JP7328975B2 - ステージ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステージ装置に関する。

対象物を第１方向と、第１方向に直交する第２方向に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、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のガイドがいずれも１つずつであるスタックタイプと呼ばれるステージ装置が提案されている（例えば特許文献１）。

特開平５－５７５５８号公報

特許文献１に記載されるステージ装置では、リニアモータによりステージを駆動しているため、リニアモータのコイルが発する熱がステージひいてはステージに載置される対象物に伝わり、対象物が熱の影響を受けるおそれがある。

また、ステージ装置では、高い設計自由度を確保したいという要望も当然ながらある。

本発明は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、対象物が熱の影響を受けにくく、かつ、設計自由度の高いステージ装置を提供することにある。

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、エアサーボ駆動のスライダと、スライダの第１方向の移動を案内する第１ガイドと、第１ガイドを第２方向に駆動するアクチュエータと、第１ガイドの第２方向の移動を案内する第２ガイドと、を備える。

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装置、方法、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、対象物が熱の影響を受けにくく、かつ、設計自由度の高いステージ装置を提供できる。

実施の形態に係るステージ装置を示す斜視図である。 図１のＸ軸ガイドおよびＸ軸スライダの断面を示す図である。 図２のＡ－Ａ線断面図である。 図１のステージ装置の断面を示す図である。 図４のＢ－Ｂ線断面図である。 制御部の機能および構成を示すブロック図である。 変形例に係るステージ装置を示す断面図である。

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は、実施の形態に係るステージ装置１００を示す斜視図である。説明の便宜上、図示のように、第１ガイド１２（後述）が延在する第１方向をＸ軸方向、第２ガイド１６（後述）が延在する第２方向をＹ軸方向、両者に直交する方向をＺ軸方向とするＸＹＺ座標系を定める。本実施の形態では、第１方向と第２方向とは直交しているが、これには限定されない。ステージ装置１００は、スタックタイプの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、スライダ１０と、第１ガイド１２と、アクチュエータ１４と、２つの第２ガイド１６と、テーブル１８と、制御部３０（図１では不図示）と、を備える。
以降、Ｚ軸方向において第２ガイド１６に対して第１ガイド１２が設けられる側を上側として説明する。

スライダ１０は、後述するようにエアサーボ駆動により、Ｘ軸方向に駆動される。第１ガイド１２は、Ｘ軸方向に細長い長尺状の部材であり、スライダ１０のＸ軸方向の移動を案内する。アクチュエータ１４は、第１ガイド１２をＹ軸方向に駆動する。第２ガイド１６は、第１ガイド１２のＹ軸方向の移動を案内する。

テーブル１８は、スライダ１０に固定される。テーブル１８には、例えば、半導体ウェハなどの加工対象物等が載せられる。第１ガイド１２をＹ軸方向に移動させ、スライダ１０をＸ軸方向に移動させることにより、テーブル１８をＸＹ方向に移動させて対象物をＸＹ方向に位置決めできる。

図２は、Ｘ軸方向に直交する平面（すなわちＹＺ平面）で切断したスライダ１０および第１ガイド１２の断面を示す。第１ガイド１２は、底壁３２と、第１側壁３４と、第２側壁３６と、を含む。底壁３２は、Ｘ軸方向に長い平板状の部材であり、２つの主面がＺ軸方向を向くよう設けられる。第１側壁３４は、Ｘ軸方向に長い立壁であり、底壁３２の上面のＹ軸方向における一端に立設する。第２側壁３６は、第１側壁３４と同様、Ｘ軸方向に長い立壁であり、第１側壁３４とＹ軸方向で対向するように底壁３２の上面のＹ軸方向における他端に立設する。第１側壁３４、第２側壁３６はそれぞれ、互いに向かって延び出す第１延出部３４ａ、第２延出部３６ａを有する。つまり、第１側壁３４および第２側壁３６は、Ｌ字形の断面形状を有する。

スライダ１０は、直方体状の部材であり、第１ガイド１２の内側、すなわち第１側壁３４と第２側壁３６と底壁３２との間に収納される。第１ガイド１２に対向するスライダ１０の各面、すなわち底面１０ａ、第１側面１０ｂ、第２側面１０ｃ、上面１０ｄには、１つまたは複数のエアパッド４０が形成されている。エアパッド４０は、図示しない給気系から供給される高圧の気体を噴出し、第１ガイド１２との間に高圧の気体層を形成する。これにより、スライダ１０は微少な隙間を保って第１ガイド１２から浮上する。

第１側壁３４と対向する第１側面１０ｂ、第２側壁３６と対向する第２側面１０ｃには、スライダ１０を駆動するためのエアサーボ室４８が形成されている。すなわち、本実施の形態では、スライダ１０には２つのエアサーボ室４８が形成されている。これにより、スライダ１０のＺ軸周りの回転を制御することができる。

スライダ１０の各面には、エアパッド４０を取り囲むように差動排気用の排気溝４２、４４、４６が形成されている。排気溝４２は大気解放されている。なお、排気溝４２は、排気ポンプ（図示せず）に接続されてもよい。排気溝４４、４６はそれぞれ、排気溝内の圧力を低真空圧力レベル、中真空圧力レベルにするための排気ポンプ（図示せず）に接続されており、スライダ１０のエアパッド４０およびエアサーボ室４８から内部空間に供給された圧縮気体を外部に排気する。このように、圧縮気体が第１ガイド１２とスライダ１０との隙間から漏れ出さないようにすることで、ステージ装置１００を真空環境下でも使用可能にすることができる。なお、ステージ装置１００を大気圧環境下で使用する場合には、このような排気溝４２、４４、４６を設ける必要はない。

図３は、図２のＡ－Ａ線断面図である。図３を参照して、スライダ１０が第１ガイド１２に対して移動する原理を説明する。ステージ装置１００は、２つの隔壁５６をさらに備える。図３では第１ガイド１２とスライダ１０との隙間や隔壁５６とエアサーボ室４８との隙間を誇張して描いている。実際は例えば、これらの隙間は数ミクロン程度である。

隔壁５６は、第１ガイド１２に固定され、スライダ１０のエアサーボ室４８をＸ軸方向に関して２つのエアサーボ室４８Ａ、４８Ｂに区画する。２つのエアサーボ室４８Ａ、４８Ｂには、圧縮気体を出入り可能にするための給気系５０Ａ、５０Ｂがそれぞれ接続されている。給気系５０Ａ、５０Ｂは、サーボ弁５２Ａ、５２Ｂと、圧縮気体供給源５４Ａ、５４Ｂと、をそれぞれ含む。

エアパッド４０に圧縮気体を供給すると、上述のようにスライダ１０が第１ガイド１２に対してわずかに浮上する。この状態で、例えばエアサーボ室４８Ａに圧縮気体を供給するとともに、エアサーボ室４８Ｂから圧縮気体を排出すると、隔壁５６がピストンとして作用して、スライダ１０が図中の左方向に移動する。このようにして、サーボ弁５２Ａ、５２Ｂの開度を制御することによって、スライダ１０を第１ガイド１２に対して任意の位置に移動させることができる。

なおここでは、スライダ１０に２つのエアサーボ室４８が形成され、各エアサーボ室４８に２つの給気系が接続されている、すなわちスライダ１０に計４つの給気系が接続されているが、これには限定されない。例えば、１つの給気系５０Ａを分岐して２つのエアサーボ室４８Ａに圧縮気体を供給し、１つの５０Ｂを分岐して２つのエアサーボ室４８Ｂに圧縮気体を供給してもよい。また例えば、スライダ１０にエアサーボ室４８が１つのみ形成され、当該エアサーボ室４８を区画したエアサーボ室４８Ａ、４８Ｂに給気系５０Ａ、５０Ｂが接続されてもよい。すなわちスライダ１０に給気系が計２つのみ接続されてもよい。

図１に戻り、第２ガイド１６は、第１ガイド１２をＹ軸方向に移動自在に支持する。本実施の形態では、２つの第２ガイド１６は、Ｘ軸方向におけるアクチュエータ１４の両側に、特にＸ軸方向においてアクチュエータ１４との距離が互いに等しくなるように設けられている。第２ガイド１６は、その構成は特に限定しないが、図示の例ではリニアガイドであり、Ｙ軸方向に延在するレール２４と、第１ガイド１２の底壁３２の下面に固定され、第１ガイド１２を支持した状態でレール２４上を走行するブロック２６と、を含む。

図４は、Ｙ軸方向に直交する平面（すなわちＸＺ平面）で切断したステージ装置１００の断面を示す。図５は、図４のＢ－Ｂ線断面図である。図５では、固定体７２と可動体７０との隙間や隔壁７４とエアサーボ室８０との隙間を誇張して描いている。実際は例えば、これらの隙間は数ミクロン程度である。

アクチュエータ１４は、その構成は特に限定しないが、図示の例ではエアサーボアクチュエータであり、可動体７０と、２つの固定体７２と、２つの隔壁７４と、を含む。２つの固定体７２は、Ｙ軸方向に長い立壁であり、Ｘ軸方向に間隔をあけて配置される。可動体７０は、直方体状の部材であり、２つの固定体７２の間に配置され、第１ガイド１２の底壁３２の下面に固定される。固定体７２に対向する可動体７０の各面、すなわち一方の固定体７２と対向する第１側面７０ａと、他方の固定体７２と対向する第２側面７０ｂには、可動体を駆動するためのエアサーボ室８０が形成されている。

隔壁７４は、固定体７２に固定され、可動体７０のエアサーボ室８０をＸ軸方向に関して２つのエアサーボ室８０Ａ、８０Ｂに区画する。２つのエアサーボ室８０Ａ、８０Ｂには、圧縮気体を出入り可能にするための給気系９０Ａ、９０Ｂがそれぞれ接続されている。給気系９０Ａ、９０Ｂは、サーボ弁９２Ａ、９２Ｂと、圧縮気体供給源９４Ａ、９４Ｂと、をそれぞれ含む。なお、可動体７０は、エアサーボ室８０の内面と隔壁７４とが非接触となるように、つまりエアサーボ室８０の内面と隔壁７４との間に隙間が存在するように、第１ガイド１２を介して２つの第２ガイド１６に支持されている。

例えばエアサーボ室８０Ａに圧縮気体を供給するとともに、エアサーボ室８０Ｂから圧縮気体を排出すると、隔壁７４がピストンとして作用して、可動体７０が図中の左方向に移動する。このようにして、サーボ弁９２Ａ、９２Ｂの開度を制御することによって、可動体７０ひいては第１ガイド１２を、Ｙ軸方向に移動させることができる。

なおここでは、可動体７０に２つのエアサーボ室８０が形成され、各エアサーボ室８０に２つの給気系が接続されている、すなわち可動体７０に計４つの給気系が接続されているが、これには限定されない。例えば、１つの給気系９０Ａを分岐して２つのエアサーボ室８０Ａに圧縮気体を供給し、１つの８０Ｂを分岐して２つのエアサーボ室９０Ｂに圧縮気体を供給してもよい。また例えば、可動体７０にエアサーボ室８０が１つのみ形成され、当該エアサーボ室８０を区画したエアサーボ室８０Ａ、８０Ｂに給気系９０Ａ、９０Ｂが接続されてもよい。すなわち可動体７０に給気系が計２つのみ接続されてもよい。

図６は、制御部３０の機能および構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウエア的には、コンピュータのＣＰＵ（central processing unit）をはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。

制御部３０は、浮上制御部６２と、移動制御部６４と、を含む。浮上制御部６２は、スライダ１０を第１ガイド１２に対して浮上させるべくエアパッド４０から噴出させる圧縮気体の流量を制御する。移動制御部６４は、スライダ１０を移動させるべくエアサーボ室４８に供給する圧縮気体の流量を制御する。また、移動制御部６４は、アクチュエータ１４の可動体７０を移動させるべくエアサーボ室８０に供給する圧縮気体の流量を制御する。

つづいて、本実施の形態が奏する効果について述べる。ここで、例えばスライダ１０がリニアモータにより駆動される場合、リニアモータのコイルが熱を発し、その熱がスライダ１０、スライダ１０に固定されたテーブル１８、そしてテーブル１８に載置された対象物に伝わりうる。これに対し本実施の形態では、スライダ１０はエアサーボにより駆動される。この場合、熱を発する圧縮気体供給源５４Ａ、５４Ｂをスライダ１０やテーブル１８から遠ざけることができ、その熱がスライダ１０やテーブル１８に伝わるのを抑止できる。すなわち、対象物に伝わる熱を低減できる。一方、アクチュエータ１４とテーブル１８との間には第１ガイド１２が存在しており、仮にアクチュエータ１４が熱を発生させても、その熱はテーブル１８やテーブル１８に載置された対象物には伝わりにくい。そこで本実施の形態では、アクチュエータ１４の構成は特に限定せず、設計の自由度を高めている。つまり、本実施の形態によれば、対象物に伝わる熱を抑えられ、かつ、設計自由度が高いステージ装置を提供できる。

また、本実施の形態では、２つの第２ガイド１６はＸ軸方向におけるアクチュエータ１４の両側に設けられる。これにより、第２ガイド１６がＸ軸方向におけるアクチュエータ１４の一方側にのみ設けられる場合と比べ、より安定に、第１ガイド１２をＹ軸方向に移動自在に支持できる。

以上、実施の形態に係る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、各構成要素の組み合わ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。また、実施の形態同士の組み合わせも可能である。

（変形例１）
実施の形態では、アクチュエータ１４がエアサーボアクチュエータである場合について説明したが、これには限定されない。アクチュエータ１４は、第１ガイド１２をＹ軸方向に駆動できればよく、例えばリニアモータであっても、ボイスコイルモータであって、回転型のモータとボールネジとを組み合わせたものであってもよい。

（変形例２）
実施の形態では、第２ガイド１６がリニアガイドである場合について説明したが、これには限定されない。

第２ガイド１６は例えば、エアガイドであってもよい。図７は、変形例に係るステージ装置１００を示す断面図である。図７は図４に対応する。本変形例では、第２ガイド１６は、Ｙ軸方向に延在するガイド軸１２４と、ガイド軸１２４が挿通された状態でガイド軸１２４に沿って移動可能な筒状の第２スライダ１２６と、を含む。なお、図示の例ではガイド軸１２４が直方体状で第２スライダ１２６が四角筒状であるが、これには限定されず、例えばガイド軸１２４が円柱状で第２スライダ１２６が円筒状であってもよい。

第２スライダ１２６は、ガイド軸１２４に対して微少な隙間を有し、第２スライダ１２６の内部に設けられたエアパッド（不図示）から圧縮気体を噴出することで、第２スライダ１２６はガイド軸１２４に沿って滑らかに移動可能となっている。

また本変形例では、浮上制御部６２はさらに、第２スライダ１２６をガイド軸１２４に対して浮上させるべく第２スライダ１２６の内部に設けられたエアパッドから噴出させる圧縮気体の流量を制御する。

ここで、スライダ１０が第１ガイド１２に沿ってＸ軸方向に移動すると、第１ガイド１２に荷重変動が生じて第１ガイド１２がＹ軸方向周りに傾き、アクチュエータ１４の可動体７０に固定体７２周りのモーメントが生じうる。その結果、可動体７０が固定体７２と接触するかじりが生じうる。特に、本変形例では可動体７０が気体の圧力で浮上しているため、可動体７０に固定体７２周りのモーメントが生じると、かじりが生じやすい。

そこで本変形例では、浮上制御部６２は、スライダ１０が移動することにより第１ガイド１２に生じるであろう荷重変動に対して十分大きな浮上剛性を得られるように、別の言い方をすると荷重変動による第１ガイド１２の沈み込みを抑止または防止できるように、第２スライダ１２６の内部に設けられたエアパッドが噴出する気体の流量を制御する。

具体的には例えば、浮上制御部６２は、アクチュエータ１４に対して第１ガイド１２の一方側にスライダ１０が移動した場合、その一方側の第２ガイド１６の第２スライダ１２６のエアパッドが噴出する気体の流量を増やしてもよく、その他方側の第２ガイド１６の第２スライダ１２６のエアパッドが噴出する気体の流量を減らすあるいは気体の噴出を止めてもよく、またはこれらを併用してもよい。アクチュエータ１４に対して第１ガイド１２の他方側に移動した場合も同様である。

（変形例３）
実施の形態では、２つの第２ガイド１６がアクチュエータ１４に対して互いに反対側に位置するように第１ガイド１２に固定される場合について説明したが、これには限定されず、ステージ装置１００は第２ガイド１６を１つだけ備えていても、３以上備えていてもよい。

上述した実施の形態と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。

本発明は、ステージ装置に利用できる。

１０ スライダ、 １２ 第１ガイド、 １４ アクチュエータ、 １６ 第２ガイド、 １００ ステージ装置。

Claims (4)

1. エアサーボ駆動のスライダと、
   前記スライダの第１方向の移動を案内する第１ガイドと、
   前記第１ガイドを第２方向に駆動するアクチュエータと、
   前記第１ガイドの前記第２方向の移動を案内する第２ガイドと、を備え、
   前記第１ガイドはエアガイドであり、前記第２ガイドはリニアガイドであることを特徴とするステージ装置。
2. 前記第１方向と前記第２方向とが直交していることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
3. 前記第２ガイドは、前記アクチュエータの両側に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のステージ装置。
4. 前記第２ガイドは、前記アクチュエータの少なくとも一方側に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のステージ装置。

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