KR20000070446A

KR20000070446A - Stage positioning device

Info

Publication number: KR20000070446A
Application number: KR1019997006682A
Authority: KR
Inventors: 와타나베가츠히데; 하가다카히데; 쥬노요시노리; 사토이치쥬
Original assignee: 마에다 시게루; 가부시키 가이샤 에바라 세이사꾸쇼
Priority date: 1997-11-25
Filing date: 1998-11-24
Publication date: 2000-11-25

Abstract

본 발명은 미세한 위치결정 동작을 안정되게 행할 수 있는 스테이지의 위치결정장치를 제공하는 것이다.The present invention provides a stage positioning apparatus capable of stably performing fine positioning operations.

이 장치는 빔(B)이 조사되는 시료(W)를 싣는 스테이지(11)와 스테이지(11)를 비접촉으로 부상지지함과 동시에 이동제어하는 액츄에이터(12a, 12b, 12c, 12d)와 스테이지(11)와 액츄에이터(12a, 12b, 12c, 12d)와의 상대변위를 측정하는 제 1 센서(13)와, 빔(B)의 시료상의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 상대변위를 측정하는 제 2 센서(36)와, 센서(36)에 의하여 검출된 상대변위를 감소시키도록 스테이지를 이동제어하는 콘트롤러(15)를 구비하고 있다. 또 스테이지는 시료를 얹어 놓는 테이블부와 그 바깥 둘레로부터 수직으로 내려지는 측판을 가지는 부상체와, 부상체를 자석의 자기력으로 부상유지함과 동시에 위치제어하는 액츄에이터를 구비한 고정체로 이루어지는 자기부상 스테이지이며, 고정체는 부상체의 테이블부와 측판으로 덮여져 있다.The apparatus supports the stage 11 and the stage 11 on which the sample W to which the beam B is irradiated is lifted in a non-contact manner, and the actuators 12a, 12b, 12c, 12d and stage 11 control the movement. ) And a first sensor 13 for measuring the relative displacement between the actuators 12a, 12b, 12c, and 12d, and a second for measuring the relative displacement between the actual irradiation position and the target irradiation position on the sample of the beam B. A sensor 36 and a controller 15 for controlling movement of the stage to reduce the relative displacement detected by the sensor 36 are provided. In addition, the stage is a magnetic levitation stage comprising a floating body having a table portion on which a sample is placed and a side plate vertically lowered from the outer circumference thereof, and a fixed body having an actuator that maintains the floating body by magnetic force of a magnet and simultaneously controls the position. The stationary body is covered with the table part and side plates of the floating body.

Description

Positioning device of the stage {STAGE POSITIONING DEVICE}

반도체 제조장치나 검사장치 등에 있어서는 그 시료를 통상 XY스테이지에 얹어 놓고 그 처리나 관찰 등을 행하고 있다.In a semiconductor manufacturing apparatus, an inspection apparatus, etc., the sample is normally mounted on the XY stage, and the process, observation, etc. are performed.

최근, 반도체 디바이스의 고집적화가 진행됨에 따라 회로의 배선이 미세화하고, 배선간 거리도 좁아지고 있다. 특히 서브미크론이하의 리소그래피의 경우, 층간에서의 높은 겹쳐맞춤 정밀도를 확보하기 위해서는 위치결정이 필요하며, 더우기 고속으로 이동위치결정을 하지 않으면 스루풋에도 영향을 미친다.In recent years, as the integration of semiconductor devices has progressed, the wiring of circuits has become smaller and the distance between wirings has also narrowed. In particular, in the case of sub-micron lithography, positioning is necessary in order to secure high overlapping accuracy between layers, and furthermore, throughput is affected if moving positioning is not performed at high speed.

그러나, 종래의 시료를 얹어 놓는 XY 스테이지는 설치대에 놓아둔 액츄에이터, 예를 들어 서보모터에 의하여 볼나사 등을 개재하여 X 방향 또는 Y 방향의 피드백제어 등에 의하여 위치결정 제어되어 있었다. 이와 같이 기계적마찰이 있는 기구에서는 고속이면서 높은 정밀도의 위치맞춤에는 반드시 충분한 것은 아니었다. 또한 기계적 마찰을 회피한 공기베어링과 리니어모터를 사용한 기구에서도 테이블 가감속시의 반력으로 장치전체가 그 시스템의 고유진동수로 여진되고, 위치맞춤에 악영향을 준다는 문제점이 있었다.However, the XY stage on which a conventional sample is placed has been positioned and controlled by an actuator placed on a mounting table, for example, a servo motor through feedback control in the X direction or the Y direction through a ball screw or the like. In such a mechanism with mechanical friction, it was not necessarily sufficient for high speed and high precision alignment. In addition, even in a mechanism using an air bearing and a linear motor that avoids mechanical friction, there is a problem that the whole device is excited by the natural frequency of the system due to the reaction force during table acceleration and deceleration, and adversely affects the alignment.

예를 들어 스캔타입의 스텝퍼에서는 XY 스테이지를 고속, 높은 정밀도 또한 원활하게 이동시킬 필요가 있다. 이와 같이 반도체 제조장치 등에 있어서는 XY 스테이지 위의 측정대상물, 가공대상물 등의 시료를 고속이면서 높은 정밀도로 위치 결정할 수 있는 장치의 필요성이 점점 요구되고 있다. 전자현미경에서도 마찬가지이며, 서브미크론오더의 위치결정을 정밀도 좋고, 또한 고속으로 행할 수 있는 장치가 요망되고 있다. 그런데 이와 같은 미세한 위치결정을 필요로 하는 장치에 있어서는, 진동의 영향을 받기 쉽고, 이에 따라 모처럼 위치맞춤하더라도 그 위치가 어긋난다는 문제가 있다.For example, in the scan type stepper, it is necessary to smoothly move the XY stage at high speed and high precision. As described above, in the semiconductor manufacturing apparatus and the like, there is an increasing demand for an apparatus capable of positioning a sample such as a measurement target or a workpiece on the XY stage with high speed and high accuracy. The same applies to an electron microscope, and an apparatus capable of precisely positioning a submicron order at a high speed is desired. By the way, in the apparatus which requires such a fine positioning, it is easy to be influenced by vibration, and therefore, there exists a problem that the position shifts even if it positions at all.

이 때문에 제진장치를 사용함으로써 설치바닥으로부터 전달되는 진동 또는 공기조화 등에 의한 공기를 매체로서 전달하는 외란진동에 유래하는 이들 진동을 차단 또는 감쇠시키는 것이 행하여지고 있다. 그러나 이들 제진장치가 제진대상으로 하는 진동은 제진대 테이블의 진동에 한정된다. 즉 예를 들어 반도체 제조장치를 제진대 테이블 위에 얹어 놓더라도 반도체 제조장치내에서 시료를 가공하는 빔 자체의 진동을 제진할 수는 없다. 이 때문에 서브미크론오더의 위치결정을 필요하는 것 같은 경우에는 빔 자체의 진동에 의하여 가공의 포인트인 빔조사위치의 위치 어긋남을 일으킨다는 문제가 있다.For this reason, the use of a vibration damper prevents or attenuates these vibrations resulting from disturbance vibrations that deliver air from the installation floor or air caused by air conditioning or the like as a medium. However, the vibration which these vibration damping apparatuses are subject to vibration damping is limited to the vibration of a damping table. That is, even if the semiconductor manufacturing apparatus is placed on the vibration damping table, for example, vibration of the beam itself for processing a sample in the semiconductor manufacturing apparatus cannot be damped. For this reason, in the case where it is necessary to position the submicron order, there is a problem that the position of the beam irradiation position, which is the point of machining, is caused by the vibration of the beam itself.

본 발명은 스테이지의 위치결정장치에 관한 것으로, 특히 반도체 제조장치나 검사장치 등의 시료를 얹어 놓는 데 사용하기 적합한 미세한 위치결정을 행할 수 있는 스테이지의 위치결정장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a stage positioning apparatus, and more particularly, to a stage positioning apparatus capable of fine positioning suitable for use in placing a sample such as a semiconductor manufacturing apparatus or an inspection apparatus.

도 1A는 본 발명의 일 실시형태의 스테이지의 위치결정장치의 입면도 이며, B는 본 발명의 일 실시형태의 스테이지의 위치결정장치의 평면도 이며, C는 본 발명의 일 실시형태의 스테이지의 위치결정장치의 부분확대도,1A is an elevation view of a positioning device of a stage of one embodiment of the present invention, B is a plan view of a positioning device of a stage of one embodiment of the present invention, and C is a positioning of a stage of one embodiment of the present invention. Partial magnification of the device,

도 2는 상기 위치결정장치의 제어시스템의 블록도,2 is a block diagram of a control system of the positioning device;

도 3은 상기 위치결정장치의 제어시스템의 블록도,3 is a block diagram of a control system of the positioning device;

도 4는 상기 위치결정장치의 제어시스템의 블록도,4 is a block diagram of a control system of the positioning device;

도 5는 본 발명의 일 실시형태의 스테이지의 위치결정장치의 액츄에이터의 입단면도,Fig. 5 is a sectional view of the actuator of the positioning device of the stage of the embodiment of the present invention;

도 6은 도 5의 변형예를 나타내는 설명도,6 is an explanatory diagram showing a modification of FIG. 5;

도 7은 도 6의 냉각장치의 제어블록도,7 is a control block diagram of the cooling device of FIG.

도 8은 고성능 제진장치 위에 얹어 놓은 스테이지의 위치결정장치의 설명도,8 is an explanatory diagram of a positioning device of a stage mounted on a high performance vibration suppression apparatus;

도 9는 본 발명의 다른 실시형태의 자기부상 스테이지의 상면에서 본 배치도,9 is a layout view seen from the top of a magnetic levitation stage of another embodiment of the present invention;

도 10은 상기 자기부상 스테이지의 측면투시도,10 is a side perspective view of the magnetic levitation stage,

도 11은 상기 자기부상 스테이지의 x-x 선에 따른 측면단면도,11 is a side cross-sectional view along the x-x line of the magnetic levitation stage,

도 12A 내지 C는 상기 실시형태에 있어서의 영구자석에 의한 수동형의 자기베어링의 설명도,12A to C are explanatory diagrams of a passive magnetic bearing made of a permanent magnet in the above embodiment;

도 13은 상기 자기부상 스테이지의 제어시스템의 설명도,13 is an explanatory diagram of a control system of the magnetic levitation stage;

도 14는 래버린스구조의 자기시일드의 설명도,14 is an explanatory diagram of a magnetic shield of a labyrinth structure;

도 15는 래버린스구조의 자기시일드의 설명도,15 is an explanatory diagram of a magnetic shield of a labyrinth structure;

도 16A는 전자석의 평면도, B는 전자석의 종단정면도, C는 전자석의 횡단측면도이다.16A is a plan view of the electromagnet, B is a longitudinal sectional front view of the electromagnet, and C is a cross sectional side view of the electromagnet.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 미세한 위치결정 동작을 안정되게 행할 수 있는 스테이지의 위치결정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또 콤팩트한 구조로 또한 누설자속이 적고, 진공환경에도 대응가능한 자기부상스테이지를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a stage positioning apparatus capable of stably performing fine positioning operations. It is also an object of the present invention to provide a magnetic levitation stage with a compact structure, low leakage magnetic flux, and compatible with a vacuum environment.

본 발명의 스테이지의 위치결정장치는 빔이 조사되는 시료를 싣는 스테이지와, 그 스테이지를 비접촉으로 부상지지함과 동시에 이동제어하는 액츄에이터와, 상기 스테이지와 상기 액츄에이터와의 상대변위를 측정하는 제 1 센서와, 상기 빔의 상기 시료 위의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 상대변위를 측정하는 제 2 센서와, 그 제 2 센서로 검출된 상대변위를 감소시키도록 상기 스테이지를 이동제어하는 콘트롤러를 구비한 것을 특징으로 한다.The positioning device of the stage of the present invention includes a stage on which a sample to which a beam is irradiated, an actuator for supporting the stage while floating in a non-contact manner, and a first sensor for measuring relative displacement between the stage and the actuator. And a second sensor for measuring a relative displacement between an actual irradiation position and a target irradiation position on the specimen of the beam, and a controller for moving and controlling the stage to reduce the relative displacement detected by the second sensor. Characterized in that provided.

상기한 본 발명에 의하면, 시료의 가공 또는 측정을 위하여 조사하는 빔의 시료상의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 상대변위를 측정하여 그 상대변위를 감소시키도록 직접 스테이지를 이동제어하기 때문에 빔을 목표조사위치에 정확하게 위치결정하는 것이 가능하게 된다. 이에 의하여 빔자체가 진동하고 있어도 또 스테이지 자체가 진동하고 있어도 반도체 제조장치 등에 있어서는 미세한 위치결정동작을 정밀도 좋게 행하는 것이 가능하게 된다. 이로써 예를 들어 반도체제품 등의 제품수율 등에 양호한 영향을 가져올 수 있다.According to the present invention described above, the beam is directly moved to control the stage to reduce the relative displacement by measuring the relative displacement between the actual irradiation position and the target irradiation position of the beam to be irradiated for processing or measurement of the specimen. It is possible to accurately position the target target position. As a result, even when the beam itself is vibrating and the stage itself is vibrating, it is possible to precisely perform fine positioning operation in a semiconductor manufacturing apparatus or the like. This can, for example, bring about a favorable influence on product yields of semiconductor products and the like.

또 본 발명의 자기부상 스테이지는, 상기 시료를 얹어 놓는 테이블부와, 그 테이블부의 바깥 둘레로부터 수직으로 내려지는 측판을 구비한 부상체와, 상기 테이블부와 측판으로 둘러싸인 공간내에 그 부상체를 부상지지 함과 동시에 위치 제어하는 액츄에이터를 구비한 고정체로 이루어지며, 그 고정체는 공간내의 대략 중앙부에 상기 부상체의 자중(自重)을 지지하는 영구자석을 배치하고, 상기 공간내의 바깥 둘레의 네 귀퉁이에 상기 부상체의 수평방향 제어용 전자석을 배치하고, 그 전자석 사이의 중간부분에 상기 부상체의 수직방향 제어용 전자석을 배치하는 것이 바람직하다.In addition, the magnetic levitation stage of the present invention supports a floating body having a table portion on which the sample is placed, a side plate vertically lowered from the outer periphery of the table portion, and a floating body in a space surrounded by the table portion and the side plate. It consists of a fixed body having an actuator for controlling the position and at the same time, the fixed body is disposed in the four corners of the outer circumference of the space, and a permanent magnet for supporting the self-weight of the floating body is disposed at approximately the center of the space It is preferable to arrange the electromagnets for horizontal control of the floating body, and to arrange the electromagnets for vertical control of the floating body in the middle portion between the electromagnets.

상기한 본 발명의 자기부상 스테이지에 의하면, 액츄에이터는 테이블부와 그 바깥 둘레로부터 수직으로 내려지는 측판으로 둘러싸인 공간내에 배치되었기 때문에 매우 콤팩트한 구조의 자기부상 스테이지가 제공된다.According to the magnetic levitation stage of the present invention described above, since the actuator is disposed in a space surrounded by a table portion and a side plate which is lowered vertically from the outer circumference thereof, the magnetic levitation stage having a very compact structure is provided.

또 액츄에이터를 둘러싸는 테이블부와 그 테이블부의 네 귀퉁이로부터 수직으로 내려지는 측판은 그 바깥 표면이 시일드재로 덮여지고, 하단부가 래버린스구조로 되어 있기 때문에 외부에 대한 누설자속을 대폭 줄일 수 있다.In addition, the table portion surrounding the actuator and the side plate vertically lowered from the four corners of the table portion are covered with a shield material and the lower end portion has a labyrinth structure, so that leakage flux to the outside can be greatly reduced.

이하, 본 발명의 실시형태에 관하여 첨부도면을 참조하여 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described with reference to an accompanying drawing.

도 1A 내지 C는 본 발명의 일 실시형태의 스테이지의 위치결정장치를 나타낸다. 이 스테이지의 위치결정장치에 있어서는 시료를 얹어 놓는 스테이지(11)를 그 네 귀퉁이에 있어서 액츄에이터(12a, 12b, 12c, 12d)로 지지하고 있다. 액츄에이터(12a, 12b, 12c, 12d)는 병진방향과 회전방향에 6 자유도(X, Y, Z, α, β, γ 방향)의 제어력(fx, fy, fz, fα, fβ, fγ)을 발생한다. 스테이지(11)에는 전자빔 또는 광빔(B)에 의하여 가공 또는 측정의 대상이 되는 반도체웨이퍼(시료)(W)가 얹어 놓여져 있다. 또 스테이지의 위치를 검출하여, 액츄에이터(고정부)에 대한 상대변위의 신호를 출력하는 변위센서(제 1 센서)(13)를 구비하고 있다. 또한 그 변위센서(13)의 상대변위신호와 후기하는 빔의 실제조사위치와 목표조사위치의 상대변위 신호에 의거하여 상기 액츄에이터가 발생하는 힘을 제어하는 콘트롤러(15)를 구비하고 있다.1A to C show a positioning device of a stage of one embodiment of the present invention. In the stage positioning device, the stage 11 on which the specimen is placed is supported by the actuators 12a, 12b, 12c, and 12d at the four corners. Actuators 12a, 12b, 12c, and 12d provide control forces (fx, fy, fz, fα, fβ, fγ) with six degrees of freedom (X, Y, Z, α, β, and γ directions) in the translational and rotational directions. Occurs. On the stage 11, a semiconductor wafer (sample) W which is subjected to processing or measurement by an electron beam or light beam B is placed. Moreover, the displacement sensor (1st sensor) 13 which detects the position of a stage, and outputs the signal of a relative displacement with respect to an actuator (fixing part) is provided. A controller 15 is provided to control the force generated by the actuator on the basis of the relative displacement signal of the displacement sensor 13 and the relative displacement signal of the beam and the actual irradiation position of the beam to be described later.

액츄에이터(12a, 12b, 12c, 12d)는 전자석 또는 전자석과 영구자석과의 조합으로 이루어지고, 그 자극면이 대향한 스테이지에는 자성재 또는 영구자석이 장착되어 있다. 따라서 전자석의 여자전류를 조정함으로써 스테이지에 자기 흡인력을 미치게 할 수 있어, 스테이지를 부상지지함과 동시에 이동, 위치결정 제어한다. 전자석은 부상지지 제어용과 수평방향 제어용을 각각 구비하고, X, Y, Z, α, β, γ 방향의 6 자유도의 제진력을 발생하는 것이 가능하다. 어느 액츄에이터(12a, 12b, 12c, 12d)에 있어서도 액츄에이터에 공급하는 전류 또는 전압을 제어함으로써 매우 고속의 응답성을 가지는 제어력을 발생하여 미세한 위치결정제어가 가능하다.The actuators 12a, 12b, 12c, and 12d are made of an electromagnet or a combination of an electromagnet and a permanent magnet, and a magnetic material or a permanent magnet is mounted on a stage where the magnetic pole faces thereof. Therefore, the magnetic attraction force can be exerted on the stage by adjusting the excitation current of the electromagnet, thereby supporting the stage while moving and positioning control. The electromagnet is provided for the floating support control and the horizontal direction control, respectively, and can generate a vibration damping force of six degrees of freedom in the X, Y, Z, α, β, and γ directions. In any of the actuators 12a, 12b, 12c, and 12d, by controlling the current or voltage supplied to the actuators, a control force having very high responsiveness is generated and fine positioning control is possible.

스테이지(11)에는 예를 들어 전자빔 노광을 위한 반도체 웨이퍼 등의 시료(W)가 얹어 놓여져 있다. 그리고 이 시료(W)는 예를 들어 전자빔 노광용 레지스트가 도포되어 있고, 전자짐(B)의 조사에 의하여 미세 패턴이 가공형성된다. 즉 빔(B)은 빔원(35)으로부터 조사되어 반도체 웨이퍼(W)의 소정의 목표위치에 조사함으로써 패턴가공을 행한다. 이 목표조사위치에 대한 위치결정을 위해 스테이지(11)는 액츄에이터(12a, 12b, 12c, 12d)에 의하여 이동제어된다. 이 위치맞춤은 선폭이 서브미크론오더의 반도체장치의 제조에 있어서는 당연한 일이나, 서브미크론오더 이하의 위치결정 정밀도가 요구된다.On the stage 11, for example, a sample W such as a semiconductor wafer for electron beam exposure is placed. And the sample W is apply | coated the resist for electron beam exposure, for example, and the micro pattern is processed and formed by irradiation of the electron bag B. FIG. That is, the beam B is irradiated from the beam source 35 and irradiated to a predetermined target position of the semiconductor wafer W to perform pattern processing. The stage 11 is moved-controlled by the actuators 12a, 12b, 12c, and 12d to position the target irradiation position. This alignment is natural in the manufacture of semiconductor devices of submicron order, but positioning accuracy of submicron order or less is required.

따라서 이 위치결정동작은, 빔의 실제의 조사위치에 시료의 목표조사위치를 직접 맞출필요가 있다. 이 때문에 반도체 웨이퍼에 조사하는 빔의 실제의 조사위치와, 목표조사위치와의 상대적인 변위를 측정하는 센서(제 2센서)(36)를 구비하고 있다. 이 상대변위의 측정은 일예로서 다음의 방법을 사용한다. 즉 도 1C의 확대도에 나타내는 바와 같이, 반도체 웨이퍼(W)에 목표조사위치를 나타내는 타겟패턴(T)을 설치하고, 이 패턴(T)은 예를 들어 전자빔 등의 빔을 반사하는 재료가 사용된다. 그리고 이 패턴(T)에 빔(B)이 조사되면, 빔(B)의 중심(Bc)과 타겟패턴(T)의 중심(Tc)이 일치한다. 이로써 반사하는 빔량은 최대로 되고, 이 반사한 빔량을 센서(36)로 검출함으로써 빔의 목표조사위치와 실제의 조사위치가 일치한 것을 판정할 수 있다. 또 빔(B)의 중심(Bc)과 타겟패턴(T)의 중심(Tc)이 어긋남을 일으키면 이에 따라 반사하는 빔량은 변화하게 되고, 이 반사하는 빔량의 변화로부터 빔의 목표조사위치와 실제의 조사위치와의 상대변위를 측정할 수 있다.Therefore, this positioning operation needs to directly align the target irradiation position of the specimen with the actual irradiation position of the beam. For this reason, the sensor (second sensor) 36 which measures the relative displacement of the actual irradiation position of a beam irradiated to a semiconductor wafer, and a target irradiation position is provided. This relative displacement is measured using the following method as an example. That is, as shown in the enlarged view of FIG. 1C, the target pattern T which shows the target irradiation position is provided in the semiconductor wafer W, and this pattern T is used for the material which reflects beams, such as an electron beam, for example. do. When the beam B is irradiated to the pattern T, the center Bc of the beam B and the center Tc of the target pattern T coincide with each other. As a result, the beam amount reflected is maximized, and by detecting the reflected beam amount with the sensor 36, it is possible to determine that the target irradiation position of the beam coincides with the actual irradiation position. If the center Bc of the beam B is misaligned with the center Tc of the target pattern T, the amount of reflected beam changes accordingly. From this change in the amount of reflected beam, the target irradiation position of the beam and the actual The relative displacement with the irradiation position can be measured.

그리고 이 빔(B)의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 상대변위 신호와 스테이지의 고정측에 대한 상대변위 신호를 콘트롤러(15)에 입력하여, 빔의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 상대변위를 감소시키도록 스테이지(11)를 액츄에이터(12)로 이동제어한다. 즉 빔(B)의 실제조사위치에 시료(W)의 타겟패턴(T)을 직접 위치결정하도록 액츄에이터(12)는 스테이지(11)를 구동한다.The relative displacement signal between the actual irradiation position and the target irradiation position of the beam B and the relative displacement signal for the fixed side of the stage are input to the controller 15, and the actual irradiation position and the target irradiation position of the beam and The stage 11 is moved and controlled by the actuator 12 so as to reduce the relative displacement of. That is, the actuator 12 drives the stage 11 to directly position the target pattern T of the specimen W at the actual irradiation position of the beam B. FIG.

도 2 및 도 3은 이 위치결정제어의 블록도를 나타낸다. 도 2에 나타내는 제어시스템은 제 2 센서의 빔조사위치의 상대변위 신호(Xr), 즉 빔(B)의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 상대변위를 참조신호로서 입력하고, 제 1 센서의 스테이지위치의 상대변위신호(X)를 그 신호에 추종시키도록 콘트롤러(15)를 개재하여 액츄에이터를 동작시키게 한 것이다. 즉 빔조사위치의 상대변위신호(Xr)가 비교기 (16)에 입력되고, 스테이지 위치변위신호(X)와의 차이분이 산출되어 이 차이분이 영이 되도록 콘트롤러(15)에 의하여 보상신호(조작신호)가 형성되고, 액츄에이터 (12a, 12b, 12c, 12d)에 공급된다.2 and 3 show a block diagram of this positioning control. The control system shown in FIG. 2 inputs the relative displacement signal Xr of the beam irradiation position of the second sensor, that is, the relative displacement between the actual irradiation position of the beam B and the target irradiation position as a reference signal, and the first sensor. The actuator is operated via the controller 15 so as to follow the relative displacement signal X at the stage position. That is, the relative displacement signal Xr of the beam irradiation position is input to the comparator 16, the difference with the stage position displacement signal X is calculated, and the compensation signal (operation signal) is applied by the controller 15 so that the difference is zero. It is formed and supplied to the actuators 12a, 12b, 12c, 12d.

플랜트(17)는 액츄에이터에 대한 입력신호와 그 액츄에이터의 작동결과에 의한 스테이지의 위치(X)와의 관계를 나타내는 것으로 액츄에이터에 의하여 구동된 스테이지의 위치신호(X)는 비교기(16)에 귀환된다. 즉 콘트롤러(15)는 상기 스테이지와 상기 액츄에이터와의 상대변위를 제 1 제어량으로 하고, 상기 빔의 시료상의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 상대변위를 제 2 제어량으로 하고, 이들 제어량에 대하여 상기 스테이지가 역상의 동작을 한다. 따라서 빔조사위치의 상대변위신호(Xr)가 입력되지 않을 때는 스테이지는 항상 그 고정부에 대한 상대변위신호(X)로 나타내는 기준위치에 위치결정된다. 빔조사위치의 상대변위신호(Xr)가 입력되면, 그 신호에 따라 액츄에이터가 작동하고, 이것에 의하여 스테이지가 빔(B)의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 상대변위가 감소하여 제로가 되도록 위치결정된다. 즉 스테이지(11)는 빔(B)의 실제의 조사위치에 목표조사위치가 일치하도록 추종하도록 동작한다.The plant 17 represents the relationship between the input signal to the actuator and the position X of the stage according to the operation result of the actuator. The position signal X of the stage driven by the actuator is fed back to the comparator 16. That is, the controller 15 sets the relative displacement between the stage and the actuator as the first control amount, and sets the relative displacement between the actual irradiation position and the target irradiation position on the specimen of the beam as the second control amount. The stage operates in reverse. Therefore, when the relative displacement signal Xr of the beam irradiation position is not input, the stage is always positioned at the reference position indicated by the relative displacement signal X with respect to the fixed portion. When the relative displacement signal Xr of the beam irradiation position is input, the actuator operates according to the signal, whereby the stage reduces the relative displacement between the actual irradiation position of the beam B and the target irradiation position and zeros. Is positioned as possible. In other words, the stage 11 operates so that the target irradiation position coincides with the actual irradiation position of the beam B. FIG.

도 3에 나타내는 제어시스템은 빔조사위치의 상대변위신호(Xr)를 전달함수 (Q)를 통하여 입력하고, 스테이지를 위치보정신호에 추종하도록 액츄에이터를 동작시키는 피드포워드제어에 관한 것이다. 즉 도 3에 나타내는 제어시스템은 제 2 센서의 빔조사위치의 상대변위신호(Xr), 즉 빔(B)의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 상대변위를 참조신호로서 비교기(16)에 입력하고, 제 1 센서의 스테이지위치의 상대변위신호(X)를 그 신호에 추종시키도록 콘트롤러(15)를 개재하여 액츄에이터를 동작시키는 것은 도 2에 나타내는 제어시스템과 동일하다. 빔조사위치의 상대변위신호(Xr)가 비교기(16)에 입력되고, 스테이지위치 변위신호(X)와의 차이분이 산출되어 이 차이분이 영이 되도록 콘트롤러(15)에 의하여 보상신호(조작신호)가 형성되어 액츄에이터(12a, 12b, 12c, 12d)에 공급된다.The control system shown in FIG. 3 relates to feedforward control for inputting the relative displacement signal Xr of the beam irradiation position via the transfer function Q and operating the actuator to follow the stage correction signal. That is, the control system shown in FIG. 3 uses the relative displacement signal Xr of the beam irradiation position of the second sensor, that is, the relative displacement between the actual irradiation position of the beam B and the target irradiation position, to the comparator 16 as a reference signal. The operation of the actuator via the controller 15 to input and follow the relative displacement signal X at the stage position of the first sensor is identical to that of the control system shown in FIG. The relative displacement signal Xr of the beam irradiation position is input to the comparator 16, the difference with the stage position displacement signal X is calculated, and a compensation signal (operation signal) is formed by the controller 15 so that the difference is zero. And supplied to the actuators 12a, 12b, 12c, and 12d.

이 제어시스템에 있어서는 빔(B)의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 상대변위신호(Xr)가 전달함수(Q)를 개재하여 콘트롤러(15)의 출력신호에 가산기(16a)에 의하여 가산된다. 이 전달함수(Q)는 일례로서 다음의 관계식에 의하여 주어진다.In this control system, the relative displacement signal Xr between the actual irradiation position and the target irradiation position of the beam B is added by the adder 16a to the output signal of the controller 15 via the transfer function Q. do. This transfer function Q is given by the following relationship as an example.

Q = - (1 + PH) / PQ =-(1 + PH) / P

단, P : 플랜트의 전달함수P: Transfer function of plant

H : 콘트롤러의 전달함수H: Transfer function of controller

이와 같은 피드포워드제어에 의하여 콘트롤러(H)의 제어가능한 주파수대역을 대폭 확장할 수 있어 제어의 안정성을 높일 수 있다.By such a feedforward control, the controllable frequency band of the controller H can be greatly expanded, thereby improving the stability of the control.

도 4는 임의의 점의 빔(B)의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 상대변위신호에 의거하는 이동위치보정신호를 각 액츄에이터위치에서의 이동위치보정신호로 변환하는 플로우도를 나타낸다. 스테이지의 평면상의 이동위치 지령치는 임의의 X, Y 좌표로 주어진다. 그러나 스테이지를 이 이동위치 지령치로 이동시키기 위한 액츄에이터(12a, 12b, 12c, 12d)는 도시하는 바와 같이 스테이지의 네 귀퉁이부에 설치되어 있다. 따라서 각 액츄에이터(12a, 12b, 12c, 12d)에 있어서의 위치보정신호는 이동위치 지령치로부터 각각 변환되지 않으면 안된다. 이 때문에 좌표변환행렬을 사용하여 임의의 점의 이동위치 지령치는 각 액츄에이터에 있어서의 위치보정위치로 변환된다.Fig. 4 shows a flow chart of converting a movement position correction signal based on the relative displacement signal between the actual irradiation position and the target irradiation position of the beam B at an arbitrary point into a movement position correction signal at each actuator position. The moving position setpoint on the plane of the stage is given by arbitrary X and Y coordinates. However, actuators 12a, 12b, 12c, and 12d for moving the stage to this movement position command value are provided at four corners of the stage as shown. Therefore, the position correction signal in each actuator 12a, 12b, 12c, and 12d must be converted from the movement position command value, respectively. For this reason, the movement position command value of an arbitrary point is converted into the position correction position in each actuator using a coordinate transformation matrix.

따라서 콘트롤러(H)는 상기 빔의 시료 위의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 상대변위를 먼저 상기 스테이지의 중심위치의 상대변위로 좌표변환하는 연산부와, 그 좌표변환한 중심위치의 변위에 대하여 조작량을 생성하는 연산부와, 그 생성한 조작량을 상기 전자석의 각 작용점에 있어서의 조작량으로 분배하는 연산부를 구비한다.Therefore, the controller H is a calculation unit for converting the relative displacement between the actual irradiation position and the target irradiation position on the sample of the beam first to the relative displacement of the center position of the stage, and the displacement of the coordinate position transformation of the center position. And an operation unit for distributing the operation amount to the operation amount at each working point of the electromagnet.

상기 스테이지(11)에는 진동검출을 위한 센서를 구비하도록 하여도 좋다. 이 센서에 의하여 검출된 시료(W)의 가속도를 상기 콘트롤러(H)에 입력하고, 상기 콘트롤러(H)는 이 진동이 감소하도록 제어한다. 이로써 스테이지 자체가 진동하고 있는 경우는 스테이지 자체의 진동을 감쇠시킬 수 있어 빔(B)의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 스테이지의 위치결정동작을 보다 확실한 것으로 할 수 있다. 이 경우에는 상기 콘트롤러(H)는 상기 가속도를 상기 스테이지(11)의 중심위치의 가속도로 좌표변환하는 연산부와, 그 변환한 좌표의 가속도에 의거하여 조작량을 생성하는 연산부와, 그 생성한 조작량을 상기 전자석의 각 작용점에 있어서의 조작량으로 분배하는 연산부를 구비하고 있다.The stage 11 may be provided with a sensor for vibration detection. The acceleration of the sample W detected by this sensor is input to the controller H, and the controller H controls the vibration to be reduced. As a result, when the stage itself is vibrating, the vibration of the stage itself can be attenuated, and the positioning operation of the stage between the actual irradiation position of the beam B and the target irradiation position can be made more reliable. In this case, the controller H includes a calculation unit for converting the acceleration into an acceleration at the center position of the stage 11, a calculation unit for generating an operation amount based on the acceleration of the converted coordinates, and the generated operation amount. It is provided with the calculating part which distributes by the operation amount in each working point of the said electromagnet.

도 5는 본 발명의 일 실시형태의 위치결정장치의 전자액츄에이터부분의 구성의 일 예를 나타낸다. 시료를 얹어 놓는 스테이지(11)는 그 네 귀퉁이에 있어서 전자석(21, 22)을 구비한 전자액츄에이터(12)에 의하여 지지된다. 전자석(21)은 그 코일에 콘트롤러로부터 공급되는 여자전류로 대향하는 스테이지에 고정된 자성체에 자기흡인력을 미치게 함으로써 수평방향의 위치결정동작을 행한다. 전자석 (22)은 마찬가지로 스테이지(11)에 고정된 자성체(11v)에 자기흡인력을 미치게 함으로써 스테이지(11)를 비접촉으로 부상지지한다. 이로써 설치바닥으로부터의 진동이 차단된다. 또한 이 부상지지에는 영구자석을 병용하도록 하여도 좋다. 이에 따라 전자석의 여자전류의 부담을 경감할 수 있다.Fig. 5 shows an example of the configuration of the electromagnetic actuator portion of the positioning device of one embodiment of the present invention. The stage 11 on which the sample is placed is supported by the electromagnetic actuator 12 having the electromagnets 21 and 22 at its four corners. The electromagnet 21 carries out a horizontal positioning operation by exerting a magnetic attraction force on a magnetic body fixed to a stage opposing the coil with an exciting current supplied from the controller. The electromagnet 22 likewise supports the stage 11 in a non-contact manner by applying a magnetic attraction force to the magnetic body 11v fixed to the stage 11. This prevents vibration from the installation floor. In addition, a permanent magnet may be used together with this floating support. Thereby, the burden of an exciting current of an electromagnet can be reduced.

여기서 도 5에 나타내는 바와 같이 전자석에 의한 액츄에이터를 사용한 경우에 액츄에이터 자신이 발생하는 누설자속이 스테이지 위쪽으로 새어 영향을 미치지 않도록 스테이지(11)의 하면에 자성체의 코팅 또는 판(11a)을 구비한다. 또한 액츄에이터(12)를 둘러싸도록 래버린스구조의 자성체의 커버(11b)를 설치한다. 이 경우 래버린스구조로 한 공간으로부터 새는 자속이 윗쪽에 가지 않도록 액츄에이터 (12)를 고정한 스테이지상의 고정면(19)에 자성체의 코팅 또는 판(19a)을 설치한다. 또한 바깥 스테이지를 진공중에서도 탈가스의 문제가 없이 사용할 수 있도록 코일의 부분이 캔(20)으로 둘러싸여 있다. 또한 액츄에이터 전체를 캔으로 밀봉하도록 하여도 좋다.As shown in FIG. 5, when the actuator by an electromagnet is used, the magnetic body coating or plate 11a is provided in the lower surface of the stage 11 so that the leakage magnetic flux which the actuator itself generate | occur | produces may not leak and affect. Moreover, the cover 11b of the magnetic body of a labyrinth structure is provided so that the actuator 12 may be enclosed. In this case, a magnetic coating or a plate 19a is provided on the fixing surface 19 on the stage on which the actuator 12 is fixed so that the magnetic flux leaking from the space having the labyrinth structure does not go upward. In addition, a portion of the coil is surrounded by a can 20 so that the outer stage can be used without degassing even in vacuum. Further, the entire actuator may be sealed with a can.

도 6에 전자석을 사용한 액츄에이터의 냉각시스템의 일 예를 나타낸다.6 shows an example of a cooling system of an actuator using an electromagnet.

높은 정밀도로 위치결정하는 경우에는 전자석에 여자전류를 공급함으로써 발생하는 열의 문제가 있다. 이 열의 발생에 의하여 액츄에이터의 각 부재가 변형하여 원하는 위치결정 정밀도를 얻을 수 없다는 문제가 있다. 이 대책으로서 열의 전도속도가 빠른 벨체소자를 이용한 냉각시스템을 생각할 수 있다. 도면에 있어서의 액츄에이터(12)는 아우터형의 전자액츄에이터로서 중앙에 고정측이 배치되고, 바깥쪽에 부상체가 배치된다. 열을 발생하는 것은 주로 고정측의 전자석코일이기때문에, 이 코일이 고정되어 있는 부재(원통형)의 안쪽에 벨체소자(원통형)(25)를 장치하고, 그 안쪽에 냉각수를 흘리는 통로(27)를 설치한다. 이때 벨체소자(25)의 바깥쪽을 흡열측, 안쪽을 발열측으로 한다. 이 냉각시스템에 의하여 냉각수 입구(271)로부터 유입하는 냉각수가 벨체소자(25)에 의하여 이송한 열을 흡수하여 냉각수 출구(270)로부터 외부로 배출하기 때문에 액츄에이터의 각 부를 대략 상온으로 유지할 수 있다.In the case of positioning with high precision, there is a problem of heat generated by supplying an exciting current to the electromagnet. There arises a problem that each member of the actuator deforms due to the generation of heat, so that the desired positioning accuracy cannot be obtained. As a countermeasure, a cooling system using a bell body element having a high heat conduction speed can be considered. The actuator 12 in the figure is an outer type electromagnetic actuator with a fixed side in the center and a floating body on the outside. Since the heat is mainly generated by the electromagnet coil on the fixed side, a bell body element (cylindrical type) 25 is provided inside the member (cylindrical type) to which the coil is fixed, and a passage 27 through which cooling water flows. Install. At this time, the outer side of the bell body element 25 is the heat absorbing side, and the inner side is the heat generating side. By this cooling system, since the cooling water flowing from the cooling water inlet 271 absorbs the heat transferred by the bell body element 25 and discharges it from the cooling water outlet 270 to the outside, each part of the actuator can be maintained at about room temperature.

또 온도를 일정치로 안정시키기 위하여 전자석의 고정부재의 온도를 온도센서(26)에 의하여 검출하고, 벨체소자(25)에 흘리는 전류를 제어함으로써, 보다 안정된 냉각시스템을 실현할 수가 있다. 도 7은 이 온도제어시스템을 나타내며, 온도센서(26)로 검출한 온도는 온도지령치와 비교되여 그 차이분을 영으로 하도록 온도 콘트롤러(28)로 PlD 제어된다. 온도 콘트롤러(28)의 출력은 전류증폭기(29)로 전류증폭되어 벨체소자(25)에 공급되고, 이에 따라 흡열측으로부터 발열측에 대한 열의 이송량이 제어된다. 이에 따라 액츄에이터 각 부의 온도상승을 소정치의 범위내로 일정하게 유지할 수 있다.In order to stabilize the temperature to a constant value, the temperature of the electromagnet fixing member is detected by the temperature sensor 26, and the current flowing through the bell body element 25 is controlled, whereby a more stable cooling system can be realized. 7 shows this temperature control system, and the temperature detected by the temperature sensor 26 is PlD controlled by the temperature controller 28 so as to compare the temperature command value with the difference. The output of the temperature controller 28 is amplified by the current amplifier 29 and supplied to the bell body element 25, whereby the transfer amount of heat from the heat absorbing side to the heat generating side is controlled. Thereby, the temperature rise of each part of an actuator can be kept constant within the range of a predetermined value.

도 8에 본 발명의 일 실시형태의 스테이지의 위치결정장치를 제진장치 위에 장치한 장치예를 나타낸다. 전자빔 발생장치 등의 빔원(10)이 고성능의 제진성능을 가지는 능동형 제진장치(32)의 제진테이블(31) 위에 얹어 놓여진다. 빔원(10)의 빔에 의하여 가공되는 시료(W)를 얹어 놓는 스테이지(11) 및 이 스테이지를 지지하는 액츄에이터(12a, 12b, 12c, 12d)도 마찬가지로 테이블(31) 위에 얹어 놓여진다. 이와 같은 구성에 의하여 외부로부터 스테이지(11), 액츄에이터(l2a, 12b, 12c, l2d), 빔원(10)에 대한 진동의 전달이 거의 없어져 더욱 높은 정밀도의 위치결정제어를 가능하게 하고 있다. 또 스테이지(11)의 이동에 따르는 진동 등의 위치결정장치 자체에 발생하는 진동이 억제된다. 이 제진장치에는 전자액츄에이터로 테이블을 비접촉으로 부상현가한 자기부상 제진장치, 또는 공기스프링과 전자액츄에이터를 병용한 제진장치가 가장 적합하다.8 shows an example of a device in which a positioning device for a stage of one embodiment of the present invention is mounted on a vibration suppression device. A beam source 10 such as an electron beam generator is placed on the vibration suppression table 31 of the active vibration suppression apparatus 32 having high performance vibration suppression performance. The stage 11 on which the sample W processed by the beam of the beam source 10 is placed, and the actuators 12a, 12b, 12c, and 12d supporting the stage are similarly mounted on the table 31. Such a configuration almost eliminates transmission of vibrations from the outside to the stage 11, the actuators l2a, 12b, 12c, l2d, and the beam source 10, thereby enabling a higher precision positioning control. In addition, vibration generated in the positioning device itself, such as vibration caused by the movement of the stage 11, is suppressed. The vibration isolator is most suitable for the vibration isolator which floats the table non-contact with an electromagnetic actuator, or the vibration isolator which uses the air spring and the electromagnetic actuator together.

또한 상기한 빔(B)의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 스테이지의 위치 결정동작은, 미세한 패턴을 빔조사에 의하여 형성할 때의, 위치결정 오차를 보정하기 위하여 주로 사용된다. 예를 들면 별도의 패턴을 형성하는 것 같은 큰 스테이지의 이동시는, 스테이지와 액츄에이터 고정측과의 상대변위를 측정하는 제 1 센서의 신호에 의거하여 콘트롤러(H)의 PID 동작에 의하여 피드백제어되어 위치결정된다. 이때 빔(B)의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 상대변위를 나타내는 신호(Xr)는 그 출력이 정지되고, 예를 들어 비교기(16)의 입력은 제로로 설정된다.The positioning operation of the stage between the actual irradiation position and the target irradiation position of the beam B is mainly used to correct the positioning error when forming a fine pattern by beam irradiation. For example, when moving a large stage such as forming a separate pattern, the position is controlled by feedback by the PID operation of the controller H based on the signal of the first sensor that measures the relative displacement between the stage and the actuator fixed side. Is determined. At this time, the output of the signal Xr indicating the relative displacement between the actual irradiation position and the target irradiation position of the beam B is stopped, for example, the input of the comparator 16 is set to zero.

또 빔(B)의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 상대변위를 검출하는 제 2 센서는 실제로 가공에 사용하는 빔(B) 그 자체를 사용하여도 되나, 빔(B)과 평행성이 유지되고 있는 별도의 빔(B')을 사용하여도 된다. 이 경우는 빔(B)이 시료의 가공부분을 조사하여, 이것과 평행한 빔(B')이 시료상의 타겟패턴(T)을 조사함으로써 그 상대변위가 구해진다. 또 빔(B) 그 자체를 가공과 상대변위 검출의 쌍방에겸용하는 경우에는 시분할에 의하여 가공과 상대변위 검출을 나누도록 하여도 된다.The second sensor which detects the relative displacement between the actual irradiation position and the target irradiation position of the beam B may actually use the beam B itself used for processing, but the parallelism with the beam B A separate beam B 'held may be used. In this case, the relative deflection is obtained by the beam B irradiating the processed portion of the sample, and the beam B 'parallel to it irradiates the target pattern T on the sample. In addition, when the beam B itself is used for both machining and relative displacement detection, the machining and relative displacement detection may be divided by time division.

이상에 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 빔의 실제의 조사위치와 목표조사위치와의 직접적인 매우 높은 정밀도의 위치결정 제어가 가능하게 된다. 따라서 서브미크론오더의 빔에 의한 미세가공장치 등의 시료대로서 매우 적합하다.As described above, according to the present invention, the positioning control with very high accuracy can be directly performed between the actual irradiation position of the beam and the target irradiation position. Therefore, it is very suitable as a sample stage of a micromachining apparatus by the beam of a submicron order.

도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시형태의 자기부상 스테이지의 구조를 나타낸다. 부상체(F)는 그 중앙에 시료를 얹어 놓는 테이블부인 평판(52)과 그 평판의 사방으로부터 수직으로 내려지는 측판(53)을 구비하고, 아래쪽이 개구한 박스체형상을 이루고 있다. 그 박스체 형상을 이룬 테이블 내부에 고정체인 액츄에이터(A)가 배치된다. 즉 액츄에이터(A)는 테이블의 평판(52)과 측판(53)으로 둘러싸인 공간내에 부상체(F)를 부상유지하는 수동자기베어링의 한쪽을 구성하는 영구자석(47)과, 부상체(F)를 수평방향으로 이동시키는 전자석(41, 42)과, 부상체(F)를 수직방향으로 이동시키는 전자석(43)과, 이들 전자석의 자극면과 부상체에 고정된 타겟사이의 상대변위를 검출하는 변위센서(54) 등을 구비하고 있다.9 to 11 show the structure of the magnetic levitation stage of another embodiment of the present invention. The floating body F is provided with the flat plate 52 which puts a sample in the center, and the side plate 53 which falls vertically from the four sides of the flat plate, and forms the box shape which the lower side opened. An actuator A, which is a fixed body, is disposed inside the box-shaped table. That is, the actuator A includes a permanent magnet 47 constituting one side of a passive magnetic bearing which holds the floating body F in the space surrounded by the flat plate 52 and the side plate 53 of the table, and the floating body F. Detecting the relative displacement between the electromagnets 41 and 42 for moving the beam horizontally, the electromagnet 43 for moving the floating body F in the vertical direction, and the magnetic pole surface of the electromagnets and the target fixed to the floating body. Displacement sensor 54 or the like is provided.

아래쪽으로 개구한 박스체 형상을 이루는 테이블의 측판(53)의 안 둘레면에는 수평(x)방향 전자석(41)의 자기력을 받는 타켓(44), 수평(y)방향 전자석(42)의 자기력을 받는 타겟(45)이 고정되어 있다. 수직(z)방향의 위치결정용 전자석(43)의 자기력을 받는 타겟(46)은 측판(53)의 내표면측에 수평으로 고정되어 있다.On the inner circumferential surface of the side plate 53 of the table forming a box body opened downward, the magnetic force of the target 44 and the horizontal (y) direction electromagnet 42 are subjected to the magnetic force of the horizontal (x) direction electromagnet 41. The receiving target 45 is fixed. The target 46 which receives the magnetic force of the positioning electromagnet 43 in the vertical (z) direction is horizontally fixed to the inner surface side of the side plate 53.

액츄에이터(A)는 부상체(F)를 구성하는 테이블부의 평판(52)과 그 사방으로부터 수직으로 내려지는 측판(53)으로 둘러싸인 공간내에 그 대략 중앙부에 테이블의 자중을 지지하는 자기베어링(47, 48)을 배치하고, 공간내의 바깥 둘레의 네 귀퉁이에 부상체(F)를 x, y방향으로 이동시키는 전자석(41, 42)을 배치하고, x, y방향의 전자석의 중간부분에 부상체(F)를 수직(z)방향으로 이동시키는 전자석(43)을 배치하고 있다. 이에 의하여 전자석의 코일을 포함한 모든 부분을 부상체(F)의 평판(52)과 측판(53)으로 둘러싸인 공간내에 배치할 수 있다.Actuator (A) is a magnetic bearing (47, 48) that supports the weight of the table at its central portion in a space surrounded by the flat plate (52) of the table portion constituting the floating body (F) and the side plate (53) vertically lowered from the four sides. ), Electromagnets 41 and 42 for moving the floating body F in the x and y directions at four corners of the outer circumference of the space, and the floating body F in the middle of the electromagnet in the x and y directions. ) Is disposed so as to move the electromagnet 43 in the vertical (z) direction. Thereby, all parts including the coil of an electromagnet can be arrange | positioned in the space enclosed by the flat plate 52 and the side plate 53 of the floating body F. As shown in FIG.

수평방향의 위치제어용 전자석(41, 42)을 테이블의 네 귀퉁이부분에 배치함으로써 x방향 이동제어, y방향 이동제어, z축 둘레의 회전제어를 용이하게 행할 수 있다. 또 수평방향의 위치제어용 전자석(41, 42)의 중간에 수직방향의 위치제어용 전자석(43)을 배치함으로써 z축 방향 이동제어, x축 둘레, y축 둘레의 회전제어를 행할 수 있다. 이들 제어는 정전용량 센서 등의 높은 정밀도의 위치계측용 센서를 사용하고, 그 센서출력을 목표치와 비교하여 전자석의 여자전류에 피드백제어함으로서 나노미터오더의 6축 회전의 위치결정 제어를 행할 수 있다.By placing the electromagnets 41 and 42 for horizontal position control at four corners of the table, the x-direction movement control, the y-direction movement control, and the rotational control around the z-axis can be easily performed. Moreover, by arranging the position control electromagnet 43 in the vertical direction in the middle of the horizontal position control electromagnets 41 and 42, the z-axis movement control, the x-axis circumference, and the y-axis rotation control can be performed. These controls use a high-precision position measuring sensor such as a capacitive sensor, and can perform positioning control of 6-axis rotation of the nanometer order by feedback control to the exciting current of the electromagnet by comparing the sensor output with a target value. .

수직방향 제어용 전자석(43)은 도 11에 나타내는 바와 같이 한 쌍의 전자석으로 이루어지고, 그 전자석은 각각 상하방향으로 전극면을 가지고 양자극면이 대면하도록 배치되며, 양 자극면 사이에 상기 부상체(F)에 고정한 자성체(46)를 수평방향으로 사이에 끼우도록 배치되어 있다. 그러나 이 수직방향 제어용 전자석은 각각 상하방향으로 자극면을 가지고 양 자극면이 서로 반대방향으로 위치하도록 배치되며, 양 자극면이 각각 상기 부상체의 부상체 바깥 둘레의 측판의 상측 및 하측에 수평방향으로 고정된 자성체에 대면하도록 배치하여도 된다.The electromagnet 43 for vertical direction control consists of a pair of electromagnets as shown in FIG. 11, and each electromagnet is arrange | positioned so that a bipolar surface may face with an electrode surface in an up-down direction, respectively, and the said floating body between both magnetic pole surfaces The magnetic body 46 fixed to (F) is arrange | positioned so that it may pinch in the horizontal direction. However, these vertical control electromagnets are arranged so that the magnetic pole faces are positioned in opposite directions with the magnetic pole faces in the vertical direction, respectively, and the two magnetic pole faces are horizontal in the upper and lower sides of the side plate around the outside of the floating body of the floating body. You may arrange | position so that it may face to the magnetic substance fixed with it.

액츄에이터(A)는 테이블의 평판과 측판으로 둘러싸는 공간내의 대략 중앙부에 테이블의 자중을 지지하는 자기베어링(47, 48)을 배치하고 있다. 도 11의 단면도에 나타내는 바와 같이 평판(52)에는 그 대략 중앙부에 수직으로 내려지는 제 2 측벽(53a)을 구비한다. 그리고 측벽(53a)의 일 면과, 고정측(51)의 일 면사이에 한 쌍의 영구자석렬(47, 48)을 설치하여 수동형의 자기베어링을 구성하고 있다. 이 실시형태에 있어서는 단면 직사각형을 이루고 있는 측판(53a)의 4 개소에 영구자석렬(48)을 구비하고, 이것에 대향하는 고정측(51)의 면에 동일하게 4 개소의 영구자석렬(47)을 배치하고 있다. 이 영구자석렬(47, 48)은 도 12A에 나타내는 바와 같이 각각 N, S극으로 자화된 영구자석을 각각의 자화방향이 반대가 되도록 복수단 적층하고 있다.The actuator A arrange | positions the magnetic bearings 47 and 48 which support the self-weight of a table in the substantially center part in the space enclosed by the flat plate and side plate of a table. As shown in the cross-sectional view of FIG. 11, the flat plate 52 is provided with a second side wall 53a which is lowered perpendicularly to the substantially center portion thereof. A pair of permanent magnets 47 and 48 are provided between one surface of the side wall 53a and one surface of the fixed side 51 to form a passive magnetic bearing. In this embodiment, the permanent magnet rows 48 are provided at four positions of the side plates 53a which form a rectangular cross section, and the four permanent magnet rows 47 are similarly provided on the surface of the fixed side 51 opposite to this. ) Is placed. As shown in Fig. 12A, the permanent magnet columns 47 and 48 are stacked in multiple stages so that their magnetization directions are opposite to each other.

이 자석렬(47, 48)을 도 12A에 나타내는 바와 같이 대향하여 설치하고, 한쪽은 고정측의 액츄에이터(A)에 고정하며, 다른쪽은 부상체(F)의 안 둘레쪽의 측판 (53a)의 측면에 각각이 대향하도록 고정한다. 그러면 도 12B에 나타내는 바와 같이 자력선은 부상측의 영구자석렬과 고정측의 영구자석렬의 각각의 역극성의 자극 사이를 관통한다. 따라서 도 12C에 나타내는 바와 같이 테이블에 고정된 부상측 영구자석렬은 자중에 의하여 고정측 영구자석렬에 대하여 아래쪽으로 위치한 곳에서 수직방향 복원력(F)이 발생하여 이것과 균형되여 부상체(F)의 자중을 지지한 상태로 유지된다.These magnet strings 47 and 48 are provided to face each other as shown in Fig. 12A, one side is fixed to the actuator A on the fixed side, and the other side plate 53a on the inner circumference side of the floating body F. Secure each side to the side of the opposite. Then, as shown in Fig. 12B, the magnetic force lines penetrate between the magnetic poles of the reverse polarity of the permanent magnet row on the floating side and the permanent magnet row on the fixed side. Therefore, as shown in Fig. 12C, the floating permanent magnets fixed to the table generate vertical restoring force (F) at the lower position relative to the fixed permanent magnets due to their own weight, which is balanced with the floating body F. Will remain in support.

이와 같이 영구자석을 사용한 수동형 자기베어링은 테이블의 안 둘레쪽에 배치된 측판과 고정측과의 사이에 4 개소 설치되어 있으나, 그 수직방향 중심위치가 테이블의 중심위치와 개략 일치하도록 배치되는 것이 바람직하다. 이에 의하여 테이블의 시료를 얹어 놓는 평판(52)이 수평인 상태로 부상체(F)를 보다 안정되게 부상유지할 수 있다.As described above, four passive magnetic bearings using permanent magnets are provided between the side plates arranged on the inner circumference of the table and the fixed side. However, the vertical magnetic bearings are preferably arranged so that their vertical center positions coincide with the center positions of the table. . As a result, the floating body F can be more stably held in a state where the flat plate 52 on which the sample of the table is placed is horizontal.

자기부상 스테이지의 콘트롤 시스템을 도 13에 나타낸다.13 shows a control system of the magnetic levitation stage.

스테이지의 변위를 검출하는 변위센서(54)는 도 9에 나타내는 바와 같이 수평방향의 스테이지의 변위를 검출하는 변위센서 3 개와 수직방향의 스테이지의 변위를 검출하는 센서 3 개의 합계 6 개가 배치되어 있다. 이들 6 개의 변위센서의 신호를 센서앰프를 통하여 검출하고, 좌표변환기(1)를 통하여 스테이지의 진동모드마다의 변위량 또는 변위에 상당하는 양으로 변환한다. 그리고 이 변환한 신호를 예를 들어 PID 등의 연산기, 또는 진동모드 마다의 제어량을 연산하여 그 결과를 좌표변환기(2)에 의하여 배치한 각 전자석에 대응하는 지령치로 변환하고, 전력증폭기를 통하여 각 지령치에 대응하는 여자전류로 각 전자석을 여자하여 스테이지의 위치 결정 제어를 행한다. 도면에 있어서 콘트롤러의 부분은 아날로그회로이라도 디지털회로이라도 좋다.In the displacement sensor 54 for detecting the displacement of the stage, a total of three displacement sensors for detecting the displacement of the stage in the horizontal direction and six sensors for detecting the displacement of the stage in the vertical direction are arranged as shown in FIG. 9. The signals of these six displacement sensors are detected through the sensor amplifier, and converted by the coordinate converter 1 into the amount of displacement or displacement corresponding to each vibration mode of the stage. Then, the converted signal is calculated, for example, by a calculator such as PID, or a control amount for each vibration mode, and the result is converted into a command value corresponding to each electromagnet arranged by the coordinate converter 2, and the power amplifier is then converted into a command value. Each electromagnet is excited by an excitation current corresponding to the command value to perform stage positioning control. In the figure, the controller may be an analog circuit or a digital circuit.

부상체(F) 및 액츄에이터(A)의 고정부(51)의 바깥 둘레면에는 그 표면에 퍼멀로이 등의 고투자율의 시일드재(55)가 부착되어 있고, 전자석 및 영구자석으로부터의 누설자속이 외부로 새지 않도록 되어 있다. 그러나 테이블과 고정부와의 빈틈은 시일드재로 고정할 수 없으므로, 이 부분에 틈새가 생겨 누설자속이 생기는 것을 방지하기 위하여 도 14에 나타내는 구조를 채용하는 것이 바람직하다. 즉 고고정측의 바깥 둘레부에는 이중으로 세워 설치된 자성재로 이루어지는 측판(51b, 51c)를 구비하고, 테이블부(평판 52)의 사방으로부터 수직으로 내려지는 측판(53)의 하단부가 고정측의 이중으로 세워 설치된 측판(51b, 51c)의 사이에 끼워지도록 배치한다.On the outer circumferential surface of the fixing part 51 of the floating body F and the actuator A, a high permeability shield material 55 is attached to the surface thereof, and leakage magnetic flux from the electromagnet and the permanent magnet is external. It is not to leak. However, since the gap between the table and the fixing portion cannot be fixed by the shielding material, it is preferable to adopt the structure shown in Fig. 14 in order to prevent the gap from occurring in this portion and the leakage magnetic flux. That is, the outer periphery of the fixed side is provided with side plates 51b and 51c made of a magnetic material, which are provided in double, and the lower end of the side plate 53 vertically lowered from four sides of the table portion (flat plate 52) is doubled on the fixed side. It arrange | positions so that it may fit between the side plates 51b and 51c which were installed upright.

이에 의하여 시일드의 래버린스구조를 얻을 수 있어 액츄에이터(A)의 전자석 또는 영구자석에 의한 자속의 외부로의 누설을 방지할 수 있다. 또한 시일드의 래버린스구조는 도 15에 나타내는 바와 같이 3 층 구조로 하여도 좋다.As a result, a shielded labyrinth structure can be obtained, and leakage of the magnetic flux by the electromagnet or permanent magnet of the actuator A to the outside can be prevented. In addition, the shield's labyrinth structure may have a three-layer structure as shown in FIG. 15.

또 본 실시형태에 있어서는 수평방향의 위치제어용 전자석(41, 42) 및 수직방향의 위치제어용 전자석(43)은 각각 동일한 형상, 치수를 가지고 있다. 이 때문에 동일 규격품을 채용할 수 있어 경제적으로 자기부상 스테이지를 구성할 수 있다. 또 도 16A 내지 도 16C에 나타내는 바와 같이 각 전자석 코일(C)은 자극내부에 장치되고, 그 입구부분이 에폭시 등의 수지(E)로 몰드밀봉되어 있다. 이 때문에 코일부분이 외부로 노출하지 않으므로, 고진공 분위기에 이 장치를 배치하여도 탈가스라는 문제가 생기지 않아 청정도를 해친다는 문제가 생기지 않는다.In the present embodiment, the position control electromagnets 41 and 42 in the horizontal direction and the position control electromagnet 43 in the vertical direction each have the same shape and dimensions. For this reason, the same standard product can be employ | adopted and it can economically comprise a magnetic levitation stage. As shown in Figs. 16A to 16C, each electromagnet coil C is provided inside the magnetic pole, and the inlet portion thereof is mold-sealed with a resin E such as epoxy. For this reason, since the coil part is not exposed to the outside, even if this apparatus is arrange | positioned in a high vacuum atmosphere, it does not produce the problem of degassing and does not produce the problem of impairing cleanliness.

또 상기의 실시형태에서는 6 자유도를 능동적으로 제어하는 예에 관하여 나타내으나, 수직방향의 위치제어용 전자석(43)을 떼어 내고 수평면내 만을 위치결정 제어하도록 하여도 물론 좋다. 이와 같이 본 발명의 취지를 일탈하지 않고 각종 변형실시예가 가능하다.In the above embodiment, an example of actively controlling six degrees of freedom is shown, but of course, the position control electromagnet 43 in the vertical direction may be removed and positioning control may be performed only within the horizontal plane. As such, various modifications are possible without departing from the spirit of the invention.

이상으로 설명한 바와같이 본 발명에 의하면, 아래쪽으로 개구한 박스체 형상의 부상체의 스페이스내에 액츄에이터가 되는 전자석 및 영구자석을 수납한 콤팩트한 구조의 자기부상 스테이지를 실현할 수 있다. 또 외부로의 누설자속을 적게 하였기 때문에 주위에 대한 전자적인 악영향을 미치게 하는 것을 방지할 수 있다. 또한 전자석의 코일이 외부로 노출하지 않기 때문에 탈가스라는 문제가 없어 고진공환경하에서도 사용이 가능하다.As described above, according to the present invention, a magnetic levitation stage having a compact structure in which an electromagnet serving as an actuator and a permanent magnet are stored in a space of a box-shaped floating body opened downward can be realized. In addition, since the leakage flux to the outside is reduced, it is possible to prevent the electronic adverse effect on the surroundings. In addition, since the coil of the electromagnet is not exposed to the outside, there is no problem of degassing and it can be used even in a high vacuum environment.

본 발명은 예를 들어 반도체 제조장치 등의 미세하고도 고속의 위치결정을 행하는 장치에 사용하여 매우 유용하다.The present invention is very useful for use in an apparatus for performing fine and high speed positioning, such as, for example, a semiconductor manufacturing apparatus.

Claims

An actuator for holding the sample to which the beam is irradiated and an actuator for non-contact floating and simultaneously controlling the movement;

A first sensor for measuring a relative displacement between the stage and the actuator,

And a second sensor for measuring a relative displacement between an actual irradiation position and a target irradiation position on the specimen of the beam, and a controller for controlling movement of the stage to reduce the relative displacement detected by the sensor. Positioning device of the stage.

The method of claim 1,

And the actuator is capable of supporting the stage while moving and controlling movement of the stage by applying an electromagnet or an electromagnet and a permanent magnet to a magnetic material or a permanent magnet mounted on the stage.

The method of claim 1,

The controller operates the relative displacement between the stage and the actuator as a first control amount, and operates the first control amount to correspond to a command position so that the relative displacement between the actual irradiation position and the target irradiation position on the specimen of the beam is determined. And setting the second control amount to operate the stage to reduce the second control amount.

The method of claim 3,

The controller generates a manipulated variable for a coordinate conversion unit for converting a relative displacement between the actual irradiation position and the target irradiation position on the specimen of the beam into a relative displacement of the center position of the stage, and an operation amount for the displacement of the coordinate converted center position. And a calculating section for distributing the generated manipulated amount to the operating amount at each operating point of the electromagnet.

The method of claim 3,

The stage is provided with a sensor for detecting the vibration, and the input position of the acceleration detected by the sensor to the controller, the controller controls the stage so that the vibration is reduced.

The method of claim 3,

The controller is a calculation unit for converting the acceleration coordinates to the acceleration of the center position of the stage,

An operation unit for generating an operation amount based on the acceleration of the converted coordinates;

And a calculating section for distributing the generated manipulated amount to the manipulated amount at each operating point of the electromagnet.

The method according to any one of claims 1 to 6,

And the beam is an electron beam or a light beam.

The method according to any one of claims 1 to 7,

An actuator for floating the stage is placed on a vibration isolator, so as to reduce the vibration of the fixing portion of the actuator.

The method according to any one of claims 1 to 8,

The stage or the actuator for floatingly supporting the stage has its surface covered with a magnetic material and shielding the magnetism of the magnet of the actuator to the outside.

The method according to any one of claims 1 to 9,

And the stage is provided with a cover of a magnetic material having a labyrinth structure so as to surround an actuator supporting the stage, and shields the magnetism of the magnet of the actuator from the outside.

The method according to any one of claims 1 to 10,

And the actuator is provided with a bell body element on a member holding the electromagnet, a cooling water flow path is provided on the heat generating side of the bell body element, and absorbs the heat generated by the electromagnet of the actuator.

A floating body having a table portion on which a sample is placed and a side plate vertically lowered from the outer circumference thereof,

A magnetic levitation stage comprising a fixed body having an actuator for maintaining the floating body by magnetic force of a magnet and controlling the position thereof.

The stator is covered with a table portion and the side plate of the floating body magnetic levitation stage.

The method of claim 12,

The floating body has an inner side plate fixed to surround the central portion of the lower surface of the table portion on which the sample is placed,

The side plate and the fixed body are each provided with a permanent magnet facing the magnetic pole surface magnetic levitation stage, characterized in that to support the floating body as a magnetic bearing.

The method of claim 12,

The permanent magnet is characterized in that the magnetized permanent magnet is provided with a pair of magnet strings stacked in a plurality of stages so that the magnetization direction is opposite, one side is fixed to the fixing body, the other is fixed to the side plate of the floating body Maglev stage.

The method according to any one of claims 12 to 14,

The electromagnet is a magnetic levitation stage, characterized in that the coil is disposed in the magnetic pole and the coil is sealed with a resin.

A floating body having a table portion on which a sample is placed, and a side plate vertically lowered from the outer circumference of the table portion;

It consists of a fixed body having an actuator for supporting the floating body and the position control at the same time in the space surrounded by the table portion and the side plate, the fixed body is a permanent magnet for supporting the weight of the floating body at approximately the center of the space A magnetic levitation stage characterized in that the electromagnets for horizontal control of the floating body are arranged at four corners of the outer circumference of the space, and the electromagnets for vertical control of the floating body are arranged in the middle portion between the electromagnets. .