(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の脚部を胴部によって連結した構成を有する振動体と、
該振動体を振動させて前記各脚部の先端を楕円振動させる圧電素子と、
前記各脚部のそれぞれの先端部に設けられた摺動部材と、
前記胴部の長手方向に沿って配置されて前記摺動部材のそれぞれに圧接されており、該摺動部材が前記圧電素子によって振動されることにより前記胴部の長手方向に沿って直線駆動されるレールと、
該レール上に固定されたステージ面とを備えた駆動ステージを有し、
該駆動ステージの前記ステージ面上に試料が載置されて、真空中において、前記試料が電子線によって露光される露光装置であって、
前記摺動部材の材料が、マルテンサイト・ステンレス鋼を焼入れしたステンレス鋼であって、ビッカーズ硬度が９００、融点が１５００℃、表面粗さＲａが０．１以下になっており、
前記レールの材料がアルミナであって、ビッカーズ硬度が１８００、融点が２０００℃、表面粗さＲａが０．１以下になっていることを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密位置決めが可能な超音波モータ、この超音波モータを駆動源として用いた駆動ステージ及びこの駆動ステージを用いた露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密な位置決めが可能なアクチュエータの一従来例として、特開平６−２８４７５５号公報に記載された超音波モータがある。図４はこの超音波モータ１を示しており、１対の脚部２、２’は胴部３によって連結され、全体として略コの字形状の振動体４を形成している。振動体４の上面における角部には、例えば４５度の角度をなす面取りが施されており、各面取りが施された面を取り付け面として振動付与手段である圧電素子５、５’が、図示しない所望の接着剤等の適宜な接合部材により固着されている。
【０００３】
各脚部２、２’の先端（下端）と対向する位置には、被駆動体としての薄板状のレール６が設置され、案内ローラ７によりレール６は胴部３の長手方向に沿って移動可能とされている。また、胴部３は図示しないばねによってレール６に向けて一定圧力（予圧）で押圧されている。
【０００４】
このような構成において、圧電素子５、５’に図示しない配線部材によって交番電圧を印加すると、振動体４の脚部２、２’の先端が楕円振動し、この運動がレール６に伝達され、レール６の直進運動をもたらし、本超音波モータ１はリニアアクチュエータとして機能する。
【０００５】
ところで、この種の超音波モータ１において、その駆動トルクは、脚部２、２’の先端とレール６との間の摩擦力に強く依存すると従来より考えられてきた。そこで、従来の超音波モータ１においては、図４に示すように脚部２、２’の先端にポリイミド、炭素繊維強化プラスチック等の摩擦係数の大きい摩擦材８、８’を付加して使用している。
【０００６】
本発明者等も、従来の超音波モータ１が大気中では安定に動作し、高精度の位置決めが可能であることを確認している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような従来の超音波モータ１は、一例として、電子線露光装置の精密駆動ステージの駆動源として用いられ、そこでは略真空中（５×１０-6Ｔｏｒｒ、一般的には１×１０-7Ｔｏｒｒ〜１×１０-3Ｔｏｒｒ）で超音波モータ１を使用することになる。
【０００８】
なお、電子線露光装置の精密駆動ステージの駆動源として、超音波モータ１を使用するのは、精密駆動ステージの位置決め精度を０．１μｍ以下の良好な値に維持できるからである。また、精密駆動ステージの移動速度は、最高１００ｍｍ／ｓｅｃ以上であるが、通常は５ｍｍ／ｓｅｃ程度である。更に、超音波モータ１の駆動周波数は９０ｋＨｚ（一般的には、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）、駆動電圧は５Ｖ〜１５Ｖである。
【０００９】
そこで、本発明者等は、略真空中での使用を試みたところ、数時間は良好に動作したが、その後、超音波モータ１が停止し、動作不可能になることを確認した。
【００１０】
動作不可能となった後の超音波モータ１を詳細に調査したところ、脚部２、２’先端の摩耗材８、８’がレール６の表面に融着し、いわゆる移着膜を形成していることが確認された。
【００１１】
これは、略真空中での使用中に、超音波モータ１の先端とレール６との間の高い摩擦力によって当接面（摺動面）が局部的に発熱し、摩耗材８、８’が融解するに至ったためであると考えられる。実際、ポリイミドを摩耗材として用いた場合、その熱分解温度は最高でも５００℃程度であり、融解することが確認された。特に、略真空中では当接面からの熱の発散が小さく、大気中の揚合と比較して当接面が局部的に高温になり、摩耗材８、８’を融解させるに至ったものと推察される。
【００１２】
このように移着膜が形成された状態では、当接面における摩擦が小さいため、超音波モータ１の駆動トルクがレール６に十分に伝達されず、超音波モータが停止してしまったわけである。
【００１３】
また、動作不可能となった後の超音波モータ１では、摩耗材８、８’の摩耗が著しく、削りとられた摩耗材８、８’が発熱によって融解し、移着膜の形成を促進させてしまったものと推察される。削りとられた摩耗材８、８’は細かい顆粒状もしくは粉状であり、固体状の場合以上に容易に融解したものと考えられる。
【００１４】
本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、大気中のみならず、略真空中で使用する場合であっても、駆動トルクを電子線露光装置等の露光装置で用いられる駆動ステージ等の被駆動体に確実に伝達できる超音波モータを提供することを目的とする。
【００１５】
本発明の他の目的は、このような超音波モータを駆動源として用いる駆動ステージ及びこの駆動ステージを用いた電子線露光装置等の露光装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の露光装置は、一対の脚部を胴部によって連結した構成を有する振動体と、該振動体を振動させて前記各脚部の先端を楕円振動させる圧電素子と、前記各脚部のそれぞれの先端部に設けられた摺動部材と、前記胴部の長手方向に沿って配置されて前記摺動部材のそれぞれに圧接されており、該摺動部材が前記圧電素子によって振動されることにより前記胴部の長手方向に沿って直線駆動されるレールと、該レール上に固定されたステージ面とを備えた駆動ステージを有し、該駆動ステージの前記ステージ面上に試料が載置されて、真空中において、前記試料が電子線によって露光される露光装置であって、前記摺動部材の材料が、マルテンサイト・ステンレス鋼を焼入れしたステンレス鋼であって、ビッカーズ硬度が９００、融点が１５００℃、表面粗さＲａが０．１以下になっており、前記レールの材料がアルミナであって、ビッカーズ硬度が１８００、融点が２０００℃、表面粗さＲａが０．１以下になっていることを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００２５】
以下に本発明の作用について説明する。
【００２６】
上記のように、超音波モータの摺動部材を融点、若しくは熱分解温度が６４０℃以上の高融点材料で形成し、この超音波モータを電子線露光装置の駆動ステージの駆動源として、略真空中で使用する場合を仮定すると、超音波モータの先端である摺動部材とレールとの当接面に高い摩擦力が働き、当接面が局部的に発熱した場合であっても、摺動部材が融解することはない。従って、略真空中よりも当接面が高温にならない大気中での使用はもとより、真空中での使用においても超音波モータは安定に動作する。
【００２７】
なお、本発明が適用される露光装置は電子線露光装置に限定されるものではなく、真空中で使用される露光装置全般に広く適用することができる。
【００２８】
また、上記の摺動部材をビッカース硬度４９０以上の高硬度の材料で形成する場合も、大気中での使用はもとより、真空中での使用においても超音波モータは安定に動作する。その理由は、このような高硬度の材料で摺動部材を構成すると、動作中に摺動部材の表面に穎粒状もしくは粉状物質が発生しないため、それに起因する移着膜の形成促進が起こらないからである。
【００２９】
なお、本発明の超音波モータを駆動源として用いる駆動ステージにおいては、被駆動体の摺動部材との当接面、即ち被駆動体側の摺動部材を融点、若しくは熱分解温度が６４０℃以上の高融点材料又はビッカース硬度４９０以上の高硬度の材料で形成することも可能であり、このような構成によれば、移着膜の形成促進を一層効果的に抑制できるので、実施する上でより好ましいものになる。
【００３０】
融点、若しくは熱分解温度が６４０℃以上の高融点材料又はビッカース硬度４９０以上の高硬度の材料としては、上記のアルミナ、チタニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア、鉄、ステンレス、アルミニウム、ニツケル、クロム、チタン、マンガン、タングステンカーバイド、チタンカーバイド又はボロンナイトライドから選択された単一材料若しくは相当組成材料若しくはこれらを含む合金が好ましい。
【００３１】
なお、従来の摩擦係数の高い材料を大気中で用いた場合と比較しても、本発明の超音波モータを真空中で使用したときの駆動トルクは同等であることが確認された。これはおそらく、真空中では大気中と比較して摩擦係数が大きいということを意味していると考えられる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
【００３３】
（超音波モータの実施形態）
図１は本発明超音波モータの実施形態を示す。この超音波モータ１は、その先端に設けられた摺動部材１０より駆動トルクを被駆動体であるレール１１の当接面、つまり摺動面に伝達し、これによりレール１１を図上左右方向に往復移動させるために用いられる。
【００３４】
この超音波モータ１及びレール１１において、超音波モータ１の摺動部材１０、１０’及びレール１１の材料が異なる他は、図４の従来例と同様であるので、対応する部分に同一の符号を付し、重複する説明は省略し、以下では異なる部分についてのみ説明する。
【００３５】
本実施形態において、振動体４の材料はアルミニウムであり、脚部２、２’の先端面（下端面）に接着剤を用いて摺動部材１０、１０’を貼着した。本実施形態では、摺動部材１０、１０’としてステンレス鋼を用いた。一方、レール１１の材料はアルミナである。
【００３６】
摺動部材１０、１０’及びレール１１の表面は表面粗さＲａが０．１以下となるように研磨した。ここで、摺動部材１０、１０’として用いたステンレス鋼は、マルテンサイト・ステンレス鋼を焼入れして硬度を高めてあり、ビッカース硬度は約９００である。また、融点は１５００℃以上である。一方、レール１１として用いたアルミナのビッカース硬度と融点はそれぞれ１８００、２０００℃である。
【００３７】
上記構成において、電子線露光装置と同様の略真空中で本実施形態の超音波モータ１の動作試験（真空度、超音波モータ１の駆動周波数、駆動電圧等の条件は、上述の場合と同様）を行ったところ、１万時間の連続動作においても安定であった。即ち、超音波モータ１は停止しなかった。これは、超音波モータ１とレール１１の当接面がともに高融点、かつ、ビッカース硬度の高い材料を用いたためと考えられる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、振動体４の脚部２、２’先端の摺動部材１０、１０’としてステンレス鋼を、被駆動体であるレール１１にはアルミナを用いたが、その他の材料についても動作試験を実施した。
【００３９】
その結果、アルミナ、チタニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア、鉄、ステンレス、アルミニウム、ニッケル、クロム、チタン、マンガン、タングステンカーバイド、チタンカーバイド又はボロンナイトライドから選択された単一材料若しくは相当組成材料若しくは合金を摺動部材１０及びレール１１の材料に用いた場合も動作は良好であった。
【００４０】
なお、ニッケルとしては、電気ニッケルメッキの場合、ビッカース硬度が約４９０、無電解ニッケルメッキではビッカース硬度は約５３０となった。これらの場合も動作は安定であり、ビッカース硬度が約４９０以上であれば当接面に移着膜を発生せず、動作は安定であることを確認できた。
【００４１】
即ち、ビッカース硬度が約４９０以上の材料を摺動部材１０、１０’とレール１１のいずれか一方に用いる場合は、他方に融点、若しくは熱分解温度が６４０℃以上若しくはビッカース硬度４９０以上の材質を用いることにより良好な動作が得られることを確認できた。
【００４２】
また、無電解ニッケルメッキした後に窒素中で４００℃、３時間の熱処理を施したところ、ビッカース硬度は１１００となり、動作はさらに安定した。なお、ビッカース硬度が４５０の鉄材を用いた場合、動作は安定しなかった。
【００４３】
一方、摺動部材１０、１０’の材料として、従来同様のポリイミド（融点約５００℃）を用いたところ、レール１１の材料を変化させても、すべて動作は数時間で不可能となった。これに対して、上記材料を用いた場合は、すべて動作は安定であった。
【００４４】
また、振動体４の脚部２、２’先端の摺動部材１０、１０’又はレール１１のいずれか一方にアルミニウム合金、より詳細には７０００系合金（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金、融点６４０℃、ビッカース硬度１５０）を用いたところ、レール１１又は摺動部材１０の他方に上記材料のいずれを用いても動作は安定であった。即ち、融点６４０℃以上の材料を摺動部材１０、１０’又はレール１１のいずれか一方に用いれば、他方に融点６４０℃以上若しくはビッカース硬度４９０以上の材質を用いることにより良好な動作が得られることが確認された。
【００４５】
また、超音波モータの振動体４の脚部２、２’の先端に設けられた摺動部材１０、１０’に融点６４０℃以上又はビッカース硬度４９０以上の材質のものを用いたところ、レール１１の材質によらず８０００時間以上良好な動作が行えることを確認できた。
【００４６】
その理由は、超音波モータの摺動部材１０、１０’は常にレール１１と接触しながら動作するため、レール１１と比較して発熱が大きく、本発明の効果が特に大きく現れるためと思われる。一方、レール１１の接触面は後述の駆動ステージが移動するに伴って変化するため、局部的な発熱は起こりにくい。
【００４７】
従って、超音波モータの摺動部材１０、１０’に融点６４０℃以上又はビッカース硬度４９０以上の材質のものを用いると、上記従来例と比較して良好な特性が得られるのである。なお、レール１１の材質として、上記の条件を満たすものを用いると、上述のように特性を更に一層向上できる。
【００４８】
なお、本発明が適用される超音波モータは、上記構成の超音波モータに限定されるものではなく、「日本工業技術振興協会固体アクチュエータ研究部会編、精密制御用ニューアクチュエータ便覧第２章」に記載された他の形状の超音波モータ、例えば、Ｙ型超音波リニアアクチュエータ或いは回転型超音波モータ等にも同様に適用することが可能である。
【００４９】
（電子線露光装置及び駆動ステージの実施形態）
図２は本発明を適用した電子線露光装置を示す。この電子線露光装置は、上端部に設けられた電子銃２０で電子線を発生させ、この電子線を集束レンズ２１、対物レンズ２２及び図示しない微小絞りを用いて試料２５上で微小径に集束させ、且つ電子線を偏向コイル２３を用いて試料２５面上で走査し、試料２５上に任意パターンを露光させる装置である。
【００５０】
なお、試料２５には電子線に対して感度を有するレジストが予め塗布されており、露光後の現像工程により露光したパターンを露出させることができるようになっている。
【００５１】
ここで、図中２５が図１の超音波モータ１によって駆動される精密ステージであり、電子線露光装置全体は真空ポンプ２６で略真空状態に排気されており、この場合、真空中で超音波モータ１を使用することが前提となる。
【００５２】
図３はステージ部分を拡大したものである。即ち、図３は本発明駆動ステージを示す。この駆動ステージは、超音波モータ１同様の超音波モータ３０と、超音波モータ３０によって駆動され、ベースプレート３４上に立設されたガイド部材３３によって案内され、Ａ方向に往復移動可能になったレール３１と、レール３１の移動量をモニタするリニアスケール３２と、レール３１上に固定され、試料２５（図２参照）が載置されるステージ面（図示せず）で構成されている。
【００５３】
上記構成において、超音波モータ３０を動作させると、レール３１が超音波モータ３０の胴部の長手方向、つまりＡ方向に移動する。移動量はリニアスケール３２でモニタされ、ここでは回折格子からの光の反射を検知する光学式のリニアスケールによって０．０５μｍの精度で移動位置を検出している。
【００５４】
露光する試料２４はレール３１上に固定されたステージ面上に載置され、試料２５上の任意の位置に電子線を照射することができる。ここでは、１軸のみ図示したが、実際にはｘ、ｙ２軸方向に移動可能なステージを用いて露光を行った。
【００５５】
実際に露光した結果を顕微鏡で確認したところ、位置精度は０．１μｍが再現良く得られ、本ステージの有効性が実証された。また、長期間使用したのちも、装置は安定に動作し、本発明の効果が確認された。
【００５６】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明の超音波モータを使用すると、特に略真空中での動作が安定し、電子線露光装置等の露光装置の精密位置決めに有効な駆動ステージを実現できる。また、本発明の超音波モータは、大気中の使用においても動作は安定しており、通常のリニアアクチュエーターとしても有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波モータをレールと共に示す側面図。
【図２】図１の超音波モータを駆動源とする駆動ステージを備えた電子線露光装置を概略的に示す正面図。
【図３】本発明の駆動ステージを示す斜視図。
【図４】超音波モータの従来例をレールと共に示す側面図。
【符号の説明】
１、３０  超音波モータ
２、２’  超音波モータの脚部
３  超音波モータの胴部
４  振動体
５、５’  圧電素子
１０、１０’  摺動部材
１１、３１  レール
２０  電子銃
２１  集束レンズ
２２  対物レンズ
２３  偏向コイル
２４  超音波モータ駆動ステージ
２５  試料
２６  真空ポンプ
３２  リニアスケール
３３  ガイド部材
３４  ベースプレート
【図１】
0004067611.tif 000002
【図２】
0004067611.tif 000003
【図３】
0004067611.tif 000004
【図４】
0004067611.tif 000005