JP4970651B2

JP4970651B2 - 高速精密位置決め装置

Info

Publication number: JP4970651B2
Application number: JP2000571323A
Authority: JP
Inventors: ケイヒル，スティーヴン・ピー; ハンター，ブラッドリー・エル
Original assignee: ジーエスアイ・グループ・コーポレーション
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2019-09-13
Also published as: US20040140780A1; JP2002525858A; US6949844B2; DE69937547T2; EP1055163A1; US6744228B1; WO2000017724A1; EP1055163B1; ATE378625T1; KR20010032211A; WO2000017724A9; US6144118A; JP5562789B2; JP2014140049A; DE69937547D1; DE19982072T1; TW449680B; KR100583040B1; JP2011091392A; EP1055163A4

Description

【０００１】
発明の背景
本発明は半導体ウエファーの如きデバイスの処理、小規模実験又は生物学的サンプル或いは他のサンプルの高解像度電子顕微鏡検査にとって有用な高速精密位置決め装置に関する。
【０００２】
半導体処理設備はしばしばシリコンウエファーの高精密位置決めを必要とする。極めて小さな特徴部を備えた大寸法のウエファーはしばしばウエファーを支持するウエファーステージの広範囲の運動と組み合わせた高精密位置決めを必要とする。
【０００３】
高精密度及び広範囲の運動に加えて、高い製造スループットを達成するために高速走査が有用である。
【０００４】
半導体処理設備の典型的な例はマイクロリソグラフィーに使用されるレーザーである。半導体レーザー処理のためのある伝統的な装置はウエファーを支持し、固定のレーザー光の下へウエファーを移動させることのできる移送ステージを有する。ウエファー支持移送ステージは例えばＸ又はＹ方向に沿って移動することができる。
【０００５】
ある処理設備においては、リニアモータ及び軸受装置を使用して、ウエファー支持ステージをレールに沿ってＸ方向へ移動させる。ウエファー支持ステージをＹ方向へ移動させるためには、レールに沿ってのＸ方向へのウエファー支持ステージの摺動を許容した状態で、レール及びウエファー支持ステージをＹ方向に運ぶ中間レールを使用する。
【０００６】
駆動モータ、種々の運動部品、軸受及びウエファーのほかに、ウエファー支持ステージは位置検出器を担持することができる。位置検出器はレーザー距離干渉計とすることができるが、これは一般的に重く、高精度の読み取りのために遅い運動及び光学経路の環境遮蔽を必要とする。
【０００７】
米国特許第５，１５３，４９４号明細書は光負荷を限られた範囲内で高速にてＸ、Ｙ及びヨー（Ｚ軸のまわりでの回転）方向へ運動させることのできる装置を開示している。装置の静止部分の振動は運動量相殺構造体により減少される。運動量相殺構造体は、可動のウエファー支持ステージのほかに、可動のウエファー支持ステージに関して運動量相殺態様にて移動する非共面運動素子を有する。モータは固定の永久磁石と、ウエファー支持ステージに取り付けられ、ウエファー支持ステージと一緒に運動するコイルとを有する。
【０００８】
米国特許第５，１９６，７４５号明細書は１又は２の自由度で２００ないし３００ｍｍの範囲で運動を提供し、残りの自由度で１０ｎｍの範囲内での精密制御を行う装置を開示している。ウエファー支持ステージの直線運動は可動のウエファー支持ステージに取り付けられた永久磁石の列及びステータに取り付けられた整流コイルの固定の列により提供される。整流コイルは結合された磁束線を有する。コイル内でのエネルギ損失を減少させるために、運動が生じる列の区分内へのみ電流が流れることができる。運動は磁気軸受により容易化される。
【０００９】
発明の概要
１つの態様においては、本発明はデバイス位置決め装置を提供し、この装置は、デバイスを支持するようになったステージと、ステージを支持するプラテンと、ステージと共面（同一平面）に位置し、ステージのまわりに配置され、ステージと何ら機械的に接触することなく、駆動力をステージに直接供給する複数の駆動モータとを有する。駆動力は少なくとも３つの運動の自由度でステージに平面運動を与える。複数の流体軸受はステージとプラテンとの間で作動し、残りのすべての自由度においてステージの平面運動を拘束する。駆動モータに接続されたコントローラは駆動モータの作動を制御する。各駆動モータは頂部の静止のコイル、底部の静止のコイル、及び、頂部の静止のコイルと底部の静止のコイルとの間に形成された所定の長さのギャップ内で運動するようになった可動の磁石を有する。
【００１０】
ある実施の形態においては、本発明に係る構成はたった１つの一体の可動部品に対して可能にする。この構成はステージを極めて剛直にし、これがコントローラにおける極めて高いサーボ利得の使用を促進させる。この構成の利点は良好な正確性、迅速な設定時間及び小さなサーボトラッキング誤差である。
【００１１】
モータが可動磁石構造体に設けられるので、駆動コイルを静止状態に維持することができ、従って、可動ステージへのリード線の取り付けの必要性が排除される。この構成はそのリード線が撓まないためコイルの信頼性を改善する。
【００１２】
ある実施の形態においては、ステージは小運動ステージとすることができ、装置は小運動ステージの運動面に平行な面内で運動する大運動ステージを有することができる。この構成はウエファーの全範囲を走査できる低性能大運動素子により重負荷処理設備（例えばレーザー）を運ばせることを可能にする。軽負荷ウエファーは、ウエファー上の個々のデバイスの小範囲を走査する高精密で高速の小運動ステージにより支持することができる。
【００１３】
別の態様においては、本発明は相殺力をデバイス位置決め装置に供給する力相殺装置を含む。相殺力はステージ及びステージと一緒に運動する任意の素子の重心と共面であり、ステージの平面運動により発生する力を相殺する。駆動力及び相殺力が共に同じ面に存在するので、ステージの偏向を生じさせて精密度の低下に通じるような平面から外れる正味のモーメントを発生させない。この平面構成は高サーボループ堅持(stiffness)、迅速な設定時間及び高精密度を提供する。
【００１４】
別の態様においては、本発明は少なくとも１つの干渉計エンコーダを含む位置検出器を特徴とする。エンコーダは温度変化、湿度変化又は気圧変化の如き環境変動に対して感応せず、位置決め装置の周囲環境を制御する必要性を減少させ、もってコストを減少させる。干渉計エンコーダは比較的安価で、重量が小さく、運動する格子構造として形状づけることができ、読み取りヘッドの電子機器及びこれに関連するリード線を静止状態に保つ。ステージの運動によるリード線の撓みを排除することにより信頼性を改善できる。
【００１５】
別の態様においては、本発明は駆動モータの作動を制御し、軌道計画手段(planner) を含むコントローラを特徴とし、軌道計画手段は所望の軌道の軌跡を受け取り、駆動モータ及び力相殺装置のためのステージ駆動コマンド及び力相殺コマンドをそれぞれ生じさせ、ステージ駆動コマンドと力相殺コマンドとの間の位相遅れを補償する。コントローラはまた、軌道計画手段からのコマンド及びフィードバック信号を受け取り、フィードバック信号をコマンドと比較して、駆動モータのための補正信号を発生させる。
【００１６】
本発明の他の特徴及び利点は以下の詳細な説明、図面及び特許請求の範囲の記載から明らかとなろう。
【００１７】
詳細な説明
図１を参照すると、本発明に係る半導体ウエファー位置決め装置１００は、例えば半導体ウエファー１０６を支持するために使用できる小運動Ｘ−Ｙステージ１０２を有する。ステージ１０２はＸ、Ｙ方向において小さな範囲にわたってウエファー１０６を移動させることができる。１つの例においては、この範囲の寸法は３５×３５ｍｍ² であり、運動の精密度は１０ｎｍである。
【００１８】
ステージ１０２はプラテン１０４により支持される。空気軸受１４４ａ−１４４ｄはステージとプラテンとの間で作動する。ステージ／プラテン組立体は振動隔離脚部１２２上に装着された光学テーブル１２４上に置かれる。
【００１９】
２つの大運動ステージ１０８、１１０はそれぞれＸ軸及びＹ軸に沿って設備箱１１６を移動させる。１つの例においては、大運動範囲の寸法は３００×３００ｍｍである。
【００２０】
設備箱１１６はマイクロリソグラフィーレーザー１１８、検査レンズ装置１２０又は他の処理設備を収容することができる。積載されたステージ１０２、１０８、１１０の組み合わせはウエファーを支持する軽量ステージ１０２のための高速及び高精密小運動から重荷重処理設備１１８、１２０のための大運動を切り離す。
【００２１】
ステージ１０２は２対の駆動モータ１１２ａ、１１２ｃ及び１１２ｂ、１１２ｄ（図２）によりそれぞれ駆動されてＸ及びＹ方向へ移動できる。４つの駆動モータはステージと同じ面内に位置し、ステージの両側でステージのまわりに対称的に配置される。モータは何等の機械的な接触を伴わずにステージ１０２へ駆動力を直接提供する。Ｙ及びＹ運動のほかに、モータはＺ方向（ヨー）のまわりでステージを回転させることができる。
【００２２】
図３を参照すると、ステージ１０２は４つのウイング（翼部）１３０ａ−１３０ｄを有する。各ウイング（例えば１３０ａ）の自由端において、２つの逆に磁化された永久磁石（例えば１３２ａ、１３４ａ）が位置する。これらの永久磁石は２つの静止のコイル１４０、１４２（図４）間に形成されたギャップ内に位置する。静止のコイルは磁気透過性の材料１３８の表面上に形成され、この材料は永久磁石（図７）から発生する磁束線１５０のための帰還板として作用する。永久磁石はモータのアーマチュアを形成し、帰還板を備えた静止のコイルはモータのステータ部分を形成する。電流が静止のコイルに供給されるので、永久磁石に作用する力が誘起され、永久磁石をステージと一緒に移動させる。１つの例においては、永久磁石は鉄・ネオジム・ホウ素とすることができ、磁気透過性の材料は軟鉄とすることができる。
【００２３】
図５、６を参照すると、４つのモータのコイルの寸法は、１方向（例えばＸ方向）への任意の運動がコイルと十分に結合された他の方向（例えばＹ方向）での永久磁石の磁束線を維持するのに十分な幅となるように、選定される。
【００２４】
運動する磁石構成においては、ステージの各ウイングに駆動力を供給する地点は、可動ステージの中心に関して不動に維持される。この構成により、簡単なサーボコントローラが得られる。
【００２５】
図２を参照すると、４つの駆動モータはステージ１０２を駆動するために使用される。他の実施の形態においては、３つ又は４つ以上のモータを使用できる（３つのモータは３つの自由度を制御するのに必要な最小数のモータである）。４つのモータ構成はまた、直線で囲まれた範囲寸法をカバーするのに必要な最小コイル寸法を利用できる。コイルの長さが短ければ、パワー損失が少なくなる。
【００２６】
図４、７を参照すると、駆動コイルは２つのコイル（頂部コイル１４０及び底部コイル１４２）に分割される。２つのコイル１４０、１４２は、直列又は並列に接続することができ、または、駆動コイルの２つの半部分により発生される力全体を制御するためにそれぞれ独立に駆動することができる。この構成は、Ｘ、Ｙ方向の運動及びヨーに加えて、小さなロール（Ｘ軸のまわりでの回転）及びピッチ（Ｙ軸のまわりでの回転）を生じさせるために使用できる。ロール及びピッチ運動の能動制御は、モータ力の結果として空気軸受１４４ａ−１４４ｄ（図８）へ正味のモーメントが加えられないことを保証しながら、ステージの不整合を生じさせる虞れのある製造公差における不完全性を補償するために使用できる。コイル１４０、１４２が互いに独立に駆動される場合は、底部コイル１４２内の電流に関する頂部コイル１４０内の電流の比率は、結果としての正味の力が運動素子の重心の存在面に供給されるのを補償するように、制御することができる。
【００２７】
コイル１４０、１４２において熱が発生する。コイルが磁気透過性の材料１３８に結合されているため、ステージ及びステージに埋設できる任意の精密度量衡素子の運動を妨げることなくコイルを冷却することができる。
【００２８】
頂部及び底部のコイル１４０、１４２並びに磁気透過性の材料１３８を含むステータはプラテンに運動学的に装着される。この構成は、プラテンに応力を加えることなく熱膨張によるステータの寸法変化を許容し、ステータからプラテンへの熱伝導を減少させ、もって、簡単で安価なステータの温度制御を可能にする。別の構成においては、プラテンは、精密度量衡素子に影響を与えずに膨張できるフレームに運動学的に装着される。
【００２９】
図８を参照すると、空気軸受１４４ａ−１４４ｄはステージ１０２の底表面１７０とプラテン１０２の頂表面との間で作動する。空気軸受の剛性は、図１に示すように、ステージ１０２とプラテン１０４との間のギャップ内へ吸引される真空１４６で軸受を予負荷することにより、改善される。空気軸受の剛性が制御されるため、小運動ステージはＺ方向、並びに、Ｘ軸のまわりでの回転（ロール）及びＹ軸のまわりでの回転（ピッチ）び関して拘束される。
【００３０】
空気軸受は静止のプラテンとステージとの間で高空間周波数運動誤差の無い無摩擦支持を提供する。１回の度量衡プロセスはプラテン内に存在する小さな振幅の固有形(built-in form) の誤差を容易に生じさせることがある。
【００３１】
可動磁石構造は駆動コイルと帰還磁束経路との間の垂直ギャップ内で磁石を片寄らせることにより大流体軸受予負荷を容易にする。磁石により提供された余剰の予負荷は改善された軸受剛性に寄与し、良好な精密度、迅速な設定時間及び小サーボトラッキング誤差という利点を与える。
【００３２】
駆動モータの作用面は運動素子の重心を含む面と合致する。運動素子の重心を駆動する力は流体軸受の望ましくない偏向を生じさせない。駆動力と流体軸受の偏向との間の切り離しはサーボループ堅持を改善し、加速に続く高精密度を達成するのに必要な時間を減少させる。
【００３３】
空気軸受は過剰拘束されない。過剰拘束された空気軸受は、比較的大きな距離にわたって維持しなければならない精密な公差のため、製造が困難である。軸受がその製造において精密な公差を必要としないため、そのコストを低くすることができる。
【００３４】
位置フィードバックの１つの方法は、図８に示すように、ステージの底表面１７０において位置する干渉計エンコーダ１３６ａ−１３６ｄの使用に基づく。図９を参照すると、干渉計エンコーダは二次元エンコーダ格子１８２と、センサヘッド１８４と、コンピュータ（図示せず）内に差し込まれたインターフェースカード１８８にセンサを接続するコネクタ１８６とを有する。二次元格子１８２はホウケイ酸ガラス上にエッチングされた１０マイクロメートル目盛りを有する。格子は可動ステージに取り付けられる。センサヘッド１８４はプラテンに取り付けられ、図１０に示すように、レーザーダイオード源１９２と、レンズ１９４と、プリズムミラー１９６と、検出器１９８ａ、１９８ｂとを有する。格子とセンサヘッドとの間の光学経路は囲まれる。レーザー１９２はレンズ１９４を通して合焦された光線２００を格子１８２へ導く。光線２００は格子により回折され、格子の２つの別個の寸法から干渉パターン２０２ａ、２０２ｂが形成される。２つの干渉パターン２０２ａ、２０２ｂの各々は検出器列（アレイ）１９８ａ、１９８ｂ上に作像される。検出器列は正確な位相測定を行うように処理できる信号を発生させる。回折格子がセンサヘッドに関して移動したとき、干渉パターンは検出器列を横切って移動し、図１１に示すように、位相が１２０度ずれた信号Ｒ、Ｓ、Ｔを発生させる。これらの信号はコンピュータにより電子的に処理され、位相の正確な測定を提供する。この技術は０．３ｎｍの長さ解像度に対応する２¹⁴分の１の位相解像度を与える。
【００３５】
干渉計エンコーダは例えばマイクロ・イー社(Micro E) （マサチューセッツ州）又はオプトラ社(Optra, Inc.) （マサチューセッツ州トップフィールド(Topfield)）により製造されたものとすることができる。
【００３６】
エンコーダは温度変化、湿度変化又は気圧変化の如き環境変動に感応せず、従ってウエファー位置決め装置の周囲環境を制御する必要性を排除し、低コストを実現する。ステージの下方のエンコーダのための囲まれた光学経路は乱れが無く、高帯域幅での位置決め電子機器の作動を可能にし、一層高いサーボループ堅持を可能にする。
【００３７】
干渉計エンコーダは比較的安価で、軽量であり、センサヘッド電子機器及び関連するリード線を静止状態に維持する運動格子構造として形状づけられる。ステージの運動によりリード線が撓まないので、信頼性が高い。
【００３８】
エンコーダの精密度はエンコーダ格子で固定される。格子に誤差があることがあるが、そのような誤差を測定し、度量衡制御装置の一部を補正することができる。ウエファー位置決め装置を組立てる際に一度確立された検索テーブルが格子誤差を容易に補正できる。
【００３９】
位置フィードバックもまた普通のレーザー干渉計手段により使用することができる。
【００４０】
ステージの運動により生じた力を相殺するため、ウエファー位置決め装置の一体の素子として力相殺装置を設ける。再度図２を参照すると、力相殺装置はステージ１０２と共面でステージのまわりに配置された４つの力相殺モータ１１４ａ−１１４ｄを有する。相殺モータはステージの平面運動により発生する力とは反対向きの相殺力をウエファー位置決め装置の静止部分に作用させる。
【００４１】
一体の力相殺は一層大きな加速度、及び、加速期間後から装置の完全な正確さが達成されるまでの一層少ない待ち時間を可能にする。力相殺能力はまた、ステージがステージと共に運動する任意の精密素子を振動させるのを阻止する補助をなす。
【００４２】
力相殺の作用面はまた装置の可動部分（ステージにより支持され移動される任意の素子と組み合わせたステージ１０２）の重心を含む面と同じ面内に位置する。駆動力及び相殺力が共に同じ面内にあるので、この面から外れてステージに偏向を生じさせ精密度を低下させる虞れのある正味のモーメントは発生しない。この平坦な構成が高いサーボループ堅持、迅速な設定及び高精密度を提供する。
【００４３】
図１２を参照すると、制御装置５０の主素子は軌道計画手段２００及びデジタルコントローラ２１０である。
【００４４】
軌道計画手段２００は所望の軌道２０２の軌跡を受け取り、ステージ位置サーボ、並びに、ステージ駆動モータ２３０及び力相殺モータ２４０の双方のための対応する力フィードフォワード(feed-forward)コマンドを生じさせる。軌道計画手段はステージ駆動フィードフォワードコマンドと力相殺フィードフォワードコマンドとの間の位相遅れを補償するようになっている。
【００４５】
デジタルコントローラ２１０は駆動及び力相殺モータのためのステージ位置及びフィードフォワードコマンドを軌道計画手段２００から受け取る。デジタルコントローラ２１０はまた相殺センサ２４２、ステージ位置センサ２３２及び駆動モータアナログコントローラ２１２からそれぞれフィードバック信号２４４、２３４、２１１を受け取る。デジタルコントローラはセンサ信号２４２、２３４、２１１を処理してウエファー位置決め装置の状態を決定し、その状態を所望の状態と比較し、アナログコントローラ２１２、２１４に供給される適正な補正信号２１３、２１５を発生させる。デジタルコントローラはまた状態情報２４６をパラメータ見積もり器２２０へ提供する。
【００４６】
アナログコントローラ２１２、２１４はステージ駆動モータコイル２１６及び力相殺モータコイル２１８への電流をそれぞれ制御する。駆動モータアナログコントローラ２１２は駆動モータフィードバック信号２１１をデジタルコントローラへ提供する。駆動モータフィードバック信号２１１は、駆動モータのモデルを使用し駆動コイルの電圧及び電流を測定して計算されたステージの速度の見積もり値である。
【００４７】
アナログコントローラ２１２、２１４はリニア駆動及び力相殺モータをそれぞれ駆動するのに必要な比較的大きな電流２２４、２２２を提供する。各アナログコントローラはリニア二重出力ステージを有する。二重出力ステージは低インピーダンスコイルに駆動電流を二倍提供するように並列に接続される。二重出力はまた各ステージ駆動モータの頂部／底部のコイルを駆動するためにマスター／スレーブ（主従）構成として駆動することができる。１つの例においては、スレーブ出力はマスター出力により送給される電流の０．９５ないし１．０５倍を送給することができる。この一定の比率はウエファー位置決め装置及び駆動モータの製造公差を補償するように調整でき、もって、各駆動モータにより供給される正味の駆動力が運動素子の重心に加えられるのを保証する。
【００４８】
デジタルコントローラは位置センサ２３２（エンコーダ又は干渉計）の４つのチャンネルを介してステージ駆動装置２３０からステージ位置フィードバック２３４を受け取る。ステージが自由度を３つしか有しないので、フィードバックの１つのチャンネルは余剰となる。この余剰分はデジタルコントローラで利用され、ステージ位置の最適な見積もり値を導き出し、また、センサ信号の質の見積もり値を提供する。センサ信号の質は、ステージ位置の最適（最高適合）な見積もり値とこの適合を見積もった４つの測定値との間の単なる誤差(residual)である。デジタルコントローラのソフトウエアは質測定を監視し、質が所定の限界を越えていた場合に中断動作を行う。
【００４９】
振動センサ２４２（ジオフォーン(geophones) 又は加速時計）がウエファー位置決め装置に設けられて、力相殺性能を監視する。較正装置２６０はウエファー位置決め装置の製造中の力相殺性能を監視し、フィードフォワード利得２０８（静的パラメータ）を調整する。
【００５０】
パラメータ見積もり器２２０はまた制御ソフトウエアに設けられる。パラメータ見積もり器２２０は所望の軌道やステージ駆動装置及び力相殺装置の実際の状態変数を見つけ、軌道計画手段２００により使用されるパラメータの改善された見積もり値２０６を導き出す。パラメータ見積もり器の目的は、ステージの動的誤差を常にゼロ近くにすることである。この状態を生じさせるために、軌道計画手段２００は所望の位置軌道にほぼ完全に対応する力コマンドを提供しなければならない。ほぼ完全な対応には、増幅器の利得、ステージの質量、ステージに関するモータの位置及び同様のパラメータの優れた知識を必要とする。ウエファー位置決め装置のモデルにおける誤差は、ステージが運動プロフィールを実行した場合にトラッキング誤差を生じさせることがある。装置のモデルが良好であれば、モデルの精度の継続的な改善を行うパラメータ見積もり器２２０の作動のため、ステージは一層少ない時間で軌道を実行する。改善された性能に加えて、モデルが改善されれば、トラッキン誤差における制限をデジタルコントローラにおいて一層厳密に設定できる。トラッキン誤差における極めて厳密な交差は、デジタルコントローラが誤差、不一致又は他の予期しない出来事を一層迅速に検出するのを可能にし、装置の良好な安全性を保証する。
【００５１】
較正装置２６０はステージ位置センサ２３２における幾何学的な誤差を測定して補正し、パラメータ見積もり器により引き続いて改善されるベースラインパラメータ値を確立する。較正装置２６０はまたオフライン(off-line)較正を行うために使用することができる。オフライン較正に対しては、較正装置２６０は付加的なセンサ及びソフトウエアを使用できる。
【００５２】
軌道計画手段２００は特定の仕事を遂行するように構成されている。例えばメモリー修理の目的で半導体素子を再位置決めする仕事については、軌道は一連のセグメントとして規定される。セグメントは位置／速度／時間セグメント及び巡航速度／距離セグメントを含む。
【００５３】
位置／速度／時間セグメントは運動の遂行に割り当てられる時間、最初及び最後の位置、並びに速度を規定する。軌道計画手段は端点条件を満足させるのに必要な位置及び対応する力プロフィールを決定する。運動経路は拘束されない。ゼロの特定の条件は、軌道計画手段がアクチュエータの運動又は他の制限にとって必要な最小時間を使用すべきであることを示す。
【００５４】
巡航速度／距離セグメントは大半の処理動作を遂行するために使用される。このセグメントの長さのみが規定される。セグメントのための速度は先行のセグメントの端点により規定される。巡航速度／距離セグメントは軌道における最初のセグメントとなることができない。処理コマンドを巡航速度／距離セグメント型式にリンクすることができる。
【００５５】
他の型式のセグメントを他の応用に使用できる。
【００５６】
軌道計画手段２００は軌道セグメントの定められたリストとして規定された軌道を、デジタルコントローラへの所定のアップデート率で生じる軌道点のリストへ拡張する。軌道計画手段は実際の運動に対して僅かな予告間隔でほぼリアルタイムに作動する。軌道バッファ３００（図１３）が軌道計画手段、デジタルコントローラ及びパラメータ見積もり器間に存在する。軌道バッファ３００は軌道計画手段の実行速度をデジタルコントローラの速度から切り離させることができる。軌道計画手段は、軌道バッファが決して空にならないことを保証するのに十分な頻度で運転しなければならない。バッファが空にならないのに十分なほど軌道計画手段をデジタルコントローラよりも先に作動させることのできる運動手順の開始時に極めて僅かな遅れが存在する。初期の始動遅れ（数マイクロ秒）の後、運動の遂行に必要な時間はハードウエアの物理的な制限に完全に依存する。装置内では、更なるソフトウエアにより生じる遅れは存在しない。
【００５７】
軌道計画手段は軌道セグメントを構成するために閉型式の運動プロフィールを使用する。１つの例においては、次の型式の位置／速度／時間セグメントを実施するために、直線的に変化するサイクロイド加速プロフィールを小さな運動に対して使用する。
【００５８】
Ａ（ｔ）＝（ｓｉｎ（π×ｔ／Ｔ）×（ｋ₀＋ｋ₁×ｔ）
ここに、Ａは加速プロフィール（又は等価の力プロフィール）、ｋ₀、ｋ₁は軌道端点の合致に使用されるプロフィール定数、Ｔはセグメント期間（時間）、ｔは時間（独立変数）である。
【００５９】
このプロフィールはセグメントの全長にわたって円滑に変化する力プロフィールであり、軌道セグメントの端点拘束を満たすのに十分な融通性を有する。プロフィールが円滑であるため、このプロフィールに対応するフィードフォワード力信号も円滑である。この結果は有利である。その理由は、フィードフォワード力信号が付加的な濾波を必要とせすに増幅器及びモータへ直接供給されるからである。フィードフォワード力信号が開ループ形態で供給されるため、ウエファー位置決め装置の力学は供給された力信号に影響を与えず、大幅に単純な装置力学を提供する。
【００６０】
図１３を参照すると、デジタルコントローラ２１０の主要な素子は軌道バッファ３００、コマンドバッファインターフェース３０２、モニターバッファインターフェース３０４、フィードバック変換器３０６、誤差検出ブロック３０８、制御法則３１０、出力変換器３１４及びモータ状態フィードバックブロック３１２である。
【００６１】
軌道計画手段は軌道バッファ３００を介して軌道コマンドをデジタルコントローラへ送る。また、デジタルレコーダは軌道バッファ３００を介してバックデータをパラメータ見積もり器２２０へ送る。この構成は、低レベルプロセッサ（デジタルコントローラ）及び高レベルプロセッサ（軌道計画手段及びパラメータ見積もり器）の双方によりアクセスできる割り当てメモリーブロックを使用して実施される。
【００６２】
コマンドバッファインターフェース３０２は軌道バッファ３００から力フィードフォワード及び位置設定点コマンドを引き出し、デジタルコントローラの各アップデート時にこれらを使用する。
【００６３】
モニターバッファ３０４は、測定されたデータを軌道バッファ３００へ挿入することにより、状態情報をパラメータ見積もり器２２０へ入力する。
【００６４】
ステージ位置の４つのチャンネルはステージセンサインターフェース３１６により測定される。４つのセンサ読み取り値はフィードバック変換器３０６により３つの自由度のステージ位置（Ｘ、Ｙ、ヨー）の最良適合見積もり値に変換される。センサの質はまた、誤差検出ブロック３０８により、増幅器からの付加的な測定値と一緒に、計算され、監視される。範囲外測定に基づく欠陥が検出された場合は、誤差検出ブロック３０８は中断動作を開始する。位置誤差が所定の限界を越えた場合、見積もったステージ速度が所定の限界を越えた場合、及びモータの温度又は電流が所定の限界を越えた場合に、センサの質不良（例えば、フィードバック変換における過剰な誤差）として中断を開始することができる。
【００６５】
制御法則３１０は入力として、３つの自由度の位置誤差信号及び付加的な状態情報をモータから受け取り、トラッキング誤差をゼロにするような３つの力コマンドを発生させる。制御法則３１０から得られた３つの力は出力変換器３１４により最小力ベクトルに変換され、このベクトルは４つのステージ駆動モータにより運動磁石調和移動(coordinate)装置へ供給される。運動磁石調和移動装置において、誤差力は軌道バッファから直接来るフィードフォワード力コマンドと一緒に加算される。出来上がった力の合計ベクトルは４つのアナログコントローラへ送られる。
【００６６】
ステージモータ状態フィードバックブロック３１２はアナログコントローラからのフィードバックを監視する。監視される変数はモータ電流、アーマチュア速度及びステータ温度を含む。
【００６７】
ステージ制御装置は力コマンドに対するステージの高度に予測可能な応答を提供する。高度の予測可能性は大なる精度でのフィードフォワード力の見積もりを可能にする。
【００６８】
ステージを駆動するのに必要な実際の力は予測した力プロフィールと若干異なることがある。しかし、（ウエファー位置決め装置の簡潔さ及び低周波数振動モードの不存在のために可能である）高サーボループ利得のため、予測した力におけるいかなる誤差も最小トラッキング誤差で補正できる。１つの例においては、必要な力プロフィールはフィードフォワード経路から直接９９％以上の精度で予測することができる。サーボループ利得により増大されたトラッキング誤差は規定された軌道に沿ってステージを駆動するのに必要な残余の力を生じさせる。
【００６９】
力（駆動力及び相殺力の双方）の広大な軌道が予め決められるので、極めて有効な力相殺が可能である。この高度の相殺は、装置の力学相互作用又は結合無しに、可能となる。
【００７０】
駆動信号の移動を発生させるためのフィードフォワードモデルの使用は良好な安全性を提供する。閉ループサーボコントローラが極めて小さな力を供給するので、位置誤差に対して極めて厳密な交差を設定することが可能である。サーボ誤差に対する厳密な交差は、実質的な損傷が装置や人間に対して生じるようになる前に、欠陥を感知し、中断動作の開始を可能にする。例えば保守者が予期しない接触等の外乱をウエファー位置決め装置に加えたことを感知するのは容易である。
【００７１】
制御構成の別の利点は、軌道計画手段及びデジタルコントローラの如き多数のプロセッサの中の計算負荷の分割(partitioning)である。デジタルコントローラは閉ループ安定性基準を満たすべく高度に決定論的なグループ(highly deterministic faction)での（マイクロ秒で測定される）低潜在(low-latency) 計算を提供するように最適化される。軌道計画手段は低決定論的挙動（マイクロ秒の数百分の数十で測定された潜在）で作動する。適当な作動装置を備えた単一の信号プロセッサは両方の機能を遂行することができるが、分割は複数のプロセッサ間の割り当てメモリーインターフェースを用いることにより複数のプロセッサの使用を容易にする。この分割は、軌道計画手段を実施するために、デジタルコントローラ及び（ＵＮＩＸ又はウインドウズＮＴの如き）ほぼリアルタイムの性能を備えたホスト専用としてのデジタル信号プロセッサの使用を可能にする。
【００７２】
高速精密位置決めのための新規で改善された装置及び技術を説明した。本発明は、ここに開示した装置及び技術に含まれるか又はそれらが所有する新規な特徴及び特徴の新規な組み合わせの各々及び全部を包含するものとして解釈すべきである。また、当業者にとっては、本発明の概念を逸脱することなく、ここに開示された特定の実施の形態に対して種々の用途、修正及び変更が可能であること明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るウエファー位置決め装置の側面図である。
【図２】ウエファー位置決め装置、並びに、図１の装置の駆動モータ及び力相殺モータの斜視図である。
【図３】ウエファー位置決め装置のステージの斜視図である。
【図４】ステージの一部の横断面側面図である。
【図５】Ｘ方向に運動するステージの概略図である。
【図６】Ｘ方向に運動するステージの概略図である。
【図７】ステージの一部及び駆動モータの一部の側面図である。
【図８】ステージの底表面を示す図である。
【図９】図１のウエファー位置決め装置に関連して使用する干渉計エンコーダを示す図である。
【図１０】光学経路信号を示す、干渉計エンコーダの部分を示す図である。
【図１１】検出器の列信号及び検出器列の関連する干渉パターンと共に、干渉計エンコーダの３つの検出器列を概略的に示す図である。
【図１２】図１の装置のステージを制御するために使用できるステージ制御装置のブロック線図である。
【図１３】図１２のステージ制御装置のデジタルコントローラのブロック線図である。

Claims

半導体ウエファー（１０６）を位置決めする装置（１００）において、
半導体ウエファー（１０６）を支持するように形状づけられたステージ（１０２）と；
上記ステージ（１０２）を支持するプラテン（１０４）と；
上記ステージ（１０２）と同一平面に位置し、当該ステージ（１０２）のまわりに配置され、該ステージ（１０２）と何ら機械的に接触することなく、少なくとも３つの運動の自由度で同ステージ（１０２）に平面運動を与える駆動力を同ステージ（１０２）に直接供給する複数の駆動モータ（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）と；
上記ステージ（１０２）と上記プラテン（１０４）との間で作動し、残りのすべての自由度において当該ステージ（１０２）の運動を拘束する複数の流体軸受（１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃ、１４４ｄ）と；
上記駆動モータ（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）に接続され、同駆動モータ（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）の作動を制御するようになったコントローラと；
を有し、上記各駆動モータ（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）が、
頂部の静止のコイル（１４０、２１６）と；
底部の静止のコイル（１４２、２１６）と；
上記頂部の静止のコイル（１４０、２１６）と上記底部の静止のコイル（１４２、２１６）との間に形成された所定の長さのギャップ内で運動するようになった可動の磁石（１３２、１３４）と；
を有することを特徴とする装置。
上記ステージ（１０２）のまわりで対称的に配置され、３つの独立の自由度で当該ステージ（１０２）に運動を与える駆動力を供給する３つの駆動モータ（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）を備えたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
上記ステージ（１０２）の４つの向き合う側部で対称的に配置され、３つの独立の自由度で当該ステージ（１０２）に運動を与える駆動力を供給する４つの駆動モータ（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）を備えたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
少なくとも３つの流体軸受（１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃ、１４４ｄ）を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
上記流体軸受（１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃ、１４４ｄ）がガス加圧軸受であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
流体流れへの伝導により熱が上記頂部の静止のコイル（１４０、２１６）及び上記底部の静止のコイル（１４２、２１６）から除去されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
フレームを更に備え、上記フレームが上記頂部の静止のコイル（１４０、２１６）及び上記底部の静止のコイル（１４２、２１６）を支持することを特徴とする請求項１に記載の装置。
上記頂部の静止のコイル（１４０、２１６）及び上記底部の静止のコイル（１４２、２１６）が独立に駆動されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
上記可動の磁石（１３２、１３４）が永久磁石であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
上記永久磁石（１３２、１３４）が鉄・ネオジム・ホウ素磁石であることを特徴とする請求項９に記載の装置。
上記可動の磁石（１３２、１３４）が２つの逆に磁化された磁石であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
上記可動の磁石（１３２、１３４）が電磁石であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
上記ステージ（１０２）が小運動ステージ（１０２）であり、同小運動可動ステージ（１０２）の運動面に平行な面上で運動するようになった大運動ステージ（１０８、１１０）を更に有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
各モータ（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）の上記頂部の静止のコイル（１４０、２１６）及び上記底部の静止のコイル（１４２、２１６）が上記可動の磁石（１３２、１３４）よりも一層大きな寸法を有していて、当該可動の磁石（１３２、１３４）からの磁束線が上記ステージ（１０２）の運動の全範囲にわたって当該コイル（１４０、１４２、２１６）に常に十分に結合されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
上記ステージ（１０２）に取り付けられた少なくとも１つの干渉計エンコーダ（２３２、１３６ａ、１３６ｂ、１３６ｃ、１３６ｄ）を備え、当該ステージ（１０２）の位置を表すフィードバック信号を上記コントローラ（２１０）へ提供する位置検出器（２３２）を更に有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
レーザーダイオード（１９２）、コリメータ及び検出器列（１９８）を更に有することを特徴とする請求項１５に記載の装置。
上記レーザーダイオード（１９２）、コリメータ及び検出器列（１９８）と上記干渉計エンコーダ（２３２、１３６ａ、１３６ｂ、１３６ｃ、１３６ｄ）との間の光学経路が囲まれていることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
レーザー距離干渉計を備え、上記ステージ（１０２）の位置を表すフィードバック信号を上記コントローラ（２１０）へ提供する位置検出器（２３２）を更に有することを特徴とする請求項１に記載の装置。