JPH11194824A

JPH11194824A - ステージの位置決め装置

Info

Publication number: JPH11194824A
Application number: JP9369519A
Authority: JP
Inventors: Kazuhide Watanabe; 和英渡辺; Kazuki Sato; 一樹佐藤; Naohide Haga; 尚秀芳我; Yoshinori Kino; 義紀城野
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 1999-07-21

Abstract

(57)【要約】【課題】微細な位置決め動作を安定に行うことができ
るステージの位置決め装置を提供する。【解決手段】ビームＢが照射される試料Ｗを載せるス
テージ11と、ステージ11を非接触で浮上支持すると共に
移動制御するアクチュエータ12a,12b,12c,12dと、ステ
ージ11とアクチュエータ12a,12b,12c,12dとの相対変位
を測定する第１のセンサ13と、ビームＢの試料上の実際
の照射位置と目標照射位置との相対変位を測定する第２
のセンサ36と、センサ36により検出された相対変位を減
少させるようにステージを移動制御するコントローラ15
とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステージの位置決
め装置に係り、特に半導体製造装置や検査装置等の試料
を載置するのに用いて好適な、微細な位置決めを行うこ
とのできるステージの位置決め装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置や検査装置等において
は、その試料を通常ＸＹステージに載置して、その処理
や観察等を行っている。近年、半導体デバイスの高集積
化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離も
狭くなりつつある。特にサブミクロン以下のリソグラフ
ィの場合、層間での高い重ね合わせ精度を確保するため
には位置決めが必要であり、しかも高速で移動位置決め
をしないとスループットにも影響する。

【０００３】しかしながら、従来の試料を載置するＸＹ
ステージは、設置台に置かれたアクチュエータ、例え
ば、サーボモータにより、ボールネジ等を介して、Ｘ方
向或いはＹ方向のフィードバック制御等により、位置決
め制御されていた。このように、機械的摩擦がある機構
では、高速且つ高精度の位置合わせには必ずしも十分な
ものではなかった。更に、機械的摩擦を回避した空気軸
受とリニアモータを使った機構でも、テーブル加減速時
の反力で装置全体がその系の固有振動数で励振され、位
置合わせに悪影響を与えるという問題点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】例えば、スキャンタイ
プのステッパでは、ＸＹステージを高速、高精度且つス
ムーズに移動させる必要がある。このように、半導体製
造装置等においては、ＸＹステージ上の測定対象物、加
工対象物等の試料を高速且つ高精度に位置決めできる装
置の必要性がますます要求されている。電子顕微鏡でも
同様であり、サブミクロンオーダの位置決めを、精度よ
く、且つ高速に行うことができる装置が望まれている。
ところで、このような微細な位置決めを要する装置にお
いては、振動の影響を受けやすく、これによりせっかく
位置合わせしても、その位置がずれてしまうという問題
がある。

【０００５】このため、除振装置を用いることで、設置
床から伝達する振動、或いは空調等による空気を媒体と
して伝達する外乱振動に由来するこれらの振動を、遮断
或いは減衰させることが行われている。しかしながら、
これらの除振装置が制振対象とする振動は、除振台テー
ブルの振動に限られる。即ち、例えば半導体製造装置を
除振台テーブル上に載置しても、半導体製造装置内で試
料を加工するビーム自体の振動を制振することはできな
い。このため、サブミクロンオーダの位置決めを要する
ような場合には、ビーム自体の振動により、加工のポイ
ントであるビーム照射位置の位置ずれを生じてしまうと
いう問題がある。

【０００６】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、微細な位置決め動作を安定に行うことができるス
テージの位置決め装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のステージの位置
決め装置は、ビームが照射される試料を載せるステージ
と、該ステージを非接触で浮上支持すると共に移動制御
するアクチュエータと、前記ステージと前記アクチュエ
ータとの相対変位を測定する第１のセンサと、前記ビー
ムの前記試料上の実際の照射位置と目標照射位置との相
対変位を測定する第２のセンサと、該第２のセンサで検
出された相対変位を減少させるように前記ステージを移
動制御するコントローラとを備えたことを特徴とする。

【０００８】上述した本発明によれば、試料の加工又は
測定のために照射するビームの、試料上の実際の照射位
置と目標照射位置との相対変位を測定し、その相対変位
を減少させるように直接ステージを移動制御することか
ら、ビームを目標照射位置に正確に位置決めすることが
可能となる。これによりビーム自体が振動していても、
又ステージ自体が振動していても、半導体製造装置等に
おいては微細な位置決め動作を精度よく行うことが可能
となる。これにより、例えば半導体製品等の製造歩留ま
り等に良好な影響をもたらすことができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照して説明する。

【００１０】図１は、本発明の一実施形態のステージの
位置決め装置を示す。このステージの位置決め装置にお
いては、試料を載置するステージ11を、その四隅におい
て、アクチュエータ12a,12b,12c,12dで支持している。
アクチュエータ12a,12b,12c,12dは並進方向と回転方向
に６自由度(X,Y,Z,α,β,γ方向)の制御力fx,fy,fz,f
α,fβ,fγを発生する。ステージ11には、電子ビーム又
は光ビームＢにより、加工又は測定の対象となる半導体
ウェハ（試料）Ｗが載置されている。又、ステージの位
置を検出して、アクチュエータ（固定部）に対する相対
変位の信号を出力する変位センサ（第１のセンサ）13を
備えている。更に、その変位センサ13の相対変位信号と
後述するビームの実際照射位置と目標照射位置の相対変
位信号に基づき、前記アクチュエータの発生する力を制
御するコントローラ15を備えている。

【００１１】アクチュエータ12a,12b,12c,12dは、電磁
石又は電磁石と永久磁石との組み合わせからなり、その
磁極面が対向したステージには磁性材又は永久磁石が装
着されている。従って、電磁石の励磁電流を調整するこ
とで、ステージに磁気吸引力を及ぼすことができ、ステ
ージを浮上支持すると共に移動・位置決め制御する。電
磁石は浮上支持制御用と水平方向制御用とをそれぞれ備
え、X,Y,Z,α,β,γ方向の６自由度の制御力を発生する
ことが可能である。いずれのアクチュエータ12a,12b,12
c,12dにおいても、アクチュエータに供給する電流又は
電圧を制御することで、極めて高速の応答性を有する制
御力を発生し、微細な位置決め制御が可能である。

【００１２】ステージ１１には例えば電子ビーム露光の
ための半導体ウェハ等の試料Ｗが載置されている。そし
てこの試料Ｗは、例えば電子ビーム露光用のレジストが
塗布されており、電子ビームＢの照射により微細パター
ンが加工形成される。即ち、ビームＢはビーム源35から
照射され、半導体ウェハＷの所定の目標位置に照射する
ことでパターン加工を行う。この目標照射位置への位置
決めのため、ステージ11はアクチュエータ12a,12b,12c,
12dにより移動制御される。この位置合わせは、線幅が
サブミクロンオーダの半導体装置の製造においては、当
然のことながらサブミクロンオーダ以下の位置決め精度
が要求される。

【００１３】従って、この位置決め動作は、ビームの実
際の照射位置に試料の目標照射位置を直接合わせる必要
がある。このため半導体ウェハに照射するビームの実際
の照射位置と、目標照射位置との相対的な変位を測定す
るセンサ（第２のセンサ）36を備えている。この相対変
位の測定は、一例として次の手法を用いる。即ち、図１
（ｃ）の拡大図に示すように、半導体ウェハＷに目標照
射位置を示すターゲットパターンＴを設け、このパター
ンＴは例えば電子ビーム等のビームを反射する材料が用
いられる。そしてこのパターンＴにビームＢが照射され
ると、ビームＢの中心Bcと、ターゲットパターンＴの中
心Tcとが一致する。これにより反射するビーム量は最大
となり、この反射したビーム量をセンサ36で検出するこ
とにより、ビームの目標照射位置と実際の照射位置とが
一致したことを判定することができる。又、ビームＢの
中心Bcと、ターゲットパターンＴの中心Tcとがずれを生
じると、これにより反射するビーム量は変化することと
なり、この反射するビーム量の変化からビームの目標照
射位置と実際の照射位置との相対変位を測定することが
できる。

【００１４】そしてこのビームＢの実際の照射位置と目
標照射位置との相対変位信号と、ステージの固定側に対
する相対変位信号とをコントローラ15に入力し、ビーム
の実際の照射位置と目標照射位置との相対変位を減少さ
せるようにステージ11をアクチュエータ12で移動制御す
る。即ち、ビームの実際照射位置Ｂに試料Ｗのターゲッ
トパターンＴを直接位置決めするように、アクチュエー
タ１２はステージ１１を駆動する。

【００１５】図２及び図３は、この位置決め制御のブロ
ック図を示す。図２に示す制御系は、第２のセンサのビ
ーム照射位置の相対変位信号Xr、即ち、ビームＢの実際
の照射位置と目標照射位置との相対変位を参照信号とし
て入力し、第１のセンサのステージ位置の相対変位信号
Ｘをその信号に追従させるようにコントローラ15を介し
てアクチュエータを動作させるものである。即ち、ビー
ム照射位置の相対変位信号Xrが比較器16に入力され、ス
テージ位置変位信号Ｘとの差分が算出され、この差分が
零となるようにコントローラ15で補償信号（操作信号）
が形成され、アクチュエータ12a,12b,12c,12dに供給さ
れる。

【００１６】プラント17は、アクチュエータへの入力信
号とそのアクチュエータの作動結果によるステージの位
置Ｘとの関係を示すもので、アクチュエータにより駆動
されたステージの位置信号Ｘは、比較器16に帰還され
る。即ち、コントローラ15は、前記ステージと前記アク
チュエータとの相対変位を第１の制御量とし、前記ビー
ムの試料上の実際の照射位置と目標照射位置との相対変
位を第２の制御量とし、これらの制御量に対して前記ス
テージが逆相の動作をする。従って、ビーム照射位置の
相対変位信号Xrが入力されないときは、ステージは常に
その固定部に対する相対変位信号Ｘで示される基準位置
に位置決めされる。ビーム照射位置の相対変位信号Xrが
入力されると、その信号に従ってアクチュエータが作動
し、これによりステージが、ビームＢの実際の照射位置
と目標照射位置との相対変位が減少し、ゼロとなるよう
に位置決めされる。即ち、ステージ11は、ビームＢの実
際の照射位置に目標照射位置が一致するように、追従す
るように動作する。

【００１７】図３に示す制御系は、ビーム照射位置の相
対変位信号Xrを伝達関数Ｑを通して入力し、ステージを
位置補正信号に追従するようにアクチュエータを動作さ
せるフィードフォワード制御に関するものである。即
ち、図３に示す制御系は、第２のセンサのビーム照射位
置の相対変位信号Xr、即ち、ビームＢの実際の照射位置
と目標照射位置との相対変位を参照信号として比較器１
６に入力し、第１のセンサのステージ位置の相対変位信
号Xをその信号に追従させるようにコントローラ15を介
してアクチュエータを動作させることは、図２に示す制
御系と同様である。ビーム照射位置の相対変位信号Xrが
比較器16に入力され、ステージ位置変位信号Xとの差分
が算出され、この差分が零となるようにコントローラ15
で補償信号（操作信号）が形成され、アクチュエータ12
a,12b,12c,12dに供給される。

【００１８】この制御系においては、ビームＢの実際の
照射位置と目標照射位置との相対変位信号Xrが、伝達関
数Ｑを介してコントローラ15の出力信号に加算器16aに
より加算される。この伝達関数Ｑは、一例として次の関
係式により与えられる。Ｑ=−（１＋ＰＨ）／Ｐ但し、Ｐ：プラントの伝達関数Ｈ：コントローラの伝達関数このようなフィードフォワード制御により、コントロー
ラＨの制御可能な周波数帯域を、大幅に拡張することが
でき、制御の安定性を高めることができる。

【００１９】図４は、任意の点のビームＢの実際の照射
位置と目標照射位置との相対変位信号に基ずく移動位置
補正信号を各アクチュエータ位置での移動位置補正信号
に変換するフロー図を示す。ステージの平面上の移動位
置指令値は任意のＸ，Ｙ座標で与えられる。しかしなが
らステージをこの移動位置指令値に移動させるためのア
クチュエータ12a,12b,12c,12dは、図示するようにステ
ージの四隅部に設けられている。従って、各アクチュエ
ータ12a,12b,12c,12dにおける位置補正信号は、移動位
置指令値からそれぞれ変換されなければならない。この
ため、座標変換行列を用いて任意に点の移動位置指令値
は各アクチュエータにおける位置補正信号に変換され
る。

【００２０】従って、コントローラＨは、前記ビームの
試料上の実際の照射位置と目標照射位置との相対変位
を、まず前記ステージの重心位置の相対変位に座標変換
する演算部と、該座標変換した重心位置の変位に対して
操作量を生成する演算部と、その生成した操作量を前記
電磁石の各作用点における操作量に分配する演算部とを
備える。

【００２１】前記ステージ11には振動検出のためのセン
サを備えるようにしてもよい。このセンサにより検出さ
れた試料Ｗの加速度を前記コントローラＨに入力し、前
記コントローラＨはこの振動が減少するように制御す
る。これにより、ステージ自体が振動している場合は、
ステージ自体の振動を減衰させることができ、ビームＢ
の実際の照射位置と目標照射位置とのステージの位置決
め動作をより確実なものとすることができる。この場合
には、前記コントローラＨは、前記加速度を前記ステー
ジ11の重心位置の加速度に座標変換する演算部と、該変
換した座標の加速度に基づいて操作量を生成する演算部
と、該生成した操作量を前記電磁石の各作用点における
操作量に分配する演算部とを備えている。

【００２２】図５は、本発明の一実施形態の位置決め装
置の電磁アクチュエータ部分の構成の一例を示す。試料
を載置するステージ11は、その四隅において、電磁石2
1,22を備えた電磁アクチュエータ12により支持される。
電磁石21はそのコイルにコントローラより供給される励
磁電流で対向するステージに固定された磁性体に磁気吸
引力を及ぼすことで、水平方向の位置決め動作を行う。
電磁石22は同様にステージ11に固着された磁性体11vに
磁気吸引力を及ぼすことで、ステージ11を非接触で浮上
支持する。これにより、設置床からの振動が遮断され
る。尚、この浮上支持には、永久磁石を併用するように
しても良い。これにより電磁石の励磁電流の負担を軽減
することができる。

【００２３】ここで、図５に示すように電磁石によるア
クチュエータを使用した場合に、アクチュエータ自身が
発生する漏れ磁束がステージ上方に漏れて影響しない様
に、ステージ11の下面に磁性体のコーティングまたは板
11aを備える。更に、アクチュエータ12を囲む様にラビ
リンス構造の磁性体のカバー11bを設ける。この場合、
ラビリンス構造にした空間から漏れる磁束が上方に行か
ないように、アクチュエータ12を固定したステージ上の
固定面19に磁性体のコーティングまたは板19aを設け
る。更に、外ステージを真空中でも脱ガスの問題がなく
使用できるようにコイルの部分がキャン20で囲まれてい
る。尚、アクチュエータ全体をキャンで封止するように
してもよい。

【００２４】図６に電磁石を用いたアクチュエータの冷
却システムの一例を示す。高精度に位置決めする場合に
は、電磁石に励磁電流を供給することで発生する熱の問
題がある。この熱の発生によってアクチュエータの各部
材が変形し、所望の位置決め精度が得られなくなるとい
う問題がある。この対策として、熱の伝導速度が早いペ
ルチェ素子を利用した冷却システムが考えられる。図中
のアクチュエータ12はアウター型の電磁アクチュエータ
で、中央に固定側が配置され、外側に浮上体が配置され
る。熱を発生するのは、主に固定側の電磁石コイルなの
で、このコイルが固定されている部材（円筒形）の内側
にペルチェ素子（円筒形）25を装着し、その内側に冷却
水を流す通路27を設ける。この時、ペルチェ素子25の外
側を吸熱側、内側を発熱側とする。この冷却システムに
よって、冷却水入口27Iより流入する冷却水がペルチェ
素子25で移送した熱を吸収し、冷却水出口27Oより外部
に排出するため、アクチュエータの各部を略常温に保つ
ことができる。

【００２５】又、温度を一定値に安定させるために電磁
石の固定部材の温度を温度センサ26により検出し、ペル
チェ素子25に流す電流を制御することによって、より安
定な冷却システムを実現することができる。図７は、こ
の温度制御系を示し、温度センサ26で検出した温度は、
温度指令値と比較され、その差分を零とするように温度
コントローラ28でＰＩＤ制御される。温度コントローラ
28の出力は、電流増幅器29で電流増幅されて、ペルチェ
素子25に供給され、これにより吸熱側から発熱側への熱
の移送量が制御される。これにより、アクチュエータ各
部の温度上昇を所定値の範囲内に一定に保持することが
できる。

【００２６】図８に、本発明の一実施形態のステージの
位置決め装置を除振装置上に装着した装置例を示す。電
子ビーム発生装置等のビーム源10が、高性能の除振性能
を有する能動型除振装置32の除振テーブル31上に載置さ
れる。ビーム源10のビームにより加工される試料Ｗを載
置するステージ11及びこのステージを支持するアクチュ
エータ12a,12b,12c,12dも、同様にテーブル31上に載置
される。このような構成により、外部からステージ11、
アクチュエータ12a,12b,12c,12d、ビーム源10への振動
の伝達が殆ど無くなり、更に高精密な位置決め制御を可
能にしている。又、ステージ11の移動に伴う振動等の位
置決め装置自体に発生する振動が抑制される。この除振
装置には、電磁アクチュエータでテーブルを非接触で浮
上懸架した磁気浮上除振装置、又は空気ばねと電磁アク
チュエータを併用した除振装置が好適である。

【００２７】尚、上述したビームＢの実際の照射位置と
目標照射位置とのステージの位置決め動作は、微細なパ
ターンをビーム照射により形成する際の、位置決め誤差
を補正するために主として用いられる。例えば別のパタ
ーンを形成するような大きなステージの移動に際して
は、ステージとアクチュエータ固定側との相対変位を測
定する第１のセンサの信号に基づいて、コントローラＨ
のＰＩＤ動作によりフィードバック制御され、位置決め
される。この際、ビームＢの実際の照射位置と目標照射
位置との相対変位を示す信号Xrは、その出力が停止さ
れ、例えば比較器１６の入力はゼロに設定される。

【００２８】又、ビームＢの実際の照射位置と目標照射
位置との相対変位を検出する第２のセンサは、実際に加
工に用いるビームＢそのものを用いてもよいが、ビーム
Ｂと平行性が保たれている別のビームＢ’を用いてもよ
い。この場合は、ビームＢが試料の加工部分を照射し、
これと平行なビームＢ’が試料上のターゲットパターン
Ｔを照射することで、その相対変位が求められる。又、
ビームＢそのものを加工と相対変位の検出の双方に兼用
する場合には、時分割により、加工と相対変位の検出と
を分けるようにしてもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
ビームの実際の照射位置と目標照射位置との直接的な極
めて高精度の位置決め制御が可能となる。従って、サブ
ミクロンオーダのビームによる微細加工装置等の試料台
として極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態のステージの位置決め装置
の(A) 立面図、(B)平面図、(C)部分拡大図。

【図２】上記位置決め装置の制御系のブロック図。

【図３】上記位置決め装置の制御系のブロック図。

【図４】上記位置決め装置の制御系のブロック図。

【図５】本発明の一実施形態のステージの位置決め装置
のアクチュエータの立断面図。

【図６】図５の変形例を示す説明図。

【図７】図６の冷却装置の制御ブロック図。

【図８】高性能除振装置上に搭載したステージの位置決
め装置の説明図。

【符号の説明】

１１ステージ１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄアクチュエ
ータ１３ステージのアクチュエータ固定側との相対変位
を検出するセンサ１５コントローラ３６ビームの実際の照射位置と目標照射位置との相
対変位を検出するセンサＢビームＷ半導体ウェハ（試料）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０２Ｐ 5/00 １０１Ｈ０１Ｌ 21/30 ５１５Ｇ (72)発明者城野義紀神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号株式会社荏原総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ビームが照射される試料を載せるステー
ジと、該ステージを非接触で浮上支持すると共に移動制
御するアクチュエータと、前記ステージと前記アクチュ
エータとの相対変位を測定する第１のセンサと、前記ビ
ームの前記試料上の実際の照射位置と目標照射位置との
相対変位を測定する第２のセンサと、該センサにより検
出された相対変位を減少させるように前記ステージを移
動制御するコントローラとを備えたことを特徴とするス
テージの位置決め装置。
【請求項２】前記アクチュエータは、前記ステージに
装着した磁性材又は永久磁石に対して、電磁石又は電磁
石と永久磁石とを併用して磁気力を及ぼすことで、前記
ステージを浮上支持すると共に移動制御することを特徴
とする請求項１記載のステージの位置決め装置。
【請求項３】前記コントローラは、前記ステージと前
記アクチュエータとの相対変位を第１の制御量とし、該
第１の制御量を指令位置に追従させるように動作させ、
前記ビームの試料上の実際の照射位置と目標照射位置と
の相対変位を第２の制御量とし、該第２の制御量を減少
させるように前記ステージを動作させることを特徴とす
る請求項１記載のステージの位置決め装置。
【請求項４】前記コントローラは、前記ビームの試料
上の実際の照射位置と目標照射位置との相対変位を、前
記ステージの重心位置の相対変位に座標変換する演算部
と、該座標変換した重心位置の変位に対して操作量を生
成する演算部と、該生成した操作量を前記電磁石の各作
用点における操作量に分配する演算部とを備えたことを
特徴とする請求項３記載のステージの位置決め装置。
【請求項５】前記ステージには振動検出のためのセン
サを備え、該センサにより検出された加速度を前記コン
トローラに入力し、前記コントローラはこの振動が減少
するように制御することを特徴とする請求項３記載のス
テージの位置決め装置。
【請求項６】前記コントローラは、前記加速度を前記
ステージの重心位置の加速度に座標変換する演算部と、
該変換した座標の加速度に基づいて操作量を生成する演
算部と、該生成した操作量を前記電磁石の各作用点にお
ける操作量に分配する演算部とを備えたことを特徴とす
る請求項３記載のステージの位置決め装置。
【請求項７】前記ビームは、電子ビーム、又は光ビー
ムであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに
記載のステージの位置決め装置。
【請求項８】前記ステージを浮上支持するアクチュエ
ータは、除振装置上に搭載され、前記アクチュエータの
固定部の振動を減少させるようにしたことを特徴とする
請求項１乃至７のいずれかに記載のステージの位置決め
装置。
【請求項９】前記ステージ又は該ステージを浮上支持
するアクチュエータは、その表面を磁性材で被覆され、
前記アクチュエータの磁石の磁気を外部に対して遮蔽す
るようにしたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれ
かに記載のステージの位置決め装置。
【請求項１０】前記ステージは、該ステージを浮上支
持するアクチュエータを取り囲むように、ラビリンス構
造の磁性材のカバーを設け、前記アクチュエータの磁石
の磁気を外部に対して遮蔽するようにしたことを特徴と
する請求項１乃至９のいずれかに記載のステージの位置
決め装置。
【請求項１１】前記アクチュエータは、電磁石を固定
している部材にペルチェ素子を装着し、該ペルチェ素子
の発熱側に冷却水流路を設け、前記アクチュエータの電
磁石の発熱を吸収するようにしたことを特徴とする請求
項１乃至１０のいずれかに記載のステージの位置決め装
置。