(57)【要約】  【課題】  ステージの反り量を制御することによって高精度な処理を行える移動ステージ機構を提供する。  【解決手段】  Ｘ方向ステージ１４の一方の面に配置されたＹ方向レール１５に対応して、Ｘ方向ステージ１４の他方の面に変形制御部材１８を配置し、変形制御部材１８の線膨張係数α３をＹ方向レール１５の線膨張係数α２に近づけることによって、温度変化が生じた場合にＸ方向ステージ１４の反り量を調整する（例えば低減する）ことで、Ｘ方向ステージ１４に搭載するワークに対して高精度な処理を行うことができる。【選択図】  図１
2006200929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の線膨張係数α１の材質からなるステージと、
前記ステージの一方の面に配置され、前記第１の線膨張係数α１とは異なる第２の線膨張係数α２の材質からなるレールと、
前記レールに沿って移動可能なスライダと、
前記ステージの他方の面に前記レールに対応して配置され、第３の線膨張係数α３の材質からなる変形制御部材と、を有し、
α１＜α２の場合はα１＜α３であり、α１＞α２の場合はα１＞α３であることを特徴とする移動ステージ機構。
【請求項２】
前記変形制御部材の材質は、前記レールの材質と同じであることを特徴とする請求項１に記載の移動ステージ機構。
【請求項３】
前記変形制御部材の形状は、前記レールの形状と同じであることを特徴とする請求項１または２に記載の移動ステージ機構。
【請求項４】
前記変形制御部材の長さ及び断面二次モーメントは、前記レールの長さ及び断面二次モーメントと同じであることを特徴とする請求項１または２に記載の移動ステージ機構。
【請求項５】
前記変形制御部材の長さを、前記レールの長さと異ならせたことを特徴とする請求項１に記載の移動ステージ機構。
【請求項６】
前記変形制御部材の材質を、前記レールの材質と異ならせたことを特徴とする請求項１または５に記載の移動ステージ機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば真空環境下など大気と隔絶された空間内で用いられる移動ステージ機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程などにおいては、たとえば真空環境下など大気と隔絶された空間内でワークを処理することが行われている。ここで、ワークを処理するために、ワークを保持しつつ移動させる移動ステージが用いられる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−１５５３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１においては、ワークを支持する固定盤上に、垂直壁を介して案内レールが敷設され、案内レールに沿って移動するスライド軸受により可動盤が支持されており、更に可動盤上に案内レールが敷設され、案内レールに沿って移動するスライド軸受により子可動盤が支持されており、子可動盤には昇降架台を介して検査装置などの作用端末機器が設置されている。従って、ワークに対して、作用端末機器を３次元方向に移動させることができる。
【０００４】
しかるに、例えば半導体製造工程において、電子ビーム描画装置など磁界の変化を嫌う装置を用いる場合、磁性体である鉄系の素材を避け、非磁性体であるアルミ合金、銅合金、チタン合金、セラミックなどの素材を、ワークを支持するステージの素材として利用する場合がある。これに対し、案内レールとしては、摩耗を回避すべく非磁性ステンレス鋼を用いる必要があるが、ステージの線膨張係数と案内レールの線膨張係数とが異なるため、接合時の雰囲気温度に対して動作時の雰囲気温度が上昇すると、バイメタルのような現象が生じ、ステージ及びレールが反る恐れがある。ステージが反ると、ステージ中央に保持されたワークの位置が変化し、またステージをボールねじ駆動する場合には軸心の偏心を招くので、ワークの処理に悪影響を与える恐れがある。又、レールが反ると、真直度が悪化しピッチング精度が低下するので、更にワークの処理に悪影響を与える恐れがある。
【０００５】
ステージ及びレールの反り量は、温度変化量、両者の剛性バランス、形状などに応じて変化するが、数１０μｍから場合によっては１００μｍ以上になる場合もある。特にステージを軽量化すべく薄肉化を図るなどすると、相対的にレールの剛性が高まり反り量も大きくなる傾向があり、更に移動ストローク量を長く確保するためにレールを長くするなどすると、それに応じて反り量も大きくなる。尚、アルミ合金の代わりに、セラミックなどの素材を用いてステージを形成すれば、熱膨張係数を近づけることができるが、その場合でもある程度の反りは生じるので、高精度の処理を行うためには、レールに比べて剛性の高いベースを用いたり、移動ストロークを短くするなどの制約が生じる。
【０００６】
更に、ワークを処理するプロセス室内を真空環境におく場合、かかるプロセス室内でワークを支持するステージなどは、装置の組立性や軽量化を図るため、比重が小さいアルミ合金が採用されることが多い。これは、筐体内のプロセス室にステージを収容する場合、水平方向から行われるのが一般的だからである。一方、ワークに対して処理を行う電子ビーム描画装置などの処理ツールは、筐体の上部に配置される。
【０００７】
ここで、筐体は剛性の高いステンレス系の素材で形成されることが多いが、ステージなどとの素材の線膨張係数の差に従い、たとえステージに反りが生じない場合でも、温度変化に応じて処理ツールとワークとの距離が変化する。特に、真空のプロセス室内では、気流がないので恒温化を図ることが困難である。即ち、筐体自体の温度は外気温度によってある程度調整が可能であるが、アクチュエータなどの発熱源により加熱されるステージは、一定温度に維持するのが困難である。尚、処理ツールとして電子ビーム描画装置の例をとると、一般的にワークとマスク間の距離は数μｍ〜３０μｍといわれており、これに合わせた精度が必要となっている。
【０００８】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、ステージの反り量を制御することによって高精度な処理を行える移動ステージ機構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】
【０００９】
本発明の移動ステージ機構は、
第１の線膨張係数α１の材質からなるステージと、
前記ステージの一方の面に配置され、前記第１の線膨張係数α１とは異なる第２の線膨張係数α２の材質からなるレールと、
前記レールに沿って移動可能なスライダと、
前記ステージの他方の面に前記レールに対応して配置され、第３の線膨張係数α３の材質からなる変形制御部材と、を有し、
α１＜α２の場合はα１＜α３であり、α１＞α２の場合はα１＞α３であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の移動ステージ機構によれば、前記ステージの一方の面に配置された前記レールに対応して、前記ステージの他方の面に変形制御部材を配置し、前記変形制御部材の線膨張係数α３を前記レールの線膨張係数α２に近づけることによって、温度変化が生じた場合に前記ステージの反り量を調整する（例えば低減する）ことで、前記ステージに搭載するワークに対して高精度な処理を行うことができる。
【００１１】
前記変形制御部材の材質は、前記レールの材質と同じであると、線膨張係数が等しくなるので、温度変化による前記ステージの反り量を低減させやすい。
【００１２】
前記変形制御部材の形状は、前記レールの形状と同じであると、温度変化による前記ステージの反り量を低減させやすい。
【００１３】
前記変形制御部材の長さ及び断面二次モーメントは、前記レールの長さ及び断面二次モーメントと同じであると、温度変化による前記ステージの反り量を低減させやすい。
【００１４】
以上とは逆に、前記変形制御部材の長さを、前記レールの長さと異ならせることによって、前記ステージの反り量を所定量に制御することができる。
【００１５】
又、前記変形制御部材の材質を、前記レールの材質と異ならせることによって、前記ステージの反り量を所定量に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の移動ステージ機構を含む半導体製造装置の断面図である。図２は、移動ステージ機構の上面図である。図１において、定盤１の上に設置された筐体２の上面中央には、処理ツールである検査装置３が配置されている。検査装置３は、その下面から突出させた検査プローブ３ａを有している。
【００１７】
筐体２の内部であって、定盤１の上に、移動ステージ機構１０が載置されている。移動ステージ機構１０は、定盤１上に設置されたベース１１と、ベース１１上に配置され紙面垂直方向に沿って延在する一対のＸ方向レール１２，１２と、レール１２，１２上を移動するＸ方向スライダ１３，１３と、Ｘ方向スライダ１３，１３により支持されたＸ方向ステージ１４と、Ｘ方向ステージ１４上に配置され図１で左右方向に延在する一対のＹ方向レール１５，１５と、Ｙ方向レール１５，１５上を移動するＹ方向スライダ１６，１６と、Ｙ方向スライダ１６，１６により支持されワーク（不図示）を支持するＹ方向ステージ１７と、Ｘ方向ステージ１４の下面に接合された変形制御部材１８、１８とからなる。
【００１８】
図２に示すように、Ｘ方向ステージ１４は、中央に矩形状の貫通開口１４ａを有している。貫通開口１４ａの両脇に、Ｙ方向レール１５が平行に延在するように配置されている。
【００１９】
図１において、Ｘ方向ステージ１４と、Ｙ方向ステージ１７とは、不図示のアクチュエータに連結されており、Ｙ方向ステージ１７上に支持したワークを筐体２内で２次元的に移動可能となっている。従って、検査装置３の検査プローブ３ａに対して、任意の位置にワークを移動でき、ワーク全体の検査を行えるようになっている。
【００２０】
しかるに、高精度な検査を行うためには、図１において、ワークの厚みを考慮して、定盤１からのＹ方向ステージ１７の高さＨ１と、定盤１からの検査プローブ３ａまでの高さＨ２との差を所定量に精度良く維持する必要がある。ところが、筐体２内部には熱源としてのアクチュエータが存在し、それによりステージやレールが加熱されてその温度が上昇する恐れがある。かかる場合、Ｘ方向ステージ１４は、軽量化のためアルミ合金等を用いることが多く、その上面に配置されたＹ方向レール１５，１５は、早期摩耗防止のために鋼系の材料を用いることが多いため、それらの線膨張係数の差によって、バイメタルの現象によりＸ方向ステージ１４に反りが生じる恐れがある。
【００２１】
これに対し、本実施の形態によれば、Ｘ方向ステージ１４の下面に、Ｙ方向レール１５，１５と対応づけて、同じ方向に延在するように棒状の変形制御部材１８を接合してなるので、温度変化が生じた場合におけるＸ方向ステージ１４の反り量を調整できる。
【００２２】
ここで、Ｘ方向ステージ１４の反り量の制御について説明する。図３は、Ｘ方向ステージ１４と、Ｙ方向レール１５と、変形制御部材１８のアッセンブリを側方から見た図である。図４は、その端部形状の斜視図である。水平方向に延在するＸ方向ステージ１４に反りが生じたとき、Ｙ方向レール１５の端部と中央部との垂直方向の高さの差Δを真直度として測定し、反り量を表す（真直度が０に近いほど反り量が少ない）値とする。
【００２３】
本発明者は、変形制御部材１８の有無による真直度の差、及び変形制御部材１８の形状が異なることによる真直度の差を有限要素法でシミュレーションにより求めた。表１に、本発明者が行ったシミュレーション結果を示す。尚、Ｙ方向レール１５の材質はＳＵＳ４４０Ｃ（第２の線膨張係数α２：１０．１）であり、Ｘ方向ステージ１４の材質はアルミ合金（第１の線膨張係数α１：２３．７）であり、変形制御部材１８の材質はＳＵＳ４４０Ｃ（第３の線膨張係数α３：１０．１）である。尚、Ｙ方向レール１５の長さと変形制御部材１８の長さは等しいものとする。
【００２４】
【表１】
2006200929.tif 000003
【００２５】
図４において、Ｙ方向レール１５の幅Ｗ２を２０ｍｍとし、その厚さＴ２を２０ｍｍとし、Ｘ方向ステージ１４の幅Ｗ１を４０ｍｍとし、その厚さＴ１を２０ｍｍとし、温度変化を＋１度与えたときに、表１の結果より、変形制御部材１８を設けない場合には、真直度Δ＝−１２．６μｍとなることがわかる。従って、このような変形制御部材１８を取り付けた移動ステージ機構は、例えば真直度Δが±１０μｍ以内であることが要求される用途に用いるのは不適切である。
【００２６】
更に、変形制御部材１８の幅Ｗ３を２０ｍｍとし、その厚さＴ３を４．３ｍｍとしたときの真直度Δは、−６．７μｍであり、幅Ｗ３を２０ｍｍとし、その厚さＴ３を９．３ｍｍとしたときの真直度Δは、−３．１μｍであることがわかる。従って、このような変形制御部材１８を取り付けた移動ステージ機構は、例えば真直度Δが±１０μｍ以内であることが要求される用途に十分使用可能である。
【００２７】
又、変形制御部材１８の幅Ｗ３を２０ｍｍとし、その厚さＴ３を２０ｍｍとしたときの真直度Δは、−０．０５μｍであり、幅Ｗ３を４０ｍｍとし、その厚さＴ３を１５．９ｍｍとしたときの真直度Δは、＋０．６０μｍであり、幅Ｗ３を１０ｍｍとし、その厚さＴ３を２５．２ｍｍとしたときの真直度Δは、−０．８５μｍであることがわかる。従って、このような変形制御部材１８を取り付けた移動ステージ機構は、例えば真直度Δが±１．０μｍ以内であることが要求されるきわめて高精度な用途にも使用可能である。
【００２８】
移動ステージ機構を、真直度Δが±１．０μｍ以内であることが要求されるきわめて高精度な用途にも使用可能にする変形制御部材１８は、Ｙ方向レール１５と断面二次モーメントが等しくなっている。即ち、（Ｗ２×Ｔ２3）／１２＝（Ｗ３×Ｔ３3）／１２が成立することとなる。
【００２９】
図５は、本実施の形態の変形例にかかる移動ステージ機構の側面図であり、図６は、図５の構成をVI-VI線で切断して矢印方向に見た図である。尚、本変形例において、上述した実施の形態と同様な構成については同じ符号を付すことで説明を省略する。本変形例においては、Ｘ方向ステージ１４’の下面に溝１４ｂ’を設け、かかる溝１４ｂ’の底面に変形制御部材１８を接合している。Ｙ方向レール１５の断面二次モーメントと、変形制御部材１８の断面二次モーメントが一致していれば、Ｘ方向ステージ１４’の厚さは反り量と無関係になるからである。又、このようにすることで、Ｘ方向ステージ１４’の下方のスペースを有効利用できる。
【００３０】
図７は、別の変形例にかかる図６と同様な断面図である。即ち、断面二次モーメントを等しくすれば、変形制御部材１８”は、Ｙ方向レール１５と同じ断面形状を有している必要はなく、図７に示すように、溝１４ｂ”の断面に一致する形状とでき、Ｘ方向ステージ１４’の下面は面一となるから、その下方のスペースを更に有効利用できる。
【００３１】
ところで、以上の実施の形態においては、温度変化に関わらずステージの反り量を抑えるように制御しているが、ステージの反り量を所定量に合わせることもできる。例えば、図１において、筐体２を剛性の高いステンレス系（ＳＵＳ３０４等の高炭素鋼）の素材で形成し、ベース１１をアルミ合金などの素材により形成すると、線膨張係数の差に従い、温度変化に応じて検査装置の高さＨ２と、Ｙ方向ステージ１７の高さＨ１との距離が変化する。特に、筐体２内部を真空のプロセス室とした場合、気流がないので恒温化を図ることが困難であり、筐体２自体の温度は外気温度によってある程度調整が可能であるものの、アクチュエータなどの発熱源により加熱されるベース１１等は、一定温度に維持するのが困難である。即ち、温度変化によって変わりうる検査装置の高さＨ２とＹ方向ステージ１７の高さＨ１との距離を、何らかの手法で一定にすることが必要となる場合がある。
【００３２】
そこで、以下の実施の形態においては、変形制御部材の仕様を変えることで、温度変化に応じてＸ方向ステージ１４に所定の反り量を与え、温度変化に応じて変化した検査装置の高さＨ２とＹ方向ステージ１７の高さＨ１との距離分を相殺している。
【００３３】
より具体的には、図８に示すように、変形制御部材１８’”の長さを、Ｙ方向レール１５の長さより２×ΔＬだけ短くする。それにより、図８に示すように、変形制御部材１８’”が存在しないＸ方向ステージ１４の部分のみに反りが生じ、真直度Δを大きく稼ぐことができる。即ち、長さΔＬを調整することで、真直度Δの大きさを決定できることとなる。尚、超精密テーブルのような場合、レールをストローク範囲より長くして（即ち変形制御部材をストロークに必要な長さと同一にして）、真直度の良い範囲のみ使用しても良い。
【００３４】
本発明者は、変形制御部材１８’”の長さの差による真直度の差を有限要素法でシミュレーションにより求めた。表２に、本発明者が行ったシミュレーション結果を示す。尚、Ｙ方向レール１５の材質はＳＵＳ４４０Ｃ（第２の線膨張係数α２：１０．１）であり、Ｘ方向ステージ１４の材質はアルミ合金（第１の線膨張係数α１：２３．７）であり、変形制御部材１８’”の材質はＳＵＳ４４０Ｃ（第３の線膨張係数α３：１０．１）である。
【００３５】
【表２】
2006200929.tif 000004
【００３６】
図４を参照して、Ｙ方向レール１５の幅Ｗ２を２０ｍｍとし、その厚さＴ２を２０ｍｍとし、Ｘ方向ステージ１４の幅Ｗ１を４０ｍｍとし、その厚さＴ１を２０ｍｍとし、長さを変えた変形制御部材１８’”の幅Ｗ３を２０ｍｍとし、その厚さＴ３を２０ｍｍとし、温度変化を＋１度与えたときに、表２の結果より、Ｙ方向レール１５と変形制御部材１８’”との端部同士の長さの差ΔＬに応じて、真直度Δが変化することがわかる。即ち、温度変化を＋１度与えたときに、検査装置の高さＨ２とＹ方向ステージ１７の高さＨ１との距離を−１μｍ変化させたい場合には、Ｙ方向レール１５に対して変形制御部材１８’”をΔＬ＝５０ｍｍ（両側で１００ｍｍ）短くすれば良いことがわかる。
【００３７】
更に、本発明者は、変形制御部材１８’”の長さ及びＸ方向ステージ１４’”の材質の差による真直度の差を有限要素法でシミュレーションにより求めた。表３に、本発明者が行ったシミュレーション結果を示す。尚、Ｙ方向レール１５の材質はＳＵＳ４４０Ｃ（第２の線膨張係数α２：１０．１）であり、Ｘ方向ステージ１４’”の材質はアルミナセラミック（第１の線膨張係数α１：５．８）であり、変形制御部材１８’”の材質はＳＵＳ４４０Ｃ（第３の線膨張係数α３：１０．１）である。断面形状の寸法は、表２に示す場合と同じである。
【００３８】
【表３】
2006200929.tif 000005
【００３９】
温度変化を＋１度与えたときに、表２、３の結果より、Ｙ方向レール１５と変形制御部材１８’”との端部同士の長さの差ΔＬが同じでも、Ｘ方向ステージ１４’”の材質が異なると真直度Δも変化することがわかる。即ち、Ｘ方向ステージ１４’”にアルミナセラミックを用いる場合、温度変化を＋１度与えたときに、検査装置の高さＨ２とＹ方向ステージ１７の高さＨ１との距離を−１μｍ変化させたい場合には、Ｙ方向レール１５に対して変形制御部材１８’”をΔＬ＝１００ｍｍ（両側で２００ｍｍ）短くすれば良いことがわかる。ここでは、温度差が＋１℃となる場合を例に取り説明したが、装置によっては組立環境（室温）に対して＋２００〜３００℃の高温環境で用いる場合もあり、かかる場合には、熱膨張の差が顕著となるため、本発明の効果がより有効に発揮される。
【００４０】
尚、レールやステージの全長と、レールと変形制御部材の長さの差の関係であるが、レールやステージの長さには基本的に関係ない傾向がある。むしろ、ステージの拘束条件（下面の案内レールとスライダの結合方法やスライダのローリング剛性等）、ステージとレールもしくは変形制御部材の長い方との曲げ剛性が支配的である。
【００４１】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。図８の構成では、変形制御部材１８’”をレール１５より短くしているが、例えばレール１５がアルミ製で、ステージ１４’”がセラミックなどの低膨張材等であれば、逆に変形制御部材１８’”をレール１５より長くすることも考えられる。更に、レールの材質と変形制御部材の材質とを適宜変えることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１の実施の形態の移動ステージ機構を含む半導体製造装置の断面図である。
【図２】移動ステージ機構の上面図である。
【図３】移動ステージ機構の一部の側面図である。
【図４】移動ステージ機構のレールと変更制御部材とを接合した部位の斜視図である。
【図５】本実施の形態の変形例にかかる移動ステージ機構の側面図である。
【図６】図５の構成をVI-VI線で切断して矢印方向に見た図である。
【図７】別の変形例にかかる図６と同様な断面図である。
【図８】第２の実施の形態にかかる移動ステージ機構の一部の側面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 定盤
２ 筐体
３ 検査装置
３ａ 検査プローブ
１０ 移動ステージ機構
１１ ベース
１２  Ｘ方向レール
１３  Ｘ方向スライダ
１４ Ｙ方向ステージ
１４ａ 貫通開口
１４ｂ 溝
１５  Ｙ方向レール
１６  Ｙ方向スライダ
１７ Ｙ方向ステージ
１８ 変形制御部材
Δ 真直度
ΔＬ 長さ
α１ 線膨張係数
α２ 線膨張係数
α３ 線膨張係数
【図１】
2006200929.tif 000006
【図２】
2006200929.tif 000007
【図３】
2006200929.tif 000008
【図４】
2006200929.tif 000009
【図５】
2006200929.tif 000010
【図６】
2006200929.tif 000011
【図７】
2006200929.tif 000012
【図８】
2006200929.tif 000013