專利名稱：一種無接觸式粗精動(dòng)疊層定位系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無接觸式粗精動(dòng)疊層定位裝置運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，屬于半導(dǎo)體光刻設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
具有納米級(jí)運(yùn)動(dòng)定位精度的超精密微動(dòng)臺(tái)是半導(dǎo)體裝備關(guān)鍵部件之一，如光刻機(jī)中的硅片臺(tái)、掩模臺(tái)等。為實(shí)現(xiàn)超精密定位要求，以氣浮和磁浮約束為支撐方式的執(zhí)行單元作為一種超精密運(yùn)動(dòng)臺(tái)被廣泛應(yīng)用。氣浮約束作為支撐和導(dǎo)向作用時(shí)，減小了機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)引起的摩擦力等作用，提高了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)定位精度。以直線電機(jī)為驅(qū)動(dòng)單元時(shí)，由通電線圈在永磁陣列氣隙磁場(chǎng)中產(chǎn)生的洛侖茲力提供驅(qū)動(dòng)力，通過控制線圈中電流大小來改變執(zhí)行 單元的推力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。目前光刻設(shè)備中通常采用粗精動(dòng)疊層的結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)和一個(gè)微動(dòng)臺(tái)，兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)之間通過一個(gè)橫梁連接，微動(dòng)臺(tái)安裝在橫梁上，通過橫梁實(shí)現(xiàn)兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)與微動(dòng)臺(tái)的同步運(yùn)動(dòng)。一方面連接橫梁增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，較大的質(zhì)量將影響系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)性能，另一方面，當(dāng)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)沿Y軸方向存在位置偏差，由于連接梁的作用，使得兩個(gè)粗動(dòng)平臺(tái)之間產(chǎn)生作用力與反作用力的耦合，使得兩個(gè)粗動(dòng)平臺(tái)的性能相互影響，將影響系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)定位精度。因此設(shè)計(jì)出無機(jī)械連接的粗精動(dòng)疊層定位裝置并設(shè)計(jì)出針對(duì)該定位裝置的控制方法具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于半導(dǎo)體裝備的定位裝置以及位置測(cè)量與運(yùn)動(dòng)控制算法，不僅滿足六自由度運(yùn)動(dòng)定位要求，同時(shí)解決目前掩模臺(tái)粗精動(dòng)疊層結(jié)構(gòu)中由機(jī)械結(jié)構(gòu)耦合作用引起的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)性能相互影響等問題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種無接觸式粗精動(dòng)疊層定位系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括定位裝置、位置測(cè)量裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和控制單元；定位裝置包括基架、一個(gè)微動(dòng)臺(tái)和兩個(gè)對(duì)稱布置在微動(dòng)臺(tái)兩側(cè)的粗動(dòng)臺(tái)，兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)之間、粗動(dòng)臺(tái)與微動(dòng)臺(tái)之間無機(jī)械連接；位置測(cè)量裝置包括I) 一個(gè)激光尺，用于測(cè)量微動(dòng)臺(tái)質(zhì)心沿Y軸的絕對(duì)位置；2)兩個(gè)光柵測(cè)量裝置，每個(gè)光柵測(cè)量裝置包括一個(gè)光柵尺和一個(gè)讀數(shù)頭，用于測(cè)量粗動(dòng)臺(tái)沿Y軸方向的位移；3)七個(gè)電渦流傳感器，其中第一電渦流傳感器和第二電渦流傳感器安裝在第一粗動(dòng)臺(tái)上，布置于一條沿Y軸的直線上，用于測(cè)量微動(dòng)臺(tái)沿X軸與粗動(dòng)臺(tái)的相對(duì)位置，第一和第二電渦流傳感器測(cè)量值的差動(dòng)作為微動(dòng)臺(tái)繞Z軸的轉(zhuǎn)角；
第三電渦流傳感器安裝在第一粗動(dòng)臺(tái)上，測(cè)量第一粗動(dòng)臺(tái)與微動(dòng)臺(tái)之間沿Y軸方向的相對(duì)位置；第四電渦流傳感器安裝在第二粗動(dòng)臺(tái)上，測(cè)量第二粗動(dòng)臺(tái)與微動(dòng)臺(tái)之間沿Y軸方向的相對(duì)位置；第五電渦流傳感器和第六電渦流傳感器安裝在第一粗動(dòng)臺(tái)上，且位于一條沿Y軸的直線上，第七電渦流傳感器安裝在第二粗動(dòng)臺(tái)上，且與第五電渦流傳感器位于一條沿X軸的直線上；該三個(gè)電渦流傳感器用于測(cè)量微動(dòng)臺(tái)沿Z軸的絕對(duì)位置，第五電渦流傳感器和第六電渦流傳感器測(cè)量值的差動(dòng)作為微動(dòng)臺(tái)繞X軸的轉(zhuǎn)角，第五電渦流傳感器和第七電渦流傳感器測(cè)量值的差動(dòng)作為微動(dòng)臺(tái)繞Y軸的轉(zhuǎn)角；驅(qū)動(dòng)裝置包括I)十個(gè)音圈電機(jī)
微動(dòng)臺(tái)包括四個(gè)沿Y軸方向驅(qū)動(dòng)的音圈電機(jī)、兩個(gè)沿X軸方向驅(qū)動(dòng)的音圈電機(jī)和四個(gè)沿Z軸方向驅(qū)動(dòng)的音圈電機(jī)；第一音圈電機(jī)、第二音圈電機(jī)、第五音圈電機(jī)的線圈組件固定在第一粗動(dòng)臺(tái)上，永磁體組件固定在微動(dòng)臺(tái)上，第三音圈電機(jī)、第四音圈電機(jī)、第六音圈電機(jī)的線圈組件固定在第二粗動(dòng)臺(tái)上，永磁體組件固定在微動(dòng)臺(tái)上；第七音圈電機(jī)、第八音圈電機(jī)、第九音圈電機(jī)、第十音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)相同，包括外磁環(huán)、內(nèi)磁環(huán)、圓柱線圈組件、重力平衡磁柱；外磁環(huán)與內(nèi)磁環(huán)的軸線沿Z軸方向，外磁環(huán)與內(nèi)磁環(huán)充磁方向相同，沿徑向方向且由圓環(huán)外表面指向圓心；圓柱線圈位于內(nèi)磁環(huán)與外磁環(huán)之間，繞線軸線沿Z軸方向；磁柱的軸線沿Z軸方向，充磁方向沿Z軸正方向；第七音圈電機(jī)、第八音圈電機(jī)的圓柱線圈組件固定在第一粗動(dòng)臺(tái)上，第九音圈電機(jī)、第十音圈電機(jī)的圓柱線圈組件固定在第二粗動(dòng)臺(tái)上；2)兩個(gè)直線電機(jī)兩個(gè)直線電機(jī)分別用于驅(qū)動(dòng)第一粗動(dòng)臺(tái)和第二粗動(dòng)臺(tái)；所述控制單元包括含有控制程序的工控機(jī)、計(jì)數(shù)卡、A/D卡、D/A卡和驅(qū)動(dòng)器，計(jì)數(shù)卡采集光柵尺和激光尺的增量信號(hào)，A/D卡采集電渦流傳感器的信號(hào)，計(jì)數(shù)卡和A/D卡將采集到的信號(hào)輸入至工控機(jī)，工控機(jī)以所述信號(hào)作為位置反饋信號(hào)對(duì)微動(dòng)臺(tái)以及粗動(dòng)臺(tái)進(jìn)行控制，控制指令通過D/A卡輸出至驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)力輸出電流給電機(jī)，實(shí)現(xiàn)微動(dòng)臺(tái)以及粗動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)?；谒龅拇志珓?dòng)疊層定位系統(tǒng)，采用了一種運(yùn)動(dòng)控制方法，該控制方法包括如下步驟I)在伺服周期開始，設(shè)定微動(dòng)臺(tái)的六自由度位移量，其中Xd為沿X軸的位移量，Yd為沿Y軸的位移量，Zd為沿Z軸的位移量，θ xd為繞X軸的轉(zhuǎn)角位移量，θ yd為繞Y軸的轉(zhuǎn)角位移量，Θ zd為繞Z軸的轉(zhuǎn)角位移量；然后將計(jì)數(shù)卡采集的激光尺信號(hào)和A/D卡采集的電渦流傳感器信號(hào)作為微動(dòng)臺(tái)控制環(huán)路的反饋信號(hào)，將A/D卡采集的電渦流傳感器信號(hào)作為粗動(dòng)臺(tái)控制環(huán)路的反饋信號(hào)；2)根據(jù)設(shè)定的微動(dòng)臺(tái)六自由度位移量以及反饋信號(hào)求解每個(gè)音圈電機(jī)相應(yīng)出力，其中第一音圈電機(jī)、第二音圈電機(jī)、第三音圈電機(jī)和第四音圈電機(jī)控制微動(dòng)臺(tái)沿Y方向移動(dòng)和繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度，第五音圈電機(jī)和第六音圈電機(jī)控制微動(dòng)臺(tái)沿X方向移動(dòng)的自由度，第七音圈電機(jī)、第八音圈電機(jī)、第九音圈電機(jī)和第十音圈電機(jī)控制微動(dòng)臺(tái)沿Z方向移動(dòng)、繞X軸旋轉(zhuǎn)和繞Y軸旋轉(zhuǎn)的自由度，電機(jī)輸出力按以下公式計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種無接觸式粗精動(dòng)疊層定位系統(tǒng)，其特征在于該控制系統(tǒng)包括定位裝置、位置測(cè)量裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和控制單元； 所述的定位裝置包括基架、一個(gè)微動(dòng)臺(tái)和兩個(gè)對(duì)稱布置在微動(dòng)臺(tái)兩側(cè)的粗動(dòng)臺(tái)，兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)之間、粗動(dòng)臺(tái)與微動(dòng)臺(tái)之間無機(jī)械連接； 所述的位置測(cè)量裝置包括 .1)一個(gè)激光尺，用于測(cè)量微動(dòng)臺(tái)質(zhì)心沿Y軸的絕對(duì)位置； .2)兩個(gè)光柵測(cè)量裝置，每個(gè)光柵測(cè)量裝置包括一個(gè)光柵尺和一個(gè)讀數(shù)頭，用于測(cè)量粗動(dòng)臺(tái)沿Y軸方向的位移； .3)七個(gè)電渦流傳感器，其中 第一電渦流傳感器和第二電渦流傳感器安裝在第一粗動(dòng)臺(tái)上，布置于一條沿Y軸的直線上，用于測(cè)量微動(dòng)臺(tái)沿X軸與粗動(dòng)臺(tái)的相對(duì)位置，第一和第二電渦流傳感器測(cè)量值的差動(dòng)作為微動(dòng)臺(tái)繞Z軸的轉(zhuǎn)角； 第三電渦流傳感器安裝在第一粗動(dòng)臺(tái)上，測(cè)量第一粗動(dòng)臺(tái)與微動(dòng)臺(tái)之間沿Y軸方向的相對(duì)位置；第四電渦流傳感器安裝在第二粗動(dòng)臺(tái)上，測(cè)量第二粗動(dòng)臺(tái)與微動(dòng)臺(tái)之間沿Y軸方向的相對(duì)位置； 第五電渦流傳感器和第六電渦流傳感器安裝在第一粗動(dòng)臺(tái)上，且位于一條沿Y軸的直線上，第七電渦流傳感器安裝在第二粗動(dòng)臺(tái)上，且與第五電渦流傳感器位于一條沿X軸的直線上；該三個(gè)電渦流傳感器用于測(cè)量微動(dòng)臺(tái)沿Z軸的絕對(duì)位置，第五電渦流傳感器和第六電渦流傳感器測(cè)量值的差動(dòng)作為微動(dòng)臺(tái)繞X軸的轉(zhuǎn)角，第五電渦流傳感器和第七電渦流傳感器測(cè)量值的差動(dòng)作為微動(dòng)臺(tái)繞Y軸的轉(zhuǎn)角； 所述驅(qū)動(dòng)裝置包括 O十個(gè)音圈電機(jī) 微動(dòng)臺(tái)包括四個(gè)沿Y軸方向驅(qū)動(dòng)的音圈電機(jī)、兩個(gè)沿X軸方向驅(qū)動(dòng)的音圈電機(jī)和四個(gè)沿Z軸方向驅(qū)動(dòng)的音圈電機(jī)；第一音圈電機(jī)、第二音圈電機(jī)、第五音圈電機(jī)的線圈組件固定在第一粗動(dòng)臺(tái)上，永磁體組件固定在微動(dòng)臺(tái)上，第三音圈電機(jī)、第四音圈電機(jī)、第六音圈電機(jī)的線圈組件固定在第二粗動(dòng)臺(tái)上，永磁體組件固定在微動(dòng)臺(tái)上； 第七音圈電機(jī)、第八音圈電機(jī)、第九音圈電機(jī)、第十音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)相同，包括外磁環(huán)、內(nèi)磁環(huán)、圓柱線圈組件、重力平衡磁柱；外磁環(huán)與內(nèi)磁環(huán)的軸線沿Z軸方向，外磁環(huán)與內(nèi)磁環(huán)充磁方向相同，沿徑向方向且由圓環(huán)外表面指向圓心；圓柱線圈位于內(nèi)磁環(huán)與外磁環(huán)之間，繞線軸線沿Z軸方向；磁柱的軸線沿Z軸方向，充磁方向沿Z軸正方向；第七音圈電機(jī)、第八音圈電機(jī)的圓柱線圈組件固定在第一粗動(dòng)臺(tái)上，第九音圈電機(jī)、第十音圈電機(jī)的圓柱線圈組件固定在第二粗動(dòng)臺(tái)上； .2)兩個(gè)直線電機(jī) 兩個(gè)直線電機(jī)分別用于驅(qū)動(dòng)第一粗動(dòng)臺(tái)和第二粗動(dòng)臺(tái)； 所述控制單元包括含有控制程序的工控機(jī)、計(jì)數(shù)卡、A/D卡、D/A卡和驅(qū)動(dòng)器，計(jì)數(shù)卡采集光柵尺和激光尺的增量信號(hào)，A/D卡采集電渦流傳感器的信號(hào)，計(jì)數(shù)卡和A/D卡將采集到的信號(hào)輸入至工控機(jī)，工控機(jī)以所述信號(hào)作為位置反饋信號(hào)對(duì)微動(dòng)臺(tái)以及粗動(dòng)臺(tái)進(jìn)行控制，控制指令通過D/A卡輸出至驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)力輸出電流給電機(jī)，實(shí)現(xiàn)微動(dòng)臺(tái)以及粗動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。
2.一種如權(quán)利要求I所述的無接觸式粗精動(dòng)疊層定位系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于所述控制方法包括如下步驟 1)在伺服周期開始，設(shè)定微動(dòng)臺(tái)的六自由度位移量，其中Xd為沿X軸的位移量，yd為沿Y軸的位移量，Zd為沿Z軸的位移量，θ xd為繞X軸的轉(zhuǎn)角位移量，θ yd為繞Y軸的轉(zhuǎn)角位移量，Θ zd為繞Z軸的轉(zhuǎn)角位移量；然后將計(jì)數(shù)卡采集的激光尺信號(hào)和A/D卡采集的電渦流傳感器信號(hào)作為微動(dòng)臺(tái)控制環(huán)路的反饋信號(hào)，將A/D卡采集的電渦流傳感器信號(hào)作為粗動(dòng)臺(tái)控制環(huán)路的反饋信號(hào)； 2)根據(jù)設(shè)定的微動(dòng)臺(tái)六自由度位移量以及反饋信號(hào)求解每個(gè)音圈電機(jī)相應(yīng)出力，其中第一音圈電機(jī)、第二音圈電機(jī)、第三音圈電機(jī)和第四音圈電機(jī)控制微動(dòng)臺(tái)沿Y方向移動(dòng)和繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度，第五音圈電機(jī)和第六音圈電機(jī)控制微動(dòng)臺(tái)沿X方向移動(dòng)的自由度，第七音圈電機(jī)、第八音圈電機(jī)、第九音圈電機(jī)和第十音圈電機(jī)控制微動(dòng)臺(tái)沿Z方向移動(dòng)、繞X軸旋轉(zhuǎn)和繞Y軸旋轉(zhuǎn)的自由度，電機(jī)輸出力按以下公式計(jì)算
全文摘要
一種無接觸式粗精動(dòng)疊層定位系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)控制方法，該定位裝置包括一個(gè)微動(dòng)臺(tái)和對(duì)稱布置在微動(dòng)臺(tái)兩側(cè)的兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)，微動(dòng)臺(tái)利用音圈電機(jī)懸浮在兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)上方，各粗動(dòng)臺(tái)之間、各粗動(dòng)臺(tái)與微動(dòng)臺(tái)之間無機(jī)械連接。微動(dòng)臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)。沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)的控制方法中，以激光尺信號(hào)為微動(dòng)臺(tái)沿Y軸方向位置反饋，利用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)微動(dòng)臺(tái)沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)。以電渦流傳感器信號(hào)為粗動(dòng)臺(tái)與微動(dòng)臺(tái)之間沿Y軸方向位置偏差，以該偏差為控制器反饋實(shí)現(xiàn)粗動(dòng)臺(tái)與微動(dòng)臺(tái)沿Y軸方向的同步運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)G01B11/00GK102722088SQ201210180140
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者余東東, 尹文生, 崔樂卿, 張鳴, 徐登峰, 朱煜, 李鑫, 楊開明, 穆海華, 胡金春, 蘇哲欣 申請(qǐng)人:清華大學(xué)