(57)【要約】【課題】システムによって制御される構造体の所望の運動を最適化する運動制御システムを提供する。【解決手段】本システムは、既存の構造的制御システムに関連して使用されるか、又は完全にそのような構造的制御システムに取って代わることができる。所望の運動の最適化は、数学的制御器を理論上の所望の運動へ適用することによって生じ、制御器は、１つ又はそれ以上の状態パラメータを考慮することによって所望の運動を最適化する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体の所望の運動を特定する少なくとも１つの状態パラメータを生成可能なプロセッサと、
前記プロセッサとデータ通信状態にあり、前記プロセッサによって生成される少なくとも１つの状態パラメータの数値を制御し、前記数値を時間の関数として更新する機能を果たすフィルタモジュールと、
前記フィルタモジュールによって更新される前記少なくとも１つの状態パラメータに対応する信号を生成する信号出力モジュールと、
を備える構造体の運動を制御するための制御システムであって、
前記構造体の信号出力モジュールからの信号に基づいて実行される前記構造体の運動は、前記少なくとも１つの状態パラメータの変分によって特定され、前記少なくとも１つの状態の特定の前記数値が時間の関数として最適な方法で変化することを特徴とする制御システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの状態パラメータは、前記構造体の絶対位置に関するデータを使用して計算されることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの状態パラメータは、前記構造体の相対位置に関するデータを使用して計算されることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの状態パラメータは、時間を関数とする前記構造体の位置、時間を関数とする前記構造体の速度、及び時間を関数とする前記構造体の加速度のパラメータのグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
【請求項５】
前記フィルタモジュールが、ＬＱＧ、Ｈ∞、及びμ−シンセシスから選択される最新の制御手法を実行する数学的制御器を含むことを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
【請求項６】
制御される前記構造体は、リソグラフィ・ステージ又はベースであることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
【請求項７】
制御される前記構造体は、測定ツールのステージであることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
【請求項８】
前記少なくとも１つの状態パラメータに関するデータを収集するために使用されるセンサを更に備え、前記センサは、リニア可変変位トランスデューサ、加速度計、及びレーザ変位計から成るセンサのグループから選択されることを特徴とする請求項４に記載の制御システム。
【請求項９】
前記構造体の所望の運動は、モータに適用される出力モジュールによって特定されることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
【請求項１０】
前記モータは、直動式回転モータ、ボイスコイル・モータ、リニア圧電セラミックモータ、及びサーボモータから成るモータのグループから選択されることを特徴とする請求項９に記載の制御システム。
【請求項１１】
前記制御システムは、前記構造体の振動を低減する機能を果たすことを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの状態パラメータは、前記構造体の位置、前記構造体の速度、及び前記構造体の加速度を組み合わせたものを備えることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
【請求項１３】
前記フィルタモジュールは、前記構造体の振動運動を低減するのに有効な方法でもって、前記少なくとも１つの状態パラメータを制御することを特徴とする請求項１２に記載の制御システム。
【請求項１４】
前記フィルタモジュールは、時間を関数とする最適な方法でもって、前記少なくとも１つの状態パラメータを制御することを特徴とする請求項１２に記載の制御システム。
【請求項１５】
構造体の運動を制御するための制御システムであって、前記構造体は、全体装置の一部分として作動し、
前記構造体に関するデータを収集するための少なくとも１つのセンサと、
前記構造体が応答して動くことができる、第１の規則セットを生成する少なくとも１つのプロセッサと、
制御器を適用することにより、前記プロセッサによって生成される前記第１の規則セットを最適化して、前記構造体が応答して動くことができる第２の規則セットを生成する少なくとも１つの最適化モジュールと、
前記構造体を前記第２の規則セットに応答して動かすために使用される信号出力生成器と、
を備え、前記制御器は、前記少なくとも１つのセンサによって収集されるデータを使用して調整されることを特徴とする制御システム。
【請求項１６】
アクチュエータを更に備え、前記少なくとも１つのセンサによって収集されるデータは、前記構造体の前記アクチュエータの起動への応答性に関連することを特徴とする請求項４に記載の制御システム。
【請求項１７】
前記最適化モジュールは、前記制御器を生成し、前記制御器は、非線形最適化手法によって生成されることを特徴とする請求項１５に記載の制御システム。
【請求項１８】
構造体の運動を制御するための制御システムであって、前記構造体は全体装置の一部分として作動し、
前記構造体に関するデータを収集するための少なくとも１つのセンサと、
前記構造体が応答して動くことができる、第１の状態パラメータセットを生成する少なくとも１つのプロセッサと、
制御器を適用することにより、前記プロセッサによって生成される前記第１の状態パラメータセットを最適化して、前記構造体が応答して動くことができる第２の状態パラメータセットを生成する少なくとも１つの最適化モジュールと、
を備え、
前記制御器は、前記少なくとも１つのセンサによって収集されるデータを使用して調整されることを特徴とする制御システム。
【請求項１９】
構造体の運動を制御する方法であって、
第１の所望の動作パラメータを計算する段階と、
前記第１の所望の動作パラメータを最適化して、第２の所望の動作パラメータを生成する段階と、
前記構造体を前記第２の所望の動作パラメータに応じて動かして、前記構造体を最適な形態で動かす段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
構造体が応答して動くことができるように、既存のパラメータセットを最適化する方法であって、
前記構造体の挙動に関する情報を収集する段階と、
前記の収集情報に基づいて制御器を生成する段階と、
前記現存のパラメータセットに対して前記制御器を適用して、前記構造体を最適な形態で動かすことができる新しいパラメータセットを生成する段階と、
前記新しいパラメータセットに基づいて、前記構造体を前記新しいパラメータセットに応じて動かすことが意図されている、前記構造体に対する新しい出力信号を生成する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願の説明）
本発明は、２０００年１２月１日に出願された米国特許出願番号６０／２５０，５０３の優先権を主張するものであるが、その開示内容は、引用によって本明細書に組み込まれている。
【０００２】
本発明は、一般に、リソグラフィ・ステージ等の構造体の運動を正確かつ最適に制御するための装置及び方法に関する。
【０００３】
（従来技術）
三次元空間内の構造体の運動を正確に制御する機能、又は所定の空間内で他方の構造体に対する一方の構造体の運動を制御する機能は、例えば、半導体チップ、プリント回路基板、液晶表示装置、及び薄膜素子等を製造するのに使用される多くの製造用途に対して、技術的及び経済的に著しく重要な問題を引き起こす。多くの場合精巧で繊細な製品の製造及び検査のために、そのような作業には、リソグラフィ・ステージ、レーザ光源、測定ステージ、ピックアンドプレイス装置、ウェハハンドリングロボット、ガントリー／ヘッド組立部、リニアモータ、フォトイメージング・システム、及びエッチングシステム等の専用の構造体が使用される場合が多い。
【０００４】
これら構造体は、作動時に、絶対座標、又は別の構造体等の別の点に関連して定義される点等の、空間内の特定の点に動くことを要求される場合がある。一例として、ウェハを搬送するステージは、ウェハの欠陥を目視検査できるように、カメラに対して正確に位置合わせされた点に動く必要がある。一般に、これらの構造体は、特別に校正された比較的耐故障性のない動作範囲内で作動し、動き自体は、正確かつ有効に指定時刻に作動して実行される必要があるので、正確で最適な制御を可能にする方法及び装置は、そのような製造及び検査プロセスを改善するための好適な機会を与えることができる。
【０００５】
本発明による最適な運動制御システムの１つの用途は、半導体チップ製造業界にある。例えば、チップ製造技術は、カリフォルニア州サンディエゴのＣｙｍｅｒ社が販売しているような最新式フォトリソグラフィーレーザの使用によって進歩しており、チップの処理能力要求も高くなっている。このことは、リソグラフィ・ステージ等の装置の位置決め能力を高くすることに帰結する。しかし、能力が高くなると、それに伴う運動制御の問題が増える。繰り返して言うが、高精度で最適な制御を可能にする装置及び方法が切望されている。
【０００６】
「最適化」の意味は、構造体の所望の運動に関する少なくとも１つのパラメータが、選択パラメータ及び所望の結果に応じて、最小化、最大化、又は他の所望の条件にされることである。例えば、最適化されるパラメータが特定の動作に必要とされる時間長さである場合、最適化システムは、構造体が最短時間で第１の点から第２の点に移動することを保証するであろう。また、パラメータは、１つ又はそれ以上の別のパラメータに対して最適化できるので、必ずしも最小化又は最大化されない。
【０００７】
勿論、当業者であれば、単に時間を関数とする構造体の一部の位置以外に、多数のそのような状態パラメータは、構造体の制御された動作に関連づけされること、及びこれらパラメータの１つ又はそれ以上は、動作を最適化する際に作用し始めることを理解できる。例えば、第１の点から第２の点へ移動する構造体に関しては、運動経路だけでなく、運動が開始及び終了することになる時間も予測される。他の状態パラメータとしては、位置、構造体が運動中に種々の位置で動くことになる（瞬時の又は時間関数としての）速度及び加速度、構造体の温度、（もしあれば）構造体の振動、制御システムの電力消費量、及び構造体が作動する物理的環境を挙げることができる。また、そのような制御プロセスは、可動部品（例えば、モータ、サーボ等）の作動許容範囲や、「動く」、「止まる」といったコマンド発生と実際のコマンド実行との間の反応時間等の、特定の「現実世界の」要因が考慮される。プラント力学の未知の部分、及び制御システムに対する不慮の外乱は、制御器及び制御パラメータを更新することによって考慮されるであろう。更に、リソグラフィ・ステージ等の構造体の動的挙動の不確実性、及び装置構成や質量分布の変更、及び装置、サブシステム、又は構成要素の経年変化によって引き起こされるそれらの力学への影響は、全てが最適運動制御システムで考慮されるであろう。特に、本明細書で使用する場合、用語「状態パラメータ」は、制御されている構造体の運動を制御するために使用される情報セットを意味することが意図されている。従って、単純な場合には、位置は状態パラメータであり、構造体が動くことになる空間経路を生成するのに使用されるが、複雑な場合には、前述のように、状態パラメータは、多数の種々の情報を含む（又は少なくとも考慮する）ことができる。
【０００８】
特定の制御システムは、数学的に生成された制御器を使用して、構造体をモデル化してコマンドを出す。多くの場合、制御器は、センサ単体から、又はセンサとアクチュエータとの組み合わせから得られる、構造体の挙動に関連する収集データから生成される。一般に、既存の制御システムは、単入力、単出力のＰＩＤ制御器を使用しており、半導体製造装置に代表される、動的に複雑な多入力、多出力システムには余り適していない。製造装置は、システムを正確にモデル化して適切に制御するために、約１６以上、場合によっては３２以上の状態を必要とする場合が多い。非線形曲線適合を利用して、システムモデルを生成して周波数応答測定値に対して最適化するために、多変数システムに関する制御器の領域では多少研究が行われているが、その研究は、一般に宇宙船等の大型の可撓性構造体に限られており、アルゴリズムを実行するために、Ｃｒａｙ社のスーパーコンピュータを含む、複数の超高性能コンピュータが使用されている。更に、従来の研究は、全ての所定のシステム構成のために独自の数学的フィルタを作成する必要があり、換言するとコンピュータプログラマは、全ての所定のシステムに関する独自の新しいソフトウエアを効率的に作成する必要があった。結果的に、例えば、オフラインのシナリオにおいて引き起こされる所望の運動を最適化して調整する従来の試みでは、結果を得るために、大量のデータと、並はずれた処理速度で非常に長い処理時間とを必要としている。特別の装置と専門知識とを必要とする、そのような方法は、明らかに時間及びコストに無関係な用途以外の全ての一般の製造環境においては非現実的である。
【０００９】
（発明が解決しようとする課題）
従って、１つ又は複数の状態パラメータを、絶対的に（即ち１つの座標から別の座標への運動）、又は相対的に（即ち別の点又は構造体からの、又はそれらに対する距離（又は他のパラメータ）によって定義される運動）最適化することによって、構造体の運動を正確に制御するための装置及び方法を備えることが望ましい。随意的に、このような制御は、随意的に適応及び／又は自己調整でき、継続的な最適システム性能を保証するようになっている。
【００１０】
（課題を解決するための手段）
本発明により、従来の運動制御器及び方法の欠点を解決するシステム及び方法が提供される。
【００１１】
すなわち、本発明の１つの態様によれば、システムは、定義された空間において構造体が１つの点から別の点に移動する場合に、構造体の運動を適切に制御するために提供される。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、システムは、構造体が第１の点から第２の点に移動する場合に、構造体の運動を適切に制御するために提供され、第２の点は、第２の構造体等の第３の点に関連して定義される。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、１つ又はそれ以上の状態パラメータを調整して構造体の最適な運動を保証する最適制御器が提供される。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、１つ又はそれ以上の状態パラメータの最適化が、比較的最新かつ正確なシステムモデルに準拠するよう調整されている、最適な運動制御器が提供される。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、システムは、既存の運動制御モジュールとインタフェース接続して、制御されている構造体の１つ又はそれ以上のパラメータを最適にするために提供される。
【００１６】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明は、１つの実施例において、構造体の運動を最適に制御する運動制御システムを提案する。運動は、初期及び最終座標、即ち点（ｘ１、ｙ１、ｚ１）から点（ｘ２、ｙ２、ｚ２）までの移動によって概念化される。位置座標は、絶対的又は相対的に定義できる。更に、これらの各々の点及び中間点における、又は両者の間で定義される関数によって、速度及び／又は加速度を特定できる。運動制御システムは、Ｈ∞（Ｈ−Ｉｎｆｉｎｉｔｙ）又はμ−シンセシス（μ−ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）等の他の公知の方法を使用できるが、１つの実施形態において、線形象限ガウシアン（ＬＱＧ）問題定式化を使用して生成された制御器を使用する。随意的に、制御器は、経路の精度及び最適化を保証するために、運動制御システムによって経時的に生成される自己調整装置であってもよい。
【００１７】
最初に図１を参照すると、製造プロセス中に、ウェハ又は他の部品を１つの点から別の点へ動かすために使用できる形式のロボットアーム２５が示されている。アーム２５上の位置決め標識１は基準点として使用され、任意の所定時間でのアームの位置を示すようになっている。アームは、制御システム５に電気接続されており、制御システムは、標識１の位置を監視し、標識１に関する（従ってアーム２５に関する）所望の運動を生成し、アーム２５の動きを制御するための最適な運動制御器を計算し、「開始」及び「終了」コマンドをアーム２５の運動を制御するモータ即ちサーボ１５へ送信する。本明細書で言及するモータは、例えば、直動式回転モータ、ボイスコイル・モータ、リニア圧電セラミックモータ、又はサーボモータである。説明を容易にするために、図１に示す実施例では、標識１の移動は１方向（ｙ方向）のみであるが、当業者であれば、標識１を別の軸方向、又は２つ以上の軸方向に移動させるために、任意の所定の運動をｘ、ｙ、ｚ成分に分解することによって得られるので、モータ即ちサーボを組み合せたものを使用できることが理解できるであろう。
【００１８】
随意的に、そのようなアームに関する制御システム５は、アーム２５の可撓体及び剛性体の変形特性の両方を考慮する。例えば、制御システムは、アームの可撓体特性の振動に起因するアームの振動を補償することによって、標識の絶対位置を制御する。また、制御システム５は、アームの運動経路内の又は近傍にある他の物体の存在を明らかにする。運動中のそのようなアームの構造的挙動を予測又は補償する１つの方法は、例えば、マサチューセッツ州ケンブリッジのＡｃｔｉｖｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｅＸｐｅｒｔｓ社が製造販売しているＱｕｉｃｋＰａｃｋ（登録商標）アセンブリを使用して構成できる、アクチュエータ／センサ対を使用することであろう。勿論、本発明を実施するために、リニア可変変位トランスデューサ、加速度計、レーザ変位計等の他の形式のセンサを使用して情報を収集することができるであろう。従って、本発明による最適制御器を生成する初期ステップとして、制御システムは、アーム２５上に配置されているアクチュエータを動かして、センサを使用してアクチュエータの運動の応答性を測定するであろう。このようにして得られる情報は、最適な運動制御器を生成又は調整するために使用できるであろう。
【００１９】
アーム２５の使用中には、位置標識１は、位置（ｘ、ｙ、ｚ）から動き始める。トリガーは、制御システム５がアーム２５を動かすといった適切な動作を選定することに基づいて、制御システム５によって検出される。例えば、トリガー発生は、製造プロセス中の別の装置、オペレータ入力信号、又は単なる時間経過による作業の完了である。制御システム５は、アーム２５の所望の運動を生成し、制御システム５の複雑性及び機能性に応じて、アームの運動経路及びタイミングに影響を及ぼし得る他の要因を明らかにする。用語「所望の運動」は、構造体の制御動作を説明する状態パラメータ又は規則等の情報を意味することが意図される。一度所望の運動が生成されると、予測される動き及びタイミングが線形フィルタ等の制御システム５のモジュールへ送られ、アーム２５の運動を最適化するために数学的制御器が適用される。アーム２５の最適化された所望の運動は、制御システム５によって計算される。最適な運動制御器の演算は、所望の程度に応じて単純又は複雑である。つまり、単純な制御器は、最小距離の空間的経路のみを計算するであろうが、複雑な制御器は、加速度、減速度、アームの運動経路内の別のアーム又は装置の存在、アーム２５及びモータ／サーボ１５の静的及び動的な構造的特性、及び他の変数やデータ等のいくつかの状態パラメータ、又はそれらの組み合せを考慮するであろう。一度最適な運動制御器が計算されると、制御システム５は、モータ／サーボ１５に「開始」コマンドを送出し、次に、モータ／サーボ１５は、アームを最適な方法で（ｘ２，ｙ２，ｚ２）に動かす。
【００２０】
座標（ｘ１、ｙ１、ｚ１）から（ｘ２、ｙ２、ｚ２）までの移動の間に、最適運動制御器は、外乱及び運動中のアーム２５によって生じる他の（潜在的に不可視の）要因を考慮するために随時調整できるであろう。つまり、加速度計３０及び３５は、アーム２５の種々の箇所に、又は位置標識１に取り付けることができるであろう。ここでは加速度計を使用するが、温度、ひずみ、位置等の他の物理的条件、及び／又は、他の情報を測定するための他のセンサは、本発明の範囲から逸脱することなく使用できるであろう。加速度計３０及び３５は、アーム２５が最適運動制御器によって予測通りに動いていることを保証するために使用される。アーム２５がその最適動作を防止する要因に遭遇するまで、新しい最適運動制御器は、それらの新しい要因を考慮してアーム２５を最適運動経路に戻すために計算されるであろう。
【００２１】
本発明の別の用途は、測定に関連して示される。図２を参照すると、３００ｍｍのウェハ用に設計された精密組立ステージ１０５が示されている。一般に、このステージは、ウェハの測定及び検査装置において、相手先商標による製造会社（ＯＥＭ）によって使用される。図示のステージは、リニアモータ及びガントリーを備える空気ベアリング方式である。本実施例において、運動制御システムは、半導体チップの目視検査を行うのに使用される形式のカメラ１００に対してステージを精密に位置決めするために使用される。本明細書に記載の実施例は、カメラに対して位置決めを行うよう示されているが、当業者であれば、本発明の制御システムは、任意の２つの構造体（又はそれらの構造体を代表する２点）を相互に精密に位置決めするのに使用できることを理解できる筈である。図２において、ステージは、座標（ｘ１、ｙ１、ｚ１）から動き始め、それらの座標はカメラ１００に対して定義される。ここでも説明を容易にするために、ステージは、ｙ方向のカメラ１００からの第１の距離から、ｙ方向のカメラ１００からの第２の距離まで動くように示されている。当業者であれば、ステージがｘ方向、ｚ方向、又は全ての３方向の所定距離内のいずれかに移動できることを理解できる筈である。
【００２２】
図１に示すように、制御システム１１５は、トリガーを受信すると所望の運動を生成し、これは最適運動制御器によって最適化される。前述のように、運動制御器は、ステージ１０５の所望のほぼ連続的な最適運動を保証するために、実際の運動中に調整される。１つの複雑な実施例において、最適運動制御器は、カメラ１００の焦点合わせ速度を考慮するであろう。
【００２３】
特に、図１及び図２に説明されている制御システムは、独立型ユニットである必要はない。つまり、図１を参照すると、本発明による制御システムは、例えば、既存のロボットアームの制御ユニット（例えば、所望の運動を生成する）とロボットアームとの間で、既存のロボットアームの制御ユニットに一体化されるか、又は追加のプロセッサとして単に現存のロボットアームの制御ユニットに接続される、別個のユニットの形態をとることができるであろう。勿論、随意的に、本発明の制御システムは、典型的に既存のロボットアームの制御ユニットによって実行される制御機能を実行するように使用でき、結果的に完全に既存のユニットに取って代わるものである。
【００２４】
図３は、本発明による制御システム３５０における制御ハードウエア及びソフトウエアモジュールの１つの可能性のあるアーキテクチャを示す。信号源プロセッサ３００は、図１の加速度計３０及び３５等のセンサからの入力を受信し、追加の運動モジュール３１０と関連して実行されるようになった運動に関する、所望の運動を生成する。構造体の移動を開始させるオペレータの入力等のトリガー３０５が一度発生すると、トリガーは、信号源からの情報の処理をもたらし、例えば、線形、時間不変、多変数状態空間制御器３２５に送られる。状態空間制御器３２５は、３２以上の状態を制御することができ、処理時間は、プロセッサの速度及び実行される計算の複雑性よって様々ではあるが、当業者であれば、処理時間は４００ナノ秒のオーダーであることを理解できる筈である。以下に説明するように、制御されている構造体の挙動モデルを含む制御器３２５は、制御される構造体の初期設計及び製品に関連して生成される。運動モジュール３１０によって計算される距離及びタイミングに無関係な１つ又はそれ以上の状態パラメータを考慮した、最適化された所望の運動を生成するために、制御器３２５は、運動モジュール３１０、信号源プロセッサ３００、及び随意的にトリガー３０５に関する情報から受け取った入力情報に対して適用される。状態空間制御器３２５は、最適化された所望の運動を生成し、次に信号出力モジュール３３０へ送られる。信号出力モジュール３３０は信号を生成し、図１を更に参照すると、この信号は、制御器３２５を使用して生成される最適な所望の運動を実行するような方法でもって、制御される構造体の運動を引き起こし、停止し、又は変更するためにモータ／サーボ１５によって使用される。随意的に、システム性能を高めるために、デトレンド（ｄｅｔｒｅｎｄｉｎｇ）モジュール３１５又はゲインスケジュール・モジュール３２０等の他のモジュールを追加してもよい。デトレンド・モジュール３１５は、低い帯域幅トリガー信号を除去することができ、システムノイズを有効に調整する。また、このモジュールは、トリガーのある程度の耐故障性をもたらし、例えば、既存のロボットアームの制御ユニットからの詳細コマンド情報の必要性をなくすために使用される。ゲインスケジュール・モジュール３２０は、全体システム構成、形状寸法、質量配分、及び／又は制御されている構成体の位置によって変わる変動システムの力学及び制御対象に応じて、制御ゲインを変更することができる。
【００２５】
前述のように、随意的に、制御器３２５は、その最適化を保証するために（結果的に、制御器３２５が適用される所望の運動の最適化を保証するために）調整することができる。一般に、調整プロセスは、構造上及び挙動上の特徴を表す状態パラメータ基づいてシステムモデルを生成し、次に、特定の選択された測定された応答性に基づいてモデルを調整することを必要とする。この応答性は、例えば、センサ／アクチュエータ対の間で検出される応答性であってもよい。つまり、以下に説明する調整プロセスは、正確な最初の制御器３２５の生成を保証するために、又は既存の制御器を経時的に調整するために使用される。本明細書には、生成されている所望の運動を調整するために使用できる３つのハードウエアシステムが例示されている。
【００２６】
第１の実施例において、調整は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ベースのシステムによって行われるフィードバック制御を使用して実行され、制御器３２５は、ＤＳＰに搭載されている。調整能力は、ＤＳＰを適切なインタフェースを介して調整用ホストコンピュータに接続することで追加される。システム認識データ（制御器３２５に使用されるモデルに基づくデータ）は、モデル調整及び制御新設計を実行するホストコンピュータ上の制御器に戻され、ＤＳＰに対して新しい制御器を戻す。第２の実施例は、調整及び制御新設計に関する全ての機能性をＤＳＰ上に置く。第３の実施例は、ＤＳＰボード上に配置されている第２のプロセッサ、又はＤＳＰベースシステム上に取り付けられているドーター・ボードを含む。勿論、他のハードウエア構成も本発明の範囲内にあることは当業者であれば理解できる筈である。例えば、第１の実施例において、ホストコンピュータは常駐せずに、ホストとＤＳＰとの間のデータ転送は、イーサネット（登録商標）接続等の通信リンクを介して、又はＣｙｍｅｒ社が提供するＣｙｍｅｒＯｎＬｉｎｅ（商標）等の製品を使用して行われる。
【００２７】
一旦モデルが更新されると、制御ゲインを更新することが望ましいであろう。通常、このことは、適切に定式化された線形象限ガウシアン（ＬＱＧ）問題によって説明されるような、最適制御問題を構築して、解くことによって行われる。補償器は、システムが外乱及びセンサに関するガウス白色雑音に支配される場合、この問題の解く間に以下の式を最小にすることによって生成される。
2004518204.tif 000003
この式において、ｘはシステムの状態ベクトル、ｕは制御入力のベクトルであり、Ｑ、Ｒ、Ｎは状態及び制御重み付けマトリクスである。Ｅ［］は期待オペレータである。
【００２８】
制御器３２５によって使用される最適制御問題を生成するのに使用される情報は、例えば、アクチュエータからセンサへの情報であってもよい。更に、最適制御問題定式化は、できるだけ標準化することが望ましい。このような目的で、本出願人は、最適制御問題の特定化を低減して有限セット値を特定することが可能であることを発見した。調整アルゴリズムを実行するコンピュータプログラムは、実行中に、これらの値をファイル又は別の通信チャンネルから読み込む。これにより、設計者は好都合に最適制御問題定式化を迅速に変更でき、実際のシステム上でのこの変更の効果を観測できる。この手法は、ある面では、実行中に制御器を特定する係数をダウンロードすることを可能にする近似法である。
【００２９】
実際には、例えばＬＱＧ法を維持すると、制御器３２５を得るために解かれる設計上の問題は、典型的に、全ての外乱ｗ（センサノイズを含む）及び制御器出力ｕから、全ての性能変数ｚ（センサペナルティを含む）及び制御器入力ｙへの、入力／出力挙動を記述又は少なくとも推定することによって特定される。一般に、このことは、外乱及び制御器入力を性能変数及び制御器出力へ写像する状態空間フィルタを特定することによって行われる。このフィルタは、設計者が使用する周波数重み付けフィルタ含み、プラント力学と同様に、ＬＱＧアルゴリズムによって戻された制御器の特性を調整するようになっている。
【００３０】
自動制御器の設計に関して、通常、プラント力学を周波数重み付けフィルタから分離する必要がある。図４は、アクチュエータ−センサモデルが重み付けセンサと組み合わされて完全なＬＱＧ問題仕様を生成するようになっている、最も一般的な方法を示す。この図では、外乱ｗ、性能変数ｚ、制御器入力ｙ、制御器出力ｕ、プラント入力ｒ、及びプラント出力ｓの間の関係を特定するために、フィルタＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｄ１、Ｄ２、及びＦ２が使用されている。これらの関係は、数学的以下のように示される。
ｚ＝Ｅ１＋Ｅ２ｕ＋Ｅ３ｓ
ｒ＝Ｆ１ｗ＋Ｄ１ｕ
ｙ＝Ｆ２ｗ＋Ｄ２ｓ
又は、更にコンパクトな形式で以下のように示される。
2004518204.tif 000004
【００３１】
特定されたアクチュエータ−センサモデル及びフィルタＦは、ＬＱＧ問題定式化を完全に記述するが、ＬＱＧ問題の解は一意なので、フィルタＦは、特定されたモデルから制御器への写像を完全に記述する。つまり、フィルタＦは、普遍的に適用でき、各々の装置構成に対する新しいフィルタをプログラムする必要がなく、結果的に、時間、費用、処理能力、及びコンピュータプログラマの時間を節約できる。実際は、この写像を特定するために、設計者は、フィルタの状態空間モデルを記述する係数、即ちベクトル数を与えることだけを必要とされる。もしくは、前述のように制御器ゲインを更新する代わりに、非線形最適化等の手法を使用して制御パラメータ自体を調整することで、より一般的なコスト機能を最小化してもよい。すなわち、
2004518204.tif 000005
であり、ここで
2004518204.tif 000006
はモデルパラメータのベクトル、θｃは制御器パラメータのベクトルである。これに関する１つの実施例は、マルチモデル最適化であり、ここでは複数の異なるアクチュエータ−センサモデルに関してＬＱＧコスト機能は同時に最適化される。この手法により、変分に対して低感度の制御器がもたらされる。マルチモデルは、異なる構成のプラントに対するシステム識別子を実行してプラントから直接取得するか、又は単一特定モデル（変動するモード周波数等の）に対してパラメータ変数を適用して取得できる。
【００３２】
制御パラメータを調整するために非線形最適化を適用する別の実施例は、ＬＱＧ問題が前述のように特定されるが、制御器のコマンドがプラント及びフィルタ状態の全数を超えないように固定されている場合である。この場合、通常のＬＱＧ解法（プラント及びフィルタ状態の全数に等しいコマンドを制御器へ戻す）は好ましくない。その代わりに、最適制御器は、反復形検索法を使用することによって見出される。
【００３３】
図５は、製造システムに使用されるような本発明の実施形態を示す。本実施形態において、製造システムは、ウェハステージ４００、レチクル・ステージ４０２、Ｘ＆Ｙミラーを備えるレーザ干渉計４０４、４０４’、４０４’’４０４’’’、及び支持構造体４０６を備える。支持構造体４０６は、レンズ組立体４１０を支持する。干渉計４０４、４０４’、４０４’’４０４’’’は、ウェハステージ４００、レチクル・ステージ４０２、レンズ組立体４１０に配置される。支持構造体４０６には、例えば、電気的活性要素を有する２つのアクチュエータ４０８及び４０８’が取り付けられている。各々のアクチュエータ４０８及び４０８’は、回路に対して電気接続されている。干渉計４０４、４０４’、４０４’’４０４’’’からの信号は、シングルボードコンピュータ（ＳＢＣ）のアナログＩ／Ｏチャンネル及び増幅器を介して制御システム３５０へ中継される。次に、運動制御システム３５０は、各々のアクチュエータ４０８及び４０８’に対してコマンドを送信し、それに応答して、各々のアクチュエータは、製造システム内の運動及び振動を制御できる。製造システム内の運動及び振動を制御することによって、ウェハステージ上の半導体における金属トレースの配置及び実寸の精度を改善できる。別の方法として又は追加的に、製造システムの処理量は、例えば、制御されている構造体の動的及び／又は振動安定化（ｓｅｔｔｌｉｎｇ）を減少させることによって精度を低下することなく高めることができる。このことは、例えば、制御システム３５０によって、最小化されることになる状態パラメータとして安定化時間を特定することによって達成できる。
【００３４】
前述のように、本発明は、多自由度を有するリソグラフィツールのウェハステージの運動を制御するのに使用できる。例示を目的とした図６は、単純化されたウェハステージ・ベース５０１と、ウェハステージ５００の二次元物理モデルである。当業者であれば図６の実施例は、三次元に関連する現実のシステムに容易に一般化できることを理解できる筈である。
【００３５】
ステージ及びベースの質量は相対的に等しく、各々の重量は、約２００ｋｇである。ウェハステージ・ベースの寸法は、概ね長さ１ｍ×幅１ｍ×厚さ０．１５ｍである。ウェハステージの寸法は、概ね長さ１．２５ｍ×幅０．５ｍ×厚さ０．５ｍである。アクチュエータ（モータ）の入力は、記号ｕｉによって表され、ｉは特定のボイスコイル・モータを表す。別のアクチュエータでは、リニア圧電モータを備えることが意図されている。センサの出力はｙｉで表され、ｉはボイスコイル入力へ接続されているレーザ変位計を表す。別の出力センサ（リニア可変変位トランスデューサ（ＬＶＤＴ）、加速度計を含む）及びセンサ位置（ほぼ同じ場所に配置される、十分に同じ場所に配置される）は、本実施例で検討される。システム（Ｄｉで表す）に対する外乱は、オンボード（モータ、ファン、及び多関節アームを含む）外乱、及びオフボード（地面の振動、空気流、及び熱流を含む）外乱を含む。
【００３６】
ウェハステージ５００は、空気ベアリングを有する流体システム５０２によってウェハステージ・ベース上に支持される。この空気ベアリングを使用することにより、ウェハステージ５００はウェハベース・ステージに対してほとんど摩擦なしに動くことができる。ウェハステージ・ベース５０１は、流体システムのエアマウント５０３及び５０４によって地面上に支持される。空気ベアリングの物理特性は、スプリング（ｋ１）及びダッシュポット（ｃ１）によって表される。流体システム５０３及び５０４は、ウェハステージ５００及びウェハステージ・ベース５０１の重さを地面に対してオフセットする。流体システム５０３及び５０４は、ウェハステージ・ベース５０１のプランジ及び傾斜の低周波数（約数ヘルツの）制御を可能にする。追加的なベースステージ５０１の高周波数制御は、ボイスコイル・モータｕ１及びｕ２によってもたらされる。マイクロプロセッサシステム５１０は、図３のシステム３５０のような運動制御システムを含み、典型的に、出力を検出して、マイクロプロセッサシステム５１０によって実行される制御アルゴリズムの関数として入力を指令（駆動）するのに使用される。システム５１０は、リソグラフィプロセス及びそれに含まれる制御システム３５０の出力要求に基づいて、ウェハステージ・ベース５０１に対するウェハステージ５００の移動又は位置合わせを試みる。例えば、リソグラフィシステムは、ウェハ上にイメージを露出する間に実行されるウェハステージ５００の一定の走査運動を必要とする。もしくは、リソグラフィシステムは、ウェハステージを別の位置に再配置するために、ウェハステージ５００の急加速を指令できる。ウェハステージ５００は、これらの動きが速度、精度、及び／又は安定化時間を満たすことを要求される。安定化時間は、絶対位置の特定の許容変化内で、所定位置を実行するのに必要な時間を参照する。高加速度（２ｇに至る）のこれらの規定された運動は、ベースに伝達される大きな反作用力を生じる。更に、これらの運動は、位置を急激に変更するためのベースステージ・システムの合成重心をもたらす。現在のところ、ベース安定化制御は、６つの独立した単入力、単出力（ＳＩＳＯ）制御器を使用して、マイクロプロセッサシステム５１０によって達成される。一般に、ＳＩＳＯ制御器は、特定の用途において、各々の自由度に対して使用される。一般に、三次元システムは、各々独立した制御システム構成要素又はステージに対して６つの自由度を持つことができる。一般に、ＳＩＳＯ制御器は、ベースに対するステージの位置の変化に影響されやすい。その理由は、個々の制御器が追加の出力情報を受けないからである。図６に示すシステムは、多入力、多出力制御器（ＭＩＭＯ）を利用して、ベースに対するステージの位置の変化があっても、ＳＩＳＯ手段よりも良好な性能を実現するようになっている。ＭＩＭＯ手段において、制御は、２つ以上のセンサ（出力）及びアクチュエータ（入力）の出力及び入力の認識でもって達成される。追加的に、ＭＩＭＯ制御アーキテクチャは、それらに限定されるものではないが、線形二次ガウス問題（ＬＱＧ）、Ｈ∞、及びμ−シンセシスを含む最新の制御手法の実行を可能にする。これ���の手法は、ＳＩＳＯアーキテクチャと有効に組み合わせることはできない。
【００３７】
図７は、ＭＩＭＯ制御器がどれ程良好に、ＳＩＳＯ制御器の典型的な性能（名目上回転モーメント・コマンドで表す）に比較して、回転モーメントに対するコマンド入力（ステージピッチ外乱）に追従するか（回転モーメント・コマンドで表す）を示す。ＭＩＭＯ制御器は、外乱をぴったりとトレースする、即ち、すなわち外乱力に対して極めて迅速に反応して、システムから除去する。本発明の運動制御システムと組み合わせると、ＭＩＭＯ制御器は、速度、精度、又はステージ処理能力の特定の組み合わせを改善する。
【００３８】
リソグラフィシステムのステージ制御用途の別の実施例において、システムの安定化時間を短くして、指示位置を正確にトレースすることが望まれる。図８は、本実施形態を説明するブロック図である。本実施形態において、３つの加速度計６００、６０１、６０２は、フィードバック制御用センサとして使用される。６００及び６０１は、ｘ軸方向の加速度を測定する加速度計を表す。６０２は、ｙ軸方向の加速度を測定する単一の加速度計である。一般に加速度に比例するこれらの測定値は、信号を蓄えた後で、一般にステージの加速度に比例する信号をシングルボードコンピュータ６０７へ送信する、信号調節器へ送信されるが、シングルボードコンピュータは、制御システム３５０等の制御システムを含むか、又はこれとデータ通信を行うことができる。代表的なシングルボードコンピュータは、カリフォルニア州Ｓｉｍｉ  Ｖａｌｌｅｙに事務所があるＩｎｎｏｖａｔｉｖｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ社が供給するＳＢＣ６７型である。このプロセッサは、高性能自立型デジタル信号プロセッサシングルボードコンピュータであり、アナログ入出力性能に特徴がある。電圧信号６１２ａ、ｂ、ｃは、アナログ入力に供給される。次に、これらのアナログ入力は、デジタル信号に変換され、次に、プロセッサが制御システム３５０へ送る。最適化の後で、制御システム３５０は、デジタル信号セットを出力し、次に、これらはアナログ出力信号６１３ａ、ｂ、ｃ、ｄに変換される。次に、これらの出力信号は、４つのモータ６０８、６０９、６１０、６１１の各々に印加される。モータ６０８及び６０９は、ｘ軸方向のステージ位置を制御するｘ軸モータである。モータ６６１０及び６１１は、ｙ軸方向のステージ位置を制御するｙ軸モータである。ｘ軸加速度計６０３及びｙ軸加速度計６０４は、ステージのベースに対するステージのｘ位置及びｙ位置を測定するために使用される（簡略化のために図示せず）。
【００３９】
フィルタ（フィードバック制御アルゴリズム）は、モータ制御信号がモータ又はモータ増幅器の限界を超えないことを保証するよう設計されている。閉フィードバックループのモータ制御信号は、ステージの加速度に関連する加速度計６００、６０１、６０２の信号に比例する。制御設計は、最初に、Ａｃｔｉｖｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｅｘｐｅｒｔｓ社が販売するＳｍａｒｔ  ＩＤ（商標）システム認識ソフトウエアパッケージを利用して、転送機能データから状態空間プラントモデルを生成することによって達成できる。次に、フィルタ（又は制御器）は、Ｆａｎｓｏｎ、及び１９９６年ＣＲＣ出版、Ｗｉｌｌｉａｍ  Ｓ．  Ｌｅｖｉｎｅ著の「制御ハンドブック」に検討されているコンピュータシミュレーション及びアプリケーション技術によって設計した。
【００４０】
図９及び図１０は、図８の実施形態に適用されているＭＩＭＯ制御の実験及び解析結果を示す。ＭＩＭＯの結果は、多重ＳＩＳＯループを代わりに使用した結果と比較されている。図１０は、時間０．１５から０．３０秒の間を拡大した結果を示す。この図は、ＭＩＭＯ制御が約０．１９秒で安定化範囲（グラフのｙ軸上で約１００）に落ち着くが、ＳＩＳＯ（現存の制御器）では約０．２６秒でこの性能を達成することを示す。これは安定化時間が約３０％改善されることを示している。
【００４１】
本発明は、特定の実施形態に関して図示され説明されているが、当業者であれば、特許請求の範囲に定義されるような本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、種々の形態及び詳細の変更が可能であることを理解できる筈である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による運動制御システムを適用できる、即ちロボットのアームが、ウェハを空間のある１つの点から別の点へ搬送する動作における１つの可能性のあるシナリオを示す図である。
【図２】
本発明による運動制御システムを適用できる、即ちステージが、ウェハを第１の点から第２の点に搬送する動作における１つの可能性のあるシナリオを示す図であり、第２の点はカメラに関して定義される。
【図３】
制御システムの特定の論理及びハードウエア構成要素を示すブロック図を含む、本発明による１つの可能性のある運動制御システムの概略図である。
【図４】
半導体ウェハの製造に使用される場合、典型的にはリソグラフィ・ステージのための制御器に使用される問題仕様を作成するのに使用できる、アクチュエータ−センサモデルの実施例を示す。
【図５】
本発明の１つの可能性のあるアプリケーション、即ち本発明による運動制御システムによって制御される製造システムを示す。
【図６】
本発明の他の可能性のあるアプリケーション、即ちウェハステージ及びウェハステージ・ベースを備えるリソグラフィ・ステージを示し、その運動は、本発明による制御システムを使用して制御できる。
【図７】
本発明による多入力、多出力（ＭＩＭＯ）制御器を使用して得られる制御の改善を示す。
【図８】
本発明の別のアプリケーション、即ち本発明による制御システムを使用することによって安定化時間が短縮できるリソグラフィシステムを示す。
【図９】
本発明によるＭＩＭＯ運動を使用して得られる、実験及び解析結果を示す。
【図１０】
本発明によるＭＩＭＯ運動を使用して得られる、実験及び解析結果を示す。
【符号の説明】
１  標識
５  制御システム
１５  モータ
２５  アーム
３０  加速度計
３５  加速度計
３００  信号源プロセッサ
３０５  トリガー
３１０  運動モジュール３１０
３１５  デトレンド・モジュール
３２０  ゲインスケジュール・モジュール
３２５  多変数状態空間制御器
３３０  信号出力モジュール
３５０  制御システム
【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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2004518204.tif 000044
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