专利名称：微调载物台装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及将压电驱动器作为驱动源使用的微调载物台装置。
背景技术：
在半导体装置制造领域中使用各种类型的载物台装置。例如，在电子束曝光装置中采用的晶片搭载用载物台装置，较多采用组合粗调载物台装置和微调载物台装置结合的结构，所述粗调载物台装置在晶片的搬运和芯片间移动时工作，所述微调载物台装置进行数nm～10nm左右的定位。这种载物台装置用于使搭载的晶片在水平面上沿相互成直角的X方向和Y方向移动。另外，该种载物台装置可在高真空(10-4Pa)中工作，并被要求具有非磁性的特性。
微调载物台装置较多采用使用弹性铰链和压电元件的致动器(压电驱动器)(例如，参照专利文献1)。
微调载物台装置被要求较高的停止稳定性，并且为实现较高的装卸效率，而被要求在10msec～100msec内实现1μm～数μm移动量的响应性。
但是，最近在该种载物台装置中的微调载物台上搭载的负荷质量，由晶片、晶片夹头、激光干涉仪用反光镜等大致有15～25kg。但是，目前的微调载物台装置的搭载负荷大部分为5kg左右。在搭载负荷为5kg的微调载物台装置上搭载15～25kg左右的负荷时，共振频率降低，并大幅降低停止稳定性、响应性。
举例来说，当在搭载负荷为5kg的微调载物台装置上搭载15～25kg左右的负荷时，X轴方向、Y轴方向的固有频率(共振频率)成为30Hz左右，停止稳定性只能确保15～30nm左右。并且，在数μm左右的载物台响应中，直到稳定需要数100msec左右的时间。
专利文献日本专利特开平11-271479号公报。
发明内容
在此，本发明要解决的问题是提供一种微调载物台装置，即使搭载负荷超过5kg时，也能够实现较高的停止稳定性和较高的响应性。
本发明要解决的另一问题是使上述微调载物台装置具有3个或3个以上的多个自由度。
本发明要解决的再一问题是提供一种可提高振动阻尼性能的微调载物台装置。
根据本发明的第一方式，一种微调载物台装置，包括在基体上构筑的倾斜载物台、X-Y载物台，此外，上述倾斜载物台具有倾斜板，并且在上述倾斜板和上述基体之间具备至少3个转换机构，该转换机构通过第一压电驱动器和楔形段的组合，将与上述基体平行的运动转换为与上述基体垂直的Z轴方向运动；上述X-Y载物台，具有与上述倾斜板组合的X-Y板，并且，还包括至少2个第二压电驱动器，与X轴方向、Y轴方向的一方相互平行地延伸，至少以2点驱动上述X-Y板；以及第三压电驱动器，在X轴方向、Y轴方向的另一方延伸，并驱动上述X-Y板。
根据第一方式的微调载物台装置，通过将上述至少3个转换机构在同一圆周上以等角度间隔配置，使上述倾斜板可在Z轴方向、绕X周的θx轴方向、绕Y周的θy轴方向上移位；上述X-Y板可与上述倾斜板一同移位，并且，可独立于上述倾斜板在X轴方向、Y轴方向、绕Z轴的θz轴方向上移位。
而且，根据第一方式的微调载物台装置，在上述倾斜板和上述X-Y板之间的多处设置有连接铰链，该连接铰链引导该X-Y板在X-Y平面内的运动，并在与上述基体垂直的方向上呈现出强刚性。
再者，根据第一方式的微调载物台装置，在上述倾斜板和上述基体之间的多处设置有板簧，该板簧用于限制该倾斜板在X-Y平面内的运动。
另外，根据第一方式的微调载物台装置，在上述转换机构中的Z轴方向的运动部上部和上述倾斜板之间，设置有倾斜铰链。
此外，根据第一方式的微调载物台装置，上述第1压电驱动器是由相互平行延伸的2个压电驱动器元件通过双联段组合而成，其行程相加。
根据第二方式的微调载物台装置，在上述X-Y板上，还组装了用于搭载被搭载物的顶部工作台；在上述基体和上述顶部工作台之间，配置了多个具有Z轴方向阻尼作用的Z轴阻尼器。
而且，根据第二方式的微调载物台装置，在上述基体和上述X-Y板之间，在同一X-Y平面内配置了至少3个具有X轴方向、Y轴方向的阻尼作用的阻尼器。
再者，根据第二方式的微调载物台装置，上述倾斜板在中央部具有第一开口，并在该第一开口中组合了上述X-Y板，上述X-Y板具有比第一开口小的第二开口；在与上述第二开口对应的上述顶部工作台的下面，设置尺寸与上述第二开口对应的减震环；在该减震环内，通过设置在上述基体上的支座设置了比上述减震环的内径小的减震器保持架；在该减震器保持架和上述减震环之间，设置至少2个具有X轴方向阻尼作用的X轴阻尼器，使各X轴阻尼器在同轴上向相互相反的方向作用，并且，设置至少2个具有Y轴方向阻尼作用的Y轴阻尼器，使各Y轴阻尼器在同轴上向相互相反的方向作用。
根据第二方式的微调载物台装置，上述X轴阻尼器、Y轴阻尼器、Z轴阻尼器由非磁性材料形成的减震器构成，分别内置有真空用润滑脂的基油，作为阻尼用的减震器油，并且包括恢复用弹簧、活塞杆；上述X轴阻尼器、Y轴阻尼器被配置成其活塞杆的前端分别与上述减震环接触；上述Z轴阻尼器被配置成其活塞杆的前端与上述顶部工作台的下表面接触。
发明效果根据本发明第一方式，即使在可动部搭载超过5kg例如25kg的负荷时，也能够提供可实现高停止稳定性和高响应性能的6自由度微调载物台。具体地说，根据第一方式的微调载物台装置，将搭载负荷假定为25kg，通过实施强刚性的引导系统设计，在X-Y载物台部分可确保固有值150Hz(现有的5倍)。由此，停止稳定性提高到5-6nm(3σ值)。此外，数μm的阶跃响应中，实现21～35msec的稳定时间。
根据本发明的第二方式，在根据第一方式微调载物台装置的效果的基础上，还可得到以下效果。即，在现有的微调载物台装置中，几乎没有针对振动的阻尼要素，因此在不进行位置控制的状态下，直到外部干扰引起的振动阻尼需要800～1200msec左右。相对于此，根据第二方式的微调载物台装置中，通过搭载阻尼器，以现有装置所需时间的约1/10的70～115msec来阻尼振动。根据这样的效果，单步移动数μm时的稳定时间也达到15～30msec。并且，在X-Y载物台部分的停止稳定性也提高到3.5-4.5nm(3σ)。
微调载物台装置很多情况下搭载到在X-Y方向上具有较大的行程、且进行分步重复(step and repeat)运动的粗调载物台装置上。粗调载物台装置的高加速运动对于微调载物台装置来说成为干扰源。通过提高针对这种干扰的阻尼性能，可谋求高装卸效率。此外，还能大幅提高针对来自真空排气系统的振动和插板阀开闭时的振动等的稳定性。
图1是根据本发明第1实施方式的微调载物台装置的正视图。
图2是将图1的微调载物台装置从图1的线B线的高度位置观察的俯视图。
图3是将图1的微调载物台装置从图1的右方观察的侧视图。
图4是将图1的微调载物台装置从图1的线A线的高度位置观察的俯视图。
图5是将图1的微调载物台装置以图4的线I切断的正面剖视图。
图6是用于说明图1的微调载物台装置中倾斜载物台的驱动机构结构的模式图。
图7是用于说明在图6所示倾斜载物台的驱动机构上倾斜板设置方式的模式图。
图8是示出在图7中所示倾斜板与X-Y板之间组合方式的模式图。
图9是示出根据本发明第2实施方式的微调载物台装置的主要部分结构的立体图。
图10是示出图9的微调载物台装置中的Z轴驱动机构的主要部分结构例的立体图。
图11是在图10的结构上再追加Z轴驱动机构的构成要素、并与倾斜板一同示出的立体图。
图12是用于说明图9的微调载物台装置中Z轴方向的阻尼作用的部分立体图。
图13是图9的微调载物台装置的俯视图。
图14是用于说明图9的微调载物台装置中X轴方向、Y轴方向的阻尼结构的立体图。
图15是用于说明图9的微调载物台装置中X-Y载物台的导引系统的俯视图。
图16是用于说明图9的微调载物台装置中作为阻尼器使用的减震器的结构例的剖视图。
图17是用于以作为Z轴驱动机构的构成要素的Z3轴致动器为中心、说明图9的微调载物台装置的侧面剖视图。
图18是将Z1轴～Z3轴用压电驱动器和其关联要素、3个主连接铰链和2个次连接铰链、Z轴阻尼用4个减震器以及X轴、Y轴阻尼用4个减震器等的配置关系，用俯视图示出的图。
图19是X轴阻尼用、Y轴阻尼用的4个减震器的支承构造的侧面剖视图。
具体实施例方式
参照图1～图8，对根据本发明的微调载物台装置的第一实施方式进行说明。根据本实施方式的微调载物台装置可以单独使用，但通常是组合到作为粗调载物台装置的X-Y载物台装置中。X-Y载物台装置，具备在X轴方向上可动的X工作台和在Y轴方向上可动的Y工作台，也可以例如构成X工作台在Y工作台上可动的结构。当然，也可以构成Y工作台在X工作台上可动的结构。本微调载物台装置，搭载在X-Y载物台装置中的X工作台或Y工作台上。
本微调载物台装置是在基板100上构筑的Z-θx-θy轴载物台(以下称为倾斜载物台)上组合X-Y-θz轴载物台(以下称为X-Y载物台，与作为粗调载物台装置的X-Y载物台装置不同)而构成的。
首先，说明倾斜载物台。如图1、图2所示，倾斜载物台具有倾斜板201。如图4所示，倾斜板201通过在基板100上相互平行延伸配置的每组2台的共3组共6台压电驱动器(压电驱动器元件)Z1-1、Z1-2、Z2-1、Z2-2、Z3-1、Z3-2和后述的楔形段，在相对于基板100的垂直方向上(Z轴方向或上下方向)被驱动。下面，将压电驱动器Z1-1、Z1-2的组合称作Z1轴，压电驱动器Z2-1、Z2-2的组合称作Z2轴，压电驱动器Z3-1、Z3-2的组合称作Z3轴。
参照图5及作为模式图的图6、图7，对Z3轴的构造和动作进行详细说明。在基板100上设置有压电固定块223。压电驱动器Z3-2的一端固定在压电固定块223上，借助双联段(2連ステ一ジ)224与压电驱动器Z3-1连结。由此，压电驱动器Z3-2的驱动行程与压电驱动器Z3-1的驱动行程相加，以相加之后的驱动行程来驱动楔形段225。
所谓楔形段是指如众所周知的将水平方向运动转换为垂直方向运动的单元。本例中，楔形段225具备45度的正交转换机构，使得2个压电驱动器Z3-1、Z2-2的水平移位输入和楔形段225的垂直移位输出成为1对1。正交转换机构包括在上面侧具有45度倾斜面的倾斜块225-1和在下面侧具有45度倾斜面的倾斜块225-2的组合体。倾斜块225-1具有用于引导倾斜块225-2的引导部。倾斜块225-2在其倾斜面被引导部引导的状态下，可沿倾斜块225-1的倾斜面滑动。由此，当倾斜块225-1沿水平方向移位时，倾斜快225-2随之滑动而向垂直方向移位。
通过这样的楔形段225，固定在其垂直运动部的倾斜铰链226沿Z轴方向被驱动。之后，沿Z轴方向驱动固定在倾斜铰链226前部的倾斜板201。此外，倾斜板201在中心具有开口201a(参照图7)。在开口201a内组合X-Y板301(参照图2)。X-Y板301上，固定顶部工作台202(参照图5)。对于X-Y板301、顶部工作台202，在后详述。
Z1轴、Z2轴也具有与Z3轴相同的结构。即，Z1轴具有压电固定块203、双联段204、楔形段205，Z2轴具有压电固定块213、双联段214、楔形段215。尤其，Z1轴的楔形段205、Z2轴的楔形段215、Z3轴的楔形段225，分别配置在同一圆周上(图4中用点线表示)。尤其，本例中的楔形段205、215、225配置在与正三角形的顶点对应的位置，即间隔120度的角度配置。这些3轴的垂直运动部可在同一方向上移位。由此，当倾斜板201进行Z轴方向的平移运动并进行差动性的动作时，即在各轴的移位量上产生差时，倾斜板201在θx轴方向、θy轴方向进行旋转运动。在此，不言而喻，θx轴方向的旋转运动意味着绕X轴的旋转运动，θy轴方向的旋转运动意味着绕Y轴的旋转运动。此外，后述的θz轴方向的旋转运动意味着绕Z的旋转运动。
在此，利用电容传感器来计测Z轴方向的位置。电容传感器配置在位于倾斜板201上方的、作为最终可动部的顶部工作台202与基板100之间。以下，将Z1轴用电容传感器称作Z1传感器207，Z2轴用电容传感器称作Z2传感器217，Z3轴用电容传感器称作Z3传感器227。各传感器207、217、227分别设置在与楔形段205、215、225接近的位置。电容传感器的测量原理是公知的，简单说明的话，能够将Z轴方向的微小变化作为电容变化检测出来。
本实施方式中，利用这些Z1传感器207、Z2传感器217、Z3传感器227，计测作为最终可动部的顶部工作台202的高度，并根据计测结果进行顶部工作台202的位置控制(全封闭控制フルクロ一ズド制御)。
通常，在倾斜载物台中，计测从基板100到倾斜板201高度位置，并根据计测结果进行位置控制(半封闭控制セミクロ一ズド制御)。但是，在该方式中不能计测X-Y载物台移动时的Z轴方向的位置误差。这意味着不能控制顶部工作台202的Z轴方向、θx轴方向、θy轴方向的位置。但是，本方式中的Z轴方向位置计测系统的配置，可进行顶部工作台202的Z轴方向、θx轴方向、θy轴方向的位置控制。
倾斜载物台的引导系统包括在各楔形段205、215、225上安装的倾斜铰链206、216、226，以及安装在基板100和倾斜板210之间的、仅在Z轴方向可移位的板簧208、218、228(参照图4、图7)。由这些板簧208、218、228来构成仅用楔形段的引导部是不能实现的、对倾斜板201在X-Y平面内的运动进行限制的强刚性引导系统。此外，板簧208、218、228，分别借助设在基板100上的弹簧安装部208-1、218-1、228-1来设置。
下面，参照图1～图3以及作为模式图的图8来说明X-Y载物台。顶部工作台202固定在X-Y板301上。X-Y板301组装在倾斜板201中央部的开口201a中。X-Y板301可与倾斜板201一同在Z轴方向、θx轴方向、θy轴方向移位，但在X轴方向、Y轴方向以及θz轴方向上，则独立于倾斜板201可进行移位。即，X-Y板301在X轴方向上，被与X轴方向相互平行延伸的两个X1压电驱动器302、X2压电驱动器303驱动。X1压电驱动器302、X2压电驱动器303以一定间隔设置，其一端各自固定在倾斜板201上，另一端与X-Y板301连结。另一方面，X-Y板301在Y轴方向上，被沿Y轴方向延伸的1个Y压电驱动器304驱动。Y压电驱动器304的一端也固定在倾斜板201上，另一端与X-Y板301连结。
X-Y载物台的引导系统如下。X-Y平面内的引导系统中，固定在X1压电驱动器302一端的X1铰链312被固定到倾斜板201上，在X1压电驱动器302的另一端上固定的X1铰链311与X-Y板301连结。同样，固定在X2压电驱动器303一端的X2铰链314被固定到倾斜板201上，在X2压电驱动器303的另一端固定的X2铰链313与X-Y板301连结。另一方面，固定在Y压电驱动器304一端的Y铰链316被固定到倾斜板201上，在Y压电驱动器304的另一端上固定的Y铰链315与X-Y板301连结。
Z轴方向的引导系统由设置在X-Y板301和倾斜板201之间的3个主连接铰链321、322、323和2个次连接铰链324、325来实现。参照图5，对这些连接铰链的一个、例如主连接铰链321进行说明。在倾斜板201的下方垂直延伸地设置有连接铰链块321-1。在该连接铰链块321-1上，从该处向上方延伸设置有与X-Y板301连结的铰链321-2。铰链321-2具有公知的球联轴器，可使X-Y板301在X-Y平面内移位，而在Z轴方向上被支承表现出强刚性。主连接铰链322、323、次连接铰链324、325也具有完全相同的结构。再者，图8中示出了由连结铰链块322-1和铰链322-2构成的主连接铰链322。
三个主连接铰链321、322、323设置在与三角形的(在这里为等边三角形)顶点对应的位置，两个次连接铰链324、325设置在主连接铰链321的两侧。主连接铰链321～323和次连接铰链324、325，具有使X-Y板301在X-Y平面内自由移位的功能，并在Z轴方向上具有较大的刚性。由此，与现有的微调载物台装置相比，大幅提高了其刚性。
对X-Y载物台的动作进行说明。当X1压电驱动器302和X2压电驱动器303沿相同方向动作时，X-Y板301进行X轴方向平移运动。当X1压电驱动器302和X2压电驱动器303进行差动性的动作、即在移位量上产生差时，X-Y板301在θz方向上动作。另一方面，当Y压电驱动器304动作时，X-Y板301沿Y轴方向进行平移运动。
利用配置在倾斜板201和X-Y板301之间的两个电容传感器326、327(下面称作X1传感器、X2传感器)，来计测X-Y板301的X轴方向位置。利用配置在倾斜板201和X-Y板301之间的一个电容传感器328(下面称作Y传感器)，来计测X-Y板301的Y轴方向位置。根据用这些X1传感器326、X2传感器327、Y传感器328来计测的X-Y平面内的位置信息，来进行顶部工作台202的半封闭位置控制。
如上所述，顶部工作台202固定在X-Y板301上，倾斜载物台中的倾斜板201可沿Z轴方向、θx轴方向、θy轴方向移位。并且，X-Y载物台中的X-Y板301可与倾斜板201一同移位，且可独立于倾斜板201在X轴方向、Y轴方向、θz轴方向上进行移位。由此，顶部工作台202可进行6个自由度的运动(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向、θx轴方向、θy轴方向、θz轴方向)。
此外，利用安装在顶部工作台202上的、在Y轴方向上延伸设置的X反射镜325(图1)和X轴方向上延伸设置的Y反射镜326(图3)、以及激光干涉仪(未图示)，来进行X-Y载物台的位置计测(X轴方向、Y轴方向、θz轴方向)。根据由该位置计测获得的位置信息，可进行6个自由度(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向、θx轴方向、θy轴方向、θz轴方向)的全封闭控制。进一步，利用激光干涉仪还可对θx轴方向、θy轴方向计测位置，并根据该计测值，利用来自激光干涉仪的位置信息可对Z轴方向以外的所有方向进行位置控制。但是，在该情况下反射镜成大型化，且激光干涉仪的光学构件等也增加，需要考虑成本增加等问题的产生。
接着，对本发明的第二实施方式的微调载物台装置进行说明。第二实施方式的微调载物台装置，对第一实施方式的微调载物台装置进行了以下改进。
第一实施方式的微调载物台装置，在倾斜载物台部分移动行程较大，因此，不易确保压电驱动器特性中的强刚性。这是因为，第一实施方式的微调载物台装置中，为加大行程，将两个压电驱动器用双联段连结的缘故。即，双连结构的压电驱动器，作为刚性样板串联连接着两个弹簧，行程越大其驱动方向的刚性越低。
此外，第一实施方式的微调载物台装置中，为获得X-Y载物台部分的强刚性，增加了质量。因此，倾斜载物台的负荷质量增大，其结果固有值降低，响应性能降低，在数μm的阶跃响应时的稳定时间还有改善的余地。
此外，由于对振动的阻尼要素几乎不存在，所以，第一实施方式的微调载物台装置的振动阻尼性能有改善的余地。即，直到载物台移动后稳定下来是需要时间的，外部干扰引起的振动稳定为止需要时间。
在此，第二实施方式的微调载物台装置的特征是，为提高振动阻尼性能，具有与真空及非磁性对应的阻尼器。
参照图9～图19，对第二实施方式的微调载物台装置进行说明。本微调载物台装置，也可以单独使用，但通常组合到作为粗调载物台装置的X-Y载物台装置上。即，本微调载物台装置，通常也安装到X-Y载物台装置中的X工作台上或Y工作台上。
本实施方式的微调载物台装置的基本结构与第一实施方式的微调载物台装置相同，但为谋求Z轴方向的强刚性，将载物台行程从360μm变更为180μm。其结果，第一实施方式的微调载物台装置中，与通过双联段将2个Z轴驱动用压电驱动器串联连结使用的情况相比，第二实施方式中只使用一个Z轴驱动用压电驱动器即可。
本微调载物台装置的结构是在构筑于作为基体的基板100上的Z-θx-θy轴载物台(以下称作倾斜载物台)上，组合X-Y-θz轴载物台(以下称作X-Y载物台，但其与作为粗调载物台的X-Y载物台装置不同)。
首先，对倾斜载物台进行说明。如图9～图11所示，倾斜载物台具有倾斜板201。倾斜板201通过在基板100上相互平行延伸配置的3个压电驱动器(压电驱动器元件)Z1、Z2、Z3和后述的楔形段，在相对于基板100垂直的方向(Z轴方向或上下方向)上被驱动。以下，将被压电驱动器Z1在Z轴方向上驱动的轴称作Z1轴，将被压电驱动器Z2在Z轴方向上驱动的轴称作Z2轴，将被压电驱动器Z3在Z轴方向上驱动的轴称作Z3轴。
对Z3轴的结构和动作进行详细说明。在基板100上设有压电固定块130。压电驱动器Z3的一端固定在压电固定块130上，驱动楔形段135。楔形段也叫做滑动楔块，如上所述，是将水平方向运动转换为垂直方向运动的机构。楔形段135在本例中具有45度的正交转换机构，如图17所示，构成为压电驱动器Z3产生的水平移位输入和楔形段135产生的垂直移位输出成为1对1。正交转换机构包括在上面侧具有45度倾斜面的第一倾斜块135-1和在下面侧具有45度倾斜面的第二倾斜块135-2的组合体。第一倾斜块135-1具有用于引导第二倾斜块135-2的引导部。第二倾斜块135-2在其倾斜面被第一倾斜块135-1的引导部引导的状态下，可沿第一倾斜块135-1的倾斜面滑动。由此，当第一倾斜块135-1在水平方向上移位时，第二倾斜块135-2随之滑动，并仅在垂直方向上移位。此外，压电驱动器Z3被在基板100上设置的支承构件131支承。
这样的楔形段135在Z轴方向上驱动固定在其垂直运动部上的倾斜铰链137。之后，在Z1轴方向上，驱动固定在倾斜铰链137前部的倾斜板201。此外，倾斜板201在中央具有开口201a(图11)。开口201a内组合了X-Y板301(图9)。在X-Y板301上固定顶部工作台202(图13)。以后面说明X-Y板301、顶部工作台202Z1轴、Z2轴具有与Z3轴相同样的结构，但与Z3轴以一定间隔逆向延伸配置。Z1轴具有压电固定块110、楔形段115、倾斜铰链117，Z2轴具有压电固定块120、楔形段125、倾斜铰链127。Z1轴的楔形段115、Z2轴的楔形段125、Z3轴的楔形段135，分别配置在同一圆周上。尤其，在此，楔形段115、125、135配置在与正三角形的顶点对应的位置，即间隔120度的角度配置。这3个轴可在同一方向(在此为X轴方向)上移位，垂直运动部也可在同一方向(在此为Z轴方向)上移位。由此，倾斜板201在Z轴方向上进行平移运动。另一方面，当进行差动性的动作、即在Z1、Z2、Z3各轴上产生移位量的差时，倾斜板201进行θx轴方向、θy轴方向的旋转运动。如前所述，θx轴方向的旋转运动意味着绕X轴的旋转运动，θy轴方向的旋转运动意味着绕Y轴的旋转运动。后述的θz在在轴方向的旋转运动意味着绕Z轴的旋转运动。
在此，利用电容传感器来计测Z轴方向的位置。电容传感器配置在位于倾斜板201上方的、作为最终可动部的顶部工作台202与基板100之间。以下，将图9所示的Z1轴用电容传感器称作Z1传感器207，将Z2轴用电容传感器称作Z2传感器217，将Z3轴用静电传感器称作Z3传感器227。各传感器207、217、227分别设置在与楔形段115、125、135接近的位置。电容传感器的测量原理如前面所述。
本实施方式中，利用这些Z1传感器207、Z2传感器217、Z3传感器227计测作为最终可动部的顶部工作台202的高度，并根据计测结果进行顶部工作台202的位置控制(全封闭控制)。
通常，在倾斜载物台中，计测从基板100到倾斜板201的高度位置，并根据计测结果进行位置控制(半封闭控制)。但是，在该方式中不能计测X-Y板301沿X-Y方向移动时的Z轴方向的位置误差。这意味着不能控制顶部工作台202的Z轴方向、θx轴方向、θy轴方向的位置。但是，本实施方式中的Z轴方向位置计测系统的配置，可进行顶部工作台202的Z轴方向、θx轴方向、θy轴方向的位置控制。
倾斜载物台的引导系统包括在各楔形段115、125、135上安装的倾斜铰链117、127、137，以及安装在基板100和倾斜板210之间且仅在Z轴方向可移位的板簧208、218、228(参照图11，但关于208请参照图18)。由这些板簧208、218、228来构成仅用楔形段的引导部是无法实现的、限制倾斜板201在X-Y平面内运动的刚性引导系统。此外，板簧208、218、228，分别通过设在基板100上的弹簧安装部208-1(参照图18)、218-1、228-1设置。
并且，本实施方式中，如图9所示，在固定于基板100上的支承台219-1、229-1、239-1、249-1上，作为Z轴阻尼器设置了减震器219、229、239、249。各减震器具有活塞杆，如图12所示，活塞杆的前端接触顶部工作台202的下表面。在此，将四个减震器219、229、239、249设置在与顶部工作台202的外缘接近的位置，尤其，在与楔形段135接近的位置设置两个。这是考虑到平衡而设置的，减震器至少配置3个为好，根据情况也可以设置5个以上。
如上所述，减震器219、229、239、249的活塞杆前端接触顶部工作台202的下表面。通过这样的配置，当顶部工作台202在θx轴、θy轴方向旋转的情况下，必然有两个以上的减震器处于被推压的状态，得到减震器产生的有效的阻尼作用。
对于顶部工作台202的Z轴方向运动，下方的所有减震器219、229、239、249都发挥阻尼性能。此外，当顶部工作台202在水平状态下向上方运动的时候，不能期待有效的阻尼。但是，顶部工作台202不会在完全水平的状态下沿Z轴方向运动，一定伴随θx轴、θy轴方向的动作。因此，实际上，顶部工作台202无论在Z轴方向、θx轴方向、θy轴方向的任意方向运动，均可得到有效的阻尼作用。
接着，参照图13说明X-Y载物台。顶部工作台202固定在X-Y板301的上面侧。如图13所示，X-Y板301被装入到倾斜板201中央的开口201a中。X-Y板301可与倾斜板201一同在Z轴方向、θx轴方向、θy轴方向上移位，但在X轴方向、Y轴方向、θz轴方向上可独立于倾斜板201进行移位。即，X-Y板301在X轴方向上、被在X轴方向上相互平行延伸的两个X1压电驱动器302、X2压电驱动器303驱动。如图9所示，X1压电驱动器302、X2压电驱动器303以一定间隔设置，其一端分别通过安装板302-1、303-1被固定在倾斜板201上，另一端与X-Y板301连结。另一方面，X-Y板301在Y轴方向上、被在Y轴方向上延伸的一个Y压电驱动器304驱动。Y压电驱动器304的一端也通过安装板304-1被固定在倾斜板201上，另一端与X-Y板301连结。
X-Y载物台的引导系统如下。如图15所示，X-Y平面内的引导系统中，固定在X1压电驱动器302一端的X1铰链312被固定到安装板302-1上，固定在X1压电驱动器302另一端的X1铰链3 11与X-Y板301连结。同样，固定在X2压电驱动器303一端的X2铰链314(未图示)被固定到安装板303-1上，固定在X2压电驱动器303的另一端上的X2铰链313(未图示)与X-Y板301连结。另一方面，固定在Y压电驱动器304一端的Y铰链316(未图示)被固定到安装板304-1上，固定在Y压电驱动器304另一端上的Y铰链315(未图示)与X-Y板301连结。
如图13所示，Z轴方向的引导系统由设置在X-Y板301和倾斜板201之间的3个主连接铰链321、322、323和2个次连接铰链324、325来实现。参照图17，对这些连接铰链的一个、例如主连接铰链321进行说明。在倾斜板201的下方垂直延伸地设置有连接铰链块321-1。在该连接铰链块321-1上，从该处向上方延伸设置有与X-Y板301连结的铰链321-2。铰链321-2具有公知的球联轴器，可使X-Y板301在X-Y平面内移位，而在Z轴方向上被支承为表现强刚性。主连接铰链322、323、次连接铰链324、325也具有完全相同的结构。再者，图17中只示出了说明所需的构成要素。此外，图9中示出了由连接铰链块322-1和铰链322-2构成的主连接铰链322。
如图13所示，三个主连接铰链321、322、323设置在与三角形的(在这里为等边三角形)顶点对应的位置，两个次连接铰链324、325设置在主连接铰链321的两侧。主连接铰链321～323和次连接铰链324、325，具有使X-Y板301在X-Y平面内自由移位的功能，并在Z轴方向上具有较大的刚性。由此，与现有的微调载物台装置相比，大幅提高了其刚性。
对X-Y载物台的动作进行说明。当X1压电驱动器302和X2压电驱动器303沿相同方向动作时，X-Y板301进行X轴方向的平移运动。当X1压电驱动器302和X2压电驱动器303进行差动性的动作、即在移位量上产生差时，X-Y板301在θz方向上动作。另一方面，当Y压电驱动器304动作时，X-Y板301沿Y轴方向进行平移运动。
参照图13，利用配置在倾斜板201和X-Y板301之间的两个电容传感器326、327(下面称作X1传感器、X2传感器)，来计测X-Y板301的X轴方向位置。利用配置在倾斜板201和X-Y板301之间的一个电容传感器328(下面称作Y传感器)，来计测X-Y板301的Y轴方向位置。根据用这些X1传感器326、X2传感器327、Y传感器328计测的X-Y平面内的位置信息，来进行顶部工作台202的半封闭控制。
下面，在图13的基础上，再参照图14，对X轴方向、Y轴方向的阻尼器进行说明。在基板100上隔着间隔固定配置有两个支座251、252。在这些支座251、252上固定有四边形的框状减震器保持架260。将支座251、252隔着间隔配置是为了在其间通过压电驱动器Z3。另一方面，X-Y板301在中央具有开口301a(参照图9)。在与开口301a对应的顶板202上，也设有开口202a(图13)。在开口202a的内壁上安装有减震环270，该减震环270具有比开口202a小、但比减震器保持架260大的内径。在减震器保持架260上，在X轴方向的同轴上以相互相反的方向安装有两个减震器262、262，作为X轴方向阻尼器。在减震器保持架260上，在Y轴方向的同轴上以相互相反的方向还安装有两个减震器263、264，作为Y轴方向阻尼器。各减震器261～264的活塞杆与减震环270的内径面接触。
在同一X-Y平面内，通过配置如上所述的4个减震器261～264，在顶部工作台202在X轴方向、Y轴方向上运动的情况下，肯定有一个或一个以上的减震器处于被推压的状态，获得有效的阻尼。此外，对于顶部工作台202的θz轴方向的旋转运动，由于减震器保持架260的中心和负荷(顶部工作台、反射镜等可动部的负荷)重心不一致，因此，在与减震器261～264之间的接触点上作用为平移移位，形成发挥阻尼性能的配置及结构。
此外，对于X轴方向、Y轴方向的阻尼器，至少配置3个即可。即，上述例中是以90度的角度间隔、在同一平面内配置了4个减震器。但是，即使在同一平面内配置(最好以120度的角度间隔)3个的情况下，也可以发挥与X轴方向、Y轴方向相关的阻尼性能。
减震器219、229、239、249、261～264全部使用相同的装置。市面上销售着一般被称作缓冲装置(shock absorber)的各种结构类型的减震器。图16示出其中一例。
在图16中，401为活塞杆，402为套管，403为塞子，404为储压器，405为弹簧，406为油，407为活塞杆环，408为垫圈，409为杆密封件，410为圆环，411为小螺钉，412为六角螺母。通常将该种减震器作为缓冲装置来使用时，活塞杆的前端被刚性地固定在被阻尼构件上。但是，本发明中的特征是，未将活塞杆的前端刚性固定。
本发明中，为对付真空、非磁性环境，使用钛、磷青铜、铍铜等非磁性材料作为结构用材质。此外，阻尼用油使用真空用润滑脂的基油。由此，无需用波纹管进行真空密封等的结构变更，即能够以最小的成本实现真空.非磁性对应。
为参考起见，图18中，以俯视图示出了Z1轴～Z3轴压电驱动器Z1～Z3及其关联构件、主连接铰链321～323以及次连接铰链324、325，以及减震器219、229、239、249及减震器261～264等的配置关系。此外，图19中以侧面剖视图示出减震器261～264的支承结构。但是，图18、图19中示出的各构件，不一定与图9至图17中示出的各构件对应。也可以不设置顶部工作台202的开口202a。
如上所述，顶部工作台202固定在X-Y板301上，倾斜载物台中的倾斜板201可在Z轴方向、θx轴方向、θy轴方向上移位。而且，X-Y载物台中的X-Y板301可与倾斜板201一同移位，并且，可独立于倾斜板201在X轴方向、Y轴方向、θz轴方向上移位。由此，顶部工作台202可进行6个自由度(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向、θx轴方向、θy轴方向、θz轴方向)的运动。
再者，利用安装在顶部工作台202上、且在Y轴方向上延伸设置的X反射镜331和X轴方向上延伸设置的Y反射镜332(参照图13)，以及激光干涉仪(未图示)，来进行X-Y载物台的位置计测(X轴方向、Y轴方向、θz轴方向)。根据该位置计测获得的位置信息，可进行6个自由度(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向、θx轴方向、θy轴方向、θz轴方向)的全封闭控制。而且，利用激光干涉仪还可对θx轴方向、θy轴方向计测位置，并根据该计测值，利用来自激光干涉仪的位置信息可对Z轴方向以外的所有方向进行位置控制。但是，在该情况下，反射镜成大型化，且激光干涉仪的光学构件等也增加，需要考虑产生成本增加等问题。
以上，对本发明的两个实施方式进行了说明，上述各构成要素由非磁性材料制造。此外，上述的微调载物台装置，如前所述，适合与粗调载物台装置一同配置在10-4Pa左右真空度的真空容器内使用，但不言而喻，当然可以在大气中使用。即，本发明的微调载物台装置的动作环境不限定于真空环境下，在大气、N2等气体介质中也能够动作。因此，本发明的微调载物台装置的应用领域，也可使用于半导体制造装置、液晶制造装置中，并且可全面适用于激光加工机、工作机械等需要微小范围的高精度定位的载物台装置中。
权利要求
1.一种微调载物台装置，包括在基体上构筑的倾斜载物台、X-Y载物台，其特征在于，上述倾斜载物台具有倾斜板，并且在上述倾斜板和上述基体之间具备至少3个转换机构，该转换机构通过第一压电驱动器和楔形段的组合，将与上述基体平行的运动转换为与上述基体垂直的Z轴方向运动；上述X-Y载物台，具有与上述倾斜板组合的X-Y板，并且，还包括至少2个第二压电驱动器，与X轴方向、Y轴方向的一方相互平行地延伸，至少以2点驱动上述X-Y板；以及第三压电驱动器，在X轴方向、Y轴方向的另一方延伸，并驱动上述X-Y板。
2.根据权利要求1所述的微调载物台装置，其特征在于，通过将上述至少3个转换机构在同一圆周上以等角度间隔配置，使上述倾斜板可在Z轴方向、绕X周的θx轴方向、绕Y周的θy轴方向上移位；上述X-Y板可与上述倾斜板一同移位，并且，可独立于上述倾斜板在X轴方向、Y轴方向、绕Z轴的θz轴方向上移位。
3.根据权利要求1或2所述的微调载物台装置，其特征在于，在上述倾斜板和上述X-Y板之间的多处设置有连接铰链，该连接铰链引导该X-Y板在X-Y平面内的运动，并在与上述基体垂直的方向上呈现出强刚性。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的微调载物台装置，其特征在于，在上述倾斜板和上述基体之间的多处设置有板簧，该板簧用于限制该倾斜板在X-Y平面内的运动。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的微调载物台装置，其特征在于，在上述转换机构中的Z轴方向的运动部上部和上述倾斜板之间，设置有倾斜铰链。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的微调载物台装置，其特征在于，上述第1压电驱动器是由相互平行延伸的2个压电驱动器元件通过双联段组合而成，其行程相加。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的微调载物台装置，其特征在于，在上述X-Y板上，还组装了用于搭载被搭载物的顶部工作台；在上述基体和上述顶部工作台之间，配置了多个具有Z轴方向阻尼作用的Z轴阻尼器。
8.根据权利要求7所述的微调载物台装置，其特征在于，在上述基体和上述X-Y板之间，在同一X-Y平面内配置了至少3个具有X轴方向、Y轴方向的阻尼作用的阻尼器。
9.根据权利要求7所述的微调载物台装置，其特征在于，上述倾斜板在中央部具有第一开口，并在该第一开口中组合了上述X-Y板，上述X-Y板具有比第一开口小的第二开口；在与上述第二开口对应的上述顶部工作台的下面，设置尺寸与上述第二开口对应的减震环；在该减震环内，通过设置在上述基体上的支座设置了比上述减震环的内径小的减震器保持架；在该减震器保持架和上述减震环之间，设置至少2个具有X轴方向阻尼作用的X轴阻尼器，使各X轴阻尼器在同轴上向相互相反的方向作用，并且，设置至少2个具有Y轴方向阻尼作用的Y轴阻尼器，使各Y轴阻尼器在同轴上向相互相反的方向作用。
10.根据权利要求9所述的微调载物台装置，其特征在于，上述X轴阻尼器、Y轴阻尼器、Z轴阻尼器由非磁性材料形成的减震器构成，分别内置有真空用润滑脂的基油，作为阻尼用的减震器油，并且包括恢复用弹簧、活塞杆；上述X轴阻尼器、Y轴阻尼器被配置成其活塞杆的前端分别与上述减震环接触；上述Z轴阻尼器被配置成其活塞杆的前端与上述顶部工作台的下表面接触。
全文摘要
本发明提供一种微调载物台装置，即使在搭载负荷超过5kg时，也能够实现高停止稳定性和高响应性。微调载物台装置包括在基体(100)上构筑的倾斜载物台、X－Y载物台。倾斜载物台具有倾斜板(201)，并且在倾斜板和基体之间具备至少3个转换机构，该转换机构通过第一压电驱动器(Z1－1、Z2－2)和楔形段(215)的组合，将与基体平行的运动转换为与基体垂直的Z轴方向运动。X－Y载物台，具有与倾斜板组合的X－Y板(301)，并且，还包括至少2个第二压电驱动器(302、303)，与X轴方向、Y轴方向的一方相互平行地延伸，至少以2点驱动上述X－Y板；以及第三压电驱动器(304)，在X轴方向、Y轴方向的另一方延伸，并驱动上述X－Y板。
文档编号G12B5/00GK1534689SQ20041003195
公开日2004年10月6日 申请日期2004年3月31日 优先权日2003年3月31日
发明者堀内雅彦, 富田良幸, 幸 申请人:住友重机械工业株式会社