(57)【要約】      （修正有）【課題】可動点と複数の位置決め対象物の相対変位を抑制し、高精度な位置決めを行うことが可能な位置決め装置および位置決め制御装置を提供する。【解決手段】移動ステージ１０２と、前記移動ステージの位置を検出するステージ位置検出手段１０５と、前記移動ステージの位置決めを行う制御装置２と、前記移動ステージを位置決めする位置決め対象物と、前記位置決め対象物または前記移動ステージの構造体に少なくとも1個以上のセンサを備える位置決め装置において、前記制御装置は、前記センサの情報および前記ステージ位置検出手段の情報を用いて前記移動ステージと前記位置決め対象物との相対変位量を推定する相対変位量推定手段２０１と、前記相対変位量推定手段によって算出される情報を用いて前記ステージの位置を制御する手段２０３とを備えた位置決め制御装置。【選択図】図１
2015184943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動ステージと
前記移動ステージの位置を検出するステージ位置検出手段と
前記移動ステージの位置決めを行う制御装置と
前記移動ステージを位置決めする位置決め対象物と
前記位置決め対象物または前記移動ステージの構造体に少なくとも1個以上のセンサを備える位置決め装置において、
前記制御装置は、
振動等によって変位を生じる前記位置決め対象物と前記移動ステージの相対的な変位量を常に推定する相対変位量推定手段と
前記相対変位量推定手段によって算出される情報を用いて前記ステージの位置を制御する手段と
を備えたことを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項２】
移動ステージと
前記移動ステージの位置を検出するステージ位置検出手段と
前記移動ステージの位置決めを行う制御装置と
前記移動ステージを位置決めする位置決め対象物と
前記位置決め対象物または前記移動ステージの構造体に少なくとも1個以上のセンサと
前記位置決め対象物または前記移動ステージの構造体に少なくとも1個以上のアクチュエータと
を備える位置決め装置において、
前記制御装置は、
前記センサの情報および前記ステージ位置検出手段の情報を用いて前記移動ステージと前記位置決め対象物との相対変位量を推定する相対変位量推定手段と
前記相対変位量推定手段によって算出される情報を用いて前記ステージおよび前記アクチュエータを制御する手段と
を備えたことを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項３】
請求項１あるいは２に記載の前記相対変位量推定手段は、
前記センサの情報および前記ステージ位置検出手段の情報を用いて相対変位量の推定を行うことを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項４】
請求項１あるいは２に記載の前記位置決め対象物は、
前記ステージの移動可能範囲内に少なくとも２つ以上あり、
前記相対変位量推定手段は、前記複数の位置決め対象物に対してそれぞれ前記相対変位量を推定する手段を備え
前記制御装置は、推定された複数の前記相対変位量から任意の１つを切替選択する位置決め対象切替手段とを備えたことを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項５】
請求項１あるいは２に記載の前記制御装置は、
機構モデル同定手段を備え、
前記相対変位量推定手段は、前記機構モデル同定手段によって同定された機構モデルを用いて前記相対変位量の推定を行うことを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項６】
請求項１あるいは２に記載の前記相対変位量推定手段は、
前記位置決め対象物の振動モードごとの振幅を算出する機構モデルと
前記振動モードごとの振幅から前記センサの出力値を算出するセンサ出力モデルと
前記位置決め対象物の変位を算出する対象物変位出力モデルと
を備えたことを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項７】
請求項６に記載の前記相対変位量は、
前記対象物変位出力モデルの出力と前記ステージの位置との差分によって
算出すること特徴とする位置決め制御装置。
【請求項８】
請求項５に記載の前記機構モデル同定手段は、
前記ステージの駆動力から前記センサ情報および前記位置検出器までの伝達特性を取得することを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項９】
請求項１または２に記載の前記制御装置は、
操作者に対して、相対変位量を通知する手段とを備えたことを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項１０】
請求項１または２に記載の前記位置決め制御装置を備えたことを特徴とする半導体検査装置。
【請求項１１】
請求項１または２に記載の前記位置決め制御装置を備えたことを特徴とする部品実装装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に産業用機械に用いられる位置決め制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業用機械において、ステージ機構に代表される位置決め機構は重要な役割を担っている。例えば、半導体分野の製造・検査装置においては、ステージ機構の位置決め精度がメカトロニクス製品の精度を決定する大きな要因として挙げられる。また、基板上へ部品を実装するような部品実装装置などにおいても位置決め機構が実装精度を決定する重要な要素として用いられており、その位置決め精度向上に向けた技術開発がなされている。
【０００３】
このような位置決め機構は、制御装置によって制御され位置決めされる。一般に、位置決め機構には位置検出器が取り付けられ、制御装置では、位置検出器によって得られる位置情報と所望の目標位置との差分を０とするような、いわゆるサーボ制御系が構成される。このサーボ制御系のパラメータは、位置決め機構の特性に合わせて、要求される位置決め性能を満足するよう調整される。
【０００４】
一方、産業機械において実際に位置決め装置が用いられる際に要求される性能とは、多くの場合、位置検出器によって得られる位置情報を目標位置と一致させることではなく、位置決め機構上のある一点を位置決め対象物となる他の一点に位置決めすることである。すなわち、半導体検査装置においては、ステージ機構上に載置された半導体ウェハ、さらには半導体ウェハ上の任意の点を、露光ビームや検査ビームに誤差なく位置決めすることが装置性能を決定する要求となる。つまり、このような位置決め装置においては、位置決め機構の位置決め精度ではなく、実際に位置決めを行う二点間の相対変位を抑制することが装置性能に直結した要求であると言える。ここで、相対変位を算出する二点のうち、ステージ等によって大きく動作可能な方を可動点、他方を位置決め対象点と呼ぶことにする。位置決め要求である相対変位は、位置決め対象点を基準とした可動点の変位量であるから、可動点の変位量も装置性能に大きく影響する。また、位置決め装置において、位置決め対象点は複数存在することがある。例えば、ひとつの可動点を３個の位置決め対象点Ａ、Ｂ、Ｃに対して、順次位置決めを行う（合計３回の位置決め動作を行う）ような場合である。このような場合、それぞれの位置決め対象点に対して別々の相対変位が生じるため、各移動ごとにその位置決め特性が異なることが考えられる。
【０００５】
従来、位置決め機構単体での位置決め精度を向上させるために様々な改善がなされてきた。また、位置決め機構単体での精度向上に加えて、可動点の振動を抑制することにより、可動点の変位量を低減し、結果として相対変位量を抑制する技術がある。従来技術として、特開2009-130355号公報が知られており、投影システムの振動を検出するように構成されたセンサと、投影システムに力を加えるように構成されたアクチュエータによって、投影システムの振動を抑制し、結果として投影システムとウェハテーブルの相対位置決め精度を向上する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１３０３５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示された技術によれば、相対変位量の低減という１つの目的に対して、可動点と位置決め対象点の変位を独立に抑制するため、システムが複雑となる。また、装置性能に直結する相対変位量は、制御装置内で算出されないため、ユーザが相対変位量を知る手段を有していない。さらに、装置内に複数の位置決め対象点が存在した場合には、相対変位量を抑制するためのアクチュエータを多く備えることが必要となるため、装置が複雑化するとともにコストが増加する。
【０００８】
本発明は、前記した問題を解決するためになされたものであり、２点間の相対変位を精密な位置決めすることが要求される位置決め機構に適用可能な位置決め制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願は上記課題を解決するため、移動ステージと、前記移動ステージの位置を検出するステージ位置検出手段と、前記移動ステージの位置決めを行う制御装置と、前記移動ステージを位置決めする位置決め対象物と、前記位置決め対象物または前記移動ステージの構造体に少なくとも1個以上のセンサを備える位置決め装置において、前記制御装置は、前記センサの情報および前記ステージ位置検出手段の情報を用いて前記移動ステージと前記位置決め対象物との相対変位量を推定する相対変位量推定手段と、前記相対変位量推定手段によって算出される情報を用いて前記ステージの位置を制御する手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、位置決め制御装置は、可動点と複数の位置決め対象点の相対変位量を精度良く推定し、位置決め動作ごとに位置決め対象点に対応する相対変位量を切り替えることにより、高精度な相対位置決めを実現するとともに、相対変位量をユーザに開示することが可能となり、装置性能の管理が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１における位置決め装置の構成を示す概念図である。
【図２】実施例１における相対変位推定方法および制御方法に関するブロック図
【図３】実施例１における機構モデルの同定手段の処理を示すフローチャート
【図４】実施例２における位置決め装置の構成を示す概念図である。
【図５】実施例３における部品実装装置の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
まず、本発明を半導体検査装置に適用した場合の実施形態について説明する。
【００１４】
図１は、実施例における位置決め装置の構成を示す概念図である。
【００１５】
図１において、本位置決め装置は、位置決め機構１、制御装置２、上位装置３から構成される。位置決め装置１において、試料室１０１内部には、試料室１０１に対して移動可能な移動テーブル１０２が設置され、リニアモータ（固定子１０３および可動子１０４）によって移動テーブル１０２の駆動を行うよう構成されている。なお、図１では図示していないが、試料室１０１と移動テーブル１０２の間には通常、案内機構が備えられている。この案内機構は、転がり案内やすべり案内、また磁気や空気等を用いた軸受けなど、当該分野で通常使用される案内機構を用いることができる。移動テーブル１０２上には干渉ミラー１０６が配置され、移動テーブル１０２の位置情報はレーザ干渉計１０５によって計測される。移動テーブル上には半導体ウェハ１０７が固定され、試料室１０１の天板には、電子顕微鏡１０８および光学顕微鏡１０９が取り付けられている。以上の構成により、リニアモータ１０３、１０４の駆動力によって半導体ウェハ１０７の任意の位置を電子顕微鏡１０８または光学顕微鏡１０９の下に位置決めを行うことでウェハの観察・検査を行うことができる。移動テーブル１０２、電子顕微鏡１０８、光学顕微鏡１０９には、それぞれ加速度センサ１１０、１１１、１１２が取り付けられている。
【００１６】
ここで、図１においては説明のため、移動テーブル１０２は試料室１０１に対して１方向にのみ可動するように配置されているが、実際にはＸＹステージやＸＹθステージなどのように、２軸以上の自由度を有するように構成することも当然可能である。また、本発明は、リニアモータの代わりにボールねじや圧電素子等の様々な駆動機構を用いてステージを構成することも可能である。さらに、本実施例では、移動テーブルの位置検出手段はレーザ干渉計を用いたが、その他の方法、例えばリニアスケール等を用いることも十分可能である。
【００１７】
制御装置２において、機構モデル同定手段２０４は、後述する方法によって相対変位推定に必要な機構モデルを同定する。相対変位推定手段２０１は、加速度センサ１１０、１１１、１１２およびレーザ干渉計１０５の情報とステージ制御手段２０３によって出力されるステージ駆動力および機構モデル同定手段２０４によって同定された機構モデルを用いて相対変位量を推定する。推定方法の詳細は後述する。ここで、得られた相対変位量は、半導体ウェハ１０７上の測定点と電子顕微鏡１０８との相対変位量、同じく半導体ウェハ１０７上の測定点と光学顕微鏡１０９との相対変位量の２つの量となる。
【００１８】
相対変位選択手段２０２は、パラメータ記憶手段２０５に記憶された移動パラメータのうち、位置決め対象物の情報を用いて、相対変位推定手段２０１によって推定された相対変位量のなかから、現在の位置決め対象物との相対変位量を選択する。
【００１９】
ステージ制御手段２０３は、選択された位置決め対象点との相対変位量、レーザ干渉計１０５の情報およびパラメータ記憶手段２０５に記憶されたステージの移動条件を用いて、リニアモータ１０３、１０４の駆動力を算出し、出力する。
【００２０】
上位装置３は、制御装置２におけるパラメータ記憶手段に対してパラメータを設定するとともに、ユーザインターフェイスを備え、制御装置２から各種状態を受け取り、ユーザに通知する。この通知方法は、画面上での表示に限らず、ログデータ等のファイル出力なども可能である。
【００２１】
ここで、パラメータ記憶手段２０５に記憶された移動パラメータは、上位装置３によってステージ移動ごとに設定される。すなわち、上位装置３は、ステージ移動ごとにどの位置決め対象物に対する位置決めかという情報をパラメータ記憶手段２０５に与えることが必要である。また、上位装置３からのパラメータの設定は、連続動作パターンとして目標位置情報や位置決め対象物の情報を複数点に対して記憶させることも可能である。
【００２２】
なお、本実施例では、位置決め対象点が２個である場合について説明したが、実際の位置決め対象点の数は任意に設定できる。例えば、その他のセンサ位置への位置決めや、ウェハ搬送用のロボットハンドへの位置決めなどを用いることもできる。
【００２３】
なお、加速度センサ１１０、１１１、１１２は、加速度以外の物理量を検出するセンサによって構成することも可能であり、例えば、変位センサやひずみセンサ等によっても同様の効果が期待できる。また、本実施例においては、移動ステージ１０２、電子顕微鏡１０８、光学顕微鏡１０９に対して１個ずつセンサを配置したが、それぞれの構造物に対して複数のセンサを配置することも可能であり、これにより、より精度よく相対変位量を推定することが可能となる。また、逆に、相対位置決めの精度要求があまり高くない場合や位置決め対象物の剛性が十分高く変形を無視できる場合には、それぞれの構造物に対してセンサを配置せず、移動テーブル単体での位置決めを行うことも可能である。これにより、システムの複雑化やコストの増加を抑制することができる。
【００２４】
図２は、本実施例における相対変位推定方法および制御方法に関するブロック図である。図２において、スカラー量に相当する線を一重線で、複数のデータからなる配列に相当する線を二重線で示した。
【００２５】
図２において、軌道生成手段２０３１は、予め設定された移動パラメータを用いて、移動テーブルの目標軌道を演算し生成する。制御器２０３２は、生成された目標軌道と位置決め対象物との相対変位および移動テーブルの位置情報を用いて、リニアモータの駆動力を算出する。ここで、制御系の構成は、一般的なＰＩＤ制御や状態フィードバック制御など、当該分野において通常利用可能なフィードバック制御系で構築可能である。また、フィードバック制御に加えて、フィードフォワード制御を付加した二自由度制御系を構築することにより安定性と応答性の両立を行うことも可能である。なお、これらフィードバック制御系およびフィードフォワード制御系の設計にあたっては、移動ステージの共振特性のみならず、位置決め対象物の特性を考慮し振動を抑制するような制御系が構築されることが望ましい。
【００２６】
位置決め機構１は、算出されたリニアモータの駆動力により移動テーブルが駆動され、レーザ干渉計による移動テーブルの位置情報Ｄ２１および各種加速度センサの情報Ｄ２２を出力する。
【００２７】
対象物伝達モデル２０１１は、予め同定された位置決め対象物の伝達特性であって、移動ステージの駆動力によって、位置決め対象物の１次からＮ次までの振動モードがどのように励起されるかを定義したモデルである。この対象物伝達モデル２０１１により、対象構造物の１次〜Ｎ次までの振動モードごとのモード振幅推定値Ｄ２３が算出される。センサ出力モデル２０１２は、モード振幅推定値Ｄ２３から各センサ出力推定値までの出力関数である。得られたセンサ出力推定値と実際に位置決め装置１から得られる加速度センサの値Ｄ２２との差分にオブザーバゲイン２０１３を乗じた値を対象物伝達モデル２０１１にフィードバックする。これにより、伝達モデルやセンサ信号に存在するモデル化誤差やノイズの影響を抑制し、モード振幅推定値Ｄ２３の値を精度よく推定することができる。対象物変位出力モデル２０１４は、モード振幅推定値Ｄ２３を用いて電子顕微鏡および光学顕微鏡の変位量Ｄ２５を計算する。このとき、対象物変位出力モデル２０１４は、予め解析等によって同定された振動モード形状を用いることで、振動モードの重ね合わせとして対象物変位Ｄ２５を算出することができる。
【００２８】
ステージ伝達モデル２０１５は、予め同定されたリニアモータの駆動力から移動テーブル位置までの伝達特性である。このステージ伝達モデル２０１５により、テーブル変位推定値Ｄ２４が算出される。得られたテーブル変位推定値と実際に位置決め装置１から得られるレーザ干渉計の位置情報Ｄ２１との差分にオブザーバゲイン２０１６を乗じた値をステージ伝達モデル２０１５にフィードバックする。これにより、伝達モデルやレーザ干渉計信号に存在するモデル化誤差やノイズの影響を抑制し、移動テーブルの位置を精度よく推定することができる。可動点変位モデルは、テーブル変位推定値Ｄ２４から可動点の変位Ｄ２６を算出する。ここで、可動点変位出力モデルは、テーブル変位推定値Ｄ２４を用いて可動点変位を算出しているが、実際に計測されているテーブル変位Ｄ２１を用いることも可能である。
【００２９】
得られた対象物変位および可動点変位の差分信号Ｄ２７が対象物と可動点の相対変位となる。ここで、差分信号Ｄ２８は、複数の位置決め対象物に対する複数の相対変位情報となっている。そこで、相対変位選択手段２０２によって、位置決め対象物に合わせた相対変位信号Ｄ２８を算出し、制御器２０３２へ出力する。
【００３０】
以上のように構成した制御装置２によれば、複数の位置決め対象物に対する相対変位を精度良く推定し、位置決め状態に合わせて相対変位を選択することにより、可動点と位置決め対象物を高精度に位置決めを行うことができる。
【００３１】
図３は、本実施例における機構モデルの同定手段の処理を示すフローチャートである。ここで、機構モデルとは、具体的には、図２における対象物伝達モデル２０１１やステージ伝達モデル２０１５および各種出力モデル２０１２、２０１４、２０１５を示す。
【００３２】
伝達モデルの同定処理が開始された場合、まず処理Ｓ３００において、同定パラメータを設定する。具体的には、同定を行う周波数範囲や入力振幅、加振サイクル数、同定モード数Ｎなどを設定する。
【００３３】
処理Ｓ３０１は、周波数設定処理であり、同定を行う開始周波数を設定する。
【００３４】
処理Ｓ３０２は、ステージ加振処理であり、処理Ｓ３０１で設定した周波数によってステージ正弦波で加振する。
【００３５】
処理Ｓ３０３は、センサ情報取得処理であり、処理Ｓ３０２でステージを加振している最中に各種センサ（レーザ干渉計、加速度センサ等）の情報を取得する。
【００３６】
処理Ｓ３０４は、ゲイン・位相同定処理であり、処理Ｓ３０３で得られたセンサ情報と加振信号から、振幅比（ゲイン）と位相差を算出し、メモリに格納する。具体的には、フーリエ級数を用いて伝達特性を同定する方法や、時間応答のゲインと位相を直接同定する方法などが用いられる。
【００３７】
処理Ｓ３０５において、全ての同定周波数での加振が完了したかを判断し、完了していない場合は、処理Ｓ３０１に戻り、周波数を変更して再度ステージ加振を行う。
【００３８】
処理Ｓ３０６は、得られた同定周波数全域にわたるゲインと位相の特性から、振動モードの存在する共振周波数を同定する。具体的には、ゲイン特性のピークを検出することで行う。ここで、振動モードは最大Ｎ個まで同定する。Ｎを大きくすると振動モードを重ね合わせた際のモデル化誤差が小さくなるが、演算時間がかかる場合がある。
【００３９】
処理Ｓ３０７では、伝達特性を共振周波数における振動モードに分解する。さらに、Ｓ３０８において、テーブル駆動力からモード振幅まで、およびテーブル駆動力からステージ変位までの伝達モデルとしてモデルを構築する。
【００４０】
以上のように構成された位置決め制御装置によれば、可動点と複数の位置決め対象点の相対変位量を精度良く推定し、位置決め動作ごとに相対変位量を切り替えることにより、対象点に対して高精度に相対位置決めを行うことが可能にであるとともに、相対変位量をユーザに開示することが可能となり、ユーザが装置性能を数値的に評価することが可能となる。
【実施例２】
【００４１】
図４は、実施例２における位置決め装置の構成を示す概念図である。図４において、図１と同じ番号で示される部材については、同様の構成・機能を有するため説明を省略する。
【００４２】
図４において、移動テーブル１０２には、圧電素子を用いたステージアクチュエータ１２１が搭載されている。また、電子顕微鏡１０８には、同様に、圧電素子を用いたカラムアクチュエータ１２０が搭載されている。このように構成することにより、移動テーブル自身の振動や電子顕微鏡カラムの振動をさらに抑制することが可能となる。ここで、図４においては、アクチュエータ制御手段２１０において、移動テーブル１０２のリニアモータ１０４、ステージアクチュエータ１２１、カラムアクチュエータ１２０を同時に制御するような制御系を構築する必要がある。この場合、センサとアクチュエータを組として、１入力１出力制御系を複数構築する方法および、複数のセンサ情報から複数のアクチュエータ出力を算出する多入力多出力制御系を構築する方法も可能である。
【００４３】
また、本実施例では、移動ステージ１０２と電子顕微鏡１０８にはアクチュエータを付加したが、光学顕微鏡１０９にはアクチュエータを付加していない。これは、光学顕微鏡に比べて電子顕微鏡は高倍率であるため、位置決め精度に対する要求が高いためである。すなわち、本実施例のように、特に精度が要求される、または相対変位が大きくなる構造物に対してアクチュエータを付加することにより、より効率的に高い効果が得られる。また、例えば電子顕微鏡１０８に対して２個以上のアクチュエータを付加することも可能である。それにより、応答性の向上や高次モードに対する抑制効果が得られる。
【００４４】
なお、本実施例では、圧電素子を用いたアクチュエータを用いた構成を示したが、その他のアクチュエータ、例えば電磁アクチュエータ等を用いても同様の効果が得られることは容易に想像できる。質量型などのアクチュエータを用いても同様の効果を期待できる。
【実施例３】
【００４５】
図５は、実施例３における、部品実装装置の構成を示す斜視図である。
【００４６】
図５において、図中Ｙ方向に可動なＹビーム５００３は、２つのＹリニアモータ５００１および５００２によってベース５０００に対してＹ方向に駆動・位置決めされる。同様に実装ヘッド５００５は、Ｘリニアモータ５００４によってＹビーム５００３に対してＸ方向に駆動・位置決めされる。これにより実装ヘッド５００５は、ＸＹ平面で自由に位置決めが行われる。実装ヘッド５００５には、複数の吸着ノズル５００６が備えられ、それぞれの吸着ノズル５００６は部品を吸着して保持するとともに、Ｚ方向に可動されてプリント基板５００７上の任意の位置に部品を実装する。
【００４７】
ここで、Ｙビーム５００３上、実装ヘッド５００５上、プリント基板５００７を搭載した架台上に加速度センサ５００８、５００９、５０１０を配置した。これにより、図１および図２に示したのと同様の方法において、実装ヘッド５００５とプリント基板５００７間の相対変位を推定し、それに基づいて高精度な位置決めを実現することができる。なお、本実施例におけるセンサの配置は、これに限定したものではなく、装置内の任意の位置に取り付けることが可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１      位置決め機構
１０１  試料室
１０２  移動テーブル
１０３  リニアモータ固定子
１０４  リニアモータ可動子
１０５  レーザ干渉計
１０６  干渉ミラー
１０７  半導体ウェハ
１０８  電子顕微鏡
１０９  光学顕微鏡
１１０  ステージセンサ
１１１  電子顕微鏡せんさ
１１２  光学顕微鏡センサ
２      制御装置
３      上位装置
【図１】
2015184943.tif 000003
【図２】
2015184943.tif 000004
【図３】
2015184943.tif 000005
【図４】
2015184943.tif 000006
【図５】
2015184943.tif 000007