(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各軸についての位置フィードバックによる位置制御手段と、各位置制御手段に対する目標位置指令値を発生する目標位置指令値生成手段とを備えた複数軸についての同期位置制御装置において、各位置制御手段に対する目標位置指令値に対し、所定の伝達関数に従った変換を施して各位置制御手段に出力する変換手段を備え、その伝達関数の特性は各軸について同一であり、その特性は高域遮断特性であり、かつその遮断周波数は、いずれの位置制御手段におけるサーボ帯域よりも小さいことを特徴とする同期位置制御装置。
【請求項２】
各位置制御手段の前段に前置フィルタを挿入し、各軸における前記前置フィルタと位置制御手段を合わせた伝達特性が全軸でほぼ同一となるように前記前置フィルタの特性を設定したことを特徴とする請求項１に記載の同期位置制御装置。
【請求項３】
各軸についての目標加速度指令値を生成する加速度指令値生成手段と、各目標加速度指令値に対して、所定の伝達関数に従った変換を施し、変換加速度指令値として出力する変換手段と、各変換加速度指令値を２回積分することにより位置指令値に変換して出力する積分手段と、各変換加速度指令値に所定の補償を施し、これをフィードフォワード信号として出力する補償手段と、各位置指令値およびフィードフォワード信号に基づき、各軸についての位置フィードバックによる位置制御を行う位置制御手段とを備え、各変換手段の伝達関数の特性は各軸について同一であり、その特性は高域遮断特性であり、かつその遮断周波数は、いずれの位置制御手段におけるサーボ帯域よりも小さいことを特徴とする同期位置制御装置。
【請求項４】
前記複数軸は２軸であり、そのうちの一方の軸についての追従位置に所定の係数を乗ずる係数倍手段と、この係数倍された追従位置と他方の軸についての追従位置との差である同期誤差に基づき、いずれかの軸における前記位置指令位値に加算すべき補正値を求める補正手段と、前記補正値をいずれかの軸における前記位置指令値に加算する加算手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の同期位置制御装置。
【請求項５】
前記一方の軸はスキャン方式の半導体露光装置のウエハステージであり、他方の軸はそのレチクルステージであることを特徴とする請求項４に記載の同期位置制御装置。
【請求項６】
各軸についての位置フィードバックによる位置制御手段に対して目標位置指令値を付与して複数軸についての同期位置制御を行う同期位置制御方法において、伝達関数の特性が各軸について同一であり、その特性は高域遮断特性であり、かつその遮断周波数は、いずれの位置制御手段におけるサーボ帯域よりも小さい変換手段によって変換を施してから前記目標位置指令値を各位置制御手段に対して付与することを特徴とする同期位置制御方法。
【請求項７】
各軸についての目標加速度指令値を生成する加速度指令値生成工程と、各目標加速度指令値に対して、所定の伝達関数に従った変換を施し、変換加速度指令値として出力する変換工程と、各変換加速度指令値を２回積分することにより位置指令値に変換して出力する積分工程と、各変換加速度指令値に所定の補償を施し、これをフィードフォワード信号として出力する補償工程と、各位置指令値およびフィードフォワード信号に基づき、各軸についての位置フィードバックによる位置制御を行う位置制御工程とを備え、前記変換工程における伝達関数の特性は各軸について同一であり、その特性は高域遮断特性であり、かつその遮断周波数は、いずれの軸についての位置制御工程におけるサーボ帯域よりも小さいことを特徴とする同期位置制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスキャン方式の半導体露光装置、工作機械等における２つ以上の対象物について位置の同期関係を高精度で維持する必要のある分野で利用される同期位置制御装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば金型加工の工作機械においては、自由曲面を高精度で切削する必要がある。このような制御を輪郭制御というが、この制御において重要なことは、各軸間の位置の同期性が性能を決めるという点にある。すなわち、通常の位置制御系においては、目標位置に対する追従誤差が重要な制御指標であるが、輪郭制御においては、目標位置に対する追従性能よりも各軸の同期性の方がより重要な性能である。この点を、例を用いて説明する。
【０００３】
図１２は工作機械のＸＹテーブルを想定した、ＸＹ平面上直交２軸についての従来の同期位置制御系を示す。同図（ａ）はＸ軸位置制御系、（ｂ）はＹ軸位置制御系を示すが、各位置制御系は、目標位置指令値生成手段１ａおよび１ｂが出力する目標位置指令値２ａおよび２ｂに対して一次遅れ特性を有している。それらの遮断周波数を表す位置ループゲイン４０ａおよび４０ｂをＷｏｘおよびＷｏｙとする。図１５は、Ｗｏｘ＝Ｗｏｙ＝５Ｈｚとし、ＸＹ平面上で直線経路を描いたときの平面上の軌跡、すなわち、低ゲインの同期位置制御系の追従軌跡を示す。図１６（ａ）および（ｂ）は、このときのＸ軸およびＹ軸の追従誤差、すなわち低ゲインの同期位置制御系の時間応答を示す。また、図１７は、Ｗｏｘ＝１０Ｈｚ、Ｗｏｙ＝１２Ｈｚと高いゲインに設定し、ＸＹ平面上で直線を描いたときの平面上の軌跡、すなわち高ゲインの同期位置制御系の追従軌跡を示す。図１８（ａ）および（ｂ）は、このときのＸ軸およびＹ軸の追従誤差、すなわち高ゲインの同期位置制御系の時間応答を示す。図１５および図１６に示されるように低ゲインの場合は、位置制御系の追従性能は悪いが、同期性能は高いシステムとなる。これに対し、高ゲインの場合は、図１７および図１８に示されるように、位置制御系の追従性能は良いが、同期性能は低いシステムとなる。両者を比較すると、図１５および図１６の応答性の低いシステムの方が、追従誤差は大きいにもかかわらず、目標経路に対する経路誤差が小さいことが分かる。
【０００４】
この例からわかるように、同期性能を重視するシステムにおいては、単純に位置制御系のゲインを高くし、追従性能を高くするだけでは良好な制御性能を得ることはできず、各制御軸間の位置制御特性を一致させ、同期制御性能を高めることが重要である。このように、輪郭制御を行う工作機械の位置制御においては、各制御軸のサーボ特性を可能な限り同一の特性に設定し、各軸の同期関係を維持する必要がある。各軸のサーボ特性が異なると、各軸間の同期関係が崩れ、切削目標経路と実際の切削経路に誤差が発生し、加工精度を悪化させる。
【０００５】
従来、このような各軸間の同期関係を維持する同期位置制御系を構成するために、工作機械では、図１３に示すような位置制御系を構成している。このサーボ系は内部にゲインの高い速度制御ループ４３を有し、外部にゲインの低い位置制御ループ４４を有する。このような構成にする目的は、速度制御ループによって系の安定性の確保と外乱抑圧を行い、位置制御ループによって目標値に対する各軸の応答性、特に同期性を確保することにある。例えば、金型加工機において、制御軸をＸ、Ｙ、Ｚの３軸とすると、３軸の位置制御ループのゲインは一致している必要がある。しかし、速度制御ループのゲインは必ずしも一致させることはできない。これは機械的な要因によって各軸の機械構造が異なるため、速度制御ループのゲインを決める機械共振点が異なるからである。すなわち、外乱抑制の観点からは速度制御ループのゲインは可能な限り高いことが望ましいが、機械共振の制約から、軸の速度制御ループのゲインは異なるのが普通である。したがって、位置制御ループのゲインを一致させても、各軸の速度制御ループのゲインは必ずしも一致していないため、位置目標値に対する各軸の応答性は異なる。しかし、工作機械の位置制御系においては、位置制御ループのゲインは速度制御ループのゲインの１／１０倍以下の低い値に設定される。このような場合、位置目標値に対する位置制御系の応答性には、速度制御ループの特性がほとんど現れない。このため、図１３のような制御系によって、各軸の同期位置制御系を構成できることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の同期位置制御系によれば、速度制御ループが位置制御ループの内部ループとなっているため、両者のゲイン設定が干渉することがある。すなわち、従来の使用方法により位置制御ループのゲインを速度制御ループのゲインの１／１０以下に設定する場合は２つのループの特性はほぼ独立に設定可能であるが、応答性の観点から位置ループのゲインを高く設定する必要がある場合には、２つのループのゲインを大きく離しておくことは困難になる。つまり、位置制御ループのゲインが高くなると、速度制御ループの特性が、位置目標値に対する応答に現れてくる。このとき、各軸の速度制御ループの特性が異なると、同期位置制御特性が悪化する。
【０００７】
また、従来の構成では、目標値に対する応答性は位置制御ループゲインに支配されるため、同期位置制御する必要のない単なる位置決め制御の場合には、整定時間が長くなるなどの問題もある。また、目標値に対する応答性は位置ループゲインを遮断周波数とする一次遅れ系で近似されるが、逆に一次遅れ特性以外の応答性が望ましい場合への対応が困難であるなどの問題がある。さらに、同期性能を決める位置制御系の特性がフィードバック系であるため、制御の知識のない設計者には同期制御系の構成が困難であるなどのシステム設計上の問題もある。
【０００８】
本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑み、同期位置制御装置および方法において、第１に、目標値に対する応答性の調整の自由度を向上させることにある。第２に、単なる位置決め制御の場合には、整定時間を短くすることができるようにすることにある。第３に、容易に設計できるような構成にすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため本発明の第１の同期位置制御装置は、各軸についての位置フィードバックによる位置制御手段と、各位置制御手段に対する目標位置指令値を生成する目標位置指令値生成手段とを備えた複数軸についての同期位置制御装置において、各位置制御手段に対する目標位置指令値に対し、所定の伝達関数に従った変換を施して各位置制御手段に出力する変換手段を備え、その伝達関数の特性は各軸について同一であり、その特性は高域遮断特性であり、かつその遮断周波数は、いずれの位置制御手段におけるサーボ帯域よりも小さいことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第１の同期位置制御方法は、各軸についての位置フィードバックによる位置制御手段に対して目標位置指令値を付与して複数軸についての同期位置制御を行う同期位置制御方法において、伝達関数の特性が各軸について同一であり、その特性は高域遮断特性であり、かつその遮断周波数は、いずれの位置制御手段におけるサーボ帯域よりも小さい変換手段によって変換を施してから前記目標位置指令値を各位置制御手段に対して付与することを特徴とする。
【００１１】
従来は比較的応答性の低い位置制御手段で同期位置制御装置を構成していたのに対し、これら本発明では、応答性の高い位置制御手段で同期位置制御装置を構成し、かつ各位置制御装置の前段に高域遮断特性をもつフィルタ（変換手段）を設け、このフィルタの特性を全制御軸で同一とし、フィルタの遮断周波数を全軸の位置制御ループゲインのいずれよりも低く設定するようにしている。このように、応答性の高い位置制御ループの前段にそのようなフィルタを用いると、位置指令値に対する応答性はほぼ、このフィルタの応答性に支配される。したがって、このフィルタの特性を全軸で同じに設定すると、位置指令値に対する応答性は全軸ほぼ同じになるため、同期性能の高い同期位置制御装置が容易に構成できることになる。また、前記フィルタ（変換手段）の特性は系の安定性とは無関係に設定できるため、位置指令値に対する応答性の調整の自由度が大きくなる。さらに、応答性を決めるフィルタは単に目標位置指令値を変換するだけであるから、同期制御が不要な単なる位置決め制御の場合には、このフィルタを介さないで目標位置指令値を与えるなどの処理が可能であるため、位置決め性能の高いシステムとして用いることも容易である。
【００１２】
本発明の第２の同期位置制御装置は、各軸についての目標加速度指令値を生成する加速度指令値生成手段と、各目標加速度指令値に対して、所定の伝達関数に従った変換を施し、変換加速度指令値として出力する変換手段と、各変換加速度指令値を２回積分することにより位置指令値に変換して出力する積分手段と、各変換加速度指令値に所定の補償を施し、これをフィードフォワード信号として出力する補償手段と、各位置指令値およびフィードフォワード信号に基づき、各軸についての位置フィードバックによる位置制御を行う位置制御手段とを備え、各変換手段の伝達関数の特性は各軸について同一であり、その特性は高域遮断特性であり、かつその遮断周波数は、いずれの位置制御手段におけるサーボ帯域よりも小さいことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第２の同期位置制御方法は、各軸についての目標加速度指令値を生成する加速度指令値生成工程と、各目標加速度指令値に対して、所定の伝達関数に従った変換を施し、変換加速度指令値として出力する変換工程と、各変換加速度指令値を２回積分することにより位置指令値に変換して出力する積分工程と、各変換加速度指令値に所定の補償を施し、これをフィードフォワード信号として出力する補償工程と、各位置指令値およびフィードフォワード信号に基づき、各軸についての位置フィードバックによる位置制御を行う位置制御工程とを備え、前記変換工程における伝達関数の特性は各軸について同一であり、その特性は高域遮断特性であり、かつその遮断周波数は、いずれの軸についての位置制御工程におけるサーボ帯域よりも小さいことを特徴とする。
これら第２の発明では、目標値のフィードフォワードループを設けることにより、目標値に対する追従性能を向上させるようにしている。また、フィードフォワードループにおける補償手段の構造は単純であり、実施は容易である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の同期位置制御装置または同期位置制御方法の好ましい実施形態においては、各位置制御手段または位置制御工程の前段に前置フィルタを挿入し、各軸における前記前置フィルタと位置制御手段を合わせた伝達特性が全軸でほぼ同一となるように前記前置フィルタの特性を設定して、同期制御特性を、より向上させるようにしている。
【００１５】
また、本発明の第１または第２の同期位置制御装置または同期位置制御方法をスキャン方式の半導体露光装置におけるウエハステージおよびレチクルステージの２軸についての同期位置制御に適用する場合は、そのうちの一方の軸についての追従位置に所定の係数を乗ずる係数倍手段と、この係数倍された追従位置と他方の軸についての追従位置との差である同期誤差に基づき、いずれかの軸における前記位置指令位値に加算すべき補正値を求める補正手段と、前記補正値をいずれかの軸における前記位置指令値に加算する加算手段とを設け、これにより同期位置制御性能を向上させるようにしている。
【００１６】
【実施例】
［実施例１］
図１は本発明の第１の実施例に係る同期位置制御装置を示すブロック線図である。ここでは、この装置を、金型を切削するＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸を輪郭制御する工作機械に適用した場合を想定している。Ｘ軸を第１軸とし、ＹおよびＺ軸をそれぞれ第２軸および第３軸としている。なお、図１では、第１軸、第２軸および第３軸の各要素の符号における後部のａ、ｂおよびｃにより各軸を区別している。
【００１７】
この装置は、図１に示すように、目標位置指令値生成手段１ａが発生する目標位置指令値２ａを、指令値変換手段３ａにより高周波振動成分が遮断された変換位置指令値４ａに変換し、位置制御手段５ａに印加するように構成している。第２軸、第３軸についても第１軸と同様に構成している。全軸の変換手段３ａ、３ｂおよび３ｃは、周波数特性が同じで、かつ高域遮断特性をもつ２次のフィルタである。位置制御手段５ａは、図１４に示すような、位置制御ループによる単一ループの構成を有する。この構成における位置補償手段４５はＰＩＤ補償器としている。第２軸および第３軸の位置制御手段５ｂおよび５ｃの構成も、同様である。
【００１８】
この構成において、位置制御手段５ａ、５ｂおよび５ｃの位置ループゲインは各々８０Ｈｚ、９０Ｈｚ、１００Ｈｚとする。また、変換手段３ａ、３ｂおよび３ｃの遮断周波数は５Ｈｚとし、各軸の位置制御手段の位置ループゲインより十分小さい値とする。このように設定すると、各軸の目標指令値に対する応答はほぼ５Ｈｚの高域遮断フィルタ（変換手段３ａ〜３ｃ）の応答に支配されるため、各軸での位置の応答性はほぼ等しくなり、各軸間の同期性の高いシステムを構成することができる。
【００１９】
すでに説明したように、従来の同期位置制御系における１軸の構成は、図１３のような速度制御ループを内部にもつ構成である。この系の位置ループゲインを全軸ともに５Ｈｚとし、速度制御ループのゲインは第１軸、第２軸および第３軸のそれぞれにおいて８０Ｈｚ、９０Ｈｚおよび１００Ｈｚとすると、例えば第１軸および第２軸間の同期誤差は図１９のようになる。そして、本実施例の場合における第１軸および第２軸間の同期誤差は図２０のようになる。したがって、両者の同期制御性能はほぼ同じになる。
【００２０】
したがって、本実施例によれば、制御特性の異なる位置制御手段をもつ位置制御系に対して、制御系の特性を変えることなく、位置制御手段の前段に変換手段を挿入するだけで、同期位置制御系を構成することができる。このため、各種システムヘの適用が容易である。
なお、ここでは３軸の同期位置制御装置の例を示したが、軸数が増えても、１軸相当の構成を必要な軸数分増やすことにより、多軸の同期位置制御装置を容易に構成することができる。
【００２１】
［実施例２］
図２は本発明の第２の実施例に係る同期位置制御装置を示すブロック線図である。この装置では、位置制御手段の前段に前置フィルタを設けることにより、目標値に対する各軸の位置制御特性を同一とし、同期位置制御特性を向上させるようにしている。すでに説明したように、複数軸を目標位置指令値に同期させて移動するためには、各制御軸の目標値に対する応答性を一致させる必要がある。このために、上述の実施例では、位置指令値に対する応答性の異なる各位置制御手段の前段に、同一の特性をもつ高域遮断フィルタ（変換手段）を設置することにより位置制御の同期性を高めている。本実施例ではさらに、前置フィルタと位置制御手段を合わせた伝達特性が、全軸で一致するように構成している。
【００２２】
すなわち、図２に示すように、位置制御手段５ａ、５ｂおよび５ｃの伝達関数を各々Ｇ１、Ｇ２およびＧ３とし、前置フィルタ７ａ、７ｂおよび７ｃの伝達関数をＦ１、Ｆ２およびＦ３とすれば、Ｆ１＊Ｇ１＝Ｆ２＊Ｇ２＝Ｆ３＊Ｇ３となるように前置フィルタ７ａ、７ｂおよび７ｃを設定することにより、全軸について前置フィルタ７ａ〜７ｃ以降の位置制御手段５ａ〜５ｃにおける位置目標値信号から追従位置への伝達関数がすべて等しくなるようにしている。ここでは、伝達関数Ｆ１は１とし、Ｆ２＝Ｇ１／Ｇ２、Ｆ３＝Ｇ１／Ｇ３と定めてある。したがって、原理的には各軸間の同期位置誤差は零である。実際には伝達関数Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３等は高次の伝達関数となり、高次の項の係数を求めることは困難であり、また、係数が変動するなどの問題もあるため、伝達関数Ｆ２およびＦ３を前記のように定めることは困難である。このため、これらの伝達関数を近似した形で補償器７ｂおよび７ｃの伝達関数Ｆ２およびＦ３を定めることになるが、その場合でも、実施例１で示した系に比べ、同期制御特性が、より向上したものとなる。
【００２３】
［実施例３］
図３は本発明の第３の実施例に係る同期位置制御装置を示すブロック線図である。この例では、目標値のフィードフォワードループを設けることにより、目標値に対する追従性能を向上させるようにしている。実施例２のような前置フィルタによる伝達特性の変更では、前置フィルタの伝達関数が複雑になる。これに対し、本実施例のフィードフォワードループによる方法は、補償器の構造が単純であり、実現が容易である。
【００２４】
図３の装置における第１軸の動作を説明する。他の軸についても動作は同じである。同図に示すように、目標加速度指令値生成手段１０ａが生成する目標加速度指令値１１ａは、変換手段３ａにより高周波成分が遮断され、変換加速度指令値１２ａになる。この変換加速度信号１２ａは積分手段１５ａにより２回積分され、位置指令値１６ａになり、位置制御手段５ａに印加される。また、変換加速度信号１２ａは補償手段１３ａによりフィードフォワード信号１４ａに変換されて位置制御手段５ａに印加される。位置制御手段５ａは位置指令値１６ａとフィードフォワード信号１４ａにより駆動される。
【００２５】
図３ではフィード・フォワード処理の詳細が分かりにくいため、図９に図３の第１軸の位置制御手段５ａの詳細な構成を示す。他の軸についても構成は同じである。図９に示すように、位置指令値信号１６ａと制御対象２２ａの追従位置６ａとの差分により位置誤差２０ａが求められる。位置補償器２１ａは位置誤差２０ａに基づいて補償制御入力２３ａを計算する。位置補償器２１ａは、通常はＰＩＤ補償器である。そして、補償手段１３ａにより出力されたフィードフォワード信号１４ａと補償制御入力２３ａとの和である制御入力２４ａが、制御対象２２ａを駆動する。
【００２６】
フィードフォワード信号１４ａは制御対象２２ａの特性により決定される。追従位置６ａが目標位置指令値１６ａに対して完全に追従するようにすると、図９の構成の場合、フィードフォワード信号１４ａを計算する補償手段１３ａの特性Ｈ１は、次のようにして求めることができる。
【００２７】
【数１】
Ｈ１＝（１／ｓ＾２）／Ｓ１
【００２８】
ここで、ｓはラプラス演算子である。制御対象２２ａが図１０のようなモデルで表される場合の補償器１３ａの特性Ｈ１は、次のようにして求めることができる。図１０は、アクチュエータとしてリニアモータを用いた簡単な機械系による制御対象を示す。図中、Ｍはステージ５５の質量、Ｋｉは電流増幅器５１のゲイン、Ｋｔはリニアモータ５３の推力定数である。この系への制御入力は電流指令値５０である。数１式に図１０のモデルの特性を代入すると、この例における補償器１３ａの特性は次のように求められる。
【００２９】
【数２】
Ｈ１＝Ｍ／（Ｋｔ＊Ｋｉ）
【００３０】
［実施例４］
図４は本発明の第４の実施例に係る同期位置制御装置を示すブロック線図である。この例では、制御対象軸を２軸に限定し、この２軸間の同期誤差に基づく補正を施すことにより同期位置制御性能を向上させるようにしている。このような制御は、２つの制御対象の位置関係が比例関係にあることが望ましい系で有効である。実際の対象としては、スキャン方式の半導体露光装置におけるウエハステージとレチクルステージの同期位置制御系や、門型の工作機械において２つのコラムを別個のアクチュエータで制御する場合等が該当する。
【００３１】
図４の構成は、この同期補正を用いたシステムの基本的な構成である。この構成における動作を説明する。目標位置生成手段１ａが生成する目標位置指令値２ａは、フィルタ３ａにおいて、高周波振動成分が遮断され、新たな位置指令値４ａとなる。この位置指令値４ａは、第１の位置制御手段５ａへの位置指令値となる。また、第２軸に対する位置目標値生成手段１ｂが生成する位置指令値２ｂは変換手段３ｂにより変換位置指令値４ｂとなる。一方、第２の位置制御手段５ｂの追従位置６ｂと、第１の位置制御手段の位置６ａを所定の係数Ｋだけ乗じた位置との差分より同期誤差３３が求められる。同期補正手段３４は同期誤差３３を入力とし、同期補正値３５を出力する。同期補正手段３４はここでは積分補償器とする。変換位置指令値４ｂと同期補正値３５との和が、第２の位置制御手段５ｂに対する位置指令値となる。
【００３２】
このように、２軸間の同期誤差を求めて補償する制御ループを同期ループと呼ぶことにする。このような同期ループをもつ構成により、第１軸と第２軸の追従位置に同期誤差が生じた場合でも、同期補償器３４によりこの誤差分だけ第２軸を移動することにより、２軸の同期関係を維持することができる。
【００３３】
このような構成が実施例１〜３の同期ループのない構成と最も異なる点は、外乱に対する特性である。すなわち、同期ループのない構成では、各軸に入る外乱は各軸のサーボ特性のみによって抑圧される。これに対し、同期ループをもつ構成では、第１軸に入った外乱の抑圧できなかった分は、同期ループによって第２軸を移動することにより低減することができる。このため、同期ループをもつ構成の方が同期ループのない構成に比べて同期位置制御性能が高い。
なお、本実施例では同期補償器３４として単純な積分補償器（Ｉ補償器）を用いたが、この代わりにＰＩ補償器、ＰＩＤ補償器等によって構成することもできる。
【００３４】
［実施例５］
実施例４では第２軸の目標位置指令値を独立に生成したが、図５に示す本発明の第５の実施例のように、第１軸の位置目標値４ａを係数倍手段３２によってＫ倍することにより第２軸の変換位置指令値４ｂを求め、実施例４における第２軸の目標値生成手段１ｂおよび変換手段３ｂを省略するようにしてもよい。
【００３５】
［実施例６］
図６は図２の実施例２の構成に同期補償のループを付加した第６の実施例に係る同期位置制御装置を示すブロック線図である。実施例４または５の方法で十分な同期精度が得られない場合には、図６の構成により同期性能を向上させることができる。この構成においても、第２軸の目標指令値は実施例５で示したように第１軸の位置指令値を係数倍することによって求めている。
【００３６】
この装置では、実施例２で説明したように、２軸の目標値に対する同期性能を向上させるため、位置制御手段５ａの前段に前置フィルタ７ａを挿入してある。そして、第１軸および第２軸の位置制御手段の伝達関数を、各々Ｇ１およびＧ２とし、各々の位置制御手段５ａおよび５ｂの前段に挿入する前置フィルタ７ａおよび７ｂの伝達関数をＦ１およびＦ２とすれば、Ｆ１＊Ｇ１＝Ｆ２＊Ｇ２となるようにＦ１とＦ２を設定する。このとき、目標位置指令値に対する位置制御手段５ａおよび５ｂの追従特性はまったく同じになるため、目標位置に対する同期誤差を零にすることができる。ただし、外乱に対する同期誤差は前置フィルタ７ａおよび７ｂでは補償できないため、同期ループは外乱の影響を低減するために有効である。
【００３７】
［実施例７］
図７は本発明の第７の実施例に係る同期位置制御装置を示すブロック線図である。実施例３において説明したように、実施例６の前置フィルタを用いる方式は前置フィルタの構造が複雑になり、実現が困難な場合がある。そこで、本実施例では、目標加速度信号１１ａからフィードフォワード信号１４ａおよび１４ｂを生成して位置制御手段５ａおよび５ｂを駆動するようにしており、実現が容易である。この装置の動作は実施例３および４で説明したものとほぼ同じである。
【００３８】
［実施例８］
図１１は本発明の第８の実施例に係るスキャン方式の露光装置を示す側面図である。実施例１〜７では特に対象を限定していなかったが、ここではこのスキャン方式の露光装置に対して本発明を適用した例を示す。この露光装置では、レチクルステージ５５ｂを支持するレチクルステージ定盤７１は、ウエハステージ５５ａを支持する定盤９２に立設されたフレーム９４と一体となっている。またレチクルステージ５５ｂ上のレチクルを経てウエハステージ５５ａ上のウエハＷを露光する露光光は、破線で示す光源装置９５から発生される。フレーム９４は、レチクルステージ定盤７１を支持するとともに、レチクルステージ５５ｂとウエハステージ５５ａの間において投影光学系９６を支持する。レチクルステージ５５ｂを加速および減速するリニアモータの固定子７５がフレーム９４と別体である支持枠９０によって支持されているため、レチクルステージ５５ｂのモータの駆動反力がウエハステージ５５ａに伝わって、その駆動部の外乱となったり、あるいは投影光学系９６を振動させるおそれはない。
【００３９】
この構成において、ウエハステージ５５ａは、駆動部によってレチクルステージ５５ｂと同期して走査移動される。レチクルステージ５５ｂとウエハステージ５５ａの走査移動中、両者の位置はそれぞれレーザ干渉計９８および９７によって継続的に検出され、レチクルステージ５５ｂとウエハステージ５５ａの駆動部にそれぞれフィードバックされる。これによって、両者の走査開始位置を正確に同期させるとともに、定速走査領域での走査速度を高精度で制御することができる。
【００４０】
この露光装置に対して第７の実施例をより詳細に示した図８の制御系を適用した場合の動作を説明する。ただしこの場合、ウエハステージ５５ａとレチクルステージ５５ｂは、レンズ９６の光学中心を原点として、レンズ９６の投影倍率に対応する位置関係で同期位置制御される。したがって、図８の係数倍手段３１および３２における比例定数Ｋは、ここではレンズの投影倍率になり、この例では４倍である。また、制御対象であるウエハステージ５５ａおよびレチクルステージ５５ｂはともに図１０で示される構成を有するものとする。ウエハステージ５５ａとレチクルステージ５５ｂに係る部分は、符号にそれぞれａおよびｂを含めて区別してある。
【００４１】
図８に示すように、目標加速度指令値生成手段１０ａが生成するウエハステージ５５ａに対する加速度指令値１１ａは、前置フィルタ３ａにより高周波成分の遮断された変換加速度信号１２ａとなり、積分手段１５ａにより２回積分され、ウエハ位置制御手段５ａに、位置指令値１６ａとして与えられる。ウエハ位置制御手段５ａにおいては、位置指令値１６ａとレーザ干渉計９７により計測されたウエハ追従位置６ａとの差分である位置誤差２０ａが位置補償器２１ａに入力される。また、変換加速度信号１２ａは補償手段１３ａによりフィードフォワード信号１４ａに変換され、これと、位置補償器２１ａの出力信号２３ａとの和である制御入力２４ａが制御対象２２ａに入力される。制御対象２２ａは図１０に示される構成を有する。すなわち、制御入力２４ａは電流指令値５０として入力され、電流増幅器５１により増幅されて電流５２となり、アクチュエータであるリニアモータ５３に印加され、推力５４を発生する。この推力５４によりウエハステージ５５ａが駆動される。このときの追従位置６ａはレーザ干渉計９７により計測される。
【００４２】
レチクルステージ５５ｂもウエハステージ５５ａと同様にして駆動される。すなわち、ウエハステージ５５ａへの位置指令値１６ａは、係数倍手段３２によりレンズの投影倍率である４倍がなされて、レチクルステージ５５ｂへの位置目標指令値１６ｂとなる。また、計測されたウエハ追従位置６ａは、係数倍手段３１により投影倍率である４倍がなされ、レチクルステージ５５ｂの計測位置６ｂとの差分がとられて同期誤差３３が求められる。同期誤差３３は補正手段３４により補正値信号３５に変換される。そして、補正値信号３５と、ウエハ位置目標値１６ａの４倍された値との和よりレチクルステージ５５ｂへの位置目標値１６ｂが生成される。レチクル位置制御手段５ｂでは、位置指令値１６ｂとレーザ干渉計９８により計測されたレチクル追従位置６ｂとの差分である位置誤差２０ｂが位置補償器２１ｂに入力される。また、変換加速度信号１２ａは係数倍手段３６により４倍され、補償手段１３ｂによりフィードフォワード信号１４ｂに変換される。このフィードフォワード信号１４ｂと、位置補償器２１ｂの出力である補償制御入力２３ｂとの和から制御対象２２ｂに対する制御入力２４ｂが生成される。制御対象２２ｂはウエハステージ５５ａの場合と同様に、図１０に示される構成を有する。したがって、制御入力２４ｂは電流指令値５０として入力され、電流増幅器５１により増幅されて電流５２となり、アクチュエータであるリニアモータ５３に印加され、推力５４を発生する。この推力５４によりレチクルステージ５５ｂが駆動される。このときのレチクル追従位置６ｂは、レーザ干渉計９８により計測される。
なお、本実施例では第１軸をウエハステージ５５ａ、第２軸をレチクルステージ５５ｂとしてシステムを構成する場合の例を示したが、第１軸と第２軸が逆であっても同様にしてシステムを構成することができるのは当然である。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、目標位置指令値に対する変換手段を設け、その特性を、各軸について同一でかつ高域遮断特性とし、かつ遮断周波数をいずれの位置制御手段におけるサーボ帯域よりも小さいものとしたため、目標位置指令値に対する応答性を全軸ほぼ同一とし、同期性能の高い同期位置制御装置を容易に設計して構成することができる。また、目標位置指令値に対する応答性の調整の自由度を向上させることができる。さらに、同期制御が不要な単なる位置決め制御の場合には、変換手段を介さないで目標位置指令値を与える等により、位置決め性能の高いシステムとして用いることも容易となる。
【００４４】
また、さらに、位置制御手段の前段に前置フィルタを挿入し、各軸における前置フィルタと位置制御手段を合わせた伝達特性が全軸でほぼ同一となるように前置フィルタの特性を設定することにより、同期制御特性をより向上させることができる。
また、さらに、変換加速度指令値に基づくフィードフォワード信号にも基づいて位置制御を行うことにより、目標値に対する追従性能をも向上させることができ、かつ装置をより容易に構成することができる。
また、２軸についての同期位置制御に適用する場合は、同期ループを設けることにより、同期位置制御性能をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施例に係る同期位置制御装置を示すブロック線図である。
【図２】  本発明の第２の実施例に係る同期位置制御装置を示すブロック線図である。
【図３】  本発明の第３の実施例に係る同期位置制御装置を示すブロック線図である。
【図４】  本発明の第４の実施例に係る同期位置制御装置を示すブロック線図である。
【図５】  本発明の第５の実施例に係る同期位置制御装置を示すブロック線図である。
【図６】  本発明の第６の実施例に係る同期位置制御装置を示すブロック線図である。
【図７】  本発明の第７の実施例に係る同期位置制御装置を示すブロック線図である。
【図８】  本発明の第８の実施例に係る同期位置制御装置を示すブロック線図である。
【図９】  図３の装置における位置制御手段の構成を示すブロック線図である。
【図１０】  図８および図９における制御対象の構成を示すブロック線図である。
【図１１】  本発明の第８の実施例に係るスキャン方式の露光装置を示す側面図である。
【図１２】  従来の同期位置制御系の構成を示すブロック線図である。
【図１３】  従来の位置制御系の構成を示すブロック線図である。
【図１４】  図１の位置制御装置における位置制御手段の構成を示すブロック線図である。
【図１５】  図１２の同期位置制御系による低ゲインの場合の輪郭制御の特性を示す、追従軌跡のグラフである。
【図１６】  図１２の同期位置制御系による低ゲインの場合の輪郭制御の特性を示す、時間応答のグラフである。
【図１７】  図１２の同期位置制御系による高ゲインの場合の輪郭制御の特性を示す、追従軌跡のグラフである。
【図１８】  図１２の同期位置制御系による高ゲインの場合の輪郭制御の特性を示す、時間応答のグラフである。
【図１９】  図１３の従来の位置制御系を用いた同期位置制御系における同期誤差を示すグラフである。
【図２０】  図１の同期位置制御装置における同期誤差を示すグラフである。
【符号の説明】
１ａ〜１ｃ：目標位置指令値生成手段、２ａ〜２ｃ：目標位置指令値、３ａ〜３ｃ：変換手段、４ａ〜４ｃ：変換位置指令値、５ａ〜５ｃ：位置制御手段、６ａ〜６ｃ：追従位置信号、７ａ〜７ｃ：前置フィルタ、１０ａ〜１０ｃ：目標加速度指令値生成手段、１１ａ〜１１ｃ：目標加速度指令値、１２ａ〜１２ｃ：変換加速度指令値、１３ａ〜１３ｃ：補償手段、１４ａ〜１４ｃ：フィードフォワード信号、１５ａ〜１５ｃ：積分手段、１６ａ〜１６ｃ：位置指令値、２０ａ，２０ｂ：位置誤差、２１ａ，２１ｂ：位置補償手段、２２ａ，２２ｂ：制御対象、２３ａ，２３ｂ：補償制御入力、２４ａ，２４ｂ：制御入力、３１：係数倍手段、３２：係数倍手段、３３：同期誤差、３４：補正手段、３５：補正値信号、３６：係数倍手段、４０，４０ａ，４０ｂ：位置ループゲイン、４１：速度補償手段、４２：制御対象、４３：速度制御ループ、４４：位置制御ループ、４５：位置補償手段、５０：電流指令値、５１：電流増幅器、５２：電流、５３：リニアモータ、５４：推力、５５：ステージ、５６：位置信号、５５ａ：ウエハステージ、５５ｂ：レチクルステージ、７１：レチクルステージ定盤、７２：リニアモータベース、９０：支持枠、９２：定盤、９４：フレーム、９５：光源装置、９６：投影光学系、９７：ウエハステージ位置計測レーザ干渉計、９８：レチクルステージ位置計測レーザ干渉計。
【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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【図９】
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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１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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