(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１軸方向に沿って変位可能な第１アクチュエータと、
前記第１軸と直交する第２軸方向に沿って変位可能な第２アクチュエータと、
前記第１軸方向に移動可能な第１可動部と、この第１可動部と支持部との間に連結された平行リンクと、を有し、前記第１アクチュエータの第１軸方向の変位を拡大する第１変位拡大機構と、
前記第２軸方向に移動可能な第２可動部と、この第２可動部と支持部との間に連結された平行リンクと、を有し、前記第２アクチュエータの第２軸方向の変位を拡大する第２変位拡大機構と、
前記第１軸および第２軸と平行な平面内に設けられたステージと、
前記第１変位拡大機構の第１可動部と前記ステージとの間に連結されて前記第１軸方向に沿って延び、前記ステージを前記平面内に支持しているとともに、前記第１変位拡大機構により拡大された前記第１軸方向の変位を前記ステージに伝達する平行リンクを有する第１駆動支持機構と、
前記第２変位拡大機構の第２可動部と前記ステージとの間に連結されて前記第２軸方向に沿って延び、前記ステージを前記平面内に支持しているとともに、前記第２変位拡大機構により拡大された前記第２軸方向の変位を前記ステージに伝達する平行リンクを有する第２駆動支持機構と、
固定的に設けられたバネ固定部と、前記バネ固定部と前記ステージとの間に連結され前記第１軸方向の張力を前記ステージに印加する第１安定化支持バネと、前記バネ固定部と前記ステージとの間に連結され前記第２軸方向の張力を前記ステージに印加する第２安定化支持バネと、有し、前記ステージを支持する安定化支持機構と、を備えた平面位置決め装置。
【請求項２】
前記第１駆動支持機構の平行リンクは、前記第１軸方向と直交する前記第２軸方向に柔軟性を有し、前記第１軸方向、および前記第１軸と第２軸で構成されるＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に剛性を有し、
前記第２駆動支持機構の平行リンクは、前記第２軸方向と直交する前記第１軸方向に柔軟性を有し、前記第２軸方向、および前記Ｚ軸方向に剛性を有している請求項１に記載の平面位置決め装置。
【請求項３】
前記第１駆動支持機構の前記平行リンクは、前記ステージと前記第１変位拡大機構と間に連結された一対の平行な板バネにより構成され、前記第２駆動支持機構の前記平行リンクは、前記ステージと前記第２変位拡大機構と間に連結された一対の平行な板バネにより構成されている請求項２に記載の平面位置決め装置。
【請求項４】
前記安定化支持機構の第１安定化支持バネおよび第２安定化支持バネは、それぞれ前記Ｚ軸方向に剛性を有する請求項１に記載の平面位置決め装置。
【請求項５】
前記第１安定化支持バネおよび第２安定化支持バネは、前記ステージと前記バネ固定部とを通る線に対して対称に形成および配置されている請求項４に記載の平面位置決め装置。
【請求項６】
前記第１アクチュエータおよび第２アクチュエータは、積層型の圧電素子である請求項１に記載の平面位置決め装置。
【請求項７】
前記第１変位拡大機構の平行リンクの一方のリンクは、弾性ヒンジを介して前記可動部に連結され、
前記第２変位拡大機構の平行リンクの一方のリンクは、弾性ヒンジを介して前記第２可動部に連結されている請求項１に記載の平面位置決め装置。
【請求項８】
第１軸方向およびこれと直交する第２軸方向を有する平面内に移動可能に設けられたステージと、
前記第１軸方向の変位を発生する第１アクチュエータと、
前記第２軸方向の変位を発生する第２アクチュエータと、
前記第１アクチュエータと前記ステージとの間に設けられて前記第１軸方向に沿って延び、前記ステージを支持しているとともに前記第１アクチュエータの第１軸方向の変位を前記ステージに伝達する平行リンクを有する第１駆動支持機構と、
前記第２アクチュエータと前記ステージとの間に設けられて前記第２軸方向に沿って延び、前記ステージを支持しているとともに前記第２アクチュエータの第２軸方向の変位を前記ステージに伝達する平行リンクを有する第２駆動支持機構と、
固定的に設けられたバネ固定部と、前記バネ固定部と前記ステージとの間に連結され前記第１軸方向の張力を前記ステージに印加する第１安定化支持バネと、前記バネ固定部と前記ステージとの間に連結され前記第２軸方向の張力を前記ステージに印加する第２安定化支持バネと、有し、前記ステージを支持する安定化支持機構と、を備えた平面位置決め装置。
【請求項９】
前記第１駆動支持機構の前記平行リンクは、前記第１軸方向と直交する前記第２軸方向に柔軟性を有し、前記第１軸方向、および前記第１軸と第２軸で構成されるＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に剛性を有し、
前記第２駆動支持機構の前記平行リンクは、前記第２軸方向と直交する前記第１軸方向に柔軟性を有し、前記Ｚ軸方向に剛性を有している請求項８に記載の平面位置決め装置。
【請求項１０】
前記安定化支持機構の第１安定化支持バネおよび第２安定化支持バネは、それぞれ前記Ｚ軸方向に剛性を有する請求項８又は９に記載の平面位置決め装置。
【請求項１１】
前記第１アクチュエータおよび第２アクチュエータは、積層型の圧電素子である請求項８に記載の平面位置決め装置。
【請求項１２】
検査媒体の表面の検査領域を走査し検査する検査装置であって、
前記検査媒体の検査領域と対向する探針と、
前記探針を支持し走査する請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の平面位置決め装置と、を備える検査装置。
【請求項１３】
前記平面位置決め装置のステージ上に設けられＺ軸方向に変位可能なＺ軸テーブルと、
前記Ｚ軸テーブル上に取り付けられたカンチレバーと、を備え、前記探針は、前記カンチレバーに支持されている請求項１２に記載の検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ステージを駆動するアクチュエータと変位拡大機構とを備えた変位拡大装置をＸ軸とＹ軸に直交させた平面位置決め装置に関し、同一平面内でナノメートル以下の高精度な分解能を有し、高速な応答で位置決めの制御を行なう平面位置決め装置、およびこれを備えた検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から走査型プローブ顕微鏡、電子顕微鏡、半導体や液晶関連の製造及び検査工程等に用いられる微動走査ステージにおいては、直交するＸ軸及びＹ軸で構成される平面内をナノメートル以下の位置決め精度を有しながら、数百μｍ角の領域で正確に走査動作できる性能が要求されている。例えば、現在、走査型プローブ顕微鏡では、シリコン等で製作された探針により試料表面を走査するため、１００μｍ角のＸ−Ｙ軸平面内で動作する走査ステージに、５μｍ程度の高さ調整を行なうＺ軸ステージを組み合わせたＸ−Ｙ−Ｚステージが実用化され、ナノメートルレベルの観察に用いられている。しかし、現状では、高速にナノメートル以下の精度でステージを走査することは、技術的に非常に難しく、特に同一な平面内に限定すれば、実現には至っていない。【０００３】
積層型圧電素子により直接駆動されるＸ−Ｙステージは、現時点においてもナノメートルレベルの位置決め精度を得ることは可能であるが、数百μｍ角以上の領域で走査能力を有しながら高速でかつ、ナノメートルレベルの位置決め精度を安定して得ることは極めて困難となる。【０００４】
この理由の一つとして、積層型圧電素子の伸長は、無負荷の状態において、積層自長の１／１０００程度と極めて微小であることが挙げられる。数百μｍの動作範囲を圧電素子そのもので対応するには、可搬する質量負荷が微小であったとしても数百ｍｍの積層厚さを有する圧電素子を２つ直交配置する必要がある。しかしながら、自長が数百ｍｍもある積層型圧電素子の伸び量を直接Ｘ−Ｙステージに伝達することは、実用化を前提とすれば現実的に不可能となる。【０００５】
この対策として、積層型圧電素子の変位（伸長）量を拡大する変位拡大機構を備えた各種の走査ステージが提案されている。しかし、一般に、変位を拡大する機構は、変位量の増加と共にステージの剛性を阻害するため、制御性能に影響するステージ自身の共振周波数の低下を招く要因となる。【０００６】
変位拡大機構は、Ｘ軸、Ｙ軸にそれぞれ配置されたアクチュエータを備えている。変位拡大機構は、アクチュエータによるＸ軸やＹ軸に平行で正確な動作以外に、Ｘ−Ｙ平面内の回転動作（θ軸回りの回転動作）等の、アクチュエータでは制御できない動作を生じさせる。そのため、変位拡大機構は、ナノメートルレベルの正確な位置決めを阻害する要因となる。【０００７】
一方、ステージの剛性を損なわずに積層型圧電素子の変位量を拡大する技術が提案されている（例えば、特許文献１、および特許文献２）。  
特許文献１に開示された装置によれば、アクチュエータは、高い剛性を維持しながら積層型圧電素子の発生する変位を増幅し、正確な直動動作を可動子の変位として出力する。また、リンク部や可動子間に粘弾性体を介して拘束部材が配置され、アクチュエータが共振周波数で発生する大きなピーク状の振幅を拘束部材によって効率的に減衰し、小さくすることで、アクチュエータの制御性能を向上させている。【０００８】
特許文献２には、高い共振周波数を維持しつつ拡大変位量を増大する変位拡大機構を備えたアクチュエータが提案されている。この変位拡大機構は、可動部に隙間をおいて対向した支持部と、それぞれ支持部と可動部とを連結しているとともに圧電素子の変位に応じて弾性変形する一対の平行リンクと、を有し、一方の平行リンクに圧電素子が取り付けられている。平行リンクの一方は板バネにより構成されている。圧電素子の変位は、てこ構造、弾性ヒンジ、ビームで構成される平行バネの外側で生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−２６１１６７号公報（特許第３６１２６７０号公報）
【特許文献２】特開２００７−１６６７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
例えば、走査型プローブ顕微鏡等に用いられるステージにおいて、積層型圧電素子の伸長を直接伝達する場合、微小変位の領域で積層型圧電素子の伸長による正確なＸ軸及びＹ軸で構成される平面内の位置決め動作は可能になる。しかし、大きな動作領域では、変位量の増加に伴って、このＸ軸とＹ軸方向の動作は、相互に干渉し、互いに他方の軸に対してモーメントとして働き、それぞれの並進動作と共にθ軸回りの回転が生じる。したがって、積層型圧電素子自身にも曲げモーメントがストレスとして発生し、Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ軸（θ軸）周りの回転を伴う並進動作の要因となる。しかし、ステージは、Ｚ軸周りの動作を抑制又は補正する機能や補償するために必要な自由度がないため、Ｘ−Ｙ平面内における正確な位置決めが阻害され、走査動作そのものも制御が困難となる。【００１１】
また、特許文献２による変位拡大機構を備えたアクチュエータを２つ直角に組み合わせたステージによりＸ−Ｙ軸平面内を走査すると、適切なステージの支持構造をもうけない限りお互いの運動が拘束され、Ｘ軸とＹ軸の相互干渉によりステージにＺ軸回りの回転が生じる。そのため、高速、かつ高精度に同一なＸ−Ｙ軸平面内で位置決めする機構を構成することは困難となる。【００１２】
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、高い共振周波数を維持しつつ、変位量を増大することができると共に、高速かつ高精度で位置決めすることができる平面位置決め装置、およびこれを備えた検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、この発明の態様に係わる平面位置決め装置は、第１軸方向に沿って変位可能な第１アクチュエータと、前記第１軸と直交する第２軸方向に沿って変位可能な第２アクチュエータと、前記第１軸方向に移動可能な第１可動部と、この第１可動部と支持部との間に連結された平行リンクと、を有し、前記第１アクチュエータの第１軸方向の変位を拡大する第１変位拡大機構と、前記第２軸方向に移動可能な第２可動部と、この第２可動部と支持部との間に連結された平行リンクと、を有し、前記第２アクチュエータの第２軸方向の変位を拡大する第２変位拡大機構と、前記第１軸および第２軸と平行な平面内に設けられたステージと、前記第１変位拡大機構の第１可動部と前記ステージとを連結し、前記ステージを前記平面内に支持しているとともに、前記第１変位拡大機構により拡大された前記第１軸方向の変位を前記ステージに伝達する第１駆動支持機構と、前記第２変位拡大機構の第２可動部と前記ステージとを連結し、前記ステージを前記平面内に支持しているとともに、前記第２変位拡大機構により拡大された第２軸方向の変位を前記ステージに伝達する第２駆動支持機構と、固定的に設けられたバネ固定部と、前記バネ固定部と前記ステージとの間に連結され前記第１軸方向の張力を前記ステージに印加する第１安定化支持バネと、前記バネ固定部と前記ステージとの間に連結され前記第２軸方向の張力を前記ステージに印加する第２安定化支持バネと、有し、前記ステージを支持する安定化支持機構と、を備えている。
【００１４】
この発明の他の態様に係る平面位置決め装置は、第１軸方向およびこれと直交する第２軸方向を有する平面内に移動可能に設けられたステージと、前記第１軸方向の変位を発生する第１アクチュエータと、前記第２軸方向の変位を発生する第２アクチュエータと、前記第１アクチュエータと前記ステージとの間に設けられ、前記ステージを支持しているとともに前記第１アクチュエータの第１軸方向の変位を前記ステージに伝達する第１駆動支持機構と、前記第２アクチュエータと前記ステージとの間に設けられ、前記ステージを支持しているとともに前記第２アクチュエータの第２軸方向の変位を前記ステージに伝達する第２駆動支持機構と、固定的に設けられたバネ固定部と、前記バネ固定部と前記ステージとの間に連結され前記第１軸方向の張力を前記ステージに印加する第１安定化支持バネと、前記バネ固定部と前記ステージとの間に連結され前記第２軸方向の張力を前記ステージに印加する第２安定化支持バネと、有し、前記ステージを支持する安定化支持機構と、を備えている。
【発明の効果】
【００１５】
この発明の態様によれば、高い共振周波数を維持しつつ、拡大変位量を増大することができると共に、高速かつ高精度で位置決めすることができる平面位置決め装置、およびこれを備えた検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、この発明の第１の実施形態に係る平面位置決め装置を示す平面図。
【図２】図２は、前記平面位置決め装置を簡素化したモデルを概略的に示す図。
【図３】図３は、前記平面位置決め装置の有限要素法による共振周波数の解析結果を示す図。
【図４】図４は、前記平面位置決め装置の変位を有限要素法により解析した解析結果を示す図。
【図５】図５は、前記平面位置決め装置の共振周波数を示す図。
【図６】図６は、前記平面位置決め装置の変位を示す図。
【図７】図７は、この発明の第２の実施形態に係る平面位置決め装置を示す平面図。
【図８】図８は、前記平面位置決め装置の有限要素法による共振周波数の解析結果を示す図。
【図９】図９は、前記平面位置決め装置の変位を有限要素法により解析した解析結果を示す図。
【図１０】図１０は、前記平面位置決め装置の共振周波数を示す図。
【図１１】図１１は、この発明の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡および検査媒体を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下図面を参照しながら、この発明の第１の実施形態に係わる平面位置決め装置について詳細に説明する。  
図１は平面位置決め装置を示す平面図、図２は、平面位置決め装置を簡素化したモデルを概略的に示す図である。これらの図に示すように、平面位置決め装置は、支持体として機能するほぼＬ字形状の支持ベース１０と、位置決め対象となる、Ｘ−Ｙ平面内で移動可能なステージ１２と、Ｘ軸方向の変位を発生する第１アクチュエータとして機能する例えば、積層型の第１圧電素子１４ａと、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の変位を発生する第２アクチュエータとして機能する例えば、積層型の第２圧電素子１４ｂと、第１圧電素子１４ａの変位を拡大する第１変位拡大機構１６ａと、第２圧電素子の変位を拡大する第２変位拡大機構１６ｂと、ステージ１２と第１変位拡大機構１６ａとを連結し、第１変位拡大機構により拡大された変位をステージ１２に伝達する第１駆動支持機構１８ａと、ステージ１２と第２変位拡大機構１６ｂとを連結し、第２変位拡大機構により拡大された変位をステージに伝達する第２駆動支持機構１８ｂと、ステージ１２に駆動方向の張力を印加してステージの支持を安定化する安定化支持機構２０と、を備えている。また、平面位置決め装置は、第１圧電素子１４ａおよび第２圧電素子１４ｂに電圧を印加する図示しない駆動回路を備えている。
【００１８】
図１に示すように、支持ベース１０は、Ｘ軸方向（第１軸方向）に延びる角柱形状の第１支持部１０ａと、第１支持部１０ａに対して直角な方向、すなわち、Ｙ軸方向（第２軸方向）に延びる角柱形状の第２支持部１０ｂとを一体に有している。支持ベース１０の内側角部には、矩形状の台座部１０ｃが一体に形成されている。
【００１９】
第１変位拡大機構１６ａは、第１支持部１０ａの長手方向端部と隙間を置いてほぼ平行に対向した角柱形状の可動部（変位拡大部）２２ａ、および第１支持部１０ａと可動部２２ａとの間を延びる互いに平行な一対のリンク部２４ａ、２５ａを有している。可動部２２ａは、Ｘ軸方向に沿って延びているとともに、第１支持部１０ａに対しＹ軸方向に隙間を置いて位置している。一対のリンク部２４ａ、２５ａは、Ｙ軸方向に沿って互いに平行に延びている。
【００２０】
リンク部２４ａは、角柱形状に形成され、その長手方向の両端は、スリット状の切欠きを入れてそれぞれ幅を狭めることで構成される弾性ヒンジ２７ａ、２８ａを介して第１支持部１０ａおよび可動部２２ａに連結されている。リンク部２４ａは、可動部２２ａ側が細くなった段付の柱状に形成されている。そして、リンク部２４ａは、可動部２２ａの移動方向（Ｘ軸方向）と直交する方向（Ｙ軸方向）に延びている。
【００２１】
他方のリンク部２５ａは板ばね３０ａにより構成されている。リンク部２５ａは、Ｙ軸方向に延び、その長手方向両端はそれぞれ第１支持部１０ａおよび可動部２２ａに連結されている。
【００２２】
リンク部２４ａ、２５ａは平行リンクを構成し、可動部２２ａは、弾性ヒンジ２７ａ、２８ａの弾性変形および板ばね３０ａの弾性変形（たわみ）により、弾性ヒンジおよび板ばねを支点とする等価的な直線運動等が可能となっている。これにより、可動部２２ａは、第１支持部１０ａに対しＸ軸方向に沿って移動可能に支持されている。
【００２３】
第１圧電素子１４ａは、全体としてほぼ角柱形状に形成され、その動作軸方向に沿って変位可能に形成されている。第１圧電素子１４ａは、第１変位拡大機構１６ａの外側で第１支持部１０ａに取り付けられている。第１圧電素子１４ａの一端は、支持ベース１０の台座部１０ｃに固定されている。第１圧電素子１４ａの他端は、弾性ヒンジ３２ａを有するてこ機構３４ａを介して、リンク部２４ａの基端部に連結されている。これにより、第１圧電素子１４ａは、その動作軸がＸ軸方向に延びた状態で、すなわち、可動部２２ａの移動方向と平行に延びた状態で、第１支持部１０ａと第１変位拡大機構１６ａとの間に配置されている。
【００２４】
支持ベース１０の第１支持部１０ａ、第１変位拡大機構１６ａの可動部２２ａ、リンク部２４ａ、２５ａ、弾性ヒンジ２７ａ、２８ａ、３２ａ、およびてこ機構３４ａは、例えば、例えば、チタン合金鋼、ジュラルミン(高力アルミニウム)、ステンレス鋼や導電性セラミックス等の金属の剛性が高い材料により形成されている。可動部２２ａ、リンク部２４ａ、２５ａ、弾性ヒンジ２７ａ、２８ａ、３２ａ、およびてこ機構３４ａは、第１変位拡大機構１６ａの可動機構として機能している。
【００２５】
上記のように構成された第１変位拡大機構１６ａにおいて、弾性ヒンジ２７ａ、２８ａそれぞれの中心間におけるリンク部２４ａの長手方向の長さをＡ、てこ機構３４ａの弾性ヒンジ３２ａと第１支持部１０ａ側の弾性ヒンジ２７ａとの中心間距離をＢとした場合、第１圧電素子１４ａのＸ軸方向の微小変位は、可動部２２ａにおいてＡ／Ｂ倍のてこ比で拡大される。
【００２６】
図１および図２に示すように、第２変位拡大機構１６ｂは、第１変位拡大機構１６ａとほぼ対称に構成されている。第２変位拡大機構１６ｂは、第２支持部１０ｂの長手方向端部と隙間を置いてほぼ平行に対向した角柱形状の可動部（変位拡大部）２２ｂ、および第２支持部１０ｂと可動部２２ｂとの間を延びた互いに平行な一対のリンク部２４ｂ、２５ｂを有している。可動部２２ｂは、Ｙ軸方向に沿って延びているとともに、第２支持部１０ｂに対しＸ軸方向に隙間を置いて位置している。一対のリンク部２４ｂ、２５ｂは、Ｘ軸方向に沿って互いに平行に延びている。
【００２７】
リンク部２４ｂは、角柱形状に形成され、その長手方向の両端は、スリット状の切欠きを入れてそれぞれ幅を狭めることで構成される弾性ヒンジ２７ｂ、２８ｂを介して第２支持部１０ｂおよび可動部２２ｂに連結されている。リンク部２４ｂは、可動部２２ｂ側が細くなった段付の柱状に形成されている。そして、リンク部２４ｂは、可動部２２ｂの移動方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｘ軸方向）に延びている。
【００２８】
他方のリンク部２５ｂは板ばね３０ｂにより構成されている。リンク部２５ｂは、Ｘ軸方向に延び、その長手方向両端はそれぞれ第２支持部１０ｂおよび可動部２２ｂに連結されている。
【００２９】
リンク部２４ｂ、２５ｂは平行リンクを構成し、可動部２２ｂは、弾性ヒンジ２７ｂ、２８ｂの弾性変形および板ばね３０ｂの弾性変形（たわみ）により、弾性ヒンジおよび板ばねを支点とする等価的な直線運動等が可能となっている。これにより、可動部２２ｂは、第２支持部１０ｂに対しＹ軸方向に沿って移動可能に支持されている。
【００３０】
第２圧電素子１４ｂは、全体としてほぼ角柱形状に形成され、その動作軸方向に沿って変位可能に形成されている。第２圧電素子１４ｂは、第２変位拡大機構１６ｂの外側で第２支持部１０ｂに取り付けられている。第２圧電素子１４ｂの一端は、支持ベース１０の台座部１０ｃに固定されている。第２圧電素子１４ｂの他端は、弾性ヒンジ３２ｂを有するてこ機構３４ｂを介して、リンク部２４ｂの基端部に連結されている。これにより、第２圧電素子１４ｂは、その動作軸がＹ軸方向に延びた状態で、すなわち、可動部２２ｂの移動方向と平行に延びた状態で、第２支持部１０ｂと第２変位拡大機構１６ｂとの間に配置されている。
【００３１】
支持ベース１０の第２支持部１０ｂ、第２変位拡大機構１６ｂの可動部２２ｂ、リンク部２４ｂ、２５ｂ、弾性ヒンジ２７ｂ、２８ｂ、３２ｂ、およびてこ機構３４ｂは、例えば、例えば、チタン合金鋼、ジュラルミン(高力アルミニウム)、ステンレス鋼や導電性セラミックス等の金属の剛性が高い材料により形成されている。可動部２２ｂ、リンク部２４ｂ、２５ｂ、弾性ヒンジ２７ｂ、２８ｂ、３２ｂ、およびてこ機構３４ｂは、第２変位拡大機構１６ｂの可動機構として機能している。
【００３２】
上記のように構成された第２変位拡大機構１６ｂにおいて、弾性ヒンジ２５ｂ、２５ｂそれぞれの中心間におけるリンク部２４ｂの長手方向の長さをＡ、てこ機構３４ｂの弾性ヒンジ３２ｂと第２支持部１０ｂ側の弾性ヒンジ２７ｂとの中心間距離をＢとした場合、第２圧電素子１４ｂのＹ軸方向の微小変位は、可動部２２ｂにおいてＡ／Ｂ倍のてこ比で拡大される。
【００３３】
図１および図２に示すように、ステージ１２は、Ｘ−Ｙ平面内において、第１変位拡大機構１６ａと第２変位拡大機構１６ｂとの間に配置されている。ステージ１２は、第１変位拡大機構１６ａの可動部２２ａの移動方向Ｘと第２変位拡大機構１６ｂの可動部２２ｂの移動方向Ｙとが交差する位置に設けられている。
【００３４】
ステージ１２は、第１駆動支持機構１８ａにより第１変位拡大機構１６ａの可動部２２ａに連結され、第２駆動支持機構１８ｂにより第２変位拡大機構１６ｂの可動部２２ｂに連結されている。ステージ１２は、第１および第２駆動支持機構１８ａ、１８ｂにより、Ｘ−Ｙ平面内で移動可能に支持されている。
【００３５】
第１駆動支持機構１８ａは、駆動支持バネとして機能する平行リンク３６ａを有している。平行リンク３６ａは、例えば、一対の平行な板バネで構成され、一対の板バネは、それぞれ可動部２２ａの移動方向であるＸ軸方向に沿って延びているとともに、Ｙ軸方向に隙間をおいて互いに対向している。平行リンク３６ａは、その長手方向一端が第１変位拡大機構１６ａの可動部２２ａに連結され、他端がステージ１２に連結されている。平行リンク３６ａは、Ｘ軸方向、並びに、Ｘ軸およびＹ軸で構成されるＸ−Ｙ平面と直交するＺ軸方向には剛性が高く、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向には柔軟性を有している。これにより、平行リンク３６ａは、ステージ１２を平行に保ち、ステージの回転を避けるとともに、可動部２２ａの変位をステージ１２に伝達し、ステージ１２をＸ軸方向に移動させる。
【００３６】
なお、平行リンク３６ａは、一対の平行板バネで構成したものに限らず、ビーム両端に切り込みを入れた弾性ヒンジや他の部材や部材で構成された平行リンクとしてもよい。
【００３７】
第２駆動支持機構１８ｂは、駆動支持バネとして機能する平行リンク３６ｂを有している。平行リンク３６ｂは、例えば、一対の平行な板バネで構成され、一対の板バネは、それぞれ可動部２２ｂの移動方向であるＹ軸方向に沿って延びているとともに、Ｘ軸方向に隙間をおいて互いに対向している。平行リンク３６ｂは、その長手方向一端が第２変位拡大機構１６ｂの可動部２２ｂに連結され、他端がステージ１２に連結されている。これにより、平行リンク３６ｂは、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向には剛性が高く、Ｙ軸方向と直交するＸ軸方向には柔軟性を有している。そして、平行リンク３６ｂは、可動部２２ｂの変位をステージ１２に伝達し、ステージ１２をＹ軸方向に移動させる。  
なお、平行リンク３６ｂは、一対の平行板バネで構成したものに限らず、ビーム両端に切り込みを入れた弾性ヒンジや他の部材や部材で構成された平行リンクとしてもよい。
【００３８】
図１および図２に示すように、安定化支持機構２０は、ステージ１２に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に離間して、かつ、第１および第２駆動支持機構１８ａ、１８ｂと反対側に固定的に設けられたバネ固定部３８と、このバネ固定部とステージ１２とをそれぞれ連結した第１および第２安定化支持バネ４０ａ、４０ｂと、を備えている。
【００３９】
第１および第２安定化支持バネ４０ａ、４０ｂは、板ばね、金属ワイヤ、コイルばね等によって形成されている。第１安定化支持バネ４０ａは、バネ固定部３８からＹ軸方向に延びた後、Ｘ軸方向に延び、平行リンク３６ａの反対側でステージ１２に連結されている。第１安定化支持バネ４０ａは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に弾性を有し、Ｚ軸方向には高い剛性を有している。第２安定化支持バネ４０ｂは、バネ固定部３８からＸ軸方向に延びた後、Ｙ軸方向に延び、平行リンク３６ｂの反対側でステージ１２に連結されている。第２安定化支持バネ４０ｂは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に弾性を有し、Ｚ軸方向には高い剛性を有している。第１および第２安定化支持バネ４０ａ、４０ｂは、ステージ１２とバネ固定部３８とを通る線に対してほぼ対称に形成され、本実施形態では、第１および第２安定化支持バネ４０ａ、４０ｂの両方でほぼ矩形枠状に形成されている。そして、これらの第１および第２安定化支持バネ４０ａ、４０ｂは、常に張力を保ち、ステージ１２および平行リンク３６ａ、３６ｂに引っ張り方向の張力を作用させる。これにより、安定化支持機構２０は、ステージ１２のＺ軸方向の変位および平行リンク３６ａ、３６ｂの圧縮方向の変位を抑制し、ステージ１２をＸ−Ｙ平面内に安定して支持している。
【００４０】
なお、安定化支持バネ４０ａ、４０ｂの形状は、上述のようにほぼ直角に屈曲した形状に限らず、例えば、円弧状に湾曲した形状としてもよく、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に張力を印加できる形状であればよい。
【００４１】
次に、上記のように構成された平面位置決め装置の動作について説明する。図１は、平面位置決め装置のステージ１２が初期位置あるいは基準位置に位置した状態を示している。ステージ１２を所望位置に移動させ位置決めする場合、例えば、第１圧電素子１４ａに電圧を印加しＸ軸方向に微小変位（伸長）させると、この微小変位は、第１変位拡大機構１６ａにより、可動部２２ａのＸ軸方向の変位に増大される。可動部２２ａの変位は、第１駆動支持機構１８ａの平行リンク３６ａによってステージ１２に伝達され、ステージ１２は、Ｘ−Ｙ平面内で支持ベース１０に対してＸ軸方向に移動する。また、第２圧電素子１４ｂに電圧を印加しＹ軸方向に微小変位（伸長）させると、この微小変位は、第２変位拡大機構１６ｂにより、可動部２２ｂのＹ軸方向の変位に増大される。可動部２２ｂの変位は、第２駆動支持機構１８ｂの平行リンク３６ｂによってステージ１２に伝達され、ステージ１２は、Ｘ−Ｙ平面内で支持ベース１０に対してＹ軸方向に移動する。この際、安定化支持機構２０は、ステージ１２の変位が発生する駆動方向に常に張力を作用させ、ステージ１２および平行リンク３６ａ、３６ｂに引っ張り方向の張力を作用させる。これにより、安定化支持機構２０は、ステージ１２のＺ軸方向の変位および平行リンク３６ａ、３６ｂの圧縮方向の変位を抑制し、ステージ１２をＸ−Ｙ平面内に安定して支持する。
【００４２】
平面位置決め装置における変位拡大機構の性能を評価する場合、図２に示すような簡単化したモデルを考えることができる。図２において、リンク部２４ａ、２４ｂの長さＡ、および、弾性ヒンジ２７ａ、２７ｂから圧電素子の支点となる弾性ヒンジ３２ａ、３２ｂまでの長さＢにより、変位拡大機構の変位拡大率が決められる。第１および第２圧電素子１４ａ、１４ｂの微小変位は、第１および第２変位拡大機構１６ａ、１６の可動部２２ａ、２２ｂにおいてＸ軸方向、Ｙ軸方向共にＡ／Ｂ倍の変位量に拡大される。
【００４３】
図２に示すモデル化した平面位置決め装置おいて、  
ｋa ：第１、第２圧電素子１４ａ、１４ｂのバネ定数、  
δax、δay：第１、第２圧電素子１４ａ、１４ｂの無負荷時の伸び、  
ｋθ：弾性ヒンジ２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂ、３２ａ、３２ｂの回転バネ定数、  
ｋm ：第１、第２変位拡大機構の板バネ３０ａ、３０ｂのバネ定数、  
ｋp ：駆動支持バネ(平行板バネ）のバネ定、  
ｋxx、ｋxy：Ｘ軸方向安定化支持バネ４０ａのＸ軸方向およびＹ軸方向のバネ定数、  
ｋyy、ｋyx：Ｙ軸方向安定化支持バネ４０ｂのＹ軸方向およびＸ軸方向のバネ定数、  
対称構造とする場合、ｋxy＝ｋyx、ｋxx＝ｋyy、
θx ：Ｙ軸方向に対するリンク部２４ａの傾斜角、  
θy ：Ｘ軸方向に対するリンク部２４ｂの傾斜角、  
Ｍ：ステージ１２の質量、  
ｍ：可動部２２ａ、２２ｂの質量、  
ｕx ：Ｘ軸方向の拡大変位量、  
ｕy ：Ｙ軸方向の拡大変位量、  
をそれぞれ示している。
【００４４】
このように簡単化したモデルを解析すると、Ｘ軸方向の拡大変位量ｕx 、Ｙ軸方向の拡大変位量ｕy 、Ｘ軸方向の共振周波数ｆx 、Ｙ軸方向の共振周波数ｆy を次のように導くことができる。
【数１】
0005605227.tif 000002
【数２】
0005605227.tif 000003
【数３】
0005605227.tif 000004
【数４】
0005605227.tif 000005
【数５】
0005605227.tif 000006
【数６】
0005605227.tif 000007
【００４５】
ここで、ｋapx 、ｋapy は、平面位置決め装置全体のＸ軸方向、Ｙ軸方向のバネ定数に相当している。
【００４６】
第１、第２変位拡大機構の拡大変位量ｕx 、ｕy を大きくするためには、前記式（１）（２）から、拡大率（てこ比）（Ａ／Ｂ）を大きくするか、バネ定数ｋa および伸びδax、δayの大きな圧電素子を選択するか、あるいは、装置全体のバネ定数ｋapx 、ｋapy を小さくする必要がある．
一方、共振周波数ｆx 、ｆy を大きくするためには、式（３）（４）から、運動部分の質量Ｍ、ｍを小さく、装置全体のバネ定数ｋapx 、ｋapy を大きく、更に拡大率（Ａ／Ｂ）を小さくすればよいことがわかる。
【００４７】
本実施形態に係る平面位置決め装置では、装置全体のバネ定数ｋapx 、ｋapy を大きく、運動部分の質量Ｍ、ｍを小さくすることで、共振周波数ｆx 、ｆy を高く維持して、かつ、変位量の拡大率Ａ／Ｂ、バネ定数ｋa および伸びδax、δayの大きな圧電素子を選択することで大きな拡大変位量ｕx 、ｕy を得るものである。
【００４８】
図３は、ステージの最大変位量が１００μｍに設計された平面位置決め装置（１００μｍ）の性能評価のために行った有限要素法による共振周波数解析（ＦＥＭ解析)の一次共振振周波数モードの結果を示している。この結果から、本平面位置決め装置は、１次共振周波数が３．１８ｋＨＺであり、非常に高い共振周波数を得られることが分かる。
【００４９】
図４は、ステージの最大変位量が１００μｍに設計された平面位置決め装置（１００μｍ）の性能評価のために、平面位置決め装置の静的な最大変位を有限要素法により解析（ＦＥＭ解析）した結果を示している。この結果は、第１、第２圧電素子に１５０Ｖの電圧を印加した場合の拡大変位量ｕx 、ｕy が、１０６μｍ（シュミレーション）になることを示している。
【００５０】
上記構成の平面位置決め装置（１００μｍ）を試作して実際に、共振周波数および最大変位量を測定した。第１、第２圧電素子に１５０Ｖの電圧を印加した場合、一次共振周波数は、図５に示すように、３．６ｋＨＺとなった。また、図６に示すように、最大変位量は１１２μｍとなり、ＦＥＭ解析により得られた性能を実際に得ることができた。
【００５１】
以上のように構成された平面位置決め装置によれば、アクチュエータの微小変位を変位拡大機構により増大してステージに伝達することにより、ステージの大きな変位量を得ることができる。第１、第２駆動支持機構を平行リンクで構成することにより、引っ張り方向には剛性が高いが、直角なＹ軸方向またはＸ軸方向にはステージを柔軟に支持する構造とすることができる。これにより、ステージを平行に保ちながら、ステージのＺ軸周りでの回転を防止することができる。例えば、第１圧電素子によりＸ軸方向の変位が生じる場合、ステージのＹ軸方向の動きを抑制している第２駆動支持機構の動作の影響を受けにくく、ステージの大きな変位を得ることができる。
【００５２】
また、第１、第２駆動支持機構および安定化支持機構によってステージを支持することにより、ステージをＸ−Ｙ平面内で平行に安定して支持することができる。第１、第２駆動支持機構によりステージを柔軟に保持すると、ステージの運動によって駆動支持機構の平行リンクは圧縮に対して不安定になるが、安定化支持機構により、ステージに常に張力を印加し、ステージおよび平行リンクに引っ張り方向の力を作用させることにより、ステージを安定に高速且つ高精度に位置決めを行うことが可能になる。ステージは駆動支持機構および安定化支持機構により駆動方向とＺ軸方向以外には柔軟に支持されているため、最大変位が数百ミクロンのストロークを確保しながら機械剛性が高く、高速、かつナノメータオーダ以下の精度でステージを正確に位置決めすることができる。
【００５３】
以上のことから、高い共振周波数を維持しつつ、拡大変位量を増大することができると共に、高速かつ高精度で位置決めすることができる平面位置決め装置が得られる。また、アクチュエータ構造の選択や自由度を独立して設計することができ、変位量が大きなアクチュエータを用いた場合でも、アクチュエータによる寸法上の制約を回避することができ、動作領域が大きい平面位置決め装置を得ることが可能となる。
【００５４】
更に、本平面位置決め装置は、高い共振周波数と大きな変位拡大が可能であり、走査型プローブ顕微鏡や半導体検査装置の移動機構の高度化、温度ドリフトや外乱補償にも容易に対応する制御性能を実現ことができる。
【００５５】
次に、この発明の第２の実施形態に係る平面位置決め装置について説明する。
【００５６】
図７は、第２の実施形態に係る平面位置決め装置を示す平面図である。図７に示すように、平面位置決め装置は、固定部として機能するほぼＬ字形状の支持ベース１０と、位置決め対象となる、Ｘ−Ｙ平面内で移動可能なステージ１２と、Ｘ軸方向の変位を発生する第１アクチュエータとして機能する積層型の第１圧電素子１４ａと、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の変位を発生する第２アクチュエータとして機能する積層型の第２圧電素子１４ｂと、第１圧電素子１４ａの変位を拡大する第１変位拡大機構１６ａと、第２圧電素子の変位を拡大する第２変位拡大機構１６ｂと、ステージ１２と第１変位拡大機構１６ａとを連結し、第１変位拡大機構により拡大された変位をステージ１２に伝達する第１駆動支持機構１８ａと、ステージ１２と第２変位拡大機構１６ｂとを連結し、第２変位拡大機構により拡大された変位をステージに伝達する第２駆動支持機構１８ｂと、ステージ１２に駆動方向の張力を印加してステージの支持を安定化する安定化支持機構２０と、を備えている。
【００５７】
図７に示すように、支持ベース１０は、Ｘ軸方向（第１方向）に延びる角柱形状の第１支持部１０ａと、第１支持部１０ａに対して直角な方向、すなわち、Ｙ軸方向（第２方向）に延びる角柱形状の第２支持部１０ｂとを一体に有している。第１支持部１０の延出側端部には、Ｙ方向に突出した矩形状の台座部１０ｃが一体に形成されている。
【００５８】
第１変位拡大機構１６ａは、第１支持部１０ａの長手方向中間部に設けられている。すなわち、第１変位拡大機構１６ａは、第１支持部１０ａの長手方向中間部と隙間を置いてほぼ平行に対向した角柱形状の可動部（変位拡大部）２２ａ、および第１支持部１０ａと可動部２２ａとの間を延びる互いに平行な一対のリンク部２４ａ、２５ａを有している。可動部２２ａは、Ｘ軸方向に沿って延びているとともに、第１支持部１０ａに対しＹ軸方向に隙間を置いて位置している。一対のリンク部２４ａ、２５ａは、Ｙ軸方向に沿って互いに平行に延びている。
【００５９】
リンク部２４ａは、角柱形状に形成され、その長手方向の両端は、スリット状の切欠きを入れてそれぞれ幅を狭めることで構成される弾性ヒンジ２７ａ、２８ａを介して第１支持部１０ａおよび可動部２２ａに連結されている。リンク部２４ａの可動部２２ａ側の約半分は、先細に形成されているとともに、この部分に開口が形成され、弾性ヒンジ２８ａで連結された板ばね状に形成されている。リンク部２４ａは、可動部２２ａの移動方向（Ｘ軸方向）と直交する方向（Ｙ軸方向）に延びている。
【００６０】
他方のリンク部２５ａは板ばね３０ａにより構成されている。リンク部２５ａは、Ｙ軸方向に延び、その長手方向両端はそれぞれ第１支持部１０ａおよび可動部２２ａに連結されている。
【００６１】
リンク部２４ａ、２５ａは平行リンクを構成し、可動部２２ａは、弾性ヒンジ２７ａ、２８ａの弾性変形および板ばね３０ａの弾性変形（たわみ）により、弾性ヒンジおよび板ばねを支点とする等価的な直線運動等が可能となっている。これにより、可動部２２は、第１支持部１０ａに対しＸ軸方向に沿って移動可能に支持されている。
【００６２】
第１圧電素子１４ａは、全体としてほぼ角柱形状に形成され、その動作軸方向に沿って変位可能に形成されている。第１圧電素子１４ａは、第１変位拡大機構１６ａの外側で第１支持部１０ａに取り付けられている。第１圧電素子１４ａの一端は、支持ベース１０の台座部１０ｃに固定されている。第１圧電素子１０ａの他端は、弾性ヒンジ３２ａを有するてこ機構３４ａを介して、リンク部２４ａの基端部に連結されている。これにより、第１圧電素子１４ａは、その動作軸がＸ軸方向に延びた状態で、すなわち、可動部２２ａの移動方向と平行に延びた状態で、第１支持部１０ａと第１変位拡大機構１６ａとの間に配置されている。
【００６３】
支持ベース１０の第１支持部１０ａ、第１変位拡大機構１６ａの可動部２２ａ、リンク部２４ａ、２５ａ、弾性ヒンジ２７ａ、２８ａ、３２ａ、およびてこ機構３４ａは、例えば、例えば、チタン合金鋼、ジュラルミン(高力アルミニウム)、ステンレス鋼や導電性セラミックス等の金属の剛性が高い材料により形成されている。可動部２２ａ、リンク部２４ａ、２５ａ、弾性ヒンジ２７ａ、２８ａ、３２ａ、およびてこ機構３４ａは、第１変位拡大機構１６ａの可動機構として機能している。
【００６４】
第１変位拡大機構１６ａにおいて、弾性ヒンジ２７ａ、２８ａそれぞれの中心間におけるリンク部２４ａの長手方向の長さをＡ、てこ機構３４ａの弾性ヒンジ３２ａと第１支持部１０ａ側の弾性ヒンジ２７ａとの中心間距離をＢとした場合、第１圧電素子１４ａのＸ軸方向の微小変位は、可動部２２ａにおいてＡ／Ｂ倍のてこ比で拡大される。
【００６５】
図７に示すように、第２変位拡大機構１６ｂは、第１変位拡大機構１６ａとほぼ同様に構成されている。第２変位拡大機構１６ｂは、第２支持部１０ｂの長手方向端部と隙間を置いてほぼ平行に対向した角柱形状の可動部（変位拡大部）２２ｂ、および第２支持部１０ｂと可動部２２ｂとの間を延びた互いに平行な一対のリンク部２４ｂ、２５ｂを有している。可動部２２ｂは、Ｙ軸方向に沿って延びているとともに、第２支持部１０ｂに対しＸ軸方向に隙間を置いて位置している。一対のリンク部２４ｂ、２５ｂは、Ｘ軸方向に沿って互いに平行に延びている。
【００６６】
リンク部２４ｂは、角柱形状に形成され、その長手方向の両端は、スリット状の切欠きを入れてそれぞれ幅を狭めることで構成される弾性ヒンジ２７ｂ、２８ｂを介して第２支持部１０ｂおよび可動部２２ｂに連結されている。リンク部２４ｂの可動部２２ｂ側の約半分は、先細に形成されているとともに、この部分に開口が形成され、弾性ヒンジ２８ｂで連結された板ばね状に形成されている。そして、リンク部２４ｂは、可動部２２ｂの移動方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｘ軸方向）に延びている。
【００６７】
他方のリンク部２５ｂは板ばね３０ｂにより構成されている。リンク部２５ｂは、Ｘ軸方向に延び、その長手方向両端はそれぞれ第２支持部１０ｂおよび可動部２２ｂに連結されている。
【００６８】
リンク部２４ｂ、２５ｂは平行リンクを構成し、可動部２２ｂは、弾性ヒンジ２７ｂ、２８ｂの弾性変形および板ばね３０ｂの弾性変形（たわみ）により、弾性ヒンジおよび板ばねを支点とする等価的な直線運動等が可能となっている。これにより、可動部２２ｂは、第２支持部１０ｂに対しＹ軸方向に沿って移動可能に支持されている。
【００６９】
第２圧電素子１４ｂは、全体としてほぼ角柱形状に形成され、その動作軸方向に沿って変位可能に形成されている。第２圧電素子１４ｂは、その一端が第１支持部１０ａの基端部に固定され、第２支持部１０ｂと隙間を置いてＹ軸方向に延びている。第２圧電素子１４ｂの他端は、弾性ヒンジ３２ｂを有するてこ機構３４ｂを介して、リンク部２４ｂの基端部に連結されている。これにより、第２圧電素子１４ｂは、その動作軸がＹ軸方向に延びた状態で、すなわち、可動部２２ｂの移動方向と平行に延びた状態で、第１支持部１０ａと第２変位拡大機構１６ｂとの間に配置されている。
【００７０】
支持ベース１０の第２支持部１０ｂ、第２変位拡大機構１６ｂの可動部２２ｂ、リンク部２４ｂ、２５ｂ、弾性ヒンジ２７ｂ、２８ｂ、３２ｂ、およびてこ機構３４ｂは、例えば、例えば、チタン合金鋼、ジュラルミン(高力アルミニウム)、ステンレス鋼や導電性セラミックス等の金属の剛性が高い材料により形成されている。可動部２２ｂ、リンク部２４ｂ、２５ｂ、弾性ヒンジ２７ｂ、２８ｂ、３２ｂ、およびてこ機構３４ｂは、第２変位拡大機構１６ｂの可動機構として機能している。
【００７１】
第２変位拡大機構１６ｂにおいて、弾性ヒンジ２７ｂ、２８ｂそれぞれの中心間におけるリンク部２４ｂの長手方向の長さをＡ、てこ機構３４ｂの弾性ヒンジ３２ｂと第２支持部１０ｂ側の弾性ヒンジ２７ｂとの中心間距離をＢとした場合、第２圧電素子１４ｂのＹ軸方向の微小変位は、可動部２２ｂにおいてＡ／Ｂ倍のてこ比で拡大される。
【００７２】
ステージ１２は、Ｘ−Ｙ平面内において、第１変位拡大機構１６ａと第２変位拡大機構１６ｂとの間に配置されている。ステージ１２は、第１変位拡大機構１６ａの可動部２２ａの移動方向Ｘと第２変位拡大機構１６ｂの可動部２２ｂの移動方向Ｙとが交差する位置に設けられている。
【００７３】
ステージ１２は、第１駆動支持機構１８ａにより第１変位拡大機構１６ａの可動部２２ａに連結され、第２駆動支持機構１８ｂにより第２変位拡大機構１６ｂの可動部２２ｂに連結されている。ステージ１２は、第１および第２駆動支持機構１８ａ、１８ｂにより、Ｘ−Ｙ平面内で移動可能に支持されている。
【００７４】
第１駆動支持機構１８ａは、駆動支持バネとして機能する平行リンク３６ａを有している。平行リンク３６ａは、例えば、一対の平行な板バネで構成され、一対の板バネは、それぞれ可動部２２ａの移動方向であるＸ軸方向に沿って延びているとともに、Ｙ軸方向に隙間をおいて互いに対向している。平行リンク３６ａは、その長手方向一端が第１変位拡大機構１６ａの可動部２２ａに連結され、他端がステージ１２に連結されている。平行リンク３６ａは、Ｘ軸方向、並びに、Ｘ軸およびＹ軸で構成されるＸ−Ｙ平面と直交するＺ軸方向には剛性が高く、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向には柔軟性を有している。これにより、平行リンク３６ａは、ステージ１２を平行に保ち、ステージの回転を避けるとともに、可動部２２ａの変位をステージ１２に伝達し、ステージ１２をＸ軸方向に移動させる。
【００７５】
なお、平行リンク３６ａは、一対の平行板バネで構成したものに限らず、ビーム両端に切り込みを入れた弾性ヒンジや他の部材や部材で構成された平行リンクとしてもよい。
【００７６】
第２駆動支持機構１８ｂは、駆動支持バネとして機能する平行リンク３６ｂを有している。平行リンク３６ｂは、例えば、一対の平行な板バネで構成され、一対の板バネは、それぞれ可動部２２ｂの移動方向であるＹ軸方向に沿って延びているとともに、Ｘ軸方向に隙間をおいて互いに対向している。平行リンク３６ｂは、その長手方向一端が第２変位拡大機構１６ｂの可動部２２ｂに連結され、他端がステージ１２に連結されている。平行リンク３６ｂは、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向には剛性が高く、Ｙ軸方向と直交するＸ軸方向には柔軟性を有している。そして、平行リンク３６ｂは、可動部２２ｂの変位をステージ１２に伝達し、ステージ１２をＹ軸方向に移動させる。  
なお、平行リンク３６ｂは、一対の平行板バネで構成したものに限らず、ビーム両端に切り込みを入れた弾性ヒンジや他の部材や部材で構成された平行リンクとしてもよい。
【００７７】
図７に示すように、安定化支持機構２０は、ステージ１２に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に離間して、かつ、第１および第２駆動支持機構１８ａ、１８ｂと反対側に固定的に設けられたバネ固定部３８と、このバネ固定部とステージ１２とをそれぞれ連結した第１および第２安定化支持バネ４０ａ、４０ｂと、を備えている。
【００７８】
第１および第２安定化支持バネ４０ａ、４０ｂは、板ばね、金属ワイヤ、コイルばね等によって形成されている。第１安定化支持バネ４０ａは、バネ固定部３８からＹ軸方向に延びた後、Ｘ軸方向に延び、平行リンク３６ａの反対側でステージ１２に連結されている。第１安定化支持バネ４０ａは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に弾性を有し、Ｚ軸方向には高い剛性を有している。第２安定化支持バネ４０ｂは、バネ固定部３８からＸ軸方向に延びた後、Ｙ軸方向に延び、平行リンク３６ｂの反対側でステージ１２に連結されている。第２安定化支持バネ４０ｂは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に弾性を有し、Ｚ軸方向には高い剛性を有している。第１および第２安定化支持バネ４０ａ、４０ｂは、ステージ１２とバネ固定部３８とを通る線に対してほぼ対称に形成され、本実施形態では、第１および第２安定化支持バネ４０ａ、４０ｂの両方でほぼ矩形枠状に形成されている。そして、これらの第１および第２安定化支持バネ４０ａ、４０ｂは、常に張力を保ち、ステージ１２および平行リンク３６ａ、３６ｂに引っ張り方向の張力を作用させる。これにより、安定化支持機構２０は、ステージ１２のＺ軸方向の変位および平行リンク３６ａ、３６ｂの圧縮方向の変位を抑制し、ステージ１２をＸ−Ｙ平面内に安定して支持する。
【００７９】
なお、安定化支持バネ４０ａ、４０ｂの形状は、上述のようにほぼ直角に屈曲した形状に限らず、例えば、円弧状に湾曲した形状としてもよく、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に張力を印加できる形状であればよい。
【００８０】
次に、上記のように構成された平面位置決め装置の動作について説明する。図７は、平面位置決め装置のステージ１２が初期位置あるいは基準位置に位置した状態を示している。ステージ１２を所望位置に移動させ位置決めする場合、例えば、第１圧電素子１４ａに電圧を印加しＸ軸方向に微小変位（伸長）させると、この微小変位は、第１変位拡大機構１６ａにより、可動部２２ａのＸ軸方向の変位に増大される。可動部２２ａの変位は、第１駆動支持機構１８ａの平行リンク３６ａによってステージ１２に伝達され、ステージ１２は、Ｘ−Ｙ平面内で支持ベース１０に対してＸ軸方向に移動する。また、第２圧電素子１４ｂに電圧を印加しＹ軸方向に微小変位（伸長）させると、この微小変位は、第２変位拡大機構１６ｂにより、可動部２２ｂのＹ軸方向の変位に増大される。可動部２２ｂの変位は、第２駆動支持機構１８ｂの平行リンク３６ｂによってステージ１２に伝達され、ステージ１２は、Ｘ−Ｙ平面内で支持ベース１０に対してＹ軸方向に移動する。
【００８１】
この際、安定化支持機構２０は、ステージ１２の変位が発生する駆動方向に常に張力を作用させ、ステージ１２および平行リンク３６ａ、３６ｂに引っ張り方向の張力を作用させる。これにより、安定化支持機構２０は、ステージ１２のＺ軸方向の変位および平行リンク３６ａ、３６ｂの圧縮方向の変位を抑制し、ステージ１２をＸ−Ｙ平面内に安定して支持する。
【００８２】
図８は、ステージの最大変位量が５００μｍに設計された平面位置決め装置（５００μｍ）の性能評価のために行った有限要素法による共振周波数解析（ＦＥＭ解析)の一次共振振周波数モードの結果を示している。この結果から、本平面位置決め装置は、１次共振周波数が１．８８ｋＨＺであり、高い共振周波数を得られることが分かる。
【００８３】
図９は、ステージの最大変位量が５００μｍに設計された平面位置決め装置（５００μｍ）の性能評価のために、平面位置決め装置の静的な最大変位をＦＥＭ解析した結果を示している。この結果は、第１、第２圧電素子に１５０Ｖの電圧を印加した場合のステージの拡大変位量ｕx 、ｕy は、４５０μｍになることを示している。
【００８４】
以上のように構成された第２の実施形態に係る平面位置決め装置においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、高い共振周波数を維持しつつ、拡大変位量を増大することができると共に、高速かつ高精度で位置決めすることができる平面位置決め装置が得られる。また、アクチュエータ構造の選択や自由度を独立して設計することができ、変位量が大きなアクチュエータを用いた場合でも、アクチュエータによる寸法上の制約を回避することができ、動作領域が大きい平面位置決め装置を得ることが可能となる。更に、本平面位置決め装置は、高い共振周波数と大きな変位拡大が可能であり、走査型プローブ顕微鏡や半導体検査装置の移動機構の高度化、温度ドリフトや外乱補償にも容易に対応する制御性能を実現ことができる。
【００８５】
次に、平面位置決め装置を備えた検査装置を、例えば、走査型プローブ顕微鏡に適用した実施形態について説明する。  
図１１は、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）および検査媒体として円盤状のシリコンウエファを示している。図１１に示すように、ＳＰＭは、第１の実施形態で説明した平面位置決め装置を備えている。平面位置決め装置の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分に同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。平面位置決め装置の支持ベース１０は、支持基板７２上に固定支持されている。平面位置決め装置における安定化支持機構２０のバネ固定部３８は、支持基板７２に固定されている。また、支持基盤７２は、可動テーブル７４上に固定されている。これにより、平面位置決め装置は、Ｘ−Ｙ平面内に配置されている。
【００８６】
ＳＰＭは、平面位置決め装置のステージ１２上に設けられたＺ軸ステージ６０と、Ｚ軸ステージ上に固定されたカンチレバー６４と、カンチレバー６４の先端に設けられた探針６６と、を備えている。Ｚ軸ステージ６０は、Ｘ軸方向およびＸ軸方向と直交するＺ軸方向に変位可能な第３アクチュエータとして機能する。更に、ＳＰＭは、例えば検出する物理量をトンネル電流とすれば、探針６６と検査媒体との間に流れるトンネル電流を増幅するアンプ、増幅されたトンネル電流を検出する検出器、探針６６と検査媒体との間隔を調整するとともに、平面位置決め装置により探針６６を走査する制御部、および、測定されたトンネル電流に基づいて検査媒体表面の凹凸を原子レベルの画像として表示する表示装置を備えている。
【００８７】
検査媒体であるシリコンウェハ８０の下面に、多数の半導体回路８２が露光形成されている。シリコンウェハ８０は、Ｘ−Ｙ平面内に配置および保持され、その下面の検査領域がＳＰＭの探針６６と所定の微小隙間を置いて対向するように配置される。ＳＰＭは、可動テーブル７４の動作により平面位置決め装置をシリコンウェハ８０に対して所定位置に移動および位置決めした後、更に、平面位置決め装置により探針６６をシリコンウェハ８０の検査領域をＸ、Ｙ軸方向に微小距離移動させて検査領域を走査する。そして、走査の間、探針６６とシリコンウェハ８０の表面との間に流れるトンネル電流を測定し、このトンネル電流に基づいて、シリコンウェハ８０の半導体回路パターンを原子レベルで観察および画像表示する。
【００８８】
なお、探針６６による走査は、探針６６とシリコンウェハ８０との距離を一定に保った状態で行う方法、あるいは、トンネル電流が一定となるように、探針６６をシリコンウェハ８０表面の凹凸に合わせて昇降させながらＸ、Ｙ軸方向に走査する方法のいずれでもよい。
【００８９】
上記のように構成されたＳＰＭによれば、上述した平面位置決め装置を用いて探針６６を位置決めすることにより、探針６６の走査速度を従来に比較して著しく早くし、かつ、高精度な同一平面内の移動を可能とすることができる。また、積層型圧の電素子を用いたステージとしては、５００μm平方の領域を超えるような大きな走査距離及び範囲を高い共振周波数と共に両立させることができる。そのため、半導体やフラットディスプレイの製造や検査及び今までのＳＰＭでは計側できなかった広範囲の観察を必要とする分野を中心に適用範囲の拡大が可能となり、オンラインによる高速で高精度な走査技術を要求する分野にＳＰＭの応用分野を広げることが可能となる。
【００９０】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素の変形や構造材料を変更することでより高い性能が具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば実施の形態に示される全体構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。更に異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００９１】
例えば、第１および第２の実施形態において、第１変位拡大機構および第２変位拡大機構を省略し、第１駆動支持機構をステージと第１アクチュエータとの間に設け、また、第２駆動支持機構をステージと第２アクチュエータとの間に設ける構成としてもよい。
【００９２】
また、変位拡大機構を構成する支持部、可動部、リンク部の形状は上述した実施形態に限らず、必要に応じて変形可能である。リンク部を構成する板バネは、必ずしも一様な板バネに限らず、長さ方向、あるいは、幅方向に断面形状が変化する板バネを用いてもよい。また、板バネ以外に、もう一対のリンク形状で変位拡大機構を構成してもよい。
【００９３】
リンク部の長さＡに係わらず、支持部において、板バネやリンク部との接続部を可動部側に延長し、板バネやリンク部の長さを調整する構成としてもよい。アクチュエータは、積層型の圧電素子に限らず、他の圧電素子、磁歪素子、電磁力を応用する機構等の同様な推力特性を有する駆動素子を用いることもできる。
【００９４】
この発明に係る検査装置は、ＳＰＭに限らず、他の検査装置や製造装置や測定機などにも適用可能である。すなわち、この発明に係る平面位置決め装置は、検査装置に限らず、製造装置や測定機、その他の種々の装置に用いることができる。更に、ＳＰＭは、上述した走査型のトンネル顕微鏡（ＳＴＭ）に限らず、原子間力を利用する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や他の物理量を指標とする走査型プローブ顕微鏡に適用してもよい。前述した実施形態において、ＳＰＭの平面位置決め装置は、第１の実施形態に係る平面位置決め装置に限らず、第２の実施形態に係る平面位置決め装置などを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
高い共振周波数を維持しつつ、拡大変位量を増大することができると共に、高速かつ高精度で位置決めすることができる平面位置決め装置およびこれを備えた検査装置が得られる。平面位置決め装置は、高い共振周波数と大きな変位拡大が可能であり、走査型プローブ顕微鏡や半導体検製造および査装置に応用される移動機構の高速・高精度が可能となり、温度ドリフトや外乱補償にも容易に対応する制御性能を実現ことができる。
【符号の説明】
【００９６】
１０…支持ベース、１０ａ…第１支持部、１０ｂ…第２支持部、１２…ステージ、
１４ａ…第１圧電素子、１４ｂ…第２圧電素子、１６ａ…第１変位拡大機構、
１６ｂ…第２変位拡大機構、１８ａ…第１駆動支持機構、１８ｂ…第２駆動支持機構、
２０…安定化支持機構、２２ａ、２２ｂ…可動部、
２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ…リンク部、
２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂ、３２ａ、３２ｂ…弾性ヒンジ、３８…バネ固定部、
４０ａ…第１安定化支持バネ、４０ｂ…第２安定化支持バネ、６０…Ｚ軸ステージ、
６４…カンチレバー、６６…探針、７２…支持板
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図３】
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【図４】
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【図８】
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【図９】
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