JPH07111238A - 自重支持装置 - Google Patents

自重支持装置

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JPH07111238A
JPH07111238A JP27732593A JP27732593A JPH07111238A JP H07111238 A JPH07111238 A JP H07111238A JP 27732593 A JP27732593 A JP 27732593A JP 27732593 A JP27732593 A JP 27732593A JP H07111238 A JPH07111238 A JP H07111238A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 極めて高い面精度が要求される構造体の自重
を、その構造体の面精度を損なうことなく支持する。 【構成】 被駆動体１を、基盤６より重力方向に移動す
る駆動手段７，８，９と、被駆動体の自重を駆動後の位
置に支持する支持手段１０，１１，１３，１４，１５と
を具えた自重支持装置において、前記駆動手段の発生力
と前記支持手段の支持力が同軸上に来るように駆動手段
と支持手段を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造装置のＸＹ
ステージや精密工作機械、精密測定器等を含む機械構造
体の自重を支持する自重支持装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】機械構造体に自重支持装置を装着した従
来例を図１２に示す。同図において、１はあおりステー
ジであり、例えばウエハ３を搭載する場合には、あおり
ステージ１の上面２は極めて高い面精度が要求される。
４はあおりステージ１の水平方向のみを規制するガイド
であり、例えば静圧軸受を用いることによって、Ｚ方
向、傾斜方向およびＺ軸回転方向の運動を許容してい
る。あおりステージ１は複数のリニアモータ２６（２６
ａ，２６ｂ，‥‥）の非接触駆動によって、ベース６を
基準に重力方向であるＺ方向位置、あるいは傾きを高速
に自動制御できる。また、２７はエアシリンダであり、
１個あるいは複数個であおりステージ１の自重を支持し
ている。
【０００３】リニアモータ２６は非接触で力を伝えるた
め、ベース６のＺ方向の振動をあおりステージ１には伝
達しないという、有効な特性がある。反面、リニアモー
タの発熱量は流す電流の２乗に比例するため、発生力が
大きくなると多大に発熱する。それによって生じる機械
構造体の熱変形は精密機器として、例えばあおりステー
ジに搭載されるウエハ変形等の致命的な欠陥を与える。
したがって、精密機器にリニアモータを使用する場合
は、発生力を極力少なくする設計が求められる。そこで
上記従来例のように、あおりステージの自重を支持する
ようにエアシリンダ等をいれるのが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、例
えばウエハのあおりを駆動するような上記従来例では、
以下のような問題が生じる。
【０００５】（１）あおりステージにおいて、リニアモ
ータの駆動点と、エアシリンダによる自重支持点が同一
ではないため、過拘束により変形が生じる。
【０００６】（２）変形量を許容以下にするためには、
自重支持点を面で受けるか、あるいはあおりステージの
厚さを厚くして構造体剛性を高めるかなどするが、装置
が大型化する。
【０００７】いずれにしても上記変形は、極めて微小量
であるが、ウエハのあおりステージのような、極めて高
い面精度が要求される構造体においては大きな誤差要因
となり、本質的な改善が望ましい。
【０００８】本発明は、上述の従来例における問題点に
鑑みてなされたもので、極めて高い面精度が要求される
構造体に用いてその面精度を損なわない自重支持装置を
提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の自重支持装置は、被駆動体を基盤より重力
方向に移動する駆動手段と、被駆動体の自重を駆動後の
位置に支持する支持手段とを具えており、前記駆動手段
の発生力と前記支持手段の支持力が同軸上にあることを
特徴とする。前記被駆動体を、前記基盤より重力方向に
移動あるいは傾ける自重支持装置においては、前記駆動
手段の発生力と前記支持手段の支持力が同軸上にある前
記駆動手段と前記支持手段との組を複数組設けてもよ
い。
【００１０】本発明において、前記被駆動体は、前記基
盤に対して、水平方向の自由度を規制し他の自由度に対
して移動可能なように多孔質静圧軸受などの静圧流体軸
受で保持することができる。被駆動体の水平方向の自由
度は、一例として基盤上に配置された円筒状の案内面を
有する固定ガイドで規制され、被駆動体はこの固定ガイ
ドの半径方向に流体潤滑膜を介して支持される。
【００１１】前記駆動手段は例えばリニアモータであ
り、前記支持手段は例えばエアシリンダである。この場
合、前記リニアモータは永久磁石、コイル、およびコイ
ルを保持する部材より構成されており、前記コイルを保
持する部材もしくは前記コイルの表面の少なくともどち
らか一方に冷媒を流す管路を設けることが好ましい。前
記エアシリンダはシリンダ、ピストン、およびベローフ
ラムシールのようなシールより構成されており、前記シ
リンダ、前記ピストン、および前記シールの水平方向断
面が、１組の半円弧と、前記半円弧を結ぶ１組の平行な
直線で構成された形状をしていることが好ましい。さら
に前記エアシリンダ内の圧力を調整する調整装置を設け
ることが好ましい。この調整装置は、前記エアシリンダ
内の圧力またはリニアモータの電流信号をフィードバッ
ク信号にすることができる。
【００１２】
【作用】上記問題は、リニアモータの駆動点と自重支持
点が同一ではないことが原因であるが、本発明では、こ
れらの同一化を図ることにより上記問題は解消してい
る。具体例としては、リニアモータとエアシリンダを同
軸上に並べる。さらに装置組込み化を容易にするため、
またスペースを有効に利用するために、エアシリンダ断
面はトラック型として、リニアモータとのユニット化を
図る。
【００１３】
【実施例】図１は、本発明の自重支持装置を付加したあ
おりステージを示している。同図において、１はあおり
ステージであり、ウエハ３を搭載するためあおりステー
ジの上面２は極めて高い面精度が要求される。４はあお
りステージを水平方向のみに規制するガイドであり、例
えば静圧軸受を用いることによって、Ｚ方向、傾斜方
向、およびＺ軸回転方向の運動を許容している。６はベ
ースである。５は本発明の自重支持装置であり、３個の
自重支持装置（残りの１個は図示せず）の駆動によっ
て、ベース６を基準にステージ１の重力方向であるＺ方
向の位置、あるいは傾きを高速に自動制御できる。
【００１４】図２は、図１における自重支持装置５ａの
拡大図である。図３は、図２における自重支持装置のＡ
Ａ′断面図である。また図４は、図３における自重支持
装置のＢＢ′断面図である。図２〜４に示す自重支持装
置はリニアモータ部、自重支持部より構成されている。
リニアモータ部は、永久磁石８、コイル９、非磁性体の
コイルホルダ１０、磁性体のヨーク７、およびヨークホ
ルダ１１より構成されている。コイルホルダ１０には、
コイルから発生する熱を回収するために、コイルを覆う
ように冷却管１２が設けられており、冷媒を外部より流
すことが可能となっている。永久磁石の磁界の方向とコ
イルに流れる電流の方向はローレンツ力がＺ方向に働く
ような関係になっている。このような構成においては、
リニアモータ部外形寸法はＹ方向に比し、Ｘ方向が長
い。
【００１５】自重支持部は、トラック型シリンダ１３、
トラック型ピストン１５、そしてトラック型ベローフラ
ムシール１４より構成されている。トラック型シリンダ
１３とトラック型ピストン１５間の空気室１６はトラッ
ク型ベローフラム１４で完全シールされている。トラッ
ク型ピストン１５はコイルホルダ金具１０に固定されて
いる。トラック型シリンダ１３はヨークホルダ１１に固
定されている。このような構成によって、リニアモータ
で発生する力とトラック型シリンダ１３で発生する力は
Ｚ方向の同軸上に働き、ヨークホルダ１１を介してあお
りステージ１を駆動する。トラック型シリンダ１３、ト
ラック型ピストン１５およびトラック型ベローフラム１
４の水平面内断面は、図４に示されるように、それぞれ
１組の半円弧と、これを結ぶ１組の平行な直線で構成さ
れた形状をしている。ベローフラムの断面形状は円形状
が一般的であるが、リニアモータ部のコイルホルダ金具
とヨークの間に生じる長方形空間を有効に利用するため
にはトラック型とする。この時、ベローフラムの断面を
長方形にすると、シリンダ作動時にベローフラムの各角
部において多大なひずみが生じるため、ベローフラムの
破損を引き起こす。この様子を図５および図６で説明す
る。図５はピストンの断面が長方形で角部の曲率が小さ
いベローフラム、図６は従来の円形の断面のベローフラ
ムである。側面図において、シリンダがＺ方向にΔＺ
（実線から破線まで）移動する時、上面図においてベロ
ーフラムは一点鎖線からシリンダの位置までΔＲ広が
る。この時のベローフラムのひずみεは、ピストン、シ
リンダ間のギャップをｈ、ピストン径をＲとすれば、そ
れぞれ次式で表される。
【００１６】
【数１】
【００１７】
【数２】
【００１８】トラック型ベローフラムの場合は、一対の
半円弧を一対の平行な直線で結んだ形状をしているた
め、図６にほぼ相当し、ひずみは小さい。
【００１９】次に自重支持装置の駆動系を説明する。図
７において、１９は空気供給源である。１７は空気供給
口、１８は空気排出口である。２０は空気圧を制御する
ためのサーボバルブである。２１は絞りであり、２次側
は大気開放となっている。２４はサーボバルブに指令を
与える圧力コントローラである。２はシリンダ圧を測定
するための圧力計である。圧力コントローラは圧力計の
信号２３をフィードバック信号とし、シリンダ内圧力一
定の制御系を実現している。圧力一定の制御系によっ
て、自重支持部は、静的な剛性は持たない。２５はリニ
アモータを駆動するための、電流アンプを含むリニアモ
ータコントローラである。
【００２０】図８は、本発明の自重支持装置を含む３種
類の自重支持装置の動作上の特徴を示したものである。
図８（ａ）は、これらの自重支持装置を駆動した時の、
あおりステージのＺ方向変位の時間応答である。応答は
駆動前、過渡状態、駆動後を含んでおり、過渡状態はさ
らに加速時、定速時、減速時に分けられる。図８（ｂ）
〜（ｄ）はその時の各自重支持装置のリニアモータに流
れる電流値の時間信号である。これはリニアモータの発
生力と等価であると考えてよい。図８（ｂ）は本発明に
おけるエアーシリンダのような自重支持部を有しない時
の信号である。図８（ｃ）は自重支持方法として例えば
コイルバネのような静剛性を持つものを装着した時の信
号である。そして図８（ｄ）は自重支持部としてエアー
シリンダを用いた本発明の自重支持装置を装着した時の
信号である。図８（ｂ）において、駆動の前後で、オフ
セットがある。これは、あおりステージの自重に相当す
る力をリニアモータは常に発生していなければならない
ためであり、熱的に不利なことは前述した通りである。
図８（ｃ）において、駆動前はオフセットは生じない
が、駆動後にオフセットを生じる。これは自重とコイル
の釣り合い位置である駆動前ではリニアモータは力を発
生しない。しかし、駆動後、Ｚ方向変位とコイルバネの
ばね定数で決まる力をリニアモータは常に発生していな
ければならないためである。一般にコイルバネのばね定
数は小さいが、駆動変位が大きくなる場合には、図８
（ｂ）と同様に熱的に不利である。図８（ｄ）におい
て、駆動前後でリニアモータは静的な力を発生しないた
め電流値におけるオフセットは生じない。しかし、駆動
時の過渡状態に、図８（ｂ）に比し、大きな電流が流れ
る。これは、自重支持に用いられているエアシリンダ
が、瞬間的な変位に対して、空気の圧縮性によるバネ要
素として働くためである。この過渡的な電流値を小さく
するためには、サーボバルブによる圧力制御系の応答性
を高めることが必要である。しかし、この電流の流れて
いる時間はわずかであるため、熱的影響は非常に小さ
い。
【００２１】
【他の実施例】なお、本発明は上述の実施例に限定され
ることなく、適宜変形して実施することができる。例え
ば、 1)上述の実施例においては、リニアモータ部のコイルホ
ルダとヨークの間に長方形空間が生じるために、自重支
持部としてトラック型エアシリンダを用いている。しか
し、図９に示すように、ボイスコイルのような円筒形状
のリニアモータにする場合は、自重支持部として従来の
断面形状が円形のベローフラムシリンダを使うことが可
能である。この時、２８は円筒型コイル、２９は円筒型
永久磁石、３０ａ，３０ｂは円筒型ヨーク、３１は円筒
型コイルホルダで、コイルホルダ３１には冷却管１２が
設けられている。３２はハウジングで、ハウジングと円
筒型ヨーク３０ａ，３０ｂでシリンダを構成している。
３３は円筒型ピストン、３４は従来のものと同じ円筒側
ベローフラム、３５は空気供給口である。
【００２２】2)上述の実施例においては、長方形空間に
配置するためにトラック型エアシリンダを用いている
が、従来の断面形状が円形のベローフラムシリンダを１
個あるいは複数個並べた構成としても可能である。ただ
しシリンダ内受圧面積が減少するために、自重を支持す
る場合にはシリンダ内圧力を高める必要がある。
【００２３】3)上述の実施例においては、シールにベロ
ーフラムを用いている。これは摩擦が存在しないとか、
完全シールが実現できるなどのメリットを有するためで
あるが、使用対象に応じて、例えばＯリングやラビリン
スシールを用いることは可能である。
【００２４】4)上述の実施例においては、圧力制御系は
シリンダ内の圧力を一定にする制御系であるが、図１０
に示すように、リニアモータに流れる電流の値３６をフ
ィードバック信号にして、リニアモータ電流をゼロにす
るようにサーボバルブを駆動させる制御系を構成するこ
とも可能である。この場合、応答性、精度ともに優れた
制御が実現できる。
【００２５】また、図１１に示すように、サーボバルブ
を用いずに空気供給口側、空気排出口側両方に例えばレ
ギュレータのような機械的な絞り３７を設けるだけの構
成でも可能である。その時、レギュレータの安定性は十
分に高い必要がある。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば、構造体に変形を生じさ
せることなく、自重を支持することが可能となる。また
構造体を駆動するリニアモータの負荷を減らすことによ
って、さらに冷媒を流すことによってリニアモータより
雰囲気中へ放出される発熱量を軽減することが可能とな
る。この結果、発熱に起因する構造体および雰囲気の温
度変化を減らすことができ、構造体の熱変形や空気のゆ
らぎを抑制できるため、装置の高精度化、信頼性向上を
実現できる。またユニット化が図られているため、装置
組込みが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例に係る自重支持装置を装着
したあおりステージの断面図である。
【図２】 図１における自重支持装置の拡大図である。
【図３】 図２におけるＡＡ′断面図である。
【図４】 図３におけるＢＢ′断面図である。
【図５】 ピストン断面が長方形の時のシールのひずみ
を説明する図である。
【図６】 ピストン断面が円形の時のシールのひずみを
説明する図である。
【図７】 本発明の自重支持装置の駆動系の一例の構成
を示す図である。
【図８】 あおりステージをＺ方向に駆動した時の、本
発明の自重支持装置の動作上の特徴を示した図である。
【図９】 本発明の第２の実施例に係る自重支持装置の
構成図である。
【図１０】 本発明の自重支持装置の駆動系の第２の例
を示す図である。
【図１１】 本発明の自重支持装置の駆動系の第３の例
を示す図である。
【図１２】 従来の自重支持装置を装着したあおりステ
ージの断面図である。
【符号の説明】
１：あおりステージ、２：あおりステージ上面、３：ウ
エハ、４：水平ガイド、５ａ，５ｂ：自重支持装置、
６：ベース、７：ヨーク、８：永久磁石、９：コイル、
１０：コイルホルダ、１１：ヨークホルダ、１２：冷却
管、１３：トラック型シリンダ、１４：トラック型ベロ
ーフラム、１５：トラック型ピストン、１６：空気室、
１７：空気供給口、１８：空気排出口、１９：空気供給
源、２０：サーボバルブ、２１：絞り、２２：圧力計、
２３：圧力信号ライン、２４：圧力コントローラ、２
５：リニアモータコントローラ、２６ａ，２６ｂ：リニ
アモータ、２７：エアシリンダ、２８：円筒型コイル、
２９：円筒型永久磁石、３０ａ，３０ｂ：円筒型ヨー
ク、３１：円筒型コイルホルダ、３２：ハウジング、３
３：円筒型ピストン、３４：円筒型ベローフラム、３
５：空気供給口、３６：電流信号ライン、３７：供給側
絞り。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被駆動体を、基盤より重力方向に移動す
    る駆動手段と、被駆動体の自重を駆動後の位置に支持す
    る支持手段とを具えた自重支持装置において、前記駆動
    手段の発生力と前記支持手段の支持力が同軸上にあるこ
    とを特徴とする自重支持装置。
  2. 【請求項２】 前記駆動手段の発生力と前記支持手段の
    支持力が同軸上にある前記駆動手段と前記支持手段の組
    を複数具えており、前記被駆動体を、前記基盤より重力
    方向に移動しあるいは傾けることを特徴とする請求項１
    記載の自重支持装置。
  3. 【請求項３】 前記被駆動体は、前記基盤に対して、水
    平方向の自由度を規制し他の自由度に対して移動可能な
    ように静圧流体軸受で保持されたことを特徴とする請求
    項２に記載の自重支持装置。
  4. 【請求項４】 前記静圧流体軸受が多孔質静圧軸受であ
    ることを特徴とする請求項３に記載の自重支持装置。
  5. 【請求項５】 前記基盤上に配置された円筒状の案内面
    を有する固定ガイドと、前記固定ガイドの半径方向に流
    体潤滑膜を介して支持される前記被駆動体で構成される
    ことを特徴とする請求項３に記載の自重支持装置。
  6. 【請求項６】 前記駆動手段がリニアモータであり、前
    記支持手段がエアシリンダであることを特徴とする請求
    項１または２に記載の自重支持装置。
  7. 【請求項７】 前記リニアモータは永久磁石、コイル、
    およびコイルを保持する部材より構成されており、前記
    コイルを保持する部材もしくは前記コイルの表面の少な
    くともどちらか一方に冷媒を流す管路を設けていること
    を特徴とする請求項６に記載の自重支持装置。
  8. 【請求項８】 前記エアシリンダはシリンダ、ピスト
    ン、およびシールより構成されており、前記シリンダ、
    前記ピストン、および前記シールの水平方向断面が、１
    組の半円弧と、前記半円弧を結ぶ１組の平行な直線で構
    成された形状をしていることを特徴とする請求項６に記
    載の自重支持装置。
  9. 【請求項９】 前記シールがベローフラムシールである
    ことを特徴とする請求項８に記載の自重支持装置。
  10. 【請求項１０】 前記エアシリンダ内の圧力を調整する
    調整装置を備えたことを特徴とする請求項６に記載の自
    重支持装置。
  11. 【請求項１１】 前記調整装置は、前記エアシリンダ内
    の圧力をフィードバック信号にしたことを特徴とする請
    求項１０に記載の自重支持装置。
  12. 【請求項１２】 前記調整装置は、リニアモータの電流
    信号をフィードバック信号にしたことを特徴とする請求
    項１０に記載の自重支持装置。
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