X-Y- θステージ

F-1 機において最も重要な構成要素はX-Y-θステージである．本ステージは，高精度かつ 大ストローク（200 mm），高耐荷重，高真空対応といった両立し難い性能を兼ね備えてい ることを特徴としている．本要求を実現させるための装置構成として，Fig. 3-13に示す粗・

微動連動制御を適用した位置決めシステムを採用した．高剛性，大ストロークといった優 れた性能を持ちながらも，精度が粗い粗動ステージの上に，小ストロークながら高精度な 微動ステージを載せた，いわゆる親子亀構成である．制御対象の位置を次節で述べるレー ザ干渉測長器によって常にモニタリングしながら，ステージ位置指令に対するレーザ干渉 測長器変位信号の偏差分だけ微動ステージを駆動する[1]．すなわち，レーザ干渉測長器の 座標計測値をステージ位置座標の正とする．微動ステージは，案内にヒンジばね（弾性案 内），アクチュエータに圧電素子を用い，高精度位置決め性と高剛性を実現している．更に，

荷重1 tonが印加されることから，あらゆる角度から応力・変形解析を実施し，また高真空

対応を実現するために材質の見直しとして低ガス放出材の選定・採用，これらすべてを考 慮しながら位置決めステージの設計を行った．総合的な位置決め精度の目標を 50 nmとし た．

粗動X-Yステージの仕様をTable 3-3に，微動X-Yステージの仕様をTable 3-4に，θス テージの仕様をTable 3-5にそれぞれ示す．また微動X-Yステージの写真をFig. 3-14に，

プロセスチャンバ内において粗動X-Yステージ上に微動X-Yステージを取り付けた状態の 写真をFig. 3-15に，それぞれ示す．

Fig. 3-13 Fine stage on coarse stage

測長器

測長器

概略位置で静止 粗動ステージ

微動ステージ

位置決め対象 レーザ光

粗動の誤差を補正 測長器

指令位置に移動 静止

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Table 3-3 Specifications of coarse X-Y stage 項 目 仕 様 ストローク X軸 200 mm

Y軸 200 mm

最高速度 50 mm/s

位置決め分解能 0.1 µm 繰返し位置決め精度 ±3 µm ピッチング 4 arcsec ヨーイング 4 arcsec

XY軸直角度 5 µm

耐荷重 1,000 kgf

Table 3-4 Specifications of fine X-Y stage

項 目 仕 様

ストローク X軸 20 µm

Y軸 20 µm

応答周波数 100 Hz 位置決め分解能 5 nm アクチュエータ ピエゾ方式

駆動 X：1軸

Y：2軸（ヨーイング補正）

案内機構 弾性ばね（切り欠きヒンジ）

耐荷重 1,000 kgf

Table 3-5 Specifications of θ stage

項 目 仕 様

ストローク ±5 °

最高速度 0.28 °/s（1 mm/s）

位置決め分解能 0.1 arcsec（0.1 µm） 繰返し位置決め精度 ±1 arcsec（±1 µm）

軸受軸方向剛性 670 N/µm 静止時耐荷重 1,000 kgf

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Fig. 3-14 Fine X-Y stage

Fig. 3-15 Fine X-Y stage on Coarse X-Y stage in process chamber

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次に粗微動連動制御 X-Y ステージの位置決め繰返し性を評価するため，ステージ指令値 10 mm，速度5 mm/s，真空度10^-6 Pa台の雰囲気で，50回のステップ応答駆動させた．ス テージ位置の計測は装置に常設のレーザ干渉測長器の信号を用いた．Fig. 3-16にX，Y軸 各々について，位置決め誤差発生頻度の分布をヒストグラム表示したものを示す．これよ り，繰返し位置決め精度は，平均値周りのばらつきの程度を表す指数 3σ（3 標準偏差）で 表せ，ステージX，Y軸はそれぞれ，3 σ x= 26.2 nm，3 σ y= 25.7 nmとなり（二乗和の平 方根は37 nm），要求仕様の50 nmを達成した．

(a) X axis (b) Y axis

Fig. 3-16 Positioning error of X-Y stage