JP2005093638A - 微動ステージ - Google Patents

Abstract

【課題】 ステージの弾性振動の影響を低減し、位置決め制御特性を向上させる。
【解決手段】 本発明においては、天板面に垂直な方向に推力を発生するアクチュエータと天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータの可動子を一体とした可動子ユニットを３個以上備えることを特徴とする。それにより、弾性振動の発生を抑えることが可能となり、位置決め制御特性を向上させることができる。さらに、可動子ユニット間を相互に連結することにより、よりいっそうの剛性アップが可能となり、さらに位置決め制御特性を向上させることができる。さらに、可動子ユニットに相対する固定子も一体化したユニットとすることにより、冷却用配管、電気配線部材が減らせるため、真空中での使用により好適になる。部品点数が減らせるため、コストを低減させる事ができる。全体の質量を減らすことができると共に、小型化することができる。といった効果が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体露光装置、工作機械など高速、高精度の位置、速度制御が求められる分野において、可動体の弾性振動が制御精度に影響を与える場合の弾性振動の抑制方法に関わる。

ここでは従来技術として、特開２０００−１０６３４４に記載のステージを例に説明を行う。

半導体露光装置においては露光線幅の微細化に伴い、露光装置のウェハステージに求められる位置制御精度は数ｎｍのオーダーに達している。また、生産性の向上の観点からステージの移動加速度および速度は年々増大の傾向にある。このような高速・高精度の位置制御を実現するためには、ウェハステージ位置制御系のサーボ帯域が高いことが必要である。高いサーボ帯域は目標値への応答性が高く、外乱などの影響にも頑健なシステムを実現する。従って、装置を作る立場からは可能な限り高いサーボ帯域を実現する、ウェハステージ、本体構造体等の設計が行われる。

図８は従来例のウェハステージの斜視図である。

（ＸＹステージの説明）
ベース定盤５０２上にＹヨーガイド５５０が固定されている。Ｙヨーガイド５５０の側面とベース定盤５０２の上面でガイドされるＹステージ５５１が、Ｙステージ５５１に設けられた不図示エアスライドによりＹ方向に沿って滑動自在に支持されている。

Ｙステージ５５１は、主に２本のＸヨーガイド５５２とＹスライダ大５５３、Ｙスライダ小５５４の４部材から構成される。Ｙスライダ大５５３は、その側面及び下面に設けた不図示エアパッドを介してＹヨーガイド５５０側面及びベース定盤５０２上面と対面している。また、Ｙスライダ小５５４は、その下面に設けた不図示エアパッドを介してベース定盤５０２上面と対面している。この結果Ｙステージ全体としては前述のようにＹヨーガイド５５０の側面とベース定盤５０２の上面でＹ方向に滑動自在に支持されることになる。一方、Ｘステージ５６１は、主に２枚のＸステージ側板５６２と、上のＸステージ上板５６３、下のＸステージ下板５６４の４部材から構成され、Ｙステージ５５１のＸヨーガイド５５２をＸ軸まわりに囲むように設けられる。Ｘステージ５６１は、Ｘ方向に不図示のエアスライドにより滑動自在に支持されている。Ｘステージ５６１は、Ｙステージ５５１の構成部材である２本のＸヨーガイド５５２の側面とベース定盤５０２の上面とでガイドされる。Ｘステージ下板５６４はその下面に設けた不図示エアパッドを介してベース定盤５０２上面と対面し、２枚のＸステージ側板５６２はその側面に設けた不図示エアパッドを介してＹステージ５５１の構成部材である２本のＸヨーガイド５５２の側面と対面している。Ｘステージ上板５６３の下面とＸヨーガイド５５２の上面、およびＸステージ下板５６４の上面とＸヨーガイド５５２の下面は非接触になっている。この結果、Ｘステージ５６１全体としては、前述のように２本のＸヨーガイド５５２の側面とベース定盤５０２の上面でＸ方向に滑動自在に支持されることになる。結果的に、Ｘステージ５６１は、Ｙステージ５５１がＹ方向に移動するときは共にＹ方向に移動し、Ｙステージ５５１に対してはＸ方向に移動可能であるため、ＸＹの２次元に滑動自在となる。

ＸＹステージ（移動装置）の駆動機構は、Ｘ駆動用に１本、Ｙ駆動用に２本の多相コイル切り替え方式の長距離リニアモータ５１０が用いられている。Ｘ駆動用の長距離Ｘリニアモータ５１０Ｘの固定子５１２ＸはＹステージ５５１に設けられ、長距離Ｘリニアモータ５１０Ｘの可動子５１１ＸはＸステージ５６１に設けられており、Ｘステージ５６１とＹステージ５５１との間でＸ方向に駆動力を発生する。長距離Ｙリニアモータ５１０Ｙの固定子５１２Ｙは、ベース定盤５０２と一体的に設けても良いし、ベース定盤５０２と振動的に独立した部材に設けても良い。長距離Ｙリニアモータ５１０Ｙの可動子５１１Ｙは、連結板５５５を介してＹステージ５５１と一体的に設けられている。これにより、Ｙ駆動用の長距離Ｙリニアモータ５１０Ｙは、Ｙステージ５５１をベース定盤５０２に対してＹ方向に駆動する。

長距離リニアモータ５１０の固定子５１２は、ストローク方向に並べた複数個のコイル５１３をコイル固定枠５１４に保持した物である。長距離リニアモータ５１０の可動子５１１は、磁極ピッチが上記コイルのコイルスパンに等しい４極の磁石をヨーク板の上にならべたもので上記コイルを挟むように対向させて形成した箱形の磁石で構成される。長距離リニアモータは、可動子の位置によって固定子のコイルに選択的に電流を流すことにより推力を発生する。

（ウェハ天板５０１の説明）
ウェハ天板５０１（移動可能なステージ）は、工作物であるウェハをウェハチャック５７１により載置し、並進ＸＹＺ方向及び回転ωｘωｙωｚ方向の６自由度方向に位置決めするものである。ウェハ天板５０１は、矩形の板状の形をしており中央に窪み５７２が設けられ、窪み部分５７２にウェハを載置するためのウェハチャック５７１が設けられている。ウェハ天板５０１の側面には干渉計（第１の計測器）のレーザーを反射するためのミラー５２９が設けられウェハ天板５０１の位置を計測できるようになっている。

（位置計測の説明）
次に、図９を用いて、Ｘステージ５６１の位置計測とウェハ天板５０１の位置計測について説明する。

Ｘステージ５６１の上板５６３の側面には、Ｘステージ５６１の位置計測を行う干渉計（第２の計測器）の計測光を反射するためのミラーが形成されている。Ｘ方向およびＹ方向からレーザー干渉計の計測光がＸステージ側面ミラー５３９に照射され、Ｘステージ５６１のＸＹ方向の位置をレーザー干渉計で精密に計測できるようになっている。

ウェハ天板５０１の側面には、干渉計のレーザーを反射するためのミラー５２９が設けられ、ウェハ天板５０１の位置を計測できるようになっている。ウェハ天板５０１には６本の光ビームが照射され、ウェハ天板５０１の６自由度の位置を計測している。Ｘ軸に平行でＺ位置の異なる２本の干渉計ビームにより、ウェハ天板５０１のＸ方向の位置およびωｙ方向の回転量が計測できる。また、Ｙ軸に平行でＸ位置およびＺ位置の異なる３本の干渉計ビームにより、Ｙ方向の位置およびωｘωｙ方向の回転量が計測できる。さらにウェハチャック５７１に載置されたウェハに斜めに計測光を入射し、この計測光の反射位置を計測することにより、ウェハのＺ方向の位置（つまりウェハ天板のＺ方向の位置）が計測できる。

以上のように、Ｘステージ５６１及びウェハ天板５０１の位置を計測することにより、Ｘステージ５６１の位置計測とウェハ天板５０１の位置計測は、互いに独立して位置をレーザー干渉計で精密に計測できるようになっている。

（微動アクチュエータの説明）
次に、図１０を用いて、Ｘステージ５６１とウェハ天板５０１との間で駆動力を発生する微動アクチュエータユニットの説明を行う。図１０は、Ｘステージ５６１とウェハ天板５０１との間に設けられた微動リニアモータ５０３および電磁石５０８等を用いたアクチュエータの分解図を表している。

ウェハ天板５０１の下方にはウェハ天板５０１に推力や吸引力を作用する基準となる前述のＸＹステージが配置される。

ウェハ天板５０１の下面には８個の微動リニアモータ可動子５０４が取り付けられている。各可動子５０４は、厚み方向に着磁された２極の磁石５７４およびヨーク５７５を２組み有している。この２組の磁石５７４およびヨーク５７５は、側板５７６で連結して箱状の構造を形成し、後述の微動リニアモータ固定子５０５を非接触で挟み込むように対面する。

８個の可動子５０４のうちの４個の可動子５０５Ｚは、矩形状天板５０１の辺のほぼ中央部に配置され、ウェハ天板５０１をＸステージ５６１に対してＺ方向に微動駆動するためのＺ可動子を形成する。Ｚ可動子５０５Ｚにおいては、前記２極の磁石５７４ＺがＺ方向に沿って配列されており、後述のＺ方向に直角な直線部をもつＺ固定子５０５Ｚの長円コイル５７８Ｚに流れる電流と相互作用してＺ方向の推力を発生する。これをＺ１〜Ｚ４可動子と名づける。

残りの４個の可動子５０４Ｘのうち矩形状天板の対角の隅部に配置される２個の可動子は、ウェハ天板５０１をＸステージ５６１に対してＸ方向に微動駆動するためのＸ可動子を形成する。Ｘ可動子５０４Ｘにおいては、前記２極の磁石５７４ＸがＸ方向に沿って配列されており、後述のＸ方向に直角な直線部をもつＸ固定子５０５Ｘの長円コイル５７８Ｘに流れる電流と相互作用してＸ方向の推力を発生する。これをＸ１、Ｘ２可動子と名づける。

残りの２個の可動子５０４Ｙもまた矩形状天板５０１の対角の隅部に配置され、ウェハ天板５０１をＸステージ５６１に対してＹ方向に微動駆動するためのＹ可動子を形成する。Ｙ可動子５０４Ｙにおいては、前記２極の磁石５７４がＹ方向に沿って配列されており、後述のＹ方向に直角な直線部をもつＹ固定子５０５Ｙの長円コイル５７８Ｙに流れる電流と相互作用してＹ方向の推力を発生する。これをＹ１、Ｙ２可動子と名づける。

また、ウェハ天板５０１の下面の矩形のほぼ中央部には、円筒形状の磁性体支持筒５８０が設けられている。そしてこの磁性体支持筒５８０の外周部には４つの円弧状の磁性体ブロック５０７が固定されている。このうち２個の円弧状磁性体ブロック５０７Ｘは、Ｘ方向に沿うように配置され、やはりＸ方向に沿うように配置された後述のＥ形状電磁石５０８Ｘと非接触で対面し、Ｅ形状電磁石５０８ＸからＸ方向の大きな吸引力を受けられるようになっている。この、Ｘ方向に沿って配置された円弧状の磁性体ブロック５０７ＸをＸ１、Ｘ２ブロックと名づける。

残りの２個の円弧状磁性体ブロック５０７Ｙは、Ｙ方向に沿うように配置され、やはりＹ方向に沿うように配置された後述のＥ形状電磁石５０８Ｙと非接触で対面し、Ｅ形状電磁石５０８ＹからＹ方向の大きな吸引力を受けられるようになっている。この、Ｙ方向に沿って配置された円弧状の磁性体ブロック５０７ＹをＹ１、Ｙ２ブロックと名づける。

円筒形状の磁性体支持筒５８０の中空部分には、自重補償ばね５８１が配置され、その上端がウェハ天板５０１の下面中央部と結合され、ウェハ天板５０１の自重を支持するようになっている。自重補償ばね５８１は自重支持方向および他の５自由度方向のばね定数が極めて小さく設計されており、ばね５８１を介してＸステージ５６１からウェハ天板５０１への振動伝達がほぼ無視できるようになっている。

Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘが発生する力の作用線のＺ座標は概ね一致している。Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘが発生する力の作用線のＺ座標は、Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘ、Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙ、Ｚ１Ｚ２Ｚ３Ｚ４可動子５０４Ｚおよび磁性体支持筒５８０および４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＺ座標と概ね一致するようになっていることが望ましい。この場合、Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘに発生するＸ方向の推力によって、Ｙ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになる。

Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙが発生する力の作用線のＺ座標は概ね一致している。Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙが発生する力の作用線のＺ座標は、Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｙ、Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙ、Ｚ１Ｚ２Ｚ３Ｚ４可動子５０４Ｚおよび磁性体支持筒５８０および４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＺ座標と概ね一致するようになっていることが望ましい。この場合Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙに発生するＹ方向の推力によって、Ｘ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになる。

Ｘ１Ｘ２ブロック５０７Ｘに作用する吸引力の作用線のＺ座標は概ね一致している。Ｘ１Ｘ２ブロック５０７Ｘに作用する吸引力の作用線のＺ座標は、Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘ、Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙ、Ｚ１Ｚ２Ｚ３Ｚ４可動子５０４Ｚおよび磁性体支持筒５８０および４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＺ座標と概ね一致するようになっていることが望ましい。この場合Ｘ１Ｘ２ブロック５０７Ｘに作用するＸ方向の吸引力によって、Ｙ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになる。

また、このＸ１Ｘ２ブロック５０７Ｘに作用するＸ方向の吸引力の作用線のＸ座標は、Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘ、Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙ、Ｚ１Ｚ２Ｚ３Ｚ４可動子５０４Ｚおよび磁性体支持筒５８０および４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＸ座標と概ね一致するようになっている。このためＸ１Ｘ２ブロックに作用するＸ方向の吸引力によって、Ｚ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになっている。

Ｙ１Ｙ２ブロック５０７Ｙに作用する吸引力の作用線のＺ座標は概ね一致している。Ｙ１Ｙ２ブロック５０７Ｙに作用する吸引力の作用線のＺ座標は、Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘ、Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙ、Ｚ１Ｚ２Ｚ３Ｚ４可動子５０４Ｚおよび磁性体支持筒５８０および４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＺ座標と概ね一致するようになっていることが望ましい。この場合Ｙ１Ｙ２ブロック５０７Ｙに作用するＹ方向の吸引力によって、Ｘ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになる。

また、このＹ１Ｙ２ブロック５０７Ｙに作用するＹ方向の吸引力の作用線のＸ座標は、Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘ、Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙ、Ｚ１Ｚ２Ｚ３Ｚ４可動子５０４Ｚおよび磁性体支持筒５８０および４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＸ座標と概ね一致するようになっている。このためＹ１Ｙ２ブロック５０７Ｙに作用するＹ方向の吸引力によって、Ｚ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになっている。

Ｘステージ上板５６３の上部には、ウェハ天板５０１を６軸方向に位置制御するための８個の微動リニアモータ５０３の固定子５０５、ウェハ天板５０１にＸＹ方向の加速度を与えるための電磁石支持円筒５８３に支持された４個のＥ形電磁石５０８、ウェハ天板５０１の自重を支持するための自重支持ばねの一端が固定されている。

各固定子５０５は、長円形のコイル５７８をコイル固定枠５７９で支持する構造になっており、前述のウェハ天板５０１下面に固定されたリニアモータ可動子５０４と非接触で対面するようになっている。

８個の固定子５０５のうちの４個の固定子５０５Ｚは、矩形状のＸステージ上板５６３の辺のほぼ中央部に配置され、ウェハ天板５０１をＸステージ５６１に対してＺ方向に微動駆動するためのＺ固定子を形成する。Ｚ固定子５０５Ｚは、前記長円コイル５７８Ｚの直線部がＺ方向と直角になるように配置されており、前記Ｚ可動子５０４ＺのＺ方向に沿って配置された２極の磁石５７４ＺにＺ方向の推力を作用できるようになっている。このコイルをＺ１〜Ｚ４コイルと名づける。

残りの４個の固定子のうち２個の固定子５０５Ｘは、矩形状のＸステージ上板５６３の対角の隅部に配置され、Ｘ固定子を形成する。Ｘ固定子５０５Ｘでは、前記長円コイル５７８Ｘの２つの直線部がＸ方向と直角になり、２つの直線部がＸ方向に沿うように配置されており、前記Ｘ可動子５０４ＸのＸ方向に沿って配置された２極の磁石５７４ＸにＸ方向の推力を作用できるようになっている。このコイルをＸ１Ｘ２コイルと名づける。

残りの２個の固定子５０５Ｙも矩形状のＸステージ上板５６３の対角の隅部に配置され、Ｙ固定子を形成する。Ｙ固定子５０５Ｙでは、前記長円コイル５７８Ｙの２つの直線部がＹ方向と直角になり、２つの直線部がＹ方向に沿うように配置されており、前記Ｙ可動子５０４ＹのＹ方向に沿って配置された２極の磁石５０４ＹにＹ方向の推力を作用できるようになっている。このコイルをＹ１Ｙ２コイルと名づける。

また、電磁石支持円筒５８３は、矩形状のＸステージ上板５６３のほぼ中央部に配置され、電磁石支持円筒５８３の内部には４つのＥ形電磁石５０８が設けられている。Ｅ形電磁石５０８は、Ｚ方向からみたとき概ねＥ形の断面を有する磁性体ブロック５８５と、コイル５８６とを具備している。コイル５８５は、Ｅの字の中央の突起の周りに巻きまわされる。Ｅの字の３つの突起部の端面は、直線ではなく円弧になっている。このＥ形電磁石５０８の３つの突起部の端面は、前記ウェハ天板５０１に固定された円弧状磁性体ブロック５０７と数十ミクロン程度以上の空隙を介して非接触で対面し、コイルに電流を流すことによって円弧状磁性体ブロック５８５に吸引力を作用するようになっている。

ここでは、電磁石支持円筒５８３および円弧状磁性体ブロック５８５については、詳しく説明しない。

以上の構成により、Ｘステージ５６１からウェハ天板５０１に対して、リニアモータにより６軸方向の推力を与えることができ、電磁石５０８によりＸＹ方向の大きな吸引力を与えることができる。

並進Ｚ方向および回転ωｘωｙωｚ方向は長いストロークを動かす必要はないが、ＸＹ方向は長いストロークにわたって推力や吸引力を作用させる必要がある。しかし、リニアモータ５０３も電磁石５０８もＸＹ方向のストロークが極めて短い。一方、Ｘステージ５６１はＸＹ方向に長いストロークを有する。そこで、Ｘステージ５６１をＸＹ方向に移動させながらウェハ天板５０１にＸＹ方向の推力や吸引力を作用させることにより、ＸＹ方向の長きにわたってウェハ天板５０１にＸＹ方向の推力や吸引力を作用させるようにしている。

半導体露光装置のステージ装置においては露光する線幅の解像度が高いため、その位置制御精度が高いことが要求される。また、半導体露光装置は生産設備であるから生産性の観点からスループットが高いことも要求される。この要求を満たすためにはステージのサーボ系の応答性が高く、かつ高速で移動できることが必要である。ステージの位置制御精度を高めるため、設計者は位置制御系のゲインを可能な限り高く設定し、高いサーボ帯域を実現する。しかし、ゲインをある程度以上高く設定しようとしても、サーボ系の発振によりその上限は制約される。サーボ帯域を制限する要因は種々あるが、制御ループ内に存在する機械系の弾性振動もその要因の一つである。

図５にウェハ天板５０１の弾性振動モードの解析結果の例を示す。ここでは１次から４次までの弾性振動モードを示した。このように薄い板ではＺ方向の剛性が弱いため、曲げあるいは捩れのような弾性変形による振動が発生する。このときＺ方向のアクチュエータから計測点までの伝達特性は、図６のようになり、弾性振動の共振点は高いピークをもつ。このような系で例えばＺ方向の位置制御系のループゲインを高くしていくと、前記の弾性振動の共振点が励起こされステージの制御精度を悪化させる。ある程度、低いループゲインでは、前記振動が大きく現れるだけであるが、さらにゲインを高くすると、サーボ系は不安定になり発振状態になる。

このようにウェハ天板５０１などに弾性振動が存在するため、サーボ系は不安定になる。あるいは不安定にならないまでも、制御誤差が大きくなり、制御仕様を満たさない恐れがある。通常、サーボ帯域はこの弾性振動の最低次の共振周波数の１／３から１／４程度に制限される。

従来例に示したように、ウェハ天板５０１上にはウェハやレチクルが搭載されるため、アクチュエータは天板に対して搭載面とは反対側に設置される。これには、設置スペース上の問題もあるが、アクチュエータが発生する熱が天板やウェハ／レチクルに伝わりにくくし、熱による変形を起こさないようにするという目的もある。

一方で、このような構造は天板にアクチュエータという比較的大きな質量をもつ物体が多数ぶら下がっていることになるため、天板の固有値を下げ、弾性振動モードの周波数を下げるという影響もある。また、これらのアクチュエータが個々に質量として振動するため、アクチュエータが増えると天板の弾性振動モードが増えてしまう。

また、アクチュエータ自身も弾性振動モードを持つため、多数のアクチュエータをつけることによりさらに、弾性振動モードが増える。

以上のように、アクチュエータが多数付属している場合は、天板単体の場合に比べて、弾性振動モードの周波数が下がるとともに数も増えているため、サーボ系は不安定になりやすい状態だといえる。

また、アクチュエータの駆動点と天板との位置関係によって、特にＸＹ方向のアクチュエータを駆動した場合に、天板から駆動点までの距離に比例して天板にねじり変形を生じやすくなる。これをウェハ天板を側面から見た模式図、図７で説明する。

従来例のステージのように、ウェハ天板５０１に対して、各アクチュエータ可動子５０４は下にぶら下がるような形で付属している。ａに示すようにこの場合、矢印で示す水平方向アクチュエータ５０４Ｈの作用軸は、天板面から離れた位置にある。そのため、天板に対してねじりトルクを発生させ、ｂに示すように天板を変形させてしまう。さらに、重心と駆動点がずれている場合、天板全体が回転してしまうので、回転させないために、ｃに示すように同時に垂直方向アクチュエータ５０４Ｖも駆動する必要がある。これらの力は天板に対して応力を発生させ、さらに変形を助長する方向に働く。その結果、天板の弾性振動モードを励起こし、サーボ系が不安定となりやすくなる。

このように従来の位置制御系においては、制御対象の弾性振動の共振周波数により位置制御系のサーボ帯域が制限される。従ってより高いサーボ帯域を実現するためには、弾性振動の共振周波数を高める、あるいは減衰性を高める必要があり、そのために天板の剛性を高くする、あるいは質量を軽くする、などの方策が必要となる。

また、半導体露光装置では光源の短波長化にともない、今後は真空中で露光することが必要とされている。そのため、ステージにおいても、真空中で使用できる材料を用いるとともに、真空度を下げないためにできる限りシンプルな構造にすることが求められている。個々のアクチュエータには駆動用の電気配線や、冷却用の液冷配管が接続されているが、これらの配線材はガスの放出量が大きく、真空度を下げる大きな要因となっている。

そこで、本発明においては、天板面に垂直な方向に推力を発生するアクチュエータと天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータの可動子を天板面に平行に連結し一体とした可動子ユニットを天板の基板搭載面とは反対側の面に３個以上備えることを特徴とする。

また、これらの可動子ユニットは天板面に垂直な方向に推力を発生するアクチュエータを天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータに対し、水平な方向に推力を発生するアクチュエータの作用軸方向に配置し直線状となるようすることが望ましい。

また、これらの可動子ユニットは天板面に垂直な方向に推力を発生するアクチュエータを天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータに対し、水平な方向に推力を発生するアクチュエータの作用軸方向に配置しＴ字状となるようすることが望ましい。

また、これらの可動子ユニットは天板面に垂直な方向に推力を発生するアクチュエータを天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータに対し、水平な方向に推力を発生するアクチュエータの作用軸方向に配置しＬ字状となるようすることが望ましい。

また、これらの可動子ユニットを相互に連結することが望ましい。

また、これらのアクチュエータはリニアモータであることが望ましい。

また、可動子ユニットに相対する固定子も一体化することが望ましい。

さらに、固定子ユニットは、１ユニットに付き１組の電気配線と冷却用配管を有することが望ましい。

また、これらの複数個のユニットは、同一形状であることが望ましい。
内での使用にもより好適となる。

以上説明したように、本発明においては、天板面に垂直な方向に推力を発生するアクチュエータと天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータの可動子を一体としたユニットとしたことにより、
ユニットあたりの天板への取り付け面積が増えることにより、取り付け剛性がアップするため、天板の弾性振動モードの周波数が高くなる。
ユニットあたりの天板への取り付け面積が増えることにより、アクチュエータを駆動しても天板の弾性振動モードを励振しにくくなる。

ユニット自体の剛性もアップするため、ユニットの持つ弾性振動モードの周波数が高くなる。

ユニット数が減ることにより、全体の弾性振動モードの数も少なくなる。

等の効果を、質量を増加させることなく得ることができる。それにより、弾性振動の発生を抑えることが可能となり、位置決め制御特性を向上させることができる。

さらに、可動子ユニット間を相互に連結することにより、よりいっそうの剛性アップが可能となり、さらに位置決め制御特性を向上させることができる。

さらに、可動子ユニットに相対する固定子も一体化したユニットとすることにより、
冷却用配管、電気配線部材が減らせるため、真空中での使用により好適になる。

部品点数が減らせるため、コストを低減させる事ができる。

全体の質量を減らすことができると共に、小型化することができる。といった効果が得られる。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１にかかるウェハ天板５０１のアクチュエータ配置図である。なお、図では構造をわかりやすくするため、ウェハ天板５０１を下から見た図を描いてある。また、説明に必要ない磁性体ブロックなどは省略している。

本実施例においては、水平方向のアクチュエータ可動子ユニット５０４Ｈ（図中にて矢印を表示したもの）と垂直方向のアクチュエータ可動子ユニット５０４Ｖを一組として、天板面に平行な方向に連結して一体構造としてウェハ天板５０１に取り付けられている。これにより、ウェハ天板５０１に取り付けられる可動子ユニットの数を減らすことができ、弾性振動モードの総数も減らすことができる。

６自由度を駆動するためには、水平方向アクチュエータ５０４Ｈ、垂直方向アクチュエータ５０４Ｖ共に最低３個必要である。そのため、一体化したアクチュエータユニットも最低３個以上備える必要がある。従来例のように４個備えてもよいし、それ以上でもよい。図１には、３個備えた場合と、４個備えた場合のアクチュエータ配置の例を示す。

水平方向アクチュエータ可動子５０４Ｈと垂直方向アクチュエータ可動子５０４Ｖを一体化する場合に配置については、直線状、Ｔ字状、Ｌ字状等がある。これらは、ウェハ天板５０１に対する設置スペースに応じて選ぶ。ただし、後述する理由により、水平方向アクチュエータの作用線上に垂直方向アクチュエータを配置することが望ましい。

図２は、本発明の実施例１にかかるリニアモータを用いたアクチュエータユニットの図である。可動子ユニット５０４には、垂直方向駆動用の磁石５７４と水平方向駆動用の磁石５７４を備える。これらが同一の構造体に取り付けられており、一体としてウェハ天板５０１に取り付けられている。これにより、ユニット１つ当たりの取り付け面積が増え、取り付け剛性を向上させることができる。垂直方向リニアモータ可動子５０４Ｖと水平方向リニアモータ可動子５０４Ｈは、機械的には一体となっているが、磁気回路を共有する必要はなく、駆動時の干渉を避けるためには、むしろ磁気的には独立しているほうが望ましい。

複数個の可動子ユニット５０４は、部品点数を削減しコストを低減するためには、同一形状であることが望ましいが、天板への配置の都合や、制御特性上の必要がある場合には、異なった形状であってもかまわない。固定子５０５については、制御特性に影響しないので、従来通り個別のユニットでも構わない。

次に、図３を用いて本実施例における効果を説明する。本図は、ウェハ天板５０１を側面から見た模式図である。

ａに示すように、矢印で示す水平方向アクチュエータ５０４Ｈの作用軸は、天板面から離れた位置にある。そのため、天板に対してねじりトルクを発生させ、ｂに示すように天板を変形させてしまう。しかし、アクチュエータユニットを天板に平行な方向に連結して一体化することにより、設置面積が増え、取り付け剛性が増加するため、変形量を小さく押さえることが可能となる。また、このとき垂直方向アクチュエータ５０４Ｖが水平方向アクチュエータ５０４Ｈの作用線上にあるため、変形を生じる方向に対して効果的に変形を押さえることが可能となる。また、水平方向アクチュエータ５０４Ｈの横方向に対する変形も同時に抑える必要がある場合には、Ｔ字状、Ｌ字状に配置することもできる。これらの効果は、アクチュエータユニットを一体化しなくても、単に取り付け面積を大きくすることでも得られるが、その場合にはユニットが大型化し質量が増大してしまう。本発明においては、アクチュエータユニットを一体化することによって、余分な質量増加を招くことなく、この目的を達成することができる。

さらに、重心と駆動点がずれている場合、天板全体が回転してしまうので、回転させないために、ｃに示すように同時に垂直方向アクチュエータ５０４Ｖも駆動する必要がある。これはさらに変形を助長する方向に働く。しかし、垂直方向アクチュエータ５０４Ｖが水平方向アクチュエータ５０４Ｈと一体化しているため、従来、天板を介して働いていた２つの方向の力が、アクチュエータユニット内の内力となり、天板に対しては応力を発生させず、変形を生じない。

しかし、他のユニットが発生する力は、天板に対して変形を生じさせる。天板の変形が生じると、各アクチュエータユニット間の相対距離が変化する。そこで、各ユニット間を連結棒５９３で連結することにより、アクチュエータユニット間の相対距離の変化を抑え、ウェハ天板５０１の変形を抑えることが可能となる。アクチュエータユニット間の相対距離の変化は天板から離れるほど大きくなるので、連結棒５９３は天板からできるだけ離れた位置に取り付けることが望ましい。

以上説明したように、垂直方向アクチュエータ可動子５０４Ｖと水平方向アクチュエータ可動子５０４Ｈを一体化することにより、弾性振動モードを減らし、余分な質量増加を招くことなく取り付け剛性を向上させることができ、アクチュエータ駆動時の天板の変形を効果的に抑えることが可能となる。これにより、制御系が発振しにくくなり、位置決め制御特性を向上させることが可能となる。

（実施例２）
図４は、本発明の実施例２にかかるアクチュエータユニットの図である。本実施例においては、アクチュエータユニットの固定子５０５についても一体化した点が、実施例１と異なる。

一体化された可動子ユニット５０４に対する、垂直方向コイル５７８Ｖと水平方向コイル５７８Ｈと同一のコイル固定枠５０６に対して固定し、一体化してＸステージ上板に取り付ける。これにより、可動子ユニット５０４に対する組み立ての相対誤差を、個々のコイルでなく固定枠５０６に対して保証すればよいため、組み立てが容易になる。また、固定子側で部材を共有することにより、固定子ユニットを小型化することができるため、相対する可動子ユニット５０４も軽量化が可能となる。

さらに、固定子ユニット５０５の垂直方向用コイル５７８Ｖと、水平方向用コイル５７８Ｈを、固定枠５０６内に用意された共通の冷却配管５９２を用いて冷却する。これにより実施例１では１ユニットに対して２組用意する必要があった冷却配管５９２を、１組で済ますことができる。Ｘステージ上板５６３に設ける配管数が減るため、Ｘステージ上板５６３の構造が簡単になり、加工が容易になると共に、剛性も向上する。また、固定子ユニット５０５とＸステージ上板５６３間の接続のためのＯリング（不図示）や接続配管も減るため、リークの危険性も減る。図には、冷却配管５９２がＸステージ天板５６３内をとおっている状態を示したが、Ｘステージ天板５６３外に独立した配管を用意した場合でも、同様に冷却配管５９２を減らす効果は得られる。

コイル駆動用の電気配線５９０についても、配線数こそは同じだが、コネクタ５９１を共通化することができ、部品点数を削減、接続ミスの低減が可能となる。

また、可動子ユニット５０４と同様に、固定子ユニット５０５についても、それぞれ同一ユニットとすることにより、部品点数の削減が可能となる。

以上説明したように、アクチュエータユニットの小型化が可能となり、軽量化、剛性アップによる制御性能向上が可能となる。また、部品点数が減り、構造が簡単になり、製造コストを下げることができる。また、冷却配管、電気配線部材を減らすことができ、真空内での使用にもより好適となる。

本発明の実施例１にかかる微動ステージの概略図である。 本発明の実施例１にかかるアクチュエータユニットの図である。 本発明の実施例１にかかる変形の様子を示す図である。 本発明の実施例２にかかるアクチュエータユニットの図である。 天板の弾性モード振動を示す図である。 天板の力から変位への伝達特性を示す図である。 並進方向のアクチュエータによる変形を示す図である。 従来例におけるステージの構成を示す図である。 従来例における微動ステージの構成を示す図である。 従来例における微動ステージの構成を示す図である。

符号の説明

５０１ ウェハ天板
５０２ ベース定盤
５０３ 微動リニアモータ
５０４ 微動リニアモータ可動子
５０５ 微動リニアモータ固定子
５０６ コイル固定枠
５０７ ブロック
５０８ 電磁石
５０９ 自重補償ばね
５１０ 長距離リニアモータ
５１１ 長距離リニアモータ可動子
５１２ 長距離リニアモータ固定子
５１３ 長距離リニアモータコイル
５１４ コイル固定枠
５２８ ウェハ天板位置計測系
５２９ ウェハ天板側面ミラー
５３８ ステージ位置計測器
５３９ Ｘステージ側面ミラー
５５０ Ｙヨーガイド
５５１ Ｙステージ
５５２ Ｘヨーガイド
５５３ Ｙスライダ大
５５４ Ｙスライダ小
５５５ 連結板
５６１ Ｘステージ
５６２ Ｘステージ側板
５６３ Ｘステージ上板
５６４ Ｘステージ下板
５７１ ウェハチャック
５７２ 窪み
５７４ 磁石
５７５ ヨーク
５７６ 側板
５７８ コイル
５７９ コイル固定枠
５８０ 磁性体支持筒
５８１ 自重補償ばね
５８３ 電磁石支持円筒
５８５ Ｅ形磁性体
５８６ コイル
５９０ 駆動配線
５９１ コネクタ
５９２ 冷却配管
５９３ 連結棒

Claims (9)

1. 基板を搭載可能な天板と、天板面に垂直な方向に推力を発生するアクチュエータと天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータをそれぞれ３個以上備え、並進３自由度と回転３自由度の計６自由度に移動可能な微動ステージにおいて、垂直な方向に推力を発生するアクチュエータと水平方向に推力を発生するアクチュエータ各１個の可動子を天板面に平行な方向に連結し一体化した可動子ユニットを、天板の基板搭載面とは反対側の面に３個以上備えることを特徴とする微動ステージ。
2. 前記可動子ユニットにおいて天板面に垂直な方向に推力を発生するアクチュエータを天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータに対し、水平な方向に推力を発生するアクチュエータの作用軸方向に配置し直線状となるようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の微動ステージ。
3. 前記可動子ユニットにおいて天板面に垂直な方向に推力を発生するアクチュエータを天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータに対し、水平な方向に推力を発生するアクチュエータの作用軸方向に配置しＴ字状となるようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の微動ステージ。
4. 前記可動子ユニットにおいて天板面に垂直な方向に推力を発生するアクチュエータを天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータに対し、水平な方向に推力を発生するアクチュエータの作用軸方向に配置しＬ字状となるようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の微動ステージ。
5. 前記複数個の可動子ユニットを、相互に連結したことを特徴とする、請求項１から請求項４に記載の微動ステージ。
6. 前記アクチュエータは、リニアモータであることを特徴とする、請求項１から請求項５に記載の微動ステージ。
7. 前記各可動子ユニットに相対する、コイルを有する固定子も一体としてユニット化したことを特徴とする、請求項６に記載の微動ステージ。
8. 前記各固定子ユニットに対して、一組の電気配線と冷却液用配管を備えることを特徴とする、請求項７に記載の微動ステージ。
9. 前記複数個の可動子ユニットは、同一形状であることを特徴とする、請求項１から請求項８に記載の微動ステージ。
   

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