JPS59101834A - 精密平面移動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体生産用露光装置に係シ、特に半導体ウェ
ハなどの試料をのせたテーブルを高精度に移動位置決め
するに好適な精密平面移動装置に関するものである。

〔従来技術〕

半導体集積回路の微細化によシ、１μｍ以下のパターン
を形成することが要求されている。このためには高精度
の露光装置が必要とされるが、この露光装置に不可欠の
ものが高精度の移動、位置決め装置である。従って、従
来よシ高精度の移動、位置決め装置が提案されて来たが
、これ等はテーブルの粗送り機構と微少送）機構とが別
々であシ、構造が複雑で、かつ大型である欠点な有して
いた。更に、垂送り機構では高精度の位置決めはできず
、微少送シ機構では高精度位置決めが可能であっても、
その微少送シ量が極めて小さい欠点を有していた。また
、微少送ｎ＊構は一般には粗送シ機構上に載置される構
造のものが多く、従って装置全体が高くなり、取扱に不
便である欠点を有していた。

第１図にこれ等の欠点を有する従来技術の移動装置の一
例を示す。

基本的構造としては示矢Ｘ方向およびＹ方向に移動する
２つの粗動テープ／Ｘ／１と、その粗動チープツシ１に
載架され、同じく示矢Ｘ方向およびＹ方向に微動する２
つの微動テーブル２から構成されている。すなわち、基
板に形成される２本の直線軸受案内７には粗動Ｘテープ
）Ｖ　５が載架されている。そして、この粗動Ｘテーブ
ル６は、基板上に設置されたサーボモータ５およ示矢Ｘ
方向に粗送シされる。粗動ｘｆテーブルの上面には２本
の直線軸受案内７Ｉが形成され、この直線軸受案内７′
には粗動Ｙテーブル４が載架されている。粗動Ｙテープ
）Ｖ４は、粗動ｘ７−−プル上忙設置されたサーボ七−
夕５′およびボールネジ６′によル直線軸受案内７′に
沿って示矢Ｙ方向忙粗送りされる。

粗動Ｙ７″−プル４の上面側には微動Ｘテープ、ル８が
配設され、この微動Ｘテーブル８と粗動Ｙテーブル４と
には、示矢芥方向に自由度をもつ平行板バネ１１が跨設
されている。微動Ｙテーブル９は微動Ｘテーブル８の上
面側に配設され、微動Ｙチープツシ９と微動Ｘチープツ
シ８とには、示矢Ｙ方向に自由度をもつ平行板バネ１１
が跨設されている。微動Ｙテーブル９の上面には試料１
０、たとえば半導体クエへなどが載置される。

微動Ｘチープツシ８および微動Ｙテーブル９の移動方向
忙直交する端面には、磁性体ブ・口、り１２が取着して
いる。そして、この磁性体ブロック１２に対峙する位置
には、間隙りを介して電磁石１３および１３′が配設さ
れている。なお、電磁石１６および１３′は粗動Ｙテー
ブル上に取着されている。微動Ｘテーブル８および微動
Ｙテープ／ｌ／９は、電磁石１３および１３’と磁性体
ブロック１２の間に生ずる電磁力と平行板バネ１１およ
び１１′のバネ力との釣合う位置に微小移動することが
できる。

微動Ｙチープツシ９のＸおよびＹ方向の両側には光学ミ
ラー１５が取着している。この光学ミラー１５には、た
とえばレーザ光１６によるレーザ干渉測長器１７が係合
している。そして、この検知信号は、コントローラ１４
に入力される。

さて、目標移動量がコントローラ１４に与えられると、
まづサーボモータ５および５ｒが作動し、ポールネジ６
および６１によシ粗動Ｘテーブル３および粗動Ｙテーブ
ル４を移動し、目標値のわづか手前の位置で停止する。

次に、光学ミラー１５とレーザ光１６を用いたレーザ干
渉測長器によシ、目標値と測定値との差をコントローラ
１４にフィードパ、りしながら、微動Ｘテーブル８およ
び微動ＹテープＡ／９の電磁石１３および１３′の入力
を制御し、定位置までテーブルを移動する。

これによって目標値に対し±０．１μｍの精度で位置決
めすることができる。

以上のごとく、粗動送りと微動送シとを組合せた構造と
しなければならない理由として、粗動テーブルのみでは
士数μ隅程度の位置決め精度しか保証できず、微動テー
ブルのみでは、移動速度がおそく、かつ、そのストロー
クが小さいためである。従って、粗動テーブルと微動テ
ーブルとの二段重ね構造となり、前記したごとく構造が
複雑となる。そして、微動テーブルを載架するため粗動
テーブルの剛性を高める必要があシ、試料のわシには不
必要な大型のものとなる欠点な有している。更に、前記
のごとく、二段重ね構造となるため全体が高くなシ、取
扱が不便になるのみならず、重心位置が粗動チープツシ
の駆動軸から遠ざカリ、上動テープ／ｌ／誤差が拡大さ
れると共に、外部からの振動等の影響が受は易くなるた
め、高精度位置決めが困難と′なる欠点を有していた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、従来技術の欠点をなくし、構造が簡単
で、小形であシ、高速かつ容易に、高精度に移動位置決
めが可能な精密平面移動装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するために、本発明は、第１図に示し
たような２段構造の粗動ステージの上に更に２段構造の
微動ステージを載架するという４段構造を簡素化し、同
−直線軸受案内上を粗、微動可能なＸテーブル上に、同
様の機構のＹテーブルとの２段構造のテーブルとした。

このＸ、　　Ｘテーブルを駆動する駆動装置とそれぞれ
のテーブルとの間に、このテーブルに着脱自在であるブ
ロックを設け、潜時において、このブロックに組み込ん
だボールネジ機構とモータ忙よシ粗動送りを与える。そ
して、前記ブロック内にテーブルを微動送シするピエソ
素子による微小変位機構を設け、前記ブロックがテーブ
ルから離脱し、定位置に固定された状態で、前記微小変
位機構を制御し、前記の同一の直線軸受案内に沿ってテ
ーブルに微動送シを与え１、位置決めする構成を有する
粗微動一体形の精密平面移動機構を特徴としている。

〔発明の実′施例〕

以下、本発明の具体的実施例を説明する。

第２図において、示矢Ｘ方向に動くＸテーブル１日は、
基板２２上に形成される軸受７に載架されている。この
軸受７は、精密なころがフ軸受、静圧空気軸受、静圧油
軸受などのような摺動時の摩擦やスティックスリップ（
つまシ、物体を面上ですべらす時、途中でひっかかった
シ滑ったシすることを繰シ返す現象）の非常に少ない軸
受を用いた直線軸受案内から構成されている。

試料１０を載置する試料テーブル１９は、Ｘテーブル上
に形成される直線軸受案内７′上に載架され、示矢Ｙ方
向に移動する。

基板２２には、サーボモータ５が取着され、サーボモー
タ５には、ボールネジ６が接続している。このボールネ
ジ６には、ナツト３６を介して、ブロック２０が螺合し
、ブロック２０は、基板２２上に取着したスライドプレ
ート２３上を、ボールネジ６の回転によってＸ方向にス
ライドするようになっている。回り止め機構は、ブロッ
ク２０に収着し、プロ、り２０がスライドプレート２３
に浴って円滑に移動するようになっている。まだ、ブロ
ック２０は第６図に示すように、固定手段、たとえば、
真空チャ、り３４によシ、適宜の位置において、スライ
ドプレート２６上に固着されるようになっている。

ブロック２０は、コ形形状を有したもので、第３．４図
に示すように、Ｘテーブル１８からはシ出したアーム２
５をはさみこむように配置されている。このブロック２
０には、後述するテーブル微動用の直進形微小変位素子
２１と、これを基準としてアーム２５をクランプするた
めのクランプ用微４・変位素子２７が対向して取シつけ
られている。

また、微小変位素子２１の先端部には、取付チ。

プ３５が接着されてお）、先端チアプロ１が板バネ２８
を取付チップ３５に供給めされている。さらに、アーム
２５からは、支点アーム６ｏが取着されてお）、微小変
位素子２１は、板バネ２８と、支点アーム３０の先端忙
取シつけ尼支点軸受２９を介して、アーム２５と結合さ
れている。先端テップ３１は、微小変位索子２１の変位
をアーム２５に伝えるところであシ、アーム２５には、
その変位を受けるための超硬製のプレート３２が取フっ
けられている。クランプ用変位素子２７の先端部とアー
ム２５との間にはギャップｇ（数１０μｍ）を設け、電
圧印加によシ、クランプ用素子２７を伸ばすことにより
、弾性支持バネ２６を介して、ブロック２０とアーム２
５とを一体化することができる。

なお、直進形微小変位素子２１、及びクランプ用微小変
位素子２７として、電圧印加によシ伸縮する電歪素子（
ピエゾ素子）を用いるとオフ図に示すような、連続的な
変位特性が得られる。

また、第５図は、単層のピエゾ素子の構成を示しており
、一定の電圧Ｖを入力した時の変位Δｔは、Δｔ　：　
ｄＪ３・Ｖここでｔｌｓｓは、圧電定数である。しかし
、よシ大きい変位を得るために、第６図のように単層ピ
エゾ素子の分極方向を対向するようにｎ枚の積層構造と
すると、単層の場合のｎ倍すなわちΔＡ＝ｎ・Δｔが得
られる。このような積層形ピエゾ素子を用いると、数１
０〜数１００μｍの変位をオフ図の如く取シ出すことが
可能である。

なお、Ｙテーブル（試料テーブル）の駆動機構について
もＸテーブルと同様の構造を有し、各部材には、′すつ
けて対応させている。

試料テーブル１９上には、レーザー用の光学ミラーが取
着し、レーザー干渉式測長器１７によ）、Ｘ、Ｙ方向の
測長を行なっている。

次に、第４図を用いて、テーブルの位置制御方法を説明
する。まず、テーブル１８を、所定の位置まで粗動送シ
（すなわち、露光装置においては、露光ステップ移動）
する時は、クランプ用変位素子２７に電圧を印加し、ギ
ャップ８以上の変位な発生させ、弾性支持バネ２６す介
して、ブロック２０とアーム２５とを一体化する。この
状態で、サーボモータ５とボールネジ６によシ。

テーブル１日を粗動送シする。サーボモータ５として、
ステッピングモ〜りあるいは、ｎａｆ−ポモータを使用
した場合のテーブルの位置決め精度は、目標値に対して
玉数μｍ程度であシ、±０．０５μｍ以下の位置決めは
、通常困難である。なお、粗動時には、ブロック２０の
真空チャ、り６４は、ＯＦＦ状態で、ブロック２０は、
スライドプレート２３上をスライドする。

粗動後、まず、プロ、り２０の真空チャック６４を作動
し、プロ、り２０をスライドプレート２３上に真空ロッ
クする。次に、クランプ用変位素子２７への電圧１ｔＯ
ＦＦ　Ｌ、アーム２５と、コの字形プロ、り２０との間
にギヤ、プｇｋ発生させることによシ、テーブル１８は
直進形微小変位素子（ピエゾ素子）２１の伸縮に従って
、直進軸受案内に沿って微動可能となる。この素子２１
を伸縮させるために、オフ図のようＫＩらかじめピエゾ
素子の最大変位ＬＩＩｌａＸの約Ｚの変位（ＬＯ）をオ
フセット量となるように、最大印加電圧ＶｍａＸの約２
の電圧■０を印加しておく。なお第６図に示すように、
アーム２５とブロック２０とのギャップｇは、このオフ
セット変位量ＬＯとＰ≧ＬＯとなるように設定するとよ
い。なぜなら／＜Ｌ。

の場合、テーブルを十方向Ｋ　Ｌｏ微動すると、アーム
２５が、ブロック２０に干渉するためである。

このように、粗動後、プロ、り２０を、真空チャック３
４によシスライドプレート２６上に固定し、このブロッ
ク２０を基準としてアーム２５に、ピエゾ素子２１の変
位な直接与えることにより、ボールネジ６ナツト３３と
のバックラッシュや、サーボモータ５からの振動の影響
をうけずに、テープ）ｖ１８は、ピエゾ素子２１の変位
特性にしたがってなめらかに、かつ高速に微動可能であ
る。

なお、テーブルの位置決め制御方式は１チーボモータ５
、レーザ干渉測長器の選択によシ異なるが、例えば、サ
ーボモータ５として、ステッピングモータ、レーザ測長
器１７として、分解能０．０１μｍで測長し、かつコン
トローラ６９からのテーブル目標移動量指令値に、ある
許容誤差範囲に入り友時０信号を出力するレーザインタ
フェース回路４０をもつものを使用した時の制御方法を
説明する。

まず、コントローラ３９に１目標テーブル移動量Ｘを与
えると、グランプビエゾドライバ４１によシフランプピ
エゾ素子２１に電圧を印加し、次に、電磁ソレノイドバ
ルブ６６をＯＦＦ　ｌ、て、フロック２０とスライドプ
レート２３との固定を解く。

次に、ステッピングモータドライバ６７によりモータ５
を目標移動量に相当する量だけ回転させ、テーブル１８
を粗動する。テーブル１８が停止すると、まず、真空チ
ャ、り３４をＯＮシ、つづいて、クランプ用ピエゾ素子
２７の電圧をＯＦＦする。そこで、レーザインタフェー
ス４０を介して、目標移動量と現在位置（粗動による移
動量〕との位置ずれ方向を読み取シ、その反対の方向に
、微動用ピエゾ素子ドライバ６８に電圧を連続入力する
。テーブル１８の位置が目標値から、あらかじめレーザ
インタフェース４０に設定しておいて許容値±４内に入
ると、レーザインタフェース４０からの０信号によシコ
ントローラ６９を介してピエゾドライバ３８０入力を停
止する。

以上のように、テーブル１８を粗動、微動することによ
シ、目標値から±０．０１μｍ以下の超精密かつ高速位
置決めが可能となる。

なお、上記の機能をもつレーザインタフェース４０のか
わシに、単に、レーザ測長値をＢＯＤ出力あるいは、レ
ーデカウント数で出力するレーザインタフェースをもつ
ものである場合は、テーブル１８を微小に送る毎に、コ
ントローラ６９に、レーザ測長値をとシ込み許容値以内
になるまで、テーブル１８を微動する方式でもよいが、
ソフトウェアで位置比較演算すると、位置決め制御時間
が長くなるので、前者の方法の方がすぐれている。

に固定しないで、粗動後クランプピエゾ素子２７をＯＦ
Ｆ　した後すぐ微動制御することも可能である。ただし
、この場合、ボールネジ６とナツト３６との間のバラク
ララシーやモータ５からの振動等の影響が、直接微動制
御に影響を及ぼさないことが確認されたらである。しか
しこうすることによシ、チープツシの位置決め速度は増
加する。

さらにまた、真空チャック６４のかわシに、電磁チャッ
クを利用したシ、あるいは、静電チャックを利用するこ
とによシ、真空チャック３４よシ高い応答性を得ること
が可能であるが、特に電磁チャックの場合、コイルから
の発熱が、系の温度上昇釦影響しない工夫が不可欠であ
る。

また、本実施例では、テーブルの位置検出にレーザ光を
用いたが、これに限定するものではない。

〔発明の効果〕

以上説明したよりに本発明によれば、粗動テーブル上に
微動テーブルを載架することなく、粗微動方式により２
段構成で、小形で高精度平面移動機構が実現できる。ま
た、装置全体の高さを低く押えることができ、重心が低
く、装置の剛性を高く保つことができ、高速、高精度な
位置決めが可能である。さらに、微動送シには、シンプ
ルでコンパクトな直進形微小変位素子として積層形ピエ
ゾ素子を用い、かつレーザフィードバック制御により、
テーブルを高速かつ高精度に、位置決め可能である。

さらに、本発明による装置は、その高速、高精度性を生
かして、縮小露光装置や、ＦＢ装置などのＸＹステージ
へ適用することが可能であシ、また、高安定性、高精度
を生かして、ステップ及リピート形のＸ線露光装置のＸ
Ｙステージへ適用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の平面移動装置の構成を示した斜視図、第
２図は本発明の実施例を示す斜視図、牙６図は実施例の
駆動部を示す平面図、第４図は駆動部の断面図、第５図
及び第６図はピエゾ素子の構成を示す説明図、オフ図は
ピエゾ素子の電圧−変位特性を示す図である。 ５．５′・・・サーボモータ　６，６Ｉ・・・ボールネ
ジ７．７′・・・直線軸受案内　１９・・・試料テーブ
ル１８・・・Ｙテーブル　　　２０・・・ブロック２１
・・・直進形微小変位素子　１５・・・光学ミラー２７
・・・クランプ用変位素子　２４・・・回りどめ機構２
６・・・スライドプレート２５・・・アーム羊　　！　
　図 鼻 早　２　図 ／７ ７ジ 牛　と　１￥１　　　　　手　ｂ　図 羊　７　団

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　基板上の直線軸受案内に載架される第１のテーブ
   ルと、このテーブルの上に形成される直線軸受案内に載
   架され、且つ上記牙１のテーブルと直交する向きに移動
   可能な第２のテーブルと、第１反び第２のテーブルのそ
   れぞれについて、テーブルと接続と分離を行なうクラン
   プ機能を有するブロックと、接続時に、テーブルに、ブ
   ロックとともに長ストローク送シな発生する駆動機構と
   、分離時に１ブロツクを定位置に固定する固定手段と、
   この固定時に、テーブルをブロックを基準に、微小スト
   ロークさせる微小変位発生機構とを備え、前記第１、お
   よび第２のテーブルの粗動と微動送シな同一の前記直線
   軸受案内によって行なうことを特徴とした精密平面移動
   装置。 ２、上記微小変位発生！ｌ！構は、単層あるいは、　、
   積層形の電歪素子の電圧制御により微ａｔを制御する微
   動伸縮機構で構成することな特徴とする特許請求範囲第
   １項記載の精密平面移動装置。 ３、　上記電圧制御において、ピエゾ素子にあらかじめ
   オフセット電圧を印加し、その電圧レベルから電圧制御
   することによりテーブルの前後移動を可能としたことを
   特徴とする特許請求範囲第２項記載の精密平面移動装置
   。