JPH03171750A - 微小移動機構 - Google Patents

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、試料表面の特定の微小領域の状態を評価する
顕微鏡装置の微小移動装置に関するものである。

（従来の技術） 最近、ＬＳＩの設計ルールがサブミクロン時代に入り、
ＬＳＩ生産のために観察しなければならない対象が広が
っている。デバイス開発段階では原子レベルまで観察が
要求されるようになってきている。

近年、試料表面の形状を原子レベルの分解能で観察する
ことのできる走査型トンネル顕微鏡（以下、ＳＴＭと略
記する）が出現している。このＳＴＭの空間分解能を原
子レベルに保持するためには、例えば、観察領域をｌ０
００入Ｘ　１０００入に制限する必要性がある。従って
、試料表面にまばらに存在するような観察の対象をＳＴ
Ｍを用いて観察しようとしても、ＳＴＭの観察領域内に
上記観察対象が入る確率は必ずしも高いとは言えず、観
察対象に入れるにはたいへんな時間と労力が必要になる
。これに対し、最近は走査電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと
略記する）とＳＴＭを組み合わせ、ＳＥＭを用いて試料
表面の比較的店い領域と探針を同時に観察し、原子レベ
ルの高分解能の観察を必要とする場所を探し出してから
探針をその場所へ移動するような試みが行なわれている
。また、探針と試料表面との間の静電容量を検出するこ
とで、表面形状を評価する走査型容量顕微鏡（以下、Ｓ
ＣａＭと略記する）とＳＴＭを組み合わせる方式を用い
る試みもある。前者のＳＥＭ／ＳＴＭに比べ、後者のＳ
ＣａＭ／ＳＴＭは操作が容易であることや、装置の小型
化、また大気中でも観察が可能である等の点から有利で
あると考えられる。

ＳＣａＭを用いて広い領域を観察する際には、探針と容
量検出回路とをつなぐ配線が大きく動くことによって浮
遊容量が変化しないように、試料表面に平行なＸ−Ｙ方
向の走査は試料側を駆動させることによって行ない、探
針は試料表面に垂直なＺ方向のみに沿って駆動させる方
法が良い。

ＳＣａＭの用途は、ＳＴＭによる観察の前段階として試
料表面上の広い領域を高分解能で観察することにある。

従って、試料表面に対して垂直方向に探針を上下動させ
る機構は以下に記す条件を満たさなければならない。

ｌ）従来の圧電素子のように分解能の高い素子が必要で
ある。

２〉　光学顕微鏡を用いて観察しながら試料表面を探針
の下へ導き、その光学顕微鏡で観察可能な領域をＳＣａ
Ｍで高分解能に観察するため、ＳＣａＭの観察領域は少
なくともｔｏｏ　ＸＩＯＯμｍ以上なければならない。

もしも試料が傾いている場合、例えばその角度が１°だ
けだとしても観察領域の両端で１．７μｍの高低差が生
じ、さらに観察領域の中には大きな起伏が存在している
可能性が高いため、探針を駆動する素子のＺ方向のスト
ロークは十分に大きくなければならない。

３）　ノイズの原因となる振動をおさえるためには、特
にＳＴＭの場合、高周波成分をカットする除振台の共振
周波数と、探針と試料間の剛性を表わす探針一試料間の
相対振動の固有振動数との差を３ケタ以上はなさなけれ
ばならない。例えば、除振台の共振周波数をおよそＩＨ
ｚとすると、探針一試料間の固有振動数をＩＫＨｚにす
る必要がある。

４）探針一試料間の距離が一定となるようにフィードバ
ック回路を通して素子に電圧を供給し探針を上下動させ
る。

このとき、供給電圧の変化を読み取ることにより、試料
表面の凹凸に対応した素子の伸縮を知ることができる。

従って、表面の凹凸を正しく読み取るためには印加電圧
と素子の伸縮距離とは比例関係になければならない。

探針を微小移動させる素子（以下、微動素子という。）
、特に、微小領域を走査する素子としては、チタン酸ジ
ルコン酸鉛（以下、ＰＺＴという。）などの圧電材料か
らなる素子が一般に用いられている。そして、素子構造
としては、単体構造、円筒型、バイモルフ構造、積層型
などがある。

しかしながら、これらの従来の型の圧電素子では、下記
に示すような欠点があり、ＳＣａＭ用の探針駆動の条件
であるストローク大、剛性大、容量小を満たすことがで
きない。

ｌ）単体構造のもの、および円筒型のものは剛性は高い
が、圧電定数が小さく、大きなストロークを実現するこ
とができない。

２）バイモルフ構造のものは、最も大きなストロークを
得ることが可能であるが、通常片端固定で使用するため
、剛性が低く、また、その動作は湾曲した特性を示す。

３）積層型の圧電素子は、剛性が高く、バイモルフ素子
ほどではないがストロークも大きい。しかし、静電容量
が大きいためフィードバック回路を通して駆動させると
きは、速い変化に対する応答特性が劣るという問題が生
ずる。

４）印加電圧に対する圧電素子の変位は非線型であるた
め、圧電素子の伸縮距離を印加電圧から評価するとスト
ロークが大きい程、誤差も大きくなる。

５）ＰＺＴなどの圧電材料から或る素子は、ヒステリシ
スやクリープ（印加電圧に対する歪み量が経時的に増大
すること）などが存在する。

Ｂ）印加電圧と圧電素子の電気分極（これは、伸縮量と
定性的に一致する）との関係はヒステリシス・ループを
形成する。

これに対し、マグネシウムーニオブ酸鉛ｐｂ（　Ｍ　ｇ
　ｌ／３　Ｎ　ｂ　２／３　）　０３　　（以下ＰＭＮ
という。）や（Ｐｂ，，Ｌａ，）（Ｚｒ−Ｔｉ）０３　
　（以下、ＰＬＺＴという。）などの電歪材料から成る
微動素子はヒステリシスやクリープがない。しかしなが
ら、この電歪素子は印加電圧に対して非線型に伸縮し、
圧電素子に比べ、そのストロークは半減する。また、そ
の駆動方法は複雑である。

（発明が解決しようとする課題） 以上述べたように、従来の微小移動機構には、例えば、
ＳＣａＭのような、新規で高性能な顕微鏡装置に対応す
る微動素子が存在しない。

したがって、本発明は、分解能が高く、ストロークが大
きく、探針と試料間の剛性が高く、印加電圧に対して直
線的な変位を示す新規な微小移動機構を提供することを
目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の特徴は、第１は、周囲を固定したディスク状の
バイモルフ素子の中央に探針を有し、この探針を被検査
試料の表面に垂直な方向に移動せしめるようにした微小
移動機構にあり、第２は、前記バイモルフ素子を電歪材
料で構成したことにある。

（作　用） 本発明では、微小移動機構の微動素子として周囲を固定
したディスク状のバイモルフ素子を用いることにより、
まず、バイモルフ構造特有の大きなストロークが確保で
き、さらに、探針と試料間の剛性を高くし、探針の直線
駆動を可能にする。

また、強誘電体材料の中でもＰＭＮ．．ＰＬＺＴ，（Ｐ
ｂ　　８ａ　）［（Ｚｎｌｌ３Ｎｂ２／３）ｙ１−Ｘ　
　　　　ｘ （Ｍｇ１ｌ３Ｎｂ２／３）ｚＴｉ１−ｙ−ｚ］０３　（
以下・ＰＢＺＭＴという。）などの電歪材料を微動素子
に選択することによって、印加電圧に対して直線的に探
針を駆動することが可能になる。

なお、このディスク状のバイモルフ素子を直線駆動する
ためには、ディスクの両面に半径方向に二分割された電
極を形成させ、この二分割部を境に分極方向が正反対に
なるように分極処理を施し、両部分に同一の駆動電界を
印加する方法が効果的である（第５図参照）。

（実施例１） 本発明による微小移動機構の構成の一実施例を第１図（
ａ）〜（Ｃ）に示す。第１図（ａ）に示すようにＰＺＴ
などの圧電材料から成り、ディスク状に型取られた圧電
素子を２枚用意し、シム村などの導電性材料から成り、
上記圧電素子と同様にディスク状に型取られた内側電極
２を間に介してエポキシ樹脂などの接着材で貼り合わせ
、バイモルフ構造とする（以下、これをディスク状バイ
モルフ素子１と略記する）。このディスク状バイモルフ
素子の両面には、半径方向に二分割されたたとえばＡｇ
からなる電極（内周電極３と外周電極４）を形成し、こ
の二分割部を境に分極方向に正反対となるように分極処
理を施している。中央部は探針を固定する役目を果たす
探針ホルダーを取り付けるため電極は設けず、その中央
には、探針と容量検出回路あるいはトンネル電流検出回
路とをつなぐ配線を通すために小さな穴が貫通されてい
る。

微小移動機構は、第１図（ｂ）に示すように、上記ディ
スク状バイモルフ素子１と、その周囲を完全固定する固
定治具５と、から構成され、両面の電極に同一の駆動電
界を印加するこみとにより変位を生ずる。例えば、両面
の電極に正の電界を印加した場合、第１図（Ｃ）に示す
ように、ディスク状バイモルフ素子１は中央を境にＳ字
型に変位し、その中央部は、素子の面内に垂直方向に移
動する。

負の電界を印加することにより、逆方向への移動も可能
となる。

次に上記ディスク状バイモルフ素子の動作原理とその特
性について説明する。

通常、バイモルフ素子を両端固定すると、変位を打ち消
し合うため、形状に変化はあらわれない。

しかし、第１図（ｂ）に示されるように、両面に４つの
電極を設け、分極方向が内側と外側とで正反対となるよ
うに分極処理を行なうと、４つのバイモルフ素子を並べ
た構或と同様になるため、固定治具５に固定されていな
い部分は自由な状態となる。例えば、第３図（ａ）に示
すように、片端固定のバイモルフ素子に電界を与えると
、一方は歪量δｌだけ縮み、もう一方はδ２だけ伸びる
ため、結果として（ｂ゛〉のようにδだけ歪む。分極方
向の異なるバイモルフ素子を連結させた場合は、（Ｃ）
のようにＳ字型に変形する。従って、（Ｃ〉のような構
成を片端を軸として対称に２つの連結させた構成をとる
ことにより、（ｄ）に示すように両端固定でも中央部を
変位させることが可能となる。また、その変位方向は面
内に対して常に垂直であり従来のバイモルフ素子のよう
に湾曲することはない。ディスク状バイモルフ素子は、
その周囲を完全固定することで剛性も高めている。

これまで述べてきた探針を例えばシリコンウエーハのよ
うな試料表面に垂直な２方向に移動させるＳＣａＭ用の
微小移動機構に必要な条件は、次の通りである。まず、
印加電圧１０Ｖに対するストロークは、１μｍ以上であ
り、静電容量は、余り大きいと速い変化に対する応答特
性が劣るので、２００ｎＰ以下でなければならず、また
探針と試料間の相対振動の固有振動数はｌＫＨｚ以上で
ある。

本発明のディスク状バイモルフ素子おび従来の圧電素子
の特性を次の表に示す。

この表の特性と前記条件を比較すると、本発明のバイモ
ルフ素子のみがこの条件にかなうことがわかる。

（実施例２） 次に、第二の実施例を第４図（ａ）〜（Ｃ）を用いて説
明する。この実施例の課題は、素子に印加する電圧と素
子の歪みが、直線的な関係となるようにすることである
。

つまり、圧電材料の電気分極は、電界に対してヒステリ
シスループを描き、非直線性を呈するため、微動素子の
挙動を印加電圧から電気的に読み取る場合、素子のスト
ロークが増加する程、誤差成分を増大するという問題が
生ずる。本発明は、この問題に対し、電歪材料とバイア
ス電圧印加駆動法を用いて対策を図った。

ＰＭＮＳＰＬＺＴ，ＰＢＺＭＴのような電歪曲材料は、
第４図（ａ）に示すように印加電圧Ｖに対してδ−ｋＶ
２　　（ｋは定数）の歪みを生ずる。例えば第４図（ｂ
）のように、電歪材料からなるバイモルフ素子の両面に
、各々の符号の異なる電圧（バイアス電圧十Ｖｃと−Ｖ
ｃ）を印加し、中央から駆動電圧Ｋｉｎを印加すると、
両面はそれぞれ次式で表されるような歪を生ずる。

δ１　−ｋ　（Ｖｃ　−Ｖｉｎ）　２ δ２　−ｋ　（Ｖｃ　＋Ｖ１ｎ）　２ バイモルフ素子の歪δは（δ１−６２）に近似的に等し
いため、次式のような関係が成り立つ。

δα（δ１−６２） −ｋ　｛Ｖｃ　−Ｖｉｎ）　２−　（Ｖｃ　−Ｖ１ｎ）
　２）−−４ｋＶｃ　−Ｖｉｎ ．゜．δｏａＶ１ｎ 電歪材料のように歪みと電界との関係が２次曲線で表せ
る場合、上記のようむ駆動方法を用いると、上式が成り
立つため、バイモルフ素子における駆動電圧Ｖｌｎと歪
みδとの関係は、第４図（Ｃ）のように直線的に表わす
ことができる。従って、試料表面を印加電圧に応じて正
確に評価することができる。

（実施例３） つぎに、さらに第３の実施例を第２図及び第６図を用い
て説明する。この実施例では、ディスク状バイモルフ素
子１の中央には前の２実施例のように探針を設けず、か
わりに三次元アクチュエ、一タ７を設けることを特徴と
している。探針は、そのアクチュエータ７の先に設けて
いる。この微小移動機構は、前記ディスク状バイモルフ
素子１と、その中央部に設けた円筒型の圧電素子などの
三次元アクチュエータ７と、この三次元アクチュエータ
７の先端に取り付けた探針ホルダー８と、これらを固定
する治具５と、から構成されている。

また、探針ホルダー８に取り付けられた探針９は、ディ
スク状バイモルフ素子１や三次元アクチュエータ７及び
探針ホルダー８の中央を通る配線１０を通して、容量検
出回路１１あるいはトンネル電流検出回路１２とつなが
っている。このとき、配線１０は、用途に応じて容量検
出回路１ｌあるいはトンネル電流検出回路ｌ２に、スイ
ッチ１３で切り換えられて、接触する。

この微小移動機構の駆動方法について説明する。

ＳＣａＭ／ＳＴＭは、ＳＣａＭからＳＴＭへのズームア
ップを主目的とし、通常、ＳＣａＭとＳＴＭは別々に操
作される。しかし、第２図に示すようにディスク状バイ
モルフ素子１と三次元アクチュエータ７を組み合わせる
ことにより、試料表面のより広い領域を原子レベルの分
解能で観察することも可能となる。

第６図（ａ）に示すように、起伏の大きい試料ｔ４が傾
いている場合、圧電定数の小さな三次元アクチュエータ
７を用いて表面を観察するにはストロークが不足してい
る。しかし、圧電定数を大きくしてストロークを増加さ
せると分解能が低下するという問題が生ずる。ＳＣａＭ
は、その分解能は高いものの、ＳＴＭ程高くはなく、ま
た、耐ノイズ性にも優れていることから、３次元方向の
ストロークを大きくとることができる。そこで、ＳＣａ
Ｍ用に設けたストロークを大きくとることのできるディ
スク状バイモルフ素子１をＳＴＭに用いて、試料表面に
垂直なＺ方向に対して探針９を駆動させる。なお、試料
表面に平行なＸ−Ｙ方向の走査は、資料１４を動かして
行っている。このとき、試料表面の大きな起伏に対応す
るトンネル電流の低周波成分に対してはこれをローパス
フィルターを通して取り出し、この低周波成分に対する
フィードバック回路の出力によりディスク状バイモルフ
素子１を駆動する。また、原子レベルの小さな起伏に対
応する高周波或分に対してハイバスフィルターを備えた
フィードバッ回路と三次元アクチュエータ７を用いて探
針９を２方向に駆動する。

このようにして各々の挙動に対応する波形である第６図
（ｂ），（ｃ）を得ることができる。これらの波形を重
ね合わせることにより、試料表面の実空間像が得られる
。

以」二のように、円筒型の圧電素子からなる三次元アク
チュエー夕を、このディスク状バイモルフ素子と組合せ
ることにより、広い領域にわたってＳＴＭなどによる観
察を可能にした。

また、ディスク状バイモルフ素子が特に電歪材料から成
る場合には、クリープがないという特性を利用して、探
針を試料表面へ接近させる粗動機構として用いることが
できる。

本発明におけるディスク状バイモルフ素子１の駆動方法
は、第５図に示すような回路構或による。

即ち、内周電極３と外周電極４とで符号の異なるバイア
ス電圧（Ｖｃ　）を印加し、各々逆方向へ変位を生じさ
せることでＳ字駆動を行う。

ここでは、ＳＴＭへの応用について述べたが、本発明の
趣旨を逸脱しない範囲でＳＴＭの応用装置、例えば、原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁力顕微鏡（Ｍ　Ｆ　Ｍ）に
も適用は可能である。

［発明の効果］ 本発明は、微小移動機構にディスク状バイモルフ素子を
用いることにより、例えば、ＳＣａＭ操作時に、ストロ
ーク大、剛性大、容量小を可能にし、しかも、電歪材料
を用いることにより印加電圧に対して直線的に探針を移
動させることを可能にした。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の微小駆動機構の概略図、
第２図は、三次元アクチュエー夕を有する他の実施例の
微小駆動機構の概略図、第３図は、圧電材料によるディ
スク状バイモルフ素子の駆動原理図、第４図は、電歪材
料によるディスク状バイモルフ素子の駆動原理図、第５
図は、本発明のディスク状バイモルフ素子を印加電圧に
対して直線的に駆動させる構或図、および第６図は、本
発明の微小駆動機構を用い、広い領域に対して探針を走
査させる方法を示した図で、（ａ）は、試料表面の状態
図、（ｂ〉はディスク状バイモルフ素子から得られる信
号図、（Ｃ）は三次元アクチュエー夕から得られる信号
図を示す。 １・・・ディスク状バイモルフ素子、 ２・・・内側電極、　　　　　３・・・内周電極、４・
・・外周電極、　　　　　５・・・固定治具、７・・・
三次元アクチュエー夕、 ８・・・探針ホルダー ９・・・探針、 ｌＯ・・・配線、 １ｌ・・・容量検出回路、 ｌ２・・・トンネル電流検出回路、 ｌ４・・・試料。 （８７３３）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）周囲を固定したディスク状のバイモルフ素子の中
   央に探針を有し、この探針を被検査試料の表面に垂直な
   方向に移動せしめるようにした微小移動機構。
2. （２）前記バイモルフ素子を電歪材料で構成したことを
   特徴とする請求項１記載の微小移動機構。