JP4594841B2 - ステージ装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明はステージ装置及びその制御方法に係り、特に第１ステージが第２ステージを処理領域以外で搬送するように動作する過程と、処理位置に到着した第２ステージを第１ステージに対して移動させるよう構成されたステージ装置及びその制御方法に関する。

例えば、光学処理用マスク等を保持して移動させるステージ装置として、定盤上に設けられた一対のリニアモータにより駆動される粗動ステージと、粗動ステージに搭載された微動ステージと、センサにより微動ステージの位置を検出してボイスコイルモータにより微動ステージを移動させるように構成されたステージ装置がある（例えば、特許文献１参照）。

このステージ装置では、定盤上に設けられた一対のリニアモータが粗動ステージをＹ方向に移動させ、粗動ステージの中央に設けられた微動ステージを粗動ステージ上に取り付けられたボイスコイルモータによって微小距離移動させるように構成されている。
特開２００１−１０２２７９号公報

上記従来のステージ装置では、微動ステージ及びボイスコイルモータが粗動ステージ上に搭載されているので、粗動ステージの誤差や反力が微動ステージの位置制御に影響するため、微動ステージを高精度に微動制御することが難しかった。また、粗動ステージの応答特性が微動ステージに影響するため、微動ステージの位置が決まるまでに時間がかかり、位置制御時の応答性が悪いという問題があった。さらには微動ステージを粗動ステージに重ねることでステージの重心が高くなり、その分微動ステージの位置を精密に制御する際に安定性の面で劣るという問題もあった。

そこで、本発明は上記課題を解決したステージ装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。

請求項１記載の発明は、ベースと、
該ベース上に移動可能に設けられた第１ステージと、
該第１ステージの位置を計測する第１計測手段と、
前記第１ステージを駆動する第１駆動手段と、
前記ベース上を前記第１ステージと共に移動するように設けられた第２ステージと、
該第２ステージの位置を計測する第２計測手段と、
前記第１ステージに対して前記第２ステージを他方向に駆動する第２駆動手段と、
前記第１駆動手段により前記第１ステージを移動させる際、前記第１ステージに対する前記第２ステージのＸ、Ｙ方向の移動を制限する移動制限手段と、
前記第１ステージを移動させる粗動制御を行なう場合、前記第２駆動手段の吸引力により前記第２ステージを前記移動制限手段に当接させた状態に保持すると共に、前記第１計測手段により計測された位置データに基づいて前記第１駆動手段を駆動し、前記第２ステージを微動させる微動制御を行なう場合、前記第２駆動手段による保持を解除すると共に前記第２計測手段により計測された位置データに基づいて前記第２駆動手段を駆動する制御手段と、
を有することを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、前記第１駆動手段が、前記第１ステージを粗動させるリニアモータであり、前記第２駆動手段が、前記第２ステージを微動させるボイスコイルモータであることを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、前記第２駆動手段が、前記第２ステージを一方向に駆動する第１ボイスコイルモータと、前記第２ステージを他方向に駆動する第２ボイスコイルモータと、前記第２ステージを回動方向に駆動する第３ボイスコイルモータとを有することを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、前記第２ステージが、前記ベース上に空気層を介して浮上する静圧パッドにより摺動可能に支持されたことを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、前記第１計測手段が、リニアスケールであり、前記第２計測手段が、レーザ干渉計であることを特徴とするものである。

請求項６記載の発明は、前記移動制限手段が、前記第１ステージまたは前記第２ステージに設けられ、前記第１ステージと前記第２ステージとの近接方向の相対位置を制限するように当接する位置決め部材であることを特徴とするものである。

請求項７記載の発明は、前記第２ステージが、前記第１ステージと同一平面に位置するように設けられたことを特徴とするものである。

請求項８記載の発明は、前記移動制限手段が、前記第２駆動手段と同一平面に位置するように設けられたことを特徴とするものである。

請求項９記載の発明は、前記制御手段が、前記第２ステージが前記第１ステージの移動と共に処理位置を外れるときには、前記第２ステージを前記移動制限手段により移動制限した状態に保持することを特徴とするものである。

請求項１０記載の発明は、前記制御手段が、前記第１ステージの加速度に合わせて前記第２駆動手段に所定推力を発生させることを特徴とするものである。

請求項１１記載の発明は、前記制御手段が、前記第１計測手段の計測結果に基づいて前記第１ステージの加速度を求めることを特徴とするものである。

請求項１２記載の発明は、前記制御手段が、前記第２計測手段による計測開始と計測停止との切り替えを前記第１計測手段の基準位置で行うことを特徴とするものである。

請求項１３記載の発明は、前記制御手段が、前記第１、第２ステージが処理位置を外れた位置を移動するときには前記第１計測手段により計測された位置データに基づいて前記第１、第２駆動手段を駆動し、前記第１、第２ステージが前記処理位置に停止したときには前記第２計測手段により計測された位置データに基づいて前記第２駆動手段を駆動することを特徴とするものである。

請求項１４記載の発明は、前記制御手段が、前記第２ステージが前記第１ステージの移動と共に処理位置を外れるときには、前記第２ステージを前記移動制限手段により移動制限した状態で前記第２計測手段をリセットすることを特徴とするものである。

請求項１５記載の発明は、ベースと、
該ベース上に移動可能に設けられた第１ステージと、
該第１ステージの位置を計測する第１計測手段と、
前記第１ステージを駆動する第１駆動手段と、
前記ベース上を前記第１ステージと共に移動するように設けられた第２ステージと、
該第２ステージの位置を計測する第２計測手段と、
前記第１ステージに対して前記第２ステージを他方向に駆動する第２駆動手段と、
前記第１駆動手段により前記第１ステージを移動させる際、前記第１ステージに対する前記第２ステージのＸ、Ｙ方向の移動を制限する移動制限手段と、
を有するステージ装置の制御方法であって、
前記第２ステージが処理位置を外れるときには、前記第２ステージを前記第２駆動手段の吸引力により前記移動制限手段に当接させて前記第２ステージを移動制限した状態を維持し、前記第２ステージが前記処理位置にあるときには、前記第２ステージを前記移動制限手段から離間させ制限を解除した状態に切り替えるように前記第２駆動手段を制御することを特徴とするものである。

本発明によれば、同一のベース上に第１ステージ及び第２ステージを移動可能に設け、第１ステージを移動させる粗動制御を行なう場合、第２駆動手段の吸引力により第２ステージを移動制限手段に当接させた状態に保持すると共に、第１計測手段により計測された位置データに基づいて第１駆動手段を駆動し、第２ステージを微動させる微動制御を行なう場合、第２計測手段により計測された位置データに基づいて第２駆動手段を駆動する構成であるので、微動制御時に第１ステージの誤差が第２ステージに影響せず、第２ステージを第１ステージに搭載するものよりも第２ステージの位置制御をより高精度に行うことができ、位置制御時の応答性をより向上させることができる。また、第１ステージ及び第２ステージが測定系を同一ベース基準に設けているため、第２ステージを第１ステージに搭載するものと比べて、積み上げ誤差が発生しないため、位置精度を向上することが可能になる。

さらに、第１駆動手段により第１ステージを移動させる際、あるいは第２ステージを第１ステージと共に移動させる際に位置指令の軌道生成を同一にすることにより、第１ステージと第２ステージが接触することを防止することができる。

また、本発明によれば、第１駆動手段が第１ステージを粗動させるリニアモータであり、第２駆動手段が第２ステージを微動させるボイスコイルモータであるため、第１ステージを第２ステージと共に粗動させて移動距離を延ばすことができ、且つボイスコイルモータにより第２ステージを微動させて精密な位置制御が可能になる。

また、本発明によれば、第２ステージがベース上に空気層を介して浮上する静圧パッドにより摺動可能に支持されたため、比較的小さな力で第２ステージを移動させることができ、第２駆動手段の負担を軽減できると共に、粗動ステージで発生した振動が微動ステージへ伝達することを防止することが可能になる。

また、本発明によれば、第１ステージの粗動位置をリニアスケールにより計測し、第２ステージの微動位置をレーザ干渉計により計測するため、各ステージの位置制御に適した精度を有する計測手段を用いて計測することが可能になる。

また、本発明によれば、移動制限手段が第１ステージと前記第２ステージとの近接方向の相対位置を制限するように当接する位置決め部材からなるため、第２ステージが第１ステージや第２駆動手段に接触することを防止できる。

また、本発明によれば、前記第２ステージが第１ステージと同一平面に位置するため、重心位置を下げることができ、その分ステージの移動が安定する。

また、本発明によれば、第２ステージが第１ステージの移動と共に処理位置を外れるときには、第２ステージを移動制限手段により移動制限した状態に保持するため、第２ステージをレーザ干渉計で計測する必要がなくなり、ミラーの長さを短くすることが可能になる。

また、本発明によれば、第１ステージの加速度に合わせて第２駆動手段に所定推力を発生させるため、ボイスコイルモータに流す電流を必要最小限にできるため、モータ発熱量を最小限に抑えることが可能になる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は本発明によるステージ装置の実施例１を示す斜視図である。図２は図１に示すステージ装置の平面図である。図３は図１に示すステージ装置の背面図である。

図１乃至図３に示されるように、ステージ装置１０は、平板状に形成されたベース１２と、ベース１２上に移動可能に設けられた粗動ステージ（第１ステージ）１４と、粗動ステージ１４の位置を計測するＹ方向リニアスケール（第１計測手段）１６と、粗動ステージ１４を駆動するＹ方向リニアモータ（第１駆動手段）１８と、ベース１２上を粗動ステージ１４と共に移動するように設けられた微動ステージ（第２ステージ）２０と、微動ステージ２０の位置を計測するレーザ干渉計（第２計測手段）２１〜２３と、粗動ステージ１４に対して微動ステージ２０を他方向に駆動するボイスコイルモータ（第２駆動手段）２４〜２６とを有する。

また、ステージ装置１０は、粗動ステージ１４を処理領域（マスク交換領域を含む）以外へ移動させる際、粗動ステージ１４に対する微動ステージ２０のＸ，Ｙ方向の移動を制限する移動制限部（移動制限手段）２８，２９と、Ｙ方向リニアスケール１６により計測された位置データに基づいてＹ方向リニアモータ１８を駆動し、レーザ干渉計２１〜２３により計測された位置データに基づいてボイスコイルモータ２４〜２６を駆動する制御装置３０とを有する。

ベース１２の上面には、Ｙ方向リニアスケール１６と、Ｙ方向リニアモータ１８のヨーク３２と、粗動ステージ１４のＹ方向への移動をガイドする一対のリニアガイド３４が設けられている。尚、粗動ステージ１４の駆動手段としては、上記Ｙ方向リニアモータ１８の代わりに別の駆動手段（例えば、ボールねじ機構など）を用いるようにしても良い。また、上記リニアガイド３４の代わりに低摩擦で粗動ステージ１４の摺動動作をガイドする別のガイド手段（例えば、静圧パッドなど）を用いても良い。

粗動ステージ１４は、ベース１２上のリニアガイド３４にガイドされて光学的な処理を行う処理位置（複数の加工位置の一つ）とアライメント位置及びワーク交換位置との間を移動するのに充分なストロークで移動するように設けられている。また、粗動ステージ１４は、上方からみると略Ｌ字状に形成されており、Ｙ方向に延在するＹ方向腕部１４ａと、Ｘ方向に延在するＸ方向腕部１４ｂとを有する。粗動ステージ１４の両端に位置するＹ方向腕部１４ａの下面及びＸ方向腕部１４ｂの端部の下面には、リニアガイド３４を摺動する摺動部３６が設けられている。

さらに、Ｘ方向腕部１４ｂの下面中央には、Ｙ方向リニアスケール１６のリニアエンコーダ４０と、Ｙ方向リニアモータ１８のコイル４２とを支持する支持部４４が設けられている。本実施例では、コイル４２が可動側に配置される構成例を一例として説明するが、コイル４２を固定側（ベース１２側）に設ける構成としても良い。

微動ステージ２０は、ヨーガイドされずにベース１２上を移動可能に設けられており、後述するようにＸ方向、Ｙ方向、θ方向の各方向への位置制御を高速応答及び高精度に行える。また、微動ステージ２０の右端凹部２０ａには、Ｘ方向位置を計測するためのＸミラー４６が設けられている。また、微動ステージ２０のＹ方向の後端凹部２０ｂ，２０ｃには、Ｙ方向位置を計測するための一対のＹ１、Ｙ２ミラー４７，４８が設けられている。このＸミラー４６は、Ｙ方向に延在形成されており、微動ステージ２０が処理位置に到着して微動制御する際のＸ方向位置を検出するためのものであり、微動動作範囲をカバーする長さを有している。従って、Ｘミラー４６は、粗動ステージ１４が粗動する動作範囲をカバーしていないので、その分全長が短く形成されている。また、本実施例では、粗動ステージ１４及び微動ステージ２０が測定系としてのＸミラー４６及びＹ１、Ｙ２ミラー４７，４８を同一ベース基準に設けているため、微動ステージを粗動ステージに搭載するものと比べて、積み上げ誤差が発生しないため、位置精度を向上することが可能になる。

そして、ベース１２上の後方側部には、Ｘミラー４６にレーザ光を照射するＸ方向レーザ干渉計２１が設けられている。さらに、ベース１２上の後部には、Ｙ１、Ｙ２ミラー４７，４８にレーザ光を照射するＹ方向レーザ干渉計２２，２３が設けられている。Ｘ方向レーザ干渉計２１及びＹ方向レーザ干渉計２２，２３は、Ｘミラー４６及びＹ１、Ｙ２ミラー４７，４８にレーザ光を照射し、その反射光を検出して微動ステージ２０との距離を計測する。

図４に拡大して示すように、Ｙ方向腕部１４ａの上面凹部１４ｃには、微動ステージ２０をＸ方向に駆動するＸ方向用のボイスコイルモータ２４が設けられ、Ｘ方向腕部１４ｂの上面凹部１４ｄには微動ステージ２０をＹ方向に駆動するＹ方向用のボイスコイルモータ２５，２６が設けられている。従って、ボイスコイルモータ２４〜２６は、微動ステージ２０の側面と対向するように同一高さ位置に取り付けられているため、微動ステージ２０の側面を直接駆動することができると共に、粗動ステージ１４の上面に突出しないため、薄型化にも対応するように構成されている。

ボイスコイルモータ２４〜２６は、夫々同一構成であり、粗動ステージ１４に固定されたヨーク２４ａ〜２６ａと、微動ステージ２０の側面に固定されたコイル２４ｂ〜２６ｂとから構成されている。本実施例では、固定側のヨーク２４ａ〜２６ａに対して可動側のコイル２４ｂ〜２６ｂが移動可能に嵌合されている。なお、ヨーク２４ａ〜２６ａを可動側に設け、コイル２４ｂ〜２６ｂを固定側に設ける構成としても良いのは勿論である。

また、ボイスコイルモータ２４〜２６は、コイル２４ｂ〜２６ｂに通電される電流が制御されることでヨーク２４ａ〜２６ａに保持された永久磁石（図示せず）に対して吸引力または反発力を発生させる。すなわち、ボイスコイルモータ２４〜２６は、ヨーク２４ａ〜２６ａとコイル２４ｂ〜２６ｂとが非接触であるので、粗動ステージ１４の振動が直接的に微動ステージ２０に伝達されず、微動ステージ２０を駆動する際に駆動力を発生させるように設けられている。

また、一対のボイスコイルモータ２５，２６は、所定距離離間しており、互いに同一方向（Ｙ方向）の力を発生させる駆動手段、及び、互いに逆方向の力を発生して微動ステージ２０をθ方向に回動させるための駆動手段としても機能する。

また、ボイスコイルモータ２４〜２６によれば高速応答および高精度位置決めが可能であるが、動作ストロークが短いという問題がある。しかしながら、本実施例によれば、粗動ステージ１４と微動ステージ２０とが同じ目標位置（処理位置）に位置決めされるため、それぞれに取り付けられたボイスコイルモータ２４〜２６のヨークとコイルとの位置偏差は、最大でも粗動ステージ１４の位置決め誤差と微動ステージ２０の位置決め誤差を足したものとなる。

この誤差の合計値はボイスコイルモータ２４〜２６の駆動ストロークに対して十分小さいため、誤差に比較して長いストロークでボイスコイルモータ２４〜２６による位置決めが充分可能となる。また、ステージ移動において、粗動ステージ１４、及び微動ステージ２０の最大加速度を上回らないような指令パターンを生成することにより、常に微動ステージ２０をボイスコイルモータ２４〜２６の駆動ストロークの範囲内に保つことができる。

Ｘ方向の移動制限部２８は、微動ステージ２０のＸ方向の位置を制限するＸ方向位置決めピン（位置決め部材）５０を有し、Ｙ方向の移動制限部２９は、微動ステージ２０のＹ方向の位置を制限する一対のＹ方向位置決めピン（位置決め部材）５１，５２を有する。Ｘ方向位置決めピン５０は、Ｙ方向腕部１４ａの上面凹部１４eに設けられ、Ｙ方向位置決めピン５１，５２は、Ｘ方向腕部１４ｂの上面凹部１４fに設けられている。

また、図４に示されるように、Ｙ方向の位置決めピン５１，５２は、夫々、微動ステージ２０の側面、前面と同一高さ位置に設けられており、Ｌ字状ブラケット５４から水平方向に突出するように螺入され、突出長さを調整することで微動ステージ２０の側面及び前面との当接位置（移動制限位置）を調整できるように取り付けられている。また、Ｘ方向の位置決めピン５０も上記位置決めピン５１，５２と同様にＬ字状ブラケット５４から水平方向に突出するように螺入されている。

微動ステージ２０は、上方からみるとほぼ四角形状の枠体に形成されており、その中央部には、例えば、アニール処理などの光学処理用マスク等を保持するための開口２０ｄが設けられている。そして、微動ステージ２０の底部には、図３に示されるように、ベース１２の上面に対して空気層を介して浮上する静圧パッド５６が複数個（本実施例では、３〜４個）設けられている。この静圧パッド５６は、リニアガイド３４，３５及びＹ方向リニアスケール１６、Ｙ方向リニアモータ１８のヨーク３２と接触しないように配置されており、且つ微動ステージ２０の上面が粗動ステージ１４の上面と同一平面となる高さ位置に微動ステージ２０を支持している。

このように、微動ステージ２０は、粗動ステージ１４上に搭載されているのではなく、ベース１２の上面から粗動ステージ１４と同じ高さ位置に支持されているので、重心位置が低くなっており、移動時の安定性がより高められている。これにより、粗動ステージ１４及び微動ステージ２０を移動させる際の移動制御がより高精度に行える。

また、粗動ステージ１４の粗動動作による誤差と反力が微動ステージ２０に影響しないので、微動ステージ２０の位置制御をより精密に制御することが可能になり、位置制御時の応答性が高められている。

図５は処理位置で微動制御する微動ステージ２０の状態を拡大して示す平面図である。図５に示されるように、微動ステージ２０が処理位置にあり、且つ粗動ステージ１４が停止しているときの微動ステージ２０は、位置決めピン５０〜５２から離間した移動可能状態になっている。そして、所定の処理位置に到着した微動ステージ２０は、ボイスコイルモータ２４〜２６に駆動されて微動制御される。

図６は粗動動作させる際の微動ステージ２０の保持状態を拡大して示す平面図である。図６に示されるように、微動ステージ２０を処理位置外に移動させるため、粗動ステージ１４を移動させる際の微動ステージ２０は、ボイスコイルモータ２４〜２６の駆動力により位置決めピン５０〜５２に当接した移動制限状態に保持されている。

このように、粗動ステージ１４には、微動ステージ２０の動作を制限するための位置決めピン５０〜５２が合計３箇所に設けられている。各位置決めピン５０〜５２は、微動ステージ２０を押し当てることで、粗動ステージ１４に対する微動ステージ２０のＸ方向、Ｙ方向、θ方向の相対位置を決定することができ、少なくとも３個所以上必要である。また、各位置決めピン５０〜５２は、微動ステージ２０に対する摩擦を軽減するために先端が曲率の小さい球面形状に形成されている。また、位置決めピン５０〜５２の先端は、摩擦係数が小さい低摩擦材料を用いるか、あるいは転動可能なローラなどの回転体を設ける構成としても良い。

ここで、ステージ装置１０の制御系について説明する。図７は微動ステージ２０が移動するときの制御系を示すブロック図である。図８は微動ステージ２０が保持状態のときの制御系を示すブロック図である。

図７に示されるように、制御装置３０は、粗動ステージ１４及び微動ステージ２０の動作位置を出力する位置指令部６０と、粗動ステージコントローラ７０と、微動ステージコントローラ８０とを有する。

位置指令部６０は、粗動ステージ１４及び微動ステージ２０の動作位置が予め設定された位置指令出力部６２と、位置指令出力部６２から出力された位置データに基づいて軌道データを生成する軌道データ生成部６４とを有する。

粗動ステージコントローラ７０は、軌道データ生成部６４から出力された指令信号から高周波成分を除去するローパスフィルタ（ＬＰＦ）７２と、ローパスフィルタ７２から出力された信号の分解能を補正する分解能補正部７４と、分解能補正部７４で分解能を補正された信号とリニアエンコーダ４０により検出された信号に基づいてＹ方向リニアモータ１８への制御信号を生成する粗動用ＰＩＤ制御部７６とを有する。

微動ステージコントローラ８０は、軌道データ生成部６４から出力された指令信号とレーザ干渉計２１〜２３から得られた計測信号に基づいてボイスコイルモータ２４〜２６への制御信号を生成する微動用ＰＩＤ制御部８２を有する。

まず、粗動ステージ１４、微動ステージ２０が夫々制御されて移動するときの制御について説明する。図７に示されるように、微動ステージ２０が移動するときは、位置指令出力部６２からの位置データは、各方向毎のＸ，Ｙ，θ方向軌道データ生成部６４ａ〜６４ｃで各方向のＸ，Ｙ，θ軌道データに変換される。そして、Ｙ軌道データは、ローパスフィルタ７２及び分解能補正部７４を介して粗動用ＰＩＤ制御部７６のＹ方向フィードバック制御部７６ａに入力される。そして、粗動用ＰＩＤ制御部７６のＹ方向電流制御部７６ｂからＹ方向リニアモータ１８へ供給される電流がＹ制御信号として出力される。

また、Ｘ，Ｙ，θ方向軌道データ生成部６４ａ〜６４ｃで生成されたＸ，Ｙ，θ軌道データは、微動用ＰＩＤ制御部８２のＸ，Ｙ，θ方向フィードバック制御部８２ａ〜８２ｃに入力される。そして、微動用ＰＩＤ制御部８２のＸ，Ｙ，θ方向電流制御部８２ｄ〜８２ｆからボイスコイルモータ２４〜２６へ供給される電流が制御信号として出力される。

尚、Ｘ，Ｙ，θ方向フィードバック制御部８２ａ〜８２ｃには、レーザ干渉計２１〜２３により計測されたＸ，Ｙ，θ位置データが座標変換部８４で座標変換されてフィードバック信号として供給される。また、Ｙ軌道データは、粗動ステージ１４の位置に応じた原点オフセット量によって補正されており、この補正値がＹ方向フィードバック制御部８２ｂに入力される。

Ｘ，Ｙ，θ方向フィードバック制御部８２ａ〜８２ｃでは、Ｘ，Ｙ，θ軌道データと座標変換部８４から出力されたフィードバック信号とに基づいてＸ，Ｙ，θ制御信号を生成し、このＸ，Ｙ，θ制御信号に応じた電流が電流制御部８２ｇよりボイスコイルモータ２４〜２６へ供給される。これにより、微動ステージ２０は、位置指令出力部６２によって指定された位置に移動する。

次に、微動ステージ２０が移動制限され、粗動ステージ１４と一体となって移動するときの制御について説明する。微動ステージ２０が停止するときは、図８に示す制御系に切り替えられる。図８に示されるように、軌道データ生成部６４で生成されたＹ軌道データは、微動ステージ保持推力演算部８６に入力される。微動ステージ保持推力演算部８６では、Ｙ方向電流制御部８２ｄ〜８２ｆに対して微動ステージ２０を粗動ステージ１４に保持するように制御信号を出力する。これにより、ボイスコイルモータ２４〜２６は、微動ステージ２０を粗動ステージ１４のＹ方向腕部１４ａ、Ｘ方向腕部１４ｂに保持されるように吸引力を発生させる。よって、微動ステージ２０は、ボイスコイルモータ２４〜２６から発生された力により位置決めピン５０〜５２に当接し、Ｘ，Ｙ方向の移動を制限された状態に保持される。

図９（ａ）〜（ｇ）はステージ制御に係る各信号の変化の一例を示すタイミングチャートであり、（ａ）は粗動ステージ１４及び移動制限されて一体となった微動ステージ２０の動作パターンを示す波形図、（ｂ）は粗動ステージ１４及び微動ステージ２０の速度変化を示す波形図、（ｃ）は粗動ステージ１４及び微動ステージ２０の加速度変化を示す波形図、（ｄ）は粗動ステージ１４の推力パターンを示す波形図、（ｅ）はボイスコイルモータ２５の推力パターンを示す波形図、（ｆ）はボイスコイルモータ２６の推力パターンを示す波形図、（ｇ）はボイスコイルモータ２４の推力パターンを示す波形図である。

例えば、図９（ａ）に示す動作パターンで粗動ステージ１４をＹ方向に移動させる場合、粗動ステージ１４及び微動ステージ２０は、Ｔ１〜Ｔ２の間で加速し、Ｔ２〜Ｔ３の間は一定速度で移動し、Ｔ３〜Ｔ４の間で減速される（図９（ｂ）参照）。そして、粗動ステージ１４及び微動ステージ２０の速度変化から＋加速度信号G１と−加速度信号G２とが生成され加減速する（図９（ｃ）参照）。これに基づいてＹ方向リニアモータ１８は、Ｔ１〜Ｔ２の間で加速のための推力＋Ｓ１を発生し、Ｔ３〜Ｔ４の間で減速のための推力−Ｓ２を発生する（図９（ｄ）参照）。

一方、微動ステージ２０を駆動するボイスコイルモータ２４〜２６は、微動ステージ２０が粗動ステージ１４に押し当てた状態が維持できるような保持力を発生させる。すなわち、粗動ステージ１４が加速する場合には、粗動ステージ１４で発生する加速度からＹ方向のボイスコイルモータ２５，２６の推力を決定し、この推力に外乱補償分の一定推力をボイスコイルモータ２４〜２６に加算させて保持力を強化することで粗動ステージ１４の加速動作に微動ステージ２０を追従させることが可能になる（図９（ｅ）（ｆ）参照）。

また、本実施例では、粗動ステージ１４がＹ方向にのみ移動する構成であるので、Ｘ方向ボイスコイルモータ２４の推力は外乱補償分のみ一定に保たれている（図９（ｇ）参照）。このように、ボイスコイルモータ２４〜２６に流す電流を必要最小限にできるため、モータ発熱量を最小限に抑えることが可能になる。

ここで、上記のように構成された制御装置３０が実行する制御手順について、図１０のフローチャートを参照して説明する。

図１０に示されるように、制御装置３０は、Ｓ１１で電源スイッチがオンに操作されると、Ｓ１２に進み、初期化処理を行う。この初期化処理では、図８に示す制御方式２により、ボイスコイルモータ２４〜２６を小さな駆動電流で駆動して微動ステージ２０をゆっくりとした速度で位置決めピン５０〜５２に押し当てる。この後、ボイスコイルモータ２４〜２６の推力を徐々に大きくすることで微動ステージ２０と位置決めピン５０〜５２との接触による衝撃を軽減することができる。

次にＹ方向リニアモータ１８の磁極検知を行なう。このとき粗動ステージ１４が動作することがあるが、微動ステージ２０が位置決めピン５０〜５２から離れないように、ボイスコイルモータ２４〜２６で発生させている推力の大きさを調整する。

次に、粗動ステージ１４の原点リセットを行なう。これにより、粗動ステージ１４の原点位置の座標データが更新される。

図８に示す制御方式２によりＹ方向リニアモータ１８を駆動して粗動ステージ１４を処理領域（レーザ干渉計２１〜２３によるフィードバック制御が可能な領域）へ移動させる。粗動ステージ１４は、Ｙ方向リニアモータ１８により駆動されながらＹ方向リニアスケール１６による位置計測を行なうことによるフィードバック制御でＹ方向の位置決めがされる。このとき微動ステージ２０は、ボイスコイルモータ２４〜２６の推力と位置決めピン５０〜５２で移動制限され、粗動ステージ１４と一体となり移動する。すなわち、微動ステージ２０は、ボイスコイルモータ２４〜２６により駆動され、位置決めピン５０〜５２に押し当てた状態で保持される。

このとき、微動ステージ２０を位置決めピン５０〜５２に押し当てるためにボイスコイルモータ２４〜２６に必要とされる推力を発生させるようにボイスコイルモータ２４〜２６への電流を制御する。この制御方法としては、例えば、粗動ステージ１４の最大加速度を微動ステージ２０で実現するために必要な推力に外乱補償分を加算した値を発生続ける方法がある。また、ボイスコイルモータ２４〜２６による推力を必要最小限に抑えることで、ボイスコイルモータ２４〜２６への印加電流による発熱が低減され、精度劣化を抑えることが可能になる。

ステージの指令パターンからその動作に必要とされる推力を決定する方法として、以下のような方法が行われる。
（１）ステージの動作パターンを決定する（図９（ａ）参照）。
（２）ステージの加速度から各ボイスコイルモータ２４〜２６に必要な推力を算出する（図９（ｄ）参照）。
（３）加速により微動ステージ２０が位置決めピン５０〜５２に押される方向では、必要な推力をOとする（図９（ｅ）（ｆ）参照）。
（４）外乱補償分を加算する（図９（ｅ）（ｆ）参照）。

この微動ステージ２０を位置決めピン５０〜５２に押し当てた保持状態では、外乱などにより微動ステージ２０が制御不能になる心配がないため、より大きな速度、加速度で粗動ステージ１４を動作することが可能になる。尚、本実施例では、微動ステージ２０をロックするための保持ブレーキのような専用の構造物は必要ない。また、レーザ干渉計２１〜２３による計測は、必要に応じて実施してもよい。

次のＳ１４では、レーザ干渉計２１〜２３のリセットを行う。このＳ１４では、微動ステージ２０が回動してレーザ干渉計２１〜２３の測定許容範囲を超えてしまう場合があるので、動作させる前にレーザ干渉計２１〜２３のリセットにより微動ステージ２０の計測値をリセットする。

微動ステージ２０の計測値の再現性を向上する方法としては、決められたリセット位置に粗動ステージ１４の位置決めを行った状態でボイスコイルモータ２４〜２６の駆動力を一定にして微動ステージ２０と位置決めピン５０〜５２の押しあて力が一定になった状態でリセットを行うとより原点位置の精度を高められる。また、処理の前にアライメントをすることにより、レーザ干渉計２１〜２３のリセットによる微動ステージ２０の計測値の再現性が処理精度に影響しないようにすることもできる。

次のＳ１５では、図８に示す制御方式２から図７に示す制御方式１へ切り替えを行なうことで、微動ステージ２０は、ボイスコイルモータ２４〜２６により駆動されながらレーザ干渉計２１〜２３を用いた位置計測を行なうことによるフィードバック制御でＸＹθ方向の位置決めがされる。

次に図７に示す制御方式１により、ボイスコイルモータ２４〜２６を駆動して粗動ステージ１４により処理領域に搬送された微動ステージ２０を所定の位置へ微動させるための位置制御を開始する。この処理領域では、ボイスコイルモータ２４〜２６の駆動による高速応答、高精度位置決めが要求される。

すなわち、粗動ステージ１４を高速で移動させる粗動制御では、粗動ステージ１４がリニアモータ１８により駆動され、リニアスケール１６からの位置計測データに基づくフィードバック制御でＹ方向の位置決めを行う。その後、微動制御では、微動ステージ２０がボイスコイルモータ２４〜２６により駆動され、レーザ干渉計２１〜２３によって計測された位置計測データに基づくフィードバック制御でＸＹθの位置決めを行う。

このとき、Ｘ軸，θ軸への位置指令は、微動ステージコントローラ８０のみに入力され、Ｙ軸への指令値は、粗動ステージコントローラ７０及び微動ステージコントローラ８０に入力される。粗動ステージコントローラ７０及び微動ステージコントローラ８０は、それぞれの位置指令に対してフィードバック制御により位置決めを行う。

そして、Ｓ１６で微動ステージ２０が所定の処理位置に停止し、Ｓ１７において、光学的な処理が終了したかどうかを確認する。光学的な処理が終了すると、Ｓ１８で予め設定された全ての処理位置が終了したかどうかを確認する。Ｓ１８において、予め設定された全ての処理位置が終了していないときは、Ｓ１９に進み、次の処理位置の座標データを読み込み、上記Ｓ１４〜Ｓ１８の処理を繰り返す。

また、上記Ｓ１８において、予め設定された全ての処理位置が終了したときは、Ｓ２０に進み、光学処理用マスク交換の要求があるかどうかを確認する。Ｓ２０において、マスク交換の要求がないときは、Ｓ２１に進み、ワーク交換が終了したかどうかを確認する。Ｓ２１において、ワーク交換が終了した場合には、上記Ｓ１４に戻り、Ｓ１４以降の処理を実行する。

このようにマスク交換位置へ移動させる場合には、図７に示す制御方式１から図８に示す制御方式２に切り替える。

次のＳ２２では、上記Ｓ１３と同様にＹ方向リニアモータ１８の駆動力により粗動ステージ１４をマスク交換位置へ移動させる。このとき微動ステージ２０は、ボイスコイルモータ２４〜２６の推力と位置決めピン５０〜５２で移動制限され、粗動ステージ１４と一体となり移動する。

次のＳ２３では、マスク交換が終了したかどうかを確認する。Ｓ２３において、マスク交換が終了した場合には、Ｓ２４に進み、電源スイッチがオフに操作されたかどうかを確認する。Ｓ２４において、電源スイッチがオンの場合には、Ｓ１３に戻り、Ｓ１３以降の処理を実行する。

進み、ワーク交換が終了したかどうかを確認する。Ｓ２１において、ワーク交換が終了した場合には、上記Ｓ１４に戻り、Ｓ１４以降の処理を実行する。

また、Ｓ２４において、電源スイッチがオフに操作された場合には、今回の処理を終了する。

図１１は実施例２の構成を示す斜視図である。図１２は実施例２の構成を示す正面図である。図１１及び図１２において、上記実施例１と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。

図１１及び図１２に示されるように、ステージ装置９０は、ベース１２と、ベース１２上に設けられた一対のＹ方向リニアスケール１６と、ベース１２上に設けられた一対のＹ方向リニアモータ１８と、一対のリニアガイド３４と、Ｙ方向リニアモータ１８に駆動されるＹ方向粗動ステージ９２とを有する。

Ｙ方向粗動ステージ９２には、Ｘ方向リニアモータ９４と、Ｘ方向リニアガイド９６と、Ｘ方向リニアスケール９８と、Ｘ方向リニアモータ９４により駆動されるＸ方向粗動ステージ１００とが設けられている。従って、粗動ステージ１４は、Ｙ方向粗動ステージ９２とＸ方向粗動ステージ１００とを組み合わせた構成となっている。

Ｘ方向粗動ステージ１００は、上方からみるとＬ字状に形成されており、微動ステージ２０を駆動するためのボイスコイルモータ２４〜２６が設けられている。また、微動ステージ２０上には、レーザ干渉計２１からのレーザ光を反射させるＸ方向ミラー４６と、レーザ干渉計２２，２３からのレーザ光を反射させるＹ方向ミラー１０２とが設けられている。

また、微動ステージ２０及びＸ方向粗動ステージ１００の下面には、ベース１２の上面に空気層を介して移動する静圧パッド５６が設けられている。微動ステージ２０は、Ｘ方向粗動ステージ１００を介してＹ方向粗動ステージ９２と一体にＹ方向に高速移動し、あるいはＸ方向粗動ステージ１００と一体にＸ方向に高速移動することが可能に支持されている。

また、微動ステージ２０の位置計測は、上記実施例１の場合と同様に、レーザ干渉計２１〜２３により計測され、ボイスコイルモータ２４〜２６により駆動されて微動制御される。

ここで、ステージ装置９０の制御系について説明する。図１３はステージ装置９０の制御系の構成例を示すブロック図である。図１３において、前述した図７に示す制御系と同様に、制御装置３０は、位置指令部６０と、粗動ステージコントローラ７０と、微動ステージコントローラ８０とを有する。

位置指令部６０は、位置指令出力部６２と、軌道データ生成部６４とを有する。粗動ステージコントローラ７０は、ローパスフィルタ７２と、分解能補正部７４と、粗動用ＰＩＤ制御部７６とを有する。微動ステージコントローラ８０は、微動用ＰＩＤ制御部８２を有する。

ステージ装置９０では、微動ステージ２０を駆動する際に微動ステージ２０から粗動ステージ１４（Ｘ方向粗動ステージ１００及びＹ方向粗動ステージ９２）に対してボイスコイルモータ２４〜２６の反力が伝達されるが、粗動ステージ１４駆動する際に粗動ステージ１４から微動ステージ２０ヘの反力の伝達は生じない。また、微動ステージ２０で発生するボイスコイルモータ２４〜２６の反力は、粗動ステージ１４に伝達するが、その影響は小さい。特に粗動ステージ１４を駆動する手段にＹ方向リニアモータ１８を用いているため、粗動ステージ１４を駆動する際の反力の伝達はほとんど生じない。

また、ベース１２には、粗動ステージ１４で発生するモータ反力およびリニアガイド３４からの外乱力などが伝達するが、微動ステージ２０から発生する反力よりずっと小さい。すなわち、ステージ装置９０では、微動ステージ２０のガイドが静圧パッド５６により行われ、且つ位置計測がレーザ干渉計２１〜２３により行われるため、ガイド及び計測系ともにベース１２を基準に行われるため、粗動ステージ１４による影響は殆どない。

さらに、粗動ステージ１４を駆動する際の指令は、ローパスフィルタ７２により高周波成分を除去されるため、粗動ステージ１４の動作を滑らかにすることができる、これにより、粗動ステージ１４からベース１２ヘの反力をより小さくすることが可能になる。

また、ローパスフィルタ７２のカットオフ周波数が低い場合には、反力が小さくなるが、粗動ステージ１４と微動ステージ２０との相対位置が大きくなる原因になるため、ボイスコイルモータ２４〜２６のストロークを長くする必要がある。

しかしながら、ベース１２が振動した場合は、粗動ステージ１４だけでなく微動ステージ２０にも位置誤差が発生するが、前述したとおりベース１２ヘの外乱力の伝達が小さい。このため、ベース１２の振動は非常に小さく抑えられるように構成されている。しかも、微動ステージ２０のガイド及び、計測ともに、ベース１２に対して非接触に行っているため、仮にベース１２が振動したとしても微動ステージ２０に対する外乱力の伝達は小さい。

図１４は位置指令部６０から出力される位置指令信号の波形図である。図１５は微動ステージ２０の移動位置の変化を示す波形図である。図１６は微動ステージ２０の位置誤差を示す波形図である。

図１４に示す位置指令信号のグラフＩと図１５に示す移動位置の変化のグラフＩＩとを比較すると、時間の経過と共にグラフＩとＩＩとがほぼ一致することが分かる。そして、図１６のグラフＩＩＩからもグラフＩとＩＩとの差が極めて小さい微差であり、微動ステージ２０を移動させる際の位置制御の応答性が高いことが分かる。

上記実施例では、微動ステージ２０に光学処理用マスクが取り付けられるものとして説明したが、これに限らず、これ以外のもの（例えば、レンズやフィルタなどの光学部品や、精密加工が行われる半導体チップなど）を取り付けることも可能である。

本発明によるステージ装置の実施例１を示す斜視図である。 図１に示すステージ装置の平面図である。 図１に示すステージ装置の背面図である。 微動ステージ２０の取付構造を拡大して示す斜視図である。 処理位置で微動制御する微動ステージ２０の状態を拡大して示す平面図である。 粗動動作させる際の微動ステージ２０の保持状態を拡大して示す平面図である。 微動ステージ２０が移動するときの制御系を示すブロック図である。 微動ステージ２０が停止しているときの制御系を示すブロック図である。 ステージ制御に係る各信号の変化の一例を示すタイミングチャートである。 制御装置３０が実行する制御手順を説明するためのフローチャートである。 実施例２の構成を示す斜視図である。 実施例２の構成を示す正面図である。 実施例２のステージ装置９０の制御系の構成例を示すブロック図である。 実施例２の位置指令部６０から出力される位置指令信号の波形図である。 実施例２の微動ステージ２０の移動位置の変化を示す波形図である。 実施例２の微動ステージ２０の位置誤差を示す波形図である。

符号の説明

１０，９０ ステージ装置
１２ ベース
１４ 粗動ステージ
１６ Ｙ方向リニアスケール
１８ Ｙ方向リニアモータ
２０ 微動ステージ
２１〜２３ レーザ干渉計
２４〜２６ ボイスコイルモータ
２８，２９ 移動制限部
３０ 制御装置
３４ リニアガイド
４６ Ｘミラー
４７，４８ Ｙ１、Ｙ２ミラー
５０ Ｘ方向位置決めピン
５１，５２ Ｙ方向位置決めピン
５６ 静圧パッド
６０ 位置指令部
６２ 位置指令出力部
６４，６４ａ〜６４ｃ 軌道データ生成部
７０ 粗動ステージコントローラ
７２ ローパスフィルタ
７４ 分解能補正部
７６ 粗動用ＰＩＤ制御部
８０ 微動ステージコントローラ
８２ 微動用ＰＩＤ制御部
８２ａ〜８２ｃ フィードバック制御部
８２ｄ〜８２ｆ 電流制御部
９２ Ｙ方向粗動ステージ
９４ Ｘ方向リニアモータ
９６ Ｘ方向リニアガイド
９８ Ｘ方向リニアスケール
１００ Ｘ方向粗動ステージ
１０２ Ｙ方向ミラー

Claims (15)

1. ベースと、
   該ベース上に移動可能に設けられた第１ステージと、
   該第１ステージの位置を計測する第１計測手段と、
   前記第１ステージを駆動する第１駆動手段と、
   前記ベース上を前記第１ステージと共に移動するように設けられた第２ステージと、
   該第２ステージの位置を計測する第２計測手段と、
   前記第１ステージに対して前記第２ステージを他方向に駆動する第２駆動手段と、
   前記第１駆動手段により前記第１ステージを移動させる際、前記第１ステージに対する前記第２ステージのＸ、Ｙ方向の移動を制限する移動制限手段と、
   前記第１ステージを移動させる粗動制御を行なう場合、前記第２駆動手段の吸引力により前記第２ステージを前記移動制限手段に当接させた状態に保持すると共に、前記第１計測手段により計測された位置データに基づいて前記第１駆動手段を駆動し、前記第２ステージを微動させる微動制御を行なう場合、前記第２駆動手段による保持を解除すると共に前記第２計測手段により計測された位置データに基づいて前記第２駆動手段を駆動する制御手段と、
   を有することを特徴とするステージ装置。
2. 前記第１駆動手段は、前記第１ステージを粗動させるリニアモータであり、
   前記第２駆動手段は、前記第２ステージを微動させるボイスコイル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。
3. 前記第２駆動手段は、前記第２ステージを一方向に駆動する第１ボイスコイルモータと、前記第２ステージを他方向に駆動する第２ボイスコイルモータと、前記第２ステージを回動方向に駆動する第３ボイスコイルモータとを有することを特徴とする請求項２に記載のステージ装置。
4. 前記第２ステージは、前記ベース上に空気層を介して浮上する静圧パッドにより摺動可能に支持されたことを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
5. 前記第１計測手段は、リニアスケールであり、
   前記第２計測手段は、レーザ干渉計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。
6. 前記移動制限手段は、前記第１ステージまたは前記第２ステージに設けられ、前記第１ステージと前記第２ステージとの近接方向の相対位置を制限するように当接する位置決め部材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。
7. 前記第２ステージは、前記第１ステージと同一平面に位置するように設けられたことを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
8. 前記移動制限手段は、前記第２駆動手段と同一平面に位置するように設けられたことを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
9. 前記制御手段は、前記第２ステージが前記第１ステージの移動と共に処理位置を外れるときには、前記第２ステージを前記移動制限手段により移動制限した状態に保持することを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
10. 前記制御手段は、前記第１ステージの加速度に合わせて前記第２駆動手段に所定推力を発生させることを特徴とする請求項９に記載のステージ装置。
11. 前記制御手段は、前記第１計測手段の計測結果に基づいて前記第１ステージの加速度を求めることを特徴とする請求項９に記載のステージ装置。
12. 前記制御手段は、前記第２計測手段による計測開始と計測停止との切り替えを前記第１計測手段の基準位置で行うことを特徴とする請求項９に記載のステージ装置。
13. 前記制御手段は、前記第１、第２ステージが処理位置を外れた位置を移動するときには前記第１計測手段により計測された位置データに基づいて前記第１、第２駆動手段を駆動し、前記第１、第２ステージが前記処理位置に停止したときには前記第２計測手段により計測された位置データに基づいて前記第２駆動手段を駆動することを特徴とする請求項１２に記載のステージ装置。
14. 前記制御手段は、前記第２ステージが前記第１ステージの移動と共に処理位置を外れるときには、前記第２ステージを前記移動制限手段により移動制限した状態で前記第２計測手段をリセットすることを特徴とする請求項９に記載のステージ装置。
15. ベースと、
    該ベース上に移動可能に設けられた第１ステージと、
    該第１ステージの位置を計測する第１計測手段と、
    前記第１ステージを駆動する第１駆動手段と、
    前記ベース上を前記第１ステージと共に移動するように設けられた第２ステージと、
    該第２ステージの位置を計測する第２計測手段と、
    前記第１ステージに対して前記第２ステージを他方向に駆動する第２駆動手段と、
    前記第１駆動手段により前記第１ステージを移動させる際、前記第１ステージに対する前記第２ステージのＸ、Ｙ方向の移動を制限する移動制限手段と、
    を有するステージ装置の制御方法であって、
    前記第２ステージが処理位置を外れるときには、前記第２ステージを前記第２駆動手段の吸引力により前記移動制限手段に当接させて前記第２ステージを移動制限した状態を維持し、前記第２ステージが前記処理位置にあるときには、前記第２ステージを前記移動制限手段から離間させ制限を解除した状態に切り替えるように前記第２駆動手段を制御することを特徴とするステージ装置の制御方法。

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