JP4581641B2 - 平面ステージ - Google Patents

Description

本発明は、プラテン上を移動体が移動する平面ステージに関し、特に、プラテン上の移動ステージを、θ回転させた状態で、ＸＹ方向にスムーズに移動させることができる平面ステージに関するものである。

従来、碁盤目状に強磁性体の凸極が設けられている平面状のプラテン上に、移動体をエアーにより浮上させ、移動体に磁力を印加して、移動体とプラテンの凸極との間の磁力を変化させることにより移動体を移動させるように構成した平面ステージ装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
上記平面ステージにおいて、移動体の一方の面は、ワークを載置するためのワークステージとなるため、精度良く平面加工されている。他方の面には、直交する座標軸の各軸方向に移動磁界を発生する磁極と、エアーを吹き出すエアーパッドが設けられている。
プラテンの凸極に向き合うように、移動体の磁極とエアーパッドが置かれ、移動体はエアーの作用により浮上する。この状態で移動体の磁極に移動磁界を発生させ、磁極とプラテンの凸極との間の磁界を変化させることにより、移動体がプラテン上を移動する。
なお、このような構成を有する装置は、サーフェスモータステージ装置、ソーヤモータステージ装置などと称されることもある。

このような平面ステージ装置は、従来のボールネジを用いた構成のステージ装置などとは異なり、Ｘステージ、Ｙステージおよびθステージと複数のステージを重ね合わせることなく、プラテンの平面よりなる一つのステージ上において移動体をＸＹ方向の移動とθ回転をさせることができる。
そのため、近年、複数の露光領域に分割されたワークを分割された領域順に移動して露光する逐次（ステップ・アンド・リピート）露光装置のワークステージとして適用することが検討されている。ワークステージとして平面ステージ装置を用いた露光装置においては、ワークステージの構成が単純なものとなることから、装置の小型軽量化を図ることができると期待されている。

上記平面ステージの動作原理について、図７、図８、図９を用いて簡単に説明する。図７、図８は、平面ステージを構成する複数の凸極を有するプラテン１０と、磁極を有する移動子２０の断面図であり、図９は、上記移動子２０の磁極に巻かれたコイルに流す電流のタイミングチャートである。なお図９の±はコイルに流す電流方向を示している。なお、図９の電流のパターンは一例であり、正弦波で表わされるように、なめらかに電流値を変えてもよい。
プラテン１０は、平面板状であり、図７に示すように強磁性体の凸極１１，１２，…が碁盤目状に設けられている。凸極と凸極の間は非磁性体１０ａで埋められている。
移動子２０には、永久磁石２１が取り付けられており、これにより同図において移動子に設けられた４つの磁極２２ａ〜２２ｄには、ＮまたはＳの磁極が発生している。
磁極２２ａ〜２２ｄには、コイル２３ａ，２３ｂが巻かれており、電流が流されると各磁極２２ａ〜２２ｄは電磁石となる。永久磁石２１の作る磁界と電磁石が作る磁界の方向が同じであれば、磁力は強め合う。永久磁石２１の作る磁界と電磁石が作る磁界が反対であれば、磁力は打ち消される。

なお、磁極２２ａと２２ｂとではコイル２３ａが反対方向に巻かれている。したがって、磁極２２ａにおいて同じ方向の磁界が発生し、磁力が強め合わされる場合、磁極２２ｂには、反対方向の磁力が発生し磁力は打ち消される。磁極２２ｃと２２ｄも同様である。 移動子２０の磁極２２ａ〜２２ｄは、プラテン１０の凸極１１，１２，…と対向して置かれる。移動子２０はエアーを吹き出すエアーパッドの作用により、プラテン１０から浮き上がっているが、図７、図８ではエアーパッドは省略している。
移動子２０の上の面がワークを載置する面となる。移動子２０に直接ワークが載置される場合もあるが、移動子２０の上面に平面のワークステージを置き、その上にワークを載置する場合もある。

磁極２２ａ〜２２ｄに巻かれた各コイル２３ａ，２３ｂに図示しない駆動回路から、以下の順序で電流を流すことにより移動磁界が発生し、移動子２０が同図の左右方向に移動する。以下、移動子２０が図面右方向に移動する動作原理について説明する。
（１）ＳＴＥＰ１：移動子２０の磁極２２ａ，２２ｂ側のコイル２３ａに、図９に示すように、磁極２２ａの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２ｃ，２２ｄのコイル２３ｂには電流を流さない。磁極２２ａは磁力が強められるので、プラテン１０の凸極１１と強く引き合い、磁極２２ａと凸極１１とが対向する位置になる。
磁極２２ｂは磁力が打ち消され、凸極１２と１３の間の非磁性体上に位置する。磁極２２ｃと２２ｄは、それぞれ斜め方向の凸極１４、１６と引き合う。
（２）ＳＴＥＰ２：図９に示すように磁極２２ａ，２２ｂのコイル２３ａの電流を止め、磁極２２ｃ，２２ｄ側のコイル２３ｂに、磁極２２ｄの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２ｄは凸極１６と強く引き合い、磁極２２ｃは磁力を打ち消され、凸極１４と引き合わなくなる。
したがって、磁極２２ｄが凸極１６と対向するように、移動子２０は同図右方向に移動する。磁極２２ａと２２ｂは、それぞれ斜め方向の凸極１１、１３と引き合う。

（３）ＳＴＥＰ３：図９に示すように磁極２２ｃ，２２ｄのコイル２３ｂの電流を止め、磁極２２ａ，２２ｂ側のコイル２３ａに、今度は磁極２２ｂの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２ｂは凸極１３と強く引き合い、磁極２２ａは磁力を打ち消され、凸極１１と引き合わなくなる。
磁極２２ｂが凸極１３と対向するように、移動子２０は同図右方向に移動する。
（４）ＳＴＥＰ４：図９に示すように磁極２２ａ，２２ｂのコイル２３ａの電流を止め、磁極２２ｃ，２２ｄ側のコイル２３ｂに、磁極２２ｃの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２ｃは凸極１５と強く引き合い、磁極２２ｄは磁力を打ち消され、凸極１６と引き合わなくなる。磁極２２ｃが凸極１５と対向するように、移動子２０は同図右方向に移動する。
なお、ＳＴＥＰ４の位置に移動後、図９のＳＴＥＰ４に示すようにコイル２３ｂに電流を流し続けることで、移動子２０をＳＴＥＰ４の位置に保持させることができる。

図１０（ａ）（ｂ）は上記移動子２０の具体的構成例を示す図であり、同図（ａ）は移動子２０を側面から見た図、同図（ｂ）はプラテンと対向する面側から見た図である。
同図に示すように移動子２０の磁極２２ａ〜２２ｄは複数のさらに小さな凸極から構成される。
同図（ａ）に示すようにプラテン１０に形成された凸極の間隔をａとすると、各磁極２２ａ〜２２ｄに形成された凸極の間隔はａ、また、磁極２２ａ，２２ｂ、磁極２２ｃ，２２ｄの間隔は２ａ、また、磁極２２ｂと磁極２２ｃの間隔は２．５ａである。すなわち、前記図７に示したように、磁極２２ａ，２２ｂがプラテン２０の凸極と対向しているとき、磁極２２ｃ，２２ｄの一部（この例では１／２）がプラテン１０の凸極と対向している。

図１１は、直交するＸＹ方向に移動できるように４個の移動子２０ａ〜２０ｄをワークステージなどの移動体３０に設けた場合の構成を示す図であり、図１１（ａ）はプラテン１０上を移動する移動体３０を、プラテン１０と対向する面側から見た図、図１１（ｂ）は移動体３０をプラテン１０の平面と平行な方向（同図のＰ−Ｐ方向）から見た図である。なお、同図では、移動子２０を凸極の連続体として示しているが、実際には前記図７、、図８、図１０に示した構成を有している。また、図１１（ｂ）では、プラテン１０に設けられた凸極は省略している。
図１１（ａ）に示すように、移動体３０の四隅にはエアーを吹き出すエアーパッド４０が設けられている。このエアーパッド４０から吹き出すエアーがプラテン１０の表面に当たり、移動体３０がプラテン１０に対して浮上する。

移動体３０の中心から直交するＸＹ方向４ケ所に移動子２０ａ〜２０ｄが設けられている。移動子２０ａ，２０ｂは、移動体３０をＸ方向（図１１の左右方向）に移動させるための移動子であり、Ｙ軸上の２ケ所（同図上下）に設けられる。移動子２０ｃ，２０ｄは、移動体３０をＹ方向（図１１の上下方向）に移動させるための移動子でありＸ軸上の２ケ所（同図左右）に設けられる。
各移動子２０ａ〜２０ｄは、前記図１０に示した構成を有し、Ｘ方向移動用の移動子２０ａの磁極には図中左右方向に移動させるための磁界が発生し、両移動子２０ａ，２０ｂにおける磁界の移動方向が同じであれば、移動体３０はＸ方向に移動する。
また、Ｙ方向移動用の移動子２０ｃ，２０ｄには、図中上下方向に移動させるための磁界が発生し、両移動子２０ｃ，２０ｄにおける磁界の移動方向が同じであれば、移動体３０はＹ方向に移動する。

このような移動体３０を有するステージを、逐次露光装置のワークステージとして使用する場合には、ＸＹ方向の移動のみでは不足で、図１２（ａ）に示すように、ワークＷに形成されているパターンＰがθ回転方向の位置ずれを生じている場合は、これと位置合せを行うために、図１２（ｂ）に示すようにステージをステージ面に垂直な軸の回りに回転させる（このような回転を以下θ回転という）ことが必要になる。
移動体をθ回転させるためには、例えば移動体３０の移動子２０ｃ，２０ｄの磁界の移動方向を逆方向にする。そうすると、移動体３０の移動子２０ｃ側と移動子２０ｄ側とでは、移動方向が反対になるので、移動体３０は、図１２に示すようにθ回転する。移動子２０ａ，２０ｂの磁界の移動方向を逆方向しても、同様に移動体３０をθ回転させることができる。
特開平９−２３６８９号公報

このような平面ステージは、移動体をθ回転させた状態を保ったままＸまたはＹ方向に直線移動できないという欠点がある。その理由を以下に示す。
従来技術で示されるように、移動子に設けられた磁極とプラテンの凸極とは所定の位置関係にあり、この位置関係が繰り返されるように移動する。
例えば、図７においては、移動子２０に設けられた磁極２２ａはプラテン１０の凸極１１と対向、磁極２２ｂはプラテン１０の非磁性体と対向、磁極２２ｃ，２２ｄはプラテン１０の凸極１４，１６と非磁性体の中間位置に対応し、この磁極と凸極の関係が移動していくことにより、移動子２０が直線移動する。
ところが、前記したように移動体３０がθ回転すると、移動子２０ａ〜２０ｄの磁極２２ａ〜２２ｄの並び方向とプラテン１０の凸極の並び方向が平行（もしくは直交）でなくなる（以下、この状態を直交が崩れるという）。
すなわち、移動体３０をθ回転した状態は、図１３に示すように、磁極と凸極の直交が崩れ、上記所定の位置関係からずれた状態である。その状態を保ったまま直線移動しようとすると、移動子２０ａ〜２０ｄに対する駆動力が低下するため、移動子２０ａ〜２０ｄに対する制御性が悪化し、設定された位置に整定させるのが難しくなる。

以上のことから、図１１に示した構成のものでは、通常、θ回転後に、直線移動させる場合、θ回転を元に戻した後、直線移動をさせる。
すなわち、θ回転後、移動体３０を直線移動させるためには、θ回転を元に戻すことにより移動子２０ａ〜２０ｄの凸極とプラテン１０の凸極を直交させ、移動子２０ａ〜２０ｂとプラテン１０の凸極を上記所定の位置関係になるようにしてから移動させる。

前記したように、図１１に示した平面ステージを逐次露光装置のワークステージとして採用することが考えられている。逐次露光装置においては、図１２に示したように、ある露光領域でθ方向の位置合せを行ない、その状態を保ちつつＸまたはＹ方向の露光領域に移動し露光することが行なわれる。
手順としては［θ回転位置合せ］→［露光］→［Ｘ（またはＹ）方向移動］→［露光］→［Ｘ（またはＹ）方向移動］・・・となる。
ところが、平面ステージで、これを行なおうとすると、前記したようにワークを載置するステージである移動体３０をθ回転を保った状態のままＸＹ方向へ移動させるのが難しいため、［θ回転位置合せ］→［露光］→［θ回転戻し］→［Ｘ（またはＹ）方向移動］→［θ回転位置合せ］→［露光］→［θ回転戻し］→［Ｘ（またはＹ）方向移動］・・・と移動させることになる。
すなわち、ＸＹ方向の移動のたびに移動体３０のθ回転戻しとθ回転位置合せを行なわなければならず、平面ステージを使用しない場合に比べて露光処理時間全体が長くなってしまう。
本発明は従来技術の上記問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、碁盤目状に凸極が設けられている平面を有する板状のプラテンと、直交する座標軸の各軸方向に移動磁界を発生する移動子が設けられた移動体を備え、上記プラテン平面上を移動体が移動する平面ステージ装置において、移動体がθ回転を保った状態でＸＹ方向に直線移動できるようにすることを目的とする。

従来、移動体に対して移動子は固定されていたが、移動子を、移動体に対し、移動子の幾何学中心に回転方向の自由度を持つように（回転自在に）固定する。具体的には、磁極が回転軸受を介して移動体に固定される。
磁極を取り付ける位置は、移動体の両側にＹ方向移動用磁極を設ける。Ｙ方向移動用磁極の回転中心を結んでできる直線上に、Ｘ方向移動用磁極を取り付ける。

本発明においては、磁極を、移動体に対し磁極の幾何学中心に回転方向の自由度を持つように（回転自在に）固定したので、移動体が回転しても、移動体の磁極はプラテンの凸極との直交を保つことができ、ＸＹ方向に直線移動することができる。

図１に本発明の実施例の平面ステージの構成を示す図である。
図１（ａ）は、移動体をプラテンと対向する面側から見た図であり、図１（ｂ）は、移動体をプラテン平面と平行な方向（同図のＰ−Ｐ方向）から見た図である。なお、図１（ｂ）ではエアーパッド４０は省略されている。また、プラテン１０は、前記したように平面板状であり、強磁性体の凸極が碁盤目状に設けられ、凸極と凸極の間は非磁性体で埋められている。
移動体３０をＹ方向に移動させるＹ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄは、前記図７、図８、図１０に示した構造を有し、図１１（ａ）と同様、移動体３０のＸ軸上の２ケ所（図中左右）に設けられる。ただし、移動子２０ｃ，２０ｄは、回転軸受２４を介し、その幾何学中心を回転軸として回転自在に取り付けられている。
移動体３０をＸ方向に移動させるＸ方向移動用移動子２０ａ，２０ｂも前記図７、図８、図１０に示した構造を有しているが、本実施例では、移動子２０ａ，２０ｂは、一つのプレート２５に取り付けられている。プレート２５は回転軸受２６を介して移動体３０に取り付けられる。
移動子２０ａ，２０ｂを取り付けたプレート２５の幾何学中心は、Ｙ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄの回転中心を結んでできる直線の中点と一致しており、この位置に回転軸受２６が設けられ、プレート２５は該中心を回転軸として回転する。

なお、上記回転軸受２４は、必ずしもＹ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄの回転中心を結んでできる直線上の中点に設ける必要はなく、この直線上であれば上記中点位置からずれていてもよい。
この場合、移動体３０を回転させる際の回転中心は上記回転軸受２６を設けた位置になる。このため、移動体３０を回転させる際のＹ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄのそれぞれの移動量は、上記位置が回転中心になるように設定する。
エアーパッド４０は図１（ａ）に示すように移動体３０の３ケ所に設けられる。平面は３点で位置決めされるものであるから、図１０のように４ケ所に設けなくても安定性がよく、プラテン１０に対し移動体３０を支持できる。

本実施例の移動体３０の動作について説明する。
（１）移動体３０のＸＹ方向の移動。
移動体３０をＸ方向に移動させるには、前記図７、図８で説明したようにＸ方向移動用移動子２０ａ，２０ｂの磁極に巻かれたコイルに前記したような順序で電流を流す。これにより、図１（ａ）の左右方向の移動磁界が発生し、移動磁界の移動方向が同じであれば、移動子２０ａ，２０ｂはＸ方向に移動し、移動体３０はＸ方向に移動する。また、移動子２０ａ，２０ｂを等しい速度で同じ量移動させれば、移動体３０はθ回転することなくＸ方向に移動する。
移動体３０をＹ方向に移動させる場合も同様であり、プレート２５に取り付けられたＹ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄの移動方向が同じであれば、移動体３０はＹ方向に移動する。
ここで、プレート２５は、回転軸受２６を介して移動体３０に取り付けられているため、移動子２０ａ，２０ｂを逆方向に移動させても、プレート２５が回転するだけで、移動体３０は回転も移動もしない。また、移動子２０ａ，２０ｂを同方向に異なった量移動させた場合には、移動体３０はその方向に移動するが、移動子２０ａ，２０ｂの磁極とプラテン１０の凸極との直交が崩れ、駆動力が低下する。
なお、移動体３０を移動させた後、移動体３０をその位置に保持させるには、前記したように、移動子２０ａ〜２０ｄのコイルに流す電流を切らずに、そのまま流し続ける。

（２）移動体３０のθ回転及びθ回転した状態での移動。
移動体３０をθ回転させるには、図１１で説明したのと同様にＹ方向用移動子２０ｃ，２０ｄの移動磁界の移動方向を逆方向にし、移動子２０ｃ，２０ｄを逆方向に移動させる。これにより、移動体３０はθ回転する。
また、移動子２０ｃ，２０ｄの移動方向が同じであっても、移動量が異なれば、移動体３０はθ回転しながらＹ方向に移動する。
移動子２０ｃ，２０ｄは移動体に対して回転自在なので、移動体３０がθ回転したとき、図２に示すように、移動子２０ｃ，２０ｄが移動体３０に対しては回転するがプラテン１０に対しては回転せず、移動子２０ｃ，２０ｄの磁極はプラテン１０の凸極と直交する状態になる。
移動体３０のθ回転において、Ｘ方向移動用移動子２０ａ，２０ｂの磁極のコイルはＹ方向用移動子２０ｃ，２０ｄの移動によるθ回転には関係しない。
しかし、移動子２０ａ，２０ｂが取り付けられたプレート２５は、移動体３０に対して回転自在である。したがって、移動体がθ回転したとき、移動子２０ａ，２０ｂの磁極と、プラテン１０の凸極の吸引力によりプレート２５が回転し、プラテン１０の凸極と直交する自然な状態を保ったまま保持される。

即ち、移動体３０がθ回転しても、各移動子２０ａ〜２０ｄの磁極は全てプラテン１０との直交は崩れておらず、移動体３０が回転していない状態と基本的に変わりがない。
つまり、移動体３０がθ回転した状態であっても、各移動子２０ａ〜２０ｄの磁極は、プラテン１０の凸極に対し、所定の関係を維持できる。
したがって、この状態で、Ｘ方向移動用移動子２０ａ，２０ｂにおいて、同じ方向に磁界を移動させれば、移動体はＸ方向に移動する。Ｙ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄにおいて、同じ方向に磁界を移動させれば移動体３０はＹ方向に直線移動する。

上述した動作を実現させるためには、次の条件を満たすように、移動体３０に対してＸ方向移動用移動子２０ａ，２０ｂとＹ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄを設ける必要がある。
（Ａ）Ｘ方向移動用移動子２０ａ，２０ｂ、Ｙ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄともに、その幾何学中心に回転中心がある。
（Ｂ）２個のＹ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄの回転中心を結んでできる直線上に、Ｘ方向移動用移動子２０ａ，２０ｂの回転中心がある。
なお、２個のＹ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄの回転中心を結んでできる直線上の中点にＸ方向移動用移動子２０ａ，２０ｂの回転中心を設ければ、Ｙ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄを逆方向に等しい量移動させることで上記中点を中心として移動体３０をθ回転させることができる。

上記の条件が満たされれば、移動子２０ａ〜２０ｄを移動体３０に図３〜図５に示すように配置することも考えられる。
図３に示すように、移動体３０の中心からずれた位置に、Ｘ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄの回転中心を設ける。
また、２個のＸ方向移動用移動子２０ａ，２０ｂをプレート２５に取り付けたものではなく、図４に示すように、一個の移動子２０ｅの幾何学的中心に回転軸受２６を設け、この回転軸受を介して、移動子２０ｅを移動体３０に取り付ける。
さらに、図５に示すように、Ｙ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄを移動体３０に対して斜め方向（対角線方向）に取り付けてもよい。
また図６に示すように、２個のＹ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄの回転中心を結んでできる直線上の中点に、Ｘ方向移動用移動子２０ａ，２０ｂの回転中心を設けなくてもよい。図６に示すように構成する場合には、移動体３０をθ回転させる際、Ｙ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄの移動量ｄ１，ｄ２を、ｄ１／ｄ２＝Ｌ１／Ｌ２になるように設定する。ここで、Ｌ１，Ｌ２は、移動子２０ｃ，移動子２０ｄの中心Ｐ１，Ｐ２と上記回転中心Ｏとの距離である。Ｙ方向移動用移動子２０ｃ，２０ｄを逆方向にｄ１，ｄ２移動させることで、移動体３０を回転中心Ｏを中心としてθ回転させることができる。

本発明の実施例の平面ステージの構成を示す図である。 本発明の実施例の平面ステージにおいて、移動体をθ回転させた状態を示す図である。 本発明の実施例の平面ステージの変形例（１）を示す図である。 本発明の実施例の平面ステージの変形例（２）を示す図である。 本発明の実施例の平面ステージの変形例（３）を示す図である。 本発明の実施例の平面ステージの変形例（４）を示す図である。 従来の平面ステージの動作原理を説明する図（１）である。 従来の平面ステージの動作原理を説明する図（２）である。 図７、図８に示す平面ステージにおいて磁極のコイルに流す電流のタイミングチャートである。 図７、図８に示した移動子の具体的な構成例を示す図である。 ４個の移動子を移動体に設けた従来の平面ステージの構成を示す図である。 平面ステージをθ回転させる場合を説明する図である。 図１１において移動体をθ回転させたときの磁極の状態を示す図である。

符号の説明

１０ プラテン
１０ａ 非磁性体
１１〜１７ 凸極
２０，２０ａ〜２０ｄ 移動子
２１ 永久磁石
２２ａ〜２２ｄ 磁極
２３ａ，２３ｂ コイル
２４ 回転軸受
２５ プレート
２６ 回転軸受
３０ 移動体
４０ エアーパッド

Claims (1)

1. 碁盤目状に凸極が設けられた平面状のプラテン上を、上記プラテン平面において直交するＸＹ座標軸の各軸方向に移動磁界を発生する磁極を有する移動子を備えた移動体が移動する平面ステージ装置であって、
   上記各軸方向に移動磁界を発生する磁極を有する移動子は、
   上記座標軸のＹ軸方向に移動磁界を発生させる磁極を備えた２個のＹ方向移動用移動子と、上記座標軸のＸ軸方向に移動磁界を発生させる磁極を備えたＸ方向移動用移動子とからなり、
   上記２個のＹ方向移動用移動子は、上記移動体のＸ軸上もしくはＸ軸に対して斜め方向の２ケ所に、当該Ｙ方向移動子の幾何学中心を回転軸として回転自在に取り付けられ、
   上記Ｘ方向移動用移動子は、上記２個のＹ方向移動用移動子の回転中心を結んでできる直線上であって上記２個のＹ方向移動用移動子の間に、当該Ｘ方向移動子または当該Ｘ方向移動子を取り付けたプレートの幾何学中心を置き、該幾何学中心を回転軸として回転自在に取り付けられている
   ことを特徴とする平面ステージ。

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