JP2004146807A - 位置決め装置及び露光装置並びにデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】位置決め対象の構造物を大きな加速度で迅速に加減速するとともに高精度に位置決めする。
【解決手段】位置決め装置は、ＸＹスライダをＸ梁、Ｙ梁とともに移動させる。ＸＹスライダとＸ梁、Ｙ梁との間には電磁ガイド（電磁機構）が設けられる。電磁ガイドは、ＸＹスライダ１０９ｃに設けられた位置決め用電磁石ＸＥＭ１〜ＸＥＭ４、ＹＥＭ１〜ＹＥＭ４および加速用電磁石ＸＡＥＭ１、ＸＡＥＭ２、ＹＡＥＭ１、ＹＡＥＭ２と、Ｘ梁、Ｙ梁に設けられたターゲットとで構成される。位置決め用電磁石はフィードバック制御され、加速用電磁石はフィードフォワード制御される。
【選択図】図３

Description

　本発明は、位置決め装置、特に露光装置に搭載される位置決め装置並びにデバイスの製造方法に関する。

　露光装置は、ウエハを移動させるステージ装置を有する（例えば、特許文献１参照。）。このステージ装置においては、ステージ定盤上にはヨーガイドとステージ定盤でガイドされるＹスライダが載せられている。Ｙスライダとステージ定盤およびヨーガイドとの間には、エアパッドが設けられている。

　また、Ｙスライダを囲むようにＸスライダが設けられている。Ｙスライダの側面とＸスライダの側面との間には、エアパッドが設けられている。Ｘスライダとステージ定盤との間にもエアパッドが設けられている。この構成により、ＹスライダはＹ方向に滑動自在であり、ＸスライダはＹスライダに対してＸ方向に滑動自在なので、ＸスライダはＸ，Ｙ方向に滑動自在である。

　Ｘスライダ、Ｙスライダの駆動にはリニアモータが用いられる。Ｘスライダ、Ｙスライダ駆動用のリニアモータは、コイル固定、磁石可動型のものであり、磁石位置に応じてコイルを選択し、電流の大きさと方向を適切に制御することで長ストロークの駆動を実現する。
特許第３１４５３５５号公報

　このようなステージ装置は、長ストロークにわたって高精度な位置制御が可能である。ところで、このようなステージ装置において、Ｘスライダ上に、Ｘスライダに対してＸ，Ｙ，Ｚ，θｘ，θｙ，θｚの各方向に基板保持プレートを微動可能な６軸微動ステージを搭載する場合には、Ｘスライダより先、つまりＸスライダと微動ステージのトータルの質量が増加してしまうことになる。露光装置では、生産性を高めるために大きな加速度でステージを加速する必要があるが、Ｘスライダと微動ステージのトータルの質量が増加すると、加速度が同一でも加速に必要な力は質量に比例して増加する。

　上述したステージ装置の構成では、Ｘスライダと微動ステージを例えばＹ方向に加速するための力は、Ｙリニアモータで発生される。そして、この力の一部がエアパッドを介してＸスライダと微動ステージに伝達される。具体的には、Ｙスライダ系の質量をｍ_１、Ｘスライダ系の質量をｍ_２、微動ステージ系の質量をｍ_３、加速度をαとすると、２本のＹリニアモータで（ｍ_１＋ｍ_２＋ｍ_３）×αの力を発生し、このうちの（ｍ_２＋ｍ_３）×αの力がＹスライダの側面とＸスライダの側面との間のエアパッドを介してＸスライダと微動ステージに伝達されることになる。

　問題は、このエアパッドの力伝達能力である。エアパッドによる力伝達は圧力換算で１kgf/cm^２程度にとどまっている。よって微動ステージの追加によりＸスライダに伝達すべき力が増加すると、このエアパッドの力伝達能力を越えることが想定される。かといって、斯かるエアパッドを転がりタイプのガイドにするのは、寿命の問題や発塵の問題があって、露光装置のように長期間の連続稼動とクリーン度が要求される装置においては、非常に困難である。

　さらに、最近ではより微細なパターンを露光するために真空雰囲気での使用に適合したステージ装置が要求されているが、真空雰囲気でエアパッドを構成しようとすると周辺にエアを回収する手段を設ける必要がある。このような手段の周辺部は推力伝達に寄与しないので圧力換算での推力伝達能力はますます低下する傾向となる。

　また、上述したステージ装置の構成では、ＸスライダとＹスライダとの間の非接触ガイドが静圧軸受などエアベアリングで構成されているため、ばね剛性によって拘束されている。すなわち、従来のステージ装置の構成は、一方のスライダの動きに他方のスライダが追従する連性系のシステム構成である。そのため、Ｘ、Ｙスライダを能動的に位置決めする機械制御（サーボ）を行うことができず、高精度な位置決めを行うことができなかった。

　また、例えばＹスライダに外乱が加わったときは、Ｘ、Ｙスライダがばね剛性によって拘束された連性系のシステム構成であるため、Ｙスライダに対する位置決めサーボ系がＸスライダに対する位置決めサーボ系に必然的に影響を及ぼすことになり、Ｘスライダの高精度な位置決めを行うことが困難であった。

　さらに、Ｙスライダの位置に応じて、Ｘスライダに発生する力のモーメントを打ち消すために、Ｙスライダにフィードフォワード制御を施したとても、Ｘスライダに振動が加わってしまい、Ｘ、Ｙスライダともに高精度の位置決めを行うことが困難となっていた。

　また、従来のエアベアリングに能動的にサーボをかける方法も考えられるが、応答性が悪く、高精度な位置決めを実現することは困難であった。この場合、ギャップセンサによってＸ、Ｙスライダ間のギャップを保持するシステムとなるため、システム構成上も応答性が悪く、高精度な位置決めは困難であった。

　本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、例えば、位置決め対象の構造物を大きな加速度で迅速に加減速するとともに高精度に位置決めすることができる位置決め装置及びそれを備えた露光装置を提供することを目的とする。

　本発明の第１の側面は、位置決め装置に係り、位置決めすべき構造物と、前記構造物の位置決めのために移動する移動体と、前記構造物と前記移動体との間に電磁的に力を作用させることにより、前記構造物と前記移動体との間に間隙を形成しつつ前記移動体の移動に伴って前記構造物が移動することを可能にする電磁機構とを備え、前記電磁機構は、前記構造物の目標位置と実際位置との偏差に基づいてフィードバック制御される第１電磁アクチュエータと、前記構造物の目標位置に基づいてフィードフォワード制御される第２電磁アクチュエータと、を有し、前記第１及び第２電磁アクチュエータは、各々、同一線上において互いに反対の方向に力を発生するように配置された一対の電磁石と、前記一対の電磁石の各々と対向して配置された一対のターゲットと、を有し、前記電磁石と前記ターゲットとの間において、前記電磁石が発生する磁束による吸引力が前記ターゲットに作用することを特徴とする。

　本発明の好適な実施の形態によれば、少なくとも１つの前記ターゲットは、少なくとも２つの前記電磁石によって共用されるように配置されることが望ましい。

　本発明の好適な実施の形態によれば、前記フィードバック制御では、前記偏差を低減するために前記第１電磁アクチュエータが発生すべき力の平方根に前記第１電磁アクチュエータにおける前記電磁石と前記ターゲットとの間の間隙に相当する補正項を乗じた値に従って前記電磁石のコイルに流す電流を制御することが望ましい。

　本発明の好適な実施の形態によれば、前記フィードフォワード制御では、前記構造物の目標位置を前記第２電磁アクチュエータの前記電磁石が発生すべき磁束の指令値に変換し、該指令値と前記電磁石が発生している磁束の値との差分に基づいて前記電磁石を制御することが望ましい。

　本発明の好適な実施の形態によれば、前記一対の電磁石の一方の電磁石を駆動しているときは他方の電磁石を駆動しないことが望ましい。

　本発明の好適な実施の形態によれば、前記装置は、前記第１電磁アクチュエータを２組備え、前記第２電磁アクチュエータが前記２組の第１電磁アクチュエータの間に配置されていることが望ましい。

　本発明の好適な実施の形態によれば、前記第２電磁アクチュエータが発生する力の力線が、前記構造体の重心を通る線と一致していることが望ましい。

　本発明の好適な実施の形態によれば、前記第１電磁アクチュエータと前記ターゲットの間隔は前記第２電磁アクチュエータと前記ターゲットの間隔以上あることが望ましい。

　本発明の好適な実施の形態によれば、前記移動体の両端に配置されて前記移動体を駆動する２つの駆動機構を更に備え、前記２つの駆動機構は、前記構造物の位置に応じて分配される推力でそれぞれ前記移動体を駆動することが望ましい。

　本発明の好適な実施の形態によれば、前記推力は、前記構造物から前記移動体が受ける反力によって生じる前記移動体の重心周りの力のモーメントを打ち消すように分配されることが望ましい。

　本発明の好適な実施の形態によれば、前記推力は、前記構造物と前記移動体とを一体物としたときの重心位置に基づいて分配されることが望ましい。

　本発明の好適な実施の形態によれば、前記推力は、前記構造物の重心位置と前記移動体の重心位置とに基づいて分配されることが望ましい。

　本発明の第２の側面は、露光装置に係り、上記記載の位置決め装置を利用して、位置決め対象物を位置決めし露光動作を実行することを特徴とする。

　本発明の第３の側面は、デバイス製造方法に係り、上記記載の露光装置を利用して、基板にパターンを転写する工程と、前記基板を現像する工程と、を含むことを特徴とする。

　本発明によれば、例えば、位置決め対象の構造物を大きな加速度で迅速に加減速するとともに高精度に位置決めすることができる。

　以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を説明する。

　図１は、本発明の好適な実施の形態のステージ装置の概観を示す図である。このステージ装置は、半導体露光装置等の露光装置のウエハステージ装置として構成されているが、本発明のステージ装置は他の装置に組み込まれてもよい。

　ウエハステージ装置１００は、ウエハをウエハチャック上に保持し、アライメントポジションや露光ポジションにウエハを搬送し位置決めする。ステージ定盤１１３上には、不図示の静圧案内によってＸＹ平面上を移動自由に案内された粗動Ｘ梁１０５が配置されている。粗動Ｘ梁１０５は、Ｘヨーガイド１１５に不図示の静圧案内を用いてヨー方向の姿勢が固定され、結果として、粗動Ｘ梁１０５は、Ｘ方向のみに移動自由に案内されている。同様にして、粗動Ｙ梁１０７は、ステージ定盤１１３とＹヨーガイド１１７によりＹ方向のみに移動自由に案内されている。

　粗動Ｘ梁１０５、粗動Ｙ梁１０７の各両端には永久磁石を用いたＸ、Ｙ粗動リニアモータ可動子１１９、１２１がそれぞれ設けられている。Ｘ粗動リニアモータ可動子１１９を上下から挟み込むようにＸ粗動リニアモータ固定子対１０１が配置され、Ｙ粗動リニアモータ可動子１２１を上下から挟み込むようにＹ粗動リニアモータ固定子対１０３が配置されている。

　粗動リニアモータ固定子１０１、１０３は、櫛歯状の珪素鋼薄板を積層して構成された鉄心にコイルが巻かれた構成を有する。鉄心と粗動リニアモータ可動子との間には磁石の吸引力が働くが、上下とも同じ間隙で粗動リニアモータ固定子が粗動リニアモータ可動子を挟み込む構成とすることにより、この吸引力が相殺されている。

　粗動リニアモータ固定子１０１、１０３のコイルに電流を流すことにより、粗動リニアモータ固定子１０１、１０３と粗動リニアモータ可動子１１９、１２１との各間に推力を発生することができる。粗動リニアモータ固定子１０１、１０３とステージ定盤１１３は、同じ構造体によって支持されており、粗動リニアモータの推力は、Ｘ粗動梁１０５、粗動Ｙ梁１０７の各々の移動方向に働く。

　粗動Ｘ梁１０５、粗動Ｙ梁１０７には、不図示のコーナーキューブが設けられており、不図示のレーザ干渉計からのレーザ光を反射する。粗動Ｘ梁１０５、粗動Ｙ梁１０７の各々の移動方向の位置は、これらのレーザ干渉計により計測される。不図示の制御系により、粗動Ｘ梁１０５、粗動Ｙ梁１０７は、各々のレーザ干渉計による計測値と粗動リニアモータにより位置決め制御される。

　粗動Ｘ梁１０５、粗動Ｙ梁１０７を囲むようにしてＸＹスライダ１０９が設けられている。ＸＹスライダ１０９の自重は、ＸＹスライダ底板１０９ｃに設けられた不図示の静圧案内によってステージ定盤１１３で受けられている。よって、ＸＹスライダ１０９は、ステージ定盤１１３上のＸＹ平面内を移動するように案内されている。ＸＹスライダ１０９とＸ梁１０５、Ｙ梁１０７との間には電磁ガイド（電磁機構）が設けられている。電磁ガイドについては、後述する。

　ＸＹスライダ１０９の適所、例えば、ＸＹスライダ上板１０９ａの側面には、反射鏡が形成又は固定されており、不図示のレーザ干渉計によりＸＹスライダ１０９の位置及び姿勢が計測される。図２は、図１に示す構成の一部をＺ方向に分解して示した図である。図２に示す例では、ＸＹスライダ１０９に関して、レーザ光軸ＡＸＸ（Ｘ方向の計測光軸）、レーザ光軸ＡＸＹ１及びＡＸＹ２（共にＹ方向の計測光軸）を計測光軸とするレーザ干渉計が配置されており、Ｘ、Ｙ方向の位置及びωｚ方向の回転を計測することができる。以下では、ＸＹスライダ１０９に関するレーザ干渉計をＸＹスライダレーザ干渉計という。ここで、ωｚ方向の回転は、レーザ光軸ＡＸＹ１及びＡＸＹ２を光軸とするレーザ干渉計による計測結果、すなわち、Ｙ方向の２つの位置計測値の差分とレーザ光軸の間隔とに基づいて算出することができる。

　同様に、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７の適所、例えば両端部にも、反射鏡が形成又は固定されており、不図示のレーザ干渉計によりＸ梁１０５、Ｙ梁１０７の位置及び姿勢が計測される。図２に示す例では、Ｘ梁１０５に関して、レーザ光軸ＲＡＸＸ１及びＲＡＸＸ２（共にＸ方向の計測光軸）が配置され、Ｘ梁１０５のＸ方向の位置及びωｚ方向の回転が計測される。また、Ｙ梁１０７に関して、レーザ光軸ＲＡＸＹ１及びＲＡＸＹ２（共にＹ方向の計測光軸）を計測光軸とするレーザ干渉計が配置され、Ｙ梁１０７のＹ方向の位置及びωｚ方向の回転が計測される。Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７に関するレーザ干渉計を以下では粗動ステージレーザ干渉計という。

　ＸＹスライダ１０９上には図１の微動ステージ１１１が搭載される。微動ステージ１１１は、不図示の空気ばねや磁石の反発を用いた自重補償系によりＸＹスライダ１０９からの振動が絶縁されている。ＸＹスライダ１０９の上部にはコイルから成る単相リニアモータ固定子が固定され、微動ステージ１１１の下部には永久磁石から成る単相リニアモータ可動子が固定されている。これらによって構成される単相リニアモータは、微動ステージ１１１をＸ、Ｙ、Ｚと各々の軸周りの回転方向であるωｘ、ωｙ、ωｚ方向に推力を出せる構成となっている。例えば、ＸＹ座標が異なる３つの位置にそれぞれ単相リニアモータを配置することにより、Ｚ、ωｘ、ωｙ方向に推力を発生させることができる。また、Ｘ方向に２個、Ｙ方向に２個の単相リニアモータを配置することにより、Ｘ、Ｙ、ωｚ方向に推力を発生させることができる。

　微動ステージ１１１には、不図示のレーザ反射鏡が設けられており、不図示のレーザ干渉計によって微動ステージ装置１１１の６自由度の位置変位を計測することができる。

　図３は、図２に示すＸＹスライダ底板１０９ｃ、及びその上に設けられた電磁石を示す図である。図２及び図３を参照しながらＸＹスライダ１０９とＸ梁１０５、Ｙ梁１０７との間に設けられた電磁ガイド（電磁機構）について説明する。

　この実施の形態では、ＸＹスライダ１０９と、それを移動させるための移動体としてのＸ梁１０５、Ｙ梁１０７との間のガイド機構として電磁ガイドを採用している。電磁ガイド（電磁機構）は、電磁石が発生する磁界を利用した一対の電磁アクチュエータが梁を挟むように対向配置して構成された非接触のガイド（案内機構）である。このような電磁アクチュエータは、ターゲット（例えば、磁性体）と電磁石とによって構成されうる。ここで、エアガイドに代えて電磁ガイドを採用することにより、非接触ガイドであるという利点を維持しつつ高い推力伝達能力を得ることができる。このような電磁ガイドは、エアを使用しないので、真空環境或いは減圧環境等を含むあらゆる使用環境に適している。

　ターゲット１０５Ｔ、１０７Ｔは、例えば、珪素鋼の薄板を積層して構成されうる。積層構造を採用するのは、渦電流の影響を抑えるためである。図４に電磁アクチュエータの構成例が示されている。電磁石１３０は、Ｅ型コア１３１にコイル１３２を巻くことにより構成されうる。コイル１３２に電流を流すことにより、Ｅ型コア１３１とターゲット１０５Ｔ（１０７Ｔ）に磁束が通り、両者間に吸引力が発生する。

　電磁石１３０は、ＸＹスライダ中間部材１０９ｂに取り付けられている。なお、ＸＹスライダ１０９は、ＸＹスライダ上板１０９ａ、ＸＹスライダ中間部材１０９ｂ、ＸＹスライダ底板１０９ｃにより構成されている。

　図３には、図２に示す電磁石１３０の具体的な配列例が示されている。なお、図２中の電磁石１３０は、図３では、ＸＥＭ１〜ＸＥＭ４、ＸＡＥＭ１、ＸＡＥＭ２、ＹＥＭ１〜ＹＥＭ４、ＹＡＥＭ１、ＹＡＥＭ２として記載されている。

　電磁石ＸＥＭ１〜ＸＥＭ４は、Ｘ方向に位置決めの際に制御力を発生する電磁石であり、電磁石ＹＥＭ１〜ＹＥＭ４は、Ｙ方向に位置決めの際に制御力を発生する電磁石である。これらの電磁石を位置決め用電磁石と呼ぶことにする。ここで、電磁石ＸＥＭ１及び電磁石ＸＥＭ２、電磁石ＸＥＭ３及び電磁石ＸＥＭ４、電磁石ＹＥＭ１及び電磁石ＹＥＭ２、電磁石ＹＥＭ３及び電磁石ＹＥＭ４が、それぞれ対向配置されて電磁石対を構成している。

　ここで、電磁石ＸＥＭ１と電磁石ＸＥＭ２の各中心を通る線をＸ１２軸、電磁石ＸＥＭ３と電磁石ＸＥＭ４の各中心を通る線をＸ３４軸、電磁石ＹＥＭ１と電磁石ＹＥＭ２の各中心を通る線をＹ１２軸、電磁石ＹＥＭ３と電磁石ＹＥＭ４の各中心を通る線をＹ３４軸と呼ぶことにする。Ｘ１２軸とＸ３４軸は、ＸＹ平面内においてＸＹスライダ１０９及び微動ステージ１１１を含む構造体（Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７の負荷）の重心を通るＸ軸を基準として対称に配置されることが好ましい。同様に、Ｙ１２軸とＹ３４軸は、ＸＹ平面内においてＸＹスライダ１０９及び微動ステージ１１１を含む構造体（Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７の負荷）の重心を通るＹ軸を基準として対称に配置されることが好ましい。このような構成を採用することにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の制御力によるωｚ方向の回転を最小化することができる。

　位置決め用電磁石ＸＥＭ１〜ＸＥＭ４、ＹＥＭ１〜ＹＥＭ４には、後述の電磁石指令演算器からフィードバック制御指令が送られる。フィードバック制御指令とは、ＸＹスライダ１０９の位置制御系に与えられる位置指令（ＸＹスライダ１０９の目標位置）とＸＹスライダ１０９の位置及び姿勢に関する計測値とから得られたＸＹスライダ１０９の位置偏差情報とに従って算出される制御指令である。なお、ＸＹスライダ１０９の位置制御系の補償器には、公知のＰＩＤ補償器を採用することができる。

　これらの位置決め用電磁石とは別に、この実施の形態では、Ｘ方向へのＸＹスライダ１０９の加速の際に制御力を発生する、対向配置された電磁石ＸＡＥＭ１及びＸＡＥＭ２からなる電磁石対と、Ｙ方向へのＸＹスライダ１０９の加速の際に制御力を発生する、対向配置された電磁石ＹＡＥＭ１及びＹＡＥＭ２からなる電磁石対と、が設けられている。これらの電磁石を以下では加速用電磁石と呼ぶことにする。

　ここで、Ｘ方向用の加速用電磁石ＸＡＥＭ１及びＸＡＥＭ２の対は、ＸＹスライダ１０９及び微動ステージ１１１を含む構造体（Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７の負荷）の重心を通るＸ軸上に配置すること、すなわち、加速用電磁石対の力線を構造体のＸ軸に一致させることが好ましい。また、同様に、Ｙ方向用の加速用電磁石ＹＡＥＭ１及びＹＡＥＭ２の対は、ＸＹスライダ１０９及び微動ステージ１１１を含む構造体（Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７の負荷）の重心を通るＹ軸上に配置することが好ましい。これにより、ステージ装置を小型化しつつＸ軸方向及びＹ軸方向の制御力によるωｚ方向の回転（Ｚ軸周りの回転）を最小化することができる。ここで、加速用電磁石対の力線が前記構造体の重心からずれていると、加減速の際にＺ軸周りのモーメントが発生し、位置決め精度の悪化、位置決め用電磁石ユニットの負荷増加（発熱増加）を招くので好ましくない。

　加速用電磁石ＸＡＥＭ１、ＸＡＥＭ２、ＹＡＥＭ１、ＹＡＥＭ２には、後述のＸＹスライダ位置指令器からフィードフォワード制御指令が送られる。フィードフォワード制御指令とは、ＸＹスライダ１０９の駆動指令である加速度にＸＹスライダ１０９及び微動ステージ１１１を含む構造体（Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７の負荷）の質量を乗じた値である。フィードフォワード制御を加えることにより、ステージ加減速時（ＸＹスライダ１０９の加減速時）の位置偏差を減少させ、フィードバック制御系で発生する制御指令の値を小さく抑えることができる。

　Ｘ方向の位置決め用電磁石ＸＥＭ１及びＸＥＭ３（ＸＥＭ２及びＺＥＭ４）と加速用電磁石ＸＡＥＭ１（ＸＡＥＭ２）とは、電磁アクチュエータを構成するためのターゲット１０５Ｔを共用することが好ましく、これにより、ステージ装置を小型化することができる。Ｙ方向の電磁石についても同様である。

　ここで、電磁ガイドとして、位置決め用電磁ガイドと加速用電磁ガイドとを別個に設けることにより、ＸＹスライダ１０９（微動ステージ１１１）の加減速時においても高い位置決め精度を実現することができる。すなわち、このような構成によれば、位置決め対象物としての構造体を迅速に加減速することができるとともに高精度に位置決めすることができる。以下に、この効果について詳述する。

　ＸＹスライダ１０９の加減速時は、電磁ガイド（電磁機構）には、ＸＹ平面内においてＸＹスライダ１０９及び微動ステージ１１１を含む位置決め対象の構造体の質量に加速度を乗じた加減速力が加わる。ここでは、比較として、上記の位置決め用電磁石が加速用電磁石としても使用される場合（すなわち、加速用電磁石がない場合）を考える。

　例えば、ＸＹステージ１０９をＸ軸の正方向に加速する場合、その加速力をＸ方向用の電磁石ＸＥＭ１及びＸＥＭ３でＸＹスライダ１０９に伝達する必要がある。すなわち、この場合、加速力に相当する吸引力を電磁石ＸＥＭ１及びＸＥＭ３が発生する必要がある。電磁石が発生する吸引力は、電磁石コイルに流れる電流の２乗に大凡比例する。すなわち、吸引力の大きさにより吸引力の分解能が変化する。電磁石の吸引力が小さいときは力変化に対する電流指令変化が大きく、吸引力が大きいときは力変化に対する電流指令変化が小さくなるためである。

　言い換えると、電磁石の力分解能は線形ではなく、大きな力を発生するときほど分解能が悪くなる。よって、大きな加減速力を発生しているときは、力分解能が低下してＸＹスライダ１０９の位置決め精度が悪くなり、最悪の場合、電磁ガイドの面同士が接触してしまい機能を果たさなくなる。したがって、大きな加減速力の伝達が可能でかつ高い位置決め精度を得ることができる電磁ガイドの構成が求められる。

　この実施の形態は、上記の要求に応えるべく、位置決め用電磁ガイドと加速用電磁ガイドとを別個に設けている。このような構成によれば、ＸＹスライダ（ＸＹステージ）の加減速時に必要な大きな力を加速用電磁石に発生させるので、位置決め用電磁ガイドでは、ＸＹスライダ（ＸＹステージ）の加減速時、等速時、停止時といった運動状態に関係なく、位置決め用の限定された範囲内の力を発生すればよい。加減速時における加速用電磁ガイドの分解能の低さに起因する位置決め誤差は、高い分解能を常に発揮し得る位置決め用ガイドによって低減される。したがって、この実施の形態によれば、位置決め用電磁ガイドによってＸＹスライダ（ＸＹステージ）を高精度に位置決めすることができる一方、加速用電磁ガイドによって加減速時に大きな吸引力を得ることができる。

　ここで、位置決め用電磁ガイドをフィードバック制御系で制御することにより、位置決め用電磁ガイドには、位置偏差に相当する小さな値の制御指令が与えられる。一方、加速用電磁ガイドをフィードフォワード制御系で制御することにより、加速用電磁ガイドには、加減速指令に相当する大きな値の制御指令が与えられる。

　図５は、図２及び図３に示す電磁ガイド（電磁機構）を制御する制御系を示す図である。この制御系では、モード制御と呼ばれる手法が採用されている。すなわち、この制御系は、ＸＹスライダ１０９を含む位置決め対象の構造体の重心位置におけるＸ、Ｙ方向の位置、およびＺ軸周りの回転方向であるωｚの３軸の各モード位置指令と、ＸＹスライダ１０９の位置を３本のレーザ干渉計（計測軸は、ＡＸＸ、ＡＸＹ１、ＡＸＹ２）から提供されるＸＹスライダ１０９の各モード計測値とに基づいてＸＹステージ１０９の位置を制御する。

　モード毎の制御を行なうことにより、直進方向と回転方向との幾何学的干渉を避けることができる。まず、主制御器からＸＹスライダ位置指令器２０１にステージ移動指令が送られ、ＸＹスライダ位置指令器２０１において、ＸＹスライダ１０９の位置指令（目標位置）が算出される。モード指令変換器２０２は、位置指令に従ってＸＹスライダ１０９を含む構造体の重心位置におけるＸ、Ｙ、ωｚのモード位置指令を算出する。

　ＸＹスライダ位置算出器２０５は、ＸＹスライダ１０９の位置を計測する３本のＸＹスライダレーザ干渉計による計測値に基づいて、レーザが反射鏡にあたる場所でのＸＹスライダ１０９の位置を算出する。モード位置演算器２０４は、ＸＹスライダ位置算出器２０５によって算出されたＸＹスライダ１０９の位置をＸＹスライダ１０９の各モード計測値に変換する。モード指令変換器２０２およびモード位置演算器２０４には、ＸＹスライダ１０９を含む構造体の重心位置の情報が組み込まれており、これらの幾何学的情報に基づいて演算が行われる。

　モード制御器２０３は、モード位置指令とモード計測値とに基づいて各モード軸の偏差を算出して、これらの偏差を解消するためのモード制御指令を生成する。

　前述のように、加速用電磁石は、その力線上に加速される構造体の重心があるので、ＸＹスライダ位置指令器２０１においてＸＹスライダ１０９の位置指令から直にＸ、Ｙ方向の加減速力のフィードフォワード制御指令が得られる。フィードフォワード制御指令は、磁束指令演算器２１１に送られる。

　制御指令分配器２１２は、モード制御器２０３から送られてくるモード制御指令をＸＹスライダ１０９を含む構造体の重心位置情報と各電磁石の位置情報とに基づいてＸ１２軸、Ｘ３４軸、Ｙ１２軸、Ｙ３４軸に配置された電磁石への力指令であるＸｆ１２、Ｘｆ３４、Ｙｆ１２、Ｙｆ３４に分配する。ωｚ軸についての力指令は、Ｘ１２軸とＸ３４軸に割り振りＹ１２軸とＹ３４軸でのωｚ成分を零にしてもよいし、その逆でも良い。

　位置決め用電磁石の駆動方法にについて、Ｘ１２軸を一例として示す図６を参照して説明する。他のＸ３４、Ｙ１２、Ｙ３４軸も同様の構成である。制御電流演算器２１３は、各軸の一対の位置決め用電磁石について図６に示す構成を有する。制御電流演算器２１３に設けられた選択器４０１は、Ｘ１２軸指令であるＸｆ１２の正負を判断する。判断結果が正の場合（図６では、”１”）は、Ｘ１２軸の電磁石ＸＥＭ１及びＸＥＭ２のうち電磁石ＸＥＭ２に力を発生させ、電磁石ＸＥＭ１に対する力指令を零とする。すなわち、電磁石ＸＥＭ２のコイルを駆動する電流ドライバ２２１に対して、ＸＥＭ２指令器４０３は、零電流指令(演算式に従って演算されたＸＩ２)を送り、電磁石ＸＥＭ１のコイルを駆動する電流ドライバ２２１に対して、ＸＥＭ１指令器４０２は、零電流指令（ＸＩ１＝０）を送る。このように、Ｘ１２軸指令であるＸｆ１２の正負に応じて一対の電磁石の一方にのみ電流を流すことにより、電磁石（コイル）の発熱を低減することができる。

　電磁石が発生する吸引力は電磁石ギャップの磁束φの２乗に比例し、磁束φはコイルに流れる電流に比例する。よって、電磁石が発生する力は、コイル電流の２乗にほぼ比例すると考えてよい。そこで、電磁石ＸＥＭ２のコイルには、力指令の平方根の次元を有する電流が与えられる。より具体的には、電磁石ＸＥＭ２のコイルには、力指令（ＸF１２）の平方根に補正値を乗じた値に相当する電流が指令電流として与えられる。

　更に、吸引力は電磁石ギャップにも依存する。吸引力は大凡電磁石ギャップの２乗分の１に比例する。Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７とＸＹスライダ１０９とで制御性能が異なると、ＸＹスライダ１０９を加減速させる際に両者間の位置偏差に差が生じ、結果として電磁石ギャップの変動が生じる。この変動は、電磁石の吸引力を変動させるので、これに対処しないと最悪の場合には、ＸＹスライダ１０９の制御系が吸引力変動の非線形性に勝てず、不安定となり発散を起こす。そこで、次のようなギャップ変動補正を行なうことが好ましい。

　すなわち、ＸＹスライダ位置算出器２０５によりＸＹスライダレーザ干渉計（計測軸は、ＡＸＸ、ＡＸＹ１、ＡＸＹ２）から提供される位置情報に基づいてＸＹスライダ１０９の位置を算出する。また、粗動ステージ位置算出器２０６により粗動ステージレーザ干渉計（計測軸は、ＲＡＸＸ１、ＲＡＸＸ２、ＲＡＸＹ１、ＲＡＸＹ２）に基づいて粗動ステージ（Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７）の位置を算出する。そして、ギャップ算出器２１４によりＸＹスライダ位置及び粗動ステージ位置に基づいて各電磁石ＸＥＭ１、ＸＥＭ２、ＸＥＭ３、ＸＥＭ４、ＹＥＭ１、ＹＥＭ２、ＹＥＭ３、ＹＥＭ４のギャップＸ１ｇａｐ、Ｘ２ｇａｐ、Ｘ３ｇａｐ、Ｘ４ｇａｐ、Ｙ１ｇａｐ、Ｙ２ｇａｐ、Ｙ３ｇａｐ、Ｙ４ｇａｐを算出する。この符号はギャップが大きくなる方向を正方向にとることにする。すなわち、ギャップ値が大きくなると、吸引力は減少する。

　図６のＸギャップ補正器２（４０５）では、ギャップ補正係数Ｃｏｌ＿Ｘ２ｇａｐを次式に従って算出する。

　　　Ｃｏｌ＿Ｘ２ｇａｐ＝１＋Ｘ２ｇａｐ／Ｇａｐ　：Ｇａｐ＝（標準ギャップ値）
　Ｇａｐは、ギャップ変動が零の時の標準のギャップの値であり、単位はＸ２ｇａｐと同じである。ここでは、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７とＸＹスライダ１０９の各々の計測値から電磁石のギャップを割り出したが、電磁石の近傍に該電磁石とターゲットとのギャップを計測するギャップセンサを用いてもよい。ＸＥＭ２指令器４０３では、前述した力指令の平方根である√（Ｘｆ１２）に対して、このギャップ補正係数Ｃｏｌ＿Ｘ２ｇａｐを乗じたものを、電磁石ＸＥＭ２のコイルを駆動する電流ドライバ２２２に対する電流指令（ＸＩ２）として算出する。

　Ｘ１２軸指令のＸｆ１２が負または零の場合（図６では、判断結果が”０”の場合）は、電磁石ＸＥＭ２のコイルを駆動する電流ドライバ２２２に対する電流指令を零とし、電磁石ＸＥＭ１のコイルを駆動する電流ドライバ２２１に対しては力指令の平方根にギャップ補正係数Ｃｏｌ＿Ｘ１ｇａｐを乗じたものを電流指令（ＸＩ１）として指令する。ただし、Ｘｆ１２が負であるので、平方根をとるにあたって−１を乗じて正の値にしてから行なう。Ｘｆ１２が零の場合は、当然に、電磁石ＸＥＭ１のコイルを駆動する電流ドライバ２２１に対する指令も零となる。

　他の軸（Ｘ３４軸、Ｙ１２軸、Ｙ３４軸）もＸ１２軸の構成とまったく同じであるので省略する。

　各々の電磁石ＸＥＭ１〜ＸＥＭ４、ＹＥＭ１〜ＹＥＭ４のコイルには、制御電流演算器２１３から提供される電流指令（ＸＩ１〜ＸＩ４、ＹＩ１〜ＹＩ４）に従った電流が電流ドライバ（Ｘ１〜Ｘ４、Ｙ１〜Ｙ４）２２１〜２２８によって供給される。このようにして所望の制御力をＸＹスライダ１０９の電磁ガイドに発生させることができ、ＸＹスライダ１０９を高精度に位置決めすることができる。位置決め用電磁石に発生させる制御力は小さくてよいので、以上のような電流ドライバに電流指令を送る方式が簡単であり好ましい。

　位置決め用電磁石の制御方法については、公知の技術として、対向する電磁石の両者にバイアス電流を流しておき片方にバイアス電流に制御指令電流を加えたものを、他方にバイアス電流から制御指令電流を差し引いたものを指令する方法がある。しかし、この制御方法では、コイルが発生する熱がバイアス電流の増大に伴って大きくなり、さらにギャップ変動時の吸引力変動を抑制することができない。よって、大きな加減速を伴うステージ装置においては、この実施の形態のような位置決め用電磁石の制御方法を用いるのが良い。

　次に、加速用電磁石の駆動方法について、Ｘ加速電磁石ＸＡＥＭ１及びＸＡＥＭ２を一例として、図７及び図８を参照して説明する。一対の加速用電磁石の対向する電磁石ＸＡＥＭ１及びＸＡＥＭ２への指令は、電磁石指令演算器２１０内の磁束指令演算器２１１がフィードフォワード制御指令の正負に応じて振り分ける。磁束指令演算器２１１は、Ｘ加速電磁石ＸＡＥＭ１及びＸＡＥＭ２用として図７に示す構成を有し、また、Ｙ加速電磁石ＹＡＥＭ１及びＹＡＥＭ２用としても同様の構成を有する。

　ＸＹスライダ位置指令器２０１からＸ方向のフィードフォワード制御指令Ｘｆｆが磁束指令演算器２１１に送られる。磁束指令演算器２１１内の選択回路４１１は、フィードフォワード制御指令Ｘｆｆの正負を判断する。フィードフォワード制御指令Ｘｆｆが正の場合（図７では、判断結果が”１”の場合）は、ＸＡＥＭ１指令器４１２が電磁石ＸＡＥＭ１１に指令ＸJ１を送り、ＸＡＥＭ２指令器４１３が電磁石ＸＡＥＭ２に零指令ＸJ２を送る。Ｘｆｆが負の場合（図７では、判断結果が”０”の場合）は、この逆となる。フィードフォワード制御指令Ｘｆｆの正負に応じて一対の電磁石の一方にのみ電流を流すことにより、電磁石（コイル）の発熱を低減することができる。

　加速電磁石は、大きな加減速力を発生する必要があるので、位置決め用電磁石に用いた電流指令系ではなく、磁束を検出して磁束の次元で制御する磁束フィードバック制御系を用いることが好ましい。そこで、この実施の形態は、加速用電磁石ＸＡＥＭ１、ＸＡＥＭ２への指令の次元を磁束の次元としている。磁束の次元とは、フィードフォワード制御指令の平方根をとったものである。Ｘｆｆが負の場合は、−１を乗じて符号を反転させてから平方根をとる。

　磁束指令演算器２１１で演算された各加速用電磁石への磁束指令ＸJ１、ＸJ２、ＹJ１、ＹJ２は、加速用電磁石ＸＡＥＭ１を駆動するＸ加速電磁石１駆動系２３１、加速用電磁石ＸＡＥＭ２を駆動するＸ加速電磁石２駆動系２３２、加速用電磁石ＹＡＥＭ１を駆動するＹ加速電磁石１駆動系２３３、加速用電磁石ＹＡＥＭ２を駆動するＹ加速電磁石２駆動系２３４に送られる。

　図８を参照しながら、電磁石ＸＡＥＭ１を一例として説明すると、加速電磁石駆動系２３１には、電磁石ＸＡＥＭ１に設けられたサーチコイル４２１と積分器４２３とにより磁束検出器が構成されている。電磁石ＸＡＥＭ１のサーチコイル４２１には、電磁石ＸＡＥＭ１における磁束の時間変化成分が誘起電圧として発生する。この誘起電圧を積分器４２３により時間積分することで電磁石ＸＡＥＭ１が発生する磁束が検出される。加算器４２４では磁束指令ＸJ１と検出磁束との差分である磁束誤差が算出される。この磁束誤差に増幅器４２５がゲインを乗じて電圧ドライバ４２６に指令として送られる。電磁石ＸＡＥＭ１のコイル４２２には電圧ドライバにより電圧が印加され、コイル４２２に電流が流れることにより電磁石ＸＡＥＭ１に磁束が発生する。

　図８に示すフィードバックループを磁束フィードバックループと呼ぶ。この磁束フィードバックループの磁束誤差から検出磁束までのループゲインが十分に高ければ、電磁石ＸＡＥＭ１に発生する磁束は、指令磁束ＸJ１にほぼ等しいものとなる。電磁石で発生する吸引力は磁束の２乗に比例するので、磁束を制御することにより等価的に吸引力を制御することになる。当然ながら、磁束指令が零の場合は電磁石ＸＡＥＭ１で発生する力もコイルに流れる電流も零となる。

　加速用電磁石ＸＡＥＭ１、ＸＡＥＭ２、ＹＡＥＭ１、ＹＡＥＭ２に磁束フィードバックループを用いたのは次の理由による。粗動リニアモータ１０１、１０３によって大きな加速力でＸＹスライダ１０９を駆動する場合、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７とＸＹスライダ１０９との間の電磁ガイド（加速用電磁石）は大きな力を発生する必要がある。電磁石の材質として磁気ヒステリシス特性の少ない珪素鋼を用いたとしても、大きな磁束を通すと少なからず残留磁気が発生する。位置決め用電磁石のように電流の制御のみではこの残留磁気の影響を抑えることができず、フィードフォワード力発生の精度が悪くなる。

　フィードフォワード力に誤差が生じると、加減速時のＸＹスライダ１０９の位置偏差が生じ、結果的にフィードバック制御指令分が増えて位置決め用電磁石が大きな力を発生する必要があり、位置決め用電磁石が発生する力を小さく抑えるという思想に対立する。磁束フィードバック制御では磁束を検出して制御しており、残留磁気の影響はこの磁束検出で得ることができるので高精度に大きな吸引力を発生させることができる。

　位置決め用電磁石では、発生する力が小さいので残留磁気を生じる量も少なく、また、フィードフォワード制御指令のようにオープン指令ではなくフィードバック指令であるので残留磁気があったとしても問題とはならない。

　本発明を適用する上でステージの構成は上記の実施形態に限定されない。上記の実施形態では、平面上においてＸＹスライダ（ＸＹステージ）をＸ、Ｙ、ωｚ方向に位置制御する構成であったが、本発明は、位置制御と加速力伝達が必要なあらゆる構成に適用することができ、例えば、並進１方向のみや並進１方向と回転１方向（例えばＸとωｚ）の制御にも適用することができる。

　また、上記の実施の形態では、平面上においてＸ、Ｙ方向に大きな移動範囲でＸＹスライダを移動させる必要があったのでターゲットを長く構成し、ターゲット面に対して電磁石面が移動する方式をとった。この場合は、上記のように、位置決め用電磁石と加速用電磁石とでターゲットを共用することが装置を小型化する面で有利である。しかしながら、位置決め用電磁石用および加速用電磁石用としてターゲットとを独立に設けてもよい。

　並進１方向のみに位置決めおよび加減速伝達を行なう場合であれば、ターゲット面と電磁石面が平面上で大きく移動することはないので、それぞれに独立してターゲットを構成すればよい。このような構成の一例を図９に示す。第１ステージ５０１はＸ方向に移動し、第２ステージ５０２は、第１ステージ５０１上にＸおよびωｚ方向に移動自由に支持されている。第１ステージ５０１上には第２ステージ５０２を位置決め制御するための電磁石として電磁石ＸＥＭ１〜ＸＥＭ４、および加減速力を伝達するための電磁石として電磁石ＸＡＥＭ１、ＸＡＥＭ２が設けられている。第２ステージ５０２上には、各々の電磁石に対応するターゲットＴ１〜Ｔ４、ＡＴ１、ＡＴ２が独立に構成されている。

　図９に示す構成は、例えばマスクステージとして好適であり、この場合、第２ステージ５０２上に半導体露光用のマスク基板が搭載されるので、第２ステージ５０２の熱膨張による露光精度悪化を防ぐ必要がある。このため発熱源である電磁石を第１ステージ５０１に固定し、発熱のないターゲットを第２ステージ５０２に固定することが好ましい。各ステージの制御系は図５に示した構成から１方向分の制御系のみを切り出した構成とすることができる。

　前述のように電磁石の発生する力はターゲットとのギャップが小さいほど、同じ電流に対して大きくなる。加速用電磁石は大きな加減速力を出す必要があるので、ギャップを小さくしコイルの発熱を抑えるようにすることが望ましい。位置決め用電磁石では発生する力は小さくて済むので、加速用電磁石ほどギャップを小さくする必要は無い。また、前述したギャップ変動補正の精度をあげるためにもギャップは大きいほうが良い。さらに、ωｚ方向のストロークを確保するためにも位置決め用電磁石のギャップは大きいほうが良い。そこで、（位置決め用電磁石とターゲットの間隙）≧（加速用電磁石とターゲットの間隙）とすることが構成上望ましい。

　図１０は、ＸＹスライダ１０９とＸ梁１０５、Ｙ梁１０７との間の非接触ガイドが静圧軸受等のエアベアリングで構成されている例を示す。この例は、ばね剛性によって拘束され、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７の動きにＸＹスライダ１０９が追従する連性系システム構成である。このため、この例では、ＸＹスライダ１０９を能動的に位置決めサーボすることが出来ず、高精度な位置決めを行うには不充分であった。さらに、例えばＸ梁１０５、Ｙ梁１０７に印加された外乱に対しても、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７とＸＹスライダ１０９とがばね剛性によって拘束された連性系のシステムであったため、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７に対する位置決めサーボがＸＹスライダ１０９に影響を及ぼしてしまい、ＸＹスライダ１０９を高精度に位置決めすることが困難であった。

　また、従来のエアガイドによるシステムを適用した場合には、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７を駆動する際に、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７の両側の駆動装置は、ＸＹスライダ１０９の位置と各駆動装置との間の距離の比を逐次演算し、その結果に基づいてＸ梁１０５、Ｙ梁１０７の両端にある２つの駆動装置の駆動力をＸＹスライダ１０９の位置に応じて調整することになる。

　例えば、ＸＹスライダ１０９の重心ＸＹｇとＹ梁１０７の重心ＹｇとがＸ方向にずれた位置にある場合では、Ｙ梁１０７が移動すると、Ｙ梁１０７ではＸＹスライダ１０９から空気ばね等を介して受ける力によって、Z軸周りの回転方向にモーメント力が発生する。このとき、Ｙ梁１０７の両端のリニアモータ１０３ａ、１０３ｂ（駆動装置）に与える推力を分配することによって、Ｙ梁１０７にかかるモーメント力を相殺する。その際、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７とＸＹスライダ１０９とは、ばねを介してつながっていると考えられるため、両者を一体物として新たな重心Ｇを求め、そこから両端のリニアモータ１０３ａ、１０３ｂまでの距離の比で加減速時、等速運動時、外乱印加時の区別なくＸ梁１０５、Ｙ梁１０７の両端にあるリニアモータ１０３ａ、１０３ｂの推力を分配する方法を採る。

　すなわち、能動的に制御を行っているのは、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７のみであり、ＸＹスライダ１０９は、静圧軸受のばね剛性によって拘束され、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７の動きにＸＹスライダ１０９が追従するといった連性系のシステム構成である。なお、ＸＹスライダ１０９の重心がＸ梁１０５の重心とＹ方向にずれた位置にあるときに、Ｘ梁１０５がＸ方向に移動した場合においても同様である。

　しかし、図１１に示すように、本発明な好適な実施の形態に係る電磁ガイドを用いることによって、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７とＸＹスライダ１０９とをそれぞれ独立に位置計測して、ＸＹスライダ１０９とＸ梁１０５、Ｙ梁１０７とが分離したサーボ系を構成することが出来る。すなわち、駆動システム９００は、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７及びＸＹスライダ１０９のぞれぞれに対し、独自に目標位置を与えて、独自のフィードバック制御系によって、独自に能動的な位置決めサーボを行うことが出来る。このため、従来のシステムに比べてＸ梁１０５、Ｙ梁１０７及びＸＹスライダ１０９の位置決め特性が向上する。

　また、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７に印加された外乱に対して、ばね剛性によって拘束された連性系のシステムを適用する場合は、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７の位置決めサーボが必ずＸＹスライダ１０９に影響を及ぼしていたが、Ｘ梁１０５とＹ梁１０７とで、分離したフィードバック制御系を採用することにより、ＸＹスライダ１０９の位置決めサーボ系に影響を与えることなく、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７の位置決めサーボを行うことが出来る。このため、従来のシステムに比べて、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７及びＸＹスライダ１０９の位置決め特性が向上する。

　さらに、例えばＸＹスライダ１０９の重心ＸＹｇがＹ梁１０７の重心ＹgとＸ方向にずれた位置にある場合では、電磁石ユニットが力を発生するとＹ梁１０７への力の印加点がＹ梁１０７の重心からずれることにより、ｚ軸周りの回転方向にモーメント力が発生する。

　駆動システム９００は、このモーメント力を予め算出し、それを打ち消すような大きさが同じで方向が反対の力を作り出すように、Ｙ梁１０７の両端のリニアモータ１０３ａ、１０３ｂにフィードフォワード制御指令を加える方法を採用することもできる。これによって、駆動システム９００は、ＸＹスライダ１０９動作時の位置偏差を減少させ、フィードバック制御系で発生する制御指令を更に小さく抑えることが出来る。以下、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７にかかるモーメント力を打ち消す方法を例示的に示す。

　図１１は、本発明の好適な実施の形態に係るステージ装置における推力分配を説明するための図である。図１１に示すように、例えば、右側のリニアモータ１０３ｂに与える力をＦ_１、左側のリニアモータ１０３ａに与える力をＦ_２、Ｙ梁１０７がＸＹスライダ１０９から受ける反力をＦ_３とする。また、Ｙ梁１０７の重心Ｙgから右側のリニアモータ１０３ｂの力の印加点までの距離をＬ_１、Ｙ梁１０７の重心Ｙgから左側のリニアモータ１０３ａの力の印加点までの距離をＬ_２、Ｙ梁１０７の重心ＹgからＸＹスライダ１０９の重心ＸＹｇまでの距離をＬ_３とすると、
　Ｆ_１＋Ｆ_２＝Ｆ_３
　Ｆ_１・Ｌ_１−Ｆ_２・Ｌ_２＝Ｆ_３・Ｌ_３　…（数式１）　
という、関係式が得られる。

　反力Ｆ_３がＸＹスライダ１０９の加減速によるものである場合、ＸＹスライダ１０９の目標加速度とＸＹスライダ１０９の重量（例えば、ＸＹスライダ１０９の重量と微動ステージの重量を合わせたもの）で反力Ｆ_３を表すことが出来る。したがって、ＸＹスライダ１０９の重量をｍ、ＸＹスライダ１０９の加速度をａとすると、Ｙ梁１０７が受ける反力Ｆ_３は
　Ｆ_３＝ｍ・ａ　…（数式２）
となる。

　数式１に数式２を代入して、Ｙ梁１０７の左右リニアモータ１０３ａ、１０３ｂへのフィードフォワード制御指令の分配を決定すると、求める分配式は、
　Ｆ_１＝（Ｌ_２＋Ｌ_３/Ｌ_１＋Ｌ_２）×ｍ・ａ
　Ｆ_２＝（Ｌ_１−Ｌ_３/Ｌ_１＋Ｌ_２）×ｍ・ａ　…（数式３）
となる。駆動システム９００は、これらの力をＹ梁１０７の両端のリニアモータ１０３ａ、１０３ｂに、フィードフォワード制御指令として与え、Ｙ梁１０７の重心Ｙｇにかかるモーメント力を打ち消すことができる。

　一方、ＸＹスライダ１０９が等速運動する時等のように加減速を行っていない場合や、ＸＹスライダ１０９に外乱が印加された時等の反力Ｆ_３がＸＹスライダ１０９の通常の位置決めサーボ系によるものである場合では、駆動システム９００は、電磁石ユニットが出す力を推定して、加減速時の場合と同様に分配することができる。電磁石ユニットは電流の２乗に比例し、吸引対象との間の距離の２乗に反比例する力を出すことが知られている。ここで、推定された力をｆとすると、Ｙ梁１０７が受ける反力は
　Ｆ_３＝ｆ∝ｉ^２/ｒ^２　…（数式４）
と表される。但し、ｉは電磁石に流れる電流であり、ｒは電磁石から吸引される磁性体までの距離（ギャップ）である。

　数式１に数式４を代入してＹ梁１０７の左右リニアモータ１０３ａ、１０３ｂへのフィードフォワード制御指令の分配を決定すると、求める分配式は、
　Ｆ_１＝（Ｌ_２＋Ｌ_３/Ｌ_１＋Ｌ_２）×ｆ
　Ｆ_２＝（Ｌ_１−Ｌ_３/Ｌ_１＋Ｌ_２）×ｆ　…（数式５）
となる。駆動システム９００は、これらの力をＹ梁１０７の両端のリニアモータ１０３ａ、１０３ｂにフィードフォワード制御指令として加え、Ｙ梁１０７の重心Ｙｇにかかるモーメントを打ち消すことができる。なお、駆動システム９００は、ＸＹスライダ１０９の重心ＸＹｇがＸ梁１０５の重心とＹ方向にずれた位置にあるときには、Ｘ梁１０５の両端のリニアモータ１０１ａ、１０１ｂにフィードフォワード制御指令を加える方法を採用することができる。

　Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７にかかるモーメント力を打ち消すための方法は、上記の方法に限定されない。例えば、駆動システム９００は、図１０に示したような、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７とＸＹスライダ１０９とを一体物として新たな重心Ｇを求め、重心Ｇから両端のリニアモータ１０３ａ、１０３ｂまでの距離の比に基づいて、Ｘ梁１０５、Ｙ梁１０７の両端にあるリニアモータ１０３ａ、１０３ｂの推力を分配する方法を採用することもできるし、その他の方法を採用することもできる。

　以上のように、加速用電磁石ユニットと位置決め用電磁石ユニットを分けるという構成を採ることにより、より大きなモーメント力を発生するステージの加減速時において、目標加速度入力により正確に各梁にかかるZ軸周りのモーメント力を算出することが出来るため、ステージの位置決め特性を著しく向上することができる。

　図１２は、上記のステージ装置を組み込んだ露光装置の構成を概略的に示す図である。図１２に示す例では、図１に示すステージ装置をウエハステージとして搭載し、図９に示すステージ装置をマスクステージとして搭載している。マスクステージ５００には、その第２ステージ５０２に設けられたチャックによってマスクが保持され、ウエハステージ１００には、その微動ステージ１１１に設けられたチャックによってウエハが保持される。マスクは、照明光学系６０１によって照明され、マスクに形成されているパターンの像は、投影光学系６０２を介してウエハ上に投影転写される。パターンが転写された基板としてのウエハ上の感光層は、半導体デバイスを製造するために現像される。この露光装置は、上述のように、半導体デバイスの周知の製造プロセスに適用される。

本発明の好適な実施の形態のステージ装置の概観を示す図である。 図１に示す構成の一部をＺ方向に分解して示した図である。 電磁ガイド（電磁機構）の電磁アクチュエータを構成する電磁石の配列例を示す図である。 電磁ガイド（電磁機構）の電磁アクチュエータの構成例を示す図である。 図２及び図３に示す電磁ガイド（電磁機構）を制御する制御系を示す図である。 一対の位置決め用電磁石の駆動方法を説明する図である。 一対の加速用電磁石の駆動方法を説明する図である。 １つの加速用電磁石の駆動方法を説明する図である。 本発明の他の実施の形態のステージ装置の構成を示す図である。 本発明の好適な実施の形態のステージ装置における推力分配を説明する図面である。 本発明の好適な実施の形態のステージ装置における推力分配を説明する図面である。 露光装置の概略構成を示す図である。

Claims (14)

1. 　位置決め装置であって、
   　位置決めすべき構造物と、
   　前記構造物の位置決めのために移動する移動体と、
   　前記構造物と前記移動体との間に電磁的に力を作用させることにより、前記構造物と前記移動体との間に間隙を形成しつつ前記移動体の移動に伴って前記構造物が移動することを可能にする電磁機構とを備え、
   　前記電磁機構は、
   　前記構造物の目標位置と実際位置との偏差に基づいてフィードバック制御される第１電磁アクチュエータと、
   　前記構造物の目標位置に基づいてフィードフォワード制御される第２電磁アクチュエータと、を有し、
   　前記第１及び第２電磁アクチュエータは、各々、
   　同一線上において互いに反対の方向に力を発生するように配置された一対の電磁石と、
   　前記一対の電磁石の各々と対向して配置された一対のターゲットと、
   　を有し、前記電磁石と前記ターゲットとの間において、前記電磁石が発生する磁束による吸引力が前記ターゲットに作用することを特徴とする位置決め装置。
2. 　少なくとも１つの前記ターゲットは、少なくとも２つの前記電磁石によって共用されるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
3. 　前記フィードバック制御では、前記偏差を低減するために前記第１電磁アクチュエータが発生すべき力の平方根に前記第１電磁アクチュエータにおける前記電磁石と前記ターゲットとの間の間隙に相当する補正項を乗じた値に従って前記電磁石のコイルに流す電流を制御することを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
4. 　前記フィードフォワード制御では、前記構造物の目標位置を前記第２電磁アクチュエータの前記電磁石が発生すべき磁束の指令値に変換し、該指令値と前記電磁石が発生している磁束の値との差分に基づいて前記電磁石を制御することを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
5. 　前記一対の電磁石の一方の電磁石を駆動しているときは他方の電磁石を駆動しないことを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
6. 　前記装置は、前記第１電磁アクチュエータを２組備え、前記第２電磁アクチュエータが前記２組の第１電磁アクチュエータの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
7. 　前記第２電磁アクチュエータが発生する力の力線が、前記構造体の重心を通る線と一致していることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
8. 　前記第１電磁アクチュエータと前記ターゲットの間隔は前記第２電磁アクチュエータと前記ターゲットの間隔以上あることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
9. 　前記移動体の両端に配置されて前記移動体を駆動する２つの駆動機構を更に備え、前記２つの駆動機構は、前記構造物の位置に応じて分配される推力でそれぞれ前記移動体を駆動することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の位置決め装置。
10. 　前記推力は、前記構造物から前記移動体が受ける反力によって生じる前記移動体の重心周りの力のモーメントを打ち消すように分配されることを特徴とする請求項９に記載の位置決め装置。
11. 　前記推力は、前記構造物と前記移動体とを一体物としたときの重心位置に基づいて分配されることを特徴とする請求項１０に記載の位置決め装置。
12. 　前記推力は、前記構造物の重心位置と前記移動体の重心位置とに基づいて分配されることを特徴とする請求項１０に記載の位置決め装置。
13. 　請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の位置決め装置を利用して、位置決め対象物を位置決めし露光動作を実行することを特徴とする露光装置。
14. 　請求項１３に記載の露光装置を利用して、
    　基板にパターンを転写する工程と、
    　前記基板を現像する工程と、
    　を含むことを特徴とするデバイスの製造方法。

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