JP2009094284A - 圧電アクチュエータ駆動装置およびこれを用いた露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 冗長性がない積層型圧電アクチュエータを具備した駆動装置において、マイグレーションによる短絡が生じた場合でも装置を駆動させ続けることを可能とする。
【解決手段】 複数枚の圧電素子によって形成される積層体ブロック複数個を直列に配置し、積層体ブロックごとに陽極と陰極となる線路を持ち、各積層体ブロックを電気的に並列接続することで独立に電圧を印加することを可能とした。また、圧電アクチュエータに流れる電流を、正常値と比較することで絶縁不良や短絡を検出することを可能とした。さらに、絶縁不良や短絡を検出した積層体ブロックのみを駆動回路から切り離すことを可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層型圧電アクチュエータ駆動装置に関し、特に、積層型圧電アクチュエータの短絡を生じた部分を駆動回路から切り離して残部を引き続き動作可能にする駆動装置に関する。

現在、半導体露光装置などの位置決め装置では、ナノメートルレベルの微小な位置合わせ精度が要求されるため、その駆動装置では、高精度で応答性の高い圧電アクチュエータが搭載されている。

積層型圧電アクチュエータは、圧電セラミックスの薄い層と、電極層を交互に数百層ほど積層させた単純な構造をしており、陽極となる電極層に接続させた線路と陰極となる電極層に接続された一対の線路により分極を行い、電圧を印加するのが一般的である。

但し、積層型圧電アクチュエータは、一対の線路で電圧を印加するため、マイグレーションによる絶縁性低下により、一部の電極同士の短絡が生じる可能性がある。また、ピエゾ素子への結線に異常が生じる可能性もある。このような場合、圧電セラミックスに対して電圧を印加することができなくなり、アクチュエータとしての機能を失う恐れがある。

従来、積層型圧電アクチュエータの駆動不良を回避する機構としては、以下の技術が開示されている。

例えば特許文献１には、複数のピエゾアクチュエータが備わっている燃料噴射装置において、ピエゾ素子への結線異常が生じた場合でも駆動を可能とする技術が開示されている。具体的には、複数のピエゾアクチュエータとスイッチを１対１に接続することで、ピエゾやピエゾへの結線に異常が生じた場合でも、故障したピエゾに対応するスイッチをオフにするだけで残りのピエゾの駆動に影響が及ばないようにする。

また、特許文献２には、ピエゾアクチュエータの異常の有無を調べる技術が開示されている。この技術では、検出対象のピエゾに対し、正常駆動する参照用のピエゾを並列に接続し、はじめに参照用のピエゾに一定の電圧で充電して溜まった電荷を検出用ピエゾに放電する。そして、参照用のピエゾの電圧を調べることで他方のピエゾの異常判定を行う。
特開２００２−２５７０００号公報 特開２００２−１８５０５６号公報

しかし、上述の公知技術では、露光装置のような超精密な位置決め装置には、以下のような理由により適していない。
まず、露光装置には、多くの圧電アクチュエータが搭載されているが、精密な機構のため、使用される圧電アクチュエータに冗長性を持たせることが困難である。

また、ピエゾアクチュエータ内部でマイグレーションによる短絡が生じた場合は、故障と判断され、冗長性がない場合は、アクチュエータの交換が必要となる。しかし、露光装置の場合、アクチュエータの交換作業には、装置の運転を停止しなければならず、多大な時間とコストが掛かる。

現在の技術では、圧電アクチュエータのマイグレーションを完全に防止することは困難であるため、マイグレーションによる短絡が生じた場合でも装置を駆動させ続けることができるような駆動装置が要求されている。

本発明は、かかる課題に鑑みて、複数の積層体ブロックを直列に配置した積層型圧電アクチュエータにおいて、短絡を生じた積層体ブロックのみを駆動回路から切り離すことを可能とした駆動装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の積層型圧電アクチュエータ駆動装置は、圧電素子層と電極層とを交互に積層して形成される積層体ブロックであって前記各圧電素子層の充放電を並列になすべく前記電極層に陽極の線路と陰極の線路を接続した積層体ブロックを、前記積層体ブロックの伸縮方向に直列に配置した積層型圧電アクチュエータと、前記積層型圧電アクチュエータへ充放電電流を供給するための駆動回路と、前記各積層体ブロックの前記駆動回路との接続と切断を選択するスイッチ手段と、前記各積層体ブロックの電極または線路間の短絡または絶縁不良を検出する短絡検出手段と、前記電極または線路間の短絡または絶縁不良を検出した場合、前記スイッチ手段を用いて、短絡または絶縁不良を生じた積層体ブロックのみを前記駆動回路から切断する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、１つの積層型圧電アクチュエータを駆動回路から分離可能な複数のブロックに分けた構造とする。これにより、従来の積層圧電アクチュエータと比べ、正常状態での最大ストロークは同じでありながら、電極間の短絡によって圧電アクチュエータが全くストロークしなくなることを回避することができる。

本発明の好ましい実施の形態において、積層型アクチュエータは、複数枚の圧電素子によって形成される積層体ブロック複数個を直列に配置し、積層体ブロックごとに陽極と陰極となる線路を具備している。さらに、各積層体ブロックを電気的に並列接続することで独立に電圧を印加することを可能としている。
また、各積層体ブロックの導通と切断を選択するためのスイッチ手段は、各積層体ブロックと同じ数だけ接続されている。そして、各積層体ブロックの電極層間または線路間の絶縁不良や短絡を検出する短絡検出手段を有することにより、絶縁不良や短絡を生じた場合、該当する積層体ブロックのみを前記スイッチ手段を用いて駆動回路から切り離す。そのため、該積層型圧電アクチュエータの圧電作用は継続して利用することができる。
短絡または絶縁不良を生じた積層体ブロックの駆動回路からの切り離しは、そのブロックに接続されたスイッチ手段のみをオフにするだけでよく、他の正常な積層体ブロックの動作には影響を及ぼさない。また、スイッチ手段は、積層体ブロックと同じ数だけ用意すればよく、駆動回路の構成が簡単である。

前記短絡検出手段としては、以下のいずれかまたは双方の短絡検出手段を備える。先ず第１の短絡検出手段は、前記線路に供給される電流値または前記線路間の電圧値を検出する検出手段と、該電流値または電圧値を予め設定された基準値と比較する比較手段とを有する。そして、前記圧電素子層の充電または放電中の前記比較結果に基づいて前記短絡または絶縁不良の有無を検出する。例えば、電流値を検出する場合、絶縁不良や短絡が生じた圧電アクチュエータには、正常状態に対し非常に大きな電流が流れる。そこで、圧電アクチュエータに流れる電流を、正常値（基準値）と比較することで絶縁不良や短絡を検出することができる。

第２の短絡検出手段は、前記積層型圧電アクチュエータの変位量を測定する変位センサを備え、該積層型圧電アクチュエータの変位量を測定し、予め設定された基準値（第２の基準値）によって、絶縁不良や短絡の有無を検出する。すなわち、第２の比較手段により、変位量検出値と第２の基準値とを比較することで、絶縁不良や短絡の有無を検出する。これは、積層型圧電アクチュエータが正常の場合、印加電圧に対して一定の変位量となる。しかし、絶縁不良や短絡が生じた場合、該積層型圧電アクチュエータの印加電圧に対する変位量は、正常時に比べ小さくなる、または、変位量がゼロになる。このことから、該積層型圧電アクチュエータに絶縁不良や短絡が生じた場合、圧電アクチュエータの変位量を、正常値（第２の基準値）と比較することで絶縁不良や短絡を検出することができる。

前記制御手段は、前記積層型圧電アクチュエータに絶縁不良や短絡が生じた場合、前記スイッチ手段により前記積層体ブロックを１つずつ順に接続する。そして、前記短絡検出手段により絶縁不良や短絡を検出し、絶縁不良や短絡が生じた積層体ブロックを検出する。
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づき更に詳しく説明する。

［実施例１］
図１は、本発明の一実施例に係る積層型圧電アクチュエータの構造を示す。積層型圧電アクチュエータ１００は、薄板状の圧電セラミックス２と電極層３を交互に多数積み重ねて一体化させており、電極層３に接続されたリード線（線路）４（４−１、４−２、４−３）、５によって充放電がなされる。
積層型圧電アクチュエータ１００は、３つの積層体ブロック１（１−１、１−２、１−３）に分割されている。各積層体ブロック１は陽極となる電極層３に接続されたリード線４−１、４−２、４−３をそれぞれ具備し、陰極となる電極層３に接続されたリード線５は共通のリード線として１本具備する。そして、各積層体ブロックを電気的に並列に接続することを可能とし、各積層体ブロックの充放電を独立に扱うことを可能としている。なお、３つの積層体ブロック１−１、１−２、１−３は機械的には、積層体ブロックの伸縮方向に直列に配置した構成、すなわち各積層体ブロックの伸縮が加算される構成となっている。

図２は図１の積層型圧電アクチュエータ１００とその積層型圧電アクチュエータの短絡を検出するための検出手段を持つ駆動システムを示す。この駆動システムは、電圧供給源を持ち、積層型圧電アクチュエータ１００に充放電電流を供給するための充放電装置（駆動回路）２００と、各積層体ブロックの陽極側のリード線４にそれぞれ接続されたスイッチ手段とを備える。また、スイッチ手段に各スイッチ３００のＯＮ、ＯＦＦを制御するための制御信号を出力する手段たる制御装置４００と、圧電アクチュエータの陰極側のリード線から圧電アクチュエータの電流値を検出する手段たる電流検出装置５００とを備える。さらに、積層型圧電アクチュエータ１００の変位量を検出する手段たる変位検出装置６００とを備えている。電流検出装置５００は、ＣＰＵ７００内に構成され、検出電流値を所定の基準値と比較する比較手段とともに、第１の短絡検出手段を構成する。変位検出装置６００は、ＣＰＵ７００内に構成され、検出変位量を予め設定された第２の基準値と比較する第２の比較手段とともに、第２の短絡検出手段を構成する。なお、以下において、短絡とは、絶縁不良をも含む意味で用いるものとする。

図３は、積層型圧電アクチュエータの駆動手順と短絡を起こした積層体ブロックの有無を調べる手順である。ＣＰＵ７００は、充放電装置２００乃至変位検出装置６００の各動作を制御する。まず、ステップ１で、ＣＰＵ７００は、積層型圧電アクチュエータ１００に流れる電流を陰極側のリード線５に接続された電流検出装置５００で検出した電流値を、予め設定された基準電流値と比較し、その結果を制御装置４００に渡す。制御装置４００は、検出電流値が基準を満たしている場合、短絡を生じていないと判断する。基準を満たしている場合とは、例えば、基準電流値以下の場合である。または、２つの基準電流値の間の範囲を基準を満たしている場合とすることもできる。制御装置４００は、圧電アクチュエータ１００が正常と判断すると、ステップ２にて各ブロックのスイッチ３００をすべてＯＮにし、ステップ３にて電圧の印加、または放電を開始する。一方、検出電流値が基準を満たしていない場合、圧電アクチュエータ１００に短絡が生じたと判断し、アクチュエータの電圧の印加を中止する。この場合、手順は、ステップ５に移り、どの積層体ブロックに短絡が生じたのかが判定される。

ステップ３で、制御装置４００は圧電アクチュエータ１００に任意の電圧を印加し、駆動対象８００を駆動させる。ステップ４にて駆動対象８００に具備された変位検出装置６００は駆動対象８００の変位量（圧電アクチュエータ１００の変位量）をＣＰＵ７００へ渡す。ＣＰＵ７００は、電圧の印加量に対する圧電アクチュエータ１００の基準変位量と比較して結果を制御装置４００に渡す。さらに、電圧を印加する前と同様に、圧電アクチュエータ１００の電流を検出する電流検出装置５００も電流値をＣＰＵ７００へ渡し、ＣＰＵ７００は基準電流値と比較して結果を制御装置４００に渡す。圧電アクチュエータの変位量ならびに電流値が基準を満たしている場合、圧電アクチュエータ１００は正常とみなされる。しかし、どちらか一方でも基準を満たさなかった場合、圧電アクチュエータ１００に短絡が生じたと判断され、アクチュエータの電圧の印加を中止し、ステップ５の圧電アクチュエータ内のどのブロックに短絡が生じたのかを判定する手順に移る。圧電アクチュエータの変位量が基準を満たしていない場合とは、例えば、印加電圧に対する変位量が所定の範囲に入らない場合である。

次に、ステップ５の圧電アクチュエータ１００内のどのブロック１に短絡が起きたのかを検査する手順を説明する。まず、ステップ６にてブロックに接続されたすべてのスイッチ３００をＯＦＦにする。次に、ステップ７にて短絡が起きているか判定されていないブロックに接続されたスイッチ３００のうちの１つをＯＮにし、ステップ８にてテスト電圧を印加する。そして、ステップ９にてテスト電圧に対して流れる電流値と変位量を電流検出装置５００ならびに変位検出装置６００から読み取り、基準値と比較することで其のブロックに短絡が存在するかどうかの判定を行う。判定の結果、そのブロックに短絡が起きていない場合、そのブロックは、短絡判定済みとし、ステップ１１を経由し、次のブロックの判定に移る。しかし、判定の結果、そのブロックに短絡が生じていると判断された場合、ステップ１０にてそのブロックに接続されたスイッチの使用を停止することで、短絡を生じたブロックを駆動回路から切り離した状態にし、ステップ１２にて短絡の判定を行う手順を終了する。

本実施例によれば、１つの積層型圧電アクチュエータを駆動回路から分離可能な複数のブロックに分けた構造とし、短絡の生じたブロックのみを駆動回路から切り離すようにている。これにより、従来の積層圧電アクチュエータと比べ、正常状態での最大ストロークは同じでありながら、電極間の短絡によって圧電アクチュエータが全くストロークしなくなることを回避することができる点で優れている。例えば、一本の圧電アクチュエータの電極間に短絡が起こる確率をａとすると、従来の圧電アクチュエータが完全に機能しなくなる、すなわち故障する確率はａとなる。これに対して、本実施例により圧電アクチュエータをｎブロックに分割した場合、各ブロックで短絡が起こる確率はａ／ｎとなり、圧電アクチュエータが完全に機能しなくなる、すなわち全ブロックに短絡が起こる確率は、（ａ／ｎ）^ｎとなる。よって、従来に比べて信頼性が増加する。

［実施例２］
図４は、本発明を適用した露光装置内のレンズ駆動装置構成の一例である。レンズ７を光軸に対して平行駆動およびチルト駆動させるため、３本の積層型圧電アクチュエータ８ａ、８ｂ、８ｃが具備されている。ここでは、２つの積層体ブロックを直列に配列した構造を持つ積層型圧電アクチュエータを使用する。各積層型圧電アクチュエータには、積層体ブロックごとにスイッチ素子３００をひとつずつ接続されており、コントローラ（制御装置）４００の制御信号によりスイッチ素子のＯＮ、ＯＦＦを切り替えることができる。また、各積層型圧電アクチュエータの電流値を測定するために電流検出装置５００と接続されており、積層型圧電アクチュエータの電流値がＣＰＵ７００へ送られる。また、積層型圧電アクチュエータの変位量を測定するために３個の変位センサ９ａ、９ｂ、９ｃが具備されており、変位検出装置６００により各積層型圧電アクチュエータの変位量を測定することができ、測定した変位量がＣＰＵ７００へ送られる。ＣＰＵ７００は、電流検出装置５００および変位検出装置６００から送られる信号を受け取り、図３の手順に従い各積層型圧電アクチュエータの積層体ブロックの導通と切断の選択を行い、コントローラ４００に対して信号を送る。コントローラ４００は、ＣＰＵから受け取った信号に従い、各積層型圧電ピエゾアクチュエータに接続されたスイッチ素子３００のＯＮ、ＯＦＦの信号を出力する。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことは言うまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

［実施例３］
例えば、上述の実施例１および２では積層型圧電アクチュエータを２つおよび３つの積層体ブロックを直列に配置した構造としたが、当然任意の積層体ブロックを直列に配置してもよい。また、陰極および陽極のリード線４、５の配線方法は、電気的に並列接続可能であるならば、本数や形態にとらわれないものとする。また、本発明の駆動装置は、露光装置内のレンズ駆動装置に限定されるものではなく、ウエハ搭載ステージやマスク搭載ステージといった積層型圧電アクチュエータによって駆動されうるものであればいかなる駆動装置でも適用可能である。

実施例１および２では短絡を生じたブロックの切り離しにスイッチを使用したが、この手段に限られるものではない。例えばヒューズ等の保護切断手段を用いた場合でも同様の効果がある。

［実施例４］
次に、図５および図６を参照して、図４のレンズ駆動装置を適用した露光装置を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図５は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造方法を例に説明する。
ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンに基づいてマスク（原版またはレチクルともいう）を製作する。ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハ（基板ともいう）を製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、マスクとウエハを用いて、上記の露光装置によりリソグラフィ技術を利用してウエハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組立）は、後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組立工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、それが出荷（ステップ７）される。

図６は、ステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウエハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）では、ウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

本発明の一実施例に係る、複数の積層体ブロックを直列に配列した積層型圧電アクチュエータの構造を示す図である。 図１の積層型圧電アクチュエータを駆動するための駆動システムの概略図である。 図２の駆動システムにおいて積層体ブロックの短絡を検出するための手順を示すフローチャートである。 本発明を適用した露光装置内のレンズ駆動装置の構成を示す図である。 露光装置を使用したデバイスの製造を説明するためのフローチャートである。 図５に示すフローチャートにおけるステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。

符号の説明

１（１-１、１-２、１-３） 積層型圧電アクチュエータの積層体ブロック
２ 圧電セラミックス
３ 電極層（陽極、陰極）
４（４-１、４-２、４-３） 陽極側リード線
５ 陰極側リード線
６ レンズ駆動装置
７ レンズ（制御対象）
８ａ〜８ｃ 積層型圧電アクチュエータ
９ａ〜９ｃ 変位センサ
１００ 積層型圧電アクチュエータ
２００ 充放電装置
３００ スイッチ（スイッチ素子）
４００ 制御装置（コントローラ）
５００ 電流検出装置
６００ 変位検出装置
７００ ＣＰＵ
８００ 駆動対象

Claims (7)

1. 圧電素子層と電極層とを交互に積層して形成される積層体ブロックであって前記各圧電素子層の充放電を並列になすべく前記電極層に陽極の線路と陰極の線路を接続した積層体ブロックを、前記積層体ブロックの伸縮方向に直列に配置した積層型圧電アクチュエータと、
   前記積層型圧電アクチュエータへ充放電電流を供給するための駆動回路と、
   前記各積層体ブロックの前記駆動回路との接続と切断を選択するスイッチ手段と、
   前記各積層体ブロックの電極層間または線路間の短絡または絶縁不良を検出する短絡検出手段と、
   前記電極層間または線路間の短絡または絶縁不良を検出した場合、前記スイッチ手段を用いて、短絡または絶縁不良を生じた積層体ブロックのみを前記駆動回路から切断する制御手段と、
   を有することを特徴とする積層型圧電アクチュエータ駆動装置。
2. 前記短絡検出手段は、前記線路に供給される電流値または前記線路間の電圧値を検出する検出手段と、該電流値または電圧値を予め設定された基準値と比較する比較手段とを有し、前記圧電素子層の充電または放電中の前記比較結果に基づいて前記短絡または絶縁不良の有無を検出することを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータ駆動装置。
3. 前記短絡検出手段は、前記積層型圧電アクチュエータの変位量を測定する変位センサと、該変位センサの出力を予め設定された第２の基準値と比較する第２の比較手段とを有し、該第２の比較手段の比較結果に基づいて短絡または絶縁不良の有無を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の積層型圧電アクチュエータ駆動装置。
4. 前記制御手段は、前記積層型圧電アクチュエータに短絡または絶縁不良が生じた場合、前記スイッチ手段により前記積層体ブロックを１つずつ順に接続し、前記短絡検出手段により短絡または絶縁不良を検出し、短絡または絶縁不良が生じた積層体ブロックを検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の積層型圧電アクチュエータ駆動装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の積層型圧電アクチュエータ駆動装置を搭載したことを特徴とするレンズ駆動装置。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の積層型圧電アクチュエータ駆動装置を搭載したことを特徴とする露光装置。
7. 請求項６に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、露光した前記基板を現像する工程とを有することを特徴とするデバイス製造方法。

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