JPH05203404A - 位置決め装置 - Google Patents
位置決め装置Info
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- JPH05203404A JPH05203404A JP4010216A JP1021692A JPH05203404A JP H05203404 A JPH05203404 A JP H05203404A JP 4010216 A JP4010216 A JP 4010216A JP 1021692 A JP1021692 A JP 1021692A JP H05203404 A JPH05203404 A JP H05203404A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
- G01Q70/02—Probe holders
- G01Q70/04—Probe holders with compensation for temperature or vibration induced errors
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/02—Details
- H01J37/20—Means for supporting or positioning the object or the material; Means for adjusting diaphragms or lenses associated with the support
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 二次元方向に走査駆動可能なＸ−Ｙ走査機構
と、二次元方向に対して垂直方向に走査駆動可能なＺ走
査機構を備え、試料台がＺ走査機構の移動部に固定さ
れ、プローブを有するプローブヘッドのハウジングが、
板バネを介して位置決め装置の筐体に固定され、且つ３
個の点接触脚を介してＸ−Ｙ走査機構の移動部に形設さ
れた当接用平面に当接していることにより、機構全体の
共振周波数が高く設定され、高い防振効果と安定なプロ
−ブ走査を実現する。 【構成】 プローブ９を有するプローブヘッド１２のハ
ウジング１０は３点接触脚を構成する３つ鋼球１１が設
けられ、Ｘ−Ｙ走査機構の移動部に設けられた当接用平
面１８に当接すると共に、薄板バネ１３を介して固定台
３６に固定される。
と、二次元方向に対して垂直方向に走査駆動可能なＺ走
査機構を備え、試料台がＺ走査機構の移動部に固定さ
れ、プローブを有するプローブヘッドのハウジングが、
板バネを介して位置決め装置の筐体に固定され、且つ３
個の点接触脚を介してＸ−Ｙ走査機構の移動部に形設さ
れた当接用平面に当接していることにより、機構全体の
共振周波数が高く設定され、高い防振効果と安定なプロ
−ブ走査を実現する。 【構成】 プローブ９を有するプローブヘッド１２のハ
ウジング１０は３点接触脚を構成する３つ鋼球１１が設
けられ、Ｘ−Ｙ走査機構の移動部に設けられた当接用平
面１８に当接すると共に、薄板バネ１３を介して固定台
３６に固定される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、走査トンネル顕微鏡、
原子間力顕微鏡などの走査プロ−ブ顕微鏡又はその応用
装置などに使用される試料の位置決め装置に関するもの
である。
原子間力顕微鏡などの走査プロ−ブ顕微鏡又はその応用
装置などに使用される試料の位置決め装置に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】近年、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、走査トンネル顕微鏡（Ｓ
ＴＭ）が開発されている。
解能で観察できる装置として、走査トンネル顕微鏡（Ｓ
ＴＭ）が開発されている。
【０００３】以下、走査トンネル顕微鏡の測定原理につ
いて説明する。測定対象となる試料表面に、極めて鋭く
て尖らせた金属製針からなるプローブを１０オングスト
ローム程度の距離に接近させて、試料とプローブの間に
１０ｍＶ〜２Ｖのバイアス電圧を加えると数ｎＡのトン
ネル電流が流れる。トンネル電流は試料とプローブの間
の距離に極めて敏感であるため、帰還制御を用いること
により、この距離を一定に保つことができる。
いて説明する。測定対象となる試料表面に、極めて鋭く
て尖らせた金属製針からなるプローブを１０オングスト
ローム程度の距離に接近させて、試料とプローブの間に
１０ｍＶ〜２Ｖのバイアス電圧を加えると数ｎＡのトン
ネル電流が流れる。トンネル電流は試料とプローブの間
の距離に極めて敏感であるため、帰還制御を用いること
により、この距離を一定に保つことができる。
【０００４】一方、プローブは、ＸＹＺ軸の３軸方向に
微動可能なピエゾ素子で構成されたアクチュエータに取
りつけてあり、試料とプローブをＸＹ方向に相対移動さ
せてラスタースキャンを行うと、Ｚ方向の帰還制御によ
り試料とプローブの間の距離が一定に保たれると共に、
Ｚ方向の位置制御に印加された電圧の変化がそのまま試
料表面の凹凸を表すことになる。
微動可能なピエゾ素子で構成されたアクチュエータに取
りつけてあり、試料とプローブをＸＹ方向に相対移動さ
せてラスタースキャンを行うと、Ｚ方向の帰還制御によ
り試料とプローブの間の距離が一定に保たれると共に、
Ｚ方向の位置制御に印加された電圧の変化がそのまま試
料表面の凹凸を表すことになる。
【０００５】このような走査トンネル顕微鏡の技術は、
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、近接視野光学顕微鏡（ＮＦ
ＯＭ）などの観察装置、更に原子、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る。こ
れらの技術において、プローブと試料との間を原子オー
ダの距離に維持しながら試料表面を走査する手段を備え
ていることが共通しており、観察装置を含めて、これら
を近接視野顕微鏡（ＮＦＭ）又は走査プローブ顕微鏡
（ＳＰＭ）と総称している。
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、近接視野光学顕微鏡（ＮＦ
ＯＭ）などの観察装置、更に原子、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る。こ
れらの技術において、プローブと試料との間を原子オー
ダの距離に維持しながら試料表面を走査する手段を備え
ていることが共通しており、観察装置を含めて、これら
を近接視野顕微鏡（ＮＦＭ）又は走査プローブ顕微鏡
（ＳＰＭ）と総称している。
【０００６】プローブと試料との間を原子オーダの距離
に維持しながら走査するためには、この距離の変動に影
響を与える機械振動をまず徹底して除去する必要があ
り、本発明の位置決め装置についてもまず第一にこの観
点からの考慮が要請される。
に維持しながら走査するためには、この距離の変動に影
響を与える機械振動をまず徹底して除去する必要があ
り、本発明の位置決め装置についてもまず第一にこの観
点からの考慮が要請される。
【０００７】また、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場
合には、試料の特定箇所を捜し当てるための位置決め機
構が必要である。更に、走査トンネル顕微鏡技術を用い
た微細加工機には、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る。
デバイスの解析などに走査トンネル顕微鏡を活用する場
合には、試料の特定箇所を捜し当てるための位置決め機
構が必要である。更に、走査トンネル顕微鏡技術を用い
た微細加工機には、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る。
【０００８】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一例として、特定の位置
決め装置を設けず、単に試料と走査プロ−ブを斜め方向
から光学顕微鏡により観察しながら、走査プロ−ブを取
りつけたプローブヘッドを手動で動かすものがあった。
微鏡用の簡易な位置決め機能の一例として、特定の位置
決め装置を設けず、単に試料と走査プロ−ブを斜め方向
から光学顕微鏡により観察しながら、走査プロ−ブを取
りつけたプローブヘッドを手動で動かすものがあった。
【０００９】更に、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一例として、試料と走査
プロ−ブを斜め方向から走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によ
り観察しながら、尺取り虫式駆動装置により試料を位置
決めするものがあった。
ネル顕微鏡用の位置決め装置の一例として、試料と走査
プロ−ブを斜め方向から走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によ
り観察しながら、尺取り虫式駆動装置により試料を位置
決めするものがあった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
走査トンネル顕微鏡において、試料や走査プロ−ブのＸ
Ｙ位置座標を絶対位置決めする機能がいかに高精度であ
っても、機械的振動を徹底して除去できない限り、正確
なＸＹ位置決めをするには不十分であるという課題があ
った。
走査トンネル顕微鏡において、試料や走査プロ−ブのＸ
Ｙ位置座標を絶対位置決めする機能がいかに高精度であ
っても、機械的振動を徹底して除去できない限り、正確
なＸＹ位置決めをするには不十分であるという課題があ
った。
【００１１】また、走査プロ−ブを試料から原子オーダ
の距離に離して走査する際に、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があり、従来の位置
決め装置では、振動抑制と正確なＸＹ位置決めの両方を
満足させることが困難であった。
の距離に離して走査する際に、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があり、従来の位置
決め装置では、振動抑制と正確なＸＹ位置決めの両方を
満足させることが困難であった。
【００１２】本発明は、前記課題を解決するため、走査
プロ−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−ブ顕微
鏡又はその応用装置に適用可能な位置決め装置を提供す
るものである。
プロ−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−ブ顕微
鏡又はその応用装置に適用可能な位置決め装置を提供す
るものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の位置決め装置は、二次元方向に走査駆動可
能なＸ−Ｙ走査機構と、二次元方向に対して垂直方向に
走査駆動可能なＺ走査機構がＸ−Ｙ走査機構の移動部に
設けられた位置決め装置であって、試料台がＺ走査機構
の移動部に固定されると共に、プローブを有するプロー
ブヘッドのハウジングが、板バネを介して位置決め装置
の筐体に固定され、且つ３個の点接触脚を介してＸ−Ｙ
走査機構の移動部に形設された当接用平面に当接してい
ることを特徴とする。
め、本発明の位置決め装置は、二次元方向に走査駆動可
能なＸ−Ｙ走査機構と、二次元方向に対して垂直方向に
走査駆動可能なＺ走査機構がＸ−Ｙ走査機構の移動部に
設けられた位置決め装置であって、試料台がＺ走査機構
の移動部に固定されると共に、プローブを有するプロー
ブヘッドのハウジングが、板バネを介して位置決め装置
の筐体に固定され、且つ３個の点接触脚を介してＸ−Ｙ
走査機構の移動部に形設された当接用平面に当接してい
ることを特徴とする。
【００１４】また、本発明の位置決め装置は、二次元方
向に走査駆動可能なＸ−Ｙ走査機構と、二次元方向に対
して垂直方向に走査駆動可能なＺ走査機構を備えた位置
決め装置であって、試料台がＺ走査機構の移動部に固定
されると共に、プローブを有するプローブヘッドのハウ
ジングが、板バネを介してＸ−Ｙ走査機構の移動部に固
定され、且つ３個の点接触脚を介して位置決め装置の筐
体に形設された当接用平面に当接していることを特徴と
する。
向に走査駆動可能なＸ−Ｙ走査機構と、二次元方向に対
して垂直方向に走査駆動可能なＺ走査機構を備えた位置
決め装置であって、試料台がＺ走査機構の移動部に固定
されると共に、プローブを有するプローブヘッドのハウ
ジングが、板バネを介してＸ−Ｙ走査機構の移動部に固
定され、且つ３個の点接触脚を介して位置決め装置の筐
体に形設された当接用平面に当接していることを特徴と
する。
【００１５】前記構成において、板バネの形状が、プロ
ーブヘッドの中心軸に対して軸対称に形成されているこ
とが好ましい。また、前記構成において、板バネに、振
動減衰用材料が貼着されていることが好ましい。
ーブヘッドの中心軸に対して軸対称に形成されているこ
とが好ましい。また、前記構成において、板バネに、振
動減衰用材料が貼着されていることが好ましい。
【００１６】
【作用】前記した第１の構成によれば、プローブを有す
るプローブヘッドのハウジングが、板バネを介して位置
決め装置の筐体に固定され、且つ３個の点接触脚を介し
てＸ−Ｙ走査機構の移動部に形設された当接用平面に当
接していることより、プロ−ブと試料の間の距離変動に
影響を与える振動抑制の対策として、機構全体の共振周
波数を極めて高く設定することができるため、十分に安
定なプロ−ブ走査を実現することができる。
るプローブヘッドのハウジングが、板バネを介して位置
決め装置の筐体に固定され、且つ３個の点接触脚を介し
てＸ−Ｙ走査機構の移動部に形設された当接用平面に当
接していることより、プロ−ブと試料の間の距離変動に
影響を与える振動抑制の対策として、機構全体の共振周
波数を極めて高く設定することができるため、十分に安
定なプロ−ブ走査を実現することができる。
【００１７】更に、プローブヘッドのハウジングが、Ｘ
−Ｙ走査機構の移動部に形設された当接用平面に対し
て、板バネにより付勢されて当接していることにより、
ハウジング全体を安定化させるための３個の点接触脚を
疎外することが無くなり、更に静止時にはＸ−Ｙ方向の
動きに対して高い剛性でプローブヘッドを固定できる。
そのため、Ｘ−Ｙ走査機構に絶対位置決め機構を採用し
た場合、駆動伝達系のバックラッシュ等の変位誤差が少
なくなり、試料とプロ−ブの相対位置を容易且つ高精度
に位置決めすることが可能となる。
−Ｙ走査機構の移動部に形設された当接用平面に対し
て、板バネにより付勢されて当接していることにより、
ハウジング全体を安定化させるための３個の点接触脚を
疎外することが無くなり、更に静止時にはＸ−Ｙ方向の
動きに対して高い剛性でプローブヘッドを固定できる。
そのため、Ｘ−Ｙ走査機構に絶対位置決め機構を採用し
た場合、駆動伝達系のバックラッシュ等の変位誤差が少
なくなり、試料とプロ−ブの相対位置を容易且つ高精度
に位置決めすることが可能となる。
【００１８】また、本発明の位置決め装置を構成するＸ
−Ｙ走査機構は、機械的な位置決め装置として一般に使
用されるＸＹ駆動テーブルを基本構造としてそのまま利
用できるため、本発明の位置決め装置が適用される各種
走査トンネル顕微鏡の設計や製造が容易となり、製品の
低価格化や小形化を図ることができる。
−Ｙ走査機構は、機械的な位置決め装置として一般に使
用されるＸＹ駆動テーブルを基本構造としてそのまま利
用できるため、本発明の位置決め装置が適用される各種
走査トンネル顕微鏡の設計や製造が容易となり、製品の
低価格化や小形化を図ることができる。
【００１９】また、前記した第２の構成によれば、プロ
ーブを有するプローブヘッドのハウジングが、板バネを
介してＸ−Ｙ走査機構の移動部に固定され、且つ３個の
点接触脚を介して位置決め装置の筐体に形設された当接
用平面に当接していることにより、前述と同様に、プロ
−ブと試料の間の距離変動に影響を与える振動抑制の対
策として、機構全体の共振周波数を極めて高く設定する
ことができるため、十分に安定なプロ−ブ走査を実現す
ることができる。
ーブを有するプローブヘッドのハウジングが、板バネを
介してＸ−Ｙ走査機構の移動部に固定され、且つ３個の
点接触脚を介して位置決め装置の筐体に形設された当接
用平面に当接していることにより、前述と同様に、プロ
−ブと試料の間の距離変動に影響を与える振動抑制の対
策として、機構全体の共振周波数を極めて高く設定する
ことができるため、十分に安定なプロ−ブ走査を実現す
ることができる。
【００２０】更に、プローブヘッドのハウジングが、位
置決め装置の筐体に形設された当接用平面に対して、板
バネにより付勢されて当接していることにより、ハウジ
ング全体を安定化させるための３個の点接触脚を疎外す
ることが無くなり、更に静止時にはＸ−Ｙ方向の動きに
対して高い剛性でプローブヘッドを固定できる。そのた
め、Ｘ−Ｙ走査機構に絶対位置決め機構を採用した場
合、駆動伝達系のバックラッシュ等の変位誤差が少なく
なり、試料とプロ−ブの相対位置を容易且つ高精度に位
置決めすることが可能となる。
置決め装置の筐体に形設された当接用平面に対して、板
バネにより付勢されて当接していることにより、ハウジ
ング全体を安定化させるための３個の点接触脚を疎外す
ることが無くなり、更に静止時にはＸ−Ｙ方向の動きに
対して高い剛性でプローブヘッドを固定できる。そのた
め、Ｘ−Ｙ走査機構に絶対位置決め機構を採用した場
合、駆動伝達系のバックラッシュ等の変位誤差が少なく
なり、試料とプロ−ブの相対位置を容易且つ高精度に位
置決めすることが可能となる。
【００２１】また、前述した第１の構成では、二次元方
向に試料の粗動又は微動を行うためのＸ−Ｙ走査機構
と、垂直方向に試料の微動を行うためのＺ走査機構とが
一体化しているのに対して、第２の構成によれば、該Ｘ
−Ｙ走査機構と該Ｚ走査機構がお互いに独立して位置決
め装置の筐体に固定されているため、全体の機構がより
簡略化され、位置決め装置の製造や組立てが容易にな
る。
向に試料の粗動又は微動を行うためのＸ−Ｙ走査機構
と、垂直方向に試料の微動を行うためのＺ走査機構とが
一体化しているのに対して、第２の構成によれば、該Ｘ
−Ｙ走査機構と該Ｚ走査機構がお互いに独立して位置決
め装置の筐体に固定されているため、全体の機構がより
簡略化され、位置決め装置の製造や組立てが容易にな
る。
【００２２】また、第１又は第２の構成において、板バ
ネの形状が、プローブヘッドの中心軸に対して軸対称に
形成されていることにより、位置決め装置を構成する部
材の熱膨張等に起因する熱ドリフトが発生する場合で
も、板バネの中心付近は熱膨脹の影響が相殺して、プロ
ーブヘッドのＸＹ方向への変位量を最小限に抑えること
ができる。
ネの形状が、プローブヘッドの中心軸に対して軸対称に
形成されていることにより、位置決め装置を構成する部
材の熱膨張等に起因する熱ドリフトが発生する場合で
も、板バネの中心付近は熱膨脹の影響が相殺して、プロ
ーブヘッドのＸＹ方向への変位量を最小限に抑えること
ができる。
【００２３】また、第１又は第２の構成において、板バ
ネに振動減衰用材料が貼着されていることにより、板バ
ネ自身の共振によるＸＹ方向の位置変動を最小限に抑え
ることができる。
ネに振動減衰用材料が貼着されていることにより、板バ
ネ自身の共振によるＸＹ方向の位置変動を最小限に抑え
ることができる。
【００２４】
【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しながら説明する。図１は、本発明の位置決め装置の一
実施例を示す部分破断斜視図であり、図２は、その中央
断面図である。また、図３は、プローブヘッド付近の部
分平面図である。なお、本実施例は、原子間力顕微鏡／
走査トンネル顕微鏡複合型顕微鏡（ＡＦＭ／ＳＴＭ）及
びこれらの原理を利用した微細表面加工装置用の位置決
め装置の例であるが、他の各種走査トンネル顕微鏡にも
適用可能である。
しながら説明する。図１は、本発明の位置決め装置の一
実施例を示す部分破断斜視図であり、図２は、その中央
断面図である。また、図３は、プローブヘッド付近の部
分平面図である。なお、本実施例は、原子間力顕微鏡／
走査トンネル顕微鏡複合型顕微鏡（ＡＦＭ／ＳＴＭ）及
びこれらの原理を利用した微細表面加工装置用の位置決
め装置の例であるが、他の各種走査トンネル顕微鏡にも
適用可能である。
【００２５】基台１４の上には、Ｙ軸駆動ユニット（Ｙ
軸駆動テーブル）２が取り付けられており、更にこのＹ
軸駆動ユニット２の上にＸ軸駆動ユニット（Ｘ軸駆動テ
−ブル）１を取り付けることにより、全体としてＸ−Ｙ
走査機構（ＸＹテーブル）を構成している。
軸駆動テーブル）２が取り付けられており、更にこのＹ
軸駆動ユニット２の上にＸ軸駆動ユニット（Ｘ軸駆動テ
−ブル）１を取り付けることにより、全体としてＸ−Ｙ
走査機構（ＸＹテーブル）を構成している。
【００２６】更に、Ｘ−Ｙ走査機構の移動部に相当する
上部部材２０には、Ｚ軸粗動用駆動装置並びにＸＹ走査
及びＺ軸微動のためのスキャナーを介して試料台１９が
固定される。具体的には、円柱状の可動軸５及び円筒状
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及び円筒型スキャナー８を介して試料台１
９が取り付けられる。試料台１９の上には、例えばＳｉ
ウェハやＧａＡｓウェハの切片などの試料４が固定され
る。なお、尺取り虫型駆動装置７及び円筒型スキャナー
８は、ピエゾ素子であるＰＺＴ圧電体（ジルコン酸チタ
ン酸鉛圧電体）を使った市販品を使用することができ
る。
上部部材２０には、Ｚ軸粗動用駆動装置並びにＸＹ走査
及びＺ軸微動のためのスキャナーを介して試料台１９が
固定される。具体的には、円柱状の可動軸５及び円筒状
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及び円筒型スキャナー８を介して試料台１
９が取り付けられる。試料台１９の上には、例えばＳｉ
ウェハやＧａＡｓウェハの切片などの試料４が固定され
る。なお、尺取り虫型駆動装置７及び円筒型スキャナー
８は、ピエゾ素子であるＰＺＴ圧電体（ジルコン酸チタ
ン酸鉛圧電体）を使った市販品を使用することができ
る。
【００２７】Ｘ軸駆動ユニット１は、上部部材２０と下
部部材２１とから構成され、上部部材２０には直線状に
形成され且つ断面Ｖ字状の溝を有するレール２２を有
し、下部部材２１も同様の断面Ｖ字状の溝を有するレー
ル２３を有し、このレール２２と２３の間に鋼球２４が
挿入されており、上部部材２０と下部部材２１とがお互
いに平行にＸ軸方向に滑動することができる。下部部材
２１は、後述するＹ軸駆動ユニット２の上部部材２５に
固定されている。
部部材２１とから構成され、上部部材２０には直線状に
形成され且つ断面Ｖ字状の溝を有するレール２２を有
し、下部部材２１も同様の断面Ｖ字状の溝を有するレー
ル２３を有し、このレール２２と２３の間に鋼球２４が
挿入されており、上部部材２０と下部部材２１とがお互
いに平行にＸ軸方向に滑動することができる。下部部材
２１は、後述するＹ軸駆動ユニット２の上部部材２５に
固定されている。
【００２８】Ｙ軸駆動ユニット２も同様に、上部部材２
５と下部部材２６とから構成され、上部部材２５は断面
Ｖ字状の溝を有するレール２７を備え、下部部材２６も
同様の断面Ｖ字状の溝を有するレール２８を備え、この
レール２７と２８の間に鋼球２９が挿入されており、上
部部材２５と下部部材２６とがお互いに平行にＹ軸方向
に滑動することができる。ここで、各駆動ユニット１、
２を駆動するためのステッピングモータ、インチワーム
モータ等の駆動源や、ボールねじ等の駆動伝達機構は公
知の方法を採用することができるため、図面上での図示
及び説明を省略する。
５と下部部材２６とから構成され、上部部材２５は断面
Ｖ字状の溝を有するレール２７を備え、下部部材２６も
同様の断面Ｖ字状の溝を有するレール２８を備え、この
レール２７と２８の間に鋼球２９が挿入されており、上
部部材２５と下部部材２６とがお互いに平行にＹ軸方向
に滑動することができる。ここで、各駆動ユニット１、
２を駆動するためのステッピングモータ、インチワーム
モータ等の駆動源や、ボールねじ等の駆動伝達機構は公
知の方法を採用することができるため、図面上での図示
及び説明を省略する。
【００２９】本実施例におけるプローブヘッドは、試料
とプローブとの間に働く原子間力、及び試料とプローブ
との間に流れるトンネル電流を検知するため次のような
検知手段を採用している。
とプローブとの間に働く原子間力、及び試料とプローブ
との間に流れるトンネル電流を検知するため次のような
検知手段を採用している。
【００３０】原子間力を検知する場合は、プローブ９を
取り付けた微小なカンチレバー３３が、プローブ９と試
料４との間に働く力を受けて撓むため、このカンチレバ
ー３３の撓みを光学てこ方式の検出機構を用いることに
より、原子間力を検知することができる。即ち、プロー
ブヘッド１２のハウジング１０に固定された半導体レー
ザ光源３０からの光線が、集光レンズ３１により絞ら
れ、プローブ９が固定されたカンチレバー３３に照射さ
れる。なお、カンチレバー３３は固定用板３２を介して
ハウジング１０に取り付けられている。カンチレバー３
３で反射した光線は反射ミラー３４で反射され、２分割
光検出器３５で受光される。原子間力の作用によりカン
チレバー３３が撓むと、２分割光検出器３５の２つの出
力にアンバランスが生じ、例えばお互いに減算してカン
チレバー３３の撓み量に換算することにより、原子間力
の大きさを検知することができる。
取り付けた微小なカンチレバー３３が、プローブ９と試
料４との間に働く力を受けて撓むため、このカンチレバ
ー３３の撓みを光学てこ方式の検出機構を用いることに
より、原子間力を検知することができる。即ち、プロー
ブヘッド１２のハウジング１０に固定された半導体レー
ザ光源３０からの光線が、集光レンズ３１により絞ら
れ、プローブ９が固定されたカンチレバー３３に照射さ
れる。なお、カンチレバー３３は固定用板３２を介して
ハウジング１０に取り付けられている。カンチレバー３
３で反射した光線は反射ミラー３４で反射され、２分割
光検出器３５で受光される。原子間力の作用によりカン
チレバー３３が撓むと、２分割光検出器３５の２つの出
力にアンバランスが生じ、例えばお互いに減算してカン
チレバー３３の撓み量に換算することにより、原子間力
の大きさを検知することができる。
【００３１】一方、トンネル電流を検知する場合は、導
体又は半導体等の試料４と、カンチレバー３３の先にと
りつけた導体製のプローブ９との間にバイアス電圧を印
加し、且つ試料４とプローブ９との間の距離を接近させ
ることにより、トンネル電流が発生し、これを検知す
る。
体又は半導体等の試料４と、カンチレバー３３の先にと
りつけた導体製のプローブ９との間にバイアス電圧を印
加し、且つ試料４とプローブ９との間の距離を接近させ
ることにより、トンネル電流が発生し、これを検知す
る。
【００３２】次に、プローブヘッド１２について説明す
る。プローブヘッド１２のハウジング１０は、その外形
が略円筒形状の軸対称構造であり、更にハウジング１０
の脚部には３個の鋼球１１を設けることにより３点の点
接触脚を形設している。
る。プローブヘッド１２のハウジング１０は、その外形
が略円筒形状の軸対称構造であり、更にハウジング１０
の脚部には３個の鋼球１１を設けることにより３点の点
接触脚を形設している。
【００３３】Ｘ−Ｙ走査機構の移動部に相当する上部部
材２０には、前述した試料台１９の他に、プローブヘッ
ド１２の３点の点接触脚が載置されるための当接用平面
を有する穴付き円板１８が取り付けられる。プローブヘ
ッド１２は、３点の点接触脚部を介して穴付き円板１８
の当接用平面に当接して載置される。
材２０には、前述した試料台１９の他に、プローブヘッ
ド１２の３点の点接触脚が載置されるための当接用平面
を有する穴付き円板１８が取り付けられる。プローブヘ
ッド１２は、３点の点接触脚部を介して穴付き円板１８
の当接用平面に当接して載置される。
【００３４】更に、プローブヘッド１２のハウジング１
０が、当接用平面に対して平行に配置した板バネ１３に
より、位置決め装置の筐体である固定台３６に連結され
て、板バネ１３は固定用板１６を介してネジ１７により
固定台３６に固定される。
０が、当接用平面に対して平行に配置した板バネ１３に
より、位置決め装置の筐体である固定台３６に連結され
て、板バネ１３は固定用板１６を介してネジ１７により
固定台３６に固定される。
【００３５】このようにプローブヘッド１２は、板バネ
１３により固定台３６に固定されることにより、ＸＹ方
向の運動が拘束されている。従って、Ｘ−Ｙ走査機構を
駆動することにより、前述した当接用平面を滑動面とし
て、ハウジング１０とＸ−Ｙ走査機構の移動部の間の相
対的な位置決めを行うことが可能となり、この移動部に
取り付けられた試料台１９との間の位置決めを行うこと
ができる。
１３により固定台３６に固定されることにより、ＸＹ方
向の運動が拘束されている。従って、Ｘ−Ｙ走査機構を
駆動することにより、前述した当接用平面を滑動面とし
て、ハウジング１０とＸ−Ｙ走査機構の移動部の間の相
対的な位置決めを行うことが可能となり、この移動部に
取り付けられた試料台１９との間の位置決めを行うこと
ができる。
【００３６】なお、穴付き円板１８の当接用平面として
は、石英製のオプチカルフラットが好ましい。また、板
バネ１３としては、ステンレス製又は低熱膨張率のイン
バー（Ｆｅ−３６％Ｎｉ）製の厚さ０．０５〜０．３ｍ
ｍの板材が好ましく、できるだけ軸対対称となるように
配置することが特に好ましい。なお、試料４の交換の際
は、ネジ１７を外して板バネ１３ごとプローブヘッド１
２を取り外すことにより可能となる。
は、石英製のオプチカルフラットが好ましい。また、板
バネ１３としては、ステンレス製又は低熱膨張率のイン
バー（Ｆｅ−３６％Ｎｉ）製の厚さ０．０５〜０．３ｍ
ｍの板材が好ましく、できるだけ軸対対称となるように
配置することが特に好ましい。なお、試料４の交換の際
は、ネジ１７を外して板バネ１３ごとプローブヘッド１
２を取り外すことにより可能となる。
【００３７】以上説明したように、本発明を構成する３
点接触と板バネの組合せによる運動体（プローブヘッド
１２）の拘束手段は、次のように走査プロ−ブ顕微鏡又
はその応用装置には好都合に作用する。即ち、プローブ
ヘッド１３を全く拘束しない場合にはＸＹＺの３方向の
並進運動及びＸＹＺ軸回りの回転運動の合計６自由度が
存在するが、試料４とプローブヘッド１３の相対位置を
３点接触により規制すると、試料平面のＸＹ方向とＺ軸
回りの回転運動の３つの自由度が残り、残りの運動は拘
束される。
点接触と板バネの組合せによる運動体（プローブヘッド
１２）の拘束手段は、次のように走査プロ−ブ顕微鏡又
はその応用装置には好都合に作用する。即ち、プローブ
ヘッド１３を全く拘束しない場合にはＸＹＺの３方向の
並進運動及びＸＹＺ軸回りの回転運動の合計６自由度が
存在するが、試料４とプローブヘッド１３の相対位置を
３点接触により規制すると、試料平面のＸＹ方向とＺ軸
回りの回転運動の３つの自由度が残り、残りの運動は拘
束される。
【００３８】一方、平板状の板バネは、平面に垂直な方
向には容易に撓むが、その平板面内の方向には極めて高
い剛性を持っている。そこで、このような性質を利用し
て、残り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、プローブヘッ
ド１３の全自由度を拘束することができる。
向には容易に撓むが、その平板面内の方向には極めて高
い剛性を持っている。そこで、このような性質を利用し
て、残り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、プローブヘッ
ド１３の全自由度を拘束することができる。
【００３９】その結果、試料４の走査点に近接した３カ
所で、プローブヘッド１３を機械的に結合できるため、
プローブヘッド１３を高い共振周波数に設定することが
でき、試料４の表面の原子オ−ダの凹凸を安定に走査す
る機構にとって極めて高い防振効果を得ることができ
る。
所で、プローブヘッド１３を機械的に結合できるため、
プローブヘッド１３を高い共振周波数に設定することが
でき、試料４の表面の原子オ−ダの凹凸を安定に走査す
る機構にとって極めて高い防振効果を得ることができ
る。
【００４０】一般に、原子オ−ダのＺ軸制御を実現する
には、測定対象となる直径約１オングストロームの原子
に対して、０．０１オングストローム以下の機械振動に
抑制する必要があり、例えば、プローブヘッドをＸＹ駆
動ユニットを介して基台に取り付ける構成では、梁構造
による剛性の低下及びＸＹ駆動ユニットの剛性の影響な
ど、装置構成全体のうち剛性の低い部材の影響により、
共振周波数の低下を招くため、高い防振効果を得ること
は難しい。
には、測定対象となる直径約１オングストロームの原子
に対して、０．０１オングストローム以下の機械振動に
抑制する必要があり、例えば、プローブヘッドをＸＹ駆
動ユニットを介して基台に取り付ける構成では、梁構造
による剛性の低下及びＸＹ駆動ユニットの剛性の影響な
ど、装置構成全体のうち剛性の低い部材の影響により、
共振周波数の低下を招くため、高い防振効果を得ること
は難しい。
【００４１】これに対して本発明の構成によれば、プロ
ーブヘッドを高い共振周波数に構成することにより、装
置系の共振周波数を高く設定できる。更に、走査プロー
ブ顕微鏡などの装置は一般に空気バネ等の防振装置の上
に設置されており、防振装置により高い共振周波数が遮
断されるため、装置系の共振周波数を高めることによ
り、これらの相乗効果により、高い防振性能を得ること
ができる。
ーブヘッドを高い共振周波数に構成することにより、装
置系の共振周波数を高く設定できる。更に、走査プロー
ブ顕微鏡などの装置は一般に空気バネ等の防振装置の上
に設置されており、防振装置により高い共振周波数が遮
断されるため、装置系の共振周波数を高めることによ
り、これらの相乗効果により、高い防振性能を得ること
ができる。
【００４２】図４は、本発明の位置決め装置の他の実施
例を示す部分破断斜視図であり、図５は、その中央断面
図である。本実施例の全体構成及び機能は、図１及び図
２に示したものと同様であるが、プローブヘッド１２の
ハウジング１０が薄板バネ１３を介してＸ−Ｙ走査機構
の移動部に固定されると共に、試料台が固定されるＺ走
査機構がＸ−Ｙ走査機構に対して独立に設置されている
点が相違する。
例を示す部分破断斜視図であり、図５は、その中央断面
図である。本実施例の全体構成及び機能は、図１及び図
２に示したものと同様であるが、プローブヘッド１２の
ハウジング１０が薄板バネ１３を介してＸ−Ｙ走査機構
の移動部に固定されると共に、試料台が固定されるＺ走
査機構がＸ−Ｙ走査機構に対して独立に設置されている
点が相違する。
【００４３】基台１４の上には、Ｙ軸駆動ユニット２及
びその上にＸ軸駆動ユニット１が取り付けられ、全体と
してＸ−Ｙ走査機構を構成している。Ｘ軸駆動ユニット
１は、断面Ｖ字状の溝が形設されたレール２２を備えた
上部部材２０と、同様に断面Ｖ字状の溝が形設されたレ
ール２３を備えた下部部材２１とから構成され、このレ
ール２２と２３の間に鋼球２４が挿入され、上部部材２
０と下部部材２１とがお互いに平行にＸ軸方向に滑動す
る。Ｙ軸駆動ユニット２も同様に、上部部材２５と下部
部材２６とがお互いに平行にＹ軸方向に滑動し、Ｘ軸駆
動ユニット１の下部部材２１とＹ軸駆動ユニット２の上
部部材２５同志が固定される。
びその上にＸ軸駆動ユニット１が取り付けられ、全体と
してＸ−Ｙ走査機構を構成している。Ｘ軸駆動ユニット
１は、断面Ｖ字状の溝が形設されたレール２２を備えた
上部部材２０と、同様に断面Ｖ字状の溝が形設されたレ
ール２３を備えた下部部材２１とから構成され、このレ
ール２２と２３の間に鋼球２４が挿入され、上部部材２
０と下部部材２１とがお互いに平行にＸ軸方向に滑動す
る。Ｙ軸駆動ユニット２も同様に、上部部材２５と下部
部材２６とがお互いに平行にＹ軸方向に滑動し、Ｘ軸駆
動ユニット１の下部部材２１とＹ軸駆動ユニット２の上
部部材２５同志が固定される。
【００４４】一方、基台１４の略中央部に、本体の筐体
と一体化した円筒状の固定台３が固定され、固定台３の
内部に円柱状の可動軸５及び円筒状の固定軸６よりなる
尺取り虫型駆動装置７及び円筒型スキャナー８を介して
試料台１９が取り付けられる。
と一体化した円筒状の固定台３が固定され、固定台３の
内部に円柱状の可動軸５及び円筒状の固定軸６よりなる
尺取り虫型駆動装置７及び円筒型スキャナー８を介して
試料台１９が取り付けられる。
【００４５】プローブヘッド１２のハウジング１０は、
その外形が略円筒形状の軸対称構造であり、更にハウジ
ング１０の脚部には３個の鋼球１１を設けることにより
３点の点接触脚を形設しており、固定台３に設けられた
穴付き円板１８の当接用平面に当接して載置される。一
方、ハウジング１０は、当接用平面に対して平行に配置
した板バネ１３により、Ｘ軸駆動ユニット１の上部部材
２０に連結されて、板バネ１３は固定用板１６を介して
ネジ１７により上部部材２０に固定される。
その外形が略円筒形状の軸対称構造であり、更にハウジ
ング１０の脚部には３個の鋼球１１を設けることにより
３点の点接触脚を形設しており、固定台３に設けられた
穴付き円板１８の当接用平面に当接して載置される。一
方、ハウジング１０は、当接用平面に対して平行に配置
した板バネ１３により、Ｘ軸駆動ユニット１の上部部材
２０に連結されて、板バネ１３は固定用板１６を介して
ネジ１７により上部部材２０に固定される。
【００４６】このようにプローブヘッド１２は、板バネ
１３により上部部材２０に固定され、Ｘ−Ｙ走査機構を
駆動することにより、前述した当接用平面を滑動面とし
て、試料台１９とプローブヘッド１２の間の相対的な位
置決めを行うことが可能となる。
１３により上部部材２０に固定され、Ｘ−Ｙ走査機構を
駆動することにより、前述した当接用平面を滑動面とし
て、試料台１９とプローブヘッド１２の間の相対的な位
置決めを行うことが可能となる。
【００４７】このような構成を採用することにより、図
１及び図２に示したものと比較して全体の機構がより簡
略化され、位置決め装置の製造や組立てが更に容易にな
ると共に、同様な高い防振性能を得ることができる。
１及び図２に示したものと比較して全体の機構がより簡
略化され、位置決め装置の製造や組立てが更に容易にな
ると共に、同様な高い防振性能を得ることができる。
【００４８】以上、各実施例において、板バネ１３の形
状が、プローブヘッド１２の中心軸に対して軸対称に形
成されていることが好ましく、位置決め装置を構成する
各部材の熱膨張等に起因する熱ドリフトが発生する場合
でも、板バネ１３の中心付近は熱膨脹の影響が相殺し
て、プローブヘッド１２のＸＹ方向への変位量を最小限
に抑えることができる。
状が、プローブヘッド１２の中心軸に対して軸対称に形
成されていることが好ましく、位置決め装置を構成する
各部材の熱膨張等に起因する熱ドリフトが発生する場合
でも、板バネ１３の中心付近は熱膨脹の影響が相殺し
て、プローブヘッド１２のＸＹ方向への変位量を最小限
に抑えることができる。
【００４９】また、各実施例において、装置を構成する
各部材、特にハウジング１０、固定テーブル３、ＸＹ駆
動ユニット１、２、板バネ１３及び基台１４は、インバ
等の低熱膨張率材料で形成することが好ましく、前述し
た板バネ１３の軸対称化による効果と併せて、極めて高
い熱安定性を実現している。。
各部材、特にハウジング１０、固定テーブル３、ＸＹ駆
動ユニット１、２、板バネ１３及び基台１４は、インバ
等の低熱膨張率材料で形成することが好ましく、前述し
た板バネ１３の軸対称化による効果と併せて、極めて高
い熱安定性を実現している。。
【００５０】また、各実施例における位置決め装置を大
気中で使用する場合には、大気中を伝搬する音響振動等
が板バネ１３に影響を与えて、若干のＸＹ方向の振動を
引き起こすことが考えられるが、板バネ１３の表面に、
例えば「バイトン」（デュポン社の登録商標）等の振動
減衰用材料を用いた約０．５ｍｍ厚さのゴムシートを貼
り合わせることにより、実用上支障のある振動を防止す
ることができる。
気中で使用する場合には、大気中を伝搬する音響振動等
が板バネ１３に影響を与えて、若干のＸＹ方向の振動を
引き起こすことが考えられるが、板バネ１３の表面に、
例えば「バイトン」（デュポン社の登録商標）等の振動
減衰用材料を用いた約０．５ｍｍ厚さのゴムシートを貼
り合わせることにより、実用上支障のある振動を防止す
ることができる。
【００５１】また、各実施例において、主に走査トンネ
ル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）及びこ
れらを応用した加工装置に適用する位置決め装置につい
て述べたが、ＳＴＭあるいはＡＦＭ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も有用
である。
ル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）及びこ
れらを応用した加工装置に適用する位置決め装置につい
て述べたが、ＳＴＭあるいはＡＦＭ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も有用
である。
【００５２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の位置決め
装置は、プローブヘッドのハウジングと試料の間を相対
的に走査する際に、ハウジングが板バネにより付勢され
ながら３個の点接触脚を介して当接用平面に当接してい
るため、機構全体の共振周波数を極めて高く設定するこ
とができ、高い防振効果と共に十分に安定なプロ−ブ走
査を実現することができる。
装置は、プローブヘッドのハウジングと試料の間を相対
的に走査する際に、ハウジングが板バネにより付勢され
ながら３個の点接触脚を介して当接用平面に当接してい
るため、機構全体の共振周波数を極めて高く設定するこ
とができ、高い防振効果と共に十分に安定なプロ−ブ走
査を実現することができる。
【００５３】また、板バネの形状がプローブヘッドの中
心軸に対して軸対称に形成されていることにより、位置
決め装置を構成する部材の熱膨張等に起因する熱ドリフ
トを効果的に防止することができる。
心軸に対して軸対称に形成されていることにより、位置
決め装置を構成する部材の熱膨張等に起因する熱ドリフ
トを効果的に防止することができる。
【００５４】また、板バネに振動減衰用材料が貼着され
ていることにより、板バネ自身の共振によるＸＹ方向の
位置変動を効果的に抑制することができる。
ていることにより、板バネ自身の共振によるＸＹ方向の
位置変動を効果的に抑制することができる。
【図１】本発明の位置決め装置の一実施例を示す部分破
断斜視図である。
断斜視図である。
【図２】本発明の位置決め装置の一実施例を示す中央断
面図である。
面図である。
【図３】本発明の位置決め装置の一実施例のプローブヘ
ッド付近の部分平面図である。
ッド付近の部分平面図である。
【図４】本発明の位置決め装置の他の実施例を示す部分
破断斜視図である。
破断斜視図である。
【図５】本発明の位置決め装置の他の実施例を示す中央
断面図である。
断面図である。
１ Ｘ軸駆動ユニット ２ Ｙ軸駆動ユニット ３ 固定台 ４ 試料 ５ 可動軸 ６ 固定軸 ７ 尺取り虫型駆動装置 ８ 円筒型スキャナー ９ プローブ １０ ハウジング １１ 鋼球 １２ プローブヘッド １３ 板バネ １４ 基台 １５ 駆動リング １６ 固定用板 １７ ネジ １８ 穴付き円板 １９ 試料台 ２０ 上部部材 ２１ 下部部材 ２２、２３ レール ２４、２９ 鋼球 ２５ 上部部材 ２６ 下部部材 ２７、２８ レール ３０ 半導体レーザ光源 ３１ 集光レンズ ３２ 固定用板 ３３ カンチレバー ３４ 反射ミラー ３５ ２分割光検出器 ３６ 固定台
Claims (4)
- 【請求項１】 二次元方向に走査駆動可能なＸ−Ｙ走査
機構と、前記二次元方向に対して垂直方向に走査駆動可
能なＺ走査機構が前記Ｘ−Ｙ走査機構の移動部に設けら
れた位置決め装置であって、試料台が前記Ｚ走査機構の
移動部に固定されると共に、プローブを有するプローブ
ヘッドのハウジングが、板バネを介して位置決め装置の
筐体に固定され、且つ３個の点接触脚を介して前記Ｘ−
Ｙ走査機構の移動部に形設された当接用平面に当接して
いることを特徴とする位置決め装置。 - 【請求項２】 二次元方向に走査駆動可能なＸ−Ｙ走査
機構と、前記二次元方向に対して垂直方向に走査駆動可
能なＺ走査機構を備えた位置決め装置であって、試料台
が前記Ｚ走査機構の移動部に固定されると共に、プロー
ブを有するプローブヘッドのハウジングが、板バネを介
して前記Ｘ−Ｙ走査機構の移動部に固定され、且つ３個
の点接触脚を介して位置決め装置の筐体に形設された当
接用平面に当接していることを特徴とする位置決め装
置。 - 【請求項３】 板バネの形状が、プローブヘッドの中心
軸に対して軸対称に形成されている請求項１又は２に記
載の位置決め装置。 - 【請求項４】 板バネに、振動減衰用材料が貼着されて
いる請求項１又は請求項２に記載の位置決め装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4010216A JP2598851B2 (ja) | 1992-01-23 | 1992-01-23 | 位置決め装置 |
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