JP2007247822A - アクティブ除振装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】設置において試行錯誤的な調整を要せず、また床剛性を正確に推測でき、ひいては剛性が不十分な床に設置されても、搭載装置の可動部の移動に起因してその搭載装置が振動するのを制止できるアクティブ除振装置の提供。
【解決手段】加振力演算部61は、定盤3の加速度α及び床2の加速度αを用いて加振力pを演算し、加速度αの2階積分により床2の位置xを求める。床剛性推定部62は加振力p及び位置xに基づき床剛性Kを推定する。PI制御部35は、床剛性Kに基づき比例ゲインおよび積分ゲインは最適な値に修正し、加速度αに基づくフィードバック制御を行い、アクチュエータ駆動信号100でアクチュエータ4を制御し、定盤3の振動を適切に制止する。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体露光装置のxyステージやその他の可動部のある装置が搭載されるアクティブ除振装置に関し、特に剛性が足りない床に設置されたときにも、床剛性を推定することにより、該可動部の移動に起因する該装置の垂直方向の振動を自動的に抑制するようにしたアクティブ除振装置に関する。
半導体露光装置、液晶露光装置などの精密製造装置や精密検査装置の全体又は一部であって、xyステージのような可動部がある装置は、床からの振動および該可動部の移動による振動の除振及び制振をするために、アクティブ除振装置に搭載されることが多い。アクティブ除振装置が設置される床は十分に高い剛性を備えることが好ましい。しかしながら、アクティブ除振装置の設置場所が工場の上層階であったり、床構造における梁の間隔が広かったりするときは、床の剛性は不十分になりがちである。アクティブ除振装置が不十分な剛性の床に設置されると、可動部の移動に起因する力(加振力)が床に作用し、この加振力による床の振動がアクティブ除振装置で除去されず、床の振動が搭載装置に及び、そのアクティブ除振装置に搭載された精密装置の動特性が変動し、精密装置の精度が不足し、或いは生産性が低下する虞がある。床構造に補強工事を施せば、床の剛性を向上できるが、補強工事には多額の費用がかかり、また工事には相当に長い期間を要する。そこで、床剛性の不足に対処するためには、アクティブ除振装置の設置場所ごとに、試行錯誤しながらアクティブ除振装置の復帰特性やダンパー特性を調整する必要があった。
床剛性の不足に起因する床の振動が搭載装置に及ぼす影響の抑制を目的とするアクティブ除振装置としては、特許文献1(特開2000-068195公報)に記載されたものがある。図5は、特許文献1の装置と等価なアクティブ除振装置を示す概念図である。図5のアクティブ除振装置は、除振台1、アクチュエータ4及びアクチュエータ制御部5で構成されている。そのアクチュエータ制御部5は、加速度計31,32、フィルタ33,34、PI制御部35及び床剛性演算部7でなる。定盤3の下端は除振台1の上端に固定されている。定盤3には、半導体デバイスや液晶デバイス等のデバイスを製造するためのデバイス製造装置におけるxyステージが搭載される。
加速度計31は、定盤3の上面に固定され、定盤3の垂直方向の加速度αを検知する。加速度計32は、床2の上面に固定され、床2の垂直方向の加速度αを検知する。定盤3の下端は除振台1の上端に固定されているので、加速度計31で検知する加速度αは、定盤3の垂直方向の加速度であるとともに、除振台1の上端の垂直方向の加速度でもある。フィルタ33は、加速度計31の出力を受け、出力に含まれるノイズを除去するローパスフィルタ処理およびバイアス及びドリフトを除去するハイパスフィルタ処理を行い、ノイズ、バイアス、ドリフトを除いた加速度αを出力する。フィルタ34は、加速度計32の出力を受け、フィルタ33と同様な処理をする。PI制御部35は、加速度α及び床剛性Kをフィードバック信号として入力し、アクチュエータ4に比例(Proportion)動作及び積分(Integral)動作を行わせるように、アクチュエータ駆動信号100を生成する。
図5の床剛性演算部7は、特許文献1の図1における床剛性推定回路(24)に相当する。特許文献1の段落0019には、『床(100)の(鉛直方向)加速度を計測する加速度センサ(22)の出力は、オフセットと高周波の雑音を除去するためのローパスフィルタ(23)を介して、床剛性推定回路(24)に入力される。また、床剛性推定回路(24)には露光用XYステージの移動情報stgが入力される。ここで、XYステージの移動情報とは、レーザ干渉計で計測されたXYステージの座標や、駆動モータが発生する力に対応するXYステージの加速度等の情報のことであり、また、予め設定されている前記XYステージの駆動方向ごとの移動重量を含めてもよい。』と記載され、またその段落0020には、『床剛性推定回路(24)は入力されたXYステージの移動情報から床(100)に伝達する加振力を演算し、この演算された加振力と前記第2の加速度センサ(22)から得られた床振動を基に床剛性を演算し、前記PI補償器(10′)の比例ゲインおよび積分ゲインを最適な値に設定し直す。ここで、上記の比例ゲインは除振台のダンピング係数として作用し、積分ゲインは除振台のバネ係数のように動作する。』と記載されている。但し、「比例ゲインは除振台のダンピング係数として作用し、積分ゲインは除振台のバネ係数のように動作する。」との記述は誤りであり、正しくは、「比例ゲインは除振台のバネ係数として作用し、積分ゲインは除振台のダンピング係数として作用する。」と記述されるべきである。
図5の床剛性演算部7は、後述の本発明の実施形態を表す図1乃至図3との対比を容易にするために、加振力演算部71および床剛性推定部72なる2つの機能要素に分けて表現してある。前記xyステージ移動情報は加振力演算部71に入力され、加速度αは床剛性推定部72に入力される。加振力演算部71は、xyステージ移動情報に基づき、除振台1が床2に作用する加振力を演算する。床剛性推定部72は、その加振力および加速度αに基づき床剛性Kを推定する。PI制御部35は、床剛性Kを基に、比例ゲインおよび積分ゲインを最適な値に設定し直し、加速度αに基づくフィードバック制御を行うように、最適なアクチュエータ駆動信号100でアクチュエータ4を制御し、アクチュエータ4の作用により、加振力による床2の振動とは逆方向の振動を定盤3に生じさせ、定盤3の振動を制止できると、特許文献1では、説明している。
特開2000-68195公報
アクティブ除振装置が設置される床の剛性は、床毎に相違する。そこで、アクティブ除振装置の復帰特性やダンパー特性を床の剛性に対応させようとすると、その復帰特性やダンパー特性は設置場所ごとに試行錯誤的に調整する必要がある。アクティブ除振装置の設置場所ごとに試行錯誤的に行う復帰特性やダンパー特性の調整は、熟練した技術者によってのみ可能であり、しかも相当に長い時間を要するので、アクティブ除振装置の設置に相当に費用を要することとなる。
また、図5の従来のアクティブ除振装置では、xyステージ移動情報に基づき加振力の演算を行っているので、演算した加振力と実際の加振力との差が相当に大きい、即ち演算した加振力の誤差が大きい可能性がある。なぜならアクティブ除振装置が床2に作用する加振力は、xyステージにおける可動部の移動が定盤3に振動を与え、定盤3の振動が除振台1経由で床2に伝達する振動であるからである。そこで、加振力の演算に直接的に必要な情報は、定盤3の垂直方向の加速度αである。即ち、xyステージ移動情報は、定盤3の移動情報を間接的に示すデータではあっても、定盤3の移動情報ではない。そこで、xyステージ移動情報に基づき推測した加振力は、誤差が大きく、精度が低いといえる。このような精度の低い加振力に基づいて推測した床剛性K、さらにこの床剛性Kに基づきPI制御部35に設定した比例ゲインおよび積分ゲインは最適な値ではなく、最適なアクチュエータ駆動信号100でアクチュエータ4を制御することはできないので、定盤3の振動を適切に制止できない。また、図5のアクティブ除振装置は、xyステージ移動情報を利用して加振力を演算するので、xyステージとのインタフェースを考慮しなければ設計できない。そこで、図5のアクティブ除振装置の設計は、複雑で、ひいては製造費の増大を招く。
そこで、本発明の目的は、設置において試行錯誤的な調整を要せず、また床剛性を正確に推測でき、ひいては剛性が不十分な床に設置されても、搭載装置の可動部の移動に起因してその搭載装置が振動するのを制止でき、搭載装置とのインタフェースを考慮することなく設計できるアクティブ除振装置の提供にある。
前述の課題を解決するために本発明は次の手段を提供する。
(1)可動部のある装置が搭載される搭載台の垂直方向の加速度である第1の加速度を検出する第1の加速度計と、設置される床の垂直方向の加速度である第2の加速度を検知する第2の加速度計と、該第2の加速度のデータを少なくとも含む情報に基づき垂直方向に関する該床の剛性の演算をする床剛性演算部と、該第1の加速度のデータ及び該床剛性のデータを信号として受け、アクチュエータを駆動するPI制御部とを備えるアクチュエータ制御部が設けられたアクティブ除振装置において、
前記床剛性演算部は、前記情報として、前記第2の加速度の他に前記第1の加速度のデータを含めることを特徴とするアクティブ除振装置。
(2)前記床剛性演算部は、前記第1の加速度のデータおよび第2の加速度のデータに基づき前記床に作用する加振力及び該床の垂直方向の位置を演算する加振力演算部と、該加振力のデータ及び該床の垂直方向の位置のデータとに基づき前記床の剛性を推定する床剛性推定部とでなることを特徴とする前記(1)に記載のアクティブ除振装置。
(3)前記床に対する前記搭載台の垂直方向の変位を検出する変位計を備え、
前記床剛性演算部は、前記情報として、前記第1及び第2の加速度のデータの他に記変位のデータを含めることを特徴とする請求項1に記載のアクティブ除振装置。
(4)前記床に作用する荷重を検知する荷重センサを備え、
前記床剛性演算部は、前記情報として、前記第1及び第2の加速度のデータの他に前記荷重のデータを含めることを特徴とする前記(1)に記載のアクティブ除振装置。
上述の本発明の構成によれば、設置において試行錯誤的な調整を要せず、また床剛性を正確に推測でき、ひいては剛性が不十分な床に設置されても、搭載装置の可動部の移動に起因してその搭載装置が振動するのを一層適切に制止でき、搭載装置とのインタフェースを考慮することなく設計できるアクティブ除振装置が提供できる。
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1(A)は、本発明の第1の実施形態のアクティブ除振装置を示す概念図、同図(B)はその第1の実施形態の床剛性演算部で行う演算過程を示す図である。図1(A)のアクティブ除振装置は、除振台1、アクチュエータ4及びアクチュエータ制御部5で構成され、床2上に設置されている。そのアクチュエータ制御部5は、加速度計31,32、フィルタ33,34、PI制御部35及び床剛性演算部6でなる。定盤3の下端は除振台1の上端に固定されている。定盤3には、半導体デバイスや液晶デバイス等のデバイスを製造するためのデバイス製造装置におけるxyステージが搭載される。以下の説明では、定盤3はxyステージに属するものとする。加速度計31及び32は前述の第1及び第2の加速度計にそれぞれ相当する。また、前記「可動部のある装置が搭載される搭載台」なる記載のおける「可動部のある装置」は該xyステージに、「搭載台」は前記除振台1に、それぞれ相当する。
加速度計31は、定盤3の上面に固定され、定盤3の垂直方向の加速度αを検知する。加速度計32は、床2の上面に固定され、床2の垂直方向の加速度αを検知する。定盤3の下端は除振台1の上端に固定されているので、加速度計31で検知する加速度αは、定盤3の垂直方向の加速度であるとともに、除振台1の上端の垂直方向の加速度でもある。フィルタ33は、加速度計31の出力を受け、出力に含まれるノイズを除去するローパスフィルタ処理およびバイアス及びドリフトを除去するハイパスフィルタ処理を行い、ノイズ、バイアス、ドリフトを除いた加速度αを出力する。フィルタ34は、加速度計32の出力を受け、フィルタ33と同様な処理をする。PI制御部35は、加速度α及び床剛性Kをフィードバック信号として入力し、アクチュエータ4に比例(Proportion)動作及び積分(Integral)動作を行わせるように、アクチュエータ駆動信号100を生成する。
図1(A)のアクティブ除振装置では、加振力演算部61は、加速度α及びαに基づき、除振台1が床2に作用する加振力pを演算する。床剛性推定部62は、その加振力pおよび床2の垂直方向位置xに基づき床剛性Kを推定する。位置xは、加速度αの2階積分により加振力演算部61において算出する。PI制御部35は、床剛性Kを基に、比例ゲインおよび積分ゲインを最適な値に設定し直す。その比例ゲインは除振台11の剛性K(特許文献1に記載されたバネ係数に相当)として作用し、該積分ゲインは除振台11の減衰係数C(特許文献1に記載されたダンピング係数に相当)として作用する。PI制御部35は、設定し直された比例ゲインおよび積分ゲインを用い、加速度αに基づくフィードバック制御を行うように、最適なアクチュエータ駆動信号100を生成し、このアクチュエータ駆動信号100でアクチュエータ4を制御する。アクチュエータ4は、アクチュエータ駆動信号100を受け、加振力pによる床2の振動とは逆方向の振動を定盤3に生じさせ、定盤3の振動を制止する。
図4は、除振台1の減衰係数C及び剛性Kと、除振台1上の定盤3および定盤3上に搭載された装置(xyステージ等)の質量Mと、除振台1が載置される床2の剛性Kとで表現した図1の実施形態の1次モデル図である。この1次モデルは地面70に支えられている。xは定盤3の下面(除振台1の上端面と同じ位置)の位置であり、xは床2の上面の位置である。
図1の実施形態は図4の1次モデルで表されるので、図1の実施形態については下記式(1)及び式(2)なる運動方程式が成立する。
f=Mα+C(v−v)+K(x−x) (1)
0=−C(v−v)−K(x−x)+K (2)
式(1)は、除振台1上の定盤3および定盤3上に搭載された装置(xyステージ等)の質量Mに関する運動方程式である。また、式(2)は、床剛性Kと除振台1から床2に伝達する加振力に関する運動方程式である。ここで、fは定盤3に搭載されるxyステージ等の可動部付装置における可動部の移動に起因して定盤3に加わる垂直方向の力、v,v,x及びxはそれぞれ定盤3の垂直方向の速度、床2の垂直方向の速度、定盤3の位置および床2の位置である。v及びvは加速度α1及びα2の積分により、またx及びxはv及びvの積分により、それぞれ求められる。除振台1の減衰係数Cおよび剛性Kは、除振台1の特性試験により求め、加振力演算部61に予め記憶してある。
定盤3に搭載されたxyステージ等の可動部付装置における可動部の移動による振動が、定盤3および除振台1を介して床2に伝達されるときに、床2に作用する力、即ち加振力pは、式2の右辺における第1項及び第2項の和である。即ち、加振力pは、
p=C(v−v)+K(x−x) (3)
なる演算で求められる。加振力演算部61は式3により演算した加振力pと、加速度αの2階積分により求めた床2の位置xを床剛性推定部62に送り、床剛性推定部62は、式(2)に基づく下記式(4)により床剛性Kを生成する。
=[C(v−v)+K(x−x)]/x (4)
先に図5を参照して述べたように、アクティブ除振装置が床2に作用する加振力pは、xyステージにおける可動部の移動が定盤3に振動を与え、定盤3の振動が除振台1経由で床2に伝達する振動であるから、加振力pの演算に直接的に必要な情報は、定盤3の垂直方向の加速度αであり(図5のアクティブ除振装置におけるxyステージ移動情報は、定盤3の移動情報を間接的に示すデータであって、定盤3の移動情報ではない)、xyステージ移動情報に基づき推測した加振力pは、誤差が大きく、精度が低く、このような精度の低い加振力pに基づいて推測した床剛性K、更にこの床剛性Kに基づきPI制御部35に設定した比例ゲインおよび積分ゲインは最適な値ではなく、最適なアクチュエータ駆動信号100でアクチュエータ4を制御することはできないので、定盤3の振動を適切に制止できない。これに対し図1の実施形態では、以上に詳しく述べたように、加振力演算部61は、図5の従来例で用いたxyステージ情報に代えて定盤3の加速度αを用いて加振力pを演算するので、加振力pは正確であり、この加振力pを基に推測した床剛性Kも正確であるから、この床剛性Kに基づきPI制御部35に設定した比例ゲインおよび積分ゲインは最適な値となり、ひいては最適なアクチュエータ駆動信号100でアクチュエータ4を制御できるので、定盤3の振動を適切に制止できる。また、図1(A)の第1の実施形態では、xyステージ移動情報を利用することなく加振力pを演算するので、本実施の形態は、xyステージとのインタフェースを考慮することなく、設計できる。勿論、本実施の形態を床に設置する際には、試行錯誤的な調整を要せずに、床剛性を自動的に正確に推測でき、ひいては剛性が不十分な床に設置されても、搭載装置の可動部の移動に起因してその搭載装置が振動するのを制止できる。
図2(A)は、本発明の第2の実施形態のアクティブ除振装置を示す概念図、同図(B)はその第2の実施形態の床剛性演算部で行う演算過程を示す図である。図2(A)の実施形態は、図1(A)の第1の実施形態の構成に加えて、定盤3と床2との相対位置xを検出する変位計38を備え、加振力演算部61aはその変位計38の出力xを式(1)及び(2)における(x−x)として用いて加振力pを演算する点で第1の実施形態と相違し、その他の点では第1の実施形態と構成及び機能並びに効果を同じくする。図1(A)の第1の実施形態では、加振力演算部61は加速度α及びαの2階積分により位置x及びxをそれぞれ求めたから、位置x及びxには加速度に起因する誤差が生じ易いが、本図2(A)の第2の実施形態では、定盤3と床2との相対位置(x−x)=xを変位計38で直接に求めるので、一層正確に加振力pを演算でき、ひいては一層適切に定盤3の振動を制止できる。
図3(A)は、本発明の第3の実施形態のアクティブ除振装置を示す概念図、同図(B)はその第3の実施形態の床剛性演算部で行う演算過程を示す図である。図3(A)の第3の実施形態は、図1(A)の第1の実施形態の構成に加えて、定盤3と除振台1との間に荷重センサ39を設け、荷重センサ39でもって加振力pを直接に検出し、また図1の加振力演算部61に代えて積分器63を備え、積分器63における加速度αの2階積分により床2の位置xを求め、床剛性推定部62が加振力pを荷重センサ39から入力し、積分器63からは位置xを入力し、床剛性Kを生成する点で、図1(A)の第1の実施形態と相違し、その他の点では図1(A)の第1の実施形態と構成および機能並びに効果を同じくする。この第3の実施形態では、荷重センサ39でもって加振力pを直接に検出するので、式(3)の演算により加振力pを求める図1(A)の第1の実施形態より正確な加振力pが得られるので、床剛性Kが一層正確に推定でき、ひいては一層適切に定盤3の振動を制止できる。
以上に実施形態を上げ、本発明を具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものでないことは勿論である。例えば、以上に説明した実施形態では、加速度α及びα並びに位置x及びxは垂直方向についてのみ求め、したがって床剛性Kも垂直方向についてだけ求め、床2の垂直方向の振動による定盤3の垂直方向の振動を抑制するように1自由度モデルについて改善をしたが、定盤3の加速度及び床2の加速度並びに定盤3の位置及び床2の位置を垂直方向に加えて水平方向及び回転方向についても求め、したがって床剛性も垂直方向、水平方向および回転方向について求め、6自由度に関し定盤3の振動を抑制するようにした6自由度モデルにも、本発明は適用できる。
本発明の第1の実施形態のアクティブ除振装置を示す概念図(A)およびその第1の実施形態の床剛性演算部6で行う演算過程を示す図(B)である。 本発明の第2の実施形態のアクティブ除振装置を示す概念図(A)およびその第2の実施形態の床剛性演算部6aで行う演算過程を示す図(B)である。 本発明の第3の実施形態のアクティブ除振装置を示す概念図(A)およびその第3の実施形態の床剛性演算部6bで行う演算過程を示す図(B)である。 図1の実施の形態の機能モデルを示す図である。 従来のアクティブ除振装置を示す概念図である。
符号の説明
1 除振台
2 床
3 定盤
4 アクチュエータ
5 アクチュエータ制御部
6,6a,6b,7 床剛性演算部
31,32 加速度計
33,34 フィルタ
35 PI制御部
61,61a,71 加振力演算部
62,72 床剛性推定部
63 積分器
70 地面
100 アクチュエータ駆動信号
α 除振台1の上端の垂直方向加速度(=定盤3の垂直方向加速度)
α 床2の垂直方向加速度
除振台1の上端の垂直方向速度(=定盤3の垂直方向速度)
床2の垂直方向速度
除振台1の上端(定盤3の下端に同じ)の垂直方向位置
床2の垂直方向位置
除振台1の減衰係数
M 露光装置(定盤3を含む)の質量
除振台1の剛性
床2の剛性

Claims (4)

  1. 可動部のある装置が搭載される搭載台の垂直方向の加速度である第1の加速度を検出する第1の加速度計と、設置される床の垂直方向の加速度である第2の加速度を検知する第2の加速度計と、該第2の加速度のデータを少なくとも含む情報に基づき垂直方向に関する該床の剛性の演算をする床剛性演算部と、該第1の加速度のデータ及び該床剛性のデータを信号として受け、アクチュエータを駆動するPI制御部とを備えるアクチュエータ制御部が設けられたアクティブ除振装置において、
    前記床剛性演算部は、前記情報として、前記第2の加速度の他に前記第1の加速度のデータを含めることを特徴とするアクティブ除振装置。
  2. 前記床剛性演算部は、前記第1の加速度のデータおよび第2の加速度のデータに基づき前記床に作用する加振力及び該床の垂直方向の位置を演算する加振力演算部と、該加振力のデータ及び該床の垂直方向の位置のデータとに基づき前記床の剛性を推定する床剛性推定部とでなることを特徴とする請求項1に記載のアクティブ除振装置。
  3. 前記床に対する前記搭載台の垂直方向の変位を検出する変位計を備え、
    前記床剛性演算部は、前記情報として、前記第1及び第2の加速度のデータの他に前記変位のデータを含めることを特徴とする請求項1に記載のアクティブ除振装置。
  4. 前記床に作用する荷重を検知する荷重センサを備え、
    前記床剛性演算部は、前記情報として、前記第1及び第2の加速度のデータの他に前記荷重のデータを含めることを特徴とする請求項1に記載のアクティブ除振装置。
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