JP2004031978A - 露光装置 - Google Patents

Abstract

【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】　本露光装置は、露光されるべきウエハ７６を搭載して移動可能にするためのステージ８５を備える。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し、露光光源としては極端紫外光を使用する。特に、露光装置は真空チャンバ７０内に構成され、真空チャンバ内に導入された極端紫外光は、１つ以上の凹面鏡７３、７５、凸面鏡７４による反射光学系を経由して縮小されてワークに照射される。
【選択図】　　　図１０

Description

　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。

　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。

　これらのうちの電子ビーム露光装置について、図１１を参照して簡単に説明する。図１１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１０３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（例えば、特許文献１参照）。

　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。

　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。

　摩擦駆動によるアクチュエータは、図１２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。

　図１２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。

　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、半導体ウエハ数枚／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。

　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。
特開平１０−１９９４６８号公報

　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。

　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。

　本発明の第１の態様による露光装置は、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し、露光光源を極端紫外光としたことを特徴とする。

　本発明の第２の態様による露光装置は、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し、露光光源を極端紫外光としたことを特徴とする。

　上記第１、第２の態様のいずれにおいても、本露光装置は真空チャンバ内に構成され、該真空チャンバ内に導入された極端紫外光は、１つ以上の凹面鏡、凸面鏡による反射光学系を経由して縮小されてワークに照射される。

　第２の態様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している。

　第２の態様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る。

　第２の態様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を設け、該接続部に接続した配管にはサーボ弁を設ける。

　第２の態様による露光装置においては更に、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。

　第２の態様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る。

　第２の態様による露光装置においては更に、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。

　第２の態様による露光装置においては更に、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。

　第２の態様による露光装置においては更に、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ている。

　Ｘ−Ｙステージを備えた本発明による露光装置は、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。

　また、ステージの駆動系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。

　これは真空チャンバ内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。

　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２を参照して、本発明の露光装置に使用される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、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。

　本発明に使用される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。

　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１７ａ、１７ｂを接続している。シリンダ給気系１７ａ、１７ｂ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。

　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。

　位置制御系については、図１２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１２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１２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。

　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１１に沿ってスライド可能な隔壁１３を固定している。

　以下では、２つに区画されたシリンダ室１６ａ、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。

　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。

　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。

　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１４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、１９−２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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　なお、Ｘ−Ｙステージにおける各構成要素の材料は、磁場の影響を無くすためにアルミナセラミクスやベリリウム銅などの非磁性材料を使用するのが好ましいが、これに限らない。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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１８ａ、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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　　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。

　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。

　（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。

　（２）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。

　（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５１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。

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。

　（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。

　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。

　（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。

　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。

　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。
　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。

　（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。

　（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１２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。

　（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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　　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。

　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。

　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。

　なお、本発明で使用され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。

　図１０を参照して、本発明による露光装置について説明する。本露光装置では、紫外光の中でも特に、極端紫外光を光源として用いる。極端紫外光というのは、１０〜１４ｎｍの波長を持つ光であり、最近、ＥＵＶＬ（Ｅｘｔｒｅｍｅ　Ｕｌｔｒａ　Ｖｉｏｌｅｔ　Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）技術の分野で注目されている。ＥＵＶＬでは線幅４５ｎｍ以下での露光が可能である。

　極端紫外光を光源とする場合、１０〜１４ｎｍの波長の光を、光学レンズを用いた縮小露光ではなく、反射光学系による縮小露光を用いる。図１０において、本露光装置は、まずビームラインを構成する装置（図示せず）から極端紫外光６０を取り出し、反射光学系を内蔵した真空チャンバ７０内へ導入する。真空チャンバ７０内では、まず平板ミラー７１で照射角度を調節してマスク７２に露光を照射する。次に、マスク７２からの反射光を非球面の凹面鏡７３、凸面鏡７４、凹面鏡７５を経由して反射させつつ縮小させ、ウエハ７６に照射する。

　凹面鏡７３、７５、凸面鏡７４のサイズは、直径１００〜３００ｍｍ程度である。マスク７２、ウエハ７６はそれぞれ、前述した構成を持つマスクステージ８０、ウエハステージ８５上に載置される。勿論、マスクステージ８０、ウエハステージ８５の少なくとも一方が前述した構成を持つ一軸ステージあるいはＸ−Ｙステージであれば良い。

　ところで、前述したように、露光は真空中で行う必要があり、発熱や発塵で真空度が低下しては困るので、これまでのリニアモータ、リニアガイド等による電気駆動系、ボールネジ等の摩擦駆動系は真空チャンバ７０内へ組込めない。また、凹面鏡、凸面鏡による反射光学系により反射を繰り返すため、真空チャンバ７０内の温度変化、つまり凹面鏡、凸面鏡の温度変化は１度以下に抑制しなければ、それらの歪みにつながる。したがって、電気駆動系、摩擦駆動系による発熱、発塵の無い上記構成によるステージは本露光装置に最適である。

　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。

　本発明による露光装置は、線幅４５ｎｍ以下の露光装置に適している。

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、本発明に使用されるＸ−Ｙステージを示した斜視図である。 本発明に使用され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。 本発明に使用される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。 Ｘアクチュエータの他の例を示した断面図である。 本発明に使用される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７のブロック線図を簡略化した図である。 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。 本発明による露光装置における真空チャンバ内の構成例を示した図である。 従来の電子ビーム露光装置の概略構成を示した図である。 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、７０　　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
　　４２Ａ、４２Ｂ　　サーボアンプ
　　４５　　位置センサ
　　５０　　演算装置
　　６０　　極端紫外光
　　７１　　平板ミラー
　　７２　　マスク
　　７３、７５　　凹面鏡
　　７４　　凸面鏡
　　７６　　ウエハ
　　８０　　マスクステージ
　　８５　　ウエハステージ

Claims (12)

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し、露光光源を極端紫外光としたことを特徴とする露光装置。
2. 　請求項１記載の露光装置において、本露光装置は真空チャンバ内に構成され、該真空チャンバ内に導入された極端紫外光は、１つ以上の凹面鏡、凸面鏡による反射光学系を経由して縮小されてワークに照射されることを特徴とする露光装置。
3. 　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し、露光光源を極端紫外光としたことを特徴とする露光装置。
4. 　請求項３記載の露光装置において、本露光装置は真空チャンバ内に構成され、該真空チャンバ内に導入された極端紫外光は、１つ以上の凹面鏡、凸面鏡による反射光学系を経由して縮小されてワークに照射されることを特徴とする露光装置。
5. 　請求項３あるいは４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。
6. 　請求項５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。
7. 　請求項５あるいは６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。
8. 　請求項５〜７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。
9. 　請求項６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。
10. 　請求項７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。
11. 　請求項１０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。
12. 　請求項１０あるいは１１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。
    

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