JP2009237664A - 位置決め制御ユニット、位置決め制御方法および位置決め制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】Ａ／Ｄ変換の精度をデバイスの分解能以上に高め、位置決めの精度を向上させる。
【解決手段】ステージの位置決め制御をする位置決め制御ユニット１２０であって、１制御周期あたりの操作量を算出する操作量算出部１２１と、ステージ１４０の駆動のために、算出された操作量を出力する出力部１２６と、センサ１５０により１制御周期あたり複数回検出されたステージ１４０の検出位置の、１制御周期にわたる平均値を現在位置として算出する現在位置算出部１２９と、を備える。これにより、検出の分解能をデバイスの分解能以上に高くして、位置決めの精度を向上させることができる。たとえば、位置換算値１ｎｍの分解能のＡ／Ｄ変換部１２７を用いて０．１ｎｍ単位の位置検出を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステージの位置決めを制御する位置決め制御ユニット、位置決め制御方法および位置決め制御プログラムに関する。

近年、磁気ヘッド検査装置や半導体分野および光学分野の検査装置において、ナノメータ単位の精密な移動精度を要する微少位置決め技術が求められている。このような要望を受け、圧電アクチュエータを備えた位置決めステージと静電容量型位置検出センサとから構成される位置決め装置が使用されている。高精度の位置決めを行うための要素の一つとして、Ａ／Ｄコンバータの分解能の向上がある。そして、Ａ／Ｄコンバータの分解能については、制御回路の分野で開発がなされてきた（たとえば、特許文献１〜３参照）。

特許文献１記載の制御装置は、センサ入力電圧を分割してＡ／Ｄ変換することで、制御量を高い分解能で検知して制御対象を制御している。特許文献２記載のＡ／Ｄ変換装置では、所定時間内に変換されたデジタル信号を加算し、加算値をセンサ入力値としてそのまま使用することで、簡易な手法にて分解能を全て有効に利用する。特許文献３記載のＡ／Ｄ変換装置は、各サンプリングクロックの一周期の時間内にそれぞれ得られた数値データを平均化することで、加算によって増加するビット数分だけ高分解能とすることができる。
特開昭６３−１９００５号公報 特開２００２−３６８６１３号公報 特開２００４−７３８５号公報

上記のような位置決め装置の位置決め精度を向上させるためには、ステージの位置検出の精度を向上させる必要がある。センサについては、高感度のものが入手可能である。一方で、Ａ／Ｄコンバータについてはその信号処理の高速化により、高速処理可能なデバイスが入手可能になったものの、１６ｂｉｔを超える高分解能のものはほとんど市場に出回っておらず、高価であり入手が困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ステージの位置検出の精度をデバイスの分解能以上に高め、位置決めの精度を向上させる位置決め制御ユニット、位置決め制御方法および位置決め制御プログラムを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の位置決め制御ユニットは、ステージの位置決め制御をする位置決め制御ユニットであって、１制御周期あたりの操作量を算出する操作量算出部と、前記ステージの駆動のために、前記算出された操作量を出力する出力部と、センサにより１制御周期あたり複数回検出された前記ステージの検出位置の、１制御周期にわたる平均値を、現在位置として算出する位置算出部と、を備えることを特徴としている。

このように、本発明の位置決め制御ユニットは、１制御周期あたり複数回検出されたステージの検出位置の平均値を現在位置として算出する。これにより、位置検出の分解能をデバイスの分解能以上に高くして、位置決めの精度を向上させることができる。たとえば、位置換算値１ｎｍの分解能のＡ／Ｄ変換部を用いて０．１ｎｍ単位の位置検出を行うことができる。なお、Ａ／Ｄ変換の分解能とは、Ａ／Ｄ変換装置固有の変換可能な出力の最小単位をいう。

（２）また、本発明の位置決め制御方法は、ステージの位置決め制御をする位置決め制御方法であって、１制御周期あたりの操作量を算出する操作量算出ステップと、前記ステージの駆動のために、前記算出された操作量を出力する出力ステップと、センサにより１制御周期あたり複数回検出された前記ステージの検出位置の、１制御周期にわたる平均値を、現在位置として算出する位置算出ステップと、を含むことを特徴としている。これにより、位置検出の分解能をデバイスの分解能以上に高くして、位置決めの精度を向上させることができる。

（３）また、本発明の位置決め制御プログラムは、ステージの位置決め制御をする位置決め制御プログラムであって、１制御周期あたりの操作量を算出する操作量算出処理と、前記ステージの駆動のために、前記算出された操作量を出力する出力処理と、センサにより１制御周期あたり複数回検出された前記ステージの検出位置の、１制御周期にわたる平均値を、現在位置として算出する位置算出処理と、をコンピュータに実行させることを特徴としている。これにより、位置検出の分解能をデバイスの分解能以上に高くして、位置決めの精度を向上させることができる。

本発明によれば、検出の精度をデバイスの分解能以上に高くして、位置決めの精度を向上させることができる。たとえば、位置換算値１ｎｍの分解能のＡ／Ｄコンバータを用いて０．１ｎｍ単位の位置検出を行うことができる。

（位置決め装置の構成）
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、位置決め装置１００の構成を示すブロック図である。位置決め装置１００は、ＰＣ１１０、コントローラ１２０、ステージ駆動部１３０、ステージ１４０、センサ１５０を備えている。位置決め装置１００は、操作量の算出からステージの現在位置の算出までを１制御周期として、所定分解能でＡ／Ｄ変換し、ステージの位置決め制御をする。

ＰＣ１１０は、入力部１１１を備えている。入力部１１１は、ユーザからの位置指定の入力を受け付ける。コントローラ１２０（位置決め制御ユニット）は、操作量の算出および出力、現在位置の算出等の処理を行う。コントローラ１２０は、操作量算出部１２１、判定部１２２、出力部１２６、駆動用増幅部１２６ａ、検出用増幅部１２６ｂ、Ａ／Ｄ変換部１２７、検出カウンタ１２８および現在位置算出部１２９を備えている。

操作量算出部１２１は、入力された移動量およびステージの現在位置から１制御周期あたりの操作量を算出する。その際にはＰＩＤ制御も行う。判定部１２２は、算出された操作量が、整定範囲より小さいか否かを判定する。整定範囲は、あらかじめ設定された値であり、ステージ１４０の移動量が、入力された移動量を達成したことを判定するための基準値である。これにより、位置決め装置１００は、算出された操作量が整定範囲より小さいと判定されるまで周期的な制御を繰り返す。出力部１２６は、いわゆるＤ／Ａコンバータを含み、出力制御を行いながら算出された操作量をデバイス固有の分解能でＤ／Ａ変換して出力する。駆動用増幅部１２６ａ（ピエゾアンプ）は、出力部１２６が出す信号を増幅して、ステージ駆動部１３０に印加する。

検出用増幅部１２６ｂ（センサアンプ）は、センサ１５０が検知したステージ１４０の位置を示す信号を増幅する。Ａ／Ｄ変換部１２７は、センサ１５０が検知したステージ１４０の検出位置を示すアナログ信号を固有の分解能でデジタル信号に変換する。検出カウンタ１２８は、Ａ／Ｄ変換部１２７にデジタル信号への変換を１制御周期あたりｍ回繰り返して行わせる。したがって、Ａ／Ｄ変換部１２７は制御周期のｍ倍の速度で駆動することになる。

このようにして、１制御周期でｍ回ステージ１４０の位置を検出することで、制御分解能を向上させることができる。たとえば、ｍ＝１０の場合は制御分解能が１桁向上する。なお、Ａ／Ｄ変換部１２７の分解能は、Ａ／Ｄ変換部１２７が変換可能な出力の最小単位である。現在位置算出部１２９は、検出位置の１制御周期における平均値を現在位置として算出する。

ステージ駆動部１３０は、圧電素子を有し、アナログ信号に応じて圧電素子を駆動させステージを移動させる。圧電素子は、たとえば積層型の圧電アクチュエータである。ステージ１４０は、圧電素子の変位に応じて移動する。ステージ１４０は、圧電素子の伸縮により移動可能に構成されている。

センサ１５０は、ステージの位置を信号として検知する。センサ１５０には、ステージ１４０の位置変化を静電容量の変化として検出する静電容量型のリニアスケールセンサを用いることができる。なお、検出用増幅部１２６ｂ、Ａ／Ｄ変換部１２７、検出カウンタ１２８および現在位置算出部１２９は、位置算出部１６０を構成する。位置算出部１６０は、センサ１５０により検出されたステージの検出位置からステージの現在位置を算出する。

（位置決め装置の動作）
次に、上記のように構成された位置決め装置１００の動作を説明する。図２は、位置決め装置の特徴的な動作を示すフローチャートである。まず、位置決め装置１００は、ＰＣ１００においてユーザから移動量の入力を受け付ける（ステップＳ１）。

次に、操作量算出部１２１は、入力された移動量とステージの現在位置とから、ステージ１４０に出力すべき操作量を算出する（ステップＳ２）。そして、判定部１２２は、算出された操作量とあらかじめ決められた整定範囲とを比較し（ステップＳ３）、操作量が整定範囲以下の場合には、終了する。一方、操作量が整定範囲より大きい場合には、出力部１２６は、出力量を算出し、出力量のデジタル信号をアナログ信号に変換し（ステップＳ４）、駆動用増幅部１２６ａが信号を増幅して、ステージ駆動部１３０に印加する。そして、ステージ駆動部１３０は、圧電素子を駆動させて、出力量に基づいてステージを移動させる（ステップＳ５）。

次に、センサ１５０は、ステージ１４０の位置を検出する（ステップＳ６）。検出用増幅部１２６ｂは、検出された位置を示す信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換部１２７は、検出位置を示すアナログ信号をデジタル信号に変換する（ステップＳ７）。そして、検出カウンタ１２８は、その制御周期において検出位置のＡ／Ｄ変換がｍ回終了したか否かを判定する（ステップＳ８）。検出位置のＡ／Ｄ変換がｍ回終了してないと判定された場合には、ステップＳ６に戻る。１制御周期でｍ回、ステージ１４０の位置を検出することで、センサ信号の検出分解能を向上させ、制御分解能を向上させることができる。

たとえば１制御周期で１０回（ｍ＝１０）、ステージ１４０の位置を検出する場合、制御分解能が１桁向上する。検出位置のＡ／Ｄ変換がｍ回終了していると判定された場合には、デジタル変換された検出位置の平均値を現在位置として算出し（ステップＳ９）、ステップＳ２に戻る。ステップＳ２〜Ｓ１０が１制御周期である。なお、上記の例では、ステップＳ３において、操作量が整定範囲以下の場合には終了するが、そのままのステージの位置を維持するために制御を繰り返すこととしてもよい。

上記の位置決め装置１００を用いて、位置決め制御の実験を行った。センサ１５０には、高安定でノイズレベルがホワイトノイズ的な高分解能な静電容量型センサを用いた。コントローラ１２０には、３２ｂｉｔのＣＰＵ、１６ｂｉｔのＤ／ＡコンバータおよびＡ／Ｄコンバータならびにアンプにより構成され、組み込まれた制御プログラムにより制御を行うデジタルコントローラを用いた。センサ信号をＡ／Ｄコンバータでデジタル変換する最小分解能は、１６ｂｉｔであり、この最小分解能の位置換算値は６５ｕｍ÷１６ｂｉｔ＝１ｎｍである。なお、ＣＰＵおよびＤ／Ａコンバータからステージ駆動部１３０に印加される電圧の最小単位（分解能）の位置換算値は０．１ｎｍ相当となるように調整した。

Ａ／Ｄコンバータは、ＣＰＵの制御周期１００μｓの１／１０である１０μｓの周期で駆動した。つまり、位置決めの制御周期は１００μｓであり、制御周期１回あたりに対してＡ／Ｄコンバータでのデジタル変換を１０回実施した。そして、デジタル変換した１０回のデータをＣＰＵにて演算して１／１０にし、平均化した結果を制御に使用するセンサ信号値、すなわち現在位置とした。その現在位置に基づいて操作量を算出させ、これを出力することでステージ１４０を移動させて、その位置決めを制御した。

このようにして、ステージ１４０を駆動させるとともに、センサ１５０により出力されるアナログ信号をデジタルボルトメータ（アジレントテクノロジー社製３４４０１Ａ）でサンプリングして計測した。計測は、デジタルボルトメータの実効値により行った。実効値とは、データについて所定時間にわたる平均をとったものをいう。図３は、指定位置に対するステージ１４０の移動量換算値を示すグラフである。図３に示すステージ１４０の移動量は、センサ１５０が検出した位置に対応して出力した電圧を移動量に換算したものである。試験の結果、図３に示すようにステージ１４０が０．１ｎｍの分解能で移動したことを確認した。このようにして、位置決め制御の分解能がＡ／Ｄコンバータの分解能の１／１０である位置決め精度を実現することができた。位置決め装置１００にて実際の駆動を行い、位置決めの分解能をレーザ干渉計で計測したところ、位置換算値０．１ｎｍの分解能を確認できた。その結果、位置決め制御の分解能がＡ／Ｄコンバータの分解能の１／１０である位置決め精度を実現することができた。

なお、本実施例では、位置決め制御の分解能をＡ／Ｄコンバータの分解能の１／１０にする実験を行ったが、制御周期が遅くても良い場合は、制御周期を１ｍｓとして１回の制御サイクルに対してＡ／Ｄ変換を１００回行うことにより、位置決め精度をＡ／Ｄコンバータの分解能の１／１００にすることも可能である。また、センサ１５０は、高安定で出力ノイズがホワイトノイズ的なものであれば、特に静電容量型センサに限られない。

位置決め装置の構成を示すブロック図である。 位置決め装置の特徴的な動作を示すフローチャートである。 指定位置に対するステージの移動量換算値を示すグラフである（実施例）。

符号の説明

１００ 位置決め装置
１１０ ＰＣ
１１１ 入力部
１２０ コントローラ（位置決め制御ユニット）
１２１ 操作量算出部
１２２ 判定部
１２６ 出力部
１２６ａ 駆動用増幅部
１２６ｂ 検出用増幅部
１２７ Ａ／Ｄ変換部
１２８ 検出カウンタ
１２９ 現在位置算出部
１３０ ステージ駆動部
１４０ ステージ
１５０ センサ
１６０ 位置算出部

Claims (3)

1. ステージの位置決め制御をする位置決め制御ユニットであって、
   １制御周期あたりの操作量を算出する操作量算出部と、
   前記ステージの駆動のために、前記算出された操作量を出力する出力部と、
   センサにより１制御周期あたり複数回検出された前記ステージの検出位置の、１制御周期にわたる平均値を、現在位置として算出する位置算出部と、を備えることを特徴とする位置決め制御ユニット。
2. ステージの位置決め制御をする位置決め制御方法であって、
   １制御周期あたりの操作量を算出する操作量算出ステップと、
   前記ステージの駆動のために、前記算出された操作量を出力する出力ステップと、
   センサにより１制御周期あたり複数回検出された前記ステージの検出位置の、１制御周期にわたる平均値を、現在位置として算出する位置算出ステップと、を含むことを特徴とする位置決め制御方法。
3. ステージの位置決め制御をする位置決め制御プログラムであって、
   １制御周期あたりの操作量を算出する操作量算出処理と、
   前記ステージの駆動のために、前記算出された操作量を出力する出力処理と、
   センサにより１制御周期あたり複数回検出された前記ステージの検出位置の、１制御周期にわたる平均値を、現在位置として算出する位置算出処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする位置決め制御プログラム。

Images