JP2000136845A - 能動振動絶縁装置およびそれを用いた露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 除振対象にビルトイン可能で、除振対象を設
置する床振動の伝播をより低減させることが可能な能動
振動絶縁装置を提供する。 【解決手段】 除振対象を変位発生形アクチュエータを
介して中間プレートと結合し、この中間プレートと除振
対象を設置する床との間に弾性体を挿入し、除振対象に
その振動を検出する振動検出手段を取り付け、この振動
検出手段の出力に対して補償を施した信号に基づいて前
記変位発生形アクチュエータを駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レチクルの回路パ
ターンを半導体ウエハに焼き付ける半導体露光装置や液
晶基板製造装置あるいは電子顕微鏡などに用いられるア
クティブ除振装置に関する。より詳しくは、圧電素子等
の変位発生形アクチュエータを用いた能動振動絶縁装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子ビームを使う電子顕微鏡またはステ
ッパ、スキャナなどに代表される半導体製造装置では、
除振装置上にＸＹステージが搭載されている。この除振
装置は、空気ばね、コイルばね、防振ゴムなどの振動吸
収手段により振動を減衰させる機能を持つ。しかし、上
述の如き振動吸収手段を備えた受動的除振装置において
は、床から伝播する振動についてはある程度減衰できて
も、同装置上に搭載されているＸＹステージ自身が発生
する振動は有効に減衰できない、という問題がある。つ
まり、ＸＹステージ自身の高速移動によって生じる反力
は除振装置を揺らせることになり、この振動はＸＹステ
ージの位置決め整定性を著しく阻害するものであった。
さらに、受動的除振装置においては、床から伝播する振
動の絶縁（除振）とＸＹステージ自身の高速移動で発生
する振動の抑制（制振）性能との間にトレードオフの問
題がある。これらの問題を解消するため、近年はアクテ
ィブ除振装置を使用する傾向にある。アクティブ除振装
置は可調整機構の範囲内で除振と制振のトレードオフが
解消できるし、なによりもフィードフォワード制御を積
極的に適用することによって受動的除振装置では達成で
きない性能を取得することができる。

【０００３】しかし、半導体製造装置を代表とする嫌振
装置への振動伝播をさらに抑制するために、さらに低周
波数域まで除振を行なう必要がでてきた。そのために、
微小変位を精度よく制御可能な圧電素子を使った能動振
動絶縁装置を半導体製造装置全体の除振に使用する試み
がなされている。しかしながら、空気ばね、あるいは電
磁モータを使った除振装置は、開発の進展が著しく実用
レベルに達しているのに対して、圧電素子をアクチュエ
ータとして用いた能動振動絶縁装置は研究レベルの検討
に留まっている。その制御装置の構成については、検討
行為が不十分であって、圧電素子本来の能力を十二分に
活かした使い方がなされていない、という課題が残され
ている。

【０００４】図４は、変位発生型アクチュエータの代表
である圧電素子を使った能動振動絶縁装置の一般的な構
造を示す。同図において、１は圧電素子、２は板ばね、
３は弾性体（例えば、積層ゴム)、４は除振対象となる例
えばステッパもしくはスキャナ、５は中間プレート、６
は床である。この構造を有する能動振動絶縁装置は、除
振対象が所与であって、そこに図４に示される能動振動
絶縁装置を入れ込むか、あるいは敷く、という発想に基
づいた使い方がなされている。なんとなれば、中間プレ
ートと除振対象の間に挿入される弾性体３、例えば積層
ゴムは、除振対象４の未知のダイナミクスの性能への影
響を緩和するためのものであるからである。

【０００５】しかし、能動振動絶縁装置を必要とする半
導体露光装置のダイナミクスは不十分とはいえ全く未知
ということはなく、能動振動絶縁装置を使ってさらなる
除振を必要とする半導体装置メーカが捉えていないこと
はないのである。むしろ未知のダイナミクスは、装置を
設置する床の方にある。

【０００６】なんとなれば、半導体製造装置をはじめと
した産業用機器を設置するクリーンルームの床は、同一
のフロアーと言えども場所ごとに振動の様相を異にして
いる。また、フロアーに設置する産業用機器の設置台数
およびそれが発生する機械振動のレベルによっても、各
産業用機器が被る振動の状態は異なっている。この現象
は当然のことであって、床を支持する大梁および小梁、
そして建屋自身の固有周期などに関わって床の剛性が定
められており、したがってそれは分布的に異なるものと
なってしまうのである。

【０００７】一方、半導体製造装置の搬入、設置、その
立ち上げ工程とを考慮した場合、能動振動絶縁装置自身
も半導体製造装置の中に予めビルトインされているもの
であることが望ましい。しかし、先にも述べたように、
能動振動絶縁装置は半導体製造装置とそれを設置する床
との間に挿入するか、または敷く、という扱い方であっ
て、半導体製造装置自身に所与の機能として組み込まれ
たものとはなっていなかった。

【０００８】より詳細に、従来技術に係る能動振動絶縁
装置の原理をみていくことにする。図４は圧電素子が変
位発生形アクチュエータとして組み込まれる除振ユニッ
トの一構造である。この構造の力学モデルとこれに対し
て施されるフィードバックは特開平８−５４０３９号公
報（剛性アクチュエータ能動振動絶縁装置）に開示され
ており、図５のとおりである。図５の系の運動方程式は
図示の記号を用いて次式で表わされる。

【０００９】

【数１】 ここで、Ｍ_pは除振対象の質量、Κ_iは除振対象と中間プ
レート間の主に積層ゴムのばね定数、Ｃ_iは除振対象と
中間プレート間の主に積層ゴムの粘性摩擦係数、Ｍ_s は
中間プレートの質量、Ｋ_sは圧電素子のばね定数、ｘは
除振対象の変位、ｖは中間プレートの変位、ｕは床振動
の変位、ｚは圧電素子の変位、ｓはラプラス演算子であ
る。また、フィードバック関数は次式で表わされる。

【００１０】

【数２】 ここで、Ｃ_dは絶対変位のフィードバックゲイン、Ｃ_vは
絶対速度のフィードバックゲインである。（１）〜
（３）式よりｘ，ｕ，ｆ_pの間の関係を求めると、次式
を得る。

【００１１】

【数３】

【００１２】上式において、床振動の変位ｕから質量Ｍ
_pの除振対象の変位ｘまでの除振率は、（４）式右辺第
一項である。直流域での除振率は、ｓ→０とおいて次式
のようになる。

【００１３】

【数４】

【００１４】つまり、Ｃ_dの調整によって直流での除振
率を０［ｄＢ］以下にすることができる。これが、空気
ばねあるいは電磁アクチュエータを用いた除振装置との
決定的な差異となる。通常、空気ばねをアクチュエータ
とする能動的除振装置では、加速度（絶対加速度）の検
出に基づく振動制御ループによってダンピングを付与
し、床と除振台との間の相対変位に基づく位置制御ルー
プとによって指定した姿勢の保全を行なっている。相対
変位のフィードバックのため、低周波域の除振率は０
［ｄＢ］でありこの値を下回ることはない。（６）式が
実現できる理由は、ゲインＣ_dの絶対変位のフィードバ
ックを施しているからに他ならない。つまり、絶対変位
のフィードバックによってスカイフックスプリングを実
現しているのである。スカイフックスプリングの実現
は、例えば空気ばねをアクチュエータとする除振装置で
も、原理的には実現できる。すなわち、空気ばねを駆動
するサーボバルブへの入力から空気ばねが発生する圧力
までの特性は概ね積分特性と見做すことができるが、こ
の特性を踏まえて空気ばねで支持する除振台の加速度を
検出して、これを積分補償を通してサーボバルブの入力
に負帰還する。このようにすると、原理的には空気ばね
をアクチュエータとする除振台でもスカイフックスプリ
ングが実現できる。しかしながら、実際には、空気ばね
やリニアモータに代表される電磁モータなどの力発生形
アクチュエータを使用する除振装置においてスカイフッ
クスプリングが実現され、それが実稼働している例はな
い。変位発生形アクチュエータの代表である圧電素子等
を使うことによってはじめて変位が精密にコントロール
でき、以って剛性も精密にコントロールできるのであ
る。つまり、力発生形アクチュエータを使ったスカイフ
ックスプリングの実現は実用的には困難であると考えら
れる。

【００１５】次に、外乱ｆ_pからｘまでの応答は（４）
式右辺第二項であり、ｓ→０とおいて直流域の応答は次
式で表わされる。

【００１６】

【数５】 上式は、直列ばね系のコンプライアンスを表現する。第
１項は中間プレートと除振対象の間に挿入した固いゴム
のコンプライアンスを、第２項は圧電素子と中間プレー
卜間のスプリングおよびフィードバックによって作りだ
されたスプリングのコンプライアンスをそれぞれ示す。
第２項は、圧電素子と中間プレート間のスプリングＫ_s
と絶対変位フィードバックによって作りだされたスプリ
ングＫ_sＣ_dとが並列接続となっていることが分かる。Ｃ
_dを大きくすると（７）式のコンプライアンスは低下し
て制振特性は向上するが、コンプライアンスの大きさは
第１項より小さくすることはできない。以上により、
（６）式と（７）式の何れも静的な関係式に基づいてＣ
_dの効果は陽に示すことができた。

【００１７】次に、Ｃ_vの効果を説明する。（５）式の
特性方程式のｓ²項とｓ項に係る各係数を吟味すること
によって、あるいは図５のブロック線図を参照すること
によってその機能は明らかである。Ｃ_vのフィードバッ
クによって大きさＫ_sＣ_vの粘性摩擦係数が作りだされて
いる。すなわち機構にダンピングを付与して機構の安定
化を図っているのである。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】変位発生形の代表的な
アクチュエータである圧電素子等を組み込む能動振動絶
縁装置は、既に半導体製造装置へと適用するための実用
化研究が進展している。しかし、空気ばねや電磁アクチ
ュエータを用いたアクティブ除振装置に比べれば、圧電
素子の特徴を十分引き出すコントロール技術が確立され
ているわけではない。しかも従来の能動振動絶縁装置
は、除振対象を未知のダイナミクスとみなす立場で構造
設計および制御装置設計がなされていた。しかし、能動
振動絶縁装置を半導体製造装置に適用する立場でみた場
合、未知のダイナミクスはむしろ半導体製造装置を設置
する床の方である。

【００１９】しかし、このような観点から除振ユニット
の構造およびフィードバックを構成している能動振動絶
縁装置については全く公知例がなく、したがって、課題
として残されていた。

【００２０】本発明は、除振対象を設置する床振動の伝
播をより低減させることが可能で、除振対象にビルトイ
ン可能な能動振動絶縁装置を提供することを課題とす
る。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされたもので、除振対象と、この除振対象
と中間プレートとの間に挿入した変位発生形アクチュエ
ータと、前記中間プレートと前記除振対象を設置する床
との間に挿入した弾性体と、前記除振対象の振動を検出
する振動検出手段とを備え、前記振動検出手段の出力を
適切な補償器を介した信号に基づいて前記変位発生形ア
クチュエータを駆動することを特徴とする。

【００２２】本発明のより具体的な実施の形態に係る能
動振動絶縁装置は、除振対象を変位発生形アクチュエー
タを介して中間プレートと結合し、この中間プレートと
除振対象を設置する床との間に挿入した弾性体と、除振
対象の振動を検出する振動検出手段とを備えており、除
振対象に取り付けた振動検出手段の出力に対して補償を
施した信号に基づいて変位発生形アクチュエータを駆動
するものである。ここで、振動検出手段の出力が絶対速
度のとき、振動検出手段の出力に施す補償はＰＩＤ補償
器である。振動検出手段が絶対加速度を検出するもので
ある場合には、次元を考慮して適切な補償器が選択でき
る。また、除振対象はステッパやスキャナに代表される
半導体製造装置である。

【００２３】

【実施例】本発明では、除振対象を設置する床を未知の
ダイナミクスとみなす立場を採る。したがって、図４の
従来例の構造を天地させた除振ユニットを持つ能動振動
絶縁装置となる。図１は、本発明の一実施例に係る能動
振動絶縁装置の構成を、図２はその力学モデルを示す。
図示のように、ばね定数Ｋ_i、粘性摩擦係数Ｃ_iの弾性体
３は質量Ｍ_sの中間プレート５と床振動ｕの床６の間
に、発生変位ｕ_pの変位発生形アクチュエータ１は中間
プレート５と除振対象４の間に挿入される。

【００２４】図１において、除振対象４の直近には変位
発生形アクチュエータの例えば圧電素子１が配置されて
いる。圧電素子１の他端には中間プレート５があり、中
間プレート５と床６との間に板ばね２と積層ゴム３の弾
性体を挿入している。このような除振ユニットにおい
て、除振対象４の振動を検出する振動検出手段８の出力
をＰＩＤ補償器７に通し、その出力で圧電素子１に高電
圧を印加する駆動アンプ９を励起する。

【００２５】次に、原理の説明を行なう。図１および図
２に示された能動振動絶縁装置の運動方程式は、図示の
記号を使って次式で表わされる。

【００２６】

【数６】 ここで、次式に示すフィードバックを施す。

【００２７】

【数７】 すなわち、図３に示すように、除振対象４の絶対速度を
検出してＰＩＤ補償器７を介して圧電素子１の変位ｕ_p
を発生させる、というフィードバックループとなる。
（８）から（１０）式より、ｕとｆ_pからｘまでの関係
は次式となる。

【００２８】

【数８】 （１１）式より、直流（ｓ→０）における床振動ｕから
除振対象ｘまでの振動伝達率（除振率）ｘ／ｕと、外乱
ｆ_pから除振対象の変位ｘまでのコンプライアンスｘ／
ｆ_pはそれぞれ次式となる。

【００２９】

【数９】 いずれの特性もＣ_ixを増加すると、直流域の除振率は０
ｄＢを下回るようにできるし、かつコンプライアンスを
低下（スティフネスは増加）させることができる。特
に、従来技術に係る能動振動絶縁装置では、（７）式に
みるようにＣ_dの増加によってコンプライアンスを低下
させることはできるが、Ｃ_d→無限大の極限でも１／Ｋ_i
を下回ることはできない。しかし、本発明の能動振動絶
縁装置の特性となる（１４）式を参照すると、理論的に
はＣ_ixを無限大にしたとき、コンプライアンスを零に、
すなわちスティフネスを無限大にすることができるので
ある。したがって、原理的に、本発明の能動振動絶縁装
置の方が優れている。

【００３０】次に、フィードバックループの安定性につ
いて言及する。（１２ａ）式より、Ｋ_s Ｃ_vxは質量の効
果、（１２ｂ）式より、Ｋ_sＣ_xxは粘性摩擦の効果、
（１２ｃ）式よりＫ_sＣ_ixは剛性の効果を持っており、
ＰＩＤのゲイン（Ｃ_xx，Ｃ_ix，Ｃ_vx）を適宜調整するこ
とによって安定化することは容易である。

【００３１】なお、本発明の能動振動絶縁装置は、半導
体露光装置全体を支持するように使用する。好ましく
は、半導体製造装置が従来から備えている空気ばねある
いは電磁モータなどを使ったアクティブ除振装置の構成
ユニットである能動マウントの下部に、もしくは半導体
製造装置の床面に接する構造部材の中に組み込まれてい
る。

【００３２】

【デバイス生産方法の実施例】次に上記説明した露光装
置を利用したデバイスの生産方法の実施例を説明する。
図６は微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、
液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン
等）の製造のフローを示す。ステップ１（回路設計）で
はデバイスのパターン設計を行なう。ステップ２（マス
ク製作）では設計したパターンを形成したマスクを製作
する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコンや
ガラス等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４
（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマ
スクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエ
ハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立
て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製された
ウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセ
ンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージ
ング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６
（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの
動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こう
した工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷
（ステップ７）される。

【００３３】図７は上記ウエハプロセスの詳細なフロー
を示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化
させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁
膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上
に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン
打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５
（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステ
ップ１６（露光）では上記説明した能動振動絶縁装置を
有する露光装置によってマスクの回路パターンをウエハ
に焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウ
エハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像
したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９
（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となった
レジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行な
うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成
される。

【００３４】本実施例の生産方法を用いれば、従来は製
造が難しかった高集積度のデバイスを低コストに製造す
ることができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明の効果は以下のとおりである。 （１）本発明の変位発生形アクチュエータを使った能動
振動絶縁装置は、予め半導体露光装置等の除振対象にビ
ルトインすることができるので除振対象装置の立ち上げ
時間が短縮できる。 （２）従来、変位発生型アクチュエータの代表である圧
電素子を使った能動振動絶縁装置は、それからみた未知
のダイナミクスが除振対象（例えば、ステッパもしくは
スキャナ）であるとして構造およびフィードバックが設
計されていた。しかしながら、本発明の能動振動絶縁装
置は、除振対象の半導体露光装置等ではなく、装置を設
置する床を未知のダイナミクスとみなすという観点から
設計がなされている。したがって、半導体露光装置等を
設置する振動環境に柔軟に対応していくことができる。 （３）本発明の能動振動絶縁装置によれば、原理的には
外乱に対する除振対象の変位を零にできる構造およびフ
ィードバックを備えている。従来技術に係る能動振動絶
縁装置では、フィードバックのゲインを増加しても機構
固有のばねによって定められる一定のコンプライアンス
に抑えられてしまうが、本発明ではそのような制約から
解放されている。 （４）したがって、本発明の能動振動絶縁装置を備える
ことによって、除振対象例えば半導体製造装置を設置す
る床振動の伝播を低減することができ、もって半導体製
造装置の場合でいえば精度の高いＩＣの焼き付けが可能
となるとともに歩留まりが向上して生産性に寄与すると
ころ大という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る能動振動絶縁装置の
除振ユニットの構造を示す図である。

【図２】 図１の能動振動絶縁装置の力学モデルを示す
図である。

【図３】 図１の能動振動絶縁装置の制御ブロック図で
ある。

【図４】 従来例に係る能動振動絶縁装置の除振ユニッ
トの一構造例を示す図である。

【図５】 力学モデルとこれに対して施されるフィード
バックの構成を示す図である。

【図６】 微小デバイスの製造の流れを示す図である。

【図７】 図６におけるウエハプロセスの詳細な流れを
示す図である。

【符号の説明】

１：圧電素子、２：板ばね、３：積層ゴム、４：除振対
象、５：中間プレート、６：床、７：ＰＩＤ補償器、
８：振動検出手段、９：駆動アンプ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 除振対象と、 前記除振対象と中間プレートとの間に挿入した変位発生
   形アクチュエータと、 前記中間プレートと前記除振対象を設置する床との間に
   挿入した弾性体と、 前記除振対象の振動を検出する振動検出手段とを備え、 前記振動検出手段の出力を適切な補償器を介した信号に
   基づいて前記変位発生形アクチュエータを駆動すること
   を特徴とする能動振動絶縁装置。
2. 【請求項２】 前記振動検出手段の出力は絶対速度で、
   前記補償器はＰＩＤ補償器であることを特徴とする請求
   項１記載の能動振動絶縁装置。
3. 【請求項３】 前記除振対象は半導体製造装置であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の能動振動絶縁装置。
4. 【請求項４】 露光装置本体と、 該露光装置本体を支持する中間プレートと、 該露光装置本体と中間プレートとの間に挿入した変位発
   生形アクチュエータと、 該露光装置本体を設置する床と該中間プレートとの間に
   挿入した弾性体と、 該露光装置本体の振動を検出する振動検出手段と、 該振動検出手段の出力を適切な補償器を介した信号に基
   づいて前記アクチュエータを駆動する駆動手段とを具備
   することを特徴とする露光装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の露光装置を用いてデバ
   イスを製造することを特徴とするデバイス製造方法。