DE2854856C2

DE2854856C2 -

Info

Publication number: DE2854856C2
Application number: DE2854856A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Tokio/Tokyo Jp Sato; Hironori Yokohama Kanagawa Jp Yamamoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1977-12-20
Filing date: 1978-12-19
Publication date: 1991-08-29
Also published as: US4234175A; JPS6130419B2; DE2854856A1; JPS5485678A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Positioniervorrichtung zum hochgenauen Positionieren eines Objektes in mindestens zwei zueinander orthogonalen Richtungen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine solche Positioniervorrichtung ist bekannt (DD- PS 1 01 974) und kann grundsätzlich in Verbindung mit zahl reichen verschiedenen Geräten angewendet werden, bei denen es auf eine äußerst genaue Positionierung in zwei zueinan der orthogonalen Richtung ankommt. Im Falle der bekannten Positioniervorrichtung ist diese angewendet bei einem Präzisionsmeßgerät. In der folgenden Beschreibung wird jedoch die Erfindung erläutert anhand des Beispiels einer Maskenausrichteinrichtung einer Kopiereinrichtung, die zur Herstellung von Halbleiterbauelementen dient und bei der eine besonders hohe Genauigkeit der Positionierung erfor derlich ist.

In den letzten Jahren hat ein beachtlicher Fortschritt im Hinblick auf die Miniaturisierung und Erhöhung des Integrationsgrades von Halbleiterbauelementen stattgefun den. Dabei hat die Leiterbreite der Muster 1 bis 2 µm erreicht. Zur weiteren Verkleinerung und Steigerung der Integration der Muster und um eine hohe Kopierleistung zu erreichen, die das Kopieren von Mustern von 1 bis 2 µm ermöglicht, ist es erforderlich, ungefähr zehn Muster- bzw. Maskenbilder zeitlich nacheinander aufzubelichten und die auf einer Halbleiterscheibe im vorangegangenen Verfahrensschritt aufbelichteten Bilder sowie das im darauffolgenden Verfahrensschritt aufzubelichtende Muster- bzw. Maskenbild relativ zueinander genau anzuordnen.

Im allgemeinen ist dazu eine Genauigkeit von ungefähr 1/10 der Leiter- bzw. Linienbreite erforderlich, d. h. bei einer Linienbreite von 1 bis 2 µm eine Genauigkeit von 0,1 bis 0,2 µm. Eine Positioniervorrichtung zur Ausrichtung eines Objektes in zwei zueinander orthogonalen Richtungen, die diese Forderung erfüllt, muß folgende Bedingungen erfüllen:

1. es muß eine Bestimmung der Position bzw. Lage des Objektes mit der geforderten Genauigkeit möglich sein;

2. die Positioniervorrichtung muß derart ausgebildet sein, daß sie zum Zweck der Bewegung in den beiden Richtungen auf geringe Antriebskräfte gleichmäßig anspricht; und

3. die vorgesehenen Antriebsvorrichtungen müssen eine Bewegung bzw. Verschiebung um kleinste Strecken bewirken können.

Die bekannte Positioniervorrichtung weist die erste und die zweite Schwimmlagerung auf, die es ermöglichen, die vorste hend genannte zweite Bedingung zu erfüllen. Dabei ist vor gesehen, daß der den als Gaslagern ausgebildeten Lagerelementen der Schwimmlagerungen zugeführte Gas- bzw. Luftdruck derart gesteuert wird, daß die an den horizontal angeordneten Stützflächen wirkenden Kräfte veränderbar sind, um dadurch Positionsänderungen des jeweiligen Schlittens gegenüber seiner Schiene zu kompensieren, die durch Verformungen und Fehllagen innerhalb der Gesamtvorrichtung verursacht sind. Eine hinreichende Feinpositionierung ist dadurch nicht erreicht und nicht erleichtert.

Bei einer gattungsgemäß anderen Vorrichtung ist es bekannt (Feingerätetechnik, 9. Jahrgang, Heft 4/1960, Seiten 166 bis 172), einen linear bewegbaren, mit Hilfe von Gaslagern schwimmend gelagerten Schlitten pneumatisch feinzupositio nieren. Zu diesem Zweck ist zusätzlich zu einem der Grobpositionierung dienenden, mechanischen Spindelmecha nismus eine am feinzupositionierenden Schlitten angebrachte pneumatische Vorrichtung vorgesehen. Diese Vorrichtung umfaßt eine Anordnung aus drei Platten, von denen die beiden äußeren mittels des mechanischen Spindelmechanismus grob verschiebbar sind und von denen die innere am Schlitten befestigt ist und durch steuerbare Luftdrücke in bestimmte Relativstellung zu den beiden äußeren Platten gehalten werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsge mäße Positioniervorrichtung dahingehend weiterzubilden, daß mit möglichst einfachen konstruktiven Mitteln eine Feinpositionierung im Bereich von weniger als 1 µm möglich ist. Dies heißt mit anderen Worten, daß die Positioniervorrichtung auch die vorstehend genannte dritte Bedingung erfüllen soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Positi oniervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, d. h. im wesentlichen dadurch, daß Maßnahmen zur Grobpositionierung und Maßnahmen zur Feinpositionierung vorgesehen sind für jede der beiden Richtungen und daß die Feinpositionierung durch gezielte Einwirkung auf die Schwimmlagerung der Grobpositionierung für die jeweils andere Richtung erfolgt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Positi oniervorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht der Positioniervorrichtung und

Fig. 2 eine Seitenansicht der Positioniervorrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt das Ausführungsbeispiel der Positioniervor richtung als Bestandteil einer Kopiereinrichtung zur Herstellung von Halbleiterbauelementen. Eine Maske 1 ist auf einem nicht gezeigten Maskenträger angeordnet und einem optischen Projektionssystem 2 zur Ausbildung eines Maskenbildes auf einer Scheibe zugeordnet, die das zu positionierende Objekt 3 bildet. Die Maske 1 und das Projektionssystem 2 sind stationär angeordnet. Das Objekt 3 kann in zwei zueinander orthogonalen Richtungen X und Y mit Hilfe der Positioniervorrichtung zum Zweck des Ausrichtens bzw. Positionierens bewegt werden, um auf diese Weise das Bild der Maske 1 und das Objekt 3 in die gewünschte Relativbeziehung zueinander zu bringen.

Die Positioniervorrichtung weist eine Vorrichtung zum Positionieren in der ersten Richtung Y sowie eine Vorrichtung zum Positionieren in der zweiten Richtung X auf.

Die Vorrichtung zum Positionieren in der Richtung Y umfaßt eine stationär bzw. ortsfest angeordnete erste Schiene 5. An der ersten Schiene 5 ist mittels einer ersten Schwimmlagerung 7 ein erster Schlitten 6 derart schwimmend gelagert, daß der Schlitten 6 relativ zur Schiene 5 in Richtung Y und somit in der Zeichenebene von Fig. 2 von links nach rechts und umgekehrt bzw. senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 1 bewegbar ist. Die erste Schwimmlagerung 7 umfaßt Lagerelemente 7a, 7b, 7c und 7d (siehe Fig. 1), die als Gaslager ausgebildet sind und mit Hilfe von Düsen ein Gas unter hohem Druck, beispielsweise Luft, in den Spalt zwischen dem Schlitten 6 einerseits und den horizontal angeordneten Stützflächen sowie vertikal angeordneten Führungsflächen der Schiene 5 andererseits einbringen.

Der erste Schlitten 6 ist somit mittels der Druckluft aus den Gaslagern an der ersten Schiene 5 in Richtung Y ver schiebbar schwimmend gelagert. Eine erste Antriebsvorrichtung 8 zur Grobpositionierung des ersten Schlittens 6 in Richtung Y ist in Fig. 2 gezeigt. Die Antriebsvorrichtung 8 umfaßt einen L-förmigen Arm 9, der an der ersten Schiene 5 befestigt ist, einen Motor 10, eine mit der Welle des Motors 10 verbundene Gewindespindel 11, die in Richtung Y verläuft, sowie eine Rückholfeder 12. Wenn zum Antrieb der Gewindespindel 11 der Motor 10 bei spielsweise rechtssinnig dreht, wird der Schlitten 6 längs der Schiene 5 nach rechts (in Fig. 2) bewegt. Wenn die Gewindespindel 11 in entgegengesetzter Richtung gedreht wird, wird der Schlitten 6 mittels der Rückholfeder 12 nach links (in Fig. 2) bewegt.

Die Vorrichtung zum Positionieren in der zweiten Richtung X umfaßt eine zweite Schiene 13, die an dem ersten Schlitten 6 befestigt ist. Auf der zweiten Schiene 13 ist ein zweiter Schlitten 14 angeordnet, der eine Halterung für das Objekt 3 aufweist und mittels einer zweiten Schwimmlagerung 15 an der zweiten Schiene 13 derart schwimmend gelagert ist, daß er in Richtung X relativ zur zweiten Schiene 13 bewegbar ist. Die zweite Schwimmlagerung 15 umfaßt Lagerelemente 15a, 15b, 15c und 15d (siehe Fig. 2), die ebenfalls als Gaslager ausgebildet sind. Zur Grobpositionierung in Richtung X dient eine zweite Antriebsvorrichtung 16, die einen L-förmigen Arm 17, einen Motor 18, eine Gewindespindel 19 und eine Rückholfeder 20 in ähnlicher Weise wie die erste Antriebsvorrichtung 8 aufweist.

Eine als Interferometer ausgebildete Meßvorrichtung 21 dient zur Ermittlung der Position des zweiten Schlittens 14 in den zwei zueinander orthogonalen Richtungen X und Y relativ zur optischen Achse des Projektionssystems 2. Die Meßvorrichtung 21 umfaßt eine Laser-Lichtquelle 22, einen halbdurchlässigen Spiegel 23, Spiegel 24, 25 und 26 sowie einen Lichtsensor 27. Die vorstehend genannten Elemente der Meßvorrichtung 21 dienen zur Erfassung der Position in Richtung X. Die Meßvorrichtung 21 umfaßt ferner eine aus gleichen Elementen bestehende ähnliche Anordnung zur Erfassung der Position in Richtung Y.

In Längsrichtung der ersten Schiene 5 sind mehrere Lagerelemente 7a bzw. 7b bzw. 7c bzw. 7d vorgesehen. Von den mehreren Lagerelementen 7b sind in Fig. 2 zwei Lagerelemente 7b₁ und 7b₂ gezeigt. In Längsrichtung der zweiten Schiene 13 sind mehrere Lagerelemente 15a bzw. 15b bzw. 15c bzw. 15d vorgesehen. Von den mehreren Lagerelementen 15a sind in Fig. 1 zwei Lagerelemente 15a₁ und 15a₂ gezeigt.

Die beschriebene Positioniervorrichtung arbeitet in folgen der Weise.

Es sei angenommen, daß gleicher Gasdruck bzw. Luftdruck den Lagerelementen 7a und 7b zugeführt wird. Ferner sei ange nommen, daß in diesem Ausgangszustand das Objekt 3 um einige Mikron in Richtung X von der gewünschten Position abweicht. Um diese Abweichung zu kompensieren, wird der den (in Fig. 1) linken Lagerelementen 7a und den (in Fig. 1) rechten Lagerelementen 7b zugeführte Luftdruck mittels eines nicht dargestellten Ventils entsprechend gesteuert. Es können beide Luftdrücke geändert werden, wobei aus Gründen der Einfachheit im hier beschriebenen Fall angenom men wird, daß lediglich einer der Luftdrücke geändert wird. Es sei beispielsweise der Luftdruck der Lagerelemente 7b konstant eingestellt und notwendig, das Objekt 3 einige Mikron nach rechts in Fig. 1 zu bewegen. Zu diesem Zweck wird dann der Luftdruck der Lagerelemente 7a durch allmäh liches Schließen des nicht dargestellten Ventils graduell verändert, wodurch sich der Schlitten 6 nach rechts in Fig. 1 bewegt und das Spiel Δ x zwischen den Lagerelementen 7b am ersten Schlitten 6 einerseits und der zugewandten Führungsfläche an der ersten Schiene 5 andererseits vergrößert wird. Diese Änderung des Spiels Δ x ist die erreichte Verschiebestrecke und wird mittels der Meßvorrichtung 21 erfaßt. Wenn durch diese Bewegung des ersten Schlittens 6 um einige Mikron das Objekt 3 die gewünschte Position in Richtung X erreicht hat, wird das Schließen des Ventils beendet. Auf diese Weise ist eine Feinpositionierung des Objektes 3 in Richtung X bewirkt worden.

Im folgenden wird der Fall betrachtet, daß das Objekt 3 von der vorbestimmten, gewünschten Position um einen größeren Betrag, beispielsweise einige Zentimeter, in Richtung X abweicht. In diesem Fall wird zuerst mittels des Motors 18 die Gewindespindel 19 angetrieben und dadurch der zweite Schlitten 14 in Richtung X bewegt. Die Steuerung des Motors 18 erfolgt dabei aufgrund des Ausgangssignals der Meßvorrichtung 21, bis eine Positioniergenauigkeit von 1 µm erreicht ist. Dadurch ist dann die Grobpositionierung in Richtung X ausgeführt. Im Anschluß daran wird dann auf vor stehend bereits erläuterte Weise der Luftdruck der Lagerelemente 7a und 7b derart gesteuert, daß das Spiel Δ x verändert wird und dadurch der erste Schlitten 6, der zur Grobpositionierung in Richtung Y dient, in Richtung X bewegt bzw. verlagert, wodurch die Position des Objekts 3 mit äußerst hoher Genauigkeit von weniger als 0,1 µm einge stellt wird. Dabei erfolgt die Steuerung der Luftdrücke in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Meßvorrichtung 21.

Zur Grobpositionierung in Richtung Y wird der erste Schlitten 6 mittels des Motors 10 mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 1 µm positioniert, woraufhin zur Feinpositionierung der Luftdruck der Lagerelemente 15a und 15b, die (in Fig. 2) links und rechts von den Führungsflächen der zweiten Schiene 13 angeordnet sind, so gesteuert wird, daß die gewünschte Position in Richtung Y mit hoher Genauigkeit eingestellt wird. Die Kontaktbereiche zwischen der Gewindespindel 19 und dem Schlitten 14 sowie die Kontaktbereiche zwischen der Gewindespindel 11 und dem Schlitten 16 weisen eine ausreichend geringe Reibung auf, um eine hinreichend genaue Positionierung in der Größenordnung von 1 µm zu ermöglichen.

Die Einstellung des Spiels der Schwimmlagerungen mit einer Genauigkeit von 0,1 µm kann durch einfaches Ändern des Gas- bzw. Luftdrucks der jeweils linken und rechten Lagerelemente im Bereich von 0,05 bar erreicht werden.

Ferner ist es möglich, durch unterschiedliche Druckbeaufschlagung der Lagerelemente 15a₁ und 15a₂ bzw. 7b₁ und 7b₂, die in Längsrichtung der jeweiligen Schiene 13 bzw. 5 nebeneinander angeordnet sind, den auf der betrachteten Schiene 13 bzw. 5 angeordneten Schlitten 14 bzw. 6 relativ zur Schiene 13 bzw. 5 etwas zu drehen. Ferner ist es möglich, eine möglicherweise auftre tende Schrägstellung des Schlittens 14 mittels der Meßvorrichtung 21 zu erfassen und auf der Grundlage von deren Ausgangssignal zu kompensieren.

Claims

1. Positioniervorrichtung zum hochgenauen Positionieren eines Objektes in mindestens zwei zueinander orthogonalen Richtungen (X, Y),
mit mindestens einer ersten Vorrichtung zum Positionieren in einer ersten (Y) der beiden Richtungen mit einem ersten Schlitten, der auf einer ersten Schiene mit einer horizon tal angeordneten Stützfläche und vertikal angeordneten Führungsflächen über eine erste Schwimmlagerung abgestützt und in der ersten Richtung bewegbar geführt ist,
mit mindestens einer zweiten Vorrichtung zum Positionieren in der zweiten (X) der beiden Richtungen mit einem zweiten, das Objekt tragenden Schlitten, der auf einer zweiten, am ersten Schlitten befestigten Schiene mit einer horizontal angeordneten Stützfläche und vertikal angeordneten Führungsflächen über eine zweite Schwimmlagerung abgestützt und in der zweiten Richtung bewegbar geführt ist,
wobei jeder der beiden Schwimmlagerungen mehrere mit der Stützfläche und den Führungsflächen zusammenwirkende Lagerelemente aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Grobpositionierung in der ersten Richtung (Y) eine erste Antriebsvorrichtung (8) den ersten Schlitten (6) auf der ersten Schiene (5) in der ersten Richtung (Y) bewegt,
daß zur Grobpositionierung in der zweiten Richtung (X) eine zweite Antriebsvorrichtung (16) den zweiten Schlitten (14) auf der zweiten Schiene (13) in der zweiten Richtung (X) bewegt,
daß eine Meßvorrichtung (21) die Position des zweiten Schlittens (14) in den zwei zueinander orthogonalen Richtungen (X, Y) genau erfaßt,
daß die Feinpositionierung des Objektes (3) in der ersten Richtung (Y) durch Steuerung des von den mit den Führungsflächen der zweiten Schiene (13) zusammenwirkenden Lagerelementen (15a, 15a₁, 15a₂, 15b) der zweiten Schwimmlagerung (15) ausgeübten Druckes in Form einer Verlagerung des zweiten Schlittens (14) quer zur zweiten Schiene (13) erfolgt,
daß die Feinpositionierung des Objektes (3) in der zweiten Richtung (X) durch Steuerung des von den mit den Führungsflächen der ersten Schiene (5) zusammenwirkenden Lagerelementen (7a, 7b, 7b₁, 7b₂) der ersten Schwimmlagerung (7) ausgeübten Druckes in Form einer Verlagerung des ersten Schlittens (6) quer zur ersten Schiene (5) erfolgt
und daß die Steuerung des jeweils ausgeübten Druckes in Abhängigkeit von der mittels der Meßvorrichtung (21) erfaß ten Position des zweiten Schlittens (14) erfolgt.

2. Positioniervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Antriebsvorrichtung (8) und die zweite Antriebsvorrichtung (16) jeweils als Spindelmechanismus ausgebildet sind.

3. Positioniervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerelemente (7a, 7b, 7b₁, 7b₂) der ersten Schwimmlagerung (7) und die Lagerelemente (15a, 15a₁, 15a₂, 15b) der zweiten Schwimmlagerung (15) jeweils als Gaslager ausgebildet sind.