JPH0233168B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はＸ−Ｙ位置付けシステム、特に電子ビ
ーム・リソグラフイと共に用いるための超高精度
且つ高速の電子位置付けシステムに関する。

〔先行技術〕

電子ビーム・リソグラフイ・システムは集積回
路デバイスの製造のための道具として用いられて
いる。例外的な程に高い精度及び高いスループツ
トが、電子ビーム・リソグラフイ・システムの望
ましい特性である。この技術分野における不変の
要求は、ターゲツト即ち半導体ウエハ又はガラ
ス・マスクを処理のために電子ビームの下に位置
付けるために用いられる装置を改善する事であ
る。そのような位置付けシステムは電子ビーム・
システム自体の精度に匹敵する高い精度を持ち、
且つシステムの全体的なスループツトを妨げない
ように位置付けシーケンス及び動作中に適正なス
ピードを持たなければならない。

典型的な場合、そのようなシステムは直交Ｘ−
Ｙ位置付けのために用いられ、そして特定の範囲
例えば200mm以内でウエハを保持するテーブルを
移動させ、非常に高い許容誤差でテーブルを電子
ビームに対して相対的に位置付けるために用いら
れる。現在の位置付け許容誤差は±0.04×10^-3mm
の範囲内である。さらに電子ビーム・リソグラフ
イ装置の全体的スループツトを改善するために、
位置付けシステムはある位置から他の位置へ最短
可能時間で移動できなければならない。典型的な
場合、５mmの再位置付けのための移動時間として
125ms程度の値が従来のサーボ・システムを用い
て達成されており、能動位置情報フイードバツク
を用いた位置付け回路において用いられている。

しかしながら、従来のサーボ・システムが用い
られる時、絶対位置付け精度と移動速度との間に
基本的なトレード・オフが存在している。このト
レード・オフは通常エネルギー・マネジメントの
１つ、即ちシステムをある位置から他の位置へ急
速に移動させるためにシステムに充分なエネルギ
ーを供給し、Ｘ−Ｙステージを制動して停止させ
る時にシステムに充分なエネルギーを供給する第
１の基準として表現される。残留振動即ち「リン
ギング」の量を最小に保つてテーブルを停止させ
るには、常時ステージに正確な量のエネルギーが
供給される必要がある。従つて速い移動時間を達
成するには、最小のリンギングでテーブルが停止
される必要がある。

基本的なトレード・オフにおけるエネルギー・
マネジメントの問題は、このエネルギーの印加を
受ける相対的寸法を考慮する事によつて複合され
る。例えば0.04μｍの寸法範囲内では、通常剛体
と考えられる構造部材が非剛体的になる。従つて
これらの部材に不当な応力がかかるのを阻止し且
つ不所望の効果（リンギング）を急速に減衰させ
るために、停止時に印加されるエネルギーはテー
ブルの絶対的な真の位置付けをより急速に達成す
るために測定された方式で加えられる必要があ
る。

フイードバツク・サーボ・ループを用いた従来
のシステムが第１図に示してある。そのような従
来の位置付けループ・サーボは、デイジタル−ア
ナログ変換器（DAC）への入力がゼロに倒る時
に零条件になる。このシステムは一般に、最終的
な目的地に関する位置情報即ち電子ビームに対す
るテーブルの所望の位置に提供する計算機制御装
置１０を用いる。目的地情報は、レーザ・トラン
スデユーサ１４から現実の位置データを受け取る
減算器１２に供給される。差信号は目的地位置と
実際の位置との間の差を表わす。この差信号はデ
イジタル−アナログ変換器（DAC）１６へ供給
され、これは増幅器１８、モータ２０及びタコメ
ータ２２から成る通常のサーボ・スピード・ルー
プ・モータ駆動装置への入力として用いられる。
そのような従来のシステムによれば、モータ回転
スピードの情報はタコメータ２２によつて感知さ
れ、スピード情報はモータ２０従つてＸ−Ｙテー
ブル２４を駆動するために使われる比較増幅器１
８に与えられる。明らかにDAC１６への入力信
号がゼロの時、実際の位置は目的位置に等しく、
システムはモータが停止するように駆動される。

第１図に示すような先行技術のＸ−Ｙ位置付け
サーボ・ループは多くの重大な欠点を持つてい
る。第１にそのようなサーボ・ループ・システム
は零点の付近で振動する傾向がある。そのような
振動が有効に減衰されるまでは電子ビーム・レジ
ストレーシヨン及び／又は書込み動作を行なえな
いので、そのような振動はスループツトの低下を
招く。さらにそのようなシステムへのエネルギー
入力は一般に一定であり、従つてＸ−Ｙステージ
は制動の起きる零位置に到達するまで一定速度で
動く傾向がある。テーブルに対するこの一定のエ
ネルギーの印加は、「リンギング」にさらに寄与
する因子である。重要な事に、そのような先行技
術のシステムは、一般にサーボ・ループへの一定
の信号入力によつて定義されるかなり広い不感帯
内で動作する傾向がある。

不感帯を最小限にするための補償等の技術は例
えば英国特許第1080180号に示されているように
先行技術において知られている。この先行技術の
システムでは、サーボ機構の不感帯に付いてデイ
ジタル補償が使われているが、補償の大きさは前
もつて定まつている。特に１対のカウンタが用い
られており、これらは、一方のカウンタの内容の
他方のカウンタの内容に対する差がサーボ・シス
テムの移動の原因となるように同じ周波数で同期
的にサイクルする。その結果、不感帯の補償が行
なわれる時に零点の付近で振動が起きる傾向があ
る。

米国特許第3701992号はレコーダにおけるサー
ボ・ループ不感帯を最小化するための装置に関す
る。この装置は前掲文献の装置と同じ欠点を有す
る。この装置においては、第１図の増幅器１８に
相当する主サーボ増幅器と並列に第２のサーボ増
幅器が配置されている。第１の増幅器はアナロ
グ・ピン制御入力信号に比例する出力を発生す
る。また機械素子、この場合はグラフイツク・レ
コーダにおいて生じる摩擦による不感帯を克服す
るために所定の一定の出力信号が第２の増幅器に
よつて供給される。これらの出力は加算され、サ
ーボ・モータを駆動する。しかしながら例え第１
の増幅器と並列に第２の増幅器を用いたとして
も、零点の付近での振動が起きる傾向がある。こ
れは、前記英国特許の場合のように、不感帯を減
少させるために一定の信号が使われているからで
ある。不感帯定数は移動範囲全体にわたつて同じ
ではないものと認められるので、一定の信号が用
いられる時は不感帯は完全に消去する事ができな
い。即ち不感帯定数はＸ−Ｙステージのある位置
から別の位置へ変化する事が認められるので、一
定の信号を用いたのでは不感帯は完全に除去され
ない。

米国特許第3821625号も、所定の固定した出力
電圧を有する第２の増幅器を用いることによつ
て、サーボ機構における不感帯の補償を行なつて
いる。増加的な小さな基本的制御信号の形の出力
は、駆動素子の初期の即時の移動を開始させるた
めにデバイスに加えられる充分な付勢の原因とな
る。従つてこの文献は、不感帯を減少させるため
に一定信号が印加されるという点で他の先行技術
と基本的に異ならない。

〔発明の概要〕

先行技術には欠点が存在するので、電子ビーム
のレジストレーシヨン及び書込み動作の精度に相
当する精度を有する電子ビーム位置付けシステム
を開発する必要性がある。さらにそのような精度
の要求は、適正なスループツトが維持される事を
保証するように移動スピードと組合されなければ
ならない。そのような位置付けのスピード及び精
度は、先行技術の不感帯補償システムに典型的な
零点の周囲の振動の除去と共に達成しなければな
らない。

従つて本発明の目的は、従来の電子ビーム・リ
ソグラフイ装置用のＸ−Ｙ位置付けサブシステム
におけるスピードと精度の問題を克服する事であ
る。

本発明の一態様によれば、テーブルを直接に零
点まで移動させるためにテーブルに充分な量のエ
ネルギーだけを供給し、それによつてシステム構
造全体に優乱を与えるような過剰のエネルギーを
避けるように構成された増分サーボ・システムが
提供される。

また本発明の一態様によれば、零点を１回だけ
オーバーシユートする事によつてサーボ振動を最
小化するようにテーブルが零点に接近するように
駆動電圧を加える事によつて位置付けを行なうテ
ーブル位置付けシステムが提供される。

さらに本発明の一態様によれば、不感帯を減少
させるために使われる前もつて決定された定数の
必要性のないサーボ位置付けサブシステムが提供
される。

本発明の目的はＸ−Ｙ位置付けシステムにおい
てフイードバツク制御回路に関して適応性駆動シ
ステムを用いる事によつて達成される。電子サブ
システムは、ステツプ波形に重ね合される徐々に
増加する駆動電圧を用いる。この信号は、不感帯
内でシステムを正確に位置付けるために誤差信号
（あるいは零信号）と加算される。駆動電圧は、
零電圧に重ね合されるが、不感帯におけるシステ
ムの機械的摩擦及びドリフトが克服されるまで増
加する。関数発生器は、零信号と駆動電圧との組
み合せによつてシステムがサーボ振動を最小限に
保ちながら零点に接近するように、零信号を変更
する。零点に到達する時、傾斜発生器及びステツ
プ発生器の両信号はゼロにリセツトされる。この
リセツト動作は零点の付近での振動を回避させ
る。

本発明のシステムの他の態様は、サーボ機構が
確定した零点に実際に到達する前に偽信号が与え
られないように、ヒステレシスと時間遅延の両者
を用いたリミツト回路を用いる事である。現在の
電子ビーム・システムにおいて、そのようなリミ
ツト回路を使用する事は、制御計算機を実際のテ
ーブル・アドレスの読取り義務から解放する事に
よつて重要な利点を提供する。実際のテーブル・
アドレスを決定する事は時間を要する作業であつ
て、その除去は装置の全体的なスループツトを増
大させる。またリミツト回路は、テーブルが最初
にビーム・フイードバツク・レンジ（零レンジ）
内に入つた後でそこから出た場合に誤差信号を発
生する事によつて付加的機能を実行する。

〔良好な実施例の説明〕

第２図を参照すると、本発明に従つて用いられ
る増分サーボ・ループの部品のブロツク図が示さ
れている。第２図において、デイジタル−アナロ
グ変換器１６は第１図の先行技術におけるのと同
じ要素であり、駆動器１８も同様である。第２図
に示す本発明の装置は、図示した付加的な要素を
用いる事によつて従来のシステムから区別され
る。関数発生器２６はDAC１６から入力を受け
取り、フイードバツク素子を有する非線型増幅器
から構成されている。フイードバツク素子は第３
Ｂ図に示すように段付きの応答を有し、増幅器が
大信号の場合よりも小信号の場合により大きな割
合の駆動を行なう事を可能にする。従つて非線型
フイードバツク素子は、速い初期加速を与えるた
めに移動の初期のスタート・アツプ時により多く
の駆動を与える。又関数発生器２６を構成する非
線型増幅器も、移動の終端部分で、制動又は減速
のために、より大きな利得を与える。

フイードバツク素子は、どのような力学系にお
いても必然的に生じ、しかも実際に使用する前は
予測する事のできない摩擦及び許容誤差の変動に
整合するために第３Ｂ図の制動点が単純且つ動的
に調整可能なようにポテンシヨメータを変化させ
る事によつて調整し得る。即ちどの機械的位置付
けシステムにおいても、Ｘ−Ｙテーブル及びそれ
に付随したモータ駆動機構は、駆動電子回路にお
いて調整し得ないそれ自身に特有の摩擦及び運動
特性を有する。これらの調整は実際の装置の設置
及び使用に先立つて行なう事はできない。１度セ
ツトした時、過度の摩耗又は設計変更もしくは部
品交換の結果として力学系が大幅に変化しなけれ
ば第３Ｂ図に示した制動点は再調整する必要がな
い。

第３Ｃ図を参照すると、モータ２０に供給され
るモータ駆動電流及びＸ−Ｙステージの速度が具
体的な移動に関して示されている。この移動は３
つの領域に分割できる。即ち領域ＩはＸ−Ｙステ
ージの加速が起きるランプ・アツプ時間として定
義され、領域はステージがある位置から別の位
置へ移動する一定速度の区間であり、領域はＸ
−Ｙステージが零点に到達するまで減速が起きる
ランプ・ダウン時間として定義される。第３Ｃ図
に示すように、領域のランプ・アツプ時間の
間、初期摩擦に打ち勝ち、領域の一定速度に到
達するのに必要な加速のためのエネルギーを供給
するために、より大きなモータ電流が供給され
る。速度が領域に到達すると、小さなモータ電
流しか必要でなくなる。

領域のランプ・ダウン時間は、短かい移動時
間を得るために最も決定的である。摩擦発生器の
制動点は、第３Ｃ図の上側の曲線で表わされるモ
ータ電流波形Imを供給するように調整される。
このIm波形は、具体的なＸ−Ｙステージには比
較的独立的である事が実証されており、速い移動
時間を得るために最適である。ランプ・ダウン時
間の間、摩擦力は減速を助ける傾向を有し、従つ
て領域では電流Imの振幅は領域Ｉのランプ・
アツプ時間程大きくない。より具体的には、第３
Ｃ図に示すように、領域の終りにおいてImの
小さな角度の交差が起きる事が好ましい。この交
差の機能はＸ−Ｙテーブルに加えられていた力を
反転し、部品に対する応力を軽減させる事であ
る。Ｘ−Ｙステージの応力を軽減するように力を
加える事によつて、部材は緩和され急速に安定化
される。従つてテーブルは、応力が調和振動（リ
ンギング）の結果として緩和する場合よりも急速
に、静止状態になる。

第２図に戻ると、傾斜信号発生器２８及びステ
ツプ信号発生器３０が関数発生器２６に並列に配
置されている。ステツプ信号発生器３０はＸ−Ｙ
ステージの最小の不感帯を補償する。先行技術で
認められているように、この不感帯は周知であ
り、力学系の移動範囲にわたつて一定ではない。
従つて一定のステツプ振幅を用いる事は、不感帯
を直接に補償するための解決を与えないであろ
う。本発明によれば、第２の発生器、傾斜信号発
生器２８がステツプ信号発生器３０に加えて用い
られる。

もしシステムが零位置になければ、並列入力即
ちDAC１６に供給されるのと同じ入力を受け取
る零回路３２が出力信号を発生する。零回路３２
の出力信号はリセツト回路３４を通過する。リセ
ツト回路３４の機能はステツプ信号発生器３０に
電圧ステツプを発生させ、傾斜信号発生器２８か
ら傾斜電圧を開始させる事である。傾斜電圧及び
ステツプ電圧は、関数発生器２６の出力と共に加
算接合３６に供給される。加算された出力は主サ
ーブ・ループの符号回路３８に入る。傾斜信号は
システムが零条件に到達するまで増加し続ける。
零条件に到達するとステツプ電圧及び傾斜電圧は
リセツト回路３４の作用によつてゼロにリセツト
される。

リセツト回路３４は、「符号」線から信号を受
け取り、「符号」入力の正又は負の遷移に対して
リセツトする。従つてリセツト回路は、この増分
サーボ・システムの位置がゼロと交差する時、即
ち零位置と交差する時にシステムをゼロにリセツ
トする。

その結果、傾斜発生器及びステツプ発生器は、
サーボ誤差信号がゼロと交差するか又はシステム
が零位置の時にリセツトされる。

第３Ｄ図を参照すると、傾斜ステツプ動作に関
する典型的な波形が示されている。第３Ｄ図は２
つの波形を示し、その第１のものはDAC１６及
び零回路３２への入力信号である入力誤差信号で
あり、第２のものは時間変化信号即ちモータを駆
動するための信号の関数としての傾斜ステツプ動
作である。これら２つの波形に示すように、傾斜
発生器はサーボ・モータに常に増加する信号を加
え、機械的ステージを零位置に戻すのに必要な初
期の摩擦力又は不感帯領域に打ち勝つ。従つてＸ
−Ｙステージの不感帯、機械的摩擦、許容誤差等
の変動が克服され、従つてＸ−Ｙステージは非常
に狭い零領域内に駆動される。

第３Ｄ図は、零点と交差する毎に傾斜発生器及
びステツプ発生器がゼロにセツトされる事を示し
ている。即ち入力信号（誤差信号）がゼロと交差
する時、傾斜発生器２８及びステツプ発生器３０
の両者はリセツトされる。この技術は、先行技術
に典型的な不感帯補償が用いられる時に常に起き
た零点のまわりの小振幅の振幅を避けている。

従つて第２図のシステムはテーブルを±0.1μ
ｍ、最終的には0.01μｍの精度で非常に正確な
零点に駆動する事ができる。このシステムは傾斜
電圧が機械的ステージの摩擦を克服するのに必要
な駆動力に到達するまで振幅を増大させるので、
適応的である。従つて第２図のシステムは、Ｘ−
Ｙテーブルの非常に正確な位置付けを達成しなが
ら、サーボ・ループにおける高いループ利得の必
要性を除去している。システムは能動的なので、
Ｘ−Ｙテーブルはいつでも非常に小さな補正移動
を行なう事ができる。テーブル位置センサーから
の別のフイードバツクは、電子ビームの原点を±
0.05μｍの精度で機械的関係を一定に保つために、
磁気ヨークを経て電子ビームにフイードバツクさ
れる。フイードバツク・チヤネルは純粋に電気的
であるので、いかなる機械的ループよりも速い。

そのようなビーム・フイードバツクは、テーブ
ル位置を補償する電子ビーム・システムにおける
電子ビームのオープン・ループ偏向の技術であ
る。その結果は、電子ビームとＸ−Ｙステージと
の相対位置を一定値に維持するループである。ビ
ーム・フイードバツク技術は公知であるが、本発
明の文脈におけるこの技術の重要な特性は、電子
ビーム書込み及び／又はレジストレーシヨン動作
が開始し得る前にＸ−Ｙテーブルを完全に安定な
零位置に駆動しなければならない事からＸ−Ｙテ
ーブルを解放する事である。

第３Ａ図及び第４図を参照すると、本発明のリ
ミツト回路が示されている。第３Ａ図は距離及び
時間の関数としてテーブル位置をプロツトしたも
のである。零位置即ち中心位置が２つの限界、即
ちＮ±40μｍの「Ａ」限界及び内側のＮ±20μｍ
の「Ｂ」限界の間の中心に定められている。

第４図は本発明に従つて用いられる、ビーム・
フイードバツク動作を可能にするためにシステレ
シス及び時間遅延を用いたリミツト回路４０を示
す。第４図のリミツト回路は、第２図のサーボ・
ループによつて用いられるデイジタル位置誤差信
号であるビツト列入力の一部を用いる。この回路
は、テーブル位置が内側即ち「Ｂ」限界内にあつ
て所定の期間の間そこに留る時に出力信号Ｑを供
給する。テーブルが外側の「Ａ」限界外の位置に
移動しない限り、出力信号は付勢されている。時
間遅延におけるこのヒステレシスはシステム制御
装置１０に偽信号が出る事を防ぐ。このような信
号はシステムがビーム・フイードバツク・ループ
（図示せず）中の回路の範囲内にある事を示し、
電子ビームのレジスト・レーシヨン及び／又は書
込みを開始させるシステム信号を構成し得る。従
つて偽信号は製品が誤つてレジストレーシヨンさ
れたり又は書込まれたりする原因となり得る。

第４図のリミツト回路を用いる別の利点は、テ
ーブルの移動が完了した時点を判定するために実
際のテーブル位置のアドレスを読取る責務から制
御装置１が解放される事である。従つて出力信号
が発生した時、移動が完了しビーム・フイードバ
ツク・ループを構成する回路の範囲内にＸ−Ｙテ
ーブルが入つた事がシステム制御装置に知らされ
る。

第４図に示すように、リミツト回路は零位置に
対するテーブル位置を表わすデイジタル入力信号
即ち減算器１２の出力を受け取る。

データ・ビツト列の一部分のみが用いられるの
で、第２図に示すようにリミツト回路へのデー
タ・バス入力は選択されたビツトのみが用いられ
る事を示す。ビツトＮからビツトＮ＋Ｍまでは
ORアレイ５０に入力され、テーブル位置が第３
図のＡ限界内にあるかどうかを表わす第１の信号
を発生する。ビツトＮ−１は、システムがＢ限界
内にあるかどうかを表わすためにAND回路５１
に入力される。リミツト回路の下側の部分は、シ
ステムが所定の期間の間限界内に留まるまでラツ
チ５７のセツトを遅延させる。もし両方の条件が
満たされるならば第１の遅延回路５４（典型的に
は200ns）が付勢され、AND回路５２へトリガ・
パルスが送られ、タイマー５６が付勢される。第
２の遅延回路５５（典型的には500ns）はインバ
ータ及びタイマーを経由する内部遅延を補償し、
10ms遅延したタイマー出力と共に、ラツチ５７
をセツトするためにAND回路５３をトリガする。
従つてリミツト回路に関して、システムがＡ限界
及びＢ限界内にあつて、そこに所定期間留まるま
ではＱ出力が生じない事が明らかである。さらに
ラツチ５７がセツトされると、Ｑ出力はシステム
がＡ限界外に出るまで持続する。

本発明がＸ−Ｙ位置付けシステムのフイードバ
ツク制御回路において用いられる適応型駆動シス
テムを提供する事は明らかである。傾斜発生器か
ら導かれた徐々に増加する駆動電圧はステツプ発
生器からのステツプ波形と重ね合わされ、そして
誤差信号即ち零信号と加算され、不感帯内のシス
テムを能動的に位置付ける、関数発生器は、零信
号及び駆動信号の組み合せにより、サーボ振動を
除去し且つ零点の１回だけのオーバーシユートし
か起き得ないようにシステムが零点に接近するよ
うに、零信号を変化させる。リミツト回路はテー
ブルがビーム・フイードバツクの範囲内に入つた
時にパルスを発生させるために用いられ、時間遅
延及びヒステレシスによつて偽信号の発生を防止
している。従つてシステム・スループツト及び高
い精度が達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は先行技術のＸ−Ｙ位置付けサーボ・ル
ープのブロツク図、第２図は本発明のサーボ・ル
ープ構成要素のブロツク図、第３Ａ図乃至第３Ｄ
図は本発明の動作を説明するための主なシステ
ム・パラメータを示す図、第４図は本発明による
リミツト回路の回路図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 構造物を所定の位置に移動させるための位置
   付けシステムであつて、 上記構造物を移動させるモータ装置と、移動中
   の上記構造物の位置を感知する装置と、上記所定
   の位置と実際の位置との間の差を表わす誤差信号
   を発生する装置と、上記誤差信号と同じ極性を有
   し上記誤差信号がゼロになる毎にリセツトされる
   ステツプ信号及び傾斜信号を発生させる装置と、
   上記誤差信号を受取り上記誤差信号に応答して出
   力信号を発生する関数発生装置と、上記ステツプ
   信号及び傾斜信号の発生装置からの信号並びに上
   記関数発生装置からの出力信号を組み合せて上記
   モータ装置への駆動電圧を発生させる加算装置と
   を具備する位置付けシステム。