WO2005090902A1

WO2005090902A1 - ステージ装置

Info

Publication number: WO2005090902A1
Application number: PCT/JP2005/004757
Authority: WO
Inventors: Wei Gao; Satoshi Kiyono; Yoshiyuki Tomita; Makoto Tano
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries, Ltd.; Tohoku Technoarch Co., Ltd.
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2005-09-29
Also published as: JP2005268608A; KR20060126605A; TW200537785A; US20070035267A1; KR100818581B1; TWI287347B; CN1934411A; US7257902B2

Abstract

　本発明は、平面モータによりＸ−Ｙ方向及び回転方向に対して高精度に可動されるステージ装置に関し、装置の小型化を図ると共に、ベースに対するステージの位置測定を高精度に行ないうることを課題とする。本ステージ装置は、ベース２３１上の全面に目盛部を備えた目盛ユニット２３３を設け、駆動ステージ部２３７の底面部に３つの２次元角度センサー１４Ａ～１４Ｃを設け、目盛ユニット２３３と２次元角度センサー１４Ａ～１４Ｃとによりサーフェスエンコーダ２４９を構成し、サーフェスエンコーダ２４９により駆動ステージ２３７の位置測定を行う。

Description

明細書

ステージ装置

技術分野

[0001] 本発明は、ステージ装置に係り、特に平面モータにより X— Y方向及び回転方向に対して高精度に可動されるステージ装置に関する。

背景技術

[0002] 情報技術の根幹である半導体デバイスや超精密加工装置等では、これらの装置に使用されるステージ装置の高精度化，高速ィ匕等の要求が高まっている。例えば、半導体露光装置のキーコンポーネントであるステージ装置では、 lOnm前後の精度と数百 mmの移動範囲を持ったものが必要となる。また、半導体デバイスの生産性の向上を図るには、被加工物を搭載したステージを高速で加工位置まで移動させる必要がある。そこで、上記の各要求を全て満たすステージ装置の実現が望まれている。

[0003] 例えば、半導体製造工程で使用する各種半導体製造装置には、被移動体となるゥェハを載置し、これを移動させるステージ装置が設けられている。このステージ装置は、ベースに対してウェハを搭載したステージを駆動させる駆動装置と、ベースに対するステージの位置を計測する位置計測装置を有している。

[0004] 従来の駆動装置としては、 X方向にのみ移動するステージと、 Y方向にのみ移動するステージを積み上げた方式を適用したスタック型ステージがある力大きな剛性を確保する必要があるため、装置自体の重量が重くなり、重量の影響で鉛直方向の位置の誤差が大きくなるという問題があった。

[0005] このような問題を解決するために考案された駆動装置として、 SAWYERモータがある。 SAWYERモータは、平面モータのうちの 1つであり、 X— Y方向及び回転方向にステージを自在に移動することのできるものである。なお、ここでの平面モータとは、ステージにモータの一部の機構が設けられており、ベースに設けられた凸部と協働して、 XY方向の軸を使用することなぐステージを浮上させ、ステージを所望の位置に直接移動させることのできるもののことである（例えば、特許文献 1参照。 ) o

[0006] 次に、図 1乃至図 2を参照して、 SAWYERモータを適用したステージ装置について説明する。図 1は、 SAWYERモータを適用したステージ装置の概略図であり、図 2 は、図 1に示した領域 Aに対応した構成部分の平面図である。

[0007] ステージ装置 200は、大略するとベース 211と、 1対の X方向駆動部 213と、 1対の Y方向駆動部 214と、チルト駆動部 216と、可動ステージ部 217と、固定ステージ部 2 19と、チャック 221と、ミラー 222と、レーザ柳』定器 223とにより構成されて、る。また、平面モータは、 1対の X方向駆動部 213と、 1対の Y方向駆動部 214とにより構成されている。

[0008] ベース 211の上面には、所定の間隔で複数の凸部 212が形成されている。 X方向駆動部 213は、複数のコイル部 215と、エアーベアリング 224とにより構成されている。このコイル部 215に電流を印加することで、駆動力が生じ、可動ステージ部 217は移動される。 X方向駆動部 213と Y方向駆動部 214とには、複数のコイル部 215と一対のエアーベアリング 224とにより構成されており、コイル部 215に電流を印加することで、駆動力が生じ、可動ステージ部 217は移動される。

[0009] チルト駆動部 216は、可動ステージ部 217の水平度を調整するための機構である。

固定ステージ部 219は、可動ステージ部 217と一体的に配設されている。固定ステージ部 219上には、ワーク (被移動体)を装着するためのチャック 221がー体的に配設されている。

[0010] 可動ステージ部 217上には、ミラー 222が設けられている。このミラー 222は、照射されたレーザ光を反射するためのものである。ミラー 222により反射されたレーザ光は、レーザ干渉変位計 223に反射されて、可動ステージ部 217の位置が計測される。このような、レーザ干渉変位計 223を用いて X, Y方向の位置を決める位置計測装置では、 2つの変位計と、変位検出方向に直角な移動範囲に亘つて形状精度の保証された高精度の直定規等を組合せ、これにより位置検出を行なう構成とされていた。

[0011] 他の従来の位置計測装置としては、 1自由度ごとにロータリエンコーダやリニアェンコーダ等の測定装置を設けた構成とされたものがあり、例えば、 2次元の位置決めを行なう場合は、 X方向または Y方向に独立して移動する積み上げた各ステージのそれぞれに位置計測装置を設けた構成のものや、円周目盛と 1軸ステージを組み合わせた測定装置で、回転の位置と半径の位置をそれぞれ独立に測定して位置決めするよう構成されたものがあった。

[0012] また、従来技術において、移動物体のピッチング及びョーイングに相当する姿勢を検出する場合には、オートコリメータが利用される力このオートコリメータは 1軸の直線方向の移動に対して、そのピッチング及びョーイングを同時に測定できる反面、 X , Y方向の移動物体に対しては高精度の直定規を必要としていた。

[0013] 更に、移動物体のローリングを測定する手段として水準器が知られている力この水準器は応答速度や測定精度に問題があり、高精度の測定機器には不適格である。そこで、平行な 2本の直定規を設置して、その直定規までの距離の差からローリング角を算出する方法や 1本の直定規を基準の鏡面としてオートコリメータでローリング角を検出していた。

特許文献 1：特開平 5— 328702号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0014] し力しながら、上記のような位置計測装置を用いたステージ装置では次のような問題点が生じる。即ち、従来の位置計測装置に用いられるロータリエンコーダやリニアエンコーダ等の測定装置は、 1次元の位置決めしかできず、 2次元の位置決めには上記の測定装置を少なくとも 2組み合わせる必要があり、移動物体検出装置の設計に大きな制約がある。

[0015] また、レーザ干渉変位計 223を用いて位置決めする場合も本質的に 1軸で 1次元の位置決めしかできず、 2次元の位置決めを行なう場合には、高い精度の直定規が必要になる。その結果、この種の位置計測装置をステージ装置に設ける場合、構造上に制約がありかつコスト高になるという問題点がある。

[0016] 本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、装置の小型化を図れると共に、ベースに対するステージの位置測定を高精度に行ないうるステージ装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0017] 上記課題を解決するため、本発明の一特徴によると、ベースと、被移動体を搭載し、前記ベース上を移動するステージと、前記ステージを駆動させる平面モータと、前記ステージを前記ベースに対して浮上させるエアーベアリングと、前記ベース上に配設され、角度に関する性質が 2次元方向に既知の関数で変化する角度格子力構成された目盛部と、前記ステージに配設されており、前記目盛部の角度格子に光を照射すると共に、該目盛部で反射される反射光の 2次元角度を検出する少なくとも 1 つの 2次元角度センサーとを有することを特徴とするステージ装置が提供される。発明の効果

[0018] 本発明は、装置の小型化を図れると共に、ベースに対するステージの位置測定を高精度に行ないうるステージ装置を提供することができる。

[0019] また、ベースに目盛部を設けて、ステージに 2次元角度センサーを設けることにより、ベース上に複数のステージを載せて、位置検出可能な状態で、複数のステージを個別に移動させることができる。また、軸のガイド構造を有せず、かつ X及び Y方向の移動及び Z軸回りの回転を制御することが可能な平面モータを用いるため、装置の軽量ィ匕及び製造コストの低減を図ることができる。

[0020] また、目盛部が角度形状を表わす 2次元の角度格子から形成されるため、単一の目盛に角度センサーを組み合わせるだけでステージの 2次元の位置検出は勿論のこと、ピッチング角、ローリング角及びョーイング角をも検出することが可能になる。また、角度格子とすることにより、直交座標、円筒座標、極座標もしくは自由曲面に沿う座標のような 2次元の座標に関する位置検出も可能になる。

[0021] 更に、 2次元角度センサーは、従来用いられていたレーザ干渉計等と比べてデッドパスが非常に小さいため、熱膨張による計測誤差や空気の揺らぎなどの影響を受け難ぐよって高い位置及び姿勢計測を行なうことが可能となる。

図面の簡単な説明

[0022] [図 1]SAYERモータを適用したステージ装置の概略図である。

[図 2]図 1に示した領域 Aに対応した構成の平面図である。

[図 3]第 1実施例によるステージ装置の断面図である。

[図 4]図 3に示した領域 Aに対応したステージ装置の平面図である。

[図 5A]可動ステージの駆動方向と X方向及び Y方向ァクチユエータの推進力との一関係を示した平面図である。 [図 5B]可動ステージの駆動方向と X方向及び Y方向ァクチユエータの推進力との一関係を示した平面図である。

[図 5C]可動ステージの駆動方向と X方向及び Υ方向ァクチユエータの推進力との一関係を示した平面図である。

[図 5D]可動ステージの駆動方向と X方向及び Υ方向ァクチユエータの推進力との一関係を示した平面図である。

[図 6]図 3に示した領域 Cに対応した部分の拡大図である。

[図 7]目盛部及び 2次元角度センサーの斜視図である。

圆 8]本実施例のステージ装置に設けられる 2次元角度センサーの光学系を説明するための図である。

圆 9]本発明の第 1実施例であるステージ装置に設けられる目盛部及び 2次元角度センサーを説明するための図である。

圆 10]本発明の第 2実施例であるステージ装置の分解斜視図である。

[図 11]ステージ装置の部分的に切り欠いた組み立てられた状態の斜視図である。

[図 12]ステージの駆動原理を説明するための図である。

[図 13]本実施例であるステージ装置の概略構成図である。

圆 14]本実施例であるステージ装置の第 1変形例であるステージ装置の概略構成図である。

圆 15]本実施例であるステージ装置の第 2変形例であるステージ装置の概略構成図である。

符号の説明

10, 10A, 10B, 200, 230 ステージ装置

11, 211, 231 ベース

12, 12A, 12B, 236 ステージ

13 目盛部

14, 14A— 14C 2次元角度センサー

15 X方向用マグネット

16 Υ方向用マグネットヨーク

スぺーサ

Z方向用マグネット

A, 20B X方向リニアモータ構造部A, 21A-1, 21A-2, 21B X方向用コイルA, 22B X方向用コア

， 249 サーフェスエンコーダ

A, 25B Y方向リニアモータ構造部A, 26B Y方向用コイル

A, 27B Y方向用コア

Z方向電磁石

Z方向用コイル

Z方向用コア

角度格子

基部

光源

ビームスプリツター

1Z4波長板

コリメータレンズ

ウェハ

， 61A, 221, 241 チャック

装着部

透明部

2 凸部

3 X方向駆動部

Y方向駆動部

5, 244 コイル部

6, 245 チルト駆動部 217, 237 可動ステージ部

219, 239 固定ステージ部

222 ミラー

223 レーザ測定器

224, 238 エアーベアリング

233 目盛ユニット

242A, 242B X方向ァクチユエータ

243A, 243B Y方向ァクチユエータ

248 ワーク

252 上部榭脂

253 下部榭脂

A, B, C 領域

発明を実施するための最良の形態

[0024] 次に、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。

[第 1実施例]

始めに、図 3乃至図 4を参照して、本発明の第 1実施例によるステージ装置 230について説明する。図 3は、第 1実施例によるステージ装置の断面図であり、図 4は、図 3に示した領域 Aに対応したステージ装置の平面図である。

[0025] ステージ装置 230は、 SAWYERモータ駆動部を有した装置である。図 3を参照するに、ステージ装置 230は、ベース 231と、ステージ 236と、サーフェスエンコーダ 24 9とにより構成されている。ベース 231の表面には、所定のピッチで複数の凸部 232 が形成されている。この所定のピッチ力可動ステージ部 237が移動される際の最小単位となる。また、ベース 231は、鉄などの金属により製造されている。ステージ 236 は、可動ステージ部 237と、固定ステージ部 239と、チャック 241と、 X方向ァクチユエータ 242A, 242Bと、 Y方向ァクチユエータ 243A, 243Bと、チルト駆動部 245とにより構成されている。

[0026] 可動ステージ部 237は、 X方向ァクチユエータ 242A, 242Bと Y方向ァクチユエ一タ 243A, 243Bとにより駆動されるベース部分である。図 4に示すように、可動ステージ部 237の下方には、 X方向ァクチユエータ 242A, 242Bと、 Y方向ァクチユエータ 2 43A, 243Bとが配設されており、中央部には空間が形成されている。 X方向ァクチュエータ 242A, 242B及び Y方向ァクチユエータ 243A, 243Bは、それぞれ複数のコィル部 244と、エアーベアリング 238とにより構成されている。このコイル部 244に電流を印加することで、コイル部 244に磁力が発生し、推進力が生じて可動ステージ部 237は駆動される。

[0027] エアーベアリング 238は、エアーの力により X方向ァクチユエータ 242A, 242B及ひ Ύ方向ァクチユエータ 243A, 243Bをベース 231に対して浮かすためのものである。このエアーベアリング 238を設けることで、可動ステージ部 237が X方向、又は Y 方向、或いは Θ方向に駆動された際、いずれの方向に対しても自在に移動することができる。

[0028] チルト駆動部 245は、 X方向ァクチユエータ 242A, 242B及び Y方向ァクチユエ一タ 243A, 243Bと可動ステージ部 237との間にそれぞれ設けられている。チルト駆動部 245は、可動ステージ部 237の水平位置出しを行うためのものである。固定ステージ部 239は、可動ステージ部 237上に一体的に配設されている。固定ステージ部 23 9は、 X方向ァクチユエータ 242A, 242B及び Y方向ァクチユエータ 243A, 243Bを用いて可動ステージ部 237を駆動させることで、所望の位置に移動される。固定ステージ部 239上には、ワーク 248 (被移動体)を装着するためのチャック 241が配設されている。

[0029] ここで、図 5A— 5Dを参照して、可動ステージ部 237の駆動方法について説明する。図 5A— 5Dは、可動ステージの駆動方向と X方向及び Y方向ァクチユエ一タの推進力との関係を模式的に示した平面図である。可動ステージ部 237を X, X方向に移動させる場合には、図 5Aに示すように、可動ステージ部 237を移動させたい X, X方向に対して X方向ァクチユエータ 242A, 242Bの推進力が生じるように、 X方向ァクチユエータ 242A, 242Bに設けられたコイル部 244に電流を印加する。

[0030] 可動ステージ部 237を Y方向に移動させる場合には、図 5Bに示すように、可動ステージ部 237を移動させた!/ヽ Y方向に対して Y方向ァクチユエータ 243A, 243Bの推進力が生じるように、 Y方向ァクチユエータ 243A, 243Bに設けられたコイル部 244 に電流を印加する。また、可動ステージ部 237を 0方向に移動させる場合には、図 5 C又は Dに示すような X方向ァクチユエータ 242A, 242B及び Y方向ァクチユエータ 243 A, 243Bの推進力が生じるよう、 X方向ァクチユエータ 242A, 242B及び Y方向ァクチユエータ 243A, 243Bに設けられたコイル部 244に電流を印加する。

[0031] そして、固定ステージ部 239がベース 231上の所望の位置に移動した際、コイル部 244に対しての電流の印加をストップさせて、固定ステージ部 239の位置を固定する。なお、可動ステージ 237は、先に述べたように、ベース 231の表面に設けられた凸部 232のピッチを最小単位として移動される。

[0032] 次に、図 3及び図 4を参照して、サーフェスエンコーダ 249について説明する。サーフェスエンコーダ 249は、可動ステージ 237の位置測定を行うためのものである。サ一フェスエンコーダ 249は、目盛ユニット 233と、 2次元角度センサー 14A— 14Cとにより構成されている。

[0033] 次に、図 6を参照して、目盛ユニット 233について説明する。図 6は、図 3に示した領域 Cに対応した部分の拡大図である。目盛ユニット 233は、ベース 231に設けられた凸部 232上に配設されている。目盛ユニット 233は、目盛部 13と、上部榭脂 252と、下部榭脂 253とにより構成されている。

[0034] 図 7に示されるように、目盛部 13には、角度に関する性質が X及び Y方向の 2次元方向に既知の関数 (本実施例では正弦波の山と谷の集合)で変化する複数の角度格子 40が設けられている。目盛部 13の上面には、上部榭脂 252が設けられており、目盛部 13の下面には、下部榭脂 253が設けられている。上部及び下部榭脂 252, 2 53は、目盛部 13が外力を受けて破損することを防止するためのものである。なお、上部榭脂 252には、光の透過性の良いものを用いる。

[0035] 図 3乃至図 4に示すように、 2次元角度センサー 14A— 14Cは、 X方向ァクチユエータ 242A, 242B及び Y方向ァクチユエータ 243A, 243Bに囲まれた可動ステージ部 237の底面部に配設された構成とされている。本実施例では、 3個の 2次元角度センサー 14を設けた構成とされて、る。

[0036] このように、目盛部 13に近接した位置である可動ステージ部 237の底面部に 2次元角度センサー 14A— 14Cを設けることにより、従来のレーザ干渉計と比較して空気の揺らぎ等の外乱の影響を受けに《することができ、正確な固定ステージ 239の位置を得ることができる。また、 2次元の角度格子 40からなる目盛に少なくとも 3個の 2次元角度センサー 14A— 14Cを組み合わせることにより、目盛及び角度センサーの相対的移動における移動物体の 2次元座標位置、ピッチング角、ローリング角及びョーイング角を検出することができ、更に角度センサーに既知の所定の角度変化を与えることで、目盛と角度センサー間の距離も検出することができる。

[0037] なお、本実施例では 3個の 2次元角度センサー 14A— 14Cが配設されているが、以下の説明では、説明を容易にするために 1個の 2次元角度センサー 14が配設されている構成を想定し説明するものとする。

[0038] 目盛部 13に形成された角度格子 40の高さ形状は、次式で与えられる。但し、次式において、 A , Aはそれぞれ X, Y方向の振幅であり、 λ , λ はその波長である。

[0039] [数 1]

f(x, y) = A_x sm(---x) + A_y sm -—y) ... (1)

また、この角度格子 40の X方向， Y方向の角度形状（2次元角度センサー 14で測定したときの出力） 0 (X) , φ (y)は、それぞれ角度格子 40の形状を偏微分したもので表され、次式で与えられる。

[0040] [数 2]

[0041] [数 3]

図 7は、本発明の第 1実施例であるステージ装置に設けられる目盛部及び 2次元角度センサーを説明するための図である。

[0042] 図 7乃至図 8に示すように、目盛部 13は、基部 41の表面上または面内に形成され、角度に関する性質が X及び Y方向の 2次元方向に既知の関数 (本実施例では正弦波の山と谷の集合)で変化する角度格子 40から構成されている。

[0043] 図 7に示されるように、角度格子 40を X, Yの 2方向の角度変化が検出できる 2次元角度センサー 14で測定すると、角度格子形状の山に対する高さが同一でも、山の斜面の位置によって角方向の角度出力が異なるため、この違いから 2次元位置を決定することができる。これにより、ベース 231に目盛部 13を取り付け、駆動ステージ 237 に 2次元角度センサー 14を取り付けることで、それらの相対移動における移動体、即ち、駆動ステージ 237の 2次元座標を検出することができる。

[0044] 本実施例における角度格子 40は、円筒形状をしたアルミニウムを加工したものである。また、その高さ形状は、各振幅 0. 3 μ ηι,周期 300 mの正弦波の重ね合わせで表せられる。

[0045] なお、本実施例における角度格子 40の角度振幅は ± 21. 6分である。

[0046] 図 9は、本発明の第 1実施例であるステージ装置に設けられる目盛部及び 2次元角度センサーを説明するための図である。この 2次元角度センサー 14を構成する光学系は、光源 50、反射用プリズム 52, 53, 57, 58、ビームスプリツター 54, 1/4波長板 55,コリメータレンズ 56,及びフォトダイオード 59等により構成されている。そして、光源 50から発射され、グリッドフィルム 51を通過し、反射用プリズム 52, 53で反射し方向を代えたレーザ光 65は、その p偏光成分がビームスプリツター 54及び 1/4波長板 5 5を通過し、反射用プリズム 58によって上向きに反射され、ベース 231に取り付けられた目盛部 13 (角度格子 40)に当たる。 [0047] 目盛部 13 (角度格子 40)で反射したレーザ光 65は、再び 1/4波長板 55を通過して s偏光となりビームスプリツター 54で反射し、コリメータレンズ 56を通過し、その焦点距離の位置に置かれた 4分割とされたフォトダイオード 59に集光する。 2次元角度センサー 14は、この様にレーザオートコリメーシヨンの原理によって、 2次元の角度変化を検出する。

[0048] 上記構成とされたサーフェスエンコーダ 249では、角度格子 40の形状が位置検出の基準となるので、形状に誤差が含まれると位置検出精度にも影響を与える。 2次元角度センサー 14のプローブであるレーザビームが 1本であったとき、その出力は角度格子 40の格子ピッチの変化や形状誤差の影響を大きく受けてしまう。この誤差の影響は、複数のレーザビームを角度格子 40の同位相に照射し、常に複数の山を観察できる構成とすることにより排除することができる。

[0049] そこで本実施例では、 3個の 2次元角度センサー 14A— 14Cを駆動ステージ 237 に設け、これにより複数のレーザビームを角度格子 40の同位相に照射する構成とし、角度格子 40の形状のばらつき (格子ピッチ)の高周波成分、また、角度格子 40の形状誤差の影響を平均して測定精度の向上を図っている。

[0050] また、角度格子 40に 3個の 2次元角度センサー 14A— 14Cを組み合わせることにより、目盛部 13及び 2次元角度センサー 14A— 14Cの相対的移動における移動物体の 2次元座標位置、ピッチング角、ローリング角及びョーイング角を検出することができ、更に 2次元角度センサー 14A— 14Cに既知の所定の角度変化を与えることで、目盛部 13と 2次元角度センサー 14A— 14C間の距離も検出することが可能となる

[0051] 更に、 2次元角度センサー 14A— 14Cは、従来用いられていたレーザ干渉計等と比べてデッドパスが非常に小さいため、熱膨張による計測誤差や空気の揺らぎなどの影響を受け難ぐよって高い位置及び姿勢計測を行なうことが可能となる。

[0052] このような X, Yの 2方向の角度変化が検出できる 2次元角度センサー 14A— 14C を用いて、角度格子 40から反射したレーザ 71の角度変化を測定すると、角度格子形状の山に対する高さが同一でも、山の斜面の位置によって角方向の角度出力が異なるため、この違いから 2次元位置を決定することができる。これにより、ベース 231 上に目盛部 13を取り付け、可動ステージ部 237に 2次元角度センサー 14A— 14C を取り付けることで、可動ステージ部 237 (固定ステージ 239)の 2次元座標を検出することがでさる。

[0053] 以上説明したように、 SAWYERモータ駆動部を有したステージ装置 230にサーフエスエンコーダ 249を設けることにより、装置の小型化を図れると共に、ベース 231に対して駆動ステージ 237を X, X方向、 Υ, Y方向及び 0方向のいずれの方向にも駆動可能とした状態で、ベース 231に対する固定ステージ 239 (可動ステージ 237)の位置測定を高精度に行なうことができる。また、従来のステージ装置 200では、ステージの位置検出をレーザ測定器 223からのレーザ光で行っているため、複数のステージが 1つのベース 211上に存在した場合、ステージがレーザ光を遮断してしまうことがあるが、本実施例のステージ装置 230は、ステージ 236単位でステージ 236自身の位置検出を行うことができるので、 1つのベース 231上に複数のステージ 236を設けて、複数のステージ 236の位置検出を精度良く行うことができる。

[0054] なお、上記実施例では、 3つの 2次元角度センサーを設けた場合について説明した力 1つの 2次元角度センサーを設けても良ぐ本実施例と同様な効果を得ることができる。

[第 2実施例]

図 10乃至図 11を参照して、本発明の第 2実施例であるステージ装置 10について説明する。図 10は、本発明の第 2実施例であるステージ装置 10の分解斜視図であり、図 11は、ステージ装置 10の部分的に切り欠いた組み立てられた状態の斜視図である。このステージ装置 10は、例えば半導体製造用のステツパ等において被移動体となるウェハを所定位置に移動させるのに用いられる装置である。

[0055] このステージ装置 10は、ベース 11、ステージ 12、サーフェスエンコーダ 24、及び駆動装置等により構成されている。ベース 11はステージ装置 10の基台となるものであり、後述するリニアモータ構造部 20A, 25A、 Z方向電磁石 30、及び 2次元角度センサ一 14A— 14C等が配設される。なお、本実施例では、第 1実施例に用いた 2次元角度センサー 14A— 14Cを用いた場合を例に挙げて説明する。

[0056] ステージ 12は被移動体となるウェハ 60及びチャック 61が上部に搭載される（図 13 参照）と共に、下部にはマグネット 15, 16、ヨーク 17、及びスぺーサ 18を介して Z方向用マグネット 19が配設される。このステージ 12は、ベース 11に対して図中矢印 X 方向移動、 Y方向移動、及び Z軸を中心とした回転移動が可能な構成とされている。また、サーフェスエンコーダ 24は、第 1実施例と同じものを用いている。

[0057] なお、本実施例では 3個の 2次元角度センサー 14A— 14Cが配設されているが、以下の説明では、説明を容易にするために 1個の 2次元角度センサー 14が配設されている構成を想定し説明するものとする。

[0058] 図 10に示すように、本実施例では、目盛部 13はステージ 12の背面 (ベース 11と対向する面）の略中央位置に固定されている。一方， 2次元角度センサー 14は、ベース 11に配設された構成とされて、る。

[0059] 続いて、図 10乃至図 11を参照して、駆動装置について説明する。駆動装置は、ベース 11に対してステージ 12を X方向移動， Y方向移動，及び Z軸を中心とした回転移動を行なわれるものである。この駆動装置は、ベース 11に配設された X方向リニアモータ構造部 20A, 20B、 Y方向リニアモータ構造部 25A, 25B、 Z方向電磁石 30と、ステージ 12に配設された X方向用マグネット 15, Y方向用マグネット 16, Z方向用マグネット 19等により構成されている。

[0060] X方向リニアモータ構造部 20Aはベース 11上に配設されており、一対の X方向用コイル 21A— 1, 21A— 2 (双方をまとめていうときには X方向用コイル 21Aという）と、 X 方向用コア 22Aとにより構成されている。一対の X方向用コイル 21A— 1, 21A— 2は図中矢印 X方向に並設されており、それぞれ独立して電流を供給できる構成とされている。

[0061] また、 X方向リニアモータ構造部 20Bは X方向リニアモータ構造部 20Aと同一構成とされており、 X方向用コイル 21B (符号は付さないが、一対の X方向用コイルにより構成されてヽる）及び X方向用コア 22Bとにより構成されて、る。この X方向リニアモータ構造部 20Aと X方向リニアモータ構造部 20Bは、前記した 2次元角度センサー 1 4A— 14Cの配設位置を挟んで、図中矢印 Y方向に離間して配置された構成とされている。

[0062] 一方、 Y方向リニアモータ構造部 25A及び Y方向リニアモータ構造部 25Bも、前記した X方向リニアモータ構造部 20Aと同様の構成とされている。即ち、 Y方向リニアモータ構造部 25 Aは Y方向用コイル 26 A (符号は付さなヽが、一対の Y方向用コイルにより構成されてヽる）と Y方向用コア 27Aとにより構成され、 Y方向リニアモータ構造部 25Bは Y方向用コイル 26B (符号は付さないが、一対の Y方向用コイルにより構成されて、る）と Y方向用コア 27Bとにより構成されて、る。この Y方向リニアモータ構造部 25Aと Y方向リニアモータ構造部 25Bは、前記した 2次元角度センサー 14A— 14 Cの配設位置を挟んで、図中矢印 X方向に離間して配置された構成とされて!/ヽる。

[0063] Z方向電磁石 30は、ベース 11に対してステージ 12を浮上させることにより、前記した X方向用マグネット 15 Aと後述するステージ 12に設けられた各マグネット 15 , 16との間にギャップを形成する機能を奏するものである。この Z方向電磁石 30は、 Z方向用コイル 31と Z方向用コア 32とにより構成されている。また、浮上を安定化するため、矩形状とされたベース 11の四隅位置にそれぞれ配設されてヽる。

[0064] なお、ベース 11に対してステージ 12を浮上させる手段は、本実施例で採用している磁気的な手段の他にも、圧縮空気を用いる方法や、複数のボールでベース 11を支持する手段等が考えられる。

[0065] 一方、前記したようにステージ 12には X方向用マグネット 15及び Y方向用マグネット 16が配設されている。図に現れないが,各マグネット 15, 16はそれぞれ一対ずつ合計 4個が配設されている。従って、ステージ 12を底面視した状態において、各マグネット 15, 16は協働して略四角形をなすよう配置されている。

[0066] X方向用マグネット 15は、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線状に配列した複数の磁石列（小磁石の集合体）により構成されている。同様に、 Y 方向用マグネット 16も、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線状に配列した複数の磁石列により構成されている。各マグネット 15, 16の上部にはョーク 17が配設されており、このヨーク 17は各マグネット 15, 16を構成する複数の各磁石を磁気的に結合する機能を奏する。

[0067] 上記構成において、ベース 11に対しステージ 12を装着した状態において、一対の X方向用マグネット 15の一方が X方向リニアモータ構造部 20A上に位置し、かつ他方の X方向用マグネット 15が X方向リニアモータ構造部 20B上に位置するよう構成されている。また、ベース 11に対しステージ 12を装着した状態において、一対の Y方向用マグネット 16の一方が Y方向リニアモータ構造部 25A上に位置し、かつ他方の Y方向用マグネット 16が Y方向リニアモータ構造部 25B上に位置するよう構成されている。

[0068] また、ベース 11がステージ 12に装着された状態で、かつ Z方向電磁石 30によりステージ 12がベース 11に対し浮上した状態において、各マグネット 15, 16が発生する磁界が対向するリニアモータ構造部 20A, 20B, 25A, 25Bに係合するよう構成されている。更に、上記装着状態において、各マグネット 15, 16は、各リニアモータ構造 20A, 20B, 25A, 25Bに設けられている各コィノレ 21A, 21B, 26A, 26Bの卷回方向に対し直交するよう配置されて、る。

[0069] 駆動装置を上記構成とすることにより、 X方向リニアモータ構造部 20A, 20Bと X方向用マグネット 15は協働して、ステージ 12を図中矢印 X方向に駆動するリニアモータとして機能する。同様に、 Y方向リニアモータ構造部 25A, 25Bと Y方向用マグネット 16は協働して、ステージ 12を図中矢印 Y方向に駆動するリニアモータとして機能する。

[0070] 即ち、本実施例では X, Y両方向にそれぞれ 2組ずつのリニアモータが配置された構成となる。この構成とすることにより、装置中央部分に比較的大きな空間を確保できるため、この位置にサーフェスエンコーダ 24を設置することができる。なお、本実施例ではステージ 12に目盛部 13を配設し、ベース 11に 2次元角度センサー 14A— 14 Cを配設した構成とした。これは、目盛部 13には配線を接続する必要がないためである。しかしながら、目盛部 13をベース 11に配設し、 2次元角度センサー 14A— 14 Cをステージ 12に設ける構成とすることも可能である。

[0071] また上記構成とされた駆動装置において、 X方向リニアモータ構造部 20Aと X方向リニアモータ構造部 20Bのみを同時に同方向に駆動させると、ステージ 12は図中矢印 X方向に並進運動する。同様に、 Y方向リニアモータ構造部 25Aと Y方向リニアモータ構造部 25Bのみを同時に同方向に駆動させると、ステージ 12は図中矢印 Y方向に並進運動する。また、対になった各リニアモータ構造部 20Aと 20B、 25Aと 25B をそれぞれ逆方向に駆動させることにより、ステージ 12は図中矢印 Z軸まわり θ Zの回転運動を行なう。

[0072] 続いて、図 12を参照して、駆動装置によりステージ 12が移動する原理について説明する。なお、説明を簡単化するため、ステージ 12を X方向に移動させる 1つのリニァモータ (X方向用マグネット 15と X方向リニアモータ構造部 20A)を例に挙げて説明するものとする。図 12は、ステージの駆動原理を説明するための図である。

[0073] まず、図 12 (A)に示すように、 X方向用コイル 21 A— 2に図に書かれた方向に電流を流すと、電流とそれに対向した X方向用マグネット 15との間に X軸に沿った力が生じ、生じたそれぞれの力が釣り合ったところで X方向用マグネット 15は停止する。この状態で図 12 (B)に示すように、 X方向用コイル 21A— 1に電流を流すと、 X方向用コィル 21A— 1に対向している X方向用マグネット 15にそれぞれ図に右向きの力が生じる。この力により、 X方向用マグネット 15 (即ち、ステージ 12)が動き出し、図 12 (C)に示すように、 X方向用コイル 21A— 1と X方向用コイル 21A— 2によって磁石に生じる力が釣り合った位置まで磁石は移動する。その後、図 12 (D)に示すように、 X方向用コィル 21A— 2の電流を切ると、 X方向用コイル 21A— 1の電流で力が釣り合う位置で移動する。上記した図 12 (A)—（D)の動作により、 X方向用マグネット 15 (ステージ 12) が磁石半個分の距離 Δ dだけ移動する。

[0074] 上記のように X方向用コイル 21A— 1, 21 A— 2に印加する電流を ON, OFFのみで駆動すると、磁石 1Z4個分ずつの移動しかできないが、図 12 (C)に示す状態で X方向用コイル 21A— 1, 21A— 2に流す電流の大きさの比を変化させると、それに応じてそれぞれの電流の大きさに釣り合った位置まで X方向用マグネット 15が移動するので、半範囲内で任意の位置に磁石を移動させることができる。また、対向する X方向用マグネット 15の極性に応じてコイルに印加する電流の方向を変化させることで、 X 方向用マグネット 15の配列の存在する範囲内で自由に駆動することができる。

[0075] また本実施例では、通常の直流モータと異なり、常にステージ 12に生じる力が釣り合う位置の付近でステッピングモータ状に駆動する。このため、各コイル 21 A— 1, 21 A— 2に印加する電圧を計算することによって、ステージ 12のオープンループ駆動を行なうことができる。なお、上記した駆動装置の説明では、ステージ 12を X方向に移動させる 1つのリニアモータ (X方向用マグネット 15と X方向リニアモータ構造部 20A) を例に挙げて説明した力他のマグネット 15, 16と、 X方向リニアモータ構造部 20B 及び Y方向リニアモータ構造部 25A, 25Bとより構成されるリニアモータの駆動原理も同様である。

[0076] 上記構成とされた駆動装置では、一段構造でステージ 12を X方向及び Y方向の移動及び Z軸回りの回転を制御することが可能である。また、各方向に対してガイド構造を持つ必要がなぐ最終ステージであるステージ 12が直接駆動される構成のため、ステージ装置 10の軽量化，剛性の向上，及び製造コストの低減を図ることができる。またステージ装置 10が軽量ィ匕し、剛性の向上も図れることにより、制御面においても高周波領域までサーボ性能の確保することが可能となる。

[0077] 次に、上記したステージ装置 10の変形例について説明する。図 14は、上記したステージ装置 10の第 1変形例であるステージ装置 10Aを示す概略構成図である。また、図 14及び図 15において、ステージ装置 10の構成と同一構成については同一符号を付してその説明を省略するものとする。

[0078] 本変形例に係るステージ装置 10Aは、ウェハ 60を保持するチャック 61 Aをステージ 12Aに対して着脱可能な構成とすると共に、目盛部 13をチャック 61 Aに配設した構成としている。具体的には、ステージ 12Aには装着部 62が形成されており、チャック 6 1Aはこの装着部 62に挿入脱可能な構成とされている。これにより、チャック 61Aはステージ 12Aに対して着脱可能な構成とされている。また、チャック 61 Aの底面は、ステージ 12Aに装着された状態において、ステージ 12Aの底面力も露出するよう構成されている。

[0079] 目盛部 13は、チャック 61Aの底面に配設されている。よって、チャック 61Aをステージ 12Aに装着した状態において、目盛部 13はステージ 12Aの底面力も露出し、ベース 11に設けられた 2次元角度センサー 14と対向した状態となる。

[0080] これにより、 2次元角度センサー 14は、目盛部 13に向けレーザ光 65を発射すると共にその反射光を入射することが可能となるため、ステージ 12Aの位置測定を行なうことが可能となる。また本変形例では、ウェハ 60と一体的に取り扱われるチャック 61 A に目盛部 13を設けているため、チャック 61 Aとステージ 12Aとの間に誤差が生じても、これがサーフェスエンコーダ 24の測定結果に影響を与えることがなくなり、よって高精度の位置計測を行なうことができる。

[0081] 図 15は、上記したステージ装置 10の第 2変形例であるステージ装置 10Bを示す概略構成図である。本変形例では、目盛部 13を被移動体となるウェハ 60の背面側に直接配設したことを特徴としている。また、ウェハ 60の背面側に配設された目盛部 13 を 2次元角度センサー 14で確認できるよう、ステージ 12Bの目盛部 13と対向する領域には、 2次元角度センサー 14から照射されたレーザ光 65が目盛部 13に照射されるように透明部 63が設けられて、る。

[0082] 目盛部 13はウェハ 60に貼り付ける等により固定してもよぐまたウェハ 60を直接カロェすることにより一体的に形成する構成としてもよい。これにより、目盛部 13はウェハ 60と一体ィ匕した構成となる。また、透明部 63は、例えばステージ 12Bに嵌めこまれたガラス或いは透明榭脂により構成されている。

[0083] 本変形例では、被移動体となるウェハ 60自体に目盛部 13が配設されるため、上記した第 2変形例に係る構成で発生するおそれがある、チャック 61Aと目盛部 13との間における誤差の発生を防止でき、より高精度の位置計測を行なうことができる。また、ウェハ 60に目盛部 13が配設されても、ステージ 12Bの 2次元角度センサー 14と対向する領域 (移動範囲わたり対向するよう設定されている）には、レーザ光 65を目盛部 1 3に照射するための透明部 63が設けられているため、ステージ 12 (ウェハ 60)の位置計測を確実に行なうことができる。

[0084] なお、上記した本発明は、半導体製造装置のみならず、マイクロマシン， IT用光通信部品等、今後微細加工を必要とする分野に広く適用することが可能である。即ち、現在のマイクロマシン製造技術の多くは半導体製造技術を利用しており、本発明を用いることにより、より微細で多様なマイクロマシンを製造することが可能となる。また、レーザ加工の分野では、サブミクロンの精度で超高速に動くステージが要求されて!ヽる。

[0085] また、複雑な形状を加工するために、自由度の高いステージが必要となる。従来のステージ装置では、これらの要求を満たすものは無力つたが,本発明のステージ装置は、高精度，高速，多自由度を実現できるため、レーザ加工用ステージとしても用いることができる。更に、本発明は、上記した分野だけではなぐ超精密機器，超精密計測装置，マウンタ一等の、電子部品の組み立て、検査装置，或いはオフィスオートメーシヨン分野においても適用することが可能である。

[0086] 以上、本発明の好ましい実施例について詳述した力本発明は力かる特定の実施形態に限定されるものではなぐ特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形 '変更が可能である。なお、第 1及び第 2実施例では、 3 つの 2次元角度センサーを設けた場合を例に挙げて説明したが、 2次元角度センサ一の個数は、 1つでも良ぐ上記実施例の個数に限定されない。

産業上の利用可能性

[0087] 本発明は、装置の小型化を図れると共に、ベースに対するステージの位置測定を高精度に行な、うるステージ装置に適用できる。

Claims

請求の範囲

[1] ベースと、

被移動体を搭載し、前記ベース上を移動するステージと、

前記ステージを駆動させる平面モータと、

前記ステージを前記ベースに対して浮上させるエアーベアリングと、

前記ベース上に配設され、角度に関する性質が 2次元方向に既知の関数で変化する角度格子から構成された目盛部と、

前記ステージに配設されており、前記目盛部の角度格子に光を照射すると共に、該目盛部で反射される反射光の 2次元角度を検出する少なくとも 1つの 2次元角度センサ一とを有することを特徴とするステージ装置。

[2] 前記目盛部は、透過性を有した保護部材により覆われて!/ヽることを特徴とする請求項 1に記載のステージ装置。

[3] 前記少なくとも 1つの 2次元角度センサーは、 3個以上であることを特徴とする請求項 1に記載のステージ装置。

[4] 前記少なくとも 1つの 2次元角度センサーは、前記ステージの 2次元座標位置、ピッチング角、ローリング角およびョーイング角の少なくとも 1つを検出することができるよぅ配設されることを特徴とする請求項 3記載のステージ装置。

[5] 前記 2次元座標位置は、直交座標、円筒座標、極座標及び自由曲面に沿う座標の何れかであることを特徴とする請求項 4記載のステージ装置。

[6] 前記少なくとも 1つの 2次元角度センサーは、該 2次元角度センサーに既知の所定の角度変化を与えることにより、前記目盛部と該 2次元角度センサーとの間の距離を検出することができることを特徴とする請求項 4記載のステージ装置。