JPS58190080A

JPS58190080A - 回転微動機構

Info

Publication number: JPS58190080A
Application number: JP57072423A
Authority: JP
Inventors: Toru Tojo; 東条　徹; Kazuyoshi Sugihara; 和佳杉原
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-04-28
Filing date: 1982-04-28
Publication date: 1983-11-05
Also published as: JPS6044838B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、物***置の回転を高精度に行わせる回転微動
機構の改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、半導体ウェーハやマスク基板等の試料に微細パタ
ーンを形成するものとして、電子ビーム描画装置、縮小
投影型転写装置およびＸ線転写装置等が開発さねている
が、この種の装置・ではサブミクロン単位の精度を保持
するために微小に駆動する駆動機構が必要となる。また
、上記装置に限らず測定機器で精密な測定を行う分野等
においても、高精度を有する微動駆動機構が必侵である
。

微動駆動機構としては、−軸方向に移動させるものや回
転運動を行わせるもの等があるが、回転運動を行わせる
従来の回転倣動機構にあっては次のような問題があった
。すなわち、ストロークが長いものは微動駆動が困難で
、微動駆動が可能なものはストロークを１売＜できない
等の問題があった。

例えば、公知文献（宙’、　ｈｌｒ形位置合せ機構の動
作特性、昭和５１平度鞘機学会秋朋大会前刷、Ｐ２Ｓ５
）で述べられている回転機構は圧電効果を持った材料を
歪ませて回転運動に変換しているが、この場合半径２９
（ｗ）の所で±２〔μｍ〕の極めて短いストロークしか
とれていない。また、圧電効果を利用したものとして特
公昭５１−１２４９７号公報「ステップ微動装置」があ
るが、ここで述べられている内容は直進運動形のステッ
プ駆動であり、これを回転運動に変換させるためにはや
はり従来の軸受を用いた回転テーブルを使用しなければ
ならず、さらにガタをなくすためには材料の弾性変形を
利用した片持梁のような回転機構を使用しなければなら
ない。そしてこの場合、前者では軸受内のガタの発生、
回転ストロークを大きくできない等の間融を招き、後者
にあっても以前として回転ストロークの問題を解決する
ことはできない。

」二層のような問題を解決するものとして、最近本発明
者等は、第１図（ａ）　、　ｉ）に示す如き回転微動機
構を考案した（％願昭５７−１９３２８号）。この方式
では回転ストロークを大きく取れ、原理的には１回転以
上の駆動が可能であり、かつ微小ステップ０．００５（
μｒｎ）程度の微動移動が可能である。以下、回転微動
機構について説明する。第１図（ａ）は平面図で第１図
（ｂ）は同図（ａ）の矢視Ａ−Ａ断面図を示している。

図中１は回転板であり、この回転板１は半円板状の第１
および第２の移動部材２，３を弾性ヒンジ４で接続して
構成されている。なお、実際には円板の中心軸を対称と
する該円板の外周部２個所をそれぞれ一部切欠すると共
に、該切欠部から中心軸に向ってそれぞれ切り込みを設
けることによって、上記移動部Ｈ２，３および弾性ヒン
ジ４からなる回転板１が形成される。そして、回転板１
は導電性の基台５−にに移動自在に載量されると共に、
その中心である弾性ヒンジ４の下面に設けたビン６番こ
よつＣ回転中心が規定されている。

回転板１の前記切欠部には、第１および第２の駆動部材
７，８がそれぞれ設けられている。

これらの駆動部材７，８はそれぞれ印加電圧に応じて伸
縮する圧電素子からなるもので、その伸縮方向（図中に
示す矢印方向）の両端に前記第１および第２の移動部材
２，３がそれぞれ取着固定されでいる。なお、この固定
は接着、ねじ止め或いは圧入等のいずれであってもよい
。

また、第１の駆動部拐７をこはスイッチ９ａを介して可
変電圧電源１０ａが接続され、第２の駆動部材８にはス
イッチ９ｂを介して可変電圧電源１０ｂが接続されるも
のとなっている。

一方、前記ｇｔの移動部材２の下部には電極ＪＪａおよ
び絶縁物Ｊ１ｂ、ＪＪＣからなる第１の静電チャック（
固定部材）７７が設けられており、上記電極）ｌａと前
記基台５との間にスイッチ１３ａを介してＮｍ１４ａを
接続することにより第１の移動部材２が基台５上に吸着
固定されるものとなっている。また、ＷＪ２の移動部材
３の下部には上記静電ナヤツク１１と同様な第２の静電
チャック１２が設けられており、このチャック１２によ
り第２の移動部材３が基台５上に１１　Ｍ固定されるも
のとなっている。

このように構成された回転微動機構では、まず前記第２
の静電チャック１２により第２の移動部材３を基台５上
に吸着固定する。この状態で第１の駆動部材７を伸長さ
せると共に、第２の駆動部材８を縮長させる。これをこ
より、第１の移動部材２は第２図（ａ）に示す如く、弾
性ヒンジ４のひずみにより同ヒンジ４を中心として矢印
Ｐ方向に微小回転する。次に、前記第１の静電チャック
１ノにより第１の移動部材２を基台５上に固定し、そ（
ハ後第２の靜璽、チャック１２による第２の移動部材３
の固定を解除する。この状態で第１の駆動部材７を縮長
させると共に第２の駆動部材８を伸長させると、第２の
移動部材３が第２図（ｂ）に示す如く、弾性ヒンジ４を
中心として矢印Ｐ方向に微小回転する。以上の操作を繰
り返すことによって、第１および第２の移動部材２，３
からなる回転板１は、弾性ヒンジ４のひずみによりピン
６を中心として矢印Ｐ方向に回転せしめられることにな
る。

かくして、回転板１を微動駆動し得ると共にこの繰返し
動作によって回転ストロークを長くすることができる。

さらに、駆動部材７，８に印加する電圧を調整すること
によって、回転板１の粗動および超微動を容易に行うこ
とができる０ところで、このような機構にあっては、その回転中心が
ほとんどトルクを発生しないので、回転運動を外部に取
り出すためには、第３図（ａ）に平面図、第３図（ｂ）
に同図（ａ）のＢ−Ｂ方向矢視図を示す如く移動部材２
，３のいずれか一方番こ回転テーブル１５を取着し、こ
の回転テーブル１５を回転させなければならない。なお
、図中１６ａ〜１６ｄはそれぞれローラベアリングを示
している。したがって、回転テーブル１５の回転は間欠
的となり、例えば移動部材３に回転軸を取り付けた場合
、他方の移動部材２が回転している間は回転テーブル１
５は停止することになる。このため、ステップ移動で回
転調整を行う場合、回転テーブル１５に休止状態がある
ため調整がしすらいと言う問題がある。また、回転微動
調整精度を上げるためには、駆動部材７．８を回転板１
の半径の大きい所に設置すればよいが、この場合全体構
成の大形化を招き好ましくない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、微動駆動が可能で回転ストロークを十
分長くすることができ、さらに駆動時に伴うガタの発生
をも防止することができ、かつ回転移動を連続的に行わ
せることができる回転微動機構を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、圧電効果（印加電圧に応じて伸縮する
機能）を有する部材に適当な電界を印加し、該部材を伸
び縮みさせることにより微動運動を行わせると共に、前
記第１図（ａ）　、　（ｂ）に示した機構で移動部材に
弾性構造体を設け、この弾性構造体を介して回動力を取
り出すようにしたものである。

前記第１図（ａｌ　、　（ｂｌに示した構造においては
、回転板が２分割されているため、回転か間欠的となっ
てしまっている。移動部材を弾囲構遺体で接続すること
によって駆動部材が伸びた側の弾性構造体も伸び、縮ん
だ側の弾性構造体も縮む。したがって、移動部材のいず
れかが動いていれば、この弾性構造体は必ず動くことに
なる。

こうすることによって回転は休みなく弾性構造体に伝え
られる。そして、この回転は弾性構造体を介して外部に
伝えることにより、前述したように間欠的なものではな
く連続して伝わることになる。しかも、弾性構造体によ
って回転角を減少しているので、第１図（ａ）　、　（
ｂ）に示す機構より回転精度の良いものが得られる。

本発明はこのような点に着目し、基台上に第１および第
２の移動部材を移動自在に載置すると共に、印加成用に
応にで伸縮する駆動部材の伸縮方向両端に第１および第
２の移動部材をそれぞれ取着し、上記第１および第２の
移動部材を上記基台上に交互に固定すると共にこれらの
移動部材の少なくきも一方を常に固定する固定部材を設
け、さらに第１および第２の移動部材の回転中心を決定
する手段、例えば第１および第２の移動部材を接続する
弾性ヒンジを設け、上記駆動部材の伸縮作用と固定部材
の固定作用とによって第１および第２の移動部材を単一
の軸心、例えば上記弾性ヒンジを中心、として回転せし
める回転微動機構において、前記回転を伝達する手段と
して、前記第１および第２の移動部材の移動方向に伸縮
可能な弾性構造体により一ト記各移動部材をその回転中
心以外の部分で接続するようにしたものである。

〔発明の効果〕

本発明ｌこよれば、従来の回転機構のようζこ微動を行
わせると回転ストロークが極端に短くなると云う不都合
がなく、原理的には１回転以上の回転が可能となる。こ
のため、粗動用および微動用の回転機構が不要となる。

しかも、駆動部として圧電累子からなる駆動部材で回転
部（第１および第２の移動部材）を直接駆動しているの
で、例えば１〔ｖ〕で０．００５　（μｍ）と云う超微
動を確爽に行うことができる。また、回転中心或いは回
転部が発生する部分に弾性ヒンジ等を設は回転軸に通常
の軸受を必要としないので、駆動時に伴うガタの発生を
未然に防止することができる。さらに、圧電効果を有す
る部材は、印７＋１１　電圧の大きさによって異なるが
数１００　（Ｋｉ　）〜数（１）の力を発生することが
可能であり、回転を直接駆動［７ているため、大きなト
ルクを発生ずる回転機構を提供することができる。この
場合、固定部材で押えた部分のスリップが考えられるが
、これは伝達するトルクによって固定部材の押圧力を適
当に調整すればよい。

また、本発明によれば、第１図（ａ）　、　（ｂ）に示
したものと比較して次のような効果が得られる。

すなわち、移動部材のいずれか一方が動いていれば回転
を伝えることが可能となり、間欠的に動いていたものと
は異なり、回転テーブル等の被回転体を連続的に移動さ
せることができる。

さらに、前述したように弾性構造体を介して回転力を伝
えているため、回転精度をより向上させることができる
。しかも、＄Ａ動部材或いは固定部材に電圧を加えて移
動部材を回転成いは固定させるときに発生する急激な加
速度を弾性構造体によって吸収することができ、この回
転微動機構の上に乗せられた試料等に悪影響を与えるこ
とを防止できる。

また、本発明はその構成が極めて簡単で故障する部品等
も用いていないので、計測器類や各種半導体製造装置内
に組み込んで使用しても十分信頼性のあるものである。

さらに、電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子を用い
た装置では磁界の変動によって荷電粒子が影響を受ける
が、本発明では全ての構成材料を非出性材で形成するこ
とができ、この浜から荷電４粒子を用いる装置に極めて
有用性が尚い。

〔発明の実施例〕

第４図は本発明の一実施例１こ係わる回転微動機構の概
略構成を示す平面図である。なお、第１図（ａｌ　、　
（ｂｌと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説
明は省略する。この実施例が前記第１図（ａｌ　、　（
ｂｌに示した機構と異なる点は、第１および第２の移動
部材２．３を弾性構造体２ノ。

２２で接続したことにある。すなわち、移動部材２，３
は弾性ヒンジ４と共に十Ｒ？９Ｄ性構造体２１．２２に
より、その中心と駆動部材２，８との間で接続されてい
る。なお、実際には円板の中心軸を対称とする該円板の
外周部２個所をそれぞれ切欠すると共に円板の所望部を
左右対称に一部切欠することにより、移動部材２，３、
弾性ヒンジ４′ｊ６よび弾性構造体２１．２２が一体形
成されている。また、静電チャック機構１１．１２、各
棟スイッチ９ａ、９ｂ、１３ａ。

１３ｂおよび電飾１０　ａ　、　１θｂ、１４ａ。

Ｊ４ｂは第１図（ａ）　、　（１））と同様に接続され
ている。

このような構成であれば、先に説明した回転微動機構と
同様に第２の静電チャック１２により第２の移動部材３
を基台５上に吸着固定した状態で、第１の駆動部材７を
伸長させると共に、第２の駆動部材８を縮長させること
ｌこよって、第１の移動部材２は第５図（ａ）ｉこ示す
如く弾性ヒンジ４を中心として矢印Ｑ方向に微小回転す
る。

次に、第１の静電チャック１ノにより第１の移動部材２
を基台５上（ζ吸潰固定し、その後第２の静電チャック
１２による第２の移動部材３の固定を解除する。この状
態で第１の駆動部材７を縮長させると共に第２の駆動部
材８を伸長させるさ、第２の移動部材３が第５図（ｂ）
に示す如く微小回転する。

ここで、弾性構造体２１．２２は移動部材２．３の間欠
的な移動に拘わらず、共に連続的に伸び縮み移動する。

したがって、回転運動を上記弾性構造体２１，２１！を
介して伝達することにより移動部材２，３が従来と同じ
回転角だけ回転しても略半分の回転角で弾性構造体２１
゜２２が回転するため、精度のよい回転制御が可能とな
る。さらに、第１図（ａ）、Φ）と全く同じ駆動系を用
いて駆動でき、その回転精度は倍となり、才た回転に伴
う振動婢も弾性構造体２１゜２２によって吸収されるこ
とになる。

かくして、本実施例によれば、回転板ｌを微動し得ると
共にその回転ストロークを長くすることができるのは勿
論、回転力を連続的に取り出すことができる。

第６図は、他の実施例の警部構成を一部切欠して示す平
面図である。なお、＠４図と同一部分には同一符号を付
して、その詳しい説明は省略する。この実施例が先に説
明した実施例と異なる点は、回転板１の形状にある。す
なわち、円板の中心軸を対称とする外周部の２個所をそ
れぞれ切欠すると共に、円板の所望部に切り込みを入れ
て、第６図に示す如く移動部材２，４弾性ヒンジ４およ
び弾性構造体３１．３３からなる回転板１が形成されて
いる。なお、図中３３ａ、３３ｈ、３４ａ、３４ｂは前
記駆動部材７，８を接続するためのねじ穴を示し、３４
は前記回転テーブル１５を接続するためのねじ穴を示し
ている。

このような構成であっても先の実施例と同様な効果を奏
するのは勿論である。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、半導体製造装置の如く試料を回転させ、
その後の停止位置安定性も重要なものとなる場合には、
前記弾性構造体の部分に静電チャックを設け、位置合わ
せ調整後に弾性構造体をクランプするようにしてもよい
。

こうすることによって、外乱からの自由振動によるふら
つき等の防止も可能となる。才た、前記実施例では回転
の中心に弾性ヒンジを設けた構造を示しているが、これ
は回転中心を確実にし安定させるためのものであり、特
に必要なものではなく取って去った構造でも特に問題で
はない。才た、移動部材は差動で動かしているが片側１
個でも十分に回転微勤行なえるようになっている。さら
に、弾性構造体の形状や寸法等は、仕様に応じて適宜変
更することが可能である。

また、固定部材によって移動部材を基台に固定する手段
としで、実施例では静電チャックを用いたものを説明し
たが、静電チャックの構造。

製作方法としては特開昭５５−１４５３５１号「静電チ
ャック」等にも示されているように糧々考えられる。ま
た、静電チャックとは別に、真空チャック、電磁チャッ
クとしてもよく、さらに機械的にクランプする方法でも
よい。また、前記駆動部材を駆動する電源、制御方法も
種々考えられ目的に合せて製作することができる。

例えば、非常に粗く動かして良いときは駆動部材に印加
する電圧を高くシ、超微動を行ないたい時は低電圧を印
加する様に自在に制御を行なうことができる。さらに、
この回転機構は一種の微動回転モータとして使用するこ
とも可能であり、この回転を他の機構に伝えることによ
って物体の微動を行うこともできる。

要するに本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌ　、　（ｂ）は本発明の基本となる回転微
動機構の概略構成を示すもので第１図（ａ）は平面図、
第１図（ｂ）は同図（ａ）の矢視Ａ−Ａ断面図、第２図
（ａ）　、　（ｂｌはそれぞれ上記機構の作用を説明す
るための模式図、第３図（ａｌ　、　（ｂ）は上記機構
から回転力を取り出す方法を示すもので第３図（ａ）は
平面図、第３図（ｂｌは同図（ａ）のＢ−Ｂ方向矢視図
、第４図は本発明の一実施例に係わる回転微動機構の概
略構成を示す平面図、第５図（ａ）　、　（ｂ）は上記
実施例機構の作用を説明するための模式図、第６図は変
形例の要部構成を示す平面図である。１・・・回転板、２・・・第１の移動部材、３・・・第
２の移動部材、４・・・弾性ヒンジ、５・・・基台、６
・・・やン、７，８・・・駆動部材、９ｍ、９ｂ。１３ａ、１３ｂ−スイッチ、１０ａ、１０ｂ。Ｊ４ａ、１４ｂ・−・電源、１１・・・第１の静電チャ
ック（第１の固定部材）、１２．・・・第２の静電チャ
ック（第２の固定部材）、１５・・・回転テーブル、２
１，２２，３１．３２・・・弾性構造体。出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図（ａ）（ｂ） −４【第２図（ａ）（ｂ）ｔｌＢ図第５１１　　　　　　（ａ）慎　４Ｆ！Ｆｌり（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基台上に移動自在に載置された第１および第２の
移動部材と、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子からな
りその伸縮方向両端に上記第１および第２の移動部材が
それぞれ取着された駆動部材と、上記第１および第２の
移動部材を前記基台−ヒに交互に固定すると共にこれら
の移動部材の少なくとも一方を常に固定する固定部材と
、上記第１および第２の移動部材の回転中心を決定する
手段とを具備し、前記駆動部材の伸縮作用および前記固
定部材の固定作用により前記第１および第２の移動部材
を単一の軸心を中心として回転せしめる回転微動機構に
おいて、前記回転中心を決定する手段として、前記第１
および第２の移動部材の移動方向に伸縮可能な弾性構造
体により上記各移動部材をその回転中心以外の部分で接
続したことを特徴とする回転微動機構。
（２）前記回転中心を決定する手段として、材料の弾性
を第１１用した弾性ヒンジで前記第１および第２の移動
部材の中心を接続すると共に、上記各移動部材の＄６動
方向に伸縮可能な弾性構造体により第１および第２の移
動部材をその回転中心以外の部分で接続するようにした
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の回転微動
機構。
（３）　　前記固定部材は、前記駆動部材の伸縮方向と
直交する方向に伸縮可能な圧電素子を前記第１および第
２の移動部材或いは基台に取着してなり、上記移動部Ｉ
と基台とを押し付けることにより移動部祠を基台上に密
接固定するものであることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の回転微動機構。
（４）　　前記固定部材は、前記第１および第２の移動
部材或いは基台表面層に、電極および誘電層からなる静
電チャックを形成してなるものであることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の回転微動機構。
（５）　　前記基台および各部材の全てを非磁性材料で
形成すると共番こ、前記伸縮作用を有する圧電素子とし
てチタン酸ジルコン酸鉛を用い、うムかつその他の構成材料としてベリリ猛４銅、アルミニウ
ム或いはチタンを用いたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項又は第３項記載の回転微動機構。