JP4345057B2

JP4345057B2 - 位置決め装置

Info

Publication number: JP4345057B2
Application number: JP2004123136A
Authority: JP
Inventors: 中村　　剛
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2024-04-19
Also published as: JP2005310906A

Description

本発明は、ステージを移動させて、ステージの位置決めを可能にした位置決め装置に関するものである。特に、半導体製造装置などで、例えば、１０^-5Ｐａ台もしくはそれ以上の高真空を必要とする環境下で利用される位置決め装置に関するものである。この位置決め装置は、例えば、半導体ウェハ、液晶パネル等の平板状基板にパターンを形成するための半導体露光装置、組立・検査装置、精密工作機械等に用いられる。

この種の位置決め装置として、例えば、特開２００２―１５８２７４号公報に記載されたものが存在する。この装置のものは、真空雰囲気下で使用され、少なくとも２軸以上に沿ってステージを移動させてその位置決めを可能にする位置決め装置において、下軸と、上軸と、これら軸に沿って移動するスライダと、このスライダによって位置決めされるステージを備えて構成されている。

床面積を小さくでき、かつ各軸に沿って移動するスライダを駆動するモータを固定部に設けることができるので、例えば真空チャンバ内に配される位置決め装置に適用し、モータを真空チャンバ外に配することなども可能となる。すなわち、真空チャンバの容積が小さく抑えられ、また、スライダ駆動用のモータとして高価な真空用モータを使用せずにすむ。但し、このような構成とした場合、上軸によって移動されるスライダに中抜きを設ける必要がある。また、位置決め装置全体としての高さを抑えるなどの目的で、ステージの上側への出張りをできるだけ抑えるため、ステージ下方向の空間を利用し、ステージへの搭載物を下方に突出させることを考えると、下軸によって移動されるスライダにも中抜きを設けるのが好ましい。

ところで、真空環境、特に、１０^-5Ｐａ台もしくはそれ以上の高真空を実現するには、シール部材からのリーク以上に、位置決め装置を含む構造物からのアウトガス量を小さくすることが必要とされている。そのため、素材や表面処理を制限したり、清浄度を高めるために特殊な洗浄を素材に行ったり、事前に高温で素材をベーキングするなどの方策が採られている。各素材に関して様々な方策がとられているが、各素材によりアウトガスの量はそもそも概略決まっており、その量は表面積によって支配されている。すなわち、素材の単位面積あたりのアウトガスの量が決まっている。そこで、当業者であれば、構造部材の総表面積を極力小さく、つまり装置の構造を小さくすることを考える。特に、真空チャンバはその表面積が大きいため、収容する構造物を極力小さくすることで、そもそもチャンバ自身を小型化して全体の表面積を小さくすることが望まれている。

さらには、見かけの表面積のみならず、ミクロな表面積を小さくすることも重要であり、フライスや旋盤に代表される切削加工を最終仕上げとせず、研削加工を最終仕上げ方法とすることもある。素材を表面処理すると、表面が酸化するなどして多孔質状となる。アルミ材をアルマイト処理すると、アルミニウムのミクロな面積が大きくなるため避けられる傾向がある。やむを得ず、この処理を使用する場合いには、封孔処理にてミクロな表面積を小さくする工夫が必要とされている。

そもそも、表面積を小さくするために、位置決め装置を小型化すると、位置決め精度が低下するおそれがある。また、既述のようにスライダに中抜きを形成することも、表面積の低減のために考えられるが、かえって表面積が大きくなる場合もある他、スライダの剛性が低下して、ステージの位置決め性能が低下するおそれがある。なお、中抜きは、上軸のステージの搬送物が大きく、位置決め性能が過度に要求されない場合に、装置の軽量化の目的で採用されるものである。

位置決め性能は、下軸の可動部(スライダ)の幅(軸方向長さ)に対して３乗、板厚のそれぞれに比例してなる剛性に影響される。中抜きがあることで可動部の幅が少なくなり、剛性が１／４以下に低下する。装置を小型にした場合でも、同様な問題が生じる。また、下軸可動部の鉛直方向の振動特性も、可動部の板厚の３乗、可動部の幅に比例する関係にある。

表面積を小さくする工夫として、真空チャンバ内の構造物の小型化が望まれるが、このようにすると、位置決め装置の剛性が低下して、位置決め対象物の小型化と移動ストロークの可能な限りの短縮化が必要となっている。
特開２００２―１５８２７４号

そこで、位置決め装置のスライダに比剛性の高いセラミックを構造材として使用することが考えられる(関連技術として、例えば特許第２７０５７８５号公報がある。)。しかし、多くのセラミックは多孔質材であり、ミクロな表面積が大きく、単位面積あたりのアウトガスが多い。緻密体と呼ばれるセラミックもあるが、通常のセラミックと比べると改善されているが、金属、特に、アルミ材等のような真空中での使用に好適なものと比べても改善の余地がある。そのため、特に高い真空度が必要とされる場合ではセラミックを、仮に構造部材に使用するにしても、使用個所を必要最小限にとどめ、セラミックの表面積を可能な限り小さくしなければならなかった。

このような課題を解決するために、本発明は、セラミックを位置決め装置の構造材として使用しても、アウトガスの発生を極力低減できるようにした位置決め装置を提供することを目的とするものである。

この目的を達成するために、本発明は、真空雰囲気下で使用され、スライダを移動させてステージの位置決めを可能にする位置決め装置において、固定部と、当該固定部に沿って移動するスライダとを備え、前記スライダはセラミックで構成されてなるとともに、かつ中抜きが形成されており、前記スライダの見かけ上の表面積が前記中抜きを設けない場合の前記スライダの見かけ上の表面積より小さく設定されてなることを特徴とするものである。

本発明者は、位置決め精度に影響を与えるスライダに、重量比剛性が金属材のそれに比べて高いセラミック材を使用するとともに、スライダに、形状を工夫した中抜きを形成して、セラミック材の表面積を、スライダへ要求される剛性を満たしながら、極力低下させることを考えた。

すなわち、前記中抜きの幅を、中抜きが設けられていない場合に比較して、セラミック材の見かけ上の寸法値から幾何学的に計算される表面積が小さくなるようにして、スライダの軽量化のみでなく、アウトガス量を低減することができる。前記中抜きが矩形の場合、次の特性を示すように形成することにより中抜きを設けない場合よりもアウトガスの低減が可能となる。

ｔ＜（Ｗ＊Ｌ／（Ｗ＋Ｌ））
t:スライダの板厚、W:中抜きの抜き幅2辺の1辺(短手)の長さ、L:当該抜き幅2辺の1辺(長手)の長さ。

さらに、好適には、前記中抜きがＷ≧２ｔ、Ｌ≧２ｔとなるように形成することによりアウトガス量を低減できる。

さらに、好適には、前記中抜き部分のＸ軸方向及びＹ軸方向の交わり部、すなわちコーナーをＲ状に形成した場合も、表面積をそうでない場合に比べて低減できる。

本発明は、真空雰囲気下で使用され、スライダを移動させてステージの位置決めを可能にする位置決め装置において、前記スライダはセラミックで構成されてなるとともに、かつ見かけ上の表面積がもとの状態より小さくなるように中抜きが形成されてなることを特徴とするものであるので、セラミックを位置決め装置の構造材として使用しても、アウトガスの発生を極力低減可能な位置決め装置を提供することができる。したがって、真空排気系の容量を小さく出来、装置の小型化と省エネ化を図ることができる。

図１に本発明に係わる位置決め装置の斜視図を示している。符号１０はベースであり、このベースにはＸ軸方向に延びた下軸２２とＹ軸方向に延びた上軸１８とが回転自在に支持されている。下軸２２にボールネジ２２Ａを介して下軸スライダ１２が連結されている。下軸２２が（したがって、ボールネジ２２Ａのネジ軸が）モータ２２Ｂによって回転すると、スライダ１２がベース１０上に固定された３組のガイドレール１１を含む直線案内軸受により案内されてＸ軸方向に往復動する。

上軸１８は下軸２２と直交するように、かつ下軸上になるようにベース１０に対して回転可能に支持されている。上軸にはボールネジ１８Ａを介して上軸スライダ１４が連結されている。上軸１８が（従って、ボールネジ１８Ａのネジ軸が）モータ１８Ｂによって回転すると、スライダ１４がベース上に固定された３組のガイドレール１３を含む直線案内軸受により案内されてＹ軸方向に往復動する。

下軸スライダ１２は、ステージ１６のベース(ガイド)としての機能を持つものであり、下軸スライダの平面にＹ軸方向に延びた一対のガイドレール２６が上軸スライダ１４にも支持されるステージ１６を支持しながら、それをＹ軸方向へ案内する機能を備えている。また、上軸スライダ１４は、ステージ１６のベース（ガイド）としての機能をもつものであり、上軸スライダ１４の平面にＸ軸方向に延びた一対のガイドレール２８がステージ１６を支持しながら、それをＸ軸方向に案内する機能を備えている。

ステージ１６は、被加工物などの対象の位置決め用としての機能を達成する。このステージの第１係合部２６Ａが下軸ガイドレール２６に係合し、第２係合部２８Ａが上軸スライダの平面に形成された一対の平行レール２８に係合している。上軸スライダ１４には、ステージ１６をＸ軸方向に移動可能にするための、矩形状の中抜き（開口）３０が設けられている。今、下軸２２が回転すると、下軸スライダ１２がＸ軸方向に沿って移動する。ステージ１６は、下軸スライダ１２とともにＸ軸方向にガイドレール２８に沿って移動する。また、上軸１８を回転させると、上軸スライダ１４がＹ軸方向に沿って移動する。ステージ１６は、上軸スライダ１４とともに、Ｙ軸方向にガイドレール２６に沿って移動する。すなわち、ステージ１６はＸＹ平面内を移動可能となっている。

下軸スライダ１２の中央部分には、矩形状の中抜き（開口）２０が形成されている。さらに、上軸スライダ１４及び下軸スライダ１２はセラミックで構成されている。

前記上軸スライダ１４及び下軸スライダ１２において前記中抜きの形状のＸ方向及びＹ方向の幅は、ともに次の特性を示すようなサイズに形成されている。

ｔ＜（Ｗ＊Ｌ／（Ｗ＋Ｌ））
t:スライダの板厚、W:中抜きの抜き幅２辺の1辺(短手)の長さ、Ｌ:当該抜き幅２辺の1辺(長手)の長さ。

但し、上式はｔとＷ、Ｌとの相互の関係を示すものであり、下軸スライダ１２のｔ、Ｗ、Ｌの大きさが上軸スライダ１４のｔ、Ｗ、Ｌの大きさと同じ大きさであることを意味するものではない。

さらに好適には、下軸スライダ１２及び上軸スライダ１４の中抜きの形状のＸ方向及びＹ方向の幅を、それぞれ、対応するスライダの厚さ（Ｚ方向）の２倍以上に形成するとよい。

このようにすることにより、中抜きが無い場合に比較して、下軸スライダ１２及び上軸スライダ１４のそれぞれの見かけ上の表面積を小さくできる。一方、中抜きのサイズを必要以上に大きくすると、下軸スライダ及び上軸スライダの剛性が低下するので、このおそれがない値が上限となる。

ステージ１６は、セラミック以外の金属材料で構成すれば良いが、特に、単位面積あたりのアウトガス量が少ない、表面処理、洗浄技術が確立した、ＳＵＳ３０４やアルミ(Ａ５０系)が一般的に採用される。セラミックとしては、ヤング率が大きいもの、特に高純度のアルミナ(Ａ１₂０₃)や炭化ケイ素(ＳｉＣ)を採用することが適している。なお、セラミックは、単位面積あたりのアウトガス量が既述のＳＵＳ３０４やアルミなど真空特性に優れた金属の１００倍程度大きく、真空チャンバの到達真空度を設計(特に排気ポンプを選定)する上で考慮しなければならない項目である。なお、上軸スライダまたは下軸スライダのいずれかをセラミック以外（例えばＳＵＳ３０４のアルミ等）で形成することを本発明は排除するものではない。また、ステージ１６をセラミックで形成することを、本発明は排除するものではないが、本実施の形態では、ステージ１６が上軸スライダ１４や下軸スライダ１２と比べると剛性が必要とされないため、アウトガスが少なくかつ軽量のアルミ材とした。

図２（１）は、中抜き２０のＸ軸方向の辺とＹ軸方向の辺との交差部（コーナー部）であり、このコーナー部の内面を円弧状に形成することによって、表面積を低減することができる。すなわち、コーナーになっている場合の見かけ上の表面積は、単位をｍ²とすると２Ｒ*ｔ（ｍ²）になり、これが円弧状（曲面状）に形成されると、見かけ上の表面積は０．５πＲ＊ｔ（ｍ²）＋（Ｒ²−０．２５πＲ²）×２（ｍ²）となる。ここで、Ｒは、円弧状に形成されるコーナー部の幅であり、ｔは下軸スライダの板厚である。前者が後者より大きくなるためにはｔ＞Ｒであることが必要であるから、ｔ＞Ｒで円弧状（Ｒ状）にコーナーを変えることによってこの部分の表面積を小さくできる。Ｒ＝０．５ｔのとき最もその効果が良くなる。

今ここで、全体外観サイズ、中抜きサイズを次の＃１，＃２のようにした、２種類の下軸スライダがあるとした場合、各スライダについて中抜きサイズがある場合と無い場合とでそれぞれ表面積がどの程度になるかを検討した。なお、材質はいずれも純度９９．５％のアルミナとした。
＃１:
Ａ=１８７ｍｍ、Ｂ=４９０ｍｍ、Ｗ=６８ｍｍ
Ｌ=２７３ｍｍ、ｔ=２０ｍｍ、Ｒ=１０ｍｍ
＃２：
Ａ=２０５ｍｍ、Ｂ=５９７ｍｍ、Ｗ=１１４ｍｍ
Ｌ=４４５ｍｍ、ｔ=４０ｍｍ、Ｒ=２０ｍｍ
表面積の割合は、次の数式によって算出された。Ａ:板材2辺の1辺(短手)の長さ、Ｂ:板材2辺の1辺(長手)の長さとしたとき、
（Ａ*Ｂ＋（Ａ＋Ｂ）*ｔ−（Ｗ*Ｌ−（Ｗ＋Ｌ）*ｔ））／（Ａ*Ｂ＋（Ａ＋Ｂ）*ｔ）により表面積の効率が算出される。

＃１のスライダでは、中抜きがある場合は、無い場合に比較して割合で０．８９に表面積を低減できる。一方、＃２のスライダでは、中抜きが無い場合に比較して、割合で０．８２に表面積を低減することができる。この効果は、１ｍ立方の真空チャンバの内面積(６ｍ²)に対して、＃１のスライダでは、表面積が０．１８８ｍ²であり、１０ｈ時間後の値で換算すると、アウトガス量が５０倍違うため、セラミック製の部品＃２は、ＳＵＳ３０４に換算すると、９．４ｍ²の面積(チャンバの約１．５倍)と同等になる。このセラミック部品の表面積を１割小さくするためには、ＳＵＳ部品では、０．９４ｍ²の面積を小さくする必要がある。実際には□１ｍのチャンバでは、高さを約２５０ｍｍ小さくすることと同様である。

本実施の形態の位置決め装置の構成は、ベース１０に案内される下軸スライダ１２及び上軸スライダ１４を上下に重ねて配し、さらに上軸スライダ１４の上に配されるステージ１６を下軸スライダ１２及び上軸スライダと係合させＸＹ平面内を移動可能な構成としている。このような構成により、真空チャンバの容積を抑えることができる一方、少なくとも上軸スライダに比較的大きな中抜きが必要となる。本発明は、このような構成の位置決め装置に適用すれば、特に有用である。ただし、本発明は、このような構成の位置決め装置のみに適用されるというわけではなく、例えば、Ｘ軸スライダ上にステージをＹ軸方向に駆動するためのモータを固定してなる構成の場合にも適用でき、この場合はセラミック製のＸ軸スライダまたはステージにｔ＜（Ｗ＊Ｌ／（Ｗ＋Ｌ）；各パラメータの意味は記述のとおり。）を満たす開口（好ましくはＷ＞２＊ｔ、Ｌ＞２＊ｔ）を設ければよい。

また、ＸＹステージのみならず、軽量でかつ剛性を要する可動のステージ（スライダ）にも同様に適用できるので一軸ステージに用いてもよいのは言うまでもない。

また、スライダに設ける開口は複数にしてもよく、その場合、必ずしも個々の開口のすべてがｔ＜（Ｗ＊Ｌ／（Ｗ＋Ｌ））でなくてもよく、全体として開口が無い場合より見掛け上の表面積が小さければよい。

本発明に係わる位置決め装置の一形態に係わる斜視図である。下軸スライダの中抜きのコーナー部の拡大図である。

符号の説明

１０はベース、１２は下軸スライダ、１４は上軸スライダ、２０は中抜き穴である。

Claims

真空雰囲気下で使用され、スライダを移動させてステージの位置決めを可能にする位置決め装置において、固定部と、当該固定部に沿って移動するスライダとを備え、
前記スライダはセラミックで構成されてなるとともに、かつ中抜きが形成されており、前記スライダの見かけ上の表面積が前記中抜きを設けない場合の前記スライダの見かけ上の表面積より小さく設定されてなる位置決め装置。
前記中抜きが、次の特性を示すように形成されてなる請求項１記載の位置決め装置。
ｔ＜（Ｗ＊Ｌ／（Ｗ＋Ｌ））
ｔ：スライダ厚、Ｗ:中抜きの抜き幅２辺の1辺(短手)の長さ、Ｌ:当該抜き幅２辺の1辺(長手)の長さ
前記中抜きの形状が略矩形であり、かつ２辺の幅が、ともに前記スライダの厚さの２倍以上に形成された、請求項２記載の位置決め装置。
前記中抜き部分の２辺の交わり部がＲ状に形成されてなる請求項１乃至３のいずれか１項記載の位置決め装置。
前記スライダが一方向に沿って移動可能に前記固定部に支持される下軸スライダと前記下軸スライダの上に重ねて配され、前記下軸スライダの移動方向と直交する方向に沿って移動可能に前記固定部に支持される上軸スライダとを備え、前期下軸スライダ及び上軸スライダに係合し、前記下軸スライダ及び上軸スライダの移動に伴い、前記２方向を含む平面内を移動可能に配されたステージを有してなる請求項１〜４のいずれか記載の位置決め装置。