(57)【要約】【課題】  本発明は、駆動機構にて生ずる熱の試料への伝達を効果的に抑制するステージ装置およびそれを用いた荷電粒子線装置の提供を目的とする。【解決手段】  上記目的を達成するために、テーブル（１）と、テーブルを所定の方向に駆動する駆動源（３、４）を備えたステージ装置であって、テーブルと前記駆動源との間に設けられる第１の接続部材（７）と、テーブルと前記駆動源との間であって、第１の部材より駆動源側に設けられる第２の接続部材（８）と、第２の接続部材に支持されるスライドユニット（１６ａ）と、スライドユニットを所定の方向に案内するレール（１１ａ）を備え、第１の接続部材は前記第２の接続部材に対して相対的に熱伝導率が低い部材が用いられるステージ装置、及び荷電粒子線装置を提案する。【選択図】  図２
2015043260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料が載置されるテーブルと、当該テーブルを所定の方向に駆動する駆動源を備えたステージ装置において、
前記テーブルと前記駆動源との間に設けられる第１の接続部材と、前記テーブルと前記駆動源との間であって、前記第１の部材より前記駆動源側に設けられる第２の接続部材と、当該第２の接続部材或いは当該第２の接続部材に支持される被支持部材に支持されるスライドユニットと、当該スライドユニットを前記所定の方向に案内するレールを備え、前記第１の接続部材は前記第２の接続部材に対して相対的に熱伝導率が低い部材が用いられることを特徴とするステージ装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記駆動源は、コイルと永久磁石を有するリニアモータであって、前記コイルは、前記テーブルに伴って移動することを特徴とするステージ装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記ステージ装置は、上下２段の２軸方向に移動できるステージからなり、下段側のステージは、ステージのベースに固定したレール上を移動し、上段側のステージは、下段側ステージのテーブルに固定した レール上を移動することを特徴とするステージ装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記下段側のステージは、テーブルに接続されるスライドユニットに接する２本のレールと、その２本のレールの間に配置するリニアモータと、前記２本のレールとは別にベースに固定したレールとを設け、その３本目のレールに前記下段側テーブルに接触しないスライドユニットを接触させることを特徴とするステージ装置。
【請求項５】
請求項３において、
前記上段側のステージは、２本のレールを備え、その２本のレールの外側にリニアモータを配置することを特徴とするステージ装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記第１の接続部材が、樹脂材料であることを特徴とするステージ装置。
【請求項７】
荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出されるビームが照射される試料を移動する試料ステージと、当該試料ステージが設置される真空チャンバを備えた荷電粒子線装置において、
前記試料ステージは、前記試料が載置されるテーブルと、当該テーブルを所定の方向に駆動する駆動源と、前記テーブルと前記駆動源との間に設けられる第１の接続部材と、前記テーブルと前記駆動源との間であって、前記第１の部材より前記駆動源側に設けられる第２の接続部材と、当該第２の接続部材或いは当該第２の接続部材に支持される被支持部材に支持されるスライドユニットと、当該スライドユニットを前記所定の方向に案内するレールを備え、前記第１の接続部材は前記第２の接続部材に対して相対的に熱伝導率が低い部材が用いられることを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージ装置及びそれを用いた荷電粒子線装置に係り、特にステージを駆動することによって生ずる発熱の影響を抑制するのに好適なステージ装置及び荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体素子の微細化に伴い、製造装置のみならず、検査や評価装置にもそれに対応した高精度化が要求されている。通常、半導体ウェハ上に形成したパターンの形状寸法が正しいか否かを評価するために、測長機能を備えた走査型電子顕微鏡（以下、測長ＳＥＭと称す）が用いられている。測長ＳＥＭでは、ウェハ上に電子線を照射し、得られた二次電子信号を画像処理し、その明暗の変化からパターンのエッジを判別して寸法を導き出している。
【０００３】
一方で、特許文献１にはリニアモータを用いた移動装置が開示されている。特許文献１では、リニアモータのコイルが発した熱が作業用保持部材に伝わるのを低減するため、作業用保持部材に連結する部品の取付箇所に、ボルトを通す円筒状のスペーサを設け、作業用保持部材と連結部品の間に空間を設けたり、作業用保持部材に連結する部品に凸凹形状の突起を設け、接触面積を減らしたり、作業用保持部材に接する箇所に熱伝導率の小さい断熱シートを介在させる手法などが述べられている。
【０００４】
更に、特許文献２には、荷電粒子描画装置における熱対策として、相対的に移動するステージどうしの間に、銅テープやグラファイトシートなどを利用した伝熱促進部材を接続させることで、冷却の促進を図る手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１６９５２９号公報
【特許文献２】特開２００２−３５３１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
測長ＳＥＭのような高倍率観察が可能な荷電粒子線装置には、高精度な位置決めが可能なステージ装置を搭載する必要がある。特に半導体素子の微細化に対応するための位置決め精度が求められる。このような高精度位置決めを実現するための１つの手段としてリニアモータをステージ装置の駆動機構に用いることが考えられる。リニアモータは、回転式のモータとボールネジを用いる直動機構に比べ、介在する部品が少ないことで、高速で高精度な位置決めを可能とする機構である。一方で、リニアモータの基本要素である、コイルと磁石は、熱を発生する。より具体的には、コイルに電流を流すことで、コイルの電気抵抗によるジュール発熱が生じる。
【０００７】
この発熱によって、ウェハ全体の温度が上昇すると、ウェハが熱膨張する可能性がある。熱膨張によって、ウェハ全体が伸びていき、測長ＳＥＭ等による測定の際に、測定対象パターンがＳＥＭの視野（Ｆｉｅｌｄ  Ｏｆ  Ｖｉｅｗ：ＦＯＶ）から外れてしまう可能性がある。このため、測長ＳＥＭ等の荷電粒子線装置に搭載されるステージ装置には、試料への熱伝達の抑制効果が求められる。収束イオンビームを用いた加工および観察装置や、電子線描画装置の他の荷電粒子線装置でも、同様に試料への熱伝達を抑制する試料ステージを適用することが望ましい。
【０００８】
一方、特許文献１に示されているような、熱を伝えたくない対象に対し、熱抵抗が増す構成を介入させることで伝わる熱量を低減する手法は、大気中のように、発生した熱が周囲の空気に逃げることが出来るような系においては有効であるが、荷電粒子線装置のように、ステージ装置そのものが、高真空雰囲気中に置かれ、空気への伝熱による放熱が期待できない装置では有効ではない。すなわち、真空中では、たとえ熱抵抗を増やしても、そのことで発生した熱が他に逃げてくれることはなく、熱抵抗が増すと、その分、熱源側の温度が上昇し、エネルギーの保存則に従って、発生した熱は結局、接触している部品に伝わることになる。そのため、荷電粒子線を用いる装置では、真空中という状況での熱対策が求められる。
【０００９】
更に、特許文献２に開示されているようなシート状の部材で移動するステージどうしを接続することで、伝熱促進を図る場合、シート状の部材は、ステージが相対的に移動するストローク以上の長さが必要となる。
【００１０】
シート状の部材の熱伝導によって熱を伝える場合、シート状部材の長さに比例して熱抵抗が発生し、かつ、シート状部材の断面積に反比例して熱抵抗が発生する。すなわち、シート状部材が伝えることが出来る熱量は、以下の式で表わされる。
Ｑ＝λ・Ａ・ΔＴ／Ｌ
Ｑ：輸送熱量[Ｗ]、λ：シート状部材の熱伝導率[Ｗ/(ｍ・Ｋ)]、Ａ：シート状部材の断面積[ｍ２]、ΔＴ：シート状部材の両端の温度差[Ｋ]、Ｌ：シート状部材の長さ[ｍ]
【００１１】
よって、シート状部材の両端には下記の式で表わされる温度差が生じる。
ΔＴ＝Ｑ・Ｌ／（λ・Ａ）
【００１２】
シート状部材の長さは上述の通り、ステージの相対的な移動ストローク以上の長さが必要であり、シート状部材の断面積は、シート状部材の柔軟性が保たれる程度に小さくしなければならない制約があるため、このような方式で冷却の促進を図っても、熱源側に一定量の温度上昇が生じることは免れ得ない。すなわち、この手法を用いても、リニアモータのコイルが用いられる側には一定の温度上昇が生じることになる。
【００１３】
以下に、駆動機構にて生ずる熱の試料への伝達を効果的に抑制することを目的とするステージ装置およびそれを用いた荷電粒子線装置について説明する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するための一態様として以下に、試料が載置されるテーブルと、当該テーブルを所定の方向に駆動する駆動源を備えたステージ装置であって、前記テーブルと前記駆動源との間に設けられる第１の接続部材と、前記テーブルと前記駆動源との間であって、前記第１の部材より前記駆動源側に設けられる第２の接続部材と、当該第２の接続部材或いは当該第２の接続部材に支持される被支持部材に支持されるスライドユニットと、当該スライドユニットを前記所定の方向に案内するレールを備え、前記第１の接続部材は前記第２の接続部材に対して相対的に熱伝導率が低い部材が用いられるステージ装置、及び当該ステージ装置を備えた荷電粒子線装置を提案する。
【発明の効果】
【００１５】
上記構成によれば、駆動機構にて生ずる熱の試料への伝達を効果的に抑制することができ、結果として高精度な位置決めを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】荷電粒子線装置に用いるステージ装置の構成図（実施例１）。
【図２】荷電粒子線装置に用いるステージ装置の上段側テーブルの熱対策構造を示す断面図（実施例１）。
【図３】荷電粒子線装置に用いるステージ装置の下段側テーブルの熱対策構造を示す断面図（実施例１）。
【図４】ステージ装置に用いるスライドユニットの簡易的な断面図。
【図５】荷電粒子線装置に用いるステージ装置の構成図（実施例２）。
【図６】荷電粒子線装置に用いるステージ装置の構成図（実施例３）。
【図７】荷電粒子線装置に用いるステージ装置の構成図（実施例４）。
【図８】荷電粒子線装置に用いるステージ装置の構成図（実施例５）。
【図９】荷電粒子線装置に用いるステージ装置の上段側テーブルの熱対策構造を示す断面図（実施例５）。
【図１０】荷電粒子線装置に用いるステージ装置の構成図（実施例６）。
【図１１】荷電粒子線装置に用いるステージ装置の下段側テーブルの熱対策構造を示す断面図（実施例６）。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、主に荷電粒子線装置に用いられるステージ機構の具体的構成について説明する。荷電粒子線を用いる装置では、試料を真空中に置いた上で、高精度に位置を移動させる必要があり、リニアモータによる駆動機構を用いるステージ装置で試料を移動させる際に、リニアモータのコイルによる発熱が原因となって試料の局所的な位置が変化することがないよう、コイルの発熱が伝わって温度変化することによる試料の熱変形を防止することが望ましい。
【００１８】
リニアモータのコイルによる発熱を、ウェハを搭載保持する試料ステージに伝えなくするための手法としては、試料ステージと共に移動する側を磁石にし、試料ステージとは別の側にコイルを固定することも考えられる。この場合、コイルの発熱が伝わることは防止できるが、試料ステージと共に磁石が動くことになるため、磁場の変化が大きく、ノイズが発生しやすくなることで、高精度化が困難になる。
【００１９】
そこで本実施例では、例えば真空中に配置した対象物（試料）に荷電粒子線を照射し、その対象物をステージに固定し、ステージを移動させることで荷電粒子を照射する対象物の位置を変更する装置において、そのステージ装置の構成は、対象物を保持するテーブルにスライドユニットを固定し、そのスライドユニットがレールに接しながら（案内されながら）移動する構造をとり、かつ、そのテーブルにはリニアモータのコイルのような発熱体（駆動源）が接続する構造である場合に、発熱体とテーブルを接続する箇所において、その発熱体とテーブルの間に少なくとも２つの部品を介在させ、その部品のうち発熱体に接触する方の部品には熱伝導率が相対的に高い材質（第２の接続部材）を用い、テーブルに接触する方の部品（第１の接続部材）には熱伝導率が相対的に低い材質を用い、かつ、その発熱体に接触する部品は、前記テーブルとは接触していないスライドユニットに接触させ、そのスライドユニットは、レールに接しながら移動する構造とする。
【００２０】
なお、上記２つの部品は、それぞれ直接テーブルや発熱体に接している必要はなく、例えば２つの部品に支持される被支持部材を介して、当該２つの部材とテーブル及び発熱体を接続するようにしても良い。但し、被支持部材であってもテーブル側に設けられる被支持部材は、熱伝導率が低い部材、発熱体側に設けられる被支持部材は、熱伝導率が高い部材を用いる。
【００２１】
上記構成によれば、リニアモータのコイルのような発熱体が発した熱は、それに接触する相対的に熱伝導率が高い材質に流れ込んだ上で、その先のスライドユニットに熱が流れ、そのスライドユニットはレールに接していることで、発熱体の熱はレールに流れ、レールに流れた熱は、レールを固定している物質へと流れていくことになり、結果として、発熱体が部品を介在して接続しているテーブルの方には伝わる熱が低減される。これにより、荷電粒子線を照射する対象物を保持するテーブルの温度上昇が抑制され、対象物の熱変形を防止することが可能となり、高精度な計測および加工が可能となる。
【００２２】
以下、図面を用いて実施例を説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１（Ａ）は、第１の実施例における荷電粒子線装置に用いるステージ装置の構成を示した図である。図１（Ｂ）は、（Ａ）と同じステージ装置をカットモデルにして内部の構造が分かり易いように示したものであり、（Ａ）と（Ｂ）は全く同じものを示している。図１に例示するようなステージ装置は、荷電粒子線装置の真空チャンバ内に配置され、図示しない制御装置によって、制御される。真空チャンバ上には電子源、集束レンズ、走査偏向器、対物レンズ、及び検出器等を備えたビームカラムが配置され、ステージ装置によって位置決めされた試料の所望の個所に、ビームを照射することによって、測定、検査、観察、加工等の処理を実行する。
【００２４】
図２は、図１のステージ装置の断面図を示しており、図１の左下から右上の方向に向かって断面を見た図であり、鎖線１００の位置で断面位置を変えている。鎖線１００の右側は、熱バイパス用スライドユニット１６ａを横切る断面位置にしており、鎖線１００の左側は四隅の移動用のスライドユニット１３横切る断面位置にしている。図３も、図１のステージ装置の断面図であるが、図１の左上から右下の方向に向かって断面を見た図である。
【００２５】
以下、図１から図３を利用して第１の実施例を説明する。ウェハなどの荷電粒子線が照射される試料は上段側テーブル１に属する部品（図示していない）によって保持される。このテーブル１をＸＹの２軸方向に移動可能にするため、上段側テーブル１と下段側テーブル２が存在し、それぞれに付随する機構がＸ軸とＹ軸の移動を担う。テーブル１には四隅に移動用のスライドユニット１３が接続されており、それぞれのスライドユニットはレール１１、１１ａに接触して移動することで、レール方向のみの移動を可能にし、その方向以外には動かないように位置を拘束する。レール１１、１１ａは下段側テーブル２に固定され、下段側テーブル２には四隅に移動用のスライドユニット１４が接続されており、それらのスライドユニット１４はレール１２に接触して移動する。レール１２はベース１９（図示していない）に固定されている。
【００２６】
下段側テーブル２はコイル５と磁石６からなるリニアモータによって駆動され、磁石６をベースに固定し、この固定された磁石６に対してコイル５が相対的な移動を行うことで、ベースに対して下段側テーブル２が相対的に移動する。
上段側テーブル１はコイル３と磁石４からなるリニアモータによって駆動され、磁石４を下段側テーブル２に固定し、この磁石４に対してコイル３が相対的に移動することで、下段側テーブル２に対して上段側テーブル１が相対的に移動する。上段側テーブルの移動と下段側テーブルの移動を組み合わせることで、ＸＹの２軸の任意の座標に試料を移動させることを可能にする。
【００２７】
上記の基本的なリニアモータを用いたＸＹステージでは、リニアモータのコイルの発熱がテーブルに伝わり、結果として、試料の熱変形を招くことになるため、第１の実施例の中では、２つの熱対策手段を講じている。第１の手段は、図２に示すように、コイル３とテーブル１を接続する上で、間に部品８と７を介在させている。部品８はコイル３が発した熱をバイパスして伝わる先を作り出す部品であり、コイル３に接触することで、コイル３の発熱を受け、熱バイパス用のスライドユニット１６ａに接触することで、バイパス経路へと熱を流すことを可能にしている。コイル３とテーブル１は一体となって移動する構造であることを確保するため、接続用部品７がテーブル１と熱バイパス部品８の両方に接続する。この際、接続用部品７を通じてテーブル１へ伝わる熱を低減するため、接続用部品７に用いる材質は、熱バイパス部品８の材質より熱伝導率が低いものを選択する。一例として、接続用部品７に樹脂を用い、熱バイパス部品８にアルミを用いることが出来る。これらの部品は図示していないボルトなどを利用して接続すればよい。
【００２８】
樹脂は金属に比べて熱伝導率が低いことから、接続用部品７に樹脂を用いることは利点がある他、密度も樹脂は金属に比べて小さいことから、リニアモータの駆動対象となる部品の質量を低減することに役立ち、それによってリニアモータの負荷が下がり、コイル３の発熱を低減する効果も得られる。この他に、接続用部品７にセラミクス系の材質を用いることで、伝熱量の低減を図ることも有効である。
【００２９】
熱バイパス経路を作り出すことで、テーブル１に伝わる熱量が減った分の熱量は、熱バイパス部品８からスライドユニット１６ａに伝わり、これと接触しているレール１１ａに伝わり、さらに下段側テーブル２に伝わり、そこからスライドユニット１４に伝わり、これと接触しているレール１２に伝わり、これを固定しているベースへと伝わっていくことで放熱される。すなわち、コイル３で発生した熱量がテーブル１に伝わらずに、固体接触している部品を通じて最終的にベースへと伝熱する経路を作りだすことで、テーブル１への伝熱量が減り、テーブル１の温度上昇を抑制することが可能となる。このため、熱バイパス用のスライドユニット１６ａは、移動用のスライドユニット１３と共通のレール１１ａに接触しているものの、テーブル１には接触していないことで、テーブル１への伝熱量を減らすことに役立っている。
【００３０】
第１の実施例の中の第２の熱対策手段は、図３に示すように、コイル５とテーブル２を接続する上で、間に熱バイパス部品９とテーブル接続用部品１０を介在させている。第１の熱対策手段と同様に、熱バイパス部品９はコイル５に接触することで、コイル５の発熱を受け、熱バイパス用のスライドユニット１６ｂに接触することで、バイパス経路へと熱を流すことを可能にしている。コイル５とテーブル２は一体となって移動する構造であることを確保するため、接続用部品１０がテーブル２と熱バイパス部品９の両方に接続する。接続用部品１０に用いる材質は、熱バイパス部品９の材質より熱伝導率が低いものを選択することで、テーブル２に伝わる熱量を低減する。接続用部品１０に樹脂を用い、熱バイパス部品９にアルミを用いてもよい。また、これらの部品は図示していないボルトなどを利用して接続すればよい。
【００３１】
第１の熱対策手段の場合は、熱バイパス用のスライドユニットが接触するレールは、移動用のスライドユニットが接触するレールと共通のものであったが、第２の熱対策手段の方は熱バイパス専用のレール１２ａに接触している点が異なる。但し、２つの熱対策手段のいずれもが、熱源（駆動源）であるコイル、スライドユニットの支持部材である熱バイパス部材（第２の接続部材）、テーブル接続部材（第１の接続部材、テーブル）の順で、各構成要素が接続されている。
【００３２】
この違いは、リアモータの配置をテーブルに対して中央に配置しているか、端の方に配置しているかの違いによっている。上段側テーブル１を駆動するためのリニアモータの磁石４は、下段側テーブル２に固定されるため、テーブル２の移動とともに移動する。これにより磁場の変動が発生するため、荷電粒子線への影響を減らすため、試料に近いテーブルの中央よりも、試料から遠いテーブルの端に磁石を配置することで、磁場の変動による影響を低減している。リニアモータをテーブル１の中心から遠ざけることで、リニアモータとレールとの距離は近付き、熱バイパス経路を形成するにあたって、レール１１ａが、移動用スライドユニットのためのレールの機能と、熱バイパスの機能を兼ねさせることが可能となり、低コストでの熱対策構造を実現している。
【００３３】
下段側テーブル２を駆動するためのリニアモータの磁石６はベースに固定されて移動することがないため、磁場を変動させることがないことから、リニアモータをテーブルの中央に配置し、リニアモータの推進力を、駆動対象の重心に近い所で伝えることで、重心と駆動力の作用線がずれることによって発生するモーメントを減らしている。モーメントを減らす手段としては、この他にリニアモータを２本用い、２本のレール１２の外側にそれぞれのリニアモータを取り付ける手段もある。しかし、リニアモータを中央に配置すれば、１本のリニアモータで済むことからコスト低減が図られる。
【００３４】
ただし、四隅の移動用のスライドユニット１４が利用するレール１２とは距離が生じるので、熱バイパス専用のレール１２ａを設けている。これにより熱バイパス部品９が熱輸送を行う距離は短くて済み、これによって伝熱抵抗が下がり、熱バイパス経路に流れる熱量が増え、テーブル２に伝わる熱を減らすことが可能になる。テーブル２に伝わる熱量が減ることは、テーブル２の温度上昇を低減し、テーブル２に接触しているレール１１、１１ａ、さらにこれに接触しているスライドユニット１３、およびテーブル１の温度上昇を低減することで、試料の温度上昇を低減することに役立つ。
【００３５】
本実施例では、コイル５の発熱を逃がすにあたって、専用のレール１２ａに熱を伝える構成を示したが、コスト低減のために、移動用スライドユニット１４と共通のレール１２に熱を逃がす構造にすることも可能である。
【００３６】
本実施例では、ベース以下の部品を図示していないが、ベースとなる部品が容器となって、ステージ装置を真空の環境にしている。この真空容器の外側に熱が逃げる構造になっていれば、ステージ装置の発熱をベースに伝えることで、放熱が可能になる。ベースから先の放熱手段としては、ベース部品の内部に冷却水を直接循環させる方法や、真空容器の外側に冷却水を循環させている部品を接触させる方法や、放熱フィンを設ける空冷などの手段がある。
【００３７】
また、本実施例に用いる熱バイパス用スライドユニットの簡易的な断面図を図４に示す。スライドユニット１６ａの上側の面と熱バイパス部品８を接触させた上で、図示していないボルト等で固定することで、熱バイパス部品８からスライドユニット１６ａに熱が伝わる。また、レール１１ａの下側の面とテーブル２を接触させた上で、図示していないボルト等で固定することで、レール１１ａからテーブル２に熱が伝わる。スライドユニット１６ａとレール１１ａの間に熱を伝えるためには、固体どうしを接触させ、固体の熱伝導を用いることが有効であるが、移動の際の摩擦力が大きくなると、リニアモータの負荷が増え、コイルの発熱量が増えてしまうことから、摩擦力は小さくなるようにした方がよい。このため、スライドユニット１６ａの内部では図示していない構造により転動体１５が循環できるようにし、その転動体１５がレールとスライドユニットの両方に転がりながら固体接触することで固体の熱伝導で熱が伝わるようにする。
【００３８】
また、転がり接触にすることで、すべり接触に比べて摩擦力を低減している。転動体１５には、球状のボールを用いる方法と、円筒状のころを用いる方法がある。ボールを用いる場合は、摩擦力が小さくなるという利点を持ち、ころを用いる場合は、接触面積が増加することで、伝熱性能が向上するという利点を持つ。また、転動体１５がスライドユニット１６ａの内部を循環することの抵抗を低減するため、潤滑油を用いることも有効であり、これにより伝熱性能が向上する利点もある。
【００３９】
このステージ装置は高度の真空環境で用いるものであるため、転動体の潤滑のために用いる潤滑油は不揮発性（＝飽和蒸気圧が低い）のものを選択する。転動体１５に接触するレール１１ａの接触面は、図４のように斜め４５度にすることで、図の縦方向と横方向の位置ずれを同時に防止すると同時に、縦方向にかかる重力を斜面で受けることで、面圧を増やし、接触面積を増大させることで、伝熱性能を向上させることが出来る。
【００４０】
また、転動体１５に関連する部品の設計において、重量がかかっていない状態でも転動体１５にある程度の弾性変形が生じる寸法に設計すると、接触面積の増加による伝熱性能を向上を図ることが可能になる。すなわち、完全な球体と平面の接触では点接触にしかならず、完全な円筒と平面の接触でも線接触にしかならないことから、弾性変形が生じない設計では、表面粗さを考慮しても接触面積は非常に少ない。
【００４１】
これに対し、弾性変形が生じる設計にすると、転動体にボールを用いる場合でも、ころを用いる場合でも、格段に接触面積を増やすことが可能になる。また、移動用のスライドユニットにおいては、テーブルの位置精度向上のため、スライドユニットが弾性変形しないよう、ヤング率が高い材質を選択することが好ましいが、熱バイパス用のスライドユニットにおいては、位置精度を担う訳ではないので、ヤング率を考慮することなく、熱伝導率が高い材質を選択することも有効である。また、熱バイパス用のスライドユニットにおいては、図４の奥行き方向の寸法を移動用のスライドユニットより長くすることで、伝熱性能を向上させることも出来る。
【実施例２】
【００４２】
図５に、第２の実施例における荷電粒子線装置に用いるステージ装置の構成を示す。第１の実施例と同じ機能の部品には同じ符号を付けることで説明を省略する。図５は、図１（Ｂ）と同じようにカットモデルで表示したものであるが、隠れ線の表示はなくしている。
【００４３】
上段側テーブル１に伝わる熱をより減らすために、熱バイパス用のスライドユニット１６ｃを２個用いることで、スライドユニットからレールへと熱を伝える際の熱抵抗を補い、熱バイパス経路の伝熱量を増大させている。また、リニアモータのコイル３は、移動方向に長さを持つものであるため、熱バイパス部品８ｂで熱で伝えるにあたって長手方向の距離に応じた熱抵抗が生じるが、熱バイパス用のスライドユニットを複数にすることで、熱バイパス部品８ｂで熱を伝えるための距離が縮まり、伝熱性能の向上を図ることが出来る。本実施例では、熱バイパス用スライドユニット１６ｃを２個用いているが、３個以上に増やすことも可能である。
【００４４】
同様に、下段側テーブル２に伝わる熱をより減らすために、熱バイパス部品９ｂに接続する熱バイパス用スライドユニット１６ｄを３個にすることで、スライドユニットからレールへと熱を伝える際の熱抵抗を補っている。下段側のリニアモータは、下段側テーブルと上段側テーブルの両方の質量を移動させる必要があるため、下段側のリニアモータの方が、一般的に上段側に比べて負荷が高い。このため、コイルの発熱も上段側のコイル３に比べると、下段側のコイル５の方が発熱が大きいことから、熱バイパス経路の設計においては、下段側を強化することがより効果的であり、下段側の熱バイパス用スライドユニットの数をより多くすることは、費用対効果の点で効率的である。また、スライドユニットの数を増やすことは、摩擦力を若干増やすことになり、その分、コイルの発熱がやや増えることになる。上段側の熱バイパスでは、バイパス経路を増強して、テーブル１に直接伝わる熱を減らしても、バイパス経路を通じてテーブル２に伝えた熱が、レール１１、１１ａと、移動用のスライドユニット１３を通じてテーブル１に伝わる経路が存在するので、定量的な効果を十分に評価して設計するのがよい。一方、下段側の熱バイパス経路では、伝熱能力増強の効果が発熱量の増加を上回ってさえいれば、熱バイパス用スライドユニット１６ｄの数を増やすことで、テーブル２に伝わる熱量を減らすことが出来る。
【実施例３】
【００４５】
図６に、第３の実施例における荷電粒子線装置に用いるステージ装置の構成を示す。前述と同様に、第１の実施例と同じ機能の部品には同じ符号を付けることで説明を省略する。図６も図５と同様に、カットモデルで表示したものである。
【００４６】
第３の実施例が、第１の実施例に対して異なる点は、上段側のリニアモータの発熱を、熱バイパス経路を用いて逃がすにあたって、逃がす先を専用のレール１１ｃにしている点である。実施例１では、テーブル２の片側にコイル３が発した熱を伝えることになり、テーブル２にわずかながら偏った温度分布を生じさせる。このことに対処にするための構造が第３の実施例であり、テーブル２の中央にレール１１ｃを配置し、そのレールに接続する熱バイパス用スライドユニット１６ｅに熱バイパス部品８ｃを接続することで、コイル３で発生した熱をテーブル２の中央に伝えている。これによりテーブル２は左右対称な温度分布となり、左右で温度が異なることによるテーブル２の熱変形を防止することが出来る。また、斜視図では分かりづらいが、熱バイパス部品８ｃはスライドユニット１６ｅと接続用部品７、コイル３とのみ接触しており、テーブル１には接触していない。このことで、テーブル１に熱が伝わることを防止している。
【実施例４】
【００４７】
図７に、第４の実施例における荷電粒子線装置に用いるステージ装置の構成を示す。図７もカットモデルで表示しており、見る角度を図５、６とは少し変えているが、基本的な構成は変わっていない。
【００４８】
第４の実施例が、第１の実施例に対して異なる点は、上段側のリニアモータの発熱を熱バイパス経路を用いて逃がす際、逃がす先をレール１１ｄの２本にしている点である。このため、第４の実施例では、熱バイパス用スライドユニット１６ｆを２個用い、熱バイパス部品８ｄはそれぞれに接触している。第３の実施例と同様、熱バイパス部品８ｄはテーブル１とは接触させないことで、テーブル１に熱が伝わることを防止している。また、第３の実施例が対処した課題と同様に、２本のレール１１ｄに熱を伝えることで、テーブル２の温度分布が左右対称になることを図っている。また、熱バイパス用スライドユニット１６ｆに熱を伝えるにあたっては、コイル３に近い方がより多くの熱が伝わり易いため、部品８ｄとコイル３に近い側のスライドユニットとの接触面積は少し減らすなどして、左右で均等な熱量が伝わるように調整した設計にしてもよい。
【実施例５】
【００４９】
図８、図９に、第５の実施例における荷電粒子線装置に用いるステージ装置の構成を示す。図８は、図５、６と同様にカットモデルで示したものであり、図９は図２と同様の表示方法で断面図を示したものである。図９の鎖線１００より右側はスライドユニット１６ｇと、スライドユニット１６ｈの両方を横切る断面を示しており、鎖線１００の左側は、スライドユニット１３を横切る断面を示している。
【００５０】
第５の実施例では、上段側の熱バイパス経路を形成するにあたって、下段側テーブル２への伝熱を減らし、直接ベースの方に熱が伝わるような構造にしている。すなわち、コイル３で発生した熱は熱バイパス部品８ｅに伝え、熱バイパス用スライドユニット１６ｇを介して熱バイパス専用のレール１１ｅに伝える。レール１１ｅは、下段側テーブルと同列ではあるがテーブル２とは断熱することを図った熱バイパス部品１７に接触している。熱バイパス部品１７はテーブル２と一体となって移動するが、間に挟む接続用部品１８の材質に低熱伝導率のものを用いることで、テーブル２へ熱が伝わることを防止する。熱バイパス部品１７はカットモデルでは表示できないが、テーブル２と同じ長さがあり、その下に熱バイパス用スライドユニットを接続しており、図８の手前側のスライドユニット１６ｉと、奥側のスライドユニット１６ｉ、および中央のスライドユニット１６ｈに接続している。スライドユニット１６ｉは、移動用のスライドユニット１４と共通のレール１２ｂと接触しており、スライドユニット１６ｈは、下段側の熱バイパス用スライドユニット１６ｂと共通のレール１２ｃに接触している。レール１２ｂと１２ｃはそれぞれベースに固定されていることから、コイル３が発した熱を逃がすにあたって、下段側テーブル２に伝えずベースに伝える経路を形成している。これにより、テーブル２の温度上昇が抑えられ、その上にあるテーブル１の温度上昇も抑えられることになる。
【実施例６】
【００５１】
図１０、図１１に、第６の実施例における荷電粒子線装置に用いるステージ装置の構成を示す。図１０は、図１（Ａ）と同様の表示方法で全体斜視図を示したものであり、図１１は図９と同様の表示方法で断面図で示したものである。図１１の鎖線１００より右側はスライドユニット１６ｊを横切る断面を示しており、鎖線１００の左側は、スライドユニット１３を横切る断面を示している。
【００５２】
実施例１〜５では、全てムービングコイル式のリニアモータを用いていたが、実施例６では上段側テーブルと下段側テーブルの両方にムービングマグネット式のリニアモータを用いている。なお、本実施例においては、上段側と下段側で、ムービングコイル式のリニアモータとムービングマグネット式のリニアモータを使い分けることも可能である。
【００５３】
上段側テーブル１を駆動するにあたってムービングマグネット式リニアモータを用いる場合、磁石２１を上段側テーブル１に固定し、コイル２０を下段側テーブル２に固定する。また、下段側テーブルにもムービングマグネット式リニアモータを用いる場合、磁石２３を下段側テーブル２に固定し、コイル２２をベースに固定する。このことにより、コイル２２はテーブルに接続されることがないため、コイル２２の発熱による温度上昇の問題は解決される。しかし、コイル２０は、下段側テーブルに接続されるため、熱対策が必要になる。このため、コイル２０を下段側テーブル２に接続するにあたって、部品１７ｂと部品１８ｂを間に挟み、部品１７ｂは熱バイパス用スライドユニット１６ｊに接続し、レール１２ｄを介してベースに熱を伝える構成にしている。また、接続用部品１８ｂの材質に、熱伝導率が低い材料を用いることで、テーブル２に熱が伝わることを抑えている。テーブル２に伝わる熱が減れば、その上にあるテーブル１の温度上昇を抑えることが可能になる。
【００５４】
本実施例では、上段側テーブルを駆動するためのリニアモータをテーブル１の端に取り付けることで、コイル２０がテーブル２と一体で移動する構造ながら、熱的には絶縁することを可能にしている。
【００５５】
なお、本実施例では、下段側のリニアモータを２本のレール１２ｄの間に配置したが、磁石が移動することによる磁場の変化の影響を小さくするため、リニアモータを２本用い、２本のレール１２ｄの外側にそれぞれ配置することも可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１  上段側テーブル
２  下段側テーブル
３  上段側テーブル駆動用リニアモータのコイル
４  上段側テーブル駆動用リニアモータの磁石
５  下段側テーブル駆動用リニアモータのコイル
６  下段側テーブル駆動用リニアモータの磁石
７  上段側テーブル接続用部品
８  上段側テーブル用熱バイパス部品
９  下段側テーブル用熱バイパス部品
１０  下段側テーブル接続用部品
１１  上段側テーブル用レール
１２  下段側テーブル用レール
１３  上段側テーブル用スライドユニット
１４  下段側テーブル用スライドユニット
１５  スライドユニット内転動体
１６  熱バイパス用スライドユニット
１７  下段側テーブルと同列の熱バイパス部品
１８  下段側テーブルと熱バイパス部品との接続用部品
１９  ベース
２０  上段側テーブル駆動用リニアモータのコイル
２１  上段側テーブル駆動用リニアモータの磁石
２２  下段側テーブル駆動用リニアモータのコイル
２３  下段側テーブル駆動用リニアモータの磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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