JPH04183550A - 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］ 本発明は、対象物を載置して移動させるステージ装置に
関し、特に応答か速く高精度のステージ装置に関する。

［従来の技術］ 種々のステージ装置か知られているが、以下制限的な意
味なく半導体製造装置用のステージ装置を例にとって説
明する。

超ＬＳＩ製造用露光ステージ装！においては、たとえば
ステージ面内において誤差０．０１μｍ〜０．１μｍの
高精度な位！決めか要求される。

このような高精度のステージ装置に半導体ウェハをロー
ディングすると、半導体ウェハ厚さ方向のバラツキや、
ローディングの際に生じる回転方向のバラツキか問題と
なる。そこで、ウェハの厚み方向の調整機構およびウェ
ハの光軸（Ｘ線、電子線等の入射軸も光軸と呼ぶ）回り
の回転調整機構が必要となる。厚み方向の調整機構はウ
ェハの種類（径）の違いによる厚さの差も補正できるこ
とが好ましく、数百μｍ程度以上のストロークを有する
ことか望まれる。また回転調整機構は±１度程度以上の
回転角度ストロークを有することが望まれる。

第５図（Ａ）、（Ｂ）−（Ｃ）にこのような目的のため
の従来の技術による回転並進ステージ装置の例を示す。

第５図（Ａ）は、回転並進ステージ装置の構成を全体的
に示す概略図である。ベース５１の上に回転自在のペア
リングラ２を介して回転ステージ５３か保持されれてい
る６回転ステージ５３の上には、第５図（Ｂ）に示すよ
うな偏心カム機構５６が３組配置されている６３組の偏
心カム機構５６の上にはチャックプレート５８か載置さ
れている。

第５図（Ｂ）において、各面心カム機構５６はモータ５
５と傷心カム５４を有し、モータ５５の駆動軸に偏心カ
ム５４の軸が結合されている。モータ５５を駆動するこ
とにより、偏心カム５４か回転すると軸の中心から直上
部のカムの周辺までの距Ｍ（高さ）か変化し、その上に
載置されたチャックグレート５８を上下に移動させる。

３組の偏心カム機構を同期して駆動することにより、チ
ャックプレート５８は水平に保たれたまま図中上下方向
に並進運動を行なう。

なお、チャックプレート５８を回転ステージ５３に引付
けるため一複数箇所においてスプリング５つかチャック
プレート５８と回転ステーシラ３との間に結合されてい
る。

回転ステージ５３の底面にはアーム６１が結合され、外
方に突出して、第５図（Ｃ）に示すような回転ステージ
５３の回転機構を構成している。

回転ステージ５３から突出するアーム６１に対してモー
タ６２とポールネジ６３からなる直線型アクチュエータ
６４か係合している。モータ６２を回転させると、ボー
ルネジ６３の先端が矢印方向にリニアに移動する。なお
、アーム６１を所定の位置に戻すように、スプリング６
６か回転ステージ５３のアーム６１とベース５１との間
に設けられている。

このようにして回転並進ステージ装置か構成される。傷
心カム５６を駆動することにより並進運動か行なえ、モ
ータ６２を駆動することにより、回転運動か行なえる。

このような構成によれば、チャックプレート５８の機械
的特性は、偏心カム機構の剛性の弱い部分で制限され、
ステージ装置全体として高精度を実現することは容易で
ない、また、図示の構成を垂直型ステージに利用しよう
とすると、重力の補償等、種々の問題か生じる。

本出膨人は、高精度のステージ装置を実現するため、対
象物を載置するステージ部材を、直接駆動する型のステ
ージ装置機構を提案している。

第５図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に図示のような回転並進
ステージ装置の場合には、たとえば気体圧力によりベロ
ーズを駆動して１軸方向にステージ部材を移動させると
共に−ステージ部材の軸とその周囲にロータとステータ
を配置して直接モータを構成し、回転駆動を行なう構成
を提案した。

［発明が解決しようとする課題］ 第５図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示したような、偏心カ
ムを用いるステージ装置によっては、高精度を実現する
ことは難しい。

対象物を載１するステージ部材を直接駆動する型のステ
ージ装置を開発することにより、高精度を実現すること
が可能となる。しかしながら、ステージ部材を応答性よ
く駆動しようとすると、問題か残っている。

ステージ部材は、十分なｆＲ＠的強度を有するように設
計すると、無視できない慣性モーメントを有する。この
ような慣性モーメントを有するステージ部材を機械的力
によって駆動する際、ステージ部材の位置をモニタし、
なるべく早く目的とする位置にステージ部材を落着かせ
ようとしても、目標値を中心にしてステージ部材の位置
か振動し、なかなか目的とする位置に安定化しない。す
なわち、高精度で応答性のよいステージ部材を実現する
ことは難しかった。

本発明の目的は、応答か速く、高精度を実現することの
できるステージ装置を従供することである。

［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
ージ部材と、ステージ部材を駆動する駆動力源と、ステ
ージ部材と結合された第１磁気回路部分と、第１磁気回
路部分と所定のギャップを介して対向し、共同して磁気
回路を形成する第２磁気回路部分と、ギャップに配！さ
れた磁性流体とを含む磁気ダンパとを有する。

［作用コ 位置制御系を構成する場合、位置のみをモニタし、フィ
ードバックすると、駆動する力とモニタされたステージ
部材の位置とは近似的には２次微分の関係で結合される
ため、たとえば比例制御のみでは、系が不安定になるこ
とは明らかである。

また、通常機械系の摩擦力（ベアリング部）が系のダン
ピング効果に寄与するが、位置決め時にはかえって精度
劣化の原因となる。このため、それを小さくするよう設
計されるため、ダンピングが小さくオーバーシュートか
大きくなる傾向がある。

これを解決するためには、速度検出器を用いることが望
ましいが、狭い空間内でステージ装置を構成しようとす
ると、速度モニタ手段を組込むことは誼しい。

磁性流体を用いた磁気ダンパを利用することにより、ス
テージ部材の速度に比例したダンピング力か制御対象に
印加できるようになり、制御系のオーバーシュートを低
減することができる。磁性流体の発生する力は、ステー
ジ部材の移動速度か遅い間は、はとんどＯであり、移動
速度の増大と共に増大する。このため、安定で且つ滑か
な制御が行なわれる。

また、磁束密度を変化させることでダンピング係数を変
化させることができ、したかってフィードバック量を変
化させることができる。

このようにして、応答性の高い高精度のステージ装置が
実現できる。

［実施例コ 第１図に、本発明の実施例によるステージ装置を示す。

このステージ装置は、ウェハチャック上に半導体ウェハ
を取入れる際、ウェハの回転方向にわずかなバラツキが
生じること、およびウェハの厚さにバラツキがあること
を修正するためのステージ装置である。

チャックプレート１０は、その上に半導体ウェハ１１を
載１し、固定する装置であり、その軸方向および回転方
向の位置は、変位検出機構２７．２８によってモニタさ
れている。チャックプレート１０は、ベローズ１３の伸
縮によって鋼球１５を介して、軸方向に駆動されると共
に、ロータ１７、ステータ１８を含むモータによって回
転方向に駆動され−る。

ベローズ１３は、気密な空間を形成し、エア導入口１４
より導入されるエアーによって、その軸方向長さが調整
される。ベローズ１３の伸縮は、鋼球１５を介してチャ
ックプレート１０に伝達される。チャックプレート１０
が軸上に変位すると、チャックプレート１０と回転ベア
リング２１とを結合する板バネ２２が軸方向に変位する
。板バネ２２は、たとえば中央部に開口を形成した円盤
状の板バネで形成される。なお、図示の構成においては
、一対の板バネ部材２２で軸方向の変位許容手段を構成
したが、各板バネ部材をそれぞれ複数の平行配！された
板バネで構成することもできる。

また、ロータ１７、ステータ１８の間に働く力により、
チャックプレート１０は円周方向に回転駆動される。こ
の回転駆動は、チャックプレート１０と共に板バネ２２
を回転させる。板バネ２２の回転を許容させるため、チ
ャックプレート１０に関連した部材と、ハウジング１２
に関連した部材との間には、ベアリング２１が設けられ
、相対的円周運動を可能にしている。また、チャックプ
レート１０の運動を規制するため、板バネ２２の外周に
結合して、リング状ヨーク５が接続され、リング状ヨー
ク５と対向してポールピース２．３が配置されている。

ポールピース２．３の間には軸方向に磁化された永久磁
石１が結合され、永久磁石１から発生する磁束がポール
ピース２．３を通って、ギャップを介し、リング状ヨー
ク５に結合する。リング状ヨーク５とポールピース２．
３との間のキャンプには、磁性流体７．８か配置されて
いる。磁性流体７．８は、磁束の強い部分に移動する性
質を有し、かつ磁性流体の速度に応じた粘性を発生させ
る。すなわち、チャンクプレート１０か高速で回転しよ
うとする時には、リング状ヨーク５も同様の角速度で回
転しようとし、ポールピース２．３との間の相対速度を
高くする。このため、磁性流体７．８は強い粘性を発揮
し、チャックプレート１０の運動を制限する。

チャックプレート１０か、所定の位置に配置された時に
は、ロック機構２５か起動され、チャックグレート１０
をハウジング１２に対して相対的に固定する。チャック
プレート１０かハウシング１２に対して固定された後は
、ロータ１７およびステータ１８によって構成されるモ
ータに駆動電流を供給する必要かなくなり、またベロー
ズ１３内にエア導入口１４を介して気体を供給する必要
もなくなる。

第１図の構成においては、チャックプレート１０の回転
方向および軸方向の運動に応じて、板バネ２２の中央部
分か運動する。板バネ２２の外周に結合されたリング状
ヨーク５は、ベアリング２１によって回転運動は行なう
が、その軸方向位置を確定されている。板バネ２２の変
形によってチャックプレート１０が軸方向変位を生じて
も、リング状ヨーク５の軸方向位置は確定している。そ
のため、磁性流体７．８は、ポールピース２．３と、リ
ング状ヨーク５の回転に対して、制動力を発揮する。チ
ャックプレート１０か急速に動こうとする場合、その起
動に対する制動効果を磁性流体７．８が発揮する。一定
の高速回転を続けた後、チャックプレート１０か停止し
ようとする際には、磁性流体７．８か制動する力を弱め
、滑らかな停止を実現させる。

第１図に示すようなステージ装置において、チャックプ
レートを駆動しようとする際には、ベローズ１３または
モータ１７．１８を介して、チャックプレートに力が作
用する。

第２図は、良好な応答時のトルクと、粘性抵抗か小さく
、不安定な系における実際に発生するトルクとの関係を
示す概念図である。

粘性抵抗か非常に小さい系においては、７頁に述べた理
由により系の安定圧か損なわれる。このため、良好時の
応答波形りに比べ、トルクか振動的になり（Ｒ）、した
かって位置のオーバーシュート、整定に時間がかかると
いう問題が起こる。

このような、オーバーシュート成分や振動成分等を防止
するためには、駆動されるステージ部材に対して、適切
な制動を印加することが有効である。

第３図は、磁性流体を利用することによって、ステージ
部材に制動をかける原理を説明するための概略図である
。

第３図、上部分に示す絵は、第１図のステージ装置にお
ける制動関連部分を抽出した概略拡大図である。

リング状ヨーク５は、ウェハチャック１０と共に運動す
る部材であり、鉄等の高透磁率の材料で形成されている
。このリング状ヨーク５と対向するように、磁石装置４
の磁極が配置されている。

この磁石装置４は、第１図においては、永久磁石１とそ
れを挾むポールピース２．３によって構成されている。

磁石装置４のＮ極およびＳ極とリング状ヨーク５との間
には、磁性流体７．８か配置されている。磁性流体７．
８は、それぞれ磁束密度の高い領域に集中する性質を有
する。このため、磁石装置４の磁極と対向するリング状
ヨークとの間に磁性流体か選択的に配置される。

磁性流体７．８は第３図下部に示すように、リング状５
と磁石装置４との間との相対的速度■に対して摩擦力を
変化させる。すなわち、第３図下部に示すように、相対
速度が速くなるにしたがって発生する力は大きくなる。

ここで重要なことは、磁石装置４とリング状ヨーク句と
の間の相対速度がＯの時には、発生する力もＯであるこ
とである。

すなわち、ウェハチャック１ｏか運動を開始する際には
、磁性流体があってもその影響による制動力はほとんど
０である。しかしながら、ウェハチャックが駆動される
にしたがってその速度か増し、その速度にしたがって制
動力が発生する。このような制動のため、発生する速度
の制御が有効になされ、オーバーシュートによるハンチ
ングか減少する。

磁束密度の変化等によって、磁性流体の特性を第３図点
線または一点鎖線のように変化させれば、フィードバッ
ク量を制御することかできる。

第４図は、本発明の他の実施例によるステージ装置を概
略的に示す。

本実施例においては、第１図に示す実施例と同等の作用
を行なう部分に対しては、同等の番号を付しである。

第１図の実施例においては、板バネ２２に関してその固
定側に磁性流体を備えた磁気回路が形成された。このな
め、第１図の構成においては、ウェハチャックの軸方向
に対する変位に対しては、磁性流体は何の作用も及さな
かった。

第４図に示す実施例においては、ウェハチャック１０の
運動に直接対応して、リング状ヨーク３５が運動し、こ
のリング状ヨーク３５の運動と固定側にあるポールピー
ス３２．３３との間の相対的運動に基づき、制動力か発
生する。すなわち、リング状ヨーク３５は板バネ２２に
関して、固定側ではなく、可動側に結合されており、ハ
ウシング１２に固定されるリンク状ヨーク３２．３３は
、このように配置されたリング状ヨーク３５と対向して
いる。磁性流体３７．３８は、ウェハチャックｌＯと直
接結合されたリング状ヨーク３５と、固定ベース側に固
定されたポールピース３２．３３との間のギャップに配
置されている。このように構成することにより、リング
状ヨーク３５は円周方向および軸方向に運動を行なうこ
とかできる。

このため、ウェハチャック１０の円周方向および軸方向
の運動に対応して、磁性流体３７．３８は制動力を発生
する。

このようにして、ウェハチャック１０の運動に対応した
制動力を発生させることにより、ウェハチャック１０を
所望の位置に応答性よく制御することが可能となる。

なお、半導体ウェハを受取り、軸方向および回転方向に
粗動するステージ装置を例として説明したが、本発明は
これに慶定されるものではない。

たとえば、２次元平面内で任意の方向に駆動されるステ
ージ装！に対しても、同様の構成を採用することかでき
る。運動するステージ部材と、静止側との間に磁性流体
を配！し、速度に応じた制動を発生させることにより、
目標とする位置に速かにステージ部材を駆動することが
可能となる。

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、種々の変更、
改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろ
う。

［発明の効果］　　゛ 以上説明したように、本発明によれば、ステージ装置の
ステージ部材の運動に応じた制動力が発生するため、ス
テージ装置の運動における運動力、制御力等のオーバー
シュートか抑制され、目標位置にステージ部材を制御す
るまでの時間が短縮化される。

【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示す概
略断面図、 第２図は、第１図の実施例における発生するトルクの特
性を説明するためのグラフ、 第３図は、第１図の実施例における磁性流体の発生する
制動力を説明するための概略斜視図およびグラフ、 第４図は、本発明の他の実施例によるステージ装置の構
成を示す断面図、 第５図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、従来の技術によるス
テージ装置の構成を説明するための断面図、機構図、平
面図である。 図において、 １．３１　　　永久磁石 ２．３．３２．３３　　　ポールピース５．３５　　　
リング状ヨーク ７．８．３７．３８　　　磁性流体 １０　　　　　　チャックグレート １１　　　　　　半導体ウェハ １２　　　ハウジング　　１３　　　ベローズ１４　　
　エア導入口　　１５　　　鋼　球１７　　　ロータ　
　　　１８　　　ステータ２１　　　ベアリング　　２
２　　　板バネ２５　　　　　　ロック機構 ２７．２８　　　変位検出機構 ５２　　　ベアリング　　５４　　　偏心カム５５　　
　　　　モータ ５６　　　　　　偏心カム機構 ５８　　　　　　チャックプレート ５９　　　　　　スプリング 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

Claims (1)

【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と、前記
   ステージ部材を駆動する駆動力源と、 前記ステージ部材と結合された第１磁気回路部分と、前
   記第１磁気回路部分と所定のギャップを介して対向し、
   共同して磁気回路を形成する第２磁気回路部分と、前記
   ギャップに配置された磁性流体とを含む磁気ダンパと を有するステージ装置。