JP5178291B2 - ステージ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステージ装置に関し、特に、半導体製造分野で検査などに用いられる走査型電子顕微鏡の試料ステージ用などとして好適なステージ装置に関する。

半導体製造分野では、ウェーハに形成されている素子や集積回路における各種パターンの形状や寸法を高い精度で検査して評価する必要があり、その検査に測長機能付きの走査型電子顕微鏡（以下、適宜にＳＥＭと記す）が用いられている。ＳＥＭによるウェーハの検査では、ウェーハに電子線を照射して得られる二次電子信号を画像化処理して二次電子像を取得し、その明暗の変化からパターンの形状を判別して寸法を導き出す。このようなＳＥＭは、試料ステージを備えており、その試料ステージでウェーハを保持して位置決めさせるようになっている。

ところで、近年における半導体素子の微細化には著しいものがあり、それに伴ってＳＥＭにはより厳しい要求が課され、特に試料ステージに対する要求が厳しくなってきている。例えば３５ｎｍノードのデザインルールに対応することが要求され、３０万倍以上といったような高い観察倍率において、よりノイズの少ない二次電子像を得ることが重要な課題となっており、また像を何枚も重ね合わせてコントラストを向上させることができるようにすることが要求されている。そしてこのような要求に応えるために試料ステージには、振動やドリフト（時間経過と共に停止位置がずれていく現象）をｎｍオーダで抑えることが求められている。

ＳＥＭにおける試料ステージあるいは一般的なステージ装置における位置決め制御あるいは振動やドリフトの低減に関する技術としては、例えば特許文献１〜特許文献３に開示の例が知られている。

特許文献１の「制動機構および電子顕微鏡用試料ステージ」では、テーブルに固定された２つの平行板ばね機構、それぞれの平行板ばねのうちの１つの板ばねに固定された２つの与圧部材、その与圧部材の片方に固定された滑りパッド、および２つの与圧部材の間隔を調整する調整手段を備えた構造で制動機構を構成する。そしてその制動機構を試料ステージの各テーブルに２つ以上設けるとともに、制動機構の滑りパッドを押し付ける滑り面を試料ステージの静止ベースに設けるようにする。このような試料ステージでは、停止時には滑りパッドと滑り面の間の静止摩擦力によりテーブルを固定し、移動時には静止摩擦力を超える推力を加えることでテーブルを移動させる。このため試料ステージの機械剛性を高めることができ、振動やドリフトを低減することが可能となり、特に振動については、機械剛性の向上によりテーブル移動時の振動も抑えることができることから、大きな低減を期待できる。

特許文献２の「リニアディスクブレーキ」では、可動テーブルにばねブレーキを設けている。ばねブレーキは、固定台に設けられているプレート部材をばね力で挟み込むこと制動作用を発揮するようにされるとともに、駆動シリンダによりプレート部材に対する挟み込み状態を解除することで制動作用を解除できるようにされている。したがって、移動時には、ばねブレーキによる制動作用を解除することで可動テーブルを抵抗の小さな状態で移動させることができ、停止時には、可動テーブルを停止させるのに合せてばねブレーキに制動作用を発揮させることで、可動テーブルを高精度に位置決めさせることが可能となり、またドリフトの低減も可能となる。

特許文献３の「精密位置決めテーブル」では、ガイドに沿って駆動される走行体に制動手段を設けている。制動手段は、一体切欠きばねにブレーキパッドを取り付けて構成され、圧縮空気の供給により一体切欠きばねを撓ませてブレーキパッドをガイドに押接させることで、走行体に対する制動作用を発揮するようにされている。したがって、走行時には、ブレーキパッドによる制動作用を解除することで走行体を抵抗の小さな状態で走行させることができ、停止時には、走行体を停止させるのに合せてブレーキパッドに制動作用を発揮させることで、走行体に接続のテーブルを高精度に位置決めさせることが可能となり、またドリフトの低減も可能となる。

特開２００２−１８４３３９号公報 特開昭２００１−８８６９５号公報 特開昭６４−２０９４３号公報

上述の特許文献１におけるステージ用の制動技術は、テーブルと静止要素（テーブルの移動を支える要素：ベースなど）の間に制動用の一定の摩擦力を固定的に発生させる、つまりテーブルと静止要素の間に一定の摩擦力による制動を固定的に加えることで、ステージの機械剛性を高めて振動やドリフトを低減する方式であるといえる。そこで、以下ではこうした方式の制動を固定的制動と呼ぶとする。

一方、上述の特許文献２や特許文献３におけるステージ用の制動技術は、テーブルを停止する際に、その停止タイミングに合せてテーブルに対し制動を加えることで、テーブルに高精度な位置決めをなさせるとともに、ドリフトの低減も図る方式であるといえる。そこで、以下ではこうした方式の制動を動的制動と呼ぶとする。

これら従来の固定的制動や動的制動による制動技術は、振動やドリフトの低減あるいは位置決め精度の向上にそれなりに有効である。しかし、半導体製造分野での検査などに用いられるＳＥＭの試料ステージでますます高まってきている要求におけるような振動やドリフトの低減レベルあるいは位置決め精度のレベルについては、従来の制動技術であると十分に満足させるのが困難である。

固定的制動は、ステージの機械剛性の向上により振動やドリフトの低減を可能とするものの、その一方で、テーブル移動時の発熱問題を伴う。固定的制動では、テーブルの移動時に制動用の摩擦力を超える推力を加え必要がある。つまり特許文献１の場合であると、テーブル側の滑りパッドと静止ベース側の滑り面の間に固定的に加えられている制動摩擦力を伴ったままテーブルを移動させることになる。この場合、滑りパッドと滑り面にかなりの発熱を避けられない。そしてそうした発熱があると、それによりステージ装置の機構要素に熱膨張や熱収縮を生じ、それがドリフトの要因となり得る。すなわち機械剛性の向上によるドリフト低減効果がテーブル移動時の発熱で相殺されてしまい、結果として十分なドリフト低減を実現できないことになってしまうということである。

一方、動的制動は、テーブルの停止時に発揮させる制動作用によりテーブルの高精度な位置決めとドリフトの低減を可能とし、しかもテーブルの停止時にだけ制動するので上記のような発熱問題を発生させることもない。しかしその一方で、動的制動には、制動の発動による衝撃問題を伴う。動的制動では、テーブルを停止させるタイミングで制動駆動手段を動作させて制動を発動させることになる。この場合、制動によるテーブルの高精度な位置決めを可能とするには、制動の発動を高速に行う必要があるが、それにはそれなりの衝撃の発生を避けられず、その衝撃が振動を招いて位置決め誤差の要因となり得る。すなわちテーブル停止時制動による位置決め精度向上効果が制動発動時の衝撃による振動で起こる位置決め誤差で相殺されてしまい、結果として十分な位置決め精度を実現できないことになってしまうということである。

本発明は、以上のような知見に基づいてなされてものであり、その課題は、半導体製造分野で用いられるＳＥＭの試料ステージについて要求されるような高いレベルでの振動やドリフトの低減および位置決め精度を可能とするステージ装置の提供にある。

本発明では、固定的制動と動的制動における上述のようなそれぞれの特性に着目する。まず動的制動における衝撃問題については、ステージの機械剛性を高めて衝撃による振動を効果的に抑えるようにすることで対応することが可能である。そしてそのような目的でステージの機械剛性を高めるには、固定的制動を利用するのが、機構の簡素化という点も含めて、特に有効である。つまり動的制動における衝撃問題には、固定的制動によりステージの機械剛性を高めることで対応できるということである。

次に、固定的制動における発熱問題については、テーブル停止時に十分に大きな制動を与えて熱膨張や熱収縮現象によるドリフトを抑えるようにすることで対応することが可能である。そしてテーブル停止時に十分に大きな制動を与えるには、動的制動を用いるのが最も有効である。つまり固定的制動における発熱問題には、動的制動によりテーブル停止時の制動性を高めることで対応することができるということである。

こうしたことから、固定的制動と動的制動を組み合わせることで、それぞれの短所による悪影響を効果的に抑制しつつそれぞれの長所を活かすことができ、より高いレベルでの振動やドリフトの低減および位置決め精度が可能となるといえる。

本発明では、以上のような考え方に基づいて上記課題を解決する。具体的には、案内手段により拘束されて静止要素上を一定の方向に移動できるようにされたテーブルを備えるとともに、前記テーブルの移動と停止を制御することで前記テーブルの位置決め制御を行う位置決め制御装置を備えたステージ装置において、前記テーブルと前記静止要素の間に一定の摩擦力による制動を固定的に加える第１の制動機構、および前記テーブルを停止させる際に駆動され、前記第１の制動機構による制動と共に、前記テーブルに制動を加える第２の制動機構を備えたことを特徴としている。

また本発明では、上記のようなステージ装置について、前記第１の制動機構は、前記テーブルに固定される固定部材、前記固定部材に組み込まれた圧縮ばね、前記圧縮ばねの付勢力を受けて撓むようにして前記固定部材に取り付けられた可撓部材、および前記可撓部材を介して前記圧縮ばねの付勢力を受けるようにして前記固定部材に取り付けられた摺動部材を備え、前記静止要素に設けられる被摩擦面に前記圧縮ばねの付勢力で前記摺動部材を固定的に押接させることで前記一定の摩擦力を得るようにすることを好ましい形態としている。

また本発明では、上記のようなステージ装置について、前記第２の制動機構は、電圧の印加により伸縮変位を生じることで制動駆動用の駆動力を発生させるアクチェータ、前記アクチェータによる制動駆動動作を拡大して伝える駆動伝達レバー、および前記駆動伝達レバーに連結されたブレーキパッドを備え、制動解除状態にあっては前記静止要素に設けられる被摩擦面に対し前記ブレーキパッドを非押接の状態に保ち、制動発動時には前記アクチェータの制動駆動動作により前記ブレーキパッドを前記被摩擦面に押接させるようにすることを好ましい形態としている。

また本発明では、上記のようなステージ装置について、前記第２の制動機構は、前記ブレーキパッド、前記ブレーキパッドを付勢する圧縮ばね、および前記圧縮ばねを前記付勢のために保持する圧縮ばねホルダを含むブレーキパッドユニットを備えることを好ましい形態としている。

また本発明では、上記のようなステージ装置について、前記ブレーキパッドユニットは、前記圧縮ばねの付勢力を受けて撓むようにして前記圧縮ばねホルダに取り付けられた可撓部材をさらに含み、この可撓部材を介して前記ブレーキパッドが前記圧縮ばねホルダに固定されることを好ましい形態としている。

また本発明では、上記のようなステージ装置について、前記位置決め制御装置は、前記テーブルの移動中における現在位置と位置決めにおける目標位置との偏差が所定の許容範囲になることを条件に前記第２の制動機構を作動させて位置決め制御をなすようにされていることを好ましい形態としている。

以上のような本発明によれば、半導体製造分野で用いられるＳＥＭの試料ステージについて要求されるような高いレベルでの振動やドリフトの低減および位置決め精度が可能となる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。本発明によるステージ装置は、様々な分野で用いることができ、特に半導体製造分野で検査などに用いられるＳＥＭの試料ステージとして有用である。したがって以下では本発明をＳＥＭの試料ステージに適用する場合の実施形態について説明する。

図１に、第１の実施形態に係るＳＥＭの全体的な構成を模式化して示す。ＳＥＭは、真空ポンプ１による排気で真空状態にすることができるようにされた試料室２を備えている。試料室２は、その内部にステージ装置として試料ステージ３が設けられている。試料ステージ３は、その要部の斜視状態を模式化して示す図２にも見られるように、ベース４、センターテーブル５、およびトップテーブル６を備えている。

ベース４は、試料室２を形成する枠体に固定して設けられ、試料室２中で静止した状態にある。このベース４には、センターテーブル５の移動に対する案内を行う滑り案内部材（Ｘ滑り案内部材）であるＸレール７が固定的に設けられている。

センターテーブル５は、図１や図２に矢印で示すＸ方向で移動するテーブルであり、その下面に設けられたスライダ８を介してＸレール７に拘束されてＸ方向に移動できるようにされている。この場合、スライダ８とＸレール７は、センターテーブル５についての案内手段を構成している。センターテーブル５のＸ動（Ｘ方向移動）は、Ｘボールねじ９を要素とする駆動機構によりなすようにされている。具体的には、Ｘボールねじ９のナットにＸロッド１０を接続し、またＸロッド１０をセンターテーブル５に接続する一方、Ｘボールねじ９のねじ軸にシャフト１１を接続し、さらにシャフト１１にモータ１２を接続することで駆動機構が形成され、モータ１２によるＸボールねじ９の駆動でＸロッド１０がＸ方向に押し引きされて移動し、これに応じてセンターテーブル５が押し引きされて移動するようにされている。またセンターテーブル５は、その上面に、トップテーブル６の移動に対する案内を行う滑り案内部材（Ｙ滑り案内部材）であるＹレール１３がＸレール７と直交する状態にして固定的に設けられている。

トップテーブル６は、Ｙ方向（Ｘ方向に直交する方向）で移動するテーブルであり、その下面に設けられたスライダ１４を介してＹレール１３に拘束されてＹ方向に移動できるようにされている。この場合、スライダ１４とＹレール１３は、トップテーブル６についての案内手段を構成している。トップテーブル６のＹ動（Ｙ方向移動）は、センターテーブル５の場合と同様に形成される駆動機構によりなすようにされている。なお、図１や図２では、モータ２９だけがトップテーブル６の駆動機構の要素として現れている。またトップテーブル６は、その上面に試料ホルダ１５が固定状態で設けられ、この試料ホルダ１５に試料、具体的にはウェーハ１６を固定状態で載置できるようにされている。

センターテーブル５とトップテーブル６は、それらのＸ動やＹ動に関する位置決めがなされ、その各位置決めを通じて最終的に試料ホルダ１５に載置のウェーハ１６に位置決めを行わせる。ウェーハ１６の位置決め、つまりステージ位置決めについての制御は、位置決め制御系でなされる。そのための位置決め制御系は、トップテーブル６に取り付けられたバーミラー１７を用いたレーザ干渉などによりトップテーブル６の位置検出を行う位置検出器１８で構成される位置検出系、および位置決め制御装置１９により形成されている。こうした位置決め制御系における位置決め制御装置１９は、位置検出系により検出されるウェーハ１６の現在位置（これはセンターテーブル５とトップテーブル６それぞれの現在位置でもある）に基づいてモータ１２やモータ２９を駆動制御することでセンターテーブル５やトップテーブル６のＸ動やＹ動を制御し、また後述する第２のＸ制動機構３１や第２のＹ制動機構３３の動作状態を制御する。そのため位置決め制御装置１９は、内蔵のメモリに格納してある制御プログラムに基づいて処理を実行することで上述のような制御を行えるようにされており、その制御プログラムには、モータ１２やモータ２９の駆動制御に機能するモータ制御部、および第２のＸ制動機構３１や第２のＹ制動機構３３の動作状態の制御に機能する制動制御部が含まれている。

以上のような試料室２の上部には、電子線源となる電子銃２０、電子銃２０からの電子線２１の軌道を変える偏向器２２、電子線２１を収束させる電子レンズ２３、ウェーハ１６から放射される二次電子２４を取り込むための二次電子検出器２５などが鏡筒２６に組み込まれて設けられている。また二次電子検出器２５からの信号を画像化処理して二次電子像を生成する制御部２７が設けられ、さらに制御部２７で生成した二次電子像などを表示するモニター２８が設けられている。

以上は、ＳＥＭにおける一般的で構成で、本発明による特徴的な構成は、試料ステージ３に制動機構が設けられていることである。制動機構は、固定的制動用と動的制動用のそれぞれが設けられる。具体的には、図２に示すように、センターテーブル５については、固定的制動用である第１の制動機構として第１のＸ制動機構３０が設けられ、動的制動用である第２の制動機構として第２のＸ制動機構３１が設けられ、トップテーブル６については、固定的制動用である第１の制動機構として第１のＹ制動機構３２が設けられ、動的制動用である第２の制動機構として第２のＹ制動機構３３が設けられている。

ここで、固定的制動とは、センターテーブル５やトップテーブル６と静止要素（これは相対的なものであり、センターテーブル５に対してはベース４となり、トップテーブル６に対してはセンターテーブル５となる）の間に一定の摩擦力による静的な制動を固定的に加えることである。このような固定的制動は、試料ステージ３の機械剛性を高め、それにより振動やドリフトを低減させる。一方、動的制動とは、センターテーブル５やトップテーブル６を停止する際に、その停止タイミングに合せてセンターテーブル５やトップテーブル６に制動を加えること、つまりセンターテーブル５やトップテーブル６を停止させる際に駆動される制動のことである。このような動的制動は、センターテーブル５やトップテーブル６の高精度な位置決めを可能とし、ドリフトの低減も可能とする。こうした固定的制動と動的制動を組み合わせて用いることにより、それぞれの短所による悪影響を効果的に抑制しつつそれぞれの長所を活かすことができ、より高いレベルでの振動やドリフトの低減および位置決め精度が可能となる。

第１のＸ制動機構３０は、ベース４（これはセンターテーブル５に対する静止要素）に設けられたＸブレーキレール３４における被摩擦面との間で発生させる摩擦力により制動力を得るようにされており、その制動力により、センターテーブル５に対し静的な制動を固定的に加えるようにされている。この場合、Ｘブレーキレール３４は、第１のＸ制動機構３０の制動用摩擦力を発生させるための被摩擦面を与える要素であり、Ｘ方向に延びるようにしてベース４に設けられている。

第２のＸ制動機構３１は、ベース４に設けられたＸブレーキレール３５との間に発生させる摩擦力により制動力を得るようにされており、その制動力により、センターテーブル５に対しその停止タイミングで制動を加えてセンターテーブル５を停止状態にするようにされている。この場合、Ｘブレーキレール３５は、第２のＸ制動機構３１の制動用摩擦力を発生させるための被摩擦面を与える要素であり、Ｘ方向に延びるようにしてベース４に設けられている。

第１のＹ制動機構３２は、センターテーブル５（これはトップテーブル６に対する静止要素）に設けられたＹブレーキレール３６との間に発生させる摩擦力により制動力を得るようにされており、その制動力により、トップテーブル６に対し静的な制動を固定的に加えるようにされている。この場合、Ｙブレーキレール３６は、第１のＹ制動機構３２の制動用摩擦力を発生させるための被摩擦面を与える要素であり、Ｙ方向に延びるようにしてセンターテーブル５に設けられている。

第２のＹ制動機構３３は、センターテーブル５に設けられたＹブレーキレール３７との間で必要時に発生させられる摩擦により制動力を得るようにされており、その制動力により、トップテーブル６に対しその停止タイミングで制動を加えてトップテーブル６を停止状態にするようにされている。この場合、Ｙブレーキレール３７は、第２のＹ制動機構３３の制動用摩擦力を発生させるための被摩擦面を与える要素であり、Ｙ方向に延びるようにしてセンターテーブル５に設けられている。

以下では、以上のようなＳＥＭによりなされるウェーハ１６の検査、より具体的にはウェーハ１６に形成されている素子や集積回路における各種パターンの形状や寸法の検査について概略を説明する。まず検査の概略について説明する。

位置決め制御装置１９は、検査を実行する上で必要となる情報を有している。例えば検査対象となるパターンのチップ（素子や集積回路のチップ）上での位置に関する情報や検査対象となるチップのウェーハ上での位置に関する情報などのパターン位置情報、それにパターンに関する寸法計測項目（パターン線幅やピッチなど）に関する情報などがその例である。この場合、パターン位置情報は、適宜に設定される座標を用いて記述され、また順次に検査すべきパターンやチップの検査順序と関係付けて記述されることになる。

検査を実行する際には、まずパターン位置情報に基づいて位置決め制御装置１９が試料ステージ３におけるセンターテーブル５やトップテーブル６のＸ動やＹ動を制御し、また第２のＸ制動機構３１の動作状態を制御することでウェーハ１６に必要な位置決め（ステージ位置決め）をなさせる。それからその位置決め状態で電子線２１をウェーハ１６に照射するとともに偏向器２２で走査して数万倍から数十万倍の二次電子像を取得し、それをモニター２８に表示する。そして二次電子像の明暗の変化からパターンのエッジを検出してパターンの形状を判別し、検査対象のパターンにおける所定の寸法計測項目について寸法値を求める。こうした検査処理は、１回の位置決めで処理できる範囲を終えるごとに位置決めを繰返しながら進められることになる。

次に、ステージ位置決めについて説明する。ステージ位置決めにおける制御は位置決め制御装置１９が行う。位置決め制御装置１９によるステージ位置決め制御は、図３にその流れを示すように、ステップＳ１０〜Ｓ７０の各処理過程を基本的なものとして含む。

まずステップＳ１０で現在位置の検出がなされる。現在位置の検出では、位置決め制御装置１９が位置検出器１８を用いて試料ステージ３におけるウェーハ１６の現在位置（より具体的には、現在のテージ位置決め制御で対象になっているウェーハ１６におけるパターンやチップの現在位置）を検出する。ステップＳ２０では、目標位置の読込みがなされる。目標位置の読込みは、位置決め制御装置１９が上述のパターン位置情報を読み込むことでなされる。ここで、パターン位置情報には、上述のように、検査順序情報が含まれているので、位置決め制御装置１９は、その検査順序にしたがってパターン位置情報を読み込むことになる。ステップＳ３０では、ブレーキＯＦＦがなされる。このブレーキＯＦＦでは、動的制動用である第２の制動機構（第２のＸ制動機構３１、第２のＹ制動機構３３）による制動が解除される。

ステップＳ４０では、目標位置への移動がなされる。目標位置への移動は、ステップＳ２０で読み込んだ目標位置とステップＳ１０で検出した現在位置の偏差に応じてセンターテーブル５やトップテーブル６にＸ動やＹ動をなさせることで行われる。

ステップＳ５０では、現在位置を検出する。この現在位置の検出では、ステップＳ４０で行った目標位置への移動動作後の現在位置を検出する。ステップＳ６０では、ステージ位置決め状態が許容範囲にあるかを判定する。この処理では、ステップＳ５０で検出した現在位置と目標位置の偏差が予め設定の許容範囲にあるかを判定する。許容範囲でないと判定された場合には、ステップＳ４０に戻り、それ以降の処理を繰り返す。一方、許容範囲であると判定された場合には、ステップＳ７０に進む。ステップＳ７０では、ブレーキＯＮがなされる。具体的には、ステップＳ３０で解除した第２の制動機構による制動を作動させてセンターテーブル５やトップテーブル６に制動を加える。このステップＳ７０でのブレーキＯＮがなされると位置決めが終了となる。

ここで、ステージ位置決めは、Ｘ方向のステージ位置決めとＹ方向のステージ位置決めの組合せでなされる。Ｘ方向とＹ方向それぞれのステージ位置決めは基本的には同様で、以上のようなステージ位置決め制御は、Ｘ方向とＹ方向のいずれにもあてはまる。ただし、Ｘ方向とＹ方向それぞれに対するステージ位置決め制御は並列的に進められ、Ｘ方向、Ｙ方向のいずれかで最終的な位置決め状態が得られれば、その時点でステージ位置決めが完了となる。

以下では、制動機構の具体的な構成例について説明する。なお、第１のＸ制動機構３０と第１のＹ制動機構３２は、いずれも固定的制動用の第１の制動機構であり、基本的には同一な構成とされており、また第２のＸ制動機構３１と第２のＹ制動機構３３は、いずれも動的制動用の第２の制動機構であり、基本的には同一な構成とされている。したがって以下では、第１のＸ制動機構３０と第２のＸ制動機構３１についてだけ説明し、第１のＹ制動機構３２と第２のＹ制動機構３３についてはその説明を援用するものとする。

まず第１のＸ制動機構３０について説明する。図４に、第１のＸ制動機構３０の構成を断面図にして示す。第１のＸ制動機構３０は、固定部材４０、圧縮ばね４１、板状ばね４２、摺動部材４３、およびばねホルダ４４を主な要素として構成されている。

固定部材４０は、全体として細長いブロック状に形成され、両端部に組付け用段部４０ａが設けられ、また圧縮ばね４１の設置用である凹部が中間部に設けられている。この固定部材４０は、Ｘブレーキレール３４の延在方向と同じ方向に向けてセンターテーブル５に固定される。

圧縮ばね４１は、上下方向でばね力を発揮する状態にして固定部材４０にその設置用凹部において組み込まれている。この圧縮ばね４１は、複数で設けるのが通常で、図の例でもそのようにされている。

板状ばね４２は、可撓部材であり、圧縮ばね４１の付勢力（ばね力）を受けて撓むようにして固定部材４０に取り付けられている。具体的には、固定部材４０の下面に固定的に取り付けられている。

摺動部材４３は、板状ばね４２を介して圧縮ばね４１の付勢力を受けるようにして固定部材４０に取り付けられている。具体的には、板状ばね４２の中央部下面に取り付けられ、その状態で板状ばね４２を介して圧縮ばね４１の付勢力を受けるようにされている。

ばねホルダ４４は、圧縮ばね４１を保持する部材であり、図示せぬばね保持穴が設けられ、その保持穴で圧縮ばね４１を一定の状態で保持するようにされ、板状ばね４２の中央部上面に取り付けられている。

こうした構成の第１のＸ制動機構３０による固定的制動は、以下のようにして発揮される。摺動部材４３は、板ばね４２により水平方向の動きを拘束されており、この拘束により、後述のようにして摺動部材４３がＸブレーキレール３４に押し付けられた状態で摺動部材４３に作用する水平方向の力が圧縮ばね４１に影響するのを避けることができるようにされている。そして上記拘束状態にある摺動部材４３に対し圧縮ばね４１が板ばね４２を下方に撓ませつつ付勢力を加えている。このため摺動部材４３は、ベース４に固定のＸブレーキレール３４の上面（被摩擦面）に圧縮ばね４１の付勢力に応じた押付け力で定常的に押し付けられる状態となり、これによりセンターテーブル５とベース４の間に一定の摩擦力による静的な制動が固定的に得られることになる。つまりベース４によるセンターテーブル５に対する固定的制動がなされることになる。

ここで、図４の例では調整ボルト４５を設けてある。この調整ボルト４５は、必要時（第１のＸ制動機構３０をセンターテーブル５に組付ける前や第１のＸ制動機構３０をセンターテーブル５から取り外した際）に圧縮ばね４１の付勢力が板ばね４２に加わらないようにするのに用いられる。そのために調整ボルト４５は、ばねホルダ４４に設けてある図示せぬねじ孔に螺合できるようにされており、その螺合状態でばねホルダ４４を固定部材４０に対して拘束し、その拘束により圧縮ばね４１の付勢力が板ばね４２に加わらないようにする。一方、図４のように第１のＸ制動機構３０がセンターテーブル５に組付けられている状態では、上記の螺合状態を解除することでばねホルダ４４の拘束が解かれ、圧縮ばね４１の付勢力が板ばね４２に加わり、したがって摺動部材４３に加わるようになる。

次に、第２のＸ制動機構３１について説明する。第２のＸ制動機構３１は、動的制動用であり、センターテーブル５を停止する際に、その停止タイミングでセンターテーブル５に制動を加えるのに機能する。したがって第２のＸ制動機構３１は、必要時に制動を発揮できるようにする制動駆動手段、つまり第２のＸ制動機構３１の摩擦面（これは後述のブレーキパッド６０で与えられる）とＸブレーキレール３５の被摩擦面の間に両者を非押接とするために非接触とするギャップがあって摩擦を生じていない制動解除状態から必要時に制動用摩擦力を発生させるために第２のＸ制動機構３１の摩擦面をＸブレーキレール３５の被摩擦面に押し付けるように駆動する制動駆動手段を必要とし、またその制動駆動手段による制動発揮動作をできるだけ高速で行えるようにすることが望まれる。

こうした要求に応えるために本実施形態では、電圧の印加により伸縮変位を生じることで高速に駆動力を発生させることのできるアクチェータ、具体的にはピエゾ素子を駆動力源とするピエゾアクチェータを用いて制動駆動手段を構成するようにしている。ただ、ピエゾアクチェータで制動駆動手段を構成するについては、ピエゾアクチェータの特性に関連して１つの問題がある。

ピエゾアクチェータは、電圧の印加により変位と力を発生するが、その変位と力が両立しないという特性を有している。つまり大きな変位を許容すれば、得られる力が小さくなり、大きな力を得ようとすれば、変位を小さくする必要があるという特性である。

ピエゾアクチェータの最大発生荷重は、理論的に無限の堅さで固定した場合（先端部が変位しないように拘束した場合）に加えた電圧に応じて起動した際の力となる。この力は、一般的にブロッキングフォースとも呼ばれているもので、加える電圧にほぼ比例する。また発生力はピエゾ素子の断面積に概ね比例している。一方、無負荷状態（ｆ＝０）では、加えた電圧に応じて最大の変位（δ）が発生する。最大の変位は、ピエゾ素子の積層長さにほぼ比例する。発生変位のオーダは積層全長の約０．１％（１０００分の１）である。仮に、ピエゾアクチェータの全長を５０ｍｍとすると約０．０５ｍｍの変位であり、僅かな量である。

こうしたことから、仮にピエゾアクチェータの可動部先端（変位部先端）にブレーキパッドを装着する構造のブレーキユニットとして制動機構を構成した場合、そのブレーキパッドがピエゾアクチェータで駆動されることで押し付けられることになる被摩擦面とブレーキパッドの間の制動解除状態時のギャップを高精度に管理しなくてはならない。すなわち制動解除状態時のギャップに変動があると、ピエゾアクチェータで発生する制動駆動力、つまりブレーキパッドの押付け力が変化してしまい、そのために制動特性が安定しないことになってしまうということである。

本実施形態では、以上のようなピエゾアクチェータの特性に関連し、ピエゾアクチェータによる制動駆動手段に逆レバー構造（逆てこ構造）を組み込むようにしている。すなわち逆レバー構造によりピエゾアクチェータによる制動駆動動作を拡大して利用できるようにし、これにより上述のギャップ管理問題を効果的に緩和できるようにしている。

図５と図６に、第２のＸ制動機構３１の構成の例を示す。図５は、第２のＸ制動機構３１の外観を斜視状態で示し、図６は、第２のＸ制動機構３１を各構成部品に分解した状態を斜視状態で示している。こられの図に見られるように、第２のＸ制動機構３１は、ピエゾアクチェータ５０、レバープレート５１、ホルダ５２、およびブレーキパッドユニット５３を主な要素として構成されている。

ピエゾアクチェータ５０は、その内部に図示を省略のピエゾ素子を積層状態で実装した構造とされ、それらのピエゾ素子に電圧を印加することにより先端部の伸縮変位部５０ａに軸方向で伸縮変位を発生させるようにされ、さらに伸縮変位部５０ａに当接ヘッド５４が組付けられている。

レバープレート５１は、ピエゾアクチェータ５０の制動駆動動作を拡大してブレーキパッドユニット５３に伝える逆レバー構造における駆動伝達レバーであり、実効長さがＬ２である長尺の作用点側アーム部５１ａと実効長さがＬ１である短尺の力点側アーム部５１ｂを有するＬ字形のプレート状に形成されている。またレバープレート５１は、Ｌ字形の角部に支点用孔５１ｃが設けられ、この支点用孔５１ｃにスリーブ５５を介装させた状態で支点用ボルト５６を通せるようにされている。さらにレバープレート５１は、力点側アーム部５１ｂの端部に駆動力受け部５１ｄが設けられ、この駆動力受け部５１ｄを介してピエゾアクチェータ５０の制動駆動作用（制動駆動力ないし制動駆動動作）を受けることができるようにされている。

ホルダ５２は、ピエゾアクチェータ５０とレバープレート５１の連結に介在する連結介在部材である。そのためにホルダ５２は、締結部５２ａが設けられ、この締結部５２ａの締結孔５２ｂにピエゾアクチェータ５０の先端側を挿入してボルト５７で締め付けることでピエゾアクチェータ５０を組付けるようにされている。またホルダ５２は、ねじ孔５２ｃが設けられ、このねじ孔５２ｃにレバープレート５１の支点用ボルト５６を螺合させることで、レバープレート５１を組付けるようにされている。

以上のようにホルダ５２に組付けられたピエゾアクチェータ５０とレバープレート５１は、ピエゾアクチェータ５０の当接ヘッド５４がレバープレート５１の駆動力受け部５１ｄに当接するように連結する状態になり、この状態でピエゾアクチェータ５０の制動駆動作用がレバープレート５１に伝わるようになっている。

こうした伝達構造は、ピエゾアクチェータ５０の伸縮変位部５０ａの伸び変位には有効であるが縮み変位には有効でない。そこで縮み変位伝達についての補助手段としてボールプランジャ５８を設ける。ボールプランジャ５８は、先端が球状に形成され、また内部に圧縮ばね（図示せず）を有する。このボールプランジャ５８は、締結部５２ａの締結孔５２ｂに対向するようにしてホルダ５２に設けられている組付け孔５２ｄを介してホルダ５２に組付けられる。そしてこの組付け状態にあって、ホルダ５２に対し上述のような組付け状態にあるレバープレート５１の駆動力受け部５１ｄに球状先端を当接させ、それにより駆動力受け部５１ｄを上記圧縮ばねの付勢力でピエゾアクチェータ５０の側に付勢するようにされている。つまりピエゾアクチェータ５０の伸縮変位部５０ａに生じる縮み変位に駆動力受け部５１ｄを追随させるようになっている。

ブレーキパッドユニット５３は、ブレーキパッド６０、圧縮ばねホルダ６１およびＬ型ブラケット６２を主な要素として構成されている。

ブレーキパッド６０は、Ｘブレーキレール３５の被摩擦面に押接してＸブレーキレール３５との間で制動用の摩擦力を得るのに機能する要素であり、凸形球面状とされた押接面６０ａを有した平板状に形成されている。

圧縮ばねホルダ６１は、ブレーキパッド６０を付勢するための圧縮ばね６３を保持する要素であり、保持穴６１ａが設けられ、この保持穴６１ａで圧縮ばね６３を保持するようにされている。図の例では、保持穴６１ａが４個設けられ、したがって圧縮ばね６３を４個保持できるようにされている。この圧縮ばねホルダ６１は、ボルト６４（図６では１本だけを示してあるが、実際には４本が用いられる）によりブレーキパッド６０を支持しており、その状態で圧縮ばね６３によりブレーキパッド６０を付勢できるようにしている。

Ｌ型ブラケット６２は、ブレーキパッドユニット５３のレバープレート５１への連結に介在する要素であり、レバープレート５１の連結に用いられるレバー連結面部６２ａと圧縮ばねホルダ６１の固定に用いられるホルダ固定面部６２ｂをＬ字形に組み合わせた構造とされている。

以上のような第２のＸ制動機構３１では、ピエゾアクチェータ５０の制動駆動動作がレバープレート５１により作用点側アーム部５１ａの実効長さＬ２と力点側アーム部５１ｂの実効長さＬ１の比率に応じた比率で拡大されてブレーキパッド６０に伝えられる。このため、例えばピエゾアクチェータ５０の全長が５０ｍｍである場合に伸縮変位部５０ａに可能な０．０５ｍｍ程度といった僅かな伸び変位でも大きな制動駆動動作量を得ることができ、制動解除状態においてブレーキパッド６０とＸブレーキレール３５の間に必要なギャップｇ（図９参照）の管理にラフ性を許容できるようになる。

ここで、レバープレート５１によるピエゾアクチェータ５０の制動駆動動作の拡大は、ピエゾアクチェータ５０が発生させる制動駆動力をＬ１／Ｌ２の比率で縮小させることになる。しかし、この縮小による制動駆動力の低下は、ピエゾアクチェータ５０に大きな伸び変位を生じさせることによる制動駆動力の低下に比べて小さなもので済み、しかもピエゾアクチェータ５０は、例えばピエゾ素子が１０ｍｍ角の断面を有する場合であれば、数千ニュートンの制動駆動力を得ることが可能であり、実用上で問題になることはない。

また以上のような第２のＸ制動機構３１では、ブレーキパッド６０を圧縮ばね６３で付勢するようにしている。つまりブレーキパッド６０とレバープレート５１の間に圧縮ばね６３を介在させ、ピエゾアクチェータ５０の制動駆動力をレバープレート５１と圧縮ばね６３を介してブレーキパッド６０に加えるようにしている。このため制動作動時にブレーキパッド６０に加わる力がピエゾアクチェータ５０に悪影響を及ぼすのを効果的に避けることができる。すなわちピエゾ素子を積層して形成したピエゾアクチェータ５０は、一般的特性として、軸方向の力に対しては大きな抗力があるが、引張りや曲げあるいはねじりに対して弱いという性質を持っている。そのため制動作動時にブレーキパッド６０に加わる力がピエゾアクチェータ５０に直接伝わる場合であると、その力で引張りや曲げなどを生じてピエゾアクチェータ５０が損傷される可能性がある。こうしたピエゾアクチェータ５０の特性にあって、上述のようにピエゾアクチェータ５０とブレーキパッド６０の間にレバープレート５１と圧縮ばね６３を介在させる構造であると、レーキパッド６０からの力が直接にピエゾアクチェータ５０に伝わるのを効果的に避けることができ、これによりピエゾアクチェータ５０に損傷原因となる力が加わるのを防ぐことができる。

以下では、第１のＸ制動機構３０と第２のＸ制動機構３１それぞれのセンターテーブル５への組付け構造について説明する。なお以下で説明する組付け構造は、第１のＹ制動機構３２と第２のＹ制動機構３３にも同様に当てはまる。

図７に、第１のＸ制動機構３０のセンターテーブル５への組付け構造を示す。センターテーブル５には、組付け開口７０が設けられている。組付け開口７０は、第１のＸ制動機構３０の固定部材４０の外形に対応する形状に形成され、固定部材４０の両端部の組付け用段部４０ａに対応する組付け受け段部７０ａが両端部に設けられている。このようなセンターテーブル５に第１のＸ制動機構３０を組付けるには、組付け開口７０に第１のＸ制動機構３０を嵌めこみ、それから組付け用段部４０ａに設けてあるボルト孔４０ｂを通したボルト７１を組付け受け段部７０ａに設けてあるねじ孔７０ｂに締め込むことで第１のＸ制動機構３０を固定する。このようにセンターテーブル５に組付けられた第１のＸ制動機構３０は、摺動部材４３がＸブレーキレール３４の上面における被摩擦面に一定の押接力で押接することになる。

図８に、第２のＸ制動機構３１のセンターテーブル５への組付け構造を示す。センターテーブル５には、確認用開口７２が設けられるとともに、第２のＸ制動機構３１をそのホルダ５２においてねじ止めするためのボルト孔７３が設けられている。このようなセンターテーブル５に第２のＸ制動機構３１を組付けるには、確認用開口７２にブレーキパッドユニット５３がセンターテーブル５の下面側から臨む状態にし、それからボルト孔７３を通したボルト６８をホルダ５２に設けてあるねじ孔５２ｅに締め込むことで第２のＸ制動機構３１をセンターテーブル５の下面に固定する。このようにセンターテーブル５に組付けられた第２のＸ制動機構３１は、ブレーキパッド６０がＸブレーキレール３５の側面における被摩擦面に対し所定のギャップをもって近接する状態になり、そのブレーキパッド６０の状態を確認用開口７２から確認できるようになっている。

以下では他の実施形態について説明する。第２の実施形態では、固定的制動用の第１の制動機構と動的制動用の第２の制動機構に１本のブレーキレールを共用させるようにする。図９に、第１のＸ制動機構３０と第２のＸ制動機構３１にＸブレーキレール３５を共用させる例を示す。第１のＸ制動機構３０は、摺動部材４３（図９では見えない状態になっている）をブレーキレールの上面に押接させている。一方、第２のＸ制動機構３１は、制動解除状態にあってブレーキパッド６０をＸブレーキレール３５の側面に僅かなギャップｇを空けて近接させており、この状態からブレーキパッド６０をＸブレーキレール３５の側面に押接させることで制動状態となるようにされている。

第３の実施形態では、動的制動用の第２の制動機構をブレーキレールの上面に作用させるようにする。図１０に、第２のＸ制動機構３１をＸブレーキレール３５の上面に作用させる例を示す。図１０の例では、図６におけるＬ型ブラケット６２に替えてＴ型ブラケット７５を用い、これによりブレーキパッドユニット５３の向きを変えることで、Ｘブレーキレール３５の上面にブレーキパッド６０を押接させることができるようにしている。

第４の実施形態では、第１の実施形態における第２のＸ制動機構３１のブレーキパッドユニット５３に改変を加える。図１１に、第４の実施形態における第２のＸ制動機構８０を各構成部品に分解した状態を斜視状態で示す。本実施形態の第２のＸ制動機構８０は、基本的には第２のＸ制動機構３１と同様で、そのブレーキパッドユニット８１に特徴がある。具体的には、図６の圧縮ばねホルダ６１に替えて圧縮ばねホルダ８２を用いている点、および可撓部材である板ばね８３を加えている点で第２のＸ制動機構３１におけるブレーキパッドユニット５３と相違している。

圧縮ばねホルダ８２は、図６の圧縮ばねホルダ６１より細長く形成され、圧縮ばねホルダ６１における保持穴６１ａと同様な保持穴８２ａが設けられるとともに、両端部に段部８２ｂが設けられている。板ばね８３は、幅と長さを圧縮ばねホルダ８２とほぼ同じにされており、圧縮ばねホルダ８２の保持穴８２ａに対応させるようにしてばね通し孔８３ａが設けられている。この板ばね８３は、段部８２ｂを介して圧縮ばねホルダ８２にねじ止めで固定されるとともに、ブレーキパッド６０にもその裏面側にねじ止めで固定される。つまりブレーキパッド６０は、板ばね８３を介して圧縮ばねホルダ８２に固定されている。このような板ばね８３を加えたことにより、ブレーキパッド６０の押し付け方向に直交する方向のせん断力に対する剛性を高めることができ、より安定的な制動を行えるようになる。ここで、本実施形態では、板ばね８３にばね通し孔８３ａを設けているが、これは必ずしも必要でない。すなわち圧縮ばね６３を板ばね８３と圧縮ばねホルダ８２の間に収めるようにし、圧縮ばね６３の付勢が板ばね８３を介してブレーキパッド６０に伝わるようにする構造とすることも可能である。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、これらは代表的な例に過ぎず、本発明はその趣旨を逸脱することのない範囲で様々な形態で実施することができる。例えば以上の実施形態はいずれもＳＥＭにおける試料ステージに関した場合であったが、これに限られず、本発明は様々な用途のステージ装置に適用することができる。また以上の各実施形態では、動的制動用の第２の制動機構における制動駆動手段の駆動源をピエゾアクチェータで形成するようにしていたが、これに限られず、ピエゾアクチェータ以外のアクチェータを用いることも可能である。ただ、その場合でもピエゾアクチェータと同程度の高速動作を可能とするアクチェータを用いるのが望ましい。また以上の各実施形態では、静止要素にブレーキレールを設け、そのブレーキレールで被摩擦面を得るようにしていたが、必ずしもこのようにする必要はなく、ブレーキレール以外で被摩擦面を得るようにすることも可能である。

第１の実施形態に係るＳＥＭの全体的な構成を模式化して示す図である。 試料ステージの要部の斜視状態を模式化して示す図である。 ステージ位置決め制御における処理の流れを示す図である。 第１のＸ制動機構の構成を示す図である。 第２のＸ制動機構の構成を示す図である。 第２のＸ制動機構を各構成部品に分解した状態を斜視状態で示す図である。 第１のＸ制動機構のセンターテーブルへの組付け構造を示す図である。 第２のＸ制動機構のセンターテーブルへの組付け構造を示す図である。 第１のＸ制動機構と第２のＸ制動機構に１つのブレーキレールを共用させる例を示す図である。 第２のＸ制動機構をブレーキレールの上面に作用させる例を示す図である。 第４の実施形態における第２のＸ制動機構を各構成部品に分解した状態を斜視状態で示す図である。

符号の説明

３ 試料ステージ（ステージ装置）
４ ベース（静止要素）
５ センターテーブル
６ トップテーブル
７ Ｘレール（案内手段）
１３ Ｙレール（案内手段）
１９ 位置決め制御装置
３０ 第１のＸ制動機構
３１ 第２のＸ制動機構
３２ 第１のＹ制動機構
３３ 第２のＹ制動機構
４０ 固定部材
４１ 圧縮ばね
４２ 板状ばね（可撓部材）
４３ 摺動部材
５０ ピエゾアクチェータ
５１ レバープレート（駆動伝達レバー）
５３、８１ ブレーキパッドユニット
６０ ブレーキパッド
６１、８３ 圧縮ばねホルダ
６３ 圧縮ばね
８３ 板ばね（可撓部材）

Claims (6)

1. 案内手段により拘束されて静止要素上を一定の方向に移動できるようにされたテーブルを備えるとともに、前記テーブルの移動と停止を制御することで前記テーブルの位置決め制御を行う位置決め制御装置を備えたステージ装置において、
   前記テーブルと前記静止要素の間に一定の摩擦力による制動を固定的に加える第１の制動機構、および前記テーブルを停止させる際に駆動され、前記第１の制動機構による制動と共に、前記テーブルに制動を加える第２の制動機構を備えたことを特徴とするステージ装置。
2. 前記第１の制動機構は、前記テーブルに固定される固定部材、前記固定部材に組み込まれた圧縮ばね、前記圧縮ばねの付勢力を受けて撓むようにして前記固定部材に取り付けられた可撓部材、および前記可撓部材を介して前記圧縮ばねの付勢力を受けるようにして前記固定部材に取り付けられた摺動部材を備え、前記静止要素に設けられる被摩擦面に前記圧縮ばねの付勢力で前記摺動部材を固定的に押接させることで前記一定の摩擦力を得るようにされていることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
3. 前記第２の制動機構は、電圧の印加により伸縮変位を生じることで制動駆動用の駆動力を発生させるアクチェータ、前記アクチェータによる制動駆動動作を拡大して伝える駆動伝達レバー、および前記駆動伝達レバーに連結されたブレーキパッドを備え、制動解除状態にあっては前記静止要素に設けられる被摩擦面に対し前記ブレーキパッドを非押接の状態に保ち、制動発動時には前記アクチェータの制動駆動動作により前記ブレーキパッドを前記被摩擦面に押接させるようにされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のステージ装置。
4. 前記第２の制動機構は、前記ブレーキパッド、前記ブレーキパッドを付勢する圧縮ばね、および前記圧縮ばねを前記付勢のために保持する圧縮ばねホルダを含むブレーキパッドユニットを備えていることを特徴とする請求項３に記載のステージ装置。
5. 前記ブレーキパッドユニットは、前記圧縮ばねの付勢力を受けて撓むようにして前記圧縮ばねホルダに取り付けられた可撓部材をさらに含み、この可撓部材を介して前記ブレーキパッドが前記圧縮ばねホルダに固定されていることを特徴とする請求項４に記載のステージ装置。
6. 前記位置決め制御装置は、前記テーブルの移動中における現在位置と位置決めにおける目標位置との偏差が所定の許容範囲になることを条件に前記第２の制動機構を作動させて位置決め制御をなすようにされていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のステージ装置。

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