JPH0389876A - 圧電アクチュエータおよびそれを用いたステージ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、駆動力を発生するアクチュエータおよびアク
チュエータによって駆動されるステージ装置に関し、特
に、圧電素子を用いた高精度のアクチュエータおよびそ
のアクチュエータを用いたステージ装置に関する。

次世代超ＬＳＩの露光装置として注目されているＸ線露
光装置においては、マスクとウェーハの最終重合せ精度
が０．０５μｍ以下のレベルになることが要求される。

［従来の技術］ 従来のステッパ型露光装置のＸＹステージには、主とし
て、ＤＣモータとボールネジを組み合わせたものが用い
られていた。その位置決め精度は約０．１μｍのオーダ
であった。このＤＣモータとボールネジを組み合わせた
方式ではガタやバックラッシを完全になくすことは難し
く、０．０１μｍあるいはそれ以下の位置決め精度を実
現することは極めて困難であると考えられる。

高精度の位置決めを可能にするアクチュエータとして、
圧電素子を用いたものが提案されている。

しかしながら、ある物は自由度が低く、またある物は応
答性が低い。

［発明が解決しようとする課題］ 以上述べたように、従来のＤＣモータとボールネジを用
いたアクチュエータによっては、要求される高精度の位
置決めが極めて困難である。

圧電素子は高精度の微小変位が可能で、高精度の位置決
めを行う可能性を有するが、その能力を十分に発揮する
構造が未だ開発されているとはいえない。

本発明の目的は、圧電素子を用い、高精度の位置決めを
可能とし、かつ操作の容易な圧電アクチュエータを提供
することである 本発明の他の目的は、上述のような、圧電アクチュエー
タを用いたステージ装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、印加する電気的信号に応じて第１の方
向に伸縮する圧電素子を用いた圧電アクチュエータであ
って、第１の方向の部分と該第１の方向に交差する第２
の方向の部分とを有する固定支持部と、第１の方向に伸
縮方向を有する圧電素子と、圧電素子を該固定支持部の
第１の方向の部分に結合し、圧電素子の第１の方向の移
動を許容して移動量に応じた弾性力を発生すると共に他
の方向の移動を実質的に禁止する第１弾性ヒンジ部と、
該固定支持部の第２の方向の部分と該圧電素子の１＠ど
の間に挿入され、その間の距離を制御するウェッジ部材
とを有する圧電アクチュエータが提供される。

［作用］ 圧電素子を高精度で駆動しようとする場合には、ある程
度の予圧を付与することが望ましい。

第１の方向に伸縮する圧電素子を第１の方向の移動を許
容して移動量に応じた弾性力を発生し、他の方向の移動
を実質的に禁止する第１弾性ヒンジ部で支持することに
より、圧電素子を高精度で第１の方向のみに駆動するこ
とが可能となる。

また、圧電素子と固定支持部との間にウェッジ部材を挿
入することにより、容易に所望の予圧を与えることがで
きる。

［実施例コ 第１図は本発明の１実施例による圧電アクチュエータを
示す斜視図である。ベース構造体１は図中Ｙ方向の１対
の固定腕部１ａと１対の柱部材１ｂ、梁部材１ｃより構
成される。このベース構造体内にＺ方向に案内する２対
の弾性部材４ａ、４ｂが接続されている。すなわち、固
定腕部１ａ、柱部材ｔｂ、梁部材１ｃによって１つの剛
体としての略Ｕ字形構造が構成される。ベース上にこの
Ｕ字形構造のいずれかの部分を固定する。積層圧電素子
２はこのＵ字形状のベース構造体の１対の柱部材１ｂの
中間に配置される。圧電素子２を中心として見た時、１
対の柱部材１ｂが対称的に配置されるのが好ましい、こ
の積層圧電素子には、歪みゲージ３が取り付けられてお
り、積層圧電素子２の変位をモニタする。圧電素子２と
１対の柱部材１ｂとの間は対称の位置に配置された２対
の板バネ部材４ａ、４ｂ、によって結合されている。

図示の構成においては、圧電素子２の上端が２対の板バ
ネ部材４ａ、４ｂによって柱部材１ｂの上端に結合され
、圧電素子２の下端が１対の板バネ部材４ｃによって柱
部材１ｂの下方に結合されている。積層圧電素子２の下
端は、また梁部材ＩＣとの間に間隙を有し、そこにウェ
ッジ部材６が挿入、結合されている。すなわち、ウェッ
ジ部材６を図中左側に駆動すると、ウェッジ部材の厚い
部分が積層圧電素子２と梁部材ＩＣとの間に挿入され、
積層圧電素子２により大きな予圧を与える。

逆に、ウェッジ部材６を図中右方向に駆動すると、圧電
素子の下端と梁部材ＩＣとの間の余裕が大となり、積層
圧電素子２に与える予圧は減少する。

このウェッジ部材６は、たとえばネジ部材８を回転させ
ることによって駆動することができる。すなわち、ネジ
部材８を回転することによって、積層圧電素子２に与え
る予圧を調整することができる０以上の構成において、
Ｕ字型の剛性部の中に積層圧電素子が予圧を付与されて
配置され、電圧駆動されることによりその上端が変位す
る０Ｍ層圧電素子２の上端には、第２弾性ヒンジ部５が
結合されている４図示の構成においては、積層圧電素子
２の上端が板バネ部材４ａ、４ｂを固定する中間保持部
９と結合され、この中間保持部９に第２弾性ヒンジ部５
の下面が接着、固定されている。

第２弾性ヒンジ部５の上面は被駆動体７にたとえばアル
ミナ入り接着剤で固着される。アルミナは接着剤に剛性
を付与する機能を果たす。

第２弾性ヒンジ部は積層圧電素子の移動方向く図中、２
方向）に沿って高い剛性を有し、このＺ方向と直交する
ＸＹ平面内の力に対しては弱い弾性を示すものである０
図示の構成においては、断面形状が円柱の外周を円弧状
にけずり取られた球面ヒンジによって構成されている。

すなわち、球面ヒンジ部材５はその中央に肉がうに従っ
て小さな径を有する。積層圧電素子２が伸びると、この
第２弾性ヒンジ部５がＺ方向に駆動され、第２弾性ヒン
ジ部５の上端に固定された被駆動体７をＺ方向に駆動す
る。被駆動体７に働く力にアンバランスがあって、その
面が傾く場合には被駆動体７から第２弾性ヒンジ部５に
ＸＹ平面内方向の力が作用するが、第２弾性ヒンジ部５
はＸＹ面内方向には弱い弾性を有するので、容易にＸＹ
面内方向の力に従って弾性変形する。従って、被駆動体
７自体に過大な歪み応力を発生させることがない。

圧電素子は一般にヒステリシスを有する。圧電素子２に
は歪みゲージ３が貼り付けられ、圧電素子２の変位をフ
ィードバックする。積分補償によるフィードバック系を
形成して、閉ループを構成する。この構成の具体的１例
においては、開ループで約１５％あったヒステリシスが
、閉ループによるフィードバックによって約０．１％程
度となった。

第１図に示した、圧電アクチュエータによれば、圧電素
子には所望の予圧が印加され、電気信号に従って所望の
圧電変位を発生する。積層圧電素子２の変位はＺ方向の
変位のみを許容する第１弾性ヒンジ部４　（４ａ、４ｂ
）によって案内されてＺ方向の変位として第２弾性ヒン
ジ部５に伝えられる。第２弾性ヒンジ部は２方向に対し
ては高い剛性を有するので、積層圧電素子２から伝えら
れた２方内変位を被駆動体７に伝達する。逆に、被駆動
体７から伝わる２方向以外の変位に対しては、第２弾性
ヒンジ部５が変位を生ずることによってその力を吸収す
る。

第２図は、第１図に示した圧電アクチュエータを３個使
用したステージ装置を示す斜視図である。

図中、メインステージ１５はその上に半導体つ工−ハを
載置するウェーハチャック１６を有し、端部にＸ、Ｙ２
方向の位置モニタ用り型ミラー１７を有する。Ｌ型ミラ
ー１７には図示しないレーザよりのレーザ光が入射され
、干渉によってＸ７面内の位置をモニタする。メインス
テージ１５は３つの結合部材１８ａ、１８ｂ、１８ｃと
、第１図に示した圧電アクチュエータ３個１０ａ、１０
ｂ、１０ｃによってベース構造体１１に結合されている
。圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃはそれぞ
れ積層圧電素子３ａ、３ｂ、３ｃによって駆動されて、
Ｚ方向の駆動力を発揮する。

このＺ方向の駆動力は球面ヒンジ部材で示される第２弾
性ヒンジ部５ａ、５ｂ、５ｃを介して結合部材１８ａ、
１８ｂ、１８ｃに伝えられ、メインステージ１５を駆動
する。結合部材１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、たとえば、
アルミナ粉末を充填した接着剤である。もちろんネジ等
の機械的結合部材を用いることもできる。

３つの積層圧を部材３ａ、３ｂ、３ｃを同一量駆動した
場合には、メインステージ１５はＺ方向に並進運動をす
る。３つの積層圧電素子３ａ、３ｂ、３ｃの駆動量を変
えると、Ｚ方向の並進、Ｘ軸回りの回転θＸ、ｙ軸回り
の回転θＹの組み合わせを起すことができる。

３つの圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃの作
用点は、好ましくは正三角形の頂点に選ぶ０作用点が正
三角形になるように選ぶことにより、３つの圧電アクチ
ュエータはそれぞれが均等のものとなる。

３つの圧電アクチュエータ３ａ、３ｂ、３ｃの駆動量が
異なる場合には、厳密にはメインステージ１５の面の傾
きが変化し、その傾きに応じた力が各積層圧電素子にか
かる。ここで、第２弾性ヒンジ部５ａ、５ｂ、５ｃがそ
れぞれＺ方向に垂直なＸＹ平面内においては、弱い剛性
を有するので、このような力は第２弾性ヒンジ部５が変
形することによって吸収される。

このように、３つ以上の圧電アクチュエータによってス
テージ装置を支持することにより、Ｚ方向、θＸ回転、
θＹ回転の３自由度における駆動が高精度に行える。

圧電素子、ヒンジ部材、ウェッジ部材を有機的に組み合
わせたことにより、コンパクトで軽量なｍ造により、精
度の高いアクチュエータおよびステージ装置が実現され
る。

また、被駆動対象物を直接駆動する自由度の高い駆動装
置を実現することによって、コンパクトな構成と高い応
答性が得られる。

積層圧電素子の駆動量が異なる場合にも、メインステー
ジが受ける反力は小さく、従って、その内部に生じる応
力も小さい、その結果、メインステージに生じる変形も
小さくできる。

予圧を与えた圧電素子の駆動力を弾性変形によって駆動
対象物に伝達するため、ガタやバックラッシのない高精
度の駆動が可能となる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれ
らに制限されるものではない、たとえば、種々の変更、
改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろ
う。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、圧電素子を用い
て高精度で応答性の高いアクチュエータおよびそれを用
いたステージ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による圧電アクチュエータ示す
斜視図、 第２図は、第１図に示す圧電アクチュエータを用いたス
テージ装置を示す斜視図である。 図において、 ａ ｂ Ｃ ベース構造体 固定腕部 柱部材 梁部材 積層圧電素子 歪みゲージ 第１弾性ヒンジ部 ６ ０ １ ５ ６ ７ ８ 第２弾性ヒンジ部 ウェッジ部材 被駆動体 圧電アクチュエータ ペース構造体 メインステージ ウェーハチャック Ｌ型ミラー 結合部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）、印加する電気的信号に応じて第１の方向に伸縮
   する圧電素子を用いた圧電アクチュエータであって、 第１の方向の部分と該第１の方向に交差する第２の方向
   の部分とを有する固定支持部と、第１の方向に伸縮方向
   を有する圧電素子と、圧電素子を該固定支持部の第１の
   方向の部分に結合し、圧電素子の第１の方向の移動を許
   容して移動量に応じた弾性力を発生すると共に他の方向
   の移動を実質的に禁止する第１弾性ヒンジ部と、 該固定支持部の第２の方向の部分と該圧電素子の１端と
   の間に挿入され、その間の距離を制御するウェッジ部材
   と を有する圧電アクチュエータ。
2. （２）、前記固定支持部が第１の方向に沿った圧電素子
   の両側に対称的に配置された１対の柱部材と、該１対の
   柱部材の各１端を結合する１つの梁部材とを含む略Ｕ字
   形状を有し、 前記第１弾性ヒンジ部が各柱部材と前記圧電素子とを対
   称位置で結合する偶数個の板バネ部材を含む 請求項（１）記載の圧電アクチュエータ。
3. （３）、前記圧電素子の他端に結合され、前記第１の方
   向に高い剛性を有し、第１の方向に直交する方向には弾
   性を有する第２弾性ヒンジ部をさらに有する請求項（１
   ）または（２）記載の圧電アクチュエータ。
4. （４）、前記第１の方向と直交する平面を画定する固定
   支持面と、 該固定支持面から前記第１の方向に間隔をおいて配置さ
   れたステージ面と、 該固定支持面に前記固定支持部が固定され、該ステージ
   面に前記第２弾性ヒンジ部が固定された３個以上の請求
   項（３）記載の圧電アクチュエータと を有するステージ装置。