JP2706171B2 - ステージ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はステージ装置に関し、特に２次元面内で対象
物を移動させるステージ装置に関する。

［従来の技術］ 従来、対象物を２次元的に駆動する装置としては、ま
ず平面内の一方向であるＸ軸方向について駆動を行うサ
ーボモータとボールネジを備えたＸステージを形成し、
その上にＹ軸方向の駆動を行うサーボモータとボールネ
ジを備えたＹステージを重ねたXYステージ等が知られて
いる。

ボールネジはガタやバックラッシを完全に排除するこ
とはできない。また、サーボモータで発生した駆動力を
対象物に伝えるには、途中に動力伝達機構や案内機構を
介さねばならず、発生した駆動力を100％対象物に伝え
ることはできない。これは別の観点から見ると、何等か
の機械部材等に歪み、弾性変形等を生じさせていること
になる。

このような機構によっては、0.01μｍ程度以下の位置
決め精度を実現することは困難である。

［発明が解決しようとする課題］ 以上説明したような、サーボモータとボールネジによ
るステージ装置によっては、たとえば0.01μｍ以下の位
置決め精度を持つ超精密XYステージを実現することは難
しかった。

本発明の目的は、超精密精度を実現するのに適したス
テージ装置を提供することである。

本発明の他の目的は、構造が簡単で遊びがなく、位置
精度に優れたステージ装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明のステージ装置は、高透磁率を有する材料で形
成され、XY面を定める表面を有するヨークと、ヨーク上
にＸ方向に平行にＹ方向に関して第１のピッチで配置さ
れた複数のストライプ状永久磁石であって、ヨークの表
面の法線方向に沿って、交互に反転する磁極を有する永
久磁石と、ヨークの表面上で永久磁石と対向するように
配置されたステージと、永久磁石と対向するようにステ
ージ上でＹ方向に関して、第１のピッチの整数分の１
（整数は２以上とする）の第２のピッチで配置された複
数のコイルとを有する。

［作用］ ヨーク上に複数の永久磁石が平行に配置されており、
その上に複数のコイルを配置することによって、コイル
に力を作用させることができる。このコイルによってス
テージを平面内で移動させる。ステージに固定したコイ
ルのピッチは、永久磁石のピッチの整数分の１に設定さ
れているため、ステージが移動しても永久磁石上にコイ
ルがない状態を防止できる。このためステージの位置が
移動したために作用する力が減少してしまうことが低減
できる。また、永久磁石の１ピッチの間にコイルが整数
個配列されるため、多相励磁するのに適している。

［実施例］ 第１図に本発明の実施例による二次元ステージを示
す。ベース１は鉄等の十分高い剛性を有する材料で形成
され、その上面にXY面となる案内面２を有する。この案
内面２上にステージ３の案内部材であるエアーパッド4
a、4b、4cが載置される。すなわち、ステージ３はエア
ーパッド4a、4b、4cによって案内されてベース１の案内
面２上を滑動する。

ステージ３の駆動は以下に述べる永久磁石とコイルと
の相互作用による。ベース１の案内面２上には鉄等の高
透磁率材料で形成されたヨーク７が配置されており、XY
面となる上面を有する。このヨーク７の上面に複数の永
久磁石８が平行に等間隔で配置されている。永久磁石８
はストライプ状の細長い形状を有し、ヨーク７の法線方
向に沿って磁極を有する。複数の永久磁石８は、交互に
Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極、…を上方に向けるように配置されて
いる。したがって、永久磁石の上面から発生した磁力線
は隣接する永久磁石の上面に入り込むように分布する。
これらの永久磁石は、図中Ｘ方向に平行に配置されてい
る。ステージ３の下面には、これらの永久磁石と対面す
るように複数のコイル11、12が配置されている。複数の
コイルはＸ方向に軸方向を有するＸ用コイル11と、Ｙ方
向に軸方向を有するＹ用コイルとを含む。これらのコイ
ルもＹ方向に一定の間隔（ピッチ）を置いて配列され
る。

第２図はヨーク上の永久磁石とステージ上のコイルと
のXY面内での位置関係を説明するための平面図および磁
束密度分布図である。

第２図上側に示すように、永久磁石8a、8b、8c、8dが
Ｘ軸に平行にかつＹ方向に一定のピッチPoで配列されて
いる。これに対して、Ｘ用コイル11a、11bは、永久磁石
の１ピッチ内に２つ配列されている。すなわち、Ｘ用コ
イル11は永久磁石の1/2のピッチ（Po/2）でＸ軸に平行
に配列されている。右側に示す他のＸ用コイル11c、11d
も、Ｘ軸に平行にかつＹ方向に永久磁石のピッチの1/2
のピッチで配列されている。左右のＸ用コイルの間に、
Ｙ用コイル12a、12b〜12fが配列されている。これらの
Ｙ用コイル12も、永久磁石のピッチの1/2を単位として
配置されている。すなわち、Ｙ用コイル12a、12eからＹ
用コイル12c、12dに至るピッチは永久磁石8bから8cに至
るピッチPoの1/2である。同様にＹ用コイル12c、12dか
らＹ用コイル12b、12fに至るピッチも永久磁石のピッチ
Poの1/2である。なお、Ｙ用コイルの各ピッチごとに配
列されるコイルの数は同等のものとするのが好ましい。

平行に配置された永久磁石8a、8b、8c、8dからは、そ
の上方に磁束が発生している。主としてコイルの下辺の
高さでの磁束密度が重要である。永久磁石8aの上面がＮ
極、隣接する永久磁石8bの上面がＳ極、さらに隣接する
永久磁石8cの上面がＮ極、…である場合、図示のように
永久磁石8a、8c上で磁束密度は正の極値をとり、永久磁
石8b、8dの極上で磁束密度は負の極値をとる。この場
合、隣接する永久磁石の中間の位置においては、磁束密
度が極めて小さな値となっている。

ステージの移動にしたがいコイルも移動するが、永久
磁石の上に配置されたコイルに選択的に電流を供給する
ことにより、常に磁束密度の高いところに配置されたコ
イルを励磁して有効に力を発生させることができる。

この駆動力発生の模様を第３図を参照してより詳細に
説明する。

第３図において、ヨーク７上に永久磁石8a、8b、8c、
8dが配置され、その上方に磁力線15が発生している。こ
れらの磁力線を横切るようにＸ用コイル11a、11b、11
c、11dおよびＹ用コイル12e、12d、12fが配置されてい
る。この場合、ステージを紙面垂直方向に駆動するため
には、Ｘ用コイル11a、11dに矢印のように電流を流せば
よい。他のＸ用コイル11b、11cには励磁電流を流す必要
がない。ここで、Ｘ用コイル11a、11dの下辺と上辺とに
おいては、逆方向の力が作用するが、磁束密度がＸ用コ
イル11a、11dの下辺において、上辺よりも十分高くなる
ように設計することとにより、Ｘ方向の１方向に有効な
力を発生させることができる。なお、Ｘ用コイル11a、1
1dの２つの側辺は、互いに逆方向の力を発生し、Ｘ方向
の駆動には寄与しない。隣接するＸ用コイル11bにおい
ては、磁力線15がほぼ横方向を向いているため、電流を
流してもＸ用コイル11bの下辺と上辺によって、有効な
駆動力を得ることが難しい。

ステージがＹ方向に移動してＸ用コイル11a、11dが永
久磁石と永久磁石の間に配置されるようになった時は、
他のＸ用コイル11b、11cを励磁してステージを駆動す
る。連続的に移動させる時は多相励磁とするのがよい。

第４図に本発明者らが先に提案した参考例によるステ
ージの駆動を示す。

ヨーク７上に複数の永久磁石8a、8b、…8fが配置さ
れ、その上に複数のＸ用コイルおよびＹ用コイルが配列
される点は第３図の構成と同様である。しかしながら、
第４図の構成においては、永久磁石８のピッチとＸ用コ
イル17、Ｙ用コイル18のピッチとが等しく設定されてい
る。したがって、図示の状態においては各Ｘ用コイル17
Y用コイル18に有効な力を発生させることができるが、
ステージがたとえば図中右横行へ半ピッチ移動した場
合、各コイルは永久磁石と永久磁石の間の位置に配置さ
れ、磁束密度が極めて少ない状態で作動しなければなら
なくなる。磁束密度が低い状態で同等の力を得ようとす
れば、コイルに流す電流を増大させなければならない。
もし、同一量の電流を流した場合には、ステージに作用
する力がリップル的に変動することになる。

第３図の構成においては、Ｘ用コイル11、Ｙ用コイル
12が共に永久磁石のピッチの整数分の１のピッチで配列
され、すなわち、永久磁石１つあたりコイルが２つない
しはそれ以上配列されているため、常に永久磁石の上に
配置されたコイルが存在し、そのコイルに所望の電流を
流すように制御すれば所定の電流で均等な強い力を得る
ことができる。

XY平面内でステージを駆動する場合の推力発生原理を
第５図を参照して説明する。

第５図（Ａ）は、ステージをＸ方向に並進させる場合
の推力を模式的に示す。ステージ３上に図示のようにＸ
用コイル11が設けられているとする。Ｘ用コイル11a、1
1b、11c、11dのうち、11aおよび11dが永久磁石の上に配
置されているとする。その時、これらのＸ用コイル11
a、11dに電流を供給する。すると、これらのコイルに矢
印で示す方向の力が発生するため、ステージ３はＸ方向
に並進する。なお、ステージ３の位置がＹ方向に変化
し、Ｘ用コイル11bと11cが永久磁石の上に配置された場
合には、Ｘ用コイル11a、11dの代りにＸ用コイル11b、1
1cに電流を流し、力を発生させる。

第５図（Ｂ）はＹ方向に並進させる場合の推力発生を
示す。Ｙ用コイルは上下のＹ用コイル12i、12kが同じＹ
方向位置に配置され、他のＹ用コイル12jはその中間の
Ｙ位置に配置されているとする。Ｙ用コイル12iと12kと
が永久磁石の上に配置されている場合は、これらのコイ
ルに電流を流し、Ｙ方向の力を発生させる。すると図中
右の矢印で示したようにＹ方向の駆動力が発生し、ステ
ージ３はＹ方向に駆動される。Ｙ用コイル12i、12kが永
久磁石と永久磁石の間の位置に配置された時は、他のＹ
用コイル12jに電流を流す。この時はこれらのコイルが
永久磁石の直上に配置されるため、Ｙ方向の力が有効に
発生する。

このように、永久磁石の上に配置されるコイルに選択
的に電流を供給することによって、有効に駆動力を発生
させ、Ｘ方向ないしＹ方向の並進運動をさせることがで
きる。

次に第５図（Ｃ）を参照してXY面内の回転運動をさせ
る場合の推力発生を説明する。

図中右に示す矢印方向に示すようにステージ３を回転
させる場合、たとえば永久磁石の上に配置された２つの
Ｘ用コイル11a、11dに逆方向の電流を流す。するとこれ
らのＸ用コイル11aと11dには逆方向の力が発生し、図中
右の矢印に示すようにステージ３は回転する。これらの
Ｘ用コイルが永久磁石の上から外れている時は、他のＸ
用永久磁石11bと11cに電流を流すことにより、破線の矢
印で示すような力を発生させ、同様な回転を行なうこと
ができる。

なお、この回転はたとえば、一度以内の回転であり、
回転の前後に拘らず永久磁石とコイルとの全体的な関係
がほぼ保たれるものとする。より大きな角度を回転させ
る場合は、他の機構を設けることができる。

以上基本的に単巻コイルの集合によって、ステージを
駆動する場合を説明したが、コイルは単巻コイルには限
らない。

第６図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）にヘリカルコイルを用
いた時の駆動を示す。

第６図（Ａ）はヘリカルコイルの上面構造を示す概略
図である。ヘリカルコイルを上から見た時、巻線は上面
で一定方向を向き、下面で交差する一定方向を向いてい
る。また、巻線は図示の場合、５本ずつその電流方向を
反転させている。

第６図（Ｂ）はヘリカルコイル20を永久磁石８の上に
配置した構成を概略的に示す。永久磁石８からは磁力線
が図示のとおり発生しており、ヘリカルコイル20を横切
っている。このように配置されたヘリカルコイル20に電
流を流すことにより、ヘリカルコイル20に力を発生させ
ることができる。

第６図（Ｃ）は力の発生パターンを示す概略図である
る。永久磁石のＮ極の上に配置されたヘリカルコイル部
分は、その電流方向によってさらに５つの部分に別けて
考えることができる。中央の領域S1においては、磁束Ｂ
は紙面裏側から表側に貫通するように発生しており、電
流は上側でｉ、下側での方向に流れる。これらの電流
によって力は２つの方向に発生するが、その合力は矢印
Ｆで示す方向に働く。この中央領域S1の周囲には、電流
方向の異なる４つの領域S2、S3、S4、S5が形成される。
これらの領域においては、上側の電流または下側の電流
がその向きを変え、かつ磁力線も外側に向かうため、図
に示すような方向に力Ｆが発生する。Ｎ極の右側の永久
磁石のＳ極上に配置されたヘリカルコイル部分では、同
様に５つの領域S6、S7、S8、S9、S10が形成され、中央
の領域S6においては、電流方向および磁力線の方向は異
なるものの、合力Ｆの方向は領域S1の合力の方向と同一
となる。このようにヘリカルコイルの構成および電流を
制御することにより、所望の方向に力を発生させること
ができる。

第１図に戻って、Ｘ用コイル11またはＹ用コイル12に
力が発生することにより、ステージ３は案内面２上をXY
平面内に移動する。

なお、ヨーク上に配列する永久磁石の数およびステー
ジ上に配列するコイルの数は任意に選択することができ
る。また、永久磁石の１ピッチ内にコイルを２つ配列す
る場合を説明したが、永久磁石の１ピッチ内にコイルを
３つ、４つ等整数個配列することができる。これらのコ
イルの配置数によってコイルに流す電流の多相励磁方式
を制御する。

なお、水平ステージの構成として図示したが、SOR露
光装置等においては、第１図に示すようなステージを垂
直方向ステージとして用いることもできる。この場合、
ステージの落下を防止するために重力と対向する力を作
用させることが望ましい。また、ステージを案内面上に
案内するためにエアーパッド４に磁石を組入れ、磁気吸
引エアーパッドとすることもできる。

以上説明した構成によれば、ステージに固定したコイ
ルに直接推力を発生させることができ、動力伝達系を省
略することができるため、高い運動精度を確保すること
ができる。すなわち、動力伝達系におけるガタやバック
ラッシュを防止することができる。

また、ステージに対して直接Ｘ方向推力、Ｙ方向推
力、θｚ方向推力を作用させることができるため、ステ
ージを自由に平面内で運動させることが可能となる。

ステージの位置に拘らず、ほぼ均等な電流でほぼ均等
な駆動力を発生させることができる。

従来のステージにおいて必要であったガイド系を省略
することができ、小型、軽量、高速、高精度なステージ
を得ることとが容易となる。

ステージに直接力を作用させることが容易となるた
め、外欄への対応力が増大し、エネルギ効率を改善する
ことができる。

以上説明したステージ装置は、SOR露光装置等の半導
体製造装置、精密機械や機械一般、ICボンダー、ICテス
ター、超精密加工機、ロボット、レーザ加工機、XYプロ
ッター等広く２次元ステージを要求する分野に利用する
ことができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこ
れらに制限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］ 以上説明したように、本発明によれば、平面内で運動
するステージに直接力を作用させることができるため、
高精度なステージを得ることができる。ステージに取付
けるコイルのピッチを永久磁石ピッチの整数分１とした
ため、常に永久磁石の上に配置されるコイルに有効な力
を発生させることができ、均質な力によりステージを精
度よく駆動することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による二次元ステージの斜視
図、 第２図は第１図の二次元ステージの永久磁石とコイルの
関係を説明するための概略図、 第３図は第１図の二次元ステージにおけるコイルに発生
する駆動力を説明するための側面図、 第４図は本発明者らの先の提案による参考例を説明する
ための側面図、 第５図は第１図の二次元ステージにおける各方向への推
力発生原理を説明するための概念図、 第６図はヘリカルコイルによる駆動を説明するための概
略図である。 図において、 １……ベース、２……案内面 ３……メインステージ ４……エアーパッド ７……ヨーク、８……永久磁石 11……Ｘ用コイル、12……Ｙ用コイル 15……磁力線 17……Ｘ用コイル、18……Ｙ用コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−291194（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−301033（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−293586（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−5415（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−28147（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高透磁率を有する材料で形成され、XY面を
   定める表面を有するヨークと、 前記ヨーク上にＸ方向に平行にＹ方向に関して、第１の
   ピッチで配置された複数のストライプ状永久磁石であっ
   て、前記ヨークの表面の法線方向に沿って、交互に反転
   する磁極を有する永久磁石と、 前記ヨークの表面上で前記永久磁石と対向するように配
   置されたステージと、 前記永久磁石と対向するように前記ステージ上でＹ方向
   に関して、前記第１のピッチの整数分の１（整数は２以
   上とする）の第２のピッチで配置された複数のコイルと を有するステージ装置。
2. 【請求項２】前記複数コイルはターンの定める軸がＸ方
   向に向いたＸコイルとターンの定める軸がＹ方向に向い
   たＹコイルを含む請求項１記載のステージ装置。
3. 【請求項３】さらに前記複数のコイルを多相励磁する電
   源を有する請求項１ないし２記載のステージ装置。