JP5943557B2 - 位置決め装置、露光装置およびデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、位置決め装置、露光装置およびデバイス製造方法に関する。

半導体を製造するためのリソグラフィー工程で使用される露光装置のウエハステージ機構やレチクルステージ機構には、生産性を向上させるために高加速で高速にステージを移動させることができ、かつ高精度な位置決めができることが要求される。そこで、露光装置では、粗微動型ステージ機構が用いられることが多い。粗微動型ステージ機構では、位置決め精度は低いが大ストロークかつ大推力で駆動される粗動ステージの上に、小ストロークではあるが高い位置決め精度で位置決めされる微動ステージが配置される。

特許文献１には、フィードバック制御により水平面内のＸ軸およびＹ軸方向に駆動される粗動ステージの上に微動ステージが搭載された構成が記載されている。微動ステージの重量は、支持ユニットにより支えられている。該支持ユニットは、微動ステージに連結された反発可動子と、粗動ステージに連結される反発固定子とを含む。

特許第４３２３７５９号公報

粗動ステージは微動ステージに比べて大型であるので、粗動ステージの位置を制御するためのフィードバック制御系の帯域を高くすることは難しい。また、微動ステージに実装される配線や配管は、粗動ステージで受けた後に外部と連結される。このため、粗動ステージのフィードバック制御系は、粗動ステージの駆動時に、これらの配線や配管から外乱を受ける。これらの理由により、粗動ステージの偏差は、例えば、微動ステージの偏差の１０倍程度になりうる。両ステージの偏差の違いのため、支持ユニットの反発固定子と反発可動子との相対位置の変動が生じる。この相対位置の変動は、微動ステージの制御に対する外乱になりうる。

本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、位置決め精度の向上に有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、位置決め装置に係り、前記位置決め装置は、微動ステージと、ステージ定盤の上で移動する粗動ステージの上に搭載されたベースと、前記微動ステージと前記ベースとの間に配置されていて、ばね性を有する支持部で前記微動ステージを支持する支持機構と、前記微動ステージを駆動するように前記微動ステージと前記ベースとの間に配置されたアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御部とを備える位置決め装置であって、前記制御部は、目標位置に対する前記微動ステージの位置偏差を低減するための第１指令値を発生するフィードバック制御器と、前記微動ステージと前記ベースとの相対位置の変動量に基づいて、前記支持部の前記ばね性によって前記微動ステージに作用する力の少なくとも一部を打ち消すための第２指令値を発生するフィードフォワード制御器とを含み、前記第１指令値と前記第２指令値との和を含む指令値によって前記アクチュエータを制御し、前記フィードフォワード制御器は、前記変動量に前記ばね性の剛性値を乗じることによって前記第２指令値を得る。

本発明によれば、位置決め精度の向上に有利な技術が提供される。

本発明の第１実施形態の位置決め装置の構成を示す図。 変位量とフィードバック指令値との関係を例示する図。 本発明の第２実施形態の位置決め装置の構成を示す図。 支持機構の構成を例示する図。 本発明の実施形態の露光装置の構成を示す図。

図１を参照しながら本発明の第１実施形態の位置決め装置１０００について説明する。位置決め装置１０００は、例えば、露光装置における原版ステージ機構および基板ステージ機構の少なくとも一方として構成されうる。位置決め装置１０００は、例えば、微動ステージ７を６自由度に関して位置決めするように構成されうる。しかしながら、ここでは、説明の簡単化のために、粗動ステージ１および微動ステージ（特許請求の範囲におけるステージに対応）７をＸ軸方向に関して位置決めするための構成を説明する。

粗動ステージ１は、ステージ定盤２の上に静圧ガイドなどの粗動ガイド３を介して配置され、Ｘ軸方向に移動自由になっている。粗動ステージ１の位置は、粗動ステージ１に固定された粗動反射鏡６を使って粗動レーザ干渉計５により計測される。粗動レーザ干渉計５は、粗動ステージ１の位置計測結果を粗動ステージ位置計測値４として出力する。粗動ステージ１の位置は、粗動ステージ位置計測値４を用いて不図示のフィードバック制御系によって制御される。微動ステージ７は、粗動ステージ１の上に搭載されたベース９によって支持機構８を介して下方から支持されている。

図４は、支持機構８を例示する図である。図４（ａ）は、組み立てられた状態の支持機構８を例示している。図４（ｂ）は、説明の便宜のために分解された状態の支持機構８を例示している。支持機構８は、微動ステージ７とベース９との間に配置されていて、ばね性を有する支持部ＳＰで微動ステージ７を支持する。支持機構８は、典型的には、微動ステージ７を下方から支持する。

支持部ＳＰは、微動ステージに固定された反発可動子３１と、粗動ステージ１の上に搭載れたベース９に固定された反発固定子３２とを含みうる。支持機構８は、反発可動子３１を微動ステージ７に固定する固定部（不図示）と、反発固定子３２をベース９に固定する固定部４０とを有する。反発可動子３１は、反発可動磁石３３と反発可動磁石ホルダ３４とを含む。反発可動磁石３３は、板状の単極永久磁石であって、板厚方向（Ｘ軸方向）に着磁されている。図４（ｂ）において、反発可動磁石３３の着磁方向は、Ｘ軸のプラス方向がＮ極で、Ｘ軸のマイナス方向がＳ極である。

反発固定子３２は、前側ヨーク３６と、後側ヨーク３７と、２個の横ヨーク３８と、２枚の反発固定磁石３９とを有しうる。前側ヨーク３６と後側ヨーク３７には、それぞれ反発固定磁石３９が固定されている。これらの反発固定磁石３９は、板状の単極永久磁石であって、板厚方向（Ｘ軸方向）に着磁されている。ここで、２枚の反発固定磁石３９の着磁方向は、反発可動磁石３３の着磁方向とは逆になっている。つまり、２枚の反発固定磁石３９の着磁方向は、Ｘ軸のプラス方向がＳ極で、Ｘ軸のマイナス方向がＮ極である。

前側ヨーク３６、後側ヨーク３７および横ヨーク３８は、反発固定磁石３９の磁束を循環させるためのものであって、鉄等の軟磁性体で構成されうる。前側ヨーク３６の裏面についている反発固定磁石３９の奥側つまりＮ極から出た磁束は、後側ヨーク３７の表面についている反発固定磁石３９の手前側つまりＳ極に入る。そして、その反発固定磁石３９の奥側つまりＮ極から出た磁束は、後側ヨーク３７に入り、左右（この場合、Ｙ軸のプラス方向とマイナス方向）に分かれて２枚の横ヨーク３８に入る。その後、その磁束は、２枚の横ヨーク３８中をＸ軸のプラス方向に流れて前側ヨーク３６に入り、前側ヨーク３６中でヨーク中央に向かうように流れて前側ヨーク３６の裏面の反発固定磁石３９のＮ極に達する。

２枚の反発固定磁石３９の間の距離は反発可動磁石３３の板厚より大きく設定されていて、反発可動磁石３３は、２枚の反発固定磁石３９の間に非接触で挿入されている。反発可動子３１の反発可動磁石３３が反発固定子３２の２枚の反発固定磁石３９の間に挿入されると、両者は同じ極同士が対面するので、反発固定磁石３９と反発可動磁石３３の間に、Ｚ軸のプラス方向（上向き）の反発力が働く。この反発力によって微動ステージ７が支持される。

反発可動磁石３３のＮ極側と、Ｓ極側の各々で、Ｘ軸方向にも反発力が働くが、その反発力は、反発可動磁石３３と２枚の反発固定磁石３９とがＸ軸方向に関して対称な配置になっている。そのため、反発可動磁石３３が２枚の反発固定磁石３９の間の中間位置（基準位置）に位置するときは、反発可動磁石３３には、Ｘ軸方向に沿った力は作用しない。しかし、反発可動磁石３３のＸ軸方向における位置が２枚の反発固定磁石３９の間の中間位置（基準位置）から変位すると、その変位を打ち消す方向にその変位の量に応じた復元力が反発可動磁石３３に作用する。つまり、支持部ＳＰは、反発可動子３１と反発固定子３２とのＸ軸方向における相対位置の変動を打ち消すばね性を有する。なお、図４（ａ）、（ｂ）に示す支持機構８は、１つの構成例に過ぎず、支持機構８は、他の種々の構成を有しうる。支持機構８は、例えば、コイルばね又は空気ばねで構成された支持部ＳＰを有しうる。

以下、再度図１を参照しながら説明を続ける。位置決め装置１０００は、微動ステージ７を駆動するように微動ステージ７とベース９との間に配置されたリニアモータ（アクチュエータ）１０と、リニアモータ１０を制御する制御部ＣＮＴとを備えている。リニアモータ１０は、微動ステージ７とベース９との間に力を作用させて微動ステージ７を駆動する。制御部ＣＮＴは、フィードバック制御器１１、フィードフォワード制御器１２、差分器１７、加算器２１を含み、これらは、典型的には、デジタル計算機で構成されうる。微動ステージ７の位置は、粗動ステージ１の位置を計測するための粗動レーザ干渉計５と同じ計測基準部材に設けられた微動レーザ干渉計１４によって計測される。ここで、微動レーザ干渉計１４は、微動ステージ７に固定された微動反射鏡１５を使って微動ステージ７の位置を計測し、微動ステージ７の位置計測結果を微動ステージ位置計測値１３として出力する。差分器１７は、微動ステージ７のＸ軸方向に関する位置指令値（目標位置）１６と微動ステージ位置計測値１３との差分、即ち、Ｘ軸方向に関する位置偏差１８を演算する。フィードバック制御器１１は、例えばＰＩＤ演算により、位置偏差１８を低減するフィードバック制御指令値（第１指令値）１９を決定する。

微動ステージ７および粗動ステージ１の位置は、前述のように、同じ計測基準部材に固定された微動レーザ干渉計１４および粗動レーザ干渉計５によって計測されている。したがって、微動ステージ７の位置から粗動ステージ１の位置を差し引くことにより微動ステージ７と粗動ステージ１との相対位置を得ることができる。この相対位置から両ステージ７、１のサーボ初期化時の初期相対位置（基準相対位置）を差し引けば、相対位置の変動量を得ることができる。ベース９は粗動ステージ１に搭載されているので、この変動量は、支持機構８の支持部ＳＰのＸ軸方向のばね性における変位量に等しい。この変位量に相当する復元力を支持部ＳＰが発生する。この復元力は、微動ステージ７の位置を制御するためのフィードバック制御系に対する外乱として作用する。この変位量に対して支持部ＳＰのＸ軸方向のばね性における剛性値（ばね定数）を乗じることによって、微動ステージ７に対する外乱を計算することができる。フィードフォワード制御器１２は、この外乱の少なくとも一部を打ち消すための力指令値をフィードフォワード制御指令値（第２指令値）Ｆｃとして発生する。ここで、フィードフォワード制御器１２は、フィードフォワード制御指令値Ｆｃを式（１）に従って決定することができる。

Ｆｃ＝Ｋ・Ｘｃ ・・・式（１）
ここで、Ｋは支持機構８（支持部ＳＰ）のＸ軸方向のばね性における剛性値（ばね定数）、Ｘｃは変位量である。

加算器２１は、フィードバック制御指令値１９とフィードフォワード制御指令値Ｆｃとを加算して微動制御指令値２２を発生する。ＤＡ変換器２３は、微動制御指令値２２をアナログ信号の電流指令値２４に変換する。電流ドライバ２５は、電流指令値２４に従ってリニアモータ１０に電流２６を供給する。これにより、微動制御指令値２２に従った推力で微動ステージ７が駆動される。この推力により、外乱の少なくとも一部を打ち消し、微動ステージ７を高速かつ高精度で位置決めすることができる。

以上のように、制御部ＣＮＴは、目標位置に対する微動ステージ７の位置の偏差と、微動ステージ７とベース９との相対位置の変動量とに基づいてリニアモータ１０を制御する。ここで、制御部ＣＮＴは、該偏差が低減され、かつ、支持部ＳＰのばね性によって微動ステージ７に作用する力の少なくとも一部が打ち消されるようにリニアモータ１０を制御する。

支持機構８の支持部ＳＰのＸ軸方向における剛性値は、支持機構８を位置決め装置１０００に組み込んだ状態で決定することができる。以下、その方法を例示的に説明する。まず、粗動ステージ１と微動ステージ７との相対位置を前もって定めた基準相対位置になるようにして、この状態でフィードバック制御器１１を含むフィードバック制御系の初期化を行う。そして、この状態におけるフィードバック制御指令値１９を記録する。次に、粗動ステージ１と微動ステージ７との相対位置を変更して静止させ、再びフィードバック制御指令値１９を記録する。この相対位置の変更量が変位量Ｘｃに相当し、Ｘｃの値を徐々に変更して同様の処理を行う。相対位置の変更量の最大値は、位置決め装置１０００の通常の動作時における微動ステージ７と粗動ステージ１との相対位置の変動量の最大値に基づいて決定すればよい。ここで、相対位置を変更する度に微動ステージ７および粗動ステージ１を静止させて、その時のフィードバック制御指令値１９を記録してもよい。あるいは、相対位置を極低速で連続的に変更しながらフィードバック制御指令値１９を記録してもよい。この際には、微動ステージ７の位置偏差１８が静止時と極低速時とで違いがない程度に速度を低く設定すればよい。

図２は、変位量Ｘｃを変えてフィードバック制御指令値１９を計測した結果と、その一次近似直線を示す。変位量Ｘｃに対してフィードバック制御指令値１９の傾きは正の符号となっている。静止状態におけるフィードバック制御指令値１９は外乱に対抗する力である。一方、支持機構８の支持部ＳＰのばね性による復元力は、変位量Ｘｃに対して負の傾きである。図２の場合は、変位量Ｘｃに対してフィードバック制御指令値１９が一次直線で近似できており、この傾きが剛性値Ｋである。

一次関数で近似した場合に誤差が大きい場合には、高次関数近似を用いてもよい。あるいは、変位量Ｘｃを引数として数値テーブルを参照して剛性値を決定してもよい。

ここでは、説明の簡単化のためにＸ軸方向に関する位置決めに関して説明したが、上記のＸ軸方向に関する制御をＹ軸方向に関する制御にも適用することができる。

上記の実施形態では、支持機構８の支持部ＳＰのＸ軸方向におけるばね性の変位量を粗動ステージ１と微動ステージ７との位置計測値の差分で求めていたが、微動ステージ７とベース９との距離を直接計測するギャップセンサを設けてその出力を用いてもよい。

図３を参照しながら本発明の第２実施形態の位置決め装置１００１について説明する。ここで特に言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。第２実施形態では、フィードバック制御指令値１９に対して、フィードフォワード制御指令値Ｆｃの他に、加速度フィードフォワード制御指令値１０１を加算して微動制御指令値２２を生成する。これにより、微動ステージ７および粗動ステージ１の加減速時における位置偏差１８を小さくすることができる。加速度フィードフォワード制御指令値１０１は、位置指令値１６と連動した加速度指令値１０２と、その加速度指令値１０２の位相進み補償を行った補正制御指令値１０３とを加算器１０５で加算した指令値である。補正制御指令値１０３は、位相進み補償器１０４が加速度指令値１０２を処理することによって生成される。位相進み補償器１０４は、例えば、加速度指令値１０２の一階微分値および二階微分値を算出し、それらの各々に調整用ゲインを乗じた結果を補正制御指令値１０３として出力するように構成されうる。補正制御指令値１０３は、例えば、デジタル計算機でのサンプリング時間による加速度指令値１０２の遅れと、電流ドライバ２５の応答遅れに対処するためのものである。さらに高次微分の項も用いても良いが、デジタル計算機の離散化と量子化の影響により精度が悪くなるので、二階微分値までを使用するのが良い。この位相進み補償の結果、リニアモータ１０が出力する加減速力は、加速度指令値１０２に対する遅れが小さいものとなる。

支持機構８の支持部ＳＰのばね性による外乱の影響は、フィードフォワード制御器１２により抑えられる。したがって、微動ステージ７を駆動するリニアモータ１０が発生する力から微動ステージ７の位置（微動ステージ位置計測値）までの伝達関数は、１／（Ｍｓ^２）（Ｍは微動ステージの質量、ｓはラプラス演算子）という単純な形となる。よって、加速度指令値１０２に従った加減速力がリニアモータ１０からフィードフォワード制御で出力されることで、加減速時の位置偏差を非常に小さくすることができる。露光装置は、ステージの等速移動中に基板を露光するスキャン露光が主流であり、生産性を高めるには加速して等速になってから露光可能な偏差振幅に落ち着くまでの整定時間を短縮することが重要である。第２実施形態の位置決め装置１００１は、加速時における位置偏差を非常に小さくできるので、等速になったと同時に基板を露光するために有利である。一方、フィードフォワード制御器１２を用いない構成では、支持機構８のばね性と粗動ステージ１の影響により、上記の伝達関数は１／（Ｍｓ^２）のような単純な形とはならず、加速度指令値１０２によって加速時における位置偏差を小さくすることは難しい。

第１実施形態および第２実施形態において、微動ステージ７を駆動するアクチュエータは、リニアモータ１０のみに限定されるものではない。例えば、加速度が大きいときにリニアモータ１０の発熱が問題になる場合は、加減速用の電磁石が追加されてもよい。

次に、図５を参照しながら第１実施形態および第２実施形態を通して例示的に説明された本発明の位置決め装置を備える露光装置ＥＸについて説明する。露光装置ＥＸは、基板Ｗに原版Ｒのパターンを転写するように構成されている。露光装置ＥＸは、原版Ｒを位置決めする原版位置決め機構ＲＳＭと、原版Ｒを照明する照明系ＩＬと、基板Ｗを位置決めする基板位置決め機構ＷＳＭと、原版Ｒのパターンを基板に投影する投影光学系ＰＯとを含みうる。原版位置決め機構ＲＳＭおよび基板位置決め機構ＷＳＭの少なくとも一方は、上記の位置決め装置１０００および１００１に代表される位置決め装置を含んで構成されうる。

次に、本発明の一実施形態のデバイス製造方法について説明する。デバイスは、例えば、半導体デバイスでありうる。半導体デバイスは、ウエハ（半導体基板）に集積回路を作る前工程と、前工程で作られたウエハ上の集積回路チップを製品として完成させる後工程とを経ることにより製造される。前工程は、前述の露光装置ＥＸを用いて、感光剤が塗布された基板に原版のパターンを転写する工程と、その基板を現像する工程とを含みうる。後工程は、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）と、パッケージング工程（封入）とを含みうる。

Claims (7)

1. 微動ステージと、ステージ定盤の上で移動する粗動ステージの上に搭載されたベースと、前記微動ステージと前記ベースとの間に配置されていて、ばね性を有する支持部で前記微動ステージを支持する支持機構と、前記微動ステージを駆動するように前記微動ステージと前記ベースとの間に配置されたアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御部とを備える位置決め装置であって、
   前記制御部は、目標位置に対する前記微動ステージの位置偏差を低減するための第１指令値を発生するフィードバック制御器と、前記微動ステージと前記ベースとの相対位置の変動量に基づいて、前記支持部の前記ばね性によって前記微動ステージに作用する力の少なくとも一部を打ち消すための第２指令値を発生するフィードフォワード制御器とを含み、前記第１指令値と前記第２指令値との和を含む指令値によって前記アクチュエータを制御し、
   前記フィードフォワード制御器は、前記変動量に前記ばね性の剛性値を乗じることによって前記第２指令値を得る、
   ことを特徴とする位置決め装置。
2. 前記制御部は、前記目標位置と前記微動ステージの位置計測値との差分を前記位置偏差として演算する差分器を更に含み、前記フィードバック制御器は、前記差分器によって演算された前記差分に基づいて前記第１指令値を発生する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
3. 前記制御部は、前記微動ステージの計測位置と前記ベースの計測位置との差から初期化時の前記微動ステージと前記ベースとの相対位置を差し引くことによって前記変動量を得る、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位置決め装置。
4. 前記制御部は、前記第１指令値および前記第２指令値のほか、前記微動ステージの加速度指令値に基づいて前記アクチュエータを制御する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位置決め装置。
5. 前記支持部は、永久磁石と永久磁石との間に作用する反発力によって前記ステージを支持する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の位置決め装置。
6. 原版のパターンを基板に転写する露光装置であって、
   前記原版を位置決めする原版位置決め機構と、
   前記基板を位置決めする基板位置決め機構と、
   前記原版のパターンを前記基板に投影する投影光学系と、を備え、
   前記原版位置決め機構および前記基板位置決め機構の少なくとも一方は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の位置決め装置を含む、
   ことを特徴とする露光装置。
7. デバイスを製造するデバイス製造方法であって、
   請求項６に記載の露光装置によって基板を露光する工程と、
   該基板を現像する工程と、
   を含むことを特徴とするデバイス製造方法。