DE2854856C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Positioniervorrichtung
zum hochgenauen Positionieren eines Objektes in mindestens
zwei zueinander orthogonalen Richtungen gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
Eine solche Positioniervorrichtung ist bekannt (DD-
PS 1 01 974) und kann grundsätzlich in Verbindung mit zahl
reichen verschiedenen Geräten angewendet werden, bei denen
es auf eine äußerst genaue Positionierung in zwei zueinan
der orthogonalen Richtung ankommt. Im Falle der bekannten
Positioniervorrichtung ist diese angewendet bei einem
Präzisionsmeßgerät. In der folgenden Beschreibung wird
jedoch die Erfindung erläutert anhand des Beispiels einer
Maskenausrichteinrichtung einer Kopiereinrichtung, die zur
Herstellung von Halbleiterbauelementen dient und bei der
eine besonders hohe Genauigkeit der Positionierung erfor
derlich ist.
In den letzten Jahren hat ein beachtlicher Fortschritt im
Hinblick auf die Miniaturisierung und Erhöhung des
Integrationsgrades von Halbleiterbauelementen stattgefun
den. Dabei hat die Leiterbreite der Muster 1 bis 2 µm
erreicht. Zur weiteren Verkleinerung und Steigerung der
Integration der Muster und um eine hohe Kopierleistung zu
erreichen, die das Kopieren von Mustern von 1 bis 2 µm
ermöglicht, ist es erforderlich, ungefähr zehn Muster- bzw.
Maskenbilder zeitlich nacheinander aufzubelichten und die
auf einer Halbleiterscheibe im vorangegangenen
Verfahrensschritt aufbelichteten Bilder sowie das im
darauffolgenden Verfahrensschritt aufzubelichtende Muster-
bzw. Maskenbild relativ zueinander genau anzuordnen.
Im allgemeinen ist dazu eine Genauigkeit von ungefähr 1/10
der Leiter- bzw. Linienbreite erforderlich, d. h. bei einer
Linienbreite von 1 bis 2 µm eine Genauigkeit von 0,1 bis
0,2 µm. Eine Positioniervorrichtung zur Ausrichtung eines
Objektes in zwei zueinander orthogonalen Richtungen, die
diese Forderung erfüllt, muß folgende Bedingungen erfüllen:
1. es muß eine Bestimmung der Position bzw. Lage des
Objektes mit der geforderten Genauigkeit möglich sein;
2. die Positioniervorrichtung muß derart ausgebildet sein,
daß sie zum Zweck der Bewegung in den beiden Richtungen auf
geringe Antriebskräfte gleichmäßig anspricht; und
3. die vorgesehenen Antriebsvorrichtungen müssen eine
Bewegung bzw. Verschiebung um kleinste Strecken bewirken
können.
Die bekannte Positioniervorrichtung weist die erste und die
zweite Schwimmlagerung auf, die es ermöglichen, die vorste
hend genannte zweite Bedingung zu erfüllen. Dabei ist vor
gesehen, daß der den als Gaslagern ausgebildeten
Lagerelementen der Schwimmlagerungen zugeführte Gas- bzw.
Luftdruck derart gesteuert wird, daß die an den horizontal
angeordneten Stützflächen wirkenden Kräfte veränderbar
sind, um dadurch Positionsänderungen des jeweiligen
Schlittens gegenüber seiner Schiene zu kompensieren, die
durch Verformungen und Fehllagen innerhalb der
Gesamtvorrichtung verursacht sind. Eine hinreichende
Feinpositionierung ist dadurch nicht erreicht und nicht
erleichtert.
Bei einer gattungsgemäß anderen Vorrichtung ist es bekannt
(Feingerätetechnik, 9. Jahrgang, Heft 4/1960, Seiten 166
bis 172), einen linear bewegbaren, mit Hilfe von Gaslagern
schwimmend gelagerten Schlitten pneumatisch feinzupositio
nieren. Zu diesem Zweck ist zusätzlich zu einem der
Grobpositionierung dienenden, mechanischen Spindelmecha
nismus eine am feinzupositionierenden Schlitten angebrachte
pneumatische Vorrichtung vorgesehen. Diese Vorrichtung
umfaßt eine Anordnung aus drei Platten, von denen die
beiden äußeren mittels des mechanischen Spindelmechanismus
grob verschiebbar sind und von denen die innere am
Schlitten befestigt ist und durch steuerbare Luftdrücke in
bestimmte Relativstellung zu den beiden äußeren Platten
gehalten werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsge
mäße Positioniervorrichtung dahingehend weiterzubilden, daß
mit möglichst einfachen konstruktiven Mitteln eine
Feinpositionierung im Bereich von weniger als 1 µm möglich
ist. Dies heißt mit anderen Worten, daß die
Positioniervorrichtung auch die vorstehend genannte dritte
Bedingung erfüllen soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Positi
oniervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1
gelöst, d. h. im wesentlichen dadurch, daß Maßnahmen zur
Grobpositionierung und Maßnahmen zur Feinpositionierung
vorgesehen sind für jede der beiden Richtungen und daß die
Feinpositionierung durch gezielte Einwirkung auf die
Schwimmlagerung der Grobpositionierung für die jeweils
andere Richtung erfolgt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Positi
oniervorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird
im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht der Positioniervorrichtung und
Fig. 2 eine Seitenansicht der Positioniervorrichtung gemäß
Fig. 1.
Fig. 1 zeigt das Ausführungsbeispiel der Positioniervor
richtung als Bestandteil einer Kopiereinrichtung zur
Herstellung von Halbleiterbauelementen. Eine Maske 1 ist
auf einem nicht gezeigten Maskenträger angeordnet und einem
optischen Projektionssystem 2 zur Ausbildung eines
Maskenbildes auf einer Scheibe zugeordnet, die das zu
positionierende Objekt 3 bildet. Die Maske 1 und das
Projektionssystem 2 sind stationär angeordnet. Das Objekt 3
kann in zwei zueinander orthogonalen Richtungen X und Y mit
Hilfe der Positioniervorrichtung zum Zweck des Ausrichtens
bzw. Positionierens bewegt werden, um auf diese Weise das
Bild der Maske 1 und das Objekt 3 in die gewünschte
Relativbeziehung zueinander zu bringen.
Die Positioniervorrichtung weist eine Vorrichtung zum
Positionieren in der ersten Richtung Y sowie eine
Vorrichtung zum Positionieren in der zweiten Richtung X
auf.
Die Vorrichtung zum Positionieren in der Richtung Y umfaßt
eine stationär bzw. ortsfest angeordnete erste Schiene 5.
An der ersten Schiene 5 ist mittels einer ersten
Schwimmlagerung 7 ein erster Schlitten 6 derart schwimmend
gelagert, daß der Schlitten 6 relativ zur Schiene 5 in
Richtung Y und somit in der Zeichenebene von Fig. 2 von
links nach rechts und umgekehrt bzw. senkrecht zur
Zeichenebene von Fig. 1 bewegbar ist. Die erste
Schwimmlagerung 7 umfaßt Lagerelemente 7a, 7b, 7c und 7d
(siehe Fig. 1), die als Gaslager ausgebildet sind und mit
Hilfe von Düsen ein Gas unter hohem Druck, beispielsweise
Luft, in den Spalt zwischen dem Schlitten 6 einerseits und
den horizontal angeordneten Stützflächen sowie vertikal
angeordneten Führungsflächen der Schiene 5 andererseits
einbringen.
Der erste Schlitten 6 ist somit mittels der Druckluft aus
den Gaslagern an der ersten Schiene 5 in Richtung Y ver
schiebbar schwimmend gelagert. Eine erste
Antriebsvorrichtung 8 zur Grobpositionierung des ersten
Schlittens 6 in Richtung Y ist in Fig. 2 gezeigt. Die
Antriebsvorrichtung 8 umfaßt einen L-förmigen Arm 9, der an
der ersten Schiene 5 befestigt ist, einen Motor 10, eine
mit der Welle des Motors 10 verbundene Gewindespindel 11,
die in Richtung Y verläuft, sowie eine Rückholfeder 12.
Wenn zum Antrieb der Gewindespindel 11 der Motor 10 bei
spielsweise rechtssinnig dreht, wird der Schlitten 6 längs
der Schiene 5 nach rechts (in Fig. 2) bewegt. Wenn die
Gewindespindel 11 in entgegengesetzter Richtung gedreht
wird, wird der Schlitten 6 mittels der Rückholfeder 12 nach
links (in Fig. 2) bewegt.
Die Vorrichtung zum Positionieren in der zweiten Richtung X
umfaßt eine zweite Schiene 13, die an dem ersten Schlitten
6 befestigt ist. Auf der zweiten Schiene 13 ist ein zweiter
Schlitten 14 angeordnet, der eine Halterung für das Objekt
3 aufweist und mittels einer zweiten Schwimmlagerung 15 an
der zweiten Schiene 13 derart schwimmend gelagert ist, daß
er in Richtung X relativ zur zweiten Schiene 13 bewegbar
ist. Die zweite Schwimmlagerung 15 umfaßt Lagerelemente
15a, 15b, 15c und 15d (siehe Fig. 2), die ebenfalls als
Gaslager ausgebildet sind. Zur Grobpositionierung in
Richtung X dient eine zweite Antriebsvorrichtung 16, die
einen L-förmigen Arm 17, einen Motor 18, eine
Gewindespindel 19 und eine Rückholfeder 20 in ähnlicher
Weise wie die erste Antriebsvorrichtung 8 aufweist.
Eine als Interferometer ausgebildete Meßvorrichtung 21
dient zur Ermittlung der Position des zweiten Schlittens 14
in den zwei zueinander orthogonalen Richtungen X und Y
relativ zur optischen Achse des Projektionssystems 2. Die
Meßvorrichtung 21 umfaßt eine Laser-Lichtquelle 22, einen
halbdurchlässigen Spiegel 23, Spiegel 24, 25 und 26 sowie
einen Lichtsensor 27. Die vorstehend genannten Elemente der
Meßvorrichtung 21 dienen zur Erfassung der Position in
Richtung X. Die Meßvorrichtung 21 umfaßt ferner eine aus
gleichen Elementen bestehende ähnliche Anordnung zur
Erfassung der Position in Richtung Y.
In Längsrichtung der ersten Schiene 5 sind mehrere
Lagerelemente 7a bzw. 7b bzw. 7c bzw. 7d vorgesehen. Von
den mehreren Lagerelementen 7b sind in Fig. 2 zwei
Lagerelemente 7b₁ und 7b₂ gezeigt. In Längsrichtung der
zweiten Schiene 13 sind mehrere Lagerelemente 15a bzw. 15b
bzw. 15c bzw. 15d vorgesehen. Von den mehreren
Lagerelementen 15a sind in Fig. 1 zwei Lagerelemente 15a₁
und 15a₂ gezeigt.
Die beschriebene Positioniervorrichtung arbeitet in folgen
der Weise.
Es sei angenommen, daß gleicher Gasdruck bzw. Luftdruck den
Lagerelementen 7a und 7b zugeführt wird. Ferner sei ange
nommen, daß in diesem Ausgangszustand das Objekt 3 um
einige Mikron in Richtung X von der gewünschten Position
abweicht. Um diese Abweichung zu kompensieren, wird der den
(in Fig. 1) linken Lagerelementen 7a und den (in Fig. 1)
rechten Lagerelementen 7b zugeführte Luftdruck mittels
eines nicht dargestellten Ventils entsprechend gesteuert.
Es können beide Luftdrücke geändert werden, wobei aus
Gründen der Einfachheit im hier beschriebenen Fall angenom
men wird, daß lediglich einer der Luftdrücke geändert wird.
Es sei beispielsweise der Luftdruck der Lagerelemente 7b
konstant eingestellt und notwendig, das Objekt 3 einige
Mikron nach rechts in Fig. 1 zu bewegen. Zu diesem Zweck
wird dann der Luftdruck der Lagerelemente 7a durch allmäh
liches Schließen des nicht dargestellten Ventils graduell
verändert, wodurch sich der Schlitten 6 nach rechts in Fig.
1 bewegt und das Spiel Δ x zwischen den Lagerelementen 7b
am ersten Schlitten 6 einerseits und der zugewandten
Führungsfläche an der ersten Schiene 5 andererseits
vergrößert wird. Diese Änderung des Spiels Δ x ist die
erreichte Verschiebestrecke und wird mittels der
Meßvorrichtung 21 erfaßt. Wenn durch diese Bewegung des
ersten Schlittens 6 um einige Mikron das Objekt 3 die
gewünschte Position in Richtung X erreicht hat, wird das
Schließen des Ventils beendet. Auf diese Weise ist eine
Feinpositionierung des Objektes 3 in Richtung X bewirkt
worden.
Im folgenden wird der Fall betrachtet, daß das Objekt 3 von
der vorbestimmten, gewünschten Position um einen größeren
Betrag, beispielsweise einige Zentimeter, in Richtung X
abweicht. In diesem Fall wird zuerst mittels des Motors 18
die Gewindespindel 19 angetrieben und dadurch der zweite
Schlitten 14 in Richtung X bewegt. Die Steuerung des Motors
18 erfolgt dabei aufgrund des Ausgangssignals der
Meßvorrichtung 21, bis eine Positioniergenauigkeit von 1 µm
erreicht ist. Dadurch ist dann die Grobpositionierung in
Richtung X ausgeführt. Im Anschluß daran wird dann auf vor
stehend bereits erläuterte Weise der Luftdruck der
Lagerelemente 7a und 7b derart gesteuert, daß das Spiel
Δ x verändert wird und dadurch der erste Schlitten 6, der
zur Grobpositionierung in Richtung Y dient, in Richtung X
bewegt bzw. verlagert, wodurch die Position des Objekts 3
mit äußerst hoher Genauigkeit von weniger als 0,1 µm einge
stellt wird. Dabei erfolgt die Steuerung der Luftdrücke in
Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Meßvorrichtung 21.
Zur Grobpositionierung in Richtung Y wird der erste
Schlitten 6 mittels des Motors 10 mit einer Genauigkeit in
der Größenordnung von 1 µm positioniert, woraufhin zur
Feinpositionierung der Luftdruck der Lagerelemente 15a und
15b, die (in Fig. 2) links und rechts von den
Führungsflächen der zweiten Schiene 13 angeordnet sind, so
gesteuert wird, daß die gewünschte Position in Richtung Y
mit hoher Genauigkeit eingestellt wird. Die Kontaktbereiche
zwischen der Gewindespindel 19 und dem Schlitten 14 sowie
die Kontaktbereiche zwischen der Gewindespindel 11 und dem
Schlitten 16 weisen eine ausreichend geringe Reibung auf,
um eine hinreichend genaue Positionierung in der
Größenordnung von 1 µm zu ermöglichen.
Die Einstellung des Spiels der Schwimmlagerungen mit einer
Genauigkeit von 0,1 µm kann durch einfaches Ändern des Gas-
bzw. Luftdrucks der jeweils linken und rechten
Lagerelemente im Bereich von 0,05 bar erreicht werden.
Ferner ist es möglich, durch unterschiedliche
Druckbeaufschlagung der Lagerelemente 15a₁ und 15a₂ bzw.
7b₁ und 7b₂, die in Längsrichtung der jeweiligen Schiene 13 bzw. 5
nebeneinander angeordnet sind, den auf der betrachteten
Schiene 13 bzw. 5 angeordneten Schlitten 14 bzw. 6 relativ zur Schiene 13 bzw. 5 etwas zu
drehen. Ferner ist es möglich, eine möglicherweise auftre
tende Schrägstellung des Schlittens 14 mittels der
Meßvorrichtung 21 zu erfassen und auf der Grundlage von deren
Ausgangssignal zu kompensieren.
Claims (3)
1. Positioniervorrichtung zum hochgenauen Positionieren
eines Objektes in mindestens zwei zueinander orthogonalen
Richtungen (X, Y),
mit mindestens einer ersten Vorrichtung zum Positionieren in einer ersten (Y) der beiden Richtungen mit einem ersten Schlitten, der auf einer ersten Schiene mit einer horizon tal angeordneten Stützfläche und vertikal angeordneten Führungsflächen über eine erste Schwimmlagerung abgestützt und in der ersten Richtung bewegbar geführt ist,
mit mindestens einer zweiten Vorrichtung zum Positionieren in der zweiten (X) der beiden Richtungen mit einem zweiten, das Objekt tragenden Schlitten, der auf einer zweiten, am ersten Schlitten befestigten Schiene mit einer horizontal angeordneten Stützfläche und vertikal angeordneten Führungsflächen über eine zweite Schwimmlagerung abgestützt und in der zweiten Richtung bewegbar geführt ist,
wobei jeder der beiden Schwimmlagerungen mehrere mit der Stützfläche und den Führungsflächen zusammenwirkende Lagerelemente aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Grobpositionierung in der ersten Richtung (Y) eine erste Antriebsvorrichtung (8) den ersten Schlitten (6) auf der ersten Schiene (5) in der ersten Richtung (Y) bewegt,
daß zur Grobpositionierung in der zweiten Richtung (X) eine zweite Antriebsvorrichtung (16) den zweiten Schlitten (14) auf der zweiten Schiene (13) in der zweiten Richtung (X) bewegt,
daß eine Meßvorrichtung (21) die Position des zweiten Schlittens (14) in den zwei zueinander orthogonalen Richtungen (X, Y) genau erfaßt,
daß die Feinpositionierung des Objektes (3) in der ersten Richtung (Y) durch Steuerung des von den mit den Führungsflächen der zweiten Schiene (13) zusammenwirkenden Lagerelementen (15a, 15a1, 15a2, 15b) der zweiten Schwimmlagerung (15) ausgeübten Druckes in Form einer Verlagerung des zweiten Schlittens (14) quer zur zweiten Schiene (13) erfolgt,
daß die Feinpositionierung des Objektes (3) in der zweiten Richtung (X) durch Steuerung des von den mit den Führungsflächen der ersten Schiene (5) zusammenwirkenden Lagerelementen (7a, 7b, 7b1, 7b2) der ersten Schwimmlagerung (7) ausgeübten Druckes in Form einer Verlagerung des ersten Schlittens (6) quer zur ersten Schiene (5) erfolgt
und daß die Steuerung des jeweils ausgeübten Druckes in Abhängigkeit von der mittels der Meßvorrichtung (21) erfaß ten Position des zweiten Schlittens (14) erfolgt.
mit mindestens einer ersten Vorrichtung zum Positionieren in einer ersten (Y) der beiden Richtungen mit einem ersten Schlitten, der auf einer ersten Schiene mit einer horizon tal angeordneten Stützfläche und vertikal angeordneten Führungsflächen über eine erste Schwimmlagerung abgestützt und in der ersten Richtung bewegbar geführt ist,
mit mindestens einer zweiten Vorrichtung zum Positionieren in der zweiten (X) der beiden Richtungen mit einem zweiten, das Objekt tragenden Schlitten, der auf einer zweiten, am ersten Schlitten befestigten Schiene mit einer horizontal angeordneten Stützfläche und vertikal angeordneten Führungsflächen über eine zweite Schwimmlagerung abgestützt und in der zweiten Richtung bewegbar geführt ist,
wobei jeder der beiden Schwimmlagerungen mehrere mit der Stützfläche und den Führungsflächen zusammenwirkende Lagerelemente aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Grobpositionierung in der ersten Richtung (Y) eine erste Antriebsvorrichtung (8) den ersten Schlitten (6) auf der ersten Schiene (5) in der ersten Richtung (Y) bewegt,
daß zur Grobpositionierung in der zweiten Richtung (X) eine zweite Antriebsvorrichtung (16) den zweiten Schlitten (14) auf der zweiten Schiene (13) in der zweiten Richtung (X) bewegt,
daß eine Meßvorrichtung (21) die Position des zweiten Schlittens (14) in den zwei zueinander orthogonalen Richtungen (X, Y) genau erfaßt,
daß die Feinpositionierung des Objektes (3) in der ersten Richtung (Y) durch Steuerung des von den mit den Führungsflächen der zweiten Schiene (13) zusammenwirkenden Lagerelementen (15a, 15a1, 15a2, 15b) der zweiten Schwimmlagerung (15) ausgeübten Druckes in Form einer Verlagerung des zweiten Schlittens (14) quer zur zweiten Schiene (13) erfolgt,
daß die Feinpositionierung des Objektes (3) in der zweiten Richtung (X) durch Steuerung des von den mit den Führungsflächen der ersten Schiene (5) zusammenwirkenden Lagerelementen (7a, 7b, 7b1, 7b2) der ersten Schwimmlagerung (7) ausgeübten Druckes in Form einer Verlagerung des ersten Schlittens (6) quer zur ersten Schiene (5) erfolgt
und daß die Steuerung des jeweils ausgeübten Druckes in Abhängigkeit von der mittels der Meßvorrichtung (21) erfaß ten Position des zweiten Schlittens (14) erfolgt.
2. Positioniervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Antriebsvorrichtung (8) und
die zweite Antriebsvorrichtung (16) jeweils als
Spindelmechanismus ausgebildet sind.
3. Positioniervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerelemente (7a, 7b, 7b1,
7b2) der ersten Schwimmlagerung (7) und die Lagerelemente
(15a, 15a1, 15a2, 15b) der zweiten Schwimmlagerung (15)
jeweils als Gaslager ausgebildet sind.
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