JP4725484B2 - 組立て構造体およびステージ装置 - Google Patents

Description

本発明はステージ装置、特に露光装置等の高精度の位置決めが必要とされるステージ装置のための組立て構造体に関する。

近年、半導体回路は益々精細化する傾向にあり、例えば、ステージ装置を搭載した半導体露光装置では、ステージ装置はレーザー干渉計等の計測装置を用いた極めて高精度な位置決めが要求される。高精度な位置決めを実現するためにはステージ装置自体の剛性も重要となってくるため、剛性を高めるためステージ装置が大型化する傾向にある。またステージ装置はリニアモータ等のアクチュエータを用いて駆動するが、エネルギーのロスを最小限に抑えるためエアベアリングを用いて荷重を受ける構成が一般的である。エアベアリング部はパッド間のギャップが非常に狭く、数ミクロン程度であり、エアベアリング部を構成する材料は熱的、機械的に安定性が高いことが求められる。このためエアベアリング部を構成する材料として一般的にセラミックス等の非金属材料が用いられる。
上記のような大型ステージにおいて、リニアモータ等のアクチュエータにより発生した熱が周囲部材に伝わり熱膨張を起こすが、エアベアリング部を構成するセラミックス材料とその周囲を構成する材料の間の熱膨張係数が異なると、熱膨張量が大きく異なってしまい締結部で互いに応力を発生し変形する、いわゆるバイメタル現象が発生して互いに歪みを与えてしまい、エアベアリング部のギャップを潰してしまう可能性がある。
このため、エアベアリング部及びその周囲を構成する組立構造材の材料を熱膨張率が等しくする必要がある(例えば、特許文献１参照)。

図４は特許文献１に係る試料台４３と移動鏡４４との締結部の断面を示す図で、試料台１３には移動鏡４４がネジ４７とネジ４７と螺合するブッシュ４９とで固定されている。試料台４３および移動鏡４４は同一のセラミックス材料によって構成されている。ネジ４７は熱膨張係数が１〜２ｐｐｍ／Ｋと非常に小さい合金（インバー）製のネジである。試料台４３はセラミックスで構成されているため、試料台４３に直接雌ネジを形成することは困難であるので、金属製のブッシュ４９が埋め込まれており、ブッシュ４９にネジ４７に対応した雌ネジが形成されている。このブッシュ４９もネジ４７と同じ合金で構成されている。更にネジ４７と移動鏡との間に介在する球面座金４１も同じインバーで構成されている。

このように、試料台４３および移動鏡４４を同じセラミックス材料で構成することにより、試料台４３周辺の温度が変化しても両者の熱伸縮量は等しく、バイメタル現象による変形は生じない。更に、両者の締結に熱膨張係数が略等しい低膨張合金であるインバー製のネジ４７を用いることにより、周囲温度の変化による軸力変化を低減し試料台４３および移動鏡４４の歪みを抑制している。

また、金属部材とセラミックス部材よりなる組立構造体として、熱膨張率の低いセラミックス部材側から熱膨張率の高い金属部材側に向けて徐々に熱膨張率が高い材料で作られたダンパ層を多段階でろう付けもしくは蒸着により固定配置し、両者間の熱膨張率の差を吸収し歪み、熱応力の発生を防止する方法も提案されている。(例えば、特許文献２参照)
特開２００４−２４１６７０号公報 特開平１０−４１３７７号公報

図５は、特許文献２記載の静電チャック装置の構造を示す断面図で、この静電チャック装置は冷却用のウォータジャケット５ａが設けられたアルミニウム合金からなるベース部材５１と、このベース部材５１上に設けられた第１〜第３ダンパ層５２〜５４と、第３ダンパ層５４上に設けられた静電チャック５５とを有している。静電チャック５５は、セラミックからなる下部絶縁層５６と、金属電極層５７と、上部絶縁層５８とから構成されている。金属電極層５７には外部から選択的に電源が供給されるようになっている。ベース部材５１と第１ダンパ層５２との間、及び静電チャック５５の下部絶縁層５６と第３ダンパ層５４との間はその全面でろう付されているので、静電チャック５５からベース部材５１に効率良く熱が伝達される。第１〜第３ダンパ層５２〜５４は、アルミニウムをマトリックス金属とし、アルミナなどのセラミックを添加材とする複合材からなる。
そして、ベース部材５１側の第１ダンパ層５２から下部絶縁層５６側の第３ダンパ層５４にかけて徐々に熱膨張率が低くなるようにマトリックス金属と添加材との比率が変化している。即ち、熱膨張率の大きなベース部材５１と熱膨張率の小さな静電チャック５２との間に徐々に熱膨張率の変化する複数のダンパ層５２〜５４を設けることにより、熱応力が徐々に緩和され、比較的脆い静電チャック５５に過大な応力が加わることがない。

しかしながら従来技術１，２には次のような問題があった。
ステージ部材を搭載した半導体露光装置では、組立構造体の剛性を高くする必要があるため装置自体が大型化する傾向にあり、装置の大型化に比例して部品の熱膨張量の増加を招いてしまう。このため、参考文献１に記載されているように組立構造体を熱膨張係数の等しい素材で構成し、各部材の熱膨張量を等しくして部材間相互の歪み、応力を防ぐ必要があるが、エアベアリング部の様に加工精度や、低熱膨張の素材を使用する必要がある部材以外の全ての部分もセラミック等の非金属材料を用いて構成することが必要となり非常にコストの高い装置となってしまうという問題がある。
また、参考文献２に記載されているように熱膨張率の低いセラミックス部材と熱膨張率の高い金属部材の間に、セラミックス部材側から金属部材側に向けて徐々に熱膨張率が高くなるようにダンパ層をろう付けまたは蒸着により積層し、熱膨張量の差による歪み、熱応力の発生を防ぐ場合、大型の組立構造体では熱膨張量が大きくダンパ層で許容できず、熱膨張量の差による歪み、熱応力の発生、もしくはろう付け部の破損も起こり得る。

本発明は以上の問題を鑑みてなされたものであり、安価に構成でき、ステージ内温度が変化しても構成する部材に歪みを生じないような組立て構造体およびこれを用いたステージ装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、組立て構造体に係り、第一部材と、前記第一部材よりも大きな熱膨張係数を有する第二部材と、前記第一部材と前記第二部材とを締結する締結部材と、を備える組立て構造体において、前記締結部材が、前記第一部材に締結される部位と、前記第二部材に締結される部位と、前記第一部材に締結される部位と前記第二部材に締結される部位との間に形成されて前記締結部材を貫通する貫通長孔と、を備え、前記貫通長孔が直交ＸＹＺ方向におけるＺ方向に貫通しているとしたとき、前記貫通長孔はＸ方向の幅よりもＹ方向の幅が長く形成され、前記第一部材と前記第二部材とに熱膨張量の差が生じると、前記第二部材の熱膨張により、前記締結部材が、前記Ｙ方向および前記Ｚ方向よりも前記Ｘ方向に大きく引き伸ばされることで、前記第二部材から前記第一部材に作用する前記Ｘ方向の力を緩和することを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の組立て構造体において、前記貫通長孔が前記締結部材において前記Ｘ方向に複数個互いに平行に並列配置されたことを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の組立て構造体において、前記第一部材と前記第二部材とを直接締結する第二の締結部材をさらに備え、前記第二の締結部材が、前記第一部材と前記第二部材とに形成された前記Ｚ方向の貫通孔および前記貫通孔に対応するネジ孔と、前記貫通孔に挿通され、前記貫通孔の内周との間に隙間を有し、前記貫通孔よりも長い円筒部材と、前記円筒部材に挿通されるボルトと、前記Ｚ方向における、前記円筒部材と前記第一部材との間および前記第一部材と前記第二部材との間にそれぞれ設けられた弾性体とを備えたことを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の組立て構造体において、第一部材と、前記第一部材よりも大きな熱膨張係数を有する第二部材と、を少なくとも有し、前記第一部材と前記第二部材とが請求項１〜３のいずれか１項記載の組立て構造体によって締結されることを特徴としている。

上記構成によると、非金属材料で形成された第一部材と、金属材料で形成された第二部材とを一方向に剛性が低い締結部材を介して締結することにより、ステージ温度が上昇した際に、非金属材料と金属材料の熱膨張量の差により発生する歪み及び内部応力を、締結部材の変形により緩和させ、その他の方向に対しては高い剛性で固定することが可能になる。
また、非金属材料で形成された第一部材と、金属材料で形成された第二部材とを弾性体を介して締結部材で締結することにより、ステージ温度が上昇した際に、非金属材料と金属材料の熱膨張量の差により発生する歪み及び内部応力を締結部材の変形で緩和し、さらに振動の減衰率を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は実施例１に係る組立て構造体の締結部材の斜視図である。
図において、１は第一部材、２は第二部材、３は締結部材であり、第一部材１はセラミックスに代表される非金属材料で形成され、第二部材２は金属材料で形成されている。また、１ａは第一部材１に設けられた締結孔、３ｂは締結部材３に設けられた締結孔で、締結孔１ａと締結孔３ｂとを孔の中心線に揃えてボルトを通して一括して締め付けることで、第一部材１と締結部材３とが締結される。
また、３ａは締結部材３に設けられた締結孔、２ｂは第二部材２に設けられた締結孔（図では隠れて見えない）で、締結孔３ａと締結孔２ｂとを孔の中心線に揃えてボルトを通して一括して締め付けることで、締結部材３と第二部材２とが締結される。
〈締結部材３の形状〉
締結部材３は組立構造体の長手方向に剛性が著しく低い形状の金属部品である。長手方向に剛性が著しく低くなるようにするための形状としては、例えば図に示すように、長手方向（Ｘ方向）を横切る方向（Ｙ方向）に延びる細長い貫通長孔３ｃを複数個設けるようにすればよい。
このようにすることでこの締結部材３のＸ方向に両側から引き伸ばす方向に力が加わると、細長い貫通長孔３ｃが複数個あるために長手方向に剛性が著しく低くなっており、締結部材３はＸ方向に両側へ簡単に引き伸ばされることとなる。
これに対して、締結部材３のＹ方向に両側から引き伸ばす方向に力が加わっても、貫通長孔の介在しない金属柱が３本の平行にあるので大きな剛性が維持されており、締結部材３はＹ方向に両側へ引き伸ばされることは起きない。
同じく、締結部材３のＺ方向に両側から引き伸ばす方向に力が加わっても、貫通長孔の介在しない部位が多くあるので剛性があり、締結部材３はＺ方向に両側へ引き伸ばされることは起きない。
〈締結部材３の使い方〉
そこで、第二部材２の窪みに締結部材３を納めて、締結部材３の締結孔３ａから第二部材２の締結孔２ｂに向けて締結ボルトをねじ込むことにより、第二部材２と締結部材３は締結される。
次に、この締結部材３の上に第一部材１を置き、第一部材１の締結孔１ａから締結部材３の締結孔３ｂに向けて締結ボルトをねじ込むことにより、第一部材１と締結部材３は締結し、第一部材１と第二部材２とが締結部材３を介して締結されることとなる。
〈締結部材３の機能〉
このように、実施例１に係る締結部材３を介して第一部材１と第二部材２を締結することにより、例えばステージを駆動するアクチュエータ等の発熱によりステージの温度が上昇して第一部材１と第二部材２に熱膨張が発生すると、第一部材１と第二部材２の熱膨張量の差が最も大きく生じる長手方向に歪みが生じるが、その歪み方向が締結部材３のＸ方向となっているので、締結部材３のＸ方向両側が変形するだけであって、第一部材１および第二部材２に生じるＸ方向の歪み及び内部応力は緩和されることができる。

図２は実施例２に係る組立て構造体の締結部材の側断面図である。
図において、１１は第一部材、１２は第二部材、１３は締結部材、１４は弾性体、１５はボルトである。弾性体１４は例えばＯリングである。
第一部材１１はセラミックスに代表される非金属材料で形成され、第二部材１２は金属材料で形成されている。締結部材１３はボルト１５の締結時にＸ、Ｙ、Ｚ全ての方向に対してギャップを持たせて第二部材１２に第一部材１１を固定する。この際、締結部材１３のＺ方向＋、−両側にできるギャップに弾性体１４を挟み込み、予め計算していた設計値にＯリングを潰す。
これによりステージの温度が上昇し、第一部材１１および第二部材１２に熱膨張量の差が生じても締結部材１３により挟み込まれた弾性体１４がＸ、Ｙ方向に変形し（しかし、弾性体１４はＺ方向に潰されているのでＺ方向には剛性があり、変形しない。）、第一部材１１および第二部材１２に生じるＸ、Ｙ方向の歪み及び内部応力を緩和することができる。
また、前記弾性体１４を挟み込むことで、組立構造体の振動減衰率も上昇する。

図３は実施例１および実施例２を巧みに用いてＸ，Ｙ，Ｚ全方向の歪み及び内部応力を緩和することができる組立構造体の斜視図である。
図において、２１はエアスライダガイド、２２はステンレス部材、２３は実施例１（図１）に係る締結部材、２４は実施例２（図２）に係る締結部材、２５はエアスライダガイド固定板である。
エアスライダガイド２１、エアスライダガイド固定板２５はセラミックスで形成しており、左右に配置した２本のエアスライダ（図示なし）を平行に固定している。エアスライダガイド２１の四面を囲うように構成されたエアスライダパッド（図示なし）がエアスライダガイド２１に沿ってアクチュエータ（図示）によって駆動される。このときエアスライダのギャップは数ミクロン程度と非常に狭く、部材間の熱膨張率の差により歪みが発生することでスライダが接触する可能性もある。ここで、ステージ装置のようにＸ，Ｙ方向に大型の組立構造体に本発明を適用する際に、実施例１の締結部材でＹ方向もしくはＸ方向のどちらか一方の熱膨張量の差を許容するように締結を行い、残るもう一方向に対する熱膨張量を許容するように実施例２の締結部材を用いて締結する。
これにより、エアスライダガイド２１とステンレス部材２２のアクチュエータ等の発熱に起因する熱膨張量の差が引き起こす互いの歪み及び内部応力を緩和することができるため、装置内においてエアスライダ等の加工精度が必要な部位についてはセラミックスを使用し、その他の部位についてはステンレス等の安価な材料を使用して組立構造体を構成することが可能になる。

本発明は、非金属材料と金属材料に限らず、熱膨張率の異なる部品間を締結して組立構造体を構成する際に、歪み及び内部応力を緩和することが可能である。

実施例１に係る組立て構造体の締結部材の斜視図である。 実施例２に係る組立て構造体の締結部材の側断面図である。 実施例１および実施例２を用いた組立構造体の斜視図である。 特許文献１に係る締結部の断面図である。 特許文献２に係る静電チャック装置の構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 第一部材
１ａ 締結孔
２ 第二部材
２ｂ 締結孔
３ 締結部材
３ａ 締結孔
３ｂ 締結孔
３ｃ 貫通長孔
１１ 第一部材
１２ 第二部材
１３ 締結部材
１４ 弾性体
１５ ボルト
２１ エアスライダガイド
２２ ステンレス部材
２３ 実施例１
２４ 実施例２の締結部材
２５ エアスライダガイド

Claims (4)

1. 第一部材と、前記第一部材よりも大きな熱膨張係数を有する第二部材と、前記第一部材と前記第二部材とを締結する締結部材と、を備える組立て構造体において、
   前記締結部材が、前記第一部材に締結される部位と、前記第二部材に締結される部位と、前記第一部材に締結される部位と前記第二部材に締結される部位との間に形成されて前記締結部材を貫通する貫通長孔と、を備え、
   前記貫通長孔が直交ＸＹＺ方向におけるＺ方向に貫通しているとしたとき、前記貫通長孔はＸ方向の幅よりもＹ方向の幅が長く形成され、前記第一部材と前記第二部材とに熱膨張量の差が生じると、前記第二部材の熱膨張により、前記締結部材が、前記Ｙ方向および前記Ｚ方向よりも前記Ｘ方向に大きく引き伸ばされることで、前記第二部材から前記第一部材に作用する前記Ｘ方向の力を緩和することを特徴とする組立て構造体。
2. 前記貫通長孔が前記締結部材において前記Ｘ方向に複数個互いに平行に並列配置されたことを特徴とする請求項１記載の組立て構造体。
3. 前記第一部材と前記第二部材とを直接締結する第二の締結部材をさらに備え、
   前記第二の締結部材が、前記第一部材と前記第二部材とに形成された前記Ｚ方向の貫通孔および前記貫通孔に対応するネジ孔と、前記貫通孔に挿通され、前記貫通孔の内周との間に隙間を有し、前記貫通孔よりも長い円筒部材と、前記円筒部材に挿通されるボルトと、前記Ｚ方向における、前記円筒部材と前記第一部材との間および前記第一部材と前記第二部材との間にそれぞれ設けられた弾性体と、を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の組立て構造体。
4. 第一部材と、前記第一部材よりも大きな熱膨張係数を有する第二部材と、を少なくとも有し、前記第一部材と前記第二部材とが請求項１〜３のいずれか１項記載の組立て構造体によって締結されることを特徴とするステージ装置。

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