(57)【要約】【課題】本発明の目的は、センサプローブと測定対象物との間隙を容易かつ正確に調整することができる静電容量センサを提供することにある。【解決手段】本発明は、静電容量センサと、前記静電容量センサを固定する第１の固定治具と、前記静電容量センサの先端部に位置するセンサプローブと測定対象物との間隙を調整するアクチュエータと、前記アクチュエータと前記静電容量センサとを固定する第２の固定治具と、前記間隙の調整後に前記静電容量センサを固定する第３の固定治具と、前記間隙に生じる静電容量の値を測定する計測器と、を具備し、前記第２の固定治具が、第３の固定治具よりも剛性の低い構成になっていることを特徴とする、静電容量センサ式測定装置を提供する。【選択図】図１
2010145287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量センサと、
前記静電容量センサを固定する第１の固定治具と、
前記静電容量センサの先端部に位置するセンサプローブと測定対象物との間隙を調整するアクチュエータと、
前記アクチュエータと前記静電容量センサとを固定する第２の固定治具と、
前記間隙の調整後に前記静電容量センサを固定する第３の固定治具と、
前記間隙に生じる静電容量の値を測定する計測器と、
を具備し、
前記第２の固定治具が、第３の固定治具よりも剛性の低い構成になっていることを特徴とする、静電容量センサ式測定装置。
【請求項２】
前記第２の固定治具が、前記アクチュエータと前記静電容量センサを同期させる連結板と、前記静電容量センサを直接的に固定するネジによって構成され、かつ、前記第３の固定治具が、前記静電容量センサの移動を導くガイドと、前記静電容量センサを共締めで固定するネジによって構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量センサ式測定装置。
【請求項３】
前記アクチュエータが、マイクロメータで構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の静電容量センサ式測定装置。
【請求項４】
静電容量センサと、
前記静電容量センサを固定する第１の固定治具と、
前記静電容量センサの先端部に位置するセンサプローブと測定対象物との間隙を調整するアクチュエータと、
前記間隙の調整後に前記静電容量センサを固定する把持部と、
前記間隙に生じる静電容量の値を測定する計測器と、
を具備し、
前記アクチュエータが、前記センサプローブに形成された第１のオネジと、前記把持部に形成された前記第１のオネジに螺合する第１のメネジによって構成されていることを特徴とする、静電容量センサ式測定装置。
【請求項５】
前記把持部に割が入っており、固定用ネジを締めることによって、前記静電容量センサを固定することを特徴とする、請求項４に記載の静電容量センサ式測定装置。
【請求項６】
前記静電容量センサに別体の固定用ナットを有し、前記固定用ナットを締めることによって、前記静電容量センサを固定することを特徴とする、請求項４に記載の静電容量センサ式測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサプローブと測定対象物との間の静電容量に基づいて測定対象物の位置を検出する静電容量センサ式測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
静電容量センサ式測定装置は、センサプローブと測定対象物との間に生じる静電容量の大きさを検出することによって、センサプローブと測定対象物との間の距離を計測する装置である（特許文献１）。静電容量センサ式測定装置は、測定対象物の位置や形状を精密に計測する装置として用いられ、例えば、半導体デバイスなどのナノデバイス系の製造システムに広く応用されている。
【０００３】
ナノテクノロジーの飛躍的進展とともに、静電容量センサの分解能は日々高くなっていており、現在、その分解能は0.1nmにまで達してきている。そして、静電容量センサの高分解能化によって、測定範囲も小さくなり、センサプローブと測定対象物との間隙を±１μｍ以内に調整しなければ測定ができなくなってきている。
【特許文献１】特開２００４−２７９０８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
センサプローブと測定対象物の間隙の調整は、現状では、レンチなどで静電容量センサを叩きながら調整しているが、叩く量の加減など、その間隙調整の難易度は非常に高い。
【０００５】
本発明の目的は、センサプローブと測定対象物との間隙を容易かつ正確に調整することができる静電容量センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明は、静電容量センサと、前記静電容量センサを固定する第１の固定治具と、前記静電容量センサの先端部に位置するセンサプローブと測定対象物との間隙を調整するアクチュエータと、前記アクチュエータと前記静電容量センサとを固定する第２の固定治具と、前記間隙の調整後に前記静電容量センサを固定する第３の固定治具と、前記間隙に生じる静電容量の値を測定する計測器と、を具備し、前記第２の固定治具が、第３の固定治具よりも剛性の低い構成になっていることを特徴とする、静電容量センサ式測定装置を提供する。
【０００７】
また、本発明は、静電容量センサと、前記静電容量センサを固定する第１の固定治具と、前記静電容量センサの先端部に位置するセンサプローブと測定対象物との間隙を調整するアクチュエータと、前記間隙の調整後に前記静電容量センサを固定する把持部と、前記間隙に生じる静電容量の値を測定する計測器と、を具備し、前記アクチュエータが、前記センサプローブに形成された第１のオネジと、前記把持部に形成された前記第１のオネジに螺合する第１のメネジによって構成されていることを特徴とする、静電容量センサ式測定装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の静電容量センサ式測定装置は、アクチュエータによってセンサプローブと測定対象物との間隙を容易かつ正確に微調整することができ、極めて操作性に優れた静電容量センサ式測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の構成を詳細に説明するために例示的に示したものに過ぎない。従って、本発明は、以下の実施形態に記載された説明に基づいて限定解釈されるべきではない。本発明の範囲には、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内にある限り、以下の実施形態の種々の変形、改良形態を含む全ての実施形態が含まれる。
【００１０】
＜第１の実施形態＞
図１
図１は、第１の実施形態における静電容量センサ式測定装置１０の構成を示した模式図である。図１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ第１の実施形態における静電容量センサ式測定装置１０の側面図、正面図および下面図である。図に示すように、静電容量センサ式測定装置１０は、静電容量センサ１と、静電容量センサ１を固定する第１の固定治具２と、静電容量センサ１の先端部に位置するセンサプローブ３と測定対象物との間隙を調整するアクチュエータ４と、アクチュエータ４と静電容量センサ１とを固定する第２の固定治具５と、前記間隙の調整後に静電容量センサ１を固定する第３の固定治具６と、前記間隙に生じる静電容量の値を測定する計測器と、を具備する。
【００１１】
静電容量センサ１は、棒状の金属電極で構成され、先端部（先端近傍）がセンサプローブ３として機能し、センサプローブ３と測定対象物との間に生じる静電容量の値が計測器によって測定される。静電容量は、交流インピーダンスとして検出される。具体的には、センサアンプから供給される微弱な交流電流を、センサプローブ３から測定対象物に向かって流し込み、そのインピーダンスによる電圧降下を計測する場合が多い。
【００１２】
第１の固定治具２は、静電容量センサ１を高剛性に固定するためのものである。静電容量センサ１ではナノレベルの間隙を測定するため、センサプローブ３のわずかな振動も計測結果に影響を及ぼす。したがって、第１の固定治具２は、これに固定された静電容量センサ１が動かない程度の剛性を有している必要がある。なお、図１および２では、第１の固定治具２を高剛性な金属製の四面体として表わしているが、第１の固定治具２は、後述する実施例に示すような固定台６１および定盤６２も含めた概念であり、測定系に応じてその固定治具の形態は適宜変更可能である。
【００１３】
アクチュエータ４は、静電容量センサ１を水平方向に移動させ、静電容量センサ１の先端部に位置するセンサプローブ３と測定対象物との間隙を調整するシステムである。第１の実施形態では、アクチュエータ４は、例示的にマイクロメータ（以下、マイクロメータ４ともいう）によって構成される。アクチュエータ４は、連結板９を介して静電容量センサ１と連結され、アクチュエータ４は連結板９を介して静電容量センサ１を駆動させる。なお、この連結部位は、フード１１によって覆われている。
【００１４】
アクチュエータ４を静電容量センサ１に取り付けた場合、アクチュエータ４が重みとなって静電容量センサ１の剛性が低下するため、静電容量センサ１の計測の安定性が著しく損なわれる。
【００１５】
また、アクチュエータ４を静電容量センサ１に取り付けた場合、アクチュエータ４が重みとなって静電容量センサ１の中心軸がわずかに傾く。この中心軸の水平方向に対するズレは、ひっかかりを生じ、第１の固定治具２に高剛性に固定された静電容量センサ１の水平方向への移動を妨げ、アクチュエータ４による静電容量センサ１の移動調整を極めて困難にする。
【００１６】
そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、アクチュエータ４を静電容量センサ１に取り付けても剛性が低下せず、かつ静電容量センサの中心軸の傾きによる影響を受けない、第１〜第３の固定治具２、５および６によって構成される機構を考案した。この結果、静電容量センサ１にアクチュエータ４を取り付けることが可能になり、容易かつ正確なセンサプローブ３の微調整が可能となった。以下、図２において詳細に説明する。
【００１７】
図２
図２は、第１の実施形態における静電容量センサ式測定装置１０の一部を拡大して示した断面図である。
【００１８】
第２の固定治具５は、アクチュエータ４と静電容量センサ１とを固定するためのものであり、第３の固定治具６よりも剛性の低い構成になっている。具体的には、図２に示すように、第２の固定治具５は、アクチュエータ４と静電容量センサ１を同期させる連結板９と、静電容量センサ１を直接的に固定するネジ５ｂによって構成される。静電容量センサ１を直接的に固定するネジとは、例えば、イモネジの先端部をセンサ側面に押しつけて固定するような態様を意味する。このような固定方法は「点」での固定になるため、その剛性は低く、静電容量センサ１とアクチュエータ４との間に遊びが設けられる。なお、前記遊びをより確実に作り出すためにネジ５ｂを緩めに締めつけてもよい。
【００１９】
次に、第３の固定治具６は、センサプローブ３と測定対象物との間隙の調整後に静電容量センサ１を固定するためのものである。第３の固定治具６は、固定後のセンサの剛性を維持する必要があるため、図２に示すように、好ましくは第１の固定治具２と一体に構成されている。第３の固定治具６は、その具体的構成として、静電容量センサ１の水平方向（図中、矢印方向）への移動を導くガイド７と、静電容量センサ１を共締めで固定するネジ８とを具備する。ここで、ガイド７とは、第３の固定治具６内に設けられた貫通孔を意味する。また、静電容量センサ１を共締めで固定するネジとは、ネジを締めつけることによってガイドを締めつけ、ガイドがその静電容量センサを押さえつけて固定するような態様を意味する。このような固定方法は、「面」での固定になるため、その剛性は高い。ネジを締めつけることによってガイドが締めつけられる機構とは、例えば、図１（ｂ）の正面図に示すような割１２が第３の固定治具６に入っていることにより実現される。前記間隙の調整後、ネジ８を締めつけることによってガイド７が締まり、静電容量センサ１が固定される。一方、ネジ８による締めつけ前は、アクチュエータ４の駆動制御によってセンサプローブ３がガイド７内を水平方向（図中、矢印方向）に移動することができる。
【００２０】
ここで、アクチュエータ４の重みによって静電容量センサ１の中心軸がわずかに傾く。しかし、この中心軸の水平方向に対するズレは、第２の固定治具５の遊び、すなわち剛性の弱い固定によってひっかかりを生じさせることがなく、センサプローブ３のガイド７内におけるスムーズな移動が維持される。その結果、アクチュエータによる静電容量センサ１の移動調整が可能となる。また、アクチュエータによる移動調整後、第３の固定治具６で静電容量センサ１を固定することによって第２の固定治具５の遊び、すなわち剛性の弱い固定がキャンセルされ、静電容量センサ１は、第１および第３の固定治具２、６によって高剛性に固定される。その結果、アクチュエータが重みとなって静電容量センサの剛性が低下することもなくなる。
【００２１】
＜第１の実施形態の変形例＞
第１の実施形態における静電容量センサ式測定装置１０には、各種の変形、変更が可能である。例えば、アクチュエータは自動制御系であっても手動制御系であってもよい。また、静電容量センサ１は１本に限らず、２本以上あってもよい。以下、図３において、２本の静電容量センサ１を備える静電容量センサ式測定装置１０の構成について説明する。
【００２２】
図３
図３は、第１の実施形態の変形例としての、２本の静電容量センサ１を備える静電容量センサ式測定装置１０の構成を示した模式図である。図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ第１の実施形態の変形例としての、２本の静電容量センサ１を備える静電容量センサ式測定装置１０の正面図および下面図である。
【００２３】
その基本的構成は、図１に示した第１の実施形態おける静電容量センサ式測定装置１０と同じであるが、２本の静電容量センサ１を１つのアクチュエータ４で一度に調整できるように、第２および第３の固定治具が同期構造となっている。具体的には、１枚の連結板９に２本の静電容量センサ１が一緒に固定され、１つのアクチュエータ４によってもたらされる動力によって２本の静電容量センサ１がともに水平方向に移動する。この場合、静電容量センサ１を直接的に固定するネジ５ｂは２つ存在し、各ネジが、それぞれ１本の静電容量センサ１を固定するが、両ネジによる固定はともに「点」での固定になるため、その剛性は低く、２本の静電容量センサ１とアクチュエータ４との間に遊びが設けられる。なお、前記遊びをより確実に作り出すためにネジ５ｂを緩めに締めつけてもよい。
【００２４】
また、第３の固定治具６には、２つのガイド７が設けられ、各ガイド７内にはそれぞれ１本の静電容量センサ１が挿入される。ここで、第３の固定治具６には、割１２ａおよび１２ｂが入っているため、各ガイド７を締めつけるためのネジ８をそれぞれ締めつけることによって、各ガイド７が締まり、静電容量センサ１が固定される。両ネジによる固定はともに共締めによる「面」での固定になるため、その剛性は高い。なお、割１２ｂは、ネジ８の締めつけを容易にするための切れ込みである。
【００２５】
その他、複数の静電容量センサ１をそれぞれ独立して調整する構成としてもよい。この場合、各静電容量センサ１はそれぞれ独立したアクチュエータによって制御される。このとき、１つの静電容量センサ１を固定するための第２および第３の固定治具と、他の静電容量センサ１を固定するための第２および第３の固定治具とはそれぞれ互いに独立している。
【００２６】
また、図面では、例示的に静電容量センサ１は水平方向に移動しているが、当然ながら、計測の態様に応じて鉛直方向や一定の傾斜方向に移動させることもある。基本的には、測定対象物の被測定面に対して垂直に移動させることによって距離が測定される。
【００２７】
＜第２の実施形態＞
図４および図５
図４は、第２の実施形態における静電容量センサ式測定装置１０の構成を示した模式図である。図４（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ第２の実施形態における静電容量センサ式測定装置１０の側面図、正面図および下面図である。また、図５は、センサプローブ３と把持部５３の構造上の関係を示す斜視図である。図に示すように、静電容量センサ式測定装置１０は、静電容量センサ１と、静電容量センサ１を固定する第１の固定治具２と、静電容量センサ１の先端部に位置するセンサプローブ３と測定対象物との間隙を調整するアクチュエータと、前記間隙の調整後に前記静電容量センサを固定する把持部５３と、前記間隙に生じる静電容量の値を測定する計測器と、を具備する。
【００２８】
第２の実施形態では、前記アクチュエータは、図５に示すように静電容量センサ１の先端部に位置するセンサプローブ３に形成された第１のオネジ５１と、前記把持部５３に形成された前記第１のオネジ５１に螺合する第１のメネジ５２によって構成されている。したがって、静電容量センサ１自体を回転させることによって、静電容量センサ１の先端部に位置するセンサプローブ３と測定対象物との間の距離を微調整することができる。前記距離の調整後、固定用ナット４１を締めつけることによって静電容量センサ１を高剛性に固定することができる。
【００２９】
第２の実施形態は、第１の実施形態よりも必要な部品点数が少ないため、静電容量センサ式測定装置１０の製造工程の簡易化とともに、製造コストの低額化を実現することができる。
【００３０】
その他、第２の実施形態は、各種の変形、変更が可能である。例えば、静電容量センサ１を固定するのに固定用ナット４１ではなく、モールを使用してもよい。また、第１の実施形態のように、把持部５３に割１２およびネジ８を設けることによって、静電容量センサ１を共締めにして固定してもよい。
【実施例】
【００３１】
＜第１の実施形態＞
図６
図６は、第１の実施形態における静電容量センサ式測定装置１０を使用したＸステージの真直度の測定の様子を表わした模式図である。
【００３２】
図に示すように、第１の実施形態における静電容量センサ式測定装置１０が固定台６１に高剛性に固定され、また、固定台６１は定盤６２に高剛性に固定される。そして、定盤６２には同時にＸステージ６３が高剛性に固定され、測定対象物６４が載置される。測定対象物６４には側面にミラーを貼り付けた金属製の箱が使用され、前記ミラー面６５が静電容量センサ式測定装置１０側に向けて置かれる。静電容量センサ１の先端部に位置するセンサプローブ３とミラー面６５との間隙Ａに流れる静電容量の値は、計測器６６に表示される。
【００３３】
固定の手順としては、先ず、第２の固定治具５のネジと第３の固定治具６のネジとを緩めた状態にしておく。
【００３４】
次に、第２の固定治具５のネジを締めて、マイクロメータ４と静電容量センサ１とを固定する。第２の固定治具５のネジは静電容量センサにイモネジが直接あたって固定する方式であり、かつマイクロメータ４と静電容量センサ１とを固定する治具は薄く作られているので、固定したときの剛性は低い。
【００３５】
次に、マイクロメータ４を動かしてセンサプローブ３とミラー面６５との間隙Ａを微調整する。微調整できる原理は、図１および２に示したように、第３の固定治具６が、静電容量センサ１を水平方向（図中、矢印方向）に移動可能なガイド７を備えていることによる。第３の固定治具６のネジが緩んでいる状態では、静電容量センサ１はガイド７内を摺動することができ、センサプローブ３とミラー面６５との間隙Ａを微調整することができる。
【００３６】
続いて、計測器６６に表示された静電容量の値を見ながら、静電容量センサ１の適切な位置を見つけ、第３の固定治具６のネジを締めて静電容量センサ１を固定する。一例として、分解能０．１ｎｍで±０．５μｍの測定範囲を得るためには、前記間隙Ａが約９μｍ〜２０μｍになるように固定する必要がある。
【００３７】
第３の固定治具のネジでの固定は共締めという固定方法で、第３の固定治具のネジを締めることによって、割の入った第３の固定治具が静電容量センサ１を締めつける。この固定方法は面で固定するため、固定した際には高い剛性が維持される。一方、上述したように、第２の固定治具５のネジは、イモネジによる直接的な固定であり、点で固定するため、その剛性は低い。この結果、第３の固定治具６のネジでの固定が、第２の固定治具５のネジでの固定に勝り、第２の固定治具のネジで締めた固定は第３の固定治具のネジでの固定に倣うため、マイクロメータ４の取り付けに起因する静電容量センサ１の中心軸の傾きなどのセンサ調節機構の歪みがセンサ調節機構に悪影響を与えることはない。したがって、数μｍ〜十数μｍというミクロな前記間隙Ａを容易かつ正確に作り出すことができる。
【００３８】
最後に、第２の固定治具５のネジを緩めて、マイクロメータ４の温度変化などの影響を受けにくくして、静電容量センサ１の固定が完了する。
【００３９】
＜第２の実施形態＞
図７
図７は、第２の実施形態における静電容量センサ式測定装置１０を使用したＸステージの真直度の測定の様子を表わした模式図である。
【００４０】
図に示すように、第２の実施形態における静電容量センサ式測定装置１０が固定台６１に高剛性に固定され、また、固定台６１は定盤６２に高剛性に固定される。そして、定盤６２には同時にＸステージ６３が高剛性に固定され、測定対象物６４が載置される。測定対象物６４には側面にミラーを貼り付けた金属製の箱が使用され、前記ミラー面６５が静電容量センサ式測定装置１０側に向けて置かれる。静電容量センサ１の先端部に位置するセンサプローブ３とミラー面６５との間隙Ａに流れる静電容量の値は、計測器６６に表示される。
【００４１】
固定の手順としては、先ず、固定用ナット４１を緩めた状態にしておく。
【００４２】
次に、静電容量センサ１本体を回転させて、センサプローブ３とミラー面６５との間隙Ａを微調整する。微調整できる原理は、図４および５に示したように、前記アクチュエータが、センサプローブ３に形成された第１のオネジ５１と、把持部５３に形成された第１のオネジ５１に螺合する第１のメネジ５２によって構成されていることによる。固定用ナット４１が緩んでいる状態では、把持部５３に螺合したセンサプローブ３が回転移動するので、センサプローブ３とミラー面６５との間隙Ａを微調整することができる。
【００４３】
続いて、計測器６６に表示された静電容量の値を見ながら、静電容量センサ１の適切な位置を見つけ、固定用ナット４１を締めて静電容量センサ１を固定する。一例として、分解能０．１ｎｍで±０．５μｍの測定範囲を得るためには、前記間隙Ａが約９μｍ〜２０μｍになるように固定する必要がある。
【００４４】
最後に、固定用ナット４１を締め、静電容量センサを固定する。第２の実施形態における静電容量センサ１では、把持部５３に螺合した静電容量センサ１を回転させることによってセンサプローブ３の位置を微調整することができるので、数μｍ〜十数μｍというミクロな前記間隙Ａを容易かつ正確に作り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】第１の実施形態における静電容量センサ式測定装置１０の構成を示した模式図
【図２】第１の実施形態における静電容量センサ式測定装置１０の一部を拡大して示した断面図
【図３】第１の実施形態の変形例としての、２本の静電容量センサ１を備える静電容量センサ式測定装置１０の構成を示した模式図
【図４】第２の実施形態における静電容量センサ式測定装置１０の構成を示した模式図
【図５】センサプローブ３と把持部５３との構造上の関係を示す斜視図
【図６】第１の実施形態における静電容量センサ式測定装置１０を使用したＸステージの真直度の測定の様子を表わした模式図
【図７】第２の実施形態における静電容量センサ式測定装置１０を使用したＸステージの真直度の測定の様子を表わした模式図
【符号の説明】
【００４６】
１・・・静電容量センサ、２・・・第１の固定治具、３・・・センサプローブ、４・・・アクチュエータ、５・・・第２の固定治具、５ｂ・・・ネジ、６・・・第２の固定治具、７・・・ガイド、８・・・ネジ、９・・・連結板、１０・・・静電容量センサ式測定装置、１１・・・フード、１２、１２ａ、１２ｂ・・・割、４１・・・固定用ナット、５１・・・第１のオネジ、５２・・・第１のメネジ、５３・・・把持部、６１・・・固定台、６２・・・定盤、６３・・・Ｘステージ、６４・・・測定対象物、６５・・・ミラー面、６６・・・計測器、Ａ・・・間隙。
【図１】
2010145287.tif 000003
【図２】
2010145287.tif 000004
【図３】
2010145287.tif 000005
【図４】
2010145287.tif 000006
【図５】
2010145287.tif 000007
【図６】
2010145287.tif 000008
【図７】
2010145287.tif 000009