JP4359833B2

JP4359833B2 - 可動部材支持装置

Info

Publication number: JP4359833B2
Application number: JP2004035011A
Authority: JP
Inventors: 中村　　剛; 俊徳佐藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2024-02-12
Also published as: JP2005226710A

Description

本発明は、例えば半導体製造装置のような、特殊雰囲気に維持されたチャンバの内部と外部との間を延在する可動部材を、かかるチャンバに対して移動自在に支持する可動部材支持装置に関する。

半導体製造装置などにおいては、真空や特殊ガス雰囲気に維持したプロセス室内で、ワークをステージ等の可動部材に載置して移動させて加工処理することが行われている。ここで、ワークに対しては微細形状などを描画することが行われるため、可動部材の移動精度を高く維持する必要がある。しかるに、微視的に見ると可動部材にはその自重により撓みが生じたり、或いは重心位置により水平方向に対して傾くなどの問題があり、特に可動部材のストロークを大きくした場合には、可動部材自体も大きくなることから、その撓みや傾きにより移動時にピッチングやローリング等が生じ、処理精度を悪化させる恐れがある。

これに対して、特許文献１においては、流体噴射パッドへの供給圧力を変化させることで、流体噴射パッドとガイドとのスキマを変化させる方法が開示されている。
特公平４−５７８９４号公報

しかるに、そもそも特許文献１の方法は、ガイド上を移動する小さな移動体を支持する静圧軸受に関するものであり、それへの供給圧力を変化させても、流体噴射パッドとガイドとのスキマを変化できるのみであるため、移動体の傾きについては何ら開示されていない。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み、可動部材の傾きを補正可能な可動部材支持装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、第１の本発明の可動部材支持装置は、
ベースと天板とを備えたハウジングと、
前記ハウジングに対して可動部材を移動自在に支持する静圧軸受と、を有する可動部材支持装置であって、
前記静圧軸受は、前記ハウジングのベースに設けられた重力方向下方側の下方静圧パッドと、前記ハウジングの天板に設けられた重力方向上方側の上方静圧パッドとを備え、
前記可動部材支持装置を移動方向に直交する方向にみて、前記下方静圧パッドが前記上方静圧パッドに対してはみ出して設けられ、かつ前記下方静圧パッドの一部は、それと反対側に移動した前記可動部材からはみ出すようになっており、これにより前記ハウジングと前記可動部材との間に生じる力を用いて、前記ハウジングに対する前記可動部材の傾きを調整することを特徴とする。
又、第２の本発明の可動部材支持装置は、
ベースと天板とを備えたハウジングと、
前記ハウジングに対して可動部材を移動自在に支持する静圧軸受と、
前記ハウジングの天板と前記可動部材との間を吸引する差動排気シールと、を有する可動部材支持装置であって、
前記静圧軸受は、前記ハウジングのベースに設けられた重力方向下方側の下方静圧パッドと、前記ハウジングの天板に設けられた重力方向上方側の上方静圧パッドとを備え、
前記可動部材支持装置を移動方向に直交する方向にみて、前記下方静圧パッドが前記上方静圧パッドに対してはみ出して設けられ、かつ前記下方静圧パッドの一部は、それと反対側に移動した前記可動部材からはみ出すようになっており、前記差動排気シールにより付与される吸引力に加えて、前記ハウジングと前記可動部材との間に生じる力を用いて、前記ハウジングに対する前記可動部材の傾きを調整することを特徴とする。

本発明の可動部材支持装置は、ハウジングと、前記ハウジングに対して可動部材を移動自在に支持する軸受と、前記ハウジングに対する前記可動部材の傾きに応じて、前記ハウジングと前記可動部材との間の力を制御するので、例えば前記可動部材の傾きによりその端部が重力方向に下がった場合、前記ハウジングと前記可動部材との間で力を与えることで、下がった端部を上方に変位するように前記可動部材の形状や姿勢を補正し、それにより前記可動部材のピッチングやローリングを抑えてその移動を円滑に行うことができる。

更に、前記力は、前記可動部材の傾きを補正する方向に付与されると好ましい。

更に、前記力は、前記ハウジングに対して前記可動部材を支持する静圧軸受の気体圧により生じると、静圧軸受を利用して前記可動部材の自重による傾きなどを補正できるので好ましい。

更に、前記静圧軸受は、前記可動部材に対して重力方向下方側から気体を噴出する下方静圧パッドと、前記可動部材に対して重力方向上方側から気体を噴出する上方静圧パッドとを備えた静圧軸受であり、前記可動部材が傾くことによってそれに近接した静圧パッドから吹き出される気体の圧力を相対的に（傾かないときと比べ、或いは対向する静圧パッドに対して）高めると、傾きに応じた補正力を前記可動部材に与えることができるので好ましい。

更に、前記静圧軸受は、前記可動部材の最大可動範囲において、前記可動部材を重力方向下方より支持するように設けられていると、ストローク量に関わらず可動部材１５の傾きを抑えることができるので好ましい。

更に、前記重力方向下方側の静圧パッドは、前記重力方向下方側の静圧パッドよりも前記可動部材の移動範囲外側にはみ出して設けられていると、前記可動部材の移動に対応して、特別に制御せずとも傾きを抑制できるので好ましい。

更に、前記ハウジングと前記可動部材との間を密封する差動排気シールを有し、前記制御手段は、前記差動排気シールの排気圧を制御すると、前記差動排気シーるの吸引圧を用いて前記可動部材の傾きを制御できる。

更に、前記可動部材の少なくとも一方の端部を支持する軸受を有すると、前記可動部材の傾きを抑制できるので好ましい。

尚、本明細書中で用いる差動排気シールとは、例えば対向する２面間の微小な間隙にある気体を前記２面間に設けられた差圧室を介して排気することにより、非接触の状態で、対向面を挟む両側の雰囲気（例えば大気圧と高真空）を一定の状態に保つように機能するものをいう。以下に述べる実施の形態においては、排気面を有する部材を差動排気シールという。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態全てにおいて、可動部材の重心はその中央に位置するものとする。図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる可動部材支持装置の概略断面図である。図２は、図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。図２において、ハウジング１０は、定盤Ｇ上に載置されたベース１１と、ベース１１に対して垂直方向に伸びる一対の側板１２，１３と、側板１２，１３の図で上端に掛け渡された天板１４とを有している。ハウジングを構成するベース１１，側板１２，１３，天板１４とで囲まれる空間内に、可動部材１５が配置されている。

図１に示すように、ベース１１は、可動部材１５に対向する上面に３つの下方静圧パッド１１ａ、１１ｂ、１１ｃを有しており、天板１４は、可動部材１５に対向する下面において、下方静圧パッド１１ｂに対向する位置に、１つの上方静圧パッド１４ａのみを有している。尚、本実施の形態では、側板１２，１３には、可動部材１５を支持する静圧軸受１２ａ、１３ａが設けられているが、その代わりにリニアガイドを設けてもよい。

下方静圧パッド１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、正圧ポンプＰに接続されている。一方、上方静圧パッド１４ａも、正圧ポンプＰに接続されている。個々の静圧パッド１１ａ〜１１ｃ、１４ａは、不図示の制御装置を介して、制御された圧の空気が供給されている。尚、静圧パッド１１ａ〜１１ｃ、１４ａが静圧軸受を構成する。

本実施の形態の動作について説明する。静圧パッド１１ａ〜１１ｃ、１４ａから吐出される空気により、可動部材１５はベース１１に対して支持されている。ここで、可動部材１５が実線で示す中央位置にある場合、静圧パッド１１ａ、１１ｃから吹き出される気体の圧力を等しくすれば、可動部材１５は水平に維持される。しかしながら、一点鎖線で示すように、可動部材１５が図で右方へと移動した場合、可動部材１５の自重に基づき作用するモーメント力で、ハウジングとの間のわずかなスキマの範囲で、その右端が下方に変位するように可動部材１５の傾き（ピッチング）が生じる。かかる場合、本実施の形態によれば、不図示の制御装置が、可動部材１５が傾くことで、それに近接する静圧パッド（ここでは１１ｃ）の気体吹き出し圧力を高めることで、可動部材１５は、左回りのモーメントを受け、その傾きが補正されるので、高精度な移動を実現できる。尚、可動部材１５が傾くことで、それから遠ざかる静圧パッド（ここでは１１ａ）の気体吹き出し圧力を低めることでも、同様の効果を得ることができる。

図３は、本発明の第２の実施の形態にかかる可動部材支持装置の概略断面図である。本実施の形態は、図１の実施の形態と比較して、上下の静圧パッドの数及び噴出総面積は同じだが、静圧パッドの配置を変えている。より具体的には、４つの下方静圧パッド１１ａ〜１１ｄが、４つの上方静圧パッド１４ａ〜１４ｄと軸線が一致しておらず、図３に示すように、下方静圧パッド１１ａ、１１ｄが、上方静圧パッド１４ａ、１４ｄに対して側方にはみでた配置となっているので、可動部材１５の移動に対応して、特別に制御せずとも傾きを抑制できる。その他の構成については、個々の静圧パッドの気体吹き出し圧力が制御可能であることを含め、上述した実施の形態と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態において、一点鎖線で示すように、可動部材１５が図で左方へと移動した場合、可動部材１５の自重に基づき作用するモーメント力で、その右端が下方に変位するように可動部材１５の傾き（ピッチング）が生じる。かかる場合、本実施の形態によれば、不図示の制御装置が、可動部材１５が傾くことで、それに近接する静圧パッド（ここでは１１ａ）の気体吹き出し圧力を高めると共に、同時に近づく静圧パッド（ここでは１４ｄ）の気体吹き出し圧力を高めているので、可動部材１５は、上述した実施の形態より強い左回りのモーメントを受け、その傾きが迅速に補正されるので、高精度な移動を実現できる。尚、可動部材１５が傾くことで、それから遠ざかる静圧パッド（ここでは１１ｄ、１４ａ）の気体吹き出し圧力を低めてもよいことはいうまでもない。

図４は、本実施の形態の変形例にかかる可動部材支持装置の概略断面図である。図５は、図４の構成をV-V線で切断して矢印方向に見た図である。図４，５に示すように、下方静圧パッド１１ａ〜１１ｈ、上方静圧パッド１４ａ〜１４ｎの数、形状（三角形状等でもよい）は任意に設定でき、各々形状を変えてもよいが、図５に示すように、可動部材１５の移動方向両端の下方静圧パッド１１ａ、１１ｈの面積は、増大させると可動部材１５の傾きの補正機能が高まるので好ましい。

図６は、本発明の第３の実施の形態にかかる可動部材支持装置の概略断面図である。本実施の形態は、図１の実施の形態に対して、上方静圧パッド１４ａ〜１４ｃを、下方静圧パッド１１ａ〜１１ｃに対応して配置し、且つ天板１４の両端に負圧室（差圧室ともいう）１４Ａ、１４Ｂを設け、排気ポンプＰｖに接続した点が異なるが、不図示の制御装置によって、各負圧室の圧力は個々に制御可能となっている。その他の点については、図１の実施の形態と同様であるため説明を省略する。

本実施の形態においては、一点鎖線で示すように、可動部材１５が図で右方へと移動し、その右端が下方に変位するように可動部材１５の傾き（ピッチング）が生じた場合、不図示の制御装置が、可動部材１５が傾くことで、遠ざかる方の負圧室（ここでは１４Ｂ）の圧力をより低下させる。それにより可動部材１５は、左回りのモーメントを受け、その傾きが補正されるので、高精度な移動を実現できる。尚、可動部材１５が傾くことで、それに近づく方の負圧室（ここでは１４Ａ）の圧力を、その機能を損なわない範囲で上昇させても良い。又、上述した実施の形態の構成を組み合わせて良いことは言うまでもない。

図７は、本実施の形態の変形例にかかる可動部材支持装置の概略断面図である。図８は、図７の構成をVIII-VIII線で切断して矢印方向に見た図である。図８に示すように，差圧室１４Ａ、１４Ｂは、天板１４の表面（下面）において矩形溝形状となっており、可動部材１５の移動方向において、それぞれ静圧パッド１４ａ、１４ｋと重なる位置に配置されている。尚、天板１４の中央には長溝１４ｚが形成されており、ワークを載置可能なように可動部材１５の一部１５ａが長溝１４ｚから突出し、それに沿って移動可能となっている。

図９は、本実施の形態のピッチング精度をシミュレーションし、比較例と比較して示すグラフである。可動部材１５の図７で中央に微小な鏡Ｍを取り付けて、オートコリメータＡで光束を当てその反射光束を受光することで、取り付け部の傾き角度を求める。傾き量が大きいほどピッチング精度が悪くなる。中央位置をゼロとして、図７で左方に移動させたときの移動量をストローク量として表す。上下の静圧パッドの軸線を一致させた比較例においては、ピッチング精度の最大値は１．１８秒であったが、上述の本実施の形態によれば、ピッチング精度の最大は０．６８秒と小さく抑えることができる。

図１０は、本実施の形態のピッチング精度を、計算値と実験値で比較して示すグラフであり、実験値では自重撓み成分を分離できないため、計算値でもそれを重畳している。図１０に示すように、計算値と傾向が良好に一致していることがわかる。

図１１（ａ）は、本実施の形態の一例における可動部材自重撓みによるピッチング精度を示すグラフである。図１１（ｂ）は、静圧パッドの制御と差圧室の吸引力とを組み合わせた場合のピッチング精度を示すグラフである。図１１に示すように、可動部材の傾きと自重による撓みとを相殺するように制御することで、その合計として現れるピッチング精度を±０．１２秒以内に抑えることができ、可動部材の断面を小さくしても高精度なピッチング誤差を得ることができるため、装置全体のコンパクト化や駆動力の低減による省エネ等を図ることができる。

図１２（ａ）、（ｂ）は、本実施の形態の別な変形例にかかる可動部材支持装置の一部を示す断面図であり、図１２（ｃ）は、図１２（ａ）の構成をXVC-XVC線で切断して矢印方向に見た図であり、図１２（ｄ）は、図１２（ａ）の構成をXVD-XVD線で切断して矢印方向に見た図である。

本変形例においては、図１２（ａ）に示すように、天板１４の下面が、ベース１１の上面からはみ出している。従って、図１２（ｂ）に示すように、可動部材１５がベース１１の側面と面一になっている状態では、可動部材１５の端部を上方に吸引する力は弱いが、図１２（ａ）に示すように、可動部材１５がベース１１の側面より図で左方側へ移動したような場合、天板１４のはみだした下面にも吸引力が発生することから、可動部材１５上方へと吸引する力が増大し、それにより制御装置の制御に頼らず、自律的に可動部材１５の撓みや傾きを補正してピッチング誤差を低減できる。

図１３は、本発明の第４の実施の形態にかかる可動部材支持装置の概略断面図である。本実施の形態は、図１の実施の形態に対して、主として、可動部材１５の両端に静圧軸受を設けた点が異なる。より具体的には、可動部材１５の両端に設けられた支持部１５ｂ、１５ｃの下面に静圧軸受１５Ａ，１５Ｂを設け、定盤Ｇの上面に対して可動部材１５を移動自在に支持するようになっている。明らかであるが、可動部材１５の両端は、静圧軸受１５Ａ，１５Ｂにより支持されているため、そのストローク量に関わらず定盤Ｇからの高さが一定であり、ピッチング誤差が低減されることとなる。

図１４は、本実施の形態の変形例にかかる可動部材支持装置の概略断面図である。本変形例は、図１３の実施の形態と異なり、可動部材１５の移動範囲内にベース１１をのばし、下方静圧軸受パッド（１１ａ〜１１ｄ、１１ｋ〜１１ｐ）の総面積を増やして、ストローク量に関わらず下方静圧軸受で支持するようにしている。これにより可動部材１５の両端の下がりを抑えて、ピッチング誤差が低減されることとなる。

図１５は、本実施の形態の別な変形例にかかる可動部材支持装置の概略断面図であり、図１６はその上面図である。本変形例は、図１４の構成と同様であるが、差動排気シール１４Ａ’，１４Ｂ’を設けたため、静圧軸受１１ｅ〜１１ｊ、１４ａ〜１４ｆを、差動排気シール１４Ａ’，１４Ｂ’の両側に２列に配置した点が異なっている。

図１７は、本実施の形態の更に別な変形例にかかる可動部材支持装置の上面図であり、図１８はその側面図であり、図１９は、図１７の構成をXIX-XIX線で切断して矢印方向に見た図であり、図２０は、図１７の構成をXX-XX線で切断して矢印方向に見た図である。

本変形例においては、図１３の可動部材支持装置をダブルで配置し、その間に駆動源としてのリニアモータＬＭを設けて、一対の可動部材１５の両端を連結してなりその間を延在する工字状の連結部材２０を１次元で駆動する点が主として異なる。連結部材２０の中央は、定盤Ｇに設けられた支持部Ｇｓに配置された静圧軸受ＧＢにより支持され、支持剛性を高めている。かかる変形例は、可動部材１５の大型化を図りストローク量を増大するのに効果的である。尚、本変形例の場合、リニアモータＬＭを用いたので、連結部材２０をガイドとして定盤Ｇ側に軸受を設けるのが好ましいが、ボールねじ機構を用いる場合には、軸受を可動部材側とするのがよい。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

第１の実施の形態にかかる可動部材支持装置の概略断面図である。図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。第２の実施の形態にかかる可動部材支持装置の概略断面図である。本実施の形態の変形例にかかる可動部材支持装置の概略断面図である。図４の構成をV-V線で切断して矢印方向に見た図である。第３の実施の形態にかかる可動部材支持装置の概略断面図である。本実施の形態の変形例にかかる可動部材支持装置の概略断面図である。図７の構成をVIII-VIII線で切断して矢印方向に見た図である。本実施の形態のピッチング精度をシミュレーションし、比較例と比較して示すグラフである。本実施の形態のピッチング精度を、計算値と実験値で比較して示すグラフである。図１１（ａ）は、本実施の形態の一例における可動部材自重撓みによるピッチング精度を示すグラフであり、図１１（ｂ）は、静圧パッドの制御と差圧室の吸引力とを組み合わせた場合のピッチング精度を示すグラフである。図１２（ａ）、（ｂ）は、本実施の形態の別な変形例にかかる可動部材支持装置の一部を示す断面図であり、図１２（ｃ）は、図１２（ａ）の構成をXVC-XVC線で切断して矢印方向に見た図であり、図１２（ｄ）は、図１２（ａ）の構成をXVD-XVD線で切断して矢印方向に見た図である。第４の実施の形態にかかる可動部材支持装置の概略断面図である。本実施の形態の変形例にかかる可動部材支持装置の概略断面図である。本実施の形態の別な変形例にかかる可動部材支持装置の概略断面図である。本実施の形態の別な変形例にかかる可動部材支持装置の上面図である。本実施の形態の更に別な変形例にかかる可動部材支持装置の上面図である。本実施の形態の更に別な変形例にかかる可動部材支持装置の側面図である。図１７の構成をXIX-XIX線で切断して矢印方向に見た図である。図１７の構成をXX-XX線で切断して矢印方向に見た図である。

符号の説明

Ｇ定盤
１１ベース
１４天板
１５可動部材

Claims

ベースと天板とを備えたハウジングと、
前記ハウジングに対して可動部材を移動自在に支持する静圧軸受と、を有する可動部材支持装置であって、
前記静圧軸受は、前記ハウジングのベースに設けられた重力方向下方側の下方静圧パッドと、前記ハウジングの天板に設けられた重力方向上方側の上方静圧パッドとを備え、
前記可動部材支持装置を移動方向に直交する方向にみて、前記下方静圧パッドが前記上方静圧パッドに対してはみ出して設けられ、かつ前記下方静圧パッドの一部は、それと反対側に移動した前記可動部材からはみ出すようになっており、これにより前記ハウジングと前記可動部材との間に生じる力を用いて、前記ハウジングに対する前記可動部材の傾きを調整することを特徴とする可動部材支持装置。
前記ハウジングの端部に設けられた前記下方静圧パッドは、それよりも内側に設けられた前記下方静圧パッドより面積が大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載の可動部材支持装置。
前記下方静圧パッドと前記上方静圧パッドとは個数が同じであり、且つ噴出総面積も同じであることを特徴とする請求項１又は２に記載の可動部材支持装置。
前記力は、前記可動部材の傾きを補正する方向に付与されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の可動部材支持装置。
前記静圧軸受は、前記可動部材の最大可動範囲において、前記可動部材を重力方向下方より支持するように設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかにに記載の可動部材支持装置。
前記力は、前記ハウジングに対して前記可動部材を支持する静圧軸受の気体圧により生じることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の可動部材支持装置。
前記静圧軸受は、前記可動部材に対して重力方向下方側から気体を噴出する下方静圧パッドと、前記可動部材に対して重力方向上方側から気体を噴出する上方静圧パッドとを備えた静圧軸受であり、前記可動部材が傾くことによってそれに近接した静圧パッドから吹き出される気体の圧力を相対的に高めることを特徴とする請求項６に記載の可動部材支持装置。
ベースと天板とを備えたハウジングと、
前記ハウジングに対して可動部材を移動自在に支持する静圧軸受と、
前記ハウジングの天板と前記可動部材との間を吸引する差動排気シールと、を有する可動部材支持装置であって、
前記静圧軸受は、前記ハウジングのベースに設けられた重力方向下方側の下方静圧パッドと、前記ハウジングの天板に設けられた重力方向上方側の上方静圧パッドとを備え、
前記可動部材支持装置を移動方向に直交する方向にみて、前記下方静圧パッドが前記上方静圧パッドに対してはみ出して設けられ、かつ前記下方静圧パッドの一部は、それと反対側に移動した前記可動部材からはみ出すようになっており、前記差動排気シールにより付与される吸引力に加えて、前記ハウジングと前記可動部材との間に生じる力を用いて、前記ハウジングに対する前記可動部材の傾きを調整することを特徴とする可動部材支持装置。
前記可動部材支持装置を移動方向に直交する方向にみて、前記天板の端部は前記ベースよりはみ出していることを特徴とする請求項８に記載の可動部材支持装置。
前記力は、前記ハウジングに対して前記可動部材を支持する静圧軸受の気体圧により生じることを特徴とする請求項８又は９に記載の可動部材支持装置。