JP2812785B2 - 試料位置決め装置 - Google Patents

試料位置決め装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば、半導体集積回路の製造に使用され
る縮小投影露光装置又は電子線描画装置等の試料の位置
決めに使用される装置に関する。
〔従来の技術〕
従来より、この種の位置決め装置は、位置決め精度が
高く、且つ位置決めに要する時間ひいては製造に要する
時間が短いことが要求される。そのため、位置決め装置
には、ステップ移動専用の粗調(粗動)用の駆動機構
と、微調(微動)用の駆動機構を備えたステージが使用
され、粗動駆動機構による粗の位置決めの後に、微動駆
動機構による微小の位置決めを行っている。
例えば、特開昭53−64478号公報に開示される位置決
め装置では、X軸,Y軸、Z軸等に移動可能な粗動ステー
ジの上に、X軸,Y軸,Z軸等に移動可能な微動ステージや
その駆動機構等を載置している。
また、最近では、本願出願人が特願昭63−287683号の
ように、3次元で移動可能な(具体的には、X軸,Y軸,Z
軸の3軸方向に移動可能で、且つX軸・Y軸平面での微
小回転や上下方向の微小傾きの移動も行う)機能を備え
た微動ステージの内側に上下方向の貫通空間を形成し、
この空間にX軸,Y軸,Z軸に移動可能な粗動ステージを独
立させて配置したものを提案している。
このうち、後者の場合には、微動ステージとその内側
に配置される粗動ステージとがZ軸駆動機構を介して高
低(上下)の位置関係を変えることができ、ステージ上
の試料保持台を持ち替えることができる。そして、試料
の粗位置決めの場合には、粗動ステージの上面を微動ス
テージの上面よりも高くして、粗動ステージが試料保持
台をチャックを介して吸着保持し、微調整の場合には、
逆に微動ステージの上面を粗動ステージよりも高くし
て、微動ステージが試料保持台を保持しつつ、各方向の
位置決めを行っている。
この後者の方式は、前者のように粗動ステージ上に微
動ステージを載せておらず、粗動ステージを微動ステー
ジと独立させて移動可能にしている。
従って、粗動ステージ移動の負担が軽く、駆動機構の
起動電流や駆動電流を小さくできる。そのため、電力消
費の節約のほか、発熱量を抑えて位置決めに用いるレー
ザ測長の誤差原因(発熱による空気のゆらぎ)の解消等
を図り得るが、次のような改善すべき点があった。
〔発明が解決しようとする課題〕
近年、試料、例えばウエハは8インチと大径化になる
傾向があり、それに伴い試料保持台も大型化し、試料の
露光範囲も広がるため、保持台の移動範囲が広がること
になる。
このような実情において、後者の装置を用いてウエハ
の位置決めを行う場合には、まず粗動ステージが試料保
持台をステップ移動させ(粗の位置決め)、その後で微
動ステージが試料保持台を持ち替えて微小の位置決めを
行うが、この時粗動ステージは初期の基準の位置に戻さ
れた状態にある。そして、以上の位置決め動作を繰り返
して、ステップ単位に試料の露光や電子描画が行われ
る。
このような装置を用いた場合、粗動ステージがステッ
プ移動するたびに、粗動ステージと試料保持台の位置関
係が変化する。そのため、粗動ステージが試料保持台の
必ずしも中央或いはその付近をチャックするとは限ら
ず、試料保持台の端を片持ち状態でチャックすることも
あった。
従って、試料保持台が大型化すると、これを保持する
粗動ステージが試料保持台を端の位置でチャックした時
に、試料保持台の自重により粗動ステージ或いはその支
持機構がたわんでしまい、位置決めに悪影響を及ぼす。
また、ウエハひいては試料保持台の大型化は、粗動ス
テージのチャック機構の大型化を招く。チャック機構と
して、大型電磁チャックを使用した場合には、駆動電流
による発熱量が増大し、その熱が試料保持台に伝導して
熱膨張することにより、位置決めに悪影響を及ぼす。さ
らに、発熱によりレーザ測長器の光路上の空気のゆらぎ
が正確な位置測定を妨げるおそれもあった。
その他、粗動ステージが試料保持台を中心から偏った
位置で1箇所だけを支持する場合には、粗動ステージを
X軸,Y軸に直進させる場合に、その支持点を中心に粗動
ステージに回動力が作用することもあった。
本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、その主
たる目的とするところは、試料の大型化に伴う前述した
如き諸問題を解決して、位置決め精度の向上を図り得る
装置を提供することにある。
さらに、その他の目的は、上記主たる目的を達成でき
るほかに、粗動のX,Y軸駆動機構が作動した時の振動が
フレーム,微動用の駆動機構(例えば圧電アクチュエー
タ)を介して微動テーブルに伝わるといった事態(この
ような事態は振動が終わるまで位置決めの整定時間がか
かる原因となる)をなくし、位置決め作業ひいては試料
処理時間の短縮を図り得る位置決め装置を提供すること
にある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、上記主たる目的を達成するために、次のよ
うな課題解決手段(これを第1の課題解決手段とする)
を提案する。なお、内容の理解を容易にするため、第1
図の実施例の符号を引用して説明する。
第1の課題解決手段は、少なくともX軸,Y軸の2次元
で移動可能な粗動ステージ3と、3次元で移動可能な微
動ステージ4とを備え、基本的には、この粗動ステージ
3と微動ステージ4とを機械的なつながりを持たせない
で、独立させる。
そして、粗動ステージ3は、粗動駆動機構6等により
支持される基台3Aと、この基台3Aの上面に分散された状
態で複数配設された試料台支持用の突起3B1…3Bnとを有
してなり、一方、微動ステージ4内側には貫通空間4A
(実施例では、貫通空間4Aを4A1…4Anに分散させてい
る)を形成して、貫通空間4Aを粗動ステージ3側の突起
3B1…3Bnの配置に対応させ、粗動ステージ3の基台3Aを
微動ステージ4の下側に位置させつつ、粗動ステージ3
側の突起3B1…3Bnを微動ステージ4内側の貫通空間4Aに
分散配置することで、これらの複数の突起3B1…3Bnが粗
動ステージ3として機能する構成としてなる。
すなわち、粗動ステージ3と微動ステージ4とは、い
ずれかのZ軸駆動機構14を介して粗動ステージ3,微動ス
テージ4同士の高低の位置関係を変えることで、試料保
持台5の持ち替え可能とするが、この場合、粗動ステー
ジ3側は突起3B1…3Bnがこの役割をなす。
また、第2の課題解決手段は、上記第1の課題解決手
段を前提として、粗動ステージ3のX軸,Y軸の粗動駆動
機構6,7(第2図に示す)等を微動ステージ4を支持し
ているフレーム1より分離して配置し、この粗動駆動機
構と粗動ステージ3とを連結部材10を介して連結する。
さらに第2の課題解決手段の応用としては、粗動ステ
ージ3がX軸,Y軸の他にZ軸の粗動駆動機構により支持
される場合には、前記X軸,Y軸粗動駆動機構6,7と粗動
ステージ3とを可撓性を有する弾性部材10により連結し
てなる。
〔作用〕
第1の課題解決手段の作用…このような構成よりなれ
ば、Z軸駆動機構14により、微動ステージ4と粗動ステ
ージ3とを相対的に上下動させれば、(イ)粗動ステー
ジ3側の突起3B1〜3Bnの上面を微動ステージ4の上面よ
りも高くしたり、(ロ)その逆に微動ステージ4の上面
を粗動ステージ3側の突起3B1〜3Bnの上面よりも高くす
ることができる。
そして、試料の位置を粗調整する場合には、前記
(イ)の動作を行って、突起3B1〜3Bn上に試料保持台5
を載せて、保持させる。その後、粗動ステージ3のX
軸,Y軸等の粗動機構6,7により粗動ステージ3ひいては
試料保持台5をステップ移動させる。このようにして、
試料16の粗の位置決めがなされる。
この後、(ロ)の動作が選択され、試料保持台5は微
動ステージ4側に持ち替えられた後、微動駆動機構12,1
3(第2図に示す),14を介して必要な微調調整(例え
ば、試料保持台5のΔX,ΔY,ΔZ方向の微動や、X軸・
Y軸平面の回転角Δθ、上下方向の傾き角Δλ等の調
整)がなされ、試料16の微小な位置決めがなされる。こ
の時、粗動ステージ3側は、基準位置に戻される。
以上の動作を繰り返していくことで、試料保持台5と
粗動ステージ3との相対位置が変化する。
このような試料保持台5と粗動ステージ3との相対位
置が変化した場合でも、本課題解決手段では、試料保持
台5を粗動ステージ3の基台3Aに分散配設された複数の
突起3B1〜3Bnで保持するので、従来のように試料保持台
5の端を片持ちするといった事態を回避できる。
従って、試料保持台5等のオーバハングによる撓みの
発生を防止する。
また、粗動ステージ3を複数の突起3B1〜3Bnで複数支
持するので、粗動ステージ3をX軸,Y軸に直進させた場
合に、粗動ステージに回動力が生じるのをなくすことが
できる。
さらに、粗動ステージ3が試料保持台5をチャックに
て吸着保持する場合には、チャックの突起3B1〜3Bnごと
に分散配置できる。
そのため、チャックとして例えば電磁チャックのよう
なものを使用する場合でも、各電磁チャックを小型にす
ることができ、チャック機構の発熱量を抑制し、試料保
持台5の熱膨張による変形を防ぎ、かつ発熱による空気
ゆらぎをなくしてレーザ測長の誤差をなくす。
従って、以上の各作用により高精度の位置決めを行い
得る。
第2の課題解決手段の作用…本課題解決手段では、粗
動ステージ3のX軸,Y軸等の駆動機構6,7をフレーム1
より分離して配置するので、粗動ステージ3の移動中で
も、その駆動機構からの振動が試料保持台5に伝わらな
いため、粗動後にすぐ微動ステージによる微小の位置決
めを可能とし、位置決めの整定時間を短縮することがで
きる。
また、第2の課題解決手段において、X軸,Y軸粗動駆
動機構6,7と粗動ステージ3とを可撓性を有する弾性部
材10により連結した場合には、粗動ステージ3がZ軸方
向に移動した場合でも、その移動を弾性部材10の弾性変
形を介して吸収できるので、粗動ステージと粗動調整に
支障をきたすことはない。
〔実施例〕
本発明の一実施例を図面に基づき説明する。
第1図は本実施例に係る試料位置決め装置の縦断面
図、第2図はその一部省略上面図である。
これらの図において、1は装置のフレームで、フレー
ム1の内側空間2に粗動ステージ3及び微動ステージ4
が配置される。
粗動ステージ3は、方形状の基台3Aと、その上面に分
散して複数配設された突起3B1…3Bnとで構成される。実
施例では、突起3Bは、第2図に示すように3B1〜3B8の計
8個としてある。なお、第2図では、後述する試料保持
台5を省略して作図してある。第2図に示すように粗動
ステージ3は、その基台3Aの一辺がX軸粗動駆動機構6
と、他辺がY軸粗動機構7とそれぞれ可撓性の弾性部材
10を介して連結され、これらの連結部材10及び基台3Aの
下に配置した図示していないZ軸粗動駆動機構を介して
支持される。なお、この粗動ステージ3側のZ軸粗動駆
動機構は、試料16を他の搬送機構(図示せず)等と受け
渡しする場合に用いる。
本実施例のX軸粗動駆動機構6及びY軸粗動駆動機構
7は、スクリューロッド8,サーボモータ9等のねじ送り
機構よりなり、フレーム1とは分離して配置してある。
粗動ステージ3は±25mmのストローク可動ができ、±2
μmの停止精度を持っている。そして、スクリューロッ
ド8がフレーム1を貫通し、ロッド先端8と粗動ステー
ジ3とが前述したごとく可撓性の連結部材10を介して連
結される。突起3B1〜3B8の上面には、それぞれの電磁チ
ャック11が配設される。
微動ステージ4は、粗動ステージ3よりも面積を大き
くした方形状を呈し、その内側に上下方向を貫通させた
複数の穴部(空間)4Aが配設される。穴部4Aは、粗動ス
テージ側の突起3B1〜3B8に対応させて、穴部4A1〜4A8
計8個とし、これらの穴部を分散配置してある。
そして、この微動ステージ4の下方に粗動ステージ3
の基台3Aが位置し、突起3B1〜3B8が穴部4A1〜4A8にそれ
ぞれ嵌装してある。
微動ステージ4は、X軸微動駆動機構12,Y軸微動駆動
機構13及びZ軸微動駆動機構14により支持される。これ
らのX軸,Y軸,Z軸のそれぞれの微動駆動機構は、例えば
圧電素子のアクチュエータにより構成される。これらの
圧電素子は、80μmの変位が可能で、このうちZ軸微動
駆動機構14は、3個用いて微動ステージ4を3点支持
し、それぞれのZ軸微動駆動機構の変位量を異なるよう
にすれば、微動ステージ4の上下方向の傾きΔλの制御
も可能である。また、X軸,Y軸双方の微動駆動機構12,1
3を協働させることで、X軸・Y軸平面に微小回転Δθ
を得ることも可能である。ここでは、圧電素子アクチュ
エータ12,13,14により、ΔX,ΔY微動は±0.02μm、Δ
Z微動は±0.1μm、Δθ微動は±0.02μm/20mm、Δλ
傾き(チルト)は±0.1μm/20mmの各精度を保って位置
決めを行う。
このようなステージ3,4の組込みにより、これらのス
テージ同士は互いに独立に移動可能である。具体的に
は、粗動ステージ3と微動ステージ4とは、突起3Bと穴
部4Aとの間に空間を確保することで、それぞれがX軸,Y
軸の2方向に移動可能で、また、Z軸方向の移動が可能
である。微動ステージ4の上面にも、複数の電磁チャッ
ク13が分散して配置される。なお、電磁チャック13は、
省略しても良い。その理由は、微動ステージ4は、サブ
ミクロン単位で微小移動するため、このくらいの移動で
は、試料保持台5はチャックしなくとも、外部からの大
きな衝撃がない限り固定状態を充分に保ち得るためであ
る。
粗動ステージ3及び微動ステージ4の上方には、試料
保持台5が配置される。試料保持台5は、その上面に試
料16を真空吸着する真空吸着台15と、レーザ測長用ミラ
ー17とを搭載してある。
次に本実施例の動作を説明する。
試料16の位置決めを行う場合には、予め3本のZ軸微
動駆動機構14により、微動ステージ4を粗動ステージ3
の突起3Bより10μm低い位置まで下げる。この状態で
は、粗動ステージ3の突起3Bが試料保持台5を支持し、
電磁チャック11を作動させて試料保持台5を突起3B上で
吸着保持する。この場合、試料保持台5は、その大きさ
の関係で、必ずしも全部の突起3B1〜3Bnにより支持され
るものではなく、最低3箇所の突起上の電磁チャックに
より吸着保持(チャック)される。
その後、X軸粗動駆動機構6及びY軸粗動駆動機構7
を介して試料保持台5をX軸,Y軸方向にステップ送りす
る。
なお、本実施例では、粗動ステージ3が試料保持台5
をステップ移動15mmさせ、これを140ms以内で可動させ
るので、試料保持台5には0.4Gの加速度がかかる。その
加速度に対してずれないだけの電磁チャック11の吸着力
は、チャック材質をS20Cにし、化学ニッケルメッキを10
〜20μmを施し、コイルに0.1〜0.2A(従来の大型電磁
チャックの場合は、ほゞ1A)の電流を流すことにより得
られる。この電流値であると、コイルの温度変化は0.5
℃以下に抑えることが可能である。
以上の粗動調整後に、3本のZ軸圧電素子アクチュエ
ータ14を伸ばし、微動ステージ4を粗動テーブル3の突
起3B上面よりも10μm高い位置まで上げる。この時、粗
動ステージ3側の電磁チャック11のスイッチを切り、微
動ステージ4側の電磁チャック13のスイッチを入れる。
このようにして、試料保持台5は、微動ステージ4側に
持ち替えられ、微動ステージ4によって吸着保持され
る。この時、粗動ステージ3は元の基準位置に戻され
る。
その後、X軸,Y軸,Z軸用の圧電素子アクチュエータ1
2,13,14等を用いて試料保持台5ひいては試料16の微小
な位置決め(ΔX,ΔY,ΔZの各方向の位置決め、Δθの
微小回転、Δλの傾き調整)がなされる。
以上の粗動位置決め、微動位置決めを繰り返して、単
位ステップあたりの試料16の露光又は電子描画が次々と
実行される。この場合、粗動ステージ3と試料保持台5
の相対位置がステップ送りのたびに変化していくので、
試料保持台5を支持する突起3Bも代わっていく。
しかして、本実施例によれば、次のような効果を奏し
得る。
まず、粗動ステージ3は微動ステージ4と独立させて
駆動可能なので、粗動ステージ3の駆動力の負担を軽く
する。
また、試料保持台5と粗動ステージ3との相対位置が
変化した場合でも、試料保持台5を粗動ステージ3の突
起3B1〜3Bnのうち最低3箇所の突起により吸着保持する
ので、従来のような片持ちを回避できる。従って、試料
保持台5等のオーバハングによる撓みの発生を防止す
る。
また、試料保持台5を粗動ステージ3の突起3B1〜3Bn
のうち最低3箇所の突起により吸着保持するので、粗動
ステージ3をX軸,Y軸に直進させた場合に、粗動ステー
ジに回動力が働くのをなくすことができる。
さらに、粗動ステージ3側の電磁チャック11を分散さ
せるので、各電磁チャック11を小型とし、電磁チャック
11の発熱量を抑制し、試料保持台5の熱膨張による変形
を防ぎ、かつ発熱による空気ゆらぎをなくしてレーザ測
長の誤差をなくす。従って、以上の各作用により高精度
の位置決めを行い得る。
粗動ステージ3のX軸,Y軸等の駆動機構6,7をフレー
ム1より分離して配置するので、粗動ステージ3が移動
中でも、その駆動機構からの振動が試料保持台5に伝わ
らないため、粗動後の微動位置決め調整に入る場合の位
置決め整定時間を短縮することができる。具体的に、本
実施例では、単位ステップあたりの位置決めに要する時
間を、ステップ移動15mmの粗動と、その後の微動を含め
ても、0.4秒以下にすることができる。
なお、実施例では、突起3B1〜3Bnを嵌装する微動ステ
ージ4側の貫通空間4Aを穴部4A1〜4Anで構成するが、穴
部4Aの一部を切欠き溝に代えてもよく、また、微動ステ
ージ4側に突起3B1〜3Bnをまとめて収容できる一つの穴
部としてもよい。
〔発明の効果〕
以上のように、第1の課題解決手段では、微動ステー
ジの内側に粗動ステージを独立させて配置した方式の位
置決め装置であっても、粗動ステージは複数の突起によ
り試料保持台を保持するので、試料保持台等のオーバハ
ングによる撓みをなくし、かつ粗動ステージのX軸,Y軸
等の安定した移動動作を保証し、また、電磁チャック機
構を使用した場合には、その発熱量を抑制するので、試
料保持台が大型化しても、極めて高精度の試料の位置決
めを行うことができる。
さらに第2の課題解決手段によれば、粗動テーブルの
X軸,Y軸駆動機構が駆動中でも、その振動が試料保持台
に伝わらないため、その後に行われる微動位置決めの整
定時間が短くなり、位置決め全体の作業ひいては試料処
理時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例たる試料位置決め装置の縦
断面図、第2図は、上記実施例の一部省略上面図であ
る。 1……フレーム、3……粗動ステージ、3A……基台、3B
(3B1〜3Bn)……突起、4……微動ステージ、4A(4A1
〜4An)……貫通空間(穴部)、5……試料保持台、6
……X軸粗動駆動機構、7……Y軸粗動駆動機構、10…
…連結部材、12…X軸微動駆動機構、13……Y軸微動駆
動機構、14……Z軸微動駆動機構、16……試料。
フロントページの続き (72)発明者 小林 功 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (56)参考文献 特開 平2−139150(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/027 H01L 21/68

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくともX軸,Y軸の2次元で移動可能な
    粗動ステージと、3次元で移動可能な微動ステージとを
    備え、該微動ステージの内側に形成した上下方向の貫通
    空間に前記粗動ステージを独立させて配置し、前記粗動
    ステージ,微動ステージの高低の位置関係をZ軸駆動機
    構を介して変えて、試料保持台を前記粗動ステージと前
    記微動ステージとで持ち替え可能にしてなる試料位置決
    め装置において、 前記粗動ステージは、粗動駆動機構により支持される基
    台と、該基台の上面に分散された状態で複数配設された
    試料台支持用の突起とを有してなり、一方、前記微動ス
    テージ内側の貫通空間を前記粗動ステージ側の突起の配
    置に対応させ、前記粗動ステージの基台を前記微動ステ
    ージの下側へ位置させつつ、前記突起を前記微動ステー
    ジ内側の貫通空間に分散配置することで、これらの複数
    の突起が粗動ステージとして機能する構成としてなるこ
    とを特徴とする試料位置決め装置。
  2. 【請求項2】第1請求項において、前記微動ステージの
    内側に形成した貫通空間は、該微動ステージに分散して
    配設した複数個の穴又は切欠き状の溝よりなる試料位置
    決め装置。
  3. 【請求項3】第1請求項又は第2請求項において、前記
    粗動ステージの各突起上面及び前記微動ステージの上面
    には、試料台を制御信号により吸着するチャック機構を
    配設してなる試料位置決め装置。
  4. 【請求項4】第1請求項ないし第3請求項のいずれか1
    項において、前記粗動ステージの駆動機構のうちX軸,Y
    軸粗動駆動機構は、前記微動ステージを支持しているフ
    レームより分離して配置され、このX軸,Y軸粗動駆動機
    構と前記粗動ステージとを連結部材を介して連結してな
    る試料位置決め装置。
  5. 【請求項5】第1請求項ないし第4請求項のいずれか1
    項において、前記粗動ステージは、X軸,Y軸,Z軸のそれ
    ぞれの粗動駆動機構を介して支持され、このうち、X
    軸,Y軸の粗動駆動機構は、前記微動ステージをを支持し
    ているフレームより分離して配置され、このX軸,Y軸粗
    動駆動機構と前記粗動ステージとが可撓性を有する弾性
    部材を介して連結される試料位置決め装置。
  6. 【請求項6】第1請求項ないし第5請求項のいずれか1
    項において、前記微動ステージはX軸,Y軸,Z軸の微動駆
    動機構を備え、且つ前記X軸,Y軸の協働作用によりX軸
    ・Y軸平面を微動回転し、また、前記Z軸微動駆動機構
    は、3個用いて前記微動ステージを3点支持し、各Z軸
    微動駆動機構の微動量を異ならせて前記微動ステージの
    傾き制御を可能にしてなる試料位置決め装置。
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