JPH01315712A - マイクロマニピユレータ - 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、極微小な試料（ワーク）に対して所要の処理
を行なうマイクロマニピュレータに関する。

〔従来の技１ネテ〕 種々の産業分野のなかには、微小なワークに対して切断
、研削等の加工を施し、又は導線を接続し、あるいは前
記ワークを他のワークに固定する等の作業を必要とする
分野がある、従来、このような作業は、所定の環境に維
持された室内において、光学顕微鏡の視野下で人間の手
に持たれた道具により実施されていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の作業手段は、ワーク又は被加工部が比較的大きな
場合は可能であるが、それらの大きさが減少するにした
がって困難となり、ある限度以下では不可能となる。

ところで、近年、多くの技術分野において、その技術の
発展に伴ないミクロンオーダー、又はサブミクロンオー
ダの作業の遂行が要望されるようになった。このような
作業のいくつかの例を以下に挙げる。

■、集積回路（ＩＣ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）にお
いて、これらの内部構造の所定部分に実際に加わる電圧
や実際に流れる電流の様相は不明である。しかしながら
、これら電圧や電流を知ることにより、より高性能のＩ
Ｃ，ＬＳＩを作成し得ることが期待される。ところで、
上記電圧や電流を実測するには、積層されているミクロ
ンオーダーの厚さを有する各層を剥離して所定部分を露
出させ、この部分に電極（プローブ）を当接する作業が
必要である。

■、上記ＩＣやＬＳＩにおいては、製造に際してシリコ
ンのワークに溝を作成する工程が含まれる。

通常、このような溝はエツチングにより形成されるが、
エツチングはその露光工程で精密なマスクを必要とし、
このマスクの作成精度には限界があるので、サブミクロ
ンオーダーの深さ又は幅の溝の形成は極めて困難であり
、これにより集積度の向上が妨げられている。ところで
、サブミクロンオーダーの溝は加工具（ダイヤモンド）
による切削により可能であるが、このためには、加工具
の高精度の位置決めおよび駆動の作業が必要である。

■、近年、急速に発展してきたバイオテクノロジの分野
においては、遺伝子の操作（切除、追加。

置換）が行なわれる。このためには、極細のガラス繊維
の先端に遺伝子を付着したり、これを他へ移したりする
極微細な作業が必要である。

■、同じくバイオテクノロジの分野においては、１つの
細胞膜を切取って成分をチエツクしたり、切取った細胞
膜の代りに他の細胞膜を埋め込む操作が行なわれる。こ
のためには、上記と同様の極微細な作業が必要である。

■、ダイヤモンド工具で最も効果的な切削を行なうには
、ダイヤモンド工具の先端を所定の丸みに加工する。こ
のためには、ダイヤモンド工具の先端を設定されたサブ
ミクロンオーダの曲率半径に研削する作業が必要である
。

従来、上記のような極微細な作業はその大部分がほとん
ど不可能であり、可能な場合であってもその作業の遂行
には大きな困難が伴なっていた。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、ミクロ
ンオーダ又はサブミクロンオーダの作業を容易に実施す
ることができるマイクロマニピュレータを提供するにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、微小な試料に対
して所要の処理を行なうマニピュレータにおいて、真空
容器およびこの真空容器内に置かれた前記試料を拡大視
する機構より成る拡大観察装置と、前記真空容器内に設
けられるとともに複数の自由度を有しかつ前記試料を載
置する台と、前記真空容器内に設けられるとともに前記
試料の処理を行なう処理機構と、前記台を駆動する第１
の駆動制御系と、前記処理機構を駆動する第２の駆動制
御系とを備えたことを特徴とする。

〔作　用〕

試料を台の上に載置し、電子顕微鏡等の拡大観察装置に
より当該試料を拡大した状態で視野に収める。次に、適
宜の操作機構により第１の駆動制御系および第２の駆動
制御系に指令を惨えると、これらはその指令に応じて台
および処理機構を駆動する。上記操作機構の操作量と、
台および処理機構の駆動量との間に各駆動制御系により
適宜な関連を設定しておけば、操作者は、ミクロンオー
ダ又はサブミクロンオーダの次元の作業を、恰かも通常
生活における次元での作業と同じ感覚で実施することが
できる。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係るマイクロマニピュレータ
の系統図である０図で、ｌは双眼の走査型電子顕微鏡を
示す、２は走査型電子顕微鏡ｌの真空室内に設置された
微動テーブルである。この微動テーブル２は６自由度（
６軸）の微動機構２１および６軸の荷重（直交する３軸
の力およびモーメント）を検出する荷重センサ２２で構
成されている。３は微動テーブル２上に載置固定された
試料（ワーク）を示す。４は走査型電子顕微鏡１の真空
室内に設置された３自由度（３軸）の微動ロボットであ
り、３軸の微動機構を内蔵し当該３軸の軸方向又は軸ま
わりに駆動されるアーム４１、ワーク３を加工するツー
ル４２）およびアーム４１とツール４２との間に介在す
る６軸の荷重センサ４３により構成されている。なお、
前記３軸の微動機構はアーム４１に内蔵せずアーム４１
を支持する台に設けてアーム４１を駆動するようにして
もよい、５Ｌ、５Ｒはそれぞれ微動テーブル２の微動機
構２１および微動ロボット４のアーム４１を駆動する駆
動装置である。

６Ｌ、６Ｒは人間の手により操作される操作機構であり
、それぞれ操作レバー６３Ｌ、６３Ｒを備えている。操
作機構６Ｌ、６Ｒはジョイスティックレバーの如く多自
由度を有する機構で構成されている。操作機構６Ｌは微
動テーブル２を駆動するために用いられ、又、操作機構
６Ｒは微動ロボット４を駆動するために用いられる。さ
らに、各操作機構６Ｌ、６Ｒには、操作レバー６３Ｌ。

６３Ｒを駆動する駆動機構６１Ｌ、６１Ｒおよび６軸の
荷重を検出する荷重センサ６２Ｌ、３軸の荷重（直交す
る３軸の力または直交する２軸と、１モーメント）を検
出する荷重センサ６２Ｒが内蔵されている。７Ｌ、７Ｒ
はそれぞれ操作機構６Ｌ、６Ｒの駆動機構６１Ｌ、６１
Ｒを駆動させる駆動装置であり、ワーク３とツール４２
との間に生じる反力に応じた力を操作機構６Ｌ、６Ｒに
与える。８は制御装置であり、操作機構６Ｌ、６Ｒの操
作に応じて駆動装置ＳＬ、ＳＲに駆動指令を与え、又、
荷重センサ２２．４３の検出値に応じて駆動装置７Ｌ、
７Ｈに駆動指令を与えこれらの駆動を制御する。９は人
間（操作者）、９Ｌ、９Ｒは人間９の右眼および左眼を
示す、右眼９Ｌおよび左眼９Ｒで双眼の走査型顕微鏡１
の表示管を暇視し、これにより視野内にあるワーク３お
よびその近傍の状態を立体的に観察することができる。

なお、上記構成中、微動機構２１およびアーム４１には
、例えば、特開昭６１−２０９８４６号公報に示される
ような圧電素子により駆動される装置を用いるのが好適
であり、かつ、荷重センサ２２．４３には、例えば、特
開昭６０−６２４９７号公報に示される装置を用いるの
が好適である。

即ち、前者の微動機構は各軸の変位を他軸の変位に干渉
することなく正確に出力することができ、又、後者の荷
重センサは各軸の荷重成分を他軸の荷重成分に干渉され
ることなく検出することができるからである。

ここで、操作機構を構成する一例として、ジョイスティ
ックレバーの構成の概略を図により説明する。第２図は
第１図に示す操作機構６Ｌを構成するジョイスティック
レバーの概略構成の説明図である０図では、矢印で示す
一軸方向の並進および一軸まわりの回転についｉ動機構
のみ示され、その他の軸の駆動機構の図示は省略されて
いる。

第２図で、第１図に示す部分と同一部分には同一符号を
付して説明を省略する。６１０は固定台、６１１は固定
台６１０の突起部、６１２は突起部６１１間に可回転に
装架されたねじ、６１３はねじ６１２を回転させるモー
タである。６１４は移動台であり、下方にねじ６１２と
螺合する螺合部６１５、上方に突起部６１６を有する。

６１７は突起部６１６に可回転に装架されたウオームギ
ヤ、６１８はウオームギヤ６１７を回転させるモータで
ある。６１９は荷重センサ６２Ｌおよび操作しバー６３
Ｌを支持する駆動体、６２０は駆動体６１９に固定され
るとともにウオームギヤ６１７と噛合うギヤである。な
お、操作機構６Ｒの構成もこれに準じた構成である。

次に、本実施例の動作を、前述したＩＣ内部の電圧、電
流を実測する作業を例示して説明する。

この場合、ワーク３はＩＣであり、又、ツール４２とし
ては先端が尖鋭な金属プローブが用いられる。

作業開始時にはワーク３とツール４２とは離れているも
のとする。

まず、人間（操作者）９はその両眼９Ｌ、９Ｒの視野に
ワーク３とその近辺を収める。なお、前述のように、視
野内の状態はすべて立体的に把握される。次に、操作者
９は左手で操作レバー６３Ｌを、右手で操作レバー６３
Ｒを操作し、微動テーブル２および微動ロボット４を駆
動し、ワーク３とツール４２を、加工を行なうのに都合
のよい位置へ移動させる。

この移動は次のようにして実行される。例えば、ワーク
３を視野の中央において加工したい場合で、ワーク３が
一方に片寄っているとき、操作者９はワーク３を観察し
ながら操作レバー６３Ｌを、ワーク３を移動させたい方
向、即ち視野の中央に対応する方向に操作する。そうす
ると、操作機構６Ｌの荷重センサ６２Ｌからは操作レバ
ー６３Ｌの操作方向および操作量に応じた信号が出力さ
れる。

制御装置８はこの信号を人力し、微動機構２１を当該信
号と同一方向でかつこれに比例した微小量だけ変位させ
るための信号を演算により作成し、この作成された信号
を駆動装置５Ｌに出力する。

駆動装置５Ｌはこれに応じた電圧を発生させ、この電圧
を微動機構２１の圧電素子に出力し、この結果微動機構
２１が駆動されてその所望の微小量の変位を得ることが
できる。この変位は、微動機構２１に設けられた変位量
検出手段により検出された変位を制御装置８に人力し、
これに基づき制御装置８でフィードバック制御を行なう
ことにより高精度で実施することができる。このような
微動機構２１の駆動の状態を操作者９側からみると、数
万倍以上に拡大されて日常生活において取扱われる物体
と同じ範ちゅうに属する大きさにみえるワーク３を、自
己が操作した操作レバーの操作方向と同一方向にその操
作量と同じ距離だけ動かした状態として立体的に把握す
ることになる。これは、操作者９がミクロンオーダー、
サブミクロンオーダーの領域での変位作業を、操作者９
の日常生活の領域での移動作業と同一感覚で行なうこと
ができることを意味する。以下の作業は、すべてこのよ
うな感覚で実施される。

上記ワーク３の所定位置への変位後、操作者９は操作レ
バー６３Ｒを操作し、同様の方法でアーム４１を変位さ
せてツール４２をワーク３に接近させてゆく。ツール４
２がワーク３、即ちＩＣの剥離したい個所に接触すると
、その接触によりワーク３とツール４２との間に微小な
反力が発生する。この反力のうち、ワーク３に生じた反
力は荷重センサ２２により検出され、又、ツール４２に
生じた反力は荷重センサ４３により検出され、それぞれ
制御装置８に入力される。制御装置８では、これら検出
された反力の方向と大きさに応じて、駆動装置７Ｌ、７
Ｒに信号を出力し、駆動装置７Ｌ、７Ｒはこの信号に応
じて操作機構６Ｌ、６Ｒに内蔵されている駆動機構６１
Ｌ、６１Ｒを駆動するための電圧を発生する。これによ
り、操作レバー６３Ｌ、６３Ｒは前記接触反力に応じた
力が操作者の手との間に発生するまで駆動機構６１Ｌ。

６１Ｒにより微小に変位させられ、その結果、この力は
操作者９の手に感知されることになる。これを、例えば
第２図に示す操作機構６Ｌについてみると、荷重センサ
２２で検出された荷重が第２図に示す矢印方向のモーメ
ントであった場合、駆動装置７Ｌからの信号によりモー
タ６１８が回転し、その回転は操作レバー６３Ｌを矢印
方向に回動させ、この回動は、操作レバー６３Ｌが把持
されている手との間に、前記モーメントに対応するモー
メントが発生したとき停止する。このような動作は時々
刻々高速で行なわれるので、人間の手は当該対応するモ
ーメントを受は続けることになる。第２図の矢印に示す
力の場合も、モータ１３が駆動され、同様にして手に力
を受ける。操作機との間に生じる反力は極微小な力であ
るが、制御装置８は当該反力を、操作者９が通常生活に
おいて物体を左手に持ち、右手にプローブを持って両者
を接触させたときに左手および右手に感じるのと同様の
反力を発生させる信号に変換し、この信号を各駆動装置
７Ｌ、７Ｒに出力する。したがって、操作者９はワーク
３（テーブル２）とツール４２との接触を視覚および触
覚により通常生活におけると同じように知覚することが
できる。

ツール４２をワーク３の剥離個所に接触させた後、操作
者９は操作レバー６３Ｌ、６３Ｒを操作して積層の剥離
作業を行なう。この剥離作業の間、仮にワーク３を固定
した状態でツール４２を操作して剥離を行なうものとす
ると、操作レバー６３Ｌは操作者からは動かされず、操
作レバー６３Ｒのみ操作されることになり、この操作レ
バー６３Ｒの操作はこれに応じたツール４２の動作とな
って現われる。そして、ワーク３に生じる反力は操作レ
バー６３Ｌを動かそうとする当該反力に応じた力となっ
て左手に伝わり、ワーク３を固定させておくための左手
の力が必要となり、又、ツール４２に生じる反力はこれ
に応じた操作レバー６３Ｒの抵抗力となって右手に伝わ
る。即ち、この剥離作業の間、操作者９は通常生活にお
いて剥離作業を行なうのと同様の感覚（視覚および触覚
）で作業を行なうことになる。この剥離作業は、勿論、
ワーク３を動かすことによっても可能であり、又、ワー
ク３とツール４２の両者を動かすことによっても可能で
ある。

剥離作業が終了して、チエツクの対象となる層が露出さ
れると、今度はツール４２をこの層に接触させる。この
接触もさきの接触と同様、視覚および触覚で確認できる
。ツール４２　（プローブ）に測定器を接続し、ワーク
３（ＩＣ）に所定の電圧、電流を供給することにより、
当該露出された層の電圧、電流の状態をチエツクするこ
とができる。

このように、本実施例では、双眼の走査型電子顕微鏡の
真空室に微動テーブルと微動ロボットとを設置し、外部
の操作機構により微動テーブルと微動ロボットとを操作
して作業を行なうようにしたので、ワークやツールを通
常生活におけるスケールと同じ大きさに立体的に拡大し
て観察しながら作業を実施することができ、これにより
ミクロンオーダー、サブミクロンオーダーの掻微細な作
業を容易に行なうことができる。又、微動テーブルおよ
び微動ロボットに生じる反力を操作機構に伝達する力の
伝達系を構成したので、作業を適切な力でかつ確実に行
なうことができる。さらに、微動テーブルおよび微動ロ
ボットを操作する操作機構を各別に設け、かつ、上記力
の伝達系もこれに対応して各別に設けたので、恰かも通
常の生活において、ワークを一方の手に、ツールヲ他方
ノ手に持って作業を行なう場合の感覚と同じ感覚でミク
ロンオーダー、サブミクロンオーダーの作業を行なうこ
とができ、作業の容易性は著しく増大する。

なお、上記実施例の説明では、ＩＣの剥離およびその電
圧、Ｔ！１流のチエツクの作業を例示して説明したが、
さきに例示した、その他のミクロンオーダー又はサブミ
クロンオーダーの作業に適用することができるのは明ら
かである。又、反力の検出に対して荷重センサは必ずし
も必要ではなく、微動テーブルおよび微動ロボットに対
する駆動装置の出力およびその結果の両者の変位に基づ
いて制御装置により当該反力を演算することができる。

さらに、微動テーブルおよび微動ロボットの自由度は作
業の８様に応じて任意に選定することができる。

なお又、上記実施例の説明では、ワーク等の拡大を立体
的に行ない、かつ、ワーク等の反力を伝達する例につい
て説明したが、これらは必ずしも必要ではない。その場
合、ワークとツールの接触をｆ！認することはできない
が、この確認は、ワークの傷や加工屑の生成が目視され
ること、又は測定器で電圧、電流が測定されること等に
よりなし得る。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、拡大観察装置の真空容
器内に台と処理機構とを設け、台の上に試料を載置し、
第１の駆動制御系と第２の駆動制御系を作動させて処理
機構により試料を処理するようにしたので、ミクロンオ
ーダー又はサブミクロンオーダーの作業を容易に実施す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るマイクロマニピュレータ
の系統図、第２図はジョイスティックレバーの概略構成
の説明図である。 １・・・・・・・・・双眼の走査型電子顕微鏡、２・・
・・・・・・・微動テーブル、３・・・・・・・・・ワ
ーク、４・・・・・・・・・微動ロボット、４２・・・
・・・・・・ツール、５Ｌ、５Ｒ，７Ｌ、７Ｒ・・・・
・・・・・駆動装置、６Ｌ、６Ｒ・・・・・・・・・操
作機構、８・・・・・・・・・制御装置。 第２図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）微小な試料に対して所要の処理を行なうマニピュ
   レータにおいて、真空容器およびこの真空容器内に置か
   れた前記試料を拡大視する機構より成る拡大観察装置と
   、前記真空容器内に設けられるとともに複数の自由度を
   有しかつ前記試料を載置する台と、前記真空容器内に設
   けられるとともに前記試料の処理を行なう処理機構と、
   前記台を駆動する第１の駆動制御系と、前記処理機構を
   駆動する第２の駆動制御系とを備えたことを特徴とする
   マイクロマニピュレータ。
2. （２）特許請求の範囲第（１）項において、前記拡大観
   察装置は走査型電子顕微鏡であることを特徴とするマイ
   クロマニピュレータ
3. （３）特許請求の範囲第（２）項において、前記走査型
   電子顕微鏡は、双眼であることを特徴とするマイクロマ
   ニピュレータ。
4. （４）特許請求の範囲第（１）項において、前記台は、
   複数自由度を有する微動機構および複数軸の荷重センサ
   で構成されていることを特徴とするマイクロマニピュレ
   ータ。
5. （５）特許請求の範囲第（１）項において、前記処理機
   構は、前記試料に対して処理を行なうツールと、このツ
   ールを駆動するアクチュエータと前記ツールの反力を検
   出する荷重センサとで構成されていることを特徴とする
   マイクロマニピュレータ
6. （６）特許請求の範囲第（１）項において、前記第１の
   駆動制御系および第２の駆動制御系は、前記試料と前記
   処理機構との間に発生した反力に応じた力情報の授受を
   も行なうことを特徴とするマイクロマニピュレータ。