JP2005009952A

JP2005009952A - Ｘｙステージ

Info

Publication number: JP2005009952A
Application number: JP2003172908A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Nikaido; 光宏二階堂; Fumio Kaiho; 文雄海保; Yutaka Koizumi; 豊小泉
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】スライダ部の発熱要因を最小限にすると共に。ケーブル処理をシンプル化できるＸＹステージを実現する。
【解決手段】スライダ部を２次元方向に位置制御するＸＹステージにおいて、固定部に配置され、スライダ部のＸ軸方向位置を検出するＸ軸センサと、固定部に配置され、スライダ部のＹ軸方向位置を検出するＹ軸センサとを有する。位置固定されたＸ軸センサとＹ軸センサは、光の干渉を利用して距離を測定する干渉計である。スライダ部にはＸ軸センサとＹ軸センサの出射光を当てるミラーを載せた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プローバ、ハンドラ、ステッパ等に用いられ、対象物の２次元位置決めをするＸＹステージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スライダ部を２次元方向に位置制御するＸＹステージについては、後述する特許文献１及び２に詳細に開示されている。
【０００３】
図４は特許文献１に開示されている従来構造のＸＹステージの基本構造を示す斜視図である。１０は水平に固定配置された格子プラテンであり、Ｘ方向及びＹ方向に沿って一定ピッチで歯が形成されている。図では簡略のため一部の歯だけを示している。格子プラテンは磁性体の平坦面に格子状に溝を切ることによって形成される。
【０００４】
２０は、格子プラテン上面をＸ方向及びＹ方向に移動して位置決め制御されるスライダ部であり、この上部にワーク及び位置決めの対象となるターゲット（図示せず）が搭載される。浮揚手段２１は、格子プラテン１０に対向する裏面にノズルが設けられていて圧縮空気を噴射させることでスライダ２０を格子プラテン１０上に浮揚させる。
【０００５】
３１及び３２はスライダ部２０の上部にＸ方向に所定距離を持って固定配置された第１のＸ軸センサ及び第２のＸ軸センサである。３３は同様にスライダ部２０の上部に固定配置されたＹ軸センサである。
【０００６】
１１は、格子プラテン１０のＹ軸方向に延びた縁に固定配置された所定高さを有するＸ軸ミラーであり、第１のＸ軸センサ３１及び第２のＸ軸センサ３２と対向する。１２は、格子プラテン１０のＸ軸方向に延びた縁に固定配置された所定高さを有するＹ軸ミラーであり、Ｙ軸センサ３３と対向する。
【０００７】
第１のＸ軸センサ３１、第２のＸ軸センサ３２及びＹ軸センサ３３は光学的な距離測定装置であり、レーザビームをＸ軸ミラー１１及びＹ軸ミラー１２に照射し反射光を受光し干渉を利用して移動距離を測定することでスライダ部２０のＸ方向及びＹ方向の位置を測定する。ＰＸ１及びＰＸ２は第１のＸ軸センサ３１及び第２のＸ軸センサ３２によるＸ軸方向の距離測定値、ＰＹはＹ軸センサ３３によるＹ軸方向の距離測定値である。
【０００８】
４１は第１のＸ軸制御部であり、測定値ＰＸ１と位置指令信号ＳＸ１の偏差に基づいてスライダ部２０に形成された第１のＸ軸モータに電流指令値信号ＭＸ１を発信する。４２は第２のＸ軸制御部であり、測定値ＰＸ２と位置指令信号ＳＸ２の偏差に基づいてスライダ部２０に形成された第２のＸ軸モータに電流指令値信号ＭＸ２を発信する。４３はＹ軸制御部であり、測定値ＰＹと位置指令信号ＳＹの偏差に基づいてスライダ部２０に形成されたＹ軸モータに電流指令値信号ＭＹを発信する。
【０００９】
図５は、スライダ部２０の裏面から見た図である。スライダ部２０の裏面には格子プラテン１０の歯と対向するＸ軸モータ及びＹ軸モータが配置されている。これらのモータは４個のエリアに配置されている。対角に対向する２０Ａ及び２０Ｂは第１のＸ軸及び第２のＸ軸モータであり、Ｙ軸方向に一定ピッチで形成された歯を有しており、これらを連結するコアの巻線に夫々操作信号ＭＸ１及びＭＸ２が与えられる。
【００１０】
同様に、対角に対向する２０Ｃ及び２０ＤはＹ軸モータであり、夫々Ｘ軸方向に一定ピッチで形成された歯を有しており、これらを連結するコアの巻線は直列接続され共通に操作信号ＭＹが与えられる。これらＸ軸及びＹ軸モータの詳細構造及び位置のフィードバック制御系については、特許文献１及び２に詳細に開示されているので、説明を省略する。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−６５９７０号公報
【特許文献２】
特開２００１−１２５６４８号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成を有する従来のＸＹステージでは、次のような問題点がある。
（１）Ｘ軸センサ２台及びＹ軸センサ１台はスライダ部２０の上部に搭載されるので、その電子部品による発熱が同じく上部に搭載されるワーク及びターゲットに影響を与える。ワークが更に精度の高いターゲットの位置決め作業をしている場合等では温度補償を必要とし、スライダ部の構成が複雑となり、コストアップの要因となる。
（２）３台のセンサがスライダ部２０上に搭載されているので、これらへの電源ケーブル、信号ケーブルが必要であり、ケーブル処理のコストアップ要因となる。
【００１３】
本発明は、これらの問題点を解決するためになされたものであり、スライダ部の発熱要因を最小限にすると共に、ケーブル処理をシンプル化できるＸＹステージを実現することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明の構成は次の通りである。
（１）スライダ部を２次元方向に位置制御するＸＹステージにおいて、
固定部に配置され、前記スライダ部のＸ軸方向位置を検出するＸ軸センサと、
固定部に配置され、前記スライダ部のＹ軸方向位置を検出するＹ軸センサと、を有することを特徴とするＸＹステージ。
【００１５】
（２）前記Ｘ軸センサと対向して前記スライダ部に固定配置されたＸ軸ミラーと、
前記Ｙ軸センサと対向して前記スライダ部に固定配置されたＹ軸ミラーと、
を有し、前記Ｘ軸センサ及びＹ軸センサは、前記Ｘ軸ミラー及びＹ軸ミラーに光を照射してその反射光を受け、光の干渉を利用して距離を測定する干渉計であることをすることを特徴とする（１）記載のＸＹステージ。
【００１６】
（３）前記Ｘ軸センサは、Ｘ軸方向に所定距離を有して配置される第１及び第２のＸ軸センサで構成されることを特徴とする（１）または（２）に記載のＸＹステージ。
【００１７】
（４）前記スライダ部はＸ軸方向に所定距離を有して配置される第１及び第２のＸ軸モータを搭載し、前記第１及び第２のＸ軸センサの測定値に基づいて前記第１及び第２のＸ軸モータがフィードバック制御されることにより、スライダ部のＸ軸方向位置が制御されることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のＸＹステージ。
【００１８】
（５）前記スライダ部は、Ｙ軸モータを有し、前記Ｙ軸センサの測定値に基づいて前記Ｙ軸モータがフィードバック制御されることにより、スライダ部のＹ軸方向位置が制御されることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のＸＹステージ。
【００１９】
（６）前記第１及び第２のＸ軸モータがフィードバック制御されることにより、前記スライダ部のヨーイング補正が行われることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載のＸＹステージ。
【００２０】
（７）前記スライダ部は格子プラテン上を移動し、前記格子プラテンは一定ピッチで形成された格子状の歯を有し、この歯は前記スライダ部のＸ軸モータ及びＹ軸モータに形成された歯と対向していることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載のＸＹステージ。
【００２１】
（８）前記スライダ部を前記格子プラテン上に所定距離浮揚させるための浮揚手段を有することを特徴とする（７）に記載のＸＹステージ。
【００２２】
（９）前記Ｘ軸ミラー及びＹ軸ミラーは、前記スライダ部に搭載されるワークの作業高さ位置に配置したことを特徴とする（２）乃至（８）のいずれかに記載のＸＹステージ。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１は本発明を適用したＸＹステージの構成例を示す斜視図であり、図４の従来ＸＹステージで説明した要素と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００２４】
本発明の構成上の特徴は、格子プラテンのＸ軸方向の端部付近にＸ軸センサを固定配置し、格子プラテンのＹ軸方向の端部付近にＹ軸センサを固定配置すると共に、Ｘ軸センサと対向してスライダ部にＸ軸ミラーを固定配置し、Ｙ軸センサと対向してＹ軸ミラーをスライダ部に固定配置した点にある。即ち、Ｘ軸センサ及びＹ軸センサとＸ軸ミラー及びＹ軸ミラーの相対関係を、従来ＸＹステージの相対関係と反転させた構成を特徴としている。
【００２５】
図１において、１００はスライダ部、１０１は浮揚手段であり、図４のスライダ部２０及び浮揚手段２１と同一構成である。１０２はＸ軸ミラーであり、スライダ部１００のＸ軸方向端部の一方に取り付けられ、Ｙ軸方向に延びている。１０３はＹ軸ミラーであり、スライダ部１００のＹ軸方向端部の一方に取り付けられ、Ｘ軸方向に延びている。
【００２６】
２０１は第１のＸ軸センサ、２０２は第２のＸ軸センサであり、格子プラテン１０のＸ軸方向端部に対向し所定距離を有して固定配置されている。２０３はＹ軸センサであり、格子プラテン１０のＹ軸方向端部に対向して固定配置されている。これら第１、第２のＸ軸センサ及びＹ軸センサは、Ｘ軸ミラー１０２及びＹ軸ミラー１０３に光を照射してその反射光を受け、光の干渉を利用して距離を測定する干渉計である。
【００２７】
４０１は第１のＸ軸制御部、４０２は第２のＸ軸制御部、４０３はＹ軸制御部であり、図４の要素４１乃至４３に対応する。第１のＸ軸制御部４０１は、第１のＸ軸センサ２０１の測定値ＰＸ１と位置指令信号ＳＸ１の偏差に基づいてスライダ部１００に形成された第１のＸ軸モータ（図５の２０Ａに相当する）に電流指令値信号ＭＸ１を発信する。
【００２８】
第２のＸ軸制御部４０２は、第２のＸ軸センサ２０２の測定値ＰＸ２と位置指令信号ＳＸ２の偏差に基づいてスライダ部１００に形成された第２のＸ軸モータ（図５の２０Ｂに相当する）に電流指令値信号ＭＸ２を発信する。４０３はＹ軸制御部であり、Ｙ軸センサ２０３の測定値ＰＹと位置指令信号ＳＹの偏差に基づいてスライダ部１００に形成されたＹ軸モータ（図５の２０Ｃ，２０Ｄに相当する）に電流指令値信号ＭＹを発信する。
【００２９】
補正手段４０４及び４０５は、第１のＸ軸制御部４０１及び第２のＸ軸制御部４０２について夫々設けられ、指令位置とスライダ部のヨーイングを除去するための補正量を対応させた補正テーブル４０６及び４０７を保持している。補正テーブル４６及び４７のデータはキャリブレーションによって得たデータである。
【００３０】
補正手段４０４及び４０５は、与えられた指令位置ＳＸをもとに補正テーブル４０６及び４０７から補正量を読み出し、読み出した補正量で第１のＸ軸制御部４０１及び第２のＸ軸制御部４０２に与える指令位置を補正し、補正された位置指令信号ＳＸ１及びＳＸ２を発信する。
【００３１】
補正手段４０４及び４０５により、Ｘ軸ミラー１０２とＹ軸ミラー１０３の機械的誤差による曲がりを補正することも可能である。Ｘ軸ミラー１０２とＹ軸ミラー１０３の曲がりが位置検出に影響しない程度の曲がりであり、ヨーイングが無視できる範囲であれば、補正手段４０４と４０５は設けなくてもよい。
【００３２】
第１のＸ軸センサ２０１及び第２のＸ軸センサ２０２は、スライダ部１００のＸ軸方向の位置を夫々検出する。これらセンサは、Ｘ軸ミラー１０２に光を照射し、その反射光を受け、光の干渉を利用してスライダ部１００のＸ軸方向の位置を検出する干渉計である。
【００３３】
Ｙ軸センサ２０３は、スライダ部１００のＹ軸方向の位置を検出する。このセンサは、Ｙ軸ミラー１０３に光を照射し、その反射光を受け、光の干渉を利用してスライダ部１００のＹ軸方向の位置を検出する干渉計である。
【００３４】
図２により、これらセンサの構成を第１のＸ軸センサ２０１で代表して説明する。レーザ光源５０１はレーザ光を出射する。レーザ光源５０１の出射光の光路には、ビームスプリッタ５０２、ミラー５０３，５０４、偏向ビームスプリッタ（ＰＢＳとする）５０５、λ／４板５０６，コーナーキューブ５０７が配置されている。
【００３５】
レーザ光源５０１から出た光は、ビームスプリッタ５０２、ミラー５０３、ミラー５０４、ビームスプリッタ５０２の経路で進み、図のａ方向に進む光がある。この光を第１の光とする。また、レーザ光源５０１から出た光には、ビームスプリッタ５０２、ＰＢＳ５０５、λ／４板５０６、Ｘ軸ミラー１０２、λ／４板５０６、ＰＢＳ５０５、コーナーキューブ５０７、ＰＢＳ５０５、λ／４板５０６、Ｘ軸ミラー１０２、λ／４板５０６、ＰＢＳ５０５、ビームスプリッタ５０２の経路で進み、図のａ方向に進む光がある。この光を第２の光とする。
【００３６】
ミラー５０３はレーザ光源５０１の光軸と４５°の角度をなして配置されている。これに対して、ミラー５０４はレーザ光源５０１の光軸と４５°＋θａの角度をなして配置されている。ミラー５０４の配置角度がθａだけずれていることにより、第１の光の波面が第２の光の波面に対してθａだけずれる。これによって、第１の光と第２の光が干渉して干渉縞Ｓを作る。フォトダイオードアレイ（ＰＤＡとする）５０８は干渉縞Ｓを検出する。
【００３７】
ＰＤＡ５０８は、４個のフォトダイオード５０８Ａ〜５０８Ｄからなる。４個のフォトダイオード５０８Ａ〜５０８Ｄは、干渉縞Ｓの１ピッチ内に配置されている。各フォトダイオード５０８Ａ〜５０８Ｄはｐ／４（ｐは干渉縞のピッチ）ずつずらして配置されている。干渉縞のピッチｐ＝λ／θａ（λはレーザ光の波長）となる。θａのディメンションはラジアンである。
【００３８】
減算器５０９は、（フォトダイオード５０８Ａの検出信号）−（フォトダイオード５０８Ｃの検出信号）なる演算を行う。減算器５１０は、（フォトダイオード１５０Ｂの検出信号）−（フォトダイオード５０８Ｄの検出信号）なる演算を行う。
【００３９】
スライダ部１００の移動に伴ってＸ軸ミラー１０２が移動すると、干渉縞Ｓが矢印ｄ−ｄ´方向に動く。干渉縞が動くと各フォトダイオード５０８Ａ〜５０８Ｄに当る干渉縞の明暗部分が動き、フォトダイオード５０８Ａ〜５０８Ｄの検出値が変化する。これをもとにスライダ部１００の位置を検出する。
【００４０】
干渉縞がｄ方向に移動したときは、フォトダイオードの出力Ｖ_Ａ〜Ｖ_Ｄは次のとおりになる。
Ｖ_Ａ＝Ｋ［１＋ｍｓｉｎ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝］＋Ｋ_ｎ
Ｖ_Ｂ＝Ｋ［１＋ｍｃｏｓ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝］＋Ｋ_ｎ
Ｖ_Ｃ＝Ｋ［１−ｍｓｉｎ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝］＋Ｋ_ｎ
Ｖ_Ｄ＝Ｋ［１−ｍｃｏｓ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝］＋Ｋ_ｎ
ｘｅ：検出対象の距離、Ｋ，ｍ：係数、Ｋ_ｎ：ノイズ成分
【００４１】
減算器５０９と５１０の減算信号は次のとおりになる。
Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｃ＝２ｍＫｓｉｎ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝
Ｖ_Ｂ−Ｖ_Ｄ＝２ｍＫｃｏｓ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝
減算の結果、外乱光により発生した直流のノイズ成分Ｋ_ｎがキャンセルされる。信号Ｖ_Ａ−Ｖ_ＣとＶ_Ｂ−Ｖ_Ｄが前述したＡ相パルスとＢ相パルスに変換される。干渉縞がｄ’方向に動いたときは、信号Ｖ_Ａ−Ｖ_ＣとＶ_Ｂ−Ｖ_Ｄの位相関係は逆転する。
【００４２】
コンパレータ５１１，５１２は、減算器５０９と５１０の減算信号からＡ相パルスとＢ相パルスを生成する。方向判別回路５１３は、Ａ相パルスとＢ相パルスの位相関係からスライダ部１００の移動方向を判別し、判別結果に応じてアップパルスまたはダウンパルスを発生する。
【００４３】
アップダウンカウンタ５１４は、アップパルスまたはダウンパルスに応じてアップカウントまたはダウンカウントを行う。アップダウンカウンタ５１４のカウントがスライダ部１００の検出位置になる。初期状態ではＸ軸モータの各相コイルに既知電流を流したときにモータのロータとステータの歯の位相がどれだけずれるかが予め分っている。
【００４４】
この時のアップダウンカウンタ５１４の値を基準値、例えば０に設定する。スライダ部の移動に伴ってアップダウンカウンタ５１４は基準値からアップカウントまたはダウンカウントを行って位置を検出する。このようにしてインクリメンタル方式に位置検出をする。
【００４５】
図３は、本発明の他の実施形態を示す側面図である。６００はスライダ部１００の上部に取り付けられたワーク（作業台）であり、この上に検査対象となるＬＳＩウェーファ等のターゲット７００が搭載されている。
【００４６】
Ｘ軸ミラー１０２及びＹ軸ミラー１０３（図示せず）は、ワーク６００の端部に取り付けられており、第１のＸ軸センサ２０１はこのミラーに対向する位置に固定配置されている。第１のＸ軸センサ２０２及びＹ軸センサ２０３についても同様である。
【００４７】
このように、最終位置制御される対象物（ターゲット）がスライダ部１００の上方に位置する場合には、ミラーの位置を対象物位置までシフトすることにより、スライダ部１００のローリング、ピッチングによる位置検出誤差を吸収し、より精度の高い位置制御を実現することができる。このようにＸ軸ミラー１０２及びＹ軸ミラー１０３（図示せず）は、スライダ部１００に搭載されるワークの作業高さ位置に配置されている。
【００４８】
図１及び図３の実施形態では、Ｘ軸ミラー１０２及びＹ軸ミラー１０３はスライダ部１００とは別部材構造で示したが、スライダ部材自身のＸ軸側面部及びＹ軸側面部をミラー構造とし、スライダ部とミラーを一体構造とすることも可能である。このような一体構造によれば、スライダ部の加工精度が確保されればミラーの取り付け精度を確保する作業は不要となるメリットがある。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果を期待することができる。
（１）Ｘ軸センサ２台及びＹ軸センサ１台はスライダ部より分離され固定配置されるので、その電子部品による発熱がスライダ部の上に取り付けられるワーク及びワーク上に搭載されるターゲットに影響を与えることが回避される。これにより、ワークが更に精度の高いターゲットの位置決め作業をしている場合等では温度補償を不用とし、スライダ部上の構成がシンプルとなり、コストダウンに貢献できる。
（２）３台のセンサが外部に固定配置されるので、従来ＸＹステージで必要としていた電源ケーブル、信号ケーブル不用となり、ケーブル処理のコストダウンに貢献できる。
（３）位置センサとして干渉計を用いることにより、機械部分を少なくし、装置を小型化することができる。
（４）Ｘ軸の制御を２系統とすることで、スライダ部のヨーイング及びＸ軸ミラーとＹ軸ミラーの曲がりの補正を実現し高精度な位置決めを実現できる。
（５）Ｘ軸ミラー及びＹ軸ミラーを、スライダ部に搭載されるワークの作業高さ位置としたことにより、ターゲットのより精度の高い位置制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したＸＹステージの構成例を示す斜視図である。
【図２】第１のＸ軸センサの構成図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す側面図である。
【図４】従来構造のＸＹステージの基本構造を示す斜視図である。
【図５】スライダ部に形成されるＸ軸モータ及びＹ軸モータの概念図である。
【符号の説明】
１０格子プラテン
１００スライダ部
１０１浮揚手段
１０２Ｘ軸ミラー
１０３Ｙ軸ミラー
２０１第１のＸ軸センサ
２０２第２のＸ軸センサ
２０３Ｙ軸センサ
４０１第１のＸ軸制御部
４０２第２のＸ軸制御部
４０３Ｙ軸制御部
４０４、４０５補正手段
４０６、４０７補正テーブル

Claims

スライダ部を２次元方向に位置制御するＸＹステージにおいて、
固定部に配置され、前記スライダ部のＸ軸方向位置を検出するＸ軸センサと、
固定部に配置され、前記スライダ部のＹ軸方向位置を検出するＹ軸センサと、を有することを特徴とするＸＹステージ。
前記Ｘ軸センサと対向して前記スライダ部に固定配置されたＸ軸ミラーと、
前記Ｙ軸センサと対向して前記スライダ部に固定配置されたＹ軸ミラーと、
を有し、前記Ｘ軸センサ及びＹ軸センサは、前記Ｘ軸ミラー及びＹ軸ミラーに光を照射してその反射光を受け、光の干渉を利用して距離を測定する干渉計であることをすることを特徴とする請求項１記載のＸＹステージ。
前記Ｘ軸センサは、Ｘ軸方向に所定距離を有して配置される第１及び第２のＸ軸センサで構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のＸＹステージ。
前記スライダ部はＸ軸方向に所定距離を有して配置される第１及び第２のＸ軸モータを搭載し、前記第１及び第２のＸ軸センサの測定値に基づいて前記第１及び第２のＸ軸モータがフィードバック制御されることにより、スライダ部のＸ軸方向位置が制御されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＸＹステージ。
前記スライダ部は、Ｙ軸モータを有し、前記Ｙ軸センサの測定値に基づいて前記Ｙ軸モータがフィードバック制御されることにより、スライダ部のＹ軸方向位置が制御されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＸＹステージ。
前記第１及び第２のＸ軸モータがフィードバック制御されることにより、前記スライダ部のヨーイング補正が行われることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のＸＹステージ。
前記スライダ部は格子プラテン上を移動し、前記格子プラテンは一定ピッチで形成された格子状の歯を有し、この歯は前記スライダ部のＸ軸モータ及びＹ軸モータに形成された歯と対向していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のＸＹステージ。
前記スライダ部を前記格子プラテン上に所定距離浮揚させるための浮揚手段を有することを特徴とする請求項７に記載のＸＹステージ。
前記Ｘ軸ミラー及びＹ軸ミラーは、前記スライダ部に搭載されるワークの作業高さ位置に配置したことを特徴とする請求項２乃至８のいずれかに記載のＸＹステージ。