JPH04131702A - 能動ガイド - 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、Ｙ軸方向に相対移動する第１及び第２の物体
の相対変位量を可干渉光の光路差による干渉を利用して
測定する干渉型距離測定手段を備え、走査型電子顕微鏡
、走査型トンネル顕微鏡等の移動テーブルに適用して好
適な能動ガイドに関する。

〔従来の技術〕

この種の干渉型距離測定手段を用いた微動テーブルして
は、例えばＨｅ−Ｎｅ気体レーザがらのレーザ光を逆望
遠鏡光学系を通してビームスプリッタに入射し、このビ
ームスプリッタで２つの光路に分け、その一方の移動体
に固定鏡で反射させ、他方を微動テーブルの移動体に設
けた可動鏡で反射させることにより、両反射光をビーム
スプリッタ内で干渉させて生じた干渉縞を測定するよう
にしたマイケルソン干渉計を距離測定手段に用いた微動
テーブルや、２つの平面鏡を互いに平行に調整し、片側
から光を入射させて平行な２つの鏡面間の多重反射によ
る干渉を利用したファブリベロー干渉計を用いた微動テ
ーブル等が知られている。

（発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、上記従来のマイケルソン干渉計やファブ
リベロー干渉計を用いる微動テーブルにあっては、装置
が大型化し、比較的長い距離の測長には好適であるが、
走査電子顕微鏡や、走査型トンネル顕微鏡の試料台のよ
うに微小変位する移動台の移動距離を測定する場合には
、その微動テーブルの移動方向における取付スペースを
太き（とることができないことから、適用することが困
難であるという未解決の課題があった。

このため、従来、縮小投影露光装置用自動焦点装置では
、特開昭５８−７８６３０号公報に記載されているよう
に、空気マイクロメータを使用して微動テーブルの第１
及び第２の物体のＺ方向相対微小距離を測定するように
しているが、空気マイクロメータを使用する場合には、
走査型電子顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡のように真空
雰囲気内で使用する場合には適用することができず、真
空雰囲気内で微小距離を正確に検出する手段を備えた小
型な微動テーブルが望まれていた。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目し
てなされたものであり、相対的に微動する第１及び第２
の物体のＺ軸方向相対変位測定手段を内蔵した小型で微
小変位を正確に検出することが可能な能動ガイドを提供
することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明に係る能動ガイドは
、第１の物体と、該第１の物体に対して案内手段により
案内され、Ｘ軸及びＹ軸方向の少なくとも一方及びＺ軸
方向に移動する第２の物体と、前記第１及び第２の物体
をＺ軸方向に相対移動させる相対移動手段とを備えた能
動ガイドにおいて、前記第１及び第２の物体の何れか一
方に、前記Ｚ軸方向と直交する反射体を設けると共に、
他方に、可干渉光を伝送する伝送媒体と、該伝送媒体か
ら出射される可干渉光が入射される光軸を前記Ｚ軸方向
とした回折格子光学系と、該回折格子光学系から出射さ
れる一次回折光が入射され、当該一次回折光の前記反射
体への出射端に半透過膜を有する光ガイドと、前記反射
体で反射された反射光及び半透過膜で反射された反射光
を前記光ガイド及び回折格子光学系を介して受光する光
電変換素子とを備えた干渉型距離測定手段を設けたこと
を特徴としている。

〔作用〕

本発明においては、能動ガイドのＺ軸方向に相対移動す
る第１及び第２の物体の何れか一方例えば第１の物体に
設けた回折格子光学系にレーザ光等の可干渉光を伝送媒
体を介して入射して、この回折格子光学系から出射され
る一次回折光を出射端に半透過膜を形成した光ガイドに
入射し、この光ガイドの半透過膜で一部を反射させると
共に、残りを透過させて第２の物体に形成した反射鏡で
反射させる。このとき、半透過膜で反射した一次回折光
と反射鏡で反射された一次回折光とは、半透過膜と反射
鏡との間の距離δの２倍の光路差を生じることから、再
反射光が干渉し、その干渉光が光ガイド及び回折格子光
学系を介して光電変換素子に受光される。このため、光
電変換素子で受光した干渉光の光強度は、半透過膜及び
反射鏡間の距離変化に応じて正弦波状に変化し、この変
化を検出することにより、能動ガイドの相対移動する第
１及び第２の物体のＺ軸方向相対移動距離δを測定する
ことができる小型な移動テーブル等に適用可能な能動ガ
イドとすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明による能動ガイドの一実施例を示す断面
図である。

図中、ＡＧは能動ガイドであって、固定部に固定された
第１の物体としての基台１を有する。この基台１は、直
方体状の基部１ａと、その右端側に連設された右方に延
長する円筒部１ｂと、基部１ａの右端側上面に連設され
た上方に延長する円筒部１ｃとで構成され、基部１ａに
は円筒部１ｂと同心的に円筒部１ｂの内径より小径の挿
通孔１ｄが右端に達して穿設されていると共に、円筒部
１ｃの下端面にその内径より小径のフランジ部ｌｅが形
成され且つ上端部に内径より大きい雌ねじ部１ｆが形成
されている。

そして、基部１ａの挿通孔１ｄ内には、先端に４５度の
反射面を有する全反射ミラー３を取付けた挿通孔１ｃよ
り僅かに小径の円柱状のミラーホルダー４が挿入され、
円筒部ｌｂ内にはファイバーガイド５が挿入されている
。

ここで、ミラーホルダー４は、外周面の下面側に円錐状
の切欠４ａが形成され、この切欠４ａ内に基部１ａに下
面側から螺合された上面を半球状とした支点ねじ４ｂが
係合されることにより、この支点ねじ４ｂを中心として
垂直面内で回動自在に支持される一方、基部１ａの上面
に螺合された調整ねじ４ｃ、４ｄによって全反射ミラー
３の角度を調整した状態で止めねじ４ｅによって固定さ
れている。

ファイバーガイド５は、第３図に示すように、円筒部１
ｂの内径より僅かに小径の円柱状に形成され、その中心
位置に一端が可干渉光であるレーザを出射するレーザ光
源（図示せず）に接続された光ファイバー６が挿通され
て、そのレーザ光出射端面が左端面に臨まれていると共
に、左端面に光ファイバー６を挟んで対称的な位置に反
射干渉光を受光する例えばフォトダイオードアレイで構
成される光電変換素子７ａ、７ｂが配設されている。こ
のファイバーガイド５は、その左右端部において、円筒
部１ｂに外側から螺合された４本の調整ねじ８によって
光ファイバー６から出射されるレーザ光の光軸が円筒部
１ｂの中心軸と一致するように８周整される。

一方、円筒部１ｃには、第２図に示すように、下端側に
、全反射ミラー３と対向して、互いに凸面を外側とした
２枚の平凸レンズ１０及び１１間に回折格子１２を形成
して構成された回折格子光学系１３が保持部材１４ａ、
１４ｂで挟着されて配設されていると共に、この回折格
子光学系１３の上方側には、円筒状カラー１５を介して
断面凸状のガラス等の透明体で構成された光ガイド１６
が配設されている。この光ガイド１６の出射側即ち上端
面には、中央部に前記回折格子光学系１３から出力され
るＯ次回指光を散乱させる円錐状の切欠１７が形成され
ていると共に、窒化シリンコン（Ｓｉ３Ｎ４）で構成さ
れる半透明膜１８が蒸着によって形成されている。そし
て、光ガイド１６がその段部に雌ねじ部１ｆに螺合した
止め部材１９が当接されて固定されている。

一方、基台１上には、円筒部ＩＣを挿通ずる挿通孔２０
を有する断面凹状の下部案内ブロック２１が固着され、
この下部案内ブロック２１上にクロスガイド２２を介し
て左右方向に微動可能に逆回状の上部案内ブロック２３
が載置されている。

ここで、クロスガイド２２は、下部案内ブロック２１の
左右の上端面に左右方向に延長して形成された■溝２２
ａ、２２ｂと、上部案内ブロック２１の■溝２２ａ、２
２ｂと対向して形成されたＶ溝２２ｃ、２２ｄと、両■
溝２２ａ、２２ｂ及び２２ｃ、２２ｄ間に介挿された鋼
球２２ｅ、２２ｆと、これら鋼球２２ｅを保持する保持
器２２ｇとから構成されている。

また、上部案内ガイド２３上には、ＰＺＴ（ジルコン酸
チタン酸鉛）、ＰＬＺＴ　（ジルコン酸チタン酸鉛ラン
タン）等の圧電素子で構成される相対移動手段としての
圧電アクチュエータ２４ａ２４ｂを介して上下方向（Ｚ
軸方向）に微動可能な第２の物体としての微動台２５が
配設され、この微動台２５と下部案内ブロック２１に螺
合されたボルト２６との間に介挿された予圧ばね２７に
よって圧電アクチュエータ２４ａ、２４ｂに予圧が与え
られている。一方、微動台２５の基台１の円筒部１ｃに
対向する下面には凹部２５ａが形成され、この凹部２５
ａ内に下面にアルミニウムを蒸着して反射面２８ａを形
成した全反射ミラー２８が、その反射面を水平面として
配設されている。

ここで、基台１、下部案内ブロック２１で第１の物体が
構成され、上部案内ブロック２３及び載置台２５で第２
の物体が構成されている。

次に、上記実施例の動作を説明する。上部案内ガイド２
３は、クロスガイド２２を介して下部案内ガイド２１上
に載置されているので、適当な駆動機構によって左右方
向に移動することができ、この上部案内ガイド２３上に
圧電アクチュエータ２４ａ及び２４ｂを介して微動台２
５が載置されているので、この微動台２５は、左右方向
及び上下方向に移動可能となる。

そして、予め、基台１に光ファイバー６を保持したファ
イバーガイド５を、その光ファイバー６の出射端から出
射されるレーザ光の光軸が水平状態となるように、調整
ねじ８によって調整して固定すると共に、光ファイバー
６から出射されたレーザ光を全反射ミラー３で光軸を垂
直方向として反射するように、ミラーホルダー４を調整
ねじ４Ｃ及び４ｄで調整してから止めねじ４ｅで固定し
ておく。

この状態で、レーザ光源（図示せず）から光フアイバー
６内にレーザ光を導入することにより、レーザ光が光フ
アイバー６内を伝送されて、出射端から出射される。こ
の出射されたレーザ光は、第２図に示すように、全反射
ミラー３で光軸を垂直方向として反射されて回折格子光
学系１３で回折される。このとき、２次以上の回折光は
散乱され、０次回折光と正及び負の２つの１次回折光と
が光ガイド１６を透過して半透明膜１８に向かうが、こ
のうちＯ次回指光は光ガイド１６の出射端に形成された
円錐切欠１７によって散乱され、残りの１次回折光のみ
が半透明膜１８に達する。このため、１次回折光の一部
が半透明膜１８で反射されると共に、残りの１次回折光
が半透明膜１８を透過して微動台２５に取付けられた全
反射ミラー２８の反射面２８ａに達し、この反射面２８
ａで反射されて半透明膜１８に戻り、その一部が半透明
膜１８を透過して光ガイド１６内に導入される。したが
って、光ガイド１６内で最初に半透明膜１８で反射され
た１次回折光とこれに対して半透明膜１８と全反射ミラ
ー２８との間の距離δの２倍（２δ）の光路差を有する
微動台２５の全反射ミラー２８で反射された１次回折光
とが干渉し、この干渉光が回折格子光学系１３を介し、
さらに全反射ミラー３によって反射されて光電変換素子
７ａ、７ｂに入射され、これらから干渉光の強度に応じ
た検出信号が出力される。ここで、半透明膜１８に第２
図（ｂ）のように例えばλ／８の段さ１８ａを設けてお
くことによって、これらの検出信号は、第４図に示すよ
うに、微動台２５がレーザ光の波長λの２分の１の距離
移動する毎に正及び負を繰り返す位相差を持った２つの
正弦波となり、これを増幅器で増幅し、シュミット回路
等で構成される波形整形回路でパルス化し、これをフリ
ンジカウンタに供給して、ピーク値即ち明るい干渉縞の
数を計数することにより、距離δを正確に算出すること
ができる。また、検出信号の位相の進み、遅れの関係に
より移動の方向判別を行うことができる。

このように、上記実施例によると、可干渉光であるレー
ザ光を基台１に設けた回折格子光学系１３で回折させて
、１次回折光を取出し、この１次回折光を出射端に半透
明膜１８を形成した光ガイド１６に入射させ、この半透
明膜１８で反射した１次゛回折光と、半透明膜１８を透
過した１次回折光を微動台２５に形成した全反射ミラー
２８で反射させた反射光とを干渉させ、この干渉光を光
電変換素子で光電変換して距離を測定するようにしたの
で、全体の構成を小型化することができ、特に相対移動
する物体の移動方向に少なくとも回折格子光学系１３及
び光ガイド１６を設けるだけでよいので、この移動方向
に対する長さを短くすることができる。しかも、上記実
施例では、光ファイバー６から出射されるレーザ光を全
反射ミラー３で光軸を垂直とするように反射する偏向手
段を設けているので、移動方向に対する設置長さをより
短くすることができ、小さな設置スペースに収納するこ
とができる。

なお、上記実施例においては、伝送媒体として光ファイ
バー６を適用した場合について説明したが、これに限定
されるものではな（、レーザ光源からのレーザ光をレン
ズ等を介して空間伝播させるようにしてもよい。

また、上記実施例においては、基台１に対して微動台２
５を微動させる場合について説明したが、これに限らず
微動台２５側を固定し、基台１側を微動させるようにし
てもよく、両者を同一方向又は逆方向に移動させるよう
にしてもよい。

次に、上記実施例を走査型トンネル顕微鏡の試料台とし
て構成する高精密ＸＹ移動テーブルに適用した場合の実
施例を第５図〜第８図を伴って説明する。

図中、３１は上端面を開放したコ字状の基台であって、
中央板部３１ａと、その前後端縁から上方に延長する前
面板部３１ｂ及び後面板部３１ｃとを有し、中央板部３
１ａが例えばＸＹ力方向移動可能な粗動テーブル３２上
に固着されている。

この基台３１上には、前述した第１図の構成を有するＹ
軸方向能動ガイドＡ　Ｇ　ｖ　１〜Ａ　Ｇ　ｖ３がその
上部案内ガイド２３の移動方向を第５図でみてＹ方向と
なるように固着され、Ｙ軸方向能動ガイドＡＣＷｔ〜Ａ
　Ｇ　ｙ　３の微動台２５に上面Ｆｉ３４が固着され、
この上面板３４の下面に３本の断面方形の支柱３５ａ〜
３５ｃが垂下固着され、この支柱３５ａ〜３５ｃの下面
に基台３１と僅かな間隙を介して平行に配設され且つ能
動ガイドＡＧ、、、〜Ａ　Ｇ　ｙ　３に対応する位置に
挿通孔３６ａ〜３６ｃを穿設した下面板３７が固着配設
され、これら上面板３４、支柱３５ａ〜３５ｃ及び下面
板３６でＹ方向に移動する中間移動体３８が構成されて
いる。

一方、下面板３６上には、前述した第１図の構成を有す
るＸ軸方向能動ガイドＡＧＸ、〜ＡＧＸ３がその上部案
内ガイド２３の移動方向を第５図でみてＸ方向となるよ
うに固着され、χ軸方向能動ガイドＡＣ，，〜Ａ０．３
の微動台２５に下端面を開放した中央板部４２ａが固着
され、その左右端から下方に延長する左側面板部４２ｂ
及び右側面板部４２ｃとで断面コ字状に形成された載置
テーブル４２が構成されている。

また、中間移動体３８を構成する上面板３４及び下面板
３７間に円柱状の基準支柱４４が配設され、この基準支
柱４４と基台３１の後面板３１ｃとの間にＹ方向移動機
構４５が配設されている。

このＹ方向移動機構４５は、基準支柱４４と基台３１の
後面板３１ｃとの間に介挿されたバイアス磁石４６と超
磁歪体４７とを一体に連結した伸縮アクチュエータ４８
と、超磁歪体４７を囲むように上面板３４及び下面板３
６間に固定された励磁コイル４９と、基準支柱４４と基
台３１の前面板３１ｂとの間に介挿されたＢＭ１歪体４
７に予圧を与える予圧ばね５０とで構成され、予圧ばね
５０によって伸縮アクチュエータ４８の両端が基準支柱
４４及び基台３１の後面板３１ｃに当接され、且つ励磁
コイル４９に直流電流を通電することにより、超磁歪体
４７に電流値に応じてＹ方向の例えば±２０μｍ程度の
変位を生じさせることができる。

さらに、基準支柱４４と載置テーブル４２の右側面板４
２ｃとの間にＸ方向移動機構５１が配設されている。こ
のＸ方向移動機構５１は、前述したＹ方向移動機構４５
と同様に、基−準支柱４４と右側面板部４２ｃとの間に
介挿されたバイアス磁石５２と超磁歪体５３とを一体に
連結した伸縮アクチュエータ５４と、超磁歪体５３を囲
むように上面板３４及び下面板３５間に固定された励磁
コイル５５と、基準支柱４４と載置テーブル４２の左側
面板４２ｂとの間に超磁歪体５３に対して予圧を与える
予圧ばね５６とで構成されている。

また、中間移動体３８の支柱３５ａの右側面面及び後面
側に、夫々前述した第１図の基台１と同様の構成を有す
る干渉型距離測定装置６１及び６２が配設され、これら
によって基台３１と中間移動体３８との闇のＹ方向距離
及び中間移動体３８と載置テーブル４２との間のＸ方向
距離を測定する。

次に、上記構成を有する移動テーブルの動作を説明する
。

今、Ｙ方向移動機構４５及びＸ方向移動機構５１の励磁
コイル４９及び５５が非通電状態にあって、予圧ばね５
０及び５６によって基台３１に対する中間移動体３８の
Ｙ方向位置及び中間移動体３８に対する載置テーブル４
２のＸ方向位置が原点にあるものとする。

この原点位置から、載置テーブル４２をＹ方向に移動さ
せるには、Ｘ方向移動機構４６の励磁コイル４９に所望
値の電流を通電することにより、超磁歪体４７が所望量
Ｘ方向に伸縮し、これによって基台３１に対してＸ方向
に移動可能なＹ方向能動ガイドＡ　Ｇ　ｙ　＋〜ＡＧＹ
３を介して案内される中間移動体３８が所望量Ｘ方向に
変位する。そして、このＸ方向変位量がＸ方向干渉型距
離測定装置６１によって測定され、これがＸ方向移動機
構４５に励磁電流を供給する駆動回路にフィードバック
されることにより、基台３１に対して中間移動体３８が
所望量Ｘ方向に移動される。このように中間移動体３８
がＸ方向に微小変位すると、この、中間移動体３８と載
置テーブル４２とは、Ｘ方向に移動可能なＸ方向能動ガ
イドＡＧＸ□〜ＡＧｘ３を介して連結されているので、
載置テーブル４２もＸ方向に所望量だけ変位する。この
中間移動体３８のＸ方向変位時に、各能動ガイドＡ　Ｇ
　ｖ　＋〜ＡＧ７３及びＡＧＸ、〜ＡＧＸ３にＺ方向の
変位を生じさせる圧電アクチュエータ２４ａ、２４ｂと
これらによるＺ方向変位を検出する干渉型距離測定装置
が設けられていることにより、中間移動体３８の移動時
における基台３１及び中間移動体３８間のＺ方向距離及
び中間移動体３８及び載置テーブル４２間のＺ方向距離
を高精度で一定に保持しながら平行移動することができ
る。

また、載置テーブル４２をＸ方向に移動させるには、Ｘ
方向移動機構５１の励磁コイル５５に所望値の電流を通
電することにより、超磁歪体５３が所望量Ｘ方向に伸縮
し、これによって中間移動体３８に対してＸ方向に移動
可能なＸ方向能動ガイドＡ　Ｇ　ｘ　＋〜ＡＧ、、を介
して案内される載置テーブル４２が所望量Ｘ方向に変位
する。そして、このＸ方向変位量がＸ方向干渉型距離測
定装置６２によって測定され、これがＸ方向移動機構５
１に励磁電流を供給する駆動回路にフィードバックされ
ることにより、中間移動体３８に対して載置テーブル４
２が所望量Ｘ方向に移動される。二〇載置テーブル４２
のＸ方向変位時にも、各能動ガイドＡＧ□〜ＡＧＶ３及
びＡＧＸＩ〜Ａ　Ｇ　Ｘ　３によって、基台３１及び中
間移動体３８間のＺ方向距離及び中間移動体３８及び載
置テーブル４２間のＺ方向距離を高精度で一定に保持し
ながら平行移動することができる。

このように、上記移動テーブルによると、載置テーブル
４２のＸＸ方向の移動を、能動ガイドＡＧ　ｖ　＋　〜
Ａ　Ｇ　ｖ　３及びＡＧＸ、−ＡＧＸ３によって中間移
動体３８及び載置テーブル４２を案内しながら行うので
、平行度を高精度に維持しながら行うことができ、超精
密移動テーブルを構成することができる。

なお、上記実施例においては、Ｘ方向移動機構４５及び
Ｘ方向移動機構５１として超磁歪体を使用した場合につ
いて説明したが、これに限定されるものではなく、他の
移動機構を適用することができる。

〔発明の効果］ 以上説明したように、本発明に係る能動ガイドによれば
、互いにＺ軸方向に相対移動する第１及び第２の物体の
何れか一方に、その移動方向と直交する反射体を設ける
と共に、他方に、伝送媒体から出射される可干渉光を回
折する回折格子光学系、その１次回折光の半透明膜で反
射させた反射光とこの半透明膜を透過して前記反射体で
反射した反射光とを干渉させる光ガイド及び干渉光を受
光する光電変換素子とを設けるだけで、第１及び第２の
物体間の相対変位を正確に測定することができ、能動ガ
イド全体の構成を簡易小型化することができると共に、
一方の物体に設ける移動方向の長さを短縮することがで
きる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る能動ガイド−実施例を示す断面図
、第２図（ａ）及び（′ｂ）は夫々第１図における基台
のＡ−Ａ線断面図及び半透明膜部の拡大断面図、第３図
は第１図における基台のＢ−Ｂ線断面図、第４図は光電
変換素子の出力波形図、第５図は本発明を移動テーブル
に適用した場合の一例を示す載置テーブルの中央板部を
除去して示す平面図、第６図、第７図及び第８図は夫々
第５図のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線断面図である
。 図中、ＡＧ、ＡＧ□〜ＡＧヶ。、　　Ａ　Ｇ　ｘＩ−Ａ
　Ｇ　ｙ、３は能動ガイド、１は基台、３は全反射ミラ
ー　４はミラーガイド、５はファイバーガイド、６は光
ファイバー（伝送媒体）、７ａ、７ｂは光電変換素子、
１０．１１は平凸レンズ、１２は回折格子、１３は回折
格子光学系、１６は光ガイド、１８は半透明膜、２４ａ
、２４ｂは圧電アクチュエータ、２８は全反射ミラー　
３１は基台、３８は中間移動体、４２は載置テーブル、
４５はＹ方向移動機構、５１はＸ方向移動機構である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１の物体と、該第１の物体に対して案内手段により案
   内され、Ｘ軸及びＹ軸方向の少なくとも一方及びＺ軸方
   向に移動する第２の物体と、前記第１及び第２の物体を
   Ｚ軸方向に相対移動させる相対移動手段とを備えた能動
   ガイドにおいて、前記第１及び第２の物体の何れか一方
   に、前記Ｚ軸方向と直交する反射体を設けると共に、他
   方に、可干渉光を伝送する伝送媒体と、該伝送媒体から
   出射される可干渉光が入射される光軸を前記Ｚ軸方向と
   した回折格子光学系と、該回折格子光学系から出射され
   る一次回折光が入射され、当該一次回折光の前記反射体
   への出射端に半透過膜を有する光ガイドと、前記反射体
   で反射された反射光及び半透過膜で反射された反射光を
   前記光ガイド及び回折格子光学系を介して受光する光電
   変換素子とを備えた干渉型距離測定手段を設けたことを
   特徴とする能動ガイド。