(57)【要約】      （修正有）【課題】中抜き形状で出来ているなど、ステージ自体のヨーイング方向に剛性が低い場合でも、案内要素の配置を工夫する等によってステージのヨーイング方向の剛性を向上させ、これにより、ステージの位置決めを正確に行える、位置決め装置の提供。【解決手段】ステージ３０と、このステージ３０の両端にそれぞれ設けられた案内要素６０Ａ、６０Ｂ、２３Ａ、２３Ｂと、ステージ３０の両端のうちの一端に設けられてなり、このステージ３０を案内要素６０Ａ、６０Ｂ、２３Ａ、２３Ｂに沿って移動させるための駆動要素５２と、を備える。駆動要素であるボールねじ軸５２側に、リニアガイドレール６１Ａ，６１Ｂ及びリニアガイドベアリング２３Ａ，２３Ｂのように案内要素を２基配設し、非駆動要素側には１基の案内要素を配設した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージと、このステージの両端にそれぞれ設けられた案内要素と、前記ステージの両端のうちの一端に設けられてなり、このステージを前記案内要素に沿って移動させるための駆動要素と、を備え、
前記駆動要素側にある案内要素の前記ステージのヨーイング方向における拘束力を、前記駆動要素とは反対側の案内要素のそれより高くなるように構成した位置決め装置。
【請求項２】
前記ステージの駆動要素側に、さらに案内要素を追加配置した請求項１記載の位置決め装置。
【請求項３】
前記ステージの駆動要素側の複数の案内要素を、当該駆動要素を中心して互いに近接して対称に配置してなる請求項２記載の位置決め装置。
【請求項４】
前記駆動要素がボールネジからなり、前記案内要素がリニアガイドからなる請求項１乃至３のいずれか１項記載の位置決め装置。
【請求項５】
前記ステージが中抜きされた形状から構成されてなる請求項１記載の位置決め装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項記載の位置決め装置を備えるＸ―Ｙステージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の利用分野】
本発明は、半導体ウエハ、液晶パネル等の平板状基板にパターンを形成するための半導体露光装置、組立・検査装置、精密工作機等に用いられる位置決め装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の位置決め装置として、例えば、特開２００２―１５８２７４号公報に記載されたものが存在する。同公報は、スライダを高速駆動可能であり、かつ高精度で省スペース化が達成された寿命の長い位置決め装置を提供することを目的として、  ベースに対し第１のスライダ（中間ステージ）を第１の駆動装置によりＸ軸方向に位置決めする第１の位置決め装置と、ベースに対し第２のスライダ（中間ステージ）を第２の駆動装置によりＹ軸方向に位置決めする第２の位置決め装置とを備え、第１の駆動装置及び第２の駆動装置をベースに設け、第１のスライダ及び第２のスライダをＺ軸方向に重なって配置し、ステージを第１のスライダ及び第２のスライダの両者に係合させた位置決め装置を開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この位置決め装置のステージの特徴は、ステージの全高や重心を低くするため、ステージが搭載すべき微動軸やワークチャックや移載用機構を、ステージの中央に空けた穴から、ベース側（Ｚ軸方向下側）に配置している。この搭載物との干渉を避ける為、中間ステージには上記抜き穴があり、ボールねじなどの駆動要素、並びにリニアガイド等の案内要素は中間ステージの中央ではなく端部に設けられている。
【０００４】
ところが、既述の中間ステージには上記抜き穴があるために、中間ステージの剛性が低く、ヨーイング方向での剛性が十分ではないという課題ある。もっとも、中間ステージがベース上のガイドレールによって支持されることにより、比較的中間ステージのヨーイング剛性を高くすることができるが、そもそも中間ステージの中抜き構造は、板材としての中間ステージの剛性を低下させるので、中間ステージ全体の水平方向の剛性が低いという問題があった。具体的に説明すると、次のとおりである。
【０００５】
図２は中間ステージ１２に対するリニアガイドレール６０Ａ，６０Ｂとボールネジ軸５２との配置関係を示した模式図である。中間ステージはリニアガイドベアリング（３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｅ，３１Ｆ）とボールネジナット５２Ｄによってリニアガイド及びボールネジ軸にそれぞれ移動自在に支持されている。
【０００６】
この構成において、ボールねじ軸が中間ステージの端に配置されているため、ステージの回転中心がボールねじナット部周辺に存在する。ボールねじ側のリニアガイド（リニアガイドレール６０Ｂ、リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂよりなる）は、ステージのヨーイング方向（図２の矢示方向）の振動に対して拘束力（ねじに対する抵抗力）を持つ。
【０００７】
ボールねじ軸とは反対側においては、中間ステージの剛性が低いために、中間ステージのヨーイング方向の振動によって、その側のリニアガイドを構成するリニアガイドベアリング３１Ｅ、３１Ｆは進行方向に振動させられる。これは、反ボールねじ軸側のリニアガイドがヨーイング方向の振動に対して本来の抵抗力を発揮する前に、中間ステージの剛性の低い部分（中抜き部）２４（１００）が弾性変形してしまうことによるものである。
【０００８】
すなわち、既述の位置決め装置においては、中抜き形状のため、反ボールねじ軸側のリニアガイドがヨーイング方向に剛性を発揮できないため、中間ステージのヨーイング方向の剛性が低いという欠点があった。これにより、ステージの位置決めを正確に行うことができないという問題があった。
【０００９】
本発明はこの課題を解決するために、例えば、中抜き形状で出来ているなど、ヨーイング方向に低い剛性のステージにおける既述の問題を、案内要素の配置を工夫する等によって改善した位置決め装置を提供することを目的とする。
【特許文献１】特開２００２―１５８２７４号公報
【課題を解決するための手段】
本発明はこの目的を達成するために、ステージと、このステージの両端にそれぞれ設けられた案内要素と、前記ステージの両端のうちの一端に設けられてなり、このステージを前記案内要素に沿って移動させるための駆動要素と、を備え、前記駆動要素側にある案内要素の前記ステージのヨーイング方向における拘束力を、前記駆動要素とは反対側の案内要素のそれより高くなるように構成した位置決め装置であることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、前記駆動要素側にある案内要素の前記ステージのヨーイング方向における拘束力を、前記駆動要素とは反対側の案内要素のそれより高くなるように構成することにより、駆動要素側におけるステージのヨーイング方向の振動を確実に拘束して、反駆動要素側におけるステージのヨーイング方向の剛性を向上させた。すなわち、ステージのヨーイング方向における振動固有値を増加させることができる。
【００１１】
このために、例えば、前記ステージの駆動要素側に、さらに案内要素を追加配置する。好適には、前記ステージの駆動要素側の複数の案内要素を、当該駆動要素を中心して互いに近接して対称に配置すれば良い。
【００１２】
後述するように、本発明者が検討したところ、更なる案内要素をステージに追加するのは、反駆動要素側では効果的でなく、駆動要素側において効果的である。駆動要素側ではないところに案内要素をさらに付加することも考えられるが、その効果はさほどではなく、ステージ自体の剛性が低い場合には、ステージの駆動要素側にのみ案内要素が付加された場合の方が、ヨーイング方向の振動固有値を増加させることができる。
【００１３】
駆動要素とは、ステージを移動させるために駆動する機械構成であり、例えば、従来例において述べたようなボールネジ機構である。案内要素とは、ステージの移動を案内する機械構成であり、例えば、リニアガイド機構である。
【００１４】
ステージの駆動要素側の案内要素のヨーイング剛性を反駆動要素側より高める方法は、既述のとおり案内要素を付加する構成があるが、これ限定されるものではない。リニアガイドのサイズを大きくすることによる方法、例えば、１つのリニアガイドレールにつき、２つのリニアガイドベアリングを配する場合にこれらのリニアガイドベアリングどうしの間隔（スパンＬ）を大きくする構成、これらの組み合わせでも良い。駆動要素側の案内要素の数も２つに限られない。
【００１５】
本発明は、ステージの剛性が低い場合に効果的である。本発明が適用されるステージとしては、既述の中抜きされたステージに限らず、軽量化等のためにヨーイング剛性が低くならざるを得ない場合のステージがある。本発明は、さらに、既述の位置決め装置を備えたＸ―Ｙステージであることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に本発明に係わる位置決め装置の実施形態を、図１に基づいて説明する。本実施の形態は、真空槽中に設置され、位置決め対象物を２次元方向に位置決め可能なＸ−Ｙステージを含む位置決め装置であり、例えばイオン注入やビーム露光機用として好適なものである。なお、図２において説明した構成部分と同一な要素については、同一の符号を付するようにした。
【００１７】
符号１は、Ｘ−Ｙステージとしての位置決め装置の斜視方向から見た全体構成を示している。この位置決め装置１は、ベース１１と、ベース上に設けられて、第１のスライダ１３（中間ステージ）をＸ軸方向（第１の方向）に位置決めする第１の位置決め機構１０と、ベース１１上に設けられて、第２のスライダ（中間ステージ））１２をＹ軸方向（第２の方向）に位置決めする第２の位置決め手段２０と、第１の位置決め機構１０及び第２の位置決め機構２０によって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に位置決めされるステージ３０と、を備えて構成されている。
【００１８】
それぞれの位置決め機構は、ベース１１に対しスライダ（１２，１３）をＸ軸又はＹ軸方向に移動させる移動機構を備えている。この移動機構は、駆動要素としてのボールねじと、案内要素としてのリニアガイドを備えている。
【００１９】
ボールネジは次のように構成されている。スライダ（１２，１３）の下面（図示裏面）に固定されたボールねじナットを備えるボールネジナットブラケット５０と、ボールねじナットに螺合し、かつ回転することによってボールねじナットを軸方向に移動させるボールねじ軸（５２，５４）とを備えている。
【００２０】
Ｘ軸、Ｙ軸のそれぞれのボールねじ軸の両端付近は軸受５６によってベース１１に対して回転自在に支持されており、ボールねじ軸の先端５８には、ボールねじ軸を回転させるモータが接続される。なお、このモータは、例えばベース１１、あるいは、特に図示しないが、ベースが載置される床や土台等不動の部位に固定されている。例えば真空仕様のモータであればベース１１に固定し、真空槽内に配するようにしてよいし、大気中での用途のモータであれば真空チャンバ外に固定し、軸をチャンバを貫通させるとともに貫通部分をシールするようにしてもよい。いずれの場合も、Ｘ軸用Ｙ軸用ともモータ自体が動かない構成としていることにより、スライダ等の可動部を非磁性体で構成することと相俟って磁場変動を抑制でき、イオン注入機やビーム露光機等に用いるのに好ましい。
【００２１】
それぞれのスライダ（１２，１３）は、軸方向に短い略長方形の面を有し、その略中央部には、開口部２４が形成されている。一方、リニアガイドは次のように構成されている。ベース１１のＸ軸方向に沿って、ベースの両端箇所上部にはリニアガイドレール６０Ａ及び６０Ｂが並行に配置されている。
【００２２】
リニアガイドレール６０Ｂは、ボールねじ機構側に設けられてなり、リニアガイドレール６０Ａはボールねじ機構とは反対側の端部に設けられてなる。リニアガイドレール６０Ｂは２基のガイドレール部６１Ａ，６１Ｂからなる。それぞれのガイドレール部６１Ａ，６１Ｂは、ボールねじ軸５２を介して互いに近接しながら並行するようにベース１１上に配置されている。一方、ベース１１のＹ軸方向にも同様にしてリニアガイドレール（部）６２Ａ，６２Ｂ（６３Ａ，６３Ｂ）が設けられている。
【００２３】
前記Ｘ軸スライダ１３の軸方向両端部下面には、前記リニアガイドレール（部）６０Ａ、６０Ｂ（６１Ａ，６１Ｂ）にそれぞれ滑動自在に係合するＸ軸リニアガイドベアリング２３Ａ及び２３Ｂが各々のリニアガイドレールに対して設けられている。符号２３Ｃ，２３Ｄは、Ｙ軸スライダ１２に対して、Ｘ軸スライダと同様に設けられたリニアガイドベアリングである。
【００２４】
また、Ｙ軸スライダ１２の軸方向両端部上面には、開口部２４の縁に沿って、リニアガイドベアリング３１Ａ及び３１Ｂを軸方向に案内するリニアガイドレール２５Ａ及び２５Ｂが各々形成されている。Ｘ軸スライダにおいてもこれと同様に構成されている。符号２５Ｃ，２５Ｄは、Ｘ軸スライダ１３上に設けられたリニアガイドレールであり、３１Ｃは、これらと係合するリニアガイドベアリング（２５Ｄ側は不図示）である。スライダ１２は、第１のスライダ１３に対し、上方向、すなわちＺ軸方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向に直交する方向）に、互いに干渉することなく重なった状態で配置されている。
【００２５】
位置決め対象機構としてのステージ３０の位置決めを行う場合、各軸のモータをそれぞれ駆動させて各軸のボールネジ軸を回転させ、ボールネジナットをボールネジ軸に沿って移動させることにより、ステージ３０を、Ｘ軸方向及び／又はＹ軸方向に移動させて、ステージ３０を目的とする位置に停止させる。
【００２６】
ステージ３０は略正方形の面を有し、その略中央部に開口部が形成されている。符号７０はステージに備えられた微動機構であり、符号７２は位置決め対象物を載置・吸着するワークチャックである。微動機構７０は、圧電素子を利用して６軸方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向、及び各軸回りの回動）にワークチャック７２を微動する構成を利用している。
【００２７】
図１の位置決め装置のステージ３０の特徴は、ステージの全高や重心を低くするため、ステージが搭載すべき微動軸やワークチャックや移載用機構を、ステージの中央に空けた穴から、ベース側（Ｚ軸方向下側）に配置している。この搭載物との干渉を避ける為、中間ステージ（スライダ）１２，１３には抜き穴２４があり、ボールねじなどの駆動要素、並びにリニアガイド等の案内要素は中間ステージの中央ではなく端部に設けられている。
【００２８】
図３は、位置決め装置のうちの中間ステージを拡大した平面図であり、図４はその側面図である。既述のとおり、ボールねじ軸５２を中心にして、二つのリニアガイドレール６１Ａ，６１Ｂが互いに近接して並行に配置されている。一方、ボールねじ軸５２とは反対側のステージには、１本のリニアガイドレール６０Ａのみがベース上１１に配置されている。なお、符号１０２は、ボールねじ軸に回転自在に支持されるボールねじナットであり、符号１０４は、スペーサである。
【００２９】
この構成において、ボールねじ軸５２側に二つのリニアガイドレール６１Ａ，６１Ｂが設けられているために、中間ステージ１３のヨーイング方向の固有値が増加して中間ステージのヨーイング方向の剛性が増加される。
【００３０】
この構成によると、理論上、ステージのヨーイング剛性が、従来の２倍、固有値で１．４倍向上することが可能となる。
【００３１】
本発明者は、中間ステージに対するリニアガイドの配置を変えた位置決め装置を複数想定し、個々の位置決め装置について、ステージのヨーイング方向の剛性について有限要素法により解析を行った。この解析された固有値は、例えば、１５５Ｈｚであり、解析の前提となった仕様の実機に基づいて実験的に測定した結果（１５２．５Ｈｚ）と比較すると両者はほぼ一致した。したがって、有限要素解析によってステージの剛性を正確に解析することができることが分かった。
【００３２】
図５は、有限要素法解析において、想定された位置決め装置の主要部（中間ステージ、駆動要素、案内要素）の模式図である。（１）は従来構成であって、ボールねじ軸５２と反ボールねじ軸側にそれぞれ１つのリニアガイドレール６０Ａ，６１Ａが設けられている構成である。
【００３３】
（２）は本発明が適用された構成であって、ボールねじ軸５２側に二つのリニアガイドレール６１Ａ，６１Ｂが設けられている構成である。（３）が比較構成例の第１に相当するものであり、反ボールねじ軸側に二つのリニアガイドレール６０Ａ，６５Ａが設けられている構成である。（４）は比較構成例の第２に相当するものであり、ボールねじ軸５２側及び反ボールねじ軸側にそれぞれ２基のリニアガイドレール（６０Ａ，６５Ａ），（６１Ａ，６１Ｂ）を設けた構成である。
【００３４】
この各構成について、中間ステージの剛性比と固有値の増加率について有限要素法を用いて検討し、図５の（２）の構成（本発明構成）の有用性がもっとも高いことを確認した。この剛性比と増加率との特性は図６に示されている。この検討に際して、図５の破線として示されるようにリニアガイドのベアリングは２個とし、リニアガイドレール・ベアリングの仕様、中間ステージのサイズ、リニアガイドベアリングのスパンＬ（一つのリニアガイドレールについて二つのリニアガイドベアリングを配した場合の両ベアリング間の中心間の距離：図５（１）参照）は同一の条件であるとした。
【００３５】
ここで、剛性比とは、図５の各構造のヨーイング剛性に対する中間ステージの剛性の比である。図５のそれぞれの構成の剛性は、ガイドレール、ステージを剛体とし、ベアリングはそれぞれモーメント剛性を持たないばねであるとみなし、荷重点は図５の各構成の矢印で示す位置であるとして、計算した。ばね定数にはリニアガイドの設計値を適用した。
【００３６】
ステージの剛性は、ベアリングを有限長さの弾性体とみなし、ステージも弾性体とみなして、有限要素法で計算された。ステージの材料のヤング率を変化させてそれぞれの場合について計算することにより剛性を変化させた。
【００３７】
なお、図６において剛性比が１を越える領域がある。この理由は、次のとおりである。ベアリングを一つのばねに置き換えた計算方法に対して、有限要素法で計算する場合には、リニアガイドのベアリング全長に対してばね要素を複数配置して計算している為に、有限要素法で計算したヨーイング剛性が高くなるためである。
【００３８】
ヨーイング方向の固有値の増加率は次にようにして計算された。ステージの構造や材質を同じ、すなわち、ステージの剛性を同じにした場合の図５の（１）の構造（従来構造）におけるステージのヨーイング方向固有値をｆ１としたとき、それ対するその他構成のステージのヨーイング方向の固有値（ｆ）が増加した割合を「増加率：（ｆ−ｆ１）／ｆ１」とした。
【００３９】
図６において、Ａは図５の（２）である本発明構成についての特性であり、Ｂは図５の（３）の構成（３本のリニアガイドレールを備え、２本が反ボールねじ軸側に設けられている構成）についての特性であり、Ｃは図５の（４）の構成であり、４本のリニアガイドレールを備え、２本づつのリニアガイドレールをボールねじ軸側と反ボールねじ軸側に設けた構成についての特性である。Ｄは図５の（２）の構成の剛性値を４／３倍したときの特性値である。これは、リニアガイドを３列から４列にした場合に剛性が４／３倍になると仮定したときの特性値を計算した値である。
【００４０】
Ｅは図５の構成（２）でステージを剛体とした場合であり（構成（１）に対して）リニアガイドを２列から３列にした場合に剛性が３／２倍になると仮定したときの特性である。Ｆは構成（４）においてステージを剛体とした場合であり（構成（１）に対して）リニアガイドを２列から４列にした場合に剛性が２倍になると仮定したときの特性である。この特性図から分かるように、従来構成にリニアガイドレールを同数追加する場合、リニアガイドをボールねじ軸側に追加した構造の特性（Ａ）の方が、反ボールねじ軸にリニアガイドを追加した構造）の特性（Ｂ）より、剛性比の全般に渡って固有値が高くステージのヨーイング剛性が向上されていることが分かる。
なお、反ボールねじ軸側にリニアガイドレールを追加した構成のものでは、剛性比が０．１８以下においてリニアガイドレールを反ボールねじ軸側に追加することによる、重量増加のためかえって固有値を低下させてしまう。このことにより、ステージを３本のリニアガイドによって支持する場合には、追加されるリニアガイドをステージのボールねじ軸側に設けることが好適であるし、このようにしても、固有値がリニアガイドレールを追加されることによってかえって低下するようなことはない。
【００４１】
次に、リニアガイドレールを４本設けた構成の特性（Ｃ）と、ボールねじ軸側にリニアガイドレールを設けた構成の特性（Ａ）とを比較検討する。剛性比が０．２９以下の領域では、むしろ特性Ａの方が固有値の増加率が高い。一方、０．２９以上では、特性（Ｃ）の方が固有値において高いが、次の問題がある。
【００４２】
特性Ｃの固有値は特性Ｄの固有値より低い。特性Ｃの固有値が特性Ｄの固有値に近いのであれば、リニアガイドをさらに１本付加する意義があるといえるが、剛性比が約１以下の領域においては、特性Ｃの固有値はリニアガイド３本とした場合の理論上の最大値である特性Ｅの固有値より寧ろ低い値となっている。
【００４３】
この領域では、リニアガイドレールをさらに１基、反駆動要素側に設けるよりも、既述のリニアガイドベアリングのスパンＬを増加させるなど中間ステージ自体の剛性を高めることの方が費用対効果の点において有利であるし、また、中間ステージの剛性が小さい領域（剛性比が小さい領域）においては、リニアガイドレールを反駆動要素側にさらに付設するよりも却って構成（２）のほうが固有値を高められる。
【００４４】
なお、上記実施の形態ではＸ−Ｙステージに適用した場合について述べたが、例えば、図３、図４の構成の一軸ステージに本発明が適用できるのはいうまでもない。また、上記実施の形態のような真空中での用途のみでなく大気中での用途にも勿論使用可能である。また、開口部を有さないステージであっても剛性の低いステージには本発明を適用するのが好ましい。
【００４５】
さらに駆動要素としてボールねじを用いたが、例えばリニアモータやベルトとプーリの組合せ等、他のものを用いることもできる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係わる位置決め装置によれば、中抜き形状で出来ているなど、ステージ自体のヨーイング方向に剛性が低い場合でも、案内要素の配置を工夫する等によってステージのヨーイング方向の剛性を向上させ、これにより、ステージの位置決めを正確に行える、という効果を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる位置決め装置（Ｘ−Ｙステージ）の斜視図である。
【図２】従来の位置決め装置の課題を説明するための模式図である。
【図３】図１に示した位置決め装置の主要部の平面図である。
【図４】その側面図である。
【図５】有限要素法による、ステージのヨーイング方向の剛性の解析において、考慮した位置決め装置の主要部の構成を複数説明するものであり、各構成の平面模式図である。
【図６】図５の各構成のヨーイング方向の剛性を説明するための特性図である。
【符号の説明】１  位置決め装置、１２，１３  中間ステージ、３０  ステージ（ワーク等載用）、５２  ボールねじ軸、  ６０Ａ、６０Ｂ、６２Ａ、６２Ｂ  リニアガイドレール
【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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