JPH02271204A

JPH02271204A - 試料移動テーブル

Info

Publication number: JPH02271204A
Application number: JP9360589A
Authority: JP
Inventors: Tamiyoshi Yasunaga; 安永　民好; Masakazu Hayashi; 正和林; Fumihiko Ishida; 文彦石田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-04-13
Filing date: 1989-04-13
Publication date: 1990-11-06

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は試料用移動テーブルに関し、特に粗動機能と微
動機能の両方の機能を有し、狭い微動機能のｎ１定範囲
も補いえるＳＴＭ用試料移動テーブルに係わる。

（従来の技術）周知の如く、走査型トンネル顕微！（ＳＴＭ；Ｓｃａｎ
ｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　　Ｍｌｃｒｏｓｃｏｐ
ｅ　）は物体の表面形状を非接触・高分解能で観察でき
る。ところで、ＳＴＭにおいて、ｎｍオーダの試料の位
置決めによく用いられている圧電素子アクチュエータは
、可動範囲が数μｍ〜数１０μｍと狭い。このため、ｎ
ｍオーダの位置決め用微動装置と、低分解能ではあるが
可動範囲が広い粗動装置とを組合せて観察領域を広げる
ということがＳＴＭではよく行われている。こうした方
法では、下記に述べる従来例１〜従来例５に示すように
従来粗動装置、微動装置を別々に作って両者を結合させ
ていた。

従来例１；昭和６２年春季、第３４回物理学関係連合講
演会、講演予稿集ｐｐ３２Ｂ　〜３’３２　、２８ａ−
Ｌ−２゜ＳＴＭ装置の試作（芦屋大学、シャープなど）
従来例２；昭和６２年春季、第３４回物理学関係連合講
演会、講演予稿集ｐｐ３２８〜３３２　、２８ａ−Ｌ−
３゜圧電体のせん断変形を用いた３７Ｍ粗動、微動機構
（青学理工、中本他２名）従来゛例３；昭和６２年春季、第３４回物理学関係連合
１１４演会、講演予稿集ｐｐ３２８〜３３２　、２８ａ
−Ｌ−４゜走査型トンネル分析顕微鏡の試作（東大工、
富田他３名）従来例４；昭和６２年春季、第３４回物理学関係連合講
演会１講演予稿集ｐｐ３２８〜３３２　、２８ｐ−Ｌ−
２；３次元移動機構をもつＳＴＭ装置（２）（日立中耕
。

細木他３名）従来例５　；　Ｉ　ＢＭ’　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　　Ｄ
ｉｓｃｌｏｓｕｒｅＢｕｌｌｅｔｉｎ　　（ｖｏｌ、２
２　　Ｎｏ、７　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　１９７９）第１９
図は、従来のＳＴＭの概略図を示す（昭和６３年度精密
工学会秋期大会学術講演会、購演予稿集、　ｐｐ９１３
　、　　“表面粗さＳＴＭ″、（株）東芝、生産技術研
究所、石田他６名）図中の１は、上部にカラム２が取付けられた基台である
。この基台１上には、ＸＹ粗動ステージ３、Ｙ微動ステ
ージ４．Ｘ微動ステージ５及び試料台６などが配置され
ている。なお、図中の７はマイクロメータヘッド、８は
試料である。一方、前記カラム２には、粗動機構ねじ９
．粗動機構ウオーム・ウオームホイールＩＯ１平行ばね
粗動機構ｉｉ、　　ｚ微動機構（圧電素子）　１２及び
探針１３などが配置されている。こうした構成のＳＴＭ
において、Ｘ微動ステージは第１７図（Ａ）、（Ｂ）（
但し、同図（Ｂ）は同図（Ａ）の正面図）に示す如く、
ベース１４と、このベースに変位１方向が一致するよう
に並べて固定された２枚の圧電バイモルフ１５と、圧電
バイモルフ支持部１Ｇとからなり、ＸＹ粗動ステージ３
はねじ送りになっている。ここに、微動ステージの可動
範囲外を見るには粗動機構を使うようになっており、そ
の機構はやはり微動テーブル機構とは別れている。第１
８図は前記圧電バイモルフ１５の変形状態を示し、各々
の圧電バイモルフの最大の変位は夫々の圧電バイモルフ
の中央で得られる。ここに、圧電バイモルフ１５の変位
を移動テーブル６の変位として得る。

ところで、ＳＴＭでは、周囲から試料へ加わる振動の影
響を少なくしなければならない。このため、試料台を高
剛性になるよう小さくかつ丈夫に作り、構造に起因する
振動を高い周波数領域にもっていかなければならないと
いう要求がある。しかし、第１９図に示したように別々
のＸ微動ステージとＹ粗動ステージを組合せて使うので
は、共振点が低い周波数領域に表われやすくなり、音声
。

足音などの振動に影響されやすい。

（発明が解決しようとする課題）本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、粗動機能と
微動機能の両機能を備え、もって微動機能により高分解
能な測定を行い、粗動機能により狭い微動機能の測定範
囲を補い、装置固有の共振点が高い周波数領域にある試
料移動テーブルを提供することを目的とする。

本発明は、上面に複数の溝部を有したベースと、このベ
ースの溝部に夫々設けられた移動脚と、上部に試料台を
設けた試料台支持脚と、前記移動脚及び試料台支持脚間
に設けられた圧電バイモルフと、前記ベースに対して前
記移動脚及び試料台支持脚の固定又は解除を行う手段と
を具備し、前記移動脚又は試料台支持脚を交互に固定し
ながら圧電バイモルフにより試料台又は移動脚を動かす
粗動機構を有し、かつ前記移動脚を固定しながら圧電バ
イモルフにより試料台を動かす微動機構を有することを
特徴とする試料移動テーブルである。

本発明において、前記移動脚及び試料台支持脚の固定又
は解除を行う手段としては、集積圧電素子、磁石、シリ
ンダーなどいずれの手段でもよい。

本発明においては、粗動動作の際は移動脚又は試料台支
持脚を交互に固定しながら圧電バイモルフにより試料台
又は移動脚を動かし、また微動動作の際は前記移動脚を
固定しながら圧電バイモルフにより試料台を動かし、も
って微動機能により高分解能な測定を行い、粗動機能に
より狭い微動機能の１ｌｌｌｌ定範囲を補い、装置固有
の共振点が高い周波数領域にある試料移動テーブルを得
るものである。

（実施例）以下、本発明の一実施例を第１図〜第３図等を参照して
説明する。但し、第１図（Ａ）は本発明に係る試料移動
テーブルの平面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）の正面図、
第２図（Ａ）は同テーブルの移動脚、圧電バイモルフな
どの平面図、同図ＣＢ）は同図（Ａ）の正面図、同図（
Ｃ）は同図（Ａ、　）の側面図、第３図（Ａ）は前記テ
ーブルのベース及び圧電素子の平面図、同図（Ｂ）は同
図（Ａ）の正面図である。

図中の２１は、上部に複数の溝部２１ａ、２１ｂ、２１
ｃを有したベースである。前記溝部には、夫々一対の積
層圧電素子（以下、圧電素子と呼ぶ）２２ａ、２Ｚｂが
設けられている。第２０図はこの圧電素子及びベースの
一部を拡大した断面図であり、これらの圧電素子に電圧
を加えることにより圧電素子が内側に変位して後記する
移動力２４．２５や試料台支持脚２６を固定するように
なっている。

前記ベース２１の溝部２１ａ、２Ｌｃには圧電ノ（イモ
ルフ２３に係合した移動力２４゜２５が配置され、かつ
ベース２１の溝部２１ｂには圧電バイモルフ２３に係合
した試料台支持脚２６が配置されている。前記圧電バイ
モルフは、例えば第２２図に示す如く圧電磁器２７゜２
７間に薄い金属２８を介在させた構成となっている。

なお、図中の２９は試料台である。

次に、こうした構成を有する試料移動テーブルの作用に
ついて説明する。

（１）微動動作；高分解能な位置決めのための微動動作を行うためには、
第４図（Ａ）〜（Ｄ）の信号で示す通りに行う。ここで
、同図（Ａ）は溝２１ａ、２１ｃの幅の信号、同図（Ｂ
）は圧電バイモルフ２３変位（第６図のＰ点の変位）の
信号、同図（Ｃ）は溝２Ｌｃの幅の信号、同図（Ｄ）は
試料台の変位の信号を示す。即ち、溝２１ａ、２１ｃの
圧電素子２２ａ、２２ｂで移動力２４．２５を固定した
状態で圧電バイモルフ２３に信号を加えて圧電バイモル
フ２３に変位を与え、試料台２７を変位させる。また、
この際、第４図の■。

■の時点に応じた圧電バイモルフ等の状態は第７図（Ａ
）、（Ｂ）に示す通りであり、第４図の■の時点に応じ
た圧電バイモルフ等の状態は第８図（Ａ）、（Ｂ）に示
す通りである（但し、図（Ａ）は正面図、図（Ｂ）は平
面図）。

（２）粗動動作；一方、粗動動作は、微動動作で可能な微動テーブルの最
大変位を越えた範囲に試料台を移動させゑために行い、
第６図（Ａ）〜（Ｄ）の信号で示す通りに行う。ここで
、同図（Ａ）は溝２１ａ、２１ｃの幅の信号、同図（Ｂ
）は溝２１ｂの幅の信号、同図（Ｃ）は圧１ヒバイモル
フ２３の変位（第５図のＰ点の変位）の信号、同図（Ｄ
）は試料台の変位の信号を示す。即ち、圧電素子２２ａ
、２２ｂで移動力２４゜２５又は試料台支持脚２Ｂを交
互に固定しながら、移動力２４．２５と試料台支持脚２
６を溝部に沿って交互に前進又は後進させ、試料台を移
動させる。また、この際第６図の■〜■に応じたバイモ
ルフ等の状態は第９図（Ａ）、（Ｂ）〜第１４図（Ａ）
、（Ｂ）に示す通りである（但し、図（Ａ）は正面図、
図（Ｂ）は平面図である）。

第１５図（Ａ）は本発明に係る試料移動テーブルの振動
特性図を示し、参考のため第１９図の微動テーブルの振
動特性（第１５図（Ｂ））　、第１９図の微動テーブル
の粗動部の振動特性（第１５図（Ｃ））も示した。なお
、第１５図（Ｃ）の場合、微動テーブルのもつ共振周波
数の他にいくつかの共振点をもち、その中には２つを組
合せたことによってできた低い周波数の共振点（ｆ４）
もあられれる。

第１６図はδ）Ｉ定方性を示し、３１はテーブル、３２
は電極を示す。

しかして、本発明によれば、移動力２４．２５又は試料
台支持脚２６を交互に固定しながら圧電バイモ。

ルフ２３により試料台又は移動力を動かす粗動機構を有
し、かつ前記移動力２４．２５を固定しながら圧電バイ
モルフ２３により試料台２９を動かす微動機構を有した
構成となっており、本装置単独で微動機能により高分解
能な測定を行い、粗動機能により狭い微動機能のａＦＩ
定範囲を補い、別に粗動機構を設ける必要がないため、
装置固有の共振点が高い周波数領域にある試料移動テー
ブルを得ることができる。また、従来例（第１９図）に
比べて大幅に部品削減を行うことができる。

なお、本発明に係る圧電素子は、上記実施例の場合に限
らず、例えば第２１図（Ａ）に示す如く圧電素子２２ａ
、　２２ｂを移動脚２４（又は２５）側に配置したもの
、あるいは同図（Ｂ）に示す如く移動脚２４（又は２５
）及びベース２１の一部をＬ字型にし、圧電素子４１を
上下に移動させて移動脚を固定させるものでもよい。ま
た、圧電素子の代わりに磁石、シリンダーなどの手段を
用いてもよい。

また、本発明に係る圧電バイモルフは、上記実施例の如
く第２２図に示す構造のものに限らず、例えば第２３図
に示す如く分割した電極４２を用いた構造のものでもよ
い。

［発明の効果コ以上詳述した如く本発明によれば、粗動機能と微動機能
の両機能を備え、もって微動機能により高分解能な）Ｉ
ＩＩ定を行い、粗動機能により狭い微動機能の測定範囲
を補い、装置固有の共振点が高い周波数領域にある試料
移動テーブルを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る試料移動テーブルの説
明図、第２図は同テーブルの移動力、圧電バイモルフな
どの説明図、第３図は前記テーブルのベース及び圧電素
子の説明図、第４図は前記テーブルにおける微動動作時
の各溝部の巾、圧電バイモルフの変位及び試料台の変位
の信号を示す特性図、第５図は圧電バイモルフの変位を
示す図、第６図は前記テーブルにおける粗動動作時の各
溝部の巾、圧電バイモルフの変位及び試料台の変位の信
号を示す特性図、第７図及び第８図は夫々微動動作時の
圧電バイモルフ等の各部材の状態の説明図、第９図〜第
１４図は夫々微動動作時の圧電バイモルフ等の各部Ｈの
状態の説明図、第１５図は本発明及び従来のテーブルに
係る減衰比と周波数との関係を示す特性図、第１Ｇ図は
この減衰比の測定方法を示す図、第１７図は従来の試料
移動テーブルの説明図、第１８図はこのテーブルに係る
圧電バイモルフの変位を示す説明図、第１９図は従来の
ＳＴＭの概略図、第２０図は本発明高施例　に係る圧電
素子の配置状態を示す断面図、第２［図帽ｉ＝半÷半は
圧電素子のその他の配置状態を示す説明図、第２２図は
本発明源１施例□に係る圧電素子の説明図、ｔｊＳ２３
図はその他の圧電素子の説明図である。２１−・・ベース、２１ａ　、　２１ｂ　、　２１ｃｍ
・・溝部、２２ａ。２２ｂ　、　４１・・・積層圧電素子、２３・・・圧電
バイモルフ、２４、２５・・・移動脚、２Ｇ・・・試料
台支持脚、２９・・・試料台。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦（Ａ）第１図（Ａ）　　　　　　　　　　　　　　　（Ｃ）第　２７手　４　　図第６図第７図　　　　　第８図＠　９　　図　　　　　　　　　　　　　第　１０　　
間第１１図　　　　　第１２図第１３図　　　　　第１４図第１５図第１８図第１９図２１へ−ス　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（Ａ）第２２図　　　　　第２１図第２３図

Claims

【特許請求の範囲】

上面に複数の溝部を有したベースと、このベースの溝部
に夫々設けられた移動脚と、上部に試料台を設けた試料
台支持脚と、前記移動脚及び試料台支持脚間に設けられ
た圧電バイモルフと、前記ベースに対して前記移動脚及
び試料台支持脚の固定又は解除を行う手段とを具備し、
前記移動脚又は試料台支持脚を交互に固定しながら圧電
バイモルフにより試料台又は移動脚を動かす粗動機構を
有し、かつ前記移動脚を固定しながら圧電バイモルフに
より試料台を動かす微動機構を有することを特徴とする
試料移動テーブル。