(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
除振台と、該除振台を支持および駆動する空気バネと、該空気バネの圧力調整をするサーボバルブと、前記除振台の変位を検出する変位センサと、該変位センサの出力に基づいて前記除振台が所定の位置で所定の姿勢を保つように前記サーボバルブの駆動信号を生成する除振台制御器とを備え、前記除振台の上に搭載されたステージと、該ステージの位置を検出する位置センサと、該位置センサの出力に基づいて前記ステージの位置を制御するステージ制御器とを有するステージ装置の前記ステージを除振支持する除振装置において、
予め決められた前記ステージの速度パターン情報を前記除振台制御器にフィードフォワード入力することを特徴とする除振装置。
【請求項２】
前記ステージ制御器にステージ位置指令値およびステージ移動開始指令を入力するシーケンス制御器からの情報に基づいて前記速度パターン情報を生成し前記除振台制御器にフィードフォワード入力するステージ目標速度生成手段を前記ステージ装置から独立して設けたことを特徴とする請求項１に記載の除振装置。
【請求項３】
前記ステージの動作方向に対してピッチング方向に前記除振台を回転させる値が前記サーボバルブの駆動信号に加えられるように、前記フィードフォワード入力を与えることを特徴とする請求項１または２に記載の除振装置。
【請求項４】
除振台と、該除振台を支持する空気バネと、該除振台を駆動するアクチュエータと、該除振台の変位を検出する変位センサと、該変位センサの出力に基づいて前記除振台が所定の姿勢を保つように前記アクチュエータの駆動信号を生成する除振台制御器とを備え、前記除振台の上に搭載されたステージと、該ステージの位置を検出する位置センサと、該位置センサの出力に基づいて前記ステージの位置をフィードバック制御するステージ制御器とを有するステージ装置の前記ステージを除振支持する除振装置において、
前記フィードバックループ外で予め決められた前記ステージを駆動するための目標値を前記除振台制御器にフィードフォワード入力することを特徴とする除振装置。
【請求項５】
前記ステージ制御器にステージ位置指令値およびステージ移動開始指令を入力するシーケンス制御器からの情報に基づいて前記目標値を生成し前記除振台制御器にフィードフォワード入力するステージ目標値生成手段を前記ステージ装置から独立して設けたことを特徴とする請求項４に記載の除振装置。
【請求項６】
前記ステージ目標値生成手段が、ステージ目標位置と、ステージ目標速度および／またはステージ目標加速度を生成することを特徴とする請求項４または５に記載の除振装置。
【請求項７】
前記ステージ目標位置から、ステージ移動時の重心位置の移動によって生じる除振台の傾きを予測して補正するように、前記アクチュエータを駆動することを特徴とする請求項６に記載の除振装置。
【請求項８】
前記ステージ目標速度および／またはステージ目標加速度を前記除振台制御器にフィードフォワードすることを特徴とする請求項６または７に記載の除振装置。
【請求項９】
前記アクチュエータがボイスコイルモータであることを特徴とする請求項８に記載の除振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＸＹステージ等の位置決め機器を搭載した精密機器、例えば半導体露光装置に使用される除振装置に係り、同装置上に搭載される機器の運動によって生じる揺れを効果的に抑圧可能な除振装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
除振台上に光学顕微鏡や露光用ＸＹステージ等が搭載された装置では、外部から伝達する振動を極力除去する必要がある。さらに、露光用ＸＹステージの場合にはステップアンドリピートあるいはステップアンドスキャンという間欠運転を駆動モードとして持ち、繰り返しのステップまたはスキャン振動を自身が発生し、これが除振台の揺れを発生させることにも注意せねばならない。この振動がおさまらない状態では露光をすることは不可能であり、除振台には、外部振動に対する除振と搭載された機器自身の運動に起因した強制振動に対する制振とをバランスよく実現することが求められる。
【０００３】
また、除振台は受動的除振台と能動的除振台に分類され、除振台上の搭載機器に対する高精度位置決め、高精度スキャン、高速移動等の要求に応えるため、最近は能動的除振装置を用いる傾向が強い。除振台を駆動するアクチュエータとしては、空気バネ、ボイスコイルモータ、圧電素子等がある。
【０００４】
以下、空気バネをアクチュエータとして用いた空気バネ式除振装置について説明する。
従来の空気バネ式除振装置の構成を図５に示す。図５において、１および８は空気バネ式支持脚、２は空気バネ３へ動作流体の空気を給気・排気するサーボバルブ、９は空気バネ１０へ動作流体の空気を給気・排気するサーボバルブ、４および１１はその計測点における除振台１５の鉛直方向変位を計測する除振台位置センサ、５および１２は予圧用機械バネ、６は空気バネ３と予圧用機械バネ５の粘性を表現する粘性要素、１３は空気バネ１０と予圧用機械バネ１２の粘性を表現する粘性要素、７および１４は加速度センサ、１６は除振台１５上で水平方向に動作するステージ、１７はステージの水平方向変位を計測するステージ位置センサ、１８はステージを駆動するモータ、１９はステージ変位を増幅する変位増幅器、２０はステージ目標位置生成器、２１はＰＩＤ補償器、２２はアンプ、２３および２４は除振台１５の変位を増幅する変位増幅器、２５は変位分解器、２６および２７はＰＩ補償器、２８および２９はフィルタ、３０は加速度分解器、３１は推力分配器、３２および３３はアンプ、３４は除振台目標位置設定器、４０はステージ１６の動作を制御するシーケンス制御器である。ステージ位置センサ１７、変位増幅器１９、ＰＩＤ補償器２１およびアンプ２２はステージ制御器を構成している。除振台位置センサ４，１１、変位増幅器２３，２４、変位分解器２５、ＰＩ補償器２６，２７、フィルタ２８，２９、加速度分解器３０、推力分配器３１およびアンプ３２，３３は除振台制御器を構成している。１〜１７は装置を真横から見たときの模式図で表わしたもので、空気バネ式支持脚１と８は除振台１５を鉛直方向に支持している。ここで、ＰＩＤ補償器２１のＰは比例、Ｉは積分、Ｄは微分動作をそれぞれ意味する。また、ＰＩ補償器２６および２７のＰは比例、Ｉは積分動作をそれぞれ意味する。
【０００５】
図５の空気バネ式除振装置の動作を説明する。加速度センサ７および１４の出力は、それぞれ所定の適切なゲインと時定数をもつフィルタ２８および２９を通って加速度分解器３０への入力となる。ここでは、２つの入力を、２×２の行列演算によって除振台１５の鉛直方向加速度と、除振台１５の重心を通りステージ１６の動作方向に対してピッチング方向の角加速度に分解し、推力分配器３１の前段に負帰還している。この加速度フィードバックループによりダンピングを付加している。
【０００６】
除振台位置センサ４および１１の出力はそれぞれ変位増幅器２３および２４を通って変位分解器２５の入力となる。ここでは、２×２の行列演算によって除振台１５の鉛直方向変位と、除振台１５の重心を通りステージ１６の動作方向に対してピッチング方向の回転変位に分解する。除振台目標位置設定器３４は前記鉛直方向変位と前記回転変位の目標位置の設定を行ない、これらの目標位置と変位分解器２５の出力との偏差信号がＰＩ補償器２６および２７を通って推力分配器３１の入力となる。ここでは、２×２の行列演算によって、鉛直方向と除振台１５の重心を通りステージ１６の動作方向に対してピッチング方向の回転方向の推力目標値を空気バネ３および１０の駆動目標値に分配する。分配された駆動目標値はそれぞれアンプ３２および３３でサーボバルブ２および９の駆動電流に変換され、サーボバルブ２および９の弁開閉によって空気バネ３および１０内の圧力が調整されて除振台１５は除振台目標位置設定器３４で設定された所望の位置に定常偏差なく保持可能となる。ＰＩ補償器２６は除振台１５の鉛直方向変位の制御補償器、ＰＩ補償器２７は除振台１５の前記回転変位の制御補償器としてそれぞれ動作している。
【０００７】
さらに、ステージ位置センサ１７の出力は変位増幅器１９を通って、ステージ目標位置生成器２０の生成するステージ１６の目標位置信号との偏差がＰＩＤ補償器２１の入力となる。ＰＩＤ補償器２１の出力はアンプ２２を通ってモータ１８を介してステージ１６を駆動する。ここで、ステージ目標位置生成器２０はシーケンス制御器４０からステージ位置指令値およびステージ移動開始指令を入力され、これらの入力に基づいてステージの目標位置信号を生成する。
【０００８】
図５の空気バネ式除振装置においては、鉛直方向と除振台１５の重心を通りステージ１６の動作方向に対してピッチング方向の回転方向の運動モードに分解して補償を行なうことにより、ＰＩ補償器のゲイン調整が容易になる利点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとしている課題】
しかし、ステージ１６が移動する際、除振台１５および除振台上に搭載されているもの全体の重心の移動が起こり除振台１５の揺れを生じさせる。従来のフィードバック補償では重心の移動による除振台の揺れを効果的に抑圧することができない、という欠点がある。
【００１０】
さらに、能動的除振装置では、ステージ移動により重心位置が変化したとき、除振台の傾きを補正するようにアクチュエータを駆動させる。しかし、ステージの移動速度が高速になると除振台の傾き量が増加し、この傾きを補正するために位置制御ループゲインを高くすると、床振動が除振台に伝わりやすくなってしまうという、トレードオフが生じてしまう。
【００１１】
本発明の目的は、除振装置において、この従来技術の問題点を除去することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の第１の局面では、上記の従来例に対し、ステージの目標位置、目標速度または目標加速度などのステージ目標値、あるいは、このようなステージ目標値に基づいて演算される値のうちアクチュエータおよび除振台制御器の構成に応じたものを該除振台制御器にフィードフォワード入力することを特徴としている。例えば、空気バネが前記アクチュエータを兼用する図５に示すような空気バネ式除振装置に対しては、ステージの速度パターン情報を除振台制御器にフィードフォワード入力する。また、前記アクチュエータがボイスコイルモータである場合には、前記ステージ目標値としてステージ目標位置をフィードフォワード入力する。
【００１３】
本発明の好ましい実施例では、空気バネが前記アクチュエータを兼用する空気バネ式除振装置において、サーボバルブの駆動信号に加えられる値が、ステージの動作方向に対してピッチング方向に除振台を回転させるようにフィードフォワード入力を与えることを特徴としている。
【００１４】
【作用】
上記構成によれば、搭載機器の移動に伴う除振台全体の重心の移動による除振台の揺れを抑圧すること、すなわち除振台の重心補正を実現できる。
なお、特開平９−１３４８７６号公報には、ステージの現在位置を除振台制御系にフィードフォワードする構成によって、ステージ移動による重心位置変化の補償を行なう装置が記載されている。しかしながら、本発明の第１の局面に係る除振装置との最も大きな相違は、フィードフォワードする値が、本発明では目標値であるのに対し、上記公報では現在値（または計測値）である点にある。目標値の方が現在値よりも早目にフィードフォワードでき、振動をより効果的に予防することができる。
【００１５】
ところでステージや除振台の制御系は近年高速演算可能なマイクロコンピュータによるデジタル制御系として実現されることが多く、また、制御対象の数が多いため複数のＣＰＵを用いて制御系を構成している。
ステージ制御系と除振台制御系を別々のＣＰＵで構成する場合、ステージの目標位置や速度（あるいは現在位置や速度）をステージ制御系から除振台制御系に伝達するための手段が必要である。現在位置や速度を直接センサから得ることもできるが、センサとの情報伝達経路（ケーブルなど）を設ける必要がある。
【００１６】
本発明は、ステージ制御系と除振台制御系との間に直接の情報交換手段を設けることなく、制振性能を改善することができる除振装置を提供することを第２の目的とする。
【００１７】
上記第２の目的を達成するため、本発明の第２の局面では、前記ステージ目標値を生成するステージ目標値生成手段を前記ステージ装置から独立して設けたことを特徴とする。このステージ目標値生成手段においては、ステージ制御器にステージ位置指令値およびステージ移動開始指令を入力するシーケンス制御器からの情報に基づいて前記ステージ目標値を生成し前記除振台制御器にフィードフォワード入力する。例えば、ステージ目標位置は、ステージ移動開始時のステージ位置とステージ位置指令値とから生成する。
【００１８】
この第２の局面の好ましい実施の形態では、前記ステージ目標値生成手段が、ステージ目標位置と、ステージ目標速度および／またはステージ目標加速度を生成する。また、前記ステージ目標位置から、ステージ移動時の重心位置の移動によって生じる除振台の傾きを予測して補正するように、前記ステージ目標速度および／またはステージ目標加速度を前記除振台制御器にフィードフォワードして前記アクチュエータを駆動する。
【００１９】
本発明の第２の局面に係る除振装置によれば、ステージはステージ制御器の持つステージ目標値生成手段の生成する目標位置に移動し、除振台は除振台制御器の持つステージ目標値生成手段の生成する目標位置から重心移動に伴う除振台の傾きを算出し、傾きを補正するようにアクチュエータを駆動することによって、制振性能を改善することができる。
【００２０】
【実施例】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
第１の実施例
図１は、本発明の第１の実施例に係る空気バネ式除振装置の構成を示す。図５と同一要素には同一番号を付けてある。図１において、３５はステージの目標速度を生成するステージ目標速度生成器、３６は積分器、３７は所定の適切なゲインと時定数をもつフィルタである。
【００２１】
図２は目標速度生成器３５が生成する目標速度を、横軸を時間として示したもので、この速度パターンは台形速度パターンとしてよく知られたものである。
図２には、目標速度の微分値である目標加速度と目標速度の積分値である目標位置を併せて示している。目標速度は移動開始時刻からの経過時間の関数として記述することもできるし、目標加速度を積分して生成することもできるが、本実施例では後者を採用している。目標速度は積分器３６を通して目標位置に変換されステージ１６の位置制御系であるステージ制御器に入力される。さらに、目標速度はフィルタ３７を通じて、除振台１５の重心を通りステージ１６の動作方向に対してピッチング方向の回転変位の制御系にフィードフォワード入力される。
【００２２】
空気バネの平衡状態において、サーボバルブの入力電流Ｉから空気バネ圧力Ｐまでの伝達関数は、Ｇq をサーボバルブの流量ゲイン、ｋを空気の比熱比、Ｐ0 平衡状態における空気バネ圧力、Ｖ0 を平衡状態における空気バネ容積、ｓをラプラス演算子として、
【００２３】
【数１】
0004313865.tif 000002
という積分特性として近似できることが一般に知られている。したがって、除振台１５の回転変位制御系にフィードフォワードされる目標速度は、空気バネの積分特性により積分されるので、目標速度をフィードフォワードすることはステージ１６の目標位置に比例した回転トルクを除振台１５に与えることに相当する。この目標速度のフィードフォワード入力により、ステージ１６の移動によって発生する回転モーメントを打ち消すことができ、除振台１５の揺れを効果的に抑制することができる。また、本実施例の空気バネ式除振装置においては、除振台の位置制御系である除振台制御器を鉛直方向と回転方向に分離していて、目標速度のフィードフォワード入力は回転方向の位置制御系にのみ行なわれるので、フィードフォワード入力の行なわれない鉛直方向の動作には何も悪影響を及ぼさない。
【００２４】
第２の実施例
第１の実施例では、目標速度を除振台回転変位制御系にフィードフォワード入力したが、目標速度の代わりにステージ１６の駆動入力をフィードフォワードする構成をとることもできる。図３にそのときの空気バネ式除振装置の構成を示す。ステージ１６の駆動入力であるＰＩＤ補償器２１の出力を積分器３８とフィルタ３７を通して除振台の回転変位制御系にフィードフォワードする。この構成を取ることによって、第１の実施例と同様に、ステージ１６の移動により発生する回転モーメントを打ち消すことができ、除振台１５の揺れを効果的に抑制することができる。
【００２５】
第３の実施例
図４は、本発明の第３の実施例に係る除振装置の構成を示す。この除振装置は半導体露光装置にステージを除振支持するためのものである。図１と同一要素には同一番号を付けてある。図４において、３９は第２のステージ目標速度生成器である。図１の装置がステージ制御系用のステージ目標速度生成器３５から除振台制御系にステージ目標速度をフィードフォワードしているのに対し、図４の装置では、ステージ制御系用の第１のステージ目標速度生成器３５とは別個にフィードフォワード専用の第２のステージ目標速度生成器を設けている。これにより、ステージ制御系と除振台制御系との間に直接の情報交換手段を設けなくて済む。シーケンス制御器４０から除振台制御系へステージ位置指令値やステージ移動開始指令を伝達するための情報伝達手段は必要であるが、シーケンス制御器４０と除振台制御系との間では例えば除振台目標位置指令等の情報交換を行なう場合も多く、その場合には、情報伝達手段の増設は不要であり、構成を簡略化することができる。
【００２６】
次に、図４の除振装置の動作を説明する。シーケンス制御器４０は、ステージ１６の次の目標位置およびステージ移動開始指令を第１のステージ目標速度生成器３５および第２のステージ目標速度生成器３９に同時に伝達する。ステージ移動開始指令が来ると、第１のステージ目標速度生成器３５および第２のステージ目標速度生成器３９は同一のステージ目標速度を同一のタイミングでそれぞれ積分器３６およびフィルタ３７に送る。積分器３６の出力はステージ目標位置としてステージ制御系に与えられ、フィルタ３７の出力は、除振台１５の重心を通りステージ１６の動作方向に対してピッチング方向の回転変位の制御系にフィードフォワード入力される。
【００２７】
このステージ目標速度のフィードフォワード入力により、第１の実施例において説明したように、ステージ１６の移動によって発生する回転モーメントを打ち消すことができ、除振台１５の揺れを効果的に抑制することができる。また、本実施例の空気バネ式除振装置においても、除振台の位置制御系である除振台制御器を鉛直方向と回転方向に分離していて、目標速度のフィードフォワード入力は回転方向の位置制御系にのみ行なわれるので、フィードフォワード入力の行なわれない鉛直方向の動作には何も悪影響を及ぼさない。さらに、フィードフォワード入力専用に、シーケンス制御器４０からの指令等に基づいてステージ目標位置を生成する第２のステージ目標位置生成器を設けることにより、ステージ位置制御系と除振台制御系との間の情報交換手段が不要となり、構成を簡略化できる可能性が高い。
【００２８】
実施例の変形例
なお、本発明は上述の実施例に限定されることなく適宜変形して実施することができる。
例えば、上述の実施例では、除振台を支える支持脚の数は鉛直方向に２本としたが、これは３本以上でも構わない。支持脚が鉛直方向に３本ある場合には、除振台の位置制御系は、直交座標系で表わすとｚ軸方向並進制御系、ｘ軸回りの回転制御系、ｙ軸回りの回転制御系の３つの制御系を構成する。この場合、変位分解器、加速度分解器、推力分配器ではそれぞれ３×３の行列計算を行なう。ステージの動作方向がｙ軸方向である場合、ステージの目標速度は除振台のｘ軸回りの回転制御系にフィードフォワード入力する。
【００２９】
また、ステージの動作方向もＸＹステージのように２次元平面上で動作するものでもよい。支持脚が鉛直方向に３本ある場合には、ＸＹステージのｘ軸目標速度を除振装置のｙ軸回りの回転制御系に、ＸＹステージのｙ軸目標速度を除振装置のｘ軸回りの回転制御系に、それぞれフィードフォワード入力する。これによってＸＹステージの移動に伴う重心移動による回転モーメントを打ち消すことができる。
【００３０】
上述の実施例ではアクチュエータとして空気バネのみを用いているが、ボイスコイルモータを併用して、ステージ目標位置をモータ制御系にフィードフォワードしてステージ移動に伴う重心移動による傾きを補正することができる。さらに、ステージ目標加速度をモータ制御系にフィードフォワードしてステージ駆動反力を打ち消すこともできる。この場合、ステージ目標位置およびステージ目標加速度は、それぞれ第２のステージ目標速度生成器３９に積分器および微分器を接続することにより生成することができる。
【００３１】
さらに、図４のステージ目標速度生成器３５および積分器３６に代えて図３または図５に示すステージ目標位置生成器２０を用いてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ステージの速度パターン情報を除振台制御器にフィードフォワード入力することによって、ステージの移動により発生する除振台の揺れを効果的に抑制することができる。すなわち除振台の重心補正が実現できる。また、ステージ制御系の目標値生成手段を除振台制御系にも持たせることによって、ステージ制御系と除振台制御系の間でデータのやり取りを行なう手段を設けることなく、ステージ移動に伴う重心移動による傾きやステージ駆動反力を補償し、除振台の制振性能を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例に係る空気バネ式除振装置の構成を示す図である。
【図２】  ステージの目標値を示す図である。
【図３】  本発明の他の実施例に係る空気バネ式除振装置の構成を示す図である。
【図４】  本発明のさらに他の実施例に係る空気バネ式除振装置の構成を示す図である。
【図５】  従来の空気バネ式除振装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１，８：空気バネ式支持脚、１６：ステージ、２０：ステージ目標位置生成器、２５：変位分解器、３０：加速度分解器、３１：推力分配器、３４：除振台目標位置設定器、３５，３９：ステージ目標速度生成器、３６，３８：積分器、３７：フィルタ、４０：シーケンス制御器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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