JP4223714B2 - ステージ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はステージ装置に係り、特に被移動体が装着された第１のテーブルをＺ方向（鉛直方向）に移動させる駆動装置を有したステージ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体基板，液晶装置，磁気・光記憶装置の検査を目的とするステージ装置には、被検査物を装着したテーブルを水平方向（ＸＹ方向）に移動させるＸＹ方向駆動装置に加え、テーブルを垂直方向（Ｚ方向）に移動させるＺ方向駆動装置を有している。これは、一般的に半導体装置等の検査に撮像装置を用いており、この撮像装置の焦点を半導体基板等の検査面上に合焦点させる必要があるからである。
【０００３】
半導体基板（ウェハ）を検査する場合を例に挙げると、ウェハ表面には回路形成に伴い多数の薄膜形成が積層形成されており、これにより微細な凹凸が形成されている。この凹凸の表面に撮像装置の焦点を合焦点させるには、Ｚ方向駆動装置によりテーブルを例えば５００Ｈｚ〜２ＫＨｚの周波数で駆動させる必要が生じる。
【０００４】
図９は、従来におけるこの種のステージ装置１Ａを示している。このステージ装置１Ａは、大略するとＸＹ方向駆動装置５とＺ方向駆動装置６とにより構成されている。ＸＹ方向駆動装置５は定盤７上に配設されており、Ｘテーブル１０とＹテーブル１１とを有している。
【０００５】
Ｘテーブル１０はＺ方向エアベアリング１２により定盤７に対し浮上した状態で支持されており、Ｘ方向リニアモータ１３により図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動する構成とされている。また、Ｙテーブル１１はＸ方向エアベアリング１４によりＸテーブル１０に対し浮上した状態で支持されており、図示しないＹ方向リニアモータにより図中矢印Ｙ１，Ｙ２方向に移動する構成とされている。
【０００６】
一方、Ｚ方向駆動装置６はＸＹ方向駆動装置５上（具体的には、Ｘテーブル１０上）に配設されており、大略するとワークテーブル３，ボイスコイルモータ１５，シリンダ機構１６等により構成されている。
ワークテーブル３は、被検査物（例えば、ウェハ等）を装着するテーブルである。このワークテーブル３は、検査時に撮像装置の焦点を被検査物上に合焦点させるため、ボイスコイルモータ１５により高速微動動作を行ないうる構成とされている。また、ワークテーブル３は、被検査物を装着脱するときには長いストローク動作（粗動）が要求されるため、Ｚ方向駆動装置６には上記したボイスコイルモータ１５に加え、シリンダ機構１６が設けられている。
【０００７】
シリンダ機構１６は、Ｘテーブル１０に配設されたシリンダ部１７とワークテーブル３に配設されたピストン部１８とにより構成されている。そして、エアー導入管１９よりエアーを供給或いは排気することにより、ワークテーブル３をＺ１，Ｚ２方向に移動する構成とされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したステージ装置１Ａによりワークテーブル３を高速にＺ１，Ｚ２方向に駆動した場合、Ｘテーブル１０に対して反力が発生する。従来では、ボイスコイルモータ１５がワークテーブル３とＸテーブル１０との間に直接配設された構成であったため、この反力はボイスコイルモータ１５からＸテーブル１０に直接的に印加されてしまう。更に、Ｘテーブル１０は、Ｚ方向エアベアリング１２により定盤７に支持されているが、支持剛性に限界がある。
【０００９】
このため従来のステージ装置１Ａでは、ボイスコイルモータ１５の駆動による反力がＸテーブル１０に印加され、またこの反力をＺ方向エアベアリング１２で吸収しきれずＸテーブル１０が振動してしまう。また、前記ようにＺ方向駆動装置６はＸテーブル１０に搭載された構成であるため、Ｘテーブル１０の振動がワークテーブル３に印加されると、この振動によりワークテーブル３も振動してしまい、結果的にワークテーブル３の位置決め精度が悪化してしまうという問題点があった。
【００１０】
図１１及び図１２は、従来の問題点を示す図である。図１１は、ワークテーブル３を基準位置（０μｍ位置）から１μｍ離間した位置に位置決め動作させた時における、ステージ装置１Ａの動作のシミュレーション結果を示しており、図１２は位置決め目標との誤差を拡大して示す図である。また、図中実線で示すのはワークテーブル３の位置であり、破線で示すのはＸテーブル１０の位置である。尚、各図において、縦軸はＸテーブル１０からの距離（単位：μｍ）であり、横軸は時間（単位：msec）である。
【００１１】
ワークテーブル３を上記のようにＸテーブル１０に対して位置決めした場合、相対的な位置決めは素早く行なわれる（約、時間２msecまでの間に行なわれる）が、その後においてワークテーブル３を駆動する反力によりＸテーブル１０には図中破線で示すような振動が発生し、このＸテーブル１０の振動によりワークテーブル３に振動が発生する。これは、図１２に示すように、ワークテーブル３の振動と、Ｘテーブル１０の振動が同期している点からも明らかである。
このように、従来のステージ装置１Ａでは、ワークテーブル３を所定位置に位置に位置決めする際、振動が発生するため位置決め精度が悪くなってしまう。また、位置決めの精度出しを行なうには振動が停止するまで待つ必要があり、高速の位置決め処理を行なうことができないという問題点があった。
【００１２】
上記したステージ装置１Ａでは、ボイスコイルモータ１５の反力がＸテーブル１０に伝達されることにより位置決め精度及び応答性の低下が生じることにより、図１０に示されるようなステージ装置１Ｂが考案されている。このステージ装置１Ｂは、ボイスコイルモータ１５の反力をＸテーブル１０に伝えないようにするため、ワークテーブル３に横方向に長く延出する拡張脚部２０を設け、この拡張脚部２０と定盤７との間にボイスコイルモータ１５を配設した構成としたものである。尚、定盤７とボイスコイルモータ１５との間には、エアベアリング２１が設けられている。
【００１３】
しかしながら、Ｘテーブル１０Ｂでは、拡張脚部２０によりワークテーブル３と定盤７との距離が離間しているため、発生した力を伝達するのが困難であった。具体的には、拡張脚部２０の重量と剛性にトレードオフがあり、高速動作の妨げとなってしまう。更に、ワークテーブル３より広く延出する拡張脚部２０を設ける上に、ボイスコイルモータ１５をガイドするエアベアリング２１等の構成を設ける必要があり、ステージ装置１Ｂが大型してしまう。
【００１４】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、装置の小型化を図りつつ、高速でかつ高精度な位置決め処理を行ないうるステージ装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項１記載の発明に係るステージ装置は、
被移動体が装着される第１のテーブルと、
粗動用のシリンダ機構と微動用のボイスコイルモータとにより構成され、該第１のテーブルをＺ方向に移動させるＺ方向駆動装置と、
該Ｚ方向駆動装置を搭載する第２のテーブルと、
該第２のテーブルを前記Ｚ方向に対し直交するＸ−Ｙ方向に移動させるＸ−Ｙ方向駆動装置と、
少なくとも前記Ｚ方向駆動装置と前記第２のテーブルとの間、または前記第１のテーブルと前記第２のテーブルとの間のいずか一方に配設されており、前記Ｚ方向駆動装置が発生する力が前記第２のテーブルに作用するのを抑制する緩衝装置とを備え、
前記緩衝装置を複数設けると共に、その内の一の緩衝装置を前記シリンダ機構に一体的に設け、他の緩衝装置を前記ボイスコイルモータと前記第２のテーブルとの間に設けたことを特徴とするものである。
請求項３記載の発明に係るステージ装置は、
被移動体が装着される第１のテーブルと、
該第１のテーブルの下方に配設され、該第１のテーブルをＺ方向に移動させる微動用のＺ方向駆動装置と、
該Ｚ方向駆動装置を搭載する第２のテーブルと、
該第２のテーブルを前記Ｚ方向に対し直交するＸ−Ｙ方向に移動させるＸ−Ｙ方向駆動装置と、
前記第１のテーブルの下面に配設されたピストン部と前記第２のテーブルの上面に配設されたシリンダ部とを有する、前記第１のテーブルをＺ方向に移動させる粗動用のエアシリンダ機構と、
前記Ｚ方向駆動装置と前記第２のテーブルとの間に設けられる緩衝装置とを有することを特徴とするものである。
【００１７】
上記発明によれば、Ｚ方向駆動装置と第２のテーブルとの間、第１のテーブルと第２のテーブルとの間、或いはその双方に緩衝装置を設け、この緩衝装置によりＺ方向駆動装置が発生する力が第２のテーブルに作用するのを抑制する構成としたため、Ｚ方向駆動装置により第２のテーブルが振動・変位することを防止できる。このため、第２のテーブルの振動・変位により第１のテーブルが振動・変位することはなく、よってＺ方向駆動装置により第１のテーブルを高速高精度に駆動することが可能となる。
【００１８】
また、請求項４記載の発明は、
請求項３記載のステージ装置において、
前記緩衝装置を弾性部材と減衰機構とにより構成したことを特徴とするものである。
【００１９】
上記発明によれば、緩衝装置が例えばバネ等の弾性部材と、ダンパ等の減衰機構とにより構成されるため、緩衝装置のコンパクト化及び低コスト化を図ることができる。
【００２０】
また、請求項５記載の発明は、
請求項４記載のステージ装置において、
前記第１のテーブルの質量をｍ １ 、前記Ｚ方向駆動装置の質量をｍ ２ 、前記エアシリンダ機構の弾性定数をｋ １ 、前記緩衝装置の弾性定数をｋ ２ 、前記エアシリンダ機構の減衰定数をｄ １ 、前記緩衝装置の減衰定数をｄ ２ としたとき、下式を満足するよう構成したことを特徴とするものである。
【００２１】
【数２】
上記発明によれば、緩衝装置の減衰定数ｄ２及び緩衝装置の弾性定数ｋ２を上式の如く設定することにより、第１のテーブルの振動・変位を確実に抑制することができる。
【００２２】
また、請求項６記載の発明は、
請求項３乃至５のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記エアシリンダ機構が、粗動用シリンダ機構を構成し、
前記Ｚ方向駆動装置が、微動用のボイスコイルモータを構成することを特徴とするものである。
【００２３】
上記発明によれば、Ｚ方向駆動装置を用いて第１のテーブルをＺ方向に移動させる際、第１のテーブルを大きく移動させたい場合にはこれに適した粗動用のシリンダ機構を用い、第１のテーブルを微細に移動させたい場合にはこれに適した微動用のボイスコイルモータを用いることができる。このため、第１のテーブルの移動を応答性よく、かつ高精度に行なうことができる。
【００２４】
また、請求項７記載の発明は、
請求項６記載のステージ装置において、
弾性部材と減衰機構とにより構成される緩衝装置を前記エアシリンダ機構に一体的に設けたことを特徴とするものである。
【００２５】
上記発明によれば、緩衝装置とシリンダ機構とが一体化されるため、ステージ装置の小型化を図ることができる。
【００２６】
また、請求項８記載の発明は、
請求項３乃至７のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記Ｘ−Ｙ方向駆動装置が、リニアモータであることを特徴とするものである。
【００２７】
上記発明によれば、Ｘ−Ｙ方向駆動装置をリニアモータとしたことにより、第２のステージを高速かつ高精度に移動できると共に、非接触駆動によりクリーン性の向上及びメンテナンスフリーを実現することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００２９】
図１及び図２は、本発明の一実施例であるステージ装置３０Ａを示している。このステージ装置３０Ａは、被検査物（半導体基板，液晶装置，磁気・光記憶装置等）の検査を目的としたステージ装置である。このため、ステージ装置３０Ａの上部には検査用カメラ３９（一点鎖線で示す）が設けられている。
【００３０】
この検査用カメラ３９は、定盤３７にステージ装置３０Ａを跨ぐように配設された固定フレーム３８（一点鎖線で示す）に取り付けられている。ステージ装置３０Ａは、固定された検査用カメラ３９に対し、装着された被検査物を上下方向（図中、矢印Ｚ１，Ｚ２方向）に移動させることにより、検査用カメラ３９の焦点に被検査物を移動させる。尚、以下の説明においては、被検査物としてウェハＷを用いた例について説明するものとする。
【００３１】
ステージ装置３０Ａは、大略するとＸＹ方向駆動装置３５、Ｚ方向駆動装置３６Ａ、及び緩衝装置５０Ａ，５０Ｂとにより構成されている。ＸＹ方向駆動装置３５は、定盤３７上に配設されている。このＸＹ方向駆動装置３５は、Ｘテーブル４０とＹテーブル４１とを組み合わせた構成とされている。
【００３２】
Ｘテーブル４０は、Ｚ方向エアベアリング４２により定盤３７上に浮上した状態で支持されると共に、エアベアリング４４により、Ｙテーブル４１に対してその移動を案内される構成とされている。このＸテーブル４０は、Ｘ方向リニアモータ４３により図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動する構成とされている。
【００３３】
また、Ｙテーブル４１は、図示しないガイドレールによりその移動を案内される構成とされている。このＹテーブル４１は、図示しないＹ方向リニアモータにより図中矢印Ｙ１，Ｙ２方向に移動する構成とされている。
【００３４】
このように、ＸＹ方向駆動装置３５ではＸテーブル４０及びＹテーブル４１をリニアモータで駆動し、エアベアリングで移動を案内する構成としているため、各テーブル４０，４１を高速かつ高精度に移動できると共に、非接触駆動であるためクリーン性の向上及びメンテナンスフリーを実現することができる。
【００３５】
一方、Ｚ方向駆動装置３６はＸＹ方向駆動装置３５上（具体的には、Ｘテーブル４０上）に配設されており、大略するとワークテーブル３３，ボイスコイルモータ４５，シリンダ機構４６等により構成されている。
ワークテーブル３３はウェハＷを装着するものであり、このためワークテーブル３３にはウェハＷを固定するチャック（真空チャック，静電チャック等）が配設されている。このワークテーブル３３は、検査時においてボイスコイルモータ４５により高速微動する。そして、これにより検査用カメラ３９が、ウェハＷの所定撮像位置に合焦点するよう構成されている。
【００３６】
この際、検査用カメラ３９の撮像領域はウェハＷの面積よりも小さいため、検査用カメラ３９がウェハＷの全面を検査（撮像）できるよう、ウェハＷは検査用カメラ３９に対して走査される。この検査用カメラ３９に対するウェハＷの走査は、前記したＸＹ方向駆動装置３５により実施される。
【００３７】
ボイスコイルモータ４５は、コイル４５ａと磁石４５ｂとにより構成されている。このボイスコイルモータ４５は、シリンダ機構４６の外周位置に複数個配設されている。
【００３８】
ボイスコイルモータ４５を構成するコイル４５ａは、ワークテーブル３３に垂下されるよう配設されている。また、磁石４５ｂは対向離間した一対の永久磁石により構成されている。コイル４５ａは、この一対の磁石４５ｂの間に位置する構成とされおり、よってコイル４５ａに電流を流し励磁することにより、電流の向きに応じてワークテーブル３３は図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に移動する。
【００３９】
一方、ワークテーブル３３は、ウェハＷを装着脱するときには長いストローク動作（粗動）が要求される。このため、Ｚ方向駆動装置３６には上記したボイスコイルモータ４５に加え、粗動用のシリンダ機構４６が設けられている。
【００４０】
シリンダ機構４６は、Ｘテーブル４０に配設されたシリンダ部４７とワークテーブル３３に配設されたピストン部４８とにより構成されている。そして、エアー導入管４９よりエアーを供給或いは排気することにより、ワークテーブル３３を図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に移動する構成とされている。
【００４１】
このように、ワークテーブル３３をＺ１，Ｚ２方向に移動させる際、ワークテーブル３３を大きく移動させたい場合にはこれに適した粗動用のシリンダ機構４６を用い、ワークテーブル３３を微細に移動させたい場合にはこれに適した微動用のボイスコイルモータ４５を用いることにより、ワークテーブル３３（即ち、ウェハＷ）の移動を応答性よく、かつ高精度に行なうことができる。
【００４２】
続いて、緩衝装置５０Ａ，５０Ｂについて説明する。この緩衝装置５０Ａ，５０Ｂは、後に詳述するようにボイスコイルモータ４５の駆動によりＸテーブル４０に印加される反力を減衰させ無くする機能を奏するものである。この緩衝装置５０Ａ，５０は、それぞれバネ部材５１Ａ，５１Ｂとダンパ５２Ａ，５２Ｂとよりなるコンパクトな構成とされている。
【００４３】
緩衝装置５０Ａは、ワークテーブル３３とＸテーブル１０との間に配設されている。具体的には、緩衝装置５０Ａは、ワークテーブル３３に設けられたピストン部４８とＸテーブル１０との間に配設されている。また、緩衝装置５０Ｂはボイスコイルモータ４５の配設数と同数配設されており、このボイスコイルモータ４５とＸテーブル１０との間に配設される。このように、緩衝装置５０Ａをシリンダ機構４６内に組み込むことにより、緩衝装置５０Ａとシリンダ機構４６は一体化され、ステージ装置３０Ａの小型化を図ることができる。
【００４４】
続いて、上記構成とされたステージ装置３０Ａにおいて、緩衝装置５０Ａ，５０Ｂを構成するバネ部材５１Ａ，５１Ｂのバネ定数ｋ１，ｋ２、及びダンパ５２Ａ，５２Ｂの減衰定数ｄ１，ｄ２の設定について説明する。
【００４５】
いま、図２に示すように、上記したステージ装置３０Ａを構成する各構成要素の質量，バネ定数，及び減衰定数を次のように定義する。
▲１▼ ピストン部４８，コイル４５ａ等を含むワークテーブル３３と一体的に移動するものの質量をワークテーブル質量ｍ１とする。
▲２▼ 全てのボイスコイルモータ４５の質量（コイル４５ａを除く）をモータ質量ｍ２とする。
▲３▼ Ｘテーブル４０と一体的に移動するものの質量をＸテーブル質量ｍ３とする。
▲４▼ 緩衝装置５０Ａのバネ部材５１Ａのバネ定数を第１のバネ定数ｋ１、緩衝装置５０Ａのダンパ５２Ａの減衰定数を第１の減衰定数ｄ１とする。
▲５▼ 複数の緩衝装置５０Ｂにそれぞれに設けられているのバネ部材５１Ｂ全体としての総バネ定数を第２のバネ定数ｋ２、複数の緩衝装置５０Ｂにそれぞれに設けられているのダンパ５２Ｂ全体としての総減衰定数を第２の減衰定数ｄ２とする。
▲６▼ ワークテーブル３３の図中矢印Ｚ１方向の移動量を＋ｚ１とする。
▲７▼ ボイスコイルモータ４５の図中矢印Ｚ１方向の移動量を＋ｚ２とする。
▲８▼ Ｘテーブル４０の図中矢印Ｚ１方向の移動量を＋ｚ３とする。
▲９▼ ボイスコイルモータ４５で発生する力をｆ１とする（コイル４５ａ，磁石４５ｂの双方に発生する）。
【００４６】
上記の各パラメータを用いて、ワークテーブル３３及びボイスコイルモータ４５の運動方程式を求めると次式となる。
【００４７】
【数３】
ここで、Ｘテーブル４０に印加される力をＸテーブル印加力Ｆとすると、Ｘテーブル印加力Ｆは次式で求められる。
【００４８】
【数４】
ここで、上記の（６）式、及び（７）式をラプラス変換してまとめると、次式のようになる。
【００４９】
【数５】
続いて、この（７）式，（８）式を前記した（５）式に代入すると、次式のようになる。
【００５０】
【数６】
また、Ｆ／ｆを求めると、下式となる。
【００５１】
【数７】
ここで、Ｘテーブル４０に対してボイスコイルモータ１５の反力が伝達されないようにするには、Ｘテーブル印加力Ｆがゼロ（Ｆ＝０）となるよう構成すればよい。そこで、ｄ２，ｋ２を下式のように設定する。
【００５２】
【数８】
とすると、上記の（１０）式は次のようになる。
【００５３】
【数９】
従って、（１１）式及び（１２）式が成立するようにワークテーブル質量ｍ１、モータ質量ｍ２、第１のバネ定数ｋ１、第２のバネ定数ｋ２、第１の減衰定数ｄ１，第２の減衰定数ｄ２を設定することにより、緩衝装置５０Ａ，５０Ｂによりボイスコイルモータ４５が発生する力がＸテーブル４０に作用するのを抑制することができる。
【００５４】
これにより、ボイスコイルモータ４５の駆動によりＸテーブル４０が振動・変位することを防止でき、従ってＸテーブル４０の振動・変位によりワークテーブル３３が振動・変位することはなくなるため、ワークテーブル３３を高速でかつ高精度に駆動することが可能となる。
【００５５】
図３乃至図６は、一実施例であるステージ装置３０Ａの効果を示す図である。図３は、ワークテーブル３３を基準位置（０μｍ位置）から１μｍ離間した位置に位置決め動作させた時における、ステージ装置３０Ａの動作のシミュレーション結果を示しており、図４は位置決め目標との誤差を拡大して示す図である。
【００５６】
また、図５はシミュレーション時に上記した（１１）式及び（１２）式の値に約１０パーセントの誤差を持たせた時における、ステージ装置３０Ａの動作のシミュレーション結果を示している。本シミュレーションにおいても、ワークテーブル３３を基準位置（０μｍ位置）から１μｍ離間した位置に位置決め動作させた時におけるステージ装置３０Ａの動作を示している。また、図４は位置決め目標との誤差を拡大して示す図である。
【００５７】
尚、図中実線で示す（矢印Ａで示す）のはワークテーブル３３の位置であり、破線で示す（矢印Ｂで示す）のはＸテーブル４０の位置であり、一点鎖線（矢印Ｃで示す）のはボイスコイルモータの位置である。また、各図において、縦軸はＸテーブル４０からの距離（単位：μｍ）であり、横軸は時間（単位：msec）である。
【００５８】
先ず、図３及び図４に注目する。Ｘテーブル４０に対してワークテーブル３３を位置決めする際、ボイスコイルモータ４５を駆動する。しかしながら、ボイスコイルモータ４５を駆動しても、本実施例に係るステージ装置３０Ａでは、ボイスコイルモータ４５で発生する駆動力の反力は緩衝装置５０Ａ，５０Ｂにより減衰・吸収されてＸテーブル４０への印加が抑制されている。
【００５９】
よって、矢印Ｂで示すようにＸテーブル４０は振動することはなく、安定した状態を維持する。またこれにより、図３及び図４に矢印Ａで示すように、ワークテーブル３３も振動することなく安定した状態となる。従って図３及び図４に示したシミュレーション結果より、本実施例に係るステージ装置３０Ａによれば、ワークテーブル３３の位置決めを高精度かつ短時間で行ない得ることが実証された。
【００６０】
また、図５及び図６に示すように、上記した（１１）式及び（１２）式の値に約１０パーセントの誤差を持たせた場合であっても、そのシミュレーション結果は先に示した図３及び図４の結果と略同等の結果となっている。
即ち、図中矢印Ｃで示すように、ボイスコイルモータにある程度の振動が発生するものの、Ｘテーブル４０への影響は小さく、各図に矢印Ｂで示すように、Ｘテーブル４０は振動することはなく安定した状態を維持する。またこれにより、図５及び図６に矢印Ａで示すように、ワークテーブル３３も振動することなく安定した状態となる。従って図５及び図６に示したシミュレーション結果より、（１１）式及び（１２）式の値を満足するよう各パラメータ（ｄ１，ｄ２，ｋ１，ｋ２）を高精度に設定する必要はないことが判る。本発明者のシミュレーション結果によれば、要求される精度にもよるが、各パラメータ（ｄ１，ｄ２，ｋ１，ｋ２）の値が±２０パーセントの範囲で変動しても、ワークテーブル３３の位置決めを高精度かつ短時間で行ない得ることができた。
【００６１】
次に、図７及び図８を参照しつつ、上記したステージ装置３０Ａの変形例について説明する。尚、図７及び図８において、図１に示した構成と同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。
図７は、ステージ装置３０Ａの第１変形例であるステージ装置３０Ｂを示している。ステージ装置３０Ａでは、シリンダ機構４６の内部にも緩衝装置５０Ａを設けた構成としていた。これに対し、本実施例では緩衝装置５０Ａを除き、緩衝装置５０Ｂのみでボイスコイルモータ４５で発生する反力がＸテーブル４０に伝達しないよう構成したものである。
【００６２】
例えば、ワークテーブル質量ｍ１が小さい等により、緩衝装置に要求される減巣力が小さい場合には、必ずしもシリンダ機構４６内に緩衝装置５０Ａを設ける必要はなく、これによりステージ装置３０Ｂの部品点数の削減及び製品コストの低減を図ることができる。
【００６３】
また、図８はステージ装置３０Ａの第２変形例であるステージ装置３０Ｃを示している。ステージ装置３０Ａでは、緩衝装置５０Ａ，５０Ｂをコイルバネよりなるバネ部材５１Ａ，５１Ｂとダンパ５２Ａ，５２Ｂにより構成した。これに対し、本変形例では、緩衝装置５０Ｃを板バネよりなるバネ部材５１Ｃとダンパ５２Ｃとにより構成すると共に、緩衝装置５０Ｄを板バネよりなるバネ部材５１Ｄとダンパ５２Ｄとにより構成したことを特徴とするものである。
【００６４】
このように、バネ部材５１Ｃ，５１Ｄを板バネにより構成することにより、板バネであるバネ部材５１Ｃ，５１Ｄの可撓方向（弾性変形方向）は主にＺ方向となり、Ｘ方向及びＹ方向への変形は殆ど発生しない。このため、Ｚ方向以外の方向に対するワークテーブル３３の不要な変位を規制することができ、ワークテーブル３３を安定動作させることが可能となる。
【００６５】
尚、上記した本発明は、半導体装置の製造過程のみならず、マイクロマシン，ＩＴ用光通信部品等、今後微細加工を必要とする分野に広く適用することが可能である。即ち、現在のマイクロマシン製造技術の多くは半導体製造技術を利用しており、本発明を用いることにより、より精度の高い検査を行なうことが可能となる。
また、レーザ加工の分野では、サブミクロンの精度で超高速に動くステージが要求されている。また、複雑な形状を加工するために、自由度の高いステージが必要となる。従来のステージ装置では、これらの要求を満たすものは無かったが、本発明のステージ装置は、高精度，高速を実現できるため、レーザ加工用ステージとしても用いることができる。更に、本発明は、上記した分野だけではなく、超精密機器，超精密計測装置，マウンター等の、電子部品の組み立て、検査装置，或いはオフィスオートメーション分野においても適用することが可能である。
【００６６】
更に、本実施例では、ステージ装置３０Ａに複数配設される緩衝装置５０Ｂ（第２の減衰機構となる）のバネ部材５１Ｂ及びダンパ５２Ｂの特性が全て同一であるという条件のもとで上記した各式をたてたが、複数配設される各緩衝装置５０Ｂの特性をそれぞれ異ならせることも可能である。この場合における上記の式（１１）及び式（１２）は、下式のようになる。
【００６７】
【数１０】
但し、ｎは異なる特性とされた緩衝装置５０Ｂの数であり、ｄｎは複数の緩衝装置５０Ｂの全体としての減衰定数であり、ｋｎは複数の緩衝装置５０Ｂの全体としての弾性定数である。
【００６８】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、次に述べる種々の効果を実現することができる。
【００６９】
請求項１又は３記載の発明によれば、Ｚ方向駆動装置により第２のテーブルが振動・変位することを防止できるため、第２のテーブルの振動・変位により第１のテーブルが振動・変位することはなく、よってＺ方向駆動装置により第１のテーブルを高速高精度に駆動することが可能となる。
【００７０】
また、請求項４記載の発明によれば、緩衝装置が例えばバネ等の弾性部材と、ダンパ等の減衰機構とにより構成されるため、緩衝装置のコンパクト化及び低コスト化を図ることができる。
【００７１】
また、請求項５記載の発明によれば、第１のテーブルの振動・変位を確実に抑制することができる。
【００７２】
また、請求項６記載の発明によれば、第１のテーブルを大きく移動させたい場合にはこれに適した粗動用のシリンダ機構を用い、第１のテーブルを微細に移動させたい場合にはこれに適した微動用のボイスコイルモータを用いるため、第１のテーブルの移動を応答性よく、かつ高精度に行なうことができる。
【００７３】
また、請求項７記載の発明によれば、緩衝装置とシリンダ機構とが一体化されるため、ステージ装置の小型化を図ることができる。
【００７４】
また、請求項２又は８記載の発明によれば、第２のステージを高速かつ高精度に移動できると共に、非接触駆動によりクリーン性の向上及びメンテナンスフリーを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるステージ装置の要部構成図である。
【図２】図１に示すステージ装置の運動方程式に用いる各パラメータを示す図である。
【図３】本発明の一実施例であるステージ装置の動作のシミュレーションを行なった結果を示す図である。
【図４】図３において、目標値との誤差を拡大して示す図である。
【図５】図３に示すシミュレーションに対して誤差を１０パーセント持たせたときの、ステージ装置の動作のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】図５において、目標値との誤差を拡大して示す図である。
【図７】図１に示したステージ装置の第１変形例であるステージ装置の要部構成図である。
【図８】図１に示したステージ装置の第２変形例であるステージ装置の要部構成図である。
【図９】従来の一例であるステージ装置の要部構成図である（その１）。
【図１０】従来の一例であるステージ装置の要部構成図である（その２）。
【図１１】図９に示すステージ装置の動作のシミュレーションを行なった結果を示す図である。
【図１２】図１１において、目標値との誤差を拡大して示す図である。
【符号の説明】
３０Ａ〜３０Ｃ ステージ装置
３３ ワークテーブル
３５ ＸＹ方向駆動装置
３６Ａ〜３６Ｃ Ｚ方向駆動装置
４０ Ｘテーブル
４１ Ｙテーブル
４３ Ｘ方向リニアモータ
４５ ボイスコイルモータ
４６ シリンダ機構
４７ シリンダ部
４８ ピストン部
４９ エアー導入管
５０Ａ〜５０Ｄ 緩衝装置
５１Ａ〜５１Ｄ バネ部材
５２Ａ〜５２Ｄ ダンパ
【発明の属する技術分野】
本発明はステージ装置に係り、特に被移動体が装着された第１のテーブルをＺ方向（鉛直方向）に移動させる駆動装置を有したステージ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体基板，液晶装置，磁気・光記憶装置の検査を目的とするステージ装置には、被検査物を装着したテーブルを水平方向（ＸＹ方向）に移動させるＸＹ方向駆動装置に加え、テーブルを垂直方向（Ｚ方向）に移動させるＺ方向駆動装置を有している。これは、一般的に半導体装置等の検査に撮像装置を用いており、この撮像装置の焦点を半導体基板等の検査面上に合焦点させる必要があるからである。
【０００３】
半導体基板（ウェハ）を検査する場合を例に挙げると、ウェハ表面には回路形成に伴い多数の薄膜形成が積層形成されており、これにより微細な凹凸が形成されている。この凹凸の表面に撮像装置の焦点を合焦点させるには、Ｚ方向駆動装置によりテーブルを例えば５００Ｈｚ〜２ＫＨｚの周波数で駆動させる必要が生じる。
【０００４】
図９は、従来におけるこの種のステージ装置１Ａを示している。このステージ装置１Ａは、大略するとＸＹ方向駆動装置５とＺ方向駆動装置６とにより構成されている。ＸＹ方向駆動装置５は定盤７上に配設されており、Ｘテーブル１０とＹテーブル１１とを有している。
【０００５】
Ｘテーブル１０はＺ方向エアベアリング１２により定盤７に対し浮上した状態で支持されており、Ｘ方向リニアモータ１３により図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動する構成とされている。また、Ｙテーブル１１はＸ方向エアベアリング１４によりＸテーブル１０に対し浮上した状態で支持されており、図示しないＹ方向リニアモータにより図中矢印Ｙ１，Ｙ２方向に移動する構成とされている。
【０００６】
一方、Ｚ方向駆動装置６はＸＹ方向駆動装置５上（具体的には、Ｘテーブル１０上）に配設されており、大略するとワークテーブル３，ボイスコイルモータ１５，シリンダ機構１６等により構成されている。
ワークテーブル３は、被検査物（例えば、ウェハ等）を装着するテーブルである。このワークテーブル３は、検査時に撮像装置の焦点を被検査物上に合焦点させるため、ボイスコイルモータ１５により高速微動動作を行ないうる構成とされている。また、ワークテーブル３は、被検査物を装着脱するときには長いストローク動作（粗動）が要求されるため、Ｚ方向駆動装置６には上記したボイスコイルモータ１５に加え、シリンダ機構１６が設けられている。
【０００７】
シリンダ機構１６は、Ｘテーブル１０に配設されたシリンダ部１７とワークテーブル３に配設されたピストン部１８とにより構成されている。そして、エアー導入管１９よりエアーを供給或いは排気することにより、ワークテーブル３をＺ１，Ｚ２方向に移動する構成とされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したステージ装置１Ａによりワークテーブル３を高速にＺ１，Ｚ２方向に駆動した場合、Ｘテーブル１０に対して反力が発生する。従来では、ボイスコイルモータ１５がワークテーブル３とＸテーブル１０との間に直接配設された構成であったため、この反力はボイスコイルモータ１５からＸテーブル１０に直接的に印加されてしまう。更に、Ｘテーブル１０は、Ｚ方向エアベアリング１２により定盤７に支持されているが、支持剛性に限界がある。
【０００９】
このため従来のステージ装置１Ａでは、ボイスコイルモータ１５の駆動による反力がＸテーブル１０に印加され、またこの反力をＺ方向エアベアリング１２で吸収しきれずＸテーブル１０が振動してしまう。また、前記ようにＺ方向駆動装置６はＸテーブル１０に搭載された構成であるため、Ｘテーブル１０の振動がワークテーブル３に印加されると、この振動によりワークテーブル３も振動してしまい、結果的にワークテーブル３の位置決め精度が悪化してしまうという問題点があった。
【００１０】
図１１及び図１２は、従来の問題点を示す図である。図１１は、ワークテーブル３を基準位置（０μｍ位置）から１μｍ離間した位置に位置決め動作させた時における、ステージ装置１Ａの動作のシミュレーション結果を示しており、図１２は位置決め目標との誤差を拡大して示す図である。また、図中実線で示すのはワークテーブル３の位置であり、破線で示すのはＸテーブル１０の位置である。尚、各図において、縦軸はＸテーブル１０からの距離（単位：μｍ）であり、横軸は時間（単位：msec）である。
【００１１】
ワークテーブル３を上記のようにＸテーブル１０に対して位置決めした場合、相対的な位置決めは素早く行なわれる（約、時間２msecまでの間に行なわれる）が、その後においてワークテーブル３を駆動する反力によりＸテーブル１０には図中破線で示すような振動が発生し、このＸテーブル１０の振動によりワークテーブル３に振動が発生する。これは、図１２に示すように、ワークテーブル３の振動と、Ｘテーブル１０の振動が同期している点からも明らかである。
このように、従来のステージ装置１Ａでは、ワークテーブル３を所定位置に位置に位置決めする際、振動が発生するため位置決め精度が悪くなってしまう。また、位置決めの精度出しを行なうには振動が停止するまで待つ必要があり、高速の位置決め処理を行なうことができないという問題点があった。
【００１２】
上記したステージ装置１Ａでは、ボイスコイルモータ１５の反力がＸテーブル１０に伝達されることにより位置決め精度及び応答性の低下が生じることにより、図１０に示されるようなステージ装置１Ｂが考案されている。このステージ装置１Ｂは、ボイスコイルモータ１５の反力をＸテーブル１０に伝えないようにするため、ワークテーブル３に横方向に長く延出する拡張脚部２０を設け、この拡張脚部２０と定盤７との間にボイスコイルモータ１５を配設した構成としたものである。尚、定盤７とボイスコイルモータ１５との間には、エアベアリング２１が設けられている。
【００１３】
しかしながら、Ｘテーブル１０Ｂでは、拡張脚部２０によりワークテーブル３と定盤７との距離が離間しているため、発生した力を伝達するのが困難であった。具体的には、拡張脚部２０の重量と剛性にトレードオフがあり、高速動作の妨げとなってしまう。更に、ワークテーブル３より広く延出する拡張脚部２０を設ける上に、ボイスコイルモータ１５をガイドするエアベアリング２１等の構成を設ける必要があり、ステージ装置１Ｂが大型してしまう。
【００１４】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、装置の小型化を図りつつ、高速でかつ高精度な位置決め処理を行ないうるステージ装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項１記載の発明に係るステージ装置は、
被移動体が装着される第１のテーブルと、
粗動用のシリンダ機構と微動用のボイスコイルモータとにより構成され、該第１のテーブルをＺ方向に移動させるＺ方向駆動装置と、
該Ｚ方向駆動装置を搭載する第２のテーブルと、
該第２のテーブルを前記Ｚ方向に対し直交するＸ−Ｙ方向に移動させるＸ−Ｙ方向駆動装置と、
少なくとも前記Ｚ方向駆動装置と前記第２のテーブルとの間、または前記第１のテーブルと前記第２のテーブルとの間のいずか一方に配設されており、前記Ｚ方向駆動装置が発生する力が前記第２のテーブルに作用するのを抑制する緩衝装置とを備え、
前記緩衝装置を複数設けると共に、その内の一の緩衝装置を前記シリンダ機構に一体的に設け、他の緩衝装置を前記ボイスコイルモータと前記第２のテーブルとの間に設けたことを特徴とするものである。
請求項３記載の発明に係るステージ装置は、
被移動体が装着される第１のテーブルと、
該第１のテーブルの下方に配設され、該第１のテーブルをＺ方向に移動させる微動用のＺ方向駆動装置と、
該Ｚ方向駆動装置を搭載する第２のテーブルと、
該第２のテーブルを前記Ｚ方向に対し直交するＸ−Ｙ方向に移動させるＸ−Ｙ方向駆動装置と、
前記第１のテーブルの下面に配設されたピストン部と前記第２のテーブルの上面に配設されたシリンダ部とを有する、前記第１のテーブルをＺ方向に移動させる粗動用のエアシリンダ機構と、
前記Ｚ方向駆動装置と前記第２のテーブルとの間に設けられる緩衝装置とを有することを特徴とするものである。
【００１７】
上記発明によれば、Ｚ方向駆動装置と第２のテーブルとの間、第１のテーブルと第２のテーブルとの間、或いはその双方に緩衝装置を設け、この緩衝装置によりＺ方向駆動装置が発生する力が第２のテーブルに作用するのを抑制する構成としたため、Ｚ方向駆動装置により第２のテーブルが振動・変位することを防止できる。このため、第２のテーブルの振動・変位により第１のテーブルが振動・変位することはなく、よってＺ方向駆動装置により第１のテーブルを高速高精度に駆動することが可能となる。
【００１８】
また、請求項４記載の発明は、
請求項３記載のステージ装置において、
前記緩衝装置を弾性部材と減衰機構とにより構成したことを特徴とするものである。
【００１９】
上記発明によれば、緩衝装置が例えばバネ等の弾性部材と、ダンパ等の減衰機構とにより構成されるため、緩衝装置のコンパクト化及び低コスト化を図ることができる。
【００２０】
また、請求項５記載の発明は、
請求項４記載のステージ装置において、
前記第１のテーブルの質量をｍ １ 、前記Ｚ方向駆動装置の質量をｍ ２ 、前記エアシリンダ機構の弾性定数をｋ １ 、前記緩衝装置の弾性定数をｋ ２ 、前記エアシリンダ機構の減衰定数をｄ １ 、前記緩衝装置の減衰定数をｄ ２ としたとき、下式を満足するよう構成したことを特徴とするものである。
【００２１】
【数２】
【００２２】
また、請求項６記載の発明は、
請求項３乃至５のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記エアシリンダ機構が、粗動用シリンダ機構を構成し、
前記Ｚ方向駆動装置が、微動用のボイスコイルモータを構成することを特徴とするものである。
【００２３】
上記発明によれば、Ｚ方向駆動装置を用いて第１のテーブルをＺ方向に移動させる際、第１のテーブルを大きく移動させたい場合にはこれに適した粗動用のシリンダ機構を用い、第１のテーブルを微細に移動させたい場合にはこれに適した微動用のボイスコイルモータを用いることができる。このため、第１のテーブルの移動を応答性よく、かつ高精度に行なうことができる。
【００２４】
また、請求項７記載の発明は、
請求項６記載のステージ装置において、
弾性部材と減衰機構とにより構成される緩衝装置を前記エアシリンダ機構に一体的に設けたことを特徴とするものである。
【００２５】
上記発明によれば、緩衝装置とシリンダ機構とが一体化されるため、ステージ装置の小型化を図ることができる。
【００２６】
また、請求項８記載の発明は、
請求項３乃至７のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記Ｘ−Ｙ方向駆動装置が、リニアモータであることを特徴とするものである。
【００２７】
上記発明によれば、Ｘ−Ｙ方向駆動装置をリニアモータとしたことにより、第２のステージを高速かつ高精度に移動できると共に、非接触駆動によりクリーン性の向上及びメンテナンスフリーを実現することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００２９】
図１及び図２は、本発明の一実施例であるステージ装置３０Ａを示している。このステージ装置３０Ａは、被検査物（半導体基板，液晶装置，磁気・光記憶装置等）の検査を目的としたステージ装置である。このため、ステージ装置３０Ａの上部には検査用カメラ３９（一点鎖線で示す）が設けられている。
【００３０】
この検査用カメラ３９は、定盤３７にステージ装置３０Ａを跨ぐように配設された固定フレーム３８（一点鎖線で示す）に取り付けられている。ステージ装置３０Ａは、固定された検査用カメラ３９に対し、装着された被検査物を上下方向（図中、矢印Ｚ１，Ｚ２方向）に移動させることにより、検査用カメラ３９の焦点に被検査物を移動させる。尚、以下の説明においては、被検査物としてウェハＷを用いた例について説明するものとする。
【００３１】
ステージ装置３０Ａは、大略するとＸＹ方向駆動装置３５、Ｚ方向駆動装置３６Ａ、及び緩衝装置５０Ａ，５０Ｂとにより構成されている。ＸＹ方向駆動装置３５は、定盤３７上に配設されている。このＸＹ方向駆動装置３５は、Ｘテーブル４０とＹテーブル４１とを組み合わせた構成とされている。
【００３２】
Ｘテーブル４０は、Ｚ方向エアベアリング４２により定盤３７上に浮上した状態で支持されると共に、エアベアリング４４により、Ｙテーブル４１に対してその移動を案内される構成とされている。このＸテーブル４０は、Ｘ方向リニアモータ４３により図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動する構成とされている。
【００３３】
また、Ｙテーブル４１は、図示しないガイドレールによりその移動を案内される構成とされている。このＹテーブル４１は、図示しないＹ方向リニアモータにより図中矢印Ｙ１，Ｙ２方向に移動する構成とされている。
【００３４】
このように、ＸＹ方向駆動装置３５ではＸテーブル４０及びＹテーブル４１をリニアモータで駆動し、エアベアリングで移動を案内する構成としているため、各テーブル４０，４１を高速かつ高精度に移動できると共に、非接触駆動であるためクリーン性の向上及びメンテナンスフリーを実現することができる。
【００３５】
一方、Ｚ方向駆動装置３６はＸＹ方向駆動装置３５上（具体的には、Ｘテーブル４０上）に配設されており、大略するとワークテーブル３３，ボイスコイルモータ４５，シリンダ機構４６等により構成されている。
ワークテーブル３３はウェハＷを装着するものであり、このためワークテーブル３３にはウェハＷを固定するチャック（真空チャック，静電チャック等）が配設されている。このワークテーブル３３は、検査時においてボイスコイルモータ４５により高速微動する。そして、これにより検査用カメラ３９が、ウェハＷの所定撮像位置に合焦点するよう構成されている。
【００３６】
この際、検査用カメラ３９の撮像領域はウェハＷの面積よりも小さいため、検査用カメラ３９がウェハＷの全面を検査（撮像）できるよう、ウェハＷは検査用カメラ３９に対して走査される。この検査用カメラ３９に対するウェハＷの走査は、前記したＸＹ方向駆動装置３５により実施される。
【００３７】
ボイスコイルモータ４５は、コイル４５ａと磁石４５ｂとにより構成されている。このボイスコイルモータ４５は、シリンダ機構４６の外周位置に複数個配設されている。
【００３８】
ボイスコイルモータ４５を構成するコイル４５ａは、ワークテーブル３３に垂下されるよう配設されている。また、磁石４５ｂは対向離間した一対の永久磁石により構成されている。コイル４５ａは、この一対の磁石４５ｂの間に位置する構成とされおり、よってコイル４５ａに電流を流し励磁することにより、電流の向きに応じてワークテーブル３３は図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に移動する。
【００３９】
一方、ワークテーブル３３は、ウェハＷを装着脱するときには長いストローク動作（粗動）が要求される。このため、Ｚ方向駆動装置３６には上記したボイスコイルモータ４５に加え、粗動用のシリンダ機構４６が設けられている。
【００４０】
シリンダ機構４６は、Ｘテーブル４０に配設されたシリンダ部４７とワークテーブル３３に配設されたピストン部４８とにより構成されている。そして、エアー導入管４９よりエアーを供給或いは排気することにより、ワークテーブル３３を図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に移動する構成とされている。
【００４１】
このように、ワークテーブル３３をＺ１，Ｚ２方向に移動させる際、ワークテーブル３３を大きく移動させたい場合にはこれに適した粗動用のシリンダ機構４６を用い、ワークテーブル３３を微細に移動させたい場合にはこれに適した微動用のボイスコイルモータ４５を用いることにより、ワークテーブル３３（即ち、ウェハＷ）の移動を応答性よく、かつ高精度に行なうことができる。
【００４２】
続いて、緩衝装置５０Ａ，５０Ｂについて説明する。この緩衝装置５０Ａ，５０Ｂは、後に詳述するようにボイスコイルモータ４５の駆動によりＸテーブル４０に印加される反力を減衰させ無くする機能を奏するものである。この緩衝装置５０Ａ，５０は、それぞれバネ部材５１Ａ，５１Ｂとダンパ５２Ａ，５２Ｂとよりなるコンパクトな構成とされている。
【００４３】
緩衝装置５０Ａは、ワークテーブル３３とＸテーブル１０との間に配設されている。具体的には、緩衝装置５０Ａは、ワークテーブル３３に設けられたピストン部４８とＸテーブル１０との間に配設されている。また、緩衝装置５０Ｂはボイスコイルモータ４５の配設数と同数配設されており、このボイスコイルモータ４５とＸテーブル１０との間に配設される。このように、緩衝装置５０Ａをシリンダ機構４６内に組み込むことにより、緩衝装置５０Ａとシリンダ機構４６は一体化され、ステージ装置３０Ａの小型化を図ることができる。
【００４４】
続いて、上記構成とされたステージ装置３０Ａにおいて、緩衝装置５０Ａ，５０Ｂを構成するバネ部材５１Ａ，５１Ｂのバネ定数ｋ１，ｋ２、及びダンパ５２Ａ，５２Ｂの減衰定数ｄ１，ｄ２の設定について説明する。
【００４５】
いま、図２に示すように、上記したステージ装置３０Ａを構成する各構成要素の質量，バネ定数，及び減衰定数を次のように定義する。
▲１▼ ピストン部４８，コイル４５ａ等を含むワークテーブル３３と一体的に移動するものの質量をワークテーブル質量ｍ１とする。
▲２▼ 全てのボイスコイルモータ４５の質量（コイル４５ａを除く）をモータ質量ｍ２とする。
▲３▼ Ｘテーブル４０と一体的に移動するものの質量をＸテーブル質量ｍ３とする。
▲４▼ 緩衝装置５０Ａのバネ部材５１Ａのバネ定数を第１のバネ定数ｋ１、緩衝装置５０Ａのダンパ５２Ａの減衰定数を第１の減衰定数ｄ１とする。
▲５▼ 複数の緩衝装置５０Ｂにそれぞれに設けられているのバネ部材５１Ｂ全体としての総バネ定数を第２のバネ定数ｋ２、複数の緩衝装置５０Ｂにそれぞれに設けられているのダンパ５２Ｂ全体としての総減衰定数を第２の減衰定数ｄ２とする。
▲６▼ ワークテーブル３３の図中矢印Ｚ１方向の移動量を＋ｚ１とする。
▲７▼ ボイスコイルモータ４５の図中矢印Ｚ１方向の移動量を＋ｚ２とする。
▲８▼ Ｘテーブル４０の図中矢印Ｚ１方向の移動量を＋ｚ３とする。
▲９▼ ボイスコイルモータ４５で発生する力をｆ１とする（コイル４５ａ，磁石４５ｂの双方に発生する）。
【００４６】
上記の各パラメータを用いて、ワークテーブル３３及びボイスコイルモータ４５の運動方程式を求めると次式となる。
【００４７】
【数３】
【００４８】
【数４】
【００４９】
【数５】
【００５０】
【数６】
【００５１】
【数７】
【００５２】
【数８】
【００５３】
【数９】
【００５４】
これにより、ボイスコイルモータ４５の駆動によりＸテーブル４０が振動・変位することを防止でき、従ってＸテーブル４０の振動・変位によりワークテーブル３３が振動・変位することはなくなるため、ワークテーブル３３を高速でかつ高精度に駆動することが可能となる。
【００５５】
図３乃至図６は、一実施例であるステージ装置３０Ａの効果を示す図である。図３は、ワークテーブル３３を基準位置（０μｍ位置）から１μｍ離間した位置に位置決め動作させた時における、ステージ装置３０Ａの動作のシミュレーション結果を示しており、図４は位置決め目標との誤差を拡大して示す図である。
【００５６】
また、図５はシミュレーション時に上記した（１１）式及び（１２）式の値に約１０パーセントの誤差を持たせた時における、ステージ装置３０Ａの動作のシミュレーション結果を示している。本シミュレーションにおいても、ワークテーブル３３を基準位置（０μｍ位置）から１μｍ離間した位置に位置決め動作させた時におけるステージ装置３０Ａの動作を示している。また、図４は位置決め目標との誤差を拡大して示す図である。
【００５７】
尚、図中実線で示す（矢印Ａで示す）のはワークテーブル３３の位置であり、破線で示す（矢印Ｂで示す）のはＸテーブル４０の位置であり、一点鎖線（矢印Ｃで示す）のはボイスコイルモータの位置である。また、各図において、縦軸はＸテーブル４０からの距離（単位：μｍ）であり、横軸は時間（単位：msec）である。
【００５８】
先ず、図３及び図４に注目する。Ｘテーブル４０に対してワークテーブル３３を位置決めする際、ボイスコイルモータ４５を駆動する。しかしながら、ボイスコイルモータ４５を駆動しても、本実施例に係るステージ装置３０Ａでは、ボイスコイルモータ４５で発生する駆動力の反力は緩衝装置５０Ａ，５０Ｂにより減衰・吸収されてＸテーブル４０への印加が抑制されている。
【００５９】
よって、矢印Ｂで示すようにＸテーブル４０は振動することはなく、安定した状態を維持する。またこれにより、図３及び図４に矢印Ａで示すように、ワークテーブル３３も振動することなく安定した状態となる。従って図３及び図４に示したシミュレーション結果より、本実施例に係るステージ装置３０Ａによれば、ワークテーブル３３の位置決めを高精度かつ短時間で行ない得ることが実証された。
【００６０】
また、図５及び図６に示すように、上記した（１１）式及び（１２）式の値に約１０パーセントの誤差を持たせた場合であっても、そのシミュレーション結果は先に示した図３及び図４の結果と略同等の結果となっている。
即ち、図中矢印Ｃで示すように、ボイスコイルモータにある程度の振動が発生するものの、Ｘテーブル４０への影響は小さく、各図に矢印Ｂで示すように、Ｘテーブル４０は振動することはなく安定した状態を維持する。またこれにより、図５及び図６に矢印Ａで示すように、ワークテーブル３３も振動することなく安定した状態となる。従って図５及び図６に示したシミュレーション結果より、（１１）式及び（１２）式の値を満足するよう各パラメータ（ｄ１，ｄ２，ｋ１，ｋ２）を高精度に設定する必要はないことが判る。本発明者のシミュレーション結果によれば、要求される精度にもよるが、各パラメータ（ｄ１，ｄ２，ｋ１，ｋ２）の値が±２０パーセントの範囲で変動しても、ワークテーブル３３の位置決めを高精度かつ短時間で行ない得ることができた。
【００６１】
次に、図７及び図８を参照しつつ、上記したステージ装置３０Ａの変形例について説明する。尚、図７及び図８において、図１に示した構成と同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。
図７は、ステージ装置３０Ａの第１変形例であるステージ装置３０Ｂを示している。ステージ装置３０Ａでは、シリンダ機構４６の内部にも緩衝装置５０Ａを設けた構成としていた。これに対し、本実施例では緩衝装置５０Ａを除き、緩衝装置５０Ｂのみでボイスコイルモータ４５で発生する反力がＸテーブル４０に伝達しないよう構成したものである。
【００６２】
例えば、ワークテーブル質量ｍ１が小さい等により、緩衝装置に要求される減巣力が小さい場合には、必ずしもシリンダ機構４６内に緩衝装置５０Ａを設ける必要はなく、これによりステージ装置３０Ｂの部品点数の削減及び製品コストの低減を図ることができる。
【００６３】
また、図８はステージ装置３０Ａの第２変形例であるステージ装置３０Ｃを示している。ステージ装置３０Ａでは、緩衝装置５０Ａ，５０Ｂをコイルバネよりなるバネ部材５１Ａ，５１Ｂとダンパ５２Ａ，５２Ｂにより構成した。これに対し、本変形例では、緩衝装置５０Ｃを板バネよりなるバネ部材５１Ｃとダンパ５２Ｃとにより構成すると共に、緩衝装置５０Ｄを板バネよりなるバネ部材５１Ｄとダンパ５２Ｄとにより構成したことを特徴とするものである。
【００６４】
このように、バネ部材５１Ｃ，５１Ｄを板バネにより構成することにより、板バネであるバネ部材５１Ｃ，５１Ｄの可撓方向（弾性変形方向）は主にＺ方向となり、Ｘ方向及びＹ方向への変形は殆ど発生しない。このため、Ｚ方向以外の方向に対するワークテーブル３３の不要な変位を規制することができ、ワークテーブル３３を安定動作させることが可能となる。
【００６５】
尚、上記した本発明は、半導体装置の製造過程のみならず、マイクロマシン，ＩＴ用光通信部品等、今後微細加工を必要とする分野に広く適用することが可能である。即ち、現在のマイクロマシン製造技術の多くは半導体製造技術を利用しており、本発明を用いることにより、より精度の高い検査を行なうことが可能となる。
また、レーザ加工の分野では、サブミクロンの精度で超高速に動くステージが要求されている。また、複雑な形状を加工するために、自由度の高いステージが必要となる。従来のステージ装置では、これらの要求を満たすものは無かったが、本発明のステージ装置は、高精度，高速を実現できるため、レーザ加工用ステージとしても用いることができる。更に、本発明は、上記した分野だけではなく、超精密機器，超精密計測装置，マウンター等の、電子部品の組み立て、検査装置，或いはオフィスオートメーション分野においても適用することが可能である。
【００６６】
更に、本実施例では、ステージ装置３０Ａに複数配設される緩衝装置５０Ｂ（第２の減衰機構となる）のバネ部材５１Ｂ及びダンパ５２Ｂの特性が全て同一であるという条件のもとで上記した各式をたてたが、複数配設される各緩衝装置５０Ｂの特性をそれぞれ異ならせることも可能である。この場合における上記の式（１１）及び式（１２）は、下式のようになる。
【００６７】
【数１０】
【００６８】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、次に述べる種々の効果を実現することができる。
【００６９】
請求項１又は３記載の発明によれば、Ｚ方向駆動装置により第２のテーブルが振動・変位することを防止できるため、第２のテーブルの振動・変位により第１のテーブルが振動・変位することはなく、よってＺ方向駆動装置により第１のテーブルを高速高精度に駆動することが可能となる。
【００７０】
また、請求項４記載の発明によれば、緩衝装置が例えばバネ等の弾性部材と、ダンパ等の減衰機構とにより構成されるため、緩衝装置のコンパクト化及び低コスト化を図ることができる。
【００７１】
また、請求項５記載の発明によれば、第１のテーブルの振動・変位を確実に抑制することができる。
【００７２】
また、請求項６記載の発明によれば、第１のテーブルを大きく移動させたい場合にはこれに適した粗動用のシリンダ機構を用い、第１のテーブルを微細に移動させたい場合にはこれに適した微動用のボイスコイルモータを用いるため、第１のテーブルの移動を応答性よく、かつ高精度に行なうことができる。
【００７３】
また、請求項７記載の発明によれば、緩衝装置とシリンダ機構とが一体化されるため、ステージ装置の小型化を図ることができる。
【００７４】
また、請求項２又は８記載の発明によれば、第２のステージを高速かつ高精度に移動できると共に、非接触駆動によりクリーン性の向上及びメンテナンスフリーを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるステージ装置の要部構成図である。
【図２】図１に示すステージ装置の運動方程式に用いる各パラメータを示す図である。
【図３】本発明の一実施例であるステージ装置の動作のシミュレーションを行なった結果を示す図である。
【図４】図３において、目標値との誤差を拡大して示す図である。
【図５】図３に示すシミュレーションに対して誤差を１０パーセント持たせたときの、ステージ装置の動作のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】図５において、目標値との誤差を拡大して示す図である。
【図７】図１に示したステージ装置の第１変形例であるステージ装置の要部構成図である。
【図８】図１に示したステージ装置の第２変形例であるステージ装置の要部構成図である。
【図９】従来の一例であるステージ装置の要部構成図である（その１）。
【図１０】従来の一例であるステージ装置の要部構成図である（その２）。
【図１１】図９に示すステージ装置の動作のシミュレーションを行なった結果を示す図である。
【図１２】図１１において、目標値との誤差を拡大して示す図である。
【符号の説明】
３０Ａ〜３０Ｃ ステージ装置
３３ ワークテーブル
３５ ＸＹ方向駆動装置
３６Ａ〜３６Ｃ Ｚ方向駆動装置
４０ Ｘテーブル
４１ Ｙテーブル
４３ Ｘ方向リニアモータ
４５ ボイスコイルモータ
４６ シリンダ機構
４７ シリンダ部
４８ ピストン部
４９ エアー導入管
５０Ａ〜５０Ｄ 緩衝装置
５１Ａ〜５１Ｄ バネ部材
５２Ａ〜５２Ｄ ダンパ
Claims (8)
- 被移動体が装着される第１のテーブルと、
粗動用のシリンダ機構と微動用のボイスコイルモータとにより構成され、該第１のテーブルをＺ方向に移動させるＺ方向駆動装置と、
該Ｚ方向駆動装置を搭載する第２のテーブルと、
該第２のテーブルを前記Ｚ方向に対し直交するＸ−Ｙ方向に移動させるＸ−Ｙ方向駆動装置と、
少なくとも前記Ｚ方向駆動装置と前記第２のテーブルとの間、または前記第１のテーブルと前記第２のテーブルとの間のいずか一方に配設されており、前記Ｚ方向駆動装置が発生する力が前記第２のテーブルに作用するのを抑制する緩衝装置とを備え、
前記緩衝装置を複数設けると共に、その内の一の緩衝装置を前記シリンダ機構に一体的に設け、他の緩衝装置を前記ボイスコイルモータと前記第２のテーブルとの間に設けた、ステージ装置。 - 請求項１に記載のステージ装置において、
前記Ｘ−Ｙ方向駆動装置が、リニアモータであることを特徴とするステージ装置。 - 被移動体が装着される第１のテーブルと、
該第１のテーブルの下方に配設され、該第１のテーブルをＺ方向に移動させる微動用のＺ方向駆動装置と、
該Ｚ方向駆動装置を搭載する第２のテーブルと、
該第２のテーブルを前記Ｚ方向に対し直交するＸ−Ｙ方向に移動させるＸ−Ｙ方向駆動装置と、
前記第１のテーブルの下面に配設されたピストン部と前記第２のテーブルの上面に配設されたシリンダ部とを有する、前記第１のテーブルをＺ方向に移動させる粗動用のエアシリンダ機構と、
前記Ｚ方向駆動装置と前記第２のテーブルとの間に設けられる緩衝装置とを有することを特徴とするステージ装置。 - 請求項３記載のステージ装置において、
前記緩衝装置を弾性部材と減衰機構とにより構成したことを特徴とするステージ装置。 - 請求項４記載のステージ装置において、
前記第１のテーブルの質量をｍ１、前記Ｚ方向駆動装置の質量をｍ２、前記エアシリンダ機構の弾性定数をｋ１、前記緩衝装置の弾性定数をｋ２、前記エアシリンダ機構の減衰定数をｄ１、前記緩衝装置の減衰定数をｄ２としたとき、下式を満足するよう構成したことを特徴とするステージ装置。
- 請求項３乃至５のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記エアシリンダ機構が、粗動用シリンダ機構を構成し、
前記Ｚ方向駆動装置が、微動用のボイスコイルモータを構成することを特徴とするステージ装置。 - 請求項６記載のステージ装置において、
弾性部材と減衰機構とにより構成される緩衝装置を前記エアシリンダ機構に一体的に設けたことを特徴とするステージ装置。 - 請求項３乃至７のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記Ｘ−Ｙ方向駆動装置が、リニアモータであることを特徴とするステージ装置。
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