JP4198338B2 - Stage equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はステージ装置に係り、特にステージ部材を少なくともX−Y方向に高精度に駆動できるステージ装置に関する。
【0002】
情報技術の根幹である半導体デバイスの高集積化、低コスト化に対応し、それらを製造する半導体露光装置の高生産性,高精度化,高速化等の要求が高まっている。半導体露光装置のキーコンポーネントであるX−Yステージ装置には、10nm前後の精度と数百mmの移動範囲を持ったものが必要となる。かつ、半導体デバイスの生産性の向上を図るには、被加工物を搭載したステージを高速で加工位置まで移動させる表がある。そこで、上記の各要求を全て満たすステージ装置の実現が望まれている。
【0003】
【従来の技術】
例えば、半導体製造工程で使用する各種半導体製造装置には、被移動体となるウェハを載置し、これを移動させるステージ装置が設けられている。このステージ装置は、ベースに対してウェハを搭載したステージを駆動させる駆動装置と、ベースに対するステージの位置を計測する位置計測装置を有している。
【0004】
従来の駆動装置としては、X方向にのみ移動するステージと、Y方向にのみ移動するステージを積み上げた方式に代表される、いわゆるスタック型ステージが一般的な構成であった。
【0005】
また、従来の位置計測装置は、1自由度ごとにロータリエンコーダやリニアエンコーダ等の測定装置を設けた構成としていた。例えば、2次元の位置決めを行なう場合は、上記のようにX方向またはY方向に独立して移動する積み上げた各ステージにそれぞれに位置計測装置を設けた構成のものや、或いは円周目盛と1軸ステージを組み合わせた測定装置で、回転の位置と半径の位置をそれぞれ独立に測定して位置決めするよう構成されたものがあった。また、レーザ干渉変位計を用いてX,Y方向の位置を決める測定装置では、2つの変位計と、変位検出方向に直角な移動範囲に亘って形状精度の保証された高精度の直定規等を組合せ、これにより位置検出を行なう構成とされていた。
【0006】
また、従来において、移動物体のピッチング及びヨーイングに相当する姿勢を検出する場合は、オートコリメータが利用されるが、このオートコリメータは1軸の直線方向の移動に対して、そのピッチング及びヨーイングを同時に測定できる反面、X,Y方向の移動物体に対しては高精度の直定規を必要とする。
【0007】
更に、移動物体のローリングを測定する手段として水準器が知られているが、この水準器は応答速度や測定精度に問題があり、高精度の測定機器には不適格である。そこで、平行な2本の直定規を設置して、その直定規までの距離の差からローリング角を算出する方法や1本の直定規を基準の鏡面としてオートコリメータでローリング角を検出するようにしている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような駆動装置を用いたステージ装置では、上部に位置するステージが移動すると下部に位置するステージの重心が変動し、上部のステージの移動性に下部のステージの重心変動の影響が加算されてしまうという問題点があった。この問題点を解決するには、各ステージの剛性を高める必要があるが、剛性を高めるとステージ装置全体の大きさが大きくなってしまう。また、異なる複数のステージを積み上げた構成では、ステージ装置の構造が複雑化してしまい、これによってもステージ装置全体の大きさが大きくなってしまう。
【0009】
また、上記のような位置計測装置を用いたステージ装置では次のような問題点が生じる。即ち、従来の位置計測装置に用いられるロータリエンコーダやリニアエンコーダ等の測定装置は、1次元の位置決めしかできず、2次元の位置決めには上記の測定装置を少なくとも2組組み合わせる必要があり、移動物体検出装置の設計に大きな制約がある。
【0010】
また、レーザ干渉変位計を用いて位置決めする場合も本質的に1軸で1次元の位置決めしかできず、2次元の位置決めを行なう場合には、高い精度の直定規が必要になる。その結果、この種の位置計測装置をステージ装置に設ける場合、構造上に制約がありかつコスト高になるという問題点がある。
【0011】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、装置の小型化を図れると共に、ベースに対するステージの位置測定を高精度に行ないうるステージ装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【0013】
請求項1記載の発明に係るステージ装置は、
ベースと、
被移動体が載置されるステージと、
前記ベースまたは前記ステージのいずれか一方に取り付けられた一対の磁石列と、
前記ベースまたは前記ステージのいずれか他方に取り付けられた複数のコイル群と、
基部の表面上または面内に形成され、角度に関する性質がX−Y方向の2次元方向に既知の関数で変化する角度格子から構成されており、前記ベース或いは前記ステージの内いずれか一方の中央部に配設された目盛と、
前記ベース或いは前記ステージの他方の中央部に配設されており、前記目盛の角度格子面に光を照射すると共に、該目盛で反射される反射光のX−Y方向の2次元角度を検出する2次元角度センサーとを有し、
前記一対の磁石列の間に前記目盛を設け、
前記複数のコイル群の間に前記2次元角度センサーを設けたことを特徴とするものである。
【0014】
上記発明によれば、装置の軽量化,剛性の向上,及び製造コストの低減を図ることができる。また装置が軽量化し、剛性の向上も図れることにより、制御面においても高周波領域までサーボ性能の確保することが可能となる。
【0015】
また、目盛が角度形状を表わす2次元の角度格子から形成されるため、単一の目盛に角度センサーを組み合わせるだけで移動物体の2次元の位置検出は勿論のこと、ピッチング角、ローリング角及びヨーイング角をも検出することが可能になる。また、角度格子とすることにより、直交座標、円筒座標、極座標もしくは自由曲面に沿う座標のような2次元の座標に関する位置検出も可能になる。
【0016】
更に、2次元角度センサーは、従来用いられていたレーザ干渉計等と比べてデッドパスが非常に小さいため、熱膨張による計測誤差や空気の揺らぎなどの影響を受け難く、よって高い位置及び姿勢計測を行なうことが可能となる。
【0017】
また、請求項2記載の発明は、
請求項1記載のステージ装置において、
前記一対の磁石列と前記目盛を前記ステージに配設すると共に、
前記複数のコイル群と前記2次元角度センサーを前記ベースに配設したことを特徴とするものである。
【0019】
また、請求項3記載の発明は、
請求項1記載のステージ装置において、
前記一対の磁石列は、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線上に配列した一対の磁石列であり、
前記複数のコイル群は、前記一対の磁石列のそれぞれに交差するように対向配置されると共に前記磁石列が発生する磁束と係合するよう取り付けられており、対向する磁石列の配列方向とほぼ平行な軸方向を有するコイルを含んで構成された一対のコイル群であり、
前記一対の磁石列の間に前記目盛を設け、
前記一対のコイル群の間に前記2次元角度センサーを設けたことを特徴とするものである。
【0020】
また、請求項4記載の発明は、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載のステージ装置において、
前記2次元角度センサーを少なくとも3個設けたことを特徴とするものである。
【0021】
上記発明によれば、2次元の角度格子からなる目盛に少なくとも3個の2次元角度センサーを組み合わせることにより、目盛及び角度センサーの相対的移動における移動物体の2次元座標位置、ピッチング角、ローリング角及びヨーイング角を検出することができ、更に角度センサーに既知の所定の角度変化を与えることで、目盛と角度センサー間の距離も検出することができる。
【0022】
また、請求項5記載の発明は、
請求項1乃至4のいずれか1項に記載のステージ装置において、
前記角度格子の角度形状の誤差を校正した結果に基づいて、前記角度格子による座標位置と姿勢角の測定結果の補正をする手段を備えることを特徴とするものである。
【0023】
上記発明によれば、角度格子の角度形状の誤差を校正した結果に基づいて角度格子による座標位置と姿勢角の測定結果を補正する補正手段を備えることにより、角度格子を高精度に作成できない場合、校正データをメモリに格納しておき、このデータ間を内挿で近似演算させることで校正結果を基に測定データの補正を行なうことが可能になる。
【0024】
また、請求項6記載の発明は、
請求項1乃至5のいずれか1項に記載のステージ装置において、
前記被移動体を装着するチャックを前記ステージに対し着脱可能な構成とし、
かつ、前記目盛を該チャックに配設したことを特徴とするものである。
【0025】
上記発明によれば、被移動体が装着されることによりこの被移動体と一体的に取り扱われるチャックに目盛を設けたことにより、チャックとステージとの間に発生する誤差がなくなり、高精度の位置計測を行なうことができる。
【0026】
また、請求項7記載の発明は、
請求項1乃至5のいずれか1項に記載のステージ装置において、
前記目盛を前記被移動体に配設すると共に、前記ステージの前記2次元角度センサーと対向する領域に前記光を前記目盛に照射するための透明部を設けたことを特徴とするものである。
【0027】
上記発明では、被移動体自体に目盛が配設されるため、チャッキングと目盛との間における誤差がなくなり、より高精度の位置計測を行なうことができる。また、被移動体に目盛が配設されても、ステージの2次元角度センサーと対向する領域には、光を目盛に照射するための透明部が設けられているため、ステージ(被移動体)の位置計測を行なうことができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【0029】
図1及び図2は、本発明の一実施例であるステージ装置10を示している。図1はステージ装置10の分解斜視図であり、図2はステージ装置10の部分的に切り欠いた組み立てられた状態の斜視図である。このステージ装置10は、例えば半導体製造用のステッパ等において被移動体となるウェハを所定位置に移動させるのに用いられる装置である。
【0030】
このステージ装置10は、大略するとベース11、ステージ12、サーフェスエンコーダ24、及び駆動装置等により構成されている。ベース11はステージ装置10の基台となるものであり、後述するリニアモータ構造部20A,25A、Z方向電磁石30、及び2次元角度センサー14A〜14C等が配設される。
【0031】
また、ステージ12は被移動体となるウェハ60及びチャック61が上部に搭載される(図16参照)と共に、下部にはマグネット15,16、ヨーク17、及びスペーサ18を介してZ方向用マグネット19が配設される。このステージ12は、ベース11に対して図中矢印X方向移動、Y方向移動、及びZ軸を中心とした回転移動が可能な構成とされている。
【0032】
サーフェスエンコーダ24は、目盛13と、本実施例では3個の2次元角度センサー14A〜14Cとにより構成されている。目盛13は、図3及び図5に拡大して示すように、基部41の表面上または面内に形成され、角度に関する性質がX−Y方向の2次元方向に既知の関数(本実施例では正弦波の山と谷の集合)で変化する角度格子40から構成されている。
尚、本実施例では3個の2次元角度センサー14A〜14Cが配設されているが、以下の説明では、説明を容易にするために1個の2次元角度センサー14が配設されている構成を想定し説明するものとする(図3参照)。
【0033】
目盛13に形成された角度格子40の高さ形状f(X,Y)は、次式で与えられる。但し、次式において、Ax,AyはそれぞれX,Y方向の振幅であり、λx,λyはその波長である。
【0034】
f(x,y)=Ax・sin(2πX/λx)+Ay・sin(2πY/λy)…▲1▼また、この角度格子40のX方向,Y方向の角度形状(2次元角度センサー14で測定したときの出力)θ(x),ψ(y)は、それぞれ角度格子40の形状を偏微分したもので表され、次式で与えられる。
【0035】
θ(x)=δf/δx=(2πA1/λ1)・cos(2πx/λ1)…▲2▼
ψ(y)=δf/δy=(2πA2/λ2)・cos(2πx/λ2)…▲3▼
図3に示されるように、角度格子40をX,Yの2方向の角度変化が検出できる2次元角度センサー14で測定すると、角度格子形状の山に対する高さが同一でも、山の斜面の位置によって角方向の角度出力が異なるため、この違いから2次元位置を決定することができる。
これにより、ベース11或いはステージ12の内いずれか一方に目盛13を取り付け、他方に2次元角度センサー14を取り付けることで、それらの相対移動における移動体(即ち、ステージ12)の2次元座標を検出することができる。本実施例では、目盛13はステージ12の背面(ベース11と対向する面)の略中央位置に固定されている。
【0036】
図6は、本実施例で用いた目盛13に形成された角度格子40の一部を干渉顕微鏡で測定したものである。本実施例における角度格子40は、精密旋盤で直径55mm暑さ10mmの円筒をしたアルミニウムを正面旋削により加工したものである。また、その高さ形状は、片振幅0.3μm,周期300μmの正弦波の重ね合わせで表せられ、具体的には次式で与えられる。
f(X,Y)=0.3・sin(2πX/300)+0.3・sin(2πY/300)[μm]…▲4▼
尚、本実施例における角度格子40の角度振幅は±21.6分である。
【0037】
一方,2次元角度センサー14は、ベース11に配設された構成とされている。この2次元角度センサー14は,図6に示されるような光学系により構成されている。この2次元角度センサー14を構成する光学系は、光源50、反射用プリズム52,53,57,58、ビームスプリッター54,1/4波長板55,コリメータレンズ56,及びフォトダイオード59等により構成されている。
【0038】
そして、光源50から発射され、グリッドフィルム51を通過し、反射用プリズム52,53で反射し方向を代えたレーザ光65は、そのp偏光成分がビームスプリッター54及び1/4波長板55を通過し、反射用プリズム58によって上向きに反射され、ステージ12に取り付けられた目盛13(角度格子40)に当たる。
【0039】
目盛13(角度格子40)で反射したレーザ光65は、再び1/4波長板55を通過してs偏光となりビームスプリッター54で反射し、コリメータレンズ56を通過し、その焦点距離の位置に置かれた4分割とされたフォトダイオード59に集光する。2次元角度センサー14は、この様にレーザオートコリメーションの原理によって、2次元の角度変化を検出する。
【0040】
上記構成とされたサーフェスエンコーダ24では、角度格子40の形状が位置検出の基準となるので、形状に誤差が含まれると位置検出精度にも影響を与える。2次元角度センサー14のプローブであるレーザビームが1本であったとき、その出力は角度格子40の格子ピッチの変化や形状誤差の影響を大きく受けてしまう。この誤差の影響は、複数のレーザビームを角度格子40の同位相に照射し、常に複数の山を観察できる構成とすることにより排除することができる。
【0041】
そこで本実施例では、3個の2次元角度センサー14A〜14Cをセンサー基板33に設け、これにより複数のレーザビームを角度格子40の同位相に照射する構成とし、角度格子40の形状のばらつき(格子ピッチ)の高周波成分、また、角度格子40の形状誤差の影響を平均して測定精度の向上を図っている。
【0042】
また、角度格子40に3個の2次元角度センサー14A〜14Cを組み合わせることにより、目盛13及び2次元角度センサー14A〜14Cの相対的移動における移動物体の2次元座標位置、ピッチング角、ローリング角及びヨーイング角を検出することができ、更に2次元角度センサー14A〜14Cに既知の所定の角度変化を与えることで、目盛13と2次元角度センサー14A〜14C間の距離も検出することが可能となる。
【0043】
更に、2次元角度センサー14A〜14Cは、従来用いられていたレーザ干渉計等と比べてデッドパスが非常に小さいため、熱膨張による計測誤差や空気の揺らぎなどの影響を受け難く、よって高い位置及び姿勢計測を行なうことが可能となる。
【0044】
続いて、駆動装置について説明する。
【0045】
駆動装置は、ベース11に対してステージ12をX方向移動,Y方向移動,及びZ軸を中心とした回転移動を行なわれるものである。この駆動装置は、ベース11に配設されたX方向リニアモータ構造部20A,20B、Y方向リニアモータ構造部25A,25B、Z方向電磁石30と、ステージ12に配設されたX方向用マグネット15,Y方向用マグネット16,Z方向用マグネット19等により構成されている。
【0046】
X方向リニアモータ構造部20Aはベース11上に配設されており、一対のX方向用コイル21A−1,21A−2(双方をまとめていうときにはX方向用コイル21Aという)と、X方向用コア22Aとにより構成されている。一対のX方向用コイル21A−1,21A−2は図中矢印X方向に並設されており、それぞれ独立して電流を供給できる構成とされている。
【0047】
また、X方向リニアモータ構造部20BはX方向リニアモータ構造部20Aと同一構成とされており、X方向用コイル21B(符号は付さないが、一対のX方向用コイルにより構成されている)及びX方向用コア22Bとにより構成されている。このX方向リニアモータ構造部20AとX方向リニアモータ構造部20Bは、前記した2次元角度センサー14A〜14Cの配設位置を挟んで、図中矢印Y方向に離間して配置された構成とされている。
【0048】
一方、Y方向リニアモータ構造部25A及びY方向リニアモータ構造部25Bも、前記したX方向リニアモータ構造部20Aと同様の構成とされている。即ち、Y方向リニアモータ構造部25AはY方向用コイル26A(符号は付さないが、一対のY方向用コイルにより構成されている)とY方向用コア27Aとにより構成され、Y方向リニアモータ構造部25BはY方向用コイル26B(符号は付さないが、一対のY方向用コイルにより構成されている)とY方向用コア27Bとにより構成されている。このY方向リニアモータ構造部25AとY方向リニアモータ構造部25Bは、前記した2次元角度センサー14A〜14Cの配設位置を挟んで、図中矢印X方向に離間して配置された構成とされている。
【0049】
Z方向電磁石30は、ベース11に対してステージ12を浮上させることにより、前記したX方向用マグネット15Aと後述するステージ12に設けられた各マグネット15,16との間にギャップを形成する機能を奏するものである。このZ方向電磁石30は、Z方向用コイル31とZ方向用コア32とにより構成されている。また、浮上を安定化するため、矩形状とされたベース11の四隅位置にそれぞれ配設されている。尚、ベース11に対してステージ12を浮上させる手段は、本実施例で採用している磁気的な手段の他にも、圧縮空気を用いる方法や、複数のボールでベース11を支持する手段等が考えられる。
【0050】
一方、前記したようにステージ12にはX方向用マグネット15及びY方向用マグネット16が配設されている。図に現れないが、各マグネット15,16はそれぞれ一対ずつ合計4個が配設されている。従って、ステージ12を底面視した状態において、各マグネット15,16は協働して略四角形をなすよう配置されている。
【0051】
X方向用マグネット15は、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線状に配列した複数の磁石列(小磁石の集合体)により構成されている。同様に、Y方向用マグネット16も、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線状に配列した複数の磁石列により構成されている。各マグネット15,16の上部にはヨーク17が配設されており、このヨーク17は各マグネット15,16を構成する複数の各磁石を磁気的に結合する機能を奏する。
【0052】
上記構成において、ベース11に対しステージ12を装着した状態において、一対のX方向用マグネット15の一方がX方向リニアモータ構造部20A上に位置し、かつ他方のX方向用マグネット15がX方向リニアモータ構造部20B上に位置するよう構成されている。また、ベース11に対しステージ12を装着した状態において、一対のY方向用マグネット16の一方がY方向リニアモータ構造部25A上に位置し、かつ他方のY方向用マグネット16がY方向リニアモータ構造部25B上に位置するよう構成されている。
【0053】
また、ベース11がステージ12に装着された状態で、かつZ方向電磁石30によりステージ12がベース11に対し浮上した状態において、各マグネット15,16が発生する磁界が対向するリニアモータ構造部20A,20B,25A,25Bに係合するよう構成されている。更に、上記装着状態において、各マグネット15,16は、各リニアモータ構造部20A,20B,25A,25Bに設けられている各コイル21A,21B,26A,26Bの巻回方向に対し直交するよう配置されている。
【0054】
駆動装置を上記構成とすることにより、X方向リニアモータ構造部20A,20BとX方向用マグネット15は協働して、ステージ12を図中矢印X方向に駆動するリニアモータとして機能する。同様に、Y方向リニアモータ構造部25A,25BとY方向用マグネット16は協働して、ステージ12を図中矢印Y方向に駆動するリニアモータとして機能する。
【0055】
即ち、本実施例ではX,Y両方向にそれぞれ2組ずつのリニアモータが配置された構成となる。この構成とすることにより、装置中央部分に比較的大きな空間を確保できるため、この位置にサーフェスエンコーダ24を設置することができる。尚、本実施例ではステージ12に目盛13を配設し、ベース11に2次元角度センサー14A〜14Cを配設した構成とした。これは、目盛13には配線を接続する必要がないためである。しかしながら、目盛13をベース11に配設し、2次元角度センサー14A〜14Cをステージ12に設ける構成とすることも可能である。
【0056】
また上記構成とされた駆動装置において、X方向リニアモータ構造部20AとX方向リニアモータ構造部20Bのみを同時に同方向に駆動させると、ステージ12は図中矢印X方向に並進運動する。同様に、Y方向リニアモータ構造部25AとY方向リニアモータ構造部25Bのみを同時に同方向に駆動させると、ステージ12は図中矢印Y方向に並進運動する。また、対になった各リニアモータ構造部20Aと20B、25Aと25Bをそれぞれ逆方向に駆動させることにより、ステージ12は図中矢印Z軸まわりθZの回転運動を行なう。
【0057】
続いて、図4を用いて駆動装置によりステージ12が移動する原理について説明する。尚、説明を簡単化するため、ステージ12をX方向に移動させる1つのリニアモータ(X方向用マグネット15とX方向リニアモータ構造部20A)を例に挙げて説明するものとする。
【0058】
まず、図4(A)に示すように、X方向用コイル21A−2に図に書かれた方向に電流を流すと、電流とそれに対向したX方向用マグネット15との間にX軸に沿った力が生じ、生じたそれぞれの力が釣り合ったところでX方向用マグネット15は停止する。
この状態で図4(B)に示すように、X方向用コイル21A−1に電流を流すと、X方向用コイル21A−1に対向しているX方向用マグネット15にそれぞれ図に右向きの力が生じる。この力により、X方向用マグネット15(即ち、ステージ12)が動き出し、図4(C)に示すように、X方向用コイル21A−1とX方向用コイル21A−2によって磁石に生じる力が釣り合った位置まで磁石は移動する。その後、図4(D)に示すように、X方向用コイル21A−2の電流を切ると、X方向用コイル21A−1の電流で力が釣り合う位置で移動する。上記した図4(A)〜(D)の動作により、X方向用マグネット15(ステージ12)が磁石半個分の距離Δdだけ移動する。
【0059】
上記のようにX方向用コイル21A−1,21A−2に印加する電流をON,OFFのみで駆動すると、磁石1/4個分ずつの移動しかできないが、図4(C)に示す状態でX方向用コイル21A−1,21A−2に流す電流の大きさの比を変化させると、それに応じてそれぞれの電流の大きさに釣り合った位置までX方向用マグネット15が移動するので、半範囲内で任意の位置に磁石を移動させることができる。
また、対向するX方向用マグネット15の極性に応じてコイルに印加する電流の方向を変化させることで、X方向用マグネット15の配列の存在する範囲内で自由に駆動することができる。
【0060】
上記した本実施例に係る駆動装置では、駆動分解能はX方向用マグネット15を構成する複数の磁石の幅及びX方向用コイル21A−1,21A−2の幅と、各コイル21A−1,21A−2への印加電圧を出力するD/Aボードの分解能によって決定される。例えば、上記の磁石及びコイルの幅が10mm,D/Aボードが16bitであると仮定すると、このステージの並進駆動の最小駆動量は0.2μm,回転駆動では0.5秒となる。なお、駆動方式を改良することにより、ナノメートルオーダの駆動も可能である。
【0061】
また本実施例では、通常の直流モータと異なり、常にステージ12に生じる力が釣り合う位置の付近でステッピングモータ状に駆動する。このため、各コイル21A−1,21A−2に印加する電圧を計算することによって、ステージ12のオープンループ駆動を行なうことができる。
尚、上記した駆動装置の説明では、ステージ12をX方向に移動させる1つのリニアモータ(X方向用マグネット15とX方向リニアモータ構造部20A)を例に挙げて説明したが、他のマグネット15,16と、X方向リニアモータ構造部20B及びY方向リニアモータ構造部25A,25Bとより構成されるリニアモータの駆動原理も同様である。
【0062】
上記構成とされた駆動装置では、一段構造でステージ12をX方向及びY方向の移動及びZ軸回りの回転を制御することが可能である。また、各方向毎のガイド構造を持つ必要はなく、最終ステージであるステージ12が直接駆動される構成のため、ステージ装置10の軽量化,剛性の向上,及び製造コストの低減を図ることができる。またステージ装置10が軽量化し、剛性の向上も図れることにより、制御面においても高周波領域までサーボ性能の確保することが可能となる。
【0063】
続いて、上記構成とされたステージ装置10において、本発明者が実際にステージ12を駆動させる実験を行なったときの実験結果について説明する。
尚、以下の実験では、サーフェスエンコーダ24の出力を用いないで駆動したものをオープンループ駆動,サーフェスエンコーダ24の出力を用いて位置情報をフィードバックしながら駆動を行なったものをクローズドループ駆動する。
【0064】
図7は、ステージ12をX方向にオープンループ駆動した時のサーフェスエンコーダ24の出力(2次元角度センサー14Aの出力)の様子を示している。同図より、X方向出力は±70%程度の振幅で周期的に出力が変化していることが確認できる。また、図示しないが、Y方向についても同様の出力が得られた。
【0065】
ここで、サーフェスエンコーダ24の出力が0%となる点をゼロクロス点と呼ぶこととすると、このゼロクロス点同士の間隔は角度格子40(図3,図5参照)の1周期分の波長300μmに対応する。サーフェスエンコーダ24では、このゼロクロス点の数から300μmずつの距離が、また、その間については正弦波状のサーフェスエンコーダ24の出力を内挿することにより求めることができる。
【0066】
そこで本実施例ではゼロクロス点の個数に注目し、以下説明する実験ではサーフェスエンコーダ24の出力のゼロクロス点(300μm)を目標にしたステージ12の位置決めを行なうこととした。
【0067】
図8は、ステージ12を微小並進駆動したときにおける、サーフェスエンコーダ24の出力変化の様子を示している。また、同じ微小並進駆動したときにおける、レーザ干渉測長機による測定結果も比較のために測定し、同図に示している。
【0068】
同図より、レーザ干渉測長機によって測定したステージ12の0.2μmの並進駆動に応じて、サーフェスエンコーダ24の出力も約0.2%変化していることが確認できる。これにより、レーザ干渉測長機の出力と同様の変化を、本実施例に係るサーフェスエンコーダ24によっても検出できていることが確認できる。
【0069】
次に、サーフェスエンコーダ24の出力を基準にして、目盛13に設けられた角度格子40の1周期分の300μm,及び角度格子40の5周期分の1.5mmの位置を目標にしたPTP(Point To Point)駆動での1軸位置決めを行なった実験結果について以下述べる。
【0070】
角度格子40の1周期分(300μm)のX方向1軸駆動を行なったときのステージ12の移動量を、外部からレーザ干渉測長機で観測した結果を図9に示す。同図より、ステージ12がX方向に約300μm駆動し、この時の位置決め誤差は1μmであることが判った。
【0071】
図10は、この時のサーフェスエンコーダ24のX方向出力を示している。ここで、図の横軸は制御する際に用いたデータのデータ番号である。また、図中T1〜T3は、図9に示したT1〜T3と時間的に対応している。
同図より、先ずスタートのゼロクロスを探し(図中のT1)、続いて角度格子40の1周期分駆動を行ない(図中のT2)、再びゼロクロスに落ち着いて(図中のT3)いることが確認できる。
【0072】
また、同様に角度格子40の5周期分(1.5mm)のX方向1軸駆動を行った時の移動量を、外部からレーザ干渉測長機で観測した結果を図11に示す。これにより、ステージ12がX方向に約1.5mm駆動し、この時の位置決め誤差が6μmであることが判った。
図12は、この時のサーフェスエンコーダ24のX方向出力を示している。同様に、先ずスタートのゼロクロスを探し(図中のT1)、続いて角度格子40の5周期分駆動を行ない(図中のT2)、再びゼロクロスに落ち着いて(図中のT3)いることが確認できる。
【0073】
また、オープンループ駆動で、300μmの距離を目標にXY各方向にそれぞれ進んで元の位置に戻るような電圧パターンを出力し、2次元繰り返し駆動を行なう実験を実施した。この時の駆動結果を図13に示す。同図に示されるように、目標位置との位置決め誤差は、X方向で100μm,Y方向で160μm程度であり、各地点における繰り返し性は、±15μm程度であった。よって、オープンループ駆動では、目標の位置から大きく外れていることが判る。
【0074】
これに対し、続いてサーフェスエンコーダ24の出力を基準に、角度格子40の1周期分(300μm)ずつの2次元繰り返し駆動を行なった。この時の駆動結果を図15に示す。同図に示されるように、位置決め誤差は、最大X方向で6μm、Y方向で2μmであった。また、各目標地点における2次元駆動の繰り返し性は、±2μmであった。このように、ステージ12の位置検出にサーフェスエンコーダ24を用いることで、300μmを目標としたPTP駆動を行なうことができた。
【0075】
図15は、ステージ12をA点(X=0μm,Y=0μm)を出発点、B点(X=900μm,Y=900μm)を目標位置にした4つのルート(図中、ルート1〜ルート4で示す)で移動させたときの、それぞれの2次元パターン駆動の結果をまとめて示している。また、ルート1が300μmずつの交互のL字駆動、ルート2が900μmずつの斜め駆動、ルート4が900μmの斜め駆動である。同図に示す駆動においても、サーフェスエンコーダ24の出力を基準に駆動を行なっている。
【0076】
同図に示されるように、目標位置B点における4つのルートによる位置決めの繰り返し性はX方向,Y方向共に±2.5μmの範囲内であった。これは、上記で述べた繰り返し性の範囲と略等しい。また、駆動の目標位置であるX=900μm,Y=900μmの地点における位置決め誤差は、X方向に関しては15μm程度、Y方向に関しては12μm程度であった。
【0077】
これらの位置決め誤差は、主に角度格子40の形状誤差によるもので、それを校正することによって補正することで、より精度を高めることが可能である。具多的には、角度格子40の角度形状の誤差を校正した結果に基づいて角度格子40による座標位置と姿勢角の測定結果を補正する補正手段を設け、角度格子40を高精度に作成できない場合、校正データをメモリ等に格納しておき、このデータ間を内挿で近似演算させることで校正結果を基に測定データの補正を行なう構成としてもよい。
【0078】
上記した実験結果より、目盛13及び2次元角度センサー14A〜14Cよりなるサーフェスエンコーダ24をステージ装置10に組み込むことにより、ステージ12の高精度な位置検出(移動量検出)を行なうことができ、ステージ12の駆動制御の精度及び信頼性を向上させることができる。
【0079】
次に、上記したステージ装置10の変形例について説明する。
【0080】
図17は、上記したステージ装置10の第1変形例であるステージ装置10Aを示す概略構成図である。尚、比較のため、図16に上記したステージ装置10の概略構成図を示している。また、図17及び図18において、ステージ装置10の構成と同一構成については同一符号を付してその説明を省略するものとする。
【0081】
上記したステージ装置10は、ステージ12の底面(ベース11と対向する面)に2次元角度センサー14と対向するよう目盛13を配設した構成とした。また、被移動体としてウェハ60を用いる場合、ステージ12上にチャック61を設け、このチャック61にウェハ60を保持させる構成としていた。
【0082】
これに対し、本変形例に係るステージ装置10Aは、ウェハ60を保持するチャック61Aをステージ12Aに対して着脱可能な構成とすると共に、目盛13をチャック61Aに配設した構成としている。
具体的には、ステージ12Aには装着部62が形成されており、チャック61Aはこの装着部62に挿入脱可能な構成とされている。これにより、チャック61Aはステージ12Aに対して着脱可能な構成とされている。また、チャック61Aの底面は、ステージ12Aに装着された状態において、ステージ12Aの底面から露出するよう構成されている。
【0083】
目盛13は、チャック61Aの底面に配設されている。よって、チャック61Aをステージ12Aに装着した状態において、目盛13はステージ12Aの底面から露出し、ベース11に設けられた2次元角度センサー14と対向した状態となる。
【0084】
これにより、2次元角度センサー14は、目盛13に向けレーザ光65を発射すると共にその反射光を入射することが可能となるため、ステージ12Aの位置測定を行なうことが可能となる。また本変形例では、ウェハ60と一体的に取り扱われるチャック61Aに目盛13を設けているため、チャック61Aとステージ12Aとの間に誤差が生じても、これがサーフェスエンコーダ24の測定結果に影響を与えることがなくなり、よって高精度の位置計測を行なうことができる。
【0085】
図18は、上記したステージ装置10の第2変形例であるステージ装置10Bを示す概略構成図である。
本変形例では、目盛13を被移動体となるウェハ60の背面側に直接配設したことを特徴としている。また、ウェハ60の背面側に配設された目盛13を2次元角度センサー14で確認できるよう、ステージ12Bの目盛13と対向する領域には、2次元角度センサー14から照射されたレーザ光65が目盛13に照射されるように透明部63が設けられている。
【0086】
目盛13はウェハ60に貼り付ける等により固定してもよく、またウェハ60を直接加工することにより一体的に形成する構成としてもよい。これにより、目盛13はウェハ60と一体化した構成となる。また、透明部63は、例えばステージ12Bに嵌めこまれたガラス或いは透明樹脂により構成されている。
【0087】
本変形例では、被移動体となるウェハ60自体に目盛13が配設されるため、上記した第2変形例に係る構成で発生するおそれがある、チャック61Aと目盛13との間における誤差の発生を防止でき、より高精度の位置計測を行なうことができる。また、ウェハ60に目盛13が配設されても、ステージ12Bの2次元角度センサー14と対向する領域(移動範囲わたり対向するよう設定されている)には、レーザ光65を目盛13に照射するための透明部63が設けられているため、ステージ12(ウェハ60)の位置計測を確実に行なうことができる。
【0088】
尚、上記した本発明は、半導体製造装置のみならず、マイクロマシン,IT用光通信部品等、今後微細加工を必要とする分野に広く適用することが可能である。即ち、現在のマイクロマシン製造技術の多くは半導体製造技術を利用しており、本発明を用いることにより、より微細で多様なマイクロマシンを製造することが可能となる。
また、レーザ加工の分野では、サブミクロンの精度で超高速に動くステージが要求されている。また、複雑な形状を加工するために、自由度の高いステージが必要となる。従来のステージ装置では、これらの要求を満たすものは無かったが、本発明のステージ装置は、高精度,高速,多自由度を実現できるため、レーザ加工用ステージとしても用いることができる。更に、本発明は、上記した分野だけではなく、超精密機器,超精密計測装置,マウンター等の、電子部品の組み立て、検査装置,或いはオフィスオートメーション分野においても適用することが可能である。
【0089】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、次に述べる種々の効果を実現することができる。
【0090】
請求項1記載の発明によれば、装置の軽量化,剛性の向上,及び製造コストの低減を図ることができ、これに伴い制御面においても高周波領域までサーボ性能の確保することが可能となる。
【0091】
また、2次元角度センサーは、従来用いられていたレーザ干渉計等と比べてデッドパスが非常に小さいため、熱膨張による計測誤差や空気の揺らぎなどの影響を受け難く、よって高い位置及び姿勢計測を行なうことが可能となる。
【0092】
また、請求項2及び請求項3記載の発明によれば、一段構造の駆動装置でも、ステージをベースに対してX,Y方向移動及びZ軸回りの回転移動させることが可能となる。
【0093】
また、請求項4記載の発明によれば、目盛及び角度センサーの相対的移動における移動物体の2次元座標位置、ピッチング角、ローリング角及びヨーイング角を検出することができ、更に角度センサーに既知の所定の角度変化を与えることで、目盛と角度センサー間の距離も検出することができる。
【0094】
また、請求項5記載の発明によれば、角度格子を高精度に作成できない場合、校正データをメモリに格納しておき、このデータ間を内挿で近似演算させることで校正結果を基に測定データの補正を行なうことが可能になる。
【0095】
また、請求項6記載の発明によれば、チャックとステージとの間に発生する誤差がなくなり、高精度の位置計測を行なうことができる。
【0096】
また、請求項7記載の発明によれば、チャッキングと目盛との間における誤差がなくなり、より高精度の位置計測を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例であるステージ装置の分解斜視図である。
【図2】本発明の一実施例であるステージ装置の部分的に切り欠いた斜視図である。
【図3】本発明の一実施例であるステージ装置に設けられる目盛及び2次元角度センサーを説明するための図である。
【図4】ステージが駆動する原理を説明するため図である。
【図5】本発明の一実施例であるステージ装置に設けられる目盛を拡大して示す図である。
【図6】本発明の一実施例であるステージ装置に設けられる2次元角度センサーの光学系を説明するための図である。
【図7】本発明の一実施例であるステージ装置をX方向にオープンループ駆動したときの2次元角度センサーの出力を示す図である。
【図8】本発明の一実施例であるステージ装置を微小並進駆動したときの2次元角度センサーの出力をレーザ干渉測長機の出力と比較して示す図である。
【図9】本発明の一実施例であるステージ装置において、角度格子1周期分のX方向1軸駆動を行なったときのステージの移動量をレーザ干渉測長機で測定した結果を示す図である。
【図10】本発明の一実施例であるステージ装置において、角度格子1周期分のX方向1軸駆動を行なったときのステージの移動量を2次元角度センサーで測定した結果を示す図である。
【図11】本発明の一実施例であるステージ装置において、角度格子5周期分のX方向1軸駆動を行なったときのステージの移動量をレーザ干渉測長機で測定した結果を示す図である。
【図12】本発明の一実施例であるステージ装置において、角度格子5周期分のX方向1軸駆動を行なったときのステージの移動量を2次元角度センサーで測定した結果を示す図である。
【図13】本発明の一実施例であるステージ装置において、オープンループ駆動でステージを所定方向に移動させた後元に戻る2次元繰り返し駆動を行なったときの駆動結果を示す図である。
【図14】本発明の一実施例であるステージ装置において、角度周期1周期分ずつの2次元繰り返し駆動を行なったときの2次元角度センサーの出力を示す図である。
【図15】本発明の一実施例であるステージ装置において、A点を出発位置、B点を目標位置とした4つのルートの2次元駆動したときの2次元角度センサーの出力を示す図である。
【図16】本発明の一実施例であるステージ装置の概略構成図である。
【図17】本発明の一実施例であるステージ装置の第1変形例であるステージ装置の概略構成図である。
【図18】本発明の一実施例であるステージ装置の第2変形例であるステージ装置の概略構成図である。
【符号の説明】
10,10A,10B ステージ装置
11 ベース
12,12A,12B ステージ
13 目盛
14A〜14C 2次元角度センサー
15 X方向用マグネット
16 Y方向用マグネット
17 ヨーク
18 スペーサ
19 Z方向用マグネット
20A,20B X方向リニアモータ構造部
21A,21A−1,21A−2,21B X方向用コイル
22A,22B X方向用コア
25A,25B Y方向リニアモータ構造部
26A,26B Y方向用コイル
27A,27B Y方向用コア
30 Z方向電磁石
31 Z方向用コイル
32 Z方向用コア
40 角度格子
41 基部
50 光源
54 ビームスプリッター
55 1/4波長板
56 コリメータレンズ
60 ウェハ
61,61A チャック
62 装着部
63 透明部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a stage apparatus, and more particularly, to a stage apparatus capable of driving a stage member with high precision at least in the XY direction.
[0002]
In response to the high integration and low cost of semiconductor devices that are the foundation of information technology, there are increasing demands for high productivity, high accuracy, high speed, and the like of semiconductor exposure apparatuses that manufacture them. An XY stage apparatus that is a key component of a semiconductor exposure apparatus needs to have an accuracy of around 10 nm and a moving range of several hundred mm. In order to improve the productivity of semiconductor devices, there is a table for moving a stage on which a workpiece is mounted to a processing position at high speed. Therefore, it is desired to realize a stage apparatus that satisfies all the above requirements.
[0003]
[Prior art]
For example, various semiconductor manufacturing apparatuses used in the semiconductor manufacturing process are provided with a stage apparatus for mounting a wafer to be moved and moving the wafer. This stage apparatus has a driving apparatus that drives a stage on which a wafer is mounted on a base, and a position measuring apparatus that measures the position of the stage relative to the base.
[0004]
As a conventional driving apparatus, a so-called stack type stage represented by a system in which a stage that moves only in the X direction and a stage that moves only in the Y direction has been generally used.
[0005]
Further, the conventional position measuring device has a configuration in which a measuring device such as a rotary encoder or a linear encoder is provided for each degree of freedom. For example, when performing two-dimensional positioning, as described above, each of the stacked stages that move independently in the X direction or the Y direction is provided with a position measuring device, or a circumferential scale and 1 Some measuring devices combined with an axis stage are configured to measure and position the rotational position and the radial position independently. Also, in a measuring device that determines the position in the X and Y directions using a laser interference displacement meter, two displacement meters and a high-precision straight ruler that guarantees shape accuracy over a moving range perpendicular to the displacement detection direction, etc. In this way, the position is detected.
[0006]
Conventionally, when detecting a posture corresponding to pitching and yawing of a moving object, an autocollimator is used. This autocollimator simultaneously performs pitching and yawing with respect to movement of one axis in a linear direction. While it can be measured, a highly accurate straight ruler is required for moving objects in the X and Y directions.
[0007]
Furthermore, a level is known as a means for measuring rolling of a moving object. However, this level has a problem in response speed and measurement accuracy, and is unsuitable for a high-precision measurement instrument. Therefore, two parallel straight rulers are installed, and the rolling angle is calculated from the difference in distance to the straight ruler, or the rolling angle is detected by the autocollimator using one straight ruler as a reference mirror surface. ing.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the stage apparatus using the driving device as described above, the center of gravity of the lower stage changes when the upper stage moves, and the mobility of the upper stage affects the mobility of the upper stage. There was a problem of being added. In order to solve this problem, it is necessary to increase the rigidity of each stage. However, if the rigidity is increased, the overall size of the stage apparatus increases. In addition, in a configuration in which a plurality of different stages are stacked, the structure of the stage apparatus becomes complicated, and this also increases the size of the entire stage apparatus.
[0009]
The stage apparatus using the position measuring apparatus as described above has the following problems. That is, a measuring device such as a rotary encoder or linear encoder used in a conventional position measuring device can only perform one-dimensional positioning, and two-dimensional positioning requires combining at least two sets of the measuring devices described above. There are significant restrictions on the design of the detection device.
[0010]
Further, when positioning using a laser interference displacement meter, essentially only one-dimensional positioning can be performed with one axis, and when performing two-dimensional positioning, a highly accurate straight ruler is required. As a result, when this type of position measuring device is provided in the stage device, there is a problem in that there are restrictions on the structure and the cost increases.
[0011]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a stage apparatus capable of miniaturizing the apparatus and measuring the position of the stage relative to the base with high accuracy.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention is characterized by the following measures.
[0013]
A stage apparatus according to the invention of
Base and
A stage on which the object is placed;
Mounted on either the base or the stage A pair of A magnet array;
A plurality of coil groups attached to either the base or the stage;
It is formed of an angle grid formed on or in the surface of the base, and whose angular properties change with a known function in the two-dimensional direction of the XY direction, and is the center of either the base or the stage A scale arranged in the section;
Located at the center of the base or the other stage of the stage, irradiates light on the angle grating surface of the scale, and detects a two-dimensional angle in the XY direction of reflected light reflected by the scale. A two-dimensional angle sensor,
The scale is provided between the pair of magnet rows,
Above Multiple The two-dimensional angle sensor is provided between the coil groups.
[0014]
In the above invention According to the equipment Can be reduced in weight, improved in rigidity, and reduced in manufacturing cost. Further, the weight of the apparatus can be reduced and the rigidity can be improved, so that the servo performance can be ensured up to the high frequency region also in the control surface.
[0015]
In addition, since the scale is formed from a two-dimensional angle grid representing an angular shape, the two-dimensional position detection of a moving object can be performed by simply combining an angle sensor with a single scale, as well as the pitching angle, rolling angle, and yawing. It becomes possible to detect corners. In addition, by using an angle grid, it is possible to detect a position related to a two-dimensional coordinate such as a rectangular coordinate, a cylindrical coordinate, a polar coordinate, or a coordinate along a free-form surface.
[0016]
In addition, since the two-dimensional angle sensor has a very small dead path compared to a laser interferometer or the like that has been used in the past, it is not easily affected by measurement errors due to thermal expansion or air fluctuations. Can be performed.
[0017]
The invention according to
The stage apparatus according to
Above pair While arranging the magnet row and the scale on the stage,
The plurality of coil groups and the two-dimensional angle sensor are arranged on the base.
[0019]
The invention according to
The stage apparatus according to
Above pair The magnet row is a pair of magnet rows in which a plurality of equivalent permanent magnets are arranged on a straight line so that the polarities appear alternately.
The plurality of coil groups are arranged to face each other so as to intersect each of the pair of magnet rows, and are attached to engage with the magnetic flux generated by the magnet rows, and are approximately in the arrangement direction of the facing magnet rows. A pair of coils configured to include coils having parallel axial directions;
The scale is provided between the pair of magnet rows,
The two-dimensional angle sensor is provided between the pair of coils.
[0020]
The invention according to
The stage apparatus according to any one of
At least three two-dimensional angle sensors are provided.
[0021]
According to the above invention, by combining at least three two-dimensional angle sensors with a scale composed of a two-dimensional angle grid, the two-dimensional coordinate position, pitching angle, and rolling angle of the moving object in the relative movement of the scale and the angle sensor. In addition, the yawing angle can be detected, and the distance between the scale and the angle sensor can also be detected by giving a known predetermined angle change to the angle sensor.
[0022]
The invention according to
The stage apparatus according to any one of
The error of the angle shape of the angle grid Proofreading On the basis of the result, a means for correcting the measurement result of the coordinate position and posture angle by the angle grid is provided.
[0023]
According to the above invention, when the angle grating cannot be created with high accuracy by providing the correction means for correcting the measurement result of the coordinate position and the posture angle by the angle grating based on the result of calibrating the error of the angle shape of the angle grating. The calibration data is stored in the memory, and the data is approximated by interpolation, so that the measurement data can be corrected based on the calibration result.
[0024]
Further, the invention described in claim 6
The stage apparatus according to any one of
The chuck for mounting the movable body is configured to be detachable from the stage,
In addition, the scale is arranged on the chuck.
[0025]
According to the above invention, since the scale is provided on the chuck that is handled integrally with the movable body by mounting the movable body, there is no error that occurs between the chuck and the stage, and high accuracy. Position measurement can be performed.
[0026]
The invention according to claim 7
The stage apparatus according to any one of
The scale is disposed on the movable body, and a transparent portion for irradiating the scale with the light is provided in a region of the stage facing the two-dimensional angle sensor.
[0027]
In the above invention, since the scale is arranged on the movable body itself, there is no error between chucking and the scale, and more accurate position measurement can be performed. Even if a scale is provided on the movable body, a stage (movable body) is provided with a transparent portion for irradiating the scale with light in a region facing the two-dimensional angle sensor of the stage. Can be measured.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0029]
1 and 2 show a
[0030]
The
[0031]
The
[0032]
The surface encoder 24 includes a scale 13 and three two-
In this embodiment, three two-
[0033]
The height shape f (X, Y) of the angle grating 40 formed on the scale 13 is given by the following equation. In the following equation, Ax and Ay are amplitudes in the X and Y directions, respectively, and λx and λy are the wavelengths.
[0034]
f (x, y) = Ax · sin (2πX / λx) + Ay · sin (2πY / λy) (1) Further, the angular shape of the
[0035]
θ (x) = δf / δx = (2πA 1 / Λ 1 ) ・ Cos (2πx / λ 1 )… ▲ 2 ▼
ψ (y) = δf / δy = (2πA 2 / Λ 2 ) ・ Cos (2πx / λ 2 )… ▲ 3 ▼
As shown in FIG. 3, when the angle grating 40 is measured by the two-
Thereby, the scale 13 is attached to either the base 11 or the
[0036]
FIG. 6 shows a part of the angle grating 40 formed on the scale 13 used in this example, which was measured with an interference microscope. The
f (X, Y) = 0.3 · sin (2πX / 300) + 0.3 · sin (2πY / 300) [μm] (4)
In this embodiment, the angular amplitude of the angle grating 40 is ± 21.6 minutes.
[0037]
On the other hand, the two-
[0038]
Then, the
[0039]
The
[0040]
In the surface encoder 24 configured as described above, the shape of the angle grating 40 is a reference for position detection. Therefore, if an error is included in the shape, the position detection accuracy is also affected. When the number of laser beams that are probes of the two-
[0041]
Therefore, in the present embodiment, three two-
[0042]
Further, by combining three two-
[0043]
Further, since the two-
[0044]
Next, the drive device will be described.
[0045]
The driving device is configured to move the
[0046]
The X-direction
[0047]
The X-direction
[0048]
On the other hand, the Y-direction linear
[0049]
The Z-
[0050]
On the other hand, as described above, the
[0051]
The X-direction magnet 15 is composed of a plurality of magnet arrays (an assembly of small magnets) in which a plurality of equivalent permanent magnets are linearly arranged so that the polarities appear alternately. Similarly, the Y-
[0052]
In the above configuration, when the
[0053]
In a state where the base 11 is mounted on the
[0054]
By configuring the drive device as described above, the X-direction
[0055]
That is, in this embodiment, two sets of linear motors are arranged in both the X and Y directions. With this configuration, a relatively large space can be secured in the central portion of the apparatus, so that the surface encoder 24 can be installed at this position. In the present embodiment, the scale 13 is disposed on the
[0056]
Further, in the driving apparatus configured as described above, when only the X-direction linear
[0057]
Next, the principle of moving the
[0058]
First, as shown in FIG. 4A, when a current is passed through the
In this state, as shown in FIG. 4B, when a current is passed through the
[0059]
When the current applied to the X direction coils 21A-1 and 21A-2 is driven only by ON and OFF as described above, it can only move by 1/4 magnet, but in the state shown in FIG. When the ratio of the magnitudes of the currents flowing through the X-direction coils 21A-1 and 21A-2 is changed, the X-direction magnets 15 are moved to positions corresponding to the respective current magnitudes accordingly. The magnet can be moved to an arbitrary position within.
Further, by changing the direction of the current applied to the coil in accordance with the polarity of the opposing X-direction magnet 15, it can be driven freely within the range in which the X-direction magnet 15 is arranged.
[0060]
In the drive device according to the above-described embodiment, the drive resolution is the width of the plurality of magnets constituting the X-direction magnet 15, the width of the X-direction coils 21A-1, 21A-2, and the
[0061]
Further, in this embodiment, unlike a normal DC motor, it is driven like a stepping motor in the vicinity of a position where forces generated in the
In the description of the driving device described above, one linear motor (the X direction magnet 15 and the X direction
[0062]
In the drive device having the above-described configuration, it is possible to control the movement of the
[0063]
Next, an experimental result when the inventor actually performs an experiment of driving the
In the following experiment, the one driven without using the output of the surface encoder 24 is open-loop driven, and the one driven with the position information fed back using the output of the surface encoder 24 is closed-loop driven.
[0064]
FIG. 7 shows a state of the output of the surface encoder 24 (output of the two-
[0065]
Here, if the point where the output of the surface encoder 24 is 0% is called a zero cross point, the interval between the zero cross points corresponds to a wavelength of 300 μm for one period of the angle grating 40 (see FIGS. 3 and 5). To do. In the surface encoder 24, a distance of 300 μm from the number of zero cross points can be obtained by interpolating the output of the sinusoidal surface encoder 24 between the distances.
[0066]
Therefore, in this embodiment, attention is paid to the number of zero cross points, and in the experiment described below, the
[0067]
FIG. 8 shows a change in the output of the surface encoder 24 when the
[0068]
From the figure, it can be confirmed that the output of the surface encoder 24 is changed by about 0.2% in accordance with the 0.2 μm translational drive of the
[0069]
Next, with reference to the output of the surface encoder 24, PTP (Point To) targeting the position of 300 μm for one period of the angle grating 40 provided on the scale 13 and 1.5 mm for five periods of the angle grating 40 is targeted. (Point) The results of an experiment in which single-axis positioning was performed by driving will be described below.
[0070]
FIG. 9 shows the result of observation of the amount of movement of the
[0071]
FIG. 10 shows the X direction output of the surface encoder 24 at this time. Here, the horizontal axis of the figure is the data number of the data used for control. Further, T1 to T3 in the figure correspond temporally to T1 to T3 shown in FIG.
From the figure, first, the starting zero cross is searched (T1 in the figure), and then the
[0072]
Similarly, FIG. 11 shows the result of observation of the amount of movement when the angle grating 40 is driven in one direction in the X direction for 5 cycles (1.5 mm) from the outside with a laser interferometer. Thereby, it was found that the
FIG. 12 shows the X direction output of the surface encoder 24 at this time. Similarly, first, the starting zero cross is searched (T1 in the figure), then the angle grating 40 is driven for five cycles (T2 in the figure), and it is confirmed that the zero cross is settled again (T3 in the figure). it can.
[0073]
In addition, an experiment was conducted in which two-dimensional repetitive driving was performed by outputting a voltage pattern that advances in each of the XY directions and returns to the original position with a target of 300 μm by open loop driving. The driving result at this time is shown in FIG. As shown in the figure, the positioning error from the target position was about 100 μm in the X direction and about 160 μm in the Y direction, and the repeatability at each point was about ± 15 μm. Therefore, it can be seen that the open-loop drive greatly deviates from the target position.
[0074]
On the other hand, two-dimensional repetitive driving was performed for each period (300 μm) of the angle grating 40 on the basis of the output of the surface encoder 24. The driving result at this time is shown in FIG. As shown in the figure, the positioning error was 6 μm in the maximum X direction and 2 μm in the Y direction. The repeatability of the two-dimensional drive at each target point was ± 2 μm. Thus, by using the surface encoder 24 for detecting the position of the
[0075]
FIG. 15 shows four routes (
[0076]
As shown in the figure, the repeatability of positioning by the four routes at the target position B point is in the range of ± 2.5 μm in both the X direction and the Y direction. This is substantially equal to the repeatability range described above. The positioning error at the drive target position X = 900 μm and Y = 900 μm was about 15 μm in the X direction and about 12 μm in the Y direction.
[0077]
These positioning errors are mainly due to the shape error of the angle grating 40, and it is possible to improve the accuracy by correcting it by calibrating it. More specifically, correction means for correcting the measurement result of the coordinate position and the posture angle by the
[0078]
From the above experimental results, by incorporating the surface encoder 24 including the scale 13 and the two-
[0079]
Next, a modified example of the above-described
[0080]
FIG. 17 is a schematic configuration diagram showing a stage apparatus 10A which is a first modification of the
[0081]
The
[0082]
On the other hand, the stage apparatus 10A according to the present modification has a configuration in which the chuck 61A for holding the wafer 60 is detachable from the stage 12A, and the scale 13 is disposed on the chuck 61A.
Specifically, a mounting
[0083]
The scale 13 is disposed on the bottom surface of the chuck 61A. Therefore, in a state where the chuck 61A is mounted on the stage 12A, the scale 13 is exposed from the bottom surface of the stage 12A and faces the two-
[0084]
Accordingly, the two-
[0085]
FIG. 18 is a schematic configuration diagram showing a stage apparatus 10B which is a second modification of the
This modification is characterized in that the scale 13 is directly disposed on the back side of the wafer 60 to be moved. Further, the
[0086]
The scale 13 may be fixed by being attached to the wafer 60 or may be formed integrally by directly processing the wafer 60. As a result, the scale 13 is integrated with the wafer 60. Moreover, the
[0087]
In the present modification, the scale 13 is disposed on the wafer 60 itself that is a moving body, and therefore there is a possibility of an error between the chuck 61A and the scale 13 that may occur in the configuration according to the second modification described above. Occurrence can be prevented, and more accurate position measurement can be performed. Even if the scale 13 is provided on the wafer 60, the scale 13 is irradiated with the
[0088]
It should be noted that the present invention described above can be widely applied not only to semiconductor manufacturing apparatuses but also to fields requiring microfabrication in the future, such as micromachines and IT optical communication components. In other words, many of the current micromachine manufacturing technologies use semiconductor manufacturing technology, and by using the present invention, it becomes possible to manufacture a variety of micromachines that are finer.
In the field of laser processing, there is a demand for a stage that moves at an ultra-high speed with submicron accuracy. In addition, in order to process a complicated shape, a stage with a high degree of freedom is required. None of the conventional stage apparatuses satisfy these requirements, but the stage apparatus of the present invention can achieve high accuracy, high speed, and multiple degrees of freedom, and therefore can be used as a stage for laser processing. Furthermore, the present invention can be applied not only to the above-described fields, but also to the field of assembly of electronic parts, inspection devices, or office automation such as ultra-precision equipment, ultra-precision measuring devices, and mounters.
[0089]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, various effects described below can be realized.
[0090]
According to the first aspect of the present invention, it is possible to reduce the weight of the apparatus, improve the rigidity, and reduce the manufacturing cost, and accordingly, it is possible to ensure the servo performance up to the high frequency region also in the control surface. .
[0091]
In addition, the two-dimensional angle sensor has a very small dead path compared to the conventionally used laser interferometers and the like, so it is not easily affected by measurement errors due to thermal expansion, air fluctuations, etc. Can be performed.
[0092]
Further, according to the inventions of
[0093]
According to the fourth aspect of the present invention, the two-dimensional coordinate position, pitching angle, rolling angle and yawing angle of the moving object in the relative movement of the scale and the angle sensor can be detected. By giving a predetermined change in angle, the distance between the scale and the angle sensor can also be detected.
[0094]
According to the fifth aspect of the present invention, when the angle grid cannot be created with high accuracy, the calibration data is stored in the memory, and an approximate calculation is performed by interpolation between the data. Data correction can be performed.
[0095]
According to the sixth aspect of the present invention, an error generated between the chuck and the stage is eliminated, and highly accurate position measurement can be performed.
[0096]
According to the seventh aspect of the invention, there is no error between chucking and the scale, and more accurate position measurement can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a stage apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of a stage apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining a scale and a two-dimensional angle sensor provided in a stage apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of driving a stage.
FIG. 5 is an enlarged view showing a scale provided in a stage apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining an optical system of a two-dimensional angle sensor provided in a stage apparatus which is an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing an output of a two-dimensional angle sensor when a stage apparatus according to an embodiment of the present invention is driven in an open loop in the X direction.
FIG. 8 is a diagram showing an output of a two-dimensional angle sensor in comparison with an output of a laser interferometer when a stage device that is an embodiment of the present invention is micro-translationally driven.
FIG. 9 is a diagram showing a result of measuring the amount of movement of the stage with a laser interferometer in the stage apparatus which is an embodiment of the present invention when the X-axis uniaxial drive for one period of the angle grating is performed. is there.
FIG. 10 is a diagram showing the result of measuring the amount of movement of the stage with a two-dimensional angle sensor when driving in one direction in the X direction for one period of the angle grating in the stage apparatus according to an embodiment of the present invention. .
FIG. 11 is a diagram showing a result of measuring the amount of movement of the stage with a laser interferometer in the stage apparatus which is an embodiment of the present invention when uniaxial driving in the X direction for five angular grating periods is performed. is there.
FIG. 12 is a diagram showing a result of measuring the amount of movement of the stage with a two-dimensional angle sensor when driving in the X direction uniaxial for five periods of the angle grating in the stage apparatus according to an embodiment of the present invention. .
FIG. 13 is a diagram illustrating a driving result when two-dimensional repetitive driving is performed in which the stage is moved in a predetermined direction by open loop driving and then returned to the original state in the stage apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing an output of a two-dimensional angle sensor when two-dimensional repetitive driving is performed for each angular period in the stage apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing the output of a two-dimensional angle sensor when two-dimensionally driving four routes with point A as a starting position and point B as a target position in a stage apparatus according to an embodiment of the present invention. .
FIG. 16 is a schematic configuration diagram of a stage apparatus which is an embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a schematic configuration diagram of a stage apparatus which is a first modification of the stage apparatus which is an embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a schematic configuration diagram of a stage apparatus which is a second modification of the stage apparatus which is an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 10A, 10B stage device
11 base
12, 12A, 12B stage
13 scales
14A-14C Two-dimensional angle sensor
15 Magnet for X direction
16 Magnet for Y direction
17 York
18 Spacer
19 Z direction magnet
20A, 20B X direction linear motor structure
21A, 21A-1, 21A-2, 21B X direction coil
22A, 22B X direction core
25A, 25B Y-direction linear motor structure
26A, 26B Y direction coil
27A, 27B Y-direction core
30 Z-direction electromagnet
31 Z direction coil
32 Core for Z direction
40 angle grid
41 Base
50 light sources
54 Beam splitter
55 1/4 wavelength plate
56 Collimator lens
60 wafers
61, 61A chuck
62 Wearing part
63 Transparency
Claims (7)
被移動体が載置されるステージと、
前記ベースまたは前記ステージのいずれか一方に取り付けられた一対の磁石列と、
前記ベースまたは前記ステージのいずれか他方に取り付けられた複数のコイル群と、
基部の表面上または面内に形成され、角度に関する性質がX−Y方向の2次元方向に既知の関数で変化する角度格子から構成されており、前記ベース或いは前記ステージの内いずれか一方の中央部に配設された目盛と、
前記ベース或いは前記ステージの他方の中央部に配設されており、前記目盛の角度格子面に光を照射すると共に、該目盛で反射される反射光のX−Y方向の2次元角度を検出する2次元角度センサーとを有し、
前記一対の磁石列の間に前記目盛を設け、
前記複数のコイル群の間に前記2次元角度センサーを設けたことを特徴とするステージ装置。Base and
A stage on which the object is placed;
A pair of magnet rows attached to either the base or the stage;
A plurality of coil groups attached to either the base or the stage;
It is formed of an angle grid formed on or in the surface of the base, and whose angular properties change with a known function in the two-dimensional direction of the XY direction, and is the center of either the base or the stage A scale arranged in the section;
Located at the center of the base or the other stage of the stage, irradiates light on the angle grating surface of the scale, and detects a two-dimensional angle in the XY direction of reflected light reflected by the scale. A two-dimensional angle sensor,
The scale is provided between the pair of magnet rows,
A stage apparatus characterized in that the two-dimensional angle sensor is provided between the plurality of coil groups.
前記一対の磁石列と前記目盛を前記ステージに配設すると共に、
前記複数のコイル群と前記2次元角度センサーを前記ベースに配設したことを特徴とするステージ装置。The stage apparatus according to claim 1, wherein
While arranging the pair of magnet rows and the scale on the stage,
A stage apparatus characterized in that the plurality of coil groups and the two-dimensional angle sensor are arranged on the base.
前記一対の磁石列は、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線上に配列した一対の磁石列であり、
前記複数のコイル群は、前記一対の磁石列のそれぞれに交差するように対向配置されると共に前記磁石列が発生する磁束と係合するよう取り付けられており、対向する磁石列の配列方向とほぼ平行な軸方向を有するコイルを含んで構成された一対のコイル群であり、
前記一対の磁石列の間に前記目盛を設け、
前記一対のコイル群の間に前記2次元角度センサーを設けたことを特徴とするステージ装置。The stage apparatus according to claim 1, wherein
The pair of magnet arrays is a pair of magnet arrays in which a plurality of equivalent permanent magnets are arranged on a straight line so that polarities appear alternately,
The plurality of coil groups are arranged to face each other so as to intersect each of the pair of magnet rows, and are attached to engage with the magnetic flux generated by the magnet rows, and are approximately in the arrangement direction of the facing magnet rows. A pair of coils configured to include coils having parallel axial directions;
The scale is provided between the pair of magnet rows,
A stage apparatus characterized in that the two-dimensional angle sensor is provided between the pair of coil groups.
前記2次元角度センサーを少なくとも3個設けたことを特徴とするステージ装置。The stage apparatus according to any one of claims 1 to 3,
A stage apparatus comprising at least three two-dimensional angle sensors.
前記角度格子の角度形状の誤差を校正した結果に基づいて、前記角度格子による座標位置と姿勢角の測定結果の補正をする手段を備えることを特徴とするステージ装置。The stage apparatus according to any one of claims 1 to 4,
A stage apparatus comprising: means for correcting a measurement result of a coordinate position and an attitude angle by the angle grid based on a result of calibrating an error of an angle shape of the angle grid.
前記被移動体を装着するチャックを前記ステージに対し着脱可能な構成とし、
かつ、前記目盛を該チャックに配設したことを特徴とするステージ装置。The stage apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The chuck for mounting the movable body is configured to be detachable from the stage,
A stage apparatus characterized in that the scale is arranged on the chuck.
前記目盛を前記被移動体に配設すると共に、前記ステージの前記2次元角度センサーと対向する領域に前記光を前記目盛に照射するための透明部を設けたことを特徴とするステージ装置。The stage apparatus according to any one of claims 1 to 5,
A stage apparatus, wherein the scale is disposed on the movable body, and a transparent portion for irradiating the scale with the light is provided in a region of the stage facing the two-dimensional angle sensor.
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