JPH04189436A - ２次元モータステージ装置 - 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、精密ステージ装置に関し、特に磁石とコイル
を用いてステージを直接駆動する精密ステージ装置に関
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ポールネジを備えた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
ージか知られている。

ところが、ボ゛−ルネジは力り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ず、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雛である。

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。

［発明が解決しようとする課題］ 以上説明したように、サーボモータとボールネジによる
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Ｘ）′ステージを実現すること
は難しかっな。

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。

［課題を解決するための手段］ 本発明の２次元モータステージ装置は、対象物を載置し
、２次元面内で移動させるための可動ステージと、可動
ステージに取付けられ、２次元面と垂直方向に磁束を発
生させる永久磁石と、永久磁石と対向する位置に配置さ
れた複数のコイルであって、２次元面と平行な少なくと
も２方向を軸とするターンを有し、各コイルの１ターン
中の永久磁石に近い側の辺が前記磁束によって受ける力
は、永久磁石から遠い側の辺が前記磁束によって受ける
力より実質的に大きくなるように配置されている複数の
コイルと、複数のコイルを支持する支持手段とを有する
。

［作用コ 可動ステージ上に永久磁石か取付けられ、この永久磁石
と対向する位置に複数のコイルが□配置されているため
、コイルに電流を流すことによって、可動ステージに直
接力を作用させることができる。

複数のコイルを、２次元平面と平行な少なくとも２つの
方向にその軸方向を配置させることにより、可動ステー
ジを２次元面内で移動させることができる。

電流はコイルを流れるため、永久磁石を取付けたステー
ジ側には発熱源が存在しない。このため、熱膨脹による
精度低下を防止することが容易である。

また、可動ステージには、永久磁石を取付けるだけで力
を作用させることができるため、可動ステージに電源配
線等を設ける必要がない。

［実施例］ 第１図に、本発明の実施例による基本構成を概略的に示
す。

ベース２０に対して、ステージ３０を２次元平面内で移
動させる場合を考察する。ベース２０（ロ）［に、Ｘ方
向およびＹ方向に軸方向を有するコイルＷ１．Ｗ３およ
びＷ２、Ｗ４が配置されている。

これら複数のコイルＷ１〜４のＺ方向上方に、ステージ
３０か配置され、そのステージ３０の下面に複数の永久
磁石Ｍ１〜Ｍ４か交互に極性を反転させて配置されてい
る。なお、永久磁石Ｍ１〜Ｍ４は、コイルＷ１〜Ｗ４と
対応した配置を有する。

図示の構成において、永久磁石Ｍ１のＮ極から発した磁
束は、隣接する磁石Ｍ２等のＳ極に終端する。同様に、
永久磁石Ｍ３のＮ極から発した磁束は、隣接する永久磁
石Ｍ２、Ｍ４のＳ極に終端する。コイルの各上辺に電流
を流した時に、磁束との相互作用によって発生する力は
、概ね、以下のようになる。コイルＷ１とＷ３において
は、コイルに流す電流によって紙面に垂直な方向の力が
発生する。また、コイルＷ２とＷ４においては、コイル
に電流を流すことによって、電流方向および磁束方向に
垂直な紙面水平方向に力が発生する。

なお、各コイルの下辺に流れる電流によって生じる力は
、コイル上辺を流れる電流によって生じる力と逆方向で
あるか、磁束密度かコイル上辺における磁束密度より十
分低くなるため、発生する力はコイル上辺によって生じ
る力によって支配される。また、各コイル側辺によって
発生する力は、逆方向であり、相殺してほぼ０となる。

ステージ駆動のために電流を流す必要があるのは、ベー
ス側に設けたコイルにおいてであり、ステージには電流
を供給する必要かない。このため、ステージには電流を
供給するための配線も必要ない。電流を流すことによっ
て、発熱か生じるが、発熱はコイルにおいて生じ、ステ
ージおよびステージ上に設けた永久磁石には直接発熱は
生じない。

すなわち、コイルの発熱をステージから隔離することに
より、ステージの熱膨脹を防止することが容易である。

このようにして、移動精度に優れた２次元モータステー
ジ装置を構成することができる。

なお、第１図の構成においては、永久磁石とコイルどの
位置か半相すれた場合には、発生する移動方向への推力
が激減してしまう。このような場合に対処するためには
、コイルまたは永久磁石に半相ずらした部分を構成する
と有効である。場所的に位相を変化させても、全体のピ
ッチを変えてもよい。なお、この場合の電流駆動は２相
駆動となる。さらに、３相以上の構成をとることも可能
である。磁石側を多相化することも可能である。

第２図に、ＳＯＲ露光装置用の縦型ステージの構成を示
す。

ＳＯＲ装置から発したＳＯＲ，光（Ｘ線）１８は、右か
ら左に水平方向に進行する。このＳＯＲ，光を受けて半
導体装置の露光を行なうためには、半導体ウェハはＳＯ
Ｒ光１８に対して垂直（すなわち、鉛直面）に配置する
必要がある。ＳＯＲ光１８が、出射窓を通って出射する
と、マスク微動ステージ１３上に配置したマスク１２を
通って、半導体ウェハ１１を照射する。半導体ウェハ１
１は、ウェハステージ１上に設けられたウェハチャック
１９に支持されている。ウェハステージ１は、吸着用磁
石を備えたエアベアリングである磁気吸着エアーパッド
９によって、ＳＩＲ装置側のベース１０上を摺動する。

ベース１０と磁気吸着エアーパッド９との間のギャップ
は、磁気吸着エアーパッド９から吹出す空気の圧力と、
磁気吸着エアーパッド９内に設けられた磁石の吸着力に
よって定まる。

ステージ１の逆側には、鉄等の高透磁率材料のヨーク１
４か配置され、ヨーク１４上に永久磁石２が取付けられ
ている。永久磁石２は、ウェハステージ１の面と垂直な
方向に磁束を発生するように磁極が配置されている。た
とえば、図示の永久磁石はウェハステージ側にＳｆｉ、
表面側にＮ極か配置され、隣接する永久磁石は極性か逆
になる。図においては、１つの永久磁石が示されている
が、この、永久磁石と平行に複数の永久磁石か配置され
ている。

永久磁石２と対向するように、所定のギャップを挾んで
、コイル３．４．５がコイル粗動ステージ６上に配置さ
れている。コイル３．４は、図中垂直方向であるＹ方向
に駆動力を発生させるため、＝　９− Ｙ方向の軸の周りに巻回されたコイルである。また、コ
イル５は、Ｘ方向（紙面に垂直方向）に駆動力を発生さ
せるためのコイルであり、Ｘ軸の周りに巻回されている
。これらのコイルも紙面垂直方向に複数組配置されてい
る。コイル粗動ステージ６は、コイル粗動アクチュエー
タ７によって、ベース８に対して相対的に移動すること
ができる。

すなわち、コイル粗動アクチュエータ７によって、コイ
ル粗動ステージ６の位置を変化させることにより、コイ
ル３．４．５と永久磁石２との相対的位置を変化させる
ことができる。

なお、マスク１２を支持するマスク微動ステージ１３は
、マスク微動アクチュエータ１６によってその位置を調
整することができる。たとえば、マスク微動アクチュエ
ータ１６は、積層圧電素子によって構成される。

コイル３．４．５の配置を、第３図を参照してより詳細
に説明する。

コイル粗動ステージ６は、コイル粗動アクチュエータ７
を介して、ベース８上に支持されている。

ｉｏ− なお、コイル粗動アクチュエータフの数は任意に増加し
てもよい。コイル粗動ステージ６の上には、上下に２組
のＹ用コイル３．４か配置され、その間の領域に１組の
Ｘ用コイル５が配置されている。

Ｙ用コイル３．４は、Ｙ軸回りに巻回しされたコイルで
あり、紙面に対して垂直な方向の磁界を印加すると、そ
の上辺、下辺にＹ方向のローレンツ力が発生する４上辺
と下辺における磁束密度には、顕著な差が設定されてお
り、その差分としていずれかのＹ方向へ駆動力を発生す
る。

Ｘ用コイル５は、Ｘ軸の周りに巻回しされたコイルであ
り、同様の紙面に対して垂直な方向の磁界により、Ｘ軸
方向の力を発生する。

Ｙ用コイル３．４およびＸ用コイル５は、Ｘ方向に一定
のピッチで繰返し配置されている。これらコイルと対向
配置されたウェハステージ１上の永久磁石２は、点線で
示すように、半ピツチずれて配置された２−１の組と、
２−２の組とがある。

図示の場合、永久磁石２−２の組と、Ｘ用コイル５、Ｙ
用コイル３．４とか、重なり合って配置され、他の永久
磁石の組２−１は、コイルの配置に対し、１／２ピツチ
ずれている。このような状態においては、永久磁石の組
２＝２に対向するコイルに電流を選択的に供給すること
により、永久磁石の組２−２に力を作用させ、ウェハス
テージ１を駆動することかできる。

ウェハステージ１のＸ方向位置か１／２ピツチずれた時
には、永久磁石の組２−１が今度はコイルと対向する位
置に配置される。その時には、永久磁石２−１に対向す
るコイルに選択的に電流を流し、ウェハステージ１を駆
動すれはよい。

第４図に、ウェハステージの構造を示す。

ウェハステージ１は、その上にウェハチャック１９を載
置し、ウェハを吸着する。ウェハと逆側には、複数組の
細長い永久磁石２−１．２−２か配置されている。これ
らの永久磁石２−１．２−２は、第３図に関連して説明
したように、コイルのピッチに関して、１／２ピツチず
れた２つの組を含む。１つの永久磁石の組２−１がコイ
ルと対向する時には、他の永久磁石の組２−２はコイル
と１／２ピツチすれた位置に配置される。細長い永久磁
石の組２−１．２−２は、それぞれＮ極を表面側に配置
した磁石と、Ｓ極を表面側に配置した磁石の２つが１組
になって配置されている。

なお、図示の構成においては、ウェハチャック１９と対
応する部分には永久磁石が配置されていないか、これら
の領域にも永久磁石を配置してもよい。

位相をずらした磁石の組を買なる領域に配置する場合を
示したか、磁石のピッチ自体を１／２として同じ領域内
に位相の異なる磁石の組を形成してもよい。

また、一方向に細長い磁石をそれと直交する方向に所定
のピッチで配列する場合を説明したが、永久磁石は、た
とえば２次元平面内でＸ方向およびＹ方向に規則正しく
繰返し配置してもよい。

第５図は、永久磁石を設けたウェハステージの駆動原理
を説明するための原理図である。コイル粗動ステージ６
の上には、Ｙ用コイル３と４かそれぞれ一定のピッチで
配列されている。これらＹ用コイル３．４の上方に、ウ
ェハステージ１上のヨーク１４に固定された永久磁石２
−１と２−２の組が配置されている。

図示の状態において、永久磁石２−２の組がＹ用コイル
３．４と対向配置されている。この状態におい°Ｃは、
永久磁石２−２の下に配置される隣接コイルに、それぞ
れ逆向きの電流を流すことにより、永久磁石２−２に紙
面垂直方向の力か働く。

このなめ、ウェハステージ１は紙面垂直方向（Ｙ方向）
に駆動される。ウェハステージ１か、図中水平方向（Ｘ
方向）に１／２ピツチずれた時には、永久磁石２−２は
コイルとコイルの間に配置され、他の永久磁石２−１の
組がコイルと対向するようになる。この時には、永久磁
石２−１と対向するそれぞれの隣接コイルに逆向きの電
流を流すことにより、前述同様の紙面垂直方向の力が発
生する。

このようにして、ステージの位置に拘らず、ステージに
Ｙ方向の力を作用させることができる。

同様に、Ｘ用コイルに電流を流すことにより、ウェハス
テージ１にＸ方向の力を作用させることかできる。

なお、コイル粗動ステージ６を、コイル粗動アクチュエ
ータ７で駆動することにより、永久磁石とコイルとの関
係を制御することもできる。

このようにして、ウェハステージに取付けられた永久磁
石と対向するコイルに制御された電流を流すことにより
、ウニハスデージをＸ）′平面内で任意に駆動すること
ができる。

なお、ウェハステージの永久磁石と対向しないコイルに
まで電流を流すと、無為に発熱を増大させるため、ウェ
ハステージの永久磁石と対向するコイルにのみ選択的に
電流を流すことが好ましい。

以上説明した構造によれば、移動ステージであるウェハ
ステージには永久磁石が配置され、コイルは対向するコ
イル粗動ステージに取付けられているため、コイルの発
熱はウェハステージには伝達されにくいにのため、移動
ステージの熱膨張が防止し易く、超高精度を実現しやす
い。

また、移動ステージであるウェハステージにコイルが取
付けられた場合と比べると、コイルに電−１５＝ 流を供給するための配線を可動ウェハステージに設ける
必要かない。また、可動ウェハステージにコイル冷却用
の配管等を設ける必要もない。このため、配線、配管を
省略することができるので、ウェハステージの運動性能
を向上することができる。　− なお、垂直ステージの構成を説明したか、水゛Ｖステー
ジとすることもできる。なお、水平ステージとした場合
、ステージは重力によって支持体上に支持できるため、
磁気吸着エアーパッド９の代わりに単なるエアーパッド
を用いること等もてきる。

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、組み合わぜ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、本発明によれは、移動ステージ上
に永久磁石が配置され、対向するベース上にコイルが配
置されて、コイルに電流を供給することにより、移動ス
テージを直接駆動できる。

コイルに対する給電は、移動ステージの運動に何ら悪影
響を及さずに行なうことができる。

また、コイルに給電することによる発熱は、移動ステー
ジと分離された場所で起こるため、移動ステージに熱が
伝達されることを防止することが容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例による基本構成を説明するた
めの概略図、 第２図は、本発明の実施例による縦型ステージ装置を概
略的に示す側面図、 第３図は、第２図の構成におけるコイルの配置を説明す
るための平面図、 第４図は、第２図の構成におけるウェハステージの構成
を説明するための平面図、 第５図は、第２図の構成におけるステージ駆動の原理を
示す概略図である。 図において、 １　　　　　ウェハステージ ２　　　　　永久磁石 ３．４　　　Ｙ用コイル ５　　　　　Ｘ用コイル ６　　　　　コイル粗動ステージ ７　　　　　コイル粗動アクチュエータ８．１０　　ベ
ース ９　　　　　磁気吸着エアーパッド １１　　　半導体ウェハ　　１２　　　マスク１３　　
　　　マスク微動ステージ １４　　　　　ヨーク １６　　　　　マスク微動アクチュエータ１８　　　　
　　ＳＯＲ光 １９　　　　　ウェハチャック ２０　　　ベース　　　　　３０　　　ステージＭ　　
　永久磁石　　　　　Ｗ　　　コイル特許出願人　　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）、対象物を載置し、２次元面内で移動させるため
   の可動ステージと、 前記可動ステージに取付けられ、前記２次元面と垂直方
   向に磁束を発生させる永久磁石と、前記永久磁石と対向
   する位置に配置された複数のコイルであって、前記２次
   元面と平行な少なくとも２方向を軸とするターンを有し
   、各コイルの１ターン中の永久磁石に近い側の辺が前記
   磁束によって受ける力は、永久磁石から遠い側の辺が前
   記磁束によって受ける力より実質的に大きくなるように
   配置されている複数のコイルと、 前記複数のコイルを支持する支持手段と を有する２次元モータステージ装置。