JP4112919B2 - Zチルトステージ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直方向及び傾斜方向に位置決め可能なZチルトステージに関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置、液晶装置や磁気・光記憶装置の露光や検査を目的とする装置には、垂直及び傾斜方向に精密位置決め可能なフォーカス駆動ステージが備えられている。このようなフォーカス駆動ステージはZチルトステージとも呼ばれている。通常、フォーカス駆動ステージは、水平面上で互いに直角なX軸、Y軸方向に可動のX−Yステージ上に搭載するため、小型、軽量であることが望ましい。更に、X−Yステージのピッチング、ローリングの影響を受け難くするために偏平構造であることが望ましい。
【0003】
Zチルトステージを実現した簡易な例として、既存のZステージとチルトステージを積み上げたものが提供されている。例えば、精密型Z軸フラットステージの上に精密型ゴニオステージを搭載し、その上にテーブルを搭載することによって、Zチルトステージが構成されている。しかし、そのような構成ではテーブルの高さ寸法が大きくなってしまうため、フォーカス駆動ステージとしてX−Yステージに搭載すると、ピッチング、ローリングの影響を受けやすく、高い精度で露光及び検査を行う目的に適さない。
【0004】
図5は従来のZチルトステージの別の構成例を示す。本構成例は、ベース100、この上に搭載されるテーブル110及び3つのアクチュエータ120から成る。アクチュエータ120は120度の角度間隔をおいてベース100上に設置されている。特に、3つのアクチュエータ120は、それらの駆動方向の線分が正確に60度の角度をなすように配置される。3つのアクチュエータ120の上にテーブル110が組み合わされる。
【0005】
図6は図5に示されたアクチュエータ120の詳細な構成例を側面から示す。アクチュエータ120は、ベース100に固定されたアクチュエータ固定部121、アクチュエータ固定部121に内蔵された駆動機構によりベース100の面に平行、つまり水平方向に可動のアクチュエータ可動部122、ベース100の面上をスライド可能なスライドウェッジ123、スライドウェッジ123に組み合わされた球面ジョイント124から成る。
【0006】
アクチュエータ可動部122を水平方向に駆動すると、スライドウェッジ123により運動方向が変換され、球面ジョイント124を介してテーブル110が鉛直方向に駆動される。テーブル110は球面ジョイント124により回転自在に支持され、その3点において3つのアクチュエータ120によってそれぞれ鉛直方向に駆動されることにより、結果としてテーブル110のZ軸(垂直軸)位置及び2方向の傾斜を任意に位置決めすることができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本構成例によれば扁平構造のZチルトステージは実現できるが、3つのアクチュエータ120のすべてに大きなストロークと大きな駆動トルク、駆動速度が要求されるため、軽量、小型の要求を十分に満足することのできない構成である。つまり、一般に、チルト動作はZ並進動作に比べて、ストローク、トルク、動作速度の要求が小さい。にもかかわらず、3つのアクチュエータ120のすべてにZ並進動作に必要な要求を満たすものを採用しなければならない。このため、Zチルトステージは重く、大きくなってしまう。
【0008】
更に、本構成例はテーブル110の位置と各アクチュエータ120の配置関係が複雑になるため、制御が難しくなるという問題もある。
【0009】
そこで、本発明の課題は、軽量、小型、偏平構造を実現できるZチルトステージを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明によるZチルトステージは、ベースと、該ベースに搭載されるテーブルと、該テーブルを垂直方向に位置決め可能に駆動するためのZアクチュエータと、前記テーブルを傾斜方向に位置決め可能に駆動するための少なくとも2つのチルトアクチュエータとを含み、前記Zアクチュエータ、前記チルトアクチュエータはそれぞれ、前記ベース面に平行な運動を前記ベース面に垂直な運動に変換する変換機構を含み、前記Zアクチュエータ、前記チルトアクチュエータはそれぞれ、それらによる前記ベース面に平行な運動の方向が互いに平行になるように配置されていることを特徴とする。
【0011】
本Zチルトステージにおいては、前記Zアクチュエータにおける前記変換機構は第1のスライドウェッジを含み、該第1のスライドウェッジは前記ベース面上をスライド可能な第1のスライダと該第1のスライダの傾斜面をスライド可能な第1のリフトとを含む。
【0012】
一方、前記少なくとも2つのチルトアクチュエータにおける前記変換機構はそれぞれ第2、第3のスライドウェッジを含み、前記第2のスライドウェッジは前記第1のスライダと該第1のスライダの傾斜面をスライド可能な第2のスライダと該第2のスライダの傾斜面をスライド可能な第2のリフトとを含み、前記第3のスライドウェッジは前記第1のスライダと該第1のスライダの傾斜面をスライド可能な第3のスライダと該第3のスライダの傾斜面をスライド可能な第3のリフトとを含む。
【0013】
本Zチルトステージの好ましい態様においては、前記Zアクチュエータにおける前記変換機構には前記ベース面に平行な駆動力を与えるための第1の駆動機構が組み合わされ、前記少なくとも2つのチルトアクチュエータにおける前記変換機構にはそれぞれ、前記ベース面に平行な駆動力を与えるための第2、第3の駆動機構が組み合わされ、前記第1のスライダを前記第1の駆動機構でスライドさせることにより前記第1〜前記第3のリフトが同時に垂直方向に駆動され、前記第2のスライダを前記第2の駆動機構によってスライドさせることにより前記第2のリフトが垂直方向に駆動され、前記第3のスライダを前記第3の駆動機構によってスライドさせることにより前記第3のリフトが垂直方向に駆動されることにより、前記テーブルに対して垂直方向と少なくとも2方向のチルトとの位置決めを行う。
【0014】
上記の好ましい態様においてはまた、前記第2のスライダと前記第1のスライダ間の傾斜角と前記第3のスライダと前記第1のスライダ間の傾斜角とが等しい角度θtilt1 にされ、かつ前記第2のリフトと前記第2のスライダ間の傾斜角と前記第3のリフトと前記第3のスライダ間の傾斜角とが等しい角度θtilt2 にされ、更にθtilt1 >θtilt2 とされることを特徴とする。
【0015】
本Zチルトステージの他の態様においては、前記第2、第3の駆動機構がそれぞれ、前記第1のスライダ上に設けられても良い。
【0016】
上記の他の態様においては、前記第2のスライダと前記第1のスライダ間の傾斜角と前記第3のスライダと前記第1のスライダ間の傾斜角とが等しい角度θtilt1 にされ、かつ前記第2のリフトと前記第2のスライダ間の傾斜角と前記第3のリフトと前記第3のスライダ間の傾斜角とが等しい角度θtilt2 にされ、更にθtilt1 <θtilt2 とされることを特徴とする。
【0017】
上記の好ましい態様、他の態様のいずれにおいても、前記角度θtilt1 が前記第1のリフトと前記第1のスライダ間の傾斜角θZ と等しくされることを特徴とする。
【0018】
上記の好ましい態様、他の態様のいずれにおいても、前記角度θtilt1 及びθtilt2 、前記傾斜角θZ は45度より小さくされることを特徴とする。
【0019】
上記の好ましい態様、他の態様のいずれにおいても、前記Zアクチュエータは前記少なくとも2つのチルトアクチュエータより大きいことを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】
図1に本発明によるZチルトステージの好ましい実施の形態を示す。本形態によるZチルトステージは、ベース10、この上に搭載されるテーブル20、1つのZアクチュエータ30、2つのチルトアクチュエータ40から成る。
【0021】
ここでは、テーブル20は略U形状で、その開口側の2つの端部には互いに反対方向に延びる延長部20−1を持つ。Zアクチュエータ30の駆動機構側はテーブル20の略U形状部の内側に設置され、2つのチルトアクチュエータ40の駆動機構側はテーブル20の略U形状部の外側であって延長部20−1に対応する箇所に設置されている。
【0022】
なお、図1のようなテーブル20の形状、Zアクチュエータ30及び2つのチルトアクチュエータ40の駆動機構側の配置関係はあくまでも一例であり、本発明はこれに限定されるものでは無い。すなわち、図1に示すような形状のテーブル20の上に円形あるいは四角形のテーブルが組み合わされても良い。また、1つのZアクチュエータ30及び少なくとも2つのチルトアクチュエータ40によりテーブル20が3点支持され、これらの駆動機構による水平駆動方向が互いに平行であれば良い。つまり、図1ではZアクチュエータ30の駆動機構による水平駆動力の作用方向と、2つのチルトアクチュエータ40の駆動機構による水平駆動力の作用方向とが反対となっているが、同じ向きであっても良い。
【0023】
本形態によるZチルトステージをフォーカス駆動ステージとして利用する場合、ベース10はX−Yステージの可動部となる。
【0024】
図2はZアクチュエータ30の詳細な構成例を側面から示す。Zアクチュエータ30は、ベース10上に固定されたアクチュエータ固定部31、アクチュエータ固定部31に内蔵された駆動機構によりベース10の面に平行、つまり水平方向に可動のアクチュエータ可動部32を駆動側として有する。Zアクチュエータ30はまた、被駆動側として、アクチュエータ可動部32によりベース10面上をスライド可能なZスライダ33(第1のスライダ)、Zスライダ33の斜面に対してスライド可能なスライド面を持つZリフト34(第1のリフト)、Zリフト34上でテーブル20を回転自在に支持している球面ジョイント35を有する。なお、Zスライダ33は、図1に示されるように、テーブル20の略U形状に対応する略U形状を持つ。また、Zスライダ33とZリフト34は、図6で説明したスライドウェッジ(第1のスライドウェッジ)として作用する。
【0025】
図3はチルトアクチュエータ40の詳細な構成例を側面から示す。チルトアクチュエータ40は、ベース10上に固定されたアクチュエータ固定部41、アクチュエータ固定部41に内蔵された駆動機構によりベース10の面に平行、つまり水平方向に可動のアクチュエータ可動部42を駆動側として有する。チルトアクチュエータ40はまた、被駆動側として、Zスライダ33、Zスライダ33の斜面に対してスライド可能なスライド面を持つチルトスライダ43(第2、第3のスライダ)、チルトスライダ43の斜面に対してスライド可能なスライド面を持つチルトリフト44(第2、第3のリフト)、チルトリフト44上でテーブル20を回転自在に支持している球面ジョイント45を有する。なお、チルトスライダ43は、テーブル20の延長部20−1の下側に介在していれば良い。チルトスライダ43とチルトリフト44は、スライドウェッジ(第2、第3のスライドウェッジ)として作用する。
【0026】
特に図示していないが、Zスライダ33はアクチュエータ可動部32と一体となって動作するように適正なプリロードをかけておくことが望ましい。つまり、アクチュエータ可動部32が図2中右方向に引っ込む場合には、それに伴ってZスライダ33を図2中右方向に移動させる必要があるからである。これは例えば、Zスライダ33を図2中右方向にバネで引いておく方法がある。チルトスライダ43についても同様であるが、この場合図3中左方向に引かれる。一方、各スライダ33、43、各リフト34、44、ベース10のそれぞれの間は、リニアベアリングなどで滑らかに案内することが望ましい。また、各リフト34、44はベース10に対して上下方向にのみ動くように拘束しておくことが望ましい。これは例えば、これらを板バネを介してベース10に接続する方法がある。
【0027】
更に、本形態によるZチルトステージをX−Yステージの可動部に搭載する場合は、テーブル20とX−Yステージの可動部をZチルトには自由に水平方向に拘束しておく必要がある。これは、X−Yステージでベース10を移動させた時テーブル20がずれたり、落ちるのを防ぐためである。例えば、テーブル20とX−Yステージ可動部を板バネを介して接続する方法がある。以上の点は、以降で説明される図4の例でも同じである。
【0028】
ここで、Zアクチュエータ30におけるZスライダ33とZリフト34のスライド面の傾斜角をθZ とし、チルトアクチュエータ40におけるZスライダ33とチルトスライダ43のスライド面の傾斜角をθtilt1 、チルトスライダ43とチルトリフト44のスライド面の傾斜角をθtilt2 とすると、θZ とθtilt1 は等しく構成することが望ましい。また、θtilt2 はθtilt1 より小さく(水平に近く)しておくことが望ましい。更に、θZ 、θtilt1 、θtilt2 はすべて45度より小さくしておくことが望ましい。
【0029】
図4は、本発明によるチルトアクチュエータの別の構成例を示す。本構成例では、Zスライダ33´の幅を大きくしてチルトアクチュエータ40´をZスライダ33´上に設置するようにしている。チルトアクチュエータ40´の設置箇所は図1に示された位置と同じで良く、構造は図3の構造と同じで良い。つまり、アクチュエータ固定部41がZスライダ33´に固定される点以外は図3と同じである。このことから、Zスライダ33´の幅を大きく部分は全長にわたる必要は無く、アクチュエータ固定部41の設置領域、すなわちテーブル20の延長部20−1に対応する領域であれば良い。本構成例を採用する場合は、θZ とθtilt2を等しく構成することが望ましい。また、θtilt1 はθtilt2 より小さく(水平に近く)しておくことが望ましい。勿論、θZ 、θtilt1 、θtilt2 はすべて45度より小さくしておくことが望ましい。
【0030】
次に、本形態の作用について、図1〜図3を参照して説明する。まず、Zアクチュエータ30の動作について説明する。Zアクチュエータ30はアクチュエータ可動部32が水平方向に駆動されるリニアアクチュエータ部を有し、これによりZスライダ33が水平方向に駆動される。この結果、図6で説明したスライドウェッジによる運動方向の変換により、Zリフト34及び2つのチルトリフト44が鉛直(垂直、つまりZ軸)方向に駆動される。
【0031】
Zアクチュエータ30の駆動速度、ストローク、位置決め分解能はtanθZ の増幅率で、駆動トルクは1/tanθZ の増幅率でZリフト34に伝達される。このことを利用してθZ は目的にあわせて設計する。一般に、フォーカス駆動ステージに要求される仕様と、市販のアクチュエータを比較すると、分解能を小さく、トルクを大きくする必要があり、tanθZ は1/3〜1/10程度に設計する。
【0032】
また、Zスライダ33が駆動されると同時に、チルトリフト44がtanθtilt1 の増幅率で鉛直方向に駆動される。テーブル20は球面ジョイント35、45により、Zリフト34及びチルトリフト44に対して回転自在に支持されているので、結果としてZアクチュエータ30の駆動によりテーブル20が鉛直方向に駆動される。
【0033】
角度θtilt1 の設計指針は角度θZ と同様であるが、特に角度θZ と角度θtilt1 が等しく構成されている場合には、テーブル20がZ並進方向(垂直並進方向)にのみ駆動される。
【0034】
次に、チルトアクチュエータ40の動作について説明する。アクチュエータ可動部42を水平方向に駆動すると、チルトスライダ43に水平方向の駆動力が与えられる。この結果、スライドウェッジによる運動方向の変換により、チルトリフト44が鉛直方向に駆動される。このときZリフト34は駆動されない。テーブル20は球面ジョイント35、45により、Zリフト34及びチルトリフト44に対して回転自在に支持されているので、結果としてテーブル20はチルトアクチュエータ40の駆動によりチルト動作のみを行う。
【0035】
チルトアクチュエータ40の駆動速度、ストローク、位置決め分解能は、(tanθtilt1 −tanθtilt2 )の増幅率で、駆動トルクは1/(tanθtilt1 −tanθtilt2 )の増幅率で、チルトリフト44にのみ伝達される。これを利用してθtilt2 は目的にあわせて設計する。
【0036】
一般に、フォーカス駆動ステージでは、チルト動作はZ並進動作より、ストロークが小さく、遅い駆動速度で良い。このため、チルトアクチュエータ40には、Zアクチュエータに比べて駆動トルクや駆動速度の小さいものを採用して小型、軽量化を図った上で、(tanθtilt1 −tanθtilt2 )を小さくして、最終的にフォーカス駆動ステージに要求される駆動分解能と駆動トルクの仕様を満足するように設計を行う。
【0037】
次に、図4の構成例によるチルトアクチュエータ40´の動作について説明する。図4に示した構成例では、Zスライダ33´が水平方向に駆動された場合、2つのチルトリフト44が同時にtanθtilt2の増幅率で鉛直方向に駆動される。このため、θZ とθtilt2 が等しく構成されている場合、テーブル20はZ並進方向にのみ駆動される。
【0038】
また、アクチュエータ可動部42からチルトリフト44への増幅率は、駆動速度、ストローク、位置決め分解能が(tanθtilt2 −tanθtilt1 )となり、駆動トルクが1/(tanθtilt2 −tanθtilt1 )となる。
【0039】
以上の説明は理解を容易にするために、Zアクチュエータ、チルトアクチュエータを、別々に駆動する場合について記述したが、高速に位置決めを行う場合にはこれらが同時に駆動されることは言うまでもない。
【0040】
但し、従来の構成例で示した3つのアクチュエータを120度の角度間隔で配置した場合と異なり、テーブルの位置と各アクチュエータの配置関係が単純であり、制御軸をわけて構成できるため制御系の設計が容易であるという特徴がある。
【0041】
本発明によるZチルトステージは、半導体装置及び液晶装置や、磁気・光記憶装置の露光及び検査を目的とするフォーカス駆動ステージに適しているが、これに限定されるものではなく、精密Zチルトステージ、精密X−Y−Zステージ、粗微動Zステージ等への適用が可能である。
【0042】
【発明の効果】
上記の説明で明らかなように、本発明によればフォーカス駆動ステージとして使用され得るZチルトステージを、軽量、小型、偏平に構成することができる。しかも、制御軸を分けて構成できるので制御系を複雑にする必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるZチルトステージの実施の形態を示した平面図である。
【図2】図1に示されたZアクチュエータの構造を説明するための側面図である。
【図3】図1に示されたチルトアクチュエータの構造を説明するための側面図である。
【図4】本発明において使用されるチルトアクチュエータの他の構造例を説明するための側面図である。
【図5】従来のZチルトステージの一例を示した平面図である。
【図6】図5に示されたアクチュエータの構造を説明するための側面図である。
【符号の説明】
10、100 ベース
20、110 テーブル
30 Zアクチュエータ
31、41 アクチュエータ固定部
32、42 アクチュエータ可動部
33、33´ Zスライダ
34 Zリフト
35、45、124 球面ジョイント
40、40´ チルトアクチュエータ
43 チルトスライダ
44 チルトリフト
Claims (8)
- ベースと、該ベースに搭載されるテーブルと、該テーブルを垂直方向に位置決め可能に駆動するためのZアクチュエータと、前記テーブルを傾斜方向に位置決め可能に駆動するための少なくとも2つのチルトアクチュエータとを含み、
前記Zアクチュエータ、前記チルトアクチュエータはそれぞれ、前記ベース面に平行な運動を前記ベース面に垂直な運動に変換する変換機構を含み、
前記Zアクチュエータにおける前記変換機構は第1のスライドウェッジを含み、該第1のスライドウェッジは前記ベース面上をスライド可能な第1のスライダと該第1のスライダの傾斜面をスライド可能な第1のリフトとを含み、
前記少なくとも2つのチルトアクチュエータにおける前記変換機構はそれぞれ第2、第3のスライドウェッジを含み、
前記第2のスライドウェッジは前記第1のスライダと該第1のスライダの傾斜面をスライド可能な第2のスライダと該第2のスライダの傾斜面をスライド可能な第2のリフトとを含み、
前記第3のスライドウェッジは前記第1のスライダと該第1のスライダの傾斜面をスライド可能な第3のスライダと該第3のスライダの傾斜面をスライド可能な第3のリフトとを含むことを特徴とするZチルトステージ。 - 請求項1に記載のZチルトステージにおいて、
前記Zアクチュエータにおける前記変換機構には前記ベース面に平行な駆動力を与えるための第1の駆動機構が組み合わされ、
前記少なくとも2つのチルトアクチュエータにおける前記変換機構にはそれぞれ、前記ベース面に平行な駆動力を与えるための第2、第3の駆動機構が組み合わされ、
前記第1のスライダを前記第1の駆動機構でスライドさせることにより前記第1〜前記第3のリフトが同時に垂直方向に駆動され、
前記第2のスライダを前記第2の駆動機構によってスライドさせることにより前記第2のリフトが垂直方向に駆動され、
前記第3のスライダを前記第3の駆動機構によってスライドさせることにより前記第3のリフトが垂直方向に駆動されることにより、前記テーブルに対して垂直方向と少なくとも2方向のチルトとの位置決めを行うことを特徴とするZチルトステージ。 - 請求項2に記載のZチルトステージにおいて、
前記第2のスライダと前記第1のスライダ間の傾斜角と前記第3のスライダと前記第1のスライダ間の傾斜角とが等しい角度θtilt1にされ、かつ前記第2のリフトと前記第2のスライダ間の傾斜角と前記第3のリフトと前記第3のスライダ間の傾斜角とが等しい角度θtilt2にされ、θtilt1>θtilt2とされることを特徴とするZチルトステージ。 - 請求項2に記載のZチルトステージにおいて、前記第2、第3の駆動機構がそれぞれ、前記第1のスライダ上に設けられていることを特徴とするZチルトステージ。
- 請求項4に記載のZチルトステージにおいて、
前記第2のスライダと前記第1のスライダ間の傾斜角と前記第3のスライダと前記第1のスライダ間の傾斜角とが等しい角度θtilt1にされ、かつ前記第2のリフトと前記第2のスライダ間の傾斜角と前記第3のリフトと前記第3のスライダ間の傾斜角とが等しい角度θtilt2にされ、θtilt1<θtilt2とされることを特徴とするZチルトステージ。 - 請求項3あるいは5に記載のZチルトステージにおいて、前記角度θtilt1が前記第1のリフトと前記第1のスライダ間の傾斜角θZと等しくされることを特徴とするZチルトステージ。
- 請求項6に記載のZチルトステージにおいて、
前記角度θtilt1及びθtilt2、前記傾斜角θZは45度より小さくされることを特徴とするZチルトステージ。 - 請求項7に記載のZチルトステージにおいて、
前記Zアクチュエータは前記少なくとも2つのチルトアクチュエータより大きいことを特徴とするZチルトステージ。
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