JPH0466895A - ６自由度微動ステージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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関し、特に高精度、多自由度の
ステージ装置に間する。

「従来の技術」 従来、多自由度のステージ装置の多くは低自由度のステ
ージの積み重ねによって構成されていた。

たとえば、Ｘステージの上にＹステージを載せ、さらに
その上にθ２ステージを載せてＸＹθ２ステージ装置を
構成する。これに、さらにＺ−θＸ−θｙの自由度を追
加する時は、たとえばＸステージを３ケ所で２方向のア
クチュエータで保持する。

これら各ステージの駆動は、たとえば、ＤＣモータとポ
ールネジを組合わせたアクチュエータによって行なわれ
る。

近年、たとえば半導体装置の分野において集積度の向上
と共に益々高い加工精度が要求されている。たとえば、
半導体露光装置のステージは、約０．１μｍ以上の精度
が要求されるようになった。

このような高精度のステージを、上述のような構成のス
テージで実現することは極で難しい、動力伝達機構を用
いると、力りやバックラッシュを避けることが難しく、
約０．１μｍが精度限界となってしまう。

たとえば、０．０１μｍ以上という超高精度を実現する
には、たとえば、粗動ステージの上に微動ステージを重
ｈ−ｍ動ステージの精度を向上することか必要となる。

このような微動ステージとしても、上述のような積み上
げ式の構成を用いると、各段の間にバックラッシュか生
じたり、摩擦による歪が生じたりする。

微動ステージとして高精度を達成しゃすい構成の１つと
して、ステージに直接多数のアクチュエータを結合する
パラレルリンク式ステージかある。

たとえば、十分剛性の高い１つのステージに６つのアク
チュエータを結合し、６自由度の運動を行なうものであ
る。各アクチュエータを直接ステージと結合することに
より、ステージの運動をモニタし、各アクチュエータに
フィードバックすることによって、ステージの位置を高
精度に制御することかできる６ ε発明が解決しようとする課題］ しかしながら、１つのステージを複数のアクチュエータ
で駆動する場合、自由度間の干渉が問題となる。たとえ
ば、ステージをＸ方向に駆動した時、ステージのＹ方向
にも変位してしまうという問題である。Ｘ方向の駆動で
あるから、Ｘ方向位置のみをモニタし、Ｘ方向アクチュ
エータにフィードバックをしていても、Ｙ方向の変位な
いし振動はなかなか滅哀しないこともある。このような
干渉は低周波領域では、制御的手段により、それを補正
することは容易であるなめ、さほど問題ではないか、高
周波領域になるにしたかって問題となり、ステージ自体
の安定化か困難となり、精度劣化につながるようになる
。ステージを高速で移動しようとすると、高周波領域を
用いることを避ける訳にはいかず、多モード間の干渉を
解決する必要か生じる。　本発明の目的は、高応答、高
精度な多自由度微動ステージを提供することである。

「課題を解決するための手段］ 本発明は、多自由度ステージ装置の振動モード間の干渉
を低減する。

本発明のステージは、６自由度のステージ部材に６組の
アクチュエータを直接結合して駆動する６自由度微動ス
テージであって、各アクチュエータは、１軸方向の削性
が窩く、他の方向には弾性変形が可能なヒンジを介して
ステージ部材に結合され、ステージ部材の慣性主軸方向
をＸ、Ｙ、Ｚとした時、１つのアクチュエータかＸ方向
の変位を（α１、β１、γ１）に配置されたヒンジを介
してステージ部材に与え、２つのアクチュエータかＹ方
向の変位を（α２、β２、γ２）、−（α３、β３、γ
３）に配置されなヒンジを介してステージ部材に与え、
３つのアクチュエータか２方向の変位を（α４−β４、
γ４）、（α５、β５、γ５）、（α６、β６、γ６）
に配置されたヒンジを介してステージ部材に与え、 γ１＝γ２＝γ３＝０ β１＝０ α２＋α３＝０ （α５＋α６）（β５＋β６） （α６β５＋α５β６）／２ を満足する。

Ｆ作用〕 １つのステージに多数のアクチュエータを直接結合し、
多自由度の運動をさせるために、各アクチュエータは１
軸方向に剛性が高く、他の方向には弾性変形が可能なヒ
ンジを有する。このような構成とすることにより、１つ
のステージに多数のアクチュエータを結合しても、各ア
クチュエータはそれぞれ所定の駆動を行なうことか可能
となる。

さらに、各アクチュエータの特性を、変位に比例する弾
性特性と、変位の時間微分に比例する減衰特性とによっ
て近似し、アクチュエータ変位とステージ変位との干渉
を低減する条件を求めることにより得られた上述の条件
を満足するようにすると、各自由度についての運動方程
式かそれぞれ独立のものとなり、干渉か防止される。

［実施例］ 第１図に本発明によるステージのモデルを示す。

十分同性の高いステージ部材１０は、たとえば、図示の
ように直方体状の形状を有する。このステージ部材の重
心Ｇを図示のようにとり、この重心を原点として座標形
ＸＹＺを慣性主軸の方向にとる。このステージ部材ｌを
駆動するために６つのアクチュエータ１〜６か設けられ
、それぞれ、Ｐｌ　（α１、β１、γ１）ゝＰ６（α６
、β６、γ６）の点でステージ部材１０に結合されてい
る。

Ｘアクチュエータ１は、結合点Ｐ１でＸ方向の力をステ
ージ部材１０に作用させる。２つのＹアクチュエータ２
．３は、それぞれ点Ｐ２、Ｐ３でＹ方向の力をステージ
部材１０に作用させる。′ｉな、３つのＺアクチュエー
タ４．５．６は、それぞれ点Ｐａ−Ｐｓ、Ｐ６て゛ステ
ージ１０にＸ方向の力を作用させる。これらの６つの力
により、ステージ部材１０はｘ−ｙ、ｚ、φＸ、φｙ、
φＺの６自由度の変位を行なう。

各アクチュエータの特性を、第２図（Ａ）に示すように
、変位発生源１１にバネ１３とダッシュボット１４との
並列接続系か結合された構造で近似する。すなわち、ア
クチュエータが与える力は、バネ１３の変位に比例する
量と、ダッシュボット１４における変位の時間微分に比
例する量との和になる。

このようなアクチュエータモデルは、たとえば第２図（
Ｂ）に示すような構造例で実現される。

すなわち、積層ピエゾ素子１６の両端に球面ヒンジ１８
．１９が結合され、積層ピエゾ素子１６の与える軸方向
の変位を球面ヒンジ両側に伝達する。

球面ヒンジ１８．１９は、両側から次第に半径を絞り込
んだ構造を有し、軸方向に高い剛性を有するか、それに
直交する方向、あるいはヒンジ中心に対する曲げには弾
性変形か可能なヒンジである。

第１図のステージ系の運動方程式を以下のように表わす
。

ＩＭ　ｘ＋　ＩＤ　ｘ　＋　ＩＫ　Ｘ　＝　ＩＫ　ＪＴ
　ＩＡ　ＩＥ　＋　ＩＤ　ＪＴ　ＩＡ　＋ａここで、Ｘ
はステージ部材１０中心の並進、回転変位ベクトルであ
り、 Ｘ＝　（ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｄｚｘ、φｙ１φ２）で表わされ
る。また、ドツトは時間微分を表わす。

ＩＥは、アクチュエータへの入力ベクトルを表わし、ｌ
Ｅ＝　（ｅ　１　、ｅ　２−ｅ　６　）で表わされる。

　ＩＭは、ステージ部材１０の慣性マトリクスであり、 １Ｍ＝ｄ　ｉ　　ａｇ　　（ｍ、ｍ、ｍ、　　Ｉ　　ｘ
、　Ｉ、ｙ、Ｉｚ）て表わされる。：ｉな、ＩＤはアク
チュエータとステージ系の減衰マトリクスであり、ＩＫ
はアクチュエータとステージ系の剛性マトリクスであり
、Ｊはアクチュエータ変位量とステージ変位量のヤコし
アンマトリクスであり、ＩＡは単位入力当りのアクチュ
エータ変位量のゲインマトリクスである。

ここで各アクチュエータ１〜６の機械特性である剛性お
よび減衰係数が、全アクチュエータについてそれぞれ等
しいとすると、ＩＫおよびＩＤはそれぞれ次式によって
表わされる。

１Ｋ　＝　ｋ・ＩＲ・・・（２） ｌＤ＝ｄ・ＩＲ・・・（３） ここでｋはアクチュエータ剛性、ｄはアクチュエータ減
衰係数である。

ＩＲは、アクチュエータの配置位置（駆動点座標）によ
って定まるマトリクスであり、式（４）で表わされる。

なお、各アクチュエータの作用点Ｐｉ　　い＝１〜６）
の座標を（α１、βｉ、γ１）とすると、式（４）の中
の係数ＲＩ」は、次のように表わされる。

Ｒ４２＝−（γ２＋γ３） Ｒ４３−β４士β５＋β６ Ｒ５１＝γ　１ Ｒ５３＝−（αｄ十αδ十α６） Ｒ５４＝−（α４β４＋α５β５＋α６β６）Ｒ６１＝
−β　１ Ｒ６２＝α２＋α３ Ｒ６４＝−（α２γ２＋α３γ３　） Ｒ６５＝−β　１　γ　１ Ｒ４４＝γ２２＋γ３２＋β４２＋β５２＋β　６２ Ｒ５５−γ１２＋α４２＋α５２＋α６２Ｒ６６−β１
２＋α２２＋α３２ 式（１）において、ヤコビアンマトリクスＪは一般に非
対角行列である。このため、各アクチュエータ変位量と
ステージ変位量間には干渉か存在する。すなわち、アク
チュエータが与えた変位と異なる自由度に変位か生じる
。このような干渉を避けるなめに、まず次のようにアク
チュエータへの入力を制御する。

１Ｅ−ＩＡ−ＩＪｒ−１ｙ、ｒ　　　　　　　　　　−
（５）ここで、ｘｒはｏｘｙｚ座標系の目標変位量であ
る。式（５）を式（１）に代入すると、ＩＭ　父＋　Ｉ
Ｄ　ｘ　＋　ＩＫ　Ｘ ＝　ＩＫＪｒ　ＩＡＩＡ−Ｉ　Ｊｒ　−Ｉ　Ｘ　ｒ＋　
ＩＤ　ＪＴ　ＩＡ　ＩＡ−１ＪＴ　−’　ｘ　ｒ＝ｌＫ
Ｘｒ＋ｌＤｇｒ ・・・　（６） となる。

ステージの運動は広い周波数領域において、Ｘを各成分
ごとに独立に駆動制御できることか望ましい０式（６）
の定常解は、時間微分を含まない項として、 ＩＫＸ＝ｌＫＸ　ｒ　、　Ｘ＝Ｘ　ｒ　　　　　　　　
−（７）を含む。時間微分かＯとみなせる低い周波数領
域では、上記の式を満足するように設定すればよい。

しかしながら、高い周波数領域ではこ゛の条件のみでは
不十分である。すなわち、速い応答を行なう場合には、
変位の時間微分が無視できない量となる。この時、慣性
の存在によって振動モードの影響がでるか、各運動方向
（ｘ−ｙ−ｚ、φＸ、φｙ、φＺ）間に干渉か存在する
と、その干渉を含めて補償制御することは非常に困誼と
なる。そこで各自由度間に干渉か生じない条件を求める
。

式（６）において、ＩＭは対角マトリクスであり、Ｋお
よびＩＤは式（２）〜（４）により表わされる。

すなわち、非対角項はＩＲの非対角項を考慮すればよい
、非対角項をＯとする必要十分条件を求めると、以下の
ようになる。

γ１−γ２−γ３−０　　　　　　　　　　・・・　（
８）β　１−０　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　・・・　（９）α２＋α３＝０　　　　　　　　　　
・・・（１０）（α５＋α６）　（β５＋β６　） （α６β５＋α５β６）／２　　　・・・　（１１）非
対角項かＯとなると、マトリクスで表記した式が簡単に
表わせ、式（６）は次のような独立した方程式に分離で
きる。

ｍＭ＋ｄ　１大十に１ｘ＝ｋｉｘｒ＋ｄＩ大ｒｍ９±ｄ
２ｙ＋に２ｙ＝に２ｙｒ＋ｄ２ｙｒｍ２＋ｄａ之＋ｋａ
ｚ＝に３ｚｒ十ｄ３之ｒＩｘｉｘ＋ｄ４＃ｘ＋に４φｘ
＝に４φｘｒ＋ｄ４るｘｒ Ｉ　ｙｉｙ＋ｄ５　＃ｙ＋ｋｓφ３’＝に５φｙｒ＋ａ
５委ｙｒ Ｉｚｉｚ＋ｄｓｉｚ＋ｋａφｚ＝ｋａφｚｒ＋ａ６ゐｚ
ｒ ・・・　（１２） すなわち、第１図に示す構成において、図中下方に示す
４つの条件を満足する時１図示の６つのアクチュエータ
はそれぞれ干渉のない独立したアクチュエータとして取
り扱うことかできる。

上述の式（８）は、ＸアクチュエータおよびＹアクチュ
エータのそれぞれのＺ座標か０であることを示し、３つ
のアクチュエータか重心と同一のＸ７面に配置されるこ
とを表わす、また、式（９）はＸアクチュエータのＹ座
標か０であることを表わし、Ｘアクチュエータは慣性座
標のＹ軸と同一軸上に配置されることを示す、また、式
（１０）は、２つのＹアクチュエータのＸ座標が符号か
逆で大きさか等しいことを示し、２つのＹアクチュエー
タは慣性主軸のＹ軸に対して対称位置に配置されること
を示す。

式（１１）は、上述の３つの式と比べ、幾何学的な意味
を簡明に表現することはできないか、この関係を満足す
る配置の一例は、第３図に示す実施例のように、３つの
Ｘアクチュエータを正三角形の頂点に配置する構成であ
る。

第３図は本発明の実施例によるステージ装置を示す斜視
図である。第４図は、第３図の微動ステージ装置のＹ方
向からの側面図を示す。

ステージ部材２７は鉄等で形成され、十分高い剛性を有
する。このステージ部材２１の重心の位置を原点とし、
慣性主軸の方向にＸＹＺ軸をとる。

Ｙ軸に沿ってＸアクチュエータ２１か配置され、ステー
ジ部材２１と点Ｐ１で結合する０図示の構成においては
、ステージ部材２１に取付けた固定部材２８に球面ヒン
ジの一端か結合されている。

アクチュエータ２１は両端に球面ヒンジを有する。

この固定部材２８に一方のＹアクチュエータ２３か結合
されている。Ｙアクチュエータ２３も両端に球面ヒンジ
を有し、その一方の球面ヒンジの中心点Ｐ３か結合部材
２８側に配置されている。

Ｙ軸に対照的な位置に、固定部材２８と対照的な固定部
材２９か配置され、この固定部材２９にアクチュエータ
２２の球面ヒンジの中心点Ｐ２が結合されている。また
、ステージ部材２７の下面において、原点０の射影を重
心に配置した正三角形か想定され、その頂点に３つのＸ
アクチュエータ２４．２５．２６一端の球面ヒンジが結
合される。

すなわち、球面ヒンジの中心点Ｐａ−Ｐ５、Ｐ６は、Ｚ
軸を重心に配置した正三角形の頂点に配置される。

ここで用いた６つのアクチュエータはそれぞれ第２図（
Ｂ）に示すような、積層ピエゾ素子両端に球面ヒンジを
設けたもので構成できる。

第４図は、第３図の微動ステージ装置のＹ方向からの側
面図を示す。

一方向に伸縮するアクチュエータの両端にその伸び方向
以外の同性の低い構造を設けると、各アクチュエータの
伸び量の組合わせによってステージの変位量か決定され
る。たとえば、第３図および第４図に示す構成において
、Ｘアクチュエータ２１の伸縮により、ステージ２７は
Ｘ軸方向に並進運動を行なう、また、２つのＹアクチュ
エータ２２．２３を同一方向に同一量伸縮させることに
よって、Ｙ軸方向に並進させることができる。また、２
つのＹアクチュエータを逆方向に伸縮させると、Ｚ軸回
りの回転運動θＺを行なう、また、３つのＸアクチュエ
ータ２４．２５．２６を同一方向に同一量伸縮させるこ
とによって、Ｚ方向並進運動を行なうことかできる。ま
た、Ｘアクチュエータを適当な組合わせによって、異な
る量駆動すると−Ｘ軸回り、Ｙ軸回りの回転運動を行な
うことかできる。

ステージ部材２７（およびそれに固定された部品を含む
）の重心Ｇと、各アクチュエータの駆動点Ｐ１〜Ｐ６を
前述の条件に適合するように選択することにより、振動
モード間の干渉がなくなり、各自由度について独立の運
動を行なわせることかできる。このため、各自由度につ
いてモニタを行ないフィードバックすることにより、有
効な制御を行なうことができる。このようにして高精度
、高応答のステージ装置か得られる。各自由度ごとに独
立の制御とすることができるため、制御装置全体の構成
か簡単になり、かつ精度、応答性を確保することができ
る。

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、半導体製遣装
置のみでなく、工作機械等、広く精度を要するステージ
装置に適用することかできる。　　を概略的に示す斜視
図、その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能　
　　第４図は、第３図のステージ装置をＹ方向がらなこ
とは当業者に自明であろう、　　　　　　　　　　見た
時の側面図である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、ステージ装置に
直接６自由度のアクチュエータを結合したパラレルリン
ク式微動ステージにおいて、各振動モード間の干渉を低
減することかできる。

干渉の低減により、系全体の安定度が増大し、精度を向
上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるステージのモデルを示す概略斜
視図、 第２図（Ａ）、（Ｂ）は、アクチュエータを説明するた
めの図であり、第２図（Ａ）はアクチュエータの機械的
モデルを示す概略図、第２図（Ｂ）は構造例を示す概略
図、 第３図は、本発明の実施例によるステージ装置図におい
て、 １〜６ １８．１９ ２１〜２６ ２８．２９ アクチュエータ ステージ部材 変位発生源 バネ ダッシュポット 積層ピエゾ素子 球面ヒンジ アクチュエータ ステージ部材 固定部材 ヒンジの中心位置 特許出願人　　住友重機械工業株式会社復代理人　弁理
士　高橋　敬四部 Ｆ＝ｋｘ＋ｄ　（ｄｘ／ｄｔ） （Ａ）モデル Ｐｉ（αｌ、β１γ１） γｌ：γ２２γ３＝０ β１−０ ’２＋ｔ！コ＝Ｏ （α５＋α６）・（β５＋β６）−（α６β５＋α５β
６）／２１〜６；アクチュエータ　　１０：ステージ部
材本発明によるステージのモデル 第１図 ＜Ｂｅ１ｔ造例 アクチュエータ 第２図 第３図のステージ装置の側面図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）、６自由度のステージ部材に６組のアクチュエー
   タを直接結合して駆動する６自由度微動ステージであっ
   て、 各アクチュエータは、１軸方向の剛性が高く、他の方向
   には弾性変形が可能なヒンジを介してステージ部材に結
   合され、 ステージ部材の慣性主軸方向をＸ、Ｙ、Ｚとした時、１
   つのアクチュエータがＸ方向の変位を（α＿１、β＿１
   、γ＿１）に配置されたヒンジを介してステージ部材に
   与え、２つのアクチュエータがＹ方向の変位を（α＿２
   、β＿２、γ＿２）、（α＿３、β＿３、γ＿３）に配
   置されたヒンジを介してステージ部材に与え、３つのア
   クチュエータがＺ方向の変位を（α＿４、β＿４、γ＿
   ４）、（α＿５、β＿５、γ＿５）、（α＿６、β＿６
   、γ＿６）に配置されたヒンジを介してステージ部材に
   与え、 γ＿１＝γ＿２＝γ＿３＝０ β＿１＝０ α＿２＋α＿３＝０ （α＿５＋α＿６）（β＿５＋β＿６） ＝（α＿６β＿５＋α＿５β＿６）／２ を満足する６自由度微動ステージ装置。