(57)【要約】【課題】  ステージの位置制御精度を高めるため、位置制御系のゲインを可能な限り高く設定し、高いサーボ帯域を実現する。【解決手段】  基板を搭載可能な天板と、天板面に垂直な方向に推力を発生するアクチュエータと天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータをそれぞれ３個以上備え、並進３自由度と回転３自由度の計６自由度に移動可能な微動ステージにおいて、前記天板の構造が中空内部を有する構造になっていて、前記中空内部にはねじれモードに対する固有振動数を高めるリブ構造を有し、前記リブ側面にアクチュエータ可動子を固定する。【選択図】  図１
2005297109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を搭載可能な天板と、天板面に垂直な方向に推力を発生するアクチュエータと天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータをそれぞれ３個以上備え、並進３自由度と回転３自由度の計６自由度に移動可能な微動ステージにおいて、前記天板の構造が中空内部を有する構造になっていて、前記中空内部にはねじれモードに対する固有振動数を高めるリブ構造を有し、前記リブ側面にアクチュエータ可動子を固定したことを特徴とする微動ステージ。
【請求項２】
前記可動子の推力発生部位が、前記可動子と前記リブ側面との接合部位の範囲内に含まれることを特徴とする、請求項１に記載の微動ステージ。
【請求項３】
前記リブに切り欠きを設け、前記可動子が該切り欠きとはめ合わされて、一体となるように接合されていることを特徴とする、請求項１から請求項２に記載の微動ステージ。
【請求項４】
前記天板および前記可動子を含む可動体の重心の天板面に垂直な方向の高さと、天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータの推力作用軸の高さが略一致するように前記アクチュエータを配置したことを特徴とする、請求項１から請求項３に記載の微動ステージ。
【請求項５】
前記天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータの推力作用軸の高さが、前記天板の弾性変形時に伸び縮みのもっとも小さくなる弾性変形中立面に略一致するように前記アクチュエータを配置したことを特徴とする、請求項１から請求項４に記載の微動ステージ。
【請求項６】
前記アクチュエータは、ローレンツ力アクチュエータであることを特徴とする、請求項１から請求項５に記載の微動ステージ。
【請求項７】
前記アクチュエータは、電磁力アクチュエータであることを特徴とする、請求項１から請求項５に記載の微動ステージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体露光装置、工作機械など高速、高精度の位置、速度制御が求められる分野において、可動体の弾性振動の影響を抑えた微動ステージに関する。
【背景技術】
【０００２】
ここでは従来技術として、特許文献１に記載のステージを例に説明を行う。
【０００３】
半導体露光装置においては露光線幅の微細化に伴い、露光装置のウェハステージに求められる位置制御精度は数ｎｍのオーダーに達している。また、生産性の向上の観点からステージの移動加速度および速度は年々増大の傾向にある。このような高速・高精度の位置制御を実現するためには、ウェハステージ位置制御系のサーボ帯域が高いことが必要である。高いサーボ帯域は目標値への応答性が高く、外乱などの影響にも頑健なシステムを実現する。従って、装置を作る立場からは可能な限り高いサーボ帯域を実現する、ウェハステージ、本体構造体等の設計が行われる。
【０００４】
図９は従来例のウェハステージの斜視図である。
【０００５】
（ＸＹステージの説明）
ベース定盤５０２上にＹヨーガイド５５０が固定されている。Ｙヨーガイド５５０の側面とベース定盤５０２の上面でガイドされるＹステージ５５１が、Ｙステージ５５１に設けられた不図示エアスライドによりＹ方向に沿って滑動自在に支持されている。
【０００６】
Ｙステージ５５１は、主に２本のＸヨーガイド５５２とＹスライダ大５５３、Ｙスライダ小５５４の４部材から構成される。Ｙスライダ大５５３は、その側面及び下面に設けた不図示エアパッドを介してＹヨーガイド５５０側面及びベース定盤５０２上面と対面している。また、Ｙスライダ小５５４は、その下面に設けた不図示エアパッドを介してベース定盤５０２上面と対面している。この結果Ｙステージ全体としては前述のようにＹヨーガイド５５０の側面とベース定盤５０２の上面でＹ方向に滑動自在に支持されることになる。
【０００７】
一方、Ｘステージ５６１は、主に２枚のＸステージ側板５６２と、上のＸステージ上板５６３、下のＸステージ下板５６４の４部材から構成され、Ｙステージ５５１のＸヨーガイド５５２をＸ軸まわりに囲むように設けられる。Ｘステージ５６１は、Ｘ方向に不図示のエアスライドにより滑動自在に支持されている。Ｘステージ５６１は、Ｙステージ５５１の構成部材である２本のＸヨーガイド５５２の側面とベース定盤５０２の上面とでガイドされる。Ｘステージ下板５６４はその下面に設けた不図示エアパッドを介してベース定盤５０２上面と対面し、２枚のＸステージ側板５６２はその側面に設けた不図示エアパッドを介してＹステージ５５１の構成部材である２本のＸヨーガイド５５２の側面と対面している。Ｘステージ上板５６３の下面とＸヨーガイド５５２の上面、およびＸステージ下板５６４の上面とＸヨーガイド５５２の下面は非接触になっている。この結果、Ｘステージ５６１全体としては、前述のように２本のＸヨーガイド５５２の側面とベース定盤５０２の上面でＸ方向に滑動自在に支持されることになる。結果的に、Ｘステージ５６１は、Ｙステージ５５１がＹ方向に移動するときは共にＹ方向に移動し、Ｙステージ５５１に対してはＸ方向に移動可能であるため、ＸＹの２次元に滑動自在となる。
【０００８】
ＸＹステージ（移動装置）の駆動機構は、Ｘ駆動用に１本、Ｙ駆動用に２本の多相コイル切り替え方式の長距離リニアモータ５１０が用いられている。Ｘ駆動用の長距離Ｘリニアモータ５１０Ｘの固定子５１２ＸはＹステージ５５１に設けられ、長距離Ｘリニアモータ５１０Ｘの可動子５１１ＸはＸステージ５６１に設けられており、Ｘステージ５６１とＹステージ５５１との間でＸ方向に駆動力を発生する。長距離Ｙリニアモータ５１０Ｙの固定子５１２Ｙは、ベース定盤５０２と一体的に設けても良いし、ベース定盤５０２と振動的に独立した部材に設けても良い。長距離Ｙリニアモータ５１０Ｙの可動子５１１Ｙは、連結板５５５を介してＹステージ５５１と一体的に設けられている。これにより、Ｙ駆動用の長距離Ｙリニアモータ５１０Ｙは、Ｙステージ５５１をベース定盤５０２に対してＹ方向に駆動する。
【０００９】
長距離リニアモータ５１０の固定子５１２は、ストローク方向に並べた複数個のコイル５１３をコイル固定枠５１４に保持した物である。長距離リニアモータ５１０の可動子５１１は、磁極ピッチが上記コイルのコイルスパンに等しい４極の磁石をヨーク板の上にならべたもので上記コイルを挟むように対向させて形成した箱形の磁石で構成される。長距離リニアモータは、可動子の位置によって固定子のコイルに選択的に電流を流すことにより推力を発生する。
【００１０】
（ウェハ天板５０１の説明）
ウェハ天板５０１（移動可能なステージ）は、工作物であるウェハをウェハチャック５７１により載置し、並進ＸＹＺ方向及び回転ωｘωｙωｚ方向の６自由度方向に位置決めするものである。ウェハ天板５０１は、矩形の板状の形をしており中央に窪み５７２が設けられ、窪み部分５７２にウェハを載置するためのウェハチャック５７１が設けられている。ウェハ天板５０１の側面には干渉計（第１の計測器）のレーザーを反射するためのミラー５２９が設けられウェハ天板５０１の位置を計測できるようになっている。
【００１１】
（位置計測の説明）
次に、図１０を用いて、Ｘステージ５６１の位置計測とウェハ天板５０１の位置計測について説明する。
【００１２】
Ｘステージ５６１の上板５６３の側面には、Ｘステージ５６１の位置計測を行う干渉計（第２の計測器）の計測光を反射するためのミラーが形成されている。Ｘ方向およびＹ方向からレーザー干渉計の計測光がＸステージ側面ミラー５３９に照射され、Ｘステージ５６１のＸＹ方向の位置をレーザー干渉計で精密に計測できるようになっている。
【００１３】
ウェハ天板５０１の側面には、干渉計のレーザーを反射するためのミラー５２９が設けられ、ウェハ天板５０１の位置を計測できるようになっている。ウェハ天板５０１には６本の光ビームが照射され、ウェハ天板５０１の６自由度の位置を計測している。Ｘ軸に平行でＺ位置の異なる２本の干渉計ビームにより、ウェハ天板５０１のＸ方向の位置およびωｙ方向の回転量が計測できる。また、Ｙ軸に平行でＸ位置およびＺ位置の異なる３本の干渉計ビームにより、Ｙ方向の位置およびωｘωｙ方向の回転量が計測できる。さらにウェハチャック５７１に載置されたウェハに斜めに計測光を入射し、この計測光の反射位置を計測することにより、ウェハのＺ方向の位置（つまりウェハ天板のＺ方向の位置）が計測できる。
【００１４】
以上のように、Ｘステージ５６１及びウェハ天板５０１の位置を計測することにより、Ｘステージ５６１の位置計測とウェハ天板５０１の位置計測は、互いに独立して位置をレーザー干渉計で精密に計測できるようになっている。
【００１５】
（微動アクチュエータの説明）
次に、図１１を用いて、Ｘステージ５６１とウェハ天板５０１との間で駆動力を発生する微動アクチュエータユニットの説明を行う。図１０は、Ｘステージ５６１とウェハ天板５０１との間に設けられた微動リニアモータ５０３および電磁石５０８等を用いたアクチュエータの分解図を表している。
【００１６】
ウェハ天板５０１の下方にはウェハ天板５０１に推力や吸引力を作用する基準となる前述のＸＹステージが配置される。
【００１７】
ウェハ天板５０１の下面には８個の微動リニアモータ可動子５０４が取り付けられている。各可動子５０４は、厚み方向に着磁された２極の磁石５７４およびヨーク５７５を２組み有している。この２組の磁石５７４およびヨーク５７５は、側板５７６で連結して箱状の構造を形成し、後述の微動リニアモータ固定子５０５を非接触で挟み込むように対面する。
【００１８】
８個の可動子５０４のうちの４個の可動子５０５Ｚは、矩形状天板５０１の辺のほぼ中央部に配置され、ウェハ天板５０１をＸステージ５６１に対してＺ方向に微動駆動するためのＺ可動子を形成する。Ｚ可動子５０５Ｚにおいては、前記２極の磁石５７４ＺがＺ方向に沿って配列されており、後述のＺ方向に直角な直線部をもつＺ固定子５０５Ｚの長円コイル５７８Ｚに流れる電流と相互作用してＺ方向の推力を発生する。これをＺ１〜Ｚ４可動子と名づける。
【００１９】
残りの４個の可動子５０４Ｘのうち矩形状天板の対角の隅部に配置される２個の可動子は、ウェハ天板５０１をＸステージ５６１に対してＸ方向に微動駆動するためのＸ可動子を形成する。Ｘ可動子５０４Ｘにおいては、前記２極の磁石５７４ＸがＸ方向に沿って配列されており、後述のＸ方向に直角な直線部をもつＸ固定子５０５Ｘの長円コイル５７８Ｘに流れる電流と相互作用してＸ方向の推力を発生する。これをＸ１、Ｘ２可動子と名づける。
【００２０】
残りの２個の可動子５０４Ｙもまた矩形状天板５０１の対角の隅部に配置され、ウェハ天板５０１をＸステージ５６１に対してＹ方向に微動駆動するためのＹ可動子を形成する。Ｙ可動子５０４Ｙにおいては、前記２極の磁石５７４がＹ方向に沿って配列されており、後述のＹ方向に直角な直線部をもつＹ固定子５０５Ｙの長円コイル５７８Ｙに流れる電流と相互作用してＹ方向の推力を発生する。これをＹ１、Ｙ２可動子と名づける。
【００２１】
また、ウェハ天板５０１の下面の矩形のほぼ中央部には、円筒形状の磁性体支持筒５８０が設けられている。そしてこの磁性体支持筒５８０の外周部には４つの円弧状の磁性体ブロック５０７が固定されている。このうち２個の円弧状磁性体ブロック５０７Ｘは、Ｘ方向に沿うように配置され、やはりＸ方向に沿うように配置された後述のＥ形状電磁石５０８Ｘと非接触で対面し、Ｅ形状電磁石５０８ＸからＸ方向の大きな吸引力を受けられるようになっている。この、Ｘ方向に沿って配置された円弧状の磁性体ブロック５０７ＸをＸ１、Ｘ２ブロックと名づける。
【００２２】
残りの２個の円弧状磁性体ブロック５０７Ｙは、Ｙ方向に沿うように配置され、やはりＹ方向に沿うように配置された後述のＥ形状電磁石５０８Ｙと非接触で対面し、Ｅ形状電磁石５０８ＹからＹ方向の大きな吸引力を受けられるようになっている。この、Ｙ方向に沿って配置された円弧状の磁性体ブロック５０７ＹをＹ１、Ｙ２ブロックと名づける。
【００２３】
円筒形状の磁性体支持筒５８０の中空部分には、自重補償ばね５８１が配置され、その上端がウェハ天板５０１の下面中央部と結合され、ウェハ天板５０１の自重を支持するようになっている。自重補償ばね５８１は自重支持方向および他の５自由度方向のばね定数が極めて小さく設計されており、ばね５８１を介してＸステージ５６１からウェハ天板５０１への振動伝達がほぼ無視できるようになっている。
【００２４】
Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘが発生する力の作用線のＺ座標は概ね一致している。Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘが発生する力の作用線のＺ座標は、Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘ、Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙ、Ｚ１Ｚ２Ｚ３Ｚ４可動子５０４Ｚおよび磁性体支持筒５８０および４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＺ座標と概ね一致するようになっていることが望ましい。この場合、Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘに発生するＸ方向の推力によって、Ｙ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになる。
【００２５】
Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙが発生する力の作用線のＺ座標は概ね一致している。Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙが発生する力の作用線のＺ座標は、Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｙ、Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙ、Ｚ１Ｚ２Ｚ３Ｚ４可動子５０４Ｚおよび磁性体支持筒５８０および４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＺ座標と概ね一致するようになっていることが望ましい。この場合Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙに発生するＹ方向の推力によって、Ｘ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになる。
【００２６】
Ｘ１Ｘ２ブロック５０７Ｘに作用する吸引力の作用線のＺ座標は概ね一致している。Ｘ１Ｘ２ブロック５０７Ｘに作用する吸引力の作用線のＺ座標は、Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘ、Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙ、Ｚ１Ｚ２Ｚ３Ｚ４可動子５０４Ｚおよび磁性体支持筒５８０および４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＺ座標と概ね一致するようになっていることが望ましい。この場合Ｘ１Ｘ２ブロック５０７Ｘに作用するＸ方向の吸引力によって、Ｙ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになる。
【００２７】
また、このＸ１Ｘ２ブロック５０７Ｘに作用するＸ方向の吸引力の作用線のＸ座標は、Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘ、Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙ、Ｚ１Ｚ２Ｚ３Ｚ４可動子５０４Ｚおよび磁性体支持筒５８０および４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＸ座標と概ね一致するようになっている。このためＸ１Ｘ２ブロックに作用するＸ方向の吸引力によって、Ｚ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになっている。
【００２８】
Ｙ１Ｙ２ブロック５０７Ｙに作用する吸引力の作用線のＺ座標は概ね一致している。Ｙ１Ｙ２ブロック５０７Ｙに作用する吸引力の作用線のＺ座標は、Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘ、Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙ、Ｚ１Ｚ２Ｚ３Ｚ４可動子５０４Ｚおよび磁性体支持筒５８０および４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＺ座標と概ね一致するようになっていることが望ましい。この場合Ｙ１Ｙ２ブロック５０７Ｙに作用するＹ方向の吸引力によって、Ｘ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになる。
【００２９】
また、このＹ１Ｙ２ブロック５０７Ｙに作用するＹ方向の吸引力の作用線のＸ座標は、Ｘ１Ｘ２可動子５０４Ｘ、Ｙ１Ｙ２可動子５０４Ｙ、Ｚ１Ｚ２Ｚ３Ｚ４可動子５０４Ｚおよび磁性体支持筒５８０および４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＸ座標と概ね一致するようになっている。このためＹ１Ｙ２ブロック５０７Ｙに作用するＹ方向の吸引力によって、Ｚ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになっている。
【００３０】
Ｘステージ上板５６３の上部には、ウェハ天板５０１を６軸方向に位置制御するための８個の微動リニアモータ５０３の固定子５０５、ウェハ天板５０１にＸＹ方向の加速度を与えるための電磁石支持円筒５８３に支持された４個のＥ形電磁石５０８、ウェハ天板５０１の自重を支持するための自重支持ばねの一端が固定されている。
【００３１】
各固定子５０５は、長円形のコイル５７８をコイル固定枠５７９で支持する構造になっており、前述のウェハ天板５０１下面に固定されたリニアモータ可動子５０４と非接触で対面するようになっている。
【００３２】
８個の固定子５０５のうちの４個の固定子５０５Ｚは、矩形状のＸステージ上板５６３の辺のほぼ中央部に配置され、ウェハ天板５０１をＸステージ５６１に対してＺ方向に微動駆動するためのＺ固定子を形成する。Ｚ固定子５０５Ｚは、前記長円コイル５７８Ｚの直線部がＺ方向と直角になるように配置されており、前記Ｚ可動子５０４ＺのＺ方向に沿って配置された２極の磁石５７４ＺにＺ方向の推力を作用できるようになっている。このコイルをＺ１〜Ｚ４コイルと名づける。
【００３３】
残りの４個の固定子のうち２個の固定子５０５Ｘは、矩形状のＸステージ上板５６３の対角の隅部に配置され、Ｘ固定子を形成する。Ｘ固定子５０５Ｘでは、前記長円コイル５７８Ｘの２つの直線部がＸ方向と直角になり、２つの直線部がＸ方向に沿うように配置されており、前記Ｘ可動子５０４ＸのＸ方向に沿って配置された２極の磁石５７４ＸにＸ方向の推力を作用できるようになっている。このコイルをＸ１Ｘ２コイルと名づける。
【００３４】
残りの２個の固定子５０５Ｙも矩形状のＸステージ上板５６３の対角の隅部に配置され、Ｙ固定子を形成する。Ｙ固定子５０５Ｙでは、前記長円コイル５７８Ｙの２つの直線部がＹ方向と直角になり、２つの直線部がＹ方向に沿うように配置されており、前記Ｙ可動子５０４ＹのＹ方向に沿って配置された２極の磁石５０４ＹにＹ方向の推力を作用できるようになっている。このコイルをＹ１Ｙ２コイルと名づける。
【００３５】
また、電磁石支持円筒５８３は、矩形状のＸステージ上板５６３のほぼ中央部に配置され、電磁石支持円筒５８３の内部には４つのＥ形電磁石５０８が設けられている。Ｅ形電磁石５０８は、Ｚ方向からみたとき概ねＥ形の断面を有する磁性体ブロック５８５と、コイル５８６とを具備している。コイル５８５は、Ｅの字の中央の突起の周りに巻きまわされる。Ｅの字の３つの突起部の端面は、直線ではなく円弧になっている。このＥ形電磁石５０８の３つの突起部の端面は、前記ウェハ天板５０１に固定された円弧状磁性体ブロック５０７と数十ミクロン程度以上の空隙を介して非接触で対面し、コイルに電流を流すことによって円弧状磁性体ブロック５８５に吸引力を作用するようになっている。
【００３６】
ここでは、電磁石支持円筒５８３および円弧状磁性体ブロック５８５については、詳しく説明しない。
【００３７】
以上の構成により、Ｘステージ５６１からウェハ天板５０１に対して、リニアモータにより６軸方向の推力を与えることができ、電磁石５０８によりＸＹ方向の大きな吸引力を与えることができる。
【００３８】
並進Ｚ方向および回転ωｘωｙωｚ方向は長いストロークを動かす必要はないが、ＸＹ方向は長いストロークにわたって推力や吸引力を作用させる必要がある。しかし、リニアモータ５０３も電磁石５０８もＸＹ方向のストロークが極めて短い。一方、Ｘステージ５６１はＸＹ方向に長いストロークを有する。そこで、Ｘステージ５６１をＸＹ方向に移動させながらウェハ天板５０１にＸＹ方向の推力や吸引力を作用させることにより、ＸＹ方向の長きにわたってウェハ天板５０１にＸＹ方向の推力や吸引力を作用させるようにしている。
【特許文献１】特開２０００−１０６３４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３９】
半導体露光装置のステージ装置においては露光する線幅の解像度が高いため、その位置制御精度が高いことが要求される。また、半導体露光装置は生産設備であるから生産性の観点からスループットが高いことも要求される。この要求を満たすためにはステージのサーボ系の応答性が高く、かつ高速で移動できることが必要である。ステージの位置制御精度を高めるため、設計者は位置制御系のゲインを可能な限り高く設定し、高いサーボ帯域を実現する。しかし、ゲインをある程度以上高く設定しようとしても、サーボ系の発振によりその上限は制約される。サーボ帯域を制限する要因は種々あるが、制御ループ内に存在する機械系の弾性振動もその要因の一つである。
【００４０】
図５にウェハ天板５０１の弾性振動モードの解析結果の例を示す。ここでは１次から４次までの弾性振動モードを示した。このように薄い板ではＺ方向の剛性が弱いため、曲げあるいは捩れのような弾性変形による振動が発生する。このときＺ方向のアクチュエータから計測点までの伝達特性は図６のようになり、弾性振動の共振点は高いピークをもつ。このような系で例えばＺ方向の位置制御系のループゲインを高くしていくと、前記の弾性振動の共振点が励起されステージの制御精度を悪化させる。ある程度、低いループゲインでは、前記振動が大きく現れるだけであるが、さらにゲインを高くすると、サーボ系は不安定になり発振状態になる。
【００４１】
このようにウェハ天板５０１などに弾性振動が存在するため、サーボ系は不安定になる。あるいは不安定にならないまでも、制御誤差が大きくなり、制御仕様を満たさない恐れがある。通常、サーボ帯域はこの弾性振動の最低次の共振周波数の１／３から１／４程度に制限される。
【００４２】
従来例に示したように、ウェハ天板５０１上にはウェハやレチクルが搭載されるため、アクチュエータは天板に対して搭載面とは反対側に設置される。これには、設置スペース上の問題もあるが、アクチュエータが発生する熱が天板やウェハ／レチクルに伝わりにくくし、熱による変形を起こさないようにするという目的もある。
【００４３】
一方で、このような構造は天板にアクチュエータという比較的大きな質量をもつ物体が多数ぶら下がっていることになるため、天板の固有値を下げ、弾性振動モードの周波数を下げるという影響もある。また、これらのアクチュエータが個々に質量として振動するため、アクチュエータが増えると天板の弾性振動モードが増えてしまう。
【００４４】
また、アクチュエータ自身も弾性振動モードを持つため、多数のアクチュエータをつけることによりさらに、弾性振動モードが増える。
【００４５】
以上のように、アクチュエータが多数付属している場合は、天板単体の場合に比べて、弾性振動モードの周波数が下がるとともに数も増えているため、サーボ系は不安定になりやすい状態だといえる。
【００４６】
また、アクチュエータの駆動点と天板との位置関係によって、特にＸＹ方向のアクチュエータを駆動した場合に、天板から駆動点までの距離に比例して天板にねじり変形を生じやすくなる。これをウェハ天板を側面から見た模式図、図７で説明する。
【００４７】
従来例のステージのように、ウェハ天板５０１に対して、各アクチュエータ可動子５０４は下にぶら下がるような形で付属している。ａ．に示すようにこの場合、矢印で示す水平方向アクチュエータ５０４Ｘ、５０４Ｙの作用軸は、天板面から離れた位置にある。そのため、天板に対してねじりトルクを発生させ、ｂ．に示すように天板を変形させてしまう。さらに、重心と駆動点がずれている場合、天板全体が回転してしまうので、回転させないために、ｃ．に示すように同時に垂直方向アクチュエータ５０４Ｚも駆動する必要がある。これらの力は天板に対して応力を発生させ、さらに変形を助長する方向に働く。その結果、天板の弾性振動モードを励起し、サーボ系が不安定となりやすくなる。
【００４８】
このように従来の位置制御系においては、制御対象の弾性振動の共振周波数により位置制御系のサーボ帯域が制限される。従ってより高いサーボ帯域を実現するためには、弾性振動の共振周波数を高める、あるいは減衰性を高める必要があり、そのために天板の剛性を高くする、あるいは質量を軽くする、などの方策が必要となる。
【００４９】
これらの課題に対処するため、特開２００３−１６３２５７に記載の位置決め装置では、天板を中空構造にしリブを設けることによって、天板の軽量化と高剛性化を図っている。さらに、天板下部に掘り込みを設けて、電磁力アクチュエータ可動子を設置することにより、電磁力アクチュエータの推力作用軸と可動体の重心ができるだけ一致するようにしている。
【００５０】
しかしながら、電磁力アクチュエータ可動子は比較的剛性の弱い掘り込み部の下面に取り付けられており、電磁力アクチュエータの発生推力は、取り付け部を介して天板に作用する。そのため、掘り込み部の取り付け面に対して、変形を生じやすくなる恐れがある。
【００５１】
図８をもちいて、これについて説明する。ａは天板５０１を側面から見た模式図である。一点鎖線はほぼ天板の高さ方向の中央部を通る面を示している。天板５０１がｂのように変形したとき、天板の上面側は伸びるように変形し、下面側は縮むように変形する。一点鎖線で示した面は、中間に位置し、天板が変形したときに伸び縮みがもっとも少なくなる面であり、ここを変形中立面と称する。この面において、面内方向にかかった力は、天板を変形させることはほとんどない。そこで、電磁力アクチュエータの推力発生部位の高さと、天板の変形中立面がほぼ一致するようにしておくことにより、電磁力アクチュエータによって天板を変形させることはほぼなくなる。
【００５２】
しかし、ｃに示したように、天板に掘り込みを設けて、その下面に電磁力アクチュエータの磁性体ブロック５０７を取り付けた場合は、全体としては、推力の作用軸は天板の変形中立面と同じ面にあるが、破線で示した掘り込み部の変形中立面上ではないので、掘り込み部に対して局所的な変形を起こしうる。また、このような局所的な変形は、電磁力アクチュエータに限ったことではなく、ローレンツ力アクチュエータであるリニアモータにおいても、同様な取り付け方をした時には起こりうる。
【００５３】
また、リニアモータは天板下面に取り付けられているため、天板変形を生じるとともに、弾性振動モードが増える、弾性振動モードの固有値が下がる、ということには変わりない。
【００５４】
特開２００３−３０３７５３においては、リニアモータの作用軸と天板の重心を極力一致させるため、各リニアモータを天板の側面に取り付けている。これにより、図７で説明したような天板の変形は生じにくくなっている。しかしながら、天板の外周部にリニアモータが多数設置されるため、リニアモータの弾性振動モードが増えるとともに、リニアモータの質量によって天板の弾性振動モードの周波数が下がる、ということには変わりない。
【課題を解決するための手段】
【００５５】
そこで、本発明においては、基板を搭載可能な天板と、天板面に垂直な方向に推力を発生するアクチュエータと天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータをそれぞれ３個以上備え、並進３自由度と回転３自由度の計６自由度に移動可能な微動ステージにおいて、天板が中空内部を有する構造になっていて、中空内部にはねじれモードに対する固有振動数を高めるリブ構造を有し、リブ側面にアクチュエータ可動子を固定したことを特徴とする。
【００５６】
また、これらの可動子の推力発生部位がリブ側面との接合部位の範囲内に含まれることを特徴とする。
【００５７】
また、天板およびアクチュエータ可動子を含む可動体の重心の天板面に垂直な方向の高さと、天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータの推力作用軸の高さが略一致するようにアクチュエータを配置することが望ましい。
【００５８】
さらに、天板面に水平な方向に推力を発生するアクチュエータの推力作用軸の高さが、天板の弾性変形中立面に略一致するようにアクチュエータを配置することが望ましい。
【００５９】
また、これらのアクチュエータはリニアモータのようなローレンツ力アクチュエータであってもよい。
【００６０】
また、これらのアクチュエータは電磁力アクチュエータであってもよい。
【発明の効果】
【００６１】
以上説明したように、本発明においては、天板が中空内部を有する構造になっていて、中空内部にはねじれモードに対する固有振動数を高めるリブ構造を有する微動ステージにおいて、リブ側面にアクチュエータ可動子を固定したことにより、
・アクチュエータユニットが付加されないため、天板の弾性振動モードの周波数を下げることがない。
・アクチュエータが天板と構造的に一体になることにより、全体の弾性振動モードの数が少なくなる。
・全体の質量を減らすことができると共に、可動体の高さを薄くし小型化することができる。
・水平方向のアクチュエータの推力の作用軸が、可動体の重心にほぼ一致させることができ、駆動時に回転トルクを発生させず、姿勢を保つために垂直方向アクチュエータを駆動する必要がなく、弾性変形を生じない。さらに、アクチュエータの発熱を抑えることができる。
・水平方向のアクチュエータ推力が、天板の変形中立面に直接加わるため、弾性変形を生じない。
等の効果を得ることができる。それにより、弾性振動の発生を抑えることが可能となり、位置決め制御特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６２】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１にかかるアクチュエータ一体構造の天板５０１の下面図であり、リニアモータの取り付け状態を示す図である。また、図２は、図１はＡＡ断面図である。なお、図では構造をわかりやすくするため磁性体ブロックなどは省略している。
【００６３】
天板５０１は中空内部を有する構造になっていて、内部には弾性振動モードの周波数を高くし、ねじれ変形を防止するリブを有している。天板５０１は典型的には、セラミクスなどの高剛性材を用い、上板、下板、および、それらに挟まれた外壁およびリブが同一種材質で一体構造となるように製作される。
【００６４】
本実施例においては、リニアモータ可動子５０４の構成要素である磁石５７４とヨーク５７５を中空構造天板のリブ側壁に直接取り付けている。可動子５０４はねじ止め、接着などの適切な方法で固定することができる。このとき、可動子とリブの接触する面のできる限り全面を接合するように固定する。それにより、可動子と天板のリブがより強く一体化され、固定部位全体で推力を受けることができるようになる。そのためには、少なくとも可動子の推力発生部位を固定範囲に含むようにする必要がある。
【００６５】
従来のように、側板５７６などの可動子をユニット化するための部材を含まないため、全体の質量を軽量化することができる。また、天板の下部に張り出したユニットがなくなるため、可動体の高さを低くすることができる。それによって、粗動ステージを含めた可動部全体の重心も低くなり、粗動ステージアクチュエータとの重心ずれも小さくすることができるため、粗動ステージの制御特性も向上させることができる。
【００６６】
また、可動子がリブと一体化しているため、可動子ユニットを天板下面や側面に取り付けた場合のように、可動子ユニット分の振動モードが増えたり、天板の弾性振動モードの周波数が下がったりすることはなく、天板の弾性振動モードの数や周波数は、天板単体の場合とほとんど変わらない。
【００６７】
リニアモータ可動子の推力発生部位は、固定子コイルとの相対位置によって変化するが、通常、固定子磁石５７４のほぼ中央となるようにする。図２に示したように、水平方向リニアモータ可動子５０４Ｘ、５０４Ｙのほぼ中央である推力発生部位の高さと、可動体の重心Ｇの高さと、天板の変形中立面の高さのそれぞれが同じになるように取り付けてある。そうすることにより、水平方向駆動時に天板に回転トルクが掛かることはなく、天板の姿勢を維持するために、垂直方向リニアモータ５０４Ｚを駆動する必要はなくなる。それによって、図７に示したようなねじり変形を天板に生じることはなくなる。また、駆動するアクチュエータが少なくなるため、アクチュエータからの発熱量も抑えることができる。さらに、可動子の推力発生部位は、リブとの固定部位の範囲内に入っており、推力はリブを介して変形中立面に直接掛かるようになっている。このため、図８で示したような、取り付け部位の局所的な変形を生じることもなくなる。
【００６８】
以上説明したように、天板の構造が同一種材質で形成された中空内部を有する中空構造になっていて、中空内部にはねじれモードに対する固有振動数を高めるリブ構造を有する微動ステージのリブ側面にアクチュエータ可動子を固定したことにより、天板の弾性振動モードの数を増やすことなく、周波数も下げることはない。さらに、水平方向アクチュエータの推力作用軸と、可動体の重心および変形中立面の高さを合わせることによって、天板の弾性振動を起こすこともなくなる。それによって、ステージの制御特性を向上させることが可能となる。
【００６９】
（実施例２）
図３は、本発明の実施例２にかかるアクチュエータ一体構造の天板５０１の下面図である。本実施例においては、アクチュエータ取り付け部のリブに切り欠きを設けてアクチュエータを固定した点が、実施例１と異なる。
【００７０】
ひとつのリニアモータ可動子は、対向して２個の磁石５７４を有する。これらの間には、磁力による吸引力が発生するため、取り付けの際にはくっついてしまわないように、ジグを用意するなどの配慮が必要である。吸引力は非常に強力なため、一旦くっついてしまうと、はがすのは非常に困難であるとともに、事故の危険性もある。
【００７１】
本実施例では、リブに設けた切り欠きの凹部に可動子５０４を差し込むように組み立てることができるため、切り欠きの凹部によって吸引力を支えることができ、特別なジグを用意することなく、組み立てが可能となる。
【００７２】
（実施例３）
また、必要十分な強度と、弾性振動モードの周波数が維持できるのであれば、図４に示すように、可動子５０４の背面側のリブをなくし、背面側から取り付けるようにすることもできる。この場合は、可動子５０４が橋渡しして完全にリブの一部となり、本来のリブの機能である、ねじれ変形の防止、弾性振動モードの周波数の維持を果たすことになる。これにより、さらなる軽量化が可能になる。
【００７３】
また、リブの形状、リニアモータの配置については一例を示しただけであり、ここで示した形状に限るわけではない。弾性振動モードの状態などを解析によって求めることによって適切な位置に変更することが可能である。たとえば、垂直方向のアクチュエータは、配置によって天板の弾性変形モードへの影響が大きく異なる。たとえば、ある弾性変形モードの節の位置に推力が掛かるように配置すれば、そのモードを励振しないようにすることができる。そこで、できる限り弾性変形モードへの影響を抑えられるように配置を決定することが望ましい。
【００７４】
また、ここまではローレンツ力アクチュエータであるリニアモータの可動子の取り付けを例に取り説明してきたが、電磁力アクチュエータについても、これまで説明してきたようにリブ側面に取り付けることによって、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の実施例１にかかる天板の底面から見た断面図である。
【図２】本発明の実施例１にかかる天板のＡＡ断面図である。
【図３】本発明の実施例２にかかる天板の底面から見た断面図である。
【図４】本発明の実施例３にかかる天板の底面から見た断面図である。
【図５】天板の弾性モード振動を示す図である。
【図６】天板の力から変位への伝達特性を示す図である。
【図７】並進方向のアクチュエータによる変形を示す図である。
【図８】天板の弾性変形中立面を説明する図である。
【図９】従来例におけるステージの構成を示す図である。
【図１０】従来例における微動ステージの構成を示す図である。
【図１１】従来例における微動ステージの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
５０１  ウェハ天板
５０２  ベース定盤
５０３  微動リニアモータ
５０４  微動リニアモータ可動子
５０５  微動リニアモータ固定子
５０６  コイル固定枠
５０７  ブロック
５０８  電磁石
５０９  自重補償ばね
５１０  長距離リニアモータ
５１１  長距離リニアモータ可動子
５１２  長距離リニアモータ固定子
５１３  長距離リニアモータコイル
５１４  コイル固定枠
５２８  ウェハ天板位置計測系
５２９  ウェハ天板側面ミラー
５３８  ステージ位置計測器
５３９  Ｘステージ側面ミラー
５５０  Ｙヨーガイド
５５１  Ｙステージ
５５２  Ｘヨーガイド
５５３  Ｙスライダ大
５５４  Ｙスライダ小
５５５  連結板
５６１  Ｘステージ
５６２  Ｘステージ側板
５６３  Ｘステージ上板
５６４  Ｘステージ下板
５７１  ウェハチャック
５７２  窪み
５７４  磁石
５７５  ヨーク
５７６  側板
５７８  コイル
５７９  コイル固定枠
５８０  磁性体支持筒
５８１  自重補償ばね
５８３  電磁石支持円筒
５８５  Ｅ形磁性体
５８６  コイル
【図１】
2005297109.tif 000003
【図２】
2005297109.tif 000004
【図３】
2005297109.tif 000005
【図４】
2005297109.tif 000006
【図５】
2005297109.tif 000007
【図６】
2005297109.tif 000008
【図７】
2005297109.tif 000009
【図８】
2005297109.tif 000010
【図９】
2005297109.tif 000011
【図１０】
2005297109.tif 000012
【図１１】
2005297109.tif 000013