JP3720680B2 - ステージ装置、露光装置およびデバイス製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光装置等においてウエハ等基板やレチクル等を微小位置決めするための微動ステージ等に用いられるステージ装置、露光装置およびデバイス製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
産業機器や情報機器における制御技術は、機器の複雑化・高度化・微細化に伴ない、高精度化・高速化が進んでいる。そして、こうした各種機器を支える“半導体デバイス”を製造する露光装置もまた、高速化・高精度化が急激に進んでおり、ナノメートルオーダの位置決め精度等が要求されてきている。
【０００３】
露光装置のウエハやレチクルの位置決め機構としては、微小並進機構と微小回転機構を有する微動ステージと、並進方向への大ストローク移動機構を有する粗動ステージとから構成されるステージ装置が一般的に知られている。
【０００４】
この装置は、粗動ステージによって大ストロークの移動を行ないつつ、微動ステージの微動アクチュエータによって、微動ステージ上のウエハやレチクルが像面に一致するように微動位置決め制御し、露光を行なう。
【０００５】
一般的に、粗動ステージ、微動ステージはともに、位置決め機構のアクチュエータとしてローレンツ力を利用したリニアモータを用いることが多い。
【０００６】
ところが、露光装置の微動ステージにおいては、近年、以下のような問題点が生じている。
【０００７】
（１）チップサイズ、ウエハおよびレチクルの大型化に伴ない、微動ステージのサイズも大型化し、微動ステージをローレンツ力によるリニアモータで浮上させる場合には、アクチュエータの消費電力も増加してしまう。
【０００８】
特に微動ステージのアクチュエータは、ウエハもしくはレチクル近傍に取り付けられることが多いため、粗動ステージに比べて熱によるウエハもしくはレチクルへの影響が大きく、ウエハおよびレチクルの熱変形を生じ、ひいては最終的な露光精度を著しく劣化させてしまう。
【０００９】
（２）露光装置に対する高速化の要求は高まってきており、粗動ステージの加速度アップが進められている。しかしながらこれは、粗動ステージから微動ステージに加えられる加速度も大きくなる、ということを意味する。そして、粗動アクチュエータが微動ステージを押す“加力点”と、微動ステージの重心点のずれによって、粗動ステージによって微動ステージが加速された際に、粗動ステージの加速度に比例したモーメント力が微動ステージにかかることになる。
【００１０】
従って、高速化が進むほど、上記モーメント力に耐え得るために、微動ステージのアクチュエータが巨大になり、微動アクチュエータにおける発熱量が増え、露光精度に悪影響が生じるという問題が発生する。すなわち、アクチュエータの大型化が、さらなる熱の増加につながり、悪循環をもたらす。
【００１１】
このような問題点を解決するための手段として、磁石もしくは電磁石の反発力や吸着力を用いて微動ステージの自重補償を行なう方法が考えられる。この場合、磁石による補償だけでは微動ステージの姿勢を保持することが困難なため、ばねによる姿勢保持を行なうことが一般的によく用いられる。
【００１２】
図５は磁石反発による自重補償を行なった一従来例によるウエハ微動ステージを模式的に示すもので、これは、ウエハＷ₀ を保持する保持面１０１ａを有する微動ステージ１０１と、図示しない大ストロークの移動機構を有する粗動ステージ１０２と、粗動ステージ１０２上で微動ステージ１０１の姿勢保持等を行なうための第１ないし第３のばね部材１０３ａ〜１０３ｃと、微動ステージ１０１の重さを支持するいわゆる磁気反発力による自重補償のための第１ないし第３の磁石ユニット１０４ａ〜１０４ｃを有し、各磁石ユニット１０４ａ〜１０４ｃは、粗動ステージ１０２上に固定された磁石１４１ａ〜１４１ｃと、これらにそれぞれ対向するように微動ステージ１０１の下面に固定された磁石１４２ａ〜１４２ｃによって構成される。
【００１３】
各磁石ユニット１０４ａ〜１０４ｃの磁石１４１ａ〜１４１ｃと磁石１４２ａ〜１４２ｃの磁気反発力によって、微動ステージ１０１の自重補償が行なわれる。すなわち、図示しない投影光学系の像面近傍にウエハＷ₀ が位置した時の微動ステージ１０１の自重が、前記磁気反発力によって相殺される。
【００１４】
微動ステージ１０１の姿勢補償を行なう３個のばね部材１０３ａ〜１０３ｃのばね定数は等しく、上記のようにウエハＷ₀ が像面近傍にある状態で、ばねの復元力が最小になるように設定される。
【００１５】
微動ステージ１０１は、レーザ干渉計等によって微動ステージ１０１の位置を検出するための一対のバーミラー１１０を有し、微動ステージ１０１の位置情報を粗動ステージ１０２のアクチュエータにフィードバックする制御系が設けられている。
【００１６】
３本の姿勢補償用のばね部材１０３ａ〜１０３ｃは、微動ステージ１０１の中心Ｏから等距離ｒの円周上に１２０度の等間隔の位置Ｚ₁ 〜Ｚ₃ に配置することが一般的である。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の技術によれば、ウエハを保持する微動ステージに固定されたバーミラー等の影響によって、微動ステージの重心が、微動ステージの幾何学的中心と異なる位置に存在するため、微動ステージを回転運動を生じさせずに＋Ｚ方向にのみ押し上げて所定の浮上位置と姿勢に保つのに必要な３個のばね部材の復元力は、互いに異なることになる。
【００１８】
従って、ばね定数の等しい３個のばねによって姿勢保持を行なった場合には、たとえ磁石によって微動ステージの自重を補償しても、例えば、微動ステージを回転させずに−Ｚ方向に垂直に変位させ、各ばねが均等に撓んだ状態にした場合であっても、３個のばねの復元力の合力は、微動ステージを＋Ｚ方向に並進させるだけでなく、回転も発生せしめることになる。
【００１９】
すなわち、微動ステージのアクチュエータによる位置制御が切れた状態で、微動ステージに何らかの要因で外力が加わった場合や、ウエハ交換等のように、微動ステージをアクチュエータによって−Ｚ方向へ変位せしめる動作をしている状態で、事故による非常停止等のために位置制御が切れた場合は、微動ステージの＋Ｚ方向への復元運動に加えて、回転方向の可動ストロークを超えた傾き運動が発生し、ステージのかじりや破損を招くおそれがあった。
【００２０】
また、磁石によって微動ステージの自重を補償し、ばねによって姿勢補償を行なう構成以外に、微動ステージのＺ方向ストロークのほぼ全域において、磁石によって均一な自重補償力を発生せしめる方法も提案されているが、このような場合でも、磁石による補償だけでは不安定なため、コイルばねや板ばね等による姿勢保持手段は必要であり、上記の静的不つりあいによる問題点は、そのままあてはまる。
【００２１】
あるいは、微動ステージの自重補償をもばねによって直接行なう方法も考えられるが、こうした場合においても、上記の問題点は、そのままあてはまる。
【００２２】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、ウエハやレチクルを搭載する微動ステージの自重補償および姿勢補償またはそのうちの一方のために少なくとも３個のばね部材を用いるステージ装置において、ばね部材による補償機能の安定性を向上させ、ステージのかじりや破損を効果的に回避できるステージ装置、露光装置およびデバイス製造方法を提供することを目的とするものである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のステージ装置は、保持面を有する微動ステージと、該微動ステージの自重および姿勢またはそのうちの一方を補償する少なくとも３個のばね部材を備えた自重補償手段と、前記微動ステージを鉛直方向に駆動するアクチュエータを有し、前記３個のばね部材のそれぞれのばね定数が、静的なつりあい状態にあるときの前記微動ステージの重心に対する各ばね部材の相対位置に基づいて設定されていることを特徴とする。
【００２４】
ばね部材がコイルばねであるとよい。
【００２５】
ばね部材が空気圧シリンダであってもよい。
【００２６】
ばね部材が板ばねであってもよい。
【００２７】
自重補償手段が、少なくとも３個のばね部材と磁気手段を備えているとよい。
【００２８】
【作用】
３個のばね部材の復元力によって微動ステージが静的なつりあい状態にもどるとき、各ばね部材の復元力の合力の作用点が微動ステージの重心位置からずれていると回転モーメントが発生し、微動ステージが傾いて、かじり、損傷等を引き起こす。そこで、３個のばね部材の復元力の合力が微動ステージの重心位置と一致するように、該重心位置に対する各ばね部材の相対位置に基づいてばね定数を設定する。
【００２９】
アクチュエータが不作動である場合の外力等に対する微動ステージの安定性を向上させ、ステージの傾きによるかじり、損傷のおそれのない高性能なステージ装置を実現できる。
【００３０】
このようなステージ装置を用いることで、露光装置の転写性能と生産性を向上させ、半導体デバイス等の低価格化に貢献できる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３２】
図１は第１の実施の形態による露光装置のステージ装置を示すもので、これは、基板であるウエハＷ₁ あるいはレチクルを保持する保持面１ａを有する微動ステージ１と、図示しない大ストロークの移動機構を有する粗動ステージ２と、粗動ステージ２と微動ステージ１の間に配設された自重補償手段である第１ないし第３のばね部材３ａ〜３ｃと、第１ないし第３のアクチュエータであるリニアモータ４ａ〜４ｃを有し、各リニアモータ４ａ〜４ｃは、粗動ステージ２上に固定された固定子４１ａ〜４１ｃと、これらに対向するように微動ステージ１の下面に固定された可動子４２ａ〜４２ｃによって構成される。
【００３３】
各リニアモータ４ａ〜４ｃの固定子４１ａ〜４１ｃと可動子４２ａ〜４２ｃの間に作用するローレンツ力によって、微動ステージ１の鉛直方向の位置制御が行なわれ、図示しない露光手段である投影光学系の像面近傍にウエハＷ₁ を位置決めする。このとき、微動ステージ１の自重は、前記３個のばね部材３ａ〜３ｃによって相殺され、微動ステージ１の姿勢補償も３個のばね部材３ａ〜３ｃによって行なわれる。
【００３４】
微動ステージ１は、レーザ干渉計等によって微動ステージ１の位置を検出するための一対のバーミラー１０を有し、微動ステージ１の位置情報を粗動ステージ２の図示しないアクチュエータにフィードバックする制御系が設けられる。
【００３５】
第１ないし第３のばね部材３ａ〜３ｃは、それぞれ微動ステージ１の中心点Ｏから等距離ｒの円周上で１２０度の角度をおいた位置Ｚ₁ 〜Ｚ₃ を支えている。一方、微動ステージ１の重心点Ｇは、バーミラー１０などの影響により、前記微動ステージ１の中心点Ｏに対して＋Ｘおよび＋Ｙ方向にずれた位置にある。
【００３６】
従って、３個のばね部材３ａ〜３ｃのばね定数が同じであれば、中心点Ｏから等距離ｒの円周上で１２０度の角度の等間隔にある位置Ｚ₁ 〜Ｚ₃ において微動ステージ１を支えている各ばね部材３ａ〜３ｃの復元力の合力は、中心点Ｏに作用することになり、微動ステージ１の重心点Ｇのまわりに回転モーメントを発生させる。
【００３７】
そこで、このような回転モーメントによる微動ステージ１の傾きを防ぐために、各リニアモータ４ａ〜４ｃが非駆動で微動ステージ１が静的なつりあい状態にあるときの各ばね部材３ａ〜３ｃの復元力の合力の作用点が、微動ステージ１の重心点Ｇに一致するように、３個のばね部材３ａ〜３ｃのばね定数の比を図１の相対的位置関係から求めて、この比を満たし、かつ自重による微動ステージ１の変位が適切な量となるように各ばね部材３ａ〜３ｃのばね定数を設定する。
【００３８】
すなわち、図１に示した位置に重心点Ｇがある場合は、第１ないし第３のばね部材３ａ〜３ｃの重心点Ｇに対する相対位置に基づいて設定された各ばね部材３ａ、３ｂ、３ｃのばね定数ｋ１、ｋ２、ｋ３の間には以下の関係が成立する。
ｋ１＞ｋ３＞ｋ２
【００３９】
第１ないし第３のリニアモータ４ａ〜４ｃは、微動ステージ１の各点Ｚ₁ 〜Ｚ₃ 近傍のＺ方向変位を計測する位置センサによって、微動ステージ１のＺ並進（鉛直方向）およびピッチング、ローリング方向の位置決め制御を行なう。
【００４０】
本実施の形態によれば、微動ステージのリニアモータは、粗動ステージの加減速中においても重心のずれに起因したモーメント力に対抗する力を発生すればよいから、ローレンツ力によって重力補償も行なう場合に比べて、リニアモータに発生する熱量を格段に低く抑えることができる。
【００４１】
さらに、例えば微動ステージのサーボが不作動状態であるときに微動ステージに何らかの要因で外力が加わったり、ウエハ交換等のようにリニアモータによる位置制御によって微動ステージを−Ｚ方向へ押し下げる動作をしている状態で、非常停止などが発生し、位置制御が切れてしまったときでも、従来例のようにばね定数が等しいばね部材による自重補償を行なった場合に生じるステージのかじりや破損等を極めて効果的に防ぐことができる。
【００４２】
なお、ばね部材としては、図１に示すコイルばねの外に、板ばね等他のばね部材を用いてもよい。
【００４３】
図２は第２の実施の形態を示すもので、これは、第１の実施の形態における第１ないし第３のばね部材３ａ〜３ｃの替わりに、第１ないし第３の空気圧シリンダ２３ａ〜２３ｃを設けて、各空気圧シリンダ２３ａ〜２３ｃによって発生する微動ステージ１に対する浮上量が、ちょうどウエハＷ₂ が像面近傍に来るように、圧力調整手段２４ａ〜２４ｃによって、各空気圧シリンダ２３ａ〜２３ｃの圧力を調整するように構成したものである。微動ステージ１、粗動ステージ２、リニアモータ４ａ〜４ｃ、バーミラー１０等は第１の実施の形態と同様であるから同一符号で表わし、説明は省略する。
【００４４】
各空気シリンダ２３ａ〜２３ｃのばね定数である圧力比の算出方法は、第１の実施の形態におけるばね部材のばね定数比の場合と同様である。
【００４５】
すなわち、第１ないし第３の空気圧シリンダ２３ａ〜２３ｃは、ばね定数の異なる３個のコイルばね等のばね部材と同じ働きをする。
【００４６】
本実施の形態においても、微動ステージのリニアモータは、粗動ステージの加減速中においても重心のずれに起因したモーメント力に対抗する力を発生すればよいから、ローレンツ力によって重力補償も行なう場合に比べて、リニアモータに発生する熱量を格段に低く抑えることができる。
【００４７】
さらに、例えば微動ステージのサーボが不作動状態で、微動ステージに何らかの要因で外力が加わったり、ウエハ交換等のようにリニアモータによる位置制御によって微動ステージをＺ方向へ押し下げる動作をしている状態で、非常停止などが発生し、位置制御が切れてしまったときでも、従来例のようなステージのかじりや破損を防ぐことができる。
【００４８】
なお、磁気手段である磁石や電磁石等を、ばね部材や空気圧シリンダ等と併用し、微動ステージの自重補償の一部もしくは全てを行なう場合であっても、上記と同様に微動ステージの重心位置に基づいてばね定数等の比率を設定することで、微動ステージを安定化し、破損等を防ぐことができる。
【００４９】
次にデバイス製造方法の実施例を説明する。図３は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、あるいは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造フローを示す。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成した原版であるマスク（レチクル）を製作する。ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いて基板であるウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組立）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【００５０】
図４は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを、前述の基板処理方法によって、取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施例の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを製造することができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００５２】
少なくとも３個のばね部材を用いて微動ステージの自重補償等を行なうことで、ローレンツ力を利用したアクチュエータであるリニアモータ等の駆動量を低減し、発熱を抑えて熱変形による露光精度等の劣化を回避するとともに、ばね部材の復元力による回転モーメントの発生を防ぎ、ステージの位置制御が切れたときにかじりや損傷等のトラブルを生じるおそれのない安定性の高い微動ステージを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態による露光装置のステージ装置を示すもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）は立面図である。
【図２】第２の実施の形態によるステージ装置を示すもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）は立面図である。
【図３】半導体製造工程を示すフローチャートである。
【図４】ウエハプロセスを示すフローチャートである。
【図５】一従来例によるステージ装置を示すもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）は立面図である。
【符号の説明】
１ 微動ステージ
２ 粗動ステージ
３ａ〜３ｃ ばね部材
４ａ〜４ｃ リニアモータ
１０ バーミラー
２３ａ〜２３ｃ 空気圧シリンダ
２４ａ〜２４ｃ 圧力調整手段

Claims (9)

1. 保持面を有する微動ステージと、該微動ステージの自重および姿勢またはそのうちの一方を補償する少なくとも３個のばね部材を備えた自重補償手段と、前記微動ステージを鉛直方向に駆動するアクチュエータを有し、前記３個のばね部材のそれぞれのばね定数が、静的なつりあい状態にあるときの前記微動ステージの重心に対する各ばね部材の相対位置に基づいて設定されていることを特徴とするステージ装置。
2. ばね部材がコイルばねであることを特徴とする請求項１記載のステージ装置。
3. ばね部材が空気圧シリンダであることを特徴とする請求項１記載のステージ装置。
4. ばね部材が板ばねであることを特徴とする請求項１記載のステージ装置。
5. 自重補償手段が、少なくとも３個のばね部材と磁気手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載のステージ装置。
6. アクチュエータがリニアモータを有することを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載のステージ装置。
7. 請求項１ないし６いずれか１項記載のステージ装置によって基板を位置決めし、露光手段によって露光することを特徴とする露光装置。
8. 請求項１ないし６いずれか１項記載のステージ装置によってレチクルを位置決めすることを特徴とする露光装置。
9. 請求項７または８記載の露光装置によって基板を露光する工程を有するデバイス製造方法。

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