JP2006202654A - ステージ - Google Patents

Abstract

【目的】本発明は、台を一定方向に移動させるステージに関し、ステージを駆動する超音波モータの部分を別空間にして当該空間内で発生した微粉を集塵し、微粉のステージ上の試料への付着を完全に防止することを目的とする。
【構成】 ステージを構成する台を一定方向に移動させる、超音波電圧を印加した圧電素子で移動させると共に摩擦力で固定するステータとロータとから構成される駆動ユニットと、駆動ユニットを構成するステータとロータとの接触部の全体を閉空間で囲み、発生した微粉の飛散を当該閉空間内に閉じ込めるケースとを備えたステージである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波モータでステージを構成する台を一定方向に移動させるステージに関するものである。

近年、超音波モータのステージ駆動への応用が盛んに行われている。特に、超音波モータの有する位置制御の高分解能性や高い静止位置維持性能の特徴を活かして、微細な位置制御を必要とする、ステージの分野に幅広く利用されている。

しかし、超音波モータの原理機構から、構成部品の材質が磨耗して微粉を発生し、当該発生した微粉がステージ上に載置したウェハなどに塵として付着してしまうという大きな問題が発生した。

このため、超音波モータが移動する軸にそって、駆動部分を囲むように、ケースを設けて、微粉末を囲い込むようにする手法があるが、完全には微粉末がステージに付着してしまう問題を解決できなかった。

また、超音波モータの近傍に集塵機構を設け、微粉末を集塵するようにする手法があるが、完全には微粉末がステージに付着してしまう問題を解決できなかった。

本発明は、これらの問題を解決するため、ステージを構成する台を超音波モータで駆動する際に、当該超音波モータの空間と台の空間とを完全に別に構成するようにしている。

本発明は、ステージを駆動する超音波モータの部分を別空間にして当該空間内で発生した微粉を集塵し、微粉のステージ上の試料への付着を完全に防止することを実現した。

図１は、本発明の１実施例構造図を示す。
図１の（ａ）は、全体構造図の上面図の例を示す。

図１の（ａ）において、ステージ１は、図示の全体の構造を持つものであって、一定方向（例えばＸ方向、Ｙ方向）に台２を精密移動させるものであり、試料（例えばウェハなど）を固定して所望位置に精密移動させるものであり、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）やＯＭ（光学顕微鏡）のステージとして使用するものである。

台２は、試料を載置して固定するものである。
繋ぎ機構３は、台２を軸４に連結するものである。

軸４は、繋ぎ機構３に連結した状態で、超音波モータを構成する直線状のロータ６を固定するものである。

ケース５は、超音波モータを構成するロータ６とステータ７との接触部分を完全に密封状態で覆うものであって、ここでは、蛇腹機構をもつものである。

ロータ６は、軸４に固定し、ステータ７との間で一定方向に移動するものであって、ここでは、ステータ７側を固定して当該ロータ６側が一定方向、図では左方向あるいは右方向に移動させるためのものである（図２を用いて後述する）。

ステータ７は、超音波モータ本体８に固定して所定超音波で振動してロータ６を一定方向（図では、左方向あるいは右方向）へ移動させるものである（図２を用いて後述する）。

超音波モータ本体８は、超音波を発生してステータ７を駆動するものである（図２を用いて後述する）。

固定金具９は、超音波モータ本体８を図示外の支点に固定するものである。
静電トラップ１０は、ケース５内の密閉空間内に飛散した微粉を、静電的に収集するものである（例えば直流の数ボルトから十数ボルトを印加し、ロータ６とステータ７とが接触した状態で振動したときに発生する微粉を静電的に収集する）。

以上の構造を持たせることにより、ステージ１は、所定の超音波電圧を超音波モータ本体８に印加することで、台２を一定方向（図では左方向あるいは右方向）に精密に移動させることが可能となる。この際、ステータ７がロータ６に接触した状態で振動してロータ６を左方向あるいは右方向に移動させたときに発生して飛散した微粉をケース５内の密閉された空間内に残留させかつ静電トラップ１０で収集し、外部に放出して台２上の例えばウェハに塵として飛散させることを完全に防止することが可能となる。

図１の（ｂ）は、蛇腹機構を持つケース５に設けた穴の拡大構造図を示す。
図１の（ｂ）において、小さな穴５１は、図１の（ａ）のケース５の任意の部分に設けた小さな穴（あるいは圧力調整用の弁）であって、密閉したケース５の内部の空間の圧力と、ケース５の外側の台２のある空間の圧力とを同じにするための気体（例えば空気）が排出あるいは流入させるための穴（あるいは圧力調整用の弁）である。

図１の（ｃ）は、図１の（ｂ）の穴５１に相当する気圧調整機構５２にフィルタ５４を設けた例を示す。

図１の（ｃ）において、気圧調整機構５２は、図１の（ｂ）の穴５１に対応するものであって、密閉されたケース５（蛇腹機構の金属５３）に設けた穴（あるいは弁）であって、内部と外部の圧力をほぼ等しく調整するためのものである。

フィルタ５４は、気圧調整機構５２である穴から排出あるいは流入する気体中の微粉をトラップするフィルタであって、ここでは、内部で発生した微粉をトラップして外部（外部の台２のある空間）に飛散させないようにするものである。

以上の図１の（ｃ）の構造にすることにより、密閉されたケース５内の空間の圧力をケース５外の台２のある空間の圧力とをほぼ同じに調整し、かつケース５内で発生した微粉をフィルタ５４でトラップして外部の台２のある空間に飛散させることを完全に防止し、当該台２の上に載置したウェハに塵として付着することを完全に防止することが可能となる。

図２は、本発明の超音波モータの説明図を示す。
図２において、駆動ユニット８６は、図１の（ａ）の軸４（台２に固定された軸４）を一定方向に移動させるものであって、ここでは、圧電素子８４，８５、ステータ７、ロータ６、および図示外の静電容量センサなどから構成されるものである。

圧電素子８４，８５は、公知の交流の電圧を印加し伸縮（正確には楕円状に伸縮）させて進行波をステータ７に図示のように発生させるものである。具体的には、例えば圧電素子８４に図示のＣｓｉｎωｔ．圧電素子８５に図示のＣｓｉｎωｔの所定高周波電圧をそれぞれ印加し、ステータ７に図示の楕円運動を発生させ、その結果、ロータ６に図示の矢印方向に移動させる。

ステータ７は、圧電素子８４，８５に印加された交流の電圧によって伸縮して進行波を発生するものであって、ここでは、図示のように進行波の方向に直角に波状に凹凸を生成してロータ６に強い接触圧で接するものである。

ロータ６は、波状の凹凸を持つステータ７に強い接触圧で接触し、圧電素子８４，８５に交流の電圧を印加してステータ７に進行波が発生すると波状の凹凸でロータ６が進行波の方向と逆方向に直線移動するものである。この際、圧電素子８４，８５に電圧が印加されないときは、ロータ６はステータ７に強く押し付けられており、通常、１ｋｇから数十ｋｇ以上の力で固定されることとなり、ロータ６が直線運動した後、自動的に強い力で固定されることとなる。

電源８２，８３は、高周波の図示の電源を発生させるものである。
静電容量センサは、図示しないが公知であって、ロータ６の動いた量（距離）を静電容量を使って正確に測定するものである。

尚、ステータ７、ロータ６は、精密移動させるときには重要は部材であり、実験ではセラミック素材（例えばアルミナ（Al2O3)）を使用したが、下記の条件を満足するものであればいずれの材質でも良い。

・酸化しても変質しない材質：銅などは表面が酸化して変質して望ましくない
・硬度が高い材質：
・超音波を伝導し易い材質：
以上の構成を持つ駆動ユニット８６を用いて軸４（台２に固定された軸４）を一定方向に移動させて、台２を精密に所望の位置に位置づけることが可能となると共に、所望の位置に位置付け後に、軸４（台２に固定された軸４）を強固に固定し振動などで移動しないようにすることが可能となる。以下ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡に取り付けた測長装置）のステージとして使用したときの使用手順を詳細に説明する。

図３は、本発明の動作説明フローチャートを示す。
図３において、Ｓ１は、真空引する。これは、図１、図２の構造を持つステージ（走査型電子顕微鏡のステージ）を真空引する。

Ｓ２は、ケース５内のガスがフィルタ５４の穴を通過して、外側に排出する。
以上によって、図１の構造を持つステージを、走査型電子顕微鏡の試料室内に配置して当該試料室内を真空排気すると、図１の（ｃ）のフィルタ５４の微細な穴を通過してケース５内のガス（空気）が外に排出され、ケース５内の圧力と、ケース５の外の台２の空間の圧力とがほぼ等しくなる（これにより、ケース５を構成する蛇腹機構が破裂することなくその形状が元のままに保持される）。

Ｓ３は、超音波モータを駆動する。これは、図１の超音波モータ本体８を構成する図２の圧電素子８４，８５に電源８２，８３によって発生された所定の高周波電圧を印加し、ステータ７を超音波振動させ、ロータ６を一定方向に移動させる。

Ｓ４は、ゴミが発生して、ケース５内を飛散する。これは、Ｓ３で超音波モータを駆動したことで、ステータ７が超音波振動してロータ６を一定方向に移動させるときに、当該ステータ７とロータ６とが接触した状態で振動しつつ移動しいずれかあるいは両者が削られて微粉を周囲に飛散させる。

Ｓ５は、静電トラップに吸着させる。これは、Ｓ４で飛散した微粉（ここでは、ステータ７、ロータ６の素材であるセラミックの微粉）を、直流電圧を印加した静電トラップ１０に吸着させ、収集する。

Ｓ６は、ステージは目的地か判別する。これは、Ｓ３で超音波モータを駆動した状態で、ステージ（図１の台２）が目的地に到達したか判別する。ここで、目的地に到達したか否かの判別は、図２で説明した図示外の静電センサでその位置を精密測定あるいは図示外のレーザ測長器で位置を精密測定し、目的とする位置に到達したか判別する。ＹＥＳの場合には、Ｓ３の超音波モータの駆動を停止する。一方、ＮＯの場合には、Ｓ３以降を繰り返す。

以上によって、図１、図２の構造を持つステージを走査型電子顕微鏡の試料室に配置し、試料室を真空排気したときに図１の（ｃ）の気圧調整機構５２（穴５１）から内部のガス（空気）が外に排出され、ケース５の内部と外部との圧力がほぼ等しくなり当該ケース５を構成する蛇腹機構が元の状態を保持する。そして、超音波モータを駆動してステータ７を超音波振動させてロータ６を一定方向に移動させ、密閉したケース５内に飛散した微粉を静電トラップ１０で収集し、当該密閉したケース５の外側の空間内の台２上に配置したウェハにゴミとして付着させることを完全に防止することが可能となる。

図４は、本発明の他の実施例構造図を示す。
図４の（ａ）は上面図を示し、図４の（ｂ）は正面図を示す。これは、図１のケース５について蛇腹機構で必要最小限の当該ケース５のサイズとしたが、当該図４はステータ７が移動する最大サイズを覆う密閉のケース５５を設けた他の例を示す。ケース５５では、当該ケース５５の形状が定型で変化しなく、構造が簡単となるが、外形寸法が大きくなる。他の構造は、図１の構造と同じであるので、説明を省略する。

尚、図４の（ｂ）のバネ押さ１１は、超音波モータ本体８を取り付けるときにステータ６を、ロータ６にむけて一定のバネ圧力で押し付けて固定するためのものである（加工誤差などの影響によることなく、一定のバネ圧力で均一にステータ７を、ロータ６に押し付けた状態で固定するものである）。

図５は、本発明の他の実施例構造図（その２）を示す。図５は、図１の蛇腹機構（蛇腹）で超音波モータ本体８を構成するステータ７とロータ６とを密閉した場合の他の構造図の例を示す。図中では、駆動軸８８の両端をスラスト軸受け８７で台２に固定し、当該駆動軸８８を貫通するように超音波モータ本体８を構成し、蛇腹で当該超音波モータ本体８のステータ７とロータ６との接触により放出される微粉を閉じ込め、図示外の既述した静電トラップ１０で当該密閉空間内に飛散した微粉を集塵するようにしたものである。

また、スラスト軸受け８７は、駆動軸８８に垂直面（図５の紙面に垂直方向）では微小な自由度があるので、台２の裏面に設けたガイドベアリングで垂直面について支持し、結果として、超音波モータ本体８で左方向および右方向の一定方向に精密に台２をヒステリシスなしに移動させて停止させることが可能となる。

尚、台２を一定方向に移動させる場合について以上で説明したが、台２を２階建にし、かつほぼ直交する方向に構成することにより、最上層の台２を結果として平面内の任意の位置に移動させるステージを構成することが可能となる。

本発明は、ステージを駆動する超音波モータのステータ７とロータ６の部分を密閉した別空間にして当該空間内で発生した微粉を集塵し、ステージへの微粉の付着を完全に防止するステージに関するものである。

本発明の１実施例構造図である。 本発明の超音波モータの説明図である。 本発明の動作説明フローチャートである。 本発明の他の実施例構造図である。 本発明の他の実施例構造図である。

符号の説明

１：ステージ
２：台
３：繋ぎ機構
４：軸
５：ケース
５１：穴
５２：気圧調整機構
５３：蛇腹構造の金属
５４：フィルタ
５５：ケース
６：ロータ
７：ステータ
８：超音波モータ本体
８２，８３：電源
８４，８５：圧電素子
８６：駆動ユニット
８７：スラスト軸受け
８８：駆動軸
９：固定金具
１０：静電トラップ
１１：バネ押さえ

Claims (6)

1. ステージを構成する台を一定方向に移動させる、超音波電圧を印加した圧電素子で移動させると共に摩擦力で固定するステータとロータとから構成される駆動ユニットと、
   前記駆動ユニットを構成する前記ステータとロータとの接触部の全体を閉空間で囲み、発生した微粉の飛散を当該閉空間内に閉じ込めるケースと
   を備えたことを特徴とするステージ。
2. 前記ケースとして、前記ステータとロータとの接触部を伸縮自在の密閉したケースで囲んだことを特徴とする請求項１記載のステージ。
3. 前記ケースとして、前記ステータとロータとの接触部が移動する全体の空間を、形状が一定の密閉したケースで囲んだことを特徴とする請求項１記載のステージ。
4. 前記ケース内に飛散した微粉を集塵する集塵機構を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のステージ。
5. 前記ケースに小さな穴を設け、当該ケース内の圧力と当該ケースの外側の圧力とが同じになるように構成したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のステージ。
6. 前記穴に微粉をトラップするフィルタを設置したことを特徴とする請求項５記載のステージ。

Images