JP4277183B2 - Ｘｙステージ - Google Patents

Description

本発明は、プローバ、ハンドラ、ステッパ等に用いられ、対象物の２次元位置決めをするＸＹステージに関する。

格子プラテンと、その上面をＸ軸方向及びＹ軸方向にスライドして位置制御されるスライダ部を有するＸＹステージの構造及びスライダ部のヨーイングの抑制については、特許文献１及び２に詳細に開示されている。

特開２０００−６５９７０号公報 特開２００１−１２５６４８号公報

図４は特許文献１に開示されている従来構造のＸＹステージの基本構造を示す斜視図である。１０は水平に固定配置された格子プラテンであり、Ｘ方向及びＹ方向に沿って一定ピッチで歯が形成されている。図では簡略のため一部の歯だけを示している。格子プラテンは磁性体の平坦面に格子状に溝を切ることによって形成される。

２０は、格子プラテン上面をＸ方向及びＹ方向にスライドして位置決め制御されるスライダ部であり、この上部にワーク及び位置決めの対象となるターゲット（図示せず）が搭載される。浮揚手段２１は、格子プラテン１０に対向する裏面にノズルが設けられていて圧縮空気を噴射させることでライダ２０を格子プラテン１０上に浮揚させる。

３１及び３２はスライダ部２０の上部にＸ方向に所定距離を持って固定配置された第１のＸ軸センサ及び第２のＸ軸センサである。３３は同様にスライダ部２０の上部に固定配置されたＹ軸センサである。

１１は、格子プラテン１０のＸ軸の一端部にＸ軸に直交して固定配置された所定高さを有するＸ軸ミラーであり、第１のＸ軸センサ３１及び第２のＸ軸センサ３２と対向する。１２は、格子プラテン１０のＹ軸の一端部にＹ軸に直交して固定配置された所定高さを有するＹ軸ミラーであり、Ｙ軸センサ３３と対向する。

第１のＸ軸センサ３１、第２のＸ軸センサ３２及びＹ軸センサ３３は光学的な距離測定装置であり、レーザビームをＸ軸ミラー１１及びＹ軸ミラー１２に照射し反射光を受光し干渉を利用して移動距離を測定することでスライダ部２０のＸ方向及びＹ方向の位置を測定する。ＰＸ１及びＰＸ２は第１のＸ軸センサ３１及び第２のＸ軸センサ３２によるＸ軸方向距離測定値、ＰＹはＹ軸センサ３３によるＹ方向距離測定値である。

４１は第１のＸ軸制御部であり、測定値ＰＸ１と位置指令信号ＳＸ１の偏差に基づいてスライダ部２０に形成された第１のＸ軸モータに電流の操作信号ＭＸ１を発信する。４２は第２のＸ軸制御部であり、測定値ＰＸ２と位置指令信号ＳＸ２の偏差に基づいてスライダ部２０に形成された第２のＸ軸モータに電流の操作信号ＭＸ２を発信する。４３はＹ軸制御部であり、測定値ＰＹと位置指令信号ＳＹの偏差に基づいてスライダ部２０に形成されたＹ軸モータに電流の操作信号ＭＹを発信する。

第１のＸ軸モータ, 第２のＸ軸モータ, Ｙ軸モータの構造、位置制御サーボ系の構成、ヨーイング抑制の手法等については、特許文献１及び２に詳細に開示されているので説明を省略する。

図５は、格子プラテン１０上を浮揚して移動するスライダ部２０のピッチング及びローリングのイメージ図である。スライダ部２０がＸ方向に移動しているときに、点線の矢印で示すＸ方向のゆれＰがピッチングであり、直交する一点鎖線の矢印で示すＹ方向のゆれＲがローリングである。

スライダ部に搭載されるターゲットが極めて高い位置決め精度を要求する場合には、浮揚して移動するスライダ部のピッチング及びローリングを抑制する必要がある。特許文献１及び２記載の技術では、スライダ部のＺ軸方向の回転であるヨーイングは抑制可能であるが、ピッチング及びローリングについては対応できない。

本発明の目的は、スライダ部が移動しているときも、停止しているときも、ピッチング及びローリングを抑制する機能を具備したＸＹステージを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
位置決め対象となるターゲットが上面に搭載され、Ｘ軸モータ、Ｙ軸モータが形成されるスライダ部と、このスライダ部を圧縮空気の噴出によりプラテン上に浮揚させる浮揚手段とを備え、前記スライダ部を前記プラテン上でＸ軸モータ、Ｙ軸モータにより２次元方向に位置制御するＸＹステージにおいて、
前記スライダ部のＸ軸方向の両端部に取り付けられた距離計で構成され、前記スライダ部のピッチング角を検出するための信号を出力する第１のＺ軸センサと、
前記スライダ部のＹ軸方向の両端部に取り付けられた距離計で構成され、前記スライダ部のローリング角を検出するための信号を出力する第２のＺ軸センサと、
前記第１のＺ軸センサに近接して設けられた第１のＺ軸コイルと、
前記第２のＺ軸センサに近接して設けられた第２のＺ軸コイルと、
前記第１のＺ軸センサの測定値と前記スライダ部のＸ方向距離に基づきピッチング角を検出し、このピッチング角に基づいて前記第１のＺ軸コイルの励磁を制御するピッチング制御手段と、
前記第２のＺ軸センサの測定値と前記スライダ部のＹ方向距離に基づきローリング角を検出し、このローリング角に基づいて前記第２のＺ軸コイルの励磁を制御するローリング制御手段と、
を有することを特徴とするＸＹステージである。

請求項２記載の発明は、
前記第1のＺ軸センサは、前記スライダ部のＹ軸方向の中央部に取り付けられ、
前記第2のＺ軸センサは、前記スライダ部のＸ軸方向の中央部に取り付けられたことを特徴とする請求項１記載のＸＹステージである。

請求項３記載の発明は、
前記第１のＺ軸センサ及び前記第２のＺ軸センサにより測定したスライダ部のＺ方向位置に基づいて前記第１のＺ軸コイル及び前記第２のＺ軸コイルを励磁し、スライダ部のＺ軸方向位置を制御する位置制御手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載のＸＹステージである。

請求項４記載の発明は、
前記スライダ部は格子プラテン上を移動し、前記第１及び第２のＺ軸コイルにおける前記格子プラテンと対向するコアの長さは、前記格子プラテンの格子ピッチの整数倍であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＸＹステージである。

請求項５記載の発明は、
前記第１の及び第２のＺ軸センサは、前記スライダ部と前記格子プラテン間の静電容量に基づいて距離測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＸＹステージである。

請求項６記載の発明は、
前記第１の及び第２のＺ軸センサは、前記スライダ部より前記格子プラテンにレーザ光を照射しその散乱光の角度を測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＸＹステージである。

請求項７記載の発明は、
前記格子プラテンの平面度を測定して保持する補正テーブル手段と、この補正テーブルを参照して前記散乱光の角度測定値を補正する補正手段を設けたことを特徴とする請求項６に記載のＸＹステージである。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果が得られる。
（１）スライダ部が移動しているときも、停止しているときも、ピッチング及びローリングを抑制する機能を具備したＸＹステージを実現できる。
（２）ピッチング及びローリング制御に加えて、スライダ部の位置を一定にする制御機能を具備せしめることで、ピッチング及びローリング抑制精度を更に向上させたＸＹステージを実現できる。
（３）ピッチング制御手段、ローリング制御手段、位置制御手段を独立させることにより、相互干渉のないピッチング, ローリング抑制が可能である。
（４）Ｚ軸コイルにおける格子プラテンと対向するコアの長さを、格子ピッチの整数倍に選定することにより、精度の高いサーボ制御を実現することができる。
（５）Ｚ軸センサとしてレーザ光の散乱光角を測定する距離計を用いる場合には、プラテンの平面度の補正テーブルによる角度補正により、高精度の距離測定が可能である。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
以下本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１は本発明を適用したＸＹステージの一例を示す平面図及び側面図であり、図４の従来例で説明した要素と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

図１（Ａ）は、格子プラテン１０とスライダ部２０の平面図、（Ｂ）はＸ軸方向の側面図（Ｙ軸方向センサは図示せず）である。スライダ部２０は、圧縮空気の噴射により格子プラテン１０の上面に微小空隙を持って浮揚している。浮揚手段はこの空隙を一定に制御する機能を持たないために、スライダ部の移動に伴い図５で説明したピッチング及びローリングが発生する。

Ｚ１センサ１０１及びＺ２センサ１０２は、スライダ部２０のＸ軸方向の両端部に取り付けられた距離計であり、スライダ部がＸ軸方向に移動しているときに、スライダ部のＸ軸方向のピッチング角を検出する第１のＺ軸センサを形成する。

同様に、Ｚ３センサ１０３及びＺ４センサ１０４はスライダ部２０のＹ軸方向の両端部に取り付けられた距離計であり、スライダ部がＸ軸方向に移動しているときに、スライダ部のＹ軸方向のローリング角を検出する第２のＺ軸センサを形成する。

スライダ部がＹ軸方向に移動しているときは、Ｚ３センサ１０３及びＺ４センサ１０４でピッチング角を検出し、Ｚ１センサ１０１及びＺ２センサ１０２でローリング角を検出する。

図１（Ｂ）に示すように、Ｚ１センサ１０１及びＺ２センサ１０２は、センサ位置におけるスライダ部２０と格子プラテン１０間の距離ｄ１及びｄ２を測定する。図示されていないが、同様にＺ３センサ１０３及びＺ４センサ１０４は、センサ位置におけるスライダ部２０と格子プラテン１０間の距離ｄ３及びｄ４を測定する。

Ｚ１センサ１０１とＺ２センサ１０２間の距離及びＺ３センサ１０３及びＺ４センサ１０４間の距離は、ここでは同一距離Ｌであるが異なっていてもよい。Ｚ１センサ１０１とＺ２センサ１０２の距離測定値ｄ１及びｄ２とスライダ部のＸ方向距離Ｌに基づいてピッチング角を検出する。同様に、Ｚ３センサ１０３及びＺ４センサ１０４の測定値ｄ３及びｄ４とスライダ部のＹ方向距離Ｌに基づいてスライダ部のＹ方向のローリング角を検出する。

ピッチング角ｐｚ及びローリング角ｒｚは、次式で近似計算される。
ｐｚ＝（ｄ１−ｄ２）／Ｌ （１）
ｒｚ＝（ｄ３−ｄ４）／Ｌ （２）

更に、４個の距離計の測定値ｄ１乃至ｄ４に基づいてスライダ部２０と格子プラテン１０間のＺ方向平均距離ｈｚが次式で計算される。
ｈｚ＝（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３＋ｄ４）／４ （３）

Ｚ１コイル１０５及びＺ２コイル１０６は、Ｚ１センサ１０１及びＺ２センサ１０２に夫々近接して設けられ、第１のＺ軸コイルを形成する。同様に、Ｚ３コイル１０７及びＺ４コイル１０８は、Ｚ３センサ１０３及びＺ４センサ１０４に夫々近接して設けられ、第２のＺ軸コイルを形成する。これらコイルに励磁電流を流すことにより、図１（Ｂ）に示すように、スライダ部２０と格子プラテン１０間に吸引力が発生し、空隙の距離ｄ１乃至ｄ４を個別に制御することができる。

図２は、ピッチング制御手段, ローリング制御手段, 位置制御手段の具体的な構成例を示す機能ブロック図である。１０９乃至１１２は電流増幅器であり、夫々Ｚ１コイル１０５乃至Ｚ４コイル１０８にサーボ制御のための励磁電流ｉ１乃至ｉ４を供給する。

Ｚ１センサ１０１の測定値ｄ１とＺ２センサ１０２の測定値ｄ２は、減算器１１３で差が計算され、１／Ｌ演算部１１４により前記（１）式のピッチング角ｐｚが算出される。Ｚ３センサ１０３の測定値ｄ３とＺ４センサ１０４の測定値ｄ４は、減算器１１５で差が計算され、１／Ｌ演算部１１６により前記（２）式のローリング角ｒｚが算出される。Ｚ１センサ乃至Ｚ４センサの側定値ｄ１乃至ｄ４は、加算器１１７で加算され、１／４演算部１１８により前記（３）式の位置ｈｚが算出される。

減算器１１９は、ピッチング角測定値ｐｚとピッチング角指令部１２０の設定値ｐｓ（０°）の差を誤差増幅器１２１に与える。減算器１２２は、ローリング角測定値ｒｚとローリング角指令部１２３の設定値ｒｓ（０°）の差を誤差増幅器１２４に与える。減算器１２５は、位置測定値ｈｚと位置指令部１２６の設定値ｈｓの差を誤差増幅器１２７に与える。

ピッチング角を制御する誤差増幅器１２１の出力ｖｐは、加算器１２８及び減算器１２９を介して電流増幅器１０９及び１１０に与えられ、Ｚ１コイル１０５及び１０６の励磁電流ｉ１及びｉ２を可逆的に操作し、ピッチング角ｐｚがゼロとなるように制御する。

同様に、ローリング角を制御する誤差増幅器１２４の出力ｖｒは、加算器１３０及び減算器１３１を介して電流増幅器１１１及び１１２に与えられ、Ｚ３コイル１０７及び１０８の励磁電流ｉ３及びｉ４を可逆的に操作し、ローリング角ｒｚがゼロとなるように制御する。

スライダの位置を制御する誤差増幅器１２７の出力ｖｈは、加算器１２８, １３０及び減算器１２９, １３１を介して電流増幅器１０９乃至１１２にあたえられ、Ｚ１コイル乃至Ｚ４コイルの励磁電流ｉ１乃至ｉ４を操作し、スライダ部２０と格子プラテン１０間の距離が設定値ｈｓとなるように制御する。

このように、ピッチング制御手段及びローリング制御手段に加えて、スライダ部の位置（Ｚ軸方向の距離）を一定にする位置制御手段を設けることで、ピッチング角及びローリング角の抑制精度を向上させることができる。

更に本発明では、ピッチング制御手段、ローリング制御手段、位置制御手段が独立したサーボ系を構成しており、各制御系が互いに他の制御系の物理量に影響を与える相互干渉を回避することができる。

図３は、Ｚ１コイル乃至Ｚ４コイルを構成するコアの長さと格子プラテン１０の格子ピッチの関係を示す概念図であり、Ｚ１コイルで代表して説明する。図３（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。１０５はＺ１コイルの巻線、１０５ａはコアであり、格子プラテン１０におけるハッチング部は非磁性体を示す。

図３（Ａ）において、正面側のコア幅Ｗは格子ピッチＰの整数倍、即ちＷ＝ｎＰに設計されている。図３（Ｂ）において、側面側のコア幅Ｄ１, Ｄ２は格子ピッチＰの整数倍、即ちＤ１＝Ｄ２＝ｍＰ（ｍは整数）に設計されている。更にコアの突極間距離Ｇは、突極内の磁束分布のバラツキによる横方向への力（コギング）やピッチングが発生する場合は、これらを打ち消し合うように設定されている。

このようなコアと格子ピッチの設定により、コアと格子同士の対向面積は常に一定となり、スライダ部２０が格子プラテン１０上のどの位置にあっても各コイルにより発生する吸引力を均一にすることができ、サーボの制御精度を向上させることができる。

第１及び第２のＺ軸センサは距離計で実現されるが、具体的にはセンサと格子プラテン間の静電容量を測定する手法や、プラテン面にレーザ光を当て散乱光の角度を測定する手法がある。この場合、予めプラテン面の平面度を測定し補正テーブル化しておき、センサ位置により散乱光角度を補正して測定精度を向上させることができる。これは、格子プラテンの平面度を測定して保持する補正テーブル手段と、この補正テーブルを参照して散乱光の角度測定値を補正する補正手段を設けることにより実現する。

本発明を適用したＸＹステージの平面図及び側面図である。 本発明のピッチング制御手段、ローリング制御手段、位置制御手段の構成例を示す機能ブロック図である。 Ｚ軸コイルにおける格子プラテンと対向するコアの長さと格子ピッチの関係を説明する正面図及び側面図である。 従来ＸＹステージの構造を説明する斜視図である。 スライダ部に発生するピッチング及びローリングのイメージを説明する斜視図である。

符号の説明

１０ 格子プラテン
２０ スライダ部
１０１ Ｚ１センサ
１０２ Ｚ２センサ
１０３ Ｚ３センサ
１０４ Ｚ４センサ
１０５ Ｚ１コイル
１０６ Ｚ２コイル
１０７ Ｚ３コイル
１０８ Ｚ４コイル

Claims (7)

1. 位置決め対象となるターゲットが上面に搭載され、Ｘ軸モータ、Ｙ軸モータが形成されるスライダ部と、このスライダ部を圧縮空気の噴出によりプラテン上に浮揚させる浮揚手段とを備え、前記スライダ部を前記プラテン上でＸ軸モータ、Ｙ軸モータにより２次元方向に位置制御するＸＹステージにおいて、
   前記スライダ部のＸ軸方向の両端部に取り付けられた距離計で構成され、前記スライダ部のピッチング角を検出するための信号を出力する第１のＺ軸センサと、
   前記スライダ部のＹ軸方向の両端部に取り付けられた距離計で構成され、前記スライダ部のローリング角を検出するための信号を出力する第２のＺ軸センサと、
   前記第１のＺ軸センサに近接して設けられた第１のＺ軸コイルと、
   前記第２のＺ軸センサに近接して設けられた第２のＺ軸コイルと、
   前記第１のＺ軸センサの測定値と前記スライダ部のＸ方向距離に基づきピッチング角を検出し、このピッチング角に基づいて前記第１のＺ軸コイルの励磁を制御するピッチング制御手段と、
   前記第２のＺ軸センサの測定値と前記スライダ部のＹ方向距離に基づきローリング角を検出し、このローリング角に基づいて前記第２のＺ軸コイルの励磁を制御するローリング制御手段と、
   を有することを特徴とするＸＹステージ。
2. 前記第１のＺ軸センサは、前記スライダ部のＹ軸方向の中央部に取り付けられ、
   前記第２のＺ軸センサは、前記スライダ部のＸ軸方向の中央部に取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載のＸＹステージ。
3. 前記第１のＺ軸センサ及び前記第２のＺ軸センサにより測定したスライダ部のＺ方向位置に基づいて前記第１のＺ軸コイル及び前記第２のＺ軸コイルを励磁し、スライダ部のＺ軸方向位置を制御する位置制御手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載のＸＹステージ。
4. 前記スライダ部は格子プラテン上を移動し、前記第１及び第２のＺ軸コイルにおける前記格子プラテンと対向するコアの長さは、前記格子プラテンの格子ピッチの整数倍であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＸＹステージ。
5. 前記第１の及び第２のＺ軸センサは、前記スライダ部と前記格子プラテン間の静電容量に基づいて距離測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＸＹステージ。
6. 前記第１の及び第２のＺ軸センサは、前記スライダ部より前記格子プラテンにレーザ光を照射しその散乱光の角度を測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＸＹステージ。
7. 前記格子プラテンの平面度を測定して保持する補正テーブル手段と、この補正テーブルを参照して前記散乱光の角度測定値を補正する補正手段を設けたことを特徴とする請求項６に記載のＸＹステージ。

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