JP2002162219A - 高精度移動機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】微動機構の制御と粗動機構の制御との干渉を十
分になくして高精度の制御が行える高精度移動機構を提
供する。 【解決手段】高精度移動機構２０は、粗動機構６０と、
駆動用可動部の動作方向と反対の方向に動作するバラン
ス用可動部を有する微動機構５０と、駆動用可動部の動
きの反力が粗動機構６０に伝達されないように微動機構
５０の駆動用可動部とバランス用可動部との少なくとも
一方の駆動電圧と位相とを調整する駆動電圧調整回路５
６とを備える。駆動用可動部および載置台等とバランス
用可動部との質量的な釣り合いが完全にとれていなくて
も、駆動電圧調整回路５６によって、駆動用可動部とバ
ランス用可動部との少なくとも一方に供給される駆動電
圧が調整されるため、両者が完全に釣り合うことにな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体ウェハ等の表
面形状を精密に測定するための微細形状測定装置、その
他の装置に用いられる高精度移動機構に関する。

【０００２】

【背景技術】従来より、ＬＳＩ、その他の半導体ウェハ
等の表面形状の精密測定において、被測定物と、この被
測定物表面に接触する触針との間に作用する測定力を所
定値以下に維持することは、極めて重要なニーズとなっ
ている。これは測定力を所定値以下に維持することで、
被測定物および触針にダメージを与えず、かつ、被測定
物の表面形状を触針の動きに正確に反映できるようにな
るからである。そして、このようなニーズに応えるた
め、半導体ウェハ等の表面形状の精密測定においては、
測定力を所定値以下に制御する機構を備えた特殊な測定
装置が用いられている。

【０００３】以上のニーズを満たす測定装置として、本
件出願人は、微細形状測定装置を特願2000-70216号で提
案した。この装置は、加振型触針が取り付けられた微動
機構と、この微動機構および触針を移動する粗動機構と
の２種類の移動機構を備えて構成されている。微動機構
は、加振型触針をナノメートルオーダからマイクロメー
トルオーダまでの範囲において移動させるものであり、
粗動機構は、加振型触針をマイクロメートルオーダから
ミリメートルオーダまでの範囲において移動させるもの
であって、これらの移動機構を組み合わせることによ
り、加振型触針をナノメートルオーダからミリメートル
オーダまでの範囲において移動させるものである。

【０００４】微動機構は圧電素子をアクチュエータと
し、粗動機構は磁界中をコイルが動く可動コイル型アク
チュエータとしている。加振型触針は微動機構の高速動
作で表面粗さに追従し、粗動機構の大変位動作で表面の
うねり形状に追従する。微動機構の変位と粗動機構の変
位との和が触針の変位となり、この変位は加振型触針と
微動機構の間に配置された変位検出器により検出され
る。微動機構と粗動機構とは直線運動をするように板ば
ねで支持されている。

【０００５】微動機構は、固定部と、この固定部を中心
に配置されそれぞれ圧電素子からなる駆動用可動部およ
びバランス用可動部とを備える。駆動用可動部には載置
台を介して加振型触針が設けられ、さらに、静電容量型
変位センサの可動電極が駆動用可動部に設けられてい
る。この可動電極と所定の間隔を隔てて固定電極が対向
配置されている。駆動用圧電素子は保持体を介して粗動
機構の可動部に固定されている。

【０００６】可動電極および固定電極から変位検出器が
構成され、加振型触針の動き、つまり、駆動用可動部の
動きは固定電極と可動電極との間の静電容量を検出する
ことによって知ることができる。一方、固定部の上部に
はバランス用圧電素子が固定部に対して対称となる位置
に配置されており、その先端にはバランサが設けられて
いる。駆動用圧電素子とバランス用圧電素子とはほぼ同
一波形の電圧が印可されており、両者の圧電素子は同時
に伸びまたは縮むように動作する。

【０００７】加振型触針の接触部が試料の表面粗さに追
従しようとして駆動用圧電素子が急激に伸びる場合を想
定すると、その動きは可動電極および加振形触針等の質
量を動かそうとするため、その慣性力の反力を固定部に
受ける。しかし、同時にバランス用圧電素子が急激に伸
び、同様に、固定部に反力を及ぼす。両者の反力は同一
となるように、バランサの質量が決められているので、
固定部において反力は相殺される。従って、加振型触針
の試料面に追従するための動きの反力は粗動機構に何ら
の影響を及ぼさないので、微動機構の制御と粗動機構の
制御とは干渉せず、それぞれ高精度の制御ができ、その
結果、精度の高い測定が可能となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】特願2000-70216号で示
される微細形状測定装置では、駆動用圧電素子が駆動す
る質量体は可動電極や加振型触針の合計であるが、その
形状が複雑であるため、設計段階での質量を厳密に見積
もることが困難であり、このため、バランサの正確な設
計は極めて困難であるという問題点がある。また、部品
段階で正確に重量を測定し、バランサと同一質量に調整
することは可能であるが、加振型触針を重量の異なるも
のに変更したりすると、全体のバランスが崩れる虞れが
ある。また、厳密に同一質量とすることができたとして
も、駆動用圧電素子とバランス用圧電素子の特性が若干
でも異なると、バランスを厳密にとることは困難とな
る。

【０００９】本発明の目的は、微動機構の制御と粗動機
構の制御との干渉を十分になくして高精度の制御が行え
る高精度移動機構を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は、微
動機構の駆動用可動部の動きの反力が固定部で完全に相
殺されるように駆動用圧電素子とバランス用圧電素子に
印加する電圧とその位相とを調整して前記目的を達成し
ようとするものである。具体的には、本発明の高精度移
動機構は、固定部と載置台を印加電圧の変化に応じて高
速微細に変位させる駆動用可動部とを有する微動機構
と、この微動機構の固定部を変位させる可動部を有する
粗動機構とを含み、前記載置台の動きが前記微動機構の
動きと前記粗動機構の動きとの和になるように構成され
た高精度移動機構であって、前記微動機構は、前記駆動
用可動部の動作方向と反対の方向に動作するバランス用
可動部を備え、前記駆動用可動部の動きの反力が前記粗
動機構に伝達されないように前記微動機構の前記駆動用
可動部と前記バランス用可動部との少なくとも一方は駆
動電圧と位相とを調整する駆動電圧調整回路を備えたこ
とを特徴とする。

【００１１】この構成の本発明によれば、高精度移動機
構は、たとえば、ナノメートルオーダからマイクロメー
トルオーダまでの範囲で載置台を微小変位させる微動機
構と、マイクロメートルオーダからミリメートルオーダ
までの範囲で載置台を大変位させる粗動機構との二つの
機構を備えているため、ナノメートルオーダからマイク
ロメートルオーダまでの範囲で載置台を動作させたいと
きには微動機構を作動させ、マイクロメートルオーダか
らミリメートルオーダまでの範囲で載置台を動作させた
いときには粗動機構を作動させればよい。このように微
動機構と粗動機構とを組み合わせて作動させることで載
置台の動作をナノメートルオーダからミリメートルオー
ダまでの範囲で容易かつ短時間で制御できる。

【００１２】その上、微動機構には、駆動用可動部の動
作方向と反対の方向に動作するバランス用可動部が備え
られているため、駆動用可動部が動作した際の固定部へ
の反力は、バランス用可動部が動作して固定部への反力
（駆動用可動部の動作によって生じた反力の方向と反対
の方向へ作用する力）が生じることで、微動機構の固定
部において、駆動用可動部による反力と、バランス用可
動部による反力とが相殺される。つまり、微動機構の駆
動用可動部による反力が粗動機構の可動部に影響するこ
とがない。しかも、駆動用可動部および載置台等とバラ
ンス用可動部との質量的な釣り合いが完全にとれていな
くても、駆動電圧調整回路によって、駆動用可動部とバ
ランス用可動部との少なくとも一方に供給される駆動電
圧が調整されるため、両者が完全に釣り合うことにな
る。そのため、微動機構と粗動機構との力学的な相互干
渉は完全になくなり、移動精度を向上させることができ
る。

【００１３】ここで、本発明では、前記微動機構は、圧
電素子、磁歪素子等の高速微少変位固定素子を含んで構
成されるが好ましい。この構成では、圧電素子として、
たとえば、電歪効果があるＰＺＴ(ジルコンチタン酸鉛)
の薄板を積層すれば、電気的に制御できる微動機構を容
易に構成できる。高速微小変位固体素子としては、ＰＺ
Ｔ等の圧電素子の他、磁歪素子や形状記憶素子等であっ
てもよい。

【００１４】さらに、前記粗動機構は、前記固定部が弾
性板ばね、磁気ベアリングまたはエアベアリングにより
ガイドされている構成が好ましい。この構成では、粗動
機構には潤滑油を必要としない磁気ベアリング、エアベ
アリングあるいは弾性板ばねを用いているから、清浄な
粗動機構を構成でき、半導体ウェハ等の表面形状計測に
有効である。

【００１５】また、前記載置台の変位を検出する変位検
出手段を設け、前記載置台に、被測定物に接触する触針
を取り付けた構成が好ましい。この構成の本発明では、
表面粗さを測定するための微動機構とうねり形状を測定
するための粗動機構とを組み合わせることで触針の動作
をナノメートルオーダからミリメートルオーダまでの範
囲で容易かつ短時間で制御できる。また、微動機構に
は、バランス用可動部が設けられているため、微動機構
と粗動機構との間には力学的な干渉が生じないので、触
針が複雑かつ制御不能な変位動作をとることもなく、触
針の動作を微動機構および粗動機構で正確に制御でき
る。これにより、触針に作用する測定力の制御を正確に
行うことができて、被測定物および触針へのダメージを
低減できるとともに測定精度を高めることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施形態を図面
に基づいて説明する。ここで、各実施形態中、同一構成
要素は同一符号を付して説明を省略もしくは簡略にす
る。 ［第１実施形態］図１には、本発明の第１実施形態に係
る高精度移動機構２０が適用された微細形状測定装置１
の一部断面図が示されている。図１において、測定装置
１は、被測定物Ｗに接触する触針１２を有する触針機構
１０と、触針１２を上下方向（被測定物Ｗの表面の高さ
方向）へ移動させる高精度移動機構２０と、この高精度
移動機構２０による触針１２の移動量を検出する変位検
出手段３０と、触針１２に作用する測定力を調整する測
定制御回路（図示せず）とを備えている。

【００１７】触針機構１０は、先端に被測定物Ｗに接触
する接触部を有しかつホルダに開口内から先端が突出し
た状態で支持された加振型触針１２と、この加振型触針
１２を軸方向に共振状態で振動させる加振手段（図示せ
ず）と、加振型触針１２の接触部が被測定物Ｗに接触し
た際に生ずる共振状態の変化を検出する状態量検出手段
（図示せず）とを備えている。加振型触針１２は、その
軸方向に略対称な構造とされている。

【００１８】高精度移動機構２０は、表面粗さを測定す
るためにナノメートルオーダからマイクロメートルオー
ダまでの範囲で触針１２を微小変位させる微動機構５０
と、うねり形状を測定するためにマイクロメートルオー
ダからミリメートルオーダまでの範囲で触針１２を大変
位させる粗動機構６０とを備える。粗動機構６０は、固
定部５１を備え、微動機構５０は、固定部５１の下面に
設けられた駆動用可動部５２と、固定部５１の上面に設
けられたバランス用可動部５３とを備えており、駆動用
可動部５２とバランス用可動部５３とは固定部５１を基
点として反対方向に動作するようになっている。駆動用
可動部５２の下面側には中間部材５４を介して載置台５
５が取り付けられ、この載置台５５の下面にはホルダを
介して触針１２が設けられている。この触針１２の軸方
向は被測定物Ｗの高さ方向（つまり、微動機構５０およ
び粗動機構６０の動作方向）へ沿っている。また、バラ
ンス用可動部５３の上面側には、必要に応じてバランサ
５３Ａが設けられている。

【００１９】駆動用可動部５２およびバランス用可動部
５３は、圧電素子（ＰＺＴ）の薄板を積層してそれぞれ
構成されたものであり、略同一構造とされている。この
ように構成された駆動用可動部５２およびバランス用可
動部５３に、略同一波形の電圧をかけると、両方の圧電
素子が同時に伸びる、あるいは同時に縮む。これら駆動
用可動部５２およびバランス用可動部５３は、固定部５
１を基点として伸縮するので、圧電素子を伸ばすような
所定の電圧がかけられると、駆動用可動部５２は固定部
５１を基点として下方向に伸び、バランス用可動部５３
は固定部５１を基点として上方向に延びる。一方、圧電
素子を縮ませるような所定の電圧がかけられると、駆動
用可動部５２は固定部５１を基点として上方向に縮み、
バランス用可動部５３は固定部５１を基点として下方向
に縮む。

【００２０】これにより、駆動用可動部５２が動作した
際の固定部５１への反力は、バランス用可動部５３が動
作して固定部５１への反力（駆動用可動部５２の動作に
よって生じた反力の方向と反対の方向へ作用する力）が
生じることで、微動機構５０の固定部５１において、駆
動用可動部５２による反力と、バランス用可動部５３に
よる反力とが相殺される。つまり、微動機構５０の駆動
用可動部５２による反力が粗動機構６０の可動部６２に
影響することがない。なお、バランス用可動部５３のバ
ランサ５３Ａの質量は、駆動用可動部５２とバランス用
可動部５３との各反力が同一となるように設定されてい
る。

【００２１】粗動機構６０は、ベース（図示せず）に固
定されたヨーク６１および永久磁石６２からなる磁気回
路の空隙中を可動コイル６３が上下方向へ移動し、この
可動コイル６３の下端側に微動機構５０が設けられるこ
とで、微動機構５０および触針１２が上下方向へ移動す
る構造となっている。可動コイル６３の下端側にはプレ
ート６４が固定され、このプレート６４から下方に突出
した支持部材６５に微動機構５０の固定部５１が固定さ
れることで、微動機構５０が可動コイル６３に設けられ
ていることになる。このような可動コイル６３に流す電
流量を制御することで、微動機構５０および触針１２を
上下方向へ移動させることができる。可動コイル６３の
保持は、たとえば、可動コイル６３の移動方向へ弾性可
能な板ばね６６の一端を支持部材６５に他端をベース支
持部材６７に固定することで行われる。本実施形態で
は、ヨーク６１は粗動機構６０の固定部であり、プレー
ト６４および支持部材６５は粗動機構６０の可動部であ
る。

【００２２】変位検出手段３０は、微動機構５０の駆動
用可動部５２の下面に中間部材５１を介して固定された
可動電極３１と、この可動電極３１に上下方向へ所定間
隔を隔てて対向配置された固定電極３２とを備え、固定
電極３２および可動電極３１間の静電容量を検出するこ
とで、微動機構５０および粗動機構６０による触針１２
の移動量を検出する構成である。固定電極３２は、リン
グ状に形成されており、その外周面がベース支持部材６
７の内周端面部６７Ａに固定されている。なお、本実施
形態では、変位検出手段３０について、光ファイバセン
サを備えて構成してもよい。

【００２３】測定制御回路は、微動機構駆動回路５０Ａ
および粗動機構駆動回路（図示せず）を介して微動機構
５０および粗動機構６０の作動を制御するものである。
微動機構駆動回路５０Ａは、触針１２の先端が被測定物
の表面を一定の測定力を維持したまま倣うように触針１
２を駆動する電圧を発生し、この電圧によって駆動電圧
調整回路５６を介して微動機構５０の作動を制御する。

【００２４】駆動電圧調整回路５６は、図２に示される
通り、駆動用可動部５２に接続された第１の圧電素子駆
動回路５７Ａと、バランス用可動部５３に接続された第
２の圧電素子駆動回路５７Ｂと、第１の圧電素子駆動回
路５７Ａに供給する電圧を調整する第１の分圧抵抗器５
８Ａと、第２の圧電素子駆動回路５７Ｂに供給する電圧
を調整する第２の分圧抵抗器５８Ｂとを備えて構成され
る。

【００２５】微動機構駆動回路５０Ａで発生した電圧
は、第１の分圧抵抗器５８Ａと第２の分圧抵抗器５８Ｂ
とで分圧され、第１の分圧抵抗器５８Ａから出力された
電圧は第１の圧電素子駆動回路５７Ａで位相を調整し増
幅された後、駆動用可動部５２に供給され、第２の分圧
抵抗器５８Ｂから出力された電圧は第２の圧電素子駆動
回路５７Ｂで位相を調整し増幅された後、バランス用可
動部５３に印加される。ここで、位相を調整する手段は
通常の演算増幅器と、この演算増幅器の入力あるいは出
力端子に接続される位相特性補償用回路とによって、既
知の手法で容易に実現される。

【００２６】ここで、第１の分圧抵抗器５８Ａと第２の
分圧抵抗器５８Ｂとで分圧される電圧は、駆動用可動部
５２の動きの反力が粗動機構６０に伝達されず固定部５
１で完全に相殺されるように調整される。この調整は、
適宜な調整手段を用いて行われる。なお、第１実施形態
では、第１の分圧抵抗器５８Ａと第２の分圧抵抗器５８
Ｂとの２個の分圧抵抗器５８Ａ，５８Ｂで電圧調整をし
たが、１個の分圧抵抗器を用いてもよい。この場合、抵
抗で分圧すると圧電素子駆動回路の入力電圧は微動機構
駆動回路５０Ａの出力電圧より小さくなるので、予め反
力が大きい方に調整用の分圧抵抗器を設置する必要があ
る。

【００２７】このような測定制御回路は、触針１２に実
際にかかる測定力が所定値より大きくなると、駆動用可
動部５２の下端面を被測定物Ｗから離間させるように微
動機構駆動回路５０Ａおよび粗動機構駆動回路に信号を
送る。一方、触針１２に実際にかかる測定力が所定値よ
り小さくなると、駆動用可動部５２の下端面を被測定物
Ｗに接近させて触針１２を被測定物Ｗに押圧するように
微動機構駆動回路５０Ａおよび粗動機構駆動回路に信号
を送る。このような微細形状測定装置１では、触針１２
を被測定物Ｗの表面に所定の測定力で接触させるととも
に、当該表面に沿って触針１２を移動させることで測定
作業が行われる。

【００２８】次に、本発明における具体的電圧調整法を
図３に基づいて説明する。図３には、本発明の電圧調整
法を説明するための概略構成が示されている。図３にお
いて、駆動電圧調整回路５６は、第１の圧電素子駆動回
路５７Ｃと、第２の圧電素子駆動回路５７Ｄと、この第
２の圧電素子駆動回路５７Ｄに供給される電圧のゲイン
と位相を調整するゲイン位相調整回路５８Ｃと、このゲ
イン位相調整回路５８Ｃと第１の圧電素子駆動回路５７
Ｃに増幅した電圧を供給する増幅器５８Ｄと、この増幅
器５８Ｄに正弦波で変化する電圧を供給する発振器５８
Ｅとを備えて構成されている。

【００２９】発振器５８Ｅから出力された正弦波を、増
幅器５８Ｄで増幅した後２つに分け、そのうち、１つは
第１の圧電素子駆動回路５７Ｃを介して駆動用可動部５
２を動かし、残り１つは、ゲイン位相調整回路５８Ｃお
よび第２の圧電素子駆動回路５７Ｄを介してバランス用
可動部５３を動かす。ここで、駆動用可動部５２とバラ
ンス用可動部５３との反力が等しくない場合には、発振
器５８Ｄの発信周波数を適宜選択することで共振振動現
象が起こる。この共振現象は粗動機構６０の可動部（プ
レート６４および支持部材６５）を質量とし、板ばね６
６をばねとする振動現象である。

【００３０】このときの振幅の大きさは駆動用可動部５
２とバランス用可動部５３とのバランスの程度に比例す
るため、振幅を変位検出手段３０に接続されたオシロス
コープ５８Ｆでモニタし、振幅ができるだけ小さくなる
ようにゲイン位相調整回路５８Ｃのゲインと位相を調整
する。次に、ここで、得られたゲインをもとに、図２に
示す駆動電圧調整機構５６における分圧抵抗器５８Ａ，
５８Ｂの値を決定すればよい。なお、具体的電圧調整法
におけるゲイン位相調整回路５８Ｃ、増幅器５８Ｄの構
成を図２に示される駆動電圧調整機構５６に用いてもよ
い。

【００３１】上述のような本実施形態によれば、次のよ
うな効果がある。 （１）微細形状測定装置１は、ナノメートルオーダから
マイクロメートルオーダまでの範囲で触針１２を微小変
位させる微動機構５０と、マイクロメートルオーダから
ミリメートルオーダまでの範囲で触針１２を大変位させ
る粗動機構６０との二つの機構を備えているので、微動
機構５０と粗動機構６０とを組み合わせて作動させるこ
とで触針１２の動作をナノメートルオーダからミリメー
トルオーダまでの範囲で容易かつ短時間で制御できる。
その上、微動機構５０には、微動機構５０の駆動用可動
部５２と略同一構造に構成されて駆動用可動部５２の動
作方向と反対の方向に動作するバランス用可動部５３が
設けられているため、駆動用可動部５２が動作した際の
固定部５１への反力は、バランス用可動部５３が動作し
て固定部５１への反力（駆動用可動部５２の動作によっ
て生じた反力の方向と反対の方向へ作用する力）が生じ
ることで、微動機構５０の固定部５１において、駆動用
可動部５２による反力と、バランス用可動部５３による
反力とが相殺される。

【００３２】しかも、駆動用可動部５２、載置台５５お
よび触針１２等とバランス用可動部５３との質量的な釣
り合いが完全にとれていなくても、駆動電圧調整回路５
６によって、駆動用可動部５２とバランス用可動部５３
との少なくとも一方に供給される駆動電圧が調整される
ため、両者が完全に釣り合うことになる。つまり、微動
機構５０の駆動用可動部５２による反力が粗動機構６０
の可動部６２に影響することがなくなり、微動機構５０
と粗動機構６０との間には力学的な干渉が生じないの
で、触針１２が複雑かつ制御不能な変位動作をとること
もなく、触針１２の動作を微動機構５０および粗動機構
６０で正確に制御できる。これにより、触針１２に作用
する測定力の制御を正確に行うことができて、被測定物
Ｗおよび触針１２へのダメージを低減できるとともに測
定精度を高めることができる。

【００３３】（２）駆動電圧調整回路５６を、駆動用可
動部５２に接続された第１の圧電素子駆動回路５７Ａ
と、バランス用可動部５３に接続された第２の圧電素子
駆動回路５７Ｂと、第１の圧電素子駆動回路５７Ａに供
給する電圧を調整する第１の分圧抵抗器５８Ａと、第２
の圧電素子駆動回路５７Ｂに供給する電圧を調整する第
２の分圧抵抗器５８Ｂとを備えて構成すれば、２個の分
圧抵抗器５８Ａ，５８Ｂによって駆動用可動部５２およ
び／またはバランス用可動部５３に印加される電圧を適
正に調整することができ、測定精度をより高めることが
できる。 （３）これに対して、駆動電圧調整回路５６が２個の分
圧抵抗器５８Ａ，５８Ｂをいずれか一方を備えた構成と
すれば、駆動電圧調整回路５６の構成を簡易なものにで
きる。

【００３４】（４）一般に、曲げの固有振動数は、軸方
向の固有振動数より低くなるので、軸方向に振動する触
針１２は、曲げ振動する触針と比べて応答性が高くな
る。従って、このような応答性の高い触針１２の振動状
態を、触針１２が被測定物Ｗと接触した際に変化する状
態量として検出手段１８で検出し、この検出手段１８か
らの情報をもとに微動機構５０および粗動機構６０を作
動させれば、触針１２に作用する測定力をより正確に制
御できる。

【００３５】（５）微動機構５０および粗動機構６０の
動作方向が触針１２の軸方向に沿っているので、触針１
２の軸方向が被測定物Ｗ表面の高さ方向に沿った状態
で、触針１２を移動させることができる。つまり、触針
１２をその軸方向に沿って被測定物Ｗ表面に確実に押し
当てることができるから、軸方向に共振状態で振動する
触針１２の振動状態の変化をより正確に検出手段１８で
検出できる。

【００３６】（６）電歪効果があるＰＺＴ(ジルコンチ
タン酸鉛)の薄板を積層することで、微動機構５０を構
成しているから、電気的に制御できる微動機構５０を容
易に構成できる。 （７）微動機構５０および粗動機構６０による触針１２
の移動量を検出する変位検出手段３０は、それ一つで構
成されているため、安価に構成できる。

【００３７】（８）駆動電圧調整回路５６を、第２の圧
電素子駆動回路５７Ｄに供給される電圧のゲインと位相
を調整するゲイン位相調整回路５８Ｃと、このゲイン位
相調整回路５８Ｃと第１の圧電素子駆動回路５７Ｃに増
幅した電圧を供給する増幅器５８Ｄと、この増幅器５８
Ｄに正弦波で変位する電圧を供給する発振器５８Ｅとを
備え、この発振器５８Ｅの振幅を変位検出手段３０を介
してオシロスコープ５８Ｆでモニタし、振幅ができるだ
け小さくなるようにゲイン位相調整回路５８Ｃのゲイン
を調整するように構成したから、駆動用可動部５２とバ
ランス用可動部５３とに供給される駆動電圧が正確に調
整され、両者の釣り合いをより完全に行うことができ
る。

【００３８】第１実施形態の効果を確認するために、実
験例について説明する。図４は、実験を行う微細形状測
定装置１の概略構成図である。図４は図３で示す装置と
同じものであるが、増幅器５８Ｄの図示が省略されてい
る。図４では、変位検出装置３０は光ファイバセンサか
らなる変位センサを備えている。発振器５８Ｅの振幅信
号Ａと粗動機構６０の振幅信号Ｂは検査装置１００に送
られる。図４において、発振器５８Ｅで出力された正弦
波を第１の圧電素子駆動回路５７Ｃに伝達して駆動用可
動部５２のみを動かす。この状態における粗動機構６０
の挙動を図５（Ａ）に示す。図５（Ａ）は、発振器５８
Ｅの振幅信号Ａと粗動機構６０の振幅信号Ｂとの比（Ｂ
／Ａ）と、発振器５８Ｅから送られる信号の周波数との
関係を示すグラフである。このグラフにおいて、周波数
５６Hzの時に、粗動・微動機構の質量と板ばね６６の作
用に起因して発生する共振現象があり、この時の振幅は
約1.8μｍ相当であった。

【００３９】次に、発振器５８Ｅで出力された正弦波を
２つに分け、そのうち、１つは第１の圧電素子駆動回路
５７Ｃを介して駆動用可動部５２を動かし、残り１つは
第２の圧電素子駆動回路５７Ｄを介してバランス用可動
部５３を動かす。この際、第２の圧電素子駆動回路５７
Ｄからバランス用可動部５３に送られる信号の振幅調整
をゲイン位相調整回路５８Ｃによって行う。この調整
は、圧電素子５２，５３を前述の共振周波数で励起した
状態で変位検出装置３０の変位センサの出力振幅が最小
となるようにした。この状態における粗動機構６０の挙
動を図５（Ｂ）に示す。図５（Ｂ）のグラフにおいて、
共振時の振幅は0.054μｍであり、図５（Ａ）と比較す
ると、約３３分の１に軽減された。さらに、第２の圧電
素子駆動回路５７Ｄからバランス用可動部５３に送られ
る信号の位相調整をゲイン位相調整回路５８Ｃによって
行う。この状態における粗動機構６０の挙動を図５
（Ｃ）に示す。図５（Ｃ）のグラフにおいて、共振時の
振幅は0.01μｍ相当であり、図５（Ｂ）と比較すると、
約５分の１に軽減され、図５（Ａ）と比較すると、約１
８０分の１に軽減された。

【００４０】［第２実施形態］次に、本発明の第２実施
形態を図６に基づいて説明する。第２実施形態は第１実
施形態とは移動機構の基本構成が異なるもので、駆動電
圧調整回路、その他の構成は第１実施形態と同じであ
る。図６には、本発明の第２実施形態に係る高精度移動
機構２が示されている。図６において、高精度移動機構
２は、顕微鏡の試料移動機構やＬＳＩ製造装置における
ウェハ移動機構として適用されるものであり、基部３Ａ
と、この基部３Ａに一方向往復自在に設けられた粗動機
構７０と、この粗動機構７０に対して前記一方向と平行
な方向に往復方向に設けられた微動機構８０と、この微
動機構８０に設けられた載置台５５とを備え、この載置
台５５の動きが微動機構８０の動きと粗動機構７０の動
きとの和になるように構成されている。

【００４１】粗動機構７０は、マイクロメートルオーダ
からミリメートルオーダまでの範囲で載置台５５を移動
させるものであって、基部３Ａに対して進退自在に設け
られた固定部７１と、この固定部７１に対して変位する
ブロック状の可動部７２と、固定部７１を基部３Ａに対
して進退駆動する電磁アクチュエータ７３と、可動部７
２を固定部７１に対して進退駆動する図示しない駆動機
構とを備えている。固定部７１は、図示しない弾性板ば
ね、磁気ベアリングまたはエアベアリングにより基部３
Ａにガイドされている。微動機構８０は、ナノメートル
オーダからマイクロメートルオーダまでの範囲で載置台
５５を移動させるものであって、粗動機構７０の可動部
７２の両端部から起立して設けられた固定部８１と、こ
の固定部８１に対して変位し頂部に載置台５５が取り付
けられた駆動用可動部８２と、この駆動用可動部８２の
動作方向と反対の方向に動作し圧電素子から構成される
バランス用可動部８３とを有する。

【００４２】駆動用可動部８２は、載置台５５を挟んで
互いに対向配置された第１圧電素子８２Ａ及び第２圧電
素子８２Ｂを備えている。これらの第１圧電素子８２Ａ
および第２圧電素子８２Ｂは、電圧が印可されて一方が
伸張する場合には他方が収縮するように、いわばプッシ
ュプルの関係で載置台５５を図中左右方向に移動する。
バランス用可動部８３は、駆動用可動部８２の固定部８
１を挟んで対向する位置に設けられており、圧電素子か
ら構成されている。バランス用可動部８３には、必要に
応じてバランサ８３Ａが設けられている。駆動用可動部
８２の動きの反力が粗動機構７０に伝達されないように
微動機構８０の駆動用可動部８２とバランス用可動部８
３との双方に供給される駆動電圧を調整する駆動電圧調
整回路５６が駆動用可動部８２およびバランス用可動部
８３に接続されている。

【００４３】上述のような第２実施形態によれば、次の
作用効果を奏することができる。 （９）高精度移動機構２は、ナノメートルオーダからマ
イクロメートルオーダまでの範囲で載置台５５を微小変
位させる微動機構８０と、マイクロメートルオーダから
ミリメートルオーダまでの範囲で載置台５５を大変位さ
せる粗動機構７０との二つの機構を備えているので、微
動機構８０と粗動機構７０とを組み合わせて作動させる
ことで載置台５５に載置される目的物の動作をナノメー
トルオーダからミリメートルオーダまでの範囲で容易か
つ短時間で制御できる。その上、微動機構８０には、駆
動用可動部８２と略同一構造に構成されて駆動用可動部
８２の動作方向と反対の方向に動作するバランス用可動
部８３が設けられているため、駆動用可動部８２が動作
した際の固定部８１への反力は、バランス用可動部８３
が動作して固定部８１への反力が生じることで、駆動用
可動部８２による反力と、バランス用可動部８３による
反力とが相殺される。

【００４４】しかも、駆動用可動部８２および載置台５
５等とバランス用可動部８３との質量的な釣り合いが完
全にとれていなくても、駆動電圧調整回路５６によっ
て、駆動用可動部８２とバランス用可動部８３とに印加
される駆動電圧が調整されるため、両者が完全に釣り合
うことになる。 （１０）粗動機構７０は、固定部７１が潤滑油を必要と
しない弾性板ばね、磁気ベアリングまたはエアベアリン
グによりガイドされているので、清浄な粗動機構７０を
構成でき、半導体ウェハ等の表面形状計測に有効であ
る。

【００４５】なお、本発明は前各記実施形態に限定され
るものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変
形、改良は、本発明に含まれるものである。たとえば、
前記第１実施形態では、軸方向に振動するタイプの触針
１２が用いられているが、本発明に係る触針はこれに限
定されるものではない。例えば、長手方向が微動機構お
よび粗動機構の動作方向と略直交配置されかつ前記動作
方向に沿う方向に弾性変形可能な弾性レバーを介して微
動機構の駆動用可動部に設けられた触針でもよい。

【００４６】前記各実施形態では、微動機構５０により
触針１２をナノメートルオーダからマイクロメートルオ
ーダまでの範囲で微小変位させ、粗動機構６０，９０に
より触針１２をマイクロメートルオーダからミリメート
ルオーダまでの範囲で大変位させたが、微動機構および
粗動機構による触針の動きの設定範囲は、測定対象物に
よって適宜設定してもよい。

【００４７】前記各実施形態において、微動機構５０
は、圧電素子によって構成されているが、たとえば、粗
動機構に用いた可動コイルの電磁アクチュエータによっ
て構成されてもよく、可動磁石や可動鉄片等の電磁アク
チュエータによって構成されてもよく、また、磁歪素子
や形状記憶素子等の高速微小変位固体素子によって構成
されてもよく、このような場合も本発明に含まれる。

【００４８】

【発明の効果】本発明の高精度移動機構によれば、微動
機構の制御と粗動機構の制御との干渉を十分になくして
高精度の制御が行えるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る高精度移動機構を
適用した微細形状測定装置の一部を示す断面図である。

【図２】駆動電圧調整回路の概略構成図である。

【図３】本発明の電圧調整法を説明するための概略構成
図である。

【図４】第１実施形態の効果を確認するための実験例の
概略構成図である。

【図５】実験例から求められた触針の振幅信号Ａと粗動
機構の振幅信号Ｂとの比（Ｂ／Ａ）と、発振器から送ら
れる信号の周波数との関係を示すグラフである。

【図６】本発明の第２実施形態に係る高精度移動機構を
示す概略構成図である。

【符号の説明】

１ 微細形状測定装置 ２，２０ 高精度移動機構 １２ 触針 ５０，８０ 微動機構 ６０，７０ 粗動機構 ５１，８１ 固定部 ５２，８２ 駆動用可動部 ５３，８３ バランス用可動部 ５５ 載置台 ５６ 駆動電圧調整回路 Ｗ 被測定物

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定部と載置台を印加電圧の変化に応じて
   高速微細に変位させる駆動用可動部とを有する微動機構
   と、この微動機構の固定部を変位させる可動部を有する
   粗動機構とを含み、前記載置台の動きが前記微動機構の
   動きと前記粗動機構の動きとの和になるように構成され
   た高精度移動機構であって、 前記微動機構は、前記駆動用可動部の動作方向と反対の
   方向に動作するバランス用可動部を備え、 前記駆動用可動部の動きの反力が前記粗動機構に伝達さ
   れないように前記微動機構の前記駆動用可動部と前記バ
   ランス用可動部との少なくとも一方は駆動電圧と位相と
   を調整する駆動電圧調整回路を備えたことを特徴とする
   高精度移動機構。
2. 【請求項２】請求項１に記載の高精度移動機構におい
   て、 前記微動機構は、圧電素子、磁歪素子等の高速微少変位
   固定素子を含んで構成されることを特徴とする高精度移
   動機構。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の高精度移動機構
   において、 前記粗動機構は、前記固定部が弾性板ばね、磁気ベアリ
   ングまたはエアベアリングによりガイドされていること
   を特徴とする高精度移動機構。
4. 【請求項４】請求項１から３のいずれかに記載の高精度
   移動機構において、 前記載置台の変位を検出する変位検出手段を設け、前記
   載置台に、被測定物に接触する触針を取り付けたことを
   特徴とする高精度移動機構。