JP2006250636A - Transfer device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は移動装置に関し、特に、試料または装置を状況に応じて高速および高精度に移動させるのに好適な機械式の移動装置に関する。 The present invention relates to a moving apparatus, and more particularly, to a mechanical moving apparatus suitable for moving a sample or an apparatus at high speed and with high accuracy according to a situation.
移動装置の一例として走査型プローブ顕微鏡等の試料ステージが知られている。走査型プローブ顕微鏡では、試料ステージの上に半導体デバイス製作用基板等の試料を載置し、試料の上方位置に、探針を備えたカンチレバ−を含む測定系を配備している。一般的に、試料は試料ステージによって移動し、他方、探針は測定系に含まれる微動機構によって移動する。探針によって試料の表面の特定の領域を測定するとき、試料ステージまたは微動機構に基づき、試料と探針の位置関係を相対的に変化させ、これによって試料の表面を探針で走査する。探針は試料の表面上の各測定点(サンプリング点)で測定を行い、各測定点での測定で得た物理量は、各測定点の位置情報と対応づけて保存・記録される。 A sample stage such as a scanning probe microscope is known as an example of the moving device. In a scanning probe microscope, a sample such as a semiconductor device manufacturing substrate is placed on a sample stage, and a measurement system including a cantilever equipped with a probe is provided above the sample. In general, the sample is moved by the sample stage, while the probe is moved by a fine movement mechanism included in the measurement system. When a specific area on the surface of the sample is measured by the probe, the positional relationship between the sample and the probe is relatively changed based on the sample stage or the fine movement mechanism, thereby scanning the surface of the sample with the probe. The probe measures at each measurement point (sampling point) on the surface of the sample, and the physical quantity obtained by the measurement at each measurement point is stored and recorded in association with the position information of each measurement point.
上記の走査型プローブ顕微鏡の試料ステージの駆動方式には、圧電素子、ボイスコイル、機械式走査機構など様々な駆動手段が利用される。一般的に、走査範囲がミリメートル(mm)のオーダ以上である比較的に広い範囲では、機械式走査機構が使用されることが多い。 Various driving means such as a piezoelectric element, a voice coil, and a mechanical scanning mechanism are used for driving the sample stage of the scanning probe microscope. In general, a mechanical scanning mechanism is often used in a relatively wide range where the scanning range is on the order of millimeters (mm) or more.
次に、一般的に移動用の走査機構として、上記機械式走査機構について詳述する。ここでは、代表的な例として、上記試料ステージの機械式走査機構であって、かつ説明を簡素化の目的で特定の1軸方向に移動を行うための1軸機械式走査機構の構成と問題点を説明する。 Next, the mechanical scanning mechanism will be described in detail as a scanning mechanism for movement. Here, as a typical example, the configuration and problems of the mechanical scanning mechanism of the sample stage described above, and a single-axis mechanical scanning mechanism for moving in a specific single-axis direction for the purpose of simplifying the explanation. Explain the point.
1軸機械式走査機構では、基台となるテーブル上において1軸の方向に駆動軸と従動軸を所要の距離をあけ平行にして配置し、これらの駆動軸と従動軸に対して、移動方向にガイドされるように移動ステージが取り付けられる。駆動軸は、モータと連結されており、モータの回転駆動力を受けると、この回転駆動力およびネジ機構等によって移動ステージを移動させる。従動軸は、駆動軸の駆動力で移動ステージが移動するとき、当該移動ステージの移動に伴って、移動方向にフリー状態で移動ステージをガイドするだけである。 In the single-axis mechanical scanning mechanism, a driving shaft and a driven shaft are arranged in parallel with a predetermined distance on a table serving as a base, and a moving direction with respect to these driving shaft and driven shaft. A moving stage is attached so that it may be guided to. The drive shaft is connected to the motor, and when the rotational driving force of the motor is received, the moving stage is moved by the rotational driving force and the screw mechanism. When the moving stage moves with the driving force of the driving shaft, the driven shaft only guides the moving stage in a free state in the moving direction as the moving stage moves.
上記の構成を有する機械式走査機構によれば、移動ステージを任意距離だけ移動させた後において駆動軸の動作を停止させると、従動軸の側にはスラスト力が掛かっている。このため、駆動軸が停止した後でも、その静止時に、従動軸側に掛かったスラスト力が原因で移動ステージの位置が変化する現象が発生する。この現象は「静止時のクリープ現象」と呼ばれ、機械式走査機構における位置決め精度に悪影響を及ぼす。 According to the mechanical scanning mechanism having the above-described configuration, when the operation of the drive shaft is stopped after moving the movable stage by an arbitrary distance, a thrust force is applied to the driven shaft side. For this reason, even after the drive shaft stops, a phenomenon occurs in which the position of the moving stage changes due to the thrust force applied to the driven shaft when the drive shaft is stationary. This phenomenon is called “creep phenomenon at rest” and adversely affects the positioning accuracy in the mechanical scanning mechanism.
上記のテーブル上における駆動軸と従動軸との配置関係に関して、駆動軸を中央に位置させ、駆動軸の両側に従動軸を配置した構成であっても、駆動軸が停止した後の静止時において、上記の構成に比較して小さいが、同様なスラスト力が発生し、静止時のクリープ現象が生じる。 Regarding the arrangement relationship between the drive shaft and the driven shaft on the above table, even when the drive shaft is located at the center and the driven shaft is arranged on both sides of the drive shaft, Although it is smaller than the above configuration, a similar thrust force is generated, and a creep phenomenon occurs at rest.
また上記の機械式走査機構に関して、各構成部品の仕様は、高速走査を行うための走査機構と高精度の位置決めを行う走査機構との間においては、トレードオフの関係が存在するのが一般的である。各構成部品の仕様の例としては、例えば、ボールネジのリードや移動距離を測定するエンコーダの分解能である。従って、高速走査と高精度位置決めを両立させることは一般的には非常に困難である。 Regarding the mechanical scanning mechanism described above, the specifications of each component generally have a trade-off relationship between a scanning mechanism for performing high-speed scanning and a scanning mechanism for performing high-precision positioning. It is. An example of the specification of each component is, for example, the resolution of an encoder that measures the lead and movement distance of a ball screw. Therefore, it is generally very difficult to achieve both high-speed scanning and high-precision positioning.
さらに、上記のごとくテーブル上に駆動軸と従動軸を平行に配置して成る平行ガイド機構において、移動ステージの従動軸側部分では、駆動される方向と逆方向の摩擦力やその他の効力が発生する。この摩擦力等は、現実的には走査移動中一定ではなく、その結果、小刻みな振動を発生する原因になり、動的な位置決め精度が悪くなる。駆動軸がテーブル上でその中央部に配置される機構であっても、実際の計測点が駆動軸の軸上から外れた位置に存在する場合には、ヨーイングが生じ、同様に動的位置決め精度を悪くさせる。 Furthermore, in the parallel guide mechanism in which the drive shaft and the driven shaft are arranged in parallel on the table as described above, friction force in the direction opposite to the driven direction and other effects are generated at the driven shaft side portion of the moving stage. To do. This frictional force or the like is not actually constant during the scanning movement, and as a result, it causes a slight vibration, resulting in poor dynamic positioning accuracy. Even if the drive shaft is located at the center of the table, yawing occurs when the actual measurement point is off the drive shaft axis, and the dynamic positioning accuracy is the same. Make it worse.
1軸機械式走査機構では、前述した通り、その構成上3つの問題点を本質的に有している。上記第3の問題点の解決に関しては例えば特許文献1に示された構成が提案されている。特許文献1に示されたステージは、移動するステージの両側位置に位置検出機構を設け、X方向とY方向に加えてヨーイングによるθ方向の移動成分を測定し、発生した誤差を補正するように構成している。これによれば、動的位置決め精度を或る程度改善することは期待できる。
特許文献1に記載された従来の走査機構は、補正によって動的位置決め精度を改善することができるが、前述した第1および第2の問題点に関しては十分な解決を与えることはできない。前述した第1から第3の問題点を解消することが本発明の課題である。
The conventional scanning mechanism described in
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、静止時のクリープ現象の発生を解消し、高速走査と高精度位置決めの両立を可能にし、動的位置決め精度を確保することができ、低クリープで、高速かつ高精度で、スムーズな走査移動等を行うことができる機械式の移動装置を提供することにある。 In view of the above problems, the object of the present invention is to eliminate the occurrence of a creep phenomenon at rest, enable both high-speed scanning and high-accuracy positioning, can ensure dynamic positioning accuracy, low creep, An object of the present invention is to provide a mechanical moving device that can perform a smooth scanning movement and the like at high speed and high accuracy.
本発明に係る移動装置は、上記目的を達成するために、次のように構成される。 In order to achieve the above object, a mobile device according to the present invention is configured as follows.
第1の移動装置(請求項1に対応)は、被移動物を移動させる方向に対して平行に設けられた2組の駆動軸機構と、これらの2組の駆動軸機構のそれぞれに設けられた位置検出機構と、2組の駆動軸機構の動作を制御する制御部(コントローラ等)とから成り、制御部は、少なくとも被移動物の静止時に、2組の駆動軸機構のそれぞれの駆動位置の偏差を維持するように2組の駆動軸機構を駆動制御するように構成される。 The first moving device (corresponding to claim 1) is provided in each of two sets of drive shaft mechanisms provided in parallel to the direction in which the object is moved, and each of these two sets of drive shaft mechanisms. The position detection mechanism and a control unit (such as a controller) that controls the operation of the two sets of drive shaft mechanisms. The control unit is configured to drive each drive position of the two sets of drive shaft mechanisms at least when the moving object is stationary. The two drive shaft mechanisms are configured to drive and control so as to maintain the above deviation.
上記の移動装置は、例えば走査型プローブ顕微鏡の試料ステージのXYステージ等に用いられる。2つのモータを使用して2つの駆動軸機構を形成し、2つのモータの回転駆動の動作を、走査ステージ(被駆動物)の2つの駆動軸の各々の間で偏差(d)を生じさせるようにして、静止時のクリープ現象の発生を解消することが可能となる。また移動時にも当該偏差を積極的に生じさせることにより、高速走査と高精度位置決めの両立を可能にし、動的位置決め精度を確保することが可能となる。 The above moving device is used for, for example, an XY stage as a sample stage of a scanning probe microscope. Two motors are used to form two drive shaft mechanisms, and the rotational drive operation of the two motors causes a deviation (d) between each of the two drive shafts of the scanning stage (driven object). In this way, it is possible to eliminate the occurrence of the creep phenomenon at rest. In addition, by positively generating the deviation even during movement, both high-speed scanning and high-precision positioning can be achieved, and dynamic positioning accuracy can be ensured.
第2の移動装置(請求項2に対応)は、上記の第1の装置構成において、好ましくは、2組の駆動軸機構は独立して駆動制御されることを特徴とする。2組の駆動軸機構を独立に駆動制御することにより、積極的に上記の偏差(d)を生じさせ、静止時のクリープ現象の発生の解消等の作用効果を発揮させる。 The second moving device (corresponding to claim 2) is preferably characterized in that, in the first device configuration described above, the two sets of drive shaft mechanisms are independently driven and controlled. By independently driving and controlling the two sets of drive shaft mechanisms, the above-described deviation (d) is positively generated, and the effects such as the elimination of the occurrence of the creep phenomenon at rest are exhibited.
第3の移動装置(請求項3に対応)は、上記の第1の装置構成において、好ましくは、2組の駆動軸機構は同期して駆動制御されることを特徴とする。 The third moving device (corresponding to claim 3) is preferably characterized in that, in the first device configuration described above, the two drive shaft mechanisms are driven and controlled in synchronization.
第4の移動装置(請求項4に対応)は、上記の各装置構成において、好ましくは、2組の駆動軸機構の駆動制御で、被移動物の移動時にも駆動位置の偏差が維持されることを特徴とする。この構成により、高速で、スムーズな走査移動を行うことが可能となる。 In the fourth moving device (corresponding to claim 4), in each of the above-described device configurations, preferably, the drive position deviation is maintained even when the object to be moved is moved by the drive control of the two sets of drive shaft mechanisms. It is characterized by that. With this configuration, it is possible to perform a high-speed and smooth scanning movement.
第5の移動装置(請求項5に対応)は、上記の装置構成において、好ましくは、2組の駆動軸機構の駆動位置の偏差は動作状態に応じて変更されることを特徴とする。 The fifth moving device (corresponding to claim 5) is preferably characterized in that, in the above device configuration, the deviation of the drive positions of the two sets of drive shaft mechanisms is changed according to the operating state.
本発明によれば、例えば走査型プローブ顕微鏡の試料ステージの走査ステージ等の走査移動において、走査方向に予め平行な2組の駆動軸機構を設け、2組の駆動軸機構による駆動量に偏差(d)を生じさせ、静止時のクリープ現象を抑制し、かつ比較的に高速走査に対応した機構部品を用いて装置を構成でき、かつ静止位置決め時にはエンコーダ等の分解能以下での安定した位置決めを行うことができる。さらに被移動物の移動中に一定の偏差を保ったまま同期駆動することにより、動作中一定のスラスト力を維持でき、これにより小刻みな振動を抑えて動的位置決め精度を向上することができる。 According to the present invention, for example, in the scanning movement of the scanning stage of the sample stage of the scanning probe microscope, two sets of driving shaft mechanisms parallel to the scanning direction are provided in advance, and the drive amount by the two sets of driving shaft mechanisms is deviated ( d) can be generated, the creep phenomenon at rest can be suppressed, and the device can be configured by using mechanical parts corresponding to relatively high-speed scanning, and at the time of stationary positioning, stable positioning at a resolution lower than the resolution of the encoder or the like is performed. be able to. Furthermore, by performing synchronous driving while maintaining a certain deviation during the movement of the object to be moved, it is possible to maintain a constant thrust force during the operation, thereby suppressing a small vibration and improving the dynamic positioning accuracy.
以下に、本発明の好適な実施形態(実施例)を添付図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Preferred embodiments (examples) of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1に基づいて、本発明に係る移動装置を適用した装置の一例として走査型プローブ顕微鏡(SPM)の要部構成を説明する。この移動装置は走査機構である。この走査型プローブ顕微鏡は代表的な例として原子間力顕微鏡(AFM)を想定している。 Based on FIG. 1, a configuration of a main part of a scanning probe microscope (SPM) will be described as an example of an apparatus to which a moving apparatus according to the present invention is applied. This moving device is a scanning mechanism. This scanning probe microscope assumes an atomic force microscope (AFM) as a typical example.
走査型プローブ顕微鏡の下側部分に試料ステージ11が設けられている。試料ステージ11の上に試料12が置かれている。試料ステージ11は、直交するX軸とY軸とZ軸で成る3次元座標系13で試料12の位置を変えるための機構である。試料ステージ11はXYステージ14とZステージ15と試料ホルダ16とから構成されている。試料ステージ11は、試料移動用走査機構であり、試料側で変位(位置変化)を生じさせる粗動機構として構成されている。
A
試料ステージ11の試料ホルダ16の上面には、比較的大きな面積でかつ薄板形状の上記試料12が置かれ、保持されている。試料12は、例えば、表面上に半導体デバイスの集積回路パターンが製作された基板またはウェハである。試料12は試料ホルダ16上に固定されている。試料ホルダ16は試料固定用チャック機構を備えている。
On the upper surface of the
試料ステージ11では、具体的に、XYステージ14は水平面(XY平面)上で試料を移動させる機構であり、Zステージ15は垂直方向に試料12を移動させる機構である。Zステージ15はXYステージ14の上に設けられている。試料ステージ11による移動距離については、XY方向には例えば数百mm、Z方向には例えば数十mmである。
Specifically, in the
図1で、試料12の上側には、走査型プローブ顕微鏡の通常の構成として、図示しない光学顕微鏡およびTVカメラ(撮像装置)、先端に探針20を備えたカンチレバー21、カンチレバー21の撓みや捩れ等の変形を検出する例えば光学式のカンチレバー変位検出部、探針およびカンチレバーを微動させる微動機構等が設けられる。
In FIG. 1, on the upper side of the
先端に探針20を備えたカンチレバー21は試料12に接近した状態で配置されている。カンチレバー21は取付け部22に固定されている。取付け部22はZ方向に微動動作を生じさせるZ微動機構23に取り付けられている。さらにZ微動機構23はカンチレバー変位検出部24の支持フレーム25の下面に取り付けられている。
The
カンチレバー変位検出部24は、支持フレーム25にレーザ光源26と光検出器27が所定の配置関係で取り付けられた構成を有する。カンチレバー変位検出部24とカンチレバー21は一定の位置関係に保持され、レーザ光源26から出射されたレーザ光28はカンチレバー21の背面で反射されて光検出器27に入射されるようになっている。上記カンチレバー変位検出部は光てこ式光学検出装置を構成する。この光てこ式光学検出装置によって、カンチレバー21で捩れや撓み等の変形が生じると、当該変形による変位を検出することができる。
The
カンチレバー変位検出部24は、XY微動機構29に取り付けられている。XY微動機構29によってカンチレバー21および探針20等はXYの各軸方向に微小距離で移動される。このとき、カンチレバー変位検出部24は同時に移動されることになり、カンチレバー21とカンチレバー変位検出部24の位置関係は不変である。
The
制御系の構成として、コントローラ(第1制御装置)33と上位制御装置(第2制御装置)34が備えられる。コントローラ33と上位制御装置34はコンピュータシステムで構築される。 As a configuration of the control system, a controller (first control device) 33 and a host control device (second control device) 34 are provided. The controller 33 and the host controller 34 are constructed by a computer system.
コントローラ33内には、機能部として、比較部31、制御部32、第1駆動制御部41、第2駆動制御部42、画像処理部43、データ処理部44、XY走査制御部45、X駆動制御部46、Y駆動制御部47、Z駆動制御部48が設けられる。コントローラ33は、走査型プローブ顕微鏡の各部を駆動させるための制御装置である。
In the controller 33, as a functional unit, a
制御部32は、フィードバックループを形成し、例えば原子間力顕微鏡(AFM)による測定機構を原理的に実現するためのZ軸方向フィードバック制御機能を有する部分である。
The
比較部31は、光検出器27から出力される電圧信号Vdと予め設定された基準電圧(Vref)とを比較し、その偏差信号s1を出力する。制御部32は、偏差信号s1が0になるように制御信号s2を生成し、この制御信号s2をZ微動機構23に与える。制御信号s2を受けたZ微動機構23は、カンチレバー21の高さ位置を調整し、探針20と試料12の表面との間の距離を一定の距離に保つ。上記の光検出器27からZ微動機構23に到る制御ループは、探針20で試料表面を走査するとき、光てこ式光学検出装置によってカンチレバー21の変形状態を検出しながら、探針20と試料12との間の距離を上記の基準電圧(Vref)に基づいて決まる所定の一定距離に保持するためのフィードバックサーボ制御のループである。この制御ループによって探針20は試料12の表面から一定の距離に保たれ、この状態で試料12の表面を走査すると、試料表面の凹凸形状を測定することができる。
The
上記の第1駆動制御部41と第2駆動制御部42は、前述の光学顕微鏡(図示しない)のフォーカス用Z方向移動機構部とXY方向移動機構部の各動作を制御する。
The first
前述の光学顕微鏡によって得られた試料表面やカンチレバー21の像は、TVカメラによって撮像され、画像データとして取り出され、さらにコントローラ33内の上記画像処理部43で処理される。
The sample surface and the image of the
制御部32等を含む上記のフィードバックサーボ制御ループにおいて、制御部32から出力される制御信号s2は、走査型プローブ顕微鏡(原子間力顕微鏡)における探針20の高さ信号を意味するものである。探針20の高さ信号すなわち制御信号s2によって探針20の高さ位置の変化に係る情報を得ることができる。探針20の高さ位置情報を含む上記制御信号s2は、前述のごとくZ微動機構23に対して駆動制御用に与えられると共に、コントローラ33内のデータ処理部44に取り込まれる。
In the feedback servo control loop including the
試料12の表面の測定領域について探針20による試料表面の走査は、XY微動機構29を駆動することにより行われる。XY微動機構29の駆動制御は、XY微動機構29に対してXY走査信号s3を提供するXY走査制御部45によって行われる。
The scanning of the sample surface with the
粗動機構である試料ステージ11のXYステージ14とZステージ15の駆動は、X方向駆動信号を出力するX駆動制御部46と、Y方向駆動信号を出力するY駆動制御部47と、Z方向駆動信号を出力するZ駆動制御部48とに基づいて制御される。
The
なおコントローラ33は、必要に応じて、設定された制御用データ、入力した光学顕微鏡画像データや探針の高さ位置に係るデータ等を記憶・保存する記憶部(図示せず)を備えている。 The controller 33 includes a storage unit (not shown) that stores and saves the set control data, the input optical microscope image data, the data related to the height position of the probe, and the like as necessary. .
上記コントローラ33に対して上位制御装置34は、計測プログラムの記憶・実行および通常の計測条件の設定・記憶、計測データの保存、計測結果の画像処理および表示装置(モニタ)35への表示等の処理を行う。 For the controller 33, the host controller 34 stores and executes a measurement program, sets and stores normal measurement conditions, stores measurement data, performs image processing of measurement results, and displays on a display device (monitor) 35. Process.
上位制御装置34は、上記の機能を有することから、処理装置であるCPU51と記憶部52とから構成される。記憶部52には上記のプログラムおよび条件データ等が記憶・保存されている。また上位制御装置34は、画像表示制御部53と通信部等を備える。加えて第2制御装置34にはインタフェース54を介して入力装置36が接続されており、入力装置36によって記憶部52に記憶される測定プログラム、測定条件、データ等を設定・変更することができるようになっている。
Since the host controller 34 has the above functions, the host controller 34 includes a
上位制御装置34のCPU51は、バス55を介して、コントローラ33の各機能部に対して上位の制御指令等を提供し、またコントローラ33内の画像処理部やデータ処理部等から画像データや探針の高さ位置に係るデータを提供される。
The
以上の装置構成において、探針20による試料12の表面のXY走査は、探針20の側をXY微動機構で移動(微動)させることによって、または試料12の側をXYステージ14で移動(粗動)させることによって、試料12と探針20の間で相対的なXY平面内での移動関係を作り出すことにより行われる。
In the above apparatus configuration, the XY scanning of the surface of the
次に試料ステージ11の具体的構成例を図2に従って説明する。図2において、14はXYステージであり、15はZステージである。XYステージ14は水平面(XY平面)上で試料を移動させる機構であり、Zステージ15は垂直方向に試料12を移動させる機構である。Zステージ15は、例えば、XYステージ14の上に搭載されて取り付けられている。
Next, a specific configuration example of the
XYステージ14は、下側に位置するY軸機構部100Yと、このY軸機構部100Yの上に配置されるX軸機構部100Xとから構成されている。
The
Y軸機構部100Yは、Y軸方向に向けて配置された平行な2本のY軸レール201A,201Bと、Y軸モータ202A,202Bと、Y軸駆動力伝達機構(Y軸用駆動軸)203A,203Bから構成される。Y軸レール201Aに対応してY軸モータ202AとY軸駆動力伝達機構203Aの組が設けられ、Y軸レール201Bに対応してY軸モータ202BとY軸駆動力伝達機構203Bの組が設けられている。すなわち、両側に、Y軸モータ202AとY軸駆動力伝達機構203A、Y軸モータ202BとY軸駆動力伝達機構203Bの2組の駆動軸機構が設けられている。また2つのY軸モータ202A,202Bは、後述するごとき条件を満たすように、好ましくは独立して駆動制御される。さらにY軸駆動力伝達機構203A,203Bのそれぞれはリニアスケール等の位置検出機構を内蔵している。
The Y-
X軸機構部100Xは、X軸方向に向けて配置された平行な2本のX軸レール204A,204Bと、X軸モータ205A,205Bと、X軸駆動力伝達機構(X軸用駆動軸)206A,206Bから構成される。X軸レール204Aに対応してX軸モータ205AとX軸駆動力伝達機構206Aの組が設けられ、X軸レール204Bに対応してX軸モータ205BとX軸駆動力伝達機構206Bの組が設けられている。すなわち、両側に、X軸モータ205AとX軸駆動力伝達機構206A、X軸モータ205BとX軸駆動力伝達機構206Bの2組の駆動軸機構が設けられている。また2つのX軸モータ205A,205Bは、後述するごとき条件を満たすように、好ましくは独立して駆動制御される。さらにX軸駆動力伝達機構206A,206Bのそれぞれはリニアスケール等の位置検出機構を内蔵している。
The
上記XYステージ14によって、Zステージ15はX軸方向またはY軸方向に任意に移動させられる。またZステージ15には、試料ホルダ16をZ軸方向に昇降させるための駆動機構が付設されている。図2では当該駆動機構は隠れており、図示されていない。試料ホルダ16の上には試料12を固定するためのチャック機構207が設けられる。
By the
上記のXYステージ14において、Y軸機構部100YとX軸機構部100Xのそれぞれの構成および動作制御方法は同じである。そこで図3を参照して、本実施形態に係る走査機構としてX軸機構部100Xを詳述する。図3では、走査機構としての原理を説明するため、図自体は簡略化して示されている。
In the
図3では、横方向がX軸方向と定義され、縦方向がY軸方向と定義されている。X軸微動機構部100Xの場合にはX軸方向が走査方向になる。さらに図3には、2つのX軸モータ205A(M1),205B(M2)と、平行に配置された2つのボールネジ206A−1,206B−1が示される。ボールネジ206A−1,206B−1は、それぞれ、上記のX軸駆動力伝達機構(X軸用駆動軸)206A,206Bの内部に設けられている。ボールネジ206A−1,206B−1は、それぞれ、X軸モータ205A,205Bによって駆動され、X軸モータ205A,205Bの回転力を伝達し、走査ステージ211を移動させる。走査ステージ211は下面にボールネジナット212A,212Bを備える。ボールネジナット212A,212Bはそれぞれボールネジ206A−1,206B−1に螺合している。なおここでは、前述した試料ホルダ16の代わりに走査ステージ(被移動物)211として一般化して説明する。また図3では上記のX軸レール204A,204Bの図示は説明の便宜上省略している。
In FIG. 3, the horizontal direction is defined as the X-axis direction, and the vertical direction is defined as the Y-axis direction. In the case of the X-axis fine
ボールネジ206A−1,206B−1のそれぞれには位置検出機構213A,213Bが設けられる。走査ステージ211の両側に位置する2つの点214A,214Bは、それぞれ、位置検出機構213A,213Bによって検出される位置検出点である。位置検出機構213A,213Bとしては、具体的に、例えばリニアエンコーダ、ロータリエンコーダ、変位計等が使用される。また2つの点214A,214Bを結ぶ線215は、走査ステージ211のセンタ線である。さらにセンタ線215上において2つの点214A,214Bの間の中間点216が走査ステージ211のセンタ位置になる。
図3に示した上記のX軸機構部100Xの構成において、平行な2つのボールネジ206A−1,206B−1の間に懸架される走査ステージ211は、少なくとも測定時(静止時)には傾斜させられた姿勢に保たれる。すなわち、平行な2つのボールネジ206A−1,206B−1に対して垂直な線217に対してセンタ線215が傾斜するような姿勢で走査ステージ211は移動しかつ測定を行うように、走査ステージ211のX軸方向の走査移動が制御される。その結果、線217とセンタ線215の上端は一致し、かつそれらの下端では位置の偏差“d”が生じている。この偏差dは、通常はd>0であるが、d=0の場合も含む。特に、偏差dは、単なる移動時には不要であるが、測定時には必須である。走査ステージ211のかかる走査移動の制御は、上記の2つのモータ205A,205Bの駆動制御で実現される。2つのモータ205A,205Bは、コントローラ33等によって、独立して駆動され、かつ上記偏差dが生じるように駆動制御が行われる。独立の駆動制御で偏差dを生じさせる場合には、例えば2つのモータ205A,205Bの回転速度をそれぞれ異なる一定速度に設定するように制御を行う。より具体的には、位置検出機構213Aで検出されたモータ205A等に基づく走査ステージ211の点214Aの位置と、位置検出機構213Bで検出されたモータ205B等に基づく走査ステージ211の点214Bの位置との差が一定値の“d”となるように、2つのモータ205A,205Bの回転速度をそれぞれ異なる一定速度に設定するように制御を行う。なお図3における走査ステージ211の傾斜姿勢は誇張して示されている。
In the configuration of the
また上記2つのモータ205A,205Bは、常に上記偏差dが生じるように、同期して駆動制御するように構成することもできる。この同期駆動制御では、偏差dが維持されるように同一速度で駆動される。
The two
次に、走査ステージ211の走査移動に関して上記のごときモータ制御の仕組みを有するX軸機構部100Xでは、次の作用が生じる。
Next, in the
測定点の位置算出と、位置検出機構213A,213Bの分解能以下の高精度位置決めの内容とは、次の通りである。
The calculation of the position of the measurement point and the contents of high-precision positioning below the resolution of the
位置検出機構213A,213Bで得られる2組の位置検出情報に基づき、次の方法により測定点の位置情報を求める。ここで、測定点の位置は点216に対応している。図3の点216,214A,214Bのそれぞれの座標を(x,y)、(x1,y1)、(x2,y2)とすると、直接に測定で得られるx1とx2、点216のy座標値(y)から、点216のx座標値(x)は次式で求められる。
Based on the two sets of position detection information obtained by the
ここで、m,nはそれぞれ次の通りである。 Here, m and n are as follows.
また偏差dはd=x1−x2で与えられる。この偏差dは、一定範囲で可変である。つまり、機構部品により設定可能範囲が変わるが、原子間力顕微鏡等の場合にはμm(ミクロンメータ)からサブμmのオーダでの位置決め問題であり、通常、十分な可変範囲を得ることができる。2つのモータ205A,205Bの駆動制御を、偏差dが生じるように行うことにより、センタ位置の点216に関して位置検出機構213A,213Bの分解能より小さい分解能で位置決めが可能となる。
The deviation d is given by d = x 1 −x 2 . This deviation d is variable within a certain range. In other words, the settable range varies depending on the mechanical component, but in the case of an atomic force microscope or the like, it is a positioning problem on the order of μm (micron meter) to sub-μm, and usually a sufficient variable range can be obtained. By performing drive control of the two
上記の構成およびモータ制御方法を有するX軸機構部100Xでは、測定を行う際の走査ステージ211の静止時において、走査ステージ211におけるモータ205Aのボールネジ206A−1側の押付け力とモータ205Bのボールネジ206B−1側の押付け力とが逆方向になるように偏差dsを保つため、クリープ現象を抑止することができる。
In the
また比較的に高速走査に対応した機構部品を用いるという前提の下で、前述した通り静止位置決め時には位置検出機構の分解能以下での安定した位置決めを行うことができる。さらに高速走査時において、2つのモータ205A,205Bによる2軸駆動で同期駆動を行うことによって、加減速時の機構部品の撓み等も抑制でき、1軸駆動に比較して高加速が可能となる。
Further, on the premise that a mechanism component corresponding to relatively high-speed scanning is used, as described above, stable positioning can be performed at a resolution lower than the resolution of the position detection mechanism during stationary positioning. Further, by performing synchronous driving by two-axis driving by two
2つのモータ205A,205Bによる2軸駆動の走査移動時に、一定偏差ddを保ったままで同期駆動するため、動作中一定のスラスト力を維持でき、小刻みな振動を抑えて動的位置決め精度を高めることができる。
Since the two
なお、動的に維持する偏差ddと静止時の偏差dsは異なってもよい。基本的には、走査時には移動のスムーズさが重要であり、逆に静止時には静止剛性が重要なため、静止時の偏差dsの方を大きく設定する。 The dynamically maintained deviation d d and the stationary deviation d s may be different. Basically, the smoothness of movement is important during scanning, and conversely the stationary rigidity is important when stationary, so the deviation d s during stationary is set larger.
下記表1(偏差設定表)に、走査ステージ211に関する場面(「ステージ定速動作」、「加減速時」、「ステージ静止時」)に応じた偏差dの設定の例(dd1,dd2,dd3,ds1,ds2)を示す。偏差dは「プラス(+)」でも「マイナス(−)」でよい。ここでは、走査ステージ211のX軸方向の走査動作について、X増加方向への移動としてd=x1−x2(≧0)とする。なお、モータ205A側のバックラッシュ(δ1)とモータ205B側のバックラッシュ(δ2)の合計量をδ(=δ1+δ2)と定義する。なお表C1中では、モータ205Aを「M1」と記し、モータ205Bを「M2」と記している。
In the following Table 1 (deviation setting table), an example of setting the deviation d (d d1 , d d2 ) according to the scene related to the scanning stage 211 (“Stage constant speed operation”, “Acceleration / deceleration”, “Stage stationary”). , D d3 , d s1 , d s2 ). The deviation d may be “plus (+)” or “minus (−)”. Here, regarding the scanning operation of the
またステージの構造で決まる最大設定可能な偏差の量をdmaxとし、上記の各偏差の関係をまとめると、図4のごとくなる。なお図4において、各矢印の長さは、設定範囲の大きさを定量的に表したものではない。 Further, when the maximum amount of deviation that can be set determined by the structure of the stage is d max and the relationship among the above-described deviations is summarized, it is as shown in FIG. In FIG. 4, the length of each arrow does not quantitatively represent the size of the set range.
次に、図5に、2つのモータ205A(M1),205B(M2)の動作を制御する制御系の構成例をブロック図で示す。モータ205Aの側には制御信号x1が供給される。当該制御信号x1は、減算器311と駆動部312を経由して駆動信号に変換されてモータ205Aに供給される。減算器311では、モータ205Aに付設された位置検出機構213Aによって検出された実際の位置データがフィードバックされ、制御信号x1と実際の検出位置との差が求められる。他方、モータ205bの側では、減算器313で制御信号x1と偏差信号dと差が求められる。この差信号(x1−d)が制御信号として供給され、減算器314と駆動部315を経由して駆動信号に変換されてモータ205Bに供給される。減算器314では、モータ205Bに付設された位置検出機構213Bによって検出された実際の位置データがフィードバックされ、制御信号(x1−d)と実際の検出位置との差が求められる。
Next, FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of a control system that controls the operations of the two
演算部316では、位置検出機構213A,213Bで検出された位置データに基づき前述した演算により走査ステージ211のセンタ位置の位置データに係る測定値を算出し、出力する。
The
上記の実施形態の説明ではX軸機構部100Xについて説明したが、Y軸機構部100Yに関しても、その走査方向(送り方向)の移動に関して同様に構成される。
In the above description of the embodiment, the
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成(材質)については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。 The configurations, shapes, sizes, and arrangement relationships described in the above embodiments are merely shown to the extent that the present invention can be understood and implemented, and the numerical values and the compositions (materials) of the respective configurations are as follows. It is only an example. Therefore, the present invention is not limited to the described embodiments, and can be variously modified without departing from the scope of the technical idea shown in the claims.
例えば、モータとボールネジから成る駆動機構の代わりにリニアモータを用いることもできる。さらに前述の実施形態によれば、走査型プローブ顕微鏡における試料ステージ11のXYステージ14に関して説明したが、本発明に係る移動装置はこれに限定されず、例えば探針側の走査機構として用いることができ、さらに一般的に被移動物を移動させる移動装置として用いることができる。
For example, a linear motor can be used instead of a drive mechanism including a motor and a ball screw. Furthermore, according to the above-described embodiment, the
本発明は、走査型プローブ顕微鏡の試料側または探針側の移動装置などとして利用される。 The present invention is used as a moving device on the sample side or the probe side of a scanning probe microscope.
11 試料ステージ
12 試料
14 XYステージ
15 Zステージ
16 試料ホルダ
20 探針
21 カンチレバー
22 取付け部
23 Z微動機構
29 XY微動機構
33 コントローラ
34 上位制御装置
100X X軸機構部
100Y Y軸機構部
205A モータ
205B モータ
211 走査ステージ
213A 位置検出機構
213B 位置検出機構
DESCRIPTION OF
Claims (5)
The moving device according to claim 4, wherein the deviation of the drive positions of the two sets of drive shaft mechanisms is changed according to an operation state.
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