(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージ上にワークまたは試料を載置してビームを前記ワークまたは試料に照射するビーム照射装置において、
前記ステージがＸ軸ステージとＹ軸ステージとを有し、前記Ｘ軸ステージおよび前記Ｙ軸ステージがそれぞれ固定側と可動側とから成り、しかも前記Ｘ軸ステージおよび前記Ｙ軸ステージの固定側または可動側の駆動ユニットに圧電素子から成る少なくとも２組の駆動脚を設け、前記駆動脚の伸縮と湾曲との組合わせを前記少なくとも２種類の駆動脚について交互に行なうことによって前記可動側が送られ、前記ビームが照射されるワークまたは試料がＸ軸方向およびＹ軸方向に位置決めされることを特徴とするビーム照射装置。
【請求項２】
駆動脚が固定側または可動側に取付けられ、前記駆動脚を伸長させて先端部を可動側または固定側に摩擦係合させた状態で湾曲させると前記可動側が湾曲方向または逆方向に送られ、その後に前記駆動脚を収縮させて先端部を可動側または固定側から離間させた状態で反対方向に湾曲させると前記駆動脚が逆方向に変位するか元の位置に復帰することを特徴とする請求項１に記載のビーム照射装置。
【請求項３】
駆動脚が筒状をなす圧電素子から成り、前記圧電素子の内側表面と外側表面の内の一方に共通電極が形成されるとともに他方に少なくとも一対の駆動電極が形成され、
前記一対の駆動電極に同じ極性の電圧を印加すると前記圧電素子が軸線方向に伸縮し、前記一対の駆動電極に逆極性の電圧を印加すると前記圧電素子が湾曲することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のビーム照射装置。
【請求項４】
駆動脚が両端が連結されてほぼ平行に配される一対の直方体状の圧電素子から成り、該一対の圧電素子の厚さ方向に互いに対向する平面にそれぞれ電極が設けられ、
前記一対の圧電素子の電極に同じ極性の電圧を印加すると前記圧電素子が電極間の厚さ方向と直交する方向に伸縮し、前記一対の圧電素子の電極に逆極性の電圧を印加すると前記圧電素子が湾曲することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のビーム照射装置。
【請求項５】
電子ビームの描画装置であって、ステージ上のワークに対して電子ビームを照射してパターンを形成することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のビーム照射装置。
【請求項６】
電子顕微鏡であって、ステージ上の試料に対して電子ビームを照射して、該試料が発生する２次電子を検出することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のビーム照射装置。
【請求項７】
光ビーム照射装置であって、ステージ上のワークに対して光ビームを照射して所定のパターンを形成することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のビーム照射装置。
【請求項８】
イオンビーム照射装置であって、ステージ上のワークに対してイオンビームを照射して所定の加工を行なうことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のビーム照射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はビーム照射装置に係り、とくにステージ上にワークまたは試料を載置してビームを該ワークまたは試料に照射するビーム照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特公平３−８１１１９号公報によっていわゆる非共振型超音波モータから成る送り装置が提案されている。この送り装置は伸縮変形部と剪断変形部とを備える駆動脚によって可動子を送るようにしたものである。上記伸縮変形部を伸長させて剪断変形部の先端を可動側または固定側に接触させた状態で上記剪断変形部を剪断変形させると、固定側に対して可動側が剪断変形量に相当するストロークだけ送られる。そしてこの後に上記伸縮変形部を収縮させて駆動脚の先端を可動側または固定側から離間させた状態で剪断変形部を逆方向に剪断変形させる。このような動作を少なくとも一対の駆動脚について繰返すことにより、可動側を固定側に対して剪断変形の方向または逆方向に送ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のこのような非共振型超音波モータにおいて、駆動脚を構成する伸縮変形部および剪断変形部は何れもスタック式の圧電素子から構成されており、板状をなす圧電素子を何段にも重合わせるとともに接着剤によって接着して所定の寸法としていた。
【０００４】
従ってこのような従来の構造によれば、駆動脚を組立るために板状の圧電素子を複数段積重ねるとともに、互いに接着しなければならず、しかもそれぞれの圧電素子の電極に対して電圧を印加するための配線を必要としていた。従って構造が複雑になり、製造工数を要する問題があった。またこのような駆動脚から成る非共振型超音波モータを真空雰囲気中で使用すると、上記接着剤が気化してワークに付着する等の不具合が発生する問題があった。
【０００５】
また上記駆動脚の伸縮変形部は電極間の厚さ方向に分極するために、脱分極し難く、また脱分極しても電極間に電圧を印加することによって再分極が行なわれる。これに対して剪断駆動脚は電極間の厚さ方向と直交する方向に分極するために、使用すると次第に脱分極するとともに、再分極が難しい問題があった。
【０００６】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、構造が簡潔で製造工数が少なく、真空雰囲気中で使用しても接着剤が気化することがなく、また脱分極が起り難い非共振型超音波モータを応用したステージ装置を備えるビーム照射装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願の主要な発明は、ステージ上にワークまたは試料を載置してビームを前記ワークまたは試料に照射するビーム照射装置において、
前記ステージがＸ軸ステージとＹ軸ステージとを有し、前記Ｘ軸ステージおよび前記Ｙ軸ステージがそれぞれ固定側と可動側とから成り、しかも前記Ｘ軸ステージおよび前記Ｙ軸ステージの固定側または可動側の駆動ユニットに圧電素子から成る少なくとも２組の駆動脚を設け、前記駆動脚の伸縮と湾曲との組合わせを前記少なくとも２種類の駆動脚について交互に行なうことによって前記可動側が送られ、前記ビームが照射されるワークまたは試料がＸ軸方向およびＹ軸方向に位置決めされることを特徴とするビーム照射装置に関するものである。
【０００８】
ここで駆動脚が固定側または可動側に取付けられ、前記駆動脚を伸長させて先端部を可動側または固定側に摩擦係合させた状態で湾曲させると前記可動側が湾曲方向または逆方向に送られ、その後に前記駆動脚を収縮させて先端部を可動側または固定側から離間させた状態で反対方向に湾曲させると前記駆動脚が逆方向に変位するか元の位置に復帰してよい。またここで駆動脚が筒状をなす圧電素子から成り、前記圧電素子の内側表面と外側表面の内の一方に共通電極が形成されるとともに他方に少なくとも一対の駆動電極が形成され、前記一対の駆動電極に同じ極性の電圧を印加すると前記圧電素子が軸線方向に伸縮し、前記一対の駆動電極に逆極性の電圧を印加すると前記圧電素子が湾曲するようにしてよい。あるいはまた駆動脚が両端が連結されてほぼ平行に配される一対の直方体状の圧電素子から成り、該一対の圧電素子の厚さ方向に互いに対向する平面にそれぞれ電極が設けられ、前記一対の圧電素子の電極に同じ極性の電圧を印加すると前記圧電素子が電極間の厚さ方向と直交する方向に伸縮し、前記一対の圧電素子の電極に逆極性の電圧を印加すると前記圧電素子が湾曲してよい。
【００１０】
またビーム照射装置が電子ビームの描画装置であって、ステージ上のワークに対して電子ビームを照射してパターンを形成するものであってよい。あるいはまた電子顕微鏡であって、ステージ上の試料に対して電子ビームを照射して、該試料が発生する２次電子を検出するものであってよい。また光ビーム照射装置であって、ステージ上のワークに対して光ビームを照射して所定のパターンを形成するものであってよい。またイオンビーム照射装置であって、ステージ上のワークに対してイオンビームを照射して所定の加工を行なうものであってよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図示の実施の形態によって説明する。まずビーム照射装置のステージに利用される駆動ユニットの駆動脚の構成を説明する。駆動脚２０は図１および図２に示すように円筒状の圧電素子から構成される。そして円筒状圧電素子２０の内側の表面にはその全周に延びるように共通電極２２が形成される。これに対して円筒状圧電素子２０の外周面上には円周方向に４分割された駆動電極２３が形成される。そして圧電素子２０は図２に示すように半径方向に分極される。
【００１２】
このような圧電素子２０において、総ての駆動電極２３にマイナスの電圧を印加すると、この圧電素子２０が伸長する。これに対して総ての駆動電極２３に対してプラスの電圧を印加すると、圧電素子２０が収縮する。従って駆動電極２３に印加する電圧の極性を変えることにより、この圧電素子２０を伸縮動作させることができる。
【００１３】
これに対して圧電素子２０を湾曲動作させる場合には図３に示すように、共通電極２２に共通に電圧が印加される。また外周側の駆動電極２３については、互いに隣接する９０度位相のずれた駆動電極２３が共通に電圧が印加されるとともに、残りの２つの隣接する駆動電極２３には同じ極性または逆極性の電圧が印加される。また圧電素子２０は図４に示すように、その先端側に、ルビーのような耐摩擦摩耗性に優れた耐摩耗部材２４が固着される。耐摩耗部材２４には、可動子を送る方向と直交する方向に延びるように突条２５が形成され、この突条２５が摩擦係合によって可動子を蹴るようになっている。
【００１４】
図４Ｂに示すように軸線方向の長さがＬで直径がＤで、円筒の肉厚がｔの圧電素子について変形量を計算する。いまこの圧電素子２０の外周側の一対の駆動電極２３に絶対値が等しくしかも極性の異なる電圧±Ｖを印加すると、両側で変形量が異なるために図５に示すように湾曲する。これは分極方向への変形に伴い、その材質がもつポアソン比で決定される直交方向の変形、すなわちｄ３１パラメータによる変形を応用する。なおここで変位はヒステリシスを無視して計算する。
【００１５】
プラスの電圧が印加された駆動電極２３側では高さ方向の寸法が短くなる。これに対してマイナスの電圧が印加された駆動電極２３側においては高さ方向の寸法が伸長される。なお図５に示す状態は左側にマイナスの電圧が印加され、右側にプラスの電圧が印加された場合である。
【００１６】
上記のような左右の伸長と圧縮とによって圧電素子２０が湾曲するが、この湾曲の曲率は非常に小さいために、Ｌ＝ρ・θと、△Ｌ＝θ・Ｄ／２関係がそれぞれ成立する。また曲率による横方向の変位が△ｘにほぼ等しいために、
△ｘ＝ρ（１−ｃｏｓθ）＝ρ・θ２  ／２＝Ｌ・△Ｌ／Ｄ
ここで圧電素子の等価圧電定数から、
△Ｌ＝Ｖ・ｄ３１・Ｌ／ｔ
よって次の式が成立する。
【００１７】
△ｘ＝Ｌ２  ・Ｖ・ｄ３１／（Ｄ・ｔ）
これに対して一対の駆動電極２３に同じ極性の電圧を加えると、上記△Ｌの式から直接
△ｙ＝Ｌ・Ｖ・ｄ３１／ｔ
が導出される。この式によって伸縮量が計算できる。
【００１８】
図５に示す変形は圧電素子２０が湾曲する撓み変形であるが、このような撓み変形のみでは駆動脚２０としての必要な動作を期待し得ない。すなわちこのような湾曲動作に伸縮動作を加えることによって駆動脚２０が成立する。そこで伸縮のための一対の駆動電極２３に対する同極性の電圧と湾曲のための一対の駆動電極２３に対する異なる極性の電圧とを重畳して印加する。さらに圧電素子２０の対向電極に印加される電圧極性を以下のように切換えて行けば、図５に示すような送り方向の変位に伸縮モードを重畳できる。すなわち
（＋／＋）同相→（＋／−）逆相→（−／−）同相→（−／＋）逆相
この動作を繰返すことによって人間が歩行するときのように駆動脚２０を変形させて可動子を送ることが可能になる。
【００１９】
このときの圧電素子２０の送り量と伸縮量はそれぞれ次のように表わされる。
【００２０】
最大スライド量△ｘ＝Ｌ２  ・Ｖ・ｄ３１／（Ｄ・ｔ）
最大伸縮量△ｙ＝Ｌ・Ｖ・ｄ３１／ｔ
いま圧電素子２０の軸線方向の長さＬおよび直径Ｄをそれぞれ１０ｍｍおよび５ｍｍとし、肉厚ｔを０．５ｍｍとし、ｄ３１＝−３．３オングストローム／Ｖとし、１００Ｖの電圧を印加したときのスライド量と伸縮量とを求めたところ、△ｘ＝５．６μｍ、△ｙ＝２．８μｍの値が得られた。湾曲による最大振れ幅は、２△ｘ＝１１．２μｍとなる。従って従来の非共振型超音波モータのアクチュエータと比較して約３〜５倍の変位を持つアクチュエータが得られる。
【００２１】
図８はこのような円筒状圧電素子から成る駆動脚２０の駆動電極２３に図１０に示すような正弦波状の電圧あるいは図１１に示すような矩形波状の電圧を印加し、これによって駆動脚２０に対して湾曲する変形と伸縮する変形とを行なわせるとともに、両者を組合わせることによってアクチュエータとしたときの動作を示している。なおこのときの駆動脚２０の先端側の耐摩耗部材２４の突条２５の位置の変化が図９に示される。
【００２２】
駆動脚２０の駆動電極２３に対して正弦波状電圧あるいは矩形波状電圧の何れを加えた場合にも、駆動脚２０は送り方向での湾曲する変形と長さ方向の伸縮変形との複合された動作を行なう。従ってこの駆動脚２０を伸長させた状態でその先端側の突条２５を可動子に摩擦係合させて湾曲した変形を行なわせると、可動子が湾曲変形の方向へ送られる。そしてこの後駆動脚２０を収縮させてその先端側の突条２５を可動子から離間させる。そしてこのような状態で元の位置へ復帰させる。このような状態を繰返すことによって、可動子の送りが達成される。
【００２３】
図１２に示すように全長が２０ｍｍであって直径が５ｍｍの駆動脚２０を試作し、このような駆動脚２０に対して図１３に示すような±１００Ｖの正弦波状の電圧を印加したところ、図１２に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸にそれぞれ変形し、図１４に示すような値が得られた。ここで送り方向の変位△ｘは位相３の値と位相７の値の差に等しいから、＋５．５−（−５．５）＝１１．０μｍとなる。また伸縮量△ｚは位相０と位相４の差に等しいから、伸縮量△ｚ＝２．２−（−１．８）＝４．０μｍとなる。
【００２４】
そこで上述のように円周方向に９０度毎に４つの駆動電極２３を備えた円筒型圧電素子から成る一対の駆動脚２０を用いるとともに、駆動電極２３に対して正弦波状の電圧を印加したときの状態を図１５および図１６に示す。すなわち一方の駆動脚Ａの互いに隣接する第１の対の駆動電極Ａ１、Ａ２に正弦波状の駆動電圧を印加するとともに、残りのもう１組の駆動電極Ｂ１、Ｂ２に対して９０度位相が遅れた正弦波状の電圧を印加する。またもう一方の駆動脚Ｂについては駆動電極Ａ１、Ａ２に１８０度位相が遅れた正弦波状の電圧を印加し、これに対してもう１組の駆動電極Ｂ１、Ｂ２には２７０度位相が遅れた正弦波状の電圧を印加している。このときの各駆動脚の動作は図１６に示すようになる。すなわちＡ脚とＢ脚は互いに交互に可動子を送るように運動する。従ってこれら一対のＡ、Ｂ両脚から成る駆動脚２０を用いることによって、アクチュエータが成立する。
【００２５】
なお上記の例は２種類の駆動脚Ａ、Ｂによる駆動の例であるが、３種類以上の駆動脚の組合わせで駆動することもできる。この場合の各駆動脚間の位相差は、
位相差＝３６０°／（駆動脚の種類の数）
となる。
【００２６】
次に図１７〜図１９によって別の実施の形態の駆動脚２０について説明する。上述の如く駆動脚２０は圧電素子の伸縮運動と送り方向への湾曲運動の組合わせによってその目的を達成する。従って共通電極２２は必ずしも９０度間隔で円周方向に沿って４個所に設ける必要はなく、図１７および図１８に示すように円周方向に１８０度間隔で２個所に設けるようにしてよい。
【００２７】
この実施の形態は上記実施の形態における駆動脚２０の駆動電極２３を構成するＡ１電極およびＡ２電極を共通にするとともに、Ｂ１電極およびＢ２電極を共通にしたものである。このような実施の形態によると、駆動電極２３の数が半分になるために、駆動電極２３に電圧を印加するための配線が半分になる利点がある。しかもこのような実施の形態によっても、上記の４つの駆動電極２３を設けた駆動脚２０とほぼ同一の原理によって可動子を送ることが可能になる。
【００２８】
図２０はさらに別の実施の形態の駆動脚２０を示している。この駆動脚２０は一対の直方体状圧電体４７、４８を組合わせたものである。これらの圧電体４７、４８の基端側は取付け板４９に固着される。また圧電素子４７、４８の先端側の部分は耐摩耗部材２４に連結される。そしてこれら一対の圧電素子４７、４８が互いに平行な位置関係を保持した状態で組立てられるようになる。しかもこれらの直方体状圧電素子４７、４８にはそれぞれの一方の面に共通電極２２が、他方の面に駆動電極２３が設けられる。
【００２９】
一対の直方体状圧電素子４７、４８の駆動電極２３にともにマイナス側の電圧を印加すると図２１Ａに示すように一対の圧電素子４７、４８が伸長する。これに対して両方の圧電素子４７、４８の駆動電極２３にプラス側の電圧を印加すると図２１Ｂに示すように一対の圧電素子４７、４８が収縮し、駆動脚２０が収縮する。
【００３０】
また圧電素子４７の駆動電極２３にプラス側の電圧を印加し、圧電素子４８の駆動電極２３にマイナス側の電圧を印加すると、図２１Ｂに示すように左方に湾曲する。また圧電素子４７の駆動電極２３にマイナス側の電圧を印加するとともに、圧電素子４８の駆動電極２３にプラス側の電極を印加すると図２１Ｄに示すように右方へ湾曲する。
【００３１】
従ってこのような直方体状圧電素子４７、４８から成る駆動脚２０の伸縮運動と湾曲運動の組合わせによって円筒状の駆動脚２０と同様の動作を達成することが可能になる。しかもこのような直方体状圧電素子４７、４８を用いると、その変形が梁の理論によって解析されるために、動作解析が容易になる利点がある。
【００３２】
次に以上のような駆動脚２０を用いたステージの構成について説明する。このステージは、精密送りのためのＸ−Ｙステージ装置に関するものである。このステージ装置は図２２に示すようにＸ軸ベース８と、Ｘ軸ステージ９と、Ｙ軸ベース１０と、Ｙ軸ステージ１１とから構成されている。Ｘ軸ステージ９はＸ軸ベース８上においてＸ軸方向に移動可能に支持されている。そしてＸ軸ステージ９上にＹ軸ベース１０が固定されている。そしてＹ軸ステージ１１はＹ軸ベース１０にＹ軸方向に移動可能に支持されている。このような構成によって、２軸ステージ、すなわちＸ−Ｙステージを可能にしている。
【００３３】
図２３〜図２６はＸ軸ベース８とＸ軸ステージ９との組合わせ、すなわちＸ軸ベース８上においてＸ軸ステージ９をＸ軸方向に移動するための機構を示している。これに対して図２７〜図３０はＹ軸ステージ１１をＹ軸ベース１０に対してＹ軸方向に移動可能に支持する機構を示している。これらＸ軸方向の送り機構およびＹ軸方向の送り機構は同様の構造をなしているので、ここでは図２７〜図３０に示すＹ軸ステージ１１の移動機構について説明する。
【００３４】
Ｙ軸ベース１０上には、その両側に一対のレール１２が設けられている。これに対してＹ軸ステージ１１の下面にはとくに図２９および図３０に示すように、その両側にレール１３が設けられている。ベース１０側のレール１２とステージ１１側のレール１３とはとくに図３０に示すように、その側面が互いに対向するように位置し、しかもこれらのレール１２、１３間に転動子１４が介装されるようになっている。そしてレール１２、１３、および転動子１４によっていわゆるクロスローラが構成されるようになっており、このようなクロスローラによってＹ軸ステージ１１はＹ軸ベース１０上をレール１２、１３の長さ方向すなわちＹ軸方向に摺動可能に支持される。
【００３５】
ベース１０上には図２７および図３０に示すように、互いに対向するように一対の駆動ユニット１８が配される。これらの駆動ユニット１８はその両側の部分を押え板１９によってベース１０に固定される。そしてこれら一対の駆動ユニット１８は駆動脚２０を有している。なおこれらの駆動脚２０は伸縮変形と湾曲変形とを行なうものである。
【００３６】
両側の駆動ユニット１８の駆動脚２０によって挟着されるように、ステージ１１の下面には図２７および図３０に示す角柱状をなすセラミック板から成る可動子２７が取付けられている。従ってこのような可動子２７を駆動ユニット１８の駆動脚２０によって送ることにより、可動子２７が取付けられているステージ１１がレール１２、１３に案内されながら可動子２７の長さ方向すなわちＹ軸方向に移動するようになる。
【００３７】
このようなステージ１１あるいは可動子２７の移動を図２８〜図３０に示すリニアスケール２８で検出するようにしている。リニアスケール２８は上記可動子２７の下面に固着されている。そしてこのようなリニアスケール２８を検出する検出ヘッド２９がベース１０上に取付けられている。すなわち検出ヘッド２９はヘッドベース３０に保持されるとともに、このヘッドベース３０がベース１０の開口３１に臨むように取付けられている。
【００３８】
次にこのようなステージ１１のストロークを検出する検出装置について説明する。ベース１０上には図２７に示すように、レール１２に近接する位置にリミットセンサ３５が設けられている。そしてこのリミットセンサ３５は図３０に示すように、ステージ１１の下面にブラケット３６を介して取付けられている被検出板３７を光学的に検出するようになっている。
【００３９】
上述の如く図２３〜図２６に示すＸ軸ステージ９の移動機構もＹ軸ステージ１１の上述の移動機構とほぼ同一の構成になっている。なおここでとくにＸ軸ステージ９上にはＹ軸ベース１０とＹ軸ステーシ１１とが載置されるために送りの際の負荷が増大する。このような負荷の増大に対応して、図２３に示すように、可動子２７を駆動するために、その両側にそれぞれ一対ずつの駆動ユニット１８を設けるようにしている。それ以外の構成は上記Ｙ軸ステージ１１の駆動機構と同様である。
【００４０】
次に上記駆動ユニット１８の駆動回路の構成を図３１によって説明する。駆動ユニット１８の２組の駆動脚２０は制御回路４１および対応する駆動回路４２、４３を介して駆動されるようになっている。制御回路４１を介して駆動回路４２、４３により駆動ユニット１８の駆動脚２０の駆動電極２３にそれぞれ所定の正弦波電圧または矩形波電圧を加えることによって、駆動脚２０が駆動力を発生し、このような駆動力に基いて可動子２７が送り方向に駆動され、この可動子２７が取付けられているステージ１１が送り方向に移動される。そしてこのときの移動量がリニアスケール２８および検出ヘッド２９によって検出され、検出回路４５を通して制御回路４１にフィードバックされる。従って制御回路４１はステージ１１の移動量をフィードバック制御しながら所定の位置へ送るようになる。
【００４１】
次に以上のような構成のステージ装置のＹ軸ベース１０上のＹ軸ステージ１１の送り動作について説明する。図３１はベース１０上に設けられている駆動ユニット１８によってステージ１１を駆動する機構を原理的に示している。ここで駆動ユニット１８の一対の駆動脚２０の駆動電極２３に互いに逆相で１８０度位相がずれた電圧が印加されるようになっており、これら一対の駆動脚２０の先端部が交互にステージ１１の可動子２７を蹴るようにしてステージ１１をＹ軸方向に送るようにしている。
【００４２】
ここで駆動脚２０の一対の駆動電極２３に同極性のマイナスの電圧が加えられると伸長し、この駆動脚２０の先端側の部分が可動子２７に接触する。そしてこの状態において上記のマイナスの電圧に重畳して一対の駆動電極２３に逆極性の電圧を印加して湾曲変形させることによって、駆動脚２０の先端部が送り方向に変形して可動子２７に駆動力を与える。なおこのときに反対側の駆動脚２０の駆動電極２３にプラスの電圧が印加されているために、駆動脚２０はその先端部が可動子２７から離間している。そしてこのように先端部が可動子２７から離間している駆動脚２０の一対の駆動電極２３に上記プラスの電圧に重畳して逆極性の電圧が印加され、次の駆動に備えて逆方向に湾曲する。
【００４３】
このような動作が２組の駆動脚２０に交互にかつ順次繰返されることによって、可動板２７を有するＹ軸ステージ１１が図３１において矢印で示すＹ軸方向に移動される。なおこのときにレール１２および転動子１４によってステージ１１の案内が行なわれる。
【００４４】
このような駆動ユニット１８の駆動脚２０による可動子２７の駆動によって、可動子２７が取付けられているＹ軸ステージ１１が図２７〜図２９において横方向、すなわちＹ軸方向に移動される。そしてこのようなステージ１１の移動は、可動子２７の底部に取付けられているリニアスケール２８の目盛をベース１０の開口３１の部分にヘッドベース３０を介して取付けている検出ヘッド２９によって読取られるようになる。
【００４５】
従ってこのことから、駆動ユニット１８によって移動されるステージ１１の位置がリニアスケール２８および検出ヘッド２９によって検出される。またこのときのステージ１１の最大ストロークは、ベース１０側に設けられている一対のリミットセンサ３５によって検出される位置で規制される。Ｙ軸方向にステージ１１が大きく移動すると、被検出板３７がリミットセンサ３５を検出し、その位置でステージ１１の駆動が停止する。従ってこれにより、クロスローラを構成する一対のレール１２、１３間に配されている転動子１４が脱落することがない。
【００４６】
以上の動作はＹ軸ステージ１１の駆動動作であるが、図２３〜図２６に示すＸ軸ステージ９も同様に駆動される。すなわちベース８上に設けられている左右一対ずつであって合計４個の駆動ユニット（図２３参照）によってＸ軸ステージ９をＸ軸方向に駆動することによって、Ｘ軸ステージ９がＸ軸方向に駆動されるようになる。従ってこのようなＸ軸ステージ９のＸ軸方向の駆動とＹ軸ステージ１１のＹ軸方向の駆動とによって、Ｘ−Ｙステージが構成され、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の任意の位置決めが行なわれる。
【００４７】
次に上記のステージを適用した電子ビーム描画装置について図３２により説明する。ここでは電子ビームによる描画が行なわれるシリコンウエハ５２をステージ６５上に載置する。そしてこのシリコンウエハ５２に対して電子ビームを照射して描画を行なうものである。
【００４８】
描画装置は電子銃５３と、集束レンズ５４と、第１絞り５５と、投影レンズ５６と、成形偏向器５７と、第２絞り５８と、高速副偏向器５９と、対物レンズ６０と、高精度主偏向器６１とから構成される。
【００４９】
以上のような構成において、第１絞り５５と第２絞り５８の重なりにより可変成形ビームを形成する。また第１絞り５５と第２絞り５８の間に配された成形偏向器５７によってビームの重なりを変え、寸法の異なるビームをダイナミックに発生する。図３２に示す実施の形態はとくに鍵穴型の第２絞り５８を用いることによって、直角二等辺三角形のビームが発生でき、斜め線描画が高速に行なえる利点がある。
【００５０】
投影レンズ５６によって縮小されたアパーチャ像は高精度主偏向器６１と高速副偏向器５９によって位置決めされる。主偏向器６１は大偏向が可能であるが偏向スピードが遅く、副偏向器５９は小偏向であるが偏向スピードが速い。主偏向器６１は１８〜２０ビット、副偏向器５９は１２〜１４ビットの分解能を有する。主偏向器６１の分解能はほぼ２０ビットであり、位置決め量子化誤差を１ｎｍとすれば、偏向領域は約１ｍｍとなる。偏向領域を大きくすると位置決め量子化誤差が増大するために、両者のバランスを考えて適正な値に設定される。
【００５１】
ステージ６５の駆動にはステップアンドリピート方式と連続移動方式とが存在する。ステップアンドリピート方式においては、ステージ６５を静止した状態で電子ビームを偏向走査し、シリコンウエハ５２上にパターンを描画する。そして主偏向領域の描画が終了したならば、ステージ６５が次の描画領域まで移動する。この動作の繰返しによって大領域の描画が行なわれる。
【００５２】
このようなステージ６５によるシリコンウエハ５２の移動のポイントは、主偏向領域をできる限り大きくし、ステージ６５の移動回数を低減することである。例えば１５０×１５０ｍｍの描画領域を２×２ｍｍの偏向領域で描画するには、５６２５回のステージ移動が発生する。ステージ６５の速度を２０ｍｍ／秒としても、１回のステージ移動に０．１秒必要になり、全体で６５２秒、すなわち１０分間程度の時間が必要になる。それ故にこの方式では、できる限り１回の描画の偏向領域を広くすることが課題になる。
【００５３】
これに対してステージ連続移動方式は、ステージ６５の移動のための無駄時間が少なく、小偏向を用いることができる。小偏向の場合には位置決め量子化誤差を低減でき、高精度描画に有利になる。
【００５４】
図３３は上記実施の形態のステージ６５を走査電子顕微鏡に応用した例を示している。ここでステージ６５は真空排気される試料室６６内に配され、しかもその上には試料６７が載置される。試料６７上に電子銃６８によって電子ビームを照射し、このときに発生する２次電子を検出することによって試料６７の表面形状を観察する。
【００５５】
電子銃６８は真空容器であって加熱フィラメント６９を備え、この加熱フィラメント６９の下側にウエーネルト７０を備えている。そして上記ウエーネルト７０の下側にアノード７１が配され、さらにその下側にはコンデンサレンズ７２が設けられている。コンデンサレンズ７２の下側には偏向コイル７３が配され、その下側に対物レンズ７４が配置される構造になっている。
【００５６】
上記試料室６６に検出側端部が臨むように２次電子検出器７６が設けられている。そしてこの検出器７６の出力端は増幅器７７に接続されるとともに、増幅器７７が陰極線管７８の電子銃に接続されている。陰極線管７８は偏向コイル７９を備え、この偏向コイル７９が走査電源ユニット８０によって駆動されるようになっている。なおこの走査電源ユニット８０は顕微鏡側の偏向コイル７３と共通に用いられる。すなわち走査電源ユニット８０は可変抵抗８１を介して上記偏向コイル７３に接続されている。また陰極線管７８のスクリーン面上に写出された画面をカメラ８２によって促えるようにしている。
【００５７】
以上のような構成によって、電子銃６８から出た電子ビームをコンデンサレンズ７２によって絞るとともに、陰極線管と同じように偏向コイル７３で電子ビームを走査させる。そして電子ビームを対物レンズ７４で焦点合せを行なってステージ６５上の試料６７に当てると、試料６７の表面の状態を反映した２次電子が試料６７から発生する。ここで言うレンズ７４は光学顕微鏡のガラスレンズではなく、電磁レンズ、すなわちコイルから構成される。
【００５８】
ステージ６５上の試料６７に電子ビームを当てたときに試料６７から放射される２次電子を２次電子検出器７６によって捉える。そして２次電子の量を陰極線管７８の明るさに変換するとともに、電子銃６８の偏向コイル７３による電子ビームの走査と陰極線管７８の偏向コイル７９による電子ビームの走査とを同期させることによって、陰極線管７８のスクリーン面上に拡大像が現われる。そしてこのような走査電子顕微鏡の倍率は、陰極線管７８のスクリーン上の画面の幅と、試料６７上で電子ビームが走査される幅の比となる。
【００５９】
このような走査型電子顕微鏡において、とくにステージ６５として上記実施の形態のものを用いることによって、電子ビームが照射される位置をＸ軸方向およびＹ軸方向に高精度に制御することが可能になり、試料６７の目的とする表面状態を正確に観察することが可能になる。
【００６０】
図３４は上記ステージ６５を用いたレーザビーム照射装置から成るエキシマレーザステッパを示している。この装置はレーザ管８５、反射ミラー８６、補助レンズ８７、走査レンズ８８、走査ミラー８９、走査レンズ９０、コンデンサレンズ９１、レチクル９２、および対物レンズ９３から構成される。
【００６１】
レーザ管８５から出射されたエキシマレーザ光は反射ミラー８６によって反射され、補助レンズ８７を通って走査レンズ８８で平行光に変換される。そして走査ミラー８９によって平行光が走査方向に振られる。そしてこの後に走査レンズ９０によって絞られ、コンデンサレンズ９１によって集束され、レチクル９２を通過して対物レンズ９３によって再び平行光に変換され、ステージ６５上のシリコンウエハ５２に照射される。従ってシリコンウエハ５２上の感光層の所定の位置を選択的にかつ高精度に露光することが可能になる。
【００６２】
次に上記ステージ６５を適用したイオンビーム照射装置から成る集束イオンビーム加工装置について図３２により説明する。この装置はその上端に取付け台９６を備え、この取付け台９６内にイオン源９７を配するようにしている。そしてその下側には順次エミッション制御電極９８、中間加速電極９９、陰極１００、軸合わせ偏向器１０１、マスフィルタ１０２、イオン種選択絞り１０３、非点補正子１０４、軸合わせ偏向器１０５、対物レンズ１０６、対物レンズ絞り１０７、走査偏向器１０８を備えている。
【００６３】
以上のような構成において、エミッション制御電極９８に電圧を印加することによって取付け台９６のイオン源９７からイオンが放射される。イオンは加速電極９９および陰極１００によって加速され、偏向器１０１で軸合わせが行なわれる。そしてマスフィルタ１０２およびイオン種選択絞り１０３を通過し、補正子１０４によって非点補正が行なわれるとともに、偏向器１０５によって軸合わせが行なわれ、対物レンズ１０６によってステージ６５のシリコンウエハ５２に対して焦点を合わせ、走査偏向器１０８によって走査させながらイオンビームをシリコンウエハ５２上に照射させるようにしている。
【００６４】
この種の集束イオンビーム装置は、スポットから出たものがスポットに絞れるという原理を応用し、ターゲット上でのスポット径を１０〜１００ｎｍにするものである。そして微小スポットのイオンビームをシリコンウエハ５２上で走査させることによって、パターンマスクなしでウエハ５２の所望の位置にイオン注入を行なったり、加工パターンを描くことが可能になる。しかもこの装置はイオンを２０〜２００ＫｅＶに加速することができ、イオン種を変えることによって除去加工やイオン注入プロセスを行なうことができる。しかもステージ６５によってシリコンウエハ５２を高精度に位置制御できるために、イオンビームによる高精度の除去加工またはイオン注入加工が達成される。
【００６５】
以上本願発明を図示の実施の形態によって説明したが、本願発明は上記実施の形態によって限定されることなく、本願に含まれる発明の技術的思想の範囲内において各種の変更が可能である。例えばビーム照射装置としては、上述のビーム照射装置に限定されることなく、その他各種のビーム照射装置に広く適用可能であって、例えばレーザ光を用いた光学顕微鏡であってもよい。
【００６６】
【発明の効果】
本願の主要な発明は、ステージ上にワークまたは試料を載置してビームをワークまたは試料に照射するビーム照射装置において、ステージがＸ軸ステージとＹ軸ステージとを有し、Ｘ軸ステージおよびＹ軸ステージがそれぞれ固定側と可動側とから成り、しかもＸ軸ステージおよびＹ軸ステージの固定側または可動側の駆動ユニットに圧電素子から成る少なくとも２組の駆動脚を設け、駆動脚の伸縮と湾曲との組合わせを少なくとも２種類の駆動脚について交互に行なうことによって可動側が送られ、ビームが照射されるワークまたは試料がＸ軸方向およびＹ軸方向に位置決めされるようにしたものである。
【００６７】
従ってこのようなビーム照射装置によれば、圧電素子から成る駆動脚の伸縮と湾曲の組合わせによってステージの可動側が送られ、しかも圧電素子の振動(共振)を利用するものではないために、ワークまたは試料を正しく位置決めすることが可能になり、位置決めされた試料またはワークに対してビームが照射される。従って高精度のビーム照射が可能になる。しかもここではステージの可動側を駆動する駆動脚が伸縮と湾曲を行なえばよいために、構造が簡潔で製造工数の少ない圧電素子から駆動脚を構成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】駆動脚を構成する円筒状圧電素子の正面図および側面図である。
【図２】同圧電素子の分極の方向を示す平面図である。
【図３】圧電素子に対する電圧の印加を示す斜視図である。
【図４】駆動脚の外観斜視図および正面図である。
【図５】駆動脚の湾曲の動作を示す断面図である。
【図６】駆動脚の正面図および湾曲の動作を示す縦断面図である。
【図７】駆動脚の湾曲動作と伸縮動作との組合わせを示す縦断面図である。
【図８】駆動脚の１サイクルの動作を示す正面図である。
【図９】駆動脚の先端部の軌跡を示す正面図である。
【図１０】駆動脚に印加される正弦波電圧の波形図である。
【図１１】駆動脚に印加される矩形波電圧の波形図である。
【図１２】試作した駆動脚の正面図および斜視図である。
【図１３】駆動脚に実際に印加された正弦波状の電圧の波形図である。
【図１４】図１２に示す駆動脚に電圧を印加したときの変形量を示す表である。
【図１５】駆動脚の駆動電極に加えられる電圧波形である。
【図１６】一対の駆動脚の変形動作を示す正面図である。
【図１７】別の実施の形態の駆動脚を構成する圧電素子の平面図および断面図である。
【図１８】同駆動脚の分極の方向を示す平面図である。
【図１９】駆動脚に対する電圧の印加を示す斜視図である。
【図２０】さらに別の実施の形態の駆動脚の外観斜視図である。
【図２１】同駆動脚の伸縮動作を示す正面図である。
【図２２】Ｘ−Ｙステージの分解斜視図である
【図２３】Ｘ軸ステージ装置のベースの平面図である。
【図２４】Ｘ軸ステージ装置の図２３におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図２５】Ｘ軸ステージの底面図である。
【図２６】Ｘ軸ステージ装置の図２３におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図２７】Ｙ軸ステージ装置のベースの平面図である。
【図２８】Ｙ軸ステージ装置の図２７におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【図２９】Ｙ軸ステージの底面図である。
【図３０】Ｙ軸ステージ装置の図２７におけるＤ−Ｄ線断面図である。
【図３１】駆動ユニットを駆動する駆動回路のブロック図である。
【図３２】電子線描画装置の要部斜視図である。
【図３３】走査電子顕微鏡の要部縦断面図である。
【図３４】レーザビーム露光装置の正面図である。
【図３５】イオンビーム加工機の要部斜視図である。
【符号の説明】
８  ベース（Ｘ軸）
９  ステージ（Ｘ軸）
１０  ベース（Ｙ軸）
１１  ステージ（Ｙ軸）
１２  レール（ベース側）
１３  レール（ステージ側）
１４  転動子
１８  駆動ユニット
１９  押え板
２０  駆動脚（円筒状圧電素子）
２２  共通電極
２３  駆動電極
２４  耐摩耗部材
２５  突条
２７  可動子（セラミック板）
２８  リニアスケール
２９  検出ヘッド
３０  ヘッドベース
３１  開口
３５  リミットセンサ
３６  ブラケット
３７  被検出板
４１  制御回路
４２、４３  駆動回路
４５  検出回路
４７、４８  直方体状圧電素子
４９  取付け板
５２  シリコンウエハ
５３  電子銃
５４  集束レンズ
５５  第１絞り
５６  投影レンズ
５７  成形偏向器
５８  第２絞り
５９  高速副偏向器
６０  対物レンズ
６１  高精度種偏向器
６５  ステージ
６６  試料室
６７  試料
６８  電子銃
６９  加熱フィラメント
７０  ウエーネルト
７１  アノード
７２  コンデンサレンズ
７３  偏向コイル
７４  対物レンズ
７６  ２次電子検出器
７７  増幅器
７８  陰極線管
７９  偏向コイル
８０  走査電源ユニット
８１  可変抵抗
８２  カメラ
８５  レーザ管
８６  反射ミラー
８７  補助レンズ
８８  走査レンズ
８９  走査ミラー
９０  走査レンズ
９１  コンデンサレンズ
９２  レチクル
９３  対物レンズ
９６  取付け台
９７  イオン源
９８  エミッション制御電極
９９  中間加速電極
１００  陰極
１０１  軸合わせ偏向器
１０２  マスフィルタ
１０３  イオン種選択絞り
１０４  非点補正子
１０５  軸合わせ偏向器
１０６  対物レンズ
１０７  対物レンズ絞り
１０８  走査偏向器
【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】
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【図８】
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【図９】
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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１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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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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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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