(57)【要約】  【課題】超音波モータによってステージを一次元方向に動かす場合に、ステージ停止後のステージのドリフトを抑える。  【解決手段】１次元方向に動くステージ２に接触可能な接触部材３又はそれに連結された基材９ａを一つの電極として、前記一次元方向の前又は後の位置に他の固定電極１３，１４を対向させて２つのコンデンサを形成し、前記２つのコンデンサに交流電圧を印加して、当該コンデンサの静電容量の変化に基づく信号を取り出し、この変化信号に基づいて、所定の停止位置にステージ２を停止させるように制御する。【選択図】        図３
2006042502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次元方向に動くステージと、
前記ステージに接触可能な接触部材と、
前記接触部材を動かす駆動手段と、
前記接触部材又はそれに連結された基材を一つの電極として、前記一次元方向の前又は後の位置に他の固定電極を対向させて形成したコンデンサと、
前記コンデンサに交流電圧を印加して、当該コンデンサの静電容量の変化に基づく信号を取り出す信号処理部と、
前記信号処理部から出力される信号に基づいて、所定の停止位置に前記ステージを停止させるように、前記駆動手段を制御する停止位置制御手段とを備えることを特徴とするステージのドリフト制御装置。
【請求項２】
前記接触部材は、前記ステージに接触して運動することにより、前記ステージを１次元方向に移動させるものである請求項１記載のステージのドリフト制御装置。
【請求項３】
前記コンデンサは、前記接触部材又はそれに連結された基材を一つの電極として、前記一次元方向の前及び後の位置にそれぞれ他の電極を固定して２つの静電容量を形成し、前記信号処理部における静電容量の変化に基づく信号は、前記２つの静電容量の差による差動信号である請求項１又は請求項２記載のステージのドリフト制御装置。
【請求項４】
前記接触部材は、前記ステージに接触した摩擦力で、前記ステージを移動させる請求項１〜請求項３のいずれかに記載のステージのドリフト制御装置。
【請求項５】
前記接触部材及び前記駆動手段は、超音波モータの構成部材である請求項４記載のステージのドリフト制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密加工機械、精密測定装置、半導体製造装置、測長ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）などにおける一次元運動体（以下「ステージ」という）の停止位置において発生するドリフト量を制御するステージのドリフト制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基台にクロスローラガイドのようなガイド部材を備え、このガイド部材の上に直線的に往復運動することのできるステージを設置した構造において、前記ステージを移動させるための駆動源として、超音波モータ（ＵＳＭ）が用いられる。
超音波モータは、振動体に圧電素子を取り付けて、この振動体の一部をステージの側面に加圧しながら接触させて、圧電素子に交流電圧を印加して振動体を運動させる。この運動が、摩擦力でステージに伝わり、ステージを一次元方向に動かす。ステージが所定の位置まで動くと、超音波モータの駆動をオフして、ステージを止める。
【０００３】
図８は、超音波モータの構造を示す平面図である。超音波モータは、基台に固定された３つの固定部４，５，６を備えている。正面の固定部４には、平行ヒンジ７を介して振動体８が取り付けられる。前記平行ヒンジ７は、そのたわみにより、振動体８が左右に振動することができる程度の弾性のある部材で形成されている。
前記振動体８の先端部には、ステージ２の移動方向Ａに垂直な方向に振動を発生される第１の圧電素子部９が設けられる。また、振動体８の左右側面と、前記左右固定部５，６との間には、ステージ２の移動方向Ａに平行な方向に移動を発生させる第２及び第３の圧電素子部１０，１１が設けられている。そして、第１の圧電素子部９の先端には基材９ａが接合され、基材９ａの先端面には、ステージ２と接触しながら、摩擦力でステージ２を移動させるための接触部材３が取り付けられている。
【０００４】
前記第２及び第３の圧電素子部１０，１１に互いに逆位相の交流振動を印加し、かつ、前記第１の圧電素子部９に、前記第２及び第３の圧電素子部１０，１１に与えられる交流信号と９０度位相の遅れた又は進んだ交流信号を印加することにより、前記接触部材を楕円振動させる。ここで「逆位相」とは第２の圧電素子部１０を一方向に動かせば、第３の圧電素子部１１も同方向に動くような位相関係をいう。前記楕円振動は、接触部材３とステージ２との摩擦力によりステージ２に伝わり、これにより、ステージ２を任意の方向に移動させることができる。
【０００５】
ステージ２を停止させるときは、各圧電素子部９，１０，１１への電圧の印加を停止する。電圧の印加を停止することにより、前記振動体８には前記第２及び第３の圧電素子部１０，１１からの力がかからなくなり、前記振動体８は、前記平行ヒンジ７の復元力により、正面固定部４に対して所定の位置関係を保って静止する。また、振動体８内の第１の圧電素子部９も電圧の印加が停止されるので、第１の圧電素子部９及びその先端に固定された接触部材３も、振動体８に対して所定の位置関係を保ったまま静止する。この結果、接触部材３は、基台１に対して所定の位置を保持しながら静止することとなる。接触部材３とステージ２との間には、両者の接触により静止摩擦力が働いているので、その摩擦力によりステージ２を基台１の所定位置に停止させることができる。
【０００６】
なお、実際には、ステージ２の移動量の制御あるいは停止位置の決定は、ステージ２の移動量をリニアスケール及びレーザ干渉計で測定し、その測定結果を、超音波モータの駆動装置にフィードバック制御することにより行っている。
このような超音波モータは、制御可能な最小移動量がナノメートルのオーダーになり、精密なステージの位置制御ができるという特長がある。
【０００７】
そこで、最近では、精密加工機械、精密測定装置、半導体製造装置などの一次元運動系の駆動装置として好適に用いられている。
【特許文献１】特開2002-341248号公報
【特許文献２】特開2003-369123号公報
【特許文献３】特開平２-60474号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記超音波モータを使ったステージの移動制御系では、ステージを位置決めした後、温度の変化、駆動力伝達手段の弾性変化などで、位置決め後の停止位置が、時間の経過とともに変動することがある。これを「ドリフト」という。
図９は、ステージ２を停止させた後に発生するドリフト量を示したグラフである。横軸に時間を縦軸にドリフト量をとっている。ドリフト量の計測は、前述したレーザ干渉計により行っている。このグラフに示されるように、発生するドリフト量は、数十秒経過すれば、１０ｎｍあるいはそれ以上となる。
【０００９】
最近、精密機械の精度や半導体回路の集積度が上がって、１ナノメートルのオーダーの精度が必要とされている。そこで、この程度のドリフトでも、発生を抑えたいという要望がある。
前述したリニアスケール及びレーザ干渉計を用いて、ステージの停止位置を精密に制御することも考えられるが、制御装置全体が重く、大きく、かつ高価になる。
【００１０】
そこで、本発明は、簡単な構成で、ステージのドリフト量を抑えることのできるステージのドリフト制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のステージのドリフト制御装置は、１次元方向に動くステージと、前記ステージに接触可能な接触部材と、前記接触部材を動かす駆動手段と、前記接触部材又はそれに連結された基材を一つの電極として、前記一次元方向の前又は後の位置に他の固定電極を対向させて形成されたコンデンサと、前記コンデンサに交流電圧を印加して、当該コンデンサの静電容量の変化に基づく信号を取り出す信号処理部と、前記信号処理部から出力される信号に基づいて、所定の停止位置に前記ステージを停止させるように、前記駆動手段を制御する停止位置制御手段とを備えるものである。
【００１２】
この構成によれば、ステージに接触する部材又はそれに連結された基材を一つの電極として、前記一次元方向の前又は後の位置に他の固定電極を対向させてコンデンサを形成し、当該コンデンサの静電容量の変化に基づく信号を取り出して、この信号に基づき所定の停止位置に前記ステージを停止させるように停止位置制御することができる。したがって、簡単な構成で、ステージのドリフト量を正確に制御することができる。
【００１３】
前記接触部材は、前記ステージに接触して運動することにより、前記ステージを１次元方向に移動させる部材である場合は、ステージの移動とステージを停止位置制御とを、同一部材を使って実施することができる。したがって、レーザ干渉計などの測定系を別に用意しなくても、コンパクトな構造でステージの停止位置制御を行うことができる。
前記コンデンサは、１つの静電容量で構成してもよいが、前記接触部材又はそれに連結された基材を一つの電極として、前記一次元方向の前及び後の位置にそれぞれ他の電極を固定した２つの静電容量で形成すれば、両静電容量の静電容量の差動信号を取り出すことができるので、位置検出の感度を上げることができる。
【００１４】
前記接触部材は、前記ステージに接触した摩擦力で、前記ステージを移動させるものであってもよい。
前記ステージの駆動は、超音波モータで行ってもよい。この場合は、前記駆動手段は圧電素子になり、前記接触部材はこの圧電素子に装着され、運動しながら前記ステージに接触した摩擦力でステージを移動させる構造になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の静電容量を利用してステージの停止位置制御を行うドリフト制御装置の全体構成を示すブロック図である。このドリフト制御装置は、精密加工機械、精密測定装置、半導体製造装置などにおける、ステージの移動制御を行うステージ移動装置の一部として設けられる。
【００１６】
このドリフト制御装置には、ステージを移動させるための超音波モータＭが設けられている。
図２は、超音波モータＭの構造を示す平面図である。
超音波モータＭは、ステージ２を１次元方向（ｘ方向とする）に移動可能に設置した基台１上に配置されている。超音波モータＭのステージ２に接触する部位には、接触部材３が介在されている。この接触部材３と反対側のステージ２の背後、並びにステージ移動方向の前である上流側及びステージ移動方向の後である下流側に、合計３つの固定部が備えられている。これらの固定部を背後固定部４、左固定部５、右固定部６という。各固定部４，５，６は、それぞれ基台１に固定されている。
【００１７】
背後固定部４には、平行ヒンジ７を介して振動体８が取り付けられている。前記平行ヒンジ７は、そのたわみにより、振動体８がｘ方向に振動することができる程度の弾性を持つような形状に形成されている。
振動体８には、有底状の凹部が形成されており、この凹部の底面に前記ｘ方向に垂直なｙ方向に沿った振動を発生する第１の圧電素子部９が固定されている。また、振動体８の左右側面と、前記左右固定部５，６との間には、ｘ方向に沿った振動を発生させる第２及び第３の圧電素子部１０，１１が固定されている。
【００１８】
また、第１の圧電素子部９の先端部には銅などの材質からなる円柱基材９ａが結合されており、この円柱基材９ａの先端面には、ステージ２と接触しながら、摩擦力でステージ２を移動させる前記接触部材３が取り付けられている。前記接触部材３は、アルミナやジルコニア、あるいはアルミナと炭化チタンとの複合材料であるアルティック等により形成されている。
【００１９】
前記圧電素子部９，１０，１１を構成する圧電材料は、ＰＺＴ、チタン酸バリウムなどが用いられる。
ステージ移動装置（図示せず）から、前記第２及び第３の圧電素子部１０，１１に互いに逆位相の交流信号を印加し、かつ、前記第１の圧電素子部９に、前記第２及び第３の圧電素子部１０，１１に与える交流信号と９０度位相の遅れた、又は進んだ交流信号を印加することにより、前記接触部材３をｘ−ｙ平面内で楕円振動させる。これにより、ステージ２を、接触部材３との摩擦力を用いて＋ｘ方向又は−ｘ方向に移動させることができる。ステージ２の移動速度は、交流信号の周波数を調整することにより任意に設定できる。
【００２０】
以下、本発明の特徴となるコンデンサの構造を説明する。
前記円柱基材９ａの側面は、窒化チタン又は炭化チタンなどの金属膜でコーティングされている。なお、円柱基材９ａそのものを金属材質で形成してもよい。
そして、前記円柱基材９ａの周囲を取り囲む状態で、固定電極体１２が基台１に固定されている。この固定電極体１２には、図３に示すように、円筒状に繰り抜かれた孔１２ａが形成されている。
【００２１】
前記固定電極体１２は、セラミックスや合成樹脂などの絶縁体で形成されているが、繰り抜いて形成された孔１２ａの内部は、左右２極に分離された状態で窒化チタン又は炭化チタンなどの金属膜でコーティングされている。これらの金属膜コーティングを、図３に、"１３，１４"で示す。
なお、金属膜コーティングするのではなく、固定電極体１２の本体を左右分離された２つの金属部材で形成することも可能である。この場合、左右分離された金属部材がそれぞれコンデンサの電極を構成する。
【００２２】
前記円柱基材９ａは、固定電極体１２の繰り抜き孔１２ａを貫通している。固定電極体１２の繰り抜き孔１２ａの内径は、前記円柱基材９ａの円柱の半径よりもわずかに大きく、このため円柱基材９ａと金属膜１３，１４との間には、隙間が存在する。この隙間によって、静電容量を形成する。
このようにして、前記円柱基材９ａと、前記固定電極体１２との間に２つのコンデンサが形成される。ここで、前記円柱基材９ａとその＋ｘ側にある固定電極体１２の金属膜１３との静電容量をＣ1、前記円柱基材９ａとその−ｘ側にある固定電極体１２の金属膜１４との静電容量をＣ2と表記する。
【００２３】
その静電容量の差（Ｃ1−Ｃ2）は、前記第１の圧電素子部９の円柱基材９ａの＋ｘ方向又は−ｘ方向への移動量に比例する。すなわち静電容量の差（Ｃ1−Ｃ2）は、前記第１の圧電素子部９が＋ｘ方向に動けば正の方向に増大し、前記第１の圧電素子部９が−ｘ方向に動けば、負の方向に増大する。
本発明のドリフト制御装置は、図１に示すように、前記静電容量Ｃ1，Ｃ2と、基板２０に搭載したチップコンデンサなどの容量固定コンデンサの静電容量Ｃ3，Ｃ4とによってブリッジ回路を構成している。このブリッジ回路には発振器２１から高周波信号が印加され、ブリッジ回路から前記静電容量Ｃ1，Ｃ2の差（Ｃ1−Ｃ2）に応じた差分信号が取り出される。
【００２４】
この差分信号は、差動増幅器２２、増幅器２３を通して、ローパスフィルタ２４に入力される。ローパスフィルタ２４は、電源ラインなどから制御回路に入ってくる高周波ノイズや、空気中を伝わる誘導ノイズ、あるいは半導体回路で発生するノイズを除去する。この結果、ローパスフィルタ２４から、ノイズのない差分信号が出力される。
このローパスフィルタ２４から出力された差分信号は、加算器２５に入力される。一方、この加算器２５には、静電容量差分目標値が入力される。これらの差信号は、アナログＰＩＤ器２６に入力されてアナログ信号処理される。そして、両信号の差に比例した信号が出力され、直流ドライバ２７において、超音波モータＭの駆動信号が生成される。
【００２５】
なお、以上の説明では、静電容量Ｃ1，Ｃ2と容量固定コンデンサの静電容量Ｃ3，Ｃ4とによってブリッジ回路を構成し、静電容量Ｃ1，Ｃ2の差（Ｃ1−Ｃ2）に応じた差分信号を取り出しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、前記円柱基材９ａと前記固定電極体１２の片側とで単一の容量可変コンデンサを形成し、その他基板２０に搭載した３つの容量固定コンデンサとでブリッジ回路を構成しても、コンデンサの静電容量の変化に基づく信号を取り出すことができる。
【００２６】
次に、この超音波モータＭの駆動信号に基づいて、前記第２及び第３の圧電素子部１０，１１に互いに逆符号の電圧Ｖが印加される。この印加により、前記接触部材を＋ｘ方向又は−ｘ方向に移動させる。このｘ方向への移動量は、ステージ移動装置がステージ２を所定の停止位置まで移動させるときの移動量よりもはるかに微小なものである。この移動によって、停止しようとするステージ２の停止位置を微調整して、ステージ２を所望の位置に精度よく停止させることができる。
【００２７】
なお、「前記第２及び第３の圧電素子部１０，１１に互いに逆符号の電圧Ｖが印加される」と説明したが、この電圧Ｖは、ステージ２のドリフト量を補正できればよいので、その波形はなんら限定されない。具体的には、図４（ａ）に示すように短時間持続する矩形パルスであってもよい。あるいは、矩形でなく、図４（ｂ）のように滑らかな形のパルスでもよい。パルスの個数も１つに限定されない。また、前記第２及び第３の圧電素子部１０，１１の移動量は、電圧Ｖを時間積分した積分値に応じて決まるので、電圧Ｖは必ずしも直流でなくてもよい。図４（ｃ）のように１又は複数サイクル連続した減衰する交流信号であってもよい。
【００２８】
図５は、今まで述べてきたドリフト制御装置における停止位置制御を含む、ステージの移動制御の全体を説明するためのフローチャートである。
まず、ステージ２が停止した状態で（ステップＳ１）、ステージ移動装置が、精密加工機械、精密測定装置、半導体製造装置などの親制御装置からステージ移動指示を受ける（ステップＳ２）。ステージ移動装置は、前記楕円振動を実施して、レーザ干渉計を使いながら、ステージ２を移動させ、目標値への位置決め制御を開始する（ステップＳ３）。ステージ２が所定の位置まで移動したと判定すると（ステップＳ４のＯＫ）、ドリフト制御装置は、ステージ移動装置からドリフト制御の開始指示を待つ（ステップＳ５）。
【００２９】
ドリフト制御装置は、ドリフト制御の指示信号を受けると（ステップＳ６）、ドリフト制御を開始する（ステップＳ７）。
ドリフト制御装置は、所定時間にわたって前述したドリフト制御を行う。これにより、ステージ停止位置と、前記静電容量差分目標値との差が所定の範囲に入るようになる。ドリフト制御装置は、ステージ移動装置から本発明のドリフト制御終了指示を受信すれば（ステップＳ８）、ドリフト制御を終了させる（ステップＳ９）。
【００３０】
以上の手順により、停止しようとするステージの停止位置を微調整して、ステージ２を所望の位置に停止させることができる。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、前記円柱基材９ａと、その周囲を取り囲む固定電極体１２の形状は、円筒状でなくてもよく、円柱基材９ａと固定電極体１２の間に、静電容量が形成可能な形状であれば、どのような形状でもよい。また、この静電容量は、円柱基材９ａとその両側の金属膜１３，１４とで２個形成する場合に限らない。前述したように、円柱基材９ａとその片側の金属膜１３又は１４とで１個のみ形成してもよい。また、静電容量を形成する１つの電極を円柱基材９ａにより形成していたが、これに限定されず、円柱基材９ａに連結する接触部材３で電極を形成してもよい。この場合は、接触部材３の材質として耐磨耗性の導電性材料、例えばサーメット、超硬、高炭素クロム鋼、マルテンサイトを用いればよい。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
【実施例】
【００３１】
ステージ２を一次元方向に移動させることができる基台１を製作した。ステージ２の重量は１５ｋｇ、ガイドはクロスローラガイドを用いた。ステージ２の移動距離は、波長６３３ｎｍのレーザ干渉計を設置して測定した。測定の分解能は、０．６ｎｍである。
ステージ２の移動距離は１００ｍｍ、移動速度は最大値で２００ｍｍ／秒である。
ステージ２の停止位置の制御には、静電容量の差を計測する図１のドリフト制御装置を採用した。ドリフト制御装置における発振器２１の発振周波数は５００ｋＨｚ、チップコンデンサの容量Ｃ3，Ｃ4はそれぞれ１００ｐＦ、ローパスフィルタ２４の遮断周波数は２．５ｋＨｚとした。
【００３２】
図６は、ステージ２の移動中における時間ごとの位置変化を示すグラフである。
図７は、ステージ２停止時のドリフト量を示す拡大図である。図７における縦軸のステージ２の位置の測定は、前記レーザ干渉計を用いている。
図７によれば、ステージ２が停止直後には、３ｎｍほどのオーバーシュートが見られたが、その後のステージ２の停止位置のドリフトは１ｎｍ未満に収まっている。したがって、ドリフトはほぼ完全に収束したといえる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の静電容量を利用してステージのドリフト制御を行うドリフト制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】超音波モータＭの構造を示す平面図である。
【図３】ステージ側から見た超音波モータＭの正面図である。
【図４】第２及び第３の圧電素子部１０，１１に印加されるドリフト制御電圧Ｖの波形を示すグラフである。
【図５】本発明の停止位置制御を含むステージの移動制御の全体を説明するためのフローチャートである。
【図６】ステージ移動中の時間ごとの位置変化を示すグラフである。
【図７】ステージが止まってからのドリフトを示す拡大図である。
【図８】一般的な超音波モータＭの構造を示す平面図である。
【図９】ステージを止めた後に発生するドリフト量を示したグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１ 基台
２ ステージ
３ 接触部材
４ 背後固定部
５ 左固定部
６ 右固定部
７ 平行ヒンジ
８ 振動体
９ 第１の圧電素子部
９ａ 円柱基材
１０ 第２の圧電素子部
１１ 第３の圧電素子部
１２ 固定電極体
１２ａ 孔
１３，１４ 金属膜コーティング
２０ 基板
２１ 発振器
２２ 差動増幅器
２３ 増幅器
２４ ローパスフィルタ
２５ 加算器
２６ アナログＰＩＤ器
２７ 直流ドライバ
Ｍ 超音波モータ
【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】
2006042502.tif 000009
【図８】
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【図９】
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