JPH11142557A

JPH11142557A - 垂直ステージ装置

Info

Publication number: JPH11142557A
Application number: JP32524697A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shirai; 隆白井; Takeshi Murayama; 健村山; Akimasa Onozato; 陽正小野里; Takashi Morimoto; 高史森本; Hiroshi Kuroda; 浩史黒田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1997-11-11
Filing date: 1997-11-11
Publication date: 1999-05-28

Abstract

(57)【要約】【課題】昇降機構としてくさび機構を利用するものに
おいて、くさび下部の水平移動に対するくさび上部の昇
降動作の追従性を向上させた垂直ステージ装置を提供す
る。【解決手段】試料台13を垂直方向に昇降させる構成を
有するものであり、試料台を設けかつ垂直方向ガイド14
d で案内されて垂直方向に移動するくさび上部15b と、
モータ17によって水平方向に移動自在なくさび下部15a
とを各々の傾斜面で対向させた昇降用くさび機構15を備
え、くさび上部は連結部 24,25,26 でくさび下部に連結
され、くさび下部を水平方向へ移動するとき、くさび下
部とくさび上部の間に隙間を作ることなく、くさび上部
を昇降させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は垂直ステージ装置に
関し、特に、例えば走査型プローブ顕微鏡の試料台の位
置決めや移動に利用される垂直ステージ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、原子あるいは
分子等の微細な対象物を観察できる分解能を有してい
る。このような走査型プローブ顕微鏡では、ウェハ等の
試料を試料台上に載置し、当該試料の表面を、センサ部
を含む測定・観察部によって観察する。

【０００３】図４に従来の走査型プローブ顕微鏡の試料
ステージ装置の一例を示す。図示された試料ステージ装
置は、Ｘ軸ステージ４０１とＹ軸ステージ４０２とＺ軸
ステージ４０３を三層状に重ね合わせて構成され、定盤
４０４の上に設けられている。Ｚ軸ステージ４０３上に
試料台４０５が取り付けられ、試料台４０５上にウェハ
等の試料４０６が配置されている。試料４０６の上方に
は、試料表面を測定する探針４０７が配置される。探針
４０７は、定盤４０４上に固定されたフレーム４０８に
取り付けられている。Ｘ軸ステージ４０１とＹ軸ステー
ジ４０２とＺ軸ステージ４０３の各々が独自に動作する
ことによって試料４０６が移動し、相対的に探針４０７
が試料表面を走査する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】走査型プローブ顕微鏡
では、一般的に振動が外部から試料へ伝わらないように
するため、探針４０７から試料４０６までの装置部分の
剛性を高くすることが望まれている。しかしながら、上
記三層構造を有する試料ステージを備えた走査型プロー
ブ顕微鏡では、試料ステージの全体の剛性がＸ軸ステー
ジ、Ｙ軸ステージ、Ｚ軸ステージの直列接続構造で決ま
り、各ステージの剛性が加算されて低下するという問題
を有する。

【０００５】また上記においてＺ軸ステージの剛性を特
に高くする必要がある。そこでＺ軸ステージ４０３を、
Ｙ軸ステージ４０２の上ではなく、直接に定盤４０４の
上に摺動自在に設け、さらにＺ軸ステージ自体の構造を
剛性が高くなるようにしたものが提案されている。この
ようなＺ軸ステージの一例を図５に示す。この図で示さ
れたＺステージでは昇降機構としてくさび機構５０１を
備える。くさび機構５０１は、試料台５０２を取付けか
つＺ方向（図５中垂直方向）に移動自在なくさび上部５
０３と、ベース板５０４上にＸ方向（図５中水平方向）
に移動自在なくさび下部５０５とからなる。くさび上部
５０３は垂直方向ガイド５０６，５０７で垂直方向に案
内される。くさび下部５０５はモータ５０８の回転動作
に対応してベース板５０４上をＸ方向（水平方向）に移
動する。モータ５０８とくさび下部５０５は、雄ネジ部
が形成されたモータ回転軸とくさび下部５０５内に固定
された雌ネジ部とが螺合された関係にある。従ってモー
タ５０８の回転動作でくさび下部５０５は水平方向に移
動される。くさび下部５０５とくさび上部５０３は各々
の傾斜面で接触している。さらに試料台５０２とベース
板５０４の間にはその左右両側にコイルバネ５０９が設
けられ、コイルバネ５０９で両者は連結されている。

【０００６】モータ５０８を動作させ、くさび下部５０
５を左方向へ移動させると、くさび上部５０３は上へ移
動し、反対にくさび下部５０５を右方向へ移動させる
と、くさび上部５０３は下へ移動する。上昇時くさび上
部５０３はくさび下部５０５の動作に追従するが、下降
時にはくさび上部５０３の追従性を高めるためにコイル
バネ５０９により引っ張り力を作用させていた。しかし
ながら、くさび上部５０３と垂直方向ガイド５０６，５
０７との間の摺動抵抗の変化、あるいは移動速度の変化
によっては、くさび上部の追従動作に不具合が生じる場
合もあった。

【０００７】本発明の目的は、上記の問題を解決するこ
とにあり、昇降機構としてくさび機構を利用するものに
おいて、くさび下部の水平移動に対するくさび上部の昇
降動作の追従性を向上させた垂直ステージ装置を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
垂直ステージ装置は、上記目的を達成するため、次のよ
うに構成される。

【０００９】第１の垂直ステージ装置（請求項１に対
応）は、試料台を垂直方向に昇降させる構成を有するも
のであり、試料台を設けかつ垂直方向ガイドで案内され
て垂直方向に移動するくさび上部と、駆動部によって水
平方向に移動自在なくさび下部とを各々の傾斜面で対向
させてなる昇降用くさび機構を備え、くさび上部は連結
部材でくさび下部に連結され、くさび下部を水平方向へ
移動するとき、くさび下部とくさび上部との間に隙間を
作ることなく、くさび上部を昇降させるようにした。

【００１０】上記構成では、くさび機構のくさび上部と
くさび下部との間に連結部材を設けるようにしたため、
くさび下部の水平移動に対応してくさび上部が昇降する
時に両者の間に隙間が形成されず、くさび下部の動作に
対応するくさび上部の動作の追従性が高くなる。

【００１１】第２の垂直ステージ装置（請求項２に対
応）は、第１の構成において、くさび上部は側部にボー
ル支持ガイドを有し、くさび下部は側部にボール押え部
材を有し、くさび上部とくさび下部はボール支持ガイド
とボール押え部材とこれらの間に介設された転がりボー
ルとによって連結されている。前述の連結部材は、ボー
ル支持ガイドと、ボール押え部材と、これらの間に設け
られた転がりボールによって構成される。

【００１２】第３の垂直ステージ装置（請求項３に対
応）は、第１または第２の構成において、くさび上部と
くさび下部の各対向面の間に摺動部を設けるようにし
た。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００１４】図１と図２を参照して本発明の実施形態を
説明する。図１は本発明に係る垂直ステージ装置の構造
を示す側面図、図２は図１中のＡ−Ａ線断面図である。

【００１５】本発明に係る垂直ステージ装置１１は例え
ば定盤１２上に配置されている。定盤１２の上面は好ま
しくは水平面であり、水平方向（ＸＹ方向）に精密な摺
動面となっている。垂直ステージ装置１１は、上部に設
けられた試料台１３を、図中垂直方向（Ｚ方向）へ移動
させる。試料台１３の上には例えばウェハ等の試料が搭
載される。

【００１６】垂直ステージ装置１１は、定盤１２上に摺
動自在に置かれる底板１４と、この底板１４の辺部に沿
って設けられた左右の２つのフレーム１４ａ，１４ｂお
よび前後の２つのフレーム１４ｃ，１４ｄを備える。垂
直ステージ装置１１には、さらに底板１４上に、垂直方
向の移動を可能にする昇降機構としてのくさび機構１５
が設けられている。くさび機構１５は、下側のくさび下
部１５ａと上側のくさび上部１５ｂとからなり、くさび
下部とくさび上部は各々の傾斜面で対向し接触した状態
にある。当該接触状態で、くさび下部１５ａとくさび上
部１５ｂは、その間で若干の摩擦はあるものの摺動自在
となっている。またくさび下部１５ａとくさび上部１５
ｂの対向する傾斜面は間に、摺動性を高める目的で、摺
動中間部材を介設することもできる。くさび上部１５ｂ
の上面には、前述の試料台１３が設けられる。

【００１７】くさび機構１５におけるくさび下部１５ａ
とくさび上部１５ｂの平面形状は好ましくは矩形であ
る。くさび下部１５ａの水平移動に伴って昇降するくさ
び上部１５ｂはフレーム１４ｄによってＺ方向に案内さ
れる。フレーム１４ｄは垂直方向ガイドとして機能す
る。また図１においてくさび下部１５ａの右側には他の
垂直方向ガイド１６が設けられる。くさび機構１５は、
左右のフレーム１４ａ，１４ｂと、フレーム１４ｄおよ
び垂直方向ガイド１６とで形成されるスペースに配置さ
れている。上記構成により、くさび上部１５ｂはＺ方向
すなわち垂直方向にのみ移動し、くさび下部１５ａはＸ
方向すなわち水平方向にのみ移動するように設けられて
いる。

【００１８】上記くさび機構１５に対して、垂直方向ガ
イド１６の外側にモータ１７が設けられる。モータ１７
の駆動軸は、カップリング装置１８と支持装置１９を介
して、回転力を伝達する回転軸２０に接続されている。
駆動用回転軸２０はその表面に雄ネジが形成され、くさ
び下部１５ａの内部スペースに固定された雌ネジ２１と
螺合している。モータ１７が回転動作し、回転軸２０が
回転すると、雌ネジ２１との螺合関係に基づいて、その
回転方向に応じてくさび下部１５ａがＸ方向に移動す
る。くさび下部１５ａがＸ方向に移動すると、くさび上
部１５ｂが垂直方向（Ｚ方向）に移動する。図１におい
て、くさび下部１５ａが左側に移動すると、くさび上部
１５ｂは傾斜面に押されて上方に移動し、左側に移動す
ると、くさび上部１５ｂは下方に移動する。

【００１９】垂直ステージ装置１１の動作停止時には、
くさび下部１５ａと底板１４の摺動面は互いに接触し、
Ｚ方向の支持が行われる。図１に示すように、底板１４
の内部には、圧縮空気または空気を導通するための空気
孔２２とその空気を定盤１２に向けて噴射するためのノ
ズル２３が設けられている。つまり底板１４には空気噴
出機構が設けられている。ノズル２３は、垂直ステージ
装置１１を空気を噴出することによりバランスよく水平
に浮かせるため、所要箇所に所要数が設けられる。これ
は、ＸまたはＹの方向に垂直ステージ装置１１を浮かせ
て移動するときに定盤１２との間の摺動をよりスムーズ
に行うためである。空気の噴出は、ＸまたはＹの各方向
に移動させる時のみに同期をとって行われる。

【００２０】上記くさび上部１５ｂの両側面には、下側
に位置する傾斜面の縁に沿ってボール受けガイド２４が
取り付けられている。他方、くさび下部１５ａの両側面
には少なくとも２箇所のボール押えブラケット２５が固
定される。ボール押えブラケット２５の先部は、ボール
受けガイド２４に対向している。ボール受けガイド２４
とボール押えブラケット２５の間には転がりボール２６
が介設される。図３に示すごとく、ボール受けガイド２
４にはボール２６を受け、これを支持する溝状の凹部２
４ａが形成されている。ボール押えブラケット２５の先
部にはボール押えるための半球状の凹部２５ａが形成さ
れている。ボール２６は、凹部２４ａと凹部２５ａの間
に保持された状態にある。このようにくさび上部１５ｂ
は、ボール受けガイド２４とボール２６とボール押えブ
ラケット２５に基づいて、くさび下部１５ａに所定の接
触状態で連結され、くさび下部１５ａとくさび上部１５
ｂが互いに円滑に移動できると共に、両者の間に望まし
くない隙間が生じるのを防ぐことができる。

【００２１】上記構成によれば、くさび下部１５ａをＸ
方向の左方向へ移動すると、くさび上部１５ｂが摩擦摺
動面を介して上方へ押され、くさび上部１５ｂと試料台
１３は上方へ移動する。くさび下部１５ａをＸ方向の右
方向へ移動すると、くさび上部１５ｂは、ボール押えブ
ラケット２５とボール２６とボール受けガイド２４を介
して下方へ引っ張られ、くさび下部１５ａの傾斜面に沿
って移動しながら、くさび上部１５ｂと試料台１３は下
方へ移動する。くさび上部１１ｂが下方へ移動すると
き、くさび下部１５ａとくさび上部１５ｂの間に隙間が
生じることはない。このように、くさび下部１５ａの水
平動作に対応するくさび上部１５ｂの昇降動作の追従性
を向上することができる。

【００２２】なお動作停止時には、くさび下部１５ａと
くさび上部１５ｂはそれらの摩擦摺動面で面接触状態に
あるので、垂直ステージ装置１１は高剛性の状態に保持
される。さらに、くさび下部１５ａは薄板状またはシー
ト状の摺動中間部材を介して底板１４上に摺動自在に置
くこともできる。

【００２３】上記実施形態では、垂直ステージ装置１１
のくさび下部１５ａとくさび上部１５ｂをボール受けガ
イドとボールとボール押えブラケットで連結するように
したが、同じまたは類似の他の連結部材と用いてくさび
機構１５のくさび下部１５ａとくさび上部１５ｂを隙間
が生じないように連結することもできる。さらに上記の
説明では、図１と図２を参照して「垂直方向」および
「水平方向」という用語を用いたが、厳密にこれらの用
語に限定する必要はなく、直交する２方向であってその
うちの第１の方向および第２の方向であってもよいのは
勿論である。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、垂直ステージ装置の昇降機構をくさび機構を利用
して構成すると共にくさび上部とくさび下部を連結部材
により連結し離れないように構成したため、特にくさび
上部の降下時に隙間が生ぜず、タイムラグがなくなり、
高い追従性を達成することができる。また垂直ステージ
装置に含まれる昇降機構をくさび機構の面接触構造を利
用して実現したため、高い剛性を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る垂直ステージ装置の実施形態を示
す側面図である。

【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。

【図３】図２中の要部を拡大して示した一部断面図であ
る。

【図４】従来の移動ステージ装置を示す側面図である。

【図５】先に提案された垂直ステージ装置の例を示す側
面図である。

【符号の説明】

１１垂直ステージ装置１２定盤１３試料台１４底板１５くさび機構１５ａくさび下部１５ｂくさび上部１７モータ２０回転軸２１雌ネジ２４ボール受けガイド２５ボール押えブラケット２６ボール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森本高史茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者黒田浩史茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料台を垂直方向に昇降させる垂直ステ
ージ装置において、前記試料台を設けかつ垂直方向ガイ
ドで垂直方向に案内されるくさび上部と、駆動部によっ
て水平方向に移動自在なくさび下部とを、各々の傾斜面
で対向させてなる昇降用くさび機構を備え、前記くさび
上部は連結部材によって前記くさび下部に連結され、前
記くさび下部を水平方向へ移動するとき、前記くさび下
部と前記くさび上部の間に隙間を作ることなく前記くさ
び上部を昇降させることを特徴とする垂直ステージ装
置。
【請求項２】前記くさび上部は側部にボール支持ガイ
ドを有し、前記くさび下部は側部にボール押え部材を有
し、前記くさび上部と前記くさび下部は前記ボール支持
ガイドと前記ボール押え部材とこれらの間に介設された
転がりボールとによって連結されることを特徴とする請
求項１記載の垂直ステージ装置。
【請求項３】前記くさび上部と前記くさび下部の各対
向面の間に摺動部を設けたことを特徴とする請求項１ま
たは２記載の垂直ステージ装置。