(57)【要約】【課題】微動ステージを搭載した搬送質量の大きな可動体を加速できる非接触ガイドが提供される。【解決手段】Ｘ軸方向に延びるＹスライダ３０２は、Ｙリニアモータ３４０によってＹ軸方向へ移動が可能である。微動ステージ３６０を搭載したＸスライダ３０３は、Ｙスライダ３０２にガイドされて、Ｘリニアモータ３２０によりＸ軸方向へ移動可能である。Ｘスライダ３０３にはＹスライダ３０２のガイド面に対向してＹ電磁石１０１が設けられ、Ｙスライダ３０２のガイド面にはＹ吸引板１０２が設けられる。これにより、Ｘスライダ３０３とＹスライダ３０２との間に、Ｙ軸方向に沿った吸引力を発生して、Ｘスライダ３０３とＹスライダ３０２とを非接触に保つとともに、Ｙスライダ３０２がＹ軸方向へ移動する際には、Ｘスライダ３０３に対して適切な加速力が付与される。【選択図】  図１
2004172557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に延び、該第１の方向と直角な第２の方向へ移動可能な第１方向ガイドと、
前記第１方向ガイドを前記第２の方向へ移動させる駆動機構と、
前記第１方向ガイドにガイドされて、前記第１の方向に移動可能な可動体と、
前記可動体と前記第１方向ガイドとの間に、前記第２の方向に沿った電磁力を発生して、該可動体と該第１方向ガイドとを非接触に保つ電磁力発生手段と
を備えることを特徴とするステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動ステージ装置に関する。特に、露光装置におけるウエハステージ等に好適な移動ステージ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
露光装置の高精細化に伴い、ウエハステージとして６軸微動ステージを搭載した移動ステージ装置が採用されている。この種のステージ装置としては、例えば特許文献１に記載がある。一般的な移動ステージ装置について、図１５〜図１８を参照して以下に説明する。
【０００３】
図１５は一般的な移動ステージ装置の概観を示す図である。ステージ定盤３００上にヨーガイド３０１が設けられ、ヨーガイド３０１とステージ定盤３００でガイドされるＹスライダ３０２が設けられている。Ｙスライダ３０２とステージ定盤３００およびヨーガイド３０１との間には不図示のエアパッドが設けられている。この結果Ｙスライダ３０２はＹ方向に滑動自在になっている。
【０００４】
また、Ｙスライダ３０２を囲む形でＸスライダ３０３が設けらる。Ｘスライダ３０３はＸ上板３０３ａ、Ｘ側板３０３ｂ、Ｘ下板３０３ｃから構成され、Ｙスライダ３０２の側面でガイドされている。Ｙスライダ３０２の側面とＸ側板３０３ｂの間にはエアパッドが設けられている。これを図１８に示す。またＸスライダ３０３のＸ下板３０３ｃとステージ定盤３００の間にも不図示のエアパッドが設けらている。この結果、Ｘスライダ３０３はＹスライダ３０２に対してＸ方向に滑動自在になっている。Ｙスライダ３０２は前述のようにＹ方向に滑動自在であり、Ｘスライダ３０３はＹスライダ３０２に対してＸ方向に滑動自在なので、結局、Ｘスライダ３０３はＸＹ方向に滑動自在となる。
【０００５】
Ｘスライダ３０３のＸ上板３０３ａ上には６軸微動リニアモータと微動天板３６１からなる微動ステージ３６０が設けられる。６軸微動リニアモータは図１６に示すように２つのＸ微動リニアモータ３６２、２つのＹ微動リニアモータ３６３、３つのＺ微動リニアモータ３６４から構成される。各微動リニアモータは空芯の長円形扁平コイルとその扁平コイルを両側からはさむように設けられた磁石およびヨークから構成される、いわゆるローレンツ力を利用するリニアモータである。このリニアモータは、扁平長円形コイルの扁平面を含む面内で長円形コイルの直線部に直角な方向に推力を発生する。Ｘ微動リニアモータ３６２の長円形コイルは扁平面がＸＺ面と平行で直線部がＺ軸と平行になっており、Ｙリニアモータの長円形コイル（３６３ｄ）は扁平面がＹＺ面と平行で直線部がＺ軸と平行になっており、Ｚリニアモータ３６４の長円形コイル（３６４ｄ）は扁平面がＹＺ面と平行で直線部がＹ軸と平行になっていることで、各々ＸＹＺ方向の力を発生するようになっている。
【０００６】
なお、上記以外の構成ももちろん可能であり、例えば、微動リニアモータの個数もＸＹのどちらかを１個としてもよい。
【０００７】
各微動リニアモータにおいて、コイル（３６３ｄ、３６４ｄ）はコイル枠（３６３ｅ、３６４ｅ）を介してＸスライダ上板３０３ａに固定され、磁石（３６３ｃ、３６４ｃ）およびヨーク（３６３ｂ、３６４ｂ）はヨーク固定（３６３ａ、３６４ａ）を介して微動天板３６１に固定される。
【０００８】
また、Ｘスライダ３０３、Ｙスライダ３０２の駆動にもリニアモータが用いられる。Ｘスライダ、Ｙスライダ駆動用のリニアモータは、図１７に示すようなコイル固定磁石可動型のものであり、磁石位置に応じて２個のコイルを選択し、電流の大きさと方向を適切に制御することで長ストロークの駆動を実現する２相正弦波駆動タイプのリニアモータである。固定コイルは、あし３４１を介してステージ定盤３００に固定されたコイル枠３４２と、コイル枠３４２に固定されたコイル３４３から構成される。可動磁石はコイル３４３を両側からはさむように設けた１対の４極磁石３４４と、その各々の裏面に設けたヨーク３４６と、ヨーク間を結合する可動子側板３４５から構成される。なお、Ｘリニアモータも類似の構成を有する。
【０００９】
Ｙスライダ位置、Ｘスライダ位置、および微動天板位置は不図示のセンサで測定されている。Ｙスライダ３０２は少なくとも１軸、Ｘスライダ３０３は少なくとも１軸、微動天板３６１は少なくとも６軸のレーザ干渉計で計測されるのが望ましい。
【００１０】
以上の構成において、Ｘスライダ３０３は図１８に示すリニアモータで駆動されＸＹの両方向に長い距離を移動し、微動天板３６１は図１６に示す６軸微動リニアモータで高精度に制御される。微動天板３６１を制御する６軸微動リニアモータはローレンツ力を利用したものなので、Ｘ及びＹスライダと微動天板３６１との位置が変動してもその変動の影響をまったく受けずに高精度な位置制御が可能となっている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−１０６３４４号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
以上のようにＸＹステージの上にローレンツ力による６軸微動ステージ３６０を搭載した露光装置ステージは、長ストロークにわたって高精度な位置制御が可能となる利点がある。しかしながら、６軸微動ステージ３６０を搭載したため、Ｘスライダ３０３より先、つまりＸスライダ３０３と微動ステージ３６０のトータルの質量が増加してしまう。露光装置のステージでは生産性を高めるために大きな加速度でステージを加速する必要があるが、Ｘスライダと微動ステージのトータルの質量が増加すると、加速度が同一でも加速に必要な力は質量に比例して増加する。
【００１３】
上述したステージ装置の構成では、Ｘスライダ３０３と微動ステージ３６０をＹ方向に加速するための力は、もともとは図１７に示すＹリニアモータで発生される。そしてこの力の一部が図１８に示すエアパッドを介してＸスライダと微動ステージに伝達される。具体的にはＹスライダ系の質量をｍ１、Ｘスライダ系の質量をｍ２、微動天板系の質量をｍ３、加速度をαとすると、図１７に示す構成のＹリニアモータ２本で（ｍ１＋ｍ２＋ｍ３）×αの力を発生し、このうちの（ｍ２＋ｍ３）×αの力が図１８に示すエアパッド３８０を介してＸスライダ３０３と微動ステージ３６０に伝達される。
【００１４】
問題はエアパッド３８０の力伝達能力である。エアパッド３８０による力伝達は圧力換算で１ｋｇｆ／ｃｍ２程度にとどまっている。よって微動ステージの追加により（ｍ２＋ｍ３）×αが増加すると、その力を伝達できなくなる。かといってエアパッド３８０を転がりタイプのステージにするのは、寿命の問題やごみの問題があって非常に困難である。露光装置のように長期間の連続稼動とクリーン度が要求されるステージには転がりタイプのガイドは適用困難で、ガイドを非接触のもので構成するというのは譲れないところである。
【００１５】
さらに最近ではより微細なパターンを露光するために真空雰囲気で使えるステージが要求されているが、真空雰囲気でエアパッドを構成しようとすると周辺にエアを回収する手段を設ける必要がある。この周辺部は推力伝達に寄与しないので圧力換算での推力伝達能力はますます低下する傾向となる。
【００１６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、微動ステージを搭載した搬送質量の大きな可動体を迅速に加速できる非接触ガイドを備えたステージ装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明によるステージ装置は以下の構成を備える。すなわち、
第１の方向に延び、該第１の方向と直角な第２の方向へ移動可能な第１方向ガイドと、
前記第１方向ガイドを前記第２の方向へ移動させる駆動機構と、
前記第１方向ガイドにガイドされて、前記第１の方向に移動可能な可動体と、
前記可動体と前記第１方向ガイドとの間に、前記第２の方向に沿った電磁力を発生して、該可動体と該第１方向ガイドとを非接触に保つ電磁力発生手段とを備える。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
【００１９】
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態によるステージ装置の概観を示す図である。ステージの基本的な構成は、図１５を用いて上述した通りである。すなわち、ステージ定盤３００、Ｙスライダ３０２、Ｙリニアモータ３４０、Ｘスライダ３０３、Ｘリニアモータ３２０、６軸微動リニアモータと微動天板３６１を含む微動ステージ３６０等を具備し、Ｙスライダ３０２がステージ定盤３００とヨーガイド３０１によりエアパッドを介してＹ方向にガイドされ、Ｘスライダ３０３とステージ定盤３００の間にはエアパッドが設けられている。
【００２０】
第１実施形態のステージ装置においては、Ｘスライダ３０３をＸ方向にガイドするためのガイド構成に特徴がある。一般的なステージ装置では、図１４で説明したように、Ｘスライダ３０３はＹスライダ３０２の側面とＸスライダの側板３０３ｂとの間に設けられたエアパッドでＹスライダ３０２の側面に沿って動くようにガイドされている。
【００２１】
これに対して、第１実施形態では、図２、図３に示すように、Ｘスライダ３０３はＹスライダ３０２の側面とＸスライダの側板３０３ｂとの間に設けられた４個のＹ電磁石１０１および２枚のＹ吸引板１０２によって、Ｙスライダ３０２の側面に沿って動くようにガイドされている。２枚のＹ吸引板１０２はＹスライダ３０２の２つの側面に各々固定され、４個のＹ電磁石は２つの側板３０３ｂに２個ずつ固定される。そして各々のＹ吸引板１０２と２個のＹ電磁石１０１は非接触で対面している。Ｙ吸引板１０２、Ｙ電磁石１０１は図３のような積層された磁性体で構成するのが望ましい。このようにすると電磁石の磁束変化に起因する渦電流の影響を極めて小さくできるからである。またＹ電磁石１０１はＥ形断面コアの中央の歯にコイルを巻いたもので構成される。
【００２２】
電磁石は吸引力しか発生できないのでＹ軸の正負各々の方向に力を発生させるためには１対の対向した電磁石構成が必要である。図３では合計４個つまり２対のＹ電磁石１０１が設けられているが、これらによりＹ軸の正負方向、Ｚ軸周りの回転の正負方向に力およびモーメントを発生できるようになっている。
【００２３】
次にＸスライダ３０３の計測系について説明する。図１５で説明したステージ装置ではＸスライダ３０３はＸ方向位置だけを計測していれば十分であった。これに対して、本実施形態ではＸスライダ３０３についてＸ方向位置およびＹ軸方向位置およびＺ軸周りの回転の３つを計測する必要がある。図１５のステージ装置ではＹ軸方向位置とＺ軸まわりの回転はエアパッドで機械的に規制されていたので計測する必要がない。しかしながら、本実施形態のステージ装置では、Ｙ軸方向位置とＺ軸まわりの回転は機械的に拘束されておらず、Ｙ電磁石１０１によって制御される。従って、Ｘスライダ３０３のＹ軸方向位置とＺ軸周りの回転を計測することが必要となる。
【００２４】
以上の構成におけるＹ電磁石の制御及び作用について説明する。図４はコントローラ１５０によるＹ電磁石の制御構成を模式的に示した図である。
【００２５】
Ｘスライダ３０３に設けたＹ電磁石１０１およびＸスライダ３０３の計測系の役割は２つある。第１の役割はＸスライダ３０３とＹスライダ３０２を非接触に保つことであり、第２の役割はＹスライダ３０２からＸスライダ３０３に大きなＹ軸方向の加速力を伝達することである。
【００２６】
上述の第１の役割は、Ｘスライダ３０３のＹ軸方向位置、Ｚ軸周りの回転量、ＹスライダのＹ軸方向位置を計測し、Ｘスライダ３０２とＹスライダ３０３が接触しないように４つのＹ電磁石１０１に適当な電流を流すことで実現される。すなわち、コントローラ１５０は、ＸスライダＹ軸方向位置計測器１５１、ＸスライダＺ軸回り回転計測器１５２、ＹスライダＹ軸方向計測器１５３からの計測情報に基づいて、Ｘスライダ３０２とＹスライダ３０３が接触しないように４つのＹ電磁石１０１ａ〜ｄに適当な電流を流す。Ｘスライダ３０３はＹスライダ３０２と非接触状態に制御されればよく、高い精度でＹスライダに追従する必要はない。この制御は回転型の磁気軸受け等で周知の技術により達成できる。
【００２７】
上記第２の役割は４つのうち２つのＹ電磁石にＸスライダと微動ステージのＹ軸方向の加速に必要な力をＹ軸方向の加速に同期して発生させることで達成できる。たとえば図２においてＹ軸のプラス方向に加速する場合は、図２の奥側の２個の電磁石（図４の１０１ａ、１０１ｂ）にＸスライダと微動ステージのＹ軸方向の加速に必要な力をＹ軸方向の加速に同期して発生させればよい。こうすることでＸスライダ３０３はＹスライダ３０２からＹ軸プラス方向の吸引力を受けることができる。逆にＸスライダ３０３をＹ軸マイナス方向に加速する場合は、図２の手前側の２個の電磁石（１０１ｃ、１０１ｄ）にＸスライダと微動ステージのＹ軸方向の加速に必要な力をＹ軸方向の加速に同期して発生させればよい。こうすることでＸスライダ３０３はＹスライダ３０２からＹ軸マイナス方向の吸引力を受けることができる。
【００２８】
Ｙスライダ３０２の加速のスケジュール、つまり時間と加速度の関係はあらかじめわかっているので、コントローラ１５０がフィードフォワード的に加速のための吸引力を４個のうち２個の電磁石に発生させればよい。なお、Ｙ方向の加速時もＸスライダ３０３とＹスライダ３０２を非接触に保つための制御は並行して行われていて加速のための吸引力および制御のための制御力を発生するよう各電磁石は制御される。
【００２９】
このようにＹ方向の加速力を電磁石によって伝達すると、伝達力をエアパッドで伝達する場合に比べて飛躍的に増大させることができる。上述したように、エアパッドで発生できる単位面積あたりの力はほぼ１ｋｇｆ／ｃｍ２である。これに対して電磁石で発生できる単位面積あたりの力はほぼ８ｋｇｆ／ｃｍ２程度と約８倍になる。これは以下の式で見積もられる。
【００３０】
電磁石と吸引板の対面面積をＡ［ｍ２］、対面面積において一様な磁束密度Ｂ［Ｔ］が発生しているときの電磁石の吸引力Ｆは、真空の透磁率をμ０として
Ｆ＝１／２／μ０×Ｂ×Ｂ×Ａ
である。
【００３１】
よって単位面積あたりの力は、
Ｆ／Ａ＝１／２／μ０／Ｂ×Ｂである。
【００３２】
電磁石と吸引板の空隙を適当に設定し電磁石と吸引板の材質に珪素鋼板を用いた場合、Ｂは最大で１．４Ｔ程度が可能である。このとき、
2004172557.tif 000003
となる。
【００３３】
以上説明したようにＹスライダとＸスライダの間のガイド手段を電磁石で構成することによりエアパッドで構成した場合に比べて飛躍的に伝達できる推力を増加することができる。この結果搬送質量が重くなりがちな６軸微動ステージを搭載したＸＹステージにおいても大きな加速度を得ることができ、ひいては高精度と生産性を両立させることができるようになる。
【００３４】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。これはいわゆる田の字形のステージである。第２実施形態では、田の字形ステージのＸおよびＹガイド部に、第１実施形態で説明したような電磁石を設ける。
【００３５】
図５に示すように、ステージ定盤２００上にＸスライダ２０１、Ｙスライダ２０２が設けられている。Ｘスライダ２０１、Ｙスライダ２０２の下部には不図示のエアパッドが設けられており、Ｘスライダ２０１及びＹスライダ２０２はステージ定盤２００上を滑動自在に動くことができる。
【００３６】
Ｘスライダ２０１とＹスライダ２０２はＺ方向の位置がずれて略直交するように配置されており、Ｘスライダ２０１とＹスライダ２０２の交点相当の位置にＸＹスライダ２０３が配置される。ＸＹスライダ２０３の下部にもエアパッド（不図示）が設けられており、ＸＹスライダ２０３はステージ定盤２００上を滑動自在に動くことができる。ＸＹスライダ２０３の上部には、第１実施形態と同様の微動ステージ３６０が設けられ、極めて高精度な位置制御を可能にしている。
【００３７】
Ｘスライダ２０１、Ｙスライダ２０２の両横には図６に示す構造の有鉄心リニアモータ（Ｘリニアモータ２０４、Ｙリニアモータ２０５）が設けられ、Ｘスライダ２０１、Ｙスライダ２０２に大きな加速力を付与することができるようになっている。
【００３８】
Ｙスライダ２０２の詳細は以下のとおりである。Ｙスライダ２０２はＹバー２１１、Ｙバーの両側面に設けられたＹ吸引板２１２、Ｙバー２１１の両端に設けられたＹあし２１３、Ｙバー２１１の両端にＹリニアモータ可動子取り付け板を介して設けられたＹリニアモータ可動子２１５から構成される。リニアモータ可動子にはＹリニアモータ固定子２４０（図８）との吸引力により固定子の略中央あたりにくるような保持力が作用している。このためＹスライダ２０２のＸ方向位置は大きくずれないようになっている。Ｙあし２１３とステージ定盤２００の間に前述の不図示のエアパッドが設けられている。
【００３９】
Ｘスライダ２０１とＹスライダ２０２は高さの違いを除けば同一構成である。Ｘスライダ２０１はＸバーがＹバーと略直交するようにひいては前述のように全体が略直交するように配置されている。さらにＸスライダ２０１とＹスライダ２０２が交差するところにＸＹスライダ２０３が設けられる。
【００４０】
ＸＹスライダ２０３はＸＹ上板２３１、Ｙバー２１１の両側面に対面するように設けられる２枚のＹ駆動板２３２、ＸＹ中間板２３３、Ｘバー２２１の両側面に対面するように設けられる２枚のＸ駆動板２３４、ＸＹ下板２３５、図５及び図６では見えないが２枚のＹ駆動板の各々に２個ずつ設けられた都合４個のＹ電磁石、同様に図５及び図６では見えないが２枚のＸ駆動板２３４の各々に２個ずつ設けられた都合４個のＸ電磁石から構成される。ＸＹ下板の下部には不図示エアパッドが設けられＸＹスライダ全体がステージ定盤上をＸＹ方向に滑動自在に動けるようになっている。
【００４１】
図７にＹバー周辺の配置関係を示す。Ｙバー２１１の両側面にＹ吸引板２５２が固定され、ＸＹスライダ２０３の一部である２枚のＹ駆動板２３２の各々には２個ずつのＹ電磁石２５１が固定され、各Ｙ吸引板２５２に対して２個のＹ電磁石２５１が非接触で対面している。
【００４２】
ＸＹスライダ２０３のＹ軸方向位置とＺ軸周りの回転とＹスライダのＹ軸方向位置とＹスライダのＺ軸周りの回転を測定し、これらの測定量に応じて４個のＹ電磁石２５１に適当な電流を流すことでＹバー２１１とＸＹスライダ２０３を非接触に保つことができる。またＹバー２１１がＹ軸プラス方向に加速度αで加速されるのに同期してそのα×（ＸＹスライダ質量＋微動ステージ質量）だけの力を２つの奥側のＹ電磁石２５１で発生するように電流を流すと、Ｙ吸引板２５２を介して“ＸＹスライダ＋微動ステージ”を加速度αでＹ軸プラス方向に加速することができる。このため、Ｙバー２１１と“ＸＹスライダ＋微動ステージ”はほぼ同期した動きをすることができる。Ｙバー２１１を加速する力は図８を参照して後述する２組の有鉄心Ｙリニアモータ２０５により発生される。
【００４３】
同様にＹバーがＹ軸マイナス方向に加速度αで加速されるのに同期してそのα×（ＸＹスライダ質量＋微動ステージ質量）だけの力を２つの手前側のＹ電磁石２５１で発生するように電流を流すと、Ｙ吸引板２５２を介して“ＸＹスライダ＋微動ステージ”を加速度αでＹ軸マイナス方向に加速することができ、Ｙバー２１１と“ＸＹスライダ＋微動ステージ”はほぼ同期した動きを実現することができる。なお、加速中もＸＹスライダとＹバーを非接触に保つ制御は並行して行われている。
【００４４】
Ｘバー周辺も上記Ｙバー周辺と同様である。すなわち、Ｘバー周辺とＹバー周辺は同一構成でありＹバー周辺のＹをＸに読み替えるだけでＹバー周辺で説明したのと同じ機能をＸ方向について実現できるようになっている。
【００４５】
次にＹスライダ、Ｘスライダを駆動するためのＹリニアモータ、Ｘリニアモータについて説明する。ここでは、Ｙリニアモータを例に挙げて説明する。Ｙリニアモータ２０５は図８に示す構成になっている。可動子２１５は中間板２４１と中間板２４１の上下に１４個ずつ設けられた永久磁石２４２とから構成される。各永久磁石２４２はＺ方向に着磁され、隣り合う磁石でＮＳが反転するように並べられている。中間板２４１は磁石２４２の磁束を通すため磁性体で構成されている。
【００４６】
固定子２４０はくし歯形状の鉄心２４３に複数のコイル２４４を差し込んだユニットを可動子２１５の上下から非接触で挟み込むように配置し、この２つのユニットを補強板上２４５、補強板下２４６、補強板前２４７、補強板後２４８の４つで固定して構成される。補強板下２４６の下部にはあし２４９が設けられ、固定子２４０全体をステージ定盤２００に固定している。
【００４７】
図８はスロット１１個分の長さと磁石１２極分の長さが一致するように設計された、１１スロット１２極構成のモータである。コイルは隣あうものが直列または並列に接続されて１つの相を構成している。磁石の周期を基準とする電気角でコイルの相の種類は３種類であり、いわゆる３相モータである。但し同じ相というのは１８０度ずれたものまで拡張して同相と称している。
【００４８】
駆動方法は磁石２４の位置に応じて推力に寄与する３相のコイルを選択し、それらに電流ベクトルと磁束ベクトルが直交するように正弦波電流を流すいわゆる３相正弦波駆動である。有鉄心リニアモータは、上記第１実施形態で示した空芯タイプのリニアモータに比べて同一発熱で大きな推力を発生できるという特徴がある。さらに図８の構成では、可動子２１５を磁石のみとし固定子２４０をコイル＋鉄心としたので、くし歯形鉄心のくし歯の長さを長くしてコイルおよび鉄心の量をふやしてより大推力が発生できる設計にすることができる。この場合でも可動子の質量は変わらないので、搬送質量を増やすことなく推力を増やすことができる。
【００４９】
以上の構成においてＸリニアモータ２０４、Ｙリニアモータ２０５を駆動してＸスライダ２０１、Ｙスライダ２０２を加速するとＸバー２２１、Ｙバー２１１からＸＹスライダ２０３へはＸ電磁石・Ｙ電磁石により極めて大きな加速力が伝達でき、またＸ電磁石・Ｙ電磁石は加速力伝達中も並行してＸＹスライダとＸスライダ、ＸＹスライダとＹスライダの間を非接触に保つように制御している。つまり非接触を保ちながら６軸微動ステージ３６０を搭載した大きな質量のＸＹスライダ系に大きな加速力を伝達することができ、高精度な位置制御は６軸微動ステージで達成されるのでパターンの高精細化と高い生産性を両立することができる。
【００５０】
最後に可動磁石型有鉄心リニアモータと田の字ステージを組み合わせによる利点を説明する。田の字形ステージではＸ駆動においてもＹ駆動においても他の駆動軸の駆動機構を搬送する必要がないという特徴がある。このためある軸の駆動機構の可動部を軽く、固定部を重くする設計が可能となる。そのような設計によってある軸の固定部が重くなっても、その重くなった固定部をもう一方の軸の駆動系で搬送しなくてよいからである。逆に、上述した第１実施形態では、Ｙスライダ上にＸリニアモータが搭載されているのでＸリニアモータの固定子を重くするとＹ駆動系で必要な加速力が増加してしまい、好ましくない。図８に示す有鉄心のリニアモータは可動部を軽く固定部を重くして大きな推力を得るようにした例である。図８に示す構成のリニアモータは前述のようにくし歯形状鉄心のくし歯の高さを高くしてそこに巻くコイルの量をふやすようにすると可動子の質量は一定のままで推力を増加することができる。これに伴って固定子の質量は増加するが固定子は他の軸の駆動系によって搬送されないので重くなっても問題にはならない。
【００５１】
つまり田の字形ステージと可動磁石型有鉄心リニアモータを組み合わせることでより大きな推力をＹスライダ、Ｘスライダ、ひいてはＸＹスライダに与えることが可能になる。
【００５２】
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態を説明する。図９及び図１０は第３実施形態によるステージ装置を示す図である。
【００５３】
ステージ装置の構成、作用、効果は第２実施形態とほとんど同じである。つまりステージ基本構成が田の字形であり、Ｘスライダ２０１、Ｙスライダ２０２、ＸＹスライダ２０３、微動ステージ３６０から構成され、Ｘスライダ２０１、Ｙスライダ２０２の駆動には可動磁石型有鉄心リニアモータ（２０４、２０５）が用いられる。また、ＸＹスライダ２０３とＸスライダ２０１、ＸＹスライダ２０３とＹスライダ２０２の間に電磁石と吸引板が設けられ、電磁石の電流を適当に制御することによりＸＹスライダ２０３がＸスライダ２０１およびＹスライダ２０２から大きな加速力を受けると同時に、ＸＹスライダ２０３とＸスライダ２０１およびＹスライダ２２の間が非接触に保たれること、更に、田の字ステージと有鉄心可動磁石リニアモータの組み合わせによりより大きな加速力を発生できることは第２実施形態で述べたとおりである。
【００５４】
第３実施形態では、以上に加えてＸスライダ２０１まわり、Ｙスライダ２０２まわりに、新たにＺ吸引板２６１とＺ電磁石２６２（図１１）を設けて、ＸＹスライダ２０３が加速されるときに発生するモーメントによるＸＹスライダ２０３の傾きを抑制できるようにしたことである。
【００５５】
Ｚ電磁石系という新たな要素は付加されたが、第２実施形態と同様にＸスライダ周りとＹスライダ周りは同じ構成であり、ここではＹスライダ周りについて説明する。
【００５６】
図１１、図１２にＹバー２０２周辺の構成を示す。Ｚ電磁石系以外は図７に示した第２実施形態のＹバー周辺図と同じ構成であり、Ｚ電磁石系以外の作用効果も第２実施形態と同様である。ここでは、第２実施形態の構成に加えて、Ｙバー２０２の上下にＺ吸引板２６１が設けられる。さらに各Ｚ吸引板２６１に非接触で対面する２個のＺ電磁石２６２が設けられる。上側の２個のＺ電磁石２６２はＸＹ上板２３１に固定され、下側の２個のＺ電磁石はＸＹ中板２３３に固定される。
【００５７】
Ｘバー２０１にも同様の構成でＺ吸引板とＺ電磁石が設けられる。Ｘバー周辺の場合、上側の２個のＺ電磁石はＸＹ中板２３３に固定され、下側の２個のＺ電磁石はＸＹ下板２３５に固定される。
【００５８】
次にＹバー２０２に設けたＺ電磁石系の作用について説明する。Ｘバーについても同様の作用があることはいうまでもない。
【００５９】
図１３にＸスライダ、Ｙスライダ、ＸＹスライダ、微動ステージの切断面を示し、図１４にその切断面におけるＺ電磁石系の作用を説明する。
【００６０】
図１４の（ａ）にはＸリニアモータに推力を与え、Ｘスライダ系を介してＸＹスライダおよび微動ステージをマイナスＸ方向に加速する場合にＸＹスライダ系に作用する力を示しており、図１４の（ｂ）にはそのときにＹスライダ系に作用する力を示している。
【００６１】
Ｘマイナス方向にＸＹスライダに加速力を与えるには前述のようにＸプラス側に配置されたＸ電磁石に加速力に等しい吸引力を発生させればよい。ところがこの吸引力の作用線は“ＸＹスライダ＋微動ステージ”全体の重心とずれているので、加速時に“ＸＹスライダ＋微動ステージ”全体に作用する慣性力と吸引力の作用線が一致せず、ＸＹスライダに対してモーメントが発生する。そこで４個のＺ電磁石のうち対角位置にある２個のＺ電磁石に適当な電流を流してこの吸引力と慣性力によるモーメントを打ち消すようにしている。したがってトータルとしてＸＹスライダにはモーメントは発生せず姿勢が傾くことはない。
【００６２】
もしＺ電磁石系によるモーメント相殺がなければＸＹスライダに作用したモーメントにはＸＹ下板の下部に設けたエアパッドで対抗することになる。ところがエアパッドのスパンは大きくはとれずエアパッド部で加速力と同程度の負荷を発生させなければならない。しかし前述のようにエアパッドでは単位面積あたりの発生負荷が１ｋｇｆ／ｃｍ２程度なので、加速力と同程度の負荷は発生できない。このため、ＸＹスライダ下部が接触してしまったり、これを避けるために加速を制限しなければならなくなったりする。よってより大きな加速を得たい場合はＺ電磁石によるモーメント相殺が必須となる。この状況が図１４（ａ）に示されている。
【００６３】
図１４（ｂ）は、Ｚ電磁石で受けたモーメントがどこに伝えられるかを説明する図である。Ｚ電磁石の吸引力はＹスライダの２枚のＹ吸引板に伝わるので、モーメントはＹスライダに伝わる。ＹスライダではＺ電磁石から伝わったモーメントにＹあし下部に設けたエアパッドで発生する負荷で対抗している。図に示すように２個のＺ電磁石のスパンに比べてＹあし下部のスパンは数倍程度取れるのでＹあし下部のエアパッドが発生すべき負荷は加速力の数分の１ですむ。つまり発生負荷の小さいエアパッドでも加速時に発生するモーメントに対抗することができる。以上はＸ方向に加速するときの状況であるがＹ方向に加速するときの状況も同様である。ただしＹ電磁石の吸引力の作用線と（ＸＹスライダ＋微動ステージ）全体の重心とのずれは  Ｘ電磁石の吸引力の作用線と（ＸＹスライダ＋微動ステージ）全体の重心とのずれよりも相当小さいのでエアパッドが発生すべき負荷はより小さくて済む。
【００６４】
以上説明したように第３実施形態では第２実施形態の効果に加えてＸＹスライダのピッチング方向の傾きをほぼゼロにできるという効果が得られる。
【００６５】
以下、本発明の実施態様の例を列挙する。
【００６６】
〔実施態様１〕  第１の方向に延び、該第１の方向と直角な第２の方向へ移動可能な第１方向ガイドと、
前記第１方向ガイドを前記第２の方向へ移動させる駆動機構と、
前記第１方向ガイドにガイドされて、前記第１の方向に移動可能な可動体と、
前記可動体と前記第１方向ガイドとの間に、前記第２の方向に沿った電磁力を発生して、該可動体と該第１方向ガイドとを非接触に保つ電磁力発生手段と
を備えることを特徴とするステージ装置。
〔実施態様２〕  前記電磁力発生手段は、前記第１方向ガイドのガイド面に対向して前記移動体に設けられた電磁石と、該ガイド面に沿って設けられた吸引板とを含むことを特徴とする実施態様１に記載のステージ装置。
〔実施態様３〕  前記可動体上に搭載され、少なくとも前記第２の方向の変位を制御可能な微動ステージを更に備えることを特徴とする実施態様１に記載のステージ装置。
〔実施態様４〕  前記微動ステージは６軸方向にローレンツ力で制御されることを特徴とする実施態様３に記載のステージ装置。
〔実施態様５〕  前記可動体は、前記第１方向ガイド上に設けられたリニアモータによって前記第１の方向に移動することを特徴とする実施態様１に記載のステージ装置。
【００６７】
〔実施態様６〕  第１の方向に延び、該第１の方向と直角な第２の方向へ移動可能な第１方向ガイドと、
前記第２の方向に延び、前記第１の方向へ移動可能な第２方向ガイドと、
前記第１及び第２方向ガイドをそれぞれ前記第２及び第１の方向へ移動させる駆動機構と、
前記第１及び第２方向ガイドの交差部に設けられ、該第１及び第２方向ガイドにガイドされて前記第１及び第２の方向に移動可能な可動体と、
前記可動体と前記第１方向ガイドとの間に前記第２の方向に沿った電磁力を発生して該可動体と該第１方向ガイドとを非接触に保つ第１電磁力発生手段と、該可動体と前記第２方向ガイドとの間に前記第１の方向に沿った電磁力を発生して該可動体と該第２方向ガイドとを非接触に保つ第２電磁力発生手段と
を備えることを特徴とするステージ装置。
〔実施態様７〕  前記第１方向ガイドと前記可動体との間、及び前記第２方向ガイドと該可動体との間に、前記第１及び第２の方向を含む平面に対して直角な第３の方向に沿った電磁力を発生する、第３電磁力発生手段を更に備えることを特徴とする実施態様６に記載のステージ装置。
〔実施態様８〕  前記駆動機構が、有鉄心の可動磁石型リニアモータであることを特徴とする実施態様６に記載のステージ装置。
〔実施態様９〕  第１の方向に延び、該第１の方向と直角な第２の方向へ移動可能な第１方向ガイドを前記第２の方向へ移動させる駆動工程と、
前記第１方向ガイドにガイドされて前記第１の方向に移動可能な可動体と該第１方向ガイドとの間に前記第２の方向に沿った電磁力を発生する発生手段を制御して、該可動体と該第１方向ガイドとを非接触に保つ第１制御工程と、
前記駆動工程による前記第１方向ガイドの前記第２の方向への移動に応じて、前記可動体に該第２の方向への加速力を付与するべく前記発生手段を制御する第２制御工程と
を備えることを特徴とするステージ装置の制御方法。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、微動ステージを搭載した搬送質量の大きな可動体を加速できる非接触ガイドが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態による移動ステージ装置の概観を示す図である。
【図２】第１実施形態による移動ステージ装置の一部省略図である。
【図３】第１実施形態による移動ステージ装置における電磁石周りの詳細図である。
【図４】第１実施形態による電磁石制御を説明する図である。
【図５】第２実施形態による移動ステージ装置の概観を示す図である。
【図６】第２実施形態による移動ステージ装置の一部省略図である。
【図７】第２実施形態の移動ステージ装置におけるＹ電磁石の周辺詳細図である。
【図８】第２実施形態の移動ステージ装置におけるリニアモータの説明図である。
【図９】第３実施形態の移動ステージ装置の概観を示す図である。
【図１０】第３実施形態による移動ステージ装置の一部省略図である。
【図１１】第３実施形態の移動ステージ装置におけるＹ電磁石およびＺ電磁石の周辺詳細図である。
【図１２】第３実施形態の移動ステージ装置におけるＹ電磁石およびＺ電磁石の周辺詳細図である。
【図１３】第３実施形態の移動ステージ装置におけるＺ電磁石の作用を説明する図である。
【図１４】第３実施形態の移動ステージ装置におけるＺ電磁石の作用を説明する図である。
【図１５】一般的な移動ステージ装置の概観を示す図である。
【図１６】微動ステージにおける６軸微動リニアモータの構成を説明する図である。
【図１７】Ｙスライダを駆動するための粗動リニアモータの構成を説明する図である。
【図１８】一般的な移動ステージ装置に採用されているエアパッドを説明する図である。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年12月25日(2003.12.25)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に延び、該第１の方向と直角な第２の方向へ移動可能な第１方向ガイドと、
前記第１方向ガイドを前記第２の方向へ移動させる第１駆動機構と、
前記第１方向ガイドにガイドされて、前記第１の方向に移動可能な可動体と、
前記可動体と前記第１方向ガイドとの間に、前記第２の方向に沿った電磁力を発生して、該可動体と該第１方向ガイドとを非接触に保つ第１電磁力発生手段とを備えることを特徴とするステージ装置。
【請求項２】
前記第１電磁力発生手段は、前記第１方向ガイドのガイド面に対向して前記移動体に設けられた電磁石と、該ガイド面に沿って設けられた吸引板とを含むことを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
【請求項３】
前記可動体上に搭載され、少なくとも前記第２の方向の変位を制御可能な微動ステージを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
【請求項４】
前記微動ステージは、前記第１の方向、前記第２の方向、該第１及び第２の方向と直角な第３の方向、該第１乃至第３の各方向の軸周りの回転の６軸方向にローレンツ力で制御されることを特徴とする請求項３に記載のステージ装置。
【請求項５】
前記可動体を、前記第１方向ガイド上に設けられたリニアモータによって前記第１の方向に移動する第２駆動機構を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
【請求項６】
前記第２の方向に延び、前記第１の方向へ移動可能な第２方向ガイドと、
前記第２方向ガイドをそれぞれ前記第１の方向へ移動させる第２駆動機構とを更に備え、
前記可動体は前記第１及び第２方向ガイドの交差部に設けられ、該第１及び第２方向ガイドにガイドされて前記第１及び第２の方向に移動可能であり、
前記第１電磁力発生手段は、更に、前記可動体と前記第２方向ガイドとの間に前記第１の方向に沿った電磁力を発生して該可動体と該第２方向ガイドとを非接触に保つことを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
【請求項７】
前記第１方向ガイドと前記可動体との間、及び前記第２方向ガイドと該可動体との間の少なくとも何れかにおいて、前記第１及び第２の方向を含む平面に対して直角な第３の方向に沿った電磁力を発生する第２電磁力発生手段を更に備えることを特徴とする請求項６に記載のステージ装置。
【請求項８】
前記第１及び第２駆動機構が、有鉄心の可動磁石型リニアモータであることを特徴とする請求項６に記載のステージ装置。
【請求項９】
前記第１方向ガイドの前記第２の方向の位置を計測する第１方向ガイド位置計測手段と、
前記可動体の前記第２の方向の位置を計測する可動体位置計測手段とを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
【請求項１０】
第１の方向に延び、該第１の方向と直角な第２の方向へ移動可能な第１方向ガイドを前記第２の方向へ移動させる駆動工程と、
前記第１方向ガイドにガイドされて前記第１の方向に移動可能な可動体と該第１方向ガイドとの間に前記第２の方向に沿ってそれぞれ反対方向の電磁力を発生する少なくとも１対の電磁石を制御して、該可動体と該第１方向ガイドとを非接触に保つ第１制御工程と、前記駆動工程による前記第１方向ガイドの前記第２の方向への移動に応じて、前記可動体に該第２の方向への加速力を付与するべく前記電磁石の駆動を制御する第２制御工程とを備えることを特徴とするステージ装置の制御方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動ステージ装置に関する。特に、露光装置におけるウエハステージ等に好適なステージ装置及びその制御方法に関する。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、微動ステージを搭載した搬送質量の大きな可動体を迅速に加速できる非接触ガイドを備えたステージ装置及びその制御方法を提供することを目的とする。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明によるステージ装置は以下の構成を備える。すなわち、
第１の方向に延び、該第１の方向と直角な第２の方向へ移動可能な第１方向ガイドと、
前記第１方向ガイドを前記第２の方向へ移動させる第１駆動機構と、
前記第１方向ガイドにガイドされて、前記第１の方向に移動可能な可動体と、
前記可動体と前記第１方向ガイドとの間に、前記第２の方向に沿った電磁力を発生して、該可動体と該第１方向ガイドとを非接触に保つ第１電磁力発生手段とを備える。
また、本発明の他の態様によるステージ装置の制御方法は、
第１の方向に延び、該第１の方向と直角な第２の方向へ移動可能な第１方向ガイドを前記第２の方向へ移動させる駆動工程と、
前記第１方向ガイドにガイドされて前記第１の方向に移動可能な可動体と該第１方向ガイドとの間に前記第２の方向に沿ってそれぞれ反対方向の電磁力を発生する少なくとも１対の電磁石を制御して、該可動体と該第１方向ガイドとを非接触に保つ第１制御工程と、前記駆動工程による前記第１方向ガイドの前記第２の方向への移動に応じて、前記可動体に該第２の方向への加速力を付与するべく前記電磁石の駆動を制御する第２制御工程とを備える。


【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2004172557.tif 000022