JPH04333108A - 試料台駆動装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造装置等に用
いられる変位型アクチュエータを用いた試料台を高精度
に位置決めする装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の装置は、第３３回宇宙科学技術連
合会論文集（ｐ６３４）記載の論文平成元年１０月３１
日“可変剛体部材による振動制御”に示されており、図
１３なしい１５で説明する。図１３は、質量ｍの移動体
１０４とばね定数を変えることができるばね１０３より
構成された簡単な機構モデルである。図１４は従来の装
置を用いたときの機構の振動状態を示した図である。図
１５はばね１０３のばね定数の変化を示している。

【０００３】ｂ点における振動エネルギＥ１　は全て位
置エネルギとなっており、変化後のばね定数をｋ１（ｋ
１＜ｋ２）とすると、振動エネルギＥ１は式（１）で表
すことができる。

【０００４】

【数１】

【０００５】ｃ点では振動エネルギは全て運動エネルギ
になりばね定数がｋ１からｋ２に変化しても振動エネル
ギ自体は変化しない。従って、ｄ点において、変化前の
ばね定数をｋ２とすると、ｄ点の振動エネルギＥ２　は
ｂ点の振動エネルギＥ１と等しくなる。この後、ばね定
数をｋ１に変化したとすると、ｄ点の振動エネルギＥ２
は、式（２）のようになり、

【０００６】

【数２】

【０００７】振動エネルギが小さくなる。

【０００８】この動作を繰り返すことにより、振動エネ
ルギを小さくでき機構の制振が可能となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、機
構系の制振方法として有効である。しかし、この方法で
は、移動物体の制振と位置決めを同時に行なうことはで
きない。

【００１０】本発明の目的はこの方法を試料台を高精度
に位置決めする試料台駆動装置に応用し、機構系の振動
のみを減衰させる機能を制御系に持たせることにより、
試料台の位置決め時間を短くすることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、移動体の位置を検出する検出回路と、目
標位置信号、及び、現在位置信号より移動体を位置決め
するための操作量を出力する制御器と、機構系の共振が
ない状態における移動体の現在位置を推定する推定器と
、移動体の現在位置信号と推定器からの位置信号より振
動成分のみ検出する振動検出回路と、振動成分の信号を
異なった増幅率で増幅する複数の増幅回路と、振動成分
の信号の値に応じて複数の増幅器の信号を切り替えるス
イッチ制御回路及びスイッチと、スイッチを介して出力
される信号と制御器から出力される操作量を演算する演
算器と演算器の出力を増幅してアクチュエータに印加す
るアンプとを設けたものである。

【００１２】

【作用】上記目的を達成するための手段については、移
動体の位置を検出する検出回路より移動体の現在位置を
検出し、目標位置信号及び現在位置信号より移動体を位
置決めするための操作量を出力する制御器よりアンプを
介してアクチュエータに操作量を印加することにより、
移動体を目標位置まで移動することができる。

【００１３】さらに、その時に生じる機構系の固有振動
は、機構系のメカ共振がない状態における移動体の現在
位置を推定する推定器により機構系の固有振動のないと
きの現在位置を推定し、移動体の現在位置信号と推定器
からの位置信号の減算を行なう振動検出回路により振動
成分を求める。

【００１４】そして、移動成分の信号を異なった増幅率
で増幅する複数の増幅回路で増幅し、振動成分の信号に
応じて複数の増幅器の信号を切り替えるスイッチ制御回
路及びスイッチで、振動成分とその速度成分の積が正の
ときにはゲインの高い増幅器と、スイッチを介して出力
される信号と制御器から出力される操作量を減算する演
算器と演算器の入力に接続し、振動成分に対し等価的に
剛性を高め、振動成分とその速度成分の積が負のときに
はゲインの低い増幅器と、スイッチを介して出力される
信号と制御器から出力される操作量を減算する演算器と
演算器の入力に接続し、振動成分に対し等価的に剛性を
低くすることにより、機構系の固有振動を抑制する。

【００１５】また、機構系の位置を制御する部分と、振
動を抑制する部分は、使用している信号の周波数帯域が
異なるため、互いに影響することはない。その結果、移
動体を、高速に位置決めすることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図５によ
り説明する。

【００１７】図５の圧電素子１０１と質量ｍの試料台等
よりなる移動体１０２の機構系を考える。

【００１８】機構系の運動方程式は、機構系の位置をｙ
、圧電素子の印加電圧をＶ、圧電定数をｄ、ばね定数を
ｋ、減衰係数をｂとすると式（３）のようになる。

【００１９】

【数３】

【００２０】さらに、式（３）を、伝達関数で表現する
と式（４）のようになる。

【００２１】

【数４】

【００２２】従って、この機構系は式（５）で表される
周波数の共振をもつ。

【００２３】

【数５】

【００２４】次に、図１は本発明に用いる変位型アクチ
ュエータを用いた試料台駆動装置の一例として、圧電素
子を用いた試料台駆動装置について説明する。

【００２５】まず、試料台駆動装置の構成について説明
する。機構系１は図５の圧電素子１０１と移動体１０２
で構成される。変位センサ５１は移動体１０２の位置を
検出する。減算器７１は目標位置信号と変位センサ５１
からの現在位置信号を減算する。積分器１１は、減算器
７１の出力信号ｅｒｒを増幅率Ｋｉで積分する（但し、
Ｋｉ＞０）。減算器７２は積分器１１の出力信号ｕとス
イッチ６１の出力信号を減算する。駆動アンプ２１は減
算器７２の出力信号を増幅し圧電素子１０１に印加する
。振動検出器３１は変位センサ５１からの現在位置信号
と積分器１１からの出力信号ｕより、機構系１の生じて
いる振動を求めて出力する。また、振動成分をフィード
バックする可変手段の一例として、異なる増幅率の複数
の増幅器とスイッチを用いる。増幅器２２は増幅率Ｋｐ
１、増幅器２３は増幅率Ｋｐ２の増幅器である。但し、
Ｋｐ１＞Ｋｐ２＞０とする。スイッチ制御器４１は移動
体１０２の振動振幅とその速度成分の積が正，負を判別
しスイッチ６１を制御する。

【００２６】次に動作について説明する。図２は、移動
体駆動装置を用いたときに、目標位置信号がステップ状
に変化したときの移動体１０２の位置信号ｙの応答の一
例を示している。図３は振動検出器３１の出力信号を示
している。図４は、移動体１０２の振動振幅とその速度
成分の積が正負を判別し、正のときは１の信号を発生し
、負のときは０の信号を発生する。但し、スイッチ制御
信号が１のときはスイッチ６１を増幅器４に接続し、ス
イッチ制御信号が０のときにはスイッチ６１を増幅器２
３に接続する。

【００２７】試料台駆動装置は、移動台１０２の位置決
め制御を担う部分と移動台１０２の振動を抑制する部分
より構成されている。まず、移動台１０２の位置決めを
担う部分は減算器７１，積分器１１，減算器７２，駆動
アンプ２１，機構系１，センサ５１よりなる。まず、セ
ンサ５１により移動台１０２の位置を検出し、減算器７
１により目標位置との差より偏差ｅｒｒを求め、積分器
１１により偏差信号を積分し移動台１０２の現在位置を
目標位置に近づけるように操作量ｕを出力する。そして
、操作量を減算器７２を介して駆動アンプ２１に入力す
る。さらに、駆動アンプ２１の出力電圧Ｖを圧電素子１
０１に印加する。従って、移動台１０２は圧電素子の伸
びによって移動する。この結果、移動台１０２は目標値
に位置決めできる。

【００２８】次に、移動台１０２の移動の抑制を担う部
分は、センサ５１，振動検出器３１，増幅器２２，２３
，スイッチ６１，スイッチ制御器４１，減算器７２，駆
動アンプ２１よりなる。まず、センサ５１より移動台１
０２の現在位置を検出し、振動検出器３１より操作量ｕ
及び現在位置信号ｙより振動を生じない場合の移動台１
０２の現在位置を推定し、現在位置ｙとの差をとり振動
成分を検出する。その出力信号を二台の増幅器２２，２
３で増幅する。また、スイッチ制御器４１は、振動検出
器３１からの振動成分より、その信号振幅と信号の速度
成分の積より、その値が正のときには１の信号を出力し
てスイッチ６１を増幅器２２に接続し、減算器７２，駆
動アンプ２１を介して圧電素子１０１に印加する。その
結果、振動成分に対して剛性が高くなる。また、その値
が負のときには０の信号を出力して、スイッチ６１を増
幅器２３に接続し減算器７２，駆動アンプ２１を介して
圧電素子１０１に印加する。そして、振動成分に対して
、スイッチ６１を増幅器２２に接続したときより剛性が
低くなる。その結果、振動成分を抑制することができる
。この二つの作用により移動体１０２を良好に位置決め
できる。

【００２９】振動検出器の第一の例を図６を用いて説明
する。まず、操作量ｕを増幅率が圧電定数ｄと駆動アン
プの増幅率Ｋａの積であるｄ・Ｋａの増幅器２４を介し
て、振動成分のない場合の移動台の現在位置を推定して
センサ５１からの現在位置信号の差を減算器７３を用い
て求める。このような方法で容易に振動成分を検出でき
る。

【００３０】圧電素子１０１にヒステリシス特性がある
場合の振動検出器の第一の例を図７を用いて説明する。 まず、操作量ｕを増幅率が駆動アンプ２１の増幅率と等
しいＫａの増幅器２５を介して印加電圧を求め、圧電素
子１０１のヒステリシスと同じ特性を持つ増幅器２６よ
り、振動成分のない場合の移動台の現在位置を推定して
センサ５１からの現在位置信号の差を減算器７４を用い
て求める。このような方法で容易に振動成分を検出でき
る。

【００３１】圧電素子１０１にヒステリシス特性がある
場合の振動検出器の第二の例を図８を用いて説明する。 まず、操作量ｕを増幅率が圧電定数ｄと駆動アンプの増
幅率Ｋａの積であるｄ・Ｋａの増幅率の増幅器２４を介
して振動のない位置信号を推定し、センサ５１からの現
在位置信号との偏差を積分しフィードバックする積分器
１２によりアクチュエータのヒステリシスを補償する。 このような方法で容易に振動成分を検出できる。また、
この方式は圧電素子１０１にヒステリシス特性がない場
合にも用いることができる。

【００３２】スイッチ制御器の第一の例を図９を用いて
説明する。まず、振動検出器からの振動成分を微分器８
２で速度成分を求め、乗算器１６で振動成分との積を求
め比較器８１でスイッチ制御信号に変換する。このよう
な方法で、移動体１０２の振動振幅とその速度成分の積
が正，負を判別しスイッチ６１を制御するスイッチ制御
信号を生成できる。

【００３３】スイッチ制御器の第二の例を図１０を用い
て説明する。まず、振動検出器３１からの振動成分を微
分器１３で速度成分を求め、比較器８２，８３でディジ
タル化し、ＥＸ−ＮＯＲ（対等）８６でスイッチ制御信
号に変換する。このような方法で、移動体１０２の振動
振幅とその速度成分の積が正，負を判別した場合と同様
にスイッチ６１を制御するスイッチ制御信号を生成でき
る。

【００３４】スイッチ制御器の第三の例を図１１を用い
て説明する。まず、振動検出器３１からの振動成分を比
較器８４で、その振動成分と振動成分を遅延器１４で遅
延した振動信号を比較器８５でディジタル化し、ＥＸ−
ＮＯＲ（対等）８７でスイッチ制御信号に変換する。こ
のような方法で、移動体１０２の振動振幅とその速度成
分の積が正，負を判別した場合と同様にスイッチ６１を
制御するスイッチ制御信号を生成できる。

【００３５】発明を応用した試料台装置の例を図１２を
用いて説明する。試料台装置は、Ｘ方向，Ｙ方向および
Ｚ軸まわりの回転方向（θ方向）に移動できる試料台を
もつ。試料台装置は試料台１１１と、試料台１１１を支
持して移動させる両側を弾性ヒンジで挾持された圧電素
子１４１〜１４３と、試料台１１１の位置を検出する変
位センサ１２１ないし１２３と本発明の試料台駆動装置
１３１ないし１３３よりなる。

【００３６】次に動作方法について説明する。試料台１
１１は圧電素子１４１によりＸ方向に、圧電素子１４２
，１４３によりＹ方向，θ方向に移動が可能である。 試料台駆動装置１３１ないし１３３は、各々の目標位置
信号とそれに対応した変位センサ１２１ないし１２３の
位置信号により試料台１１１をそれぞれの目標位置に位
置決めする。その結果、試料台１１１は目標の位置およ
び姿勢に位置決めが可能となる。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、移動台の振動を吸収し
つつ、位置決めできるため、移動台を高速高精度に位置
決めできる。また、機構系の共振周波数が変化しても特
性が劣化することはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のブロック図。

【図２】移動体の位置の過渡応答の特性図。

【図３】振動検出器の出力信号の説明図。

【図４】スイッチ制御信号の一例の説明図。

【図５】機構系の一例の説明図。

【図６】振動検出器の第一例の説明図。

【図７】振動検出器の第二例の説明図。

【図８】振動検出器の第三例の説明図。

【図９】スイッチ制御器の第一例の説明図。

【図１０】スイッチ制御器の第二例の説明図。

【図１１】スイッチ制御器の第三例の説明図。

【図１２】本発明の応用例の説明図。

【図１３】従来技術を説明する第一のブロック図。

【図１４】従来技術を説明する第二のブロック図。

【図１５】ばね常数の時間変化の説明図。

【符号の説明】

１…機構系、１１…積分器、２１…圧電素子駆動アンプ
、２２，２３…増幅器、３１…振動検出器、４１…スイ
ッチ制御器、５１…変位センサ、６１…スイッチ、７１
，７２…減算器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料を搭載する試料台と、前記試料台を支
   持し、移動させる複数の変位形アクチュエータと、前記
   試料台あるいは前記試料の位置・姿勢を検出するセンサ
   と、前記センサの信号を利用して、前記試料台あるいは
   前記試料の位置・姿勢を高精度に位置決めする試料台駆
   動装置からなる試料台装置において、前記試料台の振動
   を検出する手段と、その振動の位相に応じて振動成分の
   フィードバックゲインを変化させる手段と、振動成分の
   フィードバック可能な手段を具備し、前記試料台あるい
   は前記試料の位置・姿勢を高精度に位置決めすることを
   特徴とする試料台駆動装置。