JP7192518B2 - 平面ステージ装置 - 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装置に関する。

近年、露光装置などの加工装置においては、平面状のプラテン上を、一方の面がワークを載置するためのワークステージとなる移動体が移動する平面ステージが用いられている。
例えば特許文献１には、碁盤目状に凸極が設けられた平面状のプラテン上を、移動体が移動する平面ステージが開示されている。ここで、移動体は、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る。この平面ステージでは、プラテン上において、エアの作用により浮上した状態の移動体の移動子に対して磁力を印加し、移動子の磁極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、移動体をプラテン上において水平移動させるようにしている。

上記の平面ステージにおいて、移動子には永久磁石が取り付けられている。また、移動子は、プラテンの凸極の間隔に応じた間隔で設けられた磁極を有する。各磁極にはそれぞれコイルが巻かれており、コイルに電流が流されると各磁極は電磁石となる。永久磁石が作る磁界と電磁石が作る磁界の方向が同じであれば、磁界は強め合い、永久磁石が作る磁界と電磁石が作る磁界の方向が反対であれば、磁界は打ち消される。したがって、各磁極に巻かれたコイルに流す電流を制御することにより、移動子に推力を発生させて移動体を移動させることができる。
このような構成を有する平面ステージは、サーフェスモータステージ、ソーヤモータステージなどと称される。

特許第４５８１６４１号公報

上記特許文献１に記載の平面ステージでは、移動体の移動方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の磁極を有する移動子に対して１つの永久磁石が設けられている。そして、当該永久磁石が与える移動体の移動方向のバイアス磁界を、電磁石が作る磁界によって強めたり弱めたりすることで各磁極に発生する磁力を変化させ、移動体を移動させている。
しかしながら、この場合、移動体の移動方向における永久磁石の配置位置に依存して、各磁極においては、永久磁石によって作られる磁場の強さにばらつきが生じる。すると、各磁極においてコイル電流を制御して、永久磁石により作られる磁界を強めたり打ち消したりする方向に磁界を発生させても、磁極間の磁力に適切に差を設けることができず、効率良く推力が得られない場合がある。
そこで、本発明は、効率良く推力が得られる平面ステージ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る平面ステージ装置の一態様は、平面状のプラテンと、前記プラテン上を第１方向に移動する移動体と、を備える平面ステージ装置であって、前記プラテンは、炭素繊維の配向方向が前記第１方向に沿って設定された炭素繊維プラスチックにより構成された基台と、前記基台上にストライプ状に設けられた凸極と、を備え、前記凸極は、互いに絶縁された複数の棒状の磁性体であって、長手方向を前記第１方向に直交する第２方向に一致させ、前記第１方向に一定間隔で平行に配置されており、前記移動体は、前記第１方向に所定の間隔で配置された複数の磁極を有し、前記第２方向の磁界により前記複数の磁極にそれぞれ発生する前記凸極との間の磁力によって、前記第１方向に移動する。

このように、移動体の移動方向に対して直交する方向の磁界によって、移動体の移動方向に所定の間隔で配置された複数の磁極についてそれぞれプラテンの凸極との間で磁力を発生させる。そのため、移動体の移動方向の磁界によって、移動体の移動方向に所定の間隔で配置された複数の磁極についてそれぞれプラテンの凸極との間で磁力を発生させる従来方式と比較して、上記複数の磁極における磁場のばらつきを抑制することができる。したがって、移動体の移動方向においてバランスの良い磁場を作ることができ、効率良く移動体の推力を得ることができる。
また、プラテンは、炭素繊維プラスチック（ＣＦＲＰ）からなる基台上にストライプ状の凸極を設けた構成を有する。このように、凸極どうしが基台への接触面側において繋がっていないため、凸極（磁性体）の熱膨張率が、基台（ＣＦＲＰ）の熱膨張率に対して大きくても、温度変化による凸極の反りや剥がれは生じにくい。さらに、凸極の長手方向を、基台の炭素繊維の配向方向に対して直交する方向に一致させる。ＣＦＲＰからなる基台の熱膨張率は、炭素繊維の配向比が高い方向に小さい。凸極の長手方向を、基台の炭素繊維の配向方向に対して直交する方向、つまり、基台の熱膨張率の大きい方向（基台と凸極との熱膨張率の差が小さい方向）に一致させることで、温度変化による凸極の反りや剥がれを抑制することができる。このように、軽量で、かつ温度変化による変形の少ないプラテンとすることができる。

また、上記の平面ステージ装置において、前記移動体は、前記複数の磁極として、前記第２方向に沿って配置された磁極の組を、前記第１方向に沿って複数組有し、前記磁極の組にそれぞれ対応して設けられ、対応する前記磁極の組に、前記第２方向の磁界により前記凸極との間の磁力を発生させる磁力発生部と、前記磁力発生部が発生する磁力を制御する制御部と、を備え、前記磁力発生部は、前記第２方向のバイアス磁界を与える永久磁石と、前記磁極の周囲をそれぞれ巻回し、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向の磁界を与えるコイルと、を備え、前記制御部は、前記コイルに流す電流を制御してもよい。
このように、移動体の移動方向に沿って配置された磁極の組ごとに磁力発生部を設けることで、磁界の強さが特定の磁極に偏って生じることを抑制することができる。したがって、移動体の移動方向における磁極間の磁力の差を適切に制御することができ、効率良く移動体の推力を得ることができる。
さらに、上記の平面ステージ装置において、前記永久磁石は、前記磁極の上方にそれぞれ個別に設けられていてもよい。これにより、各磁極において永久磁石が作る磁界を強めることができ、移動体の推力を上げることが可能となる。

また、上記の平面ステージ装置において、前記基台は、炭素繊維が一方向に引き揃えられた一方向性の炭素繊維強化プラスチックにより構成されていてもよい。この場合、基台の熱膨張率に適切に異方性を持たせることができる。したがって、凸極の熱膨張率との差が小さくなる方向に、凸極の長手方向を設定することができ、適切に温度変化による変形を抑制することができる。
さらに、上記の平面ステージ装置において、前記基台は、その長手方向が前記炭素繊維の配向方向に一致していてもよい。この場合、凸極の長手方向を、基台の短手方向に一致させることができ、凸極の長手方向の長さを、基台の短手方向の長さと同等またはそれよりも短い長さとすることができる。したがって、温度変化による凸極の反りや剥がれを抑制することができる。
また、炭素繊維の剛性は、その配向方向に沿う方向が高い。そのため、ステージの長手方向を炭素繊維の配向方向に一致させることにより、長いステージであっても歪やたわみの少ないステージを実現することができる。

本発明によれば、効率良く推力が得られる平面ステージ装置とすることができる。

本実施形態における平面ステージ装置の概略構成図である。 本実施形態におけるプラテンの構成を示す斜視図である。 本実施形態における移動子の構成を示す断面図である。 本実施形態における移動子の構成を示す分解斜視図である。 本実施形態における平面ステージ装置の動作原理を説明する図である。 本実施形態における平面ステージ装置の動作原理を説明する図である。 本実施形態における平面ステージ装置の動作原理を説明する図である。 本実施形態における平面ステージ装置の動作原理を説明する図である。 従来の平面ステージ装置の動作原理を説明する図である。 従来の平面ステージ装置の動作原理を説明する図である。 従来の平面ステージ装置の動作原理を説明する図である。 従来の平面ステージ装置の動作原理を説明する図である。 従来のプラテンの課題を説明する図である。 従来のプラテンの課題を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態における平面ステージ装置１００の概略構成図である。
平面ステージ装置１００は、平面状のプラテン１０と、プラテン１０上を水平方向（Ｘ方向）に移動可能な移動体２０と、を備える。本実施形態における平面ステージ装置１００は、例えば、ワークＷを加工する加工装置のワークステージとして使用することができる。

プラテン１０は、基台１１と、基台１１上に設けられた凸極１２と、を備える。
基台１１は、炭素繊維強化プラスチック部材（ＣＦＲＰ部材）により構成されている。ＣＦＲＰ部材は、複数のプリプレグが積層された構成を有する。プリプレグは、炭素繊維に、繊維の方向性を持たせたまま樹脂を含浸させたシート状の部材である。プリプレグを構成する樹脂は、例えば熱硬化性のエポキシ樹脂である。なお、プリプレグを構成する樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、フェノール、シアネートエステル、ポリイミド等の熱硬化性樹脂を用いることもできる。

本実施形態では、プリプレグとして、繊維の方向が一方向にのみ伸びているＵＤ（ＵＮＩ－ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ）材）を使用する。そして、型の中に、複数のＵＤ材を繊維の方向が一致するように積層し、減圧下で１２０℃～１３０℃程度に加熱し、加圧（圧着）して硬化させることでＣＦＲＰ部材が成形される。これにより、炭素繊維が一方向に引き揃えられた一方向性のＣＦＲＰ部材とすることができる。
なお、ＣＦＲＰ部材は、異方性を持たせるように繊維の配向が設定されていればよく、一方向性のＣＦＲＰ部材に限定されるものではない。
このようにして製作されたＣＦＲＰ部材は、鉄やアルミなどの金属材料よりも低密度（即ち軽い）でありながら、高強度な材料となる。基台１１は、上記の完成されたＣＦＲＰ部材を所望の大きさに切り出した部材である。

基台１１は、炭素繊維の配向方向が、移動体２０の移動方向であるＸ方向に沿って設定されている。ここで、炭素繊維の配向方向とは、積層構造全体において繊維配向比が最も高い方向である。つまり、基台１１は、複数のＵＤ材を、炭素繊維の方向がＸ方向に一致するように積層されたＣＦＲＰ部材により構成されている。
また、基台１１は、その長手方向を炭素繊維の配向方向であるＸ方向に一致させた細長い形状の部材とすることができる。例えば、基台１１のＸ方向の長さは４ｍ程度であり、基台１１のＹ方向の長さは１００ｍｍ～２００ｍｍ程度とすることができる。

そして、基台１１上には、図２に示すように、ストライプ状の凸極１２が設けられている。凸極１２は、図２に示すように複数の棒状の磁性体（金属）により構成されている。棒状の凸極１２は、その長手方向をＹ方向に一致させた状態で、Ｘ方向に沿って一定間隔で平行に配置されている。つまり、凸極１２の長手方向は、移動体２０の移動方向に対して直交する方向であり、基台１１の炭素繊維の配向方向に対して直交する方向であるＹ方向に一致している。
なお、図２において、凸極１２のＹ方向（長手方向）における長さは、基台１１のＹ方向における長さよりも短いが、基台１１のＹ方向における長さと同等であってもよい。

凸極１２は、基台１１に対して、例えば樹脂の接着剤などにより固定されている。なお、図１および図２においては、上記の接着剤の図示は省略している。
また、図１に示すように、凸極１２と凸極１２との間は、非磁性体１３により埋められている。非磁性体１３は、例えば樹脂により構成されている。なお、図２においては、非磁性体１３の図示は省略している。
このように、それぞれの凸極１２は、基台１１であるＣＦＲＰ部材の炭素繊維の配向方向に沿って平行に並べられており、また凸極１２どうしは互いに独立しており絶縁されている。つまり、凸極１２どうしは電磁気的に繋がっていない。

本実施形態における平面ステージ装置１００は、プラテン１０上に移動体２０をエアにより浮上させ、移動体２０に磁力を印加して、移動体２０とプラテン１０の各凸極１２との間の磁力を変化させることにより移動体２０を水平方向（Ｘ方向）に移動させる。
移動体２０の一方の面（図１における上面）は、ワークＷを載置するためのステージ面であり、他方の面（図１における下面）には、Ｘ方向に所定の間隔で配置された複数の磁極を有する移動子２１が設けられている。また、特に図示しないが、移動体２０の他方の面には、エアを吹き出すエアーパッドが設けられている。

本実施形態における移動子２１は、移動体２０の移動方向であるＸ方向に対して直交する方向（Ｙ方向）の磁界により、Ｘ方向に所定の間隔で配置された複数の磁極にそれぞれ凸極１２との間の磁力を発生させる。移動体２０は、移動子２１の磁極と凸極１２との間に発生する磁力によってＸ方向に移動する。
なお、以下の説明において、移動子の移動方向に対して直交する方向の磁界によって移動子に磁力を印加する機構を「トランスバース方式」、移動子の移動方向に沿った（移動方向と平行な）磁界によって移動子に磁力を印加する機構を「アキシャル方式」という。

図３は、移動子２１の構成を示す断面図である。この図３においては、移動子２１は、紙面垂直方向に移動する。
移動子２１は、コイル２２ａが巻かれた磁極２３ａと、コイル２２ｂが巻かれた磁極２３ｂと、を備える。磁極２３ａおよび磁極２３ｂは、その磁極面がプラテン１０の凸極１２の上面に対向するように設けられる。また、移動子２１は、磁極２３ａ、２３ｂの上方にそれぞれ個別に配置された永久磁石２４ａ、２４ｂと、永久磁石２４ａ、２４ｂ上に、磁極２３ａと磁極２３ｂとを繋ぐように差し渡したバックヨーク２５と、を備える。バックヨークは、磁性体（金属）である。
駆動回路（制御部）３０は、コイル２２ａ、２２ｂに流す電流を制御することができる。

図３に示す構成により、永久磁石２４ａ、２４ｂは、プラテン１０の凸極１２が伸びる方向（移動体２０の移動方向に対して直交する方向）であるＹ方向に、点線矢印で示すバイアス磁界を与える。また、コイル２２ａ、２２ｂに電流が流されると、各磁極２３ａ、２３ｂは電磁石となり、コイル電流の方向に応じたＺ方向の磁界を与える。
これにより、磁極の組２３ａ、２３ｂには凸極１２との間の磁力が発生する。また、駆動回路３０によってコイル２２ａ、２２ｂに流す電流を制御することで、永久磁石２４ａ、２４ｂが与えるバイアス磁界を電磁石が作る磁界によって強めたり弱めたりすることができ、磁極の組２３ａ、２３ｂに発生する磁力を変化させることができる。
このように、移動子２１は、磁極の組２３ａ、２３ｂに、Ｙ方向の磁界により凸極１２との間の磁力を発生させる磁力発生部を備える。ここで、磁極２３ａ、２３ｂに対応するコイル２２ａ、２２ｂ、永久磁石２４ａ、２４ｂおよびバックヨーク２５が磁力発生部に対応している。

また、移動子２１は、Ｙ方向に沿って配置された磁極の組（図３では磁極２３ａ、２３ｂ）を、Ｘ方向に沿って所定の間隔で複数組有する。さらに、移動子２１は、複数の磁極の組にそれぞれ対応して、磁力発生部を複数備える。
図４は、移動子２１の分解斜視図である。図４においては、磁極２３ａと磁極２３ｂ、磁極２３ｃと磁極２３ｄ、磁極２３ｅと磁極２３ｆ、磁極２３ｇと磁極２３ｈをそれぞれ一組とした磁極の組となっている。なお、図４においては、コイルの図示は省略している。図４では、磁極の組を４組としているが、磁極の組の数は図４に示す数に限定されない。

この図４に示すように、移動子２１は、４つの磁極の組と、磁極の組にそれぞれ対応して設けられた４組の磁力発生部と、を備える。
つまり、各磁極２３ａ～２３ｈの上には、それぞれ永久磁石２４ａ～２４ｈが配置され、その上に、磁極２３ａと磁極２３ｂ、磁極２３ｃと磁極２３ｄ、磁極２３ｅと磁極２３ｆ、磁極２３ｇと磁極２３ｈをそれぞれ繋ぐようにバックヨーク２５が配置される。また、各磁極２３ａ～２３ｈの周囲には、それぞれ不図示のコイルが巻回されており、当該コイルに流す電流を制御することで、各磁極と凸極１２との間の磁力を変化させることができる。

次に、移動子２１の動作について、図５～図８を参照しながら説明する。図５～図８において、図面左右方向が移動体２０の移動方向である。また、図５～図８において、プラテン１０の凸極１２を、移動体２０の移動方向における上流側から順に、凸極１２ａ、凸極１２ｂ、凸極１２ｃ、…、としている。
なお、図５～図８においては、移動子２１を磁極２３ａ，２３ｃ，２３ｅ，２３ｇ側から見た図を示している。磁極２３ｂ，２３ｄ，２３ｆ，２３ｈは、それぞれ磁極２３ａ，２３ｃ，２３ｅ，２３ｇの紙面奥に存在する。
図５～図８に示すように、各バックヨーク２５の上には平面度の良い板部材２６を設け、この板部材２６を、ワークＷを載置するためのワークステージすることができる。

凸極１２ａ、凸極１２ｂ、凸極１２ｃ、…は、一定間隔で設けられている。プラテン１０の凸極間は非磁性体１３で埋められており、Ｘ方向におけるプラテン１０の凸極の幅と非磁性体１３の幅とは等しい。
また、Ｘ方向において、プラテン１０の凸極の幅および間隔をａ（凸極のピッチＰ＝２ａ）とした場合、磁極２３ａと磁極２３ｃとの間隔は２ａ、磁極２３ｃと磁極２３ｅとの間隔は２．５ａ、磁極２３ｅと磁極２３ｇとの間隔は２ａである。
なお、特に図示しないが、移動子２１の各磁極のプラテン１０と対向する側の端部は、複数のさらに小さな凸極から構成されていてもよい。この場合、小さな凸極のピッチは、プラテン１０の凸極のピッチと同等とする。また、本実施形態では、４つの磁極の組を用いて動作を説明するため、Ｘ方向における磁極の間隔を上記の値としているが、磁極の間隔は、磁極の組の数に応じて適宜設定するものとする。

上述したように、磁極２３ａ～２３ｈのそれぞれにはコイル２２ａ～２２ｈが巻かれており、コイル２２ａ～２２ｈに電流が流されると、各磁極２３ａ～２３ｈは電磁石となる。永久磁石２４ａ～２４ｈの作る磁界と電磁石が作る磁界の方向が同じであれば、磁界は強め合う。一方、永久磁石２２ａ～２２ｈの作る磁界と電磁石が作る磁界が反対であれば、磁界は打ち消される。
磁極２３ａ～２３ｈに巻かれた各コイル２２ａ～２２ｈには、駆動回路３０から電流を流すことができ、各コイル２２ａ～２２ｈに流す電流を制御することにより、凸極１２と強く引き合う磁極を変化させることができる。これにより、移動子２１は図５～図８における左右方向に移動する。

以下、移動子２１が図５～図８における右方向に移動する動作原理について説明する。
なお、図５～図８は、移動子２１を磁極２３ａ，２３ｃ，２３ｅ，２３ｇ側から見た図であるため、磁極２３ａ，２３ｃ，２３ｅ，２３ｇの動作を例にして説明を行うが、磁極２３ｂ，２３ｄ，２３ｆ，２３ｈについても、同様の動作が行われているものとする。
（１）ＳＴＥＰ１：図５に示すように、移動子２１の磁極２３ａのコイル２２ａに、磁極２３ａの磁力を強めるように電流を流す。一方、磁極２３ｃのコイル２２ｃには、磁極２３ｃの磁力を打ち消すように電流を流す。また、磁極２３ｅのコイル２２ｅと磁極２３ｇのコイル２２ｇには電流を流さない。
磁極２３ａは磁力が強められるので、プラテン１０の凸極１２ａと強く引き合い、磁極２３ａと凸極１２ａとが対向する位置になる。
磁極２３ｃは磁力が打ち消され、凸極１２ｂと凸極１２ｃとの間の非磁性体１３上に位置する。磁極２３ｅと磁極２３ｇとは、それぞれ斜め方向の凸極１２ｄ、凸極１２ｆと引き合う。

（２）ＳＴＥＰ２：図６に示すように、磁極２３ａのコイル２２ａと磁極２３ｃのコイル２２ｃの電流を止め、磁極２３ｇのコイル２２ｇに、磁極２３ｇの磁力を強めるように電流を流す。また、磁極２３ｅのコイル２２ｅには、磁力を打ち消すように電流を流す。
磁極２３ｇは凸極１２ｆと強く引き合い、磁極２３ｅは磁力を打ち消され、凸極１２ｄと引き合わなくなる。したがって、磁極２３ｇが凸極１２ｆと対向するように、移動子２１は同図右方向に移動する。磁極２３ａと磁極２３ｃとは、それぞれ斜め方向の凸極１２ａ、凸極１２ｃと引き合う。

（３）ＳＴＥＰ３：図７に示すように、磁極２３ｇのコイル２２ｇと磁極２３ｅのコイル２２ｅの電流を止め、磁極２３ｃのコイル２２ｃに、磁極２３ｃの磁力を強めるように電流を流す。また、磁極２３ａのコイル２２ａに、磁極２３ａの磁力を打ち消すように電流を流す。
磁極２３ｃは凸極１２ｃと強く引き合い、磁極２３ａは磁力を打ち消され、凸極１２ａと引き合わなくなる。したがって、磁極２３ｃが凸極１２ｃと対向するように、移動子２１は同図右方向に移動する。磁極２３ｅと磁極２３ｇとは、それぞれ斜め方向の凸極１２ｅ、凸極１２ｆと引き合う。
（４）ＳＴＥＰ４：図８に示すように、磁極２３ａのコイル２２ａと磁極２３ｃのコイル２２ｃの電流を止め、磁極２３ｅのコイル２２ｅに、磁極２３ｅの磁力を強めるように電流を流す。また、磁極２３ｇのコイル２２ｇに、磁極２３ｇの磁力を打ち消すように電流を流す。
磁極２３ｅは凸極１２ｅと強く引き合い、磁極２３ｇは磁力を打ち消され、凸極１２ｆと引き合わなくなる。したがって、磁極２３ｅが凸極１２ｅと対向するように、移動子２１は同図右方向に移動する。

ここで、従来のアキシャル方式の平面ステージ装置の動作について、図９～図１２を参照しながら説明する。
図９～図１２に示すように、従来の平面ステージ装置は、プラテン２１０上を、移動子２２１が移動可能な構成を有する。
ここで、プラテン２１０は、Ｘ方向に一定間隔で設けられた複数の強磁性体の凸極２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、…、を有する。凸極と凸極との間は、非磁性体２１３により埋められている。また、凸極どうしは、下部にて電気的に繋がっている。
移動子２２１は、コイル２２２ａが巻かれた磁極２２３ａおよび磁極２２３ｂと、コイル２２２ｂが巻かれた磁極２２３ｃおよび磁極２２３ｄと、を備える。また、移動子２２１は、その中央位置に永久磁石２２４を備える。この永久磁石２２４により、４つの磁極２２３ａ～２２３ｄには、移動子２２１の移動方向（Ｘ方向）に沿った方向の磁界が発生する。

そして、コイル２２２ａ，２２２ｂに電流が流されると、各磁極２２３ａ～２２３ｄは電磁石となる。永久磁石２２４の作る磁界と電磁石が作る磁界の方向が同じであれば、磁界は強め合い、永久磁石２２４の作る磁界と電磁石が作る磁界が反対であれば、磁界は打ち消される。なお、図９～図１２中の＋、－は、コイルに流す電流方向を示している。
磁極２２３ａ～２２３ｄに巻かれた各コイル２２２ａ、２２２ｂには、図示しない駆動回路から電流を流すことができる。これにより移動磁界が発生し、移動子２２１が図９～図１２における左右方向に移動する。
なお、プラテン２１０の凸極のピッチと移動子２２１の磁極のピッチとの関係は、上述した図５～図８に示すプラテン１０の凸極のピッチと移動子２１の磁極のピッチとの関係と同様である。

以下、移動子２２１が図９～図１２における右方向に移動する動作原理について説明する。
（１）ＳＴＥＰ１：図９に示すように、移動子２２１の磁極２２３ａ，２２３ｂ側のコイル２２２ａに、磁極２２３ａの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２３ｃ，２２３ｄのコイル２２２ｂには電流を流さない。磁極２２３ａは磁力が強められるので、プラテン２１０の凸極２１２ａと強く引き合い、磁極２２３ａと凸極２１２ａとが対向する位置になる。
磁極２２３ｂは磁力が打ち消され、凸極２１２ｂと凸極２１２ｃの間の非磁性体２１３上に位置する。磁極２２３ｃと磁極２２３ｄとは、それぞれ斜め方向の凸極２１２ｄ、凸極２１２ｆと引き合う。
（２）ＳＴＥＰ２：図１０に示すように、磁極２２３ａ，２２３ｂ側のコイル２２２ａの電流を止め、磁極２２３ｃ，２２３ｄ側のコイル２２２ｂに、磁極２２３ｄの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２３ｄは凸極２１２ｆと強く引き合い、磁極２２３ｃは磁力を打ち消され、凸極２１２ｄと引き合わなくなる。
したがって、磁極２２３ｄが凸極２１２ｆと対向するように、移動子２２１は同図右方向に移動する。磁極２２２ａと磁極２２２ｂとは、それぞれ斜め方向の凸極２１２ａ、凸極２１２ｃと引き合う。

（３）ＳＴＥＰ３：図１１に示すように、磁極２２３ｃ，２２３ｄ側のコイル２２２ｂの電流を止め、磁極２２３ａ，２２３ｂ側のコイル２２２ａに、磁極２２３ｂの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２３ｂは凸極２１２ｃと強く引き合い、磁極２２３ａは磁力を打ち消され、凸極２１２ａと引き合わなくなる。
したがって、磁極２２３ｂが凸極２１２ｃと対向するように、移動子２２１は同図右方向に移動する。磁極２２２ｃと磁極２２２ｄとは、それぞれ斜め方向の凸極２１２ｅ、凸極２１２ｆと引き合う。
（４）ＳＴＥＰ４：図１２に示すように、磁極２２３ａ，２２３ｂ側のコイル２２２ａの電流を止め、磁極２２３ｃ，２２３ｄ側のコイル２２２ｂに、磁極２２３ｃの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２３ｃは凸極２１２ｅと強く引き合い、磁極２２３ｄは磁力を打ち消され、凸極２１２ｆと引き合わなくなる。
したがって、磁極２２３ｃが凸極２１２ｅと対向するように、移動子２２１は同図右方向に移動する。

このように、従来の平面ステージ装置においては、移動子２２１の各磁極２２３ａ～２２３ｄには、永久磁石２２４によって移動子２２１の移動方向（Ｘ方向）に沿った方向の磁界が与えられる。そのため、プラテン２１０の凸極どうしは、プラテン２１０の表面においては非磁性体２１３により区切られているが、下部において電気的に繋がっていなければならない。そこで、従来のプラテン２１０は、全体を磁性体である金属により製作されていた。
しかしながら、平面ステージ装置を、大型のワークを長い距離移動させるような加工装置のワークステージに用いる場合、プラテンは移動子の移動距離に応じた大型のものとなる。さらに、プラテンには高い平面度が必要である。このように大型でかつ高い平面度を維持するためには、プラテン全体に高い剛性が必要であり、そのためにはプラテンの厚みを厚くする必要がある。プラテン全体を金属により製作した場合、プラテンは大きくて厚い金属の塊となり、平面ステージ装置全体は、非常に重いものになってしまう。また、ワークが大型で重たい場合、ワークを載置する側を固定し、プラテン側を移動させてワークを加工することも考えられる。したがって、プラテンは軽量であることが望まれる。

プラテンの軽量化を実現するためには、図１３に示すプラテン２１０Ａのように、軽量で高剛性のＣＦＲＰ部材により構成された基台２１１Ａの表面に、多数の凸極を形成した薄い金属板２１２Ａを接着剤により貼り付けることが考えられる。ここで、凸極と凸極との間は、樹脂である非磁性体２１３Ａにより埋められている。このような構造にすれば、プラテン全体を金属製とする場合に比べて極めて軽量になる。
ところが、図１３に示すプラテン２１０Ａのような構造とした場合、以下の問題が生じる。
金属とＣＦＲＰとでは、熱膨張率が大きく異なる。金属は熱膨張率が大きく、ＣＦＲＰは熱膨張率が極めて小さい。例えば、鉄の熱膨張係数（ＣＴＥ）は１０×１０^-6、ＣＦＲＰの熱膨張係数（ＣＴＥ）は０．５～－１．５×１０^-6である。そのため、両者の熱膨張率の違いにより、プラテンが設置される環境のわずかな温度変化によって、プラテン全体に反りなどの変形が生じてしまう。場合によっては、図１４に示すように、プラテン２１０Ａの本体である基台（ＣＦＲＰ）２１１Ａから金属板２１２Ａが剥がれてしまうといった事態も生じ得る。

上記のように、熱膨張率の異なる二種類の物質であって、大きな面積を有するもの同士、あるいは一方向に長尺のもの同士を張り合わせた場合、上述したように、温度変化により両者に反りや剥がれが生じてしまう。
これに対して、本実施形態における平面ステージ装置１００のプラテン１０は、ＣＦＲＰ部材からなる基台１１上にストライプ状の凸極１２を設けた構成を有する。このように、各凸極１２は棒状の形状を有し、独立して基台１１上に配置されている。つまり、凸極１２どうしは、基台１１への接触面側において繋がっていない。そのため、凸極１２である金属（磁性体）の熱膨張率が、基台１１であるプレプリグ（ＣＦＲＰ）の熱膨張率に対して大きかったとしても、温度変化による凸極１２の反りや剥がれは生じにくい。なぜなら、各凸極１２のＸ方向の長さは短いので、実際の熱伸縮の大きさは小さく、凸極１２間にある非磁性体１３が樹脂である場合、樹脂の伸縮が凸極１２の伸縮を吸収するからである。
また、凸極１２の長手方向は、基台１１の長手方向に直交する方向に一致している。つまり、凸極１２は、基台１１の短手方向の長さと同等またはそれよりも短い長さを有する。このように、凸極１２は、比較的短い棒状の部材からなるため、温度変化による凸極１２の反りや剥がれは生じにくい。

さらに、本実施形態では、プラテン１０の基台１１は、複数のプリプレグを繊維の方向が同じになるように積層させたＣＦＲＰ部材とすることができる。そして、基台１１の長手方向を、基台１１の炭素繊維の配向方向に一致させ、凸極１２の長手方向を、基台１１の炭素繊維の配向方向に対して直交する方向に一致させることができる。
炭素繊維の配向に異方性を持たせたＣＦＲＰ部材の場合、炭素繊維の配向方向の熱膨張率は、繊維単体の熱膨張率に近くなる。繊維単体の熱膨張率は非常に小さい。したがって、炭素繊維の配向方向の熱膨張率は（配向方向に直交する方向に比べて）小さい。上記構成の場合、基台１１の熱膨張率の大きい方向、即ち凸極（磁性体＝金属）１２との熱膨張率との差が小さい方向に凸極１２の長手方向を一致させることになるため、基台１１の熱膨張率の小さい方向、即ち凸極（磁性体＝金属）１２との熱膨張率との差が大きい方向においては、凸極１２は互いに独立して繋がっていない。また、凸極１２は棒状であり、この方向においては凸極１２の長さは非常に短い。そのため、凸極１２の熱膨張率と基台１１の熱膨張率との差が大きかったとしても、実際に温度変化によって凸極１２が伸びる量は小さいので、凸極１２の反りや剥がれが生じることはない。
また、炭素繊維の配向方向の剛性は高いので、ステージの長手方向を炭素繊維の配向方向に一致させることにより、長いステージであっても歪やたわみを少なくすることができる。
以上のように、本実施形態におけるプラテン１０は、軽量で、かつ温度変化による変形、さらには自重によるたわみ、また歪の少ないプラテンとすることができる。

また、図９～図１２に示す従来のアキシャル方式の平面ステージ装置においては、Ｘ方向に沿って配置された複数の磁極２２３ａ～２２３ｄを有する移動子２２１に対して１つの永久磁石２２４が設けられている。図９～図１２では、永久磁石２２４は、移動子２２１のＸ方向中央位置に設けられている。この場合、各磁極２２３ａ～２２３ｄにおいて永久磁石２２４によって作られる磁場の強さにはばらつきが生じる。具体的には、永久磁石２２４に近い磁極２２３ｂ、２２３ｃにおいては磁場が強く、永久磁石２２４から遠い磁極２２３ａ、２２３ｄにおいては磁場が弱い。
このように、移動体の移動方向に並べて配置された各磁極２２３ａ～２２３ｄにおいて、永久磁石により与えられるバイアス磁界に差があると、効率良く移動体の推力が得られない場合がある。これは、各磁極のコイル電流を制御して永久磁石により作られる磁界を強めたり打ち消したりする方向に磁界を発生させても、磁極間の磁力に適切に差を設けることができないためである。

これに対して、本実施形態における平面ステージ装置１００は、従来のアキシャル方式に替えて、トランスバース方式を用いた平面ステージ装置とする。つまり、平面ステージ装置１００の移動体２０は、移動体２０の移動方向（Ｘ方向）に所定の間隔で配置された複数の磁極に対して、それぞれ移動体２０の移動方向に対して直交する方向（Ｙ方向）の磁界を与えることで発生する磁力によって、Ｘ方向に移動する。
具体的には、平面ステージ装置１００の移動体２０は、Ｙ方向に並べて配置された磁極の組を、Ｘ方向に複数組有する。また、移動体２０は、複数の磁極の組にそれぞれ対応して、磁極の組に対して、Ｙ方向の磁界により磁力を発生させる磁力発生部を備える。各磁力発生部は、Ｙ方向のバイアス磁界を与える永久磁石と、磁極の周囲をそれぞれ巻回し、Ｚ方向の磁界を与えるコイルと、を備え、当該コイルに流す電流を制御することで各磁力発生部が発生する磁力を制御することができる。

このように、トランスバース方式を採用することで、上述した磁場のばらつきの問題を抑制し、移動体２０の移動方向であるＸ方向においてバランスの良い磁場を容易に作ることができる。また、移動体２０の移動方向に沿って配置された磁極の組ごとに磁力発生部を設けることができるので、磁界の強さが特定の磁極に偏って生じることを抑制することができる。したがって、移動体２０の移動方向における磁極間の磁力の差を適切に制御することができ、効率良く移動体２０の推力を得ることができる。
さらに、磁力発生部を構成する永久磁石は、磁極ごとにそれぞれ配置されていてもよい。この場合、永久磁石は、それぞれ各磁極の上方（直上）に配置することができる。これにより、各磁極において永久磁石が作る磁界を強めることができ、移動体２０の推力を上げることが可能となる。
以上のように、本実施形態における平面ステージ装置１００においては、磁場のばらつきが抑制され、効率良く移動体２０の推力が得られる。

（変形例）
上記実施形態においては、移動体が一方向（Ｘ方向）のみに移動可能な平面ステージ装置１００について説明した。しかしながら、この平面ステージ装置１００を二台用い、両者を直交方向に組み合わせれば（一台目のステージ装置の上に、もう一台のステージ装置を載せれば）、移動体をプラテン平面上の直交する二方向、いわゆるＸＹ方向に移動可能な平面ステージ装置とすることができる。
また、上記実施形態においては、図４に示すように、移動子２１の各磁極にそれぞれ永久磁石を配置する場合について説明したが、磁力発生部ごとに１つずつ永久磁石を配置するようにしてもよい。つまり、移動体２０の移動方向に直交する方向に並べて配置された磁極の組（例えば、磁極２３ａと磁極２３ｂ）に対して１つの永久磁石を配置するようにしてもよい。この場合にも、図９～図１２に示す従来のアキシャル方式の平面ステージ装置と比較して、磁場のばらつきを抑制することができる。

本実施形態における平面ステージ装置１００は、例えば、ワークを露光する露光装置のワークステージとして使用することができる。また、本実施形態における平面ステージ装置１００は、例えば、レーザを基板に照射してビアホールを形成するなど、ワークを加工するレーザ加工装置のステージにも使用することができる。さらに、本実施形態における平面ステージ装置１００は、ウエハ欠陥検査装置や部品実装装置などの加工装置のステージにも使用することができる。

１０…プラテン、１１…基台（ＣＦＲＰ部材）、１２…凸極、１３…非磁性体、２０…移動体、２１…移動子、２２ａ，２２ｂ…コイル、２３ａ，２３ｂ…磁極、２４ａ，２４ｂ…永久磁石、２５…バックヨーク、２６…板部材、１００…平面ステージ装置、Ｗ…ワーク

Claims (5)

1. 平面状のプラテンと、前記プラテン上を第１方向に移動する移動体と、を備える平面ステージ装置であって、
   前記プラテンは、
   炭素繊維の配向方向が前記第１方向に沿って設定された炭素繊維プラスチックにより構成された基台と、
   前記基台上にストライプ状に設けられた凸極と、を備え、
   前記凸極は、互いに絶縁された複数の棒状の磁性体であって、長手方向を前記第１方向に直交する第２方向に一致させ、前記第１方向に一定間隔で平行に配置されており、
   前記移動体は、
   前記第１方向に所定の間隔で配置された複数の磁極を有し、
   前記第２方向の磁界により前記複数の磁極にそれぞれ発生する前記凸極との間の磁力によって、前記第１方向に移動することを特徴とする平面ステージ装置。
2. 前記移動体は、
   前記複数の磁極として、前記第２方向に沿って配置された磁極の組を、前記第１方向に沿って複数組有し、
   前記磁極の組にそれぞれ対応して設けられ、対応する前記磁極の組に、前記第２方向の磁界により前記凸極との間の磁力を発生させる磁力発生部と、
   前記磁力発生部が発生する磁力を制御する制御部と、を備え、
   前記磁力発生部は、
   前記第２方向のバイアス磁界を与える永久磁石と、
   前記磁極の周囲をそれぞれ巻回し、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向の磁界を与えるコイルと、を備え、
   前記制御部は、前記コイルに流す電流を制御することを特徴とする請求項１に記載の平面ステージ装置。
3. 前記永久磁石は、前記磁極の上方にそれぞれ個別に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の平面ステージ装置。
4. 前記基台は、炭素繊維が一方向に引き揃えられた一方向性の炭素繊維強化プラスチックにより構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の平面ステージ装置。
5. 前記基台は、その長手方向が前記炭素繊維の配向方向に一致していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の平面ステージ装置。

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