JP4580537B2

JP4580537B2 - Ｘｙステージ

Info

Publication number: JP4580537B2
Application number: JP2000328498A
Authority: JP
Inventors: 晴彦小池; 健治田仲; 茂樹杉山
Original assignee: SIGMAKOKI Co Ltd
Current assignee: SIGMAKOKI Co Ltd
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2020-10-27
Also published as: JP2002130281A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスライダがＸＹ軸方向に直線運動するＸＹステージに係り、特にステージ高を低く抑えたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の直交座標対応ステージ（以下、ＸＹステージという）を図７に示す。Ｘステージ５はＸ軸ガイド１と、その上にＸ軸スライダ２をＸ軸方向に移動自在に設けて成る。Ｙステージ６は、Ｘ軸スライダ２と、それにＹ軸ガイド３を固着し、そのＹ軸ガイド３上にＹ軸スライダ４をＹ軸方向に移動自在に設けて成る。このように同様な構造のＸステージ５およびＹステージ６を縦方向に積み重ねて、Ｙステージ６上に載せた物体をＸＹ軸方向に移動できるように構成している。なお、図８は図７の矢視図であり、（ａ）はＡ矢視図、（ｂ）はＢ矢視図である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のＸＹステージは、各ステージ５、６にガイド１、３及びスライダ２、４がそれぞれ別個に必要になっており、これらを縦方向ないし厚さ方向に積み重ねて構成してある。このためＸＹステージの高さは、各ステージの高さＬ₁、Ｌ₂をそのまま足した高さとなる。その結果、次のような問題があった。
【０００４】
（１）高さ方向の寸法低減ができないため、ＸＹステージを取り巻く装置やユニットがコンパクト化できず、材料、工数の削減ができない。
【０００５】
（２）ステージの積み重ねによる精度誤差の発生原因が増加するため、安定した位置決め精度が保証できず、製品の歩留まりも減少する。
【０００６】
（３）ＸＹステージ上にさらに他のステージを取り付ける場合、さらにステージ高が高くなるため、外観上すっきりせず、メンテナンス性が悪化する。
【０００７】
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消して、高さを抑え、安定した位置決め精度が保証でき、しかも他のステージ等をＸＹステージ内に収納することが可能なＸＹステージを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の手段は、Ｘ軸方向に互いに対向して設けられた一対のガイドレールと、前記一対のガイドレールに係合され、前記ガイドレールに沿ったＸ軸方向の移動が許容されて、Ｙ軸方向の移動が規制されるＸ軸スライダと、前記Ｘ軸スライダを囲むように装着されるとともに、前記Ｘ軸スライダの下面側に開口を形成するように折り返された折返し部を有し、前記一対のガイドレール間でＸ軸スライダに対するＹ軸方向の移動が許容され、前記Ｘ軸スライダにＹ軸ガイド機能をもたせて当該Ｙ軸ガイド機能によりＹ軸方向に移動するとともに、前記Ｘ軸スライダに対するＸ軸方向の移動が規制されてＸ軸スライダがＸ軸方向に移動するとそれに伴ってＸ軸方向に移動するＹ軸スライダと、を主たる構成要素として構成されるＸＹステージであって、前記一対のガイドレールと前記Ｘ軸スライダとの間、及び前記Ｘ軸スライダとＹ軸スライダとの間にガスを供給して、ガス圧によって前記Ｘ軸スライダ及び前記Ｙ軸スライダを支持する静圧ガス軸受を有し、前記Ｘ軸スライダに、該Ｘ軸スライダに対して前記Ｙ軸スライダが往復移動する範囲に亘って凹溝ないし開口部を設け、前記Ｙ軸スライダに、前記Ｘ軸スライダの凹溝ないし開口部と連通する開口部を設け、前記Ｘ軸スライダの凹溝ないし開口部と連通するＹ軸スライダの開口部及び前記Ｘ軸スライダの凹溝ないし開口部に、θ軸、Ｚ軸などのステージ（Ｘ軸ステージおよびＹ軸ステージは除く）又はピックアップなどのユニットを収納可能としたことを特徴とするＸＹステージである。
【０００９】
第１の手段によれば、Ｘ軸スライダにＹ軸スライダを囲むように装着するので、ＸステージにＹステージを積み上げるものに比べて、ＸＹステージの高さを抑えることができる。また、ＸＹステージの積み上げによる精度誤差の発生原因も減少するため、安定した位置決め精度が保証できる。また、Ｘ軸スライダ及びＹ軸スライダを支持する軸受を静圧ガス軸受としたので、ボールベアリングで接触支持するものと異なり、支持が非接触となるのでより安定した位置決め精度が保証できる。また、Ｙ軸スライダ、又はＹ軸スライダ及びＸ軸スライダに開口部を設けたので、この開口部に他のステージまたはユニットを積み上げることなく収納することができる。
【００１０】
第２の手段は、第１の手段にかかるＸＹステージにおいて、前記静圧ガス軸受に代えて磁気軸受を備えたＸＹステージである。これによれば、軸受を磁気軸受としたので、静圧ガス軸受と異なり真空中でも機能する。
【００１１】
第３の手段は、前記Ｘ軸スライダ及び前記Ｙ軸スライダを移動させる駆動源を備え、該駆動源をリニアモータとした第１または第２の手段にかかるＸＹステージである。これによれば、Ｘ軸スライダ及び前記Ｙ軸スライダを移動させる駆動源としたので、ボールネジ機構と比べて、一層安定した位置決め精度が保証できる。
【００１３】
第４の手段は、前記開口部に前記θ軸、Ｚ軸などのステージ又はピックアップなどのユニットが収納されている第１乃至第３の手段にかかるＸＹステージである。これによれば、Ｙ軸スライダ、又はＹ軸スライダ及びＸ軸スライダの開口部にθ軸、Ｚ軸などのステージまたはユニットが収納されているので、ステージ高を抑えることができ、外観上もすっきりした状態になり、装置のメンテナンス性も向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。図１は本実施の形態によるＸＹステージの基本構成を示す斜視図である。ＸＹステージは、一対のガイドレール１０と、Ｘ軸スライダ２０と、Ｙ軸スライダ３０とから主に構成される。これらに使用する材料は、例えば、アルミニウム、鉄、グラナイト（御影石）、セラミックス等である。
【００１５】
一対のガイドレール１０は互いに対向するガイド溝１１を持ち、Ｘ軸方向に延在して平行に設けられる。一対のガイドレール１０は図示しない定盤に固定される。
【００１６】
一対のガイドレール１０の間にＸ軸スライダ２０が係合される。Ｘ軸スライダ２０は矩形平板状をしており、その両端部がそれぞれ対向するガイド溝１１に嵌め込まれて係合され、ガイド溝１１に沿ってＸ軸方向の移動は許容されるが、Ｙ軸方向の動きは規制されるようになっている。したがってＸ軸スライダ２０は一対のガイドレール１０に沿ってＸ軸方向に往復運動できる。
【００１７】
なお、ガイドレール１０に設けたガイド溝１１をＸ軸スライダ２０側に設け、ガイドレール１０側にＸ軸スライダ２０に設けたガイド溝に嵌まる凸条を設けるようにしてもよい。ガイドレール１０とＸ軸スライダ２０との係合部は、後述する３つの面で支持されていればよく、ガイド溝の形状は問わない。
【００１８】
前記Ｘ軸スライダ２０を囲むようにＹ軸スライダ３０が装着されている。Ｙ軸スライダ３０は、矩形平板状のＸ軸スライダ２０の断面形状に合致するように、断面略コ字型をしている。その略コ字型をしたＹ軸スライダ３０の開口部３２が内側に折り返されて折返し部３１が形成されている。Ｘ軸スライダ２０への装着は、略コ字型の開口部３２を下にして、その折返し部３１でＸ軸スライダ２０の下面を支える格好になっている。なお、Ｙ軸スライダ３０は上部が開口していてもよく、さらには全く開口していない断面略ロ字型をしたものでもよい。
【００１９】
これによりガイド溝１１に係合するＸ軸スライダ２０の幅方向の両端部は、Ｙ軸スライダ３０によって上面、側面、下面の３面が支持される。そしてＹ軸スライダ３０はＸ軸スライダ２０に装着されることにより、Ｘ軸スライダ２０に対してＸ軸方向の動きが規制されて、Ｘ軸スライダ２０がＸ軸方向に移動するとそれに伴ってＸ軸方向に移動する。また、Ｘ軸スライダ２０に対してＹ軸方向の動きが許容されて、Ｘ軸スライダ２０に対してＹ軸方向に移動できるようになっている。Ｘ軸スライダ２０はスライドするだけでなく、Ｘ軸スライダ２０に対してＹ軸スライダ３０をＹ軸方向に移動させるガイドも兼ねている。また、Ｙ軸スライダ３０の上部が、ＸＹ軸運動をさせる対象を載せるトッププレートとなる。
【００２０】
この実施の形態では、Ｘ軸スライダ２０及びＹ軸スライダ３０を支持するのに静圧ガス軸受を用いている。これを図２で説明する。
【００２１】
図２（ａ）は図１のＡ矢視図である。一対のガイドレール１０のガイド溝１１とＸ軸スライダ２０との間に静圧ガス軸受４０が設けられる。静圧ガス軸受４０は３面支持としている。Ｘ軸スライダ２０両端部の上面、側面、下面にガス噴出口４１が設けられ、ガイドレール１０のガイド溝１１の前記三面に対応する溝の上面、側面、下面でガス噴出口４１から噴出されるガスを受け止めるようになっている。下面でＸ軸スライダ２０、Ｙ軸スライダ３０及びＹ軸スライダ３０上に載るユニット等の総重量を支え、上面でＸ軸スライダ２０のＺ軸方向の移動を拘束し、側面でＸ軸スライダ２０のＹ軸方向の移動を拘束する。これにより、Ｘ軸スライダ２０を一対のガイドレール１０に沿ってＹ軸方向に非接触で往復移動自在としている。
【００２２】
また、図２（ｂ）は図１のＢ矢視図である。同様にして、Ｘ軸スライダ２０とＹ軸スライダ３０との間にも静圧ガス軸受５３が設けられる。静圧ガス軸受５３は３面支持としている。Ｙ軸スライダ３０の両端内側の上面、側面、下面にガス噴出口５１が設けられ、Ｘ軸スライダ２０の前記３面に対応する両端の上面、側面、下面でガス噴出口５１から噴出されるガスを受け止めるようになっている。
上面でＹ軸スライダ３０及びＹ軸スライダ３０上に載るユニット等の総重量を支え、下面でＹ軸スライダ３０のＺ軸方向の移動を拘束し、側面でＹ軸スライダ３０のＸ軸方向の移動を拘束する。これによりＹ軸スライダ３０をＸ軸スライダ２０に沿ってＹ軸方向に非接触で往復移動自在としている。
【００２３】
ガス噴出口４１、５１は、Ｘ軸スライダ２０またはＹ軸スライダ３０の移動方向に沿って多数設けられる。また、ガスとしては空気がよい。空気などのガスを一定の圧力でガス噴出口４１、５１から吹き出すことにより、Ｘ軸スライダ２０及びＹ軸スライダい３０のバランスをとり非接触の往復運動を可能とする。
【００２４】
上記実施の形態によれば、Ｘ軸スライダ２０に略コ字型のＹ軸スライダ３０を囲むように装着するので、ＸステージにＹステージを積み上げるものに比べて、装置の高さを低く抑えることができる。Ｙ軸スライダ３０の上面３４がトッププレートになるが、その上面３４と一対のガイドレール１０の上面１２を面一にして、さらにＸＹステージの高さを低くすることもできる。図示例の場合には、トッププレートに載るユニットが一対のガイドレール１０に跨がることを考慮して、両者の高差を数ｍｍから数十ｍｍ程度とってある。また、Ｙ軸スライダ３０と定盤５０とが接触して、定盤５０がＹ軸スライダ３０の移動を損なわないように、Ｙ軸スライダ３０は定盤５０の上面から浮かして支持している。なお、定盤５０の上面を削り取ったり、定盤５０に開口部を設けるようにしてもよい。
【００２５】
また、Ｘ軸スライダ２０の外周にＹ軸スライダ３０を装着し、Ｘステージ内にＹステージを組み込むようにして、Ｘ軸スライダにＹ軸ガイドの機能をもたせて、専用のＹ軸ガイドを排するようにした。そのため、ＸＹステージの積み上げによる精度誤差の発生原因も減少するため、ＸＹステージとして安定した位置決め精度が保証できる。また、Ｘ軸スライダ２０及びＹ軸スライダ３０を移動させる駆動源を静圧ガス軸受４０、５０としたので、ボールベアリングで接触支持するものと異なり、支持が非接触となるのでより安定した位置決め精度が保証できる。特に、ガスに空気を使用すれば実施化が容易であり、経済的である。
【００２６】
また、定盤５０に対するＹ軸スライダ３０の上面３４の高さは、一対のガイドレール１０の上面１２の高さよりも若干高いか、同一高さとする。Ｙ軸スライダ３０の高さをガイドレール１０よりも低くすると、Ｙ軸スライダ３０の上面の静圧ガス軸受の形成が困難になるからである。
【００２７】
図３は、図１の基本構成に、Ｘ軸スライダ２０及びＹ軸スライダ３０の駆動源を組込んだ、より具体的なＸＹステージの斜視図である。駆動源として、より高精度なリニアモータを使用している。なおリニアモータに代えてボールネジ機構としてもよい。Ｘ軸スライダ２０を移動させるＸ軸リニアモータ６０は一対のガイドレール１０間に設けてある。ロッド状の固定子６１に装着されたＸ軸リニアモータ６０の可動子６２をＸ軸スライダ２０の下部に固着することで、Ｘ軸スライダ２０を往復動自在としている。また、Ｙ軸スライダ３０を往復移動させるＹ軸リニアモータ７０は、Ｘ軸スライダ２０に凹み２１を設けて、その凹み２１にＹ軸リニアモータ７０を収納することで、ステージ高を抑えるようにしてある。
【００２８】
図３では、便宜上、ＸＹ軸にリニアモータを１個づつ配置しているが、実際には図４（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示すように、ＸＹ軸にそれぞれ一対のリニアモータ６０、７０を配置して、安定移動を図っている。
【００２９】
図４（ａ）に示すように、Ｘ軸スライダ２０を移動させるＸ軸リニアモータ６０は、一対のガイドレール１０間であって、Ｘ軸スライダ２０の幅方向の両側に配置される。一対のガイドレール１０を固定した定盤５０の表面の一部に凹溝５４設け、その凹溝５４にＸ軸リニアモータ６０を沈めることで、Ｘステージ高を抑えている。
【００３０】
また図４（ｂ）に示すように、Ｙ軸スライダ３０を移動させるＹ軸リニアモータ７０は、Ｘ軸スライダ２０の上面部に凹部２１を設け、その凹部２１にＹ軸リニアモータ７０を沈めることで、Ｙステージ高を抑えている。ロッド状の固定子７１に装着されたＹ軸リニアモータ７０の可動子７２をＹ軸スライダ３０の上部に固着することで、Ｙ軸スライダ３０を往復動自在としている。
【００３１】
図４（ｂ）からわかるように、Ｘ軸リニアモータ６０の可動子６２を断面コ字型のＹ軸スライダ３０の中空部に挿通されたＸ軸スライダ２０に固定するために、Ｙ軸スライダ３０の断面形状を底部が閉じたロ字型とはせずに、底部が開口したコ字型としている。そして可動子６２は、開口部３２から覗いているＸ軸スライダ２０の底部に連結部材で固着してある。
【００３２】
このようにＸ軸スライダ２０及びＹ軸スライダ３０を移動させる駆動源をリニアモータ６０、７０としたので、μｍオーダの移動距離精度しか発揮し得ないボールネジ機構と比べて、ｎｍオーダの精度を発揮して、一層安定した位置決め精度が保証できる。また、ＸＹ軸双方とも一対のリニアモータ６０、７０で２軸駆動するようにしたので、安定走行を保証できる。
【００３３】
図５〜図６は変形例を示す構成図であり、ＸＹステージにさらに第３のユニットを組込んだ複合ステージを示す。図５は複合ステージの斜視図、図６は図５のＡ矢視中央断面図を示し、（ａ）は第３のユニット等を搭載する前の図、（ｂ）は第３のユニットを搭載した後の図である。
【００３４】
第３のユニットを組込むために、少なくともＹ軸スライダ３０の上部に第３のユニット８０を収納するための幅Ｗ₂をもつ凹溝ないし開口部３３を開ける。第３のユニット８０の高さが高い場合には、必要に応じて、Ｘ軸スライダ２０にもＹ軸スライダ３０の開口部３３と連通する凹溝ないし開口部２２を開ける。Ｘ軸スライダ２０に開ける凹溝ないし開口部２２は、その幅Ｗ₁を、Ｘ軸スライダ２０に対してＹ軸スライダ３０が往復移動する関係からＹ軸スライダ３０の往復移動範囲に亘って開ける必要がある。このようにして開けたＹ軸スライダ３０、及びＸ軸スライダ２０の開口部３３、２２に、θ軸、Ｚ軸などのステージ又はピックアップなどのユニット８０を収容する。
【００３５】
この実施の形態によれば、Ｙ軸スライダ３０に開けた開口部３３と連通する開口部２２をＸ軸スライダ２０に設けたので、この開口部３３及びこれと連通する開口部２２に他のステージまたはユニット８０を、積み上げることなく収納することができる。その結果、Ｘ軸スライダ２０の開口部２２及びＹ軸スライダ３０の開口部３３に前記θ軸、Ｚ軸などのステージまたはユニット８０を収納できて高さを抑えることができ、外観上すっきりした状態になり、装置のメンテナンス性も向上する。
【００３６】
以上述べたように本実施の形態によれば、Ｘ軸スライダとＹ軸ガイドを１つの部材で共用しＸステージにＹステージを組みこむようにしたので、Ｘ軸スライダとＹ軸ガイドを別部材としてＸステージ上にＹステージを積み上げるものと比べて、高さ方向の寸法を低減できる。このためＸＹステージを取り巻く装置やユニットのコンパクト化が図れ、材料、工数の削減ができる。
【００３７】
また、本実施の形態によれば、従来のようなステージの積み重ねがないので、ステージの積み重ねに起因する精度誤差の発生原因が減少する。したがって安定した位置決め精度が保証でき、製品の歩留まりが増加する。また、スライダの支持手段に非接触型の静圧ガス軸受を採用し、スライダの駆動源にリニアモータを使用したので、上記構成と相俟ってステージの位置決め精度を向上できる。
【００３８】
また、スライダの中央部に孔を開け、そこに他のユニット（リニアモータ、スケール、等）や他の軸（θ軸、Ｚ軸、等）を入れ込むようにしたので、その分の高さの積み上げもキャンセルすることができる。従って、第３の要素が入る複合ステージにしても、ステージ高が高くならず、外観上すっきし、メンテナンス性が良好になる。
【００３９】
なお、上述した実施の形態では、Ｘ軸スライダおよびＹ軸スライダの支持方法に静圧ガス軸受を用いたが、これに代えてＮＳ極の反発を利用した磁気軸受を備えるようにしてもよい。磁気軸受を構成する磁石は永久磁石でも、偏平コイル等を使った電磁石でもよい。特に、軸受を磁気軸受とすると、真空中では機能しない静圧ガス軸受と異なり、真空中でも機能するという利点がある。したがって、露光装置、半導体製造装置などを収容するクリーンルーム等での使用に最適である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｘ軸スライダにＹ軸スライダ装着してＸ軸スライダにＹ軸スライダのガイドを兼用させるようにしたので、兼用させない従来の積み上げタイプのものに比べて、高さ方向への寸法を抑えることができる。また、スライダの支持手段に静圧ガス軸受を使用したので、安定した位置決め精度が保証できる。
さらに、Ｙ軸スライダやＸ軸スライダに開口部を設けて、そこに他のステージ等を収納できるようにしたので、この場合にもステージ高を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態によるＸＹステージの基本構成を示す斜視図である。
【図２】図１の矢視図を示し、（ａ）はＡ矢視図、（ｂ）はＢ矢視図である。
【図３】実施の形態によるＸＹステージの具体的な構成を示す斜視図である。
【図４】図３の矢視図を示し、（ａ）はＡ矢視中央断面図、（ｂ）はＢ矢視中央断面図である。
【図５】実施の形態によるＸＹステージの応用例の構成を示す斜視図である。
【図６】図５のＡ矢視図を示し、（ａ）はユニットを装着する前、（ｂ）はユニットを装着した中央断面図である。
【図７】従来例によるＸＹステージの構成を示す斜視図である。
【図８】図７の矢視図を示し、（ａ）はＡ矢視図、（ｂ）はＢ矢視図である。
【符号の説明】
１１ガイド溝
１０ガイドレール
２０Ｘ軸スライダ
３０Ｙ軸スライダ
４０静圧ガス軸受
５０静圧ガス軸受

Claims

Ｘ軸方向に互いに対向して設けられた一対のガイドレールと、
前記一対のガイドレールに係合され、前記ガイドレールに沿ったＸ軸方向の移動が許容されて、Ｙ軸方向の移動が規制されるＸ軸スライダと、
前記Ｘ軸スライダを囲むように装着されるとともに、前記Ｘ軸スライダの下面側に開口を形成するように折り返された折返し部を有し、前記一対のガイドレール間でＸ軸スライダに対するＹ軸方向の移動が許容され、前記Ｘ軸スライダにＹ軸ガイド機能をもたせて当該Ｙ軸ガイド機能によりＹ軸方向に移動するとともに、前記Ｘ軸スライダに対するＸ軸方向の移動が規制されてＸ軸スライダがＸ軸方向に移動するとそれに伴ってＸ軸方向に移動するＹ軸スライダと、
を主たる構成要素として構成されるＸＹステージであって、
前記一対のガイドレールと前記Ｘ軸スライダとの間、及び前記Ｘ軸スライダとＹ軸スライダとの間にガスを供給して、ガス圧によって前記Ｘ軸スライダ及び前記Ｙ軸スライダを支持する静圧ガス軸受を有し、
前記Ｘ軸スライダに、該Ｘ軸スライダに対して前記Ｙ軸スライダが往復移動する範囲に亘って凹溝ないし開口部を設け、
前記Ｙ軸スライダに、前記Ｘ軸スライダの凹溝ないし開口部と連通する開口部を設け、
前記Ｘ軸スライダの凹溝ないし開口部と連通するＹ軸スライダの開口部及び前記Ｘ軸スライダの凹溝ないし開口部に、θ軸、Ｚ軸などのステージ（Ｘ軸ステージおよびＹ軸ステージは除く）又はピックアップなどのユニットを収納可能としたことを特徴とするＸＹステージ。
請求項１記載のＸＹステージにおいて、前記静圧ガス軸受に代えて磁気軸受を備えたＸＹステージ。
前記Ｘ軸スライダ及び前記Ｙ軸スライダを移動させる駆動源を備え、該駆動源をリニアモータとした請求項１または２に記載のＸＹステージ。
前記開口部に前記θ軸、Ｚ軸などのステージ又はピックアップなどのユニットが収納されている請求項１乃至３のいずれかに記載のＸＹステージ。