(57)【要約】【課題】磁場の発生を極端に嫌う電子ビーム描画装置、磁気センサ、振動試料型磁力計等に適用することが可能であり、かつ長時間の使用によっても精度が低下せず、真空状態で稼動する装置にも適用可能な非磁性圧電アクチュエータを提供すること。【解決手段】キャップ９とベース１０とが封止接合されてなる筐体１１に圧電アクチュエータ素子１が内包され、この圧電アクチュエータ素子１に接続されたリード端子３が筐体１１外に引き出されてなり、キャップ９およびベース１０の少なくとも一方が比透磁率１．００１以下の非磁性体からなる。【選択図】　　　図１
2004006601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャップとベースとが封止接合されてなる筐体に圧電アクチュエータ素子が内包され、該圧電アクチュエータ素子に接続されたリード端子が該筐体外に引き出されてなり、前記キャップおよび前記ベースの少なくとも一方が比透磁率１．００１以下の非磁性体からなることを特徴とする非磁性圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記非磁性体がチタニウムであることを特徴とする請求項１に記載の非磁性圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電アクチュエータ素子は、縦振動モードで駆動されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の非磁性圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置決め装置等の電子機器の駆動素子として使用される圧電アクチュエータに関し、特に、磁場の発生を極端に嫌う電子ビーム描画装置、磁気センサ、振動試料型磁力計等に適用することが可能な非磁性圧電アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より圧電アクチュエータは、位置決め装置等の電子機器の駆動素子として多用されている。一般的に圧電アクチュエータは、外装体の内部に圧電アクチュエータ素子が配置され、この圧電アクチュエータ素子に接続されたリード端子が外装体の外側に引き出されて構成されている。
【０００３】
一方、近年、半導体装置の高度集積化が益々進んでおり、それにともなって超ＬＳＩの微細加工が可能な装置として電子ビーム描画装置が注目され、かつ急速な進歩を遂げつつある。電子ビーム描画装置は、電子銃から発生した電子ビームを磁界の作用を利用した電子レンズを用いて半導体ウェハ上に照射して、例えば解像度１０ｎｍ以下という超微細な回路パターンを描画する装置であり、この装置のウェハステージの駆動装置として微小駆動が可能な圧電アクチュエータを適用することが検討されている。
【０００４】
このように電子ビーム描画装置は、磁界の作用を利用して超微細な回路パターンを形成するものであるから、その近傍に変動磁界が存在すると電子レンズの磁界に悪影響を与え、所望の解像度が得られないという問題がある。したがって、ウェハステージに用いられる圧電アクチュエータもこのようなことを考慮したものである必要がある。
【０００５】
また、圧電アクチュエータの用途として、磁気センサや、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）が検討されているが、これらについても磁力を極端に嫌うため、これらに用いられる圧電アクチュエータもこのように磁力の影響を極力与えないものが要求される。磁気センサは永久磁石が回転することによって２つの磁気抵抗素子によって得られる磁界の領域を変化させ、２つの磁気抵抗素子の抵抗の比率を変化させてその変化量に応じて出力電圧を取り出す方式や導体に流れる電流の磁界を測定して電流値を知る方式等があり、回路を切断することなく電流の測定ができること、広周波数帯域幅で使用可能で高感度であること、耐振動性や温度安定性が高い等の利点がある。また、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）は、ＭＲ、ＧＭＲ、ＣＭＲ等の磁気ヘッド材料、光磁気材料等の磁気記憶装置材料、ハードフェライト、ポリマー複合磁石等の永久磁石、アモルファス、高温有機超伝導体、誘電体等の磁気特性を測定するのに用いられ、真空中およびガス雰囲気中での磁気特性測定が可能である。
【０００６】
磁力の影響を嫌う特殊な環境下においても作動可能な圧電アクチュエータとして、特許文献１には、圧電アクチュエータ素子を非磁性材料で構成するとともに、それを収容するケース等の他の部材も非磁性材料で構成するものが開示されている。したがって、上記電子ビーム描画装置のウェハステージを駆動する圧電アクチュエータや、磁気センサ、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）にもこの特許文献１に開示された技術を適用することが考えられる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−８６７７７号公報（請求項３，４等参照）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に開示された圧電アクチュエータは、それ自体からの磁力の発生は排除することができるものの、圧電素子が開放されているため、長時間の使用により空気中の水分等が素子に浸入して圧電アクチュエータ素子に悪影響を与え長時間に亘って高精度の位置決めを行うことが困難である。また、高真空状態で稼働する装置で使用すると、圧電アクチュエータ素子、絶縁材料、ハンダ等からガスが放出して真空状態を維持することが困難になったり、グロー放電が生じて素子の駆動ができなくなったりすることがある。
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、磁場の発生を極端に嫌う電子ビーム描画装置、磁気センサ、振動試料型磁力計等に適用することが可能であり、かつ長時間の使用によっても精度が低下せず、真空状態で稼動する装置にも適用可能な非磁性圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、キャップとベースとが封止接合されてなる筐体に圧電アクチュエータ素子が内包され、該圧電アクチュエータ素子に接続されたリード端子が該筐体外に引き出されてなり、前記キャップおよび前記ベースの少なくとも一方が比透磁率１．００１以下の非磁性体からなることを特徴とする非磁性圧電アクチュエータを提供する。
【００１１】
本発明においては、筐体を構成するキャップおよびベースの少なくとも一方が比透磁率１．００１以下の非磁性体からなるので、磁場の発生を極端に嫌う電子ビーム描画装置、磁気センサ、振動試料型磁力計等に適用した場合に磁気的な悪影響を極力与えないようにすることができ、しかも、圧電アクチュエータ素子が内包される筐体がキャップとベースが封止接合された構造を有しているので、筐体内部を密閉状態にすることができ、したがって、圧電アクチュエータ素子が空気中の水分等により劣化することなく長時間に亘って高精度を維持することができるとともに、高真空状態で稼動する装置に用いてもガスの発生やグロー放電を生じさせることがない。
【００１２】
前記非磁性体としては、チタニウムを好適に用いることができる。また、圧電アクチュエータ素子は、縦振動モードで駆動されることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る非磁性圧電アクチュエータを示す断面図である。図中１は圧電アクチュエータ素子であり、その側面には一対の外部電極２が形成されている。これら一対の外部電極２の下部には、それぞれリード端子３をハンダにより接合した接合部４が形成されており、リード端子３は下方に延出している。また、電極２や接合部４を絶縁し、保護する目的で、素子全体が樹脂チューブ５で覆われている。
【００１４】
圧電アクチュエータ素子１の頭部の中央には半球体８が固着されている。そして、圧電アクチュエータ素子１は、樹脂チューブ５で覆われた状態でキャップ９内に収容されている。このキャップ９の底部にはベース１０が封止接合され、これらにより密閉構造の筐体１１が構成されている。したがって、圧電アクチュエータ素子１は、この密閉構造の筐体１１に内包された状態となっている。圧電アクチュエータ素子１とキャップ９とで形成される空間は不活性ガスにより充填されることが好ましい。
【００１５】
キャップ９は、頭部９ａと、胴部９ｂとを有している。頭部９ａには半球体８を密着した状態で受ける受け部９ｃが形成され、また、受け部９ｃの外側は波状ばねからなる伸縮部９ｄとなっている。半球体８と受け部９ｃとでボールジョイントを構成している。
【００１６】
ベース１０は、キャップ９の下端が当接するフランジ部１０ａを有し、かつ２つのリード端子３が挿通される貫通孔１０ｂが形成されている。フランジ部１０ａは、キャップ９の下端と抵抗溶接等により封止接合される。貫通孔１０ｂ内においてリード端子３は絶縁ガラスからなる封着剤１２で封着され、リード端子３とベース１０とを絶縁するとともに貫通孔１０ｂ内を封止している。
【００１７】
これら金属製のキャップ９およびベース１０の少なくとも一方は、比透磁率１．００１以下の非磁性体からなっている。これにより、磁場の発生を極端に嫌う電子ビーム描画装置、磁気センサ、振動試料型磁力計等に適用した場合にも磁気による悪影響を極力与えないようにすることができる。キャップ９およびベース１０のいずれも比透磁率１．００１を超えた金属等の磁性体で構成すると、環境磁場中を当該アクチュエータが移動する際に、アクチュエータから環境磁場により変動する（環境磁場に依存する）磁場が発生する。この磁場の影響により、例えば電子ビーム描画装置では、偏向によるビームの位置制御が不可能になり、ｎｍレベルの解像度を維持することが困難となる。なお、圧電アクチュエータの配置状況により、必要に応じてキャップ９およびベース１０の一方のみをこのような非磁性体で構成すればよいが、キャップ９およびベース１０のいずれも比透磁率が１．００１以下の非磁性体で構成することがより好ましい。
【００１８】
このような比透磁率が１．００１以下の非磁性体としては、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、チタニウム（Ｔｉ）のような単体金属や、リン青銅、真鍮のような合金を挙げることができる。これらの中ではＴｉが好ましい。これはＴｉは不純物の制御により比透磁率が１．０００１以下という極めて低い値となり、かつ耐食性や機械的性質が優れているからである。
【００１９】
なお、キャップ９の材料は、一般的に上記のような金属、合金であるが、ベース１０を構成する非磁性体としては、このような金属、合金のみならず、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスを用いることもできる。
【００２０】
圧電アクチュエータ素子１は、１つの圧電体で構成されるか、または、複数の圧電体が長手方向に積層されて構成されており、矢印Ａで示す長手方向に変位する。すなわちいわゆる縦振動モードで駆動される。圧電アクチュエータ素子としては、例えば、プラスとマイナスの内部電極を介して圧電体が交互に積層され、圧電体と電極とが一体焼成され、分極処理が施されたものを用いることができる。圧電体としては、チタン酸ジルコン酸鉛等、通常この分野で用いられる圧電セラミックスを好適に用いることができる。これらの圧電セラミックスは一般的に非磁性体であり、圧電セラミックスが磁気的に悪影響を及ぼすおそれはほとんどない。
【００２１】
このように構成された非磁性圧電アクチュエータにおいては、圧電アクチュエータ素子１に所要の電圧を印加すると、圧電アクチュエータ素子１の伸長によりキャップ９の頭部９ａが矢印Ａ方向に移動し、被移動物を同方向に微動させる。圧電アクチュエータ素子１への電圧印加を解除すると、圧電アクチュエータ素子１は元の長さに戻り、キャップ９の頭部９ａは圧電アクチュエータ素子１に追従して元に戻る。このようにして、極めて高精度で位置決めを行うことができる。
【００２２】
従来は、このような圧電アクチュエータのキャップ９やベース１０としてステンレス鋼が多用されていたが、ステンレス鋼の比透磁率は１．０１程度であり、電子ビーム描画装置に適用した場合に電子ビームの偏向制御が困難になってｎｍレベルの解像度を得ることが困難である。これに対して、本実施形態では圧電アクチュエータのキャップおよびベースの少なくとも一方を比透磁率１．００１以下の非磁性体で構成しているため、従来のような磁気的な悪影響を及ぼさず、磁場の発生を極端に嫌う電子ビーム描画装置、磁気センサ、振動試料型磁力計等に適用可能なものとすることができる。
【００２３】
また、このようにキャップ９およびベース１０の少なくとも一方を比透磁率が１．００１以下の非磁性体で構成することに加えて、キャップ９およびベース１０を封止接合して圧電アクチュエータ素子１を密閉空間に配置し、キャップ９の変位で被移動体を移動させるようにしたので、以下のような利点を得ることができる。
【００２４】
（１）圧電アクチュエータ素子１が直接大気に曝されないので、長時間の使用によっても空気中の水分等が素子に浸入することがなく、空気中の水分による圧電アクチュエータ素子１の劣化が生じない。
【００２５】
（２）高真空状態であっても、圧電アクチュエータ素子、絶縁材料、ハンダ等からのガスの放出が生じず、かつグロー放電が生じないので、高真空状態で稼動する装置で使用することができる。
【００２６】
すなわち、上記のガスの放出に関しては、圧電アクチュエータ素子１、樹脂チューブ５等の絶縁材料、接合部４を構成するハンダが多くの気体を吸着しているため、これらがそのまま真空状態におかれると吸着ガスを放出し高真空状態を阻害するが、本実施形態のようにキャップ９とベース１０とを封止接合して気密環境に圧電アクチュエータ素子１等を配置しているので、真空下で稼動する装置に配置されてもガスの放出が生じない。また、グロー放電に関しては、圧電アクチュエータ素子１は、通常１０００Ｖ／ｍｍ以上の高い電界で駆動されるため、真空下で圧電アクチュエータを駆動すると素子１に発生している高電界によりグロー放電が生じ、素子１が短絡状態となり駆動することができなくなるが、本実施形態のような密閉構造の圧電アクチュエータであれば、真空環境下に配置されてもその内部は常圧に維持され、グロー放電が生じずに安定して駆動することができる。
【００２７】
さらに、圧電アクチュエータ素子１は縦振動モードで駆動されるので、発生力が大きく、しかも変位の応答速度が速い。したがって、電子ビーム描画装置のステージ駆動に十分な発生力を確保することができ、その際に所望の速度で変位を与えることができる。上記特許文献１に具体的に示されている圧電素子は厚み横振動モードの変位を用いたいわゆるバイモルフタイプのアクチュエータであり、比較的大きな変位を得ることはできるが、発生力は小さく、変位の応答速度も遅いため、電子ビーム描画装置のステージ駆動用としての使用にはあまり適していない。
【００２８】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々変更可能である。例えば、上記実施形態では、圧電アクチュエータ素子として縦振動モードで駆動するものを例示したが必ずしもこれに限定されるものではない。また、キャップやベースの構造も上記実施形態に限定されず、適用される圧電アクチュエータのタイプに応じて種々の形態をとり得る。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について比較例と対比しつつ説明する。
（第１の実施例）
まず、種々の材料からなる物体について比透磁率を測定するとともに、それら材料からなる物体により電子ビーム描画装置における電子ビームの偏向誤差を計算により求めた。なお、物体の比透磁率は図２に示すようにして求めた。図示するように、平面度を管理した板の表面に矩形状の測定対象を載置し、板の裏面に磁気センサヘッドを固定し、板上を１ｍ／ｓ程度の速度で手動により測定対象を移動させ、ＤＣ／ＡＣ磁気検出器によりＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分の磁界を検出し、その値から比透磁率を求めた。また、電子ビームの偏向誤差としては、物体の形状を１ｃｍ×１０ｃｍ×５ｃｍとし、物体位置のＺ方向の磁束密度を０．０００１Ｔとし、位置違いによる最大偏向誤差を計算により求めた。その結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
2004006601.tif 000003
【００３１】
表１から、比透磁率が１．００１以下である、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｌ２Ｏ３は、電子ビームの位置違いによる最大偏向誤差がほぼ０．１ｎｍオーダー以下であったが、比透磁率が１．００１を超えるステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６）は、最大偏向誤差がｎｍオーダーであった。このことから、キャップおよびベースの少なくとも一方を比透磁率が１．００１以下の非磁性体とすることにより、電子ビームの偏向誤差を小さくすることができることが確認された。
【００３２】
（第２の実施例）
キャップおよびベースを透磁率１．０００１のチタニウムで構成した図１に示す構造の圧電アクチュエータを電子線ビーム描画装置のレチクルステージおよびウエハステージの移動機構として用い、描画テストを行った。その結果、線幅数十ｎｍを要求される超微細な回路テストパターンを描画することができ、回路パターンの歩留まりは９５％以上となった。
【００３３】
これに対し、比較のため、キャップおよびベースをステンレス鋼で構成した図１に示す構造の圧電アクチュエータを電子線ビーム描画装置のレチクルステージおよびウエハステージの移動機構として用い、同様の描画テストを行った。その結果、同様の回路テストパターンの描画において歩留まりは３０％以下と低かった。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、筐体を構成するキャップおよびベースの少なくとも一方が比透磁率１．００１以下の非磁性体からなるので、磁気的な悪影響を極力与えないようにすることができ、磁場の発生を極端に嫌う電子ビーム描画装置、磁気センサ、振動試料型磁力計等に適用可能な精密位置決め装置用圧電アクチュエータとして好適であり、しかも、圧電アクチュエータ素子が内包される筐体が金属製キャップと金属製ベースが封止接合された構造を有しているので、筐体内部を密閉状態にすることができ、したがって圧電アクチュエータ素子が空気中の水分等により劣化することなく長時間に亘って高精度を維持することができるとともに、高真空状態で稼動する装置に用いてもガスの発生やグロー放電を生じさせることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る非磁性圧電アクチュエータを示す断面図。
【図２】物体の磁気特性（比透磁率）を測定する装置を示す図。
【符号の説明】
１……圧電アクチュエータ素子
２……外部電極
３……リード端子
４……接合部
５……樹脂チューブ
８……半球体
９……キャップ
１０……ベース
１１……筐体
１２……封着剤
【図１】
2004006601.tif 000004
【図２】
2004006601.tif 000005