JPS62264543A - 対象物の微小移動のための装置 - Google Patents

対象物の微小移動のための装置

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JPS62264543A
JPS62264543A JP62070519A JP7051987A JPS62264543A JP S62264543 A JPS62264543 A JP S62264543A JP 62070519 A JP62070519 A JP 62070519A JP 7051987 A JP7051987 A JP 7051987A JP S62264543 A JPS62264543 A JP S62264543A
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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） ゛　本発明は対象物の微小運動、特に顕微鏡的に検査さ
れるべき対象物の運動のための運動装置に関する。この
運動装置は特に顕微鏡で検査されるべき対象物の運動及
び操作のために役立つ。
（従来の技術） 機械的に高精密度の運動過程は最近の顕微鏡工学では必
要性が増大している。従来このために使用された、レバ
機構、歯車及びマイクロメータねじを備えた機械的調整
要素は多くの場合必要な条件に合致しない。　微小運動
の実施のために良好な電気的又は圧電調整要素が好適で
ある。
対象物の非常に精密な微小運動は例えばＧ、ビニッヒ及
びＨ，ローラの走査型トンネル顕微鏡（ＲＴＭ）で必要
とされる（Ｈｅｌｖｅｔｉａ　Ｐｈｙｓ、Ａｃｔａ５５
．１９８２．７２６頁参照）、　走査型トンネル顕微鏡
は検査されるべき対象物の運動の精度及び安定性につい
て最高値を要求する。対象物の走査のためにも対象物の
操作のためにも所望の結果を得るためにナノメータ範囲
の精密運動が前提となり、その際運動は許容可能、再生
可能かつ迅速に実施されかつ制御されなければならない
。
走査型トンネル顕微鏡のために従来公知の調整要素は走
査のための３つの圧電調整部材の組合せ（３つの座標方
間ｘ、ｙ、ｚに各１つの調整部材を備えた三脚）及び対
象物操作のための他の調整部材が使用され、これらは圧
電的、電磁的又は機械的に作動する。Ｇ、　　Ｂ１ｎｎ
１ｇ　ｕｎｄ　Ｈ，Ｒｏｈｒｅｒの「走査型トンネル顕
微鏡」のＳｐｅｋｔｒｕｍ　ｄｅｒ　Ｗｉｓｓｅｎｓｃ
ｈａｆｔ　、１９８８年、６２／６８頁と、Ｊ、Ｍｏｒ
ｅｌａｎｄ　　の「絞り可能なな電子トンネル接合の圧
縮のための電磁スキーザと、Ｒｅｖ、Ｓｃｉ、Ｉｎｓｔ
ｒｕｍの１９８４年ｖｏ１．５３．３９９頁を参照され
たい。これらの構造的に複雑な調整要素は故障し易く、
振動及び温度ドリフトが避けられない。ピエゾセラミッ
クの運転に必要な高い電圧も危険である。
（発明の課題） 高い安定性、運動の精密な制御、簡単な構成、僅かな振
動性及び僅かな温度ドリフトによって特徴づけられる運
動を行うための装置を創造することを本発明の課題とす
る。
（発明の課題の解決のための手段） 本発明の課題は対象物は圧電材料から成る少なくとも３
つの運動要素上に支承されており、運動要素は電圧の印
加によって変形可能であることによって解決される。従
って対象物は対象物を支持する圧電材料から成る少なく
とも３つの運動要素上に支承されている。運動要素の支
持点は圧電材料の変形に起因する運動要素への電圧の印
加によってその状態が、運動要素で支持された対象物が
対象物の支台によって支台上設けられた平面内の所望の
方向に動かされるように変えられる。この運動は純粋な
並進運動であるが、対象物は運動要素によって軸線の回
りに回動され及び傾倒されることができる。このために
３つの圧電運動要素の各々は別々に制御されることがで
きる。
本発明の他の構成において、特許請求の範囲第２項によ
れば、運動要素の少なくとも一部分は中空に形成されて
おり、かつ端面では運動要素に対象物のための支台を形
成することが提案される。
そのような円筒状の運動要素は高い機械的剛性を有する
。好ましくは中空円筒状運動要素はその円筒壁上に閉じ
た電導性の層を、そして他の円筒状壁上には電気的に絶
縁された多数の導電性の部分層を備えている（特許請求
の範囲第３項）。この構成では、両円筒壁上の層の間の
電圧の印加によって運動要素の短縮又は伸長が達成され
る。運動要素をたわませるために、閉じた層と部分層と
の間の電圧が印加される。印加される電圧の重合わせに
よって対象物の運動のために必要とされる全ての位置変
化が実施されることができ、その際このために必要な電
圧は比較的小さい壁厚さで実施可能な運動要素のために
相応して小さく保持されることができる。
合理的に特許請求の範囲第４項によれば、相互に絶縁さ
れた部分層は円筒壁上円筒軸線の方向に延びている。部
分層は絶縁層によって相互に分離されており、絶縁層は
部分層の間を円筒軸線に対して平行になっている。この
構成では、層への電圧印加の際に軸線方向（Ｚ方向）へ
の運動要素の伸縮の他に円筒軸線の方向に対して垂直に
、即ちＸ方向又はＹ方向にも伸縮可能である。製造技術
的理由から相互に電気的に絶縁された導電性部分層は運
動要素の外壁上に配置されている（特許請求の範囲第５
項）。
運動要素の最適な電気的制御は特許請求の範囲第６項及
び第７項によれば各導電層が運動要素の円筒面上で別々
に制御可能であり、かつ所望の対象物運動に相応した運
転電圧を印加可能である場合に与えられることができる
。運動要素の各調整は運転に必要な交流に重られる直流
電圧の印加によって達成される。
本発明による運動装置の好適な使用範囲は光学及び電子
顕微鏡を含む顕微鏡である。その際運動装置は検査され
るべき対象物のための対象物支持体として役立つ。たと
えば、電子的構造の高集積の際におけるマイクロ工学に
おける対象物の分析及び処理のために役立つ。操作のた
めの対象物が既に運動可能であるので、対象物の微小運
動、従って例えば微小回転運動のために、対象物に所定
の圧電運動要素の各々を対象物の所望の運動が行われる
ように連接することで充分である。
運動装置が走査型トンネル顕微鏡用の対象物支持体とし
て特に有利に使用される（特許請求の範囲第８項）。こ
の使用のために、運動装置は検出針と又は上に検出針が
固定されている走査支持体と剛固に固定されている（特
許請求の範囲第９項）。対象物支持体と閉じたコンパク
トな構造体としての検出針又は走査要素とのそのような
結合は走査型トンネル顕微鏡における非常にに高い機械
的安定性と温度非感度に繋がる。特許請求の範囲第１０
項によれば、走査要素は運動要素と同様な方法で形成さ
れている。従って特にその内方及び外方の円筒壁上に導
電層又は部分層を備えた中空円筒状の圧電材料から成る
。走査要素及び運動要素の類似した構成は走査型トンネ
ル顕微鏡における運動装置の使用の際に振動のないこと
及び温度ドリフトの補償に繋がる。運動要素及び走査要
素の同様な構成は走査型トンネル顕１２１使用のために
必要な走査運動のために走査要素に代えて運動要素によ
って実施することを特徴とする特許請求の範囲第１１項
）。対象物の温度測定のために少なくとも運動要素の１
つが感熱部を備えている（特許請求の範囲第１２項）。
（実施例） 第１図は運動要素１．２及び３の間の中央にトンネル電
流の測定のための走査運動要素４を備えた走査型トンネ
ル顕微鏡のための、３つの運動要素１．２．３から成る
運動装置を示す。運動要素１．２．３は実施例中相互に
同一距離に配置されている。全ての運動要素１．２．３
及び走査要素４は同一構造を有する。要素の構成のため
に実施例中円筒状の部分は圧電材料例えばピエゾセラミ
ックから成るものが使用され、その際運動要素は端面で
走査型トンネル顕微鏡によって検査されるべき対象物６
のための支台５をそして走査要素４は検出針７（トンネ
ル尖頭）を備えている。運動要素１．２．３及び走査要
素４は実施例中共通の基板８に固定されている。要素の
各々にはセラミック材料の伸縮又はたわみを作用する可
変の電圧又は電圧経過が印加される。
対象物６は実施例中運動要素１．２．３の球状に形成さ
れた支台５の上に乗っている。この対象物６の３点支持
によって対象物の安定した支持が保証される。これは重
力によってのみは達成されない場合、対象物はばね力に
よっても運動要素の支台５上に押し付けられることがで
きる。
運動要素１．２．３の構成を第２図に基づいて説明する
。第２図は支台５を備えた運動要素１を斜視図的に示す
。運動要素の横断面は第２ａ図に示す。運動要素の構成
のために圧電材料から成る管９が使用される。実施例中
ピエゾセラミック管は直径２ｍ１Ｉ＋、内径１ｍｍであ
る。この内方の円筒壁上にピエゾセラミック管９は内方
電極として閉じた導電性の層１０を備えている。運動要
素の外円筒壁は４つの導電性部分層１１〜１４を有すし
、これらは細長状電極として絶縁部１５によって相互に
電気的に絶縁されている。部分層１１〜１４は外円筒壁
上に運動要素の軸線１６に対して平行に配置され、絶縁
部１５は軸線方向に経過する。実施例中圧電材料は第２
ａ図に示すように矢印１７を印されたように半径方向に
分権されている。
内層１０及び部分層１１〜１４には運動要素に電圧を印
加可能な導線１８〜２２が接続されている。運動要素の
Ｘ、Ｙ、Ｚ方向への運動に必要な電圧は調整可能な電圧
供給部２３によって発生される。
全ての部分層１１〜１４が同一電位にされ、かつこれと
内層１０との間に電位差があると、運動要素は軸線方向
に変形し、即ち印加された電圧の極性に従ってＺ方向に
伸縮される。しかし、圧電管９０個々の部分層と内層１
０との間に電圧が印加されると、支台５を備えた運動要
素の自由端はその軸線１６に対して垂直にＸ方向又はＹ
方向にたわむ。たわみは反対極性の電圧が外方の円筒壁
に向かい合う部分層の間に印加された場合に増大され、
例えば部分層１１と１３または１２と１４との間では増
加し、その際内方の層１０は電位ゼロである。
前記の電圧の重合わせによって運動要素は支台５が対象
物の所望の位置のために必要な運動を実施するように変
形され、その際ここで必要な運転電圧は運動要素の寸法
及び薄い壁厚さのために比較的小さい。
運動要素１．２．３及び走査要素４はその水準を基盤８
において検出要素の検出針７が運動要素の支台５への対
象物６の支持の際に検査されるべき対象物表面から充分
小さい距離を有するように調整される。検出針と対象物
表面との間の距離の精密調整は運動要素及び又は走査要
素への相応した電圧の印加によって実施される。同−基
盤上への運動要素及び走査要素の配置及び運動要素及び
走査要素のための選択された同一の構成は同一の圧電材
料から成り、かつ同一の寸法を備えたものは運動要素及
び走査要素に対して同一の熱的伸び挙動に繋がり、その
結果表面と走査要素との間に温度伸びが補償される。
対象物の移動又は回転を達成するために、第３図は運動
要素のための２つの可能な運動過程を図式的に示す。
第３ａ図は点Ａから点Ｂまでの対象物の移送のために４
つの連続した作業ステップにおける運動要素の支台５が
次のように動かされる運動過程を示す。
ａ）全部で３つの運動要素１．２．３の同期及び一体的
伸長によって対象物が第１のステップａにおいて先ず検
出針７の作業位置からＺ方向に持ち上げられる。
ｂ）第２のステップｂにおいて、運動要素はＺ方向に迅
速に下降し、その際Ｘ−Ｙ平面内で旋回され、且つ再び
持ち上げられ、その結果運動軌跡としてほぼ半円が生じ
る。この第２のステップｂはその経過においてＺ方向に
おける支台５の下降速度は重力の作用下でのと同一方向
における対象物の運動よりも大きいように制御される。
運動要素の支台５はこの第２作業ステップでは点へにお
いて対象物から外され、対象物はその慣性に基づいてそ
の位置に保持され、かつ作業ステップの終わりに点Ｂで
支持される。
Ｃ）第３のステップとしてＸ−Ｙ平面内の支台５の緩や
かな運動が行われ、その際対象物は３つの運動要素上に
休止して止まり、かつ点Ａと点Ｂとの間の距離に相当す
る区間だけ運動要素の運動の方向に移送される。
ｄ）再び作業針７のための作業位置に達するために、第
４の作業ステップｄとしてＺ方向における対象物の下降
が必要とされる。作業ステップの終わりに、運動要素は
再びその出発位置にあり、　かつ対象物は点Ａと点Ｂと
の間の区間だけ移動される。
作業ステップｂ及びＣは対象物が走査型トンネル顕微鏡
による検査のために所望な作業個所に達するまで任意に
繰り返される。続いて作業ステップｄが検出針７への対
象物の案内のために行われる。
運動要素の前記の方法とは異なる運動過程は第３ｂ図に
記載されている。運動要素は従って唯２つの作業ステッ
プに於いてのみ制御される。
ａ）第１ステツプとして対象物表面上の点へから点Ｂま
での支台５の迅速な運動が行われる。運動要素のこの運
動の際、対象物はその慣性に基づいて再び殆ど不変の位
置に止まる。
ｂ）ステップｂでは、運動要素はその出発位置に戻され
、その際対象物は運動要素の緩やかな運動の際に点へと
点Ｂとの間の区間だけ移送される。
第３ａ及び第３ａｂ図に示した運動経過の各々は個々に
、又は運動要素に印加される電圧パルス列の場合、連続
的に反復されるステップで続けて実施されることができ
る。運動要素の支台のステップ幅又はステップ周波数は
相応した電圧振幅及びパルス周波数との選択によって広
い範囲内で変えられる。圧電運動要素によって１０ｎｍ
よりも小さいステップ幅のステップが実施される。
運動要素によって実施可能な運動軌跡は第３ａ図と第３
ｂ図により示された運動に限られない。運動要素の運動
は各使用状態に相応して適合される。
例えば、前記の運動の他に支台の楕円運動又は支台の迅
速な位置変更によって対象物の持ち上げも可能である。
運動過程の制御は対象物の慣性を考慮して行われる。
記載の運動装置によって対象物の支台平面に対して垂直
の軸線の回りの回転も可能である。対象物の回転は個々
の各運動要素のためのＸ方向及びＹ方向における電圧の
相応したベクトル和によって行われる。その上側々の運
動要素は区間を相違して伸縮される。この運動装置は並
進運動の他に対象物の回転及び傾倒をも可能にする。
しかし、記載ような運動要素によって対象物は広い距離
に渡って高い精度で移送されることができる。相互に隣
接して配置された多数の運動要素２５を備えた移送テー
ブル２４を第４図が示す。運動要素は、運動されるべき
対象物が各位置において少なくとも３つの運動要素によ
って支持されており、かつ任意の方法で移送テーブル２
４上を移動することができる程度の間隔を有する。
第５図は第１図に示した走査型トンネル顕微鏡用の運動
装置の走査要素の斜視図である。走査要素は運動要素と
同様な方法で形成されている。走査要素は管９と同様な
半径方向に極性を有する圧電材料からなる管２６を有し
かつその内方の円筒壁に内方電極として閉じた電導電性
の層２７を備え、かつその外方の円筒壁上には導電性の
部分層２８〜３１を備えていおり、それらの間に軸線方
向において各１つの絶縁層３２が通っている。運動要素
とは異なり、走査要素の場合支台５の代わりに検出針７
が使用される。
第５図は走査要素４のための回路を示す。運転中検出針
７によって検出されるトンネル電流は検出針７に接続さ
れた導線３３を介して案内されかつ増幅器３４で増幅さ
れる。増幅器の出力電圧は走査要素の２方向の運動に利
用される。
Ｘ方向及びＹ方向への検出針の制御のために、２つのラ
ンプ発電機３５．３６が使用され、その電圧はＺ方向の
調整電圧を与える増幅器の出力電圧に重られる。ランプ
発電機の極性は走査要素の外方の円筒壁上の部分層に繋
がる。実施例中ランプ発電機３５は回路３９．４０を介
して走査要素の部分層２８．３０と接続しており、ラン
プ発電機３６は回路３９．４０を介して走査要素の部分
層２９．３１に接続している。
内方の閉じた層２７と内方電極は実施例中ではアース電
位を印加されている。この方法で内方電極は導線３３の
遮蔽部として役立ち、導線は第６図による実施例では有
利な方法で中空円筒状に形成された走査要素４の内方に
案内されている。第６図は走査要素の内方を通る導線３
３の走査要素を通る縦断面を示す。走査型トンネル顕微
鏡のためのトンネル電流の局部的変化の表示は走査型ト
ンネル顕微鏡で通常公知の方法で行われる 対象物表面の温度は感熱部４１を介して測定され、感熱
部は実施例中では運動要素のうち３で表された運動要素
に付設される（第６図）、実施例中感熱部としてサーモ
要素が示され、これは支台５中に挿入される。第６図中
には運動要素が示され、その中空室中に電位４２が印加
される。電位４２は運動要素２の支台５と、対象物が運
動要素との接触の際に走査型トンネル顕微鏡検査に必要
な電位に印加されるように接続されている。
運動装置の他の実施形態が第７図に示されている。運動
装置は第２図に示すものと同様な唯一の運動要素５０か
ら成る。同一構成要素には同一の参照符号がつけられて
いる。
しかし、単一の支台５の代わりに、運動要素はプローブ
キャリアを形成するために、ピエゾセラミック管９のリ
ムに周方向に配列された複数の支点又は球５４を有する
。第７図中には最小数、即ち３つの支持球が示されてい
る。しかし、支台５４の形態、及び数は特別の要請に従
って変えられることができる。
第８図及び第９図は第２図及び第５図に示された運動要
素又は走査要素の可能な変形を示す。この実施形態にお
いて、唯３つの外方の電掘は前記の構成における４個よ
りも少ない。この変形は運動要素が唯３つの電極を使用
して全てのＸ、Ｙ方向に曲げられることができるよう考
慮しである。
実施例に記載された運動装置は走査型トンネル顕微鏡で
の対象物運動のためにのみ使用可能なのではない。運動
装置は勿論各種の精密な微小運動の場合の対象物操作の
ために、顕微鏡による検査のためにも、マイクロ技術に
おける対象物の処理のためにも使用されることができる
。。運動装置が例えば、マイクロリゾグラフで使用され
る場合、運動装置は検出針による代わりに処理に相応し
た要素を装備することができる。その他運動装置の構成
は原理的には不変に保持される。
電子回路の製造のための最近の高集積技術において、従
来普通の方法（写真レジスタ法、レーザ、電子エツチン
グ、イオンエツチング）によってほぼ１０００オングス
トロームの横分解能の限界に達する。尚最近のマイクロ
チップ製造に必要な小さい組織には不充分である。
記載の方法による運動装置はＲＴＭ方法による原子構造
の解析のみならず、オングストローム範囲の横分解能の
組織にも使用される状態にある。もっとも簡単な場合、
上記のような装置の構成は−既に前に述べたように一走
査型トンネル顕微鏡に類似して行われる。処理された対
象物は再び少なくとも３つの支持体要素上に支持される
。
１つ又は複数の運動要素上に走査型トンネル顕微鏡で使
用される検出針の代わりに好適な「加工工具」が組み込
まれている。この加工工具は例えば鋭利な先頭（例えば
、ダイヤモンドセンタ）から成ることができる、センタ
は運動装置の圧電作動では処理されるべき対象物表面に
渡って案内されることができかつその路程で孔及び構造
がこの表面上に形成される。運動要素は合理的な方法で
コンピュータ制御される。操作は高速かつ高精度で実施
される。記載の装置はマイクロ技術において任意の大き
さの対象物を大きな距離移送することができかつ複数の
運動要素が加工工具で同時に平行に使用されかつ運転さ
れることができるので、大きい面が同時にマイクロ組織
にされることができる。
運動要素に組付けられるたの加工工具としてフィールド
エミッション尖頭が好適である。これにより電子エミッ
ション又はイオンエミッション又は高い電界に基づいて
対象物の表面原子が局部的に活性化されることができる
。この工程は例えば、炭化水素の局部的クラックに適用
され、このことは処理された分子の化学的転位に繋がる
。
記載の運動装置の他の実施例は処理要素とともにマイク
ロバイオにおける使用である。有機的分子鎖、ビイール
ス、バクテリは分析のみならず、意図した点への極部的
電界印加によっても分子鎖の分離又は変形が行われる。
分子範囲におけるこれらの意図した操作の可能性は遺伝
子工学の領域においても全く新しい可能性を提供する。
【図面の簡単な説明】
第１図は走査型トンネル顕微鏡における対象物支持体と
走査要素としての運動装置、第２図は運動要素の斜視図
、第２ａ図はその横断面図、第３ａ図は対象物から運動
要素が持ち上げられた、対象物操作における運動要素の
運動過程、第３ｂ図は対象物表面上の運動要素の滑り運
動状態、第４図は大きい距離に渡る対象物の精密な微小
運動のための移送装置、第５図は走査要素の斜視図、第
５ａ図はその横断面図、そして第６図は感熱部及び電位
供給部を備えた要素及び走査要素の縦断面図、第７図は
最小数、即ち３つの支持球を備えた実施形態、第８図及
び第９図は第２図及び第５図に示された運動要素又は走
査要素の可能な変形を示す図である。 図中符号 １．２．３　・・・運動要素 ６　・・・・・・・対象物

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）対象物の微小運動、特に顕微鏡的に検査されるべ
    き対象物の運動のための連動装置において、 対象物（６）は圧電材料から成る少なくとも１つの運動
    要素（１、２、３）上に支承されており、運動要素は電
    圧の印加によって変形可能であることを特徴とする対象
    物の微小運動のための運動装置。
  2. （２）運動要素（１、２、３）の少なくとも一部が中空
    円筒状に形成されており、かつその端面に対象物（６）
    のための支台（５）を有する、特許請求の範囲第１項記
    載の装置。
  3. （３）中空円筒状に形成された連動要素（１、２、３）
    は円筒壁上に閉じた、導電性層（１０）をそしてその他
    の円筒壁上には相互に電気的に絶縁された複数の導電性
    部分層（１１〜１４））を有する、特許請求の範囲第２
    項記載の装置。
  4. （４）相互に絶縁された部分層（１１〜１４）が円筒壁
    上で円筒軸線（１６）方向に延びており、かつ部分層（
    １１〜１４）の間にあって円筒軸線（１６）に対して平
    行に経過する絶縁部（１５）によって相互に分離されて
    いる、特許請求の範囲第３項記載の装置。
  5. （５）相互に分離された部分装置（１１〜１４）は外円
    筒壁上に配置されている、特許請求の範囲第３項又は４
    項記載の装置。
  6. （６）各層（１０）又は部分層（１１〜１４）に所望の
    対象物に相応して別の電気的運転電圧が印加されること
    ができる、特許請求の範囲第１項から第５項までのうち
    のいずれか１つに記載の装置。
  7. （７）運転のために必要な交流電圧に直流電圧が重ねら
    れる、特許請求の範囲第１項から第６項までのうちのい
    ずれか１つに記載の装置。
  8. （８）走査型トンネル顕微鏡（ＲＴＭ）として使用され
    る、特許請求の範囲第１項から第７項までのうちのいず
    れか１つに記載の装置。
  9. （９）運動要素（１、２、３）は走査型トンネル顕微鏡
    の検出針（７）又は検出針（７）を支持する走査要素（
    ４）と剛固に結合されている、特許請求の範囲第８項記
    載の装置。
  10. （１０）走査要素（４）が運動要素（１、２、３）と同
    様な方法で形成されている、特許請求の範囲第８項又は
    ９項記載の装置。
  11. （１１）走査運動が運動要素によって実施される、特許
    請求の範囲第８項から第１０項までのうちのいずれか１
    つに記載の装置。
  12. （１２）運動要素（３）の少なくとも１つが対象物（６
    ）の温度の測定のための感熱部（４１）を備えている、
    特許請求の範囲第８項から第１１項までのうちのいずれ
    か１つに記載の装置。
  13. （１３）顕微鏡に使用される場合、検出針（７）及び走
    査要素（４）の代わりに加工要素が使用される、特許請
    求の範囲第８項から第１２項までのうちのいずれか１つ
    に記載の装置。
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