JP2007115051A - Ｘｙステージ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラテンに変形が生じていても、ステージの動作への悪影響を小さくすることができるＸＹステージ装置を提供する。
【解決手段】 ＸＹステージ装置１の制御系は、ＰＩＤ制御要素１３、力・位相シフト変換要素１４、位相・電流変換要素１５、電流・推力変換要素１６およびステージ可動体動力学要素１７が閉ループを構成している。加えてＸＹステージ装置１の制御系は、位置（角度）指令からプラテン補正量を算出するプラテンスケーリング要素１８と、プラテン補正量と検出したステージ可動体位置（角度）とから補償量に対応した位相を算出する位置・位相変換要素１９を備えている。これにより、プラテンに変形が生じていても、ステージの動作への悪影響を小さくすることができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、プラテンに変形が生じていても、ステージの動作への悪影響を小さくすることができるＸＹステージ装置に関するものである。

半導体、液晶の露光装置又は検査装置等に適用するＸＹステージ装置では、高精度な位置決めを求める要求がある。また、露光および検査のスループットの観点から高い応答性を求める要求もある。このＸＹステージ装置としては、半導体デバイスを載置するステージを定盤上面に設けられたプラテンの軌道面に沿ってＸＹ平面上の所望位置に駆動するリニアパルスモータ（ソーヤモータ）を備えたものが従来一般に知られている。

このリニアパルスモータは、いわゆる平面型のＰＭ型リニアステッピングモータである。定盤上面には、磁性区域と非磁性区域とが格子状に配列された平板状の固定子であるプラテンが設けられている。またステージ下面には、プラテンの表面の軌道面に沿ってＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動されるブロック状の可動子である一群のフォーサが設けられている。そして、このリニアパルスモータは、プラテン上にエアベアリングを介して滑動可能に載置され、かつ、一群のフォーサを介して駆動可能に支持されたステージをプラテンの軌道面に沿ってＸＹ平面上の所望位置に駆動するように制御される。特許文献１には、現在位置の情報から所望のトルクを発生するように励磁電流を決定する方式が記載されている。この方式を一般的なモータのトルク制御にならって転流という。また、特許文献２には、長い駆動ストロークで移動するステージの位置を高精度に計測する手段としてレーザ干渉計を用いる構成が記載されている。
特開平８−９６７４号公報 特開２００２−１５３０８５号公報

しかしながら、このようなリニアパルスモータにおいて転流を行う場合、フォーサの磁極（フォーサ歯）とプラテンの磁性区域（プラテン歯）との相対関係が正確に定まっていないと所望のトルクが得られず、ステージの位置決め精度や位置指令に対する応答特性が悪化する。そのため、プラテンに歪み、捩れ、伸び等の変形があると、プラテン歯の位置の誤差により、転流に悪影響を及ぼす問題がある。特に、駆動ストロークが長い場合に問題となる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、プラテンに変形が生じていても、ステージの動作への悪影響を小さくすることができるＸＹステージ装置を提供することにある。

本発明によれば、定盤と、定盤上面を摺動するステージと、ステージを駆動するリニアパルスモータとを備え、リニアパルスモータは、定盤上面に格子状に配置された磁性区域と非磁性区域とからなるプラテンと、ステージ下面に配置されてプラテンと対向し、相互に特定の位相角だけ位相をずらすことが可能な一対の磁極面を含むフォーサとを有し、リニアパルスモータの制御系は、プラテンの形状情報を利用したプラテン形状補償要素を含むＸＹステージ装置が提供される。

この構成によれば、リニアパルスモータの制御系がプラテンの形状情報を利用したプラテン形状補償要素を含むため、プラテンの形状に歪み等の変形が生じていても、リニアパルスモータの制御系は当該プラテンの変形量を補償して、リニアパルスモータに所望の推力を発生させることができ、プラテンの変形によるステージの動作への悪影響を小さくすることができる。

この場合、プラテン形状補償要素は、プラテン上面の４箇所におけるプラテンの変形量に基づいて算出されたプラテンの形状情報を利用することが好適である。この構成によれば、プラテン形状補償要素は、プラテン上面の４箇所におけるプラテンの変形量に基づいて算出されたプラテンの形状情報を利用するため、測定箇所が４箇所と少なくとも、プラテンの全域においてプラテンの形状情報による補償を行うことができる。

この場合、プラテン形状補償要素は、プラテン上面の複数箇所におけるプラテンの変形量と、複数箇所におけるプラテンの変形量を曲線補間して得られた複数箇所間におけるプラテンの変形量とから算出されたプラテンの形状情報を利用することが好適である。この構成によれば、複数箇所におけるプラテンの変形量を曲線補間して得られた複数箇所間におけるプラテンの変形量をプラテンの形状情報の算出に用いるため、プラテンの変形が線形近似しにくい場合においても、プラテンの全域において正確なプラテンの形状情報による補償を行うことができる。

この場合、プラテン形状補償要素は、プラテン上面に垂直な軸周りの角度θで表現されるプラテンの変形量に基づいて算出されたプラテンの形状情報を利用する、ことが好適である。この構成によれば、プラテン形状補償要素は、プラテン上面に垂直な軸周りの角度θで表現されるプラテンの変形量に基づいて算出されたプラテンの形状情報を利用するため、プラテン上面に垂直な軸周りにおけるプラテンの変形を補償することができる。

本発明のＸＹステージ装置によれば、プラテンに変形が生じていても、ステージの動作への悪影響を小さくすることができる。

以下、本発明の実施の形態に係るＸＹステージ装置について添付図面を参照して説明する。なお、同一の構成要素は同一の符号で示し、重複する説明は省略する。

図１は本発明の第１実施形態に係るＸＹステージ装置の構成を示す斜視図であり、図２は図１に示したリニアパルスモータの構造を示す部分断面図であり、図３は本発明の第１実施形態に係るＸＹステージ装置の機能ブロックの構成を示す図である。

本実施形態のＸＹステージ装置１は、半導体や液晶などの半導体デバイスの製造工程（露光工程）や検査工程において位置決め用などに使用される装置である。図１に示すように、ＸＹステージ装置１は、略板状の定盤１２と、定盤１２の上面をＸＹ方向に摺動自在とされたステージ３とから構成されている。図２および３に示すように、このＸＹステージ装置１は、いわゆる平面型のＰＭ型リニアステッピングモータの一種であるリニアパルスモータ２により、定盤１２のＸＹ平面上の所望位置にステージ３を駆動する。また、ＸＹステージ装置１は、定盤１２上でステージ３を平面に、垂直なＺ軸周りに任意の角度θだけ回転動させる。

リニアパルスモータ２は、図１〜３に示すように、平板状の固定子であるプラテン４と、ブロック状の可動子である一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２とを備えて構成されている。プラテン４は、表面に多数の磁性体の歯と、その周りを囲む非磁性区域とがＸ軸方向およびＹ軸方向に沿って格子状に配列された軌道面を有する。この軌道面は、多数の歯と歯の間に非磁性体のエポキシ樹脂などが充填されることで平滑面として構成されている。

一方、一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２は、プラテン４の軌道面に沿ってＸ軸方向またはＹ軸方向に駆動されるものであり、Ｘ軸方向に駆動される一対のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２は、ステージ３のＸ軸に沿う２辺の下面に固定され、Ｙ軸方向に駆動される一対のフォーサ５Ｙ１，５Ｙ２は、ステージ３のＹ軸に沿う２辺の下面に固定されている。

フォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２は、いずれも同様に構成されているため、これらを代表してフォーサ５Ｘ１について説明する。このフォーサ５Ｘ１は、図２に示すように、上面が平坦なフォーサ本体５Ａの下面にＡ相駆動部５ＢとＢ相駆動部５Ｃとが一列に配列されて組み込まれた構造を有する。

Ａ相駆動部５Ｂは、永久磁石の両極に接触して隣接配置された一対の鉄心５Ｄ，５Ｄ間にＡ相コイル５Ｅが巻装された構造を有する。同様に、Ｂ相駆動部５Ｃは、永久磁石の両極に接触して隣接配置された一対の鉄心５Ｆ，５Ｆ間にＢ相コイル５Ｇが巻装された構造を有する。

Ａ相駆動部５Ｂの鉄心５Ｄ，５Ｄには、Ａ相コイル５Ｅの通電による磁界の発生によってプラテン４側の多数の磁性体の歯に合わせて整列する少数の磁性体の歯がＸ軸方向に配列されている。同様に、Ｂ相駆動部５Ｃの鉄心５Ｆ，５Ｆには、Ｂ相コイル５Ｇの通電による磁界の発生によってプラテン４側の多数の磁性体の歯に合わせて整列する少数の磁性体の歯がＸ軸方向に配列されている。Ａ相駆動部５ＢおよびＢ相駆動部５Ｃは、相互に特定の位相角だけ位相をずらすことが可能な一対の磁極面をなす。

なお、図１〜３に示したステージ３は、図示しないエア噴出孔からプラテン４の軌道面に向けて噴出されるエアのエアベアリング効果によってプラテン４の軌道面上をＸ軸方向およびＹ軸方向に滑動可能に構成されている。

ここで、ＸＹステージ装置１には、フォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２の駆動を制御するためのコントローラ６およびＤＣアンプ７が制御系として付設されている。また、ステージ３の少なくともＸ軸方向およびＹ軸方向の位置並びにＺ軸周りの回転角θを検出するためのＸ軸・θレーザ干渉計８およびＹ軸レーザ干渉計９が付設されている。

Ｘ軸・θレーザ干渉計８は、ステージ３のＹ軸に沿う一辺上にＸ軸と直交して立設されたＸ軸ミラー１０との間の距離を計測することでステージ３のＸ軸方向の位置を検出する。またＸ軸・θレーザ干渉計８は、ステージ３のＺ軸周りの回転角θを検出する。一方、Ｙ軸レーザ干渉計９は、ステージ３のＸ軸に沿う一辺上にＹ軸と直交して立設されたＹ軸ミラー１１との間の距離を計測することでステージ３のＹ軸方向の位置を検出する。

コントローラ６は、例えばパーソナルコンピュータのハードウェアおよびソフトウェアを利用して構成されており、入出力インターフェースＩ／Ｏ、Ａ／Ｄコンバータ、プログラムおよびデータを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、入力データ等を一時記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを実行するＣＰＵ（CentralProcessing Unit）等をハードウェアとして備えている。

このコントローラ６には、Ｘ軸・θレーザ干渉計８およびＹ軸レーザ干渉計９から計測データがパルス信号として入力されるパルスカウンタ６Ａと、位置指令とパルスカウンタ６Ａからの計数信号がそれぞれ入力されるＰＩＤ制御部６Ｂと、位置指令とパルスカウンタ６Ａからの計数信号がそれぞれ入力されて励磁電流の指令信号を出力する転流制御部６Ｃと、転流制御部６Ｃから励磁電流の指令信号が入力されるＤ／Ａ変換部６Ｄとが設けられている。加えてコントローラ６には、プラテン４の歪み、捩れ、伸び等の形状情報に基づいてプラテン形状補償を行うプラテン形状補償部６Ｅが設けられている。

ＰＩＤ制御部６Ｂは、Ｘ軸・θレーザ干渉計８およびＹ軸レーザ干渉計９の計測データに基づくステージ３のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置並びに回転角度θが、位置指令による所望の目標位置に円滑に収束するように、比例（Proportinal）制御、積分（Integral）制御、微分（Differential）制御の組み合わせによって一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２の駆動をフィードバック制御する。

転流制御部６Ｃは、ステージ３を現在位置から所望位置まで駆動するように、図２に示したフォーサ５Ｘ１（５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２）のＡ相コイル５ＥおよびＢ相コイル５Ｇに流す励磁電流を順次切り替えてフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２をプラテン４のＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動するための指令信号をＤ／Ａ変換部６Ｄに出力する。

Ｄ／Ａ変換部６Ｄは、転流制御部６Ｃのデジタル信号をアナログ信号としてＤＣアンプ７に出力し、このＤＣアンプ７を介してフォーサ５Ｘ１（５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２）のＡ相コイル５ＥおよびＢ相コイル５Ｇに流す励磁電流を順次切り替えることで、一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２をプラテン４のＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動する。

プラテン形状補償部６Ｅは、位置指令、Ｘ軸・θレーザ干渉計８およびＹ軸レーザ干渉計９の計測データに基づいてプラテンの変形量を補償する。算出した補正量を転流制御部６Ｃに送出する。

ここで、本実施形態におけるリニアパルスモータの制御方法、すなわちプラテン４の軌道面に沿ってＸ軸方向およびＹ軸方向に一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２を駆動することでステージ３をＸＹ平面上の所望位置に駆動するリニアパルスモータの制御方法は、例えば図４に伝達関数のブロック線図で示すような制御系によって実行される。なお、図４中において、図中の記号は以下の意味で用いられる。

図４に示すように、本実施形態のＸＹステージ装置１の制御系は、位置（角度）指令を推力（モーメント）指令値に変換するＰＩＤ制御要素１３、推力（モーメント）指令値を励磁位相シフトに変換する力・位相シフト変換要素１４、励磁位相シフトをモータ各相に流す電流に変換する位相・電流変換要素１５、モータに流す電流から推力を発生させる電流・推力変換要素１６（平面リニアパルスモータ特性）、およびモータ推力によって変動するステージ可動体位置（角度）を表わす示すステージ可動体動力学要素１７が、閉ループを構成している。加えて本実施形態においてはＸＹステージ装置１の制御系は、位置（角度）指令からプラテン補正量を算出するプラテンスケーリング要素１８と、プラテン補正量と検出したステージ可動体位置（角度）とから補償量に対応した位相を算出する位置・位相変換要素１９を備えている。なお、ＸＹステージ装置１の制御系は、プラテン４の変形を測定する際に必要に応じて帰還をかけず、ＰＩＤ制御要素１３、力・位相シフト変換要素１４、位相・電流変換要素１５、電流・推力変換要素１６およびステージ可動体動力学要素１７を直結した開ループとすることができるようになっている。

以下、本実施形態のリニアパルスモータの制御方法について説明する前に、プラテンの変形がステージの制御性を悪化させる作用について説明する。図４中に、ベクトルｆ_Ｂで表わした励磁位相と電流との関係を以下の数式（１）のように定めると、発生推力（関数ｆ_ｃ）は近似的に以下の数式（２）で表わされる。

但し、数式（２）において、
Ｆ_Ｎ：各モータの発生推力
Ｋ_Ｎ：定数
τ_Ｐ：プラテン・モータの歯間隔
ｘ_Ｎ，ｙ_Ｎ：プラテンに対する各モータの相対的な位置
Ｌ_Ｎ：各軸を構成する２モータ間距離
である。

ここで、励磁−空間位相差（φ_ＸＮ−２πｘ_Ｎ／τ_Ｐ）が０であると仮定すると、励磁位相シフトΔφ_Ｎと発生推力Ｆとの関係は、図５に示すようになる。一方、励磁−空間位相差が０でないときは、励磁位相シフトΔφ_Ｎと発生推力Ｆとの関係は、図６に示すようになる。

図５および図６に示すように、発生推力と位相シフトとの関係は、モータのプラテンに対する相対位置に依存している。従来の制御方式では、ステージの位置に基づいてモータの位置を推定しているため、プラテンの変形に起因するプラテンの歯の位置の誤差によって図６に示すような状態となり、所望の推力を発生させることができず、制御性が悪化する。また、数式（２）は周期関数であるため、入出力（ΔφとＦ）が一対一の関係にある範囲（図５および図６における−π／２＜Δφ＜π／２）の外で駆動すると制御不能になる。さらに、従来の制御方法では、プラテンの歯の位置の誤差によって図６のような状態になり、入出力（ΔφとＦ）が一対一の関係にある範囲内で使用しても制御不能になる可能性がある。

図７にプラテンの伸びに起因する誤差の例を示す。数式（２）で一定値と仮定している歯間隔τ_Ｐが伸びのあるプラテン２０ではプラテン２０の伸縮により仮定値と異なるか、あるいは局所的に不均一である場合に図７に示すような誤差２１が生じる。また、図８および９にプラテンの歪みに起因する誤差の例を示す。図８に示すような歪みのないプラテン４では誤差が生じないのに対し、図９に示すような歪みのあるプラテン２２では歪みに起因した誤差２３が生じる。

本実施形態においては、上記のような誤差を同時に補正するための方法として、プラテン座標系−計測座標系間の座標変換を行う。これはプラテンの伸びや歪みをあらかじめ測定して座標変換に必要なパラメータを算出しておき、補正量を指令位置に加算することで励磁位相を補正するというものである（以下、スケーリングと呼ぶ）。図１０は、本実施形態におけるスケーリングの方法を示す図である。まず、図４に示す閉ループ系において帰還をかけない開ループ系としたオープンループ駆動でストローク端部の４点に移動する。図１０中、指令位置２４で示される４点（Ｃ_００，Ｃ_０１，Ｃ_１０，Ｃ_１１）が位置指令に基づく指令位置であり、オープンループ移動位置２５で示される４点（Ａ_００，Ａ_０１，Ａ_１０，Ａ_１１）が実際に移動した位置である。この指令位置２４とオープンループ移動位置２５との差を各点でのプラテン４の変形量として記録する。この値を下記の数式（３）に代入し、補正量を算出する式ｆ_Ｄを導出する。

本実施形態においては、上記の手法によりプラテン４の変形量を補償するため、長いストロークで動作するリニアパルスモータ２の転流において、プラテン４に歪み、捩れ、伸び等の変形が生じていても転流への悪影響を小さくすることができる。これによりリニアパルスモータ２に所望の推力を発生させることができ、結果としてステージ４の位置決め精度の向上や、応答特性の改善がなされる。

本実施形態のようにステージ４の位置の計測にレーザ干渉計８，９を使用した場合、ミラー１０、１１の取り付けがリニアパルスモータ２に対して傾いている場合にもプラテンに歪みがある場合と同様の誤差を生じる。しかし、本実施形態における制御方式を採用することにより、結果として、プラテン４の歪みとミラー１０、１１の傾きの両方を含んだ誤差を補正することができる。

以下、本発明の第２実施形態について説明する。図１１は、本発明の第２実施形態におけるスケーリングの方法を示す図である。本実施形態では図１１に示すように、Ｍ行Ｎ列のＭ×Ｎ点の測定点２６において上記第１実施形態と同様にステージ３をオープンループ駆動で移動させてプラテン４の変形量を測定する（以下、マッピングという）。その後、本実施形態では、各測定点間の変形量を曲線補間することにより、プラテン４全域の変形量を算出する関数を導出する。この関数はプラテン４の変形を全域で近似しているため、この変形量を補償するように関数ｆ_Ｄを決定する。なお、測定点２６における測定は、上記第１実施形態における方法以外の方法で行っても良い。

本実施形態においては、プラテン４の変形量についてマッピングを行う手法を採用することにより、プラテン４の歪みが線形的でない場合においても、プラテン４の全域において正確なプラテン４の形状情報による補償を行うことができる。

以下、本発明の第３実施形態について説明する。図１２は、本発明の第３実施形態におけるスケーリングの方法を示す図である。本実施形態においては、上述したＸ軸およびＹ軸方向におけるプラテン４の歪みに加えて、プラテン４の上面に垂直なＺ軸周りの回転角度θについても補償を行う点が、上記第１実施形態と異なっている。本実施形態においては図１２に示すように、Ｍ行Ｎ列のＭ×Ｎ点の測定点２６にステージ３をオープンループ駆動によって図中矢印で示すように移動させ、その位置で停止した際の誤差による角度θを、レーザ干渉計８，９等で計測する。そして、角度θのずれを補償する関数ｆ_Ｄを上記第１実施形態あるいは第２実施形態で示した方法により導出する。

本実施形態においては、プラテン４のＸ軸およびＹ軸方向の変形量を補償できることに加えて、プラテン上面に垂直な軸周りにおけるプラテン４の変形をも補償することができる。

尚、本発明のＸＹステージ装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の第１実施形態に係るＸＹステージ装置の構成を示す斜視図である。 図１に示したリニアパルスモータの構造を示す部分断面図である。 本発明の第１実施形態に係るＸＹステージ装置の機能ブロックの構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るＸＹステージ装置の制御系を示すブロック線図である。 リニアパルスモータにおける励磁位相シフトと発生推力との関係を示すグラフ図である。 リニアパルスモータにおける励磁位相シフトと発生推力との関係を示すグラフ図である。 リニアパルスモータにおけるプラテンの伸びに起因した誤差を示す図である。 リニアパルスモータにおける歪みのないプラテンを示す図である。 リニアパルスモータにおけるプラテンの歪みに起因した誤差を示す図である。 本発明の第１実施形態におけるスケーリングの方法を示す図である。 本発明の第２実施形態におけるスケーリングの方法を示す図である。 本発明の第３実施形態におけるスケーリングの方法を示す図である。

符号の説明

１…ＸＹステージ装置、２…リニアパルスモータ、３…ステージ、４…プラテン、５…フォーサ、６…コントローラ、７…ＤＣアンプ、８…Ｘ軸・θレーザ干渉計、９…Ｙ軸レーザ干渉計、１０…Ｘミラー、１１…Ｙミラー、１２…定盤、１３…ＰＩＤ制御要素、１４…力・位相シフト変換要素、１５…位相・電流変換要素、１６…電流・推力変換要素、１７…ステージ可動体動力学要素、１８…プラテンスケーリング要素、１９…位置・位相変換要素、２０…伸びのあるプラテン、２１…誤差、２２…歪みのあるプラテン、２３…誤差、２４…指令位置、２５…オープンループ移動位置、２６…測定点。

Claims (4)

1. 定盤と、
   前記定盤上面を摺動するステージと、
   前記ステージを駆動するリニアパルスモータと、
   を備え、
   前記リニアパルスモータは、
   前記定盤上面に格子状に配置された磁性区域と非磁性区域とからなるプラテンと、
   前記ステージ下面に配置されて前記プラテンと対向し、相互に特定の位相角だけ位相をずらすことが可能な一対の磁極面を含むフォーサと、
   を有し、
   前記リニアパルスモータの制御系は、
   前記プラテンの形状情報を利用したプラテン形状補償要素を含む、
   ＸＹステージ装置。
2. 前記プラテン形状補償要素は、
   前記プラテン上面の４箇所におけるプラテンの変形量に基づいて算出された前記プラテンの形状情報を利用する、
   請求項１に記載のＸＹステージ装置。
3. 前記プラテン形状補償要素は、
   前記プラテン上面の複数箇所におけるプラテンの変形量と、前記複数箇所におけるプラテンの変形量を曲線補間して得られた前記複数箇所間におけるプラテンの変形量とから算出された前記プラテンの形状情報を利用する、
   請求項１または２に記載のＸＹステージ装置。
4. 前記プラテン形状補償要素は、
   前記プラテン上面に垂直な軸周りの角度θで表現されるプラテンの変形量に基づいて算出された前記プラテンの形状情報を利用する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のＸＹステージ装置。

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