１がチャージアップすると、アーム３ａ，３ｂを開くための電圧を印加していないのにアーム３ａ，３ｂが開いたり、非常に大きな電圧を印加するまでアーム３ａ，３ｂが閉じた状態になってしまうことがある。このため、ナノピンセット１のアーム３ａ，３ｂの開閉の制御が不能になる。そこで、本実施の形態では、以下に説明するシールドカバーを用いてチャージアップを防止する。

次に本発明の実施形態におけるシールドカバーについて図６〜図９により説明する。図６（ａ）はシールドカバーを取付けたナノピンセットユニットの上面図、図６（ｂ）は底面図、図６（ｃ）は図６（ａ）を矢印ｃ方向から見た側面図である。シールドカバー３００は、図６に示すように表カバー３１０と、裏カバー３２０とを備える。図６（ｃ）に示されるように、表カバー３１０と裏カバー３２０とを係合して、断面が平板状であるシールド筒体を形成し、その筒体部で、ナノピンセット１の静電アクチュエータがシールドされる。表カバー３１０と裏カバー３２０は、りん青銅などの金属材料で製作され、金型成形あるいはプレス成形など種々の方法で製作される。

図７を参照して、表カバー３１０を説明する、図７（ａ）は表カバー３１０の平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はＡ−Ａ線断面図、（ｄ）は斜視図である。表カバー３１０は、駆動アクチュエータ上面を覆う概略台形の本体部３１１と、本体部３１１の両側に折り曲げられる下がり壁部３１２と、その下がり壁部３１２の下面に突設する４つの係合突起３１３とを備えている。

図８を参照して、裏カバー３２０を説明する、図８（ａ）は裏カバー３２０の平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は斜視図である。裏カバー３２０は、駆動アクチュエータ下面を覆う概略台形の本体部３２１と、本体部３２１の基端に形成された段差部３２２とを備える。本体部３２１の両側には４つの切欠部３２３が形成されている。表カバー３１０の４つの係合突起３１３を裏カバー３２０の切欠部３２３に係合して、上述したように、全体として断面平板上の断面を有する筒体が形成される。

図９を参照して、シールドカバー３００のナノピンセットユニット１１に対する取付方法を説明する。図９（ａ）に示すように、表カバー３１０をホルダ３３０に搭載し、真空吸着治具３４０に真空吸着により吸着把持する。そして、表カバー３１０とホルダ３３０の間にナノピンセット１を移動して、表カバー３１０をナノピンセット１に嵌めこむ。次に、図９（ｂ）に示すように、ナノピンセットユニット１１を裏返しにして、真空吸着治具３４０によって真空吸着した裏カバー３２０を、裏カバー３２０の切欠部３２３と表カバー３１０の係合突起３１３とが係合するように、ナノピンセットユニット１１に取り付ける。このようにして、ナノピンセットユニット１１の上下面、とくに静電アクチュエータが設けられているナノピンセット１の上下面にシールドカバー３００が装着される。

図１０は、上述したナノピンセットユニット１１をＦＩＢ（集束イオンビーム）装置３５０のマニピュレータ３５５に取付けた使用状況を説明する図である。このＦＩＢ装置３５０では、集束イオンビームの照射によって発生した反射電子、二次電子は検出器３５６で検出される。そして、制御回路３５７に出力され、試料３５４の表面をモニタ３５８で観察することができる。ＦＩＢ装置３５０の真空チャンバ３５１内に設けられたナノピンセット１は、たとえば、集束イオンビーム源３５２と試料台３５３との間に設けられる。そして集束イオンビーム源３５２から放射される集束イオンビーム、試料台３５３に保持された試料３５４から放射される反射電子や二次電子がナノピンセットユニット１１に照射される。しかし、ナノピンセット１に帯電した電子はシールドカバー３００に流れ、そしてナノピンセットユニット１１のホルダ３０の接地端子２ｇ（図１参照）へ流れるので、ナノピンセット１はチャージアップしない。その結果、チャージアップのために静電アクチュエータが動作不良を起こすことはない。

以上の本発明の実施形態によるシールドカバー３００は次のような作用効果を奏する。
（１）シールドカバー３００でナノピンセット１をシールドするので、ナノピンセット１のチャージアップを防止することができる。とくにナノピンセット１の上下面を覆うようにシールドカバー３００は構成されているので、ナノピンセット１が用いられる各種の装置から放射される集束イオンビームや電子ビームのみならず、試料から放射される反射電子や二次電子によるナノピンセット１のチャージアップを防止することができる。したがって、チャージアップによりナノピンセット１が動作不良になることはない。また、ナノピンセット１におけるゴミの付着も防止することができる。

（２）表カバー３１０の係合突起３１３と裏カバー３２０の切欠部３２３とを係合させることによってシールドカバー３００をナノピンセットユニット１１に取り付けるので、短時間に、しかも簡単ナノピンセットユニット１１を取り付けることができる。一方、ナノピンセット１のチャージアップを防ぐためにナノピンセットユニット１１に導体ペーストを塗布する方法もあるが、導体ペーストが乾くまで時間がかかり、また、静電アクチュエータの櫛歯形状の電極内に流れ込んで静電アクチュエータの動作不良を引き起こすおそれもある。

（３）シールドカバー３００は、先端部を除いてナノピンセット１を覆うので、反射電子や二次電子などからナノピンセット１を確実に保護することができる。

以上の本発明の実施形態によるシールドカバー３００は次のような変形することができる。
（１）シールドカバー３００の材料はりん青銅であるが、バネ性が高い金属材料であればりん青銅に限定されない。
（２）ナノピンセット１がチャージアップする照射源であれば集束イオンビームの照射源に限定されず、電子顕微鏡装置のように電子ビームを照射する照射源においても本発明を適用できる。
（３）ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）素子である微細駆動装置として、ナノピンセット１を一例として説明したが、駆動装置を有する素子であればナノピンセット１に限定されない。
（４）微細駆動部として静電アクチュエータを例示したが、チャージアップにより動作不良を引き起こすようなアクチュエータであれば、静電方式以外のアクチュエータを用いる微細駆動装置にも本発明を適用できる。

以上の説明はあくまで一例であり、発明は、上記の実施形態に何ら限定されるものではない。

本発明の実施の形態に係るナノピンセット装置全体の概略を示す構成図である。 図１に示すナノピンセットを拡大して示す平面図である。 図１に示すナノピンセットおよび電源回路の一部をホルダに設置した状態を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図である。 ナノピンセットユニットを説明するための図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は側面図である。 図１に示すナノピンセットの要部を示す平面図である。 本発明の実施形態によるナノピンセットユニットに取り付けたシールドカバーを説明するための図であり、図６（ａ）は上面図、図６（ｂ）は底面図、図６（ｃ）は側面図である。 図６のシールドカバーの表カバーを示す図であり、図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は側面図、図７（ｃ）はＡ−Ａ断面図、図７（ｄ）は斜視図である。 図６のシールドカバーの裏カバーを示す図であり、図８（ａ）は上面図、図８（ｂ）は側面図、図８（ｃ）は斜視図である。 図６のシールドカバーの取付方法を説明するための図であり、図９（ａ）は表カバーの取付方法を説明するための図であり、図９（ｂ）は裏カバーの取付方法を説明するための図である。 ナノピンセットに対する集束イオンビーム、反射電子や二次電子の照射を説明するための図である。

符号の説明

１：ナノピンセット ２：電源回路
３ａ，３ｂ：アーム ４ａ，４ｂ：静電アクチュエータ
５ａ，５ｂ：固定電極 ６ａ，６ｂ：可動電極
７ａ，７ｂ：支持部 ８ａ，８ｂ：連結部
９ａ，９ｂ：アーム支持部 １０：台座
１１：ナノピンセットユニット ３０：ホルダ
３２：プリント配線 ４０：ケーブル
５０：ナノピンセット装置 ５１，５２：樹脂
３００：シールドカバー ３１０：表カバー
３２０：裏カバー ３５０：ＦＩＢ装置
３５１：真空チャンバ ３５２：集束イオンビーム源
３５３：試料台 ３５４：試料
３５５：マニピュレータ

Claims (9)

1. 静電アクチュエータにより微細駆動される被駆動体と、前記静電アクチュエータとを所定の平面上に形成して成る微細素子と、
   前記被駆動体の試料側先端領域のみが露出するよう前記被駆動体および前記静電アクチュエータを前記平面の上側部材および下側部材によりシールドして電荷のチャージアップを防止するシールドカバーとを備え、
   前記上側部材に設けられている係合突起部と、前記下側部材に設けられている係合切欠部とを嵌め合わせることにより形成したシールド空間内に、前記微細素子を挿入することを特徴とする微細駆動装置。
2. 請求項１の微細駆動装置において、
   前記被駆動体は前記静電アクチュエータにより開閉駆動される一対のアームであることを特徴とする微細駆動装置。
3. 請求項１または２に記載の微細駆動装置において、
   前記シールド空間は、前記所定の平面上に形成して成る前記微細素子の上下面および両側面に対向した直方体状の内部壁を有していることを特徴とする微細駆動装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載されている微細駆動装置と、
   前記微細駆動装置で操作される試料を収容する真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内において、前記試料に電子ビームまたはイオンビームを照射する照射源とを備えることを特徴とする試料観察装置。
5. 請求項４に記載の試料観察装置において、
   前記微細駆動装置は静電アクチュエータで駆動されるナノピンセットであることを特徴とする試料観察装置。
6. 請求項５に記載の試料観察装置において、
   前記真空チャンバ内に前記照射源と対向配置され、前記試料を保持する試料台をさらに備え、
   前記ナノピンセットは前記試料台と前記照射源との間に配置されることを特徴とする試料観察装置。
7. 静電アクチュエータにより微細駆動される被駆動体と、前記静電アクチュエータとを所定の平面上に形成して成るナノピンセットであって、
   前記ナノピンセットに含まれているアームの先端領域のみが露出するよう前記ナノピンセットの上側部材および下側部材によりシールドして電荷のチャージアップを防止するシールドカバーを備え、
   前記上側部材に設けられている係合突起部と、前記下側部材に設けられている係合切欠部とを嵌め合わせることにより形成したシールド空間内に、前記ナノピンセットを挿入することを特徴とするナノピンセット装置。
8. 請求項７に記載のナノピンセット装置において、
   前記上側部材および前記下側部材は接地されていることを特徴とするナノピンセット装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載のシールドカバー。
   

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