JP4738829B2 - 位置決め装置 - Google Patents

Description

本発明は位置決め装置に関するものであり、好ましくは露光装置において基板を位置決めするために用いられる位置決め装置に関するものである。

半導体露光装置とはレチクルに描かれている原型パターンに露光光を入射し、その投影光または反射光を露光光学系により適宜縮小して半導体原版のウエハ上に投影して露光動作を行うものである。転写されるパターンが描かれたレチクルはレチクルステージに搭載されて所定の位置に位置決めされる。レチクルの上方から照明系より露光光が照射され、縮小投影光学系に入る。この光学系により所定の位置に像が結ばれる。ウエハステージはウエハを搭載して前記結像点にウエハの所定の位置がくるように位置決め制御を行う。ウエハステージに対するウエハの位置情報は、前もってアライメント光学系によりウエハ上のアライメントマークを測定することにより得られている。露光時にはこのアライメント情報を基にウエハを所定の位置に制御する。

露光装置の性能を表す指標の一つに単位時間あたりに処理できるウエハ枚数で表されるスループットがある。スループットを上げるにはウエハステージの移動を短時間で行う必要がある。このためにはステージ移動時の加速及び減速とともに移動速度を大きくしなければならない。高加減速、高速移動、かつ高精度の位置決め性能を得るため、従来のウエハステージではウエハを搭載して高精度に位置決めする微動ステージと、この微動ステージを平面方向に高加減速かつ高速で移動させる粗動ステージの粗微動多段構成が一般的であった。この構成では粗動アクチュエータは粗動ステージ自身と微動ステージをあわせた質量を加減速する必要があり、加速度を大きくするほど必要な推力は大きくなる。この結果粗動アクチュエータが大型化し、ステージ装置全体も大型化する傾向にある。装置の大型化は製造コストの増大、装置設置面積の増大などを招き好ましくない。

さらに近年では一枚のウエハの露光動作中に、次に露光するウエハを別のステージに搭載して同時にアライメント動作を行うツインステージの構成が提案されている。ツインステージでは二台のステージが個々にウエハを搬送し、各々のステージが、ウエハ搭載、アライメント動作、露光動作、ウエハ取り出し、というサイクルを繰り返し行う。よって、二台のステージは、一箇所ずつ設けられたアライメント光学系位置、露光光学系位置、ウエハ交換位置、を互いに交換して用いることになる。従来の粗微動型ステージでステージの位置交換を行うのは構成的に困難である。

そこで、従来に代わるステージ構成として平面モータ型ステージが考案されている。図１６はローレンツ力で６軸方向に位置決め制御することができる平面モータ型ステージ装置である（特許文献１参照）。

ステージ装置は、下面に磁石ユニットを有するステージ１１０（可動子）と、磁石ユニット１１４と対面して設けられたコイルユニット１００（固定子）とを有する。磁石ユニットは複数の永久磁石を備え、複数の永久磁石はいわゆるハルバッハ配列でＸＹ方向に並べられている。コイルユニット１００は複数のコイルを備え、Ｘ方向に並べられたコイル層１１６ａと、Ｙ方向に並べられたコイル層１１６ｂとを有する。また、図１６（ａ）では不図示であるが、さらにＸ方向に並べられたコイル層とＹ方向に並べられたコイル層を有する。これらのコイル層に選択的に電流を流すことにより、磁石ユニット１１４とコイルユニット１００との間でローレンツ力が発生し、結果としてステージ１１０を移動させることができる。

コイル層１１６ａを用いてステージ１１０にＸ方向における推力を与え、コイル層１１６ｂを用いてステージ１１０にＹ方向における推力を与え、そのほかのコイル層を用いてステージ１１０にＺ方向（鉛直方向）、θｘ（Ｘ軸周りの回転方向）、θｙ（Ｙ軸周りの回転方向）、θｚ（Ｚ軸周りの回転方向）における推力を与える。ここで、ステージ１１０にＺ方向で推力を与えるコイル層によって自重を支持する。

各コイル層を構成するコイルは、隣合う２つのコイル（Ａ相とＢ相とする）を一組として所望の力を発生する。磁石ユニットはＸ方向およびＹ方向に周期的な磁束密度分布（ここでは正弦波とする）をもつため、一方のコイル（Ａ相）に一定電流を流した場合には、発生する推力はコイルユニットと磁石ユニットとの相対位置を引数とする正弦波となる。また、他方のコイル（Ｂ相）に一定電流を流した場合にはＡ相とは９０度位相が異なる正弦波となるように磁石ユニットとコイルユニットは配置されている。そこで、Ａ相およびＢ相のコイルにコイルユニットと磁石ユニットとの相対位置から求めた整流値を乗じた電流をそれぞれ流すことによって、所望の力を発生することができる。
特開２００４−２５４４８９号公報

Ｘ方向（またはＹ方向）に並べたコイルを用いてステージの自重を支持した場合、ステージがＸ方向（またはＹ方向）に移動するとともに、自重を支持するためにステージに加わる力の作用点が変動してしまう。つまり、ステージがある位置においてはＡ相のコイルのみから力を受け、別の位置においてはＢ相のみから力を受け、さらに別の位置においてはＡ相とＢ相の両コイルから力を受ける。このような力の作用点の変動は、ステージにとって好ましくない変形をもたらすおそれがある。

露光装置において、一般にステージの位置計測にはレーザ干渉計が用いられる。レーザ干渉計は、ステージに設けられたミラー反射面にレーザ光を照射させることによって、ミラー反射面の位置を計測するものである。つまり、ミラー反射面とウエハ上の露光位置が変動しないことを前提としている。しかしながら、上述のような変形が生じると、ミラー反射面とウエハ上の露光位置が変動してしまうため、露光精度が悪くなってしまう。

このように、本発明はステージが移動した際に力の作用点が変動することにより生じるステージの変形を課題とするものである。

上述の課題に鑑みて、本発明は、移動体の移動によって力の作用点が変化するアクチュエータを用いて、前記移動体の自重を支持する位置決め装置であって、前記力の作用点の変化によって前記移動体にかかる曲げ力を低減するように前記アクチュエータまたは前記移動体への指令を制御する制御部を有することを特徴とする。

本発明によれば、ステージが移動した際に力の作用点が変動することにより生じるステージの変形の影響を低減することができる。

尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものである。

また、本発明は、以下に説明するデバイス製造の他に、各種精密加工装置や各種精密測定装置や、このようなデバイス製造装置を使って半導体デバイスなどを製造する方法にも適用可能である。

［実施例１］
図１は半導体露光装置の概念図である。鏡筒定盤１は除振マウント２により床からの振動を絶縁して架台３上に搭載されている。投影光学系４は鏡筒定盤１によって支持され、投影光学系の上方にはレチクルステージ（不図示）が設けられ、投影光学系の下方にはウエハステージが設けられている。

ウエハステージ５（可動子）上にはウエハチャック６を介してウエハ７が搭載される。ウエハステージ５はいわゆる平面モータによって移動することができる。平面モータは、ウエハステージ５の下面に設けられた磁石ユニット８と、架台３上に設けられたコイルユニット９（固定子）とを有する。平面モータについての詳細な説明は後述する。

コイルユニット９は、架台上をＸＹ方向で移動可能である。これは、ウエハステージを駆動した際にコイルユニット９に生じる反力を架台に伝えないようにするためである。このような構成は特開平１１−１９０７８６号公報に記載されている。

コイルユニット９の架台に対する位置を計測するために、Ｘ方向およびＹ方向を計測するリニアエンコーダ（不図示）が設けられている。コイルユニット９はリニアモータ１０によって架台３に対してＸ方向およびＹ方向に駆動される。ここで、コイルユニット９はリニアモータ以外の駆動手段によって駆動してもよい。

ウエハステージ５の位置はレーザ干渉計によって計測される。レーザ干渉計は、ウエハステージ５に設けられたミラーの反射面にレーザ光を反射させることによって位置を計測する。

図２は平面モータを説明するための図である。図２は図１におけるウエハステージを上方から見た図であり、磁石ユニット８の配置を説明するためにウエハステージ本体を透過して示している。また、コイルユニット９はＸ方向に並べられたコイル層のみを図に示しており、コイルの本数も省略し、コイルの長さも短く示している。図２において省略されている部分については図１６を参酌するものとする。

磁石２１（薄い灰色で示す）および磁石２２（濃い灰色で示す）は、鉛直方向（Ｚ方向）に着磁された主極磁石である。磁石２１はＺ−側（コイルユニットと対面する側）にＳ極を有し、磁石２２はＺ−側にＮ極を有する。磁石２３（白色で示す）は、水平方向に着磁された補極磁石であり、その端部は主極磁石と接している。補極磁石の端部の極は、接する主極磁石のＺ−側の極と一致している。このような磁石配列はハルバッハ配列と呼ばれ、磁石ユニット８はＺ−側に周期的な磁束密度分布を有することになる。磁石ユニット８は複数の磁石をＸＹ方向にハルバッハ配列で並べて構成され、複数の磁石はＸＹ方向で対称にほぼ正方上に配置される。

コイルユニット９は複数のコイルを備え、Ｘ方向に並べられたコイル層と、Ｙ方向に並べられたコイル層とを有する。コイルユニット９はコイル層がＸ方向とＹ方向に格子状に並んでいる。これらのコイルに選択的に電流を流すことにより、磁石ユニット８とコイルユニット９との間でローレンツ力が発生し、結果としてウエハステージ５を移動させることができる。

以下、コイルに流す電流について説明をする。

隣り合うコイルの間隔であるコイルピッチＣＰと、同じ極の磁石（Ｚ−側に同一極を有する主極磁石）の間隔である磁極ピッチＭＰとは
ＭＰ＝４／３＊ＣＰ （１）
なる関係がある。

図２の状態で、ステージのＸ方向における位置座標をｘ＝０とし、位置座標を０≦ｘ＜ＣＰの範囲で考える。Ｘ方向駆動に用いるコイルはＣ６〜Ｃ１１であり、これらのコイルは磁石の切欠き部２４にかかっていない。コイルの巻き方向を図２において時計回り方向とする。

磁石ユニット８は、上述のようにコイル位置において磁束密度分布を形成している。Ｚ方向の磁束密度分布の平均値はＸ軸に対してほぼ正弦波として近似できるものとすると、各コイルＣｉ（Ｉ＝６〜１１）に電流Ｉ［Ａ］を流した時に発生するＸ方向への力ｆｉ（ｉ＝６〜１１）は位置座標ｘに対して次の関数となる。ただし、前述のようにコイルユニットは移動するので、下記数式の三角関数内の変数ｘに対してコイルユニットの位置計測値を用いて補正する必要がある。ここではわかりやすくする為、この補正については省略して説明する。
ｆ６，ｆ１０＝−Ｉ＊Ｋｘ＊ｃｏｓ（２＊π／ＭＰ＊ｘ） （２）
ｆ８＝Ｉ＊Ｋｘ＊ｃｏｓ（２＊π／ＭＰ＊ｘ） （３）
ｆ７，ｆ１１＝Ｉ＊Ｋｘ＊ｓｉｎ（２＊π／ＭＰ＊ｘ） （４）
ｆ９＝−Ｉ＊Ｋｘ＊ｓｉｎ（２＊π／ＭＰ＊ｘ） （５）
ここでＫｘは定数である。

各コイルＣｉ（Ｉ＝６〜２２）に流す電流Ｉｉ（ｉ＝６〜１１）を上記関数と同じ位相として
Ｉ６，Ｉ１０＝−Ｉ＊ｃｏｓ（２＊π／ＭＰ＊ｘ） （６）
Ｉ８＝Ｉ＊ｃｏｓ（２＊π／ＭＰ＊ｘ） （７）
Ｉ７，Ｉ１１＝Ｉ＊ｓｉｎ（２＊π／ＭＰ＊ｘ） （８）
Ｉ９＝−Ｉ＊ｓｉｎ（２＊π／ＭＰ＊ｘ） （９）
とすると、力の和（ｆ６＋ｆ７）、（ｆ８＋ｆ９）、（ｆ１０＋ｆ１１）のそれぞれは
Ｉ＊Ｋｘ＊ｃｏｓ＾２（２＊π／ＭＰ＊ｘ）＋Ｉ＊Ｋｘ＊ｓｉｎ＾２（２＊π／ＭＰ＊ｘ）＝Ｉ＊Ｋｘ （１０）
となり、全ての推力の総和は３＊Ｉ＊Ｋｘとなる。すなわち力Ｆを発生させたい場合には
Ｉ＝Ｆ／Ｋｘ／３ （１１）
とすればよい。位置座標ｘが−ＣＰ≦ｘ＜０の場合は、コイルｃ５〜ｃ１０を用いる。このとき、コイルｃ６〜ｃ１０には数式（６）〜（９）の電流Ｉ６〜Ｉ１０を流し、コイルｃ５には数式（９）の電流Ｉ９をを流すことによって、力の和（ｆ５＋ｆ６）、（ｆ７＋ｆ８）、（ｆ９＋ｆ１０）はそれぞれ数式（１０）で表されるようになる。

コイルはピッチＣＰで並んでいるので、ステージがＣＰだけ動いた場合はコイル番号が一つずれた相似形状となり、以上に示した議論と全く同様にして（１１）式により力Ｆを発生させる電流Ｉを得る。すなわち、ステージがコイルユニット９上の如何なる位置においてもＸ方向に所望の駆動力Ｆを発生させるには（１１）式の電流を基に、（６）〜（９）式で表される整流値を乗じて該当するコイルに電流を流してやればよい。

ここで、コイルに流す電流には（６）、（９）式のように整流値に−符号がついているが、コイルの向きを反転して接続すれば−の符号をつけなくてもよい。したがって、偶数番のコイルは（７）式のコサイン関数、奇数番コイルは（８）式のサイン関数による整流値をかければよいことになる。

このようにして、ステージ１１０をＸ方向に移動させることができる。また、図２では省略されているが、Ｙ方向に並べられたコイル層を用いて同様にステージ１１０をＹ方向に移動させることができる。

θｚ方向にモーメント力を発生させるには、切欠き部２４に位置するコイルを用いる。位置座標ｘが０≦ｘ＜ＣＰのときは（ｆ２，ｆ３）および（ｆ１４，ｆ１５）で力を発生させ、−ＣＰ≦ｘ＜０のときは（ｆ１，ｆ２）および（ｆ１３，ｆ１４）の各組で力を発生させる。このとき、磁石ユニット８には図２のような切欠き部があるので、推力位置がＹ方向に対してずれているので、上記各組で異なる向きの力を発生させることによりθｚ方向のモーメント力を発生させることができる。

Ｚ方向に駆動力を発生させる場合、０≦ｘ＜ＣＰのときに（ｆ５，ｆ６）、（ｆ７，ｆ８）、（ｆ９，ｆ１０）、（ｆ１１，ｆ１２）の各組を用いて、−ＣＰ≦ｘ＜０のときに（ｆ４，ｆ５）、（ｆ６，ｆ７）、（ｆ８，ｆ９）、（ｆ１０，ｆ１１）の各組を用いる。磁石ユニットはコイル位置においてＸ方向の磁束密度分布を形成し、磁束密度分布の平均値はＸ軸に対してほぼ正弦波として近似できる。偶数番のコイルｃ２，ｃ６，ｃ１０，・・・と、奇数番のコイルｃ１，ｃ５，ｃ９，・・・はコイルの向きを反転していることを考慮すると、各コイルにＩ［Ａ］流した時にＺ方向に発生する力ｆは
ｆｎ＝Ｉ＊Ｋｚ＊ｃｏｓ（２＊π／ＭＰ＊ｘ） ｎ：奇数 （１２）
ｆｍ＝−Ｉ＊Ｋｚ＊ｓｉｎ（２＊π／ＭＰ＊ｘ） ｍ：偶数 （１３）
となる。ここで各コイルの電流を上記関数と同じ位相として
Ｉｎ＝Ｉ＊ｃｏｓ（２＊π／ＭＰ＊ｘ） ｎ：奇数 （１４）
Ｉｍ＝−Ｉ＊ｓｉｎ（２＊π／ＭＰ＊ｘ） ｍ：偶数 （１５）
を用いると、先の４組での力の和は
Ｆｚ＝４＊Ｉ＊Ｋｚ （１６）
となるので、
Ｉ＝Ｆｚ／Ｋｚ／４ （１７）
により、所望のＺ方向への力Ｆｚを発生させることができる。

θｙ方向のモーメント力は、Ｚ方向への力に用いた４組のコイルにより、Ｘ＋側に位置する２組とＸ−側に位置する２組とで偶力を出すことで発生させることができる。同様にθｘ方向モーメントを発生させることができる。

よって、Ｘ，Ｙ，Ｚ，θｘ，θｙ，θｚの６自由度に対して任意の力を発生させることができる。Ｘ方向とＺ及びθｙ方向は同じ層のコイルで出しても良いし、個別にコイル層を用いても良い。Ｙ方向とＺ及びθｘ方向も同様に同じ層でも個別のコイル層を用いても良い。少なくともＸ方向に並んだコイル層とＹ方向に並んだコイル層の計２層以上のコイル層があれば良い。

前述のようにステージの位置計測にはレーザ干渉計を用いる。この計測値はステージの位置制御のためのフィードバック信号として用いるほか、前記電流の位相計算にも用いるＺ方向も同様に不図示のレーザ干渉計をもちいて位置計測を行っている。

計測されたステージの位置情報は不図示の位置制御器に入力され、位置制御器では位置指令とステージ位置計測情報とからステージへの駆動指令が生成される。駆動指令に基づき、先に説明した電流指令方法により不図示の電流ドライバを用いて各コイルに所定の電流を流す。このようにしてステージの位置決め制御が行われる。

上述のような位置決め装置において、ウエハステージ５の自重を支持するための力の作用点について説明する。ウエハステージ５はＸ方向に並べられたコイルに電流を流すことによってＺ方向に推力を受けてその自重を支持される。このとき、ウエハステージ５がＸ方向に移動すると、磁石ユニット８とコイルユニット９との位置関係によって力の作用点が変動してしまう。

図３は自重を支持する力を発生するコイル群（ｃ４〜ｃ１２）と磁石ユニット８をＹ軸方向から見た図である。コイル群（ｃ４〜ｃ１２）が発生するＺ方向への力の位置（作用点）と大きさを矢印で表す。また、図３（ａ）〜（ｇ）はウエハステージが移動した際の経過を表す。

磁石ユニット８は、Ｚ方向への力を発生する主極磁石２１（灰色で示す）、２２（白色で示す）のみを、Ｘ方向の並びが明確になるように示している。コイル群（ｃ４〜ｃ１２）は紙面垂直方向（Ｙ方向）に長辺方向が伸びており、Ｘ方向にコイルが並んでいることを示している。偶数番のコイルを灰色、奇数番のコイルを白色で示している。前述の（１２）〜（１５）式によりステージの位置ｘに対して奇数番のコイルはコサイン二乗、偶数番のコイルはサイン二乗に比した力を出す。

図４にステージの位置に対する、奇数番のコイルと偶数番のコイルで発生する力の比を示す。横軸はステージ位置を磁極ピッチに換算して表しており、ステージ位置ｘ＝０は磁極ピッチ０に対応し、ｘ＝ＭＰは磁極ピッチ１に対応する。

ステージの位置がｘ＝０（図３（１）における状態）のとき、奇数番のコイル（ｃ５，ｃ７，ｃ９，ｃ１１）のみでＺ方向に力を出す。ステージの重心位置Ｇを図３の磁石の中央部とすると、この場合は重心位置に対してＺ方向の力点が左右対称になっていることがわかる。

ステージの位置がｘ＝１／８＊ＭＰ（図３（２）における状態）のとき、奇数番のコイル（ｃ５，ｃ７，ｃ９，ｃ１１）と偶数番のコイル（ｃ６，ｃ８，ｃ１０，ｃ１２）での力の比は１：１である。ただし、この状態では重心位置に対して力点が対称ではなく、−θｙ方向にモーメントを出してしまう。そこで、図３（２）の力に加えてθｙモーメントを相殺するための補正モーメントをコイルｃ５〜ｃ１２により発生している。

ステージの位置がｘ＝２／８＊ＭＰ（図３（３）における状態）のとき、偶数番のコイル（ｃ６，ｃ８，ｃ１０，ｃ１２）のみでＺ方向に力を発生する。図３（２）における状態よりもさらに大きな−θｙモーメントを発生している。

ステージの位置がｘ＝３／８＊ＭＰ（図３（４）における状態）のとき、奇数番のコイル（ｃ５，ｃ７，ｃ９，ｃ１１）と偶数番のコイル（ｃ６，ｃ８，ｃ１０，ｃ１２）での力の比は１：１で、θｙモーメントは０である。

ステージの位置がｘ＝４／８＊ＭＰ（図３（５）における状態）のとき、奇数番のコイルのみで力を出すが、θｙモーメントは正方向となる。

ステージの位置がｘ＝５／８＊ＭＰ（図３（６）における状態）のとき、奇数番のコイルと偶数番のコイルの力の比は１：１である。ただし、この状態では重心位置に対して力点が対称ではなく、＋θｙモーメントを発生する。そこで、図３（６）の力に加えてθｙモーメントを相殺するための補正モーメントをコイルｃ５〜ｃ１２により発生している。

ステージの位置がｘ＝６／８＊ＭＰ（図３（７）における状態）のとき、偶数番のコイルのみで力を出し、θｙモーメントは発生しない。

（１）式の磁極ピッチＭＰとコイルピッチＣＰの関係から６／８＊ＭＰとはＣＰである。すなわち（７）における状態は（１）における状態において奇数番コイルが偶数番コイルに置き換わったものと考えることができる。したがって、ステージがｘ＝６／８＊ＭＰ以上の位置に移動していく場合は、図３の（１）〜（７）における状態を周期的に繰り返していくことになる。

このようにステージの移動により重心位置が移動してしまい、さらに自重を支持するＺ方向への力の力点位置も変化してしまうと、力のバランスが崩れてθｙ方向のモーメントが発生してしまう。図３では説明のために離散的に示したが、もちろん実際はこれらのモーメントは連続的に変化する。いいかえると、ステージが移動することにより、ステージにはＺ方向への力が、位置とバランスを変化させながらかかることになる。Ｚ方向への力の変化は、ステージを変形させる力として作用する。

図５を用いてステージの位置計測について説明する。ステージ５のＸ方向における位置はレーザ干渉計（図１における１２）から照射されるレーザ光１３をステージに設けた反射鏡１４に反射させることによって計測される。また、同様にステージ５のＹ方向における位置はレーザ干渉計（不図示）から照射されるレーザ光をステージに設けた反射鏡に反射させることによって計測される。

θｚ方向はＸ方向又はＹ方向のレーザ干渉計において水平方向にある間隔を持つ二本の計測軸により、その計測値の差分と計測軸の間隔とから算出される。

ステージ５のＺ方向における位置はステージに設けた反射鏡１５によって、レーザ干渉計からＹ方向に向かって照射されるレーザ光１６をＺ方向に反射することによって計測される。反射鏡１５は、ステージの端部を４５度に切り欠いた形状となっており、切り欠いた面には鏡面処理が施されている。また、反射鏡１５はＸ方向に長い構成となっており、これによりＺ計測用のレーザ光が反射面に当たる位置が露光光軸１９とＸ軸方向で同一にすることができる。

反射鏡１５によって、反射されたレーザ光は、鏡筒定盤に設けられたＺ計測用反射鏡（不図示）によって反射される。Ｚ計測用反射鏡はＺ方向に垂直な反射面を有し、Ｙ方向に長い構成となっている。ステージのＺ方向位置が変動すると、干渉計とＺ計測用反射鏡との光路の長さが変動するが、Ｙ軸方向に移動しても前記光路長は変化する。よって、Ｚ方向の計測値を求めるには、Ｚ計測用干渉計の測定値からＹ方向の測定値を差し引く。

θｘ、θｙ方向はそれぞれＹ方向、Ｘ方向のレーザ干渉計において鉛直方向にある間隔をもつ二本の計測軸によりθｚ軸と同様に算出される。

ここでは、ステージ５に傾斜した反射鏡を設けた例を説明したが、ステージ５にＺ方向に垂直な反射面を設けてもよい。この場合、レーザ干渉計からステージ５に対してＺ方向からレーザ光が照射されるようにすればよい。例えば、鏡筒定盤に設けたＺ計測用反射鏡の反射面を傾斜させる。ステージにＺ方向に垂直な反射面を設けた構成については、特開２００２−３１９５４１に記載がある。

つぎに、ステージ５の変形について説明する。ウエハを搭載するステージの湾曲変形の度合いをαとして示している。ステージの位置は前述のようにレーザ干渉計で計測されるので、ステージの側面に設けられた反射鏡の変位を計測していることになる。不図示のウエハチャックおよびウエハは、それらの剛性がステージの剛性より小さく、かつステージに真空吸着されるため、ウエハの面形状はステージの面形状に倣うと考えられる。ここで、湾曲変形の度合いαが変化すると、反射鏡の位置と露光位置との距離Ｌが変化してしまうことになる。この距離Ｌの変化は計測精度の低下を招くため、結果として露光精度を低減させることとなる。

本実施例では、Ｚ計測用のレーザ光の位置は露光光軸１８とＸ軸方向位置と同じとなっている。よって湾曲変形が生じてもＺ方向のステージ計測値に影響が出ないようになっている。

図６は、図１におけるウエハステージ５のリブ構成を示したものである。ステージは軽量且つ高剛性であることが要求される。ステージ質量が大きくなるとステージ加減速時に大きな力を必要とし、平面モータへの投入エネルギが大きくなるばかりでなく、固定子コイル部の発熱が大きくなってしまう。この発熱がステージに伝わると熱膨張によりレーザ干渉計反射鏡と露光位置との相対位置が変化し、露光精度を悪化させてしまう。

また、高帯域の位置決め制御を実現するためには、ステージ構造体の弾性モードの固有振動数を高くする必要がある。ステージ構造体の弾性モード振動はレーザ干渉計用反射鏡を介して位置計測信号に伝わり、高いフィードバックゲインを用いると発振する恐れがあるからである。弾性モードの固有振動数が高ければ、位置計測信号にその周波数成分が現れていてもローパスフィルタやノッチフィルタなどで対処し、フィードバック制御系への影響を少なくすることが出来る。ステージ構造体は軽量かつ高剛性の要求を満たすため、セラミクス材を用いた中空リブ構造が用いられている。固有振動数を高めるために、図６のように四角形のステージ構造体に対して菱形形状のリブ３１を設けられている。

本発明ではさらに、図５の形状の湾曲変形を生じる方向の剛性を高めるため、Ｘ方向に平行なリブ３２を設けている。Ｘ方向に平行なリブとは、即ちステージを移動した時に自重を支持する力の作用点が変化する方向と平行なリブということを示している。このようなリブ３２を設けることにより、ステージがＸ方向に移動した時にＺ方向の力が、その位置とバランスが変化した場合でも図５の湾曲変形の度合いαの変化を小さくすることが出来る。

図７は実施例１における変形例を示したものである。近年ではステージ構造体のさらなる軽量化を目指し、ＦＲＰ（強化プラスチック）材などを用いた構成も考えられている。ＦＲＰ材では繊維の方向などにより剛性が曲げ方向により異なることがある。図７において、矢印の方向に剛性が強化されている。図７はこのような異方性剛性を用いた材料を用いた場合に、Ｘ方向の曲げ剛性を高くすることにより湾曲変形の度合いαの変化を小さくすることを示したものである。さらにＺ計測用のレーザ光の位置は露光光軸とＸ軸方向位置と同じとなっているため、形状のステージ構造体の変形が生じてもＺ方向のステージ計測値に影響が出ないようになっている。

露光精度の更なる高性能化の要求により、ステージ構造体の曲げ方向の剛性を強化しただけでは露光装置の仕様を満たせないことがある。その場合には、図８のようにステージ構造体の上面には圧電素子を用いたアクチュエータ３３が設けられる。ステージ構造体の中央はウエハチャックの搭載位置であるので、圧電素子アクチュエータはウエハチャック搭載位置を避けて配置する。圧電素子アクチュエータはＸ方向の両端部がステージ構造体に取り付けられている。圧電素子アクチュエータに印加する電圧を調整するとＸ方向に伸縮するので、図５に示した湾曲変形方向に対する曲げの力を発生することができる。ステージ位置に応じて圧電素子アクチュエータに印加する電圧を調整することにより、湾曲変形の度合いαの変化を露光精度に問題の無い次元にまで小さくすることができる。

図９は図３の（３）における状態の曲げ補性力を説明するための図である。このとき水平方向の力は全て奇数番コイルが発生している。位置決め用に発生している制御力に加えて曲げ補正力であるｆ１とｆ２をそれぞれｃ５、ｃ１１で発生している。このモータでの力の発生位置はコイルの中心と考えることが出来、コイルｃ５、ｃ１１で図９のような力を発生すると、ステージ構造体には可動磁石を介して図５に示した湾曲変形方向に対する曲げの力を発生することができる。ｆ１とｆ２は同じ大きさで方向が逆であるので、Ｘ方向に対しては合力は零となる。補正力はステージ位置に応じて適宜調整する。補正力を発生させるコイルはここに示したものに限らず、図５に示した湾曲変形方向に対する曲げの力を発生するものであればよい。

以下、上述の圧電素子アクチュエータへの電圧指令値および補正力の指令値を求める方法について説明する。指令値を求める方法として、露光装置とは別の装置を用いる方法と、露光装置を用いる方法とがある。まず、露光装置とは別の装置を用いる方法について説明する。

図１０は圧電素子アクチュエータへの指令値を求めるための装置を示す図である。装置２００は、ステージ構造体、ステージ構造体上に設けられた変形測定用ミラー１８、コイルユニット９（固定子）、ステージ５の６軸方向における位置を計測するレーザ干渉計２１２、レーザ干渉計を設置する計測定盤２０１を有する。計測定盤２０１は除振マウント２０２を介して架台２０３の上に設けられており、床からの振動が絶縁されている。ステージの位置決め機構は、図１とほぼ同様であるため、異なる点について説明する。

コイルユニット９は架台２０３に設けられたガイド２１１に沿ってＸ方向に移動可能である。コイルユニット９を移動させるボールねじ２１５と、ボールねじの力をコイルユニットに伝達する駆動棒２１４（駆動機構とする）を有する。なお、駆動機構についてはこれにかぎるものではない。

コイルユニット９のＸ方向における位置は、例えばリニアエンコーダのような計測器（不図示）によって計測される。ステージ５の位置サーボには、ステージ５とコイルユニット９との相対位置情報が用いられる。この相対位置情報は、レーザ干渉計２１６による計測値と前述の計測器の計測値から得られる。

計測定盤２０１には位置サーボに用いるレーザ干渉計２１６とは別に、ステージの変形を測定するためのレーザ干渉計２１７が設けられている。レーザ干渉計から照射される計測光２１３はステージ上に設けられた変形測定用ミラー１８に反射される。レーザ干渉計２１７はＸＹ方向に移動可能である。変形測定用ミラー１８の位置もこれに合わせて移動する。

上述の装置を用いた圧電アクチュエータ３３への指令値の求め方について説明する。まず、サーボ機構を用いてステージ５を所定の目標位置に位置決めする。このとき、図８の圧電素子アクチュエータ３３への電圧指令または図９の補正指令は零である。つぎに、位置決めした状態（位置サーボをかけた状態）でコイルユニット９を駆動機構により移動させつつ、レーザ干渉計２１７の出力を記録する。

ここで、コイルユニット９は１コイルピッチ分だけ移動させれば十分である。これはステージの移動に伴うＺ方向への力の変化はコイルピッチを周期としているためである。また、ステージ５でなくコイルユニット９を移動させることによって、レーザ干渉計２１７の計測光が反射面に照射する位置を常に同じ位置にすることができる。つまり、ステージを移動させた場合、計測光が照射する位置が変わるため、反射鏡の面精度や取付け誤差の影響を受けてしまう。

つぎに、記録した干渉計の出力の平均値を算出する。そして、コイルユニット９を移動前の位置に戻して、再度コイルユニット９を移動させる。この移動の際には、レーザ干渉計の出力が、算出した平均値に近づくように、圧電素子アクチュエータ３３の電圧指令値またはコイルユニット９への補正指令値を与える。これらの電圧指令値、補正指令値は適宜調整しうる。

これらの調整を、コイルユニット９の位置をわずかにずらしながら繰り返すことで、コイルユニット９とステージ５の相対位置に対する指令値のテーブルを得ることができる。より信頼度の高いテーブルを作成するために、変形測定ミラーの位置を変えて同様の計測を行い、テーブルの値を適宜修正しうる。

つぎに、露光装置を用いて圧電素子アクチュエータの指令値を求める方法を説明する。図１の投影光学系の周辺には不図示のアライメント光学系及びフォーカス検出系がある。アライメント光学系ではウエハ上に設けられたアライメントマークを測定することにより、投影光学系に対するアライメントマークの位置ずれを検出することができる。

まず、ステージ５はサーボ機構を用いてアライメントマークを測定できる位置に位置決めされて、アライメント光学系によりアライメントマークを測定する。つぎに、位置決めした状態（位置サーボをかけた状態）でコイルユニット９を駆動機構により移動させて、アライメントマークを測定する。アライメントマークの位置ずれが小さくなるように、圧電素子アクチュエータ３３の電圧指令値またはコイルユニット９への補正指令値を与える。これらの電圧指令値、補正指令値は適宜調整しうる。

これらの調整を、コイルユニット９の位置をわずかにずらしながら繰り返すことで、コイルユニット９とステージ５の相対位置に対する指令値のテーブルを得ることができる。

フォーカス検出系ではウエハ面のＺ方向における高さを検出できるので、この値も同時に参照して行えばより高い精度で補正指令値を得ることができる。このようにして露光装置においてもコイルユニット９とステージ５の相対位置に対する補正指令値のテーブルを作成することができる。

上述の補正指令値のテーブルを用いて、圧電素子アクチュエータ３３、コイルユニット９を制御することで、力の作用点の変化によってステージにかかる曲げ力を低減するよう補正することができる。

図１２は上述の圧電素子アクチュエータ３３を用いた補正系のブロック線図である。制御部４１には、ステージ５およびコイルユニット９の位置情報が入力されて、補正指令値が出力される。制御部４１は、メモリ等に前述の補正指令値テーブルをもっている。ステージ５とコイルユニット９との相対位置は連続的な値であるので、補正指令値テーブルが離散的な値である場合には、補正指令値テーブルから補正指令値を得るために補間する必要がある。補間する方法は、一般に用いられている近似等の方法でよい。

補正指令値は圧電素子アクチュエータ３３またはコイルユニット９に送られる。補正に用いるアクチュエータの種類によって補正指令値は異なるので、補正指令値テーブルも用いるアクチュエータごとに作成することになる。

また、上述の補正指令値のテーブルを用いて、ステージの指令値を制御することで、ステージにかかる曲げ力を低減するよう補正することができる。

図１３はステージ位置指令による補正系のブロック線図である。この補正指令値は前述した露光装置上における補正指令値テーブルの作成方法により求めることができる。露光時にはステージ位置指令に対して補正指令値テーブルより得られた補正指令により補正された補正位置指令をステージ制御系に送る。すなわち、固定子と可動子の相対位置変化によるステージの変形に起因するウエハの位置ずれ量を見込んでおき、そのずれ量を考慮してステージを位置決めすることにより結果的に正規の位置に露光を行えるようにしたものである。

次に、この露光装置を利用した半導体デバイスの製造プロセスを説明する。図１４は半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。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う。ステップ２（マスク作製）では設計した回路パターンに基づいてマスクを作製する。

一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記のマスクとウエハを用いて、上記の露光装置によりリソグラフィ技術を利用してウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）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）等の組み立て工程を含む。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う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、ステップ７でこれを出荷する。

上記ステップ４のウエハプロセスは以下のステップを有する（図１５）。ウエハの表面を酸化させる酸化ステップ、ウエハ表面に絶縁膜を成膜するＣＶＤステップ、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する電極形成ステップ、ウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込みステップ、ウエハに感光剤を塗布するレジスト処理ステップ、上記の露光装置によって回路パターンをレジスト処理ステップ後のウエハに転写する露光ステップ、露光ステップで露光したウエハを現像する現像ステップ、現像ステップで現像したレジスト像以外の部分を削り取るエッチングステップ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くレジスト剥離ステップ。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。

露光装置の概念図を示す図 平面モータステージの可動磁石の配置を示す図 コイルが発生するＺ方向力の位置と大きさを示す図 奇数番コイルと偶数番コイルで発生する力の比を示す図 ステージの変形の様子を示す図 ステージのリブを示す図 ステージの剛性を示す図 圧電素子アクチュエータを示す図 曲げ補性力を説明するための図 圧電素子アクチュエータへの指令値を求めるための装置を示す図 変形測定用ミラーを示す図 圧電素子アクチュエータを用いた補正系のブロック線図 ステージ位置指令による補正系のブロック線図 デバイス製造方法を示す図 ウエハプロセスを示す図 平面モータの全体を示す図

符号の説明

１ 鏡筒定盤
２ 除振マウント
３ 架台
４ 投影光学系
５ ウエハステージ
６ ウエハチャック
７ ウエハ
８ 磁石ユニット
９ コイルユニット
１０ リニアモータ
１１ ガイド
１２ 干渉計
１３ Ｘレーザ光
１４ Ｘ反射鏡
１５ Ｚ反射鏡
１６ Ｚレーザ光
１８ 変形測定用ミラー
１９ 露光光軸
２１，２２ 主極磁石
２４ 切り欠き部
２３ 補極磁石
３１，３２ リブ
３３ 圧電素子
２００ 指令値算出装置
２０１ 計測定盤
２０２ 除振マウント
２０３ 架台
２１２ 干渉計
２１３ レーザ光
２１４ 駆動棒
２１５ ボールねじ
２１６ Ｚ干渉計
２１７ 変形測定用レーザ干渉計

Claims (16)

1. 移動体の移動によって力の作用点が変化するアクチュエータを用いて、前記移動体の自重を支持する位置決め装置であって、
   前記力の作用点の変化によって前記移動体にかかる曲げ力を低減するように前記アクチュエータへの指令を制御する制御部を有することを特徴とする位置決め装置。
2. 移動体の移動によって力の作用点が変化するアクチュエータを用いて、前記移動体の自重を支持する位置決め装置であって、
   予め求められた、前記力の作用点の変化によって生じる前記移動体の変形量にもとづいて前記移動体への指令を制御する制御部を有することを特徴とする位置決め装置。
3. 前記制御部は、前記力の作用点の変化による前記移動体の変形を補正するように指令を制御することを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
4. 前記アクチュエータは、前記移動体を前記移動方向に駆動するために用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置決め装置。
5. 前記制御部は、前記移動体の位置情報または駆動情報に基づいて指令を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の位置決め装置。
6. 前記アクチュエータは平面モータであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の位置決め装置。
7. 補正用アクチュエータを有し、前記力の作用点の変化によって前記移動体にかかる曲げ力を低減するように前記補正用アクチュエータへの指令を制御する第２制御部を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の位置決め装置。
8. 複数のコイルを有する固定子と、
   周期的な磁束密度分布を有する可動子とを有し、
   前記複数のコイルのうち第１方向に並べられたコイルに通電することによって前記可動子の自重を支持する位置決め装置であって、
   前記可動子は、前記第１方向と垂直な第２方向における曲げ剛性よりも前記第１方向における曲げ剛性の方が大きいことを特徴とする位置決め装置。
9. 複数のコイルを有する固定子と、
   周期的な磁束密度分布を有する可動子とを有し、
   前記複数のコイルのうち第１方向に並べられたコイルに通電することによって前記可動子の自重を支持する位置決め装置であって、
   前記第１方向において前記可動子にかかる曲げ力を低減するように前記複数のコイルに通電する電流を制御する制御部を有することを特徴とする位置決め装置。
10. 前記可動子は、平面モータによって前記固定子の上面に沿って移動することを特徴とする請求項８または９に記載の位置決め装置。
11. 移動体の移動によって力の作用点が変化するアクチュエータを用いて、前記移動体の自重を支持する位置決め装置の駆動制御方法であって、
    前記アクチュエータは、前記力の作用点が変化する移動方向における曲げ力を前記移動体に発生させるように制御されることを特徴とする駆動制御方法。
12. 原版のパターンを基板に露光する露光装置であって、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の位置決め装置を備え、
    前記移動体により原版と前記基板とを相対的に位置決めして露光することを特徴とする露光装置。
13. 移動体の移動により力の作用点が変わるアクチュエータを用いて自重が支持される移動体の変形量を計測する計測装置であって、
    前記アクチュエータの固定子を移動させる駆動手段と、
    前記固定子を移動させた際の前記移動体の変形量を計測する計測手段とを有することを特徴とする計測装置。
14. 移動体の移動によって力の作用点が変化するアクチュエータを用いて、前記移動体の自重を支持する位置決め装置であって、
    補正用アクチュエータを有し、請求項１３に記載の計測装置によって計測された結果にもとづいて前記補正用アクチュエータを制御することを特徴とする位置決め装置。
15. 移動体の移動によって力の作用点が変化するアクチュエータを用いて、前記移動体の自重を支持する位置決め装置であって、
    請求項１３に記載の計測装置によって計測された結果にもとづいて前記アクチュエータへの指令を制御することを特徴とする位置決め装置。
16. 移動体の移動によって力の作用点が変化するアクチュエータを用いて、前記移動体の自重を支持する位置決め装置であって、
    請求項１３に記載の計測装置によって計測された結果にもとづいて前記移動体への指令を制御することを特徴とする位置決め装置。

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