JP2023046608A - リニアモータステージの制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィードフォワード制御のタイミングずれによる振動を抑えて停止時の整定時間を短縮できる、リニアモータステージの制御装置及び制御方法を提供する。【解決手段】制御装置は、可動のステージ１０の位置情報に基づくＰＩ制御又はＰＩＤ制御によってステージ１０をフィードバック制御するフィードバック制御部６と、予め学習されたフィードフォワード値によってステージ１０をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御部７と、を備える。フィードフォワード制御部７が実行するフィードフォワード制御は、フィードバック制御の比例値及び微分値をフィードフォワード値に含めず、フィードバック制御の積分値をフィードフォワード値とする制御である。【選択図】図２

Description

本発明は、リニアモータステージの制御装置及び制御方法に関する。

リニアモータステージは、工作機械や測定器、半導体製造装置などの産業用機械に搭載され、重要な役割を果たしている。

例えば、ステップ・アンド・リピート方式の半導体露光装置（ステッパー）では、基板を載せるステージにリニアモータステージが採用されている。ステッパーは、フォトマスクに形成されたパターンを基板上のショット領域に縮小投影し、１つのショット領域に対するパターン転写が終わると、基板を移動させて別のショット領域へのパターン転写を行う、という動作を繰り返す。したがって、基板を所要の位置で早期に停止させる必要があり、ステージには停止時の整定時間の短縮化が要求される。

リニアモータステージの制御には、そのステージの位置情報に基づくフィードバック制御が用いられており、中でもＰＩＤ制御が一般的である。停止時の整定時間を短縮するには、ＰＩＤ制御のゲインを上げて応答性を高めることが考えられるが、ステージの位置や剛性によっては発振を起こすことがあるため、ゲインを上げるにも限界があった。

また、フィードバック制御にフィードフォワード制御を組み合わせた制御方式も知られている（例えば、特許文献１）。これによれば、リニアガイドの摩擦やケーブルベア（登録商標）の抵抗、架台の振動といった外乱の影響を抑えて、整定時間の短縮を図ることができる。しかし、本発明者が調査した結果、フィードフォワード制御のタイミングずれによるものと思われる振動が生じる場合があり、却ってフィードフォワード制御が外乱になり得ることが判明した。

特開２００５－３２２７２０号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、フィードフォワード制御のタイミングずれによる振動を抑えて停止時の整定時間を短縮できる、リニアモータステージの制御装置及び制御方法を提供することにある。

フィードバック制御にフィードフォワード制御を組み合わせる制御方式では、学習制御を利用してフィードフォワード制御部の設計を行うことができる。学習制御では、例えば、ステージを所定の条件で実際に移動させてフィードバック処理したときの制御量を予め学習し、それをフィードフォワード値としてフィードフォワード制御に使用する。フィードフォワード制御によって様々な外乱の影響を抑制する趣旨からすれば、全体制御量であるサーボ出力をそのままフィードフォワード値とすることが普通に考えられる。

しかし、本発明者が鋭意研究を重ねたところ、［１］そのようなサーボ出力には、ステージの移動に伴う高周波から低周波までの様々な周波数の外乱を抑制する成分が含まれていること、［２］そのうち高周波成分は主に比例値や微分値に由来し、低周波成分は主に積分値に由来していること、及び、［３］前述したフィードフォワード制御のタイミングずれによる振動は高周波成分に起因していること、が見出された。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、下記の如き構成によって上記目的を達成できるものである。

本発明に係るリニアモータステージの制御装置は、可動のステージの位置情報に基づくＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記ステージをフィードバック制御するフィードバック制御部と、予め学習されたフィードフォワード値によって前記ステージをフィードフォワード制御するフィードフォワード制御部と、を備え、前記フィードフォワード制御は、前記フィードバック制御の比例値及び微分値を前記フィードフォワード値に含めず、前記フィードバック制御の積分値を前記フィードフォワード値とする制御である。この装置によれば、フィードフォワード制御のタイミングずれによる振動を抑えて停止時の整定時間を短縮できる。

本発明に係るリニアモータステージの制御方法は、可動のステージの位置情報に基づくＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記ステージをフィードバック制御するとともに、予め学習されたフィードフォワード値によって前記ステージをフィードフォワード制御し、前記フィードフォワード制御は、前記フィードバック制御の比例値及び微分値を前記フィードフォワード値に含めず、前記フィードバック制御の積分値を前記フィードフォワード値とする制御である。この方法によれば、フィードフォワード制御のタイミングずれによる振動を抑えて停止時の整定時間を短縮できる。

上記の制御装置又は制御方法において、前記フィードバック制御は、例えば、前記ステージの指令位置と検出位置との位置偏差に基づいて比例値と積分値とを導出するとともに、前記検出位置に基づいて微分値を導出する制御である、としてもよい。

リニアモータステージの構成の一例を示す概略図 制御装置が備える制御系の一例を示すブロック線図 ステージの停止間際の動作波形を示すグラフ（フィードフォワード制御：なし） ステージの停止間際の動作波形を示すグラフ（フィードフォワード制御：あり、フィードフォワード値：サーボ出力） ステージの停止間際の動作波形を示すグラフ（フィードフォワード制御：なし） ステージの停止間際の動作波形を示すグラフ（フィードフォワード制御：あり、フィードフォワード値：積分値） 停止位置を異ならせて計測した積分値の推移データを示すグラフ

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態の制御装置及び制御方法が適用されるリニアモータステージの構成の一例を示す概略図である。リニアモータステージ１は、リニアモータによってＸ方向に移動可能なステージ１０を有する。半導体露光装置であるステッパーに搭載される場合は、処理対象物としての基板を保持した状態でステージ１０を移動させることができる。リニアモータには、例えば、電磁石からなる可動子と、永久磁石からなる固定子とを有するコアレスリニアモータを使用できる。但し、これに限られず、従来公知のリニアモータを特に制約なく採用できる。

ステージ１０は、定盤２の上に設置されたリニアガイド３に支持されている。定盤２は、位置決め精度を確保するために、剛性が高く且つ周囲の温度や湿度の変化に対して影響を受けにくい材料（例えば、石材や鉄材、セラミックス材など）で形成されている。定盤２の表面は、高い面精度と平面度を有するように加工されている。リニアガイド３の両端には、ステージ１０の移動範囲を規制するストッパー３１が設けられている。

位置検出部４は、Ｘ方向におけるステージ１０の位置を検出可能に構成されている。位置検出部４には、例えばリニアエンコーダを使用できる。リニアエンコーダは、磁気式リニアエンコーダでもよいが、小型化が比較的容易な光学式リニアエンコーダであることが好ましい。光学式リニアエンコーダは、固定子側に設置したリニアスケールの目盛に応じた光の反射／非反射による光パルスを検出する反射型、及び、リニアスケールのスリットの有無に応じた光の透過／遮断による光パルスを検出する透過型のいずれでもよい。リニアエンコーダに限らず、レーザ干渉計などを利用して位置検出部４を構成することも可能である。

ステージ１０の位置を検出した位置検出部４は、そのステージ１０の検出位置を与える検出位置信号ＰＳ２を発生し、その検出位置としての位置情報がリニアモータステージの制御装置５に供給される。制御装置５は、ステージ１０を所要の位置に移動させるために、後述する制御系によってリニアモータステージ１を制御する。制御装置５は、コンピュータのハードウェア及びソフトウェアによって提供することができる。

図２は、制御装置５が備える制御系を示すブロック線図である。図２に示すように、制御装置５は、位置指令部５１と、フィードバック制御部６と、フィードフォワード制御部７とを含んで構成される。位置指令部５１は、ステージ１０の指令位置（目標位置）を与える指令位置信号ＰＳ１を発生する。フィードバック制御部６は、可動のステージ１０の位置情報に基づくＰＩ制御又はＰＩＤ制御によってステージ１０をフィードバック制御する。フィードフォワード制御部７は、予め学習されたフィードフォワード値によってステージ１０をフィードフォワード制御する。

本実施形態において、フィードバック制御部６は、演算器６１、比例器６２、積分器６３、演算器６４、微分器６５及び演算器６６を有する。演算器６１には、位置指令部５１から出力された指令位置信号ＰＳ１、及び、位置検出部４から出力された検出位置信号ＰＳ２が入力される。演算器６１は、ステージ１０の指令位置と検出位置との差分を演算し、その演算結果としての位置偏差を与える演算信号ＣＳ１は比例器６２に入力される。比例器６２は、位置偏差に比例ゲインを乗算し、その演算結果としての比例値を与える演算信号ＣＳ２は積分器６３及び演算器６４に入力される。

積分器６３は、比例値と積分ゲインとの乗算結果を積分し、その演算結果としての積分値を与える演算信号ＣＳ３は演算器６４に入力される。演算器６４は、比例値と積分値とを加算し、その演算結果を与える演算信号ＣＳ４は演算器６６に入力される。微分器６５は、ステージ１０の検出位置と微分ゲインとの乗算結果を微分し、その演算結果としての微分値を与える演算信号ＣＳ５は演算器６６に入力される。また、後述するフィードフォワード制御によって、フィードフォワード値を与える制御信号ＣＳ６が演算器６６に入力される。

演算器６６は、比例値と積分値との加算結果に微分値を加算し、その演算結果は、ステージ１０をフィードバック制御するための全体制御量であるサーボ出力（比例値＋積分値＋微分値）となる。また、制御信号ＣＳ６が演算器６６に入力された場合、演算器６６は、フィードフォワード値を加算することによりサーボ出力を補償する。演算器６６による演算結果としてのサーボ出力を与える制御信号ＣＳ７は、ステージ１０の駆動回路（図示せず）に入力される。駆動回路は、制御信号ＣＳ７に応じた推力がステージ１０に与えられるよう、所要の駆動電流を可動子のコイルに供給する。

フィードフォワード制御部７は、位置指令部５１から出力される指令位置信号ＰＳ１に基づいて、ステージ１０のフィードフォワード制御を行う。フィードフォワード制御の詳細については後述する。

監視部８１～８４は、それぞれサーボ出力、比例値、積分値及び微分値を与える信号をモニタする。これらのモニタ結果は所定の場所（例えば、制御装置５が備える記憶部）に記憶される。後述のグラフで示されるサーボ出力などの推移データは、これらのモニタ結果に基づくものである。

学習制御を利用してフィードフォワード制御部７を設計するには、所定の条件（例えば、速度、加速度及び停止位置）でステージ１０を実際に移動させてフィードバック処理したときのサーボ出力を予め学習し、そのサーボ出力をフィードフォワード値とすることが普通に考えられる。しかし、本発明者が調査した結果、図３Ａ及び３Ｂを用いて説明するように、フィードフォワード制御のタイミングずれによるものと思われる振動が生じる場合があり、却ってフィードフォワード制御が外乱になり得ることが判明した。

図３Ａは、所定の条件で移動させたステージ１０の停止間際の動作波形を示すグラフである。但し、フィードフォワード制御部７は作動させず、フィードフォワード制御を実行していない。横軸は時間（ｓｅｃ）であり、縦軸は位置偏差（μｍ）、指令加速度（μｍ／ｓ^２）及びサーボ出力である。位置指令（指令位置信号ＰＳ１の発出）から所定時間（速度と距離との関係から導出される時間）が経過すると、指令加速度がゼロとなる。横軸の時間は、その時点をゼロとしている。整定時間Ｔｓは、位置偏差が所望の整定幅Ｗｓ（例えば±１００ｎｍ）の範囲内に収まるまでの時間である。

なお、本明細書で参照するグラフには横軸の数値が記載されていないものの、その境界値（即ち、最小値と最大値）は、図３Ａ、後述する図３Ｂ，図４Ａ及び図４Ｂにおいて相互に一致させている。縦軸も同様である。したがって、これらのグラフの対比により、位置偏差や整定時間Ｔｓなどを相対的に評価することは可能である。

図３Ｂは、図３Ａと同じ条件でステージ１０を移動させたときの動作波形である。但し、フィードフォワード制御を実行している。フィードフォワード値には、予め学習したサーボ出力、具体的には時間ゼロ以降のサーボ出力の推移データ（図３Ａ参照）を使用し、それが時間ゼロのタイミングで加算されるように制御した。図３Ｂでは、図３Ａと比べて整定時間Ｔｓが幾分か短縮されているものの、位置偏差の波形が乱れて振幅が大きくなっている。これは、フィードフォワード制御のタイミングずれによる振動が要因と考えられ、このような振動が生じることでフィードフォワード制御が外乱になる恐れがある。

上記現象について本発明者が鋭意研究を重ねたところ、図４Ａを参照して説明するように、［１］予め学習したフィードフォワード値としてのサーボ出力には、ステージ１０の移動に伴う高周波から低周波までの様々な周波数の外乱を抑制する成分が含まれていること、［２］そのうち高周波成分は主に比例値や微分値に由来し、低周波成分は主に積分値に由来していること、及び、［３］フィードフォワード制御のタイミングずれによる振動は高周波成分に起因していること、が見出された。

図４Ａは、所定の条件で移動させたステージ１０の停止間際の動作波形を示すグラフである。但し、フィードフォワード制御部７は作動させず、フィードフォワード制御を実行していない。図３Ｂと同程度の整定時間Ｔｓが得られているが、これは図３Ａ及び図３Ｂとは条件が異なるためである。図４Ａでは、フィードバック制御の積分値と、比例値と微分値との加算値についても示している。サーボ出力は、これら三つを加算したものに相当する。指令加速度は、図３Ａと同様に時間ゼロ以降は０μｍ／ｓ^２で推移するため、記載を省略している（後述する図４Ｂも同様）。

図４Ａにおいて、位置偏差の波形には、時間ゼロの近傍で相対的に高周波の外乱による影響が見られ、それに続いて相対的に低周波の外乱による影響が見られる。よって、その外乱の影響を抑制するためのサーボ出力には、高周波から低周波までの様々な周波数の成分が含まれている。このサーボ出力をそのままフィードフォワード値にすると、その高周波成分に起因してフィードフォワード制御のタイミングずれが起きやすく、タイミングが少しずれることによりフィードフォワード制御が外乱になり得ると考えられる。

また、図４Ａより、高周波の外乱による影響の抑制に対しては主に比例値や微分値が寄与し、低周波の外乱による影響の抑制に対しては主に積分値が寄与していることが看取できる。したがって、サーボ出力に含まれる高周波成分は主に比例値や微分値に由来し、低周波成分は主に積分値に由来していることが分かる。このことは、微分値が用いられない点を除いて、フィードバック制御がＰＩ制御である場合も同様であると考えられる。

かかる知見に基づき、本実施形態では、フィードフォワード制御を、フィードバック制御の比例値及び微分値をフィードフォワード値に含めず、フィードバック制御の積分値をフィードフォワード値とする制御としている。よって、本実施形態で用いられるフィードフォワード値には、フィードバック制御の積分値は含まれるが、比例値や微分値は含まれない。図３Ｂの場合は、監視部８１のモニタ結果であるサーボ出力をフィードフォワード値に利用できたが、本実施形態では、監視部８３のモニタ結果である積分値をフィードフォワード値に利用できる。

フィードフォワード制御部７は、位置指令部５１から出力される指令位置信号ＰＳ１に基づき、予め学習されたフィードフォワード値を与える制御信号ＣＳ６を出力する。上述のように、フィードフォワード値には、事前の学習によって所定の場所に記憶された積分値を使用する。演算器６６は、入力された制御信号ＣＳ６に応じたフィードフォワード値（積分値）を加算してサーボ出力を補償する。後述するように、本実施形態では、時間ゼロのタイミングでフィードフォワード値が加算されるように制御を行う。

図４Ｂは、図４Ａと同じ条件でステージ１０を移動させたときの動作波形である。但し、フィードフォワード制御を実行している。フィードフォワード値には、予め学習した積分値、具体的には時間ゼロ以降の積分値の推移データ（図４Ａ参照）を使用し、それが時間ゼロのタイミングで加算されるように制御した。本実施形態では、停止間際でフィードフォワード制御するために、このようなタイミングを採用しているが、これに限定されるものではなく、フィードフォワード値としての積分値を加算するタイミングは任意である。例えば時間ゼロから遡った時点を基準とし、それ以降の積分値のデータを、その基準のタイミングで加算することも可能である。

図４Ｂの位置偏差の波形を見ると、低周波の外乱による影響が効果的に抑えられ、それにより位置偏差の変動が比較的早期に収まっている。その結果、整定時間Ｔｓが短縮され、図４Ａと比べて半分以下にまで減っている。これは、フィードフォワード値が比例値や微分値を含まず、高周波成分に起因したフィードフォワード制御のタイミングずれによる振動が抑えられたことが要因であると考えられる。ステージ１０の停止時の整定時間Ｔｓが短縮されることで、ステッパーでは露光の開始を早めることができ、タクトタイムの改善に役立つ。

図４Ｂでは、積分値をフィードフォワード処理したことにより、フィードバック制御の積分値が略一定で推移している。このようにフィードバック制御では積分がほとんど仕事をしない状態となるため、積分ゲインを下げられる。積分ゲインを過度に上げると、低周波の外乱だけでなく高周波の外乱にも作用して発振を起こしやすくなるので、積分ゲインを下げることは発振の防止策になる。高周波の外乱に対しては、比例ゲインや微分ゲインを上げることで対策できるため、ゲイン調整方法が明確で分かりやすい。フィードフォワード制御による外乱抑制効果を高める観点から、フィードフォワード値となる積分値を学習する際は、積分ゲインを上げて積分値を大きくすることが好ましい。

フィードフォワード値となる積分値を学習する際、速度や加速度、停止位置などの条件には、リニアモータステージ１を実際に使用するときの条件が用いられる。ステージ１０の停止位置による積分値の変動が懸念される場合は、複数の停止位置で積分値を計測し、それらの平均値をフィードフォワード値として用いることが考えられる。図４Ｂは、そのような平均値を用いた結果であり、具体的には図５に示す平均値のデータをフィードフォワード値として採用したものである。但し、後述するように、平均値を使用しなくても構わない。

図５は、図４Ａの動作波形に対して停止位置を異ならせて計測した積分値の推移データを示すグラフであり、図４Ａに比べて縦軸の縮尺を拡大している。停止位置としては、位置Ａから位置Ｊまで所定ピッチ（例えば、１５ｍｍピッチ）で異ならせた１０種を使用した。図５において停止位置の違いによる積分値の変動はほとんど無く、それぞれ同様の推移を示している。よって、速度や加速度の条件が同じであれば、どの位置で停止させる場合であっても、或る積分値（例えば、位置Ｅでの積分値）をフィードフォワード値として使用できると考えられる。

前述の図３Ｂでは、フィードフォワード制御を実行して位置偏差の振動や振幅が大きくなった例を示したが、これは予め学習されたフィードフォワード値としてサーボ出力を使用した結果であった。よって、図３Ｂの動作条件においても、予め学習されたフィードフォワード値としてフィードバック制御の積分値を使用した場合には、図４Ｂの場合と同様に整定時間の短縮が見込まれる。

本実施形態では、フィードバック制御部６が実行するフィードバック制御が、ステージ１０の指令位置と検出位置との位置偏差に基づいて比例値と積分値とを導出するとともに、その検出位置に基づいて微分値を導出する制御である例を示した。但し、その他のＰＩ制御又はＰＩＤ制御によってフィードバック制御を実行してもよく、例えば位置偏差に基づいて微分値を導出するＰＩＤ制御でも構わない。その場合は、微分器６５に演算信号ＣＳ１が入力され、位置偏差と微分ゲインとの乗算結果を微分した演算結果を与える信号が演算器６６に入力されるように構成してもよい。

以上のように、本実施形態におけるリニアモータステージの制御方法では、可動のステージ１０の位置情報に基づくＰＩ制御又はＰＩＤ制御によってステージ１０をフィードバック制御するとともに、予め学習されたフィードフォワード値によってステージ１０をフィードフォワード制御する。また、そのフィードフォワード制御は、フィードバック制御の比例値及び微分値をフィードフォワード値に含めず、フィードバック制御の積分値をフィードフォワード値とする制御である。

本発明に係る制御装置及び制御方法が適用されるリニアモータステージは、１軸のリニアモータステージに限られず、例えば２軸のリニアモータステージの両方又は片方であってもよい。２軸のリニアモータステージとしては、互いに直交する方向に沿って設置された２軸のリニアモータステージを備えるＸＹステージでもよく、或いは、互いに平行に設置された２軸のリニアモータステージを連結用テーブルで接続したガントリステージでもよい。

本発明に係る制御装置及び制御方法は、前述の如き作用効果を奏してステージが停止するときの整定時間を短縮できるため、半導体露光装置において基板などを移動させるリニアモータステージに対して特に有用である。半導体露光装置としては、前述したステッパーに限られず、ステップ・アンド・スキャン方式の半導体露光装置（スキャナー）でもよい。

本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能である。

１ リニアモータステージ
５ 制御装置
６ フィードバック制御部
７ フィードフォワード制御部
１０ ステージ

Claims (4)

1. 可動のステージの位置情報に基づくＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記ステージをフィードバック制御するフィードバック制御部と、
   予め学習されたフィードフォワード値によって前記ステージをフィードフォワード制御するフィードフォワード制御部と、を備え、
   前記フィードフォワード制御は、前記フィードバック制御の比例値及び微分値を前記フィードフォワード値に含めず、前記フィードバック制御の積分値を前記フィードフォワード値とする制御である、リニアモータステージの制御装置。
2. 前記フィードバック制御は、前記ステージの指令位置と検出位置との位置偏差に基づいて比例値と積分値とを導出するとともに、前記検出位置に基づいて微分値を導出する制御である、請求項１に記載のリニアモータステージの制御装置。
3. 可動のステージの位置情報に基づくＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記ステージをフィードバック制御するとともに、予め学習されたフィードフォワード値によって前記ステージをフィードフォワード制御し、
   前記フィードフォワード制御は、前記フィードバック制御の比例値及び微分値を前記フィードフォワード値に含めず、前記フィードバック制御の積分値を前記フィードフォワード値とする制御である、リニアモータステージの制御方法。
4. 前記フィードバック制御は、前記ステージの指令位置と検出位置との位置偏差に基づいて比例値と積分値とを導出するとともに、前記検出位置に基づいて微分値を導出する制御である、請求項３に記載のリニアモータステージの制御方法。
   

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