(57)【要約】【課題】高速かつ高精度位置決めを実現できるステージ装置，それを用いた荷電粒子線装置及び縮小投影露光装置，およびステージ制御方法を提供することにある。【解決手段】ステージ装置は、ステージ１０を駆動するモータ３０と、モータにより駆動されるステージの位置が最終目標位置となるような前記アクチュエータの駆動量を算出するステージ制御演算器１００を有する。ステージ制御演算器１００は、ステージの目標位置とステージの位置の差分に基づいて、ＰＩＤ制御する補償演算器１２０を有する。また、ステージの特性を同定するモデル同定器１３０と、モデル同定器によって得られた情報を基に、補償演算器におけるステージ制御用補償パラメータを演算する制御ゲイン演算器１４０を備える。【選択図】図４
2011227768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージを駆動するアクチュエータと、該アクチュエータにより駆動される前記ステージの位置が最終目標位置となるような前記アクチュエータの駆動量を算出するステージ制御演算手段とを有し、
前記ステージ制御演算手段は、前記ステージの目標位置と前記ステージの位置の差分に基づいて、ＰＩＤ制御する補償演算手段を有するステージ装置であって、
前記ステージ制御演算手段は、
前記ステージの特性を同定するモデル同定手段と、
該モデル同定手段によって得られた情報を基に、前記補償演算手段におけるステージ制御用補償パラメータを演算する制御ゲイン演算手段とを備え、
該制御ゲイン演算手段により求められた前記ステージ制御用補償パラメータにより、前記補償演算手段の補償パラメータを変更することを特徴とするステージ装置。
【請求項２】
請求項１記載のステージ装置において、
前記モデル同定手段は、前記補償演算手段が出力するアクチュエータ駆動量の時刻歴情報と、前記ステージの位置の時刻歴情報と、前記ステージの動特性の時刻歴情報とから、現在のステージ動特性を求める演算を逐次繰り返し、現在のステージの動特性の情報を求めることを特徴とするステージ装置。
【請求項３】
請求項２記載のステージ装置において、
前記モデル同定手段は、ステージの動特性を演算する際に、過去のステージ動特性の影響を時間経過に伴って減衰させることを特徴とするステージ装置。
【請求項４】
請求項１記載のステージ装置において、
前記アクチュエータにより駆動された前記アクチュエータの位置を検出する位置検出手段を備え、
前記モデル同定手段は、前記位置検出手段により検出された位置情報を、前記ステージの位置の前記時刻歴情報とすることを特徴とするステージ装置。
【請求項５】
請求項１記載のステージ装置において、
前記ステージの位置情報を求める状態観測器を備え、
前記モデル同定手段は、前記状態観測器により求められた位置情報を、前記ステージの位置の前記時刻歴情報とすることを特徴とするステージ装置。
【請求項６】
請求項１記載のステージ装置において、
前記モデル同定手段は、現在のステージの動特性の情報として、前記ステージのモデルの離散伝達関数の分母係数と分子係数をまとめた行列を出力し、
前記制御ゲイン演算手段は、前記行列と前記補償パラメータを関数で関連付けて求めることを特徴とするステージ装置。
【請求項７】
請求項１記載のステージ装置において、
前記モデル同定手段は、現在のステージの動特性の情報として、前記ステージのモデルの離散伝達関数の１次の分母係数と１次の分子係数を出力し、
前記制御ゲイン演算手段は、前記１次の分子係数に比例して、前記補償パラメータの内の比例補償ゲインを変更し、前記１次の分母係数に比例して、前記補償パラメータの内の微分補償ゲインを変更することを特徴とするステージ装置。
【請求項８】
荷電粒子線を発生させる荷電粒子源と、該荷電粒子源から発生した荷電粒子線を偏向・集束させる電子レンズと、試料を搭載可能なステージを駆動するステージ装置とを有し、
該ステージ装置は、ステージを駆動するアクチュエータと、該アクチュエータにより駆動される前記ステージの位置が最終目標位置となるような前記アクチュエータの駆動量を算出するステージ制御演算手段とを有し、
前記ステージ制御演算手段は、前記ステージの目標位置と前記ステージの位置の差分に基づいて、ＰＩＤ制御する補償演算手段を有し、
上記試料に荷電粒子線を照射する荷電粒子線装置であって、
前記ステージ制御演算手段は、
前記ステージの特性を同定するモデル同定手段と、
該モデル同定手段によって得られた情報を基に、前記補償演算手段におけるステージ制御用補償パラメータを演算する制御ゲイン演算手段とを備え、
該制御ゲイン演算手段により求められた前記ステージ制御用補償パラメータにより、前記補償演算手段の補償パラメータを変更することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
光源と、該光源からの光を集束する光学レンズと、試料を搭載可能なステージを駆動するステージ装置とを有し、
該ステージ装置は、ステージを駆動するアクチュエータと、該アクチュエータにより駆動される前記ステージの位置が最終目標位置となるような前記アクチュエータの駆動量を算出するステージ制御演算手段とを有し、
前記ステージ制御演算手段は、前記ステージの目標位置と前記ステージの位置の差分に基づいて、ＰＩＤ制御する補償演算手段を有し、
上記試料にマスクに形成されたパターンを縮小して投影する縮小投影露光装置であって、
前記ステージ制御演算手段は、
前記ステージの特性を同定するモデル同定手段と、
該モデル同定手段によって得られた情報を基に、前記補償演算手段におけるステージ制御用補償パラメータを演算する制御ゲイン演算手段とを備え、
該制御ゲイン演算手段により求められた前記ステージ制御用補償パラメータにより、前記補償演算手段の補償パラメータを変更することを特徴とする縮小投影露光装置。
【請求項１０】
ステージの目標位置と前記ステージの位置からアクチュエータへの駆動量を求め、前記ステージ位置を前記ステージの目標位置に一致させるステージ制御方法であって、
前記ステージの特性を同定し、
同定されたモデルによって得られた情報を基に、ステージ制御用補償パラメータを演算し、
求められた前記ステージ制御用補償パラメータにより、前記補償パラメータを変更することを特徴とするステージ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスの加工や検査を行う荷電粒子線装置や縮小投影露光装置に用いられるステージ装置，それを用いた荷電粒子線装置及び縮小投影露光装置，およびステージ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの加工装置としては、電子線描画装置や、縮小投影露光装置があり、検査装置としては、ＳＥＭ式欠陥分類用画像取得装置がある。電子線描画装置とＳＥＭ式欠陥分類用画像取得装置は、荷電粒子線装置に含まれる。また、これらに用いられるステージ装置は、３次元加工機械のような工作機械にも使用される。
【０００３】
近年、半導体デバイスの微細化や高機能化に伴い、半導体デバイスの加工装置や検査装置には、高精度と高スループットの両立が求められている。これにより、これらの装置に搭載されるステージ装置には、高速かつ高速な位置決め性能が求められている。ステージ装置の高性能化を図るため、高加速度，高速度で駆動されるようになっている。
【０００４】
ＰＩＤ制御などに代表されるフィードバック制御やフィードフォワード制御によるステージ位置決め制御では、補償ゲインを決める必要がある。ここで、高加速度，高速度での駆動に適した高いゲインに設定をすると最終位置決め精度が低下する。一方、最終位置決め精度を向上させるために低いゲインに設定すると、高加速度、高速度が実現できないものである。
【０００５】
そこで、従来、高加速度、高速度の実現と最終位置決め精度の両立を目的としたゲイン切り替え方式として、高速移動が停止した後に最終位置決め用設定に切り替えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、さらに高速化を図るため、高速移動途中でも目標位置近傍に近づいた時点でゲインを切り替える方式もある。高速移動途中にゲインを切り替える場合、ゲイン切り替え時に不要な振動を引き起こす場合がある。そこで、高速移動途中でゲインを切り替える際にアクチュエータ駆動量の連続性を保てるようにすることで高速移動と精密位置決めを両立させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
以上のような技術開発がなされる背景には、ステージの動特性が時間、位置や駆動状態などによって変化することがある。特許文献１や特許文献２に記載のものでは、ステージの動特性の変化を２段階に大別している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２２３５２２号公報
【特許文献２】特開２００６−１８４９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ステージ動特性は、慣性による特性が支配的な領域と、弾性変形による特性が支配的な領域に分かれる。また、ステージ位置やステージ装置の経年変化によってもこれらの動特性は変化する。このような特性は、ステージの高速かつ高精度な位置決めを実現していくうえで大きな障害となっている。
【００１０】
このように、実際のステージ特性は連続的に変化するため、特許文献１や特許文献２記載のように、２段階のゲイン切り替えでは不十分であり、駆動量が適切に計算できない場合があり、ステージ性能が低下する要因となっていた。また、ステージ位置によっても動特性が変化するため、目標位置との差分である偏差量によってのみゲインを切り替える方式ではステージ位置によって性能にバラツキが生じるといった問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、高速かつ高精度位置決めを実現できるステージ装置，それを用いた荷電粒子線装置及び縮小投影露光装置，およびステージ制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、ステージを駆動するアクチュエータと、該アクチュエータにより駆動される前記ステージの位置が最終目標位置となるような前記アクチュエータの駆動量を算出するステージ制御演算手段とを有し、前記ステージ制御演算手段は、前記ステージの目標位置と前記ステージの位置の差分に基づいて、ＰＩＤ制御する補償演算手段を有するステージ装置であって、前記ステージ制御演算手段は、前記ステージの特性を同定するモデル同定手段と、該モデル同定手段によって得られた情報を基に、前記補償演算手段におけるステージ制御用補償パラメータを演算する制御ゲイン演算手段とを備え、該制御ゲイン演算手段により求められた前記ステージ制御用補償パラメータにより、前記補償演算手段の補償パラメータを変更するようにしたものである。  
かかる構成により、高速かつ高精度なステージの位置決めを実現できるものとなる。
【００１３】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記モデル同定手段は、前記補償演算手段が出力するアクチュエータ駆動量の時刻歴情報と、前記ステージの位置の時刻歴情報と、前記ステージの動特性の時刻歴情報とから、現在のステージ動特性を求める演算を逐次繰り返し、現在のステージの動特性の情報を求めるようにしたものである。
【００１４】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記モデル同定手段は、ステージの動特性を演算する際に、過去のステージ動特性の影響を時間経過に伴って減衰させるようにしたものである。
【００１５】
（４）上記（１）において、好ましくは、前記アクチュエータにより駆動された前記アクチュエータの位置を検出する位置検出手段を備え、前記モデル同定手段は、前記位置検出手段により検出された位置情報を、前記ステージの位置の前記時刻歴情報とするものである。
【００１６】
（５）上記（１）において、好ましくは、前記ステージの位置情報を求める状態観測器を備え、前記モデル同定手段は、前記状態観測器により求められた位置情報を、前記ステージの位置の前記時刻歴情報とするものである。
【００１７】
（６）上記（１）において、好ましくは、前記モデル同定手段は、現在のステージの動特性の情報として、前記ステージのモデルの離散伝達関数の分母係数と分子係数をまとめた行列を出力し、前記制御ゲイン演算手段は、前記行列と前記補償パラメータを関数で関連付けて求めるようにしたものである。
【００１８】
（７）上記（１）において、好ましくは、前記モデル同定手段は、現在のステージの動特性の情報として、前記ステージのモデルの離散伝達関数の１次の分母係数と１次の分子係数を出力し、前記制御ゲイン演算手段は、前記１次の分子係数に比例して、前記補償パラメータの内の比例補償ゲインを変更し、前記１次の分母係数に比例して、前記補償パラメータの内の微分補償ゲインを変更するようにしたものである。
【００１９】
（８）また、上記目的を達成するために、本発明は、荷電粒子線を発生させる荷電粒子源と、該荷電粒子源から発生した荷電粒子線を偏向・集束させる電子レンズと、試料を搭載可能なステージを駆動するステージ装置とを有し、該ステージ装置は、ステージを駆動するアクチュエータと、該アクチュエータにより駆動される前記ステージの位置が最終目標位置となるような前記アクチュエータの駆動量を算出するステージ制御演算手段とを有し、前記ステージ制御演算手段は、前記ステージの目標位置と前記ステージの位置の差分に基づいて、ＰＩＤ制御する補償演算手段を有し、上記試料に荷電粒子線を照射する荷電粒子線装置であって、前記ステージ制御演算手段は、前記ステージの特性を同定するモデル同定手段と、該モデル同定手段によって得られた情報を基に、前記補償演算手段におけるステージ制御用補償パラメータを演算する制御ゲイン演算手段とを備え、該制御ゲイン演算手段により求められた前記ステージ制御用補償パラメータにより、前記補償演算手段の補償パラメータを変更するようにしたものである。  
かかる構成により、高速かつ高精度なステージの位置決めを実現できるものとなる。
【００２０】
（９）さらに、上記目的を達成するために、本発明は、光源と、該光源からの光を集束する光学レンズと、試料を搭載可能なステージを駆動するステージ装置とを有し、該ステージ装置は、ステージを駆動するアクチュエータと、該アクチュエータにより駆動される前記ステージの位置が最終目標位置となるような前記アクチュエータの駆動量を算出するステージ制御演算手段とを有し、前記ステージ制御演算手段は、前記ステージの目標位置と前記ステージの位置の差分に基づいて、ＰＩＤ制御する補償演算手段を有し、上記試料にマスクに形成されたパターンを縮小して投影する縮小投影露光装置であって、前記ステージ制御演算手段は、前記ステージの特性を同定するモデル同定手段と、該モデル同定手段によって得られた情報を基に、前記補償演算手段におけるステージ制御用補償パラメータを演算する制御ゲイン演算手段とを備え、該制御ゲイン演算手段により求められた前記ステージ制御用補償パラメータにより、前記補償演算手段の補償パラメータを変更するようにしたものである。  
かかる構成により、高速かつ高精度なステージの位置決めを実現できるものとなる。
【００２１】
（１０）また、上記目的を達成するために、本発明は、ステージの目標位置と前記ステージの位置からアクチュエータへの駆動量を求め、前記ステージ位置を前記ステージの目標位置に一致させるステージ制御方法であって、前記ステージの特性を同定し、同定されたモデルによって得られた情報を基に、ステージ制御用補償パラメータを演算し、求められた前記ステージ制御用補償パラメータにより、前記補償パラメータを変更するようにしたものである。  
かかる方法により、高速かつ高精度なステージの位置決めを実現できるものとなる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、高速かつ高精度にステージの位置決めを実現できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態によるステージ装置を用いる荷電粒子線装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態によるステージ装置を用いる縮小投影露光装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態によるステージ装置の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態によるステージ装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施形態によるステージ装置に用いる補償演算器の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第１の実施形態によるステージ装置を用いてステージを移動させた際の典型的な速度波形の説明図である。
【図７】本発明の第１の実施形態によるステージ装置に用いるモデル同定器の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第２の実施形態によるステージ装置に用いる補償演算器の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第２の実施形態によるステージ装置に用いるモデル同定器の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態によるステージ装置における制御ゲイン変更の説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態によるステージ装置に用いるステージ制御演算器の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図１〜図７を用いて、本発明の第１の実施形態によるステージ装置の構成及び動作について説明する。  
最初に、図１を用いて、本実施形態によるステージ装置を用いる荷電粒子線装置の構成について説明する。  
図１は、本発明の第１の実施形態によるステージ装置を用いる荷電粒子線装置の構成を示すブロック図である。
【００２５】
図１では、荷電粒子線装置の一例として、ＳＥＭ式欠陥分類用画像取得装置の構成を示している。ＳＥＭ式欠陥分類用画像取得装置は、ステージ制御演算器１００と、試料室２００と、画像装置３００と、ホストコンピュータ４００とを備えている。
【００２６】
試料室２００は、高真空状態に保たれる。試料室２００の内部には、電子銃２１０と、電磁偏向レンズ２２０と、ステージ定盤２３０の上に設置されたステージ機構と、二次電子検出器２４０とが備えられている。ステージ定盤２３０の上に設置されるステージ機構は、ステージ１０，位置計測器１２，ミラー１４等を含んでおり、これらの詳細については、図３を用いて後述する。ステージ１０の上には、試料ＳＭＰが搭載される。
【００２７】
電子銃２１０が発生する電子線ＥＢは、偏向レンズ２２０によって偏向され、試料ＳＭＰに集束される。ステージ１０に搭載されている試料ＳＭＰに集束させた電子線ＥＢを照射すると、二次電子ＳＥが発生する。二次電子ＳＥは、二次電子検出器２４０により検出される。検出された二次電子は、画像装置３００に伝送されて画像化される。試料ＳＭＰについての異物・欠陥情報は、予め図示していない異物検査装置や外観検査装置などの表面欠陥装置により検査されており、異物・欠陥の存在する位置座標などが得られている。ホストコンピュータ４００にはこれらの異物・欠陥位置情報が格納されている。ホストコンピュータ４００は、異物・欠陥が電子線ＥＢで照射可能な位置になるようステージ制御演算器１００に移動指令を発する。ステージ制御演算器１００は、ホストコンピュータ４００からの移動指令に基づいて、ステージ１０を移動する。ステージ制御演算器１００の詳細については、図４を用いて後述する。ステージ１０の移動が完了した後、偏向レンズ２２０を用いて試料ＳＭＰに電子線ＥＢを照射し、二次電子検出器２４０や画像装置３００を用いて異物や欠陥部をホストコンピュータ４００の画面上に画像化する。
【００２８】
以上は、ＳＥＭ式欠陥分類用画像取得装置の構成及び動作であるが、電子線描画装置の構成も、図１に示したものと同様である。但し、電子銃２１０は高出力のものが用いられ、電子銃２１０から出力する電子線ＥＢを用いて、試料ＳＭＰにパターン等を直接描画することができる。
【００２９】
次に、図２を用いて、本実施形態によるステージ装置を用いる縮小投影露光装置の構成について説明する。  
図２は、本発明の第１の実施形態によるステージ装置を用いる縮小投影露光装置の構成を示すブロック図である。
【００３０】
縮小投影露光装置は、ステージ制御演算器１００と、試料室２００と、ホストコンピュータ４００とを備えている。
【００３１】
試料室２００の内部には、光源２１０Ａと、光学レンズ２２０Ａと、ステージ定盤２３０の上に設置されたステージ機構とが備えられている。ステージ定盤２３０の上に設置されるステージ機構は、ステージ１０，位置計測器１２，ミラー１４等を含んでおり、これらの詳細については、図３を用いて後述する。ステージ１０の上には、試料ＳＭＰが搭載される。
【００３２】
光源２１０Ａから発せられた光は、光学レンズ２２０Ａによって試料ＳＭＰに集束される。レンズ２２０Ａと試料ＳＭＰとの間には、パターン等が予め形成されたマスク２５０が配置される。マスク２５０の像は、例えば、１／１０に縮小されて試料ＳＭＰに結像し、試料ＳＭＰにパターン等が露光される。ホストコンピュータ４００は、試料ＳＭＰにパターン等を順次形成可能な位置になるようステージ制御演算器１００に移動指令を発する。ステージ制御演算器１００は、ホストコンピュータ４００からの移動指令に基づいて、ステージ１０を移動する。ステージ制御演算器１００の詳細については、図４を用いて後述する。ステージ１０の移動が完了した後、試料ＳＭＰにマスク２５０のパターンを露光することを繰り返す。
【００３３】
次に、図３を用いて、本実施形態によるステージ装置の構成について説明する。  
図３は、本発明の第１の実施形態によるステージ装置の構成を示すブロック図である。なお、図３において、図１若しくは図２と同一符号は同一部分を示している。
【００３４】
ステージ装置は、ステージ制御演算器１００と、ステージ機構とから構成される。以下、ステージ機構の構成について説明する。ステージ１０は、ステージ定盤２３０の上に固定された支持機構１６Ａ１，１６Ａ２，１６Ｂ１，１６Ｂ２によりＸ軸，Ｙ軸の二軸方向に移動可能に支持されている。
支持機構１６Ａ１，１６Ｂ１には、それぞれ、アクチュエータであるモータ３０Ａ，３０Ｂが連結されており、電力を供給することによってステージ１０を二軸方向に移動可能である。また、ステージ１０の上には、Ｘ軸及びＹ軸に対して直行する反射面を有するミラー１４Ａ，１４Ｂが搭載されている。ステージ定盤２３０の上には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の位置を計測する位置計測器１２Ａ，１２Ｂが搭載されている。位置計測器１２Ａ，１２Ｂは、ステージ１０の方向にレーザー光を照射する。照射されたレーザー光はミラー１４Ａ，１４Ｂで反射し、位置計測器１２Ａ，１２Ｂに戻る。位置計測器１２Ａ，１２Ｂは、照射したレーザー光と戻ってきたレーザー光との位相差からステージ１０の位置を正確に計測する。ステージ制御演算器１００は、位置計測器１２Ａ，１２Ｂを用いた位置計測機能およびモータ３０Ａ，３０Ｂへの動力供給機能と、動力供給量を演算する機能と、ホストコンピュータ４００との通信機能を有する。
【００３５】
次に、図４を用いて、本実施形態によるステージ装置の動作について説明する。  
図４は、本発明の第１の実施形態によるステージ装置の構成を示すブロック図である。なお、図４において、図１〜図３と同一符号は同一部分を示している。
【００３６】
ステージ装置は、ステージの駆動量を演算するステージ制御演算器１００と、ステージ制御演算器１００が出力する駆動量Ｓｄの信号を増幅する増幅器２０と、アクチュエータであるモータ３０（図３に示したモータ３０Ａ，３０Ｂ）と、モータにより駆動されるステージ１０とを備えている。
【００３７】
ステージ制御演算器１００によって演算された駆動量Ｓｄは、増幅器２０で増幅され、モータ３０に印加される。アクチュエータであるモータ３０が動作することでステージ機構１０が変位する。
【００３８】
ステージ制御演算器１００は、目標位置発生器１１０と、補償演算器１２０と、モデル同定器１３０と、制御ゲイン演算器１４０と、減算器ＤＦ１とを備えている。
【００３９】
目標位置発生器１１０は、外部から与えられる最終目標位置Ｐｔｆにステージ１０を移動させるための目標位置座標や到達経路を演算する。減算器ＤＦ１は、目標位置発生器１１０が出力した目標位置Ｐｔと、ステージ１０の位置計測器（図３の位置計測器１２Ａ，１２Ｂ）により計測したステージ位置Ｐｓとの差分を計算し、偏差量ＤＥＶを求める。補償演算器１２０は、偏差量ＤＥＶを入力として駆動量Ｓｄを演算する。ステージ位置Ｐｓは、ステージ位置の時刻歴情報である。駆動量Ｓｄは、アクチュエータ駆動量の時刻歴情報である。
【００４０】
補償演算器１２０と、モデル同定器１３０と、制御ゲイン演算器１４０との詳細については、図５及び図７を用いて後述する。
【００４１】
次に、図５及び図６を用いて、本実施形態によるステージ装置に用いる補償演算器１２０の構成について説明する。  
図５は、本発明の第１の実施形態によるステージ装置に用いる補償演算器の構成を示すブロック図である。なお、図５において、図４と同一符号は同一部分を示している。図６は、本発明の第１の実施形態によるステージ装置を用いてステージを移動させた際の典型的な速度波形の説明図である。
【００４２】
図５に示すように、補償演算器１２０は、比例補償器１２２と、微分補償器１２４と、積分補償器１２６とからなるＰＩＤ制御器を備えている。ＰＩＤ制御器において、比例補償器１２２は、入力された偏差量ＤＥＶに比例ゲインＫｐを乗ずる補償演算を行う。微分補償器１２４は、偏差量ＤＥＶの時間微分値を求め、微分ゲインＫｄを乗ずる補償演算を行う。積分補償器１２６は、偏差量ＤＥＶの時間積分値を求め、積分ゲインＫｉを乗ずる補償演算を行う。以上の３個の補償器１２２，１２４，１２６の出力は、加算器ＡＤ１により加算され、フィードバック駆動量となる。
【００４３】
なお、ＰＩＤ制御器の他に、フィードフォワード制御器を備えることもできる。フィードフォワード補償器１２８は、入力された目標位置Ｐｔに対してにてフィードフォワードゲインＫｆを乗じ、フィードフォワード駆動量とする。加算器ＡＤ２は、フィードバック駆動量とフィードフォワード駆動量を加算し、駆動量Ｓｄを生成する。
【００４４】
補償演算器１２０を用いたステージ装置においては、ステージ１０を最適に制御するためにの制御ゲインＫｆ，Ｋｐ，Ｋｄをステージ特性に合わせて調整する。
【００４５】
図６は、ステージ装置を用いてステージ１０を移動させた際の典型的な速度波形を示している。ステージ１０は速度ゼロの状態から加速区間を経て一定速区間に入る。その後、最終目標位置近傍に近づいたら減速区間に入り、最終目標位置で停止する。この時、加速区間や一定速区間で適切な特性になるように制御ゲインを調整すると減速区間から停止までの区間で適切な特性が得られず、減速区間の特性に合わせて制御ゲインを調整すると加速区間で適切な特性が得られない、といったことが起こる。これは、ステージ１０の動特性が駆動量Ｓｄの大小やステージ１０の位置，速度などによって変動するためである。
【００４６】
これを解決するために、本実施形態では、ステージ制御演算器１００にモデル同定器１３０と制御ゲイン演算器１４０を備えている。モデル同定器１３０は、ステージ位置Ｐｓとステージ装置の出力である駆動量Ｓｄの履歴情報から図４における増幅器２０、モータ３０、ステージ１０までを含むステージ装置の数学モデルを求め、現在のステージ動特性情報θ（ｋ）を求める。ステージ動特性情報θ（ｋ）は、ステージ動特性の時刻歴情報である。なお、モデル同定器１３０の詳細については、図７を用いて後述する。ステージ動特性情報θ（ｋ）は制御ゲイン演算器１４０に伝送される。制御ゲイン演算器１４０は、ステージ動特性情報θ（ｋ）に基づいて、現在のステージ動特性に適した制御ゲインを演算する。制御ゲイン演算器１４０で演算された制御ゲインは、比例補償器１２２、微分補償器１２４、積分補償器１２６に伝送され、アクチュエータの駆動量を求める補償演算に用いる。この動作を逐次行うことで、ステージの動特性に合わせた適切な制御ゲインをリアルタイムに設定することができ、高速かつ高精度なステージ位置決めを実現できる。
【００４７】
なお、補償演算としては、比例補償器１２２、微分補償器１２４、積分補償器１２６を用いた場合にくわえて、フィードフォワード補償器１２８などの補償器を備えた場合にも適用できる。
【００４８】
次に、図７を用いて、本実施形態によるステージ装置に用いるモデル同定器１３０の構成について説明する。  
図７は、本発明の第１の実施形態によるステージ装置に用いるモデル同定器の構成を示すブロック図である。
【００４９】
モデル同定器１３０は、分子係数乗算器１３２と、遅延演算子乗算器１３４と、分母係数乗算器１３６と、誤差フィルタ係数乗算器１３８と、ステージ動特性情報算出器１３９と、加算器ＡＤ２と、減算器ＤＦ２とを備えている。
【００５０】
ここで、推定すべきステージの離散伝達関数を、以下の式（１）とする。式（１）は、増幅器２０、モータ３０、ステージ１０を含む駆動量Ｓｄからステージ位置Ｐｓまでの離散伝達関数である。  
【００５１】
【数１】
2011227768.tif 000003
【００５２】
式（１）において、ａ１，ａ２，…，ａｍは離散伝達関数の分母係数を示し、ｂ０，ｂ１，ｂ２，…，ｂｎは離散伝達関数の分子係数を示し、z−ｉはi次の遅延演算子を示している。離散伝達関数の分母係数ａｉ、分子係数ｂｉはステージの位置、速度に伴って変化する係数である。ステージの動特性を同定することは、式（１）における分母係数ａｉ、分子係数ｂｉを求めることである。
【００５３】
分子係数乗算器１３２は、入力した駆動量Ｓｄに対して、伝達関数の分子係数ｂｉを乗算する。遅延演算子乗算器１３４は、分子係数ｂｉの乗算された駆動量に所定の遅延を施し、さらに、分母係数乗算器１３６により分母係数ａｉを乗算する。加算器ＡＤ２は、分子係数乗算器１３２の出力に分母係数乗算器１３６の出力を加算することで、入力した駆動量Ｓｄに対して、式（１）の離散伝達関数で演算した推定ステージ位置Ｐｓｐが算出される。減算器ＤＦ２は、推定ステージ位置Ｐｓｐと、実際のステージ位置Ｐｓとの差分、すなわちモデル誤差信号Ｓｍｅを演算する。モデル誤差信号Ｓｍｅに誤差フィルタ係数乗算器１３８により重み係数を乗じ、分母係数乗算器１３６で用いる分母係数ａｉおよび分子係数乗算器１３２で用いる分子係数ｂｉを更新する。これを逐次繰り返すことにより、モデル誤差信号Ｓｍｅがゼロに集束していく。すなわち、式（１）の離散伝達関数が実際のステージの動特性に近づいていく。
【００５４】
以上の動作を実現するにはＨＡＲＦ（Hyperstable Adaptive Recursive Filter）アルゴリズムやＳＨＡＲＦ（Simple Hyperstable Adaptive Recursive Filter）アルゴリズムなども利用できる。
【００５５】
本実施形態では、ＳＨＡＲＦアルゴリズムを用いた場合について数式を用いて説明する。式（１）の離散伝達関数の分母係数ａｉ、分子係数ｂｉをまとめた行列を、式（２）に表す。  
【００５６】
【数２】
2011227768.tif 000004
【００５７】
図７におけるステージ動特性情報算出器１３９は、式（２）におけるθ（ｋ）を算出して、現在のステージ動特性情報θ（ｋ）を出力する。
【００５８】
また、モデル同定器１３０への入力である、駆動量Ｓｄと推定ステージ位置Ｐｓｐの時刻歴情報をまとめた行列は、式（３）のように表せる。  
【００５９】
【数３】
2011227768.tif 000005
【００６０】
ここで、駆動量Ｓｄの時刻歴情報数は分母係数ａｉの次数と同じであり、推定ステージ位置Ｐｓｐの時刻歴情報数は分子係数ｂｉの次数と同じとする。式（３）において、u(k)は駆動量Ｓｄであり、y(k)は推定ステージ位置Ｐｓｐである。
【００６１】
この時、推定ステージ位置Ｐｓｐは、式（４）で表せる。  
【００６２】
【数４】
2011227768.tif 000006
【００６３】
推定ステージ位置Ｐｓｐが実際のステージ位置Ｐｓに等しくなるためには、式（５）に示す漸化式によって、式（２）の行列を更新する。  
【００６４】
【数５】
2011227768.tif 000007
【００６５】
ただし、式（５）において、Λは式（６）、ｖ(k)は式（７）で表す。  
【００６６】
【数６】
2011227768.tif 000008
【００６７】
ここで、式（６）において、μi、ρiは正定数である。  
【００６８】
【数７】
2011227768.tif 000009
【００６９】
ここで、式（７）において、d(k)は実際のステージ位置Ｐｓを示している。
【００７０】
さらに、式（７）におけるｐ個の係数{ci}は、式（８）の伝達関数が強正実になるように選ぶ。  
【００７１】
【数８】
2011227768.tif 000010
【００７２】
以上により、現在のステージ動特性情報θ（ｋ）を求めることができる。
【００７３】
但し、以上の説明では、式（１）の推定離散伝達関数を求めるために、駆動量Ｓｄおよびステージ位置Ｐｓの全ての過去情報を用いている。しかし、推定離散伝達関数が時変であるとすると、異なる動特性の時の時刻歴情報を用いるのは好ましくない。そこで、過去の時刻歴情報の影響は指数的に減衰させるようにする。そのため、ステージ動特性情報算出器１３９は、式（５）を変形した式（９）を用いる。  
【００７４】
【数９】
2011227768.tif 000011
【００７５】
式（９）において、係数γが、０＜γ＜１の場合、過去の係数行列Θの影響が指数的に減衰する。すなわち、忘却していく。ここで、γ=1の場合は式（５）と同じ結果を得られる。
【００７６】
以上、本発明によればステージ位置Ｐｓと駆動量Ｓｄの時刻歴情報を用いてステージの動特性を演算により求めることができる。
【００７７】
次に、制御ゲイン演算器１４０の動作について説明する。制御ゲイン演算器１４０は、モデル同定器１３０により求められたテージ動特性θ（ｋ）から制御ゲインを求めるものである。本例では、モデル同定器１３０から得られるステージ動特性情報θ（ｋ）は、式（２）より（ｎ＋ｍ）個ある。ＰＩＤ制御の例においては、ステージ動特性情報θ（ｋ）とステージ動特性との関連から比例ゲインＫｐを式（１０）で決定し、微分ゲインＫｄを式（１１）で決定し、積分ゲインＫｉを式（１２）によって決定する。  
【００７８】
【数１０】
2011227768.tif 000012
【００７９】
【数１１】
2011227768.tif 000013
【００８０】
【数１２】
2011227768.tif 000014
【００８１】
式（１０），式（１１），式（１２）では、ステージ動特性を示す離散伝達関数の係数行列と補償ゲインを関数f()とで関連付けて求めている。
【００８２】
なお、離散伝達関数の係数行列とステージ位置Ｐｓや駆動量Ｓｄとから統計処理を行い、補償ゲインを決定するようにしてもよいものである。
【００８３】
以上説明したように、本実施形態によれば、ステージの位置、アクチュエータ駆動量の時刻歴情報から現在のステージ動特性を演算し、求めた動特性に基づいてステージ制御用補償ゲインを演算することにより、現在のステージ動特性に対して適切な補償ゲイン設定が可能になる。
【００８４】
また、連続的に変化するステージの動特性を求める際に、過去の全てのステージ位置、アクチュエータ駆動量に関する時刻歴情報を用いたのでは過去の動特性に影響を受け、ステージ動特性演算の収束時間が遅くなり、現在のステージの動特性を正確に求めることができない。そこで、ステージ動特性を演算する際に過去の時刻歴情報の影響を時間経過とともに減衰させることで、ステージ動特性を正確に求めることが可能になる。
【００８５】
次に、図８〜図１０を用いて、本発明の第２の実施形態によるステージ装置の構成及び動作について説明する。本実施形態によるステージ装置を用いる荷電粒子線装置の構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態によるステージ装置を用いる縮小投影露光装置の構成は、図２に示したものと同様である。また、本実施形態によるステージ装置の構成は、図３に示したものと同様である。また、本実施形態によるステージ装置の構成は、図４に示したものと同様である。
【００８６】
図８は、本発明の第２の実施形態によるステージ装置に用いる補償演算器の構成を示すブロック図である。図９は、本発明の第２の実施形態によるステージ装置に用いるモデル同定器の構成を示すブロック図である。図１０は、本発明の第２の実施形態によるステージ装置における制御ゲイン変更の説明図である。
【００８７】
本実施形態では、離散伝達関数の係数行列から補償ゲインを決定するようにしている。そのため、ステージの動特性を示す離散伝達関数を式（１３）とする。  
【００８８】
【数１３】
2011227768.tif 000015
【００８９】
すなわち、式（１）における分母係数はｍ次から５次にする。また、分子係数はｎ次から４次にする。図４に示したステージ装置の場合、式（１３）のように次数を低減しても、ステージの動特性を十分に表すことができる。
【００９０】
図８に示すように、ように、補償演算器１２０は、比例補償器１２２と、微分補償器１２４と、積分補償器１２６とからなるＰＩＤ制御器を備えている。ＰＩＤ制御器において、比例補償器１２２は、入力された偏差量ＤＥＶに比例ゲインＫｐを乗ずる補償演算を行う。微分補償器１２４は、偏差量ＤＥＶの時間微分値を求め、微分ゲインＫｄを乗ずる補償演算を行う。積分補償器１２６は、偏差量ＤＥＶの時間積分値を求め、積分ゲインＫｉを乗ずる補償演算を行う。以上の３個の補償器１２２，１２４，１２６の出力は、加算器ＡＤ１により加算され、フィードバック駆動量となる。
【００９１】
図９に示すように、モデル同定器１３０Ａは、分子係数乗算器１３２Ａと、遅延演算子乗算器１３４と、分母係数乗算器１３６Ａと、誤差フィルタ係数乗算器１３８Ａと、係数出力器１３７と、加算器ＡＤ２と、減算器ＤＦ２とを備えている。ここで、係数出力器１３７は、分母係数ａ１と、分子係数ｂ１とを出力する。
【００９２】
図１０（ｃ）は、ステージを駆動しながら式（１３）にもとづくモデル同定を実施した時の、分母係数ａ１の波形を示ている。図８に示す制御ゲイン演算器１４０Ａは、この分母係数ａ１を用い、係数ａ１の大きさに比例させて、比例補償器１２２のゲインＫｐを可変する。図１０（ａ）は、この時のステージ位置波形を示し、図１０（ｂ）は駆動量波形を示している。係数ａ１に比例させて補償ゲインを連続可変させるとステージ位置波形が滑らかになり、振動発生も抑えられる。この結果、移動時間、停止精度が向上する。また、制御ゲイン演算器１４０Ａは、計数出力器１３７が出力する分子係数ｂ１に比例させて、微分補償器１２４の補償ゲインＫｄを可変する。比例ゲインＫｐを変えることで、固有振動に基づく誤差を補償でき、微分ゲインＫｄを変えることで、滑り等の動摩擦に基づく誤差を補償できる。
【００９３】
以上説明したように、本実施形態によれば、ステージの位置、アクチュエータ駆動量の時刻歴情報から現在のステージ動特性を演算し、求めた動特性に基づいてステージ制御用補償ゲインを演算することにより、現在のステージ動特性に対して適切な補償ゲイン設定が可能になる。
【００９４】
次に、図１１を用いて、本発明の第３の実施形態によるステージ装置の構成及び動作について説明する。本実施形態によるステージ装置を用いる荷電粒子線装置の構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態によるステージ装置を用いる縮小投影露光装置の構成は、図２に示したものと同様である。また、本実施形態によるステージ装置の構成は、図３に示したものと同様である。また、本実施形態によるステージ装置の構成は、図４に示したものと同様である。
【００９５】
図１１は、本発明の第３の実施形態によるステージ装置に用いるステージ制御演算器の構成を示すブロック図である。なお、図１１において、図４と同一符号は同一部分を示している。
【００９６】
図４に示した例では、ステージ位置Ｐｓを実際のステージ位置としてい用いている。それに対して、本実施形態では、状態観測器やカルマンフィルタを用いてステージ位置を推定することによってステージ位置Ｐｓの情報を代用している。
【００９７】
ステージ制御演算器１００Ａは、目標位置発生器１１０と、補償演算器１２０と、モデル同定器１３０と、制御ゲイン演算器１４０と、減算器ＤＦ１と、カルマンフィルタ１５０を備えている。
【００９８】
ステージ位置Ｐｓが直接参照できない場合、ステージ制御演算器１００Ａの内部にカルマンフィルタ１５０を備え、擬似ステージ位置Ｐｓｆを推定する。ステージ制御演算器１００Ａは、擬似ステージ位置Ｐｓｆをステージ位置Ｐｓの代わりに用いて補償演算を実行する。なお、カルマンフィルタ１５０によって推定された擬似ステージ位置Ｐｓｆは、擬似的なものではあるが、ステージ位置の時刻歴情報である。
【００９９】
以上説明したように、本実施形態によれば、ステージ位置Ｐｓが直接参照できない場合でも、ステージの位置、アクチュエータ駆動量の時刻歴情報から現在のステージ動特性を演算し、求めた動特性に基づいてステージ制御用補償ゲインを演算することにより、現在のステージ動特性に対して適切な補償ゲイン設定が可能になる。
【符号の説明】
【０１００】
１０…ステージ
１２Ａ，１２Ｂ…位置測長器
１４Ａ，１４Ｂ…ミラー
１６Ａ１，１６Ａ２，１６Ｂ１，１６Ｂ２…支持機構
２０…増幅器
３０Ａ，３０Ｂ…モータ
１００…ステージ制御演算器
１１０…目標位置発生器
１２０…補償演算器
１２２…比例補償器
１２４…微分補償器
１２６…積分補償器
１２８…フィードフォワード補償器
１３０…モデル同定器
１３２…分母係数算出器
１３４…遅延演算子算出器
１３６…分子係数算出器
１３７…係数出力器
１３８…誤差フィルタ係数算出器
１３９…ステージ動特性情報算出器
１４０…制御ゲイン演算器
１５０…カルマンフィルタ
２００…試料室
２１０…電子銃
２２０…偏向レンズ
２２０Ａ…光学レンズ
２３０…定盤
２４０…二次電子検出器
３００…画像装置
４００…ホストコンピュータ
【図１】
2011227768.tif 000016
【図２】
2011227768.tif 000017
【図３】
2011227768.tif 000018
【図４】
2011227768.tif 000019
【図５】
2011227768.tif 000020
【図６】
2011227768.tif 000021
【図７】
2011227768.tif 000022
【図８】
2011227768.tif 000023
【図９】
2011227768.tif 000024
【図１０】
2011227768.tif 000025
【図１１】
2011227768.tif 000026