JP4581641B2 - 平面ステージ - Google Patents

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Description

本発明は、プラテン上を移動体が移動する平面ステージに関し、特に、プラテン上の移動ステージを、θ回転させた状態で、XY方向にスムーズに移動させることができる平面ステージに関するものである。
従来、碁盤目状に強磁性体の凸極が設けられている平面状のプラテン上に、移動体をエアーにより浮上させ、移動体に磁力を印加して、移動体とプラテンの凸極との間の磁力を変化させることにより移動体を移動させるように構成した平面ステージ装置が知られている(例えば特許文献1参照)。
上記平面ステージにおいて、移動体の一方の面は、ワークを載置するためのワークステージとなるため、精度良く平面加工されている。他方の面には、直交する座標軸の各軸方向に移動磁界を発生する磁極と、エアーを吹き出すエアーパッドが設けられている。
プラテンの凸極に向き合うように、移動体の磁極とエアーパッドが置かれ、移動体はエアーの作用により浮上する。この状態で移動体の磁極に移動磁界を発生させ、磁極とプラテンの凸極との間の磁界を変化させることにより、移動体がプラテン上を移動する。
なお、このような構成を有する装置は、サーフェスモータステージ装置、ソーヤモータステージ装置などと称されることもある。
このような平面ステージ装置は、従来のボールネジを用いた構成のステージ装置などとは異なり、Xステージ、Yステージおよびθステージと複数のステージを重ね合わせることなく、プラテンの平面よりなる一つのステージ上において移動体をXY方向の移動とθ回転をさせることができる。
そのため、近年、複数の露光領域に分割されたワークを分割された領域順に移動して露光する逐次(ステップ・アンド・リピート)露光装置のワークステージとして適用することが検討されている。ワークステージとして平面ステージ装置を用いた露光装置においては、ワークステージの構成が単純なものとなることから、装置の小型軽量化を図ることができると期待されている。
上記平面ステージの動作原理について、図7、図8、図9を用いて簡単に説明する。図7、図8は、平面ステージを構成する複数の凸極を有するプラテン10と、磁極を有する移動子20の断面図であり、図9は、上記移動子20の磁極に巻かれたコイルに流す電流のタイミングチャートである。なお図9の±はコイルに流す電流方向を示している。なお、図9の電流のパターンは一例であり、正弦波で表わされるように、なめらかに電流値を変えてもよい。
プラテン10は、平面板状であり、図7に示すように強磁性体の凸極11,12,…が碁盤目状に設けられている。凸極と凸極の間は非磁性体10aで埋められている。
移動子20には、永久磁石21が取り付けられており、これにより同図において移動子に設けられた4つの磁極22a〜22dには、NまたはSの磁極が発生している。
磁極22a〜22dには、コイル23a,23bが巻かれており、電流が流されると各磁極22a〜22dは電磁石となる。永久磁石21の作る磁界と電磁石が作る磁界の方向が同じであれば、磁力は強め合う。永久磁石21の作る磁界と電磁石が作る磁界が反対であれば、磁力は打ち消される。
なお、磁極22aと22bとではコイル23aが反対方向に巻かれている。したがって、磁極22aにおいて同じ方向の磁界が発生し、磁力が強め合わされる場合、磁極22bには、反対方向の磁力が発生し磁力は打ち消される。磁極22cと22dも同様である。 移動子20の磁極22a〜22dは、プラテン10の凸極11,12,…と対向して置かれる。移動子20はエアーを吹き出すエアーパッドの作用により、プラテン10から浮き上がっているが、図7、図8ではエアーパッドは省略している。
移動子20の上の面がワークを載置する面となる。移動子20に直接ワークが載置される場合もあるが、移動子20の上面に平面のワークステージを置き、その上にワークを載置する場合もある。
磁極22a〜22dに巻かれた各コイル23a,23bに図示しない駆動回路から、以下の順序で電流を流すことにより移動磁界が発生し、移動子20が同図の左右方向に移動する。以下、移動子20が図面右方向に移動する動作原理について説明する。
(1)STEP1:移動子20の磁極22a,22b側のコイル23aに、図9に示すように、磁極22aの磁力を強めるように電流を流す。磁極22c,22dのコイル23bには電流を流さない。磁極22aは磁力が強められるので、プラテン10の凸極11と強く引き合い、磁極22aと凸極11とが対向する位置になる。
磁極22bは磁力が打ち消され、凸極12と13の間の非磁性体上に位置する。磁極22cと22dは、それぞれ斜め方向の凸極14、16と引き合う。
(2)STEP2:図9に示すように磁極22a,22bのコイル23aの電流を止め、磁極22c,22d側のコイル23bに、磁極22dの磁力を強めるように電流を流す。磁極22dは凸極16と強く引き合い、磁極22cは磁力を打ち消され、凸極14と引き合わなくなる。
したがって、磁極22dが凸極16と対向するように、移動子20は同図右方向に移動する。磁極22aと22bは、それぞれ斜め方向の凸極11、13と引き合う。
(3)STEP3:図9に示すように磁極22c,22dのコイル23bの電流を止め、磁極22a,22b側のコイル23aに、今度は磁極22bの磁力を強めるように電流を流す。磁極22bは凸極13と強く引き合い、磁極22aは磁力を打ち消され、凸極11と引き合わなくなる。
磁極22bが凸極13と対向するように、移動子20は同図右方向に移動する。
(4)STEP4:図9に示すように磁極22a,22bのコイル23aの電流を止め、磁極22c,22d側のコイル23bに、磁極22cの磁力を強めるように電流を流す。磁極22cは凸極15と強く引き合い、磁極22dは磁力を打ち消され、凸極16と引き合わなくなる。磁極22cが凸極15と対向するように、移動子20は同図右方向に移動する。
なお、STEP4の位置に移動後、図9のSTEP4に示すようにコイル23bに電流を流し続けることで、移動子20をSTEP4の位置に保持させることができる。
図10(a)(b)は上記移動子20の具体的構成例を示す図であり、同図(a)は移動子20を側面から見た図、同図(b)はプラテンと対向する面側から見た図である。
同図に示すように移動子20の磁極22a〜22dは複数のさらに小さな凸極から構成される。
同図(a)に示すようにプラテン10に形成された凸極の間隔をaとすると、各磁極22a〜22dに形成された凸極の間隔はa、また、磁極22a,22b、磁極22c,22dの間隔は2a、また、磁極22bと磁極22cの間隔は2.5aである。すなわち、前記図7に示したように、磁極22a,22bがプラテン20の凸極と対向しているとき、磁極22c,22dの一部(この例では1/2)がプラテン10の凸極と対向している。
図11は、直交するXY方向に移動できるように4個の移動子20a〜20dをワークステージなどの移動体30に設けた場合の構成を示す図であり、図11(a)はプラテン10上を移動する移動体30を、プラテン10と対向する面側から見た図、図11(b)は移動体30をプラテン10の平面と平行な方向(同図のP−P方向)から見た図である。なお、同図では、移動子20を凸極の連続体として示しているが、実際には前記図7、、図8、図10に示した構成を有している。また、図11(b)では、プラテン10に設けられた凸極は省略している。
図11(a)に示すように、移動体30の四隅にはエアーを吹き出すエアーパッド40が設けられている。このエアーパッド40から吹き出すエアーがプラテン10の表面に当たり、移動体30がプラテン10に対して浮上する。
移動体30の中心から直交するXY方向4ケ所に移動子20a〜20dが設けられている。移動子20a,20bは、移動体30をX方向(図11の左右方向)に移動させるための移動子であり、Y軸上の2ケ所(同図上下)に設けられる。移動子20c,20dは、移動体30をY方向(図11の上下方向)に移動させるための移動子でありX軸上の2ケ所(同図左右)に設けられる。
各移動子20a〜20dは、前記図10に示した構成を有し、X方向移動用の移動子20aの磁極には図中左右方向に移動させるための磁界が発生し、両移動子20a,20bにおける磁界の移動方向が同じであれば、移動体30はX方向に移動する。
また、Y方向移動用の移動子20c,20dには、図中上下方向に移動させるための磁界が発生し、両移動子20c,20dにおける磁界の移動方向が同じであれば、移動体30はY方向に移動する。
このような移動体30を有するステージを、逐次露光装置のワークステージとして使用する場合には、XY方向の移動のみでは不足で、図12(a)に示すように、ワークWに形成されているパターンPがθ回転方向の位置ずれを生じている場合は、これと位置合せを行うために、図12(b)に示すようにステージをステージ面に垂直な軸の回りに回転させる(このような回転を以下θ回転という)ことが必要になる。
移動体をθ回転させるためには、例えば移動体30の移動子20c,20dの磁界の移動方向を逆方向にする。そうすると、移動体30の移動子20c側と移動子20d側とでは、移動方向が反対になるので、移動体30は、図12に示すようにθ回転する。移動子20a,20bの磁界の移動方向を逆方向しても、同様に移動体30をθ回転させることができる。
特開平9−23689号公報
このような平面ステージは、移動体をθ回転させた状態を保ったままXまたはY方向に直線移動できないという欠点がある。その理由を以下に示す。
従来技術で示されるように、移動子に設けられた磁極とプラテンの凸極とは所定の位置関係にあり、この位置関係が繰り返されるように移動する。
例えば、図7においては、移動子20に設けられた磁極22aはプラテン10の凸極11と対向、磁極22bはプラテン10の非磁性体と対向、磁極22c,22dはプラテン10の凸極14,16と非磁性体の中間位置に対応し、この磁極と凸極の関係が移動していくことにより、移動子20が直線移動する。
ところが、前記したように移動体30がθ回転すると、移動子20a〜20dの磁極22a〜22dの並び方向とプラテン10の凸極の並び方向が平行(もしくは直交)でなくなる(以下、この状態を直交が崩れるという)。
すなわち、移動体30をθ回転した状態は、図13に示すように、磁極と凸極の直交が崩れ、上記所定の位置関係からずれた状態である。その状態を保ったまま直線移動しようとすると、移動子20a〜20dに対する駆動力が低下するため、移動子20a〜20dに対する制御性が悪化し、設定された位置に整定させるのが難しくなる。
以上のことから、図11に示した構成のものでは、通常、θ回転後に、直線移動させる場合、θ回転を元に戻した後、直線移動をさせる。
すなわち、θ回転後、移動体30を直線移動させるためには、θ回転を元に戻すことにより移動子20a〜20dの凸極とプラテン10の凸極を直交させ、移動子20a〜20bとプラテン10の凸極を上記所定の位置関係になるようにしてから移動させる。
前記したように、図11に示した平面ステージを逐次露光装置のワークステージとして採用することが考えられている。逐次露光装置においては、図12に示したように、ある露光領域でθ方向の位置合せを行ない、その状態を保ちつつXまたはY方向の露光領域に移動し露光することが行なわれる。
手順としては[θ回転位置合せ]→[露光]→[X(またはY)方向移動]→[露光]→[X(またはY)方向移動]・・・となる。
ところが、平面ステージで、これを行なおうとすると、前記したようにワークを載置するステージである移動体30をθ回転を保った状態のままXY方向へ移動させるのが難しいため、[θ回転位置合せ]→[露光]→[θ回転戻し]→[X(またはY)方向移動]→[θ回転位置合せ]→[露光]→[θ回転戻し]→[X(またはY)方向移動]・・・と移動させることになる。
すなわち、XY方向の移動のたびに移動体30のθ回転戻しとθ回転位置合せを行なわなければならず、平面ステージを使用しない場合に比べて露光処理時間全体が長くなってしまう。
本発明は従来技術の上記問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、碁盤目状に凸極が設けられている平面を有する板状のプラテンと、直交する座標軸の各軸方向に移動磁界を発生する移動子が設けられた移動体を備え、上記プラテン平面上を移動体が移動する平面ステージ装置において、移動体がθ回転を保った状態でXY方向に直線移動できるようにすることを目的とする。
従来、移動体に対して移動子は固定されていたが、移動子を、移動体に対し、移動子の幾何学中心に回転方向の自由度を持つように(回転自在に)固定する。具体的には、磁極が回転軸受を介して移動体に固定される。
磁極を取り付ける位置は、移動体の両側にY方向移動用磁極を設ける。Y方向移動用磁極の回転中心を結んでできる直線上に、X方向移動用磁極を取り付ける。
本発明においては、磁極を、移動体に対し磁極の幾何学中心に回転方向の自由度を持つように(回転自在に)固定したので、移動体が回転しても、移動体の磁極はプラテンの凸極との直交を保つことができ、XY方向に直線移動することができる。
図1に本発明の実施例の平面ステージの構成を示す図である。
図1(a)は、移動体をプラテンと対向する面側から見た図であり、図1(b)は、移動体をプラテン平面と平行な方向(同図のP−P方向)から見た図である。なお、図1(b)ではエアーパッド40は省略されている。また、プラテン10は、前記したように平面板状であり、強磁性体の凸極が碁盤目状に設けられ、凸極と凸極の間は非磁性体で埋められている。
移動体30をY方向に移動させるY方向移動用移動子20c,20dは、前記図7、図8、図10に示した構造を有し、図11(a)と同様、移動体30のX軸上の2ケ所(図中左右)に設けられる。ただし、移動子20c,20dは、回転軸受24を介し、その幾何学中心を回転軸として回転自在に取り付けられている。
移動体30をX方向に移動させるX方向移動用移動子20a,20bも前記図7、図8、図10に示した構造を有しているが、本実施例では、移動子20a,20bは、一つのプレート25に取り付けられている。プレート25は回転軸受26を介して移動体30に取り付けられる。
移動子20a,20bを取り付けたプレート25の幾何学中心は、Y方向移動用移動子20c,20dの回転中心を結んでできる直線の中点と一致しており、この位置に回転軸受26が設けられ、プレート25は該中心を回転軸として回転する。
なお、上記回転軸受24は、必ずしもY方向移動用移動子20c,20dの回転中心を結んでできる直線上の中点に設ける必要はなく、この直線上であれば上記中点位置からずれていてもよい。
この場合、移動体30を回転させる際の回転中心は上記回転軸受26を設けた位置になる。このため、移動体30を回転させる際のY方向移動用移動子20c,20dのそれぞれの移動量は、上記位置が回転中心になるように設定する。
エアーパッド40は図1(a)に示すように移動体30の3ケ所に設けられる。平面は3点で位置決めされるものであるから、図10のように4ケ所に設けなくても安定性がよく、プラテン10に対し移動体30を支持できる。
本実施例の移動体30の動作について説明する。
(1)移動体30のXY方向の移動。
移動体30をX方向に移動させるには、前記図7、図8で説明したようにX方向移動用移動子20a,20bの磁極に巻かれたコイルに前記したような順序で電流を流す。これにより、図1(a)の左右方向の移動磁界が発生し、移動磁界の移動方向が同じであれば、移動子20a,20bはX方向に移動し、移動体30はX方向に移動する。また、移動子20a,20bを等しい速度で同じ量移動させれば、移動体30はθ回転することなくX方向に移動する。
移動体30をY方向に移動させる場合も同様であり、プレート25に取り付けられたY方向移動用移動子20c,20dの移動方向が同じであれば、移動体30はY方向に移動する。
ここで、プレート25は、回転軸受26を介して移動体30に取り付けられているため、移動子20a,20bを逆方向に移動させても、プレート25が回転するだけで、移動体30は回転も移動もしない。また、移動子20a,20bを同方向に異なった量移動させた場合には、移動体30はその方向に移動するが、移動子20a,20bの磁極とプラテン10の凸極との直交が崩れ、駆動力が低下する。
なお、移動体30を移動させた後、移動体30をその位置に保持させるには、前記したように、移動子20a〜20dのコイルに流す電流を切らずに、そのまま流し続ける。
(2)移動体30のθ回転及びθ回転した状態での移動。
移動体30をθ回転させるには、図11で説明したのと同様にY方向用移動子20c,20dの移動磁界の移動方向を逆方向にし、移動子20c,20dを逆方向に移動させる。これにより、移動体30はθ回転する。
また、移動子20c,20dの移動方向が同じであっても、移動量が異なれば、移動体30はθ回転しながらY方向に移動する。
移動子20c,20dは移動体に対して回転自在なので、移動体30がθ回転したとき、図2に示すように、移動子20c,20dが移動体30に対しては回転するがプラテン10に対しては回転せず、移動子20c,20dの磁極はプラテン10の凸極と直交する状態になる。
移動体30のθ回転において、X方向移動用移動子20a,20bの磁極のコイルはY方向用移動子20c,20dの移動によるθ回転には関係しない。
しかし、移動子20a,20bが取り付けられたプレート25は、移動体30に対して回転自在である。したがって、移動体がθ回転したとき、移動子20a,20bの磁極と、プラテン10の凸極の吸引力によりプレート25が回転し、プラテン10の凸極と直交する自然な状態を保ったまま保持される。
即ち、移動体30がθ回転しても、各移動子20a〜20dの磁極は全てプラテン10との直交は崩れておらず、移動体30が回転していない状態と基本的に変わりがない。
つまり、移動体30がθ回転した状態であっても、各移動子20a〜20dの磁極は、プラテン10の凸極に対し、所定の関係を維持できる。
したがって、この状態で、X方向移動用移動子20a,20bにおいて、同じ方向に磁界を移動させれば、移動体はX方向に移動する。Y方向移動用移動子20c,20dにおいて、同じ方向に磁界を移動させれば移動体30はY方向に直線移動する。
上述した動作を実現させるためには、次の条件を満たすように、移動体30に対してX方向移動用移動子20a,20bとY方向移動用移動子20c,20dを設ける必要がある。
(A)X方向移動用移動子20a,20b、Y方向移動用移動子20c,20dともに、その幾何学中心に回転中心がある。
(B)2個のY方向移動用移動子20c,20dの回転中心を結んでできる直線上に、X方向移動用移動子20a,20bの回転中心がある。
なお、2個のY方向移動用移動子20c,20dの回転中心を結んでできる直線上の中点にX方向移動用移動子20a,20bの回転中心を設ければ、Y方向移動用移動子20c,20dを逆方向に等しい量移動させることで上記中点を中心として移動体30をθ回転させることができる。
上記の条件が満たされれば、移動子20a〜20dを移動体30に図3〜図5に示すように配置することも考えられる。
図3に示すように、移動体30の中心からずれた位置に、X方向移動用移動子20c,20dの回転中心を設ける。
また、2個のX方向移動用移動子20a,20bをプレート25に取り付けたものではなく、図4に示すように、一個の移動子20eの幾何学的中心に回転軸受26を設け、この回転軸受を介して、移動子20を移動体30に取り付ける。
さらに、図5に示すように、Y方向移動用移動子20c,20dを移動体30に対して斜め方向(対角線方向)に取り付けてもよい。
また図6に示すように、2個のY方向移動用移動子20c,20dの回転中心を結んでできる直線上の中点に、X方向移動用移動子20a,20bの回転中心を設けなくてもよい。図6に示すように構成する場合には、移動体30をθ回転させる際、Y方向移動用移動子20c,20dの移動量d1,d2を、d1/d2=L1/L2になるように設定する。ここで、L1,L2は、移動子20c,移動子20dの中心P1,P2と上記回転中心Oとの距離である。Y方向移動用移動子20c,20dを逆方向にd1,d2移動させることで、移動体30を回転中心Oを中心としてθ回転させることができる。
本発明の実施例の平面ステージの構成を示す図である。 本発明の実施例の平面ステージにおいて、移動体をθ回転させた状態を示す図である。 本発明の実施例の平面ステージの変形例(1)を示す図である。 本発明の実施例の平面ステージの変形例(2)を示す図である。 本発明の実施例の平面ステージの変形例(3)を示す図である。 本発明の実施例の平面ステージの変形例(4)を示す図である。 従来の平面ステージの動作原理を説明する図(1)である。 従来の平面ステージの動作原理を説明する図(2)である。 図7、図8に示す平面ステージにおいて磁極のコイルに流す電流のタイミングチャートである。 図7、図8に示した移動子の具体的な構成例を示す図である。 4個の移動子を移動体に設けた従来の平面ステージの構成を示す図である。 平面ステージをθ回転させる場合を説明する図である。 図11において移動体をθ回転させたときの磁極の状態を示す図である。
符号の説明
10 プラテン
10a 非磁性体
11〜17 凸極
20,20a〜20d 移動子
21 永久磁石
22a〜22d 磁極
23a,23b コイル
24 回転軸受
25 プレート
26 回転軸受
30 移動体
40 エアーパッド

Claims (1)

  1. 碁盤目状に凸極が設けられた平面状のプラテン上を、上記プラテン平面において直交するXY座標軸の各軸方向に移動磁界を発生する磁極を有する移動子を備えた移動体が移動する平面ステージ装置であって、
    上記各軸方向に移動磁界を発生する磁極を有する移動子は、
    上記座標軸のY軸方向に移動磁界を発生させる磁極を備えた2個のY方向移動用移動子と、上記座標軸のX軸方向に移動磁界を発生させる磁極を備えたX方向移動用移動子とからなり、
    上記2個のY方向移動用移動子は、上記移動体のX軸上もしくはX軸に対して斜め方向の2ケ所に、当該Y方向移動子の幾何学中心を回転軸として回転自在に取り付けられ、
    上記X方向移動用移動子は、上記2個のY方向移動用移動子の回転中心を結んでできる直線上であって上記2個のY方向移動用移動子の間に、当該X方向移動子または当該X方向移動子を取り付けたプレートの幾何学中心を置き、該幾何学中心を回転軸として回転自在に取り付けられている
    ことを特徴とする平面ステージ。
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