(57)【要約】【課題】  Ｘ方向およびＱｚ方向について、より高帯域の制御系が実現できる機構系およびその位置決め制御技術と、これに対する初期化技術の確立が求められていた。【解決手段】  ＸＹ平面内を移動する可動体に対する制御装置であって、Ｙ方向の双胴型のリニアモータと、可動体外の固定部に設けられた少なくとも２つのＸ方向の基準面と、前記２つのＸ方向基準面に対向して前記可動体に配置される、前記可動体および前記基準面との間にＸ方向の力を発生せしめる少なくとも２組の電磁石と、前記可動体の少なくともＸＹＱｚ３自由度の位置を計測する位置計測手段とを有し、可動体のＸ方向の位置制御を前記少なくとも２組の電磁石によって行う。【選択図】  図１
2005203652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹ平面内を移動する可動体に対する制御装置であって、
Ｙ方向の双胴型のリニアモータと、可動体外の固定部に設けられた少なくとも２つのＸ方向の基準面と、前記２つのＸ方向基準面に対向して前記可動体に配置される、前記可動体および前記基準面との間にＸ方向の力を発生せしめる少なくとも２組の電磁石と、前記可動体の少なくともＸＹＱｚ３自由度の位置を計測する位置計測手段とを有し、可動体のＸ方向の位置制御を前記少なくとも２組の電磁石によって行うことを特徴とする前記制御装置。
【請求項２】
前記可動体に対するＱｚ方向の位置制御を前記少なくとも２組の電磁石によって行うことを特徴とする前記請求項１の制御装置。
【請求項３】
前記Ｙ方向の双胴型のリニアモータもしくは前記少なくとも２組の電磁石のいずれかによって前記可動体に対するＱｚ方向の速度制御を行うことを特徴とする前記請求項１の制御装置。
【請求項４】
前記可動体のＸ方向の位置計測手段の初期化を、前記電磁石の少なくとも１つによって前記Ｘ方向基準面に吸着させた状態で行うことを特徴とする前記請求項１の制御装置。
【請求項５】
前記可動体のＸ方向の位置計測手段の初期化後に、前記Ｘ方向の少なくとも２組の電磁石で前記可動体の少なくともＸ方向の位置決めを行い、電磁石を少なくともＸ方向のガイドとして機能せしめた後に、前記Ｙ方向の位置計測手段の初期化を行うことを特徴とする前記請求項４の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体露光装置における位置決めステージ装置に関するものであり、特にレチクルステージの位置決め装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今の半導体デバイスの急速な発展は、これらデバイスを搭載した各種情報機器の性能の大幅な向上をもたらし、われわれの生活を劇的に変貌させつつある。こうした発展を支えているのが、半導体の製造技術であり、通常ステッパもしくはスキャナと呼ばれるウエハ露光装置はその中核をなす装置である。ステッパは、ステージ装置上の半導体ウエハを投影レンズ下でステップ移動させながら、レチクル上に形成されているパターン像を投影レンズでウエハ上に縮小投影し、１枚のウエハ上の複数箇所に順次露光していくものである。スキャナは、ウエハステージ上の半導体ウエハとレチクルステージ上のレチクルとを投影レンズに対して相対移動させ、走査移動中にスリット上の露光光を照射し、レチクルパターンをウエハに投影するものである。スキャナは、解像度および重ね合わせ精度の性能面から露光装置の主流と見られている。
【０００３】
図２にスキャナにおいて従来より用いられているレチクルステージの概観を示す。レチクルステージ本体には定盤１の上面及び側面であるＸＬ、ＸＲ基準面との間に静圧パッドによる静圧案内が設けられており、Ｙ方向に運動自由に支持されている。Ｑｚ方向については、側面静圧パッドによるばね剛性は存在するが、ギャップ分で規定されるＱｚ方向の微小可動範囲内で回転が可能である。レチクルステージ２本体には不図示のレチクルチャックによりレチクルが搭載される。レチクルステージ２上には２つのコーナーキューブ１０、１１が設けられており、レーザ干渉計７、８からの計測光を反射し、レチクルステージ２の２点のＹ方向変位が計測され、これよりステージ重心位置のＹ方向およびＱｚ方向の位置が算出される。
【０００４】
また、レチクルステージ２の両側には磁石から構成される可動子３、４が設けられ、ステージ定盤と同じ構造体に取り付けられているコイルから構成される固定子５、６とにより、ローレンツ力を用いたリニアモータが構成されている。これらの左右２つのリニアモータによりレチクルステージ２は基準面に沿ったＹ方向および基準面を中心とした微小Ｑｚ方向に駆動力が与えられる。不図示の位置制御系によりレチクルステージ２は基準面に沿ったＹ方向および基準面を中心とした微小Ｑｚ方向に高精度に位置決め制御される。
【０００５】
装置性能の指標の一つに１時間あたりのウエハ処理枚数で表されるスループットがある。高スループットを達成するために、ステージには高速移動が要求され、移動の際の加減速が大きくなってきている。図２の従来の空芯型のローレンツ力を用いたリニアモータでは加減速時に大推力を出すと、コイル部での発熱が非常に大きくなる。この発熱がステージ構造体に伝わってしまうと、ステージやレチクル自体が熱膨張をおこし、露光の重ねあわせ精度を悪化させてしまう。また、大電流を流すための電気系設備にも負担が大きくなる。
【０００６】
低発熱で大推力を発生できるリニアモータの構成として、図３に示すような鉄心型のリニアモータが提案されている。このリニアモータの固定子５０は櫛歯状の珪素鋼薄板を積層にして構成された鉄心５１にコイル５２が巻かれている。可動子５３は永久磁石５４をその極性が交互になるように並べて構成されている。永久磁石５４と鉄心５１の間には吸引力が発生するので、これを相殺するために可動磁石５４を上下から挟み込む形で固定子を配置している。この形のリニアモータでは、同程度の大きさのローレンツ型リニアモータにくらべて発熱量を数十分の１以下にすることが出来る。
【０００７】
露光装置の加減速用リニアモータは可動磁石型となっている場合が多い。このような構成の場合、駆動用の電線は固定子（ステータ）側で良いため電線の部分にストレスがかからず断線の心配がなく、また発熱も固定子側なので冷媒による冷却等も容易であるという特徴があり、高い信頼性と精度が要求される半導体製造装置を含めた多様な分野で好適である。
【０００８】
また、半導体露光装置においては、スループット向上のため、原版を転写する基板であるところのウエハサイズの大型化と、リニアモータに要求される加速力および最大速度の向上が求められている。こうした背景から、ムーバのサイズに比べて長いストロークを必要とされるため、複数のコイル対が必要となる。その際、コイル対を全て同じ電流ドライバに接続すれば、推力を発生することが可能になるが、ムーバの磁界の及ばないコイルは推力を発生せずコイルの電気抵抗による損失（発熱）のみとなるため、モータの効率は極端に低いものとなってしまう。それを防ぐため、各コイル対にそれぞれ電流ドライバを接続し、各コイルに接続された電流ドライバの電流指令値を個別に与えられるようにして、ムーバの磁界の及ばないコイルには電流を流さない方法が考えられる。この方法は、コイル対の数だけ電流ドライバと指令値生成部が必要となり、コストがストロークに比例して増大する関係となるため、長いストロークの場合には採用できない。そこで、ムーバの磁界の範囲にあるコイルのみ選択的に電流を流すように各コイルにリレー等を介して電流ドライバを接続する技術を用いることによってこの問題を解決している（特許文献１、特許文献２）。
【０００９】
この際に問題となるのが位置計測手段の初期化方法である。露光装置のような高精度・長ストロークの位置計測手段としては、レーザ干渉計やエンコーダなどの分解能の高いインクリメンタル方式の位置計測手段を用いて制御系が構成される。この場合、初期状態やリセット直後の状態においては、位置検出手段によってステージ位置の変化量は検出できるが、ステージの絶対位置を知ることができない状態にある。通電コイル選択の必要のないシステムであれば、相対的な変位情報をもってステージを駆動せしめ、初期化を行うことが可能であるが、通電コイル選択を伴うシステムにおいては、絶対位置を測定し、通電すべきコイルを選択する必要がある。つまり選択・通電すべきコイルを決定できない状態ではステージを駆動することができない。
【００１０】
このような問題を解決する手段として特許文献３や特許文献４などの方法が開示されている。これらの技術によってステージの絶対位置を検出し、コイルを選択してステージを初期化することができる。
【特許文献１】特開平６−２８４７８５号公報
【特許文献２】特開平８−１１１９９８号公報
【特許文献３】特開平５−６４４８７号公報
【特許文献４】特開平１１−３１６６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来のステージ位置決め装置においては、Ｑｚ方向の位置決め制御は、Ｘ方向の静圧ガイドによる拘束を受ける構成で実現されるため、Ｑｚ方向の位置制御系の動的な剛性は、静圧ガイドの剛性と、ステージの自重で決まる固有振動の影響を大きく受ける。レチクルサイズ大型化に伴うステージの大型化に伴い、固有振動数は下がる傾向にある。このため、従来技術ではＱｚ方向に対して高精度な位置決め制御が行えない、という問題点があった。加えて、このような静圧パッドによる機構構成の場合、Ｘ方向の位置決め制御は不可能であり、Ｘ方向の位置決めが必要となる位置決め装置には用いることができないという点も問題であった。
【００１２】
また、上記従来の問題点を解決するために、Ｘ方向の静圧ガイドをなくし、代わりにＸ方向にもリニアモータを設けてＸ方向に位置決め制御を行う方法も考えられる。しかしながら、この方法ではレチクルサイズ大型化に伴うステージのＹ方向可動範囲の増加に対応するため、Ｙ方向の全可動範囲をカバーする固定コイルもしくは固定磁石を配置する必要が出てくる。このため、長尺の固定子コイルもしくは固定子コイルが必要となる。したがって静圧パッド方式のようにコンパクトにステージ空間内に配置することが困難となり、ステージサイズの増加とステージ固有振動数の低下による制御帯域の低下を発生させる、という問題点があった。
【００１３】
また、高推力実現のために用いられる鉄心リニアモータは、ステージ位置に依存したコギング力を発生し、これによって位置決め特性の劣化をもたらす恐れがある。これに対しては、テーブル補正によって効果的にコギングの影響を除去可能である。しかし、露光装置においてさらなる高精度化が求められる中で、こうしたテーブル補正によるフィードフォワード的方法だけでは十分な精度が得にくくなってきている。フィードフォワード的方法と併用する形で、より効果的なフィードバック機構・制御系を構成し、さらなるコギング力の抑制が必要となってきている。
【００１４】
また、従来技術で説明したレチクルステージにおけるＹ方向リニアモータのような、長ストローク移動を行う軸については、固定子コイル切り替えによる磁石稼動子型のリニアモータを用いることが多い。このような場合、前述のようにコイル切り替えを行わない方式に比べて絶対位置情報が必要なために、ステージの初期化が難しくなる。このためコイル切り替えを行う制御軸を含むステージの場合、そのステージ全体の初期化技術を確立することが重要となる。
【００１５】
以上説明したように、従来のステージに比べて、Ｘ方向およびＱｚ方向について、より高帯域の制御系が実現できる機構系およびその位置決め制御技術と、これに対する初期化技術の確立が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
このような上記従来技術における課題に鑑み、本発明においては、以下の手段を用いる。
【００１７】
１）可動体外の固定部に設けられた少なくとも２つのＸ方向の基準面と、前記２つのＸ方向基準面に対向して前記可動体に配置される、前記可動体および前記基準面との間にＸ方向の力を発生せしめる少なくとも２組の電磁石とを設け、可動体のＸ方向の位置制御を前記少なくとも２組の電磁石によって行うことによって、Ｑｚ方向のメカ共振の制約のない制御系を実現する。
【００１８】
２）また、上記構成におけるＱｚ方向の位置決め制御の冗長性（リニアモータもしくは電磁石のいずれか一方で位置決め制御を行えばよいため）を利用して、一方を位置決め制御に用い、残る一方をＱｚ方向の速度制御を行うように制御系を構成することによって、さらに安定性および制御精度の高いＱｚ方向の位置決め制御系を実現する。
【００１９】
３）さらに、可動体に対するＸ方向の位置計測手段の初期化を、前記電磁石の少なくとも１つによって前記Ｘ方向基準面に吸着させた状態で行い、その後に電磁石によってＸ方向のサーボをかけてＸ方向のガイドとして機能させた後に、Ｙ方向の位置計測手段の初期化を行う。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、従来一般的に用いられている一方向に長ストロークの移動を行う制御軸を含む２軸もしくは３軸タイプのステージ機構およびその制御機構に比べて、より高帯域の制御系が実現できる機構系およびその位置決め制御技術と、これに対する安定的な初期化技術を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（第一の実施例）
図１に本発明の実施例に係るレチクルステージの平面図であり、この図において、１は定盤、２はステージ、３および４はＹＬ、ＹＲリニアモータ可動子、５および６はＹＬ、ＹＲリニアモータ固定子、７〜９はＹＬ、ＹＲ、Ｘ干渉計、１０、１１はＹＬ、ＹＲコーナーキューブ、１２、１３はＸＬ、ＸＲ基準面、１４〜１７はＸＬ１、ＸＲ１、ＸＬ２、ＸＲ２電磁石、１８はバーミラーであり、従来と同様のものには同一の符号を付している。
【００２２】
次に本実施例において、レチクルステージ本体には定盤１の上面との間に不図示の静圧パッドによる静圧案内が設けられており、レチクルステージはＸＹ平面内を拘束なく運動自由に支持されている。レチクルステージ本体には不図示のレチクルチャックによりレチクルが搭載される。レチクルステージ上には２つのコーナーキューブ１０、１１が設けられており、レーザ干渉計７、８からの計測光を反射し、レチクルステージ２の２点のＹ方向変位が計測される。Ｘ方向の計測はステージ上に搭載されたバーミラーとＸ方向のレーザ干渉計によって行う。これら計測手段によりステージ重心位置のＸ、Ｙ方向およびＱｚ方向の位置が算出される。
【００２３】
レチクルステージの両側には磁石から構成される可動子３、４が設けられ、ステージ定盤と同じ構造体に取り付けられているコイルから構成される固定子５、６とにより、ローレンツ力を用いたリニアモータが構成されている。これらの左右２つのリニアモータによりレチクルステージは基準面に沿ったＹ方向および基準面を中心としたＱｚ方向に駆動力を与えることができる。これにより不図示の制御手段を用いてレチクルステージのＹおよびＱｚ方向の制御が可能となる。
【００２４】
さらにレチクルステージには、ステージ定盤の２つのＸ方向基準側面に対向する形で、Ｘ方向に吸着力を発生する電磁石１４〜１７が設けられている。
【００２５】
電磁石自身は単純な一方向の吸着力を発生するだけなので、これをアクチュエータとして用いるために、２つの基準面に設けられた、対向する２つの電磁石によって１組のアクチュエータとして用いことになる。本実施例ではこのような電磁石が２組設けられており、２つのＸ方向アクチュエータとして機能する。この２組の電磁石により、不図示の制御手段を用いてレチクルステージのＸ方向およびＱｚ方向の制御が可能となる。
【００２６】
このような電磁石を用いた機構系においては、従来の静圧パッドを用いたガイド機構のような、機構系の剛性に起因した機械共振は発生しない。したがって、Ｑｚ方向のサーボ帯域は、従来の機構系に比べて高く設定することが出来、高精度な位置決めが可能となる。
【００２７】
また、リニアモータを用いてＸ方向のサーボ機構を実現する場合、Ｙ方向に長ストローク移動するレチクルステージ機構の関係上、Ｑｚ方向のサーボ機構をＸ方向のリニアモータで実現することは困難であった。これに対して本発明によれば、Ｑｚ方向のサーボ機構としては、双胴型のＹリニアモータで実現できるのに加え、Ｘ方向の電磁石によっても容易に実現できる。この冗長性を利用して、本発明においては、Ｙ方向のリニアモータもしくはＸ方向の電磁石の一方でＱｚ方向の位置をかけると同時に、残る一方でＱｚ方向の速度制御をかけることが可能である。これによってＱｚサーボ機構として、速度フィードバックつきの位置サーボ機構を実現することが出来る。これにより、上記従来方法における課題の１つであったコギング力の一層の低減を可能とし、より高精度の位置決め機構が可能となると同時に、サーボ系の高帯域化が可能となる。
【００２８】
さらに、Ｘ方向のサーボをＸ方向のリニアモータで実現した場合に比べて、よりコンパクトな寸法で機構系を実現できるため、機構系の高剛性化が実現出来る。
【００２９】
以上に述べた効果によって、本発明によって、より高精度かつロバストな位置決め制御が可能となる。
【００３０】
次に本レチクルステージの初期化について説明する。
【００３１】
前章で説明したように、レチクルステージのＹ方向リニアモータのような、長ストローク移動を行う軸については、固定子コイル切り替えによる磁石稼動子型のリニアモータを用いることが多い。このような場合、前述のようにコイル切り替えを行わない方式に比べてステージの初期化が難しくなる。このためコイル切り替えを行う制御軸を含むステージの場合、そのステージ全体の初期化技術を確立することが重要となる。
【００３２】
本実施例では、以下の手順によってこれを実現する。
【００３３】
（１）前記可動体のＸ方向の位置計測手段の初期化を、前記電磁石の少なくとも１つによって前記Ｘ方向基準面に吸着させた状態で行う。
【００３４】
（２）前記可動体のＸ方向の位置計測手段の初期化後に、２組の電磁石で前記可動体のＸ方向の位置決めを行う。
【００３５】
（３）さらに前記Ｙ方向の位置計測手段の初期化を行う。
【００３６】
図４は、（１）の動作が完了した状態を示している。つまり、ＸＲ１、ＸＲ２の２つの電磁石によって、ＸＲ基準面にレチクルステージを吸着させた状態である。この状態で、Ｘレーザ干渉計による計測位置データを適切な初期値にセットすることによって、Ｘ方向の干渉計の初期化は完了する。
【００３７】
その後、吸着状態を解除し、（２）の手順により対向するＸＲ１、ＸＬ１の組およびＸＲ２、ＸＬ２の組の２組の電磁石アクチュエータによって、レチクルステージとＸＲ、ＸＬ基準面とのギャップを一定に保つようサーボ系を構成する。
【００３８】
この状態でレチクルステージは電磁石によるガイド機構により、Ｙ方向に自由に移動可能な状態となっている。この段階で（３）に示すように、Ｙ方向の位置計測手段の初期化を行う。Ｙ方向の位置計測手段の初期化方法としては、公知の方法を用いることにより、容易に実現可能である。
【００３９】
なお、電磁石の吸着力は強いギャップに依存した非線形性を有するため、通常のリニアモータに比べて、サーボ系として安定して使えるストローク範囲が狭い。そこで、各々の電磁石位置におけるギャップ値を算出し、上記ギャップ依存の非線形性を補正することもできる。
【００４０】
ただし、このギャップ値を算出するには、ステージのＸＹＱｚの絶対位置情報が必要となるため、Ｙ干渉計の干渉計の初期化が完了しない状態では、上記非線性の補正は行えず、初期化動作後に可能となる。
【００４１】
（その他の実施例）
上記第一実施例においては、レチクルステージのＸ方向の位置計測手段としてレーザ干渉計を用いていたが、静電容量センサなどのギャップセンサを用いても、全く同様にして本発明を実現可能である。
【００４２】
なお、その場合には第一実施例で説明したギャップ計算は不要なため、前記ステージ初期化における手順（２）の段階から電磁石のギャップに依存した非線形性を補正し、よりロバストな制御系を構成しつつ初期化動作を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第一の実施例に係るレチクルステージ装置の実施例の平面図である。
【図２】従来技術に係るレチクルステージ装置の実施例の平面図である。
【図３】鉄心型リニアモータを示す図である。
【図４】ステージ初期化における吸着状態を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  定盤
２  ステージ
３  ＹＬリニアモータ可動子
４  ＹＲリニアモータ可動子
５  ＹＬリニアモータ固定子
６  ＹＲリニアモータ固定子
７  ＹＬ干渉計
８  ＹＲ干渉計
９  Ｘ干渉計干渉計
１０  ＹＬコーナーキューブ
１１  ＹＲコーナーキューブ
１２  ＸＬ基準面
１３  ＸＲ基準面
１４  ＸＬ１電磁石
１５  ＸＲ１電磁石
１６  ＸＬ２電磁石
１７  ＸＲ２電磁石
１８  バーミラー
【図１】
2005203652.tif 000003
【図２】
2005203652.tif 000004
【図３】
2005203652.tif 000005
【図４】
2005203652.tif 000006