JP2017011008A - ステージ装置、リソグラフィ装置、および物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】位置決め精度の点で有利なステージ装置を提供する。
【解決手段】対象物を保持するＹステージ４を浮上させて支持する電磁アクチュエータと、Ｙステージ４を対象物の表面に沿う第１方向へ移動させるリニアモータと、電磁アクチュエータを制御する制御部とを備えるステージ装置であって、電磁アクチュエータは、電磁石を有する第１の電磁石ユニット４２ａ及び第２の電磁石ユニット４２ｂを備える。第２の電磁石ユニット４２ｂ及び第１の電磁石ユニット４２ａは、ステージ４の重心から第１方向に向かって、順に離間して配置され、制御部は、移動の際に対象物の表面に沿って、かつ、第１方向に直交する第２方向の軸周りに発生するモーメントを制御する第１の力を、第１の電磁石ユニット４２ａから発生させ、第２の電磁石ユニット４２ｂからは、第１方向及び第２方向に直交する方向の位置を制御する、第１の力よりも大きな第２の力を発生させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、ステージ装置、リソグラフィ装置、および物品の製造方法に関する。

荷電粒子線を基板へ照射することで微細パターンの形成を行うリソグラフィ装置として、荷電粒子線描画装置がある。荷電粒子線は大気中で減衰するため、上記パターン形成は真空環境下で行われる。したがって、荷電粒子線描画装置は、真空環境下で基板を保持して高精度に移動可能なステージを備える。真空内のガイド機構としては、主に転動ガイドやエアガイドがあるが、転動ガイドは高精度な位置決めが困難であるという課題があり、エアガイドは空気封止方法に課題がある。また、リニアモータでステージを磁気浮上させるガイドレスのステージ構成の場合は、コイルから生じる磁場の低減が困難であるという課題がある。

電磁石を用いた電磁ガイドにおいては、駆動力の印加点とステージの重心位置とのずれにより、ステージの加減速に伴い、移動方向に直交する軸周りにモーメントが発生しうる。モーメントによるステージの振動（傾き）は、加減速後の等速移動時にも残留し、ステージの位置決め精度の悪化要因となる。特許文献１は、電磁石を備えた電磁ガイドによりステージを非接触支持し、粗動ステージと微動ステージを駆動させる６自由度制御が可能なステージ装置を提案している。

特開２００４−１４６８０７号公報

リニアモータから発生する磁場は荷電粒子線に悪影響を与える可能性があり、描画精度の点で不利となりうる。リニアモータでなく電磁石アクチュエータによりステージを磁気吸引浮上制御させることで、全移動領域において磁場発生量を低減でき、描画精度の点で有利となる。ここで、モーメントの制御に要する力は、位置決め制御に要する力よりも大きく、一方、位置決め制御には、高い力分解能が必要である。しかしながら、電磁石が発生させる力（吸引力）は電磁石への投入電流の２乗に比例するため、吸引力と力分解能とはトレードオフの関係にあり、大きい吸引力と高い力分解能との両立は困難である。

本発明は、例えば、位置決め精度の点で有利なステージ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、対象物を保持して可動のステージと、ステージを浮上させて支持する電磁アクチュエータと、支持されたステージを対象物の表面に沿う第１方向へ移動させるリニアモータと、電磁アクチュエータが発生させる力を制御する制御部とを備えるステージ装置であって、電磁アクチュエータは、電磁石を有する第１の電磁石ユニットおよび第２の電磁石ユニットを備え、第２の電磁石ユニットおよび前記第１の電磁石ユニットは、ステージの重心から第１方向に向かって、順に離間して配置され、制御部は、移動の際に対象物の表面に沿って、かつ、第１方向に直交する第２方向の軸周りに発生するモーメントを制御する第１の力を第１の電磁石ユニットから発生させ、第２の電磁石ユニットからは、第１方向および第２方向に直交する方向の位置を制御する、第１の力よりも大きな第２の力を発生させることを特徴とする。

本発明によれば、例えば、位置決め精度の点で有利なステージ装置を提供することができる。

第１実施形態に係るステージ装置を備える電子線描画装置の構成を示す図である。 第１実施形態に係るステージ装置の概略構成を示す上面図である。 第１実施形態に係るステージ装置の概略構成を示す正面図である。 第１実施形態に係る電磁石の電流指令と発生力の関係を示す図である。 第１実施形態に係るステージ装置の概略構成を示す側面図である。 第１実施形態に係る電磁石の発生力と時間の関係を示す図である。 第１実施形態に係る電磁石の配置を示す上面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るステージ装置と、このステージ装置を備える荷電粒子線描画装置（電子線描画装置）の構成について説明する。図１は本実施形態に係る電子線描画装置の構成を示す概略図である。電子線描画装置１００は、半導体デバイス製造装置として用いられるリソグラフィ装置のひとつである。図１において、鉛直方向をＺ軸方向とし、水平面内で互いに直交する２方向をＸ軸方向、Ｙ軸方向とする。電子線描画装置１００は、電子線照射ユニット１と、真空チャンバ２と、ステージ装置８０とを備える。

電子線照射ユニット１は、真空チャンバ２の上壁に設けられた開口部を貫通して配置されている。真空チャンバ２には、真空ポンプ３が取り付けられており、基板（不図示）の周辺を真空に保っている。ステージ装置８０は、マウント７を介して真空チャンバ２の底面（あるいは床）上に支持されたステージベース（定盤）６と、Ｘ軸方向に移動可能なＸステージ５と、Ｙ軸方向に移動可能なＹステージ４と、を備える。Ｘステージ５は、Ｙステージ４をＸ方向に長ストロークで移動させることができる。マウント７は空気ばねを有し、真空チャンバ２の底面（あるいは床）から定盤６に伝わる振動を低減する。ステージ装置８０の位置は、Ｙステージ４上に設けられたＸバーミラー（Ｚバーミラー）１０およびＹバーミラー１１と干渉計（不図示）によって６軸で計測される。そして、後述のアクチュエータ群５０により６自由度制御されている。

ステージ装置８０の上面図である図２、図２をＹ方向から見た側面図である図３を用いてＹステージ４を駆動するアクチュエータ群５０について説明する。アクチュエータ群５０は、Ｘステージ５とＹステージ４との間に設けられたＸリニアモータ２０、Ｙリニアモータ３０および電磁アクチュエータ４０により構成される。基板（対象物）８は、Yステージ４の可動部（天板）９に保持されている。Ｙステージ４は、アクチュエータ群５０により、基板８の表面に沿うＸＹ平面方向へ移動する。Ｘリニアモータ２０は、Ｘステージ５に保持部（不図示）を介して固定された固定コイル２１およびＹステージ４の可動部９に連結された可動磁石２２で構成される。そして、Ｙステージの重心の下にＹ軸に沿って配置される。Ｙリニアモータ３０は、同様の固定コイル３１および可動磁石３２で構成される。そして、Ｙステージの両端にＹ軸に沿って配置される。固定コイル２１や３１に通電すると可動磁石２２や３２と固定コイル２１や３１との間にローレンツ力が発生し、Ｙステージ４の可動部９に推力として伝わる。なお、固定コイル３１は多相コイルであり、固定コイル２１は、単相の長尺コイルである。

電磁アクチュエータ４０は、Ｙステージ４の可動部９に保持部材４３を介して連結されたＺ電磁石４２とＸステージ５に固定された磁性体からなるターゲット４１から構成される。Ｚ電磁石４２はＺ軸方向に向いたＥ型コアにコイルを巻くことによって構成されている。ターゲット４１はＹ軸方向に沿って、並べて配置されている（Ｙ軸方向を長手方向としている）。Ｚ電磁石４２はターゲット４１に空隙を介して対面し、コイルに通電すると電磁石４２から発生する磁束によってターゲット４１との間に吸引力が発生する。これによりＹステージ４の可動部９が吸引浮上する。Ｅ型コアおよびターゲット４１は、たとえば珪素鋼の薄板を積層して構成される。積層構造を採用するのは、渦電流の影響を抑えるためである。

次に、電磁アクチュエータ４０によるＹステージ４の位置制御方法について説明する。電磁アクチュエータ４０はターゲット４１に対して吸引力（Ｚ方向プラスの力）しか発生することができない。したがって、あらかじめ意図的に吸引力（オフセット吸引力）を発生させておき、オフセット吸引力を減らすことにより、Ｙステージ４に対しＺ軸マイナス方向への力を発生させる。

一般的に、電磁石アクチュエータは、電磁石のコイルに流れる電流Ｉの２乗に比例し、電磁石と吸引対象との間の距離（ギャップ）ｒの２乗に反比例する吸引力Fを発生させる（式（１））。
Ｆ ∝ Ｉ^２／ｒ^２ （１）
図４は、ある距離ｒの時のＦとＩとの関係を示す図である。図４のグラフ中のプロット（Ｉｓ、Ｆｓ）における傾き（破線ｓの傾き）は、プロット（Ｉｍ、Ｆｍ）における傾き（破線ｍの傾き）に比べ小さい。傾きが小さいことは、吸引力の変化に対する電流の変化が大きくなることを意味する。すなわち、吸引力が弱いほど、電流変化による吸引力の調整可能幅を細かくできる（＝高分解能）。吸引力が強いと、吸引力の調整可能幅も粗くなる（＝低分解能）。

ギャップｒは、Ｙステージ４の加減速により変動しうる。これは、電磁石アクチュエータが発生させる吸引力の変動につながるため、ギャップの変動補正を行うことが好ましい。図２のＡ−Ａ矢視図による側面図である図５に示すように、ギャップｒはＺ電磁石４２の近傍に設置されたギャップセンサ４４で計測される。ギャップセンサ４４で計測されたギャップ値を用いて、ギャップ補正器で、ギャップ補正係数αを次式に従って算出する。
α ＝ １ ＋ Δｒ／ｒｄ （２）
ｒｄは、ギャップ変動が零の時の標準のギャップの値であり、Δｒはギャップの変動値である。ここでは、Δｒをギャップセンサ４４で計測した値から算出したが、干渉計による計測値から割り出してもよい。電磁石指令器は、制御指令演算器で算出された力指令Ｆｚの平方根であるＦｚ^１／２ に対して、このギャップ補正係数αを乗じたものを電流指令Ｉｚとして算出する（（式３））。
Ｉｚ ＝ Ｆｚ^１／２ × α （３）
電流ドライバ（制御部）は、電流指令Ｉｚに基づき、Ｚ電磁石４２のコイルに流す電流（＝電磁石アクチュエータに発生させる力）を制御する。

図３に示すように、Ｙリニアモータ３０のＺ方向位置と、Ｙステージ４の重心のＺ方向位置との間には距離ｈがある。そのため、図５に示すように、Ｙステージ４をＹ方向プラスの向き（進行方向）に加速させた場合、Ｘ軸の正の向きを紙面裏から表へ向かう向きとすると、Ｘ軸周りに反時計回りの回転方向ωｘのモーメントＮｙが発生する（（式４））。減速させた場合は、同じ大きさＮｙで逆向き−ωｘのモーメントが発生する。
Ｎｙ ＝ Ｆｙ × ｈ （４）
ＦｙはＹステージ４をＹ方向に加減速させる時のＹリニアモータ３０の発生力である。

図６（Ａ）〜（Ｃ）は、電磁アクチュエータ４０が発生させる力（吸引力）Ｆと時間Ｔとの関係を示した図である。図６（Ａ）は、同じ電磁場を用いてωｘ方向に生じるモーメントの打消しと位置決め制御を行う電磁アクチュエータを用いた場合、図６（Ｂ）および（Ｃ）は、本実施形態の電磁アクチュエータ４０を用いた場合である。まず、図６（Ａ）により、従来の電磁アクチュエータ４０が発生させる力について説明する。図中、Ｆｍは、モーメントＮｙに対抗するための力、Ｆ０は、Ｚ軸マイナス方向への力を発生させるためのオフセット吸引力、Ｆｓは、Ｚ軸方向、X軸周り及びY軸周りの回転方向の位置決めのための吸引力である。

Ｚ電磁石４２は、通常、進行方向に沿って複数個配置される。図５のようにＹステージ４を加速し、モーメントが発生した場合、進行方向前方にあるＺ電磁石では、加速時に発生したωｘの向きのモーメントＮｙに対抗するＺ軸マイナス方向への力を発生させる（図６（Ａ）中、凹部）。逆に減速時には、−ωｘの向きのモーメントＮｙに対抗するＺ軸プラス方向への力（吸引力）を発生させる（図６（Ａ）中、凸部）。Ｚ軸マイナス方向への力を発生させる時は、図６（Ａ）の凹部で示すように、オフセット吸引力Ｆ０から大きさＦｍだけ吸引力を弱くする。したがって、Ｚ電磁石が発生させる吸引力に関し、Ｆ０＞Ｆｍの関係が充足される必要がある。このため、Ｙステージ４を加速させる場合および等速移動させる場合のＺ電磁石への投入電流は大きくなり、電磁アクチュエータ４０の力分解能は悪化する。この場合、Ｆｓの強さを細かく設定することが困難となり、Ｙステージ４を高精度に位置決めすることは困難になる。

図７は本実施形態のＺ電磁石４２の配置図である。Ｚ電磁石４２は、第１の電磁石ユニット（モーメント制御ユニット）４２ａおよび第２の電磁石ユニット（位置決めユニット）４２ｂからなる。モーメント制御ユニット４２ｂおよび位置決めユニット４２ａは、Ｙステージ４の重心からＹ軸方向に向かって、順に離間して配置される。本実施形態では、モーメント制御ユニット４２ａおよび位置決めユニット４２ｂは、Ｙステージ４のＸ軸方向に沿った中心線の両側に１個ずつ対称的に配置された２個で１組の電磁石をＸ軸方向に沿った直線状に２組有する。

電流ドライバ（制御部）は、Ｙステージ４の加減速力に基づいて、モーメント制御ユニット４２ａの４個の電磁石に発生させる力をフィードフォワード制御する。この力は、Ｙステージ４がＹ軸方向に加減速するときに発生するモーメントに対向する力である。Ｙステージを加減速していないときは、電流ドライバ（制御部）は、モーメント制御ユニット４２ａから力を発生させない。

電流ドライバ（制御部）は、Ｙステージ４のＺ軸並進方向Z、X軸周りの回転方向ωｘ及びY軸周りの回転方向ωｙを目標位置と実際位置との偏差に基づいて、位置決めユニット４２ｂの４個の電磁石に発生させる力をフィードバック制御する。上記制御および実際位置の計測は、図５で示した制御指令演算器や干渉計等を用いて行われる。

各Z電磁石間の距離は、図５で示すとおり、Ｚ電磁石４２ａ１と４２ａ２との距離（＝４２ａ３と４２a４との距離）をＬ１とし、４２ｂ１と４２ｂ２との距離（＝４２ｂ３と４２ｂ４との距離）をＬ２として、式（５）の関係を満たすように規定される。さらに、モーメント制御ユニット４２ａは、位置決めユニット４２ｂの外側に配置される。
Ｌ１ ＞ Ｌ２ （５）
モーメント制御ユニット４２ａを構成する各Z電磁石が発生させるモーメントの大きさＮｚは、式（６）で表される。
Ｎｚ ＝ Ｆｍ × （Ｌ１／２） （６）

電流ドライバ（制御部）は、Ｙステージ４の加減速時に発生するモーメントの向きと大きさＮｙに対抗するように、モーメント制御ユニット４２ａを構成する各Z電磁石が発生するモーメントの向きと大きさＮｚを制御する。例えば、Ｙステージ４の加速時には、向きωｘ、大きさＮｙのモーメントに対抗する、向き−ωｘでＮｙと等しい大きさのモーメントＮｚ（発生力Ｆｍ）をモーメント制御ユニット４２ａが発生しなければならない。この時、モーメント制御ユニット４２ａを構成する各Ｚ電磁石が発生させる−ωｘの向きのモーメントの大きさの合計が、Ｎｙと等しくなればよい。したがって、Ｚ電磁石４２ａ１〜４２ａ４のうちひとつに下向きあるいは上向きの力を発生させて、向きωｘ、大きさＮｙのモーメントに対抗してもよいし、Ｚ電磁石４２ａ１〜４２ａ４のいずれかを組み合わせにより対抗してもよい。ただし、Ｚ電磁石へ流す電流を大きくすると、Ｚ電磁石の発熱が基板等へ悪影響をおよぼすため、複数の電磁石（例えば、４個）を用いることが望ましい。位置決めユニット４２ｂを構成するＺ電磁石についても同様である。

モーメント制御ユニット４２ａを構成するＺ電磁石間の距離Ｌ１の大小による電磁石の発生力の変化について説明する。図６（Ｂ）は、Ｌ１が小さいときの電磁石の発生力の変化を示し、図６（Ｃ）は、Ｌ１が大きいときの電磁石の発生力の変化を示す。本実施形態では、モーメント制御と位置決めとで各電磁石の役割を分けている。したがって、モーメントＮｙに対抗するための力Ｆｍは、モーメント制御ユニット４２ａを構成するＺ電磁石が発生させる力であり、Ｆｓは、位置決めユニット４２ｂを構成するＺ電磁石が発生させる力である。さらに、従来は、オフセット吸引力Ｆ０がモーメント制御と位置決めとで共通となっていたが（図６（Ａ））、本実施形態では、モーメント制御と位置決めとでオフセット吸引力を個別に設定できる。図６（Ｂ）および図６（Ｃ）において、それぞれＦｍ０およびＦｓ０で示す。これにより、位置決めに必要な発生力を弱くすることができ、力分解能が向上し位置決め精度が向上する。

さらに、図６（Ｃ）で示すＬ１が大きい場合は、モーメントＮｚを発生させるために必要な吸引力Ｆｍを小さくすることができる。これにより、モーメント制御のオフセット吸引力Ｆｍ０を位置決めのオフセット吸引力Ｆｓ０と同等程度まで弱くすることができ、モーメント制御ユニット４２ａの力分解能も向上させることができる。その結果、モーメントの制御精度が良くなり、それに伴い位置決め精度も向上させることができる。なお、Y軸周りのモーメントについても、同様にして制御することができる。

以上のように、本実施形態によれば、位置決め精度の点で有利なステージ装置を提供することができる。

（物品の製造方法）
本発明の実施形態に係る物品の製造方法は、例えば、半導体デバイスなどのマイクロデバイスや微細構造を有する素子などの物品を製造するのに好適である。該製造方法は、感光剤が塗布された基板の該感光剤に上記の描画装置を用いて潜像パターンを形成する工程（基板に描画を行う工程）と、該工程で潜像パターンが形成された基板を現像（加工）する工程とを含みうる。さらに、該製造方法は、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、パッケージングなど）を含みうる。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。例えば、上記の説明では、真空環境下でパターン形成をするリソグラフィ装置として電子線描画装置の例を説明したが、リソグラフィ装置は、それに限らず、他のリソグラフィ装置（露光装置やインプリント装置）であってもよい。

４ Ｙステージ
４２ａ 第１の電磁石ユニット（モーメント制御ユニット）
４２ｂ 第２の電磁石ユニット（位置決めユニット）
５ Ｘステージ

Claims (9)

1. 対象物を保持して可動のステージと、前記ステージを浮上させて支持する電磁アクチュエータと、前記支持されたステージを前記対象物の表面に沿う第１方向へ移動させるリニアモータと、前記電磁アクチュエータが発生させる力を制御する制御部とを備えるステージ装置であって、
   前記電磁アクチュエータは、電磁石を有する第１の電磁石ユニットおよび第２の電磁石ユニットを備え、
   前記第２の電磁石ユニットおよび前記第１の電磁石ユニットは、前記ステージの重心から前記第１方向に向かって、順に離間して配置され、
   前記制御部は、前記移動の際に前記対象物の表面に沿って、かつ、前記第１方向に直交する第２方向の軸周りに発生するモーメントを制御する第１の力を前記第１の電磁石ユニットから発生させ、
   前記第２の電磁石ユニットからは、前記第１方向および前記第２方向に直交する方向の位置を制御する、前記第１の力よりも大きな第２の力を発生させることを特徴とするステージ装置。
2. 前記第1の電磁石ユニットおよび前記第２の電磁石ユニットは、それぞれ、前記ステージの前記第２方向に沿った中心線の両側に１個ずつ配置された２個で１組の電磁石を前記第２方向に沿った直線状に２組有することを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
3. ２個の前記電磁石は、前記中心線に関して対称的に配置されることを特徴とする請求項２に記載のステージ装置。
4. 前記第１の電磁石ユニットが有する前記１組の電磁石を構成する２個の電磁石間の距離は、前記第２の電磁石ユニットが有する前記１組の電磁石を構成する２個の電磁石間の距離よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のステージ装置。
5. 前記制御部は、前記移動の目標位置と実際位置との偏差に基づいて前記第２の力をフィードバック制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のステージ装置。
6. 前記制御部は、前記ステージの加減速力に基づいて前記第１の力をフィードフォワード制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のステージ装置。
7. 前記制御部は、前記ステージの加減速時にのみ前記第１の電磁石ユニットから第１の力を発生させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のステージ装置。
8. パターンを基板に形成するリソグラフィ装置であって、
   前記基板を保持して可動なステージと、前記ステージを浮上させて支持する電磁アクチュエータと、前記支持されたステージを前記基板の表面に沿う第１方向へ移動させるリニアモータと、前記電磁アクチュエータが発生させる力を制御する制御部とを有するステージ装置を備え、
   前記電磁アクチュエータは、電磁石を有する第１の電磁石ユニットおよび第２の電磁石ユニットを備え、
   前記第２の電磁石ユニットおよび前記第１の電磁石ユニットは、前記ステージの重心から前記第１方向に向かって、順に離間して配置され、
   前記制御部は、前記移動の際に前記対象物の表面に沿って、かつ、前記第１方向に直交する第２方向の軸周りに発生するモーメントを制御する第１の力を前記第１の電磁石ユニットから発生させ、
   前記第２の電磁石ユニットからは、前記第１方向および前記第２方向に直交する方向の位置を制御する、前記第１の力よりも大きな第２の力を発生させることを特徴とするリソグラフィ装置。
9. 請求項８に記載のリソグラフィ装置を用いてパターンを基板に形成する工程と、
   前記工程でパターンが形成された基板を加工する工程と、
   を含むことを特徴とする物品の製造方法。

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