(57)【要約】【課題】  ステージを目標位置に高精度に位置決めを行い、かつ位置決め終了時の残留振動を低減することが可能なステージ位置決め装置を提供する。【解決手段】  モータ駆動手段からステージの位置を出力するレーザ測長計までを、速度指令入力から位置を出力する一つの制御対象としてみなし、この制御対象に速度指令を入力し、制御対象の周波数特性を取得する。得られた周波数特性から、ステージの固有周波数および除去したい周波数帯域を決定し、速度指令フィルタを設定する。通常時のステージ駆動は、ステージの現在位置と目標位置指令の差分を用いて、制御部により第１の速度指令を算出する。第１の速度指令を速度指令フィルタに通すことで、特定の周波数帯域を除去した第２の速度指令を算出する。この制御対象に第２の速度指令を入力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方向に移動するステージと、前記ステージを駆動するパルスモータと、前記パルスモータを駆動するためモータ駆動手段と、前記ステージの位置を検出する位置検出手段と、前記ステージの目標位置指令を出力する目標位置指令生成手段と、前記目標位置指令と前記ステージの位置の情報とに基づき前記ステージの位置を制御するステージ制御手段と、前記目標位置指令生成手段と前記ステージ制御手段とを操作する上位コントローラとを備えるステージ位置決め装置において、
前記ステージ制御手段は、
前記目標位置指令と前記位置検出手段とで検出された前記ステージの現在位置との位置偏差を算出する減算手段と、
前記位置偏差に基づき第１の速度指令を算出する制御部と、
前記第１の速度指令を入力とし、前記第１の速度指令から任意の周波数成分を低減した第２の速度指令を生成し、出力する速度指令フィルタと、
前記モータ駆動手段に擬似サイン波を生成し、出力する擬似サイン波生成手段と、
前記位置検出手段で測定された前記ステージの位置と前記擬似サイン波生成手段での出力とにより前記ステージの周波数特性を算出する周波数特性算出手段と、
前記周波数特性算出手段の結果に基づき、前記速度指令フィルタの設定を変更するフィルタ設定手段とを備えたことを特徴とするステージ位置決め装置。
【請求項２】
請求項１に記載のステージ位置決め装置であって、
前記擬似サイン波生成手段は、
サンプリング周期ごとに、離散的な擬似サイン波を生成し、出力する手段と、
前記擬似サイン波の周波数を変化させる手段とを備え、
前記周波数特性算出手段は、
前記擬似サイン波生成手段の出力と前記位置検出手段の出力により、前記ステージのゲイン特性及び位相特性から成る周波数特性を算出する手段と、
前記上位コントローラに前記周波数特性を出力する手段とを備えたことを特徴とするステージ位置決め装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のステージ位置決め装置であって、
前記フィルタ設定手段は、前記第１の速度指令から前記ステージの固有振動数に近い周波数成分を低減するように前記速度指令フィルタを設定することを特徴とするステージ位置決め装置。
【請求項４】
少なくとも一方向に移動するステージと、前記ステージを駆動するパルスモータと、前記パルスモータを駆動するためモータ駆動手段と、前記ステージの位置を検出する位置検出手段と、前記ステージの目標位置指令を出力する目標位置指令生成手段と、前記目標位置指令と前記ステージの位置の情報とに基づき前記ステージの位置を制御するステージ制御手段と、前記目標位置指令生成手段と前記ステージ制御手段とを操作する上位コントローラとを備えるステージ位置決め装置において、
前記ステージ制御手段は、
アナログ入力を所定のサンプリング周期でサンプリングし、速度指令又は位置指令として前記モータ駆動手段に出力する手段と、
前記位置検出手段で検出された前記ステージの現在位置をアナログ信号として出力する手段とを備えたことを特徴とするステージ位置決め装置。
【請求項５】
請求項４に記載のステージ位置決め装置であって、
前記ステージ制御手段は、
前記目標位置指令と前記位置検出手段とで検出された前記ステージの現在位置との位置偏差を算出する減算手段と、
前記位置偏差に基づき第１の速度指令を算出する制御部と、
前記第１の速度指令を入力とし、前記第１の速度指令から任意の周波数成分を低減した第２の速度指令を生成し、出力する速度指令フィルタと、
前記上位コントローラから前記速度指令フィルタの設定を行うフィルタ設定値入力手段とを備えたことを特徴とするステージ位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージなどの移動体を目標位置に高精度に移動し、移動中および停止時の振動を抑制することが可能な位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程において、顕微鏡などを用いて半導体の欠陥を検出するレビューと呼ばれる半導体検査プロセスがある。
【０００３】
この半導体検査プロセスにおいては、半導体ウェハがステージに固定され、ステージはマウント内のＸ−Ｙ平面をボールネジによって移動し、位置決め終了後にマウント上に固定されたカラム中に設置された顕微鏡によりウェハの画像が取得される。
【０００４】
この際、ステージの移動に伴う慣性力により、ステージの位置決め終了後にもステージやカラムが振動することがある。この振動は、顕微鏡により取得した画像に像ゆれを引き起こし、欠陥検出精度を劣化させる。
【０００５】
ステージを駆動するアクチュエータとして、サーボモータやリニアモータを利用する場合、このような振動を低減させるために、ステージ移動による加振力から固有振動数に近い周波数成分を除去するフィルタを用いられることがある。
【０００６】
特開２００６−１９０１６３号公報には、サーボモータ等を用いた場合に、フィルタを用いてサーボモータの指令トルクから所定の周波数成分を除去し、固有周波数付近の振動を抑制する技術が開示されている。
【０００７】
また、パルスモータは基本的にはオープンループ制御により駆動されるものであるが、近年、パルスモータの閉ループ駆動に関する技術が報告されている。特開平５−１１１２９５号公報には、パルスモータを用いた場合に閉ループ制御系を構成する技術が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１９０１６３号公報
【特許文献２】特開平５−１１１２９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特開平５−１１１２９５号公報において、移動体の移動中および停止後の振動の低減に関しては言及されていない。
【００１０】
パルスモータを閉ループ制御により駆動し、特開２００６−１９０１６３号公報に示すようなフィルタを用いて振動を低減する手法は容易に考え得る。しかしながら、特開２００６−１９０１６３号公報では、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）アナライザをサーボアンプに接続することにより、制御対象の周波数応答が取得できる。一方、パルスモータを用いている位置決め装置の場合、通常、ＦＦＴアナライザをパルスモータのドライバなどに接続することはできず、周波数応答を測定することは困難である。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、パルスモータにより駆動される制御対象の周波数応答を取得し、パルスモータの速度指令フィルタによって、移動時および停止後の振動を抑制する手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、上記課題を解決するために、まず、制御対象の周波数特性を取得する。速度指令を入力可能なモータ駆動手段（ドライバ）を用いれば、モータ駆動手段からステージの位置を出力するレーザ測長計までは、速度入力から位置を出力する一つの伝達系とみなせる。この伝達系に対し、パルスモータの速度指令として、擬似的なサインスイープ入力を入力し、その位置応答をレーザ測長計により取得する。
【００１３】
ここで、取得した前記位置応答の振幅と入力の振幅を比較し、ゲイン応答を算出する。また、取得した前記位置応答の位相遅れを算出し、位相応答を算出し、ボード線図をプロットする。
【００１４】
このボード線図から、フィルタにより除去する周波数を決定し、速度指令フィルタの設定に反映する。
【００１５】
通常動作時、前記レーザ測長計から得られる前記ステージの現在位置と目標位置指令の差分を用いて、制御部により第１の速度指令を算出する。前記第１の速度指令を速度指令フィルタに通すことで、ステージの持つ固有振動数など、任意の周波数成分を除去した第２の速度指令を算出し、前記制御対象に入力する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の位置決め装置では、目標位置指令とステージ位置の差分を用いて閉ループ制御系を構成し、第１の速度指令を算出する。第１の速度指令に対し、固有周波数に近い周波数成分を除去する速度指令フィルタを付加して、第２の速度指令を算出し、パルスモータ駆動装置に入力する。これにより、ステージは、目標位置指令に追従しながら目標停止位置に正確に停止すると共に、固有周波数付近での加振を抑制し、ステージの移動中および停止後の振動を低減できる。
【００１７】
また、ステージのみならず、カラムなどの周辺構造物の共振周波数を除去する速度指令フィルタを設ければ、周辺構造物の共振を抑制することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例である位置決め装置の構成を示す説明図、図２は、図１に示す位置決め装置を用いた検査装置全体の説明図、図３は、図２に示す検査装置内部にあるＸ−Ｙステージの斜視図である。
【００１９】
図２において、マウント２０１の内部にＸ方向に自由なガイドレール２０４を介してＸステージ２０２が設置されている。Ｘステージ２０２は、ボールネジ２１０を介して、パルスモータ２０６でＸ方向に駆動される。
【００２０】
Ｘステージ２０２上には、Ｙ方向に自由なガイドレール２０５を介してＹステージ２０３が設置されている。Ｙステージ２０３は、ボールネジを介して、パルスモータ２０７でＹ方向に駆動される。
【００２１】
マウント２０１中央上部には、カラム２１１が結合され、カラム２１１内部には顕微鏡２１２が設置されている。
【００２２】
図３に示すように、Ｘ方向ボールネジ３０５とＹ方向ボールネジ３０６は直交している。Ｘステージ３０１の位置はレーザ測長計３０７で測定され、Ｙステージ３０２の位置はレーザ測長計３０８で測定される。Ｙステージ３０２の上には、半導体ウェハ３０９が搭載されている。パルスモータ３０３，３０４を駆動することで、Ｙステージ３０２をＸ−Ｙ平面内の任意の位置へ移動させ、半導体ウェハ３０９の検査および搬送を行う。
【００２３】
図１において、コントローラ１０２では、２つの内部スイッチｓｗ１およびｓｗ２によって制御処理を切り換える。スイッチｓｗ１およびｓｗ２の切り換えは、上位コントローラ１１１からの指令により行う。スイッチｓｗ１およびｓｗ２をそれぞれｂ，ｂ′に接続すると周波数特性を取得する処理を、スイッチｓｗ１およびｓｗ２をそれぞれａ，ａ′に接続すると通常運転を実行する。
【００２４】
ここで、モータ駆動手段１０６は、速度指令を入力とするパルスモータ駆動装置である。このパルスモータ駆動装置１０６は、一般的なモータコントロールＬＳＩが搭載されており、近年、このＬＳＩには速度入力機能および速度オーバーライド機能が内蔵されている。
【００２５】
一般的に、パルスモータは、入力するパルス数に応じて回転角度が決定する指令同期型モータであるが、モータコントロールＬＳＩの多くには、速度入力機能が用意されている。この機能は、回転角度を指定するパルス数を入力する代わりに、パルス周波数、すなわち回転速度を入力し、これに基づいてモータの駆動パルスを発生させるものである。
【００２６】
また、速度入力機能を有するモータコントロールＬＳＩには、回転中のパルスモータの速度を随時変更可能にする速度オーバーライド機能が用意されている。
【００２７】
このようなモータコントロールＬＳＩは、近年ごく一般的に発売されている。それゆえ、モータ駆動手段１０６は安価な構成とすることができる。
【００２８】
通常運転時、上位コントローラ１１１より目標位置指令生成手段１０１へ、ステージ１０７の目標停止位置が送られ、目標位置指令生成手段１０１は、ステージ１０７の目標停止位置までの目標位置指令を生成し、コントローラ１０２に入力する。コントローラ１０２の減算手段（図示しない）は、レーザ測長計１１０により計測されるステージ１０７の位置情報と目標位置指令との差分（位置偏差）を算出する。制御部１０３では、この位置偏差からＰＩＤ制御などの制御手段により第１の速度指令を算出する。速度指令フィルタ１０４では、この第１の速度指令を後述するフィルタ処理により、第２の速度指令を算出する。ここで得られた第２の速度指令は、モータ駆動手段１０６に入力され、パルスモータ１０８が駆動する。
【００２９】
図４は、周波数特性算出処理１０５の流れを示すフローチャートである。まず、処理４０１は、指定された周波数範囲と周波数分解能により、測定する周波数ポイントの配列を用意する。このとき、測定周波数ポイントは、対数スケールの時間軸で一定間隔に用意される。処理４０２では、この周波数ポイントの配列から測定する周波数を順次読み出す。処理４０３では、この測定周波数ポイントでの擬似サイン波を出力する。
【００３０】
図８は、図４の擬似サイン波生成手段１１３での擬似サイン波生成処理４０２で出力される擬似サイン波の例を示す説明図である。モータ駆動手段１０６には、連続的な速度指令を出力することができない。そこで、サンプリング時間ごとに離散化された速度指令を入力する。すなわち、各サンプリング時間に、（数１）の式で計算し、速度指令のオーバーライド機能を利用して速度の書き換えを行う。
【００３１】
Ｖｒｅｆ＝Ａ×sin（ω（Ｔ−τ））…（数１）
但し、Ｖｒｅｆはモータ駆動手段１０６に出力する速度指令、Ａは速度振幅、ωは処理４０２で読み出した周波数ポイント、Ｔは現在時刻、τは擬似サイン波の初期時刻とする。
【００３２】
図８において、低周波数領域Ｐでは実際の速度指令となる擬似サイン波は、正確なサイン波に追従していることがわかるが、高周波数領域Ｑでは、擬似サイン波は正確なサイン波になっていない。これは、周波数が高くなると、擬似サイン波を構成する速度指令の点が減少し、サイン波を細かく表現できなくなるからである。本実施例で扱う制御対象では、測定すべき周波数帯域がそれほど高くないため、正確な周波数特性測定が可能となっている。
【００３３】
図４の処理４０４では、整定サイクルが終了したかを判別し、終了していない場合は処理４０３に戻り、終了した場合は処理４０５に進む。ここで、整定サイクルとは、ステージ１０７の位置応答が測定周波数ポイントの周波数での定常応答に落ち着くまでの整定待ちサイクルである。整定サイクルの途中では、ゲインと位相遅れが安定しないため、ステージ１０７の位置は測定せず、速度指令のみを出力する。
【００３４】
処理４０５では、処理４０３と同様に、引き続き、擬似サイン波を出力する。
【００３５】
処理４０６では、サンプリング時間ごとにレーザ測長計１１０により測定されるステージ１０７の位置をメモリに格納する。
【００３６】
処理４０７では、測定サイクルが終了したかを判別し、終了していない場合は処理４０３に戻り、終了した場合は処理４０５に進む。ここで、測定サイクルとは、測定周波数ポイントでも定常応答を測定するサイクルである。
【００３７】
処理４０８では、周波数ポイント配列の全ての周波数ポイントを測定したかを判別する。全周波数ポイントの測定が終了した場合は、処理４０９に進み、終了していない場合は、処理４０２に戻る。
【００３８】
処理４０８で全周波数ポイントの測定が終了したと判断された場合、モータ駆動処理への速度指令の出力は終了する。ここまでの処理により、速度指令は、周波数を順次変化（スイープ）させた擬似サイン波として出力される。本発明では、この速度指令全体を擬似サインスイープ信号と呼ぶ。
【００３９】
処理４０９では、処理４０６でメモリに格納された各周波数ポイントにおける測定サイクルで、サンプリング時間ごとに取得されたステージの位置情報よりゲインを算出する。ゲインは速度指令の振幅Ａと位置応答の振幅の比として求められる。
【００４０】
処理４１０では、位置応答の位相遅れを算出する。位相遅れは、擬似サイン波と位置応答の位相のずれとして求められる。
【００４１】
周波数特性算出処理が終了すると、コントローラ１０２は、上位コントローラ１１１にゲインと位相の情報を送信する。
【００４２】
フィルタ設定処理（フィルタ設定手段）１１２では、周波数特性算出処理（周波数特性算出手段）１０５により得られたステージ１０７の周波数特性を用いて、速度指令フィルタ１０４の設定を行う。フィルタの設定は、上位コントローラ１１１に表示されるステージの周波数特性を見ながら、任意の周波数を指定する。この周波数は、ステージの固有振動数付近の周波数のゲインを下げるように設定する。また、ステージ以外にも、カラムなどの周辺構造物の振動が問題になる場合には、その周波数を指定することで、周辺構造物の振動を抑制することも可能である。
【００４３】
速度指令フィルタは、１つまたは複数のフィルタにより構成する。それぞれのフィルタは、特定の周波数をカットするノッチフィルタや高周波数帯域をカットするローパスフィルタなどを用いる。
【００４４】
図５は、周波数特性算出処理１０５で取得したステージ１０７の周波数特性ボード線図の一例を示す図である。図５の上側の図がゲイン曲線、下側の図が位相曲線を示す。図５のような周波数特性が取得された場合、ボード線図より、２０Ｈｚと１５０Ｈｚに共振周波数を持つことがわかる。そこで、本実施例では、フィルタ設定処理１１２において、２０Ｈｚと１５０Ｈｚの周波数成分を除去するノッチフィルタを設定する。
【００４５】
図６は、本実施例で設定した、２０Ｈｚの周波数成分を除去するノッチフィルタのボード線図と伝達関数を示す。ここで、ｗｎは除去したい周波数、Ｑは、ノッチの深さを決める設計パラメータである。図６では、２０Ｈｚ付近のゲインのみが下がっており、それ以外の周波数帯域では、影響を与えないことがわかる。
【００４６】
図７は、図５の周波数特性に、図６のノッチフィルタを付加した場合の周波数特性を表すボード線図である。図７では、図５で見られた２０Ｈｚと１５０Ｈｚのピークが、ノッチフィルタにより低減されていることがわかる。
【００４７】
以上のように構成された、ステージ制御系（コントローラ１０２）を用いれば、ステージ１０７の応答から取得画像や装置に悪影響を及ぼす振動を除去できる。また、ノッチフィルタを用いる場合、振動に関係ない周波数帯域の特性に影響を与えないため、応答性を損なわずに振動を抑制することができる。
【００４８】
また、本実施例において速度指令フィルタの設定は、上位コントローラ１１１を用いて、オペレータが設定することとしたが、コントローラ１０２で自動に設定を変更可能にする構成としてもよい。
【００４９】
なお、コントローラ１０２は、速度指令または位置指令をアナログ入力として受け取り、サンプリング周期ごとにサンプリングして、モータ駆動手段１０６に出力し、レーザ測長計１１０により検出されるステージ１０７の現在位置の情報をアナログ出力する構成としても良い。この構成によれば、汎用のサーボアナライザなどを用いた周波数特性の取得が可能となる。このとき、速度指令フィルタ１０４の設定は、コントローラ１０２にフィルタ設定値入力手段を設け、上位コントローラ１１１からフィルタの設定を行えばよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施例である位置決め装置の構成を示す説明図である。
【図２】図１を用いた装置全体の説明図である。
【図３】図２に示す検査装置内部にあるＸ−Ｙステージの斜視図である。
【図４】本実施例における周波数特性算出処理のフローチャートである。
【図５】取得した周波数応答の一例の説明図である。
【図６】本実施例で付加したノッチフィルタの説明図である。
【図７】フィルタを付加した周波数応答の説明図である。
【図８】本実施例で示した擬似サイン波の説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０１  目標位置指令生成手段
１０２  コントローラ
１０３  制御部
１０４  速度指令フィルタ
１０５  周波数特性算出処理（周波数特性算出手段）
１０６  モータ駆動手段（パルスモータ駆動手段）
１０７  ステージ
１０８  パルスモータ
１０９  ボールネジ
１１０  レーザ測長計
１１１  上位コントローラ
１１２  フィルタ設定処理（フィルタ設定手段）
２０１  マウント
２０２，３０１  Ｘステージ
２０３，３０２  Ｙステージ
２０４  Ｘ方向ガイドレール
２０５  Ｙ方向ガイドレール
２０６，３０３  Ｘ方向パルスモータ
２０７，３０４  Ｙ方向パルスモータ
２０８，３０７  Ｘ方向レーザ測長計
２０９，３０８  Ｙ方向レーザ測長計
２１０，３０５  Ｘ方向ボールネジ
２１１  カラム
２１２  顕微鏡
３０６  Ｙ方向ボールネジ
３０９  半導体ウェハ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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