JPH0412657A - 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、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
ボモータとホールネジを備えた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、０．０１μｍ程度以下の位
置決め精度を実現することは困難である。

Ｕ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、たとえは００１μｍ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。

［課組を解決するための手段］ ベース部材上に複数のストライプ状永久磁石をその極性
を交互に反転させながら配列する。ストライプ状永久磁
石と平行な軸の周りに巻回しされた複数の第１コイルを
ステージに固定する。ｉな、第１コイルと交差する方向
を軸とし、軸の周りに巻回しされた複数の第２コイルを
ステージに固定する。ストライプ状永久磁石から発する
磁力線は第１およぶ第２コイルの下辺において上辺より
も大きな密度を有するように配置する。

［作用］ ストライプ状永久磁石を平行に配列するので、永久磁石
から発する磁力線は空間で弧を描いて隣接する永久磁石
に達する。コイルの一部がこの磁力線と交わると、電流
の流れる方向および磁力線の向きに対して垂直な方向に
力が発生する。コイルの残りの部分で発する力を十分小
さくしておくと、コイルには所定方向の力が作用するよ
うにできる。第１のコイルと第２のコイルは巻回しの方
向が異なるので、平面内の二方向に沿った力を発生する
ことができる。このようにして２次元的に駆動できるス
テージ装置が実現される。

［実施例コ 第１図は本発明の実施例によるステージ装置を示す斜視
図である。

透磁率の高い鉄等の材料で形成されたヨーク１は案内面
４の上に滑り案内、転がり案内等の案内機構を用いて支
持される４ヨーク１の上には細長いストライプ状の永久
磁石２か複数本平行に配置されている。図中、永久磁石
２は上面、下面に磁極を有し、隣接する永久磁石は交互
に磁極を反転している。すなわち、永久磁石の上面の磁
極を見ると、Ｎ＆、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極・・・と交互に配
置されている。ヨーク１はマグネット部駆動用モータ３
により、永久磁石の長さ方向と直交する方向に駆動でき
るようにされている。ヨーク１は案内面４上をＹ方向に
移動するための案内機能を持つ。

この案内は、すべり案内、ころかり案内等種々の方式で
実現できる。案内面４の上には、メインステージ７がエ
アバッド８を介して支持される。メインステージ７の下
面には、複数のＸ用コイル５がヨーク１上の永久磁石２
とピッチを揃えて配列されている、また、メインステー
ジ７の下面にはＸ用コイルと直交する向きにＹ用コイル
６が複数個配列されている。このＹ用コイル６も永久磁
石２とピッチを揃えて配列されている。

Ｘ用コイルおよびＹ用コイルの駆動原理を、第２図（Ａ
）、（Ｂ）を参照して説明する。簡単のためそれぞれコ
イルの１ターンを取り出して例示する。

第２図（Ａ）は、Ｘ用コイルの１ターンを示す。

永久磁石２は上面にＮ極、下面にＳ極を有し、Ｎ極から
発する磁力線は上方に向かい、やがて隣接する逆極性の
永久磁石に終端する０図に示すように、Ｘ用コイルか永
久磁石２の直上に配置されているとする。コイル５には
矢印で示すような電流か流れるとする。すると、コイル
５の下辺にはローレンツ力により、矢印で示すような力
Ｆが働く。

コイル５の垂直辺は磁力線と平行な間は力が作用しない
、磁力線が曲ると左右で逆向きの力が発生するか、複数
のＸ用コイル５を用いることによりこれらの力は相殺す
る。コイル５の上辺には下辺と逆向きの力が働くがその
絶対値は小さい、すなわち、Ｘ用コイルにはストライプ
状永久磁石の長さ方向であるＸ方向に力が作用する。

第２図（Ｂ）は、Ｙ用コイルの１ターンを示す。

Ｙ用コイルはＸ用コイルと直交する平面内にコイルが巻
回しされている。永久磁石２からは前記同様の磁力線か
発生している。Ｙ用コイル６に矢印で示すような電流を
流すと、ローレンツ力は紙面垂直方向に発生する０図示
の場合、コイル６には紙面裏側から表側に向かう力Ｆが
働く。

第３図は、第２図（Ａ）、（Ｂ）に示したようなＸ用コ
イルとＹ用コイルを合わせて、有する２次元ステージの
駆動を説明する概略断面図である。

図において、ヨーク１上には細長いストライプ状の永久
磁石２ａ、２ｂ・・・２ｆが紙面と垂直方向に平行に配
列されている。なお、表面上に露出する磁極は、交互に
Ｎ−３を繰り返すように配列されている。従って、Ｎ極
から発する磁力線は隣接するＳ極に終端する６図中、永
久磁石２ａ、２ｂ、２ｅ、２ｆの上にはＸ用コイル５ａ
−５ｂ−５ｃ。

５ｄが配置されている。また、中央部の永久磁石２ｃ、
２ｄの上にはＹ用コイル６ａ、６ｂが配置されている。

Ｘ用コイル５ａ、５Ｃには、図の矢印で示すような、左
回りの電流を与え、Ｘ用コイル５ｂ、５ｄには矢印で示
すような右回りの電流を与える。永久磁石２ａ上の磁力
線は上向きであり、永久磁石２ｂ上の磁力線は下向きで
あるので、電流方向を逆転させた時に働く力は同一方向
となる６図示の場合、紙面裏面から表面に向かう力か発
生する。同様に、Ｘ用コイル５Ｃ２５ｄにも紙面裏面か
ら表面に向かう力が働く。

なお、Ｙ方向に駆動する時には、Ｙ用コイル６ａ、６ｂ
に図示の矢印のように、逆向きの電流を流すことにより
共にＹ方向に向かう力が発生する。

なお、それぞれの電流方向を反転させれば、反対向きの
力が生じることは当業者に自明であろう。

第４図は、ステージの移動モードを説明する平面図であ
る。第４図（Ａ）においては、各Ｙ用コイルに＋Ｙ力方
向力か発生する向きの電流を与えている。各Ｙ用コイル
か＋Ｙ力方向力を発生するので、ステージ全体がＹ方向
に並進する。

第４図（Ｂ）においては、各Ｘ用コイルに−Ｘ方向の力
が発生する向きの電流を供給している。

従って、各Ｘ用コイルには−Ｘ方向の力が発生する。こ
のためステージ全体が−Ｘ方向に並進する。

第４図（Ｃ）においては、右側の２つのＸ用コイルには
＋Ｘ方向の力が発生する向きの電流を与え、左側の２つ
のＸ用コイルには−Ｘ方向の力が発生する向きの電流を
与えている。従って、ステージ全体としては、右側で下
向き、左側で上向きの力が働き、ＸＹ面内の回転運動を
行う。

このように、各コイルを所望の向きに励磁することによ
り、ＸＹ千圃面内の並進と回転を任意に行うことかでき
る。

第５図は、第１図に示したエアパッドの部分拡大図を示
す、エアパッド８は中央に空気等の気体を噴出するため
のタクトを有し、周辺部に磁気的吸引力を働かせるため
のリング状磁石９を有している。なお、案内面４は鉄等
の磁性体で形成する。

エアパッドから一定圧力の空気か噴出している場台、エ
アパッド８の案内面４に対する間隙が狭まれば、空気の
押す力が強くなり、パッドは押し上げられる４間隙が広
くなると、空気の流れに対する抵抗が減り、磁石による
吸引力が勝ってパッドは引き付けられる。すなわち、エ
アパッドは第１図に示すステージ７を案内面４に対して
吸引させ、その距離を一定に保つ、ステージ７はその面
内運動に間してはほとんど抵抗を持たない、Ｘ用コイル
５及びＹ用コイル６が磁場内で力を発揮し、案内面に沿
って平行に駆動力を発揮すると、ステージ７はその両方
向に沿って駆動力に従う運動を行う、この際、エアパッ
ドはほとんど摩擦力を示さないので、ステージ７が摩擦
力によって歪むということは防止される。

第６５！Ｊは、ＳＯＲ露光用垂直型ステージを示す。

ベース２０内にＳＯＲ光１５が進行するダクト２１が形
成されており、窓２３を通ってＳＯＲ光が供給される。

ベース２０と対向するように他のベース２５が形成され
ており、この上に案内面を有するヨーク２４が配置され
ている。ヨーク２４上には紙面と垂直方向にストライプ
上の磁石２が複数本配列されている。この永久磁石２と
対向するように、Ｘ用コイル５およびＹ用コイル６が配
置されたステージ７がエアバッド８によって保持されて
いる。エアバッド８はベース２０に磁力によって吸い付
けられている。ステージ７の左面にはウェハチャック１
工が取り付けられており、半導体ウェハ１２を保持する
。ステージ７はエアパッド８によって支持されつつ、Ｘ
用コイル５およびＹ用コイル６によって駆動されて所望
の位置に移動する。なお、図示していないが、ヨーク２
４はベース２５に対して図中垂直方向に微動する機構を
備えている。

以上説明した実施例においては、Ｘ方向には任意の駆動
を行うことができるが、Ｙ方向の駆動に関しては、Ｙ用
コイル６か永久磁石２の上からずれるに従って駆動力が
弱まる。すなわち、Ｙ方向の駆動はリップル的な振動を
伴う。

第７図は、Ｙ方向の力のリップルを低減することのでき
る他の実施例を示す。

第７図（Ａ）は平面図を示す、ｍ長い永久磁石２が複数
本平行に配置されている。その上に左側に２つのＸ用コ
イル５ａ、５ｂ、右側に２つのＸ用コイル５ｃ、５ｄが
配！され、中央部に３つの永久磁石２ｃ、２ｄ、２ｅが
露出されている。中央部の３つの永久磁石に対して、Ｙ
用コイル６ａ、６ｂは永久磁石２ｄ、２ｅと対向するよ
うに配置され、他の２つのＹ用コイル６ｃ、６ｄは永久
磁石の中間に配置されている。すなわち、第７図（Ｂ）
に示すように、永久磁石２ｄ、２ｅの上にＹ用コイル６
ａ、６ｂが配置されると、他のＹ用コイル６ｃ、６ｄは
、第７図（Ｃ）に示すように、永久磁石２Ｃと２ｄの間
および永久磁石２ｄと２ｅの間に配置される。ところが
、ステージ全体がＹ方向に移動すると、Ｙ用コイル６ａ
、６ｂは次第に永久磁石の上から離れ、永久磁石と永久
磁石の中間の位置に移動される。この時、他のＹ用コイ
ル６ｃ、６ｄは永久磁石と永久磁石の中間領域からそれ
ぞれ永久磁石の上へと移動する。このようにして、コイ
ル６ａ、６ｂ力（力を失う時には。

他のコイル６ｃ、６ｄが力を発揮するようになりリップ
ルが低減される。

第７図に示すような、Ｙ用コイルを有するステージを、
第１図に示すステージ装置に組み込むことにより、リッ
プル成分の低減したステージ装置を得ることができる。

同様に、第６図に示したような、ＳＯＲ露光用垂直型ス
テージに、第７図に示すような、Ｙ用コイルを用いるこ
とができる。

なお、限られた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。

たとえば、永久磁石やコイルの数は任意に変化させるこ
とかできる１、ｔな、メインステージの保持はエアパッ
ド以外の形態を用いることもできる。

駆動用のコイルは、コアレスタイプのみでなく、有芯タ
イプでもよい、コイルの巻線形状も図示の物に限らない
。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、ステージに直接
Ｘ方向、Ｙ方向の力を与えてステージを駆動することが
できる。

動力伝達系を排除したことにより、高い運動精度を実現
できる。

ステージに対して直接、Ｘ、Ｙ、θ２のトルクを与える
ことができ、位置と姿勢の制御が可能である。

構成が簡単なため、小型かつ軽量のステージ装置を提供
することができる。

軽量であるため高速化に有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例によるステージ装置の斜視図、 第２図（Ａ）、（Ｂ）は第１図に示したステージ装置の
Ｘ用コイルおよびＹ用コイル駆動原理を説明するための
概念図、 第３図はＸ用コイル、Ｙ用コイルを備えた２次元ステー
ジの駆動を説明するための概念図、第４図（Ａ＞、（Ｂ
）、（Ｃ）はＸＹステージの移動モードを説明するため
の平面図、第５図はエアパッドの機能を説明するための
概略断面図、 第６図はＳＯＲ露光用垂直型ステージを説明するための
断面図、 第７図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の他の実施例
を説明するための平面図および一部断面図である。 ヨーク 永久磁石 駆動用モータ 案内面 Ｘ用コイル Ｙ用コイル メインステージ エアパッド ２０、２５ 永久磁石リング ウェハチャック ウェハ ＳＯＲ光 ベース ＳＯＲ光ダクト 窓 ヨーク 特許出願人　住友重機械工業株式会社 復代理人　弁理士　高欄　敬四部 ＜Ａ）Ｘ用コイル （Ｂ）Ｙ用コイル 駆動原理 第２図 Ｙ用コイル Ｘ用コイル 推力 （Ａ）Ｙ並進 （ＢＯＸ並進 ステージの移動 第４図 （Ｃ）回転

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）、物理的支持を与え、ヨークを兼ねるベース部材
   と、 前記ベース部材上に平行に配置された複数のストライプ
   状永久磁石であって、前記ベース部材の法線方向に沿っ
   て磁極を有し、隣接するストライプ状永久磁石は磁極が
   反転しているストライプ状永久磁石と、 前記ベース部材と対向するように配置されたステージと
   、 前記ステージのベース部材と対向する面上に固定され、
   前記ストライプ状永久磁石と平行な軸の周りに巻回され
   た複数の第１コイルであって、コイル上辺における磁束
   密度がコイル下辺における磁束密度より十分低いように
   配置された複数の第１コイルと、 前記ステージのベース部材と対向する面上に固定され、
   前記第１コイルの軸と交差する方向に沿った軸の周りに
   巻回された複数の第２コイルであって、コイル上辺にお
   ける磁束密度がコイル下辺における磁束密度より十分低
   いように配置された複数の第２コイルと を有するステージ装置。
2. （２）、請求項１において、さらに前記第２コイルの軸
   方向に前記ベース部材を駆動する手段を有するステージ
   装置。
3. （３）、請求項１ないし２において、前記第２コイルの
   軸方向について、前記第２コイルが前記第１コイルとピ
   ッチを合わせて配置された第１群とピッチのずれた第２
   群を含むステージ装置。
4. （４）、前記ステージが空気圧を利用したエアパッドに
   よって浮上させられている請求項１〜３のいずれかに記
   載のステージ装置。
5. （５）、前記ベース部材が垂直面を有し、前記エアパッ
   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４記載のステージ装置。