JP2015050398A - Device and method for laminating substrate - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To perform feedback control of a moving stage designed to shift a driving point and a rocker shaft from the center of gravity with high accuracy.SOLUTION: A method for laminating a substrate comprises the steps of: measuring a position (a first control amount) X and an inclination (a second control amount) θy in a translation direction of a moving stage 31 using an interferometer 42; drive-controlling the moving stage 31 in the translation direction by a thrust distributor 60d using a first operation amount Ux (a driving force Fx in the translation direction) calculated from the measurement results of the first control amount X; compensating a second operation amount Ucalculated from the measurement results of the second control amount θy using the first operation amount Ux; and drive-controlling the moving stage 31 in a θy direction using the compensated second control amount U'. Thereby, when the driving force Fx in the translation direction is generated by shifting the driving point and rocker shaft of the moving stage 31 from the center of gravity, a locking torque canceling a torque generated in a θy direction is compensated to cancel a thrust interference from the driving force Fx to the inclination θy.

Description

本発明は、2つの基板を貼り合わせる基板貼り合わせ装置及び基板貼り合わせ方法に関する。   The present invention relates to a substrate bonding apparatus and a substrate bonding method for bonding two substrates.

近年、半導体デバイスの実装技術が、複数の半導体チップを平面的に配置する2次元配列実装から立体的に積み重ねる3次元積層実装へと進歩した。それにより、半導体チップ間の配線が短くなり半導体デバイスの動作速度が向上するとともに、1つの半導体デバイスに搭載される回路素子の実装面積効率が飛躍的に向上した。   In recent years, semiconductor device mounting technology has progressed from two-dimensional array mounting in which a plurality of semiconductor chips are arranged in a plane to three-dimensional stacked mounting in which three-dimensional stacking is performed. As a result, the wiring between the semiconductor chips is shortened, the operation speed of the semiconductor device is improved, and the mounting area efficiency of the circuit element mounted on one semiconductor device is dramatically improved.

また、半導体デバイスの組み立て(パッケージング)技術としてチップレベルでの組み立て技術ではなくウエハレベルの組み立て技術、すなわち、複数の回路素子が形成された半導体基板(ウエハ)をチップに個片化せず、ウエハの状態のまま再配線、樹脂封止、及び端子加工までの組み立て工程をおこない、最後に個片化してデバイスを組み立てる技術が進展している。それにより、製造コストのパフォーマンスが向上する。   In addition, as a semiconductor device assembly (packaging) technique, not a chip level assembly technique but a wafer level assembly technique, that is, a semiconductor substrate (wafer) on which a plurality of circuit elements are formed is not separated into chips, A technology has been developed in which the assembly process from rewiring, resin sealing, and terminal processing is performed in the state of a wafer, and finally a device is assembled by dividing into individual pieces. Thereby, the manufacturing cost performance is improved.

これらの技術背景より、半導体ウエハ等の2つの基板を貼り合わせる基板貼り合わせ装置の研究開発が進められている。基板貼り合わせ装置では、2つの基板の一方を保持する基板ステージ(第1ステージ)に対し、第1ステージに保持された基板に対向して他方の基板を保持して移動する基板ステージ(第2ステージ)を精密に駆動して位置合わせし、2つの基板の表面上に形成された複数の電極を互いに接合し、圧接して、それらを貼り合わせる。従って、基板を正確に位置合わせするために、基板ステージ(特に第2ステージ)の精密且つ安定な駆動制御が必要となる(例えば、特許文献1参照)。   Due to these technical backgrounds, research and development of a substrate bonding apparatus for bonding two substrates such as a semiconductor wafer is underway. In the substrate bonding apparatus, a substrate stage (second stage) that moves while holding the other substrate opposite to the substrate held by the first stage with respect to the substrate stage (first stage) holding one of the two substrates. The stage) is precisely driven and aligned, and a plurality of electrodes formed on the surfaces of the two substrates are joined to each other, pressed together, and bonded together. Accordingly, in order to accurately align the substrate, precise and stable drive control of the substrate stage (particularly the second stage) is required (for example, see Patent Document 1).

基板ステージは、その精密駆動のために、駆動力を発生する駆動点及び基板を保持するテーブルの揺動軸(傾斜方向への回転中心)の位置をその重心の位置に等しく設計するのが望ましいことが経験的に知られている。しかし、基板貼り合わせ装置では、2つの基板を貼り合わせるために2つの基板ステージを互いに接触するため、基板を位置合わせするために第1ステージから独立に駆動する場合と、基板を貼り合わせるために第1ステージに接触する場合とで、第2ステージの重心が変位する。従って、基板貼り合わせ装置では、経験的に望ましいとされる基板ステージの設計を採用することは必ずしも適当でない。   In order to precisely drive the substrate stage, it is desirable that the position of the driving point that generates the driving force and the position of the swing shaft (rotation center in the tilt direction) of the table that holds the substrate be equal to the position of the center of gravity. It is known empirically. However, in the substrate bonding apparatus, the two substrate stages are brought into contact with each other in order to bond the two substrates, so that the substrate is driven independently from the first stage to align the substrates and the substrates are bonded together. The center of gravity of the second stage is displaced when it contacts the first stage. Therefore, it is not always appropriate to adopt a substrate stage design that is empirically desirable in a substrate bonding apparatus.

そこで、駆動点及び揺動軸(傾斜方向への回転中心)を重心からずらして基板ステージ(第2ステージ)を設計すると、駆動点にて並進方向の駆動力を発生した場合に、重心に対して並進方向に推力が加わるだけでなく回転方向に揺動トルクが加わるとともに、基板を保持するテーブルの重量に相当する外乱が回転中心を介して基板ステージに回転方向の揺動トルクとして加わる推力干渉が生ずる。また、2つの基板を貼り合わせるために第2ステージを第1ステージに接触することで、共振が発生する。これら推力干渉と共振は、基板ステージの精密駆動の障害要因になり得る。   Therefore, if the substrate stage (second stage) is designed by shifting the driving point and the swing axis (rotation center in the tilt direction) from the center of gravity, the driving force in the translation direction is generated at the driving point. In addition to applying thrust in the translation direction, swing torque is applied in the rotation direction, and disturbance equivalent to the weight of the table holding the substrate is applied to the substrate stage via the center of rotation as thrust swing torque in the rotation direction. Will occur. Further, resonance occurs when the second stage is brought into contact with the first stage in order to bond the two substrates. These thrust interference and resonance can be obstacles to precise driving of the substrate stage.

米国特許出願公開第2006/0273440号明細書US Patent Application Publication No. 2006/0273440

本発明は、第1の観点からすると、2つの基板を貼り合わせる基板貼り合わせ装置であって、前記2つの基板の一方を保持する第1ステージと、前記2つの基板の他方を前記一方の基板に対向して保持して移動するとともに、前記2つの基板を介して前記第1ステージに接触する第2ステージと、前記第2ステージの並進方向の位置及び傾斜方向の位置にそれぞれ関連する第1及び第2制御量を計測し、該第1制御量の計測結果から求められる第1操作量を用いて前記第2ステージを並進方向に駆動制御するとともに、前記第2制御量の計測結果から求められる第2操作量を前記第1操作量を用いて補償し、補償された前記第2制御量を用いて前記第2ステージを傾斜方向に駆動制御する制御部と、を備える基板貼り合わせ装置である。   From the first viewpoint, the present invention is a substrate bonding apparatus for bonding two substrates, the first stage holding one of the two substrates, and the other of the two substrates as the one substrate. And a second stage that contacts the first stage via the two substrates, and a first stage associated with a translational position and an inclination position of the second stage, respectively. And the second control amount is measured, and the second stage is driven and controlled in the translational direction using the first operation amount obtained from the measurement result of the first control amount, and obtained from the measurement result of the second control amount. A substrate bonding apparatus comprising: a control unit that compensates for the second operation amount to be performed using the first operation amount, and that drives and controls the second stage in the tilt direction using the compensated second control amount. is there.

ここで、基板は、半導体ウエハなどの基板の他、半導体チップをも含み、また、単層の半導体ウエハ(あるいは単層の半導体チップ)に限らず、複数の半導体ウエハ(複数の半導体チップ)が積層済みの半導体部材をも含む。かかる概念として、本明細書では、「基板」なる用語を用いている。   Here, the substrate includes not only a substrate such as a semiconductor wafer but also a semiconductor chip, and is not limited to a single-layer semiconductor wafer (or a single-layer semiconductor chip), but includes a plurality of semiconductor wafers (a plurality of semiconductor chips). Also includes stacked semiconductor members. In this specification, the term “substrate” is used as such a concept.

これによれば、2つの基板を精度良く位置合わせした状態で貼り合わせることが可能になる。   According to this, it is possible to bond the two substrates in a state where the two substrates are accurately aligned.

本発明は、第2の観点からすると、2つの基板を貼り合わせる基板貼り合わせ方法であって、第1ステージが保持する前記2つの基板の一方に対向して前記2つの基板の他方を保持して移動するとともに、前記2つの基板を介して前記第1ステージに接触する第2ステージの並進方向の位置及び傾斜方向の位置にそれぞれ関連する第1及び第2制御量を計測することと、前記第1制御量の計測結果から求められる第1操作量を用いて前記第2ステージを並進方向に駆動制御するとともに、前記第2制御量の計測結果から求められる第2操作量を前記第1制御量の計測結果を用いて補償し、補償された前記第2制御量を用いて前記第2ステージを傾斜方向に駆動制御することと、を含む基板貼り合わせ方法である。   From a second viewpoint, the present invention is a substrate bonding method for bonding two substrates, and holds one of the two substrates facing one of the two substrates held by a first stage. Measuring the first and second control amounts respectively related to the translational position and the tilting position of the second stage that contacts the first stage via the two substrates, The first operation amount obtained from the measurement result of the first control amount is used to drive and control the second stage in the translation direction, and the second operation amount obtained from the measurement result of the second control amount is controlled by the first control. Compensation using the measurement result of the quantity, and driving control of the second stage in the tilt direction using the compensated second control quantity.

これによれば、2つの基板を精度良く位置合わせした状態で貼り合わせることが可能になる。   According to this, it is possible to bond the two substrates in a state where the two substrates are accurately aligned.

一実施形態に係る基板貼合装置の構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the structure of the board | substrate bonding apparatus which concerns on one Embodiment. 基板貼合装置の制御系の主要構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the main structures of the control system of a board | substrate bonding apparatus. 基板の貼合工程を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the bonding process of a board | substrate. 基板の貼合工程を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the bonding process of a board | substrate. 基板の貼合工程を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the bonding process of a board | substrate. 固定ステージ及び移動ステージの力学的運動を表現する数理モデルを示す図である。It is a figure which shows the mathematical model expressing the dynamic motion of a fixed stage and a movement stage. 図6の数理モデルにおける各種パラメータをまとめた表である。It is the table | surface which put together the various parameters in the mathematical model of FIG. 移動ステージに関係するパラメータの代表値をまとめた表である。It is the table | surface which put together the representative value of the parameter relevant to a movement stage. 駆動力Fxを移動ステージに与えた際の移動ステージの並進方向の位置X及び傾斜θyの応答を示す伝達関数P11,P21の周波数応答特性を示すボード線図である。The driving force Fx is a Bode diagram showing the frequency response characteristic of the transfer shows the response of the position X and tilt θy translational direction of movement stage when given to moving the stage function P 11, P 21. 移動ステージを駆動する移動ステージ駆動部に対応するフィードバック制御系の構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the structure of the feedback control system corresponding to the movement stage drive part which drives a movement stage. 図11(A)及び図11(B)は、移動ステージの設計条件に対して、それぞれ、移動ステージ駆動部に目標位置Rxを与えた場合及び移動ステージに外乱を加えた場合における傾斜θyの制御誤差(追従誤差)の時間推移を示す図である。11A and 11B show the control of the inclination θy when the target position Rx is given to the moving stage driving unit and when the disturbance is applied to the moving stage with respect to the design conditions of the moving stage, respectively. It is a figure which shows the time transition of an error (following error). 図10のフィードバック制御系においてさらに外乱オブザーバを組み入れた構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the structure which further incorporated the disturbance observer in the feedback control system of FIG. 図13(A)及び図13(B)は、推力分配と外乱オブザーバの適用に対して、それぞれ、移動ステージ駆動部に目標位置Rxを与えた場合及び移動ステージに外乱を加えた場合における傾斜θyの制御誤差(追従誤差)の時間推移を示す図である。FIGS. 13A and 13B show the inclination θy when the target position Rx is given to the moving stage drive unit and when the disturbance is applied to the moving stage, respectively, for thrust distribution and disturbance observer application. It is a figure which shows the time transition of control error (follow-up error). 図14(A)及び図14(B)は、フィードバック制御系の補感度関数(振幅及び位相)の周波数応答特性を示すボード線図である。FIGS. 14A and 14B are Bode diagrams illustrating frequency response characteristics of the complementary sensitivity function (amplitude and phase) of the feedback control system. 図15(A)〜図15(C)は、移動ステージの入出力応答を表現する伝達関数(振幅及び位相)の周波数応答特性を示すボード線図である。FIGS. 15A to 15C are Bode diagrams showing frequency response characteristics of transfer functions (amplitude and phase) representing the input / output response of the moving stage. 図16(A)〜図16(C)は、駆動点及び揺動軸の位置(重心からのずれLd,Lx2)に対する貼り合わせ時の移動ステージの入出力応答におけるモード影響定数D,Fの変化を示す図である。16A to 16C show changes in mode influence constants D and F in the input / output response of the moving stage at the time of bonding with respect to the positions of the drive point and the swing axis (deviations Ld and Lx2 from the center of gravity). FIG. 図17(A)〜図17(C)は、それぞれ3つの最適解に対する移動ステージの入出力応答を表現する伝達関数(振幅及び位相)の周波数応答特性を示すボード線図である。FIG. 17A to FIG. 17C are Bode diagrams showing frequency response characteristics of transfer functions (amplitude and phase) representing input / output responses of the moving stage with respect to each of the three optimal solutions. 図18(A)〜図18(C)は、従来設計に対してフィードバック制御を適用した場合のナイキスト線図である。FIGS. 18A to 18C are Nyquist diagrams when feedback control is applied to a conventional design. 図19(A)〜図19(C)は、第1の最適解に対してフィードバック制御を適用した場合のナイキスト線図である。FIG. 19A to FIG. 19C are Nyquist diagrams when feedback control is applied to the first optimal solution. 図20(A)〜図20(C)は、第2の最適解に対してフィードバック制御を適用した場合のナイキスト線図である。FIGS. 20A to 20C are Nyquist diagrams in the case where feedback control is applied to the second optimal solution. 図21(A)〜図21(C)は、第3の最適解に対してフィードバック制御を適用した場合のナイキスト線図である。FIG. 21A to FIG. 21C are Nyquist diagrams when feedback control is applied to the third optimal solution. 図22(A)及び図22(B)は、第1の最適解に対してフィードバック制御を適用した場合の補感度関数(振幅及び位相)の周波数応答特性を示すボード線図である。22A and 22B are Bode diagrams showing frequency response characteristics of the complementary sensitivity function (amplitude and phase) when feedback control is applied to the first optimal solution. 図23(A)及び図23(B)は、第2の最適解に対してフィードバック制御を適用した場合の補感度関数(振幅及び位相)の周波数応答特性を示すボード線図である。FIGS. 23A and 23B are Bode diagrams showing frequency response characteristics of the complementary sensitivity function (amplitude and phase) when feedback control is applied to the second optimal solution. 図24(A)及び図24(B)は、第3の最適解に対してフィードバック制御を適用した場合の補感度関数(振幅及び位相)の周波数応答特性を示すボード線図である。FIGS. 24A and 24B are Bode diagrams showing frequency response characteristics of the complementary sensitivity function (amplitude and phase) when feedback control is applied to the third optimal solution.

以下、本発明の一実施形態を、図1〜図24(B)を用いて説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1には、一実施形態に係る基板貼合装置100の構成が概略的に示されている。後述するように本実施形態では顕微鏡51,52が設けられており、それらの光軸(それぞれの検出中心を通る。)をZ軸、光軸に直交する面内で図1における紙面内左右方向をX軸方向、及び紙面垂直方向をY軸方向とし、X軸、Y軸、及びZ軸回りの回転(傾斜)方向をそれぞれθx、θy、及びθz方向とする。   FIG. 1 schematically shows a configuration of a substrate bonding apparatus 100 according to an embodiment. As will be described later, in this embodiment, microscopes 51 and 52 are provided, and their optical axes (passing through the respective detection centers) are set in the Z axis and in the plane perpendicular to the optical axis in FIG. Are the X-axis direction, the direction perpendicular to the paper surface is the Y-axis direction, and the rotation (tilt) directions around the X-axis, Y-axis, and Z-axis are the θx, θy, and θz directions, respectively.

基板貼合装置100は、枠体10、固定ステージ装置20、移動ステージ装置30、干渉計41,42、及び制御系(図2参照)を有する。   The board | substrate bonding apparatus 100 has the frame 10, the fixed stage apparatus 20, the moving stage apparatus 30, the interferometers 41 and 42, and a control system (refer FIG. 2).

枠体10は、XY平面に平行な床面(不図示)の上方に水平(床面に平行)に配置された天板部と、天板部の±X端部を下方から支持する側壁部と、床面と平行な表面を有する底板部と、を有する。底板部上にステージ定盤11が設けられている。ステージ定盤11の上面には、後述する移動ステージ31の駆動のためのガイド面が形成されている。枠体10は、基板貼合装置100の他の構成各部を収容する。   The frame body 10 includes a top plate portion disposed horizontally (parallel to the floor surface) above a floor surface (not shown) parallel to the XY plane, and side wall portions that support ± X end portions of the top plate portion from below. And a bottom plate portion having a surface parallel to the floor surface. A stage surface plate 11 is provided on the bottom plate portion. A guide surface for driving a moving stage 31 described later is formed on the upper surface of the stage surface plate 11. The frame 10 accommodates other components of the substrate bonding apparatus 100.

固定ステージ装置20は、枠体10の天板部の下方(−Z側)に水平に配置された固定ステージ21と、固定ステージ21を天板部に吊り下げ支持する2つの支持部材22とを備える。   The fixed stage device 20 includes a fixed stage 21 that is horizontally disposed below (−Z side) the top plate portion of the frame body 10 and two support members 22 that suspend and support the fixed stage 21 on the top plate portion. Prepare.

固定ステージ21は、静電チャック、真空チャック等の吸着装置(不図示)を有する。図1等では、固定ステージ21は、吸着装置を用いて基板1を保持した基板ホルダ3を吸着することで、基板1を−Z方向に向けて保持している。   The fixed stage 21 has a suction device (not shown) such as an electrostatic chuck or a vacuum chuck. In FIG. 1 and the like, the fixed stage 21 holds the substrate 1 in the −Z direction by sucking the substrate holder 3 holding the substrate 1 using a suction device.

なお、基板ホルダ3(及び後述する基板ホルダ4)は、基板を吸着する静電チャック等が埋設された保持面と、その保持面外に配置された磁石片5a(磁性体片5b)を有する。後述するように、基板ホルダ3,4は、磁石片5a及び磁性体片5bを用いて、それぞれが保持する基板1,2を貼り合わせた状態で結合する。   The substrate holder 3 (and a substrate holder 4 to be described later) has a holding surface in which an electrostatic chuck or the like for attracting the substrate is embedded, and a magnet piece 5a (magnetic piece 5b) arranged outside the holding surface. . As will be described later, the substrate holders 3 and 4 are bonded using the magnet piece 5a and the magnetic piece 5b in a state where the substrates 1 and 2 held by the magnet holder 5a and the magnetic material piece 5b are bonded together.

固定ステージ21の側部には、顕微鏡51が下向きに(−Z方向に向けて)固定されている。顕微鏡51は、後述する移動ステージ31に保持される基板2のアライメントマークを検出する。   A microscope 51 is fixed downward (toward the −Z direction) on the side of the fixed stage 21. The microscope 51 detects an alignment mark of the substrate 2 held on the moving stage 31 described later.

固定ステージ21(本実施形態では顕微鏡51)の−X側面には、反射鏡23がその反射面を−X方向に向けて固定されている。また、固定ステージ21の−Y側面には、X軸方向を長手とする反射鏡(不図示)がその反射面を−Y方向に向けて固定されている。これらの反射鏡は、干渉計41を用いた固定ステージ21の位置計測の際に用いられる。なお、反射鏡に代えて、固定ステージ21の端面を鏡面加工して反射面を形成することとしてもよい。   On the −X side surface of the fixed stage 21 (the microscope 51 in this embodiment), the reflecting mirror 23 is fixed with its reflecting surface facing the −X direction. Further, on the −Y side surface of the fixed stage 21, a reflecting mirror (not shown) whose longitudinal direction is the X-axis direction is fixed with its reflecting surface facing the −Y direction. These reflecting mirrors are used when measuring the position of the fixed stage 21 using the interferometer 41. Instead of the reflecting mirror, the end surface of the fixed stage 21 may be mirror-finished to form a reflecting surface.

2つの支持部材22は、固定ステージ21に保持される基板1に加わる負荷を検出するロードセル(不図示)を含む。ロードセルの検出結果は制御部60に送信される。   The two support members 22 include a load cell (not shown) that detects a load applied to the substrate 1 held by the fixed stage 21. The detection result of the load cell is transmitted to the control unit 60.

移動ステージ装置30は、例えばエアベアリングを介してステージ定盤11上に浮上支持されるX駆動部32a、その上に配置されたY駆動部32b、その上に配置された昇降部32c及び揺動部32d、並びにこれらによりほぼ水平に支持された移動ステージ31を備える。   The moving stage device 30 includes, for example, an X drive unit 32a that is levitated and supported on the stage surface plate 11 via an air bearing, a Y drive unit 32b disposed thereon, an elevating unit 32c disposed thereon, and a swinging motion. A part 32d and a moving stage 31 supported substantially horizontally by these parts are provided.

X駆動部32a及びY駆動部32bは、例えばリニアモータ等を含み、移動ステージ31(これを支持する昇降部32c及び揺動部32d)をステージ定盤11のガイド面に沿ってそれぞれX軸方向及びY軸方向に所定ストロークで駆動する。なお、X駆動部32a及びY駆動部32bの配置を変更する等により、移動ステージ31を駆動する駆動力が発生する駆動点の位置を特にZ軸方向について自由に変更することができる。   The X drive unit 32a and the Y drive unit 32b include, for example, a linear motor or the like, and move the moving stage 31 (the lifting unit 32c and the swinging unit 32d that support this) along the guide surface of the stage surface plate 11 in the X-axis direction. And it drives with a predetermined stroke in the Y-axis direction. Note that the position of the drive point at which the drive force for driving the moving stage 31 is generated can be freely changed, particularly in the Z-axis direction, by changing the arrangement of the X drive unit 32a and the Y drive unit 32b.

昇降部32cは、例えばボイスコイルモータ等のアクチュエータ(不図示)を含み、これを用いて移動ステージ31(揺動部32d)をZ軸方向に駆動する。なお、昇降部32cの上面には、凹球面が形成されている。   The elevating unit 32c includes an actuator (not shown) such as a voice coil motor, for example, and drives the moving stage 31 (oscillating unit 32d) in the Z-axis direction using this. A concave spherical surface is formed on the upper surface of the elevating part 32c.

揺動部32dは、移動ステージ31を支持する。揺動部32dは、昇降部32cの凹球面に当接する凸球面が形成された球座を有し、凹球面の表面をガイドに球座を変位することで、移動ステージ31をθx及びθy方向に傾斜、並びにθz方向に回転する。なお、昇降部32cの凹球面及び揺動部32dの凸球面の曲率を変更する等により、移動ステージ31の揺動軸(傾斜方向への回転中心)の位置を特にZ軸方向について自由に変更することができる。   The swinging part 32 d supports the moving stage 31. The oscillating portion 32d has a spherical seat formed with a convex spherical surface that abuts the concave spherical surface of the elevating portion 32c. The movable stage 31 is displaced in the θx and θy directions by displacing the spherical seat using the concave spherical surface as a guide. And tilt in the θz direction. The position of the swing axis (rotation center in the tilt direction) of the moving stage 31 can be freely changed, particularly in the Z-axis direction, by changing the curvature of the concave spherical surface of the elevating unit 32c and the convex spherical surface of the swing unit 32d. can do.

上述のX駆動部32a、Y駆動部32b、昇降部32c、及び揺動部32dから移動ステージ駆動部32が構成される(図2参照)。移動ステージ駆動部32を制御することにより、移動ステージ31、すなわちその上に支持される基板2を目標位置に向けて6自由度(X,Y,Z,θx,θy,θz)方向に駆動する。   The above-mentioned X drive unit 32a, Y drive unit 32b, lifting unit 32c, and swing unit 32d constitute a moving stage drive unit 32 (see FIG. 2). By controlling the moving stage driving unit 32, the moving stage 31, that is, the substrate 2 supported on the moving stage 31, is driven in the direction of six degrees of freedom (X, Y, Z, θx, θy, θz) toward the target position. .

移動ステージ31は、静電チャック、真空チャック等の吸着装置(不図示)を有する。図1等では、移動ステージ31は、吸着装置を用いて基板2を保持した基板ホルダ4を吸着することで、基板2を+Z方向に向けて保持している。   The moving stage 31 has a suction device (not shown) such as an electrostatic chuck or a vacuum chuck. In FIG. 1 and the like, the moving stage 31 holds the substrate 2 in the + Z direction by sucking the substrate holder 4 holding the substrate 2 using a suction device.

移動ステージ31の側部には、顕微鏡52が上向きに(+Z方向に向けて)固定されている。顕微鏡52は、固定ステージ21に保持される基板1のアライメントマークを検出する。   A microscope 52 is fixed upward (toward the + Z direction) on the side of the moving stage 31. The microscope 52 detects the alignment mark of the substrate 1 held on the fixed stage 21.

移動ステージ31の−X側面には、反射鏡33がその反射面を−X方向に向けて固定されている。また、移動ステージ31の−Y側面には、X軸方向を長手とする反射鏡(不図示)がその反射面を−Y方向に向けて固定されている。これらの反射鏡は、干渉計42を用いた移動ステージ31の位置計測の際に用いられる。なお、反射鏡に代えて、固定ステージ21の端面を鏡面加工して反射面を形成することとしてもよい。   A reflecting mirror 33 is fixed to the −X side surface of the moving stage 31 with the reflecting surface facing the −X direction. Further, on the −Y side surface of the movable stage 31, a reflecting mirror (not shown) having the X axis direction as a longitudinal direction is fixed with the reflecting surface facing the −Y direction. These reflecting mirrors are used when measuring the position of the moving stage 31 using the interferometer 42. Instead of the reflecting mirror, the end surface of the fixed stage 21 may be mirror-finished to form a reflecting surface.

干渉計41は、測長ビームをX軸に平行に反射鏡23に向けて射出し、反射鏡23からの反射光を受光する。また、干渉計41は、X軸方向に離間する2つの測長ビームをY軸に平行に固定ステージ21の−Y側面に固定された反射鏡(不図示)に向けて射出し、その反射鏡からの反射光を受光する。それにより、干渉計41は、固定ステージ21のXY平面内での位置(X,Y,θz)を計測する。また、干渉計41として2軸干渉計を採用することにより、固定ステージ21の傾き(θx,θy)を計測する。   The interferometer 41 emits the measurement beam toward the reflecting mirror 23 in parallel with the X axis, and receives the reflected light from the reflecting mirror 23. The interferometer 41 emits two length measuring beams separated in the X-axis direction toward a reflecting mirror (not shown) fixed to the −Y side surface of the fixed stage 21 in parallel with the Y-axis, and the reflecting mirror. The reflected light from is received. Thereby, the interferometer 41 measures the position (X, Y, θz) of the fixed stage 21 in the XY plane. Further, by adopting a biaxial interferometer as the interferometer 41, the inclination (θx, θy) of the fixed stage 21 is measured.

干渉計42は、測長ビームをX軸に平行に反射鏡33に向けて射出し、反射鏡33からの反射光を受光する。また、干渉計42は、X軸方向に離間する2つの測長ビームをY軸に平行に移動ステージ31の−Y側面に固定された反射鏡(不図示)に向けて射出し、その反射鏡からの反射光を受光する。それにより、干渉計42は、移動ステージ31のXY平面内での位置(X,Y,θz)を計測する。また、干渉計42として2軸干渉計を採用することにより、移動ステージ31の傾き(θx,θy)を計測する。   The interferometer 42 emits a length measurement beam toward the reflecting mirror 33 parallel to the X axis, and receives the reflected light from the reflecting mirror 33. The interferometer 42 emits two length measuring beams separated in the X-axis direction toward a reflecting mirror (not shown) fixed to the −Y side surface of the moving stage 31 in parallel to the Y-axis. The reflected light from is received. Thereby, the interferometer 42 measures the position (X, Y, θz) of the moving stage 31 in the XY plane. Further, by adopting a two-axis interferometer as the interferometer 42, the inclination (θx, θy) of the moving stage 31 is measured.

干渉計41,42の計測結果は、制御部60に送信される。制御部60は、これらの計測結果に従って移動ステージ駆動部32(X駆動部32a、Y駆動部32b、昇降部32c、及び揺動部32d)を制御することで、移動ステージ31を駆動する。   The measurement results of the interferometers 41 and 42 are transmitted to the control unit 60. The control unit 60 drives the moving stage 31 by controlling the moving stage driving unit 32 (X driving unit 32a, Y driving unit 32b, elevating unit 32c, and swinging unit 32d) according to these measurement results.

図2には、基板貼合装置100の制御系の主要構成が示されている。この制御系は、構成各部を統括的に制御するマイクロコンピュータ(又はワークステーション)から成る制御部60を中心として構成されている。   FIG. 2 shows the main configuration of the control system of the substrate bonding apparatus 100. This control system is configured around a control unit 60 including a microcomputer (or a workstation) that controls each component in a centralized manner.

上述の構成の基板貼合装置100における基板の貼合工程を説明する。   The board | substrate bonding process in the board | substrate bonding apparatus 100 of the above-mentioned structure is demonstrated.

貼合工程の開始に先立って、図1に示されるように、移動ステージ31はステージ定盤11上の−X側の退避領域に退避している。また、基板1を保持した基板ホルダ3が固定ステージ21上に保持され、基板2を保持した基板ホルダ4が移動ステージ31上に保持されている。また、基板1,2のそれぞれについてサーチアライメントが実行されている。また、顕微鏡52(又は顕微鏡51)を用いて基板ホルダ3又は固定ステージ21(基板ホルダ4又は移動ステージ31)上に形成された基準マーク(不図示)を検出するベースライン計測が行われている。これらの詳細は省略する。   Prior to the start of the bonding process, as shown in FIG. 1, the moving stage 31 is retracted to the −X side retreat area on the stage surface plate 11. The substrate holder 3 holding the substrate 1 is held on the fixed stage 21, and the substrate holder 4 holding the substrate 2 is held on the moving stage 31. In addition, search alignment is performed for each of the substrates 1 and 2. In addition, baseline measurement is performed to detect a reference mark (not shown) formed on the substrate holder 3 or the fixed stage 21 (substrate holder 4 or the moving stage 31) using the microscope 52 (or the microscope 51). . These details are omitted.

図3に示されるように、制御部60は、移動ステージ31を、黒塗り矢印の方向(+X方向)に駆動し、それに固定された顕微鏡52が固定ステージ21に保持された基板1に対向する位置に移動する。これにより、同時に、固定ステージ21に固定された顕微鏡51が移動ステージ31に保持された基板2に対向する。   As shown in FIG. 3, the controller 60 drives the moving stage 31 in the direction of the black arrow (+ X direction), and the microscope 52 fixed thereto faces the substrate 1 held on the fixed stage 21. Move to position. Thereby, at the same time, the microscope 51 fixed to the fixed stage 21 faces the substrate 2 held by the moving stage 31.

制御部60は、顕微鏡52を用いて、固定ステージ21に保持された基板1のアライメント計測を行う。ここで、基板1の表面にはマトリクス状に多数のショット領域(回路パターン領域)が配置され、それぞれの領域内に露光により回路パターンが形成されるとともに、アライメントマークが付設されている。   The controller 60 uses the microscope 52 to measure the alignment of the substrate 1 held on the fixed stage 21. Here, a large number of shot regions (circuit pattern regions) are arranged in a matrix on the surface of the substrate 1, and a circuit pattern is formed by exposure in each region, and alignment marks are attached.

具体的には、制御部60は、干渉計41,42の計測結果(固定ステージ21に対する移動ステージ31の位置)に従って移動ステージ31をX軸及びY軸方向に駆動し、基板1の表面上のアライメントマークを顕微鏡52の視野内に位置決めする。制御部60は、移動ステージ31の位置決め位置を計測するとともに、顕微鏡52を用いてアライメントマークを検出する。位置決め位置の計測結果とアライメントマークの検出結果とから、検出されたアライメントマークのXY位置が求められる。制御部60は、同様の計測を2つ以上のアライメントマークに対して実行する。   Specifically, the control unit 60 drives the moving stage 31 in the X-axis and Y-axis directions according to the measurement results of the interferometers 41 and 42 (the position of the moving stage 31 with respect to the fixed stage 21), and on the surface of the substrate 1. The alignment mark is positioned in the field of view of the microscope 52. The control unit 60 measures the positioning position of the moving stage 31 and detects the alignment mark using the microscope 52. From the measurement result of the positioning position and the detection result of the alignment mark, the XY position of the detected alignment mark is obtained. The control unit 60 performs the same measurement for two or more alignment marks.

制御部60は、顕微鏡51を用いて、移動ステージ31に保持された基板2のアライメント計測を行う。ここで、基板1と同様に、基板2の表面にはマトリクス状に多数のショット領域(回路パターン領域)が配置され、それぞれの領域内に露光により回路パターンが形成されるとともに、アライメントマークが付設されている。   The controller 60 uses the microscope 51 to measure the alignment of the substrate 2 held on the moving stage 31. Here, like the substrate 1, a large number of shot regions (circuit pattern regions) are arranged in a matrix on the surface of the substrate 2, and a circuit pattern is formed by exposure in each region, and an alignment mark is attached. Has been.

制御部60は、基板1のアライメント計測と同様に、干渉計41,42の計測結果(固定ステージ21に対する移動ステージ31の位置)に従って移動ステージ31をX軸及びY軸方向に駆動し、基板2の表面上のアライメントマークを顕微鏡51の視野内に位置決めする。制御部60は、移動ステージ31の位置決め位置を計測するとともに、顕微鏡51を用いてアライメントマークを検出する。位置決め位置の計測結果とアライメントマークの検出結果とから、検出されたアライメントマークのXY位置が求められる。制御部60は、同様の計測を2つ以上のアライメントマークに対して実行する。   The controller 60 drives the moving stage 31 in the X-axis and Y-axis directions according to the measurement results of the interferometers 41 and 42 (position of the moving stage 31 with respect to the fixed stage 21) in the same manner as the alignment measurement of the substrate 1, and the substrate 2 An alignment mark on the surface of the microscope is positioned in the field of view of the microscope 51. The control unit 60 measures the positioning position of the moving stage 31 and detects the alignment mark using the microscope 51. From the measurement result of the positioning position and the detection result of the alignment mark, the XY position of the detected alignment mark is obtained. The control unit 60 performs the same measurement for two or more alignment marks.

制御部60は、基板1,2のアライメント計測の計測結果とベースライン計測(及びサーチアライメント)の計測結果とを用いて、基板1,2の貼り合わせ位置に対応する移動ステージ31の目標位置を求める。目標位置として、例えば、2つの基板1,2のそれぞれのアライメントマークの間において、対となるアライメントマーク間のXY平面内での相対距離の自乗和が最小となる位置が採用される。   The control unit 60 uses the measurement result of the alignment measurement of the substrates 1 and 2 and the measurement result of the baseline measurement (and search alignment) to determine the target position of the moving stage 31 corresponding to the bonding position of the substrates 1 and 2. Ask. As the target position, for example, a position where the square sum of the relative distances in the XY plane between the paired alignment marks is minimized between the alignment marks of the two substrates 1 and 2 is adopted.

目標位置を決定すると、図4に示されるように、制御部60は、移動ステージ駆動部32(X駆動部32a及びY駆動部32b)を制御して移動ステージ31を黒塗り矢印の方向(+X方向)に駆動して目標位置に位置決めするとともに、揺動部32dを制御して移動ステージ31を傾斜することで、移動ステージ31に保持された基板2を固定ステージ21に保持された基板1に位置合わせする。   When the target position is determined, as shown in FIG. 4, the control unit 60 controls the moving stage driving unit 32 (X driving unit 32a and Y driving unit 32b) to move the moving stage 31 in the direction of the black arrow (+ X The substrate 2 held on the movable stage 31 is moved to the substrate 1 held on the fixed stage 21 by tilting the moving stage 31 by controlling the swinging part 32d. Align.

図5に示されるように、制御部60は、昇降部32cを制御して移動ステージ31を黒塗り矢印の方向(+Z方向)に駆動することで、移動ステージ31を固定ステージ21に近接し、両ステージに保持された基板1,2を重ね合わせる。この時、基板ホルダ3上の磁石片5aと基板ホルダ4上の磁性体片5bとにより、基板ホルダ3,4が重ね合わされた基板1,2を間に挟んだ状態で固定される。   As shown in FIG. 5, the control unit 60 controls the elevating unit 32 c to drive the moving stage 31 in the direction of the black arrow (+ Z direction), thereby bringing the moving stage 31 close to the fixed stage 21, The substrates 1 and 2 held on both stages are overlapped. At this time, the magnet piece 5a on the substrate holder 3 and the magnetic piece 5b on the substrate holder 4 are fixed in a state where the substrates 1 and 2 on which the substrate holders 3 and 4 are superimposed are sandwiched therebetween.

制御部60は、固定ステージ21による基板ホルダ3の吸着を解除し、移動ステージ31を下降する。それにより、固定された基板ホルダ3,4が固定ステージ21から離間する。さらに、制御部60は、移動ステージ31を退避領域に移動し、移動ステージ31による基板ホルダ4の吸着を解除し、固定された基板ホルダ3,4を搬送装置(不図示)を用いて基板貼合装置100外に搬出する。   The controller 60 releases the suction of the substrate holder 3 by the fixed stage 21 and lowers the moving stage 31. As a result, the fixed substrate holders 3 and 4 are separated from the fixed stage 21. Further, the control unit 60 moves the moving stage 31 to the retreat area, releases the adsorption of the substrate holder 4 by the moving stage 31, and attaches the fixed substrate holders 3 and 4 to the substrate pasting using a transfer device (not shown). It is carried out of the combined device 100.

基板貼合装置100から搬出された基板ホルダ3,4は、加熱装置(不図示)に搬送され、加熱工程等の処理が行われることで基板1,2が貼り合わせられ、3次元積層型の半導体デバイスが製造される。   The board | substrate holders 3 and 4 carried out from the board | substrate bonding apparatus 100 are conveyed by a heating apparatus (not shown), the board | substrates 1 and 2 are bonded together by processes, such as a heating process, and a three-dimensional lamination type is carried out. A semiconductor device is manufactured.

本実施形態の基板貼合装置100における(固定ステージ21から独立した)移動ステージ31の非干渉化制御について説明する。   Decoupling control of the moving stage 31 (independent of the fixed stage 21) in the substrate bonding apparatus 100 of the present embodiment will be described.

上述の貼合工程において、制御部60は、干渉計41,42の計測結果(固定ステージ21に対する移動ステージ31の並進方向(X,Y)及び傾斜(θx,θy)に関する相対位置の計測結果)に従って移動ステージ駆動部32を制御し、並進方向の駆動力(Fx,Fy)及び揺動トルク(Tx,Ty)を発生することで基板2を保持する移動ステージ31を駆動する。ここで、駆動点及び揺動軸(傾斜方向への回転中心)が重心からずれて構成された移動ステージ31、すなわち非重心駆動ステージの駆動制御における制御量(X,Y)及び(θx,θy)と操作量(Fx,Fy)及び(Tx,Ty)との間の関係について、本実施形態の基板貼合装置100を模擬する数理モデルを用いて考える。   In the above-described bonding step, the control unit 60 measures the interferometers 41 and 42 (measurement results of relative positions with respect to the translational direction (X, Y) and tilt (θx, θy) of the moving stage 31 with respect to the fixed stage 21). Accordingly, the moving stage drive unit 32 is controlled to generate a translational driving force (Fx, Fy) and swinging torque (Tx, Ty), thereby driving the moving stage 31 holding the substrate 2. Here, the control amounts (X, Y) and (θx, θy) in the drive control of the moving stage 31 in which the drive point and the swing axis (rotation center in the tilt direction) are deviated from the center of gravity, that is, the non-center of gravity drive stage. ) And the manipulated variables (Fx, Fy) and (Tx, Ty) are considered using a mathematical model that simulates the substrate bonding apparatus 100 of the present embodiment.

簡単のため、移動ステージ31の駆動制御の自由度として、X軸方向の並進運動とθy方向の傾斜のみを考えることとする。制御量として移動ステージ31の並進方向(X軸方向)の位置X及び傾斜(Y軸に関する回転位置)θyを計測し、その結果に従って操作量として並進方向(X軸方向)の駆動力Fx及びY軸に関する揺動トルクTyを発生することで移動ステージ31を駆動制御する。   For simplicity, only the translational motion in the X-axis direction and the inclination in the θy direction are considered as the degree of freedom of drive control of the moving stage 31. The translation stage (X-axis direction) position X and tilt (rotation position with respect to the Y-axis) θy of the moving stage 31 are measured as control amounts, and according to the results, the translation forces (X-axis direction) driving forces Fx and Y The moving stage 31 is driven and controlled by generating a swing torque Ty related to the shaft.

図6に、本実施形態の基板貼合装置100における固定ステージ21及び移動ステージ31の力学的運動を表現する数理モデルが示されている。図7に、図6の数理モデルにおける各種パラメータがまとめられている。   FIG. 6 shows a mathematical model that expresses the dynamic motion of the fixed stage 21 and the moving stage 31 in the substrate bonding apparatus 100 of the present embodiment. FIG. 7 summarizes various parameters in the mathematical model of FIG.

固定ステージ21は、2つの支持部材22を模擬する2つのばねにより枠体10の天板部に吊り下げ支持された質量m0及び慣性モーメントJ0を有する剛体として表現される。ここで、X0は固定ステージ21の重心のX軸方向の位置、2w0は2つの支持部材22(ばね)の間隔、LXUは固定ステージ21の重心と反射鏡23との距離、L0Uは固定ステージ21の重心から支持部材22までの距離、L0Lは固定ステージ21の重心から重ね合わせ面(固定ステージ21が支持する基板1の表面)までの距離である。   The fixed stage 21 is expressed as a rigid body having a mass m0 and an inertia moment J0 that are suspended and supported on the top plate portion of the frame 10 by two springs that simulate the two support members 22. Here, X0 is the position of the center of gravity of the fixed stage 21 in the X-axis direction, 2w0 is the distance between the two support members 22 (springs), LXU is the distance between the center of gravity of the fixed stage 21 and the reflecting mirror 23, and L0U is the fixed stage 21. L0L is the distance from the center of gravity of the fixed stage 21 to the overlapping surface (the surface of the substrate 1 supported by the fixed stage 21).

2つのばねは、それぞれが枠体10の天板部の1点で支持されてZ軸方向に振動するとともに、その支点を中心に振り子状に揺動する。そのため、固定ステージ21を表す剛体は、2つのばねに吊り下げ支持されることでZ軸方向だけでなくX軸方向にも運動する。これに対応して、2つのばねは、その特性としてZ軸方向の運動に関する摩擦剛性k0z及び摩擦粘性C0z、X軸方向の運動に関する摩擦剛性k0x及び摩擦粘性C0xを用いて表される。   Each of the two springs is supported at one point on the top plate portion of the frame 10 and vibrates in the Z-axis direction, and swings in a pendulum shape around the fulcrum. Therefore, the rigid body representing the fixed stage 21 moves not only in the Z-axis direction but also in the X-axis direction by being supported by being suspended by two springs. Correspondingly, the two springs are expressed by using the frictional rigidity k0z and the frictional viscosity C0z relating to the movement in the Z-axis direction and the frictional rigidity k0x and the frictional viscosity C0x relating to the movement in the X-axis direction.

移動ステージ31は、移動ステージ装置30を模擬する質量m1の可動ステージにより揺動部32dに対応する剛性kθ及び粘性Cθのリンクを介して傾斜可能に支持された質量m2及び慣性モーメントJ2を有する剛体として表現される。ここで、X1は可動ステージ(揺動部32d)の重心のX軸方向の位置、θ2は移動ステージ31の傾斜(揺動部32dの倒れ角度)、Lx2は移動ステージ31の揺動軸(リンクの中心)とその重心との距離(揺動軸の重心からのずれ)、L2は移動ステージ31の重心から計測位置(移動ステージ31が保持する基板2の表面)までの距離、Lxは揺動軸(リンクの中心)と計測位置との距離である。なお、可動ステージ(揺動部32d)はX軸方向に移動し、その移動に対して粘性Cxが作用する。   The moving stage 31 is a rigid body having a mass m2 and an inertia moment J2 supported by a movable stage having a mass m1 simulating the moving stage device 30 via a link having a stiffness kθ and a viscosity Cθ corresponding to the oscillating portion 32d so as to be tiltable. Is expressed as Here, X1 is the position of the center of gravity of the movable stage (oscillating part 32d) in the X-axis direction, θ2 is the inclination of the moving stage 31 (tilting angle of the oscillating part 32d), and Lx2 is the oscillation axis (link) of the moving stage 31 L2 is the distance from the center of gravity of the moving stage 31 to the measurement position (the surface of the substrate 2 held by the moving stage 31), and Lx is the swinging distance. This is the distance between the axis (link center) and the measurement position. The movable stage (swinging part 32d) moves in the X-axis direction, and viscosity Cx acts on the movement.

移動ステージ装置30(昇降部32c)が移動ステージ31(揺動部32d)をZ軸方向に駆動することで、移動ステージ31に保持される基板2が固定ステージ21に保持される基板1に圧接され、移動ステージ31が基板1,2を介して固定ステージ21に接する。この状態は、固定ステージ21を模擬する剛体と移動ステージ31を模擬する剛体とがばねとダンパ(いずれも不図示)を介して結合したものとして表現される。このときの基板1,2間(固定ステージ21を模擬する剛体の下面と移動ステージ31を模擬する剛体の上面との間)に作用するX軸方向に関する摩擦剛性kwx及び摩擦粘性Cwxと表す。なお、固定ステージ21と移動ステージ31の合成体の重心の位置Lとする。   The moving stage device 30 (lifting part 32 c) drives the moving stage 31 (swing part 32 d) in the Z-axis direction so that the substrate 2 held on the moving stage 31 is pressed against the substrate 1 held on the fixed stage 21. Then, the moving stage 31 contacts the fixed stage 21 through the substrates 1 and 2. This state is expressed as a rigid body simulating the fixed stage 21 and a rigid body simulating the moving stage 31 coupled via a spring and a damper (both not shown). The friction stiffness kwx and friction viscosity Cwx in the X-axis direction acting between the substrates 1 and 2 (between the lower surface of the rigid body simulating the fixed stage 21 and the upper surface of the rigid body simulating the moving stage 31) at this time are expressed. Note that the center of gravity L of the combined body of the fixed stage 21 and the movable stage 31 is used.

上述の数理モデルにおいて、基板2を保持する移動ステージ31は、駆動力(推力)FxによりX軸方向に駆動される。また、揺動トルクTyにより、揺動軸(リンクの中心)を中心に揺動される。なお、Ldは移動ステージ31の駆動点とその重心(駆動力Fxが作用する位置)との高さの差(駆動点の重心からのずれ)、XU及びX2dはそれぞれ反射鏡23,33のX軸方向の位置である。また、XU=X0−LXU・θ2,X2d=X1+Lx・θ2である。   In the mathematical model described above, the moving stage 31 that holds the substrate 2 is driven in the X-axis direction by a driving force (thrust force) Fx. Further, it is swung around the swing shaft (link center) by the swing torque Ty. Ld is a difference in height (deviation from the center of gravity of the driving point) between the driving point of the movable stage 31 and its center of gravity (position where the driving force Fx acts), and XU and X2d are X of the reflecting mirrors 23 and 33, respectively. Axial position. Further, XU = X0−LXU · θ2, X2d = X1 + Lx · θ2.

移動ステージ31の入出力応答、すなわち、駆動力Fx及び揺動トルクTyを操作量として移動ステージ31に与えた際に制御量として観測される移動ステージ31の並進方向の位置X及び傾斜θyの応答は、次の行列形式において表すことができる。   The input / output response of the moving stage 31, that is, the response of the position X and the inclination θy in the translational direction of the moving stage 31 that are observed as control amounts when the driving force Fx and the swing torque Ty are given to the moving stage 31 as operation amounts. Can be expressed in the following matrix form:

伝達関数P11,P12,P21,P22は、上述の数理モデルを適用してラグランジュの運動方程式を導出することにより、ラプラス変換形において次のように求められる。 The transfer functions P 11 , P 12 , P 21 , and P 22 are obtained in the Laplace transform form as follows by applying the mathematical model described above and deriving the Lagrangian equation of motion.

図8には、移動ステージ31に関係するパラメータの代表値がまとめられている。ここで、駆動力Fxが発生する駆動点は、移動ステージ31の重心から下方に距離Ld=0.005mの位置に設計されている。また、移動ステージ31の揺動軸(傾斜方向への回転中心)は、移動ステージ31に保持されるウエハ面上に設計されている。なお、装置構成上、移動ステージ31の位置計測の基準点(干渉計42による計測位置)とその重心との位置関係は固定されているため、関係Lx+Lx2=0.0039mが制約条件として常に成立する。 FIG. 8 summarizes representative values of parameters related to the moving stage 31. Here, the driving point where the driving force Fx is generated is designed at a distance Ld = 0.005 m downward from the center of gravity of the moving stage 31. The swing axis (rotation center in the tilt direction) of the moving stage 31 is designed on the wafer surface held by the moving stage 31. Note that the positional relationship between the reference point (measurement position by the interferometer 42) of the position measurement of the moving stage 31 and its center of gravity is fixed because of the apparatus configuration, so the relationship Lx + Lx2 = 0.039m is always established as a constraint condition. .

図9には、上で求められた伝達関数P11,P21(振幅及び位相)の周波数応答特性が示されている。伝達関数P11、すなわち駆動力Fxを移動ステージ31に与えた際の移動ステージ31の並進方向の位置Xの応答は、そのゲインを周波数に対して単調に減少し、その位相をほぼ一定に保つ剛体的振舞いを示す。一方、伝達関数P21、すなわち駆動力Fxを移動ステージ31に与えた際の移動ステージ31の傾斜θyの応答は、特異な振舞いを示す。ゲインは、低周波数帯域では周波数に対して一定を維持し、3Hz近傍にてピークを形成し、それ以上の周波数帯域において周波数に対して一定の傾きで減少する。位相は、低周波数帯域では周波数に対して一定を維持し、3Hz近傍にて−180度ジャンプし、それ以上の周波数帯域において周波数に対して一定を維持する。 FIG. 9 shows frequency response characteristics of the transfer functions P 11 and P 21 (amplitude and phase) obtained above. The response of the transfer function P 11 , that is, the position X in the translational direction of the moving stage 31 when the driving force Fx is applied to the moving stage 31, decreases its gain monotonically with respect to the frequency and keeps its phase almost constant. Exhibits rigid behavior. On the other hand, the transfer function P 21 , that is, the response of the inclination θy of the moving stage 31 when the driving force Fx is applied to the moving stage 31 shows a unique behavior. The gain remains constant with respect to the frequency in the low frequency band, forms a peak in the vicinity of 3 Hz, and decreases with a constant slope with respect to the frequency in a frequency band higher than that. The phase remains constant with respect to the frequency in the low frequency band, jumps −180 degrees in the vicinity of 3 Hz, and remains constant with respect to the frequency in the frequency band higher than that.

駆動点及び揺動軸(傾斜方向への回転中心)が重心からずれていること(Ld≠0,Lx2≠0)より伝搬関数P21≠0となり、すなわち駆動力Fxと傾斜θyとのカップリングが生じ、駆動点にて並進方向の駆動力Fxを発生した場合に回転方向(θy方向)に揺動トルクTyが生じる等の推力干渉が生ずることとなる。特に、上述の伝搬関数P21の特異な振舞いより、傾斜θyの制御誤差が予想される。そこで、駆動力Fxから傾斜θyへの推力干渉、すなわち伝搬関数P21による駆動力Fxと傾斜θyとのカップリングを相殺する制御器の設計が必要となる。 Since the drive point and the swing axis (rotation center in the tilt direction) are deviated from the center of gravity (Ld ≠ 0, Lx2 ≠ 0), the propagation function P 21 ≠ 0, that is, the coupling between the drive force Fx and the tilt θy. When a driving force Fx in the translational direction is generated at the driving point, thrust interference such as oscillation torque Ty is generated in the rotational direction (θy direction). In particular, from the specific behavior of the transfer function P 21 described above, the control error of the tilt θy is expected. Therefore, thrust interference from the driving force Fx to tilt [theta] y, i.e. is required controller is designed to offset the coupling between the driving force Fx and the inclined [theta] y due to the propagation function P 21.

上述の数理モデルを用いて、移動ステージ31(非重心駆動ステージ)の駆動制御における推力干渉、特に駆動力Fxを与えた場合における傾斜θyの制御誤差を考える。   Considering the thrust interference in the drive control of the moving stage 31 (non-centroid drive stage), particularly the control error of the inclination θy when the drive force Fx is given, using the mathematical model described above.

図10には、移動ステージ31を駆動する移動ステージ駆動部32に対応するフィードバック制御系の構成が示されている。この制御系では、移動ステージ31の並進方向(X軸方向)の位置(第1制御量)Xと傾斜(第2制御量)θyを計測する干渉計42と、目標値Rx,Rθyと第1及び第2制御量(X,θy)の計測結果とを用いて操作量Ux,Uθy(ここでは駆動力Fx及び揺動トルクTy)を演算し、その結果を移動ステージ駆動部32に送信して移動ステージ31を駆動制御する制御部60と、を含む。なお、移動ステージ駆動部32が受信した操作量Ux,Uθyに従ってそれに等しい駆動力Fx及び揺動トルクTyを移動ステージ31に加えることで、移動ステージ31が駆動される。 FIG. 10 shows a configuration of a feedback control system corresponding to the moving stage driving unit 32 that drives the moving stage 31. In this control system, the interferometer 42 that measures the position (first control amount) X and the tilt (second control amount) θy in the translation direction (X-axis direction) of the moving stage 31, the target values Rx, R θy, and the first Using the measurement results of the first and second control amounts (X, θy), the operation amounts Ux, U θy (here, the driving force Fx and the swinging torque Ty) are calculated, and the results are transmitted to the moving stage driving unit 32. And a control unit 60 that drives and controls the moving stage 31. The operation amount movable stage driving unit 32 receives Ux, by adding a driving force Fx and the swinging torque Ty is equal to accordingly U [theta] y in the moving stage 31, the moving stage 31 is driven.

ここで、目標値(目標軌道)、制御量、操作量等は、時間の関数として定義されるが、図10及びその他の図並びにそれらを用いた説明ではそれらのラプラス変換(ラプラス変換形)を用いることとする。また、後述する演算式Ux(Rx−X),Uθy(Rθy−θy)についても、ラプラス変換形においてその定義を与えるものとする。その他においても、特に断らない限り、ラプラス変換を用いて説明するものとする。 Here, the target value (target trajectory), the controlled variable, the manipulated variable, etc. are defined as a function of time. In FIG. 10 and other figures and the explanation using them, the Laplace transform (Laplace transform type) is used. We will use it. Further, the arithmetic expressions Ux (Rx−X) and U θy (R θy −θy), which will be described later, are also defined in the Laplace transform form. In other cases, unless otherwise specified, explanation will be made using Laplace transform.

制御部60は、目標生成部60a、減算器60b,60b、制御器60c,60c、安定化フィルタ60f、及び推力分配器60dを含む。これら各部は、制御部60を構成するマイクロコンピュータとソフトウェアにより構成してもよいし、ハードウェアにより構成してもよい。 The control unit 60 includes a target generation unit 60a, subtracters 60b 1 and 60b 2 , controllers 60c 1 and 60c 2 , a stabilization filter 60f, and a thrust distributor 60d. Each of these units may be configured by a microcomputer configuring the control unit 60 and software, or may be configured by hardware.

目標生成部60aは、移動ステージ31の並進方向の位置X及び傾斜θyの目標Rx,Rθyを生成して、それぞれ、減算器60b,60bに供給する。 Target generator 60a is the target Rx translational direction position X and the inclination [theta] y of the moving stage 31, and generates an R [theta] y, respectively, and supplies the subtractor 60b 1, 60b 2.

減算器60bは、目標値Rxと干渉計42からの移動ステージ31の並進方向の位置(第1制御量)Xの計測結果との偏差(Rx−X)を算出し、制御器60c(伝達関数Cx)に供給する。また、減算器60bは、目標値Rθyと干渉計42からの移動ステージ31の傾斜(第2制御量)θyの計測結果との偏差(Rθy−θy)を算出し、制御器60c(伝達関数Cθy)に供給する。 The subtractor 60b 1 calculates a deviation (Rx−X) between the target value Rx and the measurement result of the translation stage position (first control amount) X of the moving stage 31 from the interferometer 42, and the controller 60c 1 ( To the transfer function Cx). Further, the subtractor 60b 2 calculates the target value the slope of the moving stage 31 from R [theta] y and the interferometer 42 (second control amount) [theta] y of the measurement results and the deviation of the (R θy -θy), the controller 60c 2 (Transfer function C θy ).

制御器60cは、偏差(Rx−X)が零となるように、演算(制御演算)により操作量Ux=Cx(Rx−X)を算出する。ここで、Cxは、制御器60cの伝達関数である。また、制御器60cは、偏差(Rθy−θy)が零となるように、演算(制御演算)により操作量Uθy=Cθy(Rθy−θy)を算出する。ここで、Cθyは、制御器60cの伝達関数である。算出された操作量Ux,Uθyは、安定化フィルタ60fを介して、推力分配器60dに供給される。 Controller 60c 1 is the deviation (Rx-X) is such that the zero, to calculate the arithmetic operation amount Ux = Cx by (control operation) (Rx-X). Here, Cx is the transfer function of the controller 60c 1. Further, the controller 60c 2 is the deviation (R θy -θy) is such that the zero, to calculate the arithmetic operation amount U [theta] y = C [theta] y by (control operation) (R θy -θy). Here, C [theta] y is the transfer function of the controller 60c 2. The calculated operation amounts Ux, U θy are supplied to the thrust distributor 60d via the stabilization filter 60f.

安定化フィルタ60fは、移動ステージ31の高次の機械共振を安定化する。   The stabilization filter 60f stabilizes high-order mechanical resonance of the moving stage 31.

推力分配器60dは、3つの制御器60d,60d,60d及び加算器(不図示)を含む。制御器60dは、制御器60cから(安定化フィルタ60fを介して)受信する操作量UxをゲインA11倍して移動ステージ駆動部32に送信する。制御器60d,60dは、それぞれ、制御器60c,60cから(安定化フィルタ60fを介して)受信する操作量Ux,UθyをゲインA21,A22倍して加算器(不図示)に送信する。加算器(不図示)は、制御器60dからの出力に制御器60dからの出力を加算して、移動ステージ駆動部32に送信する。なお、本実施形態では、ゲインA11=A22=1とする。従って、推力分配器60dは、制御器60cから受信する操作量Uxを移動ステージ駆動部32に送信するとともに、制御器60cから受信する操作量Uθyを制御器60cから受信する操作量Uxを用いてUθy+A21Uxと補償し、この補償した操作量Uθy’(=Uθy+A21Ux)を移動ステージ駆動部32に送信する。 The thrust distributor 60d includes three controllers 60d 1 , 60d 2 , 60d 3 and an adder (not shown). The controller 60d 1 multiplies the manipulated variable Ux received from the controller 60c 1 (via the stabilization filter 60f) by a gain A of 11 and transmits it to the moving stage drive unit 32. The controllers 60d 2 and 60d 3 respectively multiply the manipulated variables Ux and U θy received from the controllers 60c 1 and 60c 2 (through the stabilization filter 60f) by gains A 21 and A 22 and adders (non-adders). (Shown). The adder (not shown) adds the output from the controller 60d 2 to the output from the controller 60d 3 and transmits the result to the moving stage drive unit 32. In this embodiment, the gain A 11 = A 22 = 1. Therefore, the thrust distributor 60d is configured to transmit the operation amount Ux received from the controller 60c 1 to the movable stage driving unit 32, the operation amount of receiving manipulated variable U [theta] y received from the controller 60c 2 from the controller 60c 1 Ux is compensated as U θy + A 21 Ux, and the compensated operation amount U θy ′ (= U θy + A 21 Ux) is transmitted to the moving stage drive unit 32.

移動ステージ駆動部32は、受信した操作量Ux,Uθy’に従って、操作量Uxに等しい並進方向の駆動力Fx及び操作量Uθy’に等しい揺動トルクTyを発する。それにより、移動ステージ31が駆動目標に向けて駆動される。なお、操作量Uθyの補償A21Uxが、並進方向の駆動力Fx(外乱を含む)を発生した際にθy方向に生じるトルクを相殺する揺動トルクを与える。これにより、駆動力Fxから傾斜θyへの推力干渉(駆動力Fxと傾斜θyとのカップリング)が相殺される。 Movable stage driving unit 32, the received operation amount Ux, 'according equal translation direction of the driving force Fx and the manipulated variable U [theta] y to the operation amount Ux' U [theta] y emit equal oscillating torque Ty to. Thereby, the moving stage 31 is driven toward the driving target. The compensation A 21 Ux of the operation amount U θy gives a swinging torque that cancels the torque generated in the θy direction when the translational driving force Fx (including disturbance) is generated. Thereby, thrust interference from the driving force Fx to the inclination θy (coupling between the driving force Fx and the inclination θy) is canceled out.

図11(A)には、移動ステージ31の設計条件に対して、移動ステージ駆動部32にステップ状に立ち上がる目標位置Rx(振幅100μm。ただし、Rθy=0。)を与えた場合における傾斜θyの制御誤差(追従誤差)の時間推移(シミュレーション結果)が示されている。ここで、移動ステージ31の設計条件として、(a)駆動点とその重心との高さの差Ld及び移動ステージの揺動軸とその重心との距離Lx2がいずれも非零の従来設計の場合(Ld≠0,Lx2≠0)、(b)Ldについてのみ理想設計、すなわち重心駆動の場合(Ld=0,Lx2≠0)、(c)Lx2についてのみ理想設計の場合(Ld≠0,Lx2=0)、及び(d)理想設計の場合(Ld=0,Lx2=0)の4つの条件を考える。 In FIG. 11A, the inclination θy when the target position Rx (amplitude 100 μm, where R θy = 0) is given to the moving stage drive unit 32 in a step shape with respect to the design conditions of the moving stage 31 is shown. The time transition (simulation result) of the control error (following error) is shown. Here, the design conditions of the moving stage 31 are as follows: (a) The height difference Ld between the driving point and its center of gravity and the distance Lx2 between the swing axis of the moving stage and its center of gravity are non-zero. (Ld ≠ 0, Lx2 ≠ 0), (b) Ideal design only for Ld, that is, center-of-gravity drive (Ld = 0, Lx2 ≠ 0), (c) Ideal design only for Lx2 (Ld ≠ 0, Lx2 = 0) and (d) Consider the four conditions of ideal design (Ld = 0, Lx2 = 0).

なお、Ld,Lx2の値、及びその他のパラメータの値として、図8にまとめた代表値を用いることとする。また、推力分配器60d(制御器60d)のゲインA21=Ldとする。これにより、フィードバック制御において、移動ステージ31の駆動点がその重心からずれていること(Ld≠0)により並進方向の駆動力Fxを発生した際にθy方向に生じるモーメント(傾斜θyへの推力干渉)を相殺する揺動トルクが推力分配器60dにより加えられ、傾斜θyへの推力干渉が相殺(補償)される。 Note that the representative values summarized in FIG. 8 are used as the values of Ld and Lx2 and the values of other parameters. Further, the gain A 21 of the thrust distributor 60d (controller 60d 3 ) is set to Ld. Thereby, in feedback control, the moment (the thrust interference to the tilt θy) generated in the θy direction when the translational driving force Fx is generated due to the driving point of the moving stage 31 being deviated from the center of gravity (Ld ≠ 0). ) Is applied by the thrust distributor 60d, and thrust interference with the inclination θy is canceled (compensated).

(d)理想設計の場合、機構的な干渉がないので追従誤差はほとんど発生しない。また、(c)Lx2についてのみ理想設計の場合(Ld≠0,Lx2=0)もLd≠0による機構的な干渉はゲインA21=Ldによってほぼ相殺されるため、追従誤差はほとんど発生しない。なお、追従誤差をゼロにできないのは、安定化フィルタによるモデル化誤差を考慮していないためである。これに対して、(a)従来設計の場合、時刻t=0.1secにおける目標位置Rxのステップ状の立ち上がりに対して、振幅約0.8μradのオーバーシュートが発生し、これに続いて約0.3secの間リギングが現れて、時刻t≧0.4secにおいて追従誤差がほぼ減衰する。(b)重心駆動の場合(Ld=0,Lx2≠0)も同様に追従誤差が発生する。 (D) In the case of an ideal design, there is almost no tracking error because there is no mechanical interference. Further, (c) In the case of ideal design only for Lx2 (Ld ≠ 0, Lx2 = 0), the mechanical interference due to Ld ≠ 0 is almost canceled by the gain A 21 = Ld, so that a tracking error hardly occurs. The reason why the tracking error cannot be made zero is that the modeling error due to the stabilization filter is not taken into consideration. In contrast, (a) in the case of the conventional design, an overshoot with an amplitude of about 0.8 μrad occurs with respect to the stepped rise of the target position Rx at time t = 0.1 sec, followed by about 0. . Rigging appears for 3 sec, and the tracking error is substantially attenuated at time t ≧ 0.4 sec. (B) In the case of center-of-gravity driving (Ld = 0, Lx2 ≠ 0), a tracking error similarly occurs.

このフィードバック制御において、先述の通り、推力分配器60d(制御器60d)のゲインA21=Ldとしたことで、移動ステージ31の駆動点がその重心からずれていること(Ld≠0)により生じる推力干渉が補償されている。従って、条件(c)及び(d)の結果の違いより、追従誤差の原因は移動ステージ31の揺動軸のその重心からのずれ(Lx2≠0)であることがわかる。 In this feedback control, because the gain A 21 = Ld of the thrust distributor 60d (controller 60d 3 ) is set as described above, the driving point of the moving stage 31 is deviated from the center of gravity (Ld ≠ 0). The resulting thrust interference is compensated. Therefore, it can be seen from the difference between the results of the conditions (c) and (d) that the cause of the follow-up error is the deviation of the swing axis of the moving stage 31 from the center of gravity (Lx2 ≠ 0).

そこで、移動ステージ31の駆動点のずれ(Ld≠0)だけでなく揺動軸のずれ(Lx2≠0)も考慮して、推力分配器60dを設計する。伝達関数P21による推力干渉を相殺するように、制御器60dのゲインA21を次のように与える。 Therefore, the thrust distributor 60d is designed in consideration of not only the drive point shift (Ld ≠ 0) of the moving stage 31 but also the swing axis shift (Lx2 ≠ 0). So as to cancel the thrust interference by the transfer function P 21, giving the gain A 21 of the controller 60d 3 as follows.

なお、Lx2=0に対して、A21=Ldが導かれる。各パラメータの値として、図8にまとめた代表値を用いる。これにより、図10に示されるフィードバック制御系の構成より、制御量θy(=P21Ux+P22θy’)=P22θyが導かれる。つまり、駆動点のずれ(Ld≠0)だけでなく揺動軸のずれ(Lx2≠0)に伴う推力干渉(伝搬関数P21による駆動力Fxと傾斜θyとのカップリング)が相殺され、移動ステージ31の非干渉化制御が可能となる。 Note that A 21 = Ld is derived for Lx2 = 0. As the values of the parameters, the representative values summarized in FIG. 8 are used. Thus, the control amount θy (= P 21 Ux + P 22 U θy ′) = P 22 U θy is derived from the configuration of the feedback control system shown in FIG. In other words, displacement of the driving point (Ld ≠ 0) shift of the pivot axis as well (Lx2 ≠ 0) thrust interference caused by the (coupling with the driving force Fx according to the transfer function P 21 and the inclined [theta] y) is canceled, the mobile Decoupling control of the stage 31 is possible.

図11(B)には、移動ステージ31の設計条件に対して、移動ステージ31に駆動力Fxと独立に並進方向に矩形パルス状の外乱(振幅0.05N、パルス幅30msec)を加えた場合における傾斜θyの制御誤差(追従誤差)の時間推移(シミュレーション結果)が示されている。ここで、移動ステージ31の設計条件として、先の4つの条件を考える。   FIG. 11B shows a case where a rectangular pulse-like disturbance (amplitude 0.05 N, pulse width 30 msec) is applied to the moving stage 31 in the translation direction independently of the driving force Fx with respect to the design conditions of the moving stage 31. The time transition (simulation result) of the control error (following error) of the inclination θy at is shown. Here, the above four conditions are considered as design conditions for the moving stage 31.

(d)理想設計の場合、機構的な干渉がないので追従誤差はほとんど発生しない。また、(b)重心駆動の場合(Ld=0,Lx2≠0)も追従誤差はほとんど発生していない。従って、外乱に伴う傾斜θyの追従誤差は、揺動軸のずれ(Lx2≠0)に対して鈍感であることがわかる。これに対して、(a)従来設計の場合、時刻t=0.1secにおける外乱の矩形パルスの立ち上がりに対して、振幅約0.8μradのオーバーシュートが発生し、これに続いて約0.3secの間リギングが現れて、時刻t≧0.4secにおいて追従誤差がほぼ減衰する。(c)Lx2についてのみ理想設計の場合(Ld≠0,Lx2=0)も同様に追従誤差が発生する。条件(c)及び(d)の結果の違いより、外乱に伴う傾斜の追従誤差は駆動点のずれ(Ld≠0)に敏感であることがわかる。これはすなわち、推力分配演算の後に外乱が印加されるため、ゲインA21=Ldによる推力干渉の相殺が反映されないからである。 (D) In the case of an ideal design, there is almost no tracking error because there is no mechanical interference. In the case of (b) centroid driving (Ld = 0, Lx2 ≠ 0), the tracking error hardly occurs. Therefore, it can be seen that the follow-up error of the inclination θy caused by the disturbance is insensitive to the swing axis deviation (Lx2 ≠ 0). In contrast, (a) in the case of the conventional design, an overshoot with an amplitude of about 0.8 μrad occurs with respect to the rise of the rectangular pulse of disturbance at time t = 0.1 sec, followed by about 0.3 sec. Rigging appears during this period, and the tracking error substantially attenuates at time t ≧ 0.4 sec. (C) In the case of ideal design only for Lx2 (Ld ≠ 0, Lx2 = 0), a follow-up error similarly occurs. From the difference in the results of the conditions (c) and (d), it can be seen that the inclination tracking error due to the disturbance is sensitive to the drive point deviation (Ld ≠ 0). This is because the disturbance is applied after the thrust distribution calculation, and the cancellation of the thrust interference due to the gain A 21 = Ld is not reflected.

外乱に由来する傾斜θyの追従誤差を相殺するために、外乱オブザーバを導入する。図12に、外乱オブザーバ60eが組み入れられたフィードバック制御系の構成が示されている。なお、外乱オブザーバ60e及びこれに関係する制御器を除き、図10に示されるフィードバック制御系と同じ構成である。   In order to cancel the tracking error of the gradient θy resulting from the disturbance, a disturbance observer is introduced. FIG. 12 shows the configuration of the feedback control system in which the disturbance observer 60e is incorporated. The configuration is the same as that of the feedback control system shown in FIG. 10 except for the disturbance observer 60e and the controller related thereto.

図12のフィードバック制御系では、干渉計42からの並進方向の位置(第1制御量)Xの計測結果が差分器60eに供給されるとともに、推力分配器60dの出力(補償された操作量Uθy’)が制御器60e(伝達関数P12)を介して差分器60eに供給される。ここで、制御器60eの伝達関数P12は、式(2a)及び式(2b)により与えられる。各パラメータの値として、図8にまとめた代表値が用いられる。差分器60eは、並進方向の位置Xの計測結果と制御器60eの出力Uθy’P12との差分を生成する。これにより、並進方向の位置Xの測定結果から揺動トルクTyの第1制御量Xへの推力干渉の寄与(伝搬関数P12による揺動トルクTyと並進方向の位置Xとのカップリングの寄与)が相殺される。この推力干渉(カップリング)が相殺された並進方向の位置Xの測定結果と推力分配器60dの出力(操作量Ux’=Ux)とが外乱オブザーバ60eに供給される。 In the feedback control system of FIG. 12, the measurement result of the translational position (first control amount) X from the interferometer 42 is supplied to the subtractor 60e 2 and the output of the thrust distributor 60d (compensated operation amount). U θy ′) is supplied to the differentiator 60e 2 via the controller 60e 1 (transfer function P 12 ). Here, the transfer function P 12 of the controller 60e 1 is given by the formula (2a) and Formula (2b). As the values of the parameters, the representative values summarized in FIG. 8 are used. Differentiator 60e 2 generates a difference between the measurement results of the position X translational direction and the output U [theta] y 'P 12 of the controller 60e 1. Thus, the contribution of the coupling between the position X of the first control amount contribution thrust interference to X (swing torque Ty by the transfer function P 12 and the translational direction of the oscillating torque Ty from the measurement result of the position X translational direction ) Is offset. The measurement result of the position X in the translation direction in which the thrust interference (coupling) is canceled and the output of the thrust distributor 60d (operation amount Ux ′ = Ux) are supplied to the disturbance observer 60e.

外乱オブザーバ60eは、2つの入力から駆動力Fxと独立に移動ステージ31に加えられた外乱を推定する。外乱オブザーバ60eは、推定した外乱を推力分配器60dを構成する加算器(不図示)に供給する。加算器(不図示)は、外乱オブザーバ60eの出力(推定した外乱)と制御器60cの出力(操作量Ux)との和を生成し、制御器60dに供給する。これにより、外乱に由来する傾斜θyへの推力干渉も相殺され、移動ステージ31の非干渉化制御が可能となる。 The disturbance observer 60e estimates a disturbance applied to the moving stage 31 independently of the driving force Fx from two inputs. The disturbance observer 60e supplies the estimated disturbance to an adder (not shown) constituting the thrust distributor 60d. Adder (not shown) generates a sum of the output of the disturbance observer 60e output (estimated disturbance) a controller 60c 1 (operation amount Ux), and supplies to the controller 60d 3. Thereby, the thrust interference to the inclination θy resulting from the disturbance is also canceled, and the non-interference control of the moving stage 31 becomes possible.

図13(A)には、フィードバック制御系の設計条件に対して、移動ステージ駆動部32にステップ状に立ち上がる目標位置Rx(振幅100μm。ただし、Rθy=0。)を与えた場合における傾斜θyの制御誤差(追従誤差)の時間推移(シミュレーション結果)が示されている。ここで、フィードバック制御系の設計条件として、(a)従来設計、すなわち制御器60dのゲインA21=Ld及び外乱オブザーバの適用なし、(b)外乱のみ考慮した設計、すなわち制御器60dのゲインA21=Ld及び外乱オブザーバの適用あり、(c)本実施形態における最適設計、すなわち制御器60dのゲインA21=−N/N及び外乱オブザーバの適用あり、及び先と同様の(d)理想設計の場合(Ld=0,Lx2=0)、ただしゲインA21=Ld及び外乱オブザーバの適用なし、の4つの条件を考える。なお、先と同様に、パラメータの値は、図8にまとめた代表値を用いることとする。 In FIG. 13A, the inclination θy when the target position Rx (amplitude 100 μm, where R θy = 0) is given to the moving stage drive unit 32 in a step shape with respect to the design conditions of the feedback control system. The time transition (simulation result) of the control error (following error) is shown. Here, as design conditions of the feedback control system, (a) conventional design, that is, the gain A 21 = Ld of the controller 60d 3 and no application of the disturbance observer, (b) design considering only the disturbance, that is, the controller 60d 3 Gain A 21 = Ld and application of disturbance observer, (c) Optimum design in this embodiment, that is, application of gain A 21 = −N 2 / N 4 of controller 60d 3 and disturbance observer, and similar to the above (D) In the case of an ideal design (Ld = 0, Lx2 = 0), the following four conditions are considered: gain A 21 = Ld and no application of a disturbance observer. Similar to the above, the representative values summarized in FIG. 8 are used as the parameter values.

(a)従来設計及び(b)外乱のみ考慮した設計の場合、時刻t=0.1secにおける目標位置Rxのステップ状の立ち上がりに対して、振幅約0.8μradのオーバーシュートが発生し、これに続いて約0.3secの間リギングが現れて、時刻t≧0.4secにおいて追従誤差がほぼ減衰する。これに対して、(c)最適設計の場合、(d)理想設計の場合と同様に、追従誤差はほとんど発生しない。従って、駆動力Fxに由来する傾斜θyへの推力干渉が相殺されている。   In the case of (a) the conventional design and (b) the design considering only the disturbance, an overshoot with an amplitude of about 0.8 μrad occurs with respect to the stepped rise of the target position Rx at time t = 0.1 sec. Subsequently, rigging appears for about 0.3 sec, and the tracking error is substantially attenuated at time t ≧ 0.4 sec. On the other hand, in the case of (c) optimal design, almost no tracking error occurs as in the case of (d) ideal design. Therefore, the thrust interference to the inclination θy derived from the driving force Fx is cancelled.

図13(B)には、フィードバック制御系の設計条件に対して、移動ステージ31に駆動力Fxと独立に並進方向に矩形パルス状の外乱(振幅0.05N,パルス幅30msec)を加えた場合における傾斜θyの制御誤差(追従誤差)の時間推移(シミュレーション結果)が示されている。ここで、フィードバック制御系の設計条件として、上の4つの条件を考える。   FIG. 13B shows a case where a rectangular pulse disturbance (amplitude 0.05 N, pulse width 30 msec) is applied to the moving stage 31 in the translation direction independently of the driving force Fx, in accordance with the design conditions of the feedback control system. The time transition (simulation result) of the control error (following error) of the inclination θy at is shown. Here, the above four conditions are considered as design conditions for the feedback control system.

(a)従来設計の場合、時刻t=0.1secにおける外乱の矩形パルスの立ち上がりに対して、振幅約0.8μradのオーバーシュートが発生し、これに続いて約0.3secの間リギングが現れて、時刻t≧0.4secにおいて追従誤差がほぼ減衰する。これに対して、(b)外乱のみ考慮した設計及び(c)最適設計の場合、(d)理想設計の場合と同様に、追従誤差はほとんど発生しない。従って、外乱に由来する傾斜θyへの推力干渉も相殺されている。   (A) In the case of the conventional design, an overshoot with an amplitude of about 0.8 μrad occurs with respect to the rising edge of the disturbance rectangular pulse at time t = 0.1 sec, followed by rigging for about 0.3 sec. Thus, the tracking error substantially attenuates at time t ≧ 0.4 sec. On the other hand, in the case of (b) the design considering only the disturbance and (c) the optimum design, the tracking error hardly occurs as in the case of (d) the ideal design. Therefore, thrust interference to the inclination θy resulting from disturbance is also canceled out.

上述の構成のフィードバック制御系、特に推力分配器60d(図12参照)を適用することで、移動ステージ31の設計条件が理想設計(Ld=0,Lx2=0)と異なる場合においても、駆動力Fx(外乱を含む)から傾斜θyへの推力干渉が相殺され、移動ステージ31の非干渉化制御ができることが実証された。   By applying the feedback control system configured as described above, particularly the thrust distributor 60d (see FIG. 12), even when the design conditions of the moving stage 31 are different from the ideal design (Ld = 0, Lx2 = 0), the driving force It has been proved that thrust interference from Fx (including disturbance) to the tilt θy is canceled, and that the moving stage 31 can be controlled to be non-interfering.

移動ステージ31の最適設計(駆動点及び揺動軸の位置の最適化)について説明する。なお、非干渉化制御の解析に用いたステージと、これから説明する最適設計の解析に用いるステージは、機構の大きさが著しく異なるため、数値を直接対応させることはできない。   The optimum design of the moving stage 31 (optimization of the driving point and the position of the swing shaft) will be described. It should be noted that the stage used for the non-interacting control analysis and the stage used for the optimal design analysis to be described below are remarkably different in the size of the mechanism, and the numerical values cannot be directly associated with each other.

本実施形態の基板貼合装置100では、固定ステージ21が保持する基板1と移動ステージ31が保持する基板2を貼り合わせるために移動ステージ31を駆動して固定ステージ21に接触する。そのため、基板1,2を位置合わせするために移動ステージ31を固定ステージ21と独立に駆動する場合と、基板1,2を貼り合わせるために移動ステージ31を固定ステージ21に接触する場合とで、移動ステージ31の重心が変位する。従って、移動ステージ31の駆動点及び揺動軸(傾斜方向への回転中心)を重心に合わせる従来の経験的な最適設計は基板貼合装置100に対しては適当でないと考えられる。そこで、本実施形態の基板貼合装置100では、むしろ、基板の貼り合わせ時に発生する共振(共振振舞い)が小さくなり、フィードバック制御の高帯域化が可能となるように駆動点及び揺動軸の位置を最適化する。   In the substrate bonding apparatus 100 of the present embodiment, the moving stage 31 is driven to contact the fixed stage 21 in order to bond the substrate 1 held by the fixed stage 21 and the substrate 2 held by the moving stage 31. Therefore, when the movable stage 31 is driven independently of the fixed stage 21 to align the substrates 1 and 2, and when the movable stage 31 contacts the fixed stage 21 to bond the substrates 1 and 2, The center of gravity of the moving stage 31 is displaced. Accordingly, it is considered that the conventional empirical optimum design that matches the driving point and the swing axis (rotation center in the tilt direction) of the moving stage 31 with the center of gravity is not appropriate for the substrate bonding apparatus 100. Therefore, in the substrate bonding apparatus 100 of the present embodiment, rather, the resonance (resonance behavior) that occurs at the time of substrate bonding is reduced, and the drive point and the swing shaft are set so that a higher bandwidth of feedback control is possible. Optimize position.

従来のフィードバック制御系において、制御部60は、干渉計41,42の計測結果(固定ステージ21に対する移動ステージ31の並進方向(X,Y)及び傾斜(θx,θy)に関する相対位置の計測結果)に従って移動ステージ駆動部32を制御し、並進方向の駆動力(Fx,Fy)及び揺動トルク(Tx,Ty)を発生することで移動ステージ31を駆動して、移動ステージ31が保持する基板2を固定ステージ21に保持される基板1に圧接する。   In the conventional feedback control system, the control unit 60 measures the interferometers 41 and 42 (measurement results of the relative positions of the movable stage 31 with respect to the translation stage (X, Y) and tilt (θx, θy) with respect to the fixed stage 21). The substrate 2 held by the moving stage 31 is controlled by driving the moving stage 31 by controlling the moving stage driving unit 32 and generating the driving force (Fx, Fy) and the swinging torque (Tx, Ty) in the translation direction. Is pressed against the substrate 1 held on the fixed stage 21.

図14(A)及び図14(B)には、従来のフィードバック制御系においてそれぞれ加圧力5N及び20Nで2つの基板(I社製)を圧接した場合の補感度関数T(s)(振幅(ゲイン)|T(s)|及び位相arg(T(s)))の周波数応答特性が示されている。ここで、s=jω=j2πf、j=√(−1)、fは周波数である。なお、実線は実測結果、破線は先述の数理モデル(図6)を用いて再現された結果を示す。数理モデルを用いた再現では、数理モデルを用いて導出される補感度関数(或いは伝達関数)が実測結果を再現するように最小自乗法等を用いて各種パラメータの値を決定することで再現される。   14 (A) and 14 (B) show complementary sensitivity functions T (s) (amplitude (in the case where two substrates (manufactured by company I) are pressed into contact with each other with a pressure of 5 N and 20 N, respectively) in a conventional feedback control system. The frequency response characteristics of gain) | T (s) | and phase arg (T (s))) are shown. Here, s = jω = j2πf, j = √ (−1), and f is a frequency. The solid line represents the actual measurement result, and the broken line represents the result reproduced using the mathematical model described above (FIG. 6). In the reproduction using the mathematical model, the complementary sensitivity function (or transfer function) derived using the mathematical model is reproduced by determining the values of various parameters using the least square method so that the actual measurement result is reproduced. The

補感度関数T(s)は複雑な振舞いを示す。いずれの加圧力においても、20Hz、120Hz、及び130〜150Hz近傍にそれぞれ共振が現れている。(また、60Hz近傍に反共振が現れている。)これらのうち20Hz近傍に現れている共振は、2つの基板の加圧力によらずほぼ同様の振舞いを示している。従って、この共振は、固定ステージ21を支持する2つの支持部材22のばね特性に由来するものであると考えられる。120Hz近傍に現れている共振は、本実施形態におけるフィードバック制御において特に重要でないためここでは考えないこととする。130〜150Hz近傍に現れている共振(1次共振と呼ぶ)は、2つの基板の加圧力に対してその位置がシフトしていることが確認できる。従って、この共振は、2つの基板の接合に由来するものであると考えられる。より詳細には、固定ステージ21を支持する2つの支持部材22のZ軸方向の振動に関するばね特性(ばね要素の剛性k0z及びばね要素の粘性C0z)と基板1,2の接合面間に作用するばね特性(摩擦剛性kwx及び摩擦粘性Cwx)とによる連成振動に由来する。   The complementary sensitivity function T (s) exhibits a complicated behavior. At any applied pressure, resonance appears in the vicinity of 20 Hz, 120 Hz, and 130 to 150 Hz. (An anti-resonance appears in the vicinity of 60 Hz.) Of these, the resonance that appears in the vicinity of 20 Hz shows almost the same behavior regardless of the pressure applied to the two substrates. Therefore, it is considered that this resonance is derived from the spring characteristics of the two support members 22 that support the fixed stage 21. The resonance appearing in the vicinity of 120 Hz is not particularly considered in the feedback control in the present embodiment, and is not considered here. It can be confirmed that the position of resonance (referred to as primary resonance) appearing in the vicinity of 130 to 150 Hz is shifted with respect to the applied pressure of the two substrates. Therefore, this resonance is considered to originate from the joining of two substrates. More specifically, the spring characteristic (vibration k0z of the spring element and the viscosity C0z of the spring element) relating to the vibration in the Z-axis direction of the two support members 22 that support the fixed stage 21 acts between the joint surfaces of the substrates 1 and 2. This is due to the coupled vibration due to the spring characteristics (friction rigidity kwx and friction viscosity Cwx).

なお、2つの支持部材22のX軸方向の振動に関するばね特性(ばね要素の剛性k0x及びばね要素の粘性C0x)と基板1,2の接合面間に作用するばね特性(摩擦剛性kwx及び摩擦粘性Cwx)とによる連成振動に由来する共振(2次共振と呼ぶ)が高周波数帯域(2000Hz近傍)に現れている。しかし、ばね要素の剛性k0zに対してばね要素の剛性k0xは大きいため、2次共振が現れる周波数帯域は十分に高く、また振舞いの程度も図14(A)及び図14(B)のゲイン線図において確認できない程度に小さい。従って、ここでは主に上述の連成振動に由来する1次共振を考える。   It should be noted that spring characteristics (spring element stiffness k0x and spring element viscosity C0x) related to vibration in the X-axis direction of the two support members 22 and spring characteristics (friction stiffness kwx and friction viscosity) acting between the joining surfaces of the substrates 1 and 2. Resonance (referred to as secondary resonance) derived from coupled vibration with Cwx) appears in the high frequency band (near 2000 Hz). However, since the stiffness k0x of the spring element is larger than the stiffness k0z of the spring element, the frequency band in which the secondary resonance appears is sufficiently high, and the degree of behavior is the gain line in FIGS. 14 (A) and 14 (B). It is so small that it cannot be confirmed in the figure. Therefore, here, primary resonance derived mainly from the above-described coupled vibration is considered.

なお、数理モデルを用いて、図14(A)及び図14(B)にそれぞれ示される加圧力5N及び20Nで2つの基板を圧接した場合の補感度関数を再現することで、基板1,2間に作用する摩擦剛性kwx及び摩擦粘性Cwxが、それぞれ、kwx=4×10,Cwx=4500及びkwx=5×10,Cwx=5500と求められる。2つの基板に加える圧力により、数理モデルのパラメータ(摩擦剛性kwx及び摩擦粘性Cwx)が変動することがわかる。 By using the mathematical model, the complementary sensitivity function when the two substrates are pressed against each other with the applied pressures 5N and 20N shown in FIGS. 14 (A) and 14 (B) is reproduced. The friction stiffness kwx and the friction viscosity Cwx acting in between are obtained as kwx = 4 × 10 7 , Cwx = 4500, kwx = 5 × 10 7 , and Cwx = 5500, respectively. It can be seen that the mathematical model parameters (friction stiffness kwx and friction viscosity Cwx) vary depending on the pressure applied to the two substrates.

図15(A)〜図15(C)には、それぞれ異なる基板(その1〜その3)の貼り合わせに対して、先述の数理モデル(図6)を用いて再現された移動ステージ31の入出力応答を表現する伝達関数(振幅及び位相)の周波数応答特性が示されている。なお、実線は加圧力5N、破線は加圧力20Nで2つの基板を圧接した場合の特性を示す。   15A to 15C, the moving stage 31 reproduced using the mathematical model (FIG. 6) described above for the bonding of different substrates (part 1 to part 3) is shown. A frequency response characteristic of a transfer function (amplitude and phase) expressing the output response is shown. The solid line indicates the characteristics when the two substrates are pressed against each other with the applied pressure of 5N and the broken line with the applied pressure of 20N.

数理モデルを用いることにより、伝達関数の周波数応答特性において、20Hz近傍に現れる支持部材22のばね特性に由来する共振と、60〜90Hzに現れる反共振と、130〜150Hz近傍に現れる2つの基板の接合に由来する共振と、が再現されている。伝達関数は、20Hz以下の周波数帯域において振幅及び位相を一定に保ち、20Hz近傍において共振により振幅を急激に増加そして減少するとともに位相を180度に減少し、60〜90Hzにおいて反共振により振幅を急激に減少そして増加するとともに位相を180度に増加し、さらに130〜150Hz近傍において共振により振幅を急激に増加そして減少するとともに位相を180度に減少する。これらは、ゲイン線図及び位相線図において、それぞれ、連続する山と谷と山の形及び谷と山の形を示す。すなわち、伝達関数は、剛体モードに対して同相の共振モードを示す。   By using the mathematical model, in the frequency response characteristics of the transfer function, the resonance derived from the spring characteristic of the support member 22 that appears in the vicinity of 20 Hz, the anti-resonance that appears in the range of 60 to 90 Hz, and the two substrates that appear in the vicinity of 130 to 150 Hz. The resonance derived from the junction is reproduced. The transfer function keeps the amplitude and phase constant in a frequency band of 20 Hz or less, rapidly increases and decreases the amplitude due to resonance in the vicinity of 20 Hz and decreases the phase to 180 degrees, and rapidly increases the amplitude due to anti-resonance at 60 to 90 Hz. As the frequency decreases and increases, the phase is increased to 180 degrees, and further, the amplitude is rapidly increased and decreased by resonance near 130 to 150 Hz, and the phase is decreased to 180 degrees. These indicate continuous peaks, valleys, and mountain shapes and valleys and peaks in the gain diagram and the phase diagram, respectively. That is, the transfer function exhibits a resonance mode in phase with the rigid body mode.

20Hz近傍に現れる共振は、貼り合わせる基板の種類及び加圧力に対して、ほぼ同様の振舞いを示している。これに対して、130〜150Hz近傍に現れる共振は、貼り合わせる基板の種類(基板の材料、パターンの有無、その種類等による接合面の状態)及び圧接力(加圧力)等の接合状態に対して、多様な振舞いを示している。特に、その位置がシフトしている。従って、特に130〜150Hz近傍の共振は2つの基板の接合状態により異なる振舞いを示すため、移動ステージ31の精密且つ安定な制御において特に深刻な障害要因となり得ることが予想される。   The resonance that appears in the vicinity of 20 Hz shows almost the same behavior with respect to the type of substrate to be bonded and the applied pressure. On the other hand, the resonance that appears in the vicinity of 130 to 150 Hz is in response to the bonding state such as the type of substrate to be bonded (the material of the substrate, the presence or absence of a pattern, the state of the bonding surface depending on the type) and the pressure contact force (pressing force). Various behaviors. In particular, the position is shifted. Therefore, since resonance in the vicinity of 130 to 150 Hz shows different behavior depending on the bonding state of the two substrates, it can be expected that it can be a particularly serious obstacle to precise and stable control of the moving stage 31.

制御対象である貼り合わせ時の移動ステージ31(厳密には、移動ステージ31、固定ステージ21、及びそれらに保持される基板1,2の複合体)の入出力応答は、次のモード分解型の伝達関数を用いて表すことができる。   The input / output response of the moving stage 31 (strictly speaking, the moving stage 31, the fixed stage 21, and the composite of the substrates 1 and 2 held by them) at the time of bonding, which is a control target, is the following mode decomposition type It can be expressed using a transfer function.

右辺の第1及び第2項は剛体特性、第3及び第4項はそれぞれ1次及び2次共振を表現する。ただし、第3及び第4項において、係数C,Eはほぼゼロであるため、係数(モード影響定数と呼ぶ)D,Fのみを考えることとなる。モード影響定数D,Fが正(すなわち剛体特性に対して共振が同相)であり、且つ絶対値が小さい場合、共振振舞いは無視できる程に小さくなり、フィードバック制御の高帯域化が可能となる。 The first and second terms on the right side represent rigid body characteristics, and the third and fourth terms represent primary and secondary resonances, respectively. However, in the third and fourth terms, since the coefficients C and E are almost zero, only the coefficients (referred to as mode influence constants) D and F are considered. When the mode influence constants D and F are positive (that is, the resonance is in phase with respect to the rigid body characteristics) and the absolute value is small, the resonance behavior becomes negligibly small, and the bandwidth of the feedback control can be increased.

そこで、先述の数理モデルを用いて、移動ステージ31の入出力応答を算出し、駆動点及び揺動軸の位置(重心からのずれLd,Lx2)に対してモード影響定数D,Fを求め、それらが十分小さい正の値になるようにLd,Lx2を最適化する。ただし、基板貼合装置100の装置構成上、制約条件Ld≧0.04及びLx2≧0の下でそれらを最適化する。   Therefore, the input / output response of the moving stage 31 is calculated using the mathematical model described above, and the mode influence constants D and F are obtained with respect to the positions of the drive point and the swing axis (deviations Ld and Lx2 from the center of gravity). Ld and Lx2 are optimized so that they become sufficiently small positive values. However, on the apparatus structure of the board | substrate bonding apparatus 100, they are optimized under restrictions Ld> = 0.04 and Lx2> = 0.

図16(A)には、駆動点の重心からのずれLdを従来設計(Ld=0.0462m(図8の併記した数値を参照))とし、揺動軸の重心からのずれLx2に対する貼り合わせ時の移動ステージの入出力応答におけるモード影響定数D,Fの変化が示されている。モード影響定数Dは、従来設計(Ld=0.0462,Lx2=0.103)に対して約0.006と、正ではあるが大きな値を示す。そのため、図14(A)及び図14(B)に示される補感度関数T(s)の周波数特性において1次共振が特異な振舞いを示す。従って、定数Dがこの値よりも十分に小さい値を示すように揺動軸のずれLx2を最適化する必要がある。   In FIG. 16A, the deviation Ld from the center of gravity of the driving point is a conventional design (Ld = 0.0462 m (see the numerical value shown in FIG. 8)), and the bonding to the deviation Lx2 from the center of gravity of the swing shaft is performed. The change of the mode influence constants D and F in the input / output response of the moving stage at the time is shown. The mode influence constant D is about 0.006 with respect to the conventional design (Ld = 0.0462, Lx2 = 0.103), which is a positive but large value. For this reason, the primary resonance exhibits a unique behavior in the frequency characteristics of the complementary sensitivity function T (s) shown in FIGS. 14 (A) and 14 (B). Therefore, it is necessary to optimize the oscillation axis deviation Lx2 so that the constant D shows a value sufficiently smaller than this value.

モード影響定数Dは、揺動軸のずれLx2に対してピーク構造を示す。すなわち、Lx2=0付近で最大値を取り、Lx2の減少及び増加に対してその値を減少する。ここで、定数Dは、Lx2=−0.246及び0.6にてほぼゼロ値を取る。一方、モード影響定数Fは、Lx2=−0.2〜0.6の範囲において十分に小さい。従って、制約条件(Lx2≧0)より、揺動軸のずれLx2の最適解(第1の最適解)としてLx2=0.6(Ld=0.0462)が得られる。   The mode influence constant D shows a peak structure with respect to the oscillation axis deviation Lx2. That is, the maximum value is taken in the vicinity of Lx2 = 0, and the value is decreased as Lx2 decreases and increases. Here, the constant D takes a substantially zero value at Lx2 = −0.246 and 0.6. On the other hand, the mode influence constant F is sufficiently small in the range of Lx2 = −0.2 to 0.6. Therefore, Lx2 = 0.6 (Ld = 0.0462) is obtained as the optimum solution (first optimum solution) of the swing axis deviation Lx2 from the constraint condition (Lx2 ≧ 0).

図16(B)には、揺動軸の重心からのずれLx2を従来設計(Lx2=0.103m(図8の併記した数値を参照))とし、駆動点の重心からのずれLdに対するモード影響定数D,Fの変化が示されている。モード影響定数Dが、従来設計(Ld=0.0462m,Lx2=0.103)に対する値(約0.006)よりも十分に小さい値を示すように駆動点のずれLdを最適化する必要がある。モード影響定数Dは、駆動点のずれLdに対して単調に減少する。ここで、定数Dは、Ld=0.257にてほぼゼロ値を取る。一方、モード影響定数Fは、Ld=−0.1〜0.4の範囲において十分に小さい。従って、制約条件(Ld≧0.04)より、駆動点のずれLdの最適解(第2の最適解)としてLd=0.257(Lx2=0.103)が得られる。   In FIG. 16B, the deviation Lx2 from the center of gravity of the swing axis is a conventional design (Lx2 = 0.103 m (see the numerical value shown in FIG. 8)), and the mode influence on the deviation Ld from the center of gravity of the drive point. Changes in the constants D and F are shown. It is necessary to optimize the drive point deviation Ld so that the mode influence constant D shows a value sufficiently smaller than the value (about 0.006) with respect to the conventional design (Ld = 0.0462 m, Lx2 = 0.103). is there. The mode influence constant D decreases monotonously with respect to the drive point shift Ld. Here, the constant D takes a substantially zero value at Ld = 0.257. On the other hand, the mode influence constant F is sufficiently small in the range of Ld = −0.1 to 0.4. Therefore, Ld = 0.257 (Lx2 = 0.103) is obtained as the optimum solution (second optimum solution) of the drive point deviation Ld from the constraint condition (Ld ≧ 0.04).

このように、駆動点のずれLdを最適化して、従来設計の値に対して大きくする、すなわち駆動点の位置を重心から離すことにより共振振舞いを抑えることができる。しかし、移動ステージ31の非干渉化制御において、駆動点のずれLdを大きくすることは好ましくない。むしろ、揺動軸のずれLx2についてより小さい最適値が得られるように駆動点のずれLdを最適化することが望ましい。そこで、次のように、駆動点及び揺動軸のずれLd,Lx2の両方を最適化する。   In this way, the resonance behavior can be suppressed by optimizing the drive point deviation Ld and increasing it relative to the value of the conventional design, that is, by moving the position of the drive point away from the center of gravity. However, it is not preferable to increase the drive point deviation Ld in the non-interference control of the moving stage 31. Rather, it is desirable to optimize the drive point deviation Ld so that a smaller optimum value is obtained for the oscillation axis deviation Lx2. Therefore, both the drive point and the swing axis deviations Ld and Lx2 are optimized as follows.

図16(C)には、駆動点及び揺動軸の重心からのずれLd,Lx2に対するモード影響定数D,Fの変化が示されている。まず、揺動軸のずれLx2=−0.3及び−0.1に対して、モード影響定数Dがゼロ値を取る駆動点のずれLdの最適解は存在しない。次に、Lx2=0.1に対して、Ld≒0.26にて定数Dがゼロ値を取る。しかし、この条件は、上述の第2の解にほぼ等しいので別の解を探すこととする。次に、Lx2=0.3に対して、Ld=0.105にて定数Dがゼロ値を取る。この条件は、揺動軸のずれLx2について、第1の解(Lx2=0.6)より小さい値の最適値を与える。最後に、Lx2=0.5及び0.6に対して、Ld≒0.05にて定数Dがゼロ値を取る。しかし、この条件は、上述の第1の解にほぼ等しいので、新たな最適解として採用できない。一方、モード影響定数Fは、Ld=−0.1〜0.4の範囲において十分に小さい。従って、第3の最適解として、Ld=0.105、Lx2=0.3が得られる。   FIG. 16C shows changes in the mode influence constants D and F with respect to the deviations Ld and Lx2 from the center of gravity of the drive point and the swing axis. First, there is no optimal solution for the driving point deviation Ld where the mode influence constant D takes a zero value for the oscillation axis deviation Lx2 = −0.3 and −0.1. Next, with respect to Lx2 = 0.1, the constant D takes a zero value at Ld≈0.26. However, since this condition is almost equal to the above-mentioned second solution, another solution is searched for. Next, for Lx2 = 0.3, the constant D takes a zero value at Ld = 0.105. This condition gives an optimum value smaller than the first solution (Lx2 = 0.6) for the oscillation axis deviation Lx2. Finally, for Lx2 = 0.5 and 0.6, the constant D takes a zero value when Ld≈0.05. However, this condition is almost equal to the above-mentioned first solution, and cannot be adopted as a new optimum solution. On the other hand, the mode influence constant F is sufficiently small in the range of Ld = −0.1 to 0.4. Therefore, Ld = 0.105 and Lx2 = 0.3 are obtained as the third optimum solution.

図17(A)〜図17(C)には、それぞれ第1〜第3の最適解に対し基板その3を加圧力20N(第3の最適解に対してのみ5N)で圧接した場合について、数理モデル(図6)を用いて再現された移動ステージ31の入出力応答を表現する伝達関数(振幅及び位相)の周波数応答特性(破線)が示されている。比較のため、従来設計(Ld=0.0462,Lx2=0.103)に対する伝搬関数(実線)があわせて示されている。   FIGS. 17A to 17C show the case where the substrate 3 is pressed against the first to third optimum solutions with a pressure of 20 N (5 N only for the third optimum solution), respectively. A frequency response characteristic (broken line) of a transfer function (amplitude and phase) representing the input / output response of the moving stage 31 reproduced using a mathematical model (FIG. 6) is shown. For comparison, the propagation function (solid line) for the conventional design (Ld = 0.462, Lx2 = 0.103) is also shown.

第1の最適解Lx2=0.6(Ld=0.0462)に対し(図17(A)参照)、60〜90Hzに現れる反共振とともに130〜150Hz近傍に現れる1次共振がボード線図において確認できない程度にまで、2000Hz付近に現れる2次共振も無視できる程度に抑制されている。また、低周波数帯域において、ゲインが約40dB増加している。なお、従来設計において20Hz近傍に現れる支持部材22のばね特性に由来する共振が6Hz付近にその位置をシフトしている。   For the first optimum solution Lx2 = 0.6 (Ld = 0.0462) (see FIG. 17A), the primary resonance appearing in the vicinity of 130-150 Hz together with the anti-resonance appearing at 60-90 Hz is shown in the Bode diagram. To the extent that it cannot be confirmed, the secondary resonance that appears in the vicinity of 2000 Hz is also suppressed to a negligible level. Further, the gain increases by about 40 dB in the low frequency band. In the conventional design, the resonance derived from the spring characteristics of the support member 22 that appears in the vicinity of 20 Hz shifts its position in the vicinity of 6 Hz.

第2の最適解Ld=0.257(Lx2=0.103)に対し(図17(B)参照)、1次及び2次共振が無視できる程度に抑制されている。反共振は確認できない程度にまで抑制されている。   In contrast to the second optimum solution Ld = 0.257 (Lx2 = 0.103) (see FIG. 17B), the primary and secondary resonances are suppressed to such an extent that they can be ignored. Anti-resonance is suppressed to such an extent that it cannot be confirmed.

第3の最適解Ld=0.105、Lx2=0.3に対し(図17(C)参照)、第1の最適解と同様に、反共振とともに1次共振が確認できない程度にまで、2次共振も無視できる程度に抑制されている。また、低周波数帯域において、ゲインが約20dB増加している。なお、支持部材22のばね特性に由来する共振が10Hz付近にその位置をシフトしている。   For the third optimum solution Ld = 0.105 and Lx2 = 0.3 (see FIG. 17C), as in the case of the first optimum solution, 2 to the extent that primary resonance and anti-resonance cannot be confirmed. The secondary resonance is also suppressed to a negligible level. Further, the gain is increased by about 20 dB in the low frequency band. Note that the resonance derived from the spring characteristics of the support member 22 has shifted its position to around 10 Hz.

いずれの最適解に対しても、1次共振が十分に抑制されている。   The primary resonance is sufficiently suppressed for any optimum solution.

図18(A)〜図18(C)には、比較のため、従来設計(Ld=0.0462,Lx2=0.103)における3つの基板(その1〜その3(図15参照))の貼り合わせに対するナイキスト線図が示されている。なお、実線は加圧力5N、破線は加圧力20Nで2つの基板を圧接した場合の特性を示す。いずれの条件(基板及び加圧力)に対しても、ナイキスト軌跡は共振に由来する2つのループを含んでいる。その1つは、図中にその一部のみを現し、いずれの条件についても、点(1,1)、点(0,0)、及び点(0,−1)の近傍を通り、ほぼ同じ軌跡を辿っていることから、20Hz近傍に現れる支持部材22のばね特性に由来する共振によるものと判別される。もう1つは、図中右下に現れ、特に加圧力によりそのループの大きさが著しく異なることから、2つの基板の接合に由来する共振(1次共振)によるものと判別される。   18A to 18C, for comparison, three substrates (No. 1 to No. 3 (see FIG. 15)) in the conventional design (Ld = 0.462, Lx2 = 0.103) are shown. A Nyquist diagram for the bonding is shown. The solid line indicates the characteristics when the two substrates are pressed against each other with the applied pressure of 5N and the broken line with the applied pressure of 20N. For any condition (substrate and applied pressure), the Nyquist locus includes two loops derived from resonance. One of them shows only a part of it in the figure, and it passes through the vicinity of the point (1, 1), the point (0, 0), and the point (0, -1) for each condition. Since the trajectory is traced, it is determined that the resonance is caused by the spring characteristic of the support member 22 that appears in the vicinity of 20 Hz. The other appears at the lower right in the figure, and since the size of the loop is particularly different depending on the applied pressure, it is determined that the resonance is due to the resonance (primary resonance) derived from the joining of the two substrates.

いずれの条件に対しても、ナイキスト軌跡は点(−1,0)を囲まず、その右側を通過しているため、ナイキストの安定条件を満たしている。しかし、ナイキスト軌跡は、条件(圧接力及び基板の種類)により2つの基板の接合に由来する共振によるループの大きさが著しく変わり、特に基板その1又はその3については点(−1,0)から0.5の距離まで接近する。なお、図18(A)その他の図において、安定度の指標として点(−1,0)を中心とする半径0.5の円が描かれている。従って、従来型の制御系は安定ではあるもののその程度は低いと評価される。   For any of the conditions, the Nyquist trajectory does not surround the point (−1, 0) and passes through the right side thereof, and therefore satisfies the Nyquist stability condition. However, in the Nyquist trajectory, the size of a loop due to resonance originating from the joining of two substrates varies significantly depending on conditions (pressure contact force and substrate type), and the point (-1, 0) particularly for substrate 1 or 3 thereof. To a distance of 0.5. In FIG. 18A and other figures, a circle with a radius of 0.5 centered on the point (−1, 0) is drawn as an index of stability. Therefore, although the conventional control system is stable, it is evaluated that its degree is low.

図19(A)〜図19(C)には、第1の最適解における3つの基板(その1〜その3(図15参照))の貼り合わせに対するナイキスト線図が示されている。図19(A)〜図19(C)において、加圧力5N,20Nに対するナイキスト軌跡はほとんど重なっている。いずれの条件(基板及び加圧力)に対しても、ナイキスト軌跡は点(−1,0)を囲まず、その右側を通過しているため、ナイキストの安定条件を満たしている。また、いずれの条件においても、1次共振によるループが現れず、ナイキスト軌跡は点(−1,0)から十分に離れてその右側を通過している。なお、揺動軸が重心から大きくずれたことで慣性モーメントが大きくなり、共振周波数が下がったため、図19(A)〜図19(C)の表示範囲には支持部材22のばね特性に由来する共振による大きなループは現れない(表示範囲外に現れる)。   FIGS. 19A to 19C show Nyquist diagrams for bonding of three substrates (part 1 to part 3 (see FIG. 15)) in the first optimum solution. 19A to 19C, the Nyquist trajectories for the pressurizing forces 5N and 20N almost overlap each other. For any condition (substrate and pressure), the Nyquist locus does not surround the point (−1, 0) and passes through the right side thereof, and thus satisfies the Nyquist stability condition. In any condition, a loop due to the primary resonance does not appear, and the Nyquist locus is sufficiently away from the point (−1, 0) and passes on the right side. In addition, since the moment of inertia is increased and the resonance frequency is decreased due to a large shift of the swing axis from the center of gravity, the display range of FIGS. 19A to 19C is derived from the spring characteristics of the support member 22. Large loops due to resonance do not appear (appear outside the display range).

図20(A)〜図20(C)には、第2の最適解における3つの基板(その1〜その3(図15参照))の貼り合わせに対するナイキスト線図が示されている。図20(A)〜図20(C)において、加圧力5N,20Nに対するナイキスト軌跡はほとんど重なっている。いずれの条件(基板及び加圧力)に対しても、ナイキスト軌跡は点(−1,0)を囲まず、その右側を通過しているため、ナイキストの安定条件を満たしている。また、いずれの条件においても、1次共振によるループが現れず、ナイキスト軌跡は点(−1,0)から十分に離れてその右側を通過している。   20A to 20C show Nyquist diagrams for the bonding of three substrates (part 1 to part 3 (see FIG. 15)) in the second optimum solution. 20A to 20C, the Nyquist trajectories for the pressurizing forces 5N and 20N almost overlap each other. For any condition (substrate and pressure), the Nyquist locus does not surround the point (−1, 0) and passes through the right side thereof, and thus satisfies the Nyquist stability condition. In any condition, a loop due to the primary resonance does not appear, and the Nyquist locus is sufficiently away from the point (−1, 0) and passes on the right side.

図21(A)〜図21(C)には、第3の最適解における3つの基板(その1〜その3(図15参照))の貼り合わせに対するナイキスト線図が示されている。図21(A)〜図21(C)において、加圧力5N,20Nに対するナイキスト軌跡はほとんど重なっている。第1の最適解に対するナイキスト線図(図19(A)〜図19(C)参照)と同様に、いずれの条件(基板及び加圧力)に対しても、ナイキスト軌跡は点(−1,0)を囲まず、その右側を通過しているため、ナイキストの安定条件を満たしている。また、いずれの条件においても、1次共振によるループが現れず、ナイキスト軌跡は点(−1,0)から十分に離れてその右側を通過している。なお、揺動軸が重心から大きくずれたことで慣性モーメントが大きくなり、共振周波数が下がったため、図19(A)〜図19(C)の表示範囲には支持部材22のばね特性に由来する共振による大きなループは現れない(表示範囲外に現れる)。   FIGS. 21A to 21C show Nyquist diagrams for bonding of three substrates (No. 1 to No. 3 (see FIG. 15)) in the third optimum solution. In FIGS. 21A to 21C, the Nyquist trajectories for the pressurizing forces 5N and 20N almost overlap each other. Similar to the Nyquist diagram for the first optimal solution (see FIGS. 19A to 19C), the Nyquist trajectory is a point (−1, 0) for any condition (substrate and applied pressure). ) And it passes the right side of it, so it satisfies the Nyquist stability conditions. In any condition, a loop due to the primary resonance does not appear, and the Nyquist locus is sufficiently away from the point (−1, 0) and passes on the right side. In addition, since the moment of inertia is increased and the resonance frequency is decreased due to a large shift of the swing axis from the center of gravity, the display range of FIGS. 19A to 19C is derived from the spring characteristics of the support member 22. Large loops due to resonance do not appear (appear outside the display range).

いずれの最適解に対しても、1次共振が十分に抑制され、大きな余裕が得られた。そこで、ナイキスト軌跡が点(−1,0)から距離0.5の範囲に近接するまでフィードバック制御のゲインを上げる。   For any optimal solution, primary resonance was sufficiently suppressed, and a large margin was obtained. Therefore, the gain of feedback control is increased until the Nyquist trajectory approaches a range of distance 0.5 from the point (-1, 0).

図22(A)及び図22(B)には、それぞれ加圧力5N及び20Nによる基板(その3)の貼り合わせに対して、第1の最適解に対してフィードバック制御を適用した場合の補感度関数(振幅及び位相)の周波数応答特性(破線)が示されている。同様に、図23(A)及び図23(B)には第2の最適解に対して、図24(A)及び図24(B)には第3の最適解に対して、フィードバック制御を適用した場合の補感度関数(振幅及び位相)の周波数応答特性(破線)が示されている。なお、いずれにおいても、比較のため、従来設計(Ld=0.0462,Lx2=0.103)に対する補感度関数(振幅及び位相)の周波数応答特性(実線)があわせて示されている。   FIGS. 22A and 22B show complementary sensitivities when feedback control is applied to the first optimal solution for bonding substrates (part 3) with pressures of 5 N and 20 N, respectively. The frequency response characteristic (dashed line) of the function (amplitude and phase) is shown. Similarly, feedback control is performed for the second optimal solution in FIGS. 23A and 23B, and for the third optimal solution in FIGS. 24A and 24B. The frequency response characteristic (broken line) of the complementary sensitivity function (amplitude and phase) when applied is shown. In any case, for comparison, the frequency response characteristic (solid line) of the complementary sensitivity function (amplitude and phase) with respect to the conventional design (Ld = 0.0462, Lx2 = 0.103) is also shown.

移動ステージ31の最適設計(駆動点及び揺動軸の位置の最適化)により、いずれの最適解についても1次共振による特異な振舞いが抑制され、フィードバック制御のゲインが約20倍向上し、周波数帯域が25Hzから50乃至65Hzまで高帯域化している。   The optimal design of the moving stage 31 (optimization of the drive point and the position of the swing axis) suppresses the unique behavior due to the primary resonance in any optimal solution, and the feedback control gain is improved by about 20 times. The bandwidth is increased from 25 Hz to 50 to 65 Hz.

基板の貼り合わせ時における移動ステージ31の非干渉化制御について考えると、移動ステージ31は並進方向に駆動せず、一定の位置に位置決めするため(すなわち目標位置Rx=0)、図13(A)において考えた駆動力Fxに由来する傾斜θyへの推力干渉を考慮する必要はなく、図13(B)において考えた外乱に由来する傾斜θyへの推力干渉(条件(b)及び(c))のみ考慮すればよい。従って、図12の外乱オブザーバを適用したフィードバック制御系において、推力分配器60dにおける制御器60dのゲインA21=−N/N又はA21=Ldのいずれかを選択すればよい。なお、制御器60dのゲインA21において揺動軸のずれLx2を取り入れる必要はないため、上述の最適解のうち第1又は第3の最適解を採用することができる。 When considering the non-interference control of the moving stage 31 when the substrates are bonded together, the moving stage 31 is not driven in the translational direction but is positioned at a certain position (that is, the target position Rx = 0). It is not necessary to consider the thrust interference to the inclination θy derived from the driving force Fx considered in FIG. 13, and the thrust interference to the inclination θy derived from the disturbance considered in FIG. 13B (conditions (b) and (c)) Only need to be considered. Therefore, in the feedback control system to which the disturbance observer of FIG. 12 is applied, either the gain A 21 = −N 2 / N 4 or A 21 = Ld of the controller 60d 3 in the thrust distributor 60d may be selected. Since the gain A 21 of the controller 60d 3 need not incorporate shift Lx2 of the pivot axis, can be employed first or third optimal solution of the optimal solution of the above.

先述の固定ステージ21から独立した移動ステージ31の非干渉化制御では、図12の外乱オブザーバを適用したフィードバック制御系において、推力分配器60dにおける制御器60dのゲインA21=−N/Nを選択することとした。そこで、基板1,2を位置合わせするために移動ステージ31を固定ステージ21と独立に駆動する場合には制御器60dのゲインA21=−N/N、基板1,2を貼り合わせるために移動ステージ31を固定ステージ21に接触する場合にはゲインA21=Ldと切り替えることとする。これにより、移動ステージ31を固定ステージ21と独立に駆動する際と、固定ステージ21に接触する移動ステージ31を駆動する際と、のいずれにおいても高精度なフィードバック制御が可能となる。 In the decoupling control of the moving stage 31 independent of the fixed stage 21 described above, in the feedback control system to which the disturbance observer of FIG. 12 is applied, the gain A 21 = −N 2 / N of the controller 60d 3 in the thrust distributor 60d. 4 was selected. Therefore, when the movable stage 31 is driven independently of the fixed stage 21 in order to align the substrates 1 and 2, the gain A 21 = −N 2 / N 4 of the controller 60d 3 is bonded to the substrates 1 and 2. Therefore, when the moving stage 31 is brought into contact with the fixed stage 21, the gain A 21 is switched to Ld. Thereby, it is possible to perform highly accurate feedback control both when the movable stage 31 is driven independently of the fixed stage 21 and when the movable stage 31 contacting the fixed stage 21 is driven.

以上説明したように、本実施形態に係る基板貼合装置100における移動ステージ31のフィードバック制御によると、干渉計42を用いて移動ステージ31の並進方向の位置(第1制御量)X及び傾斜(第2制御量)θyを計測し、推力分配器60dにより、第1制御量Xの計測結果から求められる第1操作量Ux(並進方向の駆動力Fx)を用いて移動ステージ31を並進方向に駆動制御するとともに、第2制御量θyの計測結果から求められる第2操作量Uθyを第1操作量Uxを用いて補償し、補償された第2制御量Uθy’を用いて移動ステージ31をθy方向に駆動制御する。これにより、移動ステージ31の駆動点及び揺動軸がその重心からずれていること(Ld≠0,Lx2≠0)により並進方向の駆動力Fxを発生した際にθy方向に生じるトルクを相殺する揺動トルクが補償され、駆動力Fxから傾斜θyへの推力干渉(駆動力Fxと傾斜θyとのカップリング)が相殺される。従って、駆動点及び揺動軸が重心からずらして設計された移動ステージ31を高精度にフィードバック制御することが可能となる。 As described above, according to the feedback control of the moving stage 31 in the substrate bonding apparatus 100 according to the present embodiment, the position (first control amount) X and the tilt ( (Second control amount) θy is measured, and the moving stage 31 is moved in the translation direction by using the first operation amount Ux (the driving force Fx in the translation direction) obtained from the measurement result of the first control amount X by the thrust distributor 60d. While controlling the drive, the second operation amount U θy obtained from the measurement result of the second control amount θy is compensated using the first operation amount Ux, and the moving stage 31 is used using the compensated second control amount U θy ′. Is controlled in the θy direction. Thus, the torque generated in the θy direction when the driving force Fx in the translational direction is generated due to the drive point and the swing axis of the moving stage 31 being deviated from the center of gravity (Ld ≠ 0, Lx2 ≠ 0) is canceled. The swing torque is compensated, and thrust interference from the driving force Fx to the inclination θy (coupling between the driving force Fx and the inclination θy) is canceled out. Therefore, it is possible to feedback control the moving stage 31 designed with the drive point and the swing axis shifted from the center of gravity with high accuracy.

また、本実施形態に係る基板貼合装置100における移動ステージ31のフィードバック制御によると、移動ステージ31の並進方向の位置(第1制御量)Xの計測結果と第1操作量Uxと第2操作量Uθy(又はUθy’)とを用いて移動ステージ31に加わる並進方向の外乱を推定し、前記第1操作量Uxを用いて第2操作量Uθyを補償することで相殺する。これにより、外乱に由来する傾斜θyへの推力干渉も相殺され、移動ステージ31を高精度にフィードバック制御することが可能となる。 Further, according to the feedback control of the moving stage 31 in the substrate bonding apparatus 100 according to the present embodiment, the measurement result of the position (first control amount) X of the moving stage 31 in the translation direction, the first operation amount Ux, and the second operation. The disturbance in the translational direction applied to the moving stage 31 is estimated using the amount U θy (or U θy ′), and offset by compensating the second operation amount U θy using the first operation amount Ux. Thereby, thrust interference to the inclination θy resulting from disturbance is also canceled, and the moving stage 31 can be feedback-controlled with high accuracy.

また、本実施形態に係る基板貼合装置100によると、移動ステージ31の駆動点及び揺動軸の位置(重心からのずれLd,Lx2)を最適化することで、移動ステージ31が固定ステージ21に接触した際に示す共振振舞いが不可観測化される。これにより、移動ステージ31を精密且つ安定にフィードバック制御することが可能となり、2つの基板を精度良く位置合わせて貼り合わせることが可能になる。例えば、大直径のウエハを高精度、例えば100nmオーダーの精度で重ね合わせることが可能になり、ひいては実装面積効率の高い3次元積層型の半導体デバイスを効率良く製造することが可能になる。   Moreover, according to the board | substrate bonding apparatus 100 which concerns on this embodiment, the movement stage 31 is the fixed stage 21 by optimizing the drive point of the movement stage 31, and the position (shift | offset Ld, Lx2 from a gravity center) of a rocking | fluctuation shaft. The resonance behavior shown when touching is made unobservable. As a result, the moving stage 31 can be accurately and stably feedback controlled, and the two substrates can be aligned and bonded with high accuracy. For example, large-diameter wafers can be superposed with high accuracy, for example, on the order of 100 nm, and as a result, a three-dimensional stacked semiconductor device with high mounting area efficiency can be efficiently manufactured.

なお、本実施形態では、制御対象である固定ステージ21及び移動ステージ31の制御量として位置を選択したが、これに代えて速度、加速度等、位置に関連する計測量を制御量として選択しても良い。かかる場合、干渉計41,42の計測結果の1階差分または2階差分演算より、速度、加速度を算出して用いてもよい。あるいは、干渉計41,42と独立の速度計測器、加速度計測器等を設置し、それらを用いて速度、加速度等を計測することとする。   In this embodiment, the position is selected as the control amount of the fixed stage 21 and the movable stage 31 that are the control targets. Instead, the measurement amount related to the position, such as speed and acceleration, is selected as the control amount. Also good. In such a case, the speed and acceleration may be calculated and used from the first floor difference or second floor difference calculation of the measurement results of the interferometers 41 and 42. Alternatively, a speed measuring device, an acceleration measuring device, and the like independent from the interferometers 41 and 42 are installed, and speed, acceleration, and the like are measured using them.

1,2…基板、3,4…基板ホルダ、10…枠体、20(21,22,23)…固定ステージ装置(固定ステージ、支持部材、反射鏡)、30(31,32,33)…移動ステージ装置(移動ステージ、移動ステージ駆動部、反射鏡)、41,42…干渉計、51,52…顕微鏡、60(60d,60e)…制御部(推力分配器、外乱オブザーバ)、100…基板貼合装置。   1, 2 ... Substrate, 3, 4 ... Substrate holder, 10 ... Frame, 20 (21, 22, 23) ... Fixed stage device (fixed stage, support member, reflector), 30 (31, 32, 33) ... Moving stage device (moving stage, moving stage drive unit, reflecting mirror), 41, 42 ... interferometer, 51,52 ... microscope, 60 (60d, 60e) ... control unit (thrust distributor, disturbance observer), 100 ... substrate Bonding device.

Claims (14)

2つの基板を貼り合わせる基板貼り合わせ装置であって、
前記2つの基板の一方を保持する第1ステージと、
前記2つの基板の他方を前記一方の基板に対向して保持して移動するとともに、前記2つの基板を介して前記第1ステージに接触する第2ステージと、
前記第2ステージの並進方向の位置及び傾斜方向の位置にそれぞれ関連する第1及び第2制御量を計測し、該第1制御量の計測結果から求められる第1操作量を用いて前記第2ステージを並進方向に駆動制御するとともに、前記第2制御量の計測結果から求められる第2操作量を前記第1操作量を用いて補償し、補償された前記第2制御量を用いて前記第2ステージを傾斜方向に駆動制御する制御部と、
を備える基板貼り合わせ装置。
A substrate bonding apparatus for bonding two substrates,
A first stage for holding one of the two substrates;
A second stage that moves while holding the other of the two substrates opposite to the one substrate, and that contacts the first stage via the two substrates;
First and second control amounts related to the translational position and the tilting position of the second stage are measured, respectively, and the second operation amount is obtained using a first operation amount obtained from the measurement result of the first control amount. The stage is driven and controlled in the translation direction, and the second operation amount obtained from the measurement result of the second control amount is compensated by using the first operation amount, and the second operation amount is compensated by using the compensated second control amount. A control unit that drives and controls the two stages in the tilt direction;
A substrate bonding apparatus comprising:
前記制御部は、前記第1操作量を用いて前記第2操作量を補償することで、前記第1操作量を用いた駆動制御により前記第2ステージに加えられる並進方向の推力のうち前記傾斜方向への駆動に分配される推力を相殺する、請求項1に記載の基板貼り合わせ装置。   The control unit compensates the second operation amount using the first operation amount, so that the inclination of the translational direction thrust applied to the second stage by the drive control using the first operation amount is performed. The board | substrate bonding apparatus of Claim 1 which cancels the thrust distributed to the drive to a direction. 前記制御部は、前記第1制御量の計測結果と前記第1及び第2操作量とを用いて前記第2ステージに加わる並進方向の外乱を推定し、該外乱を前記第1操作量を用いて前記第2操作量を補償することで相殺する、請求項1又は2に記載の基板貼り合わせ装置。   The control unit estimates a translational disturbance applied to the second stage using the measurement result of the first control amount and the first and second operation amounts, and uses the first operation amount for the disturbance. The substrate bonding apparatus according to claim 1, wherein the second operation amount is compensated by canceling. 前記制御部は、前記第1ステージに接触する前記第2ステージを駆動制御する際と、前記第1ステージから独立に前記第2ステージを駆動制御する際とで、前記第2操作量の補償を切り換える、請求項1〜3のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置。   The control unit compensates for the second operation amount when driving and controlling the second stage in contact with the first stage and when driving and controlling the second stage independently of the first stage. The board | substrate bonding apparatus as described in any one of Claims 1-3 which switches. 前記制御部は、前記第1ステージに接触する前記第2ステージを駆動制御する際、前記第2ステージの並進方向への駆動点の重心からのずれを考慮して前記第2操作量を補償する、請求項4に記載の基板貼り合わせ装置。   The control unit compensates the second operation amount in consideration of a shift from the center of gravity of the drive point in the translation direction of the second stage when driving the second stage that contacts the first stage. The substrate bonding apparatus according to claim 4. 前記制御部は、前記第1ステージから独立に前記第2ステージを駆動制御する際、前記第2ステージの並進方向への駆動点の重心からのずれと前記第2ステージの傾斜方向への回転中心の重心からのずれとを考慮して前記第2操作量を補償する、請求項4に記載の基板貼り合わせ装置。   When the second stage is driven and controlled independently of the first stage, the control unit shifts the driving point from the center of gravity in the translation direction of the second stage and the center of rotation in the tilt direction of the second stage. The substrate bonding apparatus according to claim 4, wherein the second operation amount is compensated in consideration of a deviation from the center of gravity. 前記第2ステージの並進方向への駆動点の重心からのずれと傾斜方向への回転中心の重心からのずれとの少なくとも一方を最適化して、前記第1ステージと接触した際に前記第2ステージが示す共振振舞いを不可観測化する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置。   The second stage is optimized when at least one of a deviation from the center of gravity of the drive point in the translation direction of the second stage and a deviation from the center of gravity of the rotation center in the tilt direction is optimized and comes into contact with the first stage. The board | substrate bonding apparatus as described in any one of Claims 1-6 which makes non-observable the resonance behavior which shows. 2つの基板を貼り合わせる基板貼り合わせ方法であって、
第1ステージが保持する前記2つの基板の一方に対向して前記2つの基板の他方を保持して移動するとともに、前記2つの基板を介して前記第1ステージに接触する第2ステージの並進方向の位置及び傾斜方向の位置にそれぞれ関連する第1及び第2制御量を計測することと、
前記第1制御量の計測結果から求められる第1操作量を用いて前記第2ステージを並進方向に駆動制御するとともに、前記第2制御量の計測結果から求められる第2操作量を前記第1制御量の計測結果を用いて補償し、補償された前記第2制御量を用いて前記第2ステージを傾斜方向に駆動制御することと、
を含む基板貼り合わせ方法。
A substrate laminating method for laminating two substrates,
A translation direction of the second stage that moves while holding the other of the two substrates while facing the one of the two substrates held by the first stage and contacting the first stage via the two substrates Measuring the first and second control amounts respectively related to the position and the position in the inclination direction;
The second stage is driven and controlled in the translation direction using the first operation amount obtained from the measurement result of the first control amount, and the second operation amount obtained from the measurement result of the second control amount is set to the first operation amount. Compensating using the measurement result of the controlled variable, and driving the second stage in the tilt direction using the compensated second controlled variable;
A substrate bonding method including:
前記駆動制御することでは、前記第1制御量の計測結果を用いて前記第2操作量を補償することで、前記第1操作量を用いた駆動制御により前記第2ステージに加えられる並進方向の推力のうち前記傾斜方向への駆動に分配される推力を相殺する、請求項8に記載の基板貼り合わせ方法。   In the drive control, the second operation amount is compensated using the measurement result of the first control amount, so that the translational direction applied to the second stage by the drive control using the first operation amount is performed. The substrate bonding method according to claim 8, wherein the thrust distributed to the drive in the tilt direction is canceled out of the thrust. 前記駆動制御することでは、前記第1制御量の計測結果と前記第1及び第2操作量とを用いて前記第2ステージの並進方向への駆動に対する外乱を推定し、該外乱を前記第1制御量の計測結果を用いて前記第2操作量を補償することで相殺する、請求項8又は9に記載の基板貼り合わせ方法。   In the drive control, a disturbance to the drive in the translational direction of the second stage is estimated using the measurement result of the first control amount and the first and second manipulated variables, and the disturbance is converted into the first disturbance. The substrate bonding method according to claim 8 or 9, wherein the second operation amount is compensated by using a measurement result of a control amount to cancel. 前記駆動制御することでは、前記第1ステージに接触する前記第2ステージを駆動制御する際と、前記第1ステージから独立に前記第2ステージを駆動制御する際とで、前記第2操作量の補償を切り換える、請求項8〜10のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。   In the drive control, when the second stage that contacts the first stage is driven and controlled, and when the second stage is driven and controlled independently of the first stage, the second operation amount is reduced. The board | substrate bonding method as described in any one of Claims 8-10 which switches compensation. 前記駆動制御することでは、前記第1ステージに接触する前記第2ステージを駆動制御する際、前記第2ステージの並進方向への駆動点の重心からのずれを考慮して前記第2操作量を補償する、請求項11に記載の基板貼り合わせ方法。   In the drive control, when the second stage that contacts the first stage is driven and controlled, the second operation amount is set in consideration of the deviation of the drive point from the center of gravity in the translational direction of the second stage. The substrate bonding method according to claim 11, wherein compensation is performed. 前記駆動制御することでは、前記第1ステージから独立に前記第2ステージを駆動制御する際、前記第2ステージの並進方向への駆動点の重心からのずれと前記第2ステージの傾斜方向への回転中心の重心からのずれとを考慮して前記第2操作量を補償する、請求項11に記載の基板貼り合わせ方法。   In the drive control, when the second stage is driven and controlled independently of the first stage, the shift of the drive point from the center of gravity in the translation direction of the second stage and the tilt direction of the second stage. The substrate bonding method according to claim 11, wherein the second operation amount is compensated in consideration of a deviation of the center of rotation from the center of gravity. 前記第2ステージの並進方向への駆動点の重心からのずれと傾斜方向への回転中心の重心からのずれとの少なくとも一方は、前記第1ステージと接触した際に前記第2ステージが示す共振振舞いを不可観測化するように最適化されている、請求項8〜13のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。   At least one of the deviation from the center of gravity of the drive point in the translation direction of the second stage and the deviation from the center of gravity of the rotation center in the tilt direction is a resonance exhibited by the second stage when contacting the first stage. The substrate bonding method according to claim 8, wherein the substrate bonding method is optimized so as to make the behavior unobservable.
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