JP2000339032A - 同期位置制御装置および方法 - Google Patents

同期位置制御装置および方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 目標値に対する応答性の調整の自由度を向上
させる。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。そして、容易に設計で
きるような構成にする。 【解決手段】 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５ａ〜５ｃ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１ａ
〜１ｃ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３ａ〜３ｃを設け、その伝達関数
の特性を各軸について同一とし、その特性を高域遮断特
性とし、かつその遮断周波数を、いずれの位置制御手段
におけるサーボ帯域よりも小さく設定する。

Description

【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４０
ｂをＷｏｘおよびＷｏｙとする。図１５は、Ｗｏｘ＝Ｗ
ｏｙ＝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、Ｗ
ｏｘ＝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Ｐ
ＩＤ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、５
ｂおよび５ｃの位置ループゲインは各々８０Ｈｚ、９０
Ｈｚ、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８０Ｈ
ｚ、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７
ａ、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〜５
ｃ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２０
ａ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１
４ａ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１
３ａ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３
５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５５
ｂ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２
４ａ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２
４ａ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５５
ａ、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〜６
ｃ：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〜１１
ｃ：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、１
６ａ〜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，２
４ｂ：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、４
３：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、５
２：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、５
５ｂ：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、９
８：レチクルステージ位置計測レーザ干渉計。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/68 Ｂ２３Ｑ 1/18 Ａ Ｆターム(参考） 3C048 BB12 DD06 DD26 5F031 HA55 5F046 BA05 CC01 CC02 CC03 DA08 5H303 AA01 AA06 BB03 BB08 BB12 CC01 CC04 DD01 EE03 EE07 FF03 KK02 KK17 KK28 LL03 MM05

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
  7. 【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。
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