JPS622553A

JPS622553A - 微動装置

Info

Publication number: JPS622553A
Application number: JP60141175A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Sugihara; 和佳杉原; Tsutomu Ito; 力伊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-06-27
Filing date: 1985-06-27
Publication date: 1987-01-08

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***置の回転及び直進を高精度に行わせる
微動装置に関する。

〔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
投影型転写装置及びＸ線転写装置等が開発されているが
、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、微小変位を駆動する微動機構が必要である。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機構が必要である。

微動機構としては、−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
の回転微動機構にあっては次のような問題があった。即
ち、ストロークが長いものでは微動駆動が困難であり、
微動駆動が可能なものはストロークを長くできない等の
問題があった。

また、微動機構として回転及び直進運動の両方を行える
ものが要望されているが、このような機構で微動駆動が
可能で、且つ長いストロークがとれるものは未だ報告さ
れていない。

上記問題を解決するものとして最近本発明者等は、第３
図に示す如く圧電素子を利用した微動機構を開発した（
特開昭５８−１９００７９号）。

この方式では、複数の駆動部材６．〜，９による各伸縮
作用と、複数の固定部材１２．〜，１５による固定作用
とを適当に組合せることによって、同一駆動源による移
動部材１．〜，４の回転運動及び直進運動が可能となる
。そして、微動を行わせるとストロークが極めて小さく
なると云う欠点がなく、微動で十分長いストロークがと
れ、原理的には無限の回転と直進とが可能である。

しかしながら、この種の微動ｍ構にあっては、次のよう
な問題があった。即ち、移動部材が任、意の方向に移動
可能な状態にあり、その構造からどうしても各軸間の相
互干渉を避けられない。つまり、微動機構（移動部材）
を、例えばＸ軸方向に移動させた場合でも、第６図に示
す如く微動機構がＹ軸及びθ軸方向に若干移動してしま
う。この位置ずれは、電子ビーム描画装置等の高精度位
置決めが要求されるものにあっては大きな問題となる。

なお、第６図において、上側のプロット点○は第７図に
示す如く微動機構をＸ方向に順方向に移動したときの移
動部材のＡ点のＹ方向位置を検出したもの。プロット点
・はＸ方向に逆方向に移動したときのＡ点のＹ方向位置
を検出したもの。

同様に、下側のプロット点Ｏ・は移動部材の８点の位置
を検出したもの。そして、中央の直線はＡ。

Ｂの中点の移動位置を示している。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、同一駆動源を用いて回転及び直進の微
動運動を行うことができ、そのストＯ−りを十分長くす
ることができ、且つ極めて高い精度で位置決めを行い得
る微動装置を提供することにある。

（発明の概要）本発明の骨子は、変位計により微動機構の位置を正確に
計測し、その位置信号と目標位置信号との差を制御回路
に帰還させて駆動部材を駆動することにより、高い精度
の位置決めを行うことにある。

即ち本発明は、基台上に移動自在に載置された少なくと
も３個の移動部材、これらの移動部材間にそれぞれ接続
された圧電素子からなる駆動部材。

及び各移動部材を基台上にそれぞれ固定する固定部材と
を備え、上記駆動部材の伸縮作用及び固定部材の固定作
用により上記移動部材を回転及び直進せしめる微動装置
において、前記移動部材の実際位置をＸ、Ｙ、θ方向に
ついて測定する測定手段と、この測定手段により得られ
た測定位置と前記移動部材の実際にあるべき設定位置と
を比較する比較手段と、この比較手段により得られた位
置ずれ情報に応じて前記駆動部材による移動部材の移動
量を制御する制■手段とを設けるようにしたものである
。

〔発明の効果〕

本発明によれば一複数の駆動部材による各伸縮作用と、
複数の固定部材による各固定作用とを適当に組み合せる
ことによって、同一駆動源による移動部材の回転運動及
び直進運動が可能となる。

そして、従来機構のように微動を行わせるとストローク
が極めて小さくなると云う欠点がなく、微動で十分長い
ストロークがとれ、原理的には無限の回転と直進とが可
能である。このため、駆動用及び微動用の機構が不要と
なる。また、駆動源として圧電素子からなる駆動部材で
移動部材を直接駆動しているため、例えば印加電圧１［
Ｖ］で０．００５　［μｍ］と云う超微動を確実に行う
ことができる。さらに、圧電効果を有する部材は、印加
電圧の大きさによって異なるが数１００［Ｋｇ］〜数［
１］の力を発生することが可能であり、大きなトルクを
発生する微動機構を提供することができる。

また、本発明は微動機構の持つ各軸間の干渉を閉ループ
制御を行うことにより解消し、本来持つ長ストロークと
微動とを極めて精度の高い位置決めを実現することが可
能となり、真空装置等内の駆動機構としてその応用範囲
が広がる。

〔発明の実施例〕

まず、実施例を説明する前に１本発明の基本となった微
動機構の構造及び動作について説明する。

第３図（ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ従来の微動装置の概略
構成を示すもので（ａ＞は平面図、（ｂ）は（ａ）の矢
視Ａ−Ａ断面図、（Ｃ）は（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ断面図で
ある。図中１．２．３．４はそれぞれ矩形板状の移動部
材であり、これらの移動部材１．〜．４は導電性の基台
５上に全体として正方形をなすよう離間して載置されて
いる。移動部材１．〜．４の隣接するもの同士は駆動部
材６．７．８．９によりそれぞれ接続されている。

即ち、移動部材１．２間には駆動部材６が、移動部材２
．３間には駆動部材７が、移動部材３．．４間には駆動
部材８が、そして移動部材４，１間には駆動部材９が設
けられている。駆動部材６．〜。

９はそれぞれ印加電圧に応じて伸縮する圧電素子、例え
ばチタン酸ジルコン酸鉛からなるもので、その伸縮方向
く図中に示す矢印方向〉両端に前記移動部材１．〜．４
がそれぞれ取着固定されている。

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、駆動部材６にはスイッチ１０ａ
を介して可変電圧電源１１ａが接続され、同様に駆動部
材７にはスイッチ　１０ｂを介して電源１１ｂが、駆動
部材８にはスイッチ１０Ｃを介して電源１１ｃが、駆動
部材９にはスイッチ１０ｄを介して電源１１ｄが接続さ
れるものとなっている。

一方、前記移動部材１の下部には電極１２ａ及び絶縁層
１２ｂ、１２Ｇからなる静電チャック（固定部材）１２
が設けられており、同様に移動部材２．〜．４の下部に
は静電チャック１３，１４．１５がそれぞれ設けられて
いる。そして、これらの移動部材１．〜．４、例えば移
動部材１は上記電極１２ａと前記基台５との間にスイッ
チ１６ａを介して電源１７ａを接続することにより、基
台５上に吸着固定されるものとなっている。なお、図中
１３ａ、　〜、１５ａはミル、１３ｂ、〜。

１５ｂ、１３ｃ、〜１５ｃは絶縁層、１６ｂ、〜。

１６ｄはスイッチ、１７ｂ、〜、１７ｄは電源をそれぞ
れ示している。

このように構成において、回転運動をさせるには、静電
チャック１４．１５により移動部材３゜４を基台５上に
固定したのち、第４図（ａ）に示す如く駆動部材７を伸
長させると共に駆動部材９を縮長させる。これにより、
移動部材１，２が矢印Ｐ方向に微小回転する。次に、静
電チャック１２．１３により移動部材１，２を基台５上
に固定したのち上記静電チャック１４．１５による移動
部材３，４の固定を解除する。この状態で第４図（ｂ）
に示す如く駆動部材７を縮長させると共に、駆動部材９
を伸長させると、移動部材３．４が矢印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：移動部材
１．〜，４は矢印Ｐ方向に回転せしめられることになる
。

直進運動をさせるには、静電チャック１３，１４により
移動部材２．３を基台５上に固定したのち、第５図（ａ
）に示す如く駆動部材６．８を共に伸長させる。これに
より、移動部材１．４は矢印Ｑ方向に微小移動（直進移
動）する。次に、静電チャック１２．１５により移動部
材１．４を基台５上に固定したのち、上記静電チャック
１３゜１４による移動部材２．３の固定を解除する。こ
の状態で第５図（ｂ）に示す如く駆動部材６．８を共に
縮長させると、移動部材２．３が矢印Ｑ方向に微小移動
する。以上の操作を繰り返すことによって移動部材１．
〜，４は矢印Ｑ方向に直進せしめられることになる。

かくして、移動部材１．〜，４を回転成いは直進運動さ
せることができ、さらに回転及び直進運動を同時に行わ
せることも可能である。また、移動部材１．〜，４の運
動方向は駆動部材６．〜。

９の各伸縮作用と静電チャック１２．〜．１５の各固定
作用とを適当に選択することによって、自由に設定する
ことができる。

次に、上記微動機構を用いた本発明の一実施例について
説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係わる微動装置を示す概
略構成図である。なお、第３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。この実施例が第
３図に示した装置と異なる点は、閉ループサーボを組ん
で微動機構を駆動したことにあり、駆動機構本体は第３
図の装置と同様である。即ち、微動機構（移動部材）は
渦電流型の非接触変位計４１によって、その位置が（Ｘ
。

Ｙ、θの３軸について）検出され、この検出信号はプリ
アンプ４２で増幅されたあとＡＤコンバータ４３により
デジタル化され、コンパレータ４４に送られる。一方、
目標位置は計Ｗｉ１１４５からコンパレータ４４に送ら
れ、それらの差が計算１１［４５から送られた許容誤差
範囲に入るまで、制御回路４６により駆動部材６．〜，
９が駆動される。

次に、このように構成された本装置の作用について説明
する。

第２図は駆動のアルゴリズムを示すフローチャートであ
る。まず、Ｒｅａｔ　ｄａｔａで目標位置、許容誤差の
読込みを行う。ｘｄｒｉｖｅで変位計によりＸ方向位置
を測定し、目標位置と測定位置の差△Ｘが許容ΔεＸ以
下になるまで微動機構をＸ方向に駆動する。ΔＸが△ε
Ｘ以下になるとＹｄｒｉＶｅでＹ方向位置を測定し、目
標位置と測定位置の差Δｙが許容誤差Δεｙ以下になる
まで微動機構をＹ方向に駆動する。しかし、前述したよ
うに各軸間に干渉があるため、Ｙ方向に移動させた際に
Ｘ方向にも変化が生じる。このため、再度ΔＸが△εＸ
以内に入っているかを確認し、入っていれば次に進み入
っていなければＸ　ｄｒｉｖｅに戻る。

次いで、θｄｒｉｖｅでθ方向の角度を変位計から求め
、目標角度と測定角度の差へ〇が許容誤差Δεθ以下に
なるまで微動機構をθ方向に駆動する。

許容誤差以内であれば、ΔＸ、ΔｙがΔε×、Δεｙ以
内であることを確認する。この△Ｘ、ΔｙがΔεＸ、△
εｙを越えていれば、上述したシーケンスを繰り返して
目標位置への位置決め制御する。

かくして、本実施例装置によれば、微動機構の持つ３軸
間の干渉を解消し、微動機構が本来もっている長ストロ
ークの移動と高精度な位置決めを行うことができる。こ
のため、電子ビーム描画装置等の高精度な位置決めが要
求されるものにあっても十分゛適用することができ、そ
の効果は絶大である。

なお本発明は上述した実施例に限定されるものではない
。例えば、前記微動ｉ構の位置を測定する測定器には、
レーザ干渉計や静電容置型の非接触型の測定器を用いて
もよい。また、駆動アルゴリズムは前記第２図に回答限
定されるものではなく、その状況に合せて適宜変更すれ
ばよい。また、実施例では移動部材及び駆動部材をそれ
ぞれ４１Ｉｌ用いた場合を説明したが、これらは３個以
上の数であればよい。ざらに、移動部材の形状や寸法等
は、仕様に応じて適宜型めればよい。また、前記固定部
材は必ずしも静電チャックに限るものではなく、電磁チ
ャックその他のものであってもよいのは、勿論のことで
ある。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図は本発明の一実施例に係わる微動装置の概略構成
を示す平面図、第２図は上記実施例装置の作用を説明す
るためのフローチャート、第３図は本発明の基本となる
微動機構の概略構成を示すもので第３図（ａ）は平面図
、第３図（ｂ）は同図（ａ）の矢視Ａ−Ａ断面図、第３
図（Ｃ）は同図（ａ）の矢視Ｂ−８断面図、第４図（ａ
）（ｂ）及び第５図（ａ）（ｂ）はそれぞれ上記微動機
構の作用を説明するための模式図、第６図は微動機構の
各軸間の干渉例を示す特性図、第７図は微動閤構の移動
方向及び位置測定点を示す模式図である。１、〜．４・・・移動部材、５・・・基台、６．〜．９
・・・駆動部材、１０ａ、　〜、１０ｄ、１６ａ、　〜
。１６　ｄ　・・・スイッチ、１１ａ、　〜、１１ｄ、１
７ａ。〜、１７ｄ・・・電源、１２．〜．１５・・・静電チャ
ック（固定部材）　、１２ａ、　〜、１４ｃｊ−・・電
極、１２ａ、　〜、１４ｄ、１２ａ、　〜、１４ｃｊ・
・・絶縁層、４１・・・非接触型変位計、４２・・・増
幅器、４３・・・Ａ／Ｄコンバータ、４４・・・コンパ
レータ、４５・・・計算機、４６・・・制御回路、４７
・・・駆動部材制御信号、４８・・・固定部材制御信号
。出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦（ａ）第４図（ａ）（ｂ）第５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基台上に移動自在に載置された少なくとも３個の
移動部材、これらの移動部材間にそれぞれ接続された圧
電素子からなる駆動部材、及び各移動部材を基台上にそ
れぞれ固定する固定部材とを備え、上記駆動部材の伸縮
作用及び固定部材の固定作用により上記移動部材を回転
及び直進運動せしめる微動装置において、前記移動部材
の実際位置をＸ、Ｙ、θ方向について測定する測定手段
と、この測定手段により得られた測定位置と前記移動部
材の実際にあるべき設定位置とを比較する比較手段と、
この比較手段により得られた位置ずれ情報に応じて前記
駆動部材による移動部材の移動量を制御する制御手段と
を具備してなることを特徴とする微動装置。
（２）前記測定手段は、前記移動部材の位置を少なくと
も３箇所で測定することである特許請求の範囲第１項記
載の微動装置。
（３）前記測定手段として、渦電流型変位計を用いたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の微動装置。
（４）前記測定手段として、静電容量型変位計を用いた
ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の微動装置
。
（５）前記測定手段として、レーザ干渉計を用いたこと
を特徴とする特許請求の範囲第２項記載の微動装置。
（６）前記固定部材は、前記各移動部材の表面層に電極
及び誘電層からなる静電チャックをそれぞれ形成してな
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
載の微動装置。
（７）前記基台及び各部材の全てを非磁性材料で形成す
ると共に、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、且つその他の構成材料としてベ
リリウム銅、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項記載の微動装置。