JP2008182282A - 位置決め装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】半導体製造装置の位置決め装置において、高速・高精度な位置決めが実現できる移動体を提供すること。
【構成】位置決め装置の移動体である天板をＳｉＣのコンポジット材からなる一体中空構造体で構成し、軽量、高強度、高剛性を実現する。この中空構造体には、電磁継ぎ手やローレンツ力アクチュエータによって、制御特性に優れたステージ装置を実現する。さらに、中空構造体を製作する時、内部に粉体を入れて、ラップ加工することにより、ラップ面の面圧が均一になり高い面精度が実現する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体素子や液晶表示素子等の製造方法及び素子等の製造装置に使用される、例えば、投影露光装置や各種精密加工装置または各種精密測定装置において、半導体ウエハやマスクやレチクル等の基板を、高精度で高速移動させ、位置決めを可能ならしめるためのステージなどの位置決め装置に関する。また、このような位置決め装置を用いた露光装置を使って半導体デバイスなどを製造する方法にも適する。

図１２は従来の位置決め装置であるところのＸＹステージを示す構成斜視図であって、これは、例えば特開平８−２２９７５９号公報に示されている。

図中において、４２はステージ装置を支持する基準面４３を有する定盤、３８は定盤４２に固定された固定Ｙガイドであり、側面を基準面としている。３７は移動体としてのＹステージであり、その両側に固定子３９と可動子４０を有するＹリニアモータ４１によって、固定Ｙガイド３８に案内されてＹ方向に移動する。３２はＸステージであり、不図示のＸリニアモータ可動子を備え、Ｙステージ３７に設けられたＸガイド３３によってＸ方向に案内され、同じくＹステージ３７に設けられたＸリニアモータ固定子３４によってＸ方向に推力が与えられる。

Ｘステージ３２を構成する天板３１は、図１２に示すように、平板形状になっている。天板３１には、Ｘ方向及びＹ方向の位置計測のためＸ方向ミラー４５及びＹ方向ミラー４６が設けられ、それぞれのミラーにレーザビームが照射され、反射光からＸ方向及びＹ方向の位置が計測される。

また、このステージに図１６に示すθＺＴ駆動機構を搭載することで、露光光軸と平行な方向であるＺ方向及びＸ，Ｙ，Ｚ軸回りの方向（θｘ、θｙ、θｚ）にも移動が可能となる。

図１２におけるＸステージ３２の上部が、図１６における台盤１５１に相当する。この台盤１５１は、円筒状の固定部材２０２を有し、固定部材２０２に保持された多孔質パッド２０７は、図示しないウエハ及びウエハチャックを保持する天板３１に相当する天板２０４と一体である案内部材２０３，２０３ａの内周面を非接触で支持する。台盤１５１は、θリニアモータ２１６によってその中心軸のまわりに回転可能であり、また、周方向に等間隔で配設されたＺリニアモータ２１５によって図示上下方向に往復移動可能である。

図１３は従来の位置決め装置の各自由度における制御ブロック図である。５７は位置決め装置の機械特性Ｇｏであり、力ｆを入力すると変位ｘを生じる。また５８は制御コントローラ特性Ｇｃであり、一般的なコントローラＰＩＤ特性、アンプ特性及び各安定化フィルタを含み、目標位置ｘｒから変位ｘを引いた値が入力されると所定の力ｆを発生する。例えば、Ｘ，Ｙ方向の位置決め制御時の変位ｘはレーザ干渉計の出力値となる。それぞれの自由度の目標位置に対し、高速、高精度に追従することが、位置決め装置の性能の良否を決定する。

図１４は従来の位置決め装置の制御系ゲイン位相特性を表わす図である。図１４の表すこの特性は、図１３の機械特性Ｇｏ及び制御コントローラ特性Ｇｃを合成したものであり、一巡伝達特性と言われる。前述した高速、高精度な追従性を得るには、位置決め装置のゲイン特性は高い（ハイゲイン化）ほど望ましい。しかし、機械特性Ｇｏは様々な固有振動数を有し、しかも従来のような板形状のステージ構造部材３１においてはピークの高い（減衰の悪い）固有振動数が周波数の低い帯域（３００Ｈｚ〜）に生じてしまうことがある。

ステージ構造部材の振動は、ステージに搭載された位置計測ミラーの振動につながり、位置決め精度の悪化を招く。

また、高すぎるゲインは固有振動数において発振を引き起こすため、そのままでは制御系のゲイン特性（図１４においては、ハイゲインの尺度になるゼロクロス周波数は４０Ｈｚ程度）は限定されてしまう。

そのため、従来では、ローパスフィルタやノッチフィルタといった安定化フィルタを多用し、高いピークを緩和するような補償をせざるをえなかった。あるいは固有振動数をより周波数の高い領域までもっていくような機構設計をせざるをえなかった。

そこで、例えば、特開平１１−１４２５５５号公報に示されるように、ステージ構造部材を中空構造にしているが、図１５に示すように、４１はＸステージを構成する天板である。天板４１はセラミックで成形され、図のように中空構造の成形体となっているが、この中空構造４２は、二体ないしそれ以上に分割したセラミック製の要素から形成され、下部に注入口４３を有している。このように、一度、二体ないしそれ以上を焼成した後、各要素は再焼結によって接合されるとされ、再焼結で接合するための中間材質は、熱膨張係数の近いアルミナ系の硝子接合などが一般的であるが、天板４１の熱変形を抑えるために、熱膨張係数小さい材料を使った場合に熱膨張率差による接合面の接合強度に不安があった。さらに、他の各要素の接合方法として接着剤を用いても、接着強度と接着信頼性に不安があった。

前述の従来例では、ウエハ等の基板を搭載した天板をＸ、Ｙ方向の所定の位置に移動するため、レーザ干渉計で天板のＸＹ方向の位置を管理しながら、ＸＹステージにより台盤がＸＹ方向に移動する。そして天板は、台盤からラジアル空気軸受の空気膜を介して駆動力を受け、所定の位置に移動する。このとき、天板と台盤は一体的に移動することが望ましい。しかし、実際には、台盤の移動に対して保持盤が受ける駆動力は、静圧軸受の空気膜の圧縮性により位相遅れが生じるという問題があった。

そこで、ラジアル空気軸受をなくし、θＺＴ駆動機構に用いているローレンツ力アクチュエータ（リニアモータ）を微動ＸＹに利用したとしても、天板３１やその上に搭載されるウエハとウエハチャックの重さと加速度に耐え得る力をローレンツ力アクチュエータ（リニアモータ）に持たせることは、モータの大きさやモータからの発熱面から非常に困難であった。

さらに、特開平８−２２９７５９号公報に示されるような従来の位置決め装置であるところのＸＹステージの天板２０４は、一枚板で構成されて、板の固有振動数が上がらないという問題があった。これを、特開平１１−１４２５５５号公報に示すように、中空構造４２にしても、接合部材のセラミック材と中空構造体の材質の熱膨張差があると製作できない問題があるために、熱膨張係数小さい材料に適用できない問題があった。そのために、接着剤を用いると接着のバラツキによって、同一形状であっても部品によって差があったり、計算で求められる一体部品の固有振動数まで上がらないという問題があった。

また、従来方法では、熱膨張係数の小さい材料の時には 一枚板であったために、必要な剛性を得るために、板厚が厚くなり、剛性向上以上に天板を重くしていた。これによって、前述の加速用のリニアモータへの負荷が増大する。同時に、この加速に耐える力を出すために必要な電流は増え、リニアモータからの発熱は、電流の二乗で増加してしまう。最後に、これが、ウエハ空間の環境を乱す原因となり、半導体素子の微細加工を高速で処理することが要求されている現状において、アライメント精度やステージ精度に悪影響を及ぼし、生産性を落とすという問題があった。

本発明の目的は、半導体製造装置等の位置決め装置において、制御特性に優れ、高速・高精度な位置決めが実現できる移動体を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の位置決め装置は、Ｎ２雰囲気、Ｈｅ雰囲気、真空雰囲気のいずれかの環境で被移動物を移動させるための位置決め装置において、被移動物を保持するための第一の板と、該第一の板を保持する第二の板とを有し、該第二の板の材質がセラミックからなる材料からなり、該第二の板の構造が同一種材質で形成され中空内部を有する中空構造になっていて、前記中空内部には該第二の板のねじれモードに対する固有振動数を高めるリブ構造を有し、前記環境において前記中空内部と外気を導通するための穴があることを特徴とする。

また、ウエハチャックと天板とウエハ等の被移動物の相対位置を知るための複数の光学ミラーは、同じ材質でできていることが好ましく、いずれも中空構造になっていることが好ましい。

また、この一体中空天板は、６自由度に被移動物を所定の位置に移動するために短ストロークの電磁力を使ったアクチュエータと天板の重力方向を支持する機構を具備していることを特徴としてもよい。

本発明に係る位置決め装置全体は、前記短ストロークの電磁力アクチュエータとは別に長ストロークに天板をＸＹ移動させることができる長ストロークの電磁力アクチュエータを具備することが好ましく、その長ストロークの電磁力アクチュエータによって、移動されるステージであるＸステージを具備し、前記短ストロークの電磁力アクチュエータと天板の重力方向を支持する機構は、Ｘステージに支持されている。そして、前記短ストローク電磁力アクチュエータとは、被移動物を水平面方向とヨーイング方向に所定位置に制御させるために少なくとも３つ以上のローレンツ力アクチュエータを具備することが好ましい。更に、水平面方向の被移動物を移動させるための加速度を補う電磁石アクチュエータを具備することが好ましい。そして、ローレンツ力アクチュエータと電磁石アクチュエータの力点と天板の重心との差を小さくするために、電磁石アクチュエータの可動側が取付けられる天板部分の裏面に掘り込みがある中空天板構造になっていることが好ましい。前記ローレンツ力アクチュエータは、被移動物が露光位置にある時に、最大推力定数の数％以内となるように、該アクチュエータのコイルと磁石を配置することが好ましい。

また、被移動物を垂直方向とピッチング・ローリング方向の所定位置に制御させるために少なくとも３つ以上のローレンツ力アクチュエータを具備し、被移動物を搬送させるために必要な前記第二の板の移動が可能なストロークを具備することが好ましく、天板の重力方向の荷重を支持するために、天板と天板に取付けられるウエハやチャックやミラーやローレンツ力アクチュエータ可動部や電磁石アクチュエータ可動部や自重補償部可動部を合わせた重さに等しいかほぼ等しい力を発生させる磁石の反発力・吸引力または、コイルバネ等で構成される自重補償機構を具備していることが好ましい。

天板に取付けられるアクチュエータは、アクチュエータによる発熱によって、天板やミラーやウエハ等が変形することを低減させるために、アクチュエータのコイルがＸステージ側にあるように構成されていることを特徴としてもよい。また、Ｘステージの上板から中空天板上に搭載される例えばチャック等に必要とされる電気・気体・液体を通すための配管等及び実装配線が、中空天板の中央部又は最外周部にあって、配線・配管による振動伝達率が、小さいことを特徴としてもよい。

また、Ｘステージの上板は、ウエハを搬送ハンドからチャックに移動させるために、ウエハを一時保持するための受け渡し支持棒を具備していることが好ましい。受け渡し支持棒は、最低３本から構成され、チャックや中空天板を貫通している。中空天板が、Ｚ方向のローレンツ力アクチュエータと自重補償機構の関係により上下すると、受け渡し支持棒がチャックの上面から突出し、受け渡し支持棒が受け渡しのためのウエハを一時支持することが可能となる。

中空天板のある面を仕上げ加工する方法として、中空天板の中空内部と外気との導通穴を通して、中空構造体の中空内部に粉体を入れてもよい。この粉体を入れることで、粉体によって充填された前記中空内部の重量が該中空内部を中空構造体の素材で充填した重量に等しくなっていれば、ラップ時、面圧一定にすることによって、高い面精度が得られるという特徴がある。また、被移動物の相対位置を知るのに必要とされるミラー面の製造工程は、前記中空天板に機械的な固定をした後に行うことができる。

要するに、本発明では、位置決め装置の移動体である天板を熱膨張率が１．０ｅ−６（１／℃）以下の低熱膨張材や無機質繊維複合材やＳｉＣやＳｉＣのコンポジット材からなる一体中空構造体で構成し、熱変形に強く、軽量、高強度、高剛性を実現する。この中空構造体には、電磁継ぎ手やローレンツ力アクチュエータによって、制御特性に優れた位置決め装置を実現する。さらに、中空構造体を製作する時、中空内部に粉体を入れて、ラップ加工することにより、ラップ面の面圧が均一になり高い面精度が実現する。

本発明では、ステージの構造部材おいて、最も精度に影響を及ぼす天板を前記熱膨張率が１．０ｅ−６（１／℃）以下の低熱膨張材または無機質繊維複合材またはＳｉＣまたはＳｉＣとＳｉから形成されるＳｉＣのコンポジット材からなる一体中空構造で、そのリブ構造が、天板の側板と側板が接する隅部から離れた側板の腹部から始まり図形対象位置関係をもつ別の側板の腹部につながるようにしたことによって、天板は、軽量、高強度、及び高剛性を実現することができた。また、電磁継ぎ手やローレンツ力アクチュエータによって、制御特性に優れた位置決め装置を実現できる。

さらに、中空天板の上下移動できるストロークを持ったローレンツ力アクチュエータのストローク位置により推力定数の配分を最適化することによって、温度環境への影響を最小限にしたウエハ等の基板交換と露光時フォーカス制御を実現した。

中空構造体の内部に粉体を入れて、ラップ加工することにより、ラップ面の面圧が均一になり高い面精度を実現することができた。
これらによって、高速で、高精度に位置決めする位置決め装置を提供することができ、露光装置において、高い生産性とアライメント精度を実現できる。

本発明の実施形態に係る位置決め装置について、被移動物が感光基板としてのウエハである場合を例として、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は被移動物が感光パターンを有する原版の場合にも適用可能である。

図１は本発明の第一の実施形態に係る位置決め装置を構成する天板及びその周辺を示す概略上面図、図２はそのａ−ａ断面図、図３はｂ−ｂ断面図である。この位置決め装置は、第一の板としてのチャック１とこのチャック１を保持する第二の板としての中空天板２、ミラー３、電磁継ぎ手４、自重補償機構６、及び受け渡し支持棒８を有し、中空天板２等の位置を微調整するためのＸ方向微動リニアモータＬＭＸ、Ｙ方向微動リニアモータＬＭＹ及びＺ方向微動リニアモータＬＭＺ等を備え、これらをＸステージ上板５１ａ上に配設して構成されている。

図において、中空天板２は、焼結前に一体中空構造としたものを焼結して形成したものである。この中空天板２は、無機質繊維複合材やＳｉＣとＳｉから形成されるＳｉＣのコンポジット材からなり、その全体が同一種材質で焼結して形成されている。２体以上の部品を接着剤や再焼結によるガラス接合のような異種材を用いずに、焼結させるために、従来のような接合部での剛性劣化がない。
また、熱膨張率が１．０ｅ−６（１／℃）以下の低熱膨張材やＳｉＣからなる場合では、中空構造にするために同時に一体焼結できず、２体以上の部品になる。このような場合であっても、熱膨張係数が合わない接着剤やガラス接合のようなものではなく、熱膨張率差を吸収するようにメタル接合を用いることによって従来のような接合部での剛性劣化がない。これによって、同一種材質で一体中空構造にすることができる。

また、この中空天板２は、剛性を確保するために、図５や図６に示すようなリブ構造になっており、リブ構造で構成された中空内部Ｈ２を外気と導通させるための導通穴Ｈ２ａを具備している。外気とは、例えば、大気だけでなく、Ｎ₂ 雰囲気やＨｅ雰囲気や真空である。中空構造の製造時は不活性ガス雰囲気中で行われるが、これと、ステージ搭載時や保管時の環境と異なる。導通穴Ｈ２ａは、この中空天板２内に残留したガスが前記雰囲気に漏れ出し、その漏れ出したガスによってステージ環境を汚し、真空度が上がらないということが発生しないようにするために、設けられている。

中空天板２の上面には、感光基板であるウエハＷを搭載するためにウエハチャック１があり、このチャック１は、図示されないバキュームエアや機械的クランプによって、天板２に固定されている。ウエハＷも、図示されないバキュームエアや静電気力によってチャック１にクランプされている。

さらに、ウエハＷの相対位置を計測するために、ミラー３を持つ。このミラー３は、図２では、一つしか示されていないが、６自由度を計測できるように、複数存在する。図１では、ミラー３の上面図が本来見えるはずであるが、省略している。ミラー３と中空天板２の固定方法は、例えば、特開平５−１９１５７号公報に示されている方法による。

チャック１やミラー３も、中空天板２と同じ材料で構成されており、熱膨張率及び熱伝導率が等しい。これにより、露光熱やアクチュエータの熱により、天板２の温度が変化しても、中空天板２とミラー３間や中空天板２とチャック１間で、熱膨張率差による変形が生じない。さらに、チャック１やミラー３も中空構造をしていて中空内部Ｈ１，Ｈ３があるため、軽量・高剛性を実現することが可能となった。チャック１やミラー３が軽量化することは、中空天板２を含めた可動体全体の固有振動数を向上させる効果がある。

中空天板２は、下面に、６自由度にウエハＷを所定の位置に移動するために電磁力を使ったアクチュエータと、天板２の重力方向を支持する機構とを具備している。電磁力を使ったアクチュエータには、二つのタイプがある。一つはＸＹ方向の加速力を受け持つ電磁継ぎ手４であり、他の一つは６自由度を制御するためのローレンツ力アクチュエータとしての微動リニアモータＬＭである。前記アクチュエータは、短ストロークであり、図１７に示すような長ストローク移動できるＸステージ５１の上板５１ａの上に載っている。

ここで、この長ストロークステージ部分として、Ｙステージ５４及びＸステージ５１について説明する。Ｙステージ５４は、Ｙステージガイド５４ａの下面側にある図示しない静圧空気軸受けに給気することにより定盤５５から浮上され、その両側に配置された二つの駆動アクチュエータ５４ｃにより、定盤５５の片側に設けられている固定ガイド５２と一方のＹステージガイド５４ａの側面に図示しない静圧空気軸受けに給気することにより固定ガイド５２に沿って水平方向に案内されＹ方向に移動可能である。また、Ｘステージ５１は、Ｘステージベース５１ｃの下面側にある図示しない静圧空気軸受けに給気することにより、Ｙステージ５４と同様に定盤５５から浮上され、Ｙステージ５４の側面５４ｂとＸステージガイド５１ｂに図示しない静圧空気軸受けに給気することにより側面５４ｂに沿って水平方向に案内され、駆動アクチュエータ５１ｄによりＸ方向に移動可能である。このとき、Ｘステージ５１及びＹステージ５４は、複数の与圧用磁石ユニットによって、常に一定の姿勢となるように調整されている。この長ストローク部分のステージには、不図示のレーザ干渉計が具備されている。この干渉計に対応するミラーは、従来の天板に配置したような光学ミラーをＸステージ５１の上面に設けても良いし、Ｙ方向はＹステージの部分５４ｄ上に各々１個配置し、Ｘステージ５１の位置は、Ｙステージ５４からＸステージ５１上の光学ミラーの位置を計測する形で検出しても良い。この長ストロークの部分において、長ストローク部分の制御のためにレーザ干渉計システムを付加する以外は、特開平８−２２９７５９号公報に開示のステージと共通であっても良い。

従来は、ＸＹ方向の最終位置決め制御も、ラジアル空気軸受けを介して、この長ストロークである駆動アクチュエータ５４ｃや駆動アクチュエータ５１ｄでウエハＷの位置をコントロールしていた。本実施形態では、ＸＹ方向の最終位置決め制御は、先に説明した中空天板２の下面のローレンツ力アクチュエータである微動リニアモータＬＭＸ，ＬＭＹによって行われる。そのため、この長ストロークの制御性能を下げることが可能であり、部品コストや調整コストも下げることが可能となった。さらに、従来は制御特性を重視するために、長ストロークアクチュエータもローレンツ力アクチュエータである必要はなく、発熱や推力を重視した他のリニアモータのタイプであっても良い。

ここで、長ストロークアクチュエータが発生した加速力を、中空天板２を含む微動可動部に伝達するのが電磁継ぎ手４である。電磁継ぎ手４は１ユニットでは、吸引力方向の力しか発生しないので、図２に示すように、Ｘ方向に二つ対向して配置される。図示されていないが、紙面の上下方向にＹ方向用に二つ対向して配置される。電磁継ぎ手４は、Ｘステージ上板５１ａ上の中央部に固定側４ｂが配置され、中空天板２側に可動側４ａが配置される。発熱や実装の面から、電磁継ぎ手４のコイルは、固定側（不図示）にある。可動側４ａも固定側４ｂも電磁鋼板によって構成されている。固定側４ｂの積層鋼板は、コイルを入れることができるように、Ｅ型やＵ型の形状をしている。電磁継ぎ手４の可動側４ａと固定側４ｂには、適当なギャップが存在する。このギャップ量は、対向する電磁継ぎ手４の面の加工・組立精度と制御やウエハアライメントのために６自由度移動するのに必要なストロークと加速時に長ストロークアクチュエータによって制御されるＸステージ５１と微動可動部の位置との差分（長ストローク側の制御残差）によって決定される。また、微動可動部がウエハＷを回転方向に位置決めする時に、電磁継ぎ手４の部分も、Ｚ軸周りに干渉しないように、対向する面は、円筒状になっている。

上記の４つの電磁継ぎ手４で構成されたユニットの対向する面の円弧の中心は、すべて同一である。加工精度の面から同一半径であることが望ましい。円弧のＸＹ平面内の中心は、中空天板２を含む微動可動部の重心Ｇとできるだけ等しいことが望ましい。

中空天板２の下面には、前述したように、もう一つのアクチュエータとして６自由度に制御させるためにローレンツ力アクチュエータである微動リニアモータＬＭを配置している。ＸＹ方向に微動させるための微動リニアモータＬＭＸ，ＬＭＹは、電磁継ぎ手４の外側に配置し、Ｘ軸上に二つのＹ方向の微動リニアモータＬＭＹと、Ｙ軸上に二つのＸ方向の微動リニアモータＬＭＸがある。ヨーイング方向の制御は、Ｙ方向微動リニアモータＬＭＹかＸ方向微動リニアモータＬＭＸのどちらかのリニアモータによって行われる。その他の配置として、ＸＹ方向の微動リニアモータＬＭＸ，ＬＭＹのどちらかのリニアモータを１個として、微動可動部の重心に配置することも可能である。ＸＹ方向微動リニアモータＬＭＸ，ＬＭＹは、いずれも発熱・実装の面から、可動側ＬＭＸ１，ＬＭＹ１に磁石とヨークとを配置し、発熱するコイルを固定側ＬＭＸ２，ＬＭＹ２にしている。

Ｚ方向とピッチング・ローリング方向を制御するために、図１に示すように３つのＺ方向微動リニアモータＬＭＺを天板２の下面の周辺に配置している。図３は図１のｂ−ｂ矢視から見た側面図である。ＸＹ方向微動リニアモータＬＭＸ、ＬＭＹと同様に、Ｚ方向微動リニアモータＬＭＺも、発熱・実装の面から、可動側ＬＭＺ１に磁石とヨークとを配置し、発熱するコイルを固定側ＬＭＺ２にしている。

さらに、中空天板２の下面には、自重補償機構６が装備されている。この自重補償機構６は、その発生する力が図３に示すように微動可動部の重量とほぼ等しくなるようになっている。その力残差は、中空天板２の上下位置により自重補償機構６より発生する力が変化することによる。この力残差は、Ｚ方向の微動リニアモータＬＭＺによって、完全に取り除かれる。この力残差によって、定常的に大きな推力をＺ方向の微動リニアモータＬＭＺが発生する必要があり、自重補償機構６が発生する力は、微動リニアモータＬＭの発熱によって、中空天板２の周りの環境が悪化することのないように調整されている。発生する力変動を少なくするために、自重補償機構６としては、吸引磁石６ａと圧縮バネ６ｂを併用することにより実現している。これ以外にも、同様の効果を発揮するベロフラムや磁石反発であっても良い。

この自重補償機構６は、Ｚ方向微動リニアモータＬＭＺと同軸にすると、自重補償機構６で取りきれない力残差を中空天板２に与えないので、同軸上にある方が望ましい。

電磁継ぎ手４の固定側から、ウエハＷの交換時に、一時的にウエハＷを保持するための受け渡し支持棒８は、３本具備している。ウエハＷがチャック１に保持されているような露光等の時は、受け渡し支持棒８の上面よりも、ウエハＷの下面やチャック１の上面が上方にある状態になっている。受け渡し支持棒８自身には上下する機能はなく、中空天板２全体が、Ｚ方向の微動リニアモータＬＭＺによって下方に動くことによって、図４に示すように、チャック１の上面より飛び出す。結果として、支持棒８は、ウエハＷの裏面で、ウエハＷを保持できる。ウエハＷを搬送するために搬送ハンド９が出入できる隙間まで、中空天板２全体を下げることによって、ウエハＷの裏面とチャック１の上面の間隔を作る。これによって、搬送ハンド９により、ウエハＷの交換も可能である。

さらに、ミラー３は、露光位置からウエハ受け渡し等で、下方に中空天板２が下がった場合であっても、レーザ干渉計で計測できるような高さになっている。

ＸＹ方向微動リニアモータＬＭＸ，ＬＭＹとＺ方向微動リニアモータＬＭＺは、図４に示すように、チャック１のクリーニングで、露光位置よりアップした場合や、ウエハＷの交換によってダウンした場合でも、推力が発生するような磁石とコイル配置になっている。この時、ウエハＷの交換の時間が短く、発熱量として小さいので、露光位置にいる時と同じ推力を出す必要はなく、推力定数を露光位置の時に比べて、１０％程度小さくすることによって、微動リニアモータＬＭはコンパクトにする方が良い。どの位置でもむやみに同じ推力を維持しようと大きい微動リニアモータＬＭにすると、磁石も大きくなり微動可動部が重くなり、電磁継ぎ手４が加速時に受け持つ負荷が増え、電磁継ぎ手４が発熱し、その発熱で、環境に影響を与える。この発熱で天板２の温度が上昇し、ウエハＷとミラー３間の距離が変化してしまうという問題を起こす。また、粗動リニアモータの負荷も増える。さらに、比較的大きい微動リニアモータＬＭによって、Ｚ方向にも大きくなると、微動可動部重心Ｇが粗動リニアモータの駆動点（力点）よりも離れてしまう。これによるモーメントを受ける図１７のＸステージ５１の下面は静圧空気軸受けの負荷が増える。単位面積当たりの静圧空気軸受けの負荷が決まっているので、Ｘステージ５１の下面を大きくすることになる。これは、Ｘステージ５１を大きくすることになり、Ｘステージ５１を搬送するＸリニアモータやこれをさらに搬送するＹステージ５４のリニアモータに負荷をかけることになる。このように、負荷を下流に向けて増大させる傾向にあり、本実施形態の構成の場合、微動リニアモータＬＭをコンパクトすることは重要である。図２に示すように、微動リニアモータＬＭは、露光位置におけるコイルと磁石の関係が非対称位置（センタが一致している）にあり、露光位置にいる時に最大推力定数の数％以内にあるようにコイルと磁石を配置することを特徴としている。

露光時に最大推力定数でなく、最大推力定数の数％以内に設定するのは、ウエハ交換によってダウンした時の推力定数の低下が２０％を超えると、短時間であっても、熱の影響を無視できないためである。

本実施形態に係る中空天板２は、図２に示すように、微動可動部と電磁継ぎ手４の力点を合わせるために、その中心部に掘り込みを持つことを特徴としている。例えば、距離αが１０ｍｍあって、天板２の重さが１０ｋｇ、Ｚ方向微動リニアモータＬＭＺの支持スパンが１００ｍｍであり、１Ｇの加速度にてウエハＷを動かそうとすると、距離αに基づくモーメントによって、Ｚ方向微動リニアモータＬＭＺで１ｋｇｆの力を受け持つ必要がある。Ｚ方向微動リニアモータＬＭＺからの発熱を小さくするためにも、微動可動部の重心Ｇと電磁継ぎ手４の力点との距離αはゼロが望ましい。逆に、電磁継ぎ手４は、中空天板２に、ＸＹＺ方向の微動リニアモータＬＭＸ，ＬＭＹ，ＬＭＺが取付けられる面と同じ面に取付けると、距離αの増加に比例して、Ｚ方向微動リニアモータＬＭＺが受け持つ力は増え、大きなサイズの微動リニアモータＬＭＺが必要になる。これによって、移動荷重も増え、ステージとしての成立が極めて困難になる。図２に示す図形は、説明のために意識的に大きな差分を設けて表してある。

次に、中空天板２の構造について説明する。中空天板２は、内部のリブによって、所定の強度や剛性の補強の機能が与えられる。また、中空天板２は、リブによって隔壁された部屋を外部の環境と等しくするために、図２に示すような導通穴Ｈ２ａを有する。

さて、本実施形態に係る位置決め装置の制御系において、高速で、高精度な追従性を得るためには、位置決め装置のゲイン特性は高い（ハイゲイン化）ほど望ましい。そのため、従来においてゲイン特性に限界を与えていたステージの特性に代表される機械特性の固有振動数の値を上げることが必要であり、本実施形態に係る中空天板２は、中空内部とリブ構造によって、従来よりも固有振動数が大幅に向上し、制御系のゲイン特性が改善された。例えば、スキャン型の露光装置において、ウエハＷとレチクルの同期精度を数ｎｍレベルにするためには、ステージ単体におけるゼロクロス周波数も年々高い値を必要とされてきている。これを達成させるために必要とされる中空天板２のそれも比例して、従来の数倍の値が必要となっている。本発明を適用することによって高い固有振動数を有する天板２が可能となった。

具体的なリブの構成を説明する。図５は中空天板２のリブ構造を示す断面図である。中空天板２は、中心部に掘り込みがない場合、そのリブの構成は、図５に示すようになっている。

図１８に示すように、リブ構造は、５つのパターン（リブなし・ひし形リブ・十字リブ・丸型リブ・Ｘ型リブ）について固有値解析し、評価してみると、１次モードがねじれモードであり、このねじれモードに対して強い順に固有振動数が高くなる。この中の順位は、リブなし・十字リブ・丸型リブ・Ｘ型リブ・ひし形リブの順に固有振動数が高くなる。定盤等でリブを入れる時に一般的に行われるＸ型リブよりもひし形リブの方が、本発明で示すリブ構造が優れていることが分かる。
すなわち、リブ構造は、中空天板２の上下の板に一体になっている。そして、中空天板の上下の板を囲むような外周の側板があって、このリブは側板と側板が接する隅部から離れた側板の腹部から始まり図形対象位置関係をもつ別の側板の腹部につながるように配置されればよい。

これを、具体的に形状に示したのが図５である。図５（ａ）に示すように、リブ構造は、前記ひし形を繰り返し、あたかも断面がＸＹ微動方向に沿った四辺からなる四角形□のリブＲ１と、これに対し断面がそれぞれ４５度の傾斜角度をなす四辺からなるひし形◇のリブＲ２とを交互に、リブＲ１ａ内にリブＲ２ａ、その内側にリブＲ１ｂ、さらにその内側へリブＲ２ｂを、それぞれ入れる構造にすることによって、非常に高い固有振動数を実現することができた。

本実施形態では、中央部に電磁継ぎ手４を配置することを特徴としている。これを適用したリブ構造を図６に示す。このリブ構造は、電磁継ぎ手４の可動部４ａの取り付け穴Ｈ２ｃをなす内接円の大きさが電磁継ぎ手４の固定部の外径より干渉しない程度にやや大きく、断面内周が円形の円リブの外接部が、ひし形◇の言わば円形とひし形との組み合わせリブＲ３を有する構造になっている。その外側は、図５と同じパターンである断面が四角形□のリブと断面の各辺が４５度の角度をなすひし形◇のリブとが交互に繰り返されて、四角形□のリブＲ１ａ内にひし形◇のリブＲ２ａがあり、その内側に四角形□のリブＲ１ｂがある。
さらに、図５（ａ）の発展系として、図５（ｂ）を示す。外側の四隅の三角部分を軽くすることによって図５（ａ）は固有振動数を向上させている。しかし、実際の構成では、ミラー３等の質量が乗る。このような場合には図５（ｂ）のように側板と側板が接する接点からリブを出すように対角線にリブを入れるのではなく、ねじりに弱いところである腹Ｒｗからリブを出すことが固有振動数向上に有効である。

ここで、リブの厚みであるが、本実施形態では、計算上は５ｍｍ程度が最適である。１０ｍｍに増やしても、固有振動数は、わずかな向上にしかならない。材質をＳｉＣとＳｉから形成されるＳｉＣのコンポジット材する場合では、中空構造にするために単品で事前に焼結しないので、接合する面を確保するためや、単品の焼結時における強度維持のために、リブ厚を厚く取ることが不要である。本実施形態に係る中空天板２は、最終の焼結をする前の段階で、リブ構造にしており、焼結前の強度も中空構造にすることで確保できるという利点がある。従来のように固有振動数の向上に寄与しないにもかかわらず、接合面となる中空リブの厚みを取る必要がないため、中空天板２は、必要以上に重くすることがない。これによって、中空天板２は軽量化することができ、前述の加速用のリニアモータへの負荷は低減し、この加速に耐える力を出すために必要な電流は同時に下がり、リニアモータからの発熱は大幅に改善され、環境に及ぼす影響が減り、位置決め精度が向上する。
また、無機質繊維複合材を用いた場合は、比剛性が高いので、より軽量でかつ高剛性を実現できる。
熱膨張率が１．０ｅ−６（１／℃）以下の低熱膨張材を用いる場合、低熱膨張材の材質がコージライト系である場合、ヤング率が低く、天板として適用することができなかったが、本発明のリブ構造の中空天板にすることによって、低熱膨張材でも実現することが可能となった。
また、ＳｉＣのコンポジット材よりも高剛性を求めるためにヤング率が高い材質であるＳｉＣを用いた場合であっても、同様の効果が得られることは言うまでもない。

図７に示す第二の実施形態として、中空天板２の側面に光学ミラーを接着固定又はメカニカル固定されたミラー一体型中空天板２について説明する。
この光学ミラー３の材質も、熱膨張率差による中空天板２の変形を避けるために、中空天板２と同じ材質である。同じ材質で一体構造になっているので、ミラー３がステージの移動時の加速で動くという問題は発生しない。また、剛性の高い中空天板２に保持されているために、ミラー３が変形する心配もないという利点がある。

Ｘステージ５１の上板５１ａから中空天板２上に搭載されるチャック１や不図示のセンサ等に必要とされる電気・気体・液体を通すための配管等及び実装配線は、中空天板２の中央部又は最外周部にあって、配線・配管による振動伝達率が、小さくできることを特徴とする。小さい振動伝達率にするために、エア等の内圧が掛かる比較的硬い配管は、図７に示すように、電磁継ぎ手４の固定側の中央部の導入管１１を通って、上下をつなぐ接続チューブ１３を経由し、電磁継ぎ手４の可動側の中央部の導入管１５を経由し、さらに、天板２の中央部を経由して、チャック１のウエハ吸着用真空溝１８に供給される。この時、振動伝達率を決める要素は、接続チューブ１３である。この実施形態は、チューブ１３を中央部に配置することで、該チューブ１３による非対称な干渉成分が発生しにくく、制御性が良いという特徴をもつ。中央部が有利であるが、チューブ１３による影響を小さくするために、この接続チューブ１３は細く、長さは長く、螺旋状にするのが望ましい。比較的軟らかい電気ケーブル等の実装ケーブル類１７は、振動に対する影響が小さいので、天板２の外周側が望ましい。特に、信号ケーブルは、断線等の交換を容易するためにも、エア配管チューブのように内部に配置するよりも、外周に配置する方が望ましい。

次に、中空天板２を加工する方法を説明する。光学ミラー面を仕上げるために、まず、先に述べたように、中空天板２にミラー３の部材を固定し、図９に示すように、中空天板２の外気との導通穴Ｈ２ａを通して、中空構造体の中空内部Ｈ２に粉体（球体・円筒）２０を入れる。この粉体２０を入れることで、この粉体２０によって充填された中空内部Ｈ２の重量が、該中空内部を中空構造体の素材で充填した重量と等しくなるようにする。粉体２０は円筒状をして、整列するように並べる場合、ＳｉＣのコンポジット材の比重が３．０である時、粉体２０の比重は、３．８となる。その材料としてアルミナセラミクスを用いれば良い。

このように粉体２０を充填することによって、研削やラップやポリシュする時に、部材の面圧は、中実天板と同じになる。特に、ラップ盤２２のような高精度な平面を出す時、面圧の差で加工量が異なってしまうが、粉体２０を充填することで解決される。図１０は、ミラー３の面をラップ加工している図である。図１１は、チャック１が取付けられる中空天板２の面２ａを仕上げている図である。このような手法は、中空天板２のミラー３の面の加工をする場合だけに限定されるものではなく、１μｍ以下の平面度を必要とする中空ガイド等のその他の中空部材を仕上げる時にも適用されるものである。

図８は本発明の第三の実施形態に係る位置決め装置を示す図である。図２では、電磁継ぎ手４の可動部４ａが中空天板２に取付けられる部分において、中空天板２側は、１枚板になっていたが、電磁継ぎ手４が受ける加速力が大きいと、中空天板２を変形させてしまう。この変形によって、ウエハチャック１も変形してしまう。これによって、ウエハＷも変形し、アライメントエラーの原因となる。そこで、第三の実施形態では、中空天板２の強度を上げるために、電磁継ぎ手４の可動部４ａが取付けられる中空天板２の部分２ｂにおいても、単純に板の厚さを厚くするのではなく、中空構造にして、軽量高剛性を実現している。

本発明の第一の実施形態に係る位置決め装置の平面図である。 図１におけるａ−ａ断面図である。 図１におけるｂ−ｂ断面図である。 本発明の第一の実施形態に係る位置決め装置の動作説明用図であって、中心位置における断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態に係る位置決め装置の中空天板のリブ構造の例を示す断面図であり、（ｂ）は本発明の実施形態に係る位置決め装置の中空天板のリブ構造として（ａ）の発展系の例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る位置決め装置の中空天板のリブ構造の他の例を示す断面図である。 本発明の第二の実施形態に係る位置決め装置の中心位置における断面図である。 本発明の第三の実施形態に係る位置決め装置の中心位置における断面図である。 本発明の実施形態に係る中空天板を加工する方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る中空天板におけるミラー面をラップ加工している状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る中空天板のチャックが取付けられる面を仕上げている状態を示す図である。 従来の位置決め装置の斜視図である。 従来の位置決め装置の各自由度における制御ブロック図である。 従来の位置決め装置の制御系ゲイン位相特性を表わす図である。 従来のステージ構造部材の中空構造を示す斜視図である。 従来のステージに搭載したθＺＴ駆動機構の断面図である。 長ストローク移動できるＸステージの斜視図である。 中空天板のリブ構造の５つのパターン（リブなし・ひし形リブ・十字リブ・丸型リブ・Ｘ型リブ）を示す図である。

符号の説明

１：チャック（第一の板）、２：中空天板（第二の板）、３：ミラー（第三の板を含む）、４：電磁継ぎ手、４ａ：可動側、４ｂ：固定側、６：自重補償機構、６ａ：吸引磁石、６ｂ：圧縮バネ、８：受け渡し支持棒、９：搬送ハンド、１０：干渉ビーム、１１：導入管、１３：接続チューブ、１５：導入管、１７：実装ケーブル類、１８：ウエハ吸着用真空溝、２０：粉体、２２：ラップ盤、５１：Ｘステージ、５１ａ：Ｘステージ上板（第四の板）、５１ｂ：Ｘステージガイド、５１ｃ：Ｘステージベース、５１ｄ：Ｘ駆動アクチュエータ、５２：固定ガイド、５４：Ｙステージ、５４ａ：Ｙステージガイド、５４ｂ：Ｙステージの側面、５４ｃ：Ｙ駆動アクチュエータ、５４ｄ：Ｙステージの部分、５５：定盤、
Ｈ１：中空内部、Ｈ２：中空内部、Ｈ２ａ：導通穴、Ｈ２ｃ：取り付け穴、Ｈ３：中空内部、ＬＭＸ：Ｘ方向微動リニアモータ、ＬＭＸ１：可動側、ＬＭＸ２：固定側、ＬＭＹ：Ｙ方向微動リニアモータ、ＬＭＹ１：可動側、ＬＭＹ２：固定側、ＬＭＺ：Ｚ方向微動リニアモータ、ＬＭＺ１：可動側、ＬＭＺ２：固定側、Ｗ：ウエハ。

Claims (16)

1. Ｎ２雰囲気、Ｈｅ雰囲気、真空雰囲気のいずれかの環境で被移動物を移動させるための位置決め装置において、被移動物を保持するための第一の板と、該第一の板を保持する第二の板とを有し、該第二の板の材質がセラミックからなる材料からなり、該第二の板の構造が同一種材質で形成され中空内部を有する中空構造になっていて、前記中空内部には該第二の板のねじれモードに対する固有振動数を高めるリブ構造を有し、前記環境において前記中空内部と外気を導通するための穴があることを特徴とする位置決め装置。
2. 前記リブ構造は、前記第二の板の上下の板に一体になっていることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
3. 前記第二の板の上下の板を囲むような外周の側板があって、前記リブは側板と側板が接する隅部から離れた側板の腹部から始まり図形対象位置関係をもつ別の側板の腹部につながることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
4. 請求項３のリブ構造は、保持面に平行に切断したときの断面が四角形のリブと、該断面が四角形のリブに対し角度をなして接合され、前記保持面に平行に切断したときの断面がひし形のリブとを交互に入れる構成であることを特徴とする位置決め装置。
5. 前記第二の板の材質は熱膨張率が１．０ｅ−６（１／℃）以下の低熱膨張材または無機質繊維複合材またはＳｉＣまたはＳｉＣとＳｉから形成されるＳｉＣのコンポジット材からなっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の位置決め装置。
6. 半導体露光装置の基板移動ステージである位置決め装置において、被移動物が感光基板と感光パターンを有する原版とのどちらかであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の位置決め装置。
7. 前記第一の板は前記第二の板と同じ材質でできており、該第一の板も中空構造になっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の位置決め装置。
8. 前記第二の板は、被移動物の相対位置を知るための第三の板として複数の光学ミラーを具備し、該光学ミラーを形成する第三の板は、前記第二の板と同一材質の中空構造になっており、前記第二の板は、６自由度に被移動物を所定の位置に移動するために電磁力を使ったアクチュエータと該第二の板の重力方向を支持する機構を具備していることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の位置決め装置。
9. 前記アクチュエータとは別に長ストロークにて前記第一の板をＸＹ移動させることができる長ストロークアクチュエータを具備し、その長ストロークアクチュエータによって、移動される第四の板を具備し、前記アクチュエータと前記第二の板の重力方向を支持する機構は、該第四の板に支持されていることを特徴とする請求項８に記載の位置決め装置。
10. 前記アクチュエータとは、被移動物を水平方向とヨーイング方向に所定位置に制御させるための少なくとも３つ以上のローレンツ力アクチュエータと、被移動物を移動させるための加速度を補うために同心円上に配置された少なくとも４つ以上の電磁石アクチュエータとであって、前記電磁石アクチュエータの可動側が前記第二の板に固定され、前記ローレンツ力アクチュエータと電磁石アクチュエータの力点と該第二の板の重心との差を小さくするために、少なくともアクチュエータが取付けられる該第二の板部分は裏面に掘り込みがある中空板構造であることを特徴とする請求項８または９に記載の位置決め装置。
11. 前記ローレンツ力アクチュエータは、被移動物が露光位置にある時に、最大推力定数の数％以内となるように、該アクチュエータのコイルと磁石を配置することを特徴とする請求項１０に記載の位置決め装置。
12. 前記第四の板には、被移動物を搬送ハンドから前記第一の板に移動させるために、被移動物を一時保持するための受け渡し支持棒を具備し、該受け渡し支持棒は、最低３本から構成され、前記第一の板及び第二の板を貫通し、該第二の板が、前記アクチュエータによって上下することで、前記第一の板の上面から突出することを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の位置決め装置。
13. 前記第四の板から第二の板に供給される電気・気体・液体を通すための配管及び実装配線が、前記第二の板の中央部及び最外周部のどちらかにあることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の位置決め装置。
14. 被移動物を垂直方向とピッチング・ローリング方向の所定位置に制御させるために少なくとも３つ以上のローレンツ力アクチュエータを備え、被移動物を搬送させるために必要な前記第二の板の移動が可能なストロークを具備すること特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の位置決め装置。
15. 前記第二の板の重力方向の荷重を支持するために、該第二の板と該第二の板に機械的に固定される部品との重さに等しい力を発生させる自重補償機構を有することを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の位置決め装置。
16. １μｍ以下の仕上げ面を必要とする前記中空構造を有する請求項１〜１５のいずれかに記載の位置決め装置の製造方法において、前記中空構造の中空内部に粉体を入れるための穴を具備し、前記粉体を入れる前記中空内部内の重量が該中空内部内を前記第二の板と同種の材質素材で充填した場合の該中空内部内の重量に等しい状態にして、製造工程を行うことを特徴とする位置決め装置の製造方法。

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