JPH05250041A - Positioning device provided with multiple acceleration feedback - Google Patents

Positioning device provided with multiple acceleration feedback

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JPH05250041A
JPH05250041A JP4084974A JP8497492A JPH05250041A JP H05250041 A JPH05250041 A JP H05250041A JP 4084974 A JP4084974 A JP 4084974A JP 8497492 A JP8497492 A JP 8497492A JP H05250041 A JPH05250041 A JP H05250041A
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JP
Japan
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movement stage
coarse
moving stage
surface plate
acceleration feedback
Prior art date
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Application number
JP4084974A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinji Wakui
伸二 涌井
Mikio Sato
幹夫 佐藤
Katsumi Asada
克己 浅田
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70691Handling of masks or workpieces
    • G03F7/70716Stages
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
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    • G03F7/70Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/708Construction of apparatus, e.g. environment aspects, hygiene aspects or materials
    • G03F7/70858Environment aspects, e.g. pressure of beam-path gas, temperature
    • G03F7/709Vibration, e.g. vibration detection, compensation, suppression or isolation

Abstract

PURPOSE:To make influences exerted by disturbance impressed to a surface plate upon a fine moving stage and a coarse moving stage none at all or minimum in the positioning device consisting of the coarse moving stage mounted on the surface plate and the fine moving stage provided on that coarse moving stage. CONSTITUTION:This positioning device consists of a fixed board 2 composed of an oscillation removing device, coarse moving stage 1 loaded on the fixed board 1, and fine moving stage 9 loaded on the coarse moving stage 1. The device is provided with a coarse moving stage acceleration feedback means 14 to detect the acceleration signal of the coarse moving stage 1 and to add it to the driving force of the fine moving stage 9, and a fixed board acceleration feedback means 18 to detect the acceleration of the fixed board 2 and to add it to the driving force of the coarse moving stage 1. Further, the coarse moving stage acceleration feedback amount performs optimum feedback to the variable amount of the fine moving stage 9, and the fixed board acceleration feedback amount performs optimum feedback to the variable amount both of the coarse moving stage 1 and the fine moving stage 9.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、例えばレチクルやマス
クのパターンを基板に焼付ける半導体露光装置や液晶基
板製造装置あるいは電子顕微鏡等で用いられる位置決め
装置に関し、特に除振装置である定盤と、それに搭載さ
れる粗動ステージと、更にその粗動ステージ上に搭載さ
れる微動ステージとからなる位置決め装置において、外
乱からの応答を著しく抑圧して高速高精度位置決めを実
現可能とするための改良に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a positioning device used in, for example, a semiconductor exposure device for printing a reticle or mask pattern on a substrate, a liquid crystal substrate manufacturing device, an electron microscope, etc. , A positioning device including a coarse movement stage mounted on the coarse movement stage and a fine movement stage further mounted on the coarse movement stage for improving high-speed and high-accuracy positioning by significantly suppressing response from disturbance It is about.

【0002】[0002]

【従来の技術】電子ビームを応用した電子顕微鏡やステ
ッパ等のLSI製造装置では、除振装置上に粗動ステー
ジであるXYステージを搭載し、さらにその上に微動ス
テージを搭載した構成が採用される。この構成の中にお
ける除振装置は空気バネ、コイルバネ、防振ゴムなどの
振動吸収手段により振動を減衰させる機能を有する。し
かしながら、受動的除振装置においては、床から伝達す
る振動はある程度減衰できても、それに搭載される粗動
ステージ自身ないしは微動ステージ自身が発生する振動
は有効に減衰できないという問題点がある。つまり、粗
動ステージ自身の高速移動によって生じる反力は除振装
置を揺らせることになり、この振動は粗動ステージの高
速高精度位置決めを阻害する外乱になる。また、微動ス
テージ自身の高速移動に対する反力は粗動ステージを揺
らせこの揺れが除振装置にも伝達されることになり、こ
の振動は微動ステージの高速高精度位置決めを阻害する
外乱要因になる。
2. Description of the Related Art In a LSI manufacturing apparatus such as an electron microscope or a stepper that applies an electron beam, a structure in which an XY stage, which is a coarse movement stage, is mounted on a vibration isolation device, and a fine movement stage is further mounted thereon is adopted. It The vibration isolator in this configuration has a function of damping vibration by vibration absorbing means such as an air spring, a coil spring, and a vibration isolating rubber. However, in the passive vibration isolator, there is a problem that the vibrations transmitted from the floor can be damped to some extent, but the vibrations generated by the coarse movement stage itself or the fine movement stage itself mounted therein cannot be effectively damped. That is, the reaction force generated by the high-speed movement of the coarse movement stage itself causes the vibration isolation device to swing, and this vibration becomes a disturbance that hinders the high-speed and high-precision positioning of the coarse movement stage. Further, the reaction force against the high-speed movement of the fine movement stage itself shakes the coarse movement stage, and this swing is also transmitted to the vibration isolation device, and this vibration becomes a disturbance factor that hinders high-speed and high-precision positioning of the fine movement stage.

【0003】まず、除振装置(以下、定盤と略記する)
上に粗動ステージのみが搭載された場合の力学モデルの
定式化により本発明の関連技術内容を説明する。
First, a vibration isolation device (hereinafter abbreviated as a surface plate)
The related technical contents of the present invention will be described by the formulation of the dynamic model when only the coarse movement stage is mounted on the top.

【0004】図5は定盤2に搭載された粗動ステージ1
のXあるいはY水平1軸方向の力学モデルである。図示
のように、定盤2と粗動ステージ1とを含めた2自由度
の力学モデルになっている。ここで、図示の記号を使っ
て運動方程式は以下のように書き表される。
FIG. 5 shows a coarse movement stage 1 mounted on a surface plate 2.
Is a mechanical model in the X or Y horizontal 1-axis direction. As shown in the figure, the mechanical model has two degrees of freedom including the surface plate 2 and the coarse movement stage 1. Here, the equation of motion is expressed as follows using the symbols shown.

【0005】[0005]

【数1】 ただし、各記号の意味は次のとおりである。[Equation 1] However, the meaning of each symbol is as follows.

【0006】m1:粗動ステージ質量〔Kg〕 m2:定盤質量〔Kg〕 b1:粗動ステージの粘性摩擦係数〔Ns/m〕 b2:定盤の粘性摩擦係数〔Ns/m〕 k1:粗動ステージのバネ定数〔N/m〕 k2:定盤のバネ定数〔N/m〕 x1:粗動ステージ変位〔m〕 x2:定盤変位〔m〕 f:粗動ステージ駆動力〔N〕 fext:外乱〔N〕M 1 : Mass of coarse stage [Kg] m 2 : Mass of plate [Kg] b 1 : Coefficient of viscous friction of coarse stage [Ns / m] b 2 : Coefficient of viscous friction of plate [Ns / m ] K 1 : Spring constant of coarse movement stage [N / m] k 2 : Spring constant of surface plate [N / m] x 1 : Coarse movement stage displacement [m] x 2 : Surface plate displacement [m] f: Coarse Dynamic stage driving force [N] f ext : Disturbance [N]

【0007】上式をブロック表現すると図6の破線内に
示す制御対象3となる。ここで、fとfextからx1とx
2までの関係をまず求めておく。ただし、sはラプラス
演算子である。
When the above equation is expressed as a block, the controlled object 3 shown by the broken line in FIG. 6 is obtained. Here, from f and f ext , x 1 and x
First, find the relationship up to 2 . However, s is a Laplace operator.

【0008】[0008]

【数2】 [Equation 2]

【0009】したがって、fとfextから相対変位(x1
−x2)までの関係は以下の式となる。ただし、位置検
出が相対変位(x1−x2)である理由は、例えば粗動ス
テージ1に対する位置検出手段のレーザ干渉計が定盤2
に設置されるからである。
Therefore, from f and f ext , the relative displacement (x 1
The relationship up to −x 2 ) is as follows. However, the reason why the position detection is relative displacement (x 1 -x 2 ) is that the laser interferometer of the position detection means with respect to the coarse movement stage 1 is the surface plate 2.
Because it will be installed in.

【0010】[0010]

【数3】 [Equation 3]

【0011】従来、外乱fextが相対変位(x1
2)に及ぼす影響を抑圧する方法として、定盤2の加
速度信号を検出して粗動ステージ1を駆動する電力増幅
器入力部へフィードバックする手法があった。すなわ
ち、粗動ステージ1の駆動力に定盤加速度信号を加算す
る方法が知られていた。例えば、文献、精密工学会誌
『空気浮上式高速XYステージの試作(JSPE-52-10 、'8
6-10-1713)』には、定盤加速度を検出して制御系にフィ
ードバックする構成が開示されている。
Conventionally, the disturbance fext has a relative displacement (x 1
As a method of suppressing the influence on x 2 ), there is a method of detecting the acceleration signal of the surface plate 2 and feeding it back to the power amplifier input section for driving the coarse movement stage 1. That is, there has been known a method of adding the surface plate acceleration signal to the driving force of the coarse movement stage 1. For example, the literature, the journal of Japan Society for Precision Engineering, “Prototype of high-speed air XY stage (JSPE-52-10, '8
6-10-1713) ”discloses a configuration in which the surface plate acceleration is detected and fed back to the control system.

【0012】この定盤加速度フィードバックの効果を運
動方程式に基づいて考察してみる。
The effect of this platen acceleration feedback will be considered based on the equation of motion.

【0013】まず、以下の運動方程式が成立する。First, the following equation of motion is established.

【0014】[0014]

【数4】 [Equation 4]

【0015】この場合、(3)式と同様の関係式は以下
のようになる。
In this case, the relational expression similar to the expression (3) is as follows.

【0016】[0016]

【数5】 [Equation 5]

【0017】上式から明らかなように、外乱fextから
相対変位(x1−x2)までの影響は加速度フィードバッ
クゲインAを、
As is clear from the above equation, the influence from the disturbance f ext to the relative displacement (x 1 -x 2 ) is the acceleration feedback gain A,

【0018】[0018]

【数6】 と選ぶことによって零にできる。上式(6)の関係は、
制御対象3に対して位置の制御ループを構成しない場合
の議論であったが、例えば位置制御ループを構成した場
合も(6)式の関係は同様に導くことが可能である。確
認のため、位置制御ループを構成したときにおいて、定
盤加速度フィードバックを投入した場合の外乱fext
ら相対変位(x1−x2)までの応答の軽減具合を以下に
説明する。
[Equation 6] You can make it zero by choosing. The relation of the above equation (6) is
Although the discussion has been made in the case where the position control loop is not configured for the controlled object 3, for example, when the position control loop is configured, the relation of the expression (6) can be similarly derived. For confirmation, how to reduce the response from the disturbance f ext to the relative displacement (x 1 −x 2 ) when the surface plate acceleration feedback is applied when the position control loop is configured will be described below.

【0019】図6は図5に示した力学モデルに対して位
置制御系を構成したときの制御ブロック図である。同図
において、3は図5のブロック表現である制御対象、4
は位置検出変換手段、5は位置制御系の特性改善用の補
償器、6は電力増幅器、7はアクチュエータの推力定
数、8は定盤加速度フィードバック回路である。ただ
し、位置検出変換手段4には、位置検出器としての例え
ばレーザ干渉系と偏差カウンタが含まれる。
FIG. 6 is a control block diagram when a position control system is constructed for the dynamic model shown in FIG. In the figure, 3 is a control target which is the block representation of FIG.
Is a position detection conversion means, 5 is a compensator for improving the characteristics of the position control system, 6 is a power amplifier, 7 is a thrust constant of the actuator, and 8 is a platen acceleration feedback circuit. However, the position detection conversion means 4 includes, for example, a laser interference system as a position detector and a deviation counter.

【0020】以下、同図の動作説明をする。まず、相対
変位(x1−x2)を検出し、目標位置x0との偏差であ
るx0 −(x1−x2)に対して位置検出変換手段4の位
置ゲインKpが乗ぜられる。さらに、位置制御系の特性
改善用の補償器5を通 って電力増幅器6を駆動する。
最後に、粗動ステージ1を駆動するアクチュエータの推
力定数Ktによる変換を経て駆動力fを発生させるよう
に構成されている。なお、図示の場合、位置制御系の特
性改善用の補償器はPID補償器となっており、それぞ
れP:比例動作、I:積分動作、D:微分動作、を意味
する。さらに図示の記号の意味と次元は以下のとおりで
ある。
The operation of the figure will be described below. First, to detect the relative displacement (x 1 -x 2), x 0 is the deviation between the target position x 0 - position gain K p of the position detecting transformation unit 4 is multiplied with respect to (x 1 -x 2) .. Further, the power amplifier 6 is driven through the compensator 5 for improving the characteristics of the position control system.
Finally, the driving force f is generated through conversion by the thrust constant K t of the actuator that drives the coarse movement stage 1. In the illustrated case, the compensator for improving the characteristics of the position control system is a PID compensator, which means P: proportional operation, I: integral operation, and D: derivative operation, respectively. Further, the meanings and dimensions of the symbols shown in the figure are as follows.

【0021】Kp:位置ゲイン 〔V
/m〕 Fx:P動作ゲイン 〔V/V〕 Fi:I動作ゲイン 〔V/Vsec〕 Fv:D動作ゲイン 〔Vsec/V〕 Ki:電力増幅器のゲイン 〔A/V〕 Td:電力増幅器の時定数 〔sec〕 Kt:推力定数 〔N/A〕 Aa:定盤加速度フィードバックゲイン〔V/m/sec
2〕 Ta:加速度信号の時定数 〔sec〕
K p : Position gain [V
/ M] F x : P operation gain [V / V] F i : I operation gain [V / Vsec] F v : D operation gain [Vsec / V] K i : Power amplifier gain [A / V] T d : time constant [sec] K t of the power amplifier: thrust constant [N / a] a a: plate acceleration feedback gain [V / m / sec
2 ] T a : Time constant of acceleration signal [sec]

【0022】図6の位置制御系において、目標位置x0
と外乱fextから相対変位(x1−x2)までの関係は次
式のようになる。ただし、ここではまだ定盤加速度フィ
ードバック回路8は未投入とする。
In the position control system of FIG. 6, the target position x 0
And the relation from the disturbance f ext to the relative displacement (x 1 −x 2 ) are as follows. However, here, the surface plate acceleration feedback circuit 8 is not yet turned on.

【0023】[0023]

【数7】 [Equation 7]

【0024】次に、定盤加速度フィードバック回路8を
機能させたときの関係式は次式のようになる。
Next, the relational expression when the surface plate acceleration feedback circuit 8 is made to function is as follows.

【0025】[0025]

【数8】 [Equation 8]

【0026】上記(8a)、(8b)式は、位置決め時
間が目標位置x0からと外乱fextからの応答の和に
なっていることを示している。したがって、外乱fext
から相対変位(x1−x2)に及ぼす影響を抑圧すること
が位置決め時間の短縮のみならず位置決め精度確保の観
点からも重要なことになっている。
The above equations (8a) and (8b) indicate that the positioning time is the sum of the responses from the target position x 0 and the disturbance fext. Therefore, the disturbance f ext
Therefore, suppressing the influence on the relative displacement (x 1 −x 2 ) is important not only for shortening the positioning time but also for ensuring the positioning accuracy.

【0027】今、(8a)式においてx0=0 とおいて
外乱fext からの応答だけを考える。外乱項の分子多項
式において〔〕内の式を抜き出すと
Now, consider only the response from the disturbance f ext with x 0 = 0 in the expression (8a). Extracting the expression in [] in the numerator polynomial of the disturbance term

【0028】[0028]

【数9】 である。したがって、定盤加速度フィードバックゲイン
aを次式のように設定すれば、外乱fextからの応答は
(7a)式の場合に比較してかなり低減させることが可
能である。
[Equation 9] Is. Therefore, if the surface plate acceleration feedback gain A a is set as in the following equation, the response from the disturbance f ext can be considerably reduced compared to the case of the equation (7a).

【0029】[0029]

【数10】 [Equation 10]

【0030】この関係式は(6)式と同様の内容を示
す。つまり、(6)式の場合には定盤加速度フィードバ
ックゲインAを質量の単位で明記したが、(10)式の
場合には、加速度検出ゲインAaの単位をV/m/se
2とし、かつ駆動力を発生する電力増幅記6のゲイン
とその時定数とが考慮されているのである。したがっ
て、議論上の本質的差異はなく
This relational expression shows the same contents as the expression (6). That is, in the case of the expression (6), the surface plate acceleration feedback gain A is specified in the unit of mass, but in the case of the expression (10), the unit of the acceleration detection gain A a is V / m / se.
and c 2, and is the gain of the power amplifier Symbol 6 for generating a driving force and its time constant is taken into account. Therefore, there is no essential difference in discussion.

【0031】[0031]

【数11】 と考えれば等価である。[Equation 11] Is equivalent.

【0032】以上の解析から、外乱fextから相対位置
(x1−x2)までの影響を低減する加速度フィードバッ
クの効果は、位置制御系のような制御ループを組んだ状
態において議論してもよいが、簡単には制御ループを構
成しない制御対象のみの構成に対して議論してもよいこ
とがわかる。要するに、定盤に粗動ステージだけが搭載
された場合位置決めに対して、外乱fextから粗動ステ
ージの位置検出出力である相対変位(x1−x2)までの
影響を軽減する定盤加速度フィードバックの効果が示さ
れたわけである。
From the above analysis, the effect of acceleration feedback for reducing the influence from the disturbance f ext to the relative position (x 1 -x 2 ) can be discussed even in a state in which a control loop such as a position control system is assembled. Although it is good, it can be easily understood that the discussion may be made on the configuration of only the control target that does not configure the control loop. In short, the base plate acceleration that reduces the influence from the disturbance f ext to the relative displacement (x 1 -x 2 ) which is the position detection output of the coarse motion stage when positioning is performed when only the coarse motion stage is mounted on the base plate. The effect of feedback was shown.

【0033】整理すると、定盤加速度フィードバックが
無い場合とそのフィードバックゲインを(10)式のよ
うに最適設定した場合で外乱fextから相対変位(x1
2)までの伝達関数はそれぞれ以下のようになる。
(1)定盤加速度フィードバックが無い場合
[0033] In summary, the relative displacement from the disturbance f ext in when optimally set as if the surface plate acceleration feedback and without the feedback gain (10) (x 1 -
The transfer functions up to x 2 ) are as follows.
(1) When there is no surface plate acceleration feedback

【0034】[0034]

【数12】 (2)定盤加速度フィードバックが最適に設定された場
[Equation 12] (2) When the platen acceleration feedback is optimally set

【0035】[0035]

【数13】 [Equation 13]

【0036】ここで、(12)と(13)式の分子多項
式をみると、(12)式の方が次数が1次低いことが了
解される。また数値解析および周波数応答の実測結果よ
り、定盤加速度フィードバックの有無で位置制御系の特
性方程式の主要な根がほとんど変化しないことが分かっ
ている。したがって、(12)と(13)式の分子多項
式の次数を比較すれば、(10)式のような定盤加速度
フィードバックゲインの最適設定を行うことによって、
低周波数成分の応答が同フィードバックの無い場合に比
較してより抑圧されることになる。
Looking at the numerator polynomials of the equations (12) and (13), it is understood that the equation (12) has a lower order by one. Also, from the results of numerical analysis and actual measurement of frequency response, it is known that the main roots of the characteristic equation of the position control system hardly change with or without the platen acceleration feedback. Therefore, by comparing the orders of the numerator polynomials of the equations (12) and (13), the optimum setting of the surface plate acceleration feedback gain as shown in the equation (10) is performed.
The response of the low frequency component will be suppressed more than in the case without the same feedback.

【0037】以上の定式化を実験事実によって示す。つ
まり、粗動ステージのステップ応答波形の実測結果を示
して定盤加速度フィードバックの有無による比較を行
う。図7(a)は定盤加速度フィードバックが無い場合
で、粗動ステージをステップ応答させたときの位置制御
系の偏差出力である。この場合、位置制御系の固有振動
数で過渡振動を経たのち定盤機構の固有振動数で長時間
にわたって振動を繰り返すという現象が生じている。し
かし、同図(b)の場合は、定盤加速度フィードバック
がほぼ最適に設定されており、ステップ応答の初期の段
階はやはり制御系の固有周波数で過渡振動が生じるもの
の、その後の定盤機構の固有周波数の振動は抑圧されて
いる。
The above formulation will be shown by experimental facts. That is, the actual measurement result of the step response waveform of the coarse movement stage is shown to compare with the presence or absence of the platen acceleration feedback. FIG. 7A shows the deviation output of the position control system when the coarse motion stage is step-responsive when there is no platen acceleration feedback. In this case, a phenomenon occurs in which transient vibration is generated at the natural frequency of the position control system, and then vibration is repeated at the natural frequency of the surface plate mechanism for a long time. However, in the case of FIG. 6B, the platen acceleration feedback is set almost optimally, and although transient vibration occurs at the natural frequency of the control system at the initial stage of the step response, the subsequent platen mechanism Vibration of natural frequency is suppressed.

【0038】[0038]

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来例
では定盤に粗動ステージのみが搭載された場合の位置決
めに係り、外乱からの位置決め精度および位置決め時間
を向上させようというものであった。しかしながら、定
盤と粗動ステージと微動ステージとからなる位置決め装
置においては、最上段にある微動ステージの性能が最終
的に重要な役割を果たす。この事情は、位置決め装置が
ステッパの場合、至極当然のことである。すなわち、外
乱に対する粗動ステージの位置決め性能をいくら向上し
ても、その上に搭載される微動ステージの位置決め性能
を問題視しなければICウエハへの焼付け精度向上は期
待できない。つまり、位置決め装置を構成する可動機構
3種の中で中間段に位置する粗動ステージの性能向上の
みに注目するわけにはいかないのである。最終的に意味
をなす位置決め装置の性能指標は焼付け精度であって、
粗動ステージそのものの位置決め精度ではないのであ
る。この焼付け精度を向上させるためには、最上段に存
在しICウエハを直接位置決めする微動ステージの位置
決め精度を向上させなければならない。従来の技術で
は、定盤上に粗動ステージだけが搭載された構成におい
て定盤加速度信号を粗動ステージの駆動力に加算すると
いう技術内容であった。したがって、床から順番に定
盤、粗動ステージ、微動ステージという3種類の可動機
構が一体となった位置決め装置を対象にした外乱軽減の
方法は明確に示されていなかった。
As described above, the conventional example relates to the positioning when only the coarse movement stage is mounted on the surface plate, and is intended to improve the positioning accuracy from the disturbance and the positioning time. It was However, in the positioning device including the surface plate, the coarse movement stage, and the fine movement stage, the performance of the uppermost fine movement stage plays a final important role. This circumstance is quite natural when the positioning device is a stepper. That is, no matter how much the positioning performance of the coarse movement stage with respect to the disturbance is improved, the accuracy of printing on the IC wafer cannot be expected unless the positioning performance of the fine movement stage mounted thereon is considered a problem. In other words, it is not possible to focus only on the performance improvement of the coarse movement stage located at the intermediate stage among the three movable mechanisms that constitute the positioning device. The final performance indicator of the positioning device is the printing accuracy,
It is not the positioning accuracy of the coarse movement stage itself. In order to improve the baking accuracy, it is necessary to improve the positioning accuracy of the fine movement stage which is located at the uppermost stage and directly positions the IC wafer. In the conventional technique, the technical content is to add the surface plate acceleration signal to the driving force of the coarse movement stage in the configuration in which only the coarse movement stage is mounted on the surface plate. Therefore, a method of reducing disturbance for a positioning device in which three types of movable mechanisms, that is, a surface plate, a coarse movement stage, and a fine movement stage are integrated in order from the floor has not been clearly shown.

【0039】本発明は上記の点に鑑みなされたものであ
って、定盤に搭載される粗動ステージと、その上に設置
される微動ステージとからなる位置決め装置において、
定盤に印加される外乱が微動ステージと粗動ステージの
両位置決め特性に及ぼす影響を零にするかあるいは著し
く軽減させることを目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and is a positioning device including a coarse movement stage mounted on a surface plate and a fine movement stage installed thereon.
The purpose is to reduce or significantly reduce the influence of disturbance applied to the surface plate on the positioning characteristics of both the fine movement stage and the coarse movement stage.

【0040】[0040]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、定盤の加速度を検出して粗動ステージ
の駆動力に加算し、かつ粗動ステージの加速度を検出し
て微動ステージの駆動力に加算するという多重加速度フ
ィードバックを備えた位置決め制御装置を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention detects the acceleration of a surface plate and adds it to the driving force of the coarse movement stage, and detects the acceleration of the coarse movement stage to detect the fine movement stage. Provided is a positioning control device having multiple acceleration feedback that is added to the driving force of.

【0041】[0041]

【実施例】図1は、本発明の一実施例に係り、定盤と粗
動ステージと微動ステージとからなる位置決め装置に対
して多重加速度フィードバックを具備させた位置制御系
の構成を示す制御ブロック図である。同図の説明の前に
図2に示す定盤と粗動ステージと微動ステージとからな
る位置決め装置の水平1軸方向力学モデルを使って関連
技術内容を説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a control block showing the structure of a position control system provided with multiple acceleration feedback for a positioning device comprising a surface plate, a coarse movement stage and a fine movement stage according to an embodiment of the present invention. It is a figure. Prior to the explanation of the figure, the related technical contents will be explained by using a horizontal uniaxial dynamic model of a positioning device comprising a surface plate, a coarse movement stage and a fine movement stage shown in FIG.

【0042】図2は、定盤2に粗動ステージ1が搭載さ
れ、さらに粗動ステージ1の上に微動ステージ9が存在
した力学モデルを示す。ここで、図示の記号を使って運
動方程式は次式のように書き表される。
FIG. 2 shows a mechanical model in which the coarse movement stage 1 is mounted on the surface plate 2 and the fine movement stage 9 is present on the coarse movement stage 1. Here, the equation of motion is expressed as the following equation using the symbols shown.

【0043】[0043]

【数14】 [Equation 14]

【0044】ただし、各記号の意味は(1)式の説明と
同様であり、そこで説明しなかった新しい記号は以下の
とおりである。
However, the meaning of each symbol is the same as in the explanation of the equation (1), and the new symbols not explained there are as follows.

【0045】mB: 微動ステージ質量〔Kg〕 bB: 微動ステージの粘性摩擦係数〔Ns/m〕 kB: 微動ステージのバネ定数〔N/m〕 xB: 微動ステージ変位〔m〕 fB: 微動ステージ駆動力〔N〕M B : Fine movement stage mass [Kg] b B : Fine movement stage viscous friction coefficient [Ns / m] k B : Fine movement stage spring constant [N / m] x B : Fine movement stage displacement [m] f B : Fine movement stage driving force [N]

【0046】(14a)〜(14c)式の内容をブロッ
ク表現すると図1の破線で示す制御対象10となる。図
1において、11は微動ステージ9を駆動するための電
力増幅器、12は微動ステージ9に対する位置制御系の
特性を改善するための補償回路、13は位置検出変換手
段である。また、15は粗動ステージ1を駆動するため
の電力増幅器、16は粗動ステージ1に対する位置制御
系の特性を改善するための補償回路、17は位置変換手
段である。上述の位置制御系構成において、さらに、粗
動ステージ1の加 速度
When the contents of the expressions (14a) to (14c) are expressed in blocks, the controlled object 10 shown by the broken line in FIG. 1 is obtained. In FIG. 1, 11 is a power amplifier for driving the fine movement stage 9, 12 is a compensation circuit for improving the characteristics of the position control system for the fine movement stage 9, and 13 is a position detection conversion means. Further, 15 is a power amplifier for driving the coarse movement stage 1, 16 is a compensation circuit for improving the characteristics of the position control system for the coarse movement stage 1, and 17 is a position conversion means. In the above position control system configuration, further, the acceleration of the coarse movement stage 1

【0047】[0047]

【数15】 を粗動ステージ加速度フィードバック回路 14に導き
電力増幅器11の入力部に加算し、かつ定盤2の加速度
[Equation 15] To the coarse feedback stage acceleration feedback circuit 14 and add it to the input part of the power amplifier 11, and

【0048】[0048]

【数16】 を定盤 加速度フィードバック回路18に導き電力増幅
器15の入力部に加算するという多重加速度フィードバ
ックが備えられている。以下、多重加速度フィードバッ
クの効果を示す。
[Equation 16] Is provided to the surface plate acceleration feedback circuit 18 and added to the input portion of the power amplifier 15. The effect of multiple acceleration feedback will be shown below.

【0049】ここでは、(6)式と(10)式の等価性
を説明した背景に基づき、定盤と粗動ステージと微動ス
テージとからなる制御対象10に対して定盤加速度フィ
ードバックと粗動ステージ加速度フィードバックとを同
時に掛けた場合の定式化を行う。即ち、粗動および微動
ステージに対する位置あるいは速度の制御ループは構成
されない状態で議論する。
Here, based on the background explaining the equivalence of the equations (6) and (10), the surface plate acceleration feedback and the coarse movement are performed with respect to the controlled object 10 including the surface plate, the coarse movement stage and the fine movement stage. Formulate when multiplying the stage acceleration feedback at the same time. That is, the position and velocity control loops for the coarse and fine movement stages are not configured.

【0050】まず、図2の力学モデルを参照して、多重
加速度フィードバックが施された場合の運動方程式は次
式のようになり、そのブロック表現は図3となる。
First, referring to the dynamic model of FIG. 2, the equation of motion when multiple acceleration feedback is applied is as follows, and its block expression is shown in FIG.

【0051】[0051]

【数17】 [Equation 17]

【0052】簡単な計算から、外乱fextから相対変位
と(xB−x1)と(x1−x2)までの伝達関数は次式の
ようになる。
From a simple calculation, the transfer function from the disturbance f ext to the relative displacement and (x B -x 1 ) and (x 1 -x 2 ) is as follows.

【0053】[0053]

【数18】 [Equation 18]

【0054】よって、(16a)式からは粗動ステージ
加速度フィードバックゲインBを
Therefore, from the equation (16a), the coarse stage acceleration feedback gain B is

【0055】[0055]

【数19】 と選ぶことによって外乱fextから相対変位(xB
1)までの影響を零にすることが可能となる。
[Formula 19] Relative displacement from the disturbance f ext by choosing the (x B -
It is possible to reduce the influence up to x 1 ) to zero.

【0056】また、(16b)式より定盤加速度フィー
ドバックゲインAを
Further, the surface plate acceleration feedback gain A is calculated from the equation (16b).

【0057】[0057]

【数20】 と選ぶことによって、外乱fextから相対変位(x1−x
2)までの影響を軽減することが可能となる。
[Equation 20] By choosing the relative displacement from the disturbance f ext (x 1 -x
It is possible to reduce the effects up to 2 ).

【0058】つまり、粗動ステージ加速度フィードバッ
クゲインBの最適値は粗動ステージ1の上に搭載される
微動ステージ9の可動部質量に相当する量であり、定盤
加速度フィードバックゲインAの最適値は定盤上に搭載
される粗動ステージ1と微動ステージ9の合計質量分だ
けの量である。これらの多重加速度フィードバックを上
述の意味で最適に行うことによって、定盤に印加された
外乱に対する粗動ステージおよび微動ステージへの影響
を同時に除去または軽減することができる。
That is, the optimum value of the coarse movement stage acceleration feedback gain B is an amount equivalent to the mass of the movable portion of the fine movement stage 9 mounted on the coarse movement stage 1, and the optimum value of the surface plate acceleration feedback gain A is. This is an amount corresponding to the total mass of the coarse movement stage 1 and the fine movement stage 9 mounted on the surface plate. By optimally performing these multi-acceleration feedbacks in the above-mentioned sense, it is possible to simultaneously eliminate or reduce the influence of the disturbance applied to the surface plate on the coarse movement stage and the fine movement stage.

【0059】(17)式と(18)式の効果は、微動ス
テージ9と粗動ステージ1に対して制御系を構成した場
合にも成り立つ。この事実はすでに(6)式と(10)
式の導出過程で示した。したがって、図1に示すよう
に、微動ステージ9と粗動ステージ1の両者に位置の制
御系が構成された場合にも、多重加速度フィードバック
による外乱からの抑圧効果は有効に機能する。
The effects of the equations (17) and (18) hold even when a control system is configured for the fine movement stage 9 and the coarse movement stage 1. This fact has already been solved in equations (6) and (10).
It was shown in the process of deriving the formula. Therefore, as shown in FIG. 1, even when a position control system is configured for both the fine movement stage 9 and the coarse movement stage 1, the effect of suppressing the disturbance due to the multiple acceleration feedback functions effectively.

【0060】上述の実施例では、微動ステージ9と装置
動ステージ1に対してそれぞれ粗動ステージ加速度フィ
ードバックと定盤加速度フィードバックを同時に施し
た。しかしながら、図4に示すように、微動ステージ9
にのみ粗動ステージ加速度フィードバックを施しただけ
でもよい。この場合には、定盤に印加される外乱fext
から相対変位(xB−x1)までの伝達関数は以下のよう
になる。
In the above-described embodiment, the coarse movement stage acceleration feedback and the platen acceleration feedback are simultaneously applied to the fine movement stage 9 and the apparatus movement stage 1, respectively. However, as shown in FIG.
Only coarse movement stage acceleration feedback may be applied to only. In this case, the disturbance f ext applied to the surface plate
To the relative displacement (x B −x 1 ) is as follows.

【0061】[0061]

【数21】 [Equation 21]

【0062】上式の意味するところは、(6)式あるい
は(16a)と同様である。すなわち、粗動ステージの
加速度フィードバックゲインBを微動ステージの質量m
Bと丁度同じ量に設定すれば、定盤に印加される外乱f
ext からの影響は無くなる。
The meaning of the above equation is the same as that of equation (6) or (16a). That is, the acceleration feedback gain B of the coarse movement stage is set to the mass m of the fine movement stage.
If it is set to exactly the same amount as B , the disturbance f applied to the surface plate f
The influence from ext disappears.

【0063】前述の従来技術では、定盤上に1つの可動
機構である粗動ステージが搭載された場合を対象とする
のに対して、本発明では3つの可動機構からなる位置決
め装置を対象としている。しかも、本発明では定盤に印
加される外乱fext から最上段に存在する微動ステージ
への影響が、中間段に存在する粗動ステージの加速度を
微動ステージの駆動力に加算することによって改善され
る。このような技術内容は従来技術には開示されていな
い。さらに、従来技術においては加速度フィードバック
量に最適値が存在することは全く知られていなかった。
The above-mentioned conventional technique is intended for the case where the coarse movement stage which is one movable mechanism is mounted on the surface plate, whereas the present invention is intended for the positioning device having three movable mechanisms. There is. Moreover, in the present invention, the influence of the disturbance f ext applied to the surface plate on the fine movement stage existing in the uppermost stage is improved by adding the acceleration of the coarse movement stage existing in the intermediate stage to the driving force of the fine movement stage. It Such technical contents are not disclosed in the related art. Furthermore, it has not been known at all in the prior art that there is an optimum value for the acceleration feedback amount.

【0064】なお、本発明では除振装置である定盤を受
動的なものとしているが、能動的除振装置であってもか
まわない。すなわち、能動的除振装置上に粗動ステージ
が搭載され、さらにその上に微動ステージが存在すると
いう構成の位置決め装置に対して、多重加速度フィード
バックを備えた場合も能動的除振装置に印加される外乱
からの影響を軽減する多重加速度フィードバックの効果
は有効である。
In the present invention, the surface plate which is the vibration isolation device is passive, but it may be an active vibration isolation device. In other words, even when the coarse vibration stage is mounted on the active vibration isolator, and the fine motion stage is present on the coarse vibration stage, even when multiple acceleration feedback is provided, it is applied to the active vibration isolator. The effect of multi-acceleration feedback is effective to reduce the effect from external disturbances.

【0065】[0065]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
3種の可動機構からなる位置決め装置において定盤に印
加される外乱から最上段に存在する微動ステージの位置
決め特性への影響と、中間段にある粗動ステージの位置
決め特性への影響とを同時に軽減できるという効果があ
る。したがって、本位置決め装置が例えばステッパであ
る場合、ICウエハに対する焼付け精度を高めることに
つながり生産性と歩留り向上が図られ、またこれによ
り、ICチップのコスト低減が図られる。
As described above, according to the present invention,
In a positioning device consisting of three types of movable mechanisms, the influence on the positioning characteristics of the fine movement stage existing in the uppermost stage from the disturbance applied to the surface plate and the influence on the positioning characteristics of the coarse movement stage in the intermediate stage are simultaneously reduced. There is an effect that you can. Therefore, when the positioning device is, for example, a stepper, the accuracy of printing on the IC wafer is increased, and the productivity and the yield are improved, and thereby the cost of the IC chip is reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の一実施例に係り、定盤と粗動ステー
ジと微動ステージとからなる位置決め装置において多重
加速度フィードバックを具備した位置制御系の構成を示
す制御ブロック図である。
FIG. 1 is a control block diagram showing a configuration of a position control system including multiple acceleration feedback in a positioning device including a surface plate, a coarse movement stage, and a fine movement stage according to an embodiment of the present invention.

【図2】 定盤と粗動ステージと微動ステージとからな
る位置決め装置の水平1軸方向力学モデルを示す説明図
である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a horizontal uniaxial dynamic model of a positioning device including a surface plate, a coarse movement stage, and a fine movement stage.

【図3】 定盤と粗動ステージと微動ステージとからな
る位置決め装置に対して多重加速度フィードバックを施
したときのブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram when multiple acceleration feedback is applied to a positioning device including a surface plate, a coarse movement stage, and a fine movement stage.

【図4】 定盤と粗動ステージと微動ステージとからな
る位置決め装置に対して粗動ステージ加速度フィードバ
ックを施したブロック図である。
FIG. 4 is a block diagram in which coarse movement stage acceleration feedback is applied to a positioning device including a surface plate, a coarse movement stage, and a fine movement stage.

【図5】 定盤に搭載された粗動ステージの水平1軸方
向の力学モデルを示す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a dynamic model of a coarse movement stage mounted on a surface plate in a horizontal uniaxial direction.

【図6】 位置制御系を構成したときの制御ブロック図
である。
FIG. 6 is a control block diagram when a position control system is configured.

【図7】 定盤加速度フィードバックの有無による粗動
ステージのステップ応答波形図である。
FIG. 7 is a step response waveform diagram of the coarse movement stage depending on the presence or absence of the platen acceleration feedback.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1;粗動ステージ、2;定盤、3;制御対象、4;位置
検出変換手段、5;補償器、6;電力増幅器、7;推力
定数、8;定盤加速度フィードバック回路、9;微動ス
テージ、10;制御対象、11;電力増幅器、12;補
償器、13;位置検出変換手段、14;粗動ステージ加
速度フィードバック回路、15;電力増幅器、16;補
償器、17;位置検出変換手段、18;定盤加速度フィ
ードバック回路。
1; coarse movement stage, 2; surface plate, 3; control target, 4; position detection conversion means, 5; compensator, 6; power amplifier, 7; thrust constant, 8; surface plate acceleration feedback circuit, 9; fine movement stage Control object, 11; Power amplifier, 12; Compensator, 13; Position detection conversion means, 14; Coarse stage acceleration feedback circuit, 15; Power amplifier, 16; Compensator, 17; Position detection conversion means, 18 A surface plate acceleration feedback circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 除振装置からなる定盤と、該定盤に搭載
される粗動ステージと、該粗動ステージに搭載される微
動ステージとからなる位置決め装置において、 粗動ステージの加速度信号を検出して微動ステージの駆
動力に加算する粗動ステージ加速度フィードバック手段
と、 定盤の加速度を検出して粗動ステージの駆動力に加算す
る定盤加速度フィードバック手段とを備え、 粗動ステージ加速度フィードバック量は微動ステージの
可動質量分に対し最適フィードバックを施し、定盤加速
度フィードバック量は粗動ステージと微動ステージ両方
の可動質量分に対し最適なフィードバックを施したこと
を特徴とする多重加速度フィードバック付き位置決め装
置。
1. A positioning device comprising a surface plate composed of a vibration isolation device, a coarse movement stage mounted on the surface plate, and a fine movement stage mounted on the coarse movement stage. The coarse movement stage acceleration feedback means for detecting and adding the coarse movement stage acceleration feedback means for detecting and adding to the fine movement stage driving force and the coarse movement stage acceleration feedback means for detecting the addition of the coarse movement stage acceleration feedback to the coarse movement stage acceleration feedback Positioning with multi-acceleration feedback characterized by optimal feedback for the movable mass of the fine movement stage, and optimal feedback for the surface plate acceleration feedback amount for the movable mass of both the coarse and fine movement stages. apparatus.
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