JP2004120921A

JP2004120921A - 静電保持装置及びそれを用いた搬送装置又はステージ

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Publication number: JP2004120921A
Application number: JP2002282483A
Authority: JP
Inventors: Hourai Fu; 傅　寶▲莱▼; Tamaya Ubukata; 生方　玉也
Original assignee: Tsukuba Seiko Ltd
Current assignee: Tsukuba Seiko Ltd
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: JP4526759B2

Abstract

【課題】比較的絶縁抵抗の低い絶縁材料を用いても、経時的に十分な静電界、そして十分な静電気力を発生できる静電保持装置を提供すること。
【解決手段】本発明の静電保持装置１００は、電極へ印加する電圧を制御する制御部を備えて保持対象物を静電力により接触的に保持して、又は非接触的に浮上させて保持する静電保持装置である。電極１０３は、絶縁領域１０２を介して隣接して配列された一対又は複数対の電極１０３ａ及び電極１０３ｂとから構成されている。制御部１０５，３０５は、電極１０３ａ及び電極１０３ｂに互いに逆極性の電圧を印加すると共に同一電極要素には正負の逆極性の電圧を交互に印加する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、静電気力を用いて保持対象物を接触又は非接触の状態で保持する静電保持装置及びそれを用いた搬送装置又はステージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、対象物を保持する保持装置としては真空チャックが一般に用いられているが薄板を対象とする場合には真空チャックでは周辺が撓む欠点がある。これに対して，静電チャックなどの静電保持装置によれば，電極面全体の静電力により対象物を保持することができるので、薄板をハンドリング（保持）しても周辺が撓むことがない（例えば、特許文献１〜４参照）。
【０００３】
このような静電保持装置として、例えば、図５に示すようなものが知られている。ここで、図５において、符号１０１は電極（静電電極）を取り付けるベース部材であり、一対の電極要素群５０３ａ，５０３ｂが絶縁材１０２に覆われてベース部材１０１に固定されて、これらの電極要素群５０３ａ、５０３ｂには制御部５０５から一定の電圧が印加されている。これにより、静電気力が誘起されてハンドリング対象物１０４が静電気吸引力で絶縁材１０２の面に吸着されて保持される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２５７７５１号公報
【特許文献２】
特開平９−３２２５６４号公報
【特許文献３】
特開平１０−６６３６７号公報
【特許文献４】
特開２００１−９７６６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来提案されている静電チャックでは、絶縁層１０２は高い電気抵抗を有していることが必要であった。これは、絶縁層１０２の電気抵抗が不十分な場合には電極面に電圧を印加し続けているにもかかわらず、時間の経過と共に一度誘起した静電気吸引力が低下するためである。これは、電気抵抗が不十分であると電極要素間に微少電流が流れることにより、電極面とハンドリング対象物間の静電界が時間経過と共に低下することに起因する。そして、このような静電気力の低下は、チャックやハンドリング対象物が物理的に破壊されない程度の小さな短絡現象でも確認される。
【０００６】
一方、電極面を絶縁層１０２で被覆するには、電極面に粘着剤を介して絶縁フィルムを貼着する絶縁方法と、電極面に蒸着などの手法を用いて絶縁層を直接形成する絶縁方法とがある。
【０００７】
前者の粘着剤を用いる絶縁方法は安価に絶縁層を電極面に覆うことができるが、電極要素間は粘着剤層が介在される。この粘着剤層は一般に高い電気的抵抗を有しないので、この方法では電極面とハンドリング対象物との間は絶縁フィルムで絶縁できるが、電極要素間が粘着剤層のみにより絶縁されているので、絶縁性が必ずしも高くはない。これにより、各電極要素間には微小電流が流れ、この各電極要素間の微小電流の流れに伴い静電界が乱れる。そして、各電極要素間に大電流が流れ、電極面自体が破壊する場合もある。
【０００８】
後者の蒸着などによる絶縁方法では、高い絶縁抵抗を維持することができるが、吸着保持面の絶縁層の厚みを１５０μｍ程度の薄い厚みに全面的に均一に形成する加工は高価であり、結果として静電保持装置の価格を高騰させる。
【０００９】
そこで、この発明は、比較的絶縁抵抗の低い絶縁材料を用いても、経時的に十分な静電界、そして十分な静電気力を発生できる静電保持装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の静電保持装置は、電極へ印加する電圧を制御する制御部を備えて保持対象物を静電力により接触的に保持して、又は非接触的に浮上させて保持する静電保持装置において、
前記電極は、絶縁領域を介して隣接して配列された一対又は複数対の電極Ａ及び電極Ｂとから構成され、前記制御部は、前記電極Ａ及び電極Ｂに互いに逆極性の電圧を印加すると共に、同一電極要素には、正負の逆極性の電圧を交互に印加することを特徴とする静電保持装置である。
【００１１】
このように構成することにより、電極Ａ及び電極Ｂに互いに逆極性の電圧を印加することが可能であると共に同一電極要素には正負の逆極性の電圧を交互に印加することにより、比較的に絶縁抵抗の低い絶縁層内での微小電流を最小限に抑え、電極面とハンドリング対象物間の静電界を高く維持することができる。これにより、比較的絶縁抵抗の低い絶縁層を用いても、経時的に十分な静電界、そして十分な静電気力を発生できるので、静電気力を用いて保持対象物を接触又は非接触の状態で短時間又は長時間にわたって保持する静電保持装置を提供することができる。
【００１２】
この静電保持装置は、前記電極を備えた複数の電極モジュールを備え、該電極モジュールは、それぞれ一対又は複数対の電極Ａ及び電極Ｂを備えることで、大面積の保持対象物を保持する保持装置とすることができる。
【００１３】
また、この静電保持装置によれば，電極面全体の静電力により対象物を接触的又は非接触的（静電浮上）に保持することができ、また、保持時間が長くなっても所定の保持力で保持でき、また、薄板をハンドリング（保持）しても周辺が撓むことがない。適宜の手法により薄膜を移動させることができ、半導体ウエハーなどの各種の薄膜を把持する把持手段としたり、また、長時間にわたって安定に保持できるので、半導体ウエハーへ露光する際の半導体ウエハーを保持するステージ（保持台）としての有用性が期待される。また、半導体ウエハーなど薄膜の搬送装置としての応用も期待される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１５】
図１及び図３は、本発明の実施の形態に係る静電保持装置の概念を説明する概念図であり、静電保持装置を電極面に対して直交する中心を通る断面により切断した場合の断面図が示されている。ここで、図１は接触支持型の静電保持装置を示し、図３は非接触支持型（浮上型）の静電保持装置を示している。いずれの例でも、絶縁層１０２の電気抵抗が十分に高くなくても、絶縁層内の電流を最小に抑えて、ハンドリング対象物と電極面間の電界を高く維持することができる。
（接触型の静電保持装置）
図１において符号１００は接触型の静電保持装置であり、ベース部材１０１の一面には絶縁層１０２が形成されている。この絶縁層１０２に周囲を被覆されて電極１０３が形成されている。この電極１０３は、二つの電極要素群１０３ａ，１０３ｂから構成されている。
【００１６】
電極面１０３とハンドリング対象物１０４との間に静電気を誘起することによって、導体、半導体、高抵抗体などのハンドリング対象物１０４を静電気吸引力で絶縁層１０２に吸着支持することができる。
【００１７】
ここで、このとき発生する静電気吸引力は、ハンドリング対象物と電極間の距離の２乗に反比例するので、十分な静電気力を誘起するには、絶縁層１０２は絶縁耐圧を満たす限りなるべく薄く形成することが重要である。例えば、１ｋＶの電圧を電極面に印加するには絶縁層の厚みは約１５０μｍであり、２０μｍ以内の厚み公差が要求される。このような薄くて寸法制度が要求される絶縁膜を表面積１ｍ^２の電極面の全面に形成するには、粘着層を介して絶縁フィルムを電極面に固定するのが簡易的でかつ安価となる。
【００１８】
しかしながら、絶縁層の形成に粘着剤を用いると絶縁性が低下する。これは、粘着剤には、粘着力を高めるために微少量であるが種々の溶剤成分含まれ、これらの溶剤成分が絶縁抵抗を低下させていると考えられる。
【００１９】
隣り合った極性の異なる二つの電極要素群１０３ａ、１０３ｂ間、或いは電極面とハンドリング対象物１０４との間に粘着材層が介在される場合には、図７に示すように、時間の経過に伴って静電気力が低くなる。これは、絶縁性が不十分であると、一定電圧で電極面に電圧を印加しても時間の経過に伴って内部分極が進むと同時に微小電流が流れるためである。この微小電流の流れが粘着剤層の内部分極の進行に伴って急激に大きくなり、電極面とハンドリング対象物との間に一度形成した静電界を乱し、ハンドリング対象物に発生する静電気吸引力を弱めてしまう。また、場合によっては、絶縁層の完全破壊を伴って、瞬間的な大電流が発生し、電極面又はハンドリング対象物の物理的な破壊が生起することもある。
【００２０】
これにより、各電極要素群に異なる電圧を印加してもその電圧の極性が常に同一極性である場合には、一定電圧で印加し続けても時間の経過に伴って一度誘起された静電気力が時間の経過に伴って低下する。
【００２１】
そこで、本発明では、図２に示すような波形の印加電圧を発生させるコントローラ１０５を用いることにより、時間の経過に伴う静電気力の低下を防いでいる。
【００２２】
上述したように、静電気力の低下の原因は、電極要素間に介在する絶縁層が強い同一電界に長時間印加し続けられることに伴う弱い絶縁破壊による電流（以下、破壊電流という。）の増大である。この破壊電流の増大によって静電界が乱れ、静電気力が低下する。
【００２３】
本発明で用いるコントローラ１０５は、電極要素群１０３ａと電極要素群１０３ｂとに正、負の互いに逆極性の電圧を印加すると共に、同一電極要素には正負の逆極性の電圧を交互に印加（交番電場を印加）している。
【００２４】
このようなコントローラ１０５を備えれば、絶縁層の絶縁が不十分であり、絶縁層内に微小電流が流れても、その微小電流の流れる値（破壊電流）がある値以上になる前に印加電圧の極性を変更させる。すなわち、破壊電流がある値以上になる前に、電極要素間の電界の正負が逆となるように電圧を印加すれば、電極要素間に介在する絶縁層の分極方向が逆転するので、絶縁破壊が解消され破壊電流が止まるのである。
【００２５】
また、印加電圧を逆極性に変換することによって、ハンドリング対象物の表面に逆極性の電荷が瞬時的に誘導され再び元の静電気吸引力が復活する。これを繰り返すことにより長時間の時間の経過でも静電気力の低下はなく確実にハンドリング対象物を保持することができる。これにより静電気力をある一定値以上に維持することができる。
【００２６】
この印加電圧の変換周波数は絶縁層の静電気的絶縁抵抗の高さ（絶対値）に依存する。これにより、絶縁層の抵抗が低いほど周波数を上げる必要があるが、絶縁層の抵抗が高くなれば周波数は低くてもよい。一般的な実施例として採用される周波数の目安は数百Ｈｚ以下で十分である。
【００２７】
すなわち、所定時間以内で印加電圧の極性が交互に変換するように印加電圧を形成すると、破壊電流をある値以内に抑制しながら、静電気吸引力は図２に示すように、ある一定の範囲内で変動はするが、静電気力が低下するのが防止できる。なお、交番電場の波形は、図に示すような矩形波が好ましい。
【００２８】
このような接触型の静電保持装置１００は、把持手段を用いずに対象物を保持したり保持を解除することが自由にできるので、半導体ウエハーなどの薄膜の静電搬送装置、薄膜のハンドリング装置などへの応用が期待される。
【００２９】
また、この接触型の静電保持装置１００を用いれば、大面積の薄膜を撓み無く長時間にわたって保持する保持手段又は保持台、例えば、電子ビーム加工を含む各種の露光装置で半導体ウエハーを長時間保持するステージ等への応用が期待される。
（浮上型の静電保持装置）
図６に示す浮上型の静電保持装置１００によれば、電極面１０３は絶縁層１０２により包まれ、ベース板１０１に固定されている。電極面１０３と導体、半導体又は高抵抗体などのハンドリング対象物間のギャップ（離間距離）を実時間でフィードバックするように変位センサ３０６が設けられている。
【００３０】
変位センサ３０６は貫通穴３０７を通ってハンドリング対象物１０４と電極面間のギャップを測定し、コントローラ６０５にフィードバックする。コントローラ６０５は、測定されたギャップに基づいて印加電圧を制御し、ギャップを前もって指定した所定値に維持する。例えば、図示の様に、ギャップがターゲットギャップより大きい場合（ギャップ＞ターゲット）は、所定の直流電圧を印加して、静電気力を誘起してハンドリング対象物を吸引してギャップを小さくする。一方、ギャップがターゲットギャップより小さい場合（ギャップ＜ターゲット）は、各電極の印加される電圧を下げて（０Ｖとし）、ハンドリング対象物への吸引力を低下させギャップを大きくする。これを繰り返すことにより、所定のギャップにハンドリング対象物を保持することができる。
【００３１】
しかし、絶縁層の抵抗が低いと、連続的な一定電圧の印加に伴って、一度誘起した静電気力が低減し、所定の支持力が得られない場合がある。
【００３２】
これに対して、図３に示す本発明に係る静電保持装置１００では、同一電極要素には正極と負極の電圧を常に交互に印加するコントローラ３０５が用いられている。
【００３３】
これにより、比較的絶縁抵抗の低い絶縁層を用いても安定して浮上ハンドリングが実現できる。
【００３４】
コントローラ３０５を用いることにより、比較的に絶縁抵抗の低い絶縁層を用いても安定して浮上ハンドリングが実現できる。ハンドリング対象物とのギャップ（距離）を広げたいときは、印加電圧を遮断し、自重でハンドリング対象物を下ろすが、ギャップを狭めたいときは、図３に示すように、極性の異なる２電圧を交互に印加するようにすると、静電気力の連続した降下を妨げ、安定した浮上支持を実現することができる。
【００３５】
このような浮上型の静電保持装置１００は摩耗や発塵などの関係で非接触方式が望まれている各種の静電チャックへの応用が期待される。
【００３６】
さらに、このような静電保持装置１００を用いれば、把持手段を用いずに対象物を保持したり保持を解除することが自由にできるので、薄膜部材のハンドリング装置、静電浮上システムなどへの利用が期待され、電子ビーム加工や露光装置での位置決め用の各種ステージとして、精密機械や部品の防振など、また、ハードディスクなどの静電浮上装置としても利用が期待される。
【００３７】
このような浮上型の静電保持装置１００を用いれば、把持手段を用いずに対象物が浮上した状態で対象物を保持したり保持を解除することが自由にできるので、半導体ウエハーなどの薄膜のハンドリング装置、静電搬送装置、各種浮上システムなどへの利用が期待される。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、この発明によれば、比較的絶縁抵抗の低い絶縁材料を用いても、経時的に十分な静電界、そして十分な静電気力を発生できる静電保持装置を提供することができる、という実用上有益な効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る接触型の静電保持装置の一例を示す薄板の吸着ハンドリング型静電チャックである。
【図２】図１の静電チャックを用いた場合の静電気力の時間的な変化を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る薄板の浮上ハンドリング型静電チャックである。
【図４】図３の静電チャックを用いた場合の静電気力の時間的な変化を示す図である。
【図５】従来の薄板の吸着ハンドリング型静電チャックを説明する図である。
【図６】従来の薄板の浮上ハンドリング型静電チャックを説明する図である。
【図７】従来の静電チャックの発生静電気力の時間的な変化を示す図である。
【符号の説明】
１００：静電保持装置
１０１：ベース部材
１０２：絶縁層
１０３：電極（電極面）
１０３ａ：電極要素群
１０３ｂ：電極要素群
１０４：保持対象物
１０５：コントローラ
３０５：コントローラ
３０６：変位センサ
３０７：貫通孔

Claims

電極へ印加する電圧を制御する制御部を備えて保持対象物を静電力により接触的に保持して、又は非接触的に浮上させて保持する静電保持装置において、
前記電極は、絶縁領域を介して隣接して配列された一対又は複数対の電極Ａ及び電極Ｂとから構成され、
前記制御部は、前記電極Ａ及び電極Ｂに互いに逆極性の電圧を印加すると共に、同一電極要素には、正負の逆極性の電圧を交互に印加することを特徴とする静電保持装置。
前記保持対象物は、前記電極に直接又は他の部材を介して接触して保持されることを特徴とする請求項１記載の静電保持装置。
前記静電保持装置は、前記電極と保持対象物との間の距離を検知する距離検知手段を備え、前記制御装置は、前記距離検知手段により検知された距離情報に基づき、前記保持対象物が前記電極とは所定距離を離間して浮上保持するように制御することを特徴とする請求項１記載の静電保持装置。
請求項１に記載の静電保持装置を利用した搬送装置又はステージ。