TWI390362B - Reaction force processing device - Google Patents

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TWI390362B
TWI390362B TW097128432A TW97128432A TWI390362B TW I390362 B TWI390362 B TW I390362B TW 097128432 A TW097128432 A TW 097128432A TW 97128432 A TW97128432 A TW 97128432A TW I390362 B TWI390362 B TW I390362B
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stage
fixed plate
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force
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Takuya Hosobata
Kazuya Hioki
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Sumitomo Heavy Industries
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Description

反力處理裝置
本發明係有關用於提高移動載台裝置中的載台之整定性的反力處理裝置。
以往，例如半導體、液晶的曝光裝置或檢查裝置，係使用載台在透過避震部設置於基礎的定盤上進行移動之移動載台裝置。針對該移動載台裝置，例如為了提高每單位時間的處理量，而要求載台之高加減速化。但是，若使載台高加減速化，則因載台移動而增加定盤所產生的反力，有載台之整定性悪化之虞。
因此，近年來開發了反力處理裝置，係設在移動載台裝置，用於處理因載台移動而在定盤產生的反力(例如，參照日本專利特開平11－329962號公報)。這種反力處理裝置係藉由施力裝置將減少反力的力量施加在定盤。
且，如上述之反力處理裝置，為了去除受反力影響而作用在定盤的力矩，設成被並設在高度方向的複數施力裝置為協同作用。因此，移動載台裝置變成規模龐大的裝置，有移動載台裝置大型化之虞。
且，為了不使定盤產生力矩，亦可考慮設置施力裝置使反力作用點的高度和減少反力的力量之作用點的高度彼 此一致。但是，於該情形下，為了確保配置反力處理裝置的空間而須增加移動載台裝置之設置面積，有移動載台裝置大型化之虞。
因此，本發明之課題在於提供可提高移動載台裝置中的載台之整定性，並且可抑制移動載台裝置大型化之反力處理裝置。
為了解決上述課題，經本發明者等人一再精心研究的結果，發現若確實地減少、去除作用在定盤的力量，則即使不完全地去除作用在定盤之力矩，仍可實現提高載台之整定性。亦即，發現若減少、去除作用在定盤的力量並充分地減少作用在定盤之的矩，就可以充分地提高載台之整定性。本發明係根據這種見解而研發者。
即，本發明所相關之反力處理裝置，係設在移動載台裝置，且用於處理因載台移動而在定盤產生的反力，該移動載台裝置係載台在透過避震部設置於基礎的定盤上進行移動；該反力處理裝置之特徴為：具備施力裝置，用於將減少反力的力量施加在定盤，施力裝置係以被定盤覆蓋的方式配置在比該當定盤的盤面更近於基礎側。
該反力處理裝置係藉由施力裝置將減少反力的力量施加在定盤。因此，該被施加之力量和反力彼此抵消，作用在定盤的力量被去除。此處，由於施力裝置係以被定盤覆蓋的方式配置在比該當定盤的盤面更近於基礎側，因此反力的作用點和減少反力之力量的作用點兩者高度不一致，故而無法完全地去除作用在定盤的力矩，但於作用在定盤 的力矩為充分小的情況下(例如，於與反力的作用點和減少反力之力量的作用點兩者的高度差為預定距離以下時)，可充分地實現提高載台的整定性。
再者，如上述地，由於施力裝置係以被定盤覆蓋的方式配置在比該當定盤的盤面更近於基礎側，因此可充分確保定盤盤面的空間，且不須増加移動載台裝置之設置面積(所謂所及之處)。亦即，可有效率地利用移動載台裝置的空間、抑制移動載台裝置之大型化。因而，根據本發明，除了提高移動載台裝置中的載台之整定性，並可抑制移動載台裝置之大型化。
且，反力作用在定盤的作用點之高度和減少反力的力量作用在定盤的作用點之高度，兩者之差h係以在次式所示之容許值hmax 以下為佳。
hmax =(Ymax ．J．KP )/(N．MSLIDER ．fr )但是，Ymax ：載台位置偏差之容許值
J：移動載台裝置之慣性力矩
KP ：控制增益
N：移動載台裝置之重心高度到載台位置之計測點高度的距離
MSLIDER ：載台之質量
fr ：反力
藉此，載台被容許的位置偏差係以規格而預先決定 時，可根據該規格設定容許值hmas ，然後，以將該差h設定在容許值hmax 以下的方式，可確實地實現上述效果，亦即提高動載台裝置中的載台之整定性並抑制移動載台裝置之大型化的效果。此外，載台之位置偏差係指載台位置的偏離量之意，控制增益係指為了使載台接近目標位置的控制值之意。
且，施力裝置以可調整高度為佳。此時，移動載台裝置被要求的載台精確度(例如位置偏差)變更時，仍可藉由調整施力裝置之高度來對應該精確度。
且，施力裝置具有：安裝在定盤的可動件、和以非接觸該當可動件方式安裝在基礎的固定件，並以將減少反力的力量從固定件施加到可動件的方式構成為佳。此時，可動件和固定件形成彼此非接觸，因此可抑止來自基礎的震動透過施力手段傳播到定盤。
且，本發明所相關的反力處理裝置係設在移動載台裝置，且用於處理因載台移動而在定盤產生的反力，該移動載台裝置係載台在支撐於避震部的定盤上進行移動；該反力處理裝置之特徵為：具備將力量加在定盤的致動器，致動器係設在定盤側面的凹部。
此處，致動器具有可動件及固定件，可動件以固定在凹部之內部為佳。且，固定件以非接觸可動件方式配置在凹部之內部為佳。且，固定件不從定盤側面突出為佳。
以下，參照附圖詳細説明本發明的適當實施形態。此外，在圖式説明中，對相同或相當的要素附加相同符號並省略重複説明。
第1圖係表示包含本發明之一實施形態所相關的反力處理裝置之移動載台裝置之立體圖，第2圖係沿第1圖之II－II線之剖面的概略構成圖。如第1圖及第2圖所示，移動載台裝置10被採用做為例如半導體、液晶的曝光裝置、檢查裝置，具備定盤11、載台12及反力處理裝置1。
定盤11係呈板状，為了防止熱造成變形，例如藉由石材形成。該定盤11係透過避震彈簧(避震手段)16、16被支撐、設置在底座(基礎)25，藉此，對於來自底座25的震動(尤其是高頻率震動)受到絶緣。如第2圖所示，定盤11的側面11a形成有開口於側面11a側及下面11b側的凹部17，該凹部17設有反力處理裝置1(詳細情形於後述)。
載台12可藉由空氣軸承等導引手段(不圖示)而在定盤11的上面(盤面)11c上朝水平方向進行移動，且被安裝在該當定盤11。然後，該載台12藉由載台致動器21被驅動而在定盤11上朝水平方向進行移動。
載台致動器21係包含設在定盤11上的支柱15之例如永久磁鐵所構成的固定件13、和設在載台12之例如電磁線圈所構成的可動件14所構成。且，該等固定件13和可動件14係以彼此非接觸方式配置。該載台致動器21連 接著控制部23，以從控制部23供給驅動電流到可動件14的方式，在固定件13和可動件14之間產生磁力。藉由該產生的磁力在可動件14施加推力(力量)，驅動載台12。
且，移動載台裝置10具備位置偵測器22及控制部23。位置偵測器22係用於檢測載台12水平方向之位置者，例如使用直線刻度計、雷射干渉計等。位置偵測器22係配置在定盤11上。該位置偵測器22連接在控制部23，將檢測到的載台12之位置當作位置資訊輸出到控制部23。
控制部23例如由CPU、ROM、及RAM等所構成，具有控制器18及驅動器19、20。控制器18根據來自位置偵測器22的位置資訊，將用於驅動載台12的指令(以下稱為「推力指令」)輸出到驅動器19。且，控制器18將相當於推力指令而用於減少推力的指令(以下稱為「反推力指令」)輸出到驅動器20。驅動器19對應來自控制器18所輸入的推力指令，將驅動電流施加在載台致動器21。且，驅動器20對應來自控制器18所輸入的反推力指令，將驅動電流施加在反力處理裝置1的反力處理致動器2。
此處，本實施形態中，如上述地將反力處理裝置1設在定盤11的凹部17。具體而言，凹部17係於定盤11的4個側面各形成2處(合計形成8處)，在該等凹部17各自設有反力處理裝置1。此外，圖中為了便於説明，僅顯示形成在側面11a的凹部17及設在該凹部17的反力處理 裝置1。
該反力處理裝置1係用於處理因載台12移動而在定盤11所產生的反力fr 者，具備反力處理致動器(施力手段)2。反力處理致動器2將用於減少反力fr 的力量(以下稱為「反推力」)fr1 施加在定盤11。該反力處理致動器2具有例如由永久磁鐵所構成的可動件3、和例如由電磁線圈所構成的固定件4。
可動件3係安裝在定盤11，固定件4係安裝在設置在底座25的柱狀固定框架5上端側。然後，可動件3及固定件4係以彼此非接觸方式配置。固定框架5係以被定盤11覆蓋的方式配置在凹部17內，形成被定盤11的凹部17覆蓋。亦即，可動件3及固定件4係以被定盤11覆蓋的方式配置在比該當定盤11的上面(盤面)11c更近於下方(底座25側)。
該等可動件3及固定件4係由例如螺絲(不圖示)而各自被固定在定盤11及固定框架5。此外，在固定框架5及定盤11的高度方向之不同位置形成有複數螺絲孔。因此，可動件3及固定件4可利用改變固定用的螺絲孔之方式而調整其高度位置。即，反力處理致動器2係可調整高度。
且，反力處理致動器2連接著控制部23的驅動器20。該反力處理致動器2係以從控制部23的驅動器20將驅動電流供給到固定件4的方式，在可動件3和固定件4之間產生磁力，藉由該磁力在可動件3產生反推力fr1 。
且，反力處理致動器2係設在反力fr 作用在定盤11的作用點之高度、和反推力fr1 作用在定盤11的作用點之高度兩者之差h為容許值hmax 以下之高度位置。因此，以下說明容許值hmax 。
首先，以移動載台裝置10的質量為M、慣性力矩為J、避震彈簧16水平方高的彈簧常數為kh、垂直方向的彈簧常數為kv、避震彈簧的支撐點到移動載台裝置10的重心之高度為1、支撐點到重心的水平方向長度為m，將移動載台裝置10力學模態化，以下述(1)式表示此系列之運動方程式。
若θ充分小、sinθ≒θ、cosθ≒1時，可忽略高度方向的運動，因此上述(1)式可線形化成如下述(2)式。
若定義變數、將上述(2)式簡易地表示時，成為如下述(3)式。
因而，該系列之固有震動數成為下述(4)式。
此處，當載台12加速中，反力fr 及反推力fr1 作用時，載台12的初期位移以下述(5)式被賦予。
等速運動中的上述(5)式之初期位移所造成的載台12之自由震動，係以下述(6)式被賦予。此外，此處的rN1 及rN2 係各震動模態中的旋轉半徑。
然後，若將上述(6)式分離成2個頻率成分，則成為下述(7)式。
接著，根據上述(7)，載台12的運動係以旋轉半徑rN1 及rN2 2個旋轉運動重合所表示，因此將移動載台裝置10當作僅具有旋轉自由度的定盤11而力學模態化。此系之控制方塊線圖係如第3圖所示，由控制器18的傳達函數C(s)、載台12的傳達函數P(s)、和相對於定盤11的旋轉角速度干擾的載台12之位置之傳達函數PD(s)所構成。
該等P(s)及PD(s)係以下述(8)式表示。此處 為了簡略説明，忽略空氣軸承等導引手段的剛性及黏性。此外，MSLIDER 表示載台12的質量，rN 表示各震動模式的旋轉半徑，N表示移動載台裝置10的重心到位置偵測器22的計測點之距離。
因而，加速度干擾到載台位置的傳達函數成為下述(9)式。
此系之頻率特性可代入s＝j ω而獲得，成為下述(10)式。
若僅考慮各震動模式的位置偏差之震幅，且C(j ω) =Kp(一定)，則震幅成為下述(11)式。此外，該Kp 表示為了使載台12接近目標位置的控制增益，也是根據由位置偵測器22所檢測到的載台12之位置，將載台致動器21驅動之回饋增益。
此處，一般為KP /MSLIDER >>ω2 N1 、ω2 N2 ，因此上述(11)被近似，成為下述(12)式。
根據以上，在載台12的位置偏差之容許值Ymax (例如，式100nm)當作規格決定之情況下，如下述(13)式所示，根據該位置偏差Ymax 設定容許值hmax 。此外，載台12的位置偏差係指載台位置的偏離量之意。
但是，Ymax ：載台位置偏差之容許值
J：移動載台裝置之慣性力矩
KP ：控制增益
N：移動載台裝置之重心高度到載台位置之計測點高度的距離
MSLIDER ：載台之質量
fr ：反力
在如此地構成之移動載台裝置10，係藉由位置偵測器22檢測載台12的位置，根據檢測到的位置，藉由控制器18求出推力指令，再藉由驅動器19將對應於所求出的推力指令之驅動電流施加在載台致動器21。然後，藉由載台致動器21產生對應於被施加的驅動電流之推力f，藉由該推力f驅動載台12。
此處，藉由使推力f作用在載台12，而使其反作用所需之與推力f反方向且大小相同的力量亦即反力fr 作用在定盤11。因此，移動載台裝置10係藉由控制器18將反推力指令輸出到驅動器20，再藉由驅動器20將對應於反推力指令的驅動電流施加在反力處理致動器2。然後，藉由反力處理致動器2產生對應於被施加的驅動電流之反推力fr1 ，將該反推力fr1 作用在定盤11，其結果為減少反力fr 且被抵銷。
以上，本實施形態中，藉由反力處理致動器2將反推力fr1 施加在定盤11。因此，反推力fr1 和反力fr 彼此抵消，作用在定盤11的力量確實地被減少、去除。此外，如上述地，反力處理致動器2係以被定盤11覆蓋的方式配置在比該當定盤11的上面11c更近於下方，與反力fr 的作用點和反推力fr1 的作用點之高度之差h在hmax 以下，因此作用在定盤11的力矩為一定值以下。
因而，根據本實施形態，可提高載台12的整定性。其係因為若反力fr 的作用點和反推力fr1 的作用點之高度彼此不一致，則無法完全地去除作用在定盤11的力矩，但若是確實地去除作用在定盤11的力量(並進力)，則即使不完全地去除作用在定盤11的力矩，仍可實現提高載台12之整定性之故。即，若去除作用在定盤11的反力fr 並充分地減少作用在定盤11的力矩，則可充分地提高載台12之整定性。
再者，如此地將反力處理致動器2以被定盤11覆蓋的方式配置在比該當定盤11的上面11c更近於下方，因此可充分地確保其上面11c之空間，且不須増加移動載台裝置10之設置面積(所謂所及之處)。即，可有效地利用移動載台裝置10之空間，可抑制移動載台裝置10大型化。
因而，根據本實施形態，可提高移動載台裝置10中的載台12之整定性，並抑制移動載台裝置10大型化。其結果為本實施形態中，可使有效利用移動載台裝置10的 空間和確保反力處理裝置1的功能兩者皆成立。
再者，由於不須使反力fr 和反推力fr1 的作用點之高度一致而達到以下效果。即，可容易地在定盤11上配置例如光學架載台等。再者，在既存的移動載台裝置搭載反力處理裝置1時，即使因空間不足而無法使反力fr 和反推力fr1 的作用點之高度一致時，仍可確實地適用反力處理裝置1。
且，本實施形態中，如上述地，反力fr 作用在定盤11的作用點之高度和反推力fr1 作用在定盤11的作用點之高度之差h，係於上述(13)式所示之容許值hmax 以下。藉此，當位置偏差的容許值Ymax 當作規格而預先決定時，可根據該規格設定容許值hmax 。此外，由於該差h在容許值hmax 以下，因此可確實地實現上述效果，亦即提高移動載台裝置10中的載台12之整定性並抑制移動載台裝置10大型化之效果。
且，如上述地，反力處理致動器2的高度為可調整，因此移動載台裝置10所要求的載台12之精確度(位置偏差)即使變更時，仍可以變更(調整)反力處理致動器2的高度來對應該精確度。且，此時可獲得所要的載台之整定性，並可確認載台12的位置偏差同時設定配置反力處理致動器2的高度。
再者，如上述地，反力處理致動器2係藉由螺絲被固定成可調整高度，因此該固定比滑動式之高度調整更強固，進而可抑制反力處理致動器2之位置偏離。
且，如上述地，反力處理致動器2的可動件3和固定件4係彼此非接觸，因此來自底座25的震動被抑止透過反力處理致動器2傳播到定盤11。且，如上述地，將永久磁鐵安裝在定盤11當作可動件3，將電磁線圈安裝在固定框架5當作固定件4，因此在固定件4施加驅動電流所產生的發熱之影響被抑制及於定盤11。
以上，已就有關本發明的適當實施形態予以說明，但本發明並非限定於上述實施形態者。
例如，上述實施形態係將定盤11透過避震彈簧16、16設置在底座25，但透過其他機械彈簧設置亦可，利用空氣彈簧等亦可，總之只要可以使定盤11對來自底座25的震動絶緣者(避震手段)即可。
且，上述實施形態係將載台致動器21的固定件13當作永久磁鐵，將可動件14當作電磁線圈，但將固定件當作電磁線圈，將可動件當作永久磁鐵亦可。此外，於該情形下，驅動電流被供給到當作電磁線圈的固定件。且，上述實施形態係將反力處理致動器2的可動件3當作永久磁鐵，將固定件4當作電磁線圈，但將可動件當作電磁線圈，將固定件當作永久磁鐵亦可。於該情形下，驅動電流被供給到當作電磁線圈的可動件。
根據本發明，可提高移動載台裝置中的載台之整定性並抑制移動載台裝置大型化。
1‧‧‧反力處理裝置
2‧‧‧反力處理致動器(施力手段)
3、14‧‧‧可動件
4、13‧‧‧固定件
5‧‧‧固定框架
10‧‧‧移動載台裝置
11‧‧‧定盤
11a‧‧‧定盤11的側面
11b‧‧‧定盤11的下面
11c‧‧‧定盤11的上面(盤面)
12‧‧‧載台
15‧‧‧支柱
16‧‧‧避震彈簧(避震手段)
17‧‧‧凹部
18‧‧‧控制器
19、20‧‧‧驅動器
21‧‧‧載台致動器
22‧‧‧位置偵測器
23‧‧‧控制部
25‧‧‧底座(基礎)
第1圖係表示包含本發明之一實施形態所相關的反力處理裝置之移動載台裝置的立體圖。
第2圖係沿第1圖之II－II之剖面的概略構成圖。
第3圖係第1圖所示之移動載台裝置的力量學模型中的控制方塊圖。
1‧‧‧反力處理裝置
5‧‧‧固定框架
11‧‧‧定盤
12‧‧‧載台
16‧‧‧避震彈簧(避震手段)
25‧‧‧底座(基礎)
10‧‧‧移動載台裝置

Claims (8)

  1. 一種反力處理裝置，係設在移動載台裝置，且用於處理因前述載台移動而在前述定盤產生的反力，該移動載台裝置係載台在透過避震部設置於基礎的定盤的盤面上進行移動；該反力處理裝置之特徵為：具備施力裝置，用於將減少前述反力的水平方向的力量施加在前述定盤，前述施力裝置係以被前述定盤覆蓋的方式配置在比該當定盤的盤面更近於前述基礎側，且被配置於定盤的側面。
  2. 如申請專利範圍第1項之反力處理裝置，其中，前述反力作用在前述定盤的作用點之高度和減少前述反力的力量作用在前述定盤的作用點之高度，兩者之差h為下式所示之容許值hmax 以下，hmax =(Ymax ．J．KP )/(N．MSLIDER ．fr )但是，Ymax ：載台位置偏差的容許值J：移動載台裝置的慣性力矩KP ：控制增益N：從移動載台裝置的重心之高度到載台位置的計測點之高度之距離MSLIDER ：載台的質量fr ：反力。
  3. 如申請專利範圍第1項之反力處理裝置，其中，前述施力裝置之高度為可調整。
  4. 如申請專利範圍第1項之反力處理裝置，其中，前述施力裝置係以具有安裝在前述定盤的可動件、和以非接觸在該當可動件的方式安裝在前述基礎的固定件，且減少前述反力的力量係自前述固定件施加到前述可動件的方式構成。
  5. 一種反力處理裝置，係設在移動載台裝置，且用於處理因前述載台移動而在前述定盤產生的反力，該移動載台裝置係載台在支撐於避震部的定盤上進行移動；該反力處理裝置之特徵為：具備將力量加在前述定盤的致動器，前述致動器係設在前述定盤側面的凹部。
  6. 如申請專利範圍第5項之反力處理裝置，其中，前述致動器具有可動件及固定件，前述可動件係固定在前述凹部的內部。
  7. 如申請專利範圍第5項之反力處理裝置，其中，固定件係於前述凹部的內部，以非接觸可動件的方式配置。
  8. 如申請專利範圍第5項之反力處理裝置，其中，固定件不從前述定盤側面突出。
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