JP4632569B2

JP4632569B2 - ステージ装置

Info

Publication number: JP4632569B2
Application number: JP2001129800A
Authority: JP
Inventors: 和久谷川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2021-04-26
Also published as: JP2002329771A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はステージ装置に関し、更に詳しくは高速移動と高位置決め精度を必要とする、例えば荷電ビーム描画装置や荷電ビーム検査装置等の精密機器に好適なステージ装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、精密位置決め装置、例えば真空中で使用される荷電ビーム描画装置や荷電ビーム検査装置で使用されるＸＹステージ装置では、高精度の位置決めを行うために剛性が高く且つ非磁性材料であるセラミックスをステージ構成部材として用い、ステージの高速移動と高分解能位置決めを行うために超音波モータが使用されている（特開２０００−５８６２９号公報参照）。
【０００３】
上記超音波モータ駆動方式のステージ装置では、小型の超音波モータを使用することにより、外部駆動部を持つネジ送り機構を用いたステージ装置に比べて小型のステージ装置を実現することができる。
【０００４】
図４は、このようなステージ装置を示すもので、符号２は平板状をした基盤を示している。この基盤２上には第１ステージ３と第２ステージ４とが順次配置されており、図示されていないが、上記第２ステージ４上には半導体ウエハ等の試料を載置するための試料ステージが設置される。
【０００５】
第１ステージ３の下方には、図５に示すようなＶ溝を有し対向する一対のガイドレール２０と、該ガイドレールのＶ溝間に複数のコロ２１をクロス状に介装して構成される一対のクロスローラガイド５が、所定間隔を置いて平行に配置されており、これにより第１ステージ３がｘ方向に移動可能とされている。同様に、第２ステージ４の下方には、第１ステージ３との間にクロスローラガイド６が所定間隔を置いて平行に配置されており、これにより第２ステージ４がｙ方向に移動可能とされている。
【０００６】
上記第１ステージ３および第２ステージ４の駆動手段には超音波モータが使用されている。即ち、図２（ａ）に示すように、第１ステージ３を駆動する超音波モータ７が、基盤２上に配置されており、第１ステージ３の下面に取り付けられた第１被駆動部材９の圧接面９ａに対して超音波モータ７の摩擦材１０を当接させ、この状態で超音波モータ７を駆動させると、摩擦材１０が第１ステージ３と平行な平面内で楕円運動し、第１被駆動部材９との摩擦駆動によって、第１ステージ３がクロスローラガイド５に沿って（ｘ方向に）移動するようになっている。
【０００７】
また、図２（ｂ）に示すように、第２ステージ４を駆動する超音波モータ８は、第１ステージ３上に配置されており、第２ステージ４の下面に取り付けられた第２被駆動部材１１の圧接面１１ａに対して超音波モータ８の摩擦材１２を当接させ、この状態で超音波モータ８を駆動させると、摩擦材１２が第２ステージ４と平行な平面内で楕円運動し、第２被駆動部材１１との摩擦駆動によって、第２ステージ４がクロスローラガイド６に沿って（ｙ方向に）移動するようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図４に示した上記超音波モータ駆動方式のステージ装置では、定速駆動の後、次の描画過程や検査過程に移るためにステージを減速停止させる際、ステージ装置に残留した低周波数のステージ進行方向への振動を短時間で減衰させることができないために、残留振動が十分小さくなるまで描画過程や検査過程を中断させる必要があった。
【０００９】
即ち、従来では描画されるパターンにそれほど微細化が要求されていなかったため問題は生じなかったが、近年において描画されるパターンが急激に微細化されており、このような微細なパターンを描画したり、微細なパターンを検査する際には、従来のステージ装置を使用する限り残留振動の影響が大きく、また、このような従来のステージ装置を使用する場合には、残留振動が十分に小さくなるまで作業を中断する必要があった。
【００１０】
具体的に説明すると、超音波モータは動作を安定させるために、摩擦材に作用する外力に対して、一定の弾性係数を有する構造となっている。特に、摩擦材の圧接方向と垂直な方向（ステージを移動させる方向）に対しては、滑らかな駆動を実現するために比較的小さな弾性係数が設定されている。このため、図４に示す従来のステージ装置では、ステージの進行方向に対して、重いステージを弱いばね（超音波モータ）で支える構造となってしまうため、ステージ停止時に、ステージの進行方向と同方向に低周波数の残留振動が生じていた。
【００１１】
更に図２（ａ）に基づいて詳しく説明すると、第１の超音波モータ７のｘ方向（紙面に対して垂直方向）の等価バネ定数をＫ［Ｎ／ｍ］とし、第１ステージ３および第２ステージ４を合わせたステージ全体の質量をＭ［ｋｇ］とすると、ステージ停止時には図４の白矢印で示す方向に角振動数Ω＝√（Ｍ／Ｋ）［ｒａｄ／ｓｅｃ］の残留振動が生じていた。ここで、ステージ全体の固有振動数は、上記角振動数Ωを２πで割ったΩ／２π（Ｈｚ）で与えられる。
【００１２】
また、図４の白矢印で示す振動モードから明らかなように、上記角振動数Ωの振動はｘ方向へのステージ定速駆動時にも現れるため、ステージを移動させながら描画／検査を行う走査過程の真直精度を悪化させる要因となっていた。
【００１３】
上記残留振動を抑制する手段として、例えばステージにブレーキ機構を付加し上記残留振動を強制的に制振させる方法が考えられるが、ステージ装置全体が大型化してしまい、更にステージ装置全体の制御機構が複雑になってしまうという問題があった。
【００１４】
本発明は、超音波モータによるステージの進行方向への振動を迅速に減衰することができるステージ装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明のステージ装置は、基盤と、該基盤上に設けられたステージと、該ステージを駆動する超音波モータとを具備するステージ装置において、前記ステージに、該ステージの固有振動数と同一の固有振動数を有し、かつ前記超音波モータにより前記ステージが駆動される方向と同一方向の振動を減衰させる吸振装置を設けるとともに、該吸振装置が、制振板と、該制振板に取り付けられた、前記ステージが駆動される方向と同一方向に振動する錘と、前記制振板が固定される筐体とからなることを特徴とする。
【００１６】
超音波モータにより駆動されるステージは、停止時や駆動中においてステージの進行方向にステージの固有振動数で振動する残留振動が生じるが、本発明のステージ装置では、ステージに、該ステージの固有振動数と同一の固有振動数を有し、かつ超音波モータによりステージが駆動される方向と同方向の振動を減衰させる吸振装置を設けたので、この吸振装置によりステージの残留振動を効果的に減衰することができる。
【００１７】
即ち、ステージの超音波モータによる振動がサブマイクロメートルオーダーの微小振動であること、また、問題となる振動の振動モードが特定できていることに鑑み、前述したステージの固有振動数と同じ固有振動数を有し、例えば、振動吸収性能の高い材料を制振材として用いた小型軽量の吸振装置（ダイナミックダンパ）をステージ装置に設けることにより、ステージ装置を大型化することなく上記残留振動を効果的に制振することができる。
【００１８】
従って、ステージ停止時の残留振動を短時間で減衰させ、同時にステージの定速駆動時に生じる角振動数Ωの振動をも抑制することができ、描画装置あるいは検査装置のウエハ処理性能を向上させることができる。
【００１９】
また、本発明のステージ装置では、ステージに空洞部を設けるとともに、該空洞部に吸振装置を設けることが望ましい。このような構造を採用することにより、ステージの軽量化と軽量化による吸振装置の制振効果を向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のステージ装置を図１〜３に基づいて説明する。図１は本発明のステージ装置を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は吸振装置内部の構造を示す斜視図、図２（ａ）及び（ｂ）は図１のｘ方向の側面図及びｙ方向の側面図である。
【００２１】
図１（ａ）のステージ装置において、２は平板状をした基盤であり、該基盤２上には第１ステージ３と第２ステージ４とが順次積層されており、図示されていないが、上記第２ステージ４上には半導体ウエハ等の試料を載置するための試料ステージが配置される。
【００２２】
第１ステージ３と基盤２との間には、Ｖ溝を有し対向する一対のガイドレールと該ガイドレールのＶ溝間に複数のコロをクロス状に介装して構成される一対のクロスローラガイド５が、ｙ方向に所定間隔を置いて平行に配置されており、これにより第１ステージ３がｘ方向に移動可能とされている。
【００２３】
また、同様に、第２ステージ４と第１ステージ３との間には、一対のクロスローラガイド６がｘ方向に所定間隔を置いて平行に配置されており、これにより第２ステージ４が、第１ステージ３に対してｙ方向に移動可能とされている。
【００２４】
基盤２上には、図２（ａ）に示すように超音波モータ７が配置されており、この超音波モータ７は、第１ステージ３と平行な平面（ｘｙ平面）内で楕円運動する摩擦材１０を有しており、この摩擦材１０がｙ軸正方向に最も突出したときに、第１ステージ３の下面に取り付けられた第１被駆動部材９の圧接面９ａに当接して第１ステージ３をｘ方向に押し出すことになる。
【００２５】
具体的には、図２（ａ）に示す第１ステージ３をｘ方向（紙面に対して垂直方向）に移動させる場合、クロスローラガイド５と平行に第１ステージ３の下面に取り付けられた第１被駆動部材９の圧接面９ａに対して第１の超音波モータ７の摩擦材１０を当接させ、この状態で第１の超音波モータ７を駆動させて摩擦材１０を楕円運動させ、第１被駆動部材９との摩擦駆動によって第１ステージ３が第１クロスローラガイド５に沿って移動するようになっている。
【００２６】
また、第１ステージ３上には、図２（ｂ）に示すように超音波モータ８が配置されており、この超音波モータ８は、第２ステージ４と平行な平面（ｘｙ平面）内で楕円運動する摩擦材１２を有しており、この摩擦材１２がｘ軸負方向に最も突出したときに、第２ステージ４の下面に取り付けられた第２被駆動部材１１の圧接面１１ａに当接して第２ステージ４をｙ方向に押し出すことになる。
【００２７】
具体的には、第２ステージ４をｙ方向に移動させる場合、クロスローラガイド６と平行に第２ステージ４の下面に取り付けられた第２被駆動部材１１の圧接面１１ａに対して第２の超音波モータ８の摩擦材１２を当接させ、この状態で第２の超音波モータ８を駆動させて摩擦材１２を楕円運動させ、第２被駆動部材１１との摩擦駆動によって第２ステージ４が第２クロスローラガイド６に沿って移動するようになっている。
【００２８】
そして、図１に示す本発明のステージ装置では、第２ステージ４に、第１ステージ３および該第１ステージ３上に設置された第２ステージ４からなるステージ全体の固有振動数と同一の固有振動数を有し、かつ第１超音波モータ７により第１ステージ３が駆動されるｘ方向と同方向の振動を減衰させるように、ｘ方向に最大の制振作用を有する吸振装置１４が設けられている。即ち、図１（ｂ）に示した吸振装置１４が、第２ステージ４に穿設された空洞部１３内に、その制振作用が最大になる方向に設置されている。
【００２９】
吸振装置１４は、制振材料からなる制振板１５と、該制振板１５中央部に取り付けられた錘１６と、制振板１５と錘１６からなる振動吸収部を固定する有底筐体１７とから構成され、制振板１５のｘ方向の等価バネ定数をｋ［Ｎ／ｍｍ］、錘１６の質量をｍ［ｋｇ］としたときの固有角振動数ω＝√（ｋ／ｍ）［ｒａｄ／ｓｅｃ］が、第１ステージ３および該第１ステージ３上に設置された第２ステージ４からなるステージ全体の固有角振動数Ωと同一とされている。
【００３０】
吸振装置１４の錘１６はｘ方向に振動する、即ち制振板１５が図１（ｂ）に一点鎖線で示すように振動する構造であるため、該吸振装置１４の固有角振動数ωをステージ全体の固有角振動数Ωと等しくするだけではなく、図１（ａ）に示したように、第１ステージ３および該第１ステージ３上に設置された第２ステージ４からなるステージ全体の振動方向（ｘ方向）と吸振装置１４の錘１６の振動方向とを一致させることにより最大の制振効果を得ることができる。
【００３１】
筐体１７は空洞部１３を設けることによる第２ステージ４の剛性低下を補償するため、セラミックスなどの軽量かつ剛性の高い材料で作製されることが望ましい。
【００３２】
なお、空洞部１３はステージ全体を軽量化し同時に吸振装置１４を埋設するために設けているが、本発明の小型軽量吸振装置１４をメンテナンス用開口部１９などの既存の空洞部に設置することにより容易にステージの振動特性向上を図ることができる。
【００３３】
また、図１（ａ）に示したステージ装置では、吸振装置１４を第２ステージ４のみに埋設しているが、第１ステージ３に第２ステージ４の空洞部１３と同様の空洞部を設け、第１ステージ３及び第２ステージ４の両方に吸振装置１４を設けることにより、ステージ全体の軽量化と制振効果の更なる向上を図ることができる。
【００３４】
以上のように構成されたステージ装置は、例えば、第２ステージ４上に、パターンが形成された半導体ウエハ等の試料を載置し、超音波モータ７を駆動して第１ステージ３を移動させるとともに、超音波モータ８を駆動して第２ステージ４を移動させ、第２ステージ４の高速移動と高分解能位置決めが行なわれる。
【００３５】
そして、第２ステージ４に設けられた空洞部１３には、ｘ方向に振動する錘１６を有する吸振装置１４を収納し、吸振装置１４の固有振動数をステージ全体の固有振動数と同じとしたので、第１ステージ３の停止時に生じる残留振動を短時間で減衰させ、同時にステージの定速駆動時に生じる角振動数Ωの振動を抑制することができ、描画装置あるいは検査装置のウエハ処理性能を向上させることができる。
【００３６】
また、本発明のステージ装置では、第２ステージ４に空洞部１３を設けるとともに、該空洞部１３に吸振装置１４を設けたので、第２ステージ４の軽量化と軽量化による吸振装置１４の制振効果を向上させることができる。
【００３７】
尚、図１及び図２に示したステージ装置は鉛直方向（ｚ方向）にＶ溝を対向させ、ステージの自重で予圧をかける方法で設置したクロスローラガイド５、６を用いているが、使用目的に応じて、水平方向（ｘ方向あるいはｙ方向）にＶ溝を対向させ、外部から予圧をかける方法で設置したクロスローラガイドを使用したステージ装置、また、第１ステージ、第２ステージのいずれかのみ有するステージ装置であってもよい。第１ステージ、第２ステージのいずれかのみ有するステージ装置の場合、吸振装置１４の固有振動数は、第１ステージまたは第２ステージの固有振動数に合わせる必要がある。
【００３８】
また、図１に示したように第１、第２ステージ３、４を有するステージ装置において、第１ステージにのみ吸振装置を設けることも可能であるが、この場合には、吸振装置の固有振動数は、第１、第２ステージ３、４からなるステージ全体の固有振動数に合わせる必要がある。
【００３９】
また、上記例では、クロスローラガイド５、６を用いた例について説明したが、本発明では、静圧軸受けなどの他の移動案内機構を用いたステージ装置であっても良いことは勿論である。
【００４０】
さらに、図１（ｂ）に示した制振板１５の形状は単純な板バネであるが、制振効果を高めるため、或いは、制振板１５の等価バネ定数を調節し吸振装置１４の固有角振動数ωを調整するために、図３（ａ）に示すような穴空き構造の制振板１８を用いてもよい。また、制振板１５、１８は薄い板状の構造を持たせるため加工性に優れかつ振動減衰能が高く真空中で不要なガスを発生させない材料として、セラミックスや制振合金を用いることが望ましい。
【００４１】
また、図３（ｂ）に示すように、吸振装置１４の有底筐体１７内部に制振板１５と錘１６とからなる振動吸収部を複数設けることにより、制振効果を一層向上させることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、超音波モータによる駆動されるステージは、停止時や駆動中においてステージの進行方向にステージの固有振動数で振動する残留振動が生じるが、本発明のステージ装置では、ステージに、該ステージの固有振動数と同一の固有振動数を有し、かつ超音波モータによりステージが駆動される方向の振動を減衰させる吸振装置を設けたので、この吸振装置によりステージの低周波数の残留振動を効果的に減衰することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のステージ装置を示すもので、（ａ）はステージ装置の斜視図、（ｂ）は吸振装置の内部を示す斜視図である。
【図２】図１のステージ装置の側面図であり、（ａ）はｘ方向から見た側面図、（ｂ）はｙ方向から見た側面図である。
【図３】本発明のステージ装置に使用する吸振装置の他の例を示す斜視図である。
【図４】従来のステージ装置を示す斜視図である。
【図５】クロスローラガイドを示す分解斜視図である。
【符号の説明】
２・・・基盤
３・・・第１ステージ
４・・・第２ステージ
７、８・・・超音波モータ
１３・・・空洞部
１４・・・吸振装置

Claims

基盤と、該基盤上に設けられたステージと、該ステージを駆動する超音波モータとを具備するステージ装置において、前記ステージに、該ステージの固有振動数と同一の固有振動数を有し、かつ前記超音波モータにより前記ステージが駆動される方向と同一方向の振動を減衰させる吸振装置を設けるとともに、該吸振装置が、制振板と、該制振板に取り付けられた、前記ステージが駆動される方向と同一方向に振動する錘と、前記制振板が固定される筐体とからなることを特徴とするステージ装置。
前記ステージに空洞部を設けるとともに、該空洞部に前記吸振装置を設けたことを特徴とする請求項１記載のステージ装置。