(57)【要約】電子工学装置を製作するためのシステムにおける振動を制御するのに有用な、アクチュエータとセンサーを備えている振動制御システム。アクチュエータは、電極化されたシートに貼り付けられた、１つ又はそれ以上の電動アクティブ材料のプレート又は要素を備えている。
2004524693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リソグラフィーシステムで使用するための動作制御システムにおいて、
ウェーハステージ基部と、
動作を制御するための少なくとも２つのアクチュエータと、
前記ウェーハ基部の少なくとも１つの変位のパラメータを検出して、それに応じて少なくとも２つの信号を生成する少なくとも２つのセンサーと、
前記アクチュエータ及び前記センサーと電通している少なくとも１つの回路と、を備えており、
前記センサーにより前記少なくとも１つの変位のパラメータが検出されると、前記センサーは前記回路に信号送信し、前記回路は、それに応じて前記アクチュエータを起動して前記ウェーハステージ基部を安定化することを特徴とする動作制御システム。
【請求項２】
前記アクチュエータは、ボイスコイルモーターと電動アクティブスタックアクチュエータから成るグループから選択されることを特徴とする、請求項１に記載の動作制御システム。
【請求項３】
前記センサーは、ＬＶＤＴ、加速度計、レーザー干渉計、容量変位センサーから成るグループから選択されることを特徴とする、請求項１に記載の動作制御システム。
【請求項４】
前記回路はデジタル信号プロセッサを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の動作制御システム。
【請求項５】
前記回路は、
少なくとも１つのデジタル信号プロセッサと、
少なくとも１つのアナログ対デジタル変換器と、
少なくとも１つのデジタル対アナログ変換器と、を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の動作制御システム。
【請求項６】
前記回路は制御技術を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の動作制御システム。
【請求項７】
前記制御技術は、線形二次ガウス、Ｈ無限、及びミュー合成から成るグループから選択されることを特徴とする、請求項６に記載の制御技術。
【請求項８】
前記アクチュエータは、指示された入力に密接追従して前記ウェーハステージ基部を安定化させることを特徴とする、請求項１に記載の動作制御システム。
【請求項９】
リソグラフィーシステムで使用するための動作制御システムにおいて、
ウェーハステージと、
動作を制御するための少なくとも２つのアクチュエータと、
前記ウェーハ基部の少なくとも１つの変位のパラメータを検出して、それに応じて少なくとも２つの信号を生成する少なくとも２つのセンサーと、
信号コンディショナと、
シングルボード・コンピュータと、を備えており、
前記センサーにより前記少なくとも１つの変位パラメータが検出されると、前記センサーは前記信号コンディショナに信号を送り、前記信号コンディショナは信号を前記シングルボード・コンピュータに送り、前記シングルボード・コンピュータは前記アクチュエータに指示して、前記ウェーハステージが指示された位置を追跡するように指示することを特徴とする動作制御システム。
【請求項１０】
前記アクチュエータは、ボイスコイルモーターと電動アクティブスタックアクチュエータから成るグループから選択されることを特徴とする、請求項９に記載の動作制御システム。
【請求項１１】
前記センサーは、ＬＶＤＴ、加速度計、レーザー干渉計、容量変位センサーから成るグループから選択されることを特徴とする、請求項９に記載の動作制御システム。
【請求項１２】
前記ウェーハステージは、指示された位置を０．１９秒以内に追跡するように指示されることを特徴とする請求項９に記載の動作制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００１年３月９日出願の米国特許出願第０９／８０３，３０２号に対する恩典を請求する。
【０００２】
電子工学設備又は構成要素を製作するためのシステムを含め、自動表面実装電子工学設備に関して存在する競争市場では、精度と速度の改良は相当な利点となる。このような設備は、例えば、半導体チップ、印刷回路板、液晶表示装置、及び薄膜デバイスなどの製作に使用されることが多く、多重ガントリ／ヘッドアッセンブリ、リニアモーター、フォトイメージングシステム、エッチングシステム、及び／又はその他多くの技術において重要な位置を占める。本発明は、作動中のそのような設備につきものの振動を低減し、それによってそのような設備の速度及び／又は精度を改善する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
例えば、現在のフォトリソグラフィー・ツールは非常に高度な露光精度を必要とする。これは、ツールの重要な点の弾性的変位の程度が数ナノメートルを超えない場合にのみ実現できる。リソグラフィーツールは、レチクルやウェーハステージのような多数の可動部品を含んでいるので、それら構造に作用する永続的な妨害力を受けることになる。更には、ツール構造は、床の振動や気流の乱れなど環境的妨害を受けやすい。これらの妨害は、程度を低減することはできるが、完全に排除することはできない。
【０００４】
現在、リソグラフィーツールの弾性振動を制限するために、多数の技術が採用されている。例えば、レンズアッセンブリのような基幹要素をサポートする構造体の剛性を増強する、調整されたマスダンパを使用する、可動ステージに掛ける信号を整形する、或いは、アクティブ制御空気ばねを使って床の振動を絶縁するなどである。これらの方法は、弾性振動を低減するのに効果はあるが、より進歩したフォトリソグラフィー・ツールの厳しい要件には合致しないことも多い。
【０００５】
ＳＭＴ配置設備の振動を制御するため現在行われている努力には、ガントリの端に摩擦減衰装置を配置することが含まれる。この「摩擦ブロック」は、主に、ガントリ及びヘッド軌道制御システムを安定化する働きをするが、ある種のピック・アンド・プレイス動作時には整定時間を短縮することも分かっている。しかしながら、摩擦ブロックの有効性は垂直力（又は予荷重）を正確に調整することに掛かっている。摩擦ブロックは短期間で磨耗する傾向が強く、有効性が大幅に低下し、且つ機械の残り部分を粒子によって汚染することになる。更には、摩擦ブロックは剛体の運動に抗して作動するので、設備の作動が遅れる結果となる。本発明の振動制御システムは、アクチュエータアッセンブリを備えており、摩擦ブロックに全体的に取って代わることができると同時に、整定時間を改善し、又は、代わりに、摩擦ブロックと協働して作動の精度又は速度を更に高める。
【０００６】
本発明の或る態様は、アクティブ振動低減、構造的制御、動的試験、精密な位置決め、動作感知及び制御、及びアクティブ減衰に役立つアクチュエータ要素に関する。このようなタスクには、圧電性、電歪性、又は磁歪性材料のような電動アクティブ材料が、有用である。本発明の或る実施形態では、むき出しの電動アクティブ要素を使用する。別の実施形態では、ここに説明するパッケージ化された電動アクティブ要素を使用している。
【０００７】
このように、電子構成要素を製作するためのシステムにおいて振動が制御されるやり方で、且つアクチュエータが制御対象の設備に取り付けられるやり方での改善が望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の或る実施形態では、アクチュエータアッセンブリと、動き又は性能のパラメータを感知するためのセンサーとを備えた振動制御システムが提供されている。この振動制御システムは、１つ又は複数のガントリアッセンブリ、ヘッドアッセンブリ、及び／又は移動ステージ又は構成要素を含んでいることが多い電子工学構成要素を製作するためのシステムにおいて、振動を制御するのに特に有用である。電子工学構成要素を製作するために考えられたシステムとしては、ピック・アンド・プレースシステム、リソグラフィーシステム、及び半導体チップや印刷回路板や液晶表示装置や薄膜デバイスを製作するために使用されるシステムなどが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。しかしながら、本発明の装置及び方法は、機械工具設備、フライス加工設備、又は自動組み立てラインで使用されるシステムなど、あらゆる種類のシステムを製作するのに有用である。また、レンズ系と、ウェーハステージと、レンズ系とウェーハステージを支持するための構造とを備えており、レンズ系が、ウェーハステージ上に最新のフォトリソグラフィーに使用されているような画像を作り出す、電子構成要素を製作するためのシステムも考えられる。
【０００９】
或る実施形態では、フォトリソグラフィー製作システムで使用されるアクティブ振動制御システムには、以下の構成要素、即ち、キーポイントでの変位の程度を測定するか、又はそのような情報が推定できる情報を提供するセンサーと、センサー入力に基づいて制御信号を計算できるデジタル又はアナログプロセッサと、構造内に弾性的変位を誘起することのできるアクチュエータと、が含まれている。
【００１０】
或る特に好適な実施形態では、フォトリソグラフィー工具と共に使用されるアクティブ振動制御システムに有用なアクチュエータは、非反応性で、バックサポートが不要で（バックサポートを要するアクチュエータは、サポート構造内に弾性的振動を励起し、これが工具に再導入されることになる）、非常に低い歪プロフィールを有する（所与の周波数又は帯域で構造的振動を制御するように設計されたアクチュエータアレイは、その帯域以外で振動を励起することはない）。
【００１１】
或る特に好適な実施形態では、本発明による振動制御システムは、構造の歪状態に直接働きかけ、実質的に歪を持たない、誘導歪アクチュエータを備えている。このようなアクチュエータは、制御される構造の弾性振動モードのみを励起し、従って制御することができ、他の全ての振動モード（各種設備のハウジング構造のモードなど）は制御されないまま残される。これは、制御システムの簡素化と強さに寄与する。
【００１２】
本発明の別の実施形態では、振動制御システムは、更に、アクチュエータアッセンブリとセンサーとに電気的に連通した回路を備えている。或る実施形態では、センサーは、動き、振動、又は性能に関する情報を回路に中継し、回路は、それに応えてアクチュエータアッセンブリに信号を送って振動を制御する。本発明が役に立つシステム内の振動は、外的妨害によるもの、又はシステム自身が作り出す本来的な妨害によるものである。
【００１３】
本発明の更に別の実施形態では、振動制御システムは、更に、製作システムに対する電気的接続部を備えている。この電気的接続部は、使用可能又は使用禁止信号、システム状態信号、又は故障・エラー状態信号の様な情報を、振動制御システムに送り、振動制御システムから受け取るために製作システムに設けられている。別の実施形態では、本発明による回路は、更に、少なくとも１つのコントローラを備えた制御システムを備えている。このような制御システムは、自動同調、ゲインスケジュール調整、外部ゲイン制御を行うことができ、又は線形フィードフォワード制御でもよいし、或いはフィードバック制御の別のソースとして働いてもよい。
【００１４】
振動制御システムが自動同調制御を有している本発明の或る実施形態では、作動前に、制御システムは１つ又は複数のテスト信号をシステムに発して応答を測定する。測定された応答を使用して工場内の内部モデルを微調整し、制御ゲインはしかるべく修正される。ループが閉じている間、制御ゲインは一定に保たれる。
【００１５】
振動制御システムがゲインスケジュール調整制御を有している本発明の或る実施形態では、コントローラは、幾つかの異なる作動点でシステムのために設計される。ピック・アンド・プレイス機の場合、これらの点はピック・アンド・プレイスヘッドの異なる位置となる。コントローラは、デジタル制御システムのメモリ内に記憶される。作動時、センサーは、リアルタイムで機械の構成を記述しているコントローラに情報を供給する。システムが各作動点を通過するのに合わせて、制御システムはその地点の随意の制御ゲインに切り替わる。この変化は、何れの地点でも時間に合わせて使用される制御ゲインは、幾つかの近隣の作動点についてメモリに記憶されている幾つかのコントローラからのゲインの線形補間である、ということである。
【００１６】
振動制御システムが外部ゲイン制御を有している本発明の或る実施形態では、制御システムは、機械の全体的性能をモニターするコンピュータシステムに接続された入力部を含んでいる。どの瞬間でも時間に合わせて実行されるコントローラは、この信号に比例するゲインを有している。監視システムは、最適性能が実現されるまでこのゲインを修正する。遅い時間変動のために性能が仕様からずれそうになると、監視システムはゲイン最適化シーケンスを繰り返す。
【００１７】
振動制御システムが、フィードバック制御（構造的振動を監視するセンサーから発せられた信号により駆動されるコントローラ）に加えて、フィードフィワード制御を有している本発明の或る実施形態では、高い調波妨害（モーターの回転など）と同位相の付加的な信号がコントローラに供給される。コントローラは、この信号のフィルタに通したものをフィードフォワードする。妨害信号に対するフィードフォワード制御の強さと位相を調整するゲインは、性能に対する妨害の影響を最小化すべく適応調整される。
【００１８】
本発明の或る実施形態では、アクチュエータアッセンブリは、歪アクチュエータ、電気有効歪アクチュエータ、圧電セラミック歪アクチュエータ、電動アクティブスタックアクチュエータ、又は少なくとも２つのアクチュエータを備えている。本発明の更に別の実施形態では、アクチュエータアッセンブリは、センサーと電通している。
【００１９】
また、本発明の或る実施形態では、センサーは、歪センサー、加速度計、レーザー変位センサー、レーザー干渉計、又は少なくとも２つのセンサーを備えている。本発明の別の実施形態では、センサーは、少なくとも２つの異なる信号を測定する少なくとも２つのセンサーを備えている。ある好適な実施形態では、センサーは、本発明が利用できるシステムの性能に直接関係する幾つかの態様を直接的に測定する。
【００２０】
本発明の或る特に好適な実施形態では、振動制御システムは、ガントリ及びヘッドの軌道についての情報を提供する電子リンク又はケーブルを備えている。
【００２１】
本発明によるアクチュエータアッセンブリは、圧電又は電歪プレート、シェル、ファイバ、又は合成物のような１つ又は複数の歪要素と、前記要素の周囲の防御体を形成しているハウジングと、ハウジング内に取り付けられ歪要素に接続されている電気接点とを含んでおり、上記部品は全体で可撓性のカードを形成している。アッセンブリの少なくとも一方の側は、歪要素の主面に取り付けられた薄いシートを含んでおり、シートの外側を対象物に貼り付けることにより、硬い剪断が働かないカプリングが、対象物とハウジング内の歪要素との間に得られる。
【００２２】
或る好適な実施形態では、歪要素は圧電セラミックプレートであり、かなり薄く、８分の１ミリメートルより僅かに薄い程度から数ミリメートルまでの厚さで、表面積が比較的広く、幅又は長さの何れか又は両方が、厚さの数十倍又は数百倍であるのが望ましい。金属被覆処理された膜が電極接点を形成するとともに、接着剤と絶縁材料が、層割れ、亀裂発生、及び外的環境への露出を防ぐためにデバイスを気密シールしている。使用される接着剤は、Ｂステージ又はＣステージエポキシの様なエポキシ、熱可塑性材、又は圧電セラミックプレート、金属被覆膜及び絶縁材料を一体に接着するのに役立つ何らかの他の材料などである。使用できる特定の接着剤は、デバイスの意図する用途次第で異なる。或る好適な実施形態では、金属被覆膜及び絶縁材料は、両方とも丈夫なポリマー材料の可撓性回路内に設けられ、従って、密閉された要素との頑丈な機械的及び電気的カプリングを形成する。代わりに、金属被覆膜を圧電セラミックプレート上に直接配置し、絶縁材料が電気接点を有するようにしてもよい。
【００２３】
説明を目的として、以下の例では、４分の１ミリメートル厚の矩形ＰＺＴプレートを使用し、長さと幅はそれぞれ１から３センチメートルで、各要素は表面積が１から１０平方センチメートルの有効歪発生面を有する構造を説明する。ＰＺＴプレートは、堅くて頑丈なポリマー、例えば、２分の１、１、又は２ミルのポリイミドのシートの上又はシート間に搭載され、一方側又は両側が銅に覆われ、ＰＺＴプレートとの接点形成のために銅層に形成された適した導電電極パターンを有している。各種スペーサによりプレートを囲み、全体構造を構造的ポリマーと一体に接合して、プレート厚と同じ、例えば０．３０から０．５０ミリメートル程度の厚さを有する防水絶縁密閉パッケージとしている。このように密閉されると、パッケージは、曲げ、伸ばし、撓ませることができ、鋭い衝撃に曝されても、その中に入った脆いＰＺＴ要素が壊れることはない。更に、導体パターンはポリイミドシートにしっかりと取り付けられているので、ＰＺＴ要素に亀裂が入っても、電極が切断されることはなく、要素の全面積に作用が及ぶのが防止され、又は性能がひどく劣化するのが防止される。
【００２４】
薄いパッケージは、電極が付いて完成した小型の「カード」の形をした完成したモジュール単位を形成している。次いで、パッケージは、好便に一面を構造体に取り付け、密閉歪要素と構造体の間の歪を連結する。これは、例えば、パッケージに接着剤を付けるだけで、ＰＺＴプレートに対する薄くて高い剪断強度を有するカプリングを確立すると共に、全体としてシステムに対して加わる質量を最小に抑える。プレートは、エネルギーを取り付け側の構造に連結するアクチュエータであってもよいし、取り付け側の構造から連結された歪に応答するセンサーであってもよい。
【００２５】
別の実施形態では、特定の電極パターンがシート上に選択的に形成され、ＰＺＴプレートを平面内又は面をまたいで支え、ＰＺＴ要素の複数層が１枚のカード内に配置され又は重ねられ、その結果、曲げ又は剪断、更には特別な捻り動作ができ上がる。
【００２６】
本発明の更に別の態様によれば、回路要素は、振動制御システム内に又は当該システムと共に形成され、ＰＺＴ要素が作り出す信号をろ過、分路、又は処理し、又は機械的環境を感知し、又は作動要素を駆動するために切り替え又はパワー増幅を局所的に行なうことさえする。アクチュエータパッケージは、ハーフシリンダのような事前成形されたＰＺＴ要素を用いて、パイプ、ロッド又はシャフトの周囲へ取り付けるのに適したモジュラー表面実装シェルに形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の上記及びこの他の望ましい特性は、図示の実施形態の詳細な説明から理解頂けるであろう。
【００２８】
出願人は、電子工学構成要素を製作するためのシステムにおける振動を制御するのに特に有用な振動制御システムを開発した。本発明の振動制御システムは、構成要素を製作するためのシステムにおいて外的に発生するか、又はシステムに内的に発生するか、又はシステムに本来的なものであるか、の何れの振動を制御するのにも有用である。内的振動は、製作システム内で使用されるステップモーター又はＤ．Ｃ．モーターの様な各種モーター、又は液圧式又は空圧式アクチュエータにより発生する。
【００２９】
本発明による振動制御システムは、電動アクティブアクチュエータ及びセンサーを製作システムと一体化した形で備えている。制御及びパワー電子機器は別の装置で、設備に隣接して配置され、アクチュエータとセンサーに適当な連結ケーブルを介して接続されているものでもよい。代わりに、制御及びパワー電子機器は製作システムと完全に一体化されたシステムであってもよい。
【００３０】
電動アクティブアクチュエータは、様々なやり方で製作システムに、又はシステム内に固定される。図１７、１９及び２０に示すように、例えば、アクチュエータは、ボルト４１４をアクチュエータに押し付けて、又はアクチュエータに貫通させて、所定の位置に固定することができる。代わりに、アクチュエータは、摩擦、張力、又は付勢嵌合により固定してもよい。或る実施形態では、図１８に示すように、アクチュエータをプレート４１２に貼り付け、プレート４１２を製作システムの構成要素にボルト４１４、４１４’、４１４１”及び４１４”’を用いてボルト止めする。別の実施形態では、アクチュエータをプレートに貼り付け、プレートを第２のプレートにボルト止めし、第２のプレートを製作システムの構成要素にボルト止めする。別の実施形態では、アクチュエータアッセンブリは、振動制御システム内に取り外し可能に固定され、又は製作システムの構成要素に取り外し可能に固定される。
【００３１】
図２１は、製作システムに使用される本発明の実施形態を示している。この実施形態では、製作システムは、ウェーハステージ４００と、レチクルステージ４０２と、Ｘ＆Ｙミラー付きレーザー干渉計４０４、４０４’、４０４”及び４０４’”と、支持構造４０６とを備えている。支持構造４０６は、レンズアッセンブリ４１０を支持している。干渉計４０４、４０４’、４０４”及び４０４’”は、ウェーハステージ４００上、レチクルステージ４０２、及びレンズアッセンブリ４１０上に配置されている。支持構造４０６の上には、例えば電動アクティブ要素を備えている２つのアクチュエータ４０８、４０８’が搭載されている。各アクチュエータ４０８、４０８’は、回路と電通している。干渉計４０４、４０４’、４０４”及び４０４”’からの信号は、ＳＢＣアナログＩ／Ｏチャネルと増幅器を通してアクチュエータ４０８、４０８’に中継され、アクチュエータ４０８と４０８’は、これに応答して製作システム内の振動を制御する。製作システム内の振動を制御することにより、ウェーハステージ上の半導体内の金属被覆トレースの配置と絶対寸法の精度が改善される。代わりに又は追加的に、製作システムのスループットは、精度を落とすことなく上げることができる。
【００３２】
本発明では、電動アクティブアクチュエータッセンブリが有用である。図１Ａは、先行技術による表面実装圧電アクチュエータアッセンブリ１０の処理及び全体配置を図式で示している。構造体要素又は機械要素、板、翼形又は他の相互作用的シート、又はそのデバイス又は一部、である構造２０は、導電性及び構造的ポリマー１４、１６の何らかの組み合わせによって構造２０に貼り付けられたスマート材料のシート１２を有している。その全体又は一部が構造的ポリマー１６によって形成される絶縁体１８は、スマート材料を密閉保護すると共に、導電性リード又は表面電極が、導電性ポリマーにより形成され又は取り付けられる。外部制御システム３０は、配線３２ａ、３２ｂに沿ってスマート材料に駆動信号を供給し、歪ゲージ３５のような表面実装計器から測定信号を受けとり、それから適当な駆動信号を引き出す。様々な形態の制御を行うことができる。例えば、歪ゲージは、自然共振の励起を感知するために配置され、制御システム３０は、センサー出力に応じて構造の剛性が上がるようにＰＺＴ要素を単純に作動させるので、共振周波数が変わる。代わりに、センサーが感知した振動を、発生している動的状態をゼロにする処理済位相遅延駆動信号としてフィードバックしてもよいし、又はアクチュエータを動作制御するため駆動してもよい。よく解読された機械的システムでは、コントローラは、実験的条件、即ち空気力学的状態又は事象を認識し、望ましい変化を実現するために各アクチュエータ１２を駆動する信号のゲインと位相を指定する特別な制御則を選択するようにプログラムされている。
【００３３】
このような用途全てにおいて、むき出しのＰＺＴプレートをその制御回路と加工物に取り付けるのが要求される主な作業であるが、組み立て段階の多くは失敗することもあり、或いは、定量的制御を行いたい場合は、製作工程において作り出される特定の厚さと機械的剛性に相応しい有効な作動モードのための制御パラメータを確立するために、デバイス組み立て後にデバイスの示量的モデル化が必要になることもある。プレートに貼り付ける場合に電動アクティブ要素をパッケージ化する利点は、製作システムのプレート、構造体又は何れの部分からも電気的絶縁又は容量的分離が実現できることである。
【００３４】
図１Ｂは、本発明の或る実施形態で有用なアクチュエータアッセンブリを示している。図示のように、それは５分エポキシ１３のような高速硬化接着剤で構造体２０に単純に取り付けただけの、或いは別の構成では一点又は線状に取り付けられた、モジュラーパック、即ちカード４０である。感知と制御の動作は、こうして、より容易に設置可能で且つ均一にモデル化されたアクチュエータ構造から恩恵を受ける。具体的には、モジュラーパック４０は、カード、即ち硬いが屈曲可能なプレートの形をしており、望ましくはパッドの形をした１つ又は複数の電気コネクタを縁部（図示せず）に配置して、多重ピンソケットに差し込み、単純化された制御システム５０に接続できるようになっている。図２Ｃに関連して後に更に詳しく説明するが、モジュールパッケージ４０は、内蔵型の平坦な又は背の低い回路要素でもよく、加重又は分路レジスタ、インピーダンス整合器、フィルタ、及び信号調整前置増幅器のような信号処理要素を含んでおり、更に、直接デジタル制御下で作動させるための切換トランジスタ及び他の要素も含んでいるので、必要な外部電気接続は、マイクロプロセッサ又は論理コントローラ並びに電源装置だけになる。
【００３５】
特にパワーの低い制御状況に用いられる更に別の実施形態では、図１Ｃに示すようなモジュールパッケージ６０は、バッテリ又はパワーセルのような自身の電力源を含み、オンボードドライバと分流器を作動させるためにマイクロプロセッサチップ又はプログラム可能な論理アレイのようなコントローラを含んでおり、外部回路接続なしで感知及び制御動作の完全なセットが有効に働くようにしている。
【００３６】
本発明は、厳密には圧電ポリマーに、そして、焼結金属ジルコン酸塩、ニオブ酸塩結晶のような材料又は硬いが極めて脆いこともある同様の圧電セラミック材料に関する。本発明は電歪性材料にも関する。特許請求の範囲にも使用しているように、要素の材料が電気機械的特性を有している圧電及び電歪要素の両方を、電動アクティブ要素と称する。高い剛性は、要素の表面を横切って、歪みを、通常は金属又は硬質の構造ポリマー製の外部構造体又は加工物に効果的に伝達するのに欠かせないので、本発明は、アクチュエータ態様において、軟質ポリマー圧電材料を一般的には考慮していない。「硬い（剛性が高い）」と「軟かい」という用語は相対的であるが、ここでは、アクチュエータに用いられる場合の硬さは、概ね金属、硬化エポキシ、ハイテク複合物、又はその他の硬質材料などの硬さであり、ヤング係数が０．１×１０6より大きい、望ましくは０．２×１０6より大きい材料であると理解頂きたい。アクチュエータではなくセンサーを構成する場合には、本発明は、ポリビニリデン・ジフルオライド（ＰＶＤＦ）膜の様な低剛性圧電材料、及び低硬化温度結合又は接着材料の代用物の使用を考慮している。しかしながら、上記の第一級圧電材料では、基本的な構成上の難題が発生し、それについて以下、説明する。
【００３７】
一般的に、本発明は、アクチュエータの新しい形態及びそのようなアクチュエータを作る方法を含んでおり、ここでいう「アクチュエータ」とは、電力が供給されると力や動き等を対象物又は構造体に連結する完全且つ機械的に有用な装置を意味するものと理解頂きたい。広義において、アクチュエータを作ることには、原料の電動アクティブ要素を「パッケージ化」して機械的に有用にする段階を含んでいる。一例として、原料の電動アクティブ圧電材料、即ち「要素」は、各種半加工材料塊形態で一般に市販されており、基本形状がシート、リング、ワッシャ、シリンダ、プレートなどの圧電原材料、並びにスタックのようなより複雑又は複合的形態、又は材料塊をレバーなどの機械的要素と共に含んだハイブリッド形態の圧電原材料が挙げられる。これら材料又は原料要素は、１つ又はそれ以上の表面に金属被膜を施して電気接点として働くようになっていてもよいし、金属被覆されていなくてもよい。以下の説明では、圧電材料を一例として論じているが、これら全ての形態の原料を「要素」、「材料」又は「電動アクティブ要素」と呼ぶ。上記のように、本発明は、これら方法により作られ、歪、振動、位置、又は他の物理特性を、作動させるのではなく感知するためのトランスジューサとして作動する構造体又は装置を更に含んでいるので、以下の記述では「アクチュエータ」という用語は感知用トランスジューサを含んでいる。
【００３８】
本発明の実施形態では、これら硬い電気作動式材料を、厚さが数ミリメートル未満、一例的には５分の１から４分の１ミリメートルの薄いシート、即ち円板、環、板、及び円筒又はシェルの形態で採用している。好都合に、このように薄い寸法にすることによって、全体的に電位差が比較的低いプレートの厚さ寸法に匹敵する距離に亘って高い電界強度を実現できるので、１０から５０ボルト又はそれより小さい駆動電圧でフルスケールの圧電作動性を得ることができる。このような薄い寸法によって、対象物の構造的又は物理的応答特性を大幅に変更することなく、要素を対象物に取り付けることができる。しかしながら、先行技術においては、このように薄い要素は脆く、取扱い、組み立て、又は硬化時の異常な応力によって破壊されることがある。数センチメートルからの落下の衝撃によってさえ圧電プレートは壊れるので、破壊に至らないようにするには極端に小さい曲げたわみしか許容されない。
【００３９】
本発明によれば、薄くて電気的に作動する要素が、硬い絶縁材料の層で封入され、少なくとも層の内１つは、その表面にパターン化された導体を有し要素自体より薄い丈夫な膜である。パッケージは、圧電要素、絶縁層、及び各種スペーサ又は構造的充填材料から組立てられ、全体として電極、（複数の）圧電要素、及び封入膜又は層は、むき出しの作動要素よりも厚さが実質的に厚くない密封カードを形成する。以下に説明するように、要素が幾つかの層に配置される場合、パッケージの厚さは、積層された作動要素の厚さの合計よりも目に付くほど厚くはない。
【００４０】
図２Ａは、本発明の基本的実施形態１００を示している。ポリイミド材料のような絶縁性の高い材料の薄膜１１０は、少なくとも一方の側が、通常は銅被覆により金属被覆され、仕上げられたアクチュエータパッケージと同一の広さ、又はそれより僅かに大きい矩形を形成している。複数層の回路板の製作に使用できる適した材料は、Ｆｌｅｘ−Ｉ−Ｍｉｄ３０００接着剤不使用回路材料として、アリゾナ州チャンドラーのロジャース社より配布されており、ロール状の銅箔上に形成されたポリイミド膜で構成されている。広範囲な大きさのものが商業的に入手可能であり、金属箔は、厚さが１８から７０ミクロンで、厚さ１３から５０ミクロンのポリイミド膜で一体にコートされている。他の厚さで製作することもできる。この商業的材料では、箔とポリマー膜が接着剤なしで直に貼り合わされているので、金属層は従来のマスキングとエッチングによりパターン形成することができ、以下に更に詳しく説明する方法によって、残留接着剤がアッセンブリを弱体化したり層割れを発生させることなく、複数のパターン形成層を多重層板に作り上げることができる。ロール状の銅箔は高い面内引っ張り強さを提供すると共に、ポリイミド膜は強くて丈夫で欠陥のない電気的絶縁バリヤを提供する。
【００４１】
以下に説明した構成では、膜は電極を覆う絶縁体だけを構成しているのではなく、デバイスの外表面も構成している。従って、高い誘電強度、高い剪断強度、耐水性、及び他の表面に対する結合能力が要求される。好適な製作工程で使用される温度硬化の観点から高い耐熱性が必要であるが、他にも用途環境によって耐熱性が必要とされる場合がある。一般的には、ポリアミド／イミドが有用であると分かっているが、ポリエステル又は同様の特性を持つ熱可塑性プラスチックなど他の材料を使用することもできる。
【００４２】
本構造では、箔層は従来のマスキング及びエッチング技術（例えば、フォトレジストマスキング及びパターニング、次いで塩化第２鉄エッチング）によりパターン形成され、圧電プレート要素の表面と接触するための電極が形成される。代わりに、より延性があり薄い導電層を使用してもよい。例えば、薄い導電層をポリマー膜上に印刷してもよいし、銀の導電性インクを使って圧電要素に直に印刷してもよい。図２Ａでは、電極１１１は、矩形体内部の１つ又は複数のサブ領域に亘って広がり、デバイスの縁に延びている補強パッド又はランド部１１１ａ、１１１ｂに繋がっている。電極は、要素の全長及び全幅に亘って広範に巡る経路に沿って圧電要素に接触するためパターン状に配置され、電極又は圧電要素に幾つかの亀裂又は局所的な破壊が起きても要素が接続された状態に確実に維持されるようにしている。フレーム部材１２０は、シート１１０の周囲に配置され、少なくとも１つの圧電プレート要素１１２が、電極１１１が接触するように中央領域に設置されている。フレーム部材は、縁結合として働くので、薄い積層は縁部まで広がらず、更に、以下に説明するホットプレスアッセンブリ工程で厚さスペーサとして、及び積層パッケージ組立の初期段階で挿入される圧電プレートの位置を決める位置マーカーとしても働く。
【００４３】
図２Ａは、実際にプレート１１２を覆って広がりスペーサ１２０及びシート１１０と共にアッセンブリを密閉する別の半透明の表面層１１６（図２Ｂ）を含め、デバイスを一体に固定するデバイスの層構造を示していない点においては、幾分概略的な図である。同様の層１１４が圧電要素の下に配置され、適した切込みを付けて電極１１０が要素に接触できるようになっている。層１１４、１１６は、硬化性のエポキシシート材料で形成するのが望ましく、硬化後の厚さは金属電極層の厚さに等しく、各側でこれと接触する材料と一体に結合する接着層として働く。硬化すると、このエポキシは、デバイスの構造体を構成し、アッセンブリの剛性を高め、圧電要素の表面の実質的な部分に亘って全体的に広がり、要素を強化してクラックの成長を止め、寿命を延ばす。更に、この層のエポキシは、実際には顕微鏡的に薄く広がっているが、かなり不連続な膜であり、電極上の厚さは約０．００２５ｍｍで、電極を圧電プレートにしっかりと結合してはいるが、十分な数のボイドとピンホールを備えているので、電極と圧電要素の間の直接的な電気接触が、相当の且つ分散された接触領域全体に亘って生じる。
【００４４】
図２Ｂは、縮尺合わせをしていないが、図２Ａの実施形態の断面図である。大まかな割合で言えば、圧電プレート１１２は厚さが０．２から０．２５ミリメートル、絶縁膜１１０はもっと薄くてプレートの１０分の１から５分の１の厚さ、そして導電性銅電極層１１１は典型的には１０から５０ミクロンであるが、後者の範囲は厳密に限界が定められたものではなく、電気的に作動可能且つ製作に好都合で、歪伝達の効率を損なうか層割れ問題を生じさせるほどには厚くない有効範囲を表している。構造エポキシ１１４は、各層の電極１１１の間の空間を埋め、厚さは電極とほぼ同じなので、アッセンブリ全体で中実のブロックを形成する。スペーサ１２０は、どちらかというと非架橋性のポリマーのような弾性係数が低い比較的圧縮可能な材料で形成され、後に述べるように圧力硬化エポキシと共に使用されるときは、厚さが概ね圧電プレートまたは要素の積層と同じとなって、膜１１０の表面層と底面層の間の他の構成要素を囲んで縁結合を形成するのが望ましい。
【００４５】
製造の好適な方法には、層１１６が硬化する際にパッケージ全体に圧力をかける段階が含まれている。スペーサ１２０は、圧電プレートと、以下に図３から図５に関連して説明する回路要素を整列させるよう働き、硬化段階での組み立て中に僅かに圧縮されるフレームを形成し、その間にフレームは変形して応力又はでこぼこを残すことなく縁部をシールする。圧縮によりボイド部分がなくなり、高密度でクラックの無い中実媒体が形成されると共に、硬化熱は高水準の架橋を生じさせるので、結果的に強度と剛性が高まる。
【００４６】
図２Ａ、図２Ｂの実施形態に関わる組み立て工程は以下の通りである。それぞれに合計の厚さが０．０２５から０．０５０ミリメートルの銅被覆ポリイミド膜の１つ又は複数の部片を、最終的なアクチュエータパッケージ寸法よりも僅かに大きいサイズに切断する。膜の銅側はマスクされパターン形成され、圧電要素を導電性のリード及び所望のランド部又はアクセス端子と一体に接触させるための所望形状の電極を形成する。干し草用フォーク型の電極パターンを示しており、ここでは３つの尖叉が圧電要素の一方の面の中央と両側に接するように配置されているが、他の実施形態では、Ｈ型又は櫛型が使用されている。パターン化は、回路板又は半導体処理技術では馴染みのように、マスキング、エッチング及びその後の洗浄処理により行なわれる。マスキングは、フォトレジストパターン化、スクリーニング、テープマスキング、又は他の適した処理により行われる。従来の印刷回路板のようなポリイミド膜の各電極片は、回路要素又はアクチュエータシートの位置決めをするが、以下では、単純に「可撓性回路」と呼ぶことにする。しかしながら、本発明の方法と装置は、「可撓性回路」ではなくて、電極型の圧電要素、絶縁体、及び電気接点を使うことも想定している。
【００４７】
次に、厚さが電極箔層とほぼ同じか又は僅かに厚い未硬化のシートエポキシ材料を切断し、随意的に、組み立て時の電気的接触を高めることができるように電極パターンと整合する貫通開口を設けて、各可撓性回路上に配置し、可撓性回路に接着して電極形成部分の間とその周囲に平坦化層を形成する。次に、可撓性回路に取り付けられたエポキシ層から裏当てが除去され、事前に裁断されたスペーサ１２０が可撓性回路の角部と縁部に配置される。スペーサは、電極面上方に伸びるフレームの輪郭を描き、次の組み立て段階で圧電要素を嵌合する１つ又は複数の窪みを画定する。次いで、単数又は複数の圧電要素が、スペーサにより画定された窪みに配置され、第２の電極膜１１１、１１２が、それぞれの平坦化／結合層１１４と共に要素上の定位置に置かれ、圧電要素の頂部の電極接点が形成される。幾つかの曲げアクチュエータ構造の場合のように、デバイスが数層の圧電要素を有する場合、電極膜と圧電プレートが１枚増える毎に上記組み立て段階を繰り返すが、中間シートの上下両側でアクチュエータ要素と接触することになる中間電極層を形成する場合には、両面が被覆されパターン化されたポリイミド膜を使用できる点に留意されたい。
【００４８】
一旦、全ての要素が配置されると、パターン付けされた可撓性回路、圧電シート、スペーサ、及び硬化性のパターン付けされたエポキシ層の完全なサンドイッチアッセンブリが、加熱プラテン間のプレス機内に配置され、温度と圧力を上げて、アッセンブリは剛性がありクラックの無いアクチュエータカードへと硬化される。図示の実施形態では、温度３５０°Ｆ、圧力５０−１００ｐｓｉで３０分間の硬化サイクルが使用されている。エポキシは、硬化温度が圧電要素の分極防止温度より低く、それでも高水準の剛性を達成できるように選択される。
【００４９】
上記構造は、１枚の圧電プレートを電極形成された２枚の膜の間に挟み、プレートが薄膜を通してアクチュエータカードの表面に剪断歪を効率的に伝えるようにした、単純なアクチュエータカードを示している。剪断弾性係数を層厚の二乗で割って求める伝達効率の尺度は、ここではガンマ（Γ）で表しているが、これは、エポキシ１１４、ロール状箔電極１１１、及びポリイミド膜１１０の弾性係数と厚さに依存する。エポキシと銅電極層が１．４ミル厚で、エポキシの弾性係数が０．５×１０6である代表的な実施形態では、ガンマは凡そ９×１０10ポンド／インチ4となる。０．８ミル箔のより薄いエポキシ層と膜を使用すれば、実質的にΓは高くなる。一般的に、電極／エポキシ層のガンマは５×１０10ポンド／インチ4よりも大きく、一方、膜のガンマは２×１０10ポンド／インチ4よりも大きい。
【００５０】
なお、厚さ１０ミルのＰＺＴアクチュエータプレートを使用して、ＰＺＴプレート２枚を重ね３枚の可撓性回路電極付き膜層（真ん中は、両方のプレートに接触させるため両面被覆）付としたカードでは、合計厚さが２８ミルとなり、プレートだけの場合より４０％しか厚くならない。質量でいえば、アクチュエータ要素の重量がアッセンブリ全体の重量の９０％を占める。一般的には、他の構成では、プレートはパッケージ厚さの５０％から７０％を占め、質量の７０％から９０％を占める。この様に、アクチュエータ自体は、理論的性能に近いモデルを実現する。この構造は、単シートの積層又はアレイと同じく（上記）ベンダーを実装する場合の高い汎用性も提供する。
【００５１】
本発明に従って作られたアクチュエータの有用な別の性能指標として、アクチュエータ歪ε対自由圧電要素歪Λの比率が高いことがあるが、これは上記の２層の実施形態では凡そ（０．８）であり、一般的には（０．５）より大きい。同様に、パッケージ対自由要素曲率比Ｋは、上記構造では凡そ０．８５−０．９０で、一般には０．７より大きい。
【００５２】
こうして、全体的には、圧電要素を可撓性回路に埋め込んで構造化することによるパッケージ化は、重量及び電気機械的動作特性の低下が５０％未満で１０％程度と小さいと同時に、その硬度及び他の重要な点に関する機械的作動範囲は十分に強化されている。例えば、基本要素にシートパッケージ化構造を加えることにより、得られるＫは下がるが、実用上、可撓性カード構造は圧電ベンダー構造となり、亀裂故障や他の機械的故障モードを発生することなく、大型プレート構造を製作し高い曲率で繰り返し作動させることができるので、全体として遙かに大きな変位が実現される。幾つかの図面では、このような強化された物理特性を実現できる各種構造を示している。
【００５３】
先ず、可撓性回路間に埋め込まれた電動アクティブ要素の構造は、予想可能な応答特性を備えた低質量統合型機械構造を提供するだけでなく、回路要素をアクチュエータカード内に又はカード上に組み込めるようにする。図２Ｃは、この型式の或るデバイス７０の上面図であり、領域７１、７３はそれぞれボード電動アクティブシートを保有し、中央領域７２は、バッテリ７５、平面パワー増幅器又は増幅器セット７７、マイクロプロセッサ７９、及び複数の歪ゲージ７８を含む回路又はパワー要素を保有している。他の回路要素８２ａ、８２ｂは、周辺部周りの回路導体８１の経路に沿う他の場所に配置されている。他の実施形態でのように、スペーサ１２０は、デバイスのレイアウトとシール縁を画定し、一方、電極１１１は、電動アクティブ要素をここでは内蔵型である処理又は制御回路に取り付ける。回路要素８２ａ、８２ｂは、デバイスがセンサーとして使用される場合には加重用レジスタを備え、或いは、受動減衰制御を実行する場合には分路レジスタを備える。代わりに、それらは、キャパシタ、増幅器などのような、ろ過、増幅、インピーダンス整合、又は記憶装置要素としてもよい。どの場合でも、これら要素も電動アクティブプレート８４から離して配置される。構成要素は集合的に歪を感知し、感知された状態に応じて各種作動パターンを実行し、又は他の感知又制御タスクを行なう。
【００５４】
これより本発明のアクチュエータ態様に戻るが、図３は、大きさが約１．２５ｘ９．００ｘ０．０３０インチで、各４枚のプレートからなる圧電プレート２層で組立てられたアクチュエータパッケージ２００の上面図を示している。端タブ２１０ａを備えた矩形ポリイミドシート２１０には、相互に接続され、且つタブにつながっている１本のランナー２１１ａに接続されているＨ状の薄い銅線の格子の形をした電極２１１が配置されており、こうして圧電プレートを保持する４つの矩形領域それぞれに直に低インピーダンス接続部を提供している。
【００５５】
Ｈ型のスペーサ要素２２０ａ、２２０ｂ、又はＬ型の２２０Ｃは、角部を定め、圧電プレート２１６を位置決めするための矩形空間の輪郭を定めている。この実施形態では、後に詳しく説明するが、複数の隙間２３０が、隣接するＨ型又はＬ型スペーサの間に現われている。以下の説明から明らかなように、組み立て中に、アッセンブリ位置を定め圧電要素を受け入れる窪みを形成するために、粘着性の結合エポキシ層１１４上に容易に配置することができるので、これら小さい個別のスペーサ要素（Ｉ型、Ｔ型、Ｏ型のスペーサも好都合である）を使用することが促進される。しかしながら、スペーサ構造は、個別要素のこのような集合体に限定されるわけではなく、打ち抜きシート又はモールド成形シートとして形成された１つ又は数個のフレーム片として設け、全てを又は１つ又はそれ以上を、縁部又は回路要素の動作を保持するための窪みを配置し、及び／又はシールするように使ってもよい。
【００５６】
図５は、シートと電極と圧電プレートの３層それぞれの上面図を示しており、図５Ａは膜、導体、及びスペーサ／圧電層の概略的な積層順を示している。図示のように、スペーサ２２０と圧電プレート２１６は、電極層各対の間で単一の層を構成している。
【００５７】
図４Ａ及び４Ｂ（縮尺は合っていない）は、図３の“Ａ”と“Ｂ”で示す位置の垂直断面に沿う組立て済みアクチュエータの層構造を示している。図４Ａにより明瞭に示すように、エポキシシート２１４のパターン化された結合層は、各電極層２１１と同面であり、電極間の空間を満たしており、一方でスペーサ２２０ｃは、圧電プレート２１６と同面であり、実質的にプレートと同じ厚さであるか又はそれより僅かに厚くなっている。図示上は、圧電プレート２１６は、商業的には５から２０ミルの厚さで入手可能なＰＺＴ−５Ａセラミックプレートであり、電極２１１と接触するために各面を覆っている連続導電層２１６ａを有している。スペーサ２２０は、軟化温度が約２５０℃の幾分圧縮可能なプラスチックで形成されている。これにより、硬化温度における高い順応性が生まれるので、スペーサ材料は、組み立て工程中に僅かなボイド２１４ａ（図４Ａ）を充填することができる。図４Ｂに示すように、スペーサ間の隙間２３０（設けられている場合）は、結果的に開口部２１４ｂとなり、これにより硬化性結合層２１４から余分なエポキシを抜き、硬化工程時にはエポキシを充填する。同図に示すように、ある一定量のエポキシが電極２１１と圧電プレート２１６の間の膜２１５のパッチ内に流れ込む。電極２１１が大きく且つ連続して広がっているため、エポキシのこのパッチ状の漏れが、圧電要素との電気的接触を損なうことはなく、それが提供する追加の構造的連結により電極の層割れが防止される。
【００５８】
なお、図示の電極の配置では、それぞれ垂直に積層された対の圧電プレートは、互いに反対に作動し曲げを発生させるが、より多くの別々の電極を設けて異なる対のプレートを異なるように作動させてもよい。一般的に言えば、上記のように、本発明は、感知、制御、及びパワー又は減衰要素全てを同一カード上に取り付けて、多くの別個の要素を異なるやり方で作動させる極めて複雑なシステムを考慮している。これに関して、カード自身の可撓性によって、カードを実際のタスクに適合させる際の柔軟性がさらに高まる。概括すると、厚さ３ミルのエポキシ帯片の可撓性に匹敵する追従的な可撓性を有しているので、損傷を受けずに曲げ、重ね、又は振動することができる。圧電要素が封入されていないその中心線ＣＬ（図３）の領域で鋭く曲がり、又は湾曲して、取り付け面又は角部に順応する。当該要素は、極性を付与されて面内又は面を横切る寸法を変え、従って、アクチュエータは、上記制御動作の何れかを行なうために、或いは、屈曲、剪断又は圧縮波の様な特定の波形又は特定の型式の音響エネルギー隣接する面に発射するために、効果的なやり方で隣接する面に歪を伝えるために取り付けられる。
【００５９】
図６は、別のアクチュエータ実施形態３００を示している。概略的に図示したこの実施形態では、エポキシ結合層、膜、及びスペーサ要素は示しておらず、作動機構を担う電極及び圧電シートしか示していない。電極の第１セット３４０と第２セット３４２は、両方とも同一層内に設けられ、それぞれ２つの櫛が互いに噛み合った櫛の形をしており、電気的動作の場は、一方の櫛の歯と他方の櫛の隣接する歯との間に設けられる。図６では、平行な一対の櫛３４０ａ、３４２ａが圧電シートを挟んで設けられ、櫛電極３４０は３４０ａにつながれ、櫛電極３４２は３４２ａにつながれ、等電位線“ｅ”が圧電シートを通って延び、異なる櫛の各対の歯の間に面内電位勾配ができるように、電界が設定される。図示の実施形態では、圧電セラミックプレートは金属被覆されていないので、直接的な電気接点が各櫛とプレートの間に作られる。プレートは、最初に櫛をまたいで高電圧を掛けて、面内方向に沿う方向に毎インチ１−２千ボルトを超える電界強度を作り出すことにより、面内で極化される。これにより、その後に２つの櫛電極にまたがる電位差がかかると面内（剪断）動作が発生するように、圧電構造が配向される。こうして、互いに噛み合った電極の直接接触により、圧電要素に、作動方向に概ね平行な電界が形成される。
【００６０】
剪断動作の他に、本発明の方法及び装置を使えば、指向性の動作と減衰を働かせることができる。例えば、図７に示すように、このようなアクチュエータ３００を２つ使って交差させると、ねじり動作を作り出せる。
【００６１】
上記実施形態を論じる際、電極／ポリイミド層を介して隣接する構造体に歪エネルギーを直接伝えることは、特出した新規性に富む利点として認識されてきた。このような動作は動作タスクに有用であり、又、翼型形状制御作動、及びノイズ又は振動打ち消し又は制御として多方面に有用である。図８Ａ及び図８Ｂは、アクチュエータの平坦（図８Ａ）及び半円筒形（図８Ｂ）実施形態６０の代表的な図を示しており、これらは平坦又は僅かに湾曲した表面及びシャフトそれぞれに対して用いられる。
【００６２】
しかしながら、これらアクチュエータの電気機械材料が歪エネルギー変換により作動するのに対し、本発明の用途は、アクチュエータ面を介する歪カプリングを超えて広がり、アクチュエータにより作用する動き、トルク又は力を全体として利用する多数の特別な機械的構造を含んでいる。これら実施形態それぞれにおいて、基本的な帯状またはシェル状にシールされたアクチュエータは、頑丈で弾力がある機械要素として使用され、長さに沿って１つ又はそれ以上の点でピン留め又は接続されている。図９に示すように、電気的に作動させると、帯片は、単独で或いは他の要素と共に、自己動作レバー、フラップ、リーフスプリング、スタック、又はベローズとして機能する。図９（ａ）から図９（ｑ）の図では、要素Ａ、Ａ’、Ａ”．．．は、上記図中に示すような帯片即ちシートアクチュエータであり、小さな三角形は、例えば構造体に対する固定取り付け点又は接続点に対応する固定位置又はピン留め位置を示している。矢印は、動き又は動作の方向、或いはこのような動作に関する接点を示し、一方Ｌはアクチュエータに取り付けられたレバー、Ｓはスタック要素又はアクチュエータを示している。
【００６３】
スタック、ベンダー、又はピン留めベンダーとしての図９（ａ）から図９（ｃ）の構成は、多くの従来型アクチュエータに置き換えることができる。例えば、カンチレバービームは、針を支えて高度に制御された単軸変位を提供して、ペンプロッタの高度に線形で大きな変位位置決め機構を構成することができる。特に興味深い機械的特性及び作動特性は、多重要素構成９（ｄ）以下から期待でき、それは或るシート範囲を有し機械的に頑丈なアクチュエータを利用している。このように、図９（ｄ）及び図９（ｅ）に示すように、ピン対ピンベローズ構成は、カメラの焦点合わせのような用途の場合の単純な面接触移動による広範且つ精密な単軸Ｚ移動位置決めにとって有用であり、又は流体に対する全面軸受の動きを利用することによる蠕動型ポンプの実施に有用である。図３に関連して指摘したように、可撓性回路はコンプライアンスが高いので、ヒンジ付き又は折り畳み型の縁部は、図３の中心線のような位置に沿って単に折り曲げるだけで作ることができ、少数の大型多重要素アクチュエータユニットで密閉ベローズアッセンブリを作ることができる。可撓性回路構造なので、アクチュエータ要素の帯片又はチェッカーボードは、隣接する要素の対と対の間に折り畳み線を付けて配置することができ、この折り畳み線は、硬化処理段階の間に、輪郭付けられた（例えば、ワッフルアイロン）プレスプラテンを使って薄く刻印することができる。この様な構造を使えば、全体に継ぎ目のないベローズ、又は他の折り畳み型アクチュエータを、１つの可撓性回路アッセンブリから作ることができる。
【００６４】
上記のように、圧電要素は、剛性の高いセラミック要素である必要はなく、可撓性回路をセンサーとしてのみ使用する場合、セラミック要素、又はＰＶＤＦのような軟らかい材料の何れも使用できる。ポリマーの場合には、要素を連結するのに、硬い硬化性エポキシ結合層ではなく、薄くてしなやかな低温接着剤を使用する。
【００６５】
本発明の或る実施例を下に例示する。
【実施例１】
【００６６】
本例において、振動制御システムは、ガントリのアクティブ制御システムの機能的要件の或るパラメータを求めるために設計された。定義された機能的要件には以下のものが含まれる（が、それらに限定されるわけではない）。
・精度
・整定時間
・アクチュエータ及びセンサーの質量、大きさ、及び位置
・パワー
・ピーク歪
・寿命
・温度範囲
・湿気及び溶剤への露出
・費用
・現行のガントリ制御システムとのインタフェース
【００６７】
作動中のガントリの構造的応答に関するデータを収集するために、ガントリには圧電歪センサーと加速度計のアレイを装備した。圧電アクチュエータの配置と寸法決めには正確な歪モード形状情報が必要で、それはこのデータから得て有限要素モデル（ＦＥＭ）と比較した。プロジェクトのこの局面で得られた１片の重要な情報は、力学上の異なるヘッド位置の影響を包含するものであった。アクチュエータ設計と全ての制御ソフトウェア設計の両者は、振動制御が適用される時期、即ちヘッドがガントリに沿って移動している間、及び／又はヘッドがガントリ上の任意の位置に停止した後、によって左右された。
【００６８】
摩擦ブロックを定位置に設けた場合とそうでない場合の両方についてデータを捕捉し、摩擦ブロックを電動アクティブ振動制御システムに完全に置き換えた場合について、少なくとも可能性の分析的評価ができるようにした。
【００６９】
上記で得たデータを有限要素モデル化情報と併用して、システムレベルの設計を行なった。この設計には、アクチュエータ配置、センサーの型式、及び制御アルゴリズムの型式を含むシステムアーキテクチャを選択することが含まれた。上記のように、ガントリ力学に大きな影響を有する移動ヘッドにより、電動アクティブ振動制御システムの有効性は、動作制御システム内で使用可能な軌道情報を作成することによって改善された。この情報は、動作コントローラの回路の適切な位置に取り付けた単純なクリップリードで、動作制御システムに中継してもよい。例えば、容易にアクセスできることが多いモーター電流のプロットの様な情報を、振動制御システムに提供するようにしてもよい。
【００７０】
システムアーキテクチャを選択した後、振動制御の制御アルゴリズムを設計するため、及びその性能をシミュレートするために、システムの分析的「入力／出力」モデルを開発した。本システム設計は、コンプライアンスを確保するために機能的要件と比較された。この分析は、制御システムの各種構成要素、特にアナログセンサー信号調整電子機器、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ベースの制御装置、及び電動アクティブアクチュエータに必要な電圧と電流を提供するために使用されるパワー増幅器、に関する仕様を定義するのに供された。
【００７１】
次いで、各種電子機器構成要素を始めとする、電動アクティブ振動制御システムの各構成要素を設計した。電動アクティブアクチュエータ自体は、本願に明らかにした方法を使って製作した。各アクチュエータは標準的な品質制御法を使ってテストした。システム設計業務で考案した仕様に従って、全ての電子機器を製作し機能性とコンプライアンスについてテストした。
【００７２】
設計の重要な態様には、アクチュエータとセンサーをガントリと一体化することが包含されていた。例えば、所与のガントリについて、ガントリに沿うヘッドの動きと干渉が起こらないようにするため、０．５ｍｍのアクチュエータ厚さが決められる。次いで、ガントリ上のアクチュエータとセンサーを電子設備に接続するのに使用されるケーブルの型式を決定した。
【００７３】
この特定の例では、自動化されたＳＭＴ電子機器コレクト・アンド・プレース設備のガントリには、アクチュエータ、センサー、電子機器を装備し、プレート要素つきのＦＥＭを使って分析した。基本的なコンセプトを、図１０のブロック図に示すが、これには、ガントリに貼り付けた電動アクティブ歪アクチュエータ及びセンサーと共に、振動低減を行うために必要なパワー、信号、及びデジタル制御電子機器が含まれている。本研究の目的に限り、ヘッドはガントリの端部に固定されるものとした。アクチュエータの設置は真空貼り付け手順を使って行なった。
【００７４】
次いで「オープンループ」テストを行なった。オープンループテストは、信号をアクチュエータに注入してガントリの応答を測定し、この研究で先に行なった分析的モデル化を実験的に確認することを含んでいる。このテストは、ガントリとヘッドを静止させた場合と、ある「標準的な」軌道に沿って移動させた場合について行なった。ガントリ及びヘッド動作コントローラから振動制御システムに送られた（複数の）信号も、上記テスト中に測定した。電動アクティブアクチュエータは、振動の第１自然モードで最大歪エネルギーを有するガントリの表面積の１０％以上に亘って分散配置した。振動の最初の３モードの励起時における、アクチュエータ分散の有効性は、設計ソフトウェアを使ってモデル化した。全ての歪エネルギーの８０−８４％はプレート要素内にあり、プレートエネルギーの６２−７５％は伸び歪であるので、表面に貼った電動アクティブ制御装置によって補足することができる。従って、モード内の歪みエネルギーの少なくとも５２％が利用可能である。このエネルギーの幾らかは、移動ヘッドのフレーム／サポート内にある。図１３に示すように、伸び歪エネルギーを、所与量の電動アクティブ要素の性能を最大化するためにソートした。
【００７５】
構造モデルに減衰機能を加えた。ハンマーによる衝撃後のヘッドの加速度対時間をプロットしたところ、摩擦ブロックを定位置に配置した場合の第１モードで臨界減衰凡そ５％であることが示された。
【００７６】
標準的な線形二次調整器（ＬＱＲ）方式を用いてフィードバック制御を設計し、圧電作動制御電圧がアクチュエータ装置の限界を超えることのないようにした。閉フィードバックループ内の作動電圧は、ガントリの動きに伴う入力妨害力に比例する。ここで、ガントリは、ｙ方向（ガントリ軸に対し横向き）に、最大速度３ｍ／ｓに至るまで、一定の２５ｍ／ｓ2で加速するものと仮定した。１０ｋｇの質量に対応付けられたダランベール慣性力をヘッドの重心にかけた。この質量は、５ｋｇのヘッド質量に有効ガントリ質量５ｋｇを加えたものであった。
【００７７】
次いで、振動を制御したシステムの周波数及びタイムドメイン応答をシミュレートした後、減衰及び整定時間の改善を求めた。周波数応答は図１１にシミュレートしているが、ピック・アンド・プレースヘッドの下側の点でｙ方向に測定した。単位入力に対する動的応答の低減が、本図から明らかである。図１１並びに表Ｉに示すように、モード１閉ループ減衰は約１２％、モード２閉ループ減衰は約１１％、モード３閉ループ減衰は約１０％であった。同一点同一方向での時間応答を図１２にシミュレートしている。このシミュレーションは、電動アクティブ制御によって整定時間が劇的に短縮することを示している。この様に、非常に少ない付加質量で非常に効果的な制御を実現することができる。
【００７８】
表Ｉ：ガントリの構造力学パラメータ
2004524693.tif 000003
【００７９】
ＦＥＭからガントリ／ヘッドの構造力学特性を表Ｉに示す。ここで設計された代表的なアクチュエータ分散は、厚さが０．５ｍｍで、面積が３３０ｃｍ2、質量は１００ｇ未満であった。これも表Ｉに示す閉ループモデル減衰は、分析に含まれる全３モードの振動に関して、摩擦ブロック付のガントリに固有と仮定された５％値の少なくとも２倍である。この様に、振動振幅及び整定時間は著しく低減した。
【００８０】
図１４及び図１５に示すように、振動制御システムは、周波数応答及びゲイン制御に変化を誘発した。この研究では、減衰は１桁以上増えた。この増加は、数１０倍の配置精度増に相当する。
【００８１】
開ループテストに引き続いて、データを分析し、最終的な制御アルゴリズム設計を実行した。必要に応じ、アクチュエータとセンサーハードウェアは、機能的要件を伴うコンプライアンスを確保するよう変更してもよい。次いで、最終的な電動アクティブ振動制御システムの「閉ループ」テストを行なうことになる。閉ループテストは、一般的に、アクチュエータが少なくとも部分的にはセンサーで作られた信号によって駆動されている時に行う。
【００８２】
この研究は、ガントリの効果的且つ能動的な電動アクティブ振動制御が可能であることを実証した。
【実施例２】
【００８３】
本発明による振動制御システムをリソグラフィー機に使用した。図１６は、レーザー測定学システムにより記録されたエラー信号のパワースペクトル密度を示しているが、図示のように、振動制御システムの使用によって、７５から１２５Ｈｚの帯域ではシステム応答に３倍の低下が見られた。振動制御システムを使用したピークの低下は、従来の方式を使用して５０Ｈｚと２２５Ｈｚでのピークを下げた後、システムの画像ボケを２〜３倍抑えると期待できるはずである。代わりに、ある事例では、振動制御システムは、５０Ｈｚ又は２２５Ｈｚ又は他の周波数でピークを下げるために使用できる。画像ボケを抑えることにより、製作システムは、より微細なトレース寸法及び造形サイズを作ることができるようになり、造形配置の精度も改善される。
【００８４】
本発明の実施形態及び例についての上記説明は、本発明を適用する構造の範囲を実証するために提示したものである。当業者には理解頂けるように、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、上に述べた本発明について多くの修正及び変更を加えることができる。
【００８５】
ここに論じた本発明の追加的態様は、６自由度のリソグラフィー工具のウェーハステージを能動的に安定化する（その動作を制御する）ことに関している。図２２は、ウェーハステージ基部５０１とウェーハステージ５００の一例的な簡略化された２次元物理モデルを示している。このコンセプトは、３次元が関係する実際のシステムに対して容易に一般化される。
【００８６】
ステージと基部の質量はほぼ同じで、それぞれ約２００ｋｇである。ウェーハステージ基部は、長さ約１ｍｘ幅約１ｍｘ厚さ約０．１５ｍである。ウェーハステージは、長さ約１．２５ｍｘ幅約０．５ｍｘ厚さ約０．５ｍである。アクチュエータ（モーター）入力は符合ｕiで表され、ｉは特定のボイスコールモーターを表す。線形圧電セラミックモーターを含む代わりのアクチュエータも考えられる。センサー出力はｙiで表され、ｉはボイスコイル入力と関連するレーザー変位測定値を表す。本例では、代わりの出力センサー（線形可変変位トランスジューサ（ＬＶＤＴ）、加速計を含む）及びセンサー位置（ほぼ同配置、十分に同配置）も考えられる。システムに対する妨害（ｄiにより表される）には、オンボード妨害（モーター、ファン、フリーバランス・アームを含む）とオフボード妨害（地面振動、気流、熱変動を含む）が含まれる。
【００８７】
ウェーハステージ５００は、空気軸受から成る空圧システム５０２によりウェーハステージ基部上に支持されている。ウェーハステージ５００をウェーハ基部ステージ５０１に対してほぼ摩擦なしに移動できるようにするために、空気軸受が設けられている。ウェーハステージ基部５０１は、エアマウント５０３、５０４の空圧システムによって地面上に支持されている。エアマウントの物理的特性は、ばね（ｋ１）とダッシュポット（ｃ１）により表される。空気軸受の物理特性は、ばね（ｋ２）とダッシュポット（ｃ２）により表される。空圧システム５０３及び５０４は、ウェーハステージ５００とウェーハステージ５０１の地面に対する重量を相殺する。空圧システム５０３及び５０４は、ウェーハステージ基部５０１の沈下と傾きに関する低周波数（概ね数ヘルツ）制御を行う。加えて、基部ステージ５０１の高周波数制御が、ボイスコイルモーターＵ１、Ｕ２により行われる。通常、マイクロプロセッサシステム５１０を使用して、出力を感知し、マイクロプロセッサシステム５１０により実行される制御アルゴリズムの関数として入力を指示（操作）する。システム５１０は、リソグラフィーシステム要件に基づいて、ウェーハステージ基部５０１に対してウェーハステージ５００を移動し又は位置決めしようとする。例えば、リソグラフィーシステムでは、ウェーハ上の画像を露光する間、ウェーハステージ５００の一定の走査動作を行う必要がある。代わりに、リソグラフィーシステムは、ウェーハステージを別の位置に配置し直すため、ウェーハステージ５００の急激な加速を指示するかもしれない。ウェーハステージ５００は、速度、精度、及び／又は整定時間の要件に合致するようにこれらの移動を行なうことが要求されることになる。整定時間とは、絶対位置に対し或る許容ばらつき内で所与の位置を実現するのに要する時間をいう。（２ｇまでもの）非常に高加速度で上記所定の動作をすることにより、基部に伝達される大きな反力が発生する。更に、上記動作は、基部ステージシステムの重力の複合中心の位置を高速で変化させる。現在では、基部安定化制御は、６つの独立した単入力単出力（ＳＩＳＯ）コントローラを実装することを通してマイクロプロセッサ５１０によって実現される。通常、ＳＩＳＯコントローラは、特定の用途で各自由度毎に１つ使用される。典型的な３次元システムは、各独立制御式システム構成要素又はステージ毎に、６自由度を持つことができる。ＳＩＳＯコントローラは、基部に対するステージ位置の変動に影響されやすい。これは、個々のコントローラには付加的な出力情報が与えられないからである。或る実施形態では、ここに説明する発明は、多重入力多重出力コントローラ（ＭＩＭＯ）を使用して、基部に対するステージ位置の変動があっても、ＳＩＳＯ実装のものよりも良好な性能を実現する。ＭＩＭＯ実装のものでは、制御は、２つ以上のセンサー（出力）とアクチュエータ（入力）の出入力を知って実行される。更に、ＭＩＭＯ制御アーキテクチャを使えば、線形二次ガウス（ＬＱＧ）、Ｈ無限、及びミュー合成を含む現代の制御技術を実行することができるが、これらに限定されるわけではない。上記技術は、ＳＩＳＯアーキテクチャとは効率よく組み合わせることができない。
【００８８】
図２３は、ＭＩＭＯコントローラが、如何に巧くロールモメントに対する指示された入力（ステージピッチ妨害）に追従することができるか（ＡＣＸロールモーメントコマンドにより示す）を、ＳＩＳＯ制御装置の典型的な性能（名目上のロールモーメントコマンドにより表される）と比較して示している。このように、妨害力に対し非常に素早く反応することができ、妨害力をシステムから排除する。これは、ステージの速度、精度、又はスループットの或る種の組み合わせを改善する。
【００８９】
リソグラフィーシステムにおけるステージ制御用途の別の実施形態では、システムが指示された位置を正確に追跡するための整定時間を短縮することが望まれていた。図２４は、その実施形態を説明するブロック図である。この実施形態では、３つの加速度計６００、６０１、６０２をフィードバック制御用のセンサーとして使用している。加速度計６００及び６０１は、ｘ軸方向の加速度を測定する加速度計を表している。加速度計６０２はｙ軸方向の加速度を測定する単一の加速度計を表している。概ね加速度に比例するこれらの測定値は、信号コンディショナ６０６に送られ、信号コンディショナ６０６は信号をバッファして、ステージの加速度に概ね比例した信号をシングルボード・コンピュータ６０７に送る。代表的なシングルボード・コンピュータは、カリフォルニア州シミバレーに事務所を置くＩｎｎｏｖａｔｉｖｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ社により供給されているモデルＳＢＣ６７である。このプロセッサは、高性能自立型デジタル信号プロセッサ・シングルボード・コンピュータであり、アナログ入出力能力を特徴としている。電圧信号６１２ａ、ｂ、ｃは、アナログ入力に入力される。これらアナログ入力は、次いで、デジタル信号に変換され、それに対してプロセッサは制御アルゴリズムを提供してフィルターを掛ける。このアルゴリズムは、デジタル信号のセットを作成し、それが次いでアナログ出力信号６１３ａ、ｂ、ｃ、ｄに変換される。これら出力信号は、次に４つのモーター６０８、６０９、６１０、６１１それぞれに適用される。モーター６０８と６０９は、ステージのｘ軸方向の位置を制御するｘ軸モーターである。モーター６１０と６１１は、ステージのｙ軸方向の位置を制御するｙ軸モーターである。Ｘ軸干渉計６０３とＹ軸干渉計６０４を使用して、ステージの基部に対するステージのｘ及びｙ方向の位置を測定する（簡潔性を期して図示を省略している）。
【００９０】
フィルタ（フィードバック制御アルゴリズム）は、標準的な線形二次調整器方式を使用して設計し、モーター制御信号がモーター又はモーター増幅器限界を超えないことを保証することができる。閉フィードバックループにおけるモーター制御信号は、ステージの加速度に関連付けられた加速度計６００、６０１、６０２の信号に比例している。制御設計は、先ず、マサチューセッツ州、ケンブリッジに事務所を置く、Ａｃｔｉｖｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｅｘｐｅｒｔｓ社から市販されているＳｍａｒｔ  ＩＤTMシステム識別ソフトウェアパッケージを使って、伝達関数データから状態対空間プラントモデルを作成することにより行った。フィルタ（又はコントローラ）は、Ｆａｎｓｏｎ及びＴｈｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ，Ｗｉｌｌｉａｍ  Ｓ．Ｌｅｖｉｎｅ，Ｅｄｉｔｏｒ，ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ，１９９６年に論じられている技術のコンピュータシミュレーション及び応用を使って設計した。
【００９１】
図２５及び２６は、この実施形態に適用されたＭＩＭＯ制御の実験的及び分析的結果を表している。ＭＩＭＯの結果を、代わりに複数のＳＩＳＯループを利用した場合の結果と比較している。図２６は、０．１５ｓと０．３０ｓの間の期間を拡大したときの結果を示している。本図は、ＭＩＭＯ制御が、約０．１９ｓで整定範囲内（概ねグラフのｙ軸上の１００）に落ち着くが、ＳＩＳＯ（現行のコントローラ）は、この性能に達するのに、約０．２６ｓも要することを示している。これは、整定時間が約３０％改善されていることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１Ａ】典型的な先行技術によるアクチュエータのシステム図である。
【図１Ｂ】本発明による２つのシステムの対応図の１つである。
【図１Ｃ】本発明による２つのシステムの対応図の１つである。
【図２Ａ】本発明による基本的なアクチュエータ又はセンサーカードの上面図である。
【図２Ｂ】本発明による基本的なアクチュエータ又はセンサーカードの断面図である。
【図２Ｃ】回路要素を備えたアクチュエータ又はセンサーを示している。
【図３】別のカードを示している。
【図４Ａ】図３のカードの断面図である。
【図４Ｂ】図３のカードの断面図である。
【図５】図３のカードの層構造の詳細を示した図である。
【図５Ａ】図３のカードの層構造の詳細を示した図である。
【図６】面内動作用のアクチュエータパッケージ櫛電極を示している。
【図７】図６のカードを使用したねじりアクチュエータパッケージを示している。
【図８Ａ】表面上に表面実装アクチュエータとして取り付けられたアクチュエータを示している。
【図８Ｂ】ロッド上に表面実装アクチュエータとして取り付けられたアクチュエータを示している。
【図９】機械要素として取り付けられたアクチュエータを示している。
【図１０】ガントリ用の電動アクティブ振動制御システムの実施例のブロック図である。
【図１１】電動アクティブ振動制御がある場合とない場合につき、ガントリの先端のコレクト・アンド・プレイスヘッドの周波数応答のシミュレーションを示した図である。
【図１２】電動アクティブ制御がある場合とない場合につき、コレクト・アンド・プレイスヘッドの時間応答のシミュレーションを示した図である。
【図１３】伸び歪エネルギー集中を示した図である。
【図１４】本発明による振動制御システムを有するピック・アンド・プレイス機の周波数応答に関する閉ループテストの結果を示した図である。
【図１５】本発明による振動制御システムを有するピック・アンド・プレイス機のゲイン制御に関する閉ループテストの結果を示した図である。
【図１６】リソグラフィー機のレーザー測定システムにより記録されるエラー信号のパワースペクトル密度を示す図である。
【図１７】製作システムで使用される、本発明の異なる実施例を示した図である。
【図１８】製作システムで使用される、本発明の異なる実施例を示した図である。
【図１９】製作システムで使用される、本発明の異なる実施例を示した図である。
【図２０】製作システムで使用される、本発明の異なる実施例を示した図である。
【図２１】製作システムで使用される、本発明の或る実施例を示した図である。
【図２２】ウェーハステージとウェーハステージ基部の単純化した２次元物理モデルを示す図である。
【図２３】コントローラの結果を示した図である。
【図２４】ステージ制御のブロック図である。
【図２５】実験と分析の結果を示した図である。
【図２６】実験と分析の結果を示した図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図５】
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【図９Ｉ】
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【図９Ｊ】
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【図９Ｋ】
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【図９Ｌ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004524693.tif 000136
2004524693.tif 000137
2004524693.tif 000138
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004524693.tif 000139
【国際調査報告】
2004524693.tif 000140
2004524693.tif 000141
2004524693.tif 000142