JP2773781B2 - 精密微動ステージ装置 - Google Patents

精密微動ステージ装置

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JP2773781B2 JP9837890A JP9837890A JP2773781B2 JP 2773781 B2 JP2773781 B2 JP 2773781B2 JP 9837890 A JP9837890 A JP 9837890A JP 9837890 A JP9837890 A JP 9837890A JP 2773781 B2 JP2773781 B2 JP 2773781B2
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良幸 冨田
佐藤  文昭
一博 伊藤
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、精密な微小移動を行うためのステージ装置
に関し、特に半導体装置製造用のアライナ等の超精密XY
ステージ等に用いる精密微動ステージ装置に関する。
[従来の技術] XYステージ等の駆動機構には、ボールネジとサーボモ
ータとの組み合わせが多く用いられているが、この機構
で0.1μm以下の精度を実現することは難しい。
ところで、超LSI製造用の超精密ステージは0.01μm
以下の位置決め精度を持つことが望まれている。また、
応答の迅速性も必要である。
面内駆動の3自由度、および空間内駆動の6自由度の
超精密ステージの研究が種々行われている。これらの内
の多くは1自由度の駆動を行う構造を逐次結合する方式
を採用している。この場合、各自由度は独立な機構とで
きるので駆動アルゴリズムは比較的簡単になる。
[発明が解決しようとする課題] 上述の各自由度積層型構成は、一般に全体の構造が大
きく、重くなる傾向があり、またこのため応答性も遅く
なる。
本発明の目的は、1つのステージに複数自由度のアク
チュエータを直接並列に結合した新規な駆動系構成を持
つ精密微動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] 本発明の精密微動ステージにおいては、1つのステー
ジに面内移動駆動用の3つのアクチュエータユニットが
直接固定される。各アクチュエータユニットは、軸方向
に伸縮するアクチュエータとその両端に直結された一対
のヒンジ部とを有する。アクチュエータの軸を含む仮想
線は三角形を形成する。
[作用] 1つのステージに複数のアクチュエータユニットを直
接並列結合した構成は、各自由度間での干渉量が大き
く、駆動アルゴリズムを複雑にするが、全体の構成が簡
素であり、構造を小型化、軽量化することが可能とな
り、そのため応答性も高くすることが可能である。
[実施例] 第1図(A)、(B)は、本発明の実施例による面内
駆動ステージ装置を示す。第1図(A)は概略構成を示
す。平面状のステージ1の下部に、3つのアクチュエー
タユニット2a、2b、2cが配置され、各アクチュエータユ
ニットの一端はステージ1の下面の駆動端3a、3b、3cに
結合され、他端は物理的支持を与えるベースの固定端4
a、4b、4cに固定される。各アクチュエータユニットは
その軸方向に伸縮することができるアクチュエータを含
む。
これらのアクチュエータユニットはいずれも軸方向
(駆動方向)に高い剛性を有し、これと直交する方向の
曲げ剛性としては低いという特性を有する。
第1図(B)は第1図(A)に示す面内駆動ステージ
装置の駆動原理を示す概念図である。ステージ1内に三
角形の頂点を画定する3点3a、3b、3cが定められ、3つ
のアクチュエータユニット2a、2b、2cがその軸方向を三
角形の3辺に沿って配置され、各頂点3a、3b、3cに太矢
印で示すような伸縮力を与える。また、各アクチュエー
タユニット2a、2b、2cの両端部はヒンジ部を備え、軸と
垂直な面内に弾性変形することができる。すなわち、ベ
ース等の固定端4a、4b、4cに一端を固定されたアクチュ
エータユニット2a、2b、2cがその軸方向に力を発揮する
と、駆動端3a、3b、3cが駆動され、この3つの駆動力に
よって、ステージ1はその面内でX方向並進運動、Y方
向並進運動、面内回転のθ方向運動を任意に行うことが
できる。
ここで、各アクチュエータユニットの説明をより詳細
に行う。第2図(A)、(B)は圧電アクチュエータユ
ニットの構造例を示す。
第2図(A)は球面ヒンジ型のヒンジ部を備えた圧電
アクチュエータユニットの側面図である。中央部の圧電
アクチュエータ6の内には、積層圧電素子が弾性変形可
能なケース内に収縮され、電圧を印加することによっ
て、圧電アクチュエータ6はその軸方向に伸縮する。圧
電アクチュエータ6の両端には球面ヒンジ7a、7bが直接
結合されている。球面ヒンジ7a、7bは断面が円形でその
径が両端から次第に減少する絞り部分を有し、軸と垂直
な面内の力に対して弾性変形することができる。軸方向
断面の形状が円形の切り欠きを両側に設けた形状を例示
したが、両側から次第に径が窄まる形状であれば、その
他の形状を採用してもよい。
第2図(B)は、弾性ピン型圧電アクチュエータユニ
ットの構造を示す。圧電アクチュエータユニット2は、
中央の圧電アクチュエータ6とその両端に設けられた弾
性ピン8a,8bを含む。弾性ピン8a,8bは、小径の弾性変形
部分と大径の頭部分とを有するピン型の形状をしてい
る。第2図(A)の場合と同様、圧電アクチュエータ6
は積層圧電素子を弾性変形可能なケースに納めた構造で
あり、印加電圧を制御することによってその長さを変化
させる。また、弾性ピン8a、8bは軸方向と垂直な面内の
力に対して弾性変形する。
このような圧電アクチュエータユニットなどのアクチ
ュエータユニットを第1図に示す面内駆動ステージ装置
に用いることによって、ステージ1を高精度に微動させ
ることができる。アクチュエータユニット2a、2b、2c
は、アクチュエータのケースと両端のヒンジ部とを一体
に作成し、固定端4a、4b、4cおよびステージ駆動端3a、
3b、3cでそれぞれ固定することができるので、遊びのな
い駆動装置が実現できる。圧電アクチュエータ等を用い
ることによって、駆動精度が0.01μm以下を達成するこ
とも容易となる。ステージ面内のステージ駆動端3a、3
b、3cの配置は、ほぼ正三角形の頂点に対応するように
するのがバランス上好ましい。ステージ駆動端3a、3b、
3cを正三角形状に配置すれば、3つのアクチュエータユ
ニット2a、2b、2cはそれぞれ均等なものとなり、ステー
ジを駆動する時のバランスを取りやすい。(X、Y、
θ)を表した変位、駆動力を三角形の3辺方向の成分に
変換する処理は、マイクロコンピュータ等によって容易
に行える。
第3図(A)、(B)は、本発明の他の実施例による
6自由度駆動ステージ装置を示す。第3図(A)は6自
由度駆動ステージ装置の駆動系の概略斜視図である。ス
テージ1とそれと平行な平面内に配置された3つの面内
駆動アクチュエータ2a、2b、2cは、第1図に示す実施例
と同様である。本実施例においては、さらにステージ駆
動端3a、3b、3cからステージ面に垂直に互いに平行な3
つの面外駆動アクチュエータユニット11a、11b、11cが
備えられている。面外駆動アクチュエータユニット11
a、11b、11cは面内駆動アクチュエータユニット2a、2
b、2cと同様な構成を有する。ステージ固定端3a、3b、3
cの反対側の端部は物理的支持を与えるベース14に固定
されている。
第3図(B)は、面外駆動機構の側面図である。ステ
ージ1の3つのステージ駆動端3a、3b、3cと、ベース14
との間に3つのアクチュエータユニット11a、11b、11c
が直接結合されている。アクチュエータユニット11a、1
1b、11cはこの軸方向に伸縮する力を発揮し、その力を
ステージ駆動端3a、3b、3cを与える。すなわち、垂直配
置されたアクチュエータユニット11a、11b、11cによっ
て、ステージ1はZ方向並進運動、X軸回りの回転、Y
軸回りの回転を行うことができる。
以上説明したような構成により、同一のステージが同
時に3自由度ないしは6自由度の駆動力を受け、面内お
よび空間内に運動することができる。1つのステージの
みを用いるので、構造がコンパクトとなり、従って重量
を小さくすることが容易である。また、ステージとベー
スとの間に慣性負荷がほとんど存在しないため、構造が
軽量であり、高い応答性を実現することが容易である。
また、アクチュエータの変位量を弾性体を介して直接駆
動対象に伝達できるため、ガタやバックラッシュの無い
高い駆動分解能を実現できる。
このようなステージ装置は、光、レーザ、X線用のス
テッパ(アライナー)用ステージとして用いることがで
きる他、他の半導体製造装置用のステージとして、ま
た、より一般的に超精密加工機械、3次元測定器等各種
精密機械の送り機構として使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、新規な構造の
1ステージに複数自由度のアクチュエータが直接並列配
置された駆動系が得られる。
駆動点を三角形の頂点に設けているので各駆動力のバ
ランスがよく、精度、応答性がよい。
1つのステージのみによって、複数自由度の運動がで
きるので、ステージ装置全体が軽量にでき、応答性を向
上させることができる。
また、構造が簡単なため、小型化、軽量化が容易であ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)、(B)は、本発明の1実施例による面内
駆動ステージ装置を示す図であり、第1図(A)は概略
構成の斜視図、第1図(B)は駆動原理を示す概念図、 第2図(A)、(B)は圧電アクチュエータユニットの
構造例を示し、第2図(A)は球面ヒンジ型圧電アクチ
ュエータユニットの側面図、第2図(B)は弾性ピン型
圧電アクチュエータユニットの側面図、 第3図(A)、(B)は、本発明の他の実施例による6
自由度駆動ステージ装置を示し、第3図(A)は概略構
成を示す斜視図、第3図(B)は面外駆動機構を示す側
面図である。 図において、 1……ステージ 2……アクチュエータユニット 3……ステージ駆動端 4……固定端 6……圧電アクチュエータ 7……球面ヒンジ 8……弾性ピン 11……面外駆動アクチュエータユニット 12……固定端 14……ベース
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−214361(JP,A) 特開 昭63−193089(JP,A) 特開 昭62−180291(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B23Q 1/00 - 1/76 H01L 21/68 G12B 5/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】物理的支持のためのベースと、 剛性の高い平面を画定するステージと、 各々が軸方向に伸縮するアクチュエータと該アクチュエ
    ータの両端に直結され、軸と直交する方向に弾性変形可
    能なヒンジ部とを有する3個のアクチュエータユニット
    であって、各アクチュエータに直結されたヒンジ部の一
    方が前記ベースに固定され、他方が、三角形の頂点を画
    定する3点において前記ステージに固定され、各アクチ
    ュエータユニットの軸方向が前記三角形の各辺に沿って
    配置された面内駆動アクチュエータユニットと を含む精密微動ステージ装置。
  2. 【請求項2】物理的支持のためのベースと、 剛性の高い平面を画定するステージと、 各々が軸方向に伸縮するアクチュエータと該アクチュエ
    ータの両端に直結され、軸と直交する方向に弾性変形可
    能なヒンジ部とを有する3個のアクチュエータユニット
    であって、各軸を含む仮想線が三角形を形成し、各アク
    チュエータに直結されたヒンジ部の一方が前記ベースに
    固定され、他方が前記ステージに固定された面内駆動ア
    クチュエータユニットと、 各々が軸方向に伸縮するアクチュエータと該アクチュエ
    ータの両端に直結され、軸と直交する方向に弾性変形可
    能なヒンジ部とを有する3個のアクチュエータユニット
    であって、各軸が前記平面に対してほぼ垂直な方向に平
    行に配列され、各アクチュエータに直結されたヒンジ部
    の一方が前記三角形の頂点において前記ステージに固定
    され、他方が前記ベースに固定された面外駆動アクチュ
    エータユニットと を含む精密微動ステージ装置。
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