(57)【要約】      （修正有）【課題】移動部材を正確に所望の距離だけ移動させることができる剪断変位型ピエゾアクチュエータを用いた駆動装置を提供する。【解決手段】本発明によると、複数のピエゾアクチュエータを少なくとも２組に分ける。低速移動モードでは、両方のピエゾアクチュエータを同時に変位させる。高速戻りモードでは、両組のピエゾアクチュエータを非同時に変位がゼロの元の状態に戻す。従って、第１の組のピエゾアクチュエータが高速で元の状態に戻るとき、第２の組のピエゾアクチュエータによって移動部材を保持する。次に、第２の組のピエゾアクチュエータが高速で元の状態に戻るとき、第１の組のピエゾアクチュエータによって移動部材を保持する。【選択図】図８
2006254595.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部材と、該支持部材に固定された第１及び第２の剪断変位型ピエゾアクチュエータと、該ピエゾアクチュエータに接触するように配置された移動部材と、該移動部材をピエゾアクチュエータに押し付ける力を作用させる保持手段と、上記ピエゾアクチュエータへの印加電圧を供給する電源装置と、を有し、該電源装置は、上記印加電圧を低速で増加させて上記ピエゾアクチュエータを低速で変位させる低速移動モードと上記増加した印加電圧をゼロまで高速で減少させて上記ピエゾアクチュエータを変位ゼロまで高速で戻す高速戻りモードとを有し、
上記低速移動モードでは、上記移動部材は上記ピエゾアクチュエータと共に移動し、上記高速戻りモードでは、上記ピエゾアクチュエータは変位ゼロまで戻るとき上記移動部材に対して相対的に移動するように構成された駆動装置において、
上記低速移動モードでは、上記第１及び第２のピエゾアクチュエータを同時に変位させ、上記高速戻りモードでは、上記第１及び第２のピエゾアクチュエータを非同時に変位させることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
請求項１記載の駆動装置において、上記移動部材は、垂直方向に移動することを特徴とする駆動装置。
【請求項３】
請求項１記載の駆動装置において、更に、上記支持部材に固定された第３の剪断変位型ピエゾアクチュエータが設けられ、上記低速移動モードでは、上記第１、第２及び第３のピエゾアクチュエータを同時に変位させ、上記高速戻りモードでは、上記第１、第２及び第３のピエゾアクチュエータを非同時に変位させることを特徴とする駆動装置。
【請求項４】
プローブと、該プローブを支持する第１テーブルと、該第１テーブルを第１軸方向に移動可能に保持する第２テーブルと、該第２テーブルを第２軸方向に移動可能に保持する第３テーブルと、該第３テーブルを第３軸方向に移動可能に保持する基板と、を有し、上記第１テーブルと上記第２テーブルの間、上記第２テーブルと上記第３テーブルの間、上記第３テーブルと上記基板の間には、それぞれ、請求項１〜３のいずれか１項に記載の駆動装置が設けられていることを特徴とするメカニカルプローブ駆動装置。
【請求項５】
移動部材を第１及び第２のピエゾアクチュエータに押し付けて保持することと、
上記第１及び第２のピエゾアクチュエータへの印加電圧を低速で増加させて上記第１及び第２のピエゾアクチュエータを低速で変位させ、上記移動部材を上記第１及び第２のピエゾアクチュエータと共に移動させることと、
上記第２のピエゾアクチュエータへの上記増加した印加電圧を変化させないで上記第１のピエゾアクチュエータへの上記増加した印加電圧をゼロまで高速で減少させて上記第１のピエゾアクチュエータを変位ゼロまで高速で戻すこととと、
上記第１のピエゾアクチュエータへの印加電圧をゼロに維持した状態で、上記第２のピエゾアクチュエータへの上記増加した印加電圧をゼロまで高速で減少させて上記第２のピエゾアクチュエータを変位ゼロまで高速で戻すことと、
を有する駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピエゾアクチュエータを用いた駆動装置、及び、それを利用したメカニカルプローブ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体検査装置、走査型電子顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等では、プローブの先端を試料に接触させるためのメカニカルプローブ駆動装置が用いられる。特許文献１に記載された例では、複数のメカニカルプローブの先端を検査対象である電子素子の端子に接触させ、メカニカルプローブを経由して電気的信号を電子素子に印加して、電子素子の電気的特性を測定する。電子素子の端子の大きさは数10nm程度であり、従って、プローブの先端をサブミクロンオーダで操作する必要がある。
【０００３】
メカニカルプローブ駆動装置は、半導体検査装置や走査電子顕微鏡等の内部に組み込まれるために、可能な限り小型に構成することが望ましい。
【０００４】
そのために、メカニカルプローブ駆動装置では、プローブの駆動機構として、剪断変位型ピエゾアクチュエータが使用される。先ず、低速で、ピエゾアクチュエータを変位させる。このとき、静止摩擦力を利用して移動部材を移動させる。次に、高速で、ピエゾアクチュエータの変位をゼロに戻す。このとき、移動部材は質量慣性によりその位置に留まり、ピエゾアクチュエータのみが元の位置に戻る。このような、ピエゾアクチュエータの低速変位と高速戻し動作を繰り返すことによって、移動部材を移動させる。
【特許文献１】特開２０００−１４７０７０号公報
【特許文献２】特公報平７−１１９８１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、剪断変位型ピエゾアクチュエータを用いたプローブの駆動機構では、移動部材を水平方向に移動させる場合には、移動部材を正確に所望の移動距離だけ移動させることができる。しかしながら、移動部材を垂直方向に移動させる場合には、移動部材を正確に所望の距離だけ移動させることはできない。これは、ピエゾアクチュエータの変位をゼロに戻すとき、移動部材は、自重により、下方に僅かな距離だけ落下し移動するからである。
【０００６】
本発明の目的は、移動部材を正確に所望の距離だけ移動させることができる剪断変位型ピエゾアクチュエータを用いた駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、複数のピエゾアクチュエータを少なくとも２組に分ける。低速移動モードでは、両方のピエゾアクチュエータを同時に変位させる。高速戻りモードでは、両組のピエゾアクチュエータを非同時に変位がゼロの元の状態に戻す。従って、第１の組のピエゾアクチュエータが高速で元の状態に戻るとき、第２の組のピエゾアクチュエータによって移動部材を保持する。次に、第２の組のピエゾアクチュエータが高速で元の状態に戻るとき、第１の組のピエゾアクチュエータによって移動部材を保持する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、ピエゾアクチュエータを使用する駆動装置において、移動部材を正確に所望の距離だけ移動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照して、半導体検査装置で使用されているメカニカルプローブ駆動装置の構成及び動作を説明する。図１（ａ）は、メカニカルプローブ駆動装置の斜視図であり、図１（ｂ）は、その上面図、図１（ｃ）は、その正面図である。このメカニカルプローブ駆動装置は、ベース１０、Ｘテーブル１１、Ｙテーブル１２、及び、Ｚテーブル１３を有し、Ｚテーブル１３には、プローブホルダ１５が装着され、その先端には、プローブ１６が保持されている。
【００１０】
Ｙテーブル１２はベース１０に対してPｙ軸方向に移動可能であり、Ｘテーブル１１はＹテーブル１２に対してPｘ軸方向に移動可能であり、Ｚテーブル１３はＸテーブル１１に対してPｚ軸方向に移動可能である。従って、Ｚテーブル１３はベース１０に対して互いに直交する３軸Pｘ、Pｙ、Pｚ方向に移動可能である。プローブ１６はＺテーブル１３と同一の運動を行い、互いに直交する３軸Pｘ、Pｙ、Pｚ方向に、即ち、３次元方向に移動可能である。
【００１１】
ベース１０の上面には、4本の剪断変位型ピエゾアクチュエータ１０１が固定的に取り付けられており、その先端には、適当な摩擦係数を有する面板１０２が貼り付けられている。面板１０２の上に、Ｙテーブル１２が非固定的に配置されている。ベース１０とＹテーブル１２の間には、ばね、磁石等の保持手段１０３が設けられている。この保持手段１０３によって、Ｙテーブル１２は、面板１０２上に適当な圧力によって押し付けられて保持される。ピエゾアクチュエータ１０１は、Pｙ軸方向に剪断変位し、Ｙテーブル１２をPｙ軸方向に移動させる。
【００１２】
Ｙテーブル１２の上面には、4本の剪断変位型ピエゾアクチュエータ１２１が固定的に取り付けられており、その先端には、適当な摩擦係数を有する面板１２２が貼り付けられている。面板１２２の上に、Xテーブル１１が非固定的に配置されている。Ｙテーブル１２とXテーブル１１の間には、保持手段１２３が設けられている。この保持手段１２３によって、Xテーブル１１は、面板１２２上に適当な圧力によって押し付けられて保持される。ピエゾアクチュエータ１２１は、Ｐｘ軸方向に剪断変位し、Xテーブル１１をＰｘ軸方向に移動させる。
【００１３】
Xテーブル１１の側面には、4本の剪断変位型ピエゾアクチュエータ１１１が固定的に取り付けられており、その先端には、適当な摩擦係数を有する面板１１２が貼り付けられている。面板１１２の上に、Zテーブル１３が非固定的に配置されている。Xテーブル１１とZテーブル１３の間には、保持手段１１３が設けられている。この保持手段１１３によって、Zテーブル１３は、面板１１２上に適当な圧力によって押し付けられて保持される。ピエゾアクチュエータ１１１は、Pz軸方向に剪断変位し、ZテーブルをPz軸方向に移動させる。これらの剪断変位型ピエゾアクチュエータ１０１、１２１、１１１の機能は、以下に詳細に説明する。
【００１４】
先ず、図２および図３を参照して、剪断変位型ピエゾアクチュエータ１０１を用いてＹテーブル１２を水平方向に移動させる場合を説明する。
【００１５】
図２（ａ）に示すように、ベース１０には複数のピエゾアクチュエータ１０１が固定的に取り付けられており、その先端には、適当な摩擦係数を有する面板１０２が貼り付けられている。面板１０２の上に、Ｙテーブル１２が非固定的に配置されている。ベース１０とＹテーブル１２の間には、ばね、磁石等の保持手段１０３が設けられている。この保持手段１０３によって、Ｙテーブル１２は、面板１０２上に適当な圧力によって押し付けられて保持される。
【００１６】
図２（ｄ）は、ピエゾアクチュエータ１０１の電極に印加する電圧Ｖｐの極性と大きさを示す。本例では、ピエゾアクチュエータ１０１の電極に正の電圧を印加する。従って、印加電圧Ｖｐの極性は正である。最初に、印加電圧Ｖｐを、曲線のＩ部に示すように、徐々に増加させる。例えば、印加電圧Ｖpを１０Ｖ／ms程度以下の速度で徐々に増加させる。これを、ここでは、低速増加モードＩと称する。次に、印加電圧Ｖｐを、曲線のＩＩ部に示すように、急速にゼロまで減少させる。例えば、印加電圧Ｖpを１０V／us以上の速度で急速に減少させる。これを、ここでは、高速戻りモードＩＩと称する。
【００１７】
図２（ｂ）は、低速増加モードＩにおけるピエゾアクチュエータ１０１の変位の状態を示す。ピエゾアクチュエータ１０１は、印加電圧Ｖpの極性に対応した方向に、その大きさに比例して剪断変位する。ここでは、印加電圧Ｖpの極性は正である。従って、ピエゾアクチュエータ１０１は、図２（ｂ）にて右方向に変位する。もし、印加電圧Ｖpの極性を反転させたら、ピエゾアクチュエータ１０１は、図２（ｂ）にて左方向に変位する。
【００１８】
低速増加モードＩでは、印加電圧Ｖpの増加速度は小さいから、ピエゾアクチュエータ１０１の変位速度は比較的小さい。この変位速度では、面板１０２とＹテーブル１２の間の摩擦係数は、ほぼ静止摩擦係数である。従って、Ｙテーブル１２は、面板１０２から離れることなく、ピエゾアクチュエータ１０１と一体的に移動する。図示のように、Ｙテーブル１２の移動量をｘとする。
【００１９】
図２（ｃ）は、高速戻りモードＩＩにおけるピエゾアクチュエータ１０１の変位の状態を示す。高速戻りモードＩＩでは、印加電圧Ｖｐは急速に減少する。従って、ピエゾアクチュエータ１０１の変位は、急速に減少する。印加電圧Ｖpがゼロになると、ピエゾアクチュエータ１０１は変位がゼロの元の状態に戻る。印加電圧Ｖpの減少速度は大きいから、ピエゾアクチュエータ１０１の変位速度は比較的大きい。従って、面板１０２とＹテーブル１２の間の摩擦係数は動摩擦係数となり、極めて小さい。Ｙテーブル１２の慣性力に比べて、Ｙテーブル１２と面板１０２の間の動摩擦力は十分小さい。したがって、Ｙテーブル１２は、その位置に留まったままであるが、ピエゾアクチュエータ１０１のみが元の状態に変位する。
【００２０】
即ち、図２（ａ）と図２（ｃ）を比較すると、Ｙテーブル１２は、ピエゾアクチュエータの変位量に相当する距離だけ、即ち、距離ｘだけ水平方向に移動している。
【００２１】
図３（ａ）は、ピエゾアクチュエータ１０１の電極への印加電圧Ｖｐを示し、図３（ｂ）は、Ｙテーブル１２の水平方向の位置を示す。本例によると、低速増加モードＩと高速戻りモードＩＩを繰り返すことによって、Ｙテーブル１２を任意の距離だけ水平方向に移動させることができる。
【００２２】
図４、図５および図６を参照して、剪断変位型ピエゾアクチュエータ１１１を用いてＺテーブル１３を垂直方向に移動させる場合を説明する。尚、Ｘテーブル１１は固定されているものとして説明する。
【００２３】
図４（ａ）に示すように、Ｘテーブル１１には複数のピエゾアクチュエータ１１１が固定的に取り付けられており、その先端には、適当な摩擦係数を有する面板１１２が貼り付けられている。面板１１２の上に、Ｚテーブル１３が非固定的に配置されている。Ｘテーブル１１とＺテーブル１３の間には、ばね、磁石等の保持手段１１３が設けられている。この保持手段１１３によって、Ｚテーブル１３は、面板１１２上に適当な圧力によって押し付けられて保持される。
【００２４】
図４（ｄ）は、ピエゾアクチュエータ１１１の電極に印加する電圧Ｖｐの極性と大きさを示す。印加電圧Ｖｐの極性と大きさは、図２（ｄ）の曲線と同様である。従って、印加電圧Ｖｐの極性は正である。最初に、低速増加モードＩにて印加電圧を徐々に増加し、次に、高速戻りモードＩにて印加電圧Ｖｐを急速にゼロまで減少させる。
【００２５】
図４（ｂ）は、低速増加モードＩにおけるピエゾアクチュエータ１１１の変位の状態を示す。ピエゾアクチュエータ１１１は、印加電圧Ｖpの極性に対応した方向に、その大きさに比例して剪断変位する。ここでは、印加電圧Ｖpの極性は正である。従って、ピエゾアクチュエータ１１１は、図４（ｂ）にて上方に変位する。
【００２６】
低速増加モードＩでは、印加電圧Ｖpの増加速度は小さいから、ピエゾアクチュエータ１１１の変位速度は比較的小さい。この変位速度では、面板１１２とＺテーブル１３の間の摩擦係数は、ほぼ静止摩擦係数である。従って、Ｚテーブル１３は、面板１１２から離れることなく、ピエゾアクチュエータ１１１と一体的に移動する。
【００２７】
図４（ｃ）は、高速戻りモードＩＩにおけるピエゾアクチュエータ１１１の変位の状態を示す。高速戻りモードＩＩでは、印加電圧Ｖｐは急速に減少する。従って、ピエゾアクチュエータ１１１の変位は、急速に減少する。印加電圧Ｖpがゼロになると、ピエゾアクチュエータ１１１は変位がゼロの元の状態に戻る。印加電圧Ｖpの減少速度は大きいから、ピエゾアクチュエータ１１１の変位速度は比較的大きい。従って、面板１１２とＺテーブル１３の間の摩擦係数は動摩擦係数となり、極めて小さい。Ｚテーブル１３の慣性力に比べて、Ｚテーブル１３と面板１１２の間の動摩擦力は十分小さく、ここでは、それを無視する。ピエゾアクチュエータ１１１の変位がゼロの状態に戻るまでの僅かな時間、Ｚテーブル１３には、保持手段１１３からの引っ張り力と重力のみが作用する。保持手段１１３からの引っ張り力は水平方向に作用するから、Ｚテーブル１３を支持することはできない。従って、Ｚテーブル１３は、このとき、自重により、降下する。
【００２８】
図４（ｅ）は、Ｚテーブル１３の位置を示す。低速増加モードＩでは、Ｚテーブル１３は、ピエゾアクチュエータ１１１と同様に、印加電圧Ｖｐの増加に従って移動する。高速戻りモードＩＩでは、Ｚテーブル１３は自重により降下する。従って、図４（ａ）と図４（ｃ）を比較すると、Ｚテーブル１３は、ピエゾアクチュエータの変位量に相当する距離からＺテーブル１３の自重による降下量を減算した距離だけ、上方に移動する。
【００２９】
図５（ａ）は、ピエゾアクチュエータ１１１の電極への印加電圧Ｖｐを示し、図５（ｂ）は、Ｚテーブル１３の垂直方向の位置を示す。本例によると、低速増加モードＩと高速戻りモードＩＩを繰り返すことによって、Ｚテーブル１３を任意の距離だけ垂直方向上方に移動させることができる。
【００３０】
図６を参照して、Ｚテーブル１３を垂直方向下方に移動させる場合を説明する。図６（ａ）は、ピエゾアクチュエータ１１１の電極に印加する電圧Ｖpを示し、図６（ｂ）は、Ｚテーブル１３の位置を示す。図６（ａ）に示すように、本例では印加電圧Ｖpの極性を、負にする。即ち、図５（ａ）に示す場合とは、逆方向にする。従って、ピエゾアクチュエータ１１１は垂直方向下方に変位し、Ｚテーブル１３を垂直方向下方に移動させることができる。
【００３１】
図６（ａ）の曲線のＩ部に示すように、低速増加モードＩでは、印加電圧Ｖp（絶対値）の大きさを徐々に増加させる。それによって、ピエゾアクチュエータ１１１は下方に変位し、Ｚテーブル１３は、図６（ｂ）に示すように、ピエゾアクチュエータ１１１の変位に従って下方に移動する。
【００３２】
図６（ａ）の曲線のＩＩ部に示すように、高速戻りモードＩＩでは、印加電圧Ｖp（絶対値）の大きさを急激にゼロに減少させる。それによって、ピエゾアクチュエータ１１１は変位がゼロの元の状態に戻る。このとき、Ｚテーブル１３は、図６（ｂ）に示すように、自重により降下する。
【００３３】
従って、Ｚテーブル１３は、ピエゾアクチュエータ１１１の変位量に相当する距離とＺテーブル１３の自重による降下量を加算した距離だけ、垂直方向下方に移動する。低速増加モードＩと高速戻りモードＩＩを繰り返すことによって、Ｚテーブル１３を任意の距離だけ垂直方向下方に移動させることができる。
【００３４】
図７を参照して、メカニカルプローブ駆動装置を使用して、プローブを試料の表面に接触させ、次に、プローブを試料の表面から引き戻す動作を説明する。ここでは、Ｚテーブル１３の運動のみを説明する。図７（ａ）は、ピエゾアクチュエータ１１１の印加電圧Ｖpを示し、図７（ｂ）は、Ｚテーブル１３の位置を示す。プローブ１６の先端の運動は、Ｚテーブル１３の運動と同一である。
【００３５】
先ず、Ｚテーブル１３を垂直方向下方に移動させて、プローブの先端を試料の表面に接触させる。図６を参照して説明したように、印加電圧Ｖｐの極性を負とし、低速増加モードＩと高速戻りモードＩＩを繰り返すことによって、プローブを下降させる。プローブの先端が試料に近づいたら、印加電圧Ｖｐ（絶対値）の増加率を小さくし、Ｚテーブル１３の移動速度を小さくする。プローブの先端が試料に接触したら、印加電圧Ｖｐ（絶対値）の増加率をゼロにし、Ｚテーブル１３を停止させる。このとき、ピエゾアクチュエータ１１１の電極には比較的小さな負の電圧が印加されており、従って、ピエゾアクチュエータ１１１は、下方に変位している。
【００３６】
プローブを用いた所定の操作が終了すると、Ｚテーブル１３を垂直方向上方に移動させて、プローブの先端を試料の表面から遠ざける。
【００３７】
先ず、印加電圧Ｖｐ（絶対値）を、ゼロになるまで、減少させる。印加電圧Ｖｐがゼロになると、ピエゾアクチュエータ１１１の変位はゼロとなる。
【００３８】
次に、印加電圧Ｖｐの極性を正とし、低速増加モードＩと高速戻りモードＩＩを繰り返すことによって、プローブを上昇させる。最初の低速増加モードＩにおけるＺテーブル１３の上昇量を、例えば、Δｚ１とする。次の高速戻りモードＩＩにおける、Ｚテーブル１３の自重による降下量を、例えば、Δｚ２とする。
【００３９】
降下量Δｚ２が、上昇量Δｚ１より大きい場合には、Ｚテーブル１３の落下によりプローブの先端は試料の表面に衝突する。従って、プローブの衝突を回避させるためには、ピエゾアクチュエータ１１１の正の方向の変位量を十分大きくする必要がある。
【実施例１】
【００４０】
図８及び図９を参照して、本発明のプローブ駆動装置の第１の例を説明する。ここでは、プローブ駆動装置において、Ｘテーブル１１に対してＺテーブル１３を垂直方向に移動させる場合を説明する。従って、プローブ駆動装置の主要部のみを示す。尚、Ｚテーブル１３の動作中は、Ｘテーブル１１は固定されているものとして説明する。先ず図８を参照して、Ｚテーブル１３を垂直方向上方に移動させる場合を説明する。
【００４１】
図８（ａ）に示すように、Ｘテーブル１１には4本の剪断変位型ピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄが固定的に取り付けられており、その先端には、適当な摩擦係数を有する面板１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄがそれぞれ貼り付けられている。面板１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄの上に、Ｚテーブル１３が非固定的に配置されている。Ｘテーブル１１とＺテーブル１３の間には、ばね、磁石等の保持手段１１３が設けられている。この保持手段１１３によって、Ｚテーブル１３は、面板１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ上に適当な圧力によって押し付けられて保持される。Ｚテーブル１３には、プローブホルダ１５が装着され、その先端には、プローブ１６が保持されている。
【００４２】
4本の剪断変位型ピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄは、所定の間隔にて並べられており、上側には、２本のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂが配置され、下側には、２本のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄが配置されている。
【００４３】
上側のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂの電極には、電源１７から第１の電圧Ｖ１が印加され、下側のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄには、電源１７から第２の電圧Ｖ２が印加される。
【００４４】
図８（ｅ）は、印加電圧Ｖ１、Ｖ２の極性と大きさの変化を示す。本例ではピエゾアクチュエータを上方に変位させるから、印加電圧Ｖ１、Ｖ２の極性は正である。本例では低速増加モードＩ、第１高速戻りモードＩＩ、及び、第２高速戻りモードＩＩＩの３つのモードが設けられている。低速増加モードＩでは、２つの印加電圧Ｖ１、Ｖ２を、共に、徐々に増加させる。例えば、印加電圧Ｖ１、Ｖ２を１００Ｖ／ｍｓ程度の速度で増加させる。
【００４５】
第１高速戻りモードＩＩでは、第１の印加電圧Ｖ１を急速にゼロまで減少させ、第２の印加電圧Ｖ２は、変化させずにそのまま維持する。第２高速戻りモードＩＩＩでは、第２の印加電圧Ｖ２を急速にゼロまで減少させる。第１及び第２高速戻りモードＩＩにおいて、例えば、印加電圧Ｖ１、Ｖ２を１０Ｖ／ｕｓ程度の速度で減少させる。
【００４６】
図８（ｂ）は、低速増加モードＩにおけるピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｄの変位の状態を示す。低速増加モードＩでは、２つの印加電圧Ｖ１、Ｖ２は共に徐々に増加するから、４本のピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｄは、上方に変位する。印加電圧Ｖ１、Ｖ２の増加速度は小さいから、ピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｄの変位速度は比較的小さい。この変位速度では、面板１１２ａ〜１１２ｄとＺテーブル１３の間の摩擦係数は、ほぼ静止摩擦係数である。従って、Ｚテーブル１３は、面板１１２ａ〜１１２ｄから離れることなく、ピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｄと一体的に移動する。
【００４７】
図８（ｃ）は、第１高速戻りモードＩＩにおけるピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｄの変位の状態を示す。第１高速戻りモードＩＩでは、第１の印加電圧Ｖ１は急速に減少する。従って、上側のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂの変位は、急速に減少する。第１の印加電圧Ｖ１がゼロになると、上側のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂは変位がゼロの元の状態に戻る。第１の印加電圧Ｖ１の減少速度は大きいから、上側のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂの変位速度は比較的大きい。従って、面板１１２ａ、１１２ｂとＺテーブル１３の間の摩擦係数は動摩擦係数となり、極めて小さい。Ｚテーブル１３と面板１１２ａ、１１２ｂの間の動摩擦力は、Ｚテーブル１３の慣性力に比べて十分小さいが、Ｚテーブル１３に作用する重力に比べても十分小さい。
【００４８】
しかしながら、下側のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄは、変位したまま静止している。従って、Ｚテーブル１３は、下側のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄによって保持されている。従って、第１高速戻りモードＩＩにおいて、Ｚテーブル１３は、自重によって落下することはない。
【００４９】
図８（ｄ）は、第２高速戻りモードＩＩＩにおけるピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｄの変位の状態を示す。第２高速戻りモードＩＩＩでは、第２の印加電圧Ｖ２は急速に減少する。従って、下側のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄの変位は、急速に減少する。第２の印加電圧Ｖ２がゼロになると、下側のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄは変位がゼロの元の状態に戻る。第２の印加電圧Ｖ２の減少速度は大きいから、下側のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄの変位速度は比較的大きい。従って、面板１１２ｃ、１１２ｄとＺテーブル１３の間の摩擦係数は動摩擦係数となり、極めて小さい。Ｚテーブル１３と面板１１２ｃ、１１２ｄの間の動摩擦力は、Ｚテーブル１３の慣性力に比べて十分小さいが、Ｚテーブル１３に作用する重力に比べても十分小さい。
【００５０】
しかしながら、上側のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂは、変位がゼロの元の状態に戻ったまま静止している。従って、Ｚテーブル１３は、上側のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂによって保持されている。従って、第２高速戻りモードＩＩＩにおいて、Ｚテーブル１３は、自重によって落下することはない。
【００５１】
図８（ｆ）は、Ｚテーブル１３の位置の変化を示す。低速増加モードＩでは、Ｚテーブル１３は、印加電圧Ｖ１、Ｖ２の増加に従って上方に移動する。第１高速戻りモードＩＩ及び第２高速戻りモードＩＩＩでは、Ｚテーブル１３は移動しない。こうして、３つのモードを繰り返すことによって、Ｚテーブル１３を垂直方向上方に任意の距離だけ移動させることができる。
【００５２】
次に図９を参照して、Ｚテーブル１３を垂直方向下方に移動させる場合を説明する。図９（ａ）は本発明のプローブ駆動装置の第１の例の主要部を示し、図８（ａ）と同一であり、その説明は省略する。
【００５３】
図９（ｅ）は、印加電圧Ｖ１、Ｖ２の極性と大きさの変化を示す。本例ではピエゾアクチュエータを下方に変位させるから、印加電圧Ｖ１、Ｖ２の極性は負である。本例では低速増加モードＩ、第１高速戻りモードＩＩ、及び、第２高速戻りモードＩＩＩの３つのモードが設けられている。低速増加モードＩでは、２つの印加電圧Ｖ１、Ｖ２（絶対値）を、共に、徐々に増加させる。第１高速戻りモードＩＩでは、第１の印加電圧Ｖ１（絶対値）を急速にゼロまで減少させ、第２の印加電圧Ｖ２は、変化させずにそのまま維持する。第２高速戻りモードＩＩＩでは、第２の印加電圧Ｖ２（絶対値）を急速にゼロまで減少させる。図９（ｅ）に示す印加電圧Ｖ１、Ｖ２の曲線は、図８（ｅ）に示す曲線を反転させたものであってよい。
【００５４】
図９（ｂ）は、低速増加モードＩにおけるピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｄの変位の状態を示す。低速増加モードＩでは、２つの印加電圧Ｖ１、Ｖ２（絶対値）は共に徐々に増加するから、４本のピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｄは、下方に変位する。印加電圧Ｖ１、Ｖ２（絶対値）の増加速度は小さいから、ピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｄの変位速度は比較的小さい。この変位速度では、面板１１２ａ〜１１２ｄとＺテーブル１３の間の摩擦係数は、ほぼ静止摩擦係数である。従って、Ｚテーブル１３は、面板１１２ａ〜１１２ｄから離れることなく、ピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｄと一体的に移動する。
【００５５】
図９（ｃ）は、第１高速戻りモードＩＩにおけるピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｄの変位の状態を示す。第１高速戻りモードＩＩでは、第１の印加電圧Ｖ１（絶対値）は急速に減少する。従って、上側のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂの変位は、急速に減少する。第１の印加電圧Ｖ１がゼロになると、上側のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂは変位がゼロの元の状態に戻る。第１の印加電圧Ｖ１（絶対値）の減少速度は大きいから、上側のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂの変位速度は比較的大きい。従って、面板１１２ａ、１１２ｂとＺテーブル１３の間の摩擦係数は動摩擦係数となり、極めて小さい。Ｚテーブル１３と面板１１２ａ、１１２ｂの間の動摩擦力は、Ｚテーブル１３の慣性力に比べて十分小さいが、Ｚテーブル１３に作用する重力に比べても十分小さい。
【００５６】
しかしながら、下側のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄは、変位したまま静止している。従って、Ｚテーブル１３は、下側のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄによって保持されている。従って、第１高速戻りモードＩＩにおいて、Ｚテーブル１３は、自重によって落下することはない。
【００５７】
図９（ｄ）は、第２高速戻りモードＩＩＩにおけるピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｄの変位の状態を示す。第２高速戻りモードＩＩＩでは、第２の印加電圧Ｖ２（絶対値）は急速に減少する。従って、下側のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄの変位は、急速に減少する。第２の印加電圧Ｖ２がゼロになると、下側のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄは変位がゼロの元の状態に戻る。第２の印加電圧Ｖ２（絶対値）の減少速度は大きいから、下側のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄの変位速度は比較的大きい。従って、面板１１２ｃ、１１２ｄとＺテーブル１３の間の摩擦係数は動摩擦係数となり、極めて小さい。Ｚテーブル１３と面板１１２ｃ、１１２ｄの間の動摩擦力は、Ｚテーブル１３の慣性力に比べて十分小さいが、Ｚテーブル１３に作用する重力に比べても十分小さい。
【００５８】
しかしながら、上側のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂは、変位がゼロの元の状態に戻ったまま静止している。従って、Ｚテーブル１３は、上側のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂによって保持されている。従って、第２高速戻りモードＩＩＩにおいて、Ｚテーブル１３は、自重によって落下することはない。
【００５９】
図９（ｆ）は、Ｚテーブル１３の位置の変化を示す。低速増加モードＩでは、Ｚテーブル１３は、印加電圧Ｖ１、Ｖ２の増加に従って下方に移動する。第１高速戻りモードＩＩ及び第２高速戻りモードＩＩＩでは、Ｚテーブル１３は移動しない。こうして、３つのモードを繰り返すことによって、Ｚテーブル１３を垂直方向下方に任意の距離だけ移動させることができる。
【実施例２】
【００６０】
図１０及び図１１を参照して、本発明のプローブ駆動装置の第２の例を説明する。ここでは、プローブ駆動装置において、Ｘテーブル１１に対してＺテーブル１３を垂直方向に移動させる場合を説明する。従って、プローブ駆動装置の主要部のみを示す。尚、Ｚテーブル１３の動作中は、Ｘテーブル１１は固定されているものとして説明する。先ず図１０を参照して、プローブ駆動装置の主要部の構造を説明する。
【００６１】
図１０に示すように、Ｘテーブル１１には８本の剪断変位型ピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅ、１１１ｆ、１１１ｇ、１１１ｈが固定的に取り付けられており、その先端には、適当な摩擦係数を有する面板１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ、１１２ｅ、１１２ｆ、１１２ｇ、１１２ｈがそれぞれ貼り付けられている。面板１１２ａ〜１１２ｈの上に、Ｚテーブル１３が非固定的に配置されている。Ｘテーブル１１とＺテーブル１３の間には、ばね、磁石等の保持手段１１３が設けられている。この保持手段１１３によって、Ｚテーブル１３は、面板１１２ａ〜１１２ｈ上に適当な圧力によって押し付けられて保持される。Ｚテーブル１３には、プローブホルダ１５が装着され、その先端には、プローブ１６が保持されている。
【００６２】
８本の剪断変位型ピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｈは、所定の間隔にて整列して並べられており、最も上側に、第１のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂが配置され、その下側に、第２のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄが配置され、その下側に、第３のピエゾアクチュエータ１１１ｅ、１１１ｆが配置され、最も下側に、第４のピエゾアクチュエータ１１１ｇ、１１１ｈが配置されている。
【００６３】
第１及び第３のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂ、及び、１１１ｅ、１１１ｆの電極には、電源１７から第１の電圧Ｖ１が印加され、第２及び第４のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄ、及び、１１１ｇ、１１１ｈには、電源１７から第２の電圧Ｖ２が印加される。
【００６４】
図１１を参照して、本発明のプローブ駆動装置の第２の例の動作を説明する。図１１（ｅ）は、印加電圧Ｖ１、Ｖ２の極性と大きさの変化を示す。本例の印加電圧Ｖ１、Ｖ２曲線は、図８（ｅ）に示した第１の例の印加電圧Ｖ１、Ｖ２の曲線と同一であってよい。本例ではピエゾアクチュエータを上方に変位させるから、印加電圧Ｖ１、Ｖ２の極性は正である。本例では低速増加モードＩ、第１高速戻りモードＩＩ、及び、第２高速戻りモードＩＩＩの３つのモードが設けられている。低速増加モードＩでは、２つの印加電圧Ｖ１、Ｖ２を、共に、徐々に増加させる。例えば、印加電圧Ｖ１、Ｖ２を１００Ｖ／ｍｓ程度の速度で増加させる。
【００６５】
第１高速戻りモードＩＩでは、第１の印加電圧Ｖ１を急速にゼロまで減少させ、第２の印加電圧Ｖ２は、変化させずにそのまま維持する。第２高速戻りモードＩＩＩでは、第２の印加電圧Ｖ２を急速にゼロまで減少させる。第１及び第２高速戻りモードＩＩにおいて、例えば、印加電圧Ｖ１、Ｖ２を１０Ｖ／ｕｓ程度の速度で減少させる。
【００６６】
図１１（ａ）は、初期状態を示す。印加電圧Ｖ１、Ｖ２はゼロであり、ピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｈの変位はゼロである。図１１（ｂ）は、低速増加モードＩにおけるピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｈの変位の状態を示す。低速増加モードＩでは、２つの印加電圧Ｖ１、Ｖ２は共に徐々に増加するから、８本のピエゾアクチュエー１１１ａ〜１１１ｈは、上方に変位する。印加電圧Ｖ１、Ｖ２の増加速度は小さいから、ピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｈの変位速度は比較的小さい。この変位速度では、面板１１２ａ〜１１２ｈとＺテーブル１３の間の摩擦係数は、ほぼ静止摩擦係数である。従って、Ｚテーブル１３は、面板１１２ａ〜１１２ｈから離れることなく、ピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｈと一体的に移動する。
【００６７】
図１１（ｃ）は、第１高速戻りモードＩＩにおけるピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｈの変位の状態を示す。第１高速戻りモードＩＩでは、第１の印加電圧Ｖ１は急速に減少する。従って、第１及び第３のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｅ、１１１ｆの変位は、急速に減少する。第１の印加電圧Ｖ１がゼロになると、第１及び第３のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｅ、１１１ｆは変位がゼロの元の状態に戻る。第１の印加電圧Ｖ１の減少速度は大きいから、第１及び第３のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｅ、１１１ｆの変位速度は比較的大きい。従って、面板１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｅ、１１２ｆとＺテーブル１３の間の摩擦係数は動摩擦係数となり、極めて小さい。Ｚテーブル１３と面板１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｅ、１１２ｆの間の動摩擦力は、Ｚテーブル１３の慣性力に比べて十分小さいが、Ｚテーブル１３に作用する重力に比べても十分小さい。
【００６８】
しかしながら、第２及び第４のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｇ、１１１ｈは、変位したまま静止している。従って、Ｚテーブル１３は、第２及び第４のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｇ、１１１ｈによって保持されている。従って、第１高速戻りモードＩＩにおいて、Ｚテーブル１３は、自重によって落下することはない。
【００６９】
図１１（ｄ）は、第２高速戻りモードＩＩＩにおけるピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｈの変位の状態を示す。第２高速戻りモードＩＩＩでは、第２の印加電圧Ｖ２は急速に減少する。従って、第２及び第４のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｇ、１１１ｈの変位は、急速に減少する。第２の印加電圧Ｖ２がゼロになると、第２及び第４のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｇ、１１１ｈは変位がゼロの元の状態に戻る。第２の印加電圧Ｖ２の減少速度は大きいから、第２及び第４のピエゾアクチュエータ１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｇ、１１１ｈの変位速度は比較的大きい。従って、面板１１２ｃ、１１２ｄ、１１２ｇ、１１２ｈとＺテーブル１３の間の摩擦係数は動摩擦係数となり、極めて小さい。Ｚテーブル１３と面板１１２ｃ、１１２ｄ、１１２ｇ、１１２ｈの間の動摩擦力は、Ｚテーブル１３の慣性力に比べて十分小さいが、Ｚテーブル１３に作用する重力に比べても十分小さい。
【００７０】
しかしながら、第１及び第３のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｅ、１１１ｆは、変位がゼロの元の状態に戻ったまま静止している。従って、Ｚテーブル１３は、第１及び第３のピエゾアクチュエータ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｅ、１１１ｆによって保持されている。従って、第２高速戻りモードＩＩＩにおいて、Ｚテーブル１３は、自重によって落下することはない。
【００７１】
図１１（ｆ）は、Ｚテーブル１３の位置の変化を示す。低速増加モードＩでは、Ｚテーブル１３は、印加電圧Ｖ１、Ｖ２の増加に従って上方に移動する。第１高速戻りモードＩＩ及び第２高速戻りモードＩＩＩでは、Ｚテーブル１３は移動しない。こうして、３つのモードを繰り返すことによって、Ｚテーブル１３を垂直方向上方に任意の距離だけ移動させることができる。
【００７２】
ここでは、８本のピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｈを上方に変位させてＺテーブル１３を上方に移動させる場合を説明した。しかしながら、８本のピエゾアクチュエータ１１１ａ〜１１１ｈを下方に変位させてＺテーブル１３を下方に移動させる場合も同様である。
【００７３】
以上、本発明のプローブ駆動装置の第１及び第２の例の動作として、Xテーブルに対してＺテーブルが移動する場合を説明した。Ｙテーブルに対してＸテーブルが移動する場合、ベース１０に対してＹテーブルが移動する場合も同様である。ただし、Ｘテーブル及びＹテーブルを移動させる場合には、水平方向に移動させるので、重力の作用を考慮する必要がない。従ってＸテーブル及びＹテーブルを移動させるためのピエゾアクチュエータを全て同時に駆動してもよい。
【００７４】
以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。
【００７５】
本発明は半導体検査装置、走査型電子顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等に適用可能であるが、メカニカルプローブを使用する装置であればどのような装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】メカニカルプローブ駆動装置の概略図である。
【図２】メカニカルプローブ駆動装置のＹテーブルの駆動原理を示す図である。
【図３】印加電圧に対するＹテーブルの位置の変化を示す図である。
【図４】メカニカルプローブ駆動装置のＺテーブルの駆動原理を示す図である。
【図５】Ｚテーブルが垂直上方に移動する場合に、印加電圧に対するＺテーブルの位置の変化を示す図である。
【図６】Ｚテーブルが垂直下方に移動する場合に、印加電圧に対するＺテーブルの位置の変化を示す図である。
【図７】プローブを試料の表面に接触させ、次に、プローブを試料の表面から引き戻す動作を説明するための説明図である。
【図８】本発明のメカニカルプローブ駆動装置により、Ｚテーブルを垂直上方に移動させる場合の説明図である。
【図９】本発明のメカニカルプローブ駆動装置により、Ｚテーブルを垂直下方に移動させる場合の説明図である。
【図１０】本発明のメカニカルプローブ駆動装置の他の例を示す図である。
【図１１】図１０のメカニカルプローブ駆動装置の動作を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０…ベース、１１…Xテーブル、１２…Yテーブル、１３…Zテーブル、１５…プローブホルダ、１６…プローブ、１７…電源、１０１…ピエゾアクチュエータ、１０２…面板、１０３…保持手段、１１１…ピエゾアクチュエータ、１１２…面板、１１３…保持手段、１２１…ピエゾアクチュエータ、１２２…面板、１２３…保持手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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