JP6915468B2 - 炭素繊維強化プラスチック構造体および加工装置 - Google Patents

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Description

本発明は、炭素繊維強化プラスチックを含む炭素繊維強化プラスチック構造体、および当該構造体を使用した加工装置に関する。
露光装置などの加工装置において、ワークを保持して移動するステージは、比剛性が高く、かつ密度および熱膨張係数が小さいといった特性を有することが望まれる。これらの条件を満たす材料として、炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastic：ＣＦＲＰ）がある。ＣＦＲＰは、例えば以下のようにして作られる。
まず、炭素繊維に樹脂を含浸させ、プリプレグと呼ばれる板状（シート状）の材料を作成する。次に、このプリプレグを、繊維の方向を考慮しつつ、型の中に複数枚積み重ね、真空バッグを使用して気圧を利用しながら加熱し圧着し硬化させることにより成形する。そして、冷却後、成形品を型から取り外す。
近年、露光装置などのステージには、エア浮上型の平面ステージが用いられている。エア浮上型の平面ステージでは、滑走面上において、エアの作用により浮上した状態の移動体に対して磁力を印加し、当該移動体と滑走面の凸極との間の磁界を変化させることにより、移動体を滑走面上において水平移動させるようにしている。このような構成を有する平面ステージは、サーフェスモータステージ、ソーヤモータステージなどと称される。
そして、このような平面ステージにおいては、滑走面の面粗さは、例えば１０μｍ以下であることが必要とされている。なぜなら、近年、移動体にはより高い剛性性能が要求されており、その要求を満たすためには、移動時の移動体と滑走面との隙間（エアベアリングギャップ）は、数μｍ程度に維持される必要が有るためである。
しかしながら、ＣＦＲＰ部材は、加工面の面粗さを小さくすることができない。具体的には、ＣＦＲＰ部材は、算術平均粗さＲａで１０μｍ〜２０μｍ程度の精度でしか加工することができない。その理由は、炭素繊維と樹脂とでは、それぞれの剛性の違いにより、研削条件が異なるためと考えられている。そのため、ＣＦＲＰ部材は、単独では露光装置などのステージの滑走面として使用することができない。
特許文献１には、露光装置の基板ステージ（ワーク吸着ベース）が、ＣＦＲＰ部材の表面にセラミックス部材を接合し、セラミックス部材を研削や研磨等により加工して得られる構造体を含む点が開示されている。特許文献１では、ＣＦＲＰ部材とセラミックス部材とを接合するために、未硬化のプリプレグの接着力を使用している。
特開２００９−２４８３９８号公報
上記特許文献１に記載の技術にあっては、ＣＦＲＰ部材の表面に未硬化のプリプレグを配置し、未硬化のプリプレグの上にセラミック部材を配置した積層体を１２０℃程度で加熱することで、セラミックス部材とＣＦＲＰ部材との接合体を得るようにしている。
しかしながら、ＣＦＲＰの熱膨張率とセラミックスの熱膨張率とは異なる。そのため、上記のように加熱処理した後、温度を下げると、ＣＦＲＰ部材に貼り付けられたセラミックス部材に残留応力が生じる。セラミックス部材に残留応力があると、セラミックス部材の表面を、平面精度を上げるために研削加工をした場合、セラミックス部材が薄くなるにつれて応力のバランスが崩れ、セラミックス部材が変形してしまうおそれがある。
また、上記の熱膨張率の違いにより、セラミックス部材とＣＦＲＰ部材との接合体においては、経時的な温度変化に繰り返しさらされるうちに、やがて接合面での変形や、場合によっては破損が生じるおそれがある。さらに、上記のようにセラミックス部材とＣＦＲＰ部材との接合体を製造するためには、ＣＦＲＰ部材を製造する工程の途中に、新たにセラミックス部材を接合する工程を追加しなければならず、生産性が低い。
そこで、本発明は、面粗さが小さく、残留応力や温度変化等に起因する変形が抑制された炭素繊維強化プラスチック構造体、および当該構造体を使用した加工装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック構造体の一態様は、炭素繊維強化プラスチック部材と、前記炭素繊維強化プラスチック部材の第一面上に形成された樹脂層と、前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面上の一部に配置された、前記炭素繊維強化プラスチック部材および前記樹脂層とは異なる材質の第三の部材と、を備え、前記樹脂層における前記第一面に対向する面とは反対の面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚが、ともに１０μｍ以下であり、前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚよりも小さく、前記樹脂層は、前記第三の部材における前記第一面に対向する面とは反対の面が露出するように、前記第一面上に形成されている。
このような炭素繊維強化プラスチック構造体は、比剛性が高く、密度および熱膨張係数が小さいといった炭素繊維強化プラスチックの特性を有し、かつ良好な面粗度（小さい面粗さ）が実現された構造体とすることができる。また、炭素繊維強化プラスチックを構成するプリプレグは樹脂の成分を有する。炭素繊維強化プラスチック部材の第一面上に形成される層は、炭素繊維強化プラスチックとの間の熱膨張率の違いが少なく、接着親和性の高い同種類の樹脂の層であるため、残留応力を小さくすることができ、経時的な温度変化等に起因する変形が発生しにくい。さらに、炭素繊維強化プラスチック構造体は、完成された炭素繊維強化プラスチックからなる炭素繊維強化プラスチック部材と樹脂層との積層体とすることができるので、複雑な製造工程が不要であり、生産性が高い。
また、炭素繊維強化プラスチック部材の第一面に、樹脂とも炭素繊維強化プラスチックとも異なる材質の第三の部材を設ける。したがって、炭素繊維強化プラスチック構造体は、さまざまな用途に応じた機能部品とすることができる。また、第三の部材は、炭素繊維強化プラスチック構造体の表面から露出し、樹脂層により覆われていない。そのため、第三の部材の表面に、光学研磨や微細加工といった表面加工を直接施すことが可能となる。さらに、炭素繊維強化プラスチック構造体が使用される部材に相手部材を対向配置させる場合、相手部材を、樹脂層を介在させずに第三の部材に対向配置させることができ、両者の距離を近づけることが可能となる。
さらに、前記の炭素繊維強化プラスチック構造体において、前記第三の部材は、金属部材であってもよい。つまり、炭素繊維強化プラスチック部材の第一面に、鉄、アルミ、銅、真鍮、燐青銅、ＳＵＳ（ステンレス）などの金属部材を設けることができる。金属部材の材質は、炭素繊維強化プラスチック構造体を使用する部材（部品）の用途に応じて適宜選択可能である。
さらにまた、前記金属部材は、前記第一面上の一方向において等間隔に配置されており、前記樹脂層は、少なくとも前記金属部材の間隙に形成されていてもよい。この場合、炭素繊維強化プラスチック構造体の表面に、磁性体の領域と非磁性体の領域とを設けることができる。このような炭素繊維強化プラスチック構造体は、エア浮上型の平面モータの滑走面として使用することができる。この場合、良好な面粗度を有する滑走面を実現することができる。したがって、滑走面に対してエア浮上させる移動体とのエアギャップを、小さく設定することができる平面ステージを実現することができる。
また、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック構造体の一態様は、炭素繊維強化プラスチック部材と、前記炭素繊維強化プラスチック部材の第一面上に形成された樹脂層と、前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面上の一部に、前記第一面上の第一の方向において等間隔に配置された金属部材と、を備え、前記樹脂層における前記第一面に対向する面とは反対の面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚが、ともに１０μｍ以下であり、前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚよりも小さく、前記樹脂層は、前記金属部材における前記第一面に対向する面とは反対の面全体を覆っており、少なくとも前記金属部材の間隙に形成されている。
さらに、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック構造体の一態様は、炭素繊維強化プラスチック部材と、前記炭素繊維強化プラスチック部材の第一面上に形成された樹脂層と、前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面上の一部に配置された、ガラスまたは石英からなる第三の部材と、を備え、前記樹脂層における前記第一面に対向する面とは反対の面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚが、ともに１０μｍ以下であり、前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚよりも小さく、前記樹脂層は、前記第三の部材における前記第一面に対向する面とは反対の面全体を覆っている。
このように、炭素繊維強化プラスチック部材の第一面に、樹脂とも炭素繊維強化プラスチックとも異なる材質の第三の部材を設ける。したがって、炭素繊維強化プラスチック構造体は、さまざまな用途に応じた機能部品とすることができる。また、第三の部材は、例えば樹脂層によりモールドされることで炭素繊維強化プラスチック部材の第一面に固定することができる。この場合、研削加工等の表面加工の対象は、第三の部材をモールドしている樹脂層の樹脂部分とすることができる。したがって、第三の部材に残留応力が生じている場合であっても、第三の部材に対しては上記加工が施されず、変形が生じることはない。
さらに、上記の炭素繊維強化プラスチック構造体において、前記樹脂層は、常温硬化型の樹脂により構成されていてもよい。この場合、加熱処理により発生する残留応力が抑制された樹脂層とすることができる。したがって、研削加工等の表面加工によって樹脂層に変形が生じることを抑制することができる。
また、前記常温硬化型の樹脂は、エポキシ樹脂であってもよい。エポキシ樹脂は、一般的な樹脂であり安価である。そのため、樹脂層にエポキシ樹脂を用いることで、比較的安価な炭素繊維強化プラスチック構造体とすることができる。
また、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック構造体の製造方法の一態様は、炭素繊維強化プラスチック部材の第一面上に樹脂層を形成する工程と、前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面上に、前記炭素繊維強化プラスチック部材および前記樹脂層とは異なる材質の第三の部材を配置する工程と、前記樹脂層における前記第一面に対向する面とは反対の面を、算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚがともに１０μｍ以下であり、前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚよりも小さくなるよう研削加工する工程と、を含み、前記樹脂層を形成する工程は、前記第三の部材が配置された前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面上および前記第三の部材上に、前記樹脂層を形成する。
これにより、比剛性が高く、密度および熱膨張係数が小さいといった炭素繊維強化プラスチックの特性を有し、かつ良好な面粗度が実現された構造体を製造することができる。また、炭素繊維強化プラスチック部材の第一面上に、炭素繊維強化プラスチックとの熱膨張率の違いが少ない樹脂層を形成するので、残留応力が小さく経時的な温度変化等に起因する変形が発生しにくい構造体とすることができる。さらに、完成された炭素繊維強化プラスチックからなる炭素繊維強化プラスチック部材の第一面上に樹脂層を積層すればよいため、複雑な製造工程が不要であり、生産性が高い。
また、炭素繊維強化プラスチック部材の第一面に、樹脂とも炭素繊維強化プラスチックとも異なる材質の第三の部材が設けられた構造体を製造することができる。すなわち、さまざまな用途に応じた機能部品を構成する構造体を製造することができる。
また、本発明に係る加工装置の一態様は、ワークを保持して移動するワークステージを有し、前記ワークステージに保持されたワークを加工する加工装置であって、前記ワークステージは、上記のいずれかの炭素繊維強化プラスチック構造体を含む。
このように、ワークステージに炭素繊維強化プラスチック構造体を使用することで、外的要因や温度変化による変形が少なく軽量化されたワークステージとすることができる。また、ワークステージは、例えばワークを保持する面や、エア浮上型の平面ステージにおいて相手部材に対向する面など、良好な面粗度を要する面を備える。したがって、このような面に上記の炭素繊維強化プラスチック構造体を使用することで、理想的なワークステージを備える加工装置とすることができる。
本発明によれば、面粗さが小さく、残留応力や温度変化等に起因する変形が抑制された炭素繊維強化プラスチック構造体を実現することができる。
第一の実施形態の炭素繊維強化プラスチック構造体の斜視図である。 第一の実施形態の炭素繊維強化プラスチック構造体の断面図である。 第二の実施形態の炭素繊維強化プラスチック構造体の斜視図である。 第二の実施形態の炭素繊維強化プラスチック構造体の断面図である。 露光装置の概略構成を示す図である。 炭素繊維強化プラスチック構造体の製造方法を示す図である。 炭素繊維強化プラスチック構造体の別の例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第一の実施形態）
図１は、第一の実施形態の炭素繊維強化プラスチック構造体（ＣＦＲＰ構造体）１０の概略構成を示す斜視図である。また、図２は、図１におけるＣＦＲＰ構造体１０のＡ−Ａ断面図である。
ＣＦＲＰ構造体１０は、炭素繊維強化プラスチック部材（ＣＦＲＰ部材）１１と、ＣＦＲＰ部材１１上に形成された樹脂層１２と、を備える。
ＣＦＲＰ部材１１は、図２に示すように、複数のプリプレグ１１ａが積層されて構成されている。プリプレグ１１ａは、炭素繊維に、繊維の方向性を持たせたまま樹脂を含浸させたシート状の部材である。プリプレグ１１ａを構成する樹脂は、例えば熱硬化性のエポキシ樹脂である。なお、プリプレグ１１ａを構成する樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、フェノール、シアネートエステル、ポリイミド等の熱硬化性樹脂を用いることもできる。
ＣＦＲＰは、型の中に、複数のプリプレグを繊維の方向が異なるように、必要数層（例えば二十層）積層し、減圧下で１２０℃〜１３０℃程度に加熱し、加圧（圧着）して硬化させることで成形される。ここで、プリプレグを、繊維の方向が異なるように重ね合わせるのは、プリプレグの面内方向の強度を等方的に強化させるためである。
なお、プリプレグとしては、安価にストックできる基準寸法の標準品（例えば、５ｍｍのＵＤ（ＵＮＩ−ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ）材）を使用することができる。なお、ＵＤ材とは繊維の方向が一方向にのみ延びている材料のことである。
このようにして製作されたＣＦＲＰは、鉄やアルミなどの金属材料よりも低密度（即ち軽い）でありながら、高強度な材料となる。ＣＦＲＰ部材１１は、上記の完成されたＣＦＲＰを所望の大きさに切り出した部材である。
樹脂層１２は、ＣＦＲＰ部材１１の表面（第一面）１１ｂに一様に形成されている。この樹脂層１２の表面１２ａ（表面１１ｂに対向する面とは反対の面）の面粗さは、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂの面粗さよりも小さい。ここで、面粗さとは、表面粗さを示すパラメータである算術平均粗さＲａ、もしくは最大高さ粗さＲｚである。
樹脂層１２は、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂに一様に樹脂（液体）が塗布され、硬化された後、硬化された樹脂の表面１２ａがＣＦＲＰ１１の表面１１ｂよりも細かい面粗さとなるように研削加工されることにより形成される。樹脂層１２の表面１２ａの面粗さは、例えば、算術平均粗さＲａ、最大高さ粗さＲｚがともに１０μｍ以下である。
樹脂層１２は、例えば、常温硬化型樹脂により構成することができる。本実施形態では、樹脂層１２は、常温硬化型のエポキシ樹脂により構成されている場合について説明する。ただし、樹脂層１２を構成する樹脂の種類は、上記に限定されない。
以下、本実施形態におけるＣＦＲＰ構造体１０の製造方法の一例について説明する。
まず、完成しているＣＦＲＰを必要な大きさだけ切り出し、ＣＦＲＰ部材１１を準備する。
次に、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂに液状の常温硬化型樹脂を塗布し、加熱せずに常温で硬化させる。このとき、樹脂層に気泡が混入しないように、例えば、容器の中にＣＦＲＰ部材１１を配置し、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂと容器との間隙に真空引きをしながら液状の樹脂を充填し、その後、大気解放するようにする。硬化後の樹脂層１２の厚さは、上記間隙や液状の樹脂の粘度等によって決まる。本実施形態では、研削加工前の硬化後の樹脂層１２の厚さは、例えば１００μｍ程度である。
最後に、硬化後の樹脂層１２の表面１２ａを研削加工する。このとき、例えば、厚さ１００μｍの樹脂層１２を、厚さ５０μｍまで研削し、樹脂層１２の表面１２ａの面粗さを１０μｍ以下とする。
このようにして、ＣＦＲＰ構造体１０が製造される。
上述したように、ＣＦＲＰは、炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグの積層体であり、炭素繊維と樹脂とは、それぞれの剛性の違いにより、加工されやすさが異なる。つまり、炭素繊維と樹脂とでは、それぞれ適切な研削条件が異なる。そのため、ＣＦＲＰの表面は、研削加工により面粗さを使用している炭素繊維に対して十分に小さくすることができない。具体的には、算術平均粗さＲａで１０μｍ〜２０μｍ程度の精度でしか加工することができない。
そこで、上記の対応策として、プリプレグを成形して圧着硬化させる際に用いる型の、プリプレグと接する面の面粗さを小さくすることにより、成形後のＣＦＲＰの面粗さを小さくすることが考えられる。しかしながら、この場合、以下のような問題がある。
ＣＦＲＰの成形に際し、プリプレグは、加熱されて硬化させるため、硬化後、温度が下がったプリプレグには残留応力が生じ、型から取り外した後のＣＦＲＰに、うねりや曲り（湾曲）が生じることがある。そのため、ＣＦＲＰの成形に用いる型の面粗さを小さくした場合、型から取り外したＣＦＲＰ表面の算術平均粗さＲａは小さくすることができても、最大高さ粗さＲｚを小さくすることは難しい。特に、ＣＦＲＰを用いて大型で平たい部材を作りたい場合、うねりや曲り（湾曲）の大きさが、許容される数値範囲を上回ってしまうことが多い。例えば、算術平均粗さＲａは２μｍ程度に抑えることができるにもかかわらず、最大高さ粗さＲｚは２０μｍを超えてしまうような場合もある。
上記のうねりや曲り（湾曲）を許容範囲に修正するためには、ＣＦＲＰ表面を加工せざるを得ない。しかしながら、ＣＦＲＰの表面に対して研削加工を行うと、上述した炭素繊維と樹脂との剛性の違いに起因して、今度は算術平均粗さＲａが１０μｍ以上となってしまう。すなわち、ＣＦＲＰを加工して炭素繊維と樹脂との界面が表面に露出する場合、その面粗さが悪化する。
このように、ＣＦＲＰの表面の算術平均粗さＲａと最大高さ粗さＲｚとを、ともに１０μｍ以下とすることは困難であった。
そこで、本実施形態では、ＣＦＲＰを成形する際に用いる型の面粗さを小さくしたり、ＣＦＲＰ自体に対して研削加工を行ったりするのではなく、通常の工程により製作されたＣＦＲＰの表面に加工しやすい犠牲層を形成し、当該犠牲層を研削加工することで良好な面粗度を有するＣＦＲＰ構造体１０を得るようにする。
本実施形態におけるＣＦＲＰ構造体１０は、ＣＦＲＰ部材１１と、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂ上に形成された樹脂層１２と、を備え、樹脂層１２の表面１２ａの面粗さがＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂの面粗さよりも小さい構成を有する。つまり、樹脂層１２が上記犠牲層として機能する。これにより、表面の面粗さが１０μｍ以下の良好な面粗度を有するＣＦＲＰ構造体１０とすることができる。
このＣＦＲＰ構造体１０は、ＣＦＲＰを含むため、比剛性が高く、密度および熱膨張係数が低いといった特性を有する。つまり、ＣＦＲＰ構造体１０は、外的要因による寸法変形が少なく、軽量であり、さらに温度変化による寸法変形も少ない。
このように、本実施形態におけるＣＦＲＰ構造体１０は、通常の工程により製作されたＣＦＲＰを必要な大きさだけ切り出したＣＦＲＰ部材１１に対して、その表面に樹脂を塗布し、硬化させて形成された樹脂層１２の表面を研削加工することで製造される。したがって、ＣＦＲＰを製造する工程の途中に、新たな工程を追加する必要がなく、生産性が高い。
また、良好な面粗度を得るために研削加工する犠牲層として、樹脂層１２を用いる。ＣＦＲＰ部材１１を構成するプリプレグは樹脂成分を有するため、ＣＦＲＰ部材１１と樹脂層１２との接触面における両者の熱膨張率の違いは少なく、接合の親和性も高い。そのため、残留応力が小さく、ＣＦＲＰ構造体１０が経時的な温度変化に繰り返しさらされても、上記接触面での変形が生じる可能性は少ない。
さらに、樹脂層１２を構成する樹脂は、常温硬化型樹脂とすることができる。常温硬化型樹脂は、硬化時に加熱を必要としないので、形成後の樹脂層１２の内部に加熱に起因した残留応力が生じない。ＣＦＲＰ部材１１の表面に形成された犠牲層に残留応力があると、研削加工した際に、当該犠牲層が薄くなる分、応力のバランスが崩れ、犠牲層が変形してしまう可能性がある。本実施形態のように、犠牲層として、常温硬化型樹脂により構成される樹脂層１２を用いることで、上記のような変形が生じることを適切に抑制することができる。
また、常温硬化型樹脂は、常温硬化型のエポキシ樹脂とすることができる。この場合、ＣＦＲＰを構成する樹脂と同じ成分の樹脂層１２とすることもでき、ＣＦＲＰ部材１１と樹脂層１２との熱膨張率をより近くすることができる。したがって、経時的な温度変化に繰り返しさらされた場合であっても変形が生じにくい。さらに、エポキシ樹脂は、一般的な樹脂であり、比較的安価であるため、ＣＦＲＰ構造体１０を低コストで提供することができる。
また、本実施形態におけるＣＦＲＰ構造体１０は、加工装置に使用することができる。加工装置としては、例えば、基板を保持して移動するステージ（ワークステージ）を有し、当該ステージに保持された基板を露光する露光装置がある。
例えば、ステップアンドリピート方式の露光装置のステージでは、基板を保持する面や、ステージの位置を計測するためのレーザ干渉計からの光を反射するミラー等において、良好な面粗度が求められる。また、このようなステージでは、外的要因による寸法変形が少ないこと、軽量で高速移動が可能であること、慣性力が低く、急停止させることができ、高精度の位置決めが短時間で可能であること、温度変化による寸法変形が少ないことが求められる。本実施形態におけるＣＦＲＰ構造体１０を上記のステージに使用することで、これらの要求を適切に満たすことができる。
なお、本実施形態においては、ＣＦＲＰ部材１１の一面にのみ樹脂層１２が形成されている場合について説明したが、ＣＦＲＰ部材１１の複数の面（表面１１ｂとは反対の面や側面）にそれぞれ樹脂層１２が形成されていてもよい。
また、本実施形態においては、樹脂層１２の表面１２ａが平らである場合について説明したが、樹脂層１２の表面１２ａには溝が形成されていてもよい。さらに、樹脂層１２は、ＣＦＲＰ部材１１の一面に複数形成されていてもよい。
（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。
上述した第一の実施形態では、ＣＦＲＰ構造体は、ＣＦＲＰ部材と樹脂層とを備える場合について説明した。第二の実施形態では、ＣＦＲＰ構造体が、ＣＦＲＰ部材と、樹脂層と、ＣＦＲＰおよび樹脂とは異なる第三の部材と、を備える場合について説明する。
図３は、第二の実施形態のＣＦＲＰ構造体１０Ａの概略構成を示す斜視図である。また、図４は、図３におけるＣＦＲＰ構造体１０ＡのＢ−Ｂ断面図である。
ＣＦＲＰ構造体１０Ａは、ＣＦＲＰ部材１１と、ＣＦＲＰ部材１１上に設けられた第三の部材である金属部材（金属板）１３と、ＣＦＲＰ部材１１上に金属板１３を覆うように設けられた樹脂層１２と、を備える。
このように、本実施形態では、ＣＦＲＰ構造体１０Ａは、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂに金属板１３が配置され、金属板１３が樹脂層１２によってモールドされた構成を有する。ここで、金属板１３は、図４に示すように、接着剤１４によってＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂに固定されている。また、上述した第一の実施形態と同様に、樹脂層１２の表面１２ａの面粗さは、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂの面粗さよりも小さく、例えば１０μｍ以下である。
金属板１３は、図３に示すように、碁盤目状に配された複数の開口１３ａを有する。つまり、金属板１３は、格子状の金属１３ｂからなる。また、図４に示すように、金属板１３の開口１３ａ内には、樹脂層１２の樹脂が入り込んでいる。本実施形態では、金属板１３の材質が鉄である場合について説明する。
本実施形態におけるＣＦＲＰ構造体１０Ａは、エア浮上型の平面ステージ（サーフェスモータステージ）を備える露光装置に使用することができる。
図５は、本実施形態におけるＣＦＲＰ構造体１０Ａを使用する露光装置１００の概略構成を示す図である。
露光装置１００は、ワークＷを露光する投影露光装置である。ここで、ワークＷは、シリコンワーク、プリント基板または液晶パネル用のガラス基板等であり、ワークＷの表面にはレジスト膜が塗布されている。
露光装置１００は、光照射部２１と、マスク２２と、マスク２２を保持するマスクステージ２２ａと、投影レンズ２３と、ワークステージ２４と、を備える。
光照射部２１は、紫外線を含む光を放射する露光用光源であるランプ２１ａと、ランプ２１ａからの光を反射するミラー２１ｂとを有する。ランプ２１ａおよびミラー２１ｂは、ランプハウス２１ｃに収容されている。なお、ここでは光照射部２１の光源がランプ２１ａである場合について説明するが、光源は、ＬＥＤやレーザなどであってもよい。
マスク２２には、ワークＷに露光（転写）される回路パターンなどのパターンが形成されている。マスク２２は、マスクステージ２２ａによって水平状態を保って保持されている。光照射部２１からの露光光は、マスク２２と投影レンズ２３とを介して、ワークステージ２４上のワークＷに照射され、マスク２２に形成されたパターンが、ワークＷ上に投影され露光される。
ワークステージ２４は、エア浮上型の平面ステージである。
エア浮上型の平面ステージは、水平面を形成する滑走面と、この滑走面上を水平方向（ＸＹ方向）に移動可能な移動体と、を備える。この平面ステージは、ＸＹ軸に沿って碁盤目状に強磁性体の凸極が設けられた滑走面上に、移動体をエアにより浮上させ、移動体に磁力を印加して、移動体と滑走面の凸極との間の磁力を変化させることにより、移動体を滑走面上においてＸＹ方向に移動するよう構成されている。
つまり、滑走面は、平面モータの固定子を構成し、移動体は、平面モータの移動子（可動子）を備える。ここで、平面モータとは、複数の１次元モータが同一平面上に配置されることで、当該平面上における２次元的な動作を可能とするものをいう。
本実施形態では、ＣＦＲＰ構造体１０Ａにおける樹脂層１２の表面１２ａを、上記滑走面として用いる場合について説明する。つまり、ワークステージ２４は、ＣＦＲＰ構造体１０Ａを含んで構成される滑走面と、ワークＷを保持し、滑走面となるＣＦＲＰ構造体１０Ａの表面１２ａ上を移動する移動体２５と、を備える。ここで、樹脂層１２の表面１２ａの面粗さは、例えば５μｍである。
滑走面は、ＸＹ軸に沿って碁盤目状に設けられた強磁性体の凸極と、凸極と凸極との間に設けられた非磁性体とを有する。つまり、滑走面は、Ｘ方向およびＹ方向において、それぞれ強磁性体の領域と非磁性体の領域とが交互に形成された構造を有する。本実施形態では、ＣＦＲＰ構造体１０Ａが有する金属１３ｂの領域が強磁性体の領域となり、金属板１３の開口１３ａの領域が非磁性体の領域となる。金属１３ｂの領域は、Ｘ方向およびＹ方向において、それぞれ等間隔に配置されている。
移動体２５の裏面（滑走面側）には、磁力が印加されるモータコア（図示せず）が設けられている。そして、このモータコアにおける滑走面と対向する面には、ＸＹ方向に移動磁界を発生するための磁極２５ａが設けられている。
ワークＷは、移動体２５の表面（投影レンズ２３側の面）に保持されており、移動体２５が滑走面上を移動することにより、ワークＷが移動し、ワークＷの所望の領域にマスク２２のパターンが露光される。つまり、金属板１３の開口１３ａおよび金属１３ｂのＸ方向およびＹ方向の幅は、それぞれ磁極２５ａのピッチに応じた幅に設定されている。
以下、本実施形態におけるＣＦＲＰ構造体１０Ａの製造方法について、図６を参照しながら説明する。
まず、完成しているＣＦＲＰを必要な大きさだけ切り出し、ＣＦＲＰ部材１１を準備する。そして、図６（ａ）に示すように、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂに、接着剤１４を塗布し、接着剤１４の上に複数の開口１３ａが形成された金属板１３を載置する（図６（ａ）の白矢印）。このように、金属板１３を、接着剤１４によりＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂに固定する。なお、金属板１３の固定方法は上記に限定されるものではなく、接着剤１４以外の方法により金属板１３をＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂに固定してもよい。
次に、図６（ｂ）に示すように、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂに、金属板１３全体を覆うように樹脂層１２を形成する。樹脂層１２の形成方法は、上述した第一の実施形態と同様である。このとき、金属板１３の開口１３ａの部分にも樹脂が入り込む。開口１３ａの部分は、下地がＣＦＲＰ部材１１であり、樹脂が埋められることで非磁性体の領域となる。
なお、金属板１３に開口１３ａを形成する場合は、一般にパンチング加工が行われるが、パンチング加工により多数の開口１３ａを形成すると、金属板１３には曲りや反りが生じる。しかしながら、本実施形態のように、金属板１３を接着剤１４によりＣＦＲＰ部材１１に固定し、樹脂層１２によりモールドすることにより、上記の曲りや反りの影響を抑制することができる。
次に、図６（ｃ）に示すように、樹脂層１２の表面１２ａを研削し、表面１２ａの面粗さを所望の面粗さとする。図６（ｃ）に示す状態は、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂに金属板１３が配置され、金属板１３の全面を樹脂層１２が覆っている状態であり、ＣＦＲＰ構造体１０Ａの表面に金属板１３が露出していない状態である。
なお、さらに樹脂層１２の表面１２ａの研削を進め、図７に示すように、金属板１３上の樹脂層１２を全て削り取ってもよい。その際、さらに金属板１３自体を研削してもよい。図７に示す状態は、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂに金属板１３が配置され、樹脂層１２が金属板１３の一部（側面）を覆っている状態であり、ＣＦＲＰ構造体１０Ａの表面に金属板１３が露出している状態である。
移動体２５の推力である磁力の強さは、移動体２５が備えるモータコアと滑走面が備える強磁性体（金属１３ｂ）との距離に依存し、両者が近ければ近いほど強い推力が得られる。したがって、図６（ｃ）において、金属板１３の表面（表面１１ｂに対向する面とは反対の面）を覆う樹脂層１２は、薄ければ薄いほどよい。また、図７に示すように、金属板１３の表面を覆う樹脂層１２が全て削り取られている方がより好ましい。
ところで、図７に示すように、ＣＦＲＰ構造体１０Ａの表面に金属板１３が露出する場合、金属板１３の開口１３ａに樹脂が入り込んでいないと、表面を適切に研削加工することができない。そのため、上述したように、開口１３ａを有する金属板１３全体を樹脂層１２によってモールドし、開口１３ａに樹脂を入り込ませてから、金属板１３上の樹脂層１２および金属板１３の研削加工を行うことが好ましい。
以上のように、本実施形態では、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂに金属板１３を配置し、金属板１３を覆うように樹脂層１２を形成する。
これにより、金属などの、樹脂ともＣＦＲＰとも異なる材質からなる第三の部材を含むＣＦＲＰ構造体１０Ａを実現することができる。このとき、第三の部材を樹脂により完全にモールドすることで、第三の部材に残留応力が生じていたとしても、研削加工されるのは、モールドした樹脂の部分となり、第三の部材に変形が生じることはない。
また、第三の部材上の樹脂を全て削り取り、第三の部材の表面を研削加工するようにしてもよい。この場合、第三の部材に対して光学研磨や微細加工などの表面加工を直接施すことができ、さまざまな用途に応じた機能部品とすることが可能となる。
また、金属板１３として複数の開口１３ａが碁盤目状に配された格子状の金属１３ｂを用いるので、当該金属板１３を備えるＣＦＲＰ構造体１０は、エア浮上型の平面ステージの滑走面として使用することができる。この場合、高剛性で外的要因による寸法変形がしにくく、軽量化されており、温度変化による変形が少なく、良好な面粗度を有する平面ステージを実現することができる。
（変形例）
なお、第二の実施形態では、金属板１３は、複数の開口１３ａを有する場合について説明したが、開口１３ａは形成されていなくてもよい。また、金属板１３は、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂに複数配置されていてもよい。例えば、ＸＹ方向のいずれか一方向のみに移動体が移動するエア浮上型の平面ステージの場合、滑走面には、ＸＹ方向のいずれか一方向において等間隔に強磁性体の領域（金属の領域）が形成されていればよい。そのため、この場合には、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂには、ライン状の金属板１３が等間隔に配置されていればよい。
さらに、第二の実施形態では、金属板１３の材質が鉄である場合について説明したが、金属板１３の材質はこれに限定されない。金属板１３の材質は、ＣＦＲＰ構造体が用いられる部材の用途に応じて適宜選択可能である。金属板１３の材質としては、例えば、アルミ、銅、真鍮、燐青銅、ＳＵＳ（ステンレス）などを用いることもできる。例えば、ＣＦＲＰ構造体の表面が平面ステージの滑走面となる場合には、上述したように、金属板１３には鉄（純鉄）を用いるが、ＣＦＲＰ構造体の表面がレーザ干渉計のミラーとなる場合には、金属板１３にはアルミを用いてもよい。
さらに、第二の実施形態では、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂ上に配置する第三の部材が金属部材である場合について説明したが、第三の部材は金属部材に限定されない。例えば、第三の部材は、ガラスや石英であってもよい。第三の部材がガラスである場合、ＣＦＲＰ構造体の表面をレーザ干渉計のミラーとして使用することができる。また、第三の部材が石英である場合、グレーティングを施すことで、回折格子として使用することができる。
上記各実施形態においては、樹脂層１２を構成する樹脂が常温硬化型樹脂である場合について説明したが、当該樹脂は、熱硬化型の樹脂でなければよく、例えばＵＶ（紫外線）硬化型の樹脂であってもよい。この場合、完成しているＣＦＲＰを必要な大きさだけ切り出したＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂに、ＵＶ硬化型の液状の樹脂を塗布し、紫外線を照射して樹脂を硬化させることで、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ｂに樹脂層を形成する。
また、上記各実施形態においては、ＣＦＲＰ構造体を露光装置のステージに使用する場合ついて説明したが、これに限定されない。ＣＦＲＰ構造体は、例えば、基板を保持したステージを移動させながら、レーザを基板に照射してビアホールを形成するレーザ加工装置のステージにも使用することができる。さらに、ＣＦＲＰ構造体は、ウエハ欠陥検査装置や部品実装装置などの加工装置のステージにも使用することができる。
１０…炭素繊維強化プラスチック構造体（ＣＦＲＰ構造体）、１１…炭素繊維強化プラスチック部材（ＣＦＲＰ部材）、１１ａ…プリプレグ、１２…樹脂層、１２ａ…表面、１３…金属板、１３ａ…開口、１３ｂ…金属、１４…接着剤、２１…光照射部、２２…マスク、２２ａ…マスクステージ、２３…投影レンズ、２４…ワークステージ、２５…移動体、１００…露光装置（加工装置）、Ｗ…ワーク

Claims (9)

  1. 炭素繊維強化プラスチック部材と、
    前記炭素繊維強化プラスチック部材の第一面上に形成された樹脂層と、
    前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面上の一部に配置された、前記炭素繊維強化プラスチック部材および前記樹脂層とは異なる材質の第三の部材と、を備え、
    前記樹脂層における前記第一面に対向する面とは反対の面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚが、ともに１０μｍ以下であり、前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚよりも小さく、
    前記樹脂層は、前記第三の部材における前記第一面に対向する面とは反対の面が露出するように、前記第一面上に形成されていることを特徴とする炭素繊維強化プラスチック構造体。
  2. 前記第三の部材は、金属部材であることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチック構造体。
  3. 前記金属部材は、前記第一面上の第一の方向において等間隔に配置されており、
    前記樹脂層は、少なくとも前記金属部材の間隙に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の炭素繊維強化プラスチック構造体。
  4. 炭素繊維強化プラスチック部材と、
    前記炭素繊維強化プラスチック部材の第一面上に形成された樹脂層と、
    前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面上の一部に、前記第一面上の第一の方向において等間隔に配置された金属部材と、を備え、
    前記樹脂層における前記第一面に対向する面とは反対の面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚが、ともに１０μｍ以下であり、前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚよりも小さく、
    前記樹脂層は、前記金属部材における前記第一面に対向する面とは反対の面全体を覆っており、少なくとも前記金属部材の間隙に形成されていることを特徴とする炭素繊維強化プラスチック構造体。
  5. 炭素繊維強化プラスチック部材と、
    前記炭素繊維強化プラスチック部材の第一面上に形成された樹脂層と、
    前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面上の一部に配置された、ガラスまたは石英からなる第三の部材と、を備え、
    前記樹脂層における前記第一面に対向する面とは反対の面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚが、ともに１０μｍ以下であり、前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚよりも小さく、
    前記樹脂層は、前記第三の部材における前記第一面に対向する面とは反対の面全体を覆っていることを特徴とする炭素繊維強化プラスチック構造体。
  6. 前記樹脂層は、常温硬化型の樹脂により構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の炭素繊維強化プラスチック構造体。
  7. 前記常温硬化型の樹脂は、エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項６に記載の炭素
    繊維強化プラスチック構造体。
  8. 炭素繊維強化プラスチック部材の第一面上に樹脂層を形成する工程と、
    前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面上に、前記炭素繊維強化プラスチック部材および前記樹脂層とは異なる材質の第三の部材を配置する工程と、
    前記樹脂層における前記第一面に対向する面とは反対の面を、算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚがともに１０μｍ以下であり、前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚよりも小さくなるよう研削加工する工程と、を含み、
    前記樹脂層を形成する工程は、
    前記第三の部材が配置された前記炭素繊維強化プラスチック部材の前記第一面上および前記第三の部材上に、前記樹脂層を形成することを特徴とする炭素繊維強化プラスチック構造体の製造方法。
  9. ワークを保持して移動するワークステージを有し、前記ワークステージに保持されたワークを加工する加工装置であって、
    前記ワークステージは、請求項１から７のいずれか１項に記載の炭素繊維強化プラスチック構造体を含むことを特徴とする加工装置。
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