JP4635998B2 - ステージ装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体ウェーハやガラス板などの基板を正確に位置決め保持するとともに位置調整を可能としたステージ装置に関する。

半導体ウェーハへの露光工程、或いは半導体ウェーハに形成された回路の検査工程においては基板（半導体ウェーハ）を正確に位置決めし且つ微細な位置調整を行えるステージ装置が必要とされる。

上記ステージ装置としては、特許文献１〜５に開示されるものが知られている。
このうち、特許文献１〜３はいずれもステージが上下方向（Ｚ方向）に移動するものであり、特許文献１にあっては駆動源をボールネジとし、ガイドを第１のエアスライドとし、特許文献２にあっては駆動源をリニアモータと圧縮空気とし、ガイドを第１のエアスライドとし、特許文献３にあっては圧縮空気で粗動を行い、リニアモータで微動を行うようにしている。

また、特許文献４にはステージを水平面内で回動（θ方向）させる機構としてウォームギヤ機構が開示され、特許文献５には第１のエアスライド機構により上下方向（Ｚ方向）、リニアモータにより水平面内で回動（θ方向）させる内容が開示されている。

特開２００２−１００６６６号公報 特開２００２−７１８６０号公報 特開２００３−２８９７３号公報 特開平１０−１６３２９９号公報 特許第２９７４５３５号公報

特許文献１〜４にあってはステージに上下方向の動きしかさせることができず、水平方向の回転動はできない。このため、ステージ装置としての利用範囲が限られてしまう。また特許文献５にあっては２方向の動きが可能であるが、駆動系のリニアモータが２つ必要なため制御が複雑となる。

また、従来構造としては、ウォームギヤ機構で楔を移動させてテーブルを上下動するものがあるが、この構成であると楔の擦り合わせで精度が決まってしまうので、装置の製作に熟練を要することになる。さらにウォームギヤ機構を採用するとガタがあるためバックラッシュを避けることができない。

上記の課題を解決するため本発明に係るステージ装置は、基板を載置するステージと、このステージを上下方向（Ｚ軸方向）に移動せしめるボールネジ機構と、前記ベースに対し水平方向（θ方向）に回転可能に支持された回転体と、この回転体に取り付けられるとともに前記ステージと連結された軸の昇降動をガイドする第１のエアスライドと、この第１のエアスライドを囲むようにベースに取り付けられた環状リニアモータコイルと、この環状リニアモータコイルに沿って移動可能に係合し前記ボールネジ機構のナット部を回転せしめるＺモータマグネットと、前記環状リニアモータコイルに沿って移動可能に係合し前記回転体を回転せしめるθモータマグネットとを備える構成とした。

前記回転体をベースに対し水平方向（θ方向）に回転可能に支持する手段としては、上下方向の支持を第２のエアスライドを用いることが好ましい。このようにエアスライドを介して回転体を支持する構成とすることで、ボールベアリングなどによってのみ支持する構造に比べ、回転をスムーズに行うことができる。

前記θモータマグネットを駆動して回転体を回転させると、この回転体と一体的に第１のエアスライドが回転し、この第１のエアスライドは例えば角筒状をなし、この角筒状第１のエアスライドの内側に角柱状の第１のエアスライドの軸が嵌合しているためステージが回転する。そしてステージが回転すると、ボールネジ機構を介してステージが昇降動することになり、この昇降動はステージの水平回転動に伴った不要な動きであるので、この昇降動をキャンセルする方向に、前記θモータマグネットの駆動と同時にＺモータマグネットが駆動する構成とすることが望ましい。

また、前記第１のエアスライドと前記環状リニアモータコイルとは高さ方向を基準としてオーバラップして配置される構成とすることが好ましい。

また、前記環状リニアモータコイルが１つであり，そこにＺモータマグネットと、θモータマグネットとの両方備える構成とすることが好ましい。

更に、前記第２のエアスライドとしては、エアを噴出する正圧パッドの他にエアを吸引する負圧パッドを設ける構成としても良い。このような構成とすることで、負圧パッドの吸引力によって、確実に回転体をベースに着座固定せしめることができる。また、正圧パッドからの排気を調整することで、回転体のベースに対する着座の強弱コントロールすることも可能となり、さらに、負圧パッドのエアーの吸引を併用することにより回転体の微小なバランスをコントロールすることも可能になる。

本発明によれば、ステージに上下方向と水平回転を行わせる駆動系がリニアモータのみであるので、制御が行いやすい。
また、θモータマグネットの駆動によるステージの水平回転動に伴う昇降動をＺモータマグネットの反対方向の駆動によりキャンセルすることで、ステージの高さを固定して水平方向回動のみを行うことができる。
また、前記第１のエアスライドと前記環状リニアモータコイルとを高さ方向を基準としてオーバラップして、配置することで、装置全体の高さ寸法を抑えることができる。

更に回転体とベースとの間に第２のエアスライドを設けて回転体の上下方向を支持することで、回転体の回転をスムーズに行うことができ、また、ベースに回転体を確実に着座させることもできるので、検査精度を向上させることができる。

更に本発明によれば、発熱する環状リニアモータコイルをベース上に配置しているため放熱効果に優れ、上下方向（Ｚ方向）及び水平方向（θ方向）の何れの動きにおいてもガタが少なく、精度よく動作する。

以下に本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るステージ装置の平面図、図２は図１のＡ−Ａ方向断面図、図３は図１のＢ−Ｂ方向断面図、図４は図１のＣ−Ｃ方向断面図である。尚、図においてステージは他の部材を分かりやすくするため想像線で表している。

図中１はベースであり、このベース１はテーブル等に固定される。ベース１は中央部が皿状の凹部１ａとされ、周縁部がフランジ部１ｂとされ、凹部１ａの中央部にはボールネジ機構２のナット部２ａが水平回転可能に保持され、このナット部２ａにボールネジ機構２のスクリューシャフト２ｂが螺合している。

前記皿状の凹部１ａには円板状の回転体３が回転可能に保持されている。この回転体の中央には前記スクリューシャフト２ｂが貫通する開口４が形成され、更にこの開口４を跨ぐように第１のエアスライド５が回転体３に固定されている。

第１のエアスライド５は全体が角筒状をなし、内周面にエアの噴出口が多数形成されている。この第１のエアスライド５の内周面には上方から上面が閉じられた角筒状をなす軸６が摺動自在に挿入され、この軸６には前記スクリューシャフト２ｂの上端が回転不能に連結され、更に軸６の上面にはステージ７が取り付けられている。このステージ７の上面には半導体ウェーハ等の基板を吸着する真空穴が形成されている。

また、前記ベース１のフランジ部１ｂ上には環状リニアモータコイル８（固定子）が取り付けられ、この環状リニアモータコイル８に移動子としてのＺモータマグネット９及びθモータマグネット１０が移動可能に係合している。これら環状リニアモータコイル８、Ｚモータマグネット９及びθモータマグネット１０を含む駆動系は第１のエアスライド５の高さ範囲内に収まる（オーバラップ）するように配置されている。

Ｚモータマグネット９及びθモータマグネット１０はそれぞれ対向する位置に一対づつ設けられている。Ｚモータマグネット９は約９０°（±４５°）の範囲で環状リニアモータコイル８に沿って往復動可能とされ、θモータマグネット１０は約４°（±２°）の範囲で環状リニアモータコイル８に沿って往復動可能とされている。

また、一対のＺモータマグネット９のうちの一方のＺモータマグネット９の移動方向に沿って移動量を計測するスケール１１が設けられ、一対のθモータマグネット１０のうちの一方のθモータマグネット１０の移動方向に沿って移動量を計測するスケール１２が設けられている。

そして、Ｚモータマグネット９はアーム１３を介して前記ボールネジ機構２のナット部２ａに連結している。而して、Ｚモータマグネット９を駆動して環状リニアモータコイル８に沿って移動せしめると、当該移動がアーム１３を介してナット部２ａに伝達され、ナット部２ａが回転する。一方ナット部２ａに螺合しているスクリューシャフト２ｂはステージ７の軸６に回転不能に連結され、この軸６は第１のエアスライド５に挿入され、この第１のエアスライド５はＺモータマグネット９の駆動では回転しない。したがって、ナット部２ａが回転してもスクリューシャフト２ｂは回転せずにスクリューシャフト２ｂが上下動する。その結果、ステージ７は第１のエアスライド５に沿って昇降動する。

一方、θモータマグネット１０は前記回転体３に連結されている。したがって、θモータマグネット１０を駆動して環状リニアモータコイル８に沿って移動せしめると、当該移動が回転体３に伝達され、第１のエアスライド５が水平面内で回転する。第１のエアスライド５は前記したように角筒状をなしているため、第１のエアスライド５の水平回転は軸６に伝達され、軸６に取り付けられているステージ７が水平回転する。

また、回転体３の上面で第１のエアスライド５の外側位置には上下方向のシリンダユニット１４を配置し、このシリンダユニット１４に枠体１５を連結し、この枠体１５に、ステージ７上に基板を載置したりステージ７から基板を取り上げるリフトピン１６を取り付けている。

ところで、前記したようにＺモータマグネット９を駆動するとステージ７が昇降動し、θモータマグネット１０を駆動するとステージ７は水平面内で回動するが、θモータマグネット１０を駆動してステージ７が回転すると、スクリューシャフト２ｂが回転する。しかしながらスクリューシャフト２ｂが螺合しているナット部２ｂは回転しない。そのため、ステージ７が若干上下動することになる。

しかしながら、上記の上下動は要求していない動きでありステージ装置としてはステージ７の高さ位置が回転動に伴って変化するのは好ましくない。
そこで、本実施例にあってはθモータマグネット１０を駆動してステージ７を水平方向に回動させる際には、当該回動に伴うステージ７の上下動をキャンセルする方向に前記Ｚモータマグネット９を駆動するようにティーチングしておく。これによりθモータマグネット１０を駆動してもステージ７の高さ位置の変化はない。

図５は別実施例を示す図１と同様の図であり、この実施例にあっては回転体３の周縁部下面とベース１との間に第２のエアスライド２０を設け、この第２のエアスライド２０にて回転体３をベース１の上下方向を支持している。また、前記ベース１上面から取付部２２を突出せしめ、この取付部２２に回転体３の外端を支持するベアリング２１を設け、回転体の回転方向を支持している。尚、前記ベアリング２１と取付部２２を１部品としてカムフォロアとしてもよい。

また、この実施例にあっては、ボールネジ機構２の上部にピエゾ素子２３を設け、このピエゾ素子２３にステージ７を取り付けている。ピエゾ素子２３はステージ７の高さ位置の微調整を行い、ステージ７の高さ位置の粗い調整はボールネジ機構２のナット部２ａを回転せしめることで行う。

図６は第２のエアスライドのエアの噴出及び吸引の回路を説明した図であり、第２のエアスライド２０は正圧パッド２０ａと負圧パッド２０ｂを備えている。そして、回転体３を回転させる際には、第２のエアスライド２０の正圧パッド２０ａからエアを噴出することで、ベ−ス１から浮かせた状態でスムーズに回転させる。

また、回転体３を停止する際には、正圧パッド２０ａからのエアの噴出をオフにするとともに負圧パッド２０ｂからエアを吸引し、ベース１に回転体３を固定することで、回転体の位置ずれを確実に防止することができ、ステージ上に載置したウエハ等の検査時の位置決めを精度良く行うことができる。更に、本ステージ装置をＸ−Ｙステージ上に搭載した際の本ステージ装置の移動が、特に、高速に行われる場合においても、その回転体の位置ずれを防止できる。また、この固定の際に負圧パッド２０ｂからの吸引を流量制御機構によりコントロールすることで、回転体３のベース１に対する着座をソフトに行わせることができ、より位置決め精度の優れたステージ装置を提供できる。

本発明に係るステージ装置の平面図 図１のＡ−Ａ方向断面図 図１のＢ−Ｂ方向断面図 図１のＣ−Ｃ方向断面図 別実施例を示す図１と同様の図 第２のエアスライドのエアの噴出及び吸引の回路を説明した図

符号の説明

１…ベース、１ａ…皿状の凹部、１ｂ…フランジ部、２…ボールネジ機構、２ａ…ナット部、２ｂ…スクリューシャフト、３…円板状の回転体、４…開口、５…第１のエアスライド、６…第１のエアスライドの軸、７…ステージ、８…環状リニアモータコイル、９…Ｚモータマグネット、１０…θモータマグネット、１１，１２…スケール、１３…アーム、１４…シリンダユニット、１５…枠体、１６…リフトピン、２０…第２のエアスライド、２０ａ…正圧パッド、２０ｂ…負圧パッド、２１…ベアリング、２２…取付部。

Claims (8)

1. 基板を載置するステージと、このステージを上下方向（Ｚ軸方向）に移動せしめるボールネジ機構と、前記ベースに対し水平方向（θ方向）に回転可能に支持された回転体と、この回転体に取り付けられるとともに前記ステージと連結された軸の昇降動をガイドする第１のエアスライドと、この第１のエアスライドを囲むようにベースに取り付けられた環状リニアモータコイルと、この環状リニアモータコイルに沿って移動可能に係合し前記ボールネジ機構のナット部を回転せしめるＺモータマグネットと、前記環状リニアモータコイルに沿って移動可能に係合し前記回転体を回転せしめるθモータマグネットとを備えることを特徴とするステージ装置。
2. 請求項１に記載のステージ装置において、前記回転体は第２のエアスライドを介して前記ベースに対し水平方向（θ方向）に回転可能に支持されていることを特徴とするステージ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のステージ装置において、前記θモータマグネットの駆動による回転体の回転に伴うステージの昇降をキャンセルする方向に、前記θモータマグネットの駆動と同時にＺモータマグネットが駆動することを特徴とするステージ装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載のステージ装置において、前記第１のエアスライドと前記環状リニアモータコイルとは高さ方向を基準としてオーバラップして配置されていることを特徴とするステージ装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載のステージ装置において、前記環状リニアモータコイルが１つであり，そこにＺモータマグネットと、θモータマグネットとの両方備えることを特徴とするステージ装置。
6. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載のステージ装置において、
   前記ボールネジ機構の上方には上下位置の微調整を行うピエゾ素子が設けられていることを特徴とするステージ装置。
7. 請求項２に記載のステージ装置において、前記第２のエアスライドはエアを噴出する正圧パッドとエアを吸引する負圧パッドを備え、正圧パッドからエアの噴出を停止するとともに負圧パッドにて吸引することで、回転体がベースに着座固定されることを特徴とするステージ装置。
8. 請求項７に記載のステージ装置において、前記正圧パッドからの排気を調整することで、回転体のベースに対する着座の強弱をコントロールすることを特徴とするステージ装置。