(57)【要約】【課題】半導体製造分野で用いられる電子顕微鏡装置の試料ステージで要求されるような高いレベルでの位置決め精度やドリフトの低減を可能とする。【解決手段】制動装置は、ベースに装着されたブレーキレールと、テーブルに装着された１対の制動機構を有する。１対の制動機構はそれぞれブレーキレールに接触する作動部を有する。ブレーキレールの表面に作用する押圧力は、ブレーキレールの表面の法線に対して傾斜して作用する。押圧力を、ブレーキレールの表面に沿った方向の接線分力と法線方向の法線分力に分解することができる。この接線分力は、ブレーキレールに対してテーブルを互いに反対方向に駆動する推力として機能する。【選択図】図４
2010182543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
案内機構を備えたベースと、前記案内機構に沿って移動可能なテーブルと、前記テーブルを駆動するモータを有するテーブル駆動機構と、前記テーブルを制動する制動装置と、前記テーブル駆動装置及び前記テーブル制動機構を制御して前記テーブルの位置決めを行う位置決め制御装置と、を有するステージ装置において、
前記制動装置は、前記ベースに装着されたブレーキレールと、前記テーブルに装着された１対の制動機構を有し、前記１対の制動機構はそれぞれ前記ブレーキレールに接触する作動部を有し、前記ブレーキレールの表面に作用する前記作動部からの押圧力は、前記ブレーキレールの表面の法線に対して傾斜して作用し、前記押圧力を前記ブレーキレールの表面に沿った方向の接線分力と前記法線方向の法線分力に分解したとき、前記１対の制動機構の前記接線分力は、前記ブレーキレールに対して前記テーブルを互いに反対方向に駆動する推力として機能するように構成されていることを特徴とするステージ装置。
【請求項２】
請求項１記載のステージ装置において、前記位置決め制御装置は、前記テーブルが目標位置に配置するように前記モータをサーボ制御する第１の位置決め制御と、前記モータに流れる電流値が目標電流値の範囲内に収まるように前記１対の制動機構をサーボ制御する第２の位置決め制御と、を順次実行することを特徴とするステージ装置。
【請求項３】
請求項２記載のステージ装置において、前記第２の位置決め制御では、前記位置決め制御装置は、前記モータに流れる電流値が目標電流値の範囲内に収まるように、前記１対の制動機構の前記接線分力の差を制御することを特徴とするステージ装置。
【請求項４】
請求項１記載のステージ装置において、前記制動装置によって前記テーブルが制動されていないとき、前記１対の制動機構の作動部は、前記ブレーキレールの表面より浮き上がっていることを特徴とするステージ装置。
【請求項５】
請求項１記載のステージ装置において、前記１対の制動機構の各々は、枢動軸線回りに回転可能なリンクプレートを有し、該リンクプレートが前記枢動軸線回りに回転することによって、前記作動点は円弧を描くように構成されていることを特徴とするステージ装置。
【請求項６】
請求項５記載のステージ装置において、前記１対の制動機構の各々は、前記リンクプレートを枢動させる枢動力を生成するピエゾアクチェータを有することを特徴とするステージ装置。
【請求項７】
請求項５記載のステージ装置において、前記１対の制動機構の各々は、前記リンクプレートに設けられ前記作動部として機能するブレーキパッドと、該ブレーキパッドに装着された圧縮バネホルダーと、前記ブレーキパッドと前記圧縮バネホルダーの間に配置された圧縮バネと、を有し、該圧縮バネは、予め決められた与圧によって圧縮された状態で組み付けられていることを特徴とするステージ装置。
【請求項８】
請求項６記載のステージ装置において、前記１対の制動機構の各々は、前記ピエゾアクチェータによって生成される枢動力と反対方向の枢動力を生成する反発力生成部材と、を有し、前記ピエゾアクチェータへ電圧が印加されていないとき、前記反発力生成部材によって生成される枢動力によって、前記１対の制動機構の作動部は、前記ブレーキレールの表面より浮き上がっていることを特徴とするステージ装置。
【請求項９】
請求項１記載のステージ装置において、前記テーブルを第１のテーブルとすると該第１のテーブルに設けられた案内機構に沿って移動可能な第２のテーブルと、前記第２のテーブルを駆動する第２のモータを有する第２のテーブル駆動機構と、前記第２のテーブルを制動する第２の制動装置と、前記第２のテーブル駆動装置及び前記第２のテーブル制動機構を制御して前記第２のテーブルの位置決めを行う第２の位置決め制御装置と、を有し、前記第２のテーブルは前記第１のテーブルの移動方向に対して直交する方向に移動可能であり、
前記第２の位置決め制御装置は、前記第１のテーブルに装着された第２のブレーキレールと、前記第２のテーブルに装着された１対の第２の制動機構を有し、前記１対の第２の制動機構はそれぞれ前記第２のブレーキレールに接触する第２の作動部を有し、前記第２のブレーキレールの表面に作用する前記第２の作動部からの第２の押圧力は、前記第２のブレーキレールの表面の法線に対して傾斜して作用し、前記第２の押圧力を前記第２のブレーキレールの表面に沿った方向の接線分力と前記法線方向の法線分力に分解したとき、前記１対の第２の制動機構の前記接線分力は、前記第２のブレーキレールに対して前記第２のテーブルを互いに反対方向に駆動する推力として機能するように構成されていることを特徴とするステージ装置。
【請求項１０】
案内機構を備えたベースと、前記案内機構に沿って移動可能なテーブルと、前記テーブルを駆動するモータを有するテーブル駆動機構と、前記テーブルを制動する制動装置と、前記テーブル駆動装置及び前記テーブル制動機構を制御して前記テーブルの位置決めを行う位置決め制御装置と、を有するステージ装置において、
前記位置決め制御装置は、前記テーブルが目標位置に配置するように前記モータをサーボ制御する第１の位置決め制御と、前記モータに流れる電流値が目標電流値の範囲内に収まるように前記制動装置をサーボ制御する第２の位置決め制御と、を順次実行することを特徴とするステージ装置。
【請求項１１】
請求項１０記載のステージ装置において、
前記位置決め制御装置は、前記第１の位置決め制御を行なうモータ駆動制御部と、前記第２の位置決め制御を行う制動制御部と、前記モータ駆動制御部による第１の位置決め制御と前記制動制御部による第２の位置決め制御の切替えを制御する統合制御部と、を有し、前記モータ駆動制御部は、前記テーブルの目標位置と前記テーブルの現在位置に基づいて、前記モータに対する駆動電流指令値を生成するサーボ制御部を有し、
前記制動制御部は、前記モータ駆動制御部から得られた前記モータに対する駆動電流指令値をフィードバック入力し、前記制動機構をサーボ制御するための制動指令を生成するサーボ制御部を有することを特徴とするステージ装置。
【請求項１２】
請求項１０記載のステージ装置において、
前記制動装置は、前記ベースに装着されたブレーキレールと、前記テーブルに装着された１対の制動機構を有し、前記１対の制動機構はそれぞれ前記ブレーキレールに接触する作動部を有し、前記ブレーキレールの表面に作用する前記作動部からの押圧力は、前記ブレーキレールの表面の法線に対して傾斜して作用し、前記押圧力を前記ブレーキレールの表面に沿った方向の接線分力と前記法線方向の法線分力に分解したとき、前記１対の制動機構の前記接線分力は、前記ブレーキレールに対して前記テーブルを互いに反対方向に駆動する推力として機能するように構成されていることを特徴とするステージ装置。
【請求項１３】
請求項１２記載のステージ装置において、
前記１対の制動機構の各々は、枢動軸線回りに回転可能なリンクプレートと、前記リンクプレートを枢動させる枢動力を生成するピエゾアクチェータとを有し、前記リンクプレートが前記枢動軸線回りに回転することによって、前記作動点は円弧を描くように構成されていることを特徴とするステージ装置。
【請求項１４】
請求項１３記載のステージ装置において、
前記１対の制動機構の各々は、前記リンクプレートに設けられ前記作動部として機能するブレーキパッドと、該ブレーキパッドに装着された圧縮バネホルダーと、前記ブレーキパッドと前記圧縮バネホルダーの間に配置された圧縮バネと、を有し、該圧縮バネは、予め決められた与圧によって圧縮された状態で組み付けられていることを特徴とするステージ装置。
【請求項１５】
請求項１３記載のステージ装置において、
前記１対の制動機構の各々は、前記ピエゾアクチェータによる枢動力と反対方向の枢動力を生成する反発力生成部材と、を有し、前記ピエゾアクチェータへ電圧が印加されていないとき、前記反発力生成部材によって生成される枢動力によって、前記１対の制動機構の作動部は、前記ブレーキレールの表面より浮き上がっていることを特徴とするステージ装置。
【請求項１６】
請求項１０記載のステージ装置において、前記テーブルを第１のテーブルとすると該第１のテーブルに設けられた案内機構に沿って移動可能な第２のテーブルと、前記第２のテーブルを駆動する第２のモータを有する第２のテーブル駆動機構と、前記第２のテーブルを制動する第２の制動装置と、前記第２のテーブル駆動装置及び前記第２のテーブル制動機構を制御して前記第２のテーブルの位置決めを行う第２の位置決め制御装置と、を有し、前記第２のテーブルは前記テーブルの移動方向に対して直交する方向に移動可能であることを特徴とするステージ装置。
【請求項１７】
案内機構を備えたベースと、前記案内機構に沿って移動可能なテーブルと、前記テーブルを駆動するモータを有するテーブル駆動機構と、前記テーブルを制動する制動装置と、前記テーブル駆動装置及び前記テーブル制動機構を制御して前記テーブルの位置決めを行う位置決め制御装置と、を有するステージ装置を用いたステージの位置決め方法において、
前記位置決め制御装置によって、前記目標位置と前記テーブルの位置との偏差がゼロとなるように、前記テーブル駆動機構を制御する前記第１の位置決め制御ステップと、
前記位置決め制御装置によって、前記モータに流れる電流値が予め設定した目標電流値の範囲に入るように、前記１対の制動機構を制御する前記第２の位置決め制御ステップと、を有し、
前記第１の位置決め制御ステップは、
テーブルの目標位置を設定する目標位置設定ステップと、
テーブルの現在位置を検出する位置検出ステップと、
前記テーブルの目標位置と前記テーブルの現在位置の偏差を求める偏差算出ステップと、
前記偏差がゼロになるように前記テーブルを移動させるテーブル移動ステップと、
を有し、
前記第２の位置決め制御ステップは、
前記偏差がゼロとなったときに前記制動装置を作動させて前記テーブルを制動する制動ステップと、
前記テーブルを制動した状態にて、前記テーブルを駆動するモータに流れる電流値を検出する電流検出ステップと、
前記モータに流れる電流値が予め設定した目標電流値の範囲に入っていないとき、前記モータに流れる電流値が前記目標電流値の範囲に入るように、前記制動装置による制動力を制御するモータ電流制御ステップと、
を含むステージ位置決め方法。
【請求項１８】
請求項１７記載のステージ位置決め方法において、
前記モータ電流制御ステップは、前記１対の制動機構の各々に含まれるピエゾアクチェータへの印加電圧を制御することによって前記１対の制動機構の各々に含まれるリンクプレートを枢動させる枢動力を制御し、それによって前記制動装置による制動力を制御することを含むことを特徴とするステージ位置決め方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡装置に用いて好適なステージ装置に関し、特に、ステージ装置におけるステージの位置決め制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造分野では、半導体ウェーハ上に形成したパターンの形状及び寸法が正しいか否かを検査し、評価するために、測長機能を備えた走査型電子顕微鏡が用いられる。この走査型電子顕微鏡では、ウェーハ上に電子線を照射し、得られた二次電子信号を画像処理し、その明暗の変化からパターンのエッジを判別して寸法を導き出している。
【０００３】
近年、半導体素子の微細化が進み、例えば、３５ｎｍノードのデザインルールを採用する要求がある。それに対応して、３０万倍以上の観察倍率において、よりノイズの少ない二次電子像を得ることが必要である。また、コントラストを向上させるために、二次電子像を数枚重ね合わせて画像を得ることもある。そのため、ウェーハを保持するステージは、高い精度にて位置決めされる必要がある。また、位置決めした後に、ステージを高い精度にて静止させる必要がある。そのためには、ｎｍオーダの微小振動やドリフト（時間経過と共に停止位置がずれていく現象）を抑制する必要がある。
【０００４】
特許文献１は、テーブルに固定された２つの平行板バネ機構と、該平行板バネのうちの１つの板バネに固定された２つの与圧部材と、その与圧部材の片方に固定された滑りパッドと、２つの与圧部材の間隔を調整する調整手段を備えた制動機構が記載されている。この制動機構は各テーブルに２つ以上設けられると共に、静止側のベースに滑りパッドが押し付けられる滑り面が設けられる。テーブルの停止時には、滑りパッドと滑り面間の静止摩擦力を利用してテーブルを固定する。テーブルの移動時には静止摩擦力を超える力をかけることによって、テーブルの移動を行なう。
【０００５】
特許文献２には、ガイドと、このガイドに沿って駆動される走行体と、この走行体の外側に取り付けられるホルダーと、ホルダーに一体構造の切欠きバネと、切欠きバネに取り付けられたブレーキパッドを備えた構成が開示されている。切欠きバネに開口する供給路に圧縮空気を供給することにより、切欠きバネが押し下げられ、ブレーキパッドがガイドの上面に接触し、走行体に対するブレーキ作用が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２―１８４３３９号公報
【特許文献２】特開昭６４―２０９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されている方法では、滑りパッドと滑り面間の静止摩擦力を利用してテーブルを固定する。この方法は、ステージの機械的剛性が高いため、位置決め時に低振動、ドリフトの低減が期待できる。しかしながら、ステージ移動時においても、常時強い力で制動されているため滑りパッドと滑り面で熱が発生する。この熱に起因して、部材が熱膨張する。そのため、その後の熱収縮は、ドリフトの要因となる。
【０００８】
特許文献２に開示された方法では、走行体に設けたブレーキパッドをガイドに押し当てることにより走行体を制動する。しかしながら、一般に、ガイドレールとスライダ間の摩擦は小さく、ガイドレール上のスライダに僅かな移動方向荷重が加わっても微妙な位置変動が生じる。ブレーキパッドをガイドレールに押し付けたときに不要な力が発生し、位置決め誤差が生じる可能性がある。
【０００９】
本発明の目的は、半導体製造分野で用いられる電子顕微鏡装置の試料ステージで要求されるような高いレベルでの位置決め精度やドリフトの低減を可能とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によると、ステージ装置は、案内機構を備えたベースと、案内機構に沿って移動可能なテーブルと、テーブルを駆動するモータを有するテーブル駆動機構と、テーブルを制動する制動装置と、テーブルの位置決めを行う位置決め制御装置と、を有する。
【００１１】
本発明によると、制動装置は、ベースに装着されたブレーキレールと、テーブルに装着された１対の制動機構を有する。１対の制動機構はそれぞれブレーキレールに接触する作動部を有する。ブレーキレールの表面に作用する押圧力は、ブレーキレールの表面の法線に対して傾斜して作用する。押圧力を、ブレーキレールの表面に沿った方向の接線分力と法線方向の法線分力に分解することができる。この接線分力は、ブレーキレールに対してテーブルを互いに反対方向に駆動する推力として機能する。
【００１２】
本発明によると、ステージ装置の位置決め制御装置は、テーブルが目標位置に配置するようにモータをサーボ制御する第１の位置決め制御と、モータに流れる電流値が目標電流値の範囲内に収まるように１対の制動機構をサーボ制御する第２の位置決め制御を実行する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、半導体製造分野で用いられる電子顕微鏡装置の試料ステージで要求されるような高いレベルでの位置決め精度やドリフトの低減を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による試料ステージを備えた電子線顕微鏡装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明による試料ステージの構造を詳細に説明する図である。
【図３】本発明による試料ステージの位置決め制御装置の構成例を示す図である。
【図４】本発明による試料ステージのＸ制動機構とＸブレーキレールを示す斜視図である。
【図５】本発明による試料ステージのＸ制動機構の分解図である。
【図６】本発明による試料ステージのＸ制動機構をＸテーブルに装着する方法を示した斜視図である。
【図７】本発明による試料ステージのＸ制動機構の動作を説明する図である。
【図８Ａ】本発明による試料ステージの制動機構において圧縮バネを設けない場合の、印加電圧と制動力の関係を示す図である。
【図８Ｂ】本発明による試料ステージの制動機構において圧縮バネを設ける場合の、印加電圧と制動力の関係を示す図である。
【図９Ａ】本発明による試料ステージの第１の位置決め制御を説明する説明図である。
【図９Ｂ】本発明による試料ステージの第２の位置決め制御を説明する説明図である。
【図１０】本発明による試料ステージの位置決め制御装置による位置決め処理の例を説明する図である。
【図１１】本発明による試料ステージのＸ制動機構の他の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明によるステージ装置を備えた電子線顕微鏡装置の全体構成を示す図である。電子線顕微鏡装置は、真空ポンプ１により真空排気される試料室２を有する。試料室２の内部には、試料ステージ３を備えたステージ装置が搭載されている。試料ステージ３は、ベース４、Ｘテーブル５、及び、Ｙテーブル６を有する。Ｙテーブル６上には、試料ホルダー１５が搭載されており、試料ホルダー１５上にはウェーハ１６が固定されている。
【００１６】
試料室２の上には、鏡筒２６が装着されている。鏡筒２６には、電子線源となる電子銃２０、電子線２１の軌道を変える偏向器２２、電子線２１を収束させる電子レンズ２３、及び、ウェーハ１６から放射される二次電子２４を取り込むための二次電子検出器２５が組み込まれている。電子線顕微鏡装置は、更に、二次電子検出器２５からの信号を処理する制御部２７、電子像を表示するモニター２８を有する。
【００１７】
Ｘテーブル５の駆動機構を説明する。Ｘテーブル５には、Ｘロッド１０が接続されている。Ｘロッド１０は、Ｘボールネジ９の回転によって直線運動を行う。Ｘボールネジ９は、真空シールを施したシャフト１１に結合され、モータ１２により回転が可能である。即ち、モータ１２が回転すると、Ｘボールネジ９が回転し、Ｘロッド１０が直線運動し、Ｘテーブル５がＸ方向に移動する。
【００１８】
Ｘテーブル５の位置制御機構を説明する。Ｙテーブル６上には、Ｘ方向のステージ位置制御用バーミラー１７が装着されている。試料室２の外側には、レーザ干渉計等の位置検出器１８が装着されている。ステージ位置制御用バーミラー１７と位置検出器１８を用いて、Ｘテーブル５のＸ方向の位置が測定される。位置検出器１８によって測定されたＸテーブル５のＸ方向の位置は、位置決め制御装置１９に送られる。位置決め制御装置１９は、Ｘテーブル５のＸ方向の位置を入力し、Ｘ方向駆動用モータ１２に駆動信号を送る。それによって、モータ１２が回転し、Ｘテーブル５が移動する。
【００１９】
ここでは、Ｘテーブル５に駆動機構及び位置制御機構を説明したが、Ｙテーブル６の駆動機構及び位置制御機構も同様な構造を有する。位置決め制御装置１９は、位置検出器１８と協働して「位置決め制御手段」として機能する。位置決め制御装置１９の詳細は、後に、図３を参照して説明する。
【００２０】
ここで、本発明による電子顕微鏡の動作を簡単に説明する。通常、ウェーハのパターン形状の評価方法として、所望のパターンがチップ内のどの位置にあるか、あるいは１枚のウェーハに対して配列されたどのチップのパターンを評価するか、のそれぞれについて座標を用いて予め登録しておく。パターン評価するとき、位置決め制御装置１９は、登録された内容に基づき、自動的にその座標位置まで試料ステージを移動させる。そこで、電子線２１をウェーハ１６上に照射し、偏向器２２で走査する。二次電子検出器２５を介して、数万倍から数十万倍の二次電子像を取得し、モニター２８上に表示する。そして、二次電子像の明暗の変化からパターンの形状を判別し、指定した形状（パターン線幅やピッチ等）の寸法値を算出する。その後、次に登録されたチップの座標位置に移動し、同様に画像取得を繰り返しウェーハのパターンの形状評価を行う。
【００２１】
図２を参照して、試料ステージ３の構造を詳細に説明する。図示のように、ベース４上に、２本のレール（Ｘ滑り案内部材）７とＸブレーキレール３０が固定されている。これらのレールは、Ｘ方向に沿って延びている。レール７の上に、４本のスライダ（Ｘ滑り案内部材）８が摺動可能に装着されており、スライダ８の上に、Ｘテーブル５が固定されている。Ｘテーブル５は、レール７とスライダ８からなる案内機構により、Ｘ方向に移動するように拘束されている。従って、Ｘテーブル５は、Ｘモータ１２の回転によりＸ方向に直線運動を行なう。
【００２２】
Ｘテーブル５上に、２本のレール（Ｙ滑り案内部材）１３とＹブレーキレール３３が固定されている。これらのレールは、Ｙ方向に沿って延びている。レール１３の上に、４本のスライダ（Ｙ滑り案内部材）１４が摺動可能に装着されており、スライダ１４の上に、Ｙテーブル６が固定されている。Ｙテーブル６は、レール１３とスライダ１４からなる案内機構により、Ｙ方向に移動するように拘束されている。従って、Ｙテーブル６は、Ｙモータ２９の回転によりＹ方向に直線運動を行なう。
【００２３】
試料ステージ３は、Ｘテーブル５を制動するためのＸブレーキ機構と、Ｙテーブル６を制動するためのＹブレーキ機構とを有する。Ｘブレーキ機構は、ベース４の上面に固定されたＸブレーキレール３０と、それに対向するように、Ｘテーブル５の下面に固定されたＸ制動機構３１、３２とを有する。Ｙブレーキ機構は、Ｘテーブル５の上面に固定されたＹブレーキレール３３と、それに対向するように、Ｙテーブル６の下面に固定されたＹ制動機構３４、３５とを有する。Ｘブレーキ機構とＹブレーキ機構の詳細に後に説明する。
【００２４】
なお、本発明の試料ステージ３に用いるモータ１２、２９は、パルスモータあるいはサーボモータいずれであってもよい。さらに、本発明の試料ステージ３に用いるステージ駆動方式として、モータとボールネジによる駆動方式を説明した。しかしながら、本発明によると、ステージ駆動方式は、これらに限定するものでなく、ムービングマグネットあるいはムービングコイル方式によるリニアモータ駆動方式を用いてもよい。
【００２５】
図３は、位置決め制御装置１９の構成例を示す図である。位置決め制御装置１９は、内蔵のメモリに記録されたプログラムを読み出し、後記する図１０のフローチャートに従う手順を逐次実行する。位置決め制御装置１９は、Ｘ軸方向の位置決め制御装置とＹ軸方向の位置決め制御装置を有するが、両者の構成は基本的には同一である。ここでは、Ｘ軸方向の位置決め制御装置の構成を説明する。
【００２６】
位置決め制御装置１９は、モータ駆動制御部３６、制動制御部３７、及び、統合制御部３８を有する。モータ駆動制御部３６は第１の位置決め制御を行う。第１の位置決め制御では、モータ１２をサーボ制御することにより、Ｘテーブル５を目標位置に位置決めさせる。制動制御部３７は第２の位置決め制御を行う。第２の位置決め制御では、Ｘ制動機構３１、３２をサーボ制御することにより、モータ１２に流れる電流値を目標電流値の範囲になるように制御する。第１及び第２の位置決め制御の詳細は、後に説明する。統合制御部３８は、モータ駆動制御部３６による第１の位置決め制御と制動制御部３７による第２の位置決め制御の切替えを制御する。この切替えを制御は、位置検出器１８で得られるＹテーブル６の現在位置に基づいてなされる。
【００２７】
モータ駆動制御部３６は、サーボ制御部３６ｓとサーボアンプ３６ａを有する。サーボ制御部３６ｓは、Ｘテーブル５の目標位置と、位置検出器１８によって得られたＸテーブル５の現在位置に基づいて、モータ１２に対する駆動電流指令値を生成する。サーボアンプ３６ａは駆動電流指令値を増幅し、それをモータ１２に出力する。サーボアンプ３６ａは、モータ１２に対する駆動電流指令値３６ｂを制動制御部３７に出力する。即ち、サーボアンプ３６ａは、モータ１２に流れる電流値をモニタし、それを制動制御部３７に出力する。
【００２８】
制動制御部３７は、サーボ制御部３７ｓ１、３７ｓ２とサーボアンプ３７ａ１、３７ａ２を有する。サーボ制御部３７ｓ１、３７ｓ２は、サーボアンプ３６ａからモータ１２に対する駆動電流指令値３６ｂをフィードバック入力する。サーボ制御部３７ｓ１、３７ｓ２は、駆動電流指令値３６ｂに基づいて、制動機構３１及び３２をサーボ制御するための制動指令を生成する。サーボアンプ３７ａ１、３７ａ２は、サーボ制御部３７ｓ１及び３７ｓ２からの制動指令を増幅し、それを制動機構３１及び３２に出力する。
【００２９】
図４を参照して、本発明によるＸブレーキ機構の概要を説明する。Ｘブレーキ機構は、ベース４（図示なし）上に固定されたＸブレーキレール３０と、それに対向するように、Ｘテーブル５（図示なし）の下面に固定されたＸ制動機構３１、３２を有する。２つのＸ制動機構３１、３２は、同一構造のものであるが、Ｘ軸座標に対して互いに反対方向に設置される。以下に、Ｘ制動機構３２について説明する。Ｘ制動機構３２は、ブレーキパッド４８、圧縮バネホルダー５０、T型ブラケット５２、リンクプレート４１、ピエゾアクチェータ４０、ホルダー４２、ボールプランジャ４５、及び、中間ブロック５５を有する。ブレーキパッド４８の表面の中央部は、凸形状の球面形状を有する。ブレーキパッド４８がＸブレーキレール３０に接触することによって、Ｘテーブル５に対して制動を加える。
【００３０】
図５を参照して、本発明によるＸブレーキ機構を更に詳細に説明する。ブレーキパッド４８と圧縮バネホルダー５０の間に４個の圧縮バネ４９を配置し、圧縮バネホルダー５０の孔５０ｂに挿入されたボルト５１をブレーキパッド４８のねじ４８ａへ締結する。それによって、４個の圧縮バネ４９は、ブレーキパッド４８と圧縮バネホルダー５０の間にて、予め決められた与圧によって圧縮された状態で組み付けられる。T型ブラケット５２の孔にボルト５３を通し、それを圧縮バネホルダー５０のねじ部５０ａに締結することにより、圧縮バネホルダー５０はT型ブラケット５２に装着される。リンクプレート４１の孔４１ｄにボルト５４を通し、それをT型ブラケット５２のねじ部５２ａに締結することにより、T型ブラケット５２はリンクプレート４１に組み付けられる。こうして、ブレーキパッド４８、圧縮バネ４９、圧縮バネホルダー５０、T型ブラケット５２、及び、リンクプレート４１は、一体的な組立体を構成する。
【００３１】
中間ブロック５５の孔５５ａに、ボルト５８を通し、それをホルダー４２のねじ部４２ｄに締結することにより、ホルダー４２は中間ブロック５５に一体的に組み付けられる。リンクプレート４１の穴部４１ｃにスリーブ４３とヘッドキャップスキュリュー４４を挿入しながら、ヘッドキャップスキュリュー４４をホルダー４２の穴部４２ａに係合させる。それによって、リンクプレート４１は、ヘッドキャップスキュリュー４４の中心軸線回りに枢動可能にホルダー４２に装着される。
【００３２】
ピエゾアクチェータ４０の先端部４０ａにはヘッド４０ｂが一体的に組み付けられる。ヘッド４０ｂの先端は、球状に仕上げられている。ピエゾアクチェータ４０は、内部に図示しない積層されたピエゾ素子を有する。このピエゾ素子に電圧を印加することによって先端部４０ａ及びヘッド４０ｂが軸線方向に変位する。ピエゾアクチェータ４０をホルダー４２の開口部４２ｂに挿入し、ボルト４７を締め付けることによってピエゾアクチェータ４０とホルダー４２が一体に組み付けられる。このとき、ピエゾアクチェータ４０の先端部４０ａのヘッド４０ｂの先端は、リンクプレート４１の縦板面４１ａに接触する。
【００３３】
ボールプランジャ４５の外周にはねじが形成され、先端は球状に形成され、その内部に圧縮バネ（図示せず）が備えられている。ボールプランジャ４５の外周のねじ部を、ホルダー４２のねじ穴部４２ｃに係合させ、ナット４６を締め付けることによって、ボールプランジャ４５はホルダー４２に一体的に組み付けられる。ボールプランジャ４５の先端は、リンクプレート４１の縦板面４１ｂに接触する。本例では、ボールプランジャ４５は、ピエゾアクチェータによる枢動力と反対方向の枢動力を生成する反発力生成部材として機能する。本発明によると、ピエゾアクチェータによる枢動力と反対方向の枢動力を生成する反発力生成部材として、ボールプランジャ４５以外の構成が用いられてよい。
【００３４】
ピエゾアクチェータ４０への電圧をオンにすると、ヘッド４０ｂが変位する。ヘッド４０ｂが変位すると、ヘッド４０ｂよりリンクプレート４１の縦板面４１ａに力ｆ２が作用する。この力ｆ２によって、リンクプレート４１を、ヘッドキャップスキュリュー４４の中心軸線回りに枢動させる回転力ｆｒ２が生成される。即ち、ピエゾアクチェータ４０への電圧をオンにすると、リンクプレート４１が枢動し、T型ブラケット５２を介してブレーキパッド４８が変位し、ブレーキパッド４８がＸブレーキレール３０上に押し付けられる。
【００３５】
ピエゾアクチェータ４０への電圧がオフのとき、即ち、ヘッド４０ｂが変位していないとき、ボールプランジャ４５の先端は、リンクプレート４１の縦板面４１ｂに一定のバネ力ｆ１を印加している。このバネ力によって、リンクプレート４１を、ヘッドキャップスキュリュー４４の中心軸線回りに枢動させる回転力ｆｒ１が生成される。ピエゾアクチェータ４０によって生成される力ｆ２の方向は、ボールプランジャ４５によって生成されるバネ力ｆ１の方向と反対である。即ち、ピエゾアクチェータ４０によって付与されるリンクプレート４１の回転力の方向は、ボールプランジャ４５によって付与されるリンクプレート４１の回転力の方向は反対である。従って、ピエゾアクチェータ４０への電圧をオフにすると、リンクプレート４１が枢動し、ブレーキパッド４８はＸブレーキレール３０より浮き上がる。
【００３６】
本発明のステージ位置決め制御装置では、制動機構を作動させないときは、ブレーキパッド４８の表面はブレーキレール３０より浮き上がっており、ブレーキレール３０に接触していない。制動機構を作動させたときのみ、ブレーキパッド４８の表面はブレーキレール３０の表面を押し付けている。
【００３７】
ここで、積層型のピエゾ素子を用いたピエゾアクチェータの特性を説明する。ピエゾ素子に電圧を加えると変位と力を発生する。しかしながら、変位と力は両立しない特性となっている。ピエゾアクチェータによって得られる最大荷重は、ピエゾアクチェータを理論的に無限大の負荷をかけた場合、即ち、ピエゾアクチェータの先端部が変位しないように拘束した場合に得られる。この力は、一般に、ブロッキングフォースとも呼ばれ、その大きさは、印加電圧にほぼ比例する。また、ピエゾアクチェータによって発生する力は、ピエゾ素子の断面積に概ね比例する。一方、ピエゾアクチェータによって得られる最大変位は、無負荷状態（ｆ＝０）のときに得られる。変位の最大値（δ）は、ピエゾ素子の積層長さに略比例する。変位量は、積層全長の約０．１％（１０００分の１）である。仮に、ピエゾアクチェータの全長を５０ｍｍとすると約０．０５ｍｍの変位であり、僅かな量である。
【００３８】
図６を参照して、Ｘ制動機構３１、３２をＸテーブル５に装備する方法を説明する。Ｘテーブル５には、矩形の穴部５６が形成されている。この穴部５６の内壁に、ネジ穴５６ａ、５６ｂを設けた２つの台座５６ｃが設けられている。中間ブロック５５の孔５５ｂに、ボルト５７ａ、５７ｂを通し、それを制動機構３１の台座５６ｃのネジ穴５６ａ、５６ｂに締結する。それによって、制動機構３１がＸテーブル５に固定される。制動機構３２も同様にＸテーブル５に固定される。こうして、同一構造の２つのＸ制動機構３１、３２が、Ｘ軸座標に対して互いに反対方向に設置される。図２に示したように、Ｙテーブル６の下面に、Ｙ制動機構３４、３５を固定する方法も、これと同様である。
【００３９】
図７を参照して、Ｘ制動機構３１、３２の動作を説明する。図７は、Ｘ制動機構３１、３２及びブレーキレール３０を側面から見た図である。先ず、Ｘ制動機構３１を例にピエゾアクチェータ４０の作動による制動力と推力発生動作について詳述し、その後、Ｘ制動機構３２の動作が加わった場合の動作について説明する。
【００４０】
上述のように、ピエゾアクチェータ４０への電圧をオンにすると、リンクプレート４１は図７の矢印７０に示すように、時計方向に揺動する。リンクプレート４１に装着されたＴ型ブラケット５２が枢動し、ブレーキパッド４８がブレーキレール３０の制動面３０ａに押圧される。ピエゾアクチェータ４０のヘッド４０ｂの変位は、拡大されてブレーキパッド４８の変位に変換される。ピエゾアクチェータ４０の中心軸線とスリーブ４３の中心軸線の間の距離をＬ１、スリーブ４３の中心軸線とブレーキパッド４８の作用点の間の距離をＬ２とする。ピエゾアクチェータ４０のヘッド４０ｂの変位は、Ｌ２／Ｌ１倍に拡大されて、ブレーキパッド４８の変位となる。
【００４１】
ブレーキパッド４８の作用点は、半径Ｌ２の弧を描く。そのため、ブレーキパッド４８による押圧力６０は、ブレーキレール３０の制動面３０ａの法線Ｐに対して所定の角度θで傾いて作用する。押圧力６０は、法線方向の分力６１と接線方向の分力６２に分解できる。法線方向の分力６１は、摩擦力、即ち制動力を生成する。この摩擦力は、Ｘテーブル５を制動する制動力として機能する。一方、接線方向の分力６２は、Ｘテーブル５を駆動する推力として機能する。制動力６１と推力６２の比は、押圧力６０の角度θによって変化する。
【００４２】
２つの制動機構３１、３２は、互いに反対方向の推力６２、６５を生成する。２つの制動機構３１、３２における推力６２、６５の差は、ブレーキレール３０に対してＸテーブルを駆動させるように作用する。即ち、２つの制動機構３１、３２における推力６２、６５の差は、Ｘテーブルを駆動させる駆動力又は推力となる。
【００４３】
本発明のステージ位置決め制御装置では、制動機構を作動させないときは、ブレーキパッド４８の表面はブレーキレール３０より浮き上がっており、ブレーキレール３０に接触していない。ブレーキパッド４８の先端とブレーキレール３０間のギャップは、２つのＸ制動機構３１、３２において本来同一となるはずである。２つの制動機構３１、３２において、このギャップが同一であり、且つ、ピエゾアクチェータ４０への印加電圧が同一なら、２つの推力６２、６５の差はゼロとなるはずである。
【００４４】
しかしながら、実際には、ブレーキレール３０の表面に発生する凹凸などの要因によって、２つのＸ制動機構３１、３２において、このギャップが異なることがある。その場合には、２つの制動機構３１、３２において、推力の差が生じる。
【００４５】
２つの制動機構３１、３２における推力の差は、ギャップの差異ばかりでなく、ピエゾアクチェータ自体の特性差、制動機構の各部品の寸法差、組み立て状態等が要因として挙げられる。従って、２つの制動機構３１、３２において、ピエゾアクチェータ４０への印加電圧が同一でも、推力の差は、必ずしもゼロとなるわけではない。
【００４６】
本発明によると、２つのＸ制動機構３１、３２を独立に制御する。即ち、本発明によると、２つのＸ制動機構３１、３２において、ピエゾアクチェータ４０への印加電圧を異なる値に設定することができる。２つの制動機構３１、３２において、ピエゾアクチェータ４０へ異なる電圧を印加することによって、推力の差異を生成する。こうして生成された推力によって、ギャップの差異、製造精度の差異等に起因して生じる推力の差異を、相殺することができる。
【００４７】
尚、本発明によると、２つの制動機構３１、３２において、推力の差異を生成することによって、更に、モータに流れる電流値が目標範囲に入るように、サーボ制御するが、これについては後に詳細に説明する。
【００４８】
Ｘテーブル５に対する制動力６１が作用しているとき、推力６２は、リンクプレート４１に対し荷重として作用する。それによって、リンクプレート４１は弾性変形する。即ち、リンクプレート４１に、推力６２に相当する荷重が加わり、リンクプレート４１は湾曲するように弾性変形する。リンクプレート４１の弾性変形によって、スリーブ４３の中心軸線と、ブレーキパッド４８の作用点の間の距離Ｌ２は、僅かであるが短縮する。リンクプレート４１の弾性変形に起因して、Ｘテーブル５は、Ｘブレーキレール３０に対して相対的に、Ｘ方向に変位する。リンクプレート４１の弾性変形に起因したＸテーブル５の変位は、推力６２に比例する。ピエゾアクチェータ４０のピエゾ素子に印加する電圧を大きくすると、推力６２が大きくなり、リンクプレート４１の弾性変形に起因したＸテーブル５の変位量が大きくなる。この変位は、リンクプレート４１の長さを適切な値に設定することによって、数十μオーダまで可能であることが実験的に確認されている。
【００４９】
ピエゾアクチェータ４０への電圧をオフにし、Ｘテーブル５に対する制動力６１を解除すると、リンクプレート４１は、元の状態に戻り、その弾性変形量はゼロとなる。Ｘブレーキレール３０に対するＸテーブル５のＸ方向の相対的な変位はゼロとなる。
【００５０】
本発明によると、ピエゾアクチェータ４０のヘッド４０ｂの変位は、Ｌ２／Ｌ１倍に拡大されて、ブレーキパッド４８の変位となる。即ち、ピエゾアクチェータ４０のヘッド４０ｂの変位によって直接ブレーキパッド４８の変位が生成されているのではない。こうして、変位を拡大することによって、ブレーキパッド４８とブレーキレール３０の間のギャップの管理が相対的に緩和される。一方、梃子の原理により、ブレーキパッド４８の変位が拡大されると、ブレーキパッド４８による押圧力６０は減少する。しかしながら、１０ｍｍ角の面積のピエゾ素子によって発生する力は、数千N程度である。従って、十分なブレーキ力を得ることができる。
【００５１】
更に本発明によると、図５に示したように、ブレーキパッド４８と圧縮バネホルダー５０の間に４個の圧縮バネ４９が予め圧縮された状態で装着されている。即ち、ピエゾアクチェータによって得られる力を直接使用するのではなく、リンクプレート４１と圧縮バネ４９を介して、ブレーキパッド４８によるブレーキ力を生成する。そのため、ブレーキパッド４８によるブレーキ力を所望のように管理することができる。それについて、以下に図８Ａ及び図８Ｂを参照して説明する。
【００５２】
図８Ａは、図７に示した制動機構において圧縮バネ４９を設けない場合の、印加電圧と制動力の関係を示す図である。横軸は、ピエゾアクチェータ４０への印加電圧、縦軸は、制動力である。２つの直線８０１、８０２は、第１の制動機構３１による制動力と第２の制動機構３２による制動力をそれぞれ示す。印加電圧をゼロから増加させても直ぐには制動力は発生しない。これは、ブレーキパッド４８とブレーキレール３０の間にギャップがあるためである。２つの制動機構３１、３２において、制動力が発生するときの印加電圧は異なる。これは、２つの制動機構３１、３２において、ギャップが異なるためである。図示の例では印加電圧を増加させると、制動力は直線的に増加する。図示の印加電圧と制動力の関係は、単なる例であり、実際には、必ずしもこのような直線的な比例関係になるとは限らない。ただ、印加電圧を大きくすれば制動力が大きくなるという傾向は変わらない。
【００５３】
最大許容印加電圧（Vmａx）のとき、２つの制動機構３１、３２における制動力の差をΔF１とする。制動力の差ΔF１は、印加電圧によらず一定である。
【００５４】
図８Ｂは、図４に示した制動機構において圧縮バネ４９を設けた場合の、印加電圧と制動力の関係を示す図である。横軸は、ピエゾアクチェータ４０への印加電圧、縦軸は、制動力である。２つの直線８０３、８０４は、第１の制動機構３１による制動力と第２の制動機構３２による制動力をそれぞれ示す。制動力が、バネの設定与圧以下では、図８Ａの例と同様に、印加電圧を増加させると、制動力は直線的に増加する。しかしながら、制動力が、バネの設定与圧を超えると、直線の勾配が小さくなる。これは、バネ定数の特性から決まる制動力が生成されるからである。本発明の制動機構では、ピエゾアクチェータの発生力と変位から定まるスティフネス（剛性）に比べて、圧縮バネのバネ定数が小さい。
【００５５】
最大許容印加電圧（Vmａx）のとき、２つの制動機構３１、３２における制動力の差をΔF２とする。制動力が、バネの設定与圧以下では、２つの制動機構３１、３２における制動力の差はΔF１である。制動力が、バネの設定与圧を超えると、制動力の差はΔF２となる。図８Ａの場合の制動力の差ΔF１と本例の制動力の差ΔF２を比較すると、本例では、制動力の差ΔF２が非常に小さい。従って、圧縮バネ４９を設けた場合、２つの制動機構３１、３２において、ギャップに差異があっても、生成する制動力の差異は小さい。図示のように、本発明によると最大制動力と最小制動力の間の比較的小さな範囲の制動力を使用することができる。
【００５６】
ここでは、制動力について説明したが、図７に示した推力６２（及び６５）も、制動力と同様な挙動をとる。例えば、印加電圧を横軸に取り、推力を縦軸に取った場合の印加電圧と推力の関係は、おおむね図９のグラフと同様になる。従って、図８Ｂに示すように、ピエゾアクチェータ４０への印加電圧と制動力の関係を予め求めておけば、所望の制動力、即ち、推力を得るのに必要な印加電圧の値が求められる。
【００５７】
図９Ａ及び図９Ｂを参照して、モータ駆動制御部３６による第１の位置決め制御と制動制御部３７による第２の位置決め制御を説明する。図９Ａは、目標位置に対するテーブルの位置偏差の時間変化を示すグラフであり、縦軸は偏差、横軸は時間である。図９Ｂは、モータに流れる電流値の時間変化を示すグラフであり、縦軸はモータに流れる電流、即ち、モータに対する駆動電流、横軸は時間である。尚、図９Ａ、及び、図９Ｂのグラフは、説明を目的として模式的に且つ誇張して示されており、実際の測定値の例を示すものではない。第１の位置決め制御は、期間Ｉにて実行され、第２の位置決め制御は、期間ＩＩにて実行される。
【００５８】
第１の位置決め制御では、モータ１２をサーボ制御することにより、Ｘテーブル５を目標位置に所定の精度にて位置決めさせる。従って、実線９０１に示すように、目標位置に対するＸテーブルの位置の偏差は実質的にゼロとなる。本発明によると、第１の位置決め制御が完了しても、モータ駆動制御部３６によるモータ１２に対するサーボ制御は継続させる。図９Ｂの実線９１１に示すようにモータ１２へは駆動電流を供給し続ける。もし、制動機構を作動させないで、モータ１２への駆動電流を停止すると、図９Ａの破線９０２に示すようにＸテーブルは目標位置に留まらず、移動する。これは、テーブルの案内機構に発生する戻り力に起因する。このような戻り力が発生する原因は様々であるが、例えば、案内機構に発生する歪み、傾斜、荷重の偏り等がある。電子線顕微鏡装置の試料ステージでは、このような戻り力に起因するテーブルの移動のほかに、ドリフトが問題となる。ドリフトは、図９Ａの破線９０３に示すように、時間の経過と共に徐々にテーブルが移動する現象である。ドリフトが発生する原因は様々であるが、例えば、熱膨張又は熱収縮がある。
【００５９】
もし、制動機構を作動させないで、モータ１２に対するサーボ制御は継続させると、図９Ａの破線の曲線９０４に示すように、Ｘテーブル５の位置は僅かであるが変動する。これは、上述の戻り力に起因してＸテーブル５が移動すると、サーボ制御により、Ｘテーブル５が目標位置に戻るからである。即ち、サーボ制御に起因したＸテーブル５の変動が起きる。
【００６０】
図９Ｂの実線９１１は、第１の位置決め制御が終了した時点における、モータ１２に流れる電流値を示す。この駆動電流は、Ｘテーブルを目標位置に保持するために必要は保持力の大きさを表す。この保持力の大きさは、小さいほうがよい。即ち、第１の位置決め制御が完了したときにモータ１２へ供給する駆動電流の大きさは、小さいほうがよい。
【００６１】
第２の位置決め制御では、２つのＸ制動機構３１、３２をサーボ制御することにより、モータ１２に流れる電流値を低減する。図９Ｂに示すように、モータ１２に流れる電流値に目標範囲±Ｑ１を設定する。モータ１２に流れる電流値が目標範囲±Ｑ１内に収まるように、制御する。
【００６２】
尚、図９Ｂでは、モータ１２に流れる電流値は、目標範囲±Ｑ１の上側にある（＋である）が、目標範囲±Ｑ１の下側にある（−である）場合もある。本発明によると、第１の位置決め制御が完了した時点におけるモータ１２に流れる電流値を小さくするために、第２の位置決め制御では、２つのＸ制動機構３１、３２の少なくとも一方を操作する。即ち、２つのＸ制動機構３１、３２によって生成する推力６２、６５の大きさを制御する。より詳細には、２つの推力６２、６５の差を調節する。推力６２、６５の大きさは、ピエゾアクチェータへの印加電圧によって決まる。こうして、モータ１２に流れる電流値が小さくなるように、２つの推力６２、６５の差を調整する。２つの推力６２、６５の差の符号は、モータ１２に流れる電流値が目標範囲±Ｑ１の上側（＋側）にあるか、下側（−側）にあるかによって決まる。２つの推力６２、６５の差の符号と、モータ１２に流れる電流値の符号の関係は予め既知であるものとする。モータ１２に流れる電流値の制御方法には、様々な手法がある。例えば、モータ１２に流れる電流値をモニタしながら、ピエゾアクチェータへの印加電圧をインクリメンタルに増減させてよい。又は、モータ１２に流れる電流値とピエゾアクチェータへの印加電圧の関係を予め測定しておき、その関係を用いて、ピエゾアクチェータへの印加電圧を設定してもよい。
【００６３】
第２の位置決め制御では、先ず、制動機構３１、３２を作動させる。次に、ピエゾアクチェータへの定格電圧を供給する。それによって、推力６２、６５の所定の初期値が得られる。次に、モータ１２に対する駆動電流指令値３６ｂをモニタする。この駆動電流指令値３６ｂの符号に基づいて、２つの推力６２、６５の差の符号を決定する。次に、２つの制動機構３１、３２の一方又は双方を制御し、２つの推力６２、６５の所望の差を生成する。具体的には、ピエゾアクチェータへの印加電圧を調整する。こうして、モータ１２に流れる電流値が目標範囲±Ｑ１内に収まるまで、モータ１２に対する駆動電流指令値３６ｂのモニタと、ピエゾアクチェータへの印加電圧の調整を繰り返す。図９Ｂの実線９１２に示すように、モータ１２に流れる電流値が目標範囲±Ｑ１内になったら、２つの制動機構３１、３２による制動を維持したまま、モータ１２への駆動電流を停止する。
【００６４】
上述のように、制動機構を作動させないで、モータ１２への駆動電流を停止すると、テーブルは目標位置に留まらず、移動する。このような移動は、戻り力に起因するものと、ドリフトに起因するものがある。本発明の制動機構において、制動力は、ドリフト抑制効果を確保するばかりでなく、戻り力に起因するテーブルの移動を効果的に抑制する。
【００６５】
図１０を参照して、本発明による位置決め制御装置１９による位置決め処理の例を説明する。本発明によると、Ｘテーブル５の位置決め処理とＹテーブル６の位置決め処理は、基本的に同一である。ここでは、Ｘテーブル５の位置決め処理を説明する。
【００６６】
ステップＳ１０１〜ステップＳ１０６は第１の位置決め制御、ステップＳ１０７〜ステップＳ１１３は第２の位置決め制御である。上述のように、第１の位置決め制御では、モータ１２をサーボ制御することにより、Ｘテーブル５を目標位置に位置決めさせる。Ｘテーブル５が所定の精度にて目標位置に配置されたら、第１の位置決め制御が完了する。第１の位置決め制御が完了しても、モータ１２のサーボ制御は継続する。従って、モータ１２へは駆動電流が供給されている。
【００６７】
第２の位置決め制御では、Ｘ制動機構３１、３２をサーボ制御することにより、モータ１２に流れる電流値を目標範囲±Ｑ１内になるように制御する。第１の位置決め制御が完了した状態にて、モータ１２に流れる電流値の大きさは、上述のテーブルの戻り力の大きさを表わしている。即ち、モータ１２に流れる電流値が大きい場合には、テーブルの戻り力が大きく、モータ１２に流れる電流値が小さい場合には、テーブルの戻り力が小さい。本発明によると、テーブルの戻り力を、２つの制動機構３１、３２における推力６２、６５の差によって相殺する。
【００６８】
モータ１２に対する駆動電流値をモニタし、それに基づいて、ピエゾアクチェータ４０への印加電圧を制御する。それによって、２つの制動機構３１、３２における推力６２、６５の差が調整される。推力６２、６５の差を調整することによって、モータ１２に流れる電流値が制御される。
【００６９】
モータ１２に流れる電流値が目標電流値の範囲にはいると、第２の位置決め制御が完了する。そこで、モータ１２への駆動電流を停止する。
【００７０】
本例の位置決め制御を開始するとき、モータ１２への駆動電流はオフであり、Ｘテーブル５は、所定の位置にて、Ｘ制動機構３１、３２によって、制動が加えられているものとする。
【００７１】
ステップＳ１０１にて、Ｘテーブルの目標位置の設定を行なう。目標位置の設定は、自動または手動で行われる。自動的な目標位置の設定では、位置決め制御装置１９あるいはその上位装置が有している位置情報を用いて目標位置の座標値を指定する。ここで位置情報とは、ウェーハ１６に形成されているパターンの形状や寸法の検査を行なう場合、検査対象となるパターンのチップ（素子や集積回路のチップ）上での位置に関する情報や検査対象となるチップのウェーハ上での位置に関する情報である。一方、手動による目標位置の設定では、画面に表示されたウェーハ１６のパターン上にて、オペレータがカーソルを操作することにより、目標位置の座標値を指定する。
【００７２】
ステップＳ１０２にて、制動機構による制動を解除する。具体的には、制動制御部３７を介して制動機構３１、３２への通電をオフにする。こうして、ブレーキパッド４８のＸブレーキレール３０への押圧を解除する。次いでステップＳ１０３にて、モータ駆動制御部３６を起動させ、モータ１２への駆動電流をオンにする。即ち、モータ１２へサーボ制御を開始する。
【００７３】
ステップＳ１０４にて、Ｘテーブルの現在位置を取得する。位置検出器１８によって検出されるＹテーブル６の現在位置からＸテーブル５の現在位置を求める。
【００７４】
ステップＳ１０５にて、目標位置と現在位置の偏差が適切であるか否かを判定する。具体的には、現在位置と目標位置の偏差が予め設定した許容範囲（位置決め幅ｗ１）内にあるか否かを判定する。許容範囲内にないと判定された場合にはステップＳ１０６に進む。
【００７５】
ステップＳ１０６にて、モータ駆動制御部３６のサーボ制御を継続する。サーボ制御では、まずサーボ演算を行い、その演算結果に基づいてＸテーブル５を移動させる。サーボ演算では、現在位置から目標位置までの移動量を所定の速度パターンにより補間する位置補間演算や位置、速度、推力の制御ループの演算を行う。ただし、これらの補間演算や制御ループ演算は、それぞれの制御周期での割り込み処理として実装されるため、実際には全てが同じタイミングで実行されるということではない。このようなステップＳ１０６の処理を終えたらステップＳ１０４に戻り、ステップＳ１０６までの処理をステップＳ１０５での判定が肯定的になるまで繰り返す。
【００７６】
一方、ステップＳ１０５にて、許容範囲であると判定された場合、つまりＸテーブル５の目標位置への位置決めがなされた場合には、第１の位置決め制御を終了し、ステップＳ１０７に進む。
【００７７】
ステップＳ１０７にて、制動機構３１、３２への通電をオンにし、制動を開始する。ここで、制動機構３１、３２のピエゾアクチェータへは、定格電圧を印加する。ステップＳ１０８にて、モータに流れる電流値を取得する。上述のように、モータ駆動制御部３６から制動制御部３７へ、モータへの電流指令値が送られる。
【００７８】
ステップＳ１０９にて、モータ１２に流れる電流値が目標範囲±Ｑ１内にあるか否かを判定する。又は、モータ１２に流れる電流値の絶対値が、目標値Ｑ１以下であるか否かを判定する。モータ１２に流れる電流値が目標範囲±Ｑ１外にあると判定された場合にはステップＳ１１０に進む。
【００７９】
ステップＳ１１０にて、制動機構３１、３２のサーボ制御を行なう。サーボ演算を行い、モータに流れる電流値が減少するように、２つの制動機構３１、３２の推力６２、６５を求める。次に、このような制動機構３１、３２の推力を発生させるのに必要なピエゾアクチェータ４０への印加電圧Ｖを求める。
【００８０】
例えば、モータに流れる電流値を減少させるために、第１の制動機構３１による推力６２を、第２の制動機構３２による推力６５より大きくする必要があるものとする。この場合、第１の制動機構３１のピエゾアクチェータ４０への印加電圧Ｖを小さくするか、又は、第２の制動機構３２のピエゾアクチェータ４０への印加電圧Ｖを大きくすればよい。
【００８１】
ステップＳ１１１にて、サーボ演算にて求めた印加電圧Ｖを、ピエゾアクチェータ４０に印加する。それによって、２つの推力６２，６５の差が所望の値となり、モータに流れる電流値が減少する。
【００８２】
このようなステップＳ１１１の処理を終えたらステップＳ１０８に戻り、ステップＳ１０９での判定が肯定的になるまで繰り返す。
【００８３】
第２の位置決め制御ではモータ１２に流れる電流値の制御する。上述のように、モータ１２に流れる電流値を制御する方法には、様々な手法がある。例えば、モータ１２に流れる電流値をモニタしながら、ピエゾアクチェータへの印加電圧をインクリメンタルに増減させてよい。又は、モータ１２に流れる電流値とピエゾアクチェータへの印加電圧の関係を予め測定しておき、その関係を用いて、ピエゾアクチェータへの印加電圧を設定してもよい。
【００８４】
ステップＳ１０９にて、モータ１２に流れる電流値が目標範囲±Ｑ１内にあると判定された場合には、ステップＳ１１２に進む。ステップＳ１１２にて、制動制御部３７のサーボ制御を終了し、最後の制動状態を維持する。即ち、２つの制動機構３１、３２のピエゾアクチェータ４０への印加電圧Ｖを保持する。ステップＳ１１３に進み、モータ駆動制御部３６のサーボ制御を終了し、モータへの駆動電流をオフにする。
【００８５】
ここでは、Ｘテーブル５を位置決め制御を説明したが、実際の試料ステージでは、ＸＹ両方向の位置決め制御を同時に行う。すなわち、Ｘテーブル５とＹテーブル６について、ステップＳ１０１〜１１３を並列動作させ、最終的にＸテーブル５とＹテーブル６の両方の位置決め制御が完了した時点で試料ステージの位置決めが完了となる。
【００８６】
図１１を参照して、本発明によるＸ制動機構７１、７２の他の例を説明する。図１１は、本例のＸ制動機構７１、７２及びブレーキレール３０を側面から見た図である。Ｘ制動機構７１、７２は、同一構造のものであるが、Ｘ軸座標に対して互いに反対方向に設置される。ここでは、Ｘ制動機構７１の構造を説明する。Ｘ制動機構７１は、リンクプレート７８、ピエゾアクチェータ７５及び圧縮バネ９１を有する。ピエゾアクチェータ７５は固定ブロック７６に装着されている。固定ブロック７６は、プレート７７に固定されている。
【００８７】
図５の例と同様に、リンクプレート７８の穴部（図示なし）にスリーブ７９とヘッドキャップスキュリュー（図示なし）を挿入しながら、ヘッドキャップスキュリューをプレート７７の穴部（図示なし）に係合させる。それによって、リンクプレート７８はスリーブ７９の中心軸線回りに枢動可能にプレート７７に装着される。
【００８８】
ピエゾアクチェータ７５は、内部に図示しない積層されたピエゾ素子を有する。このピエゾ素子に電圧を印加することによって、先端部７５ａが軸線方向に変位する。ピエゾアクチェータ７５の先端部７５ａが変位すると、リンクプレート７８は、矢印９０に示すように、揺動動作をする。即ち、ピエゾアクチェータの先端部７５ａの変位は、リンクプレート７８の先端部７８ａの変位に拡大されて変換される。その結果、リンクプレート７８の先端部７８ａは、ブレーキレール３０の表面に押圧される。圧縮バネ９１の力は、ピエゾ素子への電圧印加を解除したとき、リンクプレート７８の先端部７８ａがブレーキレール３０の表面から離す方向に作用する。
【００８９】
ピエゾアクチェータ７５への電圧をオンにすると、リンクプレート７８は図１１の矢印９０に示すように、時計方向に揺動する。Ｘ制動機構７１の構造から、リンクプレート７８の先端部７８ａによる押圧力８０は、ブレーキレール３０の制動面３０ａの法線Ｐに対し所定の角度αで傾いて作用する。このため、押圧力８０は、法線方向の分力８１と接線方向の分力８２に分解できる。法線方向の分力８１は、摩擦力を生成する。この摩擦力は、Ｘテーブル５を制動する制動力として機能する。一方、接線方向の分力８２は、Ｘテーブル５を駆動する推力として機能する。制動力８１と推力８２の比は、押圧力８０の角度αによって変化する。
【００９０】
Ｘテーブル５に対する制動力８１が作用しているとき、推力８２は、リンクプレート７８に対し荷重として作用する。それによって、リンクプレート７８は弾性変形する。即ち、リンクプレート７８に、推力８２に相当する荷重が加わり、リンクプレート７８は湾曲するように弾性変形する。リンクプレート７８の弾性変形によって、スリーブ７９の中心軸線と、リンクプレート７８の先端部７８ａの作用点の間の距離は、僅かであるが短縮する。リンクプレート７８の弾性変形に起因して、Ｘテーブル５は、Ｘブレーキレール３０に対して相対的に、Ｘ方向に変位する。リンクプレート７８の弾性変形に起因したＸテーブル５の変位は、推力８２に比例する。ピエゾアクチェータ７５のピエゾ素子に印加する電圧を大きくすると、推力８２が大きくなり、リンクプレート７８の弾性変形に起因したＸテーブル５の変位量が大きくなる。この変位は、リンクプレート７８の長さを適切な値に設定することによって、数十μオーダまで可能であることが実験的に確認されている。
【符号の説明】
【００９１】
１…真空ポンプ、２…試料室、３…試料ステージ、４…ベース、５…Ｘテーブル、６…Ｙテーブル、７…レール、８…スライダ、９…Ｘボールネジ、１０…Ｘロッド、１１…シャフト、１２…Ｘモータ、１３…レール、１４…スライダ、１５…試料ホルダー、１６…ウェーハ、１７…ステージ位置制御用バーミラー、１８…位置検出器、１９…位置決め制御装置、２０…電子銃、２１…電子線、２２…偏向器、２３…電子レンズ、２４…二次電子、２５…二次電子検出器、２６…鏡筒、２７…制御部、２８…モニター、２９…Ｙモータ、３０…Ｘブレーキレール、３１，３２…Ｘ制動機構、３７ａ１、３７ａ２…サーボアンプ、３７ｓ１、３７ｓ２…サーボ制御部、３３…Ｙブレーキレール、３４，３５…Ｙ制動機構、３６…モータ駆動制御部、３６ａ…サーボアンプ、３６ｓ…サーボ制御部、３７…制動制御部、３８…統合制御部、４０…ピエゾアクチェータ、４０ａ…先端部、４０ｂ…ヘッド、４１…リンクプレート、４１ｃ…穴部、４１ｄ…孔、４２…ホルダー、４２ａ…穴部、４２ｄ…ねじ部、４３…スリーブ、４４…ヘッドキャップスキュリュー、４５…ボールプランジャ、４６…ナット、４７…ボルト、４８…ブレーキパッド、４８ａ…ねじ、４９…圧縮バネ、５０…圧縮バネホルダー、５０ａ…ねじ部、５１…ボルト、５２…Ｔ型ブラケット、５２ａ…ねじ部、５３、５４…ボルト、５５…中間ブロック、５５ａ…孔、５６…穴部、５８…ボルト、７１、７２…Ｘ制動機構、７５…ピエゾアクチェータ、７６…固定ブロック、７７…プレート、７８…リンクプレート、７９…スリーブ、９１…圧縮バネ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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