JPH04183547A - ステージ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野コ 本発明は、ステージ装置に関し、特に半導体製造装置等
に用いるのに適した高精度のステージ装置に関する。

半導体集積回路装置の集積度の向上と共に、半導体製造
技術には、より高精度が要求されている。

パターン線幅は１μｍを割り、サブミクロンから０．１
μｍに近付こうとしている。線幅の減少に伴い、半導体
ウェハを位置決めすべきステージ装置には、線幅の精度
よりも少なくとも１桁、好ましくは２桁以上優れた精度
が望まれている。

［従来の技術］ 従来、対象物を２次元的に駆動する精密ステージ装置と
しては、まず平面内の一方向であるＸ軸方向について、
駆動を行なうサーボモータとホールネジを備えたＸステ
ージを形成し、その上にＹ軸方向の駆動を行なうサーボ
モータとポールネジを備えたＹステージを重ねたＸＹス
テージが知られている。

ところが、ポールネジはガタやバックラッシを完全に排
除することはできない、また、サーボモータで発生した
駆動力を対象物に伝えるには、途中に動力伝達機構や案
内機構を介さねばならす、発生した駆動力を１００％対
象物に伝えることはできない、これは別の観点から見る
と、利用できなかった駆動力は何らかの機構部材等に歪
、弾性変形等を生じさせていることになる。すなわち、
精度低下の原因となっている。

このように機構によっては、０．１μｍ程度以下の位置
決め精度を実現することは困難である。

半導体製造技術において要求される高精度を実現するた
め、様々な構成のステージ装置が研究されている。しか
しながら、種々の方式もそれぞれの課題を抱えている。

［発明か解決しようとする課組コ 以上説明したように、サーボモータとポールネジによる
精密ステージ装置によっては、たとえば０．１μｍの位
置決め精度を持つ超精密ＸＹステージを実現することは
離しかった。

本発明の目的は、超精密精度を実現するのに適したステ
ージ装置を提供することである。

［先の提案コ 本出願人は、対象物を載置するステージ部材に直接力を
作用させて駆動するため、永久磁石とコイルとを有する
２次元モータを用いたステージ装置を提案した（特願平
１−１１７０９１号、特願平１　３１７０１３号、特願
平２−１１４６１２号、特願平２−１１４６１３号、特
願平２−１７４６９９号、特願平２−１８６８４４号、
ｆｌ！り。

永久磁石により発生する磁界中にコイルの一辺を配置し
、コイルを流を流すことによって生じるローレンツ力に
よって、コイルすなわち２次元モータに結合したステー
ジに力を作用させる。

平面上にコイルと永久磁石とを分布させると、両者か対
向する位置か飛び飛びになる。このため、発生する力が
変動することを補償するため、たとえばコイルを多相化
する方式が有効である。

ステージ装置に要求される精度が高くなると、ステージ
部材等の熱膨張か間組となる。コイルと永久磁石を用い
た駆動系において、駆動力を発生させるにはコイルにｔ
流を流す必要かある。するとコイルは発熱する。

熱膨張をなるべく小さく押えるには、発熱量を小さくす
る必要かある。なるべく小さなｔ流で大きな駆動力を得
られることが望ましい。

［課題を解決するための手段］ 本発明のステージ装置は、対象物を載置するためのステ
ージ部材を、基準となる支持部材に対して相対的に所定
面内で移動させるステージ装！であって、ステージ部材
と支持部材の一方に取付けられ、所定面とほぼ垂直に磁
束を発生させる複数の永久磁石とこれらの永久磁石を結
合するヨークとの組合わせと、ステージ部材と支持部材
の他方に取付けられ、軸上に高透磁率材料のコアを有す
る複数の有心コイルとを有する。

［作用］ ステージ部材と支持部材の一方に、複数の永久磁石とヨ
ークとの組合わせを取付け、他方に高透磁率材料のコア
を有する複数の有心コイルを取付けることにより、永久
磁石と高透磁率材料のコアとの闇に強い磁界を発生させ
、コイルに電流を流すことによって、ステージ部材に直
接力を作用させることができる。

高透磁率材料のコアかコイルの軸上に設けられているた
め、磁界強度が高くなり、同一の電流に対して発生する
力が増大する。

［実施例］ 第１図に、本発明の実施例によるステージ装置の平面構
造を概略的に示す。

図において、板状のコイルベース１の上に、多数のコイ
ル２．３．４か格子状に配列されている。

左側２列のコイル２は、Ｙ軸の周りに巻回されたコイル
であり、これらのコイルに電流を流すことにより、Ｙ方
向の力を発生させることを目的とする。中央３列のコイ
ル３は、Ｘ軸方向の周りに巻回されたコイルであり、Ｘ
軸方向の力を発生させることを目的とする。また、右側
２列のコイル４は、Ｙ軸方向の巻回しされたコイルであ
り、Ｙ軸方向の力を発生させることを目的とする。これ
らのコイルは、７行７列のマトリックス状に配置されて
おり、各隣接コイルの間にはエアパッド構造体５か配置
されている。エアパッド構造体５は、空気を吹出し、対
向する相手側との間に一定のギャップを形成することを
目的とするものである。

また、コイルベース１には、コイルベース１をＸ方向に
駆動するためのコイルベース駆動用７フに駆動するため
のコイルベース駆動用アクチュエータ１１、１３か設け
られている．これらのアクチュエータ１１、１２、１３
は、たとえばポールネジとサーボモータ、積層圧電素子
等を用いて構成されている。このような構成のコイルベ
ース１の上には、第１図中点線で示されるように、可動
ステージ７か配置される．この可動ステージ７のコイル
ベース１と対向する側には、永久磁石９か配置されてい
る．永久磁石９がその周囲に磁界を形成し、この磁界中
でコイル２、３、４に電流が流れると、コイルにローレ
ンツ力が働く．この力によって可動ステージ７が移動す
る。

第２図は、第１図のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示す。

コイルベース１の内部には、空気等の気体を流通させる
ことのできる給気路６か形成されており、コイルベース
１上に配置された複数のエアパッド構造体５に作動気体
を供給する０図示の構成においては、右側に２つのＹ用
コイル２、中央に３つのＸ用コイル３、右側に２つのＹ
用コイル４が配置されており、これらのコイルの中心部
には、それぞれ鉄等の高透磁率材料で形成されたコア１
４か配置されている。

各コイルとコアとの関係を第３図に示す。第２図中央の
３つのＸ用コイル３の場合を示す．コア１４がＸ方向に
貫通し、その周囲に３カ所でＸ用コイル３ａ、３ｂ、３
ｃが巻回されている．なお、コアの中心部を貫通して、
エアパッド構造体に空気を供給するための通気路か形成
されているが、第３図においては、図示を省略しである
。

エアパッド構造体５によって、有効な反発力を得るには
、図示のようにエアパッド構造体の空気吹出し面をコイ
ルの面よりも上に突出させて配置することか好ましい．
コイルベース１の上方には、可動ステージ７か配置され
る。この可動ステージ７の下面には、鉄等の高速６ｔｉ
率材料で形成されたヨーク８か配置されている６ヨーク
８の下面上に、複数の永久磁石９か配置されている。永
久磁石９の配置は、たとえば第１図の点線に示すような
ものであり、第２図の断面図においては、左側に２つの
永久磁石かコイルベース１上のコイルのピッチの１／２
の間隔で配置されている．なお、永久磁石９の向こう側
に、エアパッド構造体５と対向する案内面部材１０か見
えている。

第２図の配置においては、左端の永久磁石９ａがＹ用コ
イル２ａと対向し、駆動力を発揮する。

その隣の永久磁石９ｂは、対向する位置にコイルを有さ
ず、この位置では有効な力を発生させない。

永久磁石９ｂの向こう側（紙面裏側）に、案内面部分１
０が配置されており、エアパッド構造体５と対向してい
る．エアパッド構造体５から空気が吹出すと、案内面部
材１０との間に空気層が形成され、可動ステージ７を浮
上させる．中央に示すＸ用コイル３ａ、３ｂ、３ｃの位
置においては、Ｘ用コイル３ａ、３ｂと対向して、永久
磁石９ｃ、９ｄか配置されている。これら隣接する永久
磁石９ｃ、９ｄは、その極性が反転しており、ヨーク８
を介して矢印で示すような磁束通路か形成される。この
磁束は、中間のギヤングを通ってコイルベースｌ上のＸ
用コイル３ａ、３ｂの軸上のコア１４に結合する。この
ようにして、閉じた磁気回路が形成される。Ｘ用コイル
３ａ、３ｂに、図示のように逆方向の電流を流すと、磁
束の方向か逆なため、両コイルとも同一方向のローレン
ツ力を発生させる。このようにして、可動ステージ７は
図中水平方向に駆動される。なお、もう１つの永久磁石
９ｅは、図中、紙面裏面方向にすれた位置に配置されて
おり、Ｘ用コイル３ｃとは対向していない。また、エア
パッド構造体５の上には、それぞれ案内面部材１０か配
置されており、これらのエアパッド構造体５がら空気を
吹出すことにより、案内面部材１０との間に空気層を形
成し、可動ステージ７に対する浮上刃を形成する。右側
に示す２つの永久磁石９ｆ、９ｇおよびその下に配置さ
れる２つのＹ用コイル４ａ、４ｂは、左側に示す２つの
永久磁石、２つのＹ用コイルと同等の関係にある。

図示の状態においては、中央のＸ用コイルを流れる電流
により、可動ステージ７を右側に駆動する力が発生し、
両側のＹ用コイルに流れる電流により、可動ステージ７
を紙面手前方向に駆動する力が発生する。

永久磁石９、コイル２．３．４と組合わせて、高透磁率
材料のヨーク８および高透磁率材料のコア１４を用いる
ことにより、磁気抵抗の低い磁路１５が形成され、強い
磁束密度を得ることが可能となる。このため、空心コイ
ルの場合と較べると、コイル２．３．４に流す電流値か
゛同一であっても、より強い力を得ることか可能となる
。

第４図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を参照して、可動ステー
ジをＸ方向、Ｙ方向、θ２方向に駆動する駆動方式を説
明する。なお、第１図に示したように、ステージ上にコ
イルか格子状に配置され、その上に所定パターンで永久
磁石か配置されているとする。常に、力を発生させるた
めに、コイルと永久磁石の一方、図示の構成においては
、永久磁石は、１　、、′２のピッチで配置されている
。どちらの永久磁石かコイルと対向していても、コイル
に電流を流すことにより、はぼ同等の力を発生させるこ
とかできる。

第４図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）においては、これら２つ
の永久磁石をまとめて１組とし、その磁界内にｔ７Ｍを
流すことによって生じる力を矢印で示す。

第４図（Ａ）においては、永久磁石と対向するＹ用コイ
ルに電流を流すことにより、４組のＹ方向の力を得てい
る。これらの力に基つき、可動ステージ７はＹ方向に駆
動される。

第４図（Ｂ）においては、永久磁石と対向するＸ用コイ
ルにｔ＆流を流すことにより、２組のＸ方向の力を得て
いる。この力により、可動ステージ７はＸ方向に駆動さ
れる。

第４図（Ｃ）においては、左側のＹ用コイル２の部分で
図中上向きの力、右側のＹ用コイル４の部分で図中下向
きの力を発生させている。これらの向きの異なる同一の
多きさを持つ力により、可動ステージ７は、回転方向の
駆動を受ける。

このようにして、可動ステージ７は、平面内のいずれの
方向においても駆動され、その位置を変化させることが
できる。

なお、可動ステージ７は、エアパッド構造体５か吹出す
空気等のカスにより浮上しており、極めて摩擦力の小さ
い状態で運動する］このため、−度速度を得た可動ステ
ージは、そのまま運動を続ける。このような可動ステー
ジを制御する方式を、第５図を参照して簡単に説明する
。

第５図において、横軸は時間を示し、縦軸は可動ステー
ジ位置、コイルベース位置、モータを流を概略的に示す
。

時刻ｔ１において、可動ステージ７を駆動するために、
コイルに電流を流す、コイルに生じるローレンツ力によ
って、可動ステージは加速される。

コイル電流かパルス的に終了する場合、可動ステージは
加速によって得た一定の速度で運動を続ける。この定速
運動をする可動ステージを斧正させるには、コイルに逆
方向の力を発生させる電流を流せばよい、ところで、コ
イルと永久磁石との関係は連続的ではなく、飛び飛びに
なっている。このため、コイルと永久磁石の相対的位置
関係は位置決めの時、必すしも特性の良い状態にはない
。

第５図中段に示すように、可動ステージか運転を開飴し
、制動を働かせるまでの間の時間にコイルベースを変位
させることによって、コイルと永久磁石との関係を位置
決めに必要な最適の位置に配置することかできる。この
コイルベース位置の移動は、第１図に示すアクチュエー
タ１１．１２．１３等によって行なえばよい。

なお、第４図に示すθＺ力方向運動は、たとえばウェハ
チャック上へのウェハの受取りの際に生じる微小角変位
を補正するためのものであり、たとえば１度以内の運動
を行なう、このため、θ２方向の運動を行なってもコイ
ルと永久磁石との相対的な関係に大きな変化は生じない
。

第６図に、本発明の実施例による垂直ステージの構造を
概略的に示す。

図において、ウェハステージ１６は、エア継手部１７を
介して可動ステージ７を取付け、垂直方向に配置される
。可動ステージ７は底面と側面にエア継手部１７のエア
ベアリングが形成され、その上には、前述の実施例のよ
うに、複数の永久磁石９か配置されている。この永久磁
石９と対向するように、コイルベース１の上には複数の
コイルか配置されており、さらにコイルの中間に複数の
エアバッド楕遺体が配置されて、コイル・エアパッド部
２０を構成している。すなわち、可動ステージ７、その
上の永久磁石９およびコイル・エアパッド部２０か２次
元モータ１９を構成する。コイルベース１は、第２本体
ベース１８の上に支持される。また、ウェハステージ１
６は、吸着式エアパッド２１により、第１本体ベース２
７上に配置される。吸着式エアパッド２１は、磁石を内
蔵し、磁性体上に吸着しつつ吹出すエアによって浮上す
るベアリングである。なお、可動ステージ７は、ウェハ
ステージ１６との間に同様のエアベアリング、磁気結合
を有するエア継手部１７によって支持されている。ウェ
ハステー：／１６の右側表面上には、ウェハチャックに
よってウェハ２２が載置される。このウェハ２２と対向
する位置にマスク２３が配置される。マスク２３は微動
ステージ２４上に載置され、第１本体ベース２７に対し
て、積層圧電素子等のアクチュエータ２５を介して支持
されている。

ＳＯＲ装！装置のＳＯＲ光２６は、図中右側から水平方
向に進行する。マスク２３を通ることによってパターン
化されたＳＯＲ光は、ウェハ２２上に形成されたレジス
ト層を感光させる。このようにして、半導体装１ｗ遣プ
ロセスの露光工程が行なわれる。

なお、垂直ステージの場合、重力の影響を軽減させるた
め、ウェハステージ１６の下面にはエアベアリング２８
を介してカウンタフォースシリンダー２９か結合されて
いる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれ
らに制限されるものではない、たとえば、永久磁石を格
子状に配置し、コイルを所定のパターンで配置してもよ
い、他の配置を取ってもよい。

また、永久磁石とコイルのピッチはいずれを基準とし、
いずれを多相配置としてもよい。また、特に垂直ステー
ジを形成する場合を説明したか、水平ステージおよび任
意の角度のステージを形成することもできる。その他、
種々の変形、改良、組み合わせ等か可能なことは当業者
に自明であろう。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば、永久磁石とヨー
クおよび高透磁率のコアを有するコイルを用いることに
より、高い磁束密度を得、少ない電流で大きな駆動力を
得、ステージを高精度に移動させることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例によるステージ装置を概略的
に示す平面図、 第２図は、第１図のＡ−Ａ′線に沿う断面図、第３図は
、第１図、第２図の実施例におけるコイル構造体の構成
を説明するための斜視図、第４図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ
）は、第１図、第２図のステージ装置の各方向への駆動
を説明するための概念図、 第５図は、ステージ装置の起動・停止の制御タイミング
を説明するためのグラフ、 第６図は、本発明の他の実施例による垂直ステージの構
成を概略的に示す断面図である。 図において、 １　　　　　コイルベース ２．４　　　Ｙ用コイル ３　　　　　Ｘ用コイル ５　　　　　エアパッド構造体 ６　　　　　給気路 ７　　　　　可動ステージ ８　　　　　　ヨーク ９　　　　　永久磁石 １０　　　　　案内面部材 １１、１２、１３ コイルベース駆動用アクチュエータ １４　　　　　　　　　　コ　　ア １５　　　磁路 特許出願人　　住友重機械工業株式会社復代理人　弁理
士　高橋　敬四部 １、ｅｌ（Ｘ）　Ｏｆ　ＩＡ （Ａ）Ｙ方向　　　　　　　　　　　　（Ｂ）Ｘ方向（
Ｃ）θ２方向　　　　　　　　　　　　　　第４図第６
図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）、対象物を載置するためのステージ部材を、基準
   となる支持部材に対して相対的に所定面内で移動させる
   ステージ装置であって、 前記ステージ部材と前記支持部材の一方に取付けられ、
   前記所定面とほぼ垂直に磁束を発生させる複数の永久磁
   石とこれらの永久磁石を結合するヨークとの組合わせと
   、 前記ステージ部材と前記支持部材の他方に取付けられ、
   軸上に高透磁率材料のコアを有する複数の有心コイルと を有するステージ装置。
2. （２）、請求項１記載のステージ装置であって、さらに
   、 前記複数の有心コイルの間および前記複数の永久磁石の
   間のいずれかに設けられた複数のエアベアリング を有するステージ装置。
3. （３）、請求項２記載のステージ装置であって、前記複
   数の永久磁石はステージ部材裏面に配置されたヨーク上
   に格子状に配置され、前記複数の有心コイルは支持部材
   上に格子状に配置され、前記複数の有心コイルの間にエ
   アベアリングのエア吹出口が形成され、前記複数の永久
   磁石の間に永久磁石の面より突出してエアベアリングの
   エア受面が形成されている ステージ装置。