DE69601763T2

DE69601763T2 - Einrichtung zur Antriebsregelung

Info

Publication number: DE69601763T2
Application number: DE69601763T
Authority: DE
Inventors: Mikio Sato; Hiroaki Takeishi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-09-04
Filing date: 1996-09-03
Publication date: 1999-09-09
Anticipated expiration: 2016-09-04
Also published as: DE69601763D1; KR100226599B1; EP0762255A1; US5757149A; KR970018132A; EP0762255B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein genaues Regelungsgerät zur Ausführung einer genauen Ausrichtung, einer genauen Geschwindigkeitsregelung und dergleichen, und genauer ein genaues Regelungsgerät, das zur Verwendung beispielsweise in einem Halbleiterbelichtungsgerät mit synchroner Abtastung geeignet ist.
Für ein genaues Regelungsverfahren wie beispielsweise eine genaue Ausrichtung, eine genaue Geschwindigkeitsregelung und dergleichen bei industriellen oder informationstechnischen Vorrichtungen ist eine höhere Genauigkeit und eine höhere Geschwindigkeit erforderlich, da die Vorrichtungen einen komplizierteren Aufbau, eine höhere Zahl von Funktionen, kleinere Leitungsbreiten und dergleichen aufweisen.
Als Beispiel sei ein Halbleiterbelichtungsgerät angegeben. In jüngster Zeit hat aufgrund des schnellen Anstiegs des Integrationsgrads von Halbleiterbauelementen die erforderliche Ausrichtungsgenauigkeit etwa 10 nm und mehr erreicht, wobei zu erwarten ist, daß die erforderliche Ausrichtungsgenauigkeit in einigen Jahren im Nanometerbereich liegt. Zusätzlich muß eine derartige hochgenaue Regelung zur Steigerung des Durchsatzes mit höherer Geschwindigkeit ausgeführt werden.
In der EP-A-0 559 397 und der EP-A-0 632 568 sind Beispiele aus dem Stand der Technik für ein genaues Positionierungsgerät offenbart.
Des weiteren steigt die Größe der Chips an. Um derartig große Chips bearbeiten zu können, wurde ein sogenanntes Belichtungsgerät mit synchroner Abtastung anstelle eines herkömmlichen Belichtungsgeräts mit schrittweiser Bewegung, d. h. ein sogenannter Stepper, entwickelt. Bei dem Gerät wird wie in Fig. 11 gezeigt ein Belichtungsvorgang ausgeführt, während eine Strichplatte 32 und ein Wafer 31 bei konstanter Geschwindigkeit synchron bewegt werden, wodurch eine Chipgröße realisiert wird, die bei dem herkömmlichen Stepper nicht realisiert werden kann.
Fig. 11 zeigt die Anordnung eines Reduktionsprojektions- Belichtungsgerät mit synchroner Abtastung. Wie es in Fig. 11 gezeigt ist, werden der Wafer 31 und die Strichplatte 32 synchron in entgegengesetzte Richtungen mit einem Geschwindigkeitsverhältnis bewegt, das einem ausgewählten Reduktionsverhältnis entspricht. Zu diesem Zeitpunkt wird von einer (nicht gezeigten) Lichtquelle emittiertes Licht in streifengemustertes Licht L mit geringer Breite in der Abtastrichtung durch eine rechteckige Blende umgewandelt. Der vorstehend genannte synchrone Abtastvorgang wird während der Bildung eines auf die Strichplatte 32 abgebildeten Bilds des Chips bei einer gewünschten Position auf dem Wafer 31 bei einem vorbestimmten Reduktionsverhältnis über eine Linse 33 ausgeführt. Mittels dieser Anordnung kann ein Belichtungsvorgang bei einer Chipgröße erreicht werden, die bei einem herkömmlichen Belichtungsgerät mit schrittweisen Antrieb (Stepper) nicht realisiert werden kann.
Fig. 12 zeigt ein typisches Blockschaltbild eines Regelungssystems bei einem Belichtungsgerät mit synchroner Abtastung. Eine Soll-Zustandsgröße (d. h. in diesem Fall eine Sollposition) bezüglich einer Waferplatte 43 wird durch eine Soll-Zustandsgröße-Erzeugungseinheit 41 erzeugt und einem Waferregelungssystem 46 zugeführt. Zur gleichen Zeit wird die Soll-Zustandsgröße ebenfalls einer Soll-Zustandsgröße-Umwandlungseinheit 48 zugeführt. Die Soll-Zustandsgröße-Umwandlungseinheit 48 multipliziert die Soll-Zustandsgröße mit 1/β (wobei β das Reduktionsverhältnis darstellt) zur Erzeugung einer Soll- Zustandsgröße mit Bezug auf eine Streifenplatte 45 und gibt die umgewandelte Zustandsgröße zu einem Streifenplattenregelungssystem 47 aus. Auf diese Weise werden die jeweiligen synchronen Sollpositionen für die Waferplatte 43 und die Streifenplatte 45 erzeugt. Eine Abweichung em zwischen der Soll-Zustandsgröße in dem Waferregelungssystem 46 und einer Position Xm der Waferplatte 43 wird durch eine Synchronisierungsfehler-Korrektureinheit 49 mit 1/β multipliziert sowie dem Streifenplattenregelungssystem 47 zugeführt. Dadurch wird ein Synchronisierungsfehler esync vermindert.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, stellt das Regelungssystem des Belichtungsgeräts mit synchroner Abtastung ein Master-Slave-Regelungssystem dar, wobei das Waferregelungsystem 46 das Master-System und das Streifenplattenregelungssystem das Slave-System darstellen. Ein abschließender Leistungsindex wird durch einen Synchronisierungsfehler esync gegeben, der die Abweichung zwischen der Position Xm der Waferplatte 43 und einem Wert darstellt, der durch Multiplikation der Position der Streifenplatte 45 mit β erhalten wird.
Die technischen Probleme bei einem derartigen Abtastsystem sind in den zwei nachstehenden Problemen zusammengefaßt:
1) das technische Problem eines sogenannten Abtastverfahrens mit konstanter Geschwindigkeit, bei dem das Master- und das Slave-Regelungssystem aus unabhängigen 1-Eingangs-/Ausgangs-Systemen bestehen, wobei die jeweiligen Regelungsobjekte mit einer konstanten Geschwindigkeit bei hoher Genauigkeit bewegt werden, sowie
2) das technische Problem eines sogenannten synchronen Regelungsverfahrens zur Verminderung eines Synchronisierungsfehlers zwischen dem Master- und dem Slave- Regelungssystem.
Während Problem 2) ein Problem darstellt, das mit dem Ankoppelverfahren des Regelungssystems verbunden ist, ist Problem 1) das schwerwiegendste. Daher konzentriert sich die nachstehende Beschreibung auf das technische Problem 1), d. h. auf das technische Problem bei Ausführung einer hochgenauen Abtastregelung bei hoher Geschwindigkeit.
Die minimale Leitungsbreite eines Chips liegt im Falle eines 256M DRAM bei etwa 250 nm, wobei ein Halbleiterbelichtungsgerät mit Abtastung eine Abtastregelung bei gleichzeitiger Beibehaltung der Genauigkeit zwischen dem Wafer und der Streifenplatte in der Größenordnung eines Bruchteils der minimalen Leitungsbreite ausführen muß. Bei der Realisierung einer derartig hohen Genauigkeit stellt nichtlineare Reibung eines Antriebssystems ein ernstzunehmendes Problem dar, obwohl sie bei einem herkömmlichen Belichtungsgerät mit Schrittantrieb kein Problem darstellt.
Genauer gesagt wird bei dem herkömmlichen Belichtungsgerät mit Schrittantrieb die Platte in eine gewünschte Position bewegt und nach Abschluß der Einstellung ein Belichtungsvorgang ausgeführt. Folglich wird, sogar wenn eine leichte Reibung oder dergleichen im Bereich der schrittweisen Bewegung vorhanden ist und die Platte eine leichte Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit während des Verfahrens erleidet (obwohl sich die Ausrichtzeit leicht verlängert), das Ergebnis nicht negativ beeinflußt. Im Gegensatz dazu wird bei dem Belichtungsgerät mit synchroner Abtastung durch das Vorhandensein eines Faktors, der sich störend auf die hochgenaue Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit auswirkt, wie beispielsweise Reibung im Abtastbereich, anders ausgedrückt, ein Faktor, der sich störend auf die synchrone Beziehung zwischen dem Wafer und der Streifenplatte auswirkt, ein belichtetes Bild verzerrt und das Ergebnis negativ beeinflußt.
In jüngster Zeit wird eine Antriebseinrichtung mit kontaktfreier Bewegung, das eine Luftlagerung und einen Linearmotor verwendet, als Antriebselement für ein derartiges hochgenaues Abtastgerät in der Praxis eingesetzt, wobei immer mehr Halbleiterbelichtungsgeräte eine derartige Einrichtung verwenden. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Antriebselement, das eine Kugelumlaufspindel, ein Rollenlager und einen Drehungsmotor verwendet, wird die Reibung vermindert, wodurch zu einer Verbesserung der Regelungsgenauigkeit beigetragen wird.
Wenn ein Linearmotor als Antriebselement verwendet wird, wird im allgemeinen ein Verfahren zur Sicherstellung eines langhubigen bewegbaren Bereichs durch Verwenden einer Vielzahl von Schwingspulen oder Permanentmagneten als Statoren verwendet. Dies geschieht aus dem nachstehenden Grund. Im Fall eines Motors mit beweglichen Magneten, bei dem die Spulenseite als Stator dient, steigt, wenn ein langhubiger bewegbarer Bereich durch eine einzelne Schwingspule abgedeckt ist, der Ansteuerstrom, wodurch leicht das Problem einer thermischen Deformation aufgrund der durch die Spule erzeugten Wärme auftritt. Demgegenüber ist es im Fall eines Motors mit einer beweglichen Spule, bei dem die Permanentmagnete als Statoren dienen, schwierig, einen Permanentmagneten zu fertigen, der einen langen Hubweg abdecken kann. Fig. 13 zeigt ein Beispiel einer Platte mit kontaktfreier Bewegung, die einen Linearmotor mit beweglichen Magneten verwendet. Die in Fig. 13 gezeigte Platte besitzt zwei Freiheitsgrade in vertikaler und horizontaler Richtung, wobei mit dieser Platte die Bewegungsregelung des Wafers oder der Streifenplatte ausgeführt wird.
Wenn ein langer Hubweg durch einen Linearmotor mit einer Vielzahl von Statoren abgedeckt wird, wird bei Schalten der Statoren eine Schubungleichmäßigkeit erzeugt. Fig. 14A und 14B zeigen diesen Zustand. Genauer gesagt wird die Schubungleichmäßigkeit auch in Abhängigkeit von der Statorposition aufgrund von Schwankungen in der Magnetkraft von Spulen oder Permanentmagneten als eine Vielzahl von Statoren, Schwankungen in der Magnetkraft in Abhängigkeit von der Statorposition oder Erregungszeitablaufsteuerungsumstellungen von Spulen, wenn die Statoren Schwingungsspulen aufweisen, und dergleichen erzeugt. Mit diesen Schwankungen hängt die Abweichung bei der Abtastung der Platte bei einer konstanten Geschwindigkeit von der Schubungleichmäßigkeit ab, wie es in Fig. 15 gezeigt ist. Bei steigender Geschwindigkeit nimmt insbesondere die Abweichungsungleichmäßigkeit zu. Aus diesem Grund hängt bei Ausführung einer synchronen Abtastregelung bei einem derartigen Regelungssystem der Synchronisierungsfehler auch von der Schubungleichmäßigkeit ab. Daher kann die Abtastgeschwindigkeit nicht ausreichend erhöht werden und folglich der Durchsatz des Geräts nicht verbessert werden.
Zur Beseitigung des Einflusses der Schubungleichmäßigkeit wird üblicherweise ein Verfahren zur Reduzierung der Abweichungsungleichmäßigkeiten aufgrund der Schubungleichmäßigkeiten durch Ändern der Verstärkung des Regelungssystems durch Verwendung einer Tabelle oder Funktion in Abhängigkeit von der Position verwendet. Bei einem typischen Verfahren wird ein Kompensator mit variabler Verstärkung verwendet, der die Verstärkung des gesamten Regelungssystems ändern kann. Ein Beispiel für dieses Verfahren wird in der Japanischen Patentveröffenlichung Nr. 5-305 303 mit dem Titel "alignment table apparatus" offenbart.
Genauer gesagt wird wie in Fig. 16A gezeigt eine variable Verstärkung g(x) bei einem variablen PID-Kompensator 62 auf 1 festgelegt, wobei eine Platten-Soll-Zustandsgröße zur Ansteuerung der Platte bei einem Abtastverfahrbereich bei einer konstanten Geschwindigkeit, d. h. eine Sollposition xr(t), durch eine Soll-Zustandsgröße- Erzeugungseinheit 61 erzeugt wird, wodurch ein sogenannter vorbereitender Abtastvorgang ausgeführt wird. Eine Datenfolge u(x) mit der Position der Platte 63 als Index wird unter Verwendung eines Befehlswerts u(t) bei der Platte 63 und von Verschiebungsdaten x(t) der Platte 63 erzeugt und in eine Speichereinheit 64 gespeichert. Wie es in Fig. 16B gezeigt ist, wird eine Verstärkungstabelle g(x) durch Entfernen der hochfrequenten Anteile der Datenfolge u(x) und anschließender Normalisierung der Datenfolge u(x) erzeugt, wodurch Daten in der Speichereinheit 64 aktualisiert werden. Bei Ausführung der Abtastregelung wird die Verstärkung des PID-Kompensators 62 mit variabler Verstärkung durch eine Variierungseinheit 65 auf der Grundlage der Verstärkungstabelle g(x) verändert.
Als Normalisierungsverfahren kann ein Verfahren, bei dem ein erwarteter Wert von g(x) auf 1 gesetzt wird, ein Verfahren, bei dem u(x) ein Vorspannungswert gegeben wird, so daß der Maximalwert von g(x) 1 wird, und dergleichen verwendet werden. Mit einem derartigen herkömmlichen Verfahren kann der Einfluß der Schubungleichmäßigkeit vermindert werden und der Synchronisierungsfehler während des Abtastvorgangs reduziert werden.
Das herkömmliche Verfahren weist jedoch die nachstehenden Probleme beispielsweise im Fall des Verstärkungstabellen- Nachschlagverfahrens auf.
Zuerst sind bei Bildung einer Verstärkungstabelle mittels eines vorbereitenden Abtastvorgangs Daten der Verstär kungstabelle g(x) zusätzlich zu der Tendenz aufgrund der Schubungleichmäßigkeit durch verschiedene Störungen gestört, da das Regelungssystem Störungen ausgesetzt ist.
Unter diesen Störungen stellen insbesondere die Störungen ein ernstes Problem dar, die von der Bewegungsrichtung abhängen. Als eine dieser Störungen ist ein Einfluß aufgrund einer Schräglage eines erschütterungsfreien Tisches bekannt, der die Platte trägt. Wenn sich die Platte an einem Endabschnitt des erschütterungsfreien Tisches befindet, vergrößert sich die Schräglage θ des erschütterungsfreien Tisches aufgrund des Einflusses der Gewichtskraft der Platte im Vergleich zu dem Fall, bei dem sich die Platte im Zentrum des erschütterungsfreien Tisches befindet. Folglich hängt eine Störkraft FG der Gewichtskraft bezüglich der Platte von der Verfahrrichtung ab, wie es in Fig. 17 gezeigt ist, wobei sie insbesondere am Endabschnitt der Platte einen großen Einfluß hat. Da dieser Einfluß bei Bildung einer Verstärkungstabelle durch einen vorbereitenden Abtastvorgang zur Geltung kommt, verschlechtern sich, wenn der Einfluß der Schubungleichmäßigkeit wie bei dem herkömmlichen Verfahren durch eine einzige Verstärkungstabelle zu entfernen ist, die Regelungseigenschaften insbesondere am Endabschnitt der Platte in Abhängigkeit von dem Unterschied bei der Plattenvorschubrichtung erheblich.
Zweitens variieren, da die Verstärkung des gesamten Regelungssystems durch die Verstärkungstabelle g(x) zur Korrektur der Schubungleichmäßigkeit verändert wird, wenn der Wert der Verstärkungstabelle g(x) in großem Umfang variiert, bei dem herkömmlichen Verfahren aufgrund dieses Einflusses die lokalen Eigenschaften des Regelungssystems, d. h. das Einschwingverhalten, Störungsverminderungseigenschaften und dergleichen, in großem Umfang. In der Praxis werden bei Bildung einer Verstärkungstabelle durch einen vorbereitenden Abtastvorgang die Daten der Verstärkungstabelle g(x) zusätzlich zu der Tendenz der Schubungleichmäßigkeit durch verschiedene Störungen gestört, da das Regelungssystem Störungen ausgesetzt ist.
Folglich variieren aufgrund dieser Probleme bei dem herkömmlichen Regelungsgerät, das das Verstärkungstabellen-Nachschlagverfahren anwendet, die lokalen Regelungseigenschaften in großem Umfang. Bei einem tatsächlichen Abtastvorgang werden der Beschleunigungsvorgang, der Abtastvorgang bei konstanter Geschwindigkeit und der Abbremsvorgang entsprechend der Belichtungsbereiche einer Vielzahl von Chips wiederholt, die innerhalb des bewegbaren Bereichs der Platte angeordnet sind. Folglich variieren bei großen Variationen in den lokalen Regelungssystemeigenschaften, wie bei dem herkömmlichen Verfahren, die Beschleunigungs- und Abbremszeiten, wodurch der Durchsatz des Geräts erheblich eingeschränkt ist. Die gleichen Probleme treten auf, wenn die Verstärkung des Regelungssystems durch eine Funktion verändert wird. Nachstehend ist der Linearmotor als Antriebselement ausführlich beschrieben.
Fig. 18A bis 18G zeigen ein Beispiel der Anordnung eines Mehrphasen-Linearmotors mit einer Vielzahl von Spulen. Mit Bezug auf Fig. 18A bis 18G bezeichnet Bezugszeichen 212 Spulen des Linearmotors (Statoren), denen zur besseren Übersichtlichkeit die Nummern 1 bis 4 zugewiesen sind. Bezugszeichen 213 bezeichnet einen bewegbaren Magneten (bewegbares Teil), der derart angeordnet ist, daß angrenzende oder gegenüberliegende Magnete entgegengesetzte Polarität aufweisen.
Die Positionen des bewegbaren Teils 213 werden beispielsweise durch bei den Spulen angeordnete Hall-Elemente erfaßt, wobei durch Erfassen der Polaritäten (N- und S- Pole) der bewegbaren Magnete 213 eine vorbestimmte Spule mit Energie versorgt wird. Fig. 18A bis 18G zeigen ebenfalls ein Verfahren zur Auswahl der mit Energie zu versorgenden Spule. Dabei zeigen und die Richtungen der den Spulen zuzuführenden Ströme an. Die Schaltungsanordnung zur Ansteuerung des Mehrphasen-Linearmotors ist in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 1-298 410 beschrieben.
Bei dem in den Fig. 18A bis 18G gezeigten Mehrphasen- Linearmotor sind die durch die jeweiligen Spulenanteile erzeugten Schubkräfte nicht immer gleich. Nebeneinanderliegende Spulen sind üblicherweise so angeordnet, daß sie durch einen Zwischenraum voneinander getrennt sind.
Aufgrund des Vorhandenseins des Zwischenraums zwischen nebeneinanderliegenden Spulen variiert der Schub ebenfalls in Abhängigkeit von der Position der bewegbaren Teile, woraus sich üblicherweise eine Schubverteilung wie in Fig. 19 gezeigt ergibt. Folglich ist es nicht möglich, wenn beispielsweise eine Regelung mit konstanter Geschwindigkeit der bewegbaren Teile auszuführen ist, die Regelungsabweichung oder den Regelungsfehler aufgrund des Einflusses einer derartigen Schubvariation ausreichend zu reduzieren.
Da die Geschwindigkeit des bewegbaren Teils zunimmt, scheint, da die Frequenz der in Fig. 19 gezeigten Schubvariation ebenso ansteigt, der Einfluß der Schubvariation leichter. Dies kann unter Verwendung eines in Fig. 20 gezeigten Blockschaltbilds beschrieben werden, das einen Motor durch einen Integrator annähert. Fig. 20 zeigt ein Geschwindigkeitsregelungssystem eines Motors, das aus einer Geschwindigkeitsrückführungsschleife besteht, wobei ein PI-Kompensator (Proportional/Integral-Kompensator)zur Vereinfachung angeordnet ist. Dabei bezeichnet Kt eine Drehkraftkonstante und M die Masse eines bewegbaren Teils.
Gemäß Fig. 20 ist die Übertragungsfunktion (Störungsverminderungseigenschaften) von einer Schubstörung T zu einer Geschwindigkeit V durch nachstehende Gleichung (1) gegeben, wobei sie im Niederfrequenzbereich abgeleitete Eigenschaften zeigt:
Folglich erscheint der Einfluß der Schubstörung leichter, da die Geschwindigkeit der bewegbaren Teile zunimmt. Auf ähnliche Weise wird die Verstärkung gemäß Gleichung (1) größer, da die Masse des bewegbaren Teils (Last) kleiner ist. Folglich verschlechtert sich die Störungsverminderungsleistung. Anders ausgedrückt, je größer die Masse wird, desto weniger anfällig ist das System auf den Einfluß der Störungen aufgrund der Schubvariationen. Diese Tatsache ist allgemein als sogenannter "Schwungradeffekt" (flywheel ring effect) bekannt.
Wie aus Gleichung (1) ersichtlich ist, ist es zur Verbesserung der Schubstörungsverminderungsleistung lediglich erforderlich, den Regelungsfrequenzbereich beispielsweise durch Vergrößern der Verstärkung des PI-Kompensators zu verbreitern. In diesem Fall kann jedoch, da der beispielsweise aufgrund des Verbindungszustands einer Last erzeugte Resonanzpunkt eines mechanischen Systems angeregt wird, der erwartete Regelungsfrequenzbereich nicht immer erhalten werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Regelungsgerät und ein Regelungsverfahren wie in den beigefügten Patentansprüchen dargestellt bereit.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Steueranordnung eines genaues Meßgeräts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 einen Funktionsverlauf eines Beispiels einer durch einen vorbereitenden Abtastvorgang gebildeten Verstärkungstabelle,
Fig. 3 einen Funktionsverlauf der Übertragungseigenschaften des offenen Regelkreises eines Gesamtsteuerungssystems zur Korrektur der Steuerungseigenschaften unter Verwendung einer Verstärkungstabelle,
Fig. 4A einen Funktionsverlauf der Verstärkungseigenschaften eines variablen Phasenkompensators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4B einen Funktionsverlauf der Übertragungseigenschaften des offenen Regelkreises gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 5A einen Funktionsverlauf der Verstärkungstabelle für einen Vorschubvorgang in Vorwärts-Richtung,
Fig. 5B einen Funktionsverlauf der Verstärkungstabelle für einen Vorschubvorgang in Rückwärts-Richtung,
Fig. 6A einen Funktionsverlauf der Sprungantworten in einem Gesamtregelungssystem,
Fig. 6B einen Funktionsverlauf der Sprungantworten gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 7 ein Blockschaltbild der Anordnung eines Regelungsgeräts eines Mehrphasen-Linearmotors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 8 ein Flußdiagramm zur Beschreibung der Prozedur zur Bildung einer Nachschlag-Tabelle gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 9 einen Funktionsverlauf zur Beschreibung der Wirkungen des zweiten und dritten Ausführungsbeispiels,
Fig. 10 ein Flußdiagramm zur Beschreibung der Prozedur zur Bildung einer Nachschlag-Tabelle gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 11 eine perspektivische Darstellung eines Reduktionsprojektions-Belichtungsgerät mit synchroner Abtastung,
Fig. 12 ein Blockschaltbild eines Regelungssystems des in Fig. 11 gezeigten Geräts,
Fig. 13 eine perspektivische Darstellung der Anordnung einer Platte mit kontaktfreier Bewegung unter Verwendung eines Linearmotors mit beweglichen Magneten,
Fig. 14A einen Funktionsverlauf der Schubverteilungseigenschaften von Spulen des Linearmotors,
Fig. 14B einen Funktionsverlauf der Schubeigenschaften des Linearmotors,
Fig. 15 einen Funktionsverlauf der Schubungleichmäßigkeit des Linearmotors,
Fig. 16A und 16B Blockschaltbilder der Regelungsanordnung eines Gesamtregelungsgeräts,
Fig. 17 einen Funktionsverlauf der Störkraft auf eine Platte aufgrund der Gewichtskraft,
Fig. 18A bis 18G Darstellungen zur Beschreibung des Mehrphasen-Linearmotors,
Fig. 19 einen Funktionsverlauf der Schubschwankungen in dem Mehrphasen-Linearmotor,
Fig. 20 ein Blockschaltbild zur Beschreibung eines Gesamtregelungssystems für den Mehrphasen-Linearmotor,
Fig. 21 ein Flußdiagramm der Prozedur zur Bildung einer Verstärkungstabelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 22 ein Flußdiagramm zur Beschreibung der Prozedur bei der Tabellenansteuerung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 23 ein Blockschaltbild der Regelungsanordnung eines Regelungsgeräts eines Mehrphasen-Linearmotors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Erstes Ausführungsbeispiel

Nachstehend ist ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei als Beispiel ein Waferplattenregelungssystem gezeigt ist, das einen Linearmotor mit beweglichen Magneten verwendet.
In dem in Fig. 1 gezeigten Blockschaltbild bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Platte bei einem Reduktionsprojekti ons-Belichtungsgerät mit synchroner Abtastung, Bezugszeichen 2 einen erschütterungsfreien Tisch, Bezugszeichen 3 einen auf der Platte 1 liegenden Wafer, Bezugszeichen 4 ein bewegbares Teil eines Linearmotors, das bei der Platte 1 fixiert ist, Bezugszeichen 5 einen Stator des Linearmotors, der bei dem erschütterungsfreien Tisch 2 fixiert ist, Bezugszeichen 6 Lagerungen mit statischem Druck, Bezugszeichen 7 Dämpfer, die in ihrer Tragrichtung bezüglich des erschütterungsfreien Tisches 2 arbeiten, Bezugszeichen 8 Federungen zum Tragen des erschütterungsfreien Tisches, Bezugszeichen 9 ein Laserinterferometer zur Messung der Position der Platte 1, Bezugszeichen 10 einen bei der Platte 1 fixierten Spiegel, der zur Reflexion eines von dem Laserinterferometer ausgesandten Laserstrahls verwendet wird, Bezugszeichen 11 eine Soll- Zustandsgröße-Erzeugungseinheit zur Erzeugung einer Sollposition der Platte 1, Bezugszeichen 12 einen mit dem Ausgangsanschluß eines variablen Phasenkompensators 13 verbundenen PID-Kompensator, Bezugszeichen 13 einen variablen Phasenkompensator entsprechend einem der charakteristischen Merkmale des Ausführungsbeispiels, Bezugszeichen 14 eine Signalverarbeitungseinheit für ein Ansteuersignal u, Bezugszeichen 15 und 16 Speichereinheiten zur jeweiligen Speicherung von Verstärkungstabellen für Vorwärts- und Rückwärts-Vorschubvorgänge entsprechend einem der charakteristischen Merkmale des Ausführungsbeispiels, Bezugszeichen 17 und 18 Schalter, die zwischen einer vorbereitenden Abtastbetriebsart und einer Haupt-Abtastbetriebsart geschaltet werden, Bezugszeichen 19 und 20 Schalter, die zwischen Vorwärts- und Rückwärts-Plattenvorschub-Betriebszuständen geschaltet werden, Bezugszeichen 21 eine Ansteuereinrichtung zur Zufuhr eines Ansteuersignals zu dem Linearmotor und Bezugszeichen 22 eine Variierungseinheit für den variablen Phasenkompensators 13.
Die den Wafer tragende Platte 1 bewegt sich kontaktlos auf dem erschütterungsfreien Tisch 2 in Richtung der X- Achse durch das bewegbare Teil 4, den Stator 5 und die Lagerungen 6 mit statischem Druck. Der erschütterungsfreie Tisch 2 wird durch die Dämpfer 7 und die Federungen 8 von Bodenvibrationen abgeschirmt. Eine Verschiebung xm des Spiegels 10 bei der Platte 1 bezüglich des erschütterungsfreien Tisches 2 wird durch das Laserinterferometer 9 gemessen. Eine Positionsabweichung e wird auf der Grundlage einer Soll-Zustandsgröße, d. h. einer durch die Soll-Zustandsgröße-Erzeugungseinheit 11 erzeugten Sollposition Xr der Platte 1, und der durch das Laserinterferometer 9 gemessenen Verschiebung Xm der Platte 1 erzeugt und einer sogenannten seriellen Kompensationseinheit zugeführt, die aus dem variablen Phasenkompensator 13 und dem PID-Kompensator 12 besteht. Die Eigenschaft des Kompensators 12 wird durch die Verwendung von Eckfrequenzen ωi und ωd wie in Fig. 1 gezeigt angezeigt. Des weiteren wird das Ausgangssignal u von der seriellen Kompensationseinheit der Ansteuereinrichtung 21 zugeführt und stromverstärkt. Das von der Ansteuereinrichtung 21 stammende Stromausgangssignal i wird dem Stator 5 des Linearmotors zugeführt.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Regelungsanordnung eines genauen Regelungsgeräts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Hauptmerkmale des Regelungssystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bestehen darin, daß der variable Phasenkompensator 13 bei der Eingangsseite des durch den PID-Kompensator gebildeten seriellen Kompensators 12 angeordnet ist sowie die Verstärkungstabellen 15 und 16 entsprechend den Ansteuerrichtungen, d. h. den Vorwärts- und Rückwärts-Richtungen, der Platte 1 angeordnet sind.
Nachstehend ist eine Verbesserung der Regelungseigen schaften durch den variablen Phasenkompensator 13 beschrieben.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer durch einen vorbereitenden Abtastvorgang gebildeten Verstärkungstabelle. Gemäß diesem Beispiel wird ein Befehlssignal u, das dem Linearmotor bei einem vorbereitenden Abtastvorgang zuzuführen ist, einer Filterungsverarbeitung unterworfen, um hochfrequente Störungskomponenten zu entfernen, woran anschließend das verarbeitete Signal mit einem vorbestimmten Vorspannungswert multipliziert wird, so daß der erwartete Wert 1 wird. In Fig. 2 geben die Punkte a, b und c jeweils den maximalen Wert, den erwarteten Wert (= 1) und den minimalen Wert der Verstärkungstabelle an. Eine Abweichungsungleichmäßigkeit aufgrund einer Schubungleichmäßigkeit wird beim Schalten von mit Energie zu versorgenden Spulen oder Permanentmagneten erzeugt. Daher weist die Abweichungsungleichmäßigkeit bei einem Abtastvorgang mit konstanter Geschwindigkeit eine vorbestimmte Periodizität auf. Die Periodizität wird durch ωg dargestellt. Dabei ist zu beachten, daß ωg nur wenige rad/sek beträgt.
Fig. 3 zeigt Änderungen in der Verstärkung der Übertragungseigenschaften des offenen Regelkreises des Regelungssystems der vorstehend genannten drei Punkte, wenn die Verstärkungen durch herkömmliche Verfahren geändert werden, die die in Fig. 2 gezeigte Verstärkungstabelle verwenden. Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, werden bei dem herkömmlichen Verfahren, da die Gesamt-Verstärkungseigenschaften des Systems nach oben und unten verändert wird, lokale Veränderungen in den Eigenschaften des Regelungssystems sehr groß. Obwohl die Winkelfrequenz der Abweichungsungleichmäßigkeit, die durch die Verstärkung der Tabelle zu entfernen ist, ωg ist und nur wenige rad/sek beträgt, werden die Eigenschaften im Hochfrequenzbereich ohne Erfordernis bei dem herkömmlichen Verfahren geändert.
Im Gegensatz dazu wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel anstelle einer Änderung der Verstärkung des Gesamtsystems der durch Gleichung (2) gegebene variable Phasenkompensator 13 dem Kompensationssystem hinzugefügt:
Genauer gesagt wird die Phasenvoreilungsfrequenz durch die Verstärkung g(x) der Tabelle verändert. Zu diesem Zeitpunkt dient der variable Phasenkompensator als Phasen-Voreilungs-Nacheilungskompensator, wenn g < 1 ist, oder als Phasen-Nacheilungs-Voreilungskompensator, wenn g > 1 ist. In Gleichung (2) zeigt ωlag eine Eckfrequenz an.
Fig. 4A zeigt die Verstärkungseigenschaften des variablen Phasenkompensators 13 bei den vorstehend genannten drei Punkten. Obwohl die Verstärkung im Niederfrequenzbereich einschließlich der Winkelfrequenz ωg der Schubungleichmäßigkeit durch die Verstärkungstabelle verändert wird, bleibt die Verstärkung im Hochfrequenzbereich unverändert. Fig. 4B zeigt die Übertragungseigenschaften bei offenem Regelkreis des Regelungssystems, wenn der variable Phasenkompensator 13 verwendet wird. Wie es in Fig. 4B gezeigt ist, wird lediglich die Verstärkung im Niederfrequenzbereich einschließlich der Frequenz ωg der Schubungleichmäßigkeit geändert, wobei die Eigenschaften im Hochfrequenzbereich in kleinster Weise beeinflußt werden. Daher können Variationen der Eigenschaften des Systems aufgrund der Verstärkungstabelle minimiert werden, wobei die Abweichungsungleichmäßigkeit ebenfalls vermindert werden kann.
Nachstehend ist die Funktion der Speichereinheiten 15 und 16 entsprechend einer der charakteristischen Anordnungen gemäß dem Ausführungsbeispiel beschrieben. Im Vorfeld eines Abtastvorgangs wird ein vorbereitender Abtastvorgang ausgeführt, um eine Verstärkungstabelle auf der Grundlage des Einflusses der Schubungleichmäßigkeit zu bilden. Genauer gesagt wird der vorbereitende Abtastvorgang der Platte 1 durch Zuweisung einer Sollposition Xr ausgeführt, so daß eine konstante Plattengeschwindigkeit im gesamten bewegbaren Bereich der Platte 1 erreicht wird. Zu diesem Zeitpunkt werden die Schalter 17 und 18 auf die p-Seite eingestellt.
Zuerst wird ein vorbereitender Abtastvorgang in Vorwärts- Richtung ausgeführt. In diesem Fall werden die Schalter 19 und 20 auf die f-Seite eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird der variable Phasenkompensator 13 so eingestellt, daß g(xm) = 1 gilt, um immer 1 zu ergeben. Ein in diesem Zustand erhaltenes Regelungsbefehlssignal u(t) bei dem Abtastvorgang in Vorwärts-Richtung und Plattenpositionsinformationen x(t) werden der Signalverarbeitungseinheit 14 zugeführt, wobei eine die Plattenposition xm als Index verwendende Tabelle u(xm) auf der Grundlage der zwei Signalfolgen gebildet wird. Die Signalverarbeitungseinheit 14 führt eine Filterungsverarbeitung und eine Normalisierungsverarbeitung für die Tabelle u(xm) aus, wodurch eine Verstärkungstabelle gf(xm) in Vorwärts- Richtung gebildet wird. Die Prozedur für diesen Vorgang wurde bereits vorstehend mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben. Die Verstärkungstabelle gf(xm) wird in der Speichereinheit 15 entsprechend der Vorwärts-Vorschubrichtung gespeichert.
Auf ähnliche Weise werden die Schalter 19 und 20 auf die r-Seite eingestellt, wobei eine Verstärkungstabelle gr(xm) bei einem Abtastvorgang in Rückwärts-Richtung in der Speichereinheit 16 gespeichert wird. Fig. 5A bzw. 5B zeigen die auf diese Weise gebildeten Vorwärts- und Rückwärts-Verstärkungstabellen. Wie vorstehend beschrieben verschlechtern sich, da die Tendenz der Verstärkungstabelle aufgrund von Störungen in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der Platte 1 variiert, die Regelungseigenschaften insbesondere am Endabschnitt des bewegbaren Bereichs der Platte, wenn eine Korrektur unter Verwendung einer einzelnen Verstärkungstabelle wie bei dem herkömmlichen Verfahren ausgeführt wird, wobei eine derartige Verschlechterung den Durchsatz ungünstig beeinflußt. Im Gegensatz dazu kann, da dieses Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Tabellen in Abhängigkeit von der Plattenposition aufweist, eine derartige Abhängigkeit von der Vorschubrichtung der Verstärkungstabelle in geeigneter Weise bewältigt werden.
Nach Bildung der Vorwärts- und Rückwärts-Verstärkungstabellen werden die Schalter 17 und 18 auf die s-Seite eingestellt, woran anschließend ein Abtastvorgang ausgeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt werden die Schalter 19 und 20 in Abhängigkeit von der Vorschubrichtung auf die f- oder r-Seite geschaltet. Anschließend werden die Tabellenwerte entsprechend der Vorwärts- und Rückwärts- Richtungen unter Verwendung der Plattenposition xm als Index nachgeschlagen und zu der Variierungseinheit 22 weitergeleitet. Die Variierungseinheit 22 ändert die Eckfrequenz des variablen Phasenkompensators 13. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel können Variationen der Eigenschaften des Regelungssystems aufgrund des Tabellennach schlagvorgangs minimiert werden und die Abweichungsungleichmäßigkeit aufgrund der Schubungleichmäßigkeit kann ausreichend entfernt werden, wie vorstehend mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 sowie die Fig. 4A und 4B beschrieben wurde.
Dabei kann ein derartiger variabler Phasenkompensator 13 einfach gebildet werden, wenn der Kompensator 13 annähernd unter Verwendung eines digitalen Filters implementiert ist, das durch eine diskrete Annäherung an eine vorbestimmte Abtastdauer erhalten wird und unter Verwendung eines Mikroprozessors angebracht ist.
Als Beispiel für die Wirkung des Ausführungsbeispiels veranschaulichen Fig. 6A und 6B Einheitsprungantworten des Platten-Regelungssystems bei den drei Punkten a, b und c, die in Fig. 2 gezeigt sind. Fig. 6A zeigt die Einheitssprungantworten bei dem herkömmlichen Verfahren, wobei Variationen der Eigenschaften des Regelungssystems aufgrund des Einflusses der Verstärkungstabelle sehr groß sind. Folglich verschlechtert sich, wenn die Abtastregelung in der Praxis unter Verwendung des herkömmlichen Verfahrens ausgeführt wird, die Ausregelzeit bei einigen Durchläufen erheblich, was einen niedrigen Durchsatz zur Folge hat. Im Gegensatz dazu können gemäß diesem Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 6B gezeigt ist, Variationen der Eigenschaften des Regelungssystems aufgrund einer Verstärkungsvariation minimiert werden, wobei ein hoher Durchsatz erreicht werden kann.
Nachstehend ist die Arbeitsweise des ersten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die in Fig. 21 und 22 gezeigten Flußdiagramme ausführlich beschrieben.
Die Prozedur zur Bildung der Vorwärts- und Rückwärts- Verstärkungstabellen ist nachstehend beschrieben. In Schritt S101 wird der variable Phasenkompensator 13 auf "1" festgelegt. Zu diesem Zeitpunkt werden die Schalter 17 und 18 auf die p-Seite eingestellt. Nachfolgend wird in Schritt S102 die Platte 1 in der Vorwärts-Richtung angesteuert. Dabei werden zu diesem Zeitpunkt die Schalter 19 und 20 auf die f-Seite eingestellt, wobei eine Verstärkungstabelle in der Speichereinheit 15 gebildet wird.
In Schritt S103 ermittelt die Signalverarbeitungseinheit 14 ein u bei jeder Position xm und ermittelt so ein u(xm). Die Signalverarbeitungseinheit 14 führt eine Filterungsverarbeitung und eine Normalisierungsverarbeitung für die erhaltenen u(xm) aus, um gf(xm) zu ermitteln, das in der Speichereinheit 15 gespeichert wird.
Bei Bildung der Rückwärts-Verstärkungstabelle werden die Schalter 19 und 20 auf die r-Seite eingestellt, woran anschließend die gleiche Verarbeitung wie in den Schritten S102 bis S105 ausgeführt wird (Schritte S105, S106 und S107).
Wenn die Platte 1 unter Verwendung der wie vorstehend beschrieben erhaltenen Verstärkungstabellen angesteuert wird, wird die in Fig. 22 gezeigte Prozedur ausgeführt. Dabei sind die Schalter 17 und 18 auf die s-Seite eingestellt. In Schritt S121 wird die Positionsinformation xm der Platte von dem Laserinterferometer 9 bei Ansteuern der Platte 1 erhalten. Anschließend wird in Schritt S122 die gegenwärtige Ansteuerrichtung der Platte 1 bestimmt. Wenn die Ansteuerrichtung die Vorwärts-Richtung ist, schreitet das Programm zu Schritt S123 voran. In Schritt S123 werden die Schalter 19 und 20 auf die f-Seite eingestellt und die Eckfrequenz wird unter Verwendung der Tabelle gf(xm) korrigiert. Demgegenüber schreitet das Programm zu Schritt S124 voran, wenn die Ansteuerrichtung die Rückwärts-Richtung ist. In Schritt S124 werden die Schalter 19 und 20 auf die r-Seite eingestellt und die Eckfrequenz wird unter Verwendung der Tabelle gr(xm) korrigiert.
Dabei ist es lediglich erforderlich, die Schalter 17, 18, 19 und 20 bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung automatisch zu schalten, wobei eine derartige Funktion üblicherweise durch die Verwendung eines Mikroprozessors realisiert wird, der allerdings in Fig. 1 nicht gezeigt ist. Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird jede Verstärkungstabelle so gebildet, daß sie einen erwarteten Wert = 1 aufweist. Daher kann gemäß der vorstehenden Beschreibung der variable Phasenkompensator 13 sowohl als Phasen-Voreilungs-Nacheilungskompensator als auch als Phasen-Nacheilungs-Voreilungskompensator dienen. Wenn jedoch die Verstärkungstabelle g(x) so eingestellt ist, daß ihr maximaler Wert "1" annimmt, wird immer ein Phasen-Voreilungs-Nacheilungskompensator gebildet. Daher kann die Phasenkompensation des Regelungssystems vergrößert werden, wenn lediglich die Verstärkung im Niedrigfrequenzbereich durch den variablen Phasen-Voreilungs- Nacheilungskompensator unter Verwendung der durch g < 1 normalisierten Verstärkungstabelle geändert wird. Das bedeutet, daß die Stabilität des Regelungssystems durch den variablen Phasen-Voreilungs-Nacheilungskompensator verbessert werden kann.
Des weiteren wurde in der Beschreibung des vorstehenden Ausführungsbeispiels das Regelungssystem der Waferplatte des Belichtungsgeräts mit Abtastung beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auf ähnliche Weise bei jedem anderen Gerät angewendet werden, das eine konstante Geschwindigkeitsregelung mit hoher Genauigkeit erfordert, beispielsweise zur Entfernung von Versatzungleichmäßigkeiten eines Motors bei einer konstanten Geschwindigkeitsregelung einer Bildabtastvorrichtung (Scanner) oder einer Kopieranlage, unabhängig von 1-Eingabe-/Ausgabesystemen oder Mehrfach-Eingabe-/Ausgabesystemen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das Kompensationssystem aus einem üblichen seriellen Kompensator gebildet, der einen PID-Kompensator sowie einen variablen Phasenkompensator verwendet. Der serielle Kompensator ist jedoch nicht auf den PID-Kompensator begrenzt, sondern das Kompensationssystem kann unter Verwendung jedes anderen seriellen Kompensators gebildet werden. Die vorliegende Erfindung kann ebenso bei jeder Zustandsgröße von geregelten Objekten verwendet werden, wie beispielsweise eine Versetzung, eine Geschwindigkeit und dergleichen.
Gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel besteht das Kompensationssystem aus zwei Kompensatoren, d. h. einem üblichen seriellen Kompensator und einem variablen Phasenkompensator. Statt dessen kann ein Teil des üblichen seriellen Kompensators unmittelbar den variablen Phasenkompensator bilden. In diesem Fall kann ein Kompensationssystem niedrigerer Ordnung geschaffen werden.
Des weiteren wird gemäß der vorstehenden Beschreibung die vorliegende Erfindung bei einem Regelungssystem angewendet, das lediglich einen seriellen Kompensator aufweist, d. h. bei einem sogenannten Regelungssystem mit einem Freiheitsgrad. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise auf ähnliche Weise bei einem Regelungssystem mit zwei Freiheitsgraden angewendet werden, beispielsweise bei einem Regelungssystem mit einem Optimalwertsystem.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann, da die variable Phasenkompensation angewendet wird, ein Regelungsgerät realisiert werden, das eine gute Regelungsleistung über den gesamten bewegbaren Bereich des geregelten Objekts bei gleichzeitiger Verminderung der Variationen der Eigenschaften des Regelungssystems realisieren kann, und das die Abweichungsungleichmäßigkeiten entfernen kann, auch wenn Variationen aufgrund einer Verstärkungstabelle oder einer Funktion durch Änderung der Zeitkonstanten durch Verwendung der Verstärkungstabelle und/oder der Funktion, um die Abweichungsungleichmäßigkeit aufgrund der Schubungleichmäßigkeit der Antriebselemente zu entfernen, groß sind.
Da die Verstärkungstabellen und/oder die Funktionen entsprechend der Bewegungsrichtungen zur Bewältigung von von der Vorschubrichtung des geregelten Objekts abhängigen Störungen vorgesehen sind, kann eine gute Regelungsleistung unabhängig von der Vorschubrichtung realisiert werden.

Zweites Ausführungsbeispiel

Fig. 7 zeigt die Anordnung eines Mehrphasen-Linearmotor- Regelungsgeräts gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf Fig. 7 bezeichnet Bezugszeichen 201 eine Nachschlag-Tabellen-Bildungseinheit und Bezugszeichen 202 eine Tabellen- Nachschlageinheit. Bezugszeichen 203 bezeichnet einen Speicher, der als Nachschlag-Tabellen-Speichereinheit dient, Bezugszeichen 204 eine Regelungs-Betriebseinheit und Bezugszeichen 205 eine Sollpositions-Erzeugungs einheit. Die Nachschlag-Tabellen-Bildungseinheit 201, die Tabellen-Nachschlageinheit 202, die Regelungs-Betriebseinheit 204 und die Sollpositions-Erzeugungseinheit 205 sind durch einen Mikroprozessor 206 wie beispielsweise eine CPU, eine DSP oder dergleichen realisiert. Eine D/A- Umwandlungseinrichtung 207 empfängt einen Befehlswert von dem Mikroprozessor 206, wandelt ihn in ein analoges Signal um und führt das analoge Signal einem Verstärker 208 zu. In dem Verstärker wird ein Stromregelungskreis gebildet, wodurch der Verstärker 208 als Strombetriebsart-Verstärker dient. Ein Mehrphasen-Linearmotor 209 wird durch den Verstärker 208 angesteuert, wobei die Position eines anzutreibenden Objekts durch eine Positionserfassungseinrichtung 210 erfaßt wird. Der Mehrphasen-Linearmotor weist die gleiche Anordnung auf wie die zur Beschreibung des Stands der Technik verwendete in Fig. 18A bis 18G gezeigte Anordnung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Positionserfassungseinrichtung 210 ein Laserinterferometer, aber sie kann ebenso eine lineare Kodierungseinrichtung oder dergleichen aufweisen.
Die Regelungsbetriebseinheit 204 führt einen Regelungskompensationsvorgang wie beispielsweise einen PID- Regelungsvorgang unter Verwendung von Positionsinformationen aus, die von der Positionserfassungseinrichtung 210 ausgegeben werden, und führt das Ergebnis des Vorgangs der D/A-Umwandlungseinrichtung 207 als gegenwärtigen Befehlswert zu, wodurch eine Rückkopplungsschleife zur Ausführung der Positionsregelung gebildet wird.
Die Arbeitsweise der Nachschlag-Tabellen-Bildungseinheit 201 ist nachstehend mit Bezug auf das in Fig. 8 gezeigte Flußdiagramm beschrieben. Ein bewegbares Element des Mehrphasen-Linearmotors wird mit einer konstanten Ge schwindigkeit zu einer ersten Position entsprechend einem durch die Sollpositions-Erzeugungseinrichtung 205 erzeugten Sollwert (Schritt S201) bewegt. Das bewegbare Teil wird zu einer zweiten Position durch Zufuhr des gleichen Sollwertmusters wie das zur tatsächlichen Ansteuerung des Mehrphasen-Linearmotors verwendete angesteuert (Schritte S202 und S203). Zu diesem Zeitpunkt speichert der Mikroprozessor 206 Positionen Pn des bewegbaren Teils sowie die Unterschiede zwischen den Sollpositionen und den Istpositionen des bewegbaren Teils, d. h. Regelungsabweichungen En, in den Speicher 203 in vorbestimmten Zeitabständen (1 msek) (Schritt S202). Bei Abschluß der Bewegung zu der zweiten Position wird der Speicherungsvorgang in den Speicher beendet.
Die in dem Speicher 3 gespeicherten Positionen und Regelungsabweichungen weisen üblicherweise Hochfrequenzanteile auf, die durch externe Störungen bzw. externes Rauschen dargestellt sind. Das Aufnehmen derartiger Hochfrequenzanteile in eine Tabelle ist nicht empfehlenswert, da das Regelungssystem gezwungen ist, einen unwichtigen Vorgang auszuführen. In einigen Fällen kann der Betrieb des Regelungssystems instabil werden. Daher werden gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Hochfrequenzanteile unter Verwendung eines phasenlinearen Tiefpaßfilters entfernt (Schritte S204 bis 206). Die Grenzfrequenz des Filters ist so eingestellt, daß sie niedriger ist als die Untergrenze des Regelungsfrequenzbands, das anhand von Parametern eines in der Regelungsbetriebseinheit 204 enthaltenen Regelungskompensators abgeschätzt wird. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein FIR-Filter der 50. Ordnung verwendet, das nachstehend durch Gleichung (3) gegeben ist und dessen Grenzfrequenz auf 20 Hz eingestellt ist.
wobei y das Ausgangssignal aus dem Filter, x die Eingangs-Zeitfolge des Filters, f einen Koeffizienten des Filters und n die Zeit darstellt. Die Positionen Pn und die Regelungsabweichungen En unterliegen der vorstehend genannten Filterungsverarbeitung, um eine Positions- Zeitfolge PFn und eine Regelungsabweichungs-Zeitfolge Efn zu erhalten.
Anschließend wird die Beziehung zwischen der Position des bewegbaren Teils des Mehrphasen-Linearmotors und der Regelungsabweichung als Tabelle gebildet. Der Filterungsverarbeitung unterworfene Werte bei der Positions-Zeitfolge PFn werden nacheinander der Reihe nach geprüft, wobei jedesmal, wenn der Wert um eine Einheit (δ) erhöht wird, der Wert in der Regelungsabweichungs-Zeitfolge Efn extrahiert wird und als ein Nachschlag-Tabellenwert bestimmt wird (Schritte S207 bis S209). Dabei stellt eine Einheit δ die Auflösung (Schrittweite) der Nachschlag- Tabelle dar, die bei diesem Ausführungsbeispiel auf 0,1 mm eingestellt ist. Eine Einheit δ kann jedoch hinlänglich klein eingestellt werden, so lange es die Speicherkapazität zuläßt.
Eine durch die bis dahin ausgeführte Verarbeitung erhaltene Nachschlag-Tabelle Km wird in den Speicher 203 gespeichert, wobei die Tabellen-Nachschlageinheit 202 in ihr nachschlägt, wenn erforderlich. Die Tabellen- Nachschlageinheit 202 ist nachstehend beschrieben. Bei Ausführung eines konkreten Vorgangs wie beispielsweise einer Geschwindigkeitsregelung, einer Ausrichtung und dergleichen durch Ansteuern des Mehrphasen-Linearmotors schlägt die Tabellen-Nachschlageinheit 202 in der Tabelle entsprechend einer durch eine nachstehende Gleichung (4) dargestellten Regel auf der Grundlage von durch die Positionserfassungseinrichtung 210 erhaltenen Positionsinformationen p nach, wodurch ein Korrekturwert k bei dieser Position erhalten wird.
k = KL, L = p/δ (4)
Genauer gesagt wird die durch die Positionserfassungseinrichtung 210 erhaltene Positionsinformation p in einen Wert eines ganzzahligen Vielfachen der Schrittweite δ der Tabelle umgewandelt, woran anschließend der umgewandelte Wert als Versetzungswert bzw. Offset-Wert (Index L) vom Beginn der Nachschlag-Tabelle an in dem Speicher verwendet wird, wodurch ein Korrekturwert k entsprechend der Istposition erhalten wird.
Der erhaltenen Korrekturwert k wird zu dem Berechnungsergebnis der Regelungsabweichung bei der Regelungsbetriebseinheit 204 addiert, woran anschließend das Kompensations-Berechnungsergebnis wie beispielsweise das PID- Berechnungsergebnis als Stellgröße eingegeben wird, d. h. als ein Regelungseingangssignal in die D/A-Umwandlungseinrichtung 207, wodurch der Mehrphasen-Linearmotor angesteuert wird.
Fig. 9 zeigt die Positionsabweichung im eingeschwungenen Zustand bei der Ausführung eines Ansteuervorgangs mit konstanter Geschwindigkeit bei dem in Fig. 7 gezeigten System im Vergleich zu der Positionsabweichung gemäß dem Stand der Technik, um die Wirkung der vorliegenden Erfindung zu zeigen. Mit Bezug auf Fig. 9 wird die von einem herkömmlichen Ansteuergerät für einen Mehrphasen- Linearmotor hervorgerufene Positionsabweichung durch eine gepunktete Linie angezeigt, während die Positionsabweichung aufgrund der vorliegenden Erfindung durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Wie aus Fig. 9 ersichtlich ist, wird die Positionsabweichung durch die vorliegende Erfindung vermindert.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wurde die Positionsregelung beschrieben. Wie jedoch aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, entfällt eine ausführliche Beschreibung einer Geschwindigkeitsregelung, da diese mit den gleichen Verfahren realisiert werden kann.
Fig. 23 zeigt ein Blockschaltbild der Regelungsanordnung eines Mehrphasen-Linearmotors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bezüglich Fig. 23 bezeichnet Bezugszeichen 203' eine in dem Speicher 203 gespeicherte Nachschlag-Tabelle. Bezugszeichen 202' bezeichnet eine Index-Berechnungseinheit, die in der Tabellen-Nachschlageeinheit 202 enthalten ist. Die Index- Berechnungseinheit 202' berechnet einen Index L auf der Grundlage von Positionsinformationen p, die von der Positionserfassungseinrichtung 210 zugeführt werden, und der Einheit δ der Nachschlag-Tabelle 203'. Ein Korrekturwert, der bei einer dem Index L entsprechenden Adresse gespeichert ist, wird aus der Nachschlag-Tabelle 203' ausgelesen und zu der Regelungsabweichung addiert.
Bei Bildung einer Nachschlag-Tabelle erzeugt die Nachschlag-Tabellen-Bildungseinheit 201 Korrekturwerte in der vorstehend genannten Folge und registriert sie in der Nachschlag-Tabelle. Dabei ist der von der Nachschlag- Tabelle 203' eingegebene Korrekturwert bei Bildung einer Nachschlag-Tabelle auf Null festgelegt.

Drittes Ausführungsbeispiel

Wie es in dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, wird die Nachschlag-Tabelle entsprechend dem in Fig. 8 gezeigten Flußdiagramm gebildet. Durch Wiederholung dieser Prozedur kann die Positionsabweichungs- Verminderungsleistung weiter gesteigert werden. Fig. 10 zeigt ein Flußdiagramm dieser Prozedur.
Mit Bezug auf Fig. 10 wird eine erste Nachschlag-Tabelle Km entsprechend dem in Fig. 8 gezeigten Flußdiagramm gebildet (Schritt S241). Wie es in dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, wird ein von der ersten Nachschlag-Tabelle Km erhaltener Wert der Regelungsabweichung zur Ansteuerung des Motors hinzugefügt. Zu diesem Zeitpunkt wird eine zweite Nachschlag-Tabelle Km' mittels des in Fig. 8 gezeigten Flußdiagramms gebildet (Schritt S242) und der ersten Nachschlag-Tabelle Km in Einheiten von Elementen hinzugefügt, um eine neue Nachschlag-Tabelle zu erhalten (Schritte S244 bis S246). Durch Wiederholung dieser Verarbeitung (Schritt S243) können Informationen, die nicht in einer durch eine N-te Korrektur erhaltene Tabelle abgebildet werden können, in einer durch die (N+1)-te Korrektur erhaltenen Tabelle abgebildet werden, wobei die Positionsabweichungs- Verminderungsleistung weiter verbessert werden kann.
Zur Demonstration der Wirkung der Positionsabweichungs- Verminderungswirkung gemäß diesem Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 9 ebenfalls den Positionsabweichungs-Signalverlauf (durchgezogene Kurve), der bei einer dreimaligen Ausführung der Tabellenkorrektur erhalten wird. Wie aus Fig. 9 ersichtlich ist, wird die Positionsabweichung nochmals um die Hälfte zu der vermindert, die erhalten wird, wenn keine Tabellenkorrektur ausgeführt wird.
Gemäß dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel wird der Speicher 203, wie beispielsweise ein RAM oder dergleichen, als Nachschlag-Tabellen-Speichereinheit verwendet. Beispielsweise kann die Nachschlag-Tabelle auf einem Träger wie eine Magnetplatte oder dergleichen gespeichert werden. Sobald die Nachschlag-Tabelle gebildet ist, muß sie nicht nochmals gebildet werden, bis sich die Eigenschaften eines mechanischen Systems ändern. Folglich muß die Nachschlag-Tabelle lediglich einmal von dem Träger wie beispielsweise einer Magnetplatte, die die Nachschlag-Tabelle speichert, beim Starten einer Vorrichtung geladen werden und beispielsweise in einem RAM gespeichert werden. Nachdem der Mehrphasen-Linearmotor über eine lange Zeit betrieben wurde, kann die Nachschlag- Tabelle automatisch neu gebildet werden, um die Alterung des mechanischen Systems zu korrigieren.
Wie es vorstehend beschrieben ist, kann gemäß dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel ein Gerät zur Ansteuerung eines Mehrphasen-Linearmotors ausgestaltet werden, das ausreichend Schubvariationen eines Mehrphasen- Linearmotors in einem System entfernt, das den Mehrphasen-Linearmotor verwendet.
Das Ansteuerregelungsverfahren und das Ansteuerregelungsgerät können bei einem Halbleiterbelichtungsgerät zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendet werden. Die genaue Regelung der relativen Bewegung der Maske und des Wafers ermöglicht die Herstellung von Halbleitervorrichtungen mit kleineren Leitungsbreiten. Die Ansteuerregelung wird während des Belichtungsvorgangs eines Musters des Substrats auf den Wafer ausgeführt. Im Anschluß an den Belichtungsvorgang können Halbleitervorrichtungen von dem Wafer unter Verwendung herkömmlicher Verfahren wie beispielsweise Ätzen des belichteten Photolacks auf dem Wafer hergestellt werden.

Claims

1. Regelungsvorrichtung zur Erzeugung eines Regelungsausgangssignals zur Regelung der Bewegung eines Objekts (1), wobei die Vorrichtung umfaßt:

eine Erfassungseinrichtung (9, 10; 210) zur Erfassung einer Ist-Zustandsgröße des Regelungsobjekts,

eine Erzeugungseinrichtung (11) zur Erzeugung einer Soll-Zustandsgröße des Regelungsobjekts,

eine Regelungseinrichtung (12, 13, 21; 204, 207, 208) zur Bereitstellung des Regelungsausgangssignals auf der Grundlage der Ist-Zustandsgröße und der Soll- Zustandsgröße des Regelungsobjekts,

gekennzeichnet durch

eine Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung eines Betriebszustands des Regelungsobjekts,

eine Einstelleinrichtung (15, 16; 201, 203) zur Bereitstellung von Einstell-Informationen mit einer Tabelle von Einstell-Größen für jeden Betriebszustand, wobei jede Einstell-Größe einer Zustandsgröße des Regelungsobjekts entspricht, wobei

die Regelungseinrichtung (12, 13, 21; 204, 207, 208) auf die Einstelleinrichtung (15, 16; 201, 203) derart reagiert, daß sie das Regelungsausgangssignal auf der Grundlage der Einstell-Größe für den bestimmten Betriebszustand einstellt, der der Ist-Zustandsgröße entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zustandsgröße mit dem Regelungsobjekt verbundene Positionsinformationen darstellt und der Betriebszustand eine Bewegungsrichtung des Regelungsobjekts darstellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Erfassungseinrichtung (9, 10; 210) zur Erfassung von mit dem Regelungsobjekt verbundenen Geschwindigkeitsinformationen eingerichtet ist, und die Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Bewegungsrichtung des Regelungsobjekts eingerichtet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Regelungseinrichtung (12, 13, 21; 204, 207, 208) auf die Einstelleinrichtung (15, 16; 201, 203) dahingehend reagiert, eine Phasenkompensation an dem Ausgangssignal auf der Grundlage der entsprechenden Einstell-Informationen zu ändern.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Regelungseinrichtung (12, 13, 21; 204, 207, 208) auf die Einstelleinrichtung (15, 16; 201, 203) dahingehend reagiert, eine Eckfrequenz der Phasenkompensation auf der Grundlage der entsprechenden Einstell-Informationen zu ändern.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Einstelleinrichtung (15, 16; 201, 203) eine Einstell-Informations-Erzeugungseinrichtung (14) zur Ermittlung einer Beziehung zwischen der Zustandsgröße des Regelungsobjekts und einer Regelungsgröße der Regelungseinrichtung (12, 13, 21; 204, 207, 208) in einer Betriebsart, bei der eine Einstellung durch die Einstelleinrichtung (15, 16; 201, 203) blockiert ist, und zur Erzeugung der Einstell-Informationen auf der Grundlage der ermittelten Beziehung und des Betriebszustands zu diesem Zeitpunkt aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Regelungseinrichtung (12, 13, 21; 204, 207, 208) zur Ansteuerung eines Linearmotors des Typs eingerichtet ist, der durch Schalten von Spulen angesteuert wird, denen entsprechend einem Zustand eines bewegbaren Teils Energie zuzuführen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, zusätzlich mit

einer Ermittlungseinrichtung zur Ansteuerung des Linearmotors und zur Ermittlung von Regelungsabweichungen bei einer Vielzahl von Positionen des bewegbaren Teils, während eine Einstellung durch die Einstelleinrichtung blockiert ist, und

einer Informations-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Einstell-Informationen entsprechend jeder Position des bewegbaren Teils auf der Grundlage der durch die Ermittlungseinrichtung ermittelten Regelungsabweichungen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei

die Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung der Positionen des bewegbaren Teils und der Regelungsabweichungen als Zeitfolge-Daten eingerichtet ist und

die Informations-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer Nachschlag-Tabelle eingerichtet ist, die Regelungsabweichungen entsprechend den Positionen des bewegbaren Teils auf der Grundlage der Zeitfolge-Daten registriert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Informations- Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung der Nachschlag- Tabelle auf der Grundlage eines durch das Entfernen von Hochfrequenz-Komponenten von den Zeitfolge-Daten erhaltenen Ergebnisses eingerichtet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Informations- Erzeugungseinrichtung ein phasenlineares Tiefpaßfilter zur Entfernung der Hochfrequenzkomponenten von den Zeitfolge-Daten aufweist, wobei die Grenzfrequenz des Filters niedriger eingestellt ist als die untere Grenze des Regelungsfrequenzbereichs eines Regelsystems.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7 mit

einer Halteeinrichtung zum Halten einer ersten Nachschlag-Tabelle, die Einstell-Informationen entsprechend jeder Position des bewegbaren Teils des Linearmotors registriert,

einer Nachschlag-Tabellen-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer zweiten Nachschlag-Tabelle auf der Grundlage von Zeitfolge-Daten von Regelungsabweichungen und Positionen des bewegbaren Teils, die als Ergebnis einer Regelung durch das Regelungsausgangssignal erhalten werden, und

einer Nachschlag-Tabellen-Korrektureinrichtung zur Korrektur der ersten Nachschlag-Tabelle auf der Grundlage der zweiten Nachschlag-Tabelle.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Halteeinrichtung darauf eingerichtet ist, die erste, durch eine mehrfach wiederholte Einstellung durch die Einstelleinrichtung erhaltene Nachschlag-Tabelle zu halten.

14. Verfahren zur Regelung der Bewegung eines Objekts (1) mit den Schritten:

Erfassen einer Ist-Zustandsgröße des Regelungsobjekts,

Erzeugen einer Soll-Zustandsgröße des Regelungsobjekts,

Bestimmen des Betriebszustands des Regelungsobjekts,

Bereitstellen von Einstell-Informationen mit einer Tabelle von Einstell-Größen für jeden Betriebszustand, wobei jede Einstell-Größe einer Zustandsgröße des Regelungsobjekts entspricht, und

Erzeugen eines Regelungsausgangssignals auf der Grundlage der Ist-Zustandsgröße und der Soll- Zustandsgröße des Regelungsobjekts, wobei das Regelungsausgangssignal auf der Grundlage der Einstell- Informationen für den bestimmten Betriebszustand einge stellt ist, der der Ist-Zustandsgröße entspricht.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei es sich bei der Zustandsgröße um dem Regelungsobjekt zugehörige Positionsinformationen handelt und bei dem Betriebszustand um eine Bewegungsrichtung des Regelungsobjekts handelt.

16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei es sich bei der Zustandsgröße um dem Regelungsobjekt zugehörige Geschwindigkeitsinformationen handelt und bei dem Betriebszustand um die Bewegungsrichtung des Regelungsobjekts handelt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei eine Einstellung durch Ändern der Phasenkompensation an dem Ausgangssignal auf der Grundlage der entsprechenden Einstell-Informationen ausgeführt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei eine Eckfrequenz der Phasenkompensation auf der Grundlage der entsprechenden Einstell-Informationen verändert wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, zusätzlich mit den Anfangsschritten

Ermitteln einer Beziehung zwischen der Zustandsgröße des Regelungsobjekts und einer Regelungsgröße in einer Betriebsart, bei der eine Einstellung blockiert ist, und

Erzeugen der Einstell-Informationen auf der Grundlage der ermittelten Beziehung und dem Betriebszustand zu diesem Zeitpunkt.

20. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Regelungsausgangssignal zum Ansteuern eines Linearmotors des Typs eingerichtet ist, der durch Schalten von Spulen angesteuert wird, denen entsprechend einem Zustand eines bewegbaren Teils Energie zuzuführen ist.

21. Verfahren nach Anspruch 20, zusätzlich mit den Schritten:

Ansteuern des Linearmotors und Ermitteln von Regelungsabweichungen bei einer Vielzahl von Positionen des bewegbaren Teils, während eine Einstellung blockiert ist, und

Erzeugen von Einstell-Informationen entsprechend jeder Position des bewegbaren Teils auf der Grundlage der während der Ermittlung ermittelten Regelungsabweichungen.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei

bei dem Ermitteln die Positionen des bewegbaren Teils und die Regelungsabweichungen als Zeitfolge-Daten ermittelt werden und

bei dem Erzeugen von Einstell-Informationen eine Nachschlag-Tabelle erzeugt wird, die Regelungsabweichungen entsprechend der Position des bewegbaren Teils auf der Grundlage der Zeitfolge-Daten registriert.

23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Erzeugung der Nachschlag-Tabelle ein Entfernen von Hochfrequenz- Komponenten von den Zeitfolge-Daten umfaßt.

24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Hochfrequenz- Komponenten von den Zeitfolge-Daten unter Verwendung eines phasenlinearen Tiefpaßfilters entfernt werden und die Grenzfrequenz des Filters niedriger eingestellt ist als die unter Grenze des Regelungsfrequenzbereichs eines Regelsystems.

25. Verfahren nach Anspruch 20, zusätzlich mit den Schritten:

Halten einer ersten Nachschlag-Tabelle, die Einstell-Informationen entsprechend jeder Position des bewegbaren Teils des Linearmotors registriert,

Erzeugen einer zweiten Nachschlag-Tabelle auf der Grundlage von Zeitfolge-Daten von Regelungsabweichungen und Positionen des bewegbaren Teils, die als ein Ergebnis einer Regelung durch das Regelungsausgangssignal erhalten werden, und

Korrigieren der ersten Nachschlag-Tabelle auf der Grundlage der zweiten Nachschlag-Tabelle.

26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Halten der ersten Nachschlag-Tabelle durch mehrfaches Wiederholen einer Einstellung erhalten wird.

27. Verfahren einer Fertigung einer Halbleitervorrichtung unter Verwendung des Ansteuerregelungsverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 26 zur Regelung eines synchronen Abtastens eines Wafers und einer Maske, während der der Wafer über ein Maskenmuster belichtet wird, und zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung unter Verwendung des Wafers.