(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージと、 
粗動ストローク範囲で前記ステージを移動させる粗動駆動部と、 
前記粗動ストローク範囲よりも小さい微動ストローク範囲で前記粗動駆動部と同じ方向に前記ステージを移動させる微動駆動部と、 
前記ステージの現在位置を検出する位置検出部と、 
目標位置、第１閾値、該第１閾値よりも小さい第２閾値、前記第２閾値よりも小さい第３閾値、および前記第３閾値よりも大きい第４閾値とが設定されるとともに、前記位置検出部の位置信号が入力され、前記現在位置と前記目標位置との差分である位置偏差を算出し、前記位置偏差の絶対値と前記第１ないし第３閾値との大小関係を判定し、前記粗動駆動部および前記微動駆動部に駆動信号を出力することによって、前記粗動駆動部および前記微動駆動部の駆動を制御する駆動制御部とを備え、 
該駆動制御部は、 
前記粗動駆動部によって前記ステージを前記目標位置に向かって繰り返し移動させる粗動位置決め制御を行い、前記位置偏差の前記絶対値が前記第１閾値よりも小さくなった場合に前記粗動位置決め制御を終了し、
該粗動位置決め制御の後、前記微動駆動部によって前記ステージを前記目標位置に向かって繰り返し移動させる微動位置決め制御を行い、前記位置偏差の絶対値が前記第２閾値よりも小さくなった場合に前記微動位置決め制御を終了し、
該微動位置決め制御の後、前記位置偏差の絶対値が前記第３閾値よりも大きい場合に、前記微動駆動部によって前記ステージを前記目標位置に向かって移動させることで、前記ステージの位置精度を保持する保持制御とを行ない、
前記保持制御において前記駆動制御部は、前記位置偏差の絶対値と前記第４閾値との大小関係をさらに判定しており、前記位置偏差の絶対値が前記第４閾値よりも大きくなった場合には、前記位置偏差の絶対値が第３閾値よりも大きく且つ前記第４閾値よりも小さい場合と比較して、前記ステージの単位時間当たりの移動量を大きくすることを特徴とするステージ装置。 
【請求項２】
請求項１に記載のステージ装置において、 
前記保持制御では、前記位置偏差の絶対値が前記第３閾値よりも大きくかつ前記第４閾値よりも小さい場合には、前記ステージの単位時間当たりの移動量を一定にし、 
前記位置偏差の絶対値が前記第４閾値よりも大きい場合には、前記位置偏差の絶対値が大きくなるにつれて前記ステージの単位時間当たりの移動量を大きくすることを特徴とするステージ装置。 
【請求項３】
請求項２に記載のステージ装置において、 
前記保持制御では、 
前記位置偏差の絶対値と前記第３閾値との大小関係の判定の頻度が、前記位置偏差の絶対値と前記第４閾値との大小関係の判定の頻度よりも少ないことを特徴とするステージ装置。
【請求項４】
請求項１に記載のステージ装置において、 
前記微動位置決め制御では、 
前記位置偏差の絶対値が大きくなるにつれて前記ステージの単位時間当たりの移動量を大きくすることを特徴とするステージ装置。 
【請求項５】
請求項４に記載のステージ装置において、 
前記駆動制御部は、前記第２閾値よりも大きい第５閾値がさらに設定され、前記位置偏差の絶対値と前記第５閾値との大小関係をさらに判定しており、 
前記微動位置決め制御では、 
前記位置偏差に応じて前記駆動信号の電圧を変化させることによって、前記位置偏差が大きくなるにつれて前記ステージの単位時間当たりの移動量を大きくしており、前記位置偏差の絶対値が前記第５閾値よりも小さい場合には、前記位置偏差の絶対値が前記第５閾値よりも大きい場合と比較して、前記位置偏差に応じた前記駆動信号の電圧の変化量を小さくすることを特徴とするステージ装置。 
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のステージ装置において、 
前記粗動駆動部は、超音波モータ、リニアモータまたはサーボモータを有し、 
前記微動駆動部は、ピエゾアクチュエータを有することを特徴とするステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密測定装置や半導体製造装置に用いられ、高精度位置決めを行なうステージ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、精密測定装置や半導体製造装置に用いられるステージ装置には、ＬＳＩパタンの微細化に伴い、数ｎｍ程度の位置決め精度が要求されている。さらに、ウェハの大口径化に伴い、３００ｍｍ以上のストロークが要求されている。しかも、測定や加工を行なっている間、停止位置からの位置変動が数ｎｍ以下であることが要求されている。
【０００３】
このように高精度位置決めを行なうステージ装置として、例えば特許文献１には、リニアモータによって第１のストローク範囲（１ｍ程度）を移動可能な粗動ステージと、この粗動ステージと同方向に移動可能であって第１のストローク範囲に比べて非常に小さい第２のストローク範囲（数μｍ程度）を移動可能な微動ステージと、粗動ステージを目標位置に粗動位置決めするための第１のフィードバック制御系と、微動ステージを微動位置決めするための第２のフィードバック制御系とを備えた構成が開示されている。
【０００４】
ところで、微動ステージを微動位置決めした後、外部からの影響等により、ステージ位置が変動することがある。例えば、温度変動によってステージ装置の各部材に熱膨張が生じると、ステージ位置がゆっくりと大きく変動することがある。また、外部における人の動きなどの大きな外乱振動がステージ装置に加わると、ステージ位置が速く大きく変動することがある。また、この他に、例えば真空ポンプなどの周辺機器による振動周期が短い微小振動（外乱ノイズ）がステージ装置に加わり、ステージ位置が微小振動することがある。
【０００５】
これに対し、上述した特許文献１のステージ装置においては、第２のフィードバック制御系にて、微動ステージの目標位置からのずれ量を測定し、ずれ量に応じて微動ステージを自動追随させている。
【０００６】
しかしながら、このように自動追随させた場合には、微動ステージが制御指令を受けてから実際に動作するまでに時間がかかるために、外乱ノイズが微動ステージに加わると、この外乱ノイズに微動ステージが追随できず、微動ステージは目標位置から位置ずれしやすい。特に、外乱ノイズと微動ステージの固有振動が一致する場合には、制御動作によって、かえってステージを振動させてしまい、さらにはステージを共振させてしまう。
【０００７】
したがって、微動位置決めした後に、微動ステージを安定して目標位置に保持することが可能なステージ装置が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２２５２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、微動位置決めしたステージの目標位置に対する保持の安定性を高める要求に応えるステージ装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一形態に係るステージ装置は、ステージと、 粗動ストローク範囲で前記ステ
ージを移動させる粗動駆動部と、前記粗動ストローク範囲よりも小さい微動ストローク範囲で前記粗動駆動部と同じ方向に前記ステージを移動させる微動駆動部と、前記ステージの現在位置を検出する位置検出部と、目標位置、第１閾値、該第１閾値よりも小さい第２閾値、前記第２閾値よりも小さい第３閾値、および前記第３閾値よりも大きい第４閾値とが設定されるとともに、前記位置検出部の位置信号が入力され、前記現在位置と前記目標位置との差分である位置偏差を算出し、前記位置偏差の絶対値と前記第１ないし第３閾値との大小関係を判定し、前記粗動駆動部および前記微動駆動部に駆動信号を出力することによって、前記粗動駆動部および前記微動駆動部の駆動を制御する駆動制御部とを備え、該駆動制御部は、前記粗動駆動部によって前記ステージを前記目標位置に向かって繰り返し移動させる粗動位置決め制御を行い、前記位置偏差の前記絶対値が前記第１閾値よりも小さくなった場合に前記粗動位置決め制御を終了し、該粗動位置決め制御の後、前記微動駆動部によって前記ステージを前記目標位置に向かって繰り返し移動させる微動位置決め制御を行い、前記位置偏差の絶対値が前記第２閾値よりも小さくなった場合に前記微動位置決め制御を終了し、該微動位置決め制御の後、前記位置偏差の絶対値が前記第３閾値よりも大きい場合に、前記微動駆動部によって前記ステージを前記目標位置に向かって移動させることで、前記ステージの位置精度を保持する保持制御とを行ない、前記保持制御に
おいて前記駆動制御部は、前記位置偏差の絶対値と前記第４閾値との大小関係をさらに判定しており、前記位置偏差の絶対値が前記第４閾値よりも大きくなった場合には、前記位置偏差の絶対値が第３閾値よりも大きく且つ前記第４閾値よりも小さい場合と比較して、前記ステージの単位時間当たりの移動量を大きくする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一形態に係るステージ装置によれば、駆動制御部が、微動位置決め制御の後、位置偏差が第３閾値よりも大きくなった場合に、微動駆動部によってステージを目標位置に向かって移動させる保持制御を行なうため、微小振動（外乱ノイズ）に対するステージの移動を抑制して、ステージの位置ずれを低減しつつ、ステージ位置の大きな変動に対してステージを目標位置に向かって移動させることによって、ステージを安定して目標位置に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るステージ装置の斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るステージ装置の駆動方法の流れを示すフローチャートである。
【図３】図２におけるＳ１０４の第１微動フィードバック制御の流れを詳細に示すフローチャートである。
【図４】図２におけるＳ１０９の第２微動フィードバック制御の流れを詳細に示すフローチャートである。
【図５】実験例１のステージ装置の位置決め制御において、時間経過とステージ装置の位置偏差との関係を示すグラフである。
【図６】実験例２のステージ装置の位置決め制御において、時間経過とステージ装置の位置偏差および駆動電圧との関係を示すグラフである。
【図７】実験例３のステージ装置の位置決め制御において、時間経過とステージ装置の位置偏差および駆動電圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の一実施形態に係るステージ装置を、図１を参照しつつ詳細に説明する。
【００１４】
図１に示したステージ装置１は、精密測定装置や半導体製造装置において、検査または加工の対象であるウェハなどの被処理基板２を所定の場所に位置決めするものである。このステージ装置１は、平板状のベース３と、このベース３上に設けられたリニアガイド等の一対のガイド部材４と、このガイド部材４によって一方向へ直線的に案内されるステー
ジ５と、このステージ５を粗動ストローク範囲で一方向に移動させる粗動駆動部６と、粗動ストローク範囲よりも小さい微動ストローク範囲で粗動駆動部６と同じ方向にステージ５を移動させる微動駆動部７と、ステージ５の現在位置を検出する位置検出部８と、粗動駆動部６および微動駆動部７の駆動を制御する駆動制御部９とを有している。
【００１５】
ステージ５は、ガイド部材４上に設けられた粗動ステージ１０と、この粗動ステージ１０上に固定された微動ステージ１１との複合体である。
【００１６】
粗動ステージ１０は、ガイド部材４と平行に固定された被駆動部材１２を上面に有しており、この被駆動部材１２に粗動駆動部６から駆動力が印加されることによって、微動ステージ１１とともにガイド部材４に案内される。これにより、粗動ステージ１０は、粗動ストローク範囲を一方向へ直線的に移動する。
【００１７】
微動ステージ１１は、４隅に固定されたヒンジ１３を有しており、この微動ステージ１１のガイド部材４と垂直な側面に微動駆動部７から駆動力が印加されることによって、ヒンジ１３が変形する。これにより、微動ステージ１１は、微動ストローク範囲を一方向へ直線的に移動する。また、微動ステージ１１上には、被処理基板２が載置される。
【００１８】
このように、本実施形態のステージ５は、粗動ステージ１０および微動ステージ１１の双方を位置決めすることによって、位置決めされる。なお、ステージ５は、粗動ステージ１０と微動ステージ１１との複合体ではなく、粗動駆動部６および微動駆動部７の双方から駆動力が印加される単一のステージのみで構成されても構わない。
【００１９】
粗動駆動部６は、圧電素子を含む超音波モータを駆動源として有している。超音波モータは、圧電素子の先端部が被駆動部材１２に当接している。そして、この圧電素子に電圧が印加されると、その電歪効果で圧電素子の先端部が楕円軌道を描き、この先端部と被駆動部材１２との間に摩擦力が生じることによって、粗動ステージ１０を移動させる。この粗動駆動部６によって粗動ステージ１０を移動させるため、粗動ステージ１０の移動するストローク（粗動ストローク範囲）は３００ｍｍ程度と大きな距離になるが、粗動ステージ１０の位置決め（粗動位置決め）は数μｍ程度の精度であり、数ｎｍ程度の精度で位置決めを行なうことは困難である。なお、粗動駆動部６の駆動源としては、超音波モータの他に、サーボモータまたはリニアモータを用いても構わない。
【００２０】
微動駆動部７は、ピエゾアクチュエータを駆動源として有している。ピエゾアクチュエータは、その先端部が微動ステージ１１の側面に接続しており、先端部の変位量と微動ステージ１１の変位量が一致するように設計されている。そして、ピエゾアクチュエータに電圧が印加されると、その先端部が直線的に変位することによって、微動ステージ１１を移動させる。この微動駆動部７によって微動ステージ１１を移動させるため、微動ステージ１１の移動するストローク（微動ストローク範囲）は１０μｍ程度といった微小な距離となるが、微動ステージ１１の位置決め（微動位置決め）は数ｎｍ程度の精度で高速に行なうことができる。
【００２１】
位置検出部８は、ガイド部材４に対して直交するように微動ステージ１１上に固定された位置検出用ミラー１４と、レーザ干渉計１５と、レーザ光源（不図示）とを含んでいる。
【００２２】
駆動制御部９は、上位指令装置１６からの駆動命令に基づき、粗動駆動部６に駆動信号を出力して、粗動ステージ１０を移動させるための粗動フィードバック制御系１７と、微動駆動部７に駆動信号を出力して、微動ステージ１１を移動させるための微動フィードバック制御系１８とを備えている。
【００２３】
粗動フィードバック制御系１７は、粗動ステージ１０を目標位置に粗動位置決めするための粗動フィードバック制御（粗動位置決め制御）を行なうものである。この粗動フィードバック制御系１７は、各種の演算処理を行なう制御演算部１９と、レーザ干渉計１５からの位置信号を実際の位置情報に変換するためのエンコーダカウンタ２０と、粗動フィードバック制御プログラムを格納する不揮発性記憶装置２１と、制御演算部１９の演算結果に基づき粗動駆動部６への駆動信号を出力する粗動用Ｄ／Ａ変換器２２とから構成されている。この粗動フィードバック制御系１７は、粗動用Ｄ／Ａ変換器２２から所定の駆動信号（交流電圧）を粗動駆動部６に印加し、粗動駆動部６の先端部を楕円運動させることによって、粗動ステージ１０を駆動させる。
【００２４】
微動フィードバック制御系１８は、微動ステージ１１を目標位置に微動位置決めするための第１微動フィードバック制御（微動位置決め制御）と、微動ステージ１１を目標位置に保持するための第２微動フィードバック制御（保持制御）とを行なうものである。この微動フィードバック制御系１８は、各種の演算処理を行なうＣＰＵなどの制御演算部１９と、レーザ干渉計１５からの位置信号を実際の位置情報に変換するためのエンコーダカウンタ２０と、第１および第２微動フィードバック制御プログラムを格納するメモリなどの不揮発性記憶装置２１と、制御演算部１９の演算結果に基づき微動駆動部７への駆動信号を出力する微動用Ｄ／Ａ変換器２３とから構成されている。この微動フィードバック制御系１８は、微動用Ｄ／Ａ変換器２３からの所定の駆動信号（直流電圧）を微動駆動部７に印加し、微動駆動部７の先端部を直線的に変位させることによって、微動ステージ１１を駆動させる。
【００２５】
なお、制御演算部１９における演算処理としては、エンコーダカウンタ２０から入力される現在位置と目標位置との位置の差分を位置偏差として算出する処理、各種数値を不揮発性記憶装置２１から読み書きする処理、各種数値の大小関係の判定する処理、駆動信号の電圧を算出する処理、算出した電圧をＤ／Ａ変換器に出力する処理などがある。
【００２６】
次に、上位指令装置１６からの命令に基づくステージ装置１の駆動方法を説明する。このステージ装置１の駆動方法においては、図２に示すように、まず、粗動フィードバック制御をＯＮ（実行）にして、ステージ５を目標位置に粗動位置決めした後、粗動フィードバック制御をＯＦＦ（停止）にする。次に、第１微動フィードバック制御をＯＮにして、ステージ５を目標位置に微動位置決めした後、第１微動フィードバック制御をＯＦＦにする。次に、第２微動フィードバック制御をＯＮにして、ステージ５を目標位置に保持する。なお、ステージ５を微動位置決めした後の定常状態では、粗動フィードバック制御および第１微動フィードバック制御はＯＦＦであり、第２微動フィードバック制御のみＯＮとなっており、ステージ５を目標位置に保持している。
【００２７】
以下、図２に示すフローチャートに従って、ステージ１の駆動方法における制御演算部１９の演算処理内容を詳細に説明する。
【００２８】
上位指令装置１６から目標位置と起動命令が入力された後、まずＳ１００において、目標位置Ｐ１と微動位置決めの許容偏差（第２閾値）Ｐ２とを制御演算部１９のレジスタ上に保存する。この微動位置決めの許容偏差は、微動位置決めをする際に位置偏差として許容する値であって、微動位置決めの精度を規定するものであり、２ｎｍ以上８０ｎｍ以下に設定することが望ましく、例えば５ｎｍに設定される。また、図示しないが、粗動位置決めの許容偏差（第１閾値）も制御演算部１９のレジスタ上に保存しておく。この粗動位置決めの許容偏差は、予め計測しておいた微動駆動部７の最大変位量の絶対値の半分以下に設定することが望ましく、１００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下に設定することが望ましく、例えば１μｍに設定される。そして、Ｓ１０１に移行する。
【００２９】
Ｓ１０１において、粗動フィードバック制御をＯＮにする。そして、Ｓ１０２に移行する。
【００３０】
Ｓ１０２において、粗動フィードバック制御を用いて、粗動ステージ１０を目標位置まで移動させて、粗動位置決めを行なう。この粗動位置決めは、位置偏差の絶対値が、粗動位置決めの許容偏差（第１閾値）よりも小さくなった時点、すなわち微動駆動部７の可動範囲内となった時点で、Ｓ１０３に移行する。
【００３１】
Ｓ１０３において、粗動フィードバック制御をＯＦＦにする。そして、Ｓ１０４に移行する。
【００３２】
Ｓ１０４において、第１微動フィードバック制御をＯＮにする。そして、Ｓ１０５に移行する。
【００３３】
Ｓ１０５において、エンコーダカウンタ２０の出力値を読み取り、微動ステージ１１の現在位置Ｐ３を制御演算部１９のレジスタ上に記録する。そして、Ｓ１０６に移行する。
【００３４】
Ｓ１０６において、以下の式により位置偏差の絶対値Ｐ４を計算する。
【００３５】
Ｐ４＝（Ｐ１−Ｐ３）の絶対値
そして、Ｓ１０７に移行する。
【００３６】
Ｓ１０７において、Ｓ１０６で算出した位置偏差の絶対値Ｐ４と微動許容偏差Ｐ２とを比較して大小関係を判定し、位置偏差の絶対値Ｐ４が微動許容偏差Ｐ２よりも小さい場合は、Ｓ１０８へ移行する。そうでなければ、Ｓ１０５に移行し、位置偏差の絶対値Ｐ４が微動許容偏差Ｐ２よりも小さくなるまで、Ｓ１０５からＳ１０７までの第１ループを繰り返す。この第１ループは、制御演算部１９のサーボ周期ごとに実行され、例えば０．４ミリ秒に１回の頻度で実行される。
【００３７】
Ｓ１０８において、第１微動フィードバック制御をＯＦＦとする。そして、Ｓ１０９に移行する。
【００３８】
Ｓ１０９において、第２微動フィードバック制御をＯＮとし、定常状態とする。
【００３９】
以上のようにステージ装置１を駆動することによって、粗動フィードバック制御によってステージ５を目標位置に高速で粗動位置決めした後、後述する第１微動フィードバック制御によって目標位置に高速且つ高精度で微動位置決めし、さらに、後述する第２微動フィードバック制御により、微動ステージ１１を目標位置に安定的に微動保持することができる。
【００４０】
次に、図３に示すフローチャートに従って、上述したＳ１０４の第１微動フィードバック制御を詳細に説明する。
【００４１】
まず、Ｓ２００において、ゲイン切り替え閾値（第５閾値）Ｔ１、第１ゲインＧ１および第２ゲインＧ２を不揮発性記憶装置２１から制御演算部１９のレジスタ上に読み出す。
【００４２】
ゲイン切り替え閾値Ｔ１は、微動ステージ１１を高速で移動させる範囲と高精度で移動させる範囲の切り替えを行なうためのものであり、許容偏差Ｐ２よりも大きい。このゲイン切り替え閾値Ｔ１は、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下に設定することが望ましく、例えば１
５ｎｍに設定される。また、第１ゲインＧ１は、微動ステージ１１を高速で移動させるためのものであり、第２ゲインＧ２よりも大きい。この第１ゲインＧ１は、例えば０．１に設定される。また、第２ゲインＧ２は、微動ステージを高精度で移動させるためのものである。この第２ゲインＧ２は、例えば０．０５に設定される。そして、Ｓ２０１に移行する。
【００４３】
Ｓ２０１において、不揮発性記憶装置２１から読み出した第１ゲインＧ１について、演算制御部１９で用いるゲインＧの初期値としてレジスタ上に設定する。そして、Ｓ２０２に移行する。
【００４４】
なお、ゲインＧは、後述するＳ２０７において、目標位置Ｐ１と現在位置Ｐ１０との位置偏差（Ｐ１−Ｐ１０）に応じて、駆動信号の印加電圧を変動させ、その結果、微動用Ｄ／Ａ変換器２３から出力される駆動信号の印加電圧を変化させて、微動駆動部７の移動量を制御するためのものである。したがって、ゲインＧが第１ゲインＧ１である場合には、ゲインＧが第２ゲインＧ２よりも大きくなるため、位置偏差（Ｐ１−Ｐ１０）に対する微動駆動部７に対する駆動信号の印加電圧の変動幅が大きくなり、微動ステージ１１をより大きく移動させることができる。
【００４５】
Ｓ２０２において、エンコーダカウンタ２０の出力値を読み取り、微動ステージ１１の現在位置Ｐ１０を制御演算部１９のレジスタ上に記録する。そして、Ｓ２０３に移行する。
【００４６】
Ｓ２０３において、以下の式により位置偏差の絶対値Ｐ１１を計算する。
【００４７】
Ｐ１１＝（Ｐ１−Ｐ１０）の絶対値
そして、Ｓ２０４に移行する。
【００４８】
Ｓ２０４において、ゲインＧと第１ゲインＧ１とを比較して大小関係を判定し、ゲインＧが第１ゲインＧ１と等しい場合には、Ｓ２０５へ移行する。そうでなければＳ２０７へ移行する。
【００４９】
Ｓ２０５において、位置偏差の絶対値Ｐ１１とゲイン切り替え閾値Ｔ１とを比較して大小関係を判定し、位置偏差の絶対値Ｐ１１がゲイン切り替え閾値Ｔ１よりも小さい場合には、Ｓ２０６へ移行する。そうでなければＳ２０７へ移行する。
【００５０】
Ｓ２０６において、不揮発性記憶装置２１から第２ゲインＧ２を読み出して、ゲインＧとして設定する。そして、Ｓ２０７へ移行する。
【００５１】
Ｓ２０７において、不揮発性記憶装置２１から制御演算部１９のレジスタ上に現在印加電圧Ｖ１を読み出す。そして、Ｓ２０８に移行する。
【００５２】
Ｓ２０８において、以下の式によって、位置偏差（Ｐ１−Ｐ１０）とゲインＧとの積を印加電圧の変化量として、現在印加電圧Ｖ１に加えて、新たな印加電圧Ｖを算出する。
【００５３】
Ｖ＝Ｖ１＋（Ｐ１−Ｐ１０）×Ｇ
そして、Ｓ２０９に移行する。
【００５４】
Ｓ２０９において、新たな印加電圧Ｖを現在印加電圧Ｖ１として設定し、この現在印加電圧Ｖ１を不揮発性記憶装置２１に保存する。そして、Ｓ２１０に移行する。
【００５５】
Ｓ２１０において、Ｓ２０８で設定した新たな印加電圧Ｖの情報を微動用Ｄ／Ａ変換器２３に出力して、微動駆動部７に対する駆動信号の印加電圧を変化させることにより、微動ステージ１１を目標位置に向かって移動させる。そして、Ｓ２０２に移行し、Ｓ２０２からＳ２１０までの第２ループを繰り返す。この第２ループは、上述した第１ループが終了してＳ１０７からＳ１０８へ移行するまで、繰り返す。この第２ループは、制御演算部１９のサーボ周期ごとに実行され、例えば０．４ミリ秒に１回の頻度で実行される。
【００５６】
上述した如く、第２ループを繰り返す第１微動フィードバック制御を用いて、微動ステージ１１を目標位置に移動させることによって、微動ステージ１１を高速且つ高精度に微動位置決めすることができる。
【００５７】
特に、第１微動フィードバック制御においては、微動ステージ１１を高速に移動させるための第１ゲインＧ１と高精度に移動させるための第２ゲインＧ２との２つのゲインを設定している。Ｓ２０４からＳ２０６において、位置偏差の絶対値Ｐ１１がゲイン切り替え閾値（第５閾値）Ｔ１よりも小さくなった場合に、ゲインＧを、値の大きい第１ゲインＧ１から値の小さい第２ゲインＧ２に切り替えて使用している。すなわち、位置偏差が所望の距離よりも近くなった場合には、ゲインＧを小さな第２ゲインＧ２に設定して、微動ステージ１１に対する微小振動（以下、外乱ノイズという）に起因した位置偏差（Ｐ１−Ｐ１０）の誤差の増幅を抑え、微動ステージ１１の微動位置決め精度を高めることができる。このため、微動ステージ１１を高速且つ高精度で移動させて、微動位置決めすることができる。
【００５８】
また、Ｓ２０４からＳ２０６にかけては、上述した動作を行なうため、一度ゲインＧをゲインＧ１からゲインＧ２に切り替えると、ゲインＧはゲインＧ１には戻らない。それ故、目標位置近傍で突発的な大きな外乱振動が発生したとしても、微動ステージ１１を振動させることなく安定した位置決め動作を行なうことができる。
【００５９】
次に、図４に示すフローチャートに従って、上述したＳ１０９の第２微動フィードバック制御を詳細に説明する。
【００６０】
まず、Ｓ３００において、固定計算変動閾値Ｔ２、ゲイン計算変動閾値Ｔ３、電圧変動値Ｖ２および第３ゲインＧ３を不揮発性記憶装置２１から制御演算部１９のレジスタ上に読み出す。そして、Ｓ３０１に移行する。
【００６１】
ここで、固定計算変動閾値Ｔ２は、第２微動フィードバック制御における外乱ノイズの影響を除くためのものである。この固定計算変動閾値Ｔ２は、外乱ノイズの振幅よりも大きな値に設定することが望ましく、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下に設定することが望ましく、例えば２ｎｍに設定される。また、ゲイン計算変動閾値Ｔ３は、大きな外乱振動による微動ステージ１１の急激な変動を低減しつつ、外乱振動に追随するためのものである。このゲイン計算変動閾値Ｔ３は、固定計算変動閾値Ｔ２よりも大きな値に設定することが望ましく、４ｎｍ以上２０ｎｍ以下に設定することが望ましく、例えば４ｎｍに設定される。また、固定計算変動閾値Ｔ２は、微動ステージの位置変動を許容偏差Ｐ２よりも小さい範囲とするため、許容偏差Ｐ２よりも小さいことが望ましい。
【００６２】
また、電圧変動値Ｖ２は、微動ステージ１１の単位時間当たりの移動量を一定にすることによって、外乱ノイズの影響を低減して、微動ステージ１１の発振を抑制しつつ、微動ステージ１１を目標位置に向かって移動させるものである。この電圧変動値Ｖ２は、０．１ｍＶ以上１０ｍＶに設定されることが望ましく、例えば０．３ｍＶに設定される。
【００６３】
また、第３ゲインＧ３は、大きな外乱振動に対して、位置偏差に応じて微動ステージ１
１の単位時間当たりの移動量を大きくするものである。この第３ゲインＧ３は、０．０１以上１．０以下に設定されることが望ましく、例えば０．０８に設定される。
【００６４】
Ｓ３０１において、エンコーダカウンタ２０の出力値を読み取り、この出力値を移動平均した値を微動ステージ１１の現在位置Ｐ２０として、制御演算部１９のレジスタ上に記録する。そして、Ｓ３０２に移行する。
【００６５】
Ｓ３０２において、以下の式により位置偏差Ｐ２１を計算する。
【００６６】
Ｐ２１＝Ｐ１−Ｐ２０
そして、Ｓ３０３に移行する。
【００６７】
Ｓ３０３において、不揮発性記憶装置２１から現在印加電圧Ｖ１を読み出し、制御演算部１９のレジスタ上に記録する。
【００６８】
Ｓ３０４において、位置偏差Ｐ２１の絶対値と固定計算変動閾値Ｔ２とを比較して大小関係を判定し、位置偏差Ｐ２１の絶対値が固定計算変動閾値Ｔ２よりも大きい場合には、Ｓ３０５へ移行する。そうでなければＳ３０７へ移行する。
【００６９】
Ｓ３０５において、位置偏差Ｐ２１と０とを比較して大小関係を判定し、位置偏差Ｐ２１が０よりも小さい場合には、Ｓ３０６（ａ）へ移行する。そうでなければＳ３０６（ｂ）へ移行する。
【００７０】
Ｓ３０６（ａ）において、以下の式によって、Ｓ３０５における現在印加電圧Ｖ１に電圧変動値Ｖ２を加えたものを、新たな現在印加電圧Ｖ１とする。
【００７１】
Ｖ１＝Ｖ１＋Ｖ２
そして、Ｓ３０７に移行する。
【００７２】
Ｓ３０６（ｂ）において、以下の式によって、Ｓ３０５における現在印加電圧Ｖ１から電圧変動値Ｖ２を引いたものを、新たな現在印加電圧Ｖ１とする。
【００７３】
Ｖ１＝Ｖ１−Ｖ２
そして、Ｓ３０７に移行する。
【００７４】
Ｓ３０７において、位置偏差Ｐ２１の絶対値とゲイン計算変動閾値Ｔ３とを比較して大小関係を判定し、位置偏差Ｐ２１の絶対値がゲイン計算変動閾値Ｔ３よりも大きい場合には、Ｓ３０８へ移行する。そうでなければＳ３０９へ移行する。
【００７５】
Ｓ３０８において、以下の式によって、位置偏差Ｐ２１と第３ゲインＧ３との積を印加電圧の変化量として、Ｓ３０７における現在印加電圧Ｖ１に加えたものを、新たな現在印加電圧Ｖ１とする。なお、このＳ３０８で算出した現在印加電圧Ｖ１は、Ｓ３０６およびＳ３０８の双方を経ており、電圧変動値Ｖ２の加算もしくは減算と第３ゲインＧ３によるゲイン補正との双方の処理がされている。
【００７６】
Ｖ１＝Ｖ１＋（Ｐ１−Ｐ２０）×Ｇ３
そして、Ｓ３０９に移行する。
【００７７】
Ｓ３０９において、現在印加電圧Ｖ１の値を不揮発性記憶装置２１に保存する。そして、Ｓ３１０に移行する。
【００７８】
Ｓ３１０において、現在印加電圧Ｖ１の値を微動用Ｄ／Ａ変換器２３に出力して、微動駆動部７の駆動信号の印加電圧を変化させ、微動ステージ１１を目標位置に向かって移動させる。そして、Ｓ３０１に移行し、Ｓ３０１からＳ３１０までの第３ループを繰り返す。この第３ループは、微動ステージ１１が位置保持状態にある間、継続的に繰り返される。また、第３ループにおいて、Ｓ３０４ないしＳ３０６は、他のステップと比較して、演算の実行頻度が少なく設定されており、例えば１００ミリ秒に１回の頻度で実行される。また、第３ループにおいて、Ｓ３０４ないしＳ３０６以外のステップは、第１および第２ループと同じく、制御演算部１９のサーボ周期ごとに実行され、例えば０．４ミリ秒に１回の頻度で実行される。
【００７９】
上述した如く、第３ループを繰り返す第２微動フィードバック制御を用いて、微動ステージ１１を目標位置に保持させることによって、微動ステージ１１を安定的に保持することができる。
【００８０】
特に、第２微動フィードバック制御において、Ｓ３０４からＳ３１０にかけては、固定計算変動閾値Ｔ２がゲイン計算変動閾値Ｔ３よりも小さいため、位置偏差Ｐ２１の絶対値が固定計算変動閾値Ｔ２よりも小さくなった場合には、Ｓ３０４の次にＳ３０７へ移行し、さらにＳ３０７の次にＳ３０９へ移行するため、現在印加電圧Ｖ１が変化しない。そのため、微動駆動部７が変化しないことから、固定計算変動閾値Ｔ２よりも振幅の小さいノイズを無視することができ、このノイズに起因した微動ステージ１１の位置ずれを低減し、ひいては微動ステージ１１を安定的に保持することができる。
【００８１】
また、位置偏差の絶対値Ｐ２１が、固定計算変動閾値Ｔ２よりも大きく且つゲイン計算変動閾値Ｔ３よりも小さい場合には、Ｓ３０４の次にＳ３０５に移行するが、Ｓ３０７の次にＳ３０９へ移行するため、一定値である電圧変動値Ｖ２を変位量として、現在印加電圧Ｖ１の値が変化する。したがって、単位時間当たりの変位量を一定にしつつ、微動ステージ１１を目標位置に移動させて、目標位置に保持することができる。また、単位時間当たりの変位量が一定であるため、外乱ノイズの振動周期の影響を低減することができ、微動ステージ１１を発振させずに安定的に位置保持することができる。なお、単位時間当たりの変位量は、制御演算部１９のサーボ周期ごとに計測した変位量をいう。また、単位時間当たりの移動量は、単位時間当たりの変位量の絶対値をいう。
【００８２】
また、位置偏差Ｐ２１の絶対値が、ゲイン計算変動閾値Ｔ３よりも大きい場合には、Ｓ３０４の次にＳ３０５に移行するとともに、Ｓ３０７の次にＳ３０８へ移行するため、第３ゲインＧ３を用いたゲイン補正が行なわれ、位置偏差の値に応じて印加電圧が変化するため、位置偏差が大きくなるにつれて、微動駆動部７への駆動信号の印加電圧が大きくなり、微動ステージ１１の単位時間当たりの移動量を大きくしている。それ故、目標位置からの移動量が一定の範囲を超えた場合には、微動ステージ１１に高速で目標位置に移動させることができ、大きな外乱振動に対しても、微動ステージ１１の位置を安定的に保持することができる。
【００８３】
また、第３ループにおいて、Ｓ３０４ないしＳ３０６は、第３ループの他のステップと比較して、実行の頻度が少なく設定されている。その結果、外乱ノイズの影響による微動ステージ１１の移動を低減することができ、微動ステージ１１を目標位置に安定的に保持することができる。
【００８４】
また、第３ループにおいて、Ｓ３０４ないしＳ３０６以外のステップは、Ｓ３０４ないしＳ３０６と比較して、実行の頻度が高く設定されている。その結果、微動ステージ１１が大きな外乱振動を受けた場合にも、すぐに微動ステージ１１を移動させることができる
ため、微動ステージ１１を目標位置に安定的に保持することができる。
【００８５】
また、Ｓ３０１において、エンコーダカウンタ２０の出力値を読み取り、この出力値を移動平均した値を微動ステージ１１の現在位置Ｐ２０として、不揮発性記憶装置２１に記録している。このように移動平均値を使用することにより、目標位置を基準とした外乱ノイズの方向の異なる成分が積算されて相殺されるため、外乱ノイズの影響による微動ステージ１１の移動を低減することができる。
【実施例】
【００８６】
以下、本発明を実施例によって詳細に説明するが、本発明は、下記実施例によって限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の変更、実施の態様は、いずれも本発明の範囲内に含まれる。
【００８７】
（ステージ装置の準備）
上述した実施形態と同様の構造を有するが、位置決め制御が互いに異なる実験例１ないし３のステージ装置を作製した。
【００８８】
実験例１のステージ装置は、図２の位置決め制御において、Ｓ１００からＳ１０４までのステップを有しているが、Ｓ１０５以降のステップを有しておらず、図４の第２微動フィードバック制御を有していない。また、実験例１のステージ装置は、位置決め後の定常状態においては、粗動フィードバック制御がＯＦＦであり、第１微動フィードバック制御がＯＮである。
【００８９】
実験例２のステージ装置は、図２の位置決め制御において、ステップ１００からステップ１０９までの全てのステップを有しているが、図４の第２微動フィードバック制御において、Ｓ３０７およびＳ３０８のステップを有しておらず、ゲイン計算変動閾値Ｔ３および第３ゲインＧ３を用いていない。また、実験例２のステージ装置は、位置決め後の定常状態においては、粗動フィードバック制御がＯＦＦであり、第１微動フィードバック制御がＯＦＦであり、第２微動フィードバック制御がＯＮである。
【００９０】
実験例３のステージ装置は、図２の位置決め制御において、ステップ１００からステップ１０９までの全てのステップを有しており、図４の第２微動フィードバック制御において、Ｓ３００からＳ３１０の全てのステップを有している。また、実験例３のステージ装置は、位置決め後の定常状態においては、粗動フィードバック制御がＯＦＦであり、第１微動フィードバック制御がＯＦＦであり、第２微動フィードバック制御がＯＮである。
【００９１】
なお、実験例１ないし３のステージ装置は、図３の第１微動フィードバック制御において、Ｓ２００からＳ２１０までの全てのステップを有している。
【００９２】
また、上述した実験例１ないし３のステージ装置の位置決め制御において、各数値は、以下のように設定されている。
【００９３】
粗動位置決めの許容偏差：１μｍ
微動位置決めの許容偏差Ｐ２：５ｎｍ
ゲイン切り替え閾値Ｔ１：１５ｎｍ
固定計算変動閾値Ｔ２：２ｎｍ
ゲイン計算変動閾値Ｔ３：４ｎｍ
電圧変動値Ｖ２：０．３ｍＶ
第１ゲインＧ１：０．１
第２ゲインＧ２：０．０５
第３ゲインＧ３：０．０８
（評価方法）
実験例１ないし３において、ステージ装置の位置決め制御を行ない、定常状態とする際における、ステージの位置偏差を測定した。また、実験例２および３においては、微動駆動部への駆動信号の印加電圧を測定した。
【００９４】
（評価結果）
図５は、実験例１のステージ装置の位置決め制御において、時間経過とステージの位置偏差との関係を示したグラフである。図５の横軸は、位置決め制御の開始（Ｓ１００）を始点とした経過時間（ｓｅｃ）を示しており、図５の縦軸は、ステージの位置偏差（ｎｍ）を示すものである。
【００９５】
図５に示すように、実験例１のステージ装置は、定常状態でステージが発振している。これは、第１微動フィードバック制御においては、フィードバック計算してから、駆動電圧を変化させてモータが動作し、ステージ位置が変化するまでに時間遅れがあるためである。これにより、ステージの外乱ノイズに対して一定時間遅れてステージが移動するため、この移動によってステージの外乱ノイズを増幅させてしまい、ステージが発振してしまう。
【００９６】
図６は、実験例２のステージ装置の位置決め制御において、時間経過とステージの位置偏差および駆動信号の印加電圧との関係を示したグラフである。図６の横軸は、位置決め制御の開始（Ｓ１００）を始点とした経過時間（ｓｅｃ）を示しており、図６の縦軸のうち、第１軸（左側）は、ステージの位置偏差（ｎｍ）を示すものであり、第２軸（右側）は、駆動信号の印加電圧（ｍＶ）を示すものである。
【００９７】
図６に示すように、実験例２のステージ装置は、定常状態で発振はしておらず、実験例１のステージ装置と比較して、ステージの位置を目標位置に安定的に保持している。これは、第２微動フィードバック制御において、ステージの外乱ノイズに対してはステージを位置制御していないためである。
【００９８】
一方、実験例２のステージ装置は、ステージの位置が目標位置から大きくずれ、目標位置に戻すのに時間がかかっている。これは、Ｓ３０７およびＳ３０８のステップを有していないことから、ステージの位置制御が遅くなり、速い外乱ノイズに追随できていないためである。
【００９９】
図７は、実験例３のステージ装置の位置決め制御において、時間経過とステージの位置偏差および駆動信号の印加電圧との関係を示したグラフである。図７の横軸は、位置決め制御の開始（Ｓ１００）を始点とした経過時間（ｓｅｃ）を示しており、図７の縦軸のうち、第１軸（左側）は、ステージの位置偏差（ｎｍ）を示すものであり、第２軸（右側）は、駆動信号の印加電圧（ｍＶ）を示すものである。
【０１００】
図７に示すように、実験例３のステージ装置は、定常状態で発振していない。これは、実験例２と同様に、第２微動フィードバック制御において、ステージの外乱ノイズに対してはステージを位置制御していないためである。
【０１０１】
さらに、実験例３のステージ装置は、駆動電圧のみが変化して、ステージの位置が目標位置からずれていない。これは、Ｓ３０７およびＳ３０８のステップによって、速い外乱ノイズに対して、Ｓ３０８のゲイン補正が有効に作用して、ステージ位置が外乱ノイズの影響を受けずに一定となるように制御しているためである。
【０１０２】
以上の結果から、本発明のステージ装置によれば、固定計算変動閾値Ｔ２（第３閾値）を用いた第２微動フィードバック制御（保持制御）を行なうことによって、ステージの発振を抑制し、ステージの位置を目標位置に安定的に保持できることが確認された。
【符号の説明】
【０１０３】
１              ステージ装置
２              被処理基板
３              ベース
４              ガイド部材
５              ステージ
６              粗動駆動部
７              微動駆動部
８              位置検出部
９              駆動制御部
１０            粗動ステージ
１１            微動ステージ
１２            被駆動部材
１３            ヒンジ
１４            位置検出用ミラー
１５            レーザ干渉計
１６            上位指令装置
１７            粗動フィードバック制御系
１８            微動フィードバック制御系
１９            制御演算部
２０            エンコーダカウンタ
２１            不揮発性記憶装置
２２            粗動用Ｄ／Ａ変換器
２３            微動用Ｄ／Ａ変換器
【図１】
0005836824.tif 000002
【図２】
0005836824.tif 000003
【図３】
0005836824.tif 000004
【図４】
0005836824.tif 000005
【図５】
0005836824.tif 000006
【図６】
0005836824.tif 000007
【図７】
0005836824.tif 000008