JPS59129636A - ６自由度を有するステ−ジの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、精密な位置制御および姿勢制御を行なうステ
ージの制御装置に関するもので、立体的に設定した３軸
方向の平行移動と、該３軸回ジの回動との６自由度ン有
する制御装置に関するものである。この発明は、特、に
投洋式つェハ蕗元装置のウェハ搭載位置ぎめ機構として
好適であるが、その他に広く精密加工、精密測定等に適
用し得る。

〔従来技術〕

上に述べた６自由度を有する制御装置は、ウェハ表面に
マ゛°スク・ぞターンを焼付ける投影式露光装置にも用
いられる。同装置の操作手順においては、まず、マスク
パターンを投影光学系によってウェハ表面に投影結像さ
せる必要がある。投影光学系に要求される高解像度のマ
スクパターン乞結像する範囲は投影光学系の焦点面近傍
の範囲で、焦点面から離れるに従い急速に結像状態は劣
化する。

実用上、ウェハ表面の投影光学系の焦点面からのずれ量
の許容値は±６μｍであり、安定した解像度乞得るには
、ウェハ表面乞投影光学系の焦点面に高精度に位置決め
することが要求される。上記の位置ぎめ（°焦点合わせ
）の後、マスクパターンとウェハ表面に形成されている
パターンとを、ウェハを移動して高精度（±０．２５μ
ｍ）に１ね合せることが要求される。したがって、ウェ
ハ搭載装置には総計して６自由度となる位置制御機能が
必要である。

上記の６自由度の制御は、通常の場合、水平な直交２軸
Ｘ、Ｙと、垂直軸Ｚとを設定し、これら３軸方向の平行
動と３軸回りの回動とについて行なわれ、これによって
３次元空間内における剛体の位置と姿勢とが確定される
。しかし、上記の３軸は水平、垂直な直交３軸に限定さ
れるものではなく、斜交する３軸を設定して６自由度制
御を行なうことも可能である。

第１図に、従来の１：１反射投影式露光装置の概要的な
正面図を示す。

石定盤１は高精度に仕上げられていて、スレッド２は石
定盤１上を左右に高精度（±０．０８μｍ）の直線運動
を行う。スレッド２上にはウエノ１搭載装置３およびマ
スク搭載装置５が設けられ、それぞれウェハ４およびマ
スク６を搭載できるようになっている。石定盤１上には
、さらに、反射投影光学系７およびアライメントスコー
プ８が固定され、反射投影光学系７下部には高さ基準板
９が固定されている。石定盤１下方に低置している照明
光学系（図省略）により円弧スリット状に照明されるマ
スク６のマスクツやターンは、反射投影光学系７によっ
てウェハ４表面に投影結像され、スレッド２欠左右に走
行させることで、ウェハ４表面全面にマスクツヤ°ター
ン？走査露光できるようになっている。アライメントス
コープ８はウェハ４上の合せマークとマスクパターン内
の合せマークの重ね合せ状態を検出できる機能がある。

上に述べたウェハ搭載装置３の拡大断面図を第２図に示
−ｊｏ　ウェハ搭載装置のペース１１は前述のスレッド
２に固定されていて、このウェハ搭載装置ペース１１の
上に鋼球１６ヲ介してＸＹステージ１２が置かれている
。上記のＸＹステージ１２はペース１］の上面に沿った
水平面内で自由に動くことができ、２自由度を有してい
る。そしてこのＸＹステージ１２は送゛り機構（図示省
略）に、ｌ：り±３ｍｍの範囲でその位置をスレッド走
行方向（Ｙ方向）と、水平面内でこれと直交する方向（
Ｘ方向）に制御　　・されるようになっている。このＸ
Ｙステージ１２には玉軸受１７Ｙ介してθステージ１３
が回転可能に設けられ、さらにこのθステージＢに上下
軸１４が設けられている。この上下軸１４は、ナツト１
９．送りネジ１８．及ｉ、ｔ”ルスモータ加により上下
に駆動される構造で、２ステージとして作用する部材で
ある。この２ステージである上下軸１４はθステージ１
３に対して回動じないように係止され、上下摺動自在に
支承されている。

この上下軸１４の上部には、ウニ／１搭載台１５が置−
かれ、上下軸１４上端の円錐状のくぼみと、ウェハ搭載
台１５の下部球面座とをがん合させ、ウェハ搭載台１５
の傾斜が自由に行なえるようになっている。

このように従来のウェハ搭載装置は、スレッド上に固定
されたウェハ搭載装置ペース１】上に、ＸＹステージ１
２を設け、このＸＹステージ１２によってθステー・ゾ
１３が支持され、θステージ１３によって上下軸１４お
よびウェハ搭載台１５ならひにウエノＡ４が支持された
三重構造となっていた。

つづいて、この従来のウエノ１搭載装置の動作について
説明する。まず、第２図の状態において、ウェハ４ケウ
工ハ搭載台λ５に吸着孔２２乞用いて真空吸着する。つ
づいて上下軸１４ケ上昇させ、高さ基準板９のパッド１
０にウェハ４表面を押し当てるＯスルト、ウェハ搭載台
１５はパッド１０からの反力テ傾斜を修正されて水平姿
勢になる。上記のノン゛ソド１０はウェハ４の中心を重
心とする正三角形の頂点に配置され、反射投影式光学系
７の焦点面に対して規定高さく０．５ｍｍ）だけ正確に
高Ｘ、）位置に設けられているので、ウニ／１４表面は
反射投影光学系７の焦点面よりも上記の規定高さだけ高
（・位置に高さと傾きが位置決めされる。この状態で真
空室２１ヲ真空としてウエノ１搭載台１５ケ上下軸１４
に吸着固定し、さらに上下軸１４ヲウエノＸ４およヒウ
エノ１搭載台１５とともに上記の規定高さだけ下降させ
、ウェハ表面を反射投影光学系７の焦点深度内に平行移
動させていた。

上述の操作の後、ＸＹステージ１２を移動させたりθス
テージ１３を回動させたすして、ウエノ１４上に設けた
合わせマークとマスクツ２ターンの合わせマークと乞一
致させる。この状態で、スレ゛ソド２娑一旦往き側に移
動させ、その後復路を一定速度で戻る間にウェハ４の表
面全体にマスクツぞターン乞露光させ、マスクパターン
をウェハ４表面上に焼付けていた。このため以下に示す
欠点が有った。

１、　ウェハ４の表面ヲノセツド１０に押し当てて反射
投影光学系７の焦点面に対して平行度ケ出した後、上下
軸１４（ｚステージ）、θステージ１３およびＸＹステ
ージ１２の３ケ所において移動もしくは回転が行なわれ
るため、この３ケ所のステージの機械的な狂いによる上
下動ならびに傾きが重畳してウェハ４表面の、反射投影
光学系７の焦点面に対する平行度および高さの位置決め
精度を損ねやすい。

２、ウェハ搭載装置ベース１１上に、ＸＹステージ１２
、θステージ１３および２ステージ１４を設け、その上
にウェハ搭載台１５ヲ置いているため、ウェハ搭載装置
ベース１】からウェハ搭載台１５に対する総合的な位置
決め剛性が低く、ウェハ搭載台１５の位置安定性が悪い
。

３、ＸＹステージ１２はθステージ１３、上下軸１４、
及びこれらの駆動手段ビ搭載しているので、このＸＹス
テージ１２の全体重量が大きい。従ってＸＹステージ１
２の全体重量が大きい。従ってＸＹステージの送り機構
はこれ、らの全体重量を担持したＸＹステージ１２を駆
動制御しなければならす、微動送りの制御性７低下させ
ている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ステージの６自由度をそれぞれ高精度
で制御することができ、位置ぎめ剛性が高く、しかも制
御性のよいステージ制御装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明においては、前述した従来装置の不具合及びその
原因解析に基づき、ステージを駆動制御する６組の送り
装置を設け、これら６組の送り装置がそれぞれ互いに干
渉することなく、直接的にステージを制御し得る構成を
創作したものである。

本発明は上記の原理に基づいて前記の目的を達成するた
め、Ｘ方向に設けた１組の送り機構と、　　　　゛Ｙ方
向に設けた２組の送り機構と、Ｚ方向に設けた３組の送
り機構とを有し、かつ、上記６組の送ジ機構のそれぞれ
とステージとの間に、轟該送り機構の送り方向の力のみ
を伝達して送り方向以外の動きを許容する伝動部材を介
装し、前記６組の送り機構がそれぞれ独立してステージ
奢直接的に駆動し得るように構成したことを特徴とする
。

〔発明の実施例〕

次に、本発明の一実施例の概要を第３図及び第４図につ
いて説明する。

第３図は本発明のステージ制御装置の垂直断面図、第４
図は同平面図である。

本実施例は、ウェハ４を吸着保持したステージ４２につ
いて水平な直交２軸Ｘ、Ｙおよび垂直軸２方向の位置制
御、並びに上記３軸回りの回動姿勢制御を行なうように
構成したものであるが、本発明を実施する場合、直交３
軸に限らず任意方向の３軸に関する制御を行なうように
構成することもできる。

４］ハウエバ搭載装置のベースである。このベース４】
に１組のＸ方向送り機構を構成するための１個のパルス
モータ４６．２組のＹ方向送ジ機構を構成するための２
個のパルスモータ６０（第４図）、及び３組の２方向送
り機構を構成するための３個のパルスモータ５２（第３
図）ｙ！′固定する。これらのパルスモータ４６　、６
０　、５２の軸に、それぞれ送９ネジ４５．５９　、５
１ヲ置着する。上記の送すネ−）４５゜５９　、５１に
それぞれ螺合するナツト部材４４　、５８　、５０を、
ウェハ搭載装置ベース４１　Ｋ対する回動を係止して軸
方向摺動自在に嵌合する。

本実施例は以上のようにしてＸ方向に設けた１組の送り
機構と、Ｙ方向に設けた２組の送り機構と、２方向に設
けた３組の送り機構とを構成しである。

ステージ４２の上面に真空吸着用の空洞部５５を設けて
ウェハ搭載機能を持たせる。このステージ４２の自重は
、第５図について後述する浮遊パッド４９及び鋼球４８
ヲ介して３個のナツト部材（資）で支承する。５３は上
記の自重を付勢しているバネである。

上記のステージ４２Ｙ、Ｘ方向に設けたバネ４７に、Ｊ
：＃）、第５図について後に詳述する浮遊ｉ９ツド４３
を介してナツト部材４４に押しつけて、Ｘ方向の位置ぎ
めがなされる。同様に、Ｙ方向に設けたバネ６１により
後述の浮遊・ぐラド５７を介してナツト部材５８に押し
つけてＹ方向の位置ぎめがなされる。

反射投影式光学系７の底面に９個の静電容量型近接セン
サ５４を固定してウェハ４の表面位置を検出し、該ウェ
ハ４の上面と上記光学系７の焦点面との偏差を高精度（
±０．２μｍ）で非接触的に検出できるように構成する
。第４図においてウェハ４の面上に示した９個のＸ印５
６は上記センサ５４の検出点を表わしている。

前述の浮遊パッド４９　、４３の詳細を第５図について
説明する。このＷ［面にはＹ方向の送り装置に設けた浮
遊パッド５７が現われていないが、本図に示したＸ方向
の送り装置の浮遊パッド４３と同様の構成部材である。

この浮遊・やラド４３は、その左端の球面をナツト４４
の球面座に保持され、右端の平面をステージ４２の側面
に当接せしめて送り機構の送ジ量をステージ４２に伝達
している。さらに、浮動ノソツド４３の両端の球面と平
面は空気軸受となっているので、ステージ４２の上下動
、前後進、Ｘ、Ｙ。

ｚ＃１回りの傾きの抵抗とならない。したがって、浮動
）七ツド４３は、他の送り機構によるステージの移動の
抵抗とはならない自由度を有すると同時に、対応するＸ
軸方向の送り量を伝達プ゛ることかできる。

Ｚ方向送り機構のナツト部材５０の上面は反射投影光学
系７の焦点面に対し精密に平行となるように作られてい
る。このナツト部材５０の上面に当接する浮遊パッド４
９の下面は空気軸受となっていて、該浮遊パッド４９は
ナット５０上面上をほとんど抵抗なく水平運動できる上
に、鋼球４８の径は十分に小さく、鋼球４８とステージ
４２あるいは浮遊パッド４９０円すい面との摩擦力はほ
とんど無視できる。したがって、鋼球４８と浮遊パッド
４９は、２方向の送り量をステージ４２に伝達すると同
時に、他の送り機構によるステージ４２の水平面内の動
きおよび傾斜の抵抗とならない。６２は浮遊・七ツド４
３　、４９に空気乞供給するチューブである。

本実施例は以上のようにして、６組の送り機構のナツト
部材のそれぞれと、ステージ４２との間に、各送り機構
の送り方向の力のみを伝達し、送り方向以外の１ＩｉＩ
Ｉき乞許容する伝動部拐を介装して、前記６組の送り機
構がそれぞれ独立してステージ４２を駆動し得るように
構成しである。

次に、上述のように構成したステージ制御装置の使用方
法について説明する。本実施例は自動制御装置（図示せ
ず）を設けてセンサや作動機器を電気的に自動操作して
次のように作動せしめる。

まず、ウェハ４はステージ４２上面に真空吸着される。

つついて、静電容量型近接センサー５４によジウエハ４
表面に非接触で該表面の、反射投影光学系７の焦点面か
らのずれ量が、格子状に配された９点の検出点５６につ
いて検出される。その後、この９点のずれ量から、ウエ
ノ１４の表面の近似平面と、反射投影光学系７０伴点面
との間のずれと傾キを求める。つづいて、３個の７ヤル
スモーク５２を回転させてナツト部材５０ヲ適宜上下さ
ぞ、ステージ４２馨上下動および傾斜させて前記のずれ
と傾きを補正する。このとき、浮動・七゛ソド４３，５
’Ｎま前述のように、その両端の、球面および平面を空
気軸受面としているので、ステージ４２の上下動および
傾きの抵抗とならず、また、鋼球４８も径が十分小さい
ため、ステージ４２の傾きの抵抗とはならない。

その後、再度センサー５４によりウェハ４表面の、焦点
面からのずれ量が検出され、ウェハ４表面の近似平面が
十分高精度に該焦点面に一致していることを確認する動
作が行なわれる。ここで、もしウェハ４表面の近似平面
が該焦点面に一致していない場合、再度ステージ４２の
高さおよび傾きの補正ならびにずれ量検出が繰返される
。以上のように、ウェハ４は、その近似平面が反射投影
式光学系７の焦点面に一致するように、高さ及び傾きを
位置ぎめされる。即ち、Ｚ軸方向の平行移動の位置と、
Ｘ、Ｙ軸回りの回動姿勢との３自由度が位置ぎめされる
。このとき、３個の鋼球４８の中心点によって決められ
る平面はウェハ４表面の傾きを補正する補正平面となる
。

つづいて、ウェハ４上に設けた合せマークとマスクツ９
ターン内の合せマークラ、ハルスモータ４６゜６０によ
りナツト部材４４　、５８　’Ｙ適宜送って一致させる
動作が行なわれる。このとき、浮動パッド４９はその下
面乞空気軸受面としているのでステージ４２移動の抵抗
とはならず、浮遊ノ９ツド４３　、５７も両端の球面お
まひ平面ケ空気軸受面としているためステージ４２の移
動１回転の抵抗とはならない。また、ステージ４２を支
えている鋼球４８ば、浮遊パッド４９あるいはステージ
４２０円錐面と揺動、或いは回転することなく、固定の
状態でステージ４２と共に浮遊・ゼット４９に支持され
て、反射投影光学系７の焦点面と精密に平行なナット部
材５０上面を移動する。

この場合、１！ｉ密に負えばナツト部材５０の上面と焦
点面との平行度の狂いによって上下方向の狂いを生じる
が、本実施例のようにナツト部材刃の上面ケ高精度で焦
点面と平行に仕上げてふ−くと、サブミクロンオーダー
の位置ぎめについても上記の上下方向の狂いは無視する
ことができる程度に微小である。

このようにして、１組の送り機構を構成しているパルス
モータ４６によるステージ４２のＸ方向の位置ぎめと、
２組の送り機構乞構成しギいる２個のノ４ルスモータ６
０の同期回転によるステージ４２のＹ方向位置ぎめとが
行なわれる。そして、この操作と併行して上記２個のパ
ルスモータ６０の差動によジステージ乾の２軸回りの回
動が行なわれる。

以上説明゛したように、６組の送！ｌ１機構がそれぞれ
独立に、かつ直接的にステージ４２ヲ押動して６自由度
の制御を行なうので位置ぎめ剛性が高い。

！＊、スｙ−シ４２は送ジ機構を担持していないので軽
量であり、従って制御性を妨げない。

その上、本実施例はウェハ表面に対して非接触的に位置
検出を行１でうので、ウェハ表面を傷っけたり汚損した
りする虞れが無い。

第５図の実施例１において、水平方向の位置決めに鋼球
４８と浮遊パッド４９から成る伝達機構を用い、垂直方
向に浮遊パッド４３から成る伝達機構を用いでも前述の
効果と全く同じ効果が得られる。

第６図は上記と異なる実施例を示す垂直断面図で、ステ
ージ４２に固定された軸６３をガイドとして、　　　゛
ボールブツシュ６４は該軸方向に転勤可能となっている
。さらに、ボールブツシュ６４には外周を球面としたフ
ォロアー６５が組合され、ナツト部材刃らの送り量を伝
達すると共に、上下動２前後進。

回動、傾斜（２方向）の５つのステージ４２の動きの抵
抗とならない自由度を有する伝達機構夕構成している。

マタ、ボールブツシュ６４とフォロアー６５の組合せを
用いる代りに、軸方向の直接運動と軸の回りの回転運動
が可能な軸受構成のフォロアー７用いても同一の効果が
得られる。

またｉｅラッド７および環状のボール列６８ならひに傾
斜パッド６９は、前記実施例における空気軸受付きの浮
遊パッド４９を環状のビール列手段６８で置き換えたも
ので、上記の空気軸受付浮遊・ぐラドと同様の自由度を
有する伝達機構を構成するのは明白であり、前例と同様
の作用、効果がある。

第７図は更に異なる実施例を示す。本実施例はステージ
４２に同定した軸７２の中央部に球面座７２ａを形成し
てフォロアー７３を傾動２回動自在に支承して、上側に
おけるボールブツシュ６４と同様に上下方向の相対運動
をフリーにしである。本例においても７オロアー７３の
外周を球面に形成する。

また、本実施例は２方向の送り機構として柱状ピエゾ素
子７５ヲ用い、両端の金具７４を介してステージ４２と
調整ネジ７６との間に介装しである。このように構成°
しても、柱状ピエゾ素子７５ば、２方向以外の動きを許
容し、かつ、その印字電圧に比例した伸縮をして２方向
の送り機能を果たすので、前記の実施例と同様に作用す
る。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く、本発明のステージ制御装置は、Ｘ方
向に設けた１組の送り機構と、Ｙ方向に設けた２組の送
り機構と、２方向に設けた３組の送９機構と乞有し、か
つ、上記６組の送り機構のそれぞれとステージとの間に
、轟該送り機構の送り方向の力のみを伝達して送り方向
以外の動きを許容する徂動部材を介装し、前記６絹の送
り機構がそれぞれ独立してステージを直接的に駆動し得
るように構成することにより、ステージの６自由度をそ
れぞれ高精度で制御することができ、位置ぎめの剛性が
高く、しかも制御性が良いという優れた実用的効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は反射投影式ウェハ露光装置の概要的な正面図、
第２図は従来のウェハ搭載装置の垂直断面図、第３図乃
至第５図は本発明のステージ制御装置の一実格例乞示し
、第３図は垂直断面図、第４図は平面図、第５図は部分
拡大断面図である。 第６図及び第７図はそれぞれ上記と異なる実施例の部分
拡大断面図である。 ４・・・ウェハ、７・・・反射投影式光学系、４］・・
・ウェハ搭載装置ベース、４２・・・ステージ、４３・
・・浮遊ノＪ’ツド、４４・・・ナツト部材、４５・・
・送ジネジ、４６・・・パルスモータ−１４７・・・バ
ネ、４８・・・鋼球、４９・・・浮遊パッド、５０・・
・ナツト部材、５１・・・送ジネジ、５２・・・パルス
モータ、５３・・・バネ、５４・・・静電容量型近接セ
ンサー、５５・・・空洞部、５６・・・検出点、５７・
・・浮遊パッド、５８・・・ナツト部材、５９・・・送
りネジ、６０・・・パルスモータ、６１・・・バネ、６
２・・・チューブ、６３・・・軸、６４・・・ポールブ
ツシコ、６５・・・フォロアー、６６・・・ナツト、６
７・・・パッド、６８・・・ビール列手段、６９・・・
傾ｇ＋パッド、７０・・・鋼球、７］・・・ナツト、７
２・・・軸、７３・・・フォロアー、７４・・・金具、
７５・・・柱状ピエゾ累子、７６・・・調整ネジ。 代理人弁理士　　秋　本　　正　　実 第３図 第４図 怜５図 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｘ方向に設けた１組の送り機構と、Ｙ方向に設けた２組
   の送り機構と、２方向に設けた３組の送り機構と乞有し
   、かつ、上記６組の送り機構のそれぞれとステージとの
   間に、各送り機構の送ジ方向の力のみを伝達して送り方
   向以外の動きを許容する伝動部相乞介装し、前記６組の
   送り機構がそれぞれ独立してステージを直接的に駆動し
   得るように構成したこと乞特徴とする、６自由度を有す
   るステージの制御装置。