JP2005133786A

JP2005133786A - 気体軸受装置

Info

Publication number: JP2005133786A
Application number: JP2003369121A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Oda; 光徳織田; Takeshi Muneishi; 猛宗石
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】
可動体の移動に伴う周囲の真空度低下を抑制し、真空チャンバ内で動作する半導体露光装置・検査装置・成膜工程用装置に好適な気体軸受装置を提供すること。
【解決手段】
固定軸体１１と、微小隙間を介して固定軸体１１を囲んで配置された可動体１２と、可動体１２の固定軸体１１と対向する面に圧縮気体を供給するための給気口１４と、上記圧縮気体を排出するための排気口１５とを備えた気体軸受装置１０において、固定軸体１１は、高周波振動をその表面に発生する部材が具備されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空環境下にて用いられる気体軸受装置に関するものであり、特に真空チャンバ内にて動作する半導体露光装置、検査装置、成膜工程用装置に使用できるものである。

従来、この種の気体軸受装置としては、図３に示すようなものが用いられている。

図３（ａ）は従来の気体軸受装置の斜視図で、（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面を示している。

気体軸受装置２０は、柱状のセラミックス製の固定軸体２１と、この固定軸体２１を微小隙間（不図示）を介して対向するセラミックス製の可動体２２とから成り、可動体２２に配置された給気口２４より供給される圧縮気体を固定軸体２１と可動体２２との微小隙間に導入することにより、可動体２２を固定軸体２１上に浮上させ、可動体２２を固定軸体２１に沿って滑らかに移動させることが可能となる。

ところで、上述のような構造の気体軸受装置２０を真空環境下で使用する場合、可動体２２と固定軸体２１との微小隙間に供給された圧縮気体を回収する手段が必要となる。圧縮気体を回収する手段としては、図３（ｂ）に示すような、可動体２２に排気口２５を設け、この排気口２５から吸引ポンプ２６で気体を外部に排気する方法が一般的である。（例えば、特許文献１、特許文献２参照）
特許第２５８７２２７号公報特開昭６３−１９２８６４号公報

ところが、上記の構造を有する気体軸受装置２０では、可動体２２と固定軸体２１との微小隙間に供給された圧縮気体の分子の一部は、給気口２４に対向した固定軸体２１の表面に吸着するといった課題があった。

すなわち、吸着した気体分子の大半は直ちに排気口２５を通して吸引排出されるが、その一部は吸着したまま残留することがある。可動体２２が静止した状態であれば、この残留分子は時間の経過と共に固定軸体２１の表面から徐々に離脱して排気口２５より回収されるが、可動体２２が移動すると、可動体２２と微小隙間を介して対向していた固定軸体２１の表面が真空環境下に露出することになる。

したがって、吸着している気体分子は気体軸受装置２０が設置されている真空環境下、例えば真空チャンバ（不図示）内部に散乱する。この結果、真空チャンバ内部の真空度を低下させるといった課題があった。

このように、従来の気体軸受装置２０では、可動体２２の移動に伴って真空度が大きく変動（低下）してしまうといった課題を有していた。

そこで、上記課題を解決するために本発明は、固定軸体と、該固定軸体を微小隙間を介して取り囲んだ可動体と、該可動体の上記固定軸体と対向する面に圧縮気体を供給する給気口と、上記圧縮気体を排出する排気口とを備えた気体軸受装置において、上記固定軸体の表面に高周波振動を発生する部材が形成されていることを特徴としている。

また、上記高周波振動を発生する部材として、上記固定軸体の表面に、電極層、圧電体層及び電極層を積層してなる圧電振動体であることを特徴としている。

さらに、上記圧電体層が単結晶からなることを特徴としている。

本発明の構成によれば、真空環境下で使用する気体軸受装置において、固体軸体の表面に高周波振動を発生する部材を形成しているため、固体軸体表面に吸着した圧縮気体の分子を高周波振動により離脱させることが可能となり、可動体の移動に伴う周囲の真空度低下を抑制できる。

また、上記高周波振動を発生する部材が、固体軸体の表面に、電極層、圧電体層及び電極層を積層してなる圧電振動体であることから、積層した部分のみが振動する構造となっているため、固体軸体の表面側のみが振動することになる。従って、固体軸体全体を振動する場合に比べ、加振による悪影響が出なくなる。

また、上記圧電体層が単結晶からなることより、圧電体層に積層する電極の表面を平滑にすることができ、電極の表面に吸着する圧縮気体の分子の量を抑制できる。

以上のことから、真空チャンバ内で動作する半導体露光装置・検査装置・成膜工程用装置に好適な気体軸受装置を提供することができる。

以下に本発目を実施するための最良の形態について説明する。

図１（ａ）は、本発明の気体軸受装置を示す斜視図であり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ断面を示す断面図である。

本発明の気体軸受装置１０は、柱状のセラミックス製の固定軸体１１と、固定軸体１１を微小隙間（不図示）を介して取り囲んで配置される可動体１２から構成される。

固体軸体１１は、可動体１２の移動方向に垂直な等断面を有する柱状をしており、その材質としては、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素などの多結晶セラミックス、および表面を陽極酸化したアルミニウム合金などがあげられるが、比剛性の高い多結晶セラミックスを用いることが好ましい。

また、高周波振動を発生する部材は、電極層１３ｂ、圧電体層１３ｃ、及び電極層１３ａを積層してなる圧電振動体１３で形成されている。さらに、圧電振動体１３は、固体軸体１１の表面に耐真空性エポキシ系接着剤などを介して接着することで形成される。

さらに、圧電振動体１３の電極１３ａおよび１３ｂは、電線１８を介して信号発生部１７の出力端子に接続されている。なお、電極１３ａ、１３ｂと電線１８は、半田付け等の手段で接続することができる。さらに、信号発生部１７からの電気信号により圧電体層１３ｃを圧電振動体１３の積層方向にその厚みを伸縮させることが可能となる。

本発明においては、固定軸体１１の表面が圧電振動体１３で覆われるため、可動体１２と固定軸体１１との微小隙間に供給された圧縮気体の分子が固定軸体１１に吸着する場合、それらは固定軸体１１の表面に配置された圧電振動体１３の表面に吸着することになる。この結果、上記高周波信号に基づく圧電振動体１３の微細振動によって、その表面に吸着した気体分子は容易に離脱するようになる。したがって、可動体１２を移動させた場合においても、吸着し残留した圧縮気体の分子が真空チャンバ内へ拡散することなく直ちに回収されるので、真空チャンバ内の真空度低下を抑制することができる。

ここで、圧電体層１３ｃは、厚み０．５〜２ｍｍの平板形状のであり、その材質としては、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの多結晶セラミックス、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、サファイア、水晶などの単結晶、および、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などがあげられる。また、圧電体層１３ｃは、厚み方向に分極処理されることが好ましい。

なお、圧電振動体１３は、できる限りその表面に気体分子が吸着し難い状態とすることで、より優れた性能を期待できる。したがって、圧電振動体１３の表面積を出来る限り小さくすることで、吸着する気体分子の絶対量を少なくすることが好ましい。圧電体層１３ｃ表面に電極層１３ａ、１３ｂを設けて圧電振動体１３を形成する場合、電極１３ａ表面の平滑度を高くするために蒸着等の手段で薄膜を形成するのが好ましいが、このような製法によれば、圧電振動体１３の表面状態（面粗さ）は概略圧電体層１３ｃの表面状態に一致することになる。従って、圧電体層１３ｃ自身を出来る限り表面積の小さな物質、例えばニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、サファイアもしくは水晶などのボイドの少ない単結晶を用いることが好ましく、圧電体層１３ｃの表面粗さは、Ｒａ≦０．２μｍとすることが好ましい。

また、電極１３ａ、１３ｂは、導電性を有するものであればよく、好ましいのは酸化反応しにくい金属であり、金、銀、銅などがあげられる。また、電極１３ａ、１３ｂの厚みとしては、０．１〜１０μｍであることが好ましい。

ここで、圧電振動体１３に対して入力される電気信号として、数ｋＨｚ以上の高周波信号を与えると、圧電振動体１３に対して微細な振動を発生させることが可能となる。また、圧縮気体の給排気を実施して可動体１２と固体軸体１１とが微小隙間を介して対向している状態で圧電振動体１３を微小振動させる。

また、信号発生部１７は、高周波信号を発生する手段としての関数発生器と、該高周波信号を圧電体層１３ｃの駆動電圧に増幅するためのアンプを直列に接続した回路とすれば良い。高周波信号としては数ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚ程度の正弦波や矩形波、三角波を用いることが望ましいが、周期的な信号波形で適切な振幅を設定すれば、他の波形を用いても同様の効果が得られる。特に、周波数としては圧電体層１３ｃの共振周波数近傍を選択すれば、最も効率良く本発明の効果を発揮させることができる。

ここで、本発明の気体軸受装置１０の製造方法に関して述べる。

（圧電振動体１３の製造）
まず、チタン酸バリウムなどの多結晶セラミックスもしくはニオブ酸リチウムなどの単結晶の平板を、０．５〜２ｍｍの厚みに研削加工し圧電体層１３ｃを得る。次いで、圧電体層１３ｃの両面に、金、銀もしくは銅などを成膜し、電極１３ａ、１３ｂを形成することにより圧電振動体１３を得る。なお、圧電体層１３ｃの分極及びエージングは公知の方法により行われる。

（固体軸体１１及び可動体１２の製造）
アルミナなどの多結晶セラミックスを所定の形状に加工し、可動体１２の移動方向に垂直な等断面を有する形状の固体軸体１１を得る。

また、可動体１２は、複数枚の多結晶セラミックスを組み合わせることにより形成され、固体軸体１１と対向する面に圧縮気体を供給する給気口１４と圧縮空気を排出する排出口１５が形成されている。

（気体軸受装置１０の製造）
上記の固体軸体１１の端面を除く４面に、上記圧電振動体１３を耐真空性エポキシ系接着剤を介して接着させる。この際、固体軸体１１の端面以外の全域に耐真空性エポキシ系接着剤を塗布し圧電振動体１３を接着してもよい。好ましくは、固体軸体１１の表面を２段の凹部を形成し、この凹部の中に耐真空性エポキシ系接着剤を配置し、圧電振動体１３を接着させる。この方法によると、固体軸体１１の表面と圧電振動体１３の間に耐真空性エポキシ樹脂が介在することがなく、圧電振動体１３も固体軸体１１の表面に添った平滑性を得ることができる。

さらに、可動体１２を圧電振動体１３を接続した固体軸体１１と微小隙間を介して取り囲んだ状態で配設し、可動体１２の給気口１４はコンプレッサー（不図示）に接続され、排出口１５は吸引ポンプ１６に接続されている。

また、圧電振動体１３の電極１３ａ、１３ｂは、半田１９を介して電線１８の一端と接合され、電線１８の他端は、信号発生部１７の出力端子に接続され気体軸受装置１０を得る。

尚、本発明の説明として柱状の固定軸体１１にて説明をしているが、固定軸体１１の形状は注状に限定するものではなく、円筒状やＬ型状の固定軸体１１であっても同様に使用できる。

また、固体軸体１１に形成する圧電振動体１３は、固体軸体１１の端面を除く全面に形成してもよく、あるいは可動体１２が移動することにより露出される部分に形成してもよい。

次に、実際に図１に示す本発明の気体軸受装置、および図３に示す従来の気体軸受装置をそれぞれ試作して真空環境下での実験を行い、性能を比較した。

本実験では、固定軸体としてアルミナ純度が９９．９％のアルミナセラミック製で、６０ｍｍ×９０ｍｍの矩形断面形状を有する長さ３００ｍｍの角柱を用いた。さらに、本発明の気体軸受装置における圧電振動体は、圧電体層として、厚さ１ｍｍのニオブ酸リチウム単結晶を用いた。さらにこの両表面に電極とし、銀を厚さ約０．０１ｍｍで成膜し、これらを固定軸体の断面部を除く４面に接着して形成した。このとき、圧電体層の共振周波数は約５０ｋＨｚとした。

また、可動体は厚さ２０ｍｍのアルミナセラミックス板材（材質は固定軸体と同一）を複数枚組み合わせ、固定軸体を囲むように接続することで作製した。この時、可動体と固定軸体との微小隙間が０．００５ｍｍとなるようにした。また、固定軸体を取り囲む上下、側面の板材の内壁に給気口および気体回収排気口を設けた。

なお、可動体を駆動させるための手段として、可動体に取り付けたナットに係合させたボールねじをＤＣサーボモータに接続することで、モータの回転運動を可動体に伝達し、固定軸体に沿った往復運動が可能な構造とした。

さらに、本発明の気体軸受装置については、圧電振動体の両電極にリード線を接続し、これを真空チャンバ外に設置した関数発生器およびアンプに接続できるようにした。

上記実験装置を真空チャンバ内部に設置し、可動体と固定軸体との微小隙間に純度９９．９％の窒素ガス（供給圧０．４ＭＰａ）を供給しながら、気体回収排気口に接続された排気速度５００リットル／秒のターボ分子ポンプにより気体回収を行った。このとき、真空チャンバ内の真空度を概略１×１０^−５Ｐａに維持した状態でモータを回転させて可動体を移動し、真空チャンバ内の真空度変化を測定した。同時に、本発明の気体軸受装置については、圧電振動体に接続したリード線間に振幅３００Ｖｒｍｓ、周波数５０ｋＨｚの正弦波を連続印加した。

図２はこの時の測定結果を示したものである。従来の気体軸受装置と比較し、本発明の気体軸受装置は可動体の移動に伴う真空度の変化がより小さく抑えられていることが確認できた。

本発明は、真空環境下にて用いられる気体軸受装置に使用でき、特に真空チャンバ内にて動作する半導体露光装置、検査装置、成膜工程用装置に使用できるものである。

（ａ）は本発明に係る気体軸受装置の構造を示す斜視図、及び（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。本発明に係る気体軸受装置、および従来の気体軸受装置の、真空環境下における性能比較を示す図である。（ａ）は従来の気体軸受装置の構造を示す斜視図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１１，２１・・・固定軸体
１２，２２・・・可動体
１３・・・圧電振動層
１３ａ，１３ｂ・・・電極
１３ｃ・・・圧電体層
１４，２４・・・給気口
１５，２５・・・排気口
１６，２６・・・吸引ポンプ
１７・・・信号発生部
１８・・・電線
１９・・・半田

Claims

固定軸体と、該固定軸体を微小隙間を介して取り囲んだ可動体と、該可動体の上記固定軸体と対向する面に圧縮気体を供給する給気口と、上記圧縮気体を排出する排気口とを備えた気体軸受装置において、上記固定軸体の表面に高周波振動を発生する部材が形成されていることを特徴とする気体軸受装置。
上記高周波振動を発生する部材として、上記固定軸体の表面に、電極層、圧電体層及び電極層を積層してなる圧電振動体を備えたことを特徴とする請求項１記載の気体軸受装置。
上記圧電体層が単結晶からなることを特徴とする請求項２記載の気体軸受装置。