制御装置及び露光装置
【課題】制御モデルの同定を最適化し、以ってフィードフォワード制御による高精度な位置制御を行う。
【解決手段】制御対象物の制御特性を表すモデルを用いた完全追従制御により前記制御対象物をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御手段を備えた制御装置において、前記モデルは、前記制御対象物の周波数応答曲線における第１の変曲点が周波数１０Ｈｚより低い領域に存在し、且つ、第２の変曲点が前記第１の変曲点の周波数より高く周波数１０Ｈｚより低い領域に存在している場合に、前記第１及び第２の変曲点を含む周波数範囲において前記周波数応答曲線との誤差が最小となるようにモデルパラメータが設定されている。
【解決手段】制御対象物の制御特性を表すモデルを用いた完全追従制御により前記制御対象物をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御手段を備えた制御装置において、前記モデルは、前記制御対象物の周波数応答曲線における第１の変曲点が周波数１０Ｈｚより低い領域に存在し、且つ、第２の変曲点が前記第１の変曲点の周波数より高く周波数１０Ｈｚより低い領域に存在している場合に、前記第１及び第２の変曲点を含む周波数範囲において前記周波数応答曲線との誤差が最小となるようにモデルパラメータが設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御装置及び露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば液晶ディスプレイ（総称としてフラットパネルディスプレイ）を製造する工程においては、基板（ガラス基板）にトランジスタやダイオード等の素子を形成するために露光装置が多く使用されている。露光装置は、レジストを塗布した基板をステージ装置のホルダに載置し、マスクに描かれた微細な回路パターンを投影レンズ等の光学系を介して基板に転写するものであり（例えば、特許文献１参照）、基板とマスクの位置制御には、フィードフォワード制御あるいはフィードバック制御によって動作するステージ装置が用いられている。特に、近年、フィードフォワード制御の一手法として、精密な制御モデルに基づいて高精度な制御を可能とする完全追従制御によるフィードフォワード制御が提案されている（例えば、特許文献２又は非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−０７７３１３号公報
【特許文献２】特開２００１−３２５００５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「マルチレートフィードフォワード制御を用いた完全追従法」、藤本博志他、計測自動制御学会論文集３６巻、９号、ｐｐ７６６−７７２、２０００年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、フィードフォワード制御においては、制御対象物（基板を保持する基板ステージやマスクを保持するマスクステージ）の制御特性を表す制御モデルを同定しておくことが必要であり、この制御モデルの精度がフィードフォワード制御の精度を決することになる。しかしながら、制御対象物ごとに共振などの周波数応答の特徴は違うので、例えば、実際には殆ど制御の性能上は影響を及ぼさない共振点に着目した制御モデルの同定をしてしまう等、必ずしも最適な制御モデルを同定できていないことがある。これにより、従来は、フィードフォワード制御による制御対象物の位置制御を精度良く行うことができないという問題があった。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、制御モデルの同定を最適化し、以ってフィードフォワード制御による高精度な位置制御を行うことが可能な制御装置及び露光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、制御対象物の制御特性を表すモデルを用いた完全追従制御により前記制御対象物をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御手段を備えた制御装置において、前記モデルは、前記制御対象物の周波数応答曲線における第１の変曲点が周波数１０Ｈｚより低い領域に存在し、且つ、第２の変曲点が前記第１の変曲点の周波数より高く周波数１０Ｈｚより低い領域に存在している場合に、前記第１及び第２の変曲点を含む周波数範囲において前記周波数応答曲線との誤差が最小となるようにモデルパラメータが設定されている。
また、本発明は、制御対象物の制御特性を表すモデルを用いた完全追従制御により前記制御対象物をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御手段を備えた制御装置において、前記モデルは、前記制御対象物の周波数応答曲線に第１の変曲点と第２の変曲点が含まれ、前記第２の変曲点が、周波数１０Ｈｚより高い領域であって前記第１の変曲点の周波数の１０倍の周波数より低い領域に存在している場合に、前記第１及び第２の変曲点を含む周波数範囲において前記周波数応答曲線との誤差が最小となるようにモデルパラメータが設定されている。
【０００８】
また、本発明は、マスクステージに保持されたマスクのパターンを基板ステージに保持された感光基板に露光する露光装置において、上記の制御装置を備え、前記制御装置が、前記マスクステージと前記基板ステージの少なくとも一方のステージを制御対象物として制御する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、制御モデルの同定が最適化されているので、フィードフォワード制御による高精度な位置制御を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態によるステージ装置の機構部分の構成図である。
【図２】本発明の一実施形態によるステージ装置の制御系の構成を示すブロック図である。
【図３】ステージ装置の構造をＭａｘｗｅｌｌモデルで表した図である。
【図４】図３のステージ装置の周波数応答を示す図である。
【図５】本発明による制御モデルを用いた場合と従来の制御モデルを用いた場合それぞれにおける、ステージの制御結果を示す図である。
【図６】微動ステージの重心のずれを考慮したモデルを表す図である。
【図７】図６のステージ装置の周波数応答を示す図である。
【図８】ステージベースと微動ステージを２質点系の並進モデルで表した図である。
【図９】図８のステージ装置の周波数応答を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る露光装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるステージ装置の機構部分の構成図である。ステージ装置は、不図示の防振台を介して床面上に設けられたステージベース１２と、ステージベース１２の上方に配置されＸ軸に沿って駆動されるＸ粗動ステージ２３Ｘと、Ｘ粗動ステージ２３Ｘ上に配置されＹ軸に沿って駆動されるＹ粗動ステージ２３Ｙと、Ｙ粗動ステージ２３Ｙの上方に配置されステージ装置による駆動対象物（例えば露光対象となるガラス基板）が載置される微動ステージ２１と、微動ステージ２１の自重を支持する支持部材である自重キャンセル機構２７と、自重キャンセル機構２７により微動ステージ２１の自重を支持しつつ微動ステージ２１の動きを制約する部材であるレベリングカップ７６と、を含んでいる。
【００１２】
Ｘ粗動ステージ２３Ｘは、その下部にＸ軸に沿って２組のＸスライダ６５が設けられており（図では紙面手前側の１組のみ示されている）、このＸスライダ６５の各組は、Ｙ軸方向に所定間隔をもって配置された長手方向がＸ軸方向と一致するＸガイド６１Ｘ１，６１Ｘ２にそれぞれ係合されている（図ではＸガイド６１Ｘ２のみ示されている）。これにより、不図示のＸ駆動機構によってＸ軸方向の駆動力をＸ粗動ステージ２３Ｘに与えると、Ｘ粗動ステージ２３Ｘは、Ｘガイド６１Ｘ１，６１Ｘ２にガイドされてＸ軸に沿って駆動される。またＸ粗動ステージ２３Ｘの中央部には、貫通孔２３Ｘａが形成されている。
【００１３】
Ｙ粗動ステージ２３Ｙは、その下部にＹ軸に沿って２組のＹスライダ６３が設けられており、このＹスライダ６３の各組は、Ｘ軸方向に所定間隔をもってＸ粗動ステージ２３Ｘ上に配置された長手方向がＹ軸方向と一致するＹガイド６１Ｙ１，６１Ｙ２にそれぞれ係合されている。これにより、不図示のＹ駆動機構によってＹ軸方向の駆動力をＹ粗動ステージ２３Ｙに与えると、Ｙ粗動ステージ２３Ｙは、Ｙガイド６１Ｙ１，６１Ｙ２にガイドされてＹ軸に沿って駆動される。またＹ粗動ステージ２３Ｙの中央部には、貫通孔２３Ｙａが形成されている。
【００１４】
微動ステージ２１は、駆動対象物を真空吸着等によって保持する基板テーブル２２Ａと、基板テーブル２２Ａを下側から支持するステージ本体部２２Ｂと、を含んで構成され、レベリングカップ７６を介してその自重を自重キャンセル機構２７が支持した状態で、Ｙ粗動ステージ２３Ｙの上方に設けられている。ステージ本体部２２Ｂには、微動ステージ２１をＹ粗動ステージ２３Ｙに対してＸ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向，θｘ方向（Ｘ軸回りの回転），及びθｙ方向（Ｙ軸回りの回転）に微小量だけ駆動するための駆動機構として、不図示の複数のボイスコイルモータ（Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｍｏｔｏｒ：ＶＣＭ）が備え付けられる。
【００１５】
自重キャンセル機構２７は、筐体７０と、筐体７０の内部に設けられた空気バネ（ベローズ）７１と、Ｚ軸方向に駆動可能なピストン７３と、筐体の下部に設けられた３つのベースパッド７５と、を含んで構成され、Ｘ粗動ステージ２３Ｘに形成された貫通孔２３Ｘａ及びＹ粗動ステージ２３Ｙに形成された貫通孔２３Ｙａを貫通した状態で、ステージベース１２上に設けられている。筐体７０は接続部材８９，９０によってＹ粗動ステージ２３Ｙに接続固定され、これにより自重キャンセル機構２７はＹ粗動ステージ２３ＹとともにＸ軸方向及びＹ軸方向に駆動される。空気バネ７１は、供給弁等を有する不図示の空気供給装置を介して空気を出し入れすることでその内部の空気圧を調節し、上部に設けられたピストン７３をＺ軸方向に上下駆動させるアクチュエータとして機能する。ベースパッド７５は、ステージベース１２へ向けて空気を噴出することによりエアベアリングを形成し、自重キャンセル機構２７をステージベース１２上に浮上した状態（自重キャンセル機構２７とステージベース１２とが非接触の状態）に維持する。また、ピストン７３の上部からはレベリングカップ７６の下面に向けて空気が噴出され、これによりエアベアリングが形成されてピストン７３とレベリングカップ７６とが非接触の状態とされる。
【００１６】
レベリングカップ７６は、ステージ本体部２２Ｂの下部に設けられた三角錐状部材８８の３つの各面に相対する３つのパッド部を有する。このパッド部から三角錐状部材８８の相対する面に向けて空気を噴出してエアベアリングを形成することにより、レベリングカップ７６と微動ステージ２１とが非接触の状態とされる。上記３つのパッド部はそれぞれその傾斜角度が可変であり、これにより、微動ステージ２１は、上述のボイスコイルモータを作動させることで、レベリングカップ７６と非接触状態のままＺ軸方向，θｘ方向，及びθｙ方向の微小駆動が可能となっている。
【００１７】
図２は、上記のステージ装置の制御系（制御装置）の構成を示すブロック図である。本実施形態では、Ｚ軸方向の駆動制御のみ考えることとする。図２において、ステージ装置の制御系１０は、軌道生成部１０１と、フィードフォワード制御部１０２と、フィードバック制御部１０３と、加算部１０４と、駆動力分配部１０５とを含んで構成される。
【００１８】
軌道生成部１０１は、微動ステージ２１（基板テーブル２２Ａ）に対する指令位置に従って、微動ステージ２１が指令位置まで動いていく途中の各時刻における位置を表す目標軌道を計算し出力する。目標軌道は、各時刻ｔに対応付けられた基板テーブル２２Ａの位置Ｚ（ｔ）と、Ｚ（ｔ）のｎ−１次（ｎは、後述する制御モデルＰ（ｓ）の分母の多項式の次数）までの時間微分Ｚ’（ｔ），Ｚ”（ｔ），…，Ｚ（ｎ−１）（ｔ）の時系列データであり、その生成アルゴリズムは必要に応じて適宜のアルゴリズムを用いることができる。
【００１９】
フィードフォワード制御部１０２は、軌道生成部１０１から出力される上記の目標軌道を入力として、基板テーブル２２ＡのＺ座標位置を完全追従制御（例えば、特開２００１−３２５００５号公報（前述の特許文献２）や論文「マルチレートフィードフォワード制御を用いた完全追従法」（藤本博志他、計測自動制御学会論文集３６巻、９号、ｐｐ７６６−７７２、２０００年）（前述の非特許文献１）を参照）に基づいてフィードフォワード制御する。具体的には、フィードフォワード制御部１０２は、制御対象１０６（基板テーブル２２Ａ）の制御特性を再現した制御モデル（後述）を記憶しており、この制御モデルを用いることにより、ボイスコイルモータと空気バネ７１を駆動するための駆動信号を生成する。
【００２０】
フィードバック制御部１０３は、基板テーブル２２ＡのＺ位置と軌道生成部１０１から出力される目標軌道との差分、即ち目標軌道を基準とした基板テーブル２２ＡのＺ位置の誤差に基づいて、基板テーブル２２ＡのＺ座標位置をフィードバック制御する。具体的には、フィードバック制御部１０３は、上記誤差がゼロとなるように、ボイスコイルモータと空気バネ７１を駆動するための駆動信号を生成する。
【００２１】
加算部１０４は、フィードフォワード制御部１０２からの駆動信号とフィードバック制御部１０３からの駆動信号を加算して、加算後の駆動信号Ｆを駆動力分配部１０５へ出力する。
【００２２】
駆動力分配部１０５は、駆動信号Ｆをボイスコイルモータの駆動力Ｆｚと空気バネ７１の駆動力Ｆｂｅｌとに分配する。例えば、所定の周波数より低い周波数を通過させるローパスフィルタｆＬＰＦを用いて、Ｆｂｅｌ＝ｆＬＰＦ・Ｆ，Ｆｚ＝（１−ｆＬＰＦ）・Ｆとすることができる。
【００２３】
次に、フィードフォワード制御部１０２に記憶されている制御モデルを第１の実施形態から第３の実施形態により説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図３は、図１のステージ装置の構造をＭａｘｗｅｌｌモデルで表した図である。このＭａｘｗｅｌｌモデルにおいて、運動方程式は次式［数１］で表される。但し、ｍ１は微動ステージ２１の質量、ｃ０，ｃ１，ｃ２は粘性係数、ｋ０，ｋ１，ｋ２は弾性係数である。
【００２５】
【数１】
【００２６】
このとき、フィードフォワード制御部１０２に記憶されている制御モデルＰ（ｓ）は、次式［数２］，［数３］のように４次のモデルで表すことができる。但し、ここではｃ０＝０とした。
【００２７】
【数２】
【００２８】
【数３】
【００２９】
ここで、図４に、図１のステージ装置の周波数応答を示す。実線は実測した実際のステージ装置の周波数応答である。この実線から分かるように、図１のステージ装置は、ｆ１＝０．６５Ｈｚ付近とｆ２＝２．６Ｈｚ付近とｆ３＝１００Ｈｚ付近に共振に起因して変曲点を持っている。しかし、この周波数応答曲線によればｆ２＝２．６Ｈｚに対応する共振は他の２つの共振に比べて弱い共振であるため、４次の制御モデルを作る場合には、従来は、ｆ１＝０．６５Ｈｚとｆ３＝１００Ｈｚの２つの共振に着目して制御モデルの同定を行っていた。あるいは、従来は、ｆ１のみの共振に着目して２次の制御モデルとして同定を行っていた。
【００３０】
本発明では、ともに１０Ｈｚより低いｆ１＝０．６５Ｈｚとｆ２＝２．６Ｈｚの２つの共振に着目して制御モデルを同定することとする。具体的には、例えば、周波数範囲ｆ１／３＜ｆ＜３・ｆ２において実際のステージ装置の周波数応答との誤差が最小になるように、制御モデルＰ（ｓ）の各パラメータａ０，ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ｂ０，ｂ１，ｂ２を決定する。図４の破線が、同定した制御モデルの周波数応答である。
【００３１】
図５に、本発明による制御モデルを用いた場合と従来の制御モデルを用いた場合それぞれにおける、ステージの制御結果を比較して示す。図から分かるように、本発明は位置の誤差が従来の１／１０程度に低減されており、高精度な位置制御を実現できている。
【００３２】
（第２の実施形態）
図６に示すように、図１のステージ装置は、微動ステージ２１と自重キャンセル機構２７を連結しているレベリングカップ７６の連結位置と、微動ステージ２１の重心とは実際には距離Ｌｃｇだけずれている。そのため、Ｚ軸方向に微動ステージ２１を駆動する際、レベリングカップ７６の連結位置の周りに回転振動が励起される。
【００３３】
この図６のモデルにおいて、運動方程式は次式［数４］で表される。
【００３４】
【数４】
【００３５】
但し、各変数の意味は次のとおりである。
ｍ：微動ステージ２１と自重キャンセル機構２７の合計質量
Ｊ：微動ステージ２１の回転モーメント
Ｚ１：自重キャンセル機構２７のＺ位置
θ：微動ステージ２１の回転角度
Ｆｂ：レベリングカップ７６（自重キャンセル機構２７）の推力
Ｆｆ：微動ステージ２１の推力
Ｃｂ：レベリングカップ７６（自重キャンセル機構２７）の粘性係数
Ｋｂ：レベリングカップ７６（自重キャンセル機構２７）の弾性係数
μθ：微動ステージ２１の回転の粘性係数
ｋθ：微動ステージ２１の回転の剛性係数
【００３６】
このとき、フィードフォワード制御部１０２に記憶されている制御モデルＰ（ｓ）は、次式［数５］のように４次のモデルで表すことができる。
【００３７】
【数５】
【００３８】
図７に、図６のステージ装置の周波数応答を示す。実線は実際のステージ装置の周波数応答である。本発明では、ともに１０Ｈｚより低いｆ１＝０．６４Ｈｚとｆ２＝２．８５Ｈｚの２つの共振に着目して制御モデルを同定することとする。具体的には、例えば、周波数範囲ｆ１／３＜ｆ＜３・ｆ２において実際のステージ装置の周波数応答との誤差が最小になるように、制御モデルＰ（ｓ）の各パラメータａ０，ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ｂ０，ｂ１，ｂ２を決定する。図７の破線が、同定した制御モデルの周波数応答である。
【００３９】
本実施形態の場合も、第１の実施形態（図５）と同様、従来の制御モデルを用いた制御と比べて高精度な位置制御を実現することができる。
【００４０】
（第３の実施形態）
図８は、ステージベース１２と微動ステージ２１を２質点系の並進モデルで表した図である。このモデルにおいて、フィードフォワード制御部１０２に記憶されている制御モデルＰ（ｓ）は、次式［数６］のように４次のモデルで表すことができる。但し、ｍ１は微動ステージ２１の質量、ｍ２はステージベース１２の質量、ｃ１，ｃ２は粘性係数、ｋ１，ｋ２は弾性係数である。
【００４１】
【数６】
【００４２】
図９に、図８のステージ装置の周波数応答を示す。実線は実際のステージ装置の周波数応答である。本発明では、ともに１０Ｈｚより低いｆ１＝０．６Ｈｚとｆ２＝２．５Ｈｚの２つの共振に着目して制御モデルを同定することとする。具体的には、例えば、周波数範囲ｆ１／３＜ｆ＜３・ｆ２において実際のステージ装置の周波数応答との誤差が最小になるように、制御モデルＰ（ｓ）の各パラメータａ０，ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ｂ０，ｂ１，ｂ２を決定する。図９の破線が、同定した制御モデルの周波数応答である。
【００４３】
本実施形態の場合も、第１の実施形態（図５）と同様、従来の制御モデルを用いた制御と比べて高精度な位置制御を実現することができる。
【００４４】
以上説明した第１乃至第３の実施形態によるステージ装置は、例えば微細な回路パターンをガラス基板や半導体基板に焼き付ける露光装置用のステージ装置として用いることができる。
図１０は、上述のステージ装置を適用した露光装置の構成図である。露光装置３０１は、照明光学系３０２と、マスクＭを保持して移動するマスクステージ装置３０３と、投影光学系ＰＬと、ガラス基板Ｐを保持して移動する基板ステージ装置３０５と、を含んで構成される。
【００４５】
照明光学系３０２は、いずれも図示していない光源ユニット、シャッタ、２次光源形成光学系、ビームスプリッタ、集光レンズ系、レチクルブラインド、および結像レンズ系から構成され、マスクステージ装置３０３に保持されたマスクＭ上の所定の照明領域（回路パターンを含んでいる）を照明光ＩＬにより均一な照度で照明する。
投影光学系ＰＬは、光軸ＡＸ方向に沿って所定間隔で配置された複数枚のレンズエレメントを有する光学系（例えば屈折光学系）であり、照明光学系３０２からの照明光ＩＬによってマスクＭの照明領域が照明されると、このマスクＭを通過した照明光により、投影光学系ＰＬを介してマスクＭ上の照明領域の回路パターンの所定倍率の正立像がガラス基板Ｐ上に投影され、これによりガラス基板Ｐの表面に塗布されたフォトレジストが露光される。
【００４６】
マスクステージ装置３０３または基板ステージ装置３０５の少なくともいずれか一方には、上述した第１乃至第３の実施形態によるステージ装置を用いる。ここで、マスクステージ装置３０３として用いる場合にはＸステージ３上のプレートホルダにマスクＭが保持され、基板ステージ装置３０５として用いる場合には同プレートホルダにガラス基板Ｐが保持される。
【００４７】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
【００４８】
例えば、上述した第１〜第３の実施形態では、制御モデルＰ（ｓ）の同定において、ともに１０Ｈｚより低い周波数ｆ１とｆ２の２つの共振に着目したが、これに代えて、１０Ｈｚより低い周波数ｆ１の共振と、１０Ｈｚより高い周波数であってｆ１の１０倍の周波数より低い周波数ｆ２の共振とに着目してもよく、同様の高精度な位置制御を実現することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１２…ステージベース ２１…微動ステージ ２３Ｘ…Ｘ粗動ステージ ２３Ｙ…Ｙ粗動ステージ ２７…自重キャンセル機構 ７１…空気バネ ７３…ピストン ７６…レベリングカップ １０１…軌道生成部 １０２…フィードフォワード制御部 １０３…フィードバック制御部 １０４…加算部 １０５…駆動力分配部 １０６…制御対象
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御装置及び露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば液晶ディスプレイ（総称としてフラットパネルディスプレイ）を製造する工程においては、基板（ガラス基板）にトランジスタやダイオード等の素子を形成するために露光装置が多く使用されている。露光装置は、レジストを塗布した基板をステージ装置のホルダに載置し、マスクに描かれた微細な回路パターンを投影レンズ等の光学系を介して基板に転写するものであり（例えば、特許文献１参照）、基板とマスクの位置制御には、フィードフォワード制御あるいはフィードバック制御によって動作するステージ装置が用いられている。特に、近年、フィードフォワード制御の一手法として、精密な制御モデルに基づいて高精度な制御を可能とする完全追従制御によるフィードフォワード制御が提案されている（例えば、特許文献２又は非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−０７７３１３号公報
【特許文献２】特開２００１−３２５００５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「マルチレートフィードフォワード制御を用いた完全追従法」、藤本博志他、計測自動制御学会論文集３６巻、９号、ｐｐ７６６−７７２、２０００年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、フィードフォワード制御においては、制御対象物（基板を保持する基板ステージやマスクを保持するマスクステージ）の制御特性を表す制御モデルを同定しておくことが必要であり、この制御モデルの精度がフィードフォワード制御の精度を決することになる。しかしながら、制御対象物ごとに共振などの周波数応答の特徴は違うので、例えば、実際には殆ど制御の性能上は影響を及ぼさない共振点に着目した制御モデルの同定をしてしまう等、必ずしも最適な制御モデルを同定できていないことがある。これにより、従来は、フィードフォワード制御による制御対象物の位置制御を精度良く行うことができないという問題があった。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、制御モデルの同定を最適化し、以ってフィードフォワード制御による高精度な位置制御を行うことが可能な制御装置及び露光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、制御対象物の制御特性を表すモデルを用いた完全追従制御により前記制御対象物をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御手段を備えた制御装置において、前記モデルは、前記制御対象物の周波数応答曲線における第１の変曲点が周波数１０Ｈｚより低い領域に存在し、且つ、第２の変曲点が前記第１の変曲点の周波数より高く周波数１０Ｈｚより低い領域に存在している場合に、前記第１及び第２の変曲点を含む周波数範囲において前記周波数応答曲線との誤差が最小となるようにモデルパラメータが設定されている。
また、本発明は、制御対象物の制御特性を表すモデルを用いた完全追従制御により前記制御対象物をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御手段を備えた制御装置において、前記モデルは、前記制御対象物の周波数応答曲線に第１の変曲点と第２の変曲点が含まれ、前記第２の変曲点が、周波数１０Ｈｚより高い領域であって前記第１の変曲点の周波数の１０倍の周波数より低い領域に存在している場合に、前記第１及び第２の変曲点を含む周波数範囲において前記周波数応答曲線との誤差が最小となるようにモデルパラメータが設定されている。
【０００８】
また、本発明は、マスクステージに保持されたマスクのパターンを基板ステージに保持された感光基板に露光する露光装置において、上記の制御装置を備え、前記制御装置が、前記マスクステージと前記基板ステージの少なくとも一方のステージを制御対象物として制御する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、制御モデルの同定が最適化されているので、フィードフォワード制御による高精度な位置制御を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態によるステージ装置の機構部分の構成図である。
【図２】本発明の一実施形態によるステージ装置の制御系の構成を示すブロック図である。
【図３】ステージ装置の構造をＭａｘｗｅｌｌモデルで表した図である。
【図４】図３のステージ装置の周波数応答を示す図である。
【図５】本発明による制御モデルを用いた場合と従来の制御モデルを用いた場合それぞれにおける、ステージの制御結果を示す図である。
【図６】微動ステージの重心のずれを考慮したモデルを表す図である。
【図７】図６のステージ装置の周波数応答を示す図である。
【図８】ステージベースと微動ステージを２質点系の並進モデルで表した図である。
【図９】図８のステージ装置の周波数応答を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る露光装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるステージ装置の機構部分の構成図である。ステージ装置は、不図示の防振台を介して床面上に設けられたステージベース１２と、ステージベース１２の上方に配置されＸ軸に沿って駆動されるＸ粗動ステージ２３Ｘと、Ｘ粗動ステージ２３Ｘ上に配置されＹ軸に沿って駆動されるＹ粗動ステージ２３Ｙと、Ｙ粗動ステージ２３Ｙの上方に配置されステージ装置による駆動対象物（例えば露光対象となるガラス基板）が載置される微動ステージ２１と、微動ステージ２１の自重を支持する支持部材である自重キャンセル機構２７と、自重キャンセル機構２７により微動ステージ２１の自重を支持しつつ微動ステージ２１の動きを制約する部材であるレベリングカップ７６と、を含んでいる。
【００１２】
Ｘ粗動ステージ２３Ｘは、その下部にＸ軸に沿って２組のＸスライダ６５が設けられており（図では紙面手前側の１組のみ示されている）、このＸスライダ６５の各組は、Ｙ軸方向に所定間隔をもって配置された長手方向がＸ軸方向と一致するＸガイド６１Ｘ１，６１Ｘ２にそれぞれ係合されている（図ではＸガイド６１Ｘ２のみ示されている）。これにより、不図示のＸ駆動機構によってＸ軸方向の駆動力をＸ粗動ステージ２３Ｘに与えると、Ｘ粗動ステージ２３Ｘは、Ｘガイド６１Ｘ１，６１Ｘ２にガイドされてＸ軸に沿って駆動される。またＸ粗動ステージ２３Ｘの中央部には、貫通孔２３Ｘａが形成されている。
【００１３】
Ｙ粗動ステージ２３Ｙは、その下部にＹ軸に沿って２組のＹスライダ６３が設けられており、このＹスライダ６３の各組は、Ｘ軸方向に所定間隔をもってＸ粗動ステージ２３Ｘ上に配置された長手方向がＹ軸方向と一致するＹガイド６１Ｙ１，６１Ｙ２にそれぞれ係合されている。これにより、不図示のＹ駆動機構によってＹ軸方向の駆動力をＹ粗動ステージ２３Ｙに与えると、Ｙ粗動ステージ２３Ｙは、Ｙガイド６１Ｙ１，６１Ｙ２にガイドされてＹ軸に沿って駆動される。またＹ粗動ステージ２３Ｙの中央部には、貫通孔２３Ｙａが形成されている。
【００１４】
微動ステージ２１は、駆動対象物を真空吸着等によって保持する基板テーブル２２Ａと、基板テーブル２２Ａを下側から支持するステージ本体部２２Ｂと、を含んで構成され、レベリングカップ７６を介してその自重を自重キャンセル機構２７が支持した状態で、Ｙ粗動ステージ２３Ｙの上方に設けられている。ステージ本体部２２Ｂには、微動ステージ２１をＹ粗動ステージ２３Ｙに対してＸ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向，θｘ方向（Ｘ軸回りの回転），及びθｙ方向（Ｙ軸回りの回転）に微小量だけ駆動するための駆動機構として、不図示の複数のボイスコイルモータ（Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｍｏｔｏｒ：ＶＣＭ）が備え付けられる。
【００１５】
自重キャンセル機構２７は、筐体７０と、筐体７０の内部に設けられた空気バネ（ベローズ）７１と、Ｚ軸方向に駆動可能なピストン７３と、筐体の下部に設けられた３つのベースパッド７５と、を含んで構成され、Ｘ粗動ステージ２３Ｘに形成された貫通孔２３Ｘａ及びＹ粗動ステージ２３Ｙに形成された貫通孔２３Ｙａを貫通した状態で、ステージベース１２上に設けられている。筐体７０は接続部材８９，９０によってＹ粗動ステージ２３Ｙに接続固定され、これにより自重キャンセル機構２７はＹ粗動ステージ２３ＹとともにＸ軸方向及びＹ軸方向に駆動される。空気バネ７１は、供給弁等を有する不図示の空気供給装置を介して空気を出し入れすることでその内部の空気圧を調節し、上部に設けられたピストン７３をＺ軸方向に上下駆動させるアクチュエータとして機能する。ベースパッド７５は、ステージベース１２へ向けて空気を噴出することによりエアベアリングを形成し、自重キャンセル機構２７をステージベース１２上に浮上した状態（自重キャンセル機構２７とステージベース１２とが非接触の状態）に維持する。また、ピストン７３の上部からはレベリングカップ７６の下面に向けて空気が噴出され、これによりエアベアリングが形成されてピストン７３とレベリングカップ７６とが非接触の状態とされる。
【００１６】
レベリングカップ７６は、ステージ本体部２２Ｂの下部に設けられた三角錐状部材８８の３つの各面に相対する３つのパッド部を有する。このパッド部から三角錐状部材８８の相対する面に向けて空気を噴出してエアベアリングを形成することにより、レベリングカップ７６と微動ステージ２１とが非接触の状態とされる。上記３つのパッド部はそれぞれその傾斜角度が可変であり、これにより、微動ステージ２１は、上述のボイスコイルモータを作動させることで、レベリングカップ７６と非接触状態のままＺ軸方向，θｘ方向，及びθｙ方向の微小駆動が可能となっている。
【００１７】
図２は、上記のステージ装置の制御系（制御装置）の構成を示すブロック図である。本実施形態では、Ｚ軸方向の駆動制御のみ考えることとする。図２において、ステージ装置の制御系１０は、軌道生成部１０１と、フィードフォワード制御部１０２と、フィードバック制御部１０３と、加算部１０４と、駆動力分配部１０５とを含んで構成される。
【００１８】
軌道生成部１０１は、微動ステージ２１（基板テーブル２２Ａ）に対する指令位置に従って、微動ステージ２１が指令位置まで動いていく途中の各時刻における位置を表す目標軌道を計算し出力する。目標軌道は、各時刻ｔに対応付けられた基板テーブル２２Ａの位置Ｚ（ｔ）と、Ｚ（ｔ）のｎ−１次（ｎは、後述する制御モデルＰ（ｓ）の分母の多項式の次数）までの時間微分Ｚ’（ｔ），Ｚ”（ｔ），…，Ｚ（ｎ−１）（ｔ）の時系列データであり、その生成アルゴリズムは必要に応じて適宜のアルゴリズムを用いることができる。
【００１９】
フィードフォワード制御部１０２は、軌道生成部１０１から出力される上記の目標軌道を入力として、基板テーブル２２ＡのＺ座標位置を完全追従制御（例えば、特開２００１−３２５００５号公報（前述の特許文献２）や論文「マルチレートフィードフォワード制御を用いた完全追従法」（藤本博志他、計測自動制御学会論文集３６巻、９号、ｐｐ７６６−７７２、２０００年）（前述の非特許文献１）を参照）に基づいてフィードフォワード制御する。具体的には、フィードフォワード制御部１０２は、制御対象１０６（基板テーブル２２Ａ）の制御特性を再現した制御モデル（後述）を記憶しており、この制御モデルを用いることにより、ボイスコイルモータと空気バネ７１を駆動するための駆動信号を生成する。
【００２０】
フィードバック制御部１０３は、基板テーブル２２ＡのＺ位置と軌道生成部１０１から出力される目標軌道との差分、即ち目標軌道を基準とした基板テーブル２２ＡのＺ位置の誤差に基づいて、基板テーブル２２ＡのＺ座標位置をフィードバック制御する。具体的には、フィードバック制御部１０３は、上記誤差がゼロとなるように、ボイスコイルモータと空気バネ７１を駆動するための駆動信号を生成する。
【００２１】
加算部１０４は、フィードフォワード制御部１０２からの駆動信号とフィードバック制御部１０３からの駆動信号を加算して、加算後の駆動信号Ｆを駆動力分配部１０５へ出力する。
【００２２】
駆動力分配部１０５は、駆動信号Ｆをボイスコイルモータの駆動力Ｆｚと空気バネ７１の駆動力Ｆｂｅｌとに分配する。例えば、所定の周波数より低い周波数を通過させるローパスフィルタｆＬＰＦを用いて、Ｆｂｅｌ＝ｆＬＰＦ・Ｆ，Ｆｚ＝（１−ｆＬＰＦ）・Ｆとすることができる。
【００２３】
次に、フィードフォワード制御部１０２に記憶されている制御モデルを第１の実施形態から第３の実施形態により説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図３は、図１のステージ装置の構造をＭａｘｗｅｌｌモデルで表した図である。このＭａｘｗｅｌｌモデルにおいて、運動方程式は次式［数１］で表される。但し、ｍ１は微動ステージ２１の質量、ｃ０，ｃ１，ｃ２は粘性係数、ｋ０，ｋ１，ｋ２は弾性係数である。
【００２５】
【数１】
【００２６】
このとき、フィードフォワード制御部１０２に記憶されている制御モデルＰ（ｓ）は、次式［数２］，［数３］のように４次のモデルで表すことができる。但し、ここではｃ０＝０とした。
【００２７】
【数２】
【００２８】
【数３】
【００２９】
ここで、図４に、図１のステージ装置の周波数応答を示す。実線は実測した実際のステージ装置の周波数応答である。この実線から分かるように、図１のステージ装置は、ｆ１＝０．６５Ｈｚ付近とｆ２＝２．６Ｈｚ付近とｆ３＝１００Ｈｚ付近に共振に起因して変曲点を持っている。しかし、この周波数応答曲線によればｆ２＝２．６Ｈｚに対応する共振は他の２つの共振に比べて弱い共振であるため、４次の制御モデルを作る場合には、従来は、ｆ１＝０．６５Ｈｚとｆ３＝１００Ｈｚの２つの共振に着目して制御モデルの同定を行っていた。あるいは、従来は、ｆ１のみの共振に着目して２次の制御モデルとして同定を行っていた。
【００３０】
本発明では、ともに１０Ｈｚより低いｆ１＝０．６５Ｈｚとｆ２＝２．６Ｈｚの２つの共振に着目して制御モデルを同定することとする。具体的には、例えば、周波数範囲ｆ１／３＜ｆ＜３・ｆ２において実際のステージ装置の周波数応答との誤差が最小になるように、制御モデルＰ（ｓ）の各パラメータａ０，ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ｂ０，ｂ１，ｂ２を決定する。図４の破線が、同定した制御モデルの周波数応答である。
【００３１】
図５に、本発明による制御モデルを用いた場合と従来の制御モデルを用いた場合それぞれにおける、ステージの制御結果を比較して示す。図から分かるように、本発明は位置の誤差が従来の１／１０程度に低減されており、高精度な位置制御を実現できている。
【００３２】
（第２の実施形態）
図６に示すように、図１のステージ装置は、微動ステージ２１と自重キャンセル機構２７を連結しているレベリングカップ７６の連結位置と、微動ステージ２１の重心とは実際には距離Ｌｃｇだけずれている。そのため、Ｚ軸方向に微動ステージ２１を駆動する際、レベリングカップ７６の連結位置の周りに回転振動が励起される。
【００３３】
この図６のモデルにおいて、運動方程式は次式［数４］で表される。
【００３４】
【数４】
【００３５】
但し、各変数の意味は次のとおりである。
ｍ：微動ステージ２１と自重キャンセル機構２７の合計質量
Ｊ：微動ステージ２１の回転モーメント
Ｚ１：自重キャンセル機構２７のＺ位置
θ：微動ステージ２１の回転角度
Ｆｂ：レベリングカップ７６（自重キャンセル機構２７）の推力
Ｆｆ：微動ステージ２１の推力
Ｃｂ：レベリングカップ７６（自重キャンセル機構２７）の粘性係数
Ｋｂ：レベリングカップ７６（自重キャンセル機構２７）の弾性係数
μθ：微動ステージ２１の回転の粘性係数
ｋθ：微動ステージ２１の回転の剛性係数
【００３６】
このとき、フィードフォワード制御部１０２に記憶されている制御モデルＰ（ｓ）は、次式［数５］のように４次のモデルで表すことができる。
【００３７】
【数５】
【００３８】
図７に、図６のステージ装置の周波数応答を示す。実線は実際のステージ装置の周波数応答である。本発明では、ともに１０Ｈｚより低いｆ１＝０．６４Ｈｚとｆ２＝２．８５Ｈｚの２つの共振に着目して制御モデルを同定することとする。具体的には、例えば、周波数範囲ｆ１／３＜ｆ＜３・ｆ２において実際のステージ装置の周波数応答との誤差が最小になるように、制御モデルＰ（ｓ）の各パラメータａ０，ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ｂ０，ｂ１，ｂ２を決定する。図７の破線が、同定した制御モデルの周波数応答である。
【００３９】
本実施形態の場合も、第１の実施形態（図５）と同様、従来の制御モデルを用いた制御と比べて高精度な位置制御を実現することができる。
【００４０】
（第３の実施形態）
図８は、ステージベース１２と微動ステージ２１を２質点系の並進モデルで表した図である。このモデルにおいて、フィードフォワード制御部１０２に記憶されている制御モデルＰ（ｓ）は、次式［数６］のように４次のモデルで表すことができる。但し、ｍ１は微動ステージ２１の質量、ｍ２はステージベース１２の質量、ｃ１，ｃ２は粘性係数、ｋ１，ｋ２は弾性係数である。
【００４１】
【数６】
【００４２】
図９に、図８のステージ装置の周波数応答を示す。実線は実際のステージ装置の周波数応答である。本発明では、ともに１０Ｈｚより低いｆ１＝０．６Ｈｚとｆ２＝２．５Ｈｚの２つの共振に着目して制御モデルを同定することとする。具体的には、例えば、周波数範囲ｆ１／３＜ｆ＜３・ｆ２において実際のステージ装置の周波数応答との誤差が最小になるように、制御モデルＰ（ｓ）の各パラメータａ０，ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ｂ０，ｂ１，ｂ２を決定する。図９の破線が、同定した制御モデルの周波数応答である。
【００４３】
本実施形態の場合も、第１の実施形態（図５）と同様、従来の制御モデルを用いた制御と比べて高精度な位置制御を実現することができる。
【００４４】
以上説明した第１乃至第３の実施形態によるステージ装置は、例えば微細な回路パターンをガラス基板や半導体基板に焼き付ける露光装置用のステージ装置として用いることができる。
図１０は、上述のステージ装置を適用した露光装置の構成図である。露光装置３０１は、照明光学系３０２と、マスクＭを保持して移動するマスクステージ装置３０３と、投影光学系ＰＬと、ガラス基板Ｐを保持して移動する基板ステージ装置３０５と、を含んで構成される。
【００４５】
照明光学系３０２は、いずれも図示していない光源ユニット、シャッタ、２次光源形成光学系、ビームスプリッタ、集光レンズ系、レチクルブラインド、および結像レンズ系から構成され、マスクステージ装置３０３に保持されたマスクＭ上の所定の照明領域（回路パターンを含んでいる）を照明光ＩＬにより均一な照度で照明する。
投影光学系ＰＬは、光軸ＡＸ方向に沿って所定間隔で配置された複数枚のレンズエレメントを有する光学系（例えば屈折光学系）であり、照明光学系３０２からの照明光ＩＬによってマスクＭの照明領域が照明されると、このマスクＭを通過した照明光により、投影光学系ＰＬを介してマスクＭ上の照明領域の回路パターンの所定倍率の正立像がガラス基板Ｐ上に投影され、これによりガラス基板Ｐの表面に塗布されたフォトレジストが露光される。
【００４６】
マスクステージ装置３０３または基板ステージ装置３０５の少なくともいずれか一方には、上述した第１乃至第３の実施形態によるステージ装置を用いる。ここで、マスクステージ装置３０３として用いる場合にはＸステージ３上のプレートホルダにマスクＭが保持され、基板ステージ装置３０５として用いる場合には同プレートホルダにガラス基板Ｐが保持される。
【００４７】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
【００４８】
例えば、上述した第１〜第３の実施形態では、制御モデルＰ（ｓ）の同定において、ともに１０Ｈｚより低い周波数ｆ１とｆ２の２つの共振に着目したが、これに代えて、１０Ｈｚより低い周波数ｆ１の共振と、１０Ｈｚより高い周波数であってｆ１の１０倍の周波数より低い周波数ｆ２の共振とに着目してもよく、同様の高精度な位置制御を実現することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１２…ステージベース ２１…微動ステージ ２３Ｘ…Ｘ粗動ステージ ２３Ｙ…Ｙ粗動ステージ ２７…自重キャンセル機構 ７１…空気バネ ７３…ピストン ７６…レベリングカップ １０１…軌道生成部 １０２…フィードフォワード制御部 １０３…フィードバック制御部 １０４…加算部 １０５…駆動力分配部 １０６…制御対象
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象物の制御特性を表すモデルを用いた完全追従制御により前記制御対象物をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御手段を備えた制御装置において、
前記モデルは、前記制御対象物の周波数応答曲線における第１の変曲点が周波数１０Ｈｚより低い領域に存在し、且つ、第２の変曲点が前記第１の変曲点の周波数より高く周波数１０Ｈｚより低い領域に存在している場合に、前記第１及び第２の変曲点を含む周波数範囲において前記周波数応答曲線との誤差が最小となるようにモデルパラメータが設定されている
制御装置。
【請求項２】
制御対象物の制御特性を表すモデルを用いた完全追従制御により前記制御対象物をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御手段を備えた制御装置において、
前記モデルは、前記制御対象物の周波数応答曲線に第１の変曲点と第２の変曲点が含まれ、前記第２の変曲点が、周波数１０Ｈｚより高い領域であって前記第１の変曲点の周波数の１０倍の周波数より低い領域に存在している場合に、前記第１及び第２の変曲点を含む周波数範囲において前記周波数応答曲線との誤差が最小となるようにモデルパラメータが設定されている
制御装置。
【請求項３】
マスクステージに保持されたマスクのパターンを基板ステージに保持された感光基板に露光する露光装置において、
請求項１又は請求項２に記載の制御装置を備え、
前記制御装置が、前記マスクステージと前記基板ステージの少なくとも一方のステージを制御対象物として制御する
露光装置。
【請求項１】
制御対象物の制御特性を表すモデルを用いた完全追従制御により前記制御対象物をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御手段を備えた制御装置において、
前記モデルは、前記制御対象物の周波数応答曲線における第１の変曲点が周波数１０Ｈｚより低い領域に存在し、且つ、第２の変曲点が前記第１の変曲点の周波数より高く周波数１０Ｈｚより低い領域に存在している場合に、前記第１及び第２の変曲点を含む周波数範囲において前記周波数応答曲線との誤差が最小となるようにモデルパラメータが設定されている
制御装置。
【請求項２】
制御対象物の制御特性を表すモデルを用いた完全追従制御により前記制御対象物をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御手段を備えた制御装置において、
前記モデルは、前記制御対象物の周波数応答曲線に第１の変曲点と第２の変曲点が含まれ、前記第２の変曲点が、周波数１０Ｈｚより高い領域であって前記第１の変曲点の周波数の１０倍の周波数より低い領域に存在している場合に、前記第１及び第２の変曲点を含む周波数範囲において前記周波数応答曲線との誤差が最小となるようにモデルパラメータが設定されている
制御装置。
【請求項３】
マスクステージに保持されたマスクのパターンを基板ステージに保持された感光基板に露光する露光装置において、
請求項１又は請求項２に記載の制御装置を備え、
前記制御装置が、前記マスクステージと前記基板ステージの少なくとも一方のステージを制御対象物として制御する
露光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２６７１４４（Ｐ２０１０−２６７１４４Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１９０６８（Ｐ２００９−１１９０６８）
【出願日】平成２１年５月１５日（２００９．５．１５）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１５日（２００９．５．１５）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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