JP2005268335A - ステージ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可動ステージの駆動に必要なエネルギを低減し、ステージ装置の小型化を可能とすると共にステージ駆動部からの発熱量を減らす。
【解決手段】往復運動可能に設けられた可動ステージ１４と、該ステージを駆動する駆動手段１５とを備えたステージ装置であって、ステージの往復運動ストロークの端部に、ステージを撥ね返す弾発手段２１ａ，２１ｂを設けた。弾発手段は、例えばバネ、エアシリンダ、磁石である。弾発手段に弾性エネルギを蓄積しかつ蓄積された弾性エネルギを解放できるアクチュエータ手段を更に備え、ステージが運動ストロークの端部に移動したときに、アクチュエータ手段が弾性エネルギを解放してステージを撥ね返すようにしても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステージ装置に係り、特に可動ステージの運動ストローク端部においてステージの加速を補助する機構に関する。

半導体製造装置をはじめ各種加工装置において使用されるステージ装置は、一般にベース基盤にガイド機構を設け、該ガイドによって加工対象物を保持する可動ステージを案内し移動させる。ステージを駆動する手段としては、ステッピングモータでボールネジを駆動する機構が広く使用されているが、近年、電磁式のリニアモータや、あるいは非磁性対応が可能なことから、エアによる精密駆動機構や超音波リニアモータによる駆動機構も使用されることがある。そして、これらの駆動源をフィードバック制御し、ステージの移動を行う。

また、かかるステージ装置を開示するものとして下記文献がある。

特開平７−２８０９７２号公報 特開２００１−１６８００８号公報

ところで、近年、ステージ装置において可動ステージの駆動部がハイパワー化される傾向にあり、これに伴い、装置の大型化や駆動部からの発熱の問題が生じている。

具体的に述べれば、往復運動を行うステージ装置では、可動ステージは所定の運動ストロークの一方の端部と他方の端部とで停止し、折り返して他端に向け移動を開始する必然性から、ステージの加減速が必須となる。

一方、近年の加工対象物（例えば半導体素子・回路等）の小型微細化・高密度化に伴い、より高精度の速度制御が求められるとともに、生産性（スループット）の向上のため、より高速のステージ駆動が要求されている。このため、運動ストロークの端部で折り返した後には、ステージを素早く一定の安定した速度状態に加速する必要があり、駆動部がハイパワー化されることとなる。さらに、定速度時の速度安定性を確保するには、ステージはある程度重量を有することが望ましいという側面もあり、ステージの軽量化によって単純に問題を解決することは出来ない。

このように、ステージの駆動部はますますハイパワー化される傾向にあり、それに伴いステージ装置・生産設備が大型化し、また製造コストが嵩む問題が生じている。

さらに、ハイパワー化に伴い駆動部からの発熱量も多くなり、この発熱がステージの位置決めや速度制御における外乱誤差の原因となり、加工精度を低下させるという問題も生じる。

他方、前記特許文献１および２に記載の装置は、ともにステージの高速化を図るものではあるが、特許文献１に記載のステージ装置は、送りネジ（駆動ネジ）によりステージを駆動するもので、駆動ネジのガタを防ぎ、可動ステージの追従性を高めるものである。また、特許文献２の装置は、基板保持ステージを粗動させる駆動部を外部に移すことによって基板保持ステージを簡略化し軽量化を図るものである。

したがって、本発明の目的は、可動ステージの駆動に必要なエネルギを低減し、ステージ装置の小型化を可能とするとともにステージ駆動部からの発熱量を減らすことにある。

前記目的を達成して課題を解決するため、本発明の第一のステージ装置は、往復運動可能に設けられた可動ステージと、該可動ステージを駆動する駆動手段とを備えたステージ装置であって、前記可動ステージの往復運動ストロークの端部に、前記可動ステージを撥ね返す弾発手段を設けた。

本発明に係るステージ装置では、駆動手段により可動ステージを駆動し、ある運動区間（ストローク）を往復運動させるが、運動ストロークの端部に、可動ステージを撥ね返す弾発手段を設けてある。したがって、可動ステージは、運動を停止しかつ方向を変えて再び運動を開始する運動ストローク端部において弾発手段によって撥ね返され、弾発手段から推力（加速力）を受け取ることが出来るから、可動ステージを駆動する駆動手段の負荷を軽減することができ、駆動手段の小型化あるいはステージの高速駆動化を図ることが可能となる。

弾発手段は、前記可動ステージの運動ストロークの終端部において該可動ステージを撥ね返す、例えばバネ、エアシリンダ、あるいは磁石等により形成することが出来る。

また、本発明の第二のステージ装置は、前記第一のステージ装置において、前記弾発手段に弾性エネルギを蓄積しかつ該蓄積された弾性エネルギを解放することが可能なアクチュエータ手段をさらに設け、前記可動ステージが運動ストロークの端部に移動したときに、該アクチュエータ手段が該弾性エネルギを解放して前記可動ステージを撥ね返すよう構成する。

かかる第二のステージ装置では、例えばバネを縮めあるいはエアを圧縮しておくなどして、弾発手段に弾性エネルギを予め蓄積しておき、可動ステージがストローク端部に到来したときに該弾性エネルギを解放することによって積極的に可動ステージに働きかけ、ステージを加速することが可能となる。

本発明に係るステージ装置によれば、可動ステージの駆動に必要なエネルギを低減し、ステージ装置の小型化を可能とするとともにステージ駆動部からの発熱量を減らすことが出来る。

本発明の他の目的、特徴および利点は、以下の本発明の実施の形態および実施例の説明により明らかにする。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第一の実施の形態に係るステージ装置を示すものである。尚、各図中、同一の符号は、同一又は相当部分を示す。

同図に示すようにこのステージ装置１１は、ベース１２に２本のガイドレール１３ａ，１３ｂを設け、ガイドレール１３ａ,１３ｂに沿ってステージ１４を往復運動可能に設置したものである。ステージ１４の駆動手段としては、ステージ１４の側面部に設けた超音波モータ１５を使用し、ガイドレール１３ａ，１３ｂに沿ったステージ１４の運動ストロークの両端部には、バネ（弾発手段）２１ａ，２１ｂを設けてある。

これらのバネ２１ａ，２１ｂは、ステージ１４の運動ストロークの各端部においてステージ１４を弾き返すもので、ステージ１４は、ガイドレール１３ａ，１３ｂの端部まで移動するとその端面がバネ２１ａ，２１ｂに衝突して該バネ２１ａ，２１ｂを押し縮める一方、当該移動方向と逆方向に移動を開始すると、該押し縮められたバネ２１ａ，２１ｂによって押されて該バネ２１ａ，２１ｂから推力を受けることとなる。

超音波モータ１５としては、例えば特開２０００−１５２６７１号公報に記載された駆動子を使用することが可能である。この駆動子は、９０°角に開いた２つの金属翼片のそれぞれに超音波振動子１６ａ，１６ｂを設けたもので、各振動子１６ａ，１６ｂに交流電流を印加することにより超音波振動が発生され、これらの振動が２つの金属翼片が交差する駆動子先端部１７で合成されて駆動力が得られる。駆動子先端部１７は、例えばバネ（図示せず）等の与圧手段により一定の圧力（与圧）をもってステージ１４の側面に押し付けられている。

本発明のステージ装置の効果を確認するため、上記実施形態に係るステージ装置を作製し、駆動試験を行った。以下、試験結果について説明する。

まず、比較例として、上記図１に示した実施形態に係るステージ装置でストローク端部のバネ２１ａ，２１ｂを設けないステージ装置を使用して試験を行った。この比較例のステージ装置は、ステージの重量が２ｋｇ、ステージの運動ストローク長が１５０ｍｍであり、定速域（一定の速度で移動する区間）を５０ｍｍ確保できるようにステージの駆動を行った。図２は当該駆動パターンを示すものであり、実線はステージの位置と速度との関係を、破線はステージの位置と時間との関係をそれぞれ示している。

かかる駆動を行うため、比較例の装置では、超音波モータに２００Ｎの与圧（ステージ側面にモータの駆動子を押し付ける圧力）を与える必要があり、約８０Ｗの平均投入電力を要した。また、大気中で連続駆動を行ったところ、超音波モータの圧電素子部の温度が４２℃上昇した。

一方、前記実施形態に係るステージ装置１１を使用して駆動試験を行い、上記比較例と同様に定速域を５０ｍｍ確保する駆動パターンを模索したところ、定常状態におけるステージの動作は、図３に示すようになった。尚、同図では、図２と同様に、実線はステージの位置と速度との関係を、破線はステージの位置と時間との関係をそれぞれ示している。また、ストローク端部に設けるバネ２１ａ，２１ｂとしては、バネ定数６．９Ｎ／ｍのバネを使用した。

同図から判るように比較例と較べ、短時間に定速度（この制御例の場合、１．５ｍ／ｓ）に到達させることができ、またステージの可動ストローク長を短くしても（比較例が１５０ｍｍのストローク長が必要であるのに対し、約１１０ｍｍで済む）、比較例と同じ５０ｍｍの定速域を確保することが可能となる。

また、超音波モータの予圧は、４０Ｎまで低下させることができ、それに伴いモータへの投入電力は２５Ｗまで低下させることが出来た。さらにモータの圧電素子部の温度上昇は、＋３℃に抑えることが可能となった。尚、かかる与圧、投入電力および温度上昇の結果を、比較例と対比して下記表１に示す。

本実施形態のステージ装置では、最も推力が必要な部分、すなわち、ステージ１４がガイドレール１３ａ，１３ｂの端部に到達し折り返して逆方向に運動を始めるストローク端部において、バネ２１ａ，２１ｂに仕事をさせる。この結果、超音波モータ（駆動手段）１５の負荷が軽減され、投入電力を低下させることができ、モータ１５からの発熱を抑えることが可能となる。したがって、小型のモータでステージ１４の駆動制御を行うことができ、装置の小型化を図るとともに、発熱による外乱誤差を抑えて高精度の駆動制御を行うことが可能となる。さらに、ステージ１４へのモータ（駆動子）１５の予圧を減らすことが出来るため、摺動部の磨耗を低減することができ、装置の寿命を延ばす（メンテナンス回数を減らす）ことが可能となる。

ステージを駆動する駆動手段は、超音波モータのほかにも、電磁式リニアモータ等の各種モータやエアシリンダ、他の様々なアクチュエータを使用することが出来るが、これらのアクチュエータを使用する場合にも、本発明によれば必要な推力を低減させることが可能となるから、アクチュエータの負担を軽減し、アクチュエータの容量／規模を小さくすることが出来る。また電磁モータでは、発熱を減らすことが出来る。

ステージのストローク端部でステージ１４を弾き返す弾発手段は、バネ以外とすることも可能である。例えば、図４に示す例は、磁石を使用したもので、ストローク端部とステージ１４の端面とに、互いに対向するように同一極性（Ｎ極またはＳ極）の磁石４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂを配置してこれら磁石の反発力を利用してステージ１４を弾き返すようにしても良い。また、磁石４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂは、永久磁石としても良いし、電磁石とすることも可能である。

また、図５に示すように、前記実施形態におけるバネ２１ａ，２１ｂの代わりに、空気を封入したエアシリンダ５１ａ，５１ｂをストローク端部に設け、エアの弾性を利用してステージ１４を弾き返しても同様の効果を得ることが出来る。さらに、空気に代え、他のガス（気体）や流体（液体）、弾性を有する固体（弾性体）等を利用することも可能である。

さらに、本発明では、ステージ１４を受動的に弾き返すだけでなく、弾性体（弾発手段）に弾性エネルギを予め蓄えておいて、ステージ１４がストローク端部に到来したときに蓄積した弾性エネルギを解放することによって能動的にステージ１４に推力を与えるよう構成することも可能である。

図６はこのような装置の構成例を示すもので、ストローク端部にバネ６１ａ，６１ｂとエアシリンダ６５ａ，６５ｂとを設け、エアシリンダ６５ａ，６５ｂによってバネ６１ａ，６１ｂをそれぞれ縮めておき、ステージ１４がストローク端部に到来したときにバネ６１ａ，６１ｂを解放するように制御することによってステージ１４を弾き返す。

このような装置構成によれば、ステージ１４に対しより大きな加速力（推力）を付与することが出来るから、特に、運転開始の初期段階（例えば最初のストローク）からステージ１４を加速して直ちに所期の速度とすることが出来る利点がある。

尚、かかる装置構成においてバネ６１ａ，６１ｂを縮めるアクチュエータは、エアシリンダ以外のアクチュエータであっても良い。また、バネではなく、エアシリンダ自体により（シリンダ内のエアを圧縮しておいてステージがストローク端部に来たときにこれを解放して）ステージを弾き返すようにすることも可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。

例えば、ステージを案内するガイド機構やステージの形状・構造等は、図示の例に限られない。また、ステージを駆動する手段は、超音波モータのほか、各種モータその他の駆動手段を使用可能であることは既に述べたとおりである。さらに、ステージ装置の用途は特に問わず、ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド等の様々な電子素子・部材・基材等を製造・加工する半導体製造装置のほか、各種の加工・製造装置等に使用することが可能である。

本発明の一実施形態に係るステージ装置の概略構成を示す斜視図である。 比較例のステージ装置の駆動パターンを示す線図である。 前記実施形態に係るステージ装置の駆動パターンを例示する線図である。 前記実施形態に係るステージ装置の変形例を示す斜視図である。 前記実施形態に係るステージ装置の別の変形例を示す斜視図である。 前記実施形態に係るステージ装置の更に別の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１１ ステージ装置
１２ ベース
１３ａ，１３ｂ ガイドレール
１４ ステージ
１５ 超音波モータ
２１ａ，２１ｂ，６１ａ，６１ｂ バネ
４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ 磁石
５１ａ，５１ｂ，６５ａ，６５ｂ エアシリンダ

Claims (5)

1. 往復運動可能に設けられた可動ステージと、
   該可動ステージを駆動する駆動手段と、
   を備えたステージ装置であって、
   前記可動ステージの往復運動ストロークの端部に、前記可動ステージを撥ね返す弾発手段を設けた
   ことを特徴とするステージ装置。
2. 前記弾発手段は、前記可動ステージの運動ストロークの端部において該可動ステージを撥ね返すバネである
   ことを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
3. 前記弾発手段は、前記可動ステージの運動ストロークの端部において該可動ステージを撥ね返すエアシリンダである
   ことを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
4. 前記弾発手段は、前記可動ステージの運動ストロークの端部において該可動ステージを撥ね返す磁石である
   ことを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
5. 前記弾発手段に弾性エネルギを蓄積し、かつ該蓄積された弾性エネルギを解放することが可能なアクチュエータ手段をさらに備え、
   前記可動ステージが運動ストロークの端部に移動したときに、該アクチュエータ手段が該弾性エネルギを解放して前記可動ステージを撥ね返す
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のステージ装置。

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