(57)【要約】      （修正有）【課題】高剛性で、高速、高精度位置決めが可能なウォーキング動作駆動ユニット、およびそれを用いた、対象物を一気に目標位置に位置決め可能で、装置全体をコンパクトに構成できるアライメント装置を提供する。【解決手段】基台３４と可動ブロック３５の間に、中心軸周りに併設された３つのピエゾ素子３３を配置し、可動ブロック３５上に、変位動作を拡大可能な可動柱を設けたピエゾ駆動体３１を、複数有し、該複数のピエゾ駆動体３１を、それぞれのピエゾ駆動体３１の可動ブロック３５を順に揺動させるとともに他部材に順に接触／離反させることにより、他部材に対してウォーキング動作可能に構成したウォーキング動作駆動ユニット、およびそれを用いたアライメント装置。【選択図】  図１
2004282819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸周りに３つのピエゾ素子を並列に配設し、該３つのピエゾ素子の一端側を共通の基台に固定するとともに、他端側を共通の可動ブロックに連結し、該可動ブロックの前記ピエゾ素子配設側とは反対側の面に前記中心軸の軸心延在方向またはそれに沿う方向に延び、先端が他部材への接触部を構成する可動柱を、前記可動ブロックと一体的に設けたピエゾ駆動体を、複数有し、該複数のピエゾ駆動体を、それぞれのピエゾ駆動体の前記可動ブロックを順に揺動させるとともに前記他部材に順に接触／離反させることにより、前記他部材に対してウォーキング動作可能に構成したことを特徴とする、ウォーキング動作駆動ユニット。
【請求項２】
支柱を立設した基台に、該支柱と平行に配設した２つの送り用ピエゾ素子の一端側を固定し、該２つの送り用ピエゾ素子の他端側を、前記支柱の先端に揺動自在に連結された中間ブロックに連結し、該中間ブロックの前記２つの送り用ピエゾ素子配設側とは反対側の面上に１つの支持用ピエゾ素子を立設し、該支持用ピエゾ素子の先端側に他部材への接触部を設けたピエゾ駆動体を、複数有し、該複数のピエゾ駆動体を、それぞれのピエゾ駆動体の前記支持用ピエゾ素子を順に揺動させるとともに前記接触部を他部材に順に接触／離反させることにより、前記他部材に対してウォーキング動作可能に構成したことを特徴とする、ウォーキング動作駆動ユニット。
【請求項３】
前記各ピエゾ素子がねじ止めされている、請求項１または２のウォーキング動作駆動ユニット。
【請求項４】
位置決め対象物を保持する可動テーブルと、該可動テーブルを移動可能に複数箇所でそれぞれ支持する複数の可動支持手段と、前記位置決め対象物または可動テーブルに付された認識マークを読み取る認識手段と、該認識手段からの情報に基づいて前記可動支持手段の駆動を制御する制御手段とを有し、該制御手段による制御により前記位置決め対象物を目標精度範囲内に位置決めするアライメント装置であって、各可動支持手段が、請求項１〜３のいずれかに記載の他部材に対してウォーキング動作可能に構成されたウォーキング動作駆動ユニットからなり、該他部材が前記可動テーブルであることを特徴とするアライメント装置。
【請求項５】
前記ウォーキング動作により前記位置決め対象物の粗位置決めが行われ、ウォーキング動作を停止した状態での前記各ピエゾ素子の少なくとも一つの伸縮作動により前記位置決め対象物の精密位置決めが行われる、請求項４のアライメント装置。
【請求項６】
前記位置決め対象物の精密位置決めが、前記ウォーキング動作の１歩の範囲内で行われる、請求項５のアライメント装置。
【請求項７】
前記ウォーキング動作における揺動位置が、前記位置決め対象物の精密位置決め前に、前記ウォーキング動作の１歩の範囲内における中央位置にリセットされる、請求項５または６のアライメント装置。
【請求項８】
前記位置決め対象物の精密位置決め前に、それまでの各ピエゾ素子の伸縮作動量の履歴がリセットされる、請求項５〜７のいずれかに記載のアライメント装置。
【請求項９】
前記各ピエゾ素子の伸縮作動特性が予めキャリブレーションされている、請求項４〜８のいずれかに記載のアライメント装置。
【請求項１０】
実装装置における被接合物の位置決めに用いられる、請求項４〜９のいずれかに記載のアライメント装置。
【請求項１１】
露光装置における被露光物の位置決めに用いられる、請求項４〜９のいずれかに記載のアライメント装置。
【請求項１２】
被接合物または被露光物がウエハーからなる、請求項１０または１１のアライメント装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超精密位置決め等に使用可能なウォーキング動作駆動ユニットおよびそれを用いて位置決め対象物を目標精度範囲内に高精度で位置決め可能としたアライメント装置に関し、とくに、ウエハー等の実装装置や露光装置等におけるアライメントに用いて好適なウォーキング動作駆動ユニットおよびそれを用いたアライメント装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、ウエハー同士を接合する実装装置や、ウエハーに加工を施したりチップやその他の部材を実装するためにウエハーを所定位置に位置決めするアライナー、あるいは、ウエハー上に所定の露光を施す露光装置等においては、ウエハーを所定の位置に高精度で位置決めする必要がある。従来、このような位置決め対象物の位置決めに用いるアライメント装置としては、たとえば、Ｘ、Ｙ軸方向（水平方向）およびθ方向（回転方向）に位置調整可能なテーブルを積み上げ、必要に応じてＺ軸方向（上下方向）に位置調整可能なテーブルやヘッドを組み合わせたものを使用し、各軸方向や回転方向の位置をそれぞれ調整、制御することにより、位置決め精度を高めるようにしていた。
【０００３】
しかしながら、このような従来のアライメント装置では、各方向（たとえば、Ｘ、Ｙ軸方向、θ方向）のそれぞれについて順次調整していたので、一方向のみに関しては比較的高精度の位置決めが可能であったとしても、他方向への位置決めの際に既に調整した方向の位置精度が狂うことがあり、結果的に、最終的な位置決め精度に限界が生じることとなっていた。また、位置決めには、通常、機械的なガイドを使用しているので、ガイドの精度に限界があり、この面からも最終的な位置決め精度に限界が生じることとなっていた。具体的には、従来のアライメント装置では、サブミクロンレベルの精度での位置決めは期待できない精度範囲となっており、ましてや、数十ナノメーターあるいは数ナノメーターレベルの精度での位置決めは不可能な位置決め精度となっていた。
【０００４】
また、前述の如く、従来のアライメント装置は、Ｘ、Ｙ軸方向やθ方向の位置調整テーブルを積み上げて構成されていたので、最上部の軸以外の軸を調整する場合、その上部に積み上げられている軸も駆動する必要が生じ、位置決めのための駆動、制御の効率が悪いという問題がある。また、Ｘ、Ｙ軸方向やθ方向の位置調整テーブルを積み上げて構成すると、アライメント装置全体の厚み（上下方向寸法）が大きくなり、このアライメント装置を組み込んだ装置、たとえば実装装置や露光装置も、必然的に大型になるという問題、さらにガイドから最上部の位置決め面までの距離が大きくなるので、ガイドの誤差が増幅されてしまい、その分、位置決め精度に悪影響を与えてしまうという問題もある。
【０００５】
さらに、θ方向の位置決めは、所定の中心軸回りに位置調整テーブルを調整するようにしているので、位置決め対象物、たとえばウエハーのサイズが大きくなると、とくにθ方向のアライメント精度はウエハーの半径に比例して外周位置で悪くなるという問題を抱えている。
【０００６】
上記のような従来装置における問題点に着目し、最近、複数のピエゾ素子を用いてウォーキング動作を行わせ、そのウォーキング動作により、位置決め対象物を保持した可動テーブル等を目標位置に精密に位置決めできるようにしたアライメント装置が、先に本出願により提案されている（特許文献１）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−７６０９８号公報（特許請求の範囲）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、先に提案した特許文献１のアライメント装置においては、ウォーキング動作を行わせ、ピエゾ素子を用いた駆動ユニットとして、水平方向に互いに交差して延びる伸縮作動可能な第１、第２のピエゾ素子および実質的に上下方向に延びる伸縮作動可能な第３のピエゾ素子とを備えたピエゾ駆動体を、可動テーブルに接触／離反可能に設けられた支持ブロックに連結した構成のユニットとされていた。この機構では、ピエゾ素子のストロークがそのままウォーキング動作における歩幅となるため、一歩でテーブルを移動できる量が極めて小さい。このため、高速駆動を得ることが困難となり、ウォーキングおよび制御のサイクルが高周波になるという問題が残されていた。また、互いに異なる方向に延びる各ピエゾ素子を一つの支持ブロックを接続することも難しく、結局、接続に接着剤を用いざるを得ず、製作に困難性が伴うととともに、接着剤のクリープ特性が精度に影響を及ぼすおそれがあり、さらに、接着剤の硬化、安定に長時間の養生期間をとる必要がある等の問題が残されている。また、樹脂を主成分とする接着剤では、駆動ユニットの剛性を高く保つことが難しい、真空中での使用時に真空度を劣化する等の問題も残されていた。
【０００９】
そこで本発明の課題は、複数のピエゾ素子を用いてウォーキング動作を行わせるようにした駆動ユニットの優れた精密位置決め性についての利点を活かしつつ、先に提案した駆動ユニットの残された問題点を解決可能な、ウォーキング動作駆動ユニットおよびそれを用いたアライメント装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係るウォーキング動作駆動ユニットは、中心軸周りに３つのピエゾ素子を並列に配設し、該３つのピエゾ素子の一端側を共通の基台に固定するとともに、他端側を共通の可動ブロックに連結し、該可動ブロックの前記ピエゾ素子配設側とは反対側の面に前記中心軸の軸心延在方向またはそれに沿う方向に延び、先端が他部材への接触部を構成する可動柱を、前記可動ブロックと一体的に設けたピエゾ駆動体を、複数有し、該複数のピエゾ駆動体を、それぞれのピエゾ駆動体の前記可動ブロックを順に揺動させるとともに前記他部材に順に接触／離反させることにより、前記他部材に対してウォーキング動作可能に構成したことを特徴とするものからなる（第１のウォーキング動作駆動ユニット）。
【００１１】
この第１のウォーキング動作駆動ユニットにおいては、上記３つのピエゾ素子の伸縮量をそれぞれ制御することにより、それらに連結されている可動ブロックを任意の方向に傾けることができ、可動ブロックと一体的に設けられた可動柱を任意の方向に任意の角度だけ揺動させることが可能となる。そして、可動柱の長さを適切に設定することにより、可動ブロックの傾きに伴う可動柱の先端の他部材への接触部における移動量としては、拡大された動作量とすることができ、ウォーキング動作量（歩幅）としては比較的大きな移動制御量を達成することが可能となる。しかも、ウォーキング動作の１歩以内では、各ピエゾ素子の伸縮制御による極めて微量の制御が可能であるから、同時に、極めて精密な位置制御も可能となる。また、３つのピエゾ素子の伸縮の方向を揃えれば、他部材に交互に接触／離反させることも容易に行われ、複数のピエゾ駆動体が容易にウォーキング動作を行えるようになる。また、３つのピエゾ素子は並列に実質的に同一の方向に沿って配設されるので、後述の実施例に示すように、各ピエゾ素子の固定や連結に、接着剤を用いることなく、ねじ止めによることが可能となる。したがって、ウォーキング動作駆動ユニットとして製作、組立の容易化をはかることができるとともに、接着剤の場合のようにクリープ問題がなく、安定化期間を確保する必要がないので短時間での製造が可能であり、しかも大きな剛性を達成できる。また、真空中で使用される場合にも、接着剤に起因して真空度を劣化することもなくなる。また、ウォーキング動作における歩幅を大きくできるから、高速動作が可能になり、同じ動作速度であれば高周波で制御する必要がなくなり、ウォーキング動作の制御が容易化される。さらに、横方向に配置するピエゾ素子がなくなり、３つのピエゾ素子は並列に縦方向に配設されるので、各ピエゾ駆動体、ひいては、ウォーキング動作駆動ユニット全体として、横方向にコンパクトな構成にすることができる。
【００１２】
また、もう一つの本発明に係るウォーキング動作駆動ユニットは、支柱を立設した基台に、該支柱と平行に配設した２つの送り用ピエゾ素子の一端側を固定し、該２つの送り用ピエゾ素子の他端側を、前記支柱の先端に揺動自在に連結された中間ブロックに連結し、該中間ブロックの前記２つの送り用ピエゾ素子配設側とは反対側の面上に１つの支持用ピエゾ素子を立設し、該支持用ピエゾ素子の先端側に他部材への接触部を設けたピエゾ駆動体を、複数有し、該複数のピエゾ駆動体を、それぞれのピエゾ駆動体の前記支持用ピエゾ素子を順に揺動させるとともに前記接触部を他部材に順に接触／離反させることにより、前記他部材に対してウォーキング動作可能に構成したことを特徴とするものからなる（第２のウォーキング動作駆動ユニット）。
【００１３】
この第２のウォーキング動作駆動ユニットにおいては、上記２つの送り用ピエゾ素子の伸縮量をそれぞれ制御することにより、それらに連結されている中間ブロックを支柱への連結点を支点に任意の方向に傾けることができ、中間ブロックに立設された支持用ピエゾ素子を任意の方向に任意の角度だけ揺動させることが可能となる。そして、この支持用ピエゾ素子の揺動により、その先端側で接触部を介して支持されている他部材を送ることができ、揺動量を適切に制御することにより、他部材の送り量が適切に制御可能となる。そして、送り用ピエゾ素子を伸縮作動させれば、部材への接触部における移動量としては、拡大された動作量とすることができ、支持用ピエゾ素子によって他部材に交互に接触／離反させることも容易に行われ、複数のピエゾ駆動体が容易にウォーキング動作を行えるようになる。また、３つのピエゾ素子は実質的に平行な方向に配設されることになるので、後述の実施例に示すように、各ピエゾ素子の固定や連結に、接着剤を用いることなく、ねじ止めによることが容易となる。したがってこの機構においても、接着剤の場合のようにクリープ問題がなく、安定化期間を確保する必要がないので短時間での製造が可能であり、しかも大きな剛性を達成できる。また、真空中で使用される場合にも、接着剤に起因して真空度を劣化することもなくなる。また、中間ブロックは、基台の支柱に揺動可能に支持され、この支柱には容易に剛性を持たせることができるから、ピエゾ駆動体全体に対しても大きな剛性を持たせることができるようになる。したがって、ウォーキング動作駆動ユニットとして製作、組立の容易化をはかることができるとともに、望ましい大きな剛性を達成できる。また、ウォーキング動作における歩幅を大きくできるから、高速動作が可能になり、同じ動作速度であれば高周波で制御する必要がなくなり、ウォーキング動作の制御が容易化される。さらに、横方向に配置するピエゾ素子がなくなり、３つのピエゾ素子が縦方向に実質的に平行に配設されるので、各ピエゾ駆動体、ひいては、ウォーキング動作駆動ユニット全体として、横方向にコンパクトな構成にすることができる。
【００１４】
上記第１、第２のウォーキング動作駆動ユニットにおいては、後述の実施例に示すように、２個一対のピエゾ駆動体を設け、２足歩行させることができる。しかし本発明においては、ピエゾ駆動体を３個、４個、さらにはそれ以上設け、３足歩行、４足歩行、さらにはムカデのような多足歩行させることも可能であり、本発明に係るウォーキング動作駆動ユニットは、２足歩行に限らず、このような３足歩行以上のウォーキング動作を行わせるユニットまで含むものである。
【００１５】
本発明に係るアライメント装置は、上記のようなウォーキング動作駆動ユニットを用いて構成される。すなわち、本発明に係るアライメント装置は、位置決め対象物を保持する可動テーブルと、該可動テーブルを移動可能に複数箇所でそれぞれ支持する複数の可動支持手段と、前記位置決め対象物または可動テーブルに付された認識マークを読み取る認識手段と、該認識手段からの情報に基づいて前記可動支持手段の駆動を制御する制御手段とを有し、該制御手段による制御により前記位置決め対象物を目標精度範囲内に位置決めするアライメント装置であって、各可動支持手段が、上記のような他部材に対してウォーキング動作可能に構成されたウォーキング動作駆動ユニットからなり、該他部材が前記可動テーブルであることを特徴とするものからなる。認識手段としては、カメラ、たとえば、赤外線カメラ等を使用できる。
【００１６】
すなわち、上記アライメント装置では、各可動支持手段を構成するウォーキング動作駆動ユニットにおいて、可動ブロックを順に揺動させるとともに前記他部材としての可動テーブルに順に接触／離反させることにより（第１のウォーキング動作駆動ユニット）、あるいは、支持用ピエゾ素子を順に揺動させるとともに前記接触部を可動テーブルに順に接触／離反させることにより（第２のウォーキング動作駆動ユニット）、各駆動ユニットが、あたかも、可動テーブルに対し相対的に歩行運動する状態となり、これが上記ウォーキング動作となって現れる。このウォーキング動作は可動テーブルに対する相対的な動作であり、実際には、複数の可動支持手段の駆動により可動テーブル側を移動してもよい。複数の可動支持手段の駆動を制御することにより、可動テーブルは少なくともＸ、Ｙ軸方向（水平方向）およびθ方向（回転方向）に一平面内において同時に位置調整可能となり、しかも、その回転中心の位置も任意に制御できるようになり、ピエゾ駆動体を用いた特定の可動支持手段により位置決め対象物を一気に精度よく目標位置へ移動できるようになる。
【００１７】
この位置決めにおいては、基本的に機械的なガイド機構を持たなくてよいので、機械的なガイド機構に起因して位置決め精度に限界が生じることはない。また、複数の可動支持手段の駆動によりＸ、Ｙ、θ軸方向に可動テーブルを一平面内において同時に駆動できるので、複数の可動支持手段による駆動面から、可動テーブル上のあるいは可動テーブル上に保持された位置決め対象物の位置決め対象面までの距離が小さくてよく、従来装置のように駆動面から位置決め対象面までの距離が比較的大きくなる場合における、この距離に起因する、位置決め対象面での駆動面の制御誤差の増幅が生じることもなくなる。したがって、高い位置決め精度が確保される。つまり、複数の可動支持手段により、機械的なガイド機構を用いることなく、効率よくかつ精度よく一気に位置決めできるので、位置決めのための駆動に起因する誤差が生じにくく、高精度の位置決めが可能となる。また、Ｘ、Ｙ、θ軸方向への複数の可動支持手段による駆動面が、実質的に一平面となるので、位置決めのための駆動の効率が良い。さらに、これら複数の可動支持手段は、実質的に一平面上に配置される一組の位置決め手段を構成することになるから、従来装置のように各軸方向や回転方向の位置調整テーブルを積み上げて構成した場合に比べて、とくにアライメント装置の上下方向について大幅な小型化が可能になる。
【００１８】
また、複数の可動支持手段による可動テーブルの移動制御には、高精度に伸縮量を制御できるピエゾ素子を用いているので、すなわち、分解能の極めて高いピエゾ素子を用いているので（現状、ピエゾ素子自体の分解能はオングストロームレベル以下であるが、ピエゾ素子と各種機器を含む測定・制御系では１２ｎｍ程度の分解能となっており、制御構成を変更することでさらに５ｎｍ以下まで分解能を高めることが可能である）、極めて高精度の位置決めが可能になる。また、位置決め対象物のサイズが大型化しても、ピエゾ素子を用いた各可動支持手段を該位置決め対象物の外周部に対応する位置に配置できるので、とくにθ方向における分解能を高く維持できる。
【００１９】
さらに、本発明に係るアライメント装置は、基本的に摺動部を持たなくて済むので、従来の摺動部を有する場合には設置が難しかった真空チャンバー内等にも設置可能となる。また、上記の如く、アライメント装置は上下方向に薄型のものに構成できるので、中央部を開口構造として、中央開口部やそれに対応する位置に、アライメント用の認識手段（たとえば、アライメント用カメラ）を設置したり、加圧動作を伴う場合のバックアップ用部材を設置したりすることが可能になる。
【００２０】
この本発明に係るアライメント装置においては、上記ウォーキング動作により位置決め対象物の粗位置決めが行われ、ウォーキング動作を停止した状態での各ピエゾ素子の伸縮作動により位置決め対象物の精密位置決めが行われるようにすることもできる。各ピエゾ素子の伸縮作動量自身は、それほど大きくはとれないものの、極めて高精度で制御可能であるので、ウォーキング動作による粗調整後に、このような高精度調整を行うことにより、従来不可能であったサブミクロンレベルの精度から、さらにナノメーターレベルの精度の位置決めまでが可能となる。
【００２１】
上記位置決め対象物の精密位置決めは、ウォーキング動作の１歩の範囲内で行われるようにすることが好ましく、これによって、上記粗調整後の、ピエゾ素子の伸縮作動自身を利用した高精度微調整が確実に行われることになる。また、前記ウォーキング動作における揺動位置が、前記位置決め対象物の精密位置決め前に、ウォーキング動作の１歩の範囲内における中央位置にリセットされるようにすることが好ましく、これによって、上記粗調整後の、ピエゾ素子の伸縮作動自身を利用した高精度微調整が、任意の方向において可能となる。
【００２２】
また、ピエゾ素子は、前回の駆動ストロークに対応して次の駆動量、軌跡が決まるという、履歴の影響を受けやすい特徴を持っているので、この特徴による位置決め精度への悪影響を除去するために、以前の動作の履歴の影響が出ないよう精密位置決め前にリセットすることが好ましい。つまり、上記位置決め対象物の精密位置決め前に、それまでの各ピエゾ素子の伸縮作動量の履歴がリセットされるようにすることが好ましい。
【００２３】
また、上記各ピエゾ素子の伸縮作動特性は、予めキャリブレーションされていることが好ましい。これによって、制御手段による制御の精度が確保される。キャリブレーションのタイミングは、適宜設定すればよいが、ピエゾ素子の伸縮作動特性の変動が予想される場合には、高い頻度は不要であるものの定期的に実施されるようにすることが好ましく、その場合キャリブレーション値が最新のものに更新されることが好ましい。
【００２４】
このような本発明に係るアライメント装置は、とくに高精度の位置決めが要求される装置に好適である。たとえば、ウエハー同士やウエハーとチップ、あるいはチップ同士を接合する実装装置に組み込み、その実装装置における被接合物の位置決めに用いることができる。また、ウエハー等をチップやその他の部材を実装するために位置決めするアライナーとして用いることができる。さらに、ウエハー等に所定の露光を施すための露光装置における被露光物の位置決めに用いることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
まず、ウォーキング動作駆動ユニット、とくに２足歩行動作を行うユニットの例について説明する。図１および図２は、本発明の第１実施態様に係るウォーキング動作駆動ユニットにおけるピエゾ駆動体３１を示している。このピエゾ駆動体３１においては、中心軸（本実施態様では固定ねじ３２が実質的に中心軸を形成している。）周りに３つのピエゾ素子３３が並列に配設されている。これら３つのピエゾ素子３３の一端側は共通の基台３４に固定されており、他端側は共通の可動ブロック３５に連結されている。可動ブロック３５のピエゾ素子配設側とは反対側の面には、中心軸３２の軸心延在方向またはそれに沿う方向に延び（つまり、正確に中心軸３２の軸心延在方向ではなく、若干ずれていてもよい。）、先端が他部材（例えば、後述の可動テーブル）への接触部３６を構成する可動柱３７が、可動ブロック３５と一体的に設けられている。各ピエゾ素子３３は、接着剤を用いることなく、基台３４、可動ブロック３５に、ねじにより固定、連結されている。３つのピエゾ素子３３は、中心軸３２周りに、１２０度の角度で等配されており、基準位置（動作開始前の位置）にて互いに平行に延設されている。
【００２６】
このピエゾ駆動体３１は、各ピエゾ素子３３の伸縮量を制御することにより、可動ブロック３５のあらゆる方向の傾き量を制御でき、それによって可動柱３７の揺動量をあらゆる方向について任意に制御できる。また、３つのピエゾ素子３３の伸縮量を制御することにより、可動ブロック３５、可動柱３７の高さ方向（上下方向）の位置を制御できるから、結局、三次元的に、接触部３６の位置を任意の位置に制御できる。
【００２７】
そして、上記動作を組み合わせることにより、ピエゾ駆動体３１は、接触部３６の位置に関して台形運動を行わせることができる。図３、図４は、説明を簡単にするため、２つのピエゾ素子３３（素子Ａ、素子Ｂ）を伸縮させた場合の、送り成分と支持成分とを含む台形運動の例について示している。すなわち、２つの素子Ａ、素子Ｂを実質的に同時に伸縮させることにより、接触部３６の位置（支持成分）は上下に変化し、２つの素子Ａ、素子Ｂの伸縮動作の位相を異ならしめることにより、送り方向に可動柱３７を揺動させることができ、接触部３６の位置（送り成分）が変化する。これらの成分を合成すれば、図３に示すような台形運動を行わせることができる。図３の▲１▼〜▲８▼の位置は、図４の▲１▼〜▲８▼の位相に対応している。
【００２８】
上記ピエゾ駆動体３１を２個一対の形態で並設することにより、上記台形運動を交互に行わせれば、あたかも、２足歩行運動と同等の動作が得られる。すなわち、図５に示すように、２個のピエゾ駆動体３１を駆動部１、駆動部２として一対の形態で並設したウォーキング動作駆動ユニット４１を構成し、他部材としての、たとえば可動テーブル４２に対して、それぞれのピエゾ駆動体３１の可動ブロック３５（より正確には可動ブロック３５に形成された可動柱３７）を交互に揺動させるとともに、先端の接触部３６をテーブル４２に交互に接触／離反させることにより、テーブル４２に対してウォーキング動作を行うことが可能である。これは、テーブル４２側にとってみれば、テーブル４２を送る動作に相当する。
【００２９】
２つのピエゾ駆動体３１を備えたウォーキング動作駆動ユニット４１によるウォーキング動作は、たとえば図６の▲１▼〜▲８▼に示すように順に行われる。このとき、図５に示した各素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの変位パターンは、たとえば図７に示すようになる。図７における位相▲１▼〜▲８▼は、図６の▲１▼〜▲８▼の状態に対応している。
【００３０】
このようなウォーキング動作駆動ユニット４１においては、各ピエゾ駆動体３１において、可動ブロック３５の傾きは可動柱３７の揺動を介して接触部３６の変位に変換されることから、各ピエゾ素子３３の間隔に対する可動柱３７の長さ分、変位量が拡大される。つまり、ピエゾ素子３３の伸縮量は比較的小さな量であっても、接触部３６の送り方向の変位量としては、比較的大きな量を得ることができる。したがって、前述したように、高速駆動が可能になり、高周波制御が不要となる。さらに、同じ方向に３つのピエゾ素子３３を並設するので、組立が容易であり、接着剤を使用することなくねじ止めが可能となり、製造時間が短くて済むとともに、容易に高い剛性を得ることが可能になる。接着剤の不使用により、真空中で使用する場合の真空度の劣化を防止することも可能となる。さらに、同方向への３つのピエゾ素子３３の並設構造により、各ピエゾ駆動体３１、ひいてはウォーキング動作駆動ユニット４１全体として、とくに横方向にコンパクトな構成を実現できる。
【００３１】
図８および図９は、本発明の第２実施態様に係るウォーキング動作駆動ユニットにおけるピエゾ駆動体５１を示しており、第１実施態様に比べ、より剛性を向上させたものである。なお、このピエゾ駆動体５１を２個一対の形態で配置すれば、第１実施態様同様、ウォーキング動作駆動ユニット６１を構成できる（図８に、ウォーキング動作駆動ユニットの符号のみ示す）。このピエゾ駆動体５１においては、支柱５２を立設した基台５３に、該支柱５２と平行に配設した２つの送り用ピエゾ素子５４の一端側が固定され、２つの送り用ピエゾ素子５４の他端側は、支柱５２の先端に揺動自在に連結された中間ブロック５５に連結されている。中間ブロック５５は基台５３に固定ねじ５６で固定されている。中間ブロック５５の２つの送り用ピエゾ素子５４配設側とは反対側の面上には、１つの支持用ピエゾ素子５７が立設し、該支持用ピエゾ素子５７の先端側に他部材への接触部５８が設けられている。支持用ピエゾ素子５７は、本実施態様では、２本の固定ねじ５９により、接触部５８と一体的に形成された固定片６０を介して固定されている。この固定ねじ５９には、支持用ピエゾ素子５７の伸縮量が小さくなりすぎないように、弾性率の比較的低い材料からなるものが好ましく、たとえば黄銅製のねじを使用することが好ましい。
【００３２】
このピエゾ駆動体５１は、たとえば図９に示すように、各送り用ピエゾ素子５４の伸縮量を制御することにより、中間ブロック５５の傾き量を制御でき、それによって支持用ピエゾ素子５７の揺動量を制御できる。２つの送り用ピエゾ素子５４の伸縮量を相対的に制御することにより、傾き方向、揺動方向を制御できる。また、主として支持用ピエゾ素子５７の伸縮量を制御することにより、接触部５８の高さ方向（上下方向）の位置を制御できるから、結局、三次元的に、接触部５８の位置を任意の位置に制御できる。また、接触部５８の変位量Ｌは、送り用ピエゾ素子５４の変位量λを約ｂ／ａ倍だけ増幅したものとなり、本実施態様においても第１実施態様同様、変位量拡大機構が構成されているので、高速駆動が可能になり、高周波制御が不要となる。また、本実施態様ではとくに、高い剛性を持つように形成可能な支柱５７が一体形成された基台５３を使用しているので、この支柱５７部分で高荷重を受け持つことが可能となり、ピエゾ駆動体５１全体として高い剛性を確保できる。さらに、２つの送り用ピエゾ素子５４と支持用ピエゾ素子５７は、設置位置は異なるものの、すべて平行な方向（図の縦方向）に配設されるので、とくに横方向にコンパクトな構成を実現できる。なお、本実施態様においても、各ピエゾ素子の固定に接着剤は使用されず、ねじ止めによっている。
【００３３】
このようなピエゾ駆動体５１においても、上記動作を組み合わせることにより、接触部５８の位置に関して、前述の第１実施態様同様、台形運動を行わせることができる。そして、ピエゾ駆動体５１を２個一対の形態で配置したウォーキング動作駆動ユニット６１とすることにより、前述の第１実施態様同様、他部材としての、たとえば可動テーブル７１（図９に図示）に対して、それぞれのピエゾ駆動体３１の支持用ピエゾ素子５７を交互に揺動させるとともに、先端の接触部５８をテーブル７１に交互に接触／離反させることにより、テーブル７１に対してウォーキング動作を行うことが可能である。これは、テーブル７１側にとってみれば、テーブル７１を送る動作に相当する。
【００３４】
上記第１および第２実施態様におけるウォーキング動作に伴う他部材の送り制御は、たとえば次のように行われる。
制御すべき接触部３６（または５８）の変位を演算のみによって求めることも可能であるが、実際の駆動系においては各種運動誤差要因が含まれるので、ウォーキング動作駆動ユニット４１（または６１）を実際に駆動させる実験から、各種運動誤差要因が含まれた形で制御のための式を求める方が、実際の装置として高い精度が得られる可能性が高い。
【００３５】
すなわち、制御すべき接触部３６（または５８）の変位を、送り制御すべき他部材のｘ，ｙ，ｚ方向に設定し、それらの方向の変位を、３つのピエゾ素子を個々に動作させたときに得られる接触部３６（または５８）の変位に変換できる演算式を実験から求める。次式数１に示すように、各素子の変位量ｐ，ｑ，ｒを、各素子をそれぞれ個別に変位させた場合の接触部３６（または５８）での変位ｘ，ｙ，ｚを測定することで、〔Ａ〕のマトリックスによって求める。実際に送り動作を行う際には、この数１にｘ，ｙ，ｚ座標上で決定される接触部３６（または５８）の動作位置を代入することで、各素子変位量に対応するｐ，ｑ，ｒの値を得ることができる。
【００３６】
【数１】
2004282819.tif 000003
【００３７】
また、実際の制御においては、各ピエゾ素子は電圧を制御してその変位量を制御することになるので、３つの素子それぞれに対する印加電圧Ｅとｘ，ｙ，ｚ座標上での動作量との対応マトリックスの式としておくことが好ましい。このためには、たとえば、数２に示すような演算式のマトリックス〔Ｂ〕を実験により求めておけばよい。
【００３８】
【数２】
2004282819.tif 000004
【００３９】
さらに、上記印加電圧と素子変位パターンの算出方法では、素子変位量と印加電圧との関係が線形であると仮定した式となっているが、現実にはピエゾ素子は若干のヒステリシス現象を示すので、このヒステリシス現象を事前に把握しておけば、その補正を行うことも可能となる。このヒステリシス現象の事前把握としては、たとえば、図１０（Ａ）に示すような印加電圧と素子変位量とのヒステリシスとともに、図１０（Ｂ）に示すような印加電圧と接触部３６（または５８）での移動距離とのヒステリシス関係も把握しておくと、より高精度の制御が可能になる。
【００４０】
以上説明したような本発明に係るウォーキング動作駆動ユニットを用いて、本発明に係るアライメント装置は、たとえば次のように構成される。
【００４１】
図１１は、本発明の一実施態様に係るアライメント装置を組み込んだ、ウエハー同士を接合する実装装置を示している。実装装置１は、被接合物としてのウエハー２ａとウエハー２ｂを接合するもので、本実施態様では、位置決め対象物としてのウエハー２ａの位置決めに、本発明に係るアライメント装置３が組み込まれている。
【００４２】
ウエハー２ａとウエハー２ｂの接合は、本実施態様では、接合チャンバー４内で行われるようになっているが、チャンバー４は必要に応じて設置すればよい。本実施態様では接合チャンバー４に開閉可能なゲート５が設けられており、ゲート５開の状態で、搬送手段としてのロボット６により、被接合物としてのウエハー２ａとウエハー２ｂが接合チャンバー４内に導入される。
【００４３】
被接合物同士の接合部においては、図１１の上側のウエハー２ｂを直接的に保持する手段は、本実施態様では静電チャック７から構成されており、静電チャック７は昇降可能なヘッド８の下端に取り付けられている。ヘッド８の下部には、複数の伸縮制御可能な支柱９が配設されており、各支柱９の伸縮量を制御することにより、静電チャック７の平行度、ひいては、上部側静電チャック７に保持されている上側のウエハー２ｂの下側のウエハー２ａに対する平行度を調整できるようになっている。各支柱９の伸縮量の制御に、たとえばピエゾ素子を用いることが可能である。
【００４４】
また、ヘッド８の下部には、後述の赤外線カメラの方向に向けて照射される光を導くライトガイド１０が設けられている。ライトガイド１０は、光源（図示略）から光ファイバー等を介して導光されてきた光を、垂直下方に向けて照射するようになっている。ライトガイド１０からの光が透過される、静電チャック７の部位は、光透過が可能な透明体から構成されているか、光透過用の穴が開けられている。
【００４５】
ヘッド８の上方には、昇降機構１１が設けられており、その上方に、エアシリンダ等の加圧シリンダ１２を有する加圧手段１３が設けられている。加圧シリンダ１２には、下方に向かう加圧力をコントロールするための加圧ポート１４と、加圧力を制御するとともに上方への移動力を生じさせるバランスポート１５が設けられている。昇降機構１１は、ヘッド８、静電チャック７に保持されている上側のウエハー２ｂを下方に移動させるとともに、移動および平行度調整後に、下側のウエハー２ａに上側のウエハー２ｂを接触させて仮接合することができる。また、加圧手段１３は、仮接合時に昇降機構１１を介して押圧力を加えることができるとともに、仮接合後に、さらに下降された上側のウエハー２ｂを下側のウエハー２ａにさらに押圧して、加圧により本接合することができるようになっている。
【００４６】
本実施態様では、下側のウエハー２ａの位置決めのために、アライメント装置３が設けられている。アライメント装置３は、位置決め対象物としてのウエハー２ａを保持する透明体からなる可動テーブル１６と、該可動テーブル１６を移動可能に複数箇所で（本実施態様では可動テーブル１６の周方向に３箇所で）それぞれ支持する複数の可動支持手段１７とを有しており、各可動支持手段１７は、各可動支持手段１７に対応して上下方向に延びる支持台１８上に設けられており、各可動支持手段１７上に可動テーブル１６が移動可能に支持されている。本実施態様では、後述の如く、下方に認識手段としての赤外線カメラが設けられているので、前記ライトガイド１０からの光が赤外線カメラへと到達できるように、可動テーブル１６が透明体（たとえば、ガラス板）から構成されているが、中央部等に透過用の穴が開設された構造とすることも可能である。上記各支持台１８は、上下方向（Ｚ方向）の位置調整（高さ調整）が可能な台から構成されていてもよい。なお、本実施態様では、上側のウエハー２ｂに対してのみ静電チャック７を設けてあるが、場合によっては、下側のウエハー２ａに対しても、たとえば中央に穴の開いた環状に延びる静電チャック、好ましくは透明体からなる静電チャックを設けるようにしてもよい。
【００４７】
本実施態様では、可動テーブル１６の下方でかつ接合チャンバー４外の位置に、認識手段としての赤外線カメラ２０が設けられている。赤外線カメラ２０は、プリズム装置２１を介して、ライトガイド１０からの照射光を用いて、上側のウエハー２ｂまたは静電チャック７に付されたアライメント用の認識マーク、および、下側のウエハー２ａまたは可動テーブル１６に付された認識マークを、それぞれ読み取ることができるようになっている。この赤外線カメラ２０およびプリズム装置２１の位置も、位置調整手段２２を介して調整、制御できるようになっている。
【００４８】
アライメント装置３は、図１２に示すように構成されている。本実施態様では、図１２に示すように、円板状の可動テーブル１６の周方向に３箇所、合計３つ、可動支持手段として、前述のウォーキング動作駆動ユニット４１が設けられている。この駆動ユニットとしては、前述のウォーキング動作駆動ユニット６１を使用してもよい。本実施態様では、３つのウォーキング動作駆動ユニット４１の動作を制御することにより、可動テーブル１６は、Ｘ，Ｙ，θ方向に、目標位置に精度よく位置決めされる。また、Ｚ方向にも微調整可能である。
【００４９】
このように本発明に係るアライメント装置３では、少なくともＸ、Ｙ軸方向およびθ方向に同時に位置調整可能となり、ウエハー２ａを一気に目標位置に位置決め可能となる。位置決めに際しては、赤外線カメラ２０で認識マークを読み取り、ウエハー２ａあるいは可動テーブル１６が、目標位置に、目標とする精度範囲内で位置決めされているか否かを確認でき、目標精度範囲内に到達していない場合には、到達できるまで、上記ウォーキング動作による位置決め動作を続行させることができる。このような一連の動作の制御が、少なくとも赤外線カメラ２０からの位置認識情報が入力され、該入力情報に基づいて各可動支持手段１７の駆動方向、駆動量を制御する制御手段、たとえばマイクロコンピュータを用いた制御手段によって行われる。なお、認識マークを読み取る認識手段としては、赤外線カメラ２０に限定されず、通常の可視光カメラや、レーザを用いた認識手段の使用も可能である。
【００５０】
上記位置決めのための各可動支持手段１７の駆動は、各ピエゾ素子の伸縮作動によるものであり、ピエゾ素子の伸縮作動量は、極めて微少に制御できることが知られている。したがって、各ピエゾ素子の伸縮作動を予めキャリブレーションしておき、たとえば前述の数１、数２を求めておき、各ピエゾ素子の伸縮作動に基づくウエハー２ａの位置決めを行うことにより、極めて高精度な位置決めが行われることになる。その結果、下側のウエハー２ａと上側のウエハー２ｂが高精度に位置合わせされ、両者の接合精度が大幅に向上される。なお、Ｚ方向に関する位置決めについては、少なくともピエゾ素子自身の伸縮動作を利用して、微調整を行うことも可能である。また、ウォーキング動作終了後に各可動支持手段１７のピエゾ駆動体の作動を制御することにより、Ｚ方向に関する位置決めに加え、Ｘ、Ｙ軸周り回転方向の微調整も各々行うことができるので、上側のウエハー２ｂに対する下側のウエハー２ａの平行度についても、高精度の微調整が可能となる。
【００５１】
また、本発明に係るアライメント装置３においては、上記の如く、ウエハー２ａを同一平面においてＸ、Ｙ、θ方向に位置決めできるので、従来のように、各軸方向用の各位置調整テーブルを積み上げてアライメント装置を構成する必要がなくなり、アライメント装置３自体、薄型のものに構成できる。その結果、このアライメント装置３を組み込んだ装置全体の小型化をはかることができる。また、同一平面内で各方向同時に位置決めすることになるので、位置決めのための駆動の効率も良い。また、各可動支持手段１７が可動テーブル１６の周縁部に配置されているので、比較的大型の可動テーブル１６やその上に保持されるウエハー２ａに対しても、とくにθ方向の位置決め精度を低下させることなく対応することが可能である。
【００５２】
本発明に係るアライメント装置３においては、さらに位置決め精度の向上をはかることが可能である。たとえば、前述したように、一般にピエゾ素子は、前回の駆動ストロークに対応して次の駆動量、軌跡が決まるという、履歴の影響を受けやすい特徴を持っているので、この特徴による位置決め精度への悪影響を除去するために、以前の動作の履歴の影響が出ないようにすることが好ましい。そのために、ウォーキング動作１歩内での精密位置決め前に以前の動作の履歴を消すようにリセットすることが好ましい。つまり、各ピエゾ素子の伸縮作動量について、それまでの履歴が精密位置決め前にリセットされることが好ましい。
【００５３】
また、本発明に係るアライメント装置３においてさらに位置決め精度の向上をはかるためには、上述したウォーキング動作による位置決めによりあるレベルの精度内まで粗位置決めを行い、その状態で基本的に前述したウォーキング動作を停止し、ウォーキング動作を停止した状態で、各ピエゾ素子自身の伸縮作動を利用して、ウエハー２ａをさらに高精度に精密位置決めすることが可能である。この精密位置決めは、ウォーキング動作を停止した状態で行うので、基本的にウォーキング動作の１歩以内の位置調整範囲内で行う必要がある。また、いずれの方向にも精密位置決めのための微調整が効くように、精密位置決め直前に、各ピエゾ素子の伸縮作動による揺動位置を、ウォーキング動作の１歩の範囲内における中央位置にリセットすることが好ましい。この中央位置へのリセットは、前述の履歴のリセットと同時に行うことができる。
【００５４】
このような精密位置決めのための一連の制御は、たとえば図１３に示すようなフローにしたがって行われる。図１３に示す制御では、ステップＳ１で前述の如き粗位置決めのためのウォーキング動作が実行され、認識手段によって測定された目標位置との誤差δが、ウォーキング動作の１歩内に入ったか否かが判定され（ステップＳ２）、１歩内に入っていない場合にはステップＳ１に戻ってウォーキング動作が続行される。１歩内に入ったと判定された場合には、ピエゾ素子の位置が、ウォーキング動作の１歩の範囲内における中央位置にリセットされ（ステップＳ３）、その１歩内で各ピエゾ素子の伸縮作動による精密位置決めによって、高精度のアライメントが達成される（ステップＳ４）。そして、認識手段によって測定された目標位置との誤差δが目標とする高精度範囲内に入ったか否かか確認され（ステップＳ５）、入っていない場合にはステップＳ３に戻って精密位置決め動作を繰り返す。目標高精度範囲内に入ったとき、この制御フローを終了する。このような精密位置決めにより、従来は不可能とされていたナノメーターレベルでの高精度アライメントが可能になる。
【００５５】
なお、上記実施態様は、ウエハー同士の実装装置について説明したが、本発明に係るアライメント装置は、ウエハーとチップとの実装装置やチップ同士の実装装置にも適用でき、また、単なるアライナーにも適用でき、さらに、被露光物、たとえばウエハーに、露光を施す露光装置にも適用できる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のウォーキング動作駆動ユニットによれば、制御が容易で優れた精密位置決め性を確保でき、製造、組立が簡単で短時間で行うことができ、高い剛性を有し安定して所望のウォーキング動作およびウォーキング動作後の精密位置決めを行うことができる駆動ユニットを提供できる。
【００５７】
また、本発明のアライメント装置によれば、従来装置のように各軸方向や回転方向の位置調整テーブルを積み上げて構成する方式ではなく、複数のピエゾ駆動体を備えた可動支持手段を複数配設し、各可動支持手段の駆動を制御する構成とすることにより、位置決め対象物を保持する可動テーブルを、少なくともＸ軸、Ｙ軸、θ方向に、同一平面内にて同時に位置調整可能とし、位置決め対象物を効率よく目標位置に高精度で位置決めでき、従来達成し得なかったナノメーターレベルのアライメント精度まで達成可能となる。また、位置調整テーブルを積み上げなくてよいので、アライメント装置自身、ひいてはこのアライメント装置を組み込んだ装置全体の大幅な薄型化、小型化をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施態様に係るウォーキング動作駆動ユニットにおけるピエゾ駆動体の斜視図である。
【図２】図１のピエゾ駆動体の平面図である。
【図３】図１のピエゾ駆動体の動作を説明するための概略構成図である。
【図４】図３のピエゾ駆動体の動作の各位相における動作特性図である。
【図５】図１のピエゾ駆動体を用いたウォーキング動作駆動ユニットの概略構成図である。
【図６】図５のウォーキング動作駆動ユニットの動作を説明するための概略構成図である。
【図７】図５のウォーキング動作駆動ユニットの各駆動部の動作の各位相における動作特性図である。
【図８】本発明の第２実施態様に係るウォーキング動作駆動ユニットにおけるピエゾ駆動体の斜視図および部分横断面図である。
【図９】図８のピエゾ駆動体の動作を説明するための概略構成図である。
【図１０】ピエゾ素子への印加電圧と素子変位量および他部材の移動距離との関係におけるヒステリシス現象の例を示す特性図である。
【図１１】本発明の一実施態様に係るアライメント装置を組み込んだ実装装置の概略構成図である。
【図１２】図１１の装置におけるアライメント装置部の拡大透視斜視図である。
【図１３】図１２のアライメント装置の制御例を示すフロー図である。
【符号の説明】
１  実装装置
２ａ  位置決め対象物としてのウエハー
２ｂ  被接合物としてのウエハー
３  アライメント装置
４  接合チャンバー
５  ゲート
６  搬送ロボット
７  静電チャック
８  ヘッド
９  支柱
１０  ライトガイド
１１  昇降機構
１２  加圧シリンダ
１３  加圧手段
１４  加圧ポート
１５  バランスポート
１６  可動テーブル
１７  可動支持手段
１８  支持台
２０  認識手段としての赤外線カメラ
２１  プリズム装置
２２  位置調整手段
３１  ピエゾ駆動体
３２  中心軸（固定ねじ）
３３  ピエゾ素子
３４  基台
３５  可動ブロック
３６  接触部
３７  可動柱
４１  ウォーキング動作駆動ユニット
４２  可動テーブル
５１  ピエゾ駆動体
５２  支柱
５３  基台
５４  送り用ピエゾ素子
５５  中間ブロック
５６  固定ねじ
５７  支持用ピエゾ素子
５８  接触部
５９  固定ねじ
６０  固定片
６１  ウォーキング動作駆動ユニット
【図１】
2004282819.tif 000005
【図２】
2004282819.tif 000006
【図３】
2004282819.tif 000007
【図４】
2004282819.tif 000008
【図５】
2004282819.tif 000009
【図６】
2004282819.tif 000010
【図７】
2004282819.tif 000011
【図８】
2004282819.tif 000012
【図９】
2004282819.tif 000013
【図１０】
2004282819.tif 000014
【図１１】
2004282819.tif 000015
【図１２】
2004282819.tif 000016
【図１３】
2004282819.tif 000017