DE69330476T2

DE69330476T2 - Gerät zur genauen Positionierung

Info

Publication number: DE69330476T2
Application number: DE69330476T
Authority: DE
Inventors: Katsumi Asada; Mikio Sato; Shinji Wakui
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-03-02
Filing date: 1993-02-26
Publication date: 2001-12-13
Anticipated expiration: 2013-02-27
Also published as: EP0559397A2; JPH05308044A; EP0559397B1; US5511930A; EP0559397A3; DE69330476D1; JP3217522B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur genauen Positionierung und insbesondere ein Gerät zur genauen Positionierung, das für ein Positioniersteuersystem für ein Halbleiterbelichtungsgerät, wie z. B. ein Stepper, geeignet ist.

Bemerkungen zum Stand der Technik

In einem Gerät zur genauen Positionierung und insbesondere für die Positionierung des Wafertischs eines Steppers wird die erforderliche Positioniergenauigkeit mit dem in letzter Zeit schnell ansteigenden Integrationsgrad von Halbleiterelementen höher. Die gegenwärtige Positioniergenauigkeit in der Praxis ist in der Größenordnung von mehreren zehn Nanometer für einen Tisch, der einen zu positionierenden Wafer trägt, doch die Positioniergenauigkeit in der Größenordnung von einem Nanometer wird für die nahe Zukunft als notwendig erachtet. Um den Durchsatz zu erhöhen, ist es notwendig, eine derart hochgenaue Positionierung mit einer höheren Geschwindigkeit auszuführen.
Bei der Betrachtung eines Steppers als ein Beispiel wird deutlich, daß die meisten solcher Positioniergeräte nach dem Stand der Technik eine Gleitführung oder eine Rollführung als eine Führungsvorrichtung für einen Tisch verwenden, welcher ein Transportkörper ist, und ein System zur Umwandlung der Drehung eines Gleichstrom-Servomotors in eine geradlinige Bewegung durch eine Kugelumlaufspindel, welche als Antriebsvorrichtung verwendet wird.
Die höhere Positioniergenauigkeit führt jedoch zu einem verhältnismäßig großen Reibungseinfluß, und wenn daher eine höhere Geschwindigkeit und eine höhere Genauigkeit durch die Verwendung eines solchen Kontaktaufbaus angestrebt werden, treten jedoch das Problem der Langzeitstabilität durch Reibverschleiß oder Reibungswärme und die Probleme des instabilen Verhaltens auf, wie z. B. die Reibschwingungserscheinung und die Sprungerscheinung, und die Positionierung mit einer Genauigkeit in der Größenordnung eines Nanometers wird schwierig.
Um daher solche Probleme zu lösen, ist ein Tisch der kontaktlosen Antriebsausführung, welcher ein Luftlager als eine Führungsoberfläche verwendet, aufgrund dessen Vorteils, frei vom Einfluß der Kontaktreibung zu sein, und in welchem ein Linearmotor, der dieses Luftlager als eine Führung aufweist, als Antriebsvorrichtung verwendet wird, in jüngster Zeit trendbestimmend.
In einem Gerät zur Positionierung, das ein solches Luftlager und einen solchen Linearmotor verwendet, ist die Stabilität in der Bewegungsrichtung des Tischs geringer als die Stabilität eines Kontaktführungsmechanismus und einer Kugelumlaufspindel. Demgemäß wirken eine Grundplatte und der Tisch als eine Art des gekoppelten Schwingungssystems mit zwei Freiheitsgraden, und daher wird die Schwingung zwischen dem Tisch und der Führungsoberfläche durch das Rollen der Grundplatte verursacht, das aus der Bewegungsreaktionskraft des Tischs resultiert, und die Positionierzeitdauer für den Tisch wird länger. Bisher erfolgte die Verwendung hauptsächlich eines Grundplatten-Beschleunigungsrückführungsverfahrens, in welchem ein Beschleunigungssensor an einer Grundplatte angeordnet ist, und das Beschleunigungssignal der Grundplatte, das dadurch erfaßt ist, wird der Steuereingabe eines Linearmotors hinzugefügt (siehe z. B. Hiroo Kinoshita, Munetsugu Kanal, Kokichi Deguchi und Tadao Saito: "The Trial Manufacture of an Air Bearing Guided High-Speed XY Stage", in Journal of the Precision Engineering Society, 52/10 (1986), 1713).
Im Vergleich mit dem Kontaktführungsmechanismus des Standes der Technik ist die Stabilität des vorstehend beschriebenen Geräts gering, und daher ist die Störung der anderen Stellungen, wie z. B. Gieren und Stampfen als Verschiebungsbewegung, groß, und eine solche Bewegung, wie die Schwingung der Grundplatte ist die Ursache der Verschlechterung der Positioniergenauigkeit und einer längeren Positionierzeitdauer. Die Festtischbeschleunigungsrückführung des Standes der Technik weist jedoch den Nachteil auf, daß sie kaum eine solche Störung der Stellungen korrigieren kann.
Ein weiteres Beispiel eines Geräts zur Positionierung ist in der US-A-4956789 beschrieben. Dieses Dokument beschreibt ein Gerät, in welchem eine Sollbahn, die eine Anhäufung von Sollpositionen aufweist, die sich mit der Zeit ändern, bestimmt wird. Die Sollpositionen werden einer Steuereinheit zusammen mit einem Signal zugeführt, das die Istposition einer bewegbaren Einheit darstellt. Die Steuereinheit erzeugt dann ein Ansteuersignal, welches eingerichtet ist, um den Unterschied zwischen der Istposition der bewegbaren Einheit und einer Sollposition auf Null zu reduzieren. Das bestimmte Ansteuersignal wird dann einer Stellvorrichtung zugeführt, so daß eine Antriebskraft von der Stellvorrichtung auf die bewegbare Einheit übertragen wird, um die bewegbare Einheit zu veranlassen, sich in die Sollposition zu bewegen.
Die vorliegende Erfindung erfolgte im Hinblick auf die vorstehend erwähnten Probleme, welche dem Stand der Technik eigen sind, und die Aufgabe besteht darin, ein kontaktloses Gerät zur genauen Positionierung zu schaffen, welches die Störung der Stellung und die Schwingung, die auf geringer Stabilität beruht, welche ein Merkmal eines kontaktlosen Führungsmechanismus ist, zweckentsprechend zu korrigieren und eine stabile, hochgenaue Positionierung mit hoher Geschwindigkeit zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird ein Gerät zur genauen Positionierung aufgezeigt, das aufweist:
- ein Grundelement,
- ein bewegbares Element, das in bezug auf das Grundelement bewegbar ist, und
- eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen des bewegbaren Elements gemäß einem Steuerbefehlssignal,
dadurch gekennzeichnet, daß es ferner aufweist:
- eine erste Steuervorrichtung zum Ausgeben eines Steuersignals als Reaktion auf die Differenz zwischen einem Sollpositionssignal und einem Signal, das die Istposition des bewegbaren Elements darstellt,
- eine zweite Steuervorrichtung zum Ermitteln einer Störungskraft, welche das bewegbare Element beeinflußt, und zum Ausgeben eines entsprechenden Korrektursignals, wobei die Ermittlung auf der Grundlage mindestens entweder eines Signals ausgeführt wird, das die Position des bewegbaren Elements darstellt, oder eines Signals, das die Bewegungsgeschwindigkeit des bewegbaren Elements darstellt, und
- eine Vorrichtung zum Erzeugen des Steuerbefehlssignals aus dem Steuersignal, das durch die erste Steuervorrichtung erzeugt ist, und aus dem Korrektursignal, das durch die zweite Steuervorrichtung erzeugt ist.
Jede der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist auf ein Belichtungsgerät zur Herstellung von Halbleiterspeichern, Flüssigkristalltafeln, CCDs, Magnetköpfen usw. anwendbar, welches mit verschiedenen Tischen ausgestattet ist, um darauf ein zu belichtendes Element, wie z. B. ein Wafer, zu tragen, als das bewegbare Element.
Verschiedene Merkmale und andere verschiedene Formen der vorliegenden Erfindung werden aus einigen Ausführungsformen der Erfindung deutlich, welche weiter nachstehend beschrieben sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines kontaktlosen Geräts zur genauen Positionierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm zur Darstellung des Befehlswerts zu dem Drehwinkel eines Motors,
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm des Motors und einer Störungsbeobachtungsvorrichtung,
Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm zur Darstellung des Befehlswerts zu der Verschiebung eines Linearmotors,
Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm des Linearmotors und der Störungsbeobachtungsvorrichtung,
Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm einer Störungsbeobachtungsvorrichtung unter Verwendung der Lageinformation,
Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm des in Fig. 1 gezeigten Geräts,
Fig. 8A und 8B zeigen Übertragungskennlinien einer Störungskraft, die an der Grundplatte anliegt, zu der Verschiebung eines Transportkörpers, wobei Fig. 8A eine Ansprechkennlinie der Amplitude und Fig. 8B eine Ansprechkennlinie der Phase zeigen,
Fig. 9A und 9B zeigen die Verschiebungen des Transportkörpers, wenn ein Einheitssprung als Eingangsgröße an einer Grundplatte zu unterschiedlichen Zeiten anliegt,
Fig. 10A und 10B zeigen die Verschiebungen des Transportkörpers, wenn der Transportkörper um eine Distanz λ bewegt und zu unterschiedlichen Zeiten positioniert wird,
Fig. 11 zeigt den Aufbau eines Geräts zur genauen Positionierung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 12 zeigt ein Blockdiagramm des in Fig. 11 gezeigten Geräts,
Fig. 13A und 13B zeigen die Übertragungskennlinien einer Störungskraft, die an einer Grundplatte zur Verschiebung eines Tischs anliegt, wobei Fig. 13A die Ansprechkennlinie der Amplitude und Fig. 13B die Ansprechkennlinie der Phase zeigen,
Fig. 14A und 14B zeigen die Verschiebungen des Tischs, wenn ein Einheitssprung als Eingangsgröße zu unterschiedlichen Zeitpunkten an die Grundplatte angelegt ist, und
Fig. 15A und 15B zeigen die Verschiebungen des Tischs, wenn der Tisch um eine Distanz λ bewegt und zu unterschiedlichen Zeitpunkten genau positioniert wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine erste Steuervorrichtung zum Erzeugen eines ersten Steuerbefehls aus den Positionsdaten oder der Menge eines anderen Zustands eines Transportkörpers (ein sich bewegender Körper) durch eine Meßvorrichtung, wie zum Beispiel ein Laserinterferometer, angeordnet, und außerdem eine zweite Steuervorrichtung, das heißt eine sogenannte "Störungsbeobachtungsvorrichtung" zur Ermittlung aus den Positionsdaten oder der Menge eines anderen Zustands des Transportkörpers durch die Meßvorrichtung und Steuerbefehlen, die durch die erste und die zweite Steuervorrichtung erzeugt sind, einer Störungskraft, welche die Schwingung des Transportkörpers erzeugt, welcher das Rollen einer Grundplatte zuzuschreiben ist, das aus der Bewegungsreaktionskraft des Transportkörpers resultiert, oder der Störung einer anderen Stellung, wie zum Beispiel das Gieren oder Stampfen des Transportkörpers als dessen Verschiebungsbewegung, wodurch auf wirkungsvolle Weise die Schwingung des Transportkörpers unterdrückt wird, welcher das Rollen der Grundplatte zuzuschreiben ist, das sich aus der Bewegungsreaktionskraft des Transportkörpers ergibt, oder der Störung der anderen Stellung, wie zum Beispiel das Gieren oder Stampfen des Transportkörpers als dessen Verschiebungsbewegung, und das Ermöglichen einer höheren Positioniergenauigkeit und das Verkürzen der Positionierzeitdauer, zu erreichen.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann durch Verwendung einer Störungsbeobachtungsvorrichtung für ein Positioniergerät die Schwingung zwischen dem Transportkörper und einer Führungsoberfläche, welche durch das Rollen des Grundkörpers verursacht wird, das sich aus der Bewegungsreaktionskraft des Transportkörpers ergibt, wie vorstehend beschrieben ist, als eine "Störung" erfaßt und ausgeschlossen werden.
Die Störungsbeobachtungsvorrichtung ist in den letzten Jahren in die Steuerung eines Motors, eines Roboters oder dergleichen übernommen worden. Dieses Verfahren erkennt im voraus die Störung des Drehmoments oder der Schubkraft aus einer Steuerspannung eines Motors und der Istdrehzahl des Motors und gleicht diese aus.
Der Ausgleich der Störung durch die Störungsbeobachtungsvorrichtung wird nachstehend unter Bezugnahme auf den Fall einer Motorsteuerung beispielhaft beschrieben.
Fig. 2 zeigt eine Ersatzschaltung, welche die Beziehung der Steuerspannung Ur eines Motors zu dessen Drehwinkel θ darstellt. Zu diesem Zeitpunkt liegen zusätzlich zu der Störung von außen die Abweichung einer Drehmomentkonstanten Kt von einem Nennwert Ktn und die Abweichung der Massenträgheit J von einem Sollwert Jn sowie eine Drehmomentwelligkeit oder dergleichen in dem System vor und verschlechtern das Positionierverhalten, und daher werden diese zusammenfassend als Td definiert. Der einmal differenzierte Wert von Td wird angenommen als:
d (= dTd/dt) = 0
und wenn eine Zustandsgleichung durch einen Vektor und eine Matrix abgeleitet wird, ergibt sich der folgende mathematische Ausdruck (siehe z. B. Kohei Onishi: " The Control of the Electric Motor and Robot", in "Journal of the Electric Society", 110/8 (1990), S. 657
= AX + Bu
Y = C X (1)
wenn
C = (0 1), u = Ur
Wenn das bekannte Gopinatrische Minimalabmessung- Beobachtungsvorrichtung-Aufbauverfahren darauf angewendet wird, um den Ermittlungswert Tde des Störungsdrehmoments Td aus der Eingabe u und der Zustandsmenge ω zu finden, wird ein Ermittlungswert, der durch die folgende Gleichung dargestellt ist, unter Verwendung eines Pols g&sub0; (rad/s) erhalten, welcher beliebig gewählt werden kann, wobei die Beobachtungsvorrichtung aufweist:
In Gleichung (3) ist der Klammerausdruck gleich dem Störungsdrehmoment Td, und die Gleichung (3) kann in den folgenden mathematischen Ausdruck umgeschrieben werden:
Somit bewertet die Störungsbeobachtungsvorrichtung die Drehmomentstörung Td mit einer Verzögerung erster Ordnung. Die Gleichung (3) kann durch ein Blockdiagramm ausgedrückt werden, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 3 gezeigt ist. Diese wird dann in einen Spannungswert umgewandelt und dem Spannungssteuerwert Ur überlagert, wodurch der Einfluß der Drehmomentstörung Td ausgeglichen wird. In Fig. 2 und 3 ist Ur eine Steuerspannung, Kt ist eine Drehmomentkonstante, Ktn ist der Nennwert der Drehmomentkonstanten, J ist das Massenträgheitsmoment, Jn ist der Nennwert des Massenträgheitsmoments, C ist die Viskosität, g&sub0; ist eine Verstärkung der Beobachtungsvorrichtung, s ist ein Differentialoperator, 0 ist eine Winkelgeschwindigkeit und θ ist ein Winkel.
Auf diese Weise wird in der Störungsbeobachtungsvorrichtung die Störungsinformation auf dem Niveau eines Drehmoments oder einer Kraft erfaßt und korrigiert, und daher ist im Vergleich zu dem Aufbau nach dem Stand der Technik die PID- Regelvorrichtung, welche nur einen Serienkompensator verwendet, ein wesentliches Merkmal, daß ein hohes Störungsausschließungsvermögen erzielt wird. Diese Störungsbeobachtungsvorrichtung ist bisher hauptsächlich zum Zweck der Ermittlung einer Drehmomentschwankung, die sich aus der Schwankung der Drehmomentwelligkeit oder des Trägheitsmoments oder einer Drehmomentstörung ergibt, die von außerhalb bei der Steuerung oder dergleichen eines Motors, eines Roboters oder einer Werkzeugmaschine aufgenommen ist, und deren Ausgleich verwendet worden.
Es ist bisher jedoch noch kein Beispiel bekannt geworden, in welchem diese Störungsbeobachtungsvorrichtung auf die Steuerung zur genauen Positionierung eines kontaktlosen Transportkörpers, der auf einem Festtisch getragen wird, wie z. B. ein Stepper, angewendet ist.
Demgemäß ist bisher die Wirksamkeit der Störungsbeobachtungsvorrichtung für die Schwingung eines Transportkörpers durch das Rollen der Grundplatte und die Störung der anderen Stellung des Transportkörpers, wie z. B. Gieren oder Nicken als Verschiebungsbewegung, welche die Probleme sind, die durch die vorliegende Erfindung zu lösen sind, nicht geklärt und eine Anwendung mit dem Ziel, solche Probleme zu überwinden, ist niemals ausgeführt worden.
Fig. 4 zeigt eine Ersatzschaltung mit den Beziehungen der Befehlsspannung Ur zu der Verschiebung x&sub1; des Linearmotors der vorliegenden Erfindung beim Einsatz. Fig. 4 zeigt ein Diagramm, in welchem in bezug auf die Schaltung in Fig. 2 der Drehwinkel θ durch die Verschiebung x&sub1; ersetzt ist, die Drehmomentkonstante Kt durch eine Schubkonstante kt ersetzt ist, das Massenträgheitsmoment J durch ein Massenträgheitsmoment ml ersetzt ist, das Störungsdrehmoment Td durch eine Störungskraft Fd ersetzt ist, die Winkelgeschwindigkeit ω durch eine Geschwindigkeit v ersetzt ist und die Viskositätskonstante C durch eine Konstante C&sub1; ersetzt ist und die mehr oder weniger gleichwertige Umwandlung ausgeführt wird. Fig. 5 zeigt ein Diagramm, in welchem die Störungsbeobachtungsvorrichtung mit dem Linearmotor der Fig. 4 kombiniert ist.
Vorstehend ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt worden, in welchem die Geschwindigkeiten ω und v als die Zustandsmenge verwendet werden, um die Störungsbeobachtungsvorrichtung aufzubauen, doch die Positionsinformationen θ oder x&sub1; können ebenfalls verwendet werden, um die Störungsbeobachtungsvorrichtung aufzubauen. Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem eine Störungsbeobachtungsvorrichtung, die unter Verwendung der Positionsinformation x&sub1; aufgebaut ist, auf den Linearmotor der Fig. 4 angewendet ist. Das Grundkonzept ist ähnlich dem Fall, wenn die Geschwindigkeitsinformation verwendet wird, doch wenn die Positionsinformation verwendet ist, wird die Störung mit einer Verzögerung zweiter Ordnung ermittelt, und der Pol dieser Beobachtungsvorrichtung mit g&sub1; und g&sub2; als Parameter ist durch die zwei Wurzeln gegeben, wenn die rechte Seite der folgenden Gleichung Null ist:
L(s) = s² + g&sub1; s + g&sub2; (5)
Welche der Beobachtungsvorrichtungen dieser zwei Typen zu verwenden ist, kann mit einer beobachtbaren Zustandsmenge, die berücksichtigt wird, ausgewählt werden.
Wie vorstehend gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, erfolgt die Anordnung der ersten Steuervorrichtung zum Erzeugen einer ersten Steuereingabe mit der Positionsinformation oder der Menge des anderen Zustands des Transportkörpers durch eine Meßvorrichtung, wie z. B. ein Laserinterferometer, eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der Positionsinformation oder der Menge des anderen Zustands des Transportkörpers durch die Meßvorrichtung, und einer zweiten Meßvorrichtung, d. h. eine Störungsbeobachtungsvorrichtung, um aus einer Steuereingabe, die durch die erste und die zweite Steuervorrichtung erzeugt ist, eine Störungskraft zu ermitteln, welche die Schwingung des Transportkörpers erzeugt, die den Rollen der Grundplatte zuzuschreiben ist, das sich aus der Bewegungsreaktionskraft des Transportkörpers ergibt, oder der Störung der anderen Stellung, wie z. B. das Gieren oder Nicken des Transportkörpers als dessen Verschiebungsbewegung, und Erzeugen einer zweiten Steuereingabe, um dies unwirksam zu machen, wodurch auf wirksame Weise die Schwingung des Transportkörpers unterdrückt wird, welche dem Rollen der Grundplatte zuzuschreiben ist, das sich aus der Bewegungsreaktionskraft des Transportkörpers ergibt, oder die Störung der anderen Stellung, wie z. B. das Gieren und Nicken des Transportkörpers als dessen Verschiebungsbewegung, und das Ermöglichen der höheren Positioniergenauigkeit und das Verkürzen der Positionierzeit zu erreichen.
In einem Stepper ist es zusätzlich zu der Positionierung eines Wafers notwendig, die Korrektur der Stellung des Wafers zum Einstrahlen des Belichtungslichts auf die Oberfläche des Wafers (Abbilden einer Maske) ohne jede Neigung auszuführen, und der Stepper muß in der Lage sein, mit einem Fall zurechtzukommen, wenn infolge Verwerfung des Wafers die Oberfläche des Wafers eine Neigung in bezug auf einen Tisch aufweist. Daher wird die Stellungssteuerung zuerst durch eine Tischstellung-Erfassungsvorrichtung und eine Stellungskorrektur-Ansteuervorrichtung ausgeführt, so daß der Tisch während der Verschiebungs-Positionieroperation in einer vorbestimmten Stellung gehalten werden kann. Nach der Beendigung der Verschiebungs-Positionieroperation wird die Neigung der Waferoberfläche selbst gemessen, und die Stellung des Tischs wird so korrigiert, daß die Abbildungsoberfläche der Maske und die Waferoberfläche einander übereinstimmen kann und das Belichtungslicht auf den Wafer ohne jede Neigung einfallen kann.
Die Probleme, wie sie nachstehend beschrieben werden, sind jedoch bei Anwendung der vorstehend beschriebenen Störungsbeobachtungsvorrichtung auf ein Gerät zur Positionierung, wie z. B. ein Stepper mit einer Stellungskorrekturvorrichtung, zusätzlich zu der Verschiebeoperationsvorrichtung, eingetreten.
Zuerst kann durch Anwendung der vorstehend beschriebenen Störungsbeobachtungsvorrichtung der Einfluß des Rollens auf die Grundplatte ausgeschlossen werden, doch die Verschiebungsmenge des Tischs wird durch die Tischstellung-Korrekturoperation, die nach dem Positionieren in der Verschiebungsrichtung des Tischs ausgeführt wird, verändert, und die ermittelte Störungswellenform der Störungsbeobachtungsvorrichtung ist gestört. Dies führte zu dem Problem, daß die Positioniereigenschaften mehr als in dem Fall verschlechtert werden, wenn die Störungsbeobachtungsvorrichtung nicht verwendet wird.
Während der Verschiebungsbewegung, wie vorstehend beschrieben, führt das Stellungssteuersystem ferner die Regeloperation aus, um die Stellung des Tischs gleichbleibend zu erhalten, doch im Hinblick auf die Verschiebungsregelung ist dieses Stellungssteuerungssytem eine Art zusätzliches Resonanzelement höherer Ordnung. Dies führte zu dem Problem, daß selbst dann, wenn die Störungsbeobachtungsvorrichtung auf ein solches Gerät zur Positionierung angewendet ist, die Kreisverstärkung der Beobachtungsvorrichtung nicht erhöht werden kann und ein gewünschtes Störungsunterdrückungsverhalten nicht erzielt werden kann.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Gerät zur genauen Positionierung dar, das auf einer Grundplatte getragen ist und eine Verschiebungsbewegungsvorrichtung sowie eine Stellungskorrekturvorrichtung aufweist, und welches zum praktischen Einsatz im Hinblick auf die Kosten und die Stabilität geeignet ist, und welches in zweckentsprechender Weise die Stellungsstörung und die Störung durch Schwingung auf der Grundlage geringer Steifigkeit korrigiert, welche ein Merkmal eines kontaktlosen Führungsmechanismus ist, und die stabile und hochgenaue Positionierung mit hoher Geschwindigkeit erreichen kann.
Das heißt, die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Gerät zum Positionieren, das auf einer Grundplatte getragen wird und eine Verschiebungsbewegungsvorrichtung sowie eine Stellungskorrekturvorrichtung aufweist, und welches mit der ersten Steuervorrichtung zur Ausgabe eines ersten Befehlssignals an die Verschiebungsantriebsvorrichtung auf der Grundlage der Ausgabe von einer Meßvorrichtung zum Messen der Zustandsmenge der Verschiebungsbewegung und eines Verschiebungsbezugswerts ausgestattet ist, wobei die dritte Steuervorrichtung zur Stellungssteuerung ein Befehlssignal an die Stellungsantriebsvorrichtung auf der Grundlage der Ausgabe von einer Stellungsmeßvorrichtung und eines Stellungsbezugswerts ausgibt, und eine zweite Steuervorrichtung, das heißt, eine sogenannte "Störungsbeobachtungsvorrichtung" zur Berechnung einer Störung eines Tischs auf der Grundlage der Ausgabe der Meßvorrichtung zum Messen der Zustandsmenge der Verschiebungsbewegung und eines Eingabesignals in die Verschiebungsantriebsvorrichtung und Ausgeben eines zweiten Befehlssignals zum Aufheben der Störung, und addiert das erste Befehlssignal und das zweite Befehlssignal, um ein Eingangssignal für die Verschiebungsantriebsvorrichtung zu erzeugen, wodurch die Schwingung zwischen dem Tisch und einer Führungsoberfläche durch das Rollen des Festtischs als eine "Störung" erfaßt und ausgeschaltet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Einfluß der Stellungskorrekturvorrichtung auf die Störungsbeobachtungsvorrichtung durch eine Abänderungsvorrichtung zur Eingabe der Menge des Verschiebungszustands der Störungsbeobachtungsvorrichtung ausgeschlossen, wobei die Abänderungsvorrichtung die erste Abänderungsvorrichtung ist und einen Steuerbefehlswert für die Korrektur der Stellung des Tischs und/oder die Stellungsinformation von der Stellungsmeßvorrichtung und/oder die Abänderungsvorrichtung für die Ausgabe der Störungsbeobachtungsvorrichtung verwendet, deren Abänderungsvorrichtung die zweite Abänderungsvorrichtung ist und die dynamischen Eigenschaften eines Stellungskorrektur- Steuersystems berücksichtigt.
Somit wird in dem Gerät zum Positionieren, welches die Stellungskorrekturvorrichtung aufweist, die Schwingung zwischen dem Tisch und der Führungsoberfläche, welche dem Rollen der Grundplatte zuzuschreiben ist, das sich aus der Bewegung des Tischs ergibt, erfaßt und als eine "Störung" ausgeschlossen, wodurch ein Positionierverhalten von hohem Leistungsvermögen realisiert wird.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Geräts zur genauen Positionierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine kontaktlose Führungsvorrichtung, wie z. B. ein Luftlager, das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Linearmotor, welcher eine Antriebsvorrichtung ist, das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Wafertisch als einen Transportkörper, welcher durch den Linearmotor 2 angetrieben wird und auf welchem ein Wafer angeordnet wird, das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Grundplatte, das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Positionsmeßvorrichtung zum Messen einer Positions- oder einer Verschiebungsmenge des Transportkörpers, wie z. B. ein Laserinterferometer, das Bezugszeichen 7 bezeichnet eine erste. Steuervorrichtung, und das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine zweite Steuervorrichtung zur Ermittlung einer Störungskraft, d. h. eine Störungsbeobachtungsvorrichtung. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Differenziervorrichtung, das Bezugszeichen 10 bezeichnet eine Dämpfungsvorrichtung, das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Schraubenfeder, die Bezugszeichen 12 und 13 bezeichnen Modusumschalter, das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen Geschwindigkeitsmodus-Serienkompensator, und das Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Positionsmodus- Serienkompensator. Obgleich nicht gezeigt, sind solche Elemente, wie ein optisches Projektionssystem, ein Maskentisch und ein Beleuchtungssystem über dem Wafertisch 3 in Aufeinanderfolge von der Seite des Tischs 3 angeordnet. Das Bild der Schaltungsstruktur einer Maske auf dem Maskentisch wird durch das optische Projektionssystem auf den Wafer auf dem Wafertisch 3 projiziert und wird auf den Wafer übertragen, wodurch eine Halbleitervorrichtung ausgebildet wird.
In dem vorstehend beschriebenen Aufbau schaltet die erste Steuervorrichtung 7 den Geschwindigkeitssteuermoduskompensator 14 und den Positionssteuermoduskompensator 15 durch die Umschalter 12 und 13 in Übereinstimmung mit der Abweichung ep zwischen der Verschiebung x&sub1; des Transportkörpers 3 relativ zu der Grundplatte 4, welche durch die Positionserfassungsvorrichtung 5 erhalten ist, die auf der Grundplatte 4 fest angeordnet ist, und einer Sollposition Rp. Die jeweiligen Modenkompensatoren sind allgemein bekannte Serienkompensatoren, wie z. B. PIDs. Ein Steuerbefehl u, welcher die Summe der Befehle der ersten Steuervorrichtung 7 und der zweiten Steuervorrichtung 8 ist, wird dem Linearmotor 2 zugeführt, der auf der Grundplatte 4 fest angeordnet ist, wodurch eine Antriebskraft f erzeugt wird. Die Grundplatte 4 wird über die Dämpfungsvorrichtung 10 und die Schraubenfeder 11 durch den Boden getragen.
Die kontaktlose Führungsvorrichtung 1 ist auf der Grundplatte 4 fest angeordnet, und der Transportkörper 3, der einstückig mit der Bewegungsvorrichtung des Linearmotors 2 ausgebildet ist, weist ein winziges Spiel in bezug auf die Führungsvorrichtung 1 auf und bewegt sich durch die Antriebskraft f mit Hilfe des Linearmotors 2 und der Führungsvorrichtung 1 kontaktlos in die x-Richtung. Zu diesem Zeitpunkt treten jedoch die Schwingung des Transportkörpers 3 auf, die dem Rollen der Grundplatte 4 zuzuschreiben ist, das sich aus der Reaktionskraft der Antriebskraft f ergibt, und die Störung der anderen Stellung, wie z. B. das Gieren (die Drehung um die z-Achse in Fig. 1) oder das Nicken (die Drehung um die y-Achse in Fig. 1) des Transportkörpers 3 als die Verschiebungsbewegung eintritt, und daher ist eine lange Zeitdauer für das Positionieren erforderlich, wenn nur von der ersten Steuervorrichtung 7 Gebrauch gemacht wird. Die zweite Steuervorrichtung 8 ist angeordnet, um einen solchen Einfluß auszuschließen, und die Positionsinformation des Transportkörpers 3, die von der Positionsmeßvorrichtung 5 erhalten ist, wird durch die Differenziervorrichtung 9 differenziert, um eine Geschwindigkeitsinformation v&sub1; zu erhalten, und durch die Verwendung dieser Geschwindigkeitsinformation und einen Steuerbefehl u wird der Ermittlungswert Fde der Störungskraft durch mindestens eine der Aktionen, die Schwingung, das Gieren und das Nicken, ermittelt, und um dies zu kompensieren, wird die Steuermenge u" der Ausgabe u der ersten Steuervorrichtung 7 überlagert.
Die Wirkung der vorliegenden Ausführungsform auf die Schwingung der Grundplatte und die Drehschwingungen, wie z. B. Gieren und Rollen, wird nachstehend durch spezifische numerische Analyse klar aufgezeigt. Zunächst kann der Aufbau der Fig. 1 durch ein Blockdiagramm dargestellt werden, wie in Fig. 7 gezeigt ist. In Fig. 7 ist die erste Steuervorrichtung 7 als ein digital aufgebauter Block gezeigt, und sie führt die PI-Kompensation in dem Geschwindigkeitsmodus aus und bewirkt die PID-Kompensation in dem Positionssteuermodus. Der kontaktlose Transportkörper 3 und die Grundplatte 4, welche die Objekte der Steuerung sind, führen die Modellierung als ein Verbundsystem von zwei Freiheitsgraden aus, und der Transportkörper 3 berücksichtigt die Verschiebung xp durch die Verschiebungsbewegung und außerdem den Einfluß xth der Gierbewegung, welche unter den Drehbewegungen ein besonderes Problem darstellt. In Fig. 1 und 7 ist Rv eine Befehlsgeschwindigkeit, Rp ist eine Bezugsposition, T ist eine Abtastperiode, Kp1 ist eine Geschwindigkeitssteuermodus-Proportionalverstärkung, Ki1 ist eine Positionssteuermodus- Integralverstärkung, Kp2 ist eine Positionssteuermodus-Proportionalverstärkung, Ki2 ist eine Positionssteuermodus-Integralverstärkung und KD2 ist eine Positionssteuermodus-Differentialverstärkung. z&supmin;¹ ist ein Verzögerungsoperator, HOLD ist eine Haltevorrichtung, s ist ein Differentialoperator, kt ist eine Linearmotor-Schubkonstante, ml ist die Masse des Transportkörpers, ktn ist der Nennwert der Linearmotor-Schubkonstanten, m1n ist der Nennwert der Masse des Transportkörpers, g0 ist ein Beobachtervorrichtungsgewinn, lr ist die Länge von dem Schwerpunkt des Transportkörpers zu dem rechten Kraftwirkpunkt, L&sub1; ist die Länge von dem Schwerpunkt des Transportkörpers zu dem linken Kraftwirkungspunkt, L&sub2; ist die Länge von dem Schwerpunkt des Transportkörpers zu dem Positionsmeßpunkt, m&sub2; ist die Masse der Grundplatte, c&sub1;, c&sub2; und cy sind Viskositätskonstanten, xth ist die Verschiebung in x- Richtung durch Gieren, xp ist die Verschiebung in x-Richtung durch die Verschiebungsbewegung, und x&sub1; ist die Verschiebung des Transportkörpers durch die Positionsmeßvorrichtung.
Es sind die Störungsunterdrückungseigenschaften, welche den besonderen Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber der Grundplatten-Beschleunigungsrückführung des Stands der Technik am meisten herausstellen. In bezug auf das Verfahren des Stands der Technik und die vorliegende Ausführungsform ist daher die Frequenzkennlinie (die Kennlinie des Positionssteuermodus) durch die Störungskraft, die auf die Grundplatte 4 einwirkt, zur Verschiebung des Transportkörpers 3 in Fig. 8A und 8B gezeigt. Fig. 8A zeigt die Ansprechamplitude, und Fig. 8B zeigt die Ansprechphase, und die Dimension der Amplitude ist eingehalten (Verschiebung/Kraft). Wie in Fig. 8A und 8B gezeigt, kann in der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zu dem Verfahren der Grundplatten-Beschleunigungsrückführung des Stands der Technik das Störungsunterdrückungsverhalten über den gesamten Bereich verbessert werden, einschließlich der Schwingungsfrequenz fj der Grundplatte und der Drehfrequenz fy des Transportkörpers. Demgemäß tritt diese Wirkung in bemerkenswerter Weise auch in der tatsächlichen Ansprechwellenform auf.
Beispielhaft ist die Verschiebungswellenform des Transportkörpers zu einer Sprungeinheit-Störungskraft, die an den Festtisch angelegt ist, in Fig. 9A und 9B gezeigt. Fig. 9A zeigt das Ansprechen bis zum Zeitpunkt t&sub1; für die Antwort, die auf einen gewissen vorbestimmten Bereich einzustellen ist, und Fig. 9B zeigt das Ansprechen vom Zeitpunkt t&sub1; bis zum Zeitpunkt 2t&sub1;, und die senkrechten Achsen dieser Figuren stellen die Verschiebung x&sub1; des Transportkörpers 3, normalisiert um dieselbe repräsentative Länge, dar. Die Schwingung mit der großen Periode, die in dem in Fig. 9B gezeigten Beispiels des Stands der Technik bemerkenswert erkennbar ist, ist die Schwingung des Transportkörpers durch das Rollen der Grundplatte 4, und die Schwingung mit der kleinen Periode ist die Gierschwingung des Transportkörpers 3. Wie aus Fig. 9A und 9B deutlich wird, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Unterdrückungsverhalten wesentlich mehr gegenüber der Schwingung des Transportkörpers 3 durch das Rollen der Grundplatte 4 und der Nickschwingung des Transportkörpers 3 verbessert werden als durch die Grundplatten- Beschleunigungsrückführung des Stands der Technik.
Fig. 10A und 10B zeigen die Verschiebung des Transportkörpers 3, wenn der Transportkörper 3 tatsächlich um eine vorbestimmte Strecke λ in dem Geschwindigkeitssteuermodus und dem Positionssteuermodus bewegt und genau positioniert wird. Fig. 10A zeigt den Zustand des Ansprechens bis zum Zeitpunkt t&sub2;, wenn die Abweichung auf einen vorbestimmten Bereich eingestellt ist, und Fig. 10B zeigt den Ansprechzustand von nach dem Zeitpunkt t&sub2; bis zum Zeitpunkt 2t&sub2;, und die senkrechten Achsen in diesen Figuren stellen Werte dar, die um die Bewegungsstrecke λ normalisiert sind. Der in Fig. 10A gezeigte Grobansprechzustand unterscheidet sich sehr wenig von dem in dem Verfahren des Stands der Technik, doch das Ansprechen in dem winzigen Positionierbereich der Fig. 10B unterscheidet sich vollkommen von dem des Verfahrens des Stands der Technik, und das Ansprechen gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist besser in der Übereinstimmung als die des Verfahrens, das die Grundplatten-Beschleunigungsrückführung des Stands der Technik verwendet. Der Grund dafür ist vorstehend beschrieben. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden die Unterdrückungseigenschaften der Schwingung der Grundplatte und der Drehschwingung des Transportkörpers wesentlich verbessert. Wenn daher die genaue Positionierung nach der vorliegenden Ausführungsform ausgeführt wird, können eine erhöhte Positioniergenauigkeit und eine verkürzte Positionierzeitdauer im Vergleich zu dem Verfahren des Stands der Technik erreicht werden.
In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird das Geschwindigkeitssignal v&sub1; aus dem Positionssignal ermittelt, das von der Positionserfassungsvorrichtung durch die Differenziervorrichtung erzeugt wird, und wird als die Eingabe der zweiten Steuervorrichtung verwendet. Durch Erzeugen der Geschwindigkeitsinformation aus der Menge des anderen Zustands des Transportkörpers oder direktes Erzeugen eines Geschwindigkeitssignals durch Verwendung einer Geschwindigkeitserfassungsvorrichtung der Drehspultype oder dergleichen ist es jedoch auch möglich, die vorliegende Erfindung anzuwenden, ohne jeden Unterschied gegenüber der vorliegenden Ausführungsform. Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform betrifft ein Einachsen-Positioniergerät, doch die vorliegende Erfindung kann auch auf ein Zwei-Achsen-Positioniergerät (oder ein Mehrfachachsen- Positioniergerät), wie z. B. ein Stepper, ohne jeden Unterschied zu der vorliegenden Ausführungsform angewendet werden.
Es ist eine Steuervorrichtung angeordnet, d. h. eine Störungsbeobachtungsvorrichtung, um eine Störungskraft zu ermitteln, welche die Schwingung des Transportkörpers 3 verursacht, der das Rollen der Grundplatte 4 zuzuschreiben ist, das aus der Bewegungsreaktionskraft des Transportkörpers 3 resultiert, oder der Störung der anderen Stellung, wie z. B. das Gieren oder Nicken des Transportkörpers 3 als Verschle bungsbewegung, und Erzeugen einer Steuereingabe, uni dies unwirksam zu machen, wodurch die Schwingung des Transportkörpers 3, welche dem Rollen der Grundplatte 4 zuzuschreiben ist, das sich aus der Bewegungsreaktion des Transportkörpers 3 ergibt, oder der Störung der anderen Stellung, wie z. B. die Gier- oder Nickschwingung des Transportkörpers 3 als Verschiebebewegung, auf wirksame Weise zu unterdrücken und die Positioniergenauigkeit zu erhöhen sowie die Positionierzeit zu verkürzen ist möglich im Vergleich mit dem Verfahren, das die Grundplatten-Beschleunigungsrückführung des Stands der Technik verwendet.
Fig. 11 zeigt ein schematisches Diagramm eines Geräts zur genauen Positionierung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Stepper zur Herstellung verschiedener Vorrichtungen. Der Stepper weist ursprünglich einen Aufbau auf, der in der Lage ist, alle sechs Freiheitsgrade eines Tischs zu steuern, doch in der vorliegenden Ausführungsform erfolgt zur Vereinfachung die Beschreibung eines Geräts zur Positionierung von zwei Freiheitsgraden zur Messung und Steuerung, zusätzlich zu einem Freiheitsgrad der Verschiebung in x-Richtung, wobei der Freiheitsgrad der Drehung des Tischs in der θ-Richtung ist, wie in Fig. 11 gezeigt. Diese Vereinfachung mindert jedoch in keiner Weise die Merkmale der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 11 bezeichnet das Bezugszeichen 101 eine Führungsvorrichtung, wie z. B. ein statisches Drucklager oder ein Wälzlager, das Bezugszeichen 102 bezeichnet einen Linearmotor, welcher eine Verschiebungsantriebsvorrichtung ist, das Bezugszeichen 103 bezeichnet einen Grobbewegungstisch, der durch den Linearmotor 102 angetrieben wird, das Bezugszeichen 104 bezeichnet eine Stellungskorrektur-Antriebsvorrichtung zur wirkungsvollen Stellungskorrektur in der θ- Richtung, das Bezugszeichen 105 bezeichnet einen Feinbewegungstisch, der durch die Stellungskorrektur-Antriebsvorrichtung 104 angetrieben wird, das Bezugszeichen 106 bezeichnet eine Grundplatte, das Bezugszeichen 107 bezeichnet eine Positionsmeßvorrichtung zum Messen der Position in der Verschiebungsrichtung durch ein Laserinterferometer oder dergleichen, das Bezugszeichen 108 bezeichnet eine Stellungsmeßvorrichtung zum Messen der Stellung des Feinbewegungstischs 105, das Bezugszeichen 109 bezeichnet eine erste Steuervorrichtung, das Bezugszeichen 110 bezeichnet eine dritte Steuervorrichtung zur Stellungskorrektur, das Bezugszeichen 111 bezeichnet eine zweite Steuervorrichtung, die in der ersten Ausführungsform verwendet wird, um eine Störung zu ermitteln, d. h. eine Störungsbeobachtungsvorrichtung, ähnlich jener in Fig. 1 gezeigten, das Bezugszeichen 120 bezeichnet eine erste Abwandlungsvorrichtung, welche die Ausgabe der Stellungsmeßvorrichtung 108 verwendet, das Bezugszeichen 121 bezeichnet eine zweite Abwandlungsvorrichtung, welche die dynamischen Eigenschaften eines Stellungskorrektursystems berücksichtigt, das Bezugszeichen 112 bezeichnet eine mit einer Abwandlungsvorrichtung versehene Störungsbeobachtungsvorrichtung, die durch die erste Abwandlungsvorrichtung 120 und die zweite Abwandlungsvorrichtung 121 ausgebildet wird, das Bezugszeichen 113 bezeichnet eine Dämpfungsvorrichtung, das Bezugszeichen 114 bezeichnet eine Feder, das Bezugszeichen 115 bezeichnet eine Differenziervorrichtung, die Bezugszeichen 116 und 117 bezeichnen Modusumschalter, das Bezugszeichen 118 bezeichnet einen PI-Serienkompensator in dem Geschwindigkeitsmodus, das Bezugszeichen 119 bezeichnet einen PID-Serienkompensator in dem Positionsmodus, und das Bezugszeichen 122 bezeichnet einen Serienkompensator in der dritten Steuervorrichtung 110. Der Grobbewegungstisch 103, der Feinbewegungstisch 105, welcher darauf getragen wird, die Stellungskorrektur-Antriebsvorrichtung 104 und die Stellungsmeßvorrichtung 108 zusammen werden einfach als ein Tisch bezeichnet. Wie Fig. 11 zeigt, wird unter Verwendung eines Beleuchtungssystems, eines Maskentischs und eines optischen Projektionssystems, alle sind nicht gezeigt, das Bild der Schaltungsstruktur einer Maske auf dem Maskentisch projiziert und auf einen Wafer auf dem Tisch 105 übertragen.
In dem vorstehend beschriebenen Aufbau schaltet die erste Steuervorrichtung 109 den Geschwindigkeitsmoduskompensator 118 und den Positionssteuermoduskompensator 119 durch die Umschalter 116 und 117 in Übereinstimmung mit der Abweichung ep zwischen der Verschiebung X1 des Feinbewegungstischs 105 in bezug auf die Grundplatte 106, welche durch die Verschiebungsposition-Erfassungsvorrichtung 107, die an der Grundplatte 106 fest angeordnet ist, und einer Sollposition rp um. Die Kompensatoren in den jeweiligen Moden sind bekannte PI- und PID-Serienkompensatoren. Ein Befehlswert uL an den Linearmotor 102, welcher die Verschiebungsantriebsvorrichtung ist, wird durch die erste Steuervorrichtung 109 berechnet.
Auch in der dritten Steuervorrichtung 110 wird die Differenz zwischen der Neigung θf des Feinbewegungstischs 105, welche durch die Stellungsmeßvorrichtung 108 erfaßt ist, und einem Sollwert rf dem Serienkompensator 122 zugeführt, wodurch ein Befehlswert uf für die Stellungskorrektur-Antriebsvorrichtung 104 berechnet wird.
Andererseits wird ein Steuerbefehl u dem Linearmotor 102 zugeführt, der an der Grundplatte 106 fest angeordnet ist, und ein Schub wird erzeugt. Der fest angeordnete Tisch 106 wird über die Dämpfungsvorrichtung 113 und eine Schraubenfeder 114 vom Boden getragen, um die Schwingung des Bodens abzufangen. Die Führungsvorrichtung 101 ist ebenfalls an der Grundplatte fest angeordnet, und der gesamte Tisch, einschließlich dem Grobbewegungstisch 103, der einstückig mit der Bewegungsvorrichtung des Linearmotors 102 ausgebildet ist, wird durch die Führungsvorrichtung 101 geführt und in x-Richtung bewegt.
Wenn jedoch zu diesem Zeitpunkt die Schwingung des Tischs durch die Positionsabweichung des Tischs in bezug auf die Führungsoberfläche der Führungsvorrichtung 101 verursacht wird, welche dem Rollen der Grundplatte 106 zuzuschreiben ist, die sich aus der Antriebsreaktionskraft des Linearmotors 102 ergibt, und die Steuerung des Linearmotors 102 durch die erste Steuervorrichtung 109 allein ausgeführt wird (das heißt, wenn u = uL ist), wird eine lange Zeitdauer für die Positionierung erforderlich sein.
In Fig. 11 ist die zweite Steuervorrichtung 111 eine Ermittlungsvorrichtung zum Ermitteln einer Störungskraft durch die in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform aufgezeigte Störungsbeobachtungsvorrichtung, und in der zweiten Steuervorrichtung 111 wird eine Störung, einschließlich der Positionsabweichungsschwingung, welche dem Rollen der Grundplatte zuzuschreiben ist, aus der Tischpositionsinformation ermittelt, die durch die Meßvorrichtung 107 und das Befehlssignal u für den Linearmotor 102 erzeugt ist, und wird in eine Spannung umgewandelt und zu uL addiert. Hier ist m3n in der zweiten Steuervorrichtung 111 der Nennwert der Masse des Tischs, einschließlich dem Feinbewegungstisch, das heißt m1n + mfn.
Wenn jedoch die zweite Steuervorrichtung 111, welche eine solche Störungsbeobachtungsvorrichtung ist, sachgemäß auf ein Gerät zur Positionierung angewendet wird, das die Stellungskorrekturvorrichtung 110 aufweist, wie z. B. ein Stepper, wird der Einfluß der Stellungskorrektur des Feinbewegungstischs 105, bewirkt nach dem Positionieren in der Verschiebungsrichtung, als eine stufenförmige Störung der Tischpositionsinformation überlagert, welche durch die Positionsmeßvorrichtung 107 erfaßt ist, und beeinflußt demgemäß die Operation der Störungsbeobachtungsvorrichtung, und dies kann zu dem Problem einer verlängerten Positionierzeitdauer führen.
Ferner ist eine solche mechanische Resonanzeigenschaft durch den Feinbewegungstisch 105 und die Stellungskorrektur-Antriebsvorrichtung 104 eine Art der zusätzlichen Resonanz höherer Ordnung zu der zweiten Steuervorrichtung 111, welche eine Störungsbeobachtungsvorrichtung ist, und daher kann die Bandbreite der Störungsbeobachtungsvorrichtung nicht breit eingestellt werden, und dies führt ebenfalls zu dem Problem, daß eine gewünschte Störungsunterdrückungseigenschaft nicht gewährleistet werden kann.
Es ist daher ein Merkmal der vorliegenden Ausführungsform, eine erste Abwandlungsvorrichtung 120 und/oder eine zweite Abwandlungsvorrichtung 121 in einem Gerät zur Positionierung bereitzustellen, das eine Stellungskorrekturvorrichtung aufweist, und die vorstehend erwähnten zwei Probleme durch eine Störungsbeobachtungsvorrichtung 112 löst, die mit einer sogenannten Abwandlungsvorrichtung zum Abwandeln der Ausgabe der zweiten Steuervorrichtung 111 ausgestattet ist.
Die Abwandlungsvorrichtung 120 ist eine erste Abwandlungsvorrichtung zum Berechnen des Einflusses einer Stellungsänderung des Feinbewegungstischs 105, welcher in der Positionsmeßvorrichtung 107 von der Neigung θf des Feinbewegungstisch 105 durch die Stellungsmeßvorrichtung 108 durch eine geometrische Lagebeziehung überlagert ist, und zur Verminderung deren Einflußmenge. Die Abwandlungsvorrichtung 121 ist auch ein Filter zur Unterdrückung des Resonanzspitzenwerts des gesamten Positioniersystems, einschließlich eines Stellungskorrektur-Steuersystems, das den Feinbewegungstisch 105, die Stellungskorrektur-Antriebsvorrichtung 104 und die Stellungskorrektur-Steuervorrichtung 22 aufweist, wobei die dynamischen Eigenschaften des Stellungskorrektur-Steuersystem berücksichtigt werden und ein Sperrfilter im allgemeinen als ein solcher Filter angewendet wird. Dieser Filter dient zur Verhinderung der Instabilität des Beobachtungsvorrichtungskreises durch die Resonanz des Stellungskorrektur- Steuersystems, welches ein Engpaß beim scharfen Einstellen der Bandbreite der Störungsbeobachtungsvorrichtung und der Störungsunterdrückungseigenschaften ist.
Daher wird ein Ermittlungssignal u&sub0;, das durch die zweite Steuervorrichtung 111 gewonnen wird, welche die Störungsbeobachtungsvorrichtung der vorstehend erwähnten Ausführungsform ist, und die Störungsbeobachtungsvorrichtung 112, die mit der sogenannten Abwandlungsvorrichtung versehen ist, welche durch die erste Abwandlungsvorrichtung 120 und die zweite Abwandlungsvorrichtung 121 ausgebildet wird, zu der Ausgabe uL der ersten Steuervorrichtung 109 hinzugefügt wird, um eine Linearmotoreingabe u zu erhalten, und dadurch ein höheres Störungsunterdrückungsvermögen zu realisieren und die Lageabweichungsschwingungen des Tischs auszuschließen, welche dem Rollen der Grundplatte zuzuschreiben sind.
Die Wirkung der vorliegenden Erfindung zur Unterdrückung der Lageabweichungsschwingung des Tischs, welche dem Rollen der Grundplatte zuzuschreiben sind, verursacht durch die Bewegungsreaktionskraft des Tischs wird nachstehend durch eine spezifische numerische Analyse klar aufgezeigt. Zunächst kann der Aufbau der Fig. 11 durch ein in Fig. 12 gezeigtes Blockdiagramm dargestellt werden. In Fig. 12 sind der Feinbewegungstisch 105, der Grobbewegungstisch 103 und die Grundplatte 106 als ein zweites Schwingungssystem behandelt.
Der Entwurf ist derart ausgeführt, daß der Einfluß xf der Stellungsverschiebung θf des Feinbewegungstischs 105 der Lageinformation x&sub1; in der Richtung der Verschiebung durch einen Koeffizient r, der aus einer geometrischen Lagebeziehung bestimmt ist, hinzugefügt wird, und gleichzeitig wird die Reaktionskraft der Stellungskorrektur-Antriebsvorrichtung 114 dem Grobbewegungstisch 103 durch einen Koeffizient d übertragen, der ebenfalls aus der geometrischen Lagebeziehung bestimmt ist.
Als die erste Abwandlungsvorrichtung 121 wird ein Sperrfilter verwendet, welcher die Resonanzspitzen des Stellungskorrektursystems unterdrückt, und dessen Übertragungsfunktion N(s) ist:
wobei ωn eine Sperrfrequenz ist, die auf die Resonanzfrequenz des Feinbewegungstisch-Steuersystems eingestellt ist.
In Fig. 11 und 12 ist rp eine Sollposition, rv ist eine Sollgeschwindigkeit, rf ist eine Sollstellung, s ist ein Differentialoperator, ktL ist eine Linearmotor-Schubkonstante, ktLn ist der Nennwert der Linearmotor-Schubkonstanten, m&sub1; ist die Masse des Grobbewegungstischs, min ist der Nennwert der Masse des Grobbewegungstischs, mf ist die Masse des Feinbewegungstischs, mfn ist der Nennwert der Masse des Feinbewegungstischs, m3n ist der Nennwert (mln + mfn) der Masse des Tischs, m&sub2; ist die Masse des Festtischs, m2n ist der Nennwert der Masse des Festtischs, c&sub1;, c&sub2; und cf sind Viskositätskonstanten, k&sub1;, k&sub2; und k&sub3; sind Federkonstanten, x&sub1; ist die Tischverschiebung, g&sub1; und g&sub2; sind Beobachtungsvorrichtungsverstärkungen, r ist eine Verstärkungskonstante, uL, uo und u sind Linearmotor-Sollwerte, θf ist ein Drehwinkel, und uf ist ein Stellungskorrektur-Sollwert.
Es ist die Unterdrückungseigenschaft gegenüber Störungen, was die vorliegende Ausführungsform besonders auszeichnet. Daher wird das Frequenzverhalten aus einer Störungskraft, die an der Grundplatte 106 anliegt, auf die Verschiebung des Tischs, wenn die Grundplatte-Beschleunigungsrückführung des Stands der Technik verwendet wird und in der vorliegenden Ausführungsform in den Fig. 13A und 13B gezeigt. Wenn die Störungsbeobachtungsvorrichtung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform für den Tisch verwendet wird, welche ein Stellungskorrektur-Steuersystem aufweist, wie jenes der vorliegenden Ausführungsform, wenn die Bandbreite der Störungsbeobachtungsvorrichtung schmal eingestellt ist, wie in der vorliegenden Ausführungsform, wird es instabil, wie vorstehend beschrieben ist.
Fig. 13A zeigt die Ansprechamplitude, und Fig. 13B zeigt die Ansprechphase, und die Dimension der Amplitude ist in Übereinstimmung (Verschiebung/Kraft). Wie in Fig. 13 erkennbar, kann in der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zu dem Verfahren, das die Festtisch-Beschleunigungsrückführung des Stands der Technik verwendet, das Störungsunterdrückungsverhalten über den gesamten Bereich verbessert werden, einschließlich der Grundplatten-Schwingungsfrequenz fb und der Resonanzfrequenz ff des Stellungskorrektur-Steuersystems. Demgemäß tritt diese Wirkung ebenfalls auffällig bei der Istzeit-Ansprechwellenform auf.
Beispielhaft ist die Verschiebungswellenform des Tischs für eine Sprungeinheit-Störungskraft, die an die Grundplatte 106 angelegt ist, in Fig. 14A und 14B gezeigt. Fig. 14A zeigt das Ansprechen bis zum Zeitpunkt t&sub3; für das Ansprechen, das auf einen vorbestimmten Bereich eingestellt ist, und Fig. 14B zeigt das Ansprechen von dem Zeitpunkt t&sub3; bis zum Zeitpunkt 2t&sub3;. In diesen Figuren stellen die senkrechten Achsen die normalisierte Tischverschiebung x&sub1;/L dar, normalisiert um dieselbe repräsentative Länge L. Die Schwingung mit großem Zyklus, die in dem in Fig. 14B gezeigten Beispiel des Stands der Technik auffällig erkennbar ist, stellt die Lageabweichungsschwingung des Tischs dar, die durch das Rollen der Grundplatte 106 bewirkt ist, und die Schwingung mit kleinem Zyklus ist die Schwingung unter dem Einfluß des Feinbewegungstisch-Steuersystems. Wie aus Fig. 14A und 14B erkennbar ist, können gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Trageigenschaften hinsichtlich der Schwingungen des Tischs, welche durch das Rollen des Festtischs 106 und die Schwingung des Feinbewegungstisch-Steuersystems verursacht sind, wesentlich mehr verbessert werden als durch die Grundplatten- Beschleunigungsrückführung des Stands der Technik.
Die Verschiebung des Tischs, wenn der Tisch 103 tatsächlich eine vorbestimmte Strecke λ in dem Geschwindigkeitssteuermodus und in dem Positionssteuermodus tatsächlich bewegt und genau positioniert wird, ist in Fig. 15A und 15B gezeigt. Fig. 15A zeigt den Ansprechzustand bis zu dem Zeitpunkt t&sub4; für die in einen gewissen vorbestimmten Bereich einzustellende Abweichung, und Fig. 15B zeigt den Ansprechzustand von dem Zeitpunkt t&sub4; bis zu dem Zeitpunkt 2t&sub4;. In diesen Figuren stellen die senkrechten Achsen durch die Bewegungsdistanz λ normalisierte Werte dar. Der in Fig. 15A gezeigte Grobansprechzustand unterscheidet sich sehr wenig von dem des Verfahrens, das die Grundplatten-Beschleunigungsrückführung des Standes der Technik verwendet, während sich das Ansprechen in dem winzigen Positionierbereich der Fig. 15B vollkommen von dem des Stands der Technik unterscheidet, und das Ansprechen gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine bessere Übereinstimmung auf als das Verfahren des Stands der Technik. Dies ist der Fall, weil gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Unterdrückungsverhalten für die Grundplatten-Beschleunigungsschwingung verbessert wird, wie vorstehend beschrieben. Wenn demgemäß die Positionierung nach der vorliegenden Ausführungsform ausgeführt wird, sind eine verkürzte Positionierzeitdauer und eine erhöhte Positioniergenauigkeit im Vergleich zu dem Verfahren des Stands der Technik erreichbar.
Wie vorstehend beschrieben, in einem Gerät zur Positionierung, das auf einer Grundplatte getragen wird und eine Verschiebungsbewegungsvorrichtung und eine Stellungskorrekturvorrichtung aufweist, ist eine erste Steuervorrichtung zur Ausgabe eines ersten Befehlssignals an die Verschiebungsantriebsvorrichtung auf der Grundlage der Ausgabe von einer Meßvorrichtung für die Zustandsmenge der Verschiebungsbewegung und eines Verschiebungssollwerts vorgesehen, eine dritte Steuervorrichtung zur Stellungssteuerung zur Ausgabe eines Befehlssignals an eine Stellungsantriebsvorrichtung auf der Grundlage der Ausgabe von einer Stellungsmeßvorrichtung und eines Stellungssollwerts, und eine zweite Steuervorrichtung, das heißt eine sogenannte "Störungsbeobachtungsvorrichtung" zur Berechnung einer Störung eines Tischs auf der Grundlage der Ausgabe der Meßvorrichtung für die Zustandsmenge der Verschiebungsbewegung und eines Eingangssignals der Verschiebungsantriebsvorrichtung, und zur Ausgabe eines zweiten Befehlssignals, um die Störung unwirksam zu machen, und das erste Befehlssignal und das zweite Befehlssignal werden addiert, um ein Eingangssignal für die Verschiebungsantriebsvorrichtung bereitzustellen, wodurch die Schwingung zwischen dem Tisch und der Führungsoberfläche, die durch das Rollen der Grundplatte verursacht ist, erfaßt und als eine "Störung" ausgeschlossen werden kann. Zu diesem Zeitpunkt kann der Einfluß der Stellungskorrekturvorrichtung auf die Störungsbeobachtungsvorrichtung durch eine Abwandlungsvorrichtung für die Eingabe der Menge des Verschiebungszustands der Störungsbeobachtungsvorrichtung unter Verwendung eines Steuerbefehlswerts für die Korrektur der Stellung des Tischs und/oder der Stellungsinformation von der Stellungsmeßvorrichtung ausgeschlossen werden, wobei die Abwandlungsvorrichtung die erste Abwandlungsvorrichtung ist und/oder die Abwandlungsvorrichtung für die Ausgabe der Störungsbeobachtungsvorrichtung unter Berücksichtigung der dynamischen Eigenschaften eines Stellungskorrektur-Steuersystems, wobei die Abwandlungsvorrichtung die zweite Abwandlungsvorrichtung ist.

Claims

1. Gerät zur genauen Positionierung, das aufweist:

- ein Grundelement (4; 106),

- ein bewegbares Element (3; 103, 105), das in bezug auf das Grundelement (4; 106) bewegbar ist, und

- eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen des bewegbaren Elements (3; 103) gemäß einem Steuerbefehlssignal (U),

dadurch gekennzeichnet, daß es ferner aufweist:

- eine erste Steuervorrichtung (7; 109) zum Ausgeben eines Steuersignals (U'; UL) als Reaktion auf die Differenz zwischen einem Sollpositionssignal (Rp; rp) und einem Signal (X&sub1;), das die Istposition des bewegbaren Elements (3; 103, 105) darstellt),

- eine zweite Steuervorrichtung (8; 111) zum Ermitteln einer Störungskraft, welche das bewegbare Element (3; 103, 105) beeinflußt, und zum Ausgeben eines entsprechenden Korrektursignals (U"; Uo), wobei die Ermittlung auf der Grundlage mindestens entweder eines Signals (X&sub1;) ausgeführt wird, das die Position des bewegbaren Elements (3; 103, 105) darstellt, oder eines Signals, das die Bewegungsgeschwindigkeit des bewegbaren Elements (3; 103, 105) darstellt, und

- eine Vorrichtung zum Erzeugen des Steuerbefehlssignals (U) aus dem Steuersignal (U'; UL), das durch die erste Steuervorrichtung (7; 109) erzeugt ist, und dem Korrektursignal (U"; Uo), das durch die zweite Steuervorrichtung (8; 111) erzeugt ist.

2. Gerät gemäß Anspruch 1, wobei das bewegbare Element (103, 105) aufweist:

- einen ersten bewegbaren Abschnitt (103), der in bezug auf das Grundelement (106) bewegbar ist, und

- einen zweiten bewegbaren Abschnitt (105), der in bezug auf den ersten bewegbaren Abschnitt (103) bewegbar ist,

- die Antriebsvorrichtung, die ferner eingerichtet ist, den zweiten bewegbaren Abschnitt (105) gemäß einem zweiten Steuerbefehlssignal (Uf) zu bewegen, wobei das Gerät ferner aufweist:

- eine dritte Steuervorrichtung (110) zum Ausgeben des zweiten Steuerbefehlssignals (Uf) als Reaktion auf die Differenz zwischen einer Sollposition (rf) und einem Signal (6f), das die Istposition des zweiten bewegbaren Abschnitts (105) darstellt.

3. Gerät gemäß Anspruch 2, wobei der zweite bewegbare Abschnitt (105) in bezug auf den ersten bewegbaren Abschnitt (103) drehbar ist und die Antriebsvorrichtung zum Drehen des zweiten bewegbaren Abschnitts (105) gemäß dem Steuerbefehlssignal (Uf) eingerichtet ist.

4. Gerät gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die zweite Steuervorrichtung (111) ferner eingerichtet ist, das Korrektursignal (Uo) auf der Grundlage eines weiteren Signals (θf) auszugeben, welches die Istposition des zweiten bewegbaren Abschnitts (105) darstellt.

5. Gerät gemäß Anspruch 4, wobei die zweite Steuervorrichtung (111) ferner eine erste Abwandlungsvorrichtung (120) zum Berechnen des Einflusses einer Stellungsänderung aus dem Signal (θf) aufweist, das die Istposition des zweiten bewegbaren Abschnitts (105) darstellt, wobei die zweite Steuervorrichtung (111) ferner eingerichtet ist, das Korrektursignal (U&sub0;) auf der Grundlage des Signals (θf), das die Istposition des zweiten bewegbaren Abschnitts (105) darstellt, abgewandelt auszugeben, um den Einfluß darauf gemäß der Berechnung der ersten Abwandlungsvorrichtung (120) zu vermindern.

6. Gerät gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die zweite Steuervorrichtung ferner eine zweite Abwandlungsvorrichtung (121) aufweist, wobei die zweite Steuervorrichtung (111) eingerichtet ist, das Korrektursignal (U&sub0;) auszugeben, wobei das Korrektursignal durch die zweite Abwandlungsvorrichtung (121) gefiltert wird, um den Resonanzspitzenwert des Geräts zur genauen Positionierung zu unterdrücken.

7. Gerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner aufweist:

- eine Stoßdämpfungsvorrichtung zum Tragen des Grundelements (4; 106) und

- eine kontaktlose Führung, die auf dem Grundelement (4; 106) zum Tragen des bewegbaren Elements (3; 103, 105) angeordnet ist.

8. Gerät gemäß Anspruch 7, wobei die Führung mit einer Vorrichtung zum Loslagern des bewegbaren Elements (3; 103, 105) auf einem Luftkissen ausgestattet ist.

9. Gerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das bewegbare Element (3; 103, 105) einen bewegbaren Tisch aufweist, um darauf ein zu belichtendes Element zu tragen.

10. Belichtungsgerät, das aufweist:

- ein Gerät gemäß Anspruch 7 oder 8 und

- eine Belichtungsvorrichtung zum Belichten eines zu belichtenden Elements, wobei das Element durch das bewegbare Element (3; 103, 105) des Geräts zum Positionieren getragen wird.