JPH032604A - 徴小位置決め装置 - Google Patents

徴小位置決め装置

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JPH032604A
JPH032604A JP13574889A JP13574889A JPH032604A JP H032604 A JPH032604 A JP H032604A JP 13574889 A JP13574889 A JP 13574889A JP 13574889 A JP13574889 A JP 13574889A JP H032604 A JPH032604 A JP H032604A
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micro
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JP13574889A
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Toshimitsu Kawase
俊光 川瀬
Toshihiko Miyazaki
俊彦 宮崎
Takahiro Oguchi
小口 高弘
Akihiko Yamano
明彦 山野
Hiroyasu Nose
博康 能瀬
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Canon Inc
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Canon Inc
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/44Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms
    • B23Q1/50Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with rotating pairs only, the rotating pairs being the first two elements of the mechanism
    • B23Q1/52Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with rotating pairs only, the rotating pairs being the first two elements of the mechanism a single rotating pair

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

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、走査型トンネル顕微鏡などの各種精密機器に
使用される微小位置決め装置に関する。
[従来の技術] 近年、原子、分子オーダーの分解能を有する走査型トン
ネル顕微鏡が開発され、表面構造解析、表面粗さ計測な
どに応用されている。
この走査トンネル顕微鏡は、導電性試料と導電性探針の
間に電圧を印加し、lnm程度の距離まで接近させると
トンネル電流が流れ、その距離によりトンネル電流が指
数関数的に変化することを利用したものである。その探
針として、先端を電解研摩等で非常に先鋭に仕上げたも
のを用いて導電性物質からなる試料表面との距離を一定
に保ち2次元的に走査すると表面の原子配列または、凹
凸の形状によりトンネル電流が変化し、表面像を得るこ
とができる(r固体物理J  Vo ρ22、No、3
 1987  PPI 76−186)。
従来、走査型トンネル顕微鏡(以下、STMと略す)を
初めとする、ナノメートル(nm)オーダーの微小位置
決めを必要とする装置には、圧電素子をアクチュエータ
ーとし、試料と探針間の距離を数nmまで接近させる構
成をとるものが数多く用いられている。イ列えば、アイ
・ビー・エムジャーナル リサーチ デベロプメント(
Vou30  No、4のベージ356)には、X、Y
Z独立の圧電素子だけで構成されたトライボ・νF型ア
クチュエーターによる微小位置決め機構を提案している
又、圧電素子以外の装置としては、特開昭63−197
45号公報に開示されているように、板ばねをマイクロ
メータで押す機構をもつものがある。その構成を第5図
に記載する。測定すべきサンプル33はサンプルホルダ
32に取付けられる。サンプルホルダ32は部材23お
よび板はね20を介して基板37上に設けられる。サン
プル33の下面の基板37上には支柱36を介して探針
を構成するトンネルチップ34が設けられる。
サンプル33はマイクロメータ28によりトンネルチッ
プ34に対し微動駆動され位置決めされる。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上記従来の圧電素子をアクチュエーター
とする微小位置決めでは、動作性能は圧電素子の性能に
よるところが大きく、変位量(可動範囲)が数マイクロ
であり、圧電素子を積層したものでも10マイクロ程度
が限界である。又、従来のマイクロメータと板ばねを用
いた微小位置決めにおいては、可動範囲は、マイクロか
らミリオーダーまで大きくとれるが、板ばねは弾性変形
を利用したものであり剛性が小さく、振動の影響を受け
やすいためSTM等に用いるためには好適なものとは言
えない。STMにおいては、試料と探針間の距離は数ナ
ノメートルまで接近していて、外部振動の影響が、装置
全体に大きく関与する。従ってこのような振動は極力避
けなければならない。外部振動に強い装置を求める場合
、ロックを行なうことが考えられるが装置の簡略化や繰
作性向上の観点からは、複雑なロック墨構なしでかつ外
部振動に強い機構が望まれる。
[課題を解決するための手段および作用]本発明では、
上記問題点を解決するために以下の技術的手段を設けた
本発明の位置決め手段は、摺動面を有し、かつ試料が固
定可能な可動台を固定台基準面に抑圧固定させ、可動台
を基準面に沿って回転移動させる方式である。即ち本発
明は、可動台を固定台に押圧させることにより、可動台
の剛性を高め、外部振動に強い微小位置決め装置の提供
が可能である。また、可動台を移動させる手段に限定が
ないので、目的に応じた移動手段を設けることが可能と
なり、装置の幅広い通用が行なわれる。
[実施例] 以下、図面を用いて本発明による、微小位置決め装置の
構成及びその動作機構について詳細に説明する。
第1図(a)及び(b)は、各々本発明に係る微小位置
決め装置の全体斜視図及び分解斜視図を表わす図面であ
る。(a)図において、1は位置決めすべき対象物又は
試料台となる可動ブロック、2及び3は可動ブロックの
フレーム、4は可動ブロックを動かすためのマイクロメ
ータヘッド、14は試料、15はSTMTM116は探
針15をX、Y、Z方向に変位させるためのチューブ型
圧電素子である。(b)図において、5は可動ブロック
1を支持しかつ軸受となる支持回転軸、6及び7は軸受
、8は軸受7の軸受支持棒、9及び10は可動ブロック
1を押圧するためのねじ、11及び12は可動ブロック
1を押圧するためのはね、13は可動ブロック1とフレ
ーム2が接触している摺動面である。
本実施例は、STMの試料と探針間距離を接近させるた
めの、くわしくは、試料と探針間にトンネル電流が流れ
る距11iff(1ナノメートル程度)まで接近させる
ための微小位置決め装置である。従って、可動ブロック
l上には、試料14が搭載され、その上部には、探針1
5とそれを支持し、走査するためのチューブ型圧電素子
16が設置されている。探針15と試料14間距離を、
あらかじめ、数100ナノメートルの距離まで光学顕微
鏡等で観察しながら接近させである。
第1図(a)のマイクロメータヘッド4を回転させると
、回転軸5を中心として可動ブロック1は、上下動の変
位力を受ける。ここで、可動ブロック1は、厳密には回
転軸5を中心とする円弧運動を描くが、本実施例の目的
に関しては、100ナノメートル以下の移動距離である
ため可動ブロック1は、上下方向の直線的運動を行なう
と考えることができる。
第2図および第3図は、第1図(a)のA−A断面図及
びB−B断面図であり、これを参照して、さらに、詳細
に本発明の微動機構について説明を行なう。
第2図において可動ブロック1は、回転軸5によって支
持されている。回転軸5は、フレーム2に対し、ねじ1
7により、固定されている。可動ブロック1と回転軸5
は、軸受6によりガイドされ、回転軸5と可動ブロック
1間の摩擦を減少させかつ、可動ブロック1の回転をス
ムーズに行なわせるための構成をとっている。また、可
動ブロック1とフレーム2の接触力は軸受6を、押圧板
18で押す力の強弱により調整自在である。可動ブロッ
ク1とフレーム2の摺動面13は、第1図(b)に示す
ように、可動ブロック1の回転@b5まわつとマイクロ
メータ4で押圧する位置に設けられており、他の部分は
、フレーム2と接触しないように逃げている。なお摺動
面の形状は、これに限定するものではない。これは、摩
擦を減らし回転をスムーズに行なわせるための手段であ
る。
尚、回転軸5まわり以外の摺動面と、対抗した位置に抑
圧はね12が設・けられている。押圧力は、ねし9によ
り調整自在である。軸受7は、可動ブロック1の運動方
向を拘束しないように設けられたものであり、なんら軸
受に限定するものではない。例えば、金属ボールでもよ
い。
第3図において、マイクロメータヘッド4と可動ブロッ
ク1をはさんだ対向位置に押圧ばね11と押圧調整ねじ
10が設けられている。ばね11の、ばね弾性力は、摺
動面面積と、接触力から計算される可動ブロックlとフ
レーム2間の摩擦力よりも犬ぎく設定される。
回転@5とマイクロメータヘッド4による押圧位置まで
の距11tItと、可動ブロック1の中心から回転軸5
までの距1lil!Sの比により、縮小又は拡大率の割
合が、自由に設定できる。I>Sならば、縮小機構とな
り、u<Sならば、拡大機構となる。ただし、回転軸5
の半径は!、Sのいずれよりも小さくなければならない
。本実施例では、縮小機構の構成をとっている。以上の
機構をもつ微小位置決め装置をSTMに用いたところ、
試料と探針間距離をトンネル電流が流れる距離まで接近
し、その位置で保持できた。また、STMの位置決めに
おいては、試料14/探針15間距離が数ナノメートル
と接近するため、初期接近時及び機械的援和が終了する
まで、あるいは探針で試料上を2次元走査する際には、
試料14と探針15間距離を一定に保つための電気的フ
ィードバックを与えることが必要である。第4図に、本
実施例の位置決め装置に電気的ブロック図を付加したも
のを示す。同図において、41は試料14にバイアス電
圧を印加するためのバイアス電圧、42は試料14と探
針15が数ナノメートルの距離まで近づいた時に流れる
トンネル電流を検出するためのトンネル電流検出回路、
43はトンネル電流検出回路42からの情報を元にして
試料14と探針15間の距離が所望即動になるように圧
電素子16にフィードバックを与えるための試料/探針
間距離制御回路である。このように、電気的フィードバ
ックを与えることにより、初期接近時における試料と探
針の接触を回避し、機械的緩和によるドリフトや2次元
操作を行なった場合の試料と探針との接触も回避で計る
。又、探針で試料上を2次元走査する時、圧電素子に制
御回路42が与える制御信号を不図示のモニタ手段でモ
ニタする事により試料14の2次元像が得られ凹凸の検
出等かできる。位置決めの為のマイクロメータヘッドの
回転は、手動でも、また、ステッピングモーター等を用
いて機械的に回転力を与えることも可能である。
次に本発明の他の実施例について説明する。
第3図に示すマイクロメータヘッド4とはね11を用い
た押圧機構以外の方法について第4図を用いて説明する
本実施例は、数マイクロオーダーの微小位置決めを行う
際に使用した。積層型圧電PZT42と43に正と負の
重圧を同時に印加すると、可動ブロック1は、変位力を
受ける。また、積層型圧電PZT43と42に前記電圧
極性と逆に、つまり負と正に電圧を同時に印加すると、
可動ブロックは前記変位方向と逆の変位力を受ける。
上記積層型PZTを使用した結果、数マイクロオーダー
の微小位置決めを精度良く行なうことか可能であった。
なお本明細書内におけるr感度を下げる」は出力を減少
させる意味であり、光電子増倍管の光電子増幅率を下げ
る等して受光光量に対する出力の割合を減少させること
、光電子増倍管の受光部のmlに減光手段(例えばフィ
ルター)を挿入する等して受光光を減少させるあるいは
遮光すること、あるいはレチクルに入射する光そのもの
を減光あるいは遮光することが含まれるものである。
[発明の効果] 以上の機構をもつ微小位置決め装置により、外部振動に
十分耐える剛性の高い装置が達成される。それに伴い数
10〜数100ナノメートルの微小位置決めを精度よく
行うことができ、装置の信頼性の向上に大ぎな効果があ
る。本発明では、摩擦ロックを採用しているため、機械
的緩和が終了した時点で静止状態を保つことが可能であ
り、その際に振動を与えにくく探針と試料との接触を防
ぐ装置の操作性もよく、また、複雑なロック機構を必要
としない、高性能・高剛性な装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)及び(b)は、各々本発明を実施した微小
位置決め装置の組立状態の斜視図及び、分解斜視図、第
2図は、第1図(a)のA−A断面図、第3図は、第1
図(b)のB−B断面図、第4図は、本発明の他の実施
例の構成図、第5図は従来の微小位置決め装置の構成図
である。 1;可動ブロック、 2.3:フレーム、 4;マイクロメータヘッド、 5;軸、 6.7;軸受、 8:@受支持棒、 q、to ;ねじ、 11.12.ばね、 13;摺動面、 14;試料、 15:探針、 16:チューブ型圧電素子、 42.43:圧1jPZT。 (A−A前面口) 第 図 第 図 手続補正書(自発) 平成元年11月16日

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)基準面を有する固定部材と、該基準面に接触する
    摺動面を有し且つ位置決めすべき試料が搭載される可動
    部材と、該可動部材を固定部材に対し回転可能に支承す
    る前記基準面に垂直な回転軸と、前記可動部材の摺動面
    を固定部材の基準面側に押圧する押圧手段と、前記可動
    部材を前記軸回りに回転移動させるための駆動手段とを
    備えたことを特徴とする微小位置決め装置。
  2. (2)前記駆動手段は前記可動部材の前記摺動面に垂直
    な外周面のうち少なくとも一面を押圧し、前記試料は該
    可動部材の外周面の別の面に搭載されたことを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項記載の微小位置決め装置。
  3. (3)前記駆動手段はマイクロメータヘッドからなるこ
    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
    め装置。
  4. (4)前記駆動手段は圧電素子からなることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項記載の微小位置決め装置。
  5. (5)固定部材の基準面と接する摺動面を有する試料が
    固定可能な可動部材と、該可動部材と該固定部材とを、
    前記基準面に直交する方向に回転支持する軸と、該軸上
    に該可動部材摺動面を基準面に押圧する機構と、該可動
    部を基準面に沿って回転移動させる押圧機構とを備えた
    微小位置決め装置。
  6. (6)基準面を有する固定部材と、該基準面に接触する
    摺動面を有し且つ位置決めすべき試料が搭載される可動
    部材と、該可動部材に搭載された試料に対向し且つ試料
    との間にトンネル電流を流す事が可能な位置に配置され
    る探針と、前記可動部材に搭載された試料と前記探針と
    の間のトンネル電流を検出する手段と、前記可動部材の
    摺動面を固定部材の基準面側に押圧する押圧手段と、固
    定部材に対し可動部材を移動させるための駆動手段とを
    備えた事を特徴とする微小位置決め装置。
JP13574889A 1989-05-31 1989-05-31 徴小位置決め装置 Pending JPH032604A (ja)

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JP (1) JPH032604A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002522900A (ja) * 1998-08-04 2002-07-23 マイクリオン コーポレーション 被加工物制振装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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