JP5395363B2 - 位置決め装置 - Google Patents

Description

本発明は、可動部材に載置される対象物のＸＹθ方向の位置決めを行う位置決め装置に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の位置決め装置が知られている。この位置決め装置は、基台に対して可動プレートをＸ方向に進退させる第１のアクチュエータと、基台に対して可動プレートをＹ方向に進退させる第２及び第３のアクチュエータとを備えている。この位置決め装置では、第１のアクチュエータにより可動プレートをＸ方向に並進移動させ、第２及び第３のアクチュエータを同方向に同量駆動することで可動プレートをＹ方向に並進移動させる。そして、第２及び第３のアクチュエータを異なる量駆動することで可動プレートをθ方向に回転移動させる。更に、この位置決め装置では、可動プレートの側面に取り付けられたバーミラーとレーザ測長器とを利用して可動プレートの位置検出が行われて、可動プレート位置の制御が行われ、可動プレートの位置決めが行われる。
特開平９−２１６１３７号公報

しかしながら、この位置決め装置では、可動プレートが規定の位置からθ方向に大きく傾いた場合には、可動プレート上のバーミラーも傾いてしまうので、レーザ測長器による位置測定が不可能となり、可動プレートの位置が制御不能に陥ってしまう場合もある。このような事態を回避するためには、可動プレートのθ方向の可動範囲を制限する必要があるが、この位置決め装置の機構によれば、θ方向の可動範囲は、Ｙ方向の可動範囲に依存して決定される。そして、この種の位置決め装置におけるＸＹ方向の並進移動の可動範囲は、ある程度大きく設定する必要があるので、それに伴いθ方向の可動範囲も必然的に大きくならざるを得ないといった状態にあり、θ方向の可動範囲を適切に制限することが困難であった。

そこで、このような問題点に鑑み、本発明は、可動部材の第１及び第２の各軸方向の並進方向の可動範囲から独立して、第３の軸周りの回転方向の可動範囲を制限することを可能とする位置決め装置を提供することを目的とする。

本発明の位置決め装置は、基台と、第１の軸に沿った方向及び該第１の軸に直交する第２の軸に沿った方向に基台に相対的に移動可能であり且つ第１及び第２の各軸に直交する第３の軸の周りに基台に相対的に回転可能とされた可動部材と、を備え、該可動部材の位置制御によって、当該可動部材上に載置される対象物の基台に対する第１及び第２の各軸に沿った方向及び第３の軸周りの方向の位置決めを行う位置決め装置において、可動部材を、第１及び第２の各軸方向及び第３の軸周り方向に駆動する駆動部と、可動部材の第３の軸周り方向の可動範囲を制限する回転制限部と、を備え、回転制限部は、基台に固定され、第１の軸及び第２の軸を含む平面に沿って延在する延在部材と、可動部材に設けられ、該可動部材が第３の軸周りの所定の回転位置を越えて回転することを規制するための規制部材と、可動部材と規制部材との間に介在する介在部材を有し、介在部材は、第１の軸方向又は第２の軸方向のうちの一方向へ可動部材に相対的に並進移動可能であり、規制部材は、第１の軸方向又は第２の軸方向のうちの他方向へ介在部材に相対的に並進移動可能であるとともに、平面に沿う方向であって延在部材の延在方向に直交する方向で互いに対向し且つ延在部材に間隙をおいて該延在部材を挟んで配置される一対の側壁部とを有することを特徴とする。

この位置決め装置では、駆動部によって可動部材が駆動され、当該可動部材の位置制御が行われる。そして、この可動部材の第３の軸周りの回転方向の可動範囲は、回転制限部により制限されている。回転制限部は、可動部材に設けられ当該可動部材に対して第１及び第２の軸方向に並進移動が可能であり、可動部材の第３の軸周りの所定以上の回転を規制する規制部材を有している。従って、回転制限部によれば、可動部材の第１及び第２の軸方向の並進移動とは無関係に、可動部材の第３の軸周りの方向の可動範囲を制限することができる。

また、規制部材は、一対の側壁部を互いに連結する連結部を更に有し、一対の側壁部の少なくとも一方は、他方との間隔が可変となるように連結部に設けられていることとしてもよい。また、延在部材は棒状をなしており、規制部材は、延在部材の延在方向に沿って伸び、該延在部材が挿入される筒状部材であることとしてもよい。

また、駆動部は、可動部材を第１の軸方向に進退させる第１の駆動部と、可動部材を第２の軸方向に進退させる２つの第２の駆動部と、を有することとしてもよい。このような構成により、駆動部は、第１の軸方向の並進移動、第２の軸方向の並進移動、及び第３の軸周りの回転移動といった３自由度で、可動部材を駆動することができる。

また、回転制限部は、可動部材と規制部材との間に介在する介在部材を有し、介在部材は、第１の軸方向又は第２の軸方向のうちの一方向へ可動部材に相対的に並進移動可能であり、規制部材は、第１の軸方向又は第２の軸方向のうちの他方向へ介在部材に相対的に並進移動可能である。このような構成により、回転制限部の規制部材は、可動部材に対して、第１及び第２の軸方向の並進移動が許容され、かつ第３の軸周りの回転移動が規制される。

本発明の位置決め装置によれば、可動部材の第１及び第２の各軸方向の並進方向の可動範囲から独立して、第３の軸周りの回転方向の可動範囲を制限することが可能となる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る位置決め装置の好適な実施形態について詳細に説明する。図１〜図４に、本発明の位置決め装置の一実施形態であるＸＹθステージ（位置決め装置）１を示す。以下では、各図に示すように、水平方向にＸ軸（第１の軸）とＹ軸（第２の軸）を取り鉛直方向にＺ軸（第３の軸）を取ったＸＹＺ座標系を設定し、説明に用いる。また、ＸＹ平面に平行な平面内での回転の方向を「θ方向」とする。

各図に示すように、ＸＹθステージ１は、位置決めされる半導体ウエハＷを載置する可動プレート（可動部材）３を備えている。可動プレート３の下面には、ＸＹ平面に平行に広がり、上記半導体ウエハＷを吸着させるための載置面３ａが形成されている。この可動プレート３は、ＸＹθステージ１の土台（図示せず）に固定された基台フレーム（基台）５に対して可動であり、Ｘ方向の並進移動、Ｙ方向の並進移動、及び、θ方向の回転移動が可能である。ＸＹθステージ１では、可動プレート３を微少駆動してＸＹθ位置を制御することにより、載置面３ａに載置された半導体ウエハＷの高精度の位置決めを行う。

次に、この可動プレート３をＸＹθ方向に微少駆動させる駆動機構について説明する。可動プレート３の上下方向の中央部には、ＹＺ平面に平行な互いに対向する側面にそれぞれ設けられた１対のＸ操作面３１ｘ，３３ｘと、ＸＺ平面に平行な互いに対向する側面にそれぞれ設けられた１対のＹ操作面３１ｙ，３３ｙと、が形成されている。そして、基台フレーム５には、Ｘ操作面３１ｘの中央を押すためのアクチュエータ（第１の駆動部）４１ｘと、Ｘ操作面３３ｘの中央を押すためのアクチュエータ（第１の駆動部）４３ｘとが対向して固定されている。また、基台フレーム５には、Ｙ操作面３１ｙを押すための２つのアクチュエータ（第２の駆動部）４１ｙ，４２ｙが、Ｙ操作面３１ｙの中央を基準として対称に配列されて固定されている。更に、その各アクチュエータ４１ｙ，４２ｙにそれぞれ対向する位置に、Ｙ操作面３３ｙを押すための２つのアクチュエータ（第２の駆動部）４３ｙ，４４ｙが配列されて固定されている。

以上のような駆動機構の構成によって、ＸＹθ方向の３自由度での可動プレート３の微少駆動が実現される。すなわち、アクチュエータ４１ｘがＸ操作面３１ｘを押すと、可動プレート３は＋Ｘ方向に並進移動し、アクチュエータ４３ｘがＸ操作面３３ｘを押すと、可動プレート３は−Ｘ方向に並進移動する。また、アクチュエータ４１ｙ，４２ｙが同速度でＹ操作面３１ｙを押すと、可動プレート３は＋Ｙ方向に並進移動し、アクチュエータ４３ｙ，４４ｙが同速度でＹ操作面３３ｙを押すと、可動プレート３は−Ｙ方向に並進移動する。

また、アクチュエータ４２ｙ，４３ｙが、同時に、それぞれＹ操作面３１ｙ，３３ｙを押すことにより、可動プレート３は、＋θ方向（上から見て反時計方向）に回転移動し、アクチュエータ４１ｙ，４４ｙが、同時に、それぞれＹ操作面３１ｙ，３３ｙを押すことにより、可動プレート３は、−θ方向（上から見て時計方向）に回転移動する。

また、可動プレート３の側面には、レーザ測長器用のバーミラー７ｘ，７ｙが取り付けられており、バーミラー７ｘ，７ｙの側方には、ＸＹθステージ１の土台に固定されたレーザ測長器（図示せず）が位置している。そして、このＸＹθステージ１では、このバーミラー７ｘ，７ｙと、レーザ測長器とを利用して可動プレート３のＸＹθ位置の検出が行われ、可動プレート３のＸＹθ位置の制御が行われることで、載置面３ａに載置された半導体ウエハＷの位置決めが行われる。

このようなＸＹθステージ１では、可動プレート３が、規定の位置からθ方向に大きく傾いた場合には、バーミラー７ｘ，７ｙも大きく傾いてしまうので、レーザ測長器による位置測定が不可能となり、可動プレート３の位置が制御不能に陥ってしまう場合もある。このような事態を回避するためには、可動プレート３のθ方向の可動範囲を制限する必要があるが、上述の駆動機構によれば、θ方向の可動範囲は、Ｙ方向の可動範囲に依存して決定される。そして、この種の位置決め装置では、ＸＹ方向における並進移動の可動範囲は、ある程度大きく設定する必要があるので、それに伴いθ方向の可動範囲も必然的に大きくならざるを得なくなる。なお、θ方向の可動範囲の制限は、別途、アクチュエータ４１ｙ〜４４ｙの制御により行うことも考えられるが、制御プログラムの複雑化を招いてしまうので、可動範囲は機械的に制限することが望まれる。

そこで、このＸＹθステージ１は、可動プレート３の上方に回転制限部２０を備えており、可動プレート３のＸＹ並進方向の可動範囲から独立してθ方向の可動範囲を制限するようにしている。

この回転制限部２０は、可動プレート３の上方に位置する案内部材（介在部材）２３を備えている。また、上記可動プレート３の上面３ｂには、Ｙ方向に延びる２本のガイドレール２１が取り付けられており、案内部材２３の下面には、Ｙ方向に延びる２本のスライダ２３ａが取り付けられている。そして、この２つのスライダ２３ａと上記２つのガイドレール２１とが係合するように案内部材２３が配置されるので、案内部材２３は、可動プレート３に対してＹ方向にのみ案内されて並進移動する。

更に回転制限部２０は、案内部材２３の上方に位置しＸ方向に延びる円筒部材（規制部材）２５を備えている。また、上記案内部材２３の上面には、Ｘ方向に延びるガイドレール２３ｂが設けられており、円筒部材２５の下面には、Ｘ方向に延びるスライダ２５ａが取り付けられている。そして、このスライダ２５ａと案内部材２３のガイドレール２３ｂとが係合するように円筒部材２５が配置されるので、円筒部材２５は、案内部材２３に対してＸ方向にのみ案内されて並進移動する。

また、円筒部材２５の中空部には、Ｘ方向に延びる丸棒部材（延在部材）２７が挿通されている。この丸棒部材２７は、可動プレート３の上方を横切って架け渡されており、丸棒部材２７の両端は、基台フレーム５の両端から上方に延びたアーム５ａ，５ａに固定されている。この丸棒部材２７は、円筒部材２５の内径よりもわずかに小径に形成されているので、丸棒部材２７の外周面と円筒部材２５の内壁面との間にはわずかな隙間が形成される。なお、円筒部材２５と丸棒部材２７とは、可動プレート３のＸ方向のほぼ全幅に亘る長さを有している。

このような回転制限部２０の構成に基づき、可動プレート３がＸ方向又はＹ方向の並進移動を行うと、この並進移動は案内部材２３の動きにより吸収され、円筒部材２５は丸棒部材２７に対して移動しない。従って、このような回転制限部２０は、可動プレート３のＸＹ方向の並進移動を制限しない。

一方、この回転制限部２０の機構によれば、円筒部材２５は、可動プレート３に対してθ方向に回転移動することはできない。従って、可動プレート３がθ方向の回転移動を行うと、この回転移動は、案内部材２３の動きに吸収されず、可動プレート３と同じ移動量をもって、円筒部材２５がθ方向に回転移動することになる。そして、図５に示すように、この円筒部材２５の回転移動量がθ１に達すると、円筒部材２５の内壁面の端部２５ｈが、丸棒部材２７の外周面に当たり、それ以上の回転移動が規制される。すなわち、円筒部材２７の内壁面と丸棒部材２５との間に設けられた間隙によって可動プレート３のθ方向の回転移動が許容されると共に、この回転移動の可動範囲は、円筒部材２５の内壁面の端部２５ｈが丸棒部材２７の外周面に当たる角度±θ１以下に制限される。

また、別の見方をすると、図６に示すように、円筒部材２５は、Ｙ方向で対向する一対の円筒内壁面（側壁部）２５ｓ，２５ｔを有し、丸棒部材２７は、この円筒内壁面２５ｓと２５ｔとの間のみを移動可能であると考えることができる。そして、円筒部材２５の回転移動量が＋θ１或いは−θ１に達した場合には、円筒部材２５の外周面が、円筒内壁面２５ｓ或いは円筒内壁面２５ｔの端部に当たることにより、円筒部材２５のそれ以上の回転移動が規制される。

以上のように、このＸＹθステージ１の回転制限部２０によれば、可動プレート３のＸＹ方向の並進移動とは無関係に、可動プレート３のθ方向の可動範囲を機械的に制限することができる。従って、このＸＹθステージ１によれば、バーミラー７ｘ，７ｙが所定以上に傾いてしまうことがなく、レーザ測長器による可動プレート３の位置制御が、制御不能に陥ることを防止することができる。

また、ＸＹθステージ１では、可動プレート３のθ方向の可動範囲を決定する部材として、Ｘ方向に長く延びる円筒部材２５及び丸棒部材２７が用いられている。このような部材は、比較的作製容易であり、高い位置精度で設置しやすいので、θ方向の可動範囲の制限を精度よく設定することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では、回転制限部２０に、比較的作製容易である円筒部材２５及び丸棒部材２７を用いているが、これに代えて、他の断面形状の規制部材及び延在部材を用いてもよい。すなわち、例えば、図７に示すように、Ｙ方向で互いに対向する鉛直壁２２５ａ，２２５ｂを有する矩形断面の四角筒２２５を、規制部材として用いてもよい。また、この場合、図８に示すように、矩形断面の角棒２２７を延在部材として用いてもよい。

また、規制部材は筒状の部材に限られず、図９に示すように、上方に開放されたコ字断面の部材３２５を用いてもよい。この部材３２５は、Ｙ方向で互いに対向する鉛直壁３２５ａ，３２５ｂを備え、更に、水平の板状部材で構成され鉛直壁３２５ａ，３２５ｂを下端で連結する連結部３２５ｃを備えている。また、この場合、連結部３２５ｂに代えて、板状部材以外の部材で連結部を構成してもよい。また、部材３２５を、下方に開放される向きに配置してもよい。また、図１０に示すように、規制部材として部材３２５を用い、延在部材として角棒２２７を用いてもよい。

また、図１１に示すように、鉛直壁の間隔が可変とされたコ字断面部材４２５を規制部材としてもよい。すなわち、この部材４２５は、Ｙ方向で互いに対向する鉛直壁４２５ａ，４２５ｂを備え、更に、水平の板状部材で構成され鉛直壁４２５ａ，４２５ｂを下端で連結する連結部４２５ｃを備えている。そして、鉛直壁４２５ｂの固定位置は、連結部４２５ｃ上においてＹ方向に移動可能である。また、この場合、鉛直壁４２５ａ，４２５ｂの双方の固定位置を移動可能としてもよい。このような構成によれば、延在部材の径の大きさに応じて、規制部材における側壁部同士の間隔を変更することができるので、延在部材の径の大きさに拘わらず、延在部材を規制部材内に収容することができる。また、規制部材として円筒部材や四角筒を用いる場合においても、少なくとも何れかの側壁部を移動可能とする構成を採用してもよい。

以上説明した各延在部材及び各規制部材が備える各構成は、適宜組み合わせて採用してもよい。

また、可動プレート３を駆動するアクチュエータ４１ｘ，４３ｘ，４１ｙ〜４４ｙとしては、エアシリンダ機構を用いたアクチュエータや、リニアモータを用いたアクチュエータ等を適宜採用することができる。

本発明の位置決め装置の一実施形態であるＸＹθステージを示す正面図である。 図１に示すＸＹθステージの平面図である。 図２に示すIII-III線に沿うＸＹθステージの断面図である。 図１のＸＹθステージの回転制限部を示す分解斜視図である。 図１のＸＹθステージにおいて円筒部材と丸棒部材との位置関係を拡大して示す平面図である。 図５に示した円筒部材と丸棒部材との位置関係を示す側面図である。 本発明における規制部材及び延在部材の他の例を示す断面図である。 本発明における規制部材及び延在部材の更に他の例を示す断面図である。 本発明における規制部材及び延在部材の更に他の例を示す断面図である。 本発明における規制部材及び延在部材の更に他の例を示す断面図である。 本発明における規制部材及び延在部材の更に他の例を示す断面図である。

符号の説明

１…ＸＹθステージ（位置決め装置）、３…可動プレート（可動部材）、５…基台フレーム（基台）、２０…回転制限部、２３…案内部材（介在部材）、２５…円筒部材（規制部材）、２５ｓ，２５ｔ…円筒内壁面（側壁部）、２７…丸棒部材（延在部材）、４１ｘ，４３ｘ…アクチュエータ（第１の駆動部）、４１ｙ，４２ｙ，４３ｙ，４４ｙ…アクチュエータ（第２の駆動部）、２２５，３２５，４２５…規制部材、２２７…延在部材、２２５ａ，２２５ｂ，３２５ａ，３２５ｂ，４２５ａ，４２５ｂ…側壁部、４２５ｃ…連結部、Ｗ…半導体ウエハ（対象物）。

Claims (4)

1. 基台と、第１の軸に沿った方向及び該第１の軸に直交する第２の軸に沿った方向に前記基台に相対的に移動可能であり且つ前記第１及び第２の各軸に直交する第３の軸の周りに前記基台に相対的に回転可能とされた可動部材と、を備え、該可動部材の位置制御によって、当該可動部材上に載置される対象物の前記基台に対する前記第１及び第２の各軸に沿った方向及び前記第３の軸周りの方向の位置決めを行う位置決め装置において、
   前記可動部材を、前記第１及び第２の各軸方向及び前記第３の軸周り方向に駆動する駆動部と、
   前記可動部材の前記第３の軸周り方向の可動範囲を制限する回転制限部と、を備え、
   前記回転制限部は、
   前記基台に固定され、前記第１の軸及び前記第２の軸を含む平面に沿って延在する延在部材と、
   前記可動部材に設けられ、該可動部材が前記第３の軸周りの所定の回転位置を越えて回転することを規制するための規制部材と、
   前記可動部材と前記規制部材との間に介在する介在部材を有し、
   前記介在部材は、
   前記第１の軸方向又は前記第２の軸方向のうちの一方向へ前記可動部材に相対的に並進移動可能であり、
   前記規制部材は、
   前記第１の軸方向又は前記第２の軸方向のうちの他方向へ前記介在部材に相対的に並進移動可能であるとともに、前記平面に沿う方向であって前記延在部材の延在方向に直交する方向で互いに対向し且つ前記延在部材に間隙をおいて該延在部材を挟んで配置される一対の側壁部とを有することを特徴とする位置決め装置。
2. 前記規制部材は、一対の前記側壁部を互いに連結する連結部を更に有し、一対の前記側壁部の少なくとも一方は、他方との間隔が可変となるように前記連結部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
3. 前記延在部材は棒状をなしており、
   前記規制部材は、
   前記延在部材の延在方向に沿って延び、該延在部材が挿入される筒状部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置決め装置。
4. 前記駆動部は、
   前記可動部材を前記第１の軸方向に進退させる第１の駆動部と、
   前記可動部材を前記第２の軸方向に進退させる２つの第２の駆動部と、を有することを
   特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の位置決め装置。

Images