JP4194261B2

JP4194261B2 - ステージの原点出し方法

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Publication number: JP4194261B2
Application number: JP2001287485A
Authority: JP
Inventors: 博仁伊藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2021-09-20
Also published as: JP2003098282A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体露光装置、各種精密加工機および各種精密測定器等の位置決めに用いられるステージおよびその原点出し方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のステージとして特開平１０−１７３０２８号公報に開示されたガイドレスの微動ステージが知られている。図７は、この微動ステージの構成を示す。図７のステージは、ＸＹ方向をラジアルガイド８によって拘束されているので、天板が４自由度（Ｚ方向および回転θｘ、θｙ、θｚ方向）を有する微動ステージとなっている。
図７において、１は天板、２は固定部、３ｘはＸミラー、３ｙはＹミラー、４はθリニアモータ、４ａ〜４ｃはそれぞれＺリニアモータ、８はガイド、９ａ〜９ｃはそれぞれ変位センサである。
【０００３】
このようなガイドレスステージにおいては、位置計測手段として高精度なレーザ干渉計やエンコーダといったセンサが用いられる。これらのセンサは絶対原点を持っていないため、何らかの基準に対して原点出しを行うことが必要となる。さらに、原点出し動作によって決められた原点は、全ての位置計測の基準となるため、高精度・高再現性が要求されている。
【０００４】
このステージにおける原点出しのフローチャートを図８に示す。この微動ステージでは大まかにいうと、
1.Ｚ方向に３点を突き当てて、Ｚおよび２方向の回転（θｘ、θｙ）用センサを初期化後、所定位置に位置決めし、次に、
2.θｚ方向を突き当てて、θｚ用センサを初期化するという、２段階の手順を用いて原点出しを行っていた。
この方法では、２段階の手順は必要となるが、Ｚ方向、θｚ方向にそれぞれ平面からなる突き当て面（不図示）を備え、それらに対し直交方向に突き当て動作を行うことにより、容易に高精度な原点出しが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、天板が６軸自由度を有するステージにおいては、さらにＸＹ方向の原点出しも加わるため、上述の従来例の考え方をそのまま６軸に拡張した場合、以下のような課題が発生する。すなわち、
1.従来のシーケンスに対し、ＸＹ軸の原点出しも加わるため、初期化の手順が複雑になるとともに、初期化に時間がかかる。
2.ＸＹ方向の突き当て部を用意する必要があり、ステージの構造が複雑となる。
3.原点出しをする軸と、センサが１対１で対応しない場合、一旦初期化したセンサを再度初期化したり、補正したりする必要がある。例えば、Ｘ方向から２本のレーザ干渉計を当て、その一つでＸ方向の位置を計測し、２本の差としてθｙ（Ｙ軸周りの回転）を計測する場合、従来の手順では、Ｚ方向の突き当てによってθｙ用のセンサ、すなわち２本のレーザ干渉計を初期化する必要がある。しかし、この時はＸ方向の初期化は終わっていないので、改めてＸ方向の原点出しを行ったときには、一旦初期化したＸ方向用のレーザ干渉計を再度初期化するなどの処理を行わなければならない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、簡便で高精度なステージの原点出し方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を達成するために本発明のステージの原点出し方法は、固定部に対して６自由度で移動可能な天板と、前記天板を前記固定部に対して前記６自由度に駆動可能な駆動手段と、前記天板および固定部の相対向する面のいずれか一方に設けられた３つの突起部と、前記相対向する面の他方に設けられそれぞれの突起部に相対してそれらの突起部と接触したときに前記天板の前記６自由度を拘束する３つの突き当て部と、前記天板の前記６自由度の位置を計測可能な位置計測手段とを備えるステージにおける原点出し方法であって、前記駆動手段によって３つの突き当て部と突起部をそれぞれ接触させた状態で、突き当て方向と直交する方向に前記天板を加振した後、前記位置計測手段を初期化することにより、前記６自由度の原点出しを行うことを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明のステージの原点出し方法は、固定部に対して６自由度で移動可能な天板と、前記天板を前記固定部に対して前記６自由度に駆動可能な駆動手段と、前記天板および固定部の相対向する面のいずれか一方に設けられた３つの突起部と、前記相対向する面の他方に設けられそれぞれの突起部に相対してそれらの突起部と接触したときに前記天板の前記６自由度を拘束する３つの突き当て部と、前記天板の前記６自由度の位置を計測可能な位置計測手段とを備えるステージにおける原点出し方法であって、前記ステージはＸＹステージに搭載され、前記位置計測手段の初期化は、常に、前記ＸＹステージが同じ位置にあるときに行うことを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明のステージの原点出し方法は、固定部に対して６軸方向に移動可能な天板と、前記天板を前記固定部に対して前記６軸方向に駆動可能な駆動手段と、前記天板および固定部の相対向する面のいずれか一方に設けられた３つの突起部と、前記相対向する面の他方に設けられそれぞれの突起部に相対してそれらの突起部と接触したときに前記天板の前記６軸方向の位置を拘束する３つの突き当て部と、前記天板の前記６軸方向の位置を計測可能な位置計測手段とを備えるステージにおける原点出し方法であって、前記駆動手段によって３つの突き当て部と突起部をそれぞれ接触させた状態で、突き当て方向と直交する方向に前記天板を加振した後、前記位置計測手段を初期化することにより、前記６軸方向の原点出しを行うことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１に係るガイドレスステージの平面図である。同図において、天板１と固定部２は紙面奥行き方向に配列され、かつ天板１が最も手前に配置されているが、天板１の陰に隠れる部分は天板１を透視した状態で描いてある。
【００１４】
図１のステージは、機械的なガイド機構を備えておらず、天板１の６自由度全てをリニアモータ４（４ｘｆ、４ｘｂ、４ｙｌ、４ｙｒ、４ｚｌ、４ｚｍ、４ｚｒ）によって駆動している。天板１にはリニアモータの可動子が、固定部２にはリニアモータの固定子が取り付けられている。天板１を、Ｘ方向にはリニアモータ４ｘｆと４ｘｂを用いて駆動する。Ｙ方向にはリニアモータ４ｙｌと４ｙｒを用いて駆動する。θｚ（Ｚ軸まわりの回転方向）には、リニアモータ４ｘｆと４ｘｂ、またはリニアモータ４ｙｌと４ｙｒの推力の発生方向を逆方向とすることにより駆動する。Ｚ方向、ならびにθｘ（Ｘ軸まわりの回転方向）およびθｙ（Ｙ軸まわりの回転方向）の各方向には、リニアモータ４ｚｍと４ｚｌと４ｚｒを用いて駆動し、特にθｘおよびθｙ方向には、これらのモータの推力のバランスを変えることにより駆動する。
【００１５】
図２は、図１のガイドレスステージの位置計測に用いる、レーザ干渉計の配置を示す図である。天板１上には、ターゲットとなるミラー３ｘ、３ｙ、３ｚが設置されている。レーザ光軸７ｘ、７ｙ、７ｚはそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置を計測する。レーザ光軸７ｘｐはレーザ光軸７ｘとＺ軸方向に平行になるように配置され、これらの差を取ることによりθｙを計測する。レーザ光軸７ｙｐはレーザ光軸７ｙとＺ軸方向に平行になるように配置され、これらの差を取ることによりθｘを計測する。レーザ光軸７ｘｑはレーザ光軸７ｘとＸＹ平面に対して平行になるように配置され、これらの差を取ることによりθｚを計測する。レーザ光軸７ｙｑはレーザ光軸７ｙとＸＹ平面に対して平行になるように配置され、これらの差を取ることによりθｚを計測する。θｚの計測にはＸ軸側、Ｙ軸側のどちらを用いてもよい。Ｘ軸側、Ｙ軸側のそれぞれ３本のレーザ干渉計は、差を取るために、同時に初期化する必要がある。
また、位置センサとしては高分解能なエンコーダを用いてもよい。
【００１６】
図３は、図１のガイドレスステージの突起部および突き当て部の模式図である。固定部２には、球面座を持つ３つの突起部が設置されている。一方、天板１には平面からなる突き当て部５ｆ、Ｖ字溝からなる突き当て部５ｖ、円錐溝からなる突き当て部５ｃが設置されている。それぞれの突き当て部は、平面は１自由度、Ｖ溝は２自由度、円錐溝は３自由度を拘束し、合わせて６自由度全てを拘束する。そのため、突き当て部の最深部に完全に突き当たった状態にすることで６自由度全てを同時に原点出しすることができる。
【００１７】
また、例えば全てを円錐溝にしたような７自由度以上を拘束する構成にしてしまうと、温度などによるわずかな機械的な変形や、どの点が最初に接触するかなどにより、拘束される場所が変わってしまい、原点出しの再現性が悪化する場合があるが、この構成では６自由度のみしか拘束しないため、再現性を悪化させることがない。このとき、円錐溝とＶ溝を結ぶ方向に対し、Ｖ溝の稜線が直交する方向を向いていると、円錐溝とＶ溝を結ぶ方向には円錐溝とＶ溝の両方が拘束することになり、過拘束となってしまう。このため、図３に示すように、Ｖ溝の稜線は円錐溝とＶ溝を結ぶ方向を向いていることが望ましい。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００１８】
また、本実施例では、突起部の形状を球状にしたため、どのような姿勢からでも確実に突き当てることができる。また、全ての突き当て部に対して同じ突起部の形状を取ることができる。
【００１９】
突き当て部５（５ｆ、５ｖ、５ｃ）、突起部６とも繰り返し接触するため、高い耐久性が要求される。また、突き当てた状態で変形があると、原点出しの再現性が悪化する。そのため、突き当て部、突起部ともセラミックスなどの高い剛性を持つ材質で構成することが望ましい。また、高い再現性や原点出し精度を達成するためには、確実に同じ位置で接触する必要がある。また、突き当て方向と接触面が直交していないため、接触面の摩擦係数が高いと、最初に接触した位置や途中の位置で止まってしまうこともあり得る。そのため、接触面を鏡面加工するなどして低摩擦化しておくことにより、確実に同じ位置で接触することができる。
【００２０】
また、突き当て部５の配置が、突き当て方向に駆動するＺリニアモータ４ｚ（４ｚｌ、４ｚｍ、４ｚｒ）から離れていると、Ｚリニアモータの発生する力と、突き当て部にかかる接触力により、天板に応力が加わり変形を生じてしまう。これでは、通常駆動状態と、原点出しのための突き当て状態で、天板の形状が異なってしまうこととなり、原点出しの信頼性が低下することとなる。これを避けるため、突き当て部５は機械的な制約の許す限りＺリニアモータの近傍に配置する必要がある。可能であれば、突き当て部５とＺリニアモータ４ｚは同軸上に配置することが望ましい。
【００２１】
また、凸形状の突起部６を下側に、凹形状の突き当て部５を上側に設置することにより、ゴミなどの付着による原点出し精度の悪化を防ぐことができる。
さらに、突き当たっている状態では、接触面にかかる力はできる限り一定である方が高い再現性を期待できる。リニアモータは発生力の再現性が高いため、高精度な原点出しが期待できる。
【００２２】
図４に図１のガイドレスステージを用いた場合の原点出し動作のフローチャートを示す。また、図５に図１のガイドレスステージの原点出し動作におけるリニアモータＺＲ（４ｚｒ）およびリニアモータＸＦ（４ｘｆ）の駆動波形とＸ軸変位およびＹ軸変位を示す。
【００２３】
まず、Ｚ方向のリニアモータ４ｚを駆動して、突き当て部５と突起部６が接触するように天板１を駆動する。この時、天板１が急激に動かないように、リニアモータ４ｚの推力は徐々に増加させることが望ましい。突き当て部５と突起部６が接触し、Ｚ方向リニアモータ４ｚの推力が一定値を超えたことを検出すると、ＸまたはＹのリニアモータ４ｘ（４ｘｆ、４ｘｂ）、４ｙ（４ｙｌ、４ｙｒ）から振動波形を出力し、天板１に振動を与える。振動を与えることにより、突き当て部５と突起部６の接触面にかかる押し付け圧力が変動するため、接触面における摩擦が減少し、速やかに最適な接触位置まで移動することが可能となる。この時の振動波形はより効果的に、接触位置まで移動可能となる波形を選ぶ必要がある。振動方向は、θｚ軸周りの回転方向とするのが望ましい。ＸＹ面内の振動であれば、天板の位置を変化させて、円錐溝の頂点やＶ溝の稜線の位置に近づく効果がある。θｚ軸周りの回転方向の振動であれば、ＸＹのどのような方向にずれていても、比較的方向による差がない。振動波形の形状は、力の効率が高い矩形波が望ましい。
【００２４】
図５に示したように、振動波形を加えることにより、加振しない場合より速やかに安定した位置に突き当たっていることがわかる。すなわち、図５において、加振ありの場合（実線）は、ＸおよびＹ軸変位が５秒弱で安定し、このため、約８秒で位置制御を開始することができる。これに対し、加振なしの場合（途中から破線）は、ＸおよびＹ軸変位が安定するまで、約９秒と約２倍の時間がかかり、位置制御の開始もその分遅くなる。
【００２５】
ステージに天板の重さを支える自重補償機構が備わっており、この機能を切ることができる場合は、接触状態をより安定させるために、振動波形を出力後、自重補償機構を切ることが望ましい。その後、Ｚリニアモータの出力を一定値に保持する。さらに、突き当てが安定した段階で振動波形を止め、一定時間経過後、全位置センサを一括して初期化する。これにより、６自由度全ての計測基準を同時に確定することができる。
【００２６】
図４の手順においては、接触したかどうかの判定や、突き当てが安定したかどうかの判断は、十分な時間間隔を待つことによって行っている。これは、原点出し動作を開始した段階では、天板の姿勢がどのようになっているか分からず、位置センサが使える保証がないためである。位置センサが使える場合には、Ｚ軸方向の移動速度を計測し、これがほぼ０となることで接触安定を判断するなど、より確実な方法を採ることもできる。
【００２７】
センサ初期化後、天板を位置センサを用いて制御して、所定の位置まで復帰する必要がある。この時、突き当て状態で６自由度全てに位置制御をかけると、わずかな位置誤差により制御系がリニアモータに出力を発生するが、突き当て部と突起部が接触しているために動くことができず、出力が発散しリニアモータに過大な電流が流れるなどの問題が発生する恐れがある。そこで、本実施例においては、まず、姿勢を保持するためにθｘ、θｙ、θｚの回転軸にのみ位置制御をかけ、並進方向には制御していない状態にする。一定時間後、並進方向にも位置制御をかけて、所定の位置まで復帰する。なお、並進方向に位置制御をかける前に、Ｚ方向に推力を与えて接触状態から浮上するようにしてもよい。
［実施例２］
実施例１に記載のガイドレスステージをＸＹ平面内に移動可能な粗動ステージ（ＸＹステージ）に搭載した場合も、実施例１に記載の方法で原点出しを行うことができる。しかし、粗動ステージの位置よりＸＹの座標が変わるため、粗動ステージを所定の一定位置においてガイドレスステージの原点出しを行うことが望ましい。例えば、粗動ステージの原点位置において、ガイドレスステージの初期化を行うことにすれば、両ステージの原点出しを同時に行うことができる。
【００２８】
また、位置計測にレーザ干渉計を用いた場合、粗動ステージの位置によりレーザ光線のミラーに当たる位置が変化する。取り付け誤差によりミラー面とレーザ光軸が完全に直交しているわけではないため、図６に示すように、レーザ光線の当たる位置が変わると、計測値は同じでも実際のステージ位置が変わってしまう（Δｄ）。これを避けるためにも、常に粗動ステージは同じ場所でガイドレスステージの原点出しを行う必要がある。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、天板と、天板の６自由度の位置を計測可能な位置計測手段と、天板を固定部に対して６自由度に移動可能な駆動手段を有するガイドレスステージにおいて、天板または固定部のどちらかに設けられた３つの突起部と、他方に設けられそれぞれの突起部に相対して、突起部と接触したときに天板の６自由度を拘束する３つの突き当て部を備えるようにしたため、簡単な動作で６自由度の原点出しを正確に行うことができる。
【００３０】
また、本発明において、３つの突き当て部が、それぞれ平面、Ｖ溝、円錐溝であるようにすれば、過拘束になることなく６自由度の原点出しを簡単かつ正確に行うことができる。さらに、Ｖ溝の稜線の方向が、円錐溝の頂点に向いているようにすれば、スムーズに正確な突き当て動作を行うことができ、６自由度の原点出しを正確に行うことができる。
【００３１】
また、本発明において、突起部が球状であるようにすれば、確実に６自由度を拘束することができ、６自由度の原点出しを正確に行うことができる。また、突き当て部および突起部がセラミックスなどの高剛性素材であるようにすれば、変形が少なく、長期間の使用にも安定して６自由度の原点出しを正確に行うことができる。また、突き当て部および突起部が鏡面加工などの低摩擦加工されているようにすると、摩擦の影響が少なく、６自由度の原点出しを正確に行うことができる。
【００３２】
また、突き当て部および突起部が突き当て方向の駆動手段の近傍に配置されているようにすると、天板の変形を少なくし、駆動手段への負荷を均等にすることができ、６自由度の原点出しを正確に行うことができる。また、突起部が固定部に設置され、突き当て部が天板に設置されているようにすると、突き当て部にゴミなどが付着することがなく、６自由度の原点出しを正確に行うことができる。
【００３３】
また、位置計測手段がレーザ干渉計、あるいはエンコーダであるようにすれば、６自由度の原点出しを正確に行うことができる。また、駆動手段がリニアモータであるようにすれば、６自由度の原点出しを正確に行うことができる。
【００３４】
さらに、本発明における原点出し方法は、駆動手段によって３つの突き当て部と突起部をそれぞれ同時に接触させた状態で、位置計測手段を初期化することにより、６自由度の原点出しを行うようにしたため、簡単な動作で６自由度の原点出しを正確に行うことができる。
【００３５】
この原点出し方法において、さらに、駆動手段によって３つの突き当て部と突起部をそれぞれ同時に接触させた状態で、突き当て方向と直交する方向に加振した後、位置計測手段を初期化するようにすれば、安定して同一状態に突き当てることができ、６自由度の原点出しを正確に行うことができる。また、加振方向を回転方向とすることによって、より効果的に同一状態に突き当てることができ、６自由度の原点出しを正確に行うことができる。また、加振波形を矩形波とすると、より効果的に同一状態に突き当てることができ、６自由度の原点出しを正確に行うことができる。
【００３６】
また、位置計測手段を初期化した後、前記駆動手段によって回転方向にのみ位置制御をかけてしばらくした後、並進方向に位置制御をかけるようにすれば、原点出しのあと、駆動手段に負荷をかけることなく位置決め状態に復帰することができる。
【００３７】
また、ガイドレスステージをＸＹステージに搭載した場合には、常に、そのＸＹステージが同じ位置にいるときに、ガイドレスステージの位置計測手段の初期化を行うようにすれば、ミラーの直交度の影響を受けることなく、再現性のある原点出しを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係るガイドレスステージの平面図である。
【図２】図１のガイドレスステージの干渉計配置図である。
【図３】図１のガイドレスステージの突き当て部の形状を表す模式図である。
【図４】本発明の実施例１に係るガイドレスステージの原点出し動作のフローチャートである。
【図５】図１のガイドレスステージにおける原点出し動作の駆動波形である。
【図６】本発明の実施例２に係る、ミラー取り付け誤差の影響を示す図である。
【図７】従来例における微動ステージの平面図である。
【図８】図７の微動ステージにおける原点出し動作のフローチャートである。
【符号の説明】
１：天板、２：固定部、３（３ｘ、３ｙ、３ｚ）：ミラー、４（４ｘｆ、４ｘｂ、４ｙｌ、４ｙｒ、４ｚｌ、４ｚｍ、４ｚｒ）：リニアモータ、５（５ｆ、５ｖ、５ｃ）：突き当て部、６：突起部、７（７ｘ、７ｘｐ、７ｘｑ、７ｙ、７ｙｐ、７ｙｑ、７ｚ）：レーザ干渉計光軸。

Claims

固定部に対して６自由度で移動可能な天板と、
前記天板を前記固定部に対して前記６自由度に駆動可能な駆動手段と、
前記天板および固定部の相対向する面のいずれか一方に設けられた３つの突起部と、
前記相対向する面の他方に設けられそれぞれの突起部に相対してそれらの突起部と接触したときに前記天板の前記６自由度を拘束する３つの突き当て部と、
前記天板の前記６自由度の位置を計測可能な位置計測手段とを備えるステージにおける原点出し方法であって、
前記駆動手段によって３つの突き当て部と突起部をそれぞれ接触させた状態で、突き当て方向と直交する方向に前記天板を加振した後、前記位置計測手段を初期化することにより、前記６自由度の原点出しを行うことを特徴とするステージの原点出し方法。
前記加振する方向が、回転方向であることを特徴とする請求項１に記載の原点出し方法。
前記加振の際の振動波形が、矩形波であることを特徴とする請求項１に記載の原点出し方法。
前記位置計測手段を初期化した後、前記駆動手段によって回転方向にのみ位置制御を行なった後、並進方向に位置制御をかけることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の原点出し方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のステージの原点出し方法であって、
前記ステージはＸＹステージに搭載され、
前記位置計測手段の初期化は、常に、前記ＸＹステージが同じ位置にあるときに行うことを特徴とするステージの原点出し方法。
固定部に対して６自由度で移動可能な天板と、
前記天板を前記固定部に対して前記６自由度に駆動可能な駆動手段と、
前記天板および固定部の相対向する面のいずれか一方に設けられた３つの突起部と、
前記相対向する面の他方に設けられそれぞれの突起部に相対してそれらの突起部と接触したときに前記天板の前記６自由度を拘束する３つの突き当て部と、
前記天板の前記６自由度の位置を計測可能な位置計測手段とを備えるステージにおける原点出し方法であって、
前記ステージはＸＹステージに搭載され、
前記位置計測手段の初期化は、常に、前記ＸＹステージが同じ位置にあるときに行うことを特徴とするステージの原点出し方法。
固定部に対して６軸方向に移動可能な天板と、
前記天板を前記固定部に対して前記６軸方向に駆動可能な駆動手段と、
前記天板および固定部の相対向する面のいずれか一方に設けられた３つの突起部と、
前記相対向する面の他方に設けられそれぞれの突起部に相対してそれらの突起部と接触したときに前記天板の前記６軸方向の位置を拘束する３つの突き当て部と、前記天板の前記６軸方向の位置を計測可能な位置計測手段とを備えるステージにおける原点出し方法であって、
前記駆動手段によって３つの突き当て部と突起部をそれぞれ接触させた状態で、突き当て方向と直交する方向に前記天板を加振した後、前記位置計測手段を初期化することにより、前記６軸方向の原点出しを行うことを特徴とするステージの原点出し方法。