JPH10223430A

JPH10223430A - 磁気駆動ステージ

Info

Publication number: JPH10223430A
Application number: JP2883797A
Authority: JP
Inventors: Toru Fujii; 藤井　　透; Mueller Ronald; ミュラーロナルド
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 1998-08-21

Abstract

(57)【要約】【課題】ストロークの大きい直線運動が可能で、外乱
の影響を受けにくく、高精度の位置決めが可能なステー
ジを提供する。【解決手段】互いに平行な梁をもつ平行バネ１と、平
行バネ１を磁力によって駆動するための電磁石２と、平
行バネ１を磁力によって支持するための永久磁石３，４
を備え、平行バネ１にはヒンジ部を設け、永久磁石３と
４とによりヒンジ部に引張り力を与える。永久磁石３と
４のいずれか一方を磁性体に置き換えてもよい。平行バ
ネ１の駆動方向と引張り力の働く方向とのいずれにも垂
直な方向に、平行バネ１を押しつけるための永久磁石
５，６をさらに設ければ、平行バネの共振周波数が高く
なり、高精度の位置決めが可能となる。

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、ウェ
ハ検査装置等に使用される精密な位置決めが可能なステ
ージに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置等に使用されるステージ
には、直線方向に運動するものと回転運動するものがあ
る。前者に要求される性能としては、上下方向（ｚ軸方
向）に動かないか、又は光学系の焦点合わせ等のために
微量動くことと、水平方向（ｘ、ｙ軸方向）に移動、位
置決めができる、と言う点である。そのｘ、ｙ軸方向の
調整量は、ナノメートルからサブナノメートルが要求さ
れてきている。

【０００３】２つの板材（梁）を平行に配置してそれぞ
れの端を連結又は固定した平行バネは、機械要素として
従来から使用されている。特に、平行バネを一体型と
し、梁を部分的に薄くして、例えば円弧状切り欠きとし
たヒンジ部を設けたものは、上下方向が不動、回転運動
が極めて小さい、水平方向の直進精度が極めて高い、そ
して摺動部が無く、運動にガタが無いと言う長所があ
る。そのため、ピコメータ精度の測長を行うＸ線干渉計
のステージに用いられている(R.D.Deslattes Appl.Phy
s.Lett.Vol.15 p386,1969）。また、縦横全方向にサブ
ナノメートルの分解能をもつ走査型プローブ顕微鏡を半
導体ウェハの回路の測長へ応用した装置等にも用いられ
ている（H.Yamada et al.Jpn J. Appl.Phys. Vol.28 p2
402,1989) 。

【０００４】図３は、山田らのｘ−ｙスキャナに用いら
れる一体型平行バネの機構を示す平面図である。図中、
Ｃは試料を載置する位置であり、Ｐ１はｘ方向の駆動を
行うための圧電アクチュエータ、Ｐ２はｙ方向の駆動を
行うための圧電アクチュエータである。圧電アクチュエ
ータの動きは、てこの原理により、（Ｌ₁＋Ｌ₂）／Ｌ
₁倍に拡大されてＣ点のｘ方向の駆動距離となる。

【０００５】アクティブ・マグネティック・ドライブ
（以下、ＡＭＤという）は、完全非接触の浮上体の位置
決めができる手法である。その場合、磁場が浮上体（可
動部）を支えるバネになることができる。従って、磁場
の強さを制御することによりバネ定数を変えることが可
能である（磁気浮上と磁気軸受、電気学会磁気浮上応用
技術調査専門委員会編、コロナ社1993年）。その非接触
制御性を活かし、アメリカのサンディア国立研では半導
体製造用露光装置用ステージを開発し、最高値で20nmp-
pの安定性を実現した。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の圧電材料、例え
ばＰＺＴで駆動する平行バネでは、平行バネ自身の共振
周波数が位置決めの性能を決定する。従って、長いスト
ロークを得るためにヒンジ部を薄くすると、特に可動方
向（例えばｘやｙ方向）の性能が低下する問題があっ
た。またそれに伴い、ｚ軸方向の共振周波数の低下も生
じる。

【０００７】ＰＺＴのストロークはせいぜい数十ミクロ
ンであり、てこ等を用いた拡大機構によってストローク
の拡大を図ると、更に共振周波数の低下を招きやすくな
る。共振周波数の低さは、外乱（音波、床振動）の受け
易さに繋がり、一般に、ナノメートルのレベルになると
この現象の影響が大きな問題となる。更に、ステージの
停止時の残留振動が長時間残る原因にもなるため、高ス
ループットが要求されるステージにとっては大きな弱点
となる。

【０００８】そこで、堅い平行バネと長いストロークの
ディスク型ＰＺＴ（バイモルフ構造）とを組み合わせる
ことによって、 250μm の移動距離をもつ１次元ステー
ジが開発された（T. Fujii et al. Rev. Sci. Instrum.
vol.66, p2504 (1995) ）。しかし、このような大きな
ストロークでは、平行バネの運動が直線近似とならず、
円弧運動になってしまう。これを解決しようとしても、
ＰＺＴと平行バネとの接続が単純でなく、新たなカップ
リングを用いたりすると、さらに特性低下の要因とな
る。もちろん、ヒンジが堅いために平行バネの理論的な
運動からはずれることも起こるため、精度上の問題も生
じる。

【０００９】一方、従来のＡＭＤでは、浮上体に対して
全自由度６軸の制御が要求されるため、制御上極めて複
雑、困難である。また、前述のサンディア国立研の例を
見ても、複数の高速処理制御装置の必要性もあり、現実
には大変高価なものになる。特に、非接触ステージとし
ての性能を発揮させるために、機械式ダンパー或いは流
体ダンパー等を用いない場合は、サブナノメートル付近
の制御は不可能に等しい。

【００１０】本発明は、以上の問題に鑑み、ストローク
の大きい直線運動が可能で、外乱の影響を受けにくく、
高精度の位置決めが可能なステージを提供することを目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明の請求項１に係る発明は、「互いに平行な梁
をもつ平行バネと、前記平行バネを磁力によって駆動す
るための電磁石と、前記平行バネを磁力によって支持す
るための支持部と、を備えた磁気駆動ステージにおい
て、前記平行バネは、前記梁の幅又は厚さを部分的に減
じて成るヒンジ部を有し、前記支持部は、前記ヒンジ部
に引張り力を与えるように配置された一対以上の永久磁
石を設けた」磁気駆動ステージである。

【００１２】本発明の請求項２に係る発明は、支持部
に、永久磁石と磁性体との組を１組以上設けた磁気駆動
ステージである。請求項１及び２では、ヒンジ部に引張
り力が非接触で与えられるので、ヒンジ部を薄くして
も、平行バネの共振周波数の低下を防止することができ
る。また、非接触で平行バネを支持するので、平行バネ
の駆動に伴う摩擦やガタなどの悪影響もない。

【００１３】本発明の請求項３の発明は、上記の発明の
支持部に、平行バネの駆動方向と引張り力の働く方向と
のいずれにも垂直な方向に平行バネを押しつけるための
永久磁石をさらに設けた磁気駆動ステージである。これ
により、平行バネの共振周波数を高くすることができ
る。本発明の平行バネは、一体型平行バネとしてもよい
し（請求項４）、チタン又は他の超弾性材料で製造して
もよい（請求項５）。

【００１４】さらに、本発明の磁気駆動ステージに、電
磁石のコイルの電流値又は電磁石の発生する磁界の強さ
を検知することによって、平行バネの変位量を検出する
変位検出部をさらに追加したり（請求項６）、変位検出
部として光波干渉計をさらに追加してもよい（請求項
７）。また、本発明の請求項８の発明は、請求項１〜７
に記載の、平行バネ、電磁石及び支持部を２組結合さ
せ、平面上の直交する２つの方向に運動可能とした磁気
駆動ステージである。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明は、ヒンジ部を薄肉にして
弾性限界を高くし、長いストロークを有する平行バネ
を、ＡＭＤの手法によって駆動するステージである。回
転運動は平行バネにより押さえることができ、駆動（可
動）方向については、永久磁石の磁場によって見掛けの
バネ定数を高め（バネを堅くし）、共振周波数を向上さ
せている。以下、図１及び図２を参照して本発明を詳細
に説明する。

【００１６】図１は、本発明の実施の形態に係るＡＭＤ
式ステージの構成を示す平面図であり、図中ｘ方向に運
動可能な１軸（１次元）ステージの構成例である。尚、
図１及び図２は、いずれも左右対称であるので、右側の
みに符号を付けてある。平行バネ１は、その一端が固定
部７に固定されており、他端は拘束されていないので運
動可能に構成される。この自由に運動できる一定部分を
可動部分１ａと呼ぶ。平行バネ１は、円弧状のヒンジ部
１ｂを４ヶ所に有している。ヒンジ部１ｂは、肉厚を薄
くすることによって、弾性限界が高められている。

【００１７】駆動用電磁石２は、平行バネ１の左右に対
向して設けられ、それぞれ一部分が固定部８に固定され
ている。駆動用電磁石２は、主として平行バネ１をｘ軸
方向に駆動するためのものである。永久磁石３は、平行
バネ１に固定されており、永久磁石４は、固定部９に固
定されている。永久磁石３及び４は、異なる磁極が対向
するように配置される。

【００１８】なお、永久磁石３及び４のうち、いずれか
一方を鉄等の磁性体としても吸引力が生じるので使用で
きる。図２は、図１のＡＭＤ式ステージを紙面の上側か
ら見たときの構成を示す側面図である。但し、構成を判
りやすくするために、永久磁石４及び固定部９は取り除
かれている。

【００１９】永久磁石５は、平行バネ１に固定されてお
り、永久磁石６は、固定部１０に固定されている。永久
磁石５及び６は、同じ磁極が対向するように配置され
る。固定部１０は、一対あり、平行バネ１の一部分を挟
み込むように配置される。これらの永久磁石の対、ある
いは永久磁石と磁性体との組は、ヒンジ部の座屈による
不安定さを防ぎ、平行バネの共振周波数を高める支持部
として有効な役割を担っている。

【００２０】磁性体１１は、平行バネの可動部分１ａに
固定されている薄い板材であり、駆動用電磁石２の先端
部に対向するように配置される。次に、以上のように構
成されたＡＭＤ式ステージの各構成要素の機能等を図１
及び図２を参照して詳細に説明する。本発明のＡＭＤ式
ステージに用いられる平行バネ１は、駆動用電磁石２と
磁性体１１との間に働く吸引力によってｘ軸方向に駆動
される。駆動用電磁石２のコイルに流す電流は可変であ
り、吸引力の大きさを変化させられるので、平行バネ１
の駆動速度を制御できる。また、左右一対の駆動用電磁
石２のうち、いずれか一方を他方よりも吸引力を大きく
することによって、一層精密な制御が可能である。

【００２１】平行バネの材質には、従来、アルミニウ
ム、燐青銅などが用いられていた。平行バネに要求され
る性質としては、軽量、高弾性限界等であるので、平行
バネ１として、チタンや超弾性材料を用いるのが好まし
い。又、加工精度の点からは、一体型に製作した方が望
ましい。以上により、平行バネをよりコンパクトにでき
き、ストローク長さや位置決め精度等の基本性能の向上
を図ることができ、ＡＭＤ制御の上でも有利になる。

【００２２】駆動用電磁石２は、平行バネ１をｘ軸方向
に駆動するのが主な役割であるが、駆動用電磁石２と平
行バネ１（又は、磁性体１１）とのギャップを検出する
ために使用することもできる。例えば、駆動用電磁石２
のコイルに流れる電流を検知するための電流計を用いれ
ば、測定した電流値からギャップすなわち平行バネ１の
変位量がわかる。電流値と変位量の比例関係を予め測定
しておけば、変位量が求められる。その他には、例え
ば、駆動用電磁石２の発生する磁界の強さを検知するた
めの磁気センサを用いれば、測定値からギャップすなわ
ち平行バネ１の変位量がわかる。この測定値と変位量の
比例関係を予め測定しておけばよい。これらの検出方法
は比較的簡便であり、変位検出部も安価である。

【００２３】しかし、ナノメートルオーダ以上の高精度
と長い可動範囲を目指すためには、平行バネ１の可動部
分１ａの位置検出に光波干渉計（図示を省略）を用いる
方が適切である。駆動用電磁石２の材質としては、電力
トランスに通常用いられているケイ素鋼や、より透磁率
が高くエネルギー損失の低いパーマロイと呼ばれるＦe-
Ｎi 合金が好ましい。磁性体１１の材質としては、軟磁
性材料であれば何でもよいが、特に透磁率が高い鉄系ア
モルファス合金が好ましい。

【００２４】本発明のＡＭＤ式ステージに用いられる平
行バネは、長いストロークを実現するためにヒンジ部１
ｂの肉厚を薄くしている。そのために可動方向に垂直な
方向のうち、ヒンジ部１ｂに対して引張り或いは圧縮に
なる方向（図１のｙ軸方向）に圧縮力が加えられると、
座屈し易くなる。この問題を本発明では、永久磁石の吸
引力（引張り力）を利用して安定させる。そのために
は、永久磁石３及び４において異なる磁極が対向するよ
うに配置すればよい。永久磁石３及び４は、各々複数設
けてもよい。

【００２５】永久磁石には、フェライト磁石、アルニコ
磁石、希土類磁石などがあるが、小型化、高能率化のた
めに、永久磁石３及び４には希土類磁石を使用するのが
適切である。Ｓm-Ｃo 系やＮd-Ｆe-Ｂ系の希土類磁石
は、保磁力、残留磁化等の磁気特性が優れている。永久
磁石３及び４のもう１つの機能は、平行バネ１がｘ軸方
向へ移動したとき、すなわち永久磁石３と４の相対位置
がずれた場合でも、ｘ軸、ｙ軸方向の力を調整できるこ
とである。

【００２６】例えば、単純に小さな磁石の対を向かい合
わせただけならば、平行バネ１がｘ軸方向へ移動したと
き、その方向の引力ポテンシャルが変化する。つまり、
一対の磁石の中心同士がずれると、元に戻そうとする力
（磁力）がｘ軸方向に発生する。これは、位置制御性や
安定性の上から望ましくない。この問題に対し、本発明
では、永久磁石３と４のうち、一方を他方よりもｘ軸方
向の長さを長くすることによって解決する。すなわち、
上記の長さを、平行バネ１の最大ストローク又はそれ以
上とする。又、複数の磁石を一定間隔で或いは間隔を空
けずに配置して、上記の長さにしてもよい。

【００２７】しかし、実用上は、ＡＭＤ式ステージを稼
働させている間は、ｘ軸方向の磁力が一定不変の方が望
ましいが、稼働を中止する際には、元に戻そうとする磁
力がある方が好ましい。駆動用電磁石２の電流を遮断し
たとき、この磁力は、平行バネ１が中立位置に復帰する
運動を援助するので、好都合である。可動方向に垂直な
もう１つの方向であるｚ軸方向に対しては、図２に示す
ように、永久磁石５と６の対を１組以上、同じ磁極が対
向するように配置することにより、ｚ軸方向にバネを付
加した効果を生じさせる。永久磁石５と６の対も、永久
磁石３と４の対の場合と同様に、いずれか一方を他方よ
りもｘ軸方向の長さを長くすることにより、平行バネ１
の駆動中、反発力を一定に保つことができる。この反発
力のポテンシャルによって、ｚ軸方向の運動は磁場とい
うバネで制限されるので、結果的に平行バネ１の共振周
波数が高まり、ステージとしての性能が向上する。

【００２８】永久磁石５と６は、ヒンジ部１ｂの肉厚が
薄く座屈し易い場合にも効果があるが、特に、ステージ
の小型化、軽量化のために、平行バネそのもののｚ軸方
向の厚さが薄い場合には一層効果がある。本発明のＡＭ
Ｄ式ステージに用いられる平行バネ１は、ストロークを
増大させているので、平行バネ１をｘ軸方向に駆動する
場合、駆動方向と垂直の方向（ｙ軸方向）にピッチング
と呼ばれる沈み込みの並進運動が生じることがある。し
かし、ｘ軸方向に駆動するステージとｙ軸方向に駆動す
るステージとを組み合わせた２次元ステージ（ｘ−ｙス
テージ）においては、上記のピッチング運動の方向は、
ｙ軸方向に駆動するステージの移動方向であるので、変
位測定と駆動制御による補正が可能なため、実際の位置
決めに対して問題にならない。

【００２９】以上説明したように、本発明においては、
平行バネが本来有する直進運動性能によってステージ駆
動に有害な回転運動成分を除くことができる。そして、
ＡＭＤ方式の利点である非接触駆動によって、摩擦やガ
タの影響を受けずにステージを駆動できる。さらに、永
久磁石の磁力によってステージを支持するので、駆動方
向に垂直な２つの方向の共振周波数を高くすることがで
き、ステージの安定化に寄与する。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁気駆動
ステージは、長いストロークを得るためにヒンジ部を薄
くしても、支持部によってヒンジ部に引張り力が与えら
れるので、平行バネの共振周波数の低下を防止すること
ができる。支持部に、平行バネの駆動方向と引張り力の
働く方向とのいずれにも垂直な方向に平行バネを押しつ
けるための永久磁石をさらに設ければ、平行バネの共振
周波数を上げることができる。その結果、直進運動性能
に優れ、長いストロークと高い位置決め精度をもつ磁気
駆動ステージが実現できる。

【００３１】また、電磁石の磁力によって平行バネを駆
動するとともに、磁力の作用により非接触で平行バネを
支持するので、平行バネの駆動に伴う摩擦やガタなどの
悪影響もない。更に、平行バネ、電磁石及び支持部を２
組結合させ、平面上の直交する２つの方向に運動可能と
したｘ−ｙ２次元ステージにおいては、ピッチングの補
正も可能である。その結果、高精度で耐振性のある２次
元ステージを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る磁気駆動ステージの
構成を示す平面図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る磁気駆動ステージの
構成を示す側面図である。

【図３】従来の一体型平行バネの機構を示す平面図であ
る。

【符号の説明】

１・・・・・・・・・平行バネ２・・・・・・・・・電磁石３、４、５、６・・・永久磁石７、８、９、１０・・固定部１１・・・・・・・・磁性体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに平行な梁をもつ平行バネと、前記
平行バネを磁力によって駆動するための電磁石と、前記
平行バネを磁力によって支持するための支持部と、を備
えた磁気駆動ステージにおいて、前記平行バネは、前記梁の幅又は厚さを部分的に減じて
成るヒンジ部を有し、前記支持部は、前記ヒンジ部に引張り力を与えるように
配置された一対以上の永久磁石を設けたことを特徴とす
る磁気駆動ステージ。
【請求項２】互いに平行な梁をもつ平行バネと、前記
平行バネを磁力によって駆動するための電磁石と、前記
平行バネを磁力によって支持するための支持部と、を備
えた磁気駆動ステージにおいて、前記平行バネは、前記梁の幅又は厚さを部分的に減じて
成るヒンジ部を有し、前記支持部は、前記ヒンジ部に引張り力を与えるように
配置された、永久磁石と磁性体との組を１組以上設けた
ことを特徴とする磁気駆動ステージ。
【請求項３】前記平行バネの駆動方向と前記引張り力
の働く方向とのいずれにも垂直な軸上に、前記平行バネ
を押しつけるように前記平行バネに対して対向配置され
た１組以上の永久磁石を設けたことを特徴とする、請求
項１又は２に記載の磁気駆動ステージ。
【請求項４】前記平行バネは、一体型平行バネである
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気
駆動ステージ。
【請求項５】前記平行バネは、チタン又は他の超弾性
材料で製造されたことを特徴とする請求項１〜４のいず
れかに記載の磁気駆動ステージ。
【請求項６】前記電磁石のコイルの電流値又は前記電
磁石の発生する磁界の強さを検知することによって、前
記平行バネの駆動による位置変化を検出するための変位
検出部をさらに備えたことを特徴とする、請求項１〜５
のいずれかに記載の磁気駆動ステージ。
【請求項７】前記平行バネの駆動による位置変化を検
出するための光波干渉計をさらに備えたことを特徴とす
る、請求項１〜５のいずれかに記載の磁気駆動ステー
ジ。
【請求項８】前記平行バネ、前記電磁石及び前記支持
部を２組結合させ、平面上の直交する２つの方向に運動
可能としたことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか
に記載の磁気駆動ステージ。