JP6584990B2

JP6584990B2 - ステージ装置

Info

Publication number: JP6584990B2
Application number: JP2016065080A
Authority: JP
Inventors: 達矢吉田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: KR102195904B1; JP2017181142A; WO2017169673A1; TWI614841B; US20190024841A1; TW201735237A; US11339914B2; KR20180127975A

Description

本発明は、ステージ装置に関する。

対象物を位置決めするためのステージ装置が知られている。従来では、平行に設けられた２つの軸と、対象物が載せられるテーブルが固定され、２つの軸にガイドされて移動する移動体と、を備えるステージ装置が提案されている（例えば特許文献１）。

特開２０１２−１６０６６３号公報

上述した従来のステージ装置では、移動体は２つの軸にガイドされて移動するため、２つの軸が設計通り平行となるよう組み立てられていないと、軸が移動体に干渉しうる。したがって、従来のステージ装置は、２つの軸が設計通り平行となるよう比較的高い組立精度で組み立てる必要があり、組立作業が困難であった。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、組立作業が比較的容易で、かつ、移動体をガイドする軸が移動体に干渉するのを抑止できるステージ装置の提供にある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のステージ装置は、支持平面に配置される第１、第２、第３支持部と、第１、第２支持部に支持され、第１方向に延びる第１軸と、第３支持部に支持され、第１方向に延びるよう設けられる第２軸と、第１軸および第２軸にガイドされて第１方向に移動する移動体と、を備える。第１、第２、第３支持部のうちの少なくとも１つの支持部は、当該支持部に支持される軸を、第１方向に直交し、かつ、支持平面に平行な第２方向に変位可能に支持する。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、組立作業が比較的容易で、かつ、移動体をガイドする軸が移動体に干渉するのを抑止できるステージ装置を提供できる。

図１（ａ）、（ｂ）は、実施形態に係るステージ装置を示す図である。図２（ａ）、（ｂ）は、図１の第１支持部とその周辺を示す図である。図３（ａ）、（ｂ）は、図１の第３支持部とその周辺を示す図である。図４（ａ）、（ｂ）は、変形例に係るステージ装置の第３支持部とその周辺を示す図である。図５（ａ）、（ｂ）は、変形例に係るステージ装置の第２支持部とその周辺を示す図である。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、工程には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

図１（ａ）、（ｂ）は、実施形態に係るステージ装置１００を示す図である。図１（ａ）は、ステージ装置１００の上面図である。図１（ｂ）は、ステージ装置１００の側面図である。説明の便宜上、図示のように、盤面１０ａ（後述）に平行なある方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に直交する盤面１０ａに平行な方向をＹ軸方向、両者に直交する（すなわち盤面１０ａに直交する）方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直交座標系を定める。ステージ装置１００は、ＸＹステージと称され、対象物をＸ軸方向、Ｙ軸方向に位置決めする。

ステージ装置１００は、定盤１０と、第１支持部１１と、第２支持部１２と、第３支持部１３、第４支持部１４と、Ｘ軸ユニット２０と、第１Ｙ軸ユニット３０と、第２Ｙ軸ユニット４０と、を備える。

定盤１０は、平面視で矩形状の板状の部材である。定盤１０の上面である盤面１０ａは平坦に形成される。盤面１０ａの四隅には、それぞれ第１支持部１１〜第４支持部１４が配置される。つまり、盤面１０ａは、４つの支持部が配置される支持平面として機能する。

第１Ｙ軸ユニット３０は、第１Ｙ軸ガイド３２と、第１Ｙ軸スライダ３４と、を含む。第１Ｙ軸ガイド３２は、四角柱状の部材である。第１Ｙ軸ガイド３２は、その長手方向がＹ軸方向と一致するよう配置され、定盤１０上に設けられた第１支持部１１、第２支持部１２により両端が支持される。

第１Ｙ軸スライダ３４は、断面が四角形の筒状体であり、第１Ｙ軸ガイド３２が挿通される。第１Ｙ軸スライダ３４は、第１Ｙ軸ガイド３２に沿ってＹ軸方向に移動可能に構成される。本実施の形態では、第１Ｙ軸スライダ３４は、第１Ｙ軸ガイド３２とともにエアスライドを構成し、それらの間に供給される圧縮気体により第１Ｙ軸ガイド３２対して浮上し、第１Ｙ軸ガイド３２と非接触状態で第１Ｙ軸ガイド３２に沿って移動する。

第２Ｙ軸ユニット４０は、第２Ｙ軸ガイド４２と、第２Ｙ軸スライダ４４と、を含む。第２Ｙ軸ガイド４２、第２Ｙ軸スライダ４４は、第１Ｙ軸ガイド３２、第１Ｙ軸スライダ３４と同様に構成される。なお、第２Ｙ軸ガイド４２は、その長手方向がＹ軸方向と一致して第１Ｙ軸ガイド３２と並ぶように、すなわち、設計上、第１Ｙ軸ガイド３２と平行に並ぶように配置される。

Ｘ軸ユニット２０は、Ｘ軸ガイド２２と、Ｘ軸スライダ２４と、を含む。Ｘ軸ガイド２２は、その長手方向がＸ軸方向と一致するよう第１Ｙ軸スライダ３４および第２Ｙ軸スライダ４４に連結される。Ｘ軸ガイド２２は特に、低重心化のために、第１端面２２ａが第１Ｙ軸スライダ３４の側面（第２Ｙ軸スライダ４４と対向する側面）３４ａに対向し、第２端面２２ｂが第２Ｙ軸スライダ４４の側面（第１Ｙ軸スライダ３４と対向する側面）４４ａに対向するよう連結される。

Ｘ軸スライダ２４は、断面が四角形の筒状体であり、Ｘ軸ガイド２２が挿通される。Ｘ軸スライダ２４は、第１Ｙ軸スライダ３４や第２Ｙ軸スライダ４４と同様にして、Ｘ軸ガイド２２と非接触状体で支持される。

Ｘ軸スライダ２４には、不図示のテーブルが固定される。テーブルには、半導体ウェハなどの対象物が載せられる。第１Ｙ軸スライダ３４および第２Ｙ軸スライダ４４をＹ軸方向に移動させ、Ｘ軸スライダ２４をＸ軸方向に移動させることにより、テーブルをＸＹ方向に移動させ、対象物をＸＹ方向に位置決めできる。

図２（ａ）〜（ｃ）は、第１支持部１１とその周辺を示す図である。図２（ａ）は、第１支持部１１とその周辺を示す斜視図である。図２（ｂ）は、第１支持部１１をＹ軸方向から見た側面図である。図２（ｃ）は、第１支持部１１をＸ軸方向から見た側面図である。なお、代表して第１支持部１１の構成を説明するが、第２支持部１２、第４支持部１４についても同様の説明が当てはまる。

第１支持部１１は、第１Ｙ軸ガイド３２を固定的に支持する。別の言い方をすると、第１支持部１１は、第１Ｙ軸ガイド３２を、Ｘ軸方向にもＹ軸方向にも（Ｚ軸方向にも）変位不能に支持する。さらに別の言い方をすると、第１支持部１１は、第１Ｙ軸ガイド３２を拘束するよう支持する。本実施の形態では、第１支持部１１は、直方体状に形成され、その下面が盤面１０ａに固定され、その上面に第１Ｙ軸ガイド３２が固定される。第１支持部１１は、第１Ｙ軸ガイド３２を変位不能に支持しうるように、すなわち第１支持部１１自身が変形しないように、実験やシミュレーションに基づき、その素材、Ｘ軸方向の幅、Ｙ軸方向の幅、およびＺ軸方向の幅が決定される。

図３（ａ）〜（ｃ）は、第３支持部１３とその周辺を示す図である。図３（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図２（ａ）〜（ｃ）に対応する。

第３支持部１３は、第２Ｙ軸ガイド４２を、Ｘ軸方向に変位可能に、Ｙ軸方向およびＺ軸方向には変位不能に支持する。本実施の形態では、第３支持部１３は、第１ベース５１と、第２ベース５２と、中間部５３と、第１弾性ヒンジ５４と、第２弾性ヒンジ５５と、第３弾性ヒンジ５６と、第４弾性ヒンジ５７と、を含む。

第１ベース５１、中間部５３、第２ベース５２は、いずれも直方体状に形成され、この順にＺ軸方向に並ぶ。第１ベース５１は、盤面１０ａに固定される。第２ベース５２の上面には第２Ｙ軸ガイド４２が固定される。

第１弾性ヒンジ５４および第２弾性ヒンジ５５は、第１ベース５１と中間部５３との間に並列に設けられ、第１ベース５１と中間部５３とを連結する。第３弾性ヒンジ５６および第４弾性ヒンジ５７は、第２ベース５２と中間部５３との間に並列に設けられ、第２ベース５２と中間部５３とを連結する。

第１弾性ヒンジ５４、第２弾性ヒンジ５５、第３弾性ヒンジ５６、第４弾性ヒンジ５７は、いずれも、第１ベース５１、第２ベース５２、中間部５３と比べて断面積が小さい板状の弾性ヒンジである。具体的には、これら４つの弾性ヒンジは、Ｙ軸方向には比較的厚く（幅広に）形成され、Ｘ軸方向には比較的薄く（幅狭に）形成される。本実施の形態では、４つの弾性ヒンジは、Ｙ軸方向には第１ベース５１等と同じ厚さに、Ｘ軸方向には最薄部分の厚さが第１ベース５１等の１／２０以下となるよう形成されている。

４つの弾性ヒンジは、上述のようにＸ軸方向に薄く形成されているため、Ｙ軸方向に平行な軸周りに変形できる。これにより、第２ベース５２ひいては第２ベース５２に固定された第２Ｙ軸ガイド４２は、第１ベース５１に対してＸ軸方向に微少に移動できる。このように、第３支持部１３は、自身がＸ軸方向に変位することにより、第２Ｙ軸ガイド４２をＸ軸方向に変位可能に支持する。４つの弾性ヒンジは、このように変位しうるように、実験やシミュレーションに基づき、Ｘ軸方向の幅が決定される。

つづいて、本実施の形態が奏する効果について述べる。
第１Ｙ軸スライダ３４と第２Ｙ軸スライダ４４とは、Ｘ軸ガイド２２により連結される。そして、第１Ｙ軸スライダ３４、第２Ｙ軸スライダ４４はそれぞれ、平行となるよう配置された第１Ｙ軸ガイド３２、第２Ｙ軸ガイド４２に沿って移動するよう構成される。つまり、第１Ｙ軸スライダ３４、第２Ｙ軸スライダ４４、およびＸ軸ガイド２２により構成される１つの移動体が、互いに平行となるよう配置された２本のＹ軸ガイドに沿って移動するよう構成される。しかしながら、第１Ｙ軸ガイド３２と第２Ｙ軸ガイド４２とは、設計上は平行であっても、組立誤差等により厳密には平行でない場合もある。この場合、第１Ｙ軸スライダ３４、第２Ｙ軸スライダ４４、およびＸ軸ガイド２２により構成される移動体は、互いに平でない２本のＹ軸ガイドに沿って移動しようとし、移動体が２本のＹ軸ガイドに接触（すなわち干渉）するかじりが生じうる。具体的には、第１Ｙ軸スライダ３４、第２Ｙ軸スライダ４４がそれぞれ第１Ｙ軸ガイド３２、第２Ｙ軸ガイド４２に接触するかじりが生じうる。

これに対し、本実施の形態では、第３支持部１３は、第２Ｙ軸ガイド４２をＸ軸方向に変位可能に支持する。すなわち第３支持部１３は、第２Ｙ軸ガイド４２をＸ軸方向に拘束しない。このため、第２Ｙ軸ガイド４２は、第２Ｙ軸ガイド４２と第２Ｙ軸スライダ４４との間に供給される圧縮気体に押されてＸ軸方向に変位できる。したがって、第１Ｙ軸ガイド３２と第２Ｙ軸ガイド４２とが平行でない場合でも、第１Ｙ軸ガイド３２、第２Ｙ軸ガイド４２、およびＸ軸ユニット２０の移動に伴って、第２Ｙ軸ガイド４２は、かりじが生じないようにＸ軸方向に変位できる。つまり、本実施の形態によれば、かじりが生じない、あるいはかじりが生じるのが抑止される。逆にいうと、第１Ｙ軸ガイド３２と第２Ｙ軸ガイド４２とが厳密には平行でなくてもかじりが生じないため、第１Ｙ軸ガイド３２と第２Ｙ軸ガイド４２とを厳密に平行となるよう組み立てなくても済む。したがって、ステージ装置１００を組み立てるのが比較的容易になる。

また、本実施の形態によれば、第１Ｙ軸ガイド３２は、第１支持部１１、第２支持部１２により固定的に支持されるため、すなわちＸ軸方向に変位不能に２箇所で支持されるため、基準となりうる。したがって、第１Ｙ軸ガイド３２を基準とするべくＹ軸方向に精度よく組み付けさえすれば、第１Ｙ軸スライダ３４、第２Ｙ軸スライダ４４、およびＸ軸ユニット２０は、その基準となる第１Ｙ軸ガイド３２に沿ってＹ軸方向に移動でき、高い位置決め精度が実現できる。

以上、実施の形態にステージ装置について説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下変形例を示す。

（変形例１）
実施の形態では特に言及しなかったが、第２Ｙ軸ガイド４２をＸ軸方向に変位可能に支持する第３支持部の構成には、様々な変形例が考えられる。

図４（ａ）〜（ｃ）は、変形例に係るステージ装置の第３支持部１１３を示す図である。図４（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図３（ａ）〜（ｃ）に対応する。本変形例では、第３支持部１１３は、第１ベース５１と、第２ベース５２と、中間部５３と、第１弾性ヒンジ１５４と、第２弾性ヒンジ１５６と、を含む。第１弾性ヒンジ１５４は、第１ベース５１と中間部５３との間に設けられ、第１ベース５１と中間部５３とを連結する。第２弾性ヒンジ１５６は、第２ベース５２と中間部５３との間に設けられ、第２ベース５２と中間部５３とを連結する。すなわち、本変形例では、第１ベース５１と中間部５３との間、第２ベース５２と中間部５３との間に、それぞれ１つの弾性ヒンジが設けられる。本変形例によれば、上述の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

また例えば、第３支持部は、弾性ヒンジの代わりに、弾性ヒンジと同様の機能を有する他の機構、すなわち摩擦やヒステリシスを有しない他の機構を含んで構成されてもよい。一例としては、第３支持部は、弾性ヒンジの代わりに、直動軸受やエアベアリングを含んで構成されてもよい。

（変形例２）
実施の形態および上述の変形例では、第２Ｙ軸ガイド４２は、一端側は第３支持部１３によりＸ軸方向に変位可能に支持され、他端側は第４支持部１４により固定的に支持される場合について説明したが、これに限られず、第２Ｙ軸ガイド４２は、両端側がＸ軸方向に変位可能に支持されてもよい。つまり、第４支持部１４が、第３支持部１３と同様に構成されてもよい。

（変形例３）
実施の形態および上述の変形例では、第１Ｙ軸ガイド３２は、両端が固定的に支持される場合ついて説明したが、これに限られない。第１Ｙ軸ガイド３２は、一端は固定的に支持され、他端は、Ｘ軸方向に変位不能に、Ｙ軸方向には変位可能に支持されてもよい。

例えば、第２支持部が第１Ｙ軸ガイド３２をＸ軸方向には変位不能に、Ｙ軸方向には変位可能にしてもよい。図５（ａ）〜（ｃ）は、変形例に係るステージ装置の第２支持部１１２を示す図である。図５（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図３（ａ）〜（ｃ）に対応する。第２支持部１１２は、図３（ａ）〜（ｃ）の第３支持部１３をＺ軸に平行な軸周りに９０度回転させたように構成される。

本変形例によれば、第１Ｙ軸ガイド３２は、第１支持部１１により固定的に支持されるものの、第２支持部１２にはＹ軸方向に変位可能に支持される。これにより、第１Ｙ軸ガイド３２は、Ｙ軸方向に変位できる。ここで、第３支持部１３は、Ｘ軸方向に変位可能に、Ｙ軸方向に変位不能に第２Ｙ軸ガイド４２を支持する。しかしながら、第３支持部１３は、弾性ヒンジを含むことによりＹ軸方向の支持剛性が下がり、厳密には、Ｙ軸方向の変位もわずかながら許容する。つまり、第２Ｙ軸ガイド４２は、厳密には、Ｙ軸方向にも微少に変位可能に支持される。これに対し本変形例では、第１Ｙ軸ガイド３２もＹ軸方向に変位可能に支持されるため、第１Ｙ軸ガイド３２と第１Ｙ軸スライダ３４のＹ軸方向の支持剛性を均等化できる。

また、本変形例によれば、周囲の温度変化等に伴って第１Ｙ軸ガイド３２に温度変化が生じた場合でも、第１Ｙ軸ガイド３２はＹ軸方向に膨張または収縮できるため、第１Ｙ軸ガイド３２には熱応力は生じないあるいは第１Ｙ軸ガイド３２に生じる熱応力を低減できる。第１Ｙ軸ガイド３２に撓みが生じるのを抑止できる。

（変形例４）
実施の形態では、第１Ｙ軸スライダ３４、第２Ｙ軸スライダ４４がそれぞれ、第１Ｙ軸ガイド３２、第２Ｙ軸ガイド４２を四面で拘束する場合について説明したが、これに限られない。第１Ｙ軸スライダ３４、第２Ｙ軸スライダ４４はそれぞれ、第１Ｙ軸ガイド３２、第２Ｙ軸ガイド４２の下面を開放するよう構成されてもよい。すなわち、第１Ｙ軸スライダ３４および第２Ｙ軸スライダ４４は例えば、Ｙ軸方向に直交する断面の形状が凹形となるよう構成されてもよい。この場合、支持部が第１Ｙ軸ガイド３２、第２Ｙ軸ガイド４２の両端以外を支持することが可能となる。

（変形例５）
実施の形態および上述の変形例では、Ｙ軸ガイドとＹ軸スライダがエアスライドを構成する場合について説明したが、これに限られない。Ｙ軸ガイドに沿ってＹ軸スライダが移動可能に構成されていればよく、例えば、Ｙ軸ガイドとＹ軸スライダとがボールねじ機構を構成してもよい。この場合、ねじ軸がＹ軸ガイドとして機能し、ナットがＹ軸スライダとして機能し、Ｙ軸ガイドとしてのねじ軸が支持部により支持される。また例えば、Ｙ軸ガイドｔＹ軸スライダとがリニアモータを構成してもよい。この場合、固定子がＹ軸ガイドとして機能し、可動子がＹ軸スライダとして機能し、Ｙ軸ガイドとしての固定子が支持部により支持される。

（変形例６）
実施の形態および上述の変形例では、第１Ｙ軸ガイド３２、第２Ｙ軸ガイド４２がそれぞれ２つの支持部で支持される場合について説明したがこれに限られない。第１Ｙ軸ガイド３２および第２Ｙ軸ガイド４２の一方が複数の支持部で支持され、他方が少なくとも１つの支持部で支持され、かつ、第１Ｙ軸ガイド３２および第２Ｙ軸ガイド４２を支持する複数の支持部のうちの少なくとも１つがＹ軸ガイドをＸ軸方向に変位可能に支持できればよい。すなわち、第１Ｙ軸ガイド３２および第２Ｙ軸ガイド４２は、合わせて３つ以上の支持部で支持され、それら支持部のうちの少なくとも１つが、当該支持部に支持されるＹ軸ガイドをＸ軸方向に変位可能に支持できればよい。

例えば、第１Ｙ軸ガイド３２および第２Ｙ軸ガイド４２は、合わせて３つの支持部に支持されてもよい。具体的には、例えば、第１Ｙ軸ガイド３２が２つの支持部で支持され、第２Ｙ軸ガイド４２が１つの支持部で支持され、それら３つの支持部のうちの少なくとも１つの支持部がＹ軸ガイドをＸ軸方向に変位可能に支持してもよい。この場合、変形例３で上述したように第２Ｙ軸スライダ４４が第２Ｙ軸ガイド４２の下面を開放するよう構成されていれば、第２Ｙ軸ガイド４２を支持する１つの支持部は、第２Ｙ軸ガイド４２の長手方向における真ん中を支持できる。つまり、第２Ｙ軸ガイド４２をより安定に支持できる。

また例えば、第１Ｙ軸ガイド３２および第２Ｙ軸ガイド４２は、合わせて５つの支持部に支持されてもよい。具体的には、例えば、第１Ｙ軸ガイド３２が３つの支持部で支持され、第２Ｙ軸ガイド４２が２つの支持部で支持され、それら３つの支持部のうちの少なくとも１つの支持部がＹ軸ガイドをＸ軸方向に変位可能に支持してもよい。この場合、変形例３で上述したように第１Ｙ軸スライダ３４が第１Ｙ軸ガイド３２の下面を開放するよう構成されていれば、３つの支持部により、第１Ｙ軸ガイド３２の両端とその長手方向における真ん中を支持できる。第１Ｙ軸ガイド３２の両端に加えて長手方向における真ん中を支持することで、第１Ｙ軸ガイド３２が撓むのを抑止できる。

上述した実施の形態および変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。また、請求項に記載の各構成要件が果たすべき機能は、実施の形態および変形例において示された各構成要素の単体もしくはそれらの連係によって実現されることも当業者には理解されるところである。例えば請求項に記載移動体は、実施の形態に記載の第１Ｙ軸スライダ３４、第２Ｙ軸スライダ４４およびＸ軸ユニット２０の組み合わせにより実現されてもよい。

１０定盤、１０ａ盤面、１１第１支持部、１２第２支持部、１３第３支持部、１４第４支持部、２０Ｘ軸ユニット、３２第１Ｙ軸ガイド、３４第１Ｙ軸スライダ、４２第２Ｙ軸ガイド、４４第２Ｙ軸スライダ、１００ステージ装置。

Claims

支持平面に配置される第１、第２、第３支持部と、
前記第１、第２支持部に支持され、第１方向に延びる第１軸と、
前記第３支持部に支持され、前記第１方向に延びるよう設けられる第２軸と、
前記第１軸および前記第２軸にガイドされて前記第１方向に移動する移動体と、を備え、
前記第１、第２、第３支持部のうちの少なくとも１つの支持部は、当該支持部に支持される軸を、前記第１方向に変位不能で、前記第１方向に直交し、かつ、前記支持平面に平行な第２方向に変位可能に支持することを特徴とするステージ装置。
前記第１、第２支持部は、前記第１軸を、前記第２方向に変位不能に支持することを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
前記第１支持部は、前記第１軸を、前記第１方向に変位不能に支持し、
前記第２支持部は、前記第１軸を、前記第１方向に変位可能に支持することを特徴とする請求項２に記載のステージ装置。