(57)【要約】摩擦ブロックを全体的に置換して同時に整定時間を向上させるか、又は、代替的に、摩擦ブロックと共に作動して作動の付加的な精度又は速度をもたらすように機能するアクチュエータアセンブリを含む振動制御システム。本発明の好ましい実施形態では、構造的な動きを調べるために、また、精密な運動制御を提供するために特別な動的モデル化技術が利用される。別の好ましい実施形態では、広帯域振動外乱を低減するために、誘導歪みアクチュエータがリソグラフィレチクルステージの弾性部分に付加される。ステージの垂直方向の位置決めは、「ＰＩＤ」コントローラを使用して達成され、弾性振動減衰は、線形二次ガウス分布コントローラを使用して実行される。
2004532517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェーハステージベースと、
運動を制御するための少なくとも２つのアクチュエータと、
前記ウェーハベースの変位の少なくとも１つのパラメータを検出し、それに応答して少なくとも２つの信号を生成するための少なくとも２つのセンサと、
前記アクチュエータと前記センサに対して電気通信する少なくとも１つの回路と、
を含み、
前記センサによって前記少なくとも１つの変位パラメータが検出されると、該センサは、前記回路に信号を送信し、該回路は、それに応答して前記アクチュエータを作動させて前記ウェーハステージベースを安定させる、
ことを特徴とする、リソグラフィシステムと共に使用される運動制御システム。
【請求項２】
前記アクチュエータは、ボイスコイルモータ、及び電気活性スタックアクチュエータから成る群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項３】
前記センサは、ＬＶＤＴ、加速度計、レーザ干渉計、及び容量型変位センサから成る群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項４】
前記回路は、デジタル信号プロセッサを含むことを特徴とする請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項５】
前記回路は、
少なくとも１つのデジタル信号プロセッサと、
少なくとも１つのアナログ／デジタル変換器と、
少なくとも１つのデジタル／アナログ変換器と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項６】
前記回路は、制御技術を備えることを特徴とする請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項７】
前記制御技術は、線形二次ガウス分布、Ｈ−無限大、及びミュー合成から成る群から選ばれることを特徴とする請求項６に記載の運動制御システム。
【請求項８】
前記アクチュエータは、指令された入力に緊密に追随するように前記ウェーハステージベースを安定させることを特徴とする請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項９】
ウェーハステージと、
運動を制御するための少なくとも２つのアクチュエータと、
前記ウェーハステージの変位の少なくとも１つのパラメータを検出し、それに応答して少なくとも２つの信号を生成するための少なくとも２つのセンサと、
信号調整器と、
単一ボードコンピュータと、
を含み、
前記センサによって前記少なくとも１つの変位パラメータが検出されると、該センサは、前記信号調整器に信号を供給し、該信号調整器は、前記単一ボードコンピュータに信号を供給し、前記単一ボードコンピュータは、前記アクチュエータに指令して前記ウェーハステージに指令された位置を追跡するように指令する、
ことを特徴とする、リソグラフィシステムと共に使用される運動制御システム。
【請求項１０】
前記アクチュエータは、ボイスコイルモータ、及び電気活性スタックアクチュエータから成る群から選ばれることを特徴とする請求項９に記載の運動制御システム。
【請求項１１】
前記センサは、ＬＶＤＴ、加速度計、レーザ干渉計、及び容量型変位センサから成る群から選ばれることを特徴とする請求項９に記載の運動制御システム。
【請求項１２】
前記ウェーハステージは、指令された位置を０．１９秒以内に追跡するように指令されることを特徴とする請求項９に記載の運動制御システム。
【請求項１３】
前記回路は、モードベースの状態／空間モデルから導出された制御アルゴリズムでプログラムされたプロセッサを含むことを特徴とする請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項１４】
前記状態／空間モデルは、架空質量を有する有限要素モデルを使用して導出されることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記プロセッサは、線形二次ガウス分布コントローラの要素であることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００１年１０月１日出願の米国特許出願第０９／９６８，１８０号と、２００１年３月３日出願の米国特許出願第０９／８０３，３２０号との一部継続出願である２００２年３月２２日出願の米国特許出願番号第  ／      号の優先権を主張するものであり、この米国特許出願第０９／８０３，３２０号は、２０００年１月２７日出願の米国特許出願第０９／４９１，９６９号の利益を主張し、後者は、１９９９年１月２８日出願の米国特許出願番号第６０／１１７，６７１号の利益を主張し、また、１９９４年１月２７日出願の米国特許出願第０８／１８８，１４５号の継続出願である、現在は米国特許第６，０６９，４３３号である１９９７年１０月３日出願の米国特許出願第０８／９４３，６４５号の一部継続出願である、１９９９年２月２６日出願の米国特許出願番号第０９／２６１，４７５号の一部継続出願であり、以上の各々の開示内容は、本明細書において引用により組み込まれる。本出願はまた、米国特許仮出願第６０／２７８，８１０号の利益に対する権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
小型構成要素を製造するためのツール
電子機器又は構成要素を製造するためのフォトリソグラフィ・ツール及び他のシステムにおいて、精度及び速度の向上は重要な利点である。このような機器は、形態サイズがミクロン単位及びナノメートル単位である半導体チップ、プリント回路基板、液晶ディスプレイ、及び薄膜素子を製造する際に使用されることが多い。このような機器には、多重ガントリー／ヘッドアセンブリ、リニアモータ、及び、不要な振動及び他の動きを生む他の機器を挙げることができる。本発明は、作動中にこのような機器に固有の振動を低減することによって、このような機器の精度及び／又は速度を向上させるための装置及び方法に関するものである。
【０００３】
現代のフォトリソグラフィ・ツールでは、極度に高い露出精度が必要とされる。これは、ツール内の重要な点での弾性変位のレベルが数ナノメートルを超えない場合に限り達成することができる。リソグラフィ・ツールは、レチクル及びウェーハステージなど多くの可動部分を含むことから、その構造に作用する持続する外乱力を受けやすい。更に、ツール構造は、フロア振動及び空気擾乱などの環境的な外乱を受けやすい。これらの外乱のレベルは、低減することはできるが、完全に排除することはできない。
【０００４】
振動低減技術
リソグラフィ・ツールの弾性振動を制限するために使用される既存の技術が幾つかある。例えば、レンズアセンブリなどの重要な要素を支える構造体の剛性を上げたり、調節したマスダンパを使用したり、移動ステージに付加される信号を形状化したり、又は、能動制御された空気バネを使用してフロア振動を隔離することができる。弾性振動には効果的であっても、これらの方法は、更に高度なフォトリソグラフィ・ツールの厳しい要件を満足しないことが多い。
【０００５】
精密ツールの振動を制御するための現在の取り組みには、ガントリーの端部での「摩擦ブロック」という摩擦減衰装置の設置を上げることができる。この摩擦ブロックは、主として、ガントリー及びヘッド軌跡制御システムを安定化する役目をするが、特定のピック・アンド・プレイス作動中の整定時間を短縮することもこれまでに判明している。しかし、摩擦ブロックがどのくらい効果的であるかは、摩擦力の調節の正確さに左右される。摩擦ブロックは、短期間で磨耗してその効果が大きく低減し、粒子で機械の残りの部分を汚してしまう傾向がある。更に、摩擦ブロックは、剛体の動きに対抗して働き、その結果、機器の作動速度が遅くなる。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許出願第０９／９６８，１８０号
【特許文献２】
米国特許出願第０９／８０３，３２０号
【特許文献３】
米国特許出願第０９／４９１，９６９号
【特許文献４】
米国特許出願番号第６０／１１７，６７１号
【特許文献５】
米国特許出願第０８／１８８，１４５号
【特許文献６】
米国特許第６，０６９，４３３号
【特許文献７】
米国特許出願第０８／９４３，６４５号
【特許文献８】
米国特許出願番号第０９／２６１，４７５号
【特許文献９】
米国特許仮出願第６０／２７８，８１０号
【特許文献１０】
米国特許出願第０９／８９６，６８９号
【非特許文献１】
ウィリアム・Ｓ・レビン編集、コントロールハンドブック、ＣＲＣプレス、１９９６年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
すなわち、電子的及び他の小型の構成要素を製造するためのシステムにおいて振動を制御する方法、及び、制御される機器にアクチュエータを取り付ける方法の改善が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
能動振動制御
本発明の振動制御システムは、構造体の振動を低減するためのシステムを提供する。本発明は、能動振動低減、構造的制御、動的試験、精密位置決め、運動感知及び制御、及び能動減衰に有益なアクチュエータ要素を含む。これらのアクチュエータは、圧電材料、電歪材料、又は磁歪材料などの電気活性材料を含む。これらの電気活性要素は、裸又はパッケージ化された電気活性要素とすることができる。
【０００９】
本発明の一実施形態において、アクチュエータアセンブリと、動き又は性能パラメータを感知するためのセンサとを含む振動制御システムが提供される。この振動制御システムは、特に、１つ又はそれ以上のガントリーアセンブリ、ヘッドアセンブリ、及び／又は移動式ステージ又は構成要素を含むことが多い電子構成要素を製造するためのシステムにおける振動を制御するのに有益である。電子構成要素を製造するための想定されるシステムには、以下に限定されるものではないが、ピック・アンド・プレイス・システム、リソグラフィシステム、及び、半導体チップ、プリント回路基板、液晶ディスプレイ、及び薄膜素子を製造するのに使用されるシステムが含まれる。しかし、本発明の装置及び方法は、機械ツール機器、圧延機器、又は自動組立てラインで使用されるシステムなど、任意の種類のシステムを製造する際に有益であろう。同じく想定されるのは、レンズシステムと、ウェーハステージと、レンズシステムが現代のフォトリソグラフィで使用されるようなウェーハステージ上に画像を作るレンズシステム及びウェーハステージを支えるための構造体とを含む、電子構成要素を製造するためのシステムである。
一実施形態においては、フォトリソグラフィ製造システムと共に使用される能動振動制御システムは、以下の構成要素、すなわち、重要な点での変位レベルを測定するか、又はこのような情報を評価することができる情報を提供するセンサ、制御信号をセンサ入力に基づいて計算することができるデジタル又はアナログプロセッサ、及び、構造体の弾性変位を誘導することができるアクチュエータを含む。
【００１０】
非反応性制御
特に好ましい実施形態において、アクチュエータは非反応性であり、バックサポートを必要とせず、非常にゆがみの少ない外形を有する。
別の特に好ましい実施形態において、本発明による振動制御システムは、構造体の歪み状態に直接作用して実質的に歪みのない誘導歪みアクチュエータを含む。このようなアクチュエータは、構造体の弾性振動モードのみを励起、すなわち制御することができ、全ての他の振動モード、及び剛体の運動には影響を与えないままである（例えば、種々の機器収納構造などのモード）。これは、制御システムの簡素化及び堅牢性に貢献する。
【００１１】
フィードバック振動制御
本発明の別の好ましい実施形態において、振動制御システムは、更に、アクチュエータアセンブリ及びセンサと電気通信する回路を含む。一実施形態において、センサは、動き、振動、又は性能に関する情報を回路に中継し、その回路は、それに応答して、振動を制御するようにアクチュエータアセンブリに通信で知らせる。本発明が有益になるシステムにおける振動は、外乱によるか、又はシステム自体によって発生する固有の乱れによるものとすることができる。
【００１２】
本発明の更に別の好ましい実施形態において、振動制御システムは、更に、製造システムとの電気接続部を含む。電気接続部は、製造システムが、使用可能／使用不可信号、システム状態信号、又は故障／エラー状態信号などの情報を振動制御システムに対して送受信するように準備することができる。別の実施形態において、本発明による回路は、更に、少なくとも１つのコントローラを含む制御システムを含む。このような制御システムは、本出願人所有の米国特許出願第０９／８９６，６８９号で説明されている制御パラメータ調節、利得スケジューリング、及び、外部利得制御を可能にすることができるか、又は、線形フィードフォワード制御とすることができるか、又は、フィードバック制御の別の供給源として機能することができる。
振動制御システムが制御パラメータ調節能力を有する本発明の実施形態においては、作動の前に、制御システムは、１つ又はそれ以上の試験信号をシステムに出してその応答を測定する。測定された応答は、プラントの内部モデルを洗練させるために使用され、制御利得はそれ相応に改変される。制御利得は、ループが閉じられている間は一定に保持される。
【００１３】
利得スケジューリング制御
振動制御システムが利得スケジューリング制御を行う本発明の実施形態において、コントローラは、いくつかの異なる作動ポイント又はいくつかの異なる所望の性能プロフィールにおいて本システム向けに設計されている。ピック・アンド・プレイス機械の場合、これらの作動ポイントは、ピック・アンド・プレイス・ヘッドの異なる位置であろう。コントローラは、デジタル制御システムのメモリに記憶されている。作動中、センサは、機械の設定を説明する情報をリアルタイムでコントローラに供給する。システムが各作動ポイントを通過すると、制御システムは、そのポイントの最適制御利得に切り替わる。これの変形は、任意の時点で使用される制御利得が、幾つかの近くの作動ポイントに関してメモリに記憶された幾つかのコントローラからの利得の線形補間であるということである。
【００１４】
振動制御システムが外部利得制御を行う本発明の実施形態において、制御システムは、機械の全体的な性能をモニタするコンピュータシステムに接続された入力部を含む。任意の瞬間的な時点で実行されるコントローラは、この信号に比例する利得を有する。モニタリングシステムは、最適な性能が達成されるまでこの利得を修正する。性能がゆっくりとした時間変化のために仕様から外れ始めた場合、モニタリングシステムは、利得最適化シーケンスを繰り返すであろう。
【００１５】
フィードフォワード
フィードバック制御（コントローラが、構造的振動をモニタするセンサから供給された信号によって駆動される）に加え、振動制御システムがフィードフォワード制御を行う本発明の実施形態において、高調波外乱（モータ回転など）と同位相の更に別の信号がコントローラに与えられる。コントローラは、この信号の濾過されたバージョンをフィードフォワードする。外乱信号に対してフィードフォワード制御のマグニチュード及び位相を調節する利得は、性能に及ぼす外乱の影響を最小限に抑えるために適応調節することができる。
【００１６】
アクチュエータの設計
本発明のいくつかの実施形態において、アクチュエータアセンブリは、歪みアクチュエータ、電気活性歪みアクチュエータ、圧電セラミック歪みアクチュエータ、電気活性スタックアクチュエータ、又は、少なくとも２つのアクチュエータを含むことができる。本発明の更に別の実施形態において、アクチュエータアセンブリは、センサと電気通信している。また、本発明のいくつかの実施形態においては、センサは、歪みセンサ、加速度計、レーザ変位センサ、レーザ干渉計、又は、少なくとも２つのセンサを含むことができる。本発明の別の実施形態において、センサは、少なくとも２つの異なる信号を測定する少なくとも２つのセンサを含むことができる。好ましい実施形態において、センサは、本発明が有益になるシステムの性能に直接関係する何らかの一面を測定する。本発明の特に好ましい実施形態において、振動制御システムは、ガントリー及びヘッドの軌道に関する情報を供給する電子リンク又はケーブルを含む。本発明によるアクチュエータアセンブリは、圧電又は電歪プレート、シェル、ファイバ、又は複合物などの１つ又はそれ以上の歪み起動要素、要素回りの保護体を形成するハウジング、及び、ハウジングに取り付けられて歪み要素に接続される電気接点を含むことができ、これらが一緒になって可撓性カードが形成される。アセンブリのうちの少なくとも１つの側には、歪み要素の主要面に取り付けられている薄いシートが含まれ、シートの外側を物体に接着することによって、ハウジング内でその物体と歪み要素との間の固い剪断のない結合が得られる。
【００１７】
好ましい実施形態において、歪み要素は、圧電セラミックプレートであり、好ましくは厚さわずか１ミルの１／８未満から数ミルまででかなり薄く、比較的大きな表面積を有し、幅及び長さの一方又は両方が、厚みの数十又は数百倍である。金属化被膜が電極接点になり、接着剤及び絶縁材は、層間剥離、亀裂、及び環境露出に備えて装置を密封している。使用される接着剤は、Ｂステージ又はＣステージエポキシのようなエポキシ、熱可塑性材料、又は、圧電セラミックプレート、金属化被膜、及び絶縁材を接着する際に有益な任意の他の材料とすることができる。使用される特定の接着剤は、装置の所期の用途によって異なる。好ましい実施形態において、金属化被膜及び絶縁材は、共に、固いポリマー材料製可撓性回路に設置され、これによって封入された要素との堅牢な機械的かつ電気的な結合が得られる。代替的に、金属化被膜は、直接圧電セラミックプレート上に配置してもよく、絶縁材は電気接点を有してもよい。
【００１８】
特殊「ＰＺＴ」パッケージ
説明目的にために、以下の例では、厚さ１／４ミル、長さ及び幅は１センチから３センチまでであり、各要素が面積１平方センチメートルから１０平方センチメートルの能動歪み発生面を有し、矩形「ＰＺＴ」プレートを利用する構造について説明する。「ＰＺＴ」プレートは、固く強いポリマー、例えば、一方又は両側は銅被覆であり、「ＰＺＴ」プレートに接触するための銅層内に形成された適切な導電電極パターンを有する１ミル又は２ミルのポリイミドの半分であるシート上又はその間に取り付けられる。様々なスペーサが、「ＰＺＴ」プレートを取り囲み、構造全体は、構造ポリマーで互いに接着されて、「ＰＺＴ」プレート厚みとほぼ同一、例えば、０．３０ミルメートルから０．５０ミルメートルの厚みを有する防水絶縁密封パッケージになっている。そのように封入されて状態で、パッケージは、曲がり、延び、また、撓むことができ、含まれた壊れやすい「ＰＺＴ」要素を破壊することなく、鋭い衝撃を受けることができる。更に、導体パターンは、しっかりとポリイミドシートに取り付けられているので、「ＰＺＴ」要素が割れたとしても、電極が切断されたり、又は、要素の全面積にわたって作動が妨げられたり、又は、それ以外の方法でその性能を大幅に下げることがない。
【００１９】
薄いパッケージは、電極を完備した小さな「カード」の形で完全なモジュールユニットを形成している。それで、パッケージは、封入された歪み要素及び構造体との間の歪みを結合するように、１つの面を構造体に接着することによって便利に取り付けることができる。これは、例えば、全体としてシステムに最小の質量を加えながら、「ＰＺＴ」プレートと結合する薄い高剪断力を確立するために接着剤で単に取り付けることによって行うことができる。このプレートは、取り付けられた構造体の中にエネルギを結合するアクチュエータ、又は、取り付けられた構造体と結合した歪みに反応するセンサとすることができる。
【００２０】
異なる実施形態において、特定の電極パターンが、面内で又は面を横切って「ＰＺＴ」プレートを支えるためにシート上に選択的に形成され、曲げ、剪断、及び特化されたねじれ起動をもたらすように、「ＰＺＴ」要素の多重層を単一カード内に配置又は積み重ねることができる。
本発明の更に別の態様によれば、回路要素は、「ＰＺＴ」要素によって生成された信号を濾過、分路、又は処理して、機械的環境を感知するか、又は更に起動要素を駆動するための切り替え又は電力増幅を行うために、振動制御システム内、又は振動制御システムと共に形成される。アクチュエータパッケージは、半分割シリンダなどの予め形成された「ＰＺＴ」要素を用いて、パイプ、ロッド、又はシャフト回りに取り付けるのに適切なモジュール式表面取付シェルの中に形成することができる。
【００２１】
動的モデル化
好ましい実施形態において、特別な動的モデル化技術は、構造的動きを調査するため、かつ正確な運動制御を行うために利用される。
レチクル運動制御
好ましい実施形態において、誘導歪みアクチュエータは、広帯域振動外乱に対するステージ応答を低減するためにリソグラフィレチクルステージの弾性部分に付加される。ステージの垂直方向の位置決めは、「ＰＩＤ」コントローラを使用して達成され、弾性振動減衰は、線形二次ガウス分布コントローラを使用して実行される。弾性振動の低減によって、位置決め性能が改善され、「ＰＩＤ」制御設計が容易になる。
本発明の上述及び他の所望の特性は、例示的な実施形態の詳細な説明から理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
リソグラフィ機器に対する振動制御システム
本出願人は、特に、電子構成要素を製造するためのシステムにおける振動を制御するのに有益な振動制御システムを開発した。本発明の振動制御システムは、構成要素を製造するシステムに対して外的に生成されるか、又はそのシステムの内部からか又はそのシステムに固有である振動を制御するのに有益である。内部振動は、製造システムにおいて使用されるステップモータ又はＤＣモータ、又は、油圧又は空圧アクチュエータなどの様々なモータによって引き起こされる可能性がある。
【００２３】
本発明による振動制御システムは、製造システムと一体化された電気活性アクチュエータ及びセンサを含むことができる。制御系及び電力系電子装置は、機器の近傍に位置し、かつ妥当な接続ケーブル配線を通じてアクチュエータ及びセンサに接続された別個のユニットとすることができる。代替的に、制御系及び電力系電子装置は、製造システムと完全に一体化されたシステムであってもよい。
電気活性アクチュエータは、様々な方法で製造システムに対して、又は製造システム内に固定することができる。例えば、図１７、図１９、及び図２０に示すように、アクチュエータは、アクチュエータに押し当たるか又は挿入されたボルト４１４によって所定の位置に固定することができる。代替的に、アクチュエータは、摩擦、張力、又はそれ以外の圧力嵌めによって固定することができる。一実施形態においては、図１８に示すように、アクチュエータは、プレート４１２に結合され、プレート４１２は、ボルト４１４、４１４’、４１４’’、及び４１４’’’で製造システムの構成要素にボルト留めされている。別の実施形態において、アクチュエータは、プレートにボルト留めされ、プレートは、第２のプレートにボルト留めされ、次に、第２のプレートは、製造構成要素の構成要素にボルト留めされる。別の実施形態において、アクチュエータアセンブリは、振動制御システム内に脱着可能に固定されるか、又は、製造システムの構成要素に脱着可能に固定される。
【００２４】
第１の好ましい実施形態
図２１は、製造システムで使用される本発明による第１の好ましい実施形態を示す。この実施形態において、製造システムは、ウェーハステージ４００、レチクルステージ４０２、Ｘ及びＹミラーを有するレーザ干渉計４０４、４０４’、４０４’’、４０４’’’、及び支持構造体４０６を含む。支持構造体４０６は、レンズアセンブリ４１０を支持する。干渉計４０４、４０４’、４０４’’、及び４０４’’’は、ウェーハステージ４００、レチクルステージ４０２、及びレンズアセンブリ４１０上に位置する。支持構造体４０６上には、例えば、電気活性要素を含む２つのアクチュエータ４０８及び４０８’が取り付けられている。アクチュエータ４０８及び４０８’の各々は、回路と電気通信している。干渉計４０４、４０４’、４０４’’、及び４０４’’’は、デジタル信号プロセッサ単一ボードコンピュータ「ＳＢＣ」アナログＩ／Ｏチャンネル及び増幅器を通じてアクチュエータ４０８及び４０８’に中継され、アクチュエータは、それに応答して製造システム内の振動を制御する。製造システム内の振動を制御することによって、ウェーハステージ上の半導体の金属化されたトレースの配置及び実寸の精度を向上させることができる。代替的又はそれに加えて、製造システムの処理能力を、精度を損なうことなく上げることができる。
【００２５】
電気活性アクチュエータアセンブリ
本発明で有益なのは、電気活性アクチュエータアセンブリである。図１Ａは、従来技術による表面取付式圧電アクチュエータアセンブリ１０の工程及び全体的配置を示す。構造体２０は、構造的要素又は機械要素、プレート、エアフォイル又は他の相互作用シート、又は、装置又はその一部とすることができるが、導電ポリマー１４及び構造ポリマー１６の何らかの組み合わせによってスマート材料のシート１２が結合されている。絶縁体１８は、全体又は一部を問わず構造ポリマーで形成することができるが、このスマート材料を取り囲んで保護し、一方、導電リード線又は表面電極は、導電ポリマーによって形成されるか又は取り付けられる。外部制御システム３０は、ライン３２ａ及び３２ｂに沿って信号をスマート材料に送り、適切な駆動信号が得られる歪みゲージ３５などの表面取付式計器から測定信号を受信することができる。様々な形の制御が可能である。例えば、自然共鳴の励起を感知するために歪みゲージを配置することができ、制御システム３０は、構造体を固くするためにセンサ出力に応答して「ＰＺＴ」要素を単に起動させ、それによってその共鳴周波数をずらすことができる。代替的に、センサによって感知された振動は、進行している動的状態を無効にするために、処理された位相遅れ駆動信号としてフィードバックすることができ、又は、運動制御のためにアクチュエータを駆動させることができる。良く理解されている機械式システムにおいては、コントローラは、経験的状態、すなわち空力的状態又はイベントを認識し、各アクチュエータ１２が所望の変更を達成するために駆動信号の利得及び位相を指定する特別の制御法則を選択するようにプログラムすることができる。
【００２６】
全てのこのような用途に関しては、裸「ＰＺＴ」プレートを制御回路及び工作物に取り付けるために大きな作業が必要とされ、組立て段階の多くは、失敗するか、又は、定量的制御が必要とされる時、製造工程で達成される特定の厚み及び機械的剛性に対して妥当な有益な作動モードのための制御パラメータを確立するために、装置が組立てられた後に装置の広範囲なモデル化が必要な場合がある。プレートに結合する時に電気活性要素をパッケージ化する利点は、電気的な隔離、つまり、プレート、構造、又は製造システムの任意の部分からの容量性分離を達成することができることである。
【００２７】
図１Ｂは、本発明の一実施形態において有益なアクチュエータアセンブリを示す。図示するように、それは、単に、５分間エポキシ１３などの急硬化接着剤で構造体２０に取り付けられるか、又は、他の構成においては、点又は線で取り付けられたモジュール式パックつまりカード４０である。感知及び制御の作動は、従って、より簡単に設置可能で均一にモデル化されたアクチュエータ構造からの利益を受ける。特に、モジュール式パック４０は、簡素化された制御システム５０に接続することができるように、多重ピンコンセントに差し込むように縁部（図示せず）に好ましくはパッドの形で１つ又はそれ以上の電気接点を有する、固いが曲げ可能なプレートであるカードという形態を有する。また、図２Ｃに関して以下で更に詳細に論じるように、モジュール式パック４０は、平面又は薄型の回路要素を組み込むことができ、回路要素は、重み付け又は分路レジスタ、インピーダンス適合化回路、フィルタ、及び信号調整前置増幅器などの信号処理要素を含むことができ、更に、直接的なデジタル制御で作動する交換トランジスタ及び他の要素を含むことができ、その結果、必要な唯一の外部電気接続部は、マイクロプロセッサ又はロジックコントローラ、及び電源の電気接続部である。
【００２８】
特に一部の低電力制御状況に適用可能な更に別の実施形態において、図１Ｃに示すようなモジュールパッケージ６０は、バッテリ又は電力セルなどの独自の電源を含むことができ、また、搭載ドライバ及び分路器を作動させるためにマイクロプロセッサチップ又はプログラマブル・ロジック・アレーなどのコントローラを含むことができ、その結果、外部回路接続部なしに、感知及び制御作動の完全な集合を達成する。
【００２９】
本発明は、特に、圧電ポリマーと、燒結ジルコンやニオブ酸結晶などの材料、又は固いが偶然にもかなり壊れやすい類似の圧電セラミック材料などの材料とに関する。また、本発明は、電歪要素に関する。特許請求の範囲で使用される時、要素の材料が電気機械特性を有する圧電要素及び電歪要素の両方は、電気活性要素という。歪みを要素の表面に沿って一般的に金属製又は硬質構造ポリマー製の外側構造体又は工作物に効率的に伝達するには、高い剛性が不可欠であり、アクチュエータ態様における本発明は、柔らかいポリマー圧電材料は概して想定していない。「固い」及び「柔らかい」という用語は相対的であるが、本明細書の関連では、アクチュエータに適用されるような剛性とは、ほぼ、金属、硬化エポキシ樹脂、ハイテク複合材、又は、ヤング率が０．１×１０6ｐｓｉを上回り、好ましくは．０．２×１０6ｐｓｉである他の固い材料の剛性であることが理解されるであろう。また、アクチュエータではなくセンサの製造に当たって、本発明では、ポリニフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）被膜などの低剛性圧電材料の使用、及び低硬化温度結合又は接着材料による置換が想定されている。しかし、上述の第１の部類の圧電材料に関しては、基本的な製作に関する課題があり、ここでこれらについて説明する。
【００３０】
一般に、本発明は、新しい形態のアクチュエータ及びその製造方法を含み、この場合、「アクチュエータ」は、電力供給時には、力や運動などを物体又は構造体に連結する完全かつ機械的に有益な装置を意味すると理解される。広義の形においては、アクチュエータの製造では、機械的に有益にするために未加工電気活性要素を「パッケージ化する」ことを伴う。例として、未加工電気活性圧電材料又は「要素」は、シート、リング、ワッシャ、シリンダ、及びプレートなどの基本形状、及び、スタックなどのより複雑又は複合形態、又は、レバーなどの機械的な要素を有するバルク材料を含むハイブリッド形態での未加工圧電材料を含む、様々な半処理バルク材料の形態で一般的に利用可能である。これらの材料又は未加工要素は、電気接点として作用するように１つ又はそれ以上の表面上に被覆された金属を有することができ、又は、非金属化としてもよい。以下で説明する中で、圧電材料は例として説明するものとし、全てのこれらの形態の未加工材料は、「要素」、「材料」、又は「電気活性要素」というものとする。上述の通り、本発明は、更に、これらの方法によって製造され、歪み、振動、位置、又は他の物理的特性を作動するのではなく感知する変換器として作動する構造体又は装置を含み、そのために、以下で適用可能である場合には、「アクチュエータ」という用語は、感知変換器を含むことができる。
【００３１】
本発明の実施形態は、これらの固い電気的に起動される材料を厚さ数ミルメートル未満、具体的には厚み約１／５ミルメートルから１／４ミルメートルまでのシート／ディスク、環、プレート、及び、シリンダ又はシェルとして使用している。有利な態様においては、この薄い寸法によって、１０ボルトから５０ボルト以下までの駆動電圧で最大測定限界圧電起動を得ることができるように、比較的低い全体電位差でプレートの厚み寸法に匹敵する距離にわたって高い電場強度を達成することができる。また、このような薄い寸法によって、物体の構造的又は物理的な応答特性を大幅に変更することなく、要素を物体に取り付けることができる。しかし、従来技術においては、このような薄い要素は壊れやすく、取り扱い時、組み立て時、又は硬化時に不規則な応力のために破断する可能性がある。数センチの落下からの衝撃でさえも、圧電セラミックプレートが破壊する恐れがあり、破断前には極端に小さな曲げ変形だけに耐えるものである。
【００３２】
本発明によれば、薄い電気起動要素は、固い絶縁材の層で包まれて、少なくともその１つは、表面の１つにパターン化された導体を有し、かつ要素自体よりも薄い固い被膜である。パッケージは、電極、圧電要素、及び、封入被膜又は層を合わせて裸起動要素の厚みよりも実質的に大きくない厚みを有する密封カードを形成するように、圧電要素、絶縁層、及び、様々なスペーサ又は構造用充填材で組立てられる。以下で説明するように、要素が幾つかの層で置かれた時、パッケージの厚みは、積み重ねられた起動要素の厚みの合計よりも感知できるほど大きくはない。
【００３３】
単純なアクチュエータカードの製作の詳細
図２Ａは、本発明の基本的な実施形態１１０を示す。ポリイミド材などの高度に絶縁する材料の薄膜１１０が、通常、少なくとも片側で銅メッキされて金属化され、アクチュエータパッケージ完成品と同延か又はわずかに大きな矩形を形成する。多層回路基板製造での使用に利用可能な適切な材料は、米国アリゾナ州チャンドラ所在のロジャーズ・コーポレーションによって「Ｆｌｅｘ−Ｉ−Ｍｉｄ  ３００」無接着剤回路材料として販売されており、圧延銅箔上に形成されたポリイミド被膜から成る。様々なサイズのものが市販されており、金属箔は、１８マイクロメートルから７０マイクロメートルまでの厚みがあり、厚み１３マイクロメートルから５０マイクロメートルまでのポリイミド被膜で一体化するように被覆されている。他の厚みを製造することもできる。この市販の材料においては、箔及びポリマー被膜が接着剤なしに直接取り付けられているので、金属層は、従来のマスキング及びエッチングによってパターン化することができ、残留接着剤がアセンブリを弱めるか又は層間剥離を引き起こすことなく、以下で更に詳細に説明する方法により、多重パターン化層を積層して多層基板にすることができる。圧延銅箔によって、高い面内引張強度が得られ、ポリイミド被膜によって、強くて固い欠陥のない絶縁バリアが得られる。
【００３４】
以下で説明する製作において、被膜は、電極を覆う絶縁体ばかりではなく、装置の外面を構成する。従って、高い絶縁強度、高い剪断強度、防水性、及び他の表面に接着する能力を有することが必要とされる。高い耐熱性は、好ましい製造工程で使用される温度硬化の観点から必要であり、また、一部の用途環境にも必要とされる。一般に、ポリアミド／イミドは有益であることが判明しているが、ポリエステル又は類似の特性を有する熱可塑材などの他の材料も使用してもよい。
【００３５】
本発明の構造において、金属箔層は、圧電プレート要素の表面に接触するための電極を形成するために、従来のマスキング及びエッチング技術（例えば、フォトレジストマスキング及びパターン化、次に、塩化第二鉄エッチング）によってパターン化される。代替的に、より延性のある薄い導電層を使用することができる。例えば、薄い導電層は、銀導電インクを使用してポリマー被膜上に又は直接に圧電要素上にプリントすることができる。図２Ａにおいて、電極１１１は、矩形の内部の１つ又はそれ以上の副領域を覆うように延び、装置の縁部に延びる補強パッド又はランド１１１ａ及び１１１ｂに至る。電極は、広く曲がっている経路に沿って圧電要素に接触するパターンで配置され、この経路は、圧電要素の全長及び全幅と交差しており、従って、この経路により電極又は圧電要素に幾つかの亀裂又は局所的な破断が発生しても、確実に接続したままとなる。フレーム部材１２０は、シート１１０の周縁部回りに配置され、少なくとも１つの圧電プレート要素１１２が、電極１１１が接触するように中央領域に位置する。フレーム部材は、縁部結合材の役目をし、その結果、薄い積層部は縁部まで延びず、以下で更に説明する熱間プレス組立て作業用の厚みスペーサとして、及び、積層パッケージを組み立てる初期の段階時に挿入される圧電プレートの位置を定める位置マーカとして機能する。
【００３６】
図２Ａは、更に別の半透明の最上部層１１６（図２Ｂ）を含め、装置を互いに固定する装置の層構造を示していないので多少概略的な図であるが、最上部層１１６は、実際にはプレート１１２を覆うように延び、スペーサ１２０及びシート１１０と共にアセンブリを閉じる。類似の層１１４は、圧電要素の下に置かれ、電極１１１が要素に接触することができるように適切な切り抜きを有する。層１１４及び１１６は、金属電極層の厚みに等しい硬化後の厚みを有し、かつ、各々の側で電極層に接触する材料を互いに接合するための接着層として機能する硬化可能なエポキシ樹脂シート材料で形成されていることが好ましい。硬化した時、このエポキシ樹脂は、装置の構造体を構成し、アセンブリを固くし、要素を強化して亀裂の成長を引き止めるために圧電要素の表面のかなりの部分の全体を覆うように延び、それによって寿命を延ばす。更に、この層からのエポキシ樹脂は、実際には、電極を覆うように厚さ約０．００２５ミルメートルの微視的に薄いが非常に不連続な被膜として広がり、電極を圧電プレートにしっかりと結合させるが、それでも電極と圧電要素との間の直接的な電気接点がかなりの分散した接触領域にわたって起こるように十分な数の空隙とピンホールを有する。
【００３７】
図２Ｂは、縮尺通りではないが、図２Ａの実施形態の断面図である。大まかな割合でいうと、圧電プレート１１２を厚み０．２〜０．２５ミルメートルとすると、絶縁被膜１１０の方がはるかに薄く、プレートの厚みの１／１０から１／５以下であり、導電銅電極層１１１は、一般的に１０ミクロンから５０ミクロンの厚みを有することができるが、後者の範囲は、一組の厳密な限界値ではなく、電気的に使用可能であって製造する上で便利であり、歪み伝達を損なったり、層間剥離の問題を引き起こすほどは厚くはない電極厚みの有用な範囲を表す。構造エポキシ樹脂１１４は、各層の電極間の空間を埋め、電極とほぼ同じ厚みを有し、それによってアセンブリ全体が中実のブロックを形成する。スペーサ１２０は、比較的架橋されていないポリマーなどの低い弾性係数を有する比較的圧縮可能な材料で形成されており、以下で説明する圧力硬化エポキシ樹脂と共に使用された時、被膜の最上層と底層との間の他の構成要素の回りに縁部結合を形成するように、圧電プレート又は要素スタックと大体同等の厚みであることが好ましい。
【００３８】
好ましい製造方法は、層１１６が硬化する時にパッケージ全体に圧力を加えることを伴う。スペーサ１２０は、図３から図５までを参照しながら以下で説明するように、圧電セラミックプレート及び任意の回路要素を位置合わせする役目を果たし、硬化段階での組立て中に若干圧縮され、その時に変形して応力又は凸凹を残すことなく縁部を密封することができるフレームを形成する。圧縮によって空隙が解消され、高密な亀裂のない中実の媒体が得られ、同時に硬化熱によって高度な架橋が達成され、高い強度及び剛性をもたらす。
【００３９】
図２Ａ及び図２Ｂの実施形態の組立て工程は、以下の通りである。各々がほぼ全厚０．０２５から０．０５０ミルメートルの１つ又はそれ以上の銅メッキポリイミド被膜片を、最終的なアクチュエータパッケージ寸法よりもわずかに大きいサイズに切る。導電リード線及び任意の所望のランド及びアクセス端子と共に圧電要素と接触するための所望の形状の電極を形成するために、被膜の銅側をマスキングしてパターン化する。圧電要素の中央部と両側に接触するように配置された３つのフォーク歯を有する熊手電極パターンが示されているが、他の実施形態では、Ｈ形状及び櫛形状が使用される。パターン化は、回路基板又は半導体処理技術から公知のように、マスキング、エッチング、及びその後の洗浄によって行うことができる。マスキングは、フォトレジストパターン化、スクリーニング、テープマスキング、又は他の適切な処理によって行われる。従来的なプリント回路基板のように、これらの電極化されたポリイミド被膜片の各々は、回路要素及びアクチュエータシートの位置を定め、以下では単に「撓み回路」と呼ばれる。しかし、本発明の方法及び装置では、「撓み回路」ではなく、むしろ電極化された圧電要素、絶縁体、及び電気接点の使用も想定されている。
【００４０】
次に、電極箔層とほぼ同じ厚みか又はそれよりもわずかに厚い硬化前のシートエポキシ樹脂材料は、組み立てた時に電気的接触を向上させることができるように任意選択的に電極パターンに適合する貫通孔を有して切断され、撓み回路に接着して電極化された部分間及びその周りに平坦化層を形成するように、各々の撓み回路を覆うように置かれる。次に、裏当てを撓み回路に接着したエポキシ樹脂層から取り除き、予め切断したスペーサ１２０を撓み回路の隅及び縁部の所定の位置に置く。スペーサは、電極の平面の上方に延びるフレームの輪郭を描き、圧電要素がその後の組み立て段階で取り付けられる１つ又はそれ以上の窪みを構成する。次に、１つ又は複数の圧電要素が、スペーサによって形成された窪みに置かれ、独自の平坦化／結合層１１４を有する第２の電極化被膜１１１及び１１２が、圧電要素の頂部の電極接点を形成する位置に圧電要素を覆うように置かれる。一部の曲げアクチュエータ構成に対して当てはまるように、装置が幾つかの圧電要素の層を有することになる場合は、両側でメッキ及びパターン化されたポリイミド被膜が、中間シートよりも上方及び下方の両方のアクチュエータ要素に接触する中間電極層を形成する時に使用することができることを念頭に入れて、更に別の各電極化被膜及び圧電プレートに対してこれらの組立て段階が繰り返される。
【００４１】
全ての要素が所定の位置に置かれた状態で、パターン化撓み回路、圧電シート、スペーサ、及び硬化可能なパターン化エポキシ樹脂層から成るサンドイッチ状アセンブリの完成品をプレス内で加熱されたプラテンの間に置き、アセンブリを固くして固い亀裂なしアクチュエータカードにするために、温度及び圧力を上げながら硬化する。代表的な実施形態においては、３５０°Ｆ及び５０〜１００ｐｓｉの圧力での３０分の硬化サイクルが用いられる。エポキシ樹脂は、圧電要素のデポーリング温度を下回る硬化温度を有しながらも高度の剛性を達成するように選択される。
【００４２】
アクチュエータカードの性能特性
上述の構成では、圧電プレートが薄い被膜を通じてアクチュエータカードの表面に効率的に剪断歪みを伝達するように、単一の圧電プレートが２つの電極化された被膜の間にサンドイッチ状になっている簡単なアクチュエータカードが図示されている。剪断弾性係数を層厚みの二乗で割って与えられ、ガンマ（Γ）と呼ばれる伝達効率の尺度は、エポキシ樹脂１１４、圧延箔電極１１１、及びポリイミド被膜１１０の係数及び厚みによって異なる。エポキシ樹脂及び銅電極層が１．４ミル厚であり、エポキシ樹脂が０．５×１０6の弾性係数を有する代表的な実施形態においては、約９×１０10ポンド／インチ4のガンマが達成される。０．８ミル箔を有するより薄いエポキシ樹脂層及び被膜を使用すれば、実質的により高いΓが達成される。一般に、電極／エポキシ樹脂層のガンマは、５×１０10ポンド／インチ4よりも大きく、被膜のガンマは、２×１０10ポンド／インチ4よりも大きい。
【００４３】
１０ミル厚の「ＰＺＴ」アクチュエータプレートを使用すれば、２つの「ＰＺＴ」プレートが互いに積み重ねられた３つの撓み回路電極化被膜層を伴うカード（中間層は、両方の「ＰＺＴ」プレートに接触するように２重メッキされる）の全厚は２８ミルであり、「ＰＺＴ」プレートだけの４０％に過ぎないことに注意すべきである。質量負荷を用いると、アクチュエータ要素の重量は、このアセンブリの総重量の９０％である。一般的に、「ＰＺＴ」プレートは、他の構成においては、パッケージ厚みの５０％から７０％を占め、質量の７０％から９０％を成す。すなわち、アクチュエータ自体で近理論性能モデル化が可能である。この構成によって、曲げ装置（上記で説明したような）、及び単一シートのスタック又はアレーの実施に対して高度の汎用性も同様に得られる。
【００４４】
本発明に従って構成されたアクチュエータの別の有益な性能指数は、自由圧電要素歪みΛに対するアクチュエータ歪みεの高い比率であり、本明細書で説明されている２層式の実施形態については、約（０．８）であり、一般に、（０．５）よりも大きい。同様に、パッケージの自由要素曲率Ｋに対する比率は、説明した構成については、約０．８５〜０．９０であり、一般に０．７よりも大きい。
すなわち、全体的には、撓み回路に埋設された圧電要素の製造に関与するパッケージングは、その重量及び電気機械的な作動特性を損なう割合が十分に５０％を下回って１０％までにも低くなり、同時に他の重要な点において硬度及び機械的作動範囲を大きく高める。例えば、ベース要素にシートパッケージ構造体を追加すれば、見掛け上はＫが小さくなるが、実用面では、撓みカード構成は、はるかに大きな全撓みを達成することができる圧電曲げ装置構成をもたらし、これは、大型プレート構造体を製造することができ、また、亀裂破損又は他の機械的破壊モードを生ずることなく、高い曲率を繰り返し作動させることができるからである。幾つかの図は、このような高度な物理的特性が与えられる様々な構成を示している。
【００４５】
アクチュエータカードに対する代替回路要素
第１に、撓み回路間に埋設された電気活性要素の構造によって、予測可能な応答特性を有する低質量統合機械的構造体が得られるばかりでなく、回路要素をアクチュエータカード内又はその上に組み込むことができる。図２Ｃは、この形式の１つの装置７０の平面図を示すが、領域７１及び７３は、各々、幅の広い電気活性シートを含み、一方、中央領域７２は、バッテリ７５、平面電力増幅部又は一組の増幅器７７、マイクロプロセッサ７９、及び、複数の歪み計７８の組を含む回路又は電力要素を含む。他の回路要素８２ａ及び８２ｂは、周辺部回りに回路導体８１の経路に沿って他の場所に配置することができる。他の実施形態の場合と同様に、スペーサ１２０は、レイアウトを構成して装置の縁部を密封し、一方、電極１１１によって電気活性要素が処理又は制御回路に取り付けられ、処理又は制御回路がここで組み込まれる。回路要素８２ａ及び８２ｂは、装置が受動減衰制御を実施するためのセンサ又は分路抵抗器として作動される場合、重み付けレジスタを備えることができる。代替的に、それらは、コンデンサや増幅器などのような濾過要素、増幅要素、インピーダンス適合要素、又は記憶要素とすることができる。また、いずれの場合においても、これらの要素は、電気活性プレート８４から離れた位置に設置される。これらの構成要素は、共同で歪みを感知し、感知された状態に応じて様々な起動パターンを実装するか、又は、他の感知又は制御タスクを実行することができる。
【００４６】
好ましいアクチュエータパッケージ
ここで、本発明のアクチュエータの態様に戻ると、図３は、約１．２５×  ９．００×０．０３０インチの寸法を有し、各々が４つのプレートから成る２つの圧電プレート層を有して組み立てられたアクチュエータパッケージ２００の平面図を示す。端部タブ２１０ａを有する矩形のポリイミドシート２１０は、互いに、また、タブまでに至る単独のランナー２１１ａと相互接続されたＨ形の薄い銅線の格子の形で電極２２１を担持し、すなわち、圧電プレートを保持する４つの矩形領域の各々との直接的な低インピーダンス接続をもたらす。
【００４７】
Ｈ形のスペーサ要素２２０ａ及び２２０ｂ、又はＬ形２２０ｃは、隅部を区画して圧電プレート２１６の位置の矩形空間を描く。この実施形態において、以下で更に論じる複数の隙間２３０が、隣接するＨ又はＬスペーサの間に現われている。以下の説明から明らかになるように、これらの小さな個別のスペーサ要素の使用（Ｉ、Ｔ、又はＯ形のスペーサも便利である）は、組立て位置を区画して圧電要素のために受け取り用窪みを形成するように組立て中に容易に粘着性の接着エポキシ樹脂層１１４上に置くことができるために促進される。しかし、スペーサ構造は、個別の要素のそのような集まりに限定されず、回路構成要素の起動を保持するための全て又は１つ又はそれ以上の配向用及び／又は密封用縁部又は窪みをもたらすために、打ち抜きシート又は成型フレームとして形成される単一又はいくつかのフレーム片であってもよい。
図５は、３つのシート、電極、及び圧電プレート層の各々の平面図を別々に示し、図５Ａは、被膜、導体、及びスペーサ／圧電層の全体的な積層化シーケンスを示す。図示するように、スペーサ２２０及び圧電プレート２１６は、電極層の各対の間の単一層を構成する。
【００４８】
アクチュエータ層構造
図４Ａ及び図４Ｂ（縮尺通りではない）は、図３で「Ａ」及び「Ｂ」によって示す位置での垂直な断面に沿って組み立てられたアクチュエータの層構造を示す。図４Ａでより明確に示すように、エポキシ樹脂シート２１４のパターン化された接着層は、各々の電極層と同一平面上にあり、電極間の空間を埋め、一方、スペーサ２２０ｃは、圧電プレート２１６と同一平面上にあり、エポキシ樹脂シートと実質的に同じ厚みか又はわずかに厚い。図では、圧電プレート２１６は、「ＰＺＴ−５Ａ」セラミックプレートであり、厚み５ミルから２０ミルまでで市販されており、電極２１１に接触するための各々の面を覆う連続した導電層２１６ａを有する。スペーサ２２０は、軟化温度が約２５０℃の多少圧縮可能なプラスチックで形成される。これによって、スペーサ材が組立て工程中にわずかな空隙２１４ａ（図４Ａ）を埋めるような硬化温度でのかなりの程度の馴染み性が可能になる。図４Ｂに示すように、スペーサ間の隙間２３０（設けられている時）は、結果的に、余分なエポキシ樹脂に通気して硬化工程中にエポキシ樹脂で埋まる開口部になる。その図で示すように、ある量のエポキシ樹脂も流れ出て電極２１１と圧電プレート２１６との間の被膜２１５のパッチ部の中に入る。電極２１１の延びが大きくまた連続しているために、エポキシ樹脂のこのパッチからの漏れは、圧電要素との電気接点を損なわず、それによって得られる更に別の構造的接続部は、電極の層間剥離を防止するのを助ける。
【００４９】
図示する電極の配置を用いて、各々の垂直方向に積み重ねられた圧電プレートの対は、曲げを誘発するために互いに反対に起動させることができるか、又は、異なる対の圧電プレートを異なった方法で起動させることができるようにより多くの別々の電極を設置することができることが理解されるであろう。一般に、先に注記したように、本発明は、感知要素、制御要素、及び、電力要素又は減衰要素が全て同じカード上に取り付けられた、異なる方法で起動される多くの別個の要素を伴うかなり複雑なシステムさえも想定している。この点において、カードを実際的なタスクに適合させる際の大きな柔軟性が、更にカードの撓み性によって得られる。一般に、カードは、損傷なく曲げたり、当てたり、又は振動を与えたりすることができるように、３０ミル厚のエポキシ樹脂ストリップの撓み性に匹敵する十分な撓み性を有する。それはまた、取付面又は隅部に馴染むように、圧電要素が封入されていない中心線ＣＬ（図３）の領域では、鋭く折り曲げたり又は湾曲させることができる。これらの要素は、平面内又は平面を横切って寸法を変えるために極性化することができ、アクチュエータは、従って、上述の制御アクションのいずれかを行うか、又は、特定の波形、又は、撓み、剪断、又は圧縮波形などの特定種類の音響エネルギを隣接面に発するのに効果的な方法で、歪みを隣接面に伝達するように取り付けることができる。
【００５０】
櫛形電極を有するアクチュエータ
図６は、別のアクチュエータ実施形態３３０を示す。概略的に図示されたこの実施形態において、エポキシ樹脂接着層、被膜、及びスペーサ要素は図示されておらず、作動機構を伝えるための電極及び圧電シートのみが図示されている。第１の組の電極３４０及び第２の組３４２は、共に同じ層に設置され、各々が櫛の形状を有し、２つの櫛は、起動電場が一方の櫛の歯と他方の櫛の歯との間に確立されるように互いに絡み合っている。図６において、櫛３４０ａ及び３４２ａの並列の組が圧電シートの反対側に設置され、等電位ライン「ｅ」が圧電シートを通して延び、かつ、異なる櫛の歯の各対の間に平面内電位勾配がある電場を確立するために、櫛電極３４０は３４０ａに結ばれ、櫛電極３４２は３４２ａに結ばれている。図示する実施形態において、圧電セラミックプレートは金属化されておらず、従って、直接的な電気的接触は、各々の櫛と圧電セラミックプレートとの間で行われる。これらのプレートは、最初に高電圧を櫛に亘って印加して、平面内方向に沿って向けられた２０００ボルト／インチを上回る電界強度を作ることにより平面内で極性化される。これは、２つの櫛電極に亘って電位差をその後に適用すると結果的に平面内（剪断）作動をもたらすように圧電構造を誘導する。すなわち、絡み合う電極の直接的な接触によって、圧電要素に対して起動方向にほぼ平行な電場が与えられる。
【００５１】
アクチュエータの使用
剪断起動に加え、方向性起動、及び減衰を本発明の方法又は装置を使用して行うことができる。例えば、図７に示すように、２つのこのようなアクチュエータ３００を交差させて捩れ起動をもたらすことができる。上述の各種の実施形態を論じた際に、電極／ポリイミド層を介した歪みエネルギのいずれかの隣接する構造体への直接的な伝達は、明確な新しい利点であると特定した。このような作動は、起動タスクに有益であるか、又は、エアフォイル形状制御起動、及び、ノイズ又は振動相殺又は制御として多種多様であろう。図８Ａ及び図８Ｂは、平坦な面又はわずかに曲率のある面、及びシャフトにそれぞれ適用されるアクチュエータの平坦（図８Ａ）及び半円筒（図８Ｂ）実施形態６０の一般的な設置を示す。
【００５２】
しかし、これらのアクチュエータの電気機械材料は、歪みエネルギ変換によって作動するが、本発明の用途は、アクチュエータ表面を介した歪み結合を超えるものであり、全体としてアクチュエータによって加えられる運動、トルク、又は力が利用される数多くの機械的な構成を含む。これらの実施形態の各々において、基本的なストリップ形状又はシェル形状密封アクチュエータは、長さ方向で１つ又はそれ以上の点でピン止め又は結合された堅牢なバネ式機械的要素として使用される。図９Ａから図９Ｑまでに示すように、電気的に起動された時には、ストリップは、単独又は他の要素と共に、自己移動式レバー、フラップ、板ばね、スタック、又はベローとして機能する。図９（ａ）から図９（ｑ）の図において、要素Ａ、Ａ’、Ａ’’、．．．は、上記の図で示すようなストリップ又はシートアクチュエータであり、一方、小さな三角形は、例えば、剛性取付点又は構造体との接続点に相当する固定又はピン止め位置を示す。矢印は、動き又は作動の方向、又はこのような作動の接触点を示し、一方、Ｌは、アクチュエータに取り付けられたレバーを示し、Ｓは、スタック要素又はアクチュエータを示す。
【００５３】
スタック、曲げ装置、ピン止め曲げ装置としての図９（ａ）から図９（ｃ）までの構成は、多くの従来のアクチュエータに取って代わるものである。例えば、片持ち梁は、ペンプロッタの高度に線形の大きな変位位置決め機構を構成するために、高度に制御された単軸変位をもたらす針を担持することができる。特に興味深い機械的特性及び作動特性が、多重要素構成９（ｄ）及びそれ以降の図から期待され、これらの構成は、シート延長を有しかつ機械的に堅牢であるアクチュエータを十分に利用している。すなわち、図９（ｄ）及び図９（ｅ）に示すように、両側ピン止め式ベロー構成は、カメラのピント合わせなどの用途に関しては、単純な面接触運動により、拡張された正確な単軸Ｚ移動位置決めに有益であろうし、又は、流体に対抗する面全体の動きを利用すれば蠕動ポンプを実施する上で有益であろう。図３と関連して注記したように、撓み回路は、高度にコンプライアントであり、従って、単に図３の中心線などの位置に沿って折ることによってヒンジ付き又は折り込み式縁部を実装することができ、少数の大型多重要素アクチュエータユニットで密封式ベローアセンブリを作ることができる。撓み回路構成によって、折り込み線を要素の各隣接する対の間に施してストリップ又はチェッカー盤状のアクチュエータ要素を配置することができ、折り込み線は、硬化段階中に形状に合わせた（例えば、ワッフル・アイロン）プレスプラテンを使用すれば薄い外形を持たせて刻印することができる。このような構成であれば、継ぎ目無しベロー全体又は他の折り込み式アクチュエータを、単純な撓み回路アセンブリで製造することができる。
【００５４】
先に注記したように、圧電要素には、固いセラミック要素は必要ではなく、撓み回路をセンサとしてのみ使用する場合には、セラミック要素又はＰＶＤＦなどの軟質材料のいずれかを使用することができる。ポリマーの場合、要素を結合するのに、硬質の硬化可能エポキシ樹脂接着層ではなく、より薄くより曲げやすい低温接着剤が使用される。本発明のいくつかの実施形態を以下に例示的に説明する。
【００５５】
動的シミュレーションモデル及び振動の制御
本出願人は、広帯域振動外乱を低減するために、誘導歪みアクチュエータをリソグラフィステージの弾性部分に適用する効果をモデル化するための技術を開発した。「ＰＩＤ」コントローラを使用してステージの垂直方向のサーボ位置決めを達成し、一方、「線形二次ガウス分布（ＬＱＧ）コントローラを使用して弾性振動減衰を実行する。
本出願人はまた、従来技術の「有限要素（ＦＥ）モデル」から出発した数値的管理可能モードベースの状態／空間モデルを開発した。このようなモデルは、一般的に幾万もの自由度を有する。これを達成するために、局所的アクチュエータ効果をシミュレーションするのに架空質量の使用を含む幾つかのモデル縮小技術を使用した。
ステージの一例を図１に示す。レチクル７００は、レチクルステージ７０２上に位置決めされる。レチクルステージ７０２は、３つの「ＰＺＴ」サーボスタック７０４Ａ、７０４Ｂ、及び７０４Ｃを用いて垂直（ｚ方向）に素早く位置決めされる。レチクルステージ７０４は、中心を通ってレール（図示せず）上にＹ方向に乗るエアベアリング７０６により移動可能に支持される。
【００５６】
モデル縮小
この節では、シミュレーションしたリソグラフィステージの動的解析に使用され、制御システムの効率的シミュレーション及び増強を図る状態／空間モデルをもたらすモデル化縮小技術について説明する。従来技術において、このシステムは、６０，０００要素の「ＦＥ」モデルを使用してモデル化された。このモデルは、一般的なモデル化作業のために広範囲なコンピュータ能力及び長期間を必要とする。
多くのこのような「ＦＥ」コードは、直接非定常応答解析又はモード非定常解析によって、所定の時間領域励起に対する構造的応答を解くために利用可能である。直接的な手順により、数値積分によって以下の方程式を解く。
【００５７】
【数１】
2004532517.tif 000003
【００５８】
これは、多数の自由度があると非常に非効率的である。代替的に、幾つかのユーザ選択低周波数振動モードを考慮に入れ、モード手順を使用して以下の方程式を解くことができる。
【００５９】
【数２】
2004532517.tif 000004
【００６０】
モード解析において含められるモードの数及び種類は、精度と計算効率との間の妥協点のために問題の性質によって異なる。大型の構造モデルの場合、適当に考慮されるモード数は、実寸「ＦＥ」モデルの桁数よりもマグニチュードが数オーダーほど小さい。すなわち、大半の構造的な動的解析は、モード的手法に基づく。しかし、考慮するモードの数及び種類に注意しなければならない。励起力を規定する時（構造的応答の関数ではなく）、通常は、直接周波数応答とモードのそれとの間の差異は無視できる。ただし、モードが励起周波数範囲内の全ての自然な振動モードを含むことを条件する。すなわち、周波数応答解析に直接的手法を使用することは利点がない。しかし、制御強化構造におけるように力が応答によって影響される場合、非定常解析の場合と同様に、モード解析のモードを選択する際には注意しなければならない。
本出願人は、架空質量を使用する高度なモード方法を開発したので、相補的静荷重を使用してモデルの精度及び／又は効率を向上させることができる。後で論じるように、本出願人は、架空質量（ＦＭ）手法は、「ＰＺＴ」アクチュエータの取り扱いに適し、また、標準的な「ＦＥ」コードを使用して便利に適用することができることを証明した。
【００６１】
状態／空間運動方程式の導出
本出願に対して、本出願人は、近代的な合成ツールを使用して制御システム及び応答シミュレーションの統合を容易にするために、状態／空間運動方程式を導出し、モード運動方程式（２）は、一次状態／空間標準形に変形される。
【００６２】
【数３】
2004532517.tif 000005
【００６３】
ただし、以下が成り立つ。
【００６４】
【数４】
2004532517.tif 000006
【００６５】
ただし、｛Ｆe｝は、力の非ゼロ成分のベクトルであり、[φe]は、[φ]の関連行を含む。
動的システムの出力は、以下の形で表すことができる。
｛ｙ｝＝[Ｃ]｛ｘ｝＋[Ｄ]｛ｕi｝    （５）
ただし、個々の変位、速度、及び加速度出力は、以下を用いてこの形に代入される。
[Ｃd]＝[φd  ０]、[Ｄd]＝０、[Ｃv]＝[０  φv]、[Ｄv]＝０、
[Ｃa]＝−[φd][Ｍ]-1[Ｋs  Ｂs]、
[Ｄa]＝−[φd][Ｍ]-1[φf]        （６）
ただし、[φd]、[φv]、及び[φa]は、関連出力でのモード変位のマトリックスである。
方程式（３）及び（５）によって表される状態／空間方程式の標準的な組は、時間領域及び周波数領域解析、及び、強化制御システムの解析及び合成のための「Ｍａｔｌａｂ」などのユーティリティコードによって使用することができる。
【００６６】
架空質量の使用
モード手法の欠点は、外部励起点近傍の重要な構造情報が低周波数モード情報に含まれない可能性があるということである。この問題は、「ＰＺＴ」アクチュエータが使用された時に大きくなるであろう。このようなアクチュエータを使用した適当な力学及び制御解析では、周囲構造体の高精度な表現が必要とされる。この問題を克服するために、作動点における単位力による構造的変形の静的モードをモードベースに追加することができる。（Ｍ・カーペル及びＭ・ニューマン共著「副構造体結合方法及び架空結合質量を使用した振動モードの加速収束」、イスラエル技術ジャーナル、１３巻、１９７５年、５５ページから６２ページ、及び、Ｍ・カーペル及びＤ・ラベー共著「構造力学における架空質量要素」、ＡＩＡＡジャーナル、３４巻、第３号、１９９６年、６０７ページから６１３ページを参照することができる。）しかし、Ｚステージ「ＰＺＴ」・スタック−アクチュエータのような、アクチュエータが静的に決められた接続経路にある時には、この解は適当でないかもしれない。
【００６７】
架空質量（ＦＭ）モード結合方法は、選択されたグリッド点回りの局所的変形を含む道を開いた。この方法では、標準的な直交モード解析手順によって発生された低周波数モードの組が使用される。モードを計算する時に選択される点において、比較的大きな架空質量がモデルに追加される。これらの質量の質量効果は、その後のモデルが作成される時に「除かれる」が、本質的な局所的変形はモード情報に保持される。
【００６８】
有限要素モデルに追加された架空質量マトリックス[ＭF]を用いると、対角線マトリックス[ΩF]＝[ωr2]における得られる固有値、及び関連する固有ベクトル[φF]は、以下の式を満足する。
[Ｋ][φF]＝[Ｍ＋ＭF][φF][ΩF]        （７）
ここで、本来の運動方程式（１）に戻って、変位ベクトルが架空質量で計算された一組の直交モードの線形組み合わせであると仮定すると、以下が成り立つ。
｛ｕ｝＝［φF］｛ξF｝        （８）
（１）への方程式（８）の代入、[φF]Tによる予めの掛け算、及び、減衰及び外部力の項の除去によって、以下の自由非減衰モード運動方程式が得られる。
【００６９】
【数５】
2004532517.tif 000007
【００７０】
ただし、[Ｍf]及び[Ｋf]は、以下のように方程式（７）に関連した一般化された質量及び剛性マトリックスである。
[Ｍf]＝[φF]T[Ｍ＋ＭF][φF]、[Ｋf]＝[φF]T[Ｋ][φF]        （１０）
方程式（９）は、固有値及び固有ベクトルが以下の式を満足する固有値問題を形成する。
【００７１】
【数６】
2004532517.tif 000008
【００７２】
2004532517.tif 000009
【００７３】
の対角線の要素は、「除かれた」固有値、すなわち、架空質量の効果を除去することによってＦＭモードから得られる固有値である。一般的な応用において、大半の固有値（最大のものを除く）は、実際には、本来のシステム（[Ω]）について直接的に計算されたものと全く同じである。残りの固有値は、自然の固有値ではないが、架空質量点近傍の局所的応答が関連する時にはモデルに含めるべきである。
【００７４】
2004532517.tif 000010
【００７５】
に付随する除かれたモードは、以下の式によって計算することができる。
【００７６】
【数７】
2004532517.tif 000011
【００７７】
ここで、[ψ]は以下のように正規化されている。
【００７８】
【数８】
2004532517.tif 000012
【００７９】
次に、方程式（３）〜（６）の形の状態／空間モデルは、以下を用いて作成することができる。
【００８０】
【数９】
2004532517.tif 000013
【００８１】
弾性歪みアクチュエータ
弾性振動減衰をもたらすために、リソグラフィステージの２つの支持アーム上の弾性歪みアクチュエータがモデル化された。これらのアクチュエータ位置を図２８Ａに示す。
このモデルにおいて、弾性アクチュエータの剛性値は、取り付けているセラミックアームと比較すると小さいと仮定された。直交モード解析におけるこれらのアクチュエータの端点への架空質量の追加は、得られる状態／空間モデルの入力／出力パラメータへのアクチュエータ力及び変形の正確な包含を容易にする。それはまた、「ＦＥ」解析に戻ることなく歪みアクチュエータ剛性効果の追加を可能にする。２つの状態／空間モデルを発生させ、一方は、架空質量なしの「ＦＥ」直交モード解析に基づき、他方は、１４個の架空質量を伴う「ＦＥ」解析に基づくものである。サーボアクチュエータ点では、Ｚ方向に各３０キログラムの６つの架空質量を追加した。歪みアクチュエータ端点では、Ｘ方向に各１００キログラムの４つの架空質量を追加した。歪みアクチュエータ端点ではまた、θy方向に各３０キログラム・平方メートルの４つの架空慣性モーメントを追加した。以下で明らかにするように、架空質量は、歪みアクチュエータ変形の正確な説明には不可欠である。
【００８２】
サーボアクチュエータ指令に対する応答
この節に示す段階的応答は、図２７のサーボアクチュエータの１つにおけるＺ方向の４ミクロンの変形指令によるものであり、架空質量の主たる目的を明らかにするために、このアクチュエータにおける４ミクロン指令に対する右側アクチュエータの応答を図２９Ａ及び図２９Ｂに示す（それぞれ、架空質量なし及び架空質量ありの場合）。架空質量なしの段階的応答は、−３．７４ミクロンに収束するが、架空質量ありの応答は、正に当然のごとく−４ミクロンに収束する。同じく関連があるのは、図３０Ａ及び図３０Ｂに示すステージの周波数応答である。
【００８３】
制御アーキテクチャ
本出願人は、コントローラを設計して閉ループ性能をシミュレーションする技術を開発した。リソグラフィ・ツールの性能要件は、垂直（Ｚ−運動）軌道を追跡する間にステージのピッチ及びロール成分が固定されることを必要とする。本発明の解析については、Ｚ方向の位置決めに対する１自由度アクチュエータとして一斉に３つのサーボアクチュエータに指令することを選択している。このようにすると、Ｚ−テーブル構造の弾性振動を低減するアクチュエータの能力が小さくなることから、Ｚ−テーブルサポートアーム上に位置する弾性アクチュエータは、振動を抑制するために使用された。明らかに、これが唯一の可能なアーキテクチャではない。例えば、３つのサーボアクチュエータは、与えられた指令に合わせて、Ｚ、ピッチ、及びロール運動を同時に制御するのに独立して使用ことができるであろう。しかし、第１の解決法として、分離された追跡及び振動減衰のアーキテクチャに固執した。このアーキテクチャは、レチクルステージのＹ加速度及びガイドを通じて入ってくるＹ方向のノイズによって励起されたＺ・テーブル（Ｙ及びヨー）の水平方向振動に対して、サーボアクチュエータが制御権限を有していないことから魅力的である。従って、制御上の問題が、Ｚ方向の位置決め及び６自由度の弾性制御に対して最適な観測可能性及び制御可能性を可能にするために提起された。
【００８４】
設計では２つの制御ループがある。すなわち、Ｚサーボ位置決めループ及び振動制御ループである。いずれも図３１で分かる。「ＰＩＤ」コントローラは、サーボ位置決めループ用に使用されている。単一入力単一出力（ＳＩＳＯ）ループは、ステージの垂直方向の位置を与える出力回りで閉状態である。入力指令は、この出力から控除され、その結果、位置エラー信号が出される。次に、この信号は、「ＰＩＤ」コントローラにフィードバックされて、その出力が３つの位置決めアクチュエータの全てに同時に供給される。振動制御に使用される制御設計技術は、多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）であり、出力重み付き線形二次ガウス分布（ＬＱＧ）である。この技術を選択したのは、特に、空気伝播ノイズなどの広帯域確率論的外乱が存在する場合に、動的システムの応答を減衰するのに効果的であるからである。現実の世界の作動をシミュレーションするために、指令（１０ミクロンステップ又は３０ミクロン成形入力）がサーボループに導入され、帯域限定ホワイトノイズがガイド加速入力に導入される。更に、露出するためのステージ加速をシミュレーションするために、有限時間パルスがＹ方向ガイド加速に導入される。
【００８５】
モデルの結果
図３２は、ステップ入力に対する２つの応答を示し、一方の応答は、サーボ制御のみが活性であり、他方の応答は、サーボ及び弾性の両方の制御が活性である。図３３は、サーボ制御のみを伴う成形入力に対する応答を示し、図３４は、サーボ及び弾性の両方の制御を伴う成形制御に対する応答を示す。後者の２つの図はまた、追跡エラー（指令と応答の差異）を示す。
大規模有限要素モデルからの重要システム力学の低次オーダー状態／空間表現の導出に対するオーダー低減技術の使用は、問題なくシミュレーションされたリソグラフィステージに適用された。６０，０００以上の要素を有する「ＦＥ」モデルは、３６状態の状態／空間モデルに下げられた。両方のモデルの動的応答を比較して、低減オーダー状態／空間モデルの有効性を証明した。
【００８６】
集束サーボの分りやすい「ＰＩＤ」設計は、サーボ制御帯域におけるモードの減衰が僅かであるために難しいことが証明された。更に、Ｚ・テーブルは、Ｙ方向でかなりの柔軟性を示し、初期加速後の露出を始めることができる前に容認できないほど長い整定時間を必要とする可能性がある。垂直方向（曲げ、捩れ）及び水平方向（Ｙ軸）の両方での振動を減衰するように一組の弾性アクチュエータが設計された。これらのアクチュエータは、「ＦＥ」モデルにおいてシミュレーションされ、入力の部分集合を形成して状態／空間モデルにされた。
【００８７】
一組の特徴的な外乱入力を発生させ、簡単なＺサーボ位置決めループを設計して実施した。振動制御ループに対して、完全に結合された「ＭＩＭＯ」線形二次ガウス分布補償器を設計した。この補償器は、ステージ構造体において垂直方向及び水平方向の両方の面の振動を低減するのに非常に効果的であることが判明した。シミュレーションにより、得られる能動的に減衰されたステージ構造体は、非最適サーボ制御アーキテクチャでさえもサーボ位置決め要件を満足することが判明した。
【実施例１】
【００８８】
ピック・アンド・プレイス機械の振動制御
この実施例では、ガントリー能動制御システムの機能上の要件の特定パラメータを判断するように振動制御システムを設計した。定義された機能上の要件には、以下のものが含まれる（しかし、以下に限定されるものではない）。
・精度
・整定時間
・アクチュエータ及びセンサの質量、サイズ、及び位置
・電力
・ピーク歪み
・寿命
・温度範囲
・湿度及び溶剤への露出
・コスト
・既存ガントリー制御システムとのインタフェース
【００８９】
自動コレクトのガントリーの構造的応答に関するデータを収集して作動中に機械を配置するために、ガントリーには、圧電歪みセンサ及び加速度計を装備した。圧電アクチュエータの配置及び寸法決定には、正確な歪みモード形状情報が必要であり、この情報は、このデータから取得され、ガントリーの「有限要素モデル（ＦＥＭ）」と比較された。本プロジェクトのこの段階で取得した１つの重要な情報は、力学に対する異なるヘッド位置の影響であった。アクチュエータをどう設計するか、及び任意の制御ソフトウェアをどう設計するかは、いずれも、いつ振動制御が適用されたか、すなわち、ヘッドがガントリーに沿って移動している間、及び／又は、ヘッドがガントリー上の任意の位置に停止した後かに依存した。
【００９０】
データは、電気活性振動制御システムによる摩擦ブロックの完全な置換の可能性の少なくとも解析的評価ができるように、摩擦ブロックが所定の位置にある状態及びない状態で取得した。
上記で取得したデータを使用して、有限要素モデル化情報と共に、システムレベルの設計を行った。この設計では、アクチュエータ配置、センサの種類、及び制御アルゴリズムを含むシステムアーキテクチャを選択した。先に論じたように、ガントリー力学にかなりの影響を及ぼす移動ヘッドに関しては、軌道情報を運動制御システムにおいて利用可能にすることにより、電気活性振動制御システムの効果を向上させた。この情報は、単純なクリップヘッドが運動コントローラの回路内の適切な位置に取り付けられた状態で運動制御システムに中継することができる。例えば、容易にアクセス可能なことが多いモータ電流のプロットなどの情報を振動制御システムに供給することができる。
【００９１】
システムアーキテクチャを選択した後、振動制御のための制御アルゴリズムを設計するために、また、その性能をシミュレーションするために、システムの解析的「入力／出力」モデルを開発した。その要件に確実に従うようにシステム設計を機能上の要件と比較した。この解析は、制御システムの様々な構成要素、特に、アナログセンサ信号調整電子装置、制御ユニットに基づくデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、及び、必要な電圧及び電流を電気活性アクチュエータに供給するのに使用される電力増幅器の仕様を定義する役目を果した。
その後、様々な電子構成要素を含め、電気活性振動制御システムの構成要素の各々を設計した。電気活性アクチュエータ自体は、本明細書で開示された方法を使用して製造した。各アクチュエータは、標準的な品質管理方法を使用して試験した。全ての電子装置が製造され、機能しているか、また、システム設計タスクで考案された仕様に従うか試験された。
【００９２】
設計の重要な一面には、アクチュエータ及びセンサとガントリーとの一体化が伴った。例えば、所定のガントリーについては、０．５ミリメートルのアクチュエータ厚みは、ガントリーに沿ったヘッドの運動を恐らく妨げないと判断することができる。次に、ガントリー上のアクチュエータ及びセンサを電子機器に接続するのに使用するケーブルの種類を決定した。
この特定の例においては、自動電子装置収集及び配置システムのガントリーは、アクチュエータ、センサ、及び電子装置を装備し、プレート要素を有する「ＦＥＭ」を使用して解析された。図１０のブロック図に示す基本概念には、振動低減を達成するために必要な電力、信号、及びデジタル制御に関する電子装置と共に、ガントリーに結合された電気活性歪みアクチュエータ及びセンサが含まれる。この研究の目的のために、ヘッドは、ガントリーの端部に固定されていると仮定した。アクチュエータの設置は、真空結合法を使用して行った。
【００９３】
その後、「開ループ」試験を行った。開ループ試験では、この研究で先に行われた解析用モデル化を実験的に確認するために、信号をアクチュエータに送り込んでガントリーの応答を測定した。この試験は、ガントリー及びヘッドを固定した状態、及び、幾つかの「標準的」軌道に沿って移動している状態で行った。ガントリー及びヘッドの運動から振動制御システムに伝える信号も、これらの試験中に測定した。電気活性アクチュエータは、第１の自然振動モードで、最大ひずみエネルギを有するガントリーの表面積の１０％にわたって分布させた。設計ソフトウェアを使用して、最初の３つの振動モードを励起した時のアクチュエータ分布の効果をモデル化した。全てのひずみエネルギの８０〜８４％がプレート要素内にあり、プレートのエネルギの６２〜７５％が伸張ひずみであり、従って、表面に結合された電気活性制御装置による捕捉に利用可能である。従って、モード内のひずみエネルギの少なくとも５２％は利用可能である。このエネルギの一部は、移動中のヘッドについてはフレーム／サポート内にある。図１３に示すように、所定量の電気活性要素について性能を最大化にするために、伸張ひずみエネルギを分類した。
減衰が、構造モデルに追加された。ハンマーで衝撃を与えた後、ヘッドにおける時間に対する加速度のプロットは、摩擦ブロックが所定の位置にある状態で、第１のモードの約４％の臨界減衰を示した。
【００９４】
標準的な「線形二次調整器（ＬＱＲ）」手法を用いて、フィードバック制御を考案し、これによって圧電起動制御電圧が確実にアクチュエータ装置限界値を超えないようになった。閉フィードバックループ内の起動電圧は、ガントリーの運動に付随する入力外乱力に比例する。ここで、ガントリーは、最大速度３メートル／秒に達するまで一定の２５メートル／平方秒でＹ方向（ガントリー軸線の横方向）に加速すると仮定した。１０キログラム質量に付随するダランベール慣性力が、ヘッドの重心に掛けられた。この質量には、５キログラムのヘッド質量、及び５キログラムの実効ガントリー質量が含まれていた。
【００９５】
振動制御システムの周波数及び時間領域応答をシミュレーションした後に、減衰及び整定時間が向上したか判断された。周波数応答のシミュレーションを図１１に示すが、周波数応答は、Ｙ方向にピック・アンド・プレイスヘッドの下側の点で測定したものである。入力単位力に対する動的応答の低減がこの図で明らかである。図１１及び表１に示すように、モード１閉ループ減衰は約１２％、モード２閉ループ減衰は約１１％、及び、モード３閉ループ減衰は約１０％であった。同じ点で同一方向の時間応答は、そのシミュレーションを図１２に示す。このシミュレーションで、電気活性制御による整定時間の低減が分かる。従って、非常に効果的な制御を、ごく僅かな追加質量で達成することができる。
【００９６】
【表１】
2004532517.tif 000014
【００９７】
「ＦＥＭ」からのガントリー／ヘッド構造力学特性を表１に示す。ここで設計された代表的なアクチュエータ分布は、０．５ミリメートル厚であり、面積が３３０平方センチメートル、質量が１００グラム未満であった。閉ループモード減衰は、これも表１に示すが、解析に含まれた３つの振動モードの全てについて、摩擦ブロックを有するガントリーに固有の仮定された５％値の少なくとも２倍であった。すなわち、振動振幅及び整定時間は、大幅に低減された。
【００９８】
図１４及び図１５に示すように、振動制御システムによって、周波数応答及び利得制御の変化が誘発された。この研究において、減衰は、マグニチュードが１桁以上大きくなった。この増加は、配置精度の１０倍の増加に相当する。
開ループ試験の後、データを解析して最終制御アルゴリズム設計を行った。必要であれば、確実に機能要件に従うようにアクチュエータ及びセンサハードウェアを改変することができる。その後、最終電気活性振動制御システムの「閉ループ」試験を行うことができる。閉ループ試験は、センサが発生させた信号によってアクチュエータが少なくとも部分的に駆動される時には一般的に行われる。
この研究で、ガントリーの効果的な能動電気活性振動制御が可能であることが実証された。
【実施例２】
【００９９】
リソグラフィ機械の振動制御
本発明による振動制御システムをリソグラフィ機械に使用した。図１６のレーザ計測システムによって記録されたエラー信号のパワースペクトル密度に示すように、振動制御システムを使用すると、帯域７５ヘルツから１２５ヘルツまでにおいてシステム応答の３倍の低減がもたらされた。振動制御システムを使用してピーク振動が低減されれば、従来の方法を使用して５０ヘルツ及び２２５ヘルツでピーク値を低減させた後には、システム画像の不鮮明さの２から３倍の低減が期待される。代替的に、場合によっては、振動制御システムを使用して５０ヘルツ又は２２５ヘルツで、又は、他のレベルでピーク値を低減することができるであろう。画像の不鮮明さを低減させると、製造システムでより細かいトレース寸法及び形態サイズを出すことができるので形態配置の精度が向上する。
【０１００】
本明細書で論じる本発明の更に別の態様は、リソグラフィ・ツールのウェーハステージを自由度６で能動的に安定させる（ウェーハステージの運動を制御する）ことに関係する。図２２は、ウェーハステージベース５０１及びウェーハステージ５００の例示的に簡素化された二次元物理モデルを示す。この概念は、三次元が当該次元である現実のシステムに容易に一般化が可能である。
ステージ及びベースの質量は、比較的類似しており、各重量は、約２００キログラムである。ウェーハステージベースは、約長さ１メートル×幅１メートル×厚み０．１５メートルである。ウェーハステージは、約長さ１．２５メートル×幅０．５メートル×厚み０．５メートルである。アクチュエータ（モータ）入力は、記号ｕiで表され、ｉは特定のボイスコイルモータを示す。線形圧電セラミックモータを含む代替アクチュエータも想定される。センサ出力は、ｙiで表され、ｉはボイスコイル入力部と一緒に置かれるレーザ変位測定部を示す。代替出力センサ（線形可変変位変換器（ＬＶＤＴ）、加速度計を含む）、及びセンサ位置（ほぼ同一配置、十分に同一配置）もこの例では想定される。システムに対する外乱（ｄiで表される）には、搭載（モータ、ファン、及び起動アームを含む）、及び非搭載（地盤振動、気流、熱変動を含む）外乱が含まれる。
【０１０１】
ウェーハステージ５００は、エアベアリングで構成された空気圧システム５０２によってウェーハステージベース上に支持されている。このエアベアリングは、ウェーハステージ５００がほぼ摩擦無しでウェーハステージベース５０１に対して移動することができるように設置されている。ウェーハステージベース５０１は、エアマウント５０３及び５０４から成る空気圧システムによって地盤上に支持されている。エアマウントの物理特性は、スプリング（ｋ１）及びダッシュポット（ｃ１）によって表される。エアベアリングの物理特性は、スプリング（ｋ２）及びダッシュポット（ｃ２）によって表される。空気圧システム５０３及び５０４は、ウェーハステージ５００及びウェーハステージベース５０１の重量を地面に対して相殺する。空気圧システム５０３及び５０４は、ウェーハステージベース５０１のプランジ及びチルトの低周波数（約数ヘルツ）制御を行う。ステージベース５０１の付加的な高周波数制御は、ボイスコイルモータｕ１及びｕ２によって行われる。マイクロプロセッサシステム５１０は、一般的に、出力を感知して、マイクロプロセッサシステム５１０によって実行された制御アルゴリズムの関数として入力を指令する（起動する）ために使用される。システム５１０は、リソグラフィシステム要件に基づいてウェーハステージベース５０１に対してウェーハステージ５００の移動又は位置決めを試行する。例えば、リソグラフィシステムは、ウェーハ上の画像の露出中に、ウェーハステージ５００の一定の走査運動を行うことを必要とする場合がある。代替的に、リソグラフィシステムは、ウェーハステージを代替位置に配置換えするためにウェーハステージ５００の急激な加速を指令する場合がある。ウェーハステージ５００は、速度、精度、及び／又は、整定時間の要件を満足するために、これらの運動を行うことが必要とされるであろう。整定時間とは、絶対位置のある程度の許容変動内で所定の位置を達成するために必要とされる時間をいう。非常に高い加速（最大２ｇまで）を伴うこれらの所定の運動によって、ベースに伝達されるかなりの反力が生まれる。更に、これらの運動によって、ステージベースシステムの複合重心が急激に位置を変える。現在、ベース安定化制御は、６つの独立した単一入力単一出力（ＳＩＳＯ）コントローラの実行を通じてマイクロプロセッサシステム５１０によって達成される。通常、「ＳＩＳＯ」コントローラは、特定の用途において各々の自由度を確保するために使用される。一般的な三次元システムであれば、各々の独立制御式システム構成要素又はステージについて自由度６を有することができるであろう。「ＳＩＳＯ」コントローラは、一般的に、ベースに対するステージの位置の変動を受けやすい。これは、個々のコントローラには更なる出力情報が与えられないからである。一実施形態において、本明細書で説明する発明では、ベースに対するステージの位置の変動がある場合でさえも「ＳＩＳＯ」制御の実施よりも良い性能を達成するために、多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）制御を使用する。「ＭＩＭＯ」制御の実行においては、制御は、１つよりも多いセンサ（出力）及びアクチュエータ（入力）の出力及び入力に関する知識があって達成される。更に、「ＭＩＭＯ」制御アーキテクチャは、近代的な制御技術の実行に対応するものあり、近代的な制御技術には、以下に限定されるものではないが、線形二次ガウス分布（ＬＱＧ）、Ｈ−無限大、及び、ミュー合成が含まれる。これらの技術は、交差軸力学の知識を前提としているので、「ＳＩＳＯ」アーキテクチャと効率的に組み合わせることはできない。
【０１０２】
図２３は、「ＳＩＳＯ」コントローラの一般的な性能（公称ロール運動指令によって示される）と比較すると、「ＭＩＭＯ」コントローラがロール運動に対する指令入力（ステージピッチ外乱）にいかに良好に追随することができるかを示す（ＡＣＸロール運動指令によって示す）。「ＭＩＭＯ」コントローラは、外乱を非常に緊密に追跡する。従って、「ＭＩＭＯ」コントローラは、外乱による力に非常に素早く応答してシステムから排除する。これによって、ステージの速度、精度、又は処理能力の何らかの組み合わせが改善される。
【０１０３】
リソグラフィシステムにおけるステージ制御用途の別の実施形態において、システムが指令された位置を正確に追跡するように整定時間を短くすることが必要である。図２４は、この実施形態を説明するブロック図を示す。この実施形態において、３つの加速時計６００、６０１、及び６０２がフィードバック制御用センサとして使用されている。加速時計６００及び６０１は、ｘ軸加速度を測定する加速時計を表す。加速時計６０２は、ｙ軸加速度を測定する単一の加速時計を表す。加速度にほぼ比例するこれらの測定値は、信号をバッファ記憶した後にステージの加速度にほぼ比例する信号を単一ボードコンピュータ６０７に送る信号調整器６０６に送られる。代表的な単一ボードコンピュータは、米国カリフォルニア州シミバレー所在のイノベイティブ・インテグレーション・インコーポレーテッドによって供給される型番ＳＢＣ６７である。このプロセッサは、アナログ入力及び出力能力を特徴とする高性能自立型デジタル信号プロセッサ単一ボードコンピュータである。電圧信号６１２ａ、ｂ、及びｃは、アナログ入力部に供給される。
【０１０４】
これらのアナログ入力は、次に、プロセッサがその後制御アルゴリズム又はフィルタを適用するデジタル信号に変換される。このアルゴリズムによって、一組のデジタル信号が作成され、次に、デジタル信号は、アナログ出力信号６１３ａ、ｂ、ｃ、及びｄに変換される。次に、これらの出力信号は、４つモータ６０８、６０９、６１０、及び６１１の各々に適用される。モータ６０８及び６０９は、ｘ軸のステージの位置を制御するｘ軸モータである。モータ６１０及び６１１は、ｙ軸のステージの位置を制御するｙ軸モータである。Ｘ軸干渉計６０３及びＹ軸干渉計６０４は、ステージのベース（ここでは簡素化のために図示せず）に対するステージのｘ及びｙ位置を測定するために使用される。
【０１０５】
フィルタ（フィードバック制御アルゴリズム）は、標準的な「線形二次調整器（ＬＱＲ）」手法を用いて設計し、確実にモータ制御信号がモータ又はモータ増幅器限界値を超えないようにすることができる。閉フィードバックループにおけるモータ制御信号は、ステージの加速度に関連する加速度計６００、６０１、及び６０２信号に比例する。制御設計は、最初に、米国マサチューセッツ州ケンブリッジ所在のアクティブ・コントロール・エキスパーツ・インコーポレーテッドから市販されている「スマートＩＤ（登録商標）」システム識別ソフトウェアパッケージを使用して、状態／空間プラントモデルを伝達関数データから作成することによって達成された。次に、コンピュータシミュレーションと、「Ｆａｎｓｏｎ」及び「コントロールハンドブック」（ウィリアム・Ｓ・レビン編集、ＣＲＣプレス、１９９６年）で論じられた技術の適用とを通じて、フィルタ（又は、コントローラ）が設計された。
【０１０６】
図２５及び図２６は、この実施形態において適用された「ＭＩＭＯ」制御の実験結果及び解析結果を示す。「ＭＩＭＯ」制御の結果は、多重「ＳＩＳＯ」ループを代わりに設置した結果と比較されている。図２６は、０．１５秒と０．３０秒の間で拡大した時の結果を示す。この図は、「ＭＩＭＯ」制御が約０．１９秒までに整定範囲（グラフのｙ軸上で約１００）内に整定し、一方、「ＳＩＳＯ」（既存のコントローラ）は、約０．２６秒でやっとこの性能を達成することを示す。これは、約３０％の整定時間の向上を示している。
本発明の実施形態の上述の説明は、本発明が適用される構成の範囲を明らかにするために示されている。当業者は、本明細書で説明した本発明の多くの変更及び変形を逸脱することなく為し得ることを認めるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１Ａ】一般的な従来技術によるアクチュエータのシステム図である。
【図１Ｂ】本発明による２つのシステムの対応図の一方である。
【図１Ｃ】本発明による２つのシステムの対応図の一方である。
【図２Ａ】本発明による基本的なアクチュエータ又はセンサカードの上面図である。
【図２Ｂ】本発明による基本的なアクチュエータ又はセンサカードの断面図である。
【図２Ｃ】回路要素を有するアクチュエータ又はセンサカードを示す図である。
【図３】別のカードを示す図である。
【図４Ａ】図３のカードを通る断面を示す図である。
【図４Ｂ】図３のカードを通る断面を示す図である。
【図５】図３のカードの層構造の詳細を示す図である。
【図５Ａ】図３のカードの層構造の詳細を示す図である。
【図６】面内起動用のアクチュエータパッケージ櫛電極を示す図である。
【図７】図６のカードを使用する捩れアクチュエータパッケージを示す図である。
【図８Ａ】表面に表面取付アクチュエータとして取り付けられたアクチュエータを示す図である。
【図８Ｂ】ロッドに表面取付アクチュエータとして取り付けられたアクチュエータを示す図である。
【図９】機械的要素として取り付けられたアクチュエータを示す図である。
【図１０】ガントリー用の電気活性振動制御システムの実施形態のブロック図である。
【図１１】電気活性振動制御を含む及び含まない場合のガントリーの先端における収集及び配置ヘッドに対するシミュレーションによる周波数応答を示す図である。
【図１２】電気活性制御を含む及び含まない場合の収集及び配置ヘッドのシミュレーションによる時間応答を示す図である。
【図１３】拡張歪みエネルギ集中度を示す図である。
【図１４】本発明による振動制御システムを有するピック・アンド・プレイス機械の周波数応答に関する閉ループ試験の結果を示す図である。
【図１５】本発明による振動制御システムを有するピック・アンド・プレイス機械の利得制御に関する閉ループ試験の結果を示す図である。
【図１６】リソグラフィ機械におけるレーザ計測システムによって記録されたエラー信号のパワースペクトル密度を示す図である。
【図１７】製造システムと共に使用される本発明の異なる実施形態の１つを示す図である。
【図１８】製造システムと共に使用される本発明の異なる実施形態の１つを示す図である。
【図１９】製造システムと共に使用される本発明の異なる実施形態の１つを示す図である。
【図２０】製造システムと共に使用される本発明の異なる実施形態の１つを示す図である。
【図２１】製造システムと共に使用される本発明の実施形態を示す図である。
【図２２】ウェーハステージ及びウェーハステージベースの簡素化された二次元物理モデルを示す図である。
【図２３】コントローラの結果を示す図である。
【図２４】ステージ制御のブロック図である。
【図２５】実験及び解析結果を示す図である。
【図２６】実験及び解析結果を示す図である。
【図２７】レチクルステージを示す図である。
【図２８Ａ】振動制御技術の特徴を示す図である。
【図２８Ｂ】振動制御技術の特徴を示す図である。
【図２８Ｃ】振動制御技術の特徴を示す図である。
【図２９Ａ】好ましいモデル化技術の結果を示す図である。
【図２９Ｂ】好ましいモデル化技術の結果を示す図である。
【図３０Ａ】応答曲線及び他の特徴を示す図である。
【図３０Ｂ】応答曲線及び他の特徴を示す図である。
【図３１】制御セットアップを示す図である。
【図３２】好ましいモデル化、運動制御、及び振動低減の技術の結果を比較する図である。
【図３３】好ましいモデル化、運動制御、及び振動低減の技術の結果を比較する図である。
【図３４】好ましいモデル化、運動制御、及び振動低減の技術の結果を比較する図である。
【符号の説明】
【０１０８】
４００  ウェーハステージ
４０２  レチクルステージ
４０４、４０４’、４０４’’、４０４’’’  レーザ干渉計
４０６  支持構造体
４０８、４０８’  アクチュエータ
４１０  レンズアセンブリ
ＰＩＤ  「ＰＩＤ」コントローラ
ＣＯＭＰ  弾性補償器
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図５】
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【図９Ｉ】
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【図９Ｊ】
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【図９Ｋ】
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【図９Ｌ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【国際公開パンフレット】
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2004532517.tif 000125
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004532517.tif 000127
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004532517.tif 000128
2004532517.tif 000129
【国際調査報告】
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