JP4377424B2 - 反力処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動ステージ装置におけるステージの整定性を向上するための反力処理装置に関する。

従来、例えば半導体や液晶の露光装置や検査装置として、基礎に除振手段を介して設置された定盤上でステージが移動する移動ステージ装置が用いられている。この移動ステージ装置においては、例えば単位時間当たりの処理量の向上のため、ステージの高加減速化が求められている。しかし、ステージを高加減速化させると、ステージの移動で定盤に生じる反力が増大し、ステージの整定性が悪化するおそれがある。

そこで、近年、移動ステージ装置に設けられ、ステージの移動により定盤に生じる反力を処理するための反力処理装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。このような反力処理装置では、印加手段により、反力を低減する力が定盤に印加される。
特開平１１−３２９９６２号公報

ところで、上述したような反力処理装置では、反力の影響で定盤に作用するモーメントを除去するため、高さ方向に並設された複数の印加手段が協働するように設けられている。そのため、移動ステージ装置が大掛かりなものとなり、移動ステージ装置が大型化するおそれがある。

また、定盤にモーメントを生じさせないために、反力の作用点の高さと反力を低減する力の作用点の高さとが互いに一致するように、印加手段が設けられることも考えられる。しかし、この場合、反力処理装置を配置するスペースを確保するために移動ステージ装置の設置面積が大きくなり、移動ステージ装置が大型化するおそれがある。

そこで、本発明は、移動ステージ装置におけるステージの整定性を向上すると共に、移動ステージ装置の大型化を抑制することができる反力処理装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、定盤に作用する力を確実に低減し除去できれば、定盤に作用するモーメントを完全に除去しなくとも、ステージの整定性の向上を実現できることを見出した。つまり、定盤に作用する力を低減し除去すると共に定盤に作用するモーメントを十分に小さくすれば、ステージの整定性を十分に向上できることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明に係る反力処理装置は、基礎に除振手段を介して設置された定盤の盤面上でステージが移動する移動ステージ装置に設けられ、ステージの移動で定盤に生じる反力を処理するための反力処理装置であって、反力を低減する水平方向の力を定盤に印加するための印加手段を備え、印加手段は、定盤が被さるように当該定盤の盤面よりも基礎側に配置されていることを特徴とする。

この反力処理装置では、印加手段により、反力を低減する力が定盤に印加される。よって、この印加された力と反力とが互いに打ち消し合い、定盤に作用する力が除去されることになる。ここで、印加手段は定盤が被さるように当該定盤の盤面よりも基礎側に配置されていることから、反力の作用点と反力を低減する力の作用点との高さが一致しないため、定盤に作用するモーメントを完全には除去することができないが、定盤に作用するモーメントが十分に小さい場合（例えば、反力の作用点と反力を低減する力の作用点との高さとの差が所定距離以下の場合）には、ステージの整定性の向上を十分に実現することができる。

さらに、上述したように、印加手段が、定盤が被さるように当該定盤の盤面よりも基礎側に配置されているため、定盤の盤面のスペースを十分に確保することができると共に、移動ステージ装置の設置面積（いわゆるフットプリント）を増加させる必要もない。つまり、移動ステージ装置のスペースを効率的に利用することができ、移動ステージ装置の大型化を抑制することが可能となる。従って、本発明によれば、移動ステージ装置におけるステージの整定性を向上すると共に、移動ステージ装置の大型化を抑制することができる。

また、反力が定盤に作用する作用点の高さと反力を低減する力が定盤に作用する作用点の高さとの差ｈは、次式で表せる許容値ｈ_ｍａｘ以下となっていることが好ましい。
ｈ_ｍａｘ＝（Ｙ_ｍａｘ・Ｊ・Ｋ_ｐ）／（Ｎ・Ｍ_{ＳＬＩＤＥＲ}・ｆ_ｒ）
但し、Ｙ_ｍａｘ：ステージの位置偏差の許容値
Ｊ：移動ステージ装置の慣性モーメント
Ｋ_ｐ：制御ゲイン
Ｎ：移動ステージ装置の重心の高さからステージの位置の計測点の高さまでの距離
Ｍ_{ＳＬＩＤＥＲ}：ステージの質量
ｆ_ｒ：反力

これにより、ステージに許容される位置偏差が仕様として予め決まっている場合、この仕様に基づいて許容値ｈ_ｍａｘを設定することができ、そして、この差ｈを許容値ｈ_ｍａｘ以下にすることで、上記効果、すなわち移動ステージ装置におけるステージの整定性を向上すると共に移動ステージ装置の大型化を抑制するという効果を確実に実現することができる。なお、ステージの位置偏差とはステージ位置のずれ量を意味し、制御ゲインとはステージを目標位置に近づけるための制御値を意味する。

また、印加手段は、高さ調整可能とされていることが好ましい。この場合、移動ステージ装置に要求されるステージの精度（例えば位置偏差）が変更になった場合でも、印加手段の高さを調整することで、かかる精度に対応することが可能となる。

また、印加手段は、定盤に取り付けられた可動子と、当該可動子に非接触で基礎に取り付けられた固定子と、を有し、反力を低減する力が固定子から可動子に印加されるように構成されていることが好ましい。この場合、可動子と固定子とが互いに非接触となっているため、基礎からの振動が印加手段を介して定盤に伝播するのを抑止することができる。

本発明によれば、移動ステージ装置におけるステージの整定性を向上すると共に、移動ステージ装置の大型化を抑制することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は本発明の一実施形態に係る反力処理装置を含む移動ステージ装置を示す斜視図であり、図２は図１のII−II線に沿う断面の概略構成図である。図１及び図２に示すように、移動ステージ装置１０は、例えば半導体や液晶の露光装置や検査装置として採用されるものであり、定盤１１、ステージ１２及び反力処理装置１を備えている。

定盤１１は、板状を呈しており、熱による変形を防止するために、例えば石材により形成されている。この定盤１１は、床（基礎）２５に除振バネ（除振手段）１６，１６を介して支持され設置されており、これにより、床２５からの振動（特に高周波振動）に対して絶縁されている。図２に示すように、定盤１１の側面１１ａには、側面１１ａ側及び下面１１ｂ側に開口する凹部１７が形成されており、この凹部１７には、反力処理装置１が設けられている（詳しくは後述）。

ステージ１２は、エアベアリング等の案内手段（不図示）により、定盤１１の上面（盤面）１１ｃ上を水平方向に移動可能にして当該定盤１１に取り付けられている。そして、このステージ１２は、ステージアクチュエータ２１により駆動され、定盤１１上を水平方向に移動する。

ステージアクチュエータ２１は、定盤１１上のステー１５に設けられ例えば永久磁石からなる固定子１３と、ステージ１２に設けられ例えば電磁コイルからなる可動子１４とを含んで構成されている。また、これらの固定子１３と可動子１４とは互いに非接触で配置されている。このステージアクチュエータ２１には、制御部２３が接続されており、制御部２３から駆動電流を可動子１４に供給することで、固定子１３と可動子１４との間に磁力が発生する。この発生する磁力により、可動子１４に推力（力）が印加されることになり、ステージ１２が駆動される。

また、移動ステージ装置１０は、位置センサ２２及び制御部２３を備えている。位置センサ２２は、ステージ１２の水平方向の位置を検出するものであり、例えば、リニアスケール・レーザ干渉計等が用いられている。位置センサ２２は、定盤１１上に配置されている。この位置センサ２２は、制御部２３に接続されており、検出したステージ１２の位置を位置情報として制御部２３に出力する。

制御部２３は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等により構成されており、コントローラ１８及びドライバ１９，２０を有している。コントローラ１８は、位置センサ２２からの位置情報に基づいて、ステージ１２を駆動するための指令（以下、「推力指令」という）をドライバ１９に出力する。また、コントローラ１８は、推力指令に相当し推力を低減するための指令（以下、「カウンタ推力指令」という）をドライバ２０に出力する。ドライバ１９は、コントローラ１８から入力された推力指令に応じて、ステージアクチュエータ２１に駆動電流を印加する。また、ドライバ２０は、コントローラ１８から入力されたカウンタ推力指令に応じて、反力処理装置１の反力処理アクチュエータ２に駆動電流を印加する。

ここで、本実施形態では、上述したように、定盤１１の凹部１７に反力処理装置１が設けられている。具体的には、凹部１７が、定盤１１の４つ側面のそれぞれに２箇所ずつ形成（合計８箇所形成）されており、これらの凹部１７に、反力処理装置１がそれぞれ設けられている。なお、図中においては、説明の便宜上、側面１１ａに形成された凹部１７及びこの凹部１７に設けられた反力処理装置１のみを示している。

この反力処理装置１は、ステージ１２の移動で定盤１１に生じる反力ｆ_ｒを処理するためのものであり、反力処理アクチュエータ（印加手段）２を備えている。反力処理アクチュエータ２は、反力ｆ_ｒを低減する力（以下、「カウンタ推力」という）ｆ_ｒ１を定盤１１に印加する。この反力処理アクチュエータ２は、例えば永久磁石からなる可動子３と、例えば電磁コイルからなる固定子４と、を有している。

可動子３は、定盤１１に取り付けられており、固定子４は、床２５に設置された柱状の固定フレーム５の上端側に取り付けられている。そして、可動子３及び固定子４は、互いに非接触となるように配置されている。固定フレーム５は、定盤１１が被さるように凹部１７内に配置されており、定盤１１の凹部１７に覆われるようになっている。すなわち、可動子３及び固定子４は、定盤１１が被さるように当該定盤１１の上面（盤面）１１ｃよりも下方（床２５側）に配置されている。

これらの可動子３及び固定子４は、定盤１１及び固定フレーム５に例えば螺子（不図示）でそれぞれ固定されている。そして、固定フレーム５及び定盤１１において高さ方向の異なる位置には、複数の螺子穴が形成されている。よって、可動子３及び固定子４は、固定する螺子穴を変えることで、その高さ位置を調整することができる。すなわち、反力処理アクチュエータ２は、高さ調整可能とされている。

また、反力処理アクチュエータ２には、制御部２３のドライバ２０が接続されている。この反力処理アクチュエータ２では、固定子４に制御部２３のドライバ２０から駆動電流が供給されることで、可動子３と固定子４との間に磁力が発生し、この磁力により、カウンタ推力ｆ_ｒ１が可動子３に発生する。

また、反力処理アクチュエータ２は、反力ｆ_ｒが定盤１１に作用する作用点の高さと、カウンタ推力ｆ_ｒ１が定盤１１に作用する作用点の高さとの差ｈが許容値ｈ_ｍａｘ以下となるような高さ位置に設けられている。そこで、許容値ｈ_ｍａｘについて以下に説明する。

まず、移動ステージ装置１０の質量をＭ、慣性モーメントをＪ、除振バネ１６の水平方高のバネ定数をｋｈ、鉛直方向のバネ定数をｋｖ、除振バネの支持点から移動ステージ装置１０の重心までの高さをｌ、支持点から重心までの水平方向の長さをｍ、として移動ステージ装置１０を力学モデル化すると、この系の運動方程式は下記（１）式で表せる。

θが十分に小さいとして、ｓｉｎθ≒θ、ｃｏｓθ≒１とすると、高さ方向の運動は無視することができ、よって、上記（１）式は下記（２）式のように線形化される。

変数を定義し、上記（２）式を簡易にして表すと、下記（３）式のようになる。

従って、この系の固有振動数は、下記（４）式となる。

ここで、ステージ１２が加速中に反力ｆ_ｒ及びカウンタ推力ｆ_ｒ１が作用した場合、ステージ１２の初期変位は、下記（５）式で与えられる。

等速運動中の上記（５）式の初期変位によるステージ１２の自由振動は、下記（６）式で与えられる。なお、ここでのｒ_Ｎ１及びｒ_Ｎ２は、各振動モードにおける回転半径である。

そして、上記（６）式を２つの周波数成分に分離すると、下記（７）式となる。

次に、上記（７）によりステージ１２の運動が回転半径ｒ_Ｎ１及びｒ_Ｎ２の２つの回転運動の重ねあわせとして表されることから、移動ステージ装置１０を回転の自由度のみを有する定盤１１として力学モデル化する。この系の制御ブロック線図は、図３に示すように、コントローラ１８の伝達関数Ｃ（ｓ）と、ステージ１２の伝達関数Ｐ（ｓ）と、定盤１１の回転角速度外乱のステージ１２の位置に対する伝達関数ＰＤ（ｓ）とで構成されている。

これらのＰ（ｓ）及びＰＤ（ｓ）は、下記（８）式で表せる。ここでは、説明の簡略化のために、エアベアリング等の案内手段の剛性及び粘性は無視している。なお、Ｍ_{ＳＬＩＤＥＲ}はステージ１２の質量、ｒ_Ｎは各振動モードの回転半径、Ｎは移動ステージ装置１０の重心から位置センサ２２による計測点までの距離を示す。

従って、加速度外乱からステージ位置までの伝達関数は、下記（９）式となる。

この系の周波数特性は、ｓ＝ｊωを代入することで得られ、下記（１０）式となる。

各振動モードによる位置偏差の振幅のみを考慮し、Ｃ（ｊω）＝Ｋｐ（一定）とすると、振幅は下記（１１）式となる。なお、このＫ_ｐは、ステージ１２を目標位置に近づけるための制御ゲインを表し、位置センサ２２により検出されたステージ１２の位置に基づいてステージアクチュエータ２１を駆動させるフィードバックゲインである。

ここで、一般にＫ_ｐ／Ｍ_{ＳＬＩＤＥＲ}＞＞ω^２ _Ｎ１、ω^２ _Ｎ２であることから、上記（１１）は近似されて、下記（１２）式となる。

以上より、ステージ１２の位置偏差の許容値Ｙ_ｍａｘ（例えば、数１００ｎｍ）が仕様として決まっている場合、下記（１３）式に示すように、この位置偏差Ｙ_ｍａｘに基づいて許容値ｈ_ｍａｘが設定されることとなる。なお、ステージ１２の位置偏差とはステージ位置のずれ量を意味する。

但し、Ｙ_ｍａｘ：ステージの位置偏差の許容値
Ｊ：移動ステージ装置の慣性モーメント
Ｋ_ｐ：制御ゲイン
Ｎ：移動ステージ装置の重心の高さからステージの位置の計測点の高さまでの距離
Ｍ_{ＳＬＩＤＥＲ}：ステージの質量
ｆ_ｒ：反力

このように構成された移動ステージ装置１０においては、ステージ１２の位置が位置センサ２２により検出され、検出された位置に基づいてコントローラ１８により推力指令が求められ、求められた推力指令に応じた駆動電流がドライバ１９によりステージアクチュエータ２１に印加される。そして、印加された駆動電流に応じた推力ｆがステージアクチュエータ２１により発生され、この推力ｆによりステージ１２が駆動される。

ここで、ステージ１２に推力ｆが作用されることにより、その反作用のために推力ｆとは逆の方向且つ同じ大きさの力である反力ｆ_ｒが定盤１１に作用される。そこで、移動ステージ装置１０では、カウンタ推力指令がコントローラ１８によりドライバ２０に出力され、カウンタ推力指令に応じた駆動電流がドライバ２０により反力処理アクチュエータ２に印加される。そして、印加された駆動電流に応じたカウンタ推力ｆ_ｒ１が反力処理アクチュエータ２により発生され、このカウンタ推力ｆ_ｒ１が定盤１１に作用され、その結果、反力ｆ_ｒが低減ひいては相殺される。

以上、本実施形態では、反力処理アクチュエータ２により、カウンタ推力ｆ_ｒ１が定盤１１に印加される。よって、カウンタ推力ｆ_ｒ１と反力ｆ_ｒとが互いに打ち消し合い、定盤１１に作用する力が確実に低減され除去されることになる。加えて、上述したように、反力処理アクチュエータ２は定盤１１が被さるように当該定盤１１の上面１１ｃよりも下方に配置されており、反力ｆ_ｒの作用点とカウンタ推力ｆ_ｒ１の作用点との高さとの差ｈがｈ_ｍａｘ以下であるため、定盤１１に作用するモーメントが一定値以下となる。

従って、本実施形態によれば、ステージ１２の整定性を向上することができる。これは、反力ｆ_ｒの作用点とカウンタ推力ｆ_ｒ１の作用点との高さが互いに一致しないと、定盤１１に作用するモーメントを完全には除去することができないが、定盤１１に作用する力（並進力）を確実に除去できれば、定盤１１に作用するモーメントを完全に除去しなくとも、ステージ１２の整定性の向上を実現できるためである。つまり、定盤１１に作用する反力ｆ_ｒを除去すると共に定盤１１に作用するモーメントを十分に小さくすれば、ステージ１２の整定性を十分に向上できるためである。

さらに、このように、反力処理アクチュエータ２が、定盤１１が被さるように当該定盤１１の上面１１ｃよりも下方に配置されているため、その上面１１ｃのスペースが十分に確保されると共に、移動ステージ装置１０の設置面積（いわゆるフットプリント）を増加させる必要もない。つまり、移動ステージ装置１０のスペースを効率的に利用することができ、移動ステージ装置１０の大型化を抑制することが可能となる。

従って、本実施形態によれば、移動ステージ装置１０におけるステージ１２の整定性を向上すると共に、移動ステージ装置１０の大型化を抑制することができる。その結果、本実施形態においては、効果的な移動ステージ装置１０のスペースの利用と、反力処理装置１の機能の確保とを両立させることが可能となっている。

さらに、反力ｆ_ｒとカウンタ推力ｆ_ｒ１との作用点の高さとを一致させる必要がないことから以下の効果を奏する。すなわち、定盤１１上に、例えば光学架台等を容易に配置することができる。さらに、既存の移動ステージ装置に反力処理装置１を搭載する際、スペースの不足により反力ｆ_ｒとカウンタ推力ｆ_ｒ１との作用点の高さを一致させることができない場合であっても、反力処理装置１を確実に適用することが可能となる。

また、本実施形態では、上述したように、反力ｆ_ｒが定盤１１に作用する作用点の高さとカウンタ推力ｆ_ｒ１が定盤１１に作用する作用点の高さとの差ｈは、上記（１３）式で表せる許容値ｈ_ｍａｘ以下となっている。これにより、位置偏差の許容値Ｙ_ｍａｘが仕様として予め決まっている場合、この仕様に基づいて許容値ｈ_ｍａｘを設定することができ、そして、この差ｈが許容値ｈ_ｍａｘ以下にされていることから、上記効果、すなわち移動ステージ装置１０におけるステージ１２の整定性を向上すると共に移動ステージ装置１０の大型化を抑制するという効果を、確実に実現することができる。

また、上述したように、反力処理アクチュエータ２が高さ調整可能とされているため、移動ステージ装置１０に要求されるステージ１２の精度（位置偏差）が変更になった場合でも、反力処理アクチュエータ２の高さを変更（調整）することで、かかる精度に対応することが可能となる。また、この場合には、所望のステージの整定性を得ることができると共に、ステージ１２の位置偏差を確認しながら、反力処理アクチュエータ２を配置する高さを設定することができる。

さらに、上述したように、反力処理アクチュエータ２が螺子により高さ調整可能に固定されているため、かかる固定がスライド式の高さ調整に比して強固になり、ひいては、反力処理アクチュエータ２の位置ずれを抑制することができる。

また、上述したように、反力処理アクチュエータ２の可動子３と固定子４とが互いに非接触となっているため、床２５からの振動が、反力処理アクチュエータ２を介して定盤１１に伝播するのが抑止されている。また、上述したように、可動子３として永久磁石が定盤１１に取り付けられ、固定子４として電磁コイルが固定フレーム５に取り付けられているため、固定子４に駆動電流を印加することで生じる発熱の影響が定盤１１に及ぶことが抑制されている。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、定盤１１を床２５に除振バネ１６，１６を介して設置したが、その他の機械バネを介して設置してもよく、空気バネ等を用いてもよく、要は、定盤１１を床２５からの振動に対して絶縁するもの（除振手段）であればよい。

また、上記実施形態では、ステージアクチュエータ２１の固定子１３を永久磁石とし、可動子１４を電磁コイルとしたが、固定子を電磁コイルとし、可動子を永久磁石としてもよい。なお、この場合、駆動電流は電磁コイルとしての固定子に供給される。また、上記実施形態では、反力処理アクチュエータ２の可動子３を永久磁石とし、固定子４を電磁コイルとしたが、可動子を電磁コイルとし、固定子を永久磁石としてもよい。この場合には、駆動電流は電磁コイルとしての可動子に供給される。

本発明の一実施形態に係る反力処理装置を含む移動ステージ装置を示す斜視図である。 図１のII−IIに沿う断面の概略構成図である。 図１に示す移動ステージ装置の力学モデルにおける制御ブロック図である。

符号の説明

１…反力処理装置、２…反力処理アクチュエータ（印加手段）、３…可動子、４…固定子、１０…移動ステージ装置、１１…定盤、１１ｃ…定盤の上面（盤面）、１２…ステージ、１６…除振バネ（除振手段）、２５…床（基礎）、ｆ_ｒ…反力、ｆ_ｒ１…カウンタ推力（反力を低減する力）。

Claims (4)

1. 基礎に除振手段を介して設置された定盤の盤面上でステージが移動する移動ステージ装置に設けられ、前記ステージの移動で前記定盤に生じる反力を処理するための反力処理装置であって、
   前記反力を低減する水平方向の力を前記定盤に印加するための印加手段を備え、
   前記印加手段は、前記定盤が被さるように当該定盤の盤面よりも前記基礎側に配置されていることを特徴とする反力処理装置。
2. 前記反力が前記定盤に作用する作用点の高さと前記反力を低減する力が前記定盤に作用する作用点の高さとの差ｈは、次式で表せる許容値ｈ_ｍａｘ以下となっていることを特徴とする請求項１記載の反力処理装置。
   ｈ_ｍａｘ＝（Ｙ_ｍａｘ・Ｊ・Ｋ_ｐ）／（Ｎ・Ｍ_{ＳＬＩＤＥＲ}・ｆ_ｒ）
   但し、Ｙ_ｍａｘ：ステージの位置偏差の許容値
   Ｊ：移動ステージ装置の慣性モーメント
   Ｋ_ｐ：制御ゲイン
   Ｎ：移動ステージ装置の重心の高さからステージの位置の計測点の高さまでの距離
   Ｍ_{ＳＬＩＤＥＲ}：ステージの質量
   ｆ_ｒ：反力
3. 前記印加手段は、高さ調整可能とされていることを特徴とする請求項１又は２記載の反力処理装置。
4. 前記印加手段は、前記定盤に取り付けられた可動子と、当該可動子に非接触で前記基礎に取り付けられた固定子と、を有し、前記反力を低減する力が前記固定子から前記可動子に印加されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の反力処理装置。

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