JP2014064025A - 位置決め装置、露光装置およびデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁石と吸引ターゲットとの間のギャップの大きさの変動による位置決め精度の低下を防止する。
【解決手段】位置決め装置は、第１部材と第２部材との相対位置を制御するように構成され、前記第１部材に固定された電磁石と、前記電磁石によって吸引されるように前記第２部材に固定された吸引ターゲットと、前記電磁石が発生する磁束値を検出する磁束センサと、前記電磁石と前記吸引ターゲットとの間のギャップの大きさに応じて磁束指令値を補正することによって得られた補正磁束指令値と前記磁束センサによって検出された磁束値との偏差に応じて前記電磁石を駆動する駆動部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置決め装置、露光装置および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を製造する露光装置において、基板ステージ機構や原版ステージ機構には、高加速で高速にステージを移動し、かつ高精度にステージを位置決めする性能が要求される。一般には、位置決め精度は劣るが大ストロークかつ大推力の特性の粗動ステージの上に、小ストロークではあるが位置決め精度が高い微動ステージを配置した粗微動型ステージ機構が用いられることが多い。微動ステージを駆動するアクチュエータとしては、ローレンツ力を利用したリニアモータや吸引力を利用した電磁石が用いられうる。力指令から推力までの特性は、前者の方が、線形性がよく扱いやすいが、後者の方が、アクチュエータの発熱の観点では有利である。このため、位置決め制御をリニアモータで行い、加減速を電磁石で行う方法がある。位置決め精度を良くするためには、加減速のために発生する力の精度を高めて加減速時における位置偏差を少なくする必要があり、電磁石が発生する力を高精度に制御することが要求される。電磁石が発生する力の非線形性を考慮した制御方法が特許文献１、２に記載されている。

特許文献１に記載された制御方法では、電磁石が発生する力がコイル電流の二乗に比例するものと近似し、力指令値の絶対値の平方根を算出し、これにゲインを乗じてコイル電流指令値を発生する。ここで、電磁石と吸引ターゲットとの間のギャップの変化によって磁束値が変化するので、ギャップの測定値により電流指令に補正をかけている。しかし、このような制御方法では、電磁石コアの磁気ヒステリシスの影響で、同じコイル電流値であっても、電流値の増減の経緯により力が異なってしまう。特許文献２に記載された制御方法では、電流値ではなく、磁束値を検出し、その磁束値に基づいて力を制御する。特許文献２に記載された制御方法は、磁気ヒステリシスおよびギャップの影響は検出された磁束値に含まれており、磁束値を制御することにより、そのような影響を受けることなく力を制御できるという考えに基づくものである。

特公平３−４３７６６号公報 特許３９７７０８６号公報

磁束値を制御して電磁石の力を制御する場合において、ギャップの大きさの変化によって検出した磁束値と電磁石が発生する力との関係が変化することが問題になる。すなわち、磁束値が指令値どおり制御されていても、ギャップの大きさの変化により電磁石が発生する力が変動してしまうと、目標とする力が得られない。

本発明は、電磁石と吸引ターゲットとの間のギャップの大きさの変動による位置決め精度の低下を防止するために有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、位置決め装置に係り、前記位置決め装置は、第１部材と第２部材との相対位置を制御するように構成され、前記第１部材に固定された電磁石と、前記電磁石によって吸引されるように前記第２部材に固定された吸引ターゲットと、前記電磁石が発生する磁束値を検出する磁束センサと、前記電磁石と前記吸引ターゲットとの間のギャップの大きさに応じて前記磁束センサによって検出された磁束値を補正することによって得られた磁束値と磁束指令値との偏差に応じて前記電磁石を駆動する駆動部と、を備える。

本発明によれば、電磁石と吸引ターゲットとの間のギャップの大きさの変動による位置決め精度の低下を防止するために有利な技術が提供される。

本発明の実施形態の位置決め装置におけるフィードフォワード制御系を説明する図。 本発明の実施形態の位置決め装置におけるフィードバック制御系を説明する図。 電磁アクチュエータの特性を測定する測定装置の概略図。 ギャップと補正値との関係を例示する図。 本発明の他の実施形態の位置決め装置におけるフィードフォワード制御系を説明する図。 本発明の実施形態の露光装置の概略構成を示す図。

図１および図２を参照しながら本発明の実施形態の位置決め装置５０の構成および動作を説明する。位置決め装置５０は、位置決め対象物である微動ステージ１に与える力をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御系と、微動ステージ１の位置をフィードバック制御するフィードバック制御系とを含む。図１は、位置決め装置５０における前記フィードフォワード制御系を示す図、図２は、位置決め装置５０における前記フィードバック制御系を示す図である。位置決め装置５０は、例えば、原版のパターンを基板に転写するための露光装置において、原版を位置決めする原版ステージ機構および基板を位置決めする基板位置機構の少なくとも一方に適用されうる。

位置決め装置５０は、粗動ステージ（第１部材）２と微動ステージ（第２部材）１とを含みうる。微動ステージ１は、粗動ステージ２の上に空気バネや永久磁石などを用いた不図示の支持機構によって支持されうる。まず、図２を参照しながら位置決め装置５０のフィードバック制御系について説明する。微動ステージ１に設けられた反射鏡３１によりレーザ干渉計（位置計測器）３２からのレーザ光３３を反射し、レーザ干渉計３２により微動ステージ１の位置が計測される。減算器３６は、主制御部ＭＣから指令された微動ステージ１の位置指令値３５から、レーザ干渉計３２から出力された微動ステージ１の位置計測値（微動ステージ１の位置の計測結果）３４を減算し、微動ステージ１の位置偏差３７を生成する。

フィードバック制御器３８は、位置偏差３７に基づいて、例えば、ＰＩＤ演算により、位置偏差３７を低減するためのフィードバック制御指令値（以下、ＦＢ制御指令値）３９を演算する。ここで、主制御部ＭＣ、減算器３６、フィードバック制御器３８は、デジタル処理回路で構成され、ＦＢ制御指令３９は、不図示のＤＡ変換器によりアナログ信号に変換されて電流ドライバ４０に送られうる。電流ドライバ４０は、ＦＢ制御指令３９に従った電流４１を微動リニアモータ４２に供給する。これに応じて、微動リニアモータ４２は、粗動ステージ（第１部材）２と微動ステージ（第２部材）１との間で推力を発生し、この推力により微動ステージ１を位置決め制御する。

粗動ステージ２は、ステージ定盤３の上に、静圧ガイドなどで構成された粗動ガイド４により、微動ステージ１と移動自在に構成されている。ここで、粗動ステージ２の移動は、少なくとも１軸の自由度を有しうる。また、微動ステージ１の移動は、少なくとも１軸の自由度を有しうる。粗動ステージ２は、微動ステージ１と同様に、不図示のレーザ干渉計などの位置計測器によって位置が計測され、不図示の粗動アクチュエータによって駆動されうる。

次に、図１を参照しながら位置決め装置５０のフィードフォワード制御系について説明する。粗動ステージ２には、微動ステージ１を駆動方向において挟み込むように、電磁石５ａ、５ｂが固定されている。図１に示す例では、電磁石５ａ、５ｂは、粗動ステージ２に固定されている。微動ステージ１には、電磁石５ａ、５ｂによってそれぞれ吸引されるように吸引ターゲット６ａ、６ｂが固定されている。ここで、電磁石５ａ、５ｂを微動ステージ１に固定し、吸引ターゲット６ａ、６ｂを粗動ステージ２に固定することもできる。

電磁石５ａ、５ｂと吸引ターゲット６ａ、６ｂとの間にはギャップが設けられている。電磁石５ａとそれに対向する吸引ターゲット６ａとの間のギャップの大きさと、電磁石５ｂとそれに対向する吸引ターゲット６ｖとの間のギャップの大きさとが同じ値になるように電磁石５ａ、５ｂが制御されうる。

フィードフォワード制御系は、電磁石５ａ、５ｂのそれぞれに個別に設けられているが、図１では、図示の簡略化のために、電磁石５ａについてのフィードバック制御系のみが示されている。以下では、代表的に、電磁石５ａについてのフィードバック制御系について説明するが、電磁石５ｂについてのフィードバック制御系も同様の構成を有する。位置決め装置５０は、電磁石５ａが発生する磁束値を検出する磁束センサＭＦＳを備えうる。磁束センサＭＦＳは、例えば、サーチコイル７ａと、積分器８とを含みうる。サーチコイル７ａは、駆動コイル１２ａを有する電磁石５ａに組み込まれている。サーチコイル７ａは、電磁石５ａが発生する磁束の値の時間変化を検出し、該変化を示す磁束変化信号２１を出力する。積分器８は、サーチコイル７ａによって検出された磁束変化信号２１を時間積分して磁束検出値（電磁石５ａが発生する磁束の検出結果を示す信号）２２を出力する。

位置決め装置５０は、ギャップセンサ１４と、駆動部ＤＵとを更に含む。ギャップセンサ１４は、電磁石５ａと吸引ターゲット６ａとの間のギャップの大きさを検出し、その検出結果をギャップ信号２８として出力する。ギャップセンサ１４は、この実施形態では、電磁石５ａと吸引ターゲット６ａとの間のギャップの大きさを示すデジタル信号をギャップ信号２８として出力する。駆動部ＤＵは、ギャップセンサ１４によって検出されたギャップの大きさに応じて基本磁束指令値２４を補正することによって補正磁束指令値２５を得る。また、駆動部ＤＵは、補正磁束指令値２５と、磁束センサＭＦＳによって検出された磁束検出値（磁束値）２２との偏差に応じて、電磁石５ａを駆動する。

この実施形態では、駆動部ＤＵは、補正値演算器１５、乗算器（補正器）１６、ＤＡ変換器１７、減算器９、増幅器（補償器）１０、電流ドライバ１１を含む。主制御部ＭＣより指令された力指令値２３は、磁束指令演算器１３により基本磁束指令値２４に変換される。この実施形態では、基本磁束指令値２４は、デジタル信号である。乗算器１６は、基本磁束指令値２４に対して補正値演算器１５からの補正値２９を乗じることによって補正磁束指令値２５を生成する。ここで、「基本磁束指令値」と「補正磁束指令値」とは、相互に区別するために付された名称であり、いずれも磁束指令値である。ＤＡ変換器１７は、補正磁束指令値２５をアナログ信号に変換し、アナログの補正磁束指令値２６を発生する。減算器９は、アナログの補正磁束指令値２６からアナログの磁束検出値２２を減算して磁束偏差２７を発生する。増幅器１０は、磁束偏差２７にゲインを乗じて増幅磁束偏差３０を発生し、これを電流ドライバ１１に送る。電流ドライバ１１は、増幅磁束偏差３０に従って電磁石５ａの駆動コイル１２ａを駆動する。これにより、電磁石５ａと吸引ターゲット６ａの間に吸引力が発生する。

ここで、磁束センサＭＦＳ、減算器９、増幅器（補償器）１０、電流ドライバ１１および電磁石５ａ（駆動コイル１２ａ）により、磁束を制御するフィードバックループ（以下、磁束フードバックループ）が形成されている。この磁束フィードバックループにより、駆動コイル１２ａが発生する磁束は、当該磁束フィードバックループに対する指令値である補正磁束指令値２６に従うことになる。電磁石５ａおよび吸引ターゲット６ａとの間に発生する吸引力は、駆動コイル１２ａが発生する磁束の値と、電磁石５ａと吸引ターゲット６ａとの間のギャップの大きさとによって定まる。

電磁石５ａと吸引ターゲット６ａとの間のギャップの大きさの基準値を以下では標準ギャップという。このギャップの大きさの標準ギャップからの変動量（以下、ギャップ変動量）による吸引力の変動は、補正値演算器１５がギャップ信号２８に応じて発生する補正値２９に応じて乗算器１６が基本磁束指令値２４を補正することによって低減される。また、駆動コイル１２ａが発生する磁束の値は、前述のように、補正磁束指令値２６に従う。これにより、電磁石５ａと吸引ターゲット６ａとの間に発生する吸引力は、図１に示すフィードフォワード制御系に対する指令値である力指令値２３に従うことになる。

電磁石５ａと吸引ターゲット６ａとの間に発生する吸引力の制御精度を高くするために、磁束フィードバックループは、キロヘルツオーダー又はそれを超える高い帯域で動作することが好ましい。デジタル制御系ではサンプリング時間による時間遅れの問題があり、増幅器（補償器）１０のゲインを大きくすることが難しく、そのため高帯域化の実現が難しい。そこで、減算器９と増幅器１０をアナログの演算増幅器（ＯＰアンプ）を用いて構成することが好ましい。同様に、積分器８も、アナログの演算増幅器（ＯＰアンプ）で構成されることが好ましい。磁束指令演算器１３における演算は、一般的には非線形計算であるので、磁束指令演算器１３のアナログ化は困難であり、典型的にはデジタル処理回路で構成されうる。

電磁石５ａとそれに対抗する吸引ターゲット６ａとの間のギャップの大きさの変化は、後述のように粗動ステージの応答によるものであり、高くても１ｋＨｚ程度であるので、補正値演算器１５は、アナログ回路で構成する必要はない。また、乗算器１６によって磁束指令演算器１３の出力値と補正値演算器１５の出力値とを乗算することから、デジタル処理回路で構成される場合は、補正値演算器１５もデジタル処理回路で構成された方が良い。

ここで、粗動ステージ２およびそれによって支持されている微動ステージ１を図１において右方向に加速させる動作について説明する。粗動ステージ２を駆動する不図示の粗動アクチュエータは、粗動ステージ２およびそれによって支持されている微動ステージ１の双方を駆動するための駆動力を発生し、粗動ステージ２を駆動する。粗動アクチュエータが発生する駆動力は、電磁石５ａおよび微動リニアモータ４２を介して微動ステージ１に伝達される。そこで、粗動アクチュエータによって粗動ステージ２を駆動するときは、電磁石５ａおよび吸引ターゲット６ａからなる電磁アクチュエータと、微動リニアモータ４２との少なくとも一方にも力を発生させる必要がある。しかし、微動リニアモータ４２は、発熱が大きい。そこで、図１に示すフィードフォワード制御系により大推力かつ低発熱の電磁石５ａに加速のための駆動力を発生させ、微動リニアモータには、図２に示すフィードバック制御系によって微動ステージ１の位置制御のための駆動力のみを発生させることが好ましい。

粗動ステージ２および微動ステージ１の加速の際に粗動ステージ２と微動ステージ１との相対位置が変動すると微動ステージ１の位置決め精度が低下する。したがって、微動ステージ１の位置決め精度を上げるには、図１に示すフィードフォワード制御系による制御精度を上げるべきである。電磁石５ａが発生する力の制御は、駆動部ＤＵによって電磁石５ａが発生する磁束の値を制御することでなされるので、磁束指令値とそれによって発生する力との関係を予め求めておく必要がある。

図３には、電磁石および吸引ターゲットで構成される電磁アクチュエータの特性を測定する測定装置の構成が例示されている。電磁石５ａおよび吸引ターゲット６ａで構成される電磁アクチュエータの特性を測定するために、該電磁アクチュエータが図３に例示される測定装置に組み込まれうる。この測定装置を用いて、ギャップの大きさが標準ギャップであるときの磁束指令値（例えば、基本磁束指令値２４）と該磁束指令値に応じて発生する力との関係が測定されうる。電磁石５ｂおよび吸引ターゲット６ｂで構成される電磁アクチュエータについても同様である。

電磁石５ａは、ベース５１によって支持された電磁石取り付け板５２に固定されうる。吸引ターゲット６ａは、板バネ５４を介してベース５１によって支持されたターゲット取り付け板５３に固定されうる。板バネ５４の作用により、吸引ターゲット６ａは、電磁石５ａに吸引される方向に移動することができる。電磁石５ａと吸引ターゲット６ａとの間に作用する吸引力は、ベース５１とターゲット取り付け板５３との間に配置されたロードセル５５によって測定されうる。電磁石取り付け板５２にはギャップセンサ５６が設けられており、電磁石５ａと吸引ターゲット６ａとの間のギャップの大きさが測定されうる。電磁石取り付け板５２は、ギャップを調整可能な機構を有しうる。

電磁石５ａには、図１に示すフィードフォワード制御系が接続されている。電磁石取り付け板５２を調整することによって電磁石５ａと吸引ターゲット６ａとの間のギャップの大きさが標準ギャップに設定されうる。この状態で磁束指令値（例えば、基本磁束指令値２４）を変更しながらロードセル５５で吸引力を計測することで、磁束（磁束指令値）とそれによって発生する力との関係を求めることができる。磁束と力との関係は、磁束を引数とする二次関数で近似することができる。磁束指令演算器１３には、その二次関数の逆関数が設定され、その逆関数に従って力指令値２３から基本磁束指令値２４を決定する。

さて、電磁石５ａと吸引ターゲット６ａとの間のギャップの大きさは標準ギャップから変化しないことが望ましいが、実際には、粗動ステージ２および微動ステージ１の駆動時にギャップの大きさが変化しうる。これの主な原因は、粗動ステージ２の位置偏差でありうる。粗動ステージ２は、粗動ガイド４の抵抗、電気系や給排気系の配管が外部と接続されていることによるバネ性の抵抗、などの外乱力により微動ステージ１よりも位置偏差が大きくなりうる。また、粗動ステージ２および微動ステージ１の初期化時にも、ギャップの大きさが標準ギャップからずれる場合もありうる。

電磁石５ａと吸引ターゲット６ａとの間のギャップの大きさが変動しても、その変動による磁束の値の変化は、サーチコイル７ａを含む磁束フィードバックループによって相殺される。しかし、電磁石５ａと吸引ターゲット６ａとの間の吸引力に関与せず、電磁石５ａ内でのみ流れる磁束成分があり、サーチコイル７ａではその磁束成分も検出される。この磁束成分は、ギャップの大きさに依存するので、ギャップの大きさが変動すると、磁束の値が一定に制御されていても、吸引力が変化しうる。

そこで、電磁石５ａと吸引ターゲット６ａとの間のギャップの大きさの変動量（以下、ギャップ変動量）ｄとそれによる磁束値の変化を相殺するための磁束指令値との関係を求めておけば、その関係に基づいて基本磁束指令値２４を補正することができる。補正値演算器１５が補正値２９を演算するための演算式は、次のような方法で決定することができる。まず、ある力指令値２３に対して標準ギャップでの基本磁束指令値２４を求めて、それをＸとする。次に、標準ギャップからギャップの大きさを変化させて電磁石５ａを駆動し、吸引力が力指令値２３になるように基本磁束指令値２４を調整する。調整された基本磁束指令値２４をＹとすると、補正値αは、α＝Ｙ／Ｘとなる。ギャップ変動量ｄを変えて測定することで、ギャップ変動量ｄと補正値αとの関係を決定することができる。図４には、ギャップ変動量ｄと補正値αとの関係が例示されている。図４に示す例では、ギャップ変動量ｄと補正値αとの関係は、一次関数で表わされている。補正値演算器１５は、この一次関数を用いて補正値αを決定する。補正値αの値が発生する力に依存する場合は、補正値αを決定するための関数を力指令値２３に応じて変更してもよい。以上のように、電磁石５ａと吸引ターゲット６ａとの間のギャップの大きさに応じて磁束指令値を補正することによって、電磁石５ａおよび吸引ターゲット６ａによって構成される電磁アクチュエータが発生する吸引力を高い精度で制御することができる。これによって、微動ステージ１を高い精度で位置決めすることができる。

図１において右方向に加速している粗動ステージ２および微動ステージ１を減速させるときは、電磁石５ｂおよび吸引ターゲット６ｂで構成される電磁アクチュエータを動作させる。一方、図１において左方向に粗動ステージ２および微動ステージ１を加速する際は、電磁石５ｂおよび吸引ターゲット６ｂで構成される電磁アクチュエータを動作させる。また、図１において左方向に加速している粗動ステージ２および微動ステージ１を減速させるときは、電磁石５ａおよび吸引ターゲット６ａで構成される電磁アクチュエータを動作させる。

力指令値２３から基本磁束指令値２４を求める関数およびギャップ信号２８から補正値２９を求める関数は、それに相当する変換テーブルで置き換えられてもよい。

上記の例において、磁束フィードバックループはアナログ回路で構成されうるが、デジタル回路で構成されてもよい。上記の例において、ギャップ信号２８はギャップセンサ１４によって得られるが、ギャップ信号２８は、微動ステージ１と粗動ステージ２の位置計測値から演算されてもよい。また、図１および図２には、１軸の駆動機構しか示されていないが、これは説明の簡単化のためであり、２軸以上の駆動機構を設けることができる。

図１に示す構成例では、補正値演算器１５が生成する補正値２９に従って基本磁束指令値２４を補正して補正磁束指令値２５が生成されるが、図５に例示されるように、補正値２９によって磁束検出値２２を補正するように変更してもよい。図１に示す構成例と図５に示す構成例とは、生成される磁束偏差２７が互いに等しく、等価な構成である。

以下、図６を参照しながら本発明の位置決め装置の応用例としての露光装置について説明する。本発明の実施形態の露光装置は、原版Ｒを位置決めする原版位置決め機構１２０と、基板Ｓを位置決めする基板位置決め機構１４０と、原版Ｒを照明する照明系１１０と、原版Ｒのパターンを基板Ｓに投影する投影系１３０とを備えている。ここで、原版位置決め機構１２０および基板位置決め機構１４０の少なくとも一方に対して、図１および図２を参照して例示的に説明した位置決め装置５０が適用されうる。

次に、上記の露光装置の適用例について説明する。本発明の実施形態のデバイス製造方法は、例えば、半導体デバイス、液晶デバイス等のデバイスの製造に好適である。前記方法は、感光剤が塗布された基板を、上記の露光装置を用いて露光する工程と、前記露光された基板を現像する工程とを含みうる。さらに、前記デバイス製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を含みうる。

Claims (6)

1. 第１部材と第２部材との相対位置を制御する位置決め装置であって、
   前記第１部材に固定された電磁石と、
   前記電磁石によって吸引されるように前記第２部材に固定された吸引ターゲットと、
   前記電磁石が発生する磁束値を検出する磁束センサと、
   前記電磁石と前記吸引ターゲットとの間のギャップの大きさに応じて前記磁束センサによって検出された磁束値を補正することによって得られた磁束値と磁束指令値との偏差に応じて前記電磁石を駆動する駆動部と、
   を備えることを特徴とする位置決め装置。
2. 前記電磁石と前記吸引ターゲットとの間に発生させる力の指令値である力指令値を発生する主制御部と、
   前記力指令値に基づいて前記磁束指令値を発生する磁束指令演算器と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
3. 前記第１部材は、粗動ステージであり、前記第２部材は、前記粗動ステージによって支持される微動ステージである、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位置決め装置。
4. 前記電磁石と前記吸引ターゲットとの間のギャップの大きさを検出するギャップセンサを更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位置決め装置。
5. 原版のパターンを基板に転写する露光装置であって、
   前記原版を位置決めする原版位置決め機構と、
   前記基板を位置決めする基板位置決め機構と、
   前記原版を照明する照明系と、
   前記原版のパターンを前記基板に投影する投影系と、を備え、
   前記原版位置決め機構および前記基板位置決め機構の少なくとも一方が請求項１乃至４のいずれか１項に記載の位置決め装置である、
   ことを特徴とする露光装置。
6. デバイスを製造するデバイス製造方法であって、
   請求項５に記載の露光装置によって基板を露光する工程と、
   該基板を現像する工程と、
   を含むことを特徴とするデバイス製造方法。