JP2005284867A - 駆動制御装置及び方法及び露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御対象物の駆動制御に際し、対象物を正確な位置、姿勢、速度に制御可能とするために、センサ計測誤差の影響を低減させる。
【解決手段】ステージ制御コントローラ１０は制御対象２３の状態値と制御目標値を入力し、該制御対象の制御量を出力する制御サイクルを繰り返す。レーザ干渉計６，７は制御対象２３の位置を検出し、入力値演算回路３は、制御サイクルの１サイクル毎にレーザ干渉計６，７から複数の検出値を取得し、これら複数の検出値を用いてステージ制御コントローラ１０へ入力する状態値を生成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、物体の位置等を計測し、計測した値に基づいて物体の位置、姿勢、速度等を制御する駆動制御装置に関するものである。

対象物を任意の位置、任意の姿勢に制御する場合や、任意の速度で駆動制御を行う場合、対象物の位置をセンサで計測し、その計測値に基づいて対象物の駆動を制御することが行われる。

たとえば半導体露光装置においては、パターンが露光されるウエハを搭載し、任意の位置、姿勢、速度で駆動することが可能なステージがある。このステージの位置計測センサとしてはレーザ干渉計（特許文献１）が用いられ、レーザ干渉計の計測値に基づいてステージの現在位置、姿勢、速度が算出されている。ステージを任意の位置、姿勢、速度にコントロールしたい場合は、レーザ干渉計の計測値に基づいて算出された現在の位置、姿勢、速度の情報と、目標とする位置、姿勢、速度との情報から、必要な駆動力を制御系が算出し、ステージに取りつけられたアクチュエータを駆動することでステージを任意の位置、姿勢、速度にコントロールしている。

このようなステージ制御においては、ステージの側面に取り付けられたバーミラーの面に計測用レーザビームを照射し、その反射光をレーザ干渉計で検出することによりステージ位置の計測が行われる。

また、この種のステージ位置計測においては、ステージの回転量や傾き量を検出するために、同一軸方向でかつ光軸位置の異なる複数の計測用レーザビームをバーミラーに照射し、複数箇所で位置計測を行い、それら計測値の差分が用いられる。例えば、これら複数の計測用レーザビームをステージの駆動平面に対して水平方向、および垂直方向に並べて配置する。そして、それぞれの計測値の差分とビーム光軸間の距離を基に演算することで、水平方向の２つの計測値の差からはステージの回転量が、垂直方向の２つの計測値の差からはステージの傾き量がそれぞれ算出される。
特開２００２−３１９５４１号公報

しかしながら、現在知られている位置センサにおいては、計測対象物とセンサ本体部分の間の空間における気体等の媒質、磁界、電界の揺らぎによって、計測値に誤差が重畳されることがある。また、実際の対象物変位が線形変化である場合においても、その出力が非線型になってしまうような誤差を有する場合がある。そして、そのセンサの個体差により非線型誤差のレベルが異なるようなときは、先に述べたような複数軸の差分から回転量、傾き量を算出する場合、たとえばＸ方向にのみステージを平行移動させたときでも回転方向の変位が算出されてしまうこととなる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、対象物の駆動制御に際して、センサ計測誤差の影響を低減させ、対象物の正確な駆動制御を実現可能とすることを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明による駆動制御装置は以下の構成を備える。すなわち、
制御対象の状態値と制御目標値を入力し、該制御対象の制御量を出力する制御サイクルを繰り返す制御手段と、
前記制御対象の位置、速度或いは加速度のいずれかを検出する検出器と、
前記制御サイクルの１サイクル毎に前記検出器から複数の検出値を取得し、該複数の検出値を用いて前記制御手段へ入力する状態値を生成する生成手段とを備える。

また、上記の目的を達成するための本発明による駆動制御方法は、
制御対象の状態値と制御目標値を入力し、該制御対象の制御量を出力する制御サイクルを繰り返す制御手段と、前記制御対象の位置、速度或いは加速度のいずれかを検出する検出器とを備えた駆動制御装置による駆動制御方法であって、
前記制御サイクルの１サイクル毎に前記検出器から複数の検出値を取得し、該複数の検出値を用いて状態値を生成する生成工程と、
前記生成工程で生成された状態値を前記制御手段へ入力する入力工程とを備える。

本発明の構成によれば、対象物の計測上の誤差が低減され、結果的に対象物をより正しい目標値に制御駆動することができる。即ち、対象物の駆動制御に際して、センサ計測誤差の影響を低減させ、対象物を正確な位置、姿勢、速度に制御することが可能となる。

以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の実施形態では、本発明による物体の駆動制御技術を半導体露光装置のステージ駆動に適用した場合を説明する。

＜第１実施形態＞
図１１は本実施形態による露光装置の概略構成を示す模式図である。図１１において、照明部１０１から出力された露光光によって、レチクルステージ１０２上に保持されたレチクル１１１が照射される。レチクル１１１を透過した露光光は投影光学系１０３に入射する。と上光学系１０３では、レチクル１１１を透過した露光光によって形成されるパターン像を所定倍率で縮小し、縮小されたパターン像はウエハステージ１に保持されたウエハ１１２上に投影される。ウエハステージ１は定盤１０４上を２次元方向に移動する。

ウエハステージ１の位置はレーザ干渉計６，７等によって計測され、計測値が制御ユニット１２０に入力される。制御ユニット１２０では、入力された計測値に基づいてステージを目標位置へ駆動するべくアクチュエータ１２に駆動信号を出力する。アクチュエータ１２は制御ユニット１２０からの駆動信号に従ってウエハステージ１を駆動制御する。なお、図１１ではＹ軸方向の位置を計測するレーザ干渉計を示したが、Ｘ軸方向の位置を計測するレーザ干渉計が設けられ、ウエハステージ１の駆動制御に利用さていることはいうまでもない。

以下の実施形態では、Ｙ軸方向の位置計測によるステージの回転（Ｚ軸周りの回転)の制御について説明するが、他の駆動制御（ステージの傾き（Ｘ軸、Ｙ軸周りの回転）、Ｘ軸方向位置、Ｙ軸方向位置等）についても以下に説明する回転の制御と同様の構成、方法によって実現できる。

図１は第１実施形態によるステージ制御装置の構成例を模式的に示すブロック図である。図１では、図１１の露光装置の構成より、ステージ制御に関わる構成を取り出して、Ｚ軸方向から見た様子を示す模式図が示されている。なお、以下では、ウエハステージ１を単にステージ１と記載する。

図１において、ステージ１は、ＸＹ平面においてそのＸＹ方向と、ＸＹ平面に垂直なＺ軸を中心とした回転方向と、Ｘ方向を軸とした傾き方向と、Ｙ方向を軸とした傾き方向とにそれぞれ駆動することが可能なステージである。上述したように、以下では、ステージ１の回転方向に関する制御について説明する。

図１に示されるように、ステージ１にはバーミラー２が取りつけられており、バーミラー２には計測用レーザビーム４および５が照射されている。計測用レーザビーム４と５は同一のＸＹ平面内に、所定の間隔ｄで配置されるように照射される。計測用レーザビーム４、５と位置検出センサである干渉計６、７によりステージ１のＹ方向の変位が計測される。入力値演算回路３は、干渉計６と７によって得られた計測値の差分と、計測用レーザビーム４と５の間隔ｄとに基づいて、ステージ１の回転方向の現在位置（回転量）を算出する。なお、詳細は後述するが、入力値演算回路３は、干渉計６，７からの所定回数の計測値を用いて回転量３３を算出する。ステージ制御コントローラ１０は、入力値演算回路３によって算出された回転量３３を入力値とし、この入力値と別途設定された目標値とに基づいてステージの制御量を算出し、ステージ操作量１１として出力する。アクチュエータ１２は入力されたステージ操作量１１にしたがって、ステージ１を駆動する。

図２は、図１におけるステージ１の回転量に関する制御系の制御ループを説明するブロック図である。ステージ制御コントローラ１０では、目標値２１と入力値演算回路３によって算出された回転量３１との差分値がＰＩＤ補償器２２に入力され、ステージ１を駆動するための制御量（ステージ操作量１１）が出力される。ステージ操作量１１は、制御対象２３（図１のステージ１及びアクチュエータ１２）に供給され、これに応じてステージ１が駆動される。ステージ１の位置検出センサである干渉計６および７からの各計測値は入力値演算回路３に入力され、回転量３３が算出される。

いま、ステージを目的の回転位置に駆動させるために目標値２１を入力した場合の、図２に示す制御系の１制御サイクルの信号の流れを考える。入力された目標値２１は差分器２４によって現在値（回転量３１）との偏差が求められ、その値がＰＩＤ補償器２２に入力される。ステージ制御コントローラ１０はこのＰＩＤ補償器２２から得られるステージ操作量１１を制御対象２３のアクチュエータ１２へ供給することによってステージ１の駆動を制御する。

ステージ１の位置は位置検出センサである干渉計６，７によって計測されており、干渉計６，７からの計測値の差分より求められる回転方向の変位（回転量３１）が入力値演算回路３によって算出される。算出された回転量３３は差分器２４に戻り、目標値との偏差が求められる。このようにして、制御系の１制御サイクルが構成され、制御サイクルが進むにつれて、目標位置と現在値の偏差が小さくなり所望の値に収束する。

通常、ステージ１の位置計測は上記１制御サイクルあたり１回おこなわれ、その計測値に基づいて制御が実施される。これに対して、本実施形態では、干渉計６，７による位置計測を１制御サイクル当たり複数回実施し、複数の計測値に基づいて回転量３３を算出する。

図３は本実施形態による入力値演算回路３の構成を示すブロック図である。干渉計６，７の計測値はそれぞれ平均値算出回路８内の平均値算出器８２，８１に入力され、所定数の計測値の平均値（以下、計測平均値という）が取得される。なお、上述したように、所定数の計測値とは、ステージ制御コントローラ１０による１制御サイクル内で取得された計測値である。この所定数は、１制御サイクルの時間とレーザ干渉計の計測所要時間に基づいて設定される。なお、ユーザが操作パネル等を介して取得すべき計測値の数を設定可能としてもよい。さて、それぞれの平均値算出器８１、８２から出力された計測平均値は回転量算出器９内の演算器９１に入力され、両者の差分と上記間隔ｄを用いて回転量３１が算出される。

なお、図３では２つの平均値算出器８１，８２によりそれぞれの干渉計７，６からの計測値の平均を算出するが、一方の干渉計の計測値が極めて安定していることが予めわかっている場合等においては、計測値が安定している方については平均値を取らなくてもよい。以下の例では、干渉計７の計測値は安定しており、干渉計６の計測値についてのみ平均化を行う場合を説明する。なお、計測値の安定した干渉計に対しては平均値算出器を省略した構成としてもよいし、平均値算出器８１，８２のそれぞれにおいて平均値算出処理を有効にするか無効にするかをユーザが設定可能としてもよい。この場合、「無効」に設定された平均値算出器からは生の計測値が回転量算出器９へ提供されることになる。

図１においてステージ１が一定の回転角を保持したまま、Ｙ方向に一定速駆動した際の、時間と位置センサからの出力値の関係をあらわすグラフを図４（ａ）に示す。横軸が時間、縦軸が干渉計の出力値（計測値）である。横軸に示す矢印は、各制御サイクルの計測タイミングを示す。また、図４（ａ）において、ａは干渉計７の計測値を、ｂは干渉計６の計測値をそれぞれ示す。センサの出力信号が、位置の変化に応じて正しく出力されている場合においては、ステージをＹ方向に一定速駆動した際、理想的には、図４（ａ）の計測値ａ，ｂに示されるようなセンサ出力が得られることになる。図４（ｂ）の回転角は計測値ａ，ｂの差分と計測用レーザビーム４、５の間隔ｄから求められた値である。図４（ａ）のような計測結果が得られる場合、各制御サイクルの計測タイミングでの回転角は図４（ｂ）のようになる。なお、図４（ａ）と図４（ｂ）の時間軸は一致している。図４（ｂ）に示すように、ステージが一定の角度を保ってＹ方向に駆動された場合は、計測値ａ，ｂの差分と計測用レーザビーム４，５の間隔とから求まる回転角は時間によらず一定となる。

ところが、例えば干渉計６の計測値がＹの位置に応じて非線形性の誤差を持っていた場合には回転角の算出値が影響を受ける。この場合を図５を参照して説明する。図５は図４の場合と同様の駆動を行った際にセンサによる計測値と時間との関係をあらわすグラフを示す図である。図５（ａ）において、ｃは干渉計７の計測値を示し、ｄは干渉計６の計測値を示す。また、各制御サイクルの計測タイミングでの計測値ｃ、ｄの差分と計測用レーザビーム４，５の間隔ｄから求められた回転角を図５（ｂ）に示す。図５に示されるように、センサの出力値が非線型の誤差を持つような場合には、実際のステージが一定角を保っているにもかかわらず、各制御サイクルの計測タイミングにおける計測値ｃ，ｄの差分に基づいて求められる回転角は、Ｙの位置に応じて変化しているように計測されてしまう。

次に、本実施形態の駆動制御装置を用いた場合に求められる回転角についての一例を図６に示す。 図６の（ａ）において、ｅは干渉計７のの計測値、ｆは干渉計６の計測値をそれぞれ示している。ここで、干渉計６の計測値については、平均値算出器８２により、各制御サイクル間（各制御サイクルの計測タイミング間）において複数回に渡って計測を行い、得られた複数個の計測値の平均値が各制御サイクルの計測タイミングで入力される計測値として用いられる。図６（ａ）において、ｇはこのようにして得られた平均値をプロットした様子を示している。このｇの値と、計測タイミングにおけるｅの値との差分と、計測用レーザビーム４と５の間隔ｄから求められた回転角を図６の（ｂ）に示す。このように、計測値の出力に誤差が重畳されている場合も、算出された回転角においてはその影響を低減することができる。したがって、ステージの駆動制御に際して、センサ計測誤差の影響を低減させ、ステージの正確な駆動制御が実現される。

＜第２実施形態＞
上記第１実施形態では、干渉計からの複数の計測値について平均値を算出したが、複数の回転量の平均値を算出するようにしてもよい。

図７はこのような第２実施形態における入力値演算回路３の構成を示すブロック図である。干渉計７及び６のそれぞれの計測値は演算器９２に入力される。差分器９２は、入力された計測値の差分を計算し、差分値を出力する。上記実施形態と同様に、１つの制御サイクル間（各制御サイクルの計測タイミング間）において干渉計６，７より複数の計測値を取得し、差分器９２より複数個の差分値を出力する。平均値算出器では、それら複数個の差分値を平均し、その平均値を回転量演算器９３に入力する。回転量演算器９３は、入力された差分値を計測用レーザビームの間隔ｄを用いて回転量３１に変換し、出力する。なお、差分値の数は干渉計６，７から取得した計測値の数に対応し、その数は第１実施形態と同様にユーザが任意に設定できる構成としてもよい。

以上のような入力値演算回路３における各信号（計測値）の様子について図８を用いて説明する。図８の（ａ）のｈは干渉計７の計測値を、ｉは干渉計６の計測値をそれぞれ示す。また、ｊは、各制御サイクル間に複数回に渡ってｈ，ｉのそれぞれの計測値の差分を算出した物である。即ち、差分器９２の出力を示している。そして、ｋは、差分器９２で算出した値について各制御サイクル間での平均値を算出している様子である。即ち、平均値算出器８３の動作の様子を示している。

図８の（ｂ）では、平均値算出器８３によって算出された平均値から回転量演算器９３によって求められた回転角を示す。上述した実施形態（図６）と同様に、計測値の出力に誤差が重畳されていても、回転角においてはその影響を低減することができ、高精度な駆動制御が可能となる。

なお、上記第２実施形態では差分値の平均値と間隔ｄを用いて回転量を算出した。すなわち回転量に準ずる値（差分値）を複数算出し、その平均値から入力値である回転量を算出するようにしたが、各差分値と間隔ｄにより複数の回転量を算出し、それらの平均値を計算するようにしてもよい。

＜第３実施形態＞
上記第１及び第２実施形態により算出された回転量に対して、任意のオフセットを持たせるようにしてもよい。図９はこの様子を示している。このようなオフセットは、センサーの出力特性によって平均化処理した際に、真値から一定のオフセットを持つような場合、それを補正するために用いられる。

＜第４実施形態＞
上記第１及び第２実施形態の平均値算出器では、入力された計測値或いは差分値について単純に平均値を算出していた。第４実施形態の平均値算出器では、特異な値については平均値の算出対象から除外することにより、ノイズ等の駆動制御への影響を低減する。以下、図１０を参照して説明する。なお、以下の実施形態では、第２実施形態の構成の差分器９２から得られた差分値に対して平均値算出器８３が特異値の検出を行う場合を説明するが、第１実施形態の構成による各平均値算出器８１，８２において特異値を検出し除去するように構成してもよいことは明らかであろう。

図１０において、ｍは、図７の差分器９２からの出力（差分値）を示す。各平均化区間は制御サイクルにおける計測タイミングの直後から次の計測タイミングの直前までである。平均化区間内の計測値から平均値が算出され、計測タイミングでステージ制御コントローラ１０の入力値となる。図１０において横軸は時間、縦軸は差分値を示す。横軸の矢印は、ステージ制御コントローラ１０の各制御サイクルの計測タイミングを示す。この計測タイミングで入力値が与えられると、ステージ制御コントローラ１０は制御サイクルを開始し、入力値に対応した制御量を出力する。

図１０に示すように、第４実施形態では、許容幅（トレランス）を示すｎが設定可能である。各制御サイクル間での平均値算出の際、設定したトレランスｎを超えた点の値については、平均値算出演算には用いないこととする。図１０においては、平均化区間１，３においてトレランスｎを超える値が発生しており、平均化区間１，３それぞれにおいての平均値算出の際はこの点の差分値を用いないこととする。これにより、ノイズ等で発生した特異点の影響を軽減することができる。なお、トレランスｎは制御対象の特性からあらかじめ推測できる制御偏差に基づいて、制御目標値からの一定の範囲を固定値として設定しておく。ただし、例えば、前回の平均化区間における平均値に対して±ｎ／２の幅を設定するというようにトレランスｎをダイナミックに変化させてもよい。

なお、上述した各実施形態においては、差分算出に用いる２つの計測光を同一水平面に配置し、ステージ１の回転方向の変化を算出する例を示したが、同様に２つの計測光をＸＹ平面内に対し垂直方向（Ｚ方向)に配置し、ステージの傾き方向の変化を算出する場合も上記と同様の信号処理を用いることができる。また、ステージの位置を入力値とする制御系の場合には、１つの干渉計から取得される位置情報について上述のような平均化を施し、得られた平均値を入力値として利用することができる。

また同様に、２つの計測光の差分より歪み状態を算出する上でも同様の演算方法を用いることもできる。

また、上記各実施形態では制御対象であるステージの位置を検出して制御系への入力値を生成したが、ステージの速度や加速度を検出してこれを用いて制御系の入力値を生成する構成にも適用できることは明らかである。例えば、制御対象の並進方向の位置や速度について、その１制御サイクル内での平均値を算出し、算出された平均値を、制御系の入力値として用いることができる。更に、本発明は、制御対象の回転姿勢、傾き姿勢、歪姿勢、回転速度、傾き速度等を入力値とする制御系に対しても適用が可能である。この場合、例えば２つの速度センサからの計測値について１制御サイクル内での平均値を取得し、取得された平均値を用いて回転速度を演算し、制御系の入力値とすることができる。或いは、２つの速度センサからの計測値に基づいて回転速度（或いはこれに準ずる値）を算出し、１制御サイクル内で得られた複数の回転速度の平均値を用いるように構成することもできる。以上のように、本発明によれば、制御対象の位置、速度、加速度、回転姿勢、傾き姿勢、歪姿勢、回転速度、傾き速度等を入力値とするあらゆる制御系に適用が可能である。

第１実施形態によるステージ制御装置の構成例を模式的に示すブロック図である。 図１におけるステージ１の回転量に関する制御系の制御ループを説明するブロック図である。 第１実施形態による入力値演算回路３の構成を示すブロック図である。 理想的な計測値とそれらの演算値を説明する図である。 計測値が誤差により変動する場合の計測値とそれらの演算値を説明する図である。 第１実施形態による計測値とそれらの演算値を説明する図である。 第２実施形態による入力値演算回路３の構成を示すブロック図である。 第２実施形態による計測値とそれらの演算値を説明する図である。 第３実施形態における、演算値へのバイアス付与を説明する図である。 第４実施形態における、平均値算出から特異値を除外する処理を説明する図である。 第１実施形態による露光装置の概略構成を示す模式図である。

Claims (10)

1. 制御対象の状態値と制御目標値を入力し、該制御対象の制御量を出力する制御サイクルを繰り返す制御手段と、
   前記制御対象の位置、速度或いは加速度のいずれかを検出する検出器と、
   前記制御サイクルの１サイクル毎に前記検出器から複数の検出値を取得し、該複数の検出値を用いて前記制御手段へ入力する状態値を生成する生成手段とを備えることを特徴とする駆動制御装置。
2. 前記生成手段は、前記複数の検出値の平均値に基づいて前記状態値を生成することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御装置。
3. 前記駆動制御装置は前記検出器を複数含み、
   前記生成手段は、前記制御サイクルの１サイクル毎に、
   前記複数の検出器のそれぞれについて、取得した複数の検出値の平均値を算出し、
   算出された複数の平均値を用いて所定の演算を行うことにより前記状態値を生成することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御装置。
4. 前記駆動制御装置は前記検出器を複数含み、
   前記生成手段は、前記制御サイクルの１サイクル毎に、
   前記複数の検出器のうちの選択された検出器より得られる複数の検出値について平均値を算出し、
   前記算出された平均値と、残りの検出器の１つの検出値を用いて所定の演算を行うことにより前記状態値を生成することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御装置。
5. 前記駆動制御装置は複数の検出器を含み、
   前記生成手段は、前記制御サイクルの１サイクル毎に、
   前記複数の検出器から得られる検出値を用いて所定の演算を実行することにより複数の演算結果を取得し、
   前記演算結果の平均値に基づいて前記状態値を生成することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御装置。
6. 前記生成手段で生成された状態値に更に任意のオフセット値を加減算して前記制御手段へ入力するオフセット手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の駆動制御装置。
7. 前記生成手段において、前記検出器からの、使用すべき検出値の数を設定する設定手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の駆動制御装置。
8. 前記生成手段における平均値の算出において、所定の範囲外の値は平均値の算出対象から除外することを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の駆動制御装置。
9. 制御対象の状態値と制御目標値を入力し、該制御対象の制御量を出力する制御サイクルを繰り返す制御手段と、前記制御対象の位置、速度或いは加速度のいずれかを検出する検出器とを備えた駆動制御装置による駆動制御方法であって、
   前記制御サイクルの１サイクル毎に前記検出器から複数の検出値を取得し、該複数の検出値を用いて状態値を生成する生成工程と、
   前記生成工程で生成された状態値を前記制御手段へ入力する入力工程とを備えることを特徴とする駆動制御方法。
10. 基板を搭載して移動するステージと、前記ステージに保持された基板に対して所定のパターンを投影する露光手段とを備え、
    前記ステージを制御対象として請求項１乃至８のいずれかに記載の駆動制御装置により制御する制御手段とを備えることを特徴とする露光装置。

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