JP2004257844A

JP2004257844A - 高精度微小移動装置

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Publication number: JP2004257844A
Application number: JP2003048480A
Authority: JP
Inventors: Takashi Furukawa; 貴司古川
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP4095913B2

Abstract

【課題】ピエゾ素子を用いた微小移動装置について、移動板の移動方向を高い精度で制御するための案内溝を必要としない微小移動装置を提供すること。
【解決手段】基板３０１、および基板３０１上に固定された駆動機構３０２と磁石３０３、および移動板３０４からなる構成において、駆動機構３０２はピエゾ素子３０５と、移動板３０４に滑らかに接するための球３０６から構成し、移動板３０４を非磁性体と、その一部分に埋め込んだ帯状の磁石３０７から構成し、さらに移動板３０４に固定された帯状の磁石３０７の極性と基板３０１に固定された磁石３０３の極性を互いに引き合うように構成することにより、移動板と基板とが磁力により引き合い、これによって駆動方向が制御されるため、案内溝が不要となる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピエゾ素子を用いた微小移動装置において、磁力を用いた移動制御方式およびそれを用いた微小移動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピエゾ素子を用いた微小移動装置については、従来、たとえば日本国特許公報：特公平７−１１９８１４号「微小運動用調整装置」で公開されており、ここには、基板と、少なくとも１つの、上記基板に固定されかつ剪断作用を利用する圧電変換器をもつ駆動機構と、上記駆動機構に接する移動板とを備える微小移動に対する調整装置が開示されている。この公開公報によれば、上記調整装置は、たとえば図１に示すような構成になっている。図１（ａ）は微動運動用調整装置の全体構成を明瞭に示すための斜視図であり、図１（ｂ）は側面図である。図１（ａ）に示すように微動運動用調整装置は基板１０１、移動板１０２、駆動機構１０３、磁石１０４、丸棒１０５、１０６から構成されている。ここで駆動機構１０３および磁石１０４は、基板１０１に対しては固定されている。また駆動機構１０３はピエゾ素子１０７および球１０８からなり、この球１０８は、移動板１０２に対しては接しているのみで、固定されていない。また移動板１０２はたとえば鉄などの磁性金属で作られており、磁石１０４の磁力によって基板１０１と移動板１０２は互いに引き付けあっている。さらに丸棒１０５、１０６は図２（ｂ）に示すように、両者の間に球１０８をはさむような構成になることで案内溝の役割を果たし、これにより球１０８の駆動方向が丸棒１０５および１０６の方向に制御される。このような構成において、図２に示すようにピエゾ素子１０７を変形駆動させることにより、移動板１０２は基板１０１に対して移動させることが可能となる。すなわち、図２（ａ）に示したピエゾ素子１０７に０Ｖから適当な電位を印加することで、図２（ｂ）に示すようにピエゾ素子１０７を変形させることができる。このとき変形を充分ゆっくり行うことで、移動板１０２は球１０８との摩擦力により矢印で示した移動方向２０１に移動させることができる。この状態でピエゾ素子１０７に印加している電位を充分すばやく０Ｖに戻すことによってピエゾ素子１０７を元の状態（形状）に戻すと、移動板１０２と球１０８の間ですべりを生じさせることができる。これにより、図２（ｃ）に示すように移動板１０２だけが慣性によりその場に留まり、その結果として基板１０１に対して移動板１０２を移動方向２０１に進めることができる。さらに、上記特許公報によれば、図１に示すように移動板１０２に、上述したように丸棒１０５および１０６からなる案内溝を形成することで移動板１０２の移動方向をより高い精度で制御することが可能になることが述べられている。この場合、ピエゾ素子１０７の上面に固定された球１０８がこの案内溝によって駆動方向を制限されるため、移動板１０２の移動方向は案内溝の方向に制御されることになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１に示した上記従来技術では、移動板１０２の移動方向を高い精度で制御するためには、案内溝を必要とするため、この微小移動装置の構造を複雑にしてしまう点で問題がある。
【０００４】
さらに、上記従来技術では、案内溝の球１０８に接する面の平坦性と移動板１０２の球１０８に接する面の平坦性とを機械加工等により精度よくコントロールして、両者の間に同じ摩擦力を生じさせる必要があるが、これら加工は実際にこの微小移動装置を作製する上で非常に高い精度の加工技術を必要とする点で問題がある。
【０００５】
さらに、上記従来技術では、上記理由により実際にこの微小移動装置を作製する上で複雑な構成や高度の加工技術を必要とするため、製造価格が高価になる点で問題がある。
【０００６】
上述の問題点に鑑み、本発明の第一の目的は、案内溝を不要にすることで、簡略な構造の微小移動装置を提供することである。
【０００７】
本発明の第二の目的は、案内溝を不要にすることで、非常に高い精度の加工技術が不要となる微小移動装置を提供することである。
【０００８】
本発明の第三の目的は、案内溝を不要にすることで、安価な微小移動装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点は、移動板に磁石を取り付けることで解決できる。これを図３で説明する。本構成は、基板３０１、および基板３０１上に固定された駆動機構３０２と磁石３０３、および移動板３０４からなる。ここで駆動機構３０２はピエゾ素子３０５と、移動板３０４に滑らかに接するための球３０６からなる。また移動板３０４は非磁性体からなり、その一部分に帯状の磁石３０７を埋め込んでおく。このとき移動板３０４に固定された帯状の磁石３０７の極性と基板３０１に固定された磁石３０３の極性は互いに引き合うようにして配置しておく。
【００１０】
このような構成においては、すでに図２を用いて説明した原理による駆動方式において、基板３０１に固定された磁石３０３と移動板３０４に固定された帯状の磁石３０７とが磁力によって互いに引き合うため、駆動方向が帯状の磁石３０７方向に制限されることになり、結果として移動板３０４の駆動方向を高い精度で制御することが可能になる。
【００１１】
このような構成により、従来必要とされていた、複雑な形状で、高精度な加工技術、その結果として高価となる案内溝を不要にすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第一の実施例）
図３は、本発明による微小移動装置のうち、第一の実施例の基本構成を示す。本構成は図３（ａ）および（ｂ）に示したように、基板３０１、および基板３０１上に固定された駆動機構３０２と磁石３０３、および移動板３０４からなる。ここで駆動機構３０２はピエゾ素子３０５と移動板３０４に滑らかに接するための球３０６からなる。また移動板３０４は非磁性体からなり、その中央部に帯状の磁石３０７を埋め込んでおく。このとき図３（ｃ）に示したように、移動板３０４に固定された帯状の磁石３０７の極性と基板３０１に固定された磁石３０３の極性は互いに引き合うようにして配置しておく。ここで図３（ｃ）においては移動板３０４に注目して記載し、基板は図示していない。
【００１３】
このような構成においては、すでに図２を用いて説明した原理による駆動方式において、基板３０１に固定された磁石３０３と移動板３０４に固定された帯状の磁石３０７とが磁力によって互いに引き合うため、駆動方向が帯状の磁石３０７方向に制限されることになり、結果として移動板３０４の駆動方向を高い精度で制御することが可能になる。このとき、移動板３０４の球３０６に接する面は平坦でよいため、移動板３０４に案内溝等の複雑かつ高精度の機械加工が不要となり、移動板３０４の構造および全体の構成を簡略化することが可能になる。
【００１４】
さらに、本発明では、移動板３０４の表面が滑らかな平坦面であるため、駆動機構３０２のピエゾ素子３０５の上面を滑らかな平坦面にすることで、ピエゾ素子３０５と移動板３０４とを直接なめらかに接するようにすることが可能となるため、駆動機構３０２に球３０６を必要としない構成にすることも可能となる。この場合本発明全体の構成をさらに簡略化することが可能になる。
【００１５】
さらに、本発明では、移動板３０４について、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、移動板３０４に組み込んだ磁石３０７の両側にＮＳ極を反転させた帯状の磁石４０１、４０２を組み込むことにより、移動板３０４の直進性をさらに高めることが可能となる。ここで図４においては移動板３０４に注目して記載し、基板は図示していない。この場合、図４（ｂ）に示したように、移動板３０４に組み込んだ磁石３０７と基板に固定された磁石３０３は互いに引き合うが、磁石４０１および磁石４０２は共に磁石３０３と反発するため、矢印で示した移動方向４０３以外の方向には磁石４０１、４０２の磁力が磁石３０３に対してストッパーとして働くことになる。したがって、基板に対する移動板３０４の移動方向について、矢印４０３の方向に対する直進性をさらに精度よく向上させることが可能になる。
【００１６】
さらに、本発明では、移動板３０４について、図５に示すように、移動板３０４に組み込んだ磁石３０７の四方にＮＳ極を反転させた帯状の磁石５０１、５０２、５０３、５０４を組み込むことにより、移動板３０４の可動範囲を一定の領域内にさらに精度よく制限することが可能になる。ここで図５においては移動板３０４に注目して記載し、基板は図示していない。この場合、移動板３０４に組み込んだ磁石３０７と基板に固定された磁石３０３は互いに引き合うが、磁石５０１、５０２、５０３、および磁石５０４はすべて磁石３０３と反発するため、磁石５０１、５０２、５０３、５０４で囲まれた領域を越えて移動させようとする場合には磁石５０１、５０２、５０３、５０４の磁力が基板に固定した磁石３０３に対してストッパーとして働くことになる。したがって、基板に対する移動板３０４の移動方向について、矢印で示した移動方向５０５に対する直進性をさらに向上させることが可能になると同時に、移動範囲を、磁石５０１、５０２、５０３、５０４で囲まれた領域内にさらに精度よく制御させることが可能になる。
【００１７】
さらに、本発明では、移動板３０４について、これに組み込んだ磁石を、単なる直線形状のもののかわりに、任意の形状にすることで移動板の移動領域を任意の方向に制御することが可能となる。たとえば、図６に示すように、移動板３０４に組み込む磁石６０１をＬ字形にすることで移動板３０４の移動方向をＬ字形に制御することが可能となる。ここで図６においては移動板３０４に注目して記載し、基板は図示していない。このような構成において、駆動機構３０２のピエゾ素子３０５について、ピエゾ素子３０５に印加する電圧を適当に制御することで、ピエゾ素子３０５の変位方向をＡからＢに向う方向から、ＢからＣに向う方向へと切り替えることが可能になる。この場合、すでに図２で説明した原理により、ピエゾ素子３０５の変位方向をＡからＢに向う方向にしたとき、移動板３０４を基板に対してＡからＢに向う方向に移動させることが可能となるが、基板に固定された磁石３０３と移動板３０４に組み込まれた磁石６０１の相対位置が、移動板３０４の移動によりＡからＢに移動したときに、ピエゾ素子３０５の変位方向をＢからＣに向う方向に切り替えることで、基板に対して移動板３０４をＢからＣに向う方向に移動させることが可能となる。この場合も、図４ないしは図５で説明した場合と同様、磁石６０１のまわりに極性を反転させた磁石を適当に配置することで、移動範囲の制御性をさらに向上させることも可能になる。
（第二の実施例）
図７は、本発明による微小移動装置の第二の実施例についての基本構成を示す。本構成は基板７０１、および基板７０１上に固定された駆動機構７０２と丸い帯状の磁石７０３、および移動板７０４からなる。ここで駆動機構７０２はピエゾ素子７０５と移動板７０４に滑らかに接するための球７０６からなる。また移動板７０４は非磁性体からなり、その中央部に丸い帯状の磁石７０７を埋め込んでおく。このとき、移動板７０４に固定された丸い帯状の磁石７０７の極性と基板７０１に固定された丸い帯状の磁石７０３の極性は互いに引き合うようにして配置しておく。さらに、移動板７０４に固定された丸い帯状の磁石７０７の形状と基板７０１に固定された丸い帯状の磁石７０３の形状は同一が望ましい。
【００１８】
このような構成においては、すでに図２を用いて説明した原理の応用により、駆動機構７０２のピエゾ素子７０５を矢印で示した円周方向に変位させることで、移動板７０４を基板７０１に対して回転させることが可能になる。このとき、基板７０１に固定された丸い帯状の磁石７０３と移動板７０４に固定された丸い帯状の磁石７０７とが磁力によって互いに引き合うため、駆動方向が丸い帯状の磁石７０３および丸い帯状の磁石７０７で決められる方向に制限されることになり、結果として移動板７０４の円周方向に沿った駆動方向を高い精度で制御することが可能になる。このとき、移動板７０４の球７０６に接する面は平坦でよいため、移動板７０４にガイド溝等の複雑かつ高精度の機械加工が不要となり、移動板７０４の構造および全体の構成を簡略化することが可能になる。
【００１９】
さらに、本発明においても、第一の実施例と同様に、移動板７０４が滑らかな平坦面であるため、駆動機構７０２のピエゾ素子７０５の上面を滑らかな平坦面にすることで、ピエゾ素子７０５と移動板７０４とをなめらかに接するようにすることが可能となるため、駆動機構７０２に球７０６を必要としない構成にすることも可能となる。この場合本発明全体の構成をさらに簡略化することが可能になる。
【００２０】
さらに、本発明においても、移動板７０４について、第一の実施例の図４ないしは図５と同様に、移動板７０４に組み込んだ丸い帯状の磁石７０７の内側と外側の両方に、ＮＳ極を磁石７０７に対して反転させた磁石を組み込むことにより、移動板７０４の可動範囲を一定の領域内にさらに精度よく制御することが可能になる。この場合、移動板７０４に組み込んだ磁石７０７と基板７０１に固定された磁石７０３は互いに引き合うが、磁石７０７の内外に配置された反極性の磁石は磁石７０３と反発するため、磁石７０３に対してストッパーとして働くことになる。したがって、基板７０１に対する移動板７０４の移動方向について、磁石７０７に沿った円周方向についての移動範囲の制御性をさらに向上させることが可能になると同時に、移動範囲を、磁石７０７の内外に配した磁石で囲まれた領域内にさらに精度よく制御させることが可能になる。
（第三の実施例）
図８は本発明による微小移動装置を用いたサブミクロン領域での半導体特性評価用のプローバ装置への応用例を示す図である。本構成は本発明による微小移動装置８０１、およびこの微小移動装置８０１にそれぞれ固定された、先端を先鋭化したプローブ８０２、および半導体試料８０３、および走査電子顕微鏡用のステージ８０４、および走査電子顕微鏡用の電子銃８０５、および走査電子顕微鏡用の２次電子検出器８０６、および電子銃８０５と２次電子検出器８０６を駆動し、さらにこれらを用いて半導体試料８０３の表面形状などを表示する制御コンピュータ８０７、および微小移動装置８０１を駆動かつ制御するコンピュータ８０８からなる。ここでステージ８０４上に微小移動装置８０１、および半導体試料８０３を固定しておく。また電子銃８０５、２次電子検出器８０６、制御コンピュータ８０７の構成は通常の走査電子顕微鏡装置の構成でよい。
【００２１】
このような構成において、本発明による微小移動装置を用いることで、プローブの制御性を向上させることが可能になる。さらに、半導体試料８０３の表面およびプローブ８０２の先端を走査電子顕微鏡で観察しながら、プローブ８０２の先端を半導体試料８０３面の、例えば微小なトランジスタを構成するプラグに直接接触させ、通常のプローバ装置と同様にプローブ８０２に適当な電位を印加した状態でそれぞれのプローブに流れる電流値を計測することで、上記トランジスタの特性を測定することが可能となる。このとき、プローブ８０２を制御コンピュータ８０８によって、半導体試料８０３内の任意の場所に移動させることができるようにすることで、半導体試料８０３内の任意の場所のトランジスタ特性を容易に測定することが可能となる。
【００２２】
なお、全体の駆動および制御を制御コンピュータ８０７、８０８を用いて行うことにより半導体特性評価の自動化が可能になる。また、ここでは試料を半導体試料について記載したが、対象とする試料は半導体試料に限定されることは無く、プローブの数も４本に限定されるものでもない。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の微小移動装置は、非磁性体からなる移動板に磁石を取り付けることにより、この磁石と基板に固定された磁石とが磁力によって互いに引き合うため、駆動方向が帯状の磁石方向に制限されることになり、結果として移動板の駆動方向を高い精度で制御することが可能になる効果がある。さらに、移動板に取り付けた上記磁石のまわりに、駆動機構に面する方向に対して極性を反転させた磁石取り付けることにより、移動板をより高精度かつ任意の方向に制御することが可能になる効果がある。さらに、移動板の下面、すなわち駆動機構に取り付けられた球に接する面は平坦でよいため、構成を簡略化することができる効果がある。さらに、本発明で提供される構成においては、上記移動板の下面が平面でかつ平坦となるため、比較的簡便な機械加工が可能となる効果およびこれによって安価な微小移動装置の提供が可能になる効果がある。さらに本発明の微小移動装置は、簡略な構成により小型化が可能になる効果およびこれによって他の計測装置内への装着が容易になる効果がある。これらの効果の学術分野への応用、さらにはその工業的価値は非常に高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のピエゾ素子を用いた微小移動装置の基本構成を表す図であり、特に図（ａ）は全体の俯瞰図を示し、図（ｂ）は移動板の移動方向からみた側面図を示す。
【図２】ピエゾ素子を用いた微小移動装置の動作機構を説明する図であり、特に図（ａ）は移動前の状態を示し、図（ｂ）はピエゾ素子の変位による移動板の移動中の様子を示す図であり、図（ｃ）はピエゾ素子の変位が元に戻った時の移動板の状態を示す図である。
【図３】本発明による第一の実施例の基本構成を表す図であり、特に図（ａ）は全体の俯瞰図を示し、図（ｂ）は移動板の移動方向と直角の方向からみた側面図を示し、図（ｃ）は移動板に組み込まれた磁石の極性と基板に組み込まれた磁石の極性の関係を説明する図である。
【図４】本発明のさらなる高精度化を図るための基本構成を表す図であり、特に図（ａ）は移動板に組み込まれた磁石の極性を説明する図であり、図（ｂ）は移動板に組み込まれた磁石の極性と基板に組み込まれた磁石の極性の関係を説明する図である。
【図５】本発明のさらなる高精度化を図るための他の基本構成を表す図。
【図６】本発明の高機能化を図るための基本構成を表す図。
【図７】本発明の高機能化を図るための他の基本構成を表す図。
【図８】本発明のサブミクロン領域での半導体特性評価用のプローバ装置への応用例を示す図。
【符号の説明】
１０１…基板、１０２…移動板、１０３…駆動機構、１０４…磁石、１０５…丸棒、１０６…丸棒、１０７…ピエゾ素子、１０８…球、２０１…移動方向、３０１…基板、３０２…駆動機構、３０３…磁石、３０４…移動板、３０５…ピエゾ素子、３０６…球、３０７…帯状磁石、３０１…基板、３０２…駆動機構、３０３…磁石、３０４…移動板、３０５…ピエゾ素子、３０６…球、３０７…帯状磁石、４０１…帯状磁石、４０２…帯状磁石、４０３…移動方向、５０１…帯状磁石、５０２…帯状磁石、５０３…帯状磁石、５０４…帯状磁石、５０５…移動方向、６０１…磁石、７０１…基板、７０２…駆動機構、７０３…丸い帯状磁石、７０４…移動板、７０５…ピエゾ素子、７０６…球、７０７…丸い帯状磁石、８０１…微小移動装置、８０２…プローブ、８０３…半導体試料、８０４…ステージ、８０５…電子銃、８０６…２次電子検出器、８０７…コンピュータ、８０８…コンピュータ。

Claims

基板と、該基板上に固定された駆動機構と、磁石と、移動板とを有し、前記移動板が非磁性体および帯状の磁石とを含み、
前記帯状の磁石の前記基板に面した方向の極性と、前記基板に固定した磁石の極性とが互いに引き合うように配置されたことを特徴とする微小移動装置。
請求項１に記載の微小移動装置において、上記移動板に組み込んだ磁石の周囲に配置された、基板に面する方向についてＮＳ極を反転させた磁石を備えたことを特徴とする微小移動装置。
請求項１に記載の微小移動装置において、上記移動板に組み込んだ磁石の形状を上記移動板の駆動方向にあわせた形に成形したことを特徴とする微小移動装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の微小移動装置と、前記微小移動装置に固定されたプローブと、前記微少移動装置が載置されるステージと、電子銃と、２次電子検出器と、前記電子銃と前記２次電子検出器とを駆動し、被測定試料の表面形状を表示する第１のコンピュータと、前記微小移動装置を駆動し制御する第２のコンピュータとを有することを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の微小移動装置と、走査電子顕微鏡と、被測定試料を載置するステージと、前記走査電子顕微鏡内に配置されたプローブと、当該プローブの移動手段とを有し、前記移動手段は、請求項１から請求項３のいずれかに１項に記載の微小移動装置であることを特徴とするプローバ装置。