JPS63236991A - 微小位置決め機構 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、分析機器および走査型トンネル顕ｍ鏡の分
野において、検出探針部と試料との微小位置出しを行う
微動機構に関する。

〔発明の概要〕

この発明は、二つの内・外中空円筒と内・外中空円筒に
設置された弾性部材と弾性部材をたわませる送り機構か
らなり、外側中空円筒と弾性部材中央部及び内側中空円
筒のエッヂ部間にてこの作用を生じさせ送り機構の送り
量を微小させて内側中空円筒に取り付けられた検出部又
は試料部を微小位置決めすることを可能にしたものであ
り、産業上有益な微小位置決め機構である。

〔従来の技術〕

従来、機械的作用により位置決めを行うものとして、て
この作用を用いたものが知られている。

（第８及び第９図）、（１９８６６−３０Ｎｏ、２２２
　　日経メカニカルＰ１０７　　特集・超精密技術　第
３部計測記載）、第８図及び第９図の装置について説明
すると、この装置はベース基台１０１に取り付けられた
２組のベアリング１０２に２本のロッド１０３が支えら
れ、スライドするようになっている。試料１０日と検出
チップ１０９が十分層れている状態からロッド１０３を
ネジ機構１１０を回転させることにより、矢印方向に移
動させると、アーム１０６がロッドに対し直角になるよ
うに回転し、留金１０５と第１ストツパー１０４により
直角位置にくる。更にロッドを矢印方向に移動させると
アームはロッドに対し、直角位置を保ちながら試料１０
８が第２ストツパー１０７に接するまで平行移動する。

試料１０８と第２ストツパー１０７が接した後は、第９
図に示すように、その接点部を支点としロフト１０３の
移動量はてこの作用により試料１０８と検出チップ１０
９間の距離において縮小されるので、これの微小位置決
めが可能となる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上に示した従来の機械的作用により、位置決めを行う
機構において、試料１０８と第２ストツパー１０７が接
することで、てこの支点部を形成するため、試料１０８
と第２ストッパー１０７間に力が生じ、軟質な試料を観
察する際、第２ストッパー１０７先端部が試料にくい込
む状態となり、試料と検出部の位置が変化し、位置決め
が安定しない上、試料をキズ付けてしまうという問題が
あった。又、試料に第２ストツパーがくい込まない様に
する方法として、硬質物質を試料にならべてセントし、
第２ストツパーを硬質物質に落とす方法があるが、この
場合縮小率を上げる為、第２ス）７パーと検出部は、極
めて近くにあり、試料観察場所が単に試料のエッヂ付近
になってしまうという問題があった。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の問題点を解決するために、この発明は従来あるて
この作用を用いたものとは別の方法として、二つの内・
外側中空円筒と内・外中空円筒に設置された弾性部材の
中央部間でてこ作用を生じさせ、弾性部材の中央部をた
わませる送り機構の送り量を縮小させて内側中空円筒に
取り付けられた検出部又は試料部を微小位置決めするよ
うにした。

〔作用〕

本発明によるてこ機構を第７図を用いて説明すると、二
つの中空円筒の外側中空円筒１２が、ストッパー４３に
当たるまでは、送り機構１により、送り機構の送り量と
同し量だけ、二つの中空円筒は移動する〔第７図（ｌｌ
）−そして、外側中空円筒１２がストッパー４３に当た
ってからもなお、送り機構１を動作させると、外側中空
円筒１２に取り付けられた弾性部材１０が、送り機構ｌ
の先端が接している中央部よりたわみ、送り機構１のヘ
ッドと弾性部材１０の接点を力点Ｐ９外側中空円筒１２
と弾性部材１０との接点を支点Ｒ１そして、内側中空円
筒６と弾性部材１０との接点を作用点Ｑとするてこ作用
が生じる。〔第７図（２）〕　これにより送り機構１の
送り量は（ｂ−ａ）ｌｂだけ縮小され、内側中空円筒６
に取り付けられた、検出部又は試料部を微細に位置決め
することができる。

〔実施例〕

本実施例は、てこ作用により試料と検出部間を微小に位
置合わせする機構を用いたトンネルユニット及び、その
トンネルユニットを用いた走査型トンネルａｍｔａ　（
ＳＴＭ）ユニットに関するもので以下、図面に基づいて
説明していくことにする。

〔第１実施例） 第１図は、てこ作用による縮尺機構を用いたトンネルユ
ニットの概略図であり、送り機構１が中空円筒状の固定
枠２により固定され、固定枠２の内部に、てこ作用によ
る縮尺機構が構成されている。そして、固定枠２の他端
には、割りが入った中空円筒状のブロック３が固定され
ており、このブロック３の中央部にはシールドボックス
が形成され、そこで試料と検出探針が接近することにな
っている。又、ブロック３の割り部を締付けることによ
り、試料及び検出探針が取り付けられたロッド棒Ａを固
定することができる。そして、試料又は検出探針の取り
付けられたロッド棒Ａの一方は、ウオームギア４の付い
たロッドをカンプリング５を介して操作することにより
、試料と検出探針の位置合わせができた後、遠くより操
作して固定することができるようになっている。第２図
を用いて、てこ作用による縮尺機構部について説明する
、送り機構１は、固定枠２に固定されており、固定枠２
の内側には、二つの中空円筒６，１２及び弾性部材ｌＯ
が組み込まれている０弾性部材１０は、送り機構ｌのヘ
ッド部、外側中空円筒１２及び内側中空円筒６のエンヂ
部の３点で接している。内側中空円筒６には、長大が加
工してあり、その長大を通して押さえ７が取り付けられ
、この押さえ７とバネ８により内側中空円筒６は、送り
機構１の方向に押されているようになっている。又、バ
ネ８の力は、ネジ９により調整できるようになっている
。そして、内側中空円筒６の先端には、圧電素子微動機
構１３が取り付けられ、その先端には検出探針ホルダー
１４を介して検出探針１５が取り付けられている０本実
施例では、圧電素子微動機構として、三次元動作可能な
中空円筒状ＰＺＴ圧電素子又は３本の棒状圧電素子を一
体で削り出したキュービック状ＰＺＴ圧電素子を組み込
んだ。

次に動作について説明すると、まず、外側中空円筒１２
を固定枠２にそって移動し、検出探針１５を粗位置合わ
せし、外側中空円筒１２を固定ナツト１１により固定枠
２に固定する。この状態から、送り機構１のヘッドを送
っていくと、弾性部材１０の中央がたわみ、送り機構１
のへソドと弾性部材１０の接点を力点、外側中空円筒１
２と弾性部材１０との接点を支点、そして、内側中空円
筒６と弾性部材１０との接点を作用点とするてこ作用が
生じ、送り機構１のヘッド部の送り量を縮小した状態で
、内側中空円筒６が押し出されるようになり、内側中空
円筒６の先端に付いた検出探針１５の微小位置決めが可
能となる０本実施例では、弾性部材１０として、厚さ０
．３〜０．５龍・リン青銅の円盤状板バネを用いた。第
３図は、本実施例のトンネルユニット２０１を用いた低
温状態で試料観察を行う為の３７Ｍ装置について示した
ものであるが、トンネルユニット２０１は、振動防止用
の鉛１ｔ２０を介してパイプ２１に吊り下げられている
。ユニット２０１の操作はカンプリング２２及び回転導
入棒２３を介して、ハンドル２４を回すことにより外よ
り行えるようになっている。又、ハンドル２４は、矢印
（へ）方向に動くことができ、カップリング２２の結合
・分離が行える。パイプ２１は、試料室２５中に組み込
まれており、インジウム真空シール２６により密閉され
、試料室２５内は、真空又は熱交換ガスが封入されてい
る。試料室２５の外には、ヘリウムデュウ瓶２７があり
、試料室２５とヘリウムデュウ＠２７の間には液体ヘリ
ウム２７１が入れられている。ヘリウムデュウ１ｍ２７
の外には、窒素デュウ瓶２８があり、ヘリウムデュウ瓶
２７と窒素デュウ瓶２８の間には液体窒素２８１が入れ
られている。又、試料室２５は試料室排気管２９を通し
て外とつながっている。本装置の上段は、クイックカッ
プリング２７２により結合されており、ユニットの入っ
た試料室２５を装置より分離することが容易な構造にな
っている。

分離の際は、ゲートバルブ２７３によりヘリウム瓶２７
室内を外界より密閉できる構造をも有している。

〔第２実施例〕 第４図は、第１実施例と同様なでこ作用による縮小機構
を用いた別タイプのトンネルユニットを示したものであ
り、図面に基づいて説明していくことにする。てこ作用
を生じる中心の機構部である。外側中空円筒１２、内側
中空円筒６、弾性部材ｌＯ１送り機構１により構成され
ていることは、第１実施例の場合と同様であり、中空円
筒６は、押さえ７．バネ８及びネジ９により、送り機構
１の方向に押し付けられているのも同じである０本実施
例では、外側中空円筒もバネ４１により送り機構１の方
向に押し付けられており、又、送り機構１は、パイプ４
２に固定された形になっている。本実施例の動作につい
て説明すると、二つのバネ８及び４１により送りＪａ構
１の方向に押し付けられている内・外側中空円筒６．１
２は、送り機構１を左方向に進めることにより、弾性部
材１０のバネ強度が二つのバネ８，４１より大きく形成
しておくと、送り機構１の送り量と同じ量だけ、左方向
に進むことになる。そして、外側中空円筒１２が、スト
ッパー４３に接した後は、外側中空円筒１２の動きが止
まり、更に送り機構１を送ることにより、今度は弾性部
材１０がたわみ、外側中空円筒１２、内側中空円筒６、
送り機構１のヘッド及び弾性部材１０とでてこ作用が生
じ、内側中空円筒６が送り機構ｌの送り量より縮小され
て押し出されるａ構は、前記、第１実施例の場合と同様
である。又、本実施例では、粗位置決めであるでこ作用
が生じる前段階の移動量をストッパー４３を移動するこ
とにより任意に変えることができ、ストッパー４３の外
周には歯車が形成され、パイプ４５の一部に形成された
窓より、外からストッパー４３の位置変更ができる様に
なっている。そして、検出探針１５、検出探針ホルダー
１４が先端部に取り付けである圧電素子微動機（＃１３
は、コネクター４４を介して内側中空円筒６に固定され
ており、カバー４５を取り外し、コネクター４４より取
り外すことにより、検出探針１５又は、圧電素子微動機
構１３を容易に交換することができるようになワている
。

第５図は、本実施例のトンネルユニット２０１を用いた
大気圧中で試料を観察する３７Ｍ装置の概略図を示した
ものである。防震台６７上に載せられた定！！１６８に
固定されたアーム６１に本実施例のトンネルユニット２
０１が取り付けられており、ダイヤル６２を回すことに
より、トンネルユニット２０１を垂直方向（矢印イ）に
移動することができ、試料６００と検出探針の荒い位置
出しを行うのに用いることができる。又、面内方向の粗
位置合わせ用としてｘ−ｙステージ６４が定盤上に取り
付けられている。そして、原子レベルの狭い領域を観察
する際は、トンネルユニット内に組み込まれた三次元動
作圧電素子を動作させるのに対し、粗さ計レベルの広い
領域を観察する際に、比較的低速（原子レベル観察の走
査と比較して）に面内を微動走査する移動機構６３がｘ
−ｙステージ６４上に取り付けられている。本実施例で
は、移動機構６３として並行バネ機構を用いた。又、こ
の移動機構上に試料台を介して試料が取り付けられるよ
うになっている。そして、アーム６１の先端には、光学
顕微鏡が取り付けられ、検出探針と試料との粗位置合わ
せの際に用いることができる。以上示した装置は、シー
ルドボックス６６内に設置された状態になっている。

次に、第６図は本実施例のトンネルユニット２０１を用
いた真空中で試料６００を観察する３７Ｍ装置の概略図
を示したものである。装置の心臓部は、前記大気用装置
とＭ偵で、防震台６７、定盤６訳粗位置合わせステージ
７１、固定アーム７２、そしてトンネルユニットよりな
り、これらが真空チャンバー７３内に入るようになって
おり、レール７４にそって、真空チャンバー７３の外に
出せるようにもなっている。トンネルユニットの垂直方
向（矢印二）位置合わせは、ウオームギア７５により行
われ、カンプリング７６を介して真空チャンバー７３の
外より回転機構７７を用いて行えるようになっている。

又、トンネルユニット内の機構の操作も同様にカップリ
ング７８．直線１回転機構７９により真空チャンバー７
３の外より行い、粗位置合わせステージ７１の操作も同
様な形で行えるようになっている。又、試料と検出探針
の粗位置合わせとして検出機構８０が取り付けられてお
り、モニターできるようになっている。又、真空チャン
バー７３と離れた所に試料処理用の室８１が取り付けら
れ、熱処理等が行えるようになっている。そして、真空
チャンバー７３と処理室８１はゲートバルブ８２を介し
て分離したり、つないだりすることができ、処理室８１
で処理を済ませた試料を直線導入層８３を用いて真空を
解除することなく試料台上に取り付けることができるよ
うになっている。

〔発明の効果〕

以上、示したてこ機構により試料部又は、検出部を微小
位置決めすることにより、試料をキズ付けることなく、
試料表面と検出部を位置出しすることができ、又、この
機構を用いたトンネルユニットは、リチットでしかも、
コンパクトに形成されていることもあり、他の装置との
組み合わせが容易に出来、各種タイプの走査型トンネル
顕微鏡ユニットを構成することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第１実施例のトンネルユニット概略図、第２
図は、第１実施例に用いた縮尺ｉ構部の断面図、第３図
は、第１実施例トンネルユニットを用いた低温用３７Ｍ
装置、第４図は、第２実施例トンネルユニットの断面図
、第５図は、第２実施例トンネルユニットを用いた大気
用３７Ｍ装置、第６図は、第２実施例トンネルユニット
を用いた真空用ＳＴＭ装置、第７図は、縮尺機構の動作
説明を示した概略図、第８図は、従来の機械式位置出し
機構の側面図、第９図は、第８図に示した機構の試料−
千ノブ近接時の拡大図をそれぞれ示したものである。 １・・・送り機構　　　４・・・ウオームギア６・・・
内側中空円筒　１０・・・弾性部材１２・・・外側中空
円筒 １３・・・圧電素子微動機構 １４・・・検出部探針ホルダー １５・・・検出探針　　　　　　　　　　以　上山　願
　人　工業技術院長 セイコー電子工業株式会社 指定代理人　工業技術院長電子技術総合研究所長佐藤孝
平 ｌυ め−亥施存（を窩尺棉Ｍ部断面図 第２図 第３図 第二更Ｈ１ユニット（用いに人熾ｆ＠Ｓ丁Ｈ装置第５図 卸門了督車

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）てこの作用を用いて移動距離を縮小し、試料部と
   検出部を微小位置決めする機構として、二つの内・外中
   空円筒と前記内・外中空円筒に設置された弾性部材と前
   記弾性部材を変形させる送り機構からなり、前記送り機
   構を用いて、前記弾性部材をたわませることにより、外
   側中空円筒と内側中空円筒とが相対的に移動することを
   特徴とする微小位置決め機構。
2. （２）前記二つの中空円筒のどちらか一方に、試料部又
   は検出部を有するユニットが付加されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の微小位置決め機構。