JPH034307A - 移動体の位置決め制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は往復移動する物体の位置決め制御装置に関する
ものであり、特に半導体装置を製造するための各種精密
加工装置（ｌ光装置、リペア装置等）で使われている移
動ステージの高精度な制御方式に関するものである。

〔従来の技術〕

従来より半導体露光装置等では、半導体ウェハを載置し
て２次元移動するステージを有し、ステップアンドリピ
ート方式、又はステップアンドスキャン方式でウェハ上
の複数のシッット領域に、マスクのパターンを順次焼き
付けている。

第２図は、この種の装置に使われているステージの構造
と制御系を示す図である。

第２図において、レチクル（マスク）Ｒのパターンは投
影光学系（屈折系、又は反射系）ＰＬを介してウェハＷ
上のレジスト層に焼き付けられる。

ウェハＷは２次元移動するステージＳＴ上に固定され、
ステージＳＴは、モータ７によって回転する送りネジ１
と、これに螺合するとともにステージＳＴに固着された
ナツト２とにより往復移動する。またステージＳＴの現
在位置は、レーザ干渉計６等の位置検出器によってモニ
ターされ、主制御系（ＣＰＵ）１１に読み込まれる。主
制御系１１は目標位置の座標値が入力されると、ステー
ジＳＴの現在位置との偏差を演算し、それに応じた速度
データをデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）１０に出
力する。ＤＡＣＩＯは、この速度データに応じたアナロ
グ電圧をサーボアンプ９に出力し、サーボアンプ９は所
定のスピードでモータ７を制御する。尚、ステージＳＴ
の他の軸方向の移動についても、第２図と全く同様のモ
ータ、送りネジ、サーボ系が組まれており、ステージＳ
Ｔは２次元に位置制御される。

さて、このような構成で、ステージＳＴの目標停止位置
が人力されると、主制御系１１はステージＳＴの現在位
置との関係からステージＳＴの最高速度を設定し、その
速度までは一定周期ごとにステージＳＴを加速するよう
な速度データをＤＡＣＩＯに出力する。

これによってステージＳＴは移動し始め、同時に主制御
系１１は干渉計６から一定周期で、ステージＳＴの現在
位置を読み込み、加速域から等遠域、又は減速域への移
行を逐次モニターする。そして、目標位置の手前の所定
の距離になると、主制御系１１はステージＳＴの減速の
ための速度データを、干渉計６の現在位置データに応答
して出力する。これによってステージＳＴは目標位置ま
での偏差に応じた速度で減速し、目標位置では速度零と
なって位置決めが完了する。ただし、主制御系１１は、
新たな目標位置が入力されない限り、現在位置が目標位
置と常に一致するように、モータ７にフィードバック制
御をかげ続ける。一般に干渉計６の分解能は０．０２β
ｍであり、十分に調整されたステージであれば、±０，
０４μｍ程度に位置決めし、停止させておくことができ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

この種の精密なステージには、バックラッシュやハンチ
ング等を低減させて、スムーズな位置決めを達成するた
めに、第３図のようなダブルナツト構造が使われている
。第３図において、主ナツト２はステージＳＴの裏側に
送り方向にはガタがないように固定され、送りネジ１と
螺合する。副（サブ）ナツト３は送りネジ１に螺合する
とともに、弾性部材４を介して主ナツト２と係合する。

弾性部材４は主ナツト２とサブナツト３とを送り方向に
一定の付勢力で引き合う（又は反発する）ように設定さ
れ、しかもサブナツト３の主ナツト２に対する相対回転
を制限するように作られている。

この構造によれば、第３図からも明らかなように、主ナ
ツト２とサブナツト３は両方から送りネジｌを挟み込み
、一定の与圧を送り方向にかけるため、ネジのわずかな
遊び（すき間）によるガタつきを押えて、安定な移動が
可能である。

しかしながら上述のようなサブミクロンオーダの微小な
位置決めを実行しようとした場合、ステッピング方向（
移動方向）が違うと、送りネジｌと送りナツト２のガタ
などで動特性要素が変わり、バックラッシュや振動特性
の違いにより、゛位置の再現精度を上げることが困難で
あり、また位置決め時間のバラつきなどが生じる、とい
った問題が無視できなくなる。結果として、位置制御の
アルゴリズムや回路定数などは両ステッピング方向が平
均的に良くなるように調整されてしまうので、必らずし
も最適な制御が行なわれているとは言えず、位置決め精
度の低下や、位置決め時間の遅れなどの原因となってし
まう。

〔課題を解決する為の手段〕

上述の問題を解決する為、本発明においてまず、ステー
ジなどの移動体のＸ軸（又はＹ軸）の正負のそれぞれに
ついて、移動方向のちがいによる移動特性の相違を加味
して最適なアルゴリズムや制御回路等を考え、距離に応
じたスピ、−ドデータ等を移動方向に応じてかえて与え
るようにする。そして目標位置が設定されると、その移
動方向に応じて最適な制御状態に切り替えることによっ
て、ステージの位置決め特性を移動方向によらず、安定
なものにする。

（作　用〕 ここで第３図を再び参照して、ステージＳＴを右側へ移
動させて停止させる場合と左側へ移動させて停止させる
場合との比較を例にとると次の樺になる。

まず右側への移動中において、ステージＳＴに直結して
いる主ナツト２は、送りネジｌの力により右へ押される
。そして減速域になると、主ナツト２と送りネジ１のガ
タは反対側に移り、今度は送りネジ１と弾性体４の力に
より逆方向への力が働らく、ここで弾性体４は２つの送
りナフト２とサブナツト３を引き寄せる力が働いている
ので、最終的にはネジのガタはバックラッシュを伴なっ
てもとの状態に戻る。

しかし左側への移動の場合は最初からナツト２とネジ１
のガタが逆側に移り、ナツト２は弾性体４と送りネジ１
のカにより左へ押される。そして減速になるとネジのガ
タはもとの状態に戻り、送りネジｌの力だけで止ま渇こ
とになり、バフクラッシュの影響は受けない。

本発明に於いては、この様なステッピング（移動）方向
の違いによる運動特性の影響を加味して、位置決めサー
ボ系の最適化を計ることで、上Ｓ己影響を解消するよう
にした。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例による位置決め制御系の構成を
示し、モータ７とステージＳＴの連結は第２図、第３図
のものと同じである。

また第１図において、従来と同じものには同じ符号を付
しであるが、本実施例では主制御系（ＣＰＵ）１１内の
制御アルゴリズムと、サーボアンプ９内の回路構成の一
部とが従来のものと異なる。

まず主制御系１１内には、干渉計６で読み取ったステー
ジＳＴの現在位置のデータと、目標位置のデータとを比
較して、ステージＳＴの移動方向や移動距離（偏差量）
を判別する判別部（本発明の方向判別手段）１１Ａと、
ステージＳＴの加速時の速度データ列をテーブルとして
記憶するとともに、一定時間（μＳａｃオーダ）毎に、
そのテーブルの値を出力する加速制御部１１Ｂと、ステ
ージＳＴの減速時の速度データ列をテーブルとして記憶
するとともに、一定時間毎、又はステージＳＴの目標位
置からの偏差量（ステージＳＴの現在位置）に応じて、
そのテーブルからの値を出力する２つの減速制御部１１
Ｃ１ＩＩＤと、各制御部ｌＩＢ、ｔｔｃＳ　ｔｔｏのう
ちいずれか１つを選択して、読み出された速度データ列
をスピードデータＳＰＤとしてＤＡＣｌ　０へ出力する
選択スイッチＳＳとが設けられている。これらの構成は
、いずれも主制御系１１内のＣＰＵプログラムとして構
築されているものであり、実際にハードウェアとして構
築されている部分は、判別部１１Ａでの方向判定結果を
表わす信号（「０」又は［１Ｊ）Ｄｄをサーボアンプ９
へ送出する部分値である。

さて、上記２つの減速制御部１１Ｃ，１１０は、ステー
ジＳＴの移動方向に応じて最適な動特性が得られるよう
な速度データが予めテーブル化されている。この速度デ
ータは、第３図で説明したように、ステージＳＴの位置
決め方向（正方向、又は負方向）によってナツト２と送
りネジｌの関係が変わること、及び弾性体４の付勢力が
変化することで生じる送りの動特性、特に減速時の動特
性に最もよく適合するように実験値等から定めである。

第４図は制御部１１Ｃ，１１０内に記憶されている速度
データのテーブルの一例を示すグラフであり、横軸はス
テージＳＴの目標位置までの偏差量を表わし、縦軸は速
度データ値を表わす。

特性ｖ１は、偏差量がある値以下になると、速度値と偏
差量がほぼ比例する関係に設定されている。特性ｖ富は
、減速開始時は特性■、よりも急に減速するが、停止直
前には特性■３よりもゆるやかな速度変化となるように
設定されている。

特性ｖ３は、減速開始時はゆるやかに一定の比率で減速
し、停止直前に急激に減速するように設定されている。

これらの特性Ｖ、、Ｖ、　、Ｖ、は、説明の便のために
例としてあげたものであって、実際のものは曲線近位等
の補正を加えた複雑な特性になる。

また速度データ値は、そのステージＳＴの最高速度がモ
ータ７の特性で制限されている為、上限が決められてい
る。

これら特性を実験等で定めて、ステージＳＴの移動方向
によって停止精度、安定性、位置決め時間等が最も良く
なる条件の特性を、制御部１１Ｃ５１１０のテーブルに
記憶させる。

尚、テーブル化する特性データは１つにして、その他の
特性はテーブル化したデータを読み出してステージの移
動の毎に演算によって求めてもよい。

一方、サーボアンプ９にはフィードバックアンプ９Ａと
タコ・ジェネレータ（タコ・ジエネとする）８の速度信
号を増幅する可変利得アンプ９Ｂとが設けられる。タコ
・ジェネ８はモータ７の回転軸に直結され、回転速度に
応じたアナログ信号をアンプ９Ｂに出力する。従って、
タコ・ジエネ８のアナログ信号のレベルは、ステージＳ
Ｔの移動速度と比例したものになる。

アンプ９Ｂは、タコ・ジェネ８からのアナログ信号の増
幅度を２通りに切り替えるアナログ・スイッチ等を備え
、このスイッチは主制御系１１からの信号Ｄｄに応答し
て切り替えられる。アンプ９Ｂの出力はフィードバック
アンプ９Ａへ負帰環信号として印加され、モータ７はＤ
ＡＣ１０からの速度信号（アナログ値）に対応した速度
で制御される。このアンプ９Ｂによってタコ・ジェネ８
からの速度信号のフィードバック・ゲインを変えるとい
うことは、モータ７の速度応答性（速度制御特性）を変
えたことになり、フィードバック・ゲインが小さければ
速度指令値に対する追従性が低くなり、フィードバック
・ゲインが大きければ、追従性が高くなる。もちろん、
フィードバック・ゲインの切り替えられる範囲は、サー
ボ系の安定領域内であることは言うまてもない。

尚、サーボアンプ９内には、系の安定性や応答性を改善
するために時定数回路（コンデンサー抵抗等）が組み込
まれているのが普通であるから、これら時定数回路の定
数も、信号Ｄｄに応答して２通りに切り替える。またア
ンプ９Ｂは外部制御電圧（又は電流）に応じて利得が連
続的に変化する電圧（又は電流）制御増幅器（ＶＣＡ）
にしてもよい、この場合はＶＣＡへの制御電圧を、ステ
ージＳＴの移動中（モータ７の駆動中）に、適宜段階的
、又は連続的に変化させることができるので、移動方向
によってより細い制御性が得られる。

次に本実施例の位置決め動作を、第５図のフローチャー
ト図を参照して説明する。ここではウェハＷにステップ
アンドリピート方式でレチクルＲのパターンを焼き付け
る場合を例示するが、その他に精密な位置決めが必要な
時には、同様のシーケンスが実行される。

まず主制御系１１はホストコンピュータから目標位置の
座標データを入力しくステップ１００）、干渉計６から
現在位置の座標データを入力する（ステップ１０２）、
これらデータは、判別部１１Ａで演算、判別され（ステ
ップ１０４ＬステージＳＴの移動方向（ステッピング方
向）が正方向か負方向かを識別する。ステッピングが正
方向の場合は、ステップ１０６で正方向用の減速データ
群−１１Ｃが選ばれ、可変利得アンプ９Ｂのゲイン設定
が行なわれる。ステッピングが負方向の場合は、ステッ
プ１０８で負方向用の減速データ群１１０が選ばれ、そ
れに対応したアンプ９Ｂの利得設定が行なわれる。

次に判別部１１Ａは、スイッチＳＳを第１図のように切
りかえて、偏差量に対応した加速データをＤＡＣＩＯへ
出力させる。このときアンプ９Ｂの利得は、ステージＳ
Ｔの加速域がなめらかに、しかも最も高速に立上がるよ
うに設定される。これによってステップ１１０のように
ステージＳＴの移動が開始され、目標位置に近づいて減
速域に入ると、主制御系１１はスイッチＳＳを減速デー
タＩＩｃ、１１０のいずれか一方に切り替え、信号Ｄｄ
によってアンプ９Ｂの利得を最適なものに切り替える。

目標位置に接近してステージＳＴのスピードがほぼ零に
なると、主制御系１１は、干渉計６からの現在位置デー
タと目標位置データとの偏差ｉｔ（例えば干渉計６の±
１０カウント以内）に応じた追い込みモードに入り、所
定の誤差内で現在位置が安定したときにステージＳＴが
停止したと認定する０次にウェハＷ上の１つのショット
領域に対して一定時間だけ露光を行ない（ステップ１１
２）、ウェハＷ上の未露光ショットがあるか否かを判断
しくステップ１１４）、次のショットに対して露光を行
なうときは、再びステップ１００へ戻り、同様の動作を
繰り返す。

以上、本実施例では、ステージＳＴの送り機構に起因し
て生ずる送り方向による動特性のちがい、特に減速域で
の動特性のちがいに応じて、より最適な制御系を選ぶこ
とができるため、ステージＳＴの移動方向によらず、常
に安定した位置決め精度が得られる。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、ステージの移動時の立上り特性
や減速特性を、個々に最適に制御することができるので
、立上り時間や位置決め時間を短縮することが可能であ
る。また位置決め精度の向上、移動方向によらない位置
再現性の向上といった効果も得られ、しかもステージの
送り機構内の機械的な調整、例えば主ナツトとサブナッ
゛トの間の与圧調整も比較的容易になる。また、この与
圧の経時変化に対しても、予め速度データ群やアンプ系
のゲインの最適値の推移として記憶させるだけでよいの
で、長期間に渡って安定な制御精度が得られるといった
利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による位置決め制御装置の構成
を示すブロック図、第２図は従来の位置決め制御系をも
つ投影露光装置の構成を示す図、第３図はステージの送
りネジとナツトの関係を示す図、第４図は速度データの
特性の一例を示すグラフ、第５図はステージの動作の一
例を示すフローチャート図である。 （主要部分の符号の説明〕 ＳＴ・・・ステージ、 ｌ・・・送りネジ、 ２・・・主ナツト、 ３・・・サブナツト、 ６・・・干渉計、 ７・・・モータ、 ８・・・タコ・ジェネレータ、 ９・・・サーボ系、 ９Ｂ・・・可変利得アンプ、 １０・・・デジタル−アナログ変換器、１１・・・主制
御系、 １１Ｂ、ＩＩＣ，１１０・・・速度データメモリ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１方向、及び該第１方向と逆の第２方向に往復可能に
   移動する物体を、前記第１方向と第２方向のいずれか一
   方に駆動する駆動系と、前記物体の現在位置と停止目標
   位置との偏差を計測する計測手段と、該計測値に基づい
   て前記駆動系を制御して前記物体を停止目標位置まで移
   動させる制御手段とを備えた位置決め制御装置において
   、前記物体が第１方向に移動するか第２方向に移動する
   かを判別する移動方向判別手段と； 前記物体の移動方向に応じた移動特性のちがいに基づい
   て予め定められた互いに異なる制御特性を有する２つの
   駆動制御系と； 前記方向判別手段の結果に応じて、前記２つの駆動制御
   系のうちの一方を選択する選択手段とを備えたことを特
   徴とする移動体の位置決め制御装置。