JPH0134746B2

JPH0134746B2 -

Info

Publication number: JPH0134746B2
Application number: JP113383A
Authority: JP
Inventors: Naoto Nakajima; Minoru Ikeda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-01-10
Filing date: 1983-01-10
Publication date: 1989-07-20
Also published as: JPS59129636A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、精密な位置制御および姿勢制御を行
なうステージの制御装置に関するもので、立体的
に設定した３軸方向の平行移動と、該３軸回りの
回動と６自由度を有する制御装置に関するもので
ある。この発明は、特に投光式ウエハ露光装置の
ウエハ塔載位置ぎめ機構として好適であるが、そ
の他に広く精密加工、精密測定等に適用し得る。

〔従来技術〕

上に述べた６自由度を有する制御装置は、ウエ
ハ表面にマスクパターンを焼付ける投影式露光装
置にも用いられる。同装置の操作手順において
は、まず、マスクパターンを投影光学系によつて
被加工物たるウエハ表面に投影結像させる必要が
ある。投影光学系に要求される高解像度のマスク
パターンを結像する範囲は投影光学系が焦点面近
傍の範囲で、焦点面から離れるに従い急速に結像
状態は劣化する。実用上、ウエハ表面の投影光学
系の焦点面からのずれ量の許容値は±6μｍであ
り、安定した解像度を得るには、ウエハ表面を投
影光学系の焦点面に高精度に位置決めすることが
要求される。上記の位置ぎめ（焦点合わせ）の
後、マスクパータンとウエハ表面に形成されてい
るパターンとを、ウエハを移動して高精度（±
0.25μｍ）に重ね合せることが要求される。した
がつて、ウエハ塔載装置には総計して６自由度と
なる位置制御機能が必要である。

上記の６自由度の制御は、通常の場合、水平な
直交２軸Ｘ、Ｙと、垂直軸Ｚとを設定し、これら
３軸方向の平行動と３軸回りの回動とについて行
なわれ、これによつて３次元空間内における剛体
の位置と姿勢とが確定される。しかし、上記の３
軸は水平、垂直な直交３軸に限定されるものでは
なく、斜交する３軸を設定して６自由度制御を行
なうことも可能である。

第１図に、従来の１：１反射投影式露光装置の
概要的な正面図を示す。

石定盤１は高精度に仕上げられていて、スレツ
ド２は石定盤１上を左右に高精度（±0.08μｍ）
の直線運動を行う。スレツド２上にはウエハ塔載
装置３およびマスク塔載装置５が設けられ、それ
ぞれウエハ４およびマスク６を塔載できるように
なつている。石定盤１上には、さらに、反射投影
光学系７およびアライメントスコープ８が固定さ
れ、反射投影光学系７下部には高さ基準板９が固
定されている。石定盤１下方に位置している照明
光学系（図省略）により円弧スリツト状に照明さ
れるマスク６のマスクパターンは、反射投影光学
系７によつてウエハ４表面に投影結像され、スレ
ツド２を左右に走行させることで、ウエハ４表面
全面にマスクパターンを走査露光できるようにな
つている。アライメントスコープ８はウエハ４上
の合せマークとマスクパターン内の合せマークの
重ね合せ状態を検出できる機能がある。

上に述べたウエハ塔載装置３の拡大断面図を第
２図に示す。ウエハ塔載装置のベース１１は前述
のスレツド２に固定されていて、このウエハ塔載
装置ベース１１の上に鋼球１６を介してXYステ
ージ１２が置かれている。上記のXYステージ１
２はベース１１の上面に沿つた水平面内で自由に
動くことができ、２自由度を有している。そして
このXYステージ１２は送り機構（図示省略）に
より±３mmの範囲でその位置をスレツド走行方向
（Ｙ方向）と、水平面内でこれと直交する方向
（Ｘ方向）に制御されるようになつている。この
XYステージ１２には玉軸受１７を介してθステ
ージ１３が回転可能に設けられ、さらにこのθス
テージＢに上下軸１４が設けられている。この上
下軸１４は、ナツト１９、送りネジ１８、及びパ
ルスモータ２０により上下に駆動される構造で、
Ｚステージとして作用する部材である。このＺス
テージである上下軸１４はθステージ１３に対し
て回動しないように係止され、上下摺動自在に支
承されている。

この上下軸１４の上部には、ウエハ塔載台１５
が置かれ、上下軸１４上端の円錐状のくぼみと、
ウエハ塔載台１５の下部球面座とをかん号させ、
ウエハ塔載台１５の傾斜が自由に行なえるように
なつている。

このように従来のウエハ塔載装置は、スレツド
上に固定されたウエハ塔載装置ベース１１上に、
XYステージ１２を設け、このXYステージ１２
によつてθステージ１３が支持され、θステージ
１３によつて上下軸１４およびウエハ塔載台１５
ならびにウエハ４が支持された三重構造となつて
いた。

つづいて、この従来のウエハ塔載装置の動作に
ついて説明する。まず、第２図の状態において、
ウエハ４をウエハ塔載台１５に吸着孔２２を用い
て真空吸着する。つづいて上下軸１４を上昇さ
せ、高さ基準板９のパツド１０にウエハ４表面を
押し当てる。すると、ウエハ塔載台１５はパツド
１０からの反力で傾斜を修正されて水平姿勢にな
る。上記のパツド１０はウエハ４の中心を重心と
する正三角形の頂点に配置され、反射投影式光学
系７の焦点面に対して規定高さ（0.5mm）だけ正
確に高い位置に設けられているので、ウエハ４表
面は反射投影光学系７の焦点面よりも上記の規定
高さだけ高い位置に高さと傾きが位置決めされ
る。この状態で真空室２１を真空としてウエハ塔
載台１５を上下軸１４に吸着固定し、さらに上下
軸１４をウエハ４およびウエハ塔載台１５ととも
に上記の規定高さだけ下降させ、ウエハ表面を反
射投影光学系７の焦点深度内に平行移動させてい
た。

上述の操作の後、XYステージ１２を移動させ
たりθステージ１３を回動させたりして、ウエハ
４上に設けた合わせマークとマスクパターンの合
わせマークとを一致させる。この状態で、スレツ
ド２を一旦往き側に移動させ、その後復路を一定
速度で戻る間にウエハ４の表面全体にマスクパタ
ーンを露光させ、マスクパターンをウエハ４表面
上に焼付けていた。このため以下に示す欠点が有
つた。

１ウエハ４の表面をパツド１０に押し当てて反
射投影光学系７の焦点面に対して平行度を出し
た後、上下軸１４（Ｚステージ）、θステージ
１３およびXYステージ１２の３ケ所において
移動もしくは回転が行なわれるため、この３ケ
所のステージの機械的な狂いによる上下動なら
びに傾きが重畳してウエハ４表面の、反射投影
光学系７の焦点面に対する平行度および高さの
位置決め精度を損ねやすい。

２ウエハ塔載装置ベース１１上に、XYステー
ジ１２、θステージ１３およびＺステージ１４
を設け、その上にウエハ塔載台１５を置いてい
るため、ウエハ塔載装置ベース１１からウエハ
塔載台１５に対する総合的な位置決め剛性が低
く、ウエハ塔載台１５の位置安定性が悪い。

３ XYステージ１２はθステージ１３、上下軸
１４、及びこれらの駆動手段を塔載しているの
で、このXYステージ１２の全体重量が大き
い。従つてXYステージの送り機構はこれらの
全体重量を担持したXYステージ１２を駆動制
御しなければならず、微動送りの制御性を低下
させている。

また、ウエハの位置決め用ステージに関しては
特開昭57−144636に記載の技術が公知である。こ
の公知技術は、可動部分の重量削減を狙つて、１
平面内の３自由度（ｘ、ｙ、θ）を１個のテーブ
ルに集約して設ける機構である。

このような構成では、前述のウエハの焦点合わ
せを行おうとすると、明らかに、ｚ方向平行移動
およびｘ軸、ｙ軸回りの回転の計３個の自由度を
追加する必要がある。このため、該機構の上もし
くは下にｚ方向平行移動およびｘ軸、ｙ軸回りの
回転の自由度を有する送り機構を設けたのでは、
ウエハの焦点合わせは行えるものの、依然として
異なる自由度を備えるテーブルを積み重ねること
になり、目的とする可動部重量の低減は達成され
得ない。また、該機構のテーブルを直接、ｚ方向
平行移動およびｘ軸、ｙ軸回りの回転の３方向に
可動しようとすると、該機構のテーブルの簡略な
送り機構には、これら追加しようとする３方向の
自由度が備えられていないことから、これら３自
由度の送り機構を追加することは困難であり、ウ
エハの焦点合せを行い得ない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ステージの６自由度をそれぞ
れ高精度で制御することができ、位置ぎめ剛性が
高く、しかも制御性のよいステージ制御装置を提
供するにある。

〔発明の概要〕

本発明においては、前述した従来装置の不具合
及びその原因解析に基づき、ステージを駆動制御
する６組の送り装置を設け、これら６組の送り装
置がそれぞれ互いに干渉することなく、直接的に
ステージを制御し得る構成を創作したものであ
る。

本発明は上記の原理に基づいて前記の目的を達
成するため、Ｘ方向に設けた１組の送り機構と、
Ｙ方向に設けた２組の送り機構と、Ｚ方向に設け
た３組の送り機構とを有し、かつ、上記６組の送
り機構のそれぞれとステージとの間に、当該送り
機構の変位を伝達しステージに当接する箇所で該
送り方向と直交する２方向の変位と該送り方向を
軸とする回転と該送り方向と直交する２方向を軸
とする回転とを許容する伝達機構を介装し、前記
６組の送り機構がそれぞれ独立してステージを直
接的に駆動し得るように構成したことを特徴とす
る。

〔発明の実施例〕

次に、本発明の一実施例の概要を第３図及び第
４図について説明する。

第３図は本発明のステージ制御装置の垂直断面
図、第４図は同平面図である。

本実施例では、ウエハ４を吸着保持したステー
ジ４２について水平な直交２軸Ｘ、Ｙおよび垂直
軸Ｚ方向の位置制御、並びに上記３軸回りの回動
姿勢制御を行なうように構成したものであるが、
本発明を実施する場合、直交３軸に限らず任意方
向の３軸に関する制御を行なうように構成するこ
ともできる。

４１はウエハ塔載装置のベースである。このベ
ース４１に１組のＸ方向送り機構を構成するため
の１個のパルスモータ４６、２組のＹ方向送り機
構を構成するための２個のパルスモータ６０（第
４図）、及び３組のＺ方向送り機構を構成するた
めの３個のパルスモータ５２（第３図）を固定す
る。これらのパルスモータ４６，６０，５２の軸
に、それぞれ送りネジ４５，５９，５１を固着す
る。上記の送りネジ４５，５９，５１にそれぞれ
螺合するナツト部材４４，５８，５０を、ウエハ
塔載装置ベース４１に対する回動を係止して軸方
向摺動自在に嵌合する。

本実施例は以上のようにしてＸ方向に設けた１
組の送り機構と、Ｙ方向に設けた２組の送り機構
と、Ｚ方向に設けた３組の送り機構とを構成して
ある。

ステージ４２の上面に真空吸着用の空洞部５５
を設けてウエハ塔載機能を持たせる。このステー
ジ４２の自重は、第５図について後述する浮遊パ
ツド４９及び鋼球４８を介して３個のナツト部材
５０で支承する。５３は上記の自重を付勢してい
るバネである。

上記のステージ４２を、Ｘ方向に設けたバネ４
７により、第５図について後に詳述する浮遊パツ
ド４３を介してナツト部材４４に押しつけて、Ｘ
方向の位置ぎめがなされる。同様に、Ｙ方向に設
けたバネ６１により後述の浮遊パツド５７を介し
てナツト部材５８に押しつけてＹ方向の位置ぎめ
がなされる。

反射投影式光学系７の底面に９個の静電容量型
近接センサ５４を固定してウエハ４の表面位置を
検出し、該ウエハ４の上面と上記光学系７の焦点
面との偏差を高精度（±0.2μｍ）で非接触的に検
出できるように構成する。第４図においてウエハ
４の面上に示した９個のＸ印５６は上記センサ５
４の検出点を表わしている。

前述の浮遊パツド４９，４３の詳細を第５図に
ついて説明する。この断面にはＹ方向の送り装置
に設けた浮遊パツド５７が現われていないが、本
図に示したＸ方向の送り装置の浮遊パツド４３と
同様の構成部材である。この浮遊パツド４３は、
その左端の球面をナツト４４の球面座に保持さ
れ、右端の平面をスラージ４２の側面に当接せし
めて送り機構の送り量をステージ４２に伝達して
いる。さらに、浮動パツド４３の両端の球面と平
面は空気軸受となつているので、ステージ４２の
上下動、前後進、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸回りの傾きの抵抗
とならない。したがつて、浮動パツド４３は、他
の送り機構によるステージの移動の抵抗とはなら
ない自由度を有すると同時に、対応するｘ軸方向
の送り量を伝達することができる。

Ｚ方向送り機構のナツト部材５０の上面は反射
投影光学系７の焦点面に対し精密に平行となるよ
うに作られている。このナツト部材５０の上面に
当接する浮遊パツド４９の下面は空気軸受となつ
ていて、該浮遊パツド４９はナツト５０上面上を
ほとんど抵抗なく水平運動できる上に、鋼球４８
の径は十分に小さく、鋼球４８とステージ４２あ
るいは浮遊パツド４９の円すい面との摩擦力はほ
とんど無視できる。したがつて、鋼球４８と浮遊
パツド４９は、Ｚ方向の送り量をステージ４２に
伝達すると同時に、他の送り機構によるステージ
４２の水平面内の動きおよび傾斜の抵抗とならな
い。６２は浮遊パツド４３，４９に空気を供給す
るチユーブである。

本実施例は以上のようにして、６組の送り機構
のナツト部材のそれぞれと、ステージ４２との間
に、各送り機構の送り方向の力のみを伝達し、送
り方向以外の動きを許容する伝達機構を介装し
て、前記６組の送り機構がそれぞれ独立してステ
ージ４２を駆動し得るように構成してある。

次に、上述のように構成したステージ制御装置
の使用方法について説明する。本実施例は自動制
御装置（図示せず）を設けてセンサや作動機器を
電気的に自動操作して次のように作動せしめる。

まず、ウエハ４はステージ４２上面に真空吸着
される。つづいて、静電容量型近接センサー５４
によりウエハ４表面に非接触で該表面の、反射投
影光学系７の焦点面からのずれ量が、格子状に配
された９点の検出点５６について検出される。そ
の後、この９点のずれ量から、ウエハ４の表面の
近似平面と、反射投影光学系７の焦点面との間の
ずれと傾きを求める。つづいて、３個のパルスモ
ータ５２を回転させてナツト部材５０を適宜上下
させ、ステージ４２を上下動および傾斜させて前
記のずれと傾きを補正する。このとき、浮動パツ
ド４３，５７は前述のように、その両端の球面お
よび平面を空気軸受面としているので、ステージ
４２の上下動および傾きの抵抗とならず、また、
鋼球４８も径が十分小さいため、ステージ４２の
傾きの抵抗とはならない。その後、再度センサー
５４によりウエハ４表面の、焦点面からのずれ量
が検出され、ウエハ４表面の近似平面が十分高精
度に該焦点面に一致していることを確認する動作
が行なわれる。ここで、もしウエハ４表面の近似
平面が該焦点面に一致していない場合、再度ステ
ージ４２の高さおよび傾きの補正ならびにずれ量
検出が繰返される。以上のように、ウエハ４は、
その近似平面が反射投影式光学系７の焦点面に一
致するように、高さ及び傾きを位置ぎめされる。
即ち、Ｚ軸方向の平行移動の位置と、Ｘ、Ｙ軸回
りの回動姿勢との３自由度が位置ぎめされる。こ
のとき、３個の鋼球４８の中心点によつて決めら
れる平面はウエハ４表面の傾きを補正する補正平
面となる。

つづいて、ウエハ４上に設けた合せマークとマ
スクパターン内の合せマークを、パルスモータ４
６，６０によりナツト部材４４，５８を適宜送つ
て一致させる動作が行なわれる。このとき、浮動
パツド４９はその下面を空気軸受面としているの
でステージ４２移動の抵抗とはならず、浮遊パツ
ド４３，５７も両端の球面および平面を空気軸受
面としているためステージ４２の移動、回転の抵
抗とはならない。また、ステージ４２を支えてい
る鋼球４８は、浮遊パツド４９あるいはステージ
４２の円錐面と揺動、或いは回転することなく、
固定の状態でステージ４２と共に浮遊パツド４９
に支持されて、反射投影光学系７の焦点面と精密
に平行なナツト部材５０上面を移動する。この場
合、厳密に言えばナツト部材５０の上面と焦点面
との平行度の狂いによつて上下方向の狂いを生じ
るが、本実施例のようにナツト部材５０の上面を
高精度で焦点面と平行に仕上げておくと、サブミ
クロンオーダーの位置ぎめについても上記の上下
方向の狂いは無視することができる程度に微小で
ある。

このようにして、１組の送り機構を構成してい
るパルスモータ４６によるステージ４２のＸ方向
の位置ぎめと、２組の送り機構を構成している２
個のパルスモータ６０の同期回転によるステージ
４２のＹ方向位置ぎめとが行なわれる。そして、
この操作と併行して上記２個のパルスモータ６０
の差動によりステージ４２のＺ軸回りの回動が行
なわれる。

以上説明したように、６組の送り機構がそれぞ
れ独立に、かつ直接的にステージ４２を押動して
６自由度の制御を行なうので位置ぎめ剛性が高
い。また、ステージ４２は送り機構を担持してい
ないので軽量であり、従つて制御性を妨げない。

その上、本実施例はウエハ表面に対して非接触
的に位置検出を行なうので、ウエハ表面を傷つけ
たり汚損したりする虞れが無い。

第５図の実施例において、水平方向の位置決め
に鋼球４８と浮遊パツド４９から成る伝達機構を
用い、垂直方向に浮遊パツド４３から成る伝達機
構を用いても前述の効果と全く同じ効果が得られ
る。

第６図は上記と異なる実施例を示す垂直断面図
で、ステージ４２に固定された軸６３をガイドと
して、ボールブツシユ６４は該軸方向に転動可能
となつている。さらに、ボールブツシユ６４には
外周を球面としたフオロアー６５が組合され、ナ
ツト部材６６からの送り量を伝達すると共に、上
下動、前後進、回動、傾斜（２方向）の５つのス
テージ４２の動きの抵抗とならない自由度を有す
る伝達機構を構成している。

また、ボールブツシユ６４とフオロアー６５の
組合せを用いる代りに、軸方向の直接運動と軸の
回りの回転運動が可能な軸受構成のフオロアーを
用いても同一の効果が得られる。

またパツド６７および環状のボール列６８なら
びに傾斜パツド６９は、前記実施例における空気
軸受付きの浮遊パツド４９を環状のボール列手段
６８で置き換えたもので、上記の空気軸受付浮遊
パツドと同様の自由度を有する伝達機構を構成す
るのは明白であり、前列と同様の作用、効果があ
る。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く、本発明のステージ制御装置
は、Ｘ方向に設けた１組の送り機構と、Ｙ方向に
設けた２組の送り機構と、Ｚ方向に設けた３組の
送り機構とを有し、かつ、上記６組の送り機構の
それぞれとステージとの間に、当該送り機構の変
位を伝達しステージに当接する箇所で該送り方向
と直交する２方向の変位と該送り方向を軸とする
回転と該送り方向と直交する２方向を軸とする回
転とを許容する伝達機構を介装し、前記６組の送
り機構がそれぞれ独立してステージを直接的に駆
動し得るように構成することにより、ステージの
６自由度をそれぞれ高精度で制御することがで
き、位置ぎめの剛性が高く、しかも制御性が良い
という優れた実用的効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は反射投影式ウエハ露光装置の概要的な
正面図、第２図は従来のウエハ塔載装置の垂直断
面図、第３図乃至第５図は本発明のステージ制御
装置の一実施例を示し、第３図は垂直断面図、第
４図は平面図、第５図は部分拡大断面図である。
第６図は上記と異なる実施例の部分拡大断面図で
ある。４……ウエハ、７……反射投影式光学系、４１
……ウエハ塔載装置ベース、４２……ステージ、
４３……浮遊パツド、４４……ナツト部材、４５
……送りネジ、４６……パルスモータ、４７……
バネ、４８……鋼球、４９……浮遊パツド、５０
……ナツト部材、５１……送りネジ、５２……パ
ルスモータ、５３……バネ、５４……静電容量型
近接センサー、５５……空洞部、５６……検出
点、５７……浮遊パツド、５８……ナツト部材、
５９……送りネジ、６０パルスモータ、６１……
バネ、６２……チユーブ、６３……軸、６４……
ボールブツシユ、６５……フオロアー、６６……
ナツト、６７……パツド、６８……ボール列手
段、６９……傾斜パツド、７０……鋼球、７１…
…ナツト。

Claims

【特許請求の範囲】１回路基板等の被加工物を積載する１個の可動
要素たるステージと、１個の固定要素と、上記固
定要素側に配置した被加工物の面に沿うある方向
に送る１組の送り機構と、被加工物の面に沿い前
記送り機構とほぼ直交する方向に送る２組の送り
機構と、被加工物の厚み方向に送る３組の送り機
構とを有し、かつ、個々の送り機構と上記ステー
ジとの間に、該送り機構の変位を伝達しステージ
に当接する箇所で該送り方向と直交する２方向の
変位と該送り方向を軸とする回転と該送り方向と
直交する２方向を軸とする回転とを許容する伝達
機構を介装し、前記６組の送り機構がステージを
独立して位置制御し得る様に構成したことを特徴
とする６自由度を有するステージの制御装置。２第１項記載の６自由度を有するステージの制
御装置において、少なくとも１個の伝達機構を球
対偶機構と平面摺動機構より構成したことを特徴
とする６自由度を有するステージの制御装置。３第１項記載の６自由度を有するステージの制
御装置において、少なくとも１個の伝達機構を球
対偶機構を複数の球状の転動体を平面で挿む構造
の平面転動機構より構成したことを特徴とする６
自由度を有するステージの制御装置。４第１項記載の６自由度を有するステージの制
御装置において、少なくとも１個の伝達機構を外
周を球面状とした回転機構６５と該回転機構の回
転軸の方向に可動な機構６４より構成したことを
特徴とする６自由度を有するステージの制御装
置。