JPH03178747A - ２次元モータ式ステージ装置 - 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２次元モータ式ステージ装置に関する。

［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、平面
内の１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たＸステ−ジの上に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ＸＹステージ等が知られている。

ボールネジはガタ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、ｏ、ｏｉμｍ程度以下の位
置決め精度を実現することは困難である。

［発明が解決しようとする課題］ 以上説明したような、サーボモータとボールネジによる
ステージ装置によっては、たとえば０゜０１μｍ以下の
超精密ＸＹステージを実現することは難しかった。

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、構造が簡単で遊びがなく、位置精
度に優れたステージ装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ ヨーク面上に永久磁石を多数マトリクス状に配置し、そ
の極性を交互に反転させる。永久磁石から発する磁力線
がヨークに対してほぼ垂直に保たれている距離にステー
ジに固定されたコイルを配置する。コイル内に電流が流
れた時、その電流によるローレンツ力がステージの面に
ほぼ平行な方向に働くようにする。ステージ自身の荷重
等はエアーベアリング等の池の支持手段によって支える
。

［作用］ ヨーク上に多数の永久磁石を配置し、その磁石から発す
る磁力線がヨークに対してほぼ垂直に保たれている位置
にコイルを配すると、コイルに電流が流れた時、コイル
に働くローレンツ力はコイルおよび磁力線にぼぼ垂直な
方向に働く、従って、ステージに吸引力または反発力が
働くことは少なく、コイルに働く力の大部分はステージ
面に平行な力になる。また、この力はコイルに直接働く
ので、コイルが取り付、けられたステージの位置を制御
するのに適している。

［実施例］ 第１図（Ａ）、（Ｂ）に本発明の１実施例によるＸＹス
テージ装置を示す、高透磁率の材料で形成されたヨーク
１１の上に格子状に多数の永久磁石１２が固定されてい
る０図においては、ヨーク１１の面上で、磁石はヨーク
の面方線方向にＮ極あるいはＳ［！を有するように配置
されている。１つのＮ極の上下（Ｙ方向）左右（Ｘ方向
）をＳ極が取り囲むように、これらの磁極はＸ方向につ
いても、Ｙ方向についても交互に極性が反転するように
配置されている。

たとえば、永久磁石１２ｉｊをマトリクス状に配置した
時、その行の数ｉと列の数ｊの和が偶数の時Ｓ極が表面
にでるように、奇数の時Ｎｉが表面に出るように配置す
る。

第１図（Ｂ）に示すように、ヨーク１１は支持体ｌＯか
ら浮いた位置に配置されており、第１図（Ａ）に示すよ
うに、駆動手段１６ａ、１６ｂ、１７によってＸ方向お
よびＹ方向に駆動される。

図では、Ｙ方向に２つの駆動手段１６ａ、１６ｂが配置
され、Ｘ方向に１つの駆動手段１７が配置されている。

このヨーク１１上の永久磁石群１２ｉｊと対向するよう
にコイル１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１
４ｆが配置されている。これらのコイル１４ａ〜１４ｆ
はステージ１３に固定されており、ステージ１３を駆動
する０図では明示していないが、ヨーク１１は、エアー
ベアリング、滑り軸受は等の手段によって、ベース１０
に対して２、θＸ、θＹ力方向拘束を受け、案内される
。ステージ１３もエアーベアリング、滑り軸受は等の手
段によって、Ｚ、θＸ、θＹ力方向拘束を受は案内され
る０図においては、ステージに固定されるコイルとして
、２　＃ｆｉ　ノ：ｔイル１４ａ、１４ｂ、１４ｅ、１
４ｆがＹ方向の駆動に用いられ、１組のコイル１．４ｃ
、１４ｄがＸ方向の駆動に用いられている。これらのコ
イルの個数は任意に選択できる。また、ステージ１１の
材料としては、セラミック、アルミニウム等の非磁性体
を用いる。

第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線に沿う断面
図であり、コイル１４ａ、１４ｂが示されている。

コイル１４ａ、１４ｂはヨーク１１の永久磁石１２ｉｊ
と十分近接できる高さに支持される。ステージ１３は非
磁性体なので磁力線の分布にはほとんど影響しない。

ステージに■く力を第２図（Ａ）〜（Ｄ＞を参照して説
明する。

ヨーク１１の表面には、複数の永久磁石１２がその極性
を交互に反転させながら整列している。

ヨーク１１は高透磁率なので、ヨーク１１内では磁力線
は永久磁石のＮ極から隣接する永久磁石のＳ極に向って
分布する。永久磁石の上聞では、空気および非磁性体し
か存在しないので、磁力線は閉じ込められず、開いた状
態にある。磁石の中央付近から発する磁力線は、ある範
囲に亘って磁力線２１ｃのようにヨークの法線方向に沿
って進む。

永久磁石１２の端部に近づくに従ってそこから発する磁
力線は磁力線２１ｅのように湾曲して隣接する永久磁石
の反対極性の磁極に向う、ここで、注目すべきことは、
磁石１２の表面に十分近い位置においては、磁力線の大
部分がヨーク１１の方線方向に近い方向を向いているこ
とである。この多くの磁力線が未だヨークの法線方向に
近い方向にある領域にコイル１４ａ、１．４　ｂの巻線
が配置される。各コイルは、第１図（Ａ）に示すように
Ｘ軸、Ｙ軸に沿った矩形形状であるとする。短い辺の長
さは１つの永久磁石の対応辺の長さより短く、長辺の長
さは隣接する永久磁石にまたがる長さであるとする。

このような配置で、コイル１４ａに電流Ｉを流した時、
短辺に生じるローレンツ力は ｆ尖ＢＩＱ の大きさを持ち、電流の流れる方向および磁力線の方向
に共に垂直な方向に向きを有すると近似できる。すなわ
ち、図示の場合、磁力線がヨーク１１の法線方向に向い
ているならば、力はヨーク１１の表面と平行な方向に向
う、このように、コイルのステージ１３とほぼ平行な力
を発生させることができ、ステージ１３を有効にＸＹ平
面内に駆動することができる０図示の場合、コイル１４
ａのピッチと、隣接する永久磁石間のピッチが適合して
いるので、隣接する磁石上に配置された１つのコイルの
２つの辺に■く力は同じ向きとなる。

また、隣接するコイル１４ｂも永久磁石のピッチと同期
しており、同じ向きにほぼ同等の力を発揮する。

ステージ１３の位置、すなわち磁石１４ａ〜１４ｒの位
置をモニタしつつ、タイミングの合った時にコイルに電
流を流すことにより、ステージ１３を所望の平面内方向
に駆動することができる。

第２図（Ｂ）〜（Ｄ）は、それぞれＹ方向、Ｘ方向、お
よびＺ軸周りの回転方向にステージを駆動する場合を図
示する。たとえば、第２図（Ｂ）においては、ステージ
１３をＹ方向に駆動する場合を示す、第１図（Ａ＞に示
す両端の４つのコイル１４ａ、１４ｂ、１４ｅ、１４ｆ
が使用される。

これらのコイルに、同時に図示のような電流を印加する
ことにより、図中上向きの力を発生させる。

この力によりコイルは＋Ｙ力方向駆動される。

第２図（Ｃ）はステージ１３をＸ方向に駆動する場合を
示す、第１図（Ａ＞に示すコイル１４ｃ、１４ｄを用い
る。これらのコイルに図示の向きに電流を印加すること
により、矢印方向の駆動力を生じさせることができる。

この力の結果、ステージ１３は＋Ｘ方向に駆動される。

これらの例において、発生する合成力はステージ１３の
重心を通るように設計されているや 第２図（４Ｄ）は、Ｚ軸回りの回転方向に駆動する場合
を示す、第１図（Ａ）に示すコイル１４ａ、１４ｂ、１
４ｅ、１４ｆの４つのコイルを用い、Ｌ４ａ、１４ｂの
１組のコイルには−Ｙ力方向駆動力を発揮させる向きの
電流、１４ｅ、１４ｆの１組のコイルには＋Ｙ力方向駆
動力を発揮させる向きの電流を印加する。この結果、ス
テージ１３はＺ軸回りの回転力を生じる。

ステージは非磁性材料で形成され、コイルもコアレスで
あるので、コイルに電流が流れていない時にはステージ
には磁気による力は働かない、電流が流れている時も、
従来の磁気回路の磁気抵抗が最小の位置を求める構造と
ことなり、ステージとヨークとの間にはほとんど吸引力
が働かない。

タイミングを図って電流を流せばステージにはほとんど
ヨークと平行な力しか働かない、このためステージを保
持する力も小さくてすむ。

なお、コイルの位置が移動し、磁力線の向きが変化する
と、コイルに働く力は変化する。磁石間にはほとんどヨ
ークの法線方向に磁力線のない領域もある。この領域で
コイルに電流を流しても、たかだか吸引力や反発力が得
られるのみである。

第３図（Ａ）、（Ｂ）はステージ駆動のタイミングを説
明するための断面図である。

第３図（Ａ＞において、ステージ１３はヨーク１１に対
して所定の位置関係にあり、ごのヨーク１１は支持体Ｉ
Ｑ上に移動可能に支持されている。

ヨーク１１上の永久磁石１２の位置と、ステージ１３の
位置とが適合に整合されており、ステージ１３に固定さ
れたコイル１４ａ、１４ｂに電流を流した時に、ステー
ジ面と平行な、図中右向きの方向に駆動力が生じる配置
にある。ここで、コイル１４ａ、１４ｂに電流を供給し
てステージを駆動すると、ステージは所望の方向に移動
を始める。

ところで、ステージ１３の中心位置をポイントＰ１から
ポイントＰ２まで移動させることを考える。ポイントＰ
１からポイントＰ２間での「巨離が永久磁石のギャップ
ｇの整数倍でなく、中途半端な位置にある場合は、ポイ
ントＰ２付近でコイルに有効な力を働かせることが難し
くなる。そこで、ヨーク１１の位置をピッチ以内の量ｍ
ｉ整することによって、ヨーク１１とステージ１３との
相互の位置間Ｏを調整する。すなわち、第３図（Ｂンに
示すように、ヨーク１１を駆動して所望の目標点Ｐ２に
永久磁石１２の中央点が位置されるようにする。このよ
うにすることによって、ステージ１３が移動してきた時
に、そのコイル１４ａ、１４ｂに電流を流すことによっ
て、制動力を発揮させ、所望の点Ｐ２にステージ１３を
静止させることが可能となる。

このようなステージの駆動とその電流制御を第４図に示
す、第４図において、横軸は時間を示し、縦軸はステー
ジ位置、ヨーク位置およびコイルに印加する電流（２次
元モータの推力）を示す。

時間ｔ１において、コイルと永久磁石との関係が良好な
状態にあり、駆動電流ｉが印加される。

この駆動電流はある時間Δｔの間印加されるが、その後
はオフにされると、すると、この時間Δｔの間駆動力を
与えられたステージ１３はステージ面に平行な駆動力を
与えられて並進運動を開始する。ステージに働く摩擦力
がＯであれば、駆動力が断たれた後もステージは並進運
動を続けるのでその位置はリニアに変化する。この様子
を第４図ステージ位置の直線部分で示している。

ステージを移動すべき目標位置Ｐ２おいて現在ヨーク１
１が有している配置を検討する。もし、この目標位置Ｐ
２において、ステージ１３とヨーク１１との関係が有効
に駆動力を及ぼすのに適していない配置である場合には
、ヨーク１１を駆動してステージ１３の駆動に適した位
置に移動させる。この様子を第４図ヨーク位置の直線に
示す。

ヨークが目標位置まで駆動されたらば、ヨーク１１を静
止させる。その後ステージ１３が目標位置に到達した時
には、ヨーク１１は駆動に適した配置にされているので
、コイルに電流を流してステージ１３に制動力を及ぼし
ステージ１３を静止させる。これが第４図モータ推力の
負側のパルスで示されている。

このようなヨーク１１の駆動は、第１図（Ａ）に示す駆
動手段１６ａ、１６ｂ、１７によって行われる。これら
の駆動手段は、変位を発生させる直進モータ、圧電素子
等の駆動力源と第５図（Ａ）（Ｂ）に示すような結合手
段とを介して行われる。

すなわち、まずステージ１３をヨークｌｌ上の最適位置
に配置しておいて、所定のコイルに駆動パルス電流を流
す、この初期駆動によりステージ１３はほぼ無抵抗の並
進運動を開始する１次に、目標位置でステージ１３を制
動するのに好適な位置にヨーク１１を変位させる。ステ
ージ１３が目標位置に近すいたら制動して目標位置で停
止させる。

第５図（Ａ）に示す結合手段は、剛体と見なせる円柱部
分のｌ箇所において、半径を徐々に減少させ、断面か円
形状に細くなる結合部分を設けた球面ヒンジを示す、こ
の球面ヒンジは軸方法に対する剛性が高く、軸に直交す
る方向に対する剛性は低い、従って、軸方向に対する力
は対象物に伝えるが、軸に直交する方向の力に対しては
ヒンジが弾性変形を起こすことによって駆動力を吸収す
る結合手段である。

第５図（Ｂ）は１方向の駆動力に対してのみ弾性変形を
行う結合手段を示す０図中、矩形断面の柱部材の１部に
おいて、その水平方向の幅が徐々に減少し、極小点を介
して再び増大している。すなわち、この結合部材は、軸
方向に対する力および上下方向に対する力に対しては強
い剛性を示すか、水平方向の力に対しては剛性が低く、
容易に弾性変形を行う。すなわち、この結合部材を用い
ると３次元的な空間において、図中の水平方向の変位の
みを許容することになる。なお、これらの駆動手段１６
．１７はヨークを駆動するために用いられるが、ヨーク
の支持は好ましくは別の手段によって行われる。

このようなヨーク部材ないしはステージ部材を支持する
方式はいろいろ考えられる。第６図はその１例を示す。

第６図において、ヨーク１１は鋼球２１．２２を介して
剛性部材２３上に配置され、スプリング２４を介して剛
性部材２３に引き付けられている。

すなわち、ヨーク１１は鋼球２０．２１．２２を介して
剛性部材２３に押し付けられている。鋼球２０．２１．
２２が滑り係合することによって、ヨーク１１は剛性部
材２３に対して相対的な平面運動を行う。

第７図（Ａ）、（Ｂ）はステージの支持系の例を示す。

第７図（Ａ）においては、ステージ１３はヨーク１１よ
りも大きな面積を有する。このステージ１３の周辺部３
箇所にエアーパッド２６．２７．２８が設けられている
。このエアーパッドによってステージ１３は剛性部材２
３に対して一定の間隔をおいて吸引される。

第８図に示すように、エアーパッド２６．２７２８は周
辺部に永久磁石３１を備え、鉄等の磁性体で形成された
剛性部材２３に対して吸引力を発揮すると共に、中央部
に空気吹出し口３２を備えて、一定圧力の空気を吹出し
、剛性部材２３との間に空気層による間隙を保持する。

間隔が狭まれば空気の押す力が強くなり、パッドは押し
上げられる０間隔が広くなると空気の流れに対する抵抗
が減り、磁石による吸引力が勝ってパ・ノドは引き付け
られる。

すなわち、エアーパッド２６．２７．２８はステージ１
３を剛性部材２３に対して吸引させ、その距離を一定に
保つ、ステージ１３はその面内運動に関してはほとんど
抵抗を持たない、コイル１４ａ〜１４ｆが永久磁石１２
との間に力を発揮し、ヨーク１１の面に平行に駆動力を
発揮すると、ステージ１３はその面方向に沿って駆動力
に従って運動する。この際、エアーパッド２６．２７．
２８はほとんどｒ！Ｊ擦力を示さないので、ステージ１
３が摩擦力によって歪む等ということか防止されている
。

特にステージ１３が垂直方向に配置された場合に、エア
ーパッド２６．２７．２８による支持は他の支持方式よ
りも優れた特徴を有する。すなわち、剛性部材２３とし
ては剛鉄製定盤のような弾性変形をほとんど起こさない
剛性度の高いものを選ぶことができる。エアーパッドは
これに対して一定の距離を保って直接吸着するので、エ
アーパッドの位置は正確に位置決めすることが可能とな
る。ステージ１３はこのエアーパッド２６．２７．２８
によって直接支持されるので、ステージ全体としての変
形を考慮する必要がほとんどない。

従来のエアースライダ等によれば、支持柱の周囲に摺動
するエアースライダ部材が設けられているので、エアー
スライダに対する荷重が増加すると共に、支持柱が変形
することが避は難かった。

この変形はエアースライダが支持柱の上部にあるか下部
にあるかによって異なるので、エアースライダ部材の位
置による位置精度が異なってしまった。上に説明したエ
アーパッド２６．２７．２８はこのような位置による精
度の変化を防止できる。

以上実施例に沿って説明したが、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、組合
せ等が可能なことは当業者に自明であろう。

第９図はＳＯＲ用の垂直型ステージを示す、ＳＯＲ光が
ベース３１内のダクトを水平方向に進み、ダクトの開口
部に設けたマスク３７を通って出射する。このＳＯＲ光
を受けるように、半導体ウェハ３５がウェハチャック３
３上に載置される。このウェハチャック３３はステージ
１３に固定されている。ステージ１３は対向する一対の
ベース３１．３２の間に平行に配置され、一方のベース
３１に対して磁石を備えたエアバッド２６．２７．２８
によって平行に案内され、他方のベース３２に対してヨ
ーク１１、永久磁石１２、コイル１４を含む２次元モー
タによって駆動されている。ステージ１３を支持するエ
アーパッド２６．２７．２８が永久磁石１２、ヨーク１
１を支持するベース３２とは別体のベース３１に支持さ
れるため、場所的制限が緩和され、ステージ１３の寸法
を小さくすることができる。

たとえば、ヨーク内に永久磁石を埋め込んでヨーク表面
を水平としてもよい。

ステージに備えるコイルを多層化し、その位相を１／３
ピツチづつずらして駆動することにすれば、ヨークステ
ージの動作スパンは小さくすることができる。この場合
、駆動手段が駆動する大きさを小さくすることができる
。この場合、磁力線の法線方向の成分により、ステージ
に生じる浮き沈みの力を全体としてバランスさせること
も可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、対象物を２次元
的に駆動するための新規な構造の高精度のステージ装置
が提供される。

特に、ステージが垂直方向に配置された垂直ステージに
おいてその効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ＞、（Ｂ）は本発明の実施例によるステージ
装置であり、第１図（Ａ＞は平面図、第１図（Ｂ）は断
面図、 第２図（Ａ）〜（Ｄ）はコイルに働く力を説明するため
の図であり、第２図（Ａ）はコイルの働く力を説明する
ための概念図、第２図（Ｂ）はＹ方向の駆動、第２図（
Ｃ）はＸ方向の駆動、第２図（Ｄ＞はＸＹ平面内での回
転を示す該略図、第３図（Ａ）、（Ｂ）は駆動のタイミ
ングを示す概念図であり、第３図（Ａ）は駆動を開始す
る初期状態を示す図、第３図（Ｂ）は停止前の制動の状
態を示す図、 第４図は駆動のタイミングチャートであり、横軸が時間
を示し、縦軸がステージ位置、ヨーク位置、モータ推力
を示す、 第５図（Ａ）、（Ｂ）は結合手段の例を示す図であり、
第５図（Ａ＞は球面ヒンジの斜視図、第５図（Ｂ）は１
方向ヒンジの斜視図、 第６図（Ａ）、（Ｂ）はヨーク支持系の１例を示す図で
あり、第６図（Ａ）は測面図、第６図（Ｂ）は平面図、 第７図（Ａ）、（Ｂ）は２次元モータ式ステージを概略
的に示す図であり、第７図（Ａ）は平面図、第７図（Ｂ
）は断面図、 第８図はエアーパッドの概略断面図、 第９図はＳＯＲ用垂直型ステージの概略測面図である。 図において、 １１　　　　　ヨーク １２　　　　永久磁石 １３　　　　ステージ １４ １６、 Ｉ ２ コイル 駆動手段 初期位置 目標位置 ギャップ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）、高透磁率の材料で構成され、２次元平面を画定
   するヨークと、 ヨーク上に２次元マトリクス状に配置され、交互に反転
   する極性をヨークの面方線方向に沿って有する複数の永
   久磁石と、 ヨーク上に近接配置される非磁性体のステージと、 ステージに固定され、ステージ面と平行に巻回され、該
   永久磁石から発する磁力線がヨークの面に対してほぼ垂
   直である範囲で該永久磁石と磁気結合することのできる
   複数のコアレスコイルを含むステージ駆動手段と を有する２次元モータ式ステージ装置。
2. （２）、さらに、前記ヨークを前記２次元平面内で前記
   ２次元マトリクスの元間距離以上駆動するためのヨーク
   駆動手段を備える請求項１記載の２次元モータ式ステー
   ジ装置。
3. （３）、前記ステージが空気圧を利用したエアーパッド
   によって浮上させられている請求項１記載の２次元モー
   タ式ステージ装置。
4. （４）、前記ヨークの２次元平面が垂直面であり、前記
   エアーパッドが磁石を含んで磁気力によって吸引され、
   空気圧によって浮上させられている請求項３記載の２次
   元モータ式ステージ装置。