JP4606956B2

JP4606956B2 - ステージ装置

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Publication number: JP4606956B2
Application number: JP2005202071A
Authority: JP
Inventors: 明宏浮田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2025-07-11
Also published as: JP2007019429A

Description

本発明はステージ装置に係り、特に対象物を保持する保持プレートのＺ軸回りの回動位置を精密に位置決めするよう構成されたステージ装置に関する。

半導体装置製造の分野においては、様々なタイプのステージ装置が使用されている。例えば、電子ビーム露光装置に採用されるウエハ搭載用のステージ装置には、ウエハの搬送やチップ間移動時に動作する粗動ステージ装置と、数ｎｍ〜１０ｎｍ程度の位置決めを行う微動ステージ装置とを組み合わせた構成が多く採用されている（例えば、特許文献１参照）。

この種のステージ装置では、対象物としてのウエハが搬送されて保持プレートに保持されると、露光装置に対するウエハの位置を高精度に位置決めするため、保持プレートをＺ軸回りのθｚ方向に回動させてウエハの位置を調整する調整工程を行なうように構成されている。そのため、保持プレートの下方に延在する回転軸がボールベアリングにより回転可能に支持されている。また、ウエハの位置決めは、例えば、ウエハの周縁部分に設けられた位置合わせ用のマーカの位置が基準位置になるように保持プレートを微小角度回動させることにより行なわれる。
特開平７−１１５０５７号公報

上記ステージ装置においては、保持プレートを回動させて搭載されたウエハのθｚ方向の位置調整を行なう際に、ウエハが位置決めされた位置に正確に停止することが重要となる。しかしながら、上記保持プレートの位置がずれないように回転軸を制動するブレーキ機構を設けた構成とした場合、重量増大及び装置全体の大型化を招くことになる。

さらに、上記のように保持プレートの回転軸をボールベアリングにより回転可能に支持する構成では、内輪と外輪との間に介在する金属球（ボール）がヘルツ接触する軸受け構造であるので、金属球が接触した部分が弾性変形して接触圧力を発生させるため、限られたスペースでの高剛性化には限界があり、振動や熱変形などによる外乱の影響を受けやすく、より精密な位置決めを行なう際の軸受け精度が十分に得られないという問題がある。

そこで、本発明は上記課題を解決したステージ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。

請求項１記載の発明は、水平方向に移動するＸＹテーブルと、
該ＸＹテーブルを駆動するＸＹテーブル駆動手段と、
前記ＸＹテーブル上に設けられ、対象物を保持する保持プレートと、
該保持プレートの回転軸を鉛直方向のZ軸回りに回動可能に支持する軸受と、
前記保持プレートをZ軸回りに回動させる保持プレート駆動手段と、を有するステージ装置において、
前記保持プレート駆動手段により回動位置を調整された前記保持プレートを吸着する吸着手段と、
前記保持プレートと前記回転軸との間に設けられ、前記軸受にスラスト方向の付勢力を付与する付勢部材と、
前記保持プレートのスラスト方向の動きを拘束して前記保持プレートの揺動を規制すると共に、前記保持プレートのZ軸回りの回動を許容する揺動規制手段と、
を備え、
前記揺動規制手段は、
前記ＸＹテーブルの上面に固定された下部環状部材と、
前記保持プレートの下面に固定された上部環状部材と、を有し、
前記下部環状部材の上面と前記上部環状部材の下面とを面接触させ、前記下部環状部材が前記上部環状部材を保持する前記吸着手段を兼ねることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、前記吸着手段が、静電チャックであることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、前記吸着手段が、真空チャックあるいは電磁チャックであることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、前記付勢部材が、前記保持プレートの下面と前記回転軸との間に挿入された板ばねであり、半径方向に延在してスラスト方向の付勢力を付与する複数の押圧部が放射状に配置されたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、前記付勢部材が、高さ調整用シムにより付勢力を調整されることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、前記ＸＹテーブル駆動手段は、前記ＸＹステージをＸ方向に移動させるＸ方向駆動手段と、前記ＸＹステージをＹ方向に移動させるＹ方向駆動手段と、前記ＸＹステージをＺ軸回りに回動させるθｚ方向駆動手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、保持プレート駆動手段により回動位置を調整された保持プレートを吸着する吸着手段と、保持プレートのスラスト方向の動きを拘束して保持プレートの揺動を規制すると共に、保持プレートのZ軸回りの回動を許容する揺動規制手段とを有するため、Z軸回りの回動位置を調整するときに保持プレートを安定した状態で回動させると共に揺動が防止され、Z軸回りの回動位置を調整したとき保持プレートを吸着して位置決めされた位置に保持することができ、保持プレートの誤差を低減してより高精度を要求される場合でも安定した調整動作が可能となる。

また、本発明によれば、揺動規制手段をＸＹテーブルの上面に固定された下部環状部材と、保持プレートの下面に固定された上部環状部材とを面接触させることにより、スラスト方向の位置を安定的にガイドすることが出来ると共に、スラスト方向の荷重が増大しても耐えうる強度を有するため、保持プレートの大型化にも対応しうる。また、吸着力が全周に亘り均等に作用しているので、両部材間の結合力が強力であり、ＸＹテーブルが水平方向のどの方向に移動しても両部材間の相対変位による誤差発生を防止することが可能になる。

また、本発明によれば、吸着手段に静電チャックまたは真空チャックを用いることにより保持プレートを確実にＸＹテーブルに保持することができると共に、省スペース化にも対応するため、装置の薄型化及び小型化に寄与しうる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は本発明になるステージ装置の一実施例を示す縦断面図である。図２は図１に示すステージ装置の平面図である。図１及び図２に示されるように、ステージ装置１０は、例えば、半導体露光装置のチャンバ（図示せず）内に設置され、電子線またはＸ線を照射して所定のマスクパターンを転写されるウエハ１２が載置される。このウエハ１２は、円盤状に形成された基板からなり、搬送機構（図示せず）により自動的に搬送されて、ステージ装置１０の最上段に位置するウエハ保持プレート１４上に載置される。このウエハ保持プレート１４は、ウエハ１２を吸着する静電チャックが設けられており、位置決めを行なって露光処理が終了するまで、ウエハ１２を吸着して所定の搭載位置に保持する。尚、ウエハ１２を吸着する手段としては、真空チャックあるいは電磁チャックでも良い。

ここで、ステージ装置１０の構成を説明する。ステージ装置１０は、上記ウエハ保持プレート１４と、ウエハ保持プレート１４の回転軸１６をZ軸回りに回動可能に支持する軸受１８と、軸受１８を介してウエハ保持プレート１４を支持するＸＹテーブル２０と、ウエハ保持プレート１４をZ軸回りのθｚ方向に回動させるθｚ駆動アクチュエータ（保持プレート駆動手段）２２とを有する。

ＸＹテーブル２０は、上面のＹ方向縁部にＸレーザ干渉計（図示せず）から照射されたレーザ光を反射するためのＸミラー３０が設けられ、上面のＸ方向縁部にＹレーザ干渉計（図示せず）から照射されたレーザ光を反射するためのＹミラー３２が設けられている。従って、ＸＹテーブル２０は、Ｘレーザ干渉計及びＹレーザ干渉計によりＸミラー３０及びＹミラー３２の位置を計測されて中心位置が露光装置の光軸と一致するようにＸ方向位置及びＹ方向位置を調整される。

ウエハ保持プレート１４は、ウエハ１２より大径な円盤状に形成されており、上面にはウエハ１２を吸着するチャック面が形成され、下面側には上部環状部材７２を固定するための環状溝３４と、軸受１８を付勢する板バネ（付勢部材）３６を取り付けるバネ取付部３８とが設けられている。上部環状部材７２は、ワッシャ３５を介して環状溝３４に固定される。

板バネ３６は、ビス４０及びバネ押さえ４１により回転軸１６の上面に締結される中心部３６ａと、中心部３６ａの外周より半径方向に延在する複数の腕部３６ｂとを有する。腕部３６ｂは、周方向に６０度間隔で放射状に設けられており、その先端部分は、ビス４２によりバネ取付部３８に締結されている。従って、回転軸１６は、板バネ３６を介してウエハ保持プレート１４に結合されており、放射状に設けられた複数の腕部３６ｂが撓むことにより周方向にほぼ均等な付勢力を付与される。

また、板バネ３６と回転軸１６の上面との間には、薄い金属板からなる高さ調整用シム４４が挿入されている。板バネ３６は、高さ調整用シム４４の挿入枚数を変更することにより、腕部３６ｂの撓み量が調整されるため、付勢力の大きさを調整される。

軸受１８は、回転軸１６のラジアル方向（半径方向）をガイドするボールベアリングからなり、回転軸１６の外周とＸＹテーブル２０の中央孔４６との間に介在するように取り付けられており、内輪が回転軸１６の外周に嵌合し、外輪が中央孔４６の内周に嵌合している。そして、軸受１８の内輪、外輪は、下端が回転軸１６、中央孔４６の段部に当接し、上端がビス４７により締結された内輪押さえ４８、外輪押さえ４９に当接して保持されている。

また、軸受１８は、外輪と内輪との間に金属球が転動可能に挿入されており、θｚ方向の位置を調整する際に外輪と内輪との周方向の相対変位を低摩擦でガイドするように構成されている。

従って、θｚ方向の位置を調整する際は、軸受１８からの振動が外乱として作用しない程度に低減されており、θｚ方向の位置調整をより精密に行なうことができる。

θｚ駆動アクチュエータ２２は、例えば、超音波モータなどからなり、駆動軸２２ａをθｚ方向に微小移動させるように構成されており、ＸＹテーブル２０の下面に固定されたブラケット５０に支持されている。そして、θｚ駆動アクチュエータ２２の駆動軸２２ａは、鉛直方向に延在しており、ＸＹテーブル２０の穴５２を貫通してＸＹテーブル２０の上面側に突出している。尚、θｚ駆動アクチュエータ２２としては、ボールねじを用いた構成としても良い。

さらに、θｚ駆動アクチュエータ２２の駆動軸２２ａは、ウエハ保持プレート１４の下面に固定された連結部材５４の穴５４ａに挿入されている。また、駆動軸２２ａは、側方から螺入されたロックピン５６により押圧されて穴５４ａの内壁に押圧保持されている。従って、θｚ駆動アクチュエータ２２は、駆動軸２２ａをθｚ方向の駆動することによりウエハ保持プレート１４をθｚ方向に回動させて、ウエハ保持プレート１４上に搭載されたウエハ１２のθｚ方向の位置を微調整する。このθｚ駆動アクチュエータ２２によるθｚ方向のウエハ位置決めは、後述するようにチルト機構８０及びＸＹテーブル駆動機構９０によるＸＹテーブル２０のＸ，Ｙ，Ｚ，θｘ，θｙ，θｚ方向の各位置を調整した後に行なわれる。

また、ウエハ保持プレート１４上に搭載されたウエハ１２の位置決めは、例えば、ウエハ１２の周縁部分に設けられた位置合わせ用のマーカの位置が基準位置と一致するようにウエハ保持プレート１４を微小角度回動させることにより行なわれる。

ステージ装置１０は、回動位置を調整されたウエハ保持プレート１４を吸着する静電チャック（吸着手段）６０と、ウエハ保持プレート１４のスラスト方向（Ｚ軸方向）の動きを拘束してウエハ保持プレート１４のθｘ軸方向、θｙ軸方向の揺動を規制すると共に、ウエハ保持プレート１４のZ軸回りの回動を許容する揺動規制部（揺動規制手段）６２とを有する。

揺動規制部６２は、ＸＹテーブル２０の上面に固定された下部環状部材７０と、ウエハ保持プレート１４の下面に固定された上部環状部材７２とを互いに対向するように配置したものである。そして、下部環状部材７０の上面と上部環状部材７２の下面とは、互いに面接触した状態に組み合わされることにより、ウエハ保持プレート１４のスラスト方向の動きを拘束してウエハ保持プレート１４の揺動を規制すると共に、ウエハ保持プレート１４のθｚ方向の回動を許容するように機能する。

下部環状部材７０及び上部環状部材７２は、縦断面形状が平板状に形成され、且つ上方からみると環状（リング状）に形成されている。また、下部環状部材７０及び上部環状部材７２は、導電性セラミックスにより形成されており、上下面が平面研磨加工されている。

さらに、下部環状部材７０及び上部環状部材７２は、内周及び外周の半径寸法が同じであり、全周に亘り面接触する構成であり、ウエハ保持プレート１４の荷重がスラスト方向の拘束力として揺動規制部６２の全周に作用する。従って、ウエハ保持プレート１４をθｚ方向に回動させる際は、下部環状部材７０と上部環状部材７２との接触面同士が摺動することになり、スラスト方向の傾きを規制されると共に、摺動に伴う摩擦が制動力として作用する。

また、下部環状部材７０及び上部環状部材７２は、全周に亘り面接触するため、スラスト方向の位置を安定的にガイドすることが出来ると共に、スラスト方向の荷重が増大しても耐えうる強度を有する。そのため、ウエハ１２が大径化されて保持プレート１４を大型化する場合にも対応しうる。さらに、ウエハ保持プレート１４を回動させてθｚ方向の位置を調整する際の慣性力による誤差の発生を抑制することができる。

静電チャック６０は、前述した下部環状部材７０または上部環状部材７２の何れか一方に電極を設けた構成である。本実施例では、上部環状部材７２に電極を設けて静電チャックとして機能し、下部環状部材７０が吸着される被吸着リングとして機能するように構成されている。そして、θｚ軸方向の位置決めが行なわれた後、上部環状部材７２に埋設された内部電極に電圧を印加することにより、上部環状部材３２が下部環状部材７０を吸着してウエハ保持プレート１４を固定するように構成されている。すなわち、本実施例の静電チャック６０は、ウエハ保持プレート１４を吸着する吸着手段と、ウエハ保持プレート１４のスラスト方向の動きを拘束してウエハ保持プレート１４のθｘ軸方向、θｙ軸方向の揺動を規制する揺動規制手段とを兼ねた構成となっている。

また、本実施例では、吸着手段に静電チャックを用いたため、ウエハ保持プレート１４を確実にＸＹテーブル２０に吸着させて保持することができると共に、省スペース化にも対応するため、装置の薄型化及び小型化に寄与しうる。

さらに、静電チャック６０は、環状に形成された下部環状部材７０と上部環状部材７２とが全周に亘り面接触する構成であるので、ＸＹテーブル２０に対して外部から制動力を付与するブレーキ機構を別個に設ける場合よりも制動力の作用によってＸＹテーブル２０を変形させることがなく、ＸＹテーブル２０がゆがむことによるウエハ保持プレート１４の誤差が低減される。

また、ＸＹテーブル２０を粗動させる際には、ウエハ保持プレート１４の加速、減速による水平方向の加速度が加えられることになる。しかしながら、本実施例の静電チャック６０は、吸着力が全周に亘り均等に作用しているので、両部材間の結合力が強力であり、ウエハ保持プレート１４とＸＹテーブル２０とを一体化された状態で粗動動作させることができる。そのため、ＸＹテーブル２０が水平方向のどの方向に移動しても両部材間の相対変位による誤差発生を防止することが可能になる。

ステージ装置１０は、ＸＹテーブル２０の上下方向位置を調整するチルト機構８０と、ＸＹテーブル２０のＸ，Ｙ，θｚ方向の位置を調整するＸＹテーブル駆動機構（ＸＹテーブル駆動手段）９０とを有する。

以下、図３乃至図１１を参照して、チルト機構８０及びＸＹテーブル駆動機構９０について説明する。なお、ステージ装置１０は、微動用ステージ装置であり、単独で使用することも可能であるが、通常は、粗動ステージ装置（図示せず）に搭載される。粗動ステージ装置は、Ｘ軸方向に可動のＸテーブルとＹ軸方向に可動のＹテーブルとを備え、例えばＸテーブルがＹテーブル上で可動であるように構成されている。勿論、ＹテーブルがＸテーブル上で可動であるように構成されていても良い。本実施例のステージ装置１０は、粗動ステージ装置におけるＸテーブルあるいはＹテーブルに搭載されるものとする。

ステージ装置１０は、ベースプレート１００の上に構築されたチルト機構８０に上記ＸＹステージ２０が組み合わされて構成されている。

まず、チルト機構８０について説明する。図３はチルト機構８０を説明するための側面図である。図４はチルト機構８０を説明するためＹ方向からみた側面図である。図５はチルト機構８０を説明するためＸ方向からみた側面図である。図６はベースプレート１００の上に配置されたチルト機構８０を示す平面図である。尚、図３乃至図５では、ＸＹテーブル２０を図示してあるが、ＸＹテーブル２０上のウエハ保持プレート１４の図示は省略してある。また、図６ではＸＹテーブル２０及びチルトプレート２０１の図示を省略してある。

図３乃至図６に示されるように、チルト機構８０は、ＸＹテーブル２０が搭載されるチルトプレート２０１を有する。このチルトプレート２０１は、ベースプレート１００の上に互いに平行に延びるように配置された２本３組、計６本のピエゾアクチュエータ（ピエゾアクチュエータ素子）Ｚ１−１，Ｚ１−２，Ｚ２−１，Ｚ２−２，Ｚ３−１，Ｚ３−２と、後述するウエッジステージとによりベースプレート１００に対して垂直方向（Ｚ軸方向あるいは上下方向）に駆動される。以下では、ピエゾアクチュエータＺ１−１，Ｚ１−２の組み合わせをＺ１軸、ピエゾアクチュエータＺ２−１，Ｚ２−２の組み合わせをＺ２軸、ピエゾアクチュエータＺ３−１，Ｚ３−２の組み合わせをＺ３軸と呼ぶ。

図７はチルト機構８０を構成する３軸のうち１軸の構成を示す縦断面図である。図８はベースプレート１００の上に配置されたチルト機構８０を示す斜視図である。図９はベースプレート１００の上に配置されたチルト機構８０及びチルトプレート２０１を示す斜視図である。

図７乃至図９を参照して、Ｚ３軸について構造及び動作の詳細を説明する。ベースプレート１００にピエゾ固定ブロック２２３が設置されている。ピエゾアクチュエータＺ３−２は、ピエゾ固定ブロック２２３に一端を固定され、ピエゾベース２２４を介してピエゾアクチュエータＺ３−１と連結されている。これによりピエゾアクチュエータＺ３−２の駆動ストロークとピエゾアクチュエータＺ３−１の駆動ストロークとが加算されるようにし、加算された駆動ストロークでウエッジステージ２２５を駆動する。

ウエッジステージというのは、周知のように、水平方向の運動を垂直方向の運動に変換するためのものである。本例では、ウエッジステージ２２５は、４５度の直交変換機構を備え、２本のピエゾアクチュエータＺ３−１，Ｚ２−２による水平変位入力とウエッジステージ２２５の垂直変位出力とが１対１になるように構成されている。直交変換機構は、４５度の傾斜面を上面側に有する傾斜ブロック２２５−１と、４５度の傾斜面を下面側に有する傾斜ブロック２２５−２とを組み合わせた構成である。傾斜ブロック２２５−１は、傾斜ブロック２２５−２をガイドするためのガイド部を有する。傾斜ブロック２２５−２は、その傾斜面がガイド部によってガイドされた状態で傾斜ブロック２２５−１の傾斜面に沿ってスライド可能である。これにより、傾斜ブロック２２５−１が水平方向に変位すると、傾斜ブロック２２５−２はそれに伴ってスライドして垂直方向に変位する。

このようなウエッジステージ２２５により、その垂直運動部に固定されたチルトヒンジ２２６がＺ軸方向に駆動される。そして、チルトヒンジ２２６の先に固定されたチルトプレート２０１をＺ軸方向に駆動する。なお、チルトプレート２０１は中央に開口２０１ａ（図９参照）を有する。開口２０１ａ内にＸＹプレート３０１（図４参照）が組み合わされる。ＸＹプレート３０１にはＸＹテーブル２０（図７参照）が固定される。

Ｚ１軸、Ｚ２軸もＺ３軸と同様の構成を有する。つまり、Ｚ１軸はピエゾ固定ブロック２０３、ピエゾベース２０４、ウエッジステージ２０５を有し、Ｚ２軸はピエゾ固定ブロック２１３、ピエゾベース２１４、ウエッジステージ２１５を有する。特に、Ｚ１軸のウエッジステージ２０５、Ｚ２軸のウエッジステージ２１５、Ｚ３軸のウエッジステージ２２５は、それぞれ同一円周上（図４に一点鎖線で示す）に配置されている。

特に、本実施例では、ウエッジステージ２０５、２１５、２２５は、正三角形の頂点に対応する位置、つまり１２０度の角度間隔をおいて配置されている。これらの３軸の垂直運動部は同一方向に変位可能である。これによってチルトプレート２０１はＺ軸方向の並進運動をし、差動的な動作、つまり各軸の変位量に差を与えるとチルトプレート２０１はθｘ軸方向、θｙ軸方向の回転運動をする。

ここで、θｘ軸方向の回転運動はＸ軸回りの回転運動を意味し、θｙ軸方向の回転運動はＹ軸回りの回転運動を意味することは言うまでも無い。また、後述されるθｚ軸方向の回転運動はＺ軸回りの回転運動を意味する。

Ｚ軸方向の位置は、ここでは静電容量センサにより計測される。静電容量センサは、チルトプレート２０１の上方にある、最終可動部であるＸＹテーブル２０とベースプレート１００との間に配置されている。以下では、Ｚ１軸用の静電容量センサをＺ１センサ２０７、Ｚ２軸用の静電容量センサをＺ２センサ２１７、Ｚ３軸用の静電容量センサをＺ３センサ２２７と呼ぶ。各センサ２０７、２１７、２２７は、それぞれウエッジステージ２０５、２１５、２２５に隣接した位置に設置されている。静電容量センサの測定原理は周知であるが、簡単に言えば、Ｚ軸方向の微小変位を静電容量の変化として検出できるようにしたものである。

本実施例では、これらＺ１センサ２０７、Ｚ２センサ２１７、Ｚ３センサ２２７により最終可動部であるＸＹテーブル２０の高さを計測し、計測結果に基いてＸＹテーブル２０の位置制御（フルクローズド制御）が行われる。

通常、チルトステージでは、ベースプレート１００からのチルトプレート２０１の高さ位置を計測し、計測結果に基いて位置制御（セミクローズド制御）が行われる。しかし、この方式ではＸＹステージが移動した際のＺ軸方向の位置誤差を計測することができない。これは、ＸＹテーブル２０のＺ軸方向、θｘ軸方向、θｙ軸方向の位置を制御することができないことを意味する。しかしながら、本形態によるＺ軸方向位置計測系の配置は、ＸＹテーブル２０のＺ軸方向、θｘ軸方向、θｙ軸方向の位置制御を可能にする。

チルトステージの案内系は、各ウエッジステージ２０５、２１５、２２５に取り付けられたチルトヒンジ２０６、２１６、２２６と、ベースプレート１００とチルトプレート２０１との間に取り付けられたＺ軸方向にのみ変位可能な板バネ２０８、２１８、２２８（図６、図９参照）により構成される。これらの板バネ２０８、２１８、２２８により、ウエッジステージのガイド部のみでは実現不可能な、チルトプレート２０１のＸＹ平面内の運動を拘束する高剛性案内系が構成される。なお、板バネ２０８、２１８、２２８は、それぞれベースプレート１００に設けられたバネ取付け部２０８−１、２１８−１、２２８−１を介して設置されている。

図１０はＸＹプレート３０１に組み込まれたＸＹテーブル駆動機構９０を示す斜視図である。

次に、図３乃至図５及び図１０を参照して、ＸＹテーブル駆動機構９０について説明する。ＸＹテーブル２０は、ＸＹプレート３０１に固定されている。ＸＹプレート３０１は、チルトプレート２０１の中央部の開口２０１ａに組み込まれている。ＸＹプレート３０１は、チルトプレート２０１と共にＺ軸方向、θｘ軸方向、θｙ軸方向に変位可能であるが、チルトプレート２０１とは独立してＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びθｚ軸方向に変位可能にされている。つまり、ＸＹプレート３０１は、Ｘ軸方向についてはＸ軸方向に互いに平行に延びる２つのＸ１ピエゾアクチュエータ３０２、Ｘ２ピエゾアクチュエータ３０３で駆動される。

Ｘ１ピエゾアクチュエータ３０２、Ｘ２ピエゾアクチュエータ３０３は一定間隔をおいて設けられ、それぞれ一端側がチルトプレート２０１に固定され、他端がＸＹプレート３０１に連結されている。一方、ＸＹプレート３０１は、Ｙ軸方向についてはＹ軸方向に延びる１つのＹピエゾアクチュエータ３０４で駆動される。Ｙピエゾアクチュエータ３０４も一端側がチルトプレート２０１に固定され、他端がＸＹプレート３０１に連結されている。上記Ｘ１ピエゾアクチュエータ３０２、Ｘ２ピエゾアクチュエータ３０３、Ｙピエゾアクチュエータ３０４によりＸＹテーブル駆動機構９０が構成されている。

ＸＹテーブル駆動機構９０の案内系（伝達機構）は、以下の通りである。図４に示されるように、ＸＹ平面内の案内系においては、Ｘ１ピエゾアクチュエータ３０２の一端に固定されたＸ１ヒンジ３１２がチルトプレート２０１に固定され、Ｘ１ピエゾアクチュエータ３０２の他端に固定されたＸ１ヒンジ３１１がＸＹプレート３０１に連結されている。同様に、Ｘ２ピエゾアクチュエータ３０３の一端に固定されたＸ２ヒンジ３１４がチルトプレート２０１に固定され、Ｘ２ピエゾアクチュエータ３０３の他端に固定されたＸ２ヒンジ３１３がＸＹプレート３０１に連結されている。一方、Ｙピエゾアクチュエータ３０４の一端に固定されたＹヒンジ３１６がチルトプレート２０１に固定され、Ｙピエゾアクチュエータ３０４の他端に固定されたＹヒンジ３１５がＸＹプレート３０１に連結されている。

Ｚ軸方向の案内系はＸＹプレート３０１とチルトプレート２０１との間に設置された３つの主リンクヒンジ３２１、３２２、３２３と２つの副リンクヒンジ３２４、３２５により実現される。図７を参照して、これらのリンクヒンジの１つ、例えば主リンクヒンジ３２１について説明する。

チルトプレート２０１に下方に垂直に延びるようにリンクヒンジブロック３２１−１が設けられている。このリンクヒンジブロック３２１−１にはそこから上方に延びてＸＹプレート３０１に連結されたヒンジ３２１−２が設けられている。ヒンジ３２１−２は、周知の球関節継ぎ手を有し、ＸＹプレート３０１をＸＹ平面内では変位可能であるが、Ｚ軸方向には高い剛性を呈するように支持している。主リンクヒンジ３２２、３２３、副リンクヒンジ３２４、３２５もまったく同じ構造を持つ。なお、図１０にはリンクヒンジブロック３２２−１とヒンジ３２２−２とから成る主リンクヒンジ３２２が示されている。

３つの主リンクヒンジ３２１、３２２、３２３は、図４に示されるように、上方からみると三角形、ここでは二等辺三角形の頂点に対応する位置に設置され、２つの副リンクヒンジ３２４、３２５は主リンクヒンジ３２１の両側に設置されている。主リンクヒンジ３２１〜３２３と副リンクヒンジ３２４、３２５は、ＸＹプレート３０１のＸＹ平面内での変位を自在にする機能を有すると共に、Ｚ軸方向には大きな剛性を持つ。これにより、従来の微動ステージ装置に比較して大幅に剛性が向上する。

ここで、ＸＹテーブル駆動機構９０の動作について説明する。Ｘ１ピエゾアクチュエータ３０２とＸ２ピエゾアクチュエータ３０３が同じＸ軸方向に作動すると、ＸＹプレート３０１はＸ軸方向の並進運動をする。Ｘ１ピエゾアクチュエータ３０２とＸ２ピエゾアクチュエータ３０３が差動的に動作、つまり変位量に差が生じるように動作させると、ＸＹプレート３０１はθｚ軸方向の動作をする。一方、Ｙピエゾアクチュエータ３０４が作動すると、ＸＹプレート３０１がＹ軸方向に並進運動する。

図４に示されるように、ＸＹプレート３０１のＸ軸方向の位置は、チルトプレート２０１とＸＹプレート３０１との間に配置された２つの静電容量センサ３２６、３２７（以下、「Ｘ１センサ、Ｘ２センサ」と呼ぶ）で計測される。ＸＹプレート３０１のＹ軸方向の位置はチルトプレート２０１とＸＹプレート３０１との間に配置された１つの静電容量センサ３２８（以下、「Ｙセンサ」と呼ぶ）で計測される。これらＸ１センサ３２６、Ｘ２センサ３２７、Ｙセンサ３２８により計測されるＸＹ平面内の位置情報に基づいてＸＹテーブル２−２のセミクローズド位置制御が行われる。

本実施例では、前述したように、ＸＹテーブル２０が搭載されたＸＹプレート３０１は、ＸＹテーブル駆動機構９０によりＸ軸方向、Ｙ軸方向、θｚ軸方向に移動可能である。また、チルト機構８０により３点の高さ位置を調整されるチルトプレート２０１は、Ｚ軸方向、θｘ軸方向、θｙ軸方向に変位可能である。しかも、ＸＹプレート３０１は、チルトプレート２０１と共に変位可能であると共に、チルトプレート２０１とは独立してＸ軸方向、Ｙ軸方向、θｚ軸方向に変位可能である。このことにより、ＸＹテーブル２０は６自由度（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、θｘ軸方向、θｙ軸方向、θｚ軸方向）の運動が可能である。従って、チルトプレート２０１及びＸＹプレート３０１が上記チルト機構８０、ＸＹテーブル駆動機構９０によって上記６軸の位置を調整されることで、ＸＹプレート３０１に固定されたＸＹテーブル２０を介してウエハ保持プレート１４上に保持されたウエハ１２の６軸方向の位置調整が可能になる。

なお、ＸＹステージ２０の位置計測（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、θｚ軸方向）は、ＸＹテーブル２０に取り付けた、Ｙ軸方向に延在するＸミラー３０（図１、図３参照）及びＸ軸方向に延在するＹミラー３２（図１、図５参照）とレーザ干渉計（図示せず）とにより行われる。この位置計測により得られた位置情報を基に、６自由度（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、θｘ軸方向、θｙ軸方向、θｚ軸方向）のフルクローズド制御が行われる。

図１１はステージ装置の変形例を示す縦断面図である。図１１に示されるように、変形例のステージ装置４００では、上記静電チャック６０の代わりに真空チャック４１０を用いた構成になっている。この真空チャック４１０は、外部に設置された真空発生装置４２０から負圧を導入されてウエハ保持プレート１４に作用する大気圧との圧力差によりウエハ保持プレート１４を吸着するものである。

真空発生装置４２０からの真空管路４３０は、ＸＹステージ２０の上面に形成された環状凹部４４０に連通されている。環状凹部４４０を閉塞するように固定された下部環状部材７０には、Ｚ軸方向に貫通する複数の貫通穴７０ａが設けられている。

真空発生装置４２０において、内蔵されたバルブが切り替わって環状凹部４４０の空気が吸引されて負圧が導入されると、貫通穴７０ａを介して下部環状部材７０に対向する上部環状部材７２に対して負圧を作用させる。これにより、上部環状部材７２は、チャンバ内の気圧と環状凹部４４０の負圧との圧力差による吸着力で全周に亘り下部環状部材７０に吸着されて強固に保持される。

また、真空発生装置４２０において、内蔵されたバルブが切り替わって環状凹部４４０へ空気が供給されて大気圧に戻されると、ウエハ保持プレート１４に対する吸着力が無くなり、ウエハ保持プレート１４の保持が解除される。

尚、この変形例のステージ装置４００が設置されるチャンバ内は、真空ではなく空気または気体が充填されていることが条件となる。

上記実施例では、半導体露光装置のチャンバ内に設置されるステージ装置を例に挙げて説明したが、これに限らず、半導体露光装置以外の加工装置や検査装置などに組み合わせて使用されるステージ装置にも本発明を適用できるのは勿論である。

また、上記実施例では、保持プレートに保持される対象物をウエハとして説明したが、これに限らず、対象物としては、より精密な位置決め精度が要求される精密加工品（例えば、液晶ガラス基板など）を保持する構成の装置にも本発明を適用できるのは勿論である。

また、上記実施例では、上記ステージ装置１０が微動ステージ装置として用いられる場合を一例として説明したが、上記ステージ装置１０を粗動ステージ装置として用いる場合にも適用できるのは言うまでもない。

また、上記実施例では、リング状に形成された静電チャックが吸着手段と揺動規制手段とを兼ねる構成としてが、これに限らず、例えば、リング状に形成された揺動規制部と、複数の小型静電チャックを周方向に配置した構成としても良いのは言うまでもない。

本発明になるステージ装置の一実施例を示す縦断面図である。図１に示すステージ装置の平面図である。チルト機構８０を説明するための側面図である。チルト機構８０を説明するためＹ方向からみた側面図である。チルト機構８０を説明するためＸ方向からみた側面図である。ベースプレート１００の上に配置されたチルト機構８０を示す平面図である。チルト機構８０を構成する３軸のうち１軸の構成を示す縦断面図である。ベースプレート１００の上に配置されたチルト機構８０を示す斜視図である。ベースプレート１００の上に配置されたチルト機構８０及びチルトプレート２０１を示す斜視図である。ＸＹプレート３０１に組み込まれたＸＹテーブル駆動機構９０を示す斜視図である。本発明になるステージ装置の変形例を示す縦断面図である。

符号の説明

１０，４００ステージ装置
１４ウエハ保持プレート
１６回転軸
１８軸受
２０ＸＹテーブル
２２ θｚ駆動アクチュエータ
３６板バネ
４４高さ調整用シム
６０静電チャック
６２揺動規制部
７０下部環状部材
７２上部環状部材
８０チルト機構
９０ＸＹテーブル駆動機構
１００ベースプレート
２０１チルトプレート
３０１ＸＹプレート
４１０真空チャック
４２０真空発生装置

Claims

水平方向に移動するＸＹテーブルと、
該ＸＹテーブルを駆動するＸＹテーブル駆動手段と、
前記ＸＹテーブル上に設けられ、対象物を保持する保持プレートと、
該保持プレートの回転軸を鉛直方向のZ軸回りに回動可能に支持する軸受と、
前記保持プレートをZ軸回りに回動させる保持プレート駆動手段と、を有するステージ装置において、
前記保持プレート駆動手段により回動位置を調整された前記保持プレートを吸着する吸着手段と、
前記保持プレートと前記回転軸との間に設けられ、前記軸受にスラスト方向の付勢力を付与する付勢部材と、
前記保持プレートのスラスト方向の動きを拘束して前記保持プレートの揺動を規制すると共に、前記保持プレートのZ軸回りの回動を許容する揺動規制手段と、
を備え、
前記揺動規制手段は、
前記ＸＹテーブルの上面に固定された下部環状部材と、
前記保持プレートの下面に固定された上部環状部材と、を有し、
前記下部環状部材の上面と前記上部環状部材の下面とを面接触させ、前記下部環状部材が前記上部環状部材を保持する前記吸着手段を兼ねることを特徴とするステージ装置。
前記吸着手段は、静電チャックであることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
前記吸着手段は、真空チャックあるいは電磁チャックであることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
前記付勢部材は、前記保持プレートの下面と前記回転軸との間に挿入された板ばねであり、半径方向に延在してスラスト方向の付勢力を付与する複数の押圧部が放射状に配置されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のステージ装置。
前記付勢部材は、高さ調整用シムにより付勢力を調整されることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のステージ装置。
前記ＸＹテーブル駆動手段は、
前記ＸＹステージをＸ方向に移動させるＸ方向駆動手段と、
前記ＸＹステージをＹ方向に移動させるＹ方向駆動手段と、
前記ＸＹステージをＺ軸回りに回動させるθｚ方向駆動手段と、
を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のステージ装置。