JP3217522B2 - 精密位置決め装置 - Google Patents

精密位置決め装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、精密位置決め装置に関
し、特にステッパ等の半導体露光装置の位置決め制御系
に好適な精密位置決め装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】精密位置決め装置、特にステッパの位置
決めにおいては、近年の半導体素子の急速な高集積度化
に伴い、要求される位置決め精度が高まりつつある。現
状の実用レベルの位置決め精度は、位置決めすべきウエ
ハを搭載したステージに対して、数十ナノメートル程度
であるが、近い将来にはナノメートルオーダの位置決め
精度が必要になると予測されている。そして、スループ
ット向上のため、こうした高精度の位置決めをより高速
に行なう必要がある。
【０００３】このような位置決め装置としてステッパを
例にとれば、従来のほとんどの装置は搬送物体であるス
テージの案内手段にすべり案内や転がり案内を用い、駆
動手段にＤＣサーボモータの回転をボールねじを介して
直進運動に変換する方式が用いられていた。
【０００４】しかしながら、位置決め精度が高くなるほ
ど摩擦の影響が相対的に大きくなるため、こうした接触
式構成で高速・高精度化を図ると摩擦摩耗や摩擦熱によ
る長期安定性の問題や、スティックスリップ現象、跳躍
現象などの不安定挙動が問題となり、ナノメートルオー
ダの精度での位置決めは困難である。
【０００５】また、従来のボールねじ方式では位置決め
時間を低下させずに位置決め精度を高めるには、サーボ
帯域をより高く設定する必要があるにもかかわらず、ボ
ールねじとステージによる機械共振のためサーボ帯域を
十分に上げることができない。このため、従来のボール
ねじ方式は、位置決め精度の向上を図る上では不適であ
った。
【０００６】そこで、こうした問題点を解決するため
に、最近では、接触摩擦による影響がないという利点か
ら案内面に空気軸受を用い、駆動手段としてこの空気軸
受を案内としたリニアモータを用いる非接触駆動方式の
ステージが主流になりつつある。
【０００７】また、接触・非接触を問わず、床部からの
振動の除振と、ステージの高速移動に伴う振動の制御の
ために、バネとダッシュポットからなるサスペンション
によって床部より支持された定盤上にステージを搭載す
る方法が採られる。
【０００８】しかしながら、このような空気軸受とリニ
アモータによる位置決め装置においては、ステージ移動
方向の剛性が接触式の案内機構とボールねじによる剛性
よりも低い。したがって定盤とステージが一種の２自由
度の連成振動系として動作するために、ステージの移動
反力に伴う定盤の横揺れによって、ステージと案内面と
の間で振動を起こし、ステージの位置決め時間が増大し
てしまう。従来は、定盤に加速度センサを取付け、これ
によって検出した定盤の加速度信号をリニアモータの制
御入力に加算する定盤加速度フィードバック方式が主に
用いられてきた（例えば木下博雄、金井宗統、出口公
吉、斉藤忠男：空気浮上式高速ＸＹステージの試作、精
密工学会誌、５２／１０（１９８６）、１７１３）。
【０００９】
【第１の課題】しかしながら、 （１）従来の定盤加速度フィードバックでは高精度で非
常に脆弱な加速度センサを要するため、コストがかかる
ことや過度の加速度入力に対して破壊し易いことなどか
ら、製品に組み込むには適さないという問題点があっ
た。 （２）また、従来の接触式案内機構に比べて、その剛性
が低いことから、ヨーイングやピッチングなどの並進運
動以外の姿勢の乱れも大きく、こうした動作も定盤振動
と同様に位置決め精度の悪化や位置決め時間の増加の原
因となる。しかし従来の定盤加速度フィードバックでは
こうした姿勢の乱れをほとんど補正できないという問題
点があった。
【００１０】上記従来技術の問題に鑑み、コストや強度
の点で実用化に適し、また非接触案内機構の特徴である
低剛性に基づく姿勢の乱れや振動を適正に補正し、安定
した高精度の位置決めを高速で達成可能な非接触式精密
位置決め装置の提供を第１の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための第１の手段】前記第１の目的を
達成するため、第１の態様は、非接触式案内手段とリニ
アモータを用いた半導体露光装置の精密位置決め装置に
おいて、レーザ干渉計などの計測手段による搬送物体
（移動体）の位置情報もしくは他の状態量から第１の制
御指令を生成する第１の制御手段に加えて、前記計測手
段による搬送物体の位置情報もしくは他の状態量と第１
および第２の制御手段の生成する制御指令から、搬送物
体の移動反力に伴う定盤の横揺れに起因する搬送物体の
振動や、搬送物体のヨーイングやピッチングなどの並進
運動以外の姿勢の乱れなどを発生せしめる外乱力を推定
して、これを補償する第２の制御指令を生成するための
第２の制御手段、すなわち、いわゆる“外乱オブザー
バ”を設けることにより、搬送物体の移動反力に伴う定
盤の横揺れに起因する搬送物体の振動や、搬送物体のヨ
ーイング、ピッチング振動などの並進運動以外の姿勢の
乱れを効果的に抑制し、従来の定盤加速度フィードバッ
クを用いた方法に比べて位置決め精度の向上と位置決め
時間の短縮を可能にしたものである。
【００１２】
【作用】上記の構成によれば、位置決め装置に外乱オブ
ザーバを適用することにより、前述したような搬送物体
の移動反力に伴う定盤の横揺れによる、搬送物体と案内
面との間の振動を“外乱”として検出し、除去すること
ができる。
【００１３】外乱オブザーバは、モータやロボットなど
の制御において、近年広く取り入られているものであ
る。この手法は、モータへの制御電圧と実際の速度とか
らトルクまたは推力の外乱を予測して補償するものであ
る。
【００１４】次に、外乱オブザーバによる外乱補償につ
いて、モータ制御の場合を例にとって説明する。
【００１５】図２はモータの指令電圧ｕr から回転角θ
までの関係を表した等価回路である。このとき系には外
部からの外乱に加えてトルク定数Ｋt およびイナーシャ
Ｊの公称値ＫtnおよびＪn からのずれやトルクリップル
などが存在して位置決め特性を悪化させるので、これら
をまとめてＴd とする。そしてＴd の一回微分値を
【００１６】
【数１】 と仮定し、ベクトルと行列で状態方程式を導くと、以下
の数式のようになる（例えば大西公平：電動機およびロ
ボットの制御、電気学会誌、１１０／８（１９９０）、
６５７）。
【００１７】
【数２】 ここで、
【００１８】
【数３】
【００１９】これによく知られたＧｏｐｉｎａｔｈの最
小次元オブザーバ構成法を適用し、入力ｕと状態量ωか
ら、外乱トルクＴd の推定値Ｔdeを求めると、観測器が
もつ任意に配置可能な極ｇ0 （ｒａｄ／ｓｅｃ）を用い
て次式で表される推定値を得る。
【００２０】
【数４】 （３）式において括弧内は外乱トルクＴd に等しく、
（３）式は以下の数式
【００２１】
【数５】 と書き変えることができる。従って、外乱オブザーバは
トルク外乱Ｔd を一次遅れで推定することになる。
（３）式をブロック図で書き表わせば、図３の点線内の
ようになる。そしてこれを電圧値に換算して電圧指令値
ｕr に上乗せすることにより、トルク外乱Ｔd による
影響を補償する。図２および３において、ｕrは指令電
圧、Ｋt はトルク定数、Ｋtnはトルク定数公称値、Ｊは
イナーシャ、Ｊn はイナーシャ公称値、Ｃは粘性、ｇ0
はオブザーバゲイン、ｓは微分演算子、ωは角速度、θ
は角度である。
【００２２】このように外乱オブザーバでは外乱の情報
をトルクあるいは力のレベルで検出して補正をかけるた
め、従来のＰＩＤ制御器のような直列補償器のみの構成
に比べ、高い外乱除去能力が得られるのが大きな特徴で
ある。この外乱オブザーバは、従来はモータやロボッ
ト、あるいは工作機械の制御などにおいて、トルクリッ
プルやイナーシャの変動に伴うトルク変動や外部から受
けるトルク外乱を推定し、これを補償する目的で主に用
いられてきた。
【００２３】しかし、この外乱オブザーバを、ステッパ
のような定盤上に搭載された非接触搬送物体の精密位置
決め制御に適用した例は未だ報告されていない。
【００２４】したがって、定盤の横揺れによる搬送物体
の振動や、ヨーイングやピッチングなどの並進運動以外
の搬送物体姿勢の乱れに対する外乱オブザーバの有効性
も従来は明らかではなく、こうした問題の改善を目的と
した応用はこれまで行なわれていなかった。
【００２５】図４は上記リニアモータを用いた場合のリ
ニアモータの指令電圧ｕr から変位ｘ1 までの関係を示
した等価回路である。同図は図２の回路に対し、回転角
θを変位ｘ1 に、トルク定数Ｋt を推力定数ｋt に、イ
ナーシャＪをイナーシャｍ1に、外乱トルクＴd を外乱
力Ｆd に、角速度ωを速度ｖに、そして粘性定数Ｃを定
数ｃ1 に置き換え、多少の等価変換を施したものであ
る。図５は図４のリニアモータに外乱オブザーバを組み
合わせた図である。
【００２６】なお、上記においては、状態量として速度
ωおよびｖを用いて外乱オブザーバを構成する例を示し
たが、位置情報θまたはｘ1 を用いても同様に外乱オブ
ザーバを構成することができる。図６は図４のリニアモ
ータに、位置情報ｘ1 を用いて構成した外乱オブザーバ
を適用した例を示す。基本的な考え方は速度情報を用い
た場合と同様であるが、位置情報を用た場合は外乱を２
次遅れで推定することになり、そのときのオブザーバの
極は、ｇ1 とｇ2 をパラメータとして、
【００２７】
【数６】 の２つの根で与えられる。これらの２つのタイプのオブ
ザーバのいずれを用いるかは、観測可能な状態量を考慮
して選べばよい。
【００２８】以上説明したように第１の態様によれば、
非接触式案内手段とリニアモータを用いた半導体露光装
置の精密位置決め装置において、レーザ干渉計などの計
測手段による搬送物体の位置情報もしくは搬送物体の他
の状態量から第一の制御入力を生成する第一の制御手段
と前記計測手段による搬送物体の位置情報もしくは他の
状態量検出手段と第一および第二の制御手段の生成する
制御入力から、搬送物体の移動反力に伴う定盤の横揺れ
に起因する搬送物体の振動や、搬送物体のヨーイングや
ピッチングなどの並進運動以外の姿勢の乱れなどを発生
せしめる外乱力を推定して、これを打ち消す第二の制御
入力を生成する第二の制御手段、すなわち外乱オブザー
バを設けることにより、搬送物体の移動反力に伴う定盤
の横揺れに起因する搬送物体の振動や、搬送物体のヨー
イング、ピッチング振動などの並進運動以外の姿勢の乱
れを効果的に抑制し、従来の定盤加速度フィードバック
を用いた方法に比べ位置決め精度の向上と位置決め時間
の短縮が可能になる。
【００２９】
【発明が解決しようとするさらなる課題】ステッパにお
いては、ウエハの位置決めに加えて、さらにウエハ面に
対して露光光を傾きなく照射するための姿勢補正を行な
う必要があり、ウエハの反りなどでウエハ面がステージ
に対して傾きを有している場合にも対応できなくてはな
らない。そこで、ステージの姿勢検出手段および姿勢補
正駆動手段によって、まず並進位置決め動作中はステー
ジが一定の姿勢に保たれるように姿勢制御を行なう。そ
して、並進位置決め運動終了後にウエハ面自体の傾きを
計測し、露光光がウエハに傾きなく入射するようにステ
ージの姿勢の補正を行なう。
【００３０】しかしながら、ステッパのような並進動作
手段に加えて姿勢の補正手段を有する位置決め装置に前
述の外乱オブザーバを適用するには下記（３）および
（４）のような問題があった。 （３）まず、従来の定盤加速度フィードバックに代わ
り、前述の外乱オブザーバを適用することによって、加
速度センサなしで定盤の横揺れの影響を除去することが
できるが、前述のステージの並進方向の位置決め後に行
なうステージ姿勢の補正動作によって、ステージの並進
の状態量が変化し、外乱オブザーバの推定外乱波形が乱
されてしまう。その結果、外乱オブザーバを用いない場
合よりも、かえって位置決め特性の悪化を招いてしまう
ことがあるという問題があった。 （４）さらに、並進運動中においては、前述のように、
ステージの姿勢を一定に保つように姿勢制御系はレギュ
レーション動作を行なっているが、この姿勢制御系が、
並進の制御ループから見た場合には一種の付加的な高次
共振要素となってしまう。したがって、こうした位置決
め装置に外乱オブザーバを適用しても、オブザーバのル
ープゲインを上げることができず、所望の外乱抑圧特性
を得ることができないという問題があった。
【００３１】したがって、ステージ移動に伴う定盤の横
揺れに起因するステージ案内手段に対する振動を除去す
るには、上記（１）の理由から従来の定盤加速度フィー
ドバックは適さず、また、（３）、（４）の理由から前
述の外乱オブザーバでは、ステッパのような並進の位置
決めに加えて姿勢補正手段を有する位置決め装置に対し
ては適用しても余り良好な効果は期待できないという問
題点があった。
【００３２】本発明は、定盤に搭載され、並進移動手段
と姿勢補正手段を有する位置決め装置において、コスト
や強度の点で実用化に適し、また非接触案内機構の特徴
である低剛性に基づく姿勢の乱れや振動を適正に補正
し、安定した高精度の位置決めを高速で達成可能な精密
位置決め装置の提供を目的（第２の目的）とする。
【００３３】
【さらなる課題を解決するための手段】上記の第２の目
的を達成するため、本発明（第２の態様）では、定盤に
搭載され、並進移動手段と姿勢補正手段を有する位置決
め装置において、並進運動の状態量の計測手段からの出
力と並進目標値とに基づいて並進駆動手段に対し第１の
指令信号を出力する第１制御手段と、並進運動の状態量
の計測手段からの出力と並進駆動手段への入力信号とに
基づいて移動体、例えばステージに対する外乱を算出し
これを打ち消すための第２の指令信号を出力する第２制
御手段、いわゆる“外乱オブザーバ”と、姿勢制御手段
からの出力と姿勢目標値とに基づいて姿勢駆動手段に対
し第３の指令信号を出力する第３制御手段とを備え、前
記第１の指令信号と第２の指令信号とを加算して前記並
進駆動手段への入力信号とすることにより、定盤の横揺
れによる、移動体と案内面との間の振動を“外乱”とし
て検出し除去することのできる“外乱オブザーバ”を適
用している。そしてこのとき、前記外乱オブザーバに、
移動体の姿勢補正のための制御指令値および／または姿
勢計測手段からの姿勢情報を用いて外乱オブザーバへの
並進状態量入力を修正する第１修正手段、および外乱オ
ブザーバの出力を姿勢補正制御系の動特性を考慮して修
正する第２修正手段の少なくとも一方を前記外乱オブザ
ーバに設け、姿勢補正手段による該外乱オブザーバへの
影響を除去している。
【００３４】
【作用】これによって、前述の修正手段を有さない外乱
オブザーバでは達成しにくかった、姿勢補正手段を有す
る位置決め装置における安定な動作を達成して、従来の
定盤加速度フィードバック以上の長所を実現することが
できる。すなわち、移動体の移動に伴う定盤の横揺れに
起因する移動体と案内面との間の振動を“外乱”として
検出し除去することによって、従来の定盤加速度フィー
ドバックで必要であった加速度センサを不要としなが
ら、従来の定盤加速度フィードバック以上の高性能位置
決め特性を実現することができる。
【００３５】
【効果】以上説明したように、本発明（第２の態様）
は、定盤に搭載され、並進移動手段と姿勢補正手段を有
する位置決め装置において、並進運動の状態量の計測手
段からの出力および並進目標値に基づいて並進駆動手段
に対し第一の指令信号を出力する第一制御手段と、姿勢
計測手段からの出力および姿勢目標値に基づいて姿勢駆
動手段に対し指令信号を出力する姿勢制御のための第三
制御手段と、並進運動の状態量の計測手段からの出力お
よび並進駆動手段への入力信号に基づいてステージに対
する外乱を算出しこれを打ち消すための第二の指令信号
を出力する第二制御手段、いわゆる“外乱オブザーバ”
とを備え、第一の指令信号と第二の指令信号とを加算し
て並進駆動手段への入力信号とすることにより、定盤の
横揺れによるステージと案内面との間の振動を“外乱”
として検出・除去するものである。そしてこのとき、第
一の修正手段であるステージの姿勢補正のための制御指
令値および／もしくは姿勢計測手段からの姿勢情報を用
いた外乱オブザーバの並進状態量入力の修正手段ならび
に／または、第二の修正手段である姿勢補正制御系の動
特性を考慮した外乱オブザーバ出力の修正手段とによ
り、姿勢補正手段による外乱オブザーバへの影響を除去
するものである。
【００３６】これによって参考例の外乱オブザーバでは
達成できなかった姿勢補正手段を有する位置決め装置に
おける高度に安定な動作を達成して、従来の定盤加速度
フィードバック以上の効果を実現するものである。した
がってステージ移動に伴う定盤の横揺れに起因するステ
ージと案内面との間の振動を、“外乱”として検出・除
去し、従来の定盤加速度フィードバックで必要であった
加速度センサが不要でありながら従来の定盤加速度フィ
ードバック以上の高性能位置決め特性を実現するもので
ある。
【００３７】
【参考例】図１は第１の態様の一例に係る精密位置決め
装置の概略図である。この図において、１は空気軸受な
どの非接触の案内手段、２は駆動手段であるリニアモー
タ、３はリニアモータ２によって駆動される搬送物体、
４は定盤、５はレーザ干渉計などの搬送物体の位置計測
手段、７は第一の制御手段、８は外乱力を推定する第二
の制御手段、すなわち外乱オブザーバである。９は微分
器、１０はダンパ、１１はコイルばね、１２および１３
はモード切換えスイッチ、１４は速度モード直列補償
器、１５は位置モード直列補償器である。
【００３８】上記構成において、第一の制御手段７は、
定盤４に固定された位置検出手段５によって得られた搬
送物体３の定盤４に対する変位ｘ1 と目標位置ＲP との
偏差ｅP に応じて、速度制御モード補償器１４と位置制
御モード補償器１５を、切換えスイッチ１２、１３によ
って切換える。それぞれのモードの補償器はＰＩＤなど
の一般的な直列補償器である。この第一の制御手段７と
第二の制御手段８の指令の和である制御指令ｕは、定盤
４に固定されているリニアモータ２へ供給されることに
より推進力ｆが生じる。定盤４はダンパ１０とコイル１
１で床部より支持されている。
【００３９】また、非接触式の案内手段１は定盤４に固
定され、リニアモータ２のムーバと一体となっている搬
送物体３は、案内手段１に対して微小量だけ浮上してお
り、上記推進力ｆによりリニアモータ２と案内手段１に
よってｘ方向に非接触に移動する。しかしこのとき推進
力ｆの反力に伴う定盤４の横揺れに起因する搬送物体３
の振動や、搬送物体３のヨーイング（図１においてｚ軸
まわり回転）やピッチング（ｙ軸まわりの回転）などの
並進運動以外の姿勢の乱れが生じるため、第一の制御手
段７だけでは位置決めに時間がかかってしまう。こうし
た影響を除去するために設けられるのが第二の制御手段
８であり、位置計測手段５によって得られた搬送物体の
位置情報を微分器９により微分して速度情報ｖ1 を得、
これと制御指令ｕとを用いて定盤振動やピッチングおよ
びローリングなどによる外乱力の推定値Ｆdeを求め、こ
れを補償するために制御量ｕ”を第一の制御手段７の出
力ｕ’に上乗せする。
【００４０】つぎに具体的な数値解析によって、定盤振
動やピッチング、ローリングなどの回転振動に対する本
参考例の効果を明確に示す。まず図１の構成をブロック
図に直すと図７のようになる。図７では第一の制御手段
７をディジタルで構成したブロックになっており、速度
モードではＰＩ補償、位置制御モードではＰＩＤ補償を
行なっている。制御対象である非接触式の搬送物体３お
よび定盤４は２自由度の連成系としてモデル化を行なっ
ており、搬送物体３は並進運動による変位ｘPに加え
て、回転運動の中で特に問題となるヨーイング動作によ
る影響ｘthも考慮している。図１および７において、Ｒ
V は指令速度、ＲP は指令位置、Ｔはサンプリング周
期、ＫP1は速度制御モード比例ゲイン、Ｋi1は位置制御
モード積分ゲイン、ＫP2は位置制御モード比例ゲイン、
Ｋi2は位置制御モード積分ゲイン、ＫD2は位置制御モー
ド微分ゲイン、Ｚ-1は遅れ演算子、ＨＯＬＤはホール
ダ、ｓは微分演算子、ｋt はリニアモータ推力定数、ｍ
1 は搬送物体質量、ｋtnはリニアモータ推力定数公称
値、ｍ1nは搬送物体質量公称値、ｇ0 はオブザーバゲイ
ン、ＬRは搬送物体重心から右の力作用点までの長さ、
ＬLは搬送物体重心から左の力作用点までの長さ、Ｌは
搬送物体重心から位置計測点までの長さ、ｍ2は定盤質
量、ｃ1 ，ｃ2 ，ｃy は粘性定数、ｋ1 ，ｋ2 ，ｋy は
バネ定数、ｘthはピッチングによるｘ方向変位、ｘP は
並進運動によるｘ方向変位、ｘ1 は位置計測手段による
搬送物体の変位である。
【００４１】従来の定盤加速度フィードバックに対する
本参考例の優位性が最も顕著に現れるのは、外乱に対す
る抑圧特性である。そこで従来法と本参考例について、
定盤４に加わる外乱力から搬送物体３の変位までの周波
数特性（ただし位置制御モードにおける特性）を図８に
示す。図８において（ａ）は応答の振幅、（ｂ）は位相
であり、振幅の単位はコンプライアンス（変位／力）で
ある。図８のように本参考例では従来の定盤加速度フィ
ードバックによる方法に比べて、定盤振動周波数ｆj お
よび搬送物体の回転周波数ｆy を含めた全域にわたって
外乱抑圧特性を向上させることができる。したがって実
際の応答波形でもこの効果が顕著に現れる。
【００４２】一例として図９に定盤に加わる単位ステッ
プ外乱力に対する搬送物体の変位波形を示す。図９にお
いて（ａ）は応答がある一定範囲内に整定するための時
刻ｔ1までの応答、（ｂ）は時刻ｔ1 以降２ｔ1 までの
応答であり、縦軸はそれぞれ同一の代表長さで正規化し
た搬送物体３の変位ｘ1 である。図９（ｂ）の従来例に
顕著にみられる周期の大きな振動が定盤４の横揺れによ
る搬送物体の振動であり、周期の小さな振動が搬送物体
３のヨーイング振動である。図から明らかなように、本
参考例によれば定盤４の横揺れによる搬送物体３の振動
や、搬送物体３のピッチング振動に対して、従来の定盤
加速度フィードバックよりも大幅に抑圧特性が改善でき
る。
【００４３】さらに搬送物体３を実際に速度制御モード
と位置制御モードによって一定距離λの移動を行ない精
密位置決めさせたときの搬送物体３の変位を図１０に示
す。図１０において（ａ）は偏差がある一定範囲内に整
定する時刻ｔ2 まで、（ｂ）はｔ2 以降２ｔ2 までの応
答の様子であり、縦軸はそれぞれ移動距離λで正規化し
た値である。（ａ）で示される応答のおおまかな様子
は、従来の方法とほとんどかわらないが、（ｂ）の微細
な位置決め領域における応答は全く異なっており、本参
考例による応答は従来の定盤加速度フィードバックによ
る方法よりも収束が良い。これは前述のように本参考例
によれば定盤振動や搬送物体の回転振動に対する抑圧特
性が大幅に向上するためである。したがって本参考例に
よって精密位置決めを行なえば、従来の方法に比べて位
置決め精度の向上と、位置決め時間の短縮を図ることが
できる。
【００４４】図１に示した参考例は位置検出手段によっ
て得られる位置信号から微分器によって速度信号ｖ1 を
求め、第二の制御手段の入力としていた。しかしなが
ら、搬送物体の他の状態量から速度情報を得るか、ある
いはムービングコイル形などの速度検出器を用いて直接
速度信号を得ることによっても本参考例と何ら変わりな
く第１の態様を実施することが可能である。また、図１
に示した参考例は１軸の位置決め装置に関するものであ
ったが、ステッパのような２軸の（あるいは多軸の）位
置決め装置に対しても本参考例と何ら変わりなく第１の
態様を適用することが可能である。
【００４５】以上説明したように本参考例によればレー
ザ干渉計などの計測手段５による搬送物体３の位置情報
もしくは搬送物体３の他の状態量から第一の制御入力を
生成する第一の制御手段と前記計測手段による搬送物体
３の位置情報もしくは他の状態量検出手段と第一および
第二の制御手段の生成する制御入力から、搬送物体３の
移動反力に伴う定盤４の横揺れに起因する搬送物体３の
振動や、搬送物体３のヨーイングやピッチングなどの並
進運動以外の姿勢の乱れなどを発生せしめる外乱力を推
定して、これを打ち消す第二の制御入力を生成する第二
の制御手段、すなわち外乱オブザーバを設けることによ
り、搬送物体３の移動反力に伴う定盤４の横揺れに起因
する搬送物体３の振動や、搬送物体３のヨーイング、ピ
ッチング振動などの並進運動以外の姿勢の乱れを効果的
に抑制し、従来の定盤加速度フィードバックを用いた方
法に比べ位置決め精度の向上と、位置決め時間の短縮が
可能になる。
【００４６】
【実施例】図１１は本発明の実施例に係る精密位置決め
装置の概略図である。ステッパは本来ステージの６自由
度全てを制御可能な構造を有しているが、本実施例では
簡単のため図１１に示すようにｘ方向の１並進自由度に
加えて、ステージのθ方向の回転自由度を計測して制御
する２自由度の位置決め装置を用いて説明する。しかし
この簡略化によっても、本発明の特徴を何等損なうもの
ではない。
【００４７】さて図１１において、１０１は静圧軸受や
転がり軸受などの案内手段、１０２は並進駆動手段であ
るリニアモータ、１０３はリニアモータ１０２によって
駆動される粗動ステージ、１０４はθ方向の姿勢補正を
行なうための姿勢補正駆動手段、１０５は姿勢補正駆動
手段１０４によって駆動される微動ステージ、１０６は
定盤、１０７はレーザ干渉計などによる並進方向の位置
計測手段、１０８は微動ステージ１０５の姿勢を計測す
る姿勢計測手段、１０９は第一の制御手段、１１０は姿
勢補正のための第三の制御手段、１１１は外乱を推定す
るために参考例で用いられた第二の制御手段、すなわち
図１で用いたものと同様の外乱オブザーバ、１２０は姿
勢計測手段１０８の出力を用いた第一の修正手段、１２
１は姿勢補正制御系の動特性を考慮した第二の修正手
段、１１２は第一の修正手段１２０および第二の修正手
段１２４による修正手段を設けた外乱オブザーバ、１１
３はダンパ、１１４はばね、１１５は微分器、１１６お
よび１１７はモード切り替えスイッチ、１１８は速度モ
ードにおけるＰＩ直列補償器、１１９は位置モードにお
けるＰＩＤ直列補償器、１２２は第三の制御手段１１０
における直列補償器である。さらに粗動ステージ１０３
とそれに搭載された微動ステージ１０５、姿勢補正駆動
手段１０４および姿勢計測手段１０８とを併せて単にス
テージと呼ぶことにする。
【００４８】つぎに、上記構成において、定盤１０６に
固定された並進位置検出手段１０７によって得られた微
動ステージ１０５の定盤１０６に対する変位ｘ1 と目標
位置ｒp との偏差ｅp に応じて、第一の制御手段１０９
は速度モード補償器１１８と位置制御モード補償器１１
９を切り替えスイッチ１１６，１１７によって切り替え
る。それぞれのモードにおける補償器はＰＩおよびＰＩ
Ｄの一般的な直列補償器である。この第一の制御手段１
０９によって並進駆動手段であるリニアモータ１０２へ
の指令値ｕL が算出される。
【００４９】また、第三の制御手段１１０においては、
姿勢計測手段１０８によって検出した微動ステージ１０
５の傾きθf と、目標値ｒf との差が直列補償器１２２
へ渡され、これによって姿勢補正駆動手段１０４への指
令値ｕf を算出する。
【００５０】一方、制御指令ｕは、定盤１０６に固定さ
れているリニアモータ１０２へ供給され、推力を生じ
る。定盤１０６は床振動を遮断するためのダンパ１１３
とコイルばね１１４によって床部より支持されている。
また案内手段１０１は定盤１０６に固定され、リニアモ
ータ１０２のムーバと一体となっている粗動ステージ１
０３を含むステージ全体は、案内手段１０１で案内され
ｘ方向に移動する。
【００５１】しかしこのときリニアモータ１０２の推進
反力に伴う定盤１０６の横揺れに起因した、ステージの
案内手段１０１の案内面に対する位置ずれによってステ
ージ振動が生じ、リニアモータ１０２の制御を第一の制
御手段１０９だけで行なうと（すなわちｕ＝ｕL とする
と）、位置決めに多大な時間がかかってしまうことにな
る。
【００５２】図示はしていないが、従来よりこの問題を
解決するために、定盤１０６の加速度を加速度センサに
よって検出し、第一の制御手段の出力ｕL に加算する方
法が用いられてきた。しかし、微小な定盤振動（一般に
定盤１０６の質量はステージの質量の１００倍ほどであ
る。したがってステージの移動反力に伴う定盤加速度は
ステージの１／１００程度である）を検出する加速度セ
ンサは非常に高精度でなければならず、高価かつ脆弱な
ため、コスト的、強度的な点で製品化には問題がある。
【００５３】そこで、定盤加速度フィードバックに代わ
って上述の位置ずれによる振動問題を解決する方法とし
て、参考例ではモータなどの制御に用いられている“外
乱オブザーバ”を用いた例を示した。図１１において第
二の制御手段１１１が参考例で示した外乱オブザーバに
よる推定手段であり、第二の制御手段１１１において、
計測手段７によって得られたステージ位置情報とリニア
モータ１０２への指令信号ｕとから、定盤の横揺れに起
因する位置ずれ振動を含めた外乱を推定し、これを電圧
に変換してｕL に加算するわけである。ここで第二の制
御手段１１１におけるｍ3nは微動ステージを含めたステ
ージ質量の公称値、すなわちｍ1n＋ｍfnである。
【００５４】しかし、こうした外乱オブザーバである第
二の制御手段１１１を、ステッパのような姿勢補正手段
１１０を有する位置決め装置にそのまま適用すると、並
進方向の位置決めの後に行なう微動ステージ１０５の姿
勢補正によって、位置計測手段１０７が検出するステー
ジ位置情報にその影響がステップ状の外乱として重畳
し、したがって外乱オブザーバの動作に影響を及ぼすた
め、これが位置決め時間の増加をもたらすことがあると
いう問題がある。
【００５５】さらにこうした微動ステージ１０５および
姿勢補正駆動手段１０４による機械的な共振特性が、外
乱オブザーバである第二の制御手段１１１にとって、一
種の付加的な高次共振となってしまうために、オブザー
バの帯域を広く設定できず、所望の外乱抑圧特性を確保
できないという問題点もある。
【００５６】そこで、姿勢補正手段を有する位置決め装
置に対し、第一の修正手段１２０および／または第二の
修正手段１２１を設けて、第二の制御手段１１１の出力
を修正する、いわゆる修正手段を設けた外乱オブザーバ
１１２によって、上記２つの問題を解決するのが本実施
例の特徴である。ここで、修正手段１２０は姿勢計測手
段１０８による微動ステージ１０５の傾きθf から、位
置計測手段１０７に重畳する微動ステージ１０５の姿勢
変化の影響を幾何学的な位置関係によって計算し、その
影響分を減ずる第一の修正手段である。また、修正手段
１２１は、微動ステージ１０５とその姿勢補正駆動手段
１０４と姿勢補正制御手段２２とからなる姿勢補正制御
系の動特性を考慮して、これを含む位置決め系全体の共
振ピークを抑えるためのフィルタであり、一般にはノッ
チフィルタが用いられる。そして外乱オブザーバの帯域
を高く設定し、外乱抑圧特性を上げる上でネックとな
る、姿勢補正制御系の共振によるオブザーバループの不
安定化を防ぐ役割を果たす。
【００５７】こうして参考例の外乱オブザーバである第
二の制御手段１１１と、第一の修正手段１２０、第二の
修正手段１２１のいわゆる修正手段を設けた外乱オブザ
ーバ１１２によって得られる推定信号ｕ0 を、第一の制
御手段１０９の出力ｕL に加算してリニアモータ入力ｕ
を得ることによって、参考例の外乱オブザーバ１１１だ
けでは達成できなかった高い外乱抑圧能力を実現し、定
盤の横揺れに起因するステージの位置ずれ振動を除去す
るわけである。
【００５８】つぎに具体的な数値分析によって、ステー
ジの移動反力による定盤の横揺れに起因したステージの
位置ずれ振動の抑圧に対する本発明の効果を明確に示
す。まず図１１の構成をブロック図に直すと図１２のよ
うになる。図１２においては、微動ステージ１０５、粗
動ステージ１０３および定盤１０６のそれぞれを２次の
振動系として扱っている。
【００５９】そして幾何学的な位置関係から決まる係数
ｒを介して微動ステージ１０５の変位θf の影響ｘf が
並進方向の位置情報ｘ1 に加わると同時に、やはり幾何
学的な位置関係から決まる係数ｄを介して姿勢補正駆動
手段１１４の反力が粗動ステージ１０３に伝わる構造と
なっている。
【００６０】第１の修正手段１２１としては、姿勢補正
制御系の共振ピークを抑えるノッチフィルタとし、その
伝達特性Ｎ（ｓ）を
【００６１】
【数７】 としている。ここでωn はノッチ周波数であり、微動ス
テージ制御系の共振周波数に設定している。図１１およ
び１２において、ｒp は指令位置、ｒV は指令速度、ｒ
f は指令姿勢、ｓは微分演算子、ｋtLはリニアモータ推
力定数、ｋtLn はリニアモータ推力定数の公称値、ｍ1
は粗動ステージ質量、ｍ1nは粗動ステージ質量公称値、
ｍf は微動ステージ質量、ｍfnは微動ステージ質量公称
値、ｍ3nはステージ質量公称値（ｍ1n＋ｍfn）、ｍ2 は
定盤質量、ｍ2nは定盤質量公称値、ｃ1 ，ｃ2 ，ｃf は
粘性定数、ｋ1 ，ｋ2 ，ｋ3 はばね定数、ｘ1 はステー
ジ変位、ｇ1 ，ｇ2 はオブザーバゲイン、ｒはゲイン定
数、ｕL ，ｕ0 ，ｕはリニアモータ指令値、θf は回転
角、ｕf は姿勢補正指令値である。
【００６２】本実施例の優位性が最も顕著に現れるの
は、外乱に対する抑圧特性である。そこで従来の定盤加
速度フィードバックを用いた場合と、本実施例とにおい
て定盤１０６に加わる外乱力からステージの変位までの
周波数特性を図１３に示す。因みに、本実施例のような
姿勢補正制御系を有するステージに参考例の外乱オブザ
ーバを用いた場合には、オブザーバ帯域を本実施例と同
等に高く設定すると前述したように不安定となってしま
う。
【００６３】図１３において（ａ）は応答の振幅、
（ｂ）は位相であり、振幅の単位はコンプライアンス
（変位／力）である。図１３のように本発明では従来の
定盤加速度フィードバックによる方法に比べて、定盤振
動周波数ｆb および姿勢補正制御系の共振周波数ｆf を
含めた全域にわたって外乱抑圧特性を向上させることが
できる。したがって実際の時間応答波形でもこの効果が
顕著に現れる。
【００６４】一例として図１４に定盤１０６に加わる単
位ステップ外乱力に対するステージの変位波形を示す。
図１４において（ａ）は応答がある一定範囲内に整定す
るための時刻ｔ3 までの応答、（ｂ）は時刻ｔ3 移行２
ｔ3 までの応答であり、縦軸はそれぞれ同一の代表長さ
Ｌで正規化した正規化ステージ変位ｘ1 ／Ｌである。図
１４（ｂ）の従来例に顕著にみられる周期の大きな振動
が定盤１０６の横揺れによるステージの位置ずれ振動で
あり、周期の小さな振動が微動ステージ制御系の影響に
よる振動である。図から明らかなように、本実施例によ
れば、定盤１０６の横揺れによるステージの振動や、微
動ステージ制御系の振動に対して、従来の定盤加速度フ
ィードバックよりも大幅に抑圧特性が改善できる。
【００６５】さらにステージ１０３を実際に速度制御モ
ードと位置制御モードによって一定距離λの移動を行な
い精密位置決めさせたときのステージの変位を図１５に
示す。図１５において（ａ）は偏差がある一定範囲内に
整定するための時刻ｔ4 まで、（ｂ）はｔ4 以降２ｔ4
までの応答の様子であり、縦軸はそれぞれ移動距離λで
正規化した値である。（ａ）で示される応答の大まかな
様子は、従来の定盤加速度フィードバックによる方法と
ほとんどかわらないが、（ｂ）の微細な位置決め領域に
おける応答は全く異なっており、本実施例による応答は
従来の方法よりも収束が良い。これは前述のように本実
施例によれば定盤加速度振動に対する抑圧特性が向上す
るためである。したがって本実施例によって位置決めを
行なえば、従来の方法に比べて位置決め時間の短縮と、
位置決め精度の向上を図ることができる。
【００６６】以上のように、定盤に搭載され、並進移動
手段と姿勢補正手段を有する位置決め装置において、並
進運動の状態量の計測手段からの出力および並進目標値
に基づいて並進駆動手段に対し第一の指令信号を出力す
る第一制御手段と、姿勢計測手段からの出力および姿勢
目標値に基づいて姿勢駆動手段に対し指令信号を出力す
る姿勢制御のための第三制御手段と、並進運動の状態量
の計測手段からの出力および並進駆動手段への入力信号
に基づいてステージに対する外乱を算出しこれを打ち消
すための第二の指令信号を出力する第二制御手段、いわ
ゆる“外乱オブザーバ”とを備え、第一の指令信号と第
二の指令信号とを加算して並進駆動手段への入力信号と
することにより、定盤の横揺れによるステージと案内面
との間の振動を“外乱”として検出し、除去することが
できる。そしてこのとき、第一の修正手段であるステー
ジの姿勢補正のための制御指令値および／もしくは姿勢
計測手段からの姿勢情報を用いた外乱オブザーバの並進
状態量入力の修正手段ならびに／または、第二の修正手
段である姿勢補正制御系の動特性を考慮した外乱オブザ
ーバ出力の修正手段とにより、姿勢補正手段による外乱
オブザーバへの影響を除去することができる。
【００６７】これによって参考例の外乱オブザーバでは
達成できなかった姿勢補正手段を有する位置決め装置に
おける高度に安定な動作を達成して、従来の定盤加速度
フィードバック以上の効果を実現するものである。した
がってステージ移動に伴う定盤の横揺れに起因するステ
ージと案内面との間の振動を、“外乱”として検出・除
去し、従来の定盤加速度フィードバックで必要であった
加速度センサが不要でありながら従来の定盤加速度フィ
ードバック以上の高性能位置決め特性を実現することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例に係る非接触式精密位置決め装置の構
成図である。
【図２】 モータの指令値から回転角までを示すブロッ
ク図である。
【図３】 モータおよび外乱オブザーバのブロック図で
ある。
【図４】 リニアモータの指令値から変位までを示すブ
ロック図である。
【図５】 リニアモータおよび外乱オブザーバのブロッ
ク図である。
【図６】 位置情報を用いた外乱オブザーバのブロック
図である。
【図７】 図１の装置のブロック構成図である。
【図８】 定盤に加わる外乱力から搬送物体の変位まで
の伝達特性図であり、（ａ）（ｂ）はそれぞれ振幅およ
び位相の応答特性図である。
【図９】 （ａ）（ｂ）はそれぞれ異なる時刻におけ
る、定盤に単位ステップ入力を加えたときの搬送物体の
変位図である。
【図１０】 （ａ）（ｂ）はそれぞれ異なる時刻におけ
る、搬送物体を距離λ移動させて精密位置決めさせたと
きの搬送物体の変位図である。
【図１１】 本発明の実施例に係る精密位置決め装置の
構成図である。
【図１２】 図１１の装置のブロック構成図である。
【図１３】 定盤に加わる外乱力からステージの変位ま
での伝達特性であり、（ａ）（ｂ）はそれぞれ振幅およ
び位相の応答特性である。
【図１４】 （ａ）（ｂ）はそれぞれ異なる時刻におけ
る、定盤に単位ステップ入力を加えたときのステージの
変位図である。
【図１５】 （ａ）（ｂ）はそれぞれ異なる時刻におけ
る、ステージを距離λ移動させて精密位置決めさせたと
きのステージの変位図である。
【符号の説明】
１：案内手段、２：リニアモータ、３：搬送物体、４：
定盤、５：搬送物体の位置計測手段、７：第一の制御手
段、８：第二の制御手段、９：微分器、１０：ダンパ、
１１：コイルばね、１２，１３：モード切換えスイッ
チ、１４：速度モード直列補償器、１５：位置モード直
列補償器、１０１：案内手段、１０２：並進駆動手段、
１０３：粗動ステージ、１０４：姿勢補正手段、１０
５：微動ステージ、１０６：定盤、１０７：並進方向の
位置計測手段、１０８：姿勢計測手段、１０９：第一の
計測手段、１１０：第三の制御手段、１１１：参考例の
外乱オブザーバである第二の制御手段、１１２：修正手
段を設けた外乱オブザーバ、１１３：ダンパ、１１４：
ばね、１１５：微分器、１１６：切り換えスイッチ、１
１７：切り換えスイッチ、１１８：速度モードにおける
ＰＩ直列補償器、１１９：位置モードにおけるＰＩＤ直
列補償器、１２０：第一の修正手段、１２１：第二の修
正手段、１２２：第三の制御手段１１０における直列補
償器。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−110605（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−151625（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−155113（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−110606（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−105510（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G05D 3/00 - 3/20 H01L 21/30

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 除振手段上に支持された定盤と、該定盤
    上に設けられた並進案内手段と、該案内手段により案内
    される、所定の位置へ所定の姿勢で位置決め制御すべき
    移動体と、該移動体の並進駆動手段と、該移動体の並進
    状態計測手段と、該並進状態計測手段からの出力と並進
    目標設定値とに基づいて前記並進駆動手段に対し第１の
    指令信号を出力する第１制御手段と、前記並進状態計測
    手段からの出力と前記並進駆動手段への入力信号に基づ
    いて前記移動体に対する外乱を算出しこれを打ち消すた
    めの第２の指令信号を出力する第２制御手段と、前記移
    動体の姿勢補正駆動手段と、該移動体の姿勢計測手段
    と、該姿勢計測手段からの出力と姿勢目標設定値とに基
    づいて前記姿勢補正駆動手段に対し第３の指令信号を出
    力する第３制御手段とを備え、前記第１の指令信号と第
    ２の指令信号とを加算して前記並進駆動手段への入力指
    令信号とし、更に第２制御手段が、前記姿勢計測手段か
    らの出力および／または前記第３の指令信号を用いて前
    記外乱を算出するための前記並進状態計測手段からの出
    力を修正する第１修正手段を備えることを特徴とする精
    密位置決め装置。
  2. 【請求項２】 前記第２制御手段は、前記第２の制御信
    号を得るために算出した外乱を前記姿勢補正駆動手段お
    よび姿勢補正制御手段からなる姿勢制御系の動特性を考
    慮して修正する第２修正手段を備えることを特徴とする
    請求項１の精密位置決め装置。
  3. 【請求項３】 前記並進状態計測手段は、レーザ測長器
    からなる位置検出器であることを特徴とする請求項１の
    精密位置決め装置。
  4. 【請求項４】 前記第１制御手段は、選択的に切換え可
    能な速度制御モード補償器および位置制御モード補償器
    を備え、前記位置検出器からの出力に基づいて求めた移
    動体の変位と目標位置との偏差に応じて前記速度制御モ
    ード補償器と位置制御モード補償器とを切換えることを
    特徴とする請求項３の精密位置決め装置。
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