JPH0727982A

JPH0727982A - マイクロＸＹθステージ

Info

Publication number: JPH0727982A
Application number: JP17450693A
Authority: JP
Inventors: Shinji Hara; 臣司原; Reizo Kaneko; 礼三金子
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1993-07-14
Filing date: 1993-07-14
Publication date: 1995-01-31

Abstract

(57)【要約】【目的】被測定試料の観測対象を顕微鏡下に正確にか
つ任意の向きに設定することが可能で、かつ、ＳＰＭに
おいては、そのまま試料を走査して計測動作に入ること
ができるマイクロＸＹθステージの提供を目的とする。【構成】ベース部材１、ベース部材１上に突設された
複数のマイクロアクチュエータ21,22,23、およびアクチ
ュエータ21,22,23の上に載置された試料台３を備えたマ
イクロＸＹθステージにおいて、各アクチュエータ21,2
2,23の外表面に４分割された外側電極N,E,W,S を設け、
各アクチュエータ21,22,23の内部に設けた内側電極Ｇと
の間に電圧を印加することにより、各アクチュエータ2
1,22,23に２軸に曲げ変形させると共に、各アクチュエ
ータ21,22,23のベース１からの高さは一致させ、これら
のアクチュエータ21,22,23を、ベース部材１上に、正三
角形の概略頂点に位置するように配置して構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は測定対象の微細な表面形
状を観察あるいは計測するために最近開発され、多用さ
れるようになったＳＴＭやＡＦＭ等、いわゆるスキャン
ニング・プローブ・マイクロスコープ（ＳＰＭ）の試料
微動機構、および従来の光学顕微鏡の資料移動用ＸＹθ
ステージに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の光学顕微鏡では、微細なネジを用
いたＸＹステージと簡易な回転板を使用して、手動操作
により測定対象を移動させている。ところが、このよう
な手動操作によって測定対象を移動させる方法は精度が
悪く、測定対象を微動させにくいという問題がある。

【０００３】これに対して、モータ駆動のＸＹステージ
や回転ステージを用いれば、精度の点は改善できるが、
装置が大型化し、装置が高価になってしまう。

【０００４】そこで、ＳＰＭにおいて、ＸＹ面内の任意
の方向に試料を移動することが可能なように、円筒形圧
電アクチュエータを用いた試料台が提案されている（例
えば、特開平３−２０８２４６号公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
３−２０８２４６号公報に開示された試料台では、ＸＹ
面内の任意の方向に試料を移動することは可能である
が、試料をＸＹ面内で回転操作することは不可能で、Ｘ
Ｙ方向と回転方向に任意に試料を微動できる機構はなか
った。

【０００６】一方、この円筒形圧電アクチュエータを用
いた試料台に、従来のモータ駆動の回転ステージを組み
合わせれば試料を回転させることが可能であるが、モー
タ駆動の回転ステージはそれ自体で寸法が大きく、ＸＹ
方向の移動用及び回転用の２段のアクチュエータを組み
合わせるので、アクチュエータの小型化が不可能で、か
つ、高精度の表面形状測定を機能とするＳＰＭでは、外
乱に対する機構の合成が不足する等の問題も生じる。

【０００７】すなわち、従来の形状観測、測定装置にお
ける試料微動機構には、手動移動式の機構では微動精
度が悪い、精度の高い機構は装置が大型化し、装置が
高価となる、円筒形圧電アクチュエータを用いた微動
機構は回転機能がない、等の問題点がある。

【０００８】本発明は、上記課題を解消するためになさ
れたものであり、被測定試料の観測対象を顕微鏡下に正
確にかつ任意の向きに設定することが可能で、かつ、Ｓ
ＰＭにおいては、そのまま試料を走査して計測動作に入
ることができるマイクロＸＹθステージを提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明のマイクロＸＹθステージは、ベース部材、このベー
ス部材の上に突設された複数のマイクロアクチュエー
タ、およびこのマイクロアクチュエータの上に載置され
た試料台とから成るマイクロＸＹθステージであって、
前記各マイクロアクチュエータがその外表面に４分割さ
れた外側電極を有し、各マイクロアクチュエータの内部
に設けられた内側電極との間に電圧を印加することによ
り、２軸に曲げ変形する円筒形圧電アクチュエータとし
て構成されると共に、前記各マイクロアクチュエータの
前記ベースからの高さは一致させ、これらのマイクロア
クチュエータを、前記ベース部材の上に、正三角形の概
略頂点に位置するように配置したことを特徴としてい
る。

【００１０】

【作用】本発明のマイクロＸＹθステージによれば、ベ
ース部材上の正三角形の概略頂点位置に、高さの等しい
３本のマイクロアクチュエータが配置されており、その
上に試料台が載せられている。そして、各マイクロアク
チュエータは、その外表面に４分割された電極を有し、
内側電極との間に電圧を印加することにより２軸に曲げ
変形するので、これら３本のマイクロアクチュエータの
内側電極と、各マイクロアクチュエータの外側電極とを
選んで電圧を印加させることにより、試料台の上の試料
に、任意の方向の直線移動および回転移動をさせること
が可能となる。

【００１１】

【実施例】以下添付図面を用いて本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１２】図１(a) は本発明の第１の実施例のマイク
ロＸＹθステージ１０の構成を示すものである。図１
(a) に示すマイクロＸＹθステージ１０は、ベース１、
符号２１，２２，２３で示す３本の円筒形圧電アクチュ
エータ２、および試料台３とから構成されている。３本
の円筒形圧電アクチュエータ２１，２２，２３はほぼ等
しい高さを備え、ベース１の上に突設されている。各ア
クチュエータ２１，２２，２３の中心Ｏ₁，Ｏ₂，Ｏ₃
は、図１(b) に示すように、ほぼ正三角形の頂点をな
す。

【００１３】試料台３は各アクチュエータ２１，２２，
２３の中心Ｏ₁，Ｏ₂，Ｏ₃を含む大きさが必要で、そ
の形状は四角でも丸でも構わない。また、試料５は試料
台３に置かれるか、固定される。そして、各アクチュエ
ータ２１，２２，２３の外周部には４つの外部電極Ｎ，
Ｅ，Ｗ，Ｓが設けられており、これらの４つの外部電極
Ｎ，Ｅ，Ｗ，Ｓは、図１(b) に示すように、ＸＹ方向に
向いている（外部電極Ｅ，ＷがＸ方向に対向して設けら
れており、外部電極Ｎ，ＳがＹ方向に対向して設けられ
ている）。これは一例であり、４つの外部電極Ｎ，Ｅ，
Ｗ，Ｓは任意の方向に配置することが可能であるが、回
転動作をさせる場合には図１(b) に示す配置が回路構成
が簡単で優れている。

【００１４】ここで、図１に示した円筒形圧電アクチュ
エータ２に使用するマイクロステップ機構の構造と駆動
原理について図２，図３を用いて説明する。マイクロス
テップ機構は、図２(a) ，(b) に示すように、円筒形圧
電アクチュエータ２の円周上のＸ、Ｙ２方向に対向する
外部電極（例えば、外部電極Ｎ，Ｅ，Ｗ，Ｓ）を、内側
に接地用の内部電極Ｇを形成した円筒形圧電素子４と、
可動端側（自由端側）に試料台３を固定した簡単な構造
である。

【００１５】マイクロステップ機構は、図３(a) に示す
ように、この円筒形圧電アクチュエータ２をベース１に
固定し、一対の外部電極に図２(c) に示すような大きな
余弦波状パルス電圧を印加する。すると、円筒形圧電素
子４は、例えば、負電圧が加わった方向に図３(b) に示
すように急速に曲げ変形するので、試料台３に載せられ
た試料５は摩擦力により移動し始めるが、試料５の質量
のために試料台３との間に滑りが起こり、ずれながら前
進する。この後、一対の外部電極に印加される電圧が低
下し、円筒形圧電素子４が元に戻る瞬間には、試料５は
試料台３との摩擦に抗してまだ前進するが、慣性力が摩
擦力より小さくなった時点で、図３(c)に示すように、
円筒形圧電素子４と共に後退する。

【００１６】従って、試料５は結果的には、図３(d) に
示すように、試料台３に対して前進方向で少しずれた位
置で停止することになる。よって、以上の動作を連続的
に行えば、試料５を試料台３に対して無限に移動でき
る。そして、Ｘ及びＹ方向に位置する外部電極の印加電
圧比を変えることにより、試料台３のＸＹ面内の任意の
方向に試料５を移動することができる。

【００１７】次に、以上のように動作するマイクロステ
ップ機構を備えた３本の円筒形圧電アクチュエータ２を
有する図１の実施例のマイクロＸＹθステージ１０の動
作について説明する。

【００１８】各アクチュエータ２１，２２，２３にはほ
ぼ等しい大きさの余弦波パルスを印加する。試料台３の
上の試料５をＸＹ方向へ直線運動させるときの余弦波パ
ルスの電圧配分（基準電圧に対する比）を表１に示す。
また、試料台３の上の試料５を回転運動をさせるときの
余弦波パルスの電圧配分（基準電圧に対する比）を表２
に示す。

【００１９】なお、表１，表２には各アクチュエータ２
１，２２，２３は、ＰＺＴ２１，２２，２３として示し
てある。そして、基準電圧としては、長さ４０ｍｍ、外
径１０ｍｍ、内径８ｍｍの円筒形圧電アクチュエータ２
の場合、５０Ｖから２００Ｖである。

【００２０】

【表１】

【表２】表１から分かるように、試料台３の上の試料５をＸＹ方
向へ直線運動させる場合には、図１(b) に示す外部電極
Ｎ，Ｅ，Ｗ，Ｓの配置では、明らかにＸ方向に駆動する
場合には外部電極Ｅ，Ｗのみに、Ｙ方向に駆動するとき
には外部電極Ｎ，Ｓのみに電圧を印加すれば良い。ま
た、表２から分かるように、試料台３の上の試料５を回
転運動をさせる場合には、各アクチュエータ２１，２
２，２３の外部電極Ｎ，Ｅ，Ｗ，Ｓに表２に示す電圧比
で基準電圧を印加すれば良い。

【００２１】表２に示した比の値の場合、各アクチュエ
ータ２１，２２，２３は、その中心Ｏ₁，Ｏ₂，Ｏ₃が
形成する円（中心Ｏ₁，Ｏ₂，Ｏ₃を通る円）の接線方
向に急速に変形する。その結果、試料５はこの円のほぼ
中心の周りに回転移動する。表２に示した電圧比の発生
方法は、抵抗の組合せによりハード的に行うことも、デ
ィジタル制御によりソフト的に発生させた電圧により行
うことも可能で、その方法は問わない。

【００２２】試料台３の上に置かれた、または固定され
た試料５は、前述の電圧の印加に伴って直線または回転
移動する。そして、直線駆動時に、ジョイスティックを
用いてジョイスティックのレバーの向きを変えて各アク
チュエータ２１，２２，２３の外部電極Ｎ，Ｅ，Ｗ，Ｓ
に配分される電圧比を変えれば、任意の方向にアクチュ
エータ２１，２２，２３を変形させられるので、試料５
を任意の方向にステップ移動させることができる。

【００２３】また、レバーの傾きを制御すれば、基準電
圧を０から圧電アクチュエータ２１，２２，２３に許容
される電圧、例えば、２００Ｖまで変えられ、各ステッ
プ移動量を制御することにより、試料５のステップ移動
速度を制御できる。更に、回転駆動時には、表２に示す
電圧配分を抵抗の組合せで構成し、ジョイスティックの
レバーの傾き方向に対応させれば、傾ける方向で回転方
向を、また、傾き角を基準電圧に対応させれば回転速度
をそれぞれ制御できる。

【００２４】なお、前述の方法で試料台３を駆動する
と、各アクチュエータ２１，２２，２３の端面と試料台
３との摩擦係数が一定でない限り、回転駆動時の回転中
心が移動したり、直線駆動時に非直線的移動をしたりす
る。

【００２５】これを解決する方法の１つとして、各アク
チュエータ２１，２２，２３の端面に、図４に示すよう
に、駆動面部材６を取り付けることが有効である。この
駆動面部材６は表面の摩擦係数を下げ、かつ均一化する
ため、例えば、テフロンコート処理が施されている。ま
た、摩擦駆動における駆動点を明確にするため、駆動面
部材６には、曲率半径Ｒが１ｍ程度の球面加工が施さ
れ、その頂点は各アクチュエータ２１，２２，２３の円
筒の中心とほぼ一致させている。

【００２６】これより、試料台３を回転駆動させた時の
回転中心の移動や、直線駆動時の非直線的な移動を殆ど
避けることができ、万一、回転中心が移動しても、回転
移動後にＸＹ方向への移動により位置を補正することが
できる。

【００２７】ところで、ＳＰＭ（走査型プローブ顕微
鏡）等では、μｍオーダの領域を観察対象とすることが
日常的に行われている。この場合には、回転駆動時の回
転中心の移動が大きな問題となる。

【００２８】図５はこのような課題に対処する本発明の
第２の実施例のマイクロＸＹθステージ２０の構成を示
すものであり、図１で説明したマイクロＸＹθステージ
１０と同じ構成部材には同じ符号が付してある。

【００２９】図５(a) に示す実施例のマイクロＸＹθス
テージ２０では、円筒形圧電アクチュエータ２（３つの
アクチュエータ２１，２２，２３）、および試料台３の
構成はほぼ同じであるが、ベース１のみが第１の実施例
よりも大きく形成されている。そして、ベース１の拡大
部１１には、ばね取り付け台１２が突設されており、こ
のばね取り付け台１２の上端部にはばね１３が固定され
ている。

【００３０】ばね１３の自由端にはダイヤモンドで形成
された針１４が接着等により取り付けられており、この
針１４の先端部は試料台３の下面の３つのアクチュエー
タ２１，２２，２３で囲まれる領域の中に位置してい
る。また、ばね１３の下面のベース１の上にはこのばね
１３を吸引するためのソレノイド１５が設けられてい
る。そして、このソレノイド１５に印加する電圧を取り
去ると、ばね１３がソレノイド１５側に移動し、針１４
が試料台３の下面から離れる。逆に、ソレノイド１５に
電圧を印加することにより、ばね１３がソレノイド１５
に押され、針１４が試料台３の下面に接触する。このよ
うに、ソレノイド１５はばね１３を上下させ、針１４を
試料台３に接触させたり、離したりする。針１４の試料
台３の下面への接触点Ｐは、図５(b) に示す中心Ｏ₁，
Ｏ₂，Ｏ₃が形成する円のほぼ中心であることが望まし
い。

【００３１】以上より、試料台３の回転駆動時には、ソ
レノイド１５に電圧を印加し、針１４を試料台３に接触
させると、各アクチュエータ２１，２２，２３の中心Ｏ
₁，Ｏ₂，Ｏ₃における摩擦係数の不均一に伴う駆動力
のばらつきが、各アクチュエータ２１，２２，２３にあ
っても、その値がある一定値以下であれば、試料台３は
針１４の接触点Ｐを中心にして回転する。針１４の先端
を１μｍ程度に先鋭化しておけば、回転中心の移動をμ
ｍオーダに抑えることができる。

【００３２】図６は回転動作時の試料台３の表面のある
点の軌跡を、高倍率顕微鏡のブラウン管上で追跡したも
のである。試料台３の重量Ｍが１３２ｍＮの場合で、針
１４の押し付け荷重ｆが７．１ｍＮの場合には、点の軌
跡はほぼ円形をなし、回転中心Ｃは一定範囲にあること
が分かる。しかし、針１４の押し付け荷重が５．３ｍＮ
以下の場合には、試料台３の回転中心が定まらず、回転
中心が数１００μｍ以上移動している。実験によれば、
試料台３の重量の６％程度の荷重を針１４に与えれば回
転中心の移動が避けられる。

【００３３】図８(a) ，(b) は本発明の第３の実施例の
マイクロＸＹθステージ３０の構成を示すものであり、
前述の実施例と同じ構成部材には同じ符号を付してあ
る。

【００３４】この実施例のマイクロＸＹθステージ３０
は、ＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）に用いるものであ
り、ラスタスキャン用の円筒型圧電アクチュエータ３１
を別個、３本の円筒型圧電アクチュエータ２１，２２，
２３で囲まれる領域の中央部分に設けている点が、前述
の実施例と異なる点である。

【００３５】この実施例のマイクロＸＹθステージ３０
の動作について説明すると、まず始めに、ラスタスキャ
ン用の円筒型圧電アクチュエータ３１の周囲にある３本
の円筒形圧電アクチュエータ２１，２２，２３を伸張さ
せて、図５において説明したのと同様な方法で試料５の
位置決めを行い、その位置決めが終了した時点で、３本
の円筒形圧電アクチュエータ２１，２２，２３を収縮さ
せ、試料台３を中央の円筒形圧電アクチュエータ３１に
載せる。そして、その後、中央の円筒形圧電アクチュエ
ータ３１のみでラスタスキャンを行う。

【００３６】なお、全ての実施例について言えるが、試
料台３に載せた試料５の位置決めがなされた時点で、磁
石等により試料台３を円筒形圧電アクチュエータ２１，
２２，２３に固定する等の、試料５を固定する手段を設
けることは、測定の安定化を図る上で有効であるが、い
かなる手段を講じても本発明の有効性を損なうものでは
ない。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単な構成で、試料台の上の試料のＸＹ面内の直線移
動、および回転移動を可能にし、マイクロＸＹθステー
ジがコンパクトに構成できる。また、走査形プローブ顕
微鏡等の場合は、そのまま３本の円筒形圧電アクチュエ
ータをＸＹ駆動させることにより、いわゆるラスタスキ
ャンが可能であるので、部品点数が少なく、外部からの
振動に対しても強く、機構の信頼性を高めることができ
る。

【００３８】更に、ジョイスティックを用いることによ
り、電気的に移動走査を行わせることができるので、手
動走査で発生しがちな機構の振動がなく、極めてスムー
ズに試料を移動させられ、短時間に試料の位置決めが可
能である。更にまた、電圧制御を微細に行うことによ
り、直線移動ではサブμｍオーダの精度で試料の位置決
めが可能となり、回転移動ではサブミリラジアンの精度
で試料の位置決めが可能となり、走査形プローブ顕微鏡
において必須の機能を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a) は本発明の第１の実施例のマイクロＸＹθ
ステージの構成を示す斜視図、(b) は(a) の円筒形圧電
アクチュエータの配置を示す水平断面図である。

【図２】(a) は図１に示した円筒形圧電アクチュエータ
単体の斜視図、(b) は(a) の円筒形圧電アクチュエータ
単体の外部電極と内部電極の配置を示す平面図、(c) は
(a) の円筒形圧電アクチュエータ単体に印加する余弦波
状パルス電圧の波形を示す波形図である。

【図３】(a) から(d) は、図２(a) に示した円筒形圧電
アクチュエータをベースに固定し、一対の外部電極に図
２(c) に示す余弦波状パルス電圧を印加して取り去った
場合の円筒形圧電アクチュエータ、試料台、および試料
の動作を説明する動作説明図である。

【図４】図１の構成のマイクロＸＹθステージの円筒形
圧電アクチュエータの先端部に、駆動面部材を取り付け
た場合の構成を示す、円筒形圧電アクチュエータの先端
部の部分断面図である。

【図５】(a) は本発明の第２の実施例のマイクロＸＹθ
ステージの構成を示す斜視図、(b) は(a) の円筒形圧電
アクチュエータの配置と針の先端位置を示す水平断面図
である。

【図６】図５の回転動作時の試料台の表面のある点の軌
跡を、高倍率顕微鏡のブラウン管上で追跡した軌跡図で
ある。

【図７】(a) は本発明の第３の実施例のマイクロＸＹθ
ステージの構成を示す斜視図、(b) は(a) の円筒形圧電
アクチュエータの配置を示す水平断面図である。

【符号の説明】

１ベース２円筒形圧電アクチュエータ３試料台４円筒形圧電素子５試料６駆動面部材１０本発明の第１の実施例のマイクロＸＹθステージ１１ベースの拡大部１２ばね取り付け台１３ばね１４針１５ソレノイド２０本発明の第２の実施例のマイクロＸＹθステージ２１円筒形圧電アクチュエータ２２円筒形圧電アクチュエータ２３円筒形圧電アクチュエータ３０本発明の第３の実施例のマイクロＸＹθステージ３１ラスタスキャン用の円筒型圧電アクチュエータＧ内部電極Ｎ，Ｅ，Ｗ，Ｓ外部電極Ｏ₁，Ｏ₂，Ｏ₃ 各アクチュエータの中心

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ベース部材、このベース部材の上に突設
された複数のマイクロアクチュエータ、およびこのマイ
クロアクチュエータの上に載置された試料台とから成る
マイクロＸＹθステージであって、前記各マイクロアクチュエータがその外表面に４分割さ
れた外側電極を有し、各マイクロアクチュエータの内部
に設けられた内側電極との間に電圧を印加することによ
り、２軸に曲げ変形する円筒形圧電アクチュエータとし
て構成されると共に、前記各マイクロアクチュエータの前記ベースからの高さ
は一致させ、これらのマイクロアクチュエータを、前記
ベース部材の上に、正三角形の概略頂点に位置するよう
に配置したことを特徴とするマイクロＸＹθステージ。