JPH11287814A

JPH11287814A - 移動ステ−ジ装置

Info

Publication number: JPH11287814A
Application number: JP10701798A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shirai; 隆白井; Takeshi Murayama; 健村山; Takashi Morimoto; 高史森本; Hiroshi Kuroda; 浩史黒田; Akimasa Onozato; 陽正小野里; Takeshi Nishigaki; 剛西垣
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 1998-04-02
Publication date: 1999-10-19

Abstract

(57)【要約】【課題】ステージの停止剛性、フレーム剛性を高く
し、全体の剛性を高くした移動ステージ装置を提供す
る。【解決手段】移動ステージ装置は、定盤11の滑らかな
水平表面上に摺動自在に配置された移動基台13と、この
移動基台を定盤の水平表面に沿って移動させるＸ軸方向
駆動部12から構成される。移動基台は円形ステージ23を
その最上部に備え、試料は円形ステージの上に配置され
る。移動基台は、円形ステージを上下方向に移動させる
Ｚ軸方向駆動部と、円形ステージをその中心線の周りに
回転させるθｚ方向駆動部を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は移動ステージ装置に
関し、特に、走査型プローブ顕微鏡、精密測定装置、半
導体製造装置等の試料台で試料の位置決めや移動に使用
される装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】移動ステージ装置は例えば走査型トンネ
ル顕微鏡や原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡の
試料台に使用される。走査型プローブ顕微鏡は原子、分
子の微細レベルでの測定を行える装置である。走査型プ
ローブ顕微鏡では装置の試料検出部と試料を配置するス
テージまでの装置部分の剛性を高くする必要がある。従
来の一般的な移動ステージ装置によれば、探針等の上記
試料検出部は試料ステージの上に架け渡されたフレーム
に固定される。また試料を配置する上記ステージは移動
機構を装備している。移動機構は直交する３軸の各方向
への移動を可能にする駆動機構である。従来の移動機構
は、試料の全体を観察するため、試料の大きさ以上の移
動範囲が必要となる。特に試料が半導体デバイス用のウ
ェハのような大型円形試料である場合には移動範囲の大
きさは顕著になる。移動範囲が大きくなると、上記フレ
ームの寸法を大きくなり、そのため上記装置部分の剛性
が低下する。

【０００３】上記問題を解消する従来の移動ステージ装
置として特開平２−３１０４９３号公報に開示される例
がある。この移動ステージ装置によれば、探針を支持す
るフレームと試料を配置したステージとの間に両者を固
定状態に維持する固定部材を設け、探針と試料の間の装
置部分の剛性を高めている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記特開平２−３１０
４９３号公報に開示される移動ステージ装置では、試料
ステージにおいて試料両側に固定部材を配置し、試料と
探針を接近させたときに固定部材と探針を支持するフレ
ームとが接触することにより試料・探針間の剛性を高め
ている。固定部材とフレームとの接触を確実に行わせる
ために電磁石方式、静電力方式、吸引方式で吸着してフ
レームと試料ステージを固定する方式が採用されてい
る。従って移動機構部分のみで剛性を高めることはでき
ず、フレーム自体は接触部を含めて作らなければならな
いので、いっそう大型になるという問題があった。さら
に接近する時と離れる時に応じて吸着状態を制御する必
要があり、固定構造が複雑になるという問題を有してい
た。

【０００５】本発明の目的は、上記問題を解決すること
にあり、ステージの停止剛性を高くし、フレームの開口
寸法を小さくしてフレーム剛性を高くし、移動機構部分
のみによって全体の剛性を高くできる移動ステージ装置
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段および作用】第１の本発明
（請求項１に対応）に係る移動ステージ装置は、上記目
的を達成するために、次のように構成される。当該移動
ステージ装置は定盤の滑らかな水平表面上に摺動自在に
配置された移動基台と、この移動基台を定盤の水平表面
に沿って移動させる水平方向駆動部（Ｘ軸方向駆動部）
から構成される。移動基台は円形ステージをその最上部
に備え、試料は円形ステージの上に配置される。さらに
移動基台は、円形ステージを上下方向に移動させる上下
方向駆動部（Ｚ軸方向駆動部）と、円形ステージをその
中心線の周りに回転させる回転方向駆動部（θｚ方向駆
動部）を備えている。上記第１の本発明では、移動基台
の円形ステージに置かれた試料を、上下方向（Ｚ軸方
向）、特定の回転方向（θｚ方向）、特定の水平方向
（Ｘ軸方向）に移動させるだけで任意の位置に移動させ
ることができる。水平方向におけるＸ軸方向に直交する
Ｙ軸方向への移動を行う必要がないため、上記定盤にお
いて移動ステージ装置の上側にセンサ部取付け用のフレ
ームを架設するとき、当該フレームにおける移動ステー
ジ装置に関連する開口部分の寸法を小さくすることがで
きる。また試料を配置する円形ステージを最上部に備え
た移動基台では、円形ステージを動かすための上下方向
駆動部と回転方向駆動部を含むだけであり、水平方向駆
動部は移動基台の外部に配置されるので、全体の剛性
（停止剛性等）を高くすることができる。さらに上記フ
レームの開口寸法を小さくできるので、フレーム自体の
剛性も高くすることが可能となる。第２の本発明（請求
項２に対応）に係る移動ステージ装置は、上記第１の構
成において、上記上下方向駆動部は下部くさび部材と上
部くさび部材を含み、下部くさび部材と上部くさび部材
は各々の形状が円板形状であって各くさび面で接触させ
重ねて配置され、下部くさび部材は回転駆動装置でその
中心線の周りに回転自在であり、上部くさび部材はその
上側に円形ステージが設けられかつガイド部材で制限さ
れて上下方向に移動自在である。下部くさび部材を回転
させることにより上部くさび部材を上下方向に移動させ
るように構成される。上下方向駆動部はくさび機構を利
用した上下の２つのくさび部材によって構成されるた
め、全体として剛性を高めることができる。下部くさび
部材と上部くさび部材は円板状の部材であり円形ステー
ジとほぼ同形の平面形状を有する。第３の本発明（請求
項３に対応）に係る移動ステージ装置は、上記の各構成
において、実際の使用状態では上記試料に対して探針等
の観察部が配置されることになるが、当該観察部は、好
ましくは、上記円形ステージの上に配置された試料を上
側から臨むように配置され、さらに観察部を固定するフ
レームが定盤の上にて移動基台を跨ぐように設けられ
る。

【０００７】

【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。

【０００８】図１は本実施形態による移動ステージ装置
の平面図を示し、図２は図１のＡ−Ａ線断面図を示す。
図１において、装置全体は定盤１１の上に配置されてい
る。定盤１１の水平な上面は精密な摺動面となってい
る。移動ステージ装置は、好ましくは定盤１１の上に固
定されたＸ軸方向駆動部１２と、定盤１１の滑らかな上
面で摺動自在に設けられた移動基台１３とから構成され
る。Ｘ軸方向駆動部１２と移動基台１３は、Ｘ軸方向駆
動部１２でＸ軸方向に移動自在に取り付けられた連結棒
１４によって連結部１５を介して連結されている。移動
基台１３は最上部のステージにウェハ等の試料を配置す
るためのステージ装置であり、Ｘ軸方向駆動部１２は移
動基台１３をＸ軸方向に任意に移動させるための駆動装
置である。なおＸ軸方向駆動部１２は定盤１１以外の箇
所に固定することもできる。

【０００９】Ｘ軸方向駆動部１２は、定盤１１に固定さ
れるフレーム１６と、フレーム１６の両端壁１６ａ，１
６ｂの間に架け渡された２本のガイド１７と、ガイド１
７に沿って摺動自在に動くように取り付けられた移動部
１８と、端壁１６ａの外側に取り付けられたＸ軸モータ
１９を備える。また端壁１６ｂと支持片２０の間には送
りネジ２１が設けられる。送りネジ２１は、移動部１８
に形成された雌ネジ部に螺合している。また送りネジ２
１の端部は、Ｘ軸モータ１９の回転軸１９ａに連結部２
２によって連結されている。移動部１８の下部には上記
連結棒１４の一端が固定されている。連結棒１４は端壁
１６ｂによって回転自在に支持されている。上記構成に
よれば、Ｘ軸モータ１９が動作して回転軸１９ａが回転
すると、送りネジ２１が回転し、ガイド１７に案内され
た移動部１８がＸ軸モータの回転方向に応じてＸ軸方向
に移動する。移動部１８がＸ軸方向に移動すると、移動
部１８に固定された連結棒１４を介して移動基台１３を
Ｘ軸方向に移動させる。なおＸ軸モータ１９の給電線、
電源の図示は省略されている。

【００１０】移動基台１３はその上面に試料を配置する
ため試料ステージ２３を備えている。移動基台１３は上
記Ｘ軸方向駆動部１２の駆動により定盤１１上でＸ軸方
向に移動すると共に、それ自身も試料ステージ２３をＺ
軸方向とθｚ方向へ移動させる構造を備えている。図１
で明らかなように移動基台１３の全体の平面形状はほぼ
円形であり、試料ステージ２３の平面形状は円形であ
る。図２に示されるように、移動基台１３は、定盤１１
の上に摺動自在に配置されたベースフレーム２４と、ベ
ースフレーム２４の上に設けられたＺ軸方向駆動部と、
Ｚ軸方向駆動部の上に設けられたθｚ方向駆動部と、最
上位置に設けられた上記試料ステージ２３とから構成さ
れる。図１で２５は移動基台１３における回転中心を表
す線である。上記Ｚ軸は定盤１１の水平な上面に垂直な
方向であり、上記θｚ方向は回転中心線２５の周りに回
転する方向である。Ｚ軸方向駆動部によってＺ軸方向
（上下方向）の移動が可能となり、θｚ方向駆動部によ
ってθｚ方向の移動が可能となる。移動基台１３の構成
をより正確に説明するために図３〜図５を参照する。図
３は移動基台１３の部分の側面図、図４は他の箇所で切
った縦断面図、図５は分解図である。なお図５では、理
解しやすいように、図２〜４に比較して径方向の寸法よ
りも軸方向の寸法を若干誇張して描いている。

【００１１】ベースフレーム２４は定盤１１の上に単に
置かれているだけであり、定盤１１上を摺動自在に移動
させることができる。ベースフレーム２４は、平面形状
がほぼ円形である。ベースフレーム２４は、その周縁部
に形成された立片部２６で、上記連結部１５を介してＸ
軸方向駆動部１２から延設された連結棒１４に連結され
ている。また周縁部にはＺ軸モータ２７を取り付けるた
めのモータ取付け部２８が形成される。Ｚ軸モータ２７
はその回転軸２７ａが下向きになるように配置され、回
転軸２７ａにはギヤ２９が固定されている。さらにベー
スフレーム２４の周縁部には、対向する位置で２本のス
ライドガイド部材３０が立設されている。スライドガイ
ド部材３０の内側には山形の凸部が形成されている。さ
らに、ベースフレーム２４の中心部には平面形状が円形
である中心凸部３１が形成されている。

【００１２】上記連結部１５の構造を図６に示す。図６
は水平断面図を示す。連結部１５は、連結棒１４の先端
に固定された受部３２と、立片部２６に固定されたレー
ル状の凸条部３３とで構成される。凸条部３３は受部３
２に４列のボール３４を利用した結合部を介して嵌込ま
れている。この構造によって凸条部３３と受部３２はＺ
軸方向に相対的にスライド可能となっている。

【００１３】上記ベースフレーム２４の上には上記Ｚ軸
方向駆動部が設けられる。Ｚ軸方向駆動部は下部くさび
部材３５と上部くさび部材３６とから構成される。下部
くさび部材３５と上部くさび部材３６は共に所要の厚み
を有する実質的に円板状の部材であり、下部くさび部材
３５の上面にはくさび面３５ａが形成され、上部くさび
部材３６の下面に同様なくさび面が形成されている。下
部くさび部材３５と上部くさび部材３６は各々のくさび
面を対向させて接触させた状態で配置され、全体として
偏平な円柱体形状を形成する。下部くさび部材３５はそ
の下面に上記ベースフレーム２４の中心凸部３１と嵌合
する凹部が形成されている。また下部くさび部材３５の
下縁周縁部にはギヤ３７が形成されている。

【００１４】図２〜図４に示されるようにベースフレー
ム２４の上に配置された下部くさび部材３５は中心凸部
３１（回転中心線２５）の周りに回転自在である。また
下部くさび部材３５のギヤ３７はＺ軸モータ２７のギヤ
２９と噛み合っている。Ｚ軸モータ２７の回転動作に応
じて下部くさび部材３５は回転する。

【００１５】上記の上部くさび部材３６は、下面に前述
のようにくさび面が形成され、さらに側面において対向
する２箇所にその軸方向に平行に溝３８が形成される。
２箇所の溝３８は移動基台１３の組立て時に前述のスラ
イドガイド部材３０に係合させる。上部くさび部材３６
の上面には中心凸部３９が形成され、さらに側方に延設
されたモータ取付け部４０が設けられる。モータ取付け
部４０にはθｚ方向モータ４１がその回転軸４１ａが下
方を向くように取り付けられる。θｚ方向モータ４１の
回転軸４１ａには図４に示すごとくギヤ４２が固定され
ている。

【００１６】上部くさび部材３６は、溝３８とスライド
ガイド部材３０の係合関係によって回転中心線２５の周
りの回転ができないように制限されているので、下部く
さび部材３５が前述のごとく回転すると、対向する２つ
のくさび面の作用に基づいて昇降動作を行う。図４にお
いて、試料ステージ２３側より見て下部くさび部材３５
が回転中心線２５の周りに時計方向に回転すると、上部
くさび部材３６は上方に移動し、下部くさび部材３５が
反時計方向に回転すると、上部くさび部材３６は下方に
移動する。このように、下部くさび部材３５および上部
くさび部材３６の構成とＺ軸モータ２７とに基づいてＺ
軸方向駆動部が形成される。

【００１７】上部くさび部材３６の上には上記試料ステ
ージ２３が配置される。試料ステージ２３の下側には周
縁部にギヤ４３を備えた円板部材４３ａが設けられ、円
板部材４３ａの下面中心部には、上部くさび部材３６の
上面に形成された上記中心凸部３９に嵌合する凹部が形
成されている。ギヤ４３は、θｚ方向モータ４１のギヤ
４２と係合する。θｚ方向モータ４１が回転動作する
と、ギヤ４３を介して試料ステージ２３が回転中心線２
５の周りに回転する。このように、θｚ方向モータ４１
とギヤ４３によりθｚ方向駆動部が構成される。

【００１８】上記構成を有する移動ステージ装置では、
試料は、定盤１１上に摺動自在に載置された移動基台１
３の上部の試料ステージ２３の上に配置される。試料ス
テージ２３上の試料は、移動基台１３をＸ軸方向へＸ軸
方向駆動部１２によって移動させることにより当該Ｘ軸
方向へ移動させられる。また試料を昇降させるときに
は、Ｚ軸モータ２７を回転動作させ、下部くさび部材３
５を回転させることにより上部くさび部材３６をＺ軸方
向へ昇降させる。またθｚ方向モータ４１を回転動作さ
せることにより試料ステージ２３を回転中心線２５の周
りに回転させ、上記試料をθｚ方向に回転させる。Ｘ軸
方向、Ｚ軸方向、θｚ方向の移動によって試料ステージ
２３の上の試料を任意の位置へ移動することが可能とな
る。

【００１９】図７は前述の移動ステージ装置を走査型プ
ローブ顕微鏡に応用した例を示す。移動ステージ装置の
移動基台１３の上方に試料に臨むような姿勢にて探針４
４が配置される。探針４４は試料を観察するための手段
である。探針４４は、定盤１１の上に固定され、移動ス
テージ装置（特に移動基台１３の部分）を跨ぐように配
置されたセンサ部フレーム４５の中央部にセンサ部（観
察部）として固定される。上記移動ステージ装置の構成
によれば、前述のごとくＸ軸方向、Ｚ軸方向、θｚ方向
の移動によって試料ステージ２３の上の試料を任意の位
置へ移動することができ、Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向
への移動を行わなくとも、試料ステージ２３上の試料に
対する探針４４の位置を試料における任意の位置に設定
することができる。その結果、センサ部フレーム４５に
おける移動ステージ装置を配置するための開口部を可能
な限り小さくすることができる。また、センサ部フレー
ム４５の高さを低く抑えることができ、探針４４を含む
探針制御系の剛性を高めることができるので、走査型プ
ローブ顕微鏡全体としての剛性を高めることができる。

【００２０】前述の本発明に係る移動ステージ装置は、
走査型プローブ顕微鏡だけではなく、その他の精密測定
装置、あるいは半導体製造装置等の移動装置として用い
ることができる。

【００２１】

【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、定盤上に摺動自在に配置されかつ試料を上部に搭
載する移動基台は上下方向（Ｚ軸方向）と回転方向（θ
ｚ方向）の各駆動部を含むだけであるので、剛性を高く
することができかつ高さ寸法を小さくすることができ
る。さらに上下方向駆動部を下部くさび部材と上部くさ
び部材からなるくさび機構であって面接触を利用して構
成したので、よりいっそう剛性を高くすることができ
る。さらに移動基台における試料を搭載する円形ステー
ジとその下側に設けられる上下方向駆動部はほぼ同形の
平面形状を有するように構成されたため、移動ステージ
装置の上側に配置されるセンサ部フレームの開口部の寸
法を小さくすることができ、装置の剛性を高くすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の代表的実施形態を示す移動ステージ装
置の平面図である。

【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。

【図３】移動基台部分の側面図である。

【図４】移動基台の縦断面図である。

【図５】移動基台の分解図である。

【図６】Ｘ軸方向駆動部と移動基台の連結部の水平断面
図である。

【図７】本実施形態による移動ステージ装置を走査型プ
ローブ顕微鏡に用いた構成例を示す図である。

【符号の説明】

１１定盤１２Ｘ軸方向駆動部１３移動基台１４連結棒１６フレーム１９Ｘ軸モータ２３試料ステージ２４ベースフレーム２７Ｚ軸モータ３５下部くさび部材３６上部くさび部材４１ θｚ方向モータ４４探針４５センサ部フレーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者小野里陽正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)発明者西垣剛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】定盤の上に摺動自在に置かれかつ円形ス
テージに試料を配置し、前記円形ステージを上下方向に
移動させる上下方向駆動部および前記円形ステージをそ
の中心線の周りに回転させる回転方向駆動部を備える移
動基台と、この移動基台を前記定盤の水平表面に平行な
方向へ移動させる水平方向駆動部とから構成されること
を特徴とする移動ステージ装置。
【請求項２】前記上下方向駆動部は各々の形状が円板
形状であって各くさび面で接触させ重ねて配置された下
部くさび部材と上部くさび部材を含み、前記下部くさび
部材は回転駆動装置でその中心線の周りに回転自在であ
り、前記上部くさび部材はその上側に前記円形ステージ
を備えかつガイド部材で制限されて上下方向に移動自在
であり、前記下部くさび部材を回転させることにより前
記上部くさび部材を上下方向に移動させるように構成し
たことを特徴とする請求項１記載の移動ステージ装置。
【請求項３】前記円形ステージの上に配置された前記
試料を上側から臨むように観察部が配置され、前記観察
部を固定するフレームを前記定盤の上にて前記移動基台
を跨ぐように設けたことを特徴とする請求項１または２
記載の移動ステージ装置。