(57)【要約】      （修正有）【課題】粗動機構と走査機構を併せたユニットの小型化により、剛性の向上、共振周波数の上昇を図り、耐振動性能を向上する。【解決手段】チューブスキャナを用いて、インチワーム機構により、マイクロメートルスケールで移動対象の移動を行う移動機構において、チューブスキャナ１０の左右両端を左右の固定機構２、３によりそれぞれ支持し、一方の固定機構を貫通したチューブスキャナ１０の端面に移動対象を装着する。制御装置１７は、チューブスキャナ１０と左右の固定機構２、３の作動を組み合わせることにより、インチワームを行う粗動機構によるＺ軸方向の移動を可能にする。そして、移動対象の所望の移動が終了したことを検知して、チューブスキャナ１０の作動をＺ軸に直交するＸＹ平面内での走査モードあるいはＺ方向への力・距離曲線取得モードに切り換える。【選択図】図２
2018028478.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チューブスキャナを用いて、インチワーム機構により、マイクロメートルスケールで移動対象の移動を行う移動機構において、
前記チューブスキャナの左右両端を左右の固定機構によりそれぞれ支持し、一方の固定機構を貫通した前記チューブスキャナの端面に前記移動対象を装着し、
前記チューブスキャナおよび前記左右の固定機構の作動を組み合わせることによりインチワームを行う粗動機構によるＺ軸方向の移動を可能にする制御装置を設け、
前記制御装置は、前記移動対象の所望の移動が終了したことを検知して、前記チューブスキャナの作動をＺ軸に直交するＸＹ平面内での走査モードあるいはＺ方向への力・距離曲取得線モードに切り換えるようにしたことを特徴とする移動機構。
【請求項２】
前記チューブスキャナのＺ軸方向先端に試料あるいはプローブの一方を装着し、対向位置に固定した試料あるいはプローブの他方に向けて、前記Ｚ軸方向に移動させ、前記プローブの信号が所定以上の振幅となったとき、前記チューブスキャナの作動を直交するＸＹ平面内での走査モードあるいはＺ軸方向への力・距離曲線の取得モードに切り換えるようにしたことを特徴とする請求項１の移動機構を用いた走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロメートルスケールの移動機構に関し、例えば、次のような機器に適用される移動機構に関する。
（１）ナノ・ミクロンレベル分解能を必要とする走査型プローブ顕微鏡（以下、ＳＰＭ）及びその応用装置
（２）真空及びクリーンルーム対応型ＳＰＭとその応用装置：例えば半導体デバイス工場内のインラインでの製品検査に使うＳＰＭの粗動機構
（３）透過型電子顕微鏡および走査型電子顕微鏡の試料ホルダに内蔵及び付加するＳＰＭの粗動機構
（４）ナノ・ミクロンレベル分解能を必要とする微小切削加工機の位置合わせ機構、移動機構及びその応用装置
（５）半導体デバイスのマスクパターンの修正を行う描画装置等の位置合わせ機構、移動機構
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特許文献１、特許文献２が知られている。
特許文献１には、カンチレバー加振、垂直位置走査部に圧電体を使用し、水平位置走査部にチューブスキャナ型圧電体を使用した走査型プローブ顕微鏡が、特許文献２には、送り用伸縮機構、第１のロックアップ機構、第２のロックアップ機構を備えたアクチュエータがそれぞれ記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４８７３４６０号公報
【特許文献２】特開２００６−２８８１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、従来の走査型プローブ顕微鏡においては、図１に示すように、粗動機構として第１の積層圧電体１の左右両端に積層圧電体からなる固定機構２、３を装着し、第１の積層圧電体１、各固定機構２、３の積層圧電体に印加する電圧のオンオフを組み合わせることで、いわゆるインチワームを行う粗動機構を構成し、マイクロメートルスケールの移動を行わせている。
すなわち、図１において、左右の両固定機構２、３を作動させ、上下のガイドフレームに固定している状態から、左側固定機構２を開放し、右側固定機構３を起点に第１の積層圧電体１を左側に伸長させる。第１の積層圧電体１の伸長が終了した時点で、左側固定機構２を作動させ、左端を固定した状態で、右側固定機構３を解除し、第１の積層圧電体１を収縮させる。その後、右側固定機構３を作動させ、同じ手順を繰り返す。
【０００５】
図１において、左側固定機構２を構成する積層圧電体の左側面には、進行方向に延出するチューブスキャナ４が装着されており、その左側端面には、試料あるいはセンサ５が取り付けられ、粗動機構により、試料とセンサが所望の配置となったとき、チューブスキャナ４を作動させ、図示した三次元座標軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の各方向にスキャンを行わせる。
【０００６】
なお、チューブスキャナ４は、図示するように、その中心軸をＺ軸、Ｚ軸に直交してＸ軸、Ｙ軸を定めると、Ｚ軸を中心として、±Ｘの位置に一対のＸ軸方向駆動用圧電素子６が、±Ｙの位置に一対のＹ軸方向駆動用圧電素子７が互いに対向するよう、Ｚ軸を中心に略９０°の円弧状に配置されている。
Ｘ軸方向駆動用圧電素子６とＹ軸方向駆動用圧電素子７のＺ軸原点側端面には、Ｚ軸方向に伸縮するＺ軸方向駆動用圧電素子８が装着されており、各駆動用圧電素子６−８は、絶縁領域９により区分されている。なお、Ｘ軸方向駆動用圧電素子６、Ｙ軸方向圧電素子７に関しては、それぞれ、一対の圧電素子のうち、一方が伸長すると他方が収縮するよう、駆動電圧が交互に印加されるようになっている。
また、チューブスキャナ４の左側端面にセンサ５を取り付ける場合は、原子間力顕微鏡のカンチレバーなどの力センサ、走査型トンネル電子顕微鏡の探針、ＭＥＭＳに集約した走査型プローブ顕微鏡のセンサ検出デバイス、エバネッセント光検出プローブ等が挙げられる。
【０００７】
このように、従来技術においては、チューブスキャナ４がＺ軸方向に連結されるため、進行方向に長くなるばかりか、試料、センサ、デバイス間の位置調整を行うため、幅方向（進行方向に対し水平方向）の寸法も大きくせざるを得ず、長さは１０数ｃｍ、高さ、幅は数ｃｍが必要となり、小型化が不可能であった。
そのため、共振周波数が低く、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の試料ホルダ内部や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の内部や光学システムの狭い部分に使用した場合、共振によるノイズが発生し、精度低下の原因となっていた。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、走査用のチューブスキャナに、粗動機構を行うための積層圧電体の機能を兼備させることによって、粗動機構と走査機構を併せたユニットの小型化を実現し、搭載性を高めて様々な機器への適用を可能とするとともに、剛性の向上、共振周波数の上昇を実現し、耐振動性能を向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明は、チューブスキャナを用いて、粗動機構により、マイクロメートルスケールで移動対象の移動を行う移動機構において、前記チューブスキャナの左右両端を左右の固定機構によりそれぞれ支持し、一方の固定機構を貫通した前記チューブスキャナの端面に前記移動対象を装着し、前記チューブスキャナおよび前記左右の固定機構の作動を組み合わせることによりインチワームを行う粗動機構によるＺ軸方向の移動を可能にする制御装置を設け、前記制御装置は、前記移動対象の所望の移動が終了したことを検知して、前記チューブスキャナの作動をＺ軸に直交するＸＹ平面内での走査モードあるいはＺ方向への力・距離曲線モードに切り換えるようにした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、次のような効果を達成することができる。
（１）本発明をＳＰＭの粗動機構に適用した場合、Ｚ軸方向駆動用圧電素子により、移動距離を広い範囲で設定できる。
（２）本発明の移動機構によれば、摺動する部位がないため、粉塵発生量を激減することができ、半導体デバイス工場内のインラインでの製品検査の精度を向上することができる。
（３）本発明によれば、小型化、小型化に伴う高剛性化が可能となり、移動機構を直径１０ｍｍ程度の円筒形内に収納することができ、粉塵発生量も少ないため、真空中で行う透過型電子顕微鏡の試料ホルダ内部に、ＳＰＭを導入する場合にも適用可能である。
（４）本発明を、切削加工機のワークや加工工具の位置調整機構や、不要なマスクを取り除く微小切削器具、描画装置用微細ペンの位置調整機構等に適用した場合、ネジの長さと台座の長さが加算される従来型のネジ送り式と比較して、小型化、軽量化が可能となるばかりでなく、装置の共振周波数を高めることができ、位置制御精度を飛躍的に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】走査型プローブ顕微鏡に用いられている従来の粗動機構を示す図である。
【図２】走査型プローブ顕微鏡に適用した実施例を示す図である。
【図３】実施例の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例】
【００１３】
図２は、走査型プローブ顕微鏡に適用した実施例１の静止状態を示しており、図１に示した従来技術に共通するものに関しては同一の符号を付している。
従来技術と異なる点は、左右の固定機構２、３を構成する積層圧電体により、第１の積層圧電体１に代えて、チューブスキャナ１０の両端が支持されており、これに、従来技術の積層圧電体１とチューブスキャナ４の両方の機能を具備させた点にある。
【００１４】
左右の固定機構２、３を構成する積層圧電体は、固定機構駆動回路１１、１２により、ガイドフレームに対する固定、開放を行う。
チューブスキャナ１０のＸ軸方向駆動用圧電素子１３、Ｙ軸方向圧電素子１４、Ｚ軸方向駆動用圧電素子１５は、それぞれ正負一対の電極を介して、駆動回路１６、１７、１８により接続されている。
【００１５】
制御装置１９は、固定機構駆動回路１１、１２により、左右の固定機構２、３の作動、非作動を制御し、固定機構２、３によるガイドフレームの固定、開放を行う。
また、制御装置１９は、駆動回路１６、１７、１８により、Ｘ軸方向駆動用圧電素子１３、Ｙ軸方向圧電素子１４、Ｚ軸方向駆動用圧電素子１５に印加される電圧値（±正負の最大値、最小値）、周波数、タイミングを個別に制御する。
なお、前述のように、Ｘ軸方向駆動用圧電素子１３、Ｙ軸方向圧電素子１４に関しては、それぞれ一つの圧電素子のうち、一方が伸長すると他方が収縮するよう、駆動電圧が交互に印加されるようになっており、チューブスキャナ１０の端面をＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に駆動することができる。
【００１６】
ＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）の場合、粗動機構により試料あるいはセンサ５をＺ軸方向に移動させる際、制御装置１９により、左右の固定機構２、３を構成する左右の各積層圧電体と、チューブスキャナ１０を構成する、一対のＸ軸方向駆動用圧電素子１３、Ｙ軸方向圧電素子１４、Ｚ軸方向駆動用圧電素子１５に対して、印加する電圧値（±正負の最大値、最小値）、周波数、タイミングを個別に組み合わせる。
これにより、チューブスキャナ１０全体を伸縮させ、従来技術の積層圧電体１と同様の作動を行わせ、インチワームを行う粗動機構により、マイクロメートルスケールの移動を可能にする。その際、チューブスキャナ１０の印加電圧と周波数を最大限に高めれば、粗動機構による移動速度を最大限高めることが可能である。
【００１７】
一方、粗動が進行していくと、最終的には、センサ２０により、試料とプローブの相互作用に伴うプローブ信号が検出されるので、制御装置１９は、このプローブ信号が所定の変化幅に達したところで、粗動を停止させる。
その際、図２において、進行方向側の左側固定機構２を解放し、同時に反対側の右側固定機構３を固定する。その後直ちにチューブスキャナ１０を縮めて試料とプローブの距離をそれぞれにとって安全な位置にまで一旦引き離す。この動作によって、万一不意に外部からの不要な機械的振動が入ってきた場合でも、試料とプローブが過度に強い相互作用を起こして損傷を受けることを防ぐ。
【００１８】
なお、プローブ信号の変化幅は、プローブが試料との相互作用で損傷を受けない程度に小さく設定すべきであるが、小さすぎると、粗動機構や外乱（風や床から伝わる実験装置設置台の振動）でプローブ信号が振れたときにも粗動機構が停止されるので、両者のバランスを考慮して設定する必要がある。
【００１９】
制御装置１９は粗動を停止させたら、一対のＸ軸方向駆動用圧電素子１３、Ｙ軸方向圧電素子１４、Ｚ軸方向駆動用圧電素子１５のそれぞれに対し、チューブスキャナ１０の走査範囲を実現する三角波形の電圧信号を印加する。
その際、振幅および周波数を制御することにより、探針との距離を一定に維持しつつ、各圧電素子１３、１４、１５に電圧を印加し、従来技術のチューブスキャナ４と同様に、チューブスキャナ１０をＺ軸に垂直な平面（ＸＹ平面）内で駆動し、試料表面を走査、試料−プローブ間のＺ軸方向の距離変化に対する相互作用の変化を示すＺ方向への力・距離曲線の取得を行うことができる。
【００２０】
なお、図３に示すように、発明者らが特願２０１４−２０８６７１号で提案した、粗動のための固定機構を適用してもよい。
すなわち、弾性フレーム２１の内部に配置されたフレームロック用積層圧電体２２に電圧を印加して、弾性フレーム２１と粗動経路を構成するガイドフレームとのロックを解除することにより、左側固定機構２、右側固定機構３と同様な粗動を実現するものである。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
以上説明したように本発明によれば、走査用のチューブスキャナに、粗動機構を行うための積層圧電体の機能を兼備させることによって、粗動機構と走査機構を併せたユニットの小型化することができ、しかも、耐振動性能を向上を図ることができるので、様々な機器に広く採用されることが期待できる。
【符号の説明】
【００２２】
１  第１の積層圧電体
２、３  固定機構
４  チューブスキャナ（従来技術）
５  試料あるいはセンサ５
６  Ｘ軸方向駆動用圧電素子
７  Ｙ軸方向駆動用圧電素子
８  Ｚ軸方向駆動用圧電素子
９  絶縁領域
１０  チューブスキャナ（実施例）
１１、１２  固定機構駆動回路
１３  Ｘ軸方向駆動用圧電素子
１４  Ｙ軸方向圧電素子
１５  Ｚ軸方向駆動用圧電素子
１６、１７、１８  駆動回路
１９  制御装置
２０  センサ
２１  弾性フレーム
２２  フレームロック用積層圧電体
【図１】
2018028478.tif 000003
【図２】
2018028478.tif 000004
【図３】
2018028478.tif 000005