JPH0212381B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、20nｍ程度の分解能で、物体を再現
可能に変位させることを可能とする走査位置付け
装置に関する。一般にポジシヨナと称されるかか
る装置は、顕微鏡検査や製造の分野、特に集積回
路の製造の分野に応用される。

［従来技術］ 顕微鏡の分解能が改善されるに従い（光学近視
野顕微鏡：0.5／5nｍ垂直方向／横方向分解能；
走査トンネリング顕微鏡：0.03／0.3nｍ）、顕微
鏡とプローブの間の相互変位をナノメートルの範
囲で可能とする位置調整機器に対する要求が増大
してきている。同じことが、数平方ミリメートル
の単一のチツプに数千個の回路素子を有する電子
回路においても、要求されているが、以降のマス
キング、拡散及びエツチングの各工程を行なえる
のはチツプの精確な整合を再現できるように行な
つた場合のみである。

［従来技術の問題点］ 従来、顕微鏡には粗調整及び微調整のための設
備を備えていることがしばしばある。ラツクまた
は親ねじ装置によつてｘ−方向及びｙ−方向に変
位可能な段が設けられている。これらの構成は理
論的には、段の微小な変位が可能なものではある
が、希望する変位が小さくなればなるほど、操作
することが困難となるのである。これはメカニズ
ムにある程度のバツクラツシユが存在することが
避けられないからであり、また静止台に固有摩擦
が存在し、この摩擦に打ち勝つことができるのは
急激で、しかもほとんでの場合大幅な運動しかな
いからである。最近の顕微鏡の発展によつて分解
能が、また電子回路の製造上の要件が数段階にわ
たつて増大したことに鑑み、従来技術の欠点を回
避する新規な位置調整装置を設計することが必要
となつた。

従つて、本発明の目的は、検査されるプロー
ブ、重ね合わされる回路チツプ、または顕微鏡の
部品の再現性のある変位を１ミリメートル程度の
間隔で、しかも10ナノメートル程度の分解能で行
なえる位置調整装置を提案することにある。

本発明は、固定部材及び該固定部材に対して運
動可能であり且つ変位される物体を支持するよう
になされた支持部材を有する圧電式ポジシヨナに
関するものでいる。本ポジシヨナの特徴は、少な
くとも１個の中間部材が第１方向に平行に延びる
第１の圧電屈曲部材によつて前記固定部材に結合
されており、該中間部材が前記第１方向に直交す
る第２方向に延びる第２の圧電屈曲部材によつて
前記支持部材に結合されているところである。

［作用］ 上記第１の圧電屈曲部材に電圧を印加すると、
中間部材は固定部材に対して上記第２の方向に変
位し、また上記第２の圧電屈曲部材に電圧を印加
すると、支持部材は中間部材に対して上記第１の
方向に変位する。従つて第１及び第２の圧電屈曲
部材に所定の電圧を印加することによつて、支持
部材を固定部材に対して任意のＸ−Ｙ位置に変位
させることができる。

［実施例］ 第１図は、２個の平行四辺形並進装置の平面構
成を示すものである。固定枠１は第１対の平行圧
電屈曲材２及び３を担持しており、これらの一端
は枠１に堅固に接続されており、他端はその間に
中間枠４を担持している。圧電屈曲材２及び３が
一致して屈曲した場合、中間枠４が矢印５の方向
への並進運動を行なうことは明らかである。

本発明のポジシヨナとしての用途に好ましい型
式の圧電屈曲材は、当技術分野で一般に「バイモ
ルフ」と呼ばれており、市販されているものであ
る。バイモルフは非圧電基板７に接着された圧電
素子（第２ａ図）、または２個の圧電素子８及び
９（第３ａ図）のいずれかからなつており、後者
は両素子に電位を印加すると一方が膨張し、他方
が収縮して前者の構成で生じるものの２倍の屈曲
効果をもたらすようにして接着されている（第２
ｂ図及び第３ｂ図）。

第１図において、バイモルフ２及び３は共通電
位を印加した場合に同一方向に屈曲され、中間枠
４が並進するようになされている。枠４はＬ字状
をなしており、脚１０が脚１１から延びており、
脚１１によつて枠４はバイモルフ２及び３に取り
付けられている。脚１０には、バイモルフ２及び
３の方向に対して直角に延びている、第２対のバ
イモルフ１２及び１３が固着されている。バイモ
ルフ１２及び１３の自由端の間には、支持枠１４
が担持されており、これにプローブまたは顕微鏡
の部分（図示せず）を取り付けることができる。

枠１が固定位置に保持されているとすると、バ
イモルフ２及び３に電位を同時に印加することに
より、中間枠４は印加電位の極性に応じて、矢印
５に沿つて左右に変位する。交流を印加した場
合、枠４が使用されているバイモルフの特性及び
関連する質量によつて定まる周波数及び振幅限度
内で、振動することは明らかである。枠４によつ
てもたらされる並進運動が、ｘ−方向に割当てら
れる。この運動は困難を生じることなく、バイモ
ルフ１２及び１３に、次いで支持枠１４に伝えら
れる。バイモルフ１２及び１３には何ら電位がか
けられていないため、枠１４が矢印１５の方向に
運動することはない。

逆に、バイモルフ１２及び１３に電位を印加し
た（バイモルフ２及び３には印加しない）場合、
枠１４は枠１に対して矢印２５に沿つた変位をも
たらす。この変位をｙ−方向に割当てる。

電位を第１及び第２対のバイモルフに印加した
場合、支持枠１４をこれに担持させている物体と
共に、バイモルフの曲げ特性によつて（及び関連
する部品の間に設けられる空間によつて）画定さ
れる範囲内で、ｘ及びｙ座標に沿つて自由に配置
できることは、明らかである。

バイモルフ対２，３；１２，１３を枠１，４及
び１４に取り付けている剛性により、またバイモ
ルフの曲げ特性により、支持枠１４に正確な直線
状の変位を行なわせることができないことが、当
分野の技術者に理解できよう。本発明の好ましい
実施例は、それ故、２個の圧電素子を貼り合わ
せ、外部の電極を横方向に分離したバイモルフを
使用する。第４図は、２個の外部電極１７及び１
８を有するバイモルフの上面図であり、これら外
部電極は完全に分離されている。第５図は、外部
電極１７〜２０及び中心電極２１の電圧源への接
続例を示すものである。第６図は、第５図にした
がつて電位を印加した場合に、バイモルフ１６が
取る形状を示すものである。もちろん、外部電極
１７〜２０の極性を逆にした場合、バイモルフ１
６は反対側へ屈曲する。バイモルフ１６の端面２
２ａ及び２２ｂが常に、平行状態を保つことに留
意されたい。この型式のバイモルフを第１図の構
成に使用した場合、支持枠４の変位はｘ−及びｙ
−方向において、正確に直線状のものとなる。

支持枠１４の少なくともほぼ直線状の変位を得
るための他の可能性を、第７図ないし第１０図に
示す。第７図のバイモルフ１６は、半分が上方へ
の極性を、他の半分が下方への極性を有する圧電
素子を組み合わせたものからなつている。

第８図は２個のバイモルフ２３及び２４の直列
構成を示すものであり、第９図は１個のバイモル
フ２５を弾性金属条片２６と組み合わせたもので
あり、第１０図はバイモルフ２７を弾性ゴム・ブ
ロツク２８と組み合わせたものである。電圧源
を、第７図ないし第１０図のバイモルフの構成に
適切に接続することは、当技術分野の技術者には
容易なことであろう。

第１１図は、走査範囲を増大させた、本発明の
第２の実施例を示すものである。固定枠２９に
は、第１対のバイモルフ３０及び３１が取り付け
られており、これらのバイモルフはそれぞれブロ
ツク３２及び３３に接続されており、次いでこれ
らのブロツクには第２対のバイモルフ３４及び３
５が固定されている。バイモルフ３４及び３５
は、第１図の枠４と同様なＬ字状の構成をした中
間枠３６に取り付けられている。枠３６は第３対
のバイモルフ３７及び３８を担持しており、これ
らのバイモルフはそれぞれブロツク３９及び４０
に固定されており、これらのブロツクからは支持
枠４３を担持する第４対のバイモルフ４１及び４
４が延びている。電圧源を各種のバイモルフに適
宜接続することにより、第１図の構成の倍の大き
さの走査範囲を、達成することができる。

本発明のさらに他の実施例を、第１２図に示
す。固定台４４はスタツド４５及び４６を支持し
ており、これらにはそれぞれバイモルフ４７及び
４８がその中央部分で取り付けられている。バイ
モルフ４７及び４８の自由端は、コネクタ４９〜
５２を担持しており、これらコネクタにはバイモ
ルフ５３及び５４が接続されている。ブリツジ５
５がバイモルフ５３及び５４のそれぞれに取り付
けられている。ブリツジは支持部材５６を担持し
ている。

本実施例において、バイモルフ４７，４８及び
５３，５４の各々は、圧電部材６５からなつてお
り、これは第１３図に示すように両側に４個の独
立した電極５７〜６０；６１〜６４を担持してい
る。図示のように電位を印加した場合、バイモル
フは屈曲し、第１４図に示す形状を取る。

バイモルフ４７及び４８、ならびにバイモルフ
５３及び５４を、電圧を印加した場合に、同一方
向へ屈曲するように構成しなければならないこと
は、当技術分野の技術者には明確であろう。バイ
モルフ５３及び５４によつて生じる荷重５６の変
位は、ｘ−方向に割当てられ、一方バイモルフ４
７及び４８の屈曲によつて生じる変化はｙ−方向
に割当てられる。

第１２図の実施例は特に剛性が高く、急速な加
速減速が可能なものである。走査範は、しかしな
がら、第１図及び第１１図の実施例に比較して若
干減少している。

市販のバイモルフを用いて、本発明にしたがつ
て組立てられたＸ−Ｙポジシヨナによつて行なわ
れた測定値は、クランピング長さにより0.4ない
し1μｍ／Ｖの変換係数をもたらす。それ故、±
50Vで、0.2×0.44mm²の面積にアクセスすることが
できる。

第１図の実施例の支持部材１４に取り付けたセ
ンサによつて、位置精度をテストした。第１５図
は、63μｍまでの再現性のある変位を生じる最大
100Vの印加電圧によつて行なつた走査のテスト
結果を示すものである。第１６図は、10Vまでの
電圧による走査に対するそれぞれの特性を示すも
のであり、第１７図は1V未満の電圧による走査
に対する特性を示すものである。測定されたヒス
テレシスは圧電材料に特有にものであり、たとえ
ば走査制御回路のプロセツサを適宜プログラミン
グすることによつて、容易に補償できるものであ
る。ポジシヨナを以前にあつた場所へ、約20nｍ
の精度で戻せることが判明した。この精度は、
1Vの走査に対する第１７図の線図から最もよく
理解できるように、位置センサの分解能に対応す
るものである。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明の装置を用いれば、
高い分解能を有する位置付けが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるポジシヨナの略図であ
る。第２ａ図、第２ｂ図、第３ａ図及び第３ｂ図
は、非屈曲及び屈曲状態にあるバイモルフの２つ
の構成の図面である。第４図及び第５図は、それ
ぞれ分割電極を有するバイモルフの上面図及び側
面図である。第６図は、付勢されたときに、第５
図のバイモルフが取る形状を示す図面である。第
７図ないし第１０図は、第１図のポジシヨナに使
用できるバイモルフの他の構造を表わす図面であ
る。第１１図は、第１図のポジシヨナよりも走査
範囲が増大した、本発明による第２実施例の略図
である。第１２図は、正方形構成のポジシヨナの
第３実施例の上面図及び側面図である。第１３図
は、第１２図の実施例に使用される、三分割され
た電極を有する特殊形状のバイモルフの図面であ
る。第１４図は、付勢されたときに、第１３図の
バイモルフが取る形状を示す図面である。第１５
図ないし第１７図は、３つの異なる範囲の印加電
圧に対して第１図のポジシヨナによつて達成可能
な位置調整精度を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 固定部材と、上記固定部材に対して移動可能
   で且つ位置付けるべき装置を支持しうる支持部材
   と、第１の方向に平行に伸びる少なくとも１対の
   第１の圧電屈曲部材によつて上記固定部材に結合
   され且つ上記第１の方向と直交する第２の方向に
   平行に伸びる少なくとも１対の第２の圧電屈曲部
   材によつて上記支持部材に結合された中間部材を
   有する圧電式Ｘ−Ｙポジシヨナ。