(57)【要約】【課題】  ステージの弾性振動の影響を低減し、位置決め制御特性を向上させる。【解決手段】  基板を搭載可能な天板５０１と、天板面に垂直な方向に推力を発生する３個以上の複数の直動アクチュエータ５０４Z１〜Z４とを備え、前記天板に垂直な軸の並進１自由度と傾き２自由度の計３自由度にて移動可能であり、前記天板の弾性振動モードの各モードごとに固有の変形状態における前記複数の直動アクチュエータの駆動方向への変形量を、各弾性振動モードごとにすべての前記直動アクチュエータの作用軸上において合算した総和が、低次の弾性振動モードから高次の弾性振動モードに渡って、できる限り多くの弾性振動モードでそれぞれほぼ０となるように前記複数の直動アクチュエータを配置した。【選択図】      図１
2005150615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を搭載可能な天板と、天板面に垂直な方向に推力を発生する３個以上の複数の直動アクチュエータとを備えて、少なくとも前記天板に垂直な軸の並進１自由度と傾き２自由度の計３自由度にて移動可能な微動ステージにおいて、
前記天板の弾性振動モードの各モードごとに固有の変形状態における前記複数の直動アクチュエータの駆動方向への変形量を、各弾性振動モードごとにすべての前記直動アクチュエータの作用軸上において合算した総和が、低次の弾性振動モードから高次の弾性振動モードに渡って、できる限り多くの弾性振動モードでそれぞれほぼ０となるように前記複数の直動アクチュエータを配置したことを特徴とするステージ。
【請求項２】
前記複数の直動アクチュエータの発生する推力のベクトルの構成する面が、平面となるように各直動アクチュエータに推力を分配することを特徴とする、請求項１に記載のステージ。
【請求項３】
前記直動アクチュエータの作用軸上における前記各弾性振動モードごとに固有である前記直動アクチュエータの駆動方向への変形量と、当該直動アクチュエータの推力との積を、各弾性振動モードごとにすべての前記直動アクチュエータについて合算した積の総和が、低次の弾性振動モードから高次の弾性振動モードに渡って、できる限り多くの弾性振動モードでそれぞれほぼ０となるように前記複数の直動アクチュエータを配置したことを特徴とする、請求項１または２に記載のステージ。
【請求項４】
前記直動アクチュエータは、非接触型のアクチュエータであることを特徴とする、請求項１から３までのいずれかに記載のステージ。
【請求項５】
前記直動アクチュエータは、リニアモータであることを特徴とする、請求項１から４までのいずれかに記載のステージ。
【請求項６】
前記複数の直動アクチュエータへの指令値に対して、各直動アクチュエータが発生する推力の対応テーブルを保持し、前記指令値によって所望の推力が発生するように前記対応テーブルに基づいて補正することを特徴とする、請求項１から５までのいずれかに記載のステージの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体露光装置、工作機械など高速、高精度の位置、速度制御が求められる分野において、可動体の弾性振動が制御精度に影響を与える場合の弾性振動の抑制方法に関わる。
【背景技術】
【０００２】
ここでは従来技術として、特開2000-106344号公報に記載のステージを例に説明を行う。
半導体露光装置においては、露光線幅の微細化に伴い、露光装置のウェハステージに求められる位置制御精度は数nmのオーダーに達している。また、生産性の向上の観点からステージの移動加速度および速度は年々増大の傾向にある。このような高速・高精度の位置制御を実現するためには、ウェハステージ位置制御系のサーボ帯域が高いことが必要である。高いサーボ帯域は目標値への応答性が高く、外乱などの影響にも頑健なシステムを実現する。従って、装置を作る立場からは可能な限り高いサーボ帯域を実現する、ウェハステージ、本体構造体等の設計が行われる。
【０００３】
図１２は従来例のウェハステージの斜視図であり、図１３はその微動ステージの構成を示す斜視図である。
（ＸＹステージの説明）
ベース定盤５０２上にＹヨーガイド５５０が固定されている。Ｙヨーガイド５５０の側面とベース定盤５０２の上面でガイドされるＹステージ５５１が、Ｙステージ５５１に設けられた不図示のエアスライドによりＹ方向に沿って滑動自在に支持されている。
【０００４】
Ｙステージ５５１は、主に２本のＸヨーガイド５５２とＹスライダ大５５３、及びＹスライダ小５５４の４部材から構成される。Ｙスライダ大５５３は、その側面及び下面に設けた不図示のエアパッドを介してＹヨーガイド５５０の側面及びベース定盤５０２の上面と対面している。また、Ｙスライダ小５５４は、その下面に設けた不図示のエアパッドを介してベース定盤５０２上面と対面している。この結果、Ｙステージ全体としては、前述のようにＹヨーガイド５５０の側面とベース定盤５０２の上面とでＹ方向に滑動自在に支持されることになる。
【０００５】
一方、Ｘステージ５６１は、主に２枚のＸステージ側板５６２と、上のＸステージ上板５６３、下のＸステージ下板５６４の４部材から構成され、Ｙステージ５５１のＸヨーガイド５５２をＸ軸まわりに囲むように設けられる。Ｘステージ５６１は、Ｘ方向に不図示のエアスライドにより滑動自在に支持されている。Ｘステージ５６１は、Ｙステージ５５１の構成部材である２本のＸヨーガイド５５２の側面とベース定盤５０２の上面とでガイドされる。Ｘステージ下板５６４はその下面に設けた不図示のエアパッドを介してベース定盤５０２の上面と対面し、２枚のＸステージ側板５６２はその側面に設けた不図示のエアパッドを介してＹステージ５５１の構成部材である２本のＸヨーガイド５５２の側面と対面している。Ｘステージ上板５６３の下面とＸヨーガイド５５２の上面、およびＸステージ下板５６４の上面とＸヨーガイド５５２の下面は非接触になっている。この結果、Ｘステージ５６１全体としては、前述のように２本のＸヨーガイド５５２の側面とベース定盤５０２の上面でＸ方向に滑動自在に支持されることになる。結果的に、Ｘステージ５６１は、Ｙステージ５５１がＹ方向に移動するときは共にＹ方向に移動し、Ｙステージ５５１に対してはＸ方向に移動可能であるため、ＸＹの２次元に滑動自在となる。  ＸＹステージ（移動装置）の駆動機構は、Ｘ駆動用に１本、Ｙ駆動用に２本の多相コイル切り替え方式の長距離リニアモータ５１０が用いられている。Ｘ駆動用の長距離Ｘリニアモータ５１０Ｘの固定子５１２ＸはＹステージ５５１に設けられ、長距離Ｘリニアモータ５１０Ｘの可動子５１１ＸはＸステージ５６１に設けられており、Ｘステージ５６１とＹステージ５５１との間でＸ方向に駆動力を発生する。長距離Ｙリニアモータ５１０Ｙの固定子５１２Ｙは、ベース定盤５０２と一体的に設けても良いし、ベース定盤５０２と振動的に独立した部材に設けても良い。長距離Ｙリニアモータ５１０Ｙの可動子５１１Ｙは、連結板５５５を介してＹステージ５５１と一体的に設けられている。これにより、Ｙ駆動用の長距離Ｙリニアモータ５１０Ｙは、Ｙステージ５５１をベース定盤５０２に対してＹ方向に駆動する。  
【０００６】
長距離リニアモータ５１０の固定子５１２は、ストローク方向に並べた複数個のコイル５１３をコイル固定枠５１４に保持した物である。長距離リニアモータ５１０の可動子５１１は、磁極ピッチが上記コイルのコイルスパンに等しい４極の磁石をヨーク板の上に並べたものであって上記コイルを挟むように対向させて形成した箱形の磁石で構成される。長距離リニアモータは、可動子の位置によって固定子のコイルに選択的に電流を流すことにより推力を発生する。  
（ウェハ天板５０１の説明）
【０００７】
図１３において、ウェハ天板５０１（移動可能なステージ）は、工作物であるウェハをウェハチャック５７１により載置し、並進Ｘ，Ｙ，Ｚ方向及び回転ωx，ωy，ωz方向の６自由度方向に位置決めするものである。ウェハ天板５０１は、矩形の板状の形をしており、中央に窪み５７２が設けられ、窪み５７２の部分にウェハを載置するためのウェハチャック５７１が設けられている。ウェハ天板５０１の側面には干渉計（第１の計測器）のレーザーを反射するためのミラー５２９が設けられ、ウェハ天板５０１の位置を計測できるようになっている。  
（位置計測の説明）
【０００８】
次に、図１３を用いて、Ｘステージ５６１の位置計測とウェハ天板５０１の位置計測について説明する。  
Ｘステージ５６１の上板５６３の側面には、Ｘステージ５６１の位置計測を行う干渉計（第２の計測器）の計測光を反射するためのミラーが形成されている。Ｘ方向およびＹ方向からレーザ干渉計の計測光がＸステージ側面ミラー５３９に照射され、Ｘステージ５６１のＸＹ方向の位置をレーザ干渉計で精密に計測できるようになっている。  
【０００９】
ウェハ天板５０１の側面には、干渉計のレーザ光を反射するためのミラー５２９が設けられ、ウェハ天板５０１の位置を計測できるようになっている。ウェハ天板５０１には６本の光ビームが照射され、ウェハ天板５０１の６自由度の位置を計測している。Ｘ軸に平行でＺ位置の異なる干渉計５２８X１，５２８X２からの２本の干渉計ビームにより、ウェハ天板５０１のＸ方向の位置およびωｙ方向の回転量が計測できる。また、Ｙ軸に平行でＸ位置およびＺ位置の異なる干渉計５２８Y１，５２８Y２，５２８Y３からの３本の干渉計ビームにより、ウェハ天板５０１のＹ方向の位置およびωｘωｙ方向の回転量が計測できる。さらにウェハチャック５７１に載置された干渉計５２８Zからウェハに斜めに計測光を入射し、この計測光の反射位置を計測することにより、ウェハのＺ方向の位置（つまりウェハ天板のＺ方向の位置）が計測できる。  
【００１０】
以上のように、Ｘステージ５６１及びウェハ天板５０１の位置を計測することにより、Ｘステージ５６１の位置計測とウェハ天板５０１の位置計測は、互いに独立して位置をレーザ干渉計で精密に計測できるようになっている。  
（微動アクチュエータの説明）
【００１１】
次に、図１４を用いて、Ｘステージ５６１とウェハ天板５０１との間で駆動力を発生する微動アクチュエータユニットの説明を行う。図１４は、Ｘステージ５６１とウェハ天板５０１との間に設けられた微動リニアモータ５０３および電磁石５０８等を用いたアクチュエータの分解図を表している。  
【００１２】
ウェハ天板５０１の下方にはウェハ天板５０１に推力や吸引力を作用する基準となる前述のＸＹステージが配置される。  
ウェハ天板５０１の下面には８個の微動リニアモータ可動子５０４が取り付けられている。各可動子５０４は、厚み方向に着磁された２極の磁石５７４およびヨーク５７５を２組有している。この２組の磁石５７４およびヨーク５７５は、側板５７６で連結して箱状の構造を形成し、後述の微動リニアモータ固定子５０５を非接触で挟み込むようにして対面する。  
【００１３】
８個の可動子５０４のうちの４個の可動子５０４Ｚは、矩形状天板５０１の辺のほぼ中央部に配置され、ウェハ天板５０１をＸステージ５６１に対してＺ方向に微動駆動するためのＺ可動子を形成する。Ｚ可動子５０５Ｚにおいては、前記２極の磁石５７４ＺがＺ方向に沿って配列されており、後述のＺ方向に直角な直線部をもつＺ固定子５０５Ｚの長円コイル５７８Ｚに流れる電流と相互作用してＺ方向の推力を発生する。これをＺ１〜Ｚ４可動子と名づける。  
【００１４】
残りの４個の可動子５０４のうち矩形状天板の対角の隅部に配置される２個の可動子は、ウェハ天板５０１をＸステージ５６１に対してＸ方向に微動駆動するためのＸ可動子５０４Ｘを形成する。Ｘ可動子５０４Ｘにおいては、前記２極の磁石５７４ＸがＸ方向に沿って配列されており、後述のＸ方向に直角な直線部をもつＸ固定子５０５Ｘの長円コイル５７８Ｘに流れる電流と相互作用してＸ方向の推力を発生する。これをＸ１，Ｘ２可動子と名づける。  
【００１５】
残りの２個の可動子５０４もまた矩形状天板５０１の対角の隅部に配置され、ウェハ天板５０１をＸステージ５６１に対してＹ方向に微動駆動するためのＹ可動子５０４Ｙを形成する。Ｙ可動子５０４Ｙにおいては、前記２極の磁石５７４がＹ方向に沿って配列されており、後述のＹ方向に直角な直線部をもつＹ固定子５０５Ｙの長円コイル５７８Ｙに流れる電流と相互作用してＹ方向の推力を発生する。これをＹ１，Ｙ２可動子と名づける。      
【００１６】
また、ウェハ天板５０１の下面の矩形のほぼ中央部には、円筒形状の磁性体支持筒５８０が設けられている。そしてこの磁性体支持筒５８０の外周部には４つの円弧状の磁性体ブロック５０７が固定されている。このうち２個の円弧状磁性体ブロック５０７Ｘは、Ｘ方向に沿うように配置され、やはりＸ方向に沿うように配置された後述のＥ形状電磁石５０８Ｘと非接触で対面し、Ｅ形状電磁石５０８ＸからＸ方向の大きな吸引力を受けられるようになっている。この、Ｘ方向に沿って配置された円弧状の磁性体ブロック５０７ＸをＸ１，Ｘ２ブロックと名づける。  
【００１７】
残りの２個の円弧状磁性体ブロック５０７Ｙは、Ｙ方向に沿うように配置され、やはりＹ方向に沿うように配置された後述のＥ形状電磁石５０８Ｙと非接触で対面し、Ｅ形状電磁石５０８ＹからＹ方向の大きな吸引力を受けられるようになっている。この、Ｙ方向に沿って配置された円弧状の磁性体ブロック５０７ＹをＹ１，Ｙ２ブロックと名づける。  
【００１８】
円筒形状の磁性体支持筒５８０の中空部分には、自重補償ばね５８１が配置され、その上端がウェハ天板５０１の下面中央部と結合され、ウェハ天板５０１の自重を支持するようになっている。自重補償ばね５８１は自重支持方向および他の５自由度方向のばね定数が極めて小さく設計されており、ばね５８１を介してＸステージ５６１からウェハ天板５０１への振動伝達がほぼ無視できるようになっている。  
【００１９】
可動子５０４Ｘ（Ｘ１とＸ２）が発生する力の作用線のＺ座標は概ね一致している。可動子５０４Ｘ（Ｘ１とＸ２）が発生する力の作用線のＺ座標は、可動子５０４Ｘ（Ｘ１とＸ２）、可動子５０４Ｙ（Ｙ１とＹ２）、可動子５０４Ｚ（Ｚ１〜Ｚ４）および磁性体支持筒５８０並びに４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＺ座標と概ね一致するようになっていることが望ましい。この場合、可動子５０４Ｘ（Ｘ１とＸ２）に発生するＸ方向の推力によって、Ｙ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになる。  
【００２０】
可動子５０４Ｙ（Ｙ１とＹ２）が発生する力の作用線のＺ座標は概ね一致している。可動子５０４Ｙ（Ｙ１とＹ２）が発生する力の作用線のＺ座標は、可動子５０４X（Ｘ１とＸ２）、可動子５０４Ｙ（Ｙ１とＹ２）、可動子５０４Ｚ（Ｚ１〜Ｚ４）および磁性体支持筒５８０並びに４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＺ座標と概ね一致するようになっていることが望ましい。この場合可動子５０４Ｙ（Ｙ１とＹ２）に発生するＹ方向の推力によって、Ｘ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになる。  
【００２１】
ブロック５０７Ｘ（Ｘ１とＸ２）に作用する吸引力の作用線のＺ座標は概ね一致している。ブロック５０７Ｘ（Ｘ１とＸ２）に作用する吸引力の作用線のＺ座標は、可動子５０４Ｘ（Ｘ１とＸ２）、可動子５０４Ｙ（Ｙ１とＹ２）、可動子５０４Ｚ（Ｚ１〜Ｚ４）および磁性体支持筒５８０および４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＺ座標と概ね一致するようになっていることが望ましい。この場合ブロック５０７Ｘ（Ｘ１とＸ２）に作用するＸ方向の吸引力によって、Ｙ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになる。  
【００２２】
また、このブロック５０７Ｘ（Ｘ１とＸ２）に作用するＸ方向の吸引力の作用線のＸ座標は、可動子５０４Ｘ（Ｘ１とＸ２）、可動子５０４Ｙ（Ｙ１とＹ２）、可動子５０４Ｚ（Ｚ１〜Ｚ４）および磁性体支持筒５８０並びに４つの円弧状磁性体ブロック５０７（２つの５０７Ｘと２つの５０７Ｙ）を含むウェハ天板５０１の重心のＸ座標と概ね一致するようになっている。このためブロックＸ（Ｘ１とＸ２）に作用するＸ方向の吸引力によって、Ｚ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになっている。  
【００２３】
ブロック５０７Ｙ（Ｙ１とＹ２）に作用する吸引力の作用線のＺ座標は概ね一致している。ブロック５０７Ｙ（Ｙ１とＹ２）に作用する吸引力の作用線のＺ座標は、可動子５０４Ｘ（Ｘ１とＸ２）、可動子５０４Ｙ（Ｙ１とＹ２）、可動子５０４Ｚ（Ｚ１〜Ｚ４）および磁性体支持筒５８０並びに４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＺ座標と概ね一致するようになっていることが望ましい。この場合ブロック５０７Ｙ（Ｙ１とＹ２）に作用するＹ方向の吸引力によって、Ｘ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになる。
【００２４】
また、このブロック５０７Ｙ（Ｙ１とＹ２）に作用するＹ方向の吸引力の作用線のＸ座標は、可動子５０４Ｘ（Ｘ１とＸ２）、可動子５０４Ｙ（Ｙ１とＹ２）、可動子５０４Ｚ（Ｚ１〜Ｚ４）および磁性体支持筒５８０並びに４つの円弧状磁性体ブロック５０７を含むウェハ天板５０１の重心のＸ座標と概ね一致するようになっている。このためブロック５０７Ｙ（Ｙ１とＹ２）に作用するＹ方向の吸引力によって、Ｚ軸まわりの回転力がほとんどウェハ天板５０１に作用しないようになっている。
【００２５】
Ｘステージ上板５６３の上部には、ウェハ天板５０１を６軸方向に位置制御するための８個の微動リニアモータ５０３の固定子５０５、ウェハ天板５０１にＸＹ方向の加速度を与えるための電磁石支持円筒５８３に支持された４個のＥ形電磁石５０８、およびウェハ天板５０１の自重を支持するための自重支持ばねの一端が固定されている。
【００２６】
各固定子５０５は、長円形のコイル５７８をコイル固定枠５７９で支持する構造になっており、前述のウェハ天板５０１下面に固定されたリニアモータ可動子５０４と非接触で対面するようになっている。
【００２７】
８個の固定子５０５のうちの４個の固定子５０５Ｚは、矩形状のＸステージ上板５６３の辺のほぼ中央部に配置され、ウェハ天板５０１をＸステージ５６１に対してＺ方向に微動駆動するためのＺ固定子を形成する。Ｚ固定子５０５Ｚは、前記長円コイル５７８Ｚの直線部がＺ方向と直角になるように配置されており、前記Ｚ可動子５０４ＺのＺ方向に沿って配置された２極の磁石５７４ＺにＺ方向の推力を作用できるようになっている。このコイルをＺ１〜Ｚ４コイルと名づける。
【００２８】
残りの４個の固定子のうち２個の固定子５０５Ｘは、矩形状のＸステージ上板５６３の対角の隅部に配置され、Ｘ固定子を形成する。Ｘ固定子５０５Ｘでは、前記長円コイル５７８Ｘの２つの直線部がＸ方向と直角になり、２つの直線部がＸ方向に沿うように配置されており、前記Ｘ可動子５０４ＸのＸ方向に沿って配置された２極の磁石５７４ＸにＸ方向の推力を作用できるようになっている。このコイルをＸ１，Ｘ２コイルと名づける。
【００２９】
残りの２個の固定子５０５Ｙも矩形状のＸステージ上板５６３の対角の隅部に配置され、Ｙ固定子を形成する。Ｙ固定子５０５Ｙでは、前記長円コイル５７８Ｙの２つの直線部がＹ方向と直角になり、２つの直線部がＹ方向に沿うように配置されており、前記Ｙ可動子５０４ＹのＹ方向に沿って配置された２極の磁石５７４ＹにＹ方向の推力を作用できるようになっている。このコイルをＹ１，Ｙ２コイルと名づける。
【００３０】
また、電磁石支持円筒５８３は、矩形状のＸステージ上板５６３のほぼ中央部に配置され、電磁石支持円筒５８３の内部には４つのＥ形電磁石５０８が設けられている。Ｅ形電磁石５０８は、Ｚ方向からみたとき概ねＥ形の断面を有するＥ形磁性体ブロック５８５と、コイル５８６とを具備している。コイル５８６は、Ｅの字の中央の突起の周りに巻きまわされる。Ｅの字の３つの突起部の先端面は、直線ではなく円弧になっている。このＥ形電磁石５０８の３つの突起部の先端面は、前記ウェハ天板５０１に固定された円弧状磁性体ブロック５０７と数十ミクロン程度以上の空隙を介して非接触で対面し、コイルに電流を流すことによって円弧状磁性体ブロック５８５に吸引力を作用するようになっている。
ここでは、電磁石支持円筒５８３および円弧状磁性体ブロック５８５については、詳しく説明しない。
【００３１】
以上の構成により、Ｘステージ５６１からウェハ天板５０１に対して、リニアモータにより６軸方向の推力を与えることができ、電磁石５０８によりＸＹ方向の大きな吸引力を与えることができる。
【００３２】
並進Ｚ方向および回転ωｘ，ωｙ，ωｚ方向は長いストロークを動かす必要はないが、ＸＹ方向は長いストロークにわたって推力や吸引力を作用させる必要がある。しかし、リニアモータ５０３も電磁石５０８もＸＹ方向のストロークが極めて短い。一方、Ｘステージ５６１はＸＹ方向に長いストロークを有する。そこで、Ｘステージ５６１をＸＹ方向に移動させながらウェハ天板５０１にＸＹ方向の推力や吸引力を作用させることにより、ＸＹ方向の長い距離にわたってウェハ天板５０１にＸＹ方向の推力や吸引力を作用させるようにしている。  
【特許文献１】特開2000-106344号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３３】
半導体露光装置のステージ装置においては露光する線幅の解像度が高いため、その位置制御精度が高いことが要求される。また、半導体露光装置は生産設備であるから、生産性の観点からスループットが高いことも要求される。この要求を満たすためには、ステージは、サーボ系の応答性が高く、かつ高速で移動できることが必要である。ステージの位置制御精度を高めるため、設計者は位置制御系のゲインを可能な限り高く設定し、高いサーボ帯域を実現する。しかし、ゲインをある程度以上高く設定しようとしても、サーボ系の発振によりその上限は制約される。サーボ帯域を制限する要因は種々あるが、制御ループ内に存在する機械系の弾性振動もその要因の一つである。
【００３４】
図１０はウェハ天板５０１の弾性振動モードの解析結果の例を示す図である。ここでは１次から４次までの弾性振動モードを示した。左列は、各モード固有の変形状態であるいわゆるモードシェイプを示す斜視図である。中列は、各モード固有の変形量を表すコンター図であり、無変形領域が黒で示され、プラス方向、マイナス方向に変形している領域の変形量がそれぞれの濃淡で示されている。右列は、プラスに変形する領域とマイナスに変形する領域を模式的に示した図である。プラスに変形する領域とマイナスに変形する領域の境界が、無変形領域となる。図に示した変形状態でのプラスとマイナスは、振動中のある時点における変形方向（位相）を示しており、各振動モード固有の共振周波数に従い、時間が経過するとプラスの領域がマイナスになり、マイナスの領域がプラスになる。ただし、各領域の相対的な変形方向（位相）の関係は変化しない。そのため、各図は各モードにおける固有の変形状態を特徴的に示しているものである。天板の実際の変形状態はこれらの各モードの変形の重ね合わせとなる。
【００３５】
このように薄い板ではZ方向の剛性が弱いため、曲げあるいは捩れのような弾性変形による振動が発生する。このときZ方向のアクチュエータから計測点までの伝達特性は図１１のようになり、弾性振動の共振点は高いピークをもつ。このような系で例えばZ方向の位置制御系のループゲインを高くしていくと、前記の弾性振動の共振点が励起されてステージの制御精度を悪化させる。ある程度、低いループゲインでは、前記振動が大きく現れるだけであるが、さらにゲインを高くすると、サーボ系は不安定になり発振状態になる。
【００３６】
このようにウェハ天板５０１などに弾性振動が存在するため、サーボ系は不安定になる。あるいは不安定にならないまでも、制御誤差が大きくなり、制御仕様を満たさない恐れがある。通常、サーボ帯域はこの弾性振動の最低次の共振周波数の１／３から１／４程度に制限される。
【００３７】
このように従来の位置制御系においては、制御対象の弾性振動の共振周波数により位置制御系のサーボ帯域が制限される。従ってより高いサーボ帯域を実現するためには、弾性振動の共振周波数を高めるか、あるいは減衰性を高める必要があり、そのために制御対象は、剛性を高くする、あるいは質量を軽くする、弾性振動の減衰性を高める、などの方策がとられてきた。しかしながら、ステージの軽量化、高剛性化、高減衰化など機械的な方策には限界があり、サーボ帯域を上げることは困難である。
【００３８】
一方で、天板を振動させるのはアクチュエータの駆動による推力であるが、天板を変形させずサーボ系の安定度を増すためのアクチュエータの配置や、駆動方法については、従来明確になっていなかった。
本発明は、ステージの弾性振動の影響を低減し、位置決め制御特性を向上させることを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３９】
そこで、本発明では、基板を搭載可能な天板と、天板面に垂直な方向に推力を発生する３個以上の複数の直動アクチュエータとを備えて、少なくとも前記天板に垂直な軸の並進１自由度と傾き２自由度の計３自由度にて移動可能な微動ステージにおいて、前記天板の弾性振動モードの各モードごとに固有の変形状態における前記複数の直動アクチュエータの駆動方向への変形量を、各弾性振動モードごとにすべての前記直動アクチュエータの作用軸上において合算した総和が、低次の弾性振動モードから高次の弾性振動モードに渡って、できる限り多くの弾性振動モードでそれぞれほぼ０となるように前記複数の直動アクチュエータを配置したことを特徴とする。
また、例えば、前記複数の直動アクチュエータの発生する推力のベクトルが、平面となるように各直動アクチュエータに推力を分配することを特徴とする。
【００４０】
さらに、前記直動アクチュエータの作用軸上における前記各弾性振動モードごとに固有である前記直動アクチュエータの駆動方向への変形量と、当該直動アクチュエータの推力との積を、各弾性振動モードごとにすべての前記直動アクチュエータについて合算した積の総和が、低次の弾性振動モードから高次の弾性振動モードに渡って、できる限り多くの弾性振動モードでそれぞれほぼ０となるように前記複数の直動アクチュエータを配置したことを特徴とすることもできる。
【００４１】
また、これらの直動アクチュエータは非接触型のアクチュエータであり、たとえばリニアモータであることが望ましい。
【００４２】
さらに、前記複数の直動アクチュエータへの指令値に対して、各直動アクチュエータが発生する推力の対応テーブルを保持し、前記指令値によって所望の推力が発生するように前記対応テーブルに基づいて補正することを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００４３】
以上説明したように、本発明においては、天板の弾性振動モードの各モードごとに固有の変形状態における複数の直動アクチュエータ駆動方向への変形量の、すべての前記直動アクチュエータの作用軸上における各モードごとの総和が、低次のモードからできる限り高次のモードに渡って、ほぼ０となるように前記直動アクチュエータを配置したことによって、天板の弾性振動モードを励起しないように駆動することが可能となり、位置制御系が不安定となりにくくなりサーボ帯域をよりあげることが可能となる。
【００４４】
また、前記複数の直動アクチュエータの発生する推力のベクトルが、平面となるように各直動アクチュエータに推力を分配することにより、天板の静的な変形を引き起こすこともない。
【００４５】
さらに、前記直動アクチュエータの作用軸上における前記各モードごとに固有の変形量と当該直動アクチュエータの推力との積をすべての前記直動アクチュエータについて合算した積の総和が、低次のモードからできる限り高次のモードに渡って、ほぼ０となるように複数の直動アクチュエータを配置したことにより、傾き方向への駆動によっても、天板の弾性振動モードを励起しないように駆動することが可能となり、位置制御系が不安定となりにくくなり、サーボ帯域をよりあげることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
本発明を実施するための最良の形態について、以下において、図１〜図４を参照しながら、詳細に説明する。
【実施例１】
【００４７】
図１は、本発明の実施例１に係る４個のアクチュエータ配置と天板の弾性変形モードの関係を示す図である。図中の、丸とその中の×とで示す位置がアクチュエータ５０４Z１〜Z４の各作用軸の位置を表す。プラスの符号＋を付した領域はウエハ天板５０１の変形が上向きのプラスの変形領域であり、マイナスの符号−を付した領域はウエハ天板５０１の変形が下向きのマイナス変形領域である。
【００４８】
本実施例では、図１の(1)に示す１次モードを除き、作用軸が図１の(2)〜(4)に示す２次から４次モードまでの無変形領域に配置されている。１次モードにおいても、プラスの変形領域とマイナスの変形領域に、対称にアクチュエータが配置されている。そのため、少なくとも４次モードまでは弾性振動モードを励振することがない。
【００４９】
これを、図２を用いて説明する。各振動モード固有の変形状態であるモードシェイプは、天板の各位置における変形量を示すと共に、その点に白抜き矢印で示す力Fを加えた場合の励振しやすさも示している。従って、図２のａ．の様に、無変形領域に力Fを加えても、そのモードを励振することはない。逆に図２のｃ．のように変形の大きい点に力Fを加えた場合は、わずかな力Fによって振動モードが励振されてしまう。しかし、この場合でも振動の位相（変形方向）と駆動の位相が一致していないと、振動は励振されない。図２のｃ．のように、駆動方向とその点の振動モードの位相が一致している場合は、それぞれの駆動点が共振し合うため、効果的に振動モードを励振するのに対し、図２のｂ．のように、振動の位相が逆になっている点に同じ方向の力Fを加えても、それぞれの点の位相が逆になっているため、お互いに打ち消し合い、結果的に励振されなくなってしまう。従って、アクチュエータが同じ力を発生するときに、振動モードを励振しないためには、アクチュエータの作用軸を無変形領域（変形量が０）に配置するか、プラスの変形とマイナスの変形の絶対値が同じ領域に配置し、相互に打ち消し合うようにすればよい。これは、すなわちアクチュエータが配置された位置での各変形モードごとの変形量の総和が０になる（式１）ことを意味している。
【００５０】
【数１】
2005150615.tif 000003
【００５１】
本実施例では、２次から４次モードまでは、すべてのアクチュエータが無変形領域に配置されているため、変形量の総和は０である。１次モードにおいても、プラスの変形領域にはアクチュエータ５０４Z１，５０４Z３が、マイナスの変形領域にはアクチュエータ５０４Z２，５０４Z４が、対称的に配置されているため、変形量の総和は０となる。
【００５２】
次に、各アクチュエータへの推力の分配について、図３を用いて説明する。図３のａ．に示すように、アクチュエータに均等な推力ベクトルFを発生させると、矢印Aで示す１方向への移動を生ずる。図３のｂ．に示すように、逆方向の推力ベクトルFを発生させると、矢印Bの回転を生ずる。実際には、図３のａ．と図３のｂ．の組み合わせによって、並進と回転を組み合わせた運動を生じる。しかし、このとき図３のｃ．のように推力ベクトルF１〜F３の構成する面が曲面となっていると、それに習って応力が発生し、天板を矢印Cの方向に変形させてしまう。そのため、応力を発生させず、静的変形を生じさせないためには、推力ベクトルの構成する面は平面となっている必要がある。
【００５３】
このように、各アクチュエータの推力ベクトルは平面を構成するようにはなっているが、必ずしも等しいわけではない。従って、同じアクチュエータ配置であっても駆動の仕方によっては、ある時は図３のｂ．のように、振動を打ち消すように働いていても、違うときには図３のｃ．のように振動を増幅し合うこともあり得る。従って、アクチュエータの作用軸での各モードシェイプだけでなく、アクチュエータの発生推力も考慮して、アクチュエータ配置を決定する必要がある。アクチュエータを配置した各点での、振動モードを励振する度合いは、アクチュエータの推力の大きさおよび方向と、各振動モードのモードシェイプでの変形量の大きさおよび方向とによって決まる。したがって、各振動モードごとのアクチュエータ推力と変形量との積を合算した、積の総和が０になっていればよい（式２）。
【００５４】
【数２】
2005150615.tif 000004
【００５５】
アクチュエータの推力のパターンは、推力ベクトルが平面を構成するという条件を含めても多数のパターンがある。しかし、すべてのパターンは、並進１自由度への駆動と、傾き２自由度への駆動の、計３自由度の駆動の線形和となっている。従って、それぞれ異なる１自由度に駆動可能な３つのパターンについて、式２を満たしていれば、すべての駆動パターンに対して、式２が成り立つことになる。また、式１は式２のアクチュエータ推力がすべて１である場合と等しいため、式１を満たしていれば、残りの２パターンについて式２を満たしていればよい。また、駆動パターンと座標軸は一致している必要はないので、自由度が重複していなければ計算の簡単なパターンを選べばよい。
【００５６】
本実施例では、２次から４次モードまでは、すべてのアクチュエータが無変形領域に配置されているため、アクチュエータ推力によらず、推力と変形量との積の総和は０である。１次モードにおいても、図示した２つの軸周りの回転を考えると、504Z1＝504Z2＝１かつ504Z3＝504Z4＝−１となるパターンと、504Z1＝504Z4＝１かつ504Z2＝504Z3＝−１となるパターンについて考えればよい。これらのパターンにおいても、プラスの変形領域とマイナスの変形領域に、対称にアクチュエータが配置されているため、推力と変形量の積の総和は０となる。
【００５７】
また、このような配置にすると、各アクチュエータへの荷重もほぼ均等となる。そのため、荷重相当の質量をアクチュエータが駆動したときの加速度ベクトルは、推力ベクトルと同様の平面を構成する。天板を質点の集合としてとらえたとき、天板を変形させないためには、各質点が平面の状態を保ったまま動く必要があり、そのためには各質点の加速度ベクトルが平面を構成している必要がある。本実施例においては、加速度ベクトルは平面となり、この条件を満たしているため、この点からも本実施例のアクチュエータ配置が、天板変形抑制に効果的であると言える。
【００５８】
図５は３本のアクチュエータを配置した比較例を示す図である。この比較例では、アクチュエータは右下がりの対角線に対して、対称になるように配置してある。このとき、４次モードまでにおいて、式１の条件は満たしている。しかし、右下がり、右上がりの対角線周りの回転においては、式２の条件を満たすことはできない。従って、四角形の天板においては、３本のアクチュエータでは、弾性振動モードを励振しないアクチュエータ配置は不可能である。
【００５９】
図６、及び図７は４本のアクチュエータを配置した別の比較例を示す図である。これらの比較例では、３次モードまでは式１、および式２の条件を満たしている。しかし、４次モードにおいては式２の条件を満たしていない。例えば、右下がりの対角線周りの回転を考えると、図２のｃ．に相当する状態となり、このモードを励振することになってしまう。
【００６０】
図８、および図９は５本のアクチュエータ５０４Z１〜Z５を配置した比較例を示す図である。これらの比較例においても、３次モードまでは式１、および式２の条件を満たしているが、４次モードにおいては式２の条件を満たしていない。
【００６１】
以上のように、本実施例においては、少なくとも図示した４次モードまでは式１と式２の条件を満たしてるため、これらのモードを励振することはない。また、図示はしていないが、４次モードより高次のモードにおいても、式１、および式２の条件を満たしている可能性がある。これにより、制御系ゲインをより上げることが可能となり、サーボ帯域を上げることができる。
【００６２】
図４に制御系のブロック図を示す。通常、リニアモータなどのアクチュエータは、電流などの指令値に対して発生する推力が、推力定数ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４として決まっている。しかし、アクチュエータの仕様や個体差により、すべての推力定数が等しいわけではない。そのため、アクチュエータは、目標値とレーザ干渉計４０１による実測値とに基づいて補償器４０２から指令値として出力される推力ベクトルが平面となるようにしていても、実際には平面とならず、天板５０１を変形させてしまうこともあり得る。これを避けるために、各アクチュエータ５０４Z１〜Z４の推力定数に対応した補正テーブル４０３を保持しておき、これを用いて実際の推力が所定の値となるように補正するようにすることが望ましい。たとえば、各アクチュエータ５０４Z１〜Z４の推力定数ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４の逆数を補正テーブル４０３として保持しておき、これを指令値にかけることによって、推力定数を正規化することができる。
【００６３】
また、アクチュエータが圧電素子のような接触型のアクチュエータである場合、指令値が変形量として拘束されてしまうため、指令値が平面となっていない場合や、指令値に対する変形量の違いが、そのまま天板の変形につながってしまう。しかし、リニアモータなどの非接触型のアクチュエータでは、実際の変形量は天板の剛性と推力の関係によって決まり、剛性が高ければ推力のムラによる変形量は小さくなる。そのため、アクチュエータはリニアモータなどの非接触型であることが望ましい。
【００６４】
これまでの説明においては、天板がほぼ正方形である場合について説明してきたが、もちろんこれ以外の形状であっても、同様のことが成り立つ。複雑な形状であっても、構造解析ソフトによるシミュレーションや、実験モーダル解析による実測によって、弾性振動モードのモードシェイプを推定・測定することが可能であり、それに基づいて式１、および式２の条件を満たすアクチュエータ配置を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施例１に係る４本のアクチュエータの配置と弾性振動モードの関係を表す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る、振動モードの励振状態を説明する図である。
【図３】本発明の実施例１に係る推力の分配を説明する図である。
【図４】本発明の実施例１に係る、制御系のブロック図である。
【図５】比較例における３本のアクチュエータの配置と弾性振動モードの関係を表す図である。
【図６】比較例における４本のアクチュエータの実施例１とは異なる配置と弾性振動モードの関係を表す図である。
【図７】比較例における４本のアクチュエータの実施例１とは異なる配置と弾性振動モードの関係を表す図である。
【図８】比較例における５本のアクチュエータの配置と弾性振動モードの関係を表す図である。
【図９】比較例における５本のアクチュエータの他の配置と弾性振動モードの関係を表す図である。
【図１０】天板の弾性モード振動を示す図である。
【図１１】天板の力から変位への伝達特性を示す図である。
【図１２】従来例におけるステージの構成を示す斜視図である。
【図１３】従来例における微動ステージの構成を示す斜視図である。
【図１４】従来例における微動ステージの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６６】
５０１  ウェハ天板
５０２  ベース定盤
５０３  微動リニアモータ
５０４  微動リニアモータ可動子（直動アクチュエータ）
５０５  微動リニアモータ固定子
５０６  コイル固定枠
５０７  ブロック
５０８  電磁石
５０９  自重補償ばね
５１０  長距離リニアモータ
５１１  長距離リニアモータ可動子
５１２  長距離リニアモータ固定子
５１３  長距離リニアモータコイル
５１４  コイル固定枠
５２８  ウェハ天板位置計測系（干渉計）
５２９  ウェハ天板側面ミラー
５３８  ステージ位置計測器
５３９  Ｘステージ側面ミラー
５５０  Ｙヨーガイド
５５１  Ｙステージ
５５２  Ｘヨーガイド
５５３  Ｙスライダ大
５５４  Ｙスライダ小
５５５  連結板
５６１  Ｘステージ
５６２  Ｘステージ側板
５６３  Ｘステージ上板
５６４  Ｘステージ下板
５７１  ウェハチャック
５７２  窪み
５７４  磁石
５７５  ヨーク
５７６  側板
５７８  コイル
５７９  コイル固定枠
５８０  磁性体支持筒
５８１  自重補償ばね
５８３  電磁石支持円筒
５８５  Ｅ形磁性体ブロック
５８６  コイル
【図１】
2005150615.tif 000005
【図２】
2005150615.tif 000006
【図３】
2005150615.tif 000007
【図４】
2005150615.tif 000008
【図５】
2005150615.tif 000009
【図６】
2005150615.tif 000010
【図７】
2005150615.tif 000011
【図８】
2005150615.tif 000012
【図９】
2005150615.tif 000013
【図１０】
2005150615.tif 000014
【図１１】
2005150615.tif 000015
【図１２】
2005150615.tif 000016
【図１３】
2005150615.tif 000017
【図１４】
2005150615.tif 000018