JP3971669B2

JP3971669B2 - ステージ装置の駆動方法

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Publication number: JP3971669B2
Application number: JP2002188469A
Authority: JP
Inventors: 洋一栗山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: JP2004030443A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高精度位置決めを行うステージ装置に関し、特にｎｍ（ナノメータ）レベルの精度で位置決めを行うことのできるステージ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置や検査装置に用いるステージ装置には、ＬＳＩパタンの微細化に伴い、数十ｎｍ以下の位置決め精度が要求されている。
さらに、ウェハの大口径化にともない、３００ｍｍ以上のストロークが要求されている。
ストロークの増加は、ステージ装置の大型化を招き、装置全体の小型化を難しくしている。
【０００３】
ステージ装置を小型化するために、超音波モータを駆動源とするステージ装置が提案されている（特開２００１−２６５４４２公報参照）。
超音波モータは、従来のサーボモータ等に比べて小型であるとともに、超音波モータを駆動源とするステージ装置では、ボールネジ等の連結変換手段は不要であるために、ステージ装置全体を小型化することができる。
【０００４】
さらに、超音波モータは、所望の位置に停止後は、駆動信号の入力を停止しても、ステージ装置はその位置に停止し続けることができるという、いわゆる自己保持性を有する。
従って、従来のサーボモータでは位置決め終了後にもフィードバック制御が必要であるが、超音波モータでは位置決め終了後にはフィードバック制御を行う必要はない、このため、電気エネルギーを節約することができるという優れた特徴を有している。
【０００５】
しかし、超音波モータは圧電素子に電圧を印可し、その電歪効果で圧電素子の先端チップに楕円軌道を描かせるという構造であるため、圧電素子が歪むだけの定格電圧を必要とする、そのため数μｍ程度以下の微少移動を安定に行うことが難しいという問題があった。
このため、超音波モータを駆動源とするステージ（以下、粗動ステージという）では、半導体製造装置や検査装置に要求される、数十ｎｍの位置決めを行うことは難しい。
【０００６】
一方、ピエゾアクチュエータは、ｎｍレベルの位置決めを高速に行うことができるという優れた特徴を有する。
しかし、ピエゾアクチュエータのストロークは一般的には１０μｍ程度である。このため、ピエゾアクチュエータを駆動源とするステージ（以下、微動ステージという）では、半導体製造装置や検査装置に要求される、３００ｍｍ以上のストロークを実現することは不可能である。
【０００７】
そこで、粗動ステージと微動ステージを組み合わせて用いることにより、要求性能を満足させることが行われている。（特開平５−１４３１６４公報、特開平８−２４１８４８公報、特開２００１−２２５２４１公報参照）
すなわち、粗動ステージを用いて３００ｍｍ以上のストローク移動を行い、微動ステージを用いて、数十ｎｍレベルの位置決めを行うことにより、半導体製造装置や検査装置に要求される性能を満足させることが行われている。
このような、粗動ステージと微動ステージを組み合わせたステージ装置は、従来のモータにおける駆動方式を用いて制御が行われていた。
【０００８】
図３に、従来の駆動方式を示す通り、微動ステージは、フィードバック制御が行われているので、まず、Ｓ１００において、粗動ステージ駆動中に微動ステージのフィードバック制御が有効とならないように、微動用フィードバック制御系をＯＦＦにする。そして、Ｓ１０１に移行する。
次いで、ステージ装置の位置決め目標位置が微動ステージのストローク範囲内となるように、Ｓ１０１において、ピエゾアクチュエータを可動範囲の半分に相当する量だけ変位させることにより、微動ステージを中央位置に移動させる。
その後、粗動ステージ移動中に微動ステージ位置が変化しないように固定する。そして、Ｓ１０２に移行する。
以上の手続きの後、Ｓ１０２において、粗動ステージのフィードバック制御を行い、粗動ステージを目標位置に移動させる。そして、Ｓ１０３に移行する。
【０００９】
粗動ステージが目標位置から位置決め精度以内に到達した後、Ｓ１０３において、微動用フィードバック制御系をＯＮして、微動ステージが目標位置に位置決めを行う。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
超音波モータは自己保持特性があるために、粗動ステージ位置決め終了後は、粗動用フィードバック制御系はＯＦＦとすることができるにもかかわらず、従来の駆動方式では、外乱によるステージシステム全体系の微振動が心配されるため、粗動用フィードバック制御系をＯＦＦとすることは行われていない。
【００１１】
しかも、超音波モータは、自己保持特性を有するものの、フィードバック制御をＯＦＦとした直後、すなわち、駆動信号の入力を停止した直後には、その停止位置を中心とする微少振動を発生することが判明している。
微少振動が発生している状態で微動用フィードバック制御系をＯＮすると、微動用フィードバック量の演算を行うために微動ステージの位置計測を行う際に、粗動ステージの振動量をも重畳した位置を計測することとなる。
このため、計測位置には誤差を含むこととなり、安定した位置決め制御が望めない。
【００１２】
さらに、ある計測時点において、超音波モータの駆動を停止した際の微少振動において、粗動ステージの振動量の絶対値が微動ステージの移動量の絶対値よりも大きく、しかも変位方向が逆となる場合には、微動用フィードバック制御系は、微動ステージが制御方向とは逆方向に移動したと判断して、誤動作を起こし、微動ステージを安定に位置決め制御することが望めなくなる。
その結果、粗動用フィードバック制御系をＯＦＦとした直後の、粗動ステージが一定振幅以上の微少振動を発生している状態で微動用フィードバック制御系をＯＮとすると、微動ステージは安定したフィードバック制御を行うことができないという課題があった。
【００１３】
また、微動ステージを毎回中央位置に移動した後固定するため、微動ステージの移動のための処理が毎回必要となり、処理手順の増加と移動時間の増大を招くという課題があった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述した不都合に鑑みてなされたものであり、超音波モータを駆動源とする粗動ステージとピエゾアクチュエータを駆動源とする微動ステージを安定して、しかも高速に駆動することのできる駆動方法を提供するものである。
即ち、請求項１に係る発明は、超音波モータの駆動により第１のストローク範囲を移動可能な粗動ステージと、該粗動ステージ上でピエゾアクチュエータの駆動により、前記粗動ステージと同方向に微小距離の第２のストローク範囲を移動可能な微動ステージと、前記粗動ステージおよび微動ステージの現在位置を検出するための位置検出手段と、を備えたステージ装置の駆動方法であって、前記粗動ステージに対して前記位置検出手段による現在位置計測結果を基に、前記超音波モータに第１の駆動信号を入力して前記粗動ステージを仮の目標位置に粗動位置決めするステップ１と、前記超音波モータへの第１の駆動信号の入力を停止した後、前記位置検出手段により前記粗動ステージの現在位置を、少なくとも前記粗動ステージの一次の固有振動数の逆数よりも長い時間をかけて測定するステップ２と、前記ステップ２における測定値に基づいて、前記粗動ステージの振動振幅を算出するステップ３と、前記粗動ステージの振動振幅が予め設定した許容値よりも小さくなった後、前記ピエゾアクチュエータに第２の駆動信号を入力して前記微動ステージを最終の目標位置に位置決め制御するステップ４と、を含むステージ装置の駆動方法である。
【００１５】
また、請求項２に係る発明は、前記仮の目標位置をピエゾアクチュエータの変位可能量に応じて設定することを特徴とするものである。
また、請求項３に係る発明は、前記ステップ３における振動振幅は、前記ステップ２における測定値の最大値と最小値の差として算出されることを特徴とするものである。
また、請求項４に係る発明は、前記ステップ４における許容値が前記第２のストローク範囲であることを特徴とするものである。
また、請求項５に係る発明は、前記第２のストローク範囲が、前記第１のストローク範囲の１／１０００以下であることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の超音波モータとピエゾアクチュエータを駆動源とするステージ装置の一例を示す模式図である。
【００１７】
この超音波モータとピエゾアクチュエータを駆動源とするステージ装置は、超音波モータ１２を駆動源として第１のストローク範囲（３００ｍｍ程度）を移動可能な粗動ステージ１４、ピエゾアクチュエータ１５を駆動源として第２のストローク範囲（１０μｍ程度）を移動可能な微動ステージ１６から構成されている。
【００１８】
粗動ステージ１４は、ベース基盤１０に設置されたリニアガイド等の一対のガイド部材１１によって一方向へ直線的に案内される。
【００１９】
ベース基盤１０上に配置された超音波モータ１２は、ガイド部材１１と平行に固定された粗動ステージ１４の被駆動部材１３に当接させてある。
【００２０】
一方、微動ステージ１６上には、位置検出用ミラー１７が、ガイド部材１１に対して直交して固定されており、レーザ干渉計１８、レーザ光源（不図示）とともに、微動ステージ１６上に固定されたウェハ２０の位置検出手段１９を構成している。
【００２１】
さらに、このステージ装置は、上位指令装置２４からの駆動命令に基づき、超音波モータ１２に駆動信号を出力して、粗動ステージ１４を仮の目標位置に移動させるための粗動用フィードバック制御系３１と、ピエゾアクチュエータ１５に駆動信号を出力して、微動ステージ１６を最終の目標位置に移動させるための微動用フィードバック制御系３２とを備えている。
【００２２】
粗動ステージ１４に対して位置決めフィードバック制御を行うための、粗動用フィードバック制御系３１は、各種の演算処理を行うＣＰＵ２６、レーザ干渉計１８からの信号を実際の位置情報に変換するためのエンコーダカウンタ２５、粗動ステージ１４の制御プログラム２８ａを格納するメモリ２７、ＣＰＵ２６の演算結果に基づき超音波モータ１２への駆動信号を出力するＤ／Ａ変換器２９から構成されている。なお、粗動ステージ１４が超音波モータによって移動するストローク（第１のストローク範囲）は、３００ｍｍとなっている。
【００２３】
また、微動ステージ１６に対して位置決めフィードバック制御を行うための、微動用フィードバック制御系３２は、各種の演算処理を行うＣＰＵ２６、レーザ干渉計１８からの信号を実際の位置情報に変換するためのエンコーダカウンタ２５、微動ステージ１６の制御プログラム２８ｂを格納するメモリ２７、ＣＰＵ２６の演算結果に基づきピエゾアクチュエータ１５への駆動信号を出力するＤ／Ａ変換器３０から構成されている。
【００２４】
粗動ステージ１４を駆動させる場合には、Ｄ／Ａ変換器２９からの所定の駆動信号２１（交流電圧）を超音波モータ１２に印可する。駆動信号２１の印可により、超音波モータ１２の摩擦部材１２ａの先端部は楕円運動を描くように設計されている。
【００２５】
そして、摩擦部材１２ａの先端部が押し当てられている粗動ステージ１４の被駆動部材１３との間に発生する摩擦力によって、粗動ステージ１４をガイド部材１１に沿って直線的に移動させることができるようになっている。
【００２６】
また、微動ステージ１６を駆動させる場合には、Ｄ／Ａ変換器３０からの所定の駆動信号２２（直流電圧）をピエゾアクチュエータ１５に印可する。駆動信号２２の印可により、ピエゾアクチュエータ１５の先端部１５ａは直線的に変位するように設計されている。
【００２７】
そして、ピエゾアクチュエータ１５の先端部１５ａの変位は、微動ステージ１６の４隅に固定されたヒンジ１６ａを変形させ、微動ステージ１６をガイド部材１１と同一直線方向に移動させることができるようになっている。
ピエゾアクチュエータ１５の先端部１５ａの変位量と微動ステージ１６の移動量は一致するように設計してある。
なお、微動ステージ１６の移動するストローク（第２のストローク範囲）は、第１のストローク範囲の１／１０００以下の微小の距離に設定され、具体的には１５μｍとなる。
【００２８】
次に、上位指令装置２４からの命令に基づいて、実際にステージ装置を駆動させる手順を、図２に示すフォローチャートに従って説明する。
なお、粗動ステージ１４による粗動位置決めが終了し、最終の目標位置が微動ステージ１６の移動可能範囲内に到達した定常状態では、粗動用フィードバック制御系３１はＯＦＦ、微動用フィードバック制御系３２はＯＮされた状態にある。
【００２９】
上位指令装置２４から目標位置と起動命令が入力されると、まずＳ２００によって、目標位置を変数Ｐ１として代入してメモリに保存しておく。
また、予め計測しておいたピエゾアクチュエータ１５の最大変位量を、変数Ｐ２として代入してメモリに保存しておく。
ただし、ピエゾアクチュエータ１５に定格電圧を印可し続けると、ピエゾアクチュエータ１５が絶縁破壊を起こす場合があるので、最大変位量としては定格電圧の７０％程度の駆動信号で得られる値を用いることが望ましい。そして、Ｓ２０１に移行する。
【００３０】
Ｓ２０１によって、微動用フィードバック制御系３２をＯＦＦとする。この際、駆動信号２２は現在の指令電圧値を保持したままとする。
そして、Ｓ２０２に移行する。
Ｓ２０２において、予め計測しておいたピエゾアクチュエータ１５の駆動信号と変位量の関係を用いて、現在の駆動信号２２の値からピエゾアクチュエータ１５の現在変位量を算出して、その結果を変数Ｐ３として代入してメモリに保存しておく。そして、Ｓ２０３に移行する。
【００３１】
ピエゾアクチュエータ１５の現在変位量を知ることができれば、その変位量を用いて粗動ステージ１４の目標位置（仮の目標位置）を設定して粗動位置決めを行うことができる。すなわち、粗動ステージ１４の位置決め誤差を考慮して、最終的に粗動ステージ１４の仮の目標位置が第２のストローク範囲内となるように、Ｓ２０３において、粗動ステージの仮の目標位置を計算式１によって算出する。この計算式１を用いることにより、ピエゾアクチュエータ１５を変位量の中央位置に移動させる手順を省略することができ、処理手順を簡単化することができる。そして、Ｓ２０４に移行する。
仮の目標位置＝Ｐ１−（Ｐ２／２）＋Ｐ３・・・・・・（計算式１）
但し、Ｐ１：上位指令装置から与えられた目標位置
Ｐ２：ピエゾアクチュエータ１５の最大変位量
Ｐ３：ピエゾアクチュエータ１５の現在変位量
Ｓ２０４において粗動用フィードバック制御系３１をＯＮして、Ｓ２０５において粗動ステージ１４を仮の目標位置に粗動位置決めさせる。この粗動位置決めとは、超音波モータ１２の駆動信号の入力を停止した後状態をいい、この状態では粗動ステージ１４は停止しているか、上記計算式１の仮の目標位置を振動中心とした微少振動を行っている状態をいう。そして、Ｓ２０６に移行する。
【００３２】
粗動ステージ１４が仮の目標位置に位置決めした後、Ｓ２０６において粗動用フィードバック制御系３１をＯＦＦとして、超音波モータ１２への駆動信号２１を停止する。そして、Ｓ２０７に移行する。
【００３３】
超音波モータ１２への駆動信号２１を停止した後の、粗動ステージ１４の振動を監視するため、まず、Ｓ２０７において、エンコーダカウンタ２５の出力値を読み取り、粗動ステージ１４の現在位置を計測して記録する。
【００３４】
この処理を、一定時間継続して行う（Ｓ２０８）。この一定の計測時間は、その時間内に、粗動ステージ１４の振動振幅の最大値と最小値がともに存在するようにするために、粗動ステージ１４の一次の固有振動数の逆数よりも長い時間とすることが必要である。
【００３５】
通常、粗動ステージ１４の一次の固有振動数は、１００Ｈｚ程度であるため、計測時間は１０〜２０ミリ秒程度とすればよく、一定時間経過後、Ｓ２０９に移行する。
【００３６】
Ｓ２０９において、粗動ステージ１４の振動振幅を算出して、その値を保存する。計測時間内には、振動振幅の最大値と最小値が含まれているから、振動振幅は、一定の計測時間内に記録された位置情報の最大値と最小値の差として算出することができる。
【００３７】
記録した位置情報を全て消去した後、Ｓ２１０に移行する、Ｓ２１０において粗動ステージ１４の振動振幅が予め設定した許容値よりも小さいか否かを判定する。この許容値としては、好ましくは第２のストローク範囲になっているか否かを基準とすればよい。さらに好ましくは３０ｎｍ程度に設定すると良い。
【００３８】
小さい場合にはＳ２１１に移行し、小さくない場合にはＳ２０７に移行して、再度監視を行う、ここで、許容値は小さいほど望ましいが、小さくし過ぎると監視に要する時間が長くなってしまい望ましくないため、微動ステージ１６の位置決め精度（数十ｎｍ程度）と同程度に設定すればよい。
【００３９】
Ｓ２１１において、微動用フィードバック制御系３２をＯＮして、微動ステージ１６を上位指令装置から与えられた目標位置（最終の目標位置）に位置決めさせる。
【００４０】
このように、粗動ステージ１４の振動振幅を監視した後、微動用フィードバック制御系３２をＯＮすることにより、安定した位置決め制御を行うことができる。また、粗動ステージ１４の仮の目標位置を適切に設定することにより、微動ステージ１６を中央位置に移動させる手順を省略することができ、処理手順の簡素化と移動時間の短縮を図ることができる。
【００４１】
【実施例】
ここで、図１に示す本発明のステージ装置を用いて、微動ステージ１６を位置決めさせた場合の駆動特性について調べた。
【００４２】
粗動ステージ１４は、３００ｍｍ×３００ｍｍ×２０ｍｍの板状をしたアルミナセラミックス製とし、ベース基盤１０上に、一対のガイド部材１１として３００ｍｍのストロークを有するリニアガイドを案内装置に用いた。
【００４３】
また、粗動ステージ１６は、２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×２０ｍｍの板状をしたアルミニウム製とした。
【００４４】
位置計測は、最小分解能０．６ｎｍのレーザ干渉系２０を用いた。
【００４５】
また、粗動ステージ１４の下面にはアルミナセラミックス製の被駆動部材１３を設置し、被駆動部材１３の長手方向に対して垂直に超音波モータ１２を設け、超音波モータ１２の摩擦部材１２ａを３ｋｇの予圧によって被駆動部材１３と当接させるようにした。
【００４６】
さらに、ピエゾアクチュエータ１５には、定格電圧を印可することにより１５μｍ変位するものを用いた。
【００４７】
粗動ステージ１４を原点に位置決めした後、目標位置５０ｍｍ、速度５０ｍｍ／秒、粗動ステージの位置決め精度±１μｍ、微動ステージの位置決め精度±１５ｎｍ、監視時間周期２０ミリ秒、振動振幅の許容値３０ｎｍの条件で、ステージ駆動実験を５回繰り返し、従来例と本発明の駆動方法を用いて、微動ステージの位置決め安定性と移動時間を測定した。
【００４８】
ただし、図３に示す従来例の駆動方法では、粗動用フィードバック制御系と微動用フィードバック制御系が同時にＯＮされる場合があるが、本実施例に用いたステージ装置には位置検出手段が一つしかないため、微動用フィードバック制御系３２をＯＮする直前に、粗動用フィードバック制御系３１をＯＦＦとして実験を行った。しかし、従来例の駆動方式では、微動ステージは振動を起こし、安定した位置決め制御は不可能であった。
【００４９】
一方、本発明による駆動方法では、平均移動時間１．６２秒で安定して位置決め制御を行うことが可能であった。
【００５０】
次に、微動ステージの移動回数を低減した効果を確かめるために、ピエゾアクチュエータを現在位置から最大可動変位量の半分に相当する量だけ変位させ、微動ステージを中央位置に固定するステップをＳ２０３の前に追加するとともに、Ｓ２０３の仮の目標位置をＰ１に変更して、前記の条件でステージ駆動実験を繰り返し５回行い、移動時間の測定を行った。
その結果、平均移動時間は１．９３秒であった。
【００５１】
本発明の駆動方法を用いれば、安定して微動ステージを位置決めすることができ、しかも、移動時間を約１５％低減できることがわかる。
このことから、本発明の駆動方法は、超音波モータを駆動源とする粗動ステージとピエゾアクチュエータを駆動源とする微動ステージを組み合わせて用いるステージ装置の駆動方法として、有用であることがわかる。
なお、本実施例では、一軸方向へ移動するステージ装置を例にとって説明したが、この他に回転ステージ装置や多軸ステージ装置に対しても、同様の効果を得ることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるステージ装置によれば、粗動ステージの振動量の絶対値が微動ステージの移動量の絶対値よりも大きく、しかも変位方向が逆となる場合においても、微動用フィードバック制御系は、誤動作を起こすことが無く微動ステージを安定に位置決め制御させることができるとともに、処理手順の簡素化と移動時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波モータとピエゾアクチュエータを駆動源とするステージ装置の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の駆動方法の流れを示すフローチャートである。
【図３】従来のモータを用いた駆動方法の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…ベース基盤
１１…ガイド部材
１２…超音波モータ
１２ａ…摩擦部材
１３…被駆動部材
１４…粗動ステージ
１５…ピエゾアクチュエータ
１５ａ…先端部
１６…微動ステージ
１６ａ…ヒンジ
１７…レーザ測長用ミラー
１８…レーザ測長計
１９…位置検出手段
２０…ウェハ
２１…駆動信号
２２…駆動信号
２３…位置信号
２４…上位指令装置
２５…エンコーダカウンタ
２６…ＣＰＵ
２７…メモリ
２８ａ、２８ｂ…制御プログラム
２９…Ｄ／Ａ変換器
３０…Ｄ／Ａ変換器
３１…粗動用フィードバック制御系
３２…微動用フィードバック制御系

Claims

超音波モータの駆動により第１のストローク範囲を移動可能な粗動ステージと、
該粗動ステージ上でピエゾアクチュエータの駆動により、前記粗動ステージと同方向に微小距離の第２のストローク範囲を移動可能な微動ステージと、
前記粗動ステージおよび微動ステージの現在位置を検出するための位置検出手段と、を備えたステージ装置の駆動方法であって、
前記粗動ステージに対して前記位置検出手段による現在位置計測結果を基に、前記超音波モータに第１の駆動信号を入力して前記粗動ステージを仮の目標位置に粗動位置決めするステップ１と、
前記超音波モータへの第１の駆動信号の入力を停止した後、前記位置検出手段により前記粗動ステージの現在位置を、少なくとも前記粗動ステージの一次の固有振動数の逆数よりも長い時間をかけて測定するステップ２と、
前記ステップ２における測定値に基づいて、前記粗動ステージの振動振幅を算出するステップ３と、
前記粗動ステージの振動振幅が予め設定した許容値よりも小さくなった後、前記ピエゾアクチュエータに第２の駆動信号を入力して前記微動ステージを最終の目標位置に位置決め制御するステップ４と、を含むステージ装置の駆動方法。
前記仮の目標位置をピエゾアクチュエータの変位可能量に応じて設定することを特徴とする請求項１に記載のステージ装置の駆動方法。
前記ステップ３における振動振幅は、前記ステップ２における測定値の最大値と最小値の差として算出されることを特徴とする請求項１または２に記載のステージ装置の駆動方法。
前記ステップ４における許容値が前記第２のストローク範囲であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のステージ装置の駆動方法。
前記第２のストローク範囲が、前記第１のストローク範囲の１／１０００以下であることを特徴とする請求項４に記載のステージ装置の駆動方法。