KR20010070483A - 스테이지 장치, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법 - Google Patents

스테이지 장치, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 스테이지 장치는, 기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제1 및 제2 이동체와, 제1 이동체와 제2 이동체 사이에서 힘을 발생시키는 제1 액츄에이터와, 기준면과 제2 이동체 사이에서 힘을 발생시키는 제2 액츄에이터를 포함한다. 제1 제어계는 제1 액츄에이터를 이용하여 제1 이동체의 위치를 제어하며, 제2 제어계는 제2 액츄에이터를 이용하여 제1 제어계의 제어에 동기하여 제2 이동체의 위치를 제어한다.

Description

스테이지 장치, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법{STAGE APPARATUS, EXPOSURE APPARATUS, AND DEVICE PRODUCTION METHOD}
본 발명은, 반도체 노광 장치 또는 검사 장치에 사용되어 노광 대상물, 전사될 원패턴을 갖는 마스크, 또는 피검사물을 원하는 위치로 위치지정하기 위한 스테이지 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 스테이지 장치를 이용하는 노광 장치와, 이 노광 장치를 이용하는 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 제조에 이용되는 노광 장치로서 스테퍼 및 스캐너가 널리 이용되고 있다. 스테퍼는, 스테이지 장치상에 놓여진 반도체 웨이퍼를 투영 렌즈 아래에서 스텝 이동시키면서, 레티클 상에 형성되어 있는 패턴상을 투영 렌즈로 웨이퍼상에 축소 투영하여, 1매의 웨이퍼상의 복수 개소에 순차 노광하여 가는 것이다. 한편, 스캐너는, 웨이퍼 스테이지상의 반도체 웨이퍼와 레티클 스테이지상의 레티클을 투영 렌즈에 대하여 상대 이동시켜, 주사 이동중에 슬릿형의 노광광을 조사하여, 레티클 패턴을 웨이퍼에 투영하는 것이다. 스테퍼 및 스캐너는, 해상도 및 중첩 정밀도면에서 높은 성능을 갖고 있기 때문에 노광 장치로서 널리 사용되고 있다.
도 5는 종래의 노광 장치의 일례를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이 노광 장치는, 공장의 플로어(floor)상에 설치되는 베이스 프레임(1)상에 구성된다. 베이스 프레임(1)상에는 렌즈 배럴(barrel) 베이스(2)가 지지된다. 렌즈 배럴 베이스(2) 상에는, 축소 광학계(3)와, 노광 원판인 레티클을 탑재하는 레티클 스테이지(4)와, 얼라인먼트 광학계(도시하지 않음)가 설치된다. 렌즈 배럴 베이스(2)는, 장치가 설치되는 플로어의 진동의 영향을 피하기 위해서, 공기 스프링 등을 이용하여 제진(除振) 기구(vibration isolation mechanism)(5) 상에 배치되어 있다. 레티클 스테이지(4)는, 노광 장치가 스테퍼형일 경우에는 작은 범위 내에서 구동된다. 반대로, 노광 장치가 주사형(scanner type)일 경우에는, 레티클 스테이지(4)는 후술하는 웨이퍼 스테이지(6)와 동기되어 주사 구동된다.
베이스 프레임(1) 상에는 웨이퍼 스테이지 베이스(7)가 배치되며, 웨이퍼 스테이지 베이스(7)는 웨이퍼 스테이지(6)의 수평 방향의 가이드 역할을 한다. 웨이퍼 스테이지(6)는, 수평면 내에서 웨이퍼를 이동시키도록, 서로 직교하는 2 방향(X 및 Y 방향)으로 이동가능한 2개의 스테이지로 구성된다. 즉, 웨이퍼 스테이지(6)는, Y 방향으로 이동가능한 Y 스테이지와, Y 스테이지 위에 배치되어 X 방향으로 이동가능한 X 스테이지로 구성되어 있다. X 및 Y 스테이지와, 웨이퍼 스테이지 베이스(7)의 사이, 및 X 스테이지와 Y 스테이지의 사이에는 정압 베어링(hydrostatic bearings)이 배치되어 있어서, X 및 Y 스테이지가, 이동 방향으로는 매우 저마찰로 이동할 수 있지만, 이동면의 직각 방향으로는 고강성으로 지지되어 있다. 따라서, Y 스테이지를 구동하면, X 스테이지는 Y 스테이지와 함께 이동한다. Y 스테이지 상에는 선형 모터의 가동자(mover)로서 기능하는 자석이 배치되어 있고, 이 가동자와, 스테이지 베이스(7) 상에 설치된 선형 모터의 고정자(stator)(코일의 형태임) 사이에서 추진력이 발생함으로써 Y 스테이지가 구동된다. 마찬가지로, X 스테이지 상에는 선형 모터 가동자가 설치되고 있고, 이 가동자와, Y 스테이지 상에 배치된 선형 모터 고정자 사이에서 추진력이 발생한다. Y 스테이지에 가해지는 X 스테이지의 구동 반력(reaction force)은, 스테이지 베이스(7) 상에 형성된 가이드에서 받기 때문에, 결과적으로 X 스테이지는 스테이지 베이스(7)에 대하여 X 방향으로 구동된다.
X 스테이지 상에는, XY 평면 내의 회전 방향과, XY 평면의 법선 방향과, X 축 주위의 회전 방과, Y 축 주위의 회전 방향의 위치를 미세하게 조정할 수 있는 미동 조정 스테이지(8)가 배치되어 있다(여기서는 미동 조정 스테이지(8)에 대해더 이상 상세히 기술하지 않기로 한다). 노광될 웨이퍼는 미동 조정 스테이지(8) 상의 웨이퍼 척(도시하지 않음) 상에 배치된다. 웨이퍼 스테이지(6)의 위치 계측에는 고분해능의 레이저 간섭계가 이용된다. 웨이퍼 스테이지(6)의 고정밀도의 위치 결정을 행하기 위해서, 도 5에 도시되지 않은 스테이지 제어계가 사용된다. 스테이지 제어계는, 주 제어기(도시하지 않음)로부터 생성되는 웨이퍼 스테이지 위치 목표치와, 레이저 간섭계의 웨이퍼 스테이지 위치 계측치에 기초하여, 웨이퍼 스테이지(6)의 액츄에이터에 구동 지령 신호를 보낸다. 이 구동 지령 신호에 따라, 웨이퍼 스테이지(6)의 각 선형 모터는 선형 모터 구동 증폭기(도시하지 않음)에 의해 소정의 방향으로 추진력을 발생한다.
노광 장치의 성능 지표의 하나로서, 단위 시간 당 웨이퍼 처리 매수(처리량)를 들 수 있다. 웨이퍼 스테이지(6)의 이동은, 웨이퍼를 교환할 때, 얼라인먼트(웨이퍼와 노광계의 위치 정렬)를 행할 때, 웨이퍼의 각 쇼트 영역(노광되는 영역)을 노광 위치로 이동할 때에 행해진다. 1매의 웨이퍼 처리에 있어서 웨이퍼 스테이지(6)의 이동 시간은 큰 부분을 차지한다. 따라서, 처리량 향상을 위해서는, 웨이퍼 스테이지(6)의 XY 방향 이동에 요하는 시간을 짧게 하는 것이 요구된다. 웨이퍼 스테이지의 고속 이동을 행하기 위해서는, 이동 속도를 올림과 동시에 가감속도 빨리 행할 필요가 있다. 웨이퍼 스테이지(6)의 구동력은, 웨이퍼 스테이지(6)의 질량과 가속도의 곱으로 정해진다. 그 반력인 Y 스테이지 구동반력은 스테이지 베이스(7)를 통해 베이스 프레임(1) 및 플로어에 전달된다. X 스테이지 구동반력은 스테이지 베이스(7)을 통해 베이스 프레임(1) 및 플로어에 전달된다. X 및 Y스테이지의 구동반력이 커지면, 베이스 프레임(1) 및 플로어가 진동된다. 이 베이스 프레임(1) 또는 플로어의 진동으로 인해, 웨이퍼 스테이지(6)의 위치 결정 정밀도가 악화된다. 이외에도, 제진 기구의 성능이 제한되기 때문에, 렌즈 배럴 베이스(2)에도 진동이 전해져, 노광 정밀도가 저하된다. 또한, 노광 장치에 인접하여 설치되는 다른 장치에도 플로어의 진동이 영향을 미치게 된다.
베이스 프레임(1) 및 플로어에 스테이지 구동반력의 전달을 방지하기 위한 하나의 공지된 방법이 도 6에 도시되어 있다. 이 방법에서는, 베이스(9)가 플로어 위에 수평 방향으로 자유롭게 이동될 수 있도록 배치되어 있고, 스테이지(10)는 베이스(9) 상에 수평 방향으로 자유롭게 이동될 수 있도록 지지되어 있다. 베이스(9)와 스테이지(10) 사이에 구동력 f가 인가될 경우, 스테이지(10)의 질량을 m, 베이스(9)의 질량을 M으로 하면, 스테이지(10)에는 가속도 α= f/m이 작용하고, 베이스(9)에는 스테이지(10)와는 반대 방향으로 가속도 β= f/M이 작용한다. 즉, 질량의 역비로 스테이지(10)와 베이스(9)가 이동한다. 그러나, 구동반력은 각각의 가속도로 되어 상쇄되어서, 플로어에 전달되지 않는다.
도 6에 도시된 시스템에서, 스테이지(10)는 베이스(9)와 항상 상대적으로 움직이기 때문에, 시스템의 밖에 배치된 스테이지(10)의 위치(예를 들면, 상)를 계측 기준으로 했을 때의 스테이지(10)의 위치와, 스테이지(10)와 베이스(9)간의 상대적 위치는 특정한 관계를 가져야 한다. 즉, 도 7에 도시한 바와 같이, 계측계 기준(11)을 기준으로 하는 스테이지(10)의 Y 방향 변위 Ys와 베이스(9)의 Y 방향 변위 Yb는, 아래의 수학식 1의 관계가 항상 성립되어야 한다.
그러나, 수학식 1의 관계는 이상적인 상태에서만 성립하는 것이며 쉽게 깨질 것이다. 스테이지(10)은, 계측계의 위치 측정 신호에 기초하여 피드백 제어를 행하면, 원하는 위치에 용이하게 위치 결정될 수 있다. 그러나, 베이스(9)는 완전히 수동적으로 이동하며, 스테이지(10)의 구동반력에 의해서만 이동한다.
이하에 후술되는 바와 같이, 스테이지 베이스 시스템에는, 수학식 1의 관계를 무너뜨리는 요인으로서, 외란이 생길 수 있다. 이상적으로는, 베이스(9)는 플로어 위에 수평 방향으로 자유롭게 이동될 수 있도록 가이드에 지지된다. 그러나 실제로는, 가이드에는 이동 방향에 따라 변하는 마찰이 존재한다. 또한, 구동 코일의 배선 등이 스프링으로서 작용한다. 또한, 베이스(9)를 지지하는 플로어가 완전한 수평면일 필요는 없다. 스테이지(10)의 정지시에 베이스(9)가 플로어 상의 낮은 쪽으로 변위하여 버리는 정도의 경사는 없다고 하더라도, 스테이지(10)의 이동 방향에 따라 베이스(9)의 이동 거리가 달라진다. 스테이지(10)가 가속이 작은 저속 이동을 한 경우, 스테이지(10)의 구동 반력이 베이스(9)의 정지 마찰보다도 작을 경우에는, 베이스(9)는 전혀 움직이지 않는다. 따라서, 스테이지(10)가 저속 이동을 반복하여 구동되는 경우, 스테이지(10)와 베이스(9) 사이의 상대적인 위치는 수학식 1에 의한 위치 관계에서 벗어나게 된다. 극단적인 경우, 스테이지(10) 및 베이스(9)는 도 8에 도시된 위치로 되며, 스테이지(10)는 양(positive)의 Y 방향으로는 더 이상 이동할 수 없게 되어 버린다.
본 발명의 목적은, 상기 문제점을 극복하여 수학식 1을 항상 만족시키고, 구동 반력을 플로어 등에 미치게 하지 않는 스테이지 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 이동 스테이지와 스테이지 베이스가 소정의 상대 위치 관계를 유지하면서, 이동 스테이지의 가동 범위를 소정의 값으로 유지할 수 있도록 하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은, 이러한 스테이지 장치를 이용하는 노광 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은, 이러한 노광 장치를 이용하는 디바이스를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 웨이퍼 스테이지의 상면도,
도 2는 도 1의 웨이퍼 스테이지의 정면도,
도 3은 도 1의 웨이퍼 스테이지를 포함하는 노광 장치의 정면도,
도 4는 도 1의 웨이퍼 스테이지의 제어계를 나타내는 블럭도,
도 5는 종래의 노광 장치의 일례를 나타내는 개략도,
도 6은 종래의 위치 결정 스테이지의 일례를 나타내는 도면,
도 7은 종래의 위치 결정 스테이지의 동작을 나타내는 도면,
도 8은 종래의 위치 결정 스테이지의 문제점을 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 상면도,
도 10은 도 9의 장치의 정면도,
도 11은 도 9의 장치에 사용되는 위치 고정 기구의 구조를 나타내는 도면,
도 12는 도 9의 장치의 동작을 도시하는 플로우차트,
도 13은 도 1의 장치의 전원 턴 온 시간부터의 장치의 동작을 나타내는 플로우차트,
도 14는 본 발명에 따른 노광 장치를 이용하는 디바이스 제조 프로세스를 나타내는 플로우차트,
도 15는 도 14에 도시된 웨이퍼 프로세스의 상세한 플로우차트.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 베이스 프레임
2 : 렌즈 배럴 베이스
6 : 웨이퍼 스테이지
7 : 스테이지 베이스
8 : 미동 스테이지
13 : Y 스테이지
14 : 요우 방향 가이드
15 : 선형 모터 고정자
16 : 선형 모터 가동자
17 : X 스테이지
본 발명의 제1 특징에 따른 스테이지 장치는, 기준면에 평행한 방향으로 이동 가능한 제1 이동체; 기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제2 이동체; 제1 이동체와 제2 이동체 사이에서 힘을 발생시키는 제1 액츄에이터; 기준면과 제2 이동체 사이에서 힘을 발생시키는 제2 액츄에이터; 제1 액츄에이터를 이용하여, 제1 이동체의 위치를 제어하는 제1 제어계; 및 제2 액츄에이터를 이용하여, 제1 제어계에의한 제어에 동기하여 제2 이동체의 위치를 제어하는 제2 제어계를 구비하고 있다.
본 발명에 따른 이 스테이지 장치에서, 제1 이동체의 질량을 m으로 하고, 제1 제어계에 의해 제어되는 제1 이동체의 위치의 목표치를 Ys로 하고, 제2 이동체의 질량을 M으로 하고, 제2 이동체의 위치의 목표치를 Yb로 하면, Yb=-m/M·Ys의 관계가 유지된다.
본 스테이지 장치는, 제1 이동체 및 제2 이동체를 초기 위치로 이동시키기위한 초기 위치 액츄에이터를 더 포함하는 것이 바람직하다.
초기 위치 액츄에이터는, 제2 이동체가 고정된 위치에 있는 동안 제1 이동체를 초기 위치로 이동시킬 수도 있다.
본 스테이지 장치는, 제1 이동체의 위치를 계측하는 제1 위치 계측계, 및 제2 이동체의 위치를 계측하는 제2 위치 계측계를 더 포함할 수도 있다.
제1 제어계는, 제1 위치 계측계의 계측 결과 및 제1 이동체의 위치 목표치에 기초하여, 제1 이동체의 위치를 제어하며, 제2 제어계는, 제2 위치 계측계의 계측 결과 및 제2 이동체의 위치 목표치에 기초하여, 제2 이동체의 위치를 제어할 수도 있다.
제1 위치 계측계에 의한 위치 계측에 사용되는 위치 기준으로서 기능하는 부재가 기준면으로부터 진동 차단된 구조체 상에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 제1 위치 계측계에 의한 위치 계측에 사용되는 위치 기준으로서 기능하는 부재가 기준면과 일체적으로 설치될 수도 있다.
제2 위치 계측계에 의한 위치 계측에 사용되는 위치 기준으로서 기능하는 부재가 기준면으로부터 진동 차단된 구조체 상에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 제2 위치 계측에 의한 위치 계측에 사용되는 위치 기준으로서 기능하는 부재가 기준면과 일체적으로 설치될 수도 있다.
보다 구체적으로는, 제1 이동체 및 제2 이동체 둘 모두가 기준면 상에 지지되어 있다.
제2 이동체는 기준면 상에 지지되어 있고, 제1 이동체는 제2 이동체 상에 지지되어 있는 것이 바람직하다.
제1 이동체 및 제2 이동체는 기준면과 평행한 2축 방향으로 이동가능한 것이 바람직하다.
제1 이동체는 이동가능한 스테이지이고, 제2 이동체는 스테이지 베이스 또는 제1 액츄에이터의 고정자인 것이 바람직하다.
제1 액츄에이터는 선형 모터인 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 특징에 따르면, 기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제1 이동체; 기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제2 이동체; 제2 이동체에 대해 제1 이동체를 이동시키기 위한 힘을 발생시키는 액츄에이터; 제2 이동체를 제2 이동체의 이동 범위내의 임의의 위치에 고정하는 고정 기구; 제2 이동체의 위치를 계측하는 위치 계측계; 및 액츄에이터를 이용하여, 제1 이동체의 위치를 제어하는 제어계를 포함하는 스테이지 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 스테이지 장치는, 제1 이동체의 질량을 m, 제어계에 의해 제어되는 제1 이동체의 위치의 목표치를 Ys, 제2 이동체의 질량을 M, 제2 이동체의 위치의 목표치를 Yb로 했을때,
Yb=-m/M·Ys의 관계를 만족하도록 제1 이동체의 위치를 결정하는 제어기를 더 포함하며, 제어기는, 제1 이동체의 위치결정이 완료된 후 제2 이동체의 고정을 해제하는 것이 바람직하다.
본 스테이지 장치는, 상기 관계가 만족되는지 여부를 판정하기 위한 판정기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
판정기에 의해 상기 관계가 만족되지 않은 것으로 판정된 경우, 제어기는 제1 이동체의 위치결정을 다시 수행할 수도 있다.
위치 계측계에 의해 사용되는 위치 기준으로서 기능하는 부재가 기준면으로부터 진동 차단된 구조체 상에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 위치 계측계에 의해 사용되는 위치 기준으로 기능하는 부재가 기준면과 일체적으로 설치될 수도 있다.
제1 이동체 및 제2 이동체 둘 모두는 기준면 상에 지지되어 있는 것이 바람직하다.
제2 이동체는 기준면 상에 지지되어 있고, 제1 이동체는 제2 이동체 상에 지지되어 있는 것이 더욱 바람직하다.
제1 이동체 및 제2 이동체는 기준면과 평행한 2축 방향으로 이동가능한 것이 바람직하다.
제1 이동체는 이동가능한 스테이지이고, 제2 이동체는 스테이지 베이스 또는 제1 액츄에이터의 고정자인 것이 바람직하다.
제1 액츄에이터는 선형 모터인 것이 바람직하다.
본 발명의 제3 특징에 따르면, 기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제1 이동체; 기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제2 이동체; 제2 이동체와 제1 이동체 사이에 힘을 발생시키는 제1 액츄에이터; 기준면과 제2 이동체 사이에 힘을 발생시키는 제2 액츄에이터; 제1 액츄에이터를 이용하여, 제1 이동체의 위치를 제어하는 제1 제어계; 및 제2 액츄에이터를 이용하여, 제1 제어계에 의한 제어에 동기하여제2 이동체의 위치를 제어하는 제2 제어계를 포함하는 노광 장치가 제공된다.
본 발명의 제4 특징에 따르면, 기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제1 이동체; 기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제2 이동체; 제2 이동체와 제1 이동체 사이에 힘을 발생시키는 액츄에이터; 제2 이동체를 제2 이동체의 이동 범위 내의 임의의 위치에 고정시키는 고정 기구; 제2 이동체의 위치를 계측하는 위치 계측계; 및 액츄에이터를 이용하여, 제1 이동체의 위치를 제어하는 제어계를 포함하는 노광 장치가 제공된다.
본 발명의 제5 특징에 따르면, 본 발명의 제3 특징에 따른 노광 장치를 준비하는 단계와, 이 노광 장치를 이용하여 노광을 행하는 단계를 포함하는 디바이스 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 제6 특징에 따르면, 본 발명의 제4 특징에 따른 노광 장치를 준비하는 단계와, 이 노광 장치를 이용하여 노광을 행하는 단계를 포함하는 디바이스 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부한 도면을 참조하여 기술되는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이며, 도면 전체에서, 동일 참조 부호는 동일하거나 유사한 부분을 나타낸다.
명세서에 첨부된 도면은 본 발명의 실시예를 나타내며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 주원리를 설명하기 위한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면에 따라 이하 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스테이지 장치를 웨이퍼 스테이지로서 이용한 경우의 상면도이고, 도 2는 그 정면도이다. 도 3은 도 1에 도시된 웨이퍼 스테이지를 포함하는 노광 장치의 정면도이다.
이들 도면에 도시한 바와 같이, 웨이퍼 스테이지(6)를 지지하는 스테이지 베이스(7)는, 정압 베어링을 통해 플로어 위에 단단하게 설치된 노광 장치의 베이스 프레임(1) 상에 설치된다. 베이스 프레임(1)의 상면은 경면 가공(mirror-finished)되어 있고, 스테이지 베이스(7)는 정압 베어링(12)에 의해 안내되어, 스테이지 베이스(7)가 거의 마찰없이 이동 가능할 수 있게 되어 있다. 스테이지 베이스(7) 상에는 웨이퍼 스테이지(6)를 구성하는 Y 스테이지(13)가 설치된다. Y 스테이지(13)의 저면 및 요우 방향 가이드면에는 여압 자석(pressurizing magnet)과 정압 베어링(12)으로 구성된 고강성의 정압 가이드가 설치된다. 스테이지 베이스(7)의 상면 및 스테이지 베이스(7)에 고착된 요우 방향 가이드(14)의 스테이지 측면은 경면 가공되어 있어서, Y 스테이지(13)는 스테이지 베이스(7)에 대하여 Y 방향으로 자유롭게 이동할 수 있도록 가이드되어 있다.
스테이지 베이스(7) 상에는 Y 방향으로 2개의 Y 방향 선형 모터 고정자(코일로 이루어짐)(15)가 설치되어 있다. Y 스테이지(13)는, Y 방향 선형 모터 가동자(자석으로 이루어짐)(16)와의 사이에 연결판으로 고정되어 있어서, 선형 모터에 의한 추진력에 의해 Y 방향으로 구동될 수 있다. Y 방향 구동력의 반력은, 선형 모터 고정자(15)를 통해 스테이지 베이스(7)에 전달된다.
Y 스테이지(13)를 부분적으로 둘러싸도록 X 스테이지(17)가 Y 스테이지 위에설치되어 있다. X 스테이지(17)의 바닥 위에는 Y 스테이지(13)와 마찬가지으로 정압 가이드가 형성되어 있다. X 스테이지(17)와 Y 스테이지(13) 사이에는 정압 베어링으로 이루어진 정압 가이드가 형성되어 있어서, X 스테이지(17)는 Y 스테이지(13)를 가로질러 X 방향으로 이동하고, Y 스테이지(13)가 Y 방향으로 이동하면 X 스테이지(17)는 Y 스테이지(13)와 함께 이동한다. Y 스테이지(13) 상에는 X 방향으로 설치된 X 방향 선형 모터 고정자(코일으로 이루어짐)가 있으며, X 스테이지(17) 상에는 X 방향 선형 모터 가동자(자석으로 이루어짐)가 설치되어 있어서, X 방향으로 추진력을 발생하는 X 선형 모터가 형성된다. X 선형 모터의 구동력은 X 스테이지(17)를 구동시키고, 그 반력은, Y 스테이지(13) 및 요우 방향 가이드(14)를 통해 스테이지 베이스(7)에 전달된다.
X 스테이지(17) 상에는, XY 평면내의 ωz 방향과, X 및 Y축에 대한 ωx와 ωy 방향으로 회전가능하고 Z 방향으로 이동할 수 있는 미동 조정 스테이지(8)가 설치되어 있다. 이 미동 스테이지(8)의 구성은, 예를 들면 미국 특허 No.5,858,587에 개시되어 있다. 미동 스테이지(8)는 X 스테이지(17)와 XY 방향으로 고강성으로 결합되어 있다. 미동 스테이지(8) 상에는, 미동 스테이지(8)의 XY 방향 변위를 측정하기 위한 X 간섭계 미러(19) 및 Y 간섭계 미러(20)가 설치되어 있다. 이들 미러를 이용하여, 렌즈 배럴 베이스(2), 즉 웨이퍼 스테이지 X 레이저 간섭계 기준(22)을 계측 기준으로 하는 레이저 간섭계에 의해 미동 스테이지(8)의 XY 방향 변위가 계측된다. 이들 간섭계에 의해 ωz, ωx 및 ωy 방향의 계측도 행해진다.
스테이지 베이스(7)의 X 방향의 중심 위치의 연장선 상에는, Y 방향의 스테이지 베이스(7) 구동용의 Y 방향 선형 모터 가동자(코일)(23)가 설치되어 있다. 스테이지 베이스(7)의 Y 방향의 중심의 양측에는, X 방향으로 스테이지 베이스(7)를 구동시키기 위한 두 개의 X 방향 선형 모터 가동자(코일)(24)가 설치된다. 가동자(23, 24)는, 스테이지 베이스 Y 방향 선형 모터의 고정자(자석)(25)와, 베이스 프레임(1) 상에 배치된 스테이지 베이스 X 방향 선형 모터 고정자(자석)(26)가 함께 사용되어, 각각 Y 및 X 방향으로 스테이지 베이스(7)를 구동시키기 위한 구동력을 발생시킨다. 또한, 가동자(24) 및 고정자(26)로 구성되는 2개의 스테이지 베이스 X 방향 선형 모터 사이의 구동력의 차이에 의해, XY 평면의 회전 방향에 대하여 모멘트를 발생시킬 수 있다. 스테이지 베이스(7)의 X 및 Y 방향과, XY 평면의 회전 방향의 변위는, 2개의 스테이지 베이스 X 방향 레이저 간섭계(27) 및 스테이지 베이스 Y 방향 레이저 간섭계(28)에 의해 계측된다. 이들의 스테이지 베이스 레이저 간섭계에 의한 계측은, X 및 Y 스테이지의 위치 계측에서와 같이, 렌즈 배럴 스테이지(1)에 따라 행해진다. 보다 구체적으로 설명하면, 렌즈 배럴 베이스(2)에 고정된, 스테이지 베이스 X 방향 간섭계 기준(51) 및 스테이지 베이스 Y 방향 간섭계 기준(52)이 계측 기준으로서 사용된다. 스테이지 베이스(7) 상에는, 스테이지 베이스 X 방향 레이저 간섭계(27)에 의해 사용하기 위한 스테이지 베이스 X 방향 레이저 간섭계 미러(29)와, 스테이지 베이스 Y 방향 레이저 간섭계(28)에 의해 사용하기 위한 스테이지 베이스 Y 방향 레이저 간섭계 미러(30)가 설치된다.
각 스테이지 베이스 선형 모터는, 추진력 방향과 직각 방향으로 스테이지 베이스(7)의 이동에 대해 충분히 여유를 갖도록 설치되어 있다. 즉, 스테이지 베이스(7)가 X 방향으로 이동하더라도 Y 방향 선형 모터의 고정자(25)와 가동자(23)가 서로 접촉되지 않도록 하고, 스테이지 베이스(7)가 Y 방향으로 이동하더라도 X 방향 선형 모터의 고정자(26)와 가동자(24)가 접촉되지 않도록 스테이지 베이스 선형 모터가 구성되어 있다.
도 4는 웨이퍼 스테이지(6)의 제어계를 나타낸 블럭도이다. 미동 스테이지(8)의 부분은 도 4에 도시하지 않는다. 도 4에서, 주 제어기(31)는 장치 전체의 동작을 제어하는 역할을 한다. 도 4의 점선에 의해 둘러싸인 부분이 웨이퍼 스테이지(6)를 제어하기 위한 제어계이다. 이 웨이퍼 스테이지 제어계는 주 제어기(31)와의 사이에서 웨이퍼 스테이지 위치 지령 및 웨이퍼 스테이지 위치 계측치를 주고받지만, 여기서는 그 설명은 생략한다. 도 4에서, 웨이퍼 스테이지 X 위치 제어계(32)는, 주 제어기(31)로부터 수신된 웨이퍼 스테이지 구동 지령과, 웨이퍼 스테이지 X 위치 지령기(33)로부터 수신된 위치 목표치와, 웨이퍼 스테이지 X 방향 레이저 간섭계 신호(34)에 근거하여, X 스테이지에 인가된 구동력의 피드포워드 제어와 목표 위치의 피드백 제어에 의해 X 방향 선형 모터(35)를 구동하여 X 스테이지(17)의 위치결정을 행한다.
마찬가지로, 웨이퍼 스테이지 Y 제어계(36)는, 주 제어기(31)로부터 수신된 웨이퍼 스테이지 구동 지령과, 웨이퍼 스테이지 Y 위치 지령기(37)로부터 수신된 목표 위치를 나타내는 값과, 웨이퍼 스테이지 Y 방향 레이저 간섭계 신호(38)에 근거하여, 두 개의 Y 방향 선형 모터(39)를 구동시킴으로써, Y 스테이지(13)의 위치결정을 행한다. 전술한 동작에서, X 스테이지(17)의 이동으로 인해 Y 스테이지(13), X 스테이지(17), 및 미동 조정 스테이지(8)의 전반적인 중심, 즉 Y 방향의 전체 이동 질량의 무게 중심이 이동한다. 웨이퍼 스테이지 Y 제어계(36)는 X 스테이지(17)의 위치 정보에 기초하여, 2개의 Y 선형 모터(39)의 합력이 Y 방향 이동체 질량의 무게 중심 위치에 추진력을 미치게 하도록 각 Y 선형 모터(39)의 출력의 제어도 행한다.
스테이지 베이스 Y 위치 제어계(40)는 스테이지 베이스 Y 위치 지령기(41)로부터 수신된 목표 Y 위치를 나타내는 값과, 스테이지 베이스(7)의 Y 방향 변위 신호(42)에 기초하여 피드백 제어를 행하여, 스테이지 베이스 Y 방향 선형 모터(43)를 구동하여 스테이지 베이스(7)의 Y 방향의 위치 결정을 행한다. 마찬가지로, 스테이지 베이스 X 위치 제어계(45)는, 스테이지 베이스 X 위치 지령기(45)로부터 수신된 목표 X 위치를 나타내는 값과, 스테이지 베이스(7)의 2개의 X 방향 변위 신호(46)에 기초하여 스테이지 베이스(7)의 X 방향의 위치 결정을 행한다. 이 때, XY 면내의 회전방향(ωz)의 스테이지 베이스(7)의 변위는, 스테이지 베이스(7)의 두 개의 X 방향 변위 신호(46) 사이의 차와, 두 개의 변위 계측 유닛(27) 간의 거리에 의해 결정된다. 스테이지 베이스 X 위치 제어계(44)는, 2개의 스테이지 베이스 X 선형 모터(21)로 인가되는 제어 신호를 제어함으로써, 이 회전 방향의 변위를 영(zero)으로 되도록 한다. 이 스테이지 베이스의 ωz 방향의 운동을 생기게 하는 모멘트는, 웨이퍼 스테이지(6)의 이동에 의해 생긴다. 즉, 웨이퍼 스테이지(6)와 스테이지 베이스(7)가 상대적으로 움직이는 것에 의해, 웨이퍼 스테이지(6)의 선형 모터의 추진력의 작용점이 스테이지 베이스(7)의 무게 중심 위치와 어긋나서 모멘트가 발생한다. 웨이퍼 스테이지 X 위치 제어계(44)는, 웨이퍼 스테이지(6)의 위치 정보와, 웨이퍼 스테이지(6)에 인가되는 구동력을 나타내는 정보로부터 모멘트를 계산하고, 피드포워드 제어에 의해 모멘트를 상쇄시키도록 두 개의 스테이지 베이스 X 방향 선형 모터(21)를 제어한다. 모멘트를 상쇄하는 힘은 각 스테이지 베이스 X 방향 선형 모터의 고정자(26)를 통해 베이스 프레임(1)으로 전달된다. 그러나, 그 힘은 베이스 프레임(1) 또는 플로어를 진동시킬만큼 크지 않기 때문에 실질적으로 문제점이 발생하지 않는다.
본 발명의 주 목적인, 스테이지 베이스(7)를 X 및 Y 방향으로 위치결정 제어하는 것에 대해 이하 기술하기로 한다. 스테이지 베이스 X 위치 지령기(45) 및 스테이지 베이스 Y 위치 지령기(41)에 의해 생성되는, 스테이지 베이스(7) 위치의 목표치 Xb 및 Yb는 이하의 수학식에 의해 주어진다.
Xb = -mx/M·Xs
여기서, Yb는 스테이지 베이스(7)의 Y 방향 위치의 목표치이며,
Xb는 스테이지 베이스(7)의 X 방향 위치의 목표치이며,
Ys는 Y 스테이지(13) 위치의 목표치, Xs는 X 스테이지(17) 위치의 목표치이다.
my는 X 방향의 전체 스테이지 이동 질량(X 스테이지(17) 및 미동 조정 스테이지(8)의 질량의 합)이며, M은 스테이지 베이스의 질량이다.
수학식 2가 의미하는 것은, 웨이퍼 스테이지(6)의 선형 모터에 추진력이 발생한 경우, 웨이퍼 스테이지(6)와 스테이지 베이스(7)가, 웨이퍼 스테이지(6)에 인가되는 작용력과 스테이지 베이스(7)에 인가되는 반력에 의해서 각각의 질량의 역비로 이동하도록 스테이지 베이스(7)의 위치 결정을 행하는 것이다. 스테이지 베이스(7)와 웨이퍼 스테이지(6) 사이와, 베이스 프레임(1)과 스테이지 베이스(7) 사이에 전혀 마찰이 없고, 완전한 수평면형으로 베이스 프레임(1)과 스테이지 베이스(7) 면이 구성되어 있는 이상적인 상태에서는, 수학식 2가 자동적으로 성립된다. 그러나, 실제로는, 정압 베어링을 이용하여도 근소한 마찰이 있으며, 가이드 면이 완전히 수평면일 필요는 없다. 또한, 선형 모터 구동을 위한 배선은 이동체에 대하여 스프링으로서 작용한다. 본 실시예에서는, 이들 외란을 없애기 위해 스테이지 베이스(7)를 능동적으로 위치 결정되도록 하여서 수학식 2를 만족시키고 있다. 이들 외란을 억제하는데 요구되는 힘은 근소하기 때문에, 스테이지 베이스 선형 모터(43, 21)에 의해 발생되는 힘이 작고 이에 따라 그 반력도 또한 작다. 따라서, 베이스 프레임(1) 및 플로어는 실질적으로 진동되지 않는다.
본 실시예의 장치에 있어서의 전원 턴 온 동작과 개시에 대해 이하 도 13에 도시된 플로우차트를 참조하여 설명하기로 한다. 우선, 장치에 전원이 턴 온되고, 간섭계가 리셋된다(단계 1). 이 시점에서, 간섭계로부터 출력되는 신호를 얻는 것이 가능해진다. 그러나, 간섭계로부터 출력된 신호는 스테이지 베이스(7) 및 스테이지(6)의 상대 위치를 나타내는 것이지 절대 위치를 나타내는 것은 아니다.
실제로, 스테이지 베이스(7)는 원점으로 구동된다(단계 2). 스테이지 베이스(7)를 구동하기 위한 각 선형 모터에는 단상 코일이 사용되고 있기 때문에, 가동자와 고정자 사이의 상대 위치에 관계없이 코일을 통해 특정 전류를 흘림으로써 일정한 추진력을 발생시킬 수 있다. 스테이지 베이스(7)의 속도를 감시하면서, 저속의 일정 속도로 스테이지 베이스 X 방향 선형 모터(24, 26) 및 스테이지 베이스 Y 방향 선형 모터(23, 25)에 의해 양의 X 방향 및 양의 Y 방향으로 스테이지 베이스(7)가 구동된다. 도면에는 도시하지 않지만, 스테이지 베이스 X 방향 선형 모터(24, 26) 및 스테이지 베이스 Y 방향 선형 모터(23, 25)에 근접하여 제한 스위치(포토 스위치)가 배치되어 있다. 스테이지 베이스(7)가 이동하여 제한 스위치가 턴 오프되면, 간섭계가 리셋되고 스테이지 베이스(7)가 정지된다. 스테이지 베이스(7)의 위치를 계측하는 데에 사용되는 모든 레이저 간섭계를 리셋하고 난 후에는, 스테이지 베이스(7)의 위치와 연관된 서보 제어가 활성화된다(단계 3).
그 후, 스테이지 베이스(7)를 초기 위치로 이동시킨다(단계 4). 스테이지 베이스(7)의 초기 위치에서, Z 축 주위의 회전 방향은 영 위치로 한다. X 및 Y 방향의 위치는 X 스테이지(13) 및 Y 스테이지(17)의 스트로크 범위내에서 수학식 2를 만족시키는 한 어떤 위치라도 좋다. 스테이지 베이스(7)를 초기 위치로 이동시킨 후에는, 스테이지 베이스(7)는 이 초기 위치를 목표치로 한 위치 서보 제어를 걸어 고정시켜 놓는다.
다음에 웨이퍼 스테이지(6)의 초기화를 행한다. 이 초기화 동작은 공지의 기술을 이용하여 행해질 수 있다(단계 5). 웨이퍼 스테이지(6)의 초기화가 완료되면, 계측 기준에 대한 웨이퍼 스테이지(6)의 위치의 절대치가 계측할 수 있어서, 위치 서보 제어에 의해 임의의 원하는 위치에 웨이퍼 스테이지(6)를 이동시킬 수 있다.
그 후, 수학식 2를 만족시키는 위치로 웨이퍼 스테이지(6)가 이동된다(단계 6). 이 때, 스테이지 베이스(7)는 초기 위치에 고정되어 있기 때문에, 웨이퍼 스테이지(6)에 인가되는 구동반력은, 스테이지 베이스(7) 및 스테이지 베이스(7) 구동용 선형 모터를 통해 베이스 프레임(1)에 전달된다. 그러나, 웨이퍼 스테이지(6)의 초기 위치 구동은 빈번하게는 행해지지 않으며, 가속도도 크지 않다. 따라서, 베이스 프레임(1) 또는 플로어로 구동반력이 전달되더라도 문제는 없다.
웨이퍼 스테이지(6)의 초기 위치 구동의 완료 이후에, 웨이퍼 스테이지(6)를 구동하는 경우에는, 웨이퍼 스테이지 X 위치 지령, 웨이퍼 스테이지 Y 위치 지령, 스테이지 베이스 X 위치 지령, 및 스테이지 베이스 Y 위치 지령에 의해 구체화된 목표치에 따라 웨이퍼 스테이지(6) 및 스테이지 베이스(7)가 위치결정된다(단계 7). 스테이지 시스템의 초기화 동작이 완료된 후에는 항상 수학식 2가 만족된다. 따라서, 이 초기화 동작은 장치 동작이 개시될 때 한번 수행된다.
수학식 2를 만족시키기 위한 초기 위치로 웨이퍼 스테이지(6)를 구동시키는 동작에서, 웨이퍼 스테이지(6)의 위치를 고정시켜 둘 때 스테이지 베이스(7)만이 구동될 수도 있다. 그러나, 이 방법은 전술한 방법에 비해 좋지 않다. 스테이지 베이스(7)의 계측계의 초기화가 웨이퍼 스테이지(6)의 구동과 동기적으로 행해지는이전의 기술에서는, 스테이지 베이스(7) 구동용 선형 모터에는 그다지 큰 힘이 필요로 되지 않는데, 그 이유는 스테이지 베이스(7)의 계측계의 초기화 시에는 저속으로 구동하고, 웨이퍼 스테이지(6)와의 동기 구동을 행할 때는 스테이지 베이스(7)의 마찰력을 보정하는 것만이 필요하기 때문이다. 따라서, 작은 선형 모터가 사용되어서 비용 절감을 달성할 수 있다. 반대로, 스테이지 베이스(7)가 초기 위치로 구동될 때 고속으로 구동될 경우, 크기가 큰 선형 모터가 필요하게 되어서 전술한 바와 같은 이점이 없어지게 된다. 반면에, 웨이퍼 스테이지(6)를 구동하기 위한 선형 모터는 웨이퍼 스테이지(6)를 고속으로 구동하도록 설계되어서, 큰 구동력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 초기 위치 구동시에는 스테이지 베이스(7)의 위치를 고정시켜 두고 웨이퍼 스테이지(6)를 이동시키는 것이 바람직하다.
본 발명은 전술한 실시예에 한하지 않고 적절하게 변형하여 실시할 수가 있다. 예를 들면, 전술한 실시예에서 스테이지 베이스(7)의 위치 계측 기준을 렌즈 배럴 베이스(2)로 했지만, 베이스 프레임(1)으로 할 수도 있다. 이 경우, 웨이퍼 스테이지(6)의 위치 계측 기준은 렌즈 배럴 베이스(2)이어서, 스테이지 베이스(7)의 계측 기준과는 다르다. 렌즈 배럴 베이스(2)는 베이스 프레임(1) 상에 제진 기구(5)를 통해 지지되어 있다. 렌즈 배럴 베이스(2)와 베이스 프레임(1) 사이의 상대 위치는 제진 기구(5)에 설치되는 위치 결정 기구에 의해 제어되고 있으며, 그 정밀도는 수∼수십 μm 범위 내에 있다. 따라서 엄밀하게 말하면, 스테이지 베이스(7)가 수학식 2를 만족시키도록 위치결정되어 있을 때에도, 스테이지(6)와 렌즈 배럴 베이스(2) 사이의 상대 위치는 렌즈 배럴 베이스(2)의 위치 오차를 포함하고있다. 본 발명에 있어서 중요한 것은, 스테이지(6)와 스테이지 베이스(7)의 위치 관계를 항상 소정의 관계로 유지하면서, 허용 가능한 범위 내에서 스테이지(6)가 원하는 위치로 이동하게 되는 것이다. 이와 관련하여, 스테이지(6)와 스테이지 베이스(7) 사이의 위치 관계의 오차는, 수십∼수백 μm와 같이 다소 큰 오차가 허용된다. 이는, 베이스 프레임(1) 및 렌즈 배럴 베이스(2)간의 전술한 위치결정 오차는 문제가 되지 않음을 의미한다.
전술한 실시예에서, 스테이지(6)는, 2축 스테이지로 구성되었지만, 본 발명은 1축 스테이지로 구성되어도 된다. 또한, 전술한 실시예에서, 스테이지 베이스(7)의 액츄에이터로서 선형 모터가 사용되었지만, 다른 유형의 액츄에이터도 역시 사용될 수 있다. 예를 들면, AC 모터 및 볼나사를 결합시킨 것을 액츄에이터로 사용할 수도 있다. 이 경우, 회전축부에 인코더를 설치하고, 볼나사의 리드와 회전수로부터 스테이지 베이스(7)의 위치를 측정할 수도 있다. 또한, 전술한 실시예에서, 스테이지(6) 및 스테이지 베이스(7)의 위치 계측에는 레이저 간섭계를 이용했지만, 다른 계측기를 이용할 수도 있다. 전술한 실시예에서, 본 발명은 웨이퍼 스테이지(6)에 적용된다. 본 발명은 또한 유사한 방식으로 레티클 스테이지에도 적용될 수 있다.
전술한 실시예에서, 스테이지 베이스(7)는 수평면내에서 자유롭게 회전할 수 있도록 베이스 프레임(1) 상에 지지되어 있다. 이와 달리, 스테이지 베이스(7)는 수평 방향의 직접 이동 가이드상에 설치될 수도 있다. 전술한 실시예에서, 스테이지 베이스(7)에 작용하는 모멘트는 스테이지 베이스 선형 모터를 통해 베이스 프레임(1)에 작용했다. 직접 가이드가 사용되는 경우에는, 이 모멘트는 직접 가이드를 통해 베이스 프레임에 작용한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 상면도이고, 도 10은 이에 대한 정면도이다. 여기서, Y 스테이지(13), X 스테이지(17) 및 미동 조정 스테이지(8)는 도 1에 도시된 바와 유사하다. 스테이지 베이스(7)는, 스테이지 베이스 지지면(56)을 통해 Y 방향으로 자유롭게 이동될 수 있도록 스테이지 베이스 Y 방향 가이드(55)에 의해 가이드된다. 스테이지 베이스 지지면(56)은, 베이스 프레임을 통해 X 방향으로 자유롭게 이동될 수 있도록 스테이지 베이스 X 방향 가이드(57)에 의해 가이드된다. 스테이지 베이스 Y 방향 가이드(55) 및 스테이지 베이스 X 방향 가이드(57)는 두 개의 선형 가이드로 각각 구성되어서, 스테이지 베이스가 가이드 방향으로 자유롭게 이동하도록 해주고 가이드 방향과 직각 방향으로 단단하게 지지되도록 해준다. 도면에는 도시하지 않았지만, 스테이지 베이스 X 방향 가이드(57) 근처에 절대 인코더(absolute encoder)가 배치되어서, 베이스 프레임과 관련된 X 방향으로의 스테이지 베이스 지지면(56)의 위치를 계측한다. 마찬가지로, 스테이지 베이스 Y 방향 가이드(55) 근처에 다른 절대 인코더가 배치되어서, 스테이지 베이스 지지면(56)과 관련된 Y 방향으로의 스테이지 베이스(7)의 위치를 계측한다. 스테이지 베이스 지지면(56)은 전술한 바와 같이 베이스 프레임을 통해 스테이지 베이스 X 방향 가이드(57)에 의해 가이드되기 때문에, 스테이지 베이스 지지면(56)은 실질적으로 Y 방향으로의 변위가 없어서, 절대 인코더에 의해 Y 방향으로 계측된 값은, 베이스 프레임에 관련된 Y 방향으로의 스테이지베이스(7)의 위치를 정확히 나타낸 것으로 간주될 수 있다.
스테이지 베이스(7)는 도 11에 도시된 구조를 갖는 위치 고정 기구(62)에 의해 고정될 수 있다. 본체(58)는 베이스 프레임 상에 배치되어 있으며, 아암(arm)(59)은 스테이지 베이스(7)를 통해 연장되어 있다. 아암(59)의 선단에는 전자석(60)이 설치된다. 전자석(60)의 스테이지 베이스(7) 면에 마주 대하는 면은 평탄하게 마무리된다. 전자석(60)을 여자하지 않는 경우의 전자석(60) 면은 스테이지 베이스(7)면에 대하여 수 μm의 간극을 유지하고 있다. 이 스테이지에서, 스테이지 베이스(7)의 스트로크의 범위에서는, 스테이지 베이스(7)면과 전자석(60)면이 접촉되지 않는다. 또한, 아암(59) 및 전자석(60)은, 스테이지의 어떠한 위치에서도 물리적으로 간섭하지 않는 위치에 설치된다. 전자석(60)을 여자하면, 아암(59)에 설치된 힌지(61)에 의해 전자석(60)이 아래쪽으로 이동하여 스테이지 베이스(7)면을 흡착한다. 아암(59)에는 Z 방향으로 전자석(60)이 이동될 수 있게 해주는 힌지(61)가 설치되지만, 힌지(61)는 X 및 Y 방향으로는 고정되어 있다. 따라서, 전자석(60)을 여자하면, 스테이지 베이스(7)는 베이스 프레임에 강하게 고정된다.
이 구성의 스테이지계의 움직임을 도 12의 플로우차트를 기초로 설명하기로 한다. 장치에 전원을 턴 온하기 이전에는, X 스테이지(17), Y 스테이지(13), 미동 조정 스테이지(8), 및 스테이지 베이스(7)의 X 및 Y 방향으로의 위치는 알려져 있지 않다. 전원이 턴 온된 후(단계 11), 베이스 프레임에 따른 스테이지 베이스(7)의 절대 위치는 스테이지 베이스(7)의 절대 인코더를 이용하여 측정된다(단계 11).후속하여, 스테이지 베이스 위치 고정 기구(62)의 전자석(60)은 스테이지 베이스(7)를 베이스 프레임에 고정시키도록 여자된다(단계 13). X 스테이지(17), Y 스테이지(13) 및 미동 조정 스테이지(8)는 공지의 수법에 의해 초기화되어 구동가능하게 된다(단계 14). 스테이지 베이스(7)를 베이스 프레임에 대하여 고정한 채로, X 스테이지(17) 및 Y 스테이지(13)를 구동하여, 다음의 수학식 3이 성립하는 상태로 한다(단계 15).
Xb=-mx/My·Xs
여기서, Yb는 스테이지 베이스(7)의 Y 방향 위치 목표치이고,
Xb는 스테이지 베이스(7)의 X 방향 위치 목표치이며,
Ys는 Y 스테이지(13)의 위치 목표치이고,
Xs는 X 스테이지(17)의 위치 목표치이며,
my는 Y 방향으로의 전체 스테이지 이동 질량(Y 스테이지(13), X 스테이지(17), 및 미동 조정 스테이지(8)의 질량의 합)이며,
mx는 X 방향으로의 전체 스테이지 이동 질량(X 스테이지(17) 및 이동 조정 스테이지(8)의 질량의 합)이며,
My는 스테이지 베이스의 질량이다.
여기서, 스테이지 베이스(7)의 계측치(절대 인코더의 값)와, X 스테이지(17) 및 Y 스테이지(13)의 계측치(간섭계의 값)의 원점, 방향 및 차원은 통일시켜 놓는다. 수학식 3이 만족되면, 스테이지 베이스 위치 고정 기구(62)의 전자석(60)의 여자가 해소된다(단계 16). 따라서, 스테이지 베이스(7)는 베이스 프레임에 대하여 X 및 Y 방향으로 자유롭게 이동할 수 있게 된다. 따라서, X 스테이지(17) 또는 Y 스테이지(13)가 구동될 경우, 그 반력이 스테이지 베이스(7)에 작용하고, 스테이지 베이스(7)는 X 스테이지(17) 또는 Y 스테이지(13)가 이동하는 방향과 반대 방향으로 이동하는데, 여기서 질량의 역비의 비율로 운동된다. 이에 따라, 스테이지에 인가된 구동 반력이 베이스 프레임에 전달되지 않아서, 베이스 프레임 및 플로어가 반력에 의해 진동되는 일이 없다. 스테이지 위치 또는 구동 모드에 따라, X 축에 대한 모멘트가 스테이지 베이스(7)에 작용한다. 이 모멘트는 스테이지 베이스 X 방향 가이드(57) 및 스테이지 베이스 Y 방향 가이드(55)를 통해 베이스 프레임으로 전달된다. 그러나, 이 모멘트는 베이스 프레임 또는 플로어를 크게 진동시킬 정도로 큰 것은 아니다. 이 상태에서, 이 장치는 에이퍼 처리 등을 수행하도록 동작된다(단계 17 및 18).
스테이지가 반복적으로 구동되면, 스테이지 베이스(7)와 가이드 사이의 약간의 마찰로 인해 스테이지 및 스테이지 베이스(7)가 수학식 3을 만족시키는 위치로 부터 이동될 수 있다. 이 위치 이동이 너무 클 경우, 스테이지 베이스(7)는 스테이지 베이스(7)의 스트로크 한계에 부딪히게 되어서 스테이지에 인가된 구동반력이 베이스 프레임으로 전달된다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 스테이지 베이스(7)의 위치가 항상 모니터링되어서, 수학식 3으로부터 벗어난 이동이 매우 크게 되는 것으로 판단된 경우, 이하의 동작이 수행된다(단계 19). 즉, 스테이지 베이스 위치 고정 기구(62)의 전자석(60)은 현재 위치에서 스테이지 베이스(7)를 고정시키도록 여자된다(단계 21). 그 후, X 스테이지(17) 및 Y 스테이지(13)는 수학식 3을 만족시키는 위치로 될 때까지 적절하게 구동된다(단계 22). 전술한 복귀 동작이 완료된 후, 스테이지 베이스 위치 고정 기구(62)의 전자석(60)의 여자가 해소되고, 스테이지의 통산 모드 구동이 개시된다(단계 23). 복귀 동작 동안, 스테이지에 인가되는 구동반력이 베이스 프레임으로 전달되는데, 그 이유는 스테이지 베이스(7)가 베이스 프레임에 고정되어 있기 때문이다. 그러나, 복귀 동작이 자주 수행되지는 않으며, 스테이지에 가해지는 가속은 크지 않다. 따라서, 플로어는 그다지 크게 진동되지 않는다. 복귀 동작이, 웨이퍼 노출 공정 동안이 아니라 웨이퍼의 로트 사이 등에 행해지는 것이 바람직하다. 이를 위해, 스테이지 베이스(7)의 스트로크는 여유를 크게 하여 놓는 것이 바람직하다. 이 후, 웨이퍼 처리가 종료되었는지 여부를 판단하여(단계 20), 적절하게 동작을 재개하거나 종료하도록 한다(단계 24).
이 구성의 스테이지계를 이용하면, 스테이지 베이스(7)에 액츄에이터를 이용하는 일없이, 간단하게 플로어에 진동을 제공하지 않는 스테이지 구동을 달성할 수 있다. 여기서는, 비용을 줄이기 위해, 스테이지 베이스 X 방향 가이드(57) 및 스테이지 베이스 Y 방향 가이드(55)로서 선형 가이드를 이용하였다. 이와 달리, 정압 가이드와 같은 다른 유형의 가이드도 역시 사용될 수 있다.
디바이스 제조 방법의 실시예
다음에 이 노광 장치를 이용한 디바이스 제조 방법의 실시예에 대해 설명하기로 한다. 도 14는 마이크로 소자(IC 또는 LSI 등의 반도체 칩, 액정 패널, CCD, 박막 자기 헤드, 마이크로머신)의 제조 플로우차트를 도시한다. 단계 31(회로 설계)에서, 디바이스의 패턴을 설계한다. 단계 32(마스크 제작)에서는, 단계 31에서 설계된 패턴을 갖는 마스크를 제작한다. 한편, 단계 33(웨이퍼 제조)에서는, 실리콘 또는 유리를 이용하여 웨이퍼를 제조한다. 단계 34(웨이퍼 프로세스, 제1 디바이스 제조 프로세스라고도 칭함)에서는, 이전 단계에서 준비된 마스크와 웨이퍼를 이용하여, 리소그래피 기술에 의해서 웨이퍼 상에 실제의 회로를 형성한다. 단계 35(조립 공정, 제2 디바이스 제조 공정이라고도 칭함)에서는, 단계 34에서 회로가 형성된 웨이퍼를 반도체 칩으로 분리하고, 패키지화되는 어셈블리 공정(다이싱, 본딩, 패키징, 몰딩을 거침)이 행해진다. 단계 36(테스트)에서는, 단계 35에서 제조된 반도체 디바이스를 테스트하고 이들의 신뢰성을 평가한다. 전술한 과정을 통해 얻어진 반도체 디바이스는 단계 37에서 출하된다.
도 15는 웨이퍼 프로세스(단계 34)의 상세한 플로우를 도시한다. 단계 41(산화)에서, 웨이퍼의 표면을 산화시킨다. 단계 42(CVD)에서, 절연막이 웨이퍼의 표면 상에 형성된다. 단계 43(금속화)에서, 전극 및 배선이 진공 증착을 통해 웨이퍼 상에 형성된다. 단계 44(이온 주입)에서, 웨이퍼에 이온을 주입한다. 단계 45(레지스트 처리)에서는, 웨이퍼에 레지스트를 도포한다. 단계 46(노광)에서는, 전술한 노광 장치에 의해서 마스크의 회로 패턴을 웨이퍼의 쇼트 영역으로 노광을 행한다. 단계 47(현상)에서는, 노광된 웨이퍼를 현상한다. 단계 48(에칭)에서는, 현상 공정을 통해 형성된 레지스트 패턴을 통해 웨이퍼면을 에칭한다. 단계 49(레지스트 박리)에서는, 에칭이 끝나서 불필요해진 레지스트를 제거한다. 이들 단계를 반복하여 수행하여 웨이퍼상에 다중층 회로 패턴을 형성한다. 본 실시예의 제조 방법을 이용하면, 종래에는 제조가 어렵던 대형 디바이스를 저비용으로 제조할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 제2 이동체를 제1 이동체의 위치 결정 제어에 동기하여 위치 결정 제어하는 제2 이동체 제어계를 설치하였기 때문에, 스테이지 장치가 설치되어 있는 플로어 등으로 제1 이동체의 구동반력이 전달되는 일없이 제2 이동체의 위치를 제어하여, 구동 반력에 의해 발생되었을 수도 있는 플로어의 진동으로 인한 제1 이동체의 위치결정 정확성의 저하를 방지하고 또한 진동에 의해 다른 장치가 영향을 받는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제1 이동체와 제2 이동체의 상대 위치 관계가 항상 원하는 상태가 되도록 제2 이동체의 위치를 제어하고, 제1 이동체의 어떠한 움직임에 대해서도 허용된 범위내에서 제1 이동체가 임의의 원하는 위치로 이동될 수 있게 해준다. 또한, 제2 이동체를 고정하는 제2 이동체 고정 기구, 및 제2 이동체의 위치를 계측하는 제2 이동체 위치 계측계를 구비하여서, 제1 및 제2 이동체 사이의 정확한 위치 관계가 무너져, 제1 이동체로부터의 반력을 흡수할 수 없게 되는 것 같은 상태를 방지하게 된다. 즉, 본 발명은 항상 제1 이동체의 이동에 의한 반력을 제2 이동체에 의해서 흡수할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명을 바람직한 실시예로서 간주되는 실시예에 따라 설명하였지만, 본발명은 개시된 실시예에 한정되지 않는다. 한편, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 정신 및 범주 내에 포함되는 여러 변경 및 동등한 구성을 포함하는 것이다. 이하의 특허청구범위는 이러한 모든 변경 동등 구조물 및 기능을 수용하도록 확대 해석되어야 한다.

Claims (30)

  1. 스테이지 장치에 있어서,
    기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제1 이동체;
    상기 기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제2 이동체;
    상기 제2 이동체에 대해 상기 제1 이동체를 이동시키기 위한 힘을 발생시키는 제1 액츄에이터;
    상기 기준면에 대해 상기 제2 이동체를 이동시키기 위한 힘을 발생시키는 제2 액츄에이터;
    상기 제1 액츄에이터를 이용하여, 상기 제1 이동체의 위치를 제어하는 제1 제어계; 및
    상기 제2 액츄에이터를 이용하여, 상기 제1 제어계에 의한 제어에 동기하여 상기 제2 이동체의 위치를 제어하는 제2 제어계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 이동체의 질량을 m으로 하고, 상기 제1 제어계에 의해 제어되는 상기 제1 이동체의 위치의 목표치를 Ys로 하고, 상기 제2 이동체의 질량을 M으로 하고, 상기 제2 이동체의 위치의 목표치를 Yb로 하면, Yb=-m/M·Ys의 관계가 유지되는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 이동체 및 상기 제2 이동체를 초기 위치로 이동시키기 위한 초기 위치 액츄에이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초기 위치 액츄에이터는, 상기 제2 이동체가 고정된 위치에 있는 동안 상기 제1 이동체를 이동시키는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 이동체의 위치를 계측하는 제1 위치 계측계; 및
    상기 제2 이동체의 위치를 계측하는 제2 위치 계측계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 제어계는, (i)상기 제1 위치 계측계의 계측 결과, 및 (ii)상기 제1 이동체의 위치 목표치에 기초하여, 상기 제1 이동체의 위치를 제어하며,
    상기 제2 제어계는, (i)상기 제2 위치 계측계의 계측 결과, 및 (ii)상기 제2 이동체의 위치 목표치에 기초하여, 상기 제2 이동체의 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 위치 계측계에 의한 위치 계측에 사용되는 위치 기준으로서 기능하는 기준체가 상기 기준면에서 진동 차단된 구조체 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 위치 계측계에 의한 위치 계측에 사용되는 위치 기준으로서 기능하는 기준체는 상기 기준면과 일체적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제2 위치 계측계에 의한 위치 계측에 사용되는 위치 기준으로서 기능하는 기준체는 상기 기준면에서 진동 차단된 구조체 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제2 위치 계측에 의한 위치 계측에 사용되는 위치 기준으로서 기능하는 기준체는 상기 기준면과 일체적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 이동체 및 상기 제2 이동체 둘 모두는 기준면 상에 지지되어 있는 것을 특징으로 스테이지 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 이동체는 상기 기준면 상에 지지되어 있고, 상기 제1 이동체는 상기 제2 이동체 상에 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 이동체 및 상기 제2 이동체는, 기준면과 평행한 2축 방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 이동체는 이동가능한 스테이지이고, 상기 제2 이동체는 스테이지 베이스 또는 상기 제1 액츄에이터의 고정자인 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 액츄에이터는 선형 모터인 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  16. 스테이지 장치에 있어서,
    기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제1 이동체;
    상기 기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제2 이동체;
    상기 제2 이동체에 대해 상기 제1 이동체를 이동시키기 위한 힘을 발생시키는 액츄에이터;
    상기 제2 이동체를 상기 제2 이동체의 이동 범위내의 임의의 위치에 고정하는 고정 기구;
    상기 제2 이동체의 위치를 계측하는 위치 계측계; 및
    상기 액츄에이터를 이용하여, 상기 제1 이동체의 위치를 제어하는 제어계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 이동체의 질량을 m, 상기 제어계에 의해 제어되는 상기 제1 이동체의 위치의 목표치를 Ys, 상기 제2 이동체의 질량을 M, 상기 제2 이동체의 위치의 목표치를 Yb로 했을때,
    Yb=-m/M·Ys의 관계를 만족하도록 상기 제1 이동체의 위치를 결정하는 제어기를 더 포함하며,
    상기 제어기는, 상기 제1 이동체의 위치결정이 완료된 후 상기 제2 이동체의 고정을 해제하는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 관계가 만족되는지 여부를 판정하기 위한 판정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 판정기에 의해 상기 관계가 만족되지 않은 것으로 판정된 경우, 상기 제어기는 상기 제1 이동체의 위치결정을 다시 수행하는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 위치 계측에 의해 사용되는 위치 기준으로서 기능하는 기준체는 상기 기준면에서 진동 차단된 구조체 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 위치 계측에 의해 사용되는 위치 기준으로 기능하는 기준체는 상기 기준면과 일체적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 제1 이동체 및 상기 제2 이동체 둘 모두는 상기 기준면 상에 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 제2 이동체는 상기 기준면 상에 지지되어 있고,
    상기 제1 이동체는 상기 제2 이동체 상에 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  24. 제16항에 있어서,
    상기 제1 이동체 및 상기 제2 이동체는 기준면과 평행한 2축 방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  25. 제16항에 있어서,
    상기 제1 이동체는 이동가능한 스테이지이고,
    상기 제2 이동체는 스테이지 베이스 또는 상기 제1 액츄에이터의 고정자인 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  26. 제16항에 있어서,
    상기 제1 액츄에이터는 선형 모터인 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  27. 노광 장치에 있어서,
    기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제1 이동체;
    기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제2 이동체;
    상기 제2 이동체에 대해 상기 제1 이동체를 이동시키기 위한 힘을 발생시키는 제1 액츄에이터;
    상기 기준면에 대해 상기 제2 이동체를 이동시키기 위한 힘을 발생시키는 제2 액츄에이터;
    상기 제1 액츄에이터를 이용하여, 상기 제1 이동체의 위치를 제어하는 제1 제어계; 및
    상기 제2 액츄에이터를 이용하여, 상기 제1 제어계에 의한 제어에 동기하여 상기 제2 이동체의 위치를 제어하는 제2 제어계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  28. 노광 장치에 있어서,
    기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제1 이동체;
    상기 기준면에 평행한 방향으로 이동가능한 제2 이동체;
    상기 제2 이동체에 대해 상기 제1 이동체를 이동시키기 위한 힘을 발생시키는 액츄에이터;
    상기 제2 이동체를 상기 제2 이동체의 이동 범위 내의 임의의 위치에 고정시키는 고정 기구;
    상기 제2 이동체의 위치를 계측하는 위치 계측계; 및
    상기 액츄에이터를 이용하여, 상기 제1 이동체의 위치를 제어하는 제어계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  29. 디바이스 제조 방법에 있어서,
    청구항 27에 따른 노광 장치를 준비하는 단계;
    상기 노광 장치를 이용하여 노광을 행하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스 제조 방법.
  30. 디바이스 제조 방법에 있어서,
    청구항 28에 따른 노광 장치를 준비하는 단계;
    상기 노광 장치를 이용하여 노광을 행하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스 제조 방법.
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