JP3372725B2 - 同期スキャン制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被露光物体に原板上の
パターン像を焼き付けるデバイス製造装置、特に大画面
の一括露光に好適な走査型露光装置などに適用され、高
度な同期精度と速度均一性とが要求される２軸の駆動を
制御する制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、２軸駆動系の同期性を重視した制
御装置は、例えば図２に示すような構成をとっている。
この代表例として特開昭６０−１６９９０９号公報に記
載のものがある。

【０００３】この図２の例では、他の従来例と表現が異
なっているのでその特殊性を説明しておく。同図におい
て、Ｇ１(s) ，Ｇ２(s) は各軸の位置制御閉ループ伝達
関数である。各軸の対象特性をそれぞれＰ１(s) 、Ｐ２
(s) 、補償器特性をＣ１(s)、Ｃ２(s) とすると、Ｇ１
（ｓ），Ｇ２（ｓ）を、数１式としたものと解釈するこ
とができる。

【０００４】

【数１】 すなわち、各軸におけるループ制御については言及せ
ず、２軸間の同期制御構成にのみ着目した立場の表現と
なっている。この点が以降の２つの従来例および本発明
の実施例における表現と異なる。また、簡単のため本明
細書では、両軸の変位比が１対１の同期関係を目指すも
のと仮定する。例えば、縮小投影露光装置の原板ステー
ジと基板ステージの同期駆動系に適用した場合には、縮
小比および方向を考慮する必要があるが、このような場
合も適当な２軸間のスケール変換がなされるものと仮定
して、一般性を失うことなく１対１の２軸同期制御系を
対象として取り扱う。

【０００５】さて、図２の従来例であるが、これは、い
わゆるマスタスレーブ構成の制御系である。より理解し
やすい表現として、図２を等価変換したものを図５に示
す。同図に示すように、参照値ｒを入力として第１の系
が駆動し、その位置出力ｙ１と第２の系の位置出力ｙ２
との位置偏差ｅｘを、補償演算Ｃ３(s) を介して第２の
系に入力することにより第２の系を駆動する構成となっ
ている。ここで位置偏差ｅｘは同期誤差であり、補償演
算Ｃ３(s) による演算結果ｕｘが同期化操作量である。
第２の系（Ｇ２(s) ）が第１の系（Ｇ１(s) ）の位置出
力ｙ１を指令値とみなしてこの信号に追従するフィード
バックループをなしていることから、図５（図２）の構
成は、第１の系をマスタ、第２の系をスレーブとしたマ
スタスレーブ構成である。ただし、この従来例は、スレ
ーブ系が参照値ｒからの影響も直接受ける構成の、フィ
ードフォワード経路が付加されたものであり、立ち上が
り時の速応性を上げようとする意図を有するものである
と理解することができる。フィードフォワード部分は、
同期制御の構成上は枝葉部あるいは補助部的なものと考
えるべきであり、本従来例のフィードバック制御の基本
思想は位置制御によるマスタスレーブ構成にある。フィ
ードフォワードに関しては以降の例についても同様に考
える。

【０００６】図３に示す従来例は、特開平３−２５２７
０４号公報に記載のものである。これは前述の数１式の
関係に示される表現の違いを除けば、同期制御の基本特
性としては図２の例と等価であることが次のように示さ
れる。すなわち、図３におけるＣ３(s) は同期化補償器
であり、この出力値ｕｘは数２式で表せる。

【０００７】

【数２】 ここで、Ｃ３(s) への入力値は従来例２の同期誤差と同
一である。図３のものは、ｕｘが第２の系に負帰還され
る構成であるから、図５のフィードフォワードを有する
マスタスレーブ構成と同一であることがわかる。

【０００８】上述の２つの従来例は、演算構成が異なる
ものの特性上等価であり、いずれも２軸位置制御のマス
タスレーブ制御系である。これとは異なった例として図
４に示す。特開昭６２−２２６２０６号公報に開示され
たものがある。この従来例では、参照値入力ｒに対して
２軸位置出力ｙ１およびｙ２が追従しないという根本的
な不備があるが、詳細は別として同期制御に関する基本
姿勢を好意的に解釈して議論する。そうすると、２軸駆
動系の出力段に相互にたすき掛けされた信号結合構成を
有する点がその特徴として注目できる。マスタスレーブ
構成では、信号の流れがマスタ系からスレーブ系へと単
一であったのに対して、図４の例では両系が並列であ
り、対等に相互干渉させる基本構成をとっている。この
ような構成は、主従関係を廃止したバイラテラル（ｂｉ
ｌａｔｅｒａｌ）構成と呼ばれる。上述の従来技術が有
する一般の課題を説明する前に、バイラテラル型同期制
御構成の問題点を指摘しておく。明らかな不備を有する
図４の従来例は別にして、バイラテラル構成は一般論と
してはむしろ正当なものであるが、実際の制御系設計の
現場では次の２点がしばしば問題となっている。

【０００９】第１の点は、一方の系に入った外乱により
全系が汚され動揺の収まりが悪いことである。第２の点
は２軸の系に股がる制御閉ループが幾つも現われ、各ル
ープを同時に安定化させる補償器の設計がはなはだ困難
なことである。外乱応答が悪いのは、系のダイナミクス
が、如何なる外乱に対しても全系の最も遅い振動モード
に支配されることによる。マスタスレーブ構成であれば
同期精度に関してはスレーブ系のみの速いダイナミクス
で外乱の影響を除去させることができる。またスレーブ
系へ入力された外乱に対しては、遅いダイナミクスを持
つマスタ系には全く影響を与えることのないのが、マス
タスレーブ系の利点である。 次にバイラテラル構成に
おける補償器の設計の困難な原因は、簡単には各系の個
別設計が不可能なことからくる。例えば、図４の例で
は、補償器Ｃ１(s) を軸特性Ｐ１(s) に基づいて設計し
た場合、Ｐ１とＣ１を含む単純ループの安定化はなされ
ているとしても、Ｐ１からＣ２、さらにＰ２を経て前記
単純ループに帰還されてくる信号成分の考慮はなされて
いないので所望の特性設計は不十分である。一般にこの
ような複合系の補償器を設計するには、多変数制御理論
およびそのＣＡＤを援用するのが好ましいが、往々にし
て得られる結果は、信号の結合構成のみならず複雑な補
償器、すなわち高次の演算構成となるのが普通であり実
現性に乏しいといえる。

【００１０】上述のバイラテラル構成の問題点の指摘
は、言い換えればマスタスレーブ構成の利点を説明する
作業に等しい。しかし、マスタスレーブ構成が万能であ
ると断定する意図はない。一般制御理論としてバイラテ
ラル構成、実践論としてマスタスレーブ構成が有利であ
るとするのが正しい表現であろう。

【００１１】図６は、最も一般的とはいえないが、より
汎用的なバイラテラル制御構成を示す。同図において、
仮に軸特性Ｐ２のサーボ帯域がＰ１に比べて十分に高い
とする。さらに４個の補償器Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１お
よびＣ２２は、適当な制御系設計ＣＡＤを援用して最適
なものを算出したとする。当然ながら最適化のコスト関
数は同期化誤差ｙ１−ｙ２に関するものは必須で、さら
に各軸の速度偏差などを含めるものであり、これらの重
み付二乗積分などを想定している。例題を用いて数値的
に示すことは容易であろうが、ここではその結果の概要
を述べるに留める。第２の系から第１の系への干渉補償
器Ｃ１２(s) は、直流ゲインが他の補償器に比べて極め
て小さくかつ配置される極零はＰ２(s) の極に相当する
十分に高速なものとなる。すなわち、補償器Ｃ１２を有
する信号経路は、切断可能という結論に至ることにな
る。この理由は、元々物理的に分離している速い動特性
と遅い動特性を人為的に結合させることの意味は希薄
で、結合させた場合、速い動特性の系が遅い系に引きず
られる分だけコスト関数に不利に働くと解釈できること
からくる。図６において、補償器Ｃ１２の経路を除去す
れば信号の流れは第１の軸から第２の軸への一方向とな
り、マスタスレーブ構成との等価系になることが示せ
る。

【００１２】同期制御構成についての特徴をまとめるな
らば次のようになる。一般論としての２軸の制御系の汎
用的表現はバイラテラル構成であり、その特殊例かつ最
適パラメータ設定の結果としてマスタスレーブ構成を含
むものと考えられる。しかしバイラテラル構成では、冗
長な構成であるがゆえにマスタスレーブに比べて多くの
補償器を設計しなくてはならず、さらに各ループの安定
化に多大な労力を費やす必要がある。仮に２軸間応答性
に明確な差異があるならば、その知見の基に最初から支
配的特性を持つ軸をマスタ系とし、高帯域特性を持つ軸
をスレーブ系としたマスタスレーブ型において制御系を
構築することが最短での設計行為といえよう。マスタス
レーブ構成では補償器の設計は、１軸毎の安定化調整と
なり何ら困難はない。なお、２軸間応答性の差異が僅少
ならば、この制御対象は元々等しい動作をし得る２軸並
列系であるので、同期化仕様を満たすことを目的とする
設計問題としては低位である。

【００１３】これまでに取り上げた従来例において共通
した問題点とすべき特徴がある。図２〜４に表す３例と
も制御量は位置あるいは２軸間の相対位置である。すな
わち、従来例は全て位置制御系としての同期制御を問題
としていることがわかる。同期性は相対位置で評価する
ものであるから、これらは直接的な発想といえる。しか
しながら、何らかの運動制御系を考える場合においては
位置制御よりも前に速度を制することが重要でありかつ
効果的な場合が多い。このことは位置信号が速度信号に
比べて９０度位相が遅れることなどから容易に理解でき
よう。同期制御に関しても速度に関する同期化を前以て
与える発想が従来明確化されておらず、この点が従来技
術での見落とし部分である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く従来技術に
おいては、汎用性を目指したバイラテラル構成では構成
が複雑で安定化補償器の設計が困難であること、位置制
御に基づくマスタスレーブ構成ではスレーブ系の動作遅
れが現われること、及び同期制御と速度制御との同時実
現の策が表現されていない等の問題点があり、これらに
付随する設計コストの増大、保守性の低下等が課題であ
る。さらに、同期制御系構成上の課題に加えてそれを金
物実現する際の制御回路、測長回路の適切な同期化の在
り方を課題とする。

【００１５】本発明の目的は、上述の課題を解決するこ
とにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段および手段】また、一般
に、位置制御系で安定化補償器を設計するよりも速度制
御系で行う方が、フィードバック系の周波数特性として
高帯域化が可能となる。これは積分特性一つ分の差異に
よるものではあるが、信号伝達の位相遅れで９０度だけ
速度制御系の方が少なく一巡ループゲインの設定に有利
であるという制御基礎理論上の理由に基づいている。従
来技術による同期制御系では位置制御系として同期誤差
を除去しようとしている。本発明の基本思想は主として
速度制御系で同期誤差の抑圧を目指すことにある。しか
しながら、同期誤差は相対位置即ち位置単位によって評
価されるものであるから位置制御としての同期補償ルー
プも併せ持たなければならない。

【００１７】図７に本発明の概念を表している。２つの
駆動系（軸１、軸２）にそれぞれの速度制御系を用意し
ている。２軸のうち応答性の低いほうを信号の上流にお
いた速度制御としてのマスタスレーブ系を構成してい
る。マスタ系の速度ｖ１はスレーブ系へ伝達され、スレ
ーブ系速度制御の速度指令値として入力される。この部
分が背骨ではあるが、マスタ系からスレーブ系への伝達
関数はもうひとつあり、マスタ軸位置検出値ｙ１がスレ
ーブ側に伝達される。これによりスレーブ側では同期検
出されたマスタスレーブ間相対位置を認知することにな
る。認知された相対位置は補償器Ｃｐにより演算され、
その結果は速度指令値の補正量として入力値ｖ１に加算
される。

【００１８】このような手段により高い周波数領域まで
ループ利得を上げることができ、外乱抑制、指令値追従
特性を向上させる作用をなす。また構成上明らかな作用
ではあるが、従来は陽には考慮されていなかった速度制
御を速度目標値入力という形で可能にする。もはやラン
プ関数状の位置目標信号は不要となる。

【００１９】

【実施例】本発明の実施例のひとつを表したものが図１
（ａ）および図１（ｂ）である。本例は半導体露光装置
に応用した場合のものであり、各要素の接続関係および
金物としての全系を図１（ｂ）に表しており、本来制御
回路内で実現される制御構成を図１（ａ）に表現したも
のである。

【００２０】同期制御構成を表した図１（ａ）では、前
述の従来例と同じく各軸の位置情報をｙ１，ｙ２、速度
情報をｖ１，ｖ２としており、２軸同期化を目指した制
御構成の考え方を示すものである。信号の流れにしたが
って説明を与える。まず、この制御系では２つの制御モ
ードを有しており、スキャンモードと位置決めモードと
に分けられ、信号選択器７により切り替えられる。本発
明の主題としては速度制御を含むスキャン制御が主体で
あり、位置決めモードは付加的と考え、スキャンモード
に限定した説明とする。出力ｙ１を持つ軸をマスタ系で
出力ｙ２を持つ軸をスレーブ系としている。

【００２１】速度指令値はその発生器８によりつくられ
マスタ系に入力される。この指令値はマスタ系にのみ入
力し、スレーブ系には直接には作用させない構成である
ことを特記しておく。比較器４ａにより速度指令値は速
度ｖ１と比較され、その偏差信号は速度補償器２ａに入
力される。速度補償器２ａの出力が、物理的にはマスタ
系のＤ／Ａ変換器、電力増幅器を経てモータへ入力され
る操作量となる。マスタ系の動特性１ａは伝達関数Ｑ１
で表しており、速度補償器伝達関数Ｃｖと併せて速度制
御マイナーループが構成される。符番３ａは積分器を表
しており、速度ｖ１と対応する位置ｙ１との関係を示し
たものである。これでマスタ系を一通り説明したが、ス
レーブ系についても同様であり、符番も対応させてい
る。

【００２２】さてポイントとなるのはマスタ系スレーブ
系間の関係である。両者の間の信号方向は一方的でマス
タ系からスレーブ系への方向のみとなっている。両軸間
で伝達される情報は速度ｖ１と位置ｙ１の２点である。
速度信号ｖ１はスレーブ系の速度制御マイナーループへ
の指令値あるいはその一部として伝達される。位置信号
ｙ１はスレーブ系位置ｙ２と比較され、その偏差すなわ
ち同期誤差がスレーブ系位置補償器５ｂに入力される。
このスレーブ系位置補償器は同期化補償器とも呼ぶこと
が可能で同期誤差を零にすべく動作するものであり、少
なくとも一つの積分特性を有するように設計される。位
置補償器５ｂの出力信号はスレーブ系の速度マイナール
ープに入力され、前記速度入力ｖ１との和としてスレー
ブ系速度指令値が生成される。見方を変えれば、スレー
ブ系はよく親しまれている速度マイナーループと位置マ
イナーループを有する１軸駆動制御系であり、速度、位
置の各比較点にマスタ系からの対応する信号が注入され
ているものと解釈できよう。したがって補償器Ｃｖ、Ｃ
ｐの設計手順も軸単独の伝達関数から導き得るものであ
り、実現において無理のない自然な構成である。

【００２３】半導体露光装置へ本制御系を利用した場合
の接続図１（ｂ）を参照する。投影光学系２１を挿んで
原板ステージ２２と基板ステージ２３の２軸の駆動系が
用意されている。原板ステージ上の画像情報を基板ステ
ージ上へ走査しながら転写するものであるから、投影光
学系の縮小比を考慮したうえで、精度の高い両ステージ
の駆動が必要とされる。これらステージの位置計測には
レーザ干渉計が用いられ、その測長回路が１２ａ，１２
ｂ、駆動源であるモータが１７ａ，１７ｂで表されてい
る。２軸分の測長回路は通信バス２４により制御回路１
１に接続され、制御回路１１の演算出力は２軸分を持
ち、それぞれＤ／Ａ変換器１５ａ，１５ｂ、電力増幅器
１６ａ，１６ｂを介してモータ１７ａ，１７ｂへ付与さ
れている。表現上、いずれのステージがマスタ系かスレ
ーブ系であるかは明示していないが、例えば、微動位置
合わせ機構などが具備され、応答性が低い方のステージ
がマスタである。さらに、同図で表現していることのポ
イントは各回路間での電気的な同期化である。

【００２４】半導体フォトリソグラフィ分野での露光転
写に求められる位置合せ精度はサブミクロン以下であ
る。従来のステップ・アンド・リピート方式の露光装置
では静的な計測環境の下でのみこの精度は要求されてい
た。走査型露光装置では、加えて動作中にもこのような
高い精度が必要とされる。ここで述べている精度は位置
座標上での、いわば空間精度である。動作中での精度に
対してはさらに時間軸の考慮が必要で、空間精度を時間
精度に置き換えたタイミングの管理が必須である。

【００２５】図１（ｂ）は各要素接続関係と同時に、制
御回路１１と２つの測長回路１２ａ，１２ｂとの間のタ
イミング管理の実施例を示している。クロック発生回路
１３の出力は２つの測長回路１２ａ，１２ｂに直接入力
され、これと同じ信号が分周回路１４を介して制御回路
１１に渡されている。クロック発生回路１３は、例えば
高い周波数の水晶発振器を内蔵したもので、測長回路１
２ａ，１２ｂ内の演算サイクル、出力ラッチおよび通信
タイミング等に係わる基準クロックを与えるものであ
る。一方、制御回路１１へのタイミング信号入力は、中
央演算装置の基準クロックを意味するものではなく、制
御演算割り込み処理のトリガリング信号として用いるこ
とを、この場合意味している。本実施例により、２つの
ステージ位置計測の同期性およびそれらと制御演算との
間の同期性を要求精度に合わせて実現することが可能と
なる。

【００２６】

【発明の効果】以上、本発明によれば、高い精度特性と
高帯域化が図られた動特性を有する同期スキャン制御装
置を実現することができ、したがって装置および製造ラ
イン全体としてのスループット向上に寄与することがで
きる。さらに、速度制御主体の制御構成であるので、位
置指令入力としてのランプ信号入力を発生させる必要が
なく高い精度での速度制御を実現することができる。

【００２７】また、装置設計・製造の場においては、マ
スタスレーブの考え方に則ったシンプルな構成であるこ
との利点から、設計・調整・保守コストが低減される効
果は絶大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る同期スキャン制御装
置を示す図である。

【図２】 従来例を示す図である。

【図３】 他の従来例を示す図である。

【図４】 さらに他の従来例を示す図である。

【図５】 従来のマスタスレーブ型の制御を基本的な表
現で示す図である。

【図６】 従来のバイラテラル型の制御を基本的な表現
で示す図である。

【図７】 本発明の概念を示す図である。

【符号の説明】

１：軸の特性（伝達関数）、２：速度補償器、３：積分
器、４：速度比較器、５：位置補償器、６：位置比較
器、７：信号選択器、８：速度指令値発生器、９：目標
位置、１１：制御回路、１２：レーザ干渉計測長回路、
１３：基準タイマー、１４：分周回路、１５：Ｄ／Ａ変
換器、１６：電力増幅器、１７：モータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G05D 3/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 個別に操作可能な２つの制御対象をそれ
   ぞれ駆動する２つの駆動系を有し、応答性の低い駆動系
   をマスタとし応答性の高い駆動系をスレーブとしたマス
   タスレーブ同期制御系を構成する装置であって、 マスタの駆動系は入力される速度指令値に追従すべく動
   作する速度制御系の構成を有するとともにその制御対象
   の速度情報と位置情報を出力するものであり、スレーブ
   の駆動系は、前記速度情報を速度指令値とする速度制御
   系と、前記位置情報を位置指令値とする位置補償ループ
   とを有し、この位置補償ループはその位置補償演算値を
   前記速度指令値への補正信号として加算するものであ
   り、両駆動系をそれらの位置を同期させて変化させかつ
   前記入力速度指令値に応じた速度で駆動することを特徴
   とする同期スキャン制御装置。
2. 【請求項２】 前記制御対象はスキャン露光方法による
   デバイス製造装置の基板ステージと原板ステージであ
   り、前記各駆動系は各ステージの位置情報と速度情報を
   取得するレーザ干渉計およびその測長回路を有し、各測
   長回路と双方の前記制御系および前記補償ループにおけ
   る制御演算回路とは、単一のタイミング発生回路のタイ
   ミングに基づき、その基本タイミング信号によりあるい
   はその分周信号により同期駆動されるものであり、これ
   により、両ステージの位置を所望の比率で同期させて変
   化させることを特徴とする請求項１記載の同期スキャン
   制御装置。