JPS6161934B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はステージが流体静圧により案内部材に
無接触で案内され且つ無接触で駆動されるように
した、すなわち静圧流体軸受を案内としたステー
ジの送り位置決め装置に関するものである。

この種のステージの送り位置決め装置の特徴の
一つとして摩擦係数が非常に小さく、ステイツク
スリツプ現象が生じないことがある。これはステ
ージ送り量の微細化、すなわち高分解能化を図る
上で大きな利点である。しかしその反面、摩擦係
数が非常に小さいことより、傾きによるすべり落
下、流体の不均一流れによる片寄り、あるいは振
動などの極めて小さい外乱力を敏感に反応し、ス
テージ位置が容易に変動する。従来、この種ステ
ージの高精度な送り位置決め手段として、レーザ
測長器によるステージ位置の検出信号をステージ
に直結した電動モータにフイードバツクサーボ制
御する手段がとられている。しかし、ステージの
位置決め停止におけるレーザ測長器の最小検出感
度範囲内ではフイードバツクサーボが作用し得な
いため、前記のような極めて小さい力によつてス
テージ位置が自由に変動することと、また位置変
動が検出され、フイードバツクサーボが作用した
としても、フイードバツク回路やサーボモータの
時定数などによるオーバランのため、レーザ測長
器の検出感度内に位置決め停止させることは容易
ではなく、実際は検出感度の数倍から一桁悪い位
置決め誤差を生ずるとともに、一定の振幅をもつ
て停止するなどの欠点があつた。

本発明は上記の点にかんがみ、ステージの位置
決め剛性や位置決め停止精度を１桁ないし２桁向
上させ得るようにしたステージの送り位置決め装
置を提供するものであつて、以下図面について詳
細に説明する。

第１図は従来の送り位置決め装置の一例を示
し、１は上面に溝を形成したステージの案内部
材、２は案内部材１の溝内に挿入され、該溝に沿
い該溝と非接触状態で移動し得るステージであつ
て、浮上部材３とその上部のステージ本体４とよ
りなり、浮上部材３には下方に案内部材１の溝底
面に向つて流体を噴出する供気孔５と、両側面に
上記溝の両側壁に向つて流体を噴出する供気孔６
と、供圧ホース８との接続口より上記供気孔５，
６に通ずる供気孔７とが設けられており、供圧ホ
ース８より加圧流体を供給することによりステー
ジ２は案内部材１の溝中で浮上し、また該溝の両
側壁とも非接触状態に保たれる。９は浮上部材３
に取りつけた反射ミラー、１０はレーザ測長器、
１１は浮上部材３から後方へ突設した支持杆であ
る。１２はリニアモータよりなるステージ２の駆
動装置であつて、支持杆１１に固定支持されたコ
イル１３と、ヨーク１４、Ｎ磁極１５、Ｓ磁極１
６とよりなつている。このため、駆動装置１２の
コイル１３に電流を流すとコイル１３の線輪がＮ
磁極１５とＳ磁極間の磁束を横切つているのでコ
イル１３はステージ２の進行方向に電流値に比例
した駆動力を発生する。従つて、ステージ２は無
接触で案内、並びに駆動される。また、レーザ測
長器１０はステージの位置を常に観測しており、
ステージ２の位置信号を時間で微分する回路を通
して速度信号を得ている。

つぎに、従来におけるステージ２の送り位置決
め動作について説明する。送り位置決め動作は与
えられた位置決め点の指令値と、そのときのステ
ージ２の位置及び速度信号とを電子回路で比較し
この結果を駆動装置１２にフイードバツクして所
定の位置に停止させる。すなわち、位置決め点で
は指令値とステージ２の位置信号とが等しくなる
よう、速度が零になるようコイル１３に流す電流
を制御する。従つて、遠方からステージ２を加速
及び減速して短時間に位置決め点に到達させよう
とすればコイル１３に大きな電流を流すが、位置
決め点に接近する程小さな電流で良くなる。

このように、無接触の案内、並びに駆動装置を
用いたステージの送り位置決め装置では、摩擦が
無いため小さな駆動力で大重量の物体を簡単に動
かせるので長距離の高速送りが可能となるが、フ
イードバツクサーボが作用しないと所定の位置に
ステージ２を送ることは勿論、単に停止させてお
くことも不可能である。また、摩擦が無いため傾
きによる滑り落下、流体の不均一流れによる片寄
りあるいは振動などの極めて小さな外乱力にも敏
感に反応しステージ２位置が容易に変動する。従
つて、駆動装置１２は、これら極めて小さな外乱
力にも対応できる駆動力を出力できねばならない
が、レーザ測長器１０の最小検出感度内ではフイ
ードバツクサーボが作用し得ないため、ステージ
２の位置決め停止精度は測長器の最小検出感度以
上は得られず、また、位置変動が検出されフイー
ドバツクサーボが作用したとしても電子回路やコ
イル１３のインダクタンスに基く時定数が必らず
存在するから、フイードバツクサーボの時間遅れ
によるステージ２のオーバランは避けられない。
従つて、ステージ２は位置決め点の近傍を往復運
動しながら停止していることになり、ステージ２
をレーザ測長器１０の検出感度内に位置決め停止
させることは容易でなく、若際はレーザ測長器１
０の検出感度の数倍から１桁低い位置決め停止誤
差を生ずる欠点があつた。

本発明は上記の点にかんがみ、ステージの位置
決め停止精度を１〜２桁向上させ得るステージの
送り位置決め装置を提供するものである。

以下図面について詳細に説明する。

第２図は本発明の一実施例を示す部分断面図で
ある。第２図において第１図と同じ記号は同一機
能を有するものを示し、その説明を省略する。第
３図は本発明の吸着装置の拡大断面図、第４図は
吸着装置の吸着動作状態を示す拡大断面図であ
る。

第２図において、１７はステージ２の送り方向
に剛性を有する板ばねよりなる弾性体であつて、
一端は浮上部材３に、他端は吸着装置１８に固定
されている。吸着装置１８は第３図および第４図
に示すように、支持金具１９と、この支持金具１
９に板ばね２０を介して支持され真空排気口２２
を形成された吸着パツド２１とよりなり、板ばね
２０は吸着パツド２１を板厚方向で支持し、この
吸着パツドが案内部材１の溝底面に向い容易に動
き得るよう低剛性になつており、また板面方向が
ステージ２の送り方向を向き、この方向には高剛
性になつている。吸着パツド２１は案内部材１の
溝底面とは極めて僅かなすきまをもつて相対する
ようにされ、ステージ２のストローク中、すべて
の位置で吸着動作させることができる。真空排気
口２２は図示外の排気ホースにより三方弁を介し
て真空ポンプに接続される。

つぎに以上述べた本発明装置の動作を説明す
る。まず粗い位置決め動作は従来の手順と同じく
レーザ測長器１０によるステージ２の位置検出信
号をコイル１３にフイードバツクサーボ制御し、
ステージ２を位置決め停止させたのち、三方弁を
切換えることにより真空排気口を真空ポンプに接
続すると、吸着パツド２１は案内部材１の案内溝
底面に吸着される。このためステージ２は弾性体
１７を介して案内部材１に静圧流体案内されたま
ま結合される。このとき板ばね２０は板厚方向に
は低剛性であるため、ステージ２の静圧流体案内
精度には殆んど影響を与えることなく、送り方向
にのみ高剛性に位置決め停止できる。このような
吸着による停止中は、弾性体１７による送り方向
剛性が付加されるので、ステージ２の傾きによる
すべり落下、流体の不均一流れによる片寄り、あ
るいは振動などの外乱に対する抵抗力が増大す
る。すなわち、ステージの傾斜によるすべり落下
や流体の不均一流れなどによる外乱は、もともと
ステージ２に外乱力として作用するが、吸着装置
１８の案内部材１への吸着時に案内部材１とステ
ージ２間に弾性体１７による送り方向剛性が付加
されると、案内部材１とステージ２間の外乱力に
よる相対変位は、外乱力を送り方向剛性で除した
値となるので、フイードバツクサーボの対象とな
る相対変位そのものが小さくなること、ならびに
装置を設置する床の振動に起因する振動外乱は、
もともと案内部材１に振動変位として作用するも
のであり、吸着装置１８の動作前は、この振動変
位そのものが案内部材１とステージ２間の相対変
位としてフイードバツクサーボの対象となるもの
の、吸着装置１８の動作後は、案内部材１とステ
ージ２がほとんど一体で振動するので、相対変位
はフイードバツクサーボの対象となり得ない値ま
で小さくなることなど、位置決め安定性が著しく
増大する。ただしこの場合、共振を避けるため、
ステージ２の重量と弾性体１７の剛性で定まるス
テージ２の固有振動数を外乱振動数より十分大き
くとる必要があることはいうまでもない。つぎに
微細位置決め動作を説明する。

吸着装置１８を吸着動作させたまま、駆動装置
１２でステージ２を駆動すれば、駆動力に比例し
て弾性体１７が変形するので、ステージ２の微細
送りができる。従つて、吸着装置１８の吸着動作
後における位置決め停止誤差分だけ、弾性体１７
を変形させるに要する一定の駆動力をコイル１３
によつて発生させると、ステージ２を測長器の検
出感度範囲内で目標位置に高精度に位置決め停止
できる。すなわち、ステージ２は吸着装置１８の
動作前は無接触状態で、動作後は弾性体１７によ
る案内部材１との弾性結合状態で駆動並びに位置
決め停止される。前記したように吸着装置１８の
動作前は無接触であるため、小さな駆動力で長距
離の高速駆動が可能となる一方、小さな力にも敏
感に反応するため位置決め停止に際して種々な外
乱力の影響を受け易く、ステージ２の位置決め停
止精度を高められないが、吸着装置１８の動作後
は駆動装置１２による弾性体１７の変形量がステ
ージ２の駆動量となり、大きな駆動力で短距離し
か動かせないが、ステージ２が弾性体１７を介し
て案内部材１に結合されているため種々な外乱力
に対する抵抗力が増大する。加えて弾性体１７は
変形に伴う摩擦要因が無くステツクスリツプ現象
を生じないから小さな駆動力が加わればそれなり
に変形するので小さな駆動力による微細駆動が可
能となる。

また、吸着装置１８動作前におけるフイードバ
ツクサーボでは駆動装置１２が出力できる駆動力
が大きいほどステージ２を短時間で加速及び減速
できるのでステージ２の高速駆動が可能となる。

一方、駆動装置１２が出力できる駆動力が小さ
いほど前述した種々の小さな外乱力に対応するフ
イードバツクサーボによりステージ２を高精度に
位置決め停止させることができる。このように駆
動装置１２が出力できる大きな駆動力と小さな駆
動力との比が大きいほどステージ２の高速かつ高
精度な駆動並びに位置決め停止が可能となる。し
かるに駆動力は駆動装置１２のコイル１３に流す
電流を電子回路で制御してフイードバツクするた
め、例えば電流値を１アンペア(A)から１ミリアン
ペア（mA）まで３桁程度制御するのは容易であ
り、コイル１３に出力される駆動力の比を1000：
１以上にできる。

さて、前記したように吸着装置１８動作前のい
わゆる従来のフイードバツクサーボでの位置決め
停止精度はレーザ測長器１０の位置検出感度より
約１桁低い。

これに対し、吸着装置１８の動作後の弾性体１
７の弾性変形によるステージ２の駆動量（以下弾
性駆動ストロークという。）は駆動力の大きさに
依存するから、駆動装置１２による大きな駆動力
によるステージ２の弾性駆動ストロークがレーザ
測長器１０の検出感度より１桁程度大きい剛性を
有する弾性体１７を選択することにより、小さな
駆動力によるステージ２の弾性駆動ストロークを
前記大きな駆動力による弾性駆動ストロークの約
１×10^-3以下にできる。前記した例では大きな駆
動力による弾性駆動ストロークをステージ位置の
検出感度より１桁程度大きくしたので、小さな駆
動力による弾性駆動ストロークはこの値の約１×
10^-3となり、ステージ位置の検出感度の10^-2程度
に向上する。前記した種々の外乱の影響を考慮し
てもステージ位置の検出感度の10倍の位置決め停
止精度が得られる。換言すれば吸着装置１８の動
作前後におけるステージ２の位置決め停止精度は
動作前すなわち従来の駆動手段ではステージ位置
検出感度の約1/10であり、動作後すなわち本発明
による駆動手段では約10倍の精度が得られるの
で、従来の場合と本発明による場合とでは停止精
度は少くとも10倍に向上し得る。

以上、吸着装置１８の動作後においてステージ
２の位置決め停止精度が向上する理由について述
べたが、さらに大きな差異は吸着装置１８動作前
はステージ位置の検出信号が得られないとフイー
ドバツクサーボが不能であるためステージ２を単
に停止させておくことも出来ないが、動作後は停
止させておくことは勿論、ステージ位置の検出信
号が得られなくとも弾性駆動ストロークは駆動装
置１２のコイル１３に流す電流値に依存している
ので、この関係を利用してステージ２の微細な駆
動と位置決め停止が可能となる。

なお上記に示した例では、吸着装置１８は案内
部材１に吸着するようにしたが、ステージ２の送
り方向に沿う案内部材とは別な固定体に吸着する
ようにしてもよく、上記図示例に限られない。ま
た上記の実施例ではステージの直進形の場合を示
したが、回転形のものにも適用できることは勿論
である。また上記例では測長器にレーザ測長器、
駆動装置にリニアモータを用いたが、その代りに
同じ非接触形である磁力，静電容量，光量の変化
を利用した測長器，静電力，流体の圧力差や流量
差を利用した駆動装置を用いてもよい。

以上のように本発明によれば、ステージの位置
決め停止時に、ステージの送り方向に剛性を有す
る弾性体を介在させてステージに取りつけられた
吸着装置を案内部材に吸着させることにより、ス
テージの傾きによる落下、流体の不均一流れによ
る片寄り、振動などの外乱に対する抵抗力が著し
く増大し、そして吸着装置を案内部材に吸着せし
めたまま、ステージを駆動することにより弾性体
を弾性変形させてステージを微細送りすることが
できるので、測長器の検出感度範囲内で目標位置
に高精度に位置決め停止することができ、従来に
比しステージの位置決め剛性や位置決め停止精度
を向上せしめ得る。従つて本発明装置を半導体素
子製造工程に用いる微細パターンの転写、認識装
置におけるパターンの位置合せや、物理あるいは
機械加工ならびに測定装置における試料送りなど
に用いることによつて、これら位置合わせ、試料
送り等を従来方法より高精度になし得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の装置の実施例の断面図、第２図
は本発明の実施例の断面図、第３図は吸着装置部
の拡大断面図、第４図は吸着装置の吸着動作時の
状態を示す拡大断面図である。 １…案内部材、２…ステージ、１７…弾性体、
１８…吸着装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ステージが流体静圧により案内部材に無接触
   で案内され且つ無接触で駆動されるようにしたス
   テージの送り位置決め装置において、上記ステー
   ジの送り位置決め停止時に、上記ステージを上記
   案内部材へ吸着させるため上記ステージの送り方
   向に剛性を有し上記ステージの送り方向の駆動力
   により弾性変形する弾性体を介在させた吸着装置
   を具備することを特徴とするステージの送り位置
   決め装置。