JP3640971B2 - 重心移動を補償するフォースアクチュエータ装置を有する位置決め装置 - Google Patents
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Description
本発明は、物体テーブルと、この物体テーブルを少なくともＸ軸方向に平行に位置決め装置のフレームに固定した案内上で移動自在にする駆動ユニットとを具える位置決め装置に関するものである。
更に、本発明は、垂直のＺ軸方向に平行に見て、放射源と、マスクホルダと、Ｚ軸方向に平行に指向する主軸を有する合焦装置と、位置決め装置によってＺ軸方向に直交する方向に移動自在のサブストレートホルダとをこの順序で支持するマシンフレームを設けたリソグラフ装置に関するものである。
更に、また本発明は、垂直のＺ軸方向に平行に見て、放射源と、位置決め装置によってＺ軸方向に平行に移動自在のマスクホルダと、Ｚ軸方向に平行に指向する主軸を有する合焦装置と、他の位置決め装置によってＺ軸方向に直交する方向に移動自在のサブストレートホルダとをこの順序で支持するマシンフレームを設けたリソグラフ装置に関するものである。
冒頭の段落に記載の種類の位置決め装置は米国特許第5,260,580号に記載されている。この既知の位置決め装置は、第１フレームによって支持した固定ベースにより支持しかつ案内した物体テーブルを有する。この既知の位置決め装置は固定ベース上で物体テーブルを移動させる駆動ユニットを有する。駆動ユニットは第１リニアモータの固定部分を固定ベースに支持した第１リニアモータと、第２リニアモータの固定部分を第２フレームに支持した第２リニアモータと、第２フレームは第１フレームから動力学的に絶縁又は隔離し、第２フレームに存在する機械的力及び振動が第１フレームに伝達されないようにする。既知の位置決め装置の物体テーブルは動作中に第２リニアモータによって所要の端部位置に近接する位置に移動することができ、この端部位置に近接する位置から第１リニアモータによって所要の端部位置に移動することができるようにしている。第２リニアモータによる物体テーブルの移動は比較的大きく、速度制御された移動であるのが一般的であり、この移動中第２リニアモータは物体テーブルに対して比較的大きな駆動力を加える。第１リニアモータによる物体テーブルの移動は比較的僅かな位置制御された移動であり、この移動中に第１リニアモータは比較的僅かな駆動力を物体テーブルに与える。第２リニアモータの固定部分は第１フレームから動力学的に絶縁された第２フレームによって支持されているため、物体テーブルによって第２リニアモータに加わり、また第２リニアモータによって物体テーブルに加わる駆動力によって生ずる比較的大きな反作用力並びにこの反作用力によって第２フレームに発生する機械的振動は第１フレーム、固定ベース及び物体テーブルに伝達される。更に、既知の位置決め装置の第１フレームは比較的低い機械的剛性を有する多数のダンパによって床面上に配置される。ダンパの低い機械的剛性によって床に存在する機械的振動は第１フレームに伝達されない。既知の位置決め装置の固定ベース及び物体テーブルは床に存在する振動及び第２リニアモータによって生ずる比較的強い機械的振動から解放されているという事実は、物体テーブルが所要の端部位置に迅速かつ正確に第１リニアモータによって移動できることを意味する。
既知の装置の欠点は、物体テーブルが固定ベースに対して比較的大きな距離移動するとき第１フレームが振動を発生したり、ダンパが震動する点である。物体ベースは、物体テーブルに更に、する重力によって決定される支持力で固定テーブルに休止する。物体テーブルが固定ベースに対して移動するとき、固定ベースに対する支持力の作用点も固定ベースに対して移動する。物体テーブルの比較的大きな距離にわたる移動が比較的低周波数で生じ、固定ベースがダンパによって床に対して低周波ばねで支持されているため、物体テーブルの比較的大きな移動により生ずる支持力の作用点の移動は、固定ベース及び第１フレームに機械的振動を生ずるだけでなく、ダンパ上の第１フレームに低周波の震動を生ずることになる。このような機械的振動及び震動は、位置決め装置の位置決め精度及び位置決め時間を低下させる即ち、所要の端部位置に達する精度と時間が悪化する。
本発明の目的は、このような欠点をできるだけ回避できる冒頭の段落に述べた種類の位置決め装置を得るにある。
この目的を達成するため、本発明による位置決め装置は、前記位置決め装置に、電気コントローラによって制御して動作中に前記フレームに対して補償力を発生し、前記補償力の前記フレームの基準点の周りの機械的モーメントが、前記物体に作用する重力の前記フレームの基準点の周りの機械的モーメントの値に等しい値と、前記重力の機械的モーメントの方向とは逆向きの方向とを有するフォースアクチュエータ装置を設けたことを特徴とする。コントローラは、固定ベースに対する物体テーブルの位置の関数としてフォースアクチュエータ装置の補償力を制御する。コントローラには、例えば、コントローラが位置決め装置の電気制御ユニットから物体テーブルの位置に関する情報を受け取るフィードフォワード制御ループを設けたり、又はコントローラが位置センサから物体テーブルの位置に関する情報を受け取るフィードバック制御ループを設ける。このフォースアクチュエータ装置を使用することは、フレームの基準点の周りの重力のモーメントと補償力のモーメントとの和をできるだけ一定にする。この結果、移動可能な物体テーブルはフレームに対してほぼ一定の位置をとるいわゆる仮想重心を有し、これによりフレームは実質的に物体テーブルの支持力の作用点の移動を感知しないようになる。物体テーブルの実際の重心の移動によるフレームの機械的振動及び低周波震動を防止でき、位置決め装置の位置決め精度及び位置決め時間を改善することができる。
本発明による位置決め装置の他の実施例においては、前記物体テーブルを水平方向に平行に移動自在にするとともに、フォースアクチュエータ装置が垂直方向に平行に前記補償力を前記フレームに加えるようにする。フォースアクチュエータ装置は垂直方向に平行な補償力をフレームに加えるため、フォースアクチュエータ装置は物体テーブルの駆動方向にはフレームに対して力を加えず、従って、フォースアクチュエータ装置は駆動方向に平行な方向にはフレームに機械的振動を発生せず、このような振動を防止する手段を必要としない。フレームの垂直方向の振動は、フォースアクチュエータ装置の補償力の値が一定であり、フレームに対する補償力の作用点を物体テーブルの位置の関数として移動することによな防止される。フォースアクチュエータ装置の補償力の作用点の移動は、例えば、少なくとも２個の別個のフォースアクチュエータを有するフォースアクチュエータ装置を使用することにより達成され、これにより、フォースアクチュエータの補償力は物体テーブルの位置の関数として個別に制御し、個別のフォースアクチュエータの補償力の和を一定にする。
本発明による位置決め装置の他の実施例においては、前記物体テーブルの水平のＸ軸方向に平行にかつこのＸ軸方向に直交する水平のＹ軸方向に平行に移動自在にするとともに、前記フォースアクチュエータ装置は、３個のフォースアクチュエータを互いに三角形形状となるよう配列し、各フォースアクチュエータが垂直方向に平行に前記補償力を前記フレームに加えるようにする。互いに三角形をなすよう配列した３個のフォースアクチュエータを有するフォースアクチュエータ装置を使用することにより、Ｘ軸方向に平行な物体テーブルの移動により生ずるフレームの機械的振動を防止するだけでなく、Ｙ軸方向に平行な物体テーブルの移動により生ずるフレームの機械的振動も防止する。個別のフォースアクチュエータの補償力の和は動作中連続的に一定に維持され、フォースアクチュエータ装置はフレームに垂直方向の振動を生じない。フォースアクチュエータの三角形の形状の配置によりフォースアクチュエータ装置の動作を特別に安定させる。
本発明による位置決め装置の特別な実施例においては、前記フォースアクチュエータ装置を、前記位置決め装置のベースに前記フレームを連結する動力学的アイソレータの装置に一体にする。動力学的アイソレータは、例えば、比較的低い機械的剛性を有するダンパとし、これによりフレームはベースから動力学的に隔離又は絶縁される。ダンパの比較的低い機械的剛性のため、ベースに存在する機械的振動例えば、床の振動はフレームに伝達されない。フォースアクチュエータ装置を動力学的アイソレータの装置又は系に一体にすることにより位置決め装置の構造をコンパクトかつ簡単にすることができる。
更に、本発明による位置決め装置の他の実施例においては、前記補償力は、前記フォースアクチュエータ装置の磁石装置及び電気コイル装置のローレンツ力のみからなるものとする。フォースアクチュエータ装置は、フレームに固定した部分及び位置決め装置のベースに固定した部分により構成する。フォースアクチュエータ装置の補償力はローレンツ力のみであるため、フォースアクチュエータ装置の上記部分は物理的に分離されており、両者の部分間には物理的な接触又は物理的連結状態はない。これにより、位置決め装置のベースに存在する機械的振動例えば、床の振動はフォースアクチュエータ装置を介してフレーム及び物体テーブルには伝達されない。
冒頭の段落に述べた種類の移動可能サブストレートホルダを設けたリソグラフ装置はヨーロッパ特許公開第0498496号に記載されている。この既知のリソグラフ装置は光学的リソグラフィックプロセスにより集積半導体回路を製造するのに使用する。この既知のリソグラフ装置の放射源は光源であり、合焦装置は光学レンズ系であり、このレンズ系により、リソグラフ装置のマスクホルダ上に配置することができるマスクに設けた集積半導体回路の部分的パターンを、リソグラフ装置のサブストレートホルダ上に配置することができる半導体サブストレート上に縮小スケールで結像する。このような半導体サブストレートは、個別の半導体回路を設ける多数のフィールドを有する。半導体サブストレートの個別フィールドをこの目的のため順次露光し、個別のフィールドの露光中は半導体サブストレートはマスクホルダ及び合焦装置に対して一定の位置に配置するとともに、順次の２つの露光ステップ間において、半導体サブストレートの次のフィールドをサブストレートホルダの位置決め装置によって合焦装置に対する所定位置に送る。このプロセスを多数回繰り返し、各回毎に異なる部分パターンの異なるマスクを使用し、これにより相当複雑な構造の集積半導体回路を製造することができる。このような集積半導体回路の構造はサブミクロンレンジの微細寸法を有する。順次のマスク上の部分パターンは半導体サブストレートのフィールド上にサブミクロンレンジの精度で相対的に結像しなければならない。半導体サブストレートは従って、マスク及び合焦装置に対してサブミクロンレンジの精度でサブストレートホルダの位置決め装置によって相対的位置決めされなければならない。更に、半導体回路の製造に要する時間を短縮するため、半導体サブストレートは２つの順次の露光ステップ間で比較的高速で移動させ、また所要の精度でマスク及び合焦装置に対して位置決めしなければならない。
本発明によれば、移動可能なサブストレートホルダを有するリソグラフ装置は、前記サブストレートホルダの位置決め装置のフレームを前記リソグラフ装置のマシンフレームに属するものとし、前記サブストレートホルダの位置決め装置のフォースアクチュエータ装置が前記補償力を前記マシンフレームに加えるようにした位置決め装置とする。フォースアクチュエータ装置を有する本発明による位置決め装置を使用することにより、半導体サブストレートを有するサブストレートホルダを比較的高速で次のフィールドに位置決め装置によって２つの順次の露光ステップ間で移動し、この間にサブストレートホルダの重心がリソグラフ装置のマシンフレームに対して移動するとき、リソグラフ装置のマシンフレームの震動及び振動を防止する。フォースアクチュエータ装置のコントローラは、マシンフレームに対するサブストレートホルダの位置の関数として補償力を制御する。フォースアクチュエータ装置を使用することによって、マシンフレームの周りのサブストレートホルダに作用する重心のモーメントと補償力のモーメントとの和はできるだけ一定になり、従って、マシンフレームのサブストレートホルダの重心の移動の感知はできるだけ少なくなる。このようにして、サブストレートホルダの重心移動によって生ずるマシンフレームの機械的振動は防止され、サブストレートホルダをマシンフレームに対して位置決めすることができる精度及び位置決めプロセスに要する時間が、重心移動によって悪影響を受けないようにすることができる。
冒頭の段落に述べた種類の移動可能なサブストレートホルダ及び移動可能なマスクホルダを有するリソグラフ装置は米国特許第5,194,893号に記載されている。この既知のリソグラフ装置においては、製造中の半導体サブストレートは半導体サブストレートの単独のフィールドの露光中マスク及び合焦装置に対して一定の位置をとらず、その代わり半導体サブストレート及びマスクを合焦装置に対してＺ軸方向に直交するＸ軸方向に平行にサブストレートホルダの位置決め装置及びマスクホルダの位置決め装置によってそれぞれ同期して移動させる。このようにして、マスク上のパターンをＸ軸方向に平行に走査し、同期的に半導体サブストレート上に結像する。これにより、合焦装置によって半導体サブストレート上に結像することができるマスクの最大表面積は、合焦装置の開孔（アパーチャ）の寸法による制限が少なくする。製造すべき集積半導体回路の微細寸法はサブミクロンレンジであるため、半導体サブストレート及びマスクは、露光中に合焦装置に対してサブミクロンレンジの精度で移動しなければならない。半導体回路の製造に要する時間を短縮するためには、半導体サブストレート及びマスクを露光中に比較的高速で互いに相対移動及び相対位置決めしなければならない。マスク上のパターンを縮小スケールで半導体サブストレート上に結像するため、マスクを移動する速度及び距離は、サブストレートを移動する速度及び距離よりも大きくし、速度間の比及び距離間の比はともに合焦装置の縮小率に等しくする。
本発明によれば、移動可能なサブストレートホルダ及び移動可能なマスクホルダを有するリソグラフ装置は、マスクホルダの位置決め装置は、マスクホルダの位置決め装置のフレームがリソグラフ装置のマシンフレームに属し、マスクホルダの位置決め装置のフォースアクチュエータ装置がマシンフレームに対して補償力を加える本発明による位置決め装置とする。
本発明による移動可能なサブストレートホルダを有するリソグラフ装置の特別な実施例においては、マスクホルダを本発明による位置決め装置によりＺ軸方向に直交する方向に移動自在にし、前記サブストレートホルダの位置決め装置のフレームを前記リソグラフ装置のマシンフレームに属するものとし、前記サブストレートホルダの位置決め装置のフォースアクチュエータ装置が前記補償力を前記マシンフレームに加えるようにしたことを特徴とする。
これにより、半導体サブストレートの露光中マスクを有するマスクホルダが位置決め装置によって比較的大きい距離にわたり移動し、このときマスクホルダの重心がリソグラフ装置のマシンフレームに対して比較的大きな距離にわたり移動するとき、リソグラフ装置のマシンフレームが振動又は震動するのを防止する。マスクホルダの比較的大きな重心移動により生ずるマシンフレームの機械的振動が半導体サブストレートの露光中に防止され、従って、サブストレートホルダ及びマスクホルダを半導体サブストレートの露光中にマシンフレームに対して位置決めできる精度及び位置決めにかかる時間がマスクホルダの重心の比較的大きな移動によって悪影響を受けない。
本発明によるリソグラフ装置の他の実施例においては、前記サブストレートホルダの位置決め装置及びマスクホルダの位置決め装置にジョイントフォースアクチュエータ装置を設け、前記ジョイントフォースアクチュエータ装置の補償力の前記基準点の周りの機械的モーメントの値が、前記サブストレートホルダに作用する重力の前記基準点の周りの機械的モーメントと、前記マスクホルダに作用する重力の前記基準点の周りの機械的モーメントとの和の値に等しく、前記補償力の機械的モーメントの方向が前記和の機械的モーメントの方向とは逆向きとなるようにする。フォースアクチュエータ装置のコントローラは、マシンフレームに対するマスクホルダの位置及びサブストレートホルダの位置の関数として補償力を制御し、ジョイントフォースアクチュエータ装置はマスクホルダの重心移動及びサブストレートホルダの重心移動の双方を補償する。リソグラフ装置の構造はジョイントフォースアクチュエータ装置の使用によって簡素化される。
本発明によるリソグラフ装置の更に他の実施例においては、前記マシンフレームを、互いに三角形をなす形態に配列した３個の動力学的アイソレータによって前記リソグラフ装置のベースに配置し、前記フォースアクチュエータ装置を３個の個別のフォースアクチュエータにより構成し、各フォースアクチュエータを前記動力学的アイソレータの各１個に一体にする。例えば、動力学的アイソレータは比較的低い機械的剛性を有するダンパとし、これによりマシンフレームはベースから動力学的に隔離又は絶縁される。ダンパの比較的低い機械的剛性のため、ベースに存在する機械的振動例えば、床の振動はマシンフレームに伝達されない。フォースアクチュエータ装置を動力学的アイソレータの装置に一体にすることにより、リソグラフ装置の構造を特にコンパクトかつ簡単にすることができる。更に、アイソレータの三角形の形態に配列することによりマシンフレームのための安定した支持体を構成する。
次に、図面につき本発明をより詳細に説明する。
図１は、本発明によるリソグラフ装置の斜視図であり、
図２は、図１のリソグラフ装置の線図的説明図であり、
図３は、図１のリソグラフ装置のベース及びサブストレートホルダの斜視図であり、
図４は、図３のリソグラフ装置のベース及びサブストレートホルダの平面図であり、
図５は、図１のリソグラフ装置のマスクホルダの平面図であり、
図６は、図５のVI−VI線上の断面図であり、
図７は、図１のリソグラフ装置の動力学的アイソレータの断面図であり、
図８は、図７のVIII−VIII線上を断面図であり、
図９は、図１のリソグラフ装置のフォースアクチュエータ装置の線図的説明図である。
図１及び図２に示す本発明によるリソグラフ装置は、光学的リソグラフィックプロセスによって集積半導体回路を製造するのに使用する。図２に線図的に示すように、リソグラフ装置は、垂直のＺ軸方向に平行に見て順次に、サブストレートホルダ１、合焦装置３、マスクホルダ５、及び放射源７を設ける。図１及び図２に示すリソグラフ装置は、光学的リソグラフ装置であり、放射源７は、光源９と、ダイヤフラム11と、ミラー13,15を有する。サブストレートホルダ１は支持面17を有し、この支持面17はＺ軸方向に直交する方向に延在し、この支持面17上に半導体サブストレート19を配置しかつとができ、Ｚ軸方向に直交するＸ軸方向に平行に、またＸ軸方向及びＺ軸方向に直交するＹ軸方向に平行に合焦装置３に対して移動できるようにする。合焦装置３は、結像（イメージング）装置又は投射（プロジェクション）装置とし、Ｚ軸方向に平行な主光軸25と、例えば、４又は５の光学的縮小率を有する光学的レンズ系を有する。マスクホルダ５は、Ｚ軸方向に直交しかつマスク29を配置できるとともに、リソグラフ装置の第２位置決め装置31によって合焦装置３に対してＸ軸方向に方向に移動自在の支持面27を有する。マスク29は、集積半導体回路のパターン又は部分的パターンを有する。動作にあたり、光源９から出射する光ビーム33はダイヤフラム11及びミラー13,15を経てマスク29を通過し、レンズ系23により半導体サブストレート19上に合焦され、マスク29におけるパターンが半導体サブストレート19上に縮小スケールで結像する。半導体サブストレート19は、個別の半導体回路を設ける多数の個別フィールド35を有する。この目的のため、半導体サブストレート19のフィールド35は順次マスクを経て露光され、個別のフィールド35を露光した度毎に次のフィールド35を合焦装置３に対して移動し、このとき、第１位置決め装置21によってサブストレートホルダ１をＸ軸方向又はＹ軸方向に平行に移動する。このプロセスは、異なるマスクの度毎に多数回繰り返し、従って、層状の相当複雑な集積半導体回路を製造することができる。
図２に示すように、半導体サブストレート19及びマスク29は、個別のフィールド35の露光中は第１位置決め装置21及び第２位置決め装置31によってＸ軸方向に平行に合焦装置３に対して同期して移動する。マスク29におけるパターンはＸ軸方向に平行に走査し、これに同期して半導体サブストレート10上に結像する。このようにして、図２に示すように、合焦装置３によって半導体サブストレート19上に結像することができるＹ軸方向に平行な方向のマスク29の最大幅Ｂは、図２に線図的に示す合焦装置３の開孔（アパーチャ）37の直径Ｄによって制限される。合焦装置３によって半導体サブストレート19上に結像することができるマスク29の許容長さＬは直径Ｄよりも大きい。いわゆる「ステップアンドスキャン」原理に従うこの結像方法においては、合焦装置３によって半導体サブストレート19上に結像することができるマスク29の最大表面積は、合焦装置３の開孔37の直径Ｄによって制限されるが、いわゆる「ステップアンドリピート」原理に従う従来の結像方法におけるよりも制限される程度が少ない。この「ステップアンドリピート」原理に従う従来の結像方法は、例えば、半導体サブストレートの露光中マスク及び半導体サブストレートが合焦装置に対して固定した位置をとるヨーロッパ特許公開第0498496号から既知のリソグラフ装置において使用される。マスク29におけるパターンは縮小スケールで半導体サブストレート19上に結像するため、マスク29の長さＬ及び幅Ｂは半導体サブストレート19上の対応のフィールド35の長さＬ′及び幅Ｂ′よりも大きく、長さL,L′間の比及び幅B,B′間の比は合焦装置３の光学的縮小率に等しい。この結果、露光中にマスク29が移動する距離と露光中半導体サブストレート19が移動する距離との比、及び露光中マスク29が移動する速度と露光中半導体サブストレート19が移動する速度の比は、双方とも合焦装置３の光学的縮小率に等しい。図２に示すリソグラフ装置においては、露光中に半導体サブストレート19及びマスク29を移動する方向は互いに逆向きである。マスクパターンが逆転結像しない異なる合焦装置をリソグラフ装置が有する場合、この方向は同一にする。
このリソグラフ装置で製造すべき集積半導体回路は、サブミクロンのレンジの微細寸法を有する構体を有する。半導体サブストレート19を順次異なる多数のマスクで露光するため、マスクにおけるパターンは半導体サブストレート19上に相対的にサブミクロン又はナノメーターのレンジの精度で結像しなければならない。半導体サブストレート19の露光中、半導体サブストレート19及びマスク29はこのような精度で合焦装置３に対して移動しなければならず、従って、第１位置決め装置21及び第２移動装置31の位置決め精度には相当高い要求が課せられる。
図１に示すように、リソグラフ装置は水平床面上で配置できるベース39をユニット。このベース39はフォースフレーム41の一部をなし、このフォースフレーム41にはベース39に固定した他の垂直の比較的堅固な金属支柱43が含まれる。リソグラフ装置には更に、三角形の相当堅固な金属製の主プレート47を有するマシンフレーム45を設け、この主プレート47は合焦装置３の主光軸25を横切り、図１には見えない中心光透過開口を設ける。主プレート47は３個の角部49を有し、これらの角部49を３個の動力学的アイソレータ51上に載置し、これらの動力学的アイソレータ51はベース49上に固定する。これらの動力学的アイソレータ51については後述する。主プレート47の２個の角部49及び２個の動力学的アイソレータのみが図１に見えており、３個のすべての動力学的アイソレータ51は図３及び図４において見える。合焦装置３の下側の近傍に取付リング53を設け、この取付リング53によって合焦装置３を主プレート47に固定する。マシンフレーム45には主プレート47に固定した垂直の相当堅固な金属製の支柱55を設ける。合焦装置３の上側の近傍にマスクホルダのための支持部材57を設け、マシンフレーム45に属するこの支持部材をマシンフレーム45の支柱55に固定する。この支持部材については後述する。３個の角部49に隣接して主プレート47の下側に固着した３個の懸垂プレート59はマシンフレーム45に属する。図１においては、２個の懸垂プレート59のみが見えており、３個のすべての懸垂プレート59は図３及び図４において見える。図４に示すように、マシンフレーム45に属するサブストレートホルダ１のための水平支持プレート61を３個の懸垂プレート59に固定する。支持プレート61は図においては見えないが、図３において一部のみが見える。
マシンフレーム45は、リソグラフ装置の主要コンポーネント即ち、サブストレートホルダ１、合焦装置３及びマスクホルダ５を垂直Ｚ軸方向に平行に支持する。以下に詳細に説明するように、動力学的アイソレータ51は機械的剛性が比較的低い。例えば、床の振動のようなベース39における機械的振動はこの動力学的アイソレータ51を介してマシンフレーム45には伝達されない。これにより、ベース39における機械的振動によって影響されてい位置決め精度が得られる。フォースフレーム41の機能については以下に詳細に説明する。
図１及び図５に示すように、マスクホルダ５は、ブロック63を有し、このブロック63上に支持面27を配置する。マシンフレーム45に属するマスクホルダ５のための支持部材57は、図５で見える中心光透過開口64と、Ｘ軸方向に延びてＺ軸方向に直交する共通平面上にある２個の平面案内65とを有する。マスクホルダ５のブロック63は、空気静力学的軸受（図面には見えていない）によって支持部材57の平面案内65上を、Ｘ軸方向に平行なまたＹ軸方向に平行な自由度の運動と、Ｚ軸方向に平行なマスクホルダ５の回転軸線67の周りの回転自由度で案内される。
更に、図１及び図５に示すように、マスクホルダ５を移動する第２位置決め装置31は、第１リニアモータ69と第２リニアモータ71とを有する。それ自体既知の通常の種類の第２リニアモータ71はフォースフレーム41の支柱43に固定した固定部分73を有する。固定部分73は、Ｘ軸方向に平行に延びる案内75を有し、この案内75に沿って第２リニアモータ71の可動部分77を移動自在にする。可動部分77は、Ｙ軸方向に平行に延びる連結アーム79を有し、この連結アーム79に第１リニアモータ69の電気コイルホルダ81を固定する。第１リニアモータ69の永久磁石ホルダ83をマスクホルダ５のブロック63に固定する。第１リニアモータ69はヨーロッパ特許第0421527号に記載の種類とする。図５に示すように、第１リニアモータ69のコイルホルダ81は、Ｙ軸方向に平行に延びる４個の電気コイル85,87,89,91と、Ｘ軸方向に平行に延びる電気コイル93とを設ける。コイル85,87,89,91は図５で破線で線図的に示す。磁石ホルダ83は図５で一点鎖線で示した10個の対の永久磁石対（95a,95b），（97a,97b），（99a,99b），（101a,101b），（103a,103b），（105a,105b），（107a,107b），（109a,109b），（111a,111b），（113a,113b）を有する。電気コイル85及び永久磁石95a,95b,97a,および97bは、第１リニアモータ69の第1X軸モータ115に属し、コイル87及び永久磁石99a,99b,101a,及び101bは第１リニアモータ69の第2X軸モータ117に属し、コイル89及び永久磁石103a,103b,105a,及び105bは第１リニアモータ69の第3X軸モータ119に属し、コイル91及び永久磁石107a,107b,109a,及び109bは第１リニアモータ69の第4X軸モータ121に属し、コイル93及び永久磁石111a,111b,113a,及び113bは第１リニアモータ69のＹ軸モータ123に属する。図６は、第1X軸モータ115及び第2X軸モータ117の断面図である。図６に示すように、コイルホルダ81は、磁石95a,97a,99a,101a,103a,105a,107a,109a,111a,及び113aを有する磁石ホルダ83の第１部分125と、磁石95b,97b,99b,101b,103b,105b,107b,109b,111b,及び113bを有する磁石ホルダ83の第２部分127との間に配置する。図６に示すように、第1X軸モータ115の磁石対95a,95b及び第2X軸モータ117の磁石対99a,99bは、Ｚ軸方向の正方向に平行に磁化するとともに、第1X軸モータ115の磁石対97a,97b及び第2X軸モータ117の磁石対101a,101bは、Ｚ軸方向の負方向に平行に磁化する。これと同様に、第3X軸モータ119の磁石対103a,103b及び第4X軸モータ121の磁石対107a,107b並びにＹ軸モータ123の磁石対111a,111bは、Ｚ軸方向の正方向に磁化するとともに、第3X軸モータ119の磁石対105a,105b及び第4X軸モータ121の磁石対109a,109b並びにＹ軸モータ123の磁石対113a,113bは、Ｚ軸方向の負方向に平行に磁化する。更に、図６に示すように、第1X軸モータ115の磁石95a,97bを磁気的閉回路形成ヨーク129によって相互連結するとともに、磁石95b,97b、磁石99a,101a、磁石99b,101bを、それぞれ磁気的閉回路形成ヨーク131、133、135で相互連結する。第3X軸モータ119、第4X軸モータ121、Ｙ軸モータ123にも同様の磁気的閉回路形成ヨークを設ける。動作中、電流がＸ軸モータ115,117,119,121のコイル85,87,89,91を流れるとき、Ｘ軸モータ115,117,119,121の磁石及びコイルは互いにＸ軸方向に平行なローレンツ力を発生する。コイル85,87,89,91を流れる電流が大きさと方向が同一である場合には、マスクホルダ５はローレンツ力によりＸ軸方向に平行移動するとともに、コイル85,87を流れる電流の大きさが同一でコイル89,91を流れる電流とは向きが逆である場合には、マスクホルダ５は回転軸線67の周りに回転する。Ｙ軸モータ123のコイル93に電流が流れるとＹ軸モータ123の磁石及びコイルは互いにＹ軸方向に平行なローレンツ力を発生し、これによりマスクホルダ５はＹ軸方向に平行に移動する。
半導体サブストレート19の露光中、マスクホルダ５は合焦装置３に対してＸ軸方向に平行に比較的大きな距離にわたり、かつ高い位置決め精度で移動しなければならない。このことを達成するため、第１リニアモータ69のコイルホルダ81をＸ軸方向に平行に第２リニアモータ71によって移動させ、マスクホルダ５の所要の移動は第２リニアモータ71によって得られ、またマスクホルダ５は第１リニアモータ69のＸ軸モータ115,117,119,121の適当なローレンツ力によって第２リニアモータ71の可動部分77に沿って搬送される。合焦装置３に対するマスクホルダ５のこの所要の移動は、マスクホルダ５の移動中にＸ軸モータ115,117,119,121のローレンツの力を適当な位置制御装置により制御することによって得られる。図面には詳細に示さない位置制御装置は、例えば、合焦装置３に対するマスクホルダ５の位置を測定するためのそれ自体既知の普通のレーザ干渉計（インターフェロメータ）を有し、これによりサブミクロン又はナノメータのレンジの所要の位置決め精度が得られる。半導体サブストレート19の露光中第１リニアモータ69はマスクホルダ５をＸ軸方向に平行な移動を制御するばかりでなく、Ｙ軸方向に平行な位置及び回転軸線67の周りにのマスクホルダ５の回転角度も制御する。マスクホルダ５は、第１リニアモータ69によりＹ軸方向に平行に位置決めされまた回転軸線67の周りに回転させられるため、マスクホルダ５の移動はＸ軸方向に対する平行関係を有し、この平行関係は第１リニアモータ69の位置決め精度によって決定される。Ｘ軸方向に対する第２リニアモータ71の案内75の平行関係からのずれは、Ｙ軸方向に平行にマスクホルダ５を移動することによって補償される。マスクホルダ５の所要の移動は第２リニアモータ71によってのみ得られ、またＸ軸方向に対する案内75の平行関係には特別に高い要求は課せられないため、比較的簡単な普通の一次元リニアモータを第２リニアモータ71として使用することができ、これによりマスクホルダ５を比較的大きな距離にわたり比較的低い精度で移動することができる。マスクホルダ５の移動の所要の精度は、マスクホルダ５を第２リニアモータ71の可動部分77に対して第１リニアモータ69によって比較的小さい距離にわたり移動することによって得られる。第１リニアモータ69は比較的小さい寸法とする。即ち、マスクホルダ５が第２リニアモータ71の可動部分77に対して移動する距離は小さいためである。これにより第１リニアモータ69の電気コイルにおける電気的抵抗損失は小さくて済む。
上述したように、第２リニアモータ71の固定部分73はリソグラフ装置のフォースフレーム41に固定する。第２リニアモータ71の駆動力によって固定部分73に加わりまた可動部分77に加わる第２リニアモータ71の駆動力から生ずる反作用力はフォースフレーム41に伝達される。第１リニアモータ69のコイルホルダ81は第２リニアモータ71の可動部分77に固定するため、マスクホルダ５により可動部分77に加わりまたマスクホルダ５に加わる第１リニアモータ69のローレンツ力から反作用力も、第２リニアモータ71の可動部分77及び固定部分73を介してフォースフレーム41に伝達される。従って、動作中マスクホルダ５により第２位置決め装置31に加わりまたこの第２位置決め装置31によってマスクホルダ５に加わる力から生ずる反作用力はフォースフレーム41にのみ伝達される。この反作用力は、第２リニアモータ71の比較的大きい移動から生ずる低周波成分と、所要の位置決め精度を得るため第１リニアモータ69により行われる比較的小さい移動から生ずる高周波成分とを有する。フォースフレーム41は相当堅固であり、密実なベースに載置するため、反作用力の低周波成分によってフォースフレーム41に生ずる機械的振動は無視できる程小さいものとなる。反作用力の高周波成分は小さい値であるが、使用されるフォースフレーム41のようなフレームのタイプの共振周波数特性に相当する周波数を有するのが普通である。この結果、反作用力の高周波成分はフォースフレーム41に無視できない高周波の機械的振動を生ずる。しかし、フォースフレーム41はマシンフレーム45から動力学的に絶縁されている即ち、フォースフレーム41に存在する或る閾値例えば10Hz以上の周波数を有する機械的振動はマシンフレーム45には伝達されない。即ち、このマシンフレーム45は低周波の動力学的アイソレータ51を介してのみフォースフレーム41に連結されているためである。従って、第２位置決め装置31の反作用力によってフォースフレーム41に生ずる高周波の機械的振動は、上述の床振動と同様にマシンフレーム45に伝達されない。支持部材57の平面案内65はＺ軸方向に直交し、また第２位置決め装置31によってマスクホルダ５に加わる駆動力もＺ軸方向に直交するため、駆動力自体はマシンフレーム45に機械的振動を発生しない。更に、フォースフレーム41に存在する機械的振動は第２リニアモータ71の固定部分73及び可動部分77からマシンフレーム45に伝達されることはない。即ち、上述の説明から明らかなように、マスクホルダ５は第２リニアモータ71の可動部分77に対して、第１リニアモータ69の磁石装置及び電気コイル装置のローレンツ力によってのみ結合されており、またマスクホルダ５はローレンツ力とは別に物理的に第２リニアモータ71の可動部分77から分離されているためである。上述の説明のように、マシンフレーム45は、第２位置決め装置31の駆動力及び反作用力により生ずる機械的振動及び変形がない。このことの利点を以下に更に説明する。
図３及び図４に示すように、サブストレートホルダ１は支持面17を配置するブロック137と、空気静力学的に支持したフット139とを有し、このふっと139には空気静力学的軸受を設ける。サブストレートホルダ１は、空気静力学的に支持したフット139によってマシンフレーム45の支持プレート61上に設けたＺ軸方向に直交する花崗岩支持体143の上面141で案内し、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に平行な移動の自由度と、Ｚ軸方向に平行な方向のサブストレートホルダ１の回転軸線145の周りにの回転の自由度を有する。
図１、図３及び図４に示すように、サブストレートホルダ１の位置決め装置21は、第１リニアモータ147、第２リニアモータ149、及び第３リニアモータ151とを有する。位置決め装置121の第２リニアモータ149及び第３リニアモータ151は位置決め装置31の第２リニアモータ71と同一の種類とする。第２リニアモータ149は、フォースフレーム41に属するベース39に固定したアーム155に固定した固定部分153を有する。この固定部分153はＹ軸方向に平行に延びて第２リニアモータ149の可動部分159が移動する案内157を設ける。第３リニアモータ151の固定部分161は第２リニアモータ149の可動部分159上に配置し、Ｘ軸方向に平行に延びて第３リニアモータ151の可動部分165が移動する案内163を設ける。図４で見えるように、第３リニアモータ151の可動部分165は連結ピース167を有し、この連結ピース167に第１リニアモータ147の電気コイルホルダ169を固定する。第１位置決め装置21の第１リニアモータ147は第２位置決め装置31の第１リニアモータ69と同様にヨーロッパ特許第0421527号に記載の種類のものとすることができる。第２位置決め装置31の第１リニアモータ69は先に詳述したので、第１位置決め装置21の第１リニアモータ147の詳細な説明は省略する。ただし、サブストレートホルダ１は第３リニアモータ151の可動部分165に対して動作中Ｚ軸方向に直交するローレンツ力によってのみ連結することを述べておくだけで十分であろう。しかし、第１位置決め装置21の第１リニアモータ147と第２位置決め装置31の第１リニアモータ69と違いは、第１位置決め装置21の第１リニアモータ147が比較的高い定格電力のＸ軸モータ及びＹ軸モータを有するが、第２位置決め装置31の第１リニアモータ69の単独のＹ軸モータ123はＸ軸モータ115,117,119,121の定格電力よりも低い定格電力を有する点である。このことは、サブストレートホルダ１は第１リニアモータ147によってＸ軸方向に平行に比較的大きい距離にわたって移動するだけでなく、Ｙ軸方向にも大きな距離にわたって平行に移動することを意味する。更に、サブストレートホルダ１は第１リニアモータ147によって回転軸線145の周りに回転することができる。
半導体サブストレート19の露光中、サブストレートホルダ１は合焦装置３に対してＸ軸方向に平行に高い精度で移動させるべきであり、一方半導体サブストレート19の次のフィールド35を合焦装置３に対して露光のための所定位置入送るときＸ軸方向又はＹ軸方向に平行に移動させねばならない。サブストレートホルダ１をＸ軸方向に平行に移動するため、第１リニアモータ147のコイルホルダ169を第３リニアモータ151によってＸ軸方向に平行に移動し、サブストレートホルダ１の所要の移動は第３リニアモータ151によって行い、またサブストレートホルダ１は第１リニアモータ147の適当なローレンツ力によって第３リニアモータ151の可動部分165に対して移動する。Ｘ軸方向又はＹ軸方向に平行なサブストレートホルダ１の所要の移動は第１リニアモータ147のローレンツ力によって生じ、この第１リニアモータ147はサブストレートホルダ１の移動中上述のリソグラフ装置の位置制御装置によって制御し、これによりサブミクロン又はナノメータのレンジの位置決め精度が得られる。サブストレートホルダ１の所要の移動は第２リニアモータ149及び第３リニアモータ151によってのみ得られ、第２リニアモータ149,第３リニアモータ151の位置決め精度にはそれほど高い必要条件は課せられないため、第２リニアモータ149及び第３リニアモータ151は第２位置決め装置31の第２リニアモータ71のように比較的簡単な普通の一次元リニアモータとすることができ、これによりサブストレートホルダ１は低い精度で比較的大きい距離にわたり、Ｙ軸方向及びＸ軸方向に平行にそれぞれ移動することができる。サブストレートホルダ１の移動の所要の精度は、サブストレートホルダ１を第１リニアモータ147により比較的僅かな距離にわたり第３リニアモータ151の可動部分165に対して移動することによって得られる。
サブストレートホルダ１の位置決め装置21はマスクホルダ５の位置決め装置31と同様の種類とすることができ、第１位置決め装置21の第２リニアモータ149の固定部分153を、第２位置決め装置31の第２リニアモータ71の固定部分73と同様にリソグラフ装置のフォースフレーム41に固定するため、動作中サブストレートホルダ１によって第１位置決め装置21に加わりまた第１位置決め装置21によってサブストレートホルダ１に加わる駆動力から生ずる反作用力はフォースフレーム41に伝達されることになる。このことは、第１位置決め装置21の反作用力並びに第２位置決め装置31の反作用力はフォースフレーム41に機械的振動を発生させ、この機械的振動はマシンフレーム45には伝達されない。サブストレートホルダ１が案内される花崗岩支持体143の上面141はＺ軸方向に直交するため、やはりＺ軸方向に直交する第１位置決め装置21の駆動力自体もマシンフレーム45に機械的振動を発生しない。
マスク29におけるパターンは半導体サブストレート19に上記の精度で結像する。即ち、マスク29及び半導体サブストレート19は双方ともに、半導体サブストレート19の露光中にそれぞれ第２位置決め装置31及び第１位置決め装置21によって、上記精度で合焦装置３に対してＸ軸方向に平行に移動できるためであり、またマスク29及び半導体サブストレート19は上記精度でＹ軸に平行に位置決めされまた回転軸線67,145の周りに回転するためである。パターンを半導体サブストレート19上に結像する精度は位置決め装置21,31の位置決め精度よりも良好である。即ち、マスクホルダ５はＸ軸方向に平行に移動するばかりでなく、Ｙ軸方向に平行に移動できかつ回転軸線67の周りに回転できるためである。合焦装置３に対するマスク29の移動は、半導体サブストレート19におけるパターンイメージのシフトを生じ、このシフトはマスク29の移動量に対する合焦装置３の光学的縮小率の商に等しい。このようにして、マスク29のパターンは半導体サブストレート19上に、第２位置決め装置31の位置決め精度に対する合焦装置３の縮小率の商に等しい精度で結合することができる。
図７及び図８は３個の動力学的アイソレータ51のうちの１個の断面を示す。この図示の動力学的アイソレータ51は取付プレート171を有し、動力学的アイソレータ51上に載置するマシンフレーム45の主プレート47の角部49をこの取付プレート171に固定する。動力学的アイソレータ51は、更に、ハウジング173を有し、このハウジング173をフォースフレーム41のベース39に固定する。取付プレート171は、Ｚ軸方向に平行に延びる連結ロッド175を介して中間プレート177に連結し、この中間プレート177は円筒形のタブ又は槽体181内に３個の互いに平行なテンションロッド179によって懸垂する。図７では１個のテンションロッド179のみが見えており、３個のすべてのテンションロッド179は図８において見える。円筒形のタブ181はハウジング173の円筒形室183内に同心状に配置する。円筒形タブ181と円筒形室183との間の空間185は空気ばね187の一部をなし、供給バルブ189を介して圧縮空気を充填する。この空間187は環状の可撓性ゴム薄膜191によりシールし、このゴム薄膜191は円筒形タブ181の第１部分193と第２部分195との間及び、ハウジング173の第１部分197と第２部分199との間に固定する。このようにして、マシンフレーム45とこのマシンフレーム45に支持したリソグラフ装置のコンポーネントは、Ｚ軸方向に平行な方向に３個の動力学的アイソレータ51の空間185内の圧縮空気によって支持され、円筒形タブ181及び従って、マシンフレーム45は薄膜191の可撓性のため円筒形室183に対して或る程度の移動の自由度がある。空気ばね187は、３個の動力学的アイソレータ51の空気ばね187、マシンフレーム45及びこのマシンフレーム45によって支持されるリソグラフ装置のコンポーネントにより形成される質量ばね装置が比較的小さい共振周波数例えば、3Hzを有する剛性にする。マシンフレーム45は動力学的にフォースフレーム41から、所定閾値以上の周波数例えば、上述した10Hzの機械的振動に対して絶縁される。図７に示すように、空間185は空気ばね187の側方室203に狭い通路201を介して接続する。この狭い通路201はダンパとして作用し、これにより円筒形室183に対する円筒形タブ181の周期的運動は緩衝される。
図７及び図８に示すように、各動力学的アイソレータ51は、この動力学的アイソレータ51に一体にしたフォースアクチュエータ205を有する。フォースアクチュエータ205は、ハウジング173の内壁209に固定した電気コイルホルダ207を有する。図７に示すように、コイルホルダ207は、Ｚ軸方向に直交する方向に延びており、図面で破線で示す電気コイル211を有する。このコイルホルダ207は取付プレート171に固定した２個の磁気ヨーク213,215間に配置する。更に、１対の永久磁石（217,219），（221,223）を各ヨーク213,215に固定し、磁石（217,219），（221,223）の対は電気コイル211の平面に直交するそれぞれ互いに反対向きに磁化する。電流がコイル211を通過するとき、コイル211及び磁石（217,219,221,223）は互いにＺ軸方向に平行なローレンツ力を発生する。ローレンツ力の値はリソグラフ装置の電気コントローラによって以下に詳細に説明するように制御する。
動力学的アイソレータ51に一体にしたフォースアクチュエータ205は、図９に線図的に示したフォースアクチュエータ装置を形成する。図９は更に、線図的にマシンフレーム45、サブストレートホルダ１、マシンフレーム45に対して移動自在のマスクホルダ５、並びにベース39及び３個の動力学的アイソレータ51を示す。図９には更に、マシンフレーム45の基準点Ｐを示し、この基準点Ｐに対してサブストレートフレーム１の重心GSはＸ位置XS及びＹ位置YSを有し、またマスクホルダ５の重心GMはＸ位置XM及びＹ位置YMを有する。これらの重心GS及びGMは、それぞれ半導体サブストレート19を有するサブストレートホルダ１の移動可能質量の全体及びマスク29を有するマスクホルダ５の移動可能質量の全体の重心を示す。図９には、更に、３個のフォースアクチュエータ205のローレンツ力FL1,FL2及びFL3が、それぞれ基準点Ｐに対してＸ位置XF1,XF2,XF3及びＹ位置YF1,YF2,YF3のポイントでマシンフレーム45に対して作用することを示す。マシンフレーム45はサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５をＺ軸方向に平行に支持するため、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５はそれぞれ支持力FS,FMをマシンフレーム45に加え、これらの支持力はサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５に作用する重力の値に対応する値を有する。支持力FS,FMは、それぞれサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の重心GS及びGMのＸ位置及びＹ位置に対応するＸ位置及びＹ位置のポイントでマシンフレーム45に作用する。半導体サブストレート19の露光中マシンフレーム45に対してサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５が移動する場合、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の支持力FS,FMの作用点もマシンフレーム45に対して移動する。リソグラフ装置の電気コントローラはローレンツ力FL1,FL2及びFL3の値を制御し、マシンフレーム45のローレンツ力FL1,FL2及びFL3の基準点Ｐの周りの機械的モーメントの和が、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の支持力FS,及びFMの基準点Ｐの周りの機械的モーメントの和の値の絶対値が等しくかつ値及び方向にそれぞれ正負が逆の値及び方向を有する。即ち、
FL1＋FL2＋FL3＝FS＋FM
FL1＊XF1＋FL2＊XF2＋FL3＊XF3＝FS＊XS＋FM＊XM
FL1＊YF1＋FL2＊YF2＋FL3＊YF3＝FS＊YS＋FM＊YM
ローレンツ力FL1,FL2及びFL3を制御するコントローラは、例えば、それ自体既知であり普通のフィードフォワード制御ループを有するものとして構成することができ、これにより、コントローラはサブストレートホルダ１の位置XS,YS及びマスクホルダ５の位置XM,YMに関する情報を、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５を制御するリソグラフ装置の電気制御ユニット（図示せず）から受ける。この受け取った情報はサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の所要の位置に関連する。代案として、コントローラはそれ自体既知であり普通のフィードバック制御ループを有するものとして構成することができ、これにより、コントローラはサブストレートホルダ１の位置XS,YS及びマスクホルダ５の位置XM,YMに関する情報を、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５を制御するリソグラフ装置の位置制御装置（図示せず）から受ける。この受け取った情報はサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の測定位置に関連する。更に、代案として、コントローラは上述のフィードフォワード制御ループとフィードバック制御ループの組み合わせとして構成することもできる。このようにして、フォースアクチュエータ装置のローレンツ力FL1,FL2及びFL3は、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の重心GS及びGMのマシンフレーム45に対する移動を補償する補償力を生ずる。ローレンツ力FL1,FL2及びFL3及び支持力FS,FMのマシンフレーム45の基準点Ｐの周りの機械的モーメントの和は一定の値及び方向を有するため、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５は、それぞれマシンフレーム45に対するホボ一定の位置を有するいわゆる仮想重心を有する。これにより、マシンフレーム45は半導体サブストレート19の露光中サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の実際の重心GS及びGMの移動を感知しない。上述のフォースアクチュエータ装置がないと、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の移動は支持力FS,FMのマシンフレーム45の基準点Ｐの周りの機械的モーメントの補償されない変化となって現れ、この結果、マシンフレーム45は動力学的アイソレータ51の低周波の振動を生じたり又はマシンフレーム45に弾性変形又は機械的振動を生ずることになる。
３個の動力学的アイソレータ51に３個のフォースアクチュエータ205を組み込んだことによりフォースアクチュエータ装置及びリソグラフ装置の構造がコンパクトかつ簡単になる。更に、動力学的アイソレータ51の三角形状の配列によりフォースアクチュエータ装置の動作が特別に安定する。フォースアクチュエータ装置の補償力はローレンツ力を有するため、ベース39及びフォースフレーム41に存在する機械的振動はフォースアクチュエータ205を経てマシンフレーム45に伝達されない。
上述の方法即ち、位置決め装置21,31の反作用力のフォースフレーム41への直接導入、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５のローレンツ力によるフォースフレーム41との連結、及びフォースアクチュエータ205の補償力はマシンフレーム45が支持機能のみを有する結果となる。マシンフレーム45には値及び方向が変化する力は実質的には作用しない。例えば、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の移動中、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の空気静力学的軸受によって花崗岩支持体143の上面141及び支持部材57の平面案内65に加わる水平方向の粘性摩擦力によってのみ例外を生ずる。しかし、このような摩擦力は比較的小さく、マシンフレーム45に知覚できる振動や変形を生ずることはない。マシンフレーム45は機械的振動及び弾性変形がないため、マシンフレーム45によって支持されるリソグラフ装置のコンポーネントハ互いに特に正確に規定された位置をとる。特に、合焦装置３に対するサブストレートホルダ１の位置及び合焦装置３に対するマスクホルダ５の位置は極めて正確に規定され、またサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５が合焦装置３に対して位置決め装置21,31によって極めて正確に位置決めされていることにより、マスク29における半導体回路のパターンを、サブミクロン又はナノメータのレンジの精度で半導体サブストレート19上に結像することができるようになる。マシンフレーム45及び合焦装置３は機械的振動及び弾性変形がないため、マシンフレーム45はサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の上述の位置決め制御装置の基準フレームとして作用することができ、例えば、光学素子及びレーザ干渉装置のような位置制御装置の位置センサを直接マシンフレーム45に取り付けることができるという利点も得られる。マシンフレーム45に直接センサを取り付けることは、サブストレートホルダ１、合焦装置３、及びマスクホルダ５に対する位置センサのとる位置が機械的振動及び変形に影響を受けないという結果となり、合焦装置３に対するサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の位置の特に信頼性の高い正確な測定が得られる。マスクホルダ５はＸ軸方向に平行に位置決めされるだけでなく、Ｙ軸方向にも平行に位置決めされまた回転軸線67の周りにも回転させられ、これにより半導体サブストレート19上へのマスク29の極めて高い精度での結像が得られ、上述したように、サブミクロンのレンジの精密な寸法の半導体サブストレートを本発明によるリソグラフ装置によって製造することができる。
上述の本発明によるリソグラフ装置は、本発明による第１位置決め装置21により移動するサブストレートホルダ１及び本発明による第２位置決め装置31により移動するするマスクホルダ５を有する。位置決め装置21,31は共通のフォースアクチュエータ装置を有し、このアクチュエータ装置によって動作中サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の双方の重心移動を補償する補償力を与える。本発明によるリソグラフ装置は、代案として、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の重心の移動を個別に補償する２個のフォースアクチュエータ装置を設けることもできる。
更に、本発明は、上述の「ステップアンドリピート」原理によって動作するリソグラフ装置もカバーする。例えば、本発明による位置決め装置はヨーロッパ特許公開第0498496号に記載されたサブストレートホルダのみが合焦装置に対して比較的大きな距離にわたり移動することができるリソグラフ装置のサブストレートホルダの移動に使用することができる。本発明によりカバーされるこのようなリソグラフ装置はマスクホルダ５を有する第２位置決め装置31に代えて、図面につき説明したリソグラフ装置に、例えば、ヨーロッパ特許公開第0498496号に記載された既知の装置のようにマシンフレーム45に対して固定の普通のマスクホルダを使用し、フォースアクチュエータ装置の補償力をサブストレートホルダ１の位置の関数として制御することによって得られる。更に、本発明は上述の「ステップアンドスキャン」原理で動作するリソグラフ装置をもカバーし、この場合、マスクホルダのみを本発明による位置決め装置によって駆動し、フォースアクチュエータ装置の補償力をマスクホルダ位置の関数としてのみ制御する。このような構造は、例えば、リソグラフ装置の合焦装置が比較的大きな光学的縮小率を有し従って、サブストレートホルダの重心の移動はマスクホルダの重心移動に対して比較的小さく、サブストレートホルダの重心移動がリソグラフ装置のマシンフレームに比較的小さな機械的振動及び変形しか生じない場合が考えられる。
上述の本発明によるリソグラフ装置は、集積電子半導体回路の製造における半導体サブストレートの露光に使用される。更に、代案として、このようなリソグラフ装置はサブミクロンレンジの微細寸法の構造を有する他の製品の製造もマスクパターンをリソグラフ装置によってサブストレート上に結像して行うことができる。集積した光学装置の構造又は磁気ドメインメモリの導入及び検出パターン並びに液晶ディスプレイパターンの構造にも適用できる。
更に、本発明による位置決め装置はリソグラフ装置使用できるだけでなく、物体又はサブストレートを正確に位置決めする他の装置にも使用できる。例えば、物体又は材料の分析又は測定する装置に使用でき、この場合、物体又は材料を測定装置又は走査装置に対して正確に位置決め又は移動する。本発明による位置決め装置の他の用途としては例えば、ワークピース例えば、レンズをサブミクロンレンジで精密に機械加工する精密工作機械がある。本発明による位置決め装置はこの場合、ワークピースを回転ツールに対して位置決めしたり、又は回転するワークピースに対してツールを位置決めする。
上述のリソグラフ装置の第１位置決め装置21はローレンツリング力のみを発生する第１リニアモータと、普通の第２及び第３のリニアモータとを設けた駆動ユニットを有するとともに、上述のリソグラフ装置の第２位置決め装置31はローレンツ力のみを発生する第１リニアモータと、単独の普通の第２リニアモータとを設けた駆動ユニットを有する。更に、本発明は異なるタイプの駆動ユニット又は異なるタイプの案内を設けた位置決め装置にも関するものである。本発明は例えば、普通のねじ付きスピンドル駆動装置及びストレートな案内を設けた位置決め装置にも適用できる。
フォースアクチュエータ装置は３個のフォースアクチュエータ205の代わりに異なる数のフォースアクチュエータを有するものとすることができる。フォースアクチュエータの数は位置決め装置の物体テーブルの移動可能性の数に基づく。物体テーブルがＸ軸方向にのみ平行に移動する場合、例えば、２個のアクチュエータだけで十分である。上述の位置決め装置21,31は３個以上のフォースアクチュエータ205を設けることができるが、この場合、過剰に詰まった構造となる。
更に、本発明は、垂直のＺ軸方向に平行に見て、放射源と、マスクホルダと、Ｚ軸方向に平行に指向する主軸を有する合焦装置と、位置決め装置によってＺ軸方向に直交する方向に移動自在のサブストレートホルダとをこの順序で支持するマシンフレームを設けたリソグラフ装置に関するものである。
更に、また本発明は、垂直のＺ軸方向に平行に見て、放射源と、位置決め装置によってＺ軸方向に平行に移動自在のマスクホルダと、Ｚ軸方向に平行に指向する主軸を有する合焦装置と、他の位置決め装置によってＺ軸方向に直交する方向に移動自在のサブストレートホルダとをこの順序で支持するマシンフレームを設けたリソグラフ装置に関するものである。
冒頭の段落に記載の種類の位置決め装置は米国特許第5,260,580号に記載されている。この既知の位置決め装置は、第１フレームによって支持した固定ベースにより支持しかつ案内した物体テーブルを有する。この既知の位置決め装置は固定ベース上で物体テーブルを移動させる駆動ユニットを有する。駆動ユニットは第１リニアモータの固定部分を固定ベースに支持した第１リニアモータと、第２リニアモータの固定部分を第２フレームに支持した第２リニアモータと、第２フレームは第１フレームから動力学的に絶縁又は隔離し、第２フレームに存在する機械的力及び振動が第１フレームに伝達されないようにする。既知の位置決め装置の物体テーブルは動作中に第２リニアモータによって所要の端部位置に近接する位置に移動することができ、この端部位置に近接する位置から第１リニアモータによって所要の端部位置に移動することができるようにしている。第２リニアモータによる物体テーブルの移動は比較的大きく、速度制御された移動であるのが一般的であり、この移動中第２リニアモータは物体テーブルに対して比較的大きな駆動力を加える。第１リニアモータによる物体テーブルの移動は比較的僅かな位置制御された移動であり、この移動中に第１リニアモータは比較的僅かな駆動力を物体テーブルに与える。第２リニアモータの固定部分は第１フレームから動力学的に絶縁された第２フレームによって支持されているため、物体テーブルによって第２リニアモータに加わり、また第２リニアモータによって物体テーブルに加わる駆動力によって生ずる比較的大きな反作用力並びにこの反作用力によって第２フレームに発生する機械的振動は第１フレーム、固定ベース及び物体テーブルに伝達される。更に、既知の位置決め装置の第１フレームは比較的低い機械的剛性を有する多数のダンパによって床面上に配置される。ダンパの低い機械的剛性によって床に存在する機械的振動は第１フレームに伝達されない。既知の位置決め装置の固定ベース及び物体テーブルは床に存在する振動及び第２リニアモータによって生ずる比較的強い機械的振動から解放されているという事実は、物体テーブルが所要の端部位置に迅速かつ正確に第１リニアモータによって移動できることを意味する。
既知の装置の欠点は、物体テーブルが固定ベースに対して比較的大きな距離移動するとき第１フレームが振動を発生したり、ダンパが震動する点である。物体ベースは、物体テーブルに更に、する重力によって決定される支持力で固定テーブルに休止する。物体テーブルが固定ベースに対して移動するとき、固定ベースに対する支持力の作用点も固定ベースに対して移動する。物体テーブルの比較的大きな距離にわたる移動が比較的低周波数で生じ、固定ベースがダンパによって床に対して低周波ばねで支持されているため、物体テーブルの比較的大きな移動により生ずる支持力の作用点の移動は、固定ベース及び第１フレームに機械的振動を生ずるだけでなく、ダンパ上の第１フレームに低周波の震動を生ずることになる。このような機械的振動及び震動は、位置決め装置の位置決め精度及び位置決め時間を低下させる即ち、所要の端部位置に達する精度と時間が悪化する。
本発明の目的は、このような欠点をできるだけ回避できる冒頭の段落に述べた種類の位置決め装置を得るにある。
この目的を達成するため、本発明による位置決め装置は、前記位置決め装置に、電気コントローラによって制御して動作中に前記フレームに対して補償力を発生し、前記補償力の前記フレームの基準点の周りの機械的モーメントが、前記物体に作用する重力の前記フレームの基準点の周りの機械的モーメントの値に等しい値と、前記重力の機械的モーメントの方向とは逆向きの方向とを有するフォースアクチュエータ装置を設けたことを特徴とする。コントローラは、固定ベースに対する物体テーブルの位置の関数としてフォースアクチュエータ装置の補償力を制御する。コントローラには、例えば、コントローラが位置決め装置の電気制御ユニットから物体テーブルの位置に関する情報を受け取るフィードフォワード制御ループを設けたり、又はコントローラが位置センサから物体テーブルの位置に関する情報を受け取るフィードバック制御ループを設ける。このフォースアクチュエータ装置を使用することは、フレームの基準点の周りの重力のモーメントと補償力のモーメントとの和をできるだけ一定にする。この結果、移動可能な物体テーブルはフレームに対してほぼ一定の位置をとるいわゆる仮想重心を有し、これによりフレームは実質的に物体テーブルの支持力の作用点の移動を感知しないようになる。物体テーブルの実際の重心の移動によるフレームの機械的振動及び低周波震動を防止でき、位置決め装置の位置決め精度及び位置決め時間を改善することができる。
本発明による位置決め装置の他の実施例においては、前記物体テーブルを水平方向に平行に移動自在にするとともに、フォースアクチュエータ装置が垂直方向に平行に前記補償力を前記フレームに加えるようにする。フォースアクチュエータ装置は垂直方向に平行な補償力をフレームに加えるため、フォースアクチュエータ装置は物体テーブルの駆動方向にはフレームに対して力を加えず、従って、フォースアクチュエータ装置は駆動方向に平行な方向にはフレームに機械的振動を発生せず、このような振動を防止する手段を必要としない。フレームの垂直方向の振動は、フォースアクチュエータ装置の補償力の値が一定であり、フレームに対する補償力の作用点を物体テーブルの位置の関数として移動することによな防止される。フォースアクチュエータ装置の補償力の作用点の移動は、例えば、少なくとも２個の別個のフォースアクチュエータを有するフォースアクチュエータ装置を使用することにより達成され、これにより、フォースアクチュエータの補償力は物体テーブルの位置の関数として個別に制御し、個別のフォースアクチュエータの補償力の和を一定にする。
本発明による位置決め装置の他の実施例においては、前記物体テーブルの水平のＸ軸方向に平行にかつこのＸ軸方向に直交する水平のＹ軸方向に平行に移動自在にするとともに、前記フォースアクチュエータ装置は、３個のフォースアクチュエータを互いに三角形形状となるよう配列し、各フォースアクチュエータが垂直方向に平行に前記補償力を前記フレームに加えるようにする。互いに三角形をなすよう配列した３個のフォースアクチュエータを有するフォースアクチュエータ装置を使用することにより、Ｘ軸方向に平行な物体テーブルの移動により生ずるフレームの機械的振動を防止するだけでなく、Ｙ軸方向に平行な物体テーブルの移動により生ずるフレームの機械的振動も防止する。個別のフォースアクチュエータの補償力の和は動作中連続的に一定に維持され、フォースアクチュエータ装置はフレームに垂直方向の振動を生じない。フォースアクチュエータの三角形の形状の配置によりフォースアクチュエータ装置の動作を特別に安定させる。
本発明による位置決め装置の特別な実施例においては、前記フォースアクチュエータ装置を、前記位置決め装置のベースに前記フレームを連結する動力学的アイソレータの装置に一体にする。動力学的アイソレータは、例えば、比較的低い機械的剛性を有するダンパとし、これによりフレームはベースから動力学的に隔離又は絶縁される。ダンパの比較的低い機械的剛性のため、ベースに存在する機械的振動例えば、床の振動はフレームに伝達されない。フォースアクチュエータ装置を動力学的アイソレータの装置又は系に一体にすることにより位置決め装置の構造をコンパクトかつ簡単にすることができる。
更に、本発明による位置決め装置の他の実施例においては、前記補償力は、前記フォースアクチュエータ装置の磁石装置及び電気コイル装置のローレンツ力のみからなるものとする。フォースアクチュエータ装置は、フレームに固定した部分及び位置決め装置のベースに固定した部分により構成する。フォースアクチュエータ装置の補償力はローレンツ力のみであるため、フォースアクチュエータ装置の上記部分は物理的に分離されており、両者の部分間には物理的な接触又は物理的連結状態はない。これにより、位置決め装置のベースに存在する機械的振動例えば、床の振動はフォースアクチュエータ装置を介してフレーム及び物体テーブルには伝達されない。
冒頭の段落に述べた種類の移動可能サブストレートホルダを設けたリソグラフ装置はヨーロッパ特許公開第0498496号に記載されている。この既知のリソグラフ装置は光学的リソグラフィックプロセスにより集積半導体回路を製造するのに使用する。この既知のリソグラフ装置の放射源は光源であり、合焦装置は光学レンズ系であり、このレンズ系により、リソグラフ装置のマスクホルダ上に配置することができるマスクに設けた集積半導体回路の部分的パターンを、リソグラフ装置のサブストレートホルダ上に配置することができる半導体サブストレート上に縮小スケールで結像する。このような半導体サブストレートは、個別の半導体回路を設ける多数のフィールドを有する。半導体サブストレートの個別フィールドをこの目的のため順次露光し、個別のフィールドの露光中は半導体サブストレートはマスクホルダ及び合焦装置に対して一定の位置に配置するとともに、順次の２つの露光ステップ間において、半導体サブストレートの次のフィールドをサブストレートホルダの位置決め装置によって合焦装置に対する所定位置に送る。このプロセスを多数回繰り返し、各回毎に異なる部分パターンの異なるマスクを使用し、これにより相当複雑な構造の集積半導体回路を製造することができる。このような集積半導体回路の構造はサブミクロンレンジの微細寸法を有する。順次のマスク上の部分パターンは半導体サブストレートのフィールド上にサブミクロンレンジの精度で相対的に結像しなければならない。半導体サブストレートは従って、マスク及び合焦装置に対してサブミクロンレンジの精度でサブストレートホルダの位置決め装置によって相対的位置決めされなければならない。更に、半導体回路の製造に要する時間を短縮するため、半導体サブストレートは２つの順次の露光ステップ間で比較的高速で移動させ、また所要の精度でマスク及び合焦装置に対して位置決めしなければならない。
本発明によれば、移動可能なサブストレートホルダを有するリソグラフ装置は、前記サブストレートホルダの位置決め装置のフレームを前記リソグラフ装置のマシンフレームに属するものとし、前記サブストレートホルダの位置決め装置のフォースアクチュエータ装置が前記補償力を前記マシンフレームに加えるようにした位置決め装置とする。フォースアクチュエータ装置を有する本発明による位置決め装置を使用することにより、半導体サブストレートを有するサブストレートホルダを比較的高速で次のフィールドに位置決め装置によって２つの順次の露光ステップ間で移動し、この間にサブストレートホルダの重心がリソグラフ装置のマシンフレームに対して移動するとき、リソグラフ装置のマシンフレームの震動及び振動を防止する。フォースアクチュエータ装置のコントローラは、マシンフレームに対するサブストレートホルダの位置の関数として補償力を制御する。フォースアクチュエータ装置を使用することによって、マシンフレームの周りのサブストレートホルダに作用する重心のモーメントと補償力のモーメントとの和はできるだけ一定になり、従って、マシンフレームのサブストレートホルダの重心の移動の感知はできるだけ少なくなる。このようにして、サブストレートホルダの重心移動によって生ずるマシンフレームの機械的振動は防止され、サブストレートホルダをマシンフレームに対して位置決めすることができる精度及び位置決めプロセスに要する時間が、重心移動によって悪影響を受けないようにすることができる。
冒頭の段落に述べた種類の移動可能なサブストレートホルダ及び移動可能なマスクホルダを有するリソグラフ装置は米国特許第5,194,893号に記載されている。この既知のリソグラフ装置においては、製造中の半導体サブストレートは半導体サブストレートの単独のフィールドの露光中マスク及び合焦装置に対して一定の位置をとらず、その代わり半導体サブストレート及びマスクを合焦装置に対してＺ軸方向に直交するＸ軸方向に平行にサブストレートホルダの位置決め装置及びマスクホルダの位置決め装置によってそれぞれ同期して移動させる。このようにして、マスク上のパターンをＸ軸方向に平行に走査し、同期的に半導体サブストレート上に結像する。これにより、合焦装置によって半導体サブストレート上に結像することができるマスクの最大表面積は、合焦装置の開孔（アパーチャ）の寸法による制限が少なくする。製造すべき集積半導体回路の微細寸法はサブミクロンレンジであるため、半導体サブストレート及びマスクは、露光中に合焦装置に対してサブミクロンレンジの精度で移動しなければならない。半導体回路の製造に要する時間を短縮するためには、半導体サブストレート及びマスクを露光中に比較的高速で互いに相対移動及び相対位置決めしなければならない。マスク上のパターンを縮小スケールで半導体サブストレート上に結像するため、マスクを移動する速度及び距離は、サブストレートを移動する速度及び距離よりも大きくし、速度間の比及び距離間の比はともに合焦装置の縮小率に等しくする。
本発明によれば、移動可能なサブストレートホルダ及び移動可能なマスクホルダを有するリソグラフ装置は、マスクホルダの位置決め装置は、マスクホルダの位置決め装置のフレームがリソグラフ装置のマシンフレームに属し、マスクホルダの位置決め装置のフォースアクチュエータ装置がマシンフレームに対して補償力を加える本発明による位置決め装置とする。
本発明による移動可能なサブストレートホルダを有するリソグラフ装置の特別な実施例においては、マスクホルダを本発明による位置決め装置によりＺ軸方向に直交する方向に移動自在にし、前記サブストレートホルダの位置決め装置のフレームを前記リソグラフ装置のマシンフレームに属するものとし、前記サブストレートホルダの位置決め装置のフォースアクチュエータ装置が前記補償力を前記マシンフレームに加えるようにしたことを特徴とする。
これにより、半導体サブストレートの露光中マスクを有するマスクホルダが位置決め装置によって比較的大きい距離にわたり移動し、このときマスクホルダの重心がリソグラフ装置のマシンフレームに対して比較的大きな距離にわたり移動するとき、リソグラフ装置のマシンフレームが振動又は震動するのを防止する。マスクホルダの比較的大きな重心移動により生ずるマシンフレームの機械的振動が半導体サブストレートの露光中に防止され、従って、サブストレートホルダ及びマスクホルダを半導体サブストレートの露光中にマシンフレームに対して位置決めできる精度及び位置決めにかかる時間がマスクホルダの重心の比較的大きな移動によって悪影響を受けない。
本発明によるリソグラフ装置の他の実施例においては、前記サブストレートホルダの位置決め装置及びマスクホルダの位置決め装置にジョイントフォースアクチュエータ装置を設け、前記ジョイントフォースアクチュエータ装置の補償力の前記基準点の周りの機械的モーメントの値が、前記サブストレートホルダに作用する重力の前記基準点の周りの機械的モーメントと、前記マスクホルダに作用する重力の前記基準点の周りの機械的モーメントとの和の値に等しく、前記補償力の機械的モーメントの方向が前記和の機械的モーメントの方向とは逆向きとなるようにする。フォースアクチュエータ装置のコントローラは、マシンフレームに対するマスクホルダの位置及びサブストレートホルダの位置の関数として補償力を制御し、ジョイントフォースアクチュエータ装置はマスクホルダの重心移動及びサブストレートホルダの重心移動の双方を補償する。リソグラフ装置の構造はジョイントフォースアクチュエータ装置の使用によって簡素化される。
本発明によるリソグラフ装置の更に他の実施例においては、前記マシンフレームを、互いに三角形をなす形態に配列した３個の動力学的アイソレータによって前記リソグラフ装置のベースに配置し、前記フォースアクチュエータ装置を３個の個別のフォースアクチュエータにより構成し、各フォースアクチュエータを前記動力学的アイソレータの各１個に一体にする。例えば、動力学的アイソレータは比較的低い機械的剛性を有するダンパとし、これによりマシンフレームはベースから動力学的に隔離又は絶縁される。ダンパの比較的低い機械的剛性のため、ベースに存在する機械的振動例えば、床の振動はマシンフレームに伝達されない。フォースアクチュエータ装置を動力学的アイソレータの装置に一体にすることにより、リソグラフ装置の構造を特にコンパクトかつ簡単にすることができる。更に、アイソレータの三角形の形態に配列することによりマシンフレームのための安定した支持体を構成する。
次に、図面につき本発明をより詳細に説明する。
図１は、本発明によるリソグラフ装置の斜視図であり、
図２は、図１のリソグラフ装置の線図的説明図であり、
図３は、図１のリソグラフ装置のベース及びサブストレートホルダの斜視図であり、
図４は、図３のリソグラフ装置のベース及びサブストレートホルダの平面図であり、
図５は、図１のリソグラフ装置のマスクホルダの平面図であり、
図６は、図５のVI−VI線上の断面図であり、
図７は、図１のリソグラフ装置の動力学的アイソレータの断面図であり、
図８は、図７のVIII−VIII線上を断面図であり、
図９は、図１のリソグラフ装置のフォースアクチュエータ装置の線図的説明図である。
図１及び図２に示す本発明によるリソグラフ装置は、光学的リソグラフィックプロセスによって集積半導体回路を製造するのに使用する。図２に線図的に示すように、リソグラフ装置は、垂直のＺ軸方向に平行に見て順次に、サブストレートホルダ１、合焦装置３、マスクホルダ５、及び放射源７を設ける。図１及び図２に示すリソグラフ装置は、光学的リソグラフ装置であり、放射源７は、光源９と、ダイヤフラム11と、ミラー13,15を有する。サブストレートホルダ１は支持面17を有し、この支持面17はＺ軸方向に直交する方向に延在し、この支持面17上に半導体サブストレート19を配置しかつとができ、Ｚ軸方向に直交するＸ軸方向に平行に、またＸ軸方向及びＺ軸方向に直交するＹ軸方向に平行に合焦装置３に対して移動できるようにする。合焦装置３は、結像（イメージング）装置又は投射（プロジェクション）装置とし、Ｚ軸方向に平行な主光軸25と、例えば、４又は５の光学的縮小率を有する光学的レンズ系を有する。マスクホルダ５は、Ｚ軸方向に直交しかつマスク29を配置できるとともに、リソグラフ装置の第２位置決め装置31によって合焦装置３に対してＸ軸方向に方向に移動自在の支持面27を有する。マスク29は、集積半導体回路のパターン又は部分的パターンを有する。動作にあたり、光源９から出射する光ビーム33はダイヤフラム11及びミラー13,15を経てマスク29を通過し、レンズ系23により半導体サブストレート19上に合焦され、マスク29におけるパターンが半導体サブストレート19上に縮小スケールで結像する。半導体サブストレート19は、個別の半導体回路を設ける多数の個別フィールド35を有する。この目的のため、半導体サブストレート19のフィールド35は順次マスクを経て露光され、個別のフィールド35を露光した度毎に次のフィールド35を合焦装置３に対して移動し、このとき、第１位置決め装置21によってサブストレートホルダ１をＸ軸方向又はＹ軸方向に平行に移動する。このプロセスは、異なるマスクの度毎に多数回繰り返し、従って、層状の相当複雑な集積半導体回路を製造することができる。
図２に示すように、半導体サブストレート19及びマスク29は、個別のフィールド35の露光中は第１位置決め装置21及び第２位置決め装置31によってＸ軸方向に平行に合焦装置３に対して同期して移動する。マスク29におけるパターンはＸ軸方向に平行に走査し、これに同期して半導体サブストレート10上に結像する。このようにして、図２に示すように、合焦装置３によって半導体サブストレート19上に結像することができるＹ軸方向に平行な方向のマスク29の最大幅Ｂは、図２に線図的に示す合焦装置３の開孔（アパーチャ）37の直径Ｄによって制限される。合焦装置３によって半導体サブストレート19上に結像することができるマスク29の許容長さＬは直径Ｄよりも大きい。いわゆる「ステップアンドスキャン」原理に従うこの結像方法においては、合焦装置３によって半導体サブストレート19上に結像することができるマスク29の最大表面積は、合焦装置３の開孔37の直径Ｄによって制限されるが、いわゆる「ステップアンドリピート」原理に従う従来の結像方法におけるよりも制限される程度が少ない。この「ステップアンドリピート」原理に従う従来の結像方法は、例えば、半導体サブストレートの露光中マスク及び半導体サブストレートが合焦装置に対して固定した位置をとるヨーロッパ特許公開第0498496号から既知のリソグラフ装置において使用される。マスク29におけるパターンは縮小スケールで半導体サブストレート19上に結像するため、マスク29の長さＬ及び幅Ｂは半導体サブストレート19上の対応のフィールド35の長さＬ′及び幅Ｂ′よりも大きく、長さL,L′間の比及び幅B,B′間の比は合焦装置３の光学的縮小率に等しい。この結果、露光中にマスク29が移動する距離と露光中半導体サブストレート19が移動する距離との比、及び露光中マスク29が移動する速度と露光中半導体サブストレート19が移動する速度の比は、双方とも合焦装置３の光学的縮小率に等しい。図２に示すリソグラフ装置においては、露光中に半導体サブストレート19及びマスク29を移動する方向は互いに逆向きである。マスクパターンが逆転結像しない異なる合焦装置をリソグラフ装置が有する場合、この方向は同一にする。
このリソグラフ装置で製造すべき集積半導体回路は、サブミクロンのレンジの微細寸法を有する構体を有する。半導体サブストレート19を順次異なる多数のマスクで露光するため、マスクにおけるパターンは半導体サブストレート19上に相対的にサブミクロン又はナノメーターのレンジの精度で結像しなければならない。半導体サブストレート19の露光中、半導体サブストレート19及びマスク29はこのような精度で合焦装置３に対して移動しなければならず、従って、第１位置決め装置21及び第２移動装置31の位置決め精度には相当高い要求が課せられる。
図１に示すように、リソグラフ装置は水平床面上で配置できるベース39をユニット。このベース39はフォースフレーム41の一部をなし、このフォースフレーム41にはベース39に固定した他の垂直の比較的堅固な金属支柱43が含まれる。リソグラフ装置には更に、三角形の相当堅固な金属製の主プレート47を有するマシンフレーム45を設け、この主プレート47は合焦装置３の主光軸25を横切り、図１には見えない中心光透過開口を設ける。主プレート47は３個の角部49を有し、これらの角部49を３個の動力学的アイソレータ51上に載置し、これらの動力学的アイソレータ51はベース49上に固定する。これらの動力学的アイソレータ51については後述する。主プレート47の２個の角部49及び２個の動力学的アイソレータのみが図１に見えており、３個のすべての動力学的アイソレータ51は図３及び図４において見える。合焦装置３の下側の近傍に取付リング53を設け、この取付リング53によって合焦装置３を主プレート47に固定する。マシンフレーム45には主プレート47に固定した垂直の相当堅固な金属製の支柱55を設ける。合焦装置３の上側の近傍にマスクホルダのための支持部材57を設け、マシンフレーム45に属するこの支持部材をマシンフレーム45の支柱55に固定する。この支持部材については後述する。３個の角部49に隣接して主プレート47の下側に固着した３個の懸垂プレート59はマシンフレーム45に属する。図１においては、２個の懸垂プレート59のみが見えており、３個のすべての懸垂プレート59は図３及び図４において見える。図４に示すように、マシンフレーム45に属するサブストレートホルダ１のための水平支持プレート61を３個の懸垂プレート59に固定する。支持プレート61は図においては見えないが、図３において一部のみが見える。
マシンフレーム45は、リソグラフ装置の主要コンポーネント即ち、サブストレートホルダ１、合焦装置３及びマスクホルダ５を垂直Ｚ軸方向に平行に支持する。以下に詳細に説明するように、動力学的アイソレータ51は機械的剛性が比較的低い。例えば、床の振動のようなベース39における機械的振動はこの動力学的アイソレータ51を介してマシンフレーム45には伝達されない。これにより、ベース39における機械的振動によって影響されてい位置決め精度が得られる。フォースフレーム41の機能については以下に詳細に説明する。
図１及び図５に示すように、マスクホルダ５は、ブロック63を有し、このブロック63上に支持面27を配置する。マシンフレーム45に属するマスクホルダ５のための支持部材57は、図５で見える中心光透過開口64と、Ｘ軸方向に延びてＺ軸方向に直交する共通平面上にある２個の平面案内65とを有する。マスクホルダ５のブロック63は、空気静力学的軸受（図面には見えていない）によって支持部材57の平面案内65上を、Ｘ軸方向に平行なまたＹ軸方向に平行な自由度の運動と、Ｚ軸方向に平行なマスクホルダ５の回転軸線67の周りの回転自由度で案内される。
更に、図１及び図５に示すように、マスクホルダ５を移動する第２位置決め装置31は、第１リニアモータ69と第２リニアモータ71とを有する。それ自体既知の通常の種類の第２リニアモータ71はフォースフレーム41の支柱43に固定した固定部分73を有する。固定部分73は、Ｘ軸方向に平行に延びる案内75を有し、この案内75に沿って第２リニアモータ71の可動部分77を移動自在にする。可動部分77は、Ｙ軸方向に平行に延びる連結アーム79を有し、この連結アーム79に第１リニアモータ69の電気コイルホルダ81を固定する。第１リニアモータ69の永久磁石ホルダ83をマスクホルダ５のブロック63に固定する。第１リニアモータ69はヨーロッパ特許第0421527号に記載の種類とする。図５に示すように、第１リニアモータ69のコイルホルダ81は、Ｙ軸方向に平行に延びる４個の電気コイル85,87,89,91と、Ｘ軸方向に平行に延びる電気コイル93とを設ける。コイル85,87,89,91は図５で破線で線図的に示す。磁石ホルダ83は図５で一点鎖線で示した10個の対の永久磁石対（95a,95b），（97a,97b），（99a,99b），（101a,101b），（103a,103b），（105a,105b），（107a,107b），（109a,109b），（111a,111b），（113a,113b）を有する。電気コイル85及び永久磁石95a,95b,97a,および97bは、第１リニアモータ69の第1X軸モータ115に属し、コイル87及び永久磁石99a,99b,101a,及び101bは第１リニアモータ69の第2X軸モータ117に属し、コイル89及び永久磁石103a,103b,105a,及び105bは第１リニアモータ69の第3X軸モータ119に属し、コイル91及び永久磁石107a,107b,109a,及び109bは第１リニアモータ69の第4X軸モータ121に属し、コイル93及び永久磁石111a,111b,113a,及び113bは第１リニアモータ69のＹ軸モータ123に属する。図６は、第1X軸モータ115及び第2X軸モータ117の断面図である。図６に示すように、コイルホルダ81は、磁石95a,97a,99a,101a,103a,105a,107a,109a,111a,及び113aを有する磁石ホルダ83の第１部分125と、磁石95b,97b,99b,101b,103b,105b,107b,109b,111b,及び113bを有する磁石ホルダ83の第２部分127との間に配置する。図６に示すように、第1X軸モータ115の磁石対95a,95b及び第2X軸モータ117の磁石対99a,99bは、Ｚ軸方向の正方向に平行に磁化するとともに、第1X軸モータ115の磁石対97a,97b及び第2X軸モータ117の磁石対101a,101bは、Ｚ軸方向の負方向に平行に磁化する。これと同様に、第3X軸モータ119の磁石対103a,103b及び第4X軸モータ121の磁石対107a,107b並びにＹ軸モータ123の磁石対111a,111bは、Ｚ軸方向の正方向に磁化するとともに、第3X軸モータ119の磁石対105a,105b及び第4X軸モータ121の磁石対109a,109b並びにＹ軸モータ123の磁石対113a,113bは、Ｚ軸方向の負方向に平行に磁化する。更に、図６に示すように、第1X軸モータ115の磁石95a,97bを磁気的閉回路形成ヨーク129によって相互連結するとともに、磁石95b,97b、磁石99a,101a、磁石99b,101bを、それぞれ磁気的閉回路形成ヨーク131、133、135で相互連結する。第3X軸モータ119、第4X軸モータ121、Ｙ軸モータ123にも同様の磁気的閉回路形成ヨークを設ける。動作中、電流がＸ軸モータ115,117,119,121のコイル85,87,89,91を流れるとき、Ｘ軸モータ115,117,119,121の磁石及びコイルは互いにＸ軸方向に平行なローレンツ力を発生する。コイル85,87,89,91を流れる電流が大きさと方向が同一である場合には、マスクホルダ５はローレンツ力によりＸ軸方向に平行移動するとともに、コイル85,87を流れる電流の大きさが同一でコイル89,91を流れる電流とは向きが逆である場合には、マスクホルダ５は回転軸線67の周りに回転する。Ｙ軸モータ123のコイル93に電流が流れるとＹ軸モータ123の磁石及びコイルは互いにＹ軸方向に平行なローレンツ力を発生し、これによりマスクホルダ５はＹ軸方向に平行に移動する。
半導体サブストレート19の露光中、マスクホルダ５は合焦装置３に対してＸ軸方向に平行に比較的大きな距離にわたり、かつ高い位置決め精度で移動しなければならない。このことを達成するため、第１リニアモータ69のコイルホルダ81をＸ軸方向に平行に第２リニアモータ71によって移動させ、マスクホルダ５の所要の移動は第２リニアモータ71によって得られ、またマスクホルダ５は第１リニアモータ69のＸ軸モータ115,117,119,121の適当なローレンツ力によって第２リニアモータ71の可動部分77に沿って搬送される。合焦装置３に対するマスクホルダ５のこの所要の移動は、マスクホルダ５の移動中にＸ軸モータ115,117,119,121のローレンツの力を適当な位置制御装置により制御することによって得られる。図面には詳細に示さない位置制御装置は、例えば、合焦装置３に対するマスクホルダ５の位置を測定するためのそれ自体既知の普通のレーザ干渉計（インターフェロメータ）を有し、これによりサブミクロン又はナノメータのレンジの所要の位置決め精度が得られる。半導体サブストレート19の露光中第１リニアモータ69はマスクホルダ５をＸ軸方向に平行な移動を制御するばかりでなく、Ｙ軸方向に平行な位置及び回転軸線67の周りにのマスクホルダ５の回転角度も制御する。マスクホルダ５は、第１リニアモータ69によりＹ軸方向に平行に位置決めされまた回転軸線67の周りに回転させられるため、マスクホルダ５の移動はＸ軸方向に対する平行関係を有し、この平行関係は第１リニアモータ69の位置決め精度によって決定される。Ｘ軸方向に対する第２リニアモータ71の案内75の平行関係からのずれは、Ｙ軸方向に平行にマスクホルダ５を移動することによって補償される。マスクホルダ５の所要の移動は第２リニアモータ71によってのみ得られ、またＸ軸方向に対する案内75の平行関係には特別に高い要求は課せられないため、比較的簡単な普通の一次元リニアモータを第２リニアモータ71として使用することができ、これによりマスクホルダ５を比較的大きな距離にわたり比較的低い精度で移動することができる。マスクホルダ５の移動の所要の精度は、マスクホルダ５を第２リニアモータ71の可動部分77に対して第１リニアモータ69によって比較的小さい距離にわたり移動することによって得られる。第１リニアモータ69は比較的小さい寸法とする。即ち、マスクホルダ５が第２リニアモータ71の可動部分77に対して移動する距離は小さいためである。これにより第１リニアモータ69の電気コイルにおける電気的抵抗損失は小さくて済む。
上述したように、第２リニアモータ71の固定部分73はリソグラフ装置のフォースフレーム41に固定する。第２リニアモータ71の駆動力によって固定部分73に加わりまた可動部分77に加わる第２リニアモータ71の駆動力から生ずる反作用力はフォースフレーム41に伝達される。第１リニアモータ69のコイルホルダ81は第２リニアモータ71の可動部分77に固定するため、マスクホルダ５により可動部分77に加わりまたマスクホルダ５に加わる第１リニアモータ69のローレンツ力から反作用力も、第２リニアモータ71の可動部分77及び固定部分73を介してフォースフレーム41に伝達される。従って、動作中マスクホルダ５により第２位置決め装置31に加わりまたこの第２位置決め装置31によってマスクホルダ５に加わる力から生ずる反作用力はフォースフレーム41にのみ伝達される。この反作用力は、第２リニアモータ71の比較的大きい移動から生ずる低周波成分と、所要の位置決め精度を得るため第１リニアモータ69により行われる比較的小さい移動から生ずる高周波成分とを有する。フォースフレーム41は相当堅固であり、密実なベースに載置するため、反作用力の低周波成分によってフォースフレーム41に生ずる機械的振動は無視できる程小さいものとなる。反作用力の高周波成分は小さい値であるが、使用されるフォースフレーム41のようなフレームのタイプの共振周波数特性に相当する周波数を有するのが普通である。この結果、反作用力の高周波成分はフォースフレーム41に無視できない高周波の機械的振動を生ずる。しかし、フォースフレーム41はマシンフレーム45から動力学的に絶縁されている即ち、フォースフレーム41に存在する或る閾値例えば10Hz以上の周波数を有する機械的振動はマシンフレーム45には伝達されない。即ち、このマシンフレーム45は低周波の動力学的アイソレータ51を介してのみフォースフレーム41に連結されているためである。従って、第２位置決め装置31の反作用力によってフォースフレーム41に生ずる高周波の機械的振動は、上述の床振動と同様にマシンフレーム45に伝達されない。支持部材57の平面案内65はＺ軸方向に直交し、また第２位置決め装置31によってマスクホルダ５に加わる駆動力もＺ軸方向に直交するため、駆動力自体はマシンフレーム45に機械的振動を発生しない。更に、フォースフレーム41に存在する機械的振動は第２リニアモータ71の固定部分73及び可動部分77からマシンフレーム45に伝達されることはない。即ち、上述の説明から明らかなように、マスクホルダ５は第２リニアモータ71の可動部分77に対して、第１リニアモータ69の磁石装置及び電気コイル装置のローレンツ力によってのみ結合されており、またマスクホルダ５はローレンツ力とは別に物理的に第２リニアモータ71の可動部分77から分離されているためである。上述の説明のように、マシンフレーム45は、第２位置決め装置31の駆動力及び反作用力により生ずる機械的振動及び変形がない。このことの利点を以下に更に説明する。
図３及び図４に示すように、サブストレートホルダ１は支持面17を配置するブロック137と、空気静力学的に支持したフット139とを有し、このふっと139には空気静力学的軸受を設ける。サブストレートホルダ１は、空気静力学的に支持したフット139によってマシンフレーム45の支持プレート61上に設けたＺ軸方向に直交する花崗岩支持体143の上面141で案内し、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に平行な移動の自由度と、Ｚ軸方向に平行な方向のサブストレートホルダ１の回転軸線145の周りにの回転の自由度を有する。
図１、図３及び図４に示すように、サブストレートホルダ１の位置決め装置21は、第１リニアモータ147、第２リニアモータ149、及び第３リニアモータ151とを有する。位置決め装置121の第２リニアモータ149及び第３リニアモータ151は位置決め装置31の第２リニアモータ71と同一の種類とする。第２リニアモータ149は、フォースフレーム41に属するベース39に固定したアーム155に固定した固定部分153を有する。この固定部分153はＹ軸方向に平行に延びて第２リニアモータ149の可動部分159が移動する案内157を設ける。第３リニアモータ151の固定部分161は第２リニアモータ149の可動部分159上に配置し、Ｘ軸方向に平行に延びて第３リニアモータ151の可動部分165が移動する案内163を設ける。図４で見えるように、第３リニアモータ151の可動部分165は連結ピース167を有し、この連結ピース167に第１リニアモータ147の電気コイルホルダ169を固定する。第１位置決め装置21の第１リニアモータ147は第２位置決め装置31の第１リニアモータ69と同様にヨーロッパ特許第0421527号に記載の種類のものとすることができる。第２位置決め装置31の第１リニアモータ69は先に詳述したので、第１位置決め装置21の第１リニアモータ147の詳細な説明は省略する。ただし、サブストレートホルダ１は第３リニアモータ151の可動部分165に対して動作中Ｚ軸方向に直交するローレンツ力によってのみ連結することを述べておくだけで十分であろう。しかし、第１位置決め装置21の第１リニアモータ147と第２位置決め装置31の第１リニアモータ69と違いは、第１位置決め装置21の第１リニアモータ147が比較的高い定格電力のＸ軸モータ及びＹ軸モータを有するが、第２位置決め装置31の第１リニアモータ69の単独のＹ軸モータ123はＸ軸モータ115,117,119,121の定格電力よりも低い定格電力を有する点である。このことは、サブストレートホルダ１は第１リニアモータ147によってＸ軸方向に平行に比較的大きい距離にわたって移動するだけでなく、Ｙ軸方向にも大きな距離にわたって平行に移動することを意味する。更に、サブストレートホルダ１は第１リニアモータ147によって回転軸線145の周りに回転することができる。
半導体サブストレート19の露光中、サブストレートホルダ１は合焦装置３に対してＸ軸方向に平行に高い精度で移動させるべきであり、一方半導体サブストレート19の次のフィールド35を合焦装置３に対して露光のための所定位置入送るときＸ軸方向又はＹ軸方向に平行に移動させねばならない。サブストレートホルダ１をＸ軸方向に平行に移動するため、第１リニアモータ147のコイルホルダ169を第３リニアモータ151によってＸ軸方向に平行に移動し、サブストレートホルダ１の所要の移動は第３リニアモータ151によって行い、またサブストレートホルダ１は第１リニアモータ147の適当なローレンツ力によって第３リニアモータ151の可動部分165に対して移動する。Ｘ軸方向又はＹ軸方向に平行なサブストレートホルダ１の所要の移動は第１リニアモータ147のローレンツ力によって生じ、この第１リニアモータ147はサブストレートホルダ１の移動中上述のリソグラフ装置の位置制御装置によって制御し、これによりサブミクロン又はナノメータのレンジの位置決め精度が得られる。サブストレートホルダ１の所要の移動は第２リニアモータ149及び第３リニアモータ151によってのみ得られ、第２リニアモータ149,第３リニアモータ151の位置決め精度にはそれほど高い必要条件は課せられないため、第２リニアモータ149及び第３リニアモータ151は第２位置決め装置31の第２リニアモータ71のように比較的簡単な普通の一次元リニアモータとすることができ、これによりサブストレートホルダ１は低い精度で比較的大きい距離にわたり、Ｙ軸方向及びＸ軸方向に平行にそれぞれ移動することができる。サブストレートホルダ１の移動の所要の精度は、サブストレートホルダ１を第１リニアモータ147により比較的僅かな距離にわたり第３リニアモータ151の可動部分165に対して移動することによって得られる。
サブストレートホルダ１の位置決め装置21はマスクホルダ５の位置決め装置31と同様の種類とすることができ、第１位置決め装置21の第２リニアモータ149の固定部分153を、第２位置決め装置31の第２リニアモータ71の固定部分73と同様にリソグラフ装置のフォースフレーム41に固定するため、動作中サブストレートホルダ１によって第１位置決め装置21に加わりまた第１位置決め装置21によってサブストレートホルダ１に加わる駆動力から生ずる反作用力はフォースフレーム41に伝達されることになる。このことは、第１位置決め装置21の反作用力並びに第２位置決め装置31の反作用力はフォースフレーム41に機械的振動を発生させ、この機械的振動はマシンフレーム45には伝達されない。サブストレートホルダ１が案内される花崗岩支持体143の上面141はＺ軸方向に直交するため、やはりＺ軸方向に直交する第１位置決め装置21の駆動力自体もマシンフレーム45に機械的振動を発生しない。
マスク29におけるパターンは半導体サブストレート19に上記の精度で結像する。即ち、マスク29及び半導体サブストレート19は双方ともに、半導体サブストレート19の露光中にそれぞれ第２位置決め装置31及び第１位置決め装置21によって、上記精度で合焦装置３に対してＸ軸方向に平行に移動できるためであり、またマスク29及び半導体サブストレート19は上記精度でＹ軸に平行に位置決めされまた回転軸線67,145の周りに回転するためである。パターンを半導体サブストレート19上に結像する精度は位置決め装置21,31の位置決め精度よりも良好である。即ち、マスクホルダ５はＸ軸方向に平行に移動するばかりでなく、Ｙ軸方向に平行に移動できかつ回転軸線67の周りに回転できるためである。合焦装置３に対するマスク29の移動は、半導体サブストレート19におけるパターンイメージのシフトを生じ、このシフトはマスク29の移動量に対する合焦装置３の光学的縮小率の商に等しい。このようにして、マスク29のパターンは半導体サブストレート19上に、第２位置決め装置31の位置決め精度に対する合焦装置３の縮小率の商に等しい精度で結合することができる。
図７及び図８は３個の動力学的アイソレータ51のうちの１個の断面を示す。この図示の動力学的アイソレータ51は取付プレート171を有し、動力学的アイソレータ51上に載置するマシンフレーム45の主プレート47の角部49をこの取付プレート171に固定する。動力学的アイソレータ51は、更に、ハウジング173を有し、このハウジング173をフォースフレーム41のベース39に固定する。取付プレート171は、Ｚ軸方向に平行に延びる連結ロッド175を介して中間プレート177に連結し、この中間プレート177は円筒形のタブ又は槽体181内に３個の互いに平行なテンションロッド179によって懸垂する。図７では１個のテンションロッド179のみが見えており、３個のすべてのテンションロッド179は図８において見える。円筒形のタブ181はハウジング173の円筒形室183内に同心状に配置する。円筒形タブ181と円筒形室183との間の空間185は空気ばね187の一部をなし、供給バルブ189を介して圧縮空気を充填する。この空間187は環状の可撓性ゴム薄膜191によりシールし、このゴム薄膜191は円筒形タブ181の第１部分193と第２部分195との間及び、ハウジング173の第１部分197と第２部分199との間に固定する。このようにして、マシンフレーム45とこのマシンフレーム45に支持したリソグラフ装置のコンポーネントは、Ｚ軸方向に平行な方向に３個の動力学的アイソレータ51の空間185内の圧縮空気によって支持され、円筒形タブ181及び従って、マシンフレーム45は薄膜191の可撓性のため円筒形室183に対して或る程度の移動の自由度がある。空気ばね187は、３個の動力学的アイソレータ51の空気ばね187、マシンフレーム45及びこのマシンフレーム45によって支持されるリソグラフ装置のコンポーネントにより形成される質量ばね装置が比較的小さい共振周波数例えば、3Hzを有する剛性にする。マシンフレーム45は動力学的にフォースフレーム41から、所定閾値以上の周波数例えば、上述した10Hzの機械的振動に対して絶縁される。図７に示すように、空間185は空気ばね187の側方室203に狭い通路201を介して接続する。この狭い通路201はダンパとして作用し、これにより円筒形室183に対する円筒形タブ181の周期的運動は緩衝される。
図７及び図８に示すように、各動力学的アイソレータ51は、この動力学的アイソレータ51に一体にしたフォースアクチュエータ205を有する。フォースアクチュエータ205は、ハウジング173の内壁209に固定した電気コイルホルダ207を有する。図７に示すように、コイルホルダ207は、Ｚ軸方向に直交する方向に延びており、図面で破線で示す電気コイル211を有する。このコイルホルダ207は取付プレート171に固定した２個の磁気ヨーク213,215間に配置する。更に、１対の永久磁石（217,219），（221,223）を各ヨーク213,215に固定し、磁石（217,219），（221,223）の対は電気コイル211の平面に直交するそれぞれ互いに反対向きに磁化する。電流がコイル211を通過するとき、コイル211及び磁石（217,219,221,223）は互いにＺ軸方向に平行なローレンツ力を発生する。ローレンツ力の値はリソグラフ装置の電気コントローラによって以下に詳細に説明するように制御する。
動力学的アイソレータ51に一体にしたフォースアクチュエータ205は、図９に線図的に示したフォースアクチュエータ装置を形成する。図９は更に、線図的にマシンフレーム45、サブストレートホルダ１、マシンフレーム45に対して移動自在のマスクホルダ５、並びにベース39及び３個の動力学的アイソレータ51を示す。図９には更に、マシンフレーム45の基準点Ｐを示し、この基準点Ｐに対してサブストレートフレーム１の重心GSはＸ位置XS及びＹ位置YSを有し、またマスクホルダ５の重心GMはＸ位置XM及びＹ位置YMを有する。これらの重心GS及びGMは、それぞれ半導体サブストレート19を有するサブストレートホルダ１の移動可能質量の全体及びマスク29を有するマスクホルダ５の移動可能質量の全体の重心を示す。図９には、更に、３個のフォースアクチュエータ205のローレンツ力FL1,FL2及びFL3が、それぞれ基準点Ｐに対してＸ位置XF1,XF2,XF3及びＹ位置YF1,YF2,YF3のポイントでマシンフレーム45に対して作用することを示す。マシンフレーム45はサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５をＺ軸方向に平行に支持するため、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５はそれぞれ支持力FS,FMをマシンフレーム45に加え、これらの支持力はサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５に作用する重力の値に対応する値を有する。支持力FS,FMは、それぞれサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の重心GS及びGMのＸ位置及びＹ位置に対応するＸ位置及びＹ位置のポイントでマシンフレーム45に作用する。半導体サブストレート19の露光中マシンフレーム45に対してサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５が移動する場合、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の支持力FS,FMの作用点もマシンフレーム45に対して移動する。リソグラフ装置の電気コントローラはローレンツ力FL1,FL2及びFL3の値を制御し、マシンフレーム45のローレンツ力FL1,FL2及びFL3の基準点Ｐの周りの機械的モーメントの和が、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の支持力FS,及びFMの基準点Ｐの周りの機械的モーメントの和の値の絶対値が等しくかつ値及び方向にそれぞれ正負が逆の値及び方向を有する。即ち、
FL1＋FL2＋FL3＝FS＋FM
FL1＊XF1＋FL2＊XF2＋FL3＊XF3＝FS＊XS＋FM＊XM
FL1＊YF1＋FL2＊YF2＋FL3＊YF3＝FS＊YS＋FM＊YM
ローレンツ力FL1,FL2及びFL3を制御するコントローラは、例えば、それ自体既知であり普通のフィードフォワード制御ループを有するものとして構成することができ、これにより、コントローラはサブストレートホルダ１の位置XS,YS及びマスクホルダ５の位置XM,YMに関する情報を、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５を制御するリソグラフ装置の電気制御ユニット（図示せず）から受ける。この受け取った情報はサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の所要の位置に関連する。代案として、コントローラはそれ自体既知であり普通のフィードバック制御ループを有するものとして構成することができ、これにより、コントローラはサブストレートホルダ１の位置XS,YS及びマスクホルダ５の位置XM,YMに関する情報を、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５を制御するリソグラフ装置の位置制御装置（図示せず）から受ける。この受け取った情報はサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の測定位置に関連する。更に、代案として、コントローラは上述のフィードフォワード制御ループとフィードバック制御ループの組み合わせとして構成することもできる。このようにして、フォースアクチュエータ装置のローレンツ力FL1,FL2及びFL3は、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の重心GS及びGMのマシンフレーム45に対する移動を補償する補償力を生ずる。ローレンツ力FL1,FL2及びFL3及び支持力FS,FMのマシンフレーム45の基準点Ｐの周りの機械的モーメントの和は一定の値及び方向を有するため、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５は、それぞれマシンフレーム45に対するホボ一定の位置を有するいわゆる仮想重心を有する。これにより、マシンフレーム45は半導体サブストレート19の露光中サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の実際の重心GS及びGMの移動を感知しない。上述のフォースアクチュエータ装置がないと、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の移動は支持力FS,FMのマシンフレーム45の基準点Ｐの周りの機械的モーメントの補償されない変化となって現れ、この結果、マシンフレーム45は動力学的アイソレータ51の低周波の振動を生じたり又はマシンフレーム45に弾性変形又は機械的振動を生ずることになる。
３個の動力学的アイソレータ51に３個のフォースアクチュエータ205を組み込んだことによりフォースアクチュエータ装置及びリソグラフ装置の構造がコンパクトかつ簡単になる。更に、動力学的アイソレータ51の三角形状の配列によりフォースアクチュエータ装置の動作が特別に安定する。フォースアクチュエータ装置の補償力はローレンツ力を有するため、ベース39及びフォースフレーム41に存在する機械的振動はフォースアクチュエータ205を経てマシンフレーム45に伝達されない。
上述の方法即ち、位置決め装置21,31の反作用力のフォースフレーム41への直接導入、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５のローレンツ力によるフォースフレーム41との連結、及びフォースアクチュエータ205の補償力はマシンフレーム45が支持機能のみを有する結果となる。マシンフレーム45には値及び方向が変化する力は実質的には作用しない。例えば、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の移動中、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の空気静力学的軸受によって花崗岩支持体143の上面141及び支持部材57の平面案内65に加わる水平方向の粘性摩擦力によってのみ例外を生ずる。しかし、このような摩擦力は比較的小さく、マシンフレーム45に知覚できる振動や変形を生ずることはない。マシンフレーム45は機械的振動及び弾性変形がないため、マシンフレーム45によって支持されるリソグラフ装置のコンポーネントハ互いに特に正確に規定された位置をとる。特に、合焦装置３に対するサブストレートホルダ１の位置及び合焦装置３に対するマスクホルダ５の位置は極めて正確に規定され、またサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５が合焦装置３に対して位置決め装置21,31によって極めて正確に位置決めされていることにより、マスク29における半導体回路のパターンを、サブミクロン又はナノメータのレンジの精度で半導体サブストレート19上に結像することができるようになる。マシンフレーム45及び合焦装置３は機械的振動及び弾性変形がないため、マシンフレーム45はサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の上述の位置決め制御装置の基準フレームとして作用することができ、例えば、光学素子及びレーザ干渉装置のような位置制御装置の位置センサを直接マシンフレーム45に取り付けることができるという利点も得られる。マシンフレーム45に直接センサを取り付けることは、サブストレートホルダ１、合焦装置３、及びマスクホルダ５に対する位置センサのとる位置が機械的振動及び変形に影響を受けないという結果となり、合焦装置３に対するサブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の位置の特に信頼性の高い正確な測定が得られる。マスクホルダ５はＸ軸方向に平行に位置決めされるだけでなく、Ｙ軸方向にも平行に位置決めされまた回転軸線67の周りにも回転させられ、これにより半導体サブストレート19上へのマスク29の極めて高い精度での結像が得られ、上述したように、サブミクロンのレンジの精密な寸法の半導体サブストレートを本発明によるリソグラフ装置によって製造することができる。
上述の本発明によるリソグラフ装置は、本発明による第１位置決め装置21により移動するサブストレートホルダ１及び本発明による第２位置決め装置31により移動するするマスクホルダ５を有する。位置決め装置21,31は共通のフォースアクチュエータ装置を有し、このアクチュエータ装置によって動作中サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の双方の重心移動を補償する補償力を与える。本発明によるリソグラフ装置は、代案として、サブストレートホルダ１及びマスクホルダ５の重心の移動を個別に補償する２個のフォースアクチュエータ装置を設けることもできる。
更に、本発明は、上述の「ステップアンドリピート」原理によって動作するリソグラフ装置もカバーする。例えば、本発明による位置決め装置はヨーロッパ特許公開第0498496号に記載されたサブストレートホルダのみが合焦装置に対して比較的大きな距離にわたり移動することができるリソグラフ装置のサブストレートホルダの移動に使用することができる。本発明によりカバーされるこのようなリソグラフ装置はマスクホルダ５を有する第２位置決め装置31に代えて、図面につき説明したリソグラフ装置に、例えば、ヨーロッパ特許公開第0498496号に記載された既知の装置のようにマシンフレーム45に対して固定の普通のマスクホルダを使用し、フォースアクチュエータ装置の補償力をサブストレートホルダ１の位置の関数として制御することによって得られる。更に、本発明は上述の「ステップアンドスキャン」原理で動作するリソグラフ装置をもカバーし、この場合、マスクホルダのみを本発明による位置決め装置によって駆動し、フォースアクチュエータ装置の補償力をマスクホルダ位置の関数としてのみ制御する。このような構造は、例えば、リソグラフ装置の合焦装置が比較的大きな光学的縮小率を有し従って、サブストレートホルダの重心の移動はマスクホルダの重心移動に対して比較的小さく、サブストレートホルダの重心移動がリソグラフ装置のマシンフレームに比較的小さな機械的振動及び変形しか生じない場合が考えられる。
上述の本発明によるリソグラフ装置は、集積電子半導体回路の製造における半導体サブストレートの露光に使用される。更に、代案として、このようなリソグラフ装置はサブミクロンレンジの微細寸法の構造を有する他の製品の製造もマスクパターンをリソグラフ装置によってサブストレート上に結像して行うことができる。集積した光学装置の構造又は磁気ドメインメモリの導入及び検出パターン並びに液晶ディスプレイパターンの構造にも適用できる。
更に、本発明による位置決め装置はリソグラフ装置使用できるだけでなく、物体又はサブストレートを正確に位置決めする他の装置にも使用できる。例えば、物体又は材料の分析又は測定する装置に使用でき、この場合、物体又は材料を測定装置又は走査装置に対して正確に位置決め又は移動する。本発明による位置決め装置の他の用途としては例えば、ワークピース例えば、レンズをサブミクロンレンジで精密に機械加工する精密工作機械がある。本発明による位置決め装置はこの場合、ワークピースを回転ツールに対して位置決めしたり、又は回転するワークピースに対してツールを位置決めする。
上述のリソグラフ装置の第１位置決め装置21はローレンツリング力のみを発生する第１リニアモータと、普通の第２及び第３のリニアモータとを設けた駆動ユニットを有するとともに、上述のリソグラフ装置の第２位置決め装置31はローレンツ力のみを発生する第１リニアモータと、単独の普通の第２リニアモータとを設けた駆動ユニットを有する。更に、本発明は異なるタイプの駆動ユニット又は異なるタイプの案内を設けた位置決め装置にも関するものである。本発明は例えば、普通のねじ付きスピンドル駆動装置及びストレートな案内を設けた位置決め装置にも適用できる。
フォースアクチュエータ装置は３個のフォースアクチュエータ205の代わりに異なる数のフォースアクチュエータを有するものとすることができる。フォースアクチュエータの数は位置決め装置の物体テーブルの移動可能性の数に基づく。物体テーブルがＸ軸方向にのみ平行に移動する場合、例えば、２個のアクチュエータだけで十分である。上述の位置決め装置21,31は３個以上のフォースアクチュエータ205を設けることができるが、この場合、過剰に詰まった構造となる。
Claims (10)
- 物体テーブルと、この物体テーブルを少なくともＸ軸方向に平行に位置決め装置のフレームに固定した案内上で移動自在にする駆動ユニットとを具える位置決め装置において、前記位置決め装置に、電気コントローラによって制御して動作中に前記フレームに対して補償力を発生し、前記補償力の前記フレームの基準点の周りの機械的モーメントが、前記物体に作用する重力の前記フレームの基準点の周りの機械的モーメントの値に等しい値と、前記重力の機械的モーメントの方向とは逆向きの方向とを有するフォースアクチュエータ装置を設けたことを特徴とする位置決め装置。
- 前記物体テーブルを水平方向に平行に移動自在にするとともに、フォースアクチュエータ装置が垂直方向に平行に前記補償力を前記フレームに加えるようにした請求項１記載の位置決め装置。
- 前記物体テーブルの水平のＸ軸方向に平行にかつこのＸ軸方向に直交する水平のＹ軸方向に平行に移動自在にするとともに、前記フォースアクチュエータ装置は、３個のフォースアクチュエータを互いに三角形形状となるよう配列し、各フォースアクチュエータが垂直方向に平行に前記補償力を前記フレームに加えるようにした請求項２記載の位置決め装置。
- 前記フォースアクチュエータ装置を、前記位置決め装置のベースに前記フレームを連結する動力学的アイソレータの装置に一体にした請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の位置決め装置。
- 前記補償力は、前記フォースアクチュエータ装置の磁石装置及び電気コイル装置のローレンツ力のみからなるものとした請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の位置決め装置。
- 垂直のＺ軸方向に平行に見て、放射源と、マスクホルダと、Ｚ軸方向に平行に指向する主軸を有する合焦装置と、位置決め装置によってＺ軸方向に直交する方向に移動自在のサブストレートホルダとをこの順序で支持するマシンフレームを設けたリソグラフ装置において、前記サブストレートホルダの前記位置決め装置を請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の位置決め装置とし、前記サブストレートホルダの位置決め装置のフレームを前記リソグラフ装置のマシンフレームに属するものとし、前記サブストレートホルダの位置決め装置のフォースアクチュエータ装置が前記補償力を前記マシンフレームに加えるようにしたことを特徴とするリソグラフ装置。
- 垂直のＺ軸方向に平行に見て、放射源と、位置決め装置によってＺ軸方向に平行に移動自在のマスクホルダと、Ｚ軸方向に平行に指向する主軸を有する合焦装置と、他の位置決め装置によってＺ軸方向に直交する方向に移動自在のサブストレートホルダとをこの順序で支持するマシンフレームを設けたリソグラフ装置において、前記マスクホルダの前記位置決め装置を請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の位置決め装置とし、前記マスクホルダの位置決め装置のフレームを前記リソグラフ装置のマシンフレームに属するものとし、前記マスクホルダの位置決め装置のフォースアクチュエータ装置が前記補償力を前記マシンフレームに加えるようにしたことを特徴とするリソグラフ装置。
- 前記マスクホルダを、請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の位置決め装置によってＺ軸方向に平行に移動自在にし、前記マスクホルダの位置決め装置のフレームを前記リソグラフ装置のマシンフレームに属するものとし、前記マスクホルダの位置決め装置のフォースアクチュエータ装置が前記補償力を前記マシンフレームに加えるようにした請求項６記載のリソグラフ装置。
- 前記サブストレートホルダの位置決め装置及びマスクホルダの位置決め装置にジョイントフォースアクチュエータ装置を設け、前記ジョイントフォースアクチュエータ装置の補償力の前記基準点の周りの機械的モーメントの値が、前記サブストレートホルダに作用する重力の前記基準点の周りの機械的モーメントと、前記マスクホルダに作用する重力の前記基準点の周りの機械的モーメントとの和の値に等しく、前記補償力の機械的モーメントの方向が前記和の機械的モーメントの方向とは逆向きとなるようにした請求項７又は８記載のリソグラフ装置。
- 前記マシンフレームを、互いに三角形をなす形態に配列した３個の動力学的アイソレータによって前記リソグラフ装置のベースに配置し、前記フォースアクチュエータ装置を３個の個別のフォースアクチュエータにより構成し、各フォースアクチュエータを前記動力学的アイソレータの各１個に一体にした請求項6,7,8,又は９のうちのいずれか一項に記載のリソグラフ装置。
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