JPH04179043A - 位置決め装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は走査トンネル顕微縁　原子開力顕微鏡などの走
査プローブ顕微鏡およびその応用装置などに使用する位
置決め装置に関するものであム従来の技術 走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）４；ｔ、　　物質表面の
構造を原子オーダの分解能で観察できる装置として近年
急速に発展してきていも　まず走査トンネル顕微鏡の測
定原理について述べも 測定したい試料表面！ミ　極めて鋭くて尖らせた金属探
針を１０人程度の距離まで近付（す、試料と探針の間に
１０ｍＶ〜２ｖのバイアス電圧を加えると数ｎＡのトン
ネル電流が流れも　この電流は試料と探針の間の距離に
極めて敏感であるので帰還制御を用いてこの距離を一定
に保つことができも一人　　探針は３軸方向に微動する
ピエゾ素子よりなるアクチュエータに取りつけてあり、
　ｘｙ方向にラスタースキャンするときに２方向に帰還
制御のために印加する電圧が表面の凹凸をあられすこと
になも このような走査トンネル顕微鏡の技術は　原子開力顕微
鏡（ＡＦＭ）、近接視野光学顕微鏡（ＮＦＯＭ）などの
観察装置　さらに原子、分子操作を可能とする超微細加
工機などの周辺技術を生み出しつつあａ　これらの技術
は探針（チップ）を原子オーダの距離でなぞることが共
通しており、観察装置においてはこれらを近接視野顕微
鏡（ＮＦＭ）あるいは走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と
総称していも 本発明はこれらの装置に用いる位置決め装置に関するも
のであム チップを原子オーダの距離でなぞるためにはこの距離の
変動に影響する機械振動をまず徹底して除去する必要が
ある。本発明の位置決め装置についてもまず第一にこの
観点からの考虜が要請されも　さら（二　半導体素子の
解析、超格子量子効果デバイスの解析などに走査トンネ
ル顕微鏡を活用するに（よ　試料の特定箇所を捜し当て
るための位置決め機構が必要であも　さらに　走査トン
ネル顕微鏡技術を用いた微細加工機にζ友　ＸＹ位置座
標を高精度に制御できる位置決め装置が必要であム 大気中で使用するタイプの走査トンネル顕微鏡用の簡易
な位置決め機能の例としては　特定の位置決め装置を設
けず、単に試料と走査プローブを斜め方向から顕微鏡に
より観察しなが収　走査プローブを取りつけたスキャン
ヘッドを手動で動かすものかあム 真空中で使用するタイプの走査トンネル顕微鏡用の位置
決め装置の例として（友　試料と走査プローブを斜め方
向から走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察しなが収　
尺取り上式駆動装置により試料を位置決めするものかあ
ａ 発明が解決しようとする課題 しかしこれらの従来例でｉ；ＬＸＹ位置座標を絶対位置
決めする機能はなかつ九　これらの走査トンネル顕微鏡
において（よ　走査プローブを原子オーダの距離でなぞ
るた八　この距離の変動に影響する機械振動を徹底して
除去する必要性か収　機構上の制約があり、ＸＹ位置座
標を絶対位置決めする機能の実現が難しかった 本発明はこれらの課題に鑑へ　これをを解決して、走査
プローブの走査時の機械的安定性が高く、超高精度にＸ
Ｙ位置座標の絶対位置決めが可能な走査プローブ顕微鏡
およびその応用装置用の位置決め装置を提供するもので
あも 課題を解決するための手段 上記課題を解決するために本発明Ｇ＆ＸＹの２次元駆動
テーブルのテーブル面上へ　平板状試料を固定し　走査
プローブを有するスキャンヘッドのハウジングに設けた
３点の点接触脚を前記平板状試料に当接させ、この平板
状試料面と平行に配置した薄板バネで前記ハウジングを
固定することにより、平板状試料面をしゅう動画とした
ものであム さらに別の手段として、ＸＹの２次元駆動テーブルのテ
ーブル面上に　試料を固定し　走査プローブを有するス
キャンヘッドのハウジングに設けた３点の点接触脚を前
記テーブル面に設けた当接用平面に当接させ、この当接
用平面と平行に配置した薄板バネで前記ハウジングを固
定することにより前記テーブル面に設けた当接用平面を
しゆう動画とすも 作用 本発明は上記した構成によってスキャンヘッドのハウジ
ングを３点接触により試料そのものと、あるいは試料の
極く近くで機械的に結合することにより、走査プローブ
と試料の間の距離変動に影響する機構全体の共振周波数
を極めて高く構成でき、すなわち十分安定な　原子オー
ダーのプローブ走査を実現するものであも ざら＆へ　スキャンヘッドに結合した薄板バネにより、
上記の機械結合を可能にする安定な３点接触を疎外する
事なく、ＸＹ方向には高い剛性でスキャンヘッドを固定
でき、試料を取りつけたＸＹテーブルにより、容易かつ
高精度に試料を走査ブローブに対して位置決めすること
ができもさらに　スキャンヘッドに結合する薄板バネを
、走査プローブＺ軸に対して軸対象に構成することによ
り、熱ドリフト（構成部材の熱膨張によるドリフト）に
よるＸＹ力方向位置変化を最小限に押さえることができ
る。

実施例 以下本発明の一実施例の位置決め装置について、図面を
参照しながら説明すも 第１図は本発明の第一の実施例を示す位置決め装置の断
面図を示す。この実施例は走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ
）およびＳ−ＴＭ原理を利用した加工装置用の位置決め
装置の例であ４Ｘ軸およびＹ軸駆動ユニット１および２
の上に設けたテーブル３上に試料となる平板状試料４、
例えばＳｉウェハー、ＧａＡｓウェハーなどを固定すム
大気中で使用するシステムではテーブル３上に真空吸着
することで容易に固定することができも真空中で使用す
るシステムではウェハー周辺で機械的にクランプすム 本実施例のスキャンヘッドは次のような構成をとってい
も　すなわ−＆Ｚ軸軸動動用円柱状の可動軸５および円
筒状の固定軸６よりなる尺取り虫型駆動装置（インチワ
ーム駆動装置）７を用１．Ｘ。

これにＩＬ　　Ｙ軸の走査およびＺ軸の微動が可能な円
筒型（チューブ型）スキャナー８を取りつ１す、さらに
このチューブスキャナーの先に走査プローブとなるＳＴ
Ｍ探針９を取りつけも インチワームおよびチューブスキャナーともにＰＺＴＺ
電体を使った市販品を使用し？、ＳＴＭ探針９（よ　試
料および針先での加工現象に応じて、電界研磨で先を尖
らせたＷ針、ＰｔＩｒ針などを用いも スキャンヘッドのハウジング１０１よ　おおよそ外形が
円筒形状の軸対称構造とし　インチワームの固定軸６を
その軸中心に固定してあも　さらにハウジング１０の脚
部には３個の鋼球１１を設置す、３点の点接触側を構成
し　これらの部材５〜１１によりスキャンヘッド１２を
構成していもスキャンヘッド１２は　その３点の点接触
脚部１１で試料ウェハー４に載置するとともに、　　試
料ウェハーの試料面に平行に配置した薄板バネ１３をこ
のハウジングに固定し　薄板バネ１３のもう一端は基台
１４に固定用板１５および取りつけネジ１６で固定され
ていも　薄板バネｃ′！、たとえばステンレス製の厚さ
０．０５〜０．２ｍｍのものを用（＼　できるだけ軸封
対称に配置すム　試作した実験装置では試料ウェハーの
着脱は薄板バネの取りつけネジ１６をはずすことで行っ
ていも図示はしていないカミ　実用機ではスキャンヘッ
ド１２を薄板バネ１３の水平位置で保持するとともへ　
テーブル面をＺ軸方向に若干降下させ、ＸＹの一方向に
試料ウェハーを引き出す機構を付加することができも このように本発明の３点接触と、薄板バネの組合せによ
る運動体（スキャンヘッド）の拘束Ｇｅｔ、。

次のように走査プローブ顕微鏡およびその応用装置には
好都合に作用すム　すなわちスキャンヘッドを全く拘束
しない場合にはＸＹＺの３方向の並進運動およびＸＹＺ
軸のまわりの回転運動の合計６自由度が存在するわけで
ある力（試料平面とスキャンヘッドを３点接触させると
、試料平面のＸＹ力方向Ｚ軸のまわりの回転の３自由度
が残り、残りの運動は拘束されも　ところで平板状の薄
板バネζよ　横方向には容易にたわむカミ　その平板面
内の方向には極めて高い剛性を持っていも　そこでこの
性質を残へ　上記の運動の自由度を拘束する手段として
用いることにより、安定な３点接触を疎外することなく
、スキャンヘッドの全自由度を拘束することができも この結果　試料の走査点の極近くの３点て　スキャナー
を機械的に結合できるた八　スキャナーを高い共振周波
数に構成でき、原子オーダのの凹凸を安定になぞるため
に必須へ　高い防振効果を得ることができも　一般に原
子オーダのＺ軸制御を実現するに（友　原子の寸法１人
に対して０．０１Å以下の機械振動に抑制する必要があ
り、例えば　スキャナーヘッドを基台に直接固定する構
成でζよ　梁構造による剛性の低下およびＸＹ駆動ユニ
ットの剛性の影響など、装置全体のウィークボインドに
当たる部分の剛性が効いてきて共振周波数の低下をまね
叡　このような高い防振効果をつることは難しｔも これに対して本発明の構成によれば　比較的簡単に上記
したような高い防振効果をうることができも さらに本発明の構成によれば　平板状試料の表面を摺動
画としているた数　試料のうねりの影響を除去した　試
料のうねりに添った位置決めができも　すなわ板　おお
よそ３点接触脚間の距離をカットオフ周波数とする機械
的なバイパスフィルターを構成していも しかし本実施例で１瓜　極めて高い防振効果がえられる
ものへ　試料表面の一部を摺動画して使用しているたべ 観察または加工できる試料表面の面積が制約される欠点
があも 第２図は本発明の第２の実施例を示す位置決め装置の断
面図であム　各構成部材の番号およびその機能は第１図
の第１の実施例の場合と同じであム　第１の実施例と異
なる点は　スキャナーハウジングに設けた３点の点接触
側１１を、試料表面４に直抵　接触させるのではなく、
ＸＹテーブル３上に設けた当接用平面に当接させ、これ
を摺動画としていも　この構成では第１の実施例に比べ
て相対的に３点の点接触脚間の距離が大きくなり、この
ぶん共振周波数が低下する欠点がある力（試料表面の全
面積を有効な観察または加工面とすることができも　ま
たＸＹテーブルの運動の平面度に依存せ哄　上記当接用
平面を基準とした位置決めを行うことができも ざらへ　上記第１および第２の実施例ともにスキャンヘ
ッドに結合する薄板バネを、走査プローブＺ軸に対して
軸対象に構成している力士　このことにより熱ドリフト
（構成部材の熱膨脹によるドリフト）によるＸＹ方向の
位置変化を最小限に押さえることができ、極めて高い位
置決め精度を実現することができも 尚　以上の説明では　主に走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ
）およびＳＴＭを応用した加工装置に適用する位置決め
装置について述べた７５＜、ＳＴＭから派生しつつある
各種の観察装置　加工装置の位置決め装置として有効な
ことは勿論であ本発明の効果 本発明によれ＆戴　比較的簡単な構成で高分解能のプロ
ーブ走査を可能にする高い防振効果が実現で東　高精度
の絶対位置決めが可能なＳＴＭ技術用の位置決め装置を
提供することができム

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す位置決め装置の断
面図　第２図は本発明の第２の実施例を示す位置決め装
置の断面図を表わす。 ３・・・テーブノｋ　４・・・試Ｋ　　１０・・・ハウ
ジング、１１・・・点接触風　１２・・・スキャンヘッ
ド、１３・・・薄板バ木

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＸＹの２次元駆動テーブルのテーブル面上に、平
   板状試料を固定し、走査プローブを有するスキャンヘッ
   ドのハウジングに設けた３点の点接触脚を前記平板状試
   料に当接させ、この平板状試料面と平行に配置した薄板
   バネで前記ハウジングを固定することにより、平板状試
   料面をしゅう動画としたことを特徴とする位置決め装置
   。
2. （２）ＸＹの２次元駆動テーブルのテーブル面上に、試
   料を固定し、走査プローブを有するスキャンヘッドのハ
   ウジングに設けた３点の点接触脚を前記テーブル面に設
   けた当接用平面に当接させ、この当接用平面と平行に配
   置した薄板バネで前記ハウジングを固定することにより
   、前記テーブル面に設けた当接用平面をしゅう動画とし
   たことを特徴とする位置決め装置。
3. （３）薄板バネを、スキャンヘッドの走査プローブＺ軸
   に対して軸対称に配置したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項または第２項記載の位置決め装置。