JP2005302838A - 位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステージの動剛性を高めることで、ステージ移動中のローリングやピッチングを抑制し、安定性を向上する。
【解決手段】 上記テンション部材６１Ａ及び６１Ｂの働きにより、真直度誤差を軽減することができるが、反面、動剛性が低下する可能性がある。そこで、このテンション部材６１Ａ及び６１Ｂが取り付けられた支持部材６３を矩形枠状として、左右のリニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂを、支持部材６３を介して連結した。この支持部材６３により、リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂの動きが支持部材６３により互いに連動することになる。動剛性、すなわちリニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂの摺動時には、当該リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂが、個々にローリング及びピッチングを発生する。しかし、これを支持部材６３によって抑制し、ローリング及びピッチングの動きを軽減することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体ウェハ、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、精密工作機械等に用いられる位置決め装置に関する。

従来、例えば、半導体露光装置、組立・検査装置、精密工作機械等に用いられる位置決め装置としては、下軸（例えば、第１の方向としてのＸ軸）上を移動するスライダ（テーブル）上に、下軸のスライダ（テーブル）をベースとした上軸（例えば、第２の方向としてのＹ軸）を構成したものがある。この種の位置決め装置は、下軸上を移動するスライダを駆動させる駆動装置に、上軸上を移動するスライダや、これを駆動させる駆動装置等も含めた重量がかかる構成となっている。したがって、スライダを十分に高速に動かすことが困難であった。

また、前記位置決め装置の下側の駆動装置や下軸にかかる負荷を低減させ、スライダを高速で動かす目的で、例えば、Ｘ軸スライダとＹ軸スライダを同一平面上に配置し、一方のスライダ（例えば、Ｘ軸スライダ）上に、これと直交する方向（この場合、Ｙ軸方向）にスライド可能にステージを載置し、このステージと他方のスライダ（この場合、Ｙ軸スライダ）とを、互いのＸ軸方向の相対移動は許容し、互いのＹ軸方向の相対移動は拘束するように接続した位置決め装置が提案されている。この構成を備えた位置決め装置は、一方のスライダの駆動装置が、他方のスライダを駆動させる駆動装置等も含めた重量を受け止める必要がなく、前記の例では、一方の駆動装置やスライダにかかっていた負荷を低減させることができる。

ところが、この位置決め装置は、平面的に２個のスライダを配置した構成をとるため、装置が大型化し、省スペース化を達成することが困難となる。

このため、下側の駆動装置や下軸にかかる負荷を低減させ、スライダを高速で動かすことが可能であり、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が提案されている（特許文献１参照）。

この特許文献１では、ベースに対して第１のスライダを第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、ベースに対して第２のスライダを第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軸方向に重ねて配置し、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提供している。

また、特許文献１では、ステージが、第１のスライダに対して、テンション部材を介して連結されており、ステージと、第２のスライダからの負荷の変動をテンション部材によって吸収することができる。したがって、ステージと各スライダとの垂直方向真直度誤差の違いに起因するステージと各スライダとの間の前記負荷の変動を抑制することができ、位置決め精度を向上することができる。
特開２００２−１５８２７４公報

しかしながら、ステージは、上記第１のスライダ及び第２のスライダに対して、それぞれ複数の摺動部材によって、点在的に支持された構造となっているため、テンション部材によって、負荷の変動を吸収することができるものの、摺動時に個々の摺動部材に、それぞれローリングやピッチングが発生し、動剛性の低下を招いている。

本発明は上記事実を考慮し、ステージの動剛性を高めることで、ステージ移動中のローリングやピッチングを抑制し、安定性を向上することができる位置決め装置を得ることが目的である。

本発明は、第１の方向に沿って互いに平行に設けられた複数の第１のレール部材と、前記第１の方向と直交する方向に沿って互いに平行に設けられた複数の第２のレール部とを備えた固定部と、前記第１のレール部材にそれぞれ摺動可能に支持された第１のスライダと、前記固定部に対して、前記第１のスライダを前記第１のレール部材に沿って摺動させ、かつ位置決めする第１の位置決め手段と、前記第２のレール部材にそれぞれ摺動可能に支持された第２のスライダと、前記固定部に対して、前記第２のスライダを前記第２のレール部材に沿って摺動させ、かつ位置決めする第２の位置決め手段と、を備え、前記第１のスライダに対して第２の方向に複数の第１の摺動部材を介して、並びに第２のスライダに対して第１の方向に複数の第２の摺動部材を介して、それぞれ独立に移動可能に支持されるステージを位置決めするとともに、前記第１のスライダ又は第２のスライダのいずれか一方が前記ステージとテンション部材を介して係合してなる位置決め装置であって、同一方向に摺動する複数の第１の摺動部材又は複数の第２の摺動部材の少なくとも一方に対して、三次元的な直線性を維持して摺動させるために連結された連結補強部材を有することを特徴としている。

本発明によれば、第１の位置決め手段及び第２の位置決め手段が共に固定部に設けられているため、一方の駆動装置に他方の駆動装置等の負荷がかかることを軽減することができる。

また、連結補強部材は、同一方向に摺動する複数の第１の摺動部材又は複数の第２の摺動部材の少なくとも一方に対して、三次元的な直線性を維持して摺動させるために連結されているため、摺動部材の個々の非直線的な移動が抑制でき、動剛性を高めることができる。

特に本発明では、第１のレールに支持される第１のスライダまたは第２のレールに支持される第２のスライダのいずれか一方は、同一方向へ摺動する摺動部材同士を連結補強部材で連結することで、テンション部材を介して支持されるために懸念される前記個々の摺動部材のローリングやピッチングの発生を抑制することができ、ステージの移動中も安定感を維持することができる。

前記三次元的な直線性の維持とは、前記摺動時のローリング及びピッチングの抑制することを意味する。

また、本発明において、前記ステージは、前記第１のスライダ及び第２のスライダの両者に係合されており、前記第１のスライダ及び第２のスライダは、前記第１の方向及び第２の方向の双方に直交する第３の方向に重なって配置されていることを特徴としている。

前記第１のスライダ及び第２のスライダは、前記第１の方向及び第２の方向と直交する第３の方向に重なって配置されているため、これらのスライダの配置面積を必要最低限に抑えることができる。

以上説明した如く本発明では、ステージの動剛性を高めることで、ステージ移動中のローリングやピッチングを抑制し、安定性を向上することができるという優れた効果を有する。

図１は、本実施の形態に係る位置決め装置を示す平面図、図２は、図１に示す位置決め装置の正面図、図３は、図１に示す位置決め装置の主要部分を示す概略斜視図である。

図１乃至図３に示すように、位置決め装置１は、ベース１１と、ベース１１上に設けられて第１のスライダ１２をＸ軸方向（第１の方向）に位置決めする第１の位置決め装置１０と、ベース１１上に設けられて第２のスライダ１３をＹ軸方向（第２の方向）に位置決めする第２の位置決め装置２０と、第１の位置決め装置１０及び第２の位置決め装置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。

第１の位置決め装置１０は、ベース１１に対し第１のスライダ１２をＸ軸方向に移動させる第１の位置決め手段としての第１の駆動装置１４を備えている。

第１の駆動装置１４は、第１のスライダ１２の下面（裏面）に固定されたＸ軸ボールネジナット１５と、Ｘ軸ボールネジナット１５に螺合し、かつ回転することによってＸ軸ボールネジナット１５をＸ軸方向に移動させるＸ軸ボールネジ軸１６と、Ｘ軸ボールネジ軸１６を回転させるＸ軸モータ１７と、を主構成要素としている。

Ｘ軸モータ１７は、ベース１１あるいは図示しない実質的に動くことがない部位に固定されている。Ｘ軸ボールネジ軸１６とＸ軸モータ１７との間には、Ｘ軸カップリング１８が介在されている。

Ｘ軸ボールネジ軸１６のＸ軸カップリング１８近傍及び反対側には、Ｘ軸ボールネジ軸１６を回転可能にベース１１に支持するＸ軸ボールネジ軸支持部１９及び２１が設けられている。

第１のスライダ１２は、Ｙ軸方向に長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。

第１のスライダ１２のＹ軸方向両端部下面には、ベース１１にＸ軸方向に沿って設けられたＸ軸リニアガイドレール２２Ａ及び２２Ｂ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２つずつ設けられている。また、第１のスライダ１２のＸ軸方向両端部上面には、開口部２４の縁に沿って、後に詳述するステージ３０の第１の摺動部材としてのリニアガイドベアリング３１Ａ及び３１ＢをＹ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。

第２の位置決め装置２０は、ベース１１に対し第２のスライダ１３をＹ軸方向に移動させる第２の駆動装置３４を備えている。第２の駆動装置３４は、第２のスライダ１３の下面（裏面）に固定されたＹ軸ボールネジナット３５と、Ｙ軸ボールネジナット３５に螺合し、かつ回転することによってＹ軸ボールネジナット３５をＹ軸方向に移動させるＹ軸ボールネジ軸３６と、Ｙ軸ボールネジ軸３６を回転させるＹ軸モータ３７と、を主構成要素としている。

Ｙ軸モータ３７は、ベース１１あるいは図示しない実質的に動くことのない部位に固定されている。Ｙ軸ボールネジ軸３６とＹ軸モータ３７との間には、Ｙ軸カップリング３８が介在されている。

Ｙ軸ボールネジ軸３６のＹ軸カップリング３８近傍及び反対側には、Ｙ軸ボールネジ軸３６を回転可能にベース１１に支持するＹ軸ボールネジ軸支持部３９及び４１が設けられている。

第２のスライダ１３は、Ｘ軸方向に長い略長方形の面を有し、その略中央部には、開口部４４が形成されている。第２のスライダ１３のＸ軸方向両端部下面には、ベース１１にＹ軸方向に沿って設けられたＹ軸リニアガイドレール４２Ａ及び４２Ｂに係合するＹ軸リニアガイドベアリング４３Ａ及び４３Ｂが各々２つずつ設けられている。

また、第２のスライダ１３のＹ軸方向両端部上面には、開口部４４の縁に沿って、後に詳述するステージ３０の第２の摺動部材としてのリニアガイドベアリング３２Ａ及び３２ＢをＸ軸方向に案内するリニアガイドレール４５Ａ及び４５Ｂが各々形成されている。

なお、第２のスライダ１３は、第１のスライダ１２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。

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５４が開成されている。ステージ３０のＹ軸方向両端部下面には、第２のスライダ１３に設けられたリニアガイドレール４５Ａ及び４５Ｂと係合する、前述のリニアガイドベアリング３２Ａ及び３２Ｂが各々２つずつ設けられている。

また、ステージ３０のＸ軸方向両端部下面には、支持部材６２Ａ及び６２Ｂが設けられている。この支持部材６２Ａ及び６２Ｂの下端には、この支持部材６２Ａ、６２Ｂ及び補強部材６４Ａ及び６４Ｂに挟まれてテンション部材６１Ａ及び６１Ｂの一端部が各々ボルト６５により固定されて設けられている。なお、テンション部材６１Ａ及び６１Ｂとして、水平方向に剛性があり、水平方向の真直度、ヨーイング精度を低下することが少ない、板バネを使用している。

このテンション部材６１Ａ、６１Ｂの他端部は、連結補強部材としての矩形枠状の支持部材６３に固定される板バネ受け部６３Ｅ、６３Ｅ、及び補強部材６４Ａ、６４Ｂに挟まれてボルト６５により固定され、支持部材６３によって下から支持されている。

上記構成により、ステージ３０は、第１のスライダ１２に対して、テンション部材６１Ａ、６１Ｂを介して連結されることになる。従って、ステージ３０と、第２のスライダ１３からの負荷の変動をテンション部材６１Ａ、６１Ｂによって吸収することができる共に、ステージ３０と各スライダ１２及び１３との垂直方向真直度誤差の違いに起因するステージ３０と各スライダ１２及び１３との間の前記負荷の変動を抑制することができ、位置決め精度を向上することができる。

また、図４乃至図６に示される如く、前記支持部材６３は、その一方の対辺の下面に、一対の脚部６３Ａが設けられている。

脚部６３Ａは、角柱状で最下部は拡幅されてフランジ部６３Ｂとなっている。このフランジ部６３Ｂには、円孔６３Ｃ（図５参照）が設けられ、当該円孔６３Ｃにボルト６７を貫通させ、前記リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂに螺合されている。これにより、支持部材６３は、前記リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂに支持されると共に、他方の対辺によって、この２個のリニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂとの間を連結することになる。

この支持部材６３により、リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂの動きが支持部材６３により互いに連動することになり、摺動時に個々のリニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂがローリング及びピッチングが起こり得る要素が存在しても、これを制限し、結果として、ローリング及びピッチングを抑制することができる。

なお、支持部材６３を枠状（中央部に開口６３Ｄを形成）としたのは、ステージ３０の形状に合わせたもので、これはステージ３０に設置する装置がステージ３０上面から下方に延出した形状のものである場合を想定し、これとの干渉を避けるためのものであり、このような必要がなければ開口６３Ｄは必ずしも設けなくてもよい。

以下に、本実施の形態に係る位置決め装置１の具体的動作について説明する。

ステージ３０のＸ軸方向の位置決めを行う場合、Ｘ軸モータ１７を駆動させてＸ軸ボールネジ軸１６を回転させると、この回転に従ってＸ軸ボールネジナット１５がＸ軸ボールネジ軸１６に沿って移動を開始する。この移動によってステージ３０は、Ｘ軸方向（例えば、図１の右方向）に移動する。ステージ３０が所定の位置に到達したら、Ｘ軸モータ１７の駆動を停止し、ステージ３０をその位置に停止させる。また、ステージ３０を図１に示す左方向に移動させたい場合は、Ｘ軸モータ１７を駆動させ、Ｘ軸ボールネジ軸１６を前記とは逆の方向に回転させればよい。

一方、ステージ３０をＹ軸方向に移動させる場合、Ｙ軸モータ３７を駆動させてＹ軸ボールネジ軸３６を回転させると、前記と同様にＹ軸ボールネジナット３５がＹ軸ボールネジ軸３６に沿って移動を開始する。この移動によってステージ３０は、Ｙ軸方向（例えば、図１の上方向）に移動する。ステージ３０が所定の位置に到達したら、Ｙ軸モータ３７の駆動を停止し、ステージ３０をその位置に停止させる。また、ステージ３０を図１に示す下方向に移動させたい場合は、Ｙ軸モータ３７を駆動させ、Ｙ軸ボールネジ軸３６を前記とは逆の方向に回転させればよい。

ここで、実施の形態１に係る位置決め装置１は、第１の駆動装置１４及び第２の駆動装置３４が、ベース１１に固定されているため、これら駆動装置１４及び３４の重量や駆動させた際にかかる負荷が、下側に位置する第１のスライダ１２にかかることがない。また、一方の駆動装置に他方の駆動装置の負荷がかかることを軽減することもできる。

また、第１の駆動装置を駆動し、ステージ３０及び第１のスライダ１２がＸ軸方向に移動する場合は、ステージ３０は、リニアガイドレール４５Ａ及び４５Ｂに、第１のスライダ１２は、Ｘ軸リニアガイドレール２２Ａ及び２２Ｂに、それぞれ案内されることになる。ここで、ステージ３０及び第１のスライダ１２の移動方向がいずれも正確にＸ軸方向に一致していれば問題はないが、実際にはそれぞれ真直度誤差等を含むため、両者の移動方向は完全には一致しない。特に、本発明の位置決め装置の構成の場合、垂直方向の真直度の誤差の割合が高くなる。すなわち、Ｘ軸方向に移動する際の両者の垂直方向の振れの違いが比較的大きくなる。テンション部材を介さずに両者を連結した場合、このような上下方向の真直度が相互に干渉し合い、両者間に余分な力が作用し、また、そのような両者間にかかる無駄な力が変動することにより、Ｘ軸方向の位置決め精度低下にも影響する可能性もある。

そこで、ステージ３０と第１のスライダ１２とをテンション部材６１Ａ及び６１Ｂを介して連結することにより、ステージ３０と第１のスライダ１２の前記のような真直度誤差の差（特に垂直方向）をテンション部材６１Ａ及び６１Ｂにより吸収するようにした。これにより、両者間にかかる余分な力は抑制され、両者がＸ軸方向に移動する際、そのような負荷が変動することによる位置決め精度低下も防止される。

同様に、ステージ３０と第１のスライダ１２とをテンション部材６１Ａ及び６１Ｂを介して連結することにより、ステージ３０と第２のスライダ１３の真直度誤差の差もテンション部材６１Ａ及び６１Ｂにより吸収される。これにより、ステージ３０及び第２のスライダ１３がＹ軸方向に移動する際にも、両者（ステージ３０及び第２のスライダ１３）間にかかる余分な力が抑制され、位置決め精度低下も防止される。

さらに、上記テンション部材６１Ａ及び６１Ｂの働きにより、真直度誤差を軽減することができるが、反面、動剛性が低下する可能性がある。そこで、このテンション部材６１Ａ及び６１Ｂが取り付けられた支持部材６３を矩形枠状として、左右のリニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂを支持部材６３を介して連結した。

この支持部材６３により、リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂの動きが支持部材６３により互いに連動することになる。

すなわち、リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂの摺動時には、当該リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂが、個々にローリング及びピッチングを発生し、動剛性が低い。しかし、これを支持部材６３によって抑制し、ローリング及びピッチングの動きを軽減することができる。

実験によれば、支持部材６３を矩形枠状として、リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂを連結することで、個々のリニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂのローリングに起因する固有振動数が格段に向上することがわかった。なお、実験上は、周波数４１Hzが２００Hz以上へ向上することが確認できている。

なお、本実施の形態では、第１の駆動装置１４及び第２の駆動装置３４に、モータ、ボールネジナット、ボールネジ軸を使用した場合について説明したが、これに限らず、例えば、モータとベルト及びプーリを組み合わせたもの等、あるいはモータとしてリニアモータを使用したもの等、種々の部材を採用することができる。また、電子ビームを使用する用途等、磁場変動を抑制したい場合は、第１の駆動装置１４及び第２の駆動装置３４に、ボールネジナットとボールネジ軸を使用する、あるいはベルト等を使用すること、すなわち、リニアモータではなく、モータ自体が移動しない回転式モータを使用することが望ましい。

さらに、ガイドレールやこれに係合するリニアガイドベアリングの数等も適宜変更可能である。

本発明の実施の形態に係る位置きめ装置を示す平面図である。 図１に示す位置きめ装置の正面図である。 図１に示す位置きめ装置の主要部分を示す概略斜視図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 本実施の形態に係る支持部材（連結補強部材）の平面図である。 本実施の形態に係る支持部材（連結補強部材）の斜視図である。

符号の説明

１ 位置決め装置
１１ ベース（固定部）
１２ 第１のスライダ
１３ 第２のスライダ
１０ 第１の位置決め装置（第１の位置決め手段）
２０ 第２の位置決め装置（第２の位置基め手段）
１４ 第１の駆動装置（第１の位置決め手段）
２２Ａ、２２Ｂ Ｘ軸リニアガイドレール（第１のレール部材）
２３Ａ、２３Ｂ Ｘ軸リニアガイドベアリング
３０ ステージ３０
３１Ａ、３１Ｂ リニアガイドベアリング（第１の摺動部材）
２５Ａ、２５Ｂ リニアガイドレール
３４ 第２の駆動装置（第２の位置決め手段）
４２Ａ、４２Ｂ Ｙ軸リニアガイドレール（第２のレール部材）
４３Ａ、４３Ｂ Ｙ軸リニアガイドベアリング
３２Ａ、３２Ｂ リニアガイドベアリング（第２の摺動部材）
４５Ａ、４５Ｂ リニアガイドレール
６２Ａ、６２Ｂ 支持部材（連結補強部材）
６４Ａ、６４Ｂ 補強部材
６１Ａ、６１Ｂ テンション部材
６３ 支持部材
６３Ａ 脚部
６３Ｂ フランジ部
６３Ｃ 円孔
６７ ボルト

Claims (3)

1. 第１の方向に沿って互いに平行に設けられた複数の第１のレール部材と、前記第１の方向と直交する方向に沿って互いに平行に設けられた複数の第２のレール部とを備えた固定部と、
   前記第１のレール部材にそれぞれ摺動可能に支持された第１のスライダと、
   前記固定部に対して、前記第１のスライダを前記第１のレール部材に沿って摺動させ、かつ位置決めする第１の位置決め手段と、
   前記第２のレール部材にそれぞれ摺動可能に支持された第２のスライダと、
   前記固定部に対して、前記第２のスライダを前記第２のレール部材に沿って摺動させ、かつ位置決めする第２の位置決め手段と、を備え、
   前記第１のスライダに対して第２の方向に複数の第１の摺動部材を介して、並びに第２のスライダに対して第１の方向に複数の第２の摺動部材を介して、それぞれ独立に移動可能に支持されるステージを位置決めするとともに、前記第１のスライダ又は第２のスライダのいずれか一方が前記ステージとテンション部材を介して係合してなる位置決め装置であって、同一方向に摺動する複数の第１の摺動部材又は複数の第２の摺動部材の少なくとも一方に対して、三次元的な直線性を維持して摺動させるために連結された連結補強部材を有することを特徴とした位置決め装置。
2. 前記三次元的な直線性の維持が、前記摺動時のローリング及びピッチングの抑制であることを特徴とする請求項１記載の位置決め装置。
3. 前記ステージは、前記第１のスライダ及び第２のスライダの両者に係合されており、前記第１のスライダ及び第２のスライダは、前記第１の方向及び第２の方向の双方に直交する第３の方向に重なって配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の位置決め装置。
   
   

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