JPH10144601A - 指令値の決定方法及びステージ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステージを高加速度で移動させる際の定盤
（除振台）の揺動を減少させる。 【解決手段】 図５（Ａ）に実線で示される推力指令値
に基づいてステージの移動を制御する。このため、図５
（Ｃ）のようにステージの移動開始時は、ステージに作
用する推力Ａの反力により、定盤がステージと反対方向
（負の方向）に揺動し、この直後に定盤は正の方向に揺
動するが、Ｂの負の指令値により定盤の正の揺動が加速
され、これにより、定盤は早く初期位置へ戻る。その直
後に定盤は初期位置でその揺動速度が零となる。このた
め、図５（Ｃ）のように、定盤は１周期分の揺動後に直
ちに停止し、しかも初期位置へは従来より早く戻るの
で、ステージを高加速度で移動させる際にも定盤の揺動
を減少させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、指令値の決定方法
及びステージ装置に係り、さらに詳しくは、ステージの
位置決め（あるいは定速度制御）の際の整定期間におけ
るステージと除振台との相対位置（あるいは速度）変化
が低減されるようなステージに対する指令値の決定方
法、及びこの決定方法により予め決定された指令値をス
テージの駆動手段に出力してステージを制御するステー
ジ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ステップ・アンド・リピート方式の縮小
投影型露光装置、即ちいわゆるステッパ等の精密機器の
高精度化に伴い、設置床から定盤（除振台）に作用する
微振動をマイクロＧレベルで絶縁する必要が生じてい
る。従来のこの種の装置における除振台を支持する除振
パッドとしてはダンピング液中に圧縮コイルバネを入れ
た機械式ダンパや空気式ダンパ等種々のものが使用さ
れ、除振パッド自体がある程度のセンタリング機能を備
えている。

【０００３】従来のステッパ等の精密機器に用いられる
ステージ装置は、図８に示されるような構造であった。
この図８において、除振パッド８２によって水平に支え
られた定盤（除振台）８４上には、当該定盤８４上を所
定方向（図８における紙面左右方向）に移動可能なステ
ージ８６が搭載されている。このステージ８６上には保
持部材８８を介して基板状の試料９０が載置されてお
り、ステージ８６は送りねじ９２を介してモータ９４に
よって駆動されるようになっている。ステージ８６の位
置は、移動鏡９６を介してレーザ干渉計９８により計測
されており、制御装置１００では、このレーザ干渉計９
８の計測値をモニタしつつモータ９４の回転を制御する
ことによりステージ８６の位置を制御していた。

【０００４】また、特にステッパ等の半導体露光装置の
場合、集積回路の高密度化によるパターン線幅のますま
すの微細化に伴い、より高精度なステージの位置制御の
ため、最近ではエア・ベアリングとリニアモータを用い
たステージ装置も用いられるようになってきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のステージ装置においては、除振パッド８２の機
能により設置床から定盤８４に作用する振動は防げる
が、ステージ８６が例えば紙面左側に移動したとき右向
きの反力が定盤８４に作用し、除振パッド８２が圧縮、
伸張を受け、定盤８４ひいてはこの定盤８４の一端部に
取り付けられたレーザ干渉計９８を揺動させることにな
る。この揺動はステージ８６とレーザ干渉計９８の間の
距離に変化をもたらす外乱として働き、ステージ８６の
位置決め性能を悪化させる。

【０００６】かかる不都合を改善すべく、最近では、変
位センサ、加速度センサ等の出力に基づいてアクチュエ
ータを駆動することにより、定盤の振動を積極的にキャ
ンセルしようとするアクティブ除振装置も種々開発され
ている。しかしながら、このアクティブ除振装置により
ステージの移動による定盤の揺動の影響を低減するため
には、上記変位センサ、加速度センサ、アクチュエータ
等の構成要素を付加しなければならず、その分装置構成
が複雑になるとともに制御系が複雑になるという不都合
があった。

【０００７】ところで、ステージの移動に伴う上記定盤
（除振台）の揺動は、上述した送りねじとモータとを用
いてステージを駆動する装置より、エア・ベアリングと
リニアモータとを用いてステージを駆動する装置の方が
大きくなる。これは、リニアモータによる場合は、ステ
ージと定盤との間に機械的結合がなく、より大きな反力
が定盤に作用するからである。

【０００８】図９（Ａ）には、従来のステージ装置にお
いて、リニアモータ駆動部に与えられる指令値の一例が
示されている。この図に示される如く、指令値はステー
ジが最終位置決め期間（整定期間）に振動的にならない
ように、滑らかな曲線となるように設定されていた。図
９（Ｂ）にはこの時の定盤の変位の時間的変化（揺動）
の一例が示されている。

【０００９】この図９（Ｂ）に示されるような定盤の揺
動はステージとレーザ干渉計との間の距離に変化をもた
らす外乱として働き、ステージの位置決め性能を悪化さ
せる。この図９（Ｂ）の場合、定盤は最大約９０μｍ変
位しているが、現在のステッパ等のステージに求められ
る位置決め精度は、ナノメータ（ｎｍ）のオーダーであ
り、９００００ｎｍの定盤の変位は位置決め性能に大き
く影響することは明らかである。

【００１０】さらに、ステージが高加速度で移動すると
きその反力はさらに大きくなるため、揺動もさらに大き
くなり外乱が増し、位置決め性能はさらに悪化する。

【００１１】本発明は、かかる事情の下になされたもの
で、ステージを高加速度で移動させる際の定盤（除振
台）の揺動を減少させることができるステージに対する
指令値の決定方法を提供することにある。

【００１２】また、本発明の別の目的は、装置構成の複
雑化を招くことがないとともに、高速、高精度にステー
ジを位置決めすることができるステージ装置を提供する
ことにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、除振台（１４）上で移動するステージ（１６）に対
する指令値の決定方法であって、前記ステージ（１６）
及び除振台（１４）を含む装置本体の振動周期を考慮し
て、前記ステージ（１６）の移動開始直後の除振台（１
４）の前記ステージ運動方向及びその反対方向の少なく
とも一方の方向の除振台（１４）の揺動が加速され、そ
の直後に前記除振台（１４）の初期位置でその揺動速度
が零となるように前記ステージに対する指令値を決定す
ることを特徴とする。

【００１４】この決定方法によって決定された指令値に
基づいてステージ（１６）の移動が制御されると、ステ
ージ（１６）の移動開始時は、ステージ（１６）に作用
する推力の反力により、除振台（１４）がステージ（１
６）と反対方向に揺動し、この直後に除振台（１４）は
前と反対方向（すなわち、ステージ移動方向）に揺動す
るが、これらのいずれかの揺動方向の除振台（１４）の
揺動が加速され、これにより、除振台（１４）は従来例
の場合より早く初期位置へ戻る。その直後に除振台（１
４）の初期位置でその揺動速度が零となる。このため、
除振台（１４）は半周期又は１周期分の揺動後に直ちに
停止し、しかも初期位置へは従来より早く戻るので、ス
テージ（１６）を高加速度で移動させる際にも除振台
（１４）の揺動を減少させることができる。

【００１５】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の指令値の決定方法において、前記除振台（１４）の揺
動速度が零になったときに指令値の加速度成分が零にな
るように前記ステージに対する指令値を決定することを
特徴とする。これによれば、除振台（１４）の揺動速度
が零になったときに指令値の加速度成分が零になるよう
にステージに対する指令値が決定されることから、この
指令値に基づいてステージ（１６）の移動を制御した場
合、位置決め後又は目標速度へ設定後のその状態を保持
するためのステージ（１６）のサーボ制御が不要とな
る。

【００１６】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の指令値の決定方法において、前記除振台（１４）の揺
動速度が零になるまでの指令値の加速度成分を時間積分
すると目標速度になるように前記ステージに対する指令
値を決定することを特徴とする。これによれば、除振台
（１４）の揺動速度が零になるまでの指令値の加速度成
分を時間積分すると目標速度になるようにステージ（１
６）に対する指令値が決定されることから、推力の指令
が停止した時点で確実に目標速度に設定することができ
る。

【００１７】請求項４に記載の発明に係るステージ装置
は、除振パッド（１２）を介して水平に保持された除振
台（１４）上を所定の移動方向に移動可能なステージ
（１６）と；前記ステージ（１６）の位置を計測する位
置計測手段（２８）と；前記ステージ（１６）を駆動す
る駆動手段（１８〜１９）と；前記位置計測手段（２
８）の計測値と目標値とに基づいて前記駆動手段を制御
するとともに、請求項１ないし３のいずれかの決定方法
により予め決定された指令値を前記駆動手段に出力する
制御手段（２０）とを有する。

【００１８】これによれば、制御手段（２０）から駆動
手段（１８〜１９）に、請求項１ないし３のいずれかの
決定方法により予め決定された指令値が出力され、ステ
ージ（１６）の移動が制御されることから、請求項１に
記載の発明と同様に、ステージ（１６）を高加速度で移
動させる際にも除振台（１４）の揺動を減少させること
ができ、また、アクティブ除振装置等を新たに設ける必
要はない。従って、装置構成の複雑化を招くことがない
とともに、高速、高精度にステージを位置決めすること
ができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】

《第１の実施形態》以下、本発明の第１の実施形態を図
１ないし図５に基づいて説明する。

【００２０】図１には、第１の実施形態に係るステージ
装置１０の構成が概略的に示されている。このステージ
装置１０は、複数（ここでは４つ）の除振パッド１２を
介して水平に保持された除振台としての定盤１４上で静
圧流体軸受け１５によって支持され、所定の移動方向
（図１における紙面左右方向）に移動可能なステージ１
６と、このステージ１６をリニアモータ１９（図１では
図示せず、図２参照）を介して駆動するリニアモータ駆
動部１８と、このリニアモータ駆動部１８を制御する制
御手段としての制御装置２０とを備えている。本実施形
態では、リニアモータ駆動部１８とリニアモータ１９と
によって駆動手段が構成されている。

【００２１】除振パッド１２としては、ここでは機械式
ダンパが用いられている。ステージ１６上には保持部材
（例えば、ウエハホルダ）２２を介して試料（例えばウ
エハ等の基板）２４が吸着保持されている。ステージ１
６の一端部（図１における左端部）上面には、移動方向
に直交する方向（図１における紙面直交方向）の反射面
を有する移動鏡２６が設けられており、この移動鏡２６
に対向して定盤１４の一端部上面の延設部１４ａの上面
には、位置計測手段としてのレーザ干渉計２８が固定さ
れている。このレーザ干渉計２８は、移動鏡２６にレー
ザビームを照射し、その反射光を受光して例えば０．０
１μｍの分解能でステージ１６の位置を計測する。

【００２２】レーザ干渉計２８の計測値は制御装置２０
に供給されており、この制御装置２０ではレーザ干渉計
２８の計測値に基づいてリニアモータ駆動部１８を介し
てリニアモータ１９を制御することにより、ステージ１
６上の試料２４を目標位置へ位置決めする。この際に、
制御装置２０では後述するような指令値をリニアモータ
駆動部１８に与えるようになっている。

【００２３】図２には、ステージ装置１０の位置制御系
の構成が模式的に示されている。ここで、この図２を用
いてステージ１６の位置決め時の制御系動作を説明す
る。

【００２４】制御装置２０は、不図示のメインコンピュ
ータからの目標位置の指令とレーザ干渉計２８で計測さ
れたステージ１６の現在位置とに基づいて、ステージの
移動距離（又はステッピング距離）を演算し、この演算
結果に基づいて後述する本発明に係る指令値の決定方法
により予め決定された指令値をリニアモータ駆動部１８
に出力する。リニアモータ駆動部１８ではこの指令値に
基づいてリニアモータ１９を駆動する。これにより、リ
ニアモータ１９の推力によってステージ１６が移動す
る。

【００２５】このようにして、指令値に従ってリニアモ
ータ駆動部１８によってリニアモータ１９を介してステ
ージ１６の移動が行われ、ステージ１６が目標位置に達
すると、レーザ干渉計２８の計測位置と目標位置とが一
致するが、本実施形態の場合、この直後に後述するよう
に推力指令値が零となるとともに定盤１４の変位が零に
なって、ステージ１６がその位置で速やかに位置決めさ
れる（図５（Ａ）〜（Ｃ）参照）。

【００２６】図３には、本実施形態に係るステージ装置
１０において、ステージ１６を２２ｍｍステップ移動さ
せる際に用いられる本発明に係る指令値の決定方法によ
って決定された推力指令値の一例が示され、また、図４
には、制御装置２０からリニアモータ駆動部１８にこの
推力指令値が出力された際の定盤１４の変位の時間変化
が示されている。ここで、これらの図を用いて、ステー
ジ１６の運動と定盤１４の運動との関係について説明す
る。

【００２７】ステージ１６の運動開始時に、図３中の符
号Ａで示されるような大きな推力指令値がリニアモータ
駆動部１８に与えられると、ステージ１６の推力の反力
により定盤１４はステージ１６の運動方向と逆方向に変
位する。その後、一旦、推力指令値が零になり、定盤１
４の運動方向が反転してステージ１６と同じ方向になる
直前又は直後に、ステージ１６の加速度を減少させるよ
うな図３中の符号Ｂで示されるような負の推力がリニア
モータ駆動部１８に与えられる。ここで、ステージ１６
が負の推力を持つということは、定盤１４に対してステ
ージ１６の運動方向と同じ向きの力を加えることに他な
らない。この場合、定盤１４は除振パッド１２によって
減衰することなく、図４中の符号Ｄ部分のように、ステ
ージ１６と同じ正の方向に向かって揺動するが、この揺
動が上記負の推力により加速され、定盤１４は初期位置
に早く戻る。ここで、この定盤１４が初期位置に戻った
時点では、推力指令値は零に戻っている（図３参照）。

【００２８】次に、定盤１４が正方向に向かって正方向
の最大振幅点（図４中の符号イ）まで揺動を続け、その
後揺動の向きが負方向になる。この定盤１４の負の方向
の揺動開始から約４分の１周期弱経過した時に、定盤１
４の負の方向の揺動を相殺するような図３中の符号Ｃで
示される推力指令値をステージ１６に与えると、定盤１
４が丁度初期位置（図４中の符号ロ）に戻ってきたとき
に、その揺動速度が零となって、定盤１４は初期位置ロ
で静止する。

【００２９】そこで、本実施形態では、予め、図３に示
されるような推力の指令値、すなわちステージ１６の
運動開始時には大きな推力指令値（Ａ）である、定盤
１４の運動方向が反転してステージ１６と同じ方向にな
る直前又は直後には負の推力指令値（Ｂ）である、定
盤１４が初期位置に戻った時点では零である、定盤１
４が正方向の最大振幅点を過ぎて、負の方向の揺動を開
始し、最大振幅点イから約４分の１周期弱経過した時に
は、定盤１４の負の方向の揺動を相殺するような推力指
令値である、の４つの要件を満足するような推力指令値
の関数を、予めシミュレーションにより求め、制御装置
２０内のメモリに格納している。

【００３０】そして、実際のステージ１６の位置決めの
際には、制御装置２０では、ステッピング距離に応じ
て、推力指令値（Ａ）、（Ｂ）の大きさを調整した推力
指令値をリニアモータ駆動部１８に出力し、前記の如く
して、ステージ１６が静止したときステージ１６を、目
標位置に正確に位置決めするようになっている。

【００３１】図５（Ａ）〜（Ｃ）には、上記の推力指令
値、そのときのステージ１６と定盤１４の相対変位、定
盤１４の変位が、前述した従来例の場合と対比してそれ
ぞれ示されている。これらの図において、実線は本実施
形態の場合を示し、点線は従来例の場合を示す。これら
の図からも明かなように、本発明に係る指令値の決定方
法によって決定された推力指令値を用いた方が定盤１４
の揺動が小さくなり、整定期間におけるステージ１６と
定盤１４との相対変位が小さくなっている。

【００３２】以上説明したように、本実施形態による
と、ステージ１６の移動開始時は、ステージ１６に作用
する推力の反力により、定盤１４がステージ１６と反対
方向に揺動するが、その直後に定盤１４は前と反対方向
（すなわち、ステージ１６移動方向）に揺動し始めたと
き加速され、これにより、定盤１４は前述した従来例の
場合（図５（Ｃ）点線参照）より初期位置に早く戻る
（図５（Ｃ）実線参照）。次いで、定盤１４が反対方向
に揺動する際に初期位置でその揺動速度が零となって、
定盤１４の揺動が停止する。このため、定盤１４は１周
期分（１往復）の揺動後に直ちに停止し、しかもステー
ジ１６移動方向への揺動の際には、初期位置に早く戻る
ので、ステージ１６を高加速度で移動させる際にも定盤
１４の揺動を減少させることができる。従って、ステー
ジ１６が定盤１４の揺動を大きくすることがないのでス
テージ１６に対する外乱を減らすことができ高速、高精
度の位置決めが可能になる。

【００３３】《第２の実施形態》次に、本発明の第２の
実施形態を図６ないし図７に基づいて説明する。ここ
で、前述した第１の実施形態の装置と同一の構成部分に
ついては、同一の符号を用いるとともに、その説明を省
略するものとする。

【００３４】図６には、本第２の実施形態に係るステー
ジ１６装置の速度制御系の構成が模式的に示されてい
る。この速度制御系は、前述した図２の位置制御系にお
いて、レーザ干渉計２８と制御装置２０との間に、レー
ザ干渉計２８の計測値（位置）を微分する微分回路３０
が挿入されている点に特徴を有する。その他の部分の構
成は、図２の位置制御系と同様であり、また、ステージ
装置そのものの構成は第１の実施形態の装置と同一にな
っている。

【００３５】ここで、この図６を用いてステージ１６の
位置決め時の制御系の動作を説明する。

【００３６】制御装置２０は、不図示のメインコンピュ
ータからの目標速度の指令とレーザ干渉計２８で計測さ
れたステージ１６の現在位置の情報を微分して得られる
微分回路３０からの速度情報とに基づいて、ステージ１
６の移動速度を演算し、この演算結果に基づいて後述す
る推力指令値をリニアモータ駆動部１８に出力する。リ
ニアモータ駆動部１８ではこの指令値に基づいてリニア
モータ１９を駆動する。これにより、リニアモータ１９
の推力によってステージ１６が移動する。

【００３７】このようにして、指令値に従ってリニアモ
ータ駆動部１８によってリニアモータ１９を介してステ
ージ１６の移動が行われ、ステージ１６が目標速度に達
すると、レーザ干渉計２８の計測速度と目標速度とが一
致するが、本実施形態の場合、この直後に後述するよう
に推力指令値が零となるとともに定盤１４の変位が零に
なって、ステージ１６がその速度で保たれる（図７
（Ａ）〜（Ｃ）参照）。

【００３８】図７（Ａ）には、本実施形態に係るステー
ジ装置において、ステージ１６を４００ｍｍ／ｓｅｃで
等速移動させる際に用いられる本発明に係る指令値の決
定方法によって決定された指令値の一例が示され、ま
た、図７（Ｂ）には、制御装置２０からリニアモータ駆
動部１８にこの推力指令値が出力された際のステージ１
６と定盤１４の相対変位が示され、図７（Ｃ）には定盤
１４の変位の時間変化が示されている。これらの図で
は、従来例の場合が対比のために示されている。これら
の図において、実線は本実施形態の場合を示し、点線は
従来例の場合を示す。

【００３９】図７（Ａ）に示される推力指令値は、前述
した第１の実施形態の場合と同様に、ステージ１６及び
定盤１４を含む装置本体の振動周期を考慮して、ステー
ジ１６の移動開始直後の定盤１４のステージ運動方向及
びその反対方向の少なくとも一方の方向の定盤１４の揺
動が加速され、その直後に定盤１４の初期位置でその揺
動速度が零となるよう予め決定されたものである。ま
た、この推力指令値は、時間積分（斜線部の面積）が目
標速度４００（ｍｍ／ｓｅｃ）に一致するように定めら
れている。

【００４０】この図７から明らかなように、本発明に係
る決定方法により決定された推力指令値を用いた方が定
盤１４の揺動が小さくなり（図７（Ｃ）参照）、等速度
に到るまでの整定期間におけるステージ１６と定盤１４
との相対速度の変化が小さくなっている（図７（Ｂ）参
照）。従って、ステージ１６に対する外乱を減らすこと
ができ、従来に比べて整定時間の短い速やかな定速度制
御を実現することができる。また、推力指令値は、時間
積分が目標速度に一致するように定められていることか
ら、推力の指令が停止した時点で確実に目標速度に設定
することができるという利点もある。本実施形態の定速
度制御は、マスクと感光基板を投影光学系に対して同期
して走査しつつ、マスクのパターンを感光基板上に投影
露光する走査型露光装置のマスクステージ、基板ステー
ジの速度制御に適用して好適である。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る指令
値の決定方法によれば、決定された指令値に基づいてス
テージを高加速度で移動させる際の除振台の揺動を減少
させることができるという従来にない優れた効果があ
る。

【００４２】また、本発明に係るステージ装置によれ
ば、装置構成の複雑化を招くことがないとともに、高
速、高精度にステージを位置決めすることができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係るステージ装置の構成を概
略的に示す正面図である。

【図２】図１の装置の位置制御系の構成を模式的に示す
ブロック図である。

【図３】図１の装置において、ステージを２２ｍｍステ
ップ移動させる際に用いられる推力指令値の一例を示す
線図である。

【図４】制御装置からリニアモータ駆動部に図３の推力
指令値が出力された際の定盤の変位の時間変化を示す線
図が示されている。

【図５】第１の実施形態の効果を説明するための図であ
って、（Ａ）は推力指令値を、（Ｂ）はステージと定盤
の相対変位を、（Ｃ）は定盤の変位を、従来例の場合と
対比してそれぞれ示す線図である。

【図６】第２の実施形態に係るステージ装置の速度制御
系の構成を模式的に示すブロック図である。

【図７】第２の実施形態の効果を説明するための図であ
って、（Ａ）はステージを４００ｍｍ／ｓｅｃで等速移
動させる際に用いられる指令値の一例を、（Ｂ）は制御
装置からリニアモータ駆動部に（Ａ）の推力指令値が出
力された際のステージと定盤の相対変位を、（Ｃ）は定
盤の変位の時間変化を、従来例の場合と対比してそれぞ
れ示す線図である。

【図８】従来のステージ装置の構成を示す説明図であ
る。

【図９】発明が解決しようとする課題を説明するための
図であって、（Ａ）は従来のステージ装置においてリニ
アモータ駆動部に与えられる指令値の一例を、（Ｂ）は
このときの定盤の変位の時間的変化を、それぞれ示す線
図である。

【符号の説明】

１０ ステージ装置 １２ 除振パッド １４ 定盤（除振台） １６ ステージ １８ リニアモータ駆動部 １９ リニアモータ ２０ 制御装置 ２８ レーザ干渉計

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 除振台上で移動するステージに対する指
   令値の決定方法であって、 前記ステージ及び除振台を含む装置本体の振動周期を考
   慮して、前記ステージの移動開始直後の除振台の前記ス
   テージ運動方向及びその反対方向の少なくとも一方の方
   向の除振台の揺動が加速され、その直後に前記除振台の
   初期位置でその揺動速度が零となるように前記ステージ
   に対する指令値を決定することを特徴とする指令値の決
   定方法。
2. 【請求項２】 前記除振台の揺動速度が零になったとき
   に指令値の加速度成分が零になるように前記ステージに
   対する指令値を決定することを特徴とする請求項１に記
   載の指令値の決定方法。
3. 【請求項３】 前記除振台の揺動速度が零になるまでの
   指令値の加速度成分を時間積分すると目標速度になるよ
   うに前記ステージに対する指令値を決定することを特徴
   とする請求項２に記載の指令値の決定方法。
4. 【請求項４】 除振パッドを介して水平に保持された除
   振台上を所定の移動方向に移動可能なステージと；前記
   ステージの位置を計測する位置計測手段と；前記ステー
   ジを駆動する駆動手段と；前記位置計測手段の計測値と
   目標値とに基づいて前記駆動手段を制御するとともに、
   請求項１ないし３のいずれかの決定方法により予め決定
   された指令値を前記駆動手段に出力する制御手段とを有
   するステージ装置。