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JP3087305B2 - ステージ装置 - Google Patents

ステージ装置

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JP3087305B2
JP3087305B2 JP31281290A JP31281290A JP3087305B2 JP 3087305 B2 JP3087305 B2 JP 3087305B2 JP 31281290 A JP31281290 A JP 31281290A JP 31281290 A JP31281290 A JP 31281290A JP 3087305 B2 JP3087305 B2 JP 3087305B2
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driving means
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force
stage
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Nikon Corp
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Publication date
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Priority to US08/972,422 priority patent/US6281643B1/en
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、精密位置決め装置に応用されて好適なステ
ージ装置、詳しくは、加減速期間中に第１駆動手段と
を第２駆動手段と相互に関連付けて動作させることによ
り、テーブル移動の高速化を図る、また、テーブルに
生じる振動を抑制することにしたステージ装置に関す
る。
［従来の技術］ 露光装置を含む半導体製造装置、レーザ光を用いた精
密計測器、あるいは精密工作機械等に採用されるステー
ジ装置、すなわち、半導体ウェハ等の被加工片を載せた
テーブルを移動して、所定の位置に位置決めし停止させ
る装置に対して、近年ますます、高能率かつ高精度な動
作が要求されている。この種のステージ装置は、一般的
に、テーブルを含む被加工片の支持機構と、テーブルの
駆動機構とからなる独自の振動系を形成し、テーブル停
止時（減速時）に発生する振動が位置決めの能率と精度
を損なわせる重要な課題とされ、該振動系の動特性改善
が望まれている。
第７図は、このような従来のステージ装置を模式的に
示したものである。本従来例は、被加工片を載置するテ
ーブル20を送りネジ23により駆動して、基盤22に対する
位置決めを行うステージ装置である。
第７図において、テーブル20は、ニードルベアリング
を配列させたガイド機構21により、左右方向（Ｘ方向と
する）へ直線移動可能に支持され、この軌道に平行に設
けた送りネジ23を介して、モータ24により駆動される。
また、基盤22側のレーザ干渉計25とテーブル20の端部に
設けられた反射器（平面鏡）26とにより、基盤22上には
テーブル20駆動用の座標軸ｘが形成されて、座標軸ｘ上
におけるテーブル20の位置ｘが精密に計測される。制御
器27は、レーザ干渉計25の計測結果に基づいてテーブル
20を駆動、すなわち、座標軸ｘ上に定めたテーブル20の
停止目標位置x0に向って、テーブル20を加速し等速度移
動した後に減速して、干渉計25により計測される現在位
置ｘが停止時に位置x0と一致するように、モータ24を作
動する。
しかし、ここで、テーブル20は、送りねじ23の弾性力
とガイド機構21の減衰力とで支持された振動系を形成し
ており、テーブル20の減速と停止に伴って生じる慣性力
により、テーブル20には減衰振動が発生する。従って、
モータ24停止後この振動が減衰して、テーブル20が完全
に停止した後でないと次の動作（例えば加工）にを取り
掛かれず、この減衰待ち時間が位置決めの能率を低下さ
せていた。
そこで、従来例の装置では、運動部分（テーブル20）
の質量を小さく採って振動系の振動エネルギを小さくす
るとともに、ガイド機構21に使用する潤滑油の粘性も高
く採って、振動の速やかな減衰を得るようにしている。
一方、ここで要求される精度においては、送りねじ23
は剛体とみなせず、各接合、接触部には遊びが有り、潤
滑油の減衰力や不要な摩擦力も作用するから、モータ24
停止時刻とテーブル20停止時刻は一致しない。従って、
実際のテーブル20停止位置x1は、目標位置x0と一致せず
偏差Δｘが発生し、この偏差Δｘにより位置決め精度が
悪化している。
そこで、送りネジ23等の剛性を高く採るとともに、各
接合、接触部の遊びや粘性力や摩擦力を小さく採って、
モータ24に対するテーブル20の応答性を高めるようにし
ている。
［発明が解決しようとする課題］ ところで、偏差Δｘを小さくするために、上述のよう
にモータ24に対するテーブル20の応答性を高めると、テ
ーブル20停止時に発生する振動の減衰力が不足するか
ら、減衰待ち時間が伸びるという問題が発生する。ま
た、逆に、振動の減衰を優先すると、モータ24に対する
テーブル20の応答性を損ねることとなり、テーブル20停
止時の偏差Δｘが拡大されてしまう。従って、ますます
高まる位置決めの能率と精度の両方の改善に対して、上
述のような方法だけで対処するには限界があり、困難な
課題とされていた。
そこで、ガイド機構21の減衰力を加味して求めた、テ
ーブル20の最適な減速曲線に基いてモータ24を制御する
ことによって、停止時の振動を極小化する試みが行われ
た。しかし、ガイド機構21に採用されたニードルベアリ
ングは、個別の製品間、またはその全長に渡るニードル
の加工誤差や潤滑条件差を含むから、これの減衰力も大
きくばらつき、正確な数値化、代表値化は不可能であ
り、実際の効果も再現性に欠けるものであった。
本発明は、以上のような課題を鑑みてなされたもの
で、加減速期間中に第１駆動手段と第２駆動手段とを
相互に関連付けて動作させることにより、テーブル移動
の高速化を図ることができるステージ位置、およびテ
ーブルに生じる振動を抑制できるステージ装置を提供す
ることを目的としている。
［課題を解決するための手段］ 請求項１記載の発明では、テーブル（１）と、テーブ
ル（１）に駆動力を与えてテーブル（１）を所定方向
（Ｘ）に駆動する第１駆動手段（6X）と、第１駆動手段
（6X）によりテーブル（１）を加速または減速の少なく
ともいずれか一方を行う際に、テーブル（１）に駆動力
を与えるための第２駆動手段（3X）とを備え、第１駆動
手段（6X）と第２駆動手段（3X）が、互いに並列にテー
ブル（１）に駆動力を与えるステージ装置を提供する。
また、請求項２記載の発明では、請求項１記載のステ
ージ装置において、テーブル（１）の所定方向（Ｘ）の
位置を測定する位置計測手段（8X）を設けた構成とし
た。
また、請求項３記載の発明では、請求項１記載のステ
ージ装置において、第２駆動手段（3X）をリニアモータ
とした。
また、請求項４記載の発明では、請求項１記載のステ
ージ装置において、第２駆動手段（3X）がテーブル
（１）に駆動力を与えることにより、テーブル（１）の
停止時に生じる振動を抑制するように構成した。
また、請求項５記載の発明では、請求項１記載のステ
ージ装置において、第１駆動手段（6X）がテーブル
（１）を減速させる最中に、第２駆動手段（3X）により
テーブル（１）に駆動力を与える構成とした。
また、請求項６記載の発明では、請求項１記載のステ
ージ装置において、第１駆動手段（6X）が前記駆動を停
止した後に、第２駆動手段（3X）によりテーブル（１）
に駆動力を与える構成とした。
また、請求項７記載の発明では、請求項１記載のステ
ージ装置において、テーブル（１）の所定方向（Ｘ）を
含む平面内で回転する回転量を計測する回転量計測手段
を設け、第２駆動手段（3X）がテーブル（１）に生じる
前記回転量に前記駆動力を与えるように構成した。
また、請求項８記載の発明では、請求項１記載のステ
ージ装置において、第２駆動手段（3X）が、所定方向
（Ｘ）に沿ってほぼ平行に所定間隔をあけて配置された
二組のリニアモータを有する構成とした。
また、請求項９記載の発明では、請求項１から請求項
３のいずれか一項に記載のステージ装置において、テー
ブル（１）が非接触式のガイド機構を有する構成とし
た。
また、請求項10記載の発明では、テーブル（１）と、
テーブル（１）に第１の駆動力を与えてテーブル（１）
を所定方向に駆動する第１駆動手段（6X）と、テーブル
（１）の位置を測定する位置計測手段（8X）と、テーブ
ル（１）に対し、第１駆動手段（6X）による第１の駆動
力と並列に第２の駆動力を与える第２駆動手段（3X）と
を備え、第２駆動手段（3X）が、第１駆動手段（6X）が
前記駆動を停止した後に、位置計測手段（8X）の計測結
果に基づいてテーブル（１）に前記第２の駆動力を与え
ることでテーブル（１）を目標位置に位置決めするステ
ージ装置を提供する。
また、請求項11記載の発明では、請求項１から請求項
10までのいずれか一項に記載のステージ装置を備える半
導体露光装置を提供する。
［作用］ 本発明のステージ装置においては、第２駆動手段とし
て、例えばリニアモータ機構が付加されており、テーブ
ルの加減速期間中に第１駆動手段の駆動力にリニアモー
タによる駆動力を加えることができる。加速期間におい
ては大きなトルク等を得ることができステージの高速化
を実現できる。また、減速期間においてはテーブルに生
じる振動等をリニアモータ機構で相殺、抑制、または減
衰することにより、テーブル停止時の振動エネルギを減
少させることができる。すなわち、従来例の装置では駆
動軸に発生する加振力に対して受動的な減衰力（該加振
力よりもはるかに小さい）しか作用しなかったのに対
し、リニアモータ機構による動的かつ積極的に定められ
た減衰力が作用する。ここで、ガイド機構を、従来例の
装置のニードルベアリングのような接触式としないで、
エアベアリングのような非接触式とすれば、テーブルの
運動に対するガイド機構の影響が排除されて、テーブル
に作用する力は、電気的、数値的に制御が容易な駆動軸
からのものと、高精度かつ高応答性な制御が容易なリニ
アモータ機構からのものとに単純化されるから、制御の
再現性が向上する。
また、接触式のガイド機構においては、不安定な摩擦
が存在してテーブルをずれた位置に停止させるから、ず
れを小さくするためにはテーブルの駆動力を大きくする
必要がある。しかし、ニードルベアリング等の通常のガ
イド機構の粘性は極めて小さいために、駆動力の増大は
テーブルを振動的にし、非接触式のガイド機構を用いた
場合と同様の現象を発生する。従って、ニードルベアリ
ング等の接触式のガイド機構を採用したステージ装置に
おいても、非接触式の場合と同様に、駆動軸とリニアモ
ータ機構とを相互に関連付けて制御するようにした効果
的な減速プログラムを実行することができる。言い換え
れば、接触式のガイド機構による不安定な摩擦力や粘性
力を無視できるようなレベルで駆動軸およびリニアモー
タを関連付けて駆動して、テーブルの加振力を停止まで
に極小化してしまう。これにより、テーブルの振動を抑
制しながらもテーブルの駆動力を大きく採ることがで
き、目標位置からの停止位置のずれも小さくできる。
制御手段は、テーブルが停止に至る所定の期間中、相
互に関連付けて予め定めた駆動条件（減速プログラム）
に基いて、第１駆動手段および第２駆動手段を制御す
る。例えば、従来、加振力が大きくて採用できなかった
大きな減速加速度をテーブルに駆動軸を介して付与しつ
つ、駆動軸のばね力とテーブル質量とから定まる振動系
の固有周波数を共有する加振力と逆位相の駆動力をリニ
アモータ機構に発生させる。これにより、大きな減速加
速度とテーブル停止時の振動抑制とを同時に達成でき
る。また、リニアモータが駆動軸よりも精密な制御が可
能であることを利用して、駆動軸の駆動を単純な減速と
し、これに対してリニアモータにより刻々の速度に比例
した減衰力、すなわち模擬的な粘性抵抗を与えるように
してもよい。
減速プログラムは、停止目標位置を原点とした座標上
でのテーブル位置に応じた、駆動軸とリニアモータの駆
動力曲線として、数学的または実験的に定めることがで
きる。従って、ここでは、テーブルの振動を検出して刻
々リニアモータ機構の制御にフィードバックする場合の
ような複雑な計測系や制御系を必要としない。
一方、減速プログラム終了時には、駆動軸の駆動力は
０となるが、リニアモータの駆動力は残っていてもよ
い。この駆動力は駆動軸に対するバイアス力として作用
し、テーブルの遊びを１方向に吸収させることができ
る。
ガイド機構や駆動軸に関する摩擦力の不安定な要素を
減速プログラムに織り込んでその最適化を図るには、走
行実験と駆動プログラム修正を繰り返すことが不可欠で
ある。
また、本発明のステージ装置においては、前記減速プ
ログラムが終了してテーブルが停止した後、実際のテー
ブル停止位置と目標停止位置との偏差量（せいぜいμｍ
程度）を、リニアモータによるテーブルの強制的な移動
（このとき駆動軸またはガイド機構が弾性変形する）に
より吸収する。ここで、第１検出部は実際のテーブル停
止位置を検出し、第１修正手段は、計測された停止位置
を目標位置から差引いた偏差量に基いてリニアモータの
駆動力を演算し、実行する。
例えば、駆動軸を弾性体とみなし、リニアモータの駆
動力を徐々に高め、望みの移動量に相当する弾性ひずみ
を駆動軸に準静的に発生させる。
また、本発明のステージ装置においては、停止したテ
ーブルの姿勢の回転偏位量（ヨーイング量）を、２本の
リニアモータを用いたテーブルの強制回転（このとき駆
動軸またはガイド機構は弾性的に曲げ変形する）により
吸収する。ここで、第２検出器はテーブルのヨーイング
量を計測し、制御手段は、検出されたヨーイング量に基
いて２本のリニアモータをそれぞれ別方向に駆動する。
［発明の実施例］ 図面を参照して本発明の実施例を説明する。
第１図は、本発明の第１実施例のステージ装置の斜視
図である。これは、ｘ軸方向に移動可能なステージ装置
をｙ軸方向に移動可能なステージ装置に組合せた、水平
面内で自在な方向に移動可能なステージ装置である。従
って、ここでは、テーブル１をＸ方向に駆動する機構
（Ｘテーブル2x〜9x）とｙ方向に駆動する機構（Ｙテー
ブル2y〜9y）とは同一の構成とみなし、第２図を参照し
てＸテーブル2x〜9xについてのみ説明する。
第２図は、本発明の第１実施例のステージ装置の側面
図である。
第２図において、テーブル１は、非接触方式のガイド
機構（エアベアリング等）2xで支持されるとともに、リ
ニアモータ（固定子3xおよび可動子4x）と送りネジ6xと
によってＸ方向へ駆動される。
また、送りネジ6xとリニアモータ（3x、4x）は、テー
ブル１停止時の振動抑制を目的として、後述するような
相互に関連付けて予め定めた所定の駆動条件（プログラ
ム）に従って、制御器10により作動される。さらに、停
止後、制御器10は、リニアモータ（3x、4x）でテーブル
１を付勢して、送りネジ6xを弾性範囲内で伸縮させるこ
とにより、干渉計8xにより測定された停止位置と目標位
置との間の誤差量（偏差Δｘ）を補正する。
第２図において、テーブル１は、エアベアリング2xに
より、Ｘ方向へ直線移動可能に支持されていて、この軌
道に平行に設けた送りネジ6xを介して間接的にモータ7x
により、また、リニアモータ（3x、4x）により、直接的
に駆動される。ここで、リニアモータ（3x、4x）は、テ
ーブル１側の可動子3xと基板5x側の固定子4xとからな
り、固定子4x側の磁界を移動させてテーブル１の駆動を
行うものである。また、基板5x側のレーザ干渉計8xとテ
ーブル１の端部に設けられた移動鏡としての反射器（平
面鏡）9xとにより、基板5x上にはテーブル１駆動用の座
標軸ｘが形成されることになり、この座標軸ｘ上におけ
るテーブル１の位置ｘが、刻々精密に計測される。制御
器10は、レーザ干渉計8xの計測結果に基づいて、予め定
めたプログラムに従ってモータ7xとリニアモータ（3x、
4x）を作動させてテーブル１を駆動する。
従来例同様に、制御器10は、座標軸ｘ上に定められた
テーブル１の停止目標位置x0に向ってテーブル１を加速
し、等速度移動した後に、これを減速して、現在位置ｘ
と目標位置x0とが一致するようにテーブル１を停止させ
て位置決めを遂行するが、その際、リニアモータ3x、4x
とモータ7xとを相互に関連付けて作動させる。これによ
り、減速に伴って送りネジ6xに発生する残留振動を停止
までに相殺、または減衰し、目標位置x0により近く、ま
た、停止時のテーブル振動がより小さい位置決め停止動
作を実現する。ただし、第１実施例において、プログラ
ムによるリニアモータ3x、4xの作動は減速期間の最後の
数秒間についてのみ行われ、テーブル１の始動、加速、
等速度移動の期間は、従来例の装置と同様なモータ7xに
よる駆動が行われる。
なお、テーブル１の加速、等速度移動等の期間であっ
ても、リニアモータ3x、4xを作動させればより大きな駆
動トルク等を得ることができ、ステージ１動作の高速化
を実現できるのは言うまでもない。
一方、停止後のステージ位置の補正は、送りネジ6xを
停止した状態で、干渉計8xにより測定された停止位置
を、制御器10に蓄えられた目標位置と比較しながら、こ
れが一致するまで、リニアモータ3x、4xによるテーブル
１の付勢力を準静的に増すことにより、送りネジ6xを弾
性変形して、テーブル１の位置をずらすことで達成され
る。
第３図は、第１実施例のステージ装置の制御系のブロ
ック図であって、先に述べた制御器（ホストコンピュー
タ）10は、上記構成のステージ装置を含むシステム全体
を統括制御する。また、メモリ11には、テーブル１の位
置決め動作および各種演算等に必要なパラメータ（定
数）やテーブル等が記憶されている。第３図に示すよう
に、ホストコンピュータ10は、メモリ11に格納されたテ
ーブル１の目標停止位置x0を、送りネジコントローラ12
とリニアモータコントローラ13とへ出力する。
送りネジコントローラ12とリニアモータコントローラ
13とはともに、レーザ干渉計8xにより計測されたテーブ
ル１の位置情報も入力し、このテーブル１の現在位置x1
と上記目標位置x0とのずれ量に基づいてテーブル１の移
動速度指令値を算出した後、DAコンバータ14a、14bを介
して補償回路（アナログ制御回路）15a、15bへ出力す
る。これと同時にコントローラ12、13は、テーブル１の
位置や移動速度に応じて最適なフィードバックゲイン制
御信号（後述）も発生し、これらゲイン制御信号は補償
回路15a、15bへ送られる。補償回路15a、15bでは、テー
ブル１の移動速度指令値、フィードバックゲイン制御信
号、および速度検出器16、17（タコジェネレータ等）か
らの速度情報を基にサーボモータ7xおよびリニアモータ
3x、4xの各制御量が所定のアナログ演算によって算出さ
れる。この演算値（制御指令）は、それぞれパワーアン
プ18a、18bを介してモータ7x、リニアモータ3x、4xに出
力され、この結果テーブル１を停止させるにあたって
は、モータ7xとリニアモータ3x、4xとが相互に関連付け
られて作動されることになる。なお、第３図に示した制
御系の構成は、あくまでも一例であって、当然ながら第
１実施例によるステージ装置に好適な制御系は上記構成
のみに限られるものではない。
さて、第１図および第２図中には示していないが、送
りネジ6xを用いた駆動機構には送りネジ6xに螺合され、
かつテーブル１に結合されて一体に移動可能なメインナ
ットと、このメインナットと所定の間隔だけ離れて送り
ネジ6xに螺合され、かつ弾性体（板ばね等）を介してメ
インナットに結合されるサブナットとが設けられてい
る。メインナットとサブナットとは相対的に回転しない
ように弾性体によって係止されるとともに、この弾性体
がメインナットとサブナットとの間に送りネジ6xの軸に
沿って一方向に一定の与圧力を与え、送りネジ6xとこれ
に螺合するメインナットとサブナットとの各々の間に一
定の接触力を付与することで、テーブル１の停止時に生
じるテーブル１が戻される現象（バックラッシュ等）が
防止される。従って、テーブル１の停止位置と目標停止
位置との誤差量を補正するにあたって、リニアモータ3
x、4xによりテーブル１に付勢力を与える際、上記弾性
体による付勢方向と特に減速時にテーブル１が受ける慣
性力の方向とに応じて送りネジ6xとこれに螺合するメイ
ンナットとの間にすきま（例えば数μｍ程度）が生じれ
ば、上述したごとく送りネジ6xを軸方向に弾性変形させ
なくとも、テーブル１の精密な位置決めを行うことがで
きる。
この際、メインナットが弾性体から受ける付勢方向と
逆方向にテーブル１が移動すると、テーブル１の停止と
同時に、上記すきま分だけテーブル１が戻される現象
（バックラッシュ等）が生じ得る。しかしながら、この
ような場合も先に述べたようにテーブル１を停止させた
後に、リニアモータ3x、4xによりテーブル１に付勢力を
与えれば、上記現象によるテーブル１の位置決め精度の
低下等を防止できる。あるいは、テーブル１を停止させ
るに際して、リニアモータ3x、4xを用いて上記慣性力を
打ち消すような付勢力をテーブル１に与えても、同様に
位置決め精度の低下を防止できる。
また、上記構成のステージ装置においては、テーブル
１の移動に伴い、直交座標系XYに対してテーブル１が回
転する、いわゆるヨーイングも発生し得る。そこで、例
えば２組のリニアモータをテーブル１の移動方向（Ｘ方
向）に沿ってほぼ平行に所定間隔あけて配置するととも
に、テーブル１のヨーイング量（回転量）を計測可能な
差動干渉計を設ける。そして、この差動干渉計により計
測されたヨーイング量に応じて、制御器10がテーブル１
の停止後、２組のリニアモータの各々に互いに逆方向の
テーブル１に対する付勢力を発生させれば、上記ヨーイ
ング量をほぼ零にすることができ、テーブル１の回転に
伴う２次元的な位置決め誤差の発生も防止できる。
ところで、停止時の振動を極小化するための停止プロ
グラムは、目標停止位置x0までの距離に対応した駆動曲
線をモータ7x、リニアモータ3x、4xそれぞれについて定
めたもので、目標停止位置x0を基準としたテーブル１の
位置ｘに応じてモータ7xとリニアモータ3x、4xの駆動条
件を与える数式として表現される。この数式はテーブル
１に対するモータ7xとリニアモータ3x、4xの作用関数
と、テーブル１の運動方程式とから数学的に求められ
る。実際には、この数式中のいくつかの定数については
実験を繰返して最適化を図ることが望ましい。
第１実施例は、リニアモータ3x、4xの駆動とモータ7x
の駆動とを並列に行わせたもので、以下、これを数式に
より説明する。ここで用いられる各符号は次のとおりで
ある。
テーブルの質量 :m 同 目標停止位置 :x0 同 現在位置 :x 回転軸（送りネジおよびモータ）の慣性モーメント:J
同 ねじりばね定数 :kw 同 ばね定数 :k 同 粘性係数 :C 同 回転量−直線移動量変換係数 :A 同 モータ側回転角度 ：θ１ 同 ナット側回転角度 ：θ２ モータの出力トルク :t リニアモータの推力 :f モータの速度フィードバックゲイン ：λ１ 同 位置フィードバックゲイン ：κ１ リニアモータの速度フィードバックゲイン ：λ２ 同 位置フィードバックゲイン ：κ２ まず、テーブルの運動インピーダンス（粘性と剛性）
を調整するため、モータ出力トルクｔとリニアモータ推
力ｆを次のように設定する。
一方、回転軸の運動方程式は、 また、テーブルの運動方程式は、 また、ｘとθ２の関係から、 kw（θ２−θ１）＝−Ak（Ａθ２−ｘ）…（５） 以上（１）〜（５）の式から、 ただし、定数κ０は次のように定めてある。
（６）、（７）の連立微分方程式からx0を入力、ｘを
出力とするシステムの伝達関数を求めると、 a0＝（κ１＋Ａκ２）Ａκ０ a1＝（κ０＋κ２）（Ｃ＋λ１）＋λ2A2κ０ a2＝（κ０＋κ２）Ｊ＋A2κ0m＋λ２（Ｃ＋λ１） a3＝（Ｃ＋λ１）ｍ＋λ2J a4＝mJ b0＝a0 b1＝κ２（Ｃ＋λ１） b2＝κ2J となる。これらa0〜a4、b1〜b2の各パラメータを以下に
説明する。
a0は、システムの剛性を補償する、モータとリニアモ
ータの位置フィードバックの影響を表わす。
a1は、回転軸系の粘性項と、それを補償するモータの
速度フィードバックと、テーブルの粘性項を補償するリ
ニアモータの速度フィードバックとの和の影響を表わ
す。
a2は、回転軸系とテーブルの慣性項の和と、それを補
償するリニアモータの位置と速度のフィードバックとの
和の影響を表わす。
a3は、テーブルの慣性項と回転軸系の粘性項の積と、
それを補償するリニアモータとモータの速度フィードバ
ックの和の影響を表わす。
a4は、テーブルの慣性項と回転軸系の慣性項の積を表
わす。
b1は、粘性項による位相の遅れを補償する、リニアモ
ータの位置フィードバックの影響を表わす。
b2は、粘性項による位相の遅れを補償する、リニアモ
ータの位置フィードバックの影響を表わす。
従って、a0〜a4、b1〜b2の各パラメータを用いて状態
空間モデルの式を求めると、以下のように表わされる。
ただし、Ｚは状態変数である。
＝Ａ・Ｚ＋Ｂ・x0 …（９） ｘ＝Ｃ・Ｚ …（10） 従って、（４）、（５）式のフィードバックゲインλ
１、λ２、κ１、κ２、を適度に調節することで、各パ
ラメータをテーブル送りに望ましい値に設定することが
できる。これらのフィードバックゲインは固定としても
良いが、最適レギュレータや学習制御等により、ゲイン
を時々刻々と調整することでより高精度な位置決めが可
能となる。
また、第１実施例では、テーブル１のガイド機構とし
てエアベアリングを採用したので従来必要であった潤滑
油の管理が不要であり、摩擦等がないので高速移動が容
易である。
第４図〜第６図は、第１実施例のステージ装置におい
て、（９）、（10）式の空間モデルを用いて、モータ7x
およびリニアモータ3x、4xのフィードバックゲインを変
化させて、テーブル１停止時のｘ方向の振動減衰効果を
調べたものである。ここで、テーブル１は、目標停止位
置x0に10μｍのところまで2mm毎秒の等速度運動を行っ
て、そこからは（１）、（２）式に従ってモータ7xおよ
びリニアモータ3x、4xの運動インピーダンスを調整しな
がら位置フィードバック制御を行う。
第４図は、リニアモータ3x、4xを用いず、モータ7xに
対して位置のフィードバックを行いながら、送りネジ6x
のみでテーブル１を駆動した結果を示す。グラフから残
留振動により、0.01μｍ以内の位置決め誤差に収まるの
に82.5ミリ秒程度かかることが分かる。
第５図は、第４図の条件において、さらにフィードバ
ックゲインを上げた場合の結果を示す。
テーブル１が共振し始めている。このように、テーブ
ル１を非接触に支持して、送りネジ6xのみで駆動した場
合には、剛性と粘性が不十分なためにフィードバックゲ
インを高く採れず、高速、高精度な位置決めが困難であ
ることが分かる。
第６図は、リニアモータ3x、4xによって駆動系の運動
インピーダンスを調整した場合の結果を示している。オ
ーバシュートも無く、11ミリ秒で収束している。このよ
うに、リニアモータが運動インピーダンスを適正にし、
サーボモータ7xに対し、安定な高ゲインのフィードバッ
ク制御を可能にしている。なお、上記実施例では、本発
明をＸ−Ｙステージに適用した場合について述べたが、
直線（一次元）移動する装置であれば、本発明を適用し
て同様の効果を得ることができるのは明らかである。
第１実施例では、ガイド機構をエアベアリング等の非
接触式のものとして、テーブルの運動に対するガイド機
構の影響を排除したが、ニードルベアリング等の接触式
のガイド機構を採用することもできる。この接触式のガ
イド機構を採用した第２実施例について以下説明する。
一般に、接触式のガイド機構においては摩擦が存在す
る。このためテーブルの位置決めには、必ず定常偏差で
ある位置決め誤差が生じ、その大きさは摩擦力に大きく
依存する。この位置決め誤差を小さくするには、制御系
のゲインを大きくするか、誤差に対して積分補償器を入
れる等の対策が必要となる。しかし、位置決め誤差をサ
ブミクロン・オーダーに収めるには、摩擦力に十分勝る
だけの駆動力が必要である反面、接触式のガイド機構で
は粘性が十分でないため、テーブルが振動的になる傾向
がある。従って、ニードルベアリング等の接触式のガイ
ド機構を採用したステージ装置においても、第１実施例
と同様に、送りネジとリニアモータとを相互に関連付け
て制御するようにした効果的な減速プログラムを実行す
ることができる。
第２実施例のステージ装置は、第２図の第１実施例の
ステージ装置の構成において、ガイド機構2Xだけをニー
ドルベアリングを配列した接触式のものに置き替えたも
のであって、詳細な構成の説明は省略する。
第８図〜第10図は、第２実施例のステージ装置におけ
る、テーブルの振動の抑制効果を説明するためのもの
で、目標位置に向ってそれぞれの制御を行った場合の刻
々の速度と位置の変化が示され、第８図は送りネジだけ
を用いて小さなゲインの制御を行った場合の線図、第９
図は送りネジだけを用いて大きなゲインの制御を行った
場合の線図、第10図は送りネジとリニアモータとを相互
に関連付けて駆動した場合の線図である。
第８図に明らかなように、送りネジだけで目標位置に
向って小さなゲインの制御を行った場合には、ガイド機
構の摩擦力が優勢となり、テーブルの運動は振動的とな
らないものの、テーブルが停止したときには0.2μｍの
定常偏差が発生し、ほぼ2mm毎秒の速度から停止に至る
までに30ミリ秒を要している。
第９図に明からなように、送りネジだけで目標位置に
向って大きなゲインの制御を行った場合には、ガイド機
構による摩擦力および減衰力は無いに等しい状態とな
り、テーブルの運動は振動的となり、発振状態を呈して
テーブルがいつまでも停止しない。
第10図に明らかなように、目標位置に向って送りネジ
とリニアモータとを相互に関連付けて駆動した場合、す
なわち送りネジとリニアモータを同時に駆動し、第１実
施例の場合と同様にステージ装置の運動インピーダンス
を適切に調整した場合には、ガイド機構の摩擦力や減衰
力に頼ることなく、送りネジに思い切った大きな駆動力
を与えてもリニアモータが粘性等の運動インピーダンス
を調整するため、非常に早い応答が得られるとともに、
定常偏差もサブミクロン・オーダーに十分収っている。
［発明の効果］ 請求項１〜３に記載された各発明によれば、ガイド機
構の接触式、非接触式を問わず、第２駆動手段、例えば
リニアモータによる加減速が行われるからステージの高
速化を図ることができる。また、テーブルに生じる振動
を抑制することができる。
また、請求項４および請求項５に記載された各発明に
よれば、さらに、テーブルに発生する振動を気にするこ
となく思い切った大きな減速を行うことも可能となる。
これにより、加減速期間および停止後の減衰待ち時間が
短縮され、停止位置の精度も向上する。
また、これら各請求項記載の発明では、第１駆動手段
および第２駆動手段の制御は、例えば、干渉計により求
めた座標値等に応じたもので済み、複雑な振動検出系や
フィードバック系を含まないから、ステージ動作の高速
化が容易であることに加えて、ステージ装置を構成する
部品の点数が減り、組立て構成も簡単で済む。
また、請求項６記載の発明によれば、テーブル構成部
品を増すことなく、微小送りによる偏差Δｘの修正を行
える。従って、テーブル構造は簡単なまま重量も増えな
いから、駆動軸の駆動力に対するテーブル動作の応答
性、および位置決め精度に悪影響がない。すなわち、速
やかな振動減衰を妨げることなく、残った停止位置の誤
差を高精度にしかも不要なステージ振動を発生せずに容
易に補正することができる。
また、請求項７および請求項８に記載された各発明に
よれば、テーブル構成部品を増すことなく、微小回転に
よるヨーイング補正を行える。従って、テーブル構造は
簡単なまま重量も増えないから、駆動軸の駆動力に対す
るテーブル動作の応答性、および位置決め精度に悪影響
がない。すなわち、速やかな振動減衰を妨げることな
く、残った停止位置の誤差を高精度にしかも不要なステ
ージ振動を発生せずに容易に補正することができる。
また、請求項９記載の発明によれば、ガイド機構の不
安定な摩擦力や減衰力に頼ることなく再現性の高い制御
が可能であるから、テーブル停止後の振動抑制を、効率
的かつ信頼性高く行えるという効果も奏する。
また、請求項10記載の発明によれば、テーブル構成部
品を増すことなく、微小送りによる偏差Δｘの修正を行
える。従って、テーブル構造は簡単なまま重量も増えな
いから、駆動軸の駆動力に対するテーブル動作の応答
性、および位置決め精度に悪影響がない。すなわち、速
やかな振動減衰を妨げることなく、残った停止位置の誤
差を高精度にしかも不要なステージ振動を発生せずに容
易に補正することができる。
さらに、請求項11記載の発明では、ステージ装置の高
速化、高精度化により、露光操作時の効率化、高精度が
達成される。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の第１実施例のステージ装置の斜視図
である。 第２図は、本発明の第１実施例のステージ装置のＸテー
ブルの構成を模式的に示した側面図である。 第３図は、本発明の第１実施例のステージ装置の制御系
のブロック図である。 第４図、第５図、第６図は、本発明の第１実施例のステ
ージ装置の動作を説明するための線図である。 第７図は、従来例のステージ装置の構造を示す模式図で
ある。 第８図、第９図、第10図は、本発明の第２実施例のステ
ージ装置の動作を説明するための線図である。 ［主要部分の符号の説明］ １……テーブル 2x、2y……エアベアリング 3x、3y……リニアモータの固定子 4x、4y……リニアモータの可動子 5x、5y……基盤 6x、6y……送りネジ 7x、7y……モータ 8x、8y……干渉計 9x、9y……反射器（平面鏡） 10……制御器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G12B 5/00 G01B 21/00 - 21/32 H01L 21/68 H01L 21/30

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】テーブルと、 前記テーブルに駆動力を与えて該テーブルを所定方向に
    駆動する第１駆動手段と、 前記第１駆動手段により前記テーブルを加速または減速
    の少なくともいずれか一方を行う際に、前記テーブルに
    駆動力を与えるための第２駆動手段とを備え、 前記第１駆動手段と前記第２駆動手段は、互いに並列に
    前記テーブルに駆動力を与えることを特徴とするステー
    ジ装置。
  2. 【請求項２】前記テーブルの前記所定方向の位置を測定
    する位置計測手段を有することを特徴とする請求項１に
    記載のステージ装置。
  3. 【請求項３】前記第２駆動手段がリニアモータであるこ
    とを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
  4. 【請求項４】前記第２駆動手段がテーブルに駆動力を与
    えることにより、前記テーブルの停止時に生じる振動を
    抑制することを特徴とする請求項１に記載のステージ装
    置。
  5. 【請求項５】前記第１駆動手段が前記テーブルを減速さ
    せる最中に、前記第２駆動手段により前記テーブルに駆
    動力を与えることを特徴とする請求項１に記載のステー
    ジ装置。
  6. 【請求項６】前記第１駆動手段が前記駆動を停止した後
    に、前記第２駆動手段により前記テーブルに駆動力を与
    えることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
  7. 【請求項７】前記テーブルの前記所定方向を含む平面内
    で回転する回転量を計測する回転量計測手段を有し、 前記第２駆動手段が、前記テーブルに生じる前記回転量
    に前記駆動力を与えることを特徴とする請求項１に記載
    のステージ装置。
  8. 【請求項８】前記第２駆動手段は前記所定方向に沿って
    ほぼ平行に所定間隔をあけて配置された二組のリニアモ
    ータを有することを特徴とする請求項７に記載のステー
    ジ装置。
  9. 【請求項９】前記テーブルは非接触式のガイド機構を有
    することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか
    一項に記載のステージ装置。
  10. 【請求項１０】半導体露光装置において、 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載のステ
    ージ装置を備えることを特徴とする半導体製造装置。
  11. 【請求項１１】テーブルと、 前記テーブルに第１の駆動力を与えて該テーブルを所定
    方向に駆動する第１駆動手段と、 前記テーブルの位置を測定する位置計測手段と、 前記テーブルに対し、前記第１駆動手段による第１の駆
    動力と並列に第２の駆動力を与える第２駆動手段とを備
    え、 前記第２駆動手段が、前記第１駆動手段が前記駆動を停
    止した後に、前記位置計測手段の計測結果に基づいて前
    記テーブルに前記第２の駆動力を与えることで該ステー
    ジを目標位置に位置決めすることを特徴とするステージ
    装置。
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