JP2010245331A - 制御装置を備える光学素子駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、光学素子駆動装置が高速で高精度かつ安定に駆動可能な最適な制御ゲインを短時間で精度よく算出し、常に最適なゲインで動作させることが可能な閉ループ制御装置、光学素子駆動装置、該駆動装置を備える露光装置を提供することである。
【解決手段】 ウエハ及びレチクル交換時、もしくは露光待機時に、制御量の目標値を変化させる手段と、制御量の目標値と制御量検出手段との差信号を入力信号とした制御装置の最適制御ゲインを算出する調整手段を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体露光装置の投影光学系等における倍率、収差、及び像歪み等の光学特性を調整するための光学素子駆動装置などに関し、特に閉ループ制御手段により構成された閉ループ制御装置、該制御装置を備える光学素子駆動装置及びこの駆動装置を備える露光装置等に関する。なお本発明で述べる駆動装置は、上記のような露光装置における光学素子の位置、姿勢調整以外にも、電子顕微鏡の試料台などのように、高精度な位置決めを要する装置にも適用可能である。

半導体露光装置は、数多くの異なる種類のパターンを有する原版（レチクル）をシリコンウエハ（基板）に転写する装置である。高集積度の回路を作成するためには、解像性能だけでなく重ね合わせ精度の向上が不可欠である。

このような精度を向上させるために、光学素子の位置を微調整する方法が取られてきた。光学素子の位置調整の目的には大きく分けて次の二通りがある。
（１）光学設計を満足する位置に各光学素子を位置決めする。
（２）露光装置の使用時における変動（露光による熱の影響、気圧変動の影響など）を、その都度修正位置決めする。

この種の光学系の微調整をする装置としては、例えば特許文献１に示すような構成のものが知られている。

この従来構成においては、光学素子駆動機構３を、図４において円周上概ね１２０度等間隔に配置する。それぞれの駆動機構３は、セル２と連結されており、固定ブロック６に対して上下方向（Ｚ軸方向）に駆動し、且つ傾斜方向に自由度を備えている。これにより、光学素子１、及びセル２から構成される可動部はＺ方向に加え、θｘ、θｙ方向の合計３方向に駆動可能な機構となっている。駆動力発生は、例えば積層圧電素子のような直動アクチュエータで行い、その変位を変位センサにより計測し位置決めフィードバック制御を行う。このような機構を、前述のように円周上３点に配置することで、Ｚ，θｘ、θｙの３軸駆動を実現している。

図５は、図４で示した３軸光学素子姿勢調整機構３の位置と変位センサ３３の位置を模式的に示したものである。この構成において変位センサ３３は、Ｚ軸方向（紙面に垂直な方向）に３個（３３ｚ）、Ｘ（３３ｘ）、Ｙ（３３ｙ）方向にそれぞれ１個ずつ、合計５個の変位センサ３３が配置されている。基本的にＺ軸方向合計３個の変位センサ３３ｚだけで可動部７のＺ，θｘ、θｙの３軸の位置制御ができる（図６参照）。

特開２００５−１７５２７１号公報

ところで、半導体素子等の高度集積化に伴って、露光されるパターンが微細化されてきている。このため、半導体装置製造用の露光装置では、波面収差や像歪みの少ない投影光学系が要求されるようになってきている。このような要求に対応するため、非露光時のみならず、露光中にもリアルタイムに光学素子を駆動して結像特性を補正することが望まれ、高速、高精度であり、かつ安定に動作する光学素子駆動装置が必要となっている。

光学素子駆動装置を、高速で、高精度にて、かつ安定に動作させるには、各構成要素の伝達関数が変化することなく安定でなければならず、更にそれらの特性に対し最適なサーボ設計を施す必要がある。しかしながら、上記従来技術では駆動手段に用いている圧電素子の静電容量特性の変動や圧電素子そのものの非線形性により入出力ゲインが大きく変化するため、高速で高精度に光学素子を安定に駆動することが困難であった。

一方これまでの光学素子駆動装置のゲイン調整は、圧電素子の静電容量特性の変化や、駆動部および可動部の非線形性や、更には経時変化までを考慮して光学素子が安定に駆動するように保守的にゲイン調整されていたため、光学素子を高速に駆動することができないという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、各構成要素の伝達要素が非線形性を有していても、また各構成要素の伝達要素が経時変化しても、高速で高精度かつ安定に動作することが可能な閉ループ制御装置、光学素子駆動装置及び露光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る閉ループ制御装置は、制御対象からの制御量を検出する制御量検出手段と、制御量の目標値と前記制御量検出手段からの信号との差を入力信号とする補償手段を有する制御装置において、ウエハ及びレチクル交換時、もしくは露光待機時に、前記制御量の目標値を変化させる手段と、高速で高精度かつ安定に動作可能な該制御装置の最適制御ゲインを算出する調整手段とを有する。

前記調整手段は、前記制御量の目標値を変化させた際に発生する、制御量の目標値と、前記制御量検出手段からの信号との差から得られる偏差信号を入力とし、該偏差信号をもとに整定時間に相関した評価関数により、高速で高精度かつ安定に動作可能な該制御装置の最適制御ゲインを算出する。

前記評価関数は、偏差信号の絶対値に時間的な重みを掛けて積算するよう構成される。

あるいは前記評価関数は、前記偏差信号の自乗の積算するよう構成される。

あるいは前記評価関数は、前記偏差信号の絶対値を一定時間積分するよう構成される。

前記調整手段は、該制御装置の前記評価関数の値が最小となるように最適制御ゲインを算出する。

前記調整手段は、制御ゲインを用いて制御量の目標値を変化させた時に得られる偏差信号を入力とする評価関数の演算結果を記憶する基準部を有する。

前記調整手段は、制御量の目標値を変化させたときに得られる偏差信号を入力として、評価関数の結果と、前記基準部との比較を行い、該制御ゲインの調整を行うか否かの判断を行う。

本発明によれば、ウエハ交換時、レチクル交換時、または露光待機時に光学素子の制御量の目標値を変化させた際に発生する偏差信号を入力し整定時間に相関した評価関数を用いることにより、高速で、高精度であり、かつ安定に動作可能な最適制御ゲインを算出することが可能となる。これにより、駆動手段として用いているアクチュエータの非線形性や経時変化によって入出力ゲインの変動がある場合であっても、短時間でかつ容易に光学素子駆動装置の最適制御ゲインを算出することが可能となる。

これにより、常に最適な制御ゲインが適用された光学素子駆動装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る閉ループ制御装置及び光学素子駆動装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施形態に係る制御ゲイン調整方法を示すフロー図。 本発明の実施形態に係る制御ゲインにと、偏差の絶対値に時間的な重み付けを行い、その値の積算した値の関係の一例を示す図。 ３軸光学素子駆動機構の概要斜視図。 ３軸光学素子駆動機構のアクチュエータ及び変位センサの配置図。 ３軸光学素子駆動機構の制御概要図。

（実施例１）
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態に係る閉ループ制御装置及び光学素子駆動装置を示す構成ブロック図を示しており、第一の補償手段による主制御ループと、制御ゲインの調整を行うための第二の補償手段を有する。

主制御ループにおける光学素子駆動装置は、光学光軸方向に駆動可能で、上下方向（Ｚ軸方向）に駆動し、且つ傾斜方向に自由度を備えている機構部１１が構成される。制御量検出手段として光学素子駆動装置の位置または基準点からの変位を検出する位置センサまたは変位センサ１３が構成される。制御量の目標値とセンサ１３からの信号の差を算出するため、加減算器８が構成される。加減算器８からの信号により、制御信号を生成する制御部９が構成される。制御部９の出力信号は、ゲイン部１０で増幅され、機構部１１を駆動する。

センサ１３からの信号は、必要に応じて増幅部１２により増幅してもよい。また、制御部９は、積分器により構成されてもよい。

第二の補償手段は、制御量の目標値を変化させた際に整定時間に相関した信号を生成する評価演算部１４と、評価演算部１４からの出力信号と、基準部１５とを比較演算を行い、制御ゲインの調整を行う、比較調整部１６から構成される。比較調整部１６は評価演算部１４の値が最小となるよう比較及び調整を行う機能を備えている。評価演算部１４は、加減算器からの出力を入力信号として、該入力信号の絶対値に時間的な重み付けを行い、一定時間積分されるよう演算が行うよう構成される。この演算は、ＩＴＡＥ（Ｉntegral of Ｔime multiplied Ａbsolute of Ｅrror）と呼ばれ、式（１）で表される。

整定時間そのものを用いた評価演算と式（１）を用いた評価演算を比較すると以下のようになる。

整定時間そのものを用いて評価を行う場合、制御ゲインが高すぎると、オーバシュート等の影響により応答が不安定となる場合がある。また、制御ゲインが低すぎると目標値への到達時間に時間がかかる場合がある。何れの場合も整定時間そのものに時間がかかるため、調整時間にばらつきが発生する問題があるが、式（１）を用いて評価を行う場合は、任意に時間設定を行うことが可能なため、調整時間がばらつくことはない。更に整定時間そのものを用いた評価の場合は、目標値に到達するまでに発生するオーバシュート等の状態を評価として考慮することができない。一方、式（１）を用いれば、整定時間、オーバシュートの何れかが劣化した場合も、変化が発生するため、高速で且つ安定に動作可能な制御ゲインを精度よく算出することができる。さらに式（１）を用いて評価演算を行う場合は、センサ１３等の瞬間的なノイズによる偏差信号eの値は、一定時間積分されることにより緩和されるため、整定時間そのものを用いる場合に比べてセンサ１３等のノイズの影響を受け難く、精度よく最適制御ゲインを算出することができる。

制御ゲインとＩＴＡＥの関係は、図３のような関係で表される。一般的に、ＩＴＡＥの出力値が小さいほど制御性に優れていることを示しており、第二の補正手段では、ＩＴＡＥの値が最小となるよう調整されるように構成される。尚、式（１）におけるeは、加減算器からの出力信号、即ち偏差信号を表し、ｔは制御量の目標値を変化させた時間を基準時間（即ち零）とし、その基準時間からの経過時間を表している。基準時間は、目標値発生器からの信号を入力として、評価演算部で判断を行うよう構成してもよい。

図２に、評価演算部の例としてＩＴＡＥを用いたゲイン調整方法のフローチャート図を示す。同図の例では、制御量の目標値変動をステップ入力とした場合の例を用いており、この一連の動作は、ウエハ交換時といった、数１００ｍｓｅｃから数秒程度の短い時間を想定している。また、フロー全体の流れとしては、制御ゲインの変更、ステップ動作、ＩＴＡＥの算出、といった３つの一連の動作を複数回繰り返すことにより、ＩＴＡＥが最小となる制御ゲインが設定されるように処理が行われる。以下に、このフローチャート図の説明を行う。

第１のステップでは、機構部１１のステップ駆動を行い、その際のＩＴＡＥの演算を行い、その際の値を基準値１として記憶する。

次に第２ステップとして、制御ゲインを変更（このフローチャートの例では制御ゲインを現状の設定値よりも大きく）して、第１ステップ同様に機構部１１のステップ駆動とＩＴＡＥ演算を行う。ここで第１ステップと第２ステップから得られたＩＴＡＥの結果を比較し、仮に第２ステップで算出されたＩＴＡＥの結果が予め設定された閾値以下である場合は、制御ゲインの更新は行わず、第１ステップで用いた制御ゲインを設定して、調整を終了する。

一方、第１ステップと第２ステップのＩＴＡＥの比較値が予め設定された閾値以上であった場合で、且つ基準値１よりも小さかった場合は、第２ステップで算出されたＩＴＡＥの値を新たな基準値（この例では基準値２）として更新を行い、第３ステップを実行する。

第３ステップも、他のステップと同様に制御ゲインの変更（このフローチャートの例では制御ゲインを現状の設定値よりも大きく）して、機構部１１のステップ駆動とＩＴＡＥの算出を行う。基準値２よりもＩＴＡＥの値が小さい場合は、第３ステップの制御ゲインを設定して、ゲイン調整を終了する。第３ステップのＩＴＡＥの値が基準値２よりも大きい場合は、第２ステップの制御ゲインを設定して、ゲイン調整を終了する。

第４のステップは、第１ステップと第２ステップのＩＴＡＥの比較値が予め設定された閾値以上である場合で、且つ第２ステップでのＩＴＡＥの値が、第１ステップで設定された基準値１よりも大きい場合に実行される。制御ゲインを第１ステップで使用した制御ゲインよりも小さい制御ゲインを設定し、ステップ駆動及びＩＴＡＥの算出を行う。この第四のステップで算出されたＩＴＡＥと第一のステップで算出されたＩＴＡＥの値を比較し、ＩＴＡＥの値が低い方の制御ゲインを設定し、調整を終了する。

このフローチャートの例では、ステップ駆動は最大でも３回に限定して制御ゲインの調整が行われるため、１回のステップ駆動時間を１００ｍｓｅｃ程度と見積もった場合、合計で３００から４００ｍｓｅｃ程度の時間で、光学素子駆動装置の制御ゲイン調整を行うことが可能である。また、露光装置におけるウエハ交換は一般的に１日に数千回といった単位で行われるため、ある程度光学素子駆動ユニットの制御ゲインの最適化が行われている環境下であれば、フローチャートに示した調整をその都度行うことにより精度よく制御ゲインの調整を行うことができる。

また、今回の例ではステップ駆動回数を３回に限定して行う場合のフローチャートを示したが、時間に余裕がある場合は、駆動回数を増やして調整を行ってもよい。

また、評価演算部として、ＩＴＡＥの代わりに、偏差信号ｅの絶対値の積分や偏差信号ｅの自乗の積分といった演算を用いてもよい。

また、今回の例では、制御量の目標値の変化としてステップ入力を用いたが、ランプ入力や、正弦波入力といった方法を用いてもよい。

１ 光学素子
２ セル
３ 光学素子姿勢調整機構
４ 固定ブロック
５ 可動部
６ アンプ
３１ 変位センサ

Claims (8)

1. 制御対象からの制御量を検出する制御量検出手段と、制御量の目標値と前記制御量検出手段からの信号との差を入力信号とする補償手段を有する制御装置において、ウエハ及びレチクル交換時、もしくは露光待機時に、前記制御量の目標値を変化させる手段と、高速で高精度かつ安定に動作可能な該制御装置の最適制御ゲインを算出する調整手段とを有することを特徴とする制御装置。
2. 調整手段は、前記制御量の目標値を変化させた際に発生する、該制御量の目標値と前記制御量検出手段からの信号との差から得られる偏差信号を入力とし、該偏差信号をもとに整定時間に相関した評価関数により高速で高精度かつ安定に動作可能な該制御装置の最適制御ゲインを算出することを特徴とする請求項１記載の制御装置。
3. 評価関数は、偏差信号の絶対値に時間的な重みを掛けて積算するよう構成されることを特徴とする請求項２記載の制御装置。
4. 評価関数は、前記偏差信号の自乗の積算するよう構成されることを特徴とする請求項２記載の制御装置。
5. 評価関数は、前記偏差信号の絶対値を一定時間積分する演算部から構成されることを特徴とする請求項２記載の制御装置。
6. 調整手段は、前記制御装置の制御ゲインの値を変動させたときの前記評価関数の値が最小となるように最適制御ゲインを算出することを特徴とする請求項２記載の制御装置。
7. 調整手段は、予め算出された制御ゲインを記憶する手段と、該制御ゲインを用いて制御量の目標値を変化させた時に得られる偏差信号を入力とする評価関数の演算結果を記憶する基準部とを有することを特徴とする請求項１記載の制御装置。
8. 調整手段は、請求項２記載の偏差信号を入力として、前記評価関数の演算結果と、前記基準部との比較を行い、前記制御ゲインの調整を行うか否かの判断を行う手段を有することを特徴とする請求項１記載の制御装置。