位置制御装置および位置制御方法
【課題】距離に依存せずに高い精度で位置制御が可能な位置制御装置を提供する。
【解決手段】位置制御装置１００は、第１情報を取得し、前記第１情報から特定される基準位置Ｂとステージ１との間の距離と所望の距離との差が、所与の範囲に含まれるか否かを判定し、前記所与の範囲に含まれない場合には、前記差が前記所与の範囲に含まれるようにステージ１の位置を制御する第１位置制御処理を行う第１制御手段３１と、前記差が前記所与の範囲に含まれる場合には、前記第２情報を取得し、前記第２情報から特定される基準位置１とステージＢとの間の距離に基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離が前記所望の距離となるようにステージ１の位置を制御する第２位置制御処理を行う第２制御手段３２と、を含む。
【解決手段】位置制御装置１００は、第１情報を取得し、前記第１情報から特定される基準位置Ｂとステージ１との間の距離と所望の距離との差が、所与の範囲に含まれるか否かを判定し、前記所与の範囲に含まれない場合には、前記差が前記所与の範囲に含まれるようにステージ１の位置を制御する第１位置制御処理を行う第１制御手段３１と、前記差が前記所与の範囲に含まれる場合には、前記第２情報を取得し、前記第２情報から特定される基準位置１とステージＢとの間の距離に基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離が前記所望の距離となるようにステージ１の位置を制御する第２位置制御処理を行う第２制御手段３２と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置制御装置および位置制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
静電容量計測式位置センサーを用いた位置制御装置は、すでに多くの商品が市場に存在している。例えば、特許文献１には、ディスクの主面との距離に応じて静電容量が変化する静電容量電極の静電容量の変化に応じて、ディスク主面と光学系の距離を一定に制御する位置制御装置を含むテクスチャ装置が記載されている。
【０００３】
静電容量計測式位置センサーでは、例えば、一定電圧を供給する電源に接続された発信電極をステージに固定し、その発信電極と対向するように信号検出電極を配置する。２つの電極間の距離をｄ、信号検出電極の面積をＳ、２つの電極間に充填された誘電体の誘電率をεとすると、２つの電極間で形成される静電容量Ｃは、下記式で与えられる。
【０００４】
【数１】
【０００５】
すなわち、２つの電極間の距離の変化は、２つの電極間の静電容量の変化として現れる。信号検出電極上には、距離ｄに依存して下記式に示す電荷が生じる。
【０００６】
【数２】
【０００７】
この電荷または回路を流れる電流値を測定器で測定することによって距離ｄに対する知見を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−３１４３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
静電容量計測式位置センサーは、距離ｄに対して出力信号の強度が反比例するため、出力信号の感度は、ｄ−２に比例する。したがって、距離ｄが短い場合には、距離ｄの変化に対して出力信号が大きく変化し、位置情報の読み取りに関する問題は少ない。しかしながら、距離ｄが長い場合には、距離ｄの変化に対して出力信号の変化は小さく、距離ｄの変化に対する感度は低い。感度改善のために、ステージに固定された発信電極に供給する電圧値を高くするなど、計測に必要とされる摂動を大きくすることも可能であるが、ステージに置かれた試料へ影響を与えてしまう場合があり、また、高電圧印加による放電が発生し制御回路の故障に繋がる懸念もある。
【００１０】
このように静電容量計測式位置センサーを用いた位置制御装置では、２つの電極間の距離ｄ、すなわち、基準位置と制御対象との間の距離によっては、高い精度で位置制御ができないという問題があった。特に、電子顕微鏡の試料ステージや集束イオンビームを用いた試料加工装置の試料ステージ等の位置制御を行う位置制御装置では、ミリメートルからナノメートルまでの広い距離範囲にわたり、ナノメートル単位の精度で位置制御できることが望まれている。
【００１１】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、距離に依存せずに高い精度で位置制御が可能な位置制御装置を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）本発明に係る位置制御装置は、
基準位置とステージとの間の距離を所望の距離に制御する位置制御装置であって、
前記ステージに形成された第１キャパシター電極と前記第１キャパシター電極と対向し前記基準位置に配置された第２キャパシター電極との間の静電容量に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第１情報を生成する第１情報生成手段と、
レーザー光を前記ステージに形成された反射面に照射し、前記反射面で反射された戻り光を参照光と干渉させて得られる干渉光の強度に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第２情報を生成する第２情報生成手段と、
前記第１情報を取得し、前記第１情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離と前記所望の距離との差が、所与の範囲に含まれるか否かを判定し、前記所与の範囲に含まれない場合には、前記差が前記所与の範囲に含まれるように前記ステージの位置を制御する第１位置制御処理を行う第１制御手段と、
前記差が前記所与の範囲に含まれる場合には、前記第２情報を取得し、前記第２情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離が前記所望の距離となるように前記ステージの位置を制御する第２位置制御処理を行う第２制御手段と、
を含む。
【００１３】
このような位置制御装置によれば、基準位置とステージとの間の距離と所望の距離との差が所与の範囲に含まれない場合には、第１位置制御処理を行い、基準位置とステージとの間の距離と所望の距離との差が所与の範囲に含まれる場合には、第２位置制御処理を行う。第１位置制御処理では、基準位置とステージとの間の距離を第２位置制御処理において距離を一義的に特定することが可能な距離範囲（所与の範囲）に含まれるように制御できる。当該距離範囲において、第２位置制御処理では、距離に依存せずに高い精度で基準位置とステージとの間の距離が所望の距離となるようにステージの位置を制御できる。したがって、このような位置制御装置によれば、距離に依存せずに高い精度でステージの位置制御ができる。
【００１４】
（２）本発明に係る位置制御装置において、
前記第２情報生成手段は、前記レーザー光の波長を変えることが可能な光源を有し、
前記第２制御手段は、前記レーザー光の波長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成手段の距離感度を制御してもよい。
【００１５】
このような位置制御装置によれば、レーザー光の波長を変化させて得られる干渉光の干渉パターンに基づいて、第２情報生成手段の距離感度を制御することができる。したがって、容易に第２情報生成手段の距離感度を高めることができる。
【００１６】
（３）本発明に係る位置制御装置において、
前記第２情報生成手段は、前記光源からの前記レーザー光を伝播させる光ファイバーを有し、
前記光ファイバーは、前記レーザー光を射出しかつ前記戻り光が入射する端面を有し、
前記端面の位置は、前記反射面と前記端面との間の前記戻り光の光路長を変化させるように、移動可能に形成され、
前記第２制御手段は、前記戻り光の光路長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成手段の距離感度を制御してもよい。
【００１７】
このような位置制御装置によれば、戻り光の光路長を変化させて得られる干渉光の干渉パターンに基づいて、第２情報生成手段の距離感度を制御することができる。したがって、容易に第２情報生成手段の距離感度を高めることができる。
【００１８】
（４）本発明に係る位置制御装置において、
前記反射面は、前記第１キャパシター電極の表面に形成され、
前記レーザー光は、前記第２キャパシター電極に形成された貫通孔を通過して前記反射面に照射されてもよい。
【００１９】
このような位置制御装置によれば、装置の小型化を図ることができる。
【００２０】
（５）本発明に係る位置制御装置において、
前記第１キャパシター電極には、交流電圧が供給されてもよい。
【００２１】
これにより、位相検波を行うことができるため、Ｓ／Ｎを向上できる。
【００２２】
（６）本発明に係る位置制御方法は、
基準位置とステージとの間の距離を所望の距離に制御する位置制御方法であって、
前記ステージに形成された第１キャパシター電極と前記第１キャパシター電極と対向し前記基準位置に配置された第２キャパシター電極との間の静電容量に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第１情報を生成する第１情報生成工程と、
レーザー光を前記ステージに形成された反射面に照射し、前記反射面で反射された戻り光を参照光と干渉させて得られる干渉光の強度に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第２情報を生成する第２情報生成工程と、
前記第１情報を取得し、前記第１情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離と前記所望の距離との差が、所与の範囲に含まれるか否かを判定し、前記所与の範囲に含まれない場合には、前記差が前記所与の範囲に含まれるように前記ステージの位置を制御する第１位置制御処理を行う第１制御工程と、
前記差が前記所与の範囲に含まれる場合には、前記第２情報を取得し、前記第２情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離が前記所望の距離となるように前記ステージの位置を制御する第２位置制御処理を行う第２制御工程と、
を含む。
【００２３】
このような位置制御方法によれば、基準位置とステージとの間の距離と所望の距離との差が所与の範囲に含まれない場合には、第１位置制御処理を行い、基準位置とステージとの間の距離と所望の距離との差が所与の範囲に含まれる場合には、第２位置制御処理を行う。第１位置制御処理では、基準位置とステージとの間の距離を第２位置制御処理において距離を一義的に特定することが可能な距離範囲（所与の範囲）に含まれるように制御できる。当該距離範囲において、第２位置制御処理では、距離に依存せずに高い精度で基準位置とステージとの間の距離が所望の距離となるようにステージの位置を制御できる。したがって、このような位置制御方法によれば、距離に依存せずに高い精度でステージの位置制御ができる。
【００２４】
なお、第１情報生成工程と第２情報生成工程を行う順序は、特に限定されず、例えば、同時に行われてもよい。また、第２情報生成工程が、第１制御工程の後に行われてもよい。
【００２５】
（７）本発明に係る位置制御方法において、
前記第１情報生成工程の前に、前記レーザー光の波長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成工程の距離感度を制御する距離感度制御工程をさらに含んでもよい。
【００２６】
このような位置制御方法によれば、レーザー光の波長を変化させて得られる干渉光の干渉パターンに基づいて、第２情報生成工程の距離感度を制御することができる。したがって、容易に第２情報生成工程の距離感度を高めることができる。
【００２７】
（８）本発明に係る位置制御方法において、
第１情報生成工程の前に、前記戻り光の光路長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成工程の距離感度を制御する感度制御工程をさらに含んでもよい。
【００２８】
このような位置制御方法によれば、戻り光の光路長を変化させて得られる干渉光の干渉パターンに基づいて、第２情報生成工程の距離感度を制御することができる。したがって、容易に第２情報生成工程の距離感度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態に係る位置制御装置の機能ブロック図。
【図２】本実施形態に係る位置制御装置を模式的に示す斜視図。
【図３】距離に対する静電容量計測式位置センサーの信号強度を示すグラフ。
【図４】距離に対する光ファイバー干渉計の信号強度を示すグラフ。
【図５】第２キャパシター電極および光ファイバーの端面を模式的に示す斜視図。
【図６】本実施形態に係る位置制御方法の一例を示すフローチャート。
【図７】本実施形態の変形例に係る位置制御装置の機能ブロック図。
【図８】距離に対する静電容量計測式位置センサーの信号強度を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００３１】
１． 位置制御装置
まず、本実施形態に係る位置制御装置について説明する。図１は、本実施形態に係る位置制御装置１００の機能ブロック図である。図２は、位置制御装置１００の静電容量計測式位置センサーおよび光ファイバー干渉計を模式的に示す斜視図である。位置制御装置１００は、基準位置Ｂとステージ１との間の距離を所望の距離に制御するための装置である。本実施形態では、位置制御装置１００が電子顕微鏡の試料ステージに適用された場合について説明する。なお、位置制御装置１００は、電子顕微鏡の試料ステージに限られず、同様の精度で位置制御される装置に適用が可能である。
【００３２】
位置制御装置１００は、図１に示すように、静電容量計測式位置センサー（第１情報生成手段）１０と、光ファイバー干渉計（第２情報生成手段）２０と、制御回路３０と、を含む。
【００３３】
静電容量計測式位置センサー１０は、図１に示すように、信号発生電源１１と、第１キャパシター電極１２と、第２キャパシター電極１４と、測定器１６と、を含む。静電容量計測式位置センサー１０は、ステージ１に形成された第１キャパシター電極１２と第１キャパシター電極１２と対向し基準位置Ｂに配置された第２キャパシター電極１４との間の静電容量に基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを特定するための第１情報を生成する。ここで、基準位置Ｂとは、ステージ１の位置制御の基準となる位置である。
【００３４】
信号発生電源１１は、一定交流電圧を第１キャパシター電極１２に供給する。なお、信号発生電源１１は、直流電圧を第１キャパシター電極１２に供給してもよい。
【００３５】
第１キャパシター電極１２は、ステージ１の上面に形成（固定）されている。第１キャパシター電極１２には、信号発生電源１１から一定交流電圧が供給される。
【００３６】
第２キャパシター電極１４は、第１キャパシター電極１２と対向（対面）し、基準位置Ｂに配置されている。
【００３７】
なお、本実施形態では、２つの電極１２，１４間の距離は、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄと一致しているものとして説明する。
【００３８】
２つの電極１２，１４間の距離をｄ、第２キャパシター電極１４の面積をＳ、２つの電極１２，１４間に充填された誘電体の誘電率をεとすると、２つの電極１２，１４間で形成される静電容量Ｃは、下記式（１）で与えられる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
すなわち、２つの電極１２，１４間の距離ｄの変化は、２つの電極１２，１４間の静電容量の変化として現れる。第２キャパシター電極１４上には、距離ｄに依存して、下記式（２）に示す電荷Ｑが生じる。
【００４１】
【数２】
【００４２】
ここで、Ｖは、２つの電極１２，１４間の電位差である。この電荷または回路を流れる電流値を測定器１６で測定することによって２つの電極１２，１４間の距離ｄに対する知見を得ることができる。
【００４３】
測定器１６は、電荷または回路を流れる電流値を基づいて距離ｄを特定するための信号（第１情報）を生成する。
【００４４】
図３は、距離ｄに対する静電容量計測式位置センサー１０の信号強度を示すグラフである。図３に示すグラフは、式（２）から算出したものである。図３に示すように、信号強度（第１情報）は、距離ｄと1対1に対応するため、信号強度（第１情報）から距離ｄを一義的に特定することができる。
【００４５】
光ファイバー干渉計２０は、光源２２と、光ファイバー２４と、光ファイバー方向結合器２６と、受光器２８と、を含む。光ファイバー干渉計２０は、レーザー光をステージ１に形成された反射面２７に照射し、反射面２７で反射された戻り光を参照光と干渉させて得られる干渉光の強度に基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離を特定するための第２情報を生成する。
【００４６】
光源２２は、半導体レーザー２２ａと、レーザー波長制御部２２ｂと、を有する。半導体レーザー２２ａは、単一波長λを持つレーザー光を発生させる。レーザー波長制御部２２ｂは、半導体レーザー２２ａが発生させるレーザー光の波長λを任意の波長に変えることができる。レーザー波長制御部２２ｂは、例えば、温度制御用センサーとペルチエ素子とを有しており、これらによって半導体レーザー２２ａの温度を制御することで、半導体レーザー２２ａが発生させるレーザー光の波長λを制御することができる。
【００４７】
光ファイバー２４は、光源２２からのレーザー光を伝播させることができる。光ファイバー２４は、光源２２と結合され、光ファイバー方向結合器（２×１方向結合器）２６を介して、端面２５から光源２２で発生したレーザー光を反射面２７に照射する。光ファイバー２４の端面２５は、反射面２７に対して対向（対面）して配置されている。光ファイバー２４の端面２５は、レーザー光を射出する面であり、かつ反射面２７で反射されて光ファイバー２４に戻るレーザー光（戻り光）が入射する面である。光ファイバー２４の端面２５は、図１の例では、基準位置Ｂに位置している。本実施形態では、光ファイバー２４の端面２５と反射面２７との間の距離は、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄと一致しているものとして説明する。
【００４８】
光ファイバー２４には、光ファイバー２４の端面２５から射出されずに端面２５で反射されて光ファイバー２４を戻る光成分（参照光）と、端面２５から射出され反射面２７で反射されて再び光ファイバー２４に戻る光成分（戻り光）と、を有する干渉光が生成される。参照光と戻り光との間には、光ファイバー２４の端面２５と反射面２７との距離ｄの２倍の距離に相当する位相差４πｄ／λが生じる。仮に光ファイバー２４の端面２５で光多重反射が存在しない場合には、受光器２８で検出される干渉光の強度Ｉは、距離ｄに対して下記式（３）で与えられる。
【００４９】
【数３】
【００５０】
ここで、Ｉ０は、ＤＣ成分である。光ファイバー干渉計２０は、単一波長であって可干渉性を有するレーザー光を用いているため、高い精度で距離ｄを測定することができる。
【００５１】
受光器２８は、干渉光の強度Ｉに基づいて距離ｄを特定するための信号（第２情報）を生成する。
【００５２】
図４は、距離ｄに対する光ファイバー干渉計２０の信号強度（干渉光の干渉パターン）を示すグラフである。図４に示すグラフは、式（３）から算出したものである。図４に示すように、干渉パターンは、距離ｄに対してλ／２の周期で変化している。したがって、距離ｄを一義的に特定する信号（第２情報）を得るためには、信号強度の最大値と最小値を含むλ／４の距離範囲で測定が行わなければならない。
【００５３】
制御回路３０は、第１制御回路（第１制御手段）３１と、第２制御回路（第２制御手段）３２と、加算回路３４と、を有している。
【００５４】
第１制御回路３１は、測定器１６から出力された第１情報を取得し、第１情報から特定される基準位置Ｂとステージ１との間の距離と所望の距離との差が、所与の範囲に含まれるか否かを判定し、所与の範囲に含まれない場合には、当該差が所与の範囲に含まれるようにステージ１の位置を制御する。
【００５５】
第２制御回路３２は、第１情報から特定される距離ｄと所望の距離との差が所与の範囲に含まれる場合には、受光器２８から出力された第２情報を取得し、第２情報から特定される基準位置Ｂとステージ１との間の距離に基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離が所望の距離となるようにステージ１の位置を制御する。
【００５６】
なお、制御回路３０（第１制御回路３１、第２制御回路３２、加算回路３４）の詳細については後述する。
【００５７】
図２に示すように、静電容量計測式位置センサー１０の第１キャパシター電極１２は、ステージ１の上面上に形成されている。図示の例では、第１キャパシター電極１２の表面が反射面２７である。反射面２７は、光ファイバー２４の端面２５と対向していれば、その位置は特に限定されない。位置制御装置１００では、ステージ１は、電子顕微鏡の試料ステージとして機能する。
【００５８】
静電容量計測式位置センサー１０の第２キャパシター電極１４および光ファイバー２４の端面２５は、保護カバー３を介して固定部材２によって基準位置Ｂに固定されている。第２キャパシター電極１４および光ファイバー２４は、保護カバー３によって保護されている。保護カバー３は、電気的にアース電位となることが望ましい。また、光ファイバー２４の端面２５は、帯電を防止するために数ｎｍの厚さの金属膜で金属コートされている。
【００５９】
図５は、第２キャパシター電極１４および光ファイバー２４の端面２５を模式的に示す斜視図である。なお、便宜上、保護カバー３は図示しない。図５に示すように、第２キャパシター電極１４および光ファイバー２４の端面２５の周囲には、絶縁部材４が形成されている。これにより、第２キャパシター電極１４および光ファイバー２４の端面２５を保護することができる。絶縁部材４の下面（ステージ１と対向する面）は、第２キャパシター電極１４の下面（ステージ１と対向する面）よりも下側（ステージ１側）に位置している。これにより、第２キャパシター電極１４が、第１キャパシター電極１２と接触することを防ぐことができる。第２キャパシター電極１４は、ケーブル１５を介して、測定器１６に接続されている。また、第２キャパシター電極１４には、貫通孔が形成されており、レーザー光は、当該貫通孔を通過して反射面２７に照射されてもよい。
【００６０】
図示の例では、ステージ１に対して位置制御装置１００が１つ設けられているが、ステージ１に対して位置制御装置を３つ設けることで、３軸方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）に対してステージ１の位置制御を行ってもよい。
【００６１】
２． 位置制御方法
次に、本実施形態に係る位置制御方法について説明する。具体的には、基準位置Ｂとステージ１との間の距離を所望の距離に制御する制御方法について説明する。以下、図１に示す位置制御装置１００を参照しながら説明する。
【００６２】
まず、静電容量計測式センサー１０の校正について説明する。
【００６３】
静電容量計測式位置センサーは、構成部品のバラツキなどによって測定器で取得した電圧に対する距離絶対値がそれぞれのシステムに固有のものとなる可能性がある。そこで、事前に静電容量計測式位置センサー１０を校正するための校正表を作成する。一度校正表を作成すればその構成部品を交換しない限り、または、時間経過などによる劣化の影響を考慮しない限り、使用し続けることができる。
【００６４】
校正表は測定電圧に対する距離情報を表にした離散的数値の集合である。そのため、測定された電圧が表中の数値と一致しない場合には、補間法による近似式などを採用することとする。具体的には、２つの電極１２，１４間の距離ｄcapに対し測定電圧Ｖcapobsは以下の式（４）で再現できる。
【００６５】
【数４】
【００６６】
ここで、Ａ、ｄcapoffset、Ｖcapoffsetは測定されたデータを式（４）にフィットさせるためのパラメータである。式（４）は下記式（５）に変換可能である。
【００６７】
【数５】
【００６８】
すなわち、校正を実施することで、測定された電圧Ｖca pobsから現在の２つの電極１２，１４間の距離を推測することが可能となる。
【００６９】
このようにして得られた校正表を制御回路３０（第１制御回路３１）に記録させておき、ステージ１の制御工程中にその校正表を参照できるようにする。
【００７０】
また、制御回路３０を用いて制御を行う前に静電容量計測式位置センサー１０によって現在の基準位置Ｂとステージ１の間の距離ｄの測定を行う。本制御例では、この時点での基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを所望の距離として、ステージ１の位置を維持する制御を行う。ここで、静電容量計測式位置センサー１０の出力電圧をＶcapobs、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを所望の距離としたときの静電容量計測式位置センサー１０の出力電圧（以下「制御基準電圧」ともいう）をＶcaptarget、制御基準電圧Ｖcaptargetを使って式（５）から算出された制御基準位置をｄcaptarget、ステージ１を制御するための制御電圧をＶcapregとする。この時点では、Ｖcapobs＝Ｖcaptargetである。
【００７１】
次に、光ファイバー干渉計２０の校正（感度制御）について説明する。光ファイバー干渉計２０の感度制御は、例えば、光源２２のレーザー光の波長を変化させて得られる干渉光の干渉パターン（図４参照）に基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄが所望の距離であるときに、光ファイバー干渉計２０の距離感度が最大となるように行われる（距離感度制御工程）。この距離感度制御工程は、例えば、第２制御回路３２によって行われる。
【００７２】
具体的には、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを所望の距離とし、図１のレーザー波長制御部２２ｂに制御コンピューター（図示しない）から指令を送りレーザー光の波長を更新する。その時の受光器２８の出力値、具体的には電圧値Ｖoptobsを逐次記録する。この作業を繰り返して図４に示される干渉光の干渉パターンを測定する。図４では２周期の干渉パターンを例として表示しているが、本校正においては干渉パターンに信号強度Ｉの最小値と最大値がそれぞれ一箇所含まれていればよい。
【００７３】
このようにして得られた干渉光の干渉パターンから、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを所望の距離としたときに、信号強度Ｉが干渉パターンの節（最小値と最大値の中間地点）の値をとるレーザー光の波長を求める。このレーザー光の波長は、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを所望の距離としたときに、光ファイバー干渉計２０の距離感度が最大となる波長、すなわち、距離ｄの変化に対して受光器２８で検出される信号強度Ｉの変化量が最大となる波長である。光ファイバー干渉計２０では、このようにして得られたレーザー光の波長（距離感度最適波長）を用いて距離ｄの測定を行う。
【００７４】
ここで、距離感度最適波長について詳細に説明する。図４に示す干渉光の干渉パターンにおいて、距離ｄの変化に対する信号強度Ｉの変化量が最も大きい場所は、信号強度Ｉの距離ｄに対する微分が最大となるところであり、干渉パターンの節の位置（距離感度最適位置）である。一般に、光ファイバー干渉計の距離感度は、図４で示すような干渉光の干渉パターンを測定しておけば、いかなる距離ｄにおいても下記式（６）で与えられる。
【００７５】
【数６】
【００７６】
したがって、４πｄ／λがπ／２の偶数倍の時には感度がゼロになってしまう。これは、図４の干渉パターンにおいて山または谷の位置に相当し、距離ｄの変化に対する信号強度の変化が小さくなることに起因するが、この問題はレーザー波長を変えることで回避できる。距離ｄを所望の距離としたときに、信号強度Ｉが距離感度最適位置と一致していない場合（例えば、４πｄ／λがπ／２の偶数倍となる場合）には、レーザー光の波長を変えることで信号強度Ｉを距離感度最適位置と一致させることができ、距離感度を最適化することができる。この基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを所望の距離としたときに距離感度が最大となるレーザー光の波長が距離感度最適波長である。
【００７７】
制御回路３０の第２制御回路３２は、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄが所望の距離であって、レーザー光の波長を距離感度最適波長としたときの受光器２８の出力電圧を記録する。この出力電圧を制御基準電圧Ｖopttargetとする。なお、干渉光の干渉パターンにおいて、光強度Ｉの最大値と最小値の間隔は、レーザー光の波長をλとしてλ／４となる（図４参照）。したがって、距離感度最適位置を中心に±λ／８離れた位置が光強度Ｉの最大値と最小値を示す。
【００７８】
なお、光ファイバー干渉計２０の校正は、可能な限り短時間で完了することが望ましい。仮にユーザーが静電容量計測式位置センサー１０を使って設定したステージ位置ｄcaptargetが光ファイバー干渉計２０の校正中に位置が大きくドリフトしてしまうと、光ファイバー干渉計２０で評価した干渉光の干渉パターンがレーザー波長だけでなく実際の距離ｄの変化も含むことになり、ユーザーの希望位置とは異なるステージ位置で制御してしまう可能性が発生する。
【００７９】
図６は、本実施形態に係る位置制御方法の一例を示すフローチャートである。以下、図１に示す位置制御装置および図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００８０】
まず、第１キャパシター電極１２と第２キャパシター電極１４との間の静電容量に基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを特定するための第１情報を生成する（第１情報生成工程Ｓ１０）。第１情報生成工程Ｓ１０は、静電容量計測式位置センサー１０によって行われる。第１情報は、測定器１６で測定された電圧Ｖcapobsである。
【００８１】
次に、レーザー光を反射面２７に照射し、反射面２７で反射された戻り光を参照光と干渉させて得られる干渉光の光強度に基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを特定するための第２情報を生成する（第２情報生成工程Ｓ１１）。第２情報生成工程Ｓ１１は、光ファイバー干渉計２０によって行われる。第２情報は、受光器２８で検出された電圧Ｖoptobsである。
【００８２】
なお、工程Ｓ１０と工程Ｓ１１の順序は特に限定されず、工程Ｓ１０と工程Ｓ１１を同時に行ってもよいし、工程Ｓ１１を工程Ｓ１０の前に行ってもよい。また、工程Ｓ１１は、後述する工程Ｓ１２で所与の範囲に含まれると判定された後（工程Ｓ１３でＹｅｓの場合）、工程Ｓ１５を行う前に行ってもよい。
【００８３】
次に、第１制御回路３１によって、第１情報を取得し、第１情報から特定される基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄcapobsと所望の距離（制御基準電圧）ｄcaptargetとの差が所与の範囲に含まれるか否かを判定する（判定工程Ｓ１２）。具体的には、第１制御回路３１は、新たに取得したＶcapobsを使って式（５）から距離ｄcapobsを求め、｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜が所与の範囲に含まれるか否かを判定する。ここで、所与の範囲として、例えば、λ／８を用いる。｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜がλ／８以下の場合、基準位置Ｂとステージ１との距離ｄが、図４に示す干渉光の干渉パターンにおいて、距離感度最適位置を中心とした±λ／８（λ／４）の範囲に含まれる。すなわち、光ファイバー干渉計２０で一義的に距離ｄを決定できる。｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜がλ／８より大きい場合、図４に示す干渉光の干渉パターンにおいて、距離感度最適位置を中心とした±λ／８（λ／４）の範囲に含まれない。すなわち、光ファイバー干渉計２０で一義的に距離ｄを決定できない。
【００８４】
判定工程Ｓ１２の結果、基準位置Ｂとステージ１との間の距離と所望の距離との差が所与の範囲に含まれない場合（工程Ｓ１３でＮｏの場合）、すなわち、｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜がλ／８より大きい場合、第１制御回路３１によって、第１情報から特定される基準位置Ｂとステージ１との間の距離との差｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜が所与の範囲λ／８に含まれるようにステージ１の位置を制御する第１位置制御処理を行う（第１制御工程Ｓ１４）。
【００８５】
具体的には、第１制御回路３１は、第１情報から特定される距離ｄcapobsから（ｄcapobs−ｄcaptarget）に比例する制御電圧補正値ΔＶcapreg＝（ｄcapobs−ｄcaptarget）×Ａcapを計算し、ステージ１に供給される制御電圧Ｖcapregを、Ｖcapreg＝Ｖcapreg＋ΔＶcapregで更新する。更新された制御電圧Ｖcapregは、加算回路３４に供給され、第２制御回路３２から供給される制御電圧Ｖoptregと加算され、得られた制御電圧Ｖreg＝Ｖcapreg＋Ｖoptregがステージ１へ供給される。工程Ｓ１３では、制御電圧Ｖreg＝Ｖcapreg＋Ｖoptregのうち制御電圧Ｖoptregは更新されず、制御電圧Ｖcapregのみが更新される。
【００８６】
ステージ１は、例えば、図示しない駆動装置を有し、駆動装置は供給された制御電圧Ｖregに応じてステージ１の位置を移動させる。
【００８７】
第１制御工程Ｓ１４の後、工程Ｓ１０に戻り、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄと所望の距離との差｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜が所与の範囲λ／８に含まれるまで、工程Ｓ１０、工程Ｓ１１、工程Ｓ１２、工程Ｓ１３、工程Ｓ１４を繰り返す。
【００８８】
判定工程Ｓ１２の結果、基準位置Ｂとステージ１との間の距離と所望の距離との差が所与の範囲に含まれる場合（工程Ｓ１３でＹｅｓの場合）、すなわち、｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜がλ／８以下の場合、第２制御回路３２によって、第２情報を取得し、第２情報から特定される基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄoptobsに基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離が所望の距離となるようにステージ１の位置を制御する第２位置制御処理を行う（第２制御工程Ｓ１５）。
【００８９】
ここで、上述した光ファイバー干渉計２０の校正が終了した直後では、例えば、制御電圧Ｖoptreg＝０Ｖであり、ｄopttarget＝０ｍである。第２制御工程Ｓ１５では、受光器２８の出力電圧Ｖoptobsを取得し、（Ｖoptobs−Ｖopttarget）に比例する制御電圧補正値ΔＶoptreg＝sgn（Ｖoptobs−Ｖopttarget）×Ａoptを計算した後に、ＶoptregをＶoptreg＝Ｖoptreg＋ΔＶoptregで更新する。なお、Ａoptは、第２制御回路３２内の変換係数である。また、sgnは、距離感度制御工程において、干渉パターンの解析を通して決定される。具体的には、干渉パターンには、図４に示すように、１周期に距離感度最適位置が２つあり、この２つの位置では、距離ｄの変化に対する信号強度の変化の符号（信号強度の増減）が互いに逆である。そのため、距離感度最適位置から距離ｄを増加させたときに信号強度が増加する場合、sgnをプラスとし、距離感度最適位置から距離ｄを増加させたときに信号強度が減少する場合、sgnをマイナスとする。更新された制御電圧Ｖoptregは、加算回路３４に供給され、第１制御回路３１から供給される制御電圧Ｖcapregと加算され、得られた制御電圧Ｖreg＝Ｖcapreg＋Ｖoptregがステージ１へ供給される。工程Ｓ１５では、制御電圧Ｖreg＝Ｖcapreg＋Ｖoptregのうち制御電圧Ｖcapregは更新されず、制御電圧Ｖoptregのみが更新される。ステージ１は、駆動装置によって制御電圧Ｖregに応じた位置に移動する。
【００９０】
なお、光干渉計を使った距離測定における距離感度最適位置での感度Sensitivityoptは、レーザー光の波長λを使って以下の式で与えられる。
【００９１】
【数７】
【００９２】
式（７）を使えば、（Ｖoptobs−Ｖopttarget）から、ｄopttar getからずれた距離の絶対値を算出することができるので、式（７）で得られて距離情報を基にＶoptregを計算してもよい。その場合には、ΔＶoptregを計算する式の比例係数Ａoptが変更されるが、通常は距離に変換する必要はなく、測定電圧を使った（Ｖoptobs−Ｖopttarget）を評価するだけでよい。
【００９３】
工程Ｓ１５の後、ステージ１の位置制御を継続する場合（工程Ｓ１６でＮｏの場合）、工程Ｓ１０に戻り、上述した工程Ｓ１０〜Ｓ１６を繰り返す。
【００９４】
工程Ｓ１５の後、ステージ１の位置制御を終了する場合（工程Ｓ１６でＹｅｓの場合）、処理は終了する。
【００９５】
本実施形態によれば、基準位置Ｂとステージ１との間の距離と所望の距離との差｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜が所与の範囲λ／８に含まれない場合には、第１位置制御処理を行い、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄと所望の距離との差｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜が所与の範囲λ／８に含まれる場合には、第２位置制御処理を行うことができる。第１位置制御処理では、基準位置Ｂとステージ１との間の距離を第２位置制御処理において距離を一義的に特定することが可能な距離範囲λ／８に含まれるように制御できる。当該距離範囲において、第２位置制御処理では、距離に依存せずに高い精度で基準位置Ｂとステージ１との間の距離が所望の距離となるようにステージ１の位置を制御できる。したがって、本実施形態によれば、距離に依存せずに高い精度でステージの位置制御ができる。そのため、本実施形態に係る位置制御装置は、例えば、ナノメートル単位の精度で位置制御を要求される電子顕微鏡や試料加工装置の試料ステージの位置制御に用いることができる。
【００９６】
本実施形態によれば、静電容量計測式位置センサー１０は、基準位置Ｂとステージ１との間の距離を光ファイバー干渉計２０が距離を一義的に特定することが可能な距離範囲まで制御すればよいので、高い距離感度を必要としない。したがって、第１キャパシター電極１２に高電圧を印加する必要がなく、例えば、第１キャパシター電極１２に高電圧を印加することによるステージ１上の試料への影響や、放電により制御回路が故障することを防止することができる。
【００９７】
本実施形態によれば、干渉光の干渉パターンに基づいて、光ファイバー干渉計２０の距離感度を制御することができる。したがって、容易に光ファイバー干渉計の距離感度を高めることができる。
【００９８】
本実施形態に係る位置制御装置によれば、反射面２７が、第１キャパシター電極１２の表面に形成され、光ファイバー２４の端面２５から射出されるレーザー光は、第２キャパシター電極１４に形成された貫通孔を通過して、反射面２７に照射される。これにより、装置の小型化を図ることができる。
【００９９】
本実施形態に係る位置制御装置によれば、第１キャパシター電極１２には、交流電圧が供給される。これにより、測定器１６において位相検波を行うことができるので、Ｓ／Ｎを向上できる。
【０１００】
３． 変形例
次に、本実施形態に係る位置制御装置の変形例について説明する。図７は、本実施形態の変形例に係る位置制御装置２００の機能ブロック図である。以下、本実施形態の変形例に係る位置制御装置２００において、本実施形態に係る位置制御装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【０１０１】
位置制御装置１００では、レーザー光の波長を変化させて得られる干渉光の干渉パターンに基づいて、光ファイバー干渉計２０の感度制御を行った。これに対し、位置制御装置２００では、戻り光の光路長を変化させて得られる干渉光の干渉パターンに基づいて、光ファイバー干渉計２０の感度制御を行うことができる。
【０１０２】
位置制御装置２００の光ファイバー干渉計２０は、光ファイバー２４の端面２５の位置を移動させるための光ファイバー駆動装置２１０を有している。この光ファイバー駆動装置２１０により光ファイバー２４の端面２５は、反射面２７との対向方向（反射面２７の垂線方向）に移動し、光ファイバー２４の端面２５と反射面２７との間の距離を変化させる。これにより、戻り光の光路長を変化させることができるため、戻り光の位相を制御でき、所望の干渉パターンを得ることができる。光ファイバー駆動装置２１０としては、例えば、ピエゾ素子を含んで構成される。ピエゾ素子は、電圧を印加することで、ナノメートル単位の位置制御が可能である。
【０１０３】
位置制御装置２００における距離感度制御工程について説明する。図８は、距離ｄに対する光ファイバー干渉計２０の信号強度を示すグラフである。
【０１０４】
ここで、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄがｄ０＋λ／２の位置であったと仮定する。この距離は、干渉パターンａの谷の位置であり、光ファイバー干渉計２０の距離感度は低い。そこで、光ファイバー２４の端面２５を、光ファイバー駆動装置２１０によって、反射面２７に向かってλ／８だけ移動させる。これにより、戻り光の位相が変化し干渉パターンａは、λ／８だけシフトして干渉パターンｂとなる。干渉パターンｂでは、ｄ０＋λ／２の位置が距離感度最適位置（干渉パターンの節）となり光ファイバー干渉計２０の距離感度が最大となる。このように、戻り光の光路長（位相）を制御することにより、光ファイバー干渉計２０の距離感度を制御できる。なお、この距離感度制御工程において、第２キャパシター電極１４の位置は、固定されている。距離感度制御工程は、例えば、第２制御回路３２によって行われる。
【０１０５】
位置制御装置２００によれば、位置制御装置１００と同様に、容易に光ファイバー干渉計の距離感度を高めることができる。
【０１０６】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１０７】
１ ステージ、２ 固定部材、３ 保護カバー、１０ 静電容量計測式位置センサー、
１１ 信号発生電源、１２ 第１キャパシター電極、１４ 第２キャパシター電極、
１６ 測定器、２０ 光ファイバー干渉計、２２ 光源、２２ａ 半導体レーザー、
２２ｂ レーザー波長制御部、２４ 光ファイバー、２５ 端面、２７ 反射面、
２６ 光ファイバー方向結合器、２８ 受光器、３０ 制御回路、
３１ 第１制御回路、３２ 第２制御回路、３４ 加算回路、
１００，２００ 位置制御装置、２１０ 光ファイバー駆動装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置制御装置および位置制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
静電容量計測式位置センサーを用いた位置制御装置は、すでに多くの商品が市場に存在している。例えば、特許文献１には、ディスクの主面との距離に応じて静電容量が変化する静電容量電極の静電容量の変化に応じて、ディスク主面と光学系の距離を一定に制御する位置制御装置を含むテクスチャ装置が記載されている。
【０００３】
静電容量計測式位置センサーでは、例えば、一定電圧を供給する電源に接続された発信電極をステージに固定し、その発信電極と対向するように信号検出電極を配置する。２つの電極間の距離をｄ、信号検出電極の面積をＳ、２つの電極間に充填された誘電体の誘電率をεとすると、２つの電極間で形成される静電容量Ｃは、下記式で与えられる。
【０００４】
【数１】
【０００５】
すなわち、２つの電極間の距離の変化は、２つの電極間の静電容量の変化として現れる。信号検出電極上には、距離ｄに依存して下記式に示す電荷が生じる。
【０００６】
【数２】
【０００７】
この電荷または回路を流れる電流値を測定器で測定することによって距離ｄに対する知見を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−３１４３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
静電容量計測式位置センサーは、距離ｄに対して出力信号の強度が反比例するため、出力信号の感度は、ｄ−２に比例する。したがって、距離ｄが短い場合には、距離ｄの変化に対して出力信号が大きく変化し、位置情報の読み取りに関する問題は少ない。しかしながら、距離ｄが長い場合には、距離ｄの変化に対して出力信号の変化は小さく、距離ｄの変化に対する感度は低い。感度改善のために、ステージに固定された発信電極に供給する電圧値を高くするなど、計測に必要とされる摂動を大きくすることも可能であるが、ステージに置かれた試料へ影響を与えてしまう場合があり、また、高電圧印加による放電が発生し制御回路の故障に繋がる懸念もある。
【００１０】
このように静電容量計測式位置センサーを用いた位置制御装置では、２つの電極間の距離ｄ、すなわち、基準位置と制御対象との間の距離によっては、高い精度で位置制御ができないという問題があった。特に、電子顕微鏡の試料ステージや集束イオンビームを用いた試料加工装置の試料ステージ等の位置制御を行う位置制御装置では、ミリメートルからナノメートルまでの広い距離範囲にわたり、ナノメートル単位の精度で位置制御できることが望まれている。
【００１１】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、距離に依存せずに高い精度で位置制御が可能な位置制御装置を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）本発明に係る位置制御装置は、
基準位置とステージとの間の距離を所望の距離に制御する位置制御装置であって、
前記ステージに形成された第１キャパシター電極と前記第１キャパシター電極と対向し前記基準位置に配置された第２キャパシター電極との間の静電容量に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第１情報を生成する第１情報生成手段と、
レーザー光を前記ステージに形成された反射面に照射し、前記反射面で反射された戻り光を参照光と干渉させて得られる干渉光の強度に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第２情報を生成する第２情報生成手段と、
前記第１情報を取得し、前記第１情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離と前記所望の距離との差が、所与の範囲に含まれるか否かを判定し、前記所与の範囲に含まれない場合には、前記差が前記所与の範囲に含まれるように前記ステージの位置を制御する第１位置制御処理を行う第１制御手段と、
前記差が前記所与の範囲に含まれる場合には、前記第２情報を取得し、前記第２情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離が前記所望の距離となるように前記ステージの位置を制御する第２位置制御処理を行う第２制御手段と、
を含む。
【００１３】
このような位置制御装置によれば、基準位置とステージとの間の距離と所望の距離との差が所与の範囲に含まれない場合には、第１位置制御処理を行い、基準位置とステージとの間の距離と所望の距離との差が所与の範囲に含まれる場合には、第２位置制御処理を行う。第１位置制御処理では、基準位置とステージとの間の距離を第２位置制御処理において距離を一義的に特定することが可能な距離範囲（所与の範囲）に含まれるように制御できる。当該距離範囲において、第２位置制御処理では、距離に依存せずに高い精度で基準位置とステージとの間の距離が所望の距離となるようにステージの位置を制御できる。したがって、このような位置制御装置によれば、距離に依存せずに高い精度でステージの位置制御ができる。
【００１４】
（２）本発明に係る位置制御装置において、
前記第２情報生成手段は、前記レーザー光の波長を変えることが可能な光源を有し、
前記第２制御手段は、前記レーザー光の波長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成手段の距離感度を制御してもよい。
【００１５】
このような位置制御装置によれば、レーザー光の波長を変化させて得られる干渉光の干渉パターンに基づいて、第２情報生成手段の距離感度を制御することができる。したがって、容易に第２情報生成手段の距離感度を高めることができる。
【００１６】
（３）本発明に係る位置制御装置において、
前記第２情報生成手段は、前記光源からの前記レーザー光を伝播させる光ファイバーを有し、
前記光ファイバーは、前記レーザー光を射出しかつ前記戻り光が入射する端面を有し、
前記端面の位置は、前記反射面と前記端面との間の前記戻り光の光路長を変化させるように、移動可能に形成され、
前記第２制御手段は、前記戻り光の光路長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成手段の距離感度を制御してもよい。
【００１７】
このような位置制御装置によれば、戻り光の光路長を変化させて得られる干渉光の干渉パターンに基づいて、第２情報生成手段の距離感度を制御することができる。したがって、容易に第２情報生成手段の距離感度を高めることができる。
【００１８】
（４）本発明に係る位置制御装置において、
前記反射面は、前記第１キャパシター電極の表面に形成され、
前記レーザー光は、前記第２キャパシター電極に形成された貫通孔を通過して前記反射面に照射されてもよい。
【００１９】
このような位置制御装置によれば、装置の小型化を図ることができる。
【００２０】
（５）本発明に係る位置制御装置において、
前記第１キャパシター電極には、交流電圧が供給されてもよい。
【００２１】
これにより、位相検波を行うことができるため、Ｓ／Ｎを向上できる。
【００２２】
（６）本発明に係る位置制御方法は、
基準位置とステージとの間の距離を所望の距離に制御する位置制御方法であって、
前記ステージに形成された第１キャパシター電極と前記第１キャパシター電極と対向し前記基準位置に配置された第２キャパシター電極との間の静電容量に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第１情報を生成する第１情報生成工程と、
レーザー光を前記ステージに形成された反射面に照射し、前記反射面で反射された戻り光を参照光と干渉させて得られる干渉光の強度に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第２情報を生成する第２情報生成工程と、
前記第１情報を取得し、前記第１情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離と前記所望の距離との差が、所与の範囲に含まれるか否かを判定し、前記所与の範囲に含まれない場合には、前記差が前記所与の範囲に含まれるように前記ステージの位置を制御する第１位置制御処理を行う第１制御工程と、
前記差が前記所与の範囲に含まれる場合には、前記第２情報を取得し、前記第２情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離が前記所望の距離となるように前記ステージの位置を制御する第２位置制御処理を行う第２制御工程と、
を含む。
【００２３】
このような位置制御方法によれば、基準位置とステージとの間の距離と所望の距離との差が所与の範囲に含まれない場合には、第１位置制御処理を行い、基準位置とステージとの間の距離と所望の距離との差が所与の範囲に含まれる場合には、第２位置制御処理を行う。第１位置制御処理では、基準位置とステージとの間の距離を第２位置制御処理において距離を一義的に特定することが可能な距離範囲（所与の範囲）に含まれるように制御できる。当該距離範囲において、第２位置制御処理では、距離に依存せずに高い精度で基準位置とステージとの間の距離が所望の距離となるようにステージの位置を制御できる。したがって、このような位置制御方法によれば、距離に依存せずに高い精度でステージの位置制御ができる。
【００２４】
なお、第１情報生成工程と第２情報生成工程を行う順序は、特に限定されず、例えば、同時に行われてもよい。また、第２情報生成工程が、第１制御工程の後に行われてもよい。
【００２５】
（７）本発明に係る位置制御方法において、
前記第１情報生成工程の前に、前記レーザー光の波長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成工程の距離感度を制御する距離感度制御工程をさらに含んでもよい。
【００２６】
このような位置制御方法によれば、レーザー光の波長を変化させて得られる干渉光の干渉パターンに基づいて、第２情報生成工程の距離感度を制御することができる。したがって、容易に第２情報生成工程の距離感度を高めることができる。
【００２７】
（８）本発明に係る位置制御方法において、
第１情報生成工程の前に、前記戻り光の光路長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成工程の距離感度を制御する感度制御工程をさらに含んでもよい。
【００２８】
このような位置制御方法によれば、戻り光の光路長を変化させて得られる干渉光の干渉パターンに基づいて、第２情報生成工程の距離感度を制御することができる。したがって、容易に第２情報生成工程の距離感度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態に係る位置制御装置の機能ブロック図。
【図２】本実施形態に係る位置制御装置を模式的に示す斜視図。
【図３】距離に対する静電容量計測式位置センサーの信号強度を示すグラフ。
【図４】距離に対する光ファイバー干渉計の信号強度を示すグラフ。
【図５】第２キャパシター電極および光ファイバーの端面を模式的に示す斜視図。
【図６】本実施形態に係る位置制御方法の一例を示すフローチャート。
【図７】本実施形態の変形例に係る位置制御装置の機能ブロック図。
【図８】距離に対する静電容量計測式位置センサーの信号強度を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００３１】
１． 位置制御装置
まず、本実施形態に係る位置制御装置について説明する。図１は、本実施形態に係る位置制御装置１００の機能ブロック図である。図２は、位置制御装置１００の静電容量計測式位置センサーおよび光ファイバー干渉計を模式的に示す斜視図である。位置制御装置１００は、基準位置Ｂとステージ１との間の距離を所望の距離に制御するための装置である。本実施形態では、位置制御装置１００が電子顕微鏡の試料ステージに適用された場合について説明する。なお、位置制御装置１００は、電子顕微鏡の試料ステージに限られず、同様の精度で位置制御される装置に適用が可能である。
【００３２】
位置制御装置１００は、図１に示すように、静電容量計測式位置センサー（第１情報生成手段）１０と、光ファイバー干渉計（第２情報生成手段）２０と、制御回路３０と、を含む。
【００３３】
静電容量計測式位置センサー１０は、図１に示すように、信号発生電源１１と、第１キャパシター電極１２と、第２キャパシター電極１４と、測定器１６と、を含む。静電容量計測式位置センサー１０は、ステージ１に形成された第１キャパシター電極１２と第１キャパシター電極１２と対向し基準位置Ｂに配置された第２キャパシター電極１４との間の静電容量に基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを特定するための第１情報を生成する。ここで、基準位置Ｂとは、ステージ１の位置制御の基準となる位置である。
【００３４】
信号発生電源１１は、一定交流電圧を第１キャパシター電極１２に供給する。なお、信号発生電源１１は、直流電圧を第１キャパシター電極１２に供給してもよい。
【００３５】
第１キャパシター電極１２は、ステージ１の上面に形成（固定）されている。第１キャパシター電極１２には、信号発生電源１１から一定交流電圧が供給される。
【００３６】
第２キャパシター電極１４は、第１キャパシター電極１２と対向（対面）し、基準位置Ｂに配置されている。
【００３７】
なお、本実施形態では、２つの電極１２，１４間の距離は、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄと一致しているものとして説明する。
【００３８】
２つの電極１２，１４間の距離をｄ、第２キャパシター電極１４の面積をＳ、２つの電極１２，１４間に充填された誘電体の誘電率をεとすると、２つの電極１２，１４間で形成される静電容量Ｃは、下記式（１）で与えられる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
すなわち、２つの電極１２，１４間の距離ｄの変化は、２つの電極１２，１４間の静電容量の変化として現れる。第２キャパシター電極１４上には、距離ｄに依存して、下記式（２）に示す電荷Ｑが生じる。
【００４１】
【数２】
【００４２】
ここで、Ｖは、２つの電極１２，１４間の電位差である。この電荷または回路を流れる電流値を測定器１６で測定することによって２つの電極１２，１４間の距離ｄに対する知見を得ることができる。
【００４３】
測定器１６は、電荷または回路を流れる電流値を基づいて距離ｄを特定するための信号（第１情報）を生成する。
【００４４】
図３は、距離ｄに対する静電容量計測式位置センサー１０の信号強度を示すグラフである。図３に示すグラフは、式（２）から算出したものである。図３に示すように、信号強度（第１情報）は、距離ｄと1対1に対応するため、信号強度（第１情報）から距離ｄを一義的に特定することができる。
【００４５】
光ファイバー干渉計２０は、光源２２と、光ファイバー２４と、光ファイバー方向結合器２６と、受光器２８と、を含む。光ファイバー干渉計２０は、レーザー光をステージ１に形成された反射面２７に照射し、反射面２７で反射された戻り光を参照光と干渉させて得られる干渉光の強度に基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離を特定するための第２情報を生成する。
【００４６】
光源２２は、半導体レーザー２２ａと、レーザー波長制御部２２ｂと、を有する。半導体レーザー２２ａは、単一波長λを持つレーザー光を発生させる。レーザー波長制御部２２ｂは、半導体レーザー２２ａが発生させるレーザー光の波長λを任意の波長に変えることができる。レーザー波長制御部２２ｂは、例えば、温度制御用センサーとペルチエ素子とを有しており、これらによって半導体レーザー２２ａの温度を制御することで、半導体レーザー２２ａが発生させるレーザー光の波長λを制御することができる。
【００４７】
光ファイバー２４は、光源２２からのレーザー光を伝播させることができる。光ファイバー２４は、光源２２と結合され、光ファイバー方向結合器（２×１方向結合器）２６を介して、端面２５から光源２２で発生したレーザー光を反射面２７に照射する。光ファイバー２４の端面２５は、反射面２７に対して対向（対面）して配置されている。光ファイバー２４の端面２５は、レーザー光を射出する面であり、かつ反射面２７で反射されて光ファイバー２４に戻るレーザー光（戻り光）が入射する面である。光ファイバー２４の端面２５は、図１の例では、基準位置Ｂに位置している。本実施形態では、光ファイバー２４の端面２５と反射面２７との間の距離は、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄと一致しているものとして説明する。
【００４８】
光ファイバー２４には、光ファイバー２４の端面２５から射出されずに端面２５で反射されて光ファイバー２４を戻る光成分（参照光）と、端面２５から射出され反射面２７で反射されて再び光ファイバー２４に戻る光成分（戻り光）と、を有する干渉光が生成される。参照光と戻り光との間には、光ファイバー２４の端面２５と反射面２７との距離ｄの２倍の距離に相当する位相差４πｄ／λが生じる。仮に光ファイバー２４の端面２５で光多重反射が存在しない場合には、受光器２８で検出される干渉光の強度Ｉは、距離ｄに対して下記式（３）で与えられる。
【００４９】
【数３】
【００５０】
ここで、Ｉ０は、ＤＣ成分である。光ファイバー干渉計２０は、単一波長であって可干渉性を有するレーザー光を用いているため、高い精度で距離ｄを測定することができる。
【００５１】
受光器２８は、干渉光の強度Ｉに基づいて距離ｄを特定するための信号（第２情報）を生成する。
【００５２】
図４は、距離ｄに対する光ファイバー干渉計２０の信号強度（干渉光の干渉パターン）を示すグラフである。図４に示すグラフは、式（３）から算出したものである。図４に示すように、干渉パターンは、距離ｄに対してλ／２の周期で変化している。したがって、距離ｄを一義的に特定する信号（第２情報）を得るためには、信号強度の最大値と最小値を含むλ／４の距離範囲で測定が行わなければならない。
【００５３】
制御回路３０は、第１制御回路（第１制御手段）３１と、第２制御回路（第２制御手段）３２と、加算回路３４と、を有している。
【００５４】
第１制御回路３１は、測定器１６から出力された第１情報を取得し、第１情報から特定される基準位置Ｂとステージ１との間の距離と所望の距離との差が、所与の範囲に含まれるか否かを判定し、所与の範囲に含まれない場合には、当該差が所与の範囲に含まれるようにステージ１の位置を制御する。
【００５５】
第２制御回路３２は、第１情報から特定される距離ｄと所望の距離との差が所与の範囲に含まれる場合には、受光器２８から出力された第２情報を取得し、第２情報から特定される基準位置Ｂとステージ１との間の距離に基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離が所望の距離となるようにステージ１の位置を制御する。
【００５６】
なお、制御回路３０（第１制御回路３１、第２制御回路３２、加算回路３４）の詳細については後述する。
【００５７】
図２に示すように、静電容量計測式位置センサー１０の第１キャパシター電極１２は、ステージ１の上面上に形成されている。図示の例では、第１キャパシター電極１２の表面が反射面２７である。反射面２７は、光ファイバー２４の端面２５と対向していれば、その位置は特に限定されない。位置制御装置１００では、ステージ１は、電子顕微鏡の試料ステージとして機能する。
【００５８】
静電容量計測式位置センサー１０の第２キャパシター電極１４および光ファイバー２４の端面２５は、保護カバー３を介して固定部材２によって基準位置Ｂに固定されている。第２キャパシター電極１４および光ファイバー２４は、保護カバー３によって保護されている。保護カバー３は、電気的にアース電位となることが望ましい。また、光ファイバー２４の端面２５は、帯電を防止するために数ｎｍの厚さの金属膜で金属コートされている。
【００５９】
図５は、第２キャパシター電極１４および光ファイバー２４の端面２５を模式的に示す斜視図である。なお、便宜上、保護カバー３は図示しない。図５に示すように、第２キャパシター電極１４および光ファイバー２４の端面２５の周囲には、絶縁部材４が形成されている。これにより、第２キャパシター電極１４および光ファイバー２４の端面２５を保護することができる。絶縁部材４の下面（ステージ１と対向する面）は、第２キャパシター電極１４の下面（ステージ１と対向する面）よりも下側（ステージ１側）に位置している。これにより、第２キャパシター電極１４が、第１キャパシター電極１２と接触することを防ぐことができる。第２キャパシター電極１４は、ケーブル１５を介して、測定器１６に接続されている。また、第２キャパシター電極１４には、貫通孔が形成されており、レーザー光は、当該貫通孔を通過して反射面２７に照射されてもよい。
【００６０】
図示の例では、ステージ１に対して位置制御装置１００が１つ設けられているが、ステージ１に対して位置制御装置を３つ設けることで、３軸方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）に対してステージ１の位置制御を行ってもよい。
【００６１】
２． 位置制御方法
次に、本実施形態に係る位置制御方法について説明する。具体的には、基準位置Ｂとステージ１との間の距離を所望の距離に制御する制御方法について説明する。以下、図１に示す位置制御装置１００を参照しながら説明する。
【００６２】
まず、静電容量計測式センサー１０の校正について説明する。
【００６３】
静電容量計測式位置センサーは、構成部品のバラツキなどによって測定器で取得した電圧に対する距離絶対値がそれぞれのシステムに固有のものとなる可能性がある。そこで、事前に静電容量計測式位置センサー１０を校正するための校正表を作成する。一度校正表を作成すればその構成部品を交換しない限り、または、時間経過などによる劣化の影響を考慮しない限り、使用し続けることができる。
【００６４】
校正表は測定電圧に対する距離情報を表にした離散的数値の集合である。そのため、測定された電圧が表中の数値と一致しない場合には、補間法による近似式などを採用することとする。具体的には、２つの電極１２，１４間の距離ｄcapに対し測定電圧Ｖcapobsは以下の式（４）で再現できる。
【００６５】
【数４】
【００６６】
ここで、Ａ、ｄcapoffset、Ｖcapoffsetは測定されたデータを式（４）にフィットさせるためのパラメータである。式（４）は下記式（５）に変換可能である。
【００６７】
【数５】
【００６８】
すなわち、校正を実施することで、測定された電圧Ｖca pobsから現在の２つの電極１２，１４間の距離を推測することが可能となる。
【００６９】
このようにして得られた校正表を制御回路３０（第１制御回路３１）に記録させておき、ステージ１の制御工程中にその校正表を参照できるようにする。
【００７０】
また、制御回路３０を用いて制御を行う前に静電容量計測式位置センサー１０によって現在の基準位置Ｂとステージ１の間の距離ｄの測定を行う。本制御例では、この時点での基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを所望の距離として、ステージ１の位置を維持する制御を行う。ここで、静電容量計測式位置センサー１０の出力電圧をＶcapobs、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを所望の距離としたときの静電容量計測式位置センサー１０の出力電圧（以下「制御基準電圧」ともいう）をＶcaptarget、制御基準電圧Ｖcaptargetを使って式（５）から算出された制御基準位置をｄcaptarget、ステージ１を制御するための制御電圧をＶcapregとする。この時点では、Ｖcapobs＝Ｖcaptargetである。
【００７１】
次に、光ファイバー干渉計２０の校正（感度制御）について説明する。光ファイバー干渉計２０の感度制御は、例えば、光源２２のレーザー光の波長を変化させて得られる干渉光の干渉パターン（図４参照）に基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄが所望の距離であるときに、光ファイバー干渉計２０の距離感度が最大となるように行われる（距離感度制御工程）。この距離感度制御工程は、例えば、第２制御回路３２によって行われる。
【００７２】
具体的には、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを所望の距離とし、図１のレーザー波長制御部２２ｂに制御コンピューター（図示しない）から指令を送りレーザー光の波長を更新する。その時の受光器２８の出力値、具体的には電圧値Ｖoptobsを逐次記録する。この作業を繰り返して図４に示される干渉光の干渉パターンを測定する。図４では２周期の干渉パターンを例として表示しているが、本校正においては干渉パターンに信号強度Ｉの最小値と最大値がそれぞれ一箇所含まれていればよい。
【００７３】
このようにして得られた干渉光の干渉パターンから、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを所望の距離としたときに、信号強度Ｉが干渉パターンの節（最小値と最大値の中間地点）の値をとるレーザー光の波長を求める。このレーザー光の波長は、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを所望の距離としたときに、光ファイバー干渉計２０の距離感度が最大となる波長、すなわち、距離ｄの変化に対して受光器２８で検出される信号強度Ｉの変化量が最大となる波長である。光ファイバー干渉計２０では、このようにして得られたレーザー光の波長（距離感度最適波長）を用いて距離ｄの測定を行う。
【００７４】
ここで、距離感度最適波長について詳細に説明する。図４に示す干渉光の干渉パターンにおいて、距離ｄの変化に対する信号強度Ｉの変化量が最も大きい場所は、信号強度Ｉの距離ｄに対する微分が最大となるところであり、干渉パターンの節の位置（距離感度最適位置）である。一般に、光ファイバー干渉計の距離感度は、図４で示すような干渉光の干渉パターンを測定しておけば、いかなる距離ｄにおいても下記式（６）で与えられる。
【００７５】
【数６】
【００７６】
したがって、４πｄ／λがπ／２の偶数倍の時には感度がゼロになってしまう。これは、図４の干渉パターンにおいて山または谷の位置に相当し、距離ｄの変化に対する信号強度の変化が小さくなることに起因するが、この問題はレーザー波長を変えることで回避できる。距離ｄを所望の距離としたときに、信号強度Ｉが距離感度最適位置と一致していない場合（例えば、４πｄ／λがπ／２の偶数倍となる場合）には、レーザー光の波長を変えることで信号強度Ｉを距離感度最適位置と一致させることができ、距離感度を最適化することができる。この基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを所望の距離としたときに距離感度が最大となるレーザー光の波長が距離感度最適波長である。
【００７７】
制御回路３０の第２制御回路３２は、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄが所望の距離であって、レーザー光の波長を距離感度最適波長としたときの受光器２８の出力電圧を記録する。この出力電圧を制御基準電圧Ｖopttargetとする。なお、干渉光の干渉パターンにおいて、光強度Ｉの最大値と最小値の間隔は、レーザー光の波長をλとしてλ／４となる（図４参照）。したがって、距離感度最適位置を中心に±λ／８離れた位置が光強度Ｉの最大値と最小値を示す。
【００７８】
なお、光ファイバー干渉計２０の校正は、可能な限り短時間で完了することが望ましい。仮にユーザーが静電容量計測式位置センサー１０を使って設定したステージ位置ｄcaptargetが光ファイバー干渉計２０の校正中に位置が大きくドリフトしてしまうと、光ファイバー干渉計２０で評価した干渉光の干渉パターンがレーザー波長だけでなく実際の距離ｄの変化も含むことになり、ユーザーの希望位置とは異なるステージ位置で制御してしまう可能性が発生する。
【００７９】
図６は、本実施形態に係る位置制御方法の一例を示すフローチャートである。以下、図１に示す位置制御装置および図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００８０】
まず、第１キャパシター電極１２と第２キャパシター電極１４との間の静電容量に基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを特定するための第１情報を生成する（第１情報生成工程Ｓ１０）。第１情報生成工程Ｓ１０は、静電容量計測式位置センサー１０によって行われる。第１情報は、測定器１６で測定された電圧Ｖcapobsである。
【００８１】
次に、レーザー光を反射面２７に照射し、反射面２７で反射された戻り光を参照光と干渉させて得られる干渉光の光強度に基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄを特定するための第２情報を生成する（第２情報生成工程Ｓ１１）。第２情報生成工程Ｓ１１は、光ファイバー干渉計２０によって行われる。第２情報は、受光器２８で検出された電圧Ｖoptobsである。
【００８２】
なお、工程Ｓ１０と工程Ｓ１１の順序は特に限定されず、工程Ｓ１０と工程Ｓ１１を同時に行ってもよいし、工程Ｓ１１を工程Ｓ１０の前に行ってもよい。また、工程Ｓ１１は、後述する工程Ｓ１２で所与の範囲に含まれると判定された後（工程Ｓ１３でＹｅｓの場合）、工程Ｓ１５を行う前に行ってもよい。
【００８３】
次に、第１制御回路３１によって、第１情報を取得し、第１情報から特定される基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄcapobsと所望の距離（制御基準電圧）ｄcaptargetとの差が所与の範囲に含まれるか否かを判定する（判定工程Ｓ１２）。具体的には、第１制御回路３１は、新たに取得したＶcapobsを使って式（５）から距離ｄcapobsを求め、｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜が所与の範囲に含まれるか否かを判定する。ここで、所与の範囲として、例えば、λ／８を用いる。｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜がλ／８以下の場合、基準位置Ｂとステージ１との距離ｄが、図４に示す干渉光の干渉パターンにおいて、距離感度最適位置を中心とした±λ／８（λ／４）の範囲に含まれる。すなわち、光ファイバー干渉計２０で一義的に距離ｄを決定できる。｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜がλ／８より大きい場合、図４に示す干渉光の干渉パターンにおいて、距離感度最適位置を中心とした±λ／８（λ／４）の範囲に含まれない。すなわち、光ファイバー干渉計２０で一義的に距離ｄを決定できない。
【００８４】
判定工程Ｓ１２の結果、基準位置Ｂとステージ１との間の距離と所望の距離との差が所与の範囲に含まれない場合（工程Ｓ１３でＮｏの場合）、すなわち、｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜がλ／８より大きい場合、第１制御回路３１によって、第１情報から特定される基準位置Ｂとステージ１との間の距離との差｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜が所与の範囲λ／８に含まれるようにステージ１の位置を制御する第１位置制御処理を行う（第１制御工程Ｓ１４）。
【００８５】
具体的には、第１制御回路３１は、第１情報から特定される距離ｄcapobsから（ｄcapobs−ｄcaptarget）に比例する制御電圧補正値ΔＶcapreg＝（ｄcapobs−ｄcaptarget）×Ａcapを計算し、ステージ１に供給される制御電圧Ｖcapregを、Ｖcapreg＝Ｖcapreg＋ΔＶcapregで更新する。更新された制御電圧Ｖcapregは、加算回路３４に供給され、第２制御回路３２から供給される制御電圧Ｖoptregと加算され、得られた制御電圧Ｖreg＝Ｖcapreg＋Ｖoptregがステージ１へ供給される。工程Ｓ１３では、制御電圧Ｖreg＝Ｖcapreg＋Ｖoptregのうち制御電圧Ｖoptregは更新されず、制御電圧Ｖcapregのみが更新される。
【００８６】
ステージ１は、例えば、図示しない駆動装置を有し、駆動装置は供給された制御電圧Ｖregに応じてステージ１の位置を移動させる。
【００８７】
第１制御工程Ｓ１４の後、工程Ｓ１０に戻り、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄと所望の距離との差｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜が所与の範囲λ／８に含まれるまで、工程Ｓ１０、工程Ｓ１１、工程Ｓ１２、工程Ｓ１３、工程Ｓ１４を繰り返す。
【００８８】
判定工程Ｓ１２の結果、基準位置Ｂとステージ１との間の距離と所望の距離との差が所与の範囲に含まれる場合（工程Ｓ１３でＹｅｓの場合）、すなわち、｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜がλ／８以下の場合、第２制御回路３２によって、第２情報を取得し、第２情報から特定される基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄoptobsに基づいて、基準位置Ｂとステージ１との間の距離が所望の距離となるようにステージ１の位置を制御する第２位置制御処理を行う（第２制御工程Ｓ１５）。
【００８９】
ここで、上述した光ファイバー干渉計２０の校正が終了した直後では、例えば、制御電圧Ｖoptreg＝０Ｖであり、ｄopttarget＝０ｍである。第２制御工程Ｓ１５では、受光器２８の出力電圧Ｖoptobsを取得し、（Ｖoptobs−Ｖopttarget）に比例する制御電圧補正値ΔＶoptreg＝sgn（Ｖoptobs−Ｖopttarget）×Ａoptを計算した後に、ＶoptregをＶoptreg＝Ｖoptreg＋ΔＶoptregで更新する。なお、Ａoptは、第２制御回路３２内の変換係数である。また、sgnは、距離感度制御工程において、干渉パターンの解析を通して決定される。具体的には、干渉パターンには、図４に示すように、１周期に距離感度最適位置が２つあり、この２つの位置では、距離ｄの変化に対する信号強度の変化の符号（信号強度の増減）が互いに逆である。そのため、距離感度最適位置から距離ｄを増加させたときに信号強度が増加する場合、sgnをプラスとし、距離感度最適位置から距離ｄを増加させたときに信号強度が減少する場合、sgnをマイナスとする。更新された制御電圧Ｖoptregは、加算回路３４に供給され、第１制御回路３１から供給される制御電圧Ｖcapregと加算され、得られた制御電圧Ｖreg＝Ｖcapreg＋Ｖoptregがステージ１へ供給される。工程Ｓ１５では、制御電圧Ｖreg＝Ｖcapreg＋Ｖoptregのうち制御電圧Ｖcapregは更新されず、制御電圧Ｖoptregのみが更新される。ステージ１は、駆動装置によって制御電圧Ｖregに応じた位置に移動する。
【００９０】
なお、光干渉計を使った距離測定における距離感度最適位置での感度Sensitivityoptは、レーザー光の波長λを使って以下の式で与えられる。
【００９１】
【数７】
【００９２】
式（７）を使えば、（Ｖoptobs−Ｖopttarget）から、ｄopttar getからずれた距離の絶対値を算出することができるので、式（７）で得られて距離情報を基にＶoptregを計算してもよい。その場合には、ΔＶoptregを計算する式の比例係数Ａoptが変更されるが、通常は距離に変換する必要はなく、測定電圧を使った（Ｖoptobs−Ｖopttarget）を評価するだけでよい。
【００９３】
工程Ｓ１５の後、ステージ１の位置制御を継続する場合（工程Ｓ１６でＮｏの場合）、工程Ｓ１０に戻り、上述した工程Ｓ１０〜Ｓ１６を繰り返す。
【００９４】
工程Ｓ１５の後、ステージ１の位置制御を終了する場合（工程Ｓ１６でＹｅｓの場合）、処理は終了する。
【００９５】
本実施形態によれば、基準位置Ｂとステージ１との間の距離と所望の距離との差｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜が所与の範囲λ／８に含まれない場合には、第１位置制御処理を行い、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄと所望の距離との差｜ｄcapobs−ｄcaptarget｜が所与の範囲λ／８に含まれる場合には、第２位置制御処理を行うことができる。第１位置制御処理では、基準位置Ｂとステージ１との間の距離を第２位置制御処理において距離を一義的に特定することが可能な距離範囲λ／８に含まれるように制御できる。当該距離範囲において、第２位置制御処理では、距離に依存せずに高い精度で基準位置Ｂとステージ１との間の距離が所望の距離となるようにステージ１の位置を制御できる。したがって、本実施形態によれば、距離に依存せずに高い精度でステージの位置制御ができる。そのため、本実施形態に係る位置制御装置は、例えば、ナノメートル単位の精度で位置制御を要求される電子顕微鏡や試料加工装置の試料ステージの位置制御に用いることができる。
【００９６】
本実施形態によれば、静電容量計測式位置センサー１０は、基準位置Ｂとステージ１との間の距離を光ファイバー干渉計２０が距離を一義的に特定することが可能な距離範囲まで制御すればよいので、高い距離感度を必要としない。したがって、第１キャパシター電極１２に高電圧を印加する必要がなく、例えば、第１キャパシター電極１２に高電圧を印加することによるステージ１上の試料への影響や、放電により制御回路が故障することを防止することができる。
【００９７】
本実施形態によれば、干渉光の干渉パターンに基づいて、光ファイバー干渉計２０の距離感度を制御することができる。したがって、容易に光ファイバー干渉計の距離感度を高めることができる。
【００９８】
本実施形態に係る位置制御装置によれば、反射面２７が、第１キャパシター電極１２の表面に形成され、光ファイバー２４の端面２５から射出されるレーザー光は、第２キャパシター電極１４に形成された貫通孔を通過して、反射面２７に照射される。これにより、装置の小型化を図ることができる。
【００９９】
本実施形態に係る位置制御装置によれば、第１キャパシター電極１２には、交流電圧が供給される。これにより、測定器１６において位相検波を行うことができるので、Ｓ／Ｎを向上できる。
【０１００】
３． 変形例
次に、本実施形態に係る位置制御装置の変形例について説明する。図７は、本実施形態の変形例に係る位置制御装置２００の機能ブロック図である。以下、本実施形態の変形例に係る位置制御装置２００において、本実施形態に係る位置制御装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【０１０１】
位置制御装置１００では、レーザー光の波長を変化させて得られる干渉光の干渉パターンに基づいて、光ファイバー干渉計２０の感度制御を行った。これに対し、位置制御装置２００では、戻り光の光路長を変化させて得られる干渉光の干渉パターンに基づいて、光ファイバー干渉計２０の感度制御を行うことができる。
【０１０２】
位置制御装置２００の光ファイバー干渉計２０は、光ファイバー２４の端面２５の位置を移動させるための光ファイバー駆動装置２１０を有している。この光ファイバー駆動装置２１０により光ファイバー２４の端面２５は、反射面２７との対向方向（反射面２７の垂線方向）に移動し、光ファイバー２４の端面２５と反射面２７との間の距離を変化させる。これにより、戻り光の光路長を変化させることができるため、戻り光の位相を制御でき、所望の干渉パターンを得ることができる。光ファイバー駆動装置２１０としては、例えば、ピエゾ素子を含んで構成される。ピエゾ素子は、電圧を印加することで、ナノメートル単位の位置制御が可能である。
【０１０３】
位置制御装置２００における距離感度制御工程について説明する。図８は、距離ｄに対する光ファイバー干渉計２０の信号強度を示すグラフである。
【０１０４】
ここで、基準位置Ｂとステージ１との間の距離ｄがｄ０＋λ／２の位置であったと仮定する。この距離は、干渉パターンａの谷の位置であり、光ファイバー干渉計２０の距離感度は低い。そこで、光ファイバー２４の端面２５を、光ファイバー駆動装置２１０によって、反射面２７に向かってλ／８だけ移動させる。これにより、戻り光の位相が変化し干渉パターンａは、λ／８だけシフトして干渉パターンｂとなる。干渉パターンｂでは、ｄ０＋λ／２の位置が距離感度最適位置（干渉パターンの節）となり光ファイバー干渉計２０の距離感度が最大となる。このように、戻り光の光路長（位相）を制御することにより、光ファイバー干渉計２０の距離感度を制御できる。なお、この距離感度制御工程において、第２キャパシター電極１４の位置は、固定されている。距離感度制御工程は、例えば、第２制御回路３２によって行われる。
【０１０５】
位置制御装置２００によれば、位置制御装置１００と同様に、容易に光ファイバー干渉計の距離感度を高めることができる。
【０１０６】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１０７】
１ ステージ、２ 固定部材、３ 保護カバー、１０ 静電容量計測式位置センサー、
１１ 信号発生電源、１２ 第１キャパシター電極、１４ 第２キャパシター電極、
１６ 測定器、２０ 光ファイバー干渉計、２２ 光源、２２ａ 半導体レーザー、
２２ｂ レーザー波長制御部、２４ 光ファイバー、２５ 端面、２７ 反射面、
２６ 光ファイバー方向結合器、２８ 受光器、３０ 制御回路、
３１ 第１制御回路、３２ 第２制御回路、３４ 加算回路、
１００，２００ 位置制御装置、２１０ 光ファイバー駆動装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準位置とステージとの間の距離を所望の距離に制御する位置制御装置であって、
前記ステージに形成された第１キャパシター電極と前記第１キャパシター電極と対向し前記基準位置に配置された第２キャパシター電極との間の静電容量に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第１情報を生成する第１情報生成手段と、
レーザー光を前記ステージに形成された反射面に照射し、前記反射面で反射された戻り光を参照光と干渉させて得られる干渉光の強度に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第２情報を生成する第２情報生成手段と、
前記第１情報を取得し、前記第１情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離と前記所望の距離との差が、所与の範囲に含まれるか否かを判定し、前記所与の範囲に含まれない場合には、前記差が前記所与の範囲に含まれるように前記ステージの位置を制御する第１位置制御処理を行う第１制御手段と、
前記差が前記所与の範囲に含まれる場合には、前記第２情報を取得し、前記第２情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離が前記所望の距離となるように前記ステージの位置を制御する第２位置制御処理を行う第２制御手段と、
を含む、位置制御装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２情報生成手段は、前記レーザー光の波長を変えることが可能な光源を有し、
前記第２制御手段は、前記レーザー光の波長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成手段の距離感度を制御する、位置制御装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記第２情報生成手段は、前記光源からの前記レーザー光を伝播させる光ファイバーを有し、
前記光ファイバーは、前記レーザー光を射出しかつ前記戻り光が入射する端面を有し、
前記端面の位置は、前記反射面と前記端面との間の前記戻り光の光路長を変化させるように、移動可能に形成され、
前記第２制御手段は、前記戻り光の光路長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成手段の距離感度を制御する、位置制御装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記反射面は、前記第１キャパシター電極の表面に形成され、
前記レーザー光は、前記第２キャパシター電極に形成された貫通孔を通過して前記反射面に照射される、位置制御装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記第１キャパシター電極には、交流電圧が供給される、位置制御装置。
【請求項６】
基準位置とステージとの間の距離を所望の距離に制御する位置制御方法であって、
前記ステージに形成された第１キャパシター電極と前記第１キャパシター電極と対向し前記基準位置に配置された第２キャパシター電極との間の静電容量に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第１情報を生成する第１情報生成工程と、
レーザー光を前記ステージに形成された反射面に照射し、前記反射面で反射された戻り光を参照光と干渉させて得られる干渉光の強度に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第２情報を生成する第２情報生成工程と、
前記第１情報を取得し、前記第１情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離と前記所望の距離との差が、所与の範囲に含まれるか否かを判定し、前記所与の範囲に含まれない場合には、前記差が前記所与の範囲に含まれるように前記ステージの位置を制御する第１位置制御処理を行う第１制御工程と、
前記差が前記所与の範囲に含まれる場合には、前記第２情報を取得し、前記第２情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離が前記所望の距離となるように前記ステージの位置を制御する第２位置制御処理を行う第２制御工程と、
を含む、位置制御方法。
【請求項７】
請求項６において、
前記第１情報生成工程の前に、前記レーザー光の波長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成工程の距離感度を制御する距離感度制御工程をさらに含む、位置制御方法。
【請求項８】
請求項６または７において、
第１情報生成工程の前に、前記戻り光の光路長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成工程の距離感度を制御する感度制御工程をさらに含む、位置制御方法。
【請求項１】
基準位置とステージとの間の距離を所望の距離に制御する位置制御装置であって、
前記ステージに形成された第１キャパシター電極と前記第１キャパシター電極と対向し前記基準位置に配置された第２キャパシター電極との間の静電容量に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第１情報を生成する第１情報生成手段と、
レーザー光を前記ステージに形成された反射面に照射し、前記反射面で反射された戻り光を参照光と干渉させて得られる干渉光の強度に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第２情報を生成する第２情報生成手段と、
前記第１情報を取得し、前記第１情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離と前記所望の距離との差が、所与の範囲に含まれるか否かを判定し、前記所与の範囲に含まれない場合には、前記差が前記所与の範囲に含まれるように前記ステージの位置を制御する第１位置制御処理を行う第１制御手段と、
前記差が前記所与の範囲に含まれる場合には、前記第２情報を取得し、前記第２情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離が前記所望の距離となるように前記ステージの位置を制御する第２位置制御処理を行う第２制御手段と、
を含む、位置制御装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２情報生成手段は、前記レーザー光の波長を変えることが可能な光源を有し、
前記第２制御手段は、前記レーザー光の波長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成手段の距離感度を制御する、位置制御装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記第２情報生成手段は、前記光源からの前記レーザー光を伝播させる光ファイバーを有し、
前記光ファイバーは、前記レーザー光を射出しかつ前記戻り光が入射する端面を有し、
前記端面の位置は、前記反射面と前記端面との間の前記戻り光の光路長を変化させるように、移動可能に形成され、
前記第２制御手段は、前記戻り光の光路長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成手段の距離感度を制御する、位置制御装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記反射面は、前記第１キャパシター電極の表面に形成され、
前記レーザー光は、前記第２キャパシター電極に形成された貫通孔を通過して前記反射面に照射される、位置制御装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記第１キャパシター電極には、交流電圧が供給される、位置制御装置。
【請求項６】
基準位置とステージとの間の距離を所望の距離に制御する位置制御方法であって、
前記ステージに形成された第１キャパシター電極と前記第１キャパシター電極と対向し前記基準位置に配置された第２キャパシター電極との間の静電容量に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第１情報を生成する第１情報生成工程と、
レーザー光を前記ステージに形成された反射面に照射し、前記反射面で反射された戻り光を参照光と干渉させて得られる干渉光の強度に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離を特定するための第２情報を生成する第２情報生成工程と、
前記第１情報を取得し、前記第１情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離と前記所望の距離との差が、所与の範囲に含まれるか否かを判定し、前記所与の範囲に含まれない場合には、前記差が前記所与の範囲に含まれるように前記ステージの位置を制御する第１位置制御処理を行う第１制御工程と、
前記差が前記所与の範囲に含まれる場合には、前記第２情報を取得し、前記第２情報から特定される前記基準位置と前記ステージとの間の距離に基づいて、前記基準位置と前記ステージとの間の距離が前記所望の距離となるように前記ステージの位置を制御する第２位置制御処理を行う第２制御工程と、
を含む、位置制御方法。
【請求項７】
請求項６において、
前記第１情報生成工程の前に、前記レーザー光の波長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成工程の距離感度を制御する距離感度制御工程をさらに含む、位置制御方法。
【請求項８】
請求項６または７において、
第１情報生成工程の前に、前記戻り光の光路長を変化させて得られる前記干渉光の干渉パターンに基づいて、前記所望の距離における前記第２情報生成工程の距離感度を制御する感度制御工程をさらに含む、位置制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−３８１３９（Ｐ２０１２−３８１３９Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７８５２７（Ｐ２０１０−１７８５２７）
【出願日】平成２２年８月９日（２０１０．８．９）
【出願人】（０００００４２７１）日本電子株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月９日（２０１０．８．９）
【出願人】（０００００４２７１）日本電子株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]