JP4899469B2 - 平面ステージ装置 - Google Patents
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Description
このようなステージは、例えば露光装置のワークステージとして使われる。近年、液晶パネルやプリント基板は年々大型化し、それにともない、それらを露光する露光装置のワークステージも大型化している。
XY平面ステージの、ワークを吸着する平面ステージは、精度よく加工された1枚の金属板である。大型化するとその分重量が増え、位置合せ等でXY方向に移動する時、大きな力をかける必要がある。
平面ステージが大型化し重量が増えても、小さな力で移動させられるステージとして、例えば特許文献2に記載のものが知られている。同公報図4には平面ステージをエアにより浮上させて移動させる構造が示されている。
ワークWが載置される平面ステージ100には、3ヵ所以上のエアベアリング101が取り付けられており、表面が精度良く加工された定盤102の上を浮上して移動する。
平面ステージの移動機構は例えば前記特許文献1に示されるような、2個のX軸移動機素と1個のY軸移動機素を平面ステージ100に取り付けたものが利用される。
また、平面ステージの駆動機構として、例えば特許文献3に記載されるサーフェスモータステージ(ソーヤモータステージともいう)が知られており、上記図9に示すステージの駆動機構としてサーフェスモータを用いることも考えられる。
サーフェスモータステージは、碁盤目状もしくはストライプ状に強磁性体の凸極が設けられた平面状のプラテンと、エアなどで浮上させた移動体(フォーサ)から構成され、移動体に移動磁界を発生させ、移動体をプラテン上で移動させるようにしたものである。
図9においてサーフェスモーターを適用する場合、定盤102上にプラテンが設けられ、平面ステージ100の裏面に移動体が取り付けられる。
(1)ワークが載置される平面ステージの表面だけでなく、定盤の表面も高い平面精度で加工しなければならない。図9に示したものでは、平面ステージをエアベアリングにより浮上させて定盤上を移動させており、定盤表面の平面度が低いと、平面ステージは傾いたり上下動する。 このため、定盤の表面も、高い平面精度で加工しなければならない。
(2)上述したように定盤の表面を高い精度で平面に保つ必要があるが、定盤の設置面、最終的には、平面ステージが置かれる工場の床面は必ずしも平坦ではない。したがって、定盤表面を高い平面精度で加工しても、定盤の剛性が低いと、定盤を設置したとき、定盤が撓むなどしてその表面を高い精度で平面に保つことが困難となる。すなわち、定盤の表面を高い精度で平面に保つためには、定盤の剛性を高くする必要があり、定盤の重量が増加する。
ワークサイズが大きい液晶パネルやプリント基板の露光装置のステージとして使用する場合、例えば重量が1t〜10tにもなる。
このため、装置重量が大変重くなるとともに、装置コストも高くなる。
本発明は上述した従来の問題点を解消するためになされたものであって、その目的は、重量の重い定盤を使用することなく、平面ステージ表面を高い精度で平面に保つことができ、装置重量が軽く、かつ製作コストも安い平面ステージ装置を提供することである。
ワークを載置する平面板と、該平面板を3ヵ所以上で支持する支持部材と、上記平面板を、少なくとも該平面に平行に移動させる移動機構とを備えた平面ステージ装置において、上記支持部材に、平面板と対向して配置されるエアベアリングを設け、該支持部材により上記平面板を浮上させ、平面板を、該平面板の平面に対して直交する方向に任意の推力で変位させる。そして、平面板の変位状態を、選択された変位状態に保持させ、上記平面板のワークが吸着固定される面を水平かつ平面に保つ。
また、上記移動機構を、上記支持部材のエアベアリングに設けられた移動磁界を発生する磁極を有する移動子と、上記平面板の裏面に、上記エアベアリングに対向して設けられた碁盤目状もしくはストライプ状に凸極が配置された平面状のプラテンから構成される駆動機構から構成する。
(1)平面板を、支持部材により平面板の平面に対して直交する方向に任意の推力で変位させるようにしたので、高い平面精度を有する定盤を用いることなく、平面板の表面を水平かつ平面に保つことができ、また定盤が不要となるので、装置の重量を軽くすることができる。
(2)定盤が不要であり、高い平面精度で加工する必要のある面が、ワークを載置する平面板の表面のみとなるので、装置コストが低くなる。
(3)平面板をエアで浮上させるようにしたので、平面板を小さな力で移動させることができる。
(4)平面板の駆動手段として、移動磁界を発生する磁極を有する移動子と、碁盤目状もしくはストライプ状に凸極が配置された平面状のプラテンから構成されるソーヤモータを利用することにより、機械的なXYθ駆動機構が不要になり、ステージの構造を簡素化させることができる。また、部品点数が減って組み立て容易になり、装置のコスト低減が図れる。また、駆動機構の動作にともなう機構部品の磨耗や、そこからの発塵をなくすこともできる。
なお、図1は図2のA−A断面図であり、図1には図2の平面板をその平面に平行な直交するXY方向に移動させる移動機構であるX軸移動機素およびY軸移動機素は示されていない。
図1、図2において、ワークWが載置される平面板1は、表面が精度良く平面加工され、ワークWを吸着保持する真空吸着溝1aが形成されている。平面板1の大きさは例えば、2200mm×2600mm×300mmである。
平面板1は、平面ステージが取り付けられる装置、例えば露光装置のベースプレート20に対して、3ヵ所以上に設けられた支持部材10により支持されている。なお、図1、図2では6ヵ所に設けられた支持部材10により、平面板1を支持した例が示されているが、支持部材10の設置数は平面板1の大きさ等に応じて適宜設定する。
そして、平面板1は、図2に示すX軸移動機素31,32およびY軸移動機素33によりXY方向に移動する。
例えば、X軸駆動機素31,32を同時に同方向に同量駆動することで、平面ステージ1をX方向(図2の縦方向)に移動させることができ、Y軸駆動機素33を駆動することで、平面ステージ1をY方向(図2の横方向)に移動させることができる。
さらに、上記2つのX軸駆動機素31,32の移動量を変え、それに合わせてY軸駆動機素33を駆動することで、平面板1を平面板1に直交する軸のまわりに必要角度だけ回転させ、θ方向の位置決めを行うことができる。
装置のベースプレート20上にエアシリンダ15が設けられる。エアシリンダ15は、供給するエアの圧力を変化させることにより、シャフト15aが任意の推力で上下する。 エアシリンダ15のシャフト15aは中間台12に接続され、エアシリンダ15と中間台12の間にはばね14が設けられている。
中間台12の両側には、固定ディスク13(例えば板ばね)が下方向に伸びて取り付けられ、固定ディスク13の両側には固定ディスク13を固定するためのパッド16aが設けられ、パッド16aはエアロック機構16bにより駆動される。
エアロック機構16bにエアが供給されると、パッド16aは図中矢印方向に移動し、固定ディスク13が挟み込まれ固定されることにより、エアシリンダ15のシャフト15aの上下方向の位置が固定される。
中間台12の上部にはエアベアリング11が設けられている。エアベアリング11は、多孔質、またはオリフィスが設けられた表面からエアが噴き出すパッド11a(エア噴出部という)を備えた市販のものを使用することができる。
エアベアリング11のパッド11aは自由に首振り移動するように回転軸受11bを介して中間台12に取り付けられている。
まず支持部材10の数を決める。支持部材10は、平面板1の表面が平面になるように平面板1の各部を高さ方向に位置決めするものであるから、最低3個は必要である。
支持部材10のエア噴出部11aの表面と、その上に載置する平面板1の裏面とのエアギャップの設定値を決める。エアギャップの設定値は、エア噴出部11aと対向する平面板1の裏面の面粗さ×10倍が目安である。平面板1の裏面の平面補償板1aはこの表面粗さを補償するために設ける。
エアギャップが大きくなるとエアベアリング11の保持できる許容荷重量が小さくなる。許容荷重の変化はギャップの大きさの変化に対して大雑把には反比例の関係となる。ギャップの設定値は許容荷重の変化に対してギャップが大きく変化しない領域(すなわち剛性が高い領域)で設計するのが目安であり、ギャップは5から10μm程度が一般的である。
支持部材10に載せる平面板1の重さ(積載重量)は、あらかじめ分かっているので、支持部材10に取り付けたエアベアリング11のギャップ・プリロード曲線(個々のエアベアリングにより決まっている曲線)から、プリロード(許容荷重)量を計算する。
図4は、エアベアリングのギャップ・プリロード曲線の一例を示す図である。同図の縦軸はエアギャップの大きさであり、横軸はプリロード(許容荷重)量である。
例えば、エア圧力4.1kg/cm2 のとき、10μmのギャップであれば約20N(ニュートン)の荷重が許容され、エア圧力5.5kg/cm2 のときは、約40Nの荷重が許容される。
積載重量(平面板1の重さ)を、上記で求めた許容荷重で割ると、支持部材10の個数が求められる。ただし、計算上、支持部材の個数が3以下の場合であっても、支持部材10は3個とする。
「自重によるたわみをキャンセルするだけの推力」とは、実際には厳密な計算が必要であるが、次のように説明できる。
例えば60kgの平面板を、6ヶ所の支持の支持部材により支持する場合、理想的には、60kg÷6=10kgの10kgが「自重によるたわみをキャンセルするだけの推力」となる。
例えば、支持部材10の個数が6個で、計算により得られた各支持部材10にかかる重力が、例えば24.7kg、21.6kg、24.7kg、24.6kg、21.6kg、24.6kgであったとする。
支持部材10のエアシリンダ15には、その支持部材10を設けた位置にかかる重力に相当する推力(保持力)が得られるように、エアを供給する。
エアの圧力は、各支持部材10に接続されたエア配管に設けられたレギュレータ(図示せず)により調整する。
次に、支持部材10の上に平面補償板1aとエア噴出部11aの位置を合わせて平面板1を載せ、上記のようにして圧力を設定したエアを各支持部材10のエア噴出部11aとエアシリンダ15に供給し、エア吹出し部11aからはエアを噴き出させ、またシャフト15aを上昇させる。そして、各支持部材10のエアシリンダ15によりに平面板1の自重によるたわみをキャンセルする推力が平面板1に加えられている状態で、エアロック機構16bを動作させて固定ディスク16aをパッド16aで挟み、各支持部材10のシャフト15aの高さ方向の位置を固定する。
これにより、各支持部材10には、平面板1の各支持部材位置における自重に応じた力が加わった状態になり、平面板1の表面が精度よく加工されていれば、平面板1の表面が水平かつ平面になるように保持される。
この状態で、図2に示したX軸移動機素31,32およびY軸移動機素33を駆動することにより、平面板1は、エアシリンダ11のパッドに対向して設けられた平面補償板の範囲において、平面板1の平面に平行な直交する2軸方向、およびその平面に直行する軸のまわりの回転方向であるXYおよびθ方向に移動する。平面板1はエアで浮上しており、大型であっても小さな力でスムーズに移動する。
平面板1の裏面側がある程度平坦に加工されており、かつ、移動量が上記の程度であれば、平面補償板1aの水平面に対する取り付け角度の相対的なばらつきは、0.2°程度となり、平面補償板1aの表面を精度よく加工しておけば平面板1が移動しても、水平板1の高さ方向(Z軸方向)の変位は問題とならない。
なお、平面板1の表面を平面状に加工する際、支持部材により複数箇所で平面板1を支持した状態で、その表面を平面状に加工することも考えられる。
平面板1の表面をこのように複数箇所で支持して平面状に加工した場合には、この平面板をステージとして使用する際、加工時に支持した支持部材と同じ位置に上記支持部材10を配置し、各エアシリンダ15の推力を、この加工時に平面板を支持した支持部材による推力と同じ推力になるように設定する。このようにすれば、平面板1の表面を加工した状態が再現され、実装される装置において、加工時の平面精度で、平面板1を保持することができる。
ソーヤモータステージ(サーフェスモータステージ)は、前記特許文献3に記載されるように、碁盤目状もしくはストライプ状に強磁性体の凸極が設けられた平面状のプラテン上で、移動磁界を発生する移動体(以下フォーサともいう) を移動させるようにしたものである。
本実施例のステージ装置の構成は、前記図1、図2に示したものと同様、平面板1が、エアベアリングを用いた支持部材により3点以上の複数個所で支持されているが、これらの支持部材のうち3個を選び、この3個の支持部材のパッド(エア噴出部)11aに、上記フォーサを設ける。また、平面板1の裏面のフォーサを設けたエア噴出部に対向する部分を平面状のプラテンとする。
図7に示すように、フォーサ17には、永久磁石17aが取り付けられており、これにより磁極17b〜17eには、NまたはSの磁極が発生している。
磁極17b〜17eには、コイル17f,17gが巻かれており、電流が流されると各磁極17b〜17eは電磁石となる。永久磁石17a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17a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。
図7に示すように、フォーサ17を設けたパッド(エア噴出部)11aにはエアが噴き出す穴17hが設けられており、エアが供給されることにより、平面板1を浮上させて保持する。なお、図7では、エアを噴出す穴をフォーサの周囲に設けているが、フォーサの真ん中当たりからエアーを噴き出すようにしてもよい。
図6に示すように、フォーサ17が設けられたパッド(エア噴出部)11aに対応して、平面板1の裏面側にはプラテン1aが埋め込まれ、強磁性体の凸極Pが平面板の移動方向に応じた配列で碁盤目状もしくはストライプ状に設けられ、凸極と凸極の間は非磁性体で埋められている。
(1)STEP1:フォーサ17の磁極17b,17c側のコイル17fに、磁極17bの磁力を強めるように電流を流す。磁極17d,17eのコイル17gには電流を流さない。磁極17bは磁力が強められるので、プラテン1aの凸極P1と強く引き合い、磁極17bと凸極P1とが対向する位置になる。
磁極17cは磁力が打ち消され、凸極P2とP3の間の非磁性体上に位置する。磁極17dと17eは、それぞれ斜め方向の凸極P4、P6と引き合う。
(2)STEP2:磁極17b,17cのコイル17fの電流を止め、磁極17d,17e側のコイル17gに、磁極17eの磁力を強めるように電流を流す。磁極17eは凸極P6と強く引き合い、磁極17dは磁力を打ち消され、凸極P4と引き合わなくなる。
したがって、磁極17eが凸極P6と対向するように、プラテン1aはフォーサ17に対し同図左方向に移動する。磁極17bと17cは、それぞれ斜め方向の凸極P1、P3と引き合う。
磁極17cが凸極P3と対向するように、プラテン1aはフォーサ17に対し同図左方向に移動する。
(4)STEP4:磁極17b,17cのコイル17fの電流を止め、磁極17d,17e側のコイル17gに、磁極17dの磁力を強めるように電流を流す。磁極17dは凸極15と強く引き合い、磁極17eは磁力を打ち消され、凸極P6と引き合わなくなる。磁極17dが凸極P5と対向するように、プラテン1aはフォーサ17に対し同図左方向に移動する。
なお、STEP4の位置に移動後、STEP4に示すようにコイル17gに電流を流し続けることで、フォーサ17をSTEP4の位置に保持させることができる。
Y軸方向に磁極が並べられたフォーサの磁極17bの磁力を上述のように変化させると、平面板1はY軸方向に移動する。X軸方向に磁極が並べられた2個のフォーサの磁極17bの磁力を、両方同じように変化させると、平面板1はX軸方向に移動する。X軸方向に磁極が並べられた2個のフォーサの磁極17bの磁力を、互いに逆方向に変化させると、平面板1はXY平面に直交する軸の回りを回転移動(θ移動)する。
これにより、各支持部材10には、平面板1の各支持位置における自重に応じた力が加わった状態になり、平面板1の表面が精度よく加工されていれば、平面板1の表面が水平かつ平面になるように保持される。
この状態で、上述したように、フォーサの磁極の磁力を変化させて、平面板1をXYθ方向に移動させる。平面板1はエアで浮上しており、大型であっても小さな力でスムーズに移動する。
本実施例のように、駆動機構としてソーヤモータを利用することにより、平面板を移動させるための機械的なXYθ駆動機構が不要になり、ステージの構造が簡素化する。また、部品点数が減って組み立て容易になり、装置のコスト低減が図れる。また、駆動機構の動作にともなう機構部品の磨耗や、そこからの発塵をなくすこともできる。
1a 平面補償板
10,10’支持部材
11 エアベアリング
11a パッド(エア噴出部)
11b 回転軸受け
12 中間台
13 固定ディスク
14 ばね
15 エアシリンダ
15a シャフト
16a パッド
16b エアロック機構
17 フォーサ(移動子)
17a 永久磁石
17b〜17e 磁極
17f,17g コイル
17h エア噴出し穴
20 ベースプレート
31,32 X軸移動機素
33 Y軸移動機素
Claims (1)
- ワークを載置する平面板と、
該平面板を3ヵ所以上で支持する支持部材と、
上記平面板を、少なくとも該平面に平行に移動させる移動機構とを備えた平面ステージ装置において、
上記支持部材には、平面板と対向して配置されたエアベアリングが設けられ、
上記支持部材は、上記平面板を、該平面板の平面に対して直交する方向に任意の推力で変位させるとともに、選択された変位状態を保持し、
上記移動機構は、上記支持部材のエアベアリングに設けられた移動磁界を発生する磁極を有する移動子と、上記平面板の裏面に、上記エアベアリングに対向して設けられた碁盤目状もしくはストライプ状に凸極が配置された平面状のプラテンから構成される駆動機構を有する
ことを特徴とする平面ステージ装置。
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