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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Positioniervorrichtung mit einem
Objekttisch und einer Antriebseinheit, durch die der Objekttisch
parallel zu mindestens einer X-Richtung über eine Führung verschiebbar ist, die
an einem Gestell bzw. Rahmen der Positioniervorrichtung befestigt
ist.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine Lithographievorrichtung mit
einem Maschinenrahmen, der parallel zu einer vertikalen Z-Richtung
betrachtet in dieser Reihenfolge eine Strahlungsquelle, einen Maskenhalter,
ein Fokussiersystem mit einer parallel zur Z-Richtung gerichteten
Hauptachse und einen Substrathalter trägt, der mittels einer Positioniervorrichtung
senkrecht zur Z-Richtung verschiebbar ist.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auf eine Lithographievorrichtung mit
einem Maschinenrahmen, der parallel zu einer vertikalen Z-Richtung
betrachtet in dieser Reihenfolge eine Strahlungsquelle, einen Maskenhalter,
der mittels einer Positioniervorrichtung senkrecht zur Z-Richtung verschiebbar
ist, ein Fokussiersystem mit einer parallel zur Z-Richtung gerichteten
Hauptachse und einen Substrathalter trägt, der mittels einer weiteren
Positioniervorrichtung senkrecht zur Z-Richtung verschiebbar ist.
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Eine
Positioniervorrichtung der im einleitenden Abschnitt erwähnten Art
ist aus dem US-Patent 5,260,580
bekannt. Die bekannte Positioniervorrichtung umfasst einen Objekttisch,
der durch eine stationäre
Basis getragen und über
diese geführt
wird, die wiederum durch einen ersten Rahmen getragen wird. Die
bekannte Positioniervorrichtung weist eine Antriebseinheit zum Verschieben
des Objekttisches über
die stationäre
Basis auf. Die Antriebseinheit hat einen ersten Linearmotor, von
welchem ein stationärer
Teil durch die stationäre
Basis getragen wird, und einen zweiten Linearmotor, von welchem
ein stationärer
Teil durch einen zweiten Rahmen getragen wird. Der zweite Rahmen
ist vom ersten Rahmen dynamisch isoliert, so dass mechanische Kräfte und Schwingungen,
die im zweiten Rahmen vorhanden sind, nicht auf den ersten Rahmen übertragen
werden können.
Der Objekttisch der bekannten Positioniervorrichtung ist während des
Betriebs mittels des zweiten Linearmotors in eine Position verschiebbar, die
nahe einer gewünschten
Endposition liegt, woraufhin er durch den ersten Linearmotor in
die gewünschte
Endposition bewegt werden kann. Die Verschiebung des Objekttisches
durch den zweiten Linearmotor ist gewöhnlich eine vergleichsweise
große geschwindigkeitsgesteuerte
Verschiebung, während der
der zweite Linearmotor eine vergleichsweise große Antriebskraft auf den Objekttisch
ausübt.
Die nachfolgende Verschiebung des Objekttisches durch den ersten
Linearmotor ist eine vergleichsweise kleine positionsgesteuerte
Verschiebung, während
der der erste Linearmotor eine vergleichsweise geringe An triebskraft
auf den Objekttisch ausübt.
Da der stationäre
Teil des zweiten Linearmotors durch den zweiten Rahmen getragen
wird, der von dem ersten Rahmen dynamisch isoliert ist, wird verhindert,
dass eine durch den Objekttisch auf den zweiten Linearmotor ausgeübte und
sich aus der durch den zweiten Linearmotor auf den Objekttisch ausgeübten Antriebskraft
ergebende Reaktionskraft sowie durch die Reaktionskraft im zweiten
Rahmen hervorgerufene mechanische Schwingungen in den ersten Rahmen, die
stationäre
Basis und den Objekttisch übertragen werden. Überdies
kann der erste Rahmen der bekannten Positioniervorrichtung auf einer
Bodenfläche mittels
einer Anzahl von Stoßdämpfern platziert
werden, die eine vergleichsweise geringe mechanische Steifigkeit
aufweisen. Aufgrund der geringen mechanischen Steifigkeit der Stoßdämpfer können im
Boden vorhandene mechanische Schwingungen nicht in den ersten Rahmen übertragen
werden. Die Tatsache, dass die stationäre Basis und der Objekttisch der
bekannten Positioniervorrichtung somit frei von den im Boden vorhandenen
Schwingungen und von den durch den zweiten Linearmotor hervorgerufenen, vergleichsweise
starken mechanischen Schwingungen bleiben, bedeutet, dass der Objekttisch
durch den ersten Linearmotor schnell und genau in die gewünschte Endposition
verschiebbar ist.
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Ein
Nachteil der bekannten Positioniervorrichtung besteht darin, dass
der erste Rahmen in Schwingung versetzt wird oder auf den Stoßdämpfern zu
rütteln
beginnen wird, wenn der Objekttisch über vergleichsweise große Distanzen
bezüglich
der stationären
Basis verschoben wird. Der Objekttisch ruht auf der stationären Basis
mit einer Tragkraft, die durch eine auf den Objekttisch wirkende
Schwerkraft bestimmt ist. Wenn der Objekttisch in bezug auf die stationäre Basis
verschoben wird, wird auch ein Ansatzpunkt der Tragkraft auf der
stationären
Basis in bezug auf die stationäre
Basis verschoben. Da Verschiebungen des Objekttisches über vergleichsweise große Distanzen
gewöhnlich
mit vergleichsweise geringen Frequenzen stattfinden und die stationäre Basis
bezüglich
des Bodens durch die Stoßdämpfer bei niedriger
Frequenz federgestützt
ist, führen
die Verschiebungen des Ansatzpunktes der Tragkraft, die sich aus
den vergleichsweise großen
Verschiebungen des Objekttisches ergeben, nicht nur zu mechanischen
Schwingungen in der stationären
Basis und dem ersten Rahmen, sondern auch zu einer niederfrequenten
Rüttelbewegung
des ersten Rahmens auf den Stoßdämpfern.
Solche mechanische Schwingungen und Rüttelbewegungen verschlechtern
die Positioniergenauigkeit und die Positionierzeit der Positioniervorrichtung,
d.h. die Genauigkeit, mit der eine gewünschte Endposition erreicht
wird, und die Zeitspanne, innerhalb der diese erreicht wird.
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US 5,187,519 offenbart eine
Belichtungsvorrichtung, bei der ein Rahmenbauteil von wenigstens drei
Halterungen abgestützt
ist. Die Halterungen weisen Aktuatoren auf, die gesteuert sind,
um Vibrationen zu verringern. Dieses Dokument wird als nächstliegender
Stand der Technik betrachtet.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Positioniervorrichtung
der im einleitenden Abschnitt erwähnten Art zu schaffen, mit
der der obige Nachteil so weit wie möglich verhindert wird.
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Die
Erfindung ist zu diesem Zweck dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniervorrichtung
mit einem Kraftstellgliedsystem ausgestattet ist, das durch eine
elektrische Steuereinheit gesteuert wird und während des Betriebs auf den
Rahmen eine Kompensationskraft ausübt, welche Kompensationskraft
durch die Steuereinheit als Funktion von Informationen über die
Position des Objekttisches gesteuert wird und ein mechanisches Moment
um einen Bezugspunkt des Rahmens aufweist mit einem Wert, der gleich
einem Wert eines mechanischen Moments einer auf den Objekttisch
wirkenden Schwerkraft um den Bezugspunkt ist, und einer Richtung,
die einer Richtung des mechanischen Moments der Schwerkraft entgegengesetzt
ist. Die Steuereinheit steuert die Kompensationskraft des Kraftstellgliedsystems als
Funktion einer Position des Objekttisches bezüglich der stationären Basis.
Die Steuereinheit ist z. B. mit einer Regelungsschleife mit Vorwärtskopplung versehen,
in der die Steuereinheit von einer elektrischen Steuereinheit der
Positioniervorrichtung eine Information über die Position des Objekttisches
empfängt,
oder mit einer Regelungsschleife mit Rückkopplung, in der die Steuereinheit
von einem Positionssensor eine Information über die Position des Objekttisches
empfängt.
Die Verwendung des Kraftstellgliedsystems macht die Summe des Moments
der Schwerkraft und des Moments der Kompensationskraft um den Bezugspunkt
des Rahmens so konstant wie möglich.
Folglich hat der verschiebbare Objekttisch einen sogenannten virtuellen
Schwerpunkt, der bezüglich
des Rahmens eine im wesentlichen konstante Position hat, so dass
der Rahmen die Verschiebungen des Ansatzpunktes der Tragkraft des Objekttisches
tatsächlich
nicht wahrnimmt. Mechanische Schwingungen und niederfrequente Rüttelbewegungen
des Rahmens aufgrund von Verschiebungen des tatsächlichen Schwerpunktes des
Objekttisches werden somit verhindert, wodurch eine Verbesserung
in der Positioniergenauigkeit und Positionierzeit der Positioniervorrichtung
erreicht wird.
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Eine
weitere Ausführungsform
einer Positioniervorrichtung gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Objekttisch parallel zu einer horizontalen
Richtung verschiebbar ist, während
das Kraftstellgliedsystem die Kompensationskraft parallel zu einer
vertikalen Richtung auf den Rahmen ausübt. Da das Kraftstellgliedsystem
die Kompensationskraft auf den Rahmen parallel zur vertikalen Richtung
ausübt, übt das Kraftstellgliedsystem
in einer Antriebsrichtung des Objekttisches keine Kräfte auf
den Rahmen aus, so dass das Kraftstellgliedsystem keine mechanischen
Schwingungen im Rahmen erzeugt, die parallel zur An triebsrichtung
gerichtet sind, und es müssen
keine Maßnahmen
ergriffen werden, um derartige Schwingungen zu verhindern. Vertikale Schwingungen
des Rahmens werden dadurch verhindert, dass ein Wert der Kompensationskraft
des Kraftstellgliedsystems konstant gehalten wird, und dadurch,
dass ausschließlich
ein Ansatzpunkt der Kompensationskraft auf dem Rahmen als Funktion der
Position des Objekttisches verschoben wird. Die Verschiebung des
Ansatzpunktes der Kompensationskraft des Kraftstellgliedsystems
wird z. B. durch die Verwendung eines Kraftstellgliedsystems mit
zumindest zwei getrennten Kraftstellgliedern erreicht, wobei die
Kompensationskräfte
der Kraftstellglieder als Funktion der Position des Objekttisches
einzeln gesteuert werden, wobei eine Summe der Kompensationskräfte der
separaten Kraftstellglieder konstant gehalten wird.
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Noch
eine weitere Ausführungsform
einer Positioniervorrichtung gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Objekttisch parallel zu einer
horizontalen X-Richtung und parallel zu einer horizontalen Y-Richtung
verschiebbar ist, die zur X-Richtung senkrecht ist, während das
Kraftstellgliedsystem drei Kraftstellglieder aufweist, die wechselseitig
in einem Dreieck angeordnet sind und jeweils eine Kompensationskraft
parallel zur vertikalen Richtung auf den Rahmen ausüben. Die
Verwendung des Kraftstellgliedsystems mit den drei Kraftstellgliedern,
die wechselseitig in einem Dreieck angeordnet sind, verhindert nicht
nur aus einer Verschiebung des Objekttisches parallel zur X-Richtung
resultierende mechanische Schwingungen des Rahmens, sondern verhindert
auch mechanische Schwingungen des Rahmens, die sich aus einer Verschiebung
des Objekttisches parallel zur Y-Richtung ergeben. Die Summe der
Kompensationskräfte
der einzelnen Kraftstellglieder wird während des Betriebs ständig konstant gehalten,
so dass das Kraftstellgliedsystem keine vertikalen Schwingungen
im Rahmen hervorruft. Die dreieckige Anordnung der Kraftstellglieder
liefert zusätzlich
einen besonders stabilen Betrieb des Kraftstellgliedsystems.
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Eine
spezielle Ausführungsform
einer Positioniervorrichtung gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstellgliedsystem mit einem
System dynamischer Isolatoren integriert ist, durch die der Rahmen
mit einer Basis der Positioniervorrichtung gekoppelt ist. Die dynamischen
Isolatoren sind z. B. Stoßdämpfer mit
einer vergleichsweise geringen mechanischen Steifigkeit, durch die
der Rahmen von der Basis dynamisch isoliert ist. Aufgrund der vergleichsweise
geringen mechanischen Steifigkeit der Stoßdämpfer werden keine in der Basis
vorhandenen mechanischen Schwingungen wie z. B. Bodenschwingungen
in den Rahmen übertragen.
Die Integration des Kraftstellgliedsystems mit dem System dynamischer
Isolatoren schafft einen besonders kompakten und einfachen Aufbau
der Positioniervorrichtung.
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Eine
weitere Ausführungsform
einer Positioniervorrichtung gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationskraft ausschließlich eine
Lorentz-Kraft eines Magnetsystems und eines elektrischen Spulensystems
des Kraftstellgliedsystems umfasst. Das Kraftstellgliedsystem weist
einen Teil auf, der am Rahmen befestigt ist, und einen Teil, der
an einer Basis der Positioniervorrichtung befestigt ist. Da die
Kompensationskraft des Kraftstellgliedsystems ausschließlich eine
Lorentz-Kraft ist, sind die Teile des Kraftstellgliedsystems physikalisch
entkoppelt, d.h. es gibt keinen physikalischen Kontakt oder keine
physikalische Kopplung zwischen den Teilen. Dadurch wird verhindert, dass
in der Basis der Positioniervorrichtung vorhandene mechanische Schwingungen
wie z. B. Bodenschwingungen über
das Kraftstellgliedsystem in den Rahmen und den Objekttisch übertragen
werden.
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Eine
Lithographievorrichtung mit einem verschiebbaren Substrathalter
der in den einleitenden Abschnitten erwähnten Art ist aus EP-A-0 498
496 bekannt. Die bekannte Lithographievorrichtung wird bei der Herstellung
integrierter Halbleiterschaltungen mittels eines optischen Lithographieprozesses
verwendet. Die Strahlungsquelle der bekannten Lithographievorrichtung
ist eine Lichtquelle, während
das Fokussiersystem ein optisches Linsensystem ist, durch das ein
partielles Muster einer integrierten Halbleiterschaltung, welches
Muster auf einer Maske vorhanden ist, die auf dem Maskenhalter der
Lithographievorrichtung platziert werden kann, in einem reduzierten
Maßstab
auf ein Halbleitersubstrat abgebildet wird, das auf dem Substrathalter
der Lithographievorrichtung platziert werden kann. Ein solches Halbleitersubstrat
weist eine große
Anzahl Felder auf, auf denen identische Halbleiterschaltungen vorgesehen
sind. Die einzelnen Felder des Halbleitersubstrats werden folglich
zu diesem Zweck belichtet, wobei das Halbleitersubstrat bezüglich der
Maske und des Fokussiersystems während
der Belichtung eines einzelnen Feldes in einer konstanten Position ist,
während
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Belichtungsschritten mittels
der Positioniervorrichtung des Substrathalters ein nächstes Feld
des Halbleitersubstrats bezüglich
des Fokussiersystems in Position gebracht wird. Dieser Prozess wird
eine Anzahl von Malen wiederholt, jedes Mal mit einer verschiedenen
Maske mit einem verschiedenen partiellen Muster, so dass integrierte
Halbleiterschaltungen mit einer vergleichsweise komplizierten Struktur
hergestellt werden können.
Die Strukturen solcher integrierter Halbleiterschaltungen weisen
Detailabmessungen auf, die im Submikrometerbereich liegen. Die auf
den aufeinanderfolgenden Masken vorhandenen partiellen Muster sollte
dementsprechend auf die Felder des Halbleitersubstrats mit einer
Genauigkeit zueinander abgebildet werden, die im Submikrometerbereich
liegt. Das Halbleitersubstrat sollte dementsprechend bezüglich der
Maske und des Fokussiersystems durch die Positioniervorrichtung
des Substrathalters mit einer Genauigkeit ebenfalls im Submikrometerbereich
positioniert werden. Um die für
die Herstellung der Halbleiterschaltungen erforderliche Zeit zu
reduzieren, sollte außerdem
das Halbleitersubstrat mit einer vergleichs weise hohen Geschwindigkeit
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Belichtungsschritten verschoben
werden und sollte bezüglich
der Maske und des Fokussiersystems mit der gewünschten Genauigkeit positioniert
werden.
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Gemäß der Erfindung
ist die Lithographievorrichtung mit dem verschiebbaren Substrathalter dadurch
gekennzeichnet, dass die Positioniervorrichtung des Substrathalters
eine Positioniervorrichtung gemäß der Erfindung
ist, wobei der Rahmen der Positioniervorrichtung des Substrathalters
zu dem Maschinenrahmen der Lithographievorrichtung gehört, während das
Kraftstellgliedsystem der Positioniervorrichtung des Substrathalters
die Kompensationskraft auf den Maschinenrahmen ausübt. Die
Verwendung der Positioniervorrichtung gemäß der Erfindung mit dem Kraftstellgliedsystem
verhindert ein Rütteln oder
Schwingen des Maschinenrahmens der Lithographievorrichtung, wenn
der Substrathalter mit dem Halbleitersubstrat zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Belichtungsschritten, während
denen der Schwerpunkt des Substrathalters bezüglich des Maschinenrahmens
der Lithographievorrichtung verschoben wird, durch die Positioniervorrichtung
mit einer vergleichsweise hohen Geschwindigkeit zu einem nächsten Feld
bewegt wird. Die Steuereinheit des Kraftstellgliedsystems steuert
die Kompensationskraft als Funktion einer Position des Substrathalters
bezüglich
des Maschinenrahmens. Aufgrund der Verwendung des Kraftstellgliedsystems
bleibt eine Summe eines Moments einer auf den Substrathalter wirkenden
Schwerkraft und eines Moments der Kompensationskraft um den Bezugspunkt
des Maschinenrahmens so weit wie möglich konstant, so dass der
Maschinenrahmen die Verschiebungen des Schwerpunktes des Substrathalters
so wenig wie möglich
fühlt bzw.
wahrnimmt. Mechanische Schwingungen des Maschinenrahmens, die durch
Verschiebungen des Schwerpunktes des Substrathalters hervorgerufen
werden, werden dadurch verhindert, so dass die Genauigkeit, mit
der der Substrathalter bezüglich
des Maschinenrahmens positioniert werden kann, und die für den Positionierprozess
erforderliche Zeit durch derartige Verschiebungen des Schwerpunktes
nicht nachteilig beeinflusst werden.
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Eine
Lithographievorrichtung mit einem verschiebbaren Substrathalter
und einem verschiebbaren Maskenhalter der in den einleitenden Abschnitten erwähnten Art
ist aus dem US-Patent
5,194,893 bekannt. In dieser bekannten Lithographievorrichtung ist
das Halbleitersubstrat in der Herstellung bezüglich der Maske und des Fokussiersystems
während
der Belichtung eines einzelnen Feldes des Halbleitersubstrats nicht
in einer konstanten Position, sondern statt dessen werden das Halbleitersubstrat
und die Maske während
der Belichtung durch die Positioniervorrichtung des Substrathalters
bzw. die Positioniervorrichtung des Maskenhalters bezüglich des
Fokussiersystems parallel zu einer X-Richtung, die zur Z-Richtung senkrecht
ist, synchron verschoben. Auf diese Weise wird das auf der Maske
vorhandene Muster parallel zur X-Richtung abgetastet und auf das
Halbleitersubstrat synchron abgebil det. Dadurch wird erreicht, dass
eine maximale Oberfläche
der Maske, die durch das Fokussiersystem auf das Halbleitersubstrat
abgebildet werden kann, in einem geringeren Maß durch eine Größe einer
Apertur des Fokussiersystems begrenzt ist. Da die Detailabmessungen
der herzustellenden integrierten Halbleiterschaltungen im Submikrometerbereich
liegen, sollten während der
Belichtung das Halbleitersubstrat und die Maske bezüglich des
Fokussiersystems mit einer Genauigkeit ebenfalls im Submikrometerbereich
verschoben werden. Um die für
die Herstellung der Halbleiterschaltungen erforderliche Zeit zu
reduzieren, sollten während
der Belichtung das Halbleitersubstrat und die Maske zusätzlich in
Bezug aufeinander mit einer vergleichsweise hohen Geschwindigkeit
verschoben und positioniert werden. Da das auf der Maske vorhandene
Muster in einem reduzierten Maßstab
auf das Halbleitersubstrat abgebildet wird, sind die Geschwindigkeit,
mit der die Maske verschoben wird, und die Distanz, über die
die Maske verschoben wird, größer als
die Geschwindigkeit, mit der das Halbleitersubstrat verschoben wird,
und die Distanz, über die
das Halbleitersubstrat verschoben wird, wobei das Verhältnis zwischen
den Geschwindigkeiten und das Verhältnis zwischen den Distanzen
nicht gleich einem Verkleinerungsfaktor des Fokussiersystems ist.
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Gemäß der Erfindung
ist die Lithographievorrichtung mit dem verschiebbaren Substrathalter und
dem verschiebbaren Maskenhalter dadurch gekennzeichnet, dass die
Positioniervorrichtung des Maskenhalters eine Positioniervorrichtung
gemäß der Erfindung
ist, wobei der Rahmen der Positioniervorrichtung des Maskenhalters
zu dem Rahmen der Lithographievorrichtung gehört, während das Kraftstellgliedsystem
der Positioniervorrichtung des Maskenhalters die Kompensationskraft
auf den Maschinenrahmen ausübt.
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Eine
spezielle Ausführungsform
einer Lithographievorrichtung mit einem verschiebbaren Substrathalter
gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Maskenhalter durch eine Positioniervorrichtung
gemäß der Erfindung
senkrecht zur der Z-Richtung verschiebbar ist, wobei der Rahmen der
Positioniervorrichtung des Maskenhalters zu dem Maschinenrahmen
der Lithographievorrichtung gehört,
während
das Kraftstellgliedsystem der Positioniervorrichtung des Maskenhalters
die Kompensationskraft auf dem Maschinenrahmen ausübt.
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Dadurch
wird verhindert, dass der Maschinenrahmen der Lithographievorrichtung
schwingt oder rüttelt,
wenn während
der Belichtung des Halbleitersubstrats der Maskenhalter mit der
Maske durch die Positioniervorrichtung über vergleichsweise große Distanzen
bewegt wird, während
dessen der Schwerpunkt des Maskenhalters über vergleichsweise große Distanzen
bezüglich
des Maschinenrahmens der Lithographievorrichtung verschoben wird. Mechanische
Schwingungen des Maschinenrahmens, die sich aus den vergleichsweise
großen
Verschiebungen des Schwerpunktes des Maskenhalters ergeben, werden
somit während
der Belich tung des Halbleitersubstrats verhindert, so dass die Genauigkeit,
mit der der Substrathalter und der Maskenhalter bezüglich des
Maschinenrahmens während
der Belichtung des Halbleitersubstrats positioniert werden können, und
die zum Positionieren erforderliche Zeit durch derartige vergleichsweise
großen
Verschiebungen des Schwerpunktes des Maskenhalters nicht nachteilig
beeinflusst werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
einer Lithographievorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Positioniervorrichtungen des Substrathalters und des Maskenhalters
ein Gelenkkraftstellgliedsystem aufweisen, so dass der Wert des
mechanischen Moments der Kompensationskraft des Gelenkkraftstellgliedsystems
um den Bezugspunkt gleich einem Wert einer Summe eines mechanischen
Moments einer auf den Substrathalter wirkenden Schwerkraft um den
Bezugspunkt und eines mechanischen Moments einer auf den Maskenhalter
wirkenden Schwerkraft um den Bezugspunkt ist, während die Richtung des mechanischen
Moments der Kompensationskraft einer Richtung der Summe mechanischer
Momente entgegengesetzt ist. Die Steuereinheit des Kraftstellgliedsystems
steuert hier die Kompensationskraft als Funktion der Position des
Maskenhalters und der Position des Substrathalters bezüglich des
Maschinenrahmens, so dass das Gelenkkraftstellgliedsystem sowohl
Verschiebungen des Schwerpunktes des Maskenhalters als auch Verschiebungen
des Schwerpunktes des Substrathalters kompensiert. Die Konstruktion
der Lithographievorrichtung wird durch die Verwendung des Gelenkkraftstellgliedsystems
vereinfacht.
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Noch
eine weitere Ausführungsform
einer Lithographievorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, dass der Maschinenrahmen auf einer Basis der Lithographievorrichtung
mittels dreier dynamischer Isolatoren platziert ist, die wechselseitig
in einem Dreieck angeordnet sind, während das Kraftstellgliedsystem
drei separate Kraftstellglieder aufweist, die jeweils mit einem
entsprechenden der dynamischen Isolatoren integriert sind. Die dynamischen
Isolatoren sind z. B. Stoßdämpfer mit
einer vergleichsweise geringen mechanischen Steifigkeit, durch die
der Maschinenrahmen von der Basis dynamisch isoliert ist. Wegen
der vergleichsweise geringen mechanischen Steifigkeit der Stoßdämpfer werden
in der Basis vorhandene mechanische Schwingungen wie z. B. Bodenschwingungen
nicht auf den Maschinenrahmen übertragen.
Die Integration des Kraftstellgliedsystems mit der Verwendung dynamischer
Isolatoren schafft einen besonders kompakten und einfachen Aufbau
der Lithographievorrichtung. Die dreieckige Anordnung der Isolatoren
schafft zusätzlich
eine besonders stabile Abstützung
für den Maschinenrahmen.
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Die
Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf die Zeichnung ausführlicher
erläutert,
in der:
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1 eine Lithographievorrichtung
gemäß der Erfindung
zeigt;
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2 ein Diagramm der Lithographievorrichtung
von 1 ist;
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3 eine Basis und einen Substrathalter der
Lithographievorrichtung von 1 zeigt;
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4 eine Draufsicht der Basis
und des Substrathalters der Lithographievorrichtung von 3 ist;
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5 eine Draufsicht eines
Maskenhalters der Lithographievorrichtung von 1 ist;
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6 ein Querschnitt entlang
VI–VI
in 5 ist;
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7 ein Querschnitt eines
dynamischen Isolators der Lithographievorrichtung von 1 ist;
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8 ein Querschnitt entlang
VIII–VIII
in 7 ist; und
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9 ein Kraftstellgliedsystem
der Lithographievorrichtung von 1 schematisch
zeigt.
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Die
Lithographievorrichtung gemäß der Erfindung,
die in 1 und 2 dargestellt ist, wird für die Herstellung
integrierter Halbleiterschaltungen durch einen optischen Lithographieprozess
verwendet. Wie 2 schematisch
zeigt, ist parallel zu einer vertikalen Z-Richtung betrachtet die
Lithographievorrichtung nacheinander mit einem Substrathalter 1,
einem Fokussiersystem 3, einem Maskenhalter 5 und
einer Strahlungsquelle 7 versehen. Die in 1 und 2 gezeigte
Lithographievorrichtung ist eine optische Lithographievorrichtung,
in der die Strahlungsquelle 7 eine Lichtquelle 9,
eine Blende 11 und Spiegel 13 und 15 aufweist.
Der Substrathalter 1 weist eine Tragfläche 17 auf, die sich
senkrecht zur Z-Richtung erstreckt und auf der ein Halbleitersubstrat 19 platziert werden
kann, während
er bezüglich
des Fokussiersystems 3 parallel zu einer zur Z-Richtung
senkrechten X-Richtung und parallel zu einer zu der X-Richtung und
der Z-Richtung senkrechten Y-Richtung mittels einer ersten Positioniervorrichtung 21 der
Lithographievorrichtung verschiebbar ist. Das Fokussiersystem 3 ist
ein Abbildungs- oder Projektionssystem und umfasst ein System optische
Linsen 23 mit einer optischen Hauptachse 25, die
zu der Z-Richtung parallel ist, und einem optischen Verkleinerungsfaktor, der
z.B. 4 oder 5 beträgt. Der Maskenhalter 5 umfasst eine
Tragfläche 27,
die zu der Z-Richtung senkrecht ist und auf der eine Maske 29 platziert
werden kann, während
er bezüglich
des Fokussiersystems 3 mittels einer zweiten Positioniervorrichtung 31 der
Lithographievorrichtung parallel zur X-Richtung verschiebbar ist.
Die Maske 29 weist ein Muster oder ein partielles Muster
einer integrierten Halbleiterschaltung auf. Während des Betriebs wird ein
von der Lichtquelle 9 stammender Lichtstrahl 33 über die Blende 11 und
die Spiegel 13, 15 durch die Maske 29 geführt und
mittels des Linsensystems 23 auf dem Halbleitersubstrat 19 fokussiert,
so dass das auf der Maske 29 vorhandene Muster in reduziertem
Maßstab
auf das Halbleitersubstrat 19 abgebildet wird. Das Halbleitersubstrat 19 umfasst
eine große
Anzahl einzelner Felder 35, auf denen identische Halbleiterschaltungen
vorgesehen sind. Zu diesem Zweck werden die Felder 35 des
Halbleitersubstrats 19 durch die Maske 29 nacheinander
belichtet, wobei ein nächstes
Feld 35 bezüglich
des Fokussiersystems 3 jedes Mal nach der Belichtung eines
einzelnen Feldes 35 dadurch positioniert wird, dass der
Substrathalter 1 durch die Positioniervorrichtung 21 parallel
zu der X-Richtung oder der Y-Richtung
bewegt wird. Dieser Prozess wird eine Anzahl von Malen wiederholt,
jedes Mal mit einer verschiedenen Maske, so dass vergleichsweise
komplizierte integrierte Halbleiterschaltungen mit einer geschichteten
Struktur hergestellt werden.
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Wie 2 zeigt, werden das Halbleitersubstrat 19 und
die Maske 29 während
der Belichtung eines einzelnen Feldes 35 durch die erste
und die zweite Positioniervorrichtung 21, 31 bezüglich des Fokussiersystems 3 synchron
parallel zu der X-Richtung verschoben. Das auf der Maske 29 vorhandene Muster
wird somit parallel zu der X-Richtung abgetastet und synchron auf
das Halbleitersubstrat 19 abgebildet. Auf diese Weise ist,
wie in 2 verdeutlicht
ist, eine parallel zur Y-Richtung gerichtete maximale Breite B der
Maske 29, die durch das Fokussiersystem 3 auf
das Halbleitersubstrat 19 abgebildet werden kann, ausschließlich durch
einen Durchmesser D einer Apertur 37 des Fokussiersystems 3 beschränkt, das
in 2 schematisch dargestellt
ist. Eine zulässige
Länge L
der Maske 29, die durch das Fokussiersystem 3 auf
das Halbleitersubstrat 19 abgebildet werden kann, ist größer als
der Durchmesser D. Bei diesem Abbildungsverfahren, das dem sogenannten "Schritt-Abtast"-Prinzip folgt, ist
ein maximaler Oberflächenbereich
der Maske 29, der durch das Fokussiersystem 3 auf
das Halbleitersubstrat 19 abgebildet werden kann, durch
den Durchmesser D der Apertur 37 des Fokussiersystems 3 in
einem geringeren Maß begrenzt
als bei einem herkömmlichen Abbildungsverfahren,
das dem sogenannten "Schritt-Wiederholungs"-Prinzip folgt, welches
z.B. in einer aus EP-A-0 498 496 bekannten Lithographievorrichtung
verwendet wird, wo die Maske und das Halbleitersubstrat sich an
festgelegten Positionen bezüglich
des Fokussiersystems während
einer Belichtung des Halbleitersubstrats befinden. Da das auf der
Maske 29 vorhandene Muster in einem reduzierten Maßstab auf
das Halbleitersubstrat 19 abgebildet wird, sind die Länge L und
die Breite B der Maske 29 größer als eine entsprechende
Länge L' und Breite B' der Felder 35 auf
dem Halbleitersubstrat 19, wobei ein Verhältnis zwischen
den Längen
L und L' und zwischen
den Breiten B und B' gleich
dem optischen Verkleinerungsfaktor des Fokussiersystems 3 ist.
Folglich sind auch ein Verhältnis
zwischen einer Distanz, über
die die Maske 29 während
einer Belichtung verschoben wird, und einer Distanz, über die
das Halbleitersubstrat 19 während einer Belichtung verschoben
wird, und ein Verhältnis
zwischen oder Geschwindigkeit, mit der die Maske 29 während einer Belichtung
verschoben wird, und einer Geschwindigkeit, mit der das Halbleitersubstrat 19 während einer Belichtung
verschoben wird, beide gleich dem optischen Verkleinerungsfaktor
des Fokussiersystems 3. In der in 2 gezeigten Lithographievorrichtung sind
die Richtungen, in denen das Halbleitersubstrat 19 und
die Maske 29 während
einer Belichtung verschoben werden, wechselseitig entgegengesetzt.
Es sei besonders erwähnt,
dass die Richtungen auch die gleichen sein können, falls die Lithographievorrichtung
ein verschiedenes Fokussiersystem aufweist, durch das das Maskenmuster
nicht umgekehrt abgebildet wird.
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Die
mit der Lithographievorrichtung herzustellenden integrierten Halbleiterschaltungen
haben eine Struktur mit Detailabmessungen im Submikrometerbereich.
Da die Halbleitervorrichtung 19 durch eine Anzahl verschiedener
Masken nacheinander belichtet wird, müssen die auf den Masken vorhandenen
Muster auf das Halbleitersubstrat 19 in Bezug aufeinander
mit einer Genauigkeit abgebildet werden, die ebenfalls im Submikrometerbereich
oder gar im Nanometerbereich liegt. Während einer Belichtung des
Halbleitersubstrats 19 sollten das Halbleitersubstrat 19 und
die Maske 29 dementsprechend in bezug auf das Fokussiersystem 3 mit
solch einer Genauigkeit verschoben werden, so dass vergleichsweise
hohe Anforderungen an die Positioniergenauigkeit der ersten und
der zweiten Positioniervorrichtung 21, 31 gestellt
werden.
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Wie 1 zeigt, hat die Lithographievorrichtung
eine Basis 39, die auf einer horizontalen Bodenfläche angeordnet
werden kann. Die Basis 39 bildet einen Teil eines Kraftrahmens 41,
zu dem ferner eine vertikale, vergleichsweise steife Metallsäule 43 gehört, die
an der Basis 39 befestigt ist. Die Lithographievorrichtung
umfasst ferner einen Maschinenrahmen 45 mit einer dreieckigen,
vergleichsweise steifen Hauptplatte 47 aus Metall, die
sich quer zur optischen Hauptachse 25 des Fokussiersystems 3 erstreckt
und mit einer zentralen Öffnung
für einen Lichtdurchgang
versehen ist, die in 1 nicht
sichtbar ist. Die Hauptplatte 47 hat drei Eckabschnitte 49, mit
denen sie auf drei dynamischen Isolatoren 51 ruht, die
an der Basis 49 befestigt sind und im folgenden weiter
beschrieben werden. Nur zwei Eckabschnitte 49 der Hauptplatte 47 und
zwei dynamische Isolatoren 51 sind in 1 sichtbar, während alle drei dynamischen
Isolatoren 51 in 3 und 4 sichtbar sind. Das Fokussiersystem 3 ist
nahe einer Unterseite mit einem Montagering 53 versehen,
durch den das Fokussiersystem 3 an der Hauptplatte 47 befestigt
ist. Der Maschinenrahmen 45 umfasst auch eine vertikale,
vergleichsweise steife Metallsäule 55,
die an der Hauptplatte 47 befestigt ist. Nahe einer Oberseite
des Fokussiersystems 3 befindet sich überdies ein Tragglied 57 für den Maskenhalter 5,
welches Glied auch zum Maschinenrahmen 45 gehört, an der Säule 55 des
Maschinenrahmens 45 befestigt ist und im folgenden weiter
erläutert
wird. Zum Maschinenrahmen 45 gehören auch drei vertikale Aufhängungsplatten 59,
die den drei jeweiligen Eckabschnitten 49 benachbart an
einer Unterseite der Hauptplatte 47 befestigt sind. In 1 sind nur zwei Aufhängungsplatten 59 teilweise
sichtbar, während
in 3 und 4 alle drei Aufhängungsplatten 59 sichtbar
sind. Wie 4 zeigt, ist
an den drei Aufhängungsplatten 59 eine
horizontale Tragplatte 61 für den Substrathalter 1 befestigt,
die ebenfalls zum Maschinenrahmen 45 gehört. Die
Tragplatte 61 ist in 1 nicht
und in 3 nur teilweise
sichtbar.
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Aus
dem Obigen ist ersichtlich, dass der Maschinenrahmen 45 die
Hauptkomponenten der Lithographievorrichtung, d.h. den Substrathalter 1,
das Fokussiersystem 3 und den Maskenhalter 5 parallel zu
der Z-Richtung trägt.
Wie im folgenden weiter erläutert
wird, weisen die dynamischen Isolatoren 51 eine vergleichsweise
geringe mechanische Steifigkeit auf. Dadurch wird erreicht, dass
in der Basis 39 vorhandene mechanische Schwingungen wie
z. B. Bodenschwingungen über
die dynamischen Isolatoren 51 nicht in den Maschinenrahmen 45 übertragen werden.
Die Positioniervorrichtungen 21, 31 weisen als
Folge eine Positioniergenauigkeit auf, die durch die in der Basis 39 vorhandenen
mechanischen Schwingungen nicht nachteilig beeinflusst wird. Die Funktion
des Kraftrahmens 41 wird im folgenden weiter ausführlicher
erläutert.
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Wie 1 und 5 zeigen, weist der Maskenhalter 5 einen
Block 63 auf, auf dem die Tragfläche 27 vorhanden ist.
Das Tragglied 57 für
den Maskenhalter 5, das zum Maschinenrahmen 45 gehört, weist eine
in 5 sichtbare zentrale Öffnung 64 für einen Lichtdurchgang
und zwei ebene Führungen 65 auf, die
parallel zur X-Richtung verlaufen und in einer gemeinsamen Ebene
liegen, die zur Z-Richtung senkrecht ist. Der Block 63 des
Maskenhalters 5 wird über die
ebenen Führungen 65 des
Traggliedes 57 durch (in den Figuren nicht sichtbare) gasstatische
Lager geführt
mit Freiheitsgraden einer Bewegung parallel zur X-Richtung und parallel
zur Y-Richtung und einem Rotationsfreiheitsgrad um eine Rotationsachse 67 des
Maskenhalters 5, die parallel zur Z-Richtung gerichtet
ist.
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Wie 1 und 5 weiter zeigen, umfasst die zweite Positioniervorrichtung 31,
durch die der Maskenhalter 5 verschiebbar ist, einen ersten
Linearmotor 69 und einen zweiten Linearmotor 71.
Der zweite Linearmotor 71, der von einer üblichen
und an sich bekannten Art ist, umfasst einen stationären Teil 73, der
an der Säule 43 des
Kraftrahmens 41 befestigt ist. Der stationäre Teil 73 weist
eine Führung 75 auf, die
sich parallel zur X-Richtung erstreckt und entlang der ein beweglicher
Teil 77 des zweiten Linearmotors 71 verschiebbar
ist. Der bewegliche Teil 77 weist einen Verbindungsarm 79 auf,
der sich parallel zur Y-Richtung erstreckt und an dem ein elektrischer Spulenhalter 81 des
ersten Linearmotors 69 befestigt ist. Ein Permanentmagnethalter 83 des
ersten Linearmotors 69 ist am Block 63 des Maskenhalters 5 befestigt.
Der erste Linearmotor 69 ist von einer aus EP-B-0 421 527
bekannten Art. Wie 5 zeigt,
umfasst der Spulenhalter 81 des ersten Linearmotors 69 vier
elektrische Spulen 85, 87, 89, 91,
die sich parallel zur Y-Richtung erstrecken, und eine elektrische Spule 93,
die sich parallel zur X-Richtung erstreckt. Die Spulen 85, 87, 89, 91, 93 sind
in 5 mit gestrichelten
Linien schematisch angegeben. Der Magnethalter 83 umfasst
zehn Paare Permanentmagnete (95a, 95b), (97a, 97b),
(99a, 99b), (101a, 101b), (103a, 103b),
(105a, 105b), (107a, 107b),
(109a, 109b), (111a, 111b),
(113a, 113b), die mit strichpunktierten Linien
in 5 angegeben sind.
Die elektrische Spule 85 und die Permanentmagnete 95a, 95b, 97a und 97b gehören zu einem
ersten X-Motor 115 des ersten Linearmotors 69,
während
die Spule 87 und die Magnete 99a, 99b, 101a und 101b zu
einem zweiten X-Motor 117 des ersten Linearmotors 69 gehören, die
Spule 89 und die Magnete 103a, 103b, 105a und 105b zu
einem dritten X-Motor 119 des ersten Linearmotors 69 gehören, die
Spule 91 und die Magnete 107a, 107b, 109a und 109b zu
einem vierten X-Motor 121 des ersten Linearmotors 69 gehören und
die Spule 93 und die Magnete 111a, 111b, 113a und 113b zu
einem Y-Motor 123 des
ersten Linearmotors 69 gehören. 6 ist ein Querschnitt des ersten X-Motors 115 und
des zweiten X-Motors 117. Wie 6 zeigt, ist der Spulenhalter 81 zwischen
einem ersten Teil 125 des Magnethalters 83, der
die Magnete 95a, 97a, 99a, 101a, 103a, 105a, 107a, 109a, 111a und 113a umfasst,
und einem zweiten Teil 127 des Magnethalters angeordnet,
der die Magnete 95b, 97b, 99b, 101b, 103b, 105b, 107b, 109b, 111b und 113b umfasst.
Wie 6 ferner zeigt,
sind das Magnetpaar 95a, 95b des ersten X-Motors 115 und
das Magnetpaar 99a, 99b des zweiten X-Motors 117 parallel
zu einer positiven Z-Richtung magnetisiert, während das Magnetpaar 97a, 97b des
ersten X-Motors 115 und das Magnetpaar 101a, 101b des
zweiten X-Motors 117 parallel zu einer entgegengesetzten negativen
Z-Richtung magnetisiert
sind. Das Magnetpaar 103a, 103b des dritten X-Motors 119,
das Magnetpaar 107a, 107b des vierten X-Motors 121 und
das Magnetpaar 111a, 111b des Y-Motors 123 sind
somit ebenfalls parallel zur positiven Z-Richtung magnetisiert,
wohingegen das Magnetpaar 105a, 105b des dritten
X-Motors 119, das Magnetpaar 109a, 109b des
vierten X-Motors 121 und das Magnetpaar 113a, 113b des
Y-Motors 123 parallel zur negativen Z-Richtung magnetisiert sind. Wie 6 ferner zeigt, sind die
Magnete 95a und 97a des ersten X-Motors 115 durch
ein magnetisches Schließjoch 129 miteinander
verbunden, während
die Magnete 95b und 97b, die Magnete 99a und 101a und
die Magnete 99b und 101b durch ein magnetisches Schließjoch 131,
ein magnetisches Schließjoch 133 bzw.
ein magnetisches Schließjoch 135 miteinander verbunden
sind. Der dritte X-Motor 119, der vierte X-Motor 121 und
der Y-Motor 123 sind mit ähnlichen magnetischen Schließjochen
versehen. Wenn während
des Betriebs durch die Spulen 85, 87, 89, 91 der X-Motoren 115, 117, 119, 121 ein
elektrischer Strom fließt, üben die
Magnete und Spulen der X-Motoren 115, 117, 119, 121 wechselseitig
eine parallel zur X-Richtung gerichtete Lorentz-Kraft aus. Falls
die elektrischen Ströme
durch die Spulen 85, 87, 89, 91 den
gleichen Wert und die gleiche Richtung aufweisen, wird der Maskenhalter 5 durch
die Lorentz-Kraft parallel zur X-Richtung verschoben, wohingegen
der Maskenhalter 5 um die Rotationsachse 67 rotiert wird,
falls die elektrischen Ströme
durch die Spulen 85, 87 den gleichen Wert wie
die elektrischen Ströme durch
die Spulen 89, 91, aber eine zu diesen entgegengesetzte
Richtung aufweisen. Die Magnete und die Spule des Y-Motors 123 üben wechselseitig
eine parallel zur Y-Richtung gerichtete Lorentz-Kraft als Folge
eines elektrischen Stroms durch die Spule 93 des Y-Motors 123 aus,
wodurch der Maskenhalter 5 parallel zur Y-Richtung verschoben
wird.
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Während einer
Belichtung des Halbleitersubstrats 19 sollte der Maskenhalter 5 bezüglich des
Fokussiersystems 3 parallel zur X-Richtung über eine vergleichsweise
große
Distanz und mit einer hohen Positioniergenauigkeit verschoben werden.
Um dies zu erreichen, wird der Spulenhalter 81 des ersten
Linearmotors 69 durch den zweiten Linearmotor 71 parallel
zur X-Richtung verschoben,
wobei eine gewünschte
Verschiebung des Maskenhalters 5 durch den zweiten Linearmotor 71 ungefähr erreicht
wird und der Maskenhalter 5 in bezug auf den beweglichen
Teil 77 des zweiten Linearmotors 71 durch eine geeignete
Lorentz-Kraft der X-Motoren 115, 117, 119, 121 des
ersten Linearmotors 69 entlang transportiert wird. Die
gewünschte
Verschiebung des Maskenhalters 5 in bezug auf das Fokussiersystem 3 wird
dadurch erreicht, dass die Lorentz-Kraft der X-Motoren 115, 117, 119, 121 während der
Verschiebung der Maskenhalters 5 durch ein geeignetes Positionssteuersystem
gesteuert wird. Das Positionssteuersystem, das in den Figuren nicht
in jeder Einzelheit dargestellt ist, umfasst z. B. ein Laserinterferometer,
das üblich und
an sich bekannt ist, um die Position des Maskenhalters 5 in
bezug auf das Fokussiersystem 3 zu messen, wodurch die
gewünschte
Positioniergenauigkeit im Submikrometer- oder Nanometerbereich erreicht
wird. Während
der Belichtung des Halbleitersubstrats 19 steuert der erste
Linearmotor 69 nicht nur die Verschiebung des Maskenhalters 5 parallel zur
X-Richtung, sondern er steuert auch eine Position des Maskenhalters 5 parallel
zur Y-Richtung und einen Rotationswinkel des Maskenhalters 5 um
die Rotationsachse 67. Da der Maskenhalter 5 durch
den ersten Linearmotor 69 auch parallel zur Y-Richtung positioniert
und um die Rotationsachse 67 rotiert werden kann, weist
die Verschiebung des Maskenhalters 5 eine Parallelität in bezug
auf die X-Richtung auf, die durch die Positioniergenauigkeit des
ersten Linearmotors 69 bestimmt ist. Abweichungen von der
Parallelität
der Führung 75 des
zweiten Linearmotors 71 bezüglich der X-Richtung können somit
durch Verschiebungen des Maskenhalters 5 parallel zur Y-Richtung
kompensiert werden. Da die gewünschte Verschiebung
des Maskenhalters 5 durch den zweiten Linearmotor 71 nur
ungefähr
erreicht werden muss und keine besonders hohen Anforderungen an die
Parallelität
der Führung 75 in
bezug auf die X-Richtung gestellt werden, kann als der zweite Linearmotor 71 ein
vergleichsweise einfacher, herkömmlicher
eindimensionaler Linearmotor verwendet werden, durch den der Maskenhalter 5 über vergleichsweise
große
Distanzen mit einer vergleichsweise geringen Genauigkeit verschiebbar
ist. Die gewünschte Genauigkeit
der Verschiebung des Maskenhalters 5 wird dadurch erreicht,
dass der Maskenhalter 5 mittels des ersten Linearmotors 69 über vergleichsweise kurze
Distanzen bezüglich
des beweglichen Teils 77 des zweiten Linearmotors 71 verschoben
wird. Der erste Linearmotor 69 hat vergleichsweise kleine
Abmessungen, weil die Distanzen, über die der Maskenhalter 5 in
bezug auf den beweglichen Teil 77 des zweiten Linearmotors 71 verschoben
wird, nur kurz sind. Elektrische Widerstandsverluste in den elektrischen
Spulen des ersten Linearmotors 69 werden dadurch minimiert.
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Wie
oben bemerkt wurde, ist der stationäre Teil 73 des zweiten
Linearmotors 71 an dem Kraftrahmen 41 der Lithographievorrichtung
befestigt. Dadurch wird erreicht, dass eine durch den beweglichen Teil 77 des
zweiten Linearmotors 71 auf den stationären Teil 73 ausgeübte und
sich aus einer auf den beweglichen Teil 77 ausgeübten Antriebskraft
des zweiten Linearmotors 71 ergebende Reaktionskraft in
den Kraftrahmen 41 übertragen
wird. Da überdies
der Spulenhalter 81 des ersten Linearmotors 69 an
dem beweglichen Teil 77 des zweiten Linearmotors 71 befestigt
ist, wird auch eine durch den Maskenhalter 5 auf den beweglichen
Teil 77 ausgeübte
und sich aus einer auf den Maskenhalter 5 ausgeübten Lorentz-Kraft
des ersten Linearmotors 69 ergebende Reaktionskraft über den
beweglichen Teil 77 und den stationären Teil 73 des zweiten
Linearmotors 71 in den Kraftrahmen 41 übertragen.
Eine während
des Betriebs durch den Maskenhalter 5 auf die zweite Positioniervorrichtung 31 ausgeübte und
sich aus einer durch die zweite Positioniervorrichtung 31 auf
den Maskenhalter 5 ausgeübten Antriebskraft ergebende Reaktionskraft
wird somit ausschließlich
in den Kraftrahmen 41 eingeleitet. Die Reaktionskraft hat
eine Niederfrequenzkomponente, die sich aus den vergleichsweise
großen
Verschiebungen des zweiten Linearmotors 71 ergibt, sowie
eine Hochfrequenzkomponente, die sich aus den vergleichsweise kleinen Verschiebungen
ergibt, die durch den ersten Linearmotor 69 ausgeführt werden,
um die gewünschte
Positioniergenauigkeit zu erreichen. Da der Kraftrahmen 41 vergleichsweise
steif und auf einer festen Basis platziert ist, sind die durch die
Niederfrequenzkomponente der Reaktionskraft im Kraftrahmen 41 hervorgerufenen
mechanischen Schwingungen vernachlässigbar klein. Die Hochfrequenzkomponente der
Reaktionskraft hat einen kleinen Wert; sie hat aber gewöhnlich eine
Frequenz, die mit einer Resonanzfrequenzcharakteristik eines Rahmentyps
wie z. B. des verwendeten Kraftrahmens 41 vergleichbar ist.
Folglich ruft die Hochfrequenzkomponente der Reaktionskraft eine
nicht vernachlässigbare
mechanische Hochfrequenzschwingung im Kraftrahmen 41 hervor.
Der Kraftrahmen 41 ist vom Maschinenrahmen 45 dynamisch
isoliert, d.h. in dem Kraftrahmen 41 vorhandene mechanische
Schwingungen mit einer Frequenz oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes,
z. B. 10 Hz, werden nicht in den Maschinenrahmen 45 übertragen,
da der letztgenannte ausschließlich über die
dynamischen Niederfrequenz-Isolatoren 51 mit dem Kraftrahmen 41 gekoppelt
ist. Dadurch wird erreicht, dass die im Kraftrahmen 41 durch
die Reaktionskräfte
der zweiten Positioniervorrichtung 31 hervorgerufenen mechanischen Hochfrequenzschwingungen ähnlich den
oben erwähnten
Bodenschwingungen nicht in den Maschinenrahmen 45 übertragen
werden. Da die ebenen Führungen 65 des
Traggliedes 57 sich senkrecht zur Z-Richtung erstrecken
und die durch die zweite Positioniervorrichtung 31 auf
den Maskenhalter 5 ausgeübten Antriebskräfte ebenfalls
senkrecht zu der Z-Richtung gerichtet sind, rufen die Antriebskräfte selbst überhaupt
keine mechanischen Schwingungen im Kraftrahmen 41 hervor.
Außerdem
können
die im Kraftrahmen 41 vorhandenen mechanischen Schwingungen
durch den stationären
Teil 73 und den beweglichen Teil 77 des zweiten
Linearmotors 71 auch nicht übertragen werden, weil, wie aus
dem obigen ersichtlich ist, der Maskenhalter 5 im wesentlichen
ausschließlich
durch Lorentz-Kräfte
des Magnetsystems und des elektrischen Spulensystems des ersten
Linearmotors 69 mit dem beweglichen Teil 77 des
zweiten Linearmotors 71 gekoppelt ist und der Maskenhalter 5 von
dem beweglichen Teil 77 des zweiten Linearmotors 71 mit
Ausnahme der Lorentz-Kräfte
physikalisch entkoppelt ist. Die obige Diskussion zeigt somit, dass
der Maschinenrahmen 45 im wesentlichen frei von mechanischen
Schwingungen und Verformungen bleibt, die durch die Antriebskräfte und
Reaktionskräfte
der zweiten Positioniervorrichtung 31 hervorgerufen werden.
Die Vorteile davon werden im folgenden weiter diskutiert.
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Wie
die 3 und 4 zeigen, weist der Substrathalter 1 einen
Block 137, auf welchem die Tragfläche 17 vorhanden ist,
und einen gasstatisch abgestützten
Fuß 139 auf,
der mit einem gasstatischen Lager versehen ist. Der Substrathalter 1 wird über eine
Oberseite 141, die senkrecht zur Z-Richtung verläuft, eines
auf der Tragplatte 61 des Maschinenrahmens 45 vorgesehenen
Granitträgers 143 mittels des
gasstatisch abgestützten
Fußes 139 geführt und weist
Freiheitsgrade einer Verschiebung parallel zur X-Richtung und parallel
zur Y-Richtung und einen Rotationsfreiheitsgrad um eine Rotationsachse 145 des
Substrathalters 1 auf, die parallel zur Z-Richtung gerichtet
ist.
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Wie 1, 3 und 4 ferner
zeigen, weist die Positioniervorrichtung 21 des Substrathalters 1 einen ersten
Linearmotor 147, einen zweiten Linearmotor 149 und
einen dritten Linearmotor 151 auf. Der zweite Linearmotor 149 und
der dritte Linearmotor 151 der Positioniervorrichtung 21 sind
von einer dem zweiten Linearmotor 71 der Positioniervorrichtung 31 identischen
Art. Der zweite Linearmotor 149 umfasst einen stationären Teil 153,
der an einem Arm 155 befestigt ist, der an der zum Kraftrahmen 41 gehörenden Basis 39 befestigt
ist. Der stationäre
Teil 153 weist eine Führung 157 auf,
die parallel zur Y-Richtung verläuft
und entlang der ein beweglicher Teil 159 des zweiten Linearmotors 149 verschiebbar
ist. Ein stationärer
Teil 161 des dritten Linearmotors 151 ist auf
dem beweglichen Teil 159 des zweiten Linearmotors 149 angeordnet
und mit einer Führung 163 versehen,
die sich parallel zur X-Richtung erstreckt und entlang der ein beweglicher
Teil 165 des dritten Linearmotors 151 verschiebbar
ist. Wie in 4 ersichtlich
ist, umfasst der bewegliche Teil 165 des dritten Linearmotors 151 ein
Kopplungsstück 167,
an dem ein elektrischer Spulenhalter 169 des ersten Linearmotors 147 befestigt
ist. Der erste Linearmotor 147 der ersten Positioniervorrichtung 21 ist,
wie der erste Linearmotor 69 der zweiten Positioniervorrichtung 31,
von einer aus EP-B-0 421 527 bekannten Art. Da der erste Linearmotor 69 der
zweiten Positioniervorrichtung 31 oben ausführlich beschrieben
wurde, wird hier eine ausführliche
Beschreibung des ersten Linearmotors 147 der ersten Positioniervorrichtung 21 weggelassen.
Es reicht aus zu bemerken, dass der Substrathalter 1 während des
Betriebs ausschließlich
durch eine zu der Z-Richtung senkrechte Lorentz-Kraft mit dem beweglichen
Teil 165 des dritten Linearmotors 151 gekop pelt
ist. Ein Unterschied zwischen dem ersten Linearmotor 147 der
ersten Positioniervorrichtung 21 und dem ersten Linearmotor 69 der
zweiten Positioniervorrichtung 31 besteht jedoch darin,
dass der erste Linearmotor 147 der ersten Positioniervorrichtung 21 X-Motoren
und Y-Motoren mit vergleichbaren Nennleistungen aufweist, wohingegen
der einzelne Y-Motor 123 des
ersten Linearmotors 69 der zweiten Positioniervorrichtung 31 eine
Nennleistung aufweist, die im Vergleich mit Nennleistungen der X-Motoren 115, 117, 119, 121 relativ
niedrig ist. Dies bedeutet, dass der Substrathalter 1 durch
den ersten Linearmotor 147 nicht nur parallel zur X-Richtung über vergleichsweise
große
Distanzen, sondern auch parallel zur Y-Richtung mitgenommen werden
kann. Der Substrathalter 1 ist ferner durch den ersten
Linearmotor 147 um die Rotationsachse 145 drehbar.
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Während einer
Belichtung des Halbleitersubstrats 19 sollte der Substrathalter 1 in
bezug auf das Fokussiersystem 3 parallel zu der X-Richtung
mit einer hohen Positioniergenauigkeit verschoben werden, während der
Substrathalter 1 parallel zu der X-Richtung oder der Y-Richtung verschoben
werden sollte, wenn ein nächstes
Feld 35 des Substrathalters 19 in bezug auf das
Fokussiersystem 3 zur Belichtung in Position gebracht wird.
Um den Substrathalter 1 parallel zur X-Richtung zu verschieben,
wird der Spulenhalter 169 des ersten Linearmotors 147 durch den
dritten Linearmotor 151 parallel zur X-Richtung verschoben,
wobei eine gewünschte
Verschiebung des Substrathalters 1 durch den dritten Linearmotor 151 ungefähr erreicht
wird und der Substrathalter 1 durch eine geeignete Lorentz-Kraft
des ersten Linearmotors 147 in bezug auf den beweglichen
Teil 165 des dritten Linearmotors 151 mitgenommen
wird. In ähnlicher
Weise wird eine gewünschte
Verschiebung des Substrathalters 1 parallel zur Y-Richtung
dadurch approximiert, dass der Substrathalter 169 durch
den zweiten Linearmotor 149 parallel zur Y-Richtung verschoben
wird, wobei der Substrathalter 1 durch eine geeignete Lorentz-Kraft
des ersten Linearmotors 147 bezüglich des beweglichen Teils 165 des
dritten Linearmotors 151 mitgenommen wird. Die gewünschte Verschiebung
des Substrathalters 1 parallel zur X-Richtung oder Y-Richtung
wird durch die Lorentz-Kraft des ersten Linearmotors 147 erreicht,
der während
der Verschiebung des Substrathalters 1 durch das oben erwähnte Positionssteuersystem
der Lithographievorrichtung gesteuert wird, mit der eine Positioniergenauigkeit
im Mikrometer- oder sogar Nanometerbereich erreicht wird. Da die
gewünschte Verschiebung
des Substrathalters 1 durch den zweiten Linearmotor 149 und
den dritten Linearmotor 151 nur durch eine Approximation
erreicht werden muss und dementsprechend keine besonders hohen Anforderungen
an die Positioniergenauigkeit der zweiten und dritten Linearmotoren 149, 151 gestellt
werden, sind der zweite Linearmotor 149 und der dritte Linearmotor 151 wie
der zweite Linearmotor 71 der zweiten Positioniervorrichtung 31 vergleichsweise einfache,
herkömmliche
eindimensionale Linearmotoren, durch die der Substrathalter 1 mit
einer vergleichsweise geringen Genauigkeit über vergleichsweise große Distanzen
parallel zur Y-Richtung bzw. X-Richtung verschiebbar ist. Die gewünschte Genauigkeit
der Verschiebung des Substrathalters 1 wird dadurch erreicht,
dass der Substrathalter 1 durch den ersten Linearmotor 147 in
bezug auf den beweglichen Teil 165 des dritten Linearmotors 151 über vergleichsweise
kleine Distanzen verschoben wird.
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Da
die Positioniervorrichtung 21 des Substrathalters 1 von
einer der Positioniervorrichtung 31 des Maskenhalters 5 ähnlichen
Art ist und der stationäre
Teil 153 des zweiten Linearmotors 149 der ersten
Positioniervorrichtung 21 am Kraftrahmen 41 der Lithographievorrichtung
wie der stationäre
Teil 73 des zweiten Linearmotors 71 der zweiten
Positioniervorrichtung 31 befestigt ist, wird erreicht,
dass eine durch den Substrathalter 1 auf die erste Positioniervorrichtung 21 während des
Betriebs ausgeübte
und sich aus einer durch die erste Positioniervorrichtung 21 auf
den Substrathalter 1 ausgeübten Antriebskraft ergebende
Reaktionskraft ausschließlich
in den Kraftrahmen 41 übertragen
wird. Dies erreicht, dass die Reaktionskräfte der ersten Positioniervorrichtung 21 sowie
die Reaktionskräfte
der zweiten Positioniervorrichtung 31 mechanische Schwingungen
im Kraftrahmen 41 hervorrufen, die nicht in den Maschinenrahmen 45 übertragen
werden. Da die Oberseite 141 des Granitträgers 143, über die
der Substrathalter 1 geführt wird, sich senkrecht zur
Z-Richtung erstreckt, rufen überdies
die Antriebskräfte
der ersten Positioniervorrichtung 21, die ebenfalls senkrecht
zur Z-Richtung gerichtet sind, selbst auch keine mechanischen Schwingungen
im Maschinenrahmen 45 hervor.
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Das
auf der Maske 29 vorhandene Muster wird auf das Halbleitersubstrat 19 mit
der Genauigkeit abgebildet, weil die Maske 29 und das Halbleitersubstrat 19 beide
mit der Genauigkeit während
der Belichtung des Halbleitersubstrats 19 in bezug auf das
Fokussiersystem 3 parallel zur X-Richtung mittels der zweiten
Positioniervorrichtung 31 bzw. der ersten Positioniervorrichtung 21 verschiebbar
sind und weil die Maske 29 und das Halbleitersubstrat 19 außerdem parallel
zu der Y-Richtung positioniert und um die jeweiligen Rotationsachsen 67, 145 mit
der Genauigkeit rotiert werden können.
Die Genauigkeit, mit der das Muster auf dem Halbleitersubstrat 19 abgebildet
wird, ist sogar besser als die Positioniergenauigkeit der Positioniervorrichtung 21, 31,
weil der Maskenhalter 5 nicht nur parallel zur X-Richtung verschiebbar
ist, sondern auch parallel- zur Y-Richtung verschiebbar und um die
Rotationsachse 67 rotierbar ist. Eine Verschiebung der
Maske 29 in bezug auf das Fokussiersystem 3 hat
tatsächlich
eine Verschiebung des Musterbildes auf dem Halbleitersubstrat 19 zur
Folge, die gleich einem Quotienten der Verschiebung der Maske 29 und
des Verkleinerungsfaktors des Fokussiersystems 3 ist. Das
Muster der Maske 29 kann somit auf das Halbleitersubstrat 19 mit
einer Genauigkeit abgebildet werden, die gleich einem Quotienten
der Positioniergenauigkeit der zweiten Positioniervorrichtung 31 und
des Verkleinerungsfaktors des Fokussiersystems 3 ist.
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7 und 8 zeigen einen der drei dynamischen Isolatoren 51 im
Querschnitt. Der dargestellte dynamische Isolator 51 umfasst
eine Montageplatte 171, an der der Eckabschnitt 49 der
Hauptplatte 47 des Maschinenrahmens 45 befestigt
ist, der auf dem dynamischen Isolator 51 ruht. Der dynamische
Isolator 51 umfasst ferner ein Gehäuse 173, das auf der Basis 39 des
Kraftrahmens 41 befestigt ist. Die Montageplatte 171 ist
mit einer parallel zur Z-Richtung gerichteten Kopplungsstange 175 mit
einer Zwischenplatte 177 verbunden, die in einem zylindrischen Rohr 181 mittels
dreier paralleler Zugstangen 179 aufgehängt ist. In 7 ist nur eine Zugstange 179 sichtbar,
während
alle drei Zugstangen 179 in 8 sichtbar
sind. Das zylindrische Rohr 181 ist konzentrisch in einer
zylindrischen Kammer 183 des Gehäuses 173 positioniert.
Ein zwischen dem zylindrischen Rohr 181 und der zylindrischen
Kammer 183 vorhandener Raum 185 bildet einen Teil
einer pneumatischen Feder 187 und wird durch ein Zufuhrventil 189 mit
Druckluft gefüllt.
Der Raum 185 ist durch eine ringförmige biegsame Gummimembran 191 abgedichtet,
die zwischen einem ersten Teil 193 und einem zweiten Teil 195 des
zylindrischen Rohres 181 und zwischen einem ersten Teil 197 und
einem zweiten Teil 199 des Gehäuses 173 befestigt
ist. Der Maschinenrahmen 45 und die Komponenten der Lithographievorrichtung,
die durch den Maschinenrahmen 45 getragen werden, werden
somit durch die Druckluft in den Räumen 185 der drei
dynamischen Isolatoren 51 in einer Richtung parallel zur
Z-Richtung getragen, wobei als Folge der Biegsamkeit der Membran 191 das
zylindrische Rohr 181 und dementsprechend auch der Maschinenrahmen 45 einen
bestimmten Freiheitsgrad einer Bewegung in bezug auf die zylindrische
Kammer 183 aufweisen. Die pneumatische Feder 187 hat
eine Steifigkeit, so dass ein durch die pneumatischen Federn 187 der
drei dynamischen Isolatoren 51 und durch den Maschinenrahmen 45 und
die durch den Maschinenrahmen 45 getragenen Komponenten
der Lithographievorrichtung gebildetes Massenfedersystem eine vergleichsweise niedrige
Resonanzfrequenz wie z. B. 3 Hz aufweist. Der Maschinenrahmen 45 ist
dadurch von dem Kraftrahmen 41 hinsichtlich mechanischer
Schwingungen mit einer Frequenz oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes
wie z. B. den früher
erwähnten
10 Hz dynamisch isoliert. Wie 7 zeigt,
ist der Raum 185 über
einen schmalen Durchgang 201 mit einer Seitenkammer 203 der
pneumatischen Feder 187 verbunden. Der schmale Durchgang 201 wirkt
wie ein Stoßdämpfer, durch
den periodische Bewegungen des zylindrischen Rohres 181 in
bezug auf die zylindrische Kammer 183 gedämpft werden.
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Wie 7 und 8 ferner zeigen, umfasst jeder dynamische
Isolator 51 ein Kraftstellglied 205, das mit dem
dynamischen Isolator 51 integriert ist. Das Kraftstellglied 205 umfasst
einen elektrischen Spulenhalter 207, der an einer Innenwand 209 des
Gehäuses 173 befestigt
ist. Wie 7 zeigt, umfasst der
Spulenhalter 207 eine elektrische Spule 211, die senkrecht
zur Z-Richtung verläuft
und in der Figur mit einer gestrichelten Linie angegeben ist. Der
Spulen halter 207 ist zwischen zwei magnetischen Jochen 213 und 215 angeordnet,
die an der Montageplatte 171 befestigt sind. Ein Paar Permanentmagnete (217, 219),
(221, 223) ist an je einem Joch 213, 215 befestigt,
wobei die Magnete (217, 219), (221, 223) jedes
Mal in entgegengesetzte Richtungen senkrecht zur Ebene der elektrischen
Spule 211 magnetisiert sind. Wenn durch die Spule 211 ein
elektrischer Strom geleitet wird, üben die Spule 211 und
die Magnete (217, 219, 221, 223)
wechselseitig eine parallel zur Z-Richturng gerichtete Lorentz-Kraft aus. Der Wert
der Lorentz-Kraft wird durch eine elektrische Steuereinheit der
Lithographievorrichtung (nicht dargestellt) in einer Art und Weise
gesteuert, die im folgenden weiter ausführlicher erläutert wird.
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Die
mit den dynamischen Isolatoren 51 integrierten Kraftstellglieder 205 bilden
ein Kraftstellgliedsystem, das in 9 schematisch
dargestellt ist. 9 zeigt
ferner den Maschinenrahmen 45 und den Substrathalter 1 und
Maskenhalter 5, die in bezug auf den Maschinenrahmen 45 verschiebbar
sind, sowie die Basis 39 und die drei dynamischen Isolatoren 51. 9 zeigt ferner einen Bezugspunkt
P des Maschinenrahmens 45, in bezug auf den ein Schwerpunkt
GS des Substrathalters 1 eine X-Position
XS und eine Y-Position YS aufweist
und ein Schwerpunkt GM des Maskenhalters 5 eine
X-Position XM und eine Y-Position YM aufweist. Es sei besonders erwähnt, dass
die Schwerpunkte GS und GM den
Schwerpunkt der gesamten verschiebbaren Masse des Substrathalters 1 mit
dem Halbleitersubstrat 19 bzw. der des Maskenhalters 5 mit
der Maske 29 bezeichnen. Wie 9 weiter
zeigt, haben die Lorentz-Kräfte FL,1, FL,2 und FL,3 der drei Kraftstellglieder 205 Ansatzpunkte
auf dem Maschinenrahmen 45 mit einer X-Position XF,1, XF,2 und XF,3 und einer Y-Position YF,1,
YF,2 und YF,3 in
bezug auf den Bezugspunkt P. Da der Maschinenrahmen 45 den
Substrathalter 1 und den Maskenhalter 5 parallel
zu der vertikalen Z-Richtung trägt, üben der
Substrathalter 1 und der Maskenhalter 5 eine Tragkraft
FS bzw. eine Tragkraft FM auf
den Maschinenrahmen 45 mit einem Wert aus, der einem Wert einer
Schwerkraft entspricht, die auf den Substrathalter 1 und
den Maskenhalter 5 wirkt. Die Tragkräfte FS und
FM weisen Ansatzpunkte in bezug auf den
Maschinenrahmen 45 mit einer X-Position und einer Y-Position
auf, die der X-Position und der Y-Position der Schwerpunkte GS und GM des Substrathalters 1 bzw.
des Maskenhalters 5 entsprechen. Falls der Substrathalter 1 und
der Maskenhalter 5 in bezug auf den Maschinenrahmen 45 während einer
Belichtung des Halbleitersubstrats 19 verschcben werden,
werden auch die Ansatzpunkte der Tragkräfte FS und
FM des Substrathalters 1 und des
Maskenhalters 5 in bezug auf den Maschinenrahmen 45 verschoben.
Die elektrische Steuereinheit der Lithographievorrichtung steuert
den Wert der Lorentz-Kräfte
FL,1, FL,2 und FL,3, so dass eine Summe mechanischer Momente
der Lorentz-Kräfte
FL,1, FL,2 und FL,3 um den Bezugspunkt P des Maschinenrahmens 45 einen
Wert hat, der gleich einem Wert einer Summe mechanischer Momente
der Tragkräfte
FS und FM des Substrathalters 1 und
des Maskenhalters 5 ist, bzw. eine Richtung, die einer
Richtung dieser Summe mechanischer Momente um den Bezugspunkt P
entgegengesetzt ist: FL,1 + FL,2 + FL,3 = FS + FM FL,1*XF,1 + FL,2*XF,2 + FL,3*XF,3 = FS*XS + FM*XM FL,1*YF,1 + FL,2*YF,2 + FL,3*YF,3 = FS*YS + FM*YM Die Steuereinheit,
die die Lorentz-Kräfte
FL,1, FL,2 und FL,3 steuert, umfasst z.B. eine Regelungsschleife
mit Vorwärtskopplung,
die üblich
und an sich bekannt ist, wobei die Steuereinheit eine Information über die
Positionen XS, YS des
Substrathalters 1 und die Positionen XM,
YM des Maskenhalters 5 von einer
(nicht dargestellten) elektrischen Steuereinheit der Lithographievorrichtung
empfängt,
die den Substrathalter 1 und den Maskenhalter 5 steuert,
wobei die empfangene Information sich auf die gewünschten
Positionen des Substrathalters 1 und des Maskenhalters 5 beziehen.
Die Steuereinheit kann alternativ dazu mit einer Regelungsschleife
mit Rückkopplung
versehen sein, die üblich
und an sich bekannt ist, wobei die Steuereinheit eine Information über die
Positionen XS, YS des
Substrathalters 1 und die Positionen XM, YM des Maskenhalters 5 von dem Positionssteuersystem
der Lithographievorrichtung empfängt,
wobei die empfangene Information sich auf die gemessenen Positionen
des Substrathalters 1 und des Maskenhalters 5 beziehen.
Die Steuereinheit kann alternativ dazu eine Kombination der Regelungsschleifen mit
Vorwärts-
und Rückkopplung
aufweisen. Die Lorentz-Kräfte
FL,1, FL,2 und FL,3 des Kraftstellgliedsystems bilden somit
eine Kompensationskraft, durch die Verschiebungen der Schwerpunkte
GS und GM des Substrathalters 1 und
des Maskenhalters 5 in bezug auf den Maschinenrahmen 45 kompensiert
werden. Da die Summe der mechanischen Momente der Lorentz-Kräfte FL,1, FL,2, FL,3 und der Tragkräfte FS,
FM um den Bezugspunkt P des Maschinenrahmens 45 einen
konstanten Wert und eine konstante Richtung aufweist, haben auch
der Substrathalter 1 und der Maskenhalter 5 jeweils
einen sogenannten virtuellen Schwerpunkt, der in bezug auf den Maschinenrahmen 45 eine
im wesentlichen konstante Position hat. Dadurch wird erreicht, dass
der Maschinenrahmen 45 die Verschiebungen der tatsächlichen
Schwerpunkte GS und GM des
Substrathalters 1 und des Maskenhalters 5 während einer
Belichtung des Halbleitersubstrats 19 nicht wahrnimmt.
Ohne das obige Kraftstellgliedsystem würde eine Verschiebung des Substrathalters 1 oder
des Maskenhalters 5 zu einer nicht kompensierten Änderung
im mechanischen Moment der Tragkräfte FS oder
FM um den Bezugspunkt P führen, infolgedessen
der Maschinenrahmen 45 eine Rüttelbewegung mit niedriger
Frequenz auf den dynamischen Isolatoren 51 durchführen würde oder
elastische Verformungen oder mechanische Schwingungen im Maschinenrahmen 45 auftreten könnten.
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Die
Tatsache, dass die drei Kraftstellglieder 205 mit den drei
dynamischen Isolatoren 51 integriert sind, hat einen kompakten
und einfachen Aufbau des Kraftstellgliedsystems und der Lithographievorrichtung
zur Folge. Die dreieckige Anordnung der dynamischen Isolatoren 51 erreicht
außerdem
einen besonders stabilen Betrieb des Kraftstellgliedsystems. Da
die Kompensationskraft des Kraftstellgliedsystems ausschließlich eine
Lorentz-Kraft umfasst, werden in der Basis 39 und dem Kraftrahmen 41 vorhandene
mechanische Schwingungen durch die Kraftstellglieder 205 nicht
auf den Maschinenrahmen 45 übertragen.
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Die
oben diskutierten Maßnahmen,
d.h. die direkte Einleitung der Reaktionskräfte der Positioniervorrichtungen 21, 31 ausschließlich in
den Kraftrahmen 41, das direkte Koppeln des Substrathalters 1 und
des Maskenhalters 5 mit dem Kraftrahmen 41 ausschließlich durch
eine Lorentz-Kraft und die Kompensationskraft der Kraftstellglieder 205 haben
zur Folge, dass der Maschinenrahmen 45 nur eine tragende
Funktion hat. Auf den Maschinenrahmen 45 wirken im wesentlichen
keine Kräfte,
die sich im Wert oder in der Richtung ändern. Eine Ausnahme wird durch
z. B. die horizontalen viskosen Reibungskräfte gebildet, die während Verschiebungen
des Substrathalters 1 und des Maskenhalters 5 durch
die gasstatischen Lager des Substrathalters 1 und des Maskenhalters 5 auf
die Oberseite 141 des Granitträgers 143 bzw. die
ebenen Führungen 65 des
Traggliedes 57 ausgeübt
werden. Solche Reibungskräfte
sind jedoch vergleichsweise klein und haben keine merklichen Schwingungen
oder Verformungen des Maschinenrahmens 45 zur Folge. Da
der Maschinenrahmen 45 frei von mechanischen Schwingungen
und elastischen Verformungen bleibt, nehmen die Komponenten der
Lithographievorrichtung, die durch den Maschinenrahmen 45 getragen
werden, besonders genau definierte Positionen in Bezug aufeinander
ein. Insbesondere die Tatsachen, dass die Position des Substrathalters 1 in
bezug auf das Fokussiersystem 3 und die Position des Maskenhalters 5 in
bezug auf das Fokussiersystem 3 sehr genau definiert sind
und auch dass der Substrathalter 1 und der Maskenhalter 5 in
bezug auf das Fokussiersystem 3 mittels der Positioniervorrichtungen 21, 31 sehr
genau positioniert werden können,
bringen es mit sich, dass das auf der Maske 29 vorhandene
Muster einer Halbleiterschaltung auf das Halbleitersubstrat 19 mit
einer Genauigkeit abgebildet werden kann, die im Submikrometer- oder
gar Nanometerbereich liegt. Da der Maschinenrahmen 45 und
das Fokussiersystem 3 frei von mechanischen Schwingungen
und elastischen Verformungen bleiben, wird außerdem der Vorteil erzeugt, dass
der Maschinenrahmen 45 als Bezugsrahmen für das oben
erwähnte
Positionssteuersystem des Substrathalters 1 und des Maskenhalters 5 dienen kann,
wo Positionssensoren des Positionssteuersystems wie z. B. optische
Elemente und Systeme des Laserinterferometers direkt am Maschinenrahmen 45 angebracht
werden können.
Eine Montage der Positionssensoren direkt am Maschinenrahmen 45 hat zur
Folge, dass die durch die Positionssensoren eingenommene Position
in bezug auf den Substrathalter 1, das Fokussiersystem 3 und
den Maskenhalter 5 durch mechanische Schwingungen und Verformungen
nicht beeinflusst wird, so dass eine besonders zuverlässige und
genaue Messung der Positionen des Substrathalters 1 und
des Maskenhalters 5 in bezug auf das Fokussiersystem 3 erhalten
wird. Da auch der Maskenhalter 5 nicht nur parallel zur X-Richtung
positioniert werden kann, sondern auch parallel zur Y-Richtung positioniert
und um die Rotationsachse 67 rotiert werden kann, wodurch
eine besonders hohe Genauigkeit zum Abbilden des Musters der Maske 29 auf
das Halbleitersubstrat 19 erreicht wird, wie oben bemerkt
wurde, können
Halbleitersubstrate mit Detailabmessungen im Submikrometerbereich
mittels der Lithographievorrichtung gemäß der Erfindung hergestellt
werden.
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Eine
Lithographievorrichtung gemäß der Erfindung
wurde oben beschrieben mit einem Substrathalter 1, der
mittels einer ersten Positioniervorrichtung 21 gemäß der Erfindung
verschiebbar ist, und einem Maskenhalter 5, der mittels
einer zweiten Positioniervorrichtung 31 gemäß der Erfindung
verschiebbar ist. Die Positioniervorrichtungen 21, 31 weisen
ein gemeinsames Kraftstellgliedsystem auf, das während des Betriebs eine Kompensationskraft liefert,
wodurch Verschiebungen der Schwerpunkte von sowohl dem Substrathalter 1 als
auch dem Maskenhalter 5 kompensiert werden. Es sei besonders erwähnt, dass
eine Lithographievorrichtung gemäß der Erfindung
alternativ dazu mit zwei Kraftstellgliedsystemen versehen sein kann,
mit denen die Verschiebungen der Schwerpunkte des Substrathalters 1 und
des Maskenhalters 5 einzeln kompensiert werden können.
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Ferner
sei besonders erwähnt,
dass die Erfindung auch Lithographievorrichtungen abdeckt, die nach
dem früher
erwähnten "Schritt-Wiederholungs"-Prinzip arbeiten.
Somit kann z. B. eine Positioniervorrichtung gemäß der Erfindung für die Verschiebung
des Substrathalters in der Lithographievorrichtung verwendet werden,
die aus EP-A-0 498 496 bekannt ist und in der ausschließlich der
Substrathalter über
vergleichsweise große
Distanzen in bezug auf das Fokussiersystem verschiebbar ist. Eine
durch die Erfindung abgedeckte derartige Lithographievorrichtung
wird auch dadurch erhalten, dass die Positioniervorrichtung 31 mit
dem Maskenhalter 5 in der in der Beschreibung der Figuren
diskutierten Lithographievorrichtung durch einen herkömmlichen Maskenhalter
ersetzt wird, der in bezug auf den Maschinenrahmen 45 wie
z. B. dem aus EP-A-0 498 496 bekannten stationär ist, und dadurch, dass die
Kompensationskraft des Kraftstellgliedsystems ausschließlich als
Funktion der Position des Substrathalters 1 gesteuert wird.
Die Erfindung deckt auch Lithographievorrichtungen ab, die nach
dem oben erwähnten "Schritt-Abtast"-Prinzip arbeiten,
wobei nur der Maskenhalter durch eine Positioniervorrichtung gemäß der Erfindung
angetrieben wird, so dass die Kompensationskraft des Kraftstellgliedsystems
ausschließlich
als Funktion der Position des Maskenhalters gesteuert wird. Eine
solche Konstruktion ist z. B. vorstellbar, falls das Fokussiersystem
der Lithographievorrichtung einen vergleichsweise großen optischen
Verkleinerungsfaktor aufweist, so dass die Verschiebungen des Schwerpunktes
des Substrathalters in bezug auf die Verschiebungen des Schwerpunktes
des Maskenhalters vergleichsweise klein sind und die Verschiebungen
des Schwerpunktes des Substrathalters vergleichsweise kleine mechanische
Schwingungen und Verformungen im Maschinenrahmen der Lithographievorrichtung
hervorrufen.
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Die
Lithographievorrichtung gemäß der Erfindung,
wie sie oben beschrieben wurde, wird zum Belichten von Halbleitersubstraten
bei der Herstellung integrierter elektronischer Halbleiterschaltungen verwendet.
Es sei ferner besonders erwähnt,
dass eine solche Lithographievorrichtung alternativ dazu zur Herstellung
anderer Produkte mit Strukturen mit Detailabmessungen im Submikrometerbereich
verwendet werden kann, wo Maskenmuster mittels der Lithographievorrichtung
auf ein Substrat abgebildet werden. Strukturen integrierter optischer
Systeme oder Leitungs- und Bestimmungsmuster von Speichern mit magnetischen
Domänen
sowie Strukturen von Flüssigkristallanzeigemustern
können
in diesen Zusammenhang erwähnt
werden.
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Ferner
sei besonders erwähnt,
dass eine Positioniervorrichtung gemäß der Erfindung nicht nur in einer
Lithographievorrichtung, sondern auch in anderen Vorrichtungen verwendet
werden kann, in denen Objekte oder Substrate genau zu positionieren
sind. Beispiele sind Vorrichtungen zum Analysieren oder Messen von
Objekten oder Stoffen, wobei ein Objekt oder Stoff in bezug auf
ein Meßsystem
oder Abtastsystem genau positioniert oder verschoben werden soll.
Eine andere Anwendung für
eine Positioniervorrichtung gemäß der Erfindung
ist z. B. ein Präzisionsmaschinenwerkzeug,
durch das Werkstücke,
z. B. Linsen, mit Genauigkeiten im Submikrometerbereich maschinell
bearbeitet werden können.
Die Positioniervorrichtung gemäß der Erfindung
wird in diesem Fall zum Positionieren des Werkstückes in bezug auf ein rotierendes
Werkzeug oder zum Positionieren eines Werkzeuges in bezug auf ein
rotierendes Werkstück
verwendet.
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Die
erste Positioniervorrichtung 21 der Lithographievorrichtung,
die beschrieben wurde, umfasst eine Antriebseinheit mit einem ersten
Linearmotor, der ausschließlich
eine Lorentz-Kraft liefert, und einem herkömmlichen zweiten und dritten
Linearmotor, während
die zweite Positioniervorrichtung 31 der beschriebenen
Lithographievorrichtung eine Antriebseinheit mit einem ausschließlich eine
Lorentz-Kraft liefernden ersten Linearmotor und einem einzigen herkömmlichen
zweiten Linearmotor aufweist. Es wird besonders erwähnt, dass
sich die Erfindung auch auf Positioniervorrichtungen bezieht, die
mit einer verschiedenen Art von Antriebseinheit oder einer verschiedenen
Art von Führung
versehen sind. Die Erfindung ist somit z. B. auch anwendbar auf
Positioniervorrichtungen, die mit einem herkömmlichen Spindelantrieb mit
Gewinde und einer geraden Führung
versehen sind.
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Schließlich sei
besonders betont, dass das Kraftstellgliedsystem anstelle der drei
Kraftstellglieder 205 eine verschiedene Anzahl von Kraftstellgliedern
aufweisen kann. Die Zahl von Kraftstellgliedern hängt von
der Anzahl von Verschiebungsmöglichkeiten
des Objekttisches der Positioniervorrichtung ab. Falls der Objekttisch
beispielsweise nur parallel zur X-Richtung verschiebbar ist, genügen zwei
Kraftstellglieder. Die Positioniervorrichtungen 21, 31,
die oben diskutiert wurden, können
auch mehr als drei Kraftstellglieder 205 aufweisen; der
Aufbau wäre
jedoch in diesem Fall statisch überbestimmt
(over-constrained).