(57)【要約】【課題】駆動時の応答特性が異なる２つの部材をそれぞれ独立に、且つ両者を協調させて駆動する。【解決手段】ステージを含んで構成される第１構造物と、前記第１構造物を支持する第２構造物と、第１駆動力を与えて前記第１構造物を指令位置へ駆動する第１駆動手段と、第２駆動力を与えて前記第１構造物に追従するよう前記第２構造物を駆動する第２駆動手段と、前記第１駆動手段によって駆動した第１構造物の応答特性と前記第２駆動手段によって駆動した第２構造物の応答特性との差を補償するように、前記第１駆動力と前記第２駆動力とを制御する制御手段（ＦＦ制御部２０３，ＦＢ制御部２０６）と、を備える。【選択図】図３
2009164282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージを含んで構成される第１構造物と、
前記第１構造物を支持する第２構造物と、
第１駆動力を与えて前記第１構造物を指令位置へ駆動する第１駆動手段と、
第２駆動力を与えて前記第１構造物に追従するよう前記第２構造物を駆動する第２駆動手段と、
前記第１駆動手段によって駆動した第１構造物の応答特性と前記第２駆動手段によって駆動した第２構造物の応答特性との差を補償するように、前記第１駆動力と前記第２駆動力とを制御する制御手段と、
を備えるステージ装置。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記指令位置に基づいて前記第１駆動力をフィードフォワード制御する第１フィードフォワード制御手段と、
前記指令位置に基づいて前記第２駆動力をフィードフォワード制御する第２フィードフォワード制御手段と、
を有し、前記第１フィードフォワード制御手段の出力と前記第２フィードフォワード制御手段の出力との比が、前記第１駆動手段から前記第１構造物への伝達関数と前記第２駆動手段から前記第１構造物への伝達関数との逆比となるように制御する請求項１に記載のステージ装置。
【請求項３】
前記第１構造物の位置を計測する第１計測手段と、
前記第２構造物の位置を計測する第２計測手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記第１計測手段による計測位置に基づいて前記第１駆動力をフィードバック制御する第１フィードバック制御手段と、
前記第２計測手段による計測位置に基づいて前記第２駆動力をフィードバック制御する第２フィードバック制御手段と、を有する請求項１または請求項２に記載のステージ装置。
【請求項４】
前記指令位置に対する誤差を算出し、該誤差が所定値以上の場合に前記第２計測手段による計測位置に基づいて前記第２駆動力をフィードバック制御し、該誤差が所定値以下の場合に前記第１計測手段による計測位置に基づいて前記第２駆動力をフィードバック制御するように前記第２フィードバック制御手段を切替え制御する切替制御手段を備える請求項３に記載のステージ装置。
【請求項５】
マスクステージに保持されたマスクのパターンを基板ステージに保持された感光基板に露光する露光装置において、
前記マスクステージと前記基板ステージの少なくとも一方のステージを請求項１から請求項４のいずれか１の項に記載のステージ装置とした露光装置。
【請求項６】
ステージを含んで構成される第１構造物と、
前記第１構造物を支持する第２構造物と、
第１駆動力を与えて前記第１構造物を指令位置へ駆動する第１駆動手段と、
第２駆動力を与えて前記第１構造物に追従するよう前記第２構造物を駆動する第２駆動手段と、を備えるステージ装置に対して、
前記第１駆動手段によって駆動した第１構造物の応答特性と前記第２駆動手段によって駆動した第２構造物の応答特性との差を補償するように、前記第１駆動力と前記第２駆動力とを制御する、ステージ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はステージ装置、露光装置、及びステージ装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステージ装置は、例えば、マスクに形成した回路パターンを基板上に露光する露光装置（例えば、特許文献１参照）において、マスクと基板の位置決めを行うために無くてはならない重要な構成要素として利用されており、回路の微細化の進展に伴って、その位置決め性能に対する要求が益々高まっている。また、近年、露光装置の露光対象の一つである液晶ディスプレイパネルは大画面化が著しく、これに対応するため、露光対象を載せるステージ装置のテーブルのサイズも大型化している。
【特許文献１】特開２０００−５６４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、露光対象やテーブルのサイズが大型化しても、正しく露光を行うにはテーブルのＸＹ面内（平面内）の移動範囲即ちストロークは十分に確保する必要がある。そのための方策として、大面積のテーブルを小面積の支持部材で支え、この支持部材をＸＹ方向に駆動制御することによってＸＹ面内のストロークを確保する、といったステージ装置の構造をとることが考えられる。このようなステージ装置の構造において、出願人は、支持部材の側からテーブルへ伝わる振動を低減することが可能な、テーブルと支持部材とを分離してそれぞれ独立に駆動制御するステージ装置を、特願２００７−０５４４４２として出願している（なお、同出願では、支持部材を自重キャンセル機構と称している）。
【０００４】
しかしながら、上記出願のようなステージ装置では、テーブルを駆動させた際の応答特性と支持部材を駆動させた際の応答特性は異なることが通常である。例えば、支持部材は大型で重量のあるテーブルを支えるために、大きな力を出せるが応答の遅い空気アクチュエータ（空気バネ）を使ってテーブルをＺ方向（上下）に駆動制御する。一方、テーブルはその自重自体は上記のように支持部材に支えられているので、テーブルの微小な傾き（θｘ及びθｙ）制御には、ボイスコイルモータ（Ｖｏｉｃｅ  Ｃｏｉｌ  Ｍｏｔｏｒ：ＶＣＭ）のような応答は速いが出力の小さい駆動装置が用いられる。したがって、特別な駆動制御を行わずにテーブルを位置決めしようとしたとしても、テーブルと支持部材の応答特性が異なることからテーブルの動きに支持部材がうまく追従することができなくなる。その結果、支持部材によるテーブルの支持が適切な状態に保たれなくなって、テーブルに歪みや振動が励起され、露光性能に影響が出てしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、駆動時の応答特性が異なる２つの部材をそれぞれ独立に、且つ両者を協調させて駆動することが可能なステージ装置、並びに、該ステージ装置を用いた露光装置及びステージ装置の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ステージを含んで構成される第１構造物と、前記第１構造物を支持する第２構造物と、第１駆動力を与えて前記第１構造物を指令位置へ駆動する第１駆動手段と、第２駆動力を与えて前記第１構造物に追従するよう前記第２構造物を駆動する第２駆動手段と、前記第１駆動手段によって駆動した第１構造物の応答特性と前記第２駆動手段によって駆動した第２構造物の応答特性との差を補償するように、前記第１駆動力と前記第２駆動力とを制御する制御手段と、を備えるステージ装置である。
【０００７】
この発明によれば、第１駆動力と第２駆動力とが、第１構造物及び第２構造物の応答特性の差を補償するように制御されるので、第１構造物と第２構造物を協調させて（第２構造物を第１構造物に適切に追従させて）駆動することができる。
【０００８】
また、本発明は、上記のステージ装置において、前記制御手段は、前記指令位置に基づいて前記第１駆動力をフィードフォワード制御する第１フィードフォワード制御手段と、前記指令位置に基づいて前記第２駆動力をフィードフォワード制御する第２フィードフォワード制御手段と、を有し、前記第１フィードフォワード制御手段の出力と前記第２フィードフォワード制御手段の出力との比が、前記第１駆動手段から前記第１構造物への伝達関数と前記第２駆動手段から前記第１構造物への伝達関数との逆比となるように制御するものである。
【０００９】
この発明では、第１駆動手段から第１構造物への伝達関数と第２駆動手段から第１構造物への伝達関数との比をａ：ｂとしたとき、第１フィードフォワード制御手段の出力と第２フィードフォワード制御手段の出力との比がｂ：ａに制御される。もし、第１及び第２フィードフォワード制御手段の出力がこのように制御されていなかったとすると、例えば第１及び第２フィードフォワード制御手段の出力が同じ値に制御されたとすると、第１駆動手段と第２駆動手段による応答特性つまり伝達関数が異なる（ａ：ｂ）ので、第１駆動手段から第１構造物が受ける応答と第２駆動手段から（第２構造物を介して）第１構造物が受ける応答が、それぞれ異なる特性を示すことになる。第１構造物が第２駆動手段から受ける応答が第１駆動手段から受ける応答と異なることは、第２構造物が第１構造物と協調して動いていないことを意味する。
そこで、この発明のように第１及び第２フィードフォワード制御手段の出力の比を制御すれば、その出力と伝達関数の積は、第１駆動手段からの寄与と第２駆動手段からの寄与とで等しく（ａとｂの積ａｂ）なるので、第１構造物が第２駆動手段から受ける応答と第１駆動手段から受ける応答は等しくなる。つまり、第２構造物は第１構造物と協調して駆動される状態を実現できる。
【００１０】
また、本発明は、上記のステージ装置において、前記第１構造物の位置を計測する第１計測手段と、前記第２構造物の位置を計測する第２計測手段と、を備え、前記制御手段は、前記第１計測手段による計測位置に基づいて前記第１駆動力をフィードバック制御する第１フィードバック制御手段と、前記第２計測手段による計測位置に基づいて前記第２駆動力をフィードバック制御する第２フィードバック制御手段と、を有するものである。
【００１１】
この発明では、第２計測手段を用いて第２構造物の位置を計測し、その計測結果に基づいて第２駆動力をフィードバック制御する。位置決めの対象は第１構造物であるため、本来、フィードバック制御は当該第１構造物の計測位置に基づいて行う必要がある。しかし、第２駆動力のフィードバック制御については、この発明のように当該第２駆動力の作用点である第２構造物の計測位置に基づいて行うことで、第１構造物の計測位置に基づく場合よりも素早く、第２構造物を第１構造物の動きに追従させることができる。
【００１２】
また、本発明は、上記のステージ装置において、前記指令位置に対する誤差を算出し、該誤差が所定値以上の場合に前記第２計測手段による計測位置に基づいて前記第２駆動力をフィードバック制御し、該誤差が所定値以下の場合に前記第１計測手段による計測位置に基づいて前記第２駆動力をフィードバック制御するように前記第２フィードバック制御手段を切替え制御する切替制御手段を備えるものである。
【００１３】
この発明では、第２駆動力のフィードバック制御を、指令位置に対する誤差が大きい時は第２構造物の計測位置に基づいて行い、誤差が小さくなったら第１構造物の計測位置に基づいて行う。したがって、誤差が大きい時は上述のように第２構造物を第１構造物に素早く追従させ、誤差が小さくなったら最終的な指令位置に位置決めされる第１構造物に合わせて第２構造物を精密に駆動制御することができる。
【００１４】
また、本発明は、マスクステージに保持されたマスクのパターンを基板ステージに保持された感光基板に露光する露光装置において、前記マスクステージと前記基板ステージの少なくとも一方のステージを上記のステージ装置とした露光装置である。
【００１５】
この発明によれば、露光装置の露光精度を向上させることができる。
【００１６】
また、本発明は、ステージを含んで構成される第１構造物と、前記第１構造物を支持する第２構造物と、第１駆動力を与えて前記第１構造物を指令位置へ駆動する第１駆動手段と、第２駆動力を与えて前記第１構造物に追従するよう前記第２構造物を駆動する第２駆動手段と、を備えるステージ装置に対して、前記第１駆動手段によって駆動した第１構造物の応答特性と前記第２駆動手段によって駆動した第２構造物の応答特性との差を補償するように、前記第１駆動力と前記第２駆動力とを制御する、ステージ装置の制御方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ステージ装置の第１構造物と第２構造物が互いに異なる応答特性を有していても、第１構造物と第２構造物を協調させて（第２構造物を第１構造物に適切に追従させて）駆動することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるステージ装置の機構部分の構成図である。ステージ装置は、不図示の防振台を介して床面上に設けられたステージベース１２と、ステージベース１２の上方に配置されＸ軸に沿って駆動されるＸ粗動ステージ２３Ｘと、Ｘ粗動ステージ２３Ｘ上に配置されＹ軸に沿って駆動されるＹ粗動ステージ２３Ｙと、Ｙ粗動ステージ２３Ｙの上方に配置されステージ装置による駆動対象物（例えば露光対象となるガラス基板）が載置される微動ステージ２１と、微動ステージ２１の自重を支持する支持部材である自重キャンセル機構２７と、自重キャンセル機構２７により微動ステージ２１の自重を支持しつつ微動ステージ２１の動きを制約する部材であるレベリングカップ７６と、を含んでいる。
【００１９】
Ｘ粗動ステージ２３Ｘは、その下部にＸ軸に沿って２組のＸスライダ６５が設けられており（図では紙面手前側の１組のみ示されている）、このＸスライダ６５の各組は、Ｙ軸方向に所定間隔をもって配置された長手方向がＸ軸方向と一致するＸガイド６１Ｘ１，６１Ｘ２にそれぞれ係合されている（図ではＸガイド６１Ｘ２のみ示されている）。これにより、不図示のＸ駆動機構によってＸ軸方向の駆動力をＸ粗動ステージ２３Ｘに与えると、Ｘ粗動ステージ２３Ｘは、Ｘガイド６１Ｘ１，６１Ｘ２にガイドされてＸ軸に沿って駆動される。またＸ粗動ステージ２３Ｘの中央部には、貫通孔２３Ｘａが形成されている。
【００２０】
Ｙ粗動ステージ２３Ｙは、その下部にＹ軸に沿って２組のＹスライダ６３が設けられており、このＹスライダ６３の各組は、Ｘ軸方向に所定間隔をもってＸ粗動ステージ２３Ｘ上に配置された長手方向がＹ軸方向と一致するＹガイド６１Ｙ１，６１Ｙ２にそれぞれ係合されている。これにより、不図示のＹ駆動機構によってＹ軸方向の駆動力をＹ粗動ステージ２３Ｙに与えると、Ｙ粗動ステージ２３Ｙは、Ｙガイド６１Ｙ１，６１Ｙ２にガイドされてＹ軸に沿って駆動される。またＹ粗動ステージ２３Ｙの中央部には、貫通孔２３Ｙａが形成されている。
【００２１】
微動ステージ２１は、駆動対象物を真空吸着等によって保持する基板テーブル２２Ａと、基板テーブル２２Ａを下側から支持するステージ本体部２２Ｂと、を含んで構成され、レベリングカップ７６を介してその自重を自重キャンセル機構２７が支持した状態で、Ｙ粗動ステージ２３Ｙの上方に設けられている。ステージ本体部２２Ｂには、微動ステージ２１をＹ粗動ステージ２３Ｙに対してＸ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向，θｘ方向（Ｘ軸回りの回転），及びθｙ方向（Ｙ軸回りの回転）に微小量だけ駆動するための駆動機構として、不図示の複数のボイスコイルモータ（Ｖｏｉｃｅ  Ｃｏｉｌ  Ｍｏｔｏｒ：ＶＣＭ）が備え付けられる。
【００２２】
自重キャンセル機構２７は、筐体７０と、筐体７０の内部に設けられた空気バネ（ベローズ）７１と、Ｚ軸方向に駆動可能なピストン７３と、筐体の下部に設けられた３つのベースパッド７５と、を含んで構成され、Ｘ粗動ステージ２３Ｘに形成された貫通孔２３Ｘａ及びＹ粗動ステージ２３Ｙに形成された貫通孔２３Ｙａを貫通した状態で、ステージベース１２上に設けられている。筐体７０は接続部材８９，９０によってＹ粗動ステージ２３Ｙに接続固定され、これにより自重キャンセル機構２７はＹ粗動ステージ２３ＹとともにＸ軸方向及びＹ軸方向に駆動される。空気バネ７１は、供給弁等を有する不図示の空気供給装置を介して空気を出し入れすることでその内部の空気圧を調節し、上部に設けられたピストン７３をＺ軸方向に上下駆動させるアクチュエータとして機能する。ベースパッド７５は、ステージベース１２へ向けて空気を噴出することによりエアベアリングを形成し、自重キャンセル機構２７をステージベース１２上に浮上した状態（自重キャンセル機構２７とステージベース１２とが非接触の状態）に維持する。また、ピストン７３の上部からはレベリングカップ７６の下面に向けて空気が噴出され、これによりエアベアリングが形成されてピストン７３とレベリングカップ７６とが非接触の状態とされる。
【００２３】
レベリングカップ７６は、ステージ本体部２２Ｂの下部に設けられた三角錐状部材８８の３つの各面に相対する３つのパッド部を有する。このパッド部から三角錐状部材８８の相対する面に向けて空気を噴出してエアベアリングを形成することにより、レベリングカップ７６と微動ステージ２１とが非接触の状態とされる。上記３つのパッド部はそれぞれその傾斜角度が可変であり、これにより、微動ステージ２１は、上述のボイスコイルモータを作動させることで、レベリングカップ７６と非接触状態のままＺ軸方向，θｘ方向，及びθｙ方向の微小駆動が可能となっている。
【００２４】
次に、以上の機構を有するステージ装置を駆動する制御系を第１の実施形態から第３の実施形態により説明する。なお、以下の実施形態では、Ｚ軸方向の駆動制御のみを考慮するものとする。
【００２５】
（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態に適用される図１のステージ装置の構造モデル（図２（Ａ））及び伝達関数（図２（Ｂ））を示す図である。
図２（Ａ）において、第１構造物１０１は微動ステージ２１に対応し、第２構造物１０２はレベリングカップ７６及びピストン７３に対応し、第３構造物１０３は自重キャンセル機構２７からピストン７３を除いた部分に対応する。図２（Ａ）の各変数の意味は次のとおりである。
【００２６】
ｍ１：微動ステージ２１の質量
ｍ２：レベリングカップ７６の質量
ｍ３：ピストン７３の質量
ｍ４：自重キャンセル機構２７からピストン７３を除いた部分の質量
Ｆｚ：ボイスコイルモータによって微動ステージ２１に与えるＺ軸方向の駆動力
Ｆｂｅｌ：空気バネ７１によってピストン７３に与えるＺ軸方向の駆動力
Ｃｃｕｐ：微動ステージ２１とレベリングカップ７６間のエアベアリングの粘性係数
Ｋｃｕｐ：微動ステージ２１とレベリングカップ７６間のエアベアリングの弾性係数
Ｃｂｅｌ：空気バネ７１の粘性係数
Ｋｂｅｌ：空気バネ７１の弾性係数
Ｃａｂ：自重キャンセル機構２７とステージベース１２間のエアベアリングの粘性係数
Ｋａｂ：自重キャンセル機構２７とステージベース１２間のエアベアリングの弾性係数
ｚ１：自重キャンセル機構２７を基準とした微動ステージ２１のＺ軸方向の位置
ｚ２：自重キャンセル機構２７を基準としたピストン７３のＺ軸方向の位置
ｚ４：ステージベース１２を基準とした自重キャンセル機構２７のＺ軸方向の位置
ｚ５：ステージベース１２のＺ軸方向の位置
ｇ：重力加速度
なお、Ｃａｂ，Ｋａｂはそれぞれエアベアリングの粘性係数，弾性係数としたが、エアベアリングの剛性が高くその特性を無視できる場合には、Ｃａｂ，Ｋａｂを前記防振台の特性と考えて、その防振台の揺れをも考慮するよう設定してもよい。
【００２７】
図２（Ａ）の構造において、Ｚ軸方向の運動方程式は、次式（１）で表される。但し、ステージベース１２から下の部分は動かないと仮定し、ｚ５＝０とおいた。
【００２８】
【数１】
2009164282.tif 000003
【００２９】
式（１）をラプラス変換すると次式（２）になる。
【００３０】
【数２】
2009164282.tif 000004
【００３１】
式（２）の連立方程式をＺ１について解くと、次式（３）を得る。
【００３２】
【数３】
2009164282.tif 000005
【００３３】
但し、式（３）中の各定数は次のとおりである。
【００３４】
【数４】
2009164282.tif 000006
【００３５】
式（３）は、ボイスコイルモータによる駆動力Ｆｚと空気バネ７１による駆動力Ｆｂｅｌとを２入力として、各入力に対応する伝達関数Ｐｚ＝Ａ／Ｄｅｎ，Ｐｂｅｌ＝Ｂ／Ｄｅｎを介して微動ステージ２１のＺ軸方向の位置が与えられることを表している。式（３）を図に表したのが図２（Ｂ）である。式（３）及び図２（Ｂ）から分かるように、本ステージ装置は、ボイスコイルモータによって微動ステージ２１に駆動力を与えたときと、空気バネ７１によってピストン７３に駆動力を与えたときとで、微動ステージ２１が異なる応答特性を示す（異なる伝達関数を持つ）構造となっている。つまり、ボイスコイルモータによって微動ステージ２１を駆動する際の応答特性と、空気バネ７１によってピストン７３を駆動する際の応答特性とは異なっている。そのため、以下に説明する本発明による制御を行わない場合には、微動ステージ２１を指令位置に駆動する際に、微動ステージ２１の動きとレベリングカップ７６及びピストン７３の動きとが協調しないという現象が生じることになる。
【００３６】
図３は、図２のようにモデル化されたステージ装置の機構部を駆動する制御系の構成を示すブロック図である。この制御系は、コントローラ２０１と、目標軌道生成部２０２と、ＦＦ（フィードフォワード）制御部２０３と、ＦＢ（フィードバック）制御部２０６と、を含んで構成される。本発明は、微動ステージ２１の動きとレベリングカップ７６及びピストン７３の動きとを協調させるために、上記のように異なる応答特性の差が補償されるようにＦＦ制御部２０３とＦＢ制御部２０６によってボイスコイルモータの駆動力Ｆｚ及び空気バネ７１の駆動力Ｆｂｅｌの制御を行う。以下、具体的に説明する。
【００３７】
コントローラ２０１は、微動ステージ２１（基板テーブル２２Ａ）に対する指令位置を生成して、目標軌道生成部２０２へ出力する。また、コントローラ２０１は、目標軌道生成部２０２が生成した軌道と微動ステージ２１の現在位置ｚ１との差（加算部２２７の出力値）に基づいて、ＦＢ制御部２０６のスイッチ（ＳＷ）２０９の切替えを制御する（詳しくは後述）。
【００３８】
目標軌道生成部２０２は、コントローラ２０１から入力された指令位置に従って、微動ステージ２１が指令位置まで動いていく途中の各時刻における位置を表す目標軌道を計算し出力する。
【００３９】
ＦＦ制御部２０３は、第１ＦＦ制御部２０４と、第２ＦＦ制御部２０５と、加算部２２１〜２２２と、を有する。第１ＦＦ制御部２０４及び第２ＦＦ制御部２０５は、目標軌道によって示される各時刻の位置に基づいて、それぞれボイスコイルモータの駆動力Ｆｚと空気バネ７１の駆動力Ｆｂｅｌとに対するフィードフォワード制御値を計算する。第１ＦＦ制御部２０４の出力値は、加算部２２１で定数ｍ１ｇを加算されて加算部２２３の入力となる。この加算部２２３の出力はボイスコイルモータの駆動力Ｆｚである。一方、第２ＦＦ制御部２０５の出力値は、加算部２２２で定数（ｍ２＋ｍ３）ｇを加算されて加算部２２４の入力となる。この加算部２２４の出力は空気バネ７１の駆動力Ｆｂｅｌである。
【００４０】
ここで、第１ＦＦ制御部２０４は、駆動力Ｆｚに対応する図２（Ｂ）の伝達関数Ｐｚの逆関数Ｐｚ−１＝Ｄｅｎ／Ａを用いてフィードフォワード制御をし、第２ＦＦ制御部２０５は、駆動力Ｆｂｅｌに対応する図２（Ｂ）の伝達関数Ｐｂｅｌの逆関数Ｐｂｅｌ−１＝Ｄｅｎ／Ｂを用いてフィードフォワード制御をする。つまり、第１ＦＦ制御部２０４の出力値と第２ＦＦ制御部２０５の出力値との比はＡ−１：Ｂ−１即ちＢ：Ａであり、これは駆動力Ｆｚに対応する伝達関数Ｐｚと駆動力Ｆｂｅｌに対応する伝達関数Ｐｂｅｌとの比Ａ：Ｂの逆比である。
【００４１】
したがって、各ＦＦ制御部２０４，２０５の出力値とそれぞれに対応する伝達関数との積が等しいので、第１ＦＦ制御部２０４の出力値に基づく駆動力Ｆｚにより伝達関数Ｐｚを介して微動ステージ２１が受ける応答と、第２ＦＦ制御部２０５の出力値に基づく駆動力Ｆｂｅｌにより伝達関数Ｐｂｅｌを介して微動ステージ２１が受ける応答とは等しくなる。これは、駆動力Ｆｚでボイスコイルモータにより微動ステージ２１を駆動する際の応答特性と、駆動力Ｆｂｅｌで空気バネ７１によりピストン７３を駆動する際の応答特性とが等しいことを意味する。このように、微動ステージ２１とピストン７３の応答特性の差が補償されるように駆動力が制御される結果、微動ステージ２１の動きとレベリングカップ７６及びピストン７３の動きとを協調させることができる。
【００４２】
次に、ＦＢ制御部２０６による駆動力ＦｚとＦｂｅｌのフィードバック制御について説明する。
ＦＢ制御部２０６は、第１ＦＢ制御部２０７と、第２ＦＢ制御部２０８と、スイッチ２０９と、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２１０と、補正テーブル２１２と、加算部２２５〜２２７と、を有する。
【００４３】
加算部２２７は、目標軌道生成部２０２が生成した目標軌道と、不図示の位置センサによって計測された微動ステージ２１の現在位置ｚ１とを入力とし、目標軌道に対する現在位置ｚ１の誤差を出力する。第１ＦＢ制御部２０７は、加算部２２７の出力である目標軌道に対する微動ステージ２１の現在位置ｚ１の誤差に従って、ボイスコイルモータの駆動力Ｆｚに対するフィードバック制御値を計算する。このフィードバック制御は、例えばＰＩＤ制御に基づいて行う。
【００４４】
ハイパスフィルタ２１０は、第１ＦＢ制御部２０７の出力値の高周波成分だけを通過させる。例えば、空気バネ７１の駆動力Ｆｂｅｌに対するフィードバックループ（後述）の応答特性（伝達関数）ＦＢｂｅｌが次式（４）のように近似できるとしたとき、ボイスコイルモータの駆動力Ｆｚに対するフィードバックループ（後述）の応答特性（伝達関数）ＦＢｚが次式（５）で表されるように、ハイパスフィルタ２１０の特性を定めればよい。なお、式（４）では、応答の遅い空気バネ７１の特性を考慮して、伝達関数ＦＢｂｅｌが高周波帯域（ｓが大）で小さいゲインを持つことを仮定しており、これにより、式（５）の伝達関数ＦＢｚは低周波帯域で小さいゲインを持つことになる。
【００４５】
【数５】
2009164282.tif 000007
【００４６】
ハイパスフィルタ２１０の出力は加算部２２３を介してリミッタ（Ｌ）２１１へ入力される。なお、加算部２２３の出力値は、第１ＦＦ制御部２０４による制御値と第１ＦＢ制御部２０７による制御値の加算値である。リミッタ２１１は、ボイスコイルモータへの入力が過大入力とならないように、加算部２２３からの入力値を制限して出力する。リミッタ２１１の出力はボイスコイルモータへの入力となり、この入力に従ってボイスコイルモータから微動ステージ２１へＺ軸方向の駆動力Ｆｚが与えられる。
【００４７】
この駆動力Ｆｚによって、制御対象（図３の制御対象の部分は図２（Ｂ）と同じ）である微動ステージ２１がＺ軸方向に駆動する。そして、微動ステージ２１のＺ軸方向の現在位置ｚ１が、上述した不図示の位置センサによって計測されて、加算部２２７へ入力される。
【００４８】
このように、ボイスコイルモータの駆動力Ｆｚに対するフィードバックループが形成されている。
【００４９】
一方、加算部２２６は、目標軌道生成部２０２が生成した目標軌道と、不図示の位置センサによって計測されたピストン７３の現在位置ｚ２−４から算出される微動ステージ２１の推定現在位置ｚ１’（後述する加算部２２５の出力値）とを入力とし、目標軌道に対する推定現在位置ｚ１’の誤差を出力する。この加算部２２６の出力は、スイッチ２０９を介して第２ＦＢ制御部２０８へ入力される。第２ＦＢ制御部２０８は、この入力された目標軌道に対する微動ステージ２１の推定現在位置ｚ１’の誤差に従って、空気バネ７１の駆動力Ｆｂｅｌに対するフィードバック制御値を計算する。このフィードバック制御は、例えばＰＩＤ制御に基づいて行う。
【００５０】
第２ＦＢ制御部２０８の出力は加算部２２４へ入力される。なお、加算部２２４の出力値は、第２ＦＦ制御部２０５による制御値と第２ＦＢ制御部２０８による制御値の加算値である。加算部２２４の出力は空気バネ７１への入力となり、この入力に従って空気バネ７１からピストン７３へＺ軸方向の駆動力Ｆｂｅｌが与えられる。
【００５１】
この駆動力Ｆｂｅｌによって、ピストン７３がＺ軸方向に駆動する。そして、自重キャンセル機構２７を基準としたピストン７３のＺ軸方向の現在位置ｚ２−４が、上述した不図示の位置センサによって計測されて、加算部２２５へ入力される。ここで、補正テーブル２１２にはピストン７３の現在位置ｚ２−４を微動ステージ２１の推定現在位置ｚ１’に変換するための補正値ｚｅが記憶されており、加算部２２５は、ピストン７３の現在位置ｚ２−４と補正値ｚｅとを加算し微動ステージ２１の推定現在位置ｚ１’＝ｚ２−４＋ｚｅを出力する。なお、補正テーブル２１２の補正値ｚｅは、自重キャンセル機構２７のＸＹ面内の位置によって自重キャンセル機構２７のＺ軸方向の位置ｚ４が変動することを考慮して、あらかじめＸＹ面内の位置に応じたキャリブレーションがされているものとする。
【００５２】
このように、空気バネ７１の駆動力Ｆｂｅｌに対するフィードバックループが形成されている。このフィードバックループによれば、駆動力Ｆｂｅｌの作用点であるピストン７３の位置ｚ２−４に基づくフィードバック制御がかかるので、ピストン７３の動きを微動ステージ２１の動きに素早く追従させることができる。その結果、微動ステージ２１へピストン７３からの意図しない歪みや振動が励起されてしまうことがないという効果が得られる。但し、このフィードバックループによるフィードバック制御は、素早い追従が可能な反面、位置決めの対象である微動ステージ２１の位置ｚ１を用いていないため、微動ステージ２１の指令位置に合わせてピストン７３を精密に位置制御するのには適していない。そこで、本ステージ装置のＦＢ制御部２０６には、ピストン７３の精密な位置制御をも行えるようにするため、スイッチ２０９を用いて次のようなフィードバックループも形成される。なお、従来では、ピストン７３を精密に位置制御することのみが考慮され、ピストン７３を微動ステージ２１に素早く追従させることは考慮されていなかったので、上記説明したフィードバックループではなく次に説明するフィードバックループが用いられていた。
【００５３】
スイッチ２０９へは、上述したように加算部２２６の出力が入力されるとともに、加算部２２７からの出力も入力される。スイッチ２０９は、コントローラ２０１の指示に従って、これら２つの入力のいずれかを切り替えて第２ＦＢ制御部２０８へ出力する。スイッチ２０９が加算部２２６の出力を出力するように切り替えられた場合は、上述したフィードバックループが形成される。一方、スイッチ２０９が加算部２２７の出力を出力するように切り替えられた場合は、空気バネ７１の駆動力Ｆｂｅｌを微動ステージ２１の現在位置ｚ１を用いてフィードバック制御するフィードバックループが形成される。この後者のフィードバックループによれば、位置決め対象である微動ステージ２１の位置ｚ１に基づくフィードバック制御がかかるので、ピストン７３を微動ステージ２１の指令位置に合わせて精密に位置制御することができる。但し、上述したとおり、ピストン７３を微動ステージ２１に素早く追従させる性能は劣る。
【００５４】
スイッチ２０９の切替えは、コントローラ２０１により制御される。コントローラ２０１は、加算部２２７の出力値、即ち目標軌道生成部２０２が生成した軌道に対する微動ステージ２１の現在位置ｚ１の誤差が所定値（例えば１０μｍ）以上である場合、加算部２２６の出力を出力するようにスイッチ２０９へ切替えを指示し、誤差が当該所定値より小さい場合、加算部２２７の出力を出力するようにスイッチ２０９へ切替えを指示する。このような切替え制御によって、コントローラ２０１が微動ステージ２１に対する指令位置を生成してステージ制御が開始された時点では、上記誤差が大きいのでスイッチ２０９から加算部２２６の出力が出力されて、ピストン７３の位置ｚ２−４を用いたフィードバック制御が行われ、ピストン７３が素早く微動ステージ２１の動きに追従する制御が実現される。また、時間が経過して上記誤差が小さくなると、スイッチ２０９から加算部２２７の出力が出力されて、微動ステージ２１の位置ｚ１を用いたフィードバック制御が行われ、ピストン７３の精密な位置制御が実現される。
【００５５】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に適用される図１のステージ装置の構造モデル（図４（Ａ））及び伝達関数（図４（Ｂ））を示す図である。
図４（Ａ）において、第１構造物１０４は微動ステージ２１とレベリングカップ７６とピストン７３に対応し、第２構造物１０５は自重キャンセル機構２７からピストン７３を除いた部分に対応する。この構造モデルは、微動ステージ２１とレベリングカップ７６の間の剛性が高く両者を一体とみなせる場合に適用することができる。なお、図４（Ａ）の各変数の意味は第１の実施形態と同じである。
【００５６】
図４（Ａ）の構造において、Ｚ軸方向の運動方程式は、次式（６）で表される。但し、ステージベース１２から下の部分は動かないと仮定し、ｚ５＝０とおいた。
【００５７】
【数６】
2009164282.tif 000008
【００５８】
式（６）をラプラス変換し、得られた連立方程式をＺ１について解くと、次式（７）を得る。
【００５９】
【数７】
2009164282.tif 000009
【００６０】
但し、式（７）中の各定数は次のとおりである。
【００６１】
【数８】
2009164282.tif 000010
【００６２】
式（７）は、第１の実施形態の式（３）と形式的に同じものであり、式（７）を図に表したのが図４（Ｂ）である。
【００６３】
図５は、図４のようにモデル化されたステージ装置の機構部を駆動する制御系の構成を示すブロック図である。この制御系は、第１の実施形態の制御系（図３）と次の３点が異なるほかは構成が同じである。
１．自重キャンセル機構２７を基準としたピストン７３のＺ軸方向の位置ｚ２−４の代わりに、自重キャンセル機構２７を基準とした微動ステージ２１のＺ軸方向の位置ｚ１−４を位置センサによって計測し、加算部２２５へ入力する点
２．加算部２２１が省略される点
３．加算部２２２で定数（ｍ１＋ｍ２＋ｍ３）ｇを加算する点
【００６４】
したがって、本実施形態において、ステージ装置の構造モデルが異なるだけでステージ装置の駆動制御は基本的に第１の実施形態と同一であるので、第１の実施形態と同様の制御特性を得ることができる。また、本実施形態は構造モデルが図４（Ａ）から明らかなように２質点モデルであり、第１の実施形態（図２（Ａ））の３質点モデルよりも制御系の設計が簡単であるというメリットがある。
【００６５】
（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に適用される図１のステージ装置の構造モデル（図６（Ａ））及び伝達関数（図６（Ｂ））を示す図である。
図６（Ａ）において、第１構造物１０６は微動ステージ２１に対応し、第２構造物１０５はレベリングカップ７６とピストン７３に対応する。この構造モデルは、自重キャンセル機構２７（ピストン７３を除いた部分）より下部の運動が無視できる場合に適用することができる。なお、図６（Ａ）の各変数の意味は第１の実施形態と同じである。
【００６６】
図６（Ａ）の構造において、Ｚ軸方向の運動方程式は、次式（８）で表される。但し、上記のとおり自重キャンセル機構２７より下部の運動を無視したので、ｚ４＝０とおいた。
【００６７】
【数９】
2009164282.tif 000011
【００６８】
式（８）をラプラス変換し、得られた連立方程式をＺ１について解くと、次式（９）を得る。
【００６９】
【数１０】
2009164282.tif 000012
【００７０】
但し、式（９）中の各定数は次のとおりである。
【００７１】
【数１１】
2009164282.tif 000013
【００７２】
式（９）は、第１の実施形態の式（３）と形式的に同じものであり、式（９）を図に表したのが図６（Ｂ）である。
【００７３】
図６のようにモデル化されたステージ装置の機構部を駆動する制御系の構成は、第１の実施形態の制御系のブロック図と同じである。
したがって、本実施形態において、ステージ装置の構造モデルが異なるだけでステージ装置の駆動制御は基本的に第１の実施形態と同一であるので、第１の実施形態と同様の制御特性を得ることができる。また、本実施形態は構造モデルが図６（Ａ）から明らかなように２質点モデルであり、第１の実施形態（図２（Ａ））の３質点モデルよりも制御系の設計が簡単であるというメリットがある。
【００７４】
以上説明した第１乃至第３の実施形態によるステージ装置は、例えば微細な回路パターンをガラス基板や半導体基板に焼き付ける露光装置用のステージ装置として用いることができる。
図７は、上述のステージ装置を適用した露光装置の構成図である。露光装置３０１は、照明光学系３０２と、マスクＭを保持して移動するマスクステージ装置３０３と、投影光学系ＰＬと、ガラス基板Ｐを保持して移動する基板ステージ装置３０５と、を含んで構成される。
【００７５】
照明光学系３０２は、いずれも図示していない光源ユニット、シャッタ、２次光源形成光学系、ビームスプリッタ、集光レンズ系、レチクルブラインド、および結像レンズ系から構成され、マスクステージ装置３０３に保持されたマスクＭ上の所定の照明領域（回路パターンを含んでいる）を照明光ＩＬにより均一な照度で照明する。
投影光学系ＰＬは、光軸ＡＸ方向に沿って所定間隔で配置された複数枚のレンズエレメントを有する光学系（例えば屈折光学系）であり、照明光学系３０２からの照明光ＩＬによってマスクＭの照明領域が照明されると、このマスクＭを通過した照明光により、投影光学系ＰＬを介してマスクＭ上の照明領域の回路パターンの所定倍率の正立像がガラス基板Ｐ上に投影され、これによりガラス基板Ｐの表面に塗布されたフォトレジストが露光される。
【００７６】
マスクステージ装置３０３または基板ステージ装置３０５の少なくともいずれか一方には、上述した第１または第２の実施形態によるステージ装置を用いる。ここで、マスクステージ装置３０３として用いる場合にはＸステージ３上のプレートホルダにマスクＭが保持され、基板ステージ装置３０５として用いる場合には同プレートホルダにガラス基板Ｐが保持される。
【００７７】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
【００７８】
例えば、空気バネ７１の粘性係数Ｃｂｅｌと弾性係数Ｋｂｅｌが小さく低周波数の共振が発生してしまう場合には、ピストン７３の現在位置ｚ２−４を計測する位置センサとピストンの加速度を計測する加速度センサの出力を用いて、空気バネ７１の駆動力Ｆｂｅｌに対してダンピング（減衰）をかける制御を行うことが有効である。このダンピング制御は、ピストン７３の加速度に所定係数を乗じて加算部２２４へ入力し、ピストン７３の現在位置ｚ２−４から求めた速度に所定係数を乗じて加算部２２４へ入力する構成を、図３や図５の制御系に追加すればよい。これにより、ピストン７３と自重キャンセル機構２７との間に不要な振動が励起されてしまうことを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の一実施形態によるステージ装置の機構部分の構成図である。
【図２】第１の実施形態に適用される図１のステージ装置の構造モデル及び伝達関数を示す図である。
【図３】第１及び第３の実施形態におけるステージ装置の機構部を駆動する制御系の構成を示すブロック図である。
【図４】第２の実施形態に適用される図１のステージ装置の構造モデル及び伝達関数を示す図である。
【図５】第２の実施形態におけるステージ装置の機構部を駆動する制御系の構成を示すブロック図である。
【図６】第３の実施形態に適用される図１のステージ装置の構造モデル及び伝達関数を示す図である。
【図７】本発明のステージ装置を適用した露光装置の構成図である。
【符号の説明】
【００８０】
１２…ステージベース  ２１…微動ステージ  ２３Ｘ…Ｘ粗動ステージ  ２３Ｙ…Ｙ粗動ステージ  ２７…自重キャンセル機構  ７１…空気バネ  ７３…ピストン  ７６…レベリングカップ  ２０１…コントローラ  ２０２…目標軌道生成部  ２０３…ＦＦ（フィードフォワード）制御部  ２０４…第１ＦＦ制御部  ２０５…第２ＦＦ制御部  ２０６…ＦＢ（フィードバック）制御部  ２０７…第１ＦＢ制御部  ２０８…第２ＦＢ制御部  ２０９…スイッチ  ２１０…ハイパスフィルタ  ２１１…リミッタ  ２１２…補正テーブル  ２２１〜２２７…加算部  ３０１…露光装置  ３０２…照明光学系  ３０３…マスクステージ装置  ３０５…基板ステージ装置
【図１】
2009164282.tif 000014
【図２】
2009164282.tif 000015
【図３】
2009164282.tif 000016
【図４】
2009164282.tif 000017
【図５】
2009164282.tif 000018
【図６】
2009164282.tif 000019
【図７】
2009164282.tif 000020