JP5164984B2 - サブナノ〜ナノメートル範囲の高位置分解能を有する調節装置 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求項１の前文に記載の通り、数マイクロメートルから数１００ミリメートルの移動距離でサブナノ〜ナノメートル範囲の高位置分解能を有する調節装置であって、主操作方向についてはそれぞれの位置を高分解能センサにより測定可能で閉ループ動作するＰＺＴ固体アクチュエータを用い、また、ＰＺＴ固体アクチュエータがジョイントを介してプラットフォームに連通している調節装置に関する。

微細位置決め装置として、固体アクチュエータを用いたものが知られている。その意味で微細位置決め装置は数マイクロメートルから数ミリメートルの補正範囲を有する調整機構といえる。位置分解能はそれぞれ、ナノメートル又はサブナノメートル範囲である。

位置決め機構においては、摩擦防止及び遊び抑制のため、バネジョイントガイドが用いられることが多い。ここで、バネジョイントは、腐食工程において金属ブロックから曲げジョイントとして形成される場合がある。

部品の製造時許容誤差や組立時の誤差もあって、バネジョイントのガイド精度には限りがある。従来製品では、操作方向に対して直角方向の位置誤差は、移動距離１００μｍ当たり約５〜１０ｎｍの範囲であるのが通常である。

移動距離数１００μｍ当たり誤差２ｎｍ以下のガイド精度を有する微細位置決め装置への市場の要求はますます高まっている。これらのガイド精度を実現するため、プレストレス用のネジやくさび等の追加の機械要素によりプレストレス力を与えてガイド精度を高める方法が多く試みられている。しかし、例えばドイツ特許公開第１９８２６９８４Ａ１号公報に示されるこのような機械的手段では再現可能な結果が得られず、また、必要とされる長期的安定性という面での要件も満たさない。

６自由度までの自由度を有するフィジック インストゥルメント（Ｐｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ）社の多軸位置決め装置では、望ましくない寄生動作を測定することができるため、このような多軸位置決め装置の複数の軸のうち操作方向を規定しないものを、能動的な誤差補正用として用いることができる。

ＰＺＴセラミックスを用いた固体アクチュエータは長い移動距離を実現するために必要である大きな伸張範囲を有するが、望ましくないヒステリシスやクリープ現象が起きるという問題がある。従って、求められる高分解能を実現するためには、動作軸それぞれに高分解能センサを設ける必要がある。さらに、アクチュエータは閉ループで動作する。しかし、このような技術は非常に高いシステムコスト要因となり、求められる主操作方向が数少ない場合は、市場で実現困難である。

従来技術として、以下の刊行物を挙げる：欧州特許公開第ＥＰ０８３３２０８Ａ２号公報、ドイツ特許第ＤＥ３７８６９５５Ｔ２号、米国特許第５，２４１，２３５号、米国特許第６，３１０，３４２号、ドイツ特許公開第ＤＥ１０２９６４６２Ｔ５号公報、米国特許出願公開第２００６／００９７１６２号、ドイツ特許公開第ＤＥ１０２００４００２１９９Ａ１号公報。このうち欧州特許公開第ＥＰ０８３３２０８Ａ２号公報は、サブナノ〜ナノメートル範囲の位置分解能を有する調節装置に関する。主操作方向については閉ループ動作するアクチュエータを用い、アクチュエータの位置はセンサにより測定することができる。アクチュエータはプラットフォームに連通している。追加のアクチュエータが、測定対象である例えば半導体基板の厚みのばらつきを起因とする誤差を補正するよう機能する。つまり、調節装置の主操作方向における位置誤差を起因とする誤差の補正は行われていない。さらに、ＥＰ０８３３２０８Ａ２号公報の追加アクチュエータの構成は基本的に、第３の、すなわちＺ軸の調節能力を追加するためのものである。

従って、上記に基づいて、本発明は、実際の主操作方向以外に起きる寄生的位置誤差を追加の高分解能センサを用いることなく補正することを可能とし、位置決め装置制御のために別個の位置誤差コントローラを必要としない、数マイクロメートルから数ミリメートルの移動距離でサブナノ〜ナノメートル範囲の高位置分解能を有するより高度な調節装置を提供することを目的とする。

本発明の課題は、特許請求項１に記載の特徴を組み合わせて成る調節装置により解決される。請求項５はこのような調節装置の操作方法に関する。

従属項は少なくとも好適な実施形態及びこれを発展させたものを記載している。

本発明によれば、各主操作方向に対して例えば直角方向に起きる寄生的位置誤差を補正するため、圧電体単結晶を用いた追加アクチュエータが設けられている。クオーツやニオブ酸リチウムなどこれらの単結晶は、既知のＰＺＴセラミックスと比べると圧電効果が実質的に低いが、ヒステリシスや望ましくないクリープ現象が発生することがない。

圧電体単結晶を用いたこれらの追加アクチュエータはエラーテーブル内に保存された値に基づいて駆動され、各制御値は主操作軸の符号反転された関数として求められる。追加アクチュエータは補正プレートにより調節装置のプラットフォームに剛に接続されている。

追加アクチュエータは数１００ナノメートルまでの値の位置誤差を補正するだけでよいので、誤差補正モジュールを非常に小型に構成することができ、調節装置内に内蔵したり、あるいは、任意選択で後付け機構として調整装置本体外部にこれと直列で設けることができる。

調整装置は通常、追加アクチュエータ用の補正値が主操作軸の関数としてエラーテーブルから求められ、符号反転の後に、補正移動量に変換されることで駆動される。

従って、本発明の調整装置の操作方法によれば、主操作方向に対して例えば直角方向に偏位する位置誤差はそれぞれ、較正工程にて初めに主操作方向Ｘ、Ｙにおける実効値の関数として測定され、エラーテーブルＺｎ＝ｆ（Ｘ，Ｙ）に保存される。次いで主操作方向Ｘ、Ｙの設定値それぞれに従って追加アクチュエータに対する補正値がエラーテーブルから求められ、符号反転の後に、必要な補正移動量に変換される。

このとき、開ループ制御のため、補正を行う軸における調節偏位は起こらない。主操作軸が数少ない場合は、上記追加アクチュエータは既に設けられているコントローラにて簡単に制御することができる。

本発明の一実施形態において、エラーテーブルを、ユーザが計測する参照物や参照面に適応させることができる。総じて、本発明を実施することで、許容誤差が広がり、かつ、その他の場合と比べてセンサを必要としないため、機械部品製造及び調節装置組立のコストを削減することができる。

従って本発明によれば、主操作方向以外の方向における位置誤差を限りなくゼロに近づけることができる。すなわち、ガイド誤差、大きな位置ずれによるひずみ、あるいは同様の原因による位置誤差が、高価な高分解能センサを用いることなく、補正される。

本発明の典型的な適用例は、主操作方向ＸとＹを有するスキャンテーブルである。ＸＹ平面におけるクロストーク（Ｘ方向移動中のＹ方向誤差、あるいはその反対）を測定し、主アクチュエータにより補正することができる。その他の自由度（ＸＹに直角のＺ軸及び傾き）に関しては、アクチュエータやセンサが補正を行う例はこれまで知られていない。多くの使用例において、特に顕微鏡使用では、スキャン動作中にＺ方向の焦点距離をナノメートル精度で一定に保つ必要がある。この場合、Ｚ軸の誤差を補正するため、Ｚ方向の誤差をＸ、Ｙ方向の関数として求め、補正を行う。

Ｚ軸焦点ユニット内においては主操作軸はＺ方向に設けられている。但し、ＸＹ平面内の位置誤差を抑える必要がある。このような場合、ＸＹ平面用には剪断素子という形で２次元の補正素子が用いられる。この剪断素子はエラーテーブルＸｅｒｒｏｒ＝ｆ（Ｚ）、Ｙｅｒｒｏｒ＝ｆ（Ｚ）を用いて制御される。

ＸＹスキャナ用途におけるエラーマッピングは次のようにして行うことができる。まず、適宜選択した数（ｍ×ｎ）の測定点にてＸＹ方向にテスト走行を行う。例えばＸ方向の１０点、Ｙ方向の１２点に走行し、合計１２０の測定点を得る。使用するソフトウェアには補間アルゴリズムが含まれ、これにより、指定されるいずれかのＸＹ位置について最も近いサンプル点からのＺ方向補正値を計算する。ここで、テストスキャン時のサンプル点のうち隣接する点間の勾配が過大である場合は、サンプル点の数を増加させる。

例えば２軸補正には、１つの主操作方向Ｚに対し、例えばＸ方向１０点＋Ｙ方向１２点の合計２２の測定点について、１軸ごとの補正されるべき誤差を測定する。ここでも、補正を行う軸ごとに個別に、指定されるいずれかのＺ位置に対しソフトウェアにより最も近いサンプル点間の補間を行う。上記改変を加えた実施形態によれば必要メモリが少なくなる。較正工程中に圧電コントローラと誤差測定を直接連通させることにより、上記工程を完全に自動化することができる。いずれのハードウェアも追加する必要がない。本発明によれば、アクチュエータ用としていずれにしろ設けられた、空いている増幅器により、追加の補正アクチュエータの制御も行われる。

以上述べたように、本発明の主要概念は、誤差補正用に、好ましくはニオブ酸リチウムやその他のヒステリシスの発生しない単結晶体から成る圧電リニアアクチュエータを用いることにある。

従って次のような用途に利用することもできる。ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）装置を用いた測定において、高さプロファイルをナノあるいはサブナノメートル範囲で測定することができる。センサ先端が測定対象物に近接あるいは接触しているとき、シリコン製の片持ち梁は曲げ応力を受け、レーザの反射光がＰＳＤ（位置検出）素子上に電気信号を生成する。ＰＩＤコントローラはセンサ信号から制御変数を生成し、高電圧増幅器を介して、センサ先端と測定面との距離を一定に保つか、あるいはセンサ先端が測定面に一定の圧力を付加するように圧電アクチュエータを駆動する。この補正方法により、測定面がスキャン動作として水平方向に移動する場合でも、ＰＳＤセンサ信号がほぼ一定に保たれる。コントローラの出力側、あるいは高電圧増幅器の出力側で電気信号が得られるが、これは測定対象物の表面構造の高さに比例する。しかし、圧電アクチュエータの非直線性により、このような方法では明らかな信号歪みが現れ、これが高さ測定誤差につながる。ＡＦＭ測定では圧電アクチュエータは０．５〜１μｍの移動距離を必要とするため、補正アクチュエータを用いるという本発明の主要概念に従って、これらの補正範囲内での精度を高めることができる。単結晶物質から成る圧電アクチュエータの非常に優れた線膨張性能と、高い動的特性により、ＡＦＭ測定精度を確実に高めることができる。これまでは必要であった、逆ヒステリシスシミュレーションによる複雑な線形化を行う必要もない。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

Ｘ−Ｙ位置決め装置の駆動、及び、Ｚ方向の位置誤差を設定値ベクトルの関数として求める方法を示すブロック図である。 主操作方向Ｘ、ＹにおけるＸ−Ｙ位置決め装置の駆動、及び、Ｚ軸誤差を抑えるためのＺ方向における補正モジュールの駆動方法を示すブロック図である。 主操作方向Ｘ用の内蔵補正モジュールと補正を行う２軸Ｚ１、Ｚ２を備えた位置決め装置を示す概略断面図である。 主操作方向Ｘ用の後付けの外部補正モジュールと補正を行う２軸Ｚ１、Ｚ２を備えた本発明の位置決め装置を示す図である。 厚み／剪断の組み合わせの変換部である一素子内では１〜３自由度を有し、複数の素子を用いることで５自由度までの自由度を有することができる補正アクチュエータの概略図である。

本発明の一実施形態において、位置決め装置は主操作方向（数はＮに等しい）についてのみ、ＰＺＴ固体アクチュエータ及び高分解能センサにより閉ループで動作する。

最大数（６−Ｎ）の位置誤差を較正工程にて測定し、（いずれにしろ設けられている）コントローラ内のエラーテーブルに保存する。

さらに、最大数（６−Ｎ）の補正アクチュエータを追加で用いており、これらアクチュエータは数１００ナノメートルまでの位置誤差を補正するに十分な移動範囲を有している。

追加のアクチュエータに好適な材料としては、クオーツやニオブ酸リチウムなどの圧電体単結晶がある。これらはＰＺＴセラミックスのそれと比べると圧電効果が実質的に低いが、望ましくないヒステリシスやクリープ現象が発生することがない。

誤差補正モジュールとしてのこれらの追加素子は移動範囲が小さいため、非常にコンパクトな構成とすることができ、位置決め装置内に機械的に統合してもよいし、あるいは調節装置の外部に接続してもよい。

位置決め装置を駆動するには、予め定義されたエラーテーブルから、誤差補正モジュールに対する補正値が主操作軸の関数として求められ、符号反転の後、補正移動量に変換される。

図１はＸ−Ｙ位置決め装置の駆動中において、Ｚ方向の位置誤差を測定し、これを設定値ベクトルの関数としてエラーテーブルに保存する方法を示す。

図２に示すＸ−Ｙ位置決め装置の操作中においては、主操作方向Ｘ、Ｙへ駆動しつつ補正モジュールがＺ方向に動作するが、Ｚ軸方向の誤差を最小限に抑えることが望ましい。このため、予め定義されるＸ、Ｙ設定値に対応する値をエラーテーブルから読み出し、符号を反転させた後に、それぞれの追加アクチュエータに適用する。すなわち、Ｚ方向の傾き等、望ましくない誤差を解消するためである。

図３及び図４に図示する通り、主操作方向Ｘを有する可動プラットフォーム２がジョイントを介してフレーム１に配置されている。プラットフォーム２の駆動用に少なくとも１つのＰＺＴアクチュエータ３が設けられている。

図３に図示する位置決め装置にはさらに、Ｚ方向の誤差を無くすための補正プレート４が装置と一体的に設けられている。

このため、圧電体単結晶から成る追加アクチュエータ５は補正プレート４及びプラットフォーム２の間に配される。これら追加アクチュエータ５は、Ｚ方向の誤差を解消するために、エラーテーブル（図２参照）から得られる値に従って駆動される。

図４に示す位置決め装置は、平行に間隔を開けて配置された２つの補正プレート４から構成される外部補正モジュールを有し、後付け機構として設計されている。本構造によれば、２つのプレート４から構成される補正モジュールを、これらの間に配された追加アクチュエータ５とともに、プラットフォーム２に接続あるいはこれの上に続けて配設することができる。

数自由度での補正を行うには、図５に概略図示するように、補正素子の組み合わせを厚み／剪断変換部として設計してもよい。

例えばＸ−Ｙチューブ型スキャナ等の別の考えられる用途においても同様に、Ｚ軸補正モジュールが別個に配設される。顕微鏡の一部品であるチューブ型スキャナはＸ−Ｙ平面での動きを実行する。この際、必然的にたわみが生じるため、円弧状のＺ軸誤差が現れる。この場合、本発明に従ってＺ方向の誤差を無くすため、Ｚ軸補正部上に検査対象品を載置すれば、センサ先端と検査対象品との相対距離を一定に保つことができる。誤差原因がスキャナ側にあるのか、検査対象品の表面に実際に凹凸があるのかどうかをユーザが測定結果から判定するのは、この方法でのみ可能である。又は、チューブ型スキャナに対して検査対象品を固定し、チューブ型スキャナを備えた測定ヘッドをＺ軸補正部によりＺ方向に移動させて補正を行うようにしても、同様の好ましい効果が得られる。

１ フレーム
２ プラットフォーム
３ ＰＺＴ圧電アクチュエータ
４ 補正プレート
５ 追加アクチュエータ（補正アクチュエータ）

Claims (6)

1. 主操作方向についてはそれぞれの位置を高分解能センサにより測定可能で閉ループ動作するＰＺＴ固体アクチュエータを用い、また、ＰＺＴ固体アクチュエータがジョイントを介してプラットフォームに連通している、数マイクロメートルから数１００ミリメートルの移動距離でサブナノ〜ナノメートル範囲の高位置分解能を有する調節装置であって、
   前記各主操作方向の外部に発生する位置誤差の補正のため、エラーテーブル内に保存された値に従って駆動され圧電体単結晶を用いた追加アクチュエータが設けられ、位置誤差の補正のための制御値は前記主操作方向の、符号が反転された関数として得られ、前記追加アクチュエータは補正プレートにより調整装置のプラットフォームに剛に接続されていることを特徴とする調節装置。
2. 間隙を介して配置された２つの補正プレート及びこれらの間に位置する前記追加アクチュエータを用いた補正モジュールが、前記プラットフォーム上に後付け可能に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の調節装置。
3. 前記追加アクチュエータが１又はそれ以上の自由度を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の調節装置。
4. 誤差補正用の前記追加アクチュエータが、クリープ及びヒステリシス現象の起きない圧電物質から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の調節装置。
5. 誤差補正用の前記追加アクチュエータが、クオーツ又はニオブ酸リチウム単結晶から成ることを特徴とする請求項４に記載の調節装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の調節装置の操作方法であって、主操作方向から偏位する位置誤差のそれぞれを、主操作方向Ｘ、Ｙの実効値の関数として較正工程にて測定し、エラーテーブルＺｎ＝ｆ（Ｘ，Ｙ）に保存し、主操作方向Ｘ、Ｙについて各設定値に従い、前記追加アクチュエータ用の補正値を前記エラーテーブルから求め、符号反転の後、補正移動量に変換することを特徴とする調節装置の操作方法。

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