JP4897619B2 - ヒステリシスのない空気軸受による能動防振システム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブル内で特許請求されるように、質量の防振のための装置に関し、その質量の防振のための方法に関する。

空気式防振装置を有するものなどの防振システムは、従来技術から知られている。例えば、欧州特許第０９２７３８０Ｂ１号＝米国特許第６２２６０７５Ｂ１号は、水平および垂直に作用し、例えば、リソグラフィ・システムを質量として支持するために使用される空気軸受を説明している。その上、生じる振動を抑制するために、電気的に駆動することができて空気式防振装置と平行な質量を支持するアクチュエータが使用される。

防振装置とも呼ばれる空気軸受は、軸受の剛性を非常に低く保つことができるので、防振システムを設計するのに特に適している。しかし、それらは、空気軸受からの連続的なリーク流れを生じ、これは改善されなければならない。これらなどの空気軸受は、防振された質量全体が垂直に運動することができるという利点も有し、したがって、１つまたは複数の動作点への移動を可能にする。これを可能にするために、防振装置は、電気的に駆動することができる、また圧縮空気源から防振装置まで圧縮空気の流れを制御するために電気制御信号を使用するバルブを有し、このようにして、防振装置内の空気圧が、上昇するか低下するか、または所望のレベルを維持することを可能にする。

従来技術によるバルブ用の圧縮空気流制御は、ヒステリシスの影響を受ける。これは、同じ電気駆動信号が、必ずしも空気式防振装置内に同じ圧力をもたらすとは限らないことを意味する。実際に、生成される圧力は、以前にバルブに与えられた駆動信号次第である。このバルブ挙動の理由は、バルブが圧縮空気の流れを制御するために諸機械要素を含み、これらが機械的摩擦の影響を受けるためである。ヒステリシスの影響が非線形性をもたらし、これは簡単なコントロール・システムによって検出され得ない。したがって、様々な初期状態から、特に定常状態から離れて、関連したバルブの可動機械要素を繰り返し動かさなければならないので、防振システムの安定化の間中、望ましくない影響が生じる。
欧州特許第０９２７３８０Ｂ１号

本発明は、空気圧バルブを介して供給を受ける防振システムに低ヒステリシスをもたらすという目的に基づく。

この目的のために、バルブの機械要素は常に運動状態に保たれ、その結果、これら運動中の機械要素を休止位置から加速する必要がない。

これは、バルブの制御駆動信号に追加の信号（いわゆるディザ信号）を加えることによって行われる。この「反ヒステリシス信号」の振幅は、できるだけ小さいものであるが、防振システムの動作中、バルブの可動機械部品を運動状態に保つ十分大きなものである。

しかし、ディザ信号は、供給される圧縮空気流中に余分な望ましくない変動をもたらし、したがって、空気式防振装置内に圧力変動をもたらす。防振装置内のこれらの圧力変動は、主に垂直方向に、ディザ信号と同一周波数で、防振されるべき質量の余計な運動をもたらす。したがって、ディザ周波数での振動外乱が質量から検出され得る。

ここで、防振された質量を上下に運動させるための制御信号に加えて、防振システムのためのアクチュエータに補償信号としてディザ補償信号が与えられると、防振されるべき質量上のディザ信号に起因する振動外乱が、アクチュエータによって補償される。

基本的には、制御プロセスを非適応型で実行することも可能である。これは、ディザ信号を補償するために、一定の信号がアクチュエータ用の制御信号に加えられることを意味する。しかし、バルブでのディザ信号と支持されるべき質量上の測定可能な影響の間の位相差も、ある環境では、システム次第で、また時間につれて変動し得るので、ディザ信号用適応補償が有利であることが分かっている。

支持されるべき質量は、その防振応答の関数としてディザ信号に反応する。例えば、ディザ周波数が、防振されるべき質量の固有振動数に近いと、ディザ信号の供給が質量の大きな振動をもたらす。したがって、ディザ信号の周波数は、例えば軸受を与えられるべき装置である防振質量（軸受がこの質量を振動から防振する）が、特に感応しづらい周波数範囲から選択するべきである。その後、ディザ信号によってもたらされる影響は確かにまだ測定可能であるが、明白な影響は最小化される。
本発明の例示の一実施形態が、図面を参照しながら説明されることになる。

質量１は、質量１を垂直に支持するための複数の空気式防振装置２すなわち空気軸受上に取り付けられ、そのうち２つが概略的に図示されている。これらなどの防振装置２は、通常、１つまたは複数の圧縮空気ラインを介して空気式防振装置２に圧縮空気を供給する圧縮空気溜め３（コンプレッサによって充填される）を有する圧縮空気源に接続される。これら圧縮空気ラインの各々は、それぞれの防振装置２へ圧縮空気が流れることおよび防振装置内の気圧が制御されることを可能にするために、その中に制御バルブ４を有する。圧縮空気の流れも、空気式防振装置２の支持長を変化させるかまたは調節するために使用され得る。質量１の高さを検出するために位置センサ５が設けられ、質量１と基準面の間の距離の測定が可能になる。位置センサ５は、空気制御ループ６に接続され、また、加算要素７を介して制御バルブ４に接続される。これらの接続は通常電気的なものであり、すなわち位置センサ５は、防振装置内の所望の空気圧および／または質量１上に所望の支持レベルが実現されるように、後述のデバイスとともに制御バルブ４を制御する空気式制御ループ６へ電気的位置信号を発する。

質量１は、通常、振動に影響されやすい装置であり、例えばリソグラフィ装置である。このような装置を基礎の振動から遮蔽するために、空気式防振装置２が使用される。まだ振動が装置に達する（または装置によって生成される）限り、それぞれの防振装置２と質量１の間に配置された一連のアクチュエータ１０を含む能動的振動抑制システムが存在する。質量１に生じる振動は運動センサ９によって検出され、振動抑制制御ループ１１に供給される。運動センサ９は、距離センサ、速度センサまたは加速度センサの形をとってよい。制御ループ１１は、生じる振動に対して例えば逆位相で質量１に作用するように、さらなる加算要素１３を介してそれぞれのアクチュエータ１０に順に接続される。

質量１から基礎振動をできるだけ防振するために、水平方向および垂直方向に、できるだけ低いバネ剛性を有する空気軸受が防振装置２として使用される。とりわけ、このような空気軸受は、圧縮空気がシリンダとピストンの間に逃げるリーク流れがあるシリンダ内でガイドされる空気圧ピストンを有する。この理由で、圧力損失を補償するために、防振装置２に圧縮空気が連続的に供給されなければならず、これは制御バルブ４によって行われる。このような制御バルブ４は、圧縮空気の開口を変えるために静止したバルブ壁と相互作用する可動機械バルブ要素を有し、こうして開口を制御する。可動バルブ要素は制御バルブ４の起電力によって動かされ、駆動信号は制御ループ６から供給される。しかし、可動バルブ要素は機械的摩擦の影響を受ける。実際には、１回では、与えられたドライブ信号によって可動バルブ要素の所望の最終位置に達することができない。したがって、このことは、圧縮空気流の制御において、いわゆるヒステリシスをもたらす。ヒステリシスの大きさは、以前に制御バルブ４に与えられた駆動信号にとりわけさらに依存する。ヒステリシスは非線形の影響であって、簡単なコントロール・システムによって検出され得ず、したがって、容易には克服され得ない。

知られているように、摩擦は静止摩擦および滑り摩擦の形で生じ、後者は前者よりかなり小さい。本発明の基本的理念の１つは、可動バルブ要素内の静止摩擦を排除することである。したがって、制御バルブ４の可動バルブ要素は、連続的運動状態に保たれる。この目的のために、可動バルブ要素が連続的なディザ運動を行なうことを確実にするディザ信号を可動バルブ要素に供給するように、ディザ信号発信器８が設けられて加算要素７に接続される。これで、空気制御ループ６用の電気的駆動信号が可動バルブ要素の静止摩擦を克服する必要性が無くなる。全体として、これは、制御プロセスのヒステリシスの縮小をもたらす。

ディザ信号として、好ましくは、ある可変周波数の、しかし後には固定周波数の、正弦波信号が使用される。ディザ信号の周波数は、通常の制御信号の周波数帯域幅よりかなり高いものである。空気制御システム用の周波数帯域幅が０から最大２０Ｈｚまでの範囲にある一方で、ディザ信号の周波数は、３５Ｈｚから１００Ｈｚの範囲にある。

しかし、可動バルブ要素のディザ運動も、空気式防振装置２内の圧力変動をまねき、したがって質量１上の振動の影響に繋がる。この影響は、運動センサ９によって検出することができる。したがって、本発明は、質量１に生じるディザ振動の抑制も目的としている。ディザ補償回路１２が設けられ、その入力側が運動センサ９およびディザ信号発信器８に接続され、その出力側が加算要素１３に接続される。ディザ補償回路１２は、質量１上に生じる振動をディザ回路８からの信号と比較して、これを、ディザ補償信号を得るために使用し、アクチュエータ手段１０に供給する。これは、防振装置２内のディザ圧力変動に起因するディザ振動を打ち消し、基本的に、質量１上のこれら振動の影響を克服する。

防振システムの運転方法が、以下のテキストで説明されることになる。防振されるべき質量１が、例えば１つまたは複数の動作点に達するために、特定のレベルへと垂直に移動するように意図されると仮定されている。この目的のために、位置センサ５が、防振されるべき質量１と関連の防振装置２の間の距離を測定する。測定結果は空気制御ループ６に渡され、この制御ループが、質量１の垂直位置を変えるために第１の加算要素７を介して制御バルブ４へ駆動信号を送る。制御バルブ４の開き幅は、駆動信号の関数として変えられ、その結果、圧縮空気溜め３からの圧縮空気が多かれ少なかれ防振装置２の中へ流入する。圧縮空気の流れが増加された結果、防振装置２内の圧力が増大すると、次いで支えられるべき質量１が上方へ動く。防振装置２内の圧力が低下すると、防振されるべき質量１は下方へ動く。

防振されるべき質量１の振動状態を連続的に測定するために運動センサ９を使用することにより、質量１向けの防振がもたらされる。運動センサ９からの測定結果は、振動抑制制御ループ１１に伝えられる。得られた測定結果に従って、制御ループ１１がアクチュエータ１０に信号を送り、この信号が、質量１を、質量１に伝えられた振動を全体として補償するように運動させ、その結果、質量１は、全体として基礎に対して静止しているかまたは一律に移動する。

空気制御ループ６からの「通常の」信号と信号発信器８からのディザ信号の和が制御バルブ４に達するように、ディザ信号は、ディザ信号発信器８から第１の加算要素７および制御バルブ４に継続的に渡される。

制御バルブ４のバルブ要素のディザ振動およびこれに起因する防振装置２の振動が、防振されるべき質量１に伝えられる。質量１のこの振動は、運動センサ９によって測定される。運動センサ９からの測定結果は、振動抑制制御ループ１１に渡される。ディザ補償回路１２も、ディザ信号発信器８からディザ信号を受け取る（非適応型ディザ補償法）。

振動抑制制御ループ１１およびディザ補償回路１２は、各々第２の加算要素１３へ信号を渡し、加算要素１３は、２つの信号の和をアクチュエータ１０へ渡す。これらのアクチュエータ１０は、ディザ信号によってもたらされた質量１上の振動が補償されるように、質量１と防振装置２の間の振動に起因して主に垂直方向に変化する距離を変えるモータによって表される。

運動センサ９からの測定結果を、さらにディザ補償回路１２へ渡すことも可能である。この場合、ディザ補償回路１２は、ディザ信号および運動センサ９からの測定結果を使用してディザ補償信号を算定し、これを第２の加算要素１３に渡す。前述の非適応型の方法との相違は、ディザ補償信号が質量１のそれぞれの振動状態に依存し、その結果、生じるディザ振動が一層よく補償されることである（ディザ補償のための適応型の方法）。

質量１の高さが前述の方法で変えられるとき、例えば、１つまたは複数の動作点に到達するために、次いで位置センサ５からの測定結果によって公称の高さと質量１の実際高さの間の差が求められる。質量１が所定の公称の高さに近づくとき、次いで、この差はゼロになる傾向がある。実際には、この場合公称の高さである公称値のまわりのいわゆる制御変動が、制御プロセスで生じる。追加的に送り込まれるディザ信号が、可動バルブ要素を運動状態に保つのに丁度十分な振幅を有するので、空気軸受２は、公称値のまわりで小さな振幅で振動する、すなわち制御変動をもたらすが、そのパターンは正確に知られている。したがって、対象目標物である質量１におけるこの制御変動を大幅に排除することが可能である。したがって、全体として、これは、ディザ補償信号を使用することなしに可能であるものより、より優れてより正確な質量１の位置決めをもたらす。

制御システムを有する防振システムの概略設計を示す図である。

Claims (15)

1. リソグラフィ・システムを有する質量（１）を支持するための空気軸受手段（２）と、
   圧縮空気源（３）および前記空気軸受手段（２）に圧縮空気の流れを供給するための制御バルブ（４）を有する、前記空気軸受手段（２）に圧力を供給するためのデバイスと、
   可動バルブ要素を有する前記制御バルブ（４）を制御するための空気制御ループ（６）と、
   前記質量（１）の振動を抑制して支持するためのアクチュエータ手段（１０）と、
   前記質量（１）の振動状態を検出するためのセンサ手段（９）と、
   前記センサ手段（９）の関数として前記アクチュエータ手段（１０）を制御するための振動抑制制御ループ（１１）とを備え、
   前記バルブ要素の運動状態に影響を及ぼすために、ディザ信号発信器（８）が設けられて前記質量（１）のディザ振動が生成され、
   前記質量（１）の前記ディザ振動を抑制する意味で前記アクチュエータ手段（１０）を制御するためにディザ補償回路（１２）が設けられる前記質量（１）の防振用装置。
2. 前記空気制御ループ（６）が、それぞれの所定の公称値のまわりの制御変動を有して動作され得て、前記制御変動が、前記ディザ信号によって外部で前もって定義される請求項１に記載の防振用装置。
3. 前記空気制御ループ（６）が第１の加算要素（７）を有し、これを介して前記ディザ信号発信器（８）が前記制御バルブ（４）に接続される請求項１または２に記載の防振用装置。
4. 前記空気制御ループ（６）が、位置センサ（５）を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の防振用装置。
5. 前記振動抑制制御ループ（１１）が第２の加算要素（１３）を有し、これを介して前記ディザ補償回路（１２）が前記アクチュエータ手段（１０）に接続される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の防振用装置。
6. 前記ディザ信号発信器（８）の出力側が前記ディザ補償回路（１２）の１つの入力に接続される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の防振用装置。
7. 前記ディザ補償回路（１２）が、前記質量（１）の前記振動状態を検出するために前記センサ手段（９）に接続され、したがって制御ループ内に含まれる請求項１乃至６のいずれか１項に記載の防振用装置。
8. 前記ディザ信号発信器（８）が正弦波信号発信器である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の防振用装置。
9. 前記ディザ信号の周波数が３５Ｈｚから１００Ｈｚの間にある請求項８に記載の防振用装置。
10. ａ）各々が可動バルブ要素および前記空気軸受（２）からの空気用の流出口を有する制御バルブ（４）を介して空気を供給することにより、空気軸受（２）の中の空気圧が制御される工程と、
    ｂ）前記制御バルブ（４）の前記可動バルブ要素の位置に影響を及ぼすために空気制御ループ（６）用の制御信号が生成される工程と、
    ｃ）前記制御信号にディザ信号が重畳され、前記可動バルブ要素のディザ振動をまねく工程と、
    ｄ）始まったディザ振動が、質量（１）の振動状態に対する影響として検出される工程と、
    ｅ）前記ディザ振動が、前記質量（１）に作用するアクチュエータ（１０）の補償制御によって補償される工程とを有する、前記空気軸受（２）を介して、リソグラフィ・システムを有する前記質量（１）を支持することによる前記質量（１）の防振のための方法。
11. 前記空気制御ループ（６）が、それぞれの所定の公称値のまわりの制御変動を有して動作され、前記制御変動が、前記ディザ信号によって外部で定義される請求項１０に記載の防振のための方法。
12. 工程ｅ）が、振動抑制制御ループ（１１）およびディザ補償回路（１２）助けを受けて実行され、前記ディザ補償回路（１２）にディザ信号が供給される請求項１０または１１に記載の防振のための方法。
13. 前記ディザ補償回路（１２）に、工程ｄ）による信号が供給される請求項１２に記載の防振のための方法。
14. 前記ディザ信号が正弦波信号である請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の防振のための方法。
15. 前記ディザ信号の周波数が３５Ｈｚから１００Ｈｚの間にある請求項１４に記載の防振のための方法。

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