JPH0472592A - 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】 １産業上の利用分野］ 本発明はステージ装置に関し、特に２次元面内で対象物
を移動させるステージ装置に関する。

１従来の技術］ 従来、対象物を２次元的に駆動する装置としては、まず
平面内の一方向であるＸ軸方向について駆動を行うサー
ボモータとボールネジを備えなＸステージを形成し、そ
の上にＹ軸方向の駆動を行うサーボモータとボールネジ
を備えたＹステージを重ねたＸＹＸステージが知られて
いる。

ボー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、何等かの機構部材等に歪み
、弾性変形等を生じさせていることになる。

このような機構によっては、０．０１μｍ程度以下の位
置決め精度を実現することは困雛である。

し発明か解決しようとする課題］ 以上説明したような、サーボモータとポールネジによる
ステージ装置によっては、たとえば００１μｍ以下の位
置決め精度を持つ超精密ＸＹステージを実現することは
誼しかった。

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。

本発明の他の目的は、構造か簡単で遊びかなく、位置精
度に優れたステージ装置を提供することである。

３課題を解決するための手段］ 本発明のステージ装置は、高透磁率を有する材料で形成
され、ＸＹ面を定める表面を有するヨークと−ヨーク上
にＸ方向に平行にＹ方向に関して第１のピッチで配置さ
れた複数のストライプ状永久磁石であって、ヨークの表
面の法線方向に沿って、交互に反転する磁極を有する永
久磁石と、ヨークの表面上で永久磁石と対向するように
配置されたステージと、永久磁石と対向するようにステ
ージ上でＹ方向に関して、第１のピッチの整数分の１（
整数は２以上とする）の第２のピッチで配置された複数
のコイルとを有する。

こ作用］ ヨーク上に複数の永久磁石が平行に配置されており、そ
の上に複数のコイルを配置することによって、コイルに
力を作用させることかできるにのコイルによってステー
ジを平面内で移動させる。

ステージに固定したコイルのピッチは、永久磁石のピッ
チの整数分の１に設定されているため一ステージか移動
しても永久磁石上にコイルかない状態を防止できる。こ
のためステージの位置か移動したために作用する力が減
少してしまうことが低減できる。また、永久磁石の１ピ
ツチの間にコイルか整数個配列されるため、多相励磁す
るのに適している。

［実施例］ 第１図に本発明の実施例による二次元ステージを示す、
ベースｌは鉄等の十分高い靭性を有する材料で形成され
、その上面にＸＹ面となる案内面２を有する。この案内
面２上にステージ３の案内部材であるエアーパッド４ａ
、４ｂ、４Ｃか載置される。すなわち、ステージ３はエ
アーパッド４ａ、４ｂ、４ｃによって案内されてベース
１の案内面２上を滑動する。

ステージ３の駆動は以下に述べる永久磁石とコイルとの
相互作用による。ベース１の案内面２上には鉄等の高透
磁率材料で形成されたヨーク７か配置されており、ＸＹ
面となる上面を有する。このヨーク７の上面に複数の永
久磁石８か平行に等ｒｉ１ｍで配置されている。永久磁
石８はストライプ状の細長い形状を有し、ヨーク７の法
線方向に沿って磁極を有する。複数の永久磁石８は、交
互にＮ極、Ｓ極、Ｎ極、・・・を上方に向けるように配
置されている。したがって、永久磁石の上面から発生し
た磁力線は隣接する永久磁石の上面に入り込むように分
布する。これらの永久磁石は、図中Ｘ方向に平行に配置
されている。ステージ３の下面には、これらの永久磁石
と対面するように複数のコイル１１．１２か配！されて
いる。複数のコイルはＸ方向に軸方向を有するＸ用コイ
ル１１と、Ｙ方向に軸方向を有するＹ用コイルとを含む
、これらのコイルもＹ方向に一定の間隔（ピッチ）を置
いて配列される。

第２図はヨーク上の永久磁石とステージ上のコイルとの
ＸＹ面内での位置関係を説明するための平面図および磁
束密度分布図である。

第２図上側に示すように、永久磁石８ａ、８ｂ、８ｃｍ
　８ｄかＸ軸に平行にかつＹ方向に一定のピッチＰｏで
配列されている。これに対して、Ｘ用コイルｌｌａ、ｌ
ｌｂは、永久磁石の１ピツチ内に２つ配列されている。

すなわち、Ｘ用コイル１１は永久磁石の１／２のピッチ
（Ｐ　ｏ　／　２　）でＸ軸に平行に配列されている。

右側に示す他のＸ用コイルｌｌｃ、ｌｉｄも、Ｘ軸に平
行にかつＹ方向に永久磁石のピッチの１／２のピッチで
配列されている。左右のＸ用コイルの間に、Ｙ用コイル
１２ａ、１２ｂ〜１２ｆか配列されている。これらのＹ
用コイル１２も、永久磁石のピッチの１／２を単位とし
て配置されている。すなわち、Ｙ用コイル１２ａ、１２
ｅからＹ用コイル１２ｃ、１２ｄに至るピッチは永久磁
石８ｂから８ｃに至るピッチＰＯのｌ／′２である。同
様にＹ用コイル１２ｃ、１２ｄからＹ用コイル１２ｂ、
１２ｆに至るピッチも永久磁石のピッチＰｏの１／２で
ある。

なお、Ｙ用コイルの各ピッチごとに配列されるコイルの
数は同等のものとするのが好ましい。

平行に配置された永久磁石８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄから
は、その上方に磁束か発生している。主としてコイルの
下辺の高さでの磁束密度が重要である。永久磁石８ａの
上面がＮ極、隣接する永久磁石８ｂの上面がＳＮ、さら
に隣接する永久磁石８ｃの上面かＮ！−・・・である場
合、図示のように永久磁石８ａ、８ｃ上で磁束密度は正
の極値をとり、永久磁石８ｂ、８ｄの極上で磁束密度は
負の極値をとる。この場合、隣接する永久磁石の中間の
位置においては、磁束密度か極めて小さな値となってい
る。

ステージの移動にしたがいコイルも移動するが、永久磁
石の上に配置されたコイルに選択的に電流を供給するこ
とにより、常に磁束密度の高いところに配置されたコイ
ルを励磁して有効に力を発生させることかできる。

この駆動力発生の模様を第３図を参照してより詳細に説
明する。

第３図において、ヨーク７上に永久磁石８ａ、８ｂ、８
ｃ、８ｄか配置され、その上方に磁力線１５が発生して
いる。これらの磁力線を横切るようにＸ用コイルｌｌａ
、ｌｌｂ、１ｌｃ−１１ｄおよびＹ用コイル１２ｅ、１
２ｄ、１２ｆが配置されている。この場合、ステージを
紙面垂直方向に駆動するためには、Ｘ用コイルｌｌａ、
ｌｉｄに矢印のように電流を流せばよい、他のＸ用コイ
ルｌｌｂ、１　］、　ｃには励磁電流を流す必要かない
。

ここで、Ｘ用コイルｌｌａ、ｌｉｄの下辺と上辺とにお
いては、逆方向の力が作用するが、磁束密度かＸ用コイ
ル１ｌａ−１１ｄの下辺において、上辺よりも十分高く
なるように設計することとにより、Ｘ方向の１方向に有
効な力を発生させることかできる。なお、Ｘ用コイルｌ
ｌａ、ｌｉｄの２つの側辺は、互いに逆方向の力を発生
し、Ｘ方向の駆動には寄与しない、隣接するＸ用コイル
１１ｂにおいては、磁力線１５がほぼ横方向を向いてい
るため、Ｓ流を流してもＸ用コイルｌｌｂの下辺と上辺
によって、有効な駆動力を得ることが龍しい。

ステージがＹ方向に移動してＸ用コイルｌｌａ、ｌｉｄ
か永久磁石と永久磁石の間に配置されるようになった時
は、他のＸ用コイルｌｌｂ、ｌｌｃを励磁してステージ
を駆動する。連続的に移動させる時は多相励磁とするの
かよい。

第４図に本発明者らか先に提案した参考例によるステー
ジの駆動を示す。

ヨーク７上に複数の永久磁石８ａ、８ｂ、・・・８ｆが
配置され、その上に複数のＸ用コイルおよびＹ用コイル
か配列される点は第３図の構成と同様である。しかしな
がら、第４図の構成においては、永久磁石８のピッチと
Ｘ用コイル１７、Ｙ用コイル１８のピッチとが等しく設
定されている。しなかって、図示の状態においては各Ｘ
用コイル１７Ｙ用コイル１８に有効な力を発生させるこ
とかできるか、ステージがたとえば図中右方向へ半ピツ
チ移動した場合、各コイルは永久磁石と永久磁石の間の
位置に配置され、磁束密度か極めて少ない状態で作動し
なければならなくなる。磁束密度が低い状態で同等の力
を得ようとすれば、コイルに流す電流を増大させなけれ
ばならない、もし、同一量の電流を流した場合には、ス
テージに作用する力がリップル的に変動することになる
。

第３図の構成においては、Ｘ用コイル１１　Ｙ用コイル
１２が共に永久磁石のピッチの整数分の１のピッチで配
列され、すなわち、永久磁石１つあたりコイルが２つな
いしはそれ以上配列されているため、常に永久磁石の上
に配置されたコイルか存在し、そのコイルに所望の電流
を流すように制御すれば所定の＠ｈ流で均等な強い力を
得ることができる。

ＸＹ平面内でステージを駆動する場合の推力発生原理を
第５図を参照して説明する。

第５図（Ａ）は、ステージをＸ方向に並進させる場合の
推力を模式的に示す、ステージ３上に図示のようにＸ用
コイル１１が設けられているとする。Ｘ用コイルｌｌａ
、ｌｌｂ、ｌｌｃ、ｌｉｄのうち、ｌｌａおよびＩｌｄ
が永久磁石の上に配置されているとする。その時、これ
らのＸ用コイルｌｌａ、ｌｉｄに電流を供給する。する
と、これらのコイルに矢印で示す方向の力か発生するた
め、ステージ３はＸ方向に並進する。なお、ステージ３
の位１がＹ方向に変化し、Ｘ用コイル１１ｂとＬｌｃか
永久磁石の上に配置された場合には、Ｘ用コイルｌｌａ
、ｌｉｄの代りにＸ用コイル１１ｂ、ｌｌｃに電流を流
し、力を発生させる。

第５図（Ｂ）はＹ方向に並進させる場合の推力発生を示
す、Ｙ用コイルは上下のＹ用コイル１２１．１２ｋが同
じＹ方向位置に配置され、他のＹ用コイル１２ｊはその
中間のＹ位置に配置されているとする。Ｙ用コイル１２
ｉと１２にとか永久磁石の上に配置されている場合は、
これらのコイルに電流を流し、Ｙ方向の力を発生させる
。すると図中布の矢印で示したようにＹ方向の駆動力が
発生し、ステージ３はＹ方向に駆動される。Ｙ用コイル
１２ｉ、１２ｋが永久磁石と永久磁石の間の位置に配置
された時は、他のＹ用コイル１２ｊに電流を流す、この
時はこれらのコイルが永久磁石の直上に配置されるため
、Ｙ方向の力が有効に発生する。

このように、永久磁石の上に配！されるコイルに選択的
に電流を供給す、ることによって、有効に駆動力を発生
させ、Ｘ方向ないしＹ方向の並進運動をさせることかで
きる。

次に第５図（Ｃ）を参照してＸ７面内の回転運動をさせ
る場合の推力発生を説明する。

図中布に示す矢印方向に示すようにステージ３を回転さ
せる場合、たとえば永久磁石の上に配！された２つのＸ
用コイルｌｌａ、ｌｉｄに逆方向の電流を流す、すると
これらのＸ用コイルｌｌａとＩｌｄには逆方向の力が発
生し、図中布の矢印に示すようにステージ３は回転する
。これらのＸ用コイルが永久磁石の上から外れている時
は、他のＸ用永久磁石１１ｂとｌｌｃに電流を流すこと
により、破線の矢印で示すような力を発生させ、同様な
回転を行なうことができる。

なお、この回転はたとえば、−度以内の回転であり、回
転の前後に拘らず永久磁石とコイルとの全体的な関係が
ほぼ保たれるものとする。より大きな角度を回転させる
場合は、他の機構を設けることができる。

以上基本的に単巻コイルの集合によって、ステージを駆
動する場合を説明したが、コイルは単巻コイルには限ら
ない。

第６図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）にヘリカルコイルを用い
た時の駆動を示す。

第６図（Ａ）はヘリカルコイルの上面構造を示す概略図
である。ヘリカルコイルを上から見た時、巻線は上面で
一定方向を向き、下面で交差する一定方向を向いている
。また、巻線は図示の場合、５本ずつその電流方向を反
転させている。

第６図（Ｂ）はヘリカルコイル２０を永久磁石８の上に
配！した構成を概略的に示す、永久磁石８からは磁力線
が図示のとおり発生しており、ヘリカルコイル２０を横
切っている。このように配置されたヘリカルコイル２０
に電流を流すことにより、ヘリカルコイル２０に力を発
生させることかできる。

第６図（Ｃ）は力の発生パターンを示す概略図であるる
、永久磁石のＮ衡の上に配置されたヘリカルコイル部分
は、その電流方向によってさらに５つの部分に別けて考
えることができる。中央の領域Ｓ１においては、磁束Ｂ
は紙面裏側から表側に貫通するように発生しており、電
流は上側でｉ、下側で■の方向に流れる。これらの電流
によって力は２つの方向に発生するか、その合力は矢印
Ｆで示す方向に働く、この中央領ｖｔｓ１の周囲には、
電流方向の異なる４つの領域Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５か
形成される。これらの領域においては、上側の電流また
は下側の電流かその向きを変え、かつ磁力線も外側に向
かうため、図に示すような方向に力Ｆか発生する。Ｎ極
の右側の永久磁石のＳ極上に配置されたヘリカルコイル
部分では、同様に５つの領域Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、
ＳＩＯが形成され、中央の領域Ｓ６においては、電流方
向および磁力線の方向は異なるものの、合力Ｆの方向は
領域Ｓ１の合力の方向と同一となる。このようにヘリカ
ルコイルの構成および電流を制御することにより、所望
の方向に力を発生させることができる。

第１図に戻って、Ｘ用コイル１１またはＹ用コイル１２
に力か発生することにより、ステージ３は案内面２上を
ＸＹ平面内に移動する。

なお、ヨーク上に配列する永久磁石の数およびステージ
上に配列するコイルの数は任意に選択することかできる
。また、永久磁石の１ピツチ内にコイルを２つ配列する
場合を説明したが、永久磁石の１ピツチ内にコイルを３
つ、４つ等整数個配列することかできる。これらのコイ
ルの配置数によってコイルに流す電流の多相励磁方式を
制御する。

なお、水平ステージの構成として図示しなか、ＳＯＲ露
光装置等においては、第１図に示すようなステージを垂
直方向ステージとして用いることもできる。この場合、
ステージの落下を防止するために重力と対向する力を作
用させることが望ましい、また、ステージを案内面上に
案内するためにエアーバッド４に磁石を組入れ、磁気吸
引エアーパッドとすることもできる。

以上説明した構成によれば、ステージに固定したコイル
に直接推力を発生させることかでき、動力伝達系を省略
することかできるため、高い運動精度を確保することか
できる。すなわち、動力伝達系におけるガタやバンクラ
ッシュを防止することかできる。

また、ステージに対して直接Ｘ方向推力、Ｙ方向推力、
θＺ方向推力を作用させることかできるなめ、ステージ
を自由に平面内で運動させることか可能となる。

ステージの位置に拘らず、はぼ均等な電流でほぼ均等な
駆動力を発生させることができる。

従来のステージにおいて必要であったガイド系を省略す
ることとができ、小型、軽量、高速、高精度なステージ
を得ることが容易となる。

ステージに直接力を作用させることが容易となるため、
外棚への対応力が増大し、エネルギ効率を改善すること
ができる。

以上説明したステージ装置は、ＳＯＲ露光装置等の半導
体製造装置、精密機械や機械一般、ＩＣボンダー、ＩＣ
テスター、超精密加工機、ロボット、レーザ加工機、Ｘ
Ｙプロッター等広く２次元ステージを要求する分野に利
用することができる。

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、平面内で運動す
るステージに直接力を作用させることができるため、高
精度なステージを得ることかできる。ステージに取付け
るコイルのピッチを永久磁石ピンチの整数分の１とした
ため、常に永久磁石の上に配置されるコイルに有効な力
を発生させることかでき、均質な力によりステージを精
度よく駆動することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による二次元ステージの斜視図
、 第２図は第１図の二次元ステージの永久磁石とコイルの
関係を説明するための概略図、第３図は第１図の二次元
ステージにおけるコイルに発生する駆動力を説明するた
めの側面図、第４図は本発明者らの先の提案による参考
例を説明するための側面図、 第５図は第１図の二次元ステージにおける各方向への推
力発生原理を説明するための概念図、第６図はヘリカル
コイルによる駆動を説明するための概略図である。 図において、 １　　ベース ３　　メインステージ ４　　エアーパッド ７　　ヨーク Ｉ　　Ｘ用コイル ５　　磁力線 ７　　Ｘ用コイル ２　　案内面 永久磁石 Ｙ用コイル Ｙ用コイル 特許出願人　　住友重機械工業株式会社復代理人　弁理
士　高話　敬四部 第２図 １５：磁力線 第３図 （Ａ）Ｘ並進 ＣＢ）Ｙ並進 （Ｃ）ＸＹ面内回転 各方向への推力発生原理 第５図 （Ａ）上面 （Ｂ）側面 （Ｃ）力の発生 ヘリカルコイルによる駆動 第６図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）．高透磁率を有する材料で形成され、ＸＹ面を定
   める表面を有するヨークと、 前記ヨーク上にＸ方向に平行にＹ方向に関して、第１の
   ピッチで配置された複数のストライプ状永久磁石であつ
   て、前記ヨークの表面の法線方向に沿って、交互に反転
   する磁極を有する永久磁石と、 前記ヨークの表面上で前記永久磁石と対向するように配
   置されたステージと、 前記永久磁石と対向するように前記ステージ上でＹ方向
   に関して、前記第１のピッチの整数分の１（整数は２以
   上とする）の第２のピッチで配置された複数のコイルと を有するステージ装置。
2. （２）．前記複数コイルはターンの定める軸がＸ方向に
   向いたＸコイルとターンの定める軸がＹ方向に向いたＹ
   コイルを含む請求項１記載のステージ装置。
3. （３）．さらに前記複数のコイルを多相励磁する電源を
   有する請求項１ないし２記載のステージ装置。