專利名稱：微調載物臺裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及將壓電驅動器作為驅動源使用的微調載物臺裝置。
背景技術：
在半導體裝置制造領域中使用各種類型的載物臺裝置。例如，在電子束曝光裝置中采用的晶片搭載用載物臺裝置，較多采用組合粗調載物臺裝置和微調載物臺裝置結合的結構，所述粗調載物臺裝置在晶片的搬運和芯片間移動時工作，所述微調載物臺裝置進行數nm～10nm左右的定位。這種載物臺裝置用于使搭載的晶片在水平面上沿相互成直角的X方向和Y方向移動。另外，該種載物臺裝置可在高真空(10-4Pa)中工作，并被要求具有非磁性的特性。
微調載物臺裝置較多采用使用彈性鉸鏈和壓電元件的致動器(壓電驅動器)(例如，參照專利文獻1)。
微調載物臺裝置被要求較高的停止穩(wěn)定性，并且為實現較高的裝卸效率，而被要求在10msec～100msec內實現1μm～數μm移動量的響應性。
但是，最近在該種載物臺裝置中的微調載物臺上搭載的負荷質量，由晶片、晶片夾頭、激光干涉儀用反光鏡等大致有15～25kg。但是，目前的微調載物臺裝置的搭載負荷大部分為5kg左右。在搭載負荷為5kg的微調載物臺裝置上搭載15～25kg左右的負荷時，共振頻率降低，并大幅降低停止穩(wěn)定性、響應性。
舉例來說，當在搭載負荷為5kg的微調載物臺裝置上搭載15～25kg左右的負荷時，X軸方向、Y軸方向的固有頻率(共振頻率)成為30Hz左右，停止穩(wěn)定性只能確保15～30nm左右。并且，在數μm左右的載物臺響應中，直到穩(wěn)定需要數100msec左右的時間。
專利文獻日本專利特開平11-271479號公報。

發(fā)明內容
在此，本發(fā)明要解決的問題是提供一種微調載物臺裝置，即使搭載負荷超過5kg時，也能夠實現較高的停止穩(wěn)定性和較高的響應性。
本發(fā)明要解決的另一問題是使上述微調載物臺裝置具有3個或3個以上的多個自由度。
本發(fā)明要解決的再一問題是提供一種可提高振動阻尼性能的微調載物臺裝置。
根據本發(fā)明的第一方式，一種微調載物臺裝置，包括在基體上構筑的傾斜載物臺、X-Y載物臺，此外，上述傾斜載物臺具有傾斜板，并且在上述傾斜板和上述基體之間具備至少3個轉換機構，該轉換機構通過第一壓電驅動器和楔形段的組合，將與上述基體平行的運動轉換為與上述基體垂直的Z軸方向運動；上述X-Y載物臺，具有與上述傾斜板組合的X-Y板，并且，還包括至少2個第二壓電驅動器，與X軸方向、Y軸方向的一方相互平行地延伸，至少以2點驅動上述X-Y板；以及第三壓電驅動器，在X軸方向、Y軸方向的另一方延伸，并驅動上述X-Y板。
根據第一方式的微調載物臺裝置，通過將上述至少3個轉換機構在同一圓周上以等角度間隔配置，使上述傾斜板可在Z軸方向、繞X周的θx軸方向、繞Y周的θy軸方向上移位；上述X-Y板可與上述傾斜板一同移位，并且，可獨立于上述傾斜板在X軸方向、Y軸方向、繞Z軸的θz軸方向上移位。
而且，根據第一方式的微調載物臺裝置，在上述傾斜板和上述X-Y板之間的多處設置有連接鉸鏈，該連接鉸鏈引導該X-Y板在X-Y平面內的運動，并在與上述基體垂直的方向上呈現出強剛性。
再者，根據第一方式的微調載物臺裝置，在上述傾斜板和上述基體之間的多處設置有板簧，該板簧用于限制該傾斜板在X-Y平面內的運動。
另外，根據第一方式的微調載物臺裝置，在上述轉換機構中的Z軸方向的運動部上部和上述傾斜板之間，設置有傾斜鉸鏈。
此外，根據第一方式的微調載物臺裝置，上述第1壓電驅動器是由相互平行延伸的2個壓電驅動器元件通過雙聯(lián)段組合而成，其行程相加。
根據第二方式的微調載物臺裝置，在上述X-Y板上，還組裝了用于搭載被搭載物的頂部工作臺；在上述基體和上述頂部工作臺之間，配置了多個具有Z軸方向阻尼作用的Z軸阻尼器。
而且，根據第二方式的微調載物臺裝置，在上述基體和上述X-Y板之間，在同一X-Y平面內配置了至少3個具有X軸方向、Y軸方向的阻尼作用的阻尼器。
再者，根據第二方式的微調載物臺裝置，上述傾斜板在中央部具有第一開口，并在該第一開口中組合了上述X-Y板，上述X-Y板具有比第一開口小的第二開口；在與上述第二開口對應的上述頂部工作臺的下面，設置尺寸與上述第二開口對應的減震環(huán)；在該減震環(huán)內，通過設置在上述基體上的支座設置了比上述減震環(huán)的內徑小的減震器保持架；在該減震器保持架和上述減震環(huán)之間，設置至少2個具有X軸方向阻尼作用的X軸阻尼器，使各X軸阻尼器在同軸上向相互相反的方向作用，并且，設置至少2個具有Y軸方向阻尼作用的Y軸阻尼器，使各Y軸阻尼器在同軸上向相互相反的方向作用。
根據第二方式的微調載物臺裝置，上述X軸阻尼器、Y軸阻尼器、Z軸阻尼器由非磁性材料形成的減震器構成，分別內置有真空用潤滑脂的基油，作為阻尼用的減震器油，并且包括恢復用彈簧、活塞桿；上述X軸阻尼器、Y軸阻尼器被配置成其活塞桿的前端分別與上述減震環(huán)接觸；上述Z軸阻尼器被配置成其活塞桿的前端與上述頂部工作臺的下表面接觸。
發(fā)明效果根據本發(fā)明第一方式，即使在可動部搭載超過5kg例如25kg的負荷時，也能夠提供可實現高停止穩(wěn)定性和高響應性能的6自由度微調載物臺。具體地說，根據第一方式的微調載物臺裝置，將搭載負荷假定為25kg，通過實施強剛性的引導系統(tǒng)設計，在X-Y載物臺部分可確保固有值150Hz(現有的5倍)。由此，停止穩(wěn)定性提高到5-6nm(3σ值)。此外，數μm的階躍響應中，實現21～35msec的穩(wěn)定時間。
根據本發(fā)明的第二方式，在根據第一方式微調載物臺裝置的效果的基礎上，還可得到以下效果。即，在現有的微調載物臺裝置中，幾乎沒有針對振動的阻尼要素，因此在不進行位置控制的狀態(tài)下，直到外部干擾引起的振動阻尼需要800～1200msec左右。相對于此，根據第二方式的微調載物臺裝置中，通過搭載阻尼器，以現有裝置所需時間的約1/10的70～115msec來阻尼振動。根據這樣的效果，單步移動數μm時的穩(wěn)定時間也達到15～30msec。并且，在X-Y載物臺部分的停止穩(wěn)定性也提高到3.5-4.5nm(3σ)。
微調載物臺裝置很多情況下搭載到在X-Y方向上具有較大的行程、且進行分步重復(step and repeat)運動的粗調載物臺裝置上。粗調載物臺裝置的高加速運動對于微調載物臺裝置來說成為干擾源。通過提高針對這種干擾的阻尼性能，可謀求高裝卸效率。此外，還能大幅提高針對來自真空排氣系統(tǒng)的振動和插板閥開閉時的振動等的穩(wěn)定性。


圖1是根據本發(fā)明第1實施方式的微調載物臺裝置的正視圖。
圖2是將圖1的微調載物臺裝置從圖1的線B線的高度位置觀察的俯視圖。
圖3是將圖1的微調載物臺裝置從圖1的右方觀察的側視圖。
圖4是將圖1的微調載物臺裝置從圖1的線A線的高度位置觀察的俯視圖。
圖5是將圖1的微調載物臺裝置以圖4的線I切斷的正面剖視圖。
圖6是用于說明圖1的微調載物臺裝置中傾斜載物臺的驅動機構結構的模式圖。
圖7是用于說明在圖6所示傾斜載物臺的驅動機構上傾斜板設置方式的模式圖。
圖8是示出在圖7中所示傾斜板與X-Y板之間組合方式的模式圖。
圖9是示出根據本發(fā)明第2實施方式的微調載物臺裝置的主要部分結構的立體圖。
圖10是示出圖9的微調載物臺裝置中的Z軸驅動機構的主要部分結構例的立體圖。
圖11是在圖10的結構上再追加Z軸驅動機構的構成要素、并與傾斜板一同示出的立體圖。
圖12是用于說明圖9的微調載物臺裝置中Z軸方向的阻尼作用的部分立體圖。
圖13是圖9的微調載物臺裝置的俯視圖。
圖14是用于說明圖9的微調載物臺裝置中X軸方向、Y軸方向的阻尼結構的立體圖。
圖15是用于說明圖9的微調載物臺裝置中X-Y載物臺的導引系統(tǒng)的俯視圖。
圖16是用于說明圖9的微調載物臺裝置中作為阻尼器使用的減震器的結構例的剖視圖。
圖17是用于以作為Z軸驅動機構的構成要素的Z3軸致動器為中心、說明圖9的微調載物臺裝置的側面剖視圖。
圖18是將Z1軸～Z3軸用壓電驅動器和其關聯(lián)要素、3個主連接鉸鏈和2個次連接鉸鏈、Z軸阻尼用4個減震器以及X軸、Y軸阻尼用4個減震器等的配置關系，用俯視圖示出的圖。
圖19是X軸阻尼用、Y軸阻尼用的4個減震器的支承構造的側面剖視圖。
具體實施例方式
參照圖1～圖8，對根據本發(fā)明的微調載物臺裝置的第一實施方式進行說明。根據本實施方式的微調載物臺裝置可以單獨使用，但通常是組合到作為粗調載物臺裝置的X-Y載物臺裝置中。X-Y載物臺裝置，具備在X軸方向上可動的X工作臺和在Y軸方向上可動的Y工作臺，也可以例如構成X工作臺在Y工作臺上可動的結構。當然，也可以構成Y工作臺在X工作臺上可動的結構。本微調載物臺裝置，搭載在X-Y載物臺裝置中的X工作臺或Y工作臺上。
本微調載物臺裝置是在基板100上構筑的Z-θx-θy軸載物臺(以下稱為傾斜載物臺)上組合X-Y-θz軸載物臺(以下稱為X-Y載物臺，與作為粗調載物臺裝置的X-Y載物臺裝置不同)而構成的。
首先，說明傾斜載物臺。如圖1、圖2所示，傾斜載物臺具有傾斜板201。如圖4所示，傾斜板201通過在基板100上相互平行延伸配置的每組2臺的共3組共6臺壓電驅動器(壓電驅動器元件)Z1-1、Z1-2、Z2-1、Z2-2、Z3-1、Z3-2和后述的楔形段，在相對于基板100的垂直方向上(Z軸方向或上下方向)被驅動。下面，將壓電驅動器Z1-1、Z1-2的組合稱作Z1軸，壓電驅動器Z2-1、Z2-2的組合稱作Z2軸，壓電驅動器Z3-1、Z3-2的組合稱作Z3軸。
參照圖5及作為模式圖的圖6、圖7，對Z3軸的構造和動作進行詳細說明。在基板100上設置有壓電固定塊223。壓電驅動器Z3-2的一端固定在壓電固定塊223上，借助雙聯(lián)段(2連ステ一ジ)224與壓電驅動器Z3-1連結。由此，壓電驅動器Z3-2的驅動行程與壓電驅動器Z3-1的驅動行程相加，以相加之后的驅動行程來驅動楔形段225。
所謂楔形段是指如眾所周知的將水平方向運動轉換為垂直方向運動的單元。本例中，楔形段225具備45度的正交轉換機構，使得2個壓電驅動器Z3-1、Z2-2的水平移位輸入和楔形段225的垂直移位輸出成為1對1。正交轉換機構包括在上面?zhèn)染哂?5度傾斜面的傾斜塊225-1和在下面?zhèn)染哂?5度傾斜面的傾斜塊225-2的組合體。傾斜塊225-1具有用于引導傾斜塊225-2的引導部。傾斜塊225-2在其傾斜面被引導部引導的狀態(tài)下，可沿傾斜塊225-1的傾斜面滑動。由此，當傾斜塊225-1沿水平方向移位時，傾斜快225-2隨之滑動而向垂直方向移位。
通過這樣的楔形段225，固定在其垂直運動部的傾斜鉸鏈226沿Z軸方向被驅動。之后，沿Z軸方向驅動固定在傾斜鉸鏈226前部的傾斜板201。此外，傾斜板201在中心具有開口201a(參照圖7)。在開口201a內組合X-Y板301(參照圖2)。X-Y板301上，固定頂部工作臺202(參照圖5)。對于X-Y板301、頂部工作臺202，在后詳述。
Z1軸、Z2軸也具有與Z3軸相同的結構。即，Z1軸具有壓電固定塊203、雙聯(lián)段204、楔形段205，Z2軸具有壓電固定塊213、雙聯(lián)段214、楔形段215。尤其，Z1軸的楔形段205、Z2軸的楔形段215、Z3軸的楔形段225，分別配置在同一圓周上(圖4中用點線表示)。尤其，本例中的楔形段205、215、225配置在與正三角形的頂點對應的位置，即間隔120度的角度配置。這些3軸的垂直運動部可在同一方向上移位。由此，當傾斜板201進行Z軸方向的平移運動并進行差動性的動作時，即在各軸的移位量上產生差時，傾斜板201在θx軸方向、θy軸方向進行旋轉運動。在此，不言而喻，θx軸方向的旋轉運動意味著繞X軸的旋轉運動，θy軸方向的旋轉運動意味著繞Y軸的旋轉運動。此外，后述的θz軸方向的旋轉運動意味著繞Z的旋轉運動。
在此，利用電容傳感器來計測Z軸方向的位置。電容傳感器配置在位于傾斜板201上方的、作為最終可動部的頂部工作臺202與基板100之間。以下，將Z1軸用電容傳感器稱作Z1傳感器207，Z2軸用電容傳感器稱作Z2傳感器217，Z3軸用電容傳感器稱作Z3傳感器227。各傳感器207、217、227分別設置在與楔形段205、215、225接近的位置。電容傳感器的測量原理是公知的，簡單說明的話，能夠將Z軸方向的微小變化作為電容變化檢測出來。
本實施方式中，利用這些Z1傳感器207、Z2傳感器217、Z3傳感器227，計測作為最終可動部的頂部工作臺202的高度，并根據計測結果進行頂部工作臺202的位置控制(全封閉控制フルクロ一ズド制御)。
通常，在傾斜載物臺中，計測從基板100到傾斜板201高度位置，并根據計測結果進行位置控制(半封閉控制セミクロ一ズド制御)。但是，在該方式中不能計測X-Y載物臺移動時的Z軸方向的位置誤差。這意味著不能控制頂部工作臺202的Z軸方向、θx軸方向、θy軸方向的位置。但是，本方式中的Z軸方向位置計測系統(tǒng)的配置，可進行頂部工作臺202的Z軸方向、θx軸方向、θy軸方向的位置控制。
傾斜載物臺的引導系統(tǒng)包括在各楔形段205、215、225上安裝的傾斜鉸鏈206、216、226，以及安裝在基板100和傾斜板210之間的、僅在Z軸方向可移位的板簧208、218、228(參照圖4、圖7)。由這些板簧208、218、228來構成僅用楔形段的引導部是不能實現的、對傾斜板201在X-Y平面內的運動進行限制的強剛性引導系統(tǒng)。此外，板簧208、218、228，分別借助設在基板100上的彈簧安裝部208-1、218-1、228-1來設置。
下面，參照圖1～圖3以及作為模式圖的圖8來說明X-Y載物臺。頂部工作臺202固定在X-Y板301上。X-Y板301組裝在傾斜板201中央部的開口201a中。X-Y板301可與傾斜板201一同在Z軸方向、θx軸方向、θy軸方向移位，但在X軸方向、Y軸方向以及θz軸方向上，則獨立于傾斜板201可進行移位。即，X-Y板301在X軸方向上，被與X軸方向相互平行延伸的兩個X1壓電驅動器302、X2壓電驅動器303驅動。X1壓電驅動器302、X2壓電驅動器303以一定間隔設置，其一端各自固定在傾斜板201上，另一端與X-Y板301連結。另一方面，X-Y板301在Y軸方向上，被沿Y軸方向延伸的1個Y壓電驅動器304驅動。Y壓電驅動器304的一端也固定在傾斜板201上，另一端與X-Y板301連結。
X-Y載物臺的引導系統(tǒng)如下。X-Y平面內的引導系統(tǒng)中，固定在X1壓電驅動器302一端的X1鉸鏈312被固定到傾斜板201上，在X1壓電驅動器302的另一端上固定的X1鉸鏈311與X-Y板301連結。同樣，固定在X2壓電驅動器303一端的X2鉸鏈314被固定到傾斜板201上，在X2壓電驅動器303的另一端固定的X2鉸鏈313與X-Y板301連結。另一方面，固定在Y壓電驅動器304一端的Y鉸鏈316被固定到傾斜板201上，在Y壓電驅動器304的另一端上固定的Y鉸鏈315與X-Y板301連結。
Z軸方向的引導系統(tǒng)由設置在X-Y板301和傾斜板201之間的3個主連接鉸鏈321、322、323和2個次連接鉸鏈324、325來實現。參照圖5，對這些連接鉸鏈的一個、例如主連接鉸鏈321進行說明。在傾斜板201的下方垂直延伸地設置有連接鉸鏈塊321-1。在該連接鉸鏈塊321-1上，從該處向上方延伸設置有與X-Y板301連結的鉸鏈321-2。鉸鏈321-2具有公知的球聯(lián)軸器，可使X-Y板301在X-Y平面內移位，而在Z軸方向上被支承表現出強剛性。主連接鉸鏈322、323、次連接鉸鏈324、325也具有完全相同的結構。再者，圖8中示出了由連結鉸鏈塊322-1和鉸鏈322-2構成的主連接鉸鏈322。
三個主連接鉸鏈321、322、323設置在與三角形的(在這里為等邊三角形)頂點對應的位置，兩個次連接鉸鏈324、325設置在主連接鉸鏈321的兩側。主連接鉸鏈321～323和次連接鉸鏈324、325，具有使X-Y板301在X-Y平面內自由移位的功能，并在Z軸方向上具有較大的剛性。由此，與現有的微調載物臺裝置相比，大幅提高了其剛性。
對X-Y載物臺的動作進行說明。當X1壓電驅動器302和X2壓電驅動器303沿相同方向動作時，X-Y板301進行X軸方向平移運動。當X1壓電驅動器302和X2壓電驅動器303進行差動性的動作、即在移位量上產生差時，X-Y板301在θz方向上動作。另一方面，當Y壓電驅動器304動作時，X-Y板301沿Y軸方向進行平移運動。
利用配置在傾斜板201和X-Y板301之間的兩個電容傳感器326、327(下面稱作X1傳感器、X2傳感器)，來計測X-Y板301的X軸方向位置。利用配置在傾斜板201和X-Y板301之間的一個電容傳感器328(下面稱作Y傳感器)，來計測X-Y板301的Y軸方向位置。根據用這些X1傳感器326、X2傳感器327、Y傳感器328來計測的X-Y平面內的位置信息，來進行頂部工作臺202的半封閉位置控制。
如上所述，頂部工作臺202固定在X-Y板301上，傾斜載物臺中的傾斜板201可沿Z軸方向、θx軸方向、θy軸方向移位。并且，X-Y載物臺中的X-Y板301可與傾斜板201一同移位，且可獨立于傾斜板201在X軸方向、Y軸方向、θz軸方向上進行移位。由此，頂部工作臺202可進行6個自由度的運動(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向、θx軸方向、θy軸方向、θz軸方向)。
此外，利用安裝在頂部工作臺202上的、在Y軸方向上延伸設置的X反射鏡325(圖1)和X軸方向上延伸設置的Y反射鏡326(圖3)、以及激光干涉儀(未圖示)，來進行X-Y載物臺的位置計測(X軸方向、Y軸方向、θz軸方向)。根據由該位置計測獲得的位置信息，可進行6個自由度(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向、θx軸方向、θy軸方向、θz軸方向)的全封閉控制。進一步，利用激光干涉儀還可對θx軸方向、θy軸方向計測位置，并根據該計測值，利用來自激光干涉儀的位置信息可對Z軸方向以外的所有方向進行位置控制。但是，在該情況下反射鏡成大型化，且激光干涉儀的光學構件等也增加，需要考慮成本增加等問題的產生。
接著，對本發(fā)明的第二實施方式的微調載物臺裝置進行說明。第二實施方式的微調載物臺裝置，對第一實施方式的微調載物臺裝置進行了以下改進。
第一實施方式的微調載物臺裝置，在傾斜載物臺部分移動行程較大，因此，不易確保壓電驅動器特性中的強剛性。這是因為，第一實施方式的微調載物臺裝置中，為加大行程，將兩個壓電驅動器用雙聯(lián)段連結的緣故。即，雙連結構的壓電驅動器，作為剛性樣板串聯(lián)連接著兩個彈簧，行程越大其驅動方向的剛性越低。
此外，第一實施方式的微調載物臺裝置中，為獲得X-Y載物臺部分的強剛性，增加了質量。因此，傾斜載物臺的負荷質量增大，其結果固有值降低，響應性能降低，在數μm的階躍響應時的穩(wěn)定時間還有改善的余地。
此外，由于對振動的阻尼要素幾乎不存在，所以，第一實施方式的微調載物臺裝置的振動阻尼性能有改善的余地。即，直到載物臺移動后穩(wěn)定下來是需要時間的，外部干擾引起的振動穩(wěn)定為止需要時間。
在此，第二實施方式的微調載物臺裝置的特征是，為提高振動阻尼性能，具有與真空及非磁性對應的阻尼器。
參照圖9～圖19，對第二實施方式的微調載物臺裝置進行說明。本微調載物臺裝置，也可以單獨使用，但通常組合到作為粗調載物臺裝置的X-Y載物臺裝置上。即，本微調載物臺裝置，通常也安裝到X-Y載物臺裝置中的X工作臺上或Y工作臺上。
本實施方式的微調載物臺裝置的基本結構與第一實施方式的微調載物臺裝置相同，但為謀求Z軸方向的強剛性，將載物臺行程從360μm變更為180μm。其結果，第一實施方式的微調載物臺裝置中，與通過雙聯(lián)段將2個Z軸驅動用壓電驅動器串聯(lián)連結使用的情況相比，第二實施方式中只使用一個Z軸驅動用壓電驅動器即可。
本微調載物臺裝置的結構是在構筑于作為基體的基板100上的Z-θx-θy軸載物臺(以下稱作傾斜載物臺)上，組合X-Y-θz軸載物臺(以下稱作X-Y載物臺，但其與作為粗調載物臺的X-Y載物臺裝置不同)。
首先，對傾斜載物臺進行說明。如圖9～圖11所示，傾斜載物臺具有傾斜板201。傾斜板201通過在基板100上相互平行延伸配置的3個壓電驅動器(壓電驅動器元件)Z1、Z2、Z3和后述的楔形段，在相對于基板100垂直的方向(Z軸方向或上下方向)上被驅動。以下，將被壓電驅動器Z1在Z軸方向上驅動的軸稱作Z1軸，將被壓電驅動器Z2在Z軸方向上驅動的軸稱作Z2軸，將被壓電驅動器Z3在Z軸方向上驅動的軸稱作Z3軸。
對Z3軸的結構和動作進行詳細說明。在基板100上設有壓電固定塊130。壓電驅動器Z3的一端固定在壓電固定塊130上，驅動楔形段135。楔形段也叫做滑動楔塊，如上所述，是將水平方向運動轉換為垂直方向運動的機構。楔形段135在本例中具有45度的正交轉換機構，如圖17所示，構成為壓電驅動器Z3產生的水平移位輸入和楔形段135產生的垂直移位輸出成為1對1。正交轉換機構包括在上面?zhèn)染哂?5度傾斜面的第一傾斜塊135-1和在下面?zhèn)染哂?5度傾斜面的第二傾斜塊135-2的組合體。第一傾斜塊135-1具有用于引導第二傾斜塊135-2的引導部。第二傾斜塊135-2在其傾斜面被第一傾斜塊135-1的引導部引導的狀態(tài)下，可沿第一傾斜塊135-1的傾斜面滑動。由此，當第一傾斜塊135-1在水平方向上移位時，第二傾斜塊135-2隨之滑動，并僅在垂直方向上移位。此外，壓電驅動器Z3被在基板100上設置的支承構件131支承。
這樣的楔形段135在Z軸方向上驅動固定在其垂直運動部上的傾斜鉸鏈137。之后，在Z1軸方向上，驅動固定在傾斜鉸鏈137前部的傾斜板201。此外，傾斜板201在中央具有開口201a(圖11)。開口201a內組合了X-Y板301(圖9)。在X-Y板301上固定頂部工作臺202(圖13)。以后面說明X-Y板301、頂部工作臺202Z1軸、Z2軸具有與Z3軸相同樣的結構，但與Z3軸以一定間隔逆向延伸配置。Z1軸具有壓電固定塊110、楔形段115、傾斜鉸鏈117，Z2軸具有壓電固定塊120、楔形段125、傾斜鉸鏈127。Z1軸的楔形段115、Z2軸的楔形段125、Z3軸的楔形段135，分別配置在同一圓周上。尤其，在此，楔形段115、125、135配置在與正三角形的頂點對應的位置，即間隔120度的角度配置。這3個軸可在同一方向(在此為X軸方向)上移位，垂直運動部也可在同一方向(在此為Z軸方向)上移位。由此，傾斜板201在Z軸方向上進行平移運動。另一方面，當進行差動性的動作、即在Z1、Z2、Z3各軸上產生移位量的差時，傾斜板201進行θx軸方向、θy軸方向的旋轉運動。如前所述，θx軸方向的旋轉運動意味著繞X軸的旋轉運動，θy軸方向的旋轉運動意味著繞Y軸的旋轉運動。后述的θz在在軸方向的旋轉運動意味著繞Z軸的旋轉運動。
在此，利用電容傳感器來計測Z軸方向的位置。電容傳感器配置在位于傾斜板201上方的、作為最終可動部的頂部工作臺202與基板100之間。以下，將圖9所示的Z1軸用電容傳感器稱作Z1傳感器207，將Z2軸用電容傳感器稱作Z2傳感器217，將Z3軸用靜電傳感器稱作Z3傳感器227。各傳感器207、217、227分別設置在與楔形段115、125、135接近的位置。電容傳感器的測量原理如前面所述。
本實施方式中，利用這些Z1傳感器207、Z2傳感器217、Z3傳感器227計測作為最終可動部的頂部工作臺202的高度，并根據計測結果進行頂部工作臺202的位置控制(全封閉控制)。
通常，在傾斜載物臺中，計測從基板100到傾斜板201的高度位置，并根據計測結果進行位置控制(半封閉控制)。但是，在該方式中不能計測X-Y板301沿X-Y方向移動時的Z軸方向的位置誤差。這意味著不能控制頂部工作臺202的Z軸方向、θx軸方向、θy軸方向的位置。但是，本實施方式中的Z軸方向位置計測系統(tǒng)的配置，可進行頂部工作臺202的Z軸方向、θx軸方向、θy軸方向的位置控制。
傾斜載物臺的引導系統(tǒng)包括在各楔形段115、125、135上安裝的傾斜鉸鏈117、127、137，以及安裝在基板100和傾斜板210之間且僅在Z軸方向可移位的板簧208、218、228(參照圖11，但關于208請參照圖18)。由這些板簧208、218、228來構成僅用楔形段的引導部是無法實現的、限制傾斜板201在X-Y平面內運動的剛性引導系統(tǒng)。此外，板簧208、218、228，分別通過設在基板100上的彈簧安裝部208-1(參照圖18)、218-1、228-1設置。
并且，本實施方式中，如圖9所示，在固定于基板100上的支承臺219-1、229-1、239-1、249-1上，作為Z軸阻尼器設置了減震器219、229、239、249。各減震器具有活塞桿，如圖12所示，活塞桿的前端接觸頂部工作臺202的下表面。在此，將四個減震器219、229、239、249設置在與頂部工作臺202的外緣接近的位置，尤其，在與楔形段135接近的位置設置兩個。這是考慮到平衡而設置的，減震器至少配置3個為好，根據情況也可以設置5個以上。
如上所述，減震器219、229、239、249的活塞桿前端接觸頂部工作臺202的下表面。通過這樣的配置，當頂部工作臺202在θx軸、θy軸方向旋轉的情況下，必然有兩個以上的減震器處于被推壓的狀態(tài)，得到減震器產生的有效的阻尼作用。
對于頂部工作臺202的Z軸方向運動，下方的所有減震器219、229、239、249都發(fā)揮阻尼性能。此外，當頂部工作臺202在水平狀態(tài)下向上方運動的時候，不能期待有效的阻尼。但是，頂部工作臺202不會在完全水平的狀態(tài)下沿Z軸方向運動，一定伴隨θx軸、θy軸方向的動作。因此，實際上，頂部工作臺202無論在Z軸方向、θx軸方向、θy軸方向的任意方向運動，均可得到有效的阻尼作用。
接著，參照圖13說明X-Y載物臺。頂部工作臺202固定在X-Y板301的上面?zhèn)?。如圖13所示，X-Y板301被裝入到傾斜板201中央的開口201a中。X-Y板301可與傾斜板201一同在Z軸方向、θx軸方向、θy軸方向上移位，但在X軸方向、Y軸方向、θz軸方向上可獨立于傾斜板201進行移位。即，X-Y板301在X軸方向上、被在X軸方向上相互平行延伸的兩個X1壓電驅動器302、X2壓電驅動器303驅動。如圖9所示，X1壓電驅動器302、X2壓電驅動器303以一定間隔設置，其一端分別通過安裝板302-1、303-1被固定在傾斜板201上，另一端與X-Y板301連結。另一方面，X-Y板301在Y軸方向上、被在Y軸方向上延伸的一個Y壓電驅動器304驅動。Y壓電驅動器304的一端也通過安裝板304-1被固定在傾斜板201上，另一端與X-Y板301連結。
X-Y載物臺的引導系統(tǒng)如下。如圖15所示，X-Y平面內的引導系統(tǒng)中，固定在X1壓電驅動器302一端的X1鉸鏈312被固定到安裝板302-1上，固定在X1壓電驅動器302另一端的X1鉸鏈3 11與X-Y板301連結。同樣，固定在X2壓電驅動器303一端的X2鉸鏈314(未圖示)被固定到安裝板303-1上，固定在X2壓電驅動器303的另一端上的X2鉸鏈313(未圖示)與X-Y板301連結。另一方面，固定在Y壓電驅動器304一端的Y鉸鏈316(未圖示)被固定到安裝板304-1上，固定在Y壓電驅動器304另一端上的Y鉸鏈315(未圖示)與X-Y板301連結。
如圖13所示，Z軸方向的引導系統(tǒng)由設置在X-Y板301和傾斜板201之間的3個主連接鉸鏈321、322、323和2個次連接鉸鏈324、325來實現。參照圖17，對這些連接鉸鏈的一個、例如主連接鉸鏈321進行說明。在傾斜板201的下方垂直延伸地設置有連接鉸鏈塊321-1。在該連接鉸鏈塊321-1上，從該處向上方延伸設置有與X-Y板301連結的鉸鏈321-2。鉸鏈321-2具有公知的球聯(lián)軸器，可使X-Y板301在X-Y平面內移位，而在Z軸方向上被支承為表現強剛性。主連接鉸鏈322、323、次連接鉸鏈324、325也具有完全相同的結構。再者，圖17中只示出了說明所需的構成要素。此外，圖9中示出了由連接鉸鏈塊322-1和鉸鏈322-2構成的主連接鉸鏈322。
如圖13所示，三個主連接鉸鏈321、322、323設置在與三角形的(在這里為等邊三角形)頂點對應的位置，兩個次連接鉸鏈324、325設置在主連接鉸鏈321的兩側。主連接鉸鏈321～323和次連接鉸鏈324、325，具有使X-Y板301在X-Y平面內自由移位的功能，并在Z軸方向上具有較大的剛性。由此，與現有的微調載物臺裝置相比，大幅提高了其剛性。
對X-Y載物臺的動作進行說明。當X1壓電驅動器302和X2壓電驅動器303沿相同方向動作時，X-Y板301進行X軸方向的平移運動。當X1壓電驅動器302和X2壓電驅動器303進行差動性的動作、即在移位量上產生差時，X-Y板301在θz方向上動作。另一方面，當Y壓電驅動器304動作時，X-Y板301沿Y軸方向進行平移運動。
參照圖13，利用配置在傾斜板201和X-Y板301之間的兩個電容傳感器326、327(下面稱作X1傳感器、X2傳感器)，來計測X-Y板301的X軸方向位置。利用配置在傾斜板201和X-Y板301之間的一個電容傳感器328(下面稱作Y傳感器)，來計測X-Y板301的Y軸方向位置。根據用這些X1傳感器326、X2傳感器327、Y傳感器328計測的X-Y平面內的位置信息，來進行頂部工作臺202的半封閉控制。
下面，在圖13的基礎上，再參照圖14，對X軸方向、Y軸方向的阻尼器進行說明。在基板100上隔著間隔固定配置有兩個支座251、252。在這些支座251、252上固定有四邊形的框狀減震器保持架260。將支座251、252隔著間隔配置是為了在其間通過壓電驅動器Z3。另一方面，X-Y板301在中央具有開口301a(參照圖9)。在與開口301a對應的頂板202上，也設有開口202a(圖13)。在開口202a的內壁上安裝有減震環(huán)270，該減震環(huán)270具有比開口202a小、但比減震器保持架260大的內徑。在減震器保持架260上，在X軸方向的同軸上以相互相反的方向安裝有兩個減震器262、262，作為X軸方向阻尼器。在減震器保持架260上，在Y軸方向的同軸上以相互相反的方向還安裝有兩個減震器263、264，作為Y軸方向阻尼器。各減震器261～264的活塞桿與減震環(huán)270的內徑面接觸。
在同一X-Y平面內，通過配置如上所述的4個減震器261～264，在頂部工作臺202在X軸方向、Y軸方向上運動的情況下，肯定有一個或一個以上的減震器處于被推壓的狀態(tài)，獲得有效的阻尼。此外，對于頂部工作臺202的θz軸方向的旋轉運動，由于減震器保持架260的中心和負荷(頂部工作臺、反射鏡等可動部的負荷)重心不一致，因此，在與減震器261～264之間的接觸點上作用為平移移位，形成發(fā)揮阻尼性能的配置及結構。
此外，對于X軸方向、Y軸方向的阻尼器，至少配置3個即可。即，上述例中是以90度的角度間隔、在同一平面內配置了4個減震器。但是，即使在同一平面內配置(最好以120度的角度間隔)3個的情況下，也可以發(fā)揮與X軸方向、Y軸方向相關的阻尼性能。
減震器219、229、239、249、261～264全部使用相同的裝置。市面上銷售著一般被稱作緩沖裝置(shock absorber)的各種結構類型的減震器。圖16示出其中一例。
在圖16中，401為活塞桿，402為套管，403為塞子，404為儲壓器，405為彈簧，406為油，407為活塞桿環(huán)，408為墊圈，409為桿密封件，410為圓環(huán)，411為小螺釘，412為六角螺母。通常將該種減震器作為緩沖裝置來使用時，活塞桿的前端被剛性地固定在被阻尼構件上。但是，本發(fā)明中的特征是，未將活塞桿的前端剛性固定。
本發(fā)明中，為對付真空、非磁性環(huán)境，使用鈦、磷青銅、鈹銅等非磁性材料作為結構用材質。此外，阻尼用油使用真空用潤滑脂的基油。由此，無需用波紋管進行真空密封等的結構變更，即能夠以最小的成本實現真空.非磁性對應。
為參考起見，圖18中，以俯視圖示出了Z1軸～Z3軸壓電驅動器Z1～Z3及其關聯(lián)構件、主連接鉸鏈321～323以及次連接鉸鏈324、325，以及減震器219、229、239、249及減震器261～264等的配置關系。此外，圖19中以側面剖視圖示出減震器261～264的支承結構。但是，圖18、圖19中示出的各構件，不一定與圖9至圖17中示出的各構件對應。也可以不設置頂部工作臺202的開口202a。
如上所述，頂部工作臺202固定在X-Y板301上，傾斜載物臺中的傾斜板201可在Z軸方向、θx軸方向、θy軸方向上移位。而且，X-Y載物臺中的X-Y板301可與傾斜板201一同移位，并且，可獨立于傾斜板201在X軸方向、Y軸方向、θz軸方向上移位。由此，頂部工作臺202可進行6個自由度(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向、θx軸方向、θy軸方向、θz軸方向)的運動。
再者，利用安裝在頂部工作臺202上、且在Y軸方向上延伸設置的X反射鏡331和X軸方向上延伸設置的Y反射鏡332(參照圖13)，以及激光干涉儀(未圖示)，來進行X-Y載物臺的位置計測(X軸方向、Y軸方向、θz軸方向)。根據該位置計測獲得的位置信息，可進行6個自由度(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向、θx軸方向、θy軸方向、θz軸方向)的全封閉控制。而且，利用激光干涉儀還可對θx軸方向、θy軸方向計測位置，并根據該計測值，利用來自激光干涉儀的位置信息可對Z軸方向以外的所有方向進行位置控制。但是，在該情況下，反射鏡成大型化，且激光干涉儀的光學構件等也增加，需要考慮產生成本增加等問題。
以上，對本發(fā)明的兩個實施方式進行了說明，上述各構成要素由非磁性材料制造。此外，上述的微調載物臺裝置，如前所述，適合與粗調載物臺裝置一同配置在10-4Pa左右真空度的真空容器內使用，但不言而喻，當然可以在大氣中使用。即，本發(fā)明的微調載物臺裝置的動作環(huán)境不限定于真空環(huán)境下，在大氣、N2等氣體介質中也能夠動作。因此，本發(fā)明的微調載物臺裝置的應用領域，也可使用于半導體制造裝置、液晶制造裝置中，并且可全面適用于激光加工機、工作機械等需要微小范圍的高精度定位的載物臺裝置中。
權利要求
1.一種微調載物臺裝置，包括在基體上構筑的傾斜載物臺、X-Y載物臺，其特征在于，上述傾斜載物臺具有傾斜板，并且在上述傾斜板和上述基體之間具備至少3個轉換機構，該轉換機構通過第一壓電驅動器和楔形段的組合，將與上述基體平行的運動轉換為與上述基體垂直的Z軸方向運動；上述X-Y載物臺，具有與上述傾斜板組合的X-Y板，并且，還包括至少2個第二壓電驅動器，與X軸方向、Y軸方向的一方相互平行地延伸，至少以2點驅動上述X-Y板；以及第三壓電驅動器，在X軸方向、Y軸方向的另一方延伸，并驅動上述X-Y板。
2.根據權利要求1所述的微調載物臺裝置，其特征在于，通過將上述至少3個轉換機構在同一圓周上以等角度間隔配置，使上述傾斜板可在Z軸方向、繞X周的θx軸方向、繞Y周的θy軸方向上移位；上述X-Y板可與上述傾斜板一同移位，并且，可獨立于上述傾斜板在X軸方向、Y軸方向、繞Z軸的θz軸方向上移位。
3.根據權利要求1或2所述的微調載物臺裝置，其特征在于，在上述傾斜板和上述X-Y板之間的多處設置有連接鉸鏈，該連接鉸鏈引導該X-Y板在X-Y平面內的運動，并在與上述基體垂直的方向上呈現出強剛性。
4.根據權利要求1～3中任一項所述的微調載物臺裝置，其特征在于，在上述傾斜板和上述基體之間的多處設置有板簧，該板簧用于限制該傾斜板在X-Y平面內的運動。
5.根據權利要求1～4中任一項所述的微調載物臺裝置，其特征在于，在上述轉換機構中的Z軸方向的運動部上部和上述傾斜板之間，設置有傾斜鉸鏈。
6.根據權利要求1～5中任一項所述的微調載物臺裝置，其特征在于，上述第1壓電驅動器是由相互平行延伸的2個壓電驅動器元件通過雙聯(lián)段組合而成，其行程相加。
7.根據權利要求1～5中任一項所述的微調載物臺裝置，其特征在于，在上述X-Y板上，還組裝了用于搭載被搭載物的頂部工作臺；在上述基體和上述頂部工作臺之間，配置了多個具有Z軸方向阻尼作用的Z軸阻尼器。
8.根據權利要求7所述的微調載物臺裝置，其特征在于，在上述基體和上述X-Y板之間，在同一X-Y平面內配置了至少3個具有X軸方向、Y軸方向的阻尼作用的阻尼器。
9.根據權利要求7所述的微調載物臺裝置，其特征在于，上述傾斜板在中央部具有第一開口，并在該第一開口中組合了上述X-Y板，上述X-Y板具有比第一開口小的第二開口；在與上述第二開口對應的上述頂部工作臺的下面，設置尺寸與上述第二開口對應的減震環(huán)；在該減震環(huán)內，通過設置在上述基體上的支座設置了比上述減震環(huán)的內徑小的減震器保持架；在該減震器保持架和上述減震環(huán)之間，設置至少2個具有X軸方向阻尼作用的X軸阻尼器，使各X軸阻尼器在同軸上向相互相反的方向作用，并且，設置至少2個具有Y軸方向阻尼作用的Y軸阻尼器，使各Y軸阻尼器在同軸上向相互相反的方向作用。
10.根據權利要求9所述的微調載物臺裝置，其特征在于，上述X軸阻尼器、Y軸阻尼器、Z軸阻尼器由非磁性材料形成的減震器構成，分別內置有真空用潤滑脂的基油，作為阻尼用的減震器油，并且包括恢復用彈簧、活塞桿；上述X軸阻尼器、Y軸阻尼器被配置成其活塞桿的前端分別與上述減震環(huán)接觸；上述Z軸阻尼器被配置成其活塞桿的前端與上述頂部工作臺的下表面接觸。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微調載物臺裝置，即使在搭載負荷超過5kg時，也能夠實現高停止穩(wěn)定性和高響應性。微調載物臺裝置包括在基體(100)上構筑的傾斜載物臺、X－Y載物臺。傾斜載物臺具有傾斜板(201)，并且在傾斜板和基體之間具備至少3個轉換機構，該轉換機構通過第一壓電驅動器(Z1－1、Z2－2)和楔形段(215)的組合，將與基體平行的運動轉換為與基體垂直的Z軸方向運動。X－Y載物臺，具有與傾斜板組合的X－Y板(301)，并且，還包括至少2個第二壓電驅動器(302、303)，與X軸方向、Y軸方向的一方相互平行地延伸，至少以2點驅動上述X－Y板；以及第三壓電驅動器(304)，在X軸方向、Y軸方向的另一方延伸，并驅動上述X－Y板。
文檔編號G12B5/00GK1534689SQ20041003195
公開日2004年10月6日 申請日期2004年3月31日 優(yōu)先權日2003年3月31日
發(fā)明者堀內雅彥, 富田良幸, 幸 申請人:住友重機械工業(yè)株式會社