KR100281860B1

KR100281860B1 - 스테이지 장치 및 그 구동 방법

Info

Publication number: KR100281860B1
Application number: KR1019990003992A
Authority: KR
Inventors: 에비하라아끼미쯔; 노박토마스
Original assignee: 오노 시게오; 가부시키가이샤 니콘
Priority date: 1994-06-27
Filing date: 1999-02-05
Publication date: 2001-02-15
Also published as: GB2329520A; GB9817491D0; GB9817490D0; HK1025841A1; KR100281857B1; JP3804786B2; GB2329519A; GB2325563B; GB2329519B; GB2290658B; KR960002519A; JPH0863231A; KR100281853B1; GB2329518B; GB2325563A; HK1032291A1; HK1026767A1; KR100281856B1; JP2007242034A; GB2329518A

Abstract

위치 설정 및 이동을 높은 정확도로 제어할 수 있는 장치를 개시한다. 상기 장치는, 정류형 선형 모터를 이용하여, 가이드리스 스테이지를 평면내의 한 긴 직선 방향으로 이동시킬 뿐만 아니라 적은 편요 회전으로 이동시킨다. 단일 음성 코일 모터를 수용한 캐리어/종동자는, 긴 직선 이동 방향으로 스테이지를 추종하도록 제어된다. VCM 은 전자기력을 제공하여 평면 내에서 긴 직선 이동 방향에 수직인 직선 방향으로 스테이지를 미소 변위로 이동시키고 적절한 정렬을 확보한다. 정류형 선형 모터중 하나는 자유롭게 부양된 구동 어셈블리에 장착되며, 상기 구동 어셈블리는 하나의 선형 모터가 편요 보정에 이용된 장치의 무게 중심을 유지하기 위한 반력에 의해서 움직이는 것으로서, 2 개의 VCM 을 이용하여 달성 가능하다.

Description

스테이지 장치 및 그 구동 방법 {A stage apparatus and a driving method thereof}

본 발명은 정밀한 이동이 가능한 가동 스테이지에 관한 것으로서, 특히 고정밀 위치 설정 및 고속 이동이 가능하고 일 직선 방향으로의 이동이 가능한 스테이지 장치에 관한 것이며, 이러한 장치는 마이크로 리소그래픽 시스템에 양호하게 사용될 수 있는 것이다.

웨이퍼 스텝퍼에 있어서, 결상 (結像) 되는 레티클에 대한 노광 필드의 정렬은 이러한 필드 내의 회로의 성공 여부에 영향을 미친다. 주사형 노광 시스템에 있어서, 레티클과 웨이퍼는 노광시에 동시에 이동되며, 서로 가로질러 주사된다. 본 발명은, 이러한 시스템과 관련하여, 정밀한 주사 이동을 행하는 장치를 개시하는 것이다.

고정도를 얻기 위해서, 스테이지는 기계적인 외란으로부터 고립되어야 한다. 이것은, 전자기력을 이용하여 스테이지를 위치 설정 및 이동시킴으로써 얻어진다. 또한, 높은 제어 대역폭을 구비해야 하는데, 이는 스테이지가 가볍고 가동부가 없는 구조이어야 함을 요구하는 것이다. 더욱이, 스테이지는 과열이 발생하지 않아야 하는 데, 이는 간섭계 간섭 또는 기계적 변화가 유발되어 정렬 정밀도를 저하시키기 때문이다.

미국 특허 제 4,506,204 호, 제 4,506,205 호, 및 제 4,507,597 호에 개시된 무정류형 전자기 정렬 장치는, 이들이 비경제적인 대형 자석과 코일 어셈블리 (coil assembly) 를 필요로 한다는 점에서, 그 실현성이 없다. 또한, 스테이지의 무게 및 발생된 열 때문에, 이들 설계들은 고정밀 용도로는 부적절하다.

이러한 무정류형 장치를 개선한 것이 미국 특허 제 4,952,858 호에 개시되어 있으며, 이 미국 특허 제 4,952,858 호는, 평면 내에서 큰 변위 이동을 제공하기 위해 XY 방향에서 기계적으로 가이드되는 종래의 서브-스테이지를 이용함으로써, 대형 자석과 코일 어셈블리의 필요성을 제거한 것이다. 이러한 서브-스테이지상에 설치된 전자기 수단은 스테이지가 기계적인 외란으로부터 고립되게 한다. 그럼에도 불구하고, 서브-스테이지와 스테이지를 합친 무게는 여전히 낮은 제어 대역폭을 유발하며, 스테이지를 지지하는 전자기 요소에 의해 발생된 열은 여전히 존재한다.

정류형 전자기 수단을 이용한 일반적인 장치가 종래의 무정류형 장치에 비해 상당히 개선된 것이기는 하지만, 낮은 제어 밴드폭 및 간섭계의 간섭 문제는 여전히 남아있다. 이러한 장치에 있어서, 서브-스테이지는 일 직선 방향으로 자기력에 의해 이동되고, 반면에 서브-스테이지에 설치된 정류형 전자기 수단은 스테이지를 그의 직교 방향으로 이동시킨다. 서브-스테이지는, 스테이지를 이동시키는 자석 궤도를 지지하기 때문에, 그 무게가 무겁다. 더욱이, 스테이지에서의 방열은 간섭계 정밀도를 저하시킨다.

또한, 코일과 자석이 결합된 평행한 두 개의 선형 모터를 사용함으로써, 긴 일 직선 방향으로 가동 부재 (스테이지) 를 이동 (예를 들면, 10cm 이상) 시키는 것도 널리 공지되어 있다. 이러한 경우에 있어서, 스테이지는 일종의 직선 가이드 부재에 의해 가이드되고, 가이드 부재에 평행하게 설치된 선형 모터에 의해 일 직선 방향으로 구동된다. 스테이지를 극소량의 스트로크 (stroke) 범위까지만 구동하는 경우에는, 상기 종래 기술에 개시된 바와 같이, 일부 전자기 엑츄에이터를 결합하여 구성한 가이드리스 (guideless) 구조를 채택할 수 있다. 그러나, 가이드리스 스테이지를 일 직선 방향에서 긴 거리를 이동시키기 위해서는, 종래 기술에서와 같이 특별히 구조된 전자기 엑츄에이터가 필요하기 때문에, 장치는 대형화되고, 따라서, 소비 전력이 더 증가되는 문제점을 야기한다.

본 발명의 목적은, 전자기력을 이용하여 가이드리스 스테이지를 긴 직선 이동 방향으로 이동할 수 있도록 하는 것 및 저 관성 및 고 응답이 달성되는 경량의 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 일 직선 방향 이동용 전자기 엑츄에이터로서, 시판중인 통상의 선형 모터를 이용한 가이드리스 스테이지 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 긴 직선 이동 방향에 직교한 방향으로 아무런 접촉없이 미소 변위량에 대해서, 능동적이고 정밀하게 위치 제어할 수 있는 가이드리스 스테이지 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 일 직선 방향으로 이동하는 가동 부재 (스테이지 본체), 및 상기 가동 부재와 일정한 공간을 유지하면서 동일 방향으로 순차적으로 이동하는 제 2 가동 부재를 제공하고, 상기 제 2 가동 부재와 스테이지 본체간의 직선 방향에 직교한 방향으로 전자기력 (작용력 및 반작용력) 을 제공함으로써, 완전 비접촉 스테이지 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 물체를 지지하면서 이동하는 비접촉 스테이지 본체에 접속된 여러가지 케이블 및 관 (tube) 의 장력을 변화시킴으로써, 위치 설정 및 주행 정밀도가 저하되는 것을 방지할 수 있는 비접촉 스테이지 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 서로 반대의 직선 방향으로 이동하는 제 1 및 제 2 가동 부재를 평행하게 배치함으로써, 높이가 낮은 비접촉 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 비접촉 스테이지 본체가 일 직선 방향으로 이동하는 경우에도, 전체 장치의 무게 중심의 위치를 변경하지 않도록 구성된 장치를 제공하는 것이다.

상기 주요 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 하기 내용을 특징으로 하여 구성된다.

고정도로 위치 및 이동 제어를 할 수 있는 장치를 개시한다. 상기 장치는, 정류형 선형 모터를 이용하여, 가이드리스 스테이지를 평면내의 긴 일 직선 방향으로 이동시킬 뿐만 아니라 적은 편요 (yaw:偏搖) 회전으로 이동시킨다. 단일 음성 코일 모터 (VCM) 를 수용한 캐리어/종동자 (carrier/follower) 는, 긴 직선 이동 방향으로 스테이지를 대략적으로 추종 (follow) 하도록 제어된다. VCM 은 전자기력을 제공하여 평면 내에서 긴 직선 이동 방향에 직교한 직선 방향으로 스테이지를 미소 변위로 이동시켜 적절한 정렬을 확보한다. 이러한 종동자 설계는, 스테이지에 접속된 케이블이 캐리어/종동자를 통해 스테이지를 추종하기 때문에, 스테이지에 대한 케이블 항력 (抗力) 의 문제점이 해소된다. 캐리어/종동자를 외부 장치와 연결시키는 케이블은 일정량의 항력을 가지지만, 캐리어/종동자상의 VCM 은 기계적인 외란이 스테이지로 전달되는 것을 저지하는 것에 의해 버퍼로서 작용하기 때문에, 스테이지는 이러한 외란을 받지 않는다.

본 발명의 특징으로서, 정류형 선형 모터가 스테이지의 양측에 설치되고 구동 프레임상에 장착된다. 각 정류형 선형 모터는 코일 부재와 자석 부재를 포함하며, 이들 중 하나는 스테이지의 양측중 어느 한 측에 장착되고, 다른 하나는 구동 프레임상에 장착된다. 양쪽 모터는 동일한 방향으로 구동된다. 약간 다른 거리로 이들 모터를 구동하게 되면, 스테이지에는 적은 편요 회전이 발생하게 된다.

본 발명의 다른 태양에 있어서, 운동량 보존의 원리를 이용하여, 임의의 스테이지 이동시에도 스테이지 시스템의 무게 중심의 위치가 보존되도록 하기 위해, 가동 카운터-웨이트 (counter-weight) 가 제공된다. 본 발명의 실시예에 있어서, 각 선형 모터의 한 부재를 지지하는 구동 프레임은 베이스 구조위에 부양되고, 구동 어셈블리가 베이스 구조상의 한 방향으로 스테이지를 이동시키기 위해 스테이지에 작용력을 가하게 되면, 구동 프레임은 반작용력에 대응하여 반대 방향으로 이동함으로써 장치의 무게 중심을 실질적으로 보존한다. 본 장치는, 스테이지 시스템과 스테이지 시스템이 장착된 베이스 구조간의 어떠한 반작용력도 실질적으로 제거함으로써, 시스템에 대한 진동의 영향을 극소화시키면서도 고가속을 용이하게 한다.

스테이지의 이동을 3 개의 특정 자유도로 제한함으로써, 장치는 간단해 진다. 시판중인 전자기 부품을 이용하기 때문에, 장치 설계는 스테이지의 치수 변경에 대해 용이하게 적응될 수 있다.

이러한 고정도의 위치 설정 장치는, 일 직선 방향으로 원할하고 정밀한 주사 이동을 제공하고 그리고 주사 방향과 수직한 방향에서의 미소 변위 이동 및 평면 내의 적은 편요 회전을 제어하여 정밀한 정렬을 보장함으로써, 주사형 노광 장치의 레티클 스캐너로 사용하는 것이 이상적이다.

본 발명의 다른 태양과 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 설명한 하기의 상세한 설명으로부터 더 명백해 질 것이다. 각 도면에서, 동일한 도면부호는 동일한 요소를 가르킨다.

도 1 은 본 발명에 따른 장치의 개략 사시도.

도 2 는 제 1 도에 도시된 장치의 평면도.

도 3 은 도 2 에 도시된 구조를 선 3-3' 을 따라 단면을 취해 화살표 방향에서 본 입면도.

도 4a 는 도 1 의 캐리어/종동자를 도시한 것으로서, 위치 설정 가이드로부터 전개된 부분 전개 확대사시도.

도 4b 는 도 5 에 도시된 구조의 일부를 선 4B-4B' 을 따라 단면을 취해 화살표 방향에서 본 확대 수평 단면도.

도 4c 는 음성 코일 모터가 제거된 도 2 에 도시된 구조의 일부를 선 4C-4C' 을 따라 단면을 취해 화살표 방향에서 본 확대 수직 단면도.

도 5 는 도 2 에 도시된 구조의 일부를 선 5-5' 을 따라 단면을 취해 화살표 방향에서 본 확대 수직 단면도.

도 6 은 스테이지의 위치 제어용 감지 및 제어 시스템을 개략적으로 예시하는 블럭도.

도 7 은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하는 도 2 와 유사한 평면도.

도 8 은 도 7 에 도시된 구조를 선 8-8' 을 따라 단면을 취해 화살표 방향에서 본 수직 단면도.

도 9 및 도 10 은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 것으로서, 도 7 및 도 8 과 유사한 개략도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

12 : 베이스 구조

14 : 스테이지

15 : 레이저 간섭계 시스템

16 : 위치 제어 시스템

17 : 가이드 부재

18, 62 : 지지 브래킷

22, 52A, 52B : 구동 어셈블리

24 : 아암

32, 66A, 66B, 66C : 에어 베어링

42 : 레티클 본체

44 : 레티클

54A, 54B, 68, 74 : 구동 코일

56A, 56B : 자석 궤도

60 : 캐리어/종동자

72 : 자석

80 : 커넥터

제 1 실시예의 설명

본 발명은 일반적으로 전자기 정렬 장치에 응용하는 것이지만, 바람직한 실시예는 도 1 내지 도 6 에 도시된 바와 같은 레티클 스테이지용 주사 장치를 포함한다.

도면을 참조하면, 본 발명의 위치 설정 장치 (10) 는 필요에 따라 레티클 스테이지 (14) 가 부양되어 이동되는 베이스 구조 (12), 레티클 스테이지의 위치를 추적하는 레이저 간섭계 시스템 (15), 위치 센서 (13), 및 CPU (16') (도 6 참조) 에 의해 작동되는 위치 제어 시스템 (16) 을 포함한다.

위치 설정용의 기다란 가이드 부재 (17) 은 베이스 (12) 상에 장착되고, 지지 브래킷 (18) (예시된 실시예의 2 개 브래킷) 은 예를 들어 에어 베어링 (20) 에 의해 가이드 부재 (17) 상에서 이동 가능하게 지지된다. 지지 브래킷 (18) 은, 레티클 스테이지 (14) 를 X 방향으로 구동하고 적은 편요 회전으로 구동하기 위해서, 자석 궤도 어셈블리 형태의 구동 어셈블리 (22) 또는 구동 프레임에 접속된다. 구동 프레임은 한 쌍의 평행 이격된 자석 궤도 아암 (24, 26) 을 포함하며, 이들 아암 (24, 25) 은 크로스 아암 (28, 30) 의해 서로 연결되어 개방된 직사각형을 형성한다. 바람직한 실시예에 있어서, 구동 프레임 (22) 은 베이스 구조 (12) 상에서 예를 들어 에어 베어링 (32) 에 의해 이동 가능하도록 지지되기 때문에, 구동 프레임은 베이스 구조상에서 레티클 스테이지의 주사 이동의 소망되는 주 방향, 즉 가이드 부재 (17) 의 길이 방향축과 정렬된 방향에서 자유롭게 이동한다. 여기서 사용된 '한 방향' 또는 '제 1 방향' 은, 레티클 스테이지 (14) 또는 구동 프레임 (22) 이 가이드 부재 (17) 의 길이 방향축에 정렬된 선을 따르는 X 방향에서 전방 또는 후방으로 이동한다는 의미이다.

더 상세히 설명하기 위해서 도 1 및 도 5 를 참조하면, X 방향으로 연장된 가이드 부재 (17) 는, 베이스 구조 (12) 의 표면 (12A) 에 거의 수직한 전방 및 후방 가이드 표면 (17A, 17B) 을 갖는다. 전방 가이드 표면 (17A) 은 직사각형 구동 프레임 (22) 과 대향하고 있으며, 지지 브래킷 (18) 의 내측면에 고정된 에어 베어링 (20) 을 가이드한다. 지지 브래킷 (18) 은 구동 프레임 (22) 의 가이드 부재 (17) 에 평행한 아암 (24) 상면의 각 단부상에 장착된다. 더욱이, 각 지지 브래킷 (18) 은 훅크 형상으로 형성되었기 때문에, 가이드 부재 (17) 에 Y 방향으로 가로질러 있게 되고, 가이드 부재 (17) 의 후방 가이드 표면 (17B) 에 대향하는 자유 단부를 가진다. 에어 베어링 (20') 은 지지 브래킷 (18) 의 자유 단부 내측에 그리고 후방 가이드 표면 (17B) 에 대향하게 고정된다. 따라서, 각 지지 브래킷 (18) 의 Y 방향으로의 이동은 가이드 부재 (17) 및 에어 베어링 (20, 20') 에 의해 구속되며, 단지 X 방향으로만 이동 가능하다.

다음으로, 본 발명의 제 1 실시예에 있어서, 구동 프레임 (22) 의 4 개의 직사각형 부분의 바닥면에 고정된 에어 베어링 (32) 은 베이스 구조 (12) 의 표면 (12A) 과 패드면 사이에 일정한 갭 (1 내지 수 ㎛) 의 공기층을 형성한다. 구동 프레임 (22) 은 공기층에 의해 표면 (12A) 으로부터 부양되어 수직 (Z 방향) 으로 지지된다. 상세히 후술하겠지만, 도 1 에 있어서, 긴 아암 (24) 의 상부 위에 위치 설정된 캐리어/종동자 (60) 는 가이드 부재 (17) 의 양면 (17A, 17B) 에 대해서 브래킷 (62) 에 의해 지지된 에어 베어링 (66A, 66B) 에 의해 횡방향 (Y 방향) 으로 지지되고, 베이스 구조 (12) 의 표면 (12A) 위의 에어 베어링 (66) 에 의해 수직 방향 (Z 방향) 으로 지지된다. 그러므로, 캐리어/종동자 (60) 는 구동 프레임 (22) 의 어느 부분과도 접촉하지 않게 위치 설정된다. 따라서, 구동 프레임 (22) 은, 베이스 표면 (12A) 위에서 가이드 부재 (17) 에 의해 측면으로 가이드되어, 일 직선 X 방향으로만 이동한다.

다음으로, 도 1 및 도 2 를 참조하여 레티클 스테이지 (14) 와 구동 프레임 (22) 의 구조를 설명한다. 레티클 스테이지 (14) 는, 레티클 (44) 이 개구 (46) 위에 위치 설정되는 주본체 (42) 를 포함한다. 레티클 본체 (42) 는 한 쌍의 대향 측부 (42A, 42B) 를 포함하며, 예를 들어 에어 베어링 (48) 에 의해 베이스 구조 (12) 위에 위치 설정되거나 부양된다. 레티클 스테이지 (14) 의 주본체 (42) 에 제공된 다수의 간섭계 미러 (50) 는, 레이저 간섭계 위치 감지 시스템 (15) (도 6 참조) 과 함께 작동하여, 레티클 스테이지 (14) 를 원하는 대로 이동시키기 위한 적절한 구동 신호를 지시하기 위해 위치 제어 시스템 (16) 에 공급되는 스테이지의 적정한 위치를 결정한다.

레티클 스테이지 (14) 의 기본적인 이동은, 제 1 전자기 구동 어셈블리 또는 각 대향 측부 (42A, 42B) 상의 개별 구동 어셈블리 (52A, 52B) 형태의 수단에 의해 달성된다. 구동 어셈블리 (52A, 52B) 는 레티클 스테이지 (14) 의 측부 (42A, 42B) 에 각각 고정적으로 장착된 구동 코일 (54A, 54B) 을 포함하며, 이러한 구동 코일은 구동 프레임 (22) 의 자석 궤도 아암 (24, 26) 상의 각 자석 궤도 (56A, 56B) 와 협동한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 자석 코일이 레티클 스테이지상에 장착되고 자석은 구동 프레임 (22) 에 장착되지만, 전자기 구동 어셈블리 (52) 의 이들 요소의 배치는 서로 뒤바뀔 수 있다.

여기에서, 레티클 스테이지 (14) 의 구조를 더 상세히 설명한다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 스테이지 본체 (42) 는 구동 프레임 (22) 내측의 직사각형 공간내에서 Y 방향으로의 이동이 자유롭도록 설치된다. 스테이지 본체 (42) 의 각 4 개 코너 아래에 고정된 에어 베어링 (48) 은, 패드면과 베이스 표면 (12A) 사이에 매우 적은 에어갭을 만들어, 전체 스테이지 (14) 를 표면 (12A) 으로부터 부양시켜 지지한다. 이러한 에어 베어링 (48) 은 표면 (12A) 에 진공 흡인용 리세스부를 가진 예압 (pre-loaded) 형으로 장착되는 것이 바람직하다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 레티클 (44) 상에 형성된 패턴의 투영상이 통과되도록, 스테이지 본체 (42) 중심부 내에 직사각형 개구 (46) 가 제공된다. 투영 영상이 직사각형 개구 (46) 를 통해 직사각형 개구 아래에 설치된 투영 광학 시스템 (PL) (도 5 를 참조) 을 통과하도록 하기 위해서, 베이스 구조 (12) 의 중심부에 다른 개구 (12B) 가 구비된다. 레티클 (44) 은, 직사각형 개구 (46) 둘레의 4 점에 돌출되어 위치하는 클램핑 부재 (43C) 에 의해, 스테이지 본체의 상면에 장착되고, 진공 압력에 의해 클램프된다.

다음으로, 아암 (26) 근처에서 스테이지 본체 (42) 의 측부 (42B) 가까이에 고정된 간섭계 미러 (50Y) 는, X 방향으로 긴 수직 반사면을 가지며, 상기 수직 반사면의 길이는 X 방향에서의 스테이지 (14) 의 가동 스트로크보다 다소 더 길며, Y 축 간섭계로부터의 레이저 빔 (LBY) 은 상기 반사면에 수직으로 입사한다. 도 2 에 있어서, 레이저 빔 (LBY) 은 베이스 구조 (12) 의 측부에 고정된 미러 (12D) 에 의해 직각으로 꺽이게 된다.

다음으로, 도 2 의 선 3-3' 의 부분 단면도인 도 3 을 참조하면, 간섭계 미러(50Y) 의 반사면상에 입사한 레이저 빔 (LBY) 은, 클램핑 부재 (42c) 상에 장착된 레티클 (44) 의 바닥면 (패턴이 형성된 표면) 과 동일 평면에 위치하게 된다. 더욱이, 도 3 에는, 가이드 부재 (17) 의 가이드 표면 (17B) 에 대향하는 지지 브래킷 (18) 의 단부 측면상의 에어 베어링 (20) 도 도시되어 있다.

도 1 및 도 2 를 재참조하면, X1 축 간섭계로부터의 레이저 빔 (LBX1) 이 입사하여 간섭계 미러 (50X1) 상에서 반사되며, X2 축 간섭계로부터의 레이저 빔 (LBX2) 이 입사하여 간섭계 미러 (50X2) 상에서 반사된다. 이러한 2 개 미러 (50X1, 50X2) 는 코너 튜브형의 미러로 구성되며, 스테이지 (14) 가 편요 회전하는 경우에도, 이러한 미러는 레이저 빔의 입사축 및 반사축이 XY 평면 내에서 항상 평행을 유지하게 한다. 또한, 도 2 의 블럭 (12C) 은 레이저 빔 (LBX1, LBX2) 이 미러 (50X1, 50X2) 각각으로 향하게 하는 프리즘과 같은 광학 블럭으로서, 베이스 구조 (12) 의 일부에 고정되어 있다. 레이저 빔 (LBY) 에 대응하는 블럭은 도시되지 않았다.

도 2 에 있어서, 두 레이저 빔 (LBX1, LBX2) 의 각 중심선간의 Y 방향에서의 거리 (BL) 는 편요 회전량을 계산하는데 이용되는 기준선의 길이이다. 따라서, X1 축 간섭계의 X 방향에서의 측정값 (△X1) 과 X2 축 간섭계의 X 방향에서의 측정값 (△X2) 간의 차이값을 기준선의 길이 (BL) 로 나눈 값은 매우 적은 범위에서의 편요 회전의 대략적이 값이다. 또한, △X1 과 △X2 의 합의 절반은 전체 스테이지 (14) 의 X 좌표 위치를 나타낸다. 이러한 계산은 도 6 에 도시된 위치 제어 시스템 (16) 내의 고속 디지털 프로세서에 의해 행해진다.

또한, 레이저 빔 (LBX1, LBX2) 각각의 중심선은 레티클 (44) 에 패턴이 형성된 면과 동일한 표면에 설정된다. 도 2 에 도시되어 있으며 레이저 빔 (LBX1, LBX2) 각각의 중심선 사이의 공간을 절반으로 가르는 선 (GX) 의 연장선과 레이저 빔 (LBY) 의 연장선은 패턴이 형성된 동일면에서 교차한다. 또한, 도 1 에 도시된 바와 같이, 광축 (AX) (도 1 및 도 5 참조) 도 상기 교차점에서 교차한다. 도 1 에 있어서는, 광축 (AX) 을 포함하는 슬릿형 조사 필드 (ILS) 가 레티클 (44) 상에 도시되어 있으며, 레티클 (44) 의 패턴상은 투영 광학 시스템 (PL) 을 통해 광감지 기판상에 주사 및 노광된다.

더욱이, 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 두 직사각형 블럭 (90A, 90B) 이 스테이지 본체 (42) 의 측부 (42A) 에 고정되어 있다. 이들 두 블럭 (90A, 90B) 은 캐리어/종동자 (60) 에 장착된 제 2 전자기 엑츄에이터 (70) 로부터의 Y 방향 구동력을 수용하기 위한 것이다. 이것에 대해서는 나중에 상세히 설명한다.

스테이지 본체 (42) 의 양측에 고정된 구동 코일 (54A, 54B) 은 XY 평면에 평탄하고 평행하게 형성되며, 자석 궤도 (56A, 56B) 의 X 방향으로 연장된 슬롯내의 자속 공간을 아무 접촉없이 통과한다. 본 실시예에 이용된 구동 코일 (54)과 자석 궤도 (56) 의 어셈블리는 시판중인 것으로서 입수가 용이한 범용의 선형 모터이며, 정류기의 존재 유무와는 상관이 없다.

여기에서, 실제 설계를 고려하면, 레티클 스테이지 (14) 의 이동 스크로크는 레티클 (44) 의 크기 (노광을 위해 주사하는 경우에 필요한 이동량과 레티클을 교환하기 위해 조사 광학 장치로부터 레티클을 제거하는 경우에 필요한 이동량) 에 의해 대부분이 결정된다. 본 실시예에 있어서, 6 인치 레티클을 사용하는 경우에, 이동 스크로크는 대략 30cm 이다.

상기한 바와 같이, 구동 프레임 (22) 및 스테이지 (14) 는 베이스 표면 (12A) 상에 독립적으로 부양 지지되며, 이와 동시에 자기 작용력 및 반작용력이 선형 모터 (52) 에 의해서만 X 방향으로 서로 가해진다. 이 때문에, 구동 프레임 (22) 과 스테이지 (14) 간에는 운동량 보전 법칙이 성립한다.

다음으로, 전체 레티클 스테이지 (14) 의 중량이 지지 브래킷 (18) 을 포함한 프레임 (22) 전체 중량의 대략 1/5 이면, X 방향에서의 스테이지 (14) 의 30cm 전방 이동은 구동 프레임 (22) 이 X 방향에서 6cm 후방으로 이동하게 한다. 이것은 베이스 구조 (12) 상의 장치의 무게 중심의 위치가 X 방향에서 실질적으로 고정되어 있다는 의미이다. Y 방향에 있어서, 큰 중량의 물체는 이동하지 않는다. 따라서, Y 방향에서의 무게 중심의 위치 변화도 비교적 고정된다.

상기한 바와 같이, 스테이지 (14) 가 X 방향으로는 이동 가능하지만, 선형 모터 (52) 의 가동 코일 (54A, 54B) 과 고정자 (56A, 56B) 는 X 방향 엑츄에이터 없이 Y 방향에서는 서로 간섭한다 (충돌한다). 그러므로, 본 발명의 특징적 구성 요소인 캐리어/종동자 (60) 와 제 2 전자기 엑츄에이터 (70) 는 스테이지 (14) 를 Y 방향으로 제어하기 위해 제공된다.

다음으로, 도 1 내지 도 3, 및 도 5 를 참조하여 이들의 구조를 설명한다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 캐리어/종동자 (60) 는 가이드 부재 (17) 에 가로질러 있는 후크형 지지 브래킷 (62) 을 통해 Y 방향으로 이동 가능하도록 설치된다. 더욱이, 도 2 에 도시된 바와 같이, 캐리어/종동자 (60) 는 아암 (24) 위에 위치하여, 스테이지 (14) (본체 (42)) 와 아암 (24) 사이에 소정의 공간을 유지하게 된다. 캐리어/종동자 (60) 의 한 단부 (60E) 는 아암 (24) 상에서 실질적으로 내향으로 (스테이지 본체 (42) 쪽으로) 돌출하고 있다. 자석 궤도 (56A) 의 슬롯 공간에 들어가는 구동 코일 (68) (코일 (54) 과 동일한 형상임) 은 이 단부 (60E) 내측에 고정된다.

또한, 가이드 부재 (17) 의 가이드 표면 (17A) 에 대향하는 에어 베어링 (66A) (도 2, 3, 4a, 5 참조) 에 지지된 브래킷 (62) 은 캐리어/종동자 (60) 의 가이드 부재 (17) 과 아암 (24) 사이의 공간 내에서 고정된다. 베이스 표면 (12A) 상에 캐리어/종동자 (60) 를 부양시켜 지지하기 위한 에어 베어링 (66) 도 도 3 에 도시되어 있다.

가이드 부재 (17) 의 가이드 표면 (17B) 에 대향하는 에어 베어링 (66B) 도, 에어 베어링 (66A) 과는 반대측의 후크의 측부에서 지지 브래킷의 자유 단부에 고정되고, 에어 베어링 (66A, 66B) 사이에는 가이드 부재 (17) 가 위치하고 있다.

도 5 에 도시된 바와 같이, 캐리어/종동자 (60) 는 자석 궤도 (56A) 와 스테이지 본체 (42) 에 관하여 Y 와 Z 방향에서 각각 소정 공간을 유지하도록 배치된다. 투영 광학 시스템 (PL) 과 투영 광학 시스템 (PL) 상에 베이스 구조 (12) 을 지지하는 칼럼 로드 (column rod) (CB) 가 도 5 에 도시되어 있다. 이러한 배치는 투영 얼라이너에 대해서는 일반적인 것이며, 베이스 구조 (12) 상에서 상기 구조의 무게 중심의 불필요한 이동이, 칼럼 로드 (CB) 와 투영 광학 시스템 (PL) 간의 측면 이동 (기계적 비틀림) 을 유발하기 때문에, 노광시에 감광성 기판상에서 상의 치우침을 초래한다. 따라서, 스테이지 (14) 의 이동이 베이스 구조 (12) 상의 무게 중심을 이동시키지 않는다는 본 실시예에서와 같은 장치의 이점은 중요하다.

또한, 도 4a 를 참조하여 캐리어/종동자 (60) 의 구조를 상세히 설명한다. 도 4a 에 있어서, 이해를 돕기 위해, 캐리어/종동자 (60) 가 2 개부분 (60A, 60B) 으로 분해되어 있다. 도 4a 에 도시된 바와 같이, 캐리어/종동자 (60) 자체를 X 방향으로 이동시키는 구동 코일 (68) 은 캐리어/종동자 (60) 의 단부 (60E) 의 하부에 고정되어 있다. 또한, 에어 베어링 (66C) 은 단부 (60E) 의 바닥면상에서 베이스 표면 (12A) 과 대향하도록 배치되고, 캐리어/종동자 (60) 를 부양시키는 역할을 한다.

그리고, 캐리어/종동자 (60) 는 다음 3 가지점, 즉 2 개의 에어 베어링 (66) 과 한 개의 에어 베어링 (66C) 에 의해서 Z 방향으로 지지되고, X 방향에서의 이동시에 에어 베어링 (66A, 66B) 에 의해 Y 방향에서의 이동이 구속된다. 이 구조에서 중요한 것은, 제 2 전자기 엑츄에이터 (70) 가 지지 브래킷 (62) 과 배면대 배면 관계로 배열되기 때문에, 엑츄에이터가 구동력을 Y 방향으로 발생시키는 경우에, 스테이지 (14) 와 캐리어/종동자 (60) 간의 Y 방향으로의 반작용력은 지지 브래킷 (62) 내측에 고정된 에어 베어링 (66A, 66B) 에 능동적으로 작용한다. 달리 말하자면, 엑츄에이터 (70) 와 에어 베어링 (66A, 66B) 을 XY 평면내의 Y 축에 평행한 선상에 배열하게 되면, 엑츄에이터 (70') 가 작동중일 때 캐리어/종동자 (60) 를 기계적으로 변형시키는 원하지 않는 응력의 발생을 방지하는 데 도움이 된다. 즉, 이것은 캐리어/종동자 (60) 의 중량을 감소시킬 수 있다는 의미이다.

도 2 와 도 4a 및 도 4c 에 도시된 바와 같이, 구동 프레임 (22) 의 아암 (24) 내의 자석 궤도 (56A) 는 스테이지 본체 (42) 측면상의 구동 코일 (54A) 에 자속을 제공하고, 이와 동시에 캐리어/종동자 (60) 용의 구동 코일 (68) 에도 자속을 제공한다. 에어 베어링 (66A, 66B, 66C) 은 진공 예압형이 바람직하다. 이것은 캐리어/종동자 (60) 가 가볍게 되기 때문이다. 진공 예압형 이외에, 자기 예압형도 이용 가능하다.

다음으로, 도 3, 도 4b 및 도 5 를 참조하여, 캐리어/종동자 (60) 상에 장착된 제 2 엑츄에이터를 설명한다. 음성 코일 모터 (70) 형태인 제 2 전자기 구동 어셈블리는 레티클 스테이지 (14) 의 주 본체 (42) 에 부착된 음성 코일 (74) 과 캐리어/종동자 (60) 에 부착된 자석 (72) 으로 이루어지고, 구동 어셈블리 (22) 에 의해 생성된 X 방향의 긴 직선 이동에 수직한 스테이지 (14) 의 이동 평면 내의 Y 방향에서 스테이지 (14) 를 미소 변위로 이동시킨다. 코일 (74) 과 자석 (72) 의 위치는 서로 반대일 수도 있다. 음성 코일 모터 (VCM) (70) 의 개략적인 구조가 도 3 및 도 5 에 도시되어 있고, 그 상세한 구조는 도 4b 에 도시되어 있다. 도 4b 에 도시된 것은, 도 5 의 화살표 (4B) 로 나타낸 수평면에서 단면을 취한 VCM (70) 의 단면도이다. 도 4b 에 있어서, VCM (70) 의 자석 (72) 은 캐리어/종동자 (60) 의 측면상에 고정된다. 그리고, VCM (70) 의 코일은 코일 본체 (74A) 와 지지부 (74B) 를 포함하며, 지지부 (74B) 는 두 직사각형 블럭 (90A, 90B) 을 가로 질러서 견고히 신장하고 있는 연결판 (92) (XY 평면에 수직인 판) 에 고정된다. VCM (70) 의 중심선 (KX) 은 코일 (74) 의 구동력의 방향을 도시한 것이고, 전류가 코일 본체 (74A) 를 통해 흐르게 되면, 코일 (74) 은 전류의 방향에 따라서 Y 방향의 음 또는 양의 이동을 일으켜, 전류량에 대응하는 힘을 발생시킨다. 일반적으로 사용되는 VCM 에 있어서, 통상적으로 코일과 자석 사이에 링형 댐퍼 또는 벨로우즈가 제공되기 때문에, 코일과 자석간에는 갭이 유지되지만, 본 실시예에 있어서는, 이러한 갭이 캐리어/종동자 (60) 의 추종 이동에 의해 유지되기 때문에, 댐퍼 또는 벨로우즈와 같은 지지 요소가 필요하지 않다.

본 실시예에 있어서, 커패시턴스 갭 센서 (13A, 13B) 는, 도 4b 에 도시된 바와 같이, 위치 센서 (13) (도 6 참조) 로서 제공된다. 도 4b 에 있어서, 커패시턴스 센서용 전극은 X 방향에서 서로 대면하는 직사각형 블럭 (90A, 90B) 의 측부와 VCM (70) 의 케이스 (70') 측부간의 X 방향으로의 갭의 변화를 검지하기 위해 배치되어 있다. 이러한 위치 센서 (13) 는, 캐리어/종동자 (60) 와 스테이지 (14) (또는 본체 (42)) 간의 Y 방향으로의 갭 변화를 검지할 수만 있다면, 어느 장소에든지 배치 가능하다. 또한, 센서 형태는 광전자형, 유도형, 초음파형, 또는 공기 마이크로 시스템과 같은 비접촉 형태중 어느 것이든 가능하다.

도 4b 의 케이스 (70') 는 캐리어/종동자 (60) 에 형성되며, 레티클 스테이지 (14) 측부상의 어느 부재와도 접촉하지 않도록 (공간적으로) 배치된다. 케이스 (70') 와 직사각형 블럭 (90A, 90B) 간의 X 방향 (주사 방향) 에서의 갭에 있어서, 센서 (13A) 측의 갭이 넓으면 넓을수록, 센서 (13B) 측의 갭이 좁아진다. 따라서, 센서 (13A) 에 의해 측정된 갭 값과 센서 (13B) 에 의해 측정된 갭 값 사이의 차이를 디지털 연산이나 또는 아날로그 연산에 의해 얻고, 캐리어/종동자 (60) 용 구동 코일 (68) 의 구동 전류를 제어하는 직접 서보 (피드백) 제어 시스템은 그 갭 차이를 제로로 만드는 서보 구동 제어 회로를 이용하여 설계된다면, 캐리어/종동자 (60) 는 스테이지 본체 (42) 와 일정한 공간을 계속 유지하면서 X 방향으로의 추종 이동을 자동적으로 실행한다. 또한, 도 6 의 위치 제어 시스템의 동작에 의해 구동 코일 (68) 에 흐르는 전류를 제어하는 간접 서보 제어 시스템은, 하나의 센서로부터만 얻어지는 측정된 갭 값 및 X 축 간섭계로부터 측정된 스테이지 (14) 의 X 좌표 위치를 이용하여 2 개의 갭 센서 (13A, 13B) 를 차동적으로 사용하지 않고 설계될 수 있다.

도 4b 에 도시된 바와 같이, VCM (70) 에 있어서, 코일 본체 (74A) 와 자석 (72) 간의 X 방향 (비-여기 방향) 에서의 갭은 실제로 대략 2~3 mm 이다. 따라서, 스테이지 본체 (42) 에 대한 캐리어/종동자 (60) 의 추종 정도 (精度) 는 대략 ±0.5~1mm 에서 허용 가능하다. 이러한 정도는 허용된 스테이지 본체의 편요 회전이 어느 정도인가에 의존하고 있고, 또한 VCM (70) 의 코일 본체 (74A) 의 KX 방향 (여기 방향) 에서의 선길이에도 의존하고 있다. 더욱이, 이러한 정도는, 간섭계를 사용하는 스테이지 본체 (42) 에서의 정확한 위치 결정 정도 (예를 들면, 간섭계의 분해능이 0.01㎛ 이면, ±0.03㎛) 보다 실제적으로는 더 낮을 수 있다 . 이것은 종동자용 서보 시스템을 아주 간단히 설계할 수 있으며, 종동자 제어 시스템을 설치하는 비용이 줄어든다는 의미이다. 또한, 도 4b 의 선 (KX) 은 XY 평면상의 전체 스테이지 (14) 의 무게 중심을 통과하도록 설정되고, 도 4a 에 도시된 지지 브래킷 (62) 내측에 제공된 에어 베어링 (66A, 66B) 의 각각의 중심도 XY 평면내의 선 (KX) 상에 위치한다.

도 4c 는, 도 2 의 화살표 4C 방향에서 단면을 취한 가이드 부재 (17), 캐리어/종동자 (60), 및 자석 궤도 (56A) 을 포함한 부분의 단면도이다. 자석 궤도 (56A) 를 수용하는 아암 (24) 은 에어 베어링 (32) 에 의해 베이스 표면 (12A) 상에 부양 지지되고, 캐리어/종동자 (60) 는 에어 베어링 (66) 에 의해 베이스 표면 (12A) 상에 부양 지지된다. 이때에, 스테이지 본체 (42) 의 바닥면에서의 에어 베어링 (48) 의 높이 (도 3 또는 도 5 를 참조) 와 에어 베어링 (32) 의 높이는, 스테이지 본체 (42) 측부상의 구동 코일 (54A) 이 자석 궤도 (56A) 의 슬롯 공간 내에서 Z 방향으로 2~3mm 정도의 갭을 유지하며 배치되도록 결정된다.

캐리어/종동자 (60) 와 아암 (24) 간의 Z 와 Y 방향에서의 각 공간은 이들이 모두 공통 가이드 부재 (17) 와 베이스 표면 (12A) 에 의해 가이드되기 때문에 거의 변하지 않는다. 더욱이, 구동 프레임 (22) (아암 (24)) 의 바닥면의 에어 베어링 (32) 이 가이드되는 베이스 표면 (12A) 상의 부품과 스테이지 본체의 바닥면의 에어 베어링 (48) 이 가이드되는 베이스 표면 (12A) 상의 부품간의 Z 방향에서의 높이차가 있는 경우에도, 이러한 차이가 이동 스크로크 범위 내에서 정밀하게 일정하다면, 자석 궤도 (56A) 과 구동 코일 (54A) 간의 Z 방향의 갭도 일정하게 유지된다.

또한, 캐리어/종동자 (60) 용 구동 코일 (68) 은 본래, 캐리어/종동자 (60) 에 고정되어 있기 때문에, 자석 궤도 (56A) 의 슬롯 공간의 위와 아래에서 2∼3㎜ 로 일정한 갭을 유지하도록 배치된다. 구동 코일 (68) 은 자석 궤도 (56A) 에 대해서 Y 방향으로의 시프트는 거의 없다.

스테이지 (14) 상의 구동 코일 (54A, 54B), 음성 코일 모터의 코일 (74), 및 캐리어/종동자의 코일 (68) 에 신호를 전달하기 위한 케이블 (82) (도 2 참조) 이 제공되며, 이 케이블 (82) 은 캐리어/종동자 (60) 및 가이드 부재 (17) 상에 장착되기 때문에, 레티클 스테이지 (14) 에 대한 인항력을 제거한다. 음성 코일 모터 (70) 는 외부의 기계적인 외란이 스테이지 (14) 에 전달되지 않도록 하므로써 버퍼 역할을 한다.

다음으로, 도 2 및 도 4a 를 참조하여 케이블의 출력을 상세히 설명한다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 전기 시스템의 배선과 공기압 및 진공 시스템의 관을 연결하는 커넥터 (80) (이하에서 '케이블' 이라함) 는, 베이스 구조 (12) 위에서 가이드 부재 (17) 의 한 단부상에 장착된다. 커넥터 (80) 는 외부 제어 시스템 (도 6 에 도시된 전기 시스템 제어 시스템이외에도 공기압 및 진공 시스템의 제어 시스템을 포함함) 로부터 가요성 케이블 (82) 까지 케이블 (81) 을 연결한다. 케이블 (82) 은 또한 캐리어/종동자 (60) 의 단부 (60E) 에도 접속되고, 전기 시스템 배선 및 스테이지 본체 (42) 에 필요한 공기압 및 진공 시스템의 관도 케이블 (83) 로서 분배된다.

상기한 바와 같이, VCM (70) 은 케이블의 인항력 또는 항력의 영향을 해소시키는 작용을 하지만, 때때로 이러한 영향은 캐리어/종동자 (60) 와 스테이지 본체 (42) 간의 예기치 않은 방향으로의 모멘트로 나타난다. 달리 말하자면, 케이블 (82) 의 항력은 가이드 부재 (17) 의 가이드 표면 또는 베이스 표면 (12A) 의 회전시키는 힘을 캐리어/종동자 (60) 에 제공하고, 케이블 (83) 의 항력은 캐리어/종동자 (60) 와 스테이지 본체가 상대적으로 회전하게 하는 힘을 제공한다.

이러한 모멘트중 하나, 즉, 캐리어/종동자 (60) 를 시프트시키는 성분은 문제가 되는 것은 아니지만, 스테이지 본체를 X 방향, Y 방향, 또는 Θ 방향 (편요 회전 방향) 으로 시프트시키는 모멘트 성분은 정렬 및 오버레이 (overlay) 정도에 영향을 미칠 수 있다. X 방향 및 Θ 방향에 있어서, 시프트는 2 개의 선형 모터 (54A, 56A, 54B, 56B) 에 의한 연속적인 구동에 의해 보정 가능하며, Y 방향에 있어서의 시프트는 VCM (70) 에 의해 보정 가능하다. 본 실시예에 있어서, 전체 스테이지 (14) 의 중량을 실제로 줄일 수 있기 때문에, Y 방향에서 VCM (70) 에 의한 스테이지 (14) 의 이동에 대한 응답 및 X 방향 및 Θ 방향에서 선형 모터에 의한 응답은 완전한 비접촉 가이드리스 구조와 협력하여 극히 높다. 또한, 캐리어/종동자 (60) 에 미소 진동 (마이크론 단위) 이 발생하여, 케이블 (83) 을 통해 스테이지 (14) 로 전달되는 경우에도, 이러한 진동 (수 ㎐ 에서 수십 ㎐) 은 상기 고응답에 의해 충분히 해소될 수 있다.

다음으로, 도 4a 는 각 캐이블이 캐리어/종동자 (60) 에 어떻게 분배되어 있는가를 도시한 것이다. 스테이지 본체 (42) 용 구동 코일 (54A, 54B) 과 VCM (70) 용 구동 코일 (74) 로의 각 구동 신호 및 위치 센서 (13) (갭 센서 (13A, 13B)) 로부터의 감지 신호는 커넥터 (80) 로부터 전기 시스템 배선 (82A) 을 통해 제공된다. 각 에어 베어링 (48, 66) 에 대한 압력 가스 및 진공은 커넥터 (80) 로부터 공기압 시스템 관 (82B) 을 통해 제공된다. 반면에, 구동 코일 (54A, 54B) 로의 구동 신호는, 스테이지 본체 (42) 에 접속된 전기 시스템 배선 (83A) 을 통해 제공되고, 에어 베어링 (48) 용 압축 가스 및 클램핑 부재 (42C) 용 진공은 공기계 호스 (83B) 를 통해 제공된다.

또한, 도 2 에 도시된 것과는 별도로, 구동 프레임 (22) 의 에어 베어링 (20, 20', 32) 용의 공기계를 위한 별도의 라인을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 도 4a 에 도시된 바와 같이, 케이블 (83) 의 항력 및 진동을 저지시킬 수 없는 경우에, 스테이지 본체 (42) 가 수용하는 항력 및 진동의 모멘트를 가능한 Y 방향으로만 한정시키도록 케이블 (83) 을 배치하는 것이 바람직하다. 이러한 경우에, 상기 모멘트는 극히 높은 응답을 갖는 VCM (70) 에 의해서만 해소시킬 수 있다.

다음으로, 도 1, 도 2, 및 도 6 을 참조하여, 레티클 스테이지 (14) 의 위치 설정은, 레이저 간섭계 시스템 (15) 을 이용하여 먼저 현재 위치를 아는 것에 의해 실행된다. 구동 신호는 레티클 스테이지의 구동 코일 (54A, 54B) 에 전송되어 스테이지 (14) 를 X 방향으로 구동한다. 레티클 스테이지 (14) 의 양측부 (42A, 42B) 에 주어지는 구동력의 차이 때문에, 레티클 스테이지 (14) 에는 미소한 편요 회전이 발생하게 된다. 음성 코일 모터 (70) 의 음성 코일 (72) 에 공급되는 적절한 구동 신호는 레티클 스테이지 (14) 의 Y 방향에서의 미소 변위를 발생시킨다. 레티클 스테이지 (14) 의 위치가 변하게 되면, 구동 신호가 캐리어/종동자 코일 (68) 에 전달되기 때문에, 캐리어/종동자 (60) 는 레티클 스테이지 (14) 를 추종하게 된다. 그 결과로 발생하는 인가된 구동력에 대한 반작용력은 자석 궤도 어셈블리 또는 구동 프레임 (22) 을 레티클 스테이지 (14) 의 이동에 반대되는 방향으로 이동시킴으로써, 장치의 무게 중심을 실질적으로 유지한다. 카운터-웨이트 또는 자석 궤도 어셈블리 (22) 의 반동부 (反動部) 가 장치에 포함될 필요가 없는 경우에는, 자석 궤도 어셈블리 (22) 를 베이스 구조 (12) 에 고정적으로 장착시킬 수 있음은 물론이다.

상기한 바와 같이, 본 실시예에 따른 스테이지 장치를 제어하기 위해, 도 6 에 도시된 제어 시스템이 설치된다. 도 6 에 도시된 이 제어 시스템을 여기에서 더 상세히 설명한다. 2 개의 선형 모터의 각각의 구동 코일 (54A, 54B) 로 구성된 X1 구동 코일 및 X2 구동 코일과, VCM (70) 의 구동 코일 (72) 로 구성된 Y 구동 코일이 레티클 스테이지 (14) 에 설치되고, 구동 코일 (68) 은 캐리어/종동자 (60) 에 설치된다. 이러한 각 구동 코일은 위치 제어 시스템 (16) 으로부터의 각 구동 신호 (SX1, SX2, SY1, SΔX) 에 응답하여 구동된다. 스테이지 (14) 의 좌표 위치를 측정하는 레이저 간섭계 시스템은 빔 (LBY) 을 송/수신하는 Y 축 간섭계, 빔 (LBX1) 을 송/수신하는 X1 축 간섭계, 및 빔 (LBX2) 을 송/수신하는 X2 축 간섭계를 포함하며, 이러한 간섭계는 각각의 축 방항에 관한 정보 (IFY, IFX1, IFX2) 를 위치 제어 시스템 (16) 에 송신한다. 위치 제어 시스템 (16) 은 2 개의 구동 신호 (SX1, SX2) 를 구동 코일 (54A, 54B) 에 송신함으로써, X 방향에서의 위치 정보 (IFX1, IFX2) 간의 차이가 설정치가 되며, 또는 달리 말하자면, 레티클 스테이지 (14) 의 편요 회전은 설정된 값에서 유지된다. 따라서, 노광 시는 언급할 필요도 없이, 레티클 (44) 이 스테이지 본체 (42) 상에 정렬이 되면, 빔 (LBX1, LBX2), X1 축 간섭계 및 X2 축 간섭계, 위치 제어 시스템 (16), 및 구동 신호 (SX1, SX2) 에 의해, 편요 회전 (Θ 방향에서의) 위치 설정은 항시 수행된다.

또한, X 방향에서의 위치 정보 (IFX1, IFX2) 의 합의 평균치로부터, 스테이지 (14) 의 X 방향의 현재 좌표 위치를 얻은 제어 시스템 (16) 은, 호스트 CPU (16') 로부터의 여러 가지 명령 및 각 파라미터에 관한 정보 (CD) 에 기초하여, 구동 신호 (SX1, SX2) 를 구동 코일 (54A, 54B) 에 각각 송신한다. 특히, 주사 노광이 작동하고 있는 경우에는, 편요 회전을 보정하면서 스테이지 (14) 를 X 방향에서 직선 이동시킬 필요가 있으며, 제어 시스템 (16) 은 필요에 따라 동일하거나 또는 약간 서로 다른 힘이 주어지도록 2 개의 구동 코일 (54A, 54B) 을 제어한다.

또한, Y 축 간섭계로부터의 위치 정보 (IFY) 도 제어 시스템 (16) 에 송신되고, 제어 시스템 (16) 은 최적의 구동 신호 (SΔX) 를 캐리어/종동자 (60) 의 구동 코일 (68) 에 송신한다. 이 때에, 제어 시스템 (16) 은, 레티클 스테이지 (14) 와 캐리어/종동자 (60) 간의 X 방향에서의 공간을 측정하는 위치 센서 (13) 로부터 감지 신호 (Spd) 를 수신하고, 필요한 신호 (SΔX) 를 송신해서 신호 (Spd) 를 상술한 설정치로 하며, 캐리어/종동자 (60) 의 추종 정도는 엄밀하지 않아도 되기 때문에, 제어 시스템 (16) 의 감지 신호 (Spd) 도 엄밀하게 계산되지 않아도 된다. 예를 들면, 각 간섭계로부터의 매 1m 초 마다의 위치 정보 (IFY, IFX1, IFX2) 를 판독함으로써 이동을 제어하는 경우에, 제어 시스템 (16) 내의 고속 프로세서는 매시간 마다, 감지 신호 (Spd) 의 전류를 샘플링하여, 그 값이 기준치와 비교하여 큰지 작은지를 판정하고 (방향의 확인), 그 편차가 일정한 값을 초과하는 경우에는, 편차에 비례한 신호 (SΔX) 가 구동 코일 (68) 에 송신될 수 있다. 더욱이, 상술한 바와 같이, 구동 코일 (68) 을 직접 서보 제어하고, 또한 위치 제어 시스템 (16) 을 통하지 않고 캐리어/종동자 (60) 의 추종 이동을 직접 제어하는 제어 시스템 (95) 을 설치할 수도 있다.

도시된 바와 같이, 가동 스테이지 장치는, 상기 가동 스테이지 장치를 X 방향에서 구속하는 부착부가 전혀 없기 때문에, 작은 영향으로 인해 상기 스테이지 장치가 양의 또는 음의 X 방향을 향해 드리프트하게 될 수도 있다. 이것은, 그러한 불균형이 과도하게 되면, 일부 부품의 충돌을 유발한다. 상기 영향으로는, 케이블 힘, 베이스 기준면 (12A) 의 부정밀한 수평도 또는 구성요소들간의 마찰을 포함한다. 한 가지 간단한 방법은, 약한 범퍼 (도시되지 않음) 를 이용하여 구동 어셈블리 (22) 가 과도하게 이동하는 것을 방지하는 것이다. 다른 간단한 방법은, 구동 어셈블리가 스트로크의 종단부 근처에 도달하게 될 때, 구동 어셈블리 (22) 를 가이드하는 데 이용된 하나 또는 그 이상의 에어 베어링 (32, 20) 에 대한 공기의 공급을 차단하는 것이다. 이러한 에어 베어링은, 반대 방향으로 다시 구동을 시작할 때, 작동시키는 것이 가능하다.

더 정밀한 방법은, 측정 수단 (도시되지 않음 ) 에 의해, 구동 어셈블리의 위치를 모니터링하고, 정밀한 위치를 회복하여 그것을 유지하기 위한 구동력을 제공하는 것을 필요로 한다. 상기 측정 수단은 엄밀한 정도가 요구되지는 않지만, 0.1 내지 1㎜ 정도이다. 구동력은, 구동 어셈블리 (22) 에 부착된 다른 선형 모터 (도시되지 않음) 또는 구동 어셈블리와 결합된 다른 모터를 이용함으로써, 획득 가능하다.

최종적으로, 캐리어/종동자 (60) 의 상기 하나 또는 그 이상의 에어 베어링 (66, 66A, 66B) 의 작동을 정지시켜서, 스테이지 (42) 의 유휴 (idle) 기간에, 브레이크로 작동하게 할 수 있다. 캐리어/종동자 (60) 의 코일 (68) 이 여기되고, 캐리어/종동자 (60) 가 브레이크 걸린 상태인 경우에, 구동 어셈블리가 구동되고 가속된다. 따라서, 위치 제어 시스템 (16) 은 구동 어셈블리 (22) 의 위치를 감시한다. 구동 어셈블리가 위치를 이탈하게 되면, 구동 어셈블리는 캐리어/종동자 (60) 의 구동 코일 (68) 을 간헐적으로 이용하여, 상당한 정도로 다시 위치 설정된다.

본 발명의 제 1 실시예에 있어서, 카운터-웨이트로 기능하는 구동 프레임 (22) 은 장치 전체의 무게 중심의 이동을 방지하기 위해 설치되고, 스테이지 본체 (42) 와 반대 방향으로 이동하게 된다. 그러나, 도 1 내지 도 5 의 구조를 무게 중심의 이동이 주된 문제가 아닌 장치에 적용하는 경우에, 구동 프레임 (22) 을 베이스 구조 (12) 상에 함께 고정할 수도 있다. 이러한 경우에, 무게 중심과 관련된 문제를 제외하고는, 일부 효과와 기능을 얻는 것이 가능하다.

본 발명은, ① 긴 직선 이동; ② 상기 긴 직선 이동에 수직한 짧은 직선 이동; 및 ③ 미소 편요 회전이라는 하나의 평면 내에서의 3 가지 자유도로 고정도의 위치 및 이동 제어에 이용할 수 있는 스테이지를 제공하는 것이다. 스테이지는, 전자기력을 스테이지 구동원으로 이용함으로써, 주변 구조의 기계적인 외란으로부터 고립되어 있다. 또한, 상기 가이드리스 스테이지용 구조를 이용함으로써, 높은 제어 대역폭이 얻어진다. 이러한 두 가지 요소로 인해, 스테이지의 원활하고 정밀한 동작이 달성된다.

바람직한 실시예의 설명

도 1 내지 도 6 에 예시된 실시예의 설명을 염두에 두고, 본 발명의 바람직한 실시예가 예시된 도 7 과 도 8 를 참조하면, 여기에서 각 구성요소의 도면 부호의 끝 두자리는 도 1 내지 도 5 의 각 구성요소의 두 자리 도면 부호에 대응한다.

도 7 과 도 8 에 있어서, 상술한 제 1 실시예와 달리, 카운터-웨이트로 기능하는 구동 프레임이 제거되고, 2 개 선형 모터의 각 자석 궤도 (156A, 156B) 는 베이스 구조 (112) 에 견고하게 장착된다. X 방향에서 직선 이동하는 스테이지 본체 (142) 는 2 개의 자석 궤도 (156A, 156B) 사이에 배치된다. 도 8 에 도시된 바와 같이, 베이스 구조 (112) 내에 개구 (112B) 가 형성되고, 스테이지 본체 (142) 는 개구 (112B) 를 Y 방향으로 가로질러 배치된다. 스테이지 본체 (142) 의 Y 방향의 양단부에서, 4 개의 예압형 에어 베어링이 바닥면상에 고정되어 있으며, 이들에 의해 스테이지 본체 (142) 가 베이스 표면 (112A) 에서 부양하여 지지한다.

또한, 본 실시예에 따르면, 레티클 (144) 은 스테이지 본체 (142) 상에서 별도로 배치된 레티클 척 플레이트 (143) 상에서 클램프되어 지지된다. Y 축 레이저 간섭계용 직선 미러 (150Y) 와 X 축 레이저 간섭계용 2 개의 코너 미러 (150X1, 150X2) 가 레티클 척 플레이트 (143) 상에 장착된다. 구동 코일 (154A, 154B) 은, 스테이지 본체 (142) 의 Y 방향의 양단부에서, 자석 궤도 (156A, 156B) 에 관해 수평으로 고정되고, 상술한 제어 서브 시스템에 의해서, 스테이지 본체 (142) 를 X 방향에서 직선 이동하게하고 극미소량으로 편요하게 한다.

도 8 로부터 명료한 바와 같이, 선형 모터의 우측 자석 궤도 (156B) 와 선형 모터의 좌측 자석 궤도 (156A) 는 서로간에 Z 방향에서의 높이차를 갖도록 배치된다. 달리 말하자면, 좌측 자석 궤도 (156) 의 장축 방향에서의 양단부의 바닥면은, 도 7 에 도시된 바와 같이, 베이스 표면 (112A) 에 대해서 블록 부재 (155) 에 의한 일정량 만큼 높게 배치된다. VCM 이 수용된 캐리어/종동자 (160) 는 높게 배치된 자석 궤도 (156A) 아래의 공간에 배치된다.

캐리어/종동자 (160) 는, 한 단계 낮은 높이의 베이스 구조 (112) 의 베이스 표면 (112A') 상에서 예압형 에어 베어링 (166) (2 점) 에 의해 부양되어 지지된다. 또한, 베이스 구조 (112) 에 장착된 직선 가이드 부재 (117) 의 수직 가이드 표면 (117A) 에 대향하는 2 개의 예압형 에어 베어링 (164) 이 캐리어/종동자 (160) 의 측면에 고정된다. 이러한 캐리어/종동자 (160) 는 이전 실시예에 따른 도 4a 에 도시된 것과는 서로 다르고, 캐리어/종동자 (160) 용 구동 코일 (168) (도 7) 이 캐리어/종동자 (160) 의 바닥면으로부터 수직으로 연장하는 부분에 수평으로 고정되고, 자석 궤도 (156A) 의 자속 슬롯 내에서 어느 부분과도 접촉없이 배치된다. 캐리어/종동자 (160) 는, 이동 스트로크의 범위 내에서, 자석 궤도 (156A) 의 어느 부분과도 접촉하지 않도록 배치되며, 스테이지 본체 (142) 를 Y 방향에서 정밀하게 위치 설정하는 VCM (170) 을 구비하고 있다.

또한, 도 7 에 있어서, 캐리어/종동자 (160) 를 부양하고 지지하는 에어 베어링 (166) 이 VCM (170) 의 아래에 제공된다. 또한, 캐리어/종동자 (160) 의 스테이지 본체 (142) 에 대한 추종 이동도, 이전 실시예에서와 같이, 위치 센서 (13) 로부터의 감지 신호에 기초하여 실행된다.

상술한 바와 같이 구성된 제 2 실시예의 구조에 있어서, 카운터-웨이트로 기능하는 부재가 실질적으로 없기 때문에, 스테이지 본체 (142) 의 X 방향 이동에 따라 장치 전체의 무게 중심이 이동하게 되는 불편이 있다. 그러나, 캐리어/종동자 (160) 를 이용하여 접촉이 전혀 없도록 스테이지 본체 (142) 를 추종함으로써, VCM (170) 에 의한 비접촉의 전자기력으로 스테이지 본체 (142) 를 Y 방향으로 정밀하게 위치 설정하는 것이 가능하다. 또한, 2 개의 선형 모터를 Z 방향에서의 높이가 상이하도록 배치하였기 때문에, 각 선형 모터에 의해 발생된 힘 모멘트의 벡터 합을 전체 레티클 스테이지의 무게 중심에서 극소화시킬 수 있는 이점이 있다. 이는 각 선형 모터의 힘 모멘트가 상호간에 실질적으로 상쇄되기 때문이다.

또한, VCM (170) 의 길이 방향의 작용축선 (도 4b 의 선 (KX)) 이 Z 방향 뿐만 아니라 XY 평면상에서 스테이지 전체 구조의 무게 중심을 통과하도록 배치되기 때문에, VCM (170) 의 구동력이 스테이지 본체 (142) 에 불필요한 모멘트를 부여하기가 더 곤란하다. 또한, 캐리어/종동자 (160) 의 케이블 (82, 83) 을 연결하는 방법을 제 1 실시예에서와 동일한 방식으로 응용할 수 있기 때문에, 완전 비접촉 가이드리스 스테이지에서의 케이블과 관련된 문제도 개선된다.

동일한 가이드리스 원리를 다른 실시예에 채용할 수도 있다. 예를 들면, 도 9 및 도 10 에 있어서, 베이스 (212) 상에 지지되는 스테이지 (242) 는 단일 자석 궤도 (256) 내에서 이동하는 단일 가동 코일 (254) 에 의해 긴 X 방향으로 구동된다. 자석 궤도는 베이스 (212) 에 견고하게 부착된다. 코일의 중심은 스테이지 (242) 의 무게 중심에 가깝게 배치된다. Y 방향으로의 스테이지 이동시키기 위해, 한 쌍의 VCM (274A, 274B, 272A, 272B) 이 여기되어 Y 방향으로 가속력을 제공한다. 편요를 제어하기 위해, 전자 서브시스템의 제어에 의해, 코일 (274A, 274B) 이 차동적으로 여기된다. VCM 자석 (272A, 272B) 은 캐리어/종동자 스테이지 (260) 에 부착된다. 캐리어/종동자 스테이지는 상술한 제 1 실시예와 동일하게 가이드되고 구동된다. 이러한 대안적인 실시예는 웨이퍼 스테이지에 이용 가능하다. 레티클 스테이지에 사용되는 경우에, 레티클은 코일 (254) 과 궤도 (256) 중 어느 한 쪽에 위치 설정되고, 코일 (254) 과 궤도 (256) 를 통과하는 스테이지 (242) 의 무게 중심을 유지할 필요가 있는 경우에는, 스테이지 (242) 내의 보상 개구가 레티클과는 반대측의 코일 (254) 및 궤도 (256) 측에 설치될 수 있다.

상기 각 실시예로부터 얻어진 이점들은 대충 하기와 같이 정리할 수 있다. 정도 (精度) 를 유지하기 위해, 캐리어/종동자의 설계는, 스테이지에 접속된 케이블이 캐리어/종동자를 통해 스테이지를 추종하기 때문에, 스테이지용 케이블의 항력이 문제가 되지 않는다. 캐리어/종동자를 외부 장치에 연결하는 케이블은 일정량의 항력을 갖게 되지만, 스테이지에 대한 기계적인 외란의 전달을 방지하는 것에 의해 버퍼로 기능하는 캐리어/종동자에 직접적으로 연결되지 않았기 때문에, 스테이지는 그러한 영향을 받지 않는다.

또한, 카운터-웨이트 설계는, 운동량 보존의 법칙을 이용해서, 스테이지의 긴 스트로크 방향에서의 어떤 이동시에도 스테이지 장치의 무게 중심의 위치를 보존한다. 이러한 장치는, 스테이지 장치와 스테이지 장치가 장착된 베이스 구조간의 어떠한 반작용력도 실질적으로 제거함으로써, 고가속을 용이하게 하고 이와 동시에 장치에 대한 진동의 영향을 극소화시킨다.

또한, 상술한 바와 같이, 스테이지는 3 가지 자유도에서 한정된 이동을 행하도록 설계되기 때문에, 3 가지 모든 자유도에서 전범위의 이동으로 설계된 스테이지와 비교하여 훨씬 간단하다. 또한, 무정류자형 장치와 달리, 본 발명은 시판중인 전자기 요소를 이용한다. 본 발명은 스테이지의 크기 및 스트로크가 증가함에 따라서, 제조하는데 어려움이 증가하게되는 특수한 주문형 전자기 요소가 필요하지 않기 때문에, 본 발명은 스테이지 크기나 또는 스트로크의 변화에 대해 용이하게 응용할 수 있다.

단일 선형 모터를 구비한 본 실시예는 제 2 선형 모터를 제거하고 2 개의 VCM 을 이용하여 편요 보정을 수행한다.

바람직한 실시예에 의해 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 많은 서로 다른 형태를 취할 수 있으며, 첨부한 청구 범위의 범위에 의해서 한정될 뿐이다.

Claims

베이스에 이동 가능하게 지지된 가동 스테이지를 구비한 스테이지 디바이스에 있어서,

상기 가동 스테이지를 구동하는 구동 디바이스;

상기 가동 스테이지의 외측에 설치된 균형부; 및

상기 균형부에 설치되고, 상기 균형부와 상기 스테이지를 비접촉으로 대향시킨 비접촉형 베어링을 포함하며, 상기 균형부는, 상기 가동 스테이지의 이동에 따라서 상기 가동 스테이지의 이동 방향과는 반대방향 성분을 가진 방향으로 상기 베이스와는 기계적인 접촉없이 이동하는 것을 특징으로 하는 스테이지 디바이스.
제 1 항에 있어서,

상기 비접촉형 베어링은 기체 베어링인 것을 특징으로 하는 스테이지 디바이스.
제 2 항에 있어서,

상기 기체 베어링은 에어 베어링인 것을 특징으로 하는 스테이지 디바이스.
제 1 항에 있어서,

상기 구동 디바이스는, 상기 가동 스테이지에 접속된 제 1 부분과, 상기 제 1 부분과 협동하는 제 2 부분을 구비한 것을 특징으로 하는 스테이지 디바이스.
제 4 항에 있어서,

상기 균형부는 상기 제 2 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 스테이지 디바이스.
제 4 항에 있어서,

상기 제 1 부분은 코일이고, 상기 제 2 부분은 자기 (magnetic) 부재인 것을 특징으로 하는 스테이지 디바이스.
제 1 항에 있어서,

상기 가동 스테이지는 상기 비접촉형 베어링에 의해 상기 베이스에 이동 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 스테이지 디바이스.
제 1 항에 있어서,

상기 가동 스테이지는 가이드리스 스테이지인 것을 특징으로 하는 스테이지 디바이스.
제 1 항에 있어서,

상기 가동 스테이지와 상기 균형부간에는 운동량 보존의 법칙에 따라서 작용하는 것을 특징으로 하는 스테이지 디바이스.
제 1 항에 있어서,

상기 균형부는 직사각형 형상인 것을 특징으로 하는 스테이지 디바이스.
제 1 항에 있어서,

상기 가동 스테이지의 위치를 검출하는 위치 검출 디바이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지 디바이스.
제 11 항에 있어서,

상기 위치 검출 디바이스는 상기 가동 스테이지에 고정적으로 설치된 반사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지 디바이스.
제 11 항에 있어서,

상기 위치 검출 디바이스는 레이저 간섭계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지 디바이스
베이스에 이동 가능하게 지지된 가동 스테이지를 구동하는 스테이지 구동 방법에 있어서,

상기 가동 스테이지의 외측에 설치된 균형부를 비접촉형 베어링에 의해 상기 베이스와 비접촉으로 대향시키는 단계;

상기 가동 스테이지의 이동에 따라서, 상기 균형부를 상기 가동 스테이지의 이동 방향과는 반대방향 성분을 가진 방향으로 상기 베이스와는 기계적인 접촉없이 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지 구동 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 비접촉형 베어링은 기체 베어링인 것을 특징으로 하는 스테이지 구동 방법.
제 15 항에 있어서,

상기 기체 베어링은 에어 베어링인 것을 특징으로 하는 스테이지 구동 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 가동 스테이지는 비접촉형 베어링에 의해 상기 베이스에 이동 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 스테이지 구동 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 균형부는 직사각형 형상인 것을 특징으로 하는 스테이지 구동 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 가동 스테이지는 가이드리스 스테이지인 것을 특징으로 하는 스테이지 구동 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 가동 스테이지의 위치를 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지 구동 방법.
제 20 항에 있어서,

상기 가동 스테이지의 위치 검출단계는 상기 스테이지에 고정적으로 설치된 반사면에 레이저빔을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지 구동 방법.
제 20 항에 있어서,

상기 가동 스테이지의 위치는 레이저 간섭계에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 스테이지 구동 방법.