JP3242450B2 - 電動ステージ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は顕微鏡のステージとして
用いることのできる電動ステージに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、顕微鏡による多点観察や測長に用
いられてきた電動ステージは、駆動部にＤＣモータ、ス
テッピングモータ等の回転型モータが使用され、またモ
ータの駆動力をステージ移動量に変換するための運動伝
達／変換機構に送りねじが使用されていた。

【０００３】ところが、現在使用されているような回転
型モータ，送りねじ等では、位置決め精度が十分でな
く、しかも大きな設置スペースを必要とするといった欠
点があった。

【０００４】一方、リニアモータをステージの駆動に使
用することにより、位置決め精度の向上、省スペース化
を図った電動ステージが、実開昭５７−１１８６７８号
公報、特開平１−２９５６６１号公報等に記載されてい
る。かかる各公開公報に記載された電動ステージは、ス
テージの内部の中央部にリニアモータが配設され、その
両側に案内部が配設された構成となっている。このよう
に、リニアモータを中央部に配置し、その両側に案内部
を設けることにより、駆動力により発生するモーメント
が打ち消されるためヨーイングの発生が最小限に抑えら
れる。

【０００５】ところで、顕微鏡に用いるステージは、照
明光をステージの裏面側から照射するいわゆる透過照明
にも対応した構造にすることが求められる場合がある。
このため、顕微鏡ステージは、ステージ中央部にステー
ジ移動範囲に応じた大きさの開口部が形成されている。
特に、液晶基板等の観察に用いられるステージは、その
ほとんどが開口部となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ステー
ジ中央部に大きな開口部を有する顕微鏡用ステージで
は、上述した電動ステージのようにステージ中央部に駆
動系，位置検出系を配設できないので、ステージの端部
に駆動部，案内部を配設してもヨーイング等が発生しな
い構造が望まれる。

【０００７】本発明は以上のような実情に鑑みてなされ
たもので、ステージ中央部に大きな開口部を確保しなが
ら、駆動力により発生するヨーイング等の角度誤差を抑
え、透過照明に対応可能で、かつ高分解能，省スペース
化を図り得る電動ステージを提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
中央に開口部を有し所定方向に移動可能に設けられた移
動側ステージと、前記移動側ステージに前記開口部を挟
んで両側に設けられた一対の案内部を介して前記移動側
ステージを所定方向へ移動自在に支持する固定側ステー
ジとを備えた電動ステージにおいて、駆動コイルと磁石
との組合わせにより駆動力を発生させるリニアモータ
を、前記一対の案内部のいずれか一方の近傍に配設した
ことを特徴とする。請求項２記載の発明は、請求項1の
発明において、前記一対の案内部の両方の近傍にそれぞ
れ配設された二つのリニアモータを有することを特徴と
する。

【０００９】

【作用】本発明の電動ステージでは、案内部とリニアモ
ータとが近接しているので、ヨーイングの原因となる案
内部、リニアモータ間で発生するモーメントを最小限に
抑えられる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。図１には、本発明の電動ステージをウエハ検
査用大型走査ステージに適用した実施例が示されてい
る。

【００１１】本実施例の走査ステージは、顕微鏡本体に
固定される下ステージ１０、Ｘ方向へ移動する中ステー
ジ１１、Ｘ方向と直交するＹ方向へ移動する上ステージ
１２とを備えている。なお、隣接して配置される複数の
ステージの相関関係において、相対的に移動側が第１の
ステージ、固定側が第２のステージとなる。

【００１２】上記下ステージ１０は、ステージ上面の中
央部に台形状に高くなった幅広のガイド台１３がＸ方向
と平行な方向に形成されており、そのガイド台１３の両
側面で中ステージ１１をＸ方向へガイドするＸ軸リニア
ガイド１３ａ，１３ｂを構成している。また下ステージ
１０は、ガイド台１３の中央部に、ステージ裏面より入
射する照明光を通過させる円形開口部１４を有する。

【００１３】この下ステージ１０の上面に中ステージ１
１がＸ方向へ摺動自在に載置されている。中ステージ１
１の裏面には、下ステージ上面に形成されたガイド台１
３のＸ軸リニアガイド１３ａ，１３ｂに摺動可能に嵌合
する係合部１５，１６が設けられている。また中ステー
ジ１１の上面中央部には、当該ステージの移動範囲より
も幅の広いガイド台１７がＹ方向と平行な方向に形成さ
れている。

【００１４】この中ステージ１１のガイド台１７には、
Ｙ方向の上記円形開口部１４に対応した位置に、長孔状
開口部１８が形成されている。この長孔状開口部１８
は、Ｘ方向のステージ移動範囲に応じた大きさの長径を
有する。すなわち、中ステージ１１がＸ方向に移動して
も、円形開口部１４からの照明光が常に中ステージ１１
を通過するようになっている。

【００１５】また中ステージ１１のガイド台１７には、
上記係合部１６よりも僅かに中央部寄りの位置にＸ方向
と平行な側面を形成する、長方形の開口部１９が形成さ
れている。またＸ方向と平行な中ステージ１１の一側面
であって開口部１９が形成されている側の側面は、ガイ
ド台１７のＸ方向の幅で、上記係合部１６の近傍位置ま
で切欠かれている。この切欠きと開口部１９との間に残
された領域で、リニアモータ及びリニアエンコーダを取
付けるための取付け部２０となっている。

【００１６】上記取付け部２０の外側側面には、Ｘ軸用
リニアモータの磁石群２１がその磁界発生面をステージ
移動面に対して垂直に配置して連続的に配置されてい
る。また、磁石群２１に対向配置された駆動コイル２２
が、下ステージ１０に固定されている。駆動コイル２２
は、中ステージ１１を下ステージ上の中心位置に配置し
たときに、磁石群２１の長手方向の中心位置に配置され
るものとする。

【００１７】また取付け部２０の内側側面には、Ｘ軸用
リニアエンコーダのスケール２３が水平状態で固定され
ている。そしてスケール２３の上側に下ステージ１０に
固定された検出ヘッド２４が配置され、下ステージ１０
の検出ヘッド対向位置に不図示の光源部が設けられてい
る。

【００１８】上記中ステージ１１の上面に、上ステージ
１２がＹ方向へ摺動自在に載置されている。上ステージ
１２の裏面には、中ステージ上面に形成されたガイド台
１７のＹ軸リニアガイド１７ａ，１７ｂに摺動可能に嵌
合する係合部２５，２６が設けられている。また中ステ
ージ１１には、ステージのＸ，Ｙ方向の移動範囲に対応
して正方形の開口部２７が形成されており、その開口部
２７の内周縁には内側に突出するつば部２８が形成され
ている。開口部２８には、その開口部と同一形状のホル
ダープレート２９がつば部２８に支えられて保持される
ものとなる。

【００１９】また上プレート１２のＹ方向と平行な両側
面は、それぞれ係合部２５，２６に近接する位置まで同
じ厚さで切欠かれている。そして、その切欠部の一方の
側面にはＹ軸用リニアモータの磁石群３０が、磁界発生
面をステージ移動面に対して垂直に配置して、連続的に
配設されている。この磁石群３０に対向する位置であっ
て中ステージ１１のＹ方向の中間位置に駆動コイル３１
が固定されている。

【００２０】また上ステージ１２の他方の切欠部の側面
には、Ｙ軸用リニアエンコーダのスケール３２が水平状
態に固定されており、このスケール３２の上面に検出ヘ
ッド３３が中ステージ１１に固定されて配置されてい
る。また中ステージ１１の検出ヘッド対向位置に光源部
が設けられている。

【００２１】上記Ｘ軸用リニアモータの構造を図２に示
す。なお、本実施例では磁石群と駆動コイルとが水平に
対向配置されるが、説明の都合により同図には上下に配
置した状態が示されている。

【００２２】このリニアモータは、中ステージ１１に固
定される磁石側ヨーク４０にＳ極とＮ極に磁化された磁
石４１，４２が交互に配置されている。また下ステージ
１０に固定されたコイル側ヨーク４３に駆動コイル４４
が設けられ、駆動コイル４４の中央部にホールＩＣ等か
らなる磁気検出センサ４５が設けられている。

【００２３】上記磁気検出センサ４５で現在駆動コイル
４４に対向している磁石４１，４２の極性を検出して、
所定の駆動コイルに通電してやることにより、所定方向
の駆動力を発生させることができる。

【００２４】また、このリニアモータはヨーク部を含ん
でも厚さ１０ｍｍ以下であるので、磁石をステージ面に
対して垂直に配置してもステージ上面に突出することが
ないので、ステージ上面はフラットな状態が保たれる。
なお、Ｙ軸用リニアモータも図２に示すＸ軸用リニアモ
ータと同じ構造であるのでここでの説明は省略する。図
３にはＸ軸用リニアエンコーダの斜視図が示されてい
る。

【００２５】このリニアエンコーダは、下ステージ１０
に固定された光源４６からの光をコリメータレンズ４７
で平行光としてからスケール２３に入射している。この
光源４６及びコリメータレンズ４７から光源部を構成し
ている。スケール２３には、その長手方向に格子目盛り
４８が形成されている。そしてスケール２３を透過した
光が入射し得る位置にインデックス４９が配置されてい
る。このインデックス４９には、４分割されたインデッ
クス格子目盛り５０ａ〜５０ｄが形成されており、この
インデックス４９を透過した光を４分割フォトダイオー
ド５１ａ〜５１ｄで受けている。インデックス４９及び
４分割フォトダイオード５１ａ〜５１ｄから検出ヘッド
を構成している。なお、Ｙ軸用リニアエンコーダも同様
に構成されている。

【００２６】このリニアエンコーダでは、スケール２３
の格子目盛り４８が回折格子として作用し、インデック
ス格子面にフレネル回折による光強度分布が現れる。ス
ケール２３がこれら光学系に対して相対移動すると、光
強度分布も移動する。そして光強度分布の最大部分がイ
ンデックス格子のブランクと同位置になったとき、フォ
トダイオード５１ａ〜５１ｄ上の光量が最大になり、光
強度分布の最小部分が同一となったとき光量が最小にな
る。この様にしてフォトダイオード５１ａ〜５１ｄの受
光量は正弦波的に変化し、そのダイオード出力は図５に
示すような正弦波となる。

【００２７】例えば、スケール２３の格子目盛り４８を
８μｍ、インデックス格子目盛り５０を８μｍとする
と、１周期８μｍの正弦波がフォトダイオード５１より
出力される。図５に示すように、各フォトダイオード５
１の出力を、内挿なしで位置信号として使用すると４分
割しかできないため、本実施例では正弦波信号を抵抗分
割法（２相信号を抵抗を介して結合し、中間タップから
任意の位相信号を得る方法）により、さらに分割して最
終的に０．５μｍの分解能を得ている。

【００２８】また本実施例は、Ｘ軸用リニアモータを、
図４に示す制御回路により動作制御している。同図では
符号５２はＸ軸用リニアモータを、符号５３はＸ軸用リ
ニアエンコーダを表している。

【００２９】この制御回路は、ＭＰＵ５４からＰＩＤコ
ントローラ５５に対して目標値が与えられ、ＰＩＤコン
トローラ５５にリニアエンコーダ５３から実位置信号が
与えられる。ＰＩＤコントローラ５５は両入力の偏差を
算出し、その算出値をＰＩＤ演算部を用いた差分演算に
より制御量を決定してＰＷＭ制御部５６へ入力してい
る。ＰＷＭ制御部５６は、制御量に基づいて変調したパ
ルス幅のパルス信号をリニアモータ５２へ与えている。
ここで、ＰＩＤ演算部におけるＰ・Ｉ・Ｄのパルス伝達
関数はＧｃｘは、以下のように表せる。 比例制御 Ｇｃｐ（ｚ）＝Ｋｐ 積分制御 Ｇｃｉ（ｚ）＝Ｋｉ・Ｔｓ／（ｚ−１） 微分制御 Ｇｃｄ（ｚ）＝Ｋｄ・（ｚ−１）／（Ｔｓ・ｚ） なお、Ｋｐを比例ゲイン、Ｋｉを積分ゲイン、Ｋｄを微
分ゲイン、Ｔｓをサンプリング時間である。離散時間系
では微分を正確に表現することは不可能であるので、近
似演算を行っている。

【００３０】また各制御ゲインは汎用の制御解析ツール
や実験を元に決定しているが、スクリーニング観察時の
ようにステージを極低速送り制御するときは、案内部と
の摩擦などにより速度変動が目立つようになる。電動ス
テージによって移動させている試料を顕微鏡観察する場
合には、速度変動は観察者に目の疲労を与えるため、で
きる限り抑制させる必要がある。

【００３１】そこで本実施例では、制御ゲインを変更す
る他に、微分演算のサンプリング時間を変更して、制御
回路側から見た見掛上の速度変動を抑え、滑らかな動作
を実現している。

【００３２】ステージ移動速度が速い時には、あるサン
プリング時間の位置信号（カウンタ値）と、次のサンプ
リング時間の位置信号との差が大きくなるが、低速時に
はその差が小さいため変動分が大きく観測される。従っ
て、極低速域でのサンプリング時間を長くすることによ
り変動を小さくしている。

【００３３】図６及び図７には、本実施例のステージ
と、従来のステッピングモータとボールねじによるステ
ージとの、１μｍステップ送りの状態がそれぞれ示され
ている。図６が本実施例の場合であり、図７が従来例の
場合である。図７に示す従来例の場合、コギングトル
ク、カップリングの捩じれにより位置決め精度が低下し
ていることが示されている。

【００３４】以上のように構成された本実施例では、駆
動コイル２２に対向している磁石４１，４２の極性が磁
気検出センサ４５で検出されて所定の駆動コイル４４が
通電されることにより、駆動コイル２２と磁石群２１と
の間に駆動力が発生する。駆動コイル側は顕微鏡本体に
固定されている下ステージ１０に固定されているため、
中ステージ１１がＸ軸リニアガイド１３ａ，１３ｂに沿
ってＸ方向へ移動する。中ステージ１１の移動距離は、
図４に示す制御回路により、０．５μｍの分解能で位置
制御されるものとなる。中ステージ１１がＸ方向へ移動
すると、中ステージ１１上にＸ方向の移動を規制されて
載置された上ステージ１２が中ステージ１１と共にＸ方
向へ移動する。

【００３５】このとき、下ステージ１０の円形開口部１
４から上方に向けて入射する照明光は、中ステージ１１
の長孔開口部１８から常に上ステージ１２の開口部２７
に入射することになる。

【００３６】ここで、Ｘ軸用リニアモータがＸ軸リニア
ガイド１３ａ及び係合部１６の近傍に配置されているの
で、それら案内部と同一平面内にＸ方向の駆動力が発生
し、かつＸ軸用リニアモータと上記案内部との間には大
きなモーメントがかからない。このため、中ステージ１
１にヨーイングを生じさせることなく中ステージ１１を
Ｘ方向へ移動させることができるものとなる。

【００３７】またＹ軸用リニアモータを駆動すると、中
ステージ１１に固定されている駆動コイル３１と上ステ
ージ１２に固定された磁石群３０との間にＹ方向の推力
が発生する。中ステージ１１はＹ方向の移動が規制され
ているため、磁石群３０が固定された上ステージ１２
が、Ｙ軸リニアガイド１７ａ，１７ｂに沿ってＹ方向へ
移動する。このときの移動距離は、上記同様に図４に示
すものと同一構成の制御回路によって位置制御される。

【００３８】ここで、Ｙ軸用リニアモータはＸ軸用リニ
アモータと同様に案内部の近傍に配設されているため、
上ステージ１２にヨーイングを生じさせることなく上ス
テージ１１をＹ方向へ移動させることができるものとな
る。

【００３９】また本実施例によれば、磁石群２１，３０
をステージ移動面に対して垂直に配置し、磁石群２１，
３０と駆動コイル２２，３１を水平に対向配置したの
で、リニアモータの占有スペースを、従来の上下配置型
のものに比べて、大幅に削減することができる。

【００４０】なお、ステージの案内機構は、クロスロー
ラガイド、ワイヤガイド、循環式リニアガイド等、用途
に応じて適宜使用する。高精度な案内が要求される場合
には、クロスローラガイドを使用することが望ましい。
また負荷加重が小さい場合には、ワイヤガイドを用いる
ことができる。ワイヤガイドは、円柱状あるいは三角柱
状のワイヤを溝に落とし込んで、ローラによってワイヤ
を保持するように構成したものである。また循環式リニ
アガイドは、マイクロスリップを気にせずに使用頻度の
高い場合にも安心して使える利点がある。

【００４１】なお、上記一実施例では、リニアモータを
各ステージ１１，１２の一方の案内部にのみ近接配置し
た構成となっているが、各ステージの両サイドの案内部
にそれぞれリニアモータを配設するような構成を採るこ
ともできる。このように構成した場合、装置は大型化す
るがステージ駆動はさらに容易なものとなる。

【００４２】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、ス
テージ中央部に大きな開口部を確保しながら、駆動力に
より発生するヨーイング等の角度誤差を抑え、透過照明
に対応可能で、かつ高分解能，省スペース化を図り得る
電動ステージを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るウエハ検査用大型走査
ステージの分解斜視図。

【図２】上記一実施例のウエハ検査用大型走査ステージ
に備えられたリニアモータの斜視図。

【図３】上記一実施例のウエハ検査用大型走査ステージ
に備えられたリニアエンコーダの斜視図。

【図４】上記一実施例のウエハ検査用大型走査ステージ
に備えられた制御回路の機能ブロック図。

【図５】リニアエンコーダから出力される位置検出信号
の波形図。

【図６】上記一実施例による１ステップ分の送り状態を
示す図。

【図７】従来のステッピングモータと送りねじによる１
ステップ分の送り状態を示す図。

【符号の説明】

１０…下ステージ、１１…中ステージ、１２…上ステー
ジ、１３，１７…ガイド台、１５，１６…係合部、１
８，２７…照明用開口部、２１，３０…磁石群、２２，
３１…駆動コイル、２３，３２…スケール、２４，３３
…検出ヘッド。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中央に開口部を有し所定方向に移動可能
   に設けられた移動側ステージと、前記移動側ステージに
   前記開口部を挟んで両側に設けられた一対の案内部を介
   して前記移動側ステージを所定方向へ移動自在に支持す
   る固定側ステージとを備えた電動ステージにおいて、 駆動コイルと磁石との組合わせにより駆動力を発生させ
   るリニアモータを、前記一対の案内部のいずれか一方の
   近傍に配設したことを特徴とする電動ステージ。
2. 【請求項２】 前記一対の案内部の両方の近傍にそれぞ
   れ配設された二つのリニアモータを有することを特徴と
   する請求項１記載の電動ステージ。