JPWO2008120331A1

JPWO2008120331A1 - 電子線描画装置およびそのステージ機構

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Publication number: JPWO2008120331A1
Application number: JP2009507323A
Authority: JP
Inventors: 北原　弘昭; 弘昭北原
Original assignee: Pioneer Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2010-07-15
Anticipated expiration: 2027-03-28
Also published as: WO2008120331A1; CN101641742B; JP4559532B2; US20100084578A1; CN101641742A

Abstract

回転ステージおよび直動ステージを含む位置決め機構が真空室内に収容され、真空室の外部から位置決め機構に配管が接続される。真空室には、位置決め機構の下方に拡がる掘り込み状の空間が設けられており、位置決め機構と真空隔壁との間を結ぶ配管は、この空間内において真空室の内壁等に接触することなく直動ステージの移動に対応して変形できるように略Ｕ字形状をなして配設される。

Description

本発明は、記録ディスク原盤等のマスタリング工程において使用し得る電子線描画装置およびそのステージ機構に関する。

光ディスクの原盤のマスタリング工程では、通常、レジスト膜にレーザビームを露光してピットや案内溝（グルーブ）を形成している。このマスタリング工程において用いられているレーザービームレコーダー（ＬＢＲ）は、その光源としてＵＶ（紫外線）や、さらにビーム径を絞れるＤｅｅｐ−ＵＶ（遠紫外線）等を使用している。レーザビームの露光の限界すなわち光ディスクの記録密度は、光の波長と対物レンズの開口数で定まる光の回折限界で決定される。近年、このレーザビームの露光限界を越えた微小なピットやグルーブを形成し、光ディスクの記録密度の向上を図るべく、半導体プロセスにおいて使用される電子線描画方式が検討されている。この電子線描画方式を採用することにより、ブルーレイディスク等の高密度光ディスクのみならず、高密度ハードディスクの将来技術として有望視されているディスクリートトラックメディアやパターンドメディアなどの原盤製作への対応も見込まれる。

図１は、ディスク原盤のマスタリングに使用される回転ステージ型電子線描画装置の構成を示す図である。回転ステージ型電子線描画装置には、Ｘステージ１００と、Ｘステージ１００上に積載された回転ステージ１０１と、電子光学鏡筒１０３とが設けられている。ディスク原盤２００は、回転ステージ上のターンテーブル１０４上に設置され、回転ステージ１０１が回転駆動すると同時にＸステージ１００がディスク半径方向（図１中の矢印Ａの方向）に移動することにより電子ビームの照射位置の位置決め制御がなされる。このように電子線描画装置のステージ機構は、直動ステージ（Ｘステージ）と回転ステージ（θステージ）の組み合わせによって構成されることから、一般にＸ−θステージと呼ばれている。電子線描画装置に使用される回転ステージには、ナノオーダの位置決め精度が要求されることから、エアスピンドルが用いられるのが一般的である。一方、電子ビームは大気雰囲気中において著しく拡散、減衰する特性を有していることから、電子線の照射経路を真空にする必要があり、ステージ全体が真空室１０５内に設置される。このため、従来から回転ステージにはエアスピンドルを真空容器で密閉し、回転軸に磁性流体や差動排気等を利用した真空用軸シールを施したものが使用されている。尚、装置に生じる振動を除去するべく、装置全体が除振台１０６上に積載される。

真空室内においてエアスピンドルを動作させるためには、空気軸受用の高圧空気やモータ駆動用の電気信号等を真空室の外からエアスピンドルへ導入し、さらに軸受で消費した空気を真空室外部に排出する手段が必要となる。かかる手段としては、従来からベローズやフレキシブルチューブ等の自在配管が使用されている。ここで、回転ステージはＸステージ上に積載されているため、エアスピンドルに接続される配管はＸステージの移動に伴い変形することとなる。このＸステージ移動中における配管の変形は、Ｘステージによる送り動作の阻害要因となり、高精度の位置決め制御の妨げとなり得る。非特許文献１には、図２に示すように回転ステージ上部側面から真空室隔壁までを結ぶ金属製フレキシブルチューブ１０７を横向きのＵ字形状となるように配置した配管方法が開示されている。この場合、フレキシブルチューブ１０７は、図３に示すような変形でＸステージのストロークに対応する。この構成の場合、フレキシブルチューブの自重を支えるための支持部材が必要となり、実際には真空室の底面等がその役割を担う。そして、実際の動作を微視的に見ると、チューブが変形して移動していく際に、支持部材（真空室の底面等）とフレキシブルチューブとの間に摩擦が生じる。これが摩擦抵抗や微振動の原因となり、Ｘステージの移動精度を低下させる要因となっていた。また、従来、フレキシブルチューブ配管の内部には、軸受用高圧空気供給チューブやモータ駆動用給電線などがまとめて通されており、比較的大口径（内径１インチ以上）のフレキシブルチューブが使用されていた。その結果、その曲げ硬さによるＸステージへの負荷がＸステージの移動精度を低下させる原因の１つとなっていた。スピンドルモータの回転精度を高めるべく、完全非接触である差動排気シールを採用した場合、配管の本数はさらに増加することとなり、上記問題はより深刻となる。

一方、非特許文献２、特許文献１には、Ｘ方向に伸縮自在なベローズを装備した装置が開示されている。しかし、この場合ベローズのバネ力の他、ベローズの座屈防止のために設けられた案内機構の摺動摩擦抵抗が、Ｘステージの移動精度を悪化させる原因となっていた。
特開２００３−２８７１４６号公報 Jpn.Appl.Phys.Vol.40(2001)PP.1653-1660 Jpn.Appl.Phys.Vol.43(2004)PP.5068-5073

本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、回転ステージ配管によるＸステージの移動負荷を低減することにより、より高精度な位置決め制御が可能なステージ機構および、かかるステージ機構を装備した電子線描画装置を提供することを目的とする。

本発明のステージ機構は、回転テーブルを備えた回転ステージと前記回転ステージを直線移動せしめて位置決めする直動ステージとを含む位置決め機構と、前記位置決め機構を収容する真空室と、前記真空室の外部と前記位置決め機構の内部とを連通せしめる少なくとも１つの屈曲自在な配管と、を含むステージ機構であって、前記真空室は、前記位置決め機構の底面の下方に拡がる下方空間を有し、前記配管が、前記位置決め機構の表面から前記下方空間を経て前記真空室の内壁に達していることを特徴としている。

また、本発明の電子線描画装置は、回転テーブルを備えた回転ステージと前記回転ステージを直線移動せしめて位置決めする直動ステージとを含む位置決め機構と、前記回転ステージ上に設置されたディスク原盤に電子線を照射して記録マークを形成する電子線照射手段と、前記位置決め機構を収容する真空室と、前記真空室の外部と前記位置決め機構の内部とを連通せしめる少なくとも１つの屈曲自在な配管と、を含む電子線描画装置であって、前記真空室は、前記位置決め機構の底面の下方に拡がる下方空間を有し、前記配管が、前記位置決め機構の表面から前記下方空間を経て前記真空室の内壁に達していることを特徴としている。

従来の電子描画装置の構成を示す図である。従来の電子線描画装置の配管方法を示す図である。従来の電子描画装置の配管の動作を示す図である。本発明の実施例で回転ステージの構成を示す図である。本発明の実施例である電子線描画装置の構成を示す図である。本発明の実施例である電子線描画装置の配管の動作を示す図である。本発明の実施例である電子線描画装置の構成を示す図である。本発明の他の実施例である電子線描画装置の構成を示す図である。

符号の説明

１回転ステージ
５ターンテーブル
１３ハウジング
１４真空隔壁
１６〜１９フレキシブルチューブ
２５給電線
３０電子光学鏡筒
４０Ｘステージ
５０真空室
５０ａ上部領域（上方空間）
５０ｂ下部領域（下方空間）
Ａ１〜Ａ５フィールドスルー
Ｂ１〜Ｂ５フィールドスルー

以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。尚、以下に示す図において、実質的に同一又は等価な構成要素、部分には同一の参照符を付している。

図４は、本発明の実施例であるエアスピンドルを使用した回転ステージ１の断面図である。回転ステージ１の回転軸２にはスラスト板３、４およびターンテーブル５が接続されており、これらによって回転部を構成している。ジャーナル軸受６およびスラスト軸受７はそれぞれ微小な空隙を介して回転軸２およびスラスト板３、４に対向配置されている。軸受給気口８に圧縮空気を供給すると、圧縮空気は供給通路９を経由してジャーナル軸受５およびスラスト軸受６を構成するノズルから噴射される。この圧縮空気によって、回転軸２およびスラスト板３および４は、非接触状態で支持される。スラスト板４の下方には、回転軸２に連結されたシャフト１０およびこのシャフト１０に対して非接触状態で駆動力を供給するＡＣサーボモータ１１が設けられている。また、回転軸からの空気の漏れは、軸に近接して設けられた複数の非接触シール部２０を差動排気することでシーリングされるようになっている。このように回転ステージ１の回転部は、固定部に対して完全に非接触の状態で支持されるので、回転に対する摩擦抵抗を小さく抑え、超高精度な回転制御を実現している。

上記したエアスピンドルの構成部分のうち、ターンテーブル５以外の部分は、気密を保った状態でハウジング１３内部に収容される。真空隔壁１４は、真空室の内側と外側とを密閉を保った状態で仕切る壁であり、回転ステージ１は、真空隔壁１４の内側、すなわち真空室内部の真空雰囲気中に配設される。尚、真空隔壁１４の外側およびハウジング１３内部は大気圧となっている。

真空隔壁１４にはフィールドスルーＡ１〜Ａ５が、回転ステージ１のハウジング１３底面にはフィールドスルーＢ１〜Ｂ５がそれぞれ設けられている。フィールドスルーは、隔壁内外の配管や配線同士の連結部を形成するものであり、連結部分から真空室内に空気が漏出しないように気密性が確保されている。真空隔壁１４の内外に亘る配管および配線はこのフィールドスルーを介してなされる。すなわち、エアスピンドルへの圧縮空気の供給、エアスピンドルからの空気の排出、およびＡＣサーボモータ１１の駆動電力の供給はフィールドスルーを介してなされる。軸受給気口８とフィールドスルーＢ１との間は、給気管１５が配管される。フィールドスルーＢ１とフィールドスルーＡ１との間は、例えばステンレス等の金属からなる外径が１／２インチ以下の小径のフレキシブルチューブ１６が配管される。かかる配管によって、真空室内の真空度を保ったまま真空隔壁１４の外側からエアスピンドルに圧縮空気の供給が可能となる。また、ＡＣサーボモータ１１とフィールドスルーＢ２との間およびフィールドスルーＢ２とフィールドスルーＡ２との間には、それぞれ給電線２５が配線される。これにより、真空室内の真空度を保ったまま真空隔壁１４の外側からＡＣサーボモータ１１に駆動電力の供給がなされる。また、フィールドスルーＢ３とフィールドスルーＡ３との間には例えば１／２インチ以下の小径のフレキシブルチューブ１７が配管される。これにより、真空軸受５および６に供給された圧縮空気の一部は、フレキシブルチューブ１７を経由して真空隔壁１４の外側に排気される。さらに、軸受排気口２１、２２とフィールドスルーＢ４およびＢ５との間には排気管２３、２４がそれぞれ配管され、フィールドスルーＢ４およびＢ５とフィールドスルーＡ４およびＡ５との間には、例えば１／２インチ以下の小径のフレキシブルチューブ１８および１９がそれぞれ配管される。かかる配管によって非接触シール部２０に流入した空気を真空隔壁１４の外側に差動排気することが可能となる。

ハウジング１３の底面に設けられたフィールドスルーＢ１〜Ｂ５と、真空隔壁１４に設けられたフィールドスルーＡ１〜Ａ５とを結ぶフレキシブルチューブ１６〜１９および給電線２５の各々は、図４に示す如く、略Ｕ字形状をなすようにその中間部分が垂下した状態で配管される。このように、本発明に係るステージ機構においては、エアスピンドルの給気、排気、給電のための配管および配線は、それぞれ独立に設けられ、従来装置において用いられていたベローズや案内筒等のパーツは使用しない。

次に図５は、上記した回転ステージ１を搭載した本発明に係る電子線描画装置の構成を示す図である。電子光学鏡筒３０は、電子銃３１、コンデンサレンズ３２、ブランキング電極３３、アパーチャ３４、偏向器３５、フォーカスレンズ３６、対物レンズ３７等により構成される。電子銃３１から放出された電子はコンデンサレンズ３２によってブランキング電極中心に集束され、クロスオーバポイントを作り、その後アパーチャ３４、偏向器３５を経由して対物レンズ３７によって記録原盤に集束される。電子ビームの変調はブランキング電極によって電子ビームを偏向させ、アパーチャで遮断することによって行われる。

Ｘステージ４０および回転ステージ１を密閉状態で収容する真空室５０には、Ｘステージ４０の底面の下方に拡がる掘り込み状の空間が設けられている。Ｘステージ４０およびターンテーブル５を含む回転ステージ上部は、この掘り込み状の空間よりも上方の空間（以下第１領域と称する）５０ａ内に収容される。一方、回転ステージ下部およびエアスピンドルの給気、排気、給電用等の配管は、掘り込み状の空間（以下第２領域と称する）５０ｂ内に配設される。図５に示すように第２領域５０ｂの幅寸法（図５中の横方向）は、図５に示すように第１領域５０ａの幅寸法よりも小さく形成することができるが、少なくともＸステージ４０の移動工程を確保できる幅寸法となっている。

Ｘステージは、図中の矢印Ａ方向（Ｘ方向）に伸長する送りネジ４１と、送りネジ４１の一端に連結されたシャフト４２と、真空室５０外部に設けられシャフト４２を回転駆動するモータ４３と、送りネジ４１と螺合する雌ネジ４５と、雌ネジ４５に固定されたステージ部４４と、第１領域５０ａの底面に固定され送りネジ４１の他端と接続するベース部４６、を含む。モータ４３が駆動されると、シャフト４２を通じて送りネジ４１が静止位置で回転し、これにより雌ネジ４５およびステージ部４４がＸ方向に移動する。ステージ部４４には貫通口が設けられており、回転ステージ１はこの貫通口に挿入される。回転ステージ１は、その外周部に突出形成されたフランジ部８０においてステージ４０に固設され、支持される。これにより、回転ステージ１は、Ｘステージ４０の移動に伴ってＸ方向に移動する。ディスク原盤２００は、回転ステージ上のターンテーブル５上に設置され、回転ステージ１が回転駆動すると同時にＸステージ４０がディスク半径方向（図５中の矢印Ａの方向）に移動することにより電子ビームの照射位置の位置決め制御がなされる。

Ｘステージ４０を挿通する回転ステージ１の下部は、第２領域５０ｂ内に入り込む形態で搭載される。従って、回転ステージ１のハウジング底面に取り付けられたフレキシブルチューブ１６〜１９および給電線２５は、第２領域内において配管および配線がなされる。上記したフィールドスルーＡ１〜Ａ５は、第２領域５０ｂの側壁に設けられ、これらと回転ステージのハウジング底面に設けられたフィールドスルーＢ１〜Ｂ５との間には、略Ｕ字形状をなすようにフレキシブルチューブ１６〜１９および給電線２５が取り付けられる。これらの配管および配線は、Ｘステージ４０の移動工程において真空室内の側面や底面に接触しないように宙に浮いた状態で懸垂している。

尚、装置に生じる振動を除去するべく除振台を使用する場合には、除振台９０に貫通口を形成し、第２領域５０ｂをこの貫通口に挿入し、第１領域５０ａの底面を除振台９０上に積載することで安定性が確保される。

上記した形態で配管がなされた装置において、Ｘステージ４０がＸ方向に移動したときのフレキシブルチューブ１６〜１９の動作について図６を参照しつつ説明する。フレキシブルチューブの各々は、上記したように真空室の第２領域５０ｂ内において、回転ステージのハウジング底面と真空隔壁１４との間でＵ字形状をなして懸垂している。この状態において、Ｘステージ４０がＸ方向に移動すると、これに伴い回転ステージ１がＸ方向に移動する。フレキシブルチューブは図６に示すようにその曲率半径が変化することで、Ｘステージの移動工程に対応する。ここでフレキシブルチューブの各々は、Ｘステージの移動工程において真空室内の真空隔壁１４に接触することがないように、宙に浮いた状態で懸垂しているので、摩擦などの非線形の外乱が排除される。

ここで、フレキシブルチューブの曲げ剛性は、実際にはコルゲーション形状を考慮する必要があり複雑な計算が必要であるが、その条件が変わらないものとして単純モデル化すれば、円管の曲げ剛性として考えられる。すなわち、曲げ剛性は、断面２次モーメントに比例するため、同じ肉厚の円管では、口径の３乗に比例することになる。一方、複数の同一口径の管を並列に並べた場合の断面２次モーメントは管の本数に比例する。従って、従来装置のように、内部に複数の配管を通すために大口径のフレキシブルチューブを使用するよりも、本実施例の如く、給気、排気および給電のための配管をそれぞれ独立に設け、各々を小口径とすることにより、配管の曲げ剛性を小さくすることができる。これにより、Ｘステージの移動負荷を軽減することができ、高精度な位置決め制御が達成されるのである。

尚、各配管の長さや設置間隔によっては、Ｕ字形状に懸垂したフレキシブルチューブ同士が接触し、これらが摩擦抵抗となってＸステージ４０の移動精度を低下させる恐れがある。これを防止するためには、図７に示すように、各チューブが互いに離間した状態でチューブ同士を拘束するクランパ９１を適所に設けることが望ましい。また、このクランパを設けることにより、Ｕ字状配管に生じた振動のダンピング効果も期待できる。真空用金属フレキシブルチューブとして一般的に使用されているステンレス製のフレキシブルチューブは、それ単体では制振性が良好ではないが、複数のフレキシブルチューブを拘束することで、振動エネルギーが分散され、共振を小さく抑えることが可能となる。尚、金属フレキシブルチューブを柔軟なブレード（編組線）等で被覆することによっても、振動ダンピング効果が期待できる。また、フィールドスルー間を繋ぐ配管は、金属フレキシブルチューブ限らず、例えば真空中で脱ガスの少ない樹脂系チューブであってもよい。

また、上記した実施例においては、回転ステージ１のハウジング１３底面にフィールドスルーを設ける構成としたが、これに限定されず、例えば図８に示す如く、真空室の第２領域５０ｂ内に侵入した回転ステージ下部の側面にフィールドスルーＢ１〜Ｂ５を設け、これらと、真空隔壁１４に設けられたフィールドスルーＡ１〜Ａ５との間にフレキシブルチューブ１６〜１９および給電線２５を略Ｕ字形状をなすように懸垂させることとしてもよい。この場合においても、Ｕ字状配管の各々は、Ｘステージ４０の移動工程において真空室５０内の側面および底面等に接触しないように配管される。

以上の説明から明らかなように、本発明に係るステージ機構および電子線描画装置によれば、真空室がＸステージの下方に拡がる掘り込み状の空間を有し、回転ステージと真空隔壁との間を結ぶ配管および配線はこの空間内に配設される。そして、これらの配管および配線は、この空間内において真空室の内壁等に接触することなくＸステージの移動に対応して変形できるように配設されるので、Ｘステージの移動中の摩擦抵抗および振動を大幅に低減することができる。故に、ディスク原盤の位置決め制御をより高精度に行うことが可能となり、高密度記録に適した微小ピットの形成が可能となる。また、これらの配管の各々は、小口径のフレキシブルチューブを用いてそれぞれ独立に設けることでＸステージの移動負荷をさらに低減させることができ、また、従来装置において使用されていたベローズや案内筒等のパーツを用いることなく構成できるので、低コストと高信頼性を両立させることができる。

Claims

回転テーブルを備えた回転ステージと前記回転ステージを直線移動せしめて位置決めする直動ステージとを含む位置決め機構と、前記位置決め機構を収容する真空室と、前記真空室の外部と前記位置決め機構の内部とを連通せしめる少なくとも１つの屈曲自在な配管と、を含むステージ機構であって、
前記真空室は、前記位置決め機構の底面の下方に拡がる下方空間を有し、
前記配管が、前記位置決め機構の表面から前記下方空間を経て前記真空室の内壁に達していることを特徴とするステージ機構。
前記配管は、前記下方空間内においての前記真空室の内壁には非接触でありかつその中間部が垂下していることを特徴とする請求項１に記載のステージ機構。
前記配管の一方の端部は、前記位置決め機構の底面に結合していることを特徴とする請求項１又は２に記載のステージ機構。
前記配管の一方の端部は、前記位置決め機構の側面に結合していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載のステージ機構。
前記配管は複数であり、前記配管の各々を互いに離間した状態で拘束するクランパを更に有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載のステージ機構。
前記直動ステージは、貫通口を有し、
前記回転ステージは、前記貫通口に挿入されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載のステージ機構。
回転テーブルを備えた回転ステージと前記回転ステージを直線移動せしめて位置決めする直動ステージとを含む位置決め機構と、前記回転ステージ上に設置されたディスク原盤に電子線を照射して記録マークを形成する電子線照射手段と、前記位置決め機構を収容する真空室と、前記真空室の外部と前記位置決め機構の内部とを連通せしめる少なくとも１つの屈曲自在な配管と、を含む電子線描画装置であって、
前記真空室は、前記位置決め機構の底面の下方に拡がる下方空間を有し、
前記配管が、前記位置決め機構の表面から前記下方空間を経て前記真空室の内壁に達していることを特徴とする電子線描画装置。