JP4198338B2

JP4198338B2 - Stage equipment

Info

Publication number: JP4198338B2
Application number: JP2001208525A
Authority: JP
Inventors: 慧清野; 偉高; 良幸冨田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2001-07-09
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2021-07-09
Also published as: JP2003022959A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はステージ装置に係り、特にステージ部材を少なくともＸ−Ｙ方向に高精度に駆動できるステージ装置に関する。
【０００２】
情報技術の根幹である半導体デバイスの高集積化、低コスト化に対応し、それらを製造する半導体露光装置の高生産性，高精度化，高速化等の要求が高まっている。半導体露光装置のキーコンポーネントであるＸ−Ｙステージ装置には、10nm前後の精度と数百mmの移動範囲を持ったものが必要となる。かつ、半導体デバイスの生産性の向上を図るには、被加工物を搭載したステージを高速で加工位置まで移動させる表がある。そこで、上記の各要求を全て満たすステージ装置の実現が望まれている。
【０００３】
【従来の技術】
例えば、半導体製造工程で使用する各種半導体製造装置には、被移動体となるウェハを載置し、これを移動させるステージ装置が設けられている。このステージ装置は、ベースに対してウェハを搭載したステージを駆動させる駆動装置と、ベースに対するステージの位置を計測する位置計測装置を有している。
【０００４】
従来の駆動装置としては、Ｘ方向にのみ移動するステージと、Ｙ方向にのみ移動するステージを積み上げた方式に代表される、いわゆるスタック型ステージが一般的な構成であった。
【０００５】
また、従来の位置計測装置は、１自由度ごとにロータリエンコーダやリニアエンコーダ等の測定装置を設けた構成としていた。例えば、２次元の位置決めを行なう場合は、上記のようにＸ方向またはＹ方向に独立して移動する積み上げた各ステージにそれぞれに位置計測装置を設けた構成のものや、或いは円周目盛と１軸ステージを組み合わせた測定装置で、回転の位置と半径の位置をそれぞれ独立に測定して位置決めするよう構成されたものがあった。また、レーザ干渉変位計を用いてＸ，Ｙ方向の位置を決める測定装置では、２つの変位計と、変位検出方向に直角な移動範囲に亘って形状精度の保証された高精度の直定規等を組合せ、これにより位置検出を行なう構成とされていた。
【０００６】
また、従来において、移動物体のピッチング及びヨーイングに相当する姿勢を検出する場合は、オートコリメータが利用されるが、このオートコリメータは１軸の直線方向の移動に対して、そのピッチング及びヨーイングを同時に測定できる反面、Ｘ，Ｙ方向の移動物体に対しては高精度の直定規を必要とする。
【０００７】
更に、移動物体のローリングを測定する手段として水準器が知られているが、この水準器は応答速度や測定精度に問題があり、高精度の測定機器には不適格である。そこで、平行な２本の直定規を設置して、その直定規までの距離の差からローリング角を算出する方法や１本の直定規を基準の鏡面としてオートコリメータでローリング角を検出するようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような駆動装置を用いたステージ装置では、上部に位置するステージが移動すると下部に位置するステージの重心が変動し、上部のステージの移動性に下部のステージの重心変動の影響が加算されてしまうという問題点があった。この問題点を解決するには、各ステージの剛性を高める必要があるが、剛性を高めるとステージ装置全体の大きさが大きくなってしまう。また、異なる複数のステージを積み上げた構成では、ステージ装置の構造が複雑化してしまい、これによってもステージ装置全体の大きさが大きくなってしまう。
【０００９】
また、上記のような位置計測装置を用いたステージ装置では次のような問題点が生じる。即ち、従来の位置計測装置に用いられるロータリエンコーダやリニアエンコーダ等の測定装置は、１次元の位置決めしかできず、２次元の位置決めには上記の測定装置を少なくとも２組組み合わせる必要があり、移動物体検出装置の設計に大きな制約がある。
【００１０】
また、レーザ干渉変位計を用いて位置決めする場合も本質的に１軸で１次元の位置決めしかできず、２次元の位置決めを行なう場合には、高い精度の直定規が必要になる。その結果、この種の位置計測装置をステージ装置に設ける場合、構造上に制約がありかつコスト高になるという問題点がある。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、装置の小型化を図れると共に、ベースに対するステージの位置測定を高精度に行ないうるステージ装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項１記載の発明に係るステージ装置は、
ベースと、
被移動体が載置されるステージと、
前記ベースまたは前記ステージのいずれか一方に取り付けられた一対の磁石列と、
前記ベースまたは前記ステージのいずれか他方に取り付けられた複数のコイル群と、
基部の表面上または面内に形成され、角度に関する性質がＸ−Ｙ方向の２次元方向に既知の関数で変化する角度格子から構成されており、前記ベース或いは前記ステージの内いずれか一方の中央部に配設された目盛と、
前記ベース或いは前記ステージの他方の中央部に配設されており、前記目盛の角度格子面に光を照射すると共に、該目盛で反射される反射光のＸ−Ｙ方向の２次元角度を検出する２次元角度センサーとを有し、
前記一対の磁石列の間に前記目盛を設け、
前記複数のコイル群の間に前記２次元角度センサーを設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
上記発明によれば、装置の軽量化，剛性の向上，及び製造コストの低減を図ることができる。また装置が軽量化し、剛性の向上も図れることにより、制御面においても高周波領域までサーボ性能の確保することが可能となる。
【００１５】
また、目盛が角度形状を表わす２次元の角度格子から形成されるため、単一の目盛に角度センサーを組み合わせるだけで移動物体の２次元の位置検出は勿論のこと、ピッチング角、ローリング角及びヨーイング角をも検出することが可能になる。また、角度格子とすることにより、直交座標、円筒座標、極座標もしくは自由曲面に沿う座標のような２次元の座標に関する位置検出も可能になる。
【００１６】
更に、２次元角度センサーは、従来用いられていたレーザ干渉計等と比べてデッドパスが非常に小さいため、熱膨張による計測誤差や空気の揺らぎなどの影響を受け難く、よって高い位置及び姿勢計測を行なうことが可能となる。
【００１７】
また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載のステージ装置において、
前記一対の磁石列と前記目盛を前記ステージに配設すると共に、
前記複数のコイル群と前記２次元角度センサーを前記ベースに配設したことを特徴とするものである。
【００１９】
また、請求項３記載の発明は、
請求項１記載のステージ装置において、
前記一対の磁石列は、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線上に配列した一対の磁石列であり、
前記複数のコイル群は、前記一対の磁石列のそれぞれに交差するように対向配置されると共に前記磁石列が発生する磁束と係合するよう取り付けられており、対向する磁石列の配列方向とほぼ平行な軸方向を有するコイルを含んで構成された一対のコイル群であり、
前記一対の磁石列の間に前記目盛を設け、
前記一対のコイル群の間に前記２次元角度センサーを設けたことを特徴とするものである。
【００２０】
また、請求項４記載の発明は、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記２次元角度センサーを少なくとも３個設けたことを特徴とするものである。
【００２１】
上記発明によれば、２次元の角度格子からなる目盛に少なくとも３個の２次元角度センサーを組み合わせることにより、目盛及び角度センサーの相対的移動における移動物体の２次元座標位置、ピッチング角、ローリング角及びヨーイング角を検出することができ、更に角度センサーに既知の所定の角度変化を与えることで、目盛と角度センサー間の距離も検出することができる。
【００２２】
また、請求項５記載の発明は、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記角度格子の角度形状の誤差を校正した結果に基づいて、前記角度格子による座標位置と姿勢角の測定結果の補正をする手段を備えることを特徴とするものである。
【００２３】
上記発明によれば、角度格子の角度形状の誤差を校正した結果に基づいて角度格子による座標位置と姿勢角の測定結果を補正する補正手段を備えることにより、角度格子を高精度に作成できない場合、校正データをメモリに格納しておき、このデータ間を内挿で近似演算させることで校正結果を基に測定データの補正を行なうことが可能になる。
【００２４】
また、請求項６記載の発明は、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記被移動体を装着するチャックを前記ステージに対し着脱可能な構成とし、
かつ、前記目盛を該チャックに配設したことを特徴とするものである。
【００２５】
上記発明によれば、被移動体が装着されることによりこの被移動体と一体的に取り扱われるチャックに目盛を設けたことにより、チャックとステージとの間に発生する誤差がなくなり、高精度の位置計測を行なうことができる。
【００２６】
また、請求項７記載の発明は、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のステージ装置において、
前記目盛を前記被移動体に配設すると共に、前記ステージの前記２次元角度センサーと対向する領域に前記光を前記目盛に照射するための透明部を設けたことを特徴とするものである。
【００２７】
上記発明では、被移動体自体に目盛が配設されるため、チャッキングと目盛との間における誤差がなくなり、より高精度の位置計測を行なうことができる。また、被移動体に目盛が配設されても、ステージの２次元角度センサーと対向する領域には、光を目盛に照射するための透明部が設けられているため、ステージ（被移動体）の位置計測を行なうことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００２９】
図１及び図２は、本発明の一実施例であるステージ装置１０を示している。図１はステージ装置１０の分解斜視図であり、図２はステージ装置１０の部分的に切り欠いた組み立てられた状態の斜視図である。このステージ装置１０は、例えば半導体製造用のステッパ等において被移動体となるウェハを所定位置に移動させるのに用いられる装置である。
【００３０】
このステージ装置１０は、大略するとベース１１、ステージ１２、サーフェスエンコーダ２４、及び駆動装置等により構成されている。ベース１１はステージ装置１０の基台となるものであり、後述するリニアモータ構造部２０Ａ，２５Ａ、Ｚ方向電磁石３０、及び２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃ等が配設される。
【００３１】
また、ステージ１２は被移動体となるウェハ６０及びチャック６１が上部に搭載される（図１６参照）と共に、下部にはマグネット１５，１６、ヨーク１７、及びスペーサ１８を介してＺ方向用マグネット１９が配設される。このステージ１２は、ベース１１に対して図中矢印Ｘ方向移動、Ｙ方向移動、及びＺ軸を中心とした回転移動が可能な構成とされている。
【００３２】
サーフェスエンコーダ２４は、目盛１３と、本実施例では３個の２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃとにより構成されている。目盛１３は、図３及び図５に拡大して示すように、基部４１の表面上または面内に形成され、角度に関する性質がＸ−Ｙ方向の２次元方向に既知の関数（本実施例では正弦波の山と谷の集合）で変化する角度格子４０から構成されている。
尚、本実施例では３個の２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃが配設されているが、以下の説明では、説明を容易にするために１個の２次元角度センサー１４が配設されている構成を想定し説明するものとする（図３参照）。
【００３３】
目盛１３に形成された角度格子４０の高さ形状ｆ（Ｘ，Ｙ）は、次式で与えられる。但し、次式において、Ａｘ，ＡｙはそれぞれＸ，Ｙ方向の振幅であり、λｘ，λｙはその波長である。
【００３４】
ｆ（ｘ，ｙ）＝Ａｘ・sin（２πＸ／λｘ）＋Ａｙ・sin（２πＹ／λｙ）…▲１▼また、この角度格子４０のＸ方向，Ｙ方向の角度形状（２次元角度センサー１４で測定したときの出力）θ（ｘ），ψ（ｙ）は、それぞれ角度格子４０の形状を偏微分したもので表され、次式で与えられる。
【００３５】
θ（ｘ）＝δｆ／δｘ＝（２πＡ_１／λ_１）・cos（２πｘ／λ_１）…▲２▼
ψ（ｙ）＝δｆ／δｙ＝（２πＡ_２／λ_２）・cos（２πｘ／λ_２）…▲３▼
図３に示されるように、角度格子４０をＸ，Ｙの２方向の角度変化が検出できる２次元角度センサー１４で測定すると、角度格子形状の山に対する高さが同一でも、山の斜面の位置によって角方向の角度出力が異なるため、この違いから２次元位置を決定することができる。
これにより、ベース１１或いはステージ１２の内いずれか一方に目盛１３を取り付け、他方に２次元角度センサー１４を取り付けることで、それらの相対移動における移動体（即ち、ステージ１２）の２次元座標を検出することができる。本実施例では、目盛１３はステージ１２の背面（ベース１１と対向する面）の略中央位置に固定されている。
【００３６】
図６は、本実施例で用いた目盛１３に形成された角度格子４０の一部を干渉顕微鏡で測定したものである。本実施例における角度格子４０は、精密旋盤で直径55mm暑さ10mmの円筒をしたアルミニウムを正面旋削により加工したものである。また、その高さ形状は、片振幅0.3μm，周期300μmの正弦波の重ね合わせで表せられ、具体的には次式で与えられる。
ｆ（Ｘ，Ｙ）=0.3・sin（２πＸ／300）+0.3・sin（２πＹ／300）［μm］…▲４▼
尚、本実施例における角度格子４０の角度振幅は±21.6分である。
【００３７】
一方，２次元角度センサー１４は、ベース１１に配設された構成とされている。この２次元角度センサー１４は，図６に示されるような光学系により構成されている。この２次元角度センサー１４を構成する光学系は、光源５０、反射用プリズム５２，５３，５７，５８、ビームスプリッター５４，１/４波長板５５，コリメータレンズ５６，及びフォトダイオード５９等により構成されている。
【００３８】
そして、光源５０から発射され、グリッドフィルム５１を通過し、反射用プリズム５２，５３で反射し方向を代えたレーザ光６５は、そのｐ偏光成分がビームスプリッター５４及び１/４波長板５５を通過し、反射用プリズム５８によって上向きに反射され、ステージ１２に取り付けられた目盛１３（角度格子４０）に当たる。
【００３９】
目盛１３（角度格子４０）で反射したレーザ光６５は、再び１/４波長板５５を通過してｓ偏光となりビームスプリッター５４で反射し、コリメータレンズ５６を通過し、その焦点距離の位置に置かれた４分割とされたフォトダイオード５９に集光する。２次元角度センサー１４は、この様にレーザオートコリメーションの原理によって、２次元の角度変化を検出する。
【００４０】
上記構成とされたサーフェスエンコーダ２４では、角度格子４０の形状が位置検出の基準となるので、形状に誤差が含まれると位置検出精度にも影響を与える。２次元角度センサー１４のプローブであるレーザビームが１本であったとき、その出力は角度格子４０の格子ピッチの変化や形状誤差の影響を大きく受けてしまう。この誤差の影響は、複数のレーザビームを角度格子４０の同位相に照射し、常に複数の山を観察できる構成とすることにより排除することができる。
【００４１】
そこで本実施例では、３個の２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃをセンサー基板３３に設け、これにより複数のレーザビームを角度格子４０の同位相に照射する構成とし、角度格子４０の形状のばらつき（格子ピッチ）の高周波成分、また、角度格子４０の形状誤差の影響を平均して測定精度の向上を図っている。
【００４２】
また、角度格子４０に３個の２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃを組み合わせることにより、目盛１３及び２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃの相対的移動における移動物体の２次元座標位置、ピッチング角、ローリング角及びヨーイング角を検出することができ、更に２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃに既知の所定の角度変化を与えることで、目盛１３と２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃ間の距離も検出することが可能となる。
【００４３】
更に、２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃは、従来用いられていたレーザ干渉計等と比べてデッドパスが非常に小さいため、熱膨張による計測誤差や空気の揺らぎなどの影響を受け難く、よって高い位置及び姿勢計測を行なうことが可能となる。
【００４４】
続いて、駆動装置について説明する。
【００４５】
駆動装置は、ベース１１に対してステージ１２をＸ方向移動，Ｙ方向移動，及びＺ軸を中心とした回転移動を行なわれるものである。この駆動装置は、ベース１１に配設されたＸ方向リニアモータ構造部２０Ａ，２０Ｂ、Ｙ方向リニアモータ構造部２５Ａ，２５Ｂ、Ｚ方向電磁石３０と、ステージ１２に配設されたＸ方向用マグネット１５，Ｙ方向用マグネット１６，Ｚ方向用マグネット１９等により構成されている。
【００４６】
Ｘ方向リニアモータ構造部２０Ａはベース１１上に配設されており、一対のＸ方向用コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２（双方をまとめていうときにはＸ方向用コイル２１Ａという）と、Ｘ方向用コア２２Ａとにより構成されている。一対のＸ方向用コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２は図中矢印Ｘ方向に並設されており、それぞれ独立して電流を供給できる構成とされている。
【００４７】
また、Ｘ方向リニアモータ構造部２０ＢはＸ方向リニアモータ構造部２０Ａと同一構成とされており、Ｘ方向用コイル２１Ｂ（符号は付さないが、一対のＸ方向用コイルにより構成されている）及びＸ方向用コア２２Ｂとにより構成されている。このＸ方向リニアモータ構造部２０ＡとＸ方向リニアモータ構造部２０Ｂは、前記した２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃの配設位置を挟んで、図中矢印Ｙ方向に離間して配置された構成とされている。
【００４８】
一方、Ｙ方向リニアモータ構造部２５Ａ及びＹ方向リニアモータ構造部２５Ｂも、前記したＸ方向リニアモータ構造部２０Ａと同様の構成とされている。即ち、Ｙ方向リニアモータ構造部２５ＡはＹ方向用コイル２６Ａ（符号は付さないが、一対のＹ方向用コイルにより構成されている）とＹ方向用コア２７Ａとにより構成され、Ｙ方向リニアモータ構造部２５ＢはＹ方向用コイル２６Ｂ（符号は付さないが、一対のＹ方向用コイルにより構成されている）とＹ方向用コア２７Ｂとにより構成されている。このＹ方向リニアモータ構造部２５ＡとＹ方向リニアモータ構造部２５Ｂは、前記した２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃの配設位置を挟んで、図中矢印Ｘ方向に離間して配置された構成とされている。
【００４９】
Ｚ方向電磁石３０は、ベース１１に対してステージ１２を浮上させることにより、前記したＸ方向用マグネット１５Ａと後述するステージ１２に設けられた各マグネット１５，１６との間にギャップを形成する機能を奏するものである。このＺ方向電磁石３０は、Ｚ方向用コイル３１とＺ方向用コア３２とにより構成されている。また、浮上を安定化するため、矩形状とされたベース１１の四隅位置にそれぞれ配設されている。尚、ベース１１に対してステージ１２を浮上させる手段は、本実施例で採用している磁気的な手段の他にも、圧縮空気を用いる方法や、複数のボールでベース１１を支持する手段等が考えられる。
【００５０】
一方、前記したようにステージ１２にはＸ方向用マグネット１５及びＹ方向用マグネット１６が配設されている。図に現れないが、各マグネット１５，１６はそれぞれ一対ずつ合計４個が配設されている。従って、ステージ１２を底面視した状態において、各マグネット１５，１６は協働して略四角形をなすよう配置されている。
【００５１】
Ｘ方向用マグネット１５は、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線状に配列した複数の磁石列（小磁石の集合体）により構成されている。同様に、Ｙ方向用マグネット１６も、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線状に配列した複数の磁石列により構成されている。各マグネット１５，１６の上部にはヨーク１７が配設されており、このヨーク１７は各マグネット１５，１６を構成する複数の各磁石を磁気的に結合する機能を奏する。
【００５２】
上記構成において、ベース１１に対しステージ１２を装着した状態において、一対のＸ方向用マグネット１５の一方がＸ方向リニアモータ構造部２０Ａ上に位置し、かつ他方のＸ方向用マグネット１５がＸ方向リニアモータ構造部２０Ｂ上に位置するよう構成されている。また、ベース１１に対しステージ１２を装着した状態において、一対のＹ方向用マグネット１６の一方がＹ方向リニアモータ構造部２５Ａ上に位置し、かつ他方のＹ方向用マグネット１６がＹ方向リニアモータ構造部２５Ｂ上に位置するよう構成されている。
【００５３】
また、ベース１１がステージ１２に装着された状態で、かつＺ方向電磁石３０によりステージ１２がベース１１に対し浮上した状態において、各マグネット１５，１６が発生する磁界が対向するリニアモータ構造部２０Ａ，２０Ｂ，２５Ａ，２５Ｂに係合するよう構成されている。更に、上記装着状態において、各マグネット１５，１６は、各リニアモータ構造部２０Ａ，２０Ｂ，２５Ａ，２５Ｂに設けられている各コイル２１Ａ，２１Ｂ，２６Ａ，２６Ｂの巻回方向に対し直交するよう配置されている。
【００５４】
駆動装置を上記構成とすることにより、Ｘ方向リニアモータ構造部２０Ａ，２０ＢとＸ方向用マグネット１５は協働して、ステージ１２を図中矢印Ｘ方向に駆動するリニアモータとして機能する。同様に、Ｙ方向リニアモータ構造部２５Ａ，２５ＢとＹ方向用マグネット１６は協働して、ステージ１２を図中矢印Ｙ方向に駆動するリニアモータとして機能する。
【００５５】
即ち、本実施例ではＸ，Ｙ両方向にそれぞれ２組ずつのリニアモータが配置された構成となる。この構成とすることにより、装置中央部分に比較的大きな空間を確保できるため、この位置にサーフェスエンコーダ２４を設置することができる。尚、本実施例ではステージ１２に目盛１３を配設し、ベース１１に２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃを配設した構成とした。これは、目盛１３には配線を接続する必要がないためである。しかしながら、目盛１３をベース１１に配設し、２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃをステージ１２に設ける構成とすることも可能である。
【００５６】
また上記構成とされた駆動装置において、Ｘ方向リニアモータ構造部２０ＡとＸ方向リニアモータ構造部２０Ｂのみを同時に同方向に駆動させると、ステージ１２は図中矢印Ｘ方向に並進運動する。同様に、Ｙ方向リニアモータ構造部２５ＡとＹ方向リニアモータ構造部２５Ｂのみを同時に同方向に駆動させると、ステージ１２は図中矢印Ｙ方向に並進運動する。また、対になった各リニアモータ構造部２０Ａと２０Ｂ、２５Ａと２５Ｂをそれぞれ逆方向に駆動させることにより、ステージ１２は図中矢印Ｚ軸まわりθ_Ｚの回転運動を行なう。
【００５７】
続いて、図４を用いて駆動装置によりステージ１２が移動する原理について説明する。尚、説明を簡単化するため、ステージ１２をＸ方向に移動させる１つのリニアモータ（Ｘ方向用マグネット１５とＸ方向リニアモータ構造部２０Ａ）を例に挙げて説明するものとする。
【００５８】
まず、図４（Ａ）に示すように、Ｘ方向用コイル２１Ａ−２に図に書かれた方向に電流を流すと、電流とそれに対向したＸ方向用マグネット１５との間にＸ軸に沿った力が生じ、生じたそれぞれの力が釣り合ったところでＸ方向用マグネット１５は停止する。
この状態で図４（Ｂ）に示すように、Ｘ方向用コイル２１Ａ−１に電流を流すと、Ｘ方向用コイル２１Ａ−１に対向しているＸ方向用マグネット１５にそれぞれ図に右向きの力が生じる。この力により、Ｘ方向用マグネット１５（即ち、ステージ１２）が動き出し、図４（Ｃ）に示すように、Ｘ方向用コイル２１Ａ−１とＸ方向用コイル２１Ａ−２によって磁石に生じる力が釣り合った位置まで磁石は移動する。その後、図４（Ｄ）に示すように、Ｘ方向用コイル２１Ａ−２の電流を切ると、Ｘ方向用コイル２１Ａ−１の電流で力が釣り合う位置で移動する。上記した図４（Ａ）〜（Ｄ）の動作により、Ｘ方向用マグネット１５（ステージ１２）が磁石半個分の距離Δｄだけ移動する。
【００５９】
上記のようにＸ方向用コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２に印加する電流をＯＮ，ＯＦＦのみで駆動すると、磁石1/4個分ずつの移動しかできないが、図４（Ｃ）に示す状態でＸ方向用コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２に流す電流の大きさの比を変化させると、それに応じてそれぞれの電流の大きさに釣り合った位置までＸ方向用マグネット１５が移動するので、半範囲内で任意の位置に磁石を移動させることができる。
また、対向するＸ方向用マグネット１５の極性に応じてコイルに印加する電流の方向を変化させることで、Ｘ方向用マグネット１５の配列の存在する範囲内で自由に駆動することができる。
【００６０】
上記した本実施例に係る駆動装置では、駆動分解能はＸ方向用マグネット１５を構成する複数の磁石の幅及びＸ方向用コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２の幅と、各コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２への印加電圧を出力するＤ／Ａボードの分解能によって決定される。例えば、上記の磁石及びコイルの幅が１０mm，Ｄ／Ａボードが１６bitであると仮定すると、このステージの並進駆動の最小駆動量は0.2μm，回転駆動では0.5秒となる。なお、駆動方式を改良することにより、ナノメートルオーダの駆動も可能である。
【００６１】
また本実施例では、通常の直流モータと異なり、常にステージ１２に生じる力が釣り合う位置の付近でステッピングモータ状に駆動する。このため、各コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２に印加する電圧を計算することによって、ステージ１２のオープンループ駆動を行なうことができる。
尚、上記した駆動装置の説明では、ステージ１２をＸ方向に移動させる１つのリニアモータ（Ｘ方向用マグネット１５とＸ方向リニアモータ構造部２０Ａ）を例に挙げて説明したが、他のマグネット１５，１６と、Ｘ方向リニアモータ構造部２０Ｂ及びＹ方向リニアモータ構造部２５Ａ，２５Ｂとより構成されるリニアモータの駆動原理も同様である。
【００６２】
上記構成とされた駆動装置では、一段構造でステージ１２をＸ方向及びＹ方向の移動及びＺ軸回りの回転を制御することが可能である。また、各方向毎のガイド構造を持つ必要はなく、最終ステージであるステージ１２が直接駆動される構成のため、ステージ装置１０の軽量化，剛性の向上，及び製造コストの低減を図ることができる。またステージ装置１０が軽量化し、剛性の向上も図れることにより、制御面においても高周波領域までサーボ性能の確保することが可能となる。
【００６３】
続いて、上記構成とされたステージ装置１０において、本発明者が実際にステージ１２を駆動させる実験を行なったときの実験結果について説明する。
尚、以下の実験では、サーフェスエンコーダ２４の出力を用いないで駆動したものをオープンループ駆動，サーフェスエンコーダ２４の出力を用いて位置情報をフィードバックしながら駆動を行なったものをクローズドループ駆動する。
【００６４】
図７は、ステージ１２をＸ方向にオープンループ駆動した時のサーフェスエンコーダ２４の出力（２次元角度センサー１４Ａの出力）の様子を示している。同図より、Ｘ方向出力は±７０％程度の振幅で周期的に出力が変化していることが確認できる。また、図示しないが、Ｙ方向についても同様の出力が得られた。
【００６５】
ここで、サーフェスエンコーダ２４の出力が０％となる点をゼロクロス点と呼ぶこととすると、このゼロクロス点同士の間隔は角度格子４０（図３，図５参照）の１周期分の波長300μmに対応する。サーフェスエンコーダ２４では、このゼロクロス点の数から300μmずつの距離が、また、その間については正弦波状のサーフェスエンコーダ２４の出力を内挿することにより求めることができる。
【００６６】
そこで本実施例ではゼロクロス点の個数に注目し、以下説明する実験ではサーフェスエンコーダ２４の出力のゼロクロス点（300μm）を目標にしたステージ１２の位置決めを行なうこととした。
【００６７】
図８は、ステージ１２を微小並進駆動したときにおける、サーフェスエンコーダ２４の出力変化の様子を示している。また、同じ微小並進駆動したときにおける、レーザ干渉測長機による測定結果も比較のために測定し、同図に示している。
【００６８】
同図より、レーザ干渉測長機によって測定したステージ１２の0.2μmの並進駆動に応じて、サーフェスエンコーダ２４の出力も約0.2％変化していることが確認できる。これにより、レーザ干渉測長機の出力と同様の変化を、本実施例に係るサーフェスエンコーダ２４によっても検出できていることが確認できる。
【００６９】
次に、サーフェスエンコーダ２４の出力を基準にして、目盛１３に設けられた角度格子４０の１周期分の300μm，及び角度格子４０の５周期分の1.5mmの位置を目標にしたPTP(Point To Point)駆動での１軸位置決めを行なった実験結果について以下述べる。
【００７０】
角度格子４０の１周期分（300μm）のＸ方向１軸駆動を行なったときのステージ１２の移動量を、外部からレーザ干渉測長機で観測した結果を図９に示す。同図より、ステージ１２がＸ方向に約300μm駆動し、この時の位置決め誤差は１μmであることが判った。
【００７１】
図１０は、この時のサーフェスエンコーダ２４のＸ方向出力を示している。ここで、図の横軸は制御する際に用いたデータのデータ番号である。また、図中Ｔ１〜Ｔ３は、図９に示したＴ１〜Ｔ３と時間的に対応している。
同図より、先ずスタートのゼロクロスを探し（図中のＴ１）、続いて角度格子４０の１周期分駆動を行ない（図中のＴ２）、再びゼロクロスに落ち着いて（図中のＴ３）いることが確認できる。
【００７２】
また、同様に角度格子４０の５周期分（1.5mm）のＸ方向１軸駆動を行った時の移動量を、外部からレーザ干渉測長機で観測した結果を図１１に示す。これにより、ステージ１２がＸ方向に約1.5mm駆動し、この時の位置決め誤差が６μmであることが判った。
図１２は、この時のサーフェスエンコーダ２４のＸ方向出力を示している。同様に、先ずスタートのゼロクロスを探し（図中のＴ１）、続いて角度格子４０の５周期分駆動を行ない（図中のＴ２）、再びゼロクロスに落ち着いて（図中のＴ３）いることが確認できる。
【００７３】
また、オープンループ駆動で、300μmの距離を目標にＸＹ各方向にそれぞれ進んで元の位置に戻るような電圧パターンを出力し、２次元繰り返し駆動を行なう実験を実施した。この時の駆動結果を図１３に示す。同図に示されるように、目標位置との位置決め誤差は、Ｘ方向で100μm，Ｙ方向で160μm程度であり、各地点における繰り返し性は、±15μm程度であった。よって、オープンループ駆動では、目標の位置から大きく外れていることが判る。
【００７４】
これに対し、続いてサーフェスエンコーダ２４の出力を基準に、角度格子４０の１周期分（300μm）ずつの２次元繰り返し駆動を行なった。この時の駆動結果を図１５に示す。同図に示されるように、位置決め誤差は、最大Ｘ方向で６μm、Ｙ方向で２μmであった。また、各目標地点における２次元駆動の繰り返し性は、±２μmであった。このように、ステージ１２の位置検出にサーフェスエンコーダ２４を用いることで、300μｍを目標としたPTP駆動を行なうことができた。
【００７５】
図１５は、ステージ１２をＡ点（Ｘ＝０μm，Ｙ＝０μm）を出発点、Ｂ点（Ｘ＝900μm，Ｙ＝900μm）を目標位置にした４つのルート（図中、ルート１〜ルート４で示す）で移動させたときの、それぞれの２次元パターン駆動の結果をまとめて示している。また、ルート１が300μｍずつの交互のＬ字駆動、ルート２が900μｍずつの斜め駆動、ルート４が900μｍの斜め駆動である。同図に示す駆動においても、サーフェスエンコーダ２４の出力を基準に駆動を行なっている。
【００７６】
同図に示されるように、目標位置Ｂ点における４つのルートによる位置決めの繰り返し性はＸ方向，Ｙ方向共に±2.5μmの範囲内であった。これは、上記で述べた繰り返し性の範囲と略等しい。また、駆動の目標位置であるＸ＝900μｍ，Ｙ＝900μｍの地点における位置決め誤差は、Ｘ方向に関しては15μｍ程度、Ｙ方向に関しては12μｍ程度であった。
【００７７】
これらの位置決め誤差は、主に角度格子４０の形状誤差によるもので、それを校正することによって補正することで、より精度を高めることが可能である。具多的には、角度格子４０の角度形状の誤差を校正した結果に基づいて角度格子４０による座標位置と姿勢角の測定結果を補正する補正手段を設け、角度格子４０を高精度に作成できない場合、校正データをメモリ等に格納しておき、このデータ間を内挿で近似演算させることで校正結果を基に測定データの補正を行なう構成としてもよい。
【００７８】
上記した実験結果より、目盛１３及び２次元角度センサー１４Ａ〜１４Ｃよりなるサーフェスエンコーダ２４をステージ装置１０に組み込むことにより、ステージ１２の高精度な位置検出（移動量検出）を行なうことができ、ステージ１２の駆動制御の精度及び信頼性を向上させることができる。
【００７９】
次に、上記したステージ装置１０の変形例について説明する。
【００８０】
図１７は、上記したステージ装置１０の第１変形例であるステージ装置１０Ａを示す概略構成図である。尚、比較のため、図１６に上記したステージ装置１０の概略構成図を示している。また、図１７及び図１８において、ステージ装置１０の構成と同一構成については同一符号を付してその説明を省略するものとする。
【００８１】
上記したステージ装置１０は、ステージ１２の底面（ベース１１と対向する面）に２次元角度センサー１４と対向するよう目盛１３を配設した構成とした。また、被移動体としてウェハ６０を用いる場合、ステージ１２上にチャック６１を設け、このチャック６１にウェハ６０を保持させる構成としていた。
【００８２】
これに対し、本変形例に係るステージ装置１０Ａは、ウェハ６０を保持するチャック６１Ａをステージ１２Ａに対して着脱可能な構成とすると共に、目盛１３をチャック６１Ａに配設した構成としている。
具体的には、ステージ１２Ａには装着部６２が形成されており、チャック６１Ａはこの装着部６２に挿入脱可能な構成とされている。これにより、チャック６１Ａはステージ１２Ａに対して着脱可能な構成とされている。また、チャック６１Ａの底面は、ステージ１２Ａに装着された状態において、ステージ１２Ａの底面から露出するよう構成されている。
【００８３】
目盛１３は、チャック６１Ａの底面に配設されている。よって、チャック６１Ａをステージ１２Ａに装着した状態において、目盛１３はステージ１２Ａの底面から露出し、ベース１１に設けられた２次元角度センサー１４と対向した状態となる。
【００８４】
これにより、２次元角度センサー１４は、目盛１３に向けレーザ光６５を発射すると共にその反射光を入射することが可能となるため、ステージ１２Ａの位置測定を行なうことが可能となる。また本変形例では、ウェハ６０と一体的に取り扱われるチャック６１Ａに目盛１３を設けているため、チャック６１Ａとステージ１２Ａとの間に誤差が生じても、これがサーフェスエンコーダ２４の測定結果に影響を与えることがなくなり、よって高精度の位置計測を行なうことができる。
【００８５】
図１８は、上記したステージ装置１０の第２変形例であるステージ装置１０Ｂを示す概略構成図である。
本変形例では、目盛１３を被移動体となるウェハ６０の背面側に直接配設したことを特徴としている。また、ウェハ６０の背面側に配設された目盛１３を２次元角度センサー１４で確認できるよう、ステージ１２Ｂの目盛１３と対向する領域には、２次元角度センサー１４から照射されたレーザ光６５が目盛１３に照射されるように透明部６３が設けられている。
【００８６】
目盛１３はウェハ６０に貼り付ける等により固定してもよく、またウェハ６０を直接加工することにより一体的に形成する構成としてもよい。これにより、目盛１３はウェハ６０と一体化した構成となる。また、透明部６３は、例えばステージ１２Ｂに嵌めこまれたガラス或いは透明樹脂により構成されている。
【００８７】
本変形例では、被移動体となるウェハ６０自体に目盛１３が配設されるため、上記した第２変形例に係る構成で発生するおそれがある、チャック６１Ａと目盛１３との間における誤差の発生を防止でき、より高精度の位置計測を行なうことができる。また、ウェハ６０に目盛１３が配設されても、ステージ１２Ｂの２次元角度センサー１４と対向する領域（移動範囲わたり対向するよう設定されている）には、レーザ光６５を目盛１３に照射するための透明部６３が設けられているため、ステージ１２（ウェハ６０）の位置計測を確実に行なうことができる。
【００８８】
尚、上記した本発明は、半導体製造装置のみならず、マイクロマシン，ＩＴ用光通信部品等、今後微細加工を必要とする分野に広く適用することが可能である。即ち、現在のマイクロマシン製造技術の多くは半導体製造技術を利用しており、本発明を用いることにより、より微細で多様なマイクロマシンを製造することが可能となる。
また、レーザ加工の分野では、サブミクロンの精度で超高速に動くステージが要求されている。また、複雑な形状を加工するために、自由度の高いステージが必要となる。従来のステージ装置では、これらの要求を満たすものは無かったが、本発明のステージ装置は、高精度，高速，多自由度を実現できるため、レーザ加工用ステージとしても用いることができる。更に、本発明は、上記した分野だけではなく、超精密機器，超精密計測装置，マウンター等の、電子部品の組み立て、検査装置，或いはオフィスオートメーション分野においても適用することが可能である。
【００８９】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、次に述べる種々の効果を実現することができる。
【００９０】
請求項１記載の発明によれば、装置の軽量化，剛性の向上，及び製造コストの低減を図ることができ、これに伴い制御面においても高周波領域までサーボ性能の確保することが可能となる。
【００９１】
また、２次元角度センサーは、従来用いられていたレーザ干渉計等と比べてデッドパスが非常に小さいため、熱膨張による計測誤差や空気の揺らぎなどの影響を受け難く、よって高い位置及び姿勢計測を行なうことが可能となる。
【００９２】
また、請求項２及び請求項３記載の発明によれば、一段構造の駆動装置でも、ステージをベースに対してＸ，Ｙ方向移動及びＺ軸回りの回転移動させることが可能となる。
【００９３】
また、請求項４記載の発明によれば、目盛及び角度センサーの相対的移動における移動物体の２次元座標位置、ピッチング角、ローリング角及びヨーイング角を検出することができ、更に角度センサーに既知の所定の角度変化を与えることで、目盛と角度センサー間の距離も検出することができる。
【００９４】
また、請求項５記載の発明によれば、角度格子を高精度に作成できない場合、校正データをメモリに格納しておき、このデータ間を内挿で近似演算させることで校正結果を基に測定データの補正を行なうことが可能になる。
【００９５】
また、請求項６記載の発明によれば、チャックとステージとの間に発生する誤差がなくなり、高精度の位置計測を行なうことができる。
【００９６】
また、請求項７記載の発明によれば、チャッキングと目盛との間における誤差がなくなり、より高精度の位置計測を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるステージ装置の分解斜視図である。
【図２】本発明の一実施例であるステージ装置の部分的に切り欠いた斜視図である。
【図３】本発明の一実施例であるステージ装置に設けられる目盛及び２次元角度センサーを説明するための図である。
【図４】ステージが駆動する原理を説明するため図である。
【図５】本発明の一実施例であるステージ装置に設けられる目盛を拡大して示す図である。
【図６】本発明の一実施例であるステージ装置に設けられる２次元角度センサーの光学系を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施例であるステージ装置をＸ方向にオープンループ駆動したときの２次元角度センサーの出力を示す図である。
【図８】本発明の一実施例であるステージ装置を微小並進駆動したときの２次元角度センサーの出力をレーザ干渉測長機の出力と比較して示す図である。
【図９】本発明の一実施例であるステージ装置において、角度格子１周期分のＸ方向１軸駆動を行なったときのステージの移動量をレーザ干渉測長機で測定した結果を示す図である。
【図１０】本発明の一実施例であるステージ装置において、角度格子１周期分のＸ方向１軸駆動を行なったときのステージの移動量を２次元角度センサーで測定した結果を示す図である。
【図１１】本発明の一実施例であるステージ装置において、角度格子５周期分のＸ方向１軸駆動を行なったときのステージの移動量をレーザ干渉測長機で測定した結果を示す図である。
【図１２】本発明の一実施例であるステージ装置において、角度格子５周期分のＸ方向１軸駆動を行なったときのステージの移動量を２次元角度センサーで測定した結果を示す図である。
【図１３】本発明の一実施例であるステージ装置において、オープンループ駆動でステージを所定方向に移動させた後元に戻る２次元繰り返し駆動を行なったときの駆動結果を示す図である。
【図１４】本発明の一実施例であるステージ装置において、角度周期１周期分ずつの２次元繰り返し駆動を行なったときの２次元角度センサーの出力を示す図である。
【図１５】本発明の一実施例であるステージ装置において、Ａ点を出発位置、Ｂ点を目標位置とした４つのルートの２次元駆動したときの２次元角度センサーの出力を示す図である。
【図１６】本発明の一実施例であるステージ装置の概略構成図である。
【図１７】本発明の一実施例であるステージ装置の第１変形例であるステージ装置の概略構成図である。
【図１８】本発明の一実施例であるステージ装置の第２変形例であるステージ装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂステージ装置
１１ベース
１２，１２Ａ，１２Ｂステージ
１３目盛
１４Ａ〜１４Ｃ２次元角度センサー
１５Ｘ方向用マグネット
１６Ｙ方向用マグネット
１７ヨーク
１８スペーサ
１９Ｚ方向用マグネット
２０Ａ，２０ＢＸ方向リニアモータ構造部
２１Ａ，２１Ａ−１，２１Ａ−２，２１ＢＸ方向用コイル
２２Ａ，２２ＢＸ方向用コア
２５Ａ，２５ＢＹ方向リニアモータ構造部
２６Ａ，２６ＢＹ方向用コイル
２７Ａ，２７ＢＹ方向用コア
３０Ｚ方向電磁石
３１Ｚ方向用コイル
３２Ｚ方向用コア
４０角度格子
４１基部
５０光源
５４ビームスプリッター
５５ 1/4波長板
５６コリメータレンズ
６０ウェハ
６１，６１Ａチャック
６２装着部
６３透明部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a stage apparatus, and more particularly, to a stage apparatus capable of driving a stage member with high precision at least in the XY direction.
[0002]
In response to the high integration and low cost of semiconductor devices that are the foundation of information technology, there are increasing demands for high productivity, high accuracy, high speed, and the like of semiconductor exposure apparatuses that manufacture them. An XY stage apparatus that is a key component of a semiconductor exposure apparatus needs to have an accuracy of around 10 nm and a moving range of several hundred mm. In order to improve the productivity of semiconductor devices, there is a table for moving a stage on which a workpiece is mounted to a processing position at high speed. Therefore, it is desired to realize a stage apparatus that satisfies all the above requirements.
[0003]
[Prior art]
For example, various semiconductor manufacturing apparatuses used in the semiconductor manufacturing process are provided with a stage apparatus for mounting a wafer to be moved and moving the wafer. This stage apparatus has a driving apparatus that drives a stage on which a wafer is mounted on a base, and a position measuring apparatus that measures the position of the stage relative to the base.
[0004]
As a conventional driving apparatus, a so-called stack type stage represented by a system in which a stage that moves only in the X direction and a stage that moves only in the Y direction has been generally used.
[0005]
Further, the conventional position measuring device has a configuration in which a measuring device such as a rotary encoder or a linear encoder is provided for each degree of freedom. For example, when performing two-dimensional positioning, as described above, each of the stacked stages that move independently in the X direction or the Y direction is provided with a position measuring device, or a circumferential scale and 1 Some measuring devices combined with an axis stage are configured to measure and position the rotational position and the radial position independently. Also, in a measuring device that determines the position in the X and Y directions using a laser interference displacement meter, two displacement meters and a high-precision straight ruler that guarantees shape accuracy over a moving range perpendicular to the displacement detection direction, etc. In this way, the position is detected.
[0006]
Conventionally, when detecting a posture corresponding to pitching and yawing of a moving object, an autocollimator is used. This autocollimator simultaneously performs pitching and yawing with respect to movement of one axis in a linear direction. While it can be measured, a highly accurate straight ruler is required for moving objects in the X and Y directions.
[0007]
Furthermore, a level is known as a means for measuring rolling of a moving object. However, this level has a problem in response speed and measurement accuracy, and is unsuitable for a high-precision measurement instrument. Therefore, two parallel straight rulers are installed, and the rolling angle is calculated from the difference in distance to the straight ruler, or the rolling angle is detected by the autocollimator using one straight ruler as a reference mirror surface. ing.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the stage apparatus using the driving device as described above, the center of gravity of the lower stage changes when the upper stage moves, and the mobility of the upper stage affects the mobility of the upper stage. There was a problem of being added. In order to solve this problem, it is necessary to increase the rigidity of each stage. However, if the rigidity is increased, the overall size of the stage apparatus increases. In addition, in a configuration in which a plurality of different stages are stacked, the structure of the stage apparatus becomes complicated, and this also increases the size of the entire stage apparatus.
[0009]
The stage apparatus using the position measuring apparatus as described above has the following problems. That is, a measuring device such as a rotary encoder or linear encoder used in a conventional position measuring device can only perform one-dimensional positioning, and two-dimensional positioning requires combining at least two sets of the measuring devices described above. There are significant restrictions on the design of the detection device.
[0010]
Further, when positioning using a laser interference displacement meter, essentially only one-dimensional positioning can be performed with one axis, and when performing two-dimensional positioning, a highly accurate straight ruler is required. As a result, when this type of position measuring device is provided in the stage device, there is a problem in that there are restrictions on the structure and the cost increases.
[0011]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a stage apparatus capable of miniaturizing the apparatus and measuring the position of the stage relative to the base with high accuracy.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention is characterized by the following measures.
[0013]
A stage apparatus according to the invention of claim 1
Base and
A stage on which the object is placed;
Mounted on either the base or the stage A pair of A magnet array;
A plurality of coil groups attached to either the base or the stage;
It is formed of an angle grid formed on or in the surface of the base, and whose angular properties change with a known function in the two-dimensional direction of the XY direction, and is the center of either the base or the stage A scale arranged in the section;
Located at the center of the base or the other stage of the stage, irradiates light on the angle grating surface of the scale, and detects a two-dimensional angle in the XY direction of reflected light reflected by the scale. A two-dimensional angle sensor,
The scale is provided between the pair of magnet rows,
Above Multiple The two-dimensional angle sensor is provided between the coil groups.
[0014]
In the above invention According to the equipment Can be reduced in weight, improved in rigidity, and reduced in manufacturing cost. Further, the weight of the apparatus can be reduced and the rigidity can be improved, so that the servo performance can be ensured up to the high frequency region also in the control surface.
[0015]
In addition, since the scale is formed from a two-dimensional angle grid representing an angular shape, the two-dimensional position detection of a moving object can be performed by simply combining an angle sensor with a single scale, as well as the pitching angle, rolling angle, and yawing. It becomes possible to detect corners. In addition, by using an angle grid, it is possible to detect a position related to a two-dimensional coordinate such as a rectangular coordinate, a cylindrical coordinate, a polar coordinate, or a coordinate along a free-form surface.
[0016]
In addition, since the two-dimensional angle sensor has a very small dead path compared to a laser interferometer or the like that has been used in the past, it is not easily affected by measurement errors due to thermal expansion or air fluctuations. Can be performed.
[0017]
The invention according to claim 2
The stage apparatus according to claim 1, wherein
Above pair While arranging the magnet row and the scale on the stage,
The plurality of coil groups and the two-dimensional angle sensor are arranged on the base.
[0019]
The invention according to claim 3
The stage apparatus according to claim 1, wherein
Above pair The magnet row is a pair of magnet rows in which a plurality of equivalent permanent magnets are arranged on a straight line so that the polarities appear alternately.
The plurality of coil groups are arranged to face each other so as to intersect each of the pair of magnet rows, and are attached to engage with the magnetic flux generated by the magnet rows, and are approximately in the arrangement direction of the facing magnet rows. A pair of coils configured to include coils having parallel axial directions;
The scale is provided between the pair of magnet rows,
The two-dimensional angle sensor is provided between the pair of coils.
[0020]
The invention according to claim 4
The stage apparatus according to any one of claims 1 to 3,
At least three two-dimensional angle sensors are provided.
[0021]
According to the above invention, by combining at least three two-dimensional angle sensors with a scale composed of a two-dimensional angle grid, the two-dimensional coordinate position, pitching angle, and rolling angle of the moving object in the relative movement of the scale and the angle sensor. In addition, the yawing angle can be detected, and the distance between the scale and the angle sensor can also be detected by giving a known predetermined angle change to the angle sensor.
[0022]
The invention according to claim 5
The stage apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The error of the angle shape of the angle grid Proofreading On the basis of the result, a means for correcting the measurement result of the coordinate position and posture angle by the angle grid is provided.
[0023]
According to the above invention, when the angle grating cannot be created with high accuracy by providing the correction means for correcting the measurement result of the coordinate position and the posture angle by the angle grating based on the result of calibrating the error of the angle shape of the angle grating. The calibration data is stored in the memory, and the data is approximated by interpolation, so that the measurement data can be corrected based on the calibration result.
[0024]
Further, the invention described in claim 6
The stage apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The chuck for mounting the movable body is configured to be detachable from the stage,
In addition, the scale is arranged on the chuck.
[0025]
According to the above invention, since the scale is provided on the chuck that is handled integrally with the movable body by mounting the movable body, there is no error that occurs between the chuck and the stage, and high accuracy. Position measurement can be performed.
[0026]
The invention according to claim 7
The stage apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The scale is disposed on the movable body, and a transparent portion for irradiating the scale with the light is provided in a region of the stage facing the two-dimensional angle sensor.
[0027]
In the above invention, since the scale is arranged on the movable body itself, there is no error between chucking and the scale, and more accurate position measurement can be performed. Even if a scale is provided on the movable body, a stage (movable body) is provided with a transparent portion for irradiating the scale with light in a region facing the two-dimensional angle sensor of the stage. Can be measured.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0029]
1 and 2 show a stage apparatus 10 which is an embodiment of the present invention. FIG. 1 is an exploded perspective view of the stage apparatus 10, and FIG. 2 is a perspective view of the stage apparatus 10 in a partially cut-out assembled state. The stage apparatus 10 is an apparatus used to move a wafer to be moved to a predetermined position in, for example, a semiconductor manufacturing stepper.
[0030]
The stage device 10 is generally composed of a base 11, a stage 12, a surface encoder 24, a driving device, and the like. The base 11 serves as a base for the stage apparatus 10 and is provided with linear motor structures 20A and 25A, a Z-direction electromagnet 30, and two-dimensional angle sensors 14A to 14C, which will be described later.
[0031]
The stage 12 has a wafer 60 and a chuck 61, which are to be moved, mounted on the upper portion (see FIG. 16), and a magnet 19 for Z direction via magnets 15 and 16, a yoke 17 and a spacer 18 on the lower portion. Is disposed. The stage 12 is configured to be movable with respect to the base 11 in the direction of the arrow X in the drawing, the Y direction, and the rotation about the Z axis.
[0032]
The surface encoder 24 includes a scale 13 and three two-dimensional angle sensors 14A to 14C in this embodiment. The scale 13 is formed on or in the surface of the base 41 as shown in an enlarged manner in FIGS. 3 and 5, and the properties related to the angle are functions that are known in the two-dimensional direction of the XY direction (in this embodiment, It is composed of an angle grating 40 that changes with a set of peaks and valleys of a sine wave.
In this embodiment, three two-dimensional angle sensors 14A to 14C are arranged. However, in the following description, one two-dimensional angle sensor 14 is arranged for easy explanation. The configuration is assumed and described (see FIG. 3).
[0033]
The height shape f (X, Y) of the angle grating 40 formed on the scale 13 is given by the following equation. In the following equation, Ax and Ay are amplitudes in the X and Y directions, respectively, and λx and λy are the wavelengths.
[0034]
f (x, y) = Ax · sin (2πX / λx) + Ay · sin (2πY / λy) (1) Further, the angular shape of the angular grating 40 in the X and Y directions (measured by the two-dimensional angle sensor 14) Output (θ) (x) and ψ (y) are expressed by partial differentiation of the shape of the angle grating 40 and are given by the following equations.
[0035]
θ (x) = δf / δx = (2πA ₁ / Λ ₁ ) ・ Cos (2πx / λ ₁ )… ▲ 2 ▼
ψ (y) = δf / δy = (2πA ₂ / Λ ₂ ) ・ Cos (2πx / λ ₂ )… ▲ 3 ▼
As shown in FIG. 3, when the angle grating 40 is measured by the two-dimensional angle sensor 14 that can detect the angle change in the two directions X and Y, the position of the slope of the mountain is the same even if the height of the angle grating shape with respect to the mountain is the same. Since the angular output in the angular direction differs depending on the two-dimensional position, the two-dimensional position can be determined from this difference.
Thereby, the scale 13 is attached to either the base 11 or the stage 12, and the two-dimensional angle sensor 14 is attached to the other, thereby detecting the two-dimensional coordinates of the moving body (that is, the stage 12) in the relative movement between them. can do. In the present embodiment, the scale 13 is fixed at a substantially central position on the back surface of the stage 12 (surface facing the base 11).
[0036]
FIG. 6 shows a part of the angle grating 40 formed on the scale 13 used in this example, which was measured with an interference microscope. The angle grid 40 in this embodiment is a precision lathe machined with aluminum having a diameter of 55 mm and a heat of 10 mm by face turning. The height shape is represented by superposition of sinusoidal waves having a half amplitude of 0.3 μm and a period of 300 μm, and is specifically given by the following equation.
f (X, Y) = 0.3 · sin (2πX / 300) + 0.3 · sin (2πY / 300) [μm] (4)
In this embodiment, the angular amplitude of the angle grating 40 is ± 21.6 minutes.
[0037]
On the other hand, the two-dimensional angle sensor 14 is arranged on the base 11. The two-dimensional angle sensor 14 is constituted by an optical system as shown in FIG. The optical system constituting the two-dimensional angle sensor 14 includes a light source 50, reflecting prisms 52, 53, 57, 58, a beam splitter 54, a quarter wavelength plate 55, a collimator lens 56, a photodiode 59, and the like. ing.
[0038]
Then, the laser beam 65 emitted from the light source 50, passing through the grid film 51, reflected by the reflecting prisms 52 and 53, and changing its direction, has its p-polarized component passing through the beam splitter 54 and the quarter wavelength plate 55. Then, the light is reflected upward by the reflecting prism 58 and hits the scale 13 (angular grating 40) attached to the stage 12.
[0039]
The laser beam 65 reflected by the graduation 13 (angle grating 40) again passes through the quarter-wave plate 55, becomes s-polarized light, is reflected by the beam splitter 54, passes through the collimator lens 56, and is placed at the focal length position. The light is focused on the divided photodiode 59. The two-dimensional angle sensor 14 thus detects a two-dimensional angle change based on the principle of laser autocollimation.
[0040]
In the surface encoder 24 configured as described above, the shape of the angle grating 40 is a reference for position detection. Therefore, if an error is included in the shape, the position detection accuracy is also affected. When the number of laser beams that are probes of the two-dimensional angle sensor 14 is one, the output is greatly affected by the change in the grating pitch of the angle grating 40 and the shape error. The influence of this error can be eliminated by irradiating a plurality of laser beams on the same phase of the angle grating 40 so that a plurality of peaks can always be observed.
[0041]
Therefore, in the present embodiment, three two-dimensional angle sensors 14A to 14C are provided on the sensor substrate 33, and thereby, a plurality of laser beams are irradiated to the same phase of the angle grating 40, and variations in the shape of the angle grating 40 ( The measurement accuracy is improved by averaging the influence of the high frequency component of the grating pitch) and the shape error of the angle grating 40.
[0042]
Further, by combining three two-dimensional angle sensors 14A to 14C with the angle grid 40, the two-dimensional coordinate position, pitching angle, rolling angle and the like of the moving object in the relative movement of the scale 13 and the two-dimensional angle sensors 14A to 14C The yawing angle can be detected, and the distance between the scale 13 and the two-dimensional angle sensors 14A to 14C can also be detected by giving a known predetermined angle change to the two-dimensional angle sensors 14A to 14C. .
[0043]
Further, since the two-dimensional angle sensors 14A to 14C have a very small dead path as compared with a conventionally used laser interferometer or the like, they are not easily affected by measurement errors due to thermal expansion, air fluctuations, and the like. Posture measurement can be performed.
[0044]
Next, the drive device will be described.
[0045]
The driving device is configured to move the stage 12 with respect to the base 11 in the X direction, the Y direction, and the rotational movement about the Z axis. This drive device includes X-direction linear motor structures 20 A and 20 B, Y-direction linear motor structures 25 A and 25 B, a Z-direction electromagnet 30 disposed on a base 11, and an X-direction magnet 15 disposed on a stage 12. , Y direction magnet 16, Z direction magnet 19 and the like.
[0046]
The X-direction linear motor structure 20A is disposed on the base 11, and includes a pair of X-direction coils 21A-1 and 21A-2 (referred to collectively as X-direction coil 21A) and an X-direction core. 22A. The pair of X-direction coils 21A-1 and 21A-2 are juxtaposed in the direction of the arrow X in the figure, and are configured to be able to supply current independently.
[0047]
The X-direction linear motor structure 20B has the same configuration as the X-direction linear motor structure 20A. Has been The X-direction coil 21B (which is not provided with a reference numeral, but is constituted by a pair of X-direction coils) and the X-direction core 22B. The X-direction linear motor structure portion 20A and the X-direction linear motor structure portion 20B are configured to be spaced apart from each other in the direction of the arrow Y in the figure with the arrangement positions of the two-dimensional angle sensors 14A to 14C described above interposed therebetween. ing.
[0048]
On the other hand, the Y-direction linear motor structure section 25A and the Y-direction linear motor structure section 25B have the same configuration as the X-direction linear motor structure section 20A. That is, the Y-direction linear motor structure 25A is composed of a Y-direction coil 26A (which is not provided with a reference numeral, but is composed of a pair of Y-direction coils) and a Y-direction core 27A. The structure portion 25B includes a Y-direction coil 26B (which is not provided with a reference numeral, but is configured by a pair of Y-direction coils) and a Y-direction core 27B. The Y-direction linear motor structure portion 25A and the Y-direction linear motor structure portion 25B are configured to be separated from each other in the direction of the arrow X in the figure with the arrangement positions of the two-dimensional angle sensors 14A to 14C described above interposed therebetween. ing.
[0049]
The Z-direction electromagnet 30 has a function of forming a gap between the X-direction magnet 15A and each of the magnets 15 and 16 provided on the stage 12, which will be described later, by floating the stage 12 with respect to the base 11. It is what you play. The Z-direction electromagnet 30 includes a Z-direction coil 31 and a Z-direction core 32. Further, in order to stabilize the flying, they are disposed at the four corner positions of the base 11 having a rectangular shape. In addition to the magnetic means employed in the present embodiment, the means for floating the stage 12 with respect to the base 11 includes a method using compressed air, a means for supporting the base 11 with a plurality of balls, and the like. Can be considered.
[0050]
On the other hand, as described above, the stage 12 is provided with the X-direction magnet 15 and the Y-direction magnet 16. Although not shown in the figure, a total of four magnets 15 and 16 are arranged in pairs. Therefore, in a state where the stage 12 is viewed from the bottom, the magnets 15 and 16 are arranged so as to form a substantially square shape in cooperation.
[0051]
The X-direction magnet 15 is composed of a plurality of magnet arrays (an assembly of small magnets) in which a plurality of equivalent permanent magnets are linearly arranged so that the polarities appear alternately. Similarly, the Y-direction magnet 16 is also composed of a plurality of magnet arrays in which a plurality of equivalent permanent magnets are linearly arranged so that the polarities appear alternately. A yoke 17 is disposed above each magnet 15, 16, and this yoke 17 has a function of magnetically coupling a plurality of magnets constituting each magnet 15, 16.
[0052]
In the above configuration, when the stage 12 is mounted on the base 11, one of the pair of X direction magnets 15 is positioned on the X direction linear motor structure 20A, and the other X direction magnet 15 is X direction linear. It is configured to be positioned on the motor structure 20B. When the stage 12 is mounted on the base 11, one of the pair of Y direction magnets 16 is positioned on the Y direction linear motor structure 25A, and the other Y direction magnet 16 is in the Y direction linear motor structure. It is comprised so that it may be located on the part 25B.
[0053]
In a state where the base 11 is mounted on the stage 12 and the stage 12 is lifted from the base 11 by the Z-direction electromagnet 30. Leave The magnetic fields generated by the magnets 15 and 16 are configured to engage with the opposing linear motor structures 20A, 20B, 25A and 25B. Further, in the mounted state, the magnets 15 and 16 are arranged so as to be orthogonal to the winding direction of the coils 21A, 21B, 26A, and 26B provided in the linear motor structural portions 20A, 20B, 25A, and 25B. Has been.
[0054]
By configuring the drive device as described above, the X-direction linear motor structures 20A and 20B and the X-direction magnet 15 cooperate to function as a linear motor that drives the stage 12 in the direction indicated by the arrow X in the figure. Similarly, the Y-direction linear motor structures 25A and 25B and the Y-direction magnet 16 cooperate to function as a linear motor that drives the stage 12 in the arrow Y direction in the figure.
[0055]
That is, in this embodiment, two sets of linear motors are arranged in both the X and Y directions. With this configuration, a relatively large space can be secured in the central portion of the apparatus, so that the surface encoder 24 can be installed at this position. In the present embodiment, the scale 13 is disposed on the stage 12, and the two-dimensional angle sensors 14A to 14C are disposed on the base 11. This is because it is not necessary to connect wiring to the scale 13. However, it is also possible to arrange the scale 13 on the base 11 and provide the two-dimensional angle sensors 14 A to 14 C on the stage 12.
[0056]
Further, in the driving apparatus configured as described above, when only the X-direction linear motor structure portion 20A and the X-direction linear motor structure portion 20B are simultaneously driven in the same direction, the stage 12 translates in the arrow X direction in the figure. Similarly, when only the Y-direction linear motor structure 25A and the Y-direction linear motor structure 25B are simultaneously driven in the same direction, the stage 12 translates in the arrow Y direction in the figure. Further, by driving the paired linear motor structures 20A and 20B and 25A and 25B in opposite directions, the stage 12 is rotated around the arrow Z axis in the figure by θ _Z Rotating movement of
[0057]
Next, the principle of moving the stage 12 by the driving device will be described with reference to FIG. In order to simplify the explanation, a linear motor (X direction magnet 15 and X direction linear motor structure 20A) that moves the stage 12 in the X direction will be described as an example.
[0058]
First, as shown in FIG. 4A, when a current is passed through the X-direction coil 21A-2 in the direction shown in the figure, the X-axis is located between the current and the X-direction magnet 15 facing the current. The X direction magnet 15 stops when the generated forces are balanced.
In this state, as shown in FIG. 4B, when a current is passed through the X-direction coil 21A-1, a rightward force is applied to the X-direction magnet 15 facing the X-direction coil 21A-1. Occurs. With this force, the X-direction magnet 15 (that is, the stage 12) starts to move, and the forces generated in the magnet by the X-direction coil 21A-1 and the X-direction coil 21A-2 are balanced as shown in FIG. The magnet moves to the desired position. Thereafter, as shown in FIG. 4D, when the current of the X-direction coil 21A-2 is turned off, the X-direction coil 21A-1 moves at a position where forces are balanced. 4A to 4D, the X-direction magnet 15 (stage 12) moves by a distance Δd corresponding to a half magnet.
[0059]
When the current applied to the X direction coils 21A-1 and 21A-2 is driven only by ON and OFF as described above, it can only move by 1/4 magnet, but in the state shown in FIG. When the ratio of the magnitudes of the currents flowing through the X-direction coils 21A-1 and 21A-2 is changed, the X-direction magnets 15 are moved to positions corresponding to the respective current magnitudes accordingly. The magnet can be moved to an arbitrary position within.
Further, by changing the direction of the current applied to the coil in accordance with the polarity of the opposing X-direction magnet 15, it can be driven freely within the range in which the X-direction magnet 15 is arranged.
[0060]
In the drive device according to the above-described embodiment, the drive resolution is the width of the plurality of magnets constituting the X-direction magnet 15, the width of the X-direction coils 21A-1, 21A-2, and the coils 21A-1, 21A. -2 is determined by the resolution of the D / A board that outputs the applied voltage to -2. For example, assuming that the magnet and coil width are 10 mm and the D / A board is 16 bits, the minimum drive amount for translational drive of this stage is 0.2 μm and 0.5 seconds for rotary drive. In addition, nanometer order drive is possible by improving the drive system.
[0061]
Further, in this embodiment, unlike a normal DC motor, it is driven like a stepping motor in the vicinity of a position where forces generated in the stage 12 are always balanced. For this reason, the open loop drive of the stage 12 can be performed by calculating the voltage applied to each coil 21A-1 and 21A-2.
In the description of the driving device described above, one linear motor (the X direction magnet 15 and the X direction linear motor structure 20A) that moves the stage 12 in the X direction has been described as an example. , 16 and the driving principle of the linear motor composed of the X-direction linear motor structure 20B and the Y-direction linear motor structures 25A, 25B are the same.
[0062]
In the drive device having the above-described configuration, it is possible to control the movement of the stage 12 in the X direction and the Y direction and the rotation around the Z axis with a one-stage structure. In addition, it is not necessary to have a guide structure in each direction, and the stage 12 as the final stage is directly driven, so that the stage device 10 can be reduced in weight, rigidity, and manufacturing cost. . Further, since the stage device 10 is lighter and can be improved in rigidity, it is possible to ensure servo performance up to a high frequency region in terms of control.
[0063]
Next, an experimental result when the inventor actually performs an experiment of driving the stage 12 in the stage apparatus 10 configured as described above will be described.
In the following experiment, the one driven without using the output of the surface encoder 24 is open-loop driven, and the one driven with the position information fed back using the output of the surface encoder 24 is closed-loop driven.
[0064]
FIG. 7 shows a state of the output of the surface encoder 24 (output of the two-dimensional angle sensor 14A) when the stage 12 is driven in an open loop in the X direction. From the figure, it can be confirmed that the output in the X direction changes periodically with an amplitude of about ± 70%. Although not shown, the same output was obtained in the Y direction.
[0065]
Here, if the point where the output of the surface encoder 24 is 0% is called a zero cross point, the interval between the zero cross points corresponds to a wavelength of 300 μm for one period of the angle grating 40 (see FIGS. 3 and 5). To do. In the surface encoder 24, a distance of 300 μm from the number of zero cross points can be obtained by interpolating the output of the sinusoidal surface encoder 24 between the distances.
[0066]
Therefore, in this embodiment, attention is paid to the number of zero cross points, and in the experiment described below, the stage 12 is positioned with the target of the zero cross point (300 μm) of the output of the surface encoder 24.
[0067]
FIG. 8 shows a change in the output of the surface encoder 24 when the stage 12 is driven by minute translation. In addition, the measurement result by the laser interferometer in the same minute translation drive is also measured for comparison, and is shown in FIG.
[0068]
From the figure, it can be confirmed that the output of the surface encoder 24 is changed by about 0.2% in accordance with the 0.2 μm translational drive of the stage 12 measured by the laser interferometer. Thereby, it can be confirmed that the same change as the output of the laser interferometer is also detected by the surface encoder 24 according to the present embodiment.
[0069]
Next, with reference to the output of the surface encoder 24, PTP (Point To) targeting the position of 300 μm for one period of the angle grating 40 provided on the scale 13 and 1.5 mm for five periods of the angle grating 40 is targeted. (Point) The results of an experiment in which single-axis positioning was performed by driving will be described below.
[0070]
FIG. 9 shows the result of observation of the amount of movement of the stage 12 when the angle grating 40 is driven in one direction (300 μm) in the X direction by a laser interferometer. From the figure, it was found that the stage 12 was driven about 300 μm in the X direction, and the positioning error at this time was 1 μm.
[0071]
FIG. 10 shows the X direction output of the surface encoder 24 at this time. Here, the horizontal axis of the figure is the data number of the data used for control. Further, T1 to T3 in the figure correspond temporally to T1 to T3 shown in FIG.
From the figure, first, the starting zero cross is searched (T1 in the figure), and then the angular grating 40 is driven for one cycle (T2 in the figure), and then settles to the zero cross again (T3 in the figure). I can confirm.
[0072]
Similarly, FIG. 11 shows the result of observation of the amount of movement when the angle grating 40 is driven in one direction in the X direction for 5 cycles (1.5 mm) from the outside with a laser interferometer. Thereby, it was found that the stage 12 was driven about 1.5 mm in the X direction, and the positioning error at this time was 6 μm.
FIG. 12 shows the X direction output of the surface encoder 24 at this time. Similarly, first, the starting zero cross is searched (T1 in the figure), then the angle grating 40 is driven for five cycles (T2 in the figure), and it is confirmed that the zero cross is settled again (T3 in the figure). it can.
[0073]
In addition, an experiment was conducted in which two-dimensional repetitive driving was performed by outputting a voltage pattern that advances in each of the XY directions and returns to the original position with a target of 300 μm by open loop driving. The driving result at this time is shown in FIG. As shown in the figure, the positioning error from the target position was about 100 μm in the X direction and about 160 μm in the Y direction, and the repeatability at each point was about ± 15 μm. Therefore, it can be seen that the open-loop drive greatly deviates from the target position.
[0074]
On the other hand, two-dimensional repetitive driving was performed for each period (300 μm) of the angle grating 40 on the basis of the output of the surface encoder 24. The driving result at this time is shown in FIG. As shown in the figure, the positioning error was 6 μm in the maximum X direction and 2 μm in the Y direction. The repeatability of the two-dimensional drive at each target point was ± 2 μm. Thus, by using the surface encoder 24 for detecting the position of the stage 12, it was possible to perform PTP driving with a target of 300 μm.
[0075]
FIG. 15 shows four routes (route 1 to route 4 in the figure) with the stage 12 as a starting point at point A (X = 0 μm, Y = 0 μm) and point B (X = 900 μm, Y = 900 μm). The results of the two-dimensional pattern driving are shown in a lump. Route 1 is alternate L-shaped drive of 300 μm, route 2 is oblique drive of 900 μm, and route 4 is oblique drive of 900 μm. Also in the drive shown in the figure, the drive is performed based on the output of the surface encoder 24.
[0076]
As shown in the figure, the repeatability of positioning by the four routes at the target position B point is in the range of ± 2.5 μm in both the X direction and the Y direction. This is substantially equal to the repeatability range described above. The positioning error at the drive target position X = 900 μm and Y = 900 μm was about 15 μm in the X direction and about 12 μm in the Y direction.
[0077]
These positioning errors are mainly due to the shape error of the angle grating 40, and it is possible to improve the accuracy by correcting it by calibrating it. More specifically, correction means for correcting the measurement result of the coordinate position and the posture angle by the angle grid 40 based on the result of calibrating the error of the angle shape of the angle grid 40 is provided, and the angle grid 40 cannot be created with high accuracy. In this case, the calibration data may be stored in a memory or the like, and the measurement data may be corrected based on the calibration result by approximating the data by interpolation.
[0078]
From the above experimental results, by incorporating the surface encoder 24 including the scale 13 and the two-dimensional angle sensors 14 A to 14 C into the stage apparatus 10, it is possible to detect the position of the stage 12 with high accuracy (detection of movement amount). The accuracy and reliability of the twelve drive controls can be improved.
[0079]
Next, a modified example of the above-described stage apparatus 10 will be described.
[0080]
FIG. 17 is a schematic configuration diagram showing a stage apparatus 10A which is a first modification of the stage apparatus 10 described above. For comparison, FIG. 16 shows a schematic configuration diagram of the stage apparatus 10 described above. In FIG. 17 and FIG. 18, the same components as those of the stage apparatus 10 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[0081]
The stage device 10 described above has a configuration in which the scale 13 is disposed on the bottom surface (the surface facing the base 11) of the stage 12 so as to face the two-dimensional angle sensor 14. Further, when the wafer 60 is used as the movable body, the chuck 61 is provided on the stage 12 and the wafer 60 is held by the chuck 61.
[0082]
On the other hand, the stage apparatus 10A according to the present modification has a configuration in which the chuck 61A for holding the wafer 60 is detachable from the stage 12A, and the scale 13 is disposed on the chuck 61A.
Specifically, a mounting portion 62 is formed on the stage 12 A, and the chuck 61 A can be inserted into and removed from the mounting portion 62. Thereby, the chuck 61A is configured to be detachable from the stage 12A. Further, the bottom surface of the chuck 61A is configured to be exposed from the bottom surface of the stage 12A when mounted on the stage 12A.
[0083]
The scale 13 is disposed on the bottom surface of the chuck 61A. Therefore, in a state where the chuck 61A is mounted on the stage 12A, the scale 13 is exposed from the bottom surface of the stage 12A and faces the two-dimensional angle sensor 14 provided on the base 11.
[0084]
Accordingly, the two-dimensional angle sensor 14 can emit the laser beam 65 toward the scale 13 and can receive the reflected light, so that the position of the stage 12A can be measured. In this modification, the scale 13 is provided on the chuck 61A that is handled integrally with the wafer 60. Therefore, even if an error occurs between the chuck 61A and the stage 12A, this affects the measurement result of the surface encoder 24. Therefore, highly accurate position measurement can be performed.
[0085]
FIG. 18 is a schematic configuration diagram showing a stage apparatus 10B which is a second modification of the stage apparatus 10 described above.
This modification is characterized in that the scale 13 is directly disposed on the back side of the wafer 60 to be moved. Further, the laser beam 65 emitted from the two-dimensional angle sensor 14 is applied to the area facing the scale 13 of the stage 12B so that the scale 13 disposed on the back side of the wafer 60 can be confirmed by the two-dimensional angle sensor 14. A transparent portion 63 is provided so as to irradiate the scale 13.
[0086]
The scale 13 may be fixed by being attached to the wafer 60 or may be formed integrally by directly processing the wafer 60. As a result, the scale 13 is integrated with the wafer 60. Moreover, the transparent part 63 is comprised, for example with the glass or transparent resin with which the stage 12B was inserted.
[0087]
In the present modification, the scale 13 is disposed on the wafer 60 itself that is a moving body, and therefore there is a possibility of an error between the chuck 61A and the scale 13 that may occur in the configuration according to the second modification described above. Occurrence can be prevented, and more accurate position measurement can be performed. Even if the scale 13 is provided on the wafer 60, the scale 13 is irradiated with the laser beam 65 in a region (set to face the moving range) facing the two-dimensional angle sensor 14 of the stage 12B. Therefore, the position measurement of the stage 12 (wafer 60) can be reliably performed.
[0088]
It should be noted that the present invention described above can be widely applied not only to semiconductor manufacturing apparatuses but also to fields requiring microfabrication in the future, such as micromachines and IT optical communication components. In other words, many of the current micromachine manufacturing technologies use semiconductor manufacturing technology, and by using the present invention, it becomes possible to manufacture a variety of micromachines that are finer.
In the field of laser processing, there is a demand for a stage that moves at an ultra-high speed with submicron accuracy. In addition, in order to process a complicated shape, a stage with a high degree of freedom is required. None of the conventional stage apparatuses satisfy these requirements, but the stage apparatus of the present invention can achieve high accuracy, high speed, and multiple degrees of freedom, and therefore can be used as a stage for laser processing. Furthermore, the present invention can be applied not only to the above-described fields, but also to the field of assembly of electronic parts, inspection devices, or office automation such as ultra-precision equipment, ultra-precision measuring devices, and mounters.
[0089]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, various effects described below can be realized.
[0090]
According to the first aspect of the present invention, it is possible to reduce the weight of the apparatus, improve the rigidity, and reduce the manufacturing cost, and accordingly, it is possible to ensure the servo performance up to the high frequency region also in the control surface. .
[0091]
In addition, the two-dimensional angle sensor has a very small dead path compared to the conventionally used laser interferometers and the like, so it is not easily affected by measurement errors due to thermal expansion, air fluctuations, etc. Can be performed.
[0092]
Further, according to the inventions of claims 2 and 3, even in a single-stage drive device, the stage is used as a base. for It is possible to move in the X and Y directions and rotate around the Z axis.
[0093]
According to the fourth aspect of the present invention, the two-dimensional coordinate position, pitching angle, rolling angle and yawing angle of the moving object in the relative movement of the scale and the angle sensor can be detected. By giving a predetermined change in angle, the distance between the scale and the angle sensor can also be detected.
[0094]
According to the fifth aspect of the present invention, when the angle grid cannot be created with high accuracy, the calibration data is stored in the memory, and an approximate calculation is performed by interpolation between the data. Data correction can be performed.
[0095]
According to the sixth aspect of the present invention, an error generated between the chuck and the stage is eliminated, and highly accurate position measurement can be performed.
[0096]
According to the seventh aspect of the invention, there is no error between chucking and the scale, and more accurate position measurement can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a stage apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of a stage apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining a scale and a two-dimensional angle sensor provided in a stage apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of driving a stage.
FIG. 5 is an enlarged view showing a scale provided in a stage apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining an optical system of a two-dimensional angle sensor provided in a stage apparatus which is an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing an output of a two-dimensional angle sensor when a stage apparatus according to an embodiment of the present invention is driven in an open loop in the X direction.
FIG. 8 is a diagram showing an output of a two-dimensional angle sensor in comparison with an output of a laser interferometer when a stage device that is an embodiment of the present invention is micro-translationally driven.
FIG. 9 is a diagram showing a result of measuring the amount of movement of the stage with a laser interferometer in the stage apparatus which is an embodiment of the present invention when the X-axis uniaxial drive for one period of the angle grating is performed. is there.
FIG. 10 is a diagram showing the result of measuring the amount of movement of the stage with a two-dimensional angle sensor when driving in one direction in the X direction for one period of the angle grating in the stage apparatus according to an embodiment of the present invention. .
FIG. 11 is a diagram showing a result of measuring the amount of movement of the stage with a laser interferometer in the stage apparatus which is an embodiment of the present invention when uniaxial driving in the X direction for five angular grating periods is performed. is there.
FIG. 12 is a diagram showing a result of measuring the amount of movement of the stage with a two-dimensional angle sensor when driving in the X direction uniaxial for five periods of the angle grating in the stage apparatus according to an embodiment of the present invention. .
FIG. 13 is a diagram illustrating a driving result when two-dimensional repetitive driving is performed in which the stage is moved in a predetermined direction by open loop driving and then returned to the original state in the stage apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing an output of a two-dimensional angle sensor when two-dimensional repetitive driving is performed for each angular period in the stage apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing the output of a two-dimensional angle sensor when two-dimensionally driving four routes with point A as a starting position and point B as a target position in a stage apparatus according to an embodiment of the present invention. .
FIG. 16 is a schematic configuration diagram of a stage apparatus which is an embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a schematic configuration diagram of a stage apparatus which is a first modification of the stage apparatus which is an embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a schematic configuration diagram of a stage apparatus which is a second modification of the stage apparatus which is an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 10A, 10B stage device
11 base
12, 12A, 12B stage
13 scales
14A-14C Two-dimensional angle sensor
15 Magnet for X direction
16 Magnet for Y direction
17 York
18 Spacer
19 Z direction magnet
20A, 20B X direction linear motor structure
21A, 21A-1, 21A-2, 21B X direction coil
22A, 22B X direction core
25A, 25B Y-direction linear motor structure
26A, 26B Y direction coil
27A, 27B Y-direction core
30 Z-direction electromagnet
31 Z direction coil
32 Core for Z direction
40 angle grid
41 Base
50 light sources
54 Beam splitter
55 1/4 wavelength plate
56 Collimator lens
60 wafers
61, 61A chuck
62 Wearing part
63 Transparency

Claims

Base and
A stage on which the object is placed;
A pair of magnet rows attached to either the base or the stage;
A plurality of coil groups attached to either the base or the stage;
It is formed of an angle grid formed on or in the surface of the base, and whose angular properties change with a known function in the two-dimensional direction of the XY direction, and is the center of either the base or the stage A scale arranged in the section;
Located at the center of the base or the other stage of the stage, irradiates light on the angle grating surface of the scale, and detects a two-dimensional angle in the XY direction of reflected light reflected by the scale. A two-dimensional angle sensor,
The scale is provided between the pair of magnet rows,
A stage apparatus characterized in that the two-dimensional angle sensor is provided between the plurality of coil groups.

The stage apparatus according to claim 1, wherein
While arranging the pair of magnet rows and the scale on the stage,
A stage apparatus characterized in that the plurality of coil groups and the two-dimensional angle sensor are arranged on the base.

The stage apparatus according to claim 1, wherein
The pair of magnet arrays is a pair of magnet arrays in which a plurality of equivalent permanent magnets are arranged on a straight line so that polarities appear alternately,
The plurality of coil groups are arranged to face each other so as to intersect each of the pair of magnet rows, and are attached to engage with the magnetic flux generated by the magnet rows, and are approximately in the arrangement direction of the facing magnet rows. A pair of coils configured to include coils having parallel axial directions;
The scale is provided between the pair of magnet rows,
A stage apparatus characterized in that the two-dimensional angle sensor is provided between the pair of coil groups.

The stage apparatus according to any one of claims 1 to 3,
A stage apparatus comprising at least three two-dimensional angle sensors.

The stage apparatus according to any one of claims 1 to 4,
A stage apparatus comprising: means for correcting a measurement result of a coordinate position and an attitude angle by the angle grid based on a result of calibrating an error of an angle shape of the angle grid.

The stage apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The chuck for mounting the movable body is configured to be detachable from the stage,
A stage apparatus characterized in that the scale is arranged on the chuck.

The stage apparatus according to any one of claims 1 to 5,
A stage apparatus, wherein the scale is disposed on the movable body, and a transparent portion for irradiating the scale with the light is provided in a region of the stage facing the two-dimensional angle sensor.