JP3037999B2 - Two-dimensional motor stage device - Google Patents

Two-dimensional motor stage device

Info

Publication number
JP3037999B2
JP3037999B2 JP2313231A JP31323190A JP3037999B2 JP 3037999 B2 JP3037999 B2 JP 3037999B2 JP 2313231 A JP2313231 A JP 2313231A JP 31323190 A JP31323190 A JP 31323190A JP 3037999 B2 JP3037999 B2 JP 3037999B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
stage
coil
permanent magnets
coils
yoke
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2313231A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH04185272A (en
Inventor
良幸 冨田
佐藤  文昭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Heavy Industries Ltd filed Critical Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority to JP2313231A priority Critical patent/JP3037999B2/en
Publication of JPH04185272A publication Critical patent/JPH04185272A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3037999B2 publication Critical patent/JP3037999B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、精密XYステージに関し、特にムービングマ
グネット型駆動による超精密XYステージに関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a precision XY stage, and more particularly to an ultra-precision XY stage driven by a moving magnet.

半導体集積回路装置の集積度の向上と共に、半導体製
造技術には、より高制度が要求されている。パターン線
幅は1μmを割り、サブミクロンから0.1μmに近付こ
うとしている。線幅の減少に伴い、半導体ウエハを位置
決めすべきステージ装置には、線幅の精度よりも少なく
とも1桁、好ましくは2桁以上優れた精度が望まれてい
る。
As the degree of integration of semiconductor integrated circuit devices increases, higher standards are required for semiconductor manufacturing technology. The pattern line width is less than 1 μm, and is approaching 0.1 μm from submicron. With the decrease in line width, a stage device for positioning a semiconductor wafer is required to have an accuracy superior to the line width by at least one digit, and preferably by at least two digits.

[従来の技術] 従来、対象物を2次元的に駆動する精密ステージ装置
としては、まず平面内の一方向であるX軸方向につい
て、駆動を行な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軸方向の駆動を行なうサ
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
ステージが知られている。
[Prior Art] Conventionally, as a precision stage device for two-dimensionally driving an object, first, an X-axis having a servomotor and a ball screw for driving in the X-axis direction which is one direction in a plane.
XY with a stage formed and a Y stage with a ball screw and a servomotor for driving in the Y-axis direction superimposed on it
The stage is known.

ところが、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らなず、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、利用できなかった駆動力は何らかの機構部材等に
歪、弾性変形等を生じさていることになる。すなわち、
精度低下の原因となっている。
However, ball screws cannot completely eliminate backlash or backlash. Further, in order to transmit the driving force generated by the servomotor to the object, the power must be transmitted via a power transmission mechanism or a guide mechanism on the way, and the generated driving force cannot be transmitted 100% to the object. From another viewpoint, this means that the driving force that cannot be used causes some mechanical member or the like to be distorted or elastically deformed. That is,
This causes a decrease in accuracy.

このように機構によっては、0.1μm程度以下の位置
決め精度を実現することは困難である。
As described above, it is difficult to achieve a positioning accuracy of about 0.1 μm or less depending on the mechanism.

半導体製造技術において要求される高精度を実現する
ため、様々な構成のステージ装置が研究されている。し
かしながら、種々の方式もそれぞれの課題を抱えてい
る。
In order to realize the high precision required in semiconductor manufacturing technology, various stage devices have been studied. However, various systems have their own problems.

[発明が解決しようとする課題] 以上説明したように、サーボモータとボールネジによ
る精密ステージ装置によっては、たとえば0.1μm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。
[Problems to be Solved by the Invention] As described above, it has been difficult to realize an ultra-precision XY stage having a positioning accuracy of, for example, 0.1 μm with a precision stage device using a servomotor and a ball screw.

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。
An object of the present invention is to provide a stage device suitable for achieving ultra-precision accuracy.

[課題を解決するための手段] 本発明の一観点によれば、磁性体で形成され、2次元
平面を画定するヨークと、前記ヨーク上に格子状に配置
された多数個の永久磁石であって、X方向およびY方向
それぞれに一定のピッチで配置され、前記X方向または
前記Y方向に相隣る永久磁石同士が互いに逆極性の磁極
を露出させている多数個の永久磁石と、前記ヨークおよ
び前記多数個の永久磁石の上方に配置されるステージ
と、前記ステージに支持されたn個(nは、2以上の整
数を表す。)のX用コイル群を備えたX方向用駆動ユニ
ットであって、前記X用コイル群の各々が、前記永久磁
石のY方向の1ピッチ分の範囲内に配置され、Y方向に
並ぶ少なくとも2つのX用コイルによって構成され、前
記X用コイル群が、前記永久磁石のX方向のピッチの1/
nずつ前記X方向にずれて配置されているX方向用駆動
ユニットと、前記ステージに支持されたm個(mは、2
以上の整数を表す。)のY用コイル群を備えたY方向用
駆動ユニットであって、前記Y用コイル群の各々が、前
記永久磁石のX方向の1ピッチ分の範囲内に配置され、
X方向に並ぶ少なくとも2つのY用コイルによって構成
され、前記Y用コイル群が、前記永久磁石のY方向のピ
ッチの1/mずつ前記Y方向にずれて配置されているY方
向用駆動ユニットとを具備し、前記多数個の永久磁石が
形成る磁界中で前記コイルに通電したときに該コイルに
働くローレンツ力によって前記ステージを駆動させる2
次元モータステージ装置が提供される。
[Means for Solving the Problems] According to one aspect of the present invention, there are provided a yoke formed of a magnetic material and defining a two-dimensional plane, and a number of permanent magnets arranged in a grid on the yoke. A plurality of permanent magnets arranged at a constant pitch in each of the X direction and the Y direction, and permanent magnets adjacent to each other in the X direction or the Y direction expose magnetic poles of opposite polarities; And a stage arranged above the plurality of permanent magnets and an X-direction drive unit including n (n is an integer of 2 or more) X coil groups supported by the stage. In addition, each of the X coil groups is arranged within a range of one pitch in the Y direction of the permanent magnet, and is constituted by at least two X coils arranged in the Y direction. X-direction pin of the permanent magnet 1 /
an X-direction drive unit, which is displaced in the X direction by n, and m units (m is 2) supported by the stage.
Represents the above integer. A) a Y-direction drive unit including the Y-coil group, wherein each of the Y-coil groups is arranged within a range of one pitch in the X-direction of the permanent magnet;
A drive unit for Y direction, which is constituted by at least two Y coils arranged in the X direction, wherein the Y coil group is displaced in the Y direction by 1 / m of a pitch of the permanent magnet in the Y direction; And driving the stage by Lorentz force acting on the coil when the coil is energized in a magnetic field formed by the plurality of permanent magnets.
A three-dimensional motor stage device is provided.

本発明の別の観点によれば、磁性体で形成され、2次
元平面を画定するヨークと、前記ヨーク上に格子状に配
置された多数個の永久磁石と、前記ヨークおよび前記多
数個の永久磁石の上方に配置されるステージと、前記ス
テージに支持された多数個のコイルであって、通電時
に、前記多数個の永久磁石と共に前記ステージをX方向
またはY方向に駆動させる駆動力を発生する多数個のコ
イルと、前記ヨークをX方向およびY方向に駆動させる
駆動機構とを具備した2次元モータステージ装置が提供
される。
According to another aspect of the present invention, a yoke formed of a magnetic material and defining a two-dimensional plane, a plurality of permanent magnets arranged in a grid on the yoke, the yoke and the plurality of permanent magnets A stage disposed above a magnet, and a plurality of coils supported by the stage, and when energized, generate a driving force for driving the stage in the X or Y direction together with the plurality of permanent magnets. There is provided a two-dimensional motor stage device including a plurality of coils and a driving mechanism for driving the yoke in X and Y directions.

[作用] ステージにコイル群を取付け、コイル群に磁気的力を
作用させることにより、ステージに直接力を作用させ、
駆動力伝達系を簡単化することができる。
[Action] By attaching a coil group to the stage and applying a magnetic force to the coil group, a force is directly applied to the stage.
The driving force transmission system can be simplified.

コイル群に磁場を印加する装置として、ヨーク上X方
向およびY方向に、それぞれ一定のピッチで格子状に配
置した永久磁石を用い、永久磁石のピッチの整数分の1
のピッチで配置された複数のコイルからなるコイル群に
より、X方向およびY方向に均質な推力を発生させるこ
とができる。
As a device for applying a magnetic field to the coil group, permanent magnets arranged in a grid pattern at a constant pitch in the X direction and the Y direction on the yoke are used.
A uniform thrust can be generated in the X direction and the Y direction by a coil group including a plurality of coils arranged at a pitch of.

また、ヨークを移動させることで位置決め目標位置近
傍で最適な推力を得ることができ、高精度の位置決めが
できる。
Further, by moving the yoke, an optimum thrust can be obtained in the vicinity of the positioning target position, and highly accurate positioning can be performed.

このようにして、精密な2次元モータステージ装置が
形成される。
Thus, a precise two-dimensional motor stage device is formed.

[実施例] 第1図に、本発明の実施例によるステージ装置を組込
んだX線露光装置を概略的に示す。
Embodiment FIG. 1 schematically shows an X-ray exposure apparatus incorporating a stage device according to an embodiment of the present invention.

X線は、蓄積軌道放射(SOR)光として、SOR装置から
発射され、図中、右方から左方に進行する。このSOR光
を利用して露光を行なうため、半導体ウエハは垂直に配
置され、その半導体ウエハを載置駆動するステージ装置
が垂直面内で2次元的に運動する構造とする。
X-rays are emitted from the SOR device as accumulated orbital emission (SOR) light, and travel from right to left in the figure. In order to perform exposure using this SOR light, the semiconductor wafer is arranged vertically, and a stage device for mounting and driving the semiconductor wafer is configured to move two-dimensionally in a vertical plane.

SOR光の出射位置に、本体ベース8が設置されてお
り、本体ベース8上に取付けられた微動ステージ9の上
にマスク11が配置されている。出射窓(図示せず)から
出射したSOR光は、マスク11を通ってパターニングさ
れ、ウエハ12に向かう。微動ステージ9は、本体ベース
8に対して圧電素子等の微動駆動素子10を介して支持さ
れている。図示の構成において、微動ステージ9は、紙
面に垂直な方向および紙面内方向の自由度を有する。マ
スク11に対向するように、半導体ウエハ12がメインステ
ージ3上のウエハチャック21に真空吸引等によって支持
されてる。メインステージ3は、吸着式エアーパッド4
によって、本体ベース8の上に支持される。吸着式エア
ーパッド4は、たとえば磁石を組込むことにより、磁性
体ベースに磁気的吸引力によって吸引され、エアー(ま
たは他のガス)を吹出すことにより反発力を得てベース
上に浮上するパッドであり、摩擦の極めて少ない状態で
本体ベース8上を摺動することができる。エアーパッド
4は、積層圧電素子等の調整手段22を介して、メインス
テージ3に結合されており、調整手段22によってメイン
ステージ3の姿勢を制御することができる。
A main body base 8 is installed at the position where the SOR light is emitted, and a mask 11 is arranged on a fine movement stage 9 mounted on the main body base 8. The SOR light emitted from an emission window (not shown) is patterned through a mask 11 and travels to a wafer 12. The fine movement stage 9 is supported on the main body base 8 via a fine movement driving element 10 such as a piezoelectric element. In the illustrated configuration, fine movement stage 9 has a degree of freedom in a direction perpendicular to the plane of the drawing and in a direction inside the drawing. A semiconductor wafer 12 is supported by a wafer chuck 21 on the main stage 3 by vacuum suction or the like so as to face the mask 11. The main stage 3 is a suction type air pad 4
Thus, it is supported on the main body base 8. The suction type air pad 4 is a pad which is attracted by a magnetic attraction to a magnetic base by incorporating a magnet, for example, and which repels by blowing air (or other gas) to float on the base. In addition, it is possible to slide on the main body base 8 with very little friction. The air pad 4 is coupled to the main stage 3 via an adjusting unit 22 such as a laminated piezoelectric element, and the attitude of the main stage 3 can be controlled by the adjusting unit 22.

このメインステージ3は、鉛直に配置されるため、重
力によって本体ベース4と平行な方向の力を受ける。こ
の力を支持するため、カウンタフォースシリンダ6が設
けられ、エアーベアリング5を介してメインステージ3
下方を支持し、ほぼ無重力と同等の運動を可能にする。
メインステージ3の駆動は、半導体ウエハ12と逆側に設
けられた複数のコイル群2によって行なわれる。コイル
群2は、所定のパターンでメインステージ3表面上に配
置されている。これらコイル群と対向するように、複数
の永久磁石1がヨーク13の2次元平面上に格子状に分布
して配置されている。ヨーク13は鉄等の磁性体で形成さ
れ、本体ベース8と対向する他の本体ベース7上に支持
されている。本体ベース7は磁性体である必要はなく、
たとえばグラナイト等の石で作成してもよい。勿論、鉄
等の磁性材料を用いることもできる。ヨーク13は、第2
図に示すように、ヨーク駆動用アクチュエータ14によっ
て本体ベース7上の位置を変化できる。
Since the main stage 3 is arranged vertically, it receives a force in a direction parallel to the main body base 4 by gravity. In order to support this force, a counter force cylinder 6 is provided, and a main stage 3 is provided via an air bearing 5.
It supports the lower part and enables movement almost equivalent to weightlessness.
The main stage 3 is driven by a plurality of coil groups 2 provided on the side opposite to the semiconductor wafer 12. The coil group 2 is arranged on the surface of the main stage 3 in a predetermined pattern. A plurality of permanent magnets 1 are arranged in a grid on the two-dimensional plane of the yoke 13 so as to face these coil groups. The yoke 13 is formed of a magnetic material such as iron, and is supported on another main body base 7 facing the main body base 8. The main body base 7 does not need to be magnetic,
For example, it may be made of stone such as granite. Of course, a magnetic material such as iron can also be used. The yoke 13 is
As shown in the figure, the position on the main body base 7 can be changed by the yoke driving actuator 14.

メインステージ3は、エアーパッド4、調整手段22を
介して、本体ベース8上に支持され、コイル2に作用す
る力によってその位置を変化させる。コイル2に作用す
る力は、コイル2と対向配置された永久磁石1の作る磁
界内でコイル2に電流を流すことによって発生する。こ
のようにして、メインステージ裏側からメインステージ
を駆動する力を発生させる。
The main stage 3 is supported on the main body base 8 via the air pad 4 and the adjusting means 22, and changes its position by a force acting on the coil 2. The force acting on the coil 2 is generated by applying a current to the coil 2 in a magnetic field generated by the permanent magnet 1 disposed opposite to the coil 2. In this way, a force for driving the main stage is generated from the back side of the main stage.

このような半導体露光装置のメインステージ3を駆動
する駆動力を発生させるための永久磁石とコイルの配置
を、2相配置の駆動ユニットを例にとって、第2図に概
略的に示す。
FIG. 2 schematically shows the arrangement of permanent magnets and coils for generating a driving force for driving the main stage 3 of such a semiconductor exposure apparatus, taking a two-phase arrangement drive unit as an example.

第2図は、半導体露光装置のヨーク13上の永久磁石の
分布と、その上を移動するメインステージ3上のコイル
群2の関係を示す平面図である。ヨーク13は、矩形状の
形状を有し、ヨーク駆動用アクチュエータ14、15を介し
て本体ベース7上に支持されている。ヨーク駆動用アク
チュエータ14は、ヨーク13をX方向に駆動する。また、
ヨーク駆動用アクチュエータ15−1、15−2は、ヨーク
13をY方向に駆動する。各アクチュエータとヨーク13
は、駆動方向以外へは力を伝達しないよう連結されてい
る。これらのアクチュエータ14、15は、たとえば積層圧
電素子や直進型モータによって形成される。ヨーク13上
には、2次元的に多数の永久磁石1が配置されている。
これらの永久磁石1は、たとえばX方向およびY方向に
一定のピッチで配置される。図示の構成においては、横
方向7列、縦方向7行のマトリックス配置に、永久磁石
が配置されており、隣接する永久磁石は交互に逆極性の
磁極を露出するように配置されている。このため、ヨー
ク13上の永久磁石1端面から発する磁力線は、X方向お
よびY方向の隣接する永久磁石1上にほぼ終端する。
FIG. 2 is a plan view showing the relationship between the distribution of the permanent magnets on the yoke 13 of the semiconductor exposure apparatus and the coil group 2 on the main stage 3 moving thereon. The yoke 13 has a rectangular shape, and is supported on the main body base 7 via yoke driving actuators 14 and 15. The yoke driving actuator 14 drives the yoke 13 in the X direction. Also,
The yoke driving actuators 15-1 and 15-2 include a yoke.
13 is driven in the Y direction. Each actuator and yoke 13
Are connected so as not to transmit a force in directions other than the driving direction. These actuators 14 and 15 are formed by, for example, a laminated piezoelectric element or a linear motor. On the yoke 13, a large number of permanent magnets 1 are arranged two-dimensionally.
These permanent magnets 1 are arranged at a constant pitch in the X direction and the Y direction, for example. In the illustrated configuration, permanent magnets are arranged in a matrix arrangement of seven columns in the horizontal direction and seven rows in the vertical direction, and adjacent permanent magnets are arranged so as to alternately expose magnetic poles of opposite polarity. Therefore, the lines of magnetic force generated from the end surface of the permanent magnet 1 on the yoke 13 almost terminate on the adjacent permanent magnets 1 in the X direction and the Y direction.

第2図には、永久磁石と重ねてメインステージ3上の
コイル2の配置が示されている。これらのコイル2は、
永久磁石のピッチの半分のピッチで配置されている。
FIG. 2 shows the arrangement of the coil 2 on the main stage 3 so as to overlap with the permanent magnet. These coils 2
They are arranged at half the pitch of the permanent magnets.

たとえば、2組のY用のコイル16a1と1と16b1とは、
永久磁石のX方向の1ピッチ分に配置されている。Y用
コイル16a1は、Y方向に永久磁石の1ピッチ分離れた2
つのコイルから構成されている。Y用コイル16b1は、Y
用コイル16a1をX方向に永久磁石のピッチの半分ずらせ
た構成である。図示の配置では、Y用コイル16b1の2つ
のコイルが永久磁石のN極とS極の上に配置されてい
る。
For example, two sets of Y coils 16a1, 1 and 16b1 are:
The permanent magnets are arranged at one pitch in the X direction. The Y coil 16a1 is composed of two permanent magnets separated by one pitch in the Y direction.
It consists of two coils. Y coil 16b1 is Y
In this configuration, the use coil 16a1 is shifted in the X direction by half the pitch of the permanent magnet. In the arrangement shown, two coils of the Y coil 16b1 are arranged on the N pole and the S pole of the permanent magnet.

図中右側のY用コイル16c1と16d1もY用コイル16a1と
16d1同様の構成である。Y用コイル16d1の2つのコイル
がN極とS極の上に配置されている。
The Y coils 16c1 and 16d1 on the right in FIG.
It has the same configuration as 16d1. Two coils of the Y coil 16d1 are arranged on the north pole and the south pole.

図中、下方に示したY用コイル16a2、16b2、16c2、16
d2は、上方のY用コイル16a1、16b1、16c1、16d1と同様
の構成であるが、Y方向に永久磁石のピッチの半分ずら
されて配置されている。図示の配置においては、下のY
用コイル16a2、16b2、16c2、16d2のコイルはすべてY方
向に関して永久磁石のない領域に配置されている。
In the figure, Y coils 16a2, 16b2, 16c2, 16
d2 has the same configuration as the upper Y coils 16a1, 16b1, 16c1, and 16d1, but is arranged shifted in the Y direction by half the pitch of the permanent magnets. In the illustrated arrangement, the lower Y
The coils of the use coils 16a2, 16b2, 16c2, 16d2 are all arranged in a region where there is no permanent magnet in the Y direction.

図示の構成においては、Y用コイル16b1と16d1とが磁
石の上に配置され、駆動力を発揮できる。
In the illustrated configuration, the Y coils 16b1 and 16d1 are arranged on the magnets, and can exert a driving force.

メインステージをX方向に1/2ピッチずらせると、Y
用コイル16a1と16c1とが磁石の上に配置され、駆動力を
発揮できるようになる。
When the main stage is shifted by 1/2 pitch in the X direction, Y
The coils for use 16a1 and 16c1 are arranged on the magnet, so that the driving force can be exhibited.

図示の状態からメインステージをY方向に1/2ピッチ
ずらせると、Y用コイル16a1、16b1、16c1、16d1はY方
向に関して磁石と磁石の間に配置される。Y用コイル16
b2と16d2が代りに磁石の上に配置され、駆動力を発揮で
きる。
When the main stage is shifted by 1/2 pitch in the Y direction from the state shown in the figure, the Y coils 16a1, 16b1, 16c1, 16d1 are arranged between the magnets in the Y direction. Coil for Y 16
b2 and 16d2 are placed on the magnet instead, and can exert the driving force.

さらに、メインステージをX方向に1/2ピッチずらせ
ると、Y用コイル16a2と16c2が磁石の上に配置され、駆
動力を発揮できるようになる。
Further, when the main stage is shifted by a half pitch in the X direction, the Y coils 16a2 and 16c2 are arranged on the magnets so that the driving force can be exerted.

すなわち、コイルは永久磁石のピッチの1/2のピッチ
で配置されるため、4つのコイルが1つの推力源に対応
する。
That is, since the coils are arranged at a pitch that is half the pitch of the permanent magnets, four coils correspond to one thrust source.

メインステージをX方向に駆動するためには、X用コ
イル17a、17b、17c、17dが配置されている。これら4組
のコイルは、そのいずれか1組が磁石の上に配置され、
駆動力を発揮できる。
In order to drive the main stage in the X direction, X coils 17a, 17b, 17c, 17d are arranged. One of these four coils is arranged on the magnet,
The driving force can be demonstrated.

なお、簡略化して示したが、コイルの組数、磁石の数
は任意に増大させることができる。
Although shown in a simplified manner, the number of coil sets and the number of magnets can be arbitrarily increased.

このように、コイル群1は、それぞれX方向およびY
方向に半ピッチずれた配置の部分を有し、ステージがヨ
ークに対していずれの方向に移動しても、最適の状態で
駆動力を発生させるコイルが存在するように配置されて
いる。
As described above, the coil group 1 includes the X direction and the Y direction, respectively.
It has a portion that is displaced by half a pitch in the direction, and is arranged such that there is a coil that generates a driving force in an optimal state even if the stage moves in any direction with respect to the yoke.

第3図は、コイルによる駆動力発生の原理を概略的に
説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for schematically explaining the principle of driving force generation by a coil.

ヨーク13上に複数の永久磁石1が、交互にその極性を
反転するように配置されており、隣接する永久磁石間に
磁束ベクトルが分布している。これらの磁束ベクトルを
横切るように、X用コイル17c、Y用コイル16a1、16b
1、16c1、16d1が配置されている。第3図の場合、ステ
ージを紙面垂直方向に駆動するためには、磁石の上に配
置されたY用コイル16b1、16d1に矢印で示す方向の電流
を流せばよい。コイルに働くローレンツ力によって、紙
面背面から手前に向かう力が作用する。なお、磁石と磁
石の間に配置されているY用コイル16a1、16c1には電流
を流す必要はない。ここで、Y用コイル16b1、16d1の下
辺と上辺においては、逆方向の力が作用するが、磁束ベ
クトルは下辺において、上辺よりも十分高くなるように
分布しており、一方向に有効な力を発生させることにな
る。なお、Y用コイルの2つの側辺は、互いに逆方向の
力を発生し、駆動には寄与しない。したがって、コイル
に作用する力は、主に永久磁石に近い側のコイル辺(図
示の構成では下辺)に働くローレンツ力によって定ま
る。
A plurality of permanent magnets 1 are arranged on the yoke 13 so that their polarities are alternately inverted, and magnetic flux vectors are distributed between adjacent permanent magnets. The X coil 17c and the Y coils 16a1 and 16b cross these magnetic flux vectors.
1, 16c1 and 16d1 are arranged. In the case of FIG. 3, in order to drive the stage in a direction perpendicular to the plane of the paper, a current in a direction indicated by an arrow may be applied to the Y coils 16b1 and 16d1 arranged on the magnet. The Lorentz force acting on the coil exerts a force from the back to the front of the paper. It is not necessary to supply a current to the Y coils 16a1 and 16c1 disposed between the magnets. Here, in the lower side and the upper side of the Y coils 16b1 and 16d1, a force in the opposite direction acts, but the magnetic flux vector is distributed on the lower side so as to be sufficiently higher than the upper side. Will be generated. The two sides of the Y coil generate forces in directions opposite to each other and do not contribute to driving. Therefore, the force acting on the coil is determined mainly by the Lorentz force acting on the coil side (lower side in the configuration shown) closer to the permanent magnet.

永久磁石と永久磁石の間に配置されたコイルにおいて
は、磁束ベクトルが主に横方向を向いているため、電流
を流しても下辺と上辺によっては有効な駆動力を得るこ
とが難しい。また、側辺においては、逆方向の力が作用
するため、有効な駆動力を得ることは難しい。
In the coil disposed between the permanent magnets, the magnetic flux vector is mainly directed in the horizontal direction, so that it is difficult to obtain an effective driving force depending on the lower side and the upper side even when a current flows. In addition, since a force in the opposite direction acts on the side, it is difficult to obtain an effective driving force.

X用コイル17cにおいても、駆動の原理は同様であ
る。電流の流れる方向が90°回転するため、発生する力
も90°回転してX方向となる。
The driving principle is the same for the X coil 17c. Since the direction in which the current flows rotates by 90 °, the generated force also rotates by 90 ° and becomes the X direction.

ステージが図中横方向に半ピッチ移動した際には、永
久磁石の上に配置されていたコイル16b1、16d1が、今度
は永久磁石と永久磁石の間のギャップに配置され、それ
までギャップに配置されていたコイル16a1、16c1が永久
磁石の上に位置されるようになる。この場合、今まで駆
動力を発生していたコイルは休止状態とし、今まで休止
状態にあったコイルに電流を流して駆動力を発生させ
る。このようにして、連続的にステージを駆動すること
ができる。なお、コイルを3相以上の多相に配置するこ
とにより、より連続的に駆動力を発生させることも可能
である。
When the stage moves half a pitch in the horizontal direction in the figure, the coils 16b1 and 16d1 placed on the permanent magnet are now placed in the gap between the permanent magnets, and are placed in the gap until then. The coils 16a1 and 16c1 that have been set are now positioned on the permanent magnet. In this case, the coil that has generated the driving force until now is brought into a rest state, and a current is applied to the coil that has been in the rest state so as to generate the driving force. In this way, the stage can be driven continuously. By arranging the coils in three or more phases, it is possible to generate the driving force more continuously.

第4図を参照して、ステージをX方向、Y方向、およ
びθz方向に駆動する場合の駆動力発生を概略的に示
す。
Referring to FIG. 4, drive force generation when the stage is driven in the X, Y, and θz directions is schematically shown.

第2図の構成同様に、永久磁石がX方向およびY方向
に所定のピッチで配置され、コイルがこれら永久磁石に
対向して、かつその半分のピッチで配置されているとす
る。この場合、永久磁石のXY平面内の1単位にコイルは
4つ配置可能なことになる。このため、一方向の駆動力
発生には基体的に4組単位のコイルを1つのユニットと
する。
2, it is assumed that the permanent magnets are arranged at a predetermined pitch in the X direction and the Y direction, and the coils are arranged to face these permanent magnets and at a half pitch thereof. In this case, four coils can be arranged in one unit in the XY plane of the permanent magnet. For this reason, for generating driving force in one direction, four sets of coils are used as one unit as a substrate.

第4図(A)においては、4組のY用コイル16a1、16
b1、16a2、16b2が、Y方向コイルの1単位を構成し、永
久磁石のコイルとの相対関係がどのような状態にあって
も、Y方向駆動力を発生することができる。同様に、他
の4組のY用コイル16c1、16d1、16c2、16d2もY方向駆
動コイルの1単位を構成する。また、4組のX用コイル
17a、17b、17c、17dは、X方向の駆動力を発生させる基
体単位を構成している。ステージ3をY方向に駆動させ
る時には、各単位のY用コイルの磁石上のコイルに電流
を流し、Y方向に駆動力を発生させることによって、ス
テージ3をY方向に駆動することができる。
In FIG. 4 (A), four sets of Y coils 16a1, 16
The b1, 16a2, and 16b2 constitute one unit of the Y-direction coil, and can generate a Y-direction driving force regardless of the state of the relative relationship between the permanent magnet and the coil. Similarly, the other four sets of Y coils 16c1, 16d1, 16c2, and 16d2 also constitute one unit of the Y-direction drive coil. Also, four sets of X coils
17a, 17b, 17c, and 17d constitute a base unit that generates a driving force in the X direction. When the stage 3 is driven in the Y direction, a current is applied to the coils on the magnets of the Y coils of each unit to generate a driving force in the Y direction, so that the stage 3 can be driven in the Y direction.

ステージ3をX方向に駆動する時には、第4図(B)
に示すように、X用コイル単位のうち磁石の上にあるコ
イルに電流を流してX方向の駆動力を発生させる。図示
の4つのX用コイル17a、17b、17c、17dは、どのような
状態にあっても、その内の1つは永久磁石の上に配置さ
れており、そのコイルに電流を流すことによってX方向
駆動力を発生させることができる。
When the stage 3 is driven in the X direction, FIG. 4 (B)
As shown in (1), an electric current is applied to the coil above the magnet in the X coil unit to generate a driving force in the X direction. Regardless of the state of the four X coils 17a, 17b, 17c, and 17d in the drawing, one of them is disposed on a permanent magnet. Directional driving force can be generated.

Z軸周りの回転運動をさせる際には、第4図(C)に
示すように、あるY用コイルたとえば16a1、16b1、16a
2、16b2のいずれかには上向きの力が発生するように、
他のY用コイルたとえば16c1、16b1、16c2、16d2のいず
れかには下向きの力、もしくは上記の力より小さな上向
きの力が発生するように電流を印加する。このように、
異なるY用コイルにステージにモーメント力が発生する
ように電流を流すことにより、ステージ3はXY平面内で
回転する力を受ける。なお、このステージ3は、X方向
およびY方向に移動させることを主たる目的としてお
り、Z軸周りの回転は、意図せざる変位等を補正する際
に用いられる微小回転に限られる。
When rotating around the Z-axis, as shown in FIG. 4 (C), certain Y coils such as 16a1, 16b1, 16a
2, 16b2 so that an upward force is generated,
A current is applied to any of the other Y coils, for example, 16c1, 16b1, 16c2, 16d2, so that a downward force or an upward force smaller than the above force is generated. in this way,
The stage 3 receives a rotating force in the XY plane by supplying a current to the different Y coils so as to generate a moment force on the stage. The main purpose of the stage 3 is to move the stage 3 in the X and Y directions, and the rotation around the Z axis is limited to the minute rotation used when correcting an unintended displacement or the like.

このように、2次元的に配置された複数の永久磁石の
上に、コイルを多相配置することにより、永久磁石の上
に必ずコイルが配置されるようにすることができる。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方向の運動をさせることができる。
Thus, by arranging coils in a multi-phase manner on a plurality of two-dimensionally arranged permanent magnets, it is possible to ensure that the coils are arranged on the permanent magnets. By selectively supplying an electric current to a coil disposed on the permanent magnet, a driving force can be effectively generated, and movement in the X direction or the Y direction can be performed.

なお、本例においては、コイルを1/2ピッチずらした
2相モータとして示したが、必要に応じてコイル1/3ピ
ッチずらした3相モータ等、2相以上の多相化も可能で
ある。
In this example, the two-phase motor is shown with the coil shifted by 1/2 pitch. However, if necessary, a multi-phase of two or more phases such as a three-phase motor with coil shifted by 1/3 pitch is also possible. .

本発明では、駆動時のトルクリップルを極力抑え、均
一な推力を得る方法として多相方式を採用したが、必ず
しもステージの目標位置で磁石とコイルが最適な推力を
発生する位置関係にくるとは限らない。ステージを目標
位置で位置決めを行なう際には、モータの推力特性が平
坦なところで位置決めを行なった方がより高精度の位置
決めが可能である。
In the present invention, the torque ripple during driving is suppressed as much as possible, and a polyphase method is adopted as a method of obtaining a uniform thrust, but it is not necessarily the case that the magnet and the coil at the target position of the stage have a positional relationship that generates an optimum thrust. Not exclusively. When positioning the stage at the target position, positioning with higher thrust characteristics of the motor enables more accurate positioning.

第5図を参照して、ヨークの駆動を伴う駆動方式を説
明する。
With reference to FIG. 5, a driving method involving driving of the yoke will be described.

ヨークは与えられたステージ目標と磁石、コイルのピ
ッチから最適な推力を得られるコイルと磁石の位置関係
となるように、14、15−1、15−2のアクチュエータに
より、ステージ移動前もしくは移動中に計画された位置
へと移動を行なう。この移動はステージが目標位置に到
達するまでに完了している必要がある。このことから14
および15のアクチュエータは、少なくとも磁石のピッチ
分のストロークが必要である。
The yoke is moved before or during the stage movement by the actuators 14, 15-1, and 15-2 so that the coil and magnet have the positional relationship between the coil and the magnet that can obtain the optimal thrust from the given stage target, magnet and coil pitch. Move to the planned location. This movement must be completed before the stage reaches the target position. From this 14
And 15 actuators require a stroke of at least the pitch of the magnet.

ステージは目標値まで通電するコイルを切り替えなが
ら到達する。
The stage reaches the target value while switching the coil to be energized.

なお、垂直ステージの場合を説明したが、水平ステー
ジの駆動も同様に行なえることは当業者に自明であろ
う。
Although the case of the vertical stage has been described, it will be obvious to those skilled in the art that the horizontal stage can be driven in the same manner.

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
ラッシを防止することができる。
According to the configuration described above, thrust can be directly generated on the coil fixed to the stage, and the power transmission system can be omitted, so that high motion accuracy can be secured. That is, backlash and backlash in the power transmission system can be prevented.

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2次元平面内で運動させることができる。
ステージの位置に関わらず、ほぼ均等な駆動力を発生さ
せることができる。
Further, since the X-direction thrust, the Y-direction thrust, and the θz-direction thrust can directly act on the stage, the stage can be freely moved in a two-dimensional plane.
Regardless of the position of the stage, substantially uniform driving force can be generated.

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
装置を得ることが容易となる。
The guide system required in the conventional stage can be omitted, and it is easy to obtain a compact, lightweight, high-speed, high-precision stage device.

ステージに直接力を作用させることが容易となるた
め、外乱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。
Since it is easy to apply a force directly to the stage, the response to disturbance is increased, and the energy efficiency can be improved.

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、ICテス
タ、超精密加工機、ロボット、レーザ加工機、XYプロッ
タ等、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。
The stage devices described above require a wide range of two-dimensional stages, such as semiconductor manufacturing devices such as SOR exposure devices, precision machines and machines in general, IC bonders, IC testers, ultra-precision machines, robots, laser machines, XY plotters, etc. Can be used in the field.

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。
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. For example, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

[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。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, since a force can be directly applied to the stage moving in a plane,
A highly accurate stage can be obtained.

ステージに取付けるコイルのピッチを、2次元的に配
置された永久磁石のピッチの整数分の1とすることによ
り、いずれかのコイルが常に永久磁石の上に配置され、
そのコイルに電流を流すことにより、有効な力を発生さ
せることができ、均質な力を発生させ、ステージを精度
よく駆動することができる。
By setting the pitch of the coils attached to the stage to be an integral fraction of the pitch of the two-dimensionally arranged permanent magnets, one of the coils is always arranged on the permanent magnet,
By applying a current to the coil, an effective force can be generated, a uniform force can be generated, and the stage can be accurately driven.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、本発明の実施例によるステージ装置を組込ん
だ半導体露光装置の概略側面図、 第2図は、第1図の半導体露光装置における永久磁石と
コイルとの配置を説明するための平面図、 第3図は、第1図のコイルに発生する力を説明するため
の駆動原理図、 第4図(A)、(B)、(C)は、ステージをY方向、
X方向、θz方向に駆動する方式を説明するための概略
図、 第5図は、ヨークの駆動を伴う2相配置の駆動を説明す
るためのグラフである。図において、 1……永久磁石、2……コイル 3……メインステージ 4……吸着式エアーパッド 5……エアーベアリング 6……カウンタフォースシリンダ 7、8……本体ベース 9……微動ステージ 10……微動駆動素子 11……マスク 12……半導体ウエハ 13……ヨーク 14、15……ヨーク駆動用アクチュエータ 16……Y用コイル 17……X用コイル 21……ウエハチャック 22……調整手段
FIG. 1 is a schematic side view of a semiconductor exposure apparatus incorporating a stage device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a view for explaining the arrangement of permanent magnets and coils in the semiconductor exposure apparatus of FIG. FIG. 3 is a driving principle diagram for explaining the force generated in the coil of FIG. 1, and FIGS. 4 (A), (B) and (C) show the stage in the Y direction,
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a method of driving in the X direction and the θz direction. FIG. 5 is a graph for explaining driving in a two-phase arrangement accompanied by driving of a yoke. In the drawing, 1 ... permanent magnet, 2 ... coil 3 ... main stage 4 ... suction air pad 5 ... air bearing 6 ... counter force cylinder 7, 8 ... body base 9 ... fine movement stage 10 ... ... Fine drive element 11... Mask 12... Semiconductor wafer 13... Yoke 14, 15... Yoke driving actuator 16... Y coil 17... X coil 21.

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02K 41/03 G05D 3/00 G12B 5/00 Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H02K 41/03 G05D 3/00 G12B 5/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】磁性体で形成され、2次元平面を画定する
ヨークと、 前記ヨーク上に格子状に配置された多数個の永久磁石で
あって、X方向およびY方向それぞれに一定のピッチで
配置され、前記X方向または前記Y方向に相隣る永久磁
石同士が互いに逆極性の磁極を露出させている多数個の
永久磁石と、 前記ヨークおよび前記多数個の永久磁石の上方に配置さ
れるステージと、 前記ステージに支持されたn個(nは、2以上の整数を
表す。)のX用コイル群を備えたX方向用駆動ユニット
であって、前記X用コイル群の各々が、前記永久磁石の
Y方向の1ピッチ分の範囲内に配置され、Y方向に並ぶ
少なくとも2つのX用コイルによって構成され、前記X
用コイル群が、前記永久磁石のX方向のピッチの1/nず
つ前記X方向にずれて配置されているX方向用駆動ユニ
ットと、 前記ステージに支持されたm個(mは、2以上の整数を
表す。)のY用コイル群を備えたY方向用駆動ユニット
であって、前記Y用コイル群の各々が、前記永久磁石の
X方向の1ピッチ分の範囲内に配置され、X方向に並ぶ
少なくとも2つのY用コイルによって構成され、前記Y
用コイル群が、前記永久磁石のY方向のピッチ1/mずつ
前記Y方向にずれて配置されているY方向用駆動ユニッ
トとを具備し、 前記多数個の永久磁石が形成する磁界中で前記コイルに
通電したときに該コイルに働くローレンツ力によって前
記ステージを駆動させる2次元モータステージ装置。
1. A yoke formed of a magnetic material and defining a two-dimensional plane, and a plurality of permanent magnets arranged in a grid on the yoke, with a constant pitch in each of the X and Y directions. A plurality of permanent magnets disposed so that permanent magnets adjacent to each other in the X direction or the Y direction expose magnetic poles of opposite polarities; and a plurality of permanent magnets disposed above the yoke and the plurality of permanent magnets. A stage, and an X-direction drive unit including n (n represents an integer of 2 or more) X coil groups supported by the stage, wherein each of the X coil groups is The permanent magnet is constituted by at least two X coils arranged within a range of one pitch in the Y direction and arranged in the Y direction.
An X-direction drive unit, wherein the X-direction drive units are arranged in the X direction by 1 / n of a pitch of the permanent magnet in the X direction, and m (m is two or more) supported by the stage A drive unit for the Y direction provided with a Y coil group of the permanent magnet, wherein each of the Y coil groups is disposed within a range of one pitch of the permanent magnet in the X direction, and And at least two Y coils arranged in
And a Y-direction drive unit, which is arranged in the Y-direction by a pitch of 1 / m in the Y-direction of the permanent magnet, wherein the plurality of permanent magnets form a magnetic field. A two-dimensional motor stage device for driving the stage by Lorentz force acting on the coil when the coil is energized.
【請求項2】磁性体で形成され、2次元平面を画定する
ヨークと、 前記ヨーク上に格子状に配置された多数個の永久磁石
と、 前記ヨークおよび前記多数個の永久磁石の上方に配置さ
れるステージと、 前記ステージに支持された多数個のコイルであって、通
電時に、前記多数個の永久磁石と共に前記ステージをX
方向またはY方向に駆動させる駆動力を発生する多数個
のコイルと、 前記ヨークをX方向およびY方向に駆動させる駆動機構
と を具備した2次元モータステージ装置。
2. A yoke formed of a magnetic material and defining a two-dimensional plane; a plurality of permanent magnets arranged in a grid on the yoke; and arranged above the yoke and the plurality of permanent magnets. And a plurality of coils supported by the stage, and when energized, the stage is moved together with the plurality of permanent magnets by X
A two-dimensional motor stage device comprising: a plurality of coils for generating a driving force for driving in the direction or the Y direction; and a driving mechanism for driving the yoke in the X and Y directions.
JP2313231A 1990-11-19 1990-11-19 Two-dimensional motor stage device Expired - Fee Related JP3037999B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2313231A JP3037999B2 (en) 1990-11-19 1990-11-19 Two-dimensional motor stage device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2313231A JP3037999B2 (en) 1990-11-19 1990-11-19 Two-dimensional motor stage device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH04185272A JPH04185272A (en) 1992-07-02
JP3037999B2 true JP3037999B2 (en) 2000-05-08

Family

ID=18038692

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2313231A Expired - Fee Related JP3037999B2 (en) 1990-11-19 1990-11-19 Two-dimensional motor stage device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3037999B2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
JPH04185272A (en) 1992-07-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6437463B1 (en) Wafer positioner with planar motor and mag-lev fine stage
CN101807010B (en) Nano-precision six-freedom-degree magnetic suspension jiggle station and application
US6873404B2 (en) Stage apparatus and method of driving the same
JPH11191585A (en) Stage device and aligner using it and/or device manufacture
US6604863B2 (en) Actuator mechanism for precision alignment of optical components
US8432072B2 (en) Three axis linear actuator
US6639225B2 (en) Six-axis positioning system having a zero-magnetic-field space
KR100573670B1 (en) Positioning device having three coil system mutually enclosing angles of 120°and lithographic device comprising such a positioning device
US10084364B2 (en) Power minimizing controller for a stage assembly
CN103454864B (en) The magnetic that a kind of thick essence moves one floats mask table system
US6479991B1 (en) Stage mechanism, exposure apparatus and device manufacturing method in which a coil unit of a driving mechanism is moved substantially in synchronism with a stage
JP2012514336A (en) Integrated stage positioning system and method
JP3829335B2 (en) Excitation unit, planar motor using the same, stage apparatus using the same, and exposure apparatus using the same
US10608519B2 (en) Three axis linear actuator
US20080252151A1 (en) Two degree of freedom movers with overlapping coils
WO2017142481A1 (en) High precision localizing platforms
JP3013997B2 (en) Two-dimensional motor type stage device
JP2004172557A (en) Stage apparatus and its control method
JP2015073083A (en) Stage device and driving method of the same
CN103116250B (en) Masking platform system with laser interferometer measurement and six-freedom-degree coarse movement platform
JPH03135360A (en) Linear motor
JPH09308218A (en) Linear motor, stage system and exposure device using it
JP3037999B2 (en) Two-dimensional motor stage device
JP2716884B2 (en) Flat motor device
JP2908249B2 (en) Flat motor device

Legal Events

Date Code Title Description
S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080225

Year of fee payment: 8

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080225

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090225

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090225

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100225

Year of fee payment: 10

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees