JP2007067162A - Xy stage - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ステージの駆動反力の影響を低減させるXYステージに関するものである。 The present invention relates to an XY stage that reduces the influence of the driving reaction force of the stage.
半導体、液晶の露光装置又は検査装置等に適用するXYステージでは、定盤上に設置されたステージを駆動すると、その反力で定盤が振動する。この振動はXYステージの位置決め時間および精度低下の要因となる。ステージを駆動させる際の反力の影響を低減させる方式として、カウンタマスと呼ばれるダミー質量を駆動してステージの駆動反力を打ち消すカウンタマス方式が有効である。カウンタマスを駆動するためのアクチュエータをステージと干渉しないように配置するためには設計が難しくなり、装置の複雑化やフットプリントの増大などの問題がある。また、カウンタマスの駆動機構にボールネジ等の減速機構を用いると、カウンタマスの駆動により生じる反力が複雑となる。そのため、例えば特許文献1では、ステージを駆動する際、ステージの駆動推力と同じ大きさの推力をリニアモータによって発生させてカウンタマスを駆動し、ステージの駆動反力を打ち消している。
しかしながら、一般的なリニアモータは転流制御を行うため、位置計測のセンサが必要である。そのため、カウンタマスの駆動制御にも位置計測のセンサが必要であり、装置が複雑かつ高価になる問題がある。 However, since a general linear motor performs commutation control, a position measurement sensor is required. For this reason, a sensor for position measurement is also required for drive control of the counter mass, and there is a problem that the apparatus becomes complicated and expensive.
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より簡単かつ安価な構成でステージの駆動反力を低減できるXYステージを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an XY stage that can reduce the driving reaction force of the stage with a simpler and less expensive configuration.
本発明は、板状の定盤と、定盤上面を摺動するステージと、定盤の摺動の反力を相殺するように移動するカウンタマスと、カウンタマスを駆動するリニアパルスモータと、を備え、リニアパルスモータは、磁性区域と非磁性区域とが格子状に配置された平面部材と、平面部材に面し相互に特定の位相角だけ位相をずらすことが可能な一対の磁極面を含む制御電子素子と、を有するXYステージである。 The present invention includes a plate-shaped surface plate, a stage that slides on the upper surface of the surface plate, a counter mass that moves so as to cancel the reaction force of sliding of the surface plate, a linear pulse motor that drives the counter mass, The linear pulse motor includes a planar member in which a magnetic region and a nonmagnetic region are arranged in a lattice shape, and a pair of magnetic pole surfaces that face the planar member and can be shifted in phase by a specific phase angle. An XY stage including a control electronic element.
この構成によれば、カウンタマスを駆動するリニアパルスモータが、磁性区域と非磁性区域とが格子状に配置された平面部材(プラテン)と、平面部材に面し相互に特定の位相角だけ位相をずらすことが可能な一対の磁極面を含む制御電子素子(フォーサ)とを有するため、位置計測のためのセンサ等が不要となり、装置を簡単かつ安価なものとすることができる。 According to this configuration, the linear pulse motor that drives the counter mass includes a planar member (platen) in which the magnetic area and the non-magnetic area are arranged in a lattice pattern, and faces the planar member by a specific phase angle. Since it has a control electronic element (forcer) including a pair of magnetic pole faces that can be displaced, a sensor for position measurement or the like becomes unnecessary, and the apparatus can be made simple and inexpensive.
この場合、カウンタマスは定盤下面を摺動することが好適である。この構成によれば、定盤下面にカウンタマスを設けるため、ステージとの干渉を避けるように設計することが容易であり、かつ装置の占有面積を小さくすることができる。 In this case, it is preferable that the counter mass slides on the lower surface of the surface plate. According to this configuration, since the counter mass is provided on the lower surface of the surface plate, it is easy to design so as to avoid interference with the stage, and the area occupied by the apparatus can be reduced.
この場合、平面部材はカウンタマスに設けられ、制御電子素子は定盤に設けられていることが好適である。この構成によれば、平面部材(プラテン)を設けたカウンタマスを可動子とし、制御電子素子(フォーサ)を定盤側に設けるため、可動子側に配線や配管を設ける必要がなくなり、設計を容易なものとすることができる。 In this case, it is preferable that the planar member is provided on the counter mass and the control electronic element is provided on the surface plate. According to this configuration, since the counter mass provided with the planar member (platen) is a mover and the control electronic element (forcer) is provided on the surface plate side, it is not necessary to provide wiring or piping on the mover side, and the design It can be easy.
この場合、リニアパルスモータの制御系は、カウンタマスの目標位置と、目標位置の1階微分値と速度ゲインとの積と、目標位置の2階微分値と加速度ゲイン値との積との和からなる要素を含む、ことが好適である。 In this case, the control system of the linear pulse motor calculates the sum of the target position of the counter mass, the product of the first derivative of the target position and the speed gain, and the product of the second derivative of the target position and the acceleration gain value. Preferably comprising an element consisting of
この構成によれば、カウンタマスを駆動するリニアパルスモータの制御系が、カウンタマスの目標位置と、標位置の1階微分値と速度ゲインとの積と、目標位置の2階微分値と加速度ゲイン値との積との和からなる要素を含むため、リニアパルスモータが目標位置に対して遅れや振動を持たずに追従するように制御できる。 According to this configuration, the control system of the linear pulse motor that drives the counter mass has the target position of the counter mass, the product of the first derivative of the target position and the speed gain, the second derivative of the target position, and the acceleration. Since the element including the sum of the gain value and the product is included, the linear pulse motor can be controlled to follow the target position without delay or vibration.
この場合、速度ゲインは、カウンタマスが等速で移動しているときの目標位置と現在位置との偏差を相殺する値であり、加速度ゲインは、カウンタマスが非等速で移動しているときの目標位置と現在位置との偏差を相殺する値であることが好適である。 In this case, the speed gain is a value that cancels out the deviation between the target position and the current position when the counter mass is moving at constant speed, and the acceleration gain is when the counter mass is moving at non-constant speed. It is preferable that the value cancels out the deviation between the target position and the current position.
この構成によれば、カウンタマスの等速移動時および加減速時における目標位置と現在位置との偏差を相殺することができる。 According to this configuration, it is possible to cancel the deviation between the target position and the current position when the counter mass is moved at a constant speed and during acceleration / deceleration.
この場合、リニアパルスモータの制御系は、ステージとカウンタマスとの質量比からなる比例要素を含む、ことが好適である。この構成によれば、ステージの駆動に伴う反力とカウンタマスの駆動に伴う反力とを同程度にすることが可能となる。 In this case, it is preferable that the control system of the linear pulse motor includes a proportional element including a mass ratio between the stage and the counter mass. According to this configuration, it is possible to make the reaction force accompanying the driving of the stage and the reaction force accompanying the driving of the counter mass the same.
この場合、リニアパルスモータの制御系は、ステージの現在位置にステージとカウンタマスとの質量比を乗じたものをカウンタマスの目標位置とし、微分要素とローパスフィルタ処理を行う要素とを含む、ことが好適である。 In this case, the control system of the linear pulse motor includes a differential element and an element for performing low-pass filter processing, which is obtained by multiplying the current position of the stage by the mass ratio of the stage and the counter mass as a target position of the counter mass. Is preferred.
この構成によれば、制御系にステージの現在位置を利用するため、目標軌道からの遅れの影響を受けない。また微分要素とローパスフィルタ処理を行う要素とを含むため、計測された現在位置情報に含まれるノイズ成分を除去し、良好な特性を得ることができる。 According to this configuration, since the current position of the stage is used for the control system, it is not affected by the delay from the target trajectory. In addition, since the differential element and the element that performs low-pass filter processing are included, it is possible to remove noise components included in the measured current position information and obtain good characteristics.
この場合、リニアパルスモータの制御系は、ステージを移動させる力とリニアパルスモータの出力が等しくなるようにカウンタマスの目標位置を制御し、積分要素とハイパスフィルタ処理を行う要素とを含む、ことが好適である。 In this case, the control system of the linear pulse motor includes an integral element and an element for performing high-pass filter processing by controlling the target position of the counter mass so that the force for moving the stage is equal to the output of the linear pulse motor. Is preferred.
この構成によれば、リニアパルスモータで発生する推力にしたがって反力相殺を行うため、ステージの特性や目標軌道の影響を受けない。また積分要素とハイパスフィルタ処理を行う要素とを含むため、積分によるドリフトを低減することができる。 According to this configuration, the reaction force is canceled according to the thrust generated by the linear pulse motor, so that it is not affected by the stage characteristics or the target trajectory. In addition, since it includes an integration element and an element that performs high-pass filter processing, drift due to integration can be reduced.
本発明のXYステージによれば、より簡単かつ安価な構成でステージの駆動による反力を低減できる。 According to the XY stage of the present invention, reaction force due to driving of the stage can be reduced with a simpler and less expensive configuration.
以下、本発明の実施の形態に係るXYステージについて添付図面を参照して説明する。なお、同一の構成要素は同一の符号で示し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, an XY stage according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the same component is shown with the same code | symbol and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は本発明の第1実施形態に係るXYステージの構成を示す斜視図であり、図2は本発明の第1実施形態に係るXYステージの内部構成を示す斜視断面図であり、図3は本発明の第1実施形態に係るXYステージの内部構成を示す側断面図である。 FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of an XY stage according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective sectional view showing the internal configuration of the XY stage according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a side sectional view showing an internal configuration of an XY stage according to the first embodiment of the present invention.
図1および図2に示すように、本実施形態のXYステージ10は、略板状の定盤12と、定盤12の上面をXY方向に摺動自在とされたステージ16とから構成されている。定盤12の上面にはステージプラテン14が設けられている。ステージプラテン14は、突起状の磁性区域52と、その周りを囲む非磁性区域54とが格子状に配置された平面部材である。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
ステージ16の下面には、ステージフォーサ(X)18、ステージフォーサ(Y1)20およびステージフォーサ(Y2)22の3つのフォーサが取り付けられている。それぞれのステージフォーサ18,20,22は、ステージプラテン14に面し、相互に特定の位相角だけ位相をずらすことが可能な一対の磁極面50を複数有する制御電子素子である。3つのステージフォーサ18,20,22の磁力線の位相をずらすことにより、ステージプラテン14との間の磁力のバランスが変動してリニアパルスモータとしての駆動推力を発生し、ステージ16をXY方向に微小な距離づつ移動させ、かつZ軸周りに微小な角度づつ回転させることができるようになっている。ステージフォーサ18,20,22の動作信号は、制御部48により供給される。
Three forcers, a stage forcer (X) 18, a stage forcer (Y 1) 20, and a stage forcer (Y 2) 22, are attached to the lower surface of the
ステージ16の下面には、不図示のエアの噴出孔が設けられており、噴出口からステージプラテン14に向けて噴出されるエアによりエアベアリングが形成され、ステージ16はステージプラテン14から僅かに浮上する。
An air ejection hole (not shown) is provided on the lower surface of the
XYステージは、X軸レーザ干渉計28とY軸レーザ干渉計30とを備えている。また、ステージ16には、X軸レーザ干渉計28およびY軸レーザ干渉計30それぞれからのレーザ光を受けて反射するX軸ミラー24とY軸ミラー26とを備えている。X軸レーザ干渉計28とY軸レーザ干渉計30とは、X軸ミラー24とY軸ミラー26とからそれぞれ反射したレーザ光を計測することにより、ステージの位置および回転角度を計測することができるようになっている。図3にしめすように、X軸レーザ干渉計28とY軸レーザ干渉計30との計測結果は制御部48に送信される。
The XY stage includes an
図2および3に示すように、定盤12にはカウンタマス収容部32が設けられており、定盤下面34にはカウンタマス36が摺動自在に設けられている。カウンタマス36の上面にはカウンタマスプラテン40が設けられている。図4に示すように、カウンタマスプラテン40は、突起状の磁性区域58と、その周りを囲む非磁性区域60とが格子状に配置された平面部材である。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
定盤下面34には、図5に示すように、カウンタマスフォーサ(X)42、カウンタマスフォーサ(Y1)44およびカウンタマスフォーサ(Y2)46の3つのフォーサが設けられている。それぞれのカウンタマスフォーサ42,44,46は、カウンタマスプラテン40に面し、相互に特定の位相角だけ位相をずらすことが可能な一対の磁極面56を複数有する制御電子素子である。3つのカウンタマスフォーサ42,44,46の磁力線の位相をずらすことにより、カウンタマスプラテン40との間の磁力のバランスが変動してリニアパルスモータとしての駆動推力を発生し、カウンタマス36をXY方向に微小な距離づつ移動させ、Z軸周りに微小な角度づつ回転させることができるようになっている。カウンタマスフォーサ42,44,46の配置は、ステージフォーサ18,20,22と同様の配置とすることが好ましい。カウンタマスフォーサ42,44,46の動作信号は、制御部48より供給される。
As shown in FIG. 5, the surface plate
定盤下面34には、不図示のエア噴出孔が設けられており、噴出口からカウンタマスプラテン40に向けて噴出されるエアによりエアベアリングが形成される。カウンタマスフォーサ42,44,46の磁力による吸引力とエアベアリングの反発力とが釣り合って、カウンタマス36はカウンタマス収容部32中に懸垂されている。
An air jet hole (not shown) is provided in the
カウンタマスフォーサ42,44,46の容量と、カウンタマス36の質量とは、ステージ16の質量と、ステージ16を駆動するリニアパルスモータの駆動推力により適宜決定する。カウンタマスフォーサ42,44,46に求められる駆動推力は、ステージフォーサ18,20,22の駆動推力と同じでよい。一方、カウンタマス36は、カウンタマスフォーサ42,44,46の吸着力で懸垂されているため、その質量は吸着可能な範囲でなくてはならない。一般にフォーサの吸着力は駆動推力の5〜10倍である。カウンタマス36の質量が大きければ反力処理のために必要な動作のストロークが小さくてよい。カウンタマス質量がステージ16の質量のn倍であれば、カウンタマス36の動作のストロークは、ステージ16の動作のストロークの1/nでよい。
The capacity of the counter
図3に示す構成とは反対に、カウンタマス36にカウンタマスフォーサ42,44,46を設け、定盤下面34にカウンタマスプラテン40を設けても構成可能であるが、カウンタマスプラテン40をカウンタマス36の方に取り付けることにより、フォーサやエアベアリングを動作させるための配線や配管を、移動するカウンタマス36に取り付ける必要がなくなり、装置の構成を簡単にできる。
Contrary to the configuration shown in FIG. 3, the
以下、本実施形態のXYステージにおける制御系について説明する。リニアパルスモータにおいて、ある安定状態から距離xだけ離れた安定点へ移動するには、カウンタマスプラテン40の歯ピッチτ(一対の磁性区域58と非磁性区域60との間の長さ)としたときに、カウンタマスフォーサ42,44,46の磁極に供給する励磁電流の位相を2π・x/τだけ進めればよい。
Hereinafter, the control system in the XY stage of this embodiment will be described. In the linear pulse motor, in order to move from a certain stable state to a stable point separated by a distance x, the tooth pitch τ of the counter mass platen 40 (the length between the pair of
カウンタマス36の移動距離がカウンタマスプラテン40の歯ピッチτに比べて十分小さいときは、瞬時に位相を進めても良いが、移動距離が大きい場合は励磁電流の位相を徐々に進めながら最終的に所望の位相とする必要がある。これは、リニアパルスモータの発生トルクFと位相進み角θとの間に、C・I・sin(θ)で表される関係があり(CおよびIは定数)、トルクFは位相進み角θがπ/4を越えると線形性が悪化し、π/2を越えるとトルクが減少し、πを越えるとトルクが反転するという特性をもつためである。
When the moving distance of the
ここで、カウンタマス36のX軸方向への駆動を考える。励磁移動θsで位置xsに安定的に停止しているカウンタマス36を、目標位置xeまで移動させる場合を例にとる。まず適切な速度と加速度を設定し、図8に示すような軌道を生成する。リニアパルスモータの位置と励磁位相との関係から、動作開始後の時刻ごとの励磁位相θcはそれぞれ瞬時目標位置xcomから以下の式(1)のように求めることができるため、リニアパルスモータを動作させるための励磁位相パターンを得ることができる。
Here, consider driving of the
しかしながら、リニアパルスモータでは、位相進み角θが出て初めてトルクFが発生する関係があるため、移動中のカウンタマス36の位置xは、瞬時目標位置xcomに比べて遅れる問題がある。また、トルクFがカウンタマスの位置xに依存する関係は、機械的バネが結合していることと等価の関係であり、加減速により振動が発生する問題がある。リニアパルスモータを反力処理に適用することを考えると、現在位置と目標位置との相違は、すなわち推力が計画通りに発生していないことを意味しており、ステージの駆動に伴う反力が十分に打ち消されない問題となる。特に振動や遅れによる相違は、ステージの駆動に伴う反力を打ち消せないだけでなく、強めてしまう可能性がある。
However, since the linear pulse motor has a relationship in which the torque F is generated only after the phase advance angle θ is output , there is a problem that the position x of the moving
そこで、本実施形態では以下に示す制御則を用いる。次式は、本実施形態における制御則を示す式であり、図6は本発明の第1実施形態に係るXYステージの制御系を示すブロック線図である。
Therefore, in the present embodiment, the following control law is used. The following equation is an equation showing the control law in this embodiment, and FIG. 6 is a block diagram showing the control system of the XY stage according to the first embodiment of the present invention.
ただし、図6および上式において、xSref:ステージ目標位置,kaF:加速度ゲイン,kvF:速度ゲイン,M:カウンタマス質量,mx:ステージ質量,である。また、sはラプラス変換子であり微分を表す。また、KSTG:ステージ制御則,PSTG:ステージ特性,P(s):カウンタマス特性,である。xSrefは加速区間、等速区間、減速区間からなるが、条件により定速区間はなくても良い。本実施形態の制御則の別の表現は、下式で表すことができる。
However, in FIG. 6 and the above equation, x Sref: stage target position, k aF: acceleration gain, k vF: speed gain, M: counter mass mass, m x: Stage mass is. Moreover, s is a Laplace transformer and represents differentiation. Further, K STG : stage control law, P STG : stage characteristic, and P (s): counter mass characteristic. x Sref includes an acceleration section, a constant speed section, and a deceleration section, but there may be no constant speed section depending on conditions. Another expression of the control law of this embodiment can be expressed by the following expression.
図7は、本発明の第1実施形態に係るカウンタマスを駆動するリニアパルスモータの系を示すブロックである。図7において、Dは減衰係数を表す。また、図7のCIは上述のCIsin(θ)を線形化したものである。位相進み角θが±π/4の範囲であれば、この線形化の誤差は小さい。 FIG. 7 is a block diagram showing a linear pulse motor system for driving the counter mass according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 7, D represents an attenuation coefficient. The CI in FIG. 7 is a linearization of the above-described CIsin (θ). If the phase advance angle θ is in the range of ± π / 4, this linearization error is small.
この図7の系で、カウンタマス36の位置xと瞬時目標位置xcomとの関係は次式で表される。
In the system of FIG. 7, the relationship between the position x of the
リニアパルスモータで発生する振動は、分母多項式Ms2+Ds+2πCI/τによるものである。この系を上述の式(2):xcom=(kaFs2+kvFs+1)xrefにより制御を行ったとき、xrefとxとの偏差は次式で表される。
The vibration generated by the linear pulse motor is due to the denominator polynomial Ms 2 + Ds + 2πCI / τ. Wherein the system described above (2): x com = ( k aF s 2 + k vF s + 1) when performing controlled by x ref, the deviation between the x ref and x is expressed by the following equation.
一定速度v0で移動中の定常偏差は最終値の定理により、次式で表される。
The steady-state deviation while moving at a constant speed v 0 is expressed by the following equation according to the final value theorem.
したがって、速度ゲインkvFについて等速区間で目標位置xrefと現在位置xとの偏差を小さくするようにサーボ調整した場合、次式のように調整される。
Therefore, when the servo gain is adjusted so as to reduce the deviation between the target position x ref and the current position x in the constant speed section with respect to the speed gain k vF , the following adjustment is made.
上記の速度ゲインkvFについての調整が完了した状態では、一定加速度a0で加減速中に発生する偏差は次式で表される。
In a state where the adjustment for the speed gain k vF is completed, a deviation that occurs during acceleration / deceleration at a constant acceleration a 0 is expressed by the following equation.
したがって、加速度ゲインkaFについて等速区間で目標位置xrefと現在位置xとの偏差を小さくするようにサーボ調整した場合、次式のように調整される。
Therefore, when the servo adjustment is performed so that the deviation between the target position x ref and the current position x is reduced in the constant velocity section with respect to the acceleration gain kaF , the following adjustment is performed.
結果として本実施形態の制御則は、次式にように調整される。この制御則は分子にリニアパルスモータの分母多項式をもち、これを相殺する。このため、結果としてリニアパルスモータに振動を発生させないように動作させることができる。
As a result, the control law of this embodiment is adjusted as follows: This control law has a linear pulse motor denominator polynomial in the numerator and cancels it. Therefore, as a result, the linear pulse motor can be operated so as not to generate vibration.
制御系は、計測系を必要としないフィードバック不要な構成を実装することが望ましいが、パラメータの調整は計測をしながら実施するのが良い。あるいは上記手順に従った調整を実施せずに、理論値として直接に次式の値を採用しても良い。これにより調整工程数を少なくできるが、設計値と実機とでの誤差が特性を悪くする場合がある。
The control system preferably has a feedback-free configuration that does not require a measurement system, but parameter adjustment is preferably performed while measuring. Or you may employ | adopt the value of following Formula directly as a theoretical value, without implementing adjustment according to the said procedure. As a result, the number of adjustment steps can be reduced, but an error between the design value and the actual machine may deteriorate the characteristics.
本実施形態による制御則によれば、カウンタマス36の位置xは瞬時目標位置xref=−(mx/M)xSrefに対して遅れや振動を持たずに追従する。ステージ位置xSTGがステージ目標位置xSrefに精度よく追従している状態であれば、ステージ位置xSTGとカウンタマス36の位置xとの間には、おおよそ次式の関係が常に成り立つ。
According to the control law according to the present embodiment, the position x of the
ステージ位置xSTG,ステージ質量mxのステージ駆動に伴う反力fsはおおよそ次式で表される。
Stage position x STG, the reaction force f s due to the stage driving stage mass m x is approximately expressed by the following equation.
一方、位置がx,質量がMのカウンタマス36の駆動に伴う反力fpはおおよそ次式で表される。
On the other hand, position x, the reaction force f p with the driving of the
したがって、fsとfpとは常に同程度の大きさで逆向きとなり、定盤12に作用する力は相殺される。定盤12の振動が抑えられ、ステージ16の位置決め精度も向上する。また、カウンタマス36とステージ16とに作用する重力のY軸周りのモーメントは次式で表される。なお、次式中でgは重力加速度である。本実施形態による制御則によれば、この次式の値がほぼ一定となり、定盤12に作用する重力のバランスの変化による定盤12の傾きや振動も抑えられる。
Accordingly, the opposite is always the same order of magnitude as the f s and f p, the force acting on the
上記はX軸についての説明であるが、Y軸についても同様である。さらに、Z軸周りの角度θZについても同様であり、上述した方式を、並進系から回転系に変換して適用すればよい。ステージ16で発生するθZモーメントが大きく、カウンタマス36の慣性モーメントを大きくしたいが、カウンタマスフォーサ42,44,46の吸着力の関係でカウンタマス36の質量を小さくしたい場合は、カウンタマス36の中央のみを薄くすることで対応することができる。
The above description is for the X axis, but the same is true for the Y axis. Furthermore, it also applies to the angle theta Z around the Z-axis, the above-described method may be applied to convert the rotation system from translational system. If you want to increase the moment of inertia of the
以下、本発明の第2実施形態について説明する。図9は本発明の第2実施形態に係るカウンタマスを駆動するリニアパルスソーヤモータの制御系を示すブロック線図であり、図10は本発明の第2実施形態に係るXYステージの制御系を示すブロック線図であり、次式はその制御則を示す式である。なお図9、図10および次式中でK(s)はフィードバック制御則を表し、PID制御等が適用される。
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a block diagram showing a control system of a linear pulse sawer motor for driving a counter mass according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 10 shows an XY stage control system according to the second embodiment of the present invention. The following equation is an equation showing the control law. 9 and 10 and the following equation, K (s) represents a feedback control law, and PID control or the like is applied.
本実施形態では、カウンタマス36の現在位置xを計測してフィードバック制御を行うことで、高精度化を図っている点が上記第1実施形態と異なっている。図14は従来のソーヤモータの制御系を示すブロック線図であるが、図9に示すように本実施形態の制御系では、瞬時目標位置xrefを適用するパスを設けている。このため、よりカウンタマス36の駆動の精度を向上させることができる。
This embodiment is different from the first embodiment in that high accuracy is achieved by measuring the current position x of the
このようなフィードバック制御を行う態様において、速度ゲインkvFおよび加速度ゲインkaFの調整を行う際には、フィードバック制御を無効にした状態で(K(s)=0)、これらの調整を行う。速度ゲインkvFおよび加速度ゲインkaFの調整が終了した後、K(s)の調整を行う。 In embodiments performing such feedback control, when adjusting the speed gain k vF and acceleration gain k aF is in a disabled state feedback control (K (s) = 0) , making these adjustments. After the adjustment of the speed gain k vF and acceleration gain k aF is completed, adjust the K (s).
上述した第1および第2実施形態では、ステージ16の目標軌道がステップ状である場合や、加減速区間を持たないような無限大の加速度を要求する場合には、異常な入力となり正常に動作しない可能性がある。上記実施形態においては、軌道生成パターンに適切な加減速区間が必要であり、その区間における加速度の大きさはカウンタマス36の加速限界より小さくならなければならない。また、ステージ16の現在位置がステージ目標軌道に対して遅れなどの誤差を持つ場合は、反力の相殺が不十分になることがある。
In the first and second embodiments described above, when the target trajectory of the
以下、本発明の第3実施形態について説明する。図11は本発明の第3実施形態に係るXYステージの制御系を示すブロック線図であり、次式はその制御則を示す式である。ただし図11および次式においてωはローパスフィルタのカットオフ角周波数であり、例えば50Hzであれば100πとする。ωより高い周波数では反力を打ち消すことができないが、ノイズ成分を除去することができる。ζは減衰係数であり、通常は0.8程度とする。
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 is a block diagram showing a control system of the XY stage according to the third embodiment of the present invention, and the following equation is an equation showing the control law. However, in FIG. 11 and the following equation, ω is a cut-off angular frequency of the low-pass filter. The reaction force cannot be canceled at a frequency higher than ω, but the noise component can be removed. ζ is an attenuation coefficient, and is usually about 0.8.
本実施形態においては、ステージの現在位置xSTGにステージ16とカウンタマス36との質量比−(mx/M)を乗じたものをカウンタマスの瞬時目標位置xrefとし、微分要素としてローパスフィルタ処理を行う擬似微分を行う要素を利用した点が上述の第1および第2実施形態と異なっている。本実施形態においてはステージ16の現在位置xSTGを利用するため、目標軌道からの遅れの影響を受けない。ステージ16の現在位置xSTGは、X軸レーザ干渉計28およびY軸レーザ干渉計30によって計測された値を利用するため、1階微分および2階微分を行うとノイズ成分が大きくなる。そのため、ローパスフィルタを合わせて適用した擬似微分とすることで良好な特性を得ることができる。
In this embodiment, the current position x STG of the stage multiplied by the mass ratio-(m x / M) between the
ただし、本実施形態においては、ステージ16に摩擦や内部振動等がある場合、ステージ16の位置xSTGはリニアパルスモータから発生した推力以外の影響も受ける。このような外乱要因が大きい場合は、ステージ16の駆動による反力の相殺が不十分になることもある。
However, in the present embodiment, when the
以下、本発明の第4実施形態について説明する。図12は本発明の第4実施形態に係るXYステージの制御系を示すブロック線図であり、次式はその制御則を示す式である。図12および次式中でfSrefは、ステージ16を駆動するリニアパルスモータで発生する推力であり、ステージ16へのトルク指令やステージ16を駆動するリニアパルスモータの印加電流から求めることができる。またωはハイパスフィルタのカットオフ角周波数であり、例えば1Hzであれば2πとする。ωが小さければより低い周波数まで反力を打ち消すことができるが、ドリフトに伴うオフセットが大きくなる。逆にωが大きければドリフトは小さいが高い周波数の反力のみを打ち消すようになる。ζは減衰係数であり、通常は0.8程度とする。
The fourth embodiment of the present invention will be described below. FIG. 12 is a block diagram showing the control system of the XY stage according to the fourth embodiment of the present invention, and the following equation is an equation showing the control law. In FIG. 12 and the following equation, f Sref is a thrust generated by the linear pulse motor that drives the
本実施形態においては、ステージ16を移動させる力とカウンタマス36を駆動するリニアパルスモータの出力が等しくなるようにカウンタマス36の目標位置を制御し、積分要素にハイパスフィルタ処理を行う要素を利用した点が上述の第1〜3実施形態と異なっている。本実施形態においては、ステージ16を駆動するリニアパルスモータで発生する推力にしたがって反力相殺を行うので、ステージ16の特性や目標軌道の条件の影響を受けない。
In the present embodiment, the target position of the
推力fSrefを発生するカウンタマス36の軌道は、次式で表わされる。
The trajectory of the
積分によるドリフトを防ぐためにはハイパスフィルタとともに、次式のようにするのがよい。
In order to prevent drift due to integration, it is preferable to use the following equation together with a high-pass filter.
一般に減衰係数Dを求めることは難しいが、kvF→D/(2πCI/τ),kaF→M/(2πCI/τ)と調整されることから、(kvF/kaF)M→Dを利用するのがよい。したがって、望ましい制御則は次式のようになる。
Although it is difficult to obtain a general damping coefficient D, k vF → D / ( 2πCI / τ), since it is adjusted as k aF → M / (2πCI / τ), the (k vF / k aF) M → D It is good to use. Therefore, a desirable control law is as follows.
本実施形態においては、カウンタマス36の定常的な位置が不定となり、重力バランスが崩れる可能性がある。また、カウンタマス36の移動のストロークが大きくなる可能性がある。
In the present embodiment, the stationary position of the
以下、本発明の第5実施形態について説明する。図13は本発明の第4実施形態に係るXYステージの制御系を示すブロック線図であり、次式はその制御則を示す式である。本実施形態では、上述した第4実施形態の制御則に第3実施形態の制御則を組み合わせて、ステージ16の位置を利用するようにした点が、第1〜4実施形態とは異なっている。これにより、第4実施形態における重力バランスが崩れたり、カウンタマスのストロークが大きくなる欠点を低減することができる。
The fifth embodiment of the present invention will be described below. FIG. 13 is a block diagram showing a control system of an XY stage according to the fourth embodiment of the present invention, and the following equation is an equation showing the control law. This embodiment is different from the first to fourth embodiments in that the position of the
すなわち、系全体の制御則は次式のようになる。
That is, the control law of the entire system is as follows.
尚、本発明のXYステージは、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 Note that the XY stage of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
10…XYステージ、12…定盤、14…ステージプラテン、16…ステージ、18…ステージフォーサ(X)、20…ステージフォーサ(Y1)、22…ステージフォーサ(Y2)、24…X軸ミラー、26…Y軸ミラー、28…X軸レーザ干渉計、30…Y軸レーザ干渉計、32…カウンタマス収容部、34…定盤下面、36…カウンタマス、40…カウンタマスプラテン、42…カウンタマスフォーサ(X)、44…カウンタマスフォーサ(Y1)、46…カウンタマスフォーサ(Y2)、48…制御部、50…磁極面、52…磁性区域、54…非磁性区域、56…磁極、58…磁性区域、60…非磁性区域。
10 ... XY stage, 12 ... surface plate, 14 ... stage platen, 16 ... stage, 18 ... stage forcer (X), 20 ... stage forcer (Y1), 22 ... stage forcer (Y2), 24 ... X axis Mirror, 26 ... Y-axis mirror, 28 ... X-axis laser interferometer, 30 ... Y-axis laser interferometer, 32 ... Counter mass storage section, 34 ... Lower surface plate, 36 ... Counter mass, 40 ... Counter mass platen, 42 ... Counter mass forcer (X) 44 ... Counter mass forcer (Y1) 46 ... Counter mass forcer (Y2) 48 ... Control unit 50 ...
Claims (8)
前記定盤上面を摺動するステージと、
前記定盤の摺動の反力を相殺するように移動するカウンタマスと、
前記カウンタマスを駆動するリニアパルスモータと、
を備え、
前記リニアパルスモータは、
磁性区域と非磁性区域とが格子状に配置された平面部材と、
前記平面部材に面し、相互に特定の位相角だけ位相をずらすことが可能な一対の磁極面を含む制御電子素子と、
を有する、
XYステージ。 A surface plate,
A stage sliding on the upper surface of the platen;
A counter mass that moves so as to cancel the reaction force of sliding of the surface plate;
A linear pulse motor for driving the counter mass;
With
The linear pulse motor is
A planar member in which magnetic and non-magnetic areas are arranged in a grid pattern;
A control electronic element including a pair of magnetic pole faces facing the planar member and capable of shifting phases by a specific phase angle from each other;
Having
XY stage.
請求項1〜3のいずれか1項に記載のXYステージ。 The control system of the linear pulse motor includes a target position of the counter mass, a product of a first derivative of the target position and a speed gain, and a product of a second derivative of the target position and an acceleration gain value. Including elements consisting of sums,
The XY stage according to any one of claims 1 to 3.
前記加速度ゲインは、前記カウンタマスが非等速で移動しているときの目標位置と現在位置との偏差を相殺する値である、
請求項4に記載のXYステージ。 The speed gain is a value that cancels a deviation between the target position and the current position when the counter mass is moving at a constant speed,
The acceleration gain is a value that cancels the deviation between the target position and the current position when the counter mass is moving at non-constant speed,
The XY stage according to claim 4.
請求項1〜5のいずれか1項に記載のXYステージ。 The control system of the linear pulse motor includes a proportional element composed of a mass ratio between the stage and the counter mass.
The XY stage according to any one of claims 1 to 5.
請求項1〜6のいずれか1項に記載のXYステージ。 The control system of the linear pulse motor includes a differential element and an element that performs a low-pass filter process using a current position of the stage multiplied by a mass ratio of the stage and the counter mass as a target position of the counter mass. ,
The XY stage according to any one of claims 1 to 6.
請求項1〜7のいずれか1項に記載のXYステージ。 The control system of the linear pulse motor includes an integral element and an element that performs high-pass filter processing by controlling the target position of the counter mass so that the force that moves the stage is equal to the output of the linear pulse motor.
The XY stage according to any one of claims 1 to 7.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008235710A (en) * | 2007-03-22 | 2008-10-02 | Ushio Inc | Stage equipment |
JP2010217032A (en) * | 2009-03-17 | 2010-09-30 | Hitachi High-Technologies Corp | Stage apparatus |
JP2011003587A (en) * | 2009-06-16 | 2011-01-06 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | Reaction force processing mechanism, stage device equipped with reaction force processing mechanism, and semiconductor inspection device equipped with stage device |
-
2005
- 2005-08-31 JP JP2005251123A patent/JP2007067162A/en active Pending
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