JP2019191423A - 保持装置および光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水平方向の膨張量に対して重力方向の膨張量が極めて小さくなる場合でも、温度変化に対して保持対象物の位置決め精度の点で有利な保持装置を提供する。【解決手段】保持装置１００は、物体１０１を取り囲む構造体１１０と、物体を保持する保持部材１０６と、構造体の内壁に設けられたベース部材１０３と、ベース部材の上に搭載されて、保持部材を支持する支持部材１０２とを有する。ベース部材の支持部材を支持する面には、物体に対して水平方向の外側に向けて高さが高くなる第１斜面１０５が形成されており、支持部材の保持部材を保持する面には、支持部材が第１斜面に搭載された状態において物体に対して水平方向の外側に向けて高さが高くなる第２斜面１０４が形成されている。支持部材は第１斜面に沿って摺動可能であり、保持部材は第２斜面に沿って摺動可能であり、支持部材および保持部材の摺動によって物体の位置ずれを許容範囲内に維持する。【選択図】図１

Description

本発明は、物体を保持する保持装置、および光学装置に関する。

半導体露光装置や液晶露光装置等の精密機器において、構成要素同士の相対的な位置については高い精度が要求される。なかでも、光学素子についてはとりわけ高い位置精度が要求される。さらに近年では、半導体露光装置や液晶露光装置等においては装置の大型化が顕著であり、そのような大型化に伴う位置精度の維持が厳しく求められる。

半導体露光装置や液晶露光装置等は一般にクリーンルーム内で例えば２３℃付近で使用される。しかし、露光装置の中で照明光学系や投影光学系等の、光が通過する光路付近では温度が高くなる。照明光学系の光源部は、水銀ランプ等を使用するため、特に温度が高くなる。例えば、水銀ランプにおける集光用の楕円ミラーは、稼働中は１００℃程度まで温度が上昇する。つまり、水銀ランプの楕円ミラーは、稼働と稼働停止が行われる度に約２３℃〜１００℃の範囲で温度変化が繰り返される。

このような温度変化の繰り返しは、構成要素の線膨張係数に応じた熱膨張を招き、光学素子の位置関係にずれを発生させる。位置関係のずれを少なくするために低熱膨張材であるインバやセラミックス等を使用する場合があるが、大型化した部品を低熱膨張材で製作するとコスト面で不利となる。多くの構成要素には、コストや重量を考慮して、アルミや鋼材等の材質が選択されることが多いため、部品の大型化に伴う熱膨張が引き起こす位置関係のずれを少なくする工夫が必要となる。

特許文献１では、高い位置精度の要求を満たすために、熱膨張による位置関係のずれを少なくする機構が提案されている。特許文献１においては、光学素子を保持する保持部材が、構造体の搭載部に３点受けで搭載されている。その搭載部は傾斜面を有し、その傾斜面は熱による重力方向の膨張量と水平方向の膨張量を考慮した傾斜角になっている。熱膨張による位置関係のずれをこの傾斜面で逃がすことで、温度変化の前後における光学素子の位置ずれを防止している。

特許第５５０６４７３号公報

装置の大型化に伴い光学素子の径が大きくなる一方、径とは垂直な方向の厚さは厚くならず、光学素子の径に対して厚さが極めて薄い場合を考える。この場合、水平方向（径の方向）の膨張量に対して重力方向（厚さ方向）の膨張量は極めて小さい。そのため、重力方向の膨張量と水平方向の膨張量を考慮して傾斜面の角度が一意に決まる特許文献１では、傾斜面の角度が浅くなってしまう。傾斜面の角度が浅くなると、３箇所の傾斜面の摩擦誤差により摩擦が強い方向に光学素子の位置ずれが発生する可能性が高くなる。

本発明は、例えば、水平方向の膨張量に対して重力方向の膨張量が極めて小さくなる場合でも、温度変化に対して保持対象物の位置決め精度の点で有利な保持装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、物体を保持する保持装置であって、前記物体を取り囲む構造体と、前記物体を保持する保持部材と、前記構造体の内壁に設けられたベース部材と、前記ベース部材の上に搭載されて、前記保持部材を支持する支持部材とを有し、前記ベース部材の前記支持部材を支持する面には、前記物体に対して水平方向の外側に向けて高さが高くなる第１斜面が形成されており、前記支持部材の前記保持部材を支持する面には、前記支持部材が前記第１斜面に搭載された状態において前記物体に対して水平方向の外側に向けて高さが高くなる第２斜面が形成されており、前記支持部材は前記第１斜面に沿って摺動可能であり、前記保持部材は前記第２斜面に沿って摺動可能であり、前記支持部材および前記保持部材の摺動によって前記物体の位置ずれを許容範囲内に維持することを特徴とする保持装置が提供される。

本発明によれば、例えば、水平方向の膨張量に対して重力方向の膨張量が極めて小さくなる場合でも、温度変化に対して保持対象物の位置決め精度の点で有利な保持装置を提供することができる。

実施形態における保持装置の構成を示す図。 物体の位置および水平状態が維持されるようすを説明する図。 保持装置における摺動機構の構成例を示す図。 保持装置における摺動機構の他の構成例を示す図。 第１斜面と第２斜面の傾斜角度を異ならせる態様を説明する図。 実施形態における光学装置の構成を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の実施形態は本発明の実施の具体例を示すにすぎないものであり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、以下の実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の課題解決のために必須のものであるとは限らない。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態における保持装置１００の構成を示す図である。保持装置１００は、保持対象物である物体１０１を、熱負荷が発生しても位置ずれが許容範囲内となるように保持する保持装置である。なお、本明細書および添付図面では、水平方向をＸＹ平面とするＸＹＺ座標系において方向を示す。図１（ａ）は、保持装置１００の平面図であり、図１（ｂ）は、Ｃ−Ｃ’線に沿う断面図である。

保持装置１００は、物体１０１を取り囲む構造体１１０を有し、この構造体１１０の内壁には、ベース部材１０３が設けられている。ベース部材１０３は、構造体１１０とは別体であってもよいし、構造体１１０と一体的に構成されていてもよい。物体１０１は、保持部材１０６によって保持されている。実施形態において、保持部材１０６は、物体１０１の縁部を複数の箇所で保持する複数の保持部材を含みうる。複数の保持部材は、例えば、物体１０１の外周に沿って等間隔に配置された複数（例えば３つ）の保持部材として具現化される。ベース部材１０３も、支持部材１０２を介して複数の保持部材を支持する複数のベース部材を含みうる。このとき複数の保持部材は、複数の保持部材に対応する位置に配置される。保持部材１０６は、支持部材１０２によって支持されており、支持部材１０２はベース部材１０３の上に搭載されている。

物体１０１は、レンズ、ミラー等の光学素子でありうる。支持部材１０２は、物体１０１を取り囲む環状部材でありうる。物体１０１がレンズ、ミラー等である場合には、支持部材１０２は、図１（ａ）に示されるように、物体１０１を取り囲んで物体１０１を収容する鏡筒として構成されていてもよい。物体１０１の位置および水平状態は、物体１０１の保持に必要な部品の部品精度で保証された位置および水平状態、または、調整後の位置および水平状態を基準とする。

ベース部材１０３の、支持部材１０２を支持する面には、物体１０１に対して水平方向の外側に向けて高さが高くなる第１斜面１０５が形成されている。支持部材１０２の、保持部材１０６を支持する面には、支持部材１０２が第１斜面１０５に搭載された状態において物体１０１の水平方向の外側に向けて高さが高くなる第２斜面１０４が形成されている。また、支持部材１０２は、第１斜面１０５に沿って摺動可能であり、保持部材１０６は、第２斜面１０４に沿って摺動可能である。

なお、保持部材１０６は、物体１０１を支持部材１０２の上で直接摺動させるのを避けるために物体１０１と支持部材１０２との間に介在している。支持部材１０２の第２斜面１０４および保持部材１０６の下面の少なくとも一方には、円滑な摺動を実現するための表面処理が施されているとよい。物体１０１を支持部材１０２の上で直接摺動させることが可能な場合は、保持部材１０６は必須ではない。同様に、支持部材１０２の第１斜面１０５およびベース部材１０３の上面の少なくとも一方にも、円滑な摺動を実現するための表面処理が施されているとよい。

保持装置１００は、熱負荷が与えられ支持部材１０２が熱膨張した場合でも、物体１０１の位置ずれを許容範囲内に収め、それにより物体１０１の水平状態を維持する。本実施形態において、物体１０１には、硝子やセラミックスなど低熱膨張材が使用され、物体１０１の熱膨張が、物体１０１の位置および水平状態の必要精度に対して極めて小さいものとする。保持部材１０６は、物体１０１を小さい範囲で保持するのが好ましい。そのため保持部材１０６の熱膨張は、物体１０１の位置および水平状態の必要精度に対して極めて小さいものとする。ベース部材１０３もまた、熱容量が大きいため温度上昇が少なく、ベース部材１０３の熱膨張も、物体１０１の位置および水平状態の必要精度に対して極めて小さいものとする。

図２を参照して、保持装置１００に熱負荷が与えられても物体１０１の位置および水平状態が維持されるようすを説明する。図２（ａ）は図１（ｂ）と同じ状態を示している。物体１０１および保持装置１００は軸対称な形状を有し、保持も軸対称であるため、水平面内の形状の変化も軸対称に発生する。保持装置１００に熱負荷が与えられた場合、支持部材１０２は水平方向に熱膨張するが、ベース部材１０３の熱膨張は極めて小さいため、支持部材１０２は、ベース部材１０３の第１斜面１０５に沿って上方に変形または移動する。それに伴い、熱膨張が極めて小さい物体１０１と保持部材１０６は、保持部材１０６と物体１０１との自重により、支持部材１０２の第２斜面１０４に沿って、支持部材１０２が第１斜面１０５に沿って上昇した量と略同等量分だけ下降するように摺動する。こうして、保持部材１０６（すなわち物体１０１）は、支持部材１０２が熱膨張によって変形または移動してもその高さを一定に維持する。これにより、熱膨張による物体１０１の位置ずれを許容範囲内に収め、その結果として物体１０１の水平状態ずれを許容範囲内に抑えることができる。本実施形態のように、支持部材１０２の熱膨張が物体１０１の位置および水平状態の必要精度に影響を与える主要因である場合、第１斜面１０５と第２斜面１０４は同じ傾斜角度を持つとよい。

物体１０１の大型化に伴い支持部材１０２の径も同様に大型化されるが、重量やスペースの関係で重力方向に厚さが取れない場合がある。特許文献１（特許第５５０６４７３号公報）の場合、重力方向の膨張量と水平方向の膨張量を考慮して傾斜面の角度が一意に決まるため、水平方向の膨張量に対して重力方向の膨張量が極めて小さくなる場合は、一意に決まる傾斜面の角度が浅くなってしまう。傾斜面の角度が浅くなると、摩擦などにより位置ずれ、ひいては水平状態ずれが発生する可能性がある。本実施形態では、第１斜面１０５と第２斜面１０４の傾斜角度は支持部材１０２の径や厚さで一意に決まることはないため、第１斜面１０５と第２斜面１０４の摩擦等を考慮した任意の傾斜角度に設定することができる。そのため、水平方向の膨張量に対して重力方向の膨張量が極めて小さくなる場合でも、物体１０１の位置ずれを許容範囲内に抑えることができる。

第１斜面１０５と第２斜面１０４の傾斜角度は、温度変化にかかわらず一定であるため、保持装置１００は、環境温度が変化する場合であっても、物体１０１の位置および水平状態を常に一定に維持することができる。

第１斜面１０５に沿う支持部材１０２の摺動および第２斜面１０４に沿う保持部材１０６の摺動を、より確実かつ円滑に行うための構成例を、図３および図４に示す。図３および図４は、図１（ｂ）と同様の状態を示している。図３において、ベース部材１０３の第１斜面１０５には、第１斜面１０５の傾斜方向に沿って延びる第１ガイド部３１が配置されている。また、支持部材１０２の、第１斜面１０５と対向する面には、第１ガイド部３１に案内されて摺動する第１摺動部材３２が設けられている。また、図３の例では、支持部材１０２の第２斜面１０４には、第２斜面１０４の傾斜方向に沿って延びる第２ガイド部３３が配置されている。さらに、保持部材１０６の、第２斜面１０４と対向する面には、第２ガイド部３３に案内されて摺動する第２摺動部材３４が設けられている。なお、図３の例では、第１ガイド部３１と第１摺動部材３２の組と、第２ガイド部３３と第２摺動部材３４の組とが設けられているが、いずれかの組だけが設けられていてもよい。

物体１０１の水平状態は、例えば、物体１０１および保持部材１０６の自重、第１斜面１０５の傾斜角度、第２斜面１０４の傾斜角度、第１ガイド部３１の摺動性、第２ガイド部３３の摺動性で決まる。そのため、第１ガイド部３１および第２ガイド部３３は、摩擦が少なく直線案内が可能な部材であるとよい。例えば、図３に示されるように、第１ガイド部３１および第２ガイド部３３にはリニアガイドを使用することができる。

なお、ガイド部と摺動部材との配置関係は反対でもよい。例えば、図４に示されるように、ベース部材１０３の第１斜面１０５に第１摺動部材３２が設けられ、支持部材１０２の、第１斜面１０５と対向する面に第１ガイド部３１が配置されてもよい。図４の例では、第１ガイド部３１および第２ガイド部３３はＶ字溝により構成され、第１摺動部材３２および第２摺動部材３４はボールで構成される。あるいは、一方をリニアガイド、他方のＶ字溝等で構成してもよい。図４に示す、Ｖ字型溝にボールを配置する構成は、Ｖ字型溝がボールを２点で受けるため、この構成を物体１０１の３箇所で行うことで、自由度を過不足なく拘束でき、歪みを物体１０１に伝達しない保持を実現できる。

前述したように、支持部材１０２の熱膨張が物体１０１の位置および水平状態の必要精度に影響を与える主要因である場合、第１斜面１０５と第２斜面１０４は同じ傾斜角度を持つとよい。しかし、保持部材１０６やベース部材１０３の熱膨張が物体１０１の位置ずれの許容範囲に対し影響を及ぼす場合もありうる。そのような場合には、保持部材１０６やベース部材１０３の熱膨張を考慮して、第１斜面１０５と第２斜面１０４には異なる傾斜角度を持たせるようにしてもよい。

図５を用いて説明する。例えば、装置に熱負荷が与えられると、例えば以下の３つの熱膨張作用によって、物体１０１の位置ずれの許容範囲に対して影響が及ぶとする。図５（ａ）はそのような影響が及んでいない状態を示している。
（１）支持部材１０２が水平方向および重力方向（Ｚ方向）に熱膨張する。
（２）ベース部材１０３の支持部材１０２を保持している部分に熱負荷がかかり、その部分が水平方向と重力方向に熱膨張する。
（３）保持部材１０６が重力方向に熱膨張する。

図５（ｂ）に示されるように、支持部材１０２は、ベース部材１０３の水平方向の熱膨張と支持部材１０２の水平方向の熱膨張の分、ベース部材１０３の第１斜面１０５に沿って上方に変形するため、反重力方向に位置ずれする。それに加えて、ベース部材１０３の重力方向の熱膨張と、支持部材１０２の重力方向の熱膨張と、保持部材１０６の重力方向の熱膨張の分、物体１０１は反重力方向に位置ずれしうる。物体１０１は、支持部材１０２がベース部材１０３の第１斜面１０５に沿って上方に変形して位置ずれした分と、ベース部材１０３、支持部材１０２、保持部材１０６それぞれが重力方向に熱膨張して位置ずれした分、重力方向に下がる必要がある。そのため、第２斜面１０４の傾斜角度は、ベース部材１０３の水平方向に熱膨張した分と、ベース部材１０３、支持部材１０２、保持部材１０６それぞれが重力方向に熱膨張して位置ずれした分とを考慮した角度だけ第１斜面１０５よりも急になっている。

このように、第１斜面１０５と第２斜面１０４には異なる傾斜角度を持たせることもできる。このとき、第１斜面１０５と第２斜面１０４との角度差は、保持部材１０６、支持部材１０２、およびベース部材１０３それぞれの熱膨張量に基づいて設定されうる。これにより、物体１０１は、ベース部材１０３、支持部材１０２、保持部材１０６それぞれの熱膨張による位置ずれを許容範囲内に抑えることができ、その結果、物体１０１の水平状態を維持することができる。

＜第２実施形態＞
次に、前述の保持装置を利用した光学装置の実施形態を説明する。この実施形態における光学装置は、光学素子と、前述の保持装置とを有し、保持装置は、前述の保持対象物である物体として光学素子を保持するものである。

図６は、本実施形態における光学装置の一例である光源装置４００の構成を示す図である。光源装置４００は、光源４０７と、光源４０７からの光を所定方向に反射させる光学素子としてのリフレクタとを有する。本実施形態において、光源４０７は、例えば水銀ランプやハロゲンランプでありうる。また、リフレクタは、楕円ミラー４０１ａと球面ミラー４０１ｂとを含みうる。

球面ミラー４０１ｂは、光源４０７の電極間にある輝点が反射球面の中心になるように配置される。球面ミラー４０１ｂは、光源４０７からの光を反射させて光源の輝点に一度戻し、そのまま陰側電極４０９ａと陽側電極４０９ｂとの間を通過させ、楕円ミラー４０１ａへと導く。楕円ミラー４０１ａは、光源４０７の陰側電極４０９ａと陽側電極４０９ｂとの間にある輝点が反射楕円面の第一焦点になるように配置される。楕円ミラー４０１ａは、光源４０７からの光と球面ミラー４０１ｂから反射された光とを第二焦点に集光させる。

これら楕円ミラー４０１ａおよび球面ミラー４０１ｂはそれぞれ、図示のように、保持装置１００によって保持される。なお、楕円ミラー４０１ａを保持する保持装置１００は、駆動機構４０８の上に設置されている。駆動機構４０８は、保持装置１００を介して楕円ミラー４０１を重力方向に移動させ、それにより第二焦点での光の集光度合を変化させることができる。

保持装置１００が球面ミラー４０１ｂを保持することにより、光源４０７により熱負荷が与えられたとしても、球面ミラー４０１ｂの位置ずれを許容範囲内に抑えることができる。これにより、反射した光を陰側電極４０９ａと陽側電極４０９ｂに当てることなく通過させることができる。

また、保持装置１００が楕円ミラー４０１ａを保持することにより、光源４０７により熱負荷が与えられたとしても、楕円ミラー４０１ａの位置ずれを許容範囲内に抑えことができる。これにより、光源４０７からの光と球面ミラー４０１ｂから反射された光とを、精度よく第二焦点に集光させることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１００：保持装置、１０１：物体、１０２：支持部材、１０３：ベース部材、１０６：保持部材、１１０：構造体

Claims (10)

1. 物体を保持する保持装置であって、
   前記物体を取り囲む構造体と、
   前記物体を保持する保持部材と、
   前記構造体の内壁に設けられたベース部材と、
   前記ベース部材の上に搭載されて、前記保持部材を支持する支持部材と、
   を有し、
   前記ベース部材の前記支持部材を支持する面には、前記物体に対して水平方向の外側に向けて高さが高くなる第１斜面が形成されており、
   前記支持部材の前記保持部材を支持する面には、前記支持部材が前記第１斜面に搭載された状態において前記物体に対して水平方向の外側に向けて高さが高くなる第２斜面が形成されており、
   前記支持部材は前記第１斜面に沿って摺動可能であり、前記保持部材は前記第２斜面に沿って摺動可能であり、
   前記支持部材および前記保持部材の摺動によって前記物体の位置ずれを許容範囲内に維持することを特徴とする保持装置。
2. 前記支持部材が前記第１斜面に沿って摺動するのに伴い、前記保持部材は、該保持部材と前記物体との自重により前記第２斜面に沿って摺動することにより前記物体の高さを一定に維持することを特徴とする請求項１に記載の保持装置。
3. 前記支持部材は、熱膨張による変形によって前記第１斜面に沿って摺動することを特徴とする請求項２に記載の保持装置。
4. 前記保持部材は、前記物体を複数の箇所で保持する複数の保持部材を含み、
   前記ベース部材は、前記支持部材を介して前記複数の保持部材を支持する複数のベース部材を含み、
   前記支持部材は、前記物体を取り囲む環状部材である
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の保持装置。
5. 前記ベース部材の前記第１斜面に設けられ、該第１斜面の傾斜方向に沿って延びる第１ガイド部と、
   前記支持部材の前記第１斜面と対向する面に設けられ、前記第１ガイド部に案内されて摺動する第１摺動部材と、
   を更に有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の保持装置。
6. 前記支持部材の前記第２斜面に設けられ、該第２斜面の傾斜方向に沿って延びる第２ガイド部と、
   前記保持部材の前記第２斜面と対向する面に設けられ、前記第２ガイド部に案内されて摺動する第２摺動部材と、
   を更に有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の保持装置。
7. 前記第１斜面と前記第２斜面は同じ傾斜角度を持つことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の保持装置。
8. 前記第１斜面と前記第２斜面は異なる傾斜角度を持ち、前記第１斜面と前記第２斜面との角度差は、前記保持部材、前記支持部材、および前記ベース部材それぞれの熱膨張量に基づいて設定されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の保持装置。
9. 光学素子と、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の保持装置と、
   を有し、
   前記保持装置は、前記物体として前記光学素子を保持する
   ことを特徴とする光学装置。
10. 前記光学装置は、光源と、前記光源からの光を所定方向に反射させるリフレクタとを有する光源装置であり、
    前記保持装置は、前記光学素子として前記リフレクタを保持する
    ことを特徴とする請求項９に記載の光学装置。

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