JP3182238B2 - 速度センサおよびこれを適用した半導体露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、速度センサ、および、
これをＸＹステージのように試料を機械的に超精密に位
置決めする機構における速度検出手段として適用した半
導体露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、半導体露光装置のＸＹステージ
の速度検出手段の一従来例を示す概略構成図である。

【０００３】この速度検出手段は、可動Ｘガイド１２お
よび固定Ｙガイド１３にガイドされて定盤１１上を図示
Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動するＸＹステージ１４の
位置決めを行う際に使用されるものであり、ＸＹステー
ジ１４上に設けられたスコヤミラー２１と、ＸＹステー
ジ１４の図示Ｘ軸方向の位置の測定を行うＸ軸レーザ干
渉計と、ＸＹステージ１４の図示Ｙ軸方向の位置の測定
を行うＹ軸レーザ干渉計とからなる。

【０００４】ここで、前記Ｘ軸レーザ干渉計は、レーザ
光を出射する第１のレーザ光源３１と、第１のレーザ光
源３１から出射されたレーザ光の進行方向を図示Ｘ軸方
向に変える第１のベンダ３２と、第１のベンダ３２から
出射されたレーザ光の偏光方向を揃える第１の偏光ビー
ムスプリッター３３と、第１の偏光ビームスプリッター
３３から出射されたレーザ光がスコヤミラー２１で反射
されたのち第１の偏光ビームスプリッター３３を透過し
た反射光を受光する第１の光量センサ３４とからなる。
また、前記Ｙ軸レーザ干渉計は、レーザ光を出射する第
２のレーザ光源４１と、第２のレーザ光源４１から出射
されたレーザ光の進行方向を図示Ｙ軸方向に変える第２
のベンダ４２と、第２のベンダ４２から出射されたレー
ザ光の偏光方向を揃える第２の偏光ビームスプリッター
４３と、第２の偏光ビームスプリッター４３から出射さ
れたレーザ光がスコヤミラー２１で反射されたのち第２
の偏光ビームスプリッター４３を透過した反射光を受光
する第２の光量センサ４４とからなる。なお、可動Ｘガ
イド１２には、固定Ｙガイド１３に対して推力を発生す
る第１のアクチュエータ（不図示）が設けられており、
ＸＹステージ１４には、可動Ｘガイド１２に対して推力
を発生する第２のアクチュエータ（不図示）が設けられ
ている。また、可動Ｘガイド１２と固定Ｙガイド１３，
可動Ｘガイド１２と定盤１１，可動Ｘガイド１２とＸＹ
ステージ１４およびＸＹステージ１４と定盤１１との間
には、エアスライド（不図示）がそれぞれ設けられてい
る。

【０００５】ＸＹステージ１４の位置決めは、前記Ｘ軸
レーザ干渉計および前記Ｙ軸レーザ干渉計でＸＹステー
ジ１４の図示Ｘ軸方向およびＹ軸方向の位置を測定し
て、前記第１および第２のアクチュエータにサーボをか
けることにより行われる。このとき、サーボ系を安定化
して位置決め時間を短くするために、図示Ｘ軸方向およ
びＹ軸方向の速度に比例した抵抗力を前記第１および第
２のアクチュエータで発生させるようにしている。この
ために必要となる図示Ｘ軸方向およびＹ軸方向の各速度
の値は、前記Ｘ軸レーザ干渉計および前記Ｙ軸レーザ干
渉計で得られるＸＹステージ１４の位置データを差分し
て得ている。

【０００６】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、上
述した従来の速度検出手段では、以下に示す２つの問題
がある。

【０００７】（１）位置決め完了前の低速度域で速度検
出が困難である。すなわち、半導体露光装置では通常、
前記Ｘ軸レーザ干渉計および前記Ｙ軸レーザ干渉計の±
１分解能になるように位置決めを行い、また、前記Ｘ軸
レーザ干渉計および前記Ｙ軸レーザ干渉計の位置データ
を差分してサーボをかける周期は、通常１ｍｓ以下であ
る。したがって、位置決めが完了する前の位置ずれが±
数分解能の領域では、１ｍｓの間には位置の変化がほと
んどないため、この領域では実質的に速度帰還がかから
なくなりサーボ系を安定化するためにはゲインを落とさ
ざるを得ず、位置決め時間が長くなったり、外乱に対す
る精度が低下したりする。

【０００８】（２）他の振動モード（主に回転モード）
を励振する。すなわち、ＸＹステージ１４においては、
前記第１および第２のアクチュエータからスコヤミラー
２１までの間には、前記エアスライドの圧縮性に起因す
るいくつかのバネが存在する。たとえば、可動Ｘガイド
１２は図示Ｙ軸方向およびＺ軸方向の動きを規制するも
のであるが、図示Ｙ軸方向およびＺ軸方向はエア圧で規
制されるため、エアの圧縮性によりばねを介して規制さ
れることになる。このため、回転モードが発生し、図示
Ｘ軸方向に速度帰還でダンピングをかけたとき、速度帰
還のゲインを上げると回転モードを励振することにな
る。したがって、速度帰還のゲインを十分に上げること
ができず、結果的に剛体モードの制御周波数も十分に上
げることができない。

【０００９】これら問題を解決する一手段として、被測
定物に固定された速度センサが周囲の流体に対して相対
速度をもったときに流体との間に発生する、流体との相
対速度に比例する摩擦力を検出することにより、被測定
物の速度を検出する方法が知られている。しかし、この
方法においても、被測定物が超低速で移動する場合に
は、速度センサで検出する前記摩擦力は極めて小さく、
大きさが数ｍｍ程度以上の速度センサでは、前記摩擦力
を精度よく検出することができないという問題がある。
すなわち、流体との相互作用による摩擦力Ｆ₁ は、層流
境界層の厚さをＬ，流体との相対速度をＵ，摩擦係数を
μ，流体と摩擦を生ずる速度センサの要素の寸法をｄと
すると、 Ｆ₁＝ｋ₁×μ×Ｕ／Ｌ×ｄ×ｄ （１） ただし、ｋ₁ は比例定数で表される。一方、流体と摩擦
を生ずる速度センサの要素が周囲の支持部（主に、軸受
け部）から受ける摩擦力Ｆ₂ は、該要素の体積に比例す
るので、 Ｆ₂＝ｋ₂×ｄ×ｄ×ｄ （２） ただし、ｋ₂ は比例定数で表される。

【００１０】したがって、流体との相互作用による摩擦
力Ｆ₁ は速度センサの要素の寸法ｄの二乗に比例するの
に対して、周囲の支持部から受ける摩擦力Ｆ₂ は速度セ
ンサの要素の寸法ｄの三乗に比例するので、大きさが数
ｍｍ程度以上の速度センサでは、流体との相互作用によ
る摩擦力Ｆ₁ に比べて、周囲の支持部から受ける摩擦力
Ｆ₂ のほうが十分大きいため、流体との相互作用による
摩擦力Ｆ₁ を検出することができない。

【００１１】本発明の目的は、低速度域でも精度よく速
度検出ができる速度センサおよびこれを適用した半導体
露光装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の速度センサは、
速度検出要素を含み、該速度検出要素が、重心周りに回
転自在に支持された、流体の速度に比例した摩擦力また
は動圧を発生する可動微小片と、該可動微小片の重心周
りのずれ量を検出して、該検出したずれ量に比例した出
力電圧を出力するずれ量検出手段と、該ずれ量検出手段
の出力電圧に比例した保持力を前記可動微小片に与え、
該可動微小片を重心周りに保持する保持手段と、前記ず
れ量検出手段の出力電圧より速度信号を算出する速度信
号算出手段とを含む。

【００１３】ここで、流体との相対速度をＵ，層流境界
層の厚さをＬ，流体との摩擦係数をμ，ｋ₁ およびｋ₂
を比例定数としたとき、前記可動微小片の寸法ｄが、 ｄ≦（ｋ₁×μ×Ｕ／Ｌ）／（１０×ｋ₂） を満たしていてもよい。

【００１４】また、前記可動微小片が円板状の形状を有
するとともに、歯車状の突起群と位置検出用突起とが外
周に設けられ、軸受けが重心位置に設けられており、前
記ずれ量検出手段が、前記可動微小片の前記位置検出用
突起と微小ギャップをもって互いに対向してそれぞれ設
けられた第１および第２の位置検出用電極と、前記位置
検出用突起と前記第１の位置検出用電極との間の静電容
量および前記位置検出用突起と前記第２の位置検出用電
極との間の静電容量をそれぞれ検出する第１および第２
の静電容量検出回路と、該第１および第２の静電容量検
出回路の出力信号がそれぞれ入力される差動増幅器とを
有し、前記保持手段が、前記可動微小片の前記各突起と
微小のギャップをもって互いに対向して各凸部がそれぞ
れ設けられた駆動用電極と、前記差動増幅器の出力電圧
を増幅して前記駆動用電極に供給する電圧増幅器とを有
し、前記速度信号算出手段が、前記差動増幅器の出力電
圧を二乗することによって速度信号を算出する二乗演算
回路を有していてもよい。

【００１５】さらに、前記可動微小片が、扇形部と矩形
部とが一体的に形成された形状を有するとともに、軸受
けが重心位置に設けられており、前記ずれ量検出手段
が、前記可動微小片の前記扇形部の両側面と微小ギャッ
プをもって互いに対向してそれぞれ設けられた第１およ
び第２の位置検出用電極と、前記可動微小片の前記扇形
部と前記第１の位置検出用電極との間の静電容量および
前記可動微小片の前記扇形部と前記第２の位置検出用電
極との間の静電容量をそれぞれ検出する第１および第２
の静電容量検出回路と、該第１および第２の静電容量検
出回路の出力信号がそれぞれ入力される差動増幅器とを
有し、前記保持手段が、前記可動微小片の前記扇形部と
微小のギャップをもって互いに対向して設けられた駆動
用電極と、前記差動増幅器の出力電圧を増幅して前記駆
動用電極に供給する電圧増幅器とを有し、前記速度信号
算出手段が、前記差動増幅器の出力電圧を二乗すること
によって速度信号を算出する二乗演算回路を有していて
もよい。

【００１６】ここで、流体との相対速度をＵ，流体の密
度をρ，ｋ₁ およびｋ₂ を比例定数としたとき、前記可
動微小片の寸法ｄが、 ｄ≦（ｋ₁×ρ×Ｕ²）／（１０×ｋ₂） を満たしていてもよい。

【００１７】本発明の半導体露光装置は、ＸＹステージ
を有する半導体露光装置において、前記ＸＹステージ
に、本発明の速度センサが設けられている。

【００１８】または、ＸＹステージと、該ＸＹステージ
の移動速度を検出する速度検出器とを有する半導体露光
装置において、前記速度検出器が、本発明の速度センサ
である。

【００１９】

【作用】本発明の速度センサは、可動微小片で発生する
流体の速度に比例した摩擦力または動圧と、可動微小片
を重心周りに保持するために保持手段が可動微小片に与
える保持力とを等しくすることにより、ずれ量検出手段
で検出した可動微小片のずれ量と流体の速度との間に一
定の関係をもたせることができるため、速度信号算出手
段でずれ量検出手段の出力電圧より速度信号を算出する
ことができる。すなわち、本発明の速度センサは、上記
（１）式および（２）式より、 Ｆ₁／Ｆ₂＝ｋ₃×μ×Ｕ／Ｌ／ｄ （３） ただし、ｋ₃ は比例定数であることに着目し、可動微小
片を用いて（３）式の寸法ｄを十分小さくすることによ
り、流体との相互作用による摩擦力Ｆ₁ を周囲の支持部
から受ける摩擦力Ｆ₂ よりも十分大きくして、流体との
相互作用による摩擦力Ｆ₁ の検出精度を向上するもので
ある。

【００２０】本発明の半導体露光装置は、本発明の速度
センサが適用されることにより、ＸＹステージの移動を
高精度に制御することができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００２２】図１（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、本発明の
速度センサの第１の実施例を示す図である。

【００２３】速度センサ１は、図１（Ａ）に示すよう
に、電源導入端子３および速度信号出力端子４を有する
匡体２と、匡体２の上面に３個ずつ３列に固定された９
個の速度検出要素６０₁〜６０₉とからなり、各速度検出
要素６０₁〜６０₉が、重心周りに回転自在に支持され
た、流体の速度に比例した摩擦力を発生する可動微小片
６１と、可動微小片６１の重心周りのずれ量を検出し
て、検出したずれ量に比例した出力電圧を出力するずれ
量検出手段と、ずれ量検出手段の出力電圧に比例した保
持力を可動微小片６１に与え、可動微小片６１を重心周
りに保持する保持手段と、ずれ量検出手段の出力電圧よ
り速度信号を算出する速度信号算出手段とを有するもの
である。

【００２４】以下、各速度検出要素６０₁〜６０₉の構成
要素について、図１（Ｂ）を参照して説明する。

【００２５】（１）可動微小片６１ 可動微小片６１は円板状の形状を有するとともに、歯車
状の突起６１₁ 群と位置検出用突起６１₂ とが外周に一
体的に設けられたものである。また、軸受け６１₃ が可
動微小片６１の重心位置に設けられており、匡体２に設
けられた軸（不図示）に軸受け６１₃ が回転自在に嵌合
されて可動微小片６１が匡体２に固定されることによ
り、可動微小片６１は重心周りに回転自在となってい
る。なお、可動微小片６１に周囲の流体の速度に比例し
た摩擦力を発生させるために、同図（Ａ）に示すよう
に、可動微小片６１の軸受け６１₃ よりも位置検出用突
起６１₂と反対側の部分は流体と接するように露出さ
れ、可動微小片６１の残りの部分は流体と接しないよう
に匡体２によって覆われている。

【００２６】（２）ずれ量検出手段 ずれ量検出手段は、可動微小片６１の位置検出用突起６
１₂ と微小ギャップをもって互いに対向してそれぞれ設
けられた第１および第２の位置検出用電極６２ ₁，６２₂
と、位置検出用突起６１₂ と第１の位置検出用電極６２
₁ との間の静電容量および位置検出用突起６１₂ と第２
の位置検出用電極６２₂ との間の静電容量をそれぞれ検
出する第１および第２の静電容量検出回路６３₁，６３₂
と、第１の静電容量検出回路６３₁ の出力信号がプラス
の入力端子に入力され、第２の静電容量検出回路６３₂
の出力信号がマイナスの入力端子に入力される差動増幅
器６４とからなる。

【００２７】ここで、第１および第２の位置検出用電極
６２₁，６２₂は、可動微小片６１の突起６１₁ 群と後述
する駆動用電極６５の凸部６５₁ 群とがちょうど対向す
る位置にきたとき、可動微小片６１の位置検出用突起６
１₂ と第１の位置検出用電極６２₁ との間の静電容量お
よび可動微小片６１の位置検出用突起６１₂ と第２の位
置検出用電極６２₂ との間の静電容量が等しくなる位置
に設けられている。

【００２８】（３）保持手段 保持手段は、可動微小片６１の各突起６１₁ と微小のギ
ャップをもって互いに対向して各凸部６５₁ がそれぞれ
設けられた駆動用電極６５と、差動増幅器６４の出力電
圧Ｖ_OUT1を増幅して駆動用電極６５に供給する電圧増幅
器６６とからなる。

【００２９】（４）速度信号算出手段 速度信号算出手段は、差動増幅器６４の出力電圧Ｖ_OUT1
を二乗することによって速度信号Ｓ₁ を算出して加算器
（不図示）に供給する二乗演算回路６７からなる。

【００３０】残りの速度検出要素６０₂〜６０₉も、上述
した速度検出要素６０₁ と同様の構成を有する。なお、
前記加算器の出力信号は、速度信号出力端子４（同図
（Ａ）参照）から外部に出力される。

【００３１】以上のように、速度センサ１を構成する各
速度検出要素６０₁〜６０₉は、半導体リソグラフィ技術
を利用したマイクロメカトロニクス技術（ＫＡＳＴ Ｒ
ｅｐｏｒｔ，Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．４，１９９１）におけ
る犠牲層エッチングおよびＬＩＧＡプロセス（Ｊ．Ｍｉ
ｃｒｏｍｅｃｈ，Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．１，１６７−１７
０，１９９１）の組み合せにより作成される公知の静電
モータと同様の構造を有するため、上記（３）式におけ
る流体との相互作用による摩擦力Ｆ₁ を周囲の支持部か
ら受ける摩擦力Ｆ₂ よりも十分大きくできる程度の寸法
で、各速度検出要素６０₁〜６０₉を製造することができ
る。

【００３２】次に、速度センサ１の動作について説明す
る。

【００３３】速度センサ１が取り付けられた被測定物が
速度ｖをもって移動したとき、周囲の流体との摩擦によ
り、可動微小片６１の軸受け６１₃ よりも位置検出用突
起６２と反対側の部分（露出部分）に摩擦力Ｔ_v が発生
する。このとき、被測定物が加速度をもったとしても、
該加速度は軸受け６１₃ からの反力と釣り合うので、可
動微小片６１に発生する摩擦力Ｔ_v は速度ｖに比例す
る。可動微小片６１に摩擦力Ｔ_v が発生すると、可動微
小片６１が軸受け６１₃ 周りに回転するため、位置検出
用突起６１₂ が第１および第２の位置検出用電極６
２₁，６２₂と互いに対向する位置からずれる。しかし、
該ずれ量に応じた静電容量差が第１および第２の静電容
量検出回路６３₁，６３₂により検出され、該静電容量差
に比例した電圧（差動増幅器６４の出力電圧Ｖ_OUT1）が
電圧増幅器６６を介して駆動用電極６５に与えられるこ
とにより、可動微小片６１に保持力Ｔ_h が加わり、可動
微小片６１はもとの位置に戻される。

【００３４】いま、保持力Ｔ_h と摩擦力Ｔ_v とが釣り合
った状態を考え、可動微小片６１の突起６１₁ と駆動用
電極６５の凸部６５₁ との間の電位差をＥ，可動微小片
６１の突起６１₁ の周方向の延べ長さをＷ，可動微小片
６１の突起６１₁ と駆動用電極６５の凸部６５₁ とのず
れ量をΔＷ（ただし、ΔＷ《Ｗ），電圧増幅器６６が駆
動用電極６５に印加する電圧をＶ₁ とすると、ずれ量Δ
Ｗは差動増幅器６４の出力電圧Ｖ_OUT1と対応し、差動増
幅器６４の出力電圧Ｖ_OUT1が電圧増幅器６６で増幅され
て電圧Ｖ₁ が決まるため、 Ｖ₁＝Ｋ₁×Ｖ_OUT1 ＝Ｋ₂×ΔＷ （４） ただし、Ｋ₁，Ｋ₂は比例定数が成り立つので、可動微小
片６１の突起６１₁ と駆動用電極６５の凸部６５₁ との
微小ギャップ量をｇとすると、 Ｅ＝Ｖ₁／ｇ ＝Ｋ₂×ΔＷ／ｇ （５） が成り立つ。その結果、保持力Ｔ_h は、 Ｔ_h＝Ｋ₃×ε×Ｅ×Ｅ ＝Ｋ₄×ΔＷ×ΔＷ （６） ただし、Ｋ₃，Ｋ₄は比例定数で表される。一方、摩擦力
Ｔ_v は速度ｖに比例するため、 Ｔ_v＝Ｋ₅×ｖ （７） ただし、Ｋ₅は比例定数で表される。

【００３５】したがって、保持力Ｔ_h と摩擦力Ｔ_v とは
釣り合っているため、 ｖ＝Ｋ₆×ΔＷ×ΔＷ ＝Ｋ₇×Ｖ_OUT1×Ｖ_OUT1 （８） ただし、Ｋ₆，Ｋ₇は比例定数が成り立つ。よって、差動
増幅器６４の出力電圧Ｖ_OUT1を二乗演算回路６７で二乗
することにより、速度ｖに比例した速度信号Ｓ₁ を得る
ことができる。

【００３６】以上のようにして各速度検出要素６０₁〜
６０₉でそれぞれ得られた各速度信号Ｓ₁〜Ｓ₉は、前記
加算器で加算されたのち、速度信号出力端子４から外部
に出力される。

【００３７】図２は、図６に示した半導体露光装置のＸ
Ｙステージの速度検出手段として、同図に示したＸ軸レ
ーザ干渉計およびＹ軸レーザ干渉計と図１に示した速度
センサ１を２個組み合せたものを用いたときの概略構成
図である。

【００３８】ＸＹステージ１４および可動Ｘガイド１２
上に速度センサ１を１個ずつ固定することにより、Ｘ軸
レーザ干渉計およびＹ軸レーザ干渉計のみでは困難であ
った位置決め完了前の低速度域で速度検出が可能とな
る。なお、速度センサ１を２個用いるのは、１個の速度
センサ１では１軸方向のみの速度しか検出できないため
である。

【００３９】図３（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、本発明の
速度センサの第２の実施例を示す図である。

【００４０】速度センサ１０１は、図３（Ａ）に示すよ
うに、電源導入端子１０３，Ｘ軸方向速度信号出力端子
１０４およびＹ軸方向速度信号出力端子１０５を有する
匡体１０２と、匡体１０２の各側面に９個ずつ固定され
た速度検出要素１６０₁₁〜１６０₁₉，１６０₂₁〜１６０
₂₉，１６０₃₁〜１６０₃₉，１６０₄₁〜１６０₄₉（速度検
出要素１６０₃₂〜１６０₃₉，１６０₄₂〜１６０₄₉は不図
示）とからなり、各速度検出要素１６０₁₁〜１６０₁₉，
１６０₂₁〜１６０₂₉，１６０₃₁〜１６０₃₉，１６０₄₁〜
１６０₄₉が、重心周りに回転自在に支持された、流体の
速度に比例した動圧を発生する可動微小片１６１と、可
動微小片１６１の重心周りのずれ量を検出して、検出し
たずれ量に比例した出力電圧を出力するずれ量検出手段
と、ずれ量検出手段の出力電圧に比例した保持力を可動
微小片１６１に与え、可動微小片１６１を重心周りに保
持する保持手段と、ずれ量検出手段の出力電圧より速度
信号を算出する速度信号算出手段とを有するものであ
る。

【００４１】以下、各速度検出要素１６０₁₁〜１６
０₁₉，１６０₂₁〜１６０₂₉，１６０₃₁〜１６０₃₉，１６
０₄₁〜１６０₄₉の構成要素について、図３（Ｂ）および
図４を参照して説明する。

【００４２】（１）可動微小片１６１ 可動微小片１６１は、図３（Ｂ）に示すように、扇形部
１６１₁ と矩形部１６１₂ とが一体的に形成されたもの
である。また、軸受け１６１₃ が可動微小片１６１の重
心位置に設けられており、匡体１０２に設けられた軸
（不図示）に軸受け１６１₃ が回転自在に嵌合されて可
動微小片１６１が匡体１０２に固定されることにより、
可動微小片１６１は重心周りに回転自在となっている。
なお、可動微小片１６１に周囲の流体の速度に比例した
動圧を発生させるために、図３（Ａ）に示すように、可
動微小片１６１の矩形部１６１₂ は流体と接するように
露出され、可動微小片１６１の扇形部１６１₁ は流体と
接しないように匡体１０２によって覆われている。な
お、可動微小片１６１では、流体との相互作用として摩
擦力よりも動圧を受けることを目的とするため、厚さが
大きくされている。

【００４３】（２）ずれ量検出手段 ずれ量検出手段は、可動微小片１６１の扇形部１６１₁
の両側面（図４図示左右側面）と微小ギャップをもって
互いに対向してそれぞれ設けられた第１および第２の位
置検出用電極１６２₁，１６２₂と、可動微小片１６１の
扇形部１６１₁と第１の位置検出用電極１６２₁ との間
の静電容量および可動微小片１６１の扇形部１６１₁ と
第２の位置検出用電極１６２₂ との間の静電容量をそれ
ぞれ検出する第１および第２の静電容量検出回路１６３
₁，１６３₂と、第１の静電容量検出回路１６３₁ の出力
信号がプラスの入力端子に入力され、第２の静電容量検
出回路１６３₂ の出力信号がマイナスの入力端子に入力
される差動増幅器１６４とからなる。

【００４４】ここで、第１および第２の位置検出用電極
１６２₁，１６２₂は、可動微小片１６１の扇形部１６１
₁ の曲面と後述する駆動用電極１６５とがちょうど対向
する位置にきたとき、可動微小片１６１の扇形部１６１
₁ と第１の位置検出用電極１６２₁ との間の静電容量お
よび可動微小片１６１の扇形部１６１₁ と第２の位置検
出用電極１６２₂ との間の静電容量が等しくなる位置に
設けられている。

【００４５】（３）保持手段 保持手段は、可動微小片１６１の扇形部１６１₁ と微小
のギャップをもって互いに対向して設けられた駆動用電
極１６５と、差動増幅器１６４の出力電圧Ｖ_{OU T11} を増
幅して駆動用電極１６５に供給する電圧増幅器１６６と
からなる。

【００４６】（４）速度信号算出手段 速度信号算出手段は、差動増幅器１６４の出力電圧Ｖ
_OUT11 を二乗することによって速度信号Ｓ₁₁を算出して
第１の加算器（不図示）に供給する二乗演算回路１６７
からなる。

【００４７】残りの速度検出要素１６０₁₂〜１６０₁₉，
１６０₂₁〜１６０₂₉，１６０₃₁〜１６０₃₉，１６０₄₁〜
１６０₄₉も、上述した速度検出要素１６０₁₁と同様の構
成を有する。なお、速度検出要素１６０₁₁〜１６０₁₉，
１６０₃₁〜１６０₃₉から出力される各速度信号Ｓ₁₁〜Ｓ
₁₉，Ｓ₃₁〜Ｓ₃₉は前記第１の加算器で加算されたのち、
Ｘ軸方向速度信号出力端子１０４（図３（Ａ）参照）か
ら外部に出力される。また、速度検出要素１６０₂₁〜１
６０₂₉，１６０₄₁〜１６０₄₉から出力される各速度信号
Ｓ₂₁〜Ｓ₂₉，Ｓ₄₁〜Ｓ₄₉は第２の加算器（不図示）で加
算されたのち、Ｙ軸方向速度信号出力端子１０５（図３
（Ａ）参照）から外部に出力される。

【００４８】以上のように、速度センサ１０１を構成す
る各速度検出要素１６０₁₂〜１６０ ₁₉，１６０₂₁〜１６
０₂₉，１６０₃₁〜１６０₃₉，１６０₄₁〜１６０₄₉は、半
導体リソグラフィ技術を利用したマイクロメカトロニク
ス技術における犠牲層エッチングおよびＬＩＧＡプロセ
スの組み合せにより製造することができるため、上記
（３）式における流体との相互作用による摩擦力Ｆ₁ を
周囲の支持部から受ける摩擦力Ｆ₂ よりも十分大きくで
きる程度の寸法で、各速度検出要素１６０₁₂〜１６
０₁₉，１６０₂₁〜１６０₂₉，１６０₃₁〜１６０₃₉，１６
０₄₁〜１６０₄₉を製造することができる。

【００４９】次に、速度センサ１０１の動作について説
明する。

【００５０】速度センサ１０１が取り付けられた被測定
物がＸ軸方向に速度ｖをもって移動したとき、周囲の流
体からの動圧（および多少の摩擦）により、可動微小片
１６１の矩形部１６１₂ （露出部分）に動圧力Ｔ_w が発
生する。このとき、被測定物が加速度をもったとして
も、該加速度は軸受け１６１₃ からの反力と釣り合うの
で、可動微小片１６１に発生する動圧力Ｔ_w は速度ｖに
比例する。可動微小片１６１に動圧力Ｔ_w が発生する
と、可動微小片１６１が軸受け１６１₃ 周りに回転する
ため、可動微小片１６１の扇形部１６１₁ が第１および
第２の位置検出用電極１６２₁，１６２₂と互いに対向す
る位置からずれる。しかし、該ずれ量に応じた静電容量
差が第１および第２の静電容量検出回路１６３₁，１６
３₂により検出され、該静電容量差に比例した電圧（差
動増幅器１６４の出力電圧Ｖ_OUT11 ）が電圧増幅器１６
６を介して駆動用電極１６５に与えられることにより、
可動微小片１６１に保持力Ｔ_h が加わり、可動微小片１
６１はもとの位置に戻される。

【００５１】いま、保持力Ｔ_h と動圧力Ｔ_w とが釣り合
った状態を考え、可動微小片１６１の扇形部１６１₁ と
駆動用電極６５との間の電位差をＥ，可動微小片１６１
の扇形部１６１₁ の周方向の延べ長さをＷ，可動微小片
１６１の扇形部１６１₁ と駆動用電極１６５とのずれ量
をΔＷ（ただし、ΔＷ《Ｗ），電圧増幅器１６６が駆動
用電極１６５に印加する電圧をＶ₁₁とすると、ずれ量Δ
Ｗは差動増幅器１６４の出力電圧Ｖ_OUT11 と対応し、差
動増幅器１６４の出力電圧Ｖ_OUT11 が電圧増幅器１６６
で増幅されて電圧Ｖ₁₁が決まるため、 Ｖ₁₁＝Ｋ₁₁×Ｖ_OUT11 ＝Ｋ₁₂×ΔＷ （９） ただし、Ｋ₁₁，Ｋ₁₂は比例定数が成り立つので、可動微
小片１６１の扇形部１６１₁ と駆動用電極６５との微小
ギャップ量をｇとすると、 Ｅ＝Ｖ₁₁／ｇ ＝Ｋ₁₂×ΔＷ／ｇ （１０） が成り立つ。その結果、保持力Ｔ_h は、 Ｔ_h＝Ｋ₁₃×ε×Ｅ×Ｅ ＝Ｋ₁₄×ΔＷ×ΔＷ （１１） ただし、Ｋ₁₃，Ｋ₁₄は比例定数で表される。一方、動圧
力Ｔ_w は速度ｖに比例するため、 Ｔ_w＝Ｋ₁₅×ｖ （１２） ただし、Ｋ₁₅は比例定数で表される。

【００５２】したがって、保持力Ｔ_h と動圧力Ｔ_w とは
釣り合っているため、 ｖ＝Ｋ₁₆×ΔＷ×ΔＷ ＝Ｋ₁₇×Ｖ_OUT11×Ｖ_OUT11 （１３） ただし、Ｋ₁₆，Ｋ₁₇は比例定数が成り立つ。よって、差
動増幅器１６４の出力電圧Ｖ_OUT11 を二乗演算回路１６
７で二乗することにより、Ｘ軸方向の速度ｖに比例した
速度信号Ｓ₁₁を得ることができる。

【００５３】なお、可動微小片１６１の寸法ｄは、たと
えば流体との相対速度Ｕが０．０１μｍ／ｓ程度のとき
には、 ｄ≦（ｋ₁×ρ×Ｕ²）／（１０×ｋ₂） （１４） ただし、ρは流体の密度 ｋ₁ およびｋ₂ は比例定数を満たすようにすればよい。

【００５４】図５は、図６に示した半導体露光装置のＸ
Ｙステージの速度検出手段として、同図に示したＸ軸レ
ーザ干渉計およびＹ軸レーザ干渉計と図３（Ａ）に示し
た速度センサ１０１を組み合せたものを用いたときの概
略構成図である。

【００５５】ＸＹステージ１４上に速度センサ１０１を
固定することにより、Ｘ軸レーザ干渉計およびＹ軸レー
ザ干渉計のみでは困難であった位置決め完了前の低速度
域で速度検出が可能となる。なお、速度センサ１０１は
１個でＸ軸方向およびＹ軸方向の速度が検出できるた
め、ＸＹステージ１４上に速度センサ１０１を１個固定
するだけでよい。

【００５６】図７は、本発明の半導体露光装置の一実施
例であるＸ線アライナーの概略構成図である。

【００５７】Ｘ線アライナー1300は、メインフレーム13
01と、オートアライメントユニット1302と、ウエハカセ
ット1303と、ウエハイジェクタ1304と、オリフラ検知台
1305と、ウエハトラバーサ1306と、プリアライメントユ
ニット1307と、シャッターユニット1308と、マスクエレ
ベータ1309と、マスクカセット1310と、マスク搬送ユニ
ット1311と、ウエハステージ位置計測光学系1312と、ウ
エハ1315が載置されるウエハステージ1314と、レーザ光
源1316と、マスクフレーム2604と、ウエハステージ1314
にそれぞれ取り付けられた、図１に示した速度センサ１
と同様の構成を有するＸ軸用速度センサ1400_X およびＹ
軸用速度センサ1400_Y （図８参照）とを含む。また、Ｘ
線アライナー1300の露光雰囲気は、１５０ＴｏｒｒのＨ
ｅガスで満たされている。なお、図面の簡単のため、図
７では、Ｘ軸用速度センサ1400_XおよびＹ軸用速度セン
サ1400_Y を省略した。

【００５８】Ｘ線アライナー1300では、ウエハ1315は、
ウエハイジェクタ1304によってウエハカセット1303から
取り出されたのち、オリフラ検知台1305に載置されて、
図示Ｚ軸まわり方向の位置が修正される。続いて、ウエ
ハ1315は、ウエハトラバーサ1306によってオリフラ検知
台1305からウエハステージ1314へ搬送されたのち、ウエ
ハステージ1314に載置されて、プリアライメントユニッ
ト1307により図示Ｘ軸方向およびＹ軸方向の位置が修正
される。一方、マスクは、マスク搬送ユニット1311によ
ってマスクカセット1310から取り出されたのち、マスク
フレーム2604に搬送されて載置される。また、図示右下
から図示Ｚ軸方向に沿って入射してくる、ＳＲ光源（不
図示）からのシンクロトロン放射光（以下、「ＳＲ光」
と称する。）が、シャッターユニット1308によって照射
面が矩形状に整形されて、マスクのパターン領域に照射
されている。

【００５９】ウエハステージ1314は、レーザ光源1316お
よびウエハステージ位置計測光学系1312などからなるレ
ーザ干渉計により、１／１０００ミクロン程度の分解能
および１ｍｓ以下の周期で位置が計測され、サーボ回路
（不図示）で所定位置に移動するよう位置決め制御され
ている。所定位置に対する上位の指令は、オートアライ
メントユニット1302の出力信号を基に決定される。

【００６０】上記レーザ干渉計による位置決め制御時に
おいては、ウエハステージ1314が位置決め点付近にくる
と、前述のように１ｍｓ以下の間には位置が１／１００
０μｍ変化しない場合も生じるため、レーザ干渉計の出
力の差分信号はほとんど得られなくなる。しかし、Ｘ線
アライナー1300では、ウエハステージ1314に取り付けら
れたＸ軸用速度センサ1400_X およびＹ軸用速度センサ14
00_Y でＨｅガスの図示Ｘ軸方向およびＹ軸方向の流れを
それぞれ検出することによって、ウエハステージ1314の
図示Ｘ軸方向およびＹ軸方向の速度信号がそれぞれ生成
される。各速度信号はサーボ系に負帰還されており、こ
れが減衰力として作用することにより、サーボ系の安定
性を向上させたり、高ゲインのサーボ系を実現させたり
している。

【００６１】以上説明したように、Ｘ線アライナー1300
では、本発明によるＸ軸用速度センサ1400_X およびＹ軸
用速度センサ1400_Y を位置決め点付近のウエハステージ
1314の低速度の検出に用いることにより、サーボ系の安
定性とゲインとを向上させることができる。その結果、
マスクとウエハとの位置決め精度を向上させることがで
きる。

【００６２】なお、図７に示したＸ線アライナー1300で
は、図１に示した速度センサ１と同様の構成を有するＸ
軸用速度センサ1400_X およびＹ軸用速度センサ1400_Y と
を用いたが、これらの代わりに、図３に示した速度セン
サ１０１と同様の構成の速度センサを用いても、同様の
効果が得られる。

【００６３】

【発明の効果】本発明は、上述のとおり構成されている
ので、次に記載する効果を奏する。

【００６４】請求項１乃至請求項５記載の発明（本発明
の速度センサ）は、微小可動片が周囲の流体から受ける
摩擦力または動圧を測定し、これを速度として検出する
ことにより、 （１）位置決め完了前の低速度域でも精度よく速度検出
ができる。 （２）半導体リソグラフィ技術を利用したマイクロメカ
トロニクス技術により極めて小型に製造できるため、被
測定物に多数個取り付けることが容易になるので、機械
部品の局部的な速度検出が可能になり、回転モードのみ
の速度を検出して抵抗力を与えてサーボ系全体のゲイン
を上げ、外乱に対する精度を向上させ、位置決め時間を
短縮することができる。

【００６５】請求項６または請求項７記載の発明（本発
明の半導体露光装置）は、ＸＹステージの移動を高精度
に制御することができるため、マスクとウエハとの位置
決め精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の速度センサの第１の実施例を示す図で
あり、（Ａ）は全体の斜視図、（Ｂ）は速度検出要素の
概略構成図である。

【図２】図６に示した半導体露光装置のＸＹステージの
速度検出手段として、同図に示したＸ軸レーザ干渉計お
よびＹ軸レーザ干渉計と図１に示した速度センサを２個
組み合せたものを用いたときの概略構成図である。

【図３】本発明の速度センサの第２の実施例を示す図で
あり、（Ａ）は全体の斜視図、（Ｂ）可動微小片の斜視
図である。

【図４】図３に示した速度検出要素の概略構成図であ
る。

【図５】図６に示した半導体露光装置のＸＹステージの
速度検出手段として、同図に示したＸ軸レーザ干渉計お
よびＹ軸レーザ干渉計と図３に示した速度センサとを組
み合せたものを用いたときの概略構成図である。

【図６】半導体露光装置のＸＹステージの速度検出手段
の一従来例を示す概略構成図である。

【図７】本発明の半導体露光装置の一実施例であるＸ線
アライナーの概略構成図である。

【図８】図７に示したＸ線アライナーにおける速度セン
サの取付け位置を説明するための図である。

【符号の説明】

１，１０１ 速度センサ ２，１０２ 匡体 ３，１０３ 電源導入端子 ４ 速度信号出力端子 ６０₁〜６０₉，１６０₁₁〜１６０₁₉，１６０₂₁〜１６０
₂₉，１６０₃₁，１６０₄₁速度検出要素 ６１，１６１ 可動微小片 ６１₁ 突起 ６１₂ 位置検出用突起 ６１₃，１６１₃ 軸受け ６２₁，１６２₁ 第１の位置検出用電極 ６２₂，１６２₂ 第２の位置検出用電極 ６３₁，１６３₁ 第１の静電容量検出回路 ６３₂，１６３₂ 第２の静電容量検出回路 ６４，１６４ 差動増幅器 ６５，１６５ 駆動用電極 ６５₁ 凸部 ６６，１６６ 電圧増幅器 ６７，１６７ 二乗演算回路 １０４ Ｘ軸方向速度信号出力端子 １０５ Ｙ軸方向速度信号出力端子 １６１₁ 扇形部 １６１₂ 矩形部 1300 Ｘ線アライナー 1301 メインフレーム 1302 オートアライメントユニット 1303 ウエハカセット 1304 ウエハイジェクタ 1305 オリフラ検知台 1306 ウエハトラバーサ 1307 プリアライメントユニット 1308 シャッターユニット 1309 マスクエレベータ 1310 マスクカセット 1311 マスク搬送ユニット 1312 ウエハステージ位置計測光学系 1314 ウエハステージ 1315 ウエハ 1316 レーザ光源 1400_X Ｘ軸用速度センサ 1400_Y Ｙ軸用速度センサ 2604 マスクフレーム Ｖ_OUT1，Ｖ_OUT11 出力電圧 Ｓ₁，Ｓ₁₁ 速度信号

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 速度検出要素を含み、 該速度検出要素が、 重心周りに回転自在に支持された、流体の速度に比例し
   た摩擦力または動圧を発生する可動微小片と、 該可動微小片の重心周りのずれ量を検出して、該検出し
   たずれ量に比例した出力電圧を出力するずれ量検出手段
   と、 該ずれ量検出手段の出力電圧に比例した保持力を前記可
   動微小片に与え、該可動微小片を重心周りに保持する保
   持手段と、 前記ずれ量検出手段の出力電圧より速度信号を算出する
   速度信号算出手段とを有することを特徴とする速度セン
   サ。
2. 【請求項２】 流体との相対速度をＵ，層流境界層の厚
   さをＬ，流体との摩擦係数をμ，ｋ₁ およびｋ₂ を比例
   定数としたとき、前記可動微小片の寸法ｄが、 ｄ≦（ｋ₁×μ×Ｕ／Ｌ）／（１０×ｋ₂） を満たすことを特徴とする請求項１記載の速度センサ。
3. 【請求項３】 前記可動微小片が円板状の形状を有する
   とともに、歯車状の突起群と位置検出用突起とが外周に
   設けられ、軸受けが重心位置に設けられており、 前記ずれ量検出手段が、前記可動微小片の前記位置検出
   用突起と微小ギャップをもって互いに対向してそれぞれ
   設けられた第１および第２の位置検出用電極と、前記位
   置検出用突起と前記第１の位置検出用電極との間の静電
   容量および前記位置検出用突起と前記第２の位置検出用
   電極との間の静電容量をそれぞれ検出する第１および第
   ２の静電容量検出回路と、該第１および第２の静電容量
   検出回路の出力信号がそれぞれ入力される差動増幅器と
   を有し、 前記保持手段が、前記可動微小片の前記各突起と微小の
   ギャップをもって互いに対向して各凸部がそれぞれ設け
   られた駆動用電極と、前記差動増幅器の出力電圧を増幅
   して前記駆動用電極に供給する電圧増幅器とを有し、 前記速度信号算出手段が、前記差動増幅器の出力電圧を
   二乗することによって速度信号を算出する二乗演算回路
   を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載
   の速度センサ。
4. 【請求項４】 前記可動微小片が、扇形部と矩形部とが
   一体的に形成された形状を有するとともに、軸受けが重
   心位置に設けられており、 前記ずれ量検出手段が、前記可動微小片の前記扇形部の
   両側面と微小ギャップをもって互いに対向してそれぞれ
   設けられた第１および第２の位置検出用電極と、前記可
   動微小片の前記扇形部と前記第１の位置検出用電極との
   間の静電容量および前記可動微小片の前記扇形部と前記
   第２の位置検出用電極との間の静電容量をそれぞれ検出
   する第１および第２の静電容量検出回路と、該第１およ
   び第２の静電容量検出回路の出力信号がそれぞれ入力さ
   れる差動増幅器とを有し、 前記保持手段が、前記可動微小片の前記扇形部と微小の
   ギャップをもって互いに対向して設けられた駆動用電極
   と、前記差動増幅器の出力電圧を増幅して前記駆動用電
   極に供給する電圧増幅器とを有し、 前記速度信号算出手段が、前記差動増幅器の出力電圧を
   二乗することによって速度信号を算出する二乗演算回路
   を有することを特徴とする請求項１記載の速度センサ。
5. 【請求項５】 流体との相対速度をＵ，流体の密度を
   ρ，ｋ₁ およびｋ₂ を比例定数としたとき、前記可動微
   小片の寸法ｄが、 ｄ≦（ｋ₁×ρ×Ｕ²）／（１０×ｋ₂） を満たすことを特徴とする請求項４記載の速度センサ。
6. 【請求項６】 ＸＹステージを有する半導体露光装置に
   おいて、 前記ＸＹステージに、請求項１乃至請求項５いずれか１
   項記載の速度センサが設けられていることを特徴とする
   半導体露光装置。
7. 【請求項７】 ＸＹステージと、該ＸＹステージの移動
   速度を検出する速度検出器とを有する半導体露光装置に
   おいて、 前記速度検出器が、請求項１乃至請求項５いずれか１項
   記載の速度センサであることを特徴とする半導体露光装
   置。