(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
被移動体が載置されるステージと、
前記ベースまたは前記ステージのいずれか一方に取り付けられた一対の磁石列と、
前記ベースまたは前記ステージのいずれか他方に取り付けられた複数のコイル群と、
基部の表面上または面内に形成され、角度に関する性質がＸ−Ｙ方向の２次元方向に既知の関数で変化する角度格子から構成されており、前記ベース或いは前記ステージの内いずれか一方の中央部に配設された目盛と、
前記ベース或いは前記ステージの他方の中央部に配設されており、前記目盛の角度格子面に光を照射すると共に、該目盛で反射される反射光のＸ−Ｙ方向の２次元角度を検出する２次元角度センサーとを有し、
前記一対の磁石列の間に前記目盛を設け、
前記複数のコイル群の間に前記２次元角度センサーを設けたことを特徴とするステージ装置。
【請求項２】
請求項１記載のステージ装置において、
前記一対の磁石列と前記目盛を前記ステージに配設すると共に、
前記複数のコイル群と前記２次元角度センサーを前記ベースに配設したことを特徴とするステージ装置。
【請求項３】
請求項１記載のステージ装置において、
前記一対の磁石列は、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線上に配列した一対の磁石列であり、
前記複数のコイル群は、前記一対の磁石列のそれぞれに交差するように対向配置されると共に前記磁石列が発生する磁束と係合するよう取り付けられており、対向する磁石列の配列方向とほぼ平行な軸方向を有するコイルを含んで構成された一対のコイル群であり、
前記一対の磁石列の間に前記目盛を設け、
前記一対のコイル群の間に前記２次元角度センサーを設けたことを特徴とするステージ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記２次元角度センサーを少なくとも３個設けたことを特徴とするステージ装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の内いずれかに記載のステージ装置において、
前記角度格子の角度形状の誤差を校正した結果に基づいて、前記角度格子による座標位置と姿勢角の測定結果の補正をする手段を備えることを特徴とするステージ装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記被移動体を装着するチャックを前記ステージに対し着脱可能な構成とし、
かつ、前記目盛を該チャックに配設したことを特徴とするステージ装置。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記目盛を前記被移動体に配設すると共に、前記ステージの前記２次元角度センサーと対向する領域に前記光を前記目盛に照射するための透明部を設けたことを特徴とするステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はステージ装置に係り、特にステージ部材を少なくともＸ−Ｙ方向に高精度に駆動できるステージ装置に関する。
【０００２】
情報技術の根幹である半導体デバイスの高集積化、低コスト化に対応し、それらを製造する半導体露光装置の高生産性，高精度化，高速化等の要求が高まっている。半導体露光装置のキーコンポーネントであるＸ−Ｙステージ装置には、10nm前後の精度と数百mmの移動範囲を持ったものが必要となる。かつ、半導体デバイスの生産性の向上を図るには、被加工物を搭載したステージを高速で加工位置まで移動させる表がある。そこで、上記の各要求を全て満たすステージ装置の実現が望まれている。
【０００３】
【従来の技術】
例えば、半導体製造工程で使用する各種半導体製造装置には、被移動体となるウェハを載置し、これを移動させるステージ装置が設けられている。このステージ装置は、ベースに対してウェハを搭載したステージを駆動させる駆動装置と、ベースに対するステージの位置を計測する位置計測装置を有している。
【０００４】
従来の駆動装置としては、Ｘ方向にのみ移動するステージと、Ｙ方向にのみ移動するステージを積み上げた方式に代表される、いわゆるスタック型ステージが一般的な構成であった。
【０００５】
また、従来の位置計測装置は、１自由度ごとにロータリエンコーダやリニアエンコーダ等の測定装置を設けた構成としていた。例えば、２次元の位置決めを行なう場合は、上記のようにＸ方向またはＹ方向に独立して移動する積み上げた各ステージにそれぞれに位置計測装置を設けた構成のものや、或いは円周目盛と１軸ステージを組み合わせた測定装置で、回転の位置と半径の位置をそれぞれ独立に測定して位置決めするよう構成されたものがあった。また、レーザ干渉変位計を用いてＸ，Ｙ方向の位置を決める測定装置では、２つの変位計と、変位検出方向に直角な移動範囲に亘って形状精度の保証された高精度の直定規等を組合せ、これにより位置検出を行なう構成とされていた。
【０００６】
また、従来において、移動物体のピッチング及びヨーイングに相当する姿勢を検出する場合は、オートコリメータが利用されるが、このオートコリメータは１軸の直線方向の移動に対して、そのピッチング及びヨーイングを同時に測定できる反面、Ｘ，Ｙ方向の移動物体に対しては高精度の直定規を必要とする。
【０００７】
更に、移動物体のローリングを測定する手段として水準器が知られているが、この水準器は応答速度や測定精度に問題があり、高精度の測定機器には不適格である。そこで、平行な２本の直定規を設置して、その直定規までの距離の差からローリング角を算出する方法や１本の直定規を基準の鏡面としてオートコリメータでローリング角を検出するようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような駆動装置を用いたステージ装置では、上部に位置するステージが移動すると下部に位置するステージの重心が変動し、上部のステージの移動性に下部のステージの重心変動の影響が加算されてしまうという問題点があった。この問題点を解決するには、各ステージの剛性を高める必要があるが、剛性を高めるとステージ装置全体の大きさが大きくなってしまう。また、異なる複数のステージを積み上げた構成では、ステージ装置の構造が複雑化してしまい、これによってもステージ装置全体の大きさが大きくなってしまう。
【０００９】
また、上記のような位置計測装置を用いたステージ装置では次のような問題点が生じる。即ち、従来の位置計測装置に用いられるロータリエンコーダやリニアエンコーダ等の測定装置は、１次元の位置決めしかできず、２次元の位置決めには上記の測定装置を少なくとも２組組み合わせる必要があり、移動物体検出装置の設計に大きな制約がある。
【００１０】
また、レーザ干渉変位計を用いて位置決めする場合も本質的に１軸で１次元の位置決めしかできず、２次元の位置決めを行なう場合には、高い精度の直定規が必要になる。その結果、この種の位置計測装置をステージ装置に設ける場合、構造上に制約がありかつコスト高になるという問題点がある。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、装置の小型化を図れると共に、ベースに対するステージの位置測定を高精度に行ないうるステージ装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項１記載の発明に係るステージ装置は、
ベースと、
被移動体が載置されるステージと、
前記ベースまたは前記ステージのいずれか一方に取り付けられた一対の磁石列と、
前記ベースまたは前記ステージのいずれか他方に取り付けられた複数のコイル群と、
基部の表面上または面内に形成され、角度に関する性質がＸ−Ｙ方向の２次元方向に既知の関数で変化する角度格子から構成されており、前記ベース或いは前記ステージの内いずれか一方の中央部に配設された目盛と、
前記ベース或いは前記ステージの他方の中央部に配設されており、前記目盛の角度格子面に光を照射すると共に、該目盛で反射される反射光のＸ−Ｙ方向の２次元角度を検出する２次元角度センサーとを有し、
前記一対の磁石列の間に前記目盛を設け、
前記複数のコイル群の間に前記２次元角度センサーを設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
上記発明によれば、装置の軽量化，剛性の向上，及び製造コストの低減を図ることができる。また装置が軽量化し、剛性の向上も図れることにより、制御面においても高周波領域までサーボ性能の確保することが可能となる。
【００１５】
また、目盛が角度形状を表わす２次元の角度格子から形成されるため、単一の目盛に角度センサーを組み合わせるだけで移動物体の２次元の位置検出は勿論のこと、ピッチング角、ローリング角及びヨーイング角をも検出することが可能になる。また、角度格子とすることにより、直交座標、円筒座標、極座標もしくは自由曲面に沿う座標のような２次元の座標に関する位置検出も可能になる。
【００１６】
更に、２次元角度センサーは、従来用いられていたレーザ干渉計等と比べてデッドパスが非常に小さいため、熱膨張による計測誤差や空気の揺らぎなどの影響を受け難く、よって高い位置及び姿勢計測を行なうことが可能となる。
【００１７】
また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載のステージ装置において、
前記一対の磁石列と前記目盛を前記ステージに配設すると共に、
前記複数のコイル群と前記２次元角度センサーを前記ベースに配設したことを特徴とするものである。
【００１９】
また、請求項３記載の発明は、
請求項１記載のステージ装置において、
前記一対の磁石列は、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線上に配列した一対の磁石列であり、
前記複数のコイル群は、前記一対の磁石列のそれぞれに交差するように対向配置されると共に前記磁石列が発生する磁束と係合するよう取り付けられており、対向する磁石列の配列方向とほぼ平行な軸方向を有するコイルを含んで構成された一対のコイル群であり、
前記一対の磁石列の間に前記目盛を設け、
前記一対のコイル群の間に前記２次元角度センサーを設けたことを特徴とするものである。
【００２０】
また、請求項４記載の発明は、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記２次元角度センサーを少なくとも３個設けたことを特徴とするものである。
【００２１】
上記発明によれば、２次元の角度格子からなる目盛に少なくとも３個の２次元角度センサーを組み合わせることにより、目盛及び角度センサーの相対的移動における移動物体の２次元座標位置、ピッチング角、ローリング角及びヨーイング角を検出することができ、更に角度センサーに既知の所定の角度変化を与えることで、目盛と角度センサー間の距離も検出することができる。
【００２２】
また、請求項５記載の発明は、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記角度格子の角度形状の誤差を校正した結果に基づいて、前記角度格子による座標位置と姿勢角の測定結果の補正をする手段を備えることを特徴とするものである。
【００２３】
上記発明によれば、角度格子の角度形状の誤差を校正した結果に基づいて角度格子による座標位置と姿勢角の測定結果を補正する補正手段を備えることにより、角度格子を高精度に作成できない場合、校正データをメモリに格納しておき、このデータ間を内挿で近似演算させることで校正結果を基に測定データの補正を行なうことが可能になる。
【００２４】
また、請求項６記載の発明は、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記被移動体を装着するチャックを前記ステージに対し着脱可能な構成とし、
かつ、前記目盛を該チャックに配設したことを特徴とするものである。
【００２５】
上記発明によれば、被移動体が装着されることによりこの被移動体と一体的に取り扱われるチャックに目盛を設けたことにより、チャックとステージとの間に発生する誤差がなくなり、高精度の位置計測を行なうことができる。
【００２６】
また、請求項７記載の発明は、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記目盛を前記被移動体に配設すると共に、前記ステージの前記２次元角度センサーと対向する領域に前記光を前記目盛に照射するための透明部を設けたことを特徴とするものである。
【００２７】
上記発明では、被移動体自体に目盛が配設されるため、チャッキングと目盛との間における誤差がなくなり、より高精度の位置計測を行なうことができる。また、被移動体に目盛が配設されても、ステージの２次元角度センサーと対向する領域には、光を目盛に照射するための透明部が設けられているため、ステージ（被移動体）の位置計測を行なうことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００２９】
図１及び図２は、本発明の一実施例であるステージ装置１０を示している。図１はステージ装置１０の分解斜視図であり、図２はステージ装置１０の部分的に切り欠いた組み立てられた状態の斜視図である。このステージ装置１０は、例えば半導体製造用のステッパ等において被移動体となるウェハを所定位置に移動させるのに用いられる装置である。
【００３０】
このステージ装置１０は、大略するとベース１１、ステージ１２、サーフェスエンコーダ２４、及び駆動装置等により構成されている。ベース１１はステージ装置１０の基台となるものであり、後述するリニアモータ構造部２０Ａ，２５Ａ、Ｚ方向電磁石３０、及び２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃ等が配設される。
【００３１】
また、ステージ１２は被移動体となるウェハ６０及びチャック６１が上部に搭載される（図１６参照）と共に、下部にはマグネット１５，１６、ヨーク１７、及びスペーサ１８を介してＺ方向用マグネット１９が配設される。このステージ１２は、ベース１１に対して図中矢印Ｘ方向移動、Ｙ方向移動、及びＺ軸を中心とした回転移動が可能な構成とされている。
【００３２】
サーフェスエンコーダ２４は、目盛１３と、本実施例では３個の２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃとにより構成されている。目盛１３は、図３及び図５に拡大して示すように、基部４１の表面上または面内に形成され、角度に関する性質がＸ−Ｙ方向の２次元方向に既知の関数（本実施例では正弦波の山と谷の集合）で変化する角度格子４０から構成されている。
尚、本実施例では３個の２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃが配設されているが、以下の説明では、説明を容易にするために１個の２次元角度センサー１４が配設されている構成を想定し説明するものとする（図３参照）。
【００３３】
目盛１３に形成された角度格子４０の高さ形状ｆ（Ｘ，Ｙ）は、次式で与えられる。但し、次式において、Ａｘ，ＡｙはそれぞれＸ，Ｙ方向の振幅であり、λｘ，λｙはその波長である。
【００３４】
ｆ（ｘ，ｙ）＝Ａｘ・sin（２πＸ／λｘ）＋Ａｙ・sin（２πＹ／λｙ）…▲１▼また、この角度格子４０のＸ方向，Ｙ方向の角度形状（２次元角度センサー１４で測定したときの出力）θ（ｘ），ψ（ｙ）は、それぞれ角度格子４０の形状を偏微分したもので表され、次式で与えられる。
【００３５】
θ（ｘ）＝δｆ／δｘ＝（２πＡ１／λ１）・cos（２πｘ／λ１）…▲２▼
ψ（ｙ）＝δｆ／δｙ＝（２πＡ２／λ２）・cos（２πｘ／λ２）…▲３▼
図３に示されるように、角度格子４０をＸ，Ｙの２方向の角度変化が検出できる２次元角度センサー１４で測定すると、角度格子形状の山に対する高さが同一でも、山の斜面の位置によって角方向の角度出力が異なるため、この違いから２次元位置を決定することができる。
これにより、ベース１１或いはステージ１２の内いずれか一方に目盛１３を取り付け、他方に２次元角度センサー１４を取り付けることで、それらの相対移動における移動体（即ち、ステージ１２）の２次元座標を検出することができる。本実施例では、目盛１３はステージ１２の背面（ベース１１と対向する面）の略中央位置に固定されている。
【００３６】
図６は、本実施例で用いた目盛１３に形成された角度格子４０の一部を干渉顕微鏡で測定したものである。本実施例における角度格子４０は、精密旋盤で直径55mm暑さ10mmの円筒をしたアルミニウムを正面旋削により加工したものである。また、その高さ形状は、片振幅0.3μm，周期300μmの正弦波の重ね合わせで表せられ、具体的には次式で与えられる。
ｆ（Ｘ，Ｙ）=0.3・sin（２πＸ／300）+0.3・sin（２πＹ／300）［μm］…▲４▼
尚、本実施例における角度格子４０の角度振幅は±21.6分である。
【００３７】
一方，２次元角度センサー１４は、ベース１１に配設された構成とされている。この２次元角度センサー１４は，図６に示されるような光学系により構成されている。この２次元角度センサー１４を構成する光学系は、光源５０、反射用プリズム５２，５３，５７，５８、ビームスプリッター５４，１/４波長板５５，コリメータレンズ５６，及びフォトダイオード５９等により構成されている。
【００３８】
そして、光源５０から発射され、グリッドフィルム５１を通過し、反射用プリズム５２，５３で反射し方向を代えたレーザ光６５は、そのｐ偏光成分がビームスプリッター５４及び１/４波長板５５を通過し、反射用プリズム５８によって上向きに反射され、ステージ１２に取り付けられた目盛１３（角度格子４０）に当たる。
【００３９】
目盛１３（角度格子４０）で反射したレーザ光６５は、再び１/４波長板５５を通過してｓ偏光となりビームスプリッター５４で反射し、コリメータレンズ５６を通過し、その焦点距離の位置に置かれた４分割とされたフォトダイオード５９に集光する。２次元角度センサー１４は、この様にレーザオートコリメーションの原理によって、２次元の角度変化を検出する。
【００４０】
上記構成とされたサーフェスエンコーダ２４では、角度格子４０の形状が位置検出の基準となるので、形状に誤差が含まれると位置検出精度にも影響を与える。２次元角度センサー１４のプローブであるレーザビームが１本であったとき、その出力は角度格子４０の格子ピッチの変化や形状誤差の影響を大きく受けてしまう。この誤差の影響は、複数のレーザビームを角度格子４０の同位相に照射し、常に複数の山を観察できる構成とすることにより排除することができる。
【００４１】
そこで本実施例では、３個の２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃをセンサー基板３３に設け、これにより複数のレーザビームを角度格子４０の同位相に照射する構成とし、角度格子４０の形状のばらつき（格子ピッチ）の高周波成分、また、角度格子４０の形状誤差の影響を平均して測定精度の向上を図っている。
【００４２】
また、角度格子４０に３個の２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃを組み合わせることにより、目盛１３及び２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃの相対的移動における移動物体の２次元座標位置、ピッチング角、ローリング角及びヨーイング角を検出することができ、更に２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃに既知の所定の角度変化を与えることで、目盛１３と２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃ間の距離も検出することが可能となる。
【００４３】
更に、２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃは、従来用いられていたレーザ干渉計等と比べてデッドパスが非常に小さいため、熱膨張による計測誤差や空気の揺らぎなどの影響を受け難く、よって高い位置及び姿勢計測を行なうことが可能となる。
【００４４】
続いて、駆動装置について説明する。
【００４５】
駆動装置は、ベース１１に対してステージ１２をＸ方向移動，Ｙ方向移動，及びＺ軸を中心とした回転移動を行なわれるものである。この駆動装置は、ベース１１に配設されたＸ方向リニアモータ構造部２０Ａ，２０Ｂ、Ｙ方向リニアモータ構造部２５Ａ，２５Ｂ、Ｚ方向電磁石３０と、ステージ１２に配設されたＸ方向用マグネット１５，Ｙ方向用マグネット１６，Ｚ方向用マグネット１９等により構成されている。
【００４６】
Ｘ方向リニアモータ構造部２０Ａはベース１１上に配設されており、一対のＸ方向用コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２（双方をまとめていうときにはＸ方向用コイル２１Ａという）と、Ｘ方向用コア２２Ａとにより構成されている。一対のＸ方向用コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２は図中矢印Ｘ方向に並設されており、それぞれ独立して電流を供給できる構成とされている。
【００４７】
また、Ｘ方向リニアモータ構造部２０ＢはＸ方向リニアモータ構造部２０Ａと同一構成とされており、Ｘ方向用コイル２１Ｂ（符号は付さないが、一対のＸ方向用コイルにより構成されている）及びＸ方向用コア２２Ｂとにより構成されている。このＸ方向リニアモータ構造部２０ＡとＸ方向リニアモータ構造部２０Ｂは、前記した２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃの配設位置を挟んで、図中矢印Ｙ方向に離間して配置された構成とされている。
【００４８】
一方、Ｙ方向リニアモータ構造部２５Ａ及びＹ方向リニアモータ構造部２５Ｂも、前記したＸ方向リニアモータ構造部２０Ａと同様の構成とされている。即ち、Ｙ方向リニアモータ構造部２５ＡはＹ方向用コイル２６Ａ（符号は付さないが、一対のＹ方向用コイルにより構成されている）とＹ方向用コア２７Ａとにより構成され、Ｙ方向リニアモータ構造部２５ＢはＹ方向用コイル２６Ｂ（符号は付さないが、一対のＹ方向用コイルにより構成されている）とＹ方向用コア２７Ｂとにより構成されている。このＹ方向リニアモータ構造部２５ＡとＹ方向リニアモータ構造部２５Ｂは、前記した２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃの配設位置を挟んで、図中矢印Ｘ方向に離間して配置された構成とされている。
【００４９】
Ｚ方向電磁石３０は、ベース１１に対してステージ１２を浮上させることにより、前記したＸ方向用マグネット１５Ａと後述するステージ１２に設けられた各マグネット１５，１６との間にギャップを形成する機能を奏するものである。このＺ方向電磁石３０は、Ｚ方向用コイル３１とＺ方向用コア３２とにより構成されている。また、浮上を安定化するため、矩形状とされたベース１１の四隅位置にそれぞれ配設されている。尚、ベース１１に対してステージ１２を浮上させる手段は、本実施例で採用している磁気的な手段の他にも、圧縮空気を用いる方法や、複数のボールでベース１１を支持する手段等が考えられる。
【００５０】
一方、前記したようにステージ１２にはＸ方向用マグネット１５及びＹ方向用マグネット１６が配設されている。図に現れないが、各マグネット１５，１６はそれぞれ一対ずつ合計４個が配設されている。従って、ステージ１２を底面視した状態において、各マグネット１５，１６は協働して略四角形をなすよう配置されている。
【００５１】
Ｘ方向用マグネット１５は、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線状に配列した複数の磁石列（小磁石の集合体）により構成されている。同様に、Ｙ方向用マグネット１６も、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線状に配列した複数の磁石列により構成されている。各マグネット１５，１６の上部にはヨーク１７が配設されており、このヨーク１７は各マグネット１５，１６を構成する複数の各磁石を磁気的に結合する機能を奏する。
【００５２】
上記構成において、ベース１１に対しステージ１２を装着した状態において、一対のＸ方向用マグネット１５の一方がＸ方向リニアモータ構造部２０Ａ上に位置し、かつ他方のＸ方向用マグネット１５がＸ方向リニアモータ構造部２０Ｂ上に位置するよう構成されている。また、ベース１１に対しステージ１２を装着した状態において、一対のＹ方向用マグネット１６の一方がＹ方向リニアモータ構造部２５Ａ上に位置し、かつ他方のＹ方向用マグネット１６がＹ方向リニアモータ構造部２５Ｂ上に位置するよう構成されている。
【００５３】
また、ベース１１がステージ１２に装着された状態で、かつＺ方向電磁石３０によりステージ１２がベース１１に対し浮上した状態において、各マグネット１５，１６が発生する磁界が対向するリニアモータ構造部２０Ａ，２０Ｂ，２５Ａ，２５Ｂに係合するよう構成されている。更に、上記装着状態において、各マグネット１５，１６は、各リニアモータ構造部２０Ａ，２０Ｂ，２５Ａ，２５Ｂに設けられている各コイル２１Ａ，２１Ｂ，２６Ａ，２６Ｂの巻回方向に対し直交するよう配置されている。
【００５４】
駆動装置を上記構成とすることにより、Ｘ方向リニアモータ構造部２０Ａ，２０ＢとＸ方向用マグネット１５は協働して、ステージ１２を図中矢印Ｘ方向に駆動するリニアモータとして機能する。同様に、Ｙ方向リニアモータ構造部２５Ａ，２５ＢとＹ方向用マグネット１６は協働して、ステージ１２を図中矢印Ｙ方向に駆動するリニアモータとして機能する。
【００５５】
即ち、本実施例ではＸ，Ｙ両方向にそれぞれ２組ずつのリニアモータが配置された構成となる。この構成とすることにより、装置中央部分に比較的大きな空間を確保できるため、この位置にサーフェスエンコーダ２４を設置することができる。尚、本実施例ではステージ１２に目盛１３を配設し、ベース１１に２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃを配設した構成とした。これは、目盛１３には配線を接続する必要がないためである。しかしながら、目盛１３をベース１１に配設し、２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃをステージ１２に設ける構成とすることも可能である。
【００５６】
また上記構成とされた駆動装置において、Ｘ方向リニアモータ構造部２０ＡとＸ方向リニアモータ構造部２０Ｂのみを同時に同方向に駆動させると、ステージ１２は図中矢印Ｘ方向に並進運動する。同様に、Ｙ方向リニアモータ構造部２５ＡとＹ方向リニアモータ構造部２５Ｂのみを同時に同方向に駆動させると、ステージ１２は図中矢印Ｙ方向に並進運動する。また、対になった各リニアモータ構造部２０Ａと２０Ｂ、２５Ａと２５Ｂをそれぞれ逆方向に駆動させることにより、ステージ１２は図中矢印Ｚ軸まわりθＺの回転運動を行なう。
【００５７】
続いて、図４を用いて駆動装置によりステージ１２が移動する原理について説明する。尚、説明を簡単化するため、ステージ１２をＸ方向に移動させる１つのリニアモータ（Ｘ方向用マグネット１５とＸ方向リニアモータ構造部２０Ａ）を例に挙げて説明するものとする。
【００５８】
まず、図４（Ａ）に示すように、Ｘ方向用コイル２１Ａ−２に図に書かれた方向に電流を流すと、電流とそれに対向したＸ方向用マグネット１５との間にＸ軸に沿った力が生じ、生じたそれぞれの力が釣り合ったところでＸ方向用マグネット１５は停止する。
この状態で図４（Ｂ）に示すように、Ｘ方向用コイル２１Ａ−１に電流を流すと、Ｘ方向用コイル２１Ａ−１に対向しているＸ方向用マグネット１５にそれぞれ図に右向きの力が生じる。この力により、Ｘ方向用マグネット１５（即ち、ステージ１２）が動き出し、図４（Ｃ）に示すように、Ｘ方向用コイル２１Ａ−１とＸ方向用コイル２１Ａ−２によって磁石に生じる力が釣り合った位置まで磁石は移動する。その後、図４（Ｄ）に示すように、Ｘ方向用コイル２１Ａ−２の電流を切ると、Ｘ方向用コイル２１Ａ−１の電流で力が釣り合う位置で移動する。上記した図４（Ａ）〜（Ｄ）の動作により、Ｘ方向用マグネット１５（ステージ１２）が磁石半個分の距離Δｄだけ移動する。
【００５９】
上記のようにＸ方向用コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２に印加する電流をＯＮ，ＯＦＦのみで駆動すると、磁石1/4個分ずつの移動しかできないが、図４（Ｃ）に示す状態でＸ方向用コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２に流す電流の大きさの比を変化させると、それに応じてそれぞれの電流の大きさに釣り合った位置までＸ方向用マグネット１５が移動するので、半範囲内で任意の位置に磁石を移動させることができる。
また、対向するＸ方向用マグネット１５の極性に応じてコイルに印加する電流の方向を変化させることで、Ｘ方向用マグネット１５の配列の存在する範囲内で自由に駆動することができる。
【００６０】
上記した本実施例に係る駆動装置では、駆動分解能はＸ方向用マグネット１５を構成する複数の磁石の幅及びＸ方向用コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２の幅と、各コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２への印加電圧を出力するＤ／Ａボードの分解能によって決定される。例えば、上記の磁石及びコイルの幅が１０mm，Ｄ／Ａボードが１６bitであると仮定すると、このステージの並進駆動の最小駆動量は0.2μm，回転駆動では0.5秒となる。なお、駆動方式を改良することにより、ナノメートルオーダの駆動も可能である。
【００６１】
また本実施例では、通常の直流モータと異なり、常にステージ１２に生じる力が釣り合う位置の付近でステッピングモータ状に駆動する。このため、各コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２に印加する電圧を計算することによって、ステージ１２のオープンループ駆動を行なうことができる。
尚、上記した駆動装置の説明では、ステージ１２をＸ方向に移動させる１つのリニアモータ（Ｘ方向用マグネット１５とＸ方向リニアモータ構造部２０Ａ）を例に挙げて説明したが、他のマグネット１５，１６と、Ｘ方向リニアモータ構造部２０Ｂ及びＹ方向リニアモータ構造部２５Ａ，２５Ｂとより構成されるリニアモータの駆動原理も同様である。
【００６２】
上記構成とされた駆動装置では、一段構造でステージ１２をＸ方向及びＹ方向の移動及びＺ軸回りの回転を制御することが可能である。また、各方向毎のガイド構造を持つ必要はなく、最終ステージであるステージ１２が直接駆動される構成のため、ステージ装置１０の軽量化，剛性の向上，及び製造コストの低減を図ることができる。またステージ装置１０が軽量化し、剛性の向上も図れることにより、制御面においても高周波領域までサーボ性能の確保することが可能となる。
【００６３】
続いて、上記構成とされたステージ装置１０において、本発明者が実際にステージ１２を駆動させる実験を行なったときの実験結果について説明する。
尚、以下の実験では、サーフェスエンコーダ２４の出力を用いないで駆動したものをオープンループ駆動，サーフェスエンコーダ２４の出力を用いて位置情報をフィードバックしながら駆動を行なったものをクローズドループ駆動する。
【００６４】
図７は、ステージ１２をＸ方向にオープンループ駆動した時のサーフェスエンコーダ２４の出力（２次元角度センサー１４Ａの出力）の様子を示している。同図より、Ｘ方向出力は±７０％程度の振幅で周期的に出力が変化していることが確認できる。また、図示しないが、Ｙ方向についても同様の出力が得られた。
【００６５】
ここで、サーフェスエンコーダ２４の出力が０％となる点をゼロクロス点と呼ぶこととすると、このゼロクロス点同士の間隔は角度格子４０（図３，図５参照）の１周期分の波長300μmに対応する。サーフェスエンコーダ２４では、このゼロクロス点の数から300μmずつの距離が、また、その間については正弦波状のサーフェスエンコーダ２４の出力を内挿することにより求めることができる。
【００６６】
そこで本実施例ではゼロクロス点の個数に注目し、以下説明する実験ではサーフェスエンコーダ２４の出力のゼロクロス点（300μm）を目標にしたステージ１２の位置決めを行なうこととした。
【００６７】
図８は、ステージ１２を微小並進駆動したときにおける、サーフェスエンコーダ２４の出力変化の様子を示している。また、同じ微小並進駆動したときにおける、レーザ干渉測長機による測定結果も比較のために測定し、同図に示している。
【００６８】
同図より、レーザ干渉測長機によって測定したステージ１２の0.2μmの並進駆動に応じて、サーフェスエンコーダ２４の出力も約0.2％変化していることが確認できる。これにより、レーザ干渉測長機の出力と同様の変化を、本実施例に係るサーフェスエンコーダ２４によっても検出できていることが確認できる。
【００６９】
次に、サーフェスエンコーダ２４の出力を基準にして、目盛１３に設けられた角度格子４０の１周期分の300μm，及び角度格子４０の５周期分の1.5mmの位置を目標にしたPTP(Point To Point)駆動での１軸位置決めを行なった実験結果について以下述べる。
【００７０】
角度格子４０の１周期分（300μm）のＸ方向１軸駆動を行なったときのステージ１２の移動量を、外部からレーザ干渉測長機で観測した結果を図９に示す。同図より、ステージ１２がＸ方向に約300μm駆動し、この時の位置決め誤差は１μmであることが判った。
【００７１】
図１０は、この時のサーフェスエンコーダ２４のＸ方向出力を示している。ここで、図の横軸は制御する際に用いたデータのデータ番号である。また、図中Ｔ１〜Ｔ３は、図９に示したＴ１〜Ｔ３と時間的に対応している。
同図より、先ずスタートのゼロクロスを探し（図中のＴ１）、続いて角度格子４０の１周期分駆動を行ない（図中のＴ２）、再びゼロクロスに落ち着いて（図中のＴ３）いることが確認できる。
【００７２】
また、同様に角度格子４０の５周期分（1.5mm）のＸ方向１軸駆動を行った時の移動量を、外部からレーザ干渉測長機で観測した結果を図１１に示す。これにより、ステージ１２がＸ方向に約1.5mm駆動し、この時の位置決め誤差が６μmであることが判った。
図１２は、この時のサーフェスエンコーダ２４のＸ方向出力を示している。同様に、先ずスタートのゼロクロスを探し（図中のＴ１）、続いて角度格子４０の５周期分駆動を行ない（図中のＴ２）、再びゼロクロスに落ち着いて（図中のＴ３）いることが確認できる。
【００７３】
また、オープンループ駆動で、300μmの距離を目標にＸＹ各方向にそれぞれ進んで元の位置に戻るような電圧パターンを出力し、２次元繰り返し駆動を行なう実験を実施した。この時の駆動結果を図１３に示す。同図に示されるように、目標位置との位置決め誤差は、Ｘ方向で100μm，Ｙ方向で160μm程度であり、各地点における繰り返し性は、±15μm程度であった。よって、オープンループ駆動では、目標の位置から大きく外れていることが判る。
【００７４】
これに対し、続いてサーフェスエンコーダ２４の出力を基準に、角度格子４０の１周期分（300μm）ずつの２次元繰り返し駆動を行なった。この時の駆動結果を図１５に示す。同図に示されるように、位置決め誤差は、最大Ｘ方向で６μm、Ｙ方向で２μmであった。また、各目標地点における２次元駆動の繰り返し性は、±２μmであった。このように、ステージ１２の位置検出にサーフェスエンコーダ２４を用いることで、300μｍを目標としたPTP駆動を行なうことができた。
【００７５】
図１５は、ステージ１２をＡ点（Ｘ＝０μm，Ｙ＝０μm）を出発点、Ｂ点（Ｘ＝900μm，Ｙ＝900μm）を目標位置にした４つのルート（図中、ルート１〜ルート４で示す）で移動させたときの、それぞれの２次元パターン駆動の結果をまとめて示している。また、ルート１が300μｍずつの交互のＬ字駆動、ルート２が900μｍずつの斜め駆動、ルート４が900μｍの斜め駆動である。同図に示す駆動においても、サーフェスエンコーダ２４の出力を基準に駆動を行なっている。
【００７６】
同図に示されるように、目標位置Ｂ点における４つのルートによる位置決めの繰り返し性はＸ方向，Ｙ方向共に±2.5μmの範囲内であった。これは、上記で述べた繰り返し性の範囲と略等しい。また、駆動の目標位置であるＸ＝900μｍ，Ｙ＝900μｍの地点における位置決め誤差は、Ｘ方向に関しては15μｍ程度、Ｙ方向に関しては12μｍ程度であった。
【００７７】
これらの位置決め誤差は、主に角度格子４０の形状誤差によるもので、それを校正することによって補正することで、より精度を高めることが可能である。具多的には、角度格子４０の角度形状の誤差を校正した結果に基づいて角度格子４０による座標位置と姿勢角の測定結果を補正する補正手段を設け、角度格子４０を高精度に作成できない場合、校正データをメモリ等に格納しておき、このデータ間を内挿で近似演算させることで校正結果を基に測定データの補正を行なう構成としてもよい。
【００７８】
上記した実験結果より、目盛１３及び２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃよりなるサーフェスエンコーダ２４をステージ装置１０に組み込むことにより、ステージ１２の高精度な位置検出（移動量検出）を行なうことができ、ステージ１２の駆動制御の精度及び信頼性を向上させることができる。
【００７９】
次に、上記したステージ装置１０の変形例について説明する。
【００８０】
図１７は、上記したステージ装置１０の第１変形例であるステージ装置１０Ａを示す概略構成図である。尚、比較のため、図１６に上記したステージ装置１０の概略構成図を示している。また、図１７及び図１８において、ステージ装置１０の構成と同一構成については同一符号を付してその説明を省略するものとする。
【００８１】
上記したステージ装置１０は、ステージ１２の底面（ベース１１と対向する面）に２次元角度センサー１４と対向するよう目盛１３を配設した構成とした。また、被移動体としてウェハ６０を用いる場合、ステージ１２上にチャック６１を設け、このチャック６１にウェハ６０を保持させる構成としていた。
【００８２】
これに対し、本変形例に係るステージ装置１０Ａは、ウェハ６０を保持するチャック６１Ａをステージ１２Ａに対して着脱可能な構成とすると共に、目盛１３をチャック６１Ａに配設した構成としている。
具体的には、ステージ１２Ａには装着部６２が形成されており、チャック６１Ａはこの装着部６２に挿入脱可能な構成とされている。これにより、チャック６１Ａはステージ１２Ａに対して着脱可能な構成とされている。また、チャック６１Ａの底面は、ステージ１２Ａに装着された状態において、ステージ１２Ａの底面から露出するよう構成されている。
【００８３】
目盛１３は、チャック６１Ａの底面に配設されている。よって、チャック６１Ａをステージ１２Ａに装着した状態において、目盛１３はステージ１２Ａの底面から露出し、ベース１１に設けられた２次元角度センサー１４と対向した状態となる。
【００８４】
これにより、２次元角度センサー１４は、目盛１３に向けレーザ光６５を発射すると共にその反射光を入射することが可能となるため、ステージ１２Ａの位置測定を行なうことが可能となる。また本変形例では、ウェハ６０と一体的に取り扱われるチャック６１Ａに目盛１３を設けているため、チャック６１Ａとステージ１２Ａとの間に誤差が生じても、これがサーフェスエンコーダ２４の測定結果に影響を与えることがなくなり、よって高精度の位置計測を行なうことができる。
【００８５】
図１８は、上記したステージ装置１０の第２変形例であるステージ装置１０Ｂを示す概略構成図である。
本変形例では、目盛１３を被移動体となるウェハ６０の背面側に直接配設したことを特徴としている。また、ウェハ６０の背面側に配設された目盛１３を２次元角度センサー１４で確認できるよう、ステージ１２Ｂの目盛１３と対向する領域には、２次元角度センサー１４から照射されたレーザ光６５が目盛１３に照射されるように透明部６３が設けられている。
【００８６】
目盛１３はウェハ６０に貼り付ける等により固定してもよく、またウェハ６０を直接加工することにより一体的に形成する構成としてもよい。これにより、目盛１３はウェハ６０と一体化した構成となる。また、透明部６３は、例えばステージ１２Ｂに嵌めこまれたガラス或いは透明樹脂により構成されている。
【００８７】
本変形例では、被移動体となるウェハ６０自体に目盛１３が配設されるため、上記した第２変形例に係る構成で発生するおそれがある、チャック６１Ａと目盛１３との間における誤差の発生を防止でき、より高精度の位置計測を行なうことができる。また、ウェハ６０に目盛１３が配設されても、ステージ１２Ｂの２次元角度センサー１４と対向する領域（移動範囲わたり対向するよう設定されている）には、レーザ光６５を目盛１３に照射するための透明部６３が設けられているため、ステージ１２（ウェハ６０）の位置計測を確実に行なうことができる。
【００８８】
尚、上記した本発明は、半導体製造装置のみならず、マイクロマシン，ＩＴ用光通信部品等、今後微細加工を必要とする分野に広く適用することが可能である。即ち、現在のマイクロマシン製造技術の多くは半導体製造技術を利用しており、本発明を用いることにより、より微細で多様なマイクロマシンを製造することが可能となる。
また、レーザ加工の分野では、サブミクロンの精度で超高速に動くステージが要求されている。また、複雑な形状を加工するために、自由度の高いステージが必要となる。従来のステージ装置では、これらの要求を満たすものは無かったが、本発明のステージ装置は、高精度，高速，多自由度を実現できるため、レーザ加工用ステージとしても用いることができる。更に、本発明は、上記した分野だけではなく、超精密機器，超精密計測装置，マウンター等の、電子部品の組み立て、検査装置，或いはオフィスオートメーション分野においても適用することが可能である。
【００８９】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、次に述べる種々の効果を実現することができる。
【００９０】
請求項１記載の発明によれば、装置の軽量化，剛性の向上，及び製造コストの低減を図ることができ、これに伴い制御面においても高周波領域までサーボ性能の確保することが可能となる。
【００９１】
また、２次元角度センサーは、従来用いられていたレーザ干渉計等と比べてデッドパスが非常に小さいため、熱膨張による計測誤差や空気の揺らぎなどの影響を受け難く、よって高い位置及び姿勢計測を行なうことが可能となる。
【００９２】
また、請求項２及び請求項３記載の発明によれば、一段構造の駆動装置でも、ステージをベースに対してＸ，Ｙ方向移動及びＺ軸回りの回転移動させることが可能となる。
【００９３】
また、請求項４記載の発明によれば、目盛及び角度センサーの相対的移動における移動物体の２次元座標位置、ピッチング角、ローリング角及びヨーイング角を検出することができ、更に角度センサーに既知の所定の角度変化を与えることで、目盛と角度センサー間の距離も検出することができる。
【００９４】
また、請求項５記載の発明によれば、角度格子を高精度に作成できない場合、校正データをメモリに格納しておき、このデータ間を内挿で近似演算させることで校正結果を基に測定データの補正を行なうことが可能になる。
【００９５】
また、請求項６記載の発明によれば、チャックとステージとの間に発生する誤差がなくなり、高精度の位置計測を行なうことができる。
【００９６】
また、請求項７記載の発明によれば、チャッキングと目盛との間における誤差がなくなり、より高精度の位置計測を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるステージ装置の分解斜視図である。
【図２】本発明の一実施例であるステージ装置の部分的に切り欠いた斜視図である。
【図３】本発明の一実施例であるステージ装置に設けられる目盛及び２次元角度センサーを説明するための図である。
【図４】ステージが駆動する原理を説明するため図である。
【図５】本発明の一実施例であるステージ装置に設けられる目盛を拡大して示す図である。
【図６】本発明の一実施例であるステージ装置に設けられる２次元角度センサーの光学系を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施例であるステージ装置をＸ方向にオープンループ駆動したときの２次元角度センサーの出力を示す図である。
【図８】本発明の一実施例であるステージ装置を微小並進駆動したときの２次元角度センサーの出力をレーザ干渉測長機の出力と比較して示す図である。
【図９】本発明の一実施例であるステージ装置において、角度格子１周期分のＸ方向１軸駆動を行なったときのステージの移動量をレーザ干渉測長機で測定した結果を示す図である。
【図１０】本発明の一実施例であるステージ装置において、角度格子１周期分のＸ方向１軸駆動を行なったときのステージの移動量を２次元角度センサーで測定した結果を示す図である。
【図１１】本発明の一実施例であるステージ装置において、角度格子５周期分のＸ方向１軸駆動を行なったときのステージの移動量をレーザ干渉測長機で測定した結果を示す図である。
【図１２】本発明の一実施例であるステージ装置において、角度格子５周期分のＸ方向１軸駆動を行なったときのステージの移動量を２次元角度センサーで測定した結果を示す図である。
【図１３】本発明の一実施例であるステージ装置において、オープンループ駆動でステージを所定方向に移動させた後元に戻る２次元繰り返し駆動を行なったときの駆動結果を示す図である。
【図１４】本発明の一実施例であるステージ装置において、角度周期１周期分ずつの２次元繰り返し駆動を行なったときの２次元角度センサーの出力を示す図である。
【図１５】本発明の一実施例であるステージ装置において、Ａ点を出発位置、Ｂ点を目標位置とした４つのルートの２次元駆動したときの２次元角度センサーの出力を示す図である。
【図１６】本発明の一実施例であるステージ装置の概略構成図である。
【図１７】本発明の一実施例であるステージ装置の第１変形例であるステージ装置の概略構成図である。
【図１８】本発明の一実施例であるステージ装置の第２変形例であるステージ装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ  ステージ装置
１１  ベース
１２，１２Ａ，１２Ｂ  ステージ
１３  目盛
１４Ａ〜１４Ｃ  ２次元角度センサー
１５  Ｘ方向用マグネット
１６  Ｙ方向用マグネット
１７  ヨーク
１８  スペーサ
１９  Ｚ方向用マグネット
２０Ａ，２０Ｂ  Ｘ方向リニアモータ構造部
２１Ａ，２１Ａ−１，２１Ａ−２，２１Ｂ  Ｘ方向用コイル
２２Ａ，２２Ｂ  Ｘ方向用コア
２５Ａ，２５Ｂ  Ｙ方向リニアモータ構造部
２６Ａ，２６Ｂ  Ｙ方向用コイル
２７Ａ，２７Ｂ  Ｙ方向用コア
３０  Ｚ方向電磁石
３１  Ｚ方向用コイル
３２  Ｚ方向用コア
４０  角度格子
４１  基部
５０  光源
５４  ビームスプリッター
５５  1/4波長板
５６  コリメータレンズ
６０  ウェハ
６１，６１Ａ  チャック
６２  装着部
６３  透明部
【図１】
0004198338.tif 000002
【図２】
0004198338.tif 000003
【図３】
0004198338.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004198338.tif 000006
【図６】
0004198338.tif 000007
【図７】
0004198338.tif 000008
【図８】
0004198338.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0004198338.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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