JP2005273882A

JP2005273882A - 真空対応型静圧流体軸受

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Publication number: JP2005273882A
Application number: JP2004092523A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Iwasaki; 健一岩崎; Yoshihisa Daikyo; 義久大饗
Original assignee: Kyocera Corp; Advantest Corp
Current assignee: Kyocera Corp; Advantest Corp
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】固定軸体がシンプルな内部構造を有して、その製造が容易であり且つ排気効率も優れている真空対応型静圧流体軸受を提供する。
【解決手段】大気中に通じた大気開放通路と、排気手段に通じた排気通路と、複数の運動案内外面とを有する固定軸体と、運動案内外面に対面する軸受内面を有して固定軸体に沿って移動する可動体と、運動案内外面及び軸受内面の間に形成された微小隙間のそれぞれに静圧流体を供給する流体供給口と、を備え、軸受内面は、それぞれ、流体供給口を連続的に囲む大気開放溝と、大気開放溝のさらに外側を連続的に囲む排気溝とを有し、可動体の大気開放溝及び排気溝が、それぞれ、固定軸体の対応する大気開放通路及び排気通路に連通しており、各軸受内面の排気溝が、軸受内面の端部に配置されて、隣接する軸受内面の排気溝に連通している。
【選択図】図２

Description

本発明は、系外に加圧気体を流出させない真空対応型静圧流体軸受に関する。本発明は、詳細には、真空環境下で半導体露光工程や検査工程あるいは成膜工程等が行なわれる精密測定装置や精密加工装置等の軸受部分を構成する真空対応型静圧流体軸受に関する。

従来、高精度な案内及び位置決めを行なうためのスライド装置として、静圧流体軸受が用いられている。静圧流体軸受は、可動体と固定軸体との間の微小隙間に加圧気体を供給することにより静圧流体層を形成して可動体を固定軸体に対して静圧支持するものである。このような静圧流体軸受を真空チャンバー内に設置して真空環境下で動作させるためには、微小隙間に存する加圧気体を系外に流出させないで回収するための機構を設けることが必要である。

そこで、図６及び７に示すような、真空環境下でも動作可能な真空対応型静圧流体軸受が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。図６は従来技術に係る真空対応型静圧流体軸受の全体構成を示し、図７は図６の矢印で示した箇所の断面図であり、静圧流体軸受の内部構造を示している。

図６示した静圧流体軸受は、四角柱状の固定軸体１１０と、この固定軸体１１０を囲繞する可動体１２０とからなる。固定軸体１１０と可動体１２０との間には、微小隙間１４０が設けられている。可動体１２０に設けられた給気管１３０から加圧気体が供給され、給気周回通路１３４を通じて、可動体１２０の内壁面の略中央に配置されたエアパッド１４２に供給される。

エアパッド１４２から噴出した加圧気体は、微小隙間１４０に供給されて、薄い膜状の静圧流体層が形成される。静圧流体層を介在させることによって、可動体１２０が固定軸体１１０上を滑動することができるようになっている。

エアパッド４から噴出して微小隙間１４０に供給された加圧気体は、まず、エアパッド４を取り囲むように形成された大気開放溝１３６に導かれたあと、大気開放溝１３６に対向配置された大気連絡通路１１７を経て、大気開放通路１１６から大気中に放出される。

大気開放溝１３６から放出されずに洩れ出た気体は、大気開放溝１３６を取り囲むように形成されたラビリンス隙間を通過したあと、その外側を取り囲むように形成された排気溝１３８に導かれる。排気溝１３８に導かれた気体は、排気溝１３８に対向配置された排気連絡通路１１５を経て、排気通路１１４に導かれる。排気通路１１４に接続されている真空ポンプが、排気溝１３８、排気連絡通路１１５及び排気通路１１４を排気することにより、大気開放溝１３６から漏れ出た気体が回収される。

このように、静圧流体軸受に供給された加圧気体が全て回収されて静圧流体軸受の系外に洩れ出ることがないように構成されているために、静圧流体軸受を真空チャンバー内に設置しても、所定の真空度が維持される。

特開２０００−２３０５５２号公報

しかしながら、上記の従来技術に係る静圧流体軸受では、固定軸体１１０及び可動体１２０の各対向面に、それぞれ、排気連絡通路１１５及び排気溝１３８が設けられている。すなわち、固定軸体１１０の内部には、上側の左右の端部に配置された排気連絡通路１１５とそれらに連通する上側排気通路１１４とが設けられているとともに、下側の左右の端部に配置された排気連絡通路１１５とそれらに連通する下側排気通路１１４との二つの排気系が設けられている。大気連絡通路１１７が三次元的に設けられていることに加えて、排気連絡通路１１５も同様に三次元的に設けることは、固定軸体１１０の内部構造を非常に複雑にする。複雑な内部構造を有する固定軸体１１０を加工することは非常に困難であり、その加工費用も非常に高価であるという問題がある。

また、ある大きさの断面積を有する固定軸体１１０において多数個の排気通路１１４を配置することは、一個当たりの排気通路１１４の断面積が小さくなることを意味する。排気通路１１４の断面積が小さくなると、排気通路１１４の排気抵抗が大きくなって、排気効率が低下する。その結果、排気能力の小さな真空ポンプで排気すると、十分な排気が得られないために、加圧気体の一部が軸受系外に洩れ出て真空チャンバー内の真空度を悪くしてしまうという問題がある。

したがって、本発明の解決すべき技術的課題は、固定軸体がシンプルな内部構造を有して、その製造が容易であり且つ排気効率も優れている真空対応型静圧流体軸受を提供することである。

課題を解決するための手段および作用・効果

上記技術的課題を解決するために、本発明によれば、大気中に通じた大気開放通路と、排気手段に通じた排気通路と、複数の運動案内外面とを有する固定軸体と、該運動案内外面に対面する軸受内面を有して該固定軸体に沿って移動する可動体と、運動案内外面及び軸受内面の間に形成された微小隙間のそれぞれに静圧流体を供給する流体供給口と、を備え、上記軸受内面は、それぞれ、上記流体供給口を連続的に囲む大気開放溝と、大気開放溝のさらに外側を連続的に囲む排気溝とを有し、可動体の大気開放溝及び排気溝が、それぞれ、固定軸体の対応する大気開放通路及び排気通路に連通しており、各軸受内面の排気溝が、軸受内面の端部に配置されて、隣接する軸受内面の排気溝に連通していることを特徴とする真空対応型静圧流体軸受が提供される。

上記真空対応型静圧流体軸受によれば、可動体の各軸受内面の排気溝が、軸受内面の端部に配置されて、隣接する軸受内面の排気溝に連通しているので、各軸受内面の排気溝が一つの排気溝としてつながっている。したがって、複数の排気溝の中から少なくとも一つを選択してそこから排気すれば、全ての軸受内面の排気溝を排気したことと同じことになる。したがって、各軸受内面の排気溝に対してそれぞれ排気経路を設けて個別に排気することが不要になって、排気系が簡略化される。排気系の簡略化によって、固定軸体の内部構造が非常にシンプルになって、固定軸体の加工も容易になり、その加工費用も非常に低減することができる。

一つにつながった各排気溝に対して複数の排気系で排気することもできるが、一つの排気通路の断面積を大きくして排気効率を向上させるために、排気通路は、一つの排気系からなることが好ましい。

排気通路の排気口は、固定軸体のコーナー部近傍に配置することもできるが、固定軸体の一つのコーナー部が部分的に切り欠かれて、その切欠部に排気通路の排気口が設けられていることが好ましい。

上記構成によれば、排気通路の排気口が部分的に切り欠かれたコーナー部に設けられて内側に引っ込んだ状態にあるので、可動体が移動したときに排気口の破損が起こりにくくなっている。さらに、排気口が一つの軸受内面だけに設けられた場合よりも、排気口の断面積を大きく取ることができるので、排気抵抗を小さくすることができる。

固定軸体は、三角柱形状や五角柱形状や六角柱形状等の多角柱形状や、少なくとも一部が長手方向に蒲鉾状に切り欠かれた大略円柱形状であってもよい。固定軸体が四角柱形状である場合、コーナー部が直角を有して加工性や加工コストが優れていることから、固定軸体は四角柱形状であることが好ましい。

可動体は、ブロック状部材を加工して所望の形状に仕上げることもできるが、好ましくは、複数の板状部材を組み合わせてなる。各板状部材を所望の形状に加工したあと、それらを組み合わせて可動体にすることにより、複雑な形状のものを高精度に且つ低コストで加工することができる。

流体供給口は、固定軸体に設けることもできるが、固定軸体の構造を簡略化するために、可動体に設けられていることが好ましい。

固定軸体及び可動体としては、金属系材料やセラミックス材料等の各種の高剛性材料が使用可能である。好ましくは、固定軸体及び可動体は、それぞれ、ヤング率が３０ＧＰａ以上で４３０ＧＰａ以下のセラミックス材料からなる。このような材料は、高剛性で熱膨張係数が小さくて加工歪が小さいために高精度な位置決めが可能であり、鏡面状の面が容易に得られて、硬質体と衝突したときに隆起した圧痕が残らない等の利点が得られる。

以下に、図１乃至５を参照しながら、本発明の実施形態に係る真空対応型静圧流体軸受１について詳細に説明する。

図１に示した真空対応型静圧流体軸受１は、大略四角柱形状をした固定軸体１０と、この固定軸体１０を部分的に囲繞する可動体２０とからなる。固定軸体１０及び可動体２０は、アルミナ又は炭化珪素を主成分とするセラミックス材料から構成されている。固定軸体１０の一端には、先端が2つに分岐された大気開放管６が接続されている。固定軸体１０の他端には、排気管４が接続されている。可動体２０の上側外面には、給気管３０が接続されている。

図２は、図１のＢ−Ｂ線の矢視断面図である。固定軸体１０が可動体２０に挿通されている。固定軸体１０と可動体２０との間には、約１乃至約３μｍの微小な隙間４０が設けられている。

可動体２０は、おおよそ左右対称に構成されており、上板２２ａ、下板２２ｂ、左側板２２ｃ及び右側板２２ｄという４つの平板状部材に分割されて構成されている。すなわち、一回り大きいサイズの上板２２ａ及び下板２２ｂが、小さいサイズの左側板２２ｃ及び右側板２２ｄを挟むように構成されている。上板２２ａと左側板２２ｃとが、左上接合面２６ａで接合されている。上板２２ａと右側板２２ｄとが、右上接合面２６ｂで接合されている。下板２２ｂと左側板２２ｃとが左下接合面２６ｄで接合されている。下板２２ｂと右側板２２ｄとが右上接合面２６ｄで接合されている。各平板状部材２２ａ〜２２ｄはネジ止めされて、可動体２０として一体化されている。給気管３０からの加圧気体を各平板状部材２２ａ〜２２ｄのエアパッド４２に供給するために、各平板状部材２２ａ〜２２ｄに連通した給気周回通路３４が形成されている。

なお、左側板２２ｃ及び右側板２２ｄを上板２２ａ及び下板２２ｂよりも一回り大きいサイズにすることも可能である。また、各接合面２６ａ〜２６ｄを斜め４５度にして、平板状部材を均等な四分割構成にすることも可能である。

給気管３０が上板２２ａに接続されていることを除いて、各平板状部材２２ａ〜２２ｄはおおよそ同じ構造をしている。上板２２ａ、下板２２ｂ、左側板２２ｃ及び右側板２２ｄは、それぞれ、固定軸体１０に対向する面として、軸受上側内面２４ａ、軸受下側内面２４ｂ、軸受左側内面２４ｃ及び軸受右側内面２４ｄを有している。軸受上側内面２４ａ、軸受下側内面２４ｂ、軸受左側内面２４ｃ及び軸受右側内面２４ｄは、鏡面状に仕上げられている。

軸受上側内面２４ａ、軸受下側内面２４ｂ、軸受左側内面２４ｃ及び軸受右側内面２４ｄは、いわゆるラビリンスシール構造を備えている。まず、軸受上側内面２４ａのラビリンスシール構造について説明する。

軸受上側内面２４ａの大略中央部には、多孔質体からなるエアパッド４２が埋設されている。エアパッド４２は、給気連絡通路３２を介して給気管３０に接続されている。エアパッド４２の外側部分には、エアパッド４２を取り囲む大気開放溝３６が形成されている。エアパッド４２から大気開放溝３６に向けて流出する流体の流れは、内側ラビリンス隙間３５で規制されている。

大気開放溝３６の外側部分には、大気開放溝３６を取り囲む排気溝３８が形成されている。排気溝３８は、軸受上側内面２４ａの左右の端部に配置されて、左上接合面２６ａ及び右上接合面２６ｂまで延在している。排気溝３８の終端部は閉じた状態になっている。大気開放溝３６から排気溝３８に向けて流出する流体の流れは、外側ラビリンス隙間３７で規制されている。

次に、軸受左側内面２４ｃについて説明する。軸受左側内面２４ｃの大略中央部には、多孔質体からなるエアパッド４２が埋設されている。エアパッド４２は、給気連絡通路３２を介して給気周回通路３４に接続されている。エアパッド４２の外側部分には、エアパッド４２を取り囲む大気開放溝３６が形成されている。エアパッド４２から大気開放溝３６に向けて流出する流体の流れは、内側ラビリンス隙間３５で規制されている。

大気開放溝３６の外側部分には、大気開放溝３６を取り囲む排気溝３８が形成されている。排気溝３８は、軸受左側内面２４ｃの上下の端部に配置されている。排気溝３８の終端部は、開いた状態になっている。大気開放溝３６から排気溝３８に向けて流出する流体の流れは、外側ラビリンス隙間３７で規制されている。

上板２２ａと左側板２２ｃとが接合されたときには、軸受上側内面２４ａの排気溝３８であって左上接合面２６ａまで延在している部分が、軸受左側内面２４ｃの排気溝３８の開いた終端部に接続されている。

なお、軸受下側内面２４ｂは、軸受上側内面２４ａと同様の構成をしており、軸受右側内面２４ｄは、軸受左側内面２４ｃと同様の構成をしている。

軸受上側内面２４ａの排気溝３８が、軸受右側内面２４ｄの排気溝３８及び軸受左側内面２４ｃの排気溝３８にそれぞれ連通している。軸受下側内面２４ｂの排気溝３８も、軸受右側内面２４ｄの排気溝３８及び軸受左側内面２４ｃの排気溝３８にそれぞれ連通している。したがって、隣接する軸受内面２４ａ〜２４ｄの排気溝３８が全て連通している。すなわち、軸受内面２４ａ〜２４ｄの各排気溝３８が一つに接続されている。

次に、固定軸体１０について説明する。

固定軸体１０の軸ボディ１２の内部には、いずれも軸長手方向に延在し且つ貫通した、二つの大気開放通路１６及び一つの排気通路１４が形成されている。

固定軸体１０は、いずれもフラットで鏡面状に仕上げられた運動案内上側外面１８ａ、運動案内下側外面１８ｂ、運動案内左側外面１８ｃ及び運動案内右側外面１８ｄを有している。可動体２０が固定軸体１０に組み付けられたときには、運動案内上側外面１８ａ、運動案内下側外面１８ｂ、運動案内左側外面１８ｃ及び運動案内右側外面１８ｄが、それぞれ、軸受上側内面２４ａ、軸受下側内面２４ｂ、軸受左側内面２４ｃ及び軸受右側内面２４ｄに対して微小間隔を持って対向配置される。

大気開放通路１６が固定軸体１０の右上部及び左下部にそれぞれ配置されている。右上の大気開放通路１６からは、軸受上側内面２４ａ及び軸受右側内面２４ｄの大気開放溝３６にそれぞれ連通する大気連絡通路１７が分岐されている。左下の大気開放通路１６からは、軸受下側内面２４ｂの大気開放溝３６及び軸受左側内面２４ｃの大気開放溝３６にそれぞれ連通する大気連絡通路１７が分岐されている。

一つの排気通路１４が固定軸体１０の左上部に配置されている。固定軸体１０の一つのコーナー部が部分的に切り欠かれて、コーナー切欠部１３が形成されている。排気連絡通路１５は、排気通路１４とコーナー切欠部１３とをつないでいる。図４に示すように、排気連絡通路１５の上端部には、開口した排気口が形成されている。排気連絡通路１５の排気口が、左上の排気溝３８に対向するように配置されている。なお、排気抵抗が小さくなるように、排気通路１４は大気開放通路１６よりも大口径に寸法構成されている。コーナー切欠部１３は、軸長手方向の大略中央に形成されている。このように構成することによって、可動体２０が固定軸体１０の両端位置にきたときでも、排気連絡通路１５と各排気溝３８とを連通させるレイアウトが容易となるという効果がある。

図２を参照しながら、真空対応型静圧流体軸受１に供給された加圧気体が全て回収されて真空対応型静圧流体軸受１の系外に洩れ出ないメカニズムについて説明する。

可動体２０に設けられた給気管３０から供給された加圧気体が、給気周回通路３４を通じて、可動体２０の上板２２ａ、下板２２ｂ、左側板２２ｃ及び右側板２２ｄの給気連絡通路３２にそれぞれ供給される。給気連絡通路３２に供給された加圧気体は、上板２２ａ、下板２２ｂ、左側板２２ｃ及び右側板２２ｄの各エアパッド４２から放出される。各エアパッド４２から放出された加圧気体が微小隙間４０に供給されて、薄い膜状の静圧流体層が形成される。静圧流体層を介在させることによって、可動体２０が固定軸体１０上を軸長手方向に滑動することができる。

各エアパッド４２に供給された加圧気体は、あらゆる方向に略均等に放出されて、内側ラビリンス隙間３５を通過して大気開放溝３６に導かれる。大気開放溝３６に導かれた加圧気体は、大気開放溝３６に対向配置された大気連絡通路１７を経て、大気開放通路１６から大気中に放出される。

大気開放溝３６から放出されずに洩れ出た気体は、外側ラビリンス隙間３７を通過したあと、排気溝３８に導かれる。排気溝３８に導かれた気体は、排気溝３８に対向配置された排気連絡通路１５を経て、排気通路１４に導かれる。排気通路１４に接続されている真空ポンプ（不図示）が、排気溝３８、排気連絡通路１５及び排気通路１４を排気することにより、大気開放溝３６から洩れ出た全ての気体が回収される。

このように、真空対応型静圧流体軸受１に供給された加圧気体が全て回収されて静圧流体軸受１の系外に洩れ出ることがないために、静圧流体軸受１を真空チャンバー内に設置しても、所定の真空度が維持される。

上述した真空対応型静圧軸受１は、好適には、各種の半導体製造装置の中に組み込まれて使用される。例えば、図５に示す、ステージ制御機構を備えた露光装置７０において、レチクル８０、ウェーハ８４等の移動対象物が載置された各種ステージの移動動作を高精度に制御する際に用いられる。

露光装置７０は、レチクル８０上に形成されたパターンの露光範囲を拡大するために、照明光学系７２からの露光光をスキャンスリット７４によりスリット状に制限する。そして、このスリット光を用いてレチクル８０上に形成されたパターンの一部をウェーハ８４上に縮小投影した状態で、レチクル８０とウェーハ８４とを投影光学系８６に対して同期走査してパターンをウェーハ８４上に逐次転写するようにする。このような露光装置７０において、レチクル８０及びウェーハ８４を高精度に位置決めし、あるいはレチクル８０及び／又はウェーハ８４を一定速度で高精度に走査するために、レチクル粗動ステージ７８及びウェーハステージ８２が用いられる。本発明に係る真空対応型静圧軸受１がこれらのステージ７８，８２に用いられることにより、各ステージ７８，８２の位置が高精度に制御される。

本発明のより具体的な実施の形態について説明する。すなわち、真空対応型静圧流体軸受１を試作し、その真空対応能力を確認する実験を行なった。

固定軸体１０として、アルミナ純度が９９．９％のアルミナセラミックスからなり、断面が４０ｍｍ×４０ｍｍであり長さが２５０ｍｍである四角柱形状のものを用いた。可動体２０として、アルミナ純度が９９．９％のアルミナセラミックスからなり、上板２２ａ、下板２２ｂ、左側板２２ｃ及び右側板２２ｄの四つの平板を組み合わせて構成した。上板２２ａ及び下板２２ｂは、幅が６０ｍｍであり厚さが２０ｍｍであり長さが８０ｍｍである平板である。左側板２２ｃ及び右側板２２ｄは、幅が４０ｍｍであり厚さが２０ｍｍであり長さが８０ｍｍである平板である。

可動体２０と固定軸体１０との微小隙間が０．００３ｍｍとなるように調節した。可動体２０と固定軸体１０との微小隙間に、給気管３０からの０．４ＭＰａの加圧気体を供給して、可動体２０を固定軸体１０上に静圧支持させた。排気速度２００Ｌ／秒のターボ分子ポンプを排気通路１４に接続して排気した。その結果、排気溝３８からの加圧気体の回収効率が向上して、１０^−５Ｐａの真空チャンバー内で使用しても真空チャンバー内の真空度を低下させることなく使用することができた。

本発明に係る真空対応型静圧流体軸受の正面図である。図１のＢ−Ｂ線の矢視断面図である。本発明に係る真空対応型静圧流体軸受の分解斜視図である。本発明に係る真空対応型静圧流体軸受の固定軸体の斜視図である。本発明に係る真空対応型静圧流体軸受が使用される露光装置の斜視図である。従来技術に係る真空対応型静圧流体軸受の正面図である。図６のA−A線の矢視断面図である。

符号の説明

１真空対応型静圧流体軸受
４排気管
６大気開放管
１０固定軸体
１２軸ボディ
１３コーナー切欠部
１４排気通路
１５排気連絡通路
１６大気開放通路
１７大気連絡通路
１８ａ運動案内上側外面
１８ｂ運動案内下側外面
１８ｃ運動案内左側外面
１８ｄ運動案内右側外面
２０可動体
２２ａ上板
２２ｂ下板
２２ｃ左側板
２２ｄ右側板
２４ａ軸受上側内面
２４ｂ軸受下側内面
２４ｃ軸受左側内面
２４ｄ軸受右側内面
２６ａ左上接合面
２６ｂ右上接合面
２６ｃ左下接合面
２６ｄ右下接合面
３０給気管
３２給気連絡通路
３４給気周回通路
３５内側ラビリンス隙間
３６大気開放溝
３７外側ラビリンス隙間
３８排気溝
４０微小隙間
４２エアパッド
７０露光装置
７２照明光学系
７４スキャンスリット
７６微動ステージ
７８粗動ステージ
８０レチクル
８２ウェーハステージ
８４ウェーハ
８６投影光学系

Claims

大気中に通じた大気開放通路と、排気手段に通じた排気通路と、複数の運動案内外面とを有する固定軸体と、
該運動案内外面に対面する軸受内面を有して該固定軸体に沿って移動する可動体と、
運動案内外面及び軸受内面の間に形成された微小隙間のそれぞれに静圧流体を供給する流体供給口と、を備え、
上記軸受内面は、それぞれ、上記流体供給口を連続的に囲む大気開放溝と、該大気開放溝のさらに外側を連続的に囲む排気溝とを有し、
可動体の大気開放溝及び排気溝が、それぞれ、固定軸体の対応する大気開放通路及び排気通路に連通しており、
各軸受内面の排気溝が、軸受内面の端部に配置されて、隣接する軸受内面の排気溝に連通していることを特徴とする真空対応型静圧流体軸受。
上記排気通路は、一つの排気系からなることを特徴とする、請求項１記載の真空対応型静圧流体軸受。
上記固定軸体の一つのコーナー部には部分的に切欠かれた切欠部が設けられており、その切欠部に排気通路の排気口が設けられていることを特徴とする、請求項２記載の真空対応型静圧流体軸受。
上記固定軸体は、四角柱形状をしていることを特徴とする、請求項１記載の真空対応型静圧流体軸受。
上記可動体は、複数の板状部材を組み合わせてなることを特徴とする、請求項１記載の真空対応型静圧流体軸受。
上記流体供給口は、可動体に設けられていることを特徴とする、請求項１記載の真空対応型静圧流体軸受。
上記固定軸体及び可動体は、それぞれ、ヤング率が３４０ＧＰａ以上で４３０ＧＰａ以下のセラミックス材料からなることを特徴とする、請求項１記載の真空対応型静圧流体軸受。