JPH07249564A

JPH07249564A - ステージ装置

Info

Publication number: JPH07249564A
Application number: JP4225194A
Authority: JP
Inventors: Toshio Ueda; 稔夫上田; Susumu Makinouchi; 進牧野内; Kazuaki Saeki; 和明佐伯
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-03-14
Filing date: 1994-03-14
Publication date: 1995-09-26

Abstract

(57)【要約】【目的】移動ストロークの全範囲で所望の制御特性で
位置決め動作を制御し、位置決め精度を向上する。【構成】減算手段２８から供給される目標位置ｘｓと
計測された座標ｘ（ｋ）との偏差より、積分手段３０で
制御量ｕ２（ｋ）が求められ、制御量ｕ２（ｋ）とゲイ
ン乗算手段３７からの制御量ｕ１_ij（ｋ）との偏差より
なる制御量ｕ（ｋ）がＸ軸駆動系３４に供給され、計測
された座標ｘ（ｋ）及び制御量ｕ（ｋ）より状態観測手
段３８において求められる状態ベクトル〈χ_ij（ｋ）〉
がゲイン乗算手段３７に供給され、状態ベクトルとゲイ
ンベクトル〈Ｇ_ij〉との内積が制御量ｕ１_ij（ｋ）とな
る。目標位置ｘｓに応じてモデルセレクタ３９等を介し
て、状態観測手段３８内の数値モデル等が変更される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子、若
しくは液晶表示素子等を製造する際に使用される露光装
置のＸＹステージ、又は精密工作機械の位置決め用ステ
ージ等に適用して好適なステージ装置に関し、特に所謂
ＬＱ制御又はＬＱＩ制御等のデジタル状態フィードバッ
ク方式のサーボ系を用いたステージ装置に好適なもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レチクル（又はフォトマスク
等）のパターンを感光材が塗布されたウエハ（又はガラ
スプレート等）上に転写するため露光装置として、ウエ
ハの各ショット領域を順次投影光学系の露光フィールド
内に移動させて、各ショット領域に順次レチクルのパタ
ーンを露光するステップ・アンド・リピート方式の縮小
投影型露光装置（ステッパー）が多用されている。斯か
るステッパ等の露光装置では、ウエハを高速且つ正確に
位置決めする必要があるため、目標位置とレーザ干渉計
で計測した座標値とを比較してサーボ系により動作を制
御するＸＹステージが使用されている。

【０００３】斯かるサーボ系として最近では、例えば
「高橋安人：ディジタル制御，pp97〜120 （岩波書店，
1985）」に開示されているように、ＬＱ制御(Linear qu
adratic optimal control)、又はＬＱ制御に積分制御
（Ｉ）を加えたＬＱＩ制御等のデジタル状態フィードバ
ック方式のサーボ系が使用されている。例えばＸＹステ
ージの動作をそのようなデジタル状態フィードバック方
式のサーボ系で制御する場合には、従来は先ずＸＹステ
ージの位置決め範囲内の例えば中心で、ＸＹステージの
駆動系に供給する制御量（ここでは駆動速度を示す量）
とそのＸＹステージからの出力量（ここではレーザ干渉
計で計測された座標値）との関係を示す伝達関数を実測
していた。そして、このように実測で得られた伝達関数
を、ＸＹステージの状態方程式の代表モデルとして記憶
していた。

【０００４】具体的に従来は、図６に示すように、ＸＹ
ステージ上の位置決め範囲（レーザ干渉計の計測値が変
化する範囲）１のＸ方向の移動ストロークをＬＸ、Ｙ方
向の移動ストロークをＬＹとして、従来は位置決め範囲
１内のほぼ中央、即ち座標（ＬＸ／２，ＬＹ／２）の点
にＸＹステージを位置させた後、その座標を囲む部分領
域２内でＸＹステージを駆動して、その伝達関数を測定
していた。その部分領域２内での計測結果から求められ
る伝達関数Ｈ（ｓ）は、所定の係数ａ₀〜ａ_n及びｂ₀
〜ｂ_nを用いて次のように表される。

【０００５】

【数１】Ｈ（ｓ）＝（ｂ_nｓ^n-1＋ｂ_n-1ｓ^n-2＋…＋
ｂ₀)／（ａ_nｓⁿ＋ａ_n-1ｓ^n-1＋…＋ａ₀) 図７は、（数１）の伝達関数をＸＹステージの状態方程
式の代表モデルとして、その特性を考慮した従来方式の
制御装置の機能ブロック図であり、この図７はＸ軸のみ
の制御系を表している。図７において、減算手段３の加
算側入力部に目標位置ｘｓが供給され、減算側入力部に
はＸステージシステム６のレーザ干渉計により計測され
た実際のステージのＸ座標ｘ（ｋ）が供給されている。
以下ではデジタル制御を行っているため、時点ｔ_kにお
けるＸ座標をｘ（ｋ）で表している。

【０００６】減算手段２８から出力される目標位置から
の偏差（ｘｓ−ｘ（ｋ））が、デジタル方式の積分器４
に供給され、積分器４では、その偏差を積分し、積分結
果から時点ｔ_kにおける制御量ｕ２（ｋ）を求める。積
分器４における積分動作により、計測された座標ｘ
（ｋ）と目標位置ｘｓとの定常偏差がキャンセルされ
る。制御量ｕ２（ｋ）とは、ここではその偏差を０にす
るために駆動モータに供給される駆動速度に対応するも
のである。制御量ｕ２（ｋ）は、減算手段５の加算側入
力部に供給され、減算手段５の減算側入力部にはゲイン
乗算器８から状態量ｕ１（ｋ）が供給され、減算手段５
により求められた制御量ｕ（ｋ）（＝ｕ２（ｋ）−ｕ１
（ｋ））がＸステージシステム６内の駆動系、及びＸス
テージの状態観測器（オブザーバ）７に供給されてい
る。

【０００７】状態観測器７には、Ｘステージシステム６
内のレーザ干渉計により計測された座標ｘ（ｋ）も供給
されている。状態観測器７内には、（数１）の伝達関数
で表されるＸＹステージの状態方程式が代表モデルとし
て記憶され、状態観測器７は、実際のＸステージシステ
ム６とソフトウェア上で全く同じ動作をする。状態観測
器７では、その代表モデルに基づいてＸステージシステ
ム６内の状態量（特定の部材の変位、又は特定の部材の
状態の変化量等）の集合である状態ベクトル〈χ
（ｋ）〉を推定し、この推定した状態ベクトル〈χ
（ｋ）〉をゲイン乗算器８に供給する。ゲイン乗算器８
では、供給された状態ベクトル〈χ（ｋ）〉と、上述の
代表モデルに対応する制御則に応じて定まるゲインベク
トル〈Ｇ〉との内積演算により制御量ｕ１（ｋ）を求
め、この制御量ｕ１（ｋ）を減算手段５に供給する。

【０００８】即ち、従来例では、目標位置ｘｓと計測さ
れた座標ｘ（ｋ）との間に定常偏差が生じないように、
積分器４が設けられ、更に、状態観測器７から出力され
る状態ベクトルをあたかもＸステージシステム６から出
力された状態ベクトルとして扱い、その状態ベクトル
と、ゲイン乗算器８内の制御則（ゲインベクトル）とか
ら制御量ｕ１（ｋ）を決定している。そして、最終的に
積分器４から出力される制御量ｕ２（ｋ）と、ゲイン乗
算器８から出力される制御量ｕ１（ｋ）との差分により
Ｘステージシステム６が駆動されていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
ＸＹステージでは、ＸＹステージの状態方程式のモデル
（代表モデル）を測定した領域、つまり、Ｘ軸及びＹ軸
の中央部においては、駆動機構に過度の負荷をかけるこ
となく、且つ高速に位置決めを実行できる。しかしなが
ら、位置決めの目標位置が、その代表モデルを測定した
中央部から離れれば離れる程、実物のＸＹステージの特
性が代表モデルの特性から外れ、制御性能が劣化し、結
果として位置決め精度が悪化するという不都合があっ
た。

【００１０】本発明は斯かる点に鑑み、移動ストローク
の全範囲で所望の制御特性（例えば負荷特性、又は速度
特性等）で位置決め動作を制御でき、結果として位置決
め精度を向上できるステージ装置を提供することを目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による第１のステ
ージ装置は、位置決め対象物が載置される移動ステージ
（１７）と、この移動ステージを移動方向（Ｘ方向）に
駆動する駆動手段（１９）と、その移動方向の移動ステ
ージ（１７）の位置を計測する位置計測手段（２６）と
を有し、この位置計測手段により計測された位置に基づ
いて駆動手段（１９）を介して移動ステージ（１７）を
駆動するステージ装置において、その移動方向の移動ス
テージ（１７）の位置決め範囲（１）を分割して得られ
た複数の区間（ＢＡ）にそれぞれ対応させて、駆動手段
（１９）を介して移動ステージ（１７）を駆動する際の
複数の状態方程式のモデルを記憶した記憶手段（４０）
を有する。

【００１２】更に本発明は、移動ステージ（１７）の移
動方向の目標位置を入力する目標位置入力手段（２９）
と、記憶手段（４０）に記憶されたそれら複数の状態方
程式のモデルから１つの状態方程式のモデルを読み出す
モデル選択手段（３０）と、目標位置入力手段（２９）
より入力された目標位置と位置計測手段（２６）により
計測された位置との差分から、モデル選択手段（３９）
により選択された状態方程式のモデルに応じて定められ
る補正量を減じて駆動手段（１９）の制御量を求め、こ
のように求めた制御量を駆動手段（１９）に供給する制
御量算出手段（２８，３６〜３８）と、を有するもので
ある。

【００１３】この場合、制御量算出手段（２８，３６〜
３８）は、目標位置入力手段（２９）より入力された目
標位置と位置計測手段（２６）により計測された位置と
の差分から、モデル選択手段（３９）により選択された
状態方程式のモデルの状態量に所定のゲインを乗じて得
られる補正量を減じて駆動手段（１９）の制御量を求め
ることが望ましい。

【００１４】また、モデル選択手段（３９）は、それら
複数の状態方程式のモデルから、移動ステージ（１７）
の位置決め範囲（１）を分割して得られた複数の区間
（ＢＡ）中で目標位置入力手段（２９）より入力された
目標位置の属する区間（ＢＡ_ij）に対応する状態方程式
のモデルを読み出すことが望ましい。また、本発明によ
る第２のステージ装置は、その第１のステージ装置にお
いて、その駆動手段を移動ステージ（１７）に設けられ
たナット（２１）とこのナットに螺合された送りねじ
（２０）とを備え、この送りねじを回転させて移動ステ
ージ（１７）を移動方向に駆動する送りねじ方式の駆動
手段（１９，２０，２１）より構成し、その記憶手段
（４５）では、その駆動手段の送りねじ（２０）の１回
転の回転角度を分割して得られた複数の角度区間（θ１
〜θ６）にそれぞれ対応させて、その駆動手段を介して
移動ステージ（１７）を駆動する際の複数の状態方程式
のモデルを記憶するようにしたものである。

【００１５】この第２のステージ装置においても、制御
量算出手段（２８，３６〜３８）は、目標位置入力手段
（２９）より入力された目標位置と位置計測手段（２
６）により計測された位置との差分から、モデル選択手
段（４４）により選択された状態方程式のモデルの状態
量に所定のゲインを乗じて得られる補正量を減じてその
駆動手段（１９，２０，２１）の制御量を求めることが
望ましい。

【００１６】

【作用】斯かる本発明の第１のステージ装置によれば、
移動ステージ（ＸＹステージ中のＸステージ等）の位置
決め範囲（１）を複数の区間（ブロック）に分け、移動
ステージ（１７）の状態方程式（伝達特性）をそれら各
区間毎に数値モデル化して記憶手段（４０）に記憶させ
ることにより、移動ステージの場所毎に微妙に異なる伝
達特性を詳細に捉える。制御技術の分野で古典制御と称
される技術（ＰＩＤ制御等）を応用する際には、このよ
うな詳細モデルはあまり有効ではない。しかし、ＬＱ制
御やＬＱＩ制御のように現代制御を応用したデジタル状
態フィードバック制御を用いる場合は、そのような詳細
モデルが効果的である。

【００１７】即ち、デジタル状態フィードバック制御を
用いる際に、移動方向（Ｘ方向）の全範囲を１つの数値
モデルでカバーすると、実際の移動ステージの状態と数
値モデルの状態との誤差が大きくなる領域では、制御量
算出手段における制御ゲインを意図したほど上げられ
ず、精度劣化を引き起こす。それに対して、本発明のよ
うに位置決め範囲（１）を複数の区間に分け、各区間毎
の数値モデルを持つことで、実際の移動ステージの状態
と数値モデルの状態との誤差を小さくすることが可能と
なった。このため、所望の制御特性（例えば負荷特性、
又は速度特性等）で位置決め動作を制御でき、結果とし
て位置決め精度が向上する。

【００１８】また、制御量算出手段（２８，３６〜３
８）が、目標位置入力手段（２９）より入力された目標
位置と位置計測手段（２６）により計測された位置との
差分から、モデル選択手段（３９）により選択された状
態方程式のモデルの状態量に所定のゲインを乗じて得ら
れる補正量を減じて駆動手段（１９）の制御量を求める
場合、各区間毎の数値モデルを持つことにより、従来の
１つの代表モデルで制御をする方式よりも高いゲインを
設定でき、位置決めに要する時間を短縮し、且つ位置決
め精度を向上させることができる。

【００１９】更に、例えば本発明をステッパー等の露光
装置のＸＹステージに適用した場合、移動ステージ（１
７）は通常ステッピング動作により、一連の位置決め点
に順次移動する。そこで、このような場合には、モデル
選択手段（３９）により、順次移動ステージ（１７）の
目標位置が属する区間に対応する数値モデル（状態方程
式のモデル）を読み出す。これにより、一連の位置決め
がそれぞれ高精度に行われる。

【００２０】次に、本発明の第２のステージ装置では、
送りねじ方式で移動ステージ（１７）が駆動される。一
般に送りねじ方式では、送りねじ（２０）の製造誤差又
は取り付け時の偏心等により、送りねじ（２０）の回転
角によってステージ装置（１７）の伝達関数等の状態方
程式のモデルが異なったものになる。そこで、送りねじ
（２０）の１回転を複数の角度区間に分割し、各角度区
間毎に移動ステージ（１７）の状態方程式を数値モデル
化して記憶手段（４５）に記憶させる。これにより、デ
ジタル状態フィードバック方式で制御を行う場合に、実
際の移動ステージの状態と数値モデルの状態との誤差を
小さくでき、結果として位置決め精度が向上する。

【００２１】また、例えば露光装置のＸＹステージに適
用した場合には、移動ステージ（１７）が目標位置に設
定されたときの送りねじ（２０）の回転角が属する角度
区間に対応する数値モデルを読み出す。これにより、一
連の位置決めがそれぞれ高精度に行われる。更に、この
場合でも、制御量算出手段（２８，３６〜３８）が、目
標位置入力手段（２９）より入力された目標位置と位置
計測手段（２６）により計測された位置との差分から、
モデル選択手段（４４）により選択された状態方程式の
モデルの状態量に所定のゲインを乗じて得られる補正量
を減じて駆動手段（１９，２０，２１）の制御量を求め
る場合、各区間毎の数値モデルを持つことにより、従来
の１つの代表モデルで制御をする方式よりも高いゲイン
を設定でき、位置決めに要する時間を短縮し、且つ位置
決め精度を向上させることができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明によるステージ装置の第１実施
例につき図１〜図４を参照して説明する。本実施例は、
ステップ・アンド・リピート方式でウエハを位置決めし
て露光を行うステッパー方式の投影露光装置のＸＹステ
ージに本発明を適用したものである。

【００２３】図１は本実施例の投影露光装置を示し、こ
の図１において、露光時には照明光学系１１からの露光
光ＩＬが、レチクル１２のパターン領域を照明する。レ
チクル１２はレチクルホルダ１３上に保持され、露光光
ＩＬのもとで、レチクル１２のパターンが、投影光学系
１４を介してウエハ１５上の各ショット領域に投影露光
される。投影光学系１４の光軸に平行にＺ軸を取り、Ｚ
軸に垂直な面内で図１の紙面に平行にＸ軸を取り、図１
の紙面に垂直にＹ軸を取る。

【００２４】ウエハ１５は、Ｙステージ１６、及びＸス
テージ１７を介してベース１８上に載置され、Ｘステー
ジ１７はベース１８に対して駆動モータ１９及び送りね
じ２０を介してＸ方向に駆動され、Ｙステージ１６はＸ
ステージ１７に対して不図示の駆動モータ及び送りねじ
によりＹ方向に駆動される。図２は、Ｘステージ１７と
送りねじ２０との係合関係を示し、この図２に示すよう
に、Ｘステージ１７の底面側に主ナット２１が固定さ
れ、主ナット２１にＸ軸方向に伸びた送りねじ２０が螺
合している。また、主ナット２１に対してばね等の弾性
部材２４を介して副ナット２２が結合され、この副ナッ
ト２２に対しても送りねじ２０が螺合している。送りね
じ２０としてはボールねじ等が使用でき、図１の駆動モ
ータ１９を介して送りねじ２０を所定方向又はこれと逆
の方向に回転させることにより、主ナット２１を介して
Ｘステージ１７が＋Ｘ方向又は−Ｘ方向に移動する。

【００２５】図１に戻り、駆動モータ１９には回転速度
に応じた信号を出力するタコジェネレータ２３が設けら
れている。また、Ｙステージ１６上にＸ軸用の移動鏡２
５、及び不図示のＹ軸用の移動鏡が固定され、移動鏡２
５、及び外部に設置されたＸ軸用のレーザ干渉計（以
下、「Ｘ軸干渉計」という）２６によりＸステージ１７
の時点ｔ_kにおけるＸ座標ｘ（ｋ）が計測され、不図示
のＹ軸干渉計によりＹステージ１６のＹ座標が計測さ
れ、計測されたＸ座標ｘ（ｋ）及びＹ座標は、主制御系
２７に供給される。

【００２６】そのＸステージ１７及びＹステージ１６よ
りＸＹステージが構成されているが、Ｙステージ１６の
駆動系はＸステージ１７の駆動系と同様に構成されてい
る。そこで、以下ではＸステージ１７の駆動系及び駆動
方法につき説明する。主制御系２７はコンピュータを含
んで構成され、主制御系２７は機能ブロック図で表わさ
れている。Ｘ軸干渉計２６で計測されたＸステージ１７
のＸ座標ｘ（ｋ）が、デジタルデータとして主制御系２
７内の減算手段２８の減算側入力部に供給され、主制御
系２７内ではデジタル処理が行われる。

【００２７】また、目標位置設定手段２９から減算手段
２８の加算側入力部に、Ｘステージ１７の目標位置ｘ
ｓ、即ちウエハ１５上のこれから露光するショット領域
をレチクル１２のパターンの投影位置（露光位置）に設
定するためのＸ座標が供給される。減算手段２８から出
力される目標位置ｘｓに対する偏差（ｘｓ−ｘ（ｋ））
が、積分手段３０に供給され、積分手段３０は、その偏
差の積分値に対応する制御量ｕ２（ｋ）を求め、この制
御量ｕ２（ｋ）を制御量演算部３１に供給する。制御量
ｕ２（ｋ）は、駆動モータ１９の駆動速度に対応する初
期の制御量である。制御量演算部３１には、目標位置ｘ
ｓの情報も供給され、制御量演算部３１が駆動モータ１
９の駆動速度に対応する最終的な制御量ｕ（ｋ）を算出
する。この制御量ｕ（ｋ）は、所定間隔のサンプリング
時間ｔ₁,ｔ₂,ｔ₃,…毎に連続して算出される。

【００２８】その制御量ｕ（ｋ）が、主制御系２７の外
部のデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器３２を介して
アナログの速度信号ＡＵに変換されて、サーボ駆動回路
３３に供給される。サーボ駆動回路３３では、タコジェ
ネレータ２３からの回転速度信号ＭＵとその速度信号Ａ
Ｕとを比較し、その回転速度信号ＭＵがその速度信号Ａ
Ｕに合致するように駆動モータ１９に駆動信号ＳＵを供
給する。これにより、Ｘステージ１７が目標位置ｘｓに
向けて駆動される。次に、制御量演算部３１の詳細な構
成につき図３を参照して説明する。

【００２９】図３は、図１の制御量演算部３１、及びこ
の周辺の制御系の構成を示し、この図３において、Ｘ軸
駆動系３４は、図１のＤ／Ａ変換器３２、サーボ駆動回
路３３、駆動モータ１９及びタコジェネレータ２３を含
む駆動系であり、このＸ軸駆動系３４及びＸ軸干渉計２
６よりＸステージシステム３５が構成されている。この
場合、積分手段３０からの制御量ｕ２（ｋ）が減算手段
３６の加算側入力部に供給され、減算手段３６の減算側
入力部にはゲイン乗算手段３７から状態量ｕ１ _ij（ｋ）
が供給され、減算手段３６により求められた制御量ｕ
（ｋ）（＝ｕ２（ｋ）−ｕ１_ij（ｋ））がＸステージシ
ステム３５内のＸ軸駆動系３４、及びＸステージ用の状
態観測手段３８（オブザーバ）３８に供給されている。

【００３０】状態観測手段３８には、Ｘ軸干渉計２６に
より計測された座標ｘ（ｋ）も供給されている。状態観
測手段３８内には、後述のモデルセレクタ３９により選
択されたブロックＢＡ_ijでのＸステージシステム３５の
状態方程式の数値モデル、即ち（数１）で表される伝達
関数が記憶され、状態観測手段３８は、実際のＸステー
ジシステム３５とソフトウェア上で全く同じ動作をす
る。状態観測手段３８では、そのモデルに基づいてＸス
テージシステム３５内の状態量（特定の部材の変位、又
は特定の部材の状態の変化量等）の集合である状態ベク
トル〈χ_ij（ｋ）〉を推定し、この推定した状態ベクト
ル〈χ_ij（ｋ）〉をゲイン乗算手段３７に供給する。ゲ
イン乗算手段３７では、供給された状態ベクトル〈χ_ij
（ｋ）〉と、上述のブロックＢＡ_ijでのモデルに対応す
る制御則に応じて定まるゲインベクトル〈Ｇ_ij〉との内
積演算により制御量ｕ１_ij（ｋ）を求め、この制御量ｕ
１_ij（ｋ）を減算手段３６に供給する。

【００３１】次に、本実施例では目標位置設定手段２９
から出力されるＸ座標の目標位置ｘＳ及びＹ座標の目標
位置ｙｓがモデルセレクタ３９に供給され、モデルセレ
クタ３９では供給された目標位置が属するブロックの番
号（ｉ，ｊ）をブロック別モデル記憶手段４０に供給す
る。このブロック別モデル記憶手段４０には、ブロック
番号別に、Ｘステージシステム３５の状態方程式の数値
モデル、及びその数値モデルに最適なゲインベクトルが
記憶され、ブロック別モデル記憶手段４０はモデルセレ
クタ３９に選択された状態方程式の数値モデル、及びそ
の数値モデルに最適なゲインベクトルを、それぞれモデ
ル変更手段４１及び制御則書換手段４２に供給する。モ
デル変更手段４１は、供給された状態方程式の数値モデ
ルで状態観測手段３８内の数値モデルを変更し、制御則
書換手段４２は供給されたゲインベクトルでゲイン乗算
手段３７内のゲインベクトルを書き換える。状態観測手
段３８、及びゲイン乗算手段３７ではそれぞれ変更及び
書き換えられた情報に基づいて動作する。

【００３２】更に、図３では不図示であるが、制御量演
算部３１と並行に、目標位置ｘｓと計測された座標ｘ
（ｋ）との偏差に基づいて、従来の古典的制御方式（例
えばＰＩＤ制御）でＸ軸駆動系３４の制御量ｕ（ｋ）を
求める演算部が設けられている。また、その制御量演算
部３１の制御量と古典的制御方式の演算部の制御量とを
切り換えてＸ軸駆動系３４に供給する切り替え手段も設
けられている。

【００３３】次に、本実施例における位置決め動作の一
例につき説明する。先ず、図１のＸステージ１７及びＹ
ステージ１６により位置決め範囲、即ちＸ軸干渉計２６
の計測座標値、及びＹ軸干渉計（不図示）の計測座標値
が変化する範囲を、図４の位置決め範囲１とする。位置
決め範囲１は、Ｘ方向の移動ストロークがＬＸ、Ｙ方向
の移動ストロークがＬＹの領域である。

【００３４】その位置決め範囲１をＸ方向にピッチΔ
Ｘ、Ｙ方向にピッチΔＹで縦横に多数のブロックＢ
Ａ₁₁，ＢＡ₁₂，…，ＢＡ₂₁，…に分割する。ピッチΔＸ
及びΔＹは例えば１０ｍｍである。そして、各ブロック
ＢＡ_ij（ｉ＝１，２，…；ｊ＝１，２，…）の中心でそ
れぞれ、図１のＸステージ１７及びＹステージ１６の伝
達関数を実際に測定する。具体的に、図３のＸ軸駆動系
３４に対してステップ的な制御量ｕ（ｋ）を供給し、こ
のときにＸ軸干渉計２６から出力される座標値の変化を
観測して伝達関数の数値モデルを求める。図４の各ブロ
ックＢＡ_ij毎に求めた伝達関数をそれぞれＨ_ij（ｓ）と
する。これら伝達関数Ｈ_ij（ｓ）はそれぞれ（数１）で
係数ａ₀〜ａ_n及びｂ₀〜ｂ_nの値に所定の値を代入し
た形式である。

【００３５】更に、各伝達関数Ｈ_ij（ｓ）の数値モデル
からそれに対応する最適な制御則、即ち状態量に対する
最適なゲインベクトル〈Ｇ_ij〉を、ＬＱ制御(Linear qu
adratic optimal control)方式で計算する。本実施例で
は、各ブロックＢＡ_ij毎に最適なゲインベクトルを計算
すればよいため、ゲインベクトルの値を大きくできるよ
うになっている。このようにして求めた伝達関数Ｈ
_ij（ｓ）の数値モデル、及びゲインベクトル〈Ｇ_ij〉を
対にして、ブロック別モデル記憶手段４０のブロックＢ
Ａ_ij用の記憶部に記憶させておく。

【００３６】次に、図４の（ｉ，ｊ）番目のブロックＢ
Ａ_ij内の目標位置（ｘｓ，ｙｓ）にＸステージ１７及び
Ｙステージ１６の座標を位置決めするものとして、Ｘス
テージ１７を次のように駆動する。先ず、図３の目標位
置設定手段２９から目標位置ｘｓを減算手段２８に供給
し、並行して目標位置ｘｓ及びｙｓをモデルセレクタ３
９に供給する。

【００３７】そして、目標位置ｘｓと実際にＸ軸干渉計
２６で計測される座標ｘ（ｋ）との偏差の絶対値が大き
い範囲では、Ｘ軸駆動系３４を不図示の古典的制御方式
の演算部で求められた制御量で制御する。この間は、Ｘ
ステージ１７の位置決め精度を高める必要はないので、
Ｘステージ１７の動作を制御する主制御系２７には充分
な空き時間が存在する。この空き時間を利用して、モデ
ルセレクタ３９が、ブロック別モデル記憶手段４０から
ブロックＢＡ_ijに対応する伝達関数Ｈ_ij（ｓ）の数値モ
デル、及びゲインベクトル〈Ｇ_ij〉を読み出し、それぞ
れモデル変更手段４１、及び制御則書換手段４２に供給
する。そして、モデル変更手段４１が状態観測手段３８
内の数値モデルを伝達関数Ｈ_ij（ｓ）の数値モデルで変
更し、且つ制御則書換手段４２がゲイン乗算手段３７内
のゲインベクトルをゲインベクトル〈Ｇ_ij〉で置き換え
る。

【００３８】その後、目標位置ｘｓと実際に計測される
座標ｘ（ｋ）との偏差の絶対値が所定値以下となったと
き、即ち位置決め精度が必要な最終位置決め段階で、そ
の図３の制御量演算部３１の制御量ｕ（ｋ）をＸ軸駆動
系３４に切り換えて供給するようにする。これにより、
実際の目標位置ｘｓでの数値モデルに近い伝達関数Ｈ _ij
（ｓ）の数値モデルに基づいて、デジタル状態フィード
バック制御方式で位置決めが行われる。この場合、実際
の数値モデルに近いモデルが使用されるため、ゲインベ
クトル〈Ｇ_ij〉内の各ゲイン要素の値を大きくでき、位
置決め精度を向上できる。また、位置決めが完了するま
での時間を短縮できる。

【００３９】なお、上述実施例では古典的制御方式と図
３の制御量演算部３１に基づいた制御方式とを切り換え
ているが、最初から最後まで図３の制御量演算部３１に
基づいたデジタル状態フィードバック制御方式で制御を
行ってもよい。次に、本発明の第２実施例につき図５を
参照して説明する。図５において図１〜図３に対応する
部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。本
実施例でも、図１の実施例と同様に送りねじ方式でＸス
テージ１７を駆動するものとする。一般に、図１におい
て、送りねじ２０の回転運動を主ナット２１等の変換部
材を用いてＸステージ１７の直進運動に変換するステー
ジシステムにおいては、送りねじ２０等の製造誤差や取
り付け時の偏心などによって、送りねじ２０の回転角に
応じてステージ装置の伝達特性の変化が生じる場合があ
る。

【００４０】このような場合には、図５（ａ）に示すよ
うに、送りねじ２０の１回転をＮ個（図５（ａ）ではＮ
＝６）の角度区間θ１〜θ６に分割する。そして、各角
度区間θｉ（ｉ＝１，２，…）の中央の角度で、それぞ
れ図３のＸステージシステム３５の伝達関数Ｈ_i(ｓ）の
数値モデルを実測し、この数値モデルに対応するゲイン
ベクトル〈Ｇ_i〉を算出する。

【００４１】図５（ｂ）は本実施例の制御量演算部の要
部及び目標位置設定手段２９を示し、この図５（ｂ）に
おいて、角度別モデル記憶手段４５内の角度区間θｉに
対応する記憶領域にそれぞれ伝達関数Ｈ_i(ｓ）の数値モ
デル、及びゲインベクトル〈Ｇ_i〉を記憶させる。ま
た、目標位置設定手段２９から供給される目標位置ｘｓ
を角度変換手段４３に供給し、角度変換手段４３はその
目標位置ｘｓでの送りねじ２０の回転角度を算出し、こ
の回転角度をモデルセレクタ４４に供給し、モデルセレ
クタ４４は、その回転角度が属する角度区間の番号ｉを
角度別モデル記憶手段４５に供給する。これに応じて、
角度別モデル記憶手段４５は、読み出した伝達関数Ｈ
_i(ｓ）の数値モデル、及びゲインベクトル〈Ｇ_i〉をそ
れぞれ図３のモデル変更手段４１、及び制御則書換手段
４２に供給する。それ他の構成は第１実施例と同様であ
る。

【００４２】本実施例によれば、送りねじ２０の回転角
度に応じて、実際の伝達関数の数値モデルに近いモデル
に基づいて制御が行われるため、送りねじ２０の回転角
度に拘らず高精度に位置決め制御が行われる。なお、上
述実施例では、送りねじ方式の駆動機構が使用されてい
るが、例えばリニアモータ方式でステージを駆動する場
合にも、本発明を同様に適用することにより、位置決め
精度を向上することができる。

【００４３】また、図３において、積分手段３０は、目
標位置ｘｓと実際に計測された座標ｘ（ｋ）との定常偏
差を相殺するために使用されているが、その積分手段３
０は必ずしも設ける必要はない。積分手段３０がないと
きには、ＬＱ制御となり、積分手段３０があるときには
ＬＱＩ制御となる。このように本発明は上述実施例に限
定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成
を取り得る。

【００４４】

【発明の効果】本発明の第１のステージ装置によれば、
移動ステージの位置決め範囲を分割して得られる複数の
区間に対応して、それぞれ移動ステージを駆動する際の
状態方程式のモデルを計測して記憶しているため、位置
決め時に最も近いモデルを選択することにより、デジタ
ル状態フィードバック制御などの現代制御を応用して移
動ステージを制御する際の、状態方程式のモデル（数値
モデル）と実際の移動ステージの動作との一致度が向上
している。従って、移動ストロークの全範囲で所望の制
御特性で位置決め動作を制御でき、結果として位置決め
精度を向上できる利点がある。

【００４５】また、制御量算出手段が、目標位置と位置
計測手段により計測された位置との差分から、モデル選
択手段により選択された状態方程式のモデルの状態量に
所定のゲインを乗じて得られる補正量を減じて駆動手段
の制御量を求める場合には、従来のように１つの数値モ
デルを用いる場合に比べて、実際の移動ステージの動作
と数値モデルの動作とが、より広範囲で小さい誤差内で
一致するようになっている。従って、デジタル状態フィ
ードバック制御を行う際のゲインを大きくでき、位置決
め精度が向上すると共に、対外乱性能が向上する。

【００４６】また、モデル選択手段が、目標位置の属す
る区間に対応する状態方程式のモデルを読み出す場合に
は、状態方程式のモデルを次々に切り換える場合に比べ
て制御が容易であり、且つ最終的な位置決め精度を最も
高くできる。次に、第２のステージ装置によれば、送り
ねじの回転角度に最も近いモデルを選択することによ
り、デジタル状態フィードバック制御等を応用して移動
ステージを制御する際の、状態方程式のモデル（数値モ
デル）と実際の移動ステージの動作との一致度が向上し
ている。従って、送りねじの回転角度によってステージ
の伝達特性が大きく変わるような場合でも、移動ストロ
ークの全範囲で位置決め精度を向上できる利点がある。

【００４７】また、第２のステージ装置においても、制
御量算出手段が、目標位置と位置計測手段により計測さ
れた位置との差分から、モデル選択手段により選択され
た状態方程式のモデルの状態量に所定のゲインを乗じて
得られる補正量を減じて駆動手段の制御量を求める場合
には、デジタル状態フィードバック制御を行う際のゲイ
ンを大きくでき、位置決め精度が向上すると共に、対外
乱性能が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるステージ装置の第１実施例が適用
された投影露光装置を示す概略構成図である。

【図２】図１中の送りねじ２０とＸステージ１７との係
合関係を示す要部の拡大図である。

【図３】図１中のステージの制御系の構成を示す機能ブ
ロック図である。

【図４】第１実施例のステージの位置決め範囲、及びこ
の位置決め範囲を分割したブロックの配列を示す平面図
である。

【図５】（ａ）は本発明の第２実施例において、送りね
じの１回転を分割した複数の角度区間を示す図、（ｂ）
はその第２実施例のステージの制御系の要部を示す機能
ブロック図である。

【図６】従来のステージの位置決め範囲を示す図であ
る。

【図７】従来のステージ装置の制御系の構成を示す機能
ブロック図である。

【符号の説明】

１位置決め範囲１１照明光学系１２レチクル１４投影光学系１５ウエハ１６Ｙステージ１７Ｘステージ１８ベース１９駆動モータ２０送りねじ２６Ｘ軸干渉計２７主制御系２９目標位置設定手段３０積分手段３１制御量演算部３７ゲイン乗算手段３８Ｘステージ用の状態観測手段（オブザーバ）３９モデルセレクタ４０ブロック別モデル記憶手段４４モデルセレクタ４５角度別モデル記憶手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０５Ｄ 3/00 Ａ 7609−3Ｈ 3/12 ３０５Ｖ 7609−3ＨＨ０１Ｌ 21/68 ＫＦ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】位置決め対象物が載置される移動ステー
ジと、該移動ステージを移動方向に駆動する駆動手段
と、前記移動方向の前記移動ステージの位置を計測する
位置計測手段とを有し、前記位置計測手段により計測さ
れた位置に基づいて前記駆動手段を介して前記移動ステ
ージを駆動するステージ装置において、前記移動方向の前記移動ステージの位置決め範囲を分割
して得られた複数の区間にそれぞれ対応させて、前記駆
動手段を介して前記移動ステージを駆動する際の複数の
状態方程式のモデルを記憶した記憶手段と；前記移動ス
テージの前記移動方向の目標位置を入力する目標位置入
力手段と；前記記憶手段に記憶された前記複数の状態方
程式のモデルから１つの状態方程式のモデルを読み出す
モデル選択手段と；前記目標位置入力手段より入力され
た目標位置と前記位置計測手段により計測された位置と
の差分から、前記モデル選択手段により選択された状態
方程式のモデルに応じて定められる補正量を減じて前記
駆動手段の制御量を求め、該求めた制御量を前記駆動手
段に供給する制御量算出手段と；を有することを特徴と
するステージ装置。
【請求項２】前記制御量算出手段は、前記目標位置入
力手段より入力された目標位置と前記位置計測手段によ
り計測された位置との差分から、前記モデル選択手段に
より選択された状態方程式のモデルの状態量に所定のゲ
インを乗じて得られる補正量を減じて前記駆動手段の制
御量を求めることを特徴とする請求項１記載のステージ
装置。
【請求項３】前記モデル選択手段は、前記複数の状態
方程式のモデルから、前記移動ステージの位置決め範囲
を分割して得られた複数の区間中で前記目標位置入力手
段より入力された目標位置の属する区間に対応する状態
方程式のモデルを読み出すことを特徴とする請求項１又
は２記載のステージ装置。
【請求項４】位置決め対象物が載置される移動ステー
ジと；該移動ステージに設けられたナットと該ナットに
螺合された送りねじとを備え、該送りねじを回転させて
前記移動ステージを移動方向に駆動する送りねじ方式の
駆動手段と；前記移動方向の前記移動ステージの位置を
計測する位置計測手段と；を有し、前記位置計測手段に
より計測された位置に基づいて前記駆動手段を介して前
記移動ステージを駆動するステージ装置において、前記駆動手段の前記送りねじの１回転の回転角度を分割
して得られた複数の角度区間にそれぞれ対応させて、前
記駆動手段を介して前記移動ステージを駆動する際の複
数の状態方程式のモデルを記憶した記憶手段と；前記移
動ステージの前記所定の方向の目標位置を入力する目標
位置入力手段と；前記記憶手段に記憶された前記複数の
状態方程式のモデルから１つの状態方程式のモデルを読
み出すモデル選択手段と；前記目標位置入力手段より入
力された目標位置と前記位置計測手段により計測された
位置との差分から、前記モデル選択手段により選択され
た状態方程式のモデルに応じて定められる補正量を減じ
て前記駆動手段の制御量を求め、該求めた制御量を前記
駆動手段に供給する制御量算出手段と；を有することを
特徴とするステージ装置。
【請求項５】前記制御量算出手段は、前記目標位置入
力手段より入力された目標位置と前記位置計測手段によ
り計測された位置との差分から、前記モデル選択手段に
より選択された状態方程式のモデルの状態量に所定のゲ
インを乗じて得られる補正量を減じて前記駆動手段の制
御量を求めることを特徴とする請求項４記載のステージ
装置。