(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１気圧よりも実質的に低い第１の圧力を維持する真空チェンバと、
少なくとも一つの真空外囲器であって、各々が前記真空チェンバ内に配置されて少なくとも一つの流体軸受を収容し、内部の圧力を１気圧よりも実質的に低く前記第１の圧力よりも高い第２の圧力に維持する少なくとも一つの真空外囲器と、
前記真空チェンバ内に配置され、少なくとも一つの流体軸受の軸受カラーに固定可能な形で結合されて直線運動を行うペイロードと
を含む真空適合性のある直線運動装置。
【請求項２】
前記ペイロードの第１の方向における直線運動の範囲が少なくとも7.6cmである請求項１記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項３】
前記ペイロードがピッチ、ロールおよびヨー約２アーク以下の走行真直度および重力の1/1000以下の振動を伴って前記第１の方向に直線的に駆動される請求項２記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項４】
前記流体軸受が静圧流体軸受であって、
前記真空外囲器または前記真空チェンバの一つの壁を構成する取付板に強固に固定した少なくとも一つの軸受ロッドと、
前記少なくとも一つの軸受ロッドの一部を取り囲んで配置され、前記ペイロードの固定可能な形の結合を受けて、前記軸受ロッドに沿った直線運動を生じさせる少なくとも一つのカラーと、
前記軸受カラーの各々と前記軸受ロッドとの間に配置した軸受支持流体とを含む静圧流体膜軸受である請求項１記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項５】
前記軸受ロッドの各々が、前記真空外囲器の端部となる剛性取付板に固定可能な形でそれぞれ結合された第１および第２の端を含む請求項４記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項６】
前記少なくとも一つの真空外囲器の各々が可撓性高分子フッ化炭化水素材料製または可撓性ポリイミド材料製のベローから成る請求項１記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項７】
前記少なくとも一つの真空外囲器の各々が可撓性ポリエチレン材料製のベローから成る請求項１記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項８】
前記少なくとも一つの流体軸受の少なくとも一つの軸受カラーに結合され前記少なくとも一つの軸受カラーを前記軸受ロッドに対して動かす力を生ずる力発生装置をさらに含む請求項１記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項９】
前記力発生装置が前記真空外囲器の中に収容されている請求項８記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項１０】
前記力発生装置がリニアモータである請求項９記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項１１】
前記軸受支持流体が空気から成る請求項４記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項１２】
前記軸受支持流体が約１×10-4torr以下の蒸気圧を有する液体である請求項４記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項１３】
前記軸受支持流体が前記少なくとも一つのカラーに結合した可撓性配管経由で前記少なくとも一つのカラーに供給される請求項４記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項１４】
前記軸受支持流体が前記真空外囲器の内部で排出される請求項１３記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項１５】
前記少なくとも一つのカラーが、
前記少なくとも一つのカラーの長さ方向の中点に配置した流体供給部と、
前記流体供給部について対称的に配置した第１の排出部対と、
前記第１の排出部対について対称的に配置した第２の排出部対と、
前記流体供給部および前記第１および第２の排出部対への可撓性配管から成る供給ループと
を含み、前記第１の排出部が前記第２の圧力よりも高く大気圧よりは低い圧力を有する真空源に結合されるとともに前記第２の排出部が大気に結合され、前記軸受支持流体が前記第１および第２の排出部経由で排出される
請求項４記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項１６】
前記真空チェンバを前記第１の圧力に維持する第１の真空ポンプ装置と、
前記真空外囲器を前記第２の圧力に維持する第２の真空ポンプ装置と
をさらに含む請求項１記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項１７】
請求項１記載の真空適合性のある直線運動装置であって、
二軸直線運動装置であり、
第１の方向に向けた第１の軸受ロッド対および前記第１の方向と垂直な第２の方向に向けた第２の軸受ロッド対であって、各々が真空外囲器の中に収容されているとともに、各々を少なくとも一つの軸受カラーが取り囲んで配置されている第１および第２の軸受ロッド対
をさらに含み、
前記第２の軸受ロッド対の軸受ロッドの各々が、前記第１の軸受ロッド対の軸受ロッドの各々を取り囲んで配置された前記軸受カラー対の間に固定可能な形で結合され、前記第１の軸受ロッド対の各々を取り囲んで配置した前記軸受カラーの各々が前記第１の軸受ロッド対沿いの第１の方向に動く際に前記第２の軸受ロッド対も前記第１の方向に動き、
一対の軸受カラー、すなわち各々が前記第２の軸受ロッド対の一つを取り囲んで配置された一対の軸受カラーにより前記第２の軸受ロッド対に固定可能な形で結合したペイロードであって、互いに垂直な方向に配置された前記軸受ロッド対を取り囲んで配置された軸受カラー対の相対的直線運動を通じて二つの互いに垂直な方向に直線運動をもたらすペイロード
をさらに含む二軸直線運動装置である請求項１記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項１８】
前記ペイロードが、前記第１および第２の方向に少なくとも7.6cmの直線運動範囲を、ピッチ、ロールおよびヨー約２アーク秒以下の走行真直度および重力の1/1000以下の振動で有する請求項１７記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項１９】
前記真空外囲器が可撓性ある高分子フッ化炭化水素材料またはポリイミド材料製のベローで構成されている請求項１７記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項２０】
前記真空外囲器がポリエチレン材料製のベローで構成されている請求項１７記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項２１】
前記第１の軸受ロッド対沿いの前記第１の方向にカラーを動かす力を生ずる少なくとも一つの第１の力発生装置と、
前記第２の軸受ロッド対沿いの前記第２の方向にカラーを動かす力を生ずる少なくとも一つの第２の力発生装置と
をさらに含み、前記力発生装置の各々を軸受ロッド収容の真空外囲器に収容し、少なくとも一つの力発生装置がカラーを前記第１の方向に動かし、少なくとも一つの力発生装置がカラーを前記第２の方向に動かす請求項１７記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項２２】
前記力発生装置がリニアモータである請求項２１記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項２３】
前記少なくとも一つの流体軸受の各々が、
各軸受ロッドとそのロッドをとり囲んで配置された軸受カラーとの間に配置された静圧流体膜軸受である
請求項１７記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項２４】
前記軸受支持流体が気体または蒸気圧１×10-4torr以下の液体から成る請求項２３記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項２５】
前記軸受支持流体が前記軸受カラーに結合された可撓性配管経由で前記軸受カラーに供給され、前記軸受支持流体のある前記真空外囲器の内部にそれぞれ排出される請求項２３記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項２６】
前記カラーの各々が、
前記カラーの長さ方向の中点に配置した流体供給部と、
前記流体供給部について対称的に配置した第１の排出部対と、
前記第１の排出部対について対称的に配置した第２の排出部対と、
前記流体供給部および前記第１および第２の排出部対への可撓性配管から成る供給ループとを含み、前記第１の排出部が前記第２の圧力よりも高く大気圧よりは低い圧力を有する真空源に結合されるとともに前記第２の排出部が大気に結合され、前記軸受支持流体が前記第１および第２の排出部経由で排出される請求項２３記載の真空適合性のある直線運動装置。
【請求項２７】
真空チェンバ内に収容される二軸直線運動装置であって、
軸を第１の方向に向け、前記真空チェンバの二つ以上の面に固定可能な形で結合した第１の軸受ロッドと、
前記第１の軸受ロッドに可動な形で結合した第１の軸受カラーと、
軸を前記第１の方向と垂直な第２の方向に向けた第２の軸受ロッドと、
前記第２の軸受ロッドに可動な形で結合し前記第１の軸受ロッドに固定可能な形で結合した第２の軸受カラーと、
前記第１の軸受カラーに固定可能な形で結合したペイロードと、
前記第１および第２の軸受カラーと前記第１および第２の軸受ロッドとの間にそれぞれ配置した流体と、
前記流体を供給する装置と、
前記第１の軸受ロッドを中心として配置され、前記第１の軸受カラーおよび前記第２の軸受カラーに固定可能な形で結合した第１の真空外囲器と、
前記第２の軸受ロッドを中心として配置され、前記第２の軸受カラーおよび前記真空チェンバ内の底部に固定可能な形で結合した第２の真空外囲器と、
前記第１の軸受ロッドに対する前記第１の軸受カラーの直線運動のための力を生ずる第１の力発生装置と、
前記第２の軸受ロッドに対する前記第２の軸受カラーの直線運動のための力を生ずる第２の力発生装置と、
前記真空チェンバを約１×10-5torr以下の第１の圧力に維持する第１の真空ポンプと、
前記第１および第２の外囲器を10torr以下の第２の圧力に維持する第２の真空ポンプと
を含み、
前記ペイロードが前記第１の方向や前記第２の方向にピッチ、ロールおよびヨー２アーク秒以下の走行真直度および重力の1/1000以下の振動で直線運動できる真空チェンバ内収容の二軸直線運動装置。
【請求項２８】
前記第１の力発生装置が前記第１の真空外囲器に収容され、前記第２の力発生装置が前記第２の真空外囲器に収容されている請求項２７記載の真空チェンバ内収容の二軸直線運動装置。
【請求項２９】
前記第１および第２の力発生装置がリニアモータである請求項２７記載の二軸直線運動装置。
【請求項３０】
前記流体が空気から成る請求項２７記載の二軸直線運動装置。
【請求項３１】
前記流体を供給する装置が真空適合可能な可撓性配管を含む請求項２７記載の二軸直線運動装置。
【請求項３２】
前記第１および第２のカラーと前記第１および第２のロッドとの間にそれぞれ配置した前記流体が前記第１および第２の外囲器にそれぞれ排出される請求項２７記載の真空チェンバ内収容の二軸直線運動装置。
【請求項３３】
内部が１×10-5torr以下の圧力に維持されており、前記内部で電子ビーム露光を行うことができる真空チェンバと、
前記真空チェンバ内に剛性をもって取り付けられ、第１の方向に長軸を向けて保たれ、10torr以下の真空度を維持するための第１の真空外囲器内収容の第１の静圧流体膜軸受をさらに含む第１の直線運動装置と、
前記真空チェンバ内で前記第１の直線運動装置に固定可能な形で結合され、前記第１の方向と垂直な第２の方向に長軸を有する向きに保たれ、前記10torr以下の真空度を維持するための第２の真空外囲器内収容の第２の静圧流体膜軸受をさらに含む第２の直線運動装置と、
前記第２の直線運動装置に固定可能な形で結合したペイロードと
を含み、前記ペイロードに対する二軸直線運動を生じさせる
電子ビーム露光システム。
【請求項３４】
前記ペイロードが前記第１および第２の両方向に少なくとも7.6cmの直線運動範囲を有し、前記直線運動範囲がピッチ、ロールおよびヨー約２アーク秒以下の走行真直度および重力の1/1000以下の振動を有する請求項３３記載の電子ビーム露光システム。
【請求項３５】
前記第１および第２の直線運動装置の全体が前記真空チェンバの内部に収容されている請求項３３記載の電子ビーム露光システム。
【請求項３６】
前記第１および第２の真空外囲器がベロー部をさらに含む請求項３３記載の電子ビーム露光システム。
【請求項３７】
前記ベロー部が可撓性高分子フッ化炭化水素材料または可撓性ポリイミド材料を含む請求項３６記載の電子ビーム露光システム。
【請求項３８】
前記ベロー部が可撓性ポリエチレン材料を含む請求項３６記載の電子ビーム露光システム。
【発明の詳細な説明】
背景
発明の技術分野
この発明は電子ビーム露光システムに関し、より詳しくは電子ビーム露光システム用の真空適合性のある直線運動装置に関する。
従来技術の説明
半導体製造において例えばマスクのパターニングに用いられる電子ビーム露光装置は、被加工物を電子ビームに対して位置定めするのにごく高い精度の直線運動装置を必要とする。その装置またはステージの満たすべき通常の要件は、動きの真直度がピッチ、ロールおよびヨーで２アーク秒以下であり、振動のレベルが重力（m-g）の1000分の１以下であることである。これら要件を充足するのに二つの手法が周知であり、これまで用いられてきた。そのひとつは静圧流体軸受を用いており、もう一つは転動体軸受を用いている。
直線流体膜軸受は、通常ロッドと、そのロッドの長軸沿いに走行できるカラーとから成る。ロッドとカラーとの間に軸受用流体を備えることによって、ほぼ摩擦なしの動きが得られる。通常は加圧空気をこの軸受用流体として用いる。空気はもちろん容易に入手でき、使用前後ともに清浄化が容易であり、回収またはリサイクルを要することなく環境に安全に排出できる。
一方、転動体軸受（REB）は、通常ボールまたはローラーなどの転動体、すなわち流体膜軸受の流体の代わりとなる転動体を有する。この転動体は潤滑を要し、潤滑剤はその所要量は少ないものの、潜在的な汚染源となる。
光線によるマイクロリソグラフィのように大気中で使用する場合は、加圧流体およびその排出を伴うためにコストがより高いにも関わらずREBでなく流体軸受または静圧流体膜軸受（HFFB）が通常選ばれる。この選択は上述の動きの要件および振動の要件についてHFFBがより高性能であることによる。
しかし、真空中、とくに電子ビーム露光システムに必要な高真空（１×10-5乃至１×10-7torr）中では、軸受支持流体としての空気などの流体の使用は、真空状態に影響を及ぼすことなく流体を排出する必要があるために、大気圧で行う場合よりも著しく困難になる。したがって、電子ビーム露光システム製造業者の大部分は転動体軸受を用いている。すなわち、より低い性能と汚染の危険を受容している。
メーカーの一つ、すなわちカリフォルニア州ヘイウォード所在のイーテック システムズ社は、同社製MEBES-4500電子ビームパターニングシステムにHFFBを用いている。同装置に用いたHFFBの気体排出問題の解決は、チャックまたはペイロードを高真空中に、軸受部を大気中にそれぞれ有するステージの製造によっている。真空と大気との分離は可撓性金属ベローの利用によっている。この手法の単純化した断面図を図１に示す。
図１に示すとおり、チャックまたはペイロード２０の直線運動を第１の軸５４においてロッド５０およびカラー５２により、この第１の軸と直交する第２の軸４４においてロッド４０およびカラー４２により、それぞれ行わせる。ロッド４０，５０およびカラー４２，５２を大気中の真空チェンバ素子１０の第１の側１２に示してある。ペイロード２０は素子１０の低圧中の第２の側１４に示してある。側１２を側１４から分離するために、ペイロード２０を可撓性ベロー３７内に収容したカンチレバー腕２４経由で軸６０に結合する。軸６０は可撓性ベロー３０，３５およびハウジング６５の中に収容する。板部材７０はベロー３７を板部材７０内のオリフィス（図示してない）貫通カンチレバー腕２４によりハウジング３７に結合する。
可撓性ベロー３７は軸４４沿いの所要直線運動の全範囲を収容するに十分な大きさの直径のほぼ円形の断面を有し、その一端で真空チェンバ素子１０に真空結合され他の一端で板部材７０に真空結合されている。ベロー３７の直径とほぼ等しい直径のオリフィス（図示してない）を真空チェンバ素子１０内で板部材７０のベロー３７との結合部に設ける。このようにして、ベロー３７内部の真空を保ちながら軸４４沿いの直線運動の制約を除いている（図１は斜視図であるために可撓性ベロー３７の端部の真空結合を示していない）。軸５４沿いの直線運動はベロー３７の収縮または伸張によって可能になる。
したがって、両軸方向に１８センチメートル（cm）の走行を要するマスクパターニングでは、ベロー３７の所要内径は１８cmプラス腕２４の大きさおよび必要な設計上の余裕となる。また、ベロー３７はその１８cm以上の伸張および収縮が可能でなければならない。ペイロード２０および腕２４は軸６０から板部材７０を通じてカンチレバーになっているので、構造上の強度を確保しながらできるだけ軽量にする必要があり、したがってベリリウムなどの材料が用いられる。
上記MEBES-4500型装置の構成は高性能であることが認められているが、コストは高い。第１に、低圧の露光室と大気圧との圧力差に耐えるためにステンレス鋼などの強度の高い材料で作ったベローを使う必要がある。第２に、ペイロードをカンチレバー支持する必要があり、カンチレバー端部における質量の軽減のためにペイロード組立体にごく軽い材料を用いる必要がある。それに起因する第３の問題は支持組立体の質量とベロー材料の剛性であり、ステージの各方向走行の約６倍の形状係数で設計する必要が生ずる。また、ベローの構成における上述の質量およびベローの剛性のために、所望の動きを生ずるのにかなりの力を要し、その結果大型の力発生装置を要する。
１気圧の圧力差に耐えるのに必要な大型で重く剛性の高いベローに代わる手法があれば望ましい。したがって、MEBES-4500型装置などの真空システムで直線運動を生じさせるための代替的解決法が必要である。
そのような解決法の一つが1984年７月31日発行のロバート ジェイ．ニールセン名義の米国特許第4,462,580号「油圧駆動Ｘ−Ｙステージ」に提案されている。ニールセンはステージの駆動に油圧シリンダを用いることを提案している。ニールセンは一部にベローを備える容器の中にシリンダの油収容部を含め得ること、およびこの容器を大気圧以下の圧力に維持できることを開示している。しかし、ニールセンではステージが油圧シリンダのロッド部の端でカンチレバー構成を備える構成である。また、油収容部分は容器の内部にあるものの、ロッドは真空室に延びる途中でＯリング封止手段を経由している。周知のとおり、Ｏリング封止手段は潤滑を必要とし、ロッドとの摩擦による汚染を引き起こす可能性がある。Ｏリングが故障すると油収容容器を作動チェンバに露出し汚染の原因となる。
概要
この発明は１気圧よりも大幅に低い第１の圧力の真空チェンバ内で流体軸受を用いた直線運動装置を対象とする。この直線運動装置は二つ以上の方向の直線運動を提供する上記以外の直線運動装置を組み合わせて用いることができる。
すなわち、流体軸受を真空外囲器内に組み入れることによって真空適合性を付与した代替的な直線運動装置を提供する。真空外囲器は１気圧よりは著しく低いが第１の気圧よりは高い第２の圧力を維持し、軽量で可撓性のある高分子フッ化炭化水素、ポリイミド、およびポリエチレン重合体などのプラスチックの使用を可能にする。
直線運動装置全体を真空容器内に設けることによって可動ペイロードまたはチャックを流体軸受の一部に直接に強固に取り付けることができる。したがって、上述の従来技術に用いられていたカンチレバー取付けは不要である。
この軽量可撓性ベローの組合せとカンチレバー構成の必要性の除去が、真空適合性ある二軸装置、すなわち大気中動作専用の二軸装置の大きさおよび形状係数に近い値を有する真空適合性ある二軸装置の設計を可能にする要因である。
最後に、この直線運動装置は真空外囲器中に完全に納めることができるので電子ビーム露光パターニングほかの用途に性能向上をもたらすと同時に製造コストを低減する。
【図面の簡単な説明】
図１はMEBES-4500型装置のステージ組立体部分の一部切欠き単純化斜視図である。
図２はこの発明の一つの実施例による直線運動装置の長軸沿いの単純化した断面図である。
図３はこの発明のもう一つの実施例による直線運動装置の長軸沿いの単純化した断面図である。
図４はこの発明のさらにもう一つの実施例による二軸直線運動装置の単純化した平面図である。
図５はこの発明の一つの実施例によるカラーとロッドの一部の単純化した断面図である。
図６はこの発明のもう一つの実施例によるカラーとロッドの一部の単純化した断面図である。
図７はこの発明の実施例による一部切欠き部を含む単純化した斜視図である。
詳細な説明
上述の図面を参照してこの発明の実施例を次に述べる。なお、これら図面はわかりやすさと説明の便宜のために単純化してあることが理解されよう。この発明の実施例の説明から種々の改変が当業者には明らかになろう。この発明の開示事項、すなわち従来技術を進展させた開示事項に基づくそれら改変および変形はこの発明の真意と範囲に含まれるものである。
図２を参照すると、この発明の一つの実施例による直線運動装置１００の長軸に沿った単純化断面図が示してある。装置１００は真空チェンバ（図示してない）の中に完全に収まっており、三つの主な組立体、すなわち真空外囲器１３０、流体軸受１５０および力発生装置（FGD）２１０を備える。
真空外囲器１３０は一対の可撓性ベロー１３２、剛性結合体１３４および一対の剛性取付け板１２０を含む。上記可撓性ベロー１３２の各々はその一端において上記一対の剛性取付け板１２０の一方に結合され、他の一端において剛性結合体１３４に結合されている。真空ポート１１０は真空外囲器１３０内部を大気圧以下の圧力に減圧する手段を構成する。剛性取付け板１２０はベロー１３２の端部の真空外囲器および後述の軸受ロッド１５２の支持体を構成するように特別に設計したものである。これら取付け板１２０は真空外囲器１３０を内部に納めた真空チェンバの内側表面で構成することもできる。
軸受１５０は端部を剛性取付け板１２０にそれぞれ固定した軸受ロッド１５２を含む。軸受カラー１５４は均一な空隙１５６を形成するようにロッド１５２を囲んで配置される。通常は、空隙１５６を満たしその空隙を維持するように流体膜（図示してない）を加圧状態で供給し、軸受ロッド１５２の長軸沿いに軸受カラー１５４のほぼ無摩擦の動きを可能にする。流体膜が加圧状態で供給される場合、流体軸受１５０は静圧流体膜軸受（HFFB）と呼ばれることが多い。普通はHFFBを用いるが流体膜利用の静圧流体膜軸受などそれ以外の流体膜軸受、すなわち液体の蒸気圧を１×10-4torr以下のごく低い値にした液体膜利用流体膜軸受も用い得ることは当業者には理解されよう。
FGD２１０は力デバイスステータ２１２と力デバイススライダ２１４とを備える。力デバイススライダ２１４は軸受カラー１５４に固定され、力デバイスステータ２１２との間に電気的結合を可能にするように配置してある。すなわち、力デバイススライダ２１４への電流がそのスライダとステータ２１２との間の電気的結合を生じさせ、それによって生じた力が軸受カラー１５４にかかってロッド１５２に長軸沿いの直線運動を生じさせる。図２のFGD２１０は通常はリニアモータと呼ぶ。しかし、カラー１５４に力をかけるために用いるデバイスはリニアモータだけではない。例えば、ボールねじをステータ２１２の代わりに用い、ボールナットをスライダ２１４の代わりに用いることもできる。軸受カラー１５４と軸受ロッド１５２との間の相対運動発生のための上記以外の手法、例えば油圧シリンダなどを用いることも可能であり、それら手法はこの発明の真意と範囲に含まれるものである。
上述の直線運動装置１００は、直線走行距離約7.6cm以上の半導体製造用電子ビーム露光システムその他の用途における直線運動の発生に用いる。この種の用途においてはデバイス１００は上記システムの主真空チェンバ内に完全に納められている。これらのシステムでは真空チェンバに要求される第１の圧力は約１×１０-5乃至１×10-7torr程度であるが、例えば約１×10-4torr程度の高い圧力も約１×１０-8程度の低い圧力も用いられ得る。デバイス１００の有利な点は上述のとおり真空外囲器１３０を備えることである。真空外囲器１３０は上記第１の圧力とは異なる第２の圧力に維持されている。例えば、外囲器１３０は約10torr乃至上記第１の圧力よりも少し高い圧力の範囲に維持する。そのようにして、真空チェンバと外囲器１３０内部との間の圧力差およびそれに伴う力をごく小さくしている。
この削減の大きさを端的に示す例を次に挙げる。上記MEBES-4500型装置などの従来技術のシステムでは、ベローは約１×10-6torrの第１の圧力に保たれた真空チェンバと１気圧との圧力差に耐えなければならない。これは１kg／cm2以上の力に相当し、MEBES-4500型装置におけるベローの材料にステンレス鋼などを要する理由になっている。これに対して、上述のデバイス１００は１気圧よりも大幅に低い第２の圧力に保つことのできる真空外囲器１３０を提供する。したがって、例えば0.1torrに保たれる外囲器１３０により、圧力差に伴う力は約0.14ｇ／cm2に軽減される。
ベローへの力がこのように軽減されるので、従来技術における上述の大きい圧力差に耐える強度への要求をほとんど度外視して、軽量で可撓性の大きいベロー材料の選択が可能になる。すなわち、高分子フッ化炭化水素（テフロンFEP、テフロンPFA、テフロンPTFE（テフロンはデュポン社の登録商標）、ポリイミド（カプトンＨ、カプトンＫ、カプトンHK、カプトンFN（カプトンはデュポン社の登録商標））、ポリエチレン重合体などの種々のプラスチック材料など可撓性の大きい材料が適合する。
図３にはこの発明のもう一つの実施例の直線運動装置１０２を示す。図２のベロー１３２は図３では圧縮状態のベロー１３６および伸張状態のベロー１３８として示してある。また、図２のカラー１５４は一対のカラー１５５として、図２の結合体１３４はカラー対１５５の各々を互いに結合するとともに圧縮状態のベロー１３６を伸張状態のベロー１３８に結合する結合体１３５としてそれぞれ示してある。さらに、図２の力デバイススライダ２１４は一対の力デバイススライダ２１５として示してある。
図４はこの発明のもう一つの実施例による二軸直線運動装置１０４の単純化した平面図である。図解と説明を容易にするために、運動カラー、運動ロッド、剛性取付け板１２０およびペイロード３００だけを図示してある。図４の装置は通常Ｘ−Ｙステージ１０４と呼ばれるものであり、図３の実施例と同様に各ロッド１５２およびカラー対１５４のための真空外囲器を含み、図２の実施例と同様に各ロッド１４２およびカラー１４４を含むものであることは理解されよう。
装置またはステージ１０４は第１の方向に向けた一対の運動ロッド１５２とこの第１の方向に垂直な第２の方向に向けた一対の運動ロッド１４２とを備える。各運動ロッド１５２はその両端において剛性取付け板１２０に固定可能な形で結合してある。このようにして、装置１０４のための剛性ある強固な取付け基体がロッド１５２の取付けから形成される。また、各運動ロッド１５２は上述のとおり運動カラー１５６および運動カラー１５８の取付けを受ける。各運動ロッド１４２はカラー対１５６の間またはカラー対１５８の間に固定可能な形で結合する。したがって、カラー対１５６および１５８がロッド１５２に対して第１の方向に動くに伴って、運動ロッド１４２も第１の方向に動く。各運動ロッド４１２は上述のとおり運動カラーの取付けを受け、ペイロード３００に固定可能な形で結合される。したがって、ペイロード３００には二つの互いに垂直な方向の直線運動が、ロッド１５２に対するカラー１５６および１５８の相対的直線運動とロッド１４２に対するカラー１４４の相対的直線運動との組合せを通じて可能になる。
ペイロード３００が運動カラー１４４への固定可能な形の結合を通じて取付け板１２０（図３）に強固に固定されていることが理解されよう。すなわち、ペイロード３００はカンチレバー取付けではないので、その種の取付け手法に起因する振動は解消する。また、ペイロード３００の軽量構造がシステム全体の性能の向上に有益である一方、カンチレバー構造の除去によってその構造に伴う要件が大幅に緩和され、より低廉な材料によるペイロード３００の製造が可能になる。
この直線運動装置またはステージ１０４のもう一つの利点は形状係数または大きさの削減である。上述のとおり、MEBES-4500型装置は各方向の直線走行の場合の６倍の形状係数を要する。これに対して、直線運動装置１０４は、軽量、高可撓性材料ベローの利用により、各方向の直線走行の場合の４倍以下までその形状係数を低減できる。このように、ステージ１０４の形状係数は大気圧作動の光学式マイクロリソグラフィにみられる各方向直線走行の場合の３倍の値に接近する。さらに、ベロー材料の軽量と可撓性とによって所望の動きの発生に要する力の大きさを軽減できる。これら利点の両方が走行要件関連の総合性能を大幅に向上させ、将来にわたる業界の要求を充足させる。
図５および図６に移ると、この発明による二つの代替的実施例が示してある。図５において、軸受カラー４１０は軸受ロッド４００を中心として配置され、均一な空隙４１５を形成する。可撓性ベロー４５０の一部がその一端で剛性結合体（図示してない）に結合され、他端で剛性取付け板（図示してない）に結合されて真空外囲器４６０を形成する。流体注入口４２０はカラー４１０のほぼ中点に配置され、その一端で可撓性管４２５に結合してある。可撓性管４２５はその他端で加圧ガス源４９０に結合してある。このガス源４９０は望ましくは大気圧中の離れた部位に配置してあることが理解されよう。管４２５は例えば空気などの加圧ガスを、空隙４１５を満たすとともにカラー４１０とロッド４００との分離状態を維持するように、供給する。図５の実施例では、管４２５で供給されてきたガスがカラー４１０の端４１２にある空隙から外囲器４６０内部に流出する。真空外囲器４６０の排気のための真空ポンプ（図示してない）は、ロッド４００沿いにカラー４１０の動きを生ずるためにこのガスを大気中に排出する目的にも用いる。
図６にはこのガス排出のための代替的実施例を示す。すなわち、均一な空隙５１５の形成のために軸受ロッド５００の周りに軸受カラー５１０を配置する。真空外囲器５６０を形成するように一端で剛性結合体（図示してない）に結合され他端で剛性取付け板に結合した可撓性ベロー５５０を図示してある。流体注入口５２０はカラー５１０のほぼ中間点に配置してあり、その一端で可撓性管５２５に結合してある。可撓性管５２５はその他端で加圧ガス源５９０に結合する。一対の第１の排気ポートを流入口５２０の両側に配置し、一対の第２の排気ポートを第１のポート５３０の各々とカラー５１０の端５１２との間に配置する。第２のポート５４０を可撓性真空配管５３５経由で差動真空源５８０に結合する。第１のポート５３０は可撓性配管５４５経由で大気に接続する。可撓性配管５２５および５４５は可撓性配管５３５と組み合わせて通常は供給ループと呼ばれる。このようにして、当業者には理解されるとおり、注入口５２０からの供給ガスを外囲器５６０への到達前に排出する差動排出軸受カラーを提供できる。
周知のとおり、HFFBは種々の構成で製造でき、それらはこの発明の実施例との間で互換性を有する。上述の開示事項と組み合わせたそれら代替的構成はこの発明の真意と範囲に含まれるものである。例えば、低蒸気圧液体を軸受流体として用いた構成のHFFB、または互いに異なる排気構成を採用した構成はこの発明の真意と範囲に含まれるものである。
図７を参照すると、電子ビームマスクパターニングシステム内におけるこの発明の実施例の一部切欠きを含む単純化した斜視図が示してある。ペイロードまたはチャック７００が、第１の方向に向けてあり真空外囲器７１５の第１の対の内部にその全体が納まっている直線運動装置（図示してない）の第１の対に固定可能な形で結合した真空チェンバ８００内に納められた状態で示してある。図７の斜視図にはその全体は示されていないが、第１の真空外囲器７１５の各々は圧縮状態のベロー１３６、伸張状態のベロー１３８および結合体１３４を備えるものとしてある（図３参照）。
上述の第１の運動装置（図示してない）は上記第１の方向と垂直な第２の方向に向けた直線運動装置（図示してない）の第２の対に固定可能な形で結合してあり、第２の真空外囲器７２５の内部にその全体が納まっている。図７の斜視図にはその全体は示されていないが、第２の真空外囲器７２５の各々は、第１の真空外囲器の場合と同様に、圧縮状態のベロー１３６、伸張状態のベロー１３８、および結合体１３４を備えるものとしてある（図３参照）。このようにして、真空チェンバ８００内におけるチャック７００のための垂直二軸方向の直線運動を提供できる。
図４について述べたとおり、第１および第２の直線運動装置の対（図示してない）は第１および第２の真空外囲器７１５および７２５の各々の端にある剛性取付け板１２０により真空チェンバ８００に固定可能な形で取り付けてあり、直線運動装置の第１の対およびペイロード７００のための剛性安定取付け体を形成している。したがって、ペイロードまたはチャック７００の取付けはカンチレバー構造を必要とせず、安定度は高まり性能は向上する。
真空チェンバ８００は真空ポンプ７６５への真空カップリング７６０を通じて第１の圧力まで排気する。第１および第２の真空外囲器７１５、７２５は真空ポンプ７５５への真空カップリング１１０を通じて第２の圧力まで排気する。このようにして、上述の軽減した圧力差が得られる。この軽減した圧力差によって、より軽量で可撓性のより大きいベロー材料をベロー１３６および１３８に使用することが可能になり、真空チェンバ８００内の剛性固定取付けと組み合わせて総合設計の形状係数を小さくする。
新規な真空適合性のある直線運動装置を上に述べてきた。この新規な直線運動装置はＸ−Ｙ運動ステージを形成するようにペイロードの剛性ある取付けを可能にし、一方、真空チェンバ内に全体が納められ、カンチレバー付きの構成を不要にする。また、この新規な装置は大気圧と真空チェンバ内圧との間の圧力に保たれた真空外囲器内で静圧流体膜軸受を用いている。この特徴的構成によって、軽量可撓性ベロー材料の利用を可能にし、ステンレス鋼など可撓性の小さい材料を要していた従来技術に比べて装置構成の質量を軽減する。ベロー軽量化に基づくこの質量軽減によって、従来の所要数値よりも小さい形状係数または寸法によるステージ構成が可能になる。すなわち、大気中使用型装置の場合に近い形状係数が実現可能になる。さらに、上述の改良すべてが組み合わさって、性能の向上とともに製造コストの軽減を達成する。
【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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