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技術 静圧軸受装置

出願人 キヤノン株式会社
発明者 堆浩太郎
出願日 1993年2月22日 (27年10ヶ月経過) 出願番号 1993-056448
公開日 1994年9月6日 (26年3ヶ月経過) 公開番号 1994-249239
状態 特許登録済
技術分野 工作機械の機体 半導体の露光(電子、イオン線露光を除く) ウエハ等の容器,移送,固着,位置決め等 半導体の露光(電子、イオン線露光を除く) ウエハ等の容器、移送、固着、位置決め等 ホトレジスト感材への露光・位置合せ その他の軸受(磁気軸受、静圧軸受等)
主要キーワード 圧力変動成分 FFT装置 インパクトハンマー 減衰比ζ 絞り型 自成絞り 多孔質パッド 精密工作機械
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1994年9月6日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (13)

目的

構成

露光装置のXYステージ等の移動台1は、図示下面に多孔質パッド3を有し、多孔質パッド3から固定台5の表面に向って噴出される加圧流体静圧によって非接触に支持される。多孔質パッド3は、軸受間隙の寸法が周期的に変化したときの前記静圧の変動成分のうちで、軸受間隙の寸法の減少に対して90度の位相遅れを有する周期的変動成分が、移動台1を含む振動系の固有振動数に等しい周波数において正であるように構成されている。従って、移動台1の振動は速かに減衰される。

概要

背景

半導体露光装置のXYステージや、精密工作機械および精密測定器等の位置決めステージは極めて高精度の位置決めを必要とし、このために、XYステージや位置決めステージを台盤等に対して非接触で支持あるいは案内する静圧軸受装置が用いられる。

静圧軸受装置の軸受特性は、加圧気体噴出する絞り形式によって大きく異なっており、特に、XYステージや位置決めステージが振動を発生したときの軸受間隙圧力変動周波数特性を調べると、公知の表面絞り型自成絞り型あるいはオリフィス絞り型の静圧軸受装置についてはほぼ一定であり、その剛性等がXYステージや位置決めステージの振動によって大きく変化することはないが、多孔質絞り型の静圧軸受装置の場合は、表面絞り型や自成絞り型あるいはオリフィス絞り型に比べて加圧流体供給量が少くても高い軸受剛性が得られるという利点がある一方で、位置決めステージやXYステージに振動が発生したときに軸受剛性が著しく低下したり、静圧軸受装置が自励振動を発生するおそれがある。

図10および図11は、多孔質絞り型の静圧軸受装置の、軸受間隙の寸法が周期的に変化したときの軸受間隙の気体の圧力変動を測定し、軸受間隙の寸法の周期的減少と同じ位相圧力変動成分(以後「Re成分」と呼ぶ)とこれに対して90度の位相遅れをもつ圧力変動成分(以後「Im成分」と呼ぶ)を検出し、これらの周波数特性を得たものである。これらの図から解るように、例えば、XYステージや位置決めステージ装置固有振動数が150〜160HzであるときIm成分が負の値であるため、図12に示すような自励振動が発生し、その結果、XYステージや位置決めステージの位置決め精度が著しく低下し、増大する振動によって装置の破損を招くおそれがある。

そこで、多孔質絞り型の静圧軸受装置に予め所定量の目づまりを発生させることによって軸受特性を変化させるか、あるいは多孔質体通気率透過率を厳しく限定したものを用いることによって、多孔質絞り型の静圧軸受装置の自励振動を防ぐ工夫がなされている。

概要

静圧軸受装置の自励振動を防ぐ。

露光装置のXYステージ等の移動台1は、図示下面に多孔質パッド3を有し、多孔質パッド3から固定台5の表面に向って噴出される加圧流体の静圧によって非接触に支持される。多孔質パッド3は、軸受間隙の寸法が周期的に変化したときの前記静圧の変動成分のうちで、軸受間隙の寸法の減少に対して90度の位相遅れを有する周期的変動成分が、移動台1を含む振動系の固有振動数に等しい周波数において正であるように構成されている。従って、移動台1の振動は速かに減衰される。

目的

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、自励振動を発生するおそれのない多孔質絞り型の静圧軸受装置を提供することを目的とするものである。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
4件

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請求項1

一対の物体の間の間隙加圧流体噴出し、その静圧によって両物体を非接触に支持する多孔質絞り型の噴出手段を有し、該噴出手段が、前記間隙の寸法の周期的変化が発生したとき、前記間隙の加圧流体の静圧が前記間隙の寸法の周期的減少に対して90度の位相遅れをもつ周期的変動成分を有し、かつ、該周期的変動成分が各物体の振動系の固有振動数に等しい周波数において正の値であるように構成されていることを特徴とする静圧軸受装置

請求項2

噴出手段が多孔質体を有し、該多孔質体が、5×10-16 m2 以下の通気率または透過率を有し、かつ、20%以下の気孔率または多孔率を有することを特徴とする請求項1記載の静圧軸受装置。

技術分野

0001

本発明は、半導体露光装置のXYステージや、精密工作機械および精密測定器等の位置決めステージに用いられる静圧軸受装置に関するものである。

背景技術

0002

半導体露光装置のXYステージや、精密工作機械および精密測定器等の位置決めステージは極めて高精度の位置決めを必要とし、このために、XYステージや位置決めステージを台盤等に対して非接触で支持あるいは案内する静圧軸受装置が用いられる。

0003

静圧軸受装置の軸受特性は、加圧気体噴出する絞り形式によって大きく異なっており、特に、XYステージや位置決めステージが振動を発生したときの軸受間隙圧力変動周波数特性を調べると、公知の表面絞り型自成絞り型あるいはオリフィス絞り型の静圧軸受装置についてはほぼ一定であり、その剛性等がXYステージや位置決めステージの振動によって大きく変化することはないが、多孔質絞り型の静圧軸受装置の場合は、表面絞り型や自成絞り型あるいはオリフィス絞り型に比べて加圧流体供給量が少くても高い軸受剛性が得られるという利点がある一方で、位置決めステージやXYステージに振動が発生したときに軸受剛性が著しく低下したり、静圧軸受装置が自励振動を発生するおそれがある。

0004

図10および図11は、多孔質絞り型の静圧軸受装置の、軸受間隙の寸法が周期的に変化したときの軸受間隙の気体の圧力変動を測定し、軸受間隙の寸法の周期的減少と同じ位相圧力変動成分(以後「Re成分」と呼ぶ)とこれに対して90度の位相遅れをもつ圧力変動成分(以後「Im成分」と呼ぶ)を検出し、これらの周波数特性を得たものである。これらの図から解るように、例えば、XYステージや位置決めステージ装置固有振動数が150〜160HzであるときIm成分が負の値であるため、図12に示すような自励振動が発生し、その結果、XYステージや位置決めステージの位置決め精度が著しく低下し、増大する振動によって装置の破損を招くおそれがある。

0005

そこで、多孔質絞り型の静圧軸受装置に予め所定量の目づまりを発生させることによって軸受特性を変化させるか、あるいは多孔質体通気率透過率を厳しく限定したものを用いることによって、多孔質絞り型の静圧軸受装置の自励振動を防ぐ工夫がなされている。

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら上記従来の技術によれば、多孔質絞り型の静圧軸受装置を目づまりさせることによってその軸受特性を改良する方法は、かなりの手間と時間がかかり、静圧軸受装置の生産性を低下させる。また、多孔質体の通気率や透過率を厳しく限定しても軸受の周波数特性を大幅に変えることはできず、自励振動を防ぐことは難しい。

0007

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、自励振動を発生するおそれのない多孔質絞り型の静圧軸受装置を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0008

上記目的を達成するために本発明の静圧軸受装置は、一対の物体の間の間隙に加圧流体を噴出し、その静圧によって両物体を非接触に支持する多孔質絞り型の噴出手段を有し、該噴出手段が、前記間隙の寸法の周期的変化が発生したとき、前記間隙の加圧流体の静圧が前記間隙の寸法の周期的減少に対して90度の位相遅れをもつ周期的変動成分を有し、かつ、該周期的変動成分が各物体の振動系の固有振動数に等しい周波数において正の値であるように構成されていることを特徴とする。

0009

また、加圧流体を噴出する多孔質体が、5×10-16 m2 以下の通気率または透過率を有し、かつ、20%以下の気孔率または多孔率を有するとよい。

0010

上記装置によれば、各振動系に振動が発生したときにこれを減衰させる圧力が前記加圧流体の静圧に含まれるため、静圧軸受装置に自励振動が発生するおそれはない。前記周波数において前記周期的変動成分がゼロまたは負の値である場合は、各物体の振動系の質量等を増減して固有振動数を変化させるか、または、噴出手段に所定の目づまりを発生させることでその周波数特性を変化させる。

0011

また、加圧流体を噴出する多孔質体が、5×10-16 m2 以下の通気率または透過率を有し、かつ、20%以下の気孔率または多孔率を有すれば、間隙の寸法の周期的減少に対して90度の位相遅れをもつ静圧の周期的変動成分が正である周波数領域が低周波数側にあるため、各物体の振動系の固有振動数が低くても自励振動のおそれがない。

0012

本発明の実施例を図面の基づいて説明する。

0013

図1は、一実施例の静圧軸受装置を用いた直動式の位置決めステージを説明する説明図であって、該位置決めステージは、図示上面に基板等の被加工物を保持する一方の物体である移動台1と、移動台1の図示下面に一体的に設けられた軸受ハウジング2と、軸受ハウジング2に保持された噴出手段である多孔質体からなる多孔質パッド3を有し、軸受ハウジング2と多孔質パッド3は、加圧気体供給ライン4から軸受ハウジング2の内部流路2aを経て供給される加圧流体である加圧気体を他方の物体である固定台5の表面に向って噴出し、該表面に対して移動台1を非接触に保つ静圧軸受装置E1 を構成し、移動台1は図示しない駆動装置によって固定台5の表面に沿って移動される。移動台1と軸受ハウジング2と多孔質パッド3およびこれらと一体的に結合された他の部材を含む振動系である位置決めステージの固有振動数は200Hzと算出されており、この周波数で共振する。

0014

多孔質パッド3は、厚さ5〜6mm、通気率あるいは透過率が5×10-16 m2 以下で、かつ、気孔率あるいは多孔率が20%以下の多孔質体からなり、平衡状態にあるときの軸受間隙の寸法h0 は4〜6μm、これに供給される加圧気体の圧力は4kg/cm2 gである。

0015

多孔質パッド3のRe成分とIm成分の周波数特性は、それぞれ、図2の(a)に示すように、移動台1を所定の周波数で振動させ、軸受間隙の寸法hが平衡状態の値h0 からΔhだけ減少することによる軸受間隙の気体の静圧の変化量Δpを測定し、該変化量Δpの振動成分のうちで、図2の(b)に示すように、軸受間隙の寸法の周期的減少量Δhと同位相の振動成分Δp1 と、これから90度の位相遅れをもつ周期的変動成分である振動成分Δp2 を検出することによって求められる。

0016

このようにして求められたRe成分の周波数特性は、図3に示すように、周波数200Hzの付近において最低値からある程度回復した値を示し、また、Im成分は、図4に示すように、周波数200Hzの付近において正であり、かつ、その最大値を示す。従って、前述のように、位置決めステージの固有振動数が200Hzであれば、位置決めステージに振動が発生してもIm成分が正でありかつ大きいために振動が短時間で鎮静化するうえに、振動によってRe成分が著しく低下するおそれもない。

0017

図5は、図3および図4から各周波数ごとにIm/Reを算出してプロットしたものであり、Im/Reの値は周波数200Hz付近で最大値を有することが解る。なお、図1の位置決めステージが図示上下方向へ振動したときの運動方程式は以下のように表わされる。

0018

{(−M×ω2 )+(K×Re)+(j×K×Im)}×Z=F・・・(1)
ここで、
K:圧力変動成分Re、Imの次元を運動方程式内の共通次元にするための変換係数である
M:位置決めステージの慣性
F:位置決めステージに加わる力
ω:角振動数
また、位置決めステージの固有振動数fnおよび減衰比ζはそれぞれ以下のように表わされる。

0019

ID=000003HE=035 WI=092 LX=0590 LY=1950
固有振動数fnが200Hzであれば、図5および(3)式から減衰比ζが25%と算出される。

0020

次に、図6に示すような加振機を用いて上記の位置決めステージの振動特性を測定した。該加振機は、先端に加振力測定用ロードセル6を有するインパクトハンマー7と、移動台1の変位を測定する非接触型変位センサー8と、その出力から減衰比ζを算出するFFT装置9からなり、ロードセル6から変位センサー8までの伝達特性図7に示す通りであった。インパクトハンマー7によって位置決めステージの移動台1に強制的に振動を発生させて減衰比ζを測定したところ、30%を越える値が得られることが判明した。

0021

なお、位置決めステージの固有振動数が200Hzの近傍にない場合は、多孔質パッドの数を増やしたり、多孔質の部品の寸法等を調節すればよい。

0022

本実施例のように、多孔質パッドの通気率あるいは透過率が5×10-16 m2以下であり、かつ気孔率あるいは多孔率が20%以下であれば、図10および図11に示すような一般的な多孔質パッドに比べて、図3および図4に示すようにRe成分を回復する周波数領域および最も高いIm成分を示す周波数領域が低周波数側へ移動しており、従って、位置決めステージの固有振動数を前述のようなRe成分およびIm成分が高い周波数領域に設定することが極めて容易である。

0023

また、本実施例の静圧軸受装置E1 は、位置決めステージ以外に例えば、図8に示すような、両端にそれぞれスラストプレート10a,10bを有する回転軸10を保持する回転軸受装置11に用いることができる。該回転軸受装置11は、回転軸10のスラストプレート10a,10bと円筒部分10cにそれぞれ対向する複数の多孔質パッド12を有し、各多孔質パッド12は本実施例の静圧軸受装置E1 の多孔質パッド3と同様の通気率および多孔率を有し、その他の軸受パラメータは、前述のように、各多孔質パッドのRe成分とIm成分の周波数特性と回転軸10の固有振動数に基づいて設定される。これによって、回転軸のふれ回り等の振動を低減し、回転を安定させることができる。

0024

また、本実施例の静圧軸受装置E1 を、図9に示すような、台盤13上において所定の軸方向へ往復移動する駆動体14と、これによって前記方向へ移動される被駆動体15の間の駆動力伝達機構に用いることもできる。該駆動力伝達機構は、駆動体14の両側面14a,14bにそれぞれ多孔質パッド16a,16bを有し、両者は被駆動体15の逆U字形枠体の内側面に向って加圧気体を噴出する。また、駆動体14および被駆動体15はそれぞれ多孔質パッド17,18によって台盤13上に非接触で支持されている。各多孔質パッド16a,16b,17,18については前述の多孔質パッド3,12と同様であるので説明は省略する。

発明の効果

0025

本発明は、上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。

0026

位置決めステージやXYステージの振動によって自励振動を起こすおそれのない静圧軸受装置を実現する。

図面の簡単な説明

0027

図1一実施例を説明する説明図である。
図2図1の静圧軸受装置の軸受間隙の寸法を変化させたときの圧力変動を説明するもので、(a)は軸受間隙を拡大して示す説明図、(b)は各圧力変動成分と軸受間隙の寸法の変化の関係を示す図である。
図3図1の静圧軸受装置のRe成分の周波数特性を示すグラフである。
図4図1の静圧軸受装置のIm成分の周波数特性を示すグラフである。
図5図3および図4から求められたRe成分とIm成分の比をプロットしたグラフである。
図6加振実験に用いた加振機を説明する説明図である。
図7加振機のロードセルと変位センサーの伝達特性を示すグラフである。
図8回転軸に静圧軸受装置を用いた場合を説明する説明図である。
図9駆動力伝達機構に静圧軸受装置を用いた場合を説明する説明図である。
図10一般的な静圧軸受装置のRe成分の周波数特性を示すグラフである。
図11図10の静圧軸受装置のIm成分の周波数特性を示すグラフである。
図12図10の静圧軸受装置を用いた位置決めステージの自励振動を説明するグラフである。

--

0028

1 移動体
2軸受ハウジング
3多孔質パッド
5 固定台

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