JP4714611B2 - アクティブ除振装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体露光装置のｘｙステージやその他の可動部のある装置が搭載されるアクティブ除振装置に関し、特に剛性が足りない床に設置されたときにも、床剛性を推定することにより、該可動部の移動に起因する該装置の垂直方向の振動を自動的に抑制するようにしたアクティブ除振装置に関する。

半導体露光装置、液晶露光装置などの精密製造装置や精密検査装置の全体又は一部であって、ｘｙステージのような可動部がある装置は、床からの振動および該可動部の移動による振動の除振及び制振をするために、アクティブ除振装置に搭載されることが多い。アクティブ除振装置が設置される床は十分に高い剛性を備えることが好ましい。しかしながら、アクティブ除振装置の設置場所が工場の上層階であったり、床構造における梁の間隔が広かったりするときは、床の剛性は不十分になりがちである。アクティブ除振装置が不十分な剛性の床に設置されると、可動部の移動に起因する力（加振力）が床に作用し、この加振力による床の振動がアクティブ除振装置で除去されず、床の振動が搭載装置に及び、そのアクティブ除振装置に搭載された精密装置の動特性が変動し、精密装置の精度が不足し、或いは生産性が低下する虞がある。床構造に補強工事を施せば、床の剛性を向上できるが、補強工事には多額の費用がかかり、また工事には相当に長い期間を要する。そこで、床剛性の不足に対処するためには、アクティブ除振装置の設置場所ごとに、試行錯誤しながらアクティブ除振装置の復帰特性やダンパー特性を調整する必要があった。

床剛性の不足に起因する床の振動が搭載装置に及ぼす影響の抑制を目的とするアクティブ除振装置としては、特許文献１（特開2000-068195公報）に記載されたものがある。図５は、特許文献１の装置と等価なアクティブ除振装置を示す概念図である。図５のアクティブ除振装置は、除振台１、アクチュエータ４及びアクチュエータ制御部５で構成されている。そのアクチュエータ制御部５は、加速度計３１，３２、フィルタ３３，３４、ＰＩ制御部３５及び床剛性演算部７でなる。定盤３の下端は除振台１の上端に固定されている。定盤３には、半導体デバイスや液晶デバイス等のデバイスを製造するためのデバイス製造装置におけるｘｙステージが搭載される。

加速度計３１は、定盤３の上面に固定され、定盤３の垂直方向の加速度α_１を検知する。加速度計３２は、床２の上面に固定され、床２の垂直方向の加速度α_２を検知する。定盤３の下端は除振台１の上端に固定されているので、加速度計３１で検知する加速度α_１は、定盤３の垂直方向の加速度であるとともに、除振台１の上端の垂直方向の加速度でもある。フィルタ３３は、加速度計３１の出力を受け、出力に含まれるノイズを除去するローパスフィルタ処理およびバイアス及びドリフトを除去するハイパスフィルタ処理を行い、ノイズ、バイアス、ドリフトを除いた加速度α_１を出力する。フィルタ３４は、加速度計３２の出力を受け、フィルタ３３と同様な処理をする。ＰＩ制御部３５は、加速度α_１及び床剛性Ｋ_２をフィードバック信号として入力し、アクチュエータ４に比例（Proportion）動作及び積分（Integral）動作を行わせるように、アクチュエータ駆動信号１００を生成する。

図５の床剛性演算部７は、特許文献１の図１における床剛性推定回路（２４）に相当する。特許文献１の段落００１９には、『床（１００）の（鉛直方向）加速度を計測する加速度センサ（２２）の出力は、オフセットと高周波の雑音を除去するためのローパスフィルタ（２３）を介して、床剛性推定回路（２４）に入力される。また、床剛性推定回路（２４）には露光用ＸＹステージの移動情報ｓｔｇが入力される。ここで、ＸＹステージの移動情報とは、レーザ干渉計で計測されたＸＹステージの座標や、駆動モータが発生する力に対応するＸＹステージの加速度等の情報のことであり、また、予め設定されている前記ＸＹステージの駆動方向ごとの移動重量を含めてもよい。』と記載され、またその段落００２０には、『床剛性推定回路（２４）は入力されたＸＹステージの移動情報から床（１００）に伝達する加振力を演算し、この演算された加振力と前記第２の加速度センサ（２２）から得られた床振動を基に床剛性を演算し、前記ＰＩ補償器（１０′）の比例ゲインおよび積分ゲインを最適な値に設定し直す。ここで、上記の比例ゲインは除振台のダンピング係数として作用し、積分ゲインは除振台のバネ係数のように動作する。』と記載されている。但し、「比例ゲインは除振台のダンピング係数として作用し、積分ゲインは除振台のバネ係数のように動作する。」との記述は誤りであり、正しくは、「比例ゲインは除振台のバネ係数として作用し、積分ゲインは除振台のダンピング係数として作用する。」と記述されるべきである。

図５の床剛性演算部７は、後述の本発明の実施形態を表す図１乃至図３との対比を容易にするために、加振力演算部７１および床剛性推定部７２なる２つの機能要素に分けて表現してある。前記ｘｙステージ移動情報は加振力演算部７１に入力され、加速度α_２は床剛性推定部７２に入力される。加振力演算部７１は、ｘｙステージ移動情報に基づき、除振台１が床２に作用する加振力を演算する。床剛性推定部７２は、その加振力および加速度α_２に基づき床剛性Ｋ_２を推定する。ＰＩ制御部３５は、床剛性Ｋ_２を基に、比例ゲインおよび積分ゲインを最適な値に設定し直し、加速度α_１に基づくフィードバック制御を行うように、最適なアクチュエータ駆動信号１００でアクチュエータ４を制御し、アクチュエータ４の作用により、加振力による床２の振動とは逆方向の振動を定盤３に生じさせ、定盤３の振動を制止できると、特許文献１では、説明している。
特開2000-68195公報

アクティブ除振装置が設置される床の剛性は、床毎に相違する。そこで、アクティブ除振装置の復帰特性やダンパー特性を床の剛性に対応させようとすると、その復帰特性やダンパー特性は設置場所ごとに試行錯誤的に調整する必要がある。アクティブ除振装置の設置場所ごとに試行錯誤的に行う復帰特性やダンパー特性の調整は、熟練した技術者によってのみ可能であり、しかも相当に長い時間を要するので、アクティブ除振装置の設置に相当に費用を要することとなる。

また、図５の従来のアクティブ除振装置では、ｘｙステージ移動情報に基づき加振力の演算を行っているので、演算した加振力と実際の加振力との差が相当に大きい、即ち演算した加振力の誤差が大きい可能性がある。なぜならアクティブ除振装置が床２に作用する加振力は、ｘｙステージにおける可動部の移動が定盤３に振動を与え、定盤３の振動が除振台１経由で床２に伝達する振動であるからである。そこで、加振力の演算に直接的に必要な情報は、定盤３の垂直方向の加速度α_１である。即ち、ｘｙステージ移動情報は、定盤３の移動情報を間接的に示すデータではあっても、定盤３の移動情報ではない。そこで、ｘｙステージ移動情報に基づき推測した加振力は、誤差が大きく、精度が低いといえる。このような精度の低い加振力に基づいて推測した床剛性Ｋ_２、さらにこの床剛性Ｋ_２に基づきＰＩ制御部３５に設定した比例ゲインおよび積分ゲインは最適な値ではなく、最適なアクチュエータ駆動信号１００でアクチュエータ４を制御することはできないので、定盤３の振動を適切に制止できない。また、図５のアクティブ除振装置は、ｘｙステージ移動情報を利用して加振力を演算するので、ｘｙステージとのインタフェースを考慮しなければ設計できない。そこで、図５のアクティブ除振装置の設計は、複雑で、ひいては製造費の増大を招く。

そこで、本発明の目的は、設置において試行錯誤的な調整を要せず、また床剛性を正確に推測でき、ひいては剛性が不十分な床に設置されても、搭載装置の可動部の移動に起因してその搭載装置が振動するのを制止でき、搭載装置とのインタフェースを考慮することなく設計できるアクティブ除振装置の提供にある。

前述の課題を解決するために本発明は次の手段を提供する。

（１）可動部のある装置が搭載される搭載台の垂直方向の加速度である第1の加速度を検出する第1の加速度計と、設置される床の垂直方向の加速度である第２の加速度を検知する第２の加速度計と、該第２の加速度のデータを少なくとも含む情報に基づき垂直方向に関する該床の剛性の演算をする床剛性演算部と、該第1の加速度のデータ及び該床剛性のデータを信号として受け、アクチュエータを駆動するＰＩ制御部とを備えるアクチュエータ制御部が設けられたアクティブ除振装置において、
前記床剛性演算部は、前記情報として、前記第２の加速度の他に前記第１の加速度のデータを含めることを特徴とするアクティブ除振装置。

（２）前記床剛性演算部は、前記第１の加速度のデータおよび第２の加速度のデータに基づき前記床に作用する加振力及び該床の垂直方向の位置を演算する加振力演算部と、該加振力のデータ及び該床の垂直方向の位置のデータに基づき前記床の剛性を推定する床剛性推定部とでなることを特徴とする前記（１）に記載のアクティブ除振装置。

（３）前記床に対する前記搭載台の垂直方向の変位を検出する変位計を備え、
前記床剛性演算部は、前記情報として、前記第１及び第２の加速度のデータの他に記変位のデータを含めることを特徴とする請求項１に記載のアクティブ除振装置。

（４）前記床に作用する荷重を検知する荷重センサを備え、
前記床剛性演算部は、前記情報として、前記第２の加速度のデータの他に前記荷重のデータを含めることを特徴とする前記（１）に記載のアクティブ除振装置。

上述の本発明の構成によれば、設置において試行錯誤的な調整を要せず、また床剛性を正確に推測でき、ひいては剛性が不十分な床に設置されても、搭載装置の可動部の移動に起因してその搭載装置が振動するのを一層適切に制止でき、搭載装置とのインタフェースを考慮することなく設計できるアクティブ除振装置が提供できる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態のアクティブ除振装置を示す概念図、同図（Ｂ）はその第１の実施形態の床剛性演算部で行う演算過程を示す図である。図１（Ａ）のアクティブ除振装置は、除振台１、アクチュエータ４及びアクチュエータ制御部５で構成され、床２上に設置されている。そのアクチュエータ制御部５は、加速度計３１，３２、フィルタ３３，３４、ＰＩ制御部３５及び床剛性演算部６でなる。定盤３の下端は除振台１の上端に固定されている。定盤３には、半導体デバイスや液晶デバイス等のデバイスを製造するためのデバイス製造装置におけるｘｙステージが搭載される。以下の説明では、定盤３はｘｙステージに属するものとする。加速度計３１及び３２は前述の第１及び第２の加速度計にそれぞれ相当する。また、前記「可動部のある装置が搭載される搭載台」なる記載のおける「可動部のある装置」は該ｘｙステージに、「搭載台」は前記除振台１に、それぞれ相当する。

加速度計３１は、定盤３の上面に固定され、定盤３の垂直方向の加速度α_１を検知する。加速度計３２は、床２の上面に固定され、床２の垂直方向の加速度α_２を検知する。定盤３の下端は除振台１の上端に固定されているので、加速度計３１で検知する加速度α_１は、定盤３の垂直方向の加速度であるとともに、除振台１の上端の垂直方向の加速度でもある。フィルタ３３は、加速度計３１の出力を受け、出力に含まれるノイズを除去するローパスフィルタ処理およびバイアス及びドリフトを除去するハイパスフィルタ処理を行い、ノイズ、バイアス、ドリフトを除いた加速度α_１を出力する。フィルタ３４は、加速度計３２の出力を受け、フィルタ３３と同様な処理をする。ＰＩ制御部３５は、加速度α_１及び床剛性Ｋ_２をフィードバック信号として入力し、アクチュエータ４に比例（Proportion）動作及び積分（Integral）動作を行わせるように、アクチュエータ駆動信号１００を生成する。

図１（Ａ）のアクティブ除振装置では、加振力演算部６１は、加速度α_１及びα_２に基づき、除振台１が床２に作用する加振力ｐを演算する。床剛性推定部６２は、その加振力ｐおよび床２の垂直方向位置ｘ_２に基づき床剛性Ｋ_２を推定する。位置ｘ_２は、加速度α_２の２階積分により加振力演算部６１において算出する。ＰＩ制御部３５は、床剛性Ｋ_２を基に、比例ゲインおよび積分ゲインを最適な値に設定し直す。その比例ゲインは除振台１１の剛性Ｋ_１（特許文献１に記載されたバネ係数に相当）として作用し、該積分ゲインは除振台１１の減衰係数Ｃ_１（特許文献１に記載されたダンピング係数に相当）として作用する。ＰＩ制御部３５は、設定し直された比例ゲインおよび積分ゲインを用い、加速度α_１に基づくフィードバック制御を行うように、最適なアクチュエータ駆動信号１００を生成し、このアクチュエータ駆動信号１００でアクチュエータ４を制御する。アクチュエータ４は、アクチュエータ駆動信号１００を受け、加振力ｐによる床２の振動とは逆方向の振動を定盤３に生じさせ、定盤３の振動を制止する。

図４は、除振台１の減衰係数Ｃ_１及び剛性Ｋ_１と、除振台１上の定盤３および定盤３上に搭載された装置（ｘｙステージ等）の質量Ｍと、除振台１が載置される床２の剛性Ｋ_２とで表現した図１の実施形態の１次モデル図である。この１次モデルは地面７０に支えられている。ｘ_１は定盤３の下面（除振台１の上端面と同じ位置）の位置であり、ｘ_２は床２の上面の位置である。

図１の実施形態は図４の１次モデルで表されるので、図１の実施形態については下記式（１）及び式（２）なる運動方程式が成立する。
ｆ＝Ｍα_１＋Ｃ_１（ｖ_１−ｖ_２）＋Ｋ_１（ｘ_１−ｘ_２） （１）
０＝−Ｃ_１（ｖ_１−ｖ_２）−Ｋ_１（ｘ_１−ｘ_２）＋Ｋ_２ｘ_２ （２）
式（１）は、除振台１上の定盤３および定盤３上に搭載された装置（ｘｙステージ等）の質量Ｍに関する運動方程式である。また、式（２）は、床剛性Ｋ_２と除振台１から床２に伝達する加振力に関する運動方程式である。ここで、ｆは定盤３に搭載されるｘｙステージ等の可動部付装置における可動部の移動に起因して定盤３に加わる垂直方向の力、ｖ_１，ｖ_２，ｘ_１及びｘ_２はそれぞれ定盤３の垂直方向の速度、床２の垂直方向の速度、定盤３の位置および床２の位置である。ｖ_１及びｖ_２は加速度α１及びα２の積分により、またｘ_１及びｘ_２はｖ_１及びｖ_２の積分により、それぞれ求められる。除振台１の減衰係数Ｃ_１および剛性Ｋ_１は、除振台１の特性試験により求め、加振力演算部６１に予め記憶してある。

定盤３に搭載されたｘｙステージ等の可動部付装置における可動部の移動による振動が、定盤３および除振台１を介して床２に伝達されるときに、床２に作用する力、即ち加振力ｐは、式２の右辺における第１項及び第２項の和である。即ち、加振力ｐは、
ｐ＝Ｃ_１（ｖ_１−ｖ_２）＋Ｋ_１（ｘ_１−ｘ_２） （３）
なる演算で求められる。加振力演算部６１は式３により演算した加振力ｐと、加速度α_２の２階積分により求めた床２の位置ｘ_２を床剛性推定部６２に送り、床剛性推定部６２は、式（２）に基づく下記式（４）により床剛性Ｋ_２を生成する。
Ｋ_２＝[Ｃ_１（ｖ_１−ｖ_２）＋Ｋ_１（ｘ_１−ｘ_２）]／ｘ_２ （４）

先に図５を参照して述べたように、アクティブ除振装置が床２に作用する加振力ｐは、ｘｙステージにおける可動部の移動が定盤３に振動を与え、定盤３の振動が除振台１経由で床２に伝達する振動であるから、加振力ｐの演算に直接的に必要な情報は、定盤３の垂直方向の加速度α_１であり（図５のアクティブ除振装置におけるｘｙステージ移動情報は、定盤３の移動情報を間接的に示すデータであって、定盤３の移動情報ではない）、ｘｙステージ移動情報に基づき推測した加振力ｐは、誤差が大きく、精度が低く、このような精度の低い加振力ｐに基づいて推測した床剛性Ｋ_２、更にこの床剛性Ｋ_２に基づきＰＩ制御部３５に設定した比例ゲインおよび積分ゲインは最適な値ではなく、最適なアクチュエータ駆動信号１００でアクチュエータ４を制御することはできないので、定盤３の振動を適切に制止できない。これに対し図１の実施形態では、以上に詳しく述べたように、加振力演算部６１は、図５の従来例で用いたｘｙステージ情報に代えて定盤３の加速度α_１を用いて加振力ｐを演算するので、加振力ｐは正確であり、この加振力ｐを基に推測した床剛性Ｋ_２も正確であるから、この床剛性Ｋ_２に基づきＰＩ制御部３５に設定した比例ゲインおよび積分ゲインは最適な値となり、ひいては最適なアクチュエータ駆動信号１００でアクチュエータ４を制御できるので、定盤３の振動を適切に制止できる。また、図１（Ａ）の第１の実施形態では、ｘｙステージ移動情報を利用することなく加振力ｐを演算するので、本実施の形態は、ｘｙステージとのインタフェースを考慮することなく、設計できる。勿論、本実施の形態を床に設置する際には、試行錯誤的な調整を要せずに、床剛性を自動的に正確に推測でき、ひいては剛性が不十分な床に設置されても、搭載装置の可動部の移動に起因してその搭載装置が振動するのを制止できる。

図２（Ａ）は、本発明の第２の実施形態のアクティブ除振装置を示す概念図、同図（Ｂ）はその第２の実施形態の床剛性演算部で行う演算過程を示す図である。図２（Ａ）の実施形態は、図１（Ａ）の第１の実施形態の構成に加えて、定盤３と床２との相対位置ｘを検出する変位計３８を備え、加振力演算部６１ａはその変位計３８の出力ｘを式（１）及び（２）における（ｘ_１−ｘ_２）として用いて加振力ｐを演算する点で第１の実施形態と相違し、その他の点では第１の実施形態と構成及び機能並びに効果を同じくする。図１（Ａ）の第１の実施形態では、加振力演算部６１は加速度α_１及びα_２の２階積分により位置ｘ_１及びｘ_２をそれぞれ求めたから、位置ｘ_１及びｘ_２には加速度に起因する誤差が生じ易いが、本図２（Ａ）の第２の実施形態では、定盤３と床２との相対位置（ｘ_１−ｘ_２）＝ｘを変位計３８で直接に求めるので、一層正確に加振力ｐを演算でき、ひいては一層適切に定盤３の振動を制止できる。

図３（Ａ）は、本発明の第３の実施形態のアクティブ除振装置を示す概念図、同図（Ｂ）はその第３の実施形態の床剛性演算部で行う演算過程を示す図である。図３（Ａ）の第３の実施形態は、図１（Ａ）の第１の実施形態の構成に加えて、定盤３と除振台１との間に荷重センサ３９を設け、荷重センサ３９でもって加振力ｐを直接に検出し、また図１の加振力演算部６１に代えて積分器６３を備え、積分器６３における加速度α_２の２階積分により床２の位置ｘ_２を求め、床剛性推定部６２が加振力ｐを荷重センサ３９から入力し、積分器６３からは位置ｘ_２を入力し、床剛性Ｋ_２を生成する点で、図１（Ａ）の第１の実施形態と相違し、その他の点では図１（Ａ）の第１の実施形態と構成および機能並びに効果を同じくする。この第３の実施形態では、荷重センサ３９でもって加振力ｐを直接に検出するので、式（３）の演算により加振力ｐを求める図１（Ａ）の第１の実施形態より正確な加振力ｐが得られるので、床剛性Ｋ_２が一層正確に推定でき、ひいては一層適切に定盤３の振動を制止できる。

以上に実施形態を上げ、本発明を具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものでないことは勿論である。例えば、以上に説明した実施形態では、加速度α_１及びα_２並びに位置ｘ_１及びｘ_２は垂直方向についてのみ求め、したがって床剛性Ｋ_２も垂直方向についてだけ求め、床２の垂直方向の振動による定盤３の垂直方向の振動を抑制するように１自由度モデルについて改善をしたが、定盤３の加速度及び床２の加速度並びに定盤３の位置及び床２の位置を垂直方向に加えて水平方向及び回転方向についても求め、したがって床剛性も垂直方向、水平方向および回転方向について求め、６自由度に関し定盤３の振動を抑制するようにした６自由度モデルにも、本発明は適用できる。

本発明の第１の実施形態のアクティブ除振装置を示す概念図（Ａ）およびその第１の実施形態の床剛性演算部６で行う演算過程を示す図（Ｂ）である。 本発明の第２の実施形態のアクティブ除振装置を示す概念図（Ａ）およびその第２の実施形態の床剛性演算部６ａで行う演算過程を示す図（Ｂ）である。 本発明の第３の実施形態のアクティブ除振装置を示す概念図（Ａ）およびその第３の実施形態の床剛性演算部６ｂで行う演算過程を示す図（Ｂ）である。 図１の実施の形態の機能モデルを示す図である。 従来のアクティブ除振装置を示す概念図である。

符号の説明

１ 除振台
２ 床
３ 定盤
４ アクチュエータ
５ アクチュエータ制御部
６，６ａ，６ｂ，７ 床剛性演算部
３１，３２ 加速度計
３３，３４ フィルタ
３５ ＰＩ制御部
６１，６１ａ，７１ 加振力演算部
６２，７２ 床剛性推定部
６３ 積分器
７０ 地面
１００ アクチュエータ駆動信号
α_１ 除振台１の上端の垂直方向加速度（＝定盤３の垂直方向加速度）
α_２ 床２の垂直方向加速度
ｖ_１ 除振台１の上端の垂直方向速度（＝定盤３の垂直方向速度）
ｖ_２ 床２の垂直方向速度
ｘ_１ 除振台１の上端（定盤３の下端に同じ）の垂直方向位置
ｘ_２ 床２の垂直方向位置
Ｃ_１ 除振台１の減衰係数
Ｍ 露光装置（定盤３を含む）の質量
Ｋ_１ 除振台１の剛性
Ｋ_２ 床２の剛性

Claims (4)

1. 可動部のある装置が搭載される搭載台の垂直方向の加速度である第1の加速度を検出する第1の加速度計と、設置される床の垂直方向の加速度である第２の加速度を検知する第２の加速度計と、該第２の加速度のデータを少なくとも含む情報に基づき垂直方向に関する該床の剛性の演算をする床剛性演算部と、該第1の加速度のデータ及び該床剛性のデータを信号として受け、アクチュエータを駆動するＰＩ制御部とを備えるアクチュエータ制御部が設けられたアクティブ除振装置において、
   前記床剛性演算部は、前記情報として、前記第２の加速度の他に前記第１の加速度のデータを含めることを特徴とするアクティブ除振装置。
2. 前記床剛性演算部は、前記第１の加速度のデータおよび第２の加速度のデータに基づき前記床に作用する加振力及び該床の垂直方向の位置を演算する加振力演算部と、該加振力のデータ及び該床の垂直方向の位置のデータに基づき前記床の剛性を推定する床剛性推定部とでなることを特徴とする請求項１に記載のアクティブ除振装置。
3. 前記床に対する前記搭載台の垂直方向の変位を検出する変位計を備え、
   前記床剛性演算部は、前記情報として、前記第１及び第２の加速度のデータの他に前記変位のデータを含めることを特徴とする請求項１に記載のアクティブ除振装置。
4. 前記床に作用する荷重を検知する荷重センサを備え、
   前記床剛性演算部は、前記情報として、前記第２の加速度のデータの他に前記荷重のデータを含めることを特徴とする請求項１に記載のアクティブ除振装置。

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