JP2008281463A - 光学測定装置、光学測定方法、パターン基板の製造方法、及び直線往復動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低損失で高速な折返しを行うことができる直線往復動装置、直線往復動装置の制御方法、及び測定装置を提供するこを提供する。
【解決手段】本実施の形態にかかる直線往復動装置は、移動体４０を直線方向に沿って往復運動させる直線往復動装置であって、移動体４０と、移動体４０に対して与えられる駆動力を制御する制御部と、移動体４０よりも大きい質量を有する質量体５８であって、接近する移動体４０を跳ね返して移動体４０の移動方向を反転させる反転部５０が移動体４０の両側にそれぞれ設けられている質量体５８と、移動体４０の移動方向に沿って設けられ、移動体４０、及び質量体５８を直線移動可能に保持するガイドレール３３と、を備えるものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学測定装置、光学測定方法、パターン基板の製造方法、及び直線往復動装置に関する。

半導体製造工程では、ウエハの変形に起因する搬送等の不具合が発生することがある。この不具合を未然に含むために、ウエハの反り（撓み）を評価することが望まれている。ウエハの反りを評価するため、ウエハの表面形状が測定されることがある。ウエハの表面形状を測定するため、ウエハ表面で反射した反射光の光センサ上における入射位置に応じて測長する技術が開示されている（特許文献１〜３）。

例えば、特許文献２では、試料に対して光を斜めから入射させている。従って、センサと試料表面との距離に応じて、位置検出センサ上での反射光の入射位置が変化する。位置検出センサ上での反射光の入射位置を求めることによって、試料との距離を測定することができる。

ところで、このような測定装置では、試料全体に対して測定を行うため、光センサを移動させる必要がある。例えば、光源と、光センサが設けられたセンサヘッドを試料に対して移動させる。これにより、試料における測定位置が変わっていく。このようにして、試料全体に対して測定を行う。また、測定時間を短縮したい場合、センサヘッドを高速で移動させる必要がある。

リニアガイドを用いてセンサヘッドを直線方向に沿って移動させる測定装置が開示されている（特許文献３、４）。リニアガイドを用いることで直進性よく、移動させることができる。これにより、正確に測定することが可能になる。このようなリニアガイドを用いた場合、モータによって、センサヘッドに駆動力を与えている。すなわち、モータによって、センサヘッドを直線往復動させている。センサヘッドを高速に移動させている場合、センサヘッドを折り返すときに、振動と熱が発生する。例えば、折り返すときに、リニアガイドにモーメント力がかかり、振動が発生してしまう。従って、折返し時に損失が発生して、エネルギー効率を高くすることができないという問題点がある。また、折り返し時間は、軸方向に加える仕事率に制約されてしまう。しかしながら、仕事率を大きくするとより大きな振動と熱が発生してしまう。よって、折返し時間を短くすることができないという問題点がある。
特開昭５９−１６４９１０号公報 特開昭６３−７６２６号公報 特開昭６３−８５３１１号公報 特開２００４−１５１１０２号公報

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、低損失で高速な折返しを行うことができる光学測定装置、直線往復動装置、光学測定方法、及びそれを用いたパターン基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様にかかる光学測定装置は、試料からの光を受光する光検出器を直線往復動させて測定を行う光学測定装置であって、前記光検出器を含む移動体と、前記移動体に対して与えられる駆動力を制御する制御部と、前記移動体よりも大きい質量を有する質量体であって、接近する前記移動体を跳ね返して前記移動体の移動方向を反転させる反転部が前記移動体の両側にそれぞれ設けられている質量体と、前記移動体の移動方向に沿って設けられ、前記移動体、及び前記質量体を直線移動可能に保持するガイド部材と、を備えるものである。これにより、折り返し時の減速によって生じる損失を低減することができる。よって、低損失で高速な折り返しが可能になる。

本発明の第２の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、前記移動方向と垂直な平面において、前記質量体の重心位置が前記光検出器を含む移動体の重心位置と略一致するものである。これにより、折り返し時にモーメント力がかかるのを防ぐことができ、低損失で高速な折り返しが可能になる。

本発明の第３の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、前記反転部に対する前記移動体の位置に応じて変化する反発力を前記移動体に付与する反発部材が設けられていることを特徴とするものである。これにより、反転時の衝撃を低減することができる。

本発明の第４の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、前記反転部と前記移動体とが接触せずに、前記移動体の移動方向が反転することを特徴とするものである。これにより、反転時の発塵を低減することができる。

本発明の第５の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、前記反転部に移動中の前記移動体が当接することによって、前記移動体の移動方向が反転することを特徴とするものである。これにより、より高速な折り返しが可能になる。

本発明の第６の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、前記反転部の前記移動体と反対方向への移動を制限するストッパをさらに備え、前記ストッパに対する前記反転部の位置に応じて変化する反発力が前記反転部に付与されるものである。これにより、質量体の移動が制限されるので、移動体の移動範囲を確実に規定することができる。

本発明の第７の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、前記移動体が、非接触で前記駆動力を与えるアクチュエータの可動子を有しているものである。これにより、損失をより低減することが可能になる。

本発明の第８の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、前記移動体、及び前記質量体が、前記ガイド部材に対してエアギャップを設けるための静圧軸受を有しているものである。これにより、損失をより低減することが可能になる。

本発明の第９の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、前記移動体が反転動作を行なう反転区間に前記移動体がいるか否かを判定するセンサをさらに備え、
前記移動体の移動行程の両端に設けられている前記反転区間に前記移動体がいないと判定されたときにのみ、前記移動体に駆動力が付与されるように前記制御部が制御するものである。これにより、簡便に制御することができる。

本発明の第１０の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、前記制御部が、前記移動体が所定の速度以下になったときに、前記駆動力を付与するように制御するものである。これにより、簡便に制御することができる。

本発明の第１１の態様にかかる光学測定方法は、試料からの光を受光する光検出器を直線往復動させて測定を行う光学測定方法であって、前記光検出器を含む移動体に駆動力を与えて、加速するステップと、前記移動体よりも質量が大きい質量体に設けられ、前記移動体の両側にそれぞれ配置された反転部の一方に、前記移動体を接近させるステップと、前記一方の反転部に接近した前記移動体を前記一方の反転部によって跳ね返して、前記移動体の移動方向を反転させるステップと、前記移動方向が反転した移動体に駆動力を与えて、加速するステップと、他方の前記反転部に接近した前記移動体を前記他方の反転部によって跳ね返して、前記移動方向を再度、反転させるステップと、を備えるものである。これにより、折り返し時の減速によって生じる損失を低減することができる。よって、低損失で高速な折り返しが可能になる。

本発明の第１２の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定方法であって、前記移動方向と垂直な平面において、前記質量体の重心位置が前記光検出器を含む移動体の重心位置と略一致するものである。これにより、折り返し時にモーメント力がかかるのを防ぐことができ、低損失で高速な折り返しが可能になる。

本発明の第１３の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定方法であって、前記反転部に対する前記移動体の位置に応じて変化する反発力を前記移動体に付与する反発部材によって、前記移動方向が反転することを特徴とするものである。これにより、反転時の衝撃を低減することができる。

本発明の第１４の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定方法であって、前記反転部と前記移動体とが接触せずに、前記移動方向が反転することを特徴とするものである。これにより、反転時の発塵を低減することができる。

本発明の第１５の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定方法であって、前記反転部に移動中の前記移動体が当接することによって、前記移動方向が反転することを特徴とするものである。これにより、より高速な折り返しが可能になる。

本発明の第１６の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定方法であって、前記反転部の前記移動体と反対方向への移動を制限するストッパが設けられ、前記ストッパに対する前記反転部の位置に応じて変化する反発力が前記反転部に付与されるものである。これにより、質量体の移動が制限されるので、移動体の移動範囲を確実に規定することができる。

本発明の第１７の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定方法であって、非接触で前記駆動力を与えるアクチュエータの可動子が前記移動体に設けられ、前記アクチュエータによって前記移動体に駆動力が与えられることを特徴とするものである。これにより、損失をより低減することが可能になる。

本発明の第１８の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定方法であって、前記移動体、及び前記質量体に、前記ガイド部材に対してエアギャップを設けるための静圧軸受が設けられているものである。これにより、損失をより低減することが可能になる。

本発明の第１９の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定方法であって、前記移動体が反転動作を行なう反転区間に前記移動体がいるか否かを判定するセンサが設けられ、前記移動体の移動行程の両端に設けられている前記反転区間に前記移動体がいないと判定されたときにのみ、前記移動体に駆動力が付与されるように制御するものである。これにより、簡便に制御することができる。

本発明の第２０の態様にかかる光学測定装置は、上記の光学測定方法であって、前記移動体が所定の速度以下になったときに、前記駆動力を付与するように制御するものである。これにより、簡便に制御することができる。

本発明の第２１の態様にかかるパターン基板の製造方法は、上記の光学測定方法によって、測定を行うステップと、前記測定を行うステップでの測定結果に基づいて、前記試料を検査するステップと、を有するパターンものである。これにより、測定時間を短縮することができるため、生産性を向上することができる。

本発明の第２２の態様にかかる光学測定装置は、移動体を直線方向に沿って往復運動させる直線往復動装置であって、移動体と、前記移動体に対して与えられる駆動力を制御する制御部と、前記移動体よりも大きい質量を有する質量体であって、接近する前記移動体を跳ね返して前記移動体の移動方向を反転させる反転部が前記移動体の両側にそれぞれ設けられている質量体と、前記移動体の移動方向に沿って設けられ、前記移動体、及び前記質量体を直線移動可能に保持するガイド部材と、を備えるものである。これにより、折り返し時の減速によって生じる損失を低減することができる。よって、低損失で高速な折り返しが可能になる。

本発明によれば、低損失で高速な折返しを行うことができる光学測定装置、直線往復動装置、光学測定方法、及びそれを用いたパターン基板の製造方法を提供することができる。

本実施の形態では、試料に光を照射し、その反射光を検出することによって、試料の表面形状を測定する。これにより、試料の反り（撓み）を評価することができる。典型的な試料としては、半導体ウエハやフォトマスクなどがある。

本実施の形態にかかる表面形状測定装置の構成について、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、表面形状測定装置の構成を示す平面図であり、図１（ｂ）はその側面図である。図１に示すように、表面形状測定装置１０は、センサヘッド１２、ステージ１３、制御装置１５、Ｙ駆動機構１６、及びＸ駆動機構１７を有している。表面形状測定装置１０は、試料１１の表面形状を測定する。図１では、鉛直方向をＺ方向とし、Ｚ方向と垂直な方向をＸ方向としている。さらに、Ｚ方向、及びＸ方向と垂直な方向をＹ方向としている。よって、ＸＹ面は水平面となる。試料１１は、ＸＹ平面と略平行に配置されている。

試料１１は、ステージ１３上に載置されている。試料１１の下面には、所定のパターン膜１１ｃが形成されている。すなわち、試料１１には、パターン膜１１ｃが形成されている領域と、パターン膜１１ｃが形成されていない領域とが存在する。ステージ１３は３点で試料１１を支持している。すなわち、ステージ１３は試料１１端部の３点で試料１１下面と接触する。従って、試料１１の略全体において下側が開放している。すなわち、ステージ１３が設けられて３点以外では、試料１１の下側が空間になっている。ステージ１３としては、例えば、３本の支柱が設けられた中空ステージを用いることができる。ステージ１３は、Ｙ駆動機構１６に接続されている。Ｙ駆動機構１６はステージ１３をＹ方向に移動する。従って、ステージ１３上の試料１１は、Ｙ駆動機構１６によって、Ｙ方向に走査される。

センサヘッド１２は、試料１１の下側に配置される。すなわち、センサヘッド１２は、試料１１のパターン面側に配置される。センサヘッド１２による検出に基づいて、試料１１の表面形状が測定される。センサヘッド１２は、検出結果に応じた検出信号を制御装置１５に出力する。センサヘッド１２は、三角測量の原理を応用して検出を行なっている。センサヘッド１２の構成については、後述する。センサヘッド１２は、Ｘ駆動機構１７に接続されている。Ｘ駆動機構１７は、センサヘッド１２をＸ方向に移動する。従って、ステージ１３上の試料１１に対するセンサヘッド１２の位置がＸ方向に変化する。このように、Ｘ駆動機構１７によって、センサヘッド１２は、Ｘ方向に走査される。Ｘ駆動機構１７は、例えば、一定速度でセンサヘッド１２を往復させる。すなわち、走査領域の両端近傍以外で、センサヘッド１２が一定速度でＸ方向に移動する。

Ｘ駆動機構１７、及びＹ駆動機構１６は、モータなどのアクチュエータと、リニアガイドなどを有している。これにより、直進性よく移動させることができる。Ｘ駆動機構１７、及びＹ駆動機構１６は、制御装置１５に接続されている。制御装置１５は、Ｘ駆動機構１７、及びＹ駆動機構１６の駆動を制御する。すなわち、制御装置１５からの駆動信号によって、Ｘ駆動機構１７、及びＹ駆動機構１６が駆動される。Ｘ駆動機構１７は、±Ｘ方向にセンサヘッド１２を往復運動させる。なお、Ｘ駆動機構１７の構成については、後述する。

センサヘッド１２は、ステージ１３よりも高速で移動する。そして、センサヘッド１２をＸ方向に移動しながら、ステージ１３をＹ方向に送り出していく。これによって、試料全面に対して測定を行うことができる。すなわち、測定位置をラスタ走査や、ジグザグ走査することによって、試料１１の全体に対して測定を行うことができる。具体的には、Ｘ駆動機構１７は、試料１１の一端から他端まで、センサヘッド１２を＋Ｘ方向に移動させる。これにより、試料１１の１ライン分の測定が行なわれる。そして、Ｘ方向の１ライン分の移動が終了したら、Ｘ駆動機構１７は、移動方向を反転させる。また、移動方向を反転させている間に、Ｙ駆動機構１６が所定の間隔だけＹ方向にステージを送り出す。そして、２ライン目の測定を行なう。よって、２ライン目の測定では、逆方向（−Ｘ方向）にセンサヘッド１２が移動する。なお、センサヘッド１２が反転している間以外、センサヘッド１２は略同じ速さで移動する。すなわち、１ライン分の測定を行っている間は、センサヘッド１２が等速で移動する。このように、Ｘ駆動機構１７は、センサヘッド１２を直線往復動させる。

制御装置１５には、センサヘッド１２からの検出信号が入力される。制御装置１５は、センサヘッド１２からの検出信号を記憶する。また、Ｙ駆動機構１６はステージ１３のＹ方向の位置を示す位置信号を制御装置１５に出力する。また、Ｘ駆動機構１７はセンサヘッド１２のＸ方向の位置を示す位置信号を制御装置１５に出力する。これにより、試料１１においてセンサヘッド１２が検出を行なっている検出位置の座標を特定することができる。制御装置１５は、センサヘッド１２からの検出信号に検出位置の座標を対応付けて記憶する。これにより、試料１１の各座標での検出信号が記憶される。

制御装置１５は、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置であり、検出信号に対して所定の演算処理を行なう。すなわち、制御装置１５は、ＣＰＵやメモリ等の記憶領域を備えるコンピュータである。例えば、制御装置１５は、演算処理部であるＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶領域であるＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、通信用のインターフェースなどを有し、表面形状を測定するために必要な処理を実行する。例えば、ＲＯＭには、演算処理するための演算処理プログラムや、各種の設定データ等が記憶されている。そして、ＣＰＵは、このＲＯＭに記憶されている演算処理プログラムを読み出し、ＲＡＭに展開する。そして、設定データや、センサヘッド等からの出力に応じてプログラムを実行する。さらに、制御装置１５は、演算処理結果を表示させるためのモニター等を有している。なお、制御装置１５は、物理的に単一な装置にかぎるものではない。

次に、センサヘッド１２の構成について図２を用いて説明する。図２は、センサヘッド１２の光学系の構成を示す図である。センサヘッド１２には、光源２１、レンズ２２、スリット２３、レンズ２４、及び光センサ２５が設けられている。なお、図２では、図１に示す構成と上下を反転して図示している。図２では、試料１１の表面を試料表面１１ａ、１１ｂとして示している。なお、試料表面１１ａと試料表面１１ｂとは、センサヘッド１２からの距離が変化している。すなわち、試料表面１１ｂは、試料表面１１ａよりもセンサヘッド１２からの距離が離れている。

光源２１は、レーザ光源等あり、試料１１に対してレーザ光を照射する。従って、光源２１からの光は、試料１１の表面１１ａに入射する。試料１１の表面１１ａが、光源２１からの光は所定のスポットで照明される。また、光源２１からのレーザ光は、試料１１に対して斜めに入射する。すなわち、レーザ光は、試料１１の表面１１ａに垂直な方向から傾いた方向に伝播し、所定の入射角度で試料１１に入射する。光源２１から試料１１に入射した光の一部は、試料表面１１ａで反射される。光源２１から試料１１に入射した光のうち、試料表面１１ａで反射した反射光は、レンズ２２に入射する。レンズ２２は反射光を屈折して、集光する。これにより、反射光は、平行光束となる。

レンズ２２で屈折された反射光は、スリット２３に入射する。スリット２３は、レンズ２２の瞳位置に配置されている。スリット２３は、所定の幅が開口しており、その外側に入射した反射光を遮光する。すなわち、スリット２３に設けられたライン状の開口部内に入射した反射光がスリット２３を通過し、開口部外に入射した反射光は、遮光される。これにより、光学系内の迷光を遮光することができる。よって、パターン付き試料１１からの回折光による誤差を低減することができ、正確な検出が可能になる。スリット２３の中央は、反射光の中央になるように配置されている。スリット２３を通過した反射光は、レンズ２４に入射する。レンズ２４は、反射光を屈折して、光センサ２５の受光面に集光する。

光センサ２５は、例えば、ラインセンサである。具体的には、光センサ２５として１次元ＣＣＤを用いることができる。よって、光センサ２５の受光面には、受光画素が１列に配置されている。光センサ２５は、各受光画素が受光した反射光に応じた検出信号を制御装置１５に出力する。すなわち、光センサ上での受光強度のプロファイルが検出信号として出力される。ここで、センサヘッド１２と試料１１の表面との距離が変化すると、光センサ２５での受光位置が変化する。光センサ２５の受光画素は、試料表面とセンサヘッド１２との距離によって受光位置がずれる方向に、配列されている。例えば、試料表面１１ａからの反射光は、光センサ２５の受光面の略中央の画素に入射するが、試料表面１１ｂからの反射光は、光センサ２５の受光面の中央からずれた画素に入射する。ここでは、試料１１ｂからの反射光は、中央の画素から左側にずれた画素に入射している。このように、光源１１からの光を試料１１に対して斜めに照射しているため、試料１１の表面の高さに応じて、試料１１の表面上における光の入射位置が変わる。従って、試料１１の表面上において、光が反射される位置が変化する。光センサ２５と試料１１との距離が変わると、光センサ２５上での受光位置が変化する。よって、光センサ２５の受光面上での反射光の入射位置に基づいて、光センサ２５と試料１１の表面との距離を求めることができる。

また、スリット２３は、試料表面とセンサヘッド１２との距離に応じて、光センサ２５上での反射光の入射位置が変化する方向に反射光の通過を制限している。具体的には、光学系内の中心から両側にずれた光が遮断されるため、反射光が光学系の中心を通過する。従って、光センサ２５で検出されたプロファイルの対称性を維持することができる。よって、光センサ２５上での入射位置を正確に抽出することができる。

そして、Ｘ駆動機構１７、及びＹ駆動機構１６によって、センサヘッド１２と試料１１との相対位置を変化させる。これにより、試料１１に対するセンサヘッド１２の位置が水平方向に変化し、試料１１上における測定位置が変化する。そして、相対位置を変化させながら、試料１１の表面からセンサヘッド１２までの距離を測定する。複数の相対位置における試料１１の表面からセンサヘッド１２までの距離をつなぎ合わせる。こうすることによって、試料１１の表面形状を測定することができる。すなわち、光センサ２５の中央の受光画素を基準とする入射位置のずれ量が、試料１１とセンサヘッド１２との距離に対応する。この入射位置のずれ量に応じて、試料１１と光センサ２５との距離が測定される。そして、試料１１の全体に対して、光センサ２５から試料１１の表面までの距離を測定することで、試料１１の凹凸、反り、撓み、うねり等を求めることができる。ここで、センサヘッド１２からの検出信号によって、表面形状を測定する処理は、制御装置１５において実行させる。

次に、Ｘ駆動機構１７の構成について、図３、及び図４を用いて説明する。図３は、Ｘ駆動機構１７の全体構成を模式的に示す斜視図である。図４（ａ）は、Ｘ駆動機構１７の構成を模式的に示す側面図、図４（ｂ）は、Ｘ駆動機構１７の構成を模式的に示す上面図、図４（ｃ）は、Ｘ駆動機構１７の構成を模式的に示す正面図である。すなわち、図４（ａ）は、ＹＺ面におけるＸ駆動機構１７の構成を示し、図４（ｂ）は、ＸＹ面におけるＸ駆動機構１７の構成を示し、図４（ｃ）は、ＸＺ面におけるＸ駆動機構１７の構成を示している。なお、図４では、Ｘ駆動機構１７の一部の構成を省略している。Ｘ駆動機構１７は、センサヘッド１２を直線往復動させるための直線往復動装置である。

Ｘ駆動機構１７は、基台３１、支柱３２、ガイドレール３３、ストッパ３７、移動体４０、質量体５８、及びアクチュエータ６０等を有している。移動体４０は、スライダ部４１、ベース板４２、及び第１磁石４３を有している。この移動体４０には、図１で示したセンサヘッドが設けられる。すなわち、移動体４０はベース板４２上に取り付けられたセンサヘッド１２（図３、４では、図示せず）を有している。移動体４０は、Ｘ方向に沿って設けられたガイドレール３３に沿って移動する。これにより、センサヘッド２０がＸ方向に移動する。さらに、質量体５８は、反転部５０と連結部５５とを有している。また、反転部５０は、スライダ部５１、ベース板５２、及び第２磁石５３を有している。

水平に配置された基台３１の上面には、２つの支柱３２が設けられている。支柱３２は、Ｙ方向において、基台３１の中央近傍に配置されている。支柱３２は、Ｘ方向において、基台３１の両端に配置される。従って、支柱３２は、Ｘ方向に所定の距離だけ離間して配置されている。支柱３２は、基台３１に対して固定されている。この支柱３２の上面には、ガイドレール３３が設けられている。支柱３２は、ガイドレール３３の両端を支持している。従って、ガイドレール３３は、基台３１に対して固定されている。ガイドレール３３と基台３１との間には、隙間が設けられている。すなわち、ガイドレール３３の下側には空間が形成されている。ガイドレール３３は、Ｘ方向に沿って設けられた角柱部材である。従って、ガイドレール３３は、水平方向に沿って配置される。ガイドレール３３は、移動体４０を直線移動可能に保持している。従って、移動体４０は、このガイドレール３３にガイドされてＸ方向に移動する。すなわち、移動体４０は、ガイドレール３３に沿って移動する。

移動体４０のスライダ部４１は、ガイドレール３３の全周を囲むように設けられている。すなわち、図４（ａ）に示すように、スライダ部４１は、ロの字状に形成され、ガイドレール３３を囲繞する。なお、図４（ａ）では、反転部５０について省略して図示している。ガイドレール３３は、スライダ部４１に挿入されている。従って、スライダ部４１は、ガイドレール３３の４面に対向する面を有している。スライダ部４１は、ガイドレール３３に気体を噴出するエアスライダである。具体的には、スライダ部４１は、ガイドレール３３の太さに応じた矩形状の開口が設けられている。そして、スライダ部４１は、ガイドレール３３の４面に対して気体を噴出する。具体的には、ガイドレール３３の４面のそれぞれに対して気体を噴出する。これにより、ガイドレール３３のそれぞれの面と、移動体４０との間には微小隙間（エアギャップ）が形成される。すなわち、スライダ部４１は、エア噴出によってガイドレール３３から静圧浮上する。そして、スライダ部４１がガイドレール３３に接触せずに、移動体４０が移動する。もちろん、移動体４０の質量等を考慮して、各面に対する噴出圧や、流量を変えてもよい。このように、スライダ部４１が静圧軸受となり、移動体４０がガイドレール３３に沿って、直進性よく移動する。

スライダ部４１の上には、ベース板４２が取り付けられている。ＸＹ平面において、ベース板４２は、スライダ部４１と略同じ大きさを有している。ベース板４２の上には、第１磁石４３が設けられている。ベース板４２の上には、２つの第１磁石４３が設けられている。２つの第１磁石４３は、ＹＺ平面において、同じ位置に設けられている。Ｘ方向におけるベース板４２の両端に、第１磁石４３がそれぞれ配設されている。従って、２つの第１磁石４３はＸ方向において、一定の間隔を隔てて配置されている。このように、移動体４０の両端には、第１磁石４３がそれぞれ配置されている。

さらに、Ｘ方向における移動体４０の両側には、反転部５０が配置されている。従って、ガイドレール３３には、２つの反転部５０が設けられている。２つの反転部５０は、移動体４０の移動行程を挟んで離間配置されている。従って、ガイドレール３３には、反転部５０、移動体４０、反転部５０の順番で配設されている。反転部５０は、スライダ部５１、ベース板５２、及び第２磁石５３を有する。２つの反転部５０は、略同じ構成を有し、ＹＺ面に対して対称に配置されている。スライダ部５１は、スライダ部４１と同様の構成を有する静圧軸受である。スライダ部５１は、ロの字状に形成され、ガイドレール３３を囲繞する。すなわち、ガイドレール３３は、スライダ部５１に挿入されている。従って、スライダ部５１は、ガイドレール３３の側面を囲むように配置されている。スライダ部５１は、ガイドレール３３に対してエアを噴出する。これにより、ガイドレール３３のそれぞれの面と、移動体４０との間には微小隙間（エアギャップ）が形成される。スライダ部５１は、ガイドレール３３に対して気体を噴出して、静圧浮上する。スライダ部５１がガイドレール３３に接触せずに、質量体５８がＸ方向に移動する。もちろん、質量体５８の質量等を考慮して、各面に対する噴出圧や、流量を変えてもよい。

スライダ部５１の上には、ベース板５２が取り付けられている。さらに、ベース板５２の上には、１つの第２磁石５３が設けられている。第２磁石５３は、反転部５０の移動体４０側の端部に配置されている。第２磁石５３は、第１磁石４３と対向する位置に配置されている。例えば、ＹＺ面において、第１磁石４３と第２磁石５３とは同じ位置に配置される。第１磁石４３と第２磁石５３とは、移動体４０が反転部５０に接近したときに反発するように配置されている。すなわち、移動体４０の一方の第１磁石４３と一方の反転部５０に設けられた第２磁石５３が反発する。例えば、図３の示すように、＋Ｘ側の反転部５０に移動体４０が近づいた場合、＋Ｘ側の反転部５０に設けられている第２磁石５３と、移動体４０の＋Ｘ側の第１磁石４３が反発しあう。

このため、第１磁石４３、及び第２磁石５３は、同極が向かい合うように配置されている。すなわち、図４（ｂ）中、２つの第１磁石のうち、右側（＋Ｘ側）に配置されている第１磁石４３と、２つの反転部５０のうち、右側（＋Ｘ側）の反転部５０に設けられている第２磁石５３は、同極が対向するように配置される。同様に、図４（ｂ）中、左側（−Ｘ側）に配置されている第１磁石と、２つの反転部５０のうち、左側（−Ｘ側）の反転部５０に設けられている第２磁石５３は、同極が対向するように、配置される。従って、第１磁石４３、及び第２磁石５３からなる一対の磁石が、反転部５０から移動体４０を反発させる反発部材となる。反転部５０によって、移動体４０の移動方向が反転する。例えば、＋Ｘ方向に移動している移動体４０が＋Ｘ側の端まで移動すると、＋Ｘ側に配置された反転部５０によって反転する。これにより、移動体４０は、−Ｘ方向に移動するようになる。また、−Ｘ方向に移動している移動体４０が−Ｘ側の端まで移動すると、−Ｘ側に配置された反転部５０によって反転する。これにより、移動体４０は、＋Ｘ方向に移動するようになる。このように、移動体４０は、反転部５０での反転を繰り返すことによって、２つの反転部５０の間を往復運動する。

２つの反転部５０は、連結部５５によって連結されている。２つの連結部５５は、移動方向に沿って設けられている。２つの連結部５５は、例えば、略同じ構成を有する板状部材である。連結部５５は、Ｙ方向における移動体４０の両側に配置されている。従って、移動体４０は、２つの連結部５５の間に挟まれている。移動体４０は、２つの反転部５０と２つの連結部との間の空間に配置される。また、連結部５５と移動体４０との間には、隙間が開いている。なお、図３では、説明の簡略化のため、２つの連結部５５のうちの一方の連結部５５について省略している。連結部５５は、例えば、ベース板５２の側面に取り付けられている。連結部５５によって、２つの反転部５０が離間配置されている。すなわち、連結部５５は、２つの反転部５０を一定の間隔で保持するように、所定の長さを有している。２つの反転部５０の間隔は、移動体４０の移動行程に応じて決定される。２つの反転部５０の間隔は、移動範囲よりも広くなっている。すなわち、連結部５５の長さは、測定するために必要な走査距離に対応している。

このように、２つの反転部５０を２つの連結部５５によって連結することによって、質量体５８が構成される。そして、２つの反転部５０が同じ速度で移動する。移動体４０、及び質量体５８は、ガイドレール３３に対して気体を噴出して、静圧浮上する。換言すると、ガイドレール３３は、非接触で移動体４０、及び質量体５８を直線移動可能に支持するガイド部材である。また、ガイドレール３３によって、質量体５８、及び移動体４０の移動方向がＸ方向に限定される。すなわち、質量体５８、及び移動体４０は、Ｙ方向、及びＺ方向に移動しない。

さらに、Ｘ方向における質量体５８の外側には、ストッパ３７が設けられている。ここでは、質量体５８の＋Ｘ方向、及び−Ｘ方向の移動を制限するように、ストッパ３７が質量体５８の両側にそれぞれ配置されている。ストッパ３７は、図４（ａ）に示すように、断面コの字型に設けられ、ガイドレール３３の上、及び左右を囲んでいる。このストッパ３７が、質量体５８のＸ方向の移動を制限する。ストッパ３７によって、質量体５８がガイドレール３３からはみ出さないようになる。ストッパ３７は、ガイドレール３３の両端にそれぞれ配置されている。従って、２つのストッパ３７が基台３１に対して固定されている。ここでは、ストッパ３７は、支柱３２と反転部５０との間に配置されている。

＋Ｘ側に配置されたストッパ３７は、質量体５８の＋Ｘ方向の移動を制限する。−Ｘ側に配置されたストッパ３７が質量体５８の−Ｘ方向の移動を制限する。ストッパ３７が質量体５８の可動範囲を設定している。具体的には、ストッパ３７には、質量体５８側に突出した突出部３７ａが設けられている。＋Ｘ側に配置されたストッパ３７は、−Ｘ側に突出した突出部３７ａを有している。また、−Ｘ側に配置されたストッパ３７は、＋Ｘ側に突出した突出部３７ａを有している。例えば、移動している反転部５０が突出部３７ａと当接することによって、質量体５８の移動が制限される。なお、突出部３７ａをバネ、ゴムなどの弾性体することも可能である。また、磁石を用いたダンピング機構によって、反転部５０の移動を制限することも可能である。ダンピング機構を用いた場合、反転部５０、及びストッパ３７のそれぞれに磁石を設ける。例えば、突出部３７ａに磁石を設け、反転部５０のストッパ３７側に磁石を設ける。これにより、ストッパ３７と反転部５０が近づくと、反転部５０に反発力が加わる。さらに、ストッパ３７と反転部５０とを、バネ要素等で連結してもよい。バネ要素が収縮することによって、質量体５８の移動が制限される。すなわち、バネ要素によって、移動体４０、及び質量体５８の移動範囲が規定される。

さらに、図３に示すように、ガイドレール３３の下には、アクチュエータ６０が設けられている。なお、図４では、アクチュエータ６０について省略している。アクチュエータ６０は、例えば、リニアモータであり、可動子６１、固定子６２、及びエンコーダ６３を有している。固定子６２は棒状の部材であって、基台３１に対して固定されている。固定子６２は、Ｘ方向に沿って設けられている。さらに、固定子６２は、可動子６１が移動可能に支持されている。可動子６１は、移動体４０に取り付けられている。従って、可動子６１に電圧を印加することによって、可動子６１が固定子６２に沿って移動する。ここで、アクチュエータ６０は電磁アクチュエータであるため、可動子６１と固定子６２とが非接触状態で動作する。従って、アクチュエータ６０は、非接触で移動体４０に対して駆動力を与える。これにより、移動体４０が可動子６１とともに移動する。換言すると可動子６１が、移動体４０に含まれることになる。従って、移動体４０は、可動子６１を有している。アクチュエータ６０が移動体４０に駆動力を与えることによって、移動体４０が加速する。

さらに、アクチュエータ６０は、エンコーダ６３を有している。エンコーダ６３は、Ｘ方向における可動子６１の位置、又は移動距離を測定する。このエンコーダ６３からの出力によって、移動体４０の移動速度を測定することができる。そして、アクチュエータ６０は、エンコーダ６３からの出力に基づいて、移動体４０を目標速度で移動させる。すなわち、アクチュエータ６０は、移動体４０が目標速度で等速運動するように、駆動力を与える。アクチュエータ６０は、制御装置１５によって制御される。すなわち、アクチュエータ６０が移動体４０に与える駆動力は、制御装置１５によって制御される。

ここで、移動体４０が移動している状態について、図５、及び図６を用いて説明する。図５は、Ｘ駆動機構１７による駆動を説明するための概念図である。図５、及び図６では、Ｘ駆動機構１７の一部の構成のみを示している。図５（ａ）では、移動体４０が＋Ｘ方向に移動している状態を示している。図５（ｂ）では、移動体４０が＋Ｘ側の移動端に移動した状態を示している。図６（ｃ）では、移動体４０が−Ｘ方向に移動している状態を示している。図６（ｄ）では、移動体４０が−Ｘ側の移動端に移動した状態を示している。また、質量体５８は、弾性体であるバネ要素３９によって、ストッパ３７に連結されている。このバネ要素３９については、後述する。

図５、及び図６では、移動体４０の＋Ｘ側の第１磁石４３を第１磁石４３ａとし、−Ｘ側の第１磁石４３を第１磁石４３ｂとしている。さらに、質量体５８の＋Ｘ側に設けられた反転部５０を反転部５０ａとし、−Ｘ側に設けられた反転部５０を反転部５０ｂとしている。同様に、反転部５０ａに設けられた第２磁石５３を第２磁石５３ａとし、反転部５０ｂの第２磁石５３を第２磁石５３ｂとしている。すなわち、図５、及び図６中の右側の部材には符号の後にａを付し、左側の部材には符号の後にｂを付している。また、以下の説明において、第１磁石４３は＋Ｘ側の第１磁石４３ａ、及び−Ｘ側の第１磁石４３ｂの両方を示すものとする。また、第２磁石５３は、＋Ｘ側の第２磁石５３ａ、及び−Ｘ側の第２磁石５３ｂの両方を示すものとする。

移動体４０の質量をｍ_Ａとし、質量体５８の質量をｍ_Ｂとする。また、Ｘ方向における移動体４０の速度をＶ_Ａとし、質量体５８の速度をＶ_Ｂとする。なお、＋Ｘ方向に移動するときの速度を正とし、−Ｘ方向に移動するときの速度を負とする。従って、移動体４０の速度Ｖ_Ａと、質量体５８の速度Ｖ_Ｂとは、異なる符合になっている。また、質量体５８は、移動体４０よりも十分重くなっている。すなわち、質量体５８の質量ｍ_Ｂは、移動体４０の質量ｍ_Ａよりも十分大きくなっている。従って、質量ｍ_Ｂ≫質量ｍ_Ａとなる。例えば、質量ｍ_Ｂを質量ｍ_Ａの１０倍以上とすることが好ましい。

まず、図５（ａ）に示すように、移動体４０が＋Ｘ方向に移動している状態を考える。このとき、質量体５８は−Ｘ方向に移動している。なお、質量体５８は、移動体４０よりも十分遅くなっている。移動体４０と質量体５８が接近していく。これにより、第１磁石４３ａと第２磁石５３ａとの間隔が小さくなっていく。第１磁石４３ａと第２磁石５３ｂとは、同極が向かい合うように配置されている。例えば、第１磁石４３ａの第２磁石５３ａ側がＮ極の場合、第２磁石５３ａの第１磁石４３ａ側がＮ極になっている。従って、Ｎ極同士が対向配置されている。もちろん、Ｎ極ではなく、Ｓ極同士が対向配置されていてもよい。移動体４０と反転部５０ａが接近すると、第１磁石４３ａと第２磁石５３ａとが反発する。すなわち、移動体４０が反転部５０ａに接近するにつれて、第１磁石４３ａと第２磁石５３ａとの斥力が大きくなっていく。

従って、移動体４０と反転部５０ａとが接近していくと、移動体４０は−Ｘ方向の磁力を受ける。また、移動体４０と反転部５０ａとが接近していくと、質量体５８は＋Ｘ方向の磁力を受ける。質量体５８と移動体４０とは、反対方向の力を受ける。第１磁石４３ａと第２磁石５３ａとが近づくにつれて、磁力が徐々に大きくなっている。移動体４０、及び質量体５８は、移動方向と反対方向の磁力を受ける。これにより、移動体４０が減速されていく。このとき、質量体５８も減速されていく。そして、図５（ｂ）に示す位置で、移動体４０が停止する。このとき、質量体５８も停止する。換言すると、移動体４０、及び質量体５８の運動エネルギーがポテンシャルエネルギーに変換される。

このように、移動体４０は徐々に減速して停止する。その後、移動体４０は、さらに磁力を受けて、−Ｘ方向に加速していく。すなわち、移動体４０は、移動端で停止した後、加速する。このように、第２磁石５３ａによって、移動体４０は折り返す。これにより、＋Ｘ方向の移動端で移動体４０が反転する。移動体４０は、第２磁石５３ａから磁力によって跳ね返される。換言すると、移動体４０が反転する位置が、図５（ｂ）に示す移動体４０の移動端（ストロークエンド）となる。また、質量体５８も同様に、反転する。すなわち、第１磁石４３ａによって、質量体５８を跳ね返される。移動端では、Ｖ_Ａ、及びＶ_Ｂは０になっている。

移動体４０が反転部５０ａに接近することによって、磁力に応じた反発力が発生する。すなわち、第１磁石４３、及び第２磁石５３が移動体４０に反発力を付与する反発部材になる。この反発力によって、移動体４０が跳ね返される。第１磁石４３、及び第２磁石５３の間で発生する磁力によって、移動体４０が跳ね返される。＋Ｘ方向に移動していた移動体４０が反転して、−Ｘ方向に移動する。このとき、第１磁石４３ａと第２磁石５３ａの斥力によって、質量体５８が反転している。すなわち、質量体５８の移動方向が反転して、＋Ｘ方向に移動する。磁石による反発力は、移動体４０の反転部５０に対する位置に応じて変化する。

反転された移動体４０は、磁力を受けて、加速していく。そして、第１磁石４３ａの影響がほとんどない位置まで移動する。これにより、図６（ｃ）に示すように、移動体４０が、−Ｘ方向に等速運動する。第１磁石４３と第２磁石５３とが十分に離間しているため、移動体４０が磁力によって、ほとんど加減速されない。この時、質量体５８は、＋Ｘ方向に移動している。但し、質量体５８の速度Ｖ_Ｂは非常に小さいため、質量体５８の移動距離は微小になる。

磁力をほとんど受けない時、移動体４０は、−Ｘ方向に等速移動していく。このとき、第１磁石４３ａと第２磁石５３ａとが十分離れているため、ほとんど磁力を受けない。すなわち、移動体４０は、磁力を受けずに、慣性で移動していく。そして、移動体４０は、反転部５０ｂに近づいていく。第２磁石５３ｂと第１磁石４３ｂとの間隔が徐々に狭くなっていく。また、第１磁石４３ｂと第２磁石５３ｂとは、同極が向かい合うように、配置されている。すなわち、第１磁石４３ａ、及び第２磁石５３ａの配置と同様に、同極が対向配置されている。移動体４０と反転部５０ｂが接近すると、第１磁石４３ｂと第２磁石５３ｂとが反発する。すなわち、移動体４０が反転部５０ｂに接近するにつれて、第１磁石４３ｂと第２磁石５３ｂとの斥力が大きくなっていく。

従って、移動体４０と反転部５０ｂとが接近していくと、移動体４０は＋Ｘ方向の磁力を受ける。また、移動体４０と反転部５０ｂとが接近していくと、質量体５８は−Ｘ方向の磁力を受ける。すなわち、質量体５８と移動体４０とは、反対方向の力を受ける。第１磁石４３ｂと第２磁石５３ｂとが近づくにつれて、磁力が徐々に大きくなっている。移動体４０、及び質量体５８は、それぞれの移動方向と反対方向の力を受ける。これにより、移動体４０が減速されていく。このとき、質量体５８も減速されていく。そして、図６（ｄ）に示す位置で、移動体４０が停止する。このとき、質量体５８も停止する。そして、さらに磁力を受けて、＋Ｘ方向に加速していく。すなわち、−Ｘ方向の移動端で移動体４０が反転する。このように、移動体４０は、第２磁石５３ｂから磁力によって跳ね返される。移動端で移動体４０が折り返して、移動方向が反転する。換言すると、移動体４０が反転する位置が、図６（ｄ）に示す移動体４０の移動端となる。また、質量体５８も同様に、反転する。すなわち、第１磁石４３ａによって、質量体５８を跳ね返される。移動端では、移動体４０の速度Ｖ_Ａ、及び質量体５８の速度Ｖ_Ｂは０になっている。

そして、上記の動作を繰り返して、移動体４０が直線往復運動する。すなわち、移動体４０は＋Ｘ方向、及び−方向の移動を繰り返し行う。すなわち、移動体４０が磁力を受けるまでの間は、慣性で移動する。そして、磁力を受けることによって、移動体４０が反転する。換言すると、移動体４０は、移動端の近傍で反転動作をして、移動範囲の中央で等速移動する。等速で移動する等速区間の両側には、反転動作を行う反転区間が配置される。このように、移動体４０の移動行程の両端には、反転区間が配置され、中央には等速区間が配置される。

可動子６１を含む移動体４０と、質量体５８とがＸ方向のみに移動すると仮定する。そして、移動方向と垂直なＹＺ平面において、移動体４０と質量体５８との重心位置が一致しているとする。すなわち、Ｙ方向、及びＺ方向において、移動体４０の重心が、質量体５８の重心と同じ位置にある。なお、移動体４０の重心位置とは、スライダ部４１、及びスライダ部４１とともに移動するものを含む物体の重心位置である。従って、移動体４０に可動子６１、及びセンサヘッド１２が取り付けられた場合、可動子６１、及びセンサヘッド１２を含む移動体４０の重心位置が移動体４０の重心位置となる。また、質量体５８の重心位置とは、スライダ部５１、及びスライダ部５１とともに移動するものを含む物体の重心位置である。ここで、移動体４０の運動量と、質量体５８の運動量が同じ大きさになっているとする。すなわち、ｍ_ＡＶ_Ａ＝−ｍ_ＢＶ_Ｂの条件を満たすとする。

運動量、及びエネルギーが保存する場合、反転前後で、移動体４０の速さが等しくなる。すなわち、反転前後で、移動体４０の速度の大きさが等しく、向きが反対になる。従って、運動量の絶対値が等しければ、等速区間では、移動体４０の速さは略一定になる。質量体５８と移動体４０との質量差が大きいため、反転前後で、移動体４０が運動エネルギーをほとんど失わない。同様に、反転前後で、質量体５８の速さが等しくなる。すなわち、反転前後で、質量体５８の速度の大きさが等しく、向きが反対になる。このように、移動体４０の両側に反転部５０を設けることによって、簡便に反転させることができる。これにより、アクチュエータ６０で減速させることなく、移動体４０を折り返すことができる。従って、低損失で高速に折り返すことができる。

上記のように、移動方向以外における移動体４０、及び質量体５８の重心位置が一致している。このため、折り返し時に、Ｘ方向以外の力が移動体４０に加わらない。例えば、移動体４０にかかるモーメント力を低減することができ、損失が低減される。移動体４０を折り返すための反発力が、反転部５０によって与えられている。従って、低損失で、高速な折返しが可能になる。なお、移動体４０の移動端では、磁力を受けて、減速、又は加速している。換言すると、移動端の近傍では、アクチュエータ６０によって、駆動力を受けなくなる。これにより、折り返すときにガイドレール３３にかかるモーメント力を低減することができる。よって、振動による損失を低減することができる。質量体５８の全体の質量を、移動体４０の全体の質量よりも十分重くしている。このため、質量体５８の移動距離を小さくすることができる。よって、装置の大型化を防ぐことができる。また、質量体５８と移動体４０が同じガイドレール３３に沿って移動する。このため、直進性を向上することができ、損失を低減することができる。

摩擦が全くない理想的な状態では、移動体４０を目標速度まで加速すれば、移動体４０は直線往復動を永久に繰り返す。すなわち、熱や振動による損失が全くない場合、アクチュエータ６０によって駆動力を与えなくでも往復運動を繰り返す。損失が全くない場合、移動体４０が繰り返し反転する。しかしながら、実際には、往復運動をしている間の微小な振動や熱によって、エネルギーが減少していく。例えば、折返し時には、熱や振動による微小な損失が発生する。熱や振動によるエネルギー損失によって、等速区間での、移動体４０の速さが減少していく。エネルギーの損失を、アクチュエータ６０によって補填する。具体的には、アクチュエータ６０は、熱や振動によって損失したエネルギーを移動体４０に与える。そして、移動体４０の移動速度を目標速度で維持する。

移動体４０の移動速度は、エンコーダ６３の測定結果に基づいて、求めることができる。例えば、エンコーダ６３で測定した移動距離、又は位置を微分することによって、移動速度を算出することができる。この移動速度が一定の目標速度よりも低くなっているときに、アクチュエータ６０が駆動する。これにより、移動体４０に駆動力が与えられて、加速する。そして、移動速度が目標速度に到達したら、アクチュエータ６０の駆動が停止する。これにより、損失した分だけ、移動体４０が加速される。

なお、図５、及び図６では、反転部５０とストッパ３７との間には、バネ要素３９が設けられている。反転部５０の外側に設けられたバネ要素３９がストッパ３７と反転部５０とを連結している。ここでは、それぞれの反転部５０に同じバネ要素３９が設けられている。２つのバネ要素３９が質量体５８の振動中心を規定する。質量体５８は振動中心に対して対称に往復運動する。具体的には、質量体５８に力が全くかかっていないと、質量体５８は、バネ要素３９に押されて、中心位置に移動する。ここでは、２つのバネ要素３９が同じものであるので、Ｘ方向における質量体５８の重心位置は、ストッパ３７間の中心になる。従って、移動体４０もＸ方向における中心位置に対して対称に往復運動する。このように、バネ要素３９をストッパ３７と反転部５０との間に設けることによって、移動体４０の移動範囲を確実に規定することができる。なお、バネ要素３９としては、バネ定数が小さい弾性体を用いることが好ましい。バネ要素３９が、ストッパ３７から反転部５０を反発させるストッパ用反発部材となる。ストッパ反発部材による反発力は、反転部５０のストッパ３７に対する位置に応じて変化する。

移動体４０の移動端近傍では、移動体４０が磁力を受けて、加減速している。移動端の近傍では、アクチュエータ６０によって、駆動力を受けなくなる。等速区間では、目標速度に追従するようにフィードバック制御する必要がある。一方、反転区間では、移動速度が変化する必要があるため、目標速度に追従するようフィードバック制御する必要がない。すなわち、アクチュエータ６０による駆動力の制御を切り換える必要がある。このように制御を切換えるための構成について説明する。図７は、Ｘ駆動機構１７の構成を模式的に示す図である。従って、図７では、Ｘ駆動機構１７の構成要素の一部を適宜省略している。

図７に示すように、Ｘ駆動機構１７には、エンドセンサ７０、及びエンドセンサ７１が設けられている。エンドセンサ７０、及びエンドセンサ７１は、等速区間のエンド（端）を検知する。具体的には、エンドセンサ７０が、等速区間の右端を検知し、エンドセンサ７１が左端を検知する。例えば、エンドセンサ７０、及びエンドセンサ７１は、受光素子と発光素子とを有するフォトインターラプタである。そして、発光素子からの光が受光素子に検出されているか否かを判定する。すなわち、受光素子が発光素子からの光を検出しなくなると、フォトインタラプターはＯｎする。移動体４０は、発光素子からの光を遮光する遮光板４５を有している。すなわち、移動体４０に設けられた遮光板４５は移動体４０とともに移動する。遮光板４５は、移動体４０の移動に応じて、発光素子と受光素子との間に移動する。

移動体４０が等速区間を移動しているときは、Ｘ方向において遮光板４５がエンドセンサ７０、７１からずれている。従って、等速区間では、遮光板４５がエンドセンサ７０、７１の光を遮光しない。等速区間では、エンドセンサ７０、７１がＯｆｆとなる。一方、移動体４０が反転区間を移動しているときは、Ｘ方向において遮光板４５がエンドセンサ７０、又はエンドセンサ７１と同じ位置になる。従って、反転区間では、遮光板４５がエンドセンサ７０、又はエンドセンサ７１の光を遮光する。具体的には、図７中、右側の反転区間では、遮光板４５がエンドセンサ７０の光を遮光して、エンドセンサ７０がＯｎする。また、左側の反転区間では、遮光板４５がエンドセンサ７１の光を遮光して、エンドセンサ７１がＯＮする。Ｏｎしたエンドセンサ７０は、右側の反転区間に入ったことを示す検知信号を出力し、Ｏｎしたエンドセンサ７１は、左側の反転区間に入ったことを示す検知信号を出力する。なお、移動体４０が右側の反転区間を移動しているとき、遮光板４５は、常時、エンドセンサ７０の光を遮光する。なお、移動体４０が左側の反転区間を移動しているとき、遮光板４５は、常時、エンドセンサ７１の光を遮光する。

従って、等速区間を＋Ｘ方向に移動している移動体４０が右側の反転区間に入ったら、エンドセンサ７０が検知信号を出力する。そして、反転した移動体４０が右側の反転区間から出たら、エンドセンサ７０は、反転区間に入っていることを示す検知信号を出力しなくなる。また、等速区間を−Ｘ方向に移動している移動体４０が左側の反転区間に入ったら、エンドセンサ７１が検知信号を出力する。そして、反転した移動体４０が左側の反転区間から出たら、エンドセンサ７１は、反転区間に入っていることを示す検知信号を出力しなくなる。従って、移動体４０が右側の反転区間にいるときは、エンドセンサ７０のみが検知信号を出力し、エンドセンサ７１が検知信号を出力しない。また、移動体４０が左側の反転区間にいるときはエンドセンサ７１のみが検知信号を出力し、エンドセンサ７０が検知信号を出力しない。このように、エンドセンサ７０、７１からの検知信号によって、移動体４０が右側の反転区間、等速区間、及び左側の反転区間のいずれを移動しているかを判別することができる。

そして、等速区間でのみ、アクチュエータ６０を駆動する。これにより、移動体４０は、等速区間のみで加速される。従って、移動体４０が一定の目標速度Ｖｍで等速運動をする。
一方、両方の反転区間では、アクチュエータ６０が駆動しない。反転区間では、アクチュエータ６０が停止する。従って、移動体４０は、磁力のみで加減速される。このような、エンドセンサ７０、７１を設けることで、簡便に制御することができる。

始動時は、停止している移動体４０をアクチュエータ６０で加速して、目標速度に到達させる。そして、移動体４０を複数回反転させば、定常的に、往復運動をする。すなわち、反転する毎に、質量体５８にもエネルギーが与えられる。ここで、等速区間では、目標速度で等速運動するように、移動体４０が加速されている。従って、反転区間で質量体５８に与えられたエネルギーが、等速区間で移動体４０に補填される。すなわち、反転区間で移動体４０から質量体５８に移った運動エネルギーに応じて、等速区間で移動体４０が加速される。そして、移動体４０を繰り返し反転させていくと、等速区間で移動体４０に与える力が徐々に減少していく。すなわち、質量体５８に十分なエネルギーが与えられ、質量体５８が定常的に往復運動するようになる。等速区間では、移動体４０が目標速度Ｖｍで移動する。すなわち、移動体４０が目標速度Ｖｍで移動するように、アクチュエータ６０がフィードバック制御される。

そして、等速区間で、与える力が十分に小さくなったら、表面形状の測定を開始する。すなわち、定常して往復運動する状態となったら、測定を開始する。センサヘッド１２が取り付けられている移動体４０をＸ方向に往復運動させながら、Ｙ方向にステージ１３を送り出していく。これにより、試料全面を測定することができる。また、等速区間でのみ測定を行うようにする。換言すると、試料の測定範囲に応じて等速区間を設定する。これにより、移動体４０が一定速度で移動している状態で測定が行われる。よって、正確に測定することができる。なお、エンドセンサ７０、７１は、フォトインターラプタに限られるものではない。例えば、位置検出センサを用いて、ストロークエンドを検出してもよい。

次に、上記の直線往復動装置を用いて往復運動させる方法について図８を用いて説明する。図８は、上記の直線往復動装置を用いた直線往復運動方法を示すフローチャートである。まず、移動体４０の速度制御を開始する（ステップＳ１０１）。ここでは、移動体４０を目標速度Ｖｍまで加速する。また、上記のように、移動体４０を複数回、反転させて、定常的な往復運動をさせる。すなわち、移動体４０に与える力が十分に減少するまで、移動体４０を反転させる。そして、等速区間で移動体４０が目標速度Ｖｍで移動させる（ステップＳ１０２）。すなわち、等速区間でアクチュエータ６０をフィードバック制御して、移動体４０を等速で移動させる。

そして、エンドセンサ７０、又はエンドセンサ７１がＯｎしたか否かを判定する（ステップＳ１０３）。これにより、移動体４０が反転区間にいるか否かが判定される。すなわち、移動体４０が等速区間から反転区間に到達すると、２つのエンドセンサ７０、７１の一方がＯｎになる。エンドセンサ７０、又はエンドセンサ７１がＯＮしていないと判定されたら、ステップＳ１０２に戻る。すなわち、移動体４０が反転区間にはおらず、等速区間にいると判定される。エンドセンサ７０、又はエンドセンサ７１がＯＮしたと判定されたら、ステップＳ１０４に進む。すなわち、移動体４０が等速区間にはおらず、反転区間にいると判定する。エンドセンサ７０、又はエンドセンサ７１がＯｎするまで、アクチュエータ６０をフィードバック制御する。

エンドセンサ７０、又はエンドセンサ７１がＯＮしたら、移動体４０への制御を停止する（ステップＳ１０４）。すなわち、エンドセンサ７０、又はエンドセンサ７１がＯＮしたら、移動体４０が反転区間を移動していると判定される。制御装置１５は、アクチュエータ６０の駆動を停止して、移動体４０を加速しないようにする。すると、移動体４０は、慣性で移動して、質量体５８で跳ね返される（ステップＳ１０５）。すなわち、磁力に受けて、移動体４０が折り返す。また、質量体５８も折り返す。このようにして、移動体４０、及び質量体５８の移動方向が反転する。

そして、エンドセンサ７０、及びエンドセンサ７１のいずれかがＯｎに切り換わったかを判定する。すなわち、ステップＳ１０３において、どちらのエンドセンサがＯｎになったかを判定する。そのため、まず、エンドセンサ７１がＯｆｆからＯｎに切り換わったかを判定する（ステップＳ１０６）。エンドセンサ７１がＯｆｆからＯｎに切り換わった場合、移動体４０の目標速度Ｖｍの符号を正に置き換える（ステップＳ１０８）。すなわち、エンドセンサ７１がＯｎになった場合、左側の反転区間を移動していると判定される。このため、反転後は、移動体４０が＋Ｘ方向に移動する。従って、目標速度Ｖｍの符号を正にする。

一方、エンドセンサ７１がＯｆｆからＯｎに切り換わっていない場合、エンドセンサ７０がＯｆｆからＯｎに切り換わったか否かを判定する（ステップＳ１０７）。エンドセンサ７０がＯｆｆからＯｎに切り換わった場合、移動体４０の目標速度Ｖｍの符号を負に置き換える（ステップＳ１０９）。すなわち、エンドセンサ７０がＯｎになった場合、右側の反転区間を移動していると判定される。このため、反転後は、移動体４０が−Ｘ方向に移動する。従って、目標速度Ｖｍの符号を正にする。なお、エンドセンサ７１がＯｆｆからＯｎに切り換わっていない場合、ステップＳ１０６に戻る。なお、ステップＳ１０７、及びステップＳ１０９では、目標速度Ｖｍの大きさは変わっておらず、符号のみを変えている。

このように、目標速度Ｖｍの符号を置き換えたら、移動体４０の速度制御を再開する（ステップＳ１１０）。ここでは、エンドセンサ７０、及びエンドセンサ７１がＯｆｆの状態で、移動体４０を加速する。すなわち、エンドセンサがＯｎからＯｆｆに切り換わった後、アクチュエータ６０の駆動が開始する。これにより、折返し時に損失したエネルギーが移動体４０に与えられる。すなわち、移動体４０は折返し時等の損失によって減速した分だけ、加速される。そして、ステップＳ１０２に戻り、同様の処理を繰り返す。このように制御することによって、折り返される毎に、目標速度Ｖｍの符号が変わる。そして、制御装置１５は、目標速度に到達するよう制御する。よって、簡便な制御で、等速区間での等速運動を繰り返す。そして、移動体４０が往復運動を行う。

上記の直線往復動装置をＸ駆動機構１７として用いる。すなわち、等速区間を測定領域に対応させる。センサヘッド１２が取り付けられている移動体４０をＸ方向に往復運動させながら、Ｙ方向にステージ１３を送り出していく。これにより、試料全面を測定することができる。また、等速区間でのみ測定を行うようにする。換言すると、試料の測定範囲に応じて等速区間を設定する。これにより、移動体４０が一定速度で移動している状態で測定が行われる。正確な測定が可能になる。上記の構成によって、センサヘッド１２を高速に折り返すことができる。よって、測定時間を短縮することができる。また、折返し時に発生する振動や熱を低減することができる。反転時の損失を低減することができるため、エネルギー効率を向上することができる。

なお、上記の説明では、第１磁石４３、及び第２磁石５３の磁力によって反発させたが、これに限られるものではない。例えば、移動体４０と反転部５０とを衝突させて、反転させてもよい。すなわち、移動している移動体４０は反転部５０と当接する。これにより、移動体４０が跳ね返される。このように、移動体４０を衝突させることによって、折返し時間をより短くすることができる。すなわち、衝突によって折り返す場合、移動端まで減速することがない。よって、高速に折り返すことが可能になる。なお、第１磁石４３、及び第２磁石５３の磁力を用いることによって、移動体４０と反転部５０とが接触しなくなる。よって、衝突による発塵を防ぐことができる。よって、試料であるフォトマスクや、半導体ウエハの汚染を低減することができる。

なお、第１磁石４３ａ、及び第２磁石５３ａの残留磁束密度を低くして、移動体４０と反転部５０を衝突させるようにしてもよい。この場合、移動体４０が反転部５０に当接することによって、移動方向が反転する。このようにすることによって、衝突による衝撃を緩和させることができる。また、第１磁石４３ａ、及び第２磁石５３ａの残留磁束密度を高くすることによって、移動体４０と反転部５０が接触しなくなる。すなわち、非接触で、移動体４０が反転する。これにより、衝突による発塵を低減することができる。

上記の説明では、反転部５０と移動体４０に反発力を付与するための反発部材として、第１磁石４３ａ、及び第２磁石５３ａを用いている。なお、反発部材は、第１磁石４３ａ、及び第２磁石５３ａに限られるものではない。例えば、バネ、ゴムなどの弾性体を反発部材として用いてもよい。すなわち、磁力、又は弾性力を用いて移動体４０を跳ね返すことができる。この場合、図９に示すように、移動体４０に弾性体４８を設ければよい。なお、図９は、本発明の別の態様にかかるＸ駆動機構１７の構成を模式的に示す図である。弾性体４８は、移動体４０の他の部分よりも、反転部５０側に突出している。なお、移動体４０ではなく、反転部５０に弾性体４８を設けてもよい。さらには、反転部５０、及び弾性体４８の両方に設けてもよい。さらに、反発部材として、磁石、及び弾性体４８の両方を用いてもよい。なお、移動体４０の両側に配置された２つの反発部材は、同じ反発力を付与することが好ましい。このように、距離に応じた反発力を移動体４０に与える反発部材を用いることによって、衝突による発塵を低減することができる。また、反発力が弱く、移動体４０と反転部５０が衝突する場合でも、衝突による衝撃を緩和することができる。

例えば、ポリブタジエン等のゴム系材料を弾性体４８として用いることができる。あるいは、金属バネ等を用いてもよい。このような弾性体や磁石などを用いることによって、移動体４０と反転部５０との距離が縮まると、反発力が大きくなる。従って、衝突による衝撃を緩和することができる。すなわち、距離に応じた反発力を付与する反発部材を設けることによって、衝撃を緩和することができる。さらに、反発部材を残留磁束密度が高い磁石とした場合、移動体４０と反転部５０とが衝突しなくなる。よって、接触することによって発生する発塵を低減することができる。

また、上記の説明では、質量体５８を中央に移動させるためのストッパ用反発部材としてバネ要素３９を用いている。なお、ストッパ用反発部材は、バネ要素３９に限られるものではない。例えば、ストッパ用反発部材としてゴムなどの弾性体を用いることができる。さらには、バネ要素の替わりに磁石を用いること可能である。この場合、質量体５８、及びストッパ３７に対してそれぞれ磁石を設ける。そして、第１磁石４３、及び第２磁石５３と同様に、同極が向かい合うように一対の磁石を配置する。例えば、反転部５０側にＮ極が配置されるように、ストッパ３７に磁石を設ける。この場合、ストッパ３７側にＮ極が配置されるように、反転部５０に磁石を設ける。このように、磁石、又は弾性体をストッパ用反発部材として用いることができる。磁力、又は弾性力を用いて質量体５８の位置を規制してもよい。また、磁石、及び弾性体をストッパ用反発部材として用いることも可能である。さらには、ストッパ３７を弾性体で形成してもよい。この場合、ストッパ３７自体が、ストッパ用反発部材となる。すなわち、磁石、及び弾性体を有するストッパ３７を設けることによって、ストッパ３７に対する反転部５０の位置に応じて変化する反発力が反転部５０に付与される。

上記のＸ駆動機構１７によってセンサヘッド１２をＸ方向に駆動する。表面形状測定装置によって、表面形状を正確に求めることができる。特にパターン付き基板に対する表面形状の測定に好適である。よって、半導体のシリコンウエハや、半導体製造工程で用いられるフォトマスクの反り、撓み、うねり等を正確に評価することができる。よって、不良となるウエハやフォトマスクを取り除くことができ、半導体の生産性を向上することができる。また、折返し時間を短くすることができるので、測定時間を短縮することができる。さらに、移動体４０が測定範囲を移動している間は、等速運動する。これにより、正確な測定が可能になる。よって、生産性を向上することができる。

また、表面形状の測定装置に限らず、光検出器を移動させる測定装置であればよい。例えば、ＣＣＤカメラなどの光検出器を直線往復動させるようにしてもよい。上記の直線往復動装置は、試料からの光を受光する光検出器を直線往復動させて測定を行う光学測定装置、及び光学測定方法に対して、好適である。さらに、上記の光学測定装置での測定結果に基づいて、試料を検査する。すなわち、試料の平坦度が許容範囲内に含まれるか否かによって、試料の適否判定を行なう。さらに、検査結果に応じて、欠陥の修正等を行ってもよい。このようにパターン基板の製造工程中に上記の測定装置を用いた検査工程を組み込むことによって、パターン基板の生産性を向上することができる。さらに、上記の測定装置、及び測定方法では、静圧軸受、及びリニアモータを用いて非接触で移動させているため、損失を低減することができる。

本実施の形態にかかる表面形状測定装置の構成を示す図である。 本実施の形態にかかる表面形状測定装置に用いられるセンサヘッドの構成を示す図である。 本実施の形態にかかる表面形状測定装置に用いられる直線往復動装置の構成を示す斜視図である。 本実施の形態にかかる表面形状測定装置に用いられる直線往復動装置の構成を示す図である。 本実施の形態にかかる直線往復動装置の動作を説明するための図である 本実施の形態にかかる直線往復動装置の動作を説明するための図である 本実施の形態にかかる直線往復動装置の構成を模式的に示す図である。 本実施の形態にかかる直線往復動装置の制御を示すフローチャートである。 本発明の別の形態にかかる直線往復動装置の構成を示す図である。

符号の説明

１１ ウエハ、１１ａ 試料面、１１ｂ 試料面、１１ｃ パターン膜、
１２ センサヘッド、１３ ステージ、１５ 制御装置、
１６ Ｙ駆動機構、１７ Ｘ駆動機構、
２１ 光源、２２ レンズ、２３ スリット、２４ レンズ、２５ 光センサ、
３１ 基台、３２ 支柱、３３ ガイドレール、３７ ストッパ、３７ａ 突出部、
３９ バネ要素、４０ 移動体、４１ スライダ部、４２ ベース板、４３ 第１磁石、４５ 遮光板、４８ 弾性体
５０ 質量体、５１ スライダ部、５２ ベース板、５３ 第２磁石、

Claims (22)

1. 試料からの光を受光する光検出器を直線往復動させて測定を行う光学測定装置であって、
   前記光検出器を含む移動体と、
   前記移動体に対して与えられる駆動力を制御する制御部と、
   前記移動体よりも大きい質量を有する質量体であって、接近する前記移動体を跳ね返して前記移動体の移動方向を反転させる反転部が前記移動体の両側にそれぞれ設けられている質量体と、
   前記移動体の移動方向に沿って設けられ、前記移動体、及び前記質量体を直線移動可能に保持するガイド部材と、を備える光学測定装置。
2. 前記移動方向と垂直な平面において、前記質量体の重心位置が前記光検出器を含む移動体の重心位置と略一致する請求項１に記載の光学測定装置。
3. 前記反転部に対する前記移動体の位置に応じて変化する反発力を前記移動体に付与する反発部材が設けられていることを特徴とする請求項１、又は２に記載の光学測定装置。
4. 前記反転部と前記移動体とが接触せずに、前記移動体の移動方向が反転することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学測定装置。
5. 前記反転部に移動中の前記移動体が当接することによって、前記移動体の移動方向が反転することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学測定装置。
6. 前記反転部の前記移動体と反対方向への移動を制限するストッパをさらに備え、
   前記ストッパに対する前記反転部の位置に応じて変化する反発力が前記反転部に付与される請求項１乃至５のいずれかに記載の光学測定装置。
7. 前記移動体が、非接触で前記駆動力を与えるアクチュエータの可動子を有している請求項１乃至６のいずれかに記載の光学測定装置。
8. 前記移動体、及び前記質量体が、前記ガイド部材に対してエアギャップを設けるための静圧軸受を有している請求項１乃至７のいずれかに記載の光学測定装置。
9. 前記移動体が反転動作を行なう反転区間に前記移動体がいるか否かを判定するセンサをさらに備え、
   前記移動体の移動行程の両端に設けられている前記反転区間に前記移動体がいないと判定されたときにのみ、前記移動体に駆動力が付与されるように前記制御部が制御する請求項１乃至８に記載の光学測定装置。
10. 前記制御部が、前記移動体が所定の速度以下になったときに、前記駆動力を付与するように制御する請求項１乃至９のいずれかに記載の光学測定装置。
11. 試料からの光を受光する光検出器を直線往復動させて測定を行う光学測定方法であって、
    前記光検出器を含む移動体に駆動力を与えて、加速するステップと、
    前記移動体よりも質量が大きい質量体に設けられ、前記移動体の両側にそれぞれ配置された反転部の一方に、前記移動体を接近させるステップと、
    前記一方の反転部に接近した前記移動体を前記一方の反転部によって跳ね返して、前記移動体の移動方向を反転させるステップと、
    前記移動方向が反転した移動体に駆動力を与えて、加速するステップと、
    他方の前記反転部に接近した前記移動体を前記他方の反転部によって跳ね返して、前記移動方向を再度、反転させるステップと、を備える光学測定方法
12. 前記移動方向と垂直な平面において、前記質量体の重心位置が前記光検出器を含む移動体の重心位置と略一致する請求項１１に記載の光学測定方法。
13. 前記反転部に対する前記移動体の位置に応じて変化する反発力を前記移動体に付与する反発部材によって、前記移動方向が反転することを特徴とする請求項１１、又は１２に記載の光学測定方法。
14. 前記反転部と前記移動体とが接触せずに、前記移動方向が反転することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかに記載の光学測定方法。
15. 前記反転部に移動中の前記移動体が当接することによって、前記移動方向が反転することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかに記載の光学測定方法。
16. 前記反転部の前記移動体と反対方向への移動を制限するストッパが設けられ、
    前記ストッパに対する前記反転部の位置に応じて変化する反発力が前記反転部に付与される請求項１１乃至１５のいずれかに記載の光学測定方法。
17. 非接触で前記駆動力を与えるアクチュエータの可動子が前記移動体に設けられ、
    前記アクチュエータによって前記移動体に駆動力が与えられることを特徴とする請求項１１乃至１６のいずれかに記載の光学測定方法。
18. 前記移動体、及び前記質量体に、前記ガイド部材に対してエアギャップを設けるための静圧軸受が設けられている請求項１１乃至１７のいずれかに記載の光学測定方法。
19. 前記移動体が反転動作を行なう反転区間に前記移動体がいるか否かを判定するセンサが設けられ、
    前記移動体の移動行程の両端に設けられている前記反転区間に前記移動体がいないと判定されたときにのみ、前記移動体に駆動力が付与されるように制御する請求項１１乃至１８に記載の光学測定方法。
20. 前記移動体が所定の速度以下になったときに、前記駆動力を付与するように制御する請求項１１乃至１９のいずれかに記載の光学測定方法。
21. 請求項１１乃至２０に記載の光学測定方法によって、測定を行うステップと、
    前記測定を行うステップでの測定結果に基づいて、前記試料を検査するステップと、を有するパターン基板の製造方法。
22. 移動体を直線方向に沿って往復運動させる直線往復動装置であって、
    移動体と、
    前記移動体に対して与えられる駆動力を制御する制御部と、
    前記移動体よりも大きい質量を有する質量体であって、接近する前記移動体を跳ね返して前記移動体の移動方向を反転させる反転部が前記移動体の両側にそれぞれ設けられている質量体と、
    前記移動体の移動方向に沿って設けられ、前記移動体、及び前記質量体を直線移動可能に保持するガイド部材と、を備える直線往復動装置。

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