JP2000306981A - 反力キャンセラー及び重量キャンセラー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子線等の電荷を持つ粒子線を使う装置内で
は、マグネットのように磁場を発生させる反力キャンセ
ラーを用いることは好ましくない。 【解決手段】てこと、該てこを弾性体で支えることによ
って、てこに与えられる力を支える反力キャンセラーで
あって、前記てこに与えられる前記力の方向に該てこの
変位をとり、この変位が大きくなるに従い、前記弾性体
が前記てこに与えるモーメントに対し、前記力が前記て
こに与えるモーメントが大きくなるように前記てこ及び
弾性体が構成されることを特徴とする反力キャンセラ
ー。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、ステージ
の上下動の駆動を行う際に用いられる重量キャンセラー
及び反力キャンセラーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体ウエハーの大型化に伴い、
ウエハーステージが大型化している。そのため特に、ウ
エハーステージのオートフォーカスやレベリングのため
の上下動に大きな発生力の駆動素子が必要となってきて
いる。大きな重量のステージの全重量を、前記駆動素子
にて支えるのは効率が悪い。そのため、ステージの駆動
は図１１の様な装置で行われている。図１１では、Ｘ，
Ｙステージ９５上でステージ９３を上下方向（Ｚ方向）
に移動させるために、ボイスコイルモーター等の駆動素
子９２、バネ９１、マグネット９４を用いている。バネ
９１はステージの重量の大部分を支えることによってス
テージを釣り合わせる。その釣り合いの位置からステー
ジを上下動させるときのみ、駆動素子９２を駆動する。
その際、ステージの重量を支えるバネ９１が堅いため、
釣り合いの位置からステージ９３を上下に駆動させる
と、バネ９１が大きな反力を発生する。駆動素子９２に
ステージを上下させる力以外にこのバネ９１を変形させ
る（反力を打ち消す）力をも発生させることは効率的で
はない。

【０００３】そこで従来の装置では、マグネット９４を
使いこのバネを変形させる力をキャンセルさせている。
図１１に示すように１組のマグネット９４によりステー
ジを上側にある程度の力で引き上げておく。このマグネ
ット９４とバネ９１によりステージを支え、その釣り合
いの位置から上下に動かす場合に、駆動素子の力を使
う。こうすると例えばステージ９３を上に駆動した場
合、バネ９１は下向きに強い反力を発生するが、同時に
マグネット９４の間隔が小さくなり、マグネット９４は
上向きの力を増す。つまり、バネ９１は変位が大きくな
ると力が大きくなる正のバネ定数を持つが、マグネット
９４は逆に変位（距離）が大きくなると発生力が小さく
なるという負のバネ定数を持つ。この２つの特性を足し
合せることにより、バネ９１とマグネット９４の力がお
互いにキャンセルしあい（重量キャンセラーを構成す
る）、結果として駆動素子の発生力が少なくて済む。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体ウエハー
のリソグラフィーに電子線等の荷電粒子線を使う技術が
注目されている。また、半導体ウエハー上に形成された
回路の検査を電子線を使って行う技術も提案されてい
る。そのような電子線等の電荷を持つ粒子線を使う装置
内では、マグネットのように磁場を発生させる反力キャ
ンセラーを用いることは好ましくない。それはそのマグ
ネットからの磁場により荷電粒子線が曲がってしまうか
らである。またマグネットの代わりに、静電力を用いた
反力キャンセラーでバネ９１の反力をキャンセルさせる
ことも考えられるが、この場合もやはり静電場により荷
電粒子線が影響を受けるため好ましくない。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、荷電粒子線を用いた装置内でも使用可能な反
力キャンセラー及び重量キャンセラーを提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、てこと、該てこを弾性体で支えること
によって、てこに与えられる力を支える反力キャンセラ
ーであって、前記てこに与えられる前記力の方向に該て
この変位をとり、この変位が大きくなるに従い、前記弾
性体が前記てこに与えるモーメントに対し、前記力が前
記てこに与えるモーメントが大きくなるように前記てこ
及び弾性体が構成されることを特徴とする反力キャンセ
ラー（請求項１）である。

【０００７】本手段によれば、変位が大きくなるにつれ
て、弾性体がてこに与えるモーメントに対し、前記力が
てこに与えるモーメントが大きくなるように、てこ及び
弾性体が構成されるというようにメカ的な反力キャンセ
ラーであるため、電場、及び磁場を発生させないので、
荷電粒子線を用いた装置内でも好適である。前記課題を
解決するための第２の手段は、前記第１の手段であっ
て、前記てこは、Ｌ字アングルを有し、前記Ｌ字アング
ルの角は回転可能に基台に支えられており、前記弾性体
の両端は各々前記基台と前記Ｌ字アングルに接続され、
前記Ｌ字アングルの他端で前記力を支える事を特徴とす
る反力キャンセラー（請求項２）である。

【０００８】本手段によれば、Ｌ字アングルをてことし
て用いて、バネ等の弾性体でてこを支えることによっ
て、弾性体によるモーメントと与えられる力によるモー
メントの相対比を変化させているので、電場や磁場を発
生させない反力キャンセラーを提供できる。尚、Ｌ字と
は必ずしも２つの線がなす角が直角である必要はなく任
意の角度をとれる。

【０００９】前記課題を解決するための第３の手段は、
前記第１の手段であって、前記てこは２つのＬ字アング
ルを有し、当該２つのＬ字アングルの各々が回転可能と
なるように２つのＬ字アングルの角同士が接続され、前
記弾性体の両端は前記２つのＬ字アングルの各々の一端
に接続され、前記２つのＬ字アングルの一方の他端は基
台に回転可能に接続され、他方のＬ字アングルの他端で
前記力を支える事を特徴とする反力キャンセラー（請求
項３）である。

【００１０】本手段においては２つのＬ字アングルを組
み合わせて用いているため、例えば、図３に示すように
反力キャンセラーを変位させた場合に力を支える点が紙
面の左右方向に動かないですむのでステージを常に所定
の位置で支えられる。前記課題を解決するための第４の
手段は、前記第２または第３の手段であって、 前記弾
性体が伸縮する方向は前記力の向きと平行であることを
特徴とする反力キャンセラー（請求項４）である。

【００１１】本手段においてはＬ字アングルの２つの線
がなす角度がほぼ直角の場合に特性が特に良くなる。前
記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段
であって、前記てこは一端を回転可能に基台に支えられ
た棒を有し、前記弾性体は前記棒の両端の間に接続さ
れ、前記棒の他端で前記力を支える事を特徴とする反力
キャンセラー（請求項５）である。

【００１２】本手段においては、てことして棒を用い
て、棒のある点を弾性体で支えているため、例えば、図
４に示すように、反力キャンセラーを変位させた場合で
も、力を支える点と棒が回転する点との間（紙面の上下
方向）の空間に反力キャンセラーを配置することがで
き、紙面の上下方向に不必要な空間を設けなくても良
い。前記課題を解決するための第６の手段は、前記第５
の手段であって、前記弾性体が伸縮する方向は前記力の
向きと垂直であることを特徴とする反力キャンセラー
（請求項６）である。

【００１３】前記課題を解決するための第７の手段は、
板バネの一端を支えることによって、該板バネの他端に
与えられる力を支える反力キャンセラーであって、前記
板バネの両端の間に前記板バネの変位長さを可変にする
支持部材を配置し、前記板バネの他端に与えられる力の
方向に該板バネの変位を取り、該変位が大きくなるに従
い、板バネの変位部分が長くなるように前記支持部材を
配置したことを特徴とする反力キャンセラー（請求項
７）である。

【００１４】本手段によれば、板バネを用いて板バネの
変位が大きくなるにつれて板バネの変位部分の長さを変
えるというようにメカ的な反力キャンセラーであるた
め、電場及び磁場を発生させないので、荷電粒子線を用
いた装置内でも好適である。前記課題を解決するための
第８の手段は、板バネの一端を支えることによって、該
板バネの他端に与えられる力を支える反力キャンセラー
であって、前記板バネの形状は、前記板バネの他端に与
えられる力の方向に該板バネの変位を取り、該変位が大
きくなるに従い、板バネの断面２次モーメントが減少す
るようにされていることを特徴とする反力キャンセラー
（請求項８）である。

【００１５】本手段によれば、板バネを用いて板バネの
変位が大きくなるにつれて板バネの断面２次モーメント
を減少させるというようにメカ的な反力キャンセラーで
あるため、電場及び磁場を発生させないので、荷電粒子
線を用いた装置内でも好適である。前記課題を解決する
ための第９の手段は、板バネの一端を支えることによっ
て、該板バネの他端に与えられる力を支える反力キャン
セラーであって、前記板バネの形状は、前記板バネの他
端に与えられる力の方向に該板バネの変位を取り、該変
位が大きくなるに従い、板バネの断面２次モーメントが
減少し、かつ、前記板バネの他端に与えられる力が前記
板バネに及ぼすモーメントが増大するようにされている
ことを特徴とする反力キャンセラー（請求項９）であ
る。

【００１６】本手段によれば、板バネを用いて板バネの
変位が大きくなるにつれて、板バネの断面２次モーメン
トを減少させ、かつ、力がてこに及ぼすモーメントが増
大するようなメカ的な反力キャンセラーであるため、電
場及び磁場を発生させないので、荷電粒子線を用いた装
置内でも好適である。前記課題を解決するための第１０
の手段は、第１〜９のいずれか１つの反力キャンセラー
と、第２の弾性体とを有し、前記反力キャンセラーの前
記力を支える部位で構造体の一点を支え、前記第２の弾
性体で前記構造体の他点を支え、前記構造体が変位する
時に前記第２の弾性体によって前記構造体に発生する力
を前記反力キャンセラーで打ち消すことを特徴とする重
量キャンセラー（請求項１０）である。

【００１７】本手段によればメカ的な反力キャンセラー
を用いて重量キャンセラーを構成しているので電場及び
磁場を発生させないので、荷電粒子線を用いた装置内で
も好適である。尚、上述の構造体が変位するときに第２
の弾性体によって構造体に発生する力を反力キャンセラ
ーで打ち消すとは必ずしも全ての力を打ち消す必要はな
く、その程度は適用する装置の仕様に依存しており、仕
様に応じて適宜決めることができる。また、一般的に構
造体の変位の幅は装置に応じて予め決められるので、要
求される構造体の変位の幅だけ第２の弾性体による力を
打ち消せば良い。

【００１８】前記課題を解決するための第１１の手段
は、流体と、前記流体を閉じこめる密閉室と、前記密閉
室内に配置される浮きと、前記浮きと構造体とを接続す
るシャフトと、を有し、前記浮きによって発生する浮力
により前記構造体を支える事を特徴とする重量キャンセ
ラー（請求項１１）である。本手段によれば、浮力を用
いて構造体を支えるため構造体を変位させても浮力は変
化しないので、別途反力キャンセラーを設けなくてよ
く、また、電場や磁場を発生しないので、荷電粒子線を
用いた装置内でも好適である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を用いて説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形
態の１例を示す図であり、ＸＹステージ上に配置される
ウエハステージを支える重量キャンセラー及びそれに用
いる反力キャンセラーを示す。１はステージ、２は駆動
素子、３はシャフト、４はＸＹステージ、５は強いバ
ネ、６はＬ字アングル、７はバネ、８はボールベアリン
グ、９は溝、１０は固定部、１１は反力キャンセラーで
ある。ステージ１の重量の大部分はバネ５によって支え
られており、駆動素子２はシャフト３を介してステージ
１をＸＹステージ４に対してＺ方向（紙面の上下方向）
に移動させる。ステージ１は例えば、ウエハステージで
あり、ステージ１をＺ方向に駆動させるＺ方向駆動機構
は反力キャンセラー１１、バネ５及び駆動素子２からな
り、通常は３つか４つのＺ方向駆動機構によりステージ
１のレベリングや傾きの補正を行う。バネ５と反力キャ
ンセラー１１とでステージ１の重量を支える重量キャン
セラーを構成する。ステージ１の重量は重量キャンセラ
ーによって殆ど支えられるため、ステージ１を上下方向
に移動させるための駆動素子２の駆動力はごく小さくす
ることができる。Ｌ字アングルの角はＸＹステージ４に
固定部１０を介して回転可能に固定される。Ｌ字アング
ル６は一端を引きバネ７にて下向きに引っ張られてお
り、Ｌ字アングル６の他端はローラー等のボールベアリ
ング８を介してステージ１の裏面を支えている。ローラ
ー８の材料としては非磁性材料のベリリウムカッパーや
セラミック等を用いることができる。バネ７の他端は水
平方向（紙面の左右方向）に移動可能なようにＸＹステ
ージ４に固定されている。尚、バネ７の他端は必ずしも
水平方向に移動可能にする必要はない。

【００２０】正のバネ定数を持つ強いバネ５と負のバネ
定数を持つ反力キャンセラー１１によりステージ１の１
角は支持されているが、この原理を図１（ｂ）を用いて
以下に説明する。図１（ｂ）においてＬ字の太線はＬ字
アングル６を意味している。Ｌ字アングル６の腕の長さ
をそれぞれｒ１、ｒ２、そのアングルの傾きをθとす
る。引きバネ７のバネ定数をｋ、θが０の時のばね７の
初期変位をｄとすると、バネ７の力Ｆｓは Ｆｓ ＝ ｋ（ｒ１cosθ＋ｄ） ・・・ （１ ） と表せる。よって、Ｌ字アングル６の左側に生ずるモー
メントＭｓは Ｍｓ ＝ ｋ（ｒ１cosθ＋ｄ）ｒ１sinθ ・・・ （２ ） となる。一方Ｌ字アングル６の右側に生ずるモーメント
Ｍｒは、Ｌ字アングル６の自由端にかかる力をＦｒとす
ると Ｍｒ ＝ Ｆｒｒ２cosθ ・・・ （３） となる。Ｌ字アングル６がバネ７と外力とで釣り合って
いる場合、左右のモーメントＭｓ、Ｍｒはそれぞれ等し
いため、自由端にかかる力Ｆｒは、 Ｆｒ（θ）＝｛ｋｒ１（ｒ１cosθ＋ｄ）sinθ｝／ｒ２cosθ ・・・ （ ４） となり、sinθ、cosθを自由端の高さｈで書き直して Fｒ(θ) =［kr１｛r１（r２２−h２）１／２＋r２d｝h］／r２２（r２２−h２ ）１／２ ・・・（５） となる。上記（５）式において、ｒ１、ｒ２、ｋ、ｄを
全て１とし、強いばね５のばね定数を１００としたとき
の、式（５）の反力キャンセラーの発生力、強いばね５
の発生力とその合力をプロットしてみると図２のように
なる。曲線１２は反力キャンセラー１１の発生力、直線
１３は強いばね５の発生力、曲線１４は合力である。曲
線１２は単調減少であり、ばね定数が負であることが分
かる。曲線１４は距離の変化（横軸）に対し、フラット
な領域（力が殆ど変わらない領域）１５があり、この領
域１５は強いばね５と反力キャンセラー１１の力がうま
く打ち消しあっている領域である。つまりこの領域５で
ステージを支持するように設計すれば、駆動素子の発生
力が小さくてもウエハーステージ１を上下に駆動でき
る。つまりステージ１の重量キャンセラーとして働くと
いうわけである。

【００２１】フラットな領域は適用する装置の仕様によ
って決まるものであり、どの程度力を打ち消せば充分で
あるかについても装置の仕様によって決まる。これらの
決め方としては、例えば、本実施の形態では以下の様に
決めた。まず、ステージ１のＺ方向の駆動範囲はレベリ
ング及び傾き補正に必要な駆動量として±０．９ｍｍと
した。また、駆動素子２の推力としては１．５Ｋｇｆの
超音波モーターを２つ用いた。実際の設計では、１．８
ｍｍの移動範囲で打ち消した後残る力が超音波モーター
の発生力の１０％以下となるように反力キャンセラー１
１を設計（バネ７のバネ定数やＬ字アングルの長さ、配
置する角度等）すれば実用上十分である。

【００２２】ここでキャンセラーの変位が大きくなると
発生力が減少する理由について定性的に説明する。キャ
ンセラーの変位が０のとき、つまり、図１（ｂ）におい
てθ＝９０°の時は、外力がキャンセラーに及ぼすモー
メントは０となる。これは外力の延長線が支点を通るた
めである。このためキャンセラーを変位させるためには
無限大の外力が必要である。つまり、この時のキャンセ
ラーの発生力は上向きに無限大の値をとる。このことは
図２に示されており。距離が０の時にキャンセラーの発
生力が発散している。次に、キャンセラーが変位し始め
ると外力の延長線は支点より徐々に右側に離れていく。
つまり、てこに右回りの回転モーメントがかかり、それ
が除々に大きくなっていく。逆に、てこの他端に弾性体
が作用させる力の延長線は除々に支点に近づくため、弾
性体がてこに及ぼす左回りの回転モーメントは減少して
いく。つまり、外力によるモーメントが弾性体によるモ
ーメントに比べて大きくなるため、外力はより容易にて
こを変位させることができる。つまり、キャンセラーの
発生力が減少したこととなる。

【００２３】尚、本実施の形態では駆動手段２としては
従来用いられているボイスコイルモーターではなく、超
音波モーターを用いた。この理由は、ボイスコイルモー
タは磁場を発生させるので荷電粒子線を用いる装置には
不適であるからである。また、超音波モーターの代わり
にピエゾ素子を用いても同様に、磁場、電場の影響を少
なくすることができる。

【００２４】また、当然の事ながら各部材はゴミが発生
しにくい部材を用いる。また、各部材に電子線等の荷電
粒子線が帯電すると装置の仕様に悪影響を及ぼすので帯
電しにくい材質を用いるまたは帯電防止処理を施してお
くと好ましい。本実施の形態ではＬ字アングルのＬの角
度が９０°であるとして説明した。この角度を変化させ
たところ、９０°以外の角度の場合、前述のフラットな
領域１５が小さくなるため反力キャンセラーとしては実
用範囲が狭くなってしまう事が分かった。従って、Ｌ字
の角度は９０°であることが好ましいが、例えば図１
（ｃ）に示すようにＬ字の角度は常に９０°である必要
は必ずしもない。尚、９０°以外の角度にする場合は、
θが０の時に弾性体が作用させる力の延長線が支点を通
るように配置することが好ましい。

【００２５】図３は本発明の第２の実施形態を示す図で
ある。尚、第１の実施形態と異なるのは反力キャンセラ
ーの構成のみであり、他の点については第１の実施形態
と同様であるため説明は省略する。第２の実施形態にお
ける反力キャンセラーは、Ｌ字アングル２１、２２及び
バネ２３からなる。Ｌ字アングル２１，２２の角は各々
回転可能にお互いが固定されている。Ｌ字アングル２
１，２２の一端同士はバネ２３により接続されている。
Ｌ字アングル２２の他端は回転可能にＸＹステージ４に
固定部２５を介して固定されている。また、Ｌ字アング
ル２１の他端は回転可能にステージ１の裏面に固定部２
４を介して固定されている。第１の実施形態との相違点
は、第１の実施形態では、Ｌ字アングル６の傾きが変化
するとステージ１に対する反力キャンセラー１１の接触
点も動いてしまっていた。それに対し第２の実施形態で
はステージ１の支持点がアングルの傾きの変化によらな
い。また引きバネに水平方向のスライド機構も不要とな
る。

【００２６】本実施の形態でも上述の説明と同様にステ
ージが変位するに従いステージがてこに与えるモーメン
トが変化していき、同様にして負のバネ定数を持つ反力
キャンセラーを構成していることがわかる。図４は本発
明の第３の実施形態を示す図である。尚、第１、２の実
施形態と異なるのは反力キャンセラーの構成のみであ
り、他の点については第１の実施形態と同様であるため
説明は省略する。

【００２７】第３の実施形態による反力キャンセラー３
４は、棒３０、バネ３１、バネ固定部３２，ローラー３
３からなる。棒３０はその一端が回転可能にＸＹステー
ジ４に固定されている。棒３０の他端はローラー３０を
介してステージ１を支持する。また、棒３０の両端の間
にバネ３１の一端が固定され、バネ３１の他端は上下方
向（紙面の上下方向）に移動可能なようにバネ固定部３
２に固定されている。バネ固定部３２にはバネ３１の他
端が移動可能なように溝が形成されている。第３の実施
形態は第１の実施形態と一見構成が異なるが、図４
（ｂ）から判るように前述の数式（１）〜（５）が成り
立つ。従って、第１の実施形態と同様に反力キャンセラ
ーとして働く。

【００２８】上述の第１の実施形態ではＬ字アングルの
角度が９０°以外でも反力キャンセラーを構成できるこ
とを説明した。本実施の形態はＬ字アングルの角度を９
０°回転させた（Ｌ字を形成する２つの線のなす角度を
０°にした）例に相当する。尚、以下では図５〜図９を
用いて本発明の第４〜第８の実施形態を説明するが、第
１の実施形態と同様にしてステージ１、駆動素子２、バ
ネ５を配置することができ、同様にして重量キャンセラ
ー及びＺ方向駆動機構を構成することができるため、そ
の説明は省略し、反力キャンセラーの構成及び働きのみ
説明する。

【００２９】図５は本発明の第４の実施形態を示す図で
ある。第４の実施形態による反力キャンセラーは、板バ
ネ４０，棒４１，バネ４２，ローラー４３，板バネ支持
部４４とからなる。板バネ４０は一端が板バネ支持部４
４に固定されており、板バネ４０の他端は力を支える。
板バネの変形する長さはローラー４３の位置によってほ
ぼ決まり、ローラー４３は回転可能にＸＹステージ４に
固定された棒４１に固定されている。また、棒４１はバ
ネ４２により支えられている。図５（ａ）において、反
力キャンセラーには外力が作用していない。図５（ｂ）
では反力キャンセラーの変位端に下向きに外力が作用し
た場合を示す。外力により板バネ４０が下向きにたわん
でいる。それに伴い、ローラー４３が板バネの固定端側
に移動する。このローラーの移動により板バネのたわむ
ことのできる長さ（変位長さ）が長くなり、ばね定数が
減少する。つまり、この構成によっても、負のばね定数
が実現できる。尚、板バネ４０の他端に力が加えられた
ときにローラー４３が紙面の右側方向に移動するように
棒４１は少し右方向に傾けて配置することが好ましい。
力を支える板バネ４０の移動範囲は図５（ａ）に示す様
にたわみが殆どない状態から下側となるが、前述の様に
反力をキャンセルするためには、板バネ４０の材質や、
形状、棒４１の長さ、バネ４２のバネ定数等を選んでフ
ラットな領域を作れば良い。例えば、板バネ４０の形状
を図５（ｃ）に示すような長方形以外に図５（ｄ）に示
すような固定端側の幅が狭い台形型としても良い。この
場合、ローラーが移動するにつれ、板バネの柔らかい部
分がたわむことができるようになるため、より急激にば
ね定数を減少させることができる。

【００３０】図６は本発明の第５の実施形態を示す図で
ある。第５の実施形態による反力キャンセラーは、第４
の実施形態と同様に板バネを用いた反力キャンセラーで
あり、板バネの変形する長さを決めるローラーが移動す
る構成が異なるのみで他の構成及び効果は同じであるた
め説明を省略する。ローラー４３は棒５１の一端に固定
されており、棒５１は板バネ支持部４４を貫通して配置
され、棒５１の他端には棒５１が板バネ支持部４４から
抜け落ちないようにストッパー５３が設けられている。
図６（ａ）において、反力キャンセラーには外力が作用
していない。図６（ｂ）では反力キャンセラーの変位端
に下向きに外力が作用した場合を示す。外力により板バ
ネ４０が下向きにたわんでいる。それに伴い、ローラー
が板バネの固定端側に移動している。このローラーの移
動により板バネのたわむことのできる長さが長くなり、
ばね定数が減少する。つまり、この構成によっても、負
のばね定数が実現できる。ローラー４３の移動はバネ５
２のバネ定数を変える事によって制御可能である。前述
の様に反力をキャンセルするためには、板バネ４０の材
質や、形状、棒５１の長さ、バネ５２のバネ定数等を選
んでフラットな領域を作れば良い。

【００３１】図７は本発明の第６の実施形態を示す。第
６の実施例においては、図７（ａ）に示すような固定端
と自由端が９０度にねじれた板バネ６１のみで反力キャ
ンセラーを構成している。図７（ａ）において板バネの
右側が固定端であり、左側が自由端（力を支える点）で
ある。図７（ｂ）のように、自由端に外力６２を加える
と自由端が下向きにたわむ。そのたわみにより、板バネ
内に矢印６３で示す回転力が働き、水平方向にねじれて
いる部分が増加する。するとバネの断面２次モーメント
が減少するため、バネ定数は減少する。つまり、この構
成によっても、負のばね定数が実現できる。

【００３２】図８は本発明の第７の実施形態を示す図で
ある。第７の実施形態においては、図８（ａ）に示すよ
うなＬ字の板バネ７１のみで反力キャンセラーを構成し
ている。図８（ａ）において板バネ７１の右側が固定端
である。図８（ｂ）のように、自由端に外力７２を加え
ると自由端が下向きにたわむ。そのたわみにより、板バ
ネ内に矢印７３で示す回転力が働き、水平方向にねじれ
ている部分が増加する。するとバネの断面２次モーメン
トが減少するため、バネ定数は減少する。

【００３３】更に本実施の形態の場合、Ｌ字の板バネを
用いているため、図８（ａ）に示すように変位が０の時
は、外力はＬ字の板バネの面内にあるため、Ｌ字板バネ
を回転させるモーメントは作用しない。しかし、一度変
位をすると、図８（ｂ）に示すように外力はＬ字板バネ
の固定部のなす面から外れ、Ｌ字板バネに回転モーメン
トを及ぼす。そのモーメントは変位が大きくなるにつれ
大きくなるため、結果として負のバネ定数を作る。

【００３４】この様に、本実施の形態では断面２次モー
メントの減少とてこ比の変化とから負のばね定数が実現
できる。図９は本発明の第８の実施形態を示す図であ
る。第８の実施形態においては、図９に示すような板バ
ネ８１のみで反力キャンセラーを構成している。図９に
おいて、板バネ８１は座屈状態にある。座屈とは、柱状
の両端に外力を加えると、その外力がある値を超えた場
合、急激にばね定数が小さくなる現象である。つまりこ
の座屈領域では物質は負のばね定数を持つ。従って、こ
のような座屈領域の板バネを用いても反力キャンセラー
を構成することができる。

【００３５】図１０は本発明の第９の実施形態を示す図
である。今まではステージ１の重量を硬いばね５と反力
キャンセラーを用いて支えてきたが、本実施例では、浮
力を使い重量をキャンセルする方法を説明する。図１０
に示すように、密閉室１１１の中には溶液が満たされて
いる。この場合は特に真空中でも使えるようにフォンブ
リンオイル１１２を用いた。密閉室１１１には直動の導
入シャフト１１３があり、摺動部はＯリング１１４によ
りシールされている。導入シャフトの先端には浮き１１
５が付いており、この浮き１１５による浮力とステージ
１の重量を等しく設定しておく。この様にステージ重量
を浮力により支えると、ばねで支えるのと異なり、ステ
ージを上下に動かしても浮力は変化せず、ステージ重量
と釣り合う。そのため駆動素子への負荷を軽減すること
ができる。また、溶液の種類を替えたり、浮きの形状を
工夫することによりダンピングを調整することができ、
ステージのレベリング時の制定時間を調節することもで
きる。一般的には、密閉室１１１の中に入れる溶液を粘
性の低いものにすることによって、レベリングの制定時
間を早くすることができる。

【００３６】なお、前述した各実施の形態はウエハース
テージの上下動に限り説明してきたが、その他の駆動機
構においても応用可能である。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
非磁性体を使いコンパクトな反力キャンセラーを構成で
きる。そのため特に電子線等の荷電粒子線を使った装置
に効果がある。また、この反力キャンセラーを用いた重
量キャンセラーにより小さい発生力の駆動素子により大
きな質量の物質を駆動できる。小さな発生力の駆動素子
は小さいため、装置内に挿入しやすく、また発生する熱
量も小さいため、装置に対する影響が少ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a)本発明の第１の実施形態による反力キャン
セラー及び重量キャンセラーをウエハステージのＺ方向
駆動機構に適用した例を示す概略構成図である。 (b)図１（ａ）の原理を説明するための原理図である。 (c)図１（ａ）の変形例を示す概略構成図である。

【図２】ステージの変位に伴って各部位に働く力を示す
図である。

【図３】本発明の第２の実施形態による反力キャンセラ
ー及び重量キャンセラーをウエハステージのＺ方向駆動
機構に適用した例を示す概略構成図である。

【図４】(a)本発明の第３の実施形態による反力キャン
セラー及び重量キャンセラーをウエハステージのＺ方向
駆動機構に適用した例を示す概略構成図である。 (b)図４（ａ）の原理を説明するための原理図である。

【図５】本発明の第４の実施形態による反力キャンセラ
ーを示す概略構成図である。

【図６】本発明の第５の実施形態による反力キャンセラ
ーを示す概略構成図である。

【図７】本発明の第６の実施形態による反力キャンセラ
ーを示す概略構成図である。

【図８】本発明の第７の実施形態による反力キャンセラ
ーを示す概略構成図である。

【図９】本発明の第８の実施形態による反力キャンセラ
ーを示す概略構成図である。

【図１０】本発明の第９の実施形態による重量キャンセ
ラーを反力キャンセラーを示す概略構成図である。

【図１１】従来の反力キャンセラー及び重量キャンセラ
ーを示す概略構成図である。

【符号の説明】

１、９３・・・ウエハステージ ２、９２・・・駆動素子 ３・・・シャフト ４・・・ＸＹステージ ５、９１・・・強いバネ ６、２１、２２・・・Ｌ字アングル ７、２３、３１、４２、５２・・・バネ ８、３３、４３・・・ボールベアリング（ローラー） ９・・・溝 １０・・・固定部 １１、３４・・・反力キャンセラー ３０、４１・・・棒 ６１、８１・・・板バネ ７１・・・Ｌ字板バネ ９４・・・マグネット（磁石） １１１・・・密閉室 １１２・・・溶液 １１３・・・導入シャフト １１４・・・Ｏリング １１５・・・浮き

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】てこと、該てこを弾性体で支えることによ
   って、てこに与えられる力を支える反力キャンセラーで
   あって、 前記てこに与えられる前記力の方向に該てこの変位をと
   り、この変位が大きくなるに従い、 前記弾性体が前記てこに与えるモーメントに対し、前記
   力が前記てこに与えるモーメントが大きくなるように前
   記てこ及び弾性体が構成されることを特徴とする反力キ
   ャンセラー。
2. 【請求項２】請求項１に記載の反力キャンセラーであっ
   て、 前記てこは、Ｌ字アングルを有し、 前記Ｌ字アングルの角は回転可能に基台に支えられてお
   り、 前記弾性体の両端は各々前記基台と前記Ｌ字アングルに
   接続され、前記Ｌ字アングルの他端で前記力を支える事
   を特徴とする反力キャンセラー。
3. 【請求項３】請求項１に記載の反力キャンセラーであっ
   て、 前記てこは２つのＬ字アングルを有し、 当該２つのＬ字アングルの各々が回転可能となるように
   ２つのＬ字アングルの角同士が接続され、 前記弾性体の両端は前記２つのＬ字アングルの各々の一
   端に接続され、 前記２つのＬ字アングルの一方の他端は基台に回転可能
   に接続され、 他方のＬ字アングルの他端で前記力を支える事を特徴と
   する反力キャンセラー。
4. 【請求項４】請求項２または３に記載の反力キャンセラ
   ーであって、 前記弾性体が伸縮する方向は前記力の向きと平行である
   ことを特徴とする反力キャンセラー。
5. 【請求項５】請求項１に記載の反力キャンセラーであっ
   て、 前記てこは一端を回転可能に基台に支えられた棒を有
   し、 前記弾性体の一旦は前記棒の両端の間に接続され、 前記棒の他端で前記力を支える事を特徴とする反力キャ
   ンセラー。
6. 【請求項６】請求項５に記載の反力キャンセラーであっ
   て、 前記弾性体が伸縮する方向は前記力の向きと垂直である
   ことを特徴とする反力キャンセラー。
7. 【請求項７】板バネの一端を支えることによって、該板
   バネの他端に与えられる力を支える反力キャンセラーで
   あって、 前記板バネの両端の間に前記板バネの変位長さを可変に
   する支持部材を配置し、 前記板バネの他端に与えられる力の方向に該板バネの変
   位を取り、該変位が大きくなるに従い、板バネの変位部
   分が長くなるように前記支持部材を配置したことを特徴
   とする反力キャンセラー。
8. 【請求項８】板バネの一端を支えることによって、該板
   バネの他端に与えられる力を支える反力キャンセラーで
   あって、 前記板バネの形状は、前記板バネの他端に与えられる力
   の方向に該板バネの変位を取り、該変位が大きくなるに
   従い、板バネの断面２次モーメントが減少するようにさ
   れていることを特徴とする反力キャンセラー。
9. 【請求項９】板バネの一端を支えることによって、該板
   バネの他端に与えられる力を支える反力キャンセラーで
   あって、 前記板バネの形状は、前記板バネの他端に与えられる力
   の方向に該板バネの変位を取り、該変位が大きくなるに
   従い、板バネの断面２次モーメントが減少し、かつ、前
   記板バネの他端に与えられる力が前記板バネに及ぼすモ
   ーメントが増大するようにされていることを特徴とする
   反力キャンセラー。
10. 【請求項１０】請求項１乃至９のいずれか１項に記載の
    反力キャンセラーと、 第２の弾性体とを有し、 前記反力キャンセラーの前記力を支える部位で構造体の
    一点を支え、 前記第２の弾性体で前記構造体の他点を支え、 前記構造体が変位する時に前記第２の弾性体によって前
    記構造体に発生する力を前記反力キャンセラーで打ち消
    すことを特徴とする重量キャンセラー。
11. 【請求項１１】流体と、 前記流体を閉じこめる密閉室と、 前記密閉室内に配置される浮きと、 前記浮きと構造体とを接続するシャフトと、 を有し、前記浮きによって発生する浮力により前記構造
    体を支える事を特徴とする重量キャンセラー。