JP4210170B2 - 真空対応型静圧気体軸受 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空環境下において真空度を大きく低下させることなく使用することが可能な静圧気体軸受に関するものであり、例えば、真空環境下で動作する半導体露光工程や検査工程あるいは成膜工程等に用いられる装置に好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
特許文献1には図2に示す様に、断面が円形の固定軸体1と、固定軸体1を囲繞した可動体2とからなり、固定軸体1と対向する可動体2の軸受面の微小間隔Gに圧縮気体を供給し可動体と固定軸体との隙間に静圧流体層を形成する気体噴出部3と、圧縮気体を回収するための排気溝14とからなり、上記可動体2を固定軸体1上に浮上させて円滑に移動させるようにした静圧気体軸受が示されている。
【0003】
さらに、この排気溝14は、大気開放溝12と外側に設けた第一排気溝14aと、さらに第一排気溝14aの外側に設けた第二排気溝14bからなる。なお、不図示であるが、静圧気体軸受の可動体の端部に多孔質部材を接合したことが記載されている。
【0004】
最近の半導体製造装置においては、高精度、高速、高加速で動作し且つクリーン及び10−4Pa以上の高真空環境で動作することが要求されるように成ってきた。
【0005】
こういった要求に対して静圧気体軸受けを用いた案内装置は有力な候補であり上記従来技術をはじめ幾つかの研究開発がなされている。
【0006】
しかしながら、上記従来技術である、静圧気体軸受の可動体の端部に接合した多孔質部材は当該軸受けの可動体が何らかのアクシデントによって傾いた時に軸受けと可動体が接触し軸受け面を破損してしまうことを回避するためのものであり供給気体の排気効率を向上させるためのものでは無く上記の高真空環境で動作する構造とはなっていない。
【0007】
静圧気体軸受を真空環境下で動作させるためには、可動体2と固定軸体1との微少隙間Gに供給した圧縮気体を回収する機構が必要であり、例えば、図3は本願発明者が本願発明以前に試作した真空対応型の静圧流体軸受の一部を破断した分解斜視図である(特許文献2参照)。
【0008】
この静圧流体軸受は、角柱状をしたセラミック製の固定軸体を微少隙間(不図示)を設けて囲繞するセラミック製の可動体は四枚の板状体からなり底板30(下板)と同一形状の天板(不図示:上板)が側板31を挟み込む構造となっており、しかも、底板30の両端側に側板31が配置されるようになっている。各板状体30,31の内側壁面である軸受面中央には、「田」字状をした静圧パッド32を備えるとともに、各静圧パッド32の中心には、圧縮気体を噴出するための給気口32bを備えており、各給気口32bより固定軸体との微少隙間に噴出された圧縮気体を静圧パッド32によって全体に広げ静圧流体層を形成するようになっている。
【0009】
また、可動体を形成する板状体30,31の両端部には二重の排気溝6,7を形成してあり、排気溝6はホースを介して不図示のロータリーポンプと接続するとともに、排気溝7はホースを介して不図示のターボ分子ポンプ又はロータリポンプと接続し、可動体と固定軸体との微少隙間に供給された圧縮気体を回収することにより、可動体と固定軸体との微少隙間より外部に漏れることを防止するようにしてある。
【0010】
なお、この構造では、最も内側の排気溝33は大気開放され、残りの排気溝6,7は不図示の真空排気ポンプによって吸引排気されるようになっている。
【0011】
【特許文献1】
特開昭63−192864号公報
【0012】
【特許文献2】
特開2001−44107号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
このように静圧気体軸受けを真空チャンバー内に導入する場合は、エアパッドの周囲には大気解放溝33,並びに複数の排気溝6,7を設ける必要があり、軸受け自体が大きくなってしまい、製作上も困難であり、装置自体の駆動にも大きな駆動力が必要となる等の課題があり可動体の小型化が望まれるところである。
【0014】
また、複数の排気溝6,7を設けた場合、外側の排気溝7に近づくにしたがって気体の圧力は低下していくので排気溝7を大きく取る必要があるが、排気溝7を大きく形成することで最も外側の排気溝と真空チャンバーの距離が近くなるこのため、この部分の管路抵抗が小さくなって気体は排気溝に吸引され難くなり真空チャンバーへ流出してしまう可能性があった。
【0015】
本発明は上述した不都合に鑑みてなされたものであり、大気解放溝並びに複数の排気溝を配設する構造ではあるが、排気溝での漏れが少なく、ステージ機構系の小型軽量化が可能であり、ひいてはステージ装置の高速度化、高加速度化、長寿命化が可能となり、かつ高精度が長期間にわたって維持することができ、10−4Pa以上の高真空環境で使用可能な静圧気体案内装置を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の構成によれば、固定軸体と、該固定軸体を囲繞した可動体とを備え、上記固定軸体と対向する可動体の軸受面に、圧縮気体を供給する気体噴出部と、前記圧縮気体を回収するための複数の排気溝を形成して成り、前記気体噴出部から圧縮気体を供給することで前記可動体と固定軸体との隙間に静圧流体層を形成するとともに、上記可動体を固定軸体上に浮上させて移動可能に構成した真空対応型静圧気体軸受において、前記排気溝は、少なくとも第一排気溝と、該第一排気溝の外側に設けた第二排気溝からなり、該第二排気溝の内部に通気性部材で埋設したことを特徴とする真空対応型静圧気体軸受を提供する。
【0017】
また、前記第二排気溝に埋設する通気性部材は、第二排気溝の両端の平面と段差の無いように平面加工されている真空対応型静圧気体軸受を提供する。
【0018】
さらに、前記通気性部材は、気孔率20%以上70%未満の多孔質セラミックスであることを特徴とする真空対応型静圧気体軸受を提供する。
【0019】
また、前記通気性部材は、アルミナ又は炭化珪素を主成分とするセラミックス部材の全面にφ0.5mm以上φ2mm未満の細孔加工を複数箇所施したことを特徴とする真空対応型静圧気体軸受を提供する。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態として、真空対応型静圧気体軸受として、半導体製造装置に用いるステージに適用した静圧気体直線案内装置について説明する。
【0021】
図1は、本発明の実施形態の断面図である。
【0022】
真空チャンバ(不図示)内に、可動体2の固定軸体1に対する摺動面には、可動体2を浮上させるための気体の噴出部であるエアーパッド3と、エアーパッド3の周囲に当該気体の大気解放部12と、この大気解放部12の外側に第一排気溝14aと、さらに第一排気溝14aの外側に第二排気溝14bとを備えている。
【0023】
また、エアーパッド3には、圧縮気体を供給するための気体供給パイプ4が連結されており、当該気体の大気解放溝12には吸引パイプ15を介し排気管21を通して大気に放出される。
【0024】
さらに、真空チャンバー内への流入を防止するための排気溝14a,14bにはそれぞれ吸引パイプ16、17が連結され、排気管22、23を通してそれぞれ排気ポンプ25,26により真空チャンバー外部に排出される。
【0025】
この静圧気体軸受は、まず、気体給気パイプ4より供給した圧縮気体はエアパット3によって固定軸体1に拡散噴出され可動体2と固定軸体1との微小隙間Gに静圧気体層を形成することで可動体2を固定軸体1上に静圧支持する。
【0026】
可動体2は固定軸体1と非接触であることから、この間での摺動抵抗は皆無であり、可動体2を固定軸体1に沿って滑らかに移動させることができる。また、供給された圧縮気体は、エアーパッド3の周囲に形成された大気解放溝12と、二重の排気溝14a,14bより吸引パイプ16,17を介して回収することにより供給した気体が真空チャンバーに漏れることを防止することができ、10−4Paを越える高真空環境下でもその真空度を低下させることなく作動させることができる。
【0027】
ところで、このような効果を奏するためには、前述したように、二重の排気溝14a,14bのうち、高真空領域に近い排気溝14bの摺動面の凹部は通気性の部材14cで埋設されている。これにより、気体分子が通気性の部材14cを通過し真空チャンバーに流出するまでの実質的な経路を長くさせることができるため管路抵抗が大きくなり、真空チャンバーへの気体流出を妨げることができる。
【0028】
なお、高真空領域に近い排気溝14bに通気性の部材14cを配置したのは高真空領域に近い排気溝14bの付近は希薄気体であるため、気体分子はこの通気性部材14cを通過して吸引でき、かつ、真空チャンバーまでの管路を長くできるからである。
【0029】
従って、本発明の埋設する通気性部材14cは複数の排気溝を形成する場合には最も高真空領域に近い位置の排気溝に配置するのが好ましい。
【0030】
さらに、埋設後に固定軸体1に対する可動体2の面は平面加工し、第二排出溝の両端に形成される段差の無いようにすることが重要である。これにより、可動体と固定軸体との隙間に静圧流体層が形成でき、可動体を固定軸体上に浮上させて円滑に移動することができる。
【0031】
本願発明では通気性の部材14cとして気孔率20%以上70%未満の多孔質セラミックスを埋設すると良い。第二排気溝14bに埋設する多孔質セラミックの気孔率は20%以上70%未満が適しており、20%以下の気孔率すなわち緻密体に近い部材では排気溝のコンダクタンス(排気効率)が悪く、逆に気孔率70%以上の部材では通気性が良いために排気溝の排気効率は良いが管路抵抗の効果が低くなってしまう。
【0032】
さらに同様の効果を得るためには排気溝14bの摺動面の凹部にアルミナ又は炭化珪素を主成分とするセラミックス部材を埋設し、その全面にφ0.5mm以上φ2mm未満の細孔加工を施しても良い。このような緻密体の全面にφ0.5mm以上φ2mm未満の細孔加工複数箇所を施しても同様の効果が得られるが、φ0.5mm以下の細孔では排気溝14a、14bが閉塞した状態となるため排気効率が悪く、逆にφ2mm以上の細孔では管路抵抗の効果が低くなってしまう。
【0033】
また、固定軸体1と可動体2の微小隙間Gに噴出された圧縮気体を効率良く回収するためには、第一、第二排気溝14a、14bを可能な限り大きく取り吸引パイプ16,17への気体の流れ易さ(コンダクタンス)を良くすると同時に、真空チャンバーへの気体の漏れ易さ(リーク)を悪くする必要がある。このためには第一、第二排気溝14a、14bの間の距離13c(ランド1)並びに第二排気溝14bと真空チャンバーの距離13d(ランド2)を可能な限り大きく取ることでこの間の管路抵抗を大きく出来る。
【0034】
この実施形態では、固定軸体1の断面及び、可動体2の開口部断面を長方形または正方形としてもよい。この理由は、可動体2の軸受剛性を高めることと、該可動体軸受けの製造の容易さからである。
【0035】
大気解放用溝12の作用は、エアーパッドから排出した圧縮気体の圧力をほぼ大気圧まで減圧し、排気溝14a,14bの排気効率を高めることにある。
【0036】
排気溝14a,14bは、固定体を取り囲むように配置され、前記排気溝14aは、大気圧を低真空圧力(10−1Pa程度)まで減圧する、さらに排気溝14bは中真空圧力(10−3Pa程度)と、ほぼ真空チャンバー内の真空度まで減圧するためのものである。
【0037】
たとえば、排気溝14aには高圧領域で動作するロータリーポンプが接続され、排気溝14bにはターボ分子ポンプ、もしくはロータリーポンプあるいはドライリポンプが接続される。
【0038】
また、本実施形態において、可動体2の摺動面に設けられた排気溝14a、14bはそれぞれ2つの溝から構成されているが、これに限られるものではない、たとえば、VUVやEUVの露光装置のように比較的低真空で使用されるものは、上述した排気溝14a,14bを1つにすることができる。
【0039】
その際、上述のように排気溝14bに多孔質セラミックを埋設するか、細孔加工を施したアルミナ又は炭化珪素を主成分とするセラミックス部材であることが好ましい。
【0040】
また、超高真空で使用される電子ビーム露光装置等では、さらに溝数を増やすことにより真空チャンバー内を所定の真空環境に保つことができる。
【0041】
本実施形態において、主要な構成要素である固定軸体1,可動体2、エアーパッド3には高剛性、軽量、かつ、非磁性材料であるセラミックが使用される。この構成により軽量化が図れ、高精度、高速、高加速で動作し且つクリーンなステージ装置を提供できる。
【0042】
特に、大型構造部品の製作及び高精度加工が比較的容易なアルミナ(Al2O3)や炭化珪素(SiC)を主成分とするセラミックスが用いられる。アルミナセラミックスとしては、Al2O3を主成分としてSiO2,MgO,CaO等の焼結助剤を含むものを用い、炭化珪素質セラミックスとしては、SiCを主成分としてB,C、またはAl2O3,Y2O3等の焼結助材を含むものを用いる。そして、これらの原料を加圧成形法や鋳込成形法等の方法で所定形状に成形した後、焼成することで上記各部材を製造することができる。
【0043】
【発明の効果】
本発明によれば、第二排気溝を大きく取ることが出来、且つ第二排気溝が真空チャンバーへ漏れようとする気体に取っては管路抵抗となるために10−4Paを越える高真空環境下においても、その真空度を低下させることなく静圧軸受けを作動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示す縦断面図である。
【図2】従来の静圧軸受けを示す縦断面図である。
【図3】従来の静圧軸受けの分解斜視図である。
【符号の説明】
1:固定軸体
2:可動体
3:エアーパッド(気体噴出部)
4:気体供給パイプ
12:大気解放部
13c:ランド1
13d:ランド2
14a:第一排気溝
14b:第二排気溝
15:大気解放パイプ
16:吸引パイプ1
17:吸引パイプ2
21:排気管1
22:排気管2
23:排気管3
25:排気ポンプ1
26:排気ポンプ2
Claims (4)
- 固定軸体と、該固定軸体を囲繞した可動体とを備え、上記固定軸体と対向する可動体の軸受面に、圧縮気体を供給する気体噴出部と、前記圧縮気体を回収するための複数の排気溝を形成して成り、前記気体噴出部から圧縮気体を供給することで前記可動体と固定軸体との隙間に静圧流体層を形成するとともに、上記可動体を固定軸体上に浮上させて移動可能に構成した真空対応型静圧気体軸受において、
前記排気溝は、少なくとも第一排気溝と、該第一排気溝の外側に設けた第二排気溝からなり、該第二排気溝の内部を通気性部材で埋設したことを特徴とする真空対応型静圧気体軸受。 - 前記第二排気溝に埋設する通気性部材は、第二排気溝の両端の平面と段差の無いように平面加工されていることを特徴とする請求項1記載の真空対応型静圧気体軸受。
- 前記通気性部材は、気孔率20%以上70%未満の多孔質セラミックスであることを特徴とする請求項1又は2に記載の真空対応型静圧気体軸受。
- 前記通気性部材は、アルミナ又は炭化珪素を主成分とするセラミックス部材の全面にφ0.5mm以上φ2mm未満の細孔加工を複数箇所施したことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の真空対応型静圧気体軸受。
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