JP2865369B2 - 磁気吸引ガス浮上型パッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ステージ装置に用いるベアリング機構に関
し、特に対象物をベース面上に可動支持するために用い
られるパッドに関する。

本発明のパッドは、その用途を限定されないが、特に
垂直な案内面を持つベース上に対象物を可動支持するの
に適している。以下、主に垂直ステージ装置を例にとっ
て説明する。

［従来の技術］ 半導体装置製造用のステップ移動露光装置のステージ
は、従来水平なステージ面を有し、光源から光がウェー
ハに垂直に照射され、ステージは水平にステップ駆動で
きるようにされている。

通常、オプチカルベンチないしその上に設置された架
台等のベースは水平面を有し、十分高い剛性を有してい
る。可動ステージは重力によってこのベース上に支持さ
れ、ベースの水平面をガイドとして水平面内の位置を移
動する。

ところで、近年は軌道放射光（SOR）光源を用いる半
導体装置製造用の露光装置が考えられてきている。この
装置では、通常電子軌道が水平面内に形成されるので、
光が水平方向に発射される。この水平に進む光を直接受
けて露光を行うには、半導体ウェーハを移動するステー
ジは、従来の水平移動ステージとは異なり、垂直方向に
移動する垂直可動ステージとなる。垂直可動ステージ装
置は、重力を支持する支持要素と、垂直方向に延びる案
内要素を必要とする。支持要素と案内要素とを一体の構
成としてもよい。

第５図に従来の４面拘束式の垂直可動ステージ装置の
外観を示す。これは、垂直平面を持つベース体41の上に
剛性の高い案内構造体42を取り付け、この案内構造体42
を案内支柱として、その周囲を囲むように担持されたス
ライダ43を矢印（Ｚ方向）の垂直方向に移動可能にする
ものである。スライダ43と案内構造体42との間には図示
しないエアベアリング装置から空気が供給されて、スラ
イダ43に４面から浮上力を与えている。スライダ43の移
動は、電磁気的駆動装置による。通常、このような案内
構造体42とスライダ43との組み合わせを２組以上並列に
配置し、スライダ間にまたがってステージを固定してＺ
方向の可動ステージとする。可動ステージ上に対象物を
載置し、スライダ43を上下に移動させることによって対
象物をＺ方向に駆動する。

Ｚ方向可動スライダ上に直接ステージを担持する代り
に、Ｚ方向可動スライダ上に、Ｚ方向と直交するＸ方向
を向いた案内構造体を、たとえば２本担持し、その上に
ステージを担持するとＸ−Z2次元の垂直平面可動ステー
ジ装置が構成される。

［課題を解決するための手段］ 第６図は、第５図のスライダ43にステージ44を固定し
たものを側面から見た図である。ステージ44の上には２
点鎖線で示すように、駆動装置やエアベアリング装置の
１部あるいはＸ方向可動ステージがさらに担持される。
従って、可動部分は全体としては相当な重量となる。こ
の重量はスライダ43を介して案内構造体42によって支持
される。この可動部分の重量が作用する重心とＺ方向の
駆動力（ないし支持力）の作用点とは構造上の制約から
一致させることは困難である。すなわち、駆動力はスラ
イダ43と案内構造体42の界面付近に作用するが、重心は
ステージ44側にずれてしまう。重心位置と駆動力の作用
点のずれによって、Ｘ軸まわりのモーメントが発生す
る。第５図においては、重心が右側にずれるので、右下
りのモーメントが発生する。これによって、第５図の点
線で示すように、可動部が傾き、案内構造体42が変形す
る。しかも、このモーメントの発生位置はステージの移
動につれてＺ軸方向に移動する。ところで、案内構造体
42は上下で支持され、垂直方向の位置と共にその剛性が
変化してしまう。このためステージ44に対してＺ軸まわ
りのローリング、Ｘ軸まわりのピッチング等の運動誤差
が生じ、これが位置決め精度を劣化させる原因となる。

本発明の目的は、位置決め精度の高いステージ装置等
を実現するために用いる可動支持用のパッドを提供する
ことである。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明のパッドは磁気による吸引力とガス吹き出しに
よる浮上力を用いる。

本発明の磁気吸引ガス浮上型パッドは対象物を磁性体
ベース上に可動保持するためのパッドであって、磁性体
ベースに対してパッドに磁気的吸引力を発生させるため
の永久磁石と、前記磁性体ベース上にパッドを浮上させ
るためのガス吹き出し機構と、前記パッドの引き離し
時、前記永久磁石の磁力を相殺する向きの磁力を発生す
ることのできる電磁石手段とを有する。

［作用］ 磁性体ベースはその径等の制限を受けないので、十分
高い剛性を有するように構成できる。パッドはガス吹き
出し機構のガスベアリング作用によりベースに対して浮
上力を受ける。永久磁石が磁気的吸引力によってベース
とパッド間に吸引力を生じさせる。ガスベアリング作用
による浮上力と磁気的吸引力によってパッドはベース上
の所定高さで支持される。

パッド部材の実質的重心と支持点とがずれて回転モー
メントが発生しても、ベースは支柱状の案内構造体とは
異なり、十分高い剛性を有するように作製できるので、
ベースに実質的変形は起らないようにできる。

吸引力と浮上力とのバランスが崩れると、常に平衡位
置に戻ろうとする力が働き、高精度の位置決めができ
る。

パッドをベースから引き離す時には、電磁石手段によ
って永久磁石とは逆向きの磁力を発生させることによっ
て吸引力を弱めれば、安全容易にパッドをベースから引
き離すことができる。パッドをベース上に装架する時に
も吸引力を弱めて行なえば安全である。

磁性体ベースに組合せてこのようなパッドを３つ以上
用い、その上にステージを組立てることにより、位置決
め精度の高い垂直可動ステージ装置が実現できる。

［実施例］ 第１図は本発明の実施例による磁気吸引エアー浮上型
パッドを示す。

パッド10はその主要部を鉄等の磁性体で形成されたヨ
ーク２で構成されている。ヨーク２の背面上には球面ヒ
ンジ１が結合されている。球面ヒンジ１は鉄等の円柱部
材の一部をヒンジ中央に向かって次第に径を絞った形状
を有する。径が絞られていることにより、球面ヒンジ１
は軸方向に対しては強い剛性を示すが、軸と直交する方
向に対しては弾性変形が可能となっている。ヨーク２の
磁性体ベース８と対向する側は中央に凹部が形成され、
電磁石３、永久磁石４、パッド部材５、非磁性体スペー
サ７を収容している。パッド部材５は鉄等の磁性体で形
成され、その表面はヨーク２の表面よりも突出するよう
に設計される。永久磁石４は図中上面および下面に磁極
を有する。永久磁石４、ヨーク２およびパッド部材５が
下方に開いた磁気回路を形成する。非磁性体スペーサ７
は磁気回路がパッド10内で閉じないように十分な厚さを
有する。パッド10が磁性体ベース８の上に配置される
と、薄い空気の層を介してパッド10と磁性体ベース８と
で磁気回路を閉成する。すなわち、永久磁石４の磁気吸
引力によりパッド10と磁性体ベース８とは互いに吸引す
る。

ヨーク２、永久磁石４、パッド部材５を貫通して空気
等のガス流通路が形成されている。以下空気を用いる場
合を例にとって説明する。パッド部材５中央にはエアー
吹き出し口９が形成されており、磁性体ベース８に向っ
てエアーを吹き出す構成となっている。エアー吹き出し
機構は種々あるが、その一例を第２図（Ａ）、（Ｂ）に
示す。

第２図（Ａ）、（Ｂ）は表面絞り型エアーパッド面の
構造を示す。第２図（Ａ）は底面図、第２図（Ｂ）は一
部断面図である。パッド部材５の底面は、中央にエアー
吹き出し口９を有し、エアー吹き出し口９に連続して放
射状に複数の溝15が形成されている。

第２図（Ｂ）は、溝15の断面形状を示す。図示の場合
矩形断面の溝が形成されている。すなわち、パッドに空
気を供給すると、空気は空気吹き出し口９および全溝15
の表面からパッド部材５全面に向って吹き出す。この空
気の吹き出し圧によって、パッド10は磁性体ベース４上
に浮上する。

第３図は、永久磁石４による吸引力F1とエアー吹き出
しによる浮上力F2との関係を示す。永久磁石による力F1
は、パッド10を磁性体ベース８に向って吸引する吸引力
であり、磁性体とパッドとの距離が増大するにしたがっ
て減少する。エアー吹き出しによる力F2は、磁性体ベー
ス８からパッド10を引き離す方向に働く反発力である。
磁性体ベース８からパッド10までの距離が増大するとエ
アーの流れに対する抵抗が急激に減少するため、エアー
吹き出しによる反発力F2は、距離の増大と共に急激に減
少する。永久磁石の吸引力と空気供給源からのエアー供
給による反発力とは互いに逆向きの力であり、釣合いの
高さでパッド10を停止させる。

ところで、このようにパッドを用いてステージを形成
した際、ステージのメインテナンスやステージ上に配置
する半導体ウエハ等の工作対象物の交換の時等に、パッ
ド10を磁性体ベース８から引き離す必要がある時があ
る。特に装置全体のスペース的な制約から工作対象物の
交換毎にステージをベースから引き離す工程が必要な場
合も考えられる。

パッドをベースから引き離すには、必要なだけ強い力
でパッドを引っぱるか、エアー吹き出しの圧力を上げて
吸引力に勝つようにする方法が考えられる。しかし、前
者の方法はステージの各部に変形を起し易く、その後の
精度の劣化等を招き易い。後者の方法は、原理的には十
分な空気圧が得られれば可能と思われるが、一般には空
気配管は細く、自成絞り、オリフィス絞り等の絞りによ
る抵抗があり、十分な流量を得るのは困難である。すな
わち、空気による反発力ではパッドをベースからある程
度までは引き離せるがそれ以上の力を得ることは極めて
難しい。

第１図に示すパッド10は永久磁石４と共に電磁石３を
有する。この電磁石３にはコントローラ13を介して電流
源11が接続される。電流源11は反転可能な直流電流を供
給できる構成を有する。パッド10の引き離し時には、電
流源11から、電磁石３に永久磁石４と逆向きの磁力を発
生させる電流を供給する。

第３図に永久磁石による力F1と逆向きに電磁石による
力F3が発生した状態を図示する。電磁石による反発力F3
を十分な強さとすれば、エアー吹き出しによる反発力が
低減した距離においても、永久磁石による吸引力F1を相
殺し、パッド10を容易に磁性体ベース８から引き離すこ
とが可能となる。この状態を第１図右上方に概略的に示
す。すなわち、永久磁石４に対して電磁石３が反対向き
に配置され、両者の磁力が相殺する。

第１図に示すパッド10は、さらに位置検出器６を備え
ている。位置検出器６は磁性体ベース８とパッド10との
間の距離を検出する。位置検出器６からの検出信号をコ
ントローラ13に供給することによって、電磁石３に供給
する電流を制御することができる。

たとえば、永久磁石４の製作条件のばらつきによる磁
力のばらつきや、磁性体ベース８内の磁気特性の分布に
より、パッド10の吸引力がパッドごとに、また場所によ
り変化することがある。吸引力が変化するとパッド10の
浮上高さが変化する。この変化を位置検出器６によって
検出し、パッド10と磁性体ベース８との距離に対応した
電流をコントローラ13を介して電磁石３に供給すること
により、パッド10の磁気吸引力を制御し、パッド10と磁
性体ベース８との間の距離を一定に保つように制御する
ことができる。

各パッドの浮上量が変化すると、ステージの姿勢が変
化し、パッドの空気軸受部の剛性が変化したり、ステー
ジの制御性や精度が悪化することもある。位置検出器６
からの信号によって電磁石３を励磁し、各パッドの特性
を揃えることにより、このような不具合を是正すること
ができる。このような微調整を行なう場合の電磁石３に
よる磁力は、永久磁石４と同じ向きの磁力でも逆向きの
磁力でもよい。永久磁石４によるる磁力のみでは不足す
る可能性のある時は、電磁石３による磁力を永久磁石４
による磁力と同じ向きにするのがよい。

第４図は他の実施例による垂直可動ステージを示す。

第１図に示したパッドと同様のパッド10が垂直な平面
を有する磁性体ベース８に磁気的吸引力によって結合さ
れている。パッド10に働く重力はリニアモータ等、適当
な他の手段によって相殺させている。高圧ガスボンベ等
の圧縮空気源21からの空気は、フィルター22を介してレ
ギュレータ23に供給され、一定圧力の中圧空気となる。
この中圧空気は電空レギュレータ24を介して所定の圧力
とされ、パッド10の空気供給口に供給される。この供給
される空気の圧力は圧力検出器25により検出され、電空
レギュレータ24を制御し供給する空気の圧力が制御され
る。空気が供給されるとパッド10と磁性体ベース８との
間に空気層が生じ、パッド10が磁性体ベース８から浮上
する。エアー吹き出しによる浮上力が磁気的吸引力と釣
り合う位置でパッド10は停止する。位置検出器６はパッ
ド10が磁性体８から浮上している距離を検出し、その信
号をセンサーアンプ34に供給する。センサーアンプ34は
パッド10の浮上量をコントローラ31内の比較器32に供給
する。コントローラ31内で比較器32は位置の設定値とセ
ンサーアンプ34から供給される検出位置信号とを比較
し、実際の距離が設定した距離と等しくなるように制御
信号をアンプ33に供給する。アンプ33は電磁石３に制御
した電流を供給し、磁気的吸引力を増減させることによ
りパッド10の浮上高さを調整し、所望の浮上量を得る。

垂直可動ステージにおいては、第４図に示したような
パッド10を３個以上ステージに固定し、ステージ磁性体
ベース８面上で移動できるように構成する。電磁石３の
磁力を調整することにより、パッドごとの性能のばらつ
きを調整して一定の性能を有するパッドとして扱うこと
ができる。

また、前述のようにステージ装置を磁性体ベース８か
ら引き離す時には、電磁石３に永久磁石４と逆向きの磁
力を発生させることにより、磁気的吸引力を弱め、他に
悪影響をおよぼすことなくステージを磁性体ベース８か
ら引き離すことが可能となる。

また、一旦引き離したステージを再び磁性体ベース８
上に装架する際にも、磁気的吸引力が距離の減少と共に
増加するとパッド10が磁性体ベース８と衝突し、ステー
ジ装置に変形を起したり、精度の低下を招くことがあ
る。このような場合にも電磁石３に永久磁石４の磁力を
減少する向きの電流を供給し、磁気的吸引力を弱めた状
態で操作することにより安全にステージ装置を磁性体ベ
ース８上に配置することができる。

磁気吸気エアー浮上型ステージの場合、浮上方向にス
テージが振動を起こすことが考えられる。このような場
合には、位置検出器により振動を検出し、振動を消滅さ
せる方向に電磁石による磁力を発生させれば、速やかに
振動を減衰させることができる。

なお、パッドに１つの永久磁石および１つの電磁石を
設ける場合を説明したが、パッド内に複数の永久磁石、
複数の電磁石を有する構造でもよい。さらに、位置検出
器を複数備えることにより、パッド10の面を磁性体ベー
ス８の平行に保つように制御することもできる。空気を
動作流体として用いる場合を説明したが、窒素等他の気
体を用いても差し支えない。また、永久磁石の背後に電
磁石を配置する構成を示したが、電磁石の発生する磁力
と永久磁石の発生する磁力が互いに干渉する配置であれ
ばどのような配置でも構わない。電磁石による吸引力は
制御可能であるが、電磁石を励磁する電流により発熱を
生じるので通常の操作においては大部分の吸引力は永久
磁石に基づくものとし、電磁石の吸引力は発熱が問題と
ならない程度にするのが好ましい。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこ
れらに制限されるものではない。たとえば、種々の変
更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明で
あろう。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、気体吹き出し
による浮上力と永久磁石による吸引力とによる摩擦の少
ないパッドが提供され、さらにパッドを磁性体ベースか
ら引き離す時に電磁石により永久磁石の磁力を相殺する
磁力を発生させることにより無理なくパッドの引き離し
ができる。パッド装着時も同様である。したがってパッ
ドを磁性体ベースに脱着する際にも安全確実に操作を行
なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による磁気吸引エアー浮上型パ
ッドを示す断面図、 第２図（Ａ）、（Ｂ）は表面絞り型エアーパッド面を示
す底面図および一部断面図、 第３図は第１図の磁気吸引エアー浮上型パッドの動作概
念を説明するためのグラフ、 第４図は本発明の他の実施例による垂直可動ステージ装
置を示す概略ブロック図、 第５図および第６図は、従来の技術による垂直可動ベア
リングを示す斜視図および側面図である。 図において、 １……球面ヒンジ ２……ヨーク ３……電磁石 ４……永久磁石 ５……パッド部材 ６……位置検出器 ７……非磁性体スペーサ ８……磁性体ベース ９……エアー吹き出し口 10……パッド 11……電流源 13……コントローラ 15……溝 21……圧縮空気源 22……フィルタ 23……レギュレータ 24……電空レギュレータ 25……圧力検出器 31……コントローラ 32……比較器 33……アンプ 34……センサーアンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−216120（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−35112（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16C 32/00 - 32/06

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対象物を磁性体ベース上に可動保持するた
   めのパッドであって、 磁性体ベースに対してパッドに磁気的吸引力を発生させ
   るための永久磁石と、 前記磁性体ベース上にパッドを浮上させるためのガス吹
   き出し機構と、 前記パッドの引き離し時、前記永久磁石の磁力を相殺す
   る向きの磁力を発生することのできる電磁石手段と を有する磁気吸引・ガス浮上型パッド。
2. 【請求項２】さらに前記磁性体ベースとの間の距離を検
   出する位置検出器を備え、前記電磁石手段が前記位置検
   出器からの信号に対応して磁力を制御することのできる
   請求項１記載の磁気吸引・ガス浮上型パッド。