JP2007273633A - ステージ装置及びその制御方法、露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステージの駆動に伴う駆動反力を、効果的に相殺し、駆動反力の影響を低減する。
【解決手段】ステージ装置は、定盤と、定盤の表面上を移動平面として移動可能なステージと、移動平面に対して鉛直な方向へ移動する質量体を用いて定盤に慣性力を付与する付与機構とを有する。ステージが移動平面を移動する際に定盤に発生する、移動平面に平行な軸まわりの回転方向の力が軽減されるように、ステージの移動に応じて付与機構における質量体の鉛直方向への移動が制御される。
【選択図】 図４

Description

本発明は精密な位置決めを行うのに適したステージ装置に関する。特に、半導体露光装置に使用され、ウエハ等を搭載するステージ装置に関する。また、このようなステージ装置を用いた露光装置、ならびにこの露光装置を用いて半導体デバイス等のデバイスを製造するデバイス製造方法に関する。

半導体デバイス等のデバイスの製造に用いられる露光装置としては、ステップ・アンド・リピート型の露光装置（ステッパと称することもある）や、ステップ・アンド・スキャン型の露光装置（スキャナと称することもある）が代表的である。ステップ・アンド・リピート方の露光装置は、基板（例えば、ウエハやガラス基板）をステップ移動させながら基板上の複数の露光領域に原版（レチクルやマスク）のパターンを投影光学系を介して投影し順次露光する。ステップ・アンド・スキャン型の露光装置は、ステップ移動と走査露光とを繰り返すことにより、基板上の複数の露光領域に露光転写を繰り返す。特にステップ・アンド・スキャン型の露光装置においては、スリットにより、使用される露光光が投影光学系の比較的光軸に近い部分に制限される。このため、より高精度且つ広画角な微細パターンの露光が可能となっている。

図１は、一般的な露光装置の概略構成を示す図である。床Ｆから除振手段１０６を介して定盤１０５が支持され、定盤１０５上には２次元方向（ＸＹ方向）に移動可能なウエハステージ１０４が支持されている。不図示の本体支持部材により、ウエハステージ１０４の上方に投影光学系１０３が支持され、更にその上方にレチクルステージ１０２が支持される。レチクルステージ１０２はレチクルＲを支持し、レチクルステージ１０２の上方には露光光を供給するための照明系１０１が配置されている。

以上の構成においてウエハステージ１０４は不図示のウエハ搬送系で供給されたウエハＷを搭載して、不図示のＸＹ駆動機構により定盤１０５上をＸＹ方向に移動する。露光動作において、ウエハステージ１０４はＸＹ駆動機構により移動され、レチクルＲに対する目標位置（露光位置）へウエハＷが位置決めされる。位置決めされた後、レチクルＲの像がウエハＷに焼き付けられる。焼き付けを終えるとウエハＷの次の露光位置への露光を行うべく、ウエハステージ１０３が駆動される。図１の露光装置は、以上の動作を繰り返すことにより、一枚のウエハＷ全体にレチクルの像を焼き付ける。

上述のような露光装置においては、生産性を高めるためにウエハステージ１０４の移動時間や露光時間を短くする必要がある。ウエハステージ１０４の移動時間を短くするためには、移動時の加減速度を増加させなければならない。一方、後処理工程の生産性を高めるためにウエハＷの径を大きくする必要があり、これに伴ってウエハチャック、ウエハステージ１０４の質量が増加の一途をたどっている。

このような露光装置において、ステージを駆動すると、ステージの加減速に伴う慣性力の反力が生じ、これが定盤１０５に伝わると定盤１０５の振動を引き起こす原因となる。このような振動により露光装置の機構系の固有振動が励起されて高周波振動が発生し、高速、高精度な位置決めが妨げられる可能性がある。従って、従来より、このような反力に関する問題を解決するためにいくつかの提案がなされている。例えば、特許文献１に記載された装置は、ステージを駆動するためのリニアモータの固定子をステージ定盤とは独立して床で支持することで、反力によるステージ定盤の振動を防止する。また、特許文献２に記載された装置は、ウエハステージ及び投影レンズを支持するマシンフレームに対して、水平方向に発生するアクチュエータの力によって、ステージの駆動に伴う反力と同等の補償力を付与し、反力による装置の振動を軽減する。

しかしながら、上記のいずれの従来技術においても、ステージ装置自体の揺れは軽減できるものの、ステージの駆動に伴う反力は、直接床に対して伝達されるか、もしくは実質的に床と一体とみなせる部材を介して床に対して伝達されてしまう。これにより床が加振され、露光装置の周辺に設置される装置に振動を与え、悪影響を及ぼす可能性がある。通常、露光装置を設置する床は２０〜４０Ｈｚ程度の固有振動数を持っている。露光装置の動作に伴って床が有するこのような固有振動数の振動が励起された場合、周辺の装置への悪影響は大きなものになる。

昨今、処理速度（スループット）の向上に伴うステージ加速度は増加の一途であり、更にレチクルや基板の大型化に伴ってステージ質量も増大している。このため、[移動体の質量]×[加速度]で定義される駆動力は非常に大きなものとなり、その反力も膨大なものとなっている。このような反力の増大に伴い、反力による設置床の加振は無視できない問題となってきている。

また、装置の大型化も著しくなり、数多くの製造装置が設置される製造工場内での占有設置面積の増大が問題として顕在化しつつある。更に、上述のような装置から床に伝わる振動が大きいと、その振動の影響を他の装置が受けないようにするために装置間の距離を大きくする必要が生じる。このように、装置の大型化、装置間隔の確保により、各装置が事実上占有する面積が非常に増大してしまう。

一般に、床Ｆと定盤１０５の間には除振手段１０６を設けてはいるが、従来の反力受け装置ではステージ１０４の駆動の反力が床面へ伝達することを避けることができない。例えば、ステージ１０４のＸＹ面内の移動により生じるＸ軸及びＹ軸まわりのモーメントは床Ｆに伝達されてしまう。

また、図２に示すような、除振手段２１２とポスト２２１の組み合わせにより、床Ｆへの振動の伝達を低減する構成が提案されている。図２では、定盤１０５と床Ｆの間に除振手段１０６が設けられ、床Ｆと定盤１０５をポスト２２１を介して固定することにより、定盤１０５における振動が床へ伝達されるのを低減している。しかしながら、このような構成をもってしてもステージの駆動によって生じる反力が床Ｆに伝わることを回避できない。

図２に示すように、質量ｍのステージ１０４が加速度ａで移動すると、床面には平面内力ｍ・ａとモーメント力Ｍ＝Ｌ・ｍ・ａが作用する。ここで、Ｌは移動ステージの重心位置と床面との距離である。一般に、床面は平面内力に対する剛性は大きいが、モーメント力に対する剛性が小さいため、上述したモーメント力Ｍ＝Ｌ・ｍ・ａによって床振動が引き起こされる。この床振動がその装置自体や周りの装置の動作に悪影響を及ぼす。

本出願人はステージを支持する定盤の重心とステージの重心とが異なる駆動装置においては、外部に伝達される力を軽減する反力カウンタを設けることが有効であると考えている。しかしながら、反力カウンタを備えた装置でもステージと定盤の重心がＹＺ平面またはＺＸ平面で一致していないと、それぞれＸ軸周り、Ｙ軸周りのモーメントが発生し、これらが床に伝達してしまう。

ステージを支持する定盤の重心とステージの重心とが異なる駆動装置において、ステージの移動によって発生するモーメントを軽減または相殺する方法として、特許文献３に記載された装置では回転体を用いている。
特開平５−７７１２６号公報 特開平５−１２１２９４号公報 特開平１１−１９０７８６号公報

しかし回転体では例えば、Ｘ軸周りのモーメントを発生させる時に、ＹＺ平面のＹ方向とＺ方向それぞれに回転体の直径分の設置面積を確保することが必要となる。このためどちらか１方向の長さに制限があるような空間に回転体を設置する場合には、回転体の直径が制限されてしまう。この場合、直径の小さな回転体で必要なモーメントを発生させなければならなくなる。直径の小さな回転体で大きなモーメントを発生させようとすると、慣性モーメントが小さいため角加速度が大きくなり回転速度が非常に大きくなる。一般にモータには速度の制限があり、また小さな体積のモータを高速回転させようとして大きな電流を流すと発熱も非常に大きくなってしまう。更に、回転体の重心が回転軸と完全に一致していないと、高速に回転した際に高い周波数の振動が発生するという問題も生じる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ステージの駆動に伴う駆動反力を、効果的に相殺し、駆動反力の影響を低減することを目的とする。特に、ステージの駆動によって発生する駆動平面に平行な軸回りのモーメント反力を効果的に相殺又はその影響を低減可能とすることを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明のステージ装置は以下の構成を備える。即ち、
定盤と、
前記定盤の表面上を移動可能なステージと、
前記表面に対して鉛直な方向へ移動する質量体を有し、前記質量体の移動によって前記定盤に慣性力を付与する第１付与手段とを備え、
前記ステージの移動により前記定盤に発生する、前記表面に平行な軸に関する回転方向の力を軽減するように、前記ステージの移動に応じて前記第１付与手段における前記質量体の鉛直方向への移動を制御する制御手段とを備える。

また、本発明によれば、上記ステージ装置の制御方法、上記ステージ装置を用いた露光装置、該露光装置を用いたデバイス製造方法が提供される。

本発明によれば、ステージの駆動に伴う駆動反力を効果的に相殺し、駆動反力の影響を低減することが可能となる。特に、ステージの駆動によって発生する駆動平面に平行な軸回りのモーメント反力が相殺される、又はその影響が低減される。

以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

＜第１実施形態＞
図３は、本実施形態による走査型露光装置の概略構成を示す図である。レチクルステージ３０１を支持するレチクル定盤３０２は、床面Ｆに直接固定された支持枠３０３に支持される。また、レチクルステージ３０１上のレチクルを経てウエハステージ３０４上のウエハＷを露光する露光光は、破線で示す光源装置３０４から発生される。フレーム３０６はレチクルステージ３０１とウエハステージ３０４の間に投影光学系３０７を支持する。３０８はレチクルステージ３０１を加速および減速するリニアモータの固定子である。レチクルステージ３０１はレチクル定盤３０２上を移動する。基盤３１１は床Ｆに固定され、基盤３１１の上に定盤３１２が固定されている。ウエハステージ３０４は定盤３１２の上を移動する。

なお、ウエハステージ３０４は、駆動部によってレチクルステージ３０１と同期して走査される。レチクルステージ３０１とウエハステージ３０４の走査中、両者の位置はそれぞれ干渉計３０９、３１０によって継続的に検出され、レチクルステージ３０１とウエハステージ３０９の駆動部にそれぞれフィードバックされる。これにより、両者の走査開始位置を正確に同期させるとともに、定速走査領域の走査速度を高精度で制御することができる。

図４は本実施形態によるステージ装置の要部の概略構成を示す斜視図である。図４においては、ステージ装置としての説明のため、ステージや定盤等の部材に新たな参照番号を付している。図４のステージ装置を図３のウエハステージ系に適用した場合、ステージ１は図３のウエハステージ３０４に対応し、定盤５は定盤３１２に対応し、床８は基盤３１１及び床Ｆに対応する。尚、座標系は、定盤５の上面の水平面内にＸＹ軸を、ＸＹ軸と直交する方向にＺ軸を定義する。ステージ１は定盤５の上面を駆動平面として移動する。

床８の上に定盤５が固定され、定盤５の上にエアスライドを介してステージ１が定盤５の上面に沿ってＸＹ方向に２自由度に移動自在に支持されている。ステージ１はステージアクチュエータ２と連結されている。ステージアクチュエータ２は平面パルスサーボモータであり、定盤５の上面に設けられた櫛歯との間で磁気回路を構成して、ステージ１の推力を発生する。このため、ステージ１の移動反力は定盤５に伝達される。

定盤５は、内部に反力カウンタ（質量体）３−１〜３−４（以下、反力カウンタ３−１〜３−４を総称する場合は反力カウンタ３と記載する）を有する。反力カウンタ３は、反力カウンタアクチュエータ４により、定盤５の内部でＺ方向に移動可能なように配置されている。そして、反力カウンタアクチュエータ４は、定盤５によって支持されている。尚、本実施形態では、定盤５の内部に、ＦＬ反力カウンタ３−１、ＦＲ反力カウンタ３−２、ＢＬ反力カウンタ３−３、ＢＲ反力カウンタ３−４が設置されている。上述したように、夫々の反力カウンタは定盤５に連結された反力カウンタアクチュエータ４によってＺ方向に駆動されるため反力カウンタの移動反力は定盤５に伝達される。

一般に、反力カウンタの推力軸がＹＺ平面から見てもＺＸ平面から見ても定盤の重心上にないときに、反力カウンタをＺ軸方向に駆動させると、ＹＺ平面、ＺＸ平面両方にモーメントを発生させることができる。従って、３つ以上の反力カウンタがあり、夫々の推力軸がＸＹ平面から見て１直線状に無く、且つ、ＹＺ平面及びＺＸ平面から見て定盤の重心上に無い場合、Ｘ軸周りとＹ軸周りの両方に任意の大きさのモーメントを発生させることができる。よって、それら反力カウンタのＺ軸方向の駆動により、ステージ１のＸＹ平面内での任意の駆動によって発生するＸ軸周りとＹ軸周りのモーメントの両方を同時に軽減または相殺することが可能となる。本実施形態では、ステージ１の移動により生じた、定盤５から床８に伝わるモーメントを、４つの反力カウンタ３を用いて軽減し、ステージの駆動反力を軽減する。

図５を用いてＺ方向に反力カウンタ３を駆動することにより、ステージの駆動反力によるモーメントを軽減、相殺する方法の原理を説明する。

ステージ１がＸ方向にFx_stgの推力で移動するとき、Ｙ軸右回りを正としたモーメントの釣り合いを考える。図５において、ステージ１の推力軸２ａとステージ１の重心１ａとの距離をLz_stgとする。また、推力軸２ａと定盤５の重心５ａとの距離をLz_baseとする。更に、ステージ１が定盤５に対して与えるモーメントFx_stg×Lz_stgをQy_stg、ステージ推力の反力によって定盤に発生するモーメントFx_stg×Lz_baseをQy_base、反力カウンタ３が定盤に対して与えるモーメントをQy_cntとする。

ステージ１の推力軸２ａとステージ１の重心１ａとの距離Lz_stgを用いて、ステージ１の内部のモーメントの釣り合いは、次の式（１）のように表される。
Qy_stg−Fx_stg・Lz_stg＝0 …（１）

また定盤５でのモーメントの釣り合いは、推力軸２ａと定盤５の重心５ａとの距離Lz_baseを用いて、次の式（２）のように表される。
Qy_base−Fx_stg・Lz_base−Qy_stg＋Qy_cnt＝0 …（２）

ここで、Qy_base＝0とするための、即ち、床へのモーメント（Ｙ軸まわりのモーメント）の伝達を無くすための、反力カウンタ３が発生すべきモーメントは次のように計算される。
Qy_cnt＝Fx_stg・(Lz_stg＋Lz_base) …（３）

同様にＸ軸まわりのモーメントが床へ伝達しないように反力カウンタ３が発生すべきモーメントは次の式（４）のように求まる。
Qx_cnt＝Fy_stg・(Lz_stg＋Lz_base) …（４）

ここでLz=Lz_stg+Lz_baseとし、図６に示すように４つの反力カウンタ３−１〜３−４（の各重心）が定盤５の重心５ａからＸ方向にLx、Ｙ方向にLyの位置に対角に配置される構成を考える。今、ＦＬ反力カウンタ３−１、ＦＲ反力カウンタ３−２、ＢＬ反力カウンタ３−３、ＢＲ反力カウンタ３−４のそれぞれのＺ方向の推力をFfl、Ffr、Fbl、Fbrとする。

この場合、Ｙ軸まわりのモーメントの釣り合いは、式（３）、式（４）から次のように表される。
(Ffr＋Ffl−Fbr−Fbl)・Lx＝Fx_stg・Lz …（５）

同様に、Ｘ軸まわりのモーメントの釣り合いは次のように表される。
(Ffr＋Fbr−Ffl−Fbl)・Ly＝Fy_stg・Lz …（６）

また、反力カウンタが床に対して力のｚ成分が伝達しないようにすることも重要であるので、４つの反力カウンタのＺ方向推力の合計がちょうど０になるように次の式（７）の条件のもとで駆動する。
Ffr＋Ffl＋Fbr＋Fbl＝0 …（７）

反力カウンタは４つあるので推力の自由度は４であり、満たすべき条件式は３つ（式（５）〜（７））なので、これらを満足する反力カウンタ３の駆動方法は無限に存在することになる。それらのうちの１例を下記に示す。尚、以下では、Fx_stgをFx、Fy_stgをFyと記載している。
Ffl＝(LyFx＋LxFy)・Lz／4LxLy
Ffr＝−(LyFx−LxFy)・Lz／4LxLy
Fbl＝(LyFx−LxFy)・Lz／4LxLy
Fbr＝−(LyFx＋LxFy)・Lz／4LxLy …（８）

以上の数式を満たすように制御器９が反力カウンタアクチュエータ４を制御する。尚、反力カウンタアクチュエータ４としてはリニアモータ、パルスモータ、エアアクチュエータなどが考えられる。

又、地球上では重力があるので、重力加速度をg、反力カウンタ３の重量をM_cntとすると、反力カウンタには常に−M_cnt・gという力がＺ方向にかかることになる。この力の大きさは一定であるので、これを補償する機構を設けることで反力カウンタアクチュエータ４は反力カウンタ３が移動するために必要な推力のみを発生させれば良くなる。このような自重を補償する機構としては空気圧、油圧、磁石、バネ等が考えられる。

また、例えば、図４、図６に示したように反力カウンタ３を配置し、上記式（８）に示す推力で反力カウンタ３を駆動する場合、対角に配置された反力カウンタの推力は絶対値が等しくかつ方向が逆になっている。従って、ＦＬ反力カウンタ３−１とＢＲ反力カウンタ３−４、ＦＲ反力カウンタ３−２とＢＬ反力カウンタ３−３をワイヤなどで連結し上方から吊り下げることで自重分を打ち消すことができる。或は、油圧又は空気圧シリンダなどで連結して下から支えることで自重分を打ち消すことももちろん可能である。

図１２に、反力カウンタの自重補償の機構の一例を示す。定盤５に組み込まれた反力カウンタ３において、質量体１０，１１は反力カウンタアクチュエータ４により上下に駆動される。自重補償機構は、例えば、パイプ１２２により連結されたエアシリンダ１２１により構成される。もちろん、シリンダは油圧等の流体を用いたシリンダであってもよい。また、例えば、エアシリンダの変わりに、エアもしくは液体を充填した蛇腹構造を用いることもできる。

更に、ステージがＺ方向にも力Fzを発生させる場合、−Fz/4の力を各反力カウンタが均等に発生させることで、モーメントに関する釣り合いを保ちつつＺ方向の力も相殺することができる。これを数式で表すと次のようになる。
Ffl＝(LyFx＋LxFy)Lz／4LxLy−Fz/4
Ffr＝−(LyFx−LxFy)Lz／4LxLy−Fz/4
Fbl＝(LyFx−LxFy)Lz／4LxLy−Fz/4
Fbr＝−(LyFx＋LxFy)Lz／4LxLy−Fz/4 …（９）

上記によれば、モーメントの床など外部の部材への伝達がある程度許容される場合に、モーメントを完全に相殺するために必要な推力に対して、大きなまたは小さな推力とすることができることを表している。従って、外部に伝達されるモーメントを許容される範囲内に抑えつつ、反力カウンタのストローク中心方向に力を発生させる。即ち、ストロ−クエンドに近づく方向の力は必要推力に対して小さく、ストロークエンドから離れる方向の力は必要推力に対して大きくすることで、反力カウンタのＺ方向のストロークを短くすることができる。

図７は、制御器９の、ステージアクチュエータ２及び反力カウンタアクチュエータ４に係る制御構成の一例を示すブロック図である。装置制御部９１は当該露光装置の全体を制御し、露光処理のためのステージ１の位置を指示するステージ位置指令値を発生する。ステージ制御器９２は、ステージ位置指令値とステージアクチュエータ２からのフィードバック信号に基づいてウエハステージ１の駆動に必要な推力を算出することによりステージ推力指令値（Fx、Fy）を生成し、これをステージアクチュエータ２に送る。ステージアクチュエータ２はステージ推力指令値に従ってウエアステージ１を駆動する。

反力カウンタ位置指令値生成部９３は、装置制御部９１が発生したステージ１の位置指令値に基づいて、反力カウンタ３の位置指令値を生成する。反力カウンタ位置指令値生成部９３は、ステージ位置指令値や、反力カウンタ３と重心５ａとの距離（Lx、Ly）、カウンタの重量（M_cnt）、ステージ１の重量に基づいて反力カウンタ３の位置指令値を生成する。反力カウンタ制御器９５は、反力カウンタ位置指令値生成部９３が生成した位置指令値と反力カウンタアクチュエータ４からのフィードバック信号に基づいて反力カウンタ３の推力指令値を生成する。反力カウンタ推力指令値生成部９４は、ステージ制御器９２が発生したステージ推力指令値（Fx、Fy）と反力カウンタ３と重心５ａとの距離（Lx、Ly）に基づいて反力カウンタの推力指令値を生成する。反力カウンタ制御器９５及び反力カウンタ推力指令値生成部９４から出力される推力指令値は合成され、反力カウンタアクチュエータ４に供給される。反力カウンタアクチュエータ４は、この合成された推力指令値に基づいて反力カウンタ３を駆動する。こうして、上記式（８）に示したFfl、Ffr、Fbl、Fbrを反力カウンタ３に発生させる。

尚、式（９）を採用する場合は、反力カウンタ推力指令値生成部９４はステージ制御器９２からFzの提供を受け、推力指令値を生成する。こうして、反力カウンタの位置と推力によりステージ１の反力を相殺するとともに、駆動範囲が決められたストローク内に収まるように、反力カウンタが駆動される。

以上のように、第１実施形態によれば、ステージ１の移動により定盤５に発生する、Ｘ，Ｙ軸まわり（ステージ１の移動平面に平行な軸まわり）の回転方向の力を軽減するように、ステージ１の移動に応じて反力カウンタ３が鉛直方向へ移動される。このため、ステージ１の移動により定盤５に生じるＸ軸及びＹ軸まわりの回転力が相殺もしくは減少されることになり、床へ伝わる振動が低減される。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、ステージ１の駆動によって生じるＸ軸及びＹ軸まわりのモーメントを打ち消すと共に、Ｚ方向に加わる反力を相殺可能な構成を説明した。第２実施形態では、更に、ステージ１の駆動によるＸ方向、Ｙ方向の並進力及びＺ軸まわりのモーメントを打ち消す構成を加える。

図８は第２実施形態による反力カウンタの配置例を示す図である。第２実施形態では、定盤５の内部に４種類の反力カウンタを構成している。反力カウンタ３−１〜３−４は、第１実施形態で説明したように、Ｚ方向に移動可能であり、Ｘ軸まわりのモーメントとＹ軸まわりのモーメントを相殺し、また、Ｚ方向の力も相殺する。ＸＦ反力カウンタ（質量体）６−１，ＸＢ反力カウンタ（質量体）６−２は、それぞれ、Ｘ方向に移動可能であり、ステージ１の駆動によって生じるＸ並進力を相殺する。ＹＬ反力カウンタ（質量体）６−３及びＹＲ反力カウンタ（質量体）６−４は、それぞれＹ方向に移動可能であり、ステージ１の駆動によって生じるＹ並進力を相殺する。ＷＺＬ反力カウンタ（質量体）６−５及びＷＺＲ反力カウンタ（質量体）６−６は、それぞれ、Ｙ方向に移動可能であり、ステージ１の駆動によって生じるＺ軸まわりのモーメントを相殺する。

ここで、ステージ１のＸ方向推力をFx_stg、Ｙ方向推力をFy_stg、定盤５の重心５ａを原点としたステージ１（重心１ａ）のＸＹ座標を（Xstg、Ystg）とする。また、ＷＺＬ反力カウンタ６−５とＷＺＲ反力カウンタ６−６のＹ方向座標（重心位置）をYwzl、Ywzrとする。また、ＸＦ反力カウンタ６−１とＸＢ反力カウンタ６−２のＸ方向推力の合計をFx_cntx、ＹＬ反力カウンタ６−３とＹＲ反力カウンタ６−４のＹ方向推力の合計をFy_cntyとする。更に、ＷＺＬ反力カウンタ６−５のＹ方向推力をFy_cntwzl、ＷＺＲ反力カウンタ６−６のＹ方向推力をFy_cntwzrとする。すると、それぞれの反力カウンタの発生すべき推力は次のように表される。

Fx_cntx＝Fx_stg
Fy_cnty＝Fy_stg
Fy_cntwzr＝(Fx_stg・Ystg−Fy_stg・Xstg)／2Ywzl
Fy_cntwzr＝(Fx_stg・Ystg−Fy_stg・Xstg)／2Ywzr …（１０）

尚、ＦＬ反力カウンタ３−１、ＦＲ反力カウンタ３−２、ＢＬ反力カウンタ３−３、ＢＲ反力カウンタ３−４の推力については、第１実施形態(式（８）或は式（９））と同様である。

即ち、制御器９により、ＸＦ反力カウンタ６−１とＸＢ反力カウンタ６−２のＸ方向推力の合計を式（１０）のFx_cntxに制御することで、ステージ１の移動によって生じるＸ方向の並進力が相殺される。また、ＹＬ反力カウンタ６−３とＹＲ反力カウンタ６−４のＹ方向推力の合計を式（１０）のFy_cntyに制御することで、ステージ１の移動によって生じるＸ方向の並進力が相殺される。また、ＷＺＬ反力カウンタ６−５のＹ方向推力を式（１０）のFy_cntwzlに、ＷＺＲ反力カウンタ６−６のＹ方向推力を式（１０）のFy_cntwzrに制御することで、ステージ１の移動によって生じるＺ軸まわりの回転力（モーメント）が相殺される。
以上のように第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、ステージ１の駆動に伴うＸＹ面内の並進力やＺ軸まわりのモーメントを打ち消すことができる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態を説明する。第３実施形態では、ステージ１の移動により生じる並進力の相殺に反力カウンタを用いない。また、ステージ１の移動により生じるＺ軸まわりのモーメントを定盤５内に配置されたロータにより相殺する。なお、ロータは円盤状の質量体であり、固定子が定盤５に固定され、ロータ（回転子)が定盤５の内部に設けられて回転する構成となっている。

まず、定盤５は床８に対してＸＹ方向に自由に移動可能に構成されており、ステージ１の移動によって定盤５に伝達されるＸ方向の力FxとＹ方向の力Fyを受けて定盤５が移動することで、力の床への伝達を防ぐ。
即ち、定盤５は床を平面的に移動可能なように支持されており、ステージ１の推力の反力で定盤が移動する。床から支持された移動しない部材に測定器（例えば、レーザ干渉計）を設け、床座標基準でステージ１の位置を測定することで、定盤５が移動しても正しい位置決めが可能となる。また、定盤５が移動するため、ステージ１の推力は定盤５の加速度分だけ余分に必要となる。

尚、上記のステージ１と定盤５に関して、床座標系から見た加速度の関係は次の（１１ａ）ようになる。
Fx_base＝Fx_stg
m_base・Acc_base＝m_stg(Acc_stg＋Acc_base) …（１１ａ）
尚、上記式において、Acc_baseとAcc_stgはそれぞれ床座標系から見た定盤５とステージ１の加速度の絶対値である。
定盤５が移動するため、ステージ１の必要推力はステージ１と定盤５の相対化速度となる。換言すると、ステージ１が床座標系から見てAcc_stgで移動する反力によって定盤５に生じる加速度は、
Acc_base＝Acc_stg・m_stg／(m_base−m_stg) …（１１ｂ）
と表される。

また、定盤５の内部には反力カウンタと、ロータが配置される。反力カウンタは、第１実施形態と同様に、Ｚ方向に移動可能なＸ軸まわりのモーメントとＹ軸まわりのモーメントを相殺するものであり、ＦＬ反力カウンタ３−１、ＦＲ反力カウンタ３−２、ＢＬ反力カウンタ３−３、ＢＲ反力カウンタ３−４を含む。また、定盤５は４つのロータ、ＦＬロータ（質量体）７−１、ＦＲロータ（質量体）７−２、ＢＬロータ（質量体）７−３及びＢＲロータ（質量体）７−４を含み、これらロータの回転により定盤５にＺ軸まわりのモーメントを発生させることが可能である。第３実施形態では、ステージ１の移動によって定盤５に生じるＸ軸まわりのモーメントとＹ軸まわりのモーメントはＺ方向に駆動される反力カウンタ３−１〜３−４によって相殺または軽減される。そして、ステージ１の移動によって定盤５に生じるＺ軸まわりのモーメントはロータ７−１〜７−４によって相殺または軽減される。

ステージ１のＸ方向推力をFx_stg、Ｙ方向推力をFy_stgとし、定盤５の重心５ａを原点としたステージ１の重心１ａのＸＹ座標を（Xstg、Ystg）とする。また、定盤５にかかるＸ方向推力の合計をFx_base、Ｙ方向推力をFx_baseとする。更に、ロータ７−１〜７−４が発生すべきＺ軸まわりのモーメントをQz_roterとする。この場合、以下の式（１１ｃ）に示されるように定盤５をＸ，Ｙ方向に駆動し、ロータ７−１〜７−４を駆動することにより、ステージ１の移動によるＸＹ方向の反力とＺ軸まわりのモーメントが相殺または軽減される。

Fx_base＝Fx_stg
Fy_base＝Fy_stg
Qz_roter＝Fx_stg・Ystg−Fy_stg・Xstg …（１１ｃ）

尚、ステージ１の移動によって定盤に生じるＸ軸周りのモーメントとＹ軸まわりのモーメント、及びＺ方向に加わる力を相殺又は軽減するための反力カウンタ３−１〜３−４の推力は第１実施形態と同様である。

以上説明したように、第１〜第３実施形態によれば、Ｚ方向に推力を発生する反力カウンタ３を用いることでステージ１の移動によって定盤に生じるＸ軸周りのモーメントとＹ軸まわりのモーメント、及びＺ方向に加わる力を相殺又は軽減することができる。Ｚ方向に移動する反力カウンタを用いるため、従来の回転体を用いた構成に比べて反力カウンタの設置スペースの自由度が高くなり、設置する場所の制限に応じた柔軟な形状変更が可能である。

また、図４に示すようにＸＹ方向に長いがＺ方向に短い空間に反力カウンタを設置して、Ｘ、Ｙ軸周りのモーメントを相殺する場合を考える。この場合、例えば反力カウンタ３をＸ方向に長い形状にして重量をかせぎ、モーメントを発生させた際のＺ方向のストロークを短くすることが可能となる。尚、図４ではＸ方向に長くなるようにカウンタを配置しているが、Ｘ方向よりもＹ方向に長い形状となっているのであれば、Ｙ方向に長くなるように反力カウンタを設置するようにしてもよい。

また、反力カウンタ３は１方向にのみ駆動されるので、駆動される部材に多少の重心の偏りがあってもそれが高い周波数の振動を引き起こすようなことはない。また、図４に示されるように、ステージ１と反力カウンタ３が定盤５によって支持されている場合に、定盤５の重心５ａと反力カウンタ３の推力軸との距離Lx、Lyを長くすることが望ましい。小さな推力で大きなモーメントを発生させることができ、消費電力・発熱の面から有利であるからである。

以上説明したように、上記各実施形態のステージ装置によれば、反力カウンタにモーメントを発生させることによって定盤から外部に伝達されるモーメントを軽減させることができる。また、特に、平面モータが発生させるピッチングやローリングのモーメントを、Ｚ方向へ駆動される反力カウンタにより、同時に軽減している。例えば、図６に示すように反力カウンタを配置することで、ピッチング、ローリングのモーメント（Ｘ軸、Ｙ軸まわりのモーメント）が同時に軽減される。さらに、反力カウンタが複数あれば、反力カウンタ全体として並進力を発生させずにモーメントのみを定盤に伝達することが可能となる（式（８））。これによりステージの高精度な位置決めが可能になるほか、周囲の他の装置に床振動による外乱等の影響を軽減させることができる。

更に、上記実施形態の露光装置は、上述のステージ装置を用いているため、ウエハ、レチクルの高速、高精度な位置決めが期待でき、高スループット化を図れる。また、装置自身の低振動化により、周囲の他の装置への振動による外乱等の影響を軽減させることができる。

尚、上記第１〜第３実施形態では、図４のステージ装置を図３のウエハステージに適用した場合を説明したが、レチクルステージにも適用可能である。この場合、レチクルステージ３０１がステージ１に、レチクル定盤３０２が定盤５に対応する。また、指示枠３０３が床８に対応することになる。このように、上記実施形態のステージ装置は、ステップ・アンド・リピート型の露光装置におけるウエハステージに適用可能であり、また、ステップ・アンド・スキャン型の露光装置におけるウエハステージ及び／又はレチクルステージに適用可能である。また、上記各実施形態では反力カウンタを定盤５の内部に配置したが、定盤５の外周に反力カウンタとアクチュエータを装着した形態としてもよい。
また、上記実施形態では、定盤５に１つのステージが搭載された例を示したが、定盤５に複数のステージが設置されたような場合にも、上記各実施形態は適用可能である。その場合、複数のステージの駆動反力によるモーメントの合計を軽減、相殺するように反力カウンタ３を駆動することになる。

＜デバイス製造方法への適用＞
次に上述した露光装置を利用した半導体デバイスの製造方法の実施形態を説明する。図１０は半導体デバイス（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Ｓ１１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップＳ１２（レチクル製作）では設計した回路パターンを形成したレチクルを製作する。一方、ステップＳ１３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いて基板であるウエハを製造する。ステップＳ１４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したレチクルとウエハを用いて、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Ｓ１５（組立）は後工程と呼ばれ、ステップＳ１４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Ｓ１６（検査）ではステップＳ１５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Ｓ１７）される。

図１１は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップＳ２１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップＳ２２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップＳ２３（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Ｓ２４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップＳ２５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップＳ２６（露光）では上記説明した露光装置によってレチクルの回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップＳ２７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップＳ２８（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Ｓ２９（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。本実施形態の製造方法を用いれば、高集積度の半導体デバイスを製造することができる。

一般的な露光装置の構成を説明する図である。 一般的なステージ装置の構成を説明する図である。 実施形態による露光装置の概略の構成を示す図である。 第１実施形態によるステージ装置の概略斜視図である。 第１実施形態のステージ装置における、Ｙ軸まわりのモーメント力の相殺原理を説明する図である。 第１実施形態のステージ装置における反力カウンタの配置を説明する図である。 反力カウンタを駆動するアクチュエータを制御するための構成を説明する図である。 第２実施形態のステージ装置における反力カウンタの配置を説明する図である。 第３実施形態のステージ装置における反力カウンタの配置を説明する図である。 ウエハプロセスのフロー図である。 半導体デバイス製造方法のフロー図である。 自重補償機構の一例を示す概略構成図である。

Claims (18)

1. 定盤と、
   前記定盤の表面上を移動可能なステージと、
   前記表面に対して鉛直な方向へ移動する質量体を有し、前記質量体の移動によって前記定盤に慣性力を付与する第１付与手段とを備え、
   前記ステージの移動により前記定盤に発生する、前記表面に平行な軸まわりの回転方向の力を軽減するように、前記ステージの移動に応じて前記第１付与手段における前記質量体の鉛直方向への移動を制御する制御手段とを備えることを特徴とするステージ装置。
2. 前記ステージと前記定盤の間に形成された、前記ステージを駆動するための平面モータを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
3. 前記第１付与手段は、鉛直な方向へ移動する質量体を複数有することを特徴とする請求項１又は２に記載のステージ装置。
4. 前記制御手段は、前記ステージの移動によって発生される、前記表面に平行で互いに直交する２つの軸の各々の軸まわりの回転方向の反力を相殺するように前記第１付与手段における前記質量体を駆動することを特徴とする請求項１または２記載のステージ装置。
5. 前記制御手段は、前記ステージの駆動指令値を利用して前記質量体の駆動指令値を生成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のステージ装置。
6. 前記制御手段は、前記ステージの前記表面方向の推力と、前記ステージの重心と前記定盤の重心の距離に基づいて、前記質量体の前記鉛直方向への推力を決定する事を特徴とする請求項５に記載のステージ装置。
7. 前記制御手段は、前記ステージの現在の位置、速度、加速度のいずれか一つまたは複数を利用して前記質量体の駆動指令値を生成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のステージ装置。
8. 前記質量体に対して重力と反対方向の力を与える自重補償機構を更に備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のステージ装置。
9. 前記複数の質量体の前記鉛直方向への推力の総和が０となることを特徴とする請求項３に記載のステージ装置。
10. 前記表面に対して平行な方向へ移動する質量体を有し、この質量体の移動によって前記定盤に慣性力を付与する第２付与手段を更に備え、
    前記制御手段は、更に、前記ステージの移動により前記定盤に発生する、前記表面に鉛直な軸に関する回転方向の力を軽減するように、前記ステージの移動に応じて前記第２付与手段における質量体の移動を制御することを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
11. 前記制御手段は、更に、前記ステージの移動によって発生する前記表面に沿った並進力を相殺するように、前記第２付与手段の質量体の移動を制御することを特徴とする請求項１０に記載のステージ装置。
12. 前記定盤は前記表面に沿った方向へ移動可能に設けられており、前記定盤の移動により前記ステージの移動によって発生する前記表面に沿った並進力を相殺することを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
13. 前記定盤内で回転可能な質量体を有し、この質量体の回転により、前記表面に鉛直な軸まわりの回転方向の力を前記定盤に付与する第３付与手段を更に備え、
    前記制御手段は、更に、前記ステージの移動により前記定盤に発生する、前記表面に鉛直な軸に関する回転方向の力を軽減するように、前記ステージの移動に応じて前記第３付与手段における質量体の回転を制御することを特徴とする請求項１又は１２に記載のステージ装置。
14. 複数のステージが前記定盤上に設けられ、
    前記制御手段は、前記複数のステージの移動により前記定盤に発生する、前記表面に平行な軸まわりの回転方向の合成力を軽減するように、前記ステージの移動に応じて前記第１付与手段における前記質量体の鉛直方向への移動を制御することを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
15. 定盤と、
    前記定盤の表面上を移動可能なステージと、
    前記表面に対して鉛直な方向へ移動可能な質量体を有し、前記質量体の移動によって前記定盤に慣性力を付与する第１付与手段とを備えたステージ装置の制御方法であって、
    前記ステージの移動により前記定盤に発生する、前記表面に平行な軸まわりの回転方向の力を軽減するように、前記ステージの移動に応じて前記第１付与手段における前記質量体の鉛直方向への移動を制御する制御工程を備えることを特徴とするステージ装置の制御方法。
16. 露光光を発光する光源と、
    ウエハを搭載して移動するウエハステージと、
    レチクルを搭載するレチクルステージと、
    前記露光光により、前記レチクルステージに搭載されたレチクルパターンを前記ウエハステージ上のウエハに結像する光学系とを備え、
    前記ウエハステージが請求項１乃至１４のいずれかに記載されたステージ装置を備えていることを特徴とする露光装置。
17. 請求項１６に記載の露光装置を用いて基板にパターンを露光する工程と、
    露光された基板を現像する工程とを有することを特徴とするデバイス製造方法。
18. デバイス製造方法であって、
    請求項１６に記載の露光装置を用いて基板に潜像パターンが形成された基板を用意する工程と、
    前記潜像パターンを現像する工程とを含むことを特徴とするデバイス製造方法。

Images