KR20080038050A - 광학 요소 유지장치 및 노광 장치 - Google Patents

Abstract

광학 요소를 유지하는 유지장치는 상기 광학 요소의 좌표를 계측하는 계측부; 및 상기 계측부에 의해 계측된 좌표에 의거해서 해당 광학 요소를 이동시키는 구동부를 포함하되, 상기 계측부는 상기 광학 요소의 일부의 변위량을 검출하는 제 1 센서와, 해당 광학 요소의 일부가 미리 설정된 위치에 있는 것을 검출하는 제 2 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광학 요소 유지장치 및 그것을 구비한 노광 장치{OPTICAL ELEMENT HOLDING UNIT, AND EXPOSURE APPARATUS HAVING THE SAME}

본 발명은 광학 요소를 유지하는 유지장치 및 노광 장치에 관한 것이다.

종래 기술에서는, 광학 요소를 구동시키는 구동부와 상기 광학 요소의 위치를 계측하는 위치 계측부를 포함하는 광학 요소 유지장치에서의 위치 계측부를 위해서, 해당 위치 계측부에 2 종류의 위치 조정 장치를 이용하고 있다(예를 들면, 일본국 공개특허 제 2003-337272호 공보 참조).

상기 일본국 공개특허 제 2003-337272호 공보의 도 13에 나타낸 유지장치에는, 그 중심축 방향과 접선 방향에 물체를 구동 가능한 2 자유도를 가진 위치 조정 기구가 원주 방향을 따라서 3개소에 설치되어 있다. 그리고, 광학 요소는, 해당 광학 요소의 광축을 Z축, Z축과 수직인 방향을 XY평면으로 했을 경우의 XYZ 직교 좌표계에 있어서, 6개의 구동 자유도를 가진다. 그리고, 광학 요소는 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향 각각의 병진, X축 및 Y축 각각의 둘레의 틸트 및 Z축 둘레의 회전을 가능하게 한다.

또, 상기 유지장치는 광학 요소의 위치를 계측하는 위치 계측부를 가지며, 원주 방향을 따라서 3개소에 설치되어 있다. 이 위치 계측부에는 광학 요소의 광축 방향과 외주부 접선 방향과의 변위를 검출하는 2축식 정전 용량 센서가 이용되고 있다.

한편, 일본국 공개특허 제 2003-337272호 공보의 도 2에 나타낸 유지장치에는 압전 엑추에이터를 이용해서 광학 요소를 광축 방향으로 구동하는 위치 조정 기구가 원주 방향을 따라서 3개소에 설치되어 있어,

이 3개소에 설치된 위치 조정 기구에 의해, 광학 요소를 Z축 방향으로 병진시키고, X축 및 Y축 각각의 둘레로 틸트시킬 수 있다.

또, 광학 소자의 위치 계측부는 원주 방향을 따라서 3개소에 설치되어 있다. 이 위치계측부는 광학 요소의 광축 방향의 변위를 검출하는 광학식의 선형 엔코더이다.

상기 일본국 공개특허 제 2003-337272호 공보의 도 13에 나타낸 유지장치에서는 위치 계측부에 정전 용량 센서가 이용되고 있으므로, 검출 분해능, 다이나믹 레인지 및 검출 출력 신호의 직선성 등이 간섭형 변위계에 비해 뒤떨어진다고 하는 문제가 있었다. 덧붙여, 정전 용량 센서는 절대 위치를 검출할 수 있다.

또, 상기 일본국 공개특허 제 2003-337272호 공보의 도 2에 나타낸 유지장치에서는 광학 요소의 광축 방향의 변위를 검출하는 광학식의 선형 엔코더가 이용되고 있으므로, 표적의 상대 이동량 밖에 검출할 수 없고, 결과적으로, 전원을 차단한 후에 유지 장치를 재기동시켰을 때, 광학 요소의 절대 위치의 인식이 불가능하게 되어, 광학 요소를 전원 차단 전의 좌표치로 복귀시킬 수 없다.

덧붙여 일본국 공개특허 제 2003-337272호 공보에 있어서 도 2에 나타낸 유지장치와 도 13에 나타낸 유지장치는 별개의 광학 요소를 유지하고 있다.

본 발명은 목표 위치에 대한 위치 결정의 정밀도의 개선에 관한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 광학 요소를 유지하도록 구성된 유지장치는 상기 광학 요소의 좌표를 계측하는 계측부; 및 상기 계측부에 의해 계측된 좌표에 의거해서 해당 광학 요소를 이동시키는 구동부를 포함하되, 상기 계측부는 상기 광학 요소의 일부의 변위량을 검출하는 제 1 센서와, 해당 광학 요소의 일부가 미리 설정된 위치에 있는 것을 검출하는 제 2 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 다른 측면에 따른 기판을 노광하는 노광장치는 상기 기판을 유지하고 상기 기판을 이동하는 스테이지; 및 상기 유지장치를 포함하되, 상기 노광 장치는 상기 유지장치에 의해 유지된 광학 요소를 통해 상기 스테이지에 의해 유지된 기판을 노광하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기타 목적과 다른 특징은 첨부 도면과 관련해서 취한 이하의 바람직한 실시형태에 의해 명백해질 것이다.

이상, 본 발명에 의하면, 렌즈의 절대 위치와 상대 위치의 양쪽 모두를 측정할 수 있어 전원 재개시에도 높은 위치 결정 정밀도를 제공할 수 있다.

또, 본 발명에 의하면, 광축 방향과 직교하는 방향에 있어서의 렌즈의 상대 위치를 계측하는 증분식 횡변위 검출 센서를 구비하므로, 렌즈의 틸트 변위량을 산 출할 수 있고, 또한, 3개소에 설치된 구동 기구에 의해서 렌즈를 틸트 구동함으로써, 레티클 상의 얼라인먼트 오차를 해소할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 일 측면에 대해 설명한다. 각 도면에 있어서, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이고, 그의 중복 설명은 생략할 것이다.

제 1 실시형태

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 광학 요소 유지장치를 포함하는 노광 장치를 나타내고 있다. 이 노광 장치(1)는 슬릿 조명하에서 레티클(R)을 스캔 구동하고, 웨이퍼(WF)를 동기 구동하고 주사하는 주사식 노광 장치이다.

이 노광 장치에 있어서, XYZ 직교 좌표계를 도면 중 상부 측에 정의하고, 여기서, 상기 장치의 수직 방향으로 뻗어 있는 투영 광학계(2)의 광축 방향을 Z축, 레티클(R) 및 웨이퍼(WF)의 스캔 방향을 X축, 장치 평면에 있어서의 X축에 직교하는 방향을 Y축으로 한다.

노광 장치대(3)는 하부 실린더의 본체부(31)와, 투영 광학계(2)의 일부를 본체부(31)에 수용해서 고정하기 위한 경통 마운트(barrel mount)(32)를 포함하고 있다. 본체부(31)와 경통 마운트(32) 사이에는, 노광 장치 설치면의 진동이 투영 광학계(2)에 전달되는 것을 방지하기 위해서, 댐퍼(damper)(33)가 설치되어 있다.

또, 본체부(31)의 하부에는 웨이퍼(WF)의 광축 방향의 위치를 조정하도록, 또는 포커스 조정을 행하기 위한 웨이퍼 스테이지(WF1)가 설치되어 있다. 이 웨이 퍼 스테이지(WF1)는 레티클 스테이지(R1)의 주사 동작에 동기해서 웨이퍼(WF)를 X축 방향으로 이동시킨다. 또, 웨이퍼 스테이지(WF1)는 레티클 상의 중첩 정밀도 향상을 위해 Y축 방향으로 그의 위치를 조정할 수 있다. 웨이퍼 스테이지(WF1)에는 투영 광학계(2)의 광학 수차를 계측하는 데 이용되는 구면 미러(WF2)가 설치되어 있다. 또, 웨이퍼(WF)에는 감광제가 도포된다.

반도체 회로 패턴의 원판으로서의 레티클(R)를 탑재하는 레티클 스테이지(R1)는 투영 광학계(2)의 상부측을 덮는 레티클 대좌(R2) 위에 놓여 있다. 이 레티클 대좌(R2)는 레티클 스테이지(R1)를 경통 마운트(32)에 고정하기 위해 사용된다.

경통 마운트(32) 위에는 조명 유닛(4)이 설치되어 있고, 이 조명 유닛(4)은 레이저 광원 유닛(41), 레티클(R)을 조명할 때에 이용되는 노광용 조명 수단(42), 수차 계측 공정에 이용되는 수차 계측용 조명 수단(43) 및 광로 전환 미러(44)를 포함한다. 또, 경통 마운트(32) 위에는 레이저 광원 유닛(41)에 인접하고, 노광 장치 전체의 동작을 제어하는 본체 제어 수단(8)이 설치되어 있다.

레티클 대좌(R2) 위에는 수차 계측 수단(5)이 설치되어, 투영 광학계(2)의 광학 수차를 계측한다. 수차 계측 수단(5)은 간섭계(51), 반투명 미러(half-mirror)(52), 미러(53) 및 콜리메이터 렌즈(54)를 포함하고 있다. 반사 미러(53) 및 콜리메이터 렌즈(54)는 레티클 스테이지(R1) 위에 놓여, 투영 광학계(2)의 광속 입사부에 대해서 진퇴 가능하게 구성되어 있다.

렌즈 제어 수단(6)은 경통 마운트(32) 위에 설치되어 있고, 투영 광학계(2) 의 각종 광학 요소를 소정의 제어 흐름에 따라서 제어한다. 이 제어는 렌즈의 광학 수차의 최적화 등의 광학계에 대한 미세 조정을 제공한다. 광학계의 미세 조정은 예를 들면 투영 광학계(2)의 조립시나 노광 장치(1)의 납입처에의 납품 전에 수행된다.

투영 광학계(2)는 광학 요소 유지장치로서 각각 기능하는 복수의 렌즈 유닛(7)을 포함한다. 상기 렌즈 유닛(7)은 렌즈를 구동시키는 구동부와 렌즈의 위치를 계측하는 위치 계측부를 포함한다.

도 2는 렌즈 유닛(7)의 구조의 평면도이다. 렌즈를 구동시키는 데 이용되는 3개의 구동부는 구동 기구(71)로서 환상 고정 경통(73)에, 그 중심축 둘레에 120도 간격으로 설치되어 있다. 한편, 렌즈의 위치를 계측하는 데 이용되는 위치 계측부는 렌즈 위치 검출기(72)로서 원주 방향에 따라서 구동 기구(71) 사이에 설치되어 있다. 이 렌즈 위치 검출기(72)는 렌즈 프레임(74)의 광축 혹은 Z축 방향의 변위 및 광축과 직교하는 반경 방향 변위를 검출한다.

렌즈 위치 검출기(72)는 제 2 계측부로서의 절대식 수직 변위 검출 센서(721), 제 1 계측부로서의 증분식 수직 변위 검출 센서(722) 및 제 3 계측부로서의 증분식 횡변위 검출 센서(723)를 포함한다.

절대식 수직 변위 검출 센서(721)는 광학 요소로서의 렌즈의 절대 위치를 계측하는 장치로, 렌즈의 광축 또는 Z축 방향으로 검출용 레이저 빔을 투사한다. 증분식 수직 변위 검출 센서(722)는 렌즈의 광축(방향)에 대한 경사 방향에 있어서의 상대 위치를 계측하는 장치로, 절대식 수직 변위 검출 센서(721)와 마찬가지로 렌 즈의 광축 방향(Z축 방향)으로 검출용 레이저 빔을 투사한다. 증분식 횡변위 검출 센서(723)는 광축 방향과 직교하는 방향에 있어서의 렌즈의 상대 위치를 계측하는 장치로, 렌즈의 반경 방향으로 검출용 레이저 빔을 투사한다.

상기 렌즈 유닛(7)의 좌표계는 도 1을 참조해서 설명한 노광 장치(1)의 XYZ 직교 좌표계와 동일하며, 렌즈의 광축과 동일 방향을 Z축이라 할 때, 렌즈의 반경 방향을 XY평면으로 규정하고 있다.

도 3은 도 2에 나타낸 렌즈 유닛(7)에 렌즈 프레임(74)을 부착한 형태를 나타내고 있다. 도 4는 도 3에 표시된 IV-IV선을 따라 취한 단면도이다. 이들 도면에 나타낸 바와 같이, 렌즈 유닛(7)의 고정 경통(73)은 평판의 상부면에 역L자 형상의 돌기부를 형성한 단면 형상을 가진다. 렌즈(LE)는 렌즈 프레임(74) 위에 유지되고, 이 렌즈 프레임(74)은 나사 및 볼트를 통해서 구동 기구(71)에 고정된다.

보다 구체적으로는, 렌즈(LE)를 수납하는 렌즈 프레임(74)에는 표면에 플랜지부(74a)를 가지며, 해당 플랜지부(74a)가 상기 3조의 구동 기구(71)의 변위 출력부에 체결된다. 이 플랜지부(74a)에는 렌즈 프레임 변위 검출용의 타겟 미러(75)가 장착되어 있다.

이와 같이 타겟 미러(75)를 부착하면, 절대식 수직 변위 검출 센서(721) 또는 증분식 수직 변위 검출 센서(722)로부터 투사된 검출용 레이저 빔은 타겟 미러(75)에 대해 반사된다. 이 반사광의 정보로부터 타겟 미러(75)의 변위량을 검출할 수 있다.

이상의 구성에 의하면, 3조의 구동 기구(71)를 등량씩 구동하면 렌즈(LE)의 광축(C) 또는 Z축 방향의 병진 구동을 제공할 수 있다. 또, 3조의 구동 기구(71)에 의한 구동량 간에 소정의 차이를 둠으로써, 도 3에 나타낸 θx 및 θy 방향으로 렌즈(LE)를 틸트 구동시킬 수 있다.

또, 절대식 수직 변위 검출 센서(721) 및 증분식 수직 변위 검출 센서(722)로부터의 출력 신호에 소정의 좌표변환의 피드백에 의해, 렌즈(LE)의 Z축 방향의 병진량 및 틸트 구동량에 대해 폐환 제어를 이용할 수 있다.

또한, 증분식 횡변위 검출 센서(723)의 출력 신호에 의거해서, 렌즈(LE)의 X축 방향 및 Y축 방향의 평행 편심과 관련된 레티클 상의 시프트량을 계산할 수 있다. 그리고, 이 계산 결과의 영향을, 도 2에 나타낸 웨이퍼 스테이지(WF1)의 구동량에 가할 경우, 렌즈(LE)의 편심과 관련된 레티클 상의 얼라인먼트 오차를 해소할 수 있다.

도 5 내지 도 8은 구동 기구(71)의 상세 구조를 나타내고 있다. 도 5는 구동 기구(71)의 평면도이고, 도 6은 구동 기구(71)의 측면도이며, 도 7은 도 5에 나타낸 VII-VII선을 따른 단면도이고, 도 8은 후술하는 변위 픽업 부재와 방향 변환기의 사시도이다. 도 8에서는 각종 나사의 도시를 생략한다.

구동 기구(71)의 국소 좌표계(UVW)는 다음과 같이 규정한다. 즉, U축은 렌즈(LE)의 반경 방향을 따른 축, V축은 렌즈(LE)의 반경 방향을 따르는 동시에 U축에 대해 수직인 축, W축은 렌즈(LE)의 광축(C)에 평행한 축이다.

이들 도면에 나타낸 바와 같이, 구동 기구(71)는 변위 픽업 부재(711), 방향 변환기(712), 적층형 압전 엑추에이터(713) 및 이들 부재를 연결하는 나사 등의 체 결 부재를 포함하고, 고정 경통(73)(도 6에 기재)의 상부에 장착되어 있다.

압전 엑추에이터(713)는, 원반형상의 압전 소자와 전극을 교대로 적층시켜 밀폐형 원통 용기 내에 수납된 봉 부재를 지니고, 상기 봉 부재의 일단부는 상기 용기로부터 돌출되어 있다. U축 방향의 전체 연장부는 인가 전압에 대략 비례해서 증가한다. 또, 압전 엑추에이터(713)는 압전 조정 나사(714)를 이용해서 변위 픽업 부재(711)에 연결된다.

그리고, 압전 엑추에이터(713)의 U축 방향에의 변위가 변위 픽업 부재(711)를 개입시켜 방향 변환기(712)로 전달하여, 렌즈 프레임(74)을 W축 방향으로 승강시킨다. 압전 조정 나사(714)의 변위 픽업 부재(711)에 있어서의 나사결합 깊이를 조정함으로써, 압전 엑추에이터(713)의 치수 오차를 보정할 수 있다.

변위 픽업 부재(711)는 모재가 되는 소정 두께의 판 형상 금속 블록에 대해 와이어 방전 가공하여 제작한다. 그리고, 천공기를 이용하여, 소정 개소에 나사구멍을 형성한다.

방향 변환기(712)는 변위 픽업 부재(711)와 마찬가지로 모재로서의 소정 두께의 판 형상 금속 블록에 대해 와이어 방전 가공에 의해, 방향 변환 링크(712a) 및 서포트 링크(712b)를 형성하고, 그리고, 천공기를 통해서, 소정 지점에 나사 구멍을 형성한다.

다음에, 구동 기구(71)의 조립 순서에 대해 설명한다. 먼저, 도 8의 사시도에 있어서, 방향 변환기(712)의 좌우의 빈 공간 속으로 변위 픽업 부재(711)의 양측 팔형상부를 삽입하여, 나사를 이용해서 체결한다. 다음에, 도 5에 나타낸 바와 같이, 변위 픽업 부재(711)로 둘러싸이는 공간에 압전 엑추에이터(713)를 부착하여, 압전 조정 나사(714)를 이용해서 압전 엑추에이터(713)의 출력 단부로서의 압전 접수 링크(713a)를 왼쪽 방향으로 누른다. 그리고, 변위 픽업 부재(711)를 압전 접수 링크(713a)에 압접시킨다. 이것으로 압전 엑추에이터(713)의 부착이 완료된다. 마지막으로, 구동 기구(71)를 환상 고정 경통(73)에 설치하면 조립이 완료된다.

도 9 및 도 10은 변위 픽업 부재(711) 및 방향 변환기(712)의 링크 기구를 나타내고 있다. 도 9는 변위 픽업 부재(711)를 나타내고, 도 10은 방향 변환기(712)를 나타내고 있다. 여기서, 도 5 내지 도 10을 참조하면서 구동 기구(71)의 동작 원리에 대해 설명한다.

압전 엑추에이터(713)의 2개의 전극 단자에 소정 전압을 인가하면, 압전 엑추에이터(713)의 전체 길이(L)는 U축 방향으로 (dL)만큼 신장한다. 그러면, 도 9에 나타낸 바와 같이, 한쪽의 압전 접수 링크(711b1)는 dU1=-dL/2만큼 변위하고, 다른 쪽의 압전 접수 링크(711b2)는 dU2=dL/2만큼 변위한다. 그러면, 탄성 경첩(H11), (H21)을 중심으로 회동 가능하게 구성된 변위 픽업 부재 링크(711a)는 W축 둘레를 회전한다. 이것에 의해, 연결 링크(711c1)는 dU3=-(3/2)dL만큼 변위하고, 연결 링크(711c2)는 dU4=(3/2)dL만큼 변위한다.

상기 연결 링크(711c1), (711c2)의 U축 방향의 변위는 도 10에 도시한 바와 같은 방향 변환기(712)의 수평 링크(712c1), (712c2)의 변위도 초래한다. 그러면, U축에 대해서 45°를 형성하도록 배치된 방향 변환 링크(712a)가 미세하게 회전하 여, 렌즈 프레임 구동 링크(712d)를 W축 방향으로 dW만큼 상승시킨다.

이상과 같이, 압전 엑추에이터(713)의 신장과 관련해서 렌즈 프레임 구동 링크(712d)가 W축 방향으로 미량 변위되지만, 이 렌즈 프레임 구동 링크(712d)는 W축 방향으로만 변위하고, U축 방향 및 V축 방향으로는 변위되지 않는다. 그 이유는 렌즈 프레임 구동 링크(712d)의 좌우 양쪽으로 지지 링크(712e)가 연결되어 있기 때문이다.

이 지지 링크(712e)는 렌즈 프레임 구동 링크(712d)의 U축 방향으로의 변위를 구속하고, 지지 링크(712f)는 렌즈 프레임 구동 링크(712d)의 V축 방향으로의 변위를 구속한다. 이 지지 링크(712f)는 수평 링크(712c1), (712c2)의 방향 변환기 중앙측 단부에 배치된다. 그리고, 수평 링크(712c1), (712c2)의 U축 방향의 변위는 구속되지 않고, V축 방향으로의 그들의 변위는 구속된다. 그 때문에, V축 방향 성분을 갖지 않는 수평 링크(712c1), (712c2)의 운동이 방향 변환 링크(712a)를 통해서 렌즈 프레임 구동 링크(712d)에 전달된다.

이상의 구성에 의해, 렌즈 프레임 구동 링크(712d) 위의 나사 구멍(712g)(도 5에 기재) 부근의 영역은 W축 방향으로만 변위하고, U축 방향 및 V축 방향으로의 변위는 구속된다. 그 때문에, 렌즈 프레임(74)을 W축 방향으로 정확하게 변위시킬 수 있다. 또, 탄성 경첩(H11), (H12), (H13), (H21), (H22), (H23) 간의 간격을 적당 선택함으로써, 압전 엑추에이터(713)의 변위 확대율을 적합하게 설정할 수 있다.

한편, 도 10에 나타낸 바와 같이, 렌즈 프레임 구동 링크(712d)는 양쪽을 지 지 링크(712e)에 의해 지지되고 있지만, 부분적으로 얇아(도 6 참조), 이 얇은 부분(712d1)은 U축 둘레의 뒤틀림 방향으로 탄성변형 가능하다. 또, 렌즈 프레임 구동 링크(712d)의 아래쪽을 구속하는 방향 변환 링크(712a)는 V축 방향으로 약간의 탄성변형 자유도를 가지고 있다.

그 때문에, 렌즈 프레임 구동 링크(712d)는 도 7에 나타낸 바와 같이 지지 링크(712e)의 단면 중앙부에 점(P)을 중심으로 한 U축 둘레로도 약간 비틀 수 있다. 즉, 렌즈 프레임 구동 링크(712d)는 W축 방향의 병진 운동과 U축 둘레의 뒤틀림 운동을 제공할 수 있다. 이 뒤틀림 운동에 의해 렌즈 프레임(74)의 틸트가 발생한다.

도 11 내지 도 13은 도 2에 나타낸 렌즈 위치 검출기(72)에 부착된 각종 센서의 상세 구조를 나타내고 있다. 도 11은 절대식 수직 변위 검출 센서(721)를 나타내고 있다. 예를 들어, 절대식 수직 변위 검출 센서(721)에 대해서는 삼각측량식 레이저 계측기를 이용하는 것이 바람직하다. 이 삼각측량식 레이저 계측기는 피검사대상인 타겟 미러(75)에 대해서 투사한 레이저광의 복귀 위치를 관측하여, 타겟 미러(75)의 위치를 검출한다. 또한, 그 적용예의 하나는 일본국 공개특허 평10-267648호 공보에 개시되어 있다. 이하에, 절대식 수직 변위 검출 센서(721)의 개략 구성과 위치 검출 원리에 대해 설명한다.

이 절대식 수직 변위 검출 센서(721)는 계측용의 반도체 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원(72a), 콜리메이터 렌즈(72b) 및 수광 광속의 무게 중심 위치를 검출할 수 있는 4분할 수광 부재(72c)를 갖추고 있다. 4분할 수광 부재(72c)는 광위 치 센서(PSD：Position Sensitive Detector)이지만, 그 외, 전하결합소자 이미지 센서를 수광 소자로서 매우 적합하게 이용할 수 있다. 센서 제어 회로(72d)는 레이저 광원(72a)의 구동 및 4분할 수광 부재(72c)로부터 출력되는 신호의 처리 및 각종 연산 등을 실시한다.

상기 구성에 있어서, 레이저 광원(72a)으로부터 방사된 레이저빔은 콜리메이터 렌즈(72b)를 통해서 대략 평행 광속으로서 타겟 미러(75)에 입사하여, 해당 타겟 미러(75)에 대해서 반사된 후, 4분할 수광 부재(72c)의 수광면에 입사한다. 4분할 수광 부재(72c)는 타겟 미러(75)가 렌즈 프레임(74)과 함께 Z축 방향으로 이동했을 때 변화하는 수광 스폿의 무게 중심 위치에 따른 신호를 출력한다. 이와 같이 해서, 센서 제어 회로(72d)가 무게 중심 위치를 산출하면, 렌즈(LE)의 Z축 방향 변위를 검출할 수 있다.

삼각측량식 레이저 계측기는 피검사대상까지의 절대 거리를 검출할 수 있기 때문에, 절대식 수직 변위 검출 센서(721)에의 전원이 한 번 차단되고 다시 공급되었을 때에도 Z축 위의 기준점에 대한 렌즈(LE)의 Z좌표를 서브마이크론 정도의 정밀도로로 검출할 수 있다.

도 12는 증분식 수직 변위 검출 센서(722)를 나타내고 있다. 증분식 수직 변위 검출 센서(722)는 간섭식 레이저 계측기를 바람직하게 이용할 수 있다. 간섭식 레이저 계측기란, 피검사대상인 타겟 미러(75)에 대한 반사광과 증분식 수직 변위 검출 센서(722) 내의 전반사 미러(72e)에 대한 반사광을 서로 합해서 간섭시켜, 간섭 신호의 파수를 계수하여, 피검사대상의 이동량을 측정하는 장치이다. 간섭식 레이저 계측기의 일례는 일본국 공개특허 평11-94514호 공보에 개시된 위치 검출 장치이다. 이하에, 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 개략 구성과 위치 검출 원리를 설명한다.

이 증분식 수직 변위 검출 센서(722)는 계측용의 반도체 레이저빔을 방사하는 레이저 광원(72a), 콜리메이터 렌즈(72b), 4분할 수광 부재(72c) 및 센서 제어 회로(72d), 전반사 미러(72e), 비편광 빔 분할기(72f), 편광 빔 분할기(72g), 간섭용 광학 소자(72h) 및 흡광 수단(72j)을 포함한다.

상기 구성에 있어서, 레이저 광원(72a)으로부터 방사된 레이저광은 콜리메이터 렌즈(72b)를 통해서 적당한 집광광속(도 12에서는 평행 광속으로서 표시됨)으로 정형되어, 비편광 빔 분할기(72f)에 입사한다. 그리고, 입사 광속의 50%는 비편광 빔 분할기(72f)를 투과하여 흡광 수단(72j)에 도달해서 흡수된다. 또, 입사광의 나머지의 50%는 비편광 빔 분할기(72f)에 대해 반사되어 왼쪽으로 진행하여, 편광 빔 분할기(72g)에 입사한다.

편광 빔 분할기(72g)의 표면에서 반사된 s-편광의 광속은 타겟 미러(75)에 입사하여, 해당 타겟 미러(75)에서 반사된 후, 편광 빔 분할기(72g)의 표면에서 재반사되어, 원래의 광로를 통해 비편광 빔 분할기(72f)로 되돌아온다. 한편, 편광 빔 분할기(72g)를 투과한 p-편광의 광속은 전반사 미러(72e)에 입사해서, 해당 전반사 미러(72e)로 반사한 후, 편광 빔 분할기(72g)를 재투과하여 원래의 광로를 따라 되돌아온다.

이상의 구조에 의해, 이동하는 피검사대상인 타겟 미러(75)로부터의 s-편광 의 반사광과 전반사 미러(72e)로부터의 p-편광의 반사광이 편광 빔 분할기(72g)에서 합성될 수 있다. 그리고, 이 합성된 광의 50%가 비편광 빔 분할기(72f)를 투과하여, 간섭용 광학 소자(72h)에 입사한다. 간섭용 광학 소자(72h)에는 왼쪽의 입사면쪽으로부터 차례대로, 1/4 파장판, 어퍼처(aperture), 지그재그 형상 격자 구조를 가지는 위상 회절 격자 및 편광 방위가 45°시프트된 4분할 편광판이 배치된다.

여기서, 합성된 광은 서로 직교하는 직선 편광이지만, 간섭용 광학 소자(72h) 내의 1/4 파장판에 의해 반전된 원형 편광빔으로 변환된다. 그 다음에, 어퍼처를 통해서 광량이 큰 중심 광속만이 통과하고, 지그재그 형상 격자 구조의 위상회절격자로 4개의 광속으로 진폭 분할되어 4분할 편광판을 통과한다. 이상의 과정에 의해서 생성된 4분할 광속은 그 명암 타이밍을 위상으로 환산해서 90도씩 어긋난 간섭광으로 변환되고 있다. 그리고, 이 4개의 광속을 각각 4분할 수광 부재(72c)의 수광부에 입사시켜, 이 4개의 출력 신호를 이하의 방법으로 처리한다.

먼저, 서로 180°의 위상차를 가지는 2개의 신호 간의 차분을 추출하여 DC성분을 제거하고, 그 결과 얻어진 신호를 A상 신호라 칭한다. 마찬가지로, 180°의 위상차를 가지는 나머지의 2개의 신호의 차분을 추출하여, DC성분을 제거함으로써 B상 신호를 생성한다. 이 A상 신호와 B상 신호는 90°의 위상차를 가지므로, 이것을 오실로스코프(oscilloscope)에 표시한 경우 원형의 리사쥬(Lissajou) 파형을 얻을 수 있다(도 18 참조).

여기서, 증분식 수직 변위 검출 센서(722)와 타겟 미러(75) 간을 왕복하는 계측광의 광로 길이 변화가 광원 파장과 일치하면, 간섭 신호는 1 주기만큼 변화한다. 즉, 피검사대상이 광원 파장의 반의 거리만큼 이동하면, 간섭 신호는 1 주기만큼 변화한다. 따라서, 계측용 레이저빔이 광원 파장 λ=800 ㎚를 가지는 경우, 타겟 미러(75)가 400 ㎚만큼 이동할 때마다 간섭 신호도 1 주기만큼 변화하고, 리사쥬 파형도 원형 궤적을 따라서 1바뀌 돈다. 그 때문에, 주지의 방법으로 간섭 신호의 파수를 계측할 경우, 피검사대상의 이동량을 400 ㎚ 단위로 검출할 수 있다. 또, 전기적인 위상 분할 장치를 이용해서 상기 간섭 신호를 분할(즉, 분주)하면, 피검사대상의 이동량을 서브 ㎚의 정밀도로 검출할 수 있다.

도 13은 증분식 횡변위 검출 센서(723)를 나타내고 있다. 전술한 증분식 수직 변위 검출 센서(722)는 타겟 미러(75)의 수직 방향 이동량을 검출한다. 한편, 증분식 횡변위 검출 센서(723)는 타겟 미러(75)의 횡방향 이동량, 또는 렌즈(LE)의 반경 방향의 이동량을 검출한다. 따라서, 증분식 수직 변위 검출 센서(722)와는 내부의 광학 소자의 배치가 다르다. 그러나, 두 센서의 검출 원리는 동일하므로, 그에 대한 설명은 생략한다.

도 14는 도 1에 나타낸 반도체의 노광 장치(1)의 노광 동작이나 렌즈 구동 동작을 제어하기 위한 제어 회로를 나타내고 있다. 도면에 나타낸 바와 같이, 제어 회로는 노광 장치 전체의 동작을 제어하는 본체 제어 수단(8)과, 렌즈의 위치를 제어하는 렌즈 제어 수단(6)을 포함한다. 본체 제어 수단(8)은 본체 CPU(81)를 포함하고, 이 본체 CPU(81)에 마운트 제어 수단(82), 조명 제어 수단(83), 레티클 스테이지 제어 수단(84), 웨이퍼 스테이지 제어 수단(85) 및 간섭계 제어 수단(86)이 접속되어 있다.

마운트 제어 수단(82)은 경통 마운트(32)의 제진 동작을 제어한다. 조명 제어 수단(83)은 조명 유닛(4)의 조명 모드 및 광량을 제어한다. 레티클 스테이지 제어 수단(84)은 레티클 스테이지(R1)의 구동을 제어한다. 웨이퍼 스테이지 제어 수단(85)은 웨이퍼 스테이지(WF1)의 구동을 제어한다. 간섭계 제어 수단(86)은 간섭계(51)에 의한 계측을 제어한다.

렌즈 제어 수단(6)은 3개의 렌즈 CPU(61)를 갖고, 이 렌즈 CPU(61)는 도 1에 나타낸 렌즈 유닛(7)마다 설치된다. 즉, 렌즈 제어 수단(6)은 투영 광학계(2)에 구비된 렌즈 유닛(7)과 동일한 개수의 렌즈 CPU(61)를 가진다. 각 렌즈 CPU(61)에는 3개의 구동 기구 제어 수단(62)이 접속되고, 각 구동 기구 제어 수단(62)은 도 5에 나타낸 구동 기구(71)를 제어한다. 그리고, 구동 기구 제어 수단(62)은 압전 드라이버(71a) 및 압전 소자(71b)를 구비하고, 도 5에 나타낸 압전 엑추에이터(713)를 구동한다.

또, 렌즈 CPU(61)에는 3개의 렌즈 위치 검출기(72)가 접속되어 있다. 렌즈 위치 검출기(72)에는 절대식 수직 변위 검출 센서(721), 증분식 수직 변위 검출 센서(722) 및 증분식 횡변위 검출 센서(723)가 설치되어 있다.

상기 구성에 있어서, 렌즈 CPU(61)는 본체 CPU(81)와 통신하고, 소정의 프로그램에 의거해서 구동 기구(71)의 구동을 제어하여, 렌즈를 목표 위치를 향해서 구동시켜, 투영 광학계(2)의 여러 가지의 수차가 최소로 되도록 구동 기구(71)를 제어한다.

도 15는 렌즈 유닛(7)의 제어 블록을 나타낸다. 본체 CPU(81) 내의 렌즈 목표 위치 연산 블록(B81)은 렌즈 기준점(L0)의 Z축 방향 구동 목표치(Z0) 및 틸트 구동 목표치(θx0), (θy0)를 산출하여, 그 결과를 렌즈 CPU(61)에 송신한다. 그러면, 해당 목표치는 렌즈 CPU(61) 내의 가산점(P1)에 입력된다.

이 가산점(P1)에서는 상기 목표치(Z0), (θX0), (θY0)로부터 후술하는 피드백 신호치(Zm), (θXm), (θYm)가 감산되어, 그 잔차 신호가 보상 회로 블록(B71)에 입력된다. 보상 회로 블록(B71)에서는 제어의 안정성을 향상시키기 위해서 PI보상기가 이용되고 있다. 보상 회로 블록(B71)을 경유한 신호는 좌표변화 블록(B72)에 입력된다.

좌표변화 블록(B72)에서는, 상기 잔차 신호를, 구동 기구(71)의 Z축 방향 구동 목표치(Z0)에 대응한 압전 구동 전압 지령치로 변환한다. 여기서, 렌즈(LE)의 구동 목표치가 (Z0), (θX0), (θY0)인 것으로 가정하면, 구동 기구(71)의 구동 변위(W1), (W2), (W3)는(도 16 참조), 하기 수식 1에 의해 부여된 바와 같은 소정의 변환 행렬을 곱함으로써 산출될 수 있다:

[수식 1]

.

따라서, 좌표변화 블록(B72)에서는 전압치를 출력하기 위해서, 이하의 수식 2에 의한 변환을 제공할 수 있다:

[수식 2]

.

(δZ0), (δθX0), (δθY0)은 제어 잔차, (VP1), (VP2), (VP3)는 압전 드라이버(71a)에의 제어 지령 전압 신호, (CV)는 변위량을 제어 전압으로 환산하기 위한 변환계수이다.

수식 2에 의해 산출된 제어 지령 전압 신호(VP1), (VP2), (VP3)을 압전 드라이버(71a)에 입력하면, 압전 소자(71b)가 소정량 신장한다. 그리고, 구동 기구(71)의 변위 픽업 부재(711)와 방향 변환기(712)를 포함하는 방향 변환기(71c)를 경유하여, 렌즈 프레임(74)에 구동 변위(W1), (W2), (W3)를 부여하여 렌즈 프레임(74) 및 렌즈를 소망의 위치로 이동시킨다.

그러면, 3조의 렌즈 위치 검출기(72)는 렌즈 프레임(74)에 고정된 타겟 미러(75)(도 11 내지 도 13 참조)의 변위량을 계측해서, 합계 9 종류의 계측 신호를 센서 출력 원점 규정 블록(B73)에 입력한다. 여기서, 상기 9 종류의 계측 신호는 비증분식 변위 신호로서의 절대 위치 신호와 증분식 변위 신호를 포함하고, 도 16에 도시된 바와 같이 광축(C) 방향의 절대 변위 성분으로서의 수직 방향 변위(H1), (H2), (H3)와 렌즈 반경 방향의 절대 변위 성분인 수평 방향 변위(S1), (S2), (S3)를 고려할 수 있다.

여기서, 도 16을 참조하면, 렌즈 프레임(74)의 각 개소의 이동량과 좌표 정 의에 대해 설명한다. 도면에 나타낸 바와 같이, 렌즈(LE)를 유지하는 렌즈 프레임(74)의 플랜지부(74a)는 120도 간격으로 배치된 3조의 구동 기구(71)(도 2에 기재)의 변위 출력부에 체결된다. 그리고, 3개의 구동 기구(71)의 수직 방향의 구동 변위를 (W1), (W2), (W3)라 가정하면, 플랜지부(74a)의 3개소가 광축(C) 방향에 따라서 (W1), (W2), (W3)만큼 이동한다.

또, 플랜지부(74a)에는 구동 기구(71) 간에, 렌즈 위치 검출기(72)(도 2에 기재)가 배치되어 있다. 그리고, 3조의 위치 검출기(72)의 수직 방향 변위를 (H1), (H2), (H3), 그들의 수평 방향 변위를 (S1), (S2), (S3)라 가정하면, 예시된 바와 같이, 플랜지부(74a)의 3개소에 있어서, (H1), (H2), (H3), (S1), (S2), (S3)의 변위가 검출된다.

도 17은 렌즈(LE)의 위치 제어시 렌즈 좌표 또는 XYZ 직교 좌표를 정의하는 것으로, 여기서 좌표 원점은 렌즈(LE)가 설계상의 기준 위치에 놓여졌을 경우의 입사면 중앙(또는 렌즈 제 1면의 정점)이다. 또, Z축은 광축(C), X축은 반경 방향축, Y축은 X축과 직교하는 반경 방향축이다. 또한, 렌즈(LE)의 입사면 중앙은 렌즈 위치 제어시의 렌즈 위치 대표점, 또는 렌즈 기준점(L0)으로 정의된다.

또, 3조의 구동 기구(71)를 동일한 구동 변위(W1=W2=W3)로 구동하면, 렌즈 기준점(L0)은 Z축 방향으로 병진 운동하고, 그 변위량은 (Zm)으로 표현된다. 또, 3조의 구동 기구(71)의 변위량이 다를 수 있도록 구동 기구(71)를 구동하면, 3조의 구동 기구(71)의 구동량의 상대적 변화에 따라 렌즈(LE)는 X축 둘레 또는 Y축 둘레에 틸트 변위한다. 그 틸트 변위량은 (θXm)방향 및 (θYm)방향이다.

일반적으로 틸트 구동하게 될 렌즈(LE)의 틸트 중심은 렌즈 기준점(L0)과는 일치하지 않고, X축 둘레의 틸트에 수반해서 Y축 방향의 병진 변위(횡방향 시프트) 변위가 생기고, Y축 둘레의 틸트에 수반해서 X축 방향의 병진 변위(횡방향 시프트)가 생긴다. 이들 횡방향 시프트 변위를 각각 (Ym), (Xm)이라 칭한다.

다음에, 도 15로 되돌아오면, 좌표변화 블록(B74)은 상술한 공정으로 산출된 6 종류의 변위 정보를 렌즈(LE)의 위치 좌표로 변환한다. 렌즈(LE)의 변환 전 측정치(H1), (H2), (H3), (S1), (S2), (S3)와 렌즈 기준점(L0)의 좌표치(변환 후 계측치)(Xm), (Ym), (Zm),(θXm), (θYm), (Rm)는 소정의 변환 행렬을 이용해서 서로 변환될 수 있고, 이하의 수식 3에 의해 상관된다:

[수식 3]

여기서, 총 5개의 변환 후 계측치(Xm) 내지 (θYm)는 이미 설명한 바와 같다. (Rm)은 렌즈 프레임(74)의 직경 크기에 관한 값이다. 그리고 본 실시형태에 있어서, 상기 변환 행렬에서의 계수 중 일부는 이하의 수식 4로 표현되는 바와 같이 실질상 제로로 된다:

[수식 4]

즉, 렌즈의 Z축 방향 병진 변위(Zm) 및 틸트 변위(θXm), (θYm)는 계측된 Z축 방향의 절대 변위인 수직 방향 변위(H1), (H2), (H3)보다 산출되어 렌즈 반경 방향의 절대 변위로서 수평 방향 변위(S1), (S2), (S3)에는 의존하지 않는다. 또, 렌즈(LE)의 Z축과 직교하는 방향의 변위(Xm), (Ym) 및 렌즈 프레임(74)의 직경 치수(Rm)는 렌즈 반경 방향의 절대 변위로서의 수평 방향 변위(S1), (S2), (S3)에 의해 산출되어, 계측된 Z축 방향의 절대 변위인 수직 방향 변위(H1), (H2), (H3)에는 의존하지 않는다. 바꾸어 말하면, 제어 자유도를 가진 방향의 변위 성분은 Z축 방향으로 검출 감도를 가진 센서로 검출되고, 제어 자유도를 갖지 않는 방향의 변위 성분은 Z축과 직교하는 방향으로 검출 감도를 가진 센서로 검출되고 있다. 자유도는 피검사대상의 좌표(시스템에서의 모든 질량점)에 있어서의 독립적으로 결정된 수(또는 어떤 경우에는 독립적으로 결정가능한 좌표의 조합)이다. 제어 또는 구동 자유도는 독립적으로 결정가능한 좌표 조합 중 제어 혹은 구동될 좌표 혹은 좌표 조합의 수이다.

여기서, 변환 전의 수직 방향 변위(H1), (H2), (H3) 및 변환 후의 각종 변위 (Zm), (θXm), (θYm)는 광학 요소를 능동적으로 구동함으로써 얻어지는 변위이다. 한편, 변환 전의 수평 방향 변위(S1), (S2), (S3) 및 변환 후의 각종 변위(Xm), (Ym), (Rm)는 능동적으로 제어할 수 없는 부차적인 변위이다.

전술한 공정에서 얻어진 6개의 변환 후 계측치 중, 렌즈(LE)에 대한 위치 제어에 필요한 정보는 (Zm), (θXm), (θYm)의 3개이다. 그 때문에, 이들 값을 가산점(P1)에 반전 입력함으로써, 상기 목표치(Z0), (θX0), (θY0)로부터의 차이인 제어잔차를 보상 회로 블록(B71)에 입력할 수 있다. 그리고, 제어 잔차를 해소하도록 압전 엑추에이터(713)를 재구동하면, 렌즈(LE)는 정밀하게 위치 결정될 수 있다.

한편, 계측된 6종의 변위 정보(Xm), (Ym), (Zm), (θXm), (θYm), (Rm)는 본체 CPU(81)의 웨이퍼 스테이지 위치 보정 블록(B82)에 송신된다. 이들 변위 정보 중, 예를 들어 (Xm) 및 (Ym)은 레티클 상의 중첩 오차를 저감하는 데 이용된다. 그 이유는, 레티클 상의 중첩 오차는 렌즈(LE)가 틸트되어 횡방향 시프트 변위(Xm), (Ym)를 발생시킬 경우에 일어나기 때문이다.

또, 횡방향 시프트 변위(Xm), (Ym)는 웨이퍼(WF) 위에 결상된 레티클 상을 이동시키는 것뿐만 아니라, 투영 광학계의 수차도 변화시킨다. 여기서, (Xm), (Ym)에 의거해서, 웨이퍼 스테이지(WF1)의 스캔 변위량을 교정할 경우, 웨이퍼(WF) 위의 레티클 상의 위치 결정 정밀도가 향상하여 중첩 오차를 저감시킬 수 있다.

예를 들어 (Rm)은 렌즈 유닛(7)의 고장이나 치수의 경시 변화를 검출하기 위해서 이용된다. 렌즈 프레임(74)의 직경은 본래 불변량이므로, 계측치(Rm)가 크게 변화했는지의 여부를 판별함으로써, 렌즈 유닛(7)의 고장의 유무를 판단할 수 있 다. 또, (Rm)이 미소량 변화했는지의 여부를 판별하면, 치수의 경시 변화를 검출할 수 있다. (Rm)이 미소량 변화했을 경우, 렌즈(LE) 및 렌즈 프레임(74)의 열팽창 또는 금속의 시효에 의한 장기 변형 등을 추측할 수 있다.

다음에, 렌즈 유닛(7) 내의 렌즈 위치 검출기(72)에 있어서의 각 센서의 조정 방법에 대해 설명한다. 여기서 조정이란, 증분식 변위 검출 센서로부터 출력되는 주기 신호의 파형 정형 또는 소위 리사쥬 조정과, 절대식 검출 변위 센서의 출력치에 의거한 증분식 변위 검출 센서의 계측 기준점을 규정하는 조정을 망라한다.

먼저, 리사쥬 조정의 원리에 대해 설명한다. 리사쥬 조정이란, 서로 위상이 다른 복수의 정현파로부터 변위 신호를 연산하는 전처리로, 각 정현파의 파형 정형을 행하는 데 사용되는 조정이다. 도 18에 도시된 바와 같이, 가로축은 센서 제어 회로(72d)에 의해 산출된 간섭 신호의 A상 출력을 나타내고, 세로축은 간섭 신호의 B상 출력을 나타낸다. 그리고, A상 신호와 B상 신호는 출력 진폭이 동일하고 90°만큼의 위상차를 가진 정현파이므로, 두 상의 궤적은 2차원 평면에서 표현될 경우 이상적으로는 원을 형성한다.　그렇지만, 센서 내의 각 광학 소자가 제조 오차를 가지고 4분할 수광부가 감도차를 가질 경우, AB상은 모두 진폭이 다르거나 위상차가 90°로부터 어긋나거나 해서, 결과적으로, 예를 들어, 파선으로 표시된 바와 같은 타원 궤적으로 된다. 이 타원 궤적을 전기적으로 분주하면, 분주 오차가 생겨 정확한 변위 신호를 얻을 수 없다. 이 문제를 회피하기 위해서, 센서 제어 회로(72d) 내의 리사쥬 조정 수단(도시 생략)은, 리사쥬 파형이 원형(도면 중, 실선)이 되도록 리사쥬 조정 또는 파형 정형하는 데 이용된다.

다음에, 수직 변위 검출 센서의 기준점 주사와 기준점 규정 방법에 대해서 설명한다. 도 19A 내지 도 19D에 있어서, 가로축은 렌즈(LE)의 Z축 방향의 위치, 세로축은 타겟 미러(75)의 Z축 방향의 변위 계측치 또는 센서 출력치이다. 도 19A는 구동 기구(71)의 전원 오프시 렌즈(LE)의 Z축 방향 위치(하한 위치)가 설계상의 기저 위치(Hbtm1)와 일치하고 있는 경우를 나타내고 있다.

이 상태에서, 3조의 구동 기구(71) 내의 압전 엑추에이터(713)의 각각에 전압을 인가하여, 렌즈(LE)를 Z축의 양의 방향으로 구동하면, 절대식 수직 변위 검출 센서(721)의 출력치(Habs)는 파선과 같이 변화한다. 여기서, 렌즈(LE)가 설계상의 이상적인 위치 또는 광학 원점과 일치하도록, 또는 렌즈(LE)가 가동 범위의 중앙에 도달했을 때에 해당 센서(721)가 원점에 상당하는 신호를 출력하도록, 미리 기계적 또는 전기적으로 상기 센서(721)가 조정된다.

이와 같이, 상기 센서(721)는 피검사대상의 절대 위치를 검출할 수 있지만, 검출 출력의 직선성은 광학식 간섭계인 증분식 수직 변위 검출 센서(722)에 대해서 뒤떨어지고 있다. 즉, 절대식 수직 변위 검출 센서(721)의 출력 파형(점선)은 (Habs)와 같이 원점(0)을 통과하지만 도 19B에 보다 선형성이 작다.

한편, 증분식 수직 변위 검출 센서(722)는 검출 분해능 및 검출 출력의 직선성에 있어서 절대식 수직 변위 검출 센서(721)에 비해 우수하다. 그러나, 해당 센서(722)는 전원 투입 후 변화분을 출력할 수 있지만, 피검사대상의 절대 위치를 검출할 수 없기 때문에, 그 출력치(Hinc)는 도 19B에 나타낸 실선으로 표시한 바와 같이 된다.

거기서, 렌즈(LE)가 원점을 통과했을 때의 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 출력치(Hinc0)를, 절대식 수직 변위 검출 센서(721)의 출력치(Habs0)와 일치시키면, 해당 검출 센서(722)의 기준점위치가 결정된다. 이 조작에 의해, 이 절대식 수직 변위 검출 센서(721)의 기준점(Habs0)으로서 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 원점을 규정하여, 실질적으로 피검사대상의 절대 위치를 검출할 수 있게 된다.

도 19C는, 구동 기구(71)에의 전원 오프시, 렌즈(LE)의 Z축 방향 위치(또는 기저 위치 혹은 하한 위치)가 설계치(Hbtm1)로부터 미소량 어긋난 (Hbtm2)에 위치하고 있는 경우를 나타내고 있다. 여기서, 렌즈의 기저 위치는, 압전 엑추에이터(713)의 크리프에 의한 초기 길이의 변화, 압전 엑추에이터(713)의 교환에 의한 초기길이의 변화 또는 예압 조정량 변화 등으로 인해 어긋날 수 있는 것으로 상정된다.

이 상태에서 압전 엑추에이터(713)에 전압을 인가하여, 렌즈(LE)를 Z축의 양의 방향으로 구동한다. 그러면, 절대식 수직 변위 검출 센서(721)의 출력치(Habs)는 그 출력 개시점이 도 19A와는 다르지만, 그 후의 출력 신호는 도 19A와 일치해서, 파선으로 표시한 바와 같이 변화한다.

한편, 증분식 수직 변위 검출 센서(722)는 전원 투입시부터의 변화량을 출력한다. 이때 렌즈(LE)의 기저 위치가 전술한 이유로 인해 어긋나 있으면, 실선으로 나타낸 출력치(Hinc)는 세선(도 19A의 실선에 상당)으로 나타낸 출력치(Hinc)와는 다르다.

그러나, 전술한 바와 같이, 렌즈(LE)가 원점을 통과했을 때의 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 출력치(Hinc0)를 절대식 수직 변위 검출 센서(721)의 출력치(Habs0)와 일치시키면, 해당 센서(722)의 기준점위치가 규정된다. 그 결과를 도 19D에 나타내지만, 전술한 공정에 있어서, 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 원점은 도 19B의 경우와 일치한다.

상기 조정은 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 기준점을 규정하고, 센서(722)는 정밀한 절대식 수직 변위 검출 센서(721)로서 기능할 수 있다.

다음에, 렌즈(LE)를 틸트 구동했을 때에 부차적으로 발생하는 변위에 대해 설명한다. 도 20은 X축 둘레에 틸트 구동되기 전의 렌즈(LE)를 나타내고 있다. 또, 도 21은 도 20에 나타낸 증분식 횡변위 검출 센서(723) 부근의 확대도이다.

여기서, 렌즈(LE)를 X축 둘레에 반시계 방향으로 틸트 구동시키기 위해서는, 도 3에서의 3조의 구동 기구(71)에 있어서 위쪽의 구동 기구(71)의 출력부를 Z축의 음의 방향으로 제어하고, 그의 오른쪽 하부 및 왼쪽 하부의 구동 기구(71)의 출력부를 Z축의 양의 방향으로 제어할 필요가 있다. 도 16을 참조하면, 구동 변위(W1)에 -δW를 할당하고, 구동 변위(W2), (W3)에 ＋2δW를 할당하면서 구동 기구(71)를 제어하면, 렌즈 기준점(L0)에는 Z축 방향의 병진은 발생하지 않고, 렌즈(LE)는 X축 둘레로만 틸트된다.

이때의 렌즈(LE)의 틸트 중심축은 도 20에서 점 Pc로 표시하고 있다. 상기 틸트 중심축(Pc)은 3조의 구동 기구(71) 내의 렌즈 프레임 구동 링크(712d)의 상부 표면(도 8 참조)을 통과하는 평면상에 위치하고, 한편 광축(C)과 교차하는 축과 대 략 일치한다. 그 이유는 다음과 같다.

도 16에 있어서, 3조의 구동 기구(71)가 동일한 Z축 방향 구동 변위를 가지는 경우, 렌즈 프레임(74)은 Z축 방향으로 병진한다. 한편, 3조의 구동 기구(71)가 상이한 Z축 방향 구동 변위를 가지는 경우, 각 구동 기구(71)의 렌즈 프레임 구동 링크(712d)(도 10에 도시됨)는 상이한 양만큼 Z축 방향으로 병진하고, 그 결과, 렌즈 프레임(74)이 틸트된다. 이 틸트 동작에 의해, 렌즈 프레임(74)이 체결되어 있는 렌즈 프레임 구동 링크(712d)에도, 상기 틸트각과 동일한 각도만큼 강제적인 경사를 일으킨다.

이 경우, 도 10을 참조해서 설명한 바와 같이, 렌즈 프레임 구동 링크(712d)를 구속하는 지지 링크(712e)는 U축 둘레에 비틀림 가능한 구조를 가진다. 그 때문에, 렌즈(LE)를 틸트 구동시킬 수 있고, 따라서, 도 20에 있어서의 렌즈(LE)의 틸트 중심축(Pc)은 지지 링크(712e)의 얇은 부분(712d1)(도 6에 도시됨)을 포함하는 평면과 광축(C) 간의 교점 근방에 위치된다. 여기서, 얇은 부분(712d1)을 포함하는 평면의 Z축 방향 높이는 렌즈 프레임 구동 링크(712d)와 렌즈 프레임(74) 간의 체결 평면의 높이와 대략 같다.

즉, 렌즈 유닛(7) 내의 렌즈(LE)가 틸트 구동할 때, 베어링이나 피벗 기구 등으로 규정된 고정된 틸트 중심은 존재하지 않지만, 구동 기구(71)의 일부가 낮은 변형 강성을 가진 경우 렌즈(LE)의 틸트 중심축(Pc)이 규정된다.

다음에, 렌즈(LE)가 틸트 구동한 경우의 횡방향 시프트량에 대해 설명한다. 도 20 및 도 24에 있어서, (RR)는 틸트 중심축(Pc)을 타겟 미러(75)에 있어서의 증 분식 횡변위 검출 센서(723)의 변위 계측점(P11)에 접속하는 선분을 나타낸다. 또, 점(P12)은 틸트 중심축(Pc)을 통과하는 수평선과 상기 변위 계측점(P11)을 통과하는 수직선과의 교점을 나타낸다. 이들 3개의 점(Pc), (P11), (P12)은 직각 삼각형(PcP11P12)을 규정한다.

(RS)는 선분(RR)의 Y축 방향 성분을 나타내고, (HS)는 선분(RR)의 Z축 방향 성분을 나타낸다. 또, (α)는 틸트 중심축(Pc)을 통과하는 수평선과 선분(RR)와의 상대 각도를 나타낸다. 도 21은 상기 센서(723)의 계측 빔이 투사되는 타겟 미러(75)의 반사면과 상기 틸트 중심축(Pc) 간의 Y축 방향의 거리로서 (RS)를 정의하고 있다.

도 22는 렌즈(LE)가 반시계방향으로 각도(β)만큼 틸트 구동했을 때의 단면을 나타내고 있고, 도 23은 도 22에 도시된 증분식 횡변위 검출 센서(723) 부근의 확대도이다. 렌즈(LE)의 틸트 변위에 수반해서, 타겟 미러(75)는 Z축의 양의 방향 및 Y축의 음의 방향(또는 도 22 및 도 23에서는 우측 방향)으로 미소량만큼 변위한다. 따라서, 도 24에서 정의된 직각 삼각형(PcP11P12)은 직각 삼각형(PcP21P22)으로 이동하고, 계측 빔 조사부재(P21)와 틸트 중심축(Pc) 간의 Y축 방향 성분(RS)는 δRS만큼 증가한다.

다음에, 이 횡방향 시프트량(δRS)에 대해 설명한다. 도 24는 실선으로 가리킨 는 틸트 구동되기 전의 실선으로 표시된 직각 삼각형(PcP11P12) 및 틸트 구동 후의 파선으로 표시된 직각 삼각형(PcP21P22)을 나타내고 있지만, (δRS)를 설명할 목적으로 각도(α)를 과장해서 나타내고 있다. 여기서, ∠P11PcP12 = α를 충족하 면, 이하의 수식 5도 성립된다:

[수식 5]

.

또, (ARC)가 틸트 전의 정점(P11)과 틸트 후의 정점(P21)을 연결하는 선분인 경우 각도(β)가 미세하면, 이하의 수식 6이 성립된다:

[수식 6]

.

그리고, (P3)이 점(P11)을 통과하는 수평선과 점(P21)을 통과하는 수직선과의 교점이고, γ = ∠P12P11P21 = ∠P3P21P11인 경우, 점(P11)과 점(P3) 간의 거리(δRS)가 렌즈(LE)의 틸트 구동에 의해서 초래되는 타겟 미러(75)의 Y축 방향의 횡방향 시프트량이면, 이하의 수식 7이 성립된다:

[수식 7]

.

또, 틸트각(β)가 α와 같은 다른 각도에 대해서 무시할 수 있는 미소각이라는 가정하에, 도 24에 나타낸 이등변 삼각형(PcP11P21)의 기저 각에 주목하면, 이하의 수식 8이 성립된다:

[수식 8]

.

또한, 수식 8을 수식 7에 대입하고, 더욱 수식 5 및 수식 6을 이용하면, 이하의 수식 9가 얻어진다:

[수식 9]

.

즉, (β)가 틸트각이고, (HS)가 증분식 횡변위 검출 센서(723)의 검출 빔 위치(P11)와 렌즈(LE)의 틸트 중심축(Pc) 간의 Z축 방향 치수라고 가정할 경우, 렌즈(LE)를 틸트 구동하면, 변위(δRS) 검출 신호가 해당 센서(723)에 발생한다.

한편, (λ)가 상기 센서(723)의 광원 파장이라고 가정하면, 해당 센서(723)와 타겟 미러(75) 간의 거리가 λ/2만큼 변화할 경우, 도 18을 참조해서 설명한 리사쥬 파형 1 주기 분의 간섭 신호가 얻어진다. 따라서, 렌즈(LE)를 틸트 구동할 경우 센서(723)에 발생하는 간섭 신호을 이용하는 리사쥬 조정은 이하의 수식 10이 성립될 필요가 있다:

[수식 10]

.

그리고 수식 9 및 수식 10으로부터 이하의 수식 11이 유도된다:

[수식 11]

.

구체적인 수치의 일례로서, 수식 11에, λ=800(㎚)=8×10^-4(㎜) 및 β=1×10^-4(rad)를 대입하면, HS＞4가 얻어진다. 구체적으로는, 이 예에서는 광원 파장 λ=800(㎚)을 가진 간섭형 레이저 계측기 및 구동 기구(71)에서 실제로 이용하기 위한 최대 틸트각 β=1×10^-4(rad)라고 하는 특성을 가진 렌즈 유닛(7)을 이용한다. 그리고, 렌즈(LE)의 틸트 중심축(Pc)으로부터 상기 측정기의 계측 빔 위치를 Z축 방향으로 4(㎜) 이상 이간시킴으로써, 렌즈(LE)의 틸트 동작을 이용해서 상기 측정기의 리사쥬 조정을 실시할 수 있다.

한편, 렌즈(LE)를 Y축과 평행한 축 둘레에 동일 틸트각(β)만큼 틸트 구동했을 때, 도 2에 나타낸 우측 상부 및 좌측 상부의 렌즈 위치 검출기(72)에 의해 관측되는 X축 방향의 횡변위량은 수식 6으로 계산되는 δRS의 √3/2≒0.87배로 된다. 따라서, 수식 11에 의해 계산되는 Z축 방향 이간량(HS)은 대략 1.15배 또는 4.6(㎜) 이상의 간극을 둘 필요가 있다. 또한, 도 18을 참조해서 설명한 정밀한 리사쥬 조정은 약 2 주기의 간섭 신호를 필요로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 이러한 사정을 감안해서, 수식 11에 의해 계산되는 이간량(HS)에 대해서, 2배 이상의 이간량을 확보하는 것이 바람직하다.

도 25는 각종 검출 센서(721), (722), (723)의 조정 공정을 실행할 때의 센서 초기화 루틴의 순서도를 나타내고 있다. 먼저, 스텝 S101에서는, 렌즈 위치 검출기(72) 내의 각종 검출 센서(721), (722), (723)에의 전원 공급을 개시하여, 렌즈 위치 계측이 가능한 상태를 부여한다. 또, 이 스텝에서는 3조의 구동 기구(71)는 아직 작동하고 있지 않기 때문에, 렌즈(LE)는 기저 위치 또는 Z축 방향의 가동 범위의 최저 위치에 위치된다.

다음에, 스텝 S102에서는, 3조의 구동 기구(71)를 등속 구동하여, 렌즈(LE)를 Z축 방향 위쪽으로 소정량 이동시킨다. 스텝 S103에서는 구동 기구(71)를 등속으로 구동하면서 3조의 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 리사쥬 조정을, 도 18을 참조해서 설명한 원리에 의거해서 실시한다. 스텝 S104에서는 렌즈(LE)를 Z축 방향의 최저점 또는 기저 위치로 복귀시킨다. 스텝 S105에서는 3조의 구동 기구(71)를 등속으로 구동하고, 렌즈(LE)를 Z축 방향 위쪽으로 구동 범위의 상한 위치까지 이동시킨다. 스텝 S106에서는 스텝 S105를 수행하면서 도 19를 참조해서 설명한 방법에 의거해서 절대식 수직 변위 검출 센서(721)의 기준점을 주사한다. 그리고, 스텝 S107에서는, 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 기준점을 규정한다.

스텝 S107을 수행한 후, 스텝 S108에서는, 렌즈(LE)를 일단 기저 위치 또는 최저점으로 복귀시킨다. 그 다음에, 스텝 S109에서는, 렌즈(LE)를 설계상의 기준 위치(광학 원점) 또는 도 19에 나타낸 원점(0)의 위치로 이동시킨다. 스텝 S110에서는 렌즈(LE)를 X축 및 Y축 둘레에 소정량만큼 틸트시킨다. 스텝 S111에서는 스텝 S110과 함께 3개의 증분식 횡변위 검출 센서(723)의 리사쥬 조정을 순차 제공한다.

스텝 S112에서는 렌즈(LE)를 설계상의 기준 위치(광학 원점) 또는 도 19에 나타낸 원점(0)의 위치로 재차 이동한다. 스텝 S113에서는 상기 증분식 횡변위 검출 센서(723)의 기준점을 규정한다. 본 실시형태에서는 절대식의 횡변위 검출 센서를 구비하고 있지 않으며, 그 이유는 3개의 구동 기구(71)에 의해 구속된 렌즈 프레임(74)의 위치가 Z축 방향과 직교하는 X축 방향 및 Y축 방향으로 능동적으로 위치제어될 수 없지만, 그 대신에, 상기 렌즈 프레임(74)은 X축 방향 및 Y축 방향의 강성과 위치 재현성이 높다고 하는 이점을 가진다.

즉, 절대식 수직 변위 검출 센서(721) 및 증분식 수직 변위 검출 센서(722)로부터의 출력 신호에 의거해서 렌즈(LE)를 광학 원점 위치로 복귀시키는 경우, X축 방향 및 Y축 방향의 위치 재현성은 양호하다. 여기서, 렌즈(LE)를 광학 원점 위치로서 일정 위치로 이동하도록 제어할 때, 증분식 횡변위 검출 센서(723)의 출력치를 원점으로 설정한다. 이러한 구성에 의하면, 절대식 횡변위 검출 센서를 구비하지 않아도, 횡방향의 절대 위치를 정확하게 규정하는 것이 가능하다. 이와 같이 해서, 센서 초기화 루틴이 완료된다.

이상의 흐름에 의하면, 증분식 수직 변위 검출 센서(722) 및 증분식 횡변위 검출 센서(723)의 리사쥬 조정을 제공하고, 절대식 수직 변위 검출 센서(721)를 이 용한 렌즈(LE)의 원점을 규정함으로써, 렌즈(LE)의 Z축 방향의 병진 변위 및 X축 및 Y축 둘레의 렌즈(LE)의 틸트 변위를 정확하게 검출하는 것이 가능해진다.

또, 도 25에 나타낸 흐름은 렌즈 유닛(7)의 조립 완료시 수행되고, 도 1에 나타낸 완성된 반도체 노광 장치(1)의 최종 조정시 그리고 반도체 웨이퍼의 제조를 위한 노광 장치(1)의 가동시에도 적절하게 수행된다.

전술한 제 1 실시형태에 의하면, 렌즈(LE)의 광축(C) 방향에 있어서의 렌즈(LE)의 상대 위치를 계측하는 증분식 수직 변위 검출 센서(722)와, 이 센서(722)의 절대 위치를 계측하는 절대식 수직 변위 검출 센서(721)를 포함한다. 따라서, 제 1 실시형태에 의하면, 렌즈(LE)의 절대 위치와 상대 위치의 양쪽 모두를 측정할 수 있어 전원 재개시에도 높은 위치 결정 정밀도를 제공할 수 있다.

또, 상기 제 1 실시형태는 광축(C) 방향과 직교하는 방향에 있어서의 렌즈(LE)의 절대 위치를 계측하는 증분식 횡변위 검출 센서(723)를 구비하므로, 렌즈(LE)의 틸트 변위량을 산출할 수 있다. 또한, 3개소에 설치된 구동 기구(71)에 의해서 렌즈(LE)를 틸트 구동함으로써, 레티클 상의 얼라인먼트 오차를 해소할 수 있다.

( 센서의 제 1 변형예 )

전술한 실시형태에서는 Z축 방향의 기준점 검출센서로서 소정의 기준점으로부터의 위치를 정량적으로 검출해서 출력하는 삼각측량식 센서인 절대식 수직 변위 검출 센서(721)를 설명하였다. 대안적인 실시형태로는, 예를 들어, 광학 요소로서의 렌즈(LE)가 기준점 근방에 존재하는지의 여부를 판별하는 광전 스위치형 포토센 서를 이용하는 것도 가능하다.

도 26은 렌즈 위치 검출기 근방의 단면을 나타내고 있다. 도면에 예시한 바와 같이, 고정 경통(73)의 평탄부에는 전술한 실시형태의 절대식 수직 변위 검출 센서(721)와는 다른 수직 원점 검출 센서(721A)가 고정되어 있다. 상기 센서(721A)는 발광 다이오드로서의 투광 유닛(72k) 및 실리콘 포토다이오드로서의 수광 유닛(72m)을 포함하는 광전 스위치형 포토센서이다. 상기 투광 유닛(72k)과 수광 유닛(72m)은 검출용 오목부(72n)에 대해서 서로 대향하여 배치되어 있다. 이 투광 유닛(72k)과 수광 유닛(72m)에 의한 구동 제어와 신호 처리는 센서 제어 회로(72p)를 이용해서 실시한다.

렌즈 프레임(74)의 플랜지부(74a)에는 타겟 미러(75)가 부착되어 있고, 이 타겟 미러(75)에는 길이 방향을 따라 슬릿 부재(76)가 부착되어 있다. 이 슬릿 부재(76)는 투광 유닛(72k)과 수광 유닛(72m) 사이에 위치되어, 유지 테두리로서의 렌즈 프레임(74)을 구동하여 슬릿 부재(76)를 이동시켜, 렌즈 프레임(74)의 위치 변화를 측정하는 데 이용된다. 보다 상세하게는, 검출용 오목부(72n)에 삽입되어 해당 삽입 부분의 1개소에 슬릿(76a)이 형성되어 있다. 그리고, 사전 조정시에는, 렌즈(LE)가 설계상의 기준점(광학 원점)에 위치하는 경우, 슬릿(76a)의 천공 중심이 상기 투광 유닛(72k)의 투광 광속 중심을 수광 유닛(72m)의 수광면의 중심에 연결하는 축과 일치한다.

다음에, 도 27을 참조하면, 수직 원점 검출 센서(721A)의 기준점 주사와 기준점 규정 방법에 대해 설명한다. 도 27A 내지 도 27D에 있어서, 가로축은 렌 즈(LE)의 Z축 방향의 위치를 나타내고, 세로축은 수직 원점 검출 센서(721A) 또는 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 센서 출력치를 나타낸다. 또, 도 27A는 구동 기구(71)가 전원 오프된 경우 렌즈(LE)의 Z축 방향 위치(하한 위치)가 설계상의 기저 위치(Hbtm1)와 일치하고 있는 경우를 나타낸다.

이 상태에서 3조의 구동 기구(71) 내의 압전 엑추에이터(713)의 각각에 전압을 인가하고, 렌즈(LE)를 Z축의 양의 방향으로 구동하면, 수직 원점 검출 센서(721A)의 출력치(Habs)는 파선과 같이 변화한다. 여기에서는 렌즈(LE)가 광학 원점으로서의 설계상의 이상적인 위치 또는 가동 범위의 중앙에 도달했을 때에, 해당 센서(721A)의 검출 광속의 중심축이 슬릿(76a)의 중심과 일치하여 해당 센서(721A)의 출력 신호가 최대가 되도록, 센서 위치가 미리 조정되고 있다.

그 때문에, 피검사대상을 한 방향으로 구동하고, 상기 센서(721A)의 출력치를 계측함으로써, 피검사대상이 기준 위치 근방에 위치하는지의 여부 또는 피검사대상이 기준 위치를 통과했는지의 여부를 상기 센서(721A)로부터 검출할 수 있다. 그러나, 피검사대상이 기준 위치로부터 떨어져 있는 경우에는, 상기 센서(721A)는 피검사대상의 위치에 관한 정보를 획득할 수 없다.

한편, 증분식 수직 변위 검출 센서(722)는 검출 출력 신호의 직선성 및 검출 분해능은 우수하지만, 피검사대상의 절대 위치를 검출할 수 없다. 상기 센서(722)는 해당 센서(722)에 전원을 투입한 후의 변화량을 출력하며, 그의 출력치(Hinc)는 실선으로 나타낸 바와 같이 변화한다. 렌즈(LE)가 원점을 통과했을 때의 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 출력치(Hinc0)를, 수직 원점 검출 센서(721A)의 출력 치(Habs0)와 일치시킬 경우, 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 기준점 위치가 규정된다. 그 결과를 도 27B에 나타내지만, 상기 조작에 의해, 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 원점을 수직 원점 검출 센서(721A)의 기준점(Habs0)으로서 규정되어, 실질적으로 피검사대상의 절대 위치를 그 가동 범위 전역에 걸쳐 검출하는 것이 가능해진다.

도 27C는 구동 기구(71)에 전원을 오프시킨 경우 렌즈(LE)의 Z축 방향 위치(또는 기저 위치 또는 하한 위치)가 설계치(Hbtm1)로부터 (Hbtm2)로 미소량 어긋나 있는 것을 나타내고 있다. 여기서, 렌즈(LE)의 기저 위치는 압전 엑추에이터(713)의 크리프에 의한 초기 길이 변화, 압전 엑추에이터(713)의 교환에 의한 초기 길이 변화 또는 예압 조정량 변화로 인해 어긋날 수 있다. 이 상태에서 압전 엑추에이터(713)에 전압을 인가하고, 렌즈(LE)를 Z축 양의 방향으로 구동하면, 수직 원점 검출 센서(721A)의 출력치(Habs)는 그의 출력 개시점이 도 27A와는 다르지만, 그 후의 출력 신호는 도 27A에 나타낸 파선과 같은 형상이 된다.

한편, 증분식 수직 변위 검출 센서(722)는 해당 센서(722)에 전원을 투입한 후의 변화량을 출력한다. 렌즈(LE)의 기저 위치가 전술한 이유로 어긋나 있으면, 실선으로 나타낸 출력치(Hinc)는 도 27B에 도시한 세선으로 나타낸 출력 신호와는 다르다. 그러나, 도 27A를 참조해서 설명한 바와 같이, 렌즈(LE)가 원점을 통과했을 때의 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 출력치(Hinc0)가 수직 원점 검출 센서(721A)의 출력치(Habs0)로 교정되는 경우, 해당 센서(722)의 기준점 위치가 규정된다. 그 결과는 도 27D에 표시하였지만, 상기 공정에 있어서, 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 원점은 도 27B에 나타낸 경우와 일치한다.

상기 조정에 의하면, 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 기준점이 규정되고, 해당 센서(722)가 정밀한 절대식 수직 변위 검출 센서로서 기능할 수 있다.

(센서의 제 2 변형예 )

상기 실시형태는 증분식 변위 검출 센서(722), (723)로서 마이클손형 간섭계를 예시하고 있지만, 예를 들어, 회절 격자에 입사한 간섭성 광으로부터의 회절광에 의해 형성되는 간섭 무늬의 수를 계수함으로써 회절 격자의 이동량을 계측하는 선형 엔코더를 이용해도 무방하다.

도 28은 렌즈 위치 검출기 근방의 주요부를 나타내고 있다. 렌즈 프레임(74)의 플랜지부(74a)의 아래쪽 면(도 26에 도시됨)에는 제 1 타겟(761)과 제 2 타겟(762)이 고정 설치된다. 제 1 타겟(761)은 렌즈(LE)의 반경 방향으로 수직인 평면을 가지는 투명한 박판으로, 회절 격자(761a) 및 절대 코드 트랙(761b)을 포함하고 있다. 회절 격자(761a)는 홈이 외주(렌즈 에지)의 접선 방향으로 연신하거나, 또는 렌즈의 광축 방향으로 요철이 교대로 배열되어 있는 회절 격자이다. 또, 절대 코드 트랙(761b)은 렌즈 외주의 접선 방향으로 복수열 배치된 코드 패턴을 가진다. 이때, 각 열은 차광부와 투명부가 광축 방향으로 소정 규칙에 따라서 배열된다.

제 2 타겟(762)은 제 1 타겟(761)에 대해서 수직인 투명 박판으로, 홈이 렌즈의 광축 방향으로 연신하거나 또는 렌즈의 광축 방향으로 오목부가 교대로 배열되어 있는 회절 격자(762a)를 가진다.

제 1 타겟(761)의 Z축 방향의 절대 위치를 검출하기 위해서, 수직 변위 검출 센서(77A)가 사용된다. 이 센서(77A)의 표면에는 오목부가 형성되고, 여기에 제 1 타겟(761)이 삽입된다. 제 1 타겟(761)의 Z축 방향의 변위를 검출하기 위해서, 예를 들면 일본국 공개특허 평9-126723호 공보에 개시된 엔코더가 이용된다. 이하, 그 검출 원리를 간단하게 설명한다.

상기 센서로부터 사출한 레이저광의 일부는 회절 격자(761a)에 입사하고, 그 투과 회절광이 해당 센서(77A)에 재입사한다. 상기 센서(77A) 내에서는 회절광이 소정의 방법으로 합성되어 간섭 패턴이 작성된다. 회절 격자(761a)가 Z축 방향으로 변위하면, 회절광의 상태가 변화하고 해당 센서(77A) 내의 간섭 패턴이 이동하므로, 간섭 패턴을 계측하는 광전 센서에서는 간섭 패턴의 명암에 대응한 주기 신호 또는 증분식 신호가 출력된다.

한편, 해당 센서(77A)로부터 방사된 레이저광의 다른 일부는 절대 코드 트랙(761b)에 입사하고, 그 투과광이 해당 센서(77A) 내에 배치된 절대 코드용 수광 소자군에 복귀된다. 상기 소자군의 출력 신호를 처리함으로써, 절대 코드 트랙(761b)의 Z축 방향의 절대 위치를 검출할 수 있다.

또, 렌즈의 광축과 교차하는 방향의 위치 또는 제 2 타겟(762)의 렌즈 반경 방향의 상대 이동량을 검출하기 위해서, 횡변위 검출 센서(77B)가 이용된다. 이 횡변위 검출 센서(77B)의 상부면에는 오목부가 형성되고, 여기에 제 2 타겟(762)이 삽입되므로, 렌즈 반경 방향의 상대 변위를 검출한다. 해당 센서(77B)는 수직 변위 검출 센서(77A)에 대응하지만, 절대 변위 검출 기능은 지니지 않는다. 제 2 타 겟(762)이 렌즈의 반경 방향으로 이동하면, 그 이동량에 대응한 주기 신호 또는 증분식 신호가 출력된다.

또한, 상술한 실시형태의 광학식 간섭계로부터 출력되는 증분식 신호의 주기는 광원 파장에 의존한다. 센서의 제 2 변형예의 선형 엔코더로부터 출력되는 증분식 신호의 주기는 회절 격자의 격자 피치에 의존한다. 서브미크론 미터의 회절 피치를 가지는 회절 격자를 이용함으로써, 광학식 간섭계와 같은 검출 분해능을 제공할 수 있다.

따라서, 그 주기 신호를 계수함으로써, 제 1 타겟(761) 및 제 2 타겟(762)의 이동량이 격자 피치 오더의 분해능으로 검출될 수 있다. 또, 상기 주기 신호를 전기적으로 분주함으로써, 검출 분해능을 서브나노 오더로 향상시킬 수 있다. 이러한 선형 엔코더를 이용하면, 회절 격자의 유효 영역을 확대하여, 엔코더의 광원의 간섭성 거리가 충분하지 않아도, 긴 스트로크에 걸쳐서 정밀한 위치 검출을 제공한다.

제 2 실시형태

상기 제 1 실시형태에서는 투영 광학계 내의 광학 요소는 모두 렌즈(LE)였지만, 이 제 2 실시형태의 투영 광학계는 제 1 내지 제 4 렌즈 유닛(LE1) 내지 (LE4)과 제 1 내지 제 3 미러(M1) 내지 (M3)를 포함하는 카타디옵트릭계이고, 이동 가능하게 지지된 피구동 대상이 미러이다. 또, 제 1 실시형태의 광학 요소는 예를 들어 Z축 방향의 병진과 X축 및 Y축 둘레의 틸트 변위의 자유도가 3이었지만, 본 제 2 실시형태에서는 소정의 축 둘레의 틸트 구동만이 허용되고 있다.

도 29는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 광학 요소 유지장치를 포함하는 노광 장치의 투영 광학계를 나타내고 있다. 이 투영 광학계는 레티클(R), 제 1 내지 제 4 렌즈 유닛(LE1) 내지 (LE4), 제 1 내지 제 3 미러(M1) 내지 (M3) 및 제 3 미러(M3)를 포함하는 미러 유닛(MU)을 구비하고 있다. 제 1 내지 제 4 렌즈군(LE1) 내지 (LE4)은 모두 복수의 렌즈를 포함한다. 투영 광학계 이외의 구성요소는 제 1 실시형태와 유사하므로, 그 설명은 생략한다.

도 30 내지 도 32는 도 29에 도시한 투영 광학계 내의 광학 요소 중 제 3 미러(M3)를 구동하는 데 이용하는 미러 유닛(MU)을 나타내고 있다. 도 30은 제 3 미러(M3) 및 유지 프레임으로서의 미러 프레임(74A)을 없앤 평면도이다. 도 31은 제 3 미러(M3) 및 미러 프레임(74A)을 부착했을 경우의 평면도이다. 도 32는 도 31의 XXXII-XXXII선을 따라 취한 단면을 나타내고 있다.

제 1 실시형태에서는 피구동 대상으로서의 광학 요소를 복수조의 구동 기구(71)에 의해 지지 및 구동하며, 예를 들어 Z축 방향의 병진과 Z축과 직교하는 축 둘레의 틸트 구동의 복수 자유도를 제공하였다. 이것에 대해서, 제 2 실시형태에서는 피구동 대상 또는 광학 요소로서의 제 3 미러(M3)는 미러 프레임(74A)에 고정해서 유지하고, 상기 미러 프레임(74A)을 2개의 피벗 부재(78)에 의해 지지한다.

상기 피벗 부재(78)는 Y축에 대해서 서로 대향해서 고정 경통(73)의 평면부에 고정되어 있고, 그들의 최상부 면과 미러 프레임(74A)의 플랜지부(74a)는 나사에 의해 결합된다. 그리고, 피벗 부재(78)의 중심부에는 단면적이 작은 경첩부가 설치되고, 이 경첩부의 탄성 변형에 의해 최상부 면은 약간의 각도로 요동가능해지 고 있다. 따라서, 2개의 피벗 부재(78)에 체결된 미러 프레임(74A)은 θx 방향으로만 이동될 수 있다.

또, 2개의 피벗 부재(78) 사이의 중간부, 또는 도 31의 Y축상 플러스 측에는 1조의 구동 기구(71)가 설치되어 있다. 따라서, 구동 기구(71)의 압전 엑추에이터(713)에 전압을 인가하여 미러 프레임(74A)과의 체결부를 Z축 방향으로 구동하고, 미러 프레임(74A)은 θx 방향으로 틸트 구동된다.

한편, 1개의 미러 위치 검출기(72A)는 광축(C)에 대해서 구동 기구(71)에 대향하고, 광축(C) 둘레에 120°간격을 두고 만큼 2개소에는 위치 계측 보조부재로서의 미러 위치 검출기(72B)가 배치되어 있다. 그리고, 전자의 미러 위치 검출기(72A)는 제 1 실시형태와 마찬가지로, 절대식 수직 변위 검출 센서(721), 증분식 수직 변위 검출 센서(722) 및 증분식 횡변위 검출 센서(723)를 갖추고 있다.

후자의 미러 위치 검출기(72B)는 제 1 계측부로서의 증분식 수직 변위 검출 센서(722)를 포함하지만, 제 2 계측부로서의 절대식 수직 변위 검출 센서(721)는 포함하지 않는다. 또, 미러 위치 검출기(72B)는 제 3 계측부로서의 증분식 횡변위 검출 센서(723)를 포함한다.

그 이유는 미러 프레임(74A)이 θx 방향으로만 구동될 수 있고, 자유도가 1이므로, 그 틸트각의 기준 위치로부터의 절대 각을 인식하기 위해서는 1개의 절대 위치 검출 수단이면 충분하기 때문이다. 또, 증분식 횡변위 검출 센서(723)가 제 1 실시형태에서처럼 3개 구비되어 있는 이유는, 제 3 미러(M3)가 X축 또는 Y축 방향의 자유도를 갖지 않지만, 미러 프레임(74A)이 틸트 구동했을 때의 피벗 부 재(78)의 미소한 변형에 의해 X축 및 Y축 방향으로 약간의 변위를 검출하기 위함이다.

그리고, 미러 프레임(74A)의 틸트 중심 및 3개의 증분식 횡변위 검출 센서(723)는 도 20 내지 도 24를 참조해서 설명한 관계를 충족시키도록 배치되어 있다. 단, 제 3 미러(M3)는 X축 둘레의 틸트만 허용되고 Y축 둘레의 틸트는 금지되어 있다. 따라서, X축 둘레의 틸트 구동에 의해서 모든 증분식 횡변위 검출 센서(723)의 교정을 실시할 필요가 있다.

이때, 도 31에 있어서의 2개의 미러 위치 검출기(72B)에 있어서, 틸트 중심과 타겟 미러(75)의 계측부와의 수평 방향(Y축 방향)의 거리가, 제 1 실시형태의 절반이 된다. 따라서, 타겟 미러(75)의 계측부와 틸트 중심 간의 Z축 방향의 이간량(HS)을 제 1 실시형태의 2배 정도로 설정함으로써, 제 1 실시형태와 같은 작용을 얻을 수 있다.

도 33은 제 2 실시형태에 있어서의 각 센서의 조정 공정을 실행하기 위한 센서 초기화 루틴의 순서도이다. 먼저, 스텝 S201에서는, 미러 위치 검출기(72A), (72B) 내의 각종 센서에의 전원 공급을 개시하여, 계측 가능 상태를 부여한다. 또, 스텝 S201에서는 구동 기구(71)는 어느 것도 동작하고 있지 않기 때문에, 제 3 미러(M3)는 기저 위치 또는 X축 둘레의 틸트 가동 범위의 일단부에 위치된다.

스텝 S202에서는 구동 기구(71)를 등속 구동하여, 제 3 미러(M3)를 X축 둘레에 소정량 정속 회전시킨다. 스텝 S203에서는 상기 정속 구동 공정 동안에, 3개의 증분식 수직 변위 검출 센서(722)와 3개의 증분식 횡변위 검출 센서(723)에 대한 리사쥬 조정을, 도 18을 참조해서 설명한 원리에 의거해서 실시한다. 스텝 S204에서는 제 3 미러(M3)를 틸트 방향의 최저 위치 또는 기저 위치로 되돌린다. 스텝 S205에서는 구동 기구(71)를 등속 구동하고, 제 3 미러(M3)를 θx 방향 위쪽에 구동 범위의 상한 위치까지 정속 이동시킨다.

스텝 S206에서는 스텝 S205를 실행하면서, 도 19를 참조해서 설명한 방법에 의거하여, 미러 위치 검출기(72A) 내의 절대식 수직 변위 검출 센서(721)의 기준점을 주사한다. 다만, 제 2 실시형태에 있어서는 제 3 미러(M3)는 Z축 방향으로 병진 구동할 수 없기 때문에, 도 19의 가로축에 있어서의 렌즈 위치는 미러의 틸트 위치와 치환하여 해석한다. 그 다음에, 스텝 S207에서는, 3개의 증분식 수직 변위 검출 센서(722)의 기준점을 규정한다.

스텝 S207을 실행한 후에, 스텝 S208에서는 제 3 미러(M3)를 일단 기저 위치 또는 틸트 구동 범위의 최저 위치로 복귀시킨다. 그 다음에, 스텝 S209에서는, 제 3 미러(M3)를 설계상의 기준 위치(광학 원점) 또는 도 19에 나타낸 원점(0)의 위치까지 구동한다. 스텝 S210에서는 3개의 증분식 횡변위 검출 센서(723)의 기준점을 규정한다. 따라서, 스텝 S210을 실행한 후에는, 센서 초기화 루틴이 완료한다.

상술한 제 2 실시형태에서는 증분식 수직 변위 검출 센서(722)와 절대식 수직 변위 검출 센서(721)를 포함하는 미러 위치 검출기(72A) 외에도, 미러 위치 검출기(72B)를 구비한다. 이 미러 위치 검출기(72B)는 증분식 수직 변위 검출 센서(722)를 포함하는 한편, 절대식 수직 변위 검출 센서(721)를 갖지 않으므로, 절대식 수직 변위 검출 센서(721)의 설치 개수를 저감할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이들 실시형태로 한정되지 않고, 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일없이 각종 변형 및 변경이 가능하다.

예를 들면, 전술한 제 2 실시형태에서는 광학 요소가 X축에 대해 평행한 틸트 중심축 둘레로 틸트 구동하는 구성이었지만, Y축에 대해서 평행한 틸트 중심축 둘레로 틸트 구동하는 구성이어도 무방하다.

또, 전술한 제 2 실시형태에서는 피구동 대상이 미러인 경우, 광축은 반드시 반사면의 중심을 통과하는 법선과 일치할 필요는 없다. 즉, 도 29로부터 분명한 바와 같이, 제 1 미러(M1), 제 2 미러(M2) 및 제 3 미러(M3)는 모두 입사 광속 혹은 사출 광속의 중심축이 미러 중앙을 통과하는 법선과 일치하고 있지 않기 때문에, 광축의 정의에 따라 광축 방향이 다르다.

한편, 이들 미러에 필요한 최적 구동 방향은 투영 광학계의 설계 사양에 따라 입사 광속 방향, 출사 광속 방향 및 반사면 중앙을 통과하는 법선 방향으로부터 선택된 하나의 방향이다. 따라서, 최적 구동 방향이 반사면 중앙의 법선과 다를 경우에는, 구동 기구(71)의 출력축 방향이 해당 최적 구동 방향과 일치하도록, 고정 경통(73) 상에 구동 기구(71)를 소정 각도 기울여서 설치하면 된다.

또, 전술한 제 1 및 제 2 실시형태에서는 증분식 횡변위 검출 센서(723)는 광학 요소의 반경 방향으로 검출 감도를 가지고 있었지만, 광학 요소의 외주 접선 방향으로 검출 감도를 가지도록 해도 무방하다.

또한, 전술한 제 1 및 제 2 실시형태에서는 광학 요소를 광축 방향으로 구동 시킨 예에 대해 설명했지만, 광축에 대한 경사 방향으로 광학 요소를 구동시켜도 무방하다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 광학 요소 유지장치를 포함하는 노광 장치를 나타낸 설명도;

도 2는 도 1에 나타낸 렌즈 유닛의 상세한 형태를 나타낸 설명도;

도 3은 도 2에 나타낸 렌즈 유닛에 렌즈 및 렌즈 프레임을 부착한 구조를 나타낸 설명도;

도 4는 도 3에 나타낸 IV-IV선을 따라 취한 단면도;

도 5는 도 2에 나타낸 구동 기구의 상세 구조를 나타내는 평면도;

도 6은 도 2에 나타낸 구동 기구의 상세 구조를 나타내는 측면도;

도 7은 도 5에 나타낸 VII-VII선을 따라 취한 단면도;

도 8은 변위 픽업 부재와 방향 변환기를 나타낸 사시도;

도 9는 변위 픽업 부재의 링크 기구를 나타낸 설명도;

도 10은 방향 변환기의 링크 기구를 나타낸 설명도;

도 11은 절대식 수직 변위 검출 센서를 나타낸 설명도;

도 12는 증분식 수직 변위 검출 센서를 나타낸 설명도;

도 13은 증분식 횡변위 검출 센서를 나타낸 설명도;

도 14는 노광 장치의 노광 동작이나 렌즈 구동 동작을 제어하기 위한 제어 회로를 나타낸 설명도;

도 15는 렌즈 유닛의 제어 블록을 나타낸 설명도;

도 16은 구동 기구와 렌즈 위치 검출기를 렌즈의 근방에 배치했을 때의, 렌 즈 프레임의 각 개소의 이동량과 좌표 정의를 나타낸 설명도;

도 17은 렌즈의 위치를 제어할 때의 렌즈의 렌즈 좌표 정의를 나타낸 설명도;

도 18은 리사쥬 파형에 대한 설명도;

도 19A 내지 도 19D는 수직 변위 검출 센서의 기준점 주사와 기준점 규정 방법에 대한 설명도로, 도 19A는 절대식 수직 변위 검출 센서의 기준점 주사(위치 어긋나지 않은 상태)를 나타내고 있고, 도 19B는 증분식 수직 변위 검출 센서의 기준점 주사(위치 어긋나지 않은 상태)를 나타내고 있으며, 도 19C는 절대식 수직 변위 검출 센서의 기준점 주사(위치 서로 어긋난 상태)를 나타내고 있고, 도 19D는 증분식 수직 변위 검출 센서의 기준점 주사(위치 서로 어긋난 상태)를 나타내는 도면;

도 20은 렌즈 유닛의 면을 예시적으로 나타낸 설명도;

도 21은 도 20에 나타낸 증분식 횡변위 검출 센서 부근의 확대도;

도 22는 도 20에 나타낸 렌즈 유닛이 각도 β만큼 틸트 구동된 경우의 설명도;

도 23은 도 22에 나타낸 증분식 횡변위 검출 센서 부근의 확대도;

도 24는 렌즈의 틸트 구동 전후의 변화를 수학적으로 나타낸 설명도;

도 25는 도 18 내지 도 24를 참조해서 나타낸 각 센서의 조정 공정을 위한 센서 초기화 루틴의 순서도;

도 26은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 광학 요소 유지장치의 렌즈 위치 검출기에 이용하는 센서를 나타낸 설명도;

도 27A 내지 도 27D는 수직 변위 검출 센서의 기준점 주사와 기준점 규정 방법에 대한 설명도로, 도 27A는 절대식 수직 원점 검출 센서의 기준점 주사(위치 어긋나지 않은 상태)를 나타내고 있고, 도 27B는 증분식 수직 변위 검출 센서의 기준점 주사(위치 어긋나지 않은 상태)를 나타내고 있으며, 도 27C는 절대식 수직 원점 검출 센서의 기준점 주사(위치 서로 어긋난 상태)를 나타내고 있고, 도 27D는 증분식 수직 변위 검출 센서의 기준점 주사(위치 서로 어긋난 상태)를 나타내는 도면;

도 28은 증분식 변위 검출 센서의 변형예를 나타낸 설명도;

도 29는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 광학 요소 유지장치를 가진 노광 장치의 투영 광학계를 나타낸 설명도;

도 30은 도 26에 나타낸 미러 유닛의 상세한 형태를 나타낸 설명도;

도 31은 도 27에 나타낸 미러 유닛에 렌즈 및 렌즈 프레임을 부착한 구조를 나타낸 설명도;

도 32는 도 28에 나타낸 C-C선을 따라 취한 단면도;

도 33은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 각 센서의 조정 공정을 위한 센서 초기화 루틴의 순서도를 나타낸 설명도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 노광 장치 2: 투영 광학계

3: 노광 장치대 4: 조명 유닛

5: 수차 계측 수단 7: 렌즈 유닛

8: 본체 제어 수단 71: 구동 기구

72: 렌즈 위치 검출기 73: 환상 고정 경통

74: 렌즈 프레임 721: 절대식 수직 변위 검출 센서

722: 증분식 수직 변위 검출 센서 723: 증분식 횡변위 검출 센서

LE: 렌즈 R: 레티클

WF: 웨이퍼

Claims (7)

1. 광학 요소를 유지하는 유지장치에 있어서,

   상기 광학 요소의 좌표를 계측하는 계측부; 및

   상기 계측부에 의해 계측된 좌표에 의거해서 해당 광학 요소를 이동시키는 구동부를 포함하되,

   상기 계측부는 상기 광학 요소의 일부의 변위량을 검출하는 제 1 센서와, 해당 광학 요소의 일부가 미리 설정된 위치에 있는 것을 검출하는 제 2 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 유지장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 계측부는 상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서의 출력에 의거해서 상기 광학 요소의 좌표를 계측하는 것을 특징으로 하는 유지장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 계측부는 광축 방향에 있어서의 병진에 관한 상기 광학 요소의 좌표와 해당 광축에 직교하는 축 둘레의 회전에 관한 상기 광학 요소의 좌표를 계측하는 것을 특징으로 하는 유지장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 제 1 센서는 상기 광학 요소의 광축의 방향에 있어서의 변위량을 검출하고, 상기 제 2 센서는 해당 광축의 방향에 있어서 상기 일부가 상기 미리 설정된 위치에 있는 것을 검출하는 것을 특징으로 하는 유지장치.
5. 제 3항에 있어서, 상기 계측부는 상기 광축에 직교하는 축의 방향에 있어서의 병진에 관한 좌표를 계측하는 것을 특징으로 하는 유지장치.
6. 제 4항에 있어서, 상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서는 상기 광학 요소의 원주를 따라서 복수 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 유지장치.
7. 기판을 노광하는 노광 장치에 있어서,

   상기 기판을 유지하고 상기 기판을 이동하는 스테이지; 및

   제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 유지장치를 포함하되,

   상기 노광 장치는 상기 유지장치에 의해 유지된 광학 요소를 통해 상기 스테이지에 의해 유지된 기판을 노광하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.

Images