JP2005268760A - ステージ装置{stageapparatus} - Google Patents

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錫原 李
Byung-Il Ahn
秉一 安
Dong-Woo Kang
東佑 姜
Ki Hyun Kim
基賢 金
Dae-Gab Gweon
大甲 權
Dong Min Kim
東民 金
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Abstract

【課題】超精密の位置制御が可能なように位置誤差を容易に減らすことができるステージ装置を提供する。
【解決手段】第1ステージ10と、前記第1ステージ10に対して移動可能に設けられる第2ステージ20を備えたステージ装置1に関し、前記第1ステージ10及び前記第2ステージ20を連結する少なくとも一つのフレキシャヒンジ30と;前記第1ステージ10及び前記第2ステージ20の間に設けられて前記第1ステージ10及び前記第2ステージ20を加圧して、前記第1ステージ10及び前記第2ステージ20の中心に対して対称をなすように設けられた複数のアクチュエータ40と;前記第1ステージ10及び前記第2ステージ20のうちのいずれか一つに対する他の一つの移動を調節するように前記複数のアクチュエータ40を制御する制御部とを含む。
【選択図】図2

Description

本発明は、ステージ装置に係わり、より詳しくは、ステージを精密に制御するように構造を改善したステージ装置に関する。
一般に、超精密用ステージ装置は半導体のウエハー及び液晶表示パネル(LCD)などの精密検査のためのスキャニング装置、半導体加工機及び超精密加工機などに用いられる。
そして、このようなステージ装置は主に半導体のウエハーなどを支持するフレームのようなステージと、ステージと結合されてステージを移動させるように駆動するアクチュエータと、このようなアクチュエータを精密に制御するための制御部などを含む。
このような従来の超精密用ステージ装置は特許文献1のマイクロリソグラフィックレチクル位置装置(micro lithographic reticle positioning system)に開示されている。このような従来のステージ装置は、図1に示されているように、ベースなどに固定された外部フレーム35、37と、外部フレーム35、37の内側に外部フレーム35、37に対して移動可能に四角形状に設けられた内部フレーム41、43、45、47と、ベースなどに固定されて内部フレーム41、43、45、47を加圧するように駆動する駆動モータ61、62、63と、駆動モータ61、62、63の駆動力を内部フレーム41、43、45、47に伝達するように設けられたコネクティングロッド71、72、73と、駆動モータ61、62、63の駆動力によって内部フレーム41、43、45、47が平面の3自由度(X、Y、θ)を有するように内部フレーム41、43、45、47及び外部フレーム35、37の間に設けられた複数のフレキシャヒンジ(flexure hinge)51、52、53、54、55、56、57、58とを含む。
駆動モータ61、62、63は四角形状のフレーム33の外側に3個設けられる。つまり、第1駆動モータ61及び第2駆動モータ62は内部フレーム47の外側に各々左右方向に設けられる。そして、第3駆動モータ63は外部フレーム37の外側中央に設けられる。そして、第1駆動モータ61及び第2駆動モータ62は第1コネクティングロッド71及び第2コネクティングロッド72を駆動させて内部フレーム47の左側及び右側を各々加圧する。そして、第3駆動モータ63は第3コネクティングロッド73を駆動させて内部フレーム43の中央を加圧する。そして、このような駆動モータ61、62、63はガルバノメータであることができる。
コネクティングロッド71、72、73は駆動モータ61、62、63に対応して3個設けられる。そして、コネクティングロッド71、72、73の一側はクランク(crank)65、66、67によって駆動モータ61、62、63に結合され、他側は内部フレーム47、43に結合される。
このような構成による従来のステージ装置の作動過程は次の通りである。
第3駆動モータ63の駆動によって内部フレーム41、43、45、47はX軸の前後方向に移動可能であり、第1駆動モータ61及び第2駆動モータ62の同一な駆動によって内部フレーム41、43、45、47はY軸の前後方向に移動可能になる。そして、第1駆動モータ61及び第2駆動モータ63の駆動を異にすることによって内部フレーム41、43、45、47は内部フレーム41、43、45、47の中心に対してθ方向に正回転及び逆回転可能になる。
しかし、このような従来のステージ装置は駆動力を発生する駆動モータがフレームに対して非対称的な構造に配置されるが、超精密の位置制御が要求される場合、このような非対称的な構造によって位置誤差を減らし難いという問題点がある。
そして、このような従来のステージ装置はフレームを移動させるために駆動モータを使用するが、このような駆動モータでは数十ナノメートル(nano meter)の位置誤差を有する超精密の位置制御を実現し難く、駆動時に発生する熱によってフレームに熱的変形を招くことがあるという問題点がある。
米国特許第4,667,415号明細書
したがって、本発明の目的は、超精密の位置制御が可能なように位置誤差を容易に減らすことができるステージ装置を提供することにある。
前記目的は、本発明によって、第1ステージと、前記第1ステージに対して移動可能に設けられた第2ステージとを備えるステージ装置において、前記第1ステージ及び前記第2ステージを連結する少なくとも一つのフレキシャヒンジと;前記第1ステージ及び前記第2ステージの間に設けられて前記第1ステージ及び前記第2ステージを加圧し、前記第1ステージ及び前記第2ステージの中心に対して対称をなすように設けられた複数のアクチュエータと;前記第1ステージ及び前記第2ステージのうちのいずれか一つに対する他の一つの移動を調節するように前記複数のアクチュエータを制御する制御部とを含むことを特徴とするステージ装置によって達成される。
ここで、前記第1ステージ及び前記第2ステージのうちの少なくとも一つには前記アクチュエータの加圧力を加圧方向に集中させる少なくとも一つのガイドが設けられるのが好ましい。
前記ガイドは、前記アクチュエータと近接した前記第1ステージ及び前記第2ステージのうちの少なくとも一つに前記アクチュエータの加圧方向に沿って相互離隔するように切り取られた一対の第1切取ガイドと、前記各第1切取ガイドから前記他の第1切取ガイドに向かって相互離隔するように切り取られた少なくとも一対の第2切取ガイドとを含むことが好ましい。
前記第2ステージは前記第1ステージの外側に設けられ、前記第1ステージには前記アクチュエータを収容するように複数のアクチュエータ収容部が設けられるのが好ましい。
前記ガイドは前記各アクチュエータ収容部に隣接するように前記第1ステージに複数個設けられるのが好ましい。
前記第1ステージと結合されるベースをさらに含み、前記第1ステージには前記ベースと結合する複数の締結部が設けられるのが好ましい。
前記第1ステージは正六角形の板状に設けられ、前記第1ステージには前記アクチュエータ収容部が前記第1ステージの中心に対して対称をなすように3個設けられるのが好ましい。
前記フレキシャヒンジは前記第1ステージの各辺に対応して前記第1ステージの中心に対称となるように6個設けられるのが好ましい。
前記制御部は前記第1ステージ及び前記第2ステージのうちのいずれか一つに対して他の一つが前記第1及び第2ステージによって形成された板面で3自由度で移動するように前記複数のアクチュエータを制御するのが好ましい。
前記第1ステージ及び前記第2ステージのうちのいずれか一つに対する他の一つの位置誤差は±20nm(nano meter)程度であるのが好ましい。
前記フレキシャヒンジは前記第1ステージ及び前記第2ステージの間に形成された複数のカッティング部によって形成され、前記第1ステージ及び前記第2ステージの中心に対して対称をなすように複数個設けられるのが好ましい。
前記フレキシャヒンジは前記第1ステージ及び前記第2ステージを所定の幅で連結するように形成された補助カッティング部を含むのが好ましい。
前記補助カッティング部はT字形状に切取られるのが好ましい。
前記アクチュエータは圧電素子が設けられた圧電駆動器を含むのが好ましい。
前記アクチュエータの前記第1ステージを加圧する端部には接触ボールが設けられるのが好ましい。
本発明によると、超精密の位置制御が可能なように位置誤差を容易に減らすことができる。
そして、アクチュエータに圧電素子を利用した圧電駆動器を使用することによって位置誤差を一層減らすことができ、さらにステージの位置誤差を±10nm(nano meter)程度まで低下させることができる。
説明に先立って、いろいろな実施例において、同一な構成を有する構成要素については同一な符号を使用して代表的に第1実施例で説明し、その他の実施例では第1実施例と異なる構成についてのみ説明する。
以下、添付図面を参照して本発明について詳細に説明する。
図2及び図3に示されているように、本発明の第1実施例によるステージ装置1は第1ステージ10及び第1ステージ10に対して相対移動可能に設けられた第2ステージ20を有するステージ5と、第1ステージ10及び第2ステージ20を連結する少なくとも一つのフレキシャヒンジ30と、第1ステージ10及び第2ステージ20の間に設けられて第1ステージ10及び第2ステージ20を加圧するアクチュエータ40と、第1ステージ10及び第2ステージ20のうちのいずれか一つに対して他の一つが移動するように複数のアクチュエータ40を制御する制御部(図示せず)とを含む。そして、第1ステージ10または第2ステージ20を固定するように設けられたベース3をさらに含むのが好ましい。
ステージ5は超精密の位置制御が要求される半導体のウエハー及び液晶表示パネル(LCD)などの精密検査のためのスキャニング装置、半導体加工機及び超精密加工機などに用いられて検査または加工しようとするウエハーなどを支持する。そして、ステージ5は本発明の第1実施例によって正六角形の板状に設けられるが、円形の板状や正六角形でない三角形や四角形及び八角形のような他の多角形の板状に設けられることもできる。しかし、ステージ5はその中心に対して対称をなすように設けられるのが好ましい。そして、ステージ5には前述の第1ステージ10及び第2ステージ20と、第1ステージ10及び第2ステージ20を連結する前述の複数のフレキシャヒンジ30が形成される。そして、第1ステージ10及び第2ステージ20のうちの少なくとも一つにはアクチュエータ40の加圧力を加圧方向に集中させる少なくとも一つのガイド15が設けられるのが好ましい。
ベース3は第1実施例によってステージ5の下側に設けられて後述の第1ステージ10の締結部13とスクリューによって結合されて第1ステージ10を固定する役割を果たす。しかし、ベース3は第2ステージ20と結合されて第1ステージ10を第2ステージ20に対して移動可能にすることができることはもちろんである。
第1ステージ10は第2ステージ20の内側に正六角形形状に設けられる。そして、第1ステージ10には複数のアクチュエータ40を各々収容し、第1ステージ10の中心に対して対称をなすように複数のアクチュエータ収容部11が設けられる。そして、このようなアクチュエータ収容部11は3個設けられるのが好ましいが、第1ステージ10の中心に対して対称をなすように6個など設けられることができることはもちろんである。そして、このようなアクチュエータ収容部11は第1ステージ10の形状によって変わることもできる。つまり、第1ステージ10の形状が正四角形の板状であれば、アクチュエータ収容部11は第1ステージ10の中心に対して対称をなすように4個設けられることができることはもちろんである。そして、第1ステージ10にはベース3と結合する複数の締結部13が設けられる。そして、締結部13は3個設けられるのが好ましいが、2個あるいは4個以上設けられることができることはもちろんである。しかし、このような締結部13はアクチュエータ40の個数と同一に設けられることが好ましく、第1ステージ10の中心に対して対称をなすように設けられるのが好ましい。
第2ステージ20は第1ステージ10と複数のフレキシャヒンジ30によって連結されてアクチュエータ40の駆動によって第1ステージ10に対して移動可能になる。そして、第2ステージ20は第1ステージ10の外側に設けられて精密に制御されるウエハーなどのような物品を支持して移送する。そして、第2ステージ20には後述のアクチュエータ40に設けられたステージ結合部41を収容して結合するようにアクチュエータ結合部23が設けられるのが好ましい。そして、第2ステージ20はその上側にウエハーなどを安着させることができる別途の支持部を有することができることはもちろんである。
ガイド15はアクチュエータ40と近接した第1ステージ10及び第2ステージ20のうちの少なくとも一つにアクチュエータ40の加圧方向に沿って相互離隔するように切り取られた一対の第1切取ガイド16と、各第1切取ガイド16から他の第1切取ガイド16に向かって相互離隔するように切り取られた少なくとも一対の第2切取ガイド17とを含む。そして、ガイド15は各アクチュエータ収容部11に隣接するように第1ステージ10に複数設けられるのが好ましい。つまり、ガイド15はアクチュエータ収容部11に収容されたアクチュエータ40の加圧力が第1ステージ10に分散されることを防止してアクチュエータ40の加圧力を加圧方向に集中させることによりアクチュエータ40の加圧力を容易に制御することができる。
第1切取ガイド16は第1ステージ10のアクチュエータ収容部11と連通するように切取られるのが好ましい。しかし、第1切取ガイド16はアクチュエータ収容部11に近接するように設けられることができることはもちろんである。
第2切取ガイド17は一対の第1切取ガイド16から内側に切取られて一対設けられる。そして、このような第2切取ガイド17はアクチュエータ40の加圧方向に離隔して二対設けられるのが好ましい。つまり、第2切取ガイド17が二対設けられることによって一層効果的にアクチュエータ40の加圧力が第1ステージ10に分散されることを防止してアクチュエータ40の加圧力を加圧方向に集中させることによりアクチュエータ40の加圧力をさらに容易に制御することができる。
アクチュエータ40は第1ステージ10及び第2ステージ20の中心に対して対称をなすように複数個設けられる。そして、本発明の第1実施例でアクチュエータ40は第1ステージ10のアクチュエータ収容部11に各々収容されるように3個設けられる。つまり、アクチュエータ40は第1ステージ10の中心に対して120゜の等角度に離隔して配置されるのが好ましい。そして、各アクチュエータ40はアクチュエータ40の加圧方向が第1ステージ10の中心に対して偏心されるように設けられるのが好ましい。つまり、アクチュエータ40の加圧方向がアクチュエータ40の長さ方向に作用すれば、アクチュエータ40の長さ方向の中心軸線が第1ステージ10の中心に対して偏心されるように設けられるのが好ましい。そして、各アクチュエータ40は圧電素子で形成された圧電駆動器であるのが好ましい。つまり、アクチュエータ40は作動時に複数の圧電素子によってその長さ方向に伸縮可能に設けられ、このような長さの伸縮を利用して第1ステージ10及び第2ステージ20を加圧する。そして、このようなアクチュエータ40は制御部(図示せず)と連結されて制御部によってその長さの伸縮量が制御される。そして、アクチュエータ40の一側は第2ステージ20と接触可能に設けられ、その一側端部には第2ステージ20のアクチュエータ結合部23に挿入されて結合されるステージ結合部41が設けられる。そして、アクチュエータ40の他側には第1ステージ10と接触して第1ステージ10を加圧するように接触ボール43が設けられる。
ステージ結合部41は第2ステージ20のアクチュエータ結合部23に挿入されてスクリューなどによって結合されるのが好ましい。そして、ステージ結合部41の端部には制御部と連結されるケーブル45が設けられる。
接触ボール43はガイド15が形成された第1ステージ10と点接触して第1ステージ10を加圧する。つまり、接触ボール43が第1ステージ10に点接触することによってアクチュエータ40の加圧力が第1ステージ10に正確に伝えられて第1ステージ10または第2ステージ20の移動がステージ5がなす平面上にのみ制限可能になる。
フレキシャヒンジ30は第1ステージ10及び第2ステージ20の間に形成された複数のカッティング部21によって形成され、第1ステージ10及び第2ステージ20の中心に対して対称をなすように複数個設けられる。そして、フレキシャヒンジ30は第1ステージ10に対して第2ステージ20がステージ5の板面上で移動可能に無摩擦の弾性力を有し、このようなフレキシャヒンジ30を無摩擦弾性ベアリングとも称する。そして、フレキシャヒンジ30には第1ステージ10及び第2ステージ20を所定の幅で連結するように補助カッティング部31が設けられるのが好ましい。そして、フレキシャヒンジ30は本発明の第1実施例で第1ステージ10の各辺に対応して第1ステージ10の中心に対称となるように6個設けられる。
カッティング部21は6個のフレキシャヒンジ30を構成するように6個設けられるのが好ましい。そして、カッティング部21はワイヤーカッティングによって加工されるのが好ましいが、レーザーのような他の加工方法で加工されることができることはもちろんである。そして、前述のアクチュエータ収容部11及びガイド15も同様にワイヤーカッティングによって加工されるのが好ましい。
補助カッティング部31はカッティング部21によって形成されたフレキシャヒンジ30の弾性力を一層微細に制御するように設けられる。そして、補助カッティング部31はT字形状に切取られるのが好ましい。
制御部(図示せず)は各アクチュエータ40とケーブル45によって連結される。そして、制御部は第1ステージ10及び第2ステージ20のうちのいずれか一つに対して他の一つが第1ステージ10及び第2ステージ20によって形成された平面上で3自由度で移動するように複数のアクチュエータ40を制御する。第1実施例で制御部はベースに固定された第1ステージ10に対して第2ステージ20を平面上で3自由度(X、Y、θ)で移動するようにアクチュエータ40を制御し、これにより第2ステージ20が第1ステージ10に対して超精密の位置誤差を有して移動する。ここで、第1ステージ10及び第2ステージ20のうちのいずれか一つに対する他の一つの移動誤差は約±20nm(nano meter)程度であるのが好ましい。第1ステージ10及び第2ステージ20のうちのいずれか一つに対する他の一つの位置誤差が±10nm(nano meter)程度であることがさらに好ましい。そして、第1ステージ10及び第2ステージ20のうちのいずれか一つに対する他の一つの最大移動距離は10〜20μm(micro meter)程度であるのが好ましいが、50μm(micro meter)程度まで可能であることはもちろんである。
このような構成によって本発明の第1実施例によるステージ装置の作動過程を図4及び図5を参照して説明すると、次の通りである。
まず、第2ステージ20が第1ステージ10に対してステージ5の板面上でX軸に移動する過程は図4に示された通りである。つまり、制御部が3個のアクチュエータ40のうちのX軸に加圧力が作動するアクチュエータ40を駆動させる。そうすると、第1ステージ10はベースに固定されるので第2ステージ20が第1ステージ10に対してX軸方向に移動する。そして、第2ステージ20をX軸の反対方向に移動させるためには、制御部が3個のアクチュエータ40のうちのX軸に加圧力が作動するアクチュエータ40を除いた残り2つを適切に駆動させればよい。しかし、制御部が第2ステージ20を第1ステージ10に対してX軸方向またはX軸の反対方向に移動させるために3個のアクチュエータ40を適切に駆動させることができることはもちろんである。
そして、第2ステージ20を第1ステージ10に対してステージ5の板面上でY軸に移動させたりθ方向に回転させるためにも(図5参照)、同様に制御部が3個のアクチュエータ40を適切に駆動させればよい。
これによって、本発明の第1実施例によるステージ装置はステージの中心に対して複数のアクチュエータを対称的に配置することによって、超精密の位置制御が可能なように位置誤差を容易に減らすことができる。
そして、アクチュエータに圧電素子を利用した圧電駆動器を使用することによって従来のモータのようなアクチュエータに比べて位置誤差を一層減らすことができ、さらにステージの位置誤差を±10nm(nano meter)程度まで低下させることができる。
図6及び図7は本発明の他の実施例による平面図である。つまり、図6は本発明の第2実施例によるステージ装置1aの平面図である。第2実施例によるステージ装置1aは第1ステージ10a及び第2ステージ20aで構成されたステージ5aが四角形状に設けられており、第1実施例と同様なアクチュエータ40、フレキシャヒンジ30及びガイド15がステージ5aの中心に対して対称になるように各々4個設けられる。そして、図7は本発明の第3実施例によるステージ装置の平面図である。第3実施例によるステージ装置1bは第1ステージ10b及び第2ステージ20bで構成されたステージ5bが三角形状に設けられており、第1実施例のようなアクチュエータ40、フレキシャヒンジ30及びガイド15がステージ5bの中心に対して対称になるように各々3個設けられる。
このような構成によって本発明の第2及び第3実施例によるステージ装置の作動過程は前述の第1実施例とほとんど類似しているので省略する。
これによって、本発明の第2及び第3実施例による構成でも超精密の位置制御が可能なように位置誤差を容易に減らすことができる。
従来のステージ装置の斜視図である。 本発明の第1実施例によるステージ装置の斜視図である。 本発明の第1実施例によるステージ装置の分解斜視図である。 本発明の第1実施例によるステージ装置の第2ステージが第1ステージに対してX軸に移動する作動平面図である。 本発明の第1実施例によるステージ装置の第2ステージが第1ステージに対してθ方向に移動する作動平面図である。 本発明の他の実施例によるステージ装置の平面図である。 本発明の他の実施例によるステージ装置の平面図である。
符号の説明
1、1a、1b ステージ装置
5、5a、5b ステージ
10、10a、10b 第1ステージ
11 アクチュエータ収容部
15 ガイド
16 第1切取ガイド
17 第2切取ガイド
20、20a、20b 第2ステージ
21 カッティング部
23 アクチュエータ結合部
30 フレキシャヒンジ
31 補助カッティング部
40 アクチュエータ
41 ステージ結合部
43 接触ボール
45 ケーブル

Claims (15)

  1. 第1ステージと、前記第1ステージに対して移動可能に設けられた第2ステージとを備えるステージ装置において、
    前記第1ステージ及び前記第2ステージを連結する少なくとも一つのフレキシャヒンジと、
    前記第1ステージ及び前記第2ステージの間に設けられて前記第1ステージ及び前記第2ステージを加圧し、前記第1ステージ及び前記第2ステージの中心に対して対称をなすように設けられた複数のアクチュエータと、
    前記第1ステージ及び前記第2ステージのうちのいずれか一つに対する他の一つの移動を調節するように前記複数のアクチュエータを制御する制御部と
    を含むことを特徴とするステージ装置。
  2. 前記第1ステージ及び前記第2ステージのうちの少なくとも一つには前記アクチュエータの加圧力を加圧方向に集中させる少なくとも一つのガイドが設けられることを特徴とする、請求項1に記載のステージ装置。
  3. 前記ガイドは、前記アクチュエータと近接した前記第1ステージ及び前記第2ステージのうちの少なくとも一つに前記アクチュエータの加圧方向に沿って相互離隔するように切り取られた一対の第1切取ガイドと、前記各第1切取ガイドから前記他の第1切取ガイドに向かって相互離隔するように切り取られた少なくとも一対の第2切取ガイドとを含むことを特徴とする、請求項2に記載のステージ装置。
  4. 前記第2ステージは前記第1ステージの外側に設けられ、
    前記第1ステージには前記アクチュエータを収容するように複数のアクチュエータ収容部が設けられることを特徴とする、請求項3に記載のステージ装置。
  5. 前記ガイドは、前記各アクチュエータ収容部に隣接するように前記第1ステージに複数個設けられることを特徴とする、請求項4に記載のステージ装置。
  6. 前記第1ステージと結合されるベースをさらに含み、
    前記第1ステージには前記ベースと結合する複数の締結部が設けられることを特徴とする、請求項4に記載のステージ装置。
  7. 前記第1ステージは正六角形の板状に設けられ、前記第1ステージには前記アクチュエータ収容部が前記第1ステージの中心に対して対称をなすように3個設けられることを特徴とする、請求項4に記載のステージ装置。
  8. 前記フレキシャヒンジは、前記第1ステージの各辺に対応して前記第1ステージの中心に対称となるように6個設けられることを特徴とする、請求項7に記載のステージ装置。
  9. 前記制御部は、前記第1ステージ及び前記第2ステージのうちのいずれか一つに対して他の一つが前記第1及び第2ステージによって形成された板面で3自由度で移動するように前記複数のアクチュエータを制御することを特徴とする、請求項1に記載のステージ装置。
  10. 前記第1ステージ及び前記第2ステージのうちのいずれか一つに対する他の一つの位置誤差は±20nm程度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。
  11. 前記フレキシャヒンジは、前記第1ステージ及び前記第2ステージの間に形成された複数のカッティング部によって形成され、前記第1ステージ及び前記第2ステージの中心に対して対称をなすように複数個設けられることを特徴とする、請求項1に記載のステージ装置。
  12. 前記フレキシャヒンジは、前記第1ステージ及び前記第2ステージを所定の幅で連結するように形成された補助カッティング部を含むことを特徴とする、請求項11に記載のステージ装置。
  13. 前記補助カッティング部はT字形状に切取られることを特徴とする、請求項12に記載のステージ装置。
  14. 前記アクチュエータは圧電素子が設けられた圧電駆動器を含むことを特徴とする、請求項1に記載のステージ装置。
  15. 前記アクチュエータの前記第1ステージを加圧する端部には接触ボールが設けられたことを特徴とする、請求項14に記載のステージ装置。
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