JP2002110523A - 露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 モータを使用しないステージを備えた露光装
置を提供する。 【解決手段】 Ｘ−Ｙステージは、Ｘガイド軸１１とこ
れに沿って移動可能なＸスライダ１２とを含むＸアクチ
ュエータ１０と、Ｙガイド軸２１とこれに沿って移動可
能なＹスライダ２２とを含むＹアクチュエータ２０とを
備える。各アクチュエータは、ガイド軸の周囲とスライ
ダとの間に圧力室を形成すると共に、該圧力室を軸方向
に関して２つのシリンダ室に区画する隔壁をスライダ、
ガイド軸の一方に設け、２つに区画されたシリンダ室に
それぞれ、ガイド軸内に設けられた供給／排出通路を通
して圧縮空気を出入り可能にすることにより構成され、
一方のガイド軸を他方のガイド軸のスライダに連結する
ことにより、該一方のガイド軸のスライダに装着した前
記ステージをＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動可能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は露光装置に関し、特
に、高精度の位置決め機能を持つＸ−Ｙステージを備え
た露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】露光装置は、光露光装置、電子ビーム露
光装置、イオンビーム露光装置、Ｘ線露光装置（シンク
ロトロン軌道放射光を利用したものも含む）等、様々な
種類のものが提供されている。

【０００３】これらのうちの電子ビーム露光装置につい
て、図１２を参照して簡単に説明する。図１２におい
て、電子銃であるフィラメント１０１から出た電子は、
収束レンズ１０２により適度な電子ビーム照射量が得ら
れるように収束される。収束された電子ビームは、絞り
機構１０３により不要部分が除去される。絞り機構１０
３を出た電子は、高速性を要求されるビームのオン、オ
フを駆動する静電偏向のブランキングプレート１０４を
通過し、静電（あるいは電磁）偏向系１０５により偏向
される。広がった分布は、対物レンズ１０６により絞ら
れ、半導体ウエハのようなワーク１０７に到達する。ワ
ーク１０７は、Ｘ−Ｙステージ１０８におけるステージ
に搭載されている。

【０００４】なお、上記の説明はマスクを使用しない場
合であるが、電子ビームをウエハに直接描画せずに、予
め描画しない部分を隠した１枚のマスクを使用して、１
回、あるいは複数枚のマスクで複数回電子ビームを照射
し、１つのパターン、あるいは１枚のウエハ露光を完成
させても良い。

【０００５】Ｘ−Ｙステージ１０８は、ステージをＸ軸
方向に駆動するためのＸ軸用のアクチュエータと、Ｙ軸
方向に駆動するためのＹ軸用のアクチュエータとを備え
ている。各アクチュエータは、真空チャンバ１１０によ
る高真空下で使用され、また電子ビーム軌道を制御する
ための磁場あるいは電場に影響を与えないように、使用
される材料は、非磁性材料に限定される。このため、ア
ルミナセラミクス、ベリリウム銅などの非磁性材料を使
用したステージをころ軸受で案内し、摩擦駆動するとい
う構成が一般的である。

【０００６】摩擦駆動によるアクチュエータは、図１３
に示されるように、予圧Ｐをかけた従動輪（図示せず）
と駆動輪６１とでスライダ６２を挟み、摩擦により駆動
輪６１の回転運動をスライダ６２の直線運動に変換する
構造である。駆動輪６１は、サーボモータ６３で駆動さ
れる。スライダ６２には、テーブル６４が案内面上をこ
ろ軸受案内によりスライド可能に組合わされる。テーブ
ル６４の移動量は変位センサ６５で検出され、コントロ
ーラ６６に送られる。コントローラ６６は、検出された
移動量を受けてテーブル６４が所定の目標位置に位置決
めされるようにサーボモータ６３を制御する。

【０００７】図１３に示すアクチュエータは、一軸分の
構成であり、これをＸ軸用のアクチュエータとすると、
別にＹ軸用のアクチュエータが必要となる。Ｙ軸用のア
クチュエータもＸ軸用のアクチュエータと同じ構成であ
るが、Ｘ軸用のアクチュエータとテーブル６４とを一体
的にＹ軸方向に移動させることになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のアクチュエータ
の特徴は、ボールねじ駆動機構と比較して高速駆動が可
能な点にあるが、摩擦力で駆動されるため推力が小さい
ことが問題点としてあげられる。更に、駆動輪６１とス
ライダ６２との間の摩擦係数が不明であるため、すべり
を嫌って低速で用いられることが多く、電子ビーム露光
装置に用いた場合のスループットは、半導体ウェハ数枚
／ｈｒ程度となっている。より大きな摩擦力を得るため
には、大きな予圧Ｐが必要となり、アクチュエータの材
料摩耗、発塵、寿命低下など信頼性の点で問題となる。

【０００９】また、ころ軸受案内は接触式案内であり、
案内面ところの加工精度により案内精度が決まり、案内
剛性は比較的大きいものの、接触面への塵埃の混入に弱
いという問題がある。加えて、駆動輪６１の回転にはサ
ーボモータ６３を使用するが、サーボモータ６３は磁性
を有するので、真空チャンバ外に設置する必要があり、
電子ビームの磁場に影響しない真空チャンバ外からスラ
イダ６２によりテーブル６４を駆動するという構成を採
用せざるを得ない。これは、Ｘ軸用、Ｙ軸用の両アクチ
ュエータに共通の課題である。その結果、アクチュエー
タの占有面積増加、駆動軸が長くなることによる剛性の
低下に起因する運動性能の劣化などが新たな問題として
生じる。

【００１０】そこで、本発明の課題は、モータを使用し
ないステージを備えた露光装置を提供することにある。

【００１１】本発明の他の課題は、高精度の位置決めの
可能なステージを備えた露光装置を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、露光され
るべきワークを搭載するためのステージを備えた露光装
置において、前記ステージの駆動機構として流体圧駆動
によるアクチュエータを有することを特徴とする。

【００１３】本露光装置においては、露光光源として、
例えば電子ビームが用いられ、真空中で使用される。

【００１４】なお、露光光源としては、Ｘ線を用いても
良いし、波長が可視光域から紫外線域の露光光源を用い
ても良い。

【００１５】第２の発明によれば、露光されるべきワー
クを搭載するためのステージを互いに直交するＸ軸、Ｙ
軸方向に駆動可能としたＸ−Ｙステージを備えた露光装
置において、前記Ｘ−Ｙステージの駆動機構として流体
圧駆動によるアクチュエータを有することを特徴とする
露光装置が提供される。

【００１６】第２の発明による露光装置においては、前
記Ｘ−Ｙステージは、Ｘ軸方向に延びるＸ軸用のガイド
軸とこれに沿って移動可能なＸ軸用のスライダとを含む
Ｘ軸用のアクチュエータと、Ｙ軸方向に延びるＹ軸用の
ガイド軸とこれに沿って移動可能なＹ軸用のスライダと
を含むＹ軸用のアクチュエータとを備え、各アクチュエ
ータは、ガイド軸の周囲とスライダとの間に圧力室を形
成すると共に、該圧力室を軸方向に関して２つのシリン
ダ室に区画する隔壁をスライダ、ガイド軸の一方に設
け、２つに区画されたシリンダ室にそれぞれ、ガイド軸
内に設けられた供給／排出通路を通して圧縮流体を出入
り可能にすることにより構成され、一方のガイド軸を他
方のガイド軸のスライダに連結することにより、該一方
のガイド軸のスライダに装着した前記ステージをＸ軸方
向、Ｙ軸方向に移動可能とされる。

【００１７】第２の発明による露光装置においてはま
た、各アクチュエータにおけるシリンダ室の両側であっ
てガイド軸とスライダとの間にはそれぞれ軸受及びシリ
ンダ室からの漏れ流体を排出するための排出部が設けら
れ、ガイド軸内にはその端部から前記排出部に至る排出
通路が設けられる。

【００１８】第２の発明による露光装置においては更
に、各ガイド軸の両端部にそれぞれ圧縮流体を供給／排
出するための接続部が設けられ、該接続部に接続した配
管にはサーボ弁が設けられる。

【００１９】第２の発明による露光装置においては、各
アクチュエータが、ガイド軸とスライダとの組み合わせ
を２組、互いに平行になるような関係で有することが好
ましい。

【００２０】第２の発明による露光装置においては更
に、前記軸受として静圧空気軸受が用いられ、各ガイド
軸内にはその端部から前記静圧空気軸受に至る給気通路
が設けられる。

【００２１】なお、各アクチュエータは非磁性材料で構
成されるのが好ましい。

【００２２】第２の発明による露光装置においては、各
アクチュエータが更に、２つの前記サーボ弁を制御する
ための制御系を備え、該制御系は、前記スライダの位置
を検出するための位置検出器と、該位置検出器からの位
置検出信号に対してサンプリングを行ってあらかじめ定
められた演算を行い、前記２つのサーボ弁に指令値を出
力する演算装置とを含み、該演算装置は、１サンプリン
グ周期前の指令値と１サンプリング周期前のスライダ位
置とを用いて現在のスライダの推定位置、推定速度、推
定加速度を算出する第１のステップと、スライダ目標位
置、算出されたスライダの推定位置、算出された推定速
度、算出された推定加速度より前記２つのサーボ弁に対
する指令値を算出する第２のステップと、１サンプリン
グ周期前の指令値、１サンプリング周期前の算出された
推定速度、１サンプリング周期前の算出された推定加速
度、算出された現在の推定加速度から定常位置偏差に対
する補正値を算出する第３のステップと、前記第２のス
テップで算出された指令値を前記第３のステップで算出
された補正値で補正して前記２つのサーボ弁に与える第
４のステップとを実行する。

【００２３】前記サーボ弁は、３位置３ポート直動型サ
ーボ弁が好ましい。

【００２４】第２の発明による露光装置においては、前
記スライダ目標値が与えられてからサーボ弁に対する指
令値が出力されるまでの制御系は、あらかじめ定められ
た伝達関数Ｇ_c （ｓ）で規定され、前記演算装置は更
に、前記スライダ目標値に前記伝達関数の逆モデルＧ_c
（ｓ）^-1を乗算するステップを実行することにより定常
速度偏差を低減できるようにされている。

【００２５】第２の発明による露光装置においても、露
光光源として、例えば電子ビームが用いられ、真空中で
使用される。また、露光光源としては、Ｘ線を用いても
良いし、波長が可視光域から紫外線域の露光光源を用い
ても良い。

【００２６】

【発明の実施の形態】図２を参照して、本発明によるＸ
−Ｙステージの駆動原理について説明する。このＸ−Ｙ
ステージは、図１２で説明した電子ビーム露光装置のよ
うな露光装置においてワークを搭載して互いに直交する
Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に駆動可能とするＸ−Ｙステージと
して利用される。

【００２７】本形態によるＸ−Ｙステージは、後で説明
されるように、Ｘ軸方向駆動用のアクチュエータ（以
下、Ｘアクチュエータと呼ぶ）とＹ軸方向駆動用のアク
チュエータ（以下、Ｙアクチュエータと呼ぶ）とを備え
るが、アクチュエータとしての駆動原理は同じであるの
で、ここでは、Ｘアクチュエータについて説明する。

【００２８】図２において、Ｘアクチュエータ１０は、
両端部を支持体により固定されてＸ軸方向に延びるＸガ
イド軸１１と、これに沿って移動可能なＸスライダ１２
とを含む。Ｘスライダ１２は、Ｘガイド軸１１の周囲を
囲むことができるような筒状体であり、Ｘガイド軸１１
の外周との間に空間ができるようにされている。この空
間は、圧力室として使用されるものであり、この圧力室
を軸方向に関して２つのシリンダ室１６ａ、１６ｂに区
画する隔壁１３をＸスライダ１２の内壁に固定してい
る。隔壁１３もＸスライダ１２と共にＸガイド軸１１に
沿ってスライド可能である。Ｘスライダ１２の両端部に
はそれぞれ、静圧空気軸受１４を設け、これらの静圧空
気軸受１４には軸受給気系１５を接続している。静圧空
気軸受は良く知られているので、詳細な構造については
説明を省略する。Ｘスライダ１２の両端部にはまた、２
つに区画されたシリンダ室１６ａ、１６ｂにそれぞれ、
圧縮空気を出入り可能にするためのシリンダ給気系１７
ａ、１７ｂを接続している。シリンダ給気系１７ａ、１
７ｂはそれぞれ、サーボ弁１８ａ、１８ｂを備え、これ
らのサーボ弁１８ａ、１８ｂは圧縮空気供給源に接続さ
れている。

【００２９】このような構成により、静圧空気軸受１４
に圧縮空気を供給すると、Ｘスライダ１２はＸガイド軸
１１に対してわずかに浮上する。ここで、例えばサーボ
弁１８ａを圧縮空気供給側、サーボ弁１８ｂを大気開放
側にすると、隔壁１３はピストンとして作用してＸスラ
イダ１２は、図２中、右方向に移動する。このようにし
て、サーボ弁１８ａ、１８ｂの開度を制御することによ
り、Ｘスライダ１２をＸガイド軸１１に対して任意の位
置に移動させることができる。

【００３０】位置制御系については、図１３で説明した
のと同様の方式を採用することができる。すなわち、図
１３で説明したコントローラがＸスライダ１２の変位量
に応じてサーボ弁１８ａ、１８ｂの開度を制御するよう
にすれば良い。しかし、本発明による露光装置は、図１
３で説明したものとは異なる位置制御系を有しており、
これについては後述する。

【００３１】次に、図３を参照して、上記の駆動原理を
利用したＸアクチュエータ１０の一例について説明す
る。この例では、Ｘガイド軸１１として断面四角形状の
軸体を用い、Ｘスライダ１２もＸガイド軸１１を挿通可
能な断面四角形状の内部空間を持つ断面四角形状にされ
ている。特に、Ｘスライダ１２の内壁とＸガイド軸１１
の外周面との間の隙間はわずかである。また、Ｘガイド
軸１１の中央部に近い領域において圧力室を形成するこ
とができるように、ここではＸガイド軸１１を細くして
いる。Ｘスライダ１２の内壁には、圧力室を２つのシリ
ンダ室１６ａ、１６ｂに区画するために、Ｘガイド軸１
１に沿ってスライド可能な隔壁１３を固定している。

【００３２】以下では、２つに区画されたシリンダ室１
６ａ、１６ｂのうち、シリンダ室１６ａ側の構造につい
て説明する。シリンダ室１６ｂ側もまったく同じ構造で
ある。

【００３３】シリンダ室１６ａに圧縮空気を出入り可能
にするために、Ｘガイド軸１１内の中心にその端部から
中央部に向けて空気通路１１−１を設けている。この空
気通路１１−１は、シリンダ室１６ａに近い部分で複数
に分岐されてシリンダ室１６ａに連通しており、シリン
ダ室１６ａ内の圧力分布が均一になるようにしている。
Ｘガイド軸１１の端部における空気通路１１−１には空
気配管が接続され、更に、図２で説明したサーボ弁が備
えられる。Ｘスライダ１２の最大ストロークは、シリン
ダ室１６ａ、１６ｂの軸方向寸法により決まる。

【００３４】図４をも参照して、シリンダ室１６ａに近
いＸガイド軸１１の周囲にはまた、静圧空気軸受１４が
設けられ、静圧空気軸受１４の両側に排気部１９−１、
１９−２が設けられる。静圧空気軸受１４は、Ｘガイド
軸１１の断面形状が矩形状であるので、その４つの面に
設けられる。排気部１９−１、１９−２は、シリンダ室
１６ａからの漏れ空気、静圧空気軸受１４からの空気を
排気するためのものであり、排気を容易にするためにＸ
ガイド軸１１の周囲に溝を形成し、この溝を通して排気
を行うようにしている。Ｘガイド軸１１には更に、その
軸方向に関して静圧空気軸受１４よりも外側の位置に真
空排気部１９−３が設けられる。真空排気部１９−３を
備えるのは、真空チャンバ内での使用を考慮してのこと
であり、この真空排気部１９−３も排気を容易にするた
めに、Ｘガイド軸１１の周囲に溝を形成し、この溝を通
して真空排気を行うようにしている。

【００３５】静圧空気軸受１４に圧縮空気を供給するた
めに、Ｘガイド軸１１内にその端部から静圧空気軸受１
４に至る複数の空気通路１１−２を設けている。Ｘガイ
ド軸１１内にはまた、その端部から排気部１９−１、１
９−２の溝に至る複数の排気通路１１−３を設けてい
る。Ｘガイド軸１１内には更に、その端部から真空排気
部１９−３の溝に至る排気通路１１−４を設けている。
この排気通路１１−４は、真空排気部１９−３の溝に、
Ｘガイド軸１１の４つの面毎に穴を設け、それぞれの穴
に連通するようにされるのが望ましい。

【００３６】なお、図４では、便宜上、Ｘガイド軸１１
に設けられた複数種類の通路をすべて実線で示している
が、これらの通路は、Ｘガイド軸１１内の周方向に関し
て異なった位置に設けられることは言うまでもない。

【００３７】Ｘガイド軸１１の端部における複数の空気
通路１１−２には空気配管が接続され、更に圧縮空気供
給源が備えられる。同様に、Ｘガイド軸１１の端部にお
ける複数の排気通路１１−３には空気配管が接続され、
更に排気用のポンプが備えられる。Ｘガイド軸１１の端
部における排気通路１１−４には空気配管が接続され、
更に真空排気用のポンプが備えられる。

【００３８】なお、Ｘガイド軸１１の両端部は、図３に
示されるように、真空チャンバ１（図１２の電子ビーム
露光装置の場合、真空チャンバ１１０に対応）の側壁に
おいて支持されるように側壁を貫通している。したがっ
て、Ｘガイド軸１１の両端部における空気配管の接続
は、真空チャンバ１の外で行われる。

【００３９】以上、Ｘアクチュエータ１０について説明
したが、Ｙアクチュエータについてもまったく同じ構造
である。

【００４０】次に、図１を参照して、上記のＸアクチュ
エータ１０、Ｙアクチュエータを使用したＸ−Ｙステー
ジの一例について説明する。この例では、Ｘアクチュエ
ータ１０は、Ｘガイド軸１１とＸスライダ１２との組合
わせを２組、互いに平行になるような関係で有し、Ｙア
クチュエータ２０も、Ｙガイド軸２１とＹスライダ２２
との組合わせを２組、互いに平行になるような関係で有
する。特に、２組のＹガイド軸２１の両端を、２組のＸ
スライダ１２に連結している。その結果、２組のＹガイ
ド軸２１は、２組のＸスライダ１２と共にＸ軸方向に移
動可能となる。更に、２組のＹスライダ２２の間に、ス
テージ３０が設けられている。このようにして、Ｘスラ
イダ１２のＸ軸方向の移動と、Ｙスライダ２２のＹ軸方
向の移動とを合成することにより、ステージ３０をＸ軸
方向、Ｙ軸方向の両方向に移動させることができる。こ
のようなＸ−Ｙステージの場合、図３で説明したよう
に、Ｘガイド軸１１の両端部が真空チャンバの側壁に固
定される。

【００４１】なお、Ｘ−Ｙステージが、電子ビーム露光
装置における真空チャンバのような高真空下で使用され
る場合、電子ビーム軌道を制御する磁場に影響を与えな
いようにするために、各構成要素の材料は、アルミナセ
ラミクスやベリリウム銅などの非磁性材料が使用され
る。

【００４２】図５は、Ｘアクチュエータの別の例を示
す。この例では、Ｘガイド軸１１´は軸方向に関して同
じ断面形状を有する。一方、Ｘスライダ１２´を、Ｘガ
イド軸１１´が挿通される２つの部材１２−１、１２−
２と、これらの２つの部材１２−１、１２−２をカバー
しつつ連結している筒状体１２−３とで構成することに
より、Ｘガイド軸１１´の中央部の周囲に圧力室を形成
している。更に、隔壁１３´を圧力室内においてＸガイ
ド軸１１´に固定することにより、圧力室を２つのシリ
ンダ室１６ａ、１６ｂに区画している。２つの部材１２
−１、１２−２は、筒状体１２−３と共に、Ｘガイド軸
１１´に沿って移動可能であり、圧力室を形成している
筒状体１２−３の内壁は隔壁１３´の外周上をスライド
可能である。シリンダ室１６ａ、１６ｂに圧縮空気を出
入り可能にするための構造、静圧空気軸受１４、排気部
１９−１、１９−２、真空排気部１９−３及びその回り
の構造は、前記の例と同じで良い。

【００４３】このＸアクチュエータは、例えばシリンダ
室１６ａに圧縮空気が導入されると、Ｘスライダ１２´
が図５中、左方に移動する点で図３の例と異なるが、動
作原理はまったく同じである。

【００４４】図６を参照して、Ｘアクチュエータの制御
系について説明する。図６において、図２、図３と同じ
部分については同一番号を付している。空気圧源４０か
らレギュレータ４１Ａで適当な圧力に調節された空気が
静圧空気軸受１４に供給される。この静圧空気軸受１４
の空気によりＸスライダ１２がＸガイド軸１１から浮上
し、Ｘガイド軸１１と非接触で移動が可能となる。した
がって、移動に際しての摺動抵抗をもたない。また、リ
ニアスケール等による位置センサ４５によりＸスライダ
１２の位置を検出しその位置情報を電気信号により出力
する。位置センサ４５により出力された信号は演算装置
５０に入力される。

【００４５】演算装置５０では入力された位置情報をも
とに制御演算を行い、サーボアンプ４２Ａ、サーボアン
プ４２Ｂにスプール位置指令信号（電気信号）を出力す
る。この際、サーボアンプ４２Ａ、サーボアンプ４２Ｂ
への指令値は、絶対値が同じで符号を反転させた値を用
いる。

【００４６】サーボアンプ４２Ａ、サーボアンプ４２Ｂ
は、この指令値に従いサーボ弁１８ａ、サーボ弁１８ｂ
のスプール位置をそれそれ制御する。なお、サーボ弁１
８ａ、サーボ弁１８ｂは、３位置３ポート直動型サーボ
弁が好ましい。

【００４７】サーボ弁１８ａ、サーボ弁１８ｂはレギュ
レータ４１Ｂにより適当な圧力に調節された圧縮空気が
供給されており、サーボ弁１８ａ、サーボ弁１８ｂ内の
スプール位置により通過する流量が変動する。サーボ弁
１８ａ、サーボ弁１８ｂを通過した空気はＸスライダ１
２内に設けられた２つのシリンダ室１６ａ、シリンダ室
１６ｂに供給される。シリンダ室１６ａ、シリンダ室１
６ｂの差圧がＸスライダ１２の内壁に取り付けられた隔
壁１３に作用し、Ｘスライダ１２を移動させる。

【００４８】図４をも参照して、Ｘガイド軸１１の端部
における空気通路１１−１には空気配管が接続され、更
にサーボ弁を介して空気圧源４０が接続される。Ｘガイ
ド軸１１の端部における複数の空気通路１１−２には空
気配管が接続され、更にレギュレータを介して空気圧源
４０が接続される。同様に、Ｘガイド軸１１の端部にお
ける複数の排気通路１１−３には空気配管が接続され、
更に排気用のポンプが接続される。Ｘガイド軸１１の端
部における排気通路１１−４には空気配管が接続され、
更に真空引き用のポンプが接続される。

【００４９】前に述べたように、本アクチュエータは真
空チャンバ内に設けられるので、Ｘガイド軸１１の両端
部は、真空チャンバの側壁において支持されるように側
壁を貫通する。したがって、Ｘガイド軸１１の両端部に
おける空気配管の接続は、真空チャンバの外で行われ
る。

【００５０】図７に演算装置５０で行われる制御演算の
ブロック線図を示す。図７のプラント（スライダ系）Ｐ
のノミナルモデルＰ_n を次のように表わす。

【００５１】 Ｐ_n （ｓ）＝Ｋ_n ・ω_n ² ／ｓ（ｓ² ＋ω_n ² ） （１） Ｋ_n 、ω_n はプラントの特性から決まる定数、ｓは微分
器でありその乗数は微分の階数を表わす。図７のＫ_s は
サーボ弁の特性から決まる定数である。

【００５２】以下に演算装置５０の動作を説明する。以
下で、添え字ｋ＝０，１，・・・は、位置センサ４５の
検出信号に対して行われるサンプリングの各サンプリン
グ周期のその変数のサンプル値を表わす。

【００５３】（１）空気圧源４０からの空気をレギュレ
ータ４１Ａで適当な圧力に調節し静圧空気軸受１４に供
給する。この静圧空気軸受１４の空気によりＸスライダ
１２をＸガイド軸１１から浮上させ、Ｘスライダ１２が
Ｘガイド軸１４と非接触で移動可能な状態にする。

【００５４】（２）位置センサ４５によりＸスライダ１
２の位置を検出しその位置情報を電気信号により出力す
る。位置センサ４５により出力された信号は演算装置５
０に入力される。

【００５５】（３）演算装置５０は位置センサ４５から
の検出信号に対してサンプリングを行い、以下で述べる
ような演算を行う。指令値ｕ（ｋ−１）と（２）で検出
したスライダ位置ｘ（ｋ−１）からカルマンフィルタ５
１による演算を行い、次式からスライダの推定位置ｘ_ep
（ｋ）、推定速度ｘ_ev（ｋ）、推定加速度ｘ_ea（ｋ）を
得る。なお、ｋは現在のサンプル値、（ｋ−１）は１サ
ンプリング周期前のサンプル値を表わす。また、ｅを付
す場合には、推定値を表すものとする。

【００５６】ｘ_ep（ｋ）＝ΔＴ［ｘ_ev（ｋ−１）＋ｌ₁
｛ｘ（ｋ−１）−ｘ_ep（ｋ−１）｝］＋ｘ_ep（ｋ−１） ｘ_ev（ｋ）＝ΔＴ［ｘ_ea（ｋ−１）＋ｌ₂ ｛ｘ（ｋ−
１）−ｘ_ep（ｋ−１）｝］＋ｘ_ev（ｋ−１） ｘ_ea（ｋ）＝ΔＴ［ａｘ_ev（ｋ−１）＋ｂｕ（ｋ−１）
＋ｌ₃ ｛ｘ（ｋ−１）−ｘ_ep（ｋ−１）｝］＋ｘ_ea（ｋ
−１） 但し、ａ＝−ω_n ² 、ｂ＝Ｋ_s Ｋ_n ω_n ² 、ΔＴはサン
プリング周期である。

【００５７】（４）スライダ目標位置Ｘ_ref （ｋ）と算
出されたスライダ位置推定値ｘ_ep（ｋ）、算出された速
度推定値ｘ_ev（ｋ）、算出された加速度推定値ｘ
_ea（ｋ）の各フィードバック値より指令値ｕ（ｋ）を計
算する。

【００５８】ｕ（ｋ）＝Ｋ_p ｛ｘ_ref （ｋ）−ｘ
_ep（ｋ）｝−Ｋ_v ｘ_ev（ｋ）−Ｋ_a ｘ_ea（ｋ） 但し、Ｋ_p は比例ゲイン、Ｋ_v は速度ゲイン、Ｋ_a は加
速度ゲインである。

【００５９】（５）１サンプリング周期前の指令値ｕ
（ｋ−１）、スライダ推定速度ｘ_ev（ｋ−１）、推定加
速度ｘ_ea（ｋ−１）と算出された現在の推定加速度ｘ_ea
（ｋ）から次式のようにサーボ弁中立点の機差の補正値
ｄ_e （ｋ）を計算する。

【００６０】ｄ_e （ｋ）＝ｕ_e ´（ｋ）−ｕ´（ｋ） 但し、ｕ_e ´（ｋ）、ｕ´（ｋ）はそれぞれ、以下の数
１、数２で与えられる。

【００６１】

【数１】

【数２】 Ｔ_f は図７中の外乱オブザーバ５２において次式で表わ
されるフィルタの時定数である。

【００６２】Ｆ（ｓ）＝１／（Ｔ_f ｓ＋１） （６）（４）で計算した指令値ｕ（ｋ）と（５）で計算
したｄ_e （ｋ）によりサーボアンプ４２Ａ、４２Ｂへの
指令値ｕ（ｋ）−ｄ_e （ｋ）を計算し、これをサーボア
ンプ４２Ａ、サーボアンプ４２Ｂに電気信号として出力
する。この際、サーボアンプ４２Ａ、サーボアンプ４２
Ｂへの指令値は、絶対値が同じで符号を反転させた値を
用いる。

【００６３】（７）サーボアンプ４２Ａ、サーボアンプ
４２Ｂは、指令値ｕ（ｋ）−ｄ_e（ｋ）に従い、サーボ
弁１８ａ、サーボ弁１８ｂのスプール位置をそれぞれ制
御する。サーボ弁１８ａ、サーボ弁１８ｂはレギュレー
タ４１Ｂにより適当な圧力に調節された圧縮空気が供給
されており、サーボ弁１８ａ、サーボ弁１８ｂ内のスプ
ール位置により通過する流量が変動する。

【００６４】（８）サーボ弁１８ａ、サーボ弁１８ｂを
通過した空気はＸスライダ１２内に設けられた２つのシ
リンダ室１６ａ、シリンダ室１６ｂに供給される。シリ
ンダ室１６ａ、シリンダ室１６ｂの差圧がＸスライダ１
２に取り付けられた隔壁１３に作用しＸスライダ１２を
移動させる。

【００６５】（９）上記の（２）から（８）を繰り返
し、Ｘスライダ１２を目標位置Ｘ_refに制御する。

【００６６】なお、ｕ（０）、ｘ_ep（０）、ｘ
_ev（０）、ｘ_ea（０）、ｄ_e （０）の初期値はすべて零
とする。

【００６７】上記のように、Ｘスライダ１２の位置、速
度、加速度を推定するために、本形態ではカルマンフィ
ルタ５１を適用している。また、２台のサーボ弁を使用
した空気圧位置制御系では、各サーボ弁の中立点の違い
が外乱となり定常位置偏差が生じる。この外乱を外乱オ
ブザーバ５２で推定し、打ち消すことで、これらの定常
位置偏差を補償している。そして、外乱オブザーバ５２
を適用することにより、フィルタＦ（ｓ）の帯域での外
乱やプラントのパラメータ変動に対するロバスト性を補
償できる。

【００６８】いずれにしても、カルマンフィルタ、外乱
オブザーバを用いることにより、対象とする空気圧サー
ボ系の特性を（１）式のノミナルモデルに近付けること
ができる。

【００６９】上記のような制御によれば、カルマンフィ
ルタ５１、外乱オブザーバ５２によりＸスライダ１２の
停止位置精度が改善される。このような制御は、スライ
ダをステップ状に動かし、停止位置精度だけを問題にす
る場合には十分である。しかし、スライダの等速移動時
のように目標値が連続的に変化する場合には定常速度偏
差が生じるため、スライダの駆動中の精度を問題にする
場合には、上記の制御では不十分である。

【００７０】そこで、定常速度偏差を改善するための手
法を以下に説明する。

【００７１】外乱オブザーバ５２によって外乱（サーボ
弁中立点機差等）が補正され、カルマンフィルタ５１に
よって位置、速度、加速度が正確に推定されると、図７
のブロック線図は図８のように書き替えられる。図８で
は、実際のサーボ弁の特性から決まる定数Ｋ_s （サーボ
弁ゲイン）は、演算装置５０内で想定しているサーボ弁
ゲインＫ_snと等しいものとし、プラント（スライダ系）
の特性Ｐ（ｓ）もノミナルモデルＰ_n （ｓ）と等しいも
のとしている。

【００７２】この場合、目標値ｘ_ref から制御量ｘまで
の閉ループ伝達関数は、 Ｇ_c （ｓ）＝ｘ／ｘ_ref ＝Ａ₃ ／（ｓ³ ＋Ａ₁ ｓ² ＋Ａ₂ ｓ＋Ａ₃ ） となる。但し、 Ａ₁ ＝Ｋ_snＫ_n ω_n ² Ｋ_a Ａ₂ ＝（１＋Ｋ_snＫ_n Ｋ_v ）ω_n ² Ａ₃ ＝Ｋ_snＫ_n ω_n ² Ｋ_p である。

【００７３】定常速度偏差を低減するためには、図９に
示すように、図７のブロック線図における目標値ｘ_ref
の入力部に上記の閉ループ伝達関数の逆モデルＧ
_c （ｓ）^-1を挿入すれば良い。このような逆モデルを挿
入することによって、全体の伝達関数は理想的な１とな
り、定常速度偏差が改善される。

【００７４】なお、目標値ｘ_ref に逆モデルＧ_c （ｓ）
^-1を乗算したものは次式で計算できる。

【００７５】 ｘ_ref Ｇ_c （ｓ）^-1＝ｘ_ref （ｓ³ ＋Ａ₁ ｓ² ＋Ａ₂ ｓ＋Ａ₃ ）／Ａ₃ ＝（ｊ_ref ＋Ａ₁ ａ_ref ＋Ａ₂ ｖ_ref ＋Ａ₃ ｘ_ref ）／Ａ₃ 但し、ｖ_ref は目標値ｘ_ref を１階微分した目標速度で
あり、ａ_ref は目標値ｘ _ref を２階微分した目標加速度
であり、ｊ_ref は目標値ｘ_ref を３階微分した目標ジャ
ークである。

【００７６】したがって、離散化した指令値ｕ（ｋ）
は、以下の数３で計算される。

【００７７】

【数３】

【００７８】以上のような位置制御系を採用することに
より、数ｎｍの精度で位置決めを行うことができる。

【００７９】なお、本発明によるアクチュエータは、固
定部とこれに対して静圧軸受を介してスライド可能に設
けられたスライダとの間に２つの圧力室が形成され、こ
れら２つの圧力室に供給される圧縮空気の流量をそれぞ
れ３位置３ポート直動型サーボ弁により制御することに
より、２つの圧力室の差圧でスライダを非接触で駆動す
るように構成された空気圧アクチュエータ、更には空気
圧に限らず気体圧アクチュエータ全般に適用可能であ
る。

【００８０】図１０を参照して、本発明が適用されるＸ
線露光装置としてシンクロトロン用たて形ステッパにつ
いてその概略を説明する。本ステッパは、シンクロトロ
ン放射光（以下、ＳＲ光と呼ぶ）のＸ線を利用した露光
装置であり、マスク７６を戴置したマスクステージ７
１、ウエハ７７を載置した、本発明によるＸ−Ｙステー
ジ７２、Ｘ−Ｙステージ７２の側面に取り付けたミラ−
７２ａ、Ｘ−Ｙステージ７２の上面に取り付けたミラー
７２ｂ、Ｘ−Ｙステージ７２の水平方向の移動距離（位
置あるいは変位量）を測定するレーザ干渉計７３ａ、Ｘ
−Ｙステージ７２の上下方向の移動距離（位置あるいは
変位量）を測定するレーザ干渉計７３ｂを備えている。
ＳＲ光は電子軌道接線方向（水平方向）へ放出され、振
動ミラーにより２５ｍｍ角に振幅（揺動）され、ＳＲ照
射系７５より本ステッパに導かれる。このため、ステー
ジとしては、マスク７６に対してウエハ７７を、一定ギ
ャップに保ちながら鉛直平面に沿って位置決めを行うた
て形ステージの構成となっている。

【００８１】従来の摩擦系案内装置と駆動源で設計した
場合、サーボモータとボールネジやリニアモータが発熱
すると、大気ゆらぎによりレーザ干渉計で行う測距精度
が低下するが、本発明ではそれらの問題点はない。すな
わち、摩擦がなく、発熱がきわめて少ないため、大気ゆ
らぎが発生しにくい。

【００８２】図１１は本発明の一実施例に係わる光露光
装置の模式図である。図１１において、８１は露光光
源、即ち照明装置、８２は露光量制御のためのシャッ
タ、８３は回路パターンの原板となるレチクル、８４は
レチクルを保持するためのレチクルステージ、８５はレ
チクルを搬入するためのレチクルハンド、８６は投影レ
ンズ、８７は半導体基板であるウエハ、８８はウエハを
保持し露光光源とのフォーカスを合わせるためのウエハ
Ｚステージ、８９はウエハＺステージをＸ−Ｙ方向へ移
動させるための本発明によるＸ−Ｙステージ、８９ａ、
８９ｂはＸ−Ｙステージ２２の側面に取り付けたミラ
ー、９０ａ、９０ｂはＸ−Ｙステージ８９の位置を計測
するためのレーザ干渉計である。

【００８３】この光露光装置においても、前記のＸ線露
光装置と同様に大気中で露光を行なうが、発熱がきわめ
て少ないため、大気ゆらぎが発生しにくく、レーザ干渉
計９０ａ、９０ｂの測距精度の低下を起こしにくい。ま
た、光源を紫外線とした場合、Ｈｅ雰囲気中で行なう必
要があるが、発熱がきわめて少ないため、同様の効果が
得られる。

【００８４】なお、本発明は、液晶露光装置、レーザに
よる微細加工、顕微鏡の試料載置台等に使用されるＸ−
Ｙステージ装置や、図３の構成のような一軸方向にのみ
駆動可能なステージ装置にも適用できる。

【００８５】更に、上記の説明では、空気圧で駆動する
Ｘ−Ｙステージについて説明したが、圧縮空気のみなら
ず、窒素ガス等の他の気体を使用しても良い。

【００８６】

【発明の効果】以上、説明してきたように、本発明によ
るＸ−Ｙステージは、スライダがガイド軸に対して非接
触で案内される構造であるので、これらの間の摩擦に起
因する問題点、すなわち材料摩耗、発塵、寿命低下等の
問題点を解消することができる。また、圧縮空気供給
源、真空排気用のポンプを除く、図１に示した要素を真
空チャンバ内に配置することができ、真空チャンバ内で
の占有面積を小さくすることができる。

【００８７】特に、ステージの駆動源としてサーボモー
タやリニアモータを使用しないために、露光光源の近傍
で強力な磁場を発生せず、磁場の影響を極端に嫌う電子
ビームを露光光源とした装置に適しており、更に各構成
要素を非磁性材料で構成することにより、磁場の影響を
極めて低くすることができる。

【００８８】また、ステージの駆動源としてサーボモー
タやリニアモータを使用しないために、発熱の問題が生
じない。

【００８９】これは先の真空度とも関連し、発熱は部品
からのアウトガスを発生する。特に、リニアモータ等は
コイル線材を樹脂封入しているため、発熱するとアウト
ガスを発生し、真空度の著しい低下を引き起こす。した
がって、発熱しないことが真空度の安定にも寄与してい
る。加えて、Ｘ線露光装置あるいは光露光装置など大気
中あるいはＨｅガス雰囲気中で使用する露光装置では発
熱は大気ゆらぎを引き起こし、レーザ干渉計で行なう測
距精度が低下し、露光の位置精度が低下するという問題
がある。これに対し、本発明ではステージの摩擦のない
ことと電気アクチュエータを使用しないことにより、発
熱は極めて少なく大気ゆらぎを問題視する度合いは非常
に低い。

【００９０】更に、複動形の気体圧アクチュエータにお
いて２台の３位置３ポート直動型サーボ弁を用いてスラ
イダの位置制御を行う場合、２台のサーボ弁で中立点が
異なるとスライダ位置に定常位置偏差を生じる。これに
対し、本発明では上記の演算装置によりサーボ弁の中立
点の機差等に起因する定常位置偏差を推定し、これを補
償しているので上記のような定常位置偏差が大幅に減少
し、スライダを高精度で位置決め制御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＸアクチュエータとＹアクチュエ
ータとを組合わせて構成されたＸ−Ｙステージを示した
斜視図である。

【図２】本発明によるアクチュエータの動作原理を説明
するための図である。

【図３】本発明によるＸ−Ｙステージを構成するための
Ｘアクチュエータの構造を示した部分断面図である。

【図４】図３における静圧空気軸受、排気部、及び真空
排気部とそれらを空気配管と接続するためにＸガイド軸
に設けられる通路を拡大して示した断面図である。

【図５】Ｘアクチュエータの他の例を示した断面図であ
る。

【図６】本発明によるＸアクチュエータ及びその制御系
の構成を示した図である。

【図７】図６に示された演算装置で行われる定常位置偏
差低減のための制御演算のブロック線図を示した図であ
る。

【図８】図７のブロック線図を簡略化した図である。

【図９】図６に示された演算装置で行われる定常速度偏
差低減のための制御演算のブロック線図を示した図であ
る。

【図１０】本発明による露光装置の一例として、シンク
ロトロン用たて形ステッパの概略構成を示した図であ
る。

【図１１】本発明による露光装置の他の例として、光露
光装置の概略構成を示した図である。

【図１２】電子ビーム露光装置の概略構成を示した図で
ある。

【図１３】従来の摩擦駆動によるアクチュエータの一例
を示した図である。

【符号の説明】

１ 真空チャンバ １０ Ｘアクチュエータ １１ Ｘガイド軸 １２ Ｘスライダ １３ 隔壁 １４ 静圧空気軸受 １６ａ、１６ｂ シリンダ室 １８ａ、１８ｂ サーボ弁 １９−１、１９−２ 排気部 １９−３ 真空排気部 ２０ Ｙアクチュエータ ２１ Ｙスライダ ３０ ステージ ４１Ａ、４１Ｂ レギュレータ ４５ 位置センサ ５０ 演算装置 ４１Ａ、４１Ｂ サーボアンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/30 ５４１Ｌ

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 露光されるべきワークを搭載するための
   ステージを備えた露光装置において、 前記ステージの駆動機構として流体圧駆動によるアクチ
   ュエータを有することを特徴とする露光装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の露光装置において、露光
   光源を電子ビームとしたことを特徴とする露光装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の露光装置において、本露
   光装置は真空中で使用されることを特徴とする露光装
   置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の露光装置において、露光
   光源をＸ線としたことを特徴とする露光装置。
5. 【請求項５】 請求項１記載の露光装置において、露光
   光源の波長を可視光域から紫外線域とすることを特徴と
   する露光装置。
6. 【請求項６】 露光されるべきワークを搭載するための
   ステージを互いに直交するＸ軸、Ｙ軸方向に駆動可能と
   したＸ−Ｙステージを備えた露光装置において、 前記Ｘ−Ｙステージの駆動機構として流体圧駆動による
   アクチュエータを有することを特徴とする露光装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の露光装置において、 前記Ｘ−Ｙステージは、Ｘ軸方向に延びるＸ軸用のガイ
   ド軸とこれに沿って移動可能なＸ軸用のスライダとを含
   むＸ軸用のアクチュエータと、Ｙ軸方向に延びるＹ軸用
   のガイド軸とこれに沿って移動可能なＹ軸用のスライダ
   とを含むＹ軸用のアクチュエータとを備え、 各アクチュエータは、ガイド軸の周囲とスライダとの間
   に圧力室を形成すると共に、該圧力室を軸方向に関して
   ２つのシリンダ室に区画する隔壁をスライダ、ガイド軸
   の一方に設け、２つに区画されたシリンダ室にそれぞ
   れ、ガイド軸内に設けられた供給／排出通路を通して圧
   縮流体を出入り可能にすることにより構成され、 一方のガイド軸を他方のガイド軸のスライダに連結する
   ことにより、該一方のガイド軸のスライダに装着した前
   記ステージをＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動可能としたこと
   を特徴とする露光装置。
8. 【請求項８】 請求項７記載の露光装置において、各ア
   クチュエータにおけるシリンダ室の両側であってガイド
   軸とスライダとの間にはそれぞれ軸受及びシリンダ室か
   らの漏れ流体を排出するための排出部を設け、ガイド軸
   内にはその端部から前記排出部に至る排出通路を設けた
   ことを特徴とする露光装置。
9. 【請求項９】 請求項７あるいは８記載の露光装置にお
   いて、各ガイド軸の両端部にそれぞれ圧縮流体を供給／
   排出するための接続部を設け、該接続部に接続した配管
   にはサーボ弁を設けたことを特徴とする露光装置。
10. 【請求項１０】 請求項７〜９のいずれかに記載の露光
    装置において、各アクチュエータは、ガイド軸とスライ
    ダとの組み合わせを２組、互いに平行になるような関係
    で有することを特徴とする露光装置。
11. 【請求項１１】 請求項８記載の露光装置において、前
    記軸受として静圧空気軸受を用い、各ガイド軸内にはそ
    の端部から前記静圧空気軸受に至る給気通路を設けたこ
    とを特徴とする露光装置。
12. 【請求項１２】 請求項６〜１１のいずれかに記載の露
    光装置において、各アクチュエータを非磁性材料で構成
    したことを特徴とする露光装置。
13. 【請求項１３】 請求項９記載の露光装置において、各
    アクチュエータは更に、２つの前記サーボ弁を制御する
    ための制御系を備え、該制御系は、 前記スライダの位置を検出するための位置検出器と、該
    位置検出器からの位置検出信号に対してサンプリングを
    行ってあらかじめ定められた演算を行い、前記２つのサ
    ーボ弁に指令値を出力する演算装置とを含み、 該演算装置は、 １サンプリング周期前の指令値と１サンプリング周期前
    のスライダ位置とを用いて現在のスライダの推定位置、
    推定速度、推定加速度を算出する第１のステップと、 スライダ目標位置、算出されたスライダの推定位置、算
    出された推定速度、算出された推定加速度より前記２つ
    のサーボ弁に対する指令値を算出する第２のステップ
    と、 １サンプリング周期前の指令値、１サンプリング周期前
    の算出された推定速度、１サンプリング周期前の算出さ
    れた推定加速度、算出された現在の推定加速度から定常
    位置偏差に対する補正値を算出する第３のステップと、 前記第２のステップで算出された指令値を前記第３のス
    テップで算出された補正値で補正して前記２つのサーボ
    弁に与える第４のステップとを実行することを特徴とす
    る露光装置。
14. 【請求項１４】 請求項１３記載の露光装置において、
    前記サーボ弁として、３位置３ポート直動型サーボ弁を
    備えることを特徴とする露光装置。
15. 【請求項１５】 請求項１３あるいは１４記載の露光装
    置において、前記スライダ目標値が与えられてからサー
    ボ弁に対する指令値が出力されるまでの制御系は、あら
    かじめ定められた伝達関数Ｇ_c （ｓ）で規定され、前記
    演算装置は更に、前記スライダ目標値に前記伝達関数の
    逆モデルＧ_c （ｓ）^-1を乗算するステップを実行するこ
    とにより定常速度偏差を低減できるようにしたことを特
    徴とする露光装置。
16. 【請求項１６】 請求項６〜１５のいずれかに記載の露
    光装置において、露光光源を電子ビームとしたことを特
    徴とする露光装置。
17. 【請求項１７】 請求項１６記載の露光装置において、
    本露光装置は真空中で使用されることを特徴とする露光
    装置。
18. 【請求項１８】 請求項６〜１５のいずれかに記載の露
    光装置において、露光光源をＸ線としたことを特徴とす
    る露光装置。
19. 【請求項１９】 請求項６〜１５のいずれかに記載の露
    光装置において、露光光源の波長を可視光域から紫外線
    域とすることを特徴とする露光装置。