JP2676256B2 - 駆動ステージ装置およびそのためのアクチュエータユニット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、駆動ステージ装置ないし駆動テーブル装置
に関し、特に小型で製密駆動可能な駆動ステージ装置お
よびそれに用いるアクチュエータユニットに関する。

近年、例えば半導体集積回路の分野において、集積度
の向上と共に要求される加工精度はますます向上してい
る。より狭い線幅を実現するため、露光装置の研究開発
の対象は紫外光の代わりに電子線やＸ線を高原として用
いるものに移行している。これに伴い、露光時にウェー
ハを保持する駆動ステージの精度も向上させる必要があ
る。たとえば、0.25ないし0.3μｍの線幅を実現するに
は約0.05μｍのアライメント（整合）精度が要求され
る。これを達成するには駆動ステージとしては約0.005
μｍ、甘くても0.01μｍの精度が要求される。

このような高精度の駆動ステージを、例えば150〜200
mm/secの速度で移動させることが要求される。

［従来の技術］ 従来のXY（XYZ）駆動ステージ装置等は、DCモータと
ボールねじを組み合わせたアクチュエータを用いたもの
が主流である。しかし、ガタ、バックラッシ等のために
その駆動精度は、大体の場合約0.1μｍが限界であり、
0.01μｍやそれ以下の精度を出すことは極めて困難であ
る。

リニアモータを駆動力源とする駆動ステージ装置も知
られている。リニアモータも0.01μｍ以下の位置精度を
達成することは困難である。

一方、アクチュエータユニットとして圧電素子を用い
たXY駆動装置も提案されている。圧電素子は微小な変位
を生じさせることに長じているが変位の絶対値を大きく
することは難しい。

そこで、高精度の駆動を行うには粗動と微動を組み合
わせるのが有利となる。

駆動ステージ装置を何段階かに積み上げ、粗動、微動
を各軸方向について行うことも提案されている。

これらの従来の駆動ステージ装置において、アクチュ
エータは被駆動体に対して直角方向に設けられ、被駆動
体を押すか引くことにより被駆動体に駆動力を働かせて
いる。被駆動体は支持体上に設けられた案内面や案内レ
ール等の案内部材上を移動する。たとえば、まずステー
ジをＸ方向に移動可能に保持する案内部材とＸ方向駆動
源を含むＸ段が構成され、次にこのＸ段全体をＹ方向に
移動可能に保持する案内部材とＹ方向駆動源を有するＹ
段が構成される。必要に応じてさらにＺ段、θｘ段、θ
ｙ段、θｚ段が設けられる。各方向で粗動と微動とを別
個に行う場合はこれらの段数が倍加する。

［発明が解決しようとする課題］ 駆動ステージ装置の段数が増加すると、駆動源と被駆
動体との間に介在する部材の数が増加し、部材間の遊び
等の存在により駆動源の発生した駆動力が被駆動体にど
れだけ伝達されるのかが不正確になる。

また、駆動ステージ装置の段数が増加すると、全体の
寸法、重量が大きくなる。これは、応答速度を制限する
要因ともなる。

また、従来のアクチュエータは被駆動体に対して直角
方向に設けられているのでアクチュエータ設置のために
広いスペースが必要であり、駆動ステージ装置が大きく
なる。

また、従来の駆動ステージ装置は通常、１段で１方向
の駆動を行う構成を有し、１段構成当たりの駆動方向の
自由度は低い。

更に、被駆動体が支持体の案内部上を移動すると、移
動の際摩擦により駆動負荷が増大し、位置精度や応答性
を悪くする。

本発明の目的は、高精度の駆動ステージ装置を提供す
ることである。

本発明の他の目的は、小型な１段構成でしかも自由度
が高い駆動ステージ装置を提供することである。

本発明の他の目的は応答性の優れた駆動ステージ装置
を提供することである。

本発明のさらに他の発明はこれらの駆動ステージ装置
に用いるアクチュエータユニットを提供することであ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、XYθ駆動ステージ装置のステージ面
は、一対の１方向アクチュエータユニット（駆動装置）
と、一個の直交方向アクチュエータユニット（駆動装
置）によって直接駆動される。

たとえば第１図を参照して説明すると、XY面を画定す
るステージ面3sを有する被駆動体３は、Ｘ方向に沿った
２つの対向辺部3a,3bとＹ方向に沿った２つの対向辺部3
c,3dとを有し、３組の第１のアクチュエータユニット10
a,10b,10cによって直接保持、駆動される。各第１のア
クチュエータユニットは被駆動体３の各辺部3a〜3cと平
行な軸方向を有し、各辺部と物理的支持を与えることの
できる基部１との間に接続される。各第１のアクチュエ
ータユニット10iは対応する辺部に平行な軸方向の駆動
力を発生するアクチュエータ8iと軸方向に高い剛性を有
し、軸方向と直交する方向に低い剛性を有する弾性リン
ク部9iとを含む。

なお、本明細書において、XY方向とはステージ面等の
任意の平面内において互いに直交する方向を言う。ま
た、Ｚ方向とはXY面に直交する方向を指すものとする。
また、θｘ回転、θｙ回転及びθｚ回転とはそれぞれＸ
軸、Ｙ軸及びＺ軸の回りの回転を指すものとする。

また、本発明によれば、XYZθ駆動装置のステージ面
は、一個のＸ方向アクチュエータユニット（駆動装置）
と、一対のＹ方向アクチュエータユニット（駆動装置）
と、３つ以上のＺ方向アクチュエータユニット（駆動装
置）によって直接駆動される。

たとえば、第１図を参照して説明すると、XY面を画定
するステージ面3sを有する被駆動体３は、Ｘ方向に沿っ
た２つの対向辺部3a,3bとＹ方向に沿った２つの対向辺
部3c,3dとを有し、３組の第１のアクチュエータユニッ
ト10a,10b,10cと、３組以上の第２のアクチュエータユ
ニット10e〜10gによって直接保持、駆動される。各第１
のアクチュエータユニットは被駆動体３の各辺部3a〜3c
と平行な軸方向を有し、各辺部と物理的支持を与えるこ
とのできる基部１との間に接続される。各第２のアクチ
ュエータユニットは、Ｚ方向に平行な軸方向を有し、被
駆動体３のステージ面3sを画定する３点以上の点の１つ
と基部１との間に接続される。各第１のアクチュエータ
ユニット10i（ｉ＝a,b,c,d）は対応する辺部に平行な軸
方向の駆動力を発生するアクチュエータ8iと軸方向に高
い剛性を有し、軸方向と直交する方向に低い剛性を有す
る弾性リンク部9iとを含む。各第２のアクチュエータユ
ニット10j（ｊ＝e,f,g）はＺ方向の駆動力を発生するア
クチュエータ8jとＺ方向に高い剛性を有し、Ｚ方向と直
交する方向に低い剛性を有する弾性リンク部9jとを含
む。

これらの駆動ステージ装置用に用いることのできる圧
電アクチュエータユニットは、軸方向に駆動力を発生す
ることのできるアクチュエータ8iと、軸方向に対して高
い剛性を有し、軸方向と直交する方向に低い剛性を有す
る弾性リンク部材9iとを有する。

リンク部材は、好ましくは相対的に大きな径を有する
剛性部と、相対的に小さな径を有する少なくとも２つの
弾性部とを有し、これらの剛性部、弾性部が軸方向に整
列して配置される。

［作用］ XYθ駆動ステージ装置は、Ｘ、Ｙ方向およびXY平面内
の回転θｚ方向にステージ面を駆動することができる。

たとえば、第１図においてＺ方向アクチュエータユニ
ット10e〜10gを無視すると、Ｘ方向のアクチュエータユ
ニット10aが＋Ｘ方向に駆動すると、被駆動体３は近似
的に＋Ｘ方向に移動しようとする。この時、被駆動体３
がＹ方向のアクチュエータユニット10b,10cの弾性リン
ク部9b,9cをＸ方向に押す。弾性リンク部9b,9cは、Ｘ方
向に対して剛性が低いので、Ｘ方向の力を受けると容易
に弾性変形（曲げ）を起こす。従って、Ｘ方向のアクチ
ュエータユニット10aにより、被駆動体３はＸ方向に駆
動される。

なお、被駆動体３をＹ方向へ移動させる場合もＸ方向
への移動の場合と同様な原理で行うことができる。

弾性リンク部の弾性変形によって反力が生じるが、弾
性リンク部は軸方向に直角の方向に対して剛性が低いの
で、その反力は直交方向のアクチュエータユニットの駆
動負荷としては小さい、従ってアクチュエータユニット
は、その駆動スパンを確保することができる。また、駆
動ステージ装置は良好に印加信号に応答することができ
る。

さらに、アクチュエータユニット10aを−Ｘ方向に、
アクチュエータユニット10cを＋Ｙ方向に、アクチュエ
ータユニット10bを−Ｙ方向に駆動することにより、被
駆動体３を第１図中で左回りに回転駆動（＋θｚ回転）
することができる。駆動方向を逆にすることにより−θ
ｚ回転も同様に行うことができる。

XYZθ駆動装置はXYZ各軸方向および各軸方向の周囲の
回転方向にステージ面を駆動することができる。

たとえば、第１図を参照して説明すると、XY面内の駆
動は、Ｚ方向のアクチュエータユニット10e〜10gの弾性
リンク部が弾性変形すること以外は上述と同様である。

Ｚ方向に関しては、第１のアクチュエータユニット10
a,10b,10cの駆動量を０とし、第２のアクチュエータユ
ニット10e〜10gをそれぞれ同一方向に同一量駆動する
と、被駆動体３はＺ方向に並進する。

この時、第１のアクチュエータユニットの弾性リンク
部9a〜9cから若干の反力を受けるが、前述のように、弾
性リンク部は軸と直交する方向の剛性が低いので、被駆
動体はＺ方向に容易に駆動される。

また、第２の圧電アクチュエータユニット10e〜10gの
駆動量のバランスにより、θｘ、θｙ方向の回転を行う
ことができる。

さらに、全ての圧電アクチュエータユニット10a〜10g
を同時に適当量駆動することにより、X,Y、Z,θx,θy,
θｚの６自由度の任意の動きを被駆動体３に伝達するこ
とが可能となる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

XYθ駆動ステージ装置 第２図、第３図は本発明の実施例によるXYθ微動駆動
ステージ装置を示す。駆動量は、たとえば１方向の並進
が最大20μｍ、回転が最大20秒程度である。第２図は平
面図、第３図は第２図の一部破断側面図である。

図中、１は物理的支持を与えるベース構造体（基部）
であり、その上面中央に凹部２が設けられている。移動
距離を大きくする時は、このベース構造体１をさらにリ
ニアモータ、ボールネジ等により粗動駆動する。３はス
テージ面3sを有する被駆動体で、Ｘ方向の２つの対向辺
部3a,3b、Ｙ方向の２つの対向辺部3c,3dを有する略正方
形または長方形の形状を有する。この被駆動体３の下面
はベース構造体１の凹部２内に入り込む凸部４を有し、
ステージの剛性を高めている。この凸部４とベース構造
体１の凹部２との間には間隙５が保たれる。すなわち、
被駆動体３はベース構造体１から遊離した状態にある。
また被駆動体３の上面には、ウェーハチャック等（図示
せず）を設け、精密に駆動すべきウェーハを保持しても
よい。

8a〜8cはリード線（図示せず）により制御電源に接続
されたアクチュエータ、たとえば圧電アクチュエータで
あり、被駆動体３の辺部3a〜3dの３辺3a〜3cに対応して
３組設けられている。各アクチュエータ8a〜8cはそれぞ
れ弾性リンク部9a〜9cと結合してアクチュエータユニッ
ト10a〜10cを構成している。アクチュエータユニット10
a〜10cは被駆動体３の各辺部3a〜3cに平行なＸ方向、Ｙ
方向に沿って配置されている。図示の場合、圧電アクチ
ュエータ8a〜8cはそれぞれその一端をベース構造体１に
固定的に接続されている。各圧電アクチュエータ8a〜8c
と被駆動体３の各辺部3a〜3cの間には、それぞれ弾性リ
ンク部9a〜9cが介在している。この弾性リンク部9a〜9c
は、被駆動体３をベース構造体１から遊離した状態で支
持するとともに、被駆動体３にアクチュエータの及ぼす
力を伝達する。さらに、この弾性リンク部9a〜9cはその
軸方向と直交する方向に力が及ぼされた場合、曲げ変形
することによって軸と直交する方向の変位を許容する。

すなわち、弾性リンク部9aは被駆動体３をＸ方向に駆
動する力を伝達すると共に、被駆動体３がＹ方向に移動
しようとする場合、その移動を許容するように変形す
る。

本実施例においては、圧電アクチュエータ8iは、一体
の部材12を介してボルト11によりベース構造体１に固定
されている。弾性リンク部9iは、一体構造の部材16を介
してボルト15により被駆動体３に固定されている。ここ
で、これらのボルト11,15および部材12,16を省略してベ
ース構造体１および被駆動体３にアクチュエータユニッ
トを直接溶接、接着等により接続してもよい。なお、被
駆動体３と圧電アクチュエータユニット10i、部材12の
間には、被駆動体３の移動を可能とする間隙を儲けてあ
る。

第４図は第２図のXYθ駆動ステージ装置に用いた圧電
アクチュエータユニット10の拡大平面図である。また、
第５図は圧電アクチュエータユニットの他の実施例を示
す平面図である。第４図に示した圧電アクチュエータユ
ニット10は、右端が部材12を介してベース構造体１に接
続される。図示の場合、圧電アクチュエータ８が部材12
と結合いている。圧電アクチュエータ８の左端は弾性リ
ンク部９に結合している。弾性リンク部９は大径の剛性
部20と小径のヒンジ部21,22から形成される。剛性部20
の一端は、ヒンジ部21を介して圧電アクチュエータ８の
左端に接続され、弾性リンク部９の左端はヒンジ部22を
介して被駆動体３に接続される。各ヒンジ部21,22は、
両端から中央に向かって径が絞られ、断面が凹状（円弧
状）の球面ヒンジである。球面ヒンジは、軸方向には高
い剛性を有し、軸と直交する方向は剛性を弱め、曲げを
許容するのに好ましい構造である。

第５図に示した、圧電アクチュエータユニット23はよ
り簡単な構造の弾性リンク部24を有する。弾性リンク部
24は軸方向には十分な剛性を発揮すると共に、軸と直交
する方向には十分な弾性を呈するようにその径を選択さ
れている。すなわち伸び縮みはし難いが、曲げは比較的
容易な構成である。他の点は第４図に示す圧電アクチュ
エータユニットと同様である。

このように、圧電アクチュエータ８と、圧電アクチュ
エータユニットの軸方向に高い剛性を有し、軸と直交す
る方向には十分な弾性を有する弾性リンク部９ないし24
とを組み合わせることにより、第２図、第３図に示す実
施例に用いることのできるアクチュエータユニットを構
成することができる。

XYZθ駆動ステージ装置 第６図、第７図は本発明の１実施例によるXYZθ駆動
ステージ装置を示す。

XY平面内の駆動に関しては、第２図、第３図に示した
実施例と同様である。

Ｚ方向の駆動も行うために、本実施例においては、Ｚ
方向の駆動を行う３つの圧電アクチュエータユニット32
a,32b,32cが、被駆動体３とベース構造体１の間に配置
されている。

第７図の断面図を参照して説明すると、圧電アクチュ
エータユニット32は圧電素子36と、圧電素子36のXY面内
の伸縮運動をＺ方向の運動に変換する一対の楔部材37a,
37b、38a38bと、このＺ軸方向の運動を被駆動体３に伝
達する弾性リンク部31aを有する。圧電素子36に接続さ
れた一方の楔部材37a,37bはアクチュエータベース35に
接着剤等で接合され、接着剤等の剪断変形によりXY面内
の小さな変位を許容する。アクチュエータベース35はベ
ース構造体１にボルト34等により固定されている。これ
ら一方の楔部材37a,37bの上面は、対称的な傾斜面に形
成されており、対向する他方の楔部材38の対称的傾斜面
部38a,38bと接着剤等を介して継合している。すなわ
ち、一方の楔部材37a,37bが両側に拡がろうとすると、
対向する楔部材38は上方に移動することになる。逆に一
方の楔部材37a,37bが互いに近付こうとすると、他方の
楔部材38は下方に移動する。これらの楔部材37、38間の
結合は接着剤等の剪断変形を許容する部材を介して行う
のが好ましい。弾性リンク部31aの上端は、締結構造33a
を有し、被駆動体３とボルト34等を介して結合してい
る。

Ｚ方向のアクチュエータユニット32a,32b,32cにおい
て、弾性リンク部31はその軸方向に高い剛性を有し、軸
方向と直交する方向に低い剛性を有する。軸方向の力を
伝達して軸方向に被駆動体３を駆動することができると
ともに、他の方向の被駆動体の運動を曲げ等の弾性変形
により許容する。

Ｚ方向のアクチュエータユニットに関して、圧電素子
をＺ方向に設けず、XY面内に設けたのはＺ方向の高さを
減少するためである。このように配置することにより、
駆動ステージ装置全体のＺ方向の寸法を小さくすること
ができる。

Ｘ、Ｙ方向の駆動のためのアクチュエータユニットを
被駆動体３の辺部に平行な方向に設けたのは、１段の構
成でＸ方向、Ｙ方向の変位を可能にするための、駆動ス
テージ装置全体の構成を小さなものとするためである。

第８図は制御系を概略的に示す。

被駆動体３のＸ方向、Ｙ方向およびXY面内の回転θｚ
をモニタするため、３つの測距系50,60a,60bが設けられ
ている。たとえば、被駆動体３のＸ方向の位置をモニタ
するための系50は、被駆動体３上のミラー59、レーザ光
源51、ビームスプリッタ53、ミラー55、受光器57を含
み、入射レーザ光52の一部と反射レーザ光54との干渉縞
を計数してミラー49のＸ方向位置を計測する。

レーザ光源61aと受光器67aを含む第１のＹ方向モニタ
系60a、レーザ光源61b、受光器67bを含む第２のＹ方向
モニタ系60bも同様の原理によってミラー69のＹ方向の
位置を計測する。２個所でＹ方向位置を測定することに
より、ミラー69のXY面内の角度θｚも測定できる。

また、カメラ80を含む別系統のモニタ系が設けられて
おり、被駆動体３の平面像を撮像して、XY面内の位置合
わせを行えるように構成されている。

さらに、被駆動体３の裏面には３つの静電容量センサ
71、73、75が設けられており、Ｚ方向の位置を３点で計
測する。これらの結果からＺ方向位置、Ｘ軸回りの回
転、Ｙ軸回りの回転が測定できる。

これらの各モニタ系の出力信号は制御回路85に入力さ
れる。目標設定値との比較等の後、制御回路85から補正
信号が圧電アクチュエータ等に送られる。

以上実施例に沿って説明したが、本発明はこれらに限
定されるものではない。たとえば種々の変更、改良、組
み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、ステージ面を有
する被駆動体を複数の方向に駆動するための駆動装置が
被駆動体に直接結合した駆動ステージ装置が提供され
る。

また、自由度の高い小型の駆動ステージ装置が提供さ
れる。

駆動ステージ装置が小型なので、応答性を高くするこ
とが容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の駆動ステージ装置の概念説明図、 第２図は本発明の１実施例によるXYθ駆動ステージ装置
の平面図、 第３図は、第２図の一部破断側面図、 第４図は、XYθ駆動ステージ装置に用いる圧電アクチュ
エータユニットの平面図、 第５図は、圧電アクチュエータユニットの他の実施例を
示す平面図、 第６図は、本発明の１実施例によるXYZθ駆動ステージ
装置の平面図、 第７図は、第６図のVII−VII線に沿う断面図、 第８図は制御系の概略ブロック図である。 図において、 １……基部（ベース構造体） ３……被駆動体 3a〜3d……辺部 3s……ステージ面 8a〜8d……アクチュエータ 9a〜9d……弾性リンク部 10a〜10g……第１のアクチュエータユニット（圧電アク
チュエータユニット） 20……剛性部 21,22……ヒンジ部 30i……圧電アクチュエータ 31i……弾性リンク部 32i……第２の圧電アクチュエータユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−266490（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−193089（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−180291（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−21588（ＪＰ，Ａ) 実開 昭48−100290（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭57−35799（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｘ方向に沿った２つの対向辺部とＹ方向に
   沿った２つの対向辺部と、XY平面を画定するステージ面
   とを有する被駆動体と、 物理的支持を与えることのできる基部と、 各々被駆動体の各辺部と基部との間に接続された３組の
   第１のアクチュエータユニットであって、各アクチュエ
   ータユニットは、被駆動体の対応する辺部と平行な軸方
   向を有するアクチュエータと、軸方向に高い剛性を有し
   軸方向と直行する方向に低い剛性を有する弾性リンク部
   とを含み、各アクチュエータは軸方向の駆動力を発生す
   る第１のアクチュエータユニットと、 を備え、Ｘ、Ｙ方向およびXY平面内の回転方向にステー
   ジ面を駆動することのできる駆動ステージ装置。
2. 【請求項２】Ｘ方向に沿った２つの対向辺部とＹ方向に
   沿った２つの対向辺部と、XY平面を画定するステージ面
   とを有する被駆動体と、 物理的支持を与えることのできる基部と、 各々被駆動体の各辺部と基部との間に接続された３組の
   第１のアクチュエータユニットであって、各アクチュエ
   ータユニットは、被駆動体の対応する辺部と平行な軸方
   向を有するアクチュエータと、軸方向に高い剛性を有し
   軸方向と直交する方向に低い剛性を有する弾性リンク部
   とを含み、各アクチュエータは軸方向の駆動力を発生す
   る第１のアクチュエータユニットと、 被駆動体のステージ面と直交するＺ方向に駆動力方向を
   有し、各々被駆動体と基部との間に接続された３組以上
   の第２のアクチュエータユニットであって、各アクチュ
   エータユニットはＺ方向の駆動力を発生するアクチュエ
   ータとＺ方向に高い剛性を有し、Ｚ方向と直交する方向
   に低い剛性を有する弾性リンク部とを含む第２のアクチ
   ュエータユニットと、 を有し、XYZ各軸方向および各軸方向の回りの回転方向
   にステージ面を駆動することのできる駆動ステージ装
   置。
3. 【請求項３】前記第２のアクチュエータユニットのアク
   チュエータはXY平面方向に軸を有する駆動力源とXY平面
   内方向の力をＺ方向の力に変換する楔部材とを含む請求
   項２記載の駆動ステージ装置。
4. 【請求項４】物理的支持力を与えることのできる基部
   と、 軸方向に駆動力を発生し、軸方向が前記基部に対して変
   動しないように一方の端部が前記基部に取り付けられた
   アクチュエータと、 前記アクチュエータの他方の端部に取り付けられ、軸方
   向に対して高い剛性を有し、軸方向と直交する方向に低
   い剛性を有する弾性リンク部材であって、相対的に大き
   な径を有する剛性部と、相対的に小さな径を有する少な
   くとの２つのヒンジ部とを有し、これらの剛性部、ヒン
   ジ部が軸方向に整列して配置されている弾性リンク部材
   と を有するアクチュエータユニット。
5. 【請求項５】前記アクチュエータが収納ケースに収めら
   れて予圧を印加された圧電素子を含む請求項４に記載の
   アクチュエータユニット。