JP2011066211A - 物体吊下げ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】除振対象である吊下げ対象物のアライメントが当初からずれても、そのずれを解消できる物体吊下げ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】一端側が鏡筒フレーム３１に繋がれ、他端側が連結位置で投影光学系鏡筒３０に繋がれる３本のワイヤ３２と、３本のワイヤ３２の各々の連結位置を、投影光学系鏡筒３０に対して、水平方向と鉛直方向に独立して変位させるアライメント調整機構３３と、を備える。このアライメント調整機構３３は、３本のワイヤ３２の各々の連結位置を、投影光学系鏡筒３０に対して、水平方向に変位させる水平方向調整部５０と、鉛直方向に変位させる鉛直方向調整部６０と、を備える。そして、水平方向調整部５０が連結位置を水平方向に変位させるのに伴って鉛直方向調整部６０が水平方向に変位し、鉛直方向調整部６０が連結位置を鉛直方向に変位させるのに伴って水平方向調整部５０が鉛直方向に変位する。
【選択図】図３

Description

本発明は、可撓性のある吊材で物体を吊り下げる装置に関する。

半導体素子、液晶表示素子等を製造する過程のリソグラフィ工程で用いられる露光装置は、マスクを支持するマスクステージと、マスク上に形成されたパターンを投影する投影光学系と、基板を支持する基板ステージとを主たる構成要素としている。
露光装置に設けられる投影光学系をフレーム部材に吊り下げることにより投影光学系の除振を図る吊下げ装置が知られている。投影光学系を吊り下げる吊材としてしは、可撓性のあるワイヤ（特許文献１）、チェーン、ロッドなどが採用されている。この吊下げ装置は、フレームが載る床面からの振動を露光装置に伝達しないための除振装置として機能する。

露光装置においては、電気信号を伝送する配線が投影光学系に接続されている。この場合、配線によって投影光学系には定常的に一定の力が加えられることになるため、この力を考慮したうえで投影光学系に吊材が繋がれる連結位置を調節する必要がある。

特開２００４−３１１６２６号公報（図１）

投影光学系を吊り下げて露光装置の使用を開始した後に、投影光学系に配線、さらには補機が追加されることがある。そうすると、除振対象である投影光学系の質量バランスが変化するので、当初に設定された支持系に対してアライメントがずれてしまい、除振性能が低下する。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、補機、配線等の付加物が後に加わって除振対象である吊下げ対象物のアライメントが当初からずれても、そのずれを解消できる物体吊下げ装置を提供することを目的とする。

除振対象となる吊下げ対象物は、吊材に対して剛体とみなせる。したがって、吊下げ対象物は並進３自由度、回転３自由度の合計６自由度を備える。通常、除振を目的とする吊下げ装置は、３本の吊材の各々を吊下げ対象物の３箇所で連結、支持するので、１つの支持点当たりで鉛直方向、水平方向の２方向について支持点を変位できれば、吊下げ対象物全体として６自由度に対応できる。
このことに着目してなされた本発明の吊下げ装置は、一端側が支持フレームに繋がれ、他端側が連結位置で吊下げ対象物に繋がれる３本の吊材と、３本の吊材の各々の連結位置を、吊下げ対象物に対して、水平方向と鉛直方向に独立して変位させるアライメント調整機構と、を備えることを特徴とする。

本発明におけるアライメント調整機構としては、３本の吊材の各々の連結位置を、吊下げ対象物に対して、水平方向に変位させる第１調整部と、鉛直方向に変位させる第２調整部と、を備え、第１調整部が連結位置を水平方向に変位させるのに伴って第２調整部が水平方向に変位し、第２調整部が連結位置を鉛直方向に変位させるのに伴って第１調整部が鉛直方向に変位するものであることが好ましい。

本発明の吊下げ装置は、第１調整部を駆動させる第１アクチュエータ及び第２調整部を駆動させる第２アクチュエータと、吊下げ対象物の水平方向の位置を検出する第１センサ及び吊下げ対象物の鉛直方向の位置を検出する第２センサと、第１センサ及び第２センサの検出結果に基づいて、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータを駆動させるコントローラと、を備えることで、吊下げ対象物のアライメントのずれを逐次修正できる。

本発明の吊下げ装置は、吊材として、素線を編んで形成されるワイヤを用いることが好ましい。素線同士の摩擦により、減衰能が期待できるからである。

本発明によれば、３本の吊材の各々の連結位置を、吊下げ対象物に対して、水平方向と鉛直方向に独立して変位させるアライメント調整機構を備えるので、補機、配線等の付加物が後に加わって除振対象である吊下げ対象物のアライメントが当初からずれても、そのずれを解消できる。

本実施の形態における露光装置を示す断面図である。 本実施の形態における露光装置の投影光学系鏡筒の周囲を示す斜視図である。 本実施の形態におけるアライメント調整機構を示す斜視図である。 本実施の形態におけるアライメント調整機構の水平方向調整部を示す断面図である。 本実施の形態におけるアライメント調整機構の鉛直方向調整部を示す断面図である。 本実施の形態におけるアライメント調整機構のシステム構成を示すブロック図である。 本実施の形態における投影光学系鏡筒の周囲をモデル化した図である。 本実施の形態における吊下げ装置のシミュレーション結果を示すグラフである。 本実施の形態における吊下げ装置に好適に用いられる吊材の形態を示す図である。 本実施の形態における吊下げ装置に用いる吊材の相違による応力と減衰定数の関係を示すグラフである。

以下、本発明の物体吊下げ装置を露光装置１に適用した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
露光装置１は、原版パターンが形成されたマスクＭと、原版パターンが転写されるウェハＷを同期走査しながら、原版パターンをウェハＷ上に投影転写する、いわゆるスキャン露光を行う装置であり、照明光学系鏡筒１０と、マスクステージ装置２０と、投影光学系鏡筒３０と、ウェハステージ装置４０とを主たる構成要素として備えている。露光装置１は、マスクＭとウェハＷとを、各々マスクステージ装置２０とウェハステージ装置４０で高速で移動させながら、転写すべき露光領域を投影光学系鏡筒３０の光軸上に位置決めするステップ動作と、マスクステージ装置２０とウェハステージ装置４０を同期移動させながら走査露光するスキャン動作を繰り返す。

露光装置１は、マスクステージ装置２０を支持するマスクステージフレーム２１を備えている。マスクステージフレーム２１は所定の間隔を空けて立設する一対のコラム２１１と、一対のコラム２１１の上端に架設されたビーム２１２となからなる門型の構造体である。マスクステージフレーム２１は、例えば、空気ばねを要素とする除振装置２を介して、定盤３上に設置されている。

マスクステージフレーム２１のビーム２１２には、マスクＭを載せて移動・位置決めするマスクステージ装置２０が取り付けられている。
マスクステージ装置２０とマスクステージフレーム２１のビーム２１２との間には、前述と同様の除振装置２２が介在している。マスクステージ装置２０には、マスクＭを吸着保持するチャック（図示されず）等が設けられている。

マスクステージフレーム２１のビーム２１２の上端には、照明光学系支持フレーム１１が固定されている。この支持フレーム１１であって、マスクステージ装置２０の上方には、照明光学系鏡筒１０が取り付けられている。この照明光学系鏡筒１０内には、図示を省略する、例えばフライアイミラーを含む照明光学系、成形開口等が配置されている。

マスクステージフレーム２１の内側において、定盤３上には鏡筒フレーム３１が設置されている。この鏡筒フレーム３１は、マスクステージフレーム２１と同様の門型をしており、コラム３１１とビーム３１２とからなる。鏡筒フレーム３１の内側には、投影光学系鏡筒３０が配置されている。投影光学系鏡筒３０は、鏡筒フレーム３１のビーム３１２から３本（図１では２本のみを示す）のワイヤ（吊材）３２で吊り下げられている。投影光学系鏡筒３０内には、投影光学系を構成する複数の非球面ミラー等（いずれも図示されず）が配置されている。

投影光学系鏡筒３０を吊り下げる３本のワイヤ３２は、上端が鏡筒フレーム３１のビーム３１２下面に繋がれており、下端が投影光学系鏡筒３０の鉛直方向中央部に形成された取り付け板３０ａの周縁に取り付けられるアライメント調整機構３３に繋がれている。各ワイヤ３２とワイヤ３２に対応する各アライメント調整機構３３とは、取り付け板３０ａの周方向に等間隔（１２０°間隔））おき設けられている。各ワイヤ３２は、可撓性を有する素材からなり、投影光学系鏡筒３０を吊り下げるために必要な引張強度を有するが、それ以上の剛性は有しない。ワイヤ３２の好ましい形態については後述する。

図３〜図５に示すように、アライメント調整機構３３は、水平方向調整部（第１調整部）５０と鉛直方向調整部（第２調整部）６０とから構成される。水平方向調整部５０及び鉛直方向調整部６０は、投影光学系鏡筒３０の取り付け板３０ａに固定されるベース５１を介して取り付け板３０ａに取り付けられる。
ベース５１は、取り付け板３０ａに鉛直方向に摺動可能に取り付けられている。そのために、ベース５１には鉛直方向に延びる一対のガイドレール５１１が設けられ、取り付け部３０ａにはガイドレール５１１が挿入されるガイド溝３０１が設けられる。
鉛直方向調整部６０の本体６１は、ベース５１に水平方向に摺動可能に取り付けられている。そのために、ベース５１と取り付け板３０ａの関係と同様に、一方にガイドレールを、他方にガイド溝を設ければよい。

水平方向調整部５０は、固定部材５２と、上下可動部５３と、水平可動部５４とを備える。
固定部材５２は、ベース５１に固定される部材であって、Ｌ字を逆さまにした断面をなしている。固定部材５２は、ベース５１に固定され鉛直方向に延びる基部５２１と、基部５２１の上端から水平方向に延びる調整ネジ支持部５２２とからなる。基部５２１は、下端に向けて肉厚が厚くなるように、幅方向の一方の面が傾斜面５２３とされている。

上下可動部５３は、円錐台状の本体５３１と、本体５３１の上部に固定される調整ネジ５３２とからなる。本体５３１と調整ネジ５３２は同軸上に配置される。
本体５３１は、傾斜面の一方が固定部材５２の基部５２１の傾斜面５２３と摺接するように、調整ネジ支持部５２２の下方に配置される。本体５３１に固定される調整ネジ５３２は、調整ネジ支持部５２２に形成されたねじ孔５２４に噛み合っている。したがって、調整ネジ５３２を左右に回転させると、当該傾斜面が傾斜面５２３と摺動しながら、本体５３１は昇降運動する。

水平可動部５４は、厚さ方向の一方の面側が上下可動部５３の本体５３１の他方の傾斜面に摺接する傾斜面５４１をなし、厚さ方向の他方の面側が鉛直方向調整部６０の本体６１に固定される。水平可動部５４はこのような構成をしているので、調整ネジ５３２を回転させて本体５３１を下降させると水平可動部５４は左向きに動き、調整ネジ５３２を回転させて本体５３１を上昇させると水平可動部５４は右向きに動く。このように、水平方向調整部５０は、鉛直方向の往復（直線）運動を水平方向の往復（直線）運動に変換する機構である。
なお、鉛直方向調整部６０の本体６１が調整ねじ６２を介してワイヤ３２に吊下げられているために、本体６１に固定されている水平可動部５４は、上下可動部５３の本体５３１を基部５２１に向けて押す。したがって、上下可動部５３の本体５３１と水平可動部５４を機械的に繋がなくても、上記運動の変換が行われる。

次に、鉛直方向調整部６０は、ブロック状の本体６１と、本体６１鉛直方向に貫通するねじ孔６１１を貫通する調整ネジ６２と、本体６１の下側において調整ネジ６２に噛み合う調整ナット６３と、本体６１の上側において調整ネジ６２に噛み合う移動拘束ナット６４とからなる。
ねじ孔６１１を介して調整ネジ６２に遊嵌されている本体６１は、調整ナット６３の上に載せられている。したがって、鉛直方向調整部６０は、調整ナット６３を左右に回転させると、本体６１を昇降運動させることができる。また、鉛直方向調整部６０は、移動拘束ナット６４を設けているので、必要以上に本体６１が上昇されるのを阻止できる。

以上のアライメント調整機構３３は、ベース５１が投影光学系鏡筒３０に対して鉛直方向に移動可能とされており、加えて、鉛直方向調整部６０がベース５１に対して水平方向に移動可能とされている。しかも、水平方向調整部５０は固定部材５２がベース５１に固定されている。したがって、水平方向調整部５０を動作させることにより、調整ねじ６２、つまりワイヤ３２の連結位置を水平方向に変位させるのに伴って鉛直方向調整部６０が水平方向に変位する。また、鉛直方向調整部６０を動作させることにより、ワイヤ３２の連結位置を鉛直方向に変位させるのに伴って水平方向調整部５０が水平方向に変位する。このように、アライメント調整機構３３は、水平方向調整部５０と鉛直方向調整部６０とが一体的に変位されるので、一方（例えば、水平方向調整部５０）を動作しさえすれば、他方（鉛直方向調整部６０）の位置を変位させる操作をする必要がない。

投影光学系鏡筒３０の下方には、図１に示すように、ウェハＷを載せて移動・位置決めするウェハステージ装置４０が設置されている。ウェハステージ装置４０は、前述と同様の除振装置４及び支持フレーム５を介して、定盤３上に設置されている。ウェハステージ装置４０には、図示を省略するウェハＷを吸着保持するチャックが設けられている。

露光装置１は、マスクステージ装置２０及びウェハステージ装置４０の各ステージを光軸垂直方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動させて、マスクＭ及びウェハＷを転写すべき露光領域に位置決めするステップ動作と、マスクステージ装置２０とウェハステージ装置４０の各ステージを等速で同期移動させながら走査露光するスキャン動作を繰り返す。ステップ動作中には露光は行われず、各ステージが加減速運転し、マスクＭ及びウェハＷを次の露光領域まで移動させる。一方、スキャン動作時には、マスクステージ装置２０とウェハステージ装置４０の各ステージが、ＸＹ面内を反対方向に所定の速度比で等速同期移動する。この間は、マスクステージ装置２０及びウェハステージ装置４０の各ステージには加減速は加わらない。

＜露光装置１の効果＞
露光装置１では、投影光学系鏡筒３０が可撓性のあるワイヤ（吊材）３２で吊り下げられているので、ワイヤ３２の支点が振動したとしても、投影光学系鏡筒３０までは振動が伝わりにくい。投影光学系鏡筒３０は、ワイヤ３２の長さで決まる固有振動数ω＝（ｇ／Ｌ）^１／２（ｇは重力加速度）に基づき若干揺れるが、振動周期Ｔは一定であり、その値は固有振動数ωに基づき予め算出することができる（Ｔ＝２π／ω）。

また、露光装置１は、設置後に補機、配線が追加されることがあり、そうすると、除振対象である投影光学系鏡筒３０の質量バランスが変化するので、当初に設定された支持系に対して投影光学系鏡筒３０のアライメントがずれてしまい、除振性能が低下する。そうした場合に、水平方向調整部５０及び鉛直方向調整部６０の一方又は双方を調整することにより、アライメント調整機構３３によるワイヤ３２の支持点を水平方向及び鉛直方向の一方又は双方に動かしてアライメントを調整できるので、露光装置１は補機、配線が追加された後も、当初の除振性能を維持できる。露光装置１には３本のワイヤ３２に対応して３つのアライメント調整機構３３が設けられているので、１つ又は２つ以上のアライメント調整機構３３を調整する。

以上では、アライメント調整機構３３の構成、作用を説明したが、このアライメント調整機構３３を動作させるシステムを図６に示している。
このシステムは、コントローラ７０を備える。コントローラ７０は、第１センサ７１による検出結果、第２センサ７２による検出結果に基づいて、水平方向調整部５０の調整ネジ５３２を回転駆動させる第１アクチュエータ７３、鉛直方向調整部６０の調整ナット６３を回転駆動させる第２アクチュエータ７４の動作を制御する。

第１センサ７１はアライメント調整機構３３の水平方向の位置Ｈｐｎを検出し、第２センサ７２はアライメント調整機構３３の鉛直方向の位置Ｖｐｎを検出する。水平方向の位置Ｈｐｎ、鉛直方向の位置Ｖｐｎは、アライメント調整機構３３上の定点において検出される。

コントローラ７０は、投影光学系鏡筒３０が吊り下げられた当初の上記定点における水平方向の位置Ｈｐ１、鉛直方向の位置Ｖｐ１を保持している。また、コントローラ７０は、第１センサ７１で検出された水平方向の位置Ｈｐｎ、及び第２センサ７２で検出された鉛直方向の位置Ｖｐｎを受ける。そして、コントローラ７０は、当初の水平方向の位置Ｈｐ１、鉛直方向の位置Ｖｐ１と、その後に検出される水平方向の位置Ｈｐｎ、鉛直方向の位置Ｖｐｎとを比較して、上記定点の位置ずれを求める。

コントローラ７０は、求められた位置ずれをなくすように第１アクチュエータ７３及び第２アクチュエータ７４の一方又は双方を動作させて、投影光学系鏡筒３０のアライメントを当初に戻す。
なお、ここでは位置検出をアライメント調整機構３３上の定点としたが、これに限らず、投影光学系鏡筒３０上の定点、例えば重心を用いることができる。

図７は、露光装置１の投影光学系鏡筒３０の周囲をモデル化した図である。図７において、重心３７１は投影光学系鏡筒３０の重心を示し、吊り固定点３１１，３３１，３５１は、３本のワイヤ３２が鏡筒フレーム３１に繋がれている連結位置を示し、可動点３２１，３４１，３６１は、３本のワイヤ３２がアライメント調整機構３３に繋がれている連結位置を示している。

このモデルにおいて、重心３７１の位置の状態量を、変換マトリックスと入力量で表すと式（１）の通りである。したがって、変換マトリックスを求めれば、入力量である重心３７１の移動量を求めることができる。なお、式（１）の入力量は、可動点３２１，３４１，３６１毎の鉛直方向の入力量、水平方向の入力量であるから、式（２）に示すように、６つの成分を有する。

式（１）の入力に例えば単位量（＝１）を与えると、式（３）となる。このとき、重心３７１の位置の状態量は、式（４）となる。これは同時に、式（５）のうちで、式（６）を表している。したがって、他の変数５つについてすべての計算を行うことにより、変換マトリックスを得ることができる。そして、得られた変換マトリックスの逆行列を求めれば、式（７）より入力量が得られる。

以上の手順に基づいて、シミュレーションを行った。なお、このシミュレーションは、ワイヤ３２の伸びを無視する一方、ワイヤ３２の大変形は考慮し、補機・配線追加の要素として付加マス２個を追加した後の重心３７１の位置ずれを修正する解析を行うものである。
表１，２に変換（感度）マトリクスの計算結果を示す。また、これら変換マトリクスを用いて行った解析の結果を図８に示す。図８に示すように、ｙ方向、ｚ方向については一回の解析により、また、ｙ方向については二回の解析により、重心３７１の位置ずれを解消できる。なお、二回の解析を行う場合、一回目の解析の結果が反映された重心３７１の位置を基準として二回目の解析を行う。

次に、ワイヤ３２の好ましい形態について説明する。
ワイヤ３２としては、素線を撚って形成される一般的なワイヤロープよりも、素線を編んで形成されるワイヤロープを用いることが好ましい。素線を編んで形成されるワイヤロープとしては、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように種々の形態が存在するが、いずれのワイヤロープも素線同士が交差する。素線同士が交差するので、素線を編んで形成されるワイヤロープに張力が作用すると、素線表面で摩擦が生じることでワイヤ３２に減衰能を与えることができる。したがって、素線を編んで形成されるワイヤロープをワイヤ３２に用いれば、振動減衰効果が期待できる。

素線を編んで形成されるワイヤロープを用いて減衰定数を求めた。その結果を図１０に示す。なお、図１０において、「１６／４」とは１６束を編んだワイヤロープであり、１束が４本の素線を編んだものであることを示し、「１６／２」とは１６束を編んだワイヤロープであり、１束が２本の素線を編んだものであることを示し、「８／２」とは８束を編んだワイヤロープであり、１束が２本の素線を編んだものであることを示している。また、図１０において、見かけ応力とは、付加加重をワイヤロープの外形から求められる断面積で除した応力をいう。

図１０より、見かけ応力がおよそ２０ＭＰａ以下の範囲では、ワイヤロープを構成する素線の総本数が多いほど減衰定数が大きくなることがわかる。したがって、ワイヤ３２としては、素線を編んだワイヤロープを用いることがより望ましいことがわかる。ただし、応力が大きくなり素線が伸びきると素線同士に摩擦が生じないために減衰能が期待できなくなるので、このことを考慮して用いるワイヤロープの仕様を定める必要がある。

なお、上記実施の形態では、物体吊下げ装置を露光装置に応用した例を示したが、他の装置、機器について本発明の物体吊下げ装置を広く適用できる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１…露光装置
１０…照明光学系鏡筒
２０…マスクステージ装置
３０…投影光学系鏡筒（吊下げ対象物）
３１…鏡筒フレーム（支持フレーム）、３２…ワイヤ（吊材）、３３…アライメント調整機構、５０…水平方向調整部（第１調整部）、６０…鉛直方向調整部（第２調整部）
７０…コントローラ、７１…第１センサ、７２…第２センサ、７３…第１アクチュエータ、７４…第２アクチュエータ

Claims (4)

1. 一端側が支持フレームに繋がれ、他端側が連結位置で吊下げ対象物に繋がれる３本の吊材と、
   ３本の前記吊材の各々の前記連結位置を、前記吊下げ対象物に対して、水平方向と鉛直方向に独立して変位させるアライメント調整機構と、
   を備えることを特徴とする物体吊下げ装置。
2. 前記アライメント調整機構は、
   ３本の前記吊材の各々の連結位置を、前記吊下げ対象物に対して、
   水平方向に変位させる第１調整部と、
   鉛直方向に変位させる第２調整部と、を備え、
   前記第１調整部が前記連結位置を水平方向に変位させるのに伴って前記第２調整部が水平方向に変位し、
   前記第２調整部が前記連結位置を鉛直方向に変位させるのに伴って前記第１調整部が鉛直方向に変位することを特徴とする請求項１に記載の物体吊下げ装置。
3. 前記第１調整部を駆動させる第１アクチュエータ及び前記第２調整部を駆動させる第２アクチュエータと、
   前記吊下げ対象物の水平方向の位置を検出する第１センサ及び前記吊下げ対象物の鉛直方向の位置を検出する第２センサと、
   前記第１センサ及び第２センサの検出結果に基づいて、前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータを駆動させるコントローラと、
   を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の物体吊下げ装置。
4. 前記吊材は、素線を編んで形成されるワイヤからなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の物体吊下げ装置。

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