JP2774327B2 - 位置決め装置 - Google Patents

位置決め装置

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JP2774327B2
JP2774327B2 JP1260234A JP26023489A JP2774327B2 JP 2774327 B2 JP2774327 B2 JP 2774327B2 JP 1260234 A JP1260234 A JP 1260234A JP 26023489 A JP26023489 A JP 26023489A JP 2774327 B2 JP2774327 B2 JP 2774327B2
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    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70691Handling of masks or workpieces

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体露光装置や測定装置、光学部品の
加工装置、形状測定装置等の高精度、高速な位置決め装
置に関するものである。現在、半導体製造のための露光
装置には数十nmの位置決め精度が要求されており、この
発明はこのような要求を達成する位置決め装置に関する
ものである。
〔従来の技術〕
半導体製造においては、パターン線幅は細くなる一
方、ウエハサイズはますます大きくなり、露光装置には
高い位置合わせ精度と長ストロークの動作が同時に要求
される。長ストロークの送り機構として送りねじがあ
る。従来の滑りねじ、あるいは、ボールねじにより送ら
れる方法では、バックラッシュによる位置決め誤差やピ
ッチごとの位置決め誤差があり、高精度な位置決めをね
じ送りだけで実現することは困難であった。このため、
長ストロークの送りは固体摩擦のねじで行い、高精度の
位置決めには圧電素子等を用いた粗動と微動を組み合わ
せた装置が提案されている(特開昭63−215989号公報)
が、複雑な機構と制御が必要となる。
一方、高精度な位置決めを送りねじで実現する方法と
して空気静圧ねじが提案されている(特願昭62−206567
号参照)。空気静圧ねじは、ねじ軸とナット間に接触摩
擦がないため、バックラッシュがなく、ピッチ誤差も平
均化され小さくなるため高精度な位置決めが可能であ
る。しかしながら、この空気静圧ねじを位置決め装置に
用いるには、固体接触のあるねじと比べて、ナットとね
じ軸との空気膜の剛性が弱く、ステージの質量とこの空
気の剛性とで決まる共振点が低く、位置決め制御をする
際に、この共振周波数で残留振動が生じ整定時間が長く
なり、高速な位置決めが困難であった。
従来、振動系を含む移動体の制御方法として、第7図
に示すようなモータ速度とステージ速度との速度偏差を
フィードバックする方法(特開昭55−34716号公報参
照)がある。第7図でMCはステージ、LSは送りねじ、M
はモータ、T1はモータ速度検出器、T2はステージ位置検
出器、Rはモータ位置検出器、AMP1〜AMP3は増幅器、CO
NTは位置指令生成部である。この他、速度偏差に加えて
モータ位置とステージ位置との位置偏差をもフィードバ
ックする手法(特開昭61−59509号公報参照)が提案さ
れている。
〔発明が解決しようとする課題〕
これらの方法は、位置決め装置の機構系をフィードバ
ックループのなかに含めて直接制御しようとすると、そ
うした機構系の特性が悪影響をおよぼし、制御特性が不
安定になるという問題点から生じている。すなわち、歯
車、あるいは滑りねじやボールねじ等の固体接触の機械
要素を用いると、モータ軸あるいはねじ軸等の慣性イナ
ーシャと軸のねじれ剛性に依存するねじれ振動が低周波
域に生じたり、バックラッシュが存在し、これらは制御
ループを不安定にする。このため、これらの方法では、
モータの位置,速度,ステージの位置,速度の4つの量
を検出し、ねじれ振動を押さえるために、モータ速度と
ステージ速度の偏差をフィードバックし、位置振動を押
さえるために位置偏差をフィードバックするという複雑
な手段を取っている。さらに、これらの方法では、ステ
ージの位置と速度以外に、モータの位置と速度とを測定
することを前提としており、これらの方法で精度を上げ
ようとすると、複数の高精度な位置検出器,速度検出器
が不可欠となり、制御装置が複雑になるという欠点があ
った。
この発明は、上記の欠点を改善するために提案された
もので、その目的は高精度、かつ高速な位置決め装置を
簡易に実現することにある。
〔課題を解決するための手段〕
この発明にかかる位置決め装置は、ねじ軸と、このね
じ軸に空気浮上で螺合するナットとからなる空気静圧ね
じと、ねじ軸を回転するモータと、ナットを静圧空気で
案内する空気浮上スライダと、この空気浮上スライダに
より保持されたステージと、このステージの位置検出器
と位置制御部とからなり、この位置制御部をステージの
目標位置と検出されたステージ位置の差を位置偏差とし
て算出する目標位置生成部と、位置偏差に比例する量を
算出する比例量算出手段と、位置偏差を積分した量を算
出する積分算出手段と、位置偏差を微分した量を算出す
る微分量算出手段と、それらを加算してその出力を用い
てモータによる共振点の位相およびゲインによる制御補
償を行うための加算手段と、送り機構における空気静圧
ねじの共振点でのゲインを押さえるノッチフィルタとで
構成したものである。
〔作用〕
この発明においては、静圧空気で案内されたナットが
ねじ軸の回転とともに移動し、空気浮上スライダで保持
されたステージが並進移動する。ステージの位置は位置
検出器により検出され、フィードバック量として位置制
御部に送られる。位置制御部の目標位置生成部では目標
値とフィードバックされたフィードバック量との位置偏
差を算出し、加算手段ではPID出力を比例量算出手段、
積分量算出手段、微分量算出手段により算出してモータ
による共振点での位相補償を行い、さらにこの算出値に
対して空気静圧ねじの共振点でのゲインがノッチフィル
タで抑えられ、モータの駆動電圧として出力される。
〔実施例〕
この発明の一実施例を第1図〜第6図により説明す
る。
第1図は空気静圧ねじを用いた一軸ステージの実施例
である。この図で、1はモータ、2はねじ軸、3はナッ
トで、空気浮上でねじ軸2に螺合し、ねじ軸2とナット
3で空気静圧ねじを構成している。4は空気浮上スライ
ダ、5はステージ、6は位置検出器、7は位置制御部、
8および9は空気軸受けである。モータ1はねじ軸2に
直接に接続され、静圧空気で浮上したナット3がねじ軸
2の回転とともに移動し、空気浮上スライダ4で保持さ
れたステージ5が並進移動する。ステージ5の位置Xoは
位置検出器6により検出され、フィードバック量として
位置制御部7に返される。
第2図は位置制御部7の構成を示した図である。Cgは
目標位置生成部、Kpは比例ゲイン、Kiは積分ゲイン、Kd
は微分ゲイン、Flはフィルタである。また、Dcは微分量
算出手段、Pcは比例量算出手段、Icは積分量算出手段、
Sdは減算手段、Adは加算手段を示す。また、Xiは生成さ
れた目標位置で、Xoは検出されたステージ5の位置、V
はモータへの出力電圧である。位置制御部7では、目標
位置生成部Cgにより生成された目標位置Xiと該フィード
バック量Xoとの位置偏差を算出し、この位置偏差に対す
る比例量,積分量,微分量にそれぞれの係数Kp,Ki,Kd倍
した量を加え合わせたPID出力を算出し、モータによる
共振点での位相補償を行う。さらに、この算出値に対
し、ある特定の周波数ω1付近でゲインを押さえたフィ
ルタFlを通過させ、モータ1の駆動電圧として出力す
る。
一例として、フィルタFlを次式を参照して構成すれ
ば、空気静圧ねじのねじ軸2とナット3間で生ずる共振
を押さえることが可能である。
(S2+2ζω1S+ω- 2)/(S2+2ζω1S+
ω1 2) ……(1) ここで、Sはラプラス変換子、ωはねじ軸とナット
間の共振周波数、ζ1は減衰量を規定するダンピン
グ係数であり、ζを変化させると、例えば第5図
(a)の落込み部分の深さと幅が変わり、ζを変化さ
せると上記深さのみが変わる。したがって、この両者を
調整して全体の特性がフラットになるようにフィルタFl
を構成する。
また、上記のフィルタ以外にローパスフィルタを用い
ても共振点を抑えられる。
第3図は、第2図の目標位置Xiからステージ位置Xoま
での伝達関数を示したブロック図である。Cgは目標位置
生成部、Hは制御要素、Rは電機子抵抗、Ktはトルク定
数、Kmは誘起電圧定数、Imは回転軸のイナーシャ、Csは
空気静圧ねじのダンピング係数、Ksは空気静圧ねじの剛
性、Msはステージの質量であり、As,Acは並進・回転の
変換係数で、空気静圧ねじのねじ軸2のリードをL、有
効径をDとすれば As=L/((πD)+L21/2 Ac=πD/((πD)+L21/2 である。図では、位置制御部7を目標位置生成部Cgおよ
び制御要素Hとで表している、モータ1の回転速度がフ
ィードバックされているのは誘起電圧によるもので外部
的に測定したものではない。
第4図(a),(b)は位置制御部7の制御要素Hを
1としたとき、一巡伝達関数のゲインおよび位相の周波
数特性の一例である。図から分かるように、この伝達関
数は、明らかに2つの共振点を有し、1つはモータによ
る共振点であり、他の1つは空気静圧ねじによる共振点
である。空気静圧ねじによる共振は、ステージの質量Ms
と空気静圧ねじのねじ軸2とナット3間の空気の剛性Ks
で定まる共振点ω1を持つ。空気静圧送りねじを用いた
ステージでは、この共振点は、モータの回転からステー
ジの変位までに非線形要素がないため、ステージ位置の
みを検出して、フィードバックすることにより、制御で
きる。
第5図(a),(b)はω=280Hz,ζ=0.8,ζ
=0.4として上記第(1)式のフィルタFlの周波数特性
を表したものである。
第6図(a),(b)は位置制御部7にPIDとこのフ
ィルタFlを挿入した結果を示した周波数特性である。こ
れらから分かるように共振点でのピークゲインがほとん
どなくなり、帯域が広がる上に、ピークゲインが下がっ
た分だけ全体のゲインを上げることが可能となり、速い
応答が可能となる。このように、空気静圧送りねじの場
合、フィルタFlを挿入することにより、特定の周波数に
おいてそのゲインを押え、全体のゲインを上げることが
できる。
〔発明の効果〕
この発明は、以上詳細に説明したように、位置制御部
をステージの目標位置と検出されたステージ位置の差を
位置偏差として算出する目標位置生成部と、位置偏差に
比例する量を算出する比例量算出手段と、位置偏差を積
分した量を算出する積分算出手段と、位置偏差を微分し
た量を算出する微分量算出手段と、それらを加算してそ
の出力を用いてモータによる共振点の位相およびゲイン
による制御補償を行うための加算手段と、送り機構にお
ける空気静圧ねじの共振点でのゲインを押さえるノッチ
フィルタとで構成したので、従来の方法と比べ、高精度
かつ高速な位置決めを単純な制御要素で構成できるとい
う特徴があり、以下のような効果がある。
(1) 空気静圧ねじを送りに用いた位置決め装置であ
るため、長ストロークでかつ高精度な位置決めが送りね
じのみで実現できる。
(2) 空気静圧ねじを送りに用いると、非接触である
ため、ステージの位置検出のみをフィードバックした単
純な制御ループで高精度かつ高速な制御が可能である。
(3) 制御ループにフィルタを挿入することにより、
空気の剛性とステージの質量によって定まる共振を抑制
し、全体のゲインを上げることが可能で、このため高速
な制御が可能である。
(4) モータによる共振点は、加算手段の出力により
その共振点の位相およびゲインによる制御補償を行うこ
とで、また、空気静圧ねじによる共振点は、ノッチフィ
ルタにより、その共振点付近でのゲインを抑制すること
により行うので、位置決めステージの特性が複雑なもの
であっても制御性を高め、高速な位置決めが可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例を示した図、第2図は制御部
の構成を説明するための図、第3図は原理を示すための
この発明の実施例の伝達関数を示したブロック図、第4
図(a),(b)は、第3図の伝達関数の周波数特性を
示した図、第5図(a),(b)は2次のフィルタの周
波数特性を示した図、第6図(a),(b)は制御閉ル
ープ系の周波数特性を示した図、第7図は従来の位置決
め装置の一例を示すブロック図である。 図中、1はモータ、2はねじ軸、3はナット、4は空気
浮上スライダ、5はステージ、6は位置検出器、7は位
置制御部、Cgは目標位置生成部、Dcは微分量算出手段、
Pcは比例量算出手段、Icは積分量算出手段、Adは加算手
段、Flはフィルタである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−49765(JP,A) 特開 平1−230109(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G05D 3/00 - 3/20

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ねじ軸と、このねじ軸に空気浮上で螺合す
    るナットとからなる空気静圧ねじと、前記ねじ軸を回転
    するモータと、前記ナットを静圧空気で案内する空気浮
    上スライダと、この空気浮上スライダにより保持された
    ステージと、このステージの位置検出器と位置制御部と
    からなり、この位置制御部を、ステージの目標位置と検
    出されたステージ位置の差を位置偏差として算出する目
    標位置生成部と、前記位置偏差に比例する量を算出する
    比例量算出手段と、前記位置偏差を積分した量を算出す
    る積分算出手段と、前記位置偏差を微分した量を算出す
    る微分量算出手段と、それらを加算してその出力を用い
    て前記モータによる共振点の位相およびゲインによる制
    御補償を行うための加算手段と、送り機構における前記
    空気静圧ねじの共振点でのゲインを押さえるノッチフィ
    ルタとで構成したことを特徴とする位置決め装置。
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