CN101067726A - 精密加工设备的提高重复精度的工件台结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高重复精度的工件台结构及方法，涉及高精度加工设备领域。该工件台结构的运动平台固装有x、y向零位磁铁，基准平面上固装有x、y1、y2向零位传感器，y1、y2向零位传感器在x向相隔固定距离。该方法包括：将运动平台运动至特定位置，取背景磁场强度；运动平台运动到名义零点位置(x，y1)，搜索x向与y向的零高斯点；运动平台静止于(x′，y1′)点，以此位置为基准，沿x向相对该基准运动固定距离至名义y2零点传感器位置处，进行零高斯点搜索；计算偏转角度；运动平台在rz反方向运动该角度；重新搜索零点位置；计算测量系统当前所需偏置。与现有技术相比，本发明有效保证了运动平台的高重复精度，有效降低后续运算处理负担。

Description

精密加工设备的提高重复精度的工件台结构及方法

技术领域

本发明涉及高精度加工设备领域，具体地说，涉及一种提高运动平台重复精度的工件台结构及方法。

背景技术

传统的高精密加工设备往往着眼于较高精度运动控制即可满足加工要求，对于设备的重复精度要求并不非常严格。所述重复精度并非指加工设备运动时的重复精度，而是指设备从未知状态进入工作状态的重复性。例如切断设备电源后重新上电恢复使用，要保证其坐标的建立与前一次工作状态非常接近，即保证相同(尽量接近)的坐标原点和坐标方向。然而随着科学技术的发展，传统方法已经不能满足某些领域的超高精度加工要求，其不仅表现在更高的精度要求，另外对重复精度的要求也异常苛刻，例如半导体芯片的生产制造过程中，同一台设备上的加工工序往往多达几十道，且后道工序对前道工序又有很强的位置关系依赖性，这就对加工设备的重复精度提出了较高要求。

目前，具有高精度、高洁净度要求的加工设备普遍采用由直线电机驱动运动装置、气浮导轨、高精密测量系统等组成高精度运动系统，并将整机系统封闭于独立的洁净工作环境中，以提高加工过程的精度要求。这一技术目前已被普遍采用，本发明实施方式中所揭示的方法也不例外，也是以此类加工设备作为硬件支撑提高运动精度，以满足实际生产的应用要求。

现有设备中，广泛采用绝对传感器来保证设备初始位置，从而确定设备的坐标原点，即以测量系统编码器(光栅尺)上的某一标志位置为基准确定坐标原点。另一种方法是在x、y向各设置一个绝对传感器，当运动部件运动至特定位置时，上述两个绝对传感器的信号同时满足特定条件时，则将该位置定位为初始位置，即坐标原点，此种方法较前一种方法在重复精度上有一定程度的提升，技术实现简单，可以有效保证原点位置坐标(x、y)在一定精度范围之内，基本满足生产要求，但是保证rz方向的重复性，增加后续处理难度。美国专利第5699621号公开了一种采用后一种方法的光刻领域精密工作台结构，其运动平台采用传统的直线电机驱动方式，采用各种传感器进行位置与间隙测量，一定程度上保证了x、y向重复精度，但并未针对rz方向进行修正。

另外，中国专利第20041009664.0号公开了一种光刻精密磁悬浮工件台，其未涉及到提高设备重复精度的内容，仅依赖于传统方法。

基于以上考虑，需要一种更为有效的方法，在设备恢复时同时保证x、y、rz三个自由度上的坐标重复性，从而降低生产设备的技术复杂程度，提高生产效率。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种重复精度较高的精密加工设备的的工件台结构及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种精密加工设备的提高重复精度的工件台结构，其具有运动平台和基准平面，运动平台上表面固装有x向零位磁铁、y向零位磁铁，基准平面上固装有x向零位传感器、y1向零位传感器、y2向零位传感器，且所述的y1向零位传感器与y2向零位传感器在x向相隔固定距离。

进一步地，所述零位传感器为霍尔元件。

进一步地，运动平台位于名义零点位置时，所述x向零位传感器及y1向零位传感器分别与x向零位磁铁及y1向磁铁垂向正对。

本发明提供了一种精密加工设备的提高重复精度的方法，其包括如下步骤：

a.将运动平台运动至特定位置，采样当前位置分别取出x向零位传感器、y1向零位传感器、y2向零位传感器的输出，依据公式(1)分别取上述三个零位传感器的背景磁场强度B₀，其中n为采样点数；

$B_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i/n---\left(1\right)$

b.运动平台运动首先到名义零点位置(x，y1)，即x向零位磁铁及y1向磁铁分别与x向零位传感器及y1向零位传感器的垂向正对位置，然后分别进行搜索x向与y向的零高斯点步骤；

c.搜索完成，运动平台静止于(x′，y1′)点，然后以此位置为基准点，沿x向相对该基准点运动所述固定距离至名义y2零点传感器位置(x0，y2)处，进行y向的零高斯点搜索；

d.搜索完成，运动平台静止于(x0，y2′)，然后运动平台在(x0，y2′)点处沿x负方向运动所述固定距离至(x′，y1′)点附近，依据公式(4)搜索结果计算偏转角度α，其中L为所述固定距离；

         α≈(y2′-y1′)/L             (4)

e.运动平台在rz反方向运动上述角度α；

f.重新进行x向与y向的零高斯点搜索，搜索零点位置，确定物理位置；

g.计算测量系统当前所需偏置，即将输出确定为零，采集当前原始测量结果，根据测量系统计算模型逆推偏置数值，并且将其激活为当前配置。

进一步地，步骤b、c、f中搜索零高斯点的步骤如下：读取当前位置零位传感器输出值B，减去背景磁场因素B₀，根据比例因子K，依据公式(2)计算得出当前位置距离零高斯点的位移s，然后逐渐逼近，如此往复执行，直至满足预设条件。

          s＝K·(B-B₀)                 (2)

与现有技术相比，本发明提供的零点传感器的布局和提高重复精度的方法，有效保证了运动平台的高重复精度，有效降低后续运算处理负担，起到了提高生产效率的有益效果。

附图说明

通过以下对本发明一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1a为零位传感器与零位磁铁的垂向位置关系示意图；

图1b为零位传感器与零位磁铁的水平位置关系示意图；

图2为零高斯点的示意图；

图3为运动平台偏转角度算法原理图；

图4为测量模型示意图。

具体实施方式

本发明提供一种面向高端应用的高精密加工设备的用于提高运动平台重复精度的工件台结构及方法。所述高精密加工设备可以是半导体生产设备、微加工设备等等。

请参阅图1a、1b，用于提高加工设备运动平台重复精度的工件台结构主要包括如下部分：测量系统、运动平台7、固装于运动平台7上表面的两个零位磁铁5、6、固装于基准板4的基准平面40上的霍尔元件即三个零位传感器1、2、3以及水平三自由度x、y、rz(x、y平面上的旋转)执行机构等等。其中零位传感器1通过对零位磁铁5的感应，确定运动平台7在x向的位置坐标，零位传感器2、3通过对零位磁铁6的感应，确定运动平台7在y向的位置坐标。因此为便于叙述，零位磁铁5定义为x向零位磁铁5；零位磁铁6定义为y向零位磁铁6；零位传感器1定义为x向零位传感器1；零位传感器2、3定义为y向零位传感器2、3，又由于两个y向零位传感器在y向位置坐标不同，为避免混淆，分别定义为y1向零位传感器2和y2向零位传感器3，以下同。为满足高精度运动要求，水平向测量系统采用激光干涉仪8、9，运动平台7在水平向三自由度(x，y，rz)可控制。

所述方法依赖于零位传感器1、2、3与零位磁铁5、6的布局来提高重复精度。x向零位传感器1与y1向零位传感器2相邻为一组，用于共同搜索运动平台7的实际零点坐标；y2向零位传感器3一组，用于搜索运动平台7运动到y2向零位传感器3位置处时实际的y坐标。所述的y1向零位传感器2与y2向零位传感器3在x向相隔固定距离Lm(米)，L的大小根据根据加工设备的硬件条件确定。上述提高运动平台的重复精度的方法主要采用如下步骤来实现：

1.将运动平台7运动至特定位置，采样当前位置分别取出x向零位传感器1、y1向零位传感器2、y2向零位传感器3的输出，依据公式(1)分别取背景磁场强度B₀，其中n为采样点数；

$B_0=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i/n---\left(1\right)$

2.运动平台7运动到名义零点位置(x，y1)，即零位磁铁5、6与零位传感器1、2的垂向正对位置，然后分别进行搜索x向与y向的零高斯点步骤，如图2所示，搜索完成保存当前坐标值(即激光干涉仪测量结果)，其中搜索零高斯点的步骤如下：

读取当前位置零位传感器输出值B，减去背景磁场因素B₀，根据比例因子K，依据公式(2)计算得出当前位置距离零高斯点的位移s，然后逐渐逼近，如此往复执行，直至满足预设条件；

          s＝K·(B-B₀)                   (2)

3.搜索完成，运动平台静止于(x′，y1′)点，然后以此位置为基准点，沿x向相对该基准(x′，y1′)运动固定距离Lm至名义Y2传感器3位置(x0，y2)处，进行y向的零高斯点搜索，搜索过程与步骤b中所述相同；

4.搜索完成，运动平台7静止于点(x0，y2′)，然后沿x负方向运动Lm至(x′，y1′)点附近，依据搜索结果计算偏转角度α，请参阅图3；

          α＝arctg((y2′-y1′)/L)       (3)

因偏转角α通常很微小，因此该公式可简化处理：

          α≈(y2′-y1′)/L              (4)

5.上述计算结果即为当前运动平台坐标系方向与基准方向(零位传感器确定的基准方向)的夹角，运动平台在rz反方向运动上述角度α；

6.重新搜索零点位置，搜索过程与步骤b中所述相同，此时运动平台物理位置已经确定，即物理位置的重复性已经得到保证，然而其坐标值输出值却不为零；

7.根据应用场景计算激光干涉仪当前所需偏置，计算原理如图4所示，即将输出确定为零，采集当前原始测量结果，根据测量系统计算模型逆推偏置数值，并且将其激活为当前配置，则保证坐标输出同时为0，这样在保证物理位置重复性的同时也保证了坐标输出结果的重复性。

采用上述传感器布局及实现方法，有效保证了加工设备运动平台7的高重复精度，大大提高了设备系统性能。本发明公开的实现方法，适用于任何具有高重复精度要求的高精设备。虽然基于加工设备其他硬件结构布局的差异，在实现细节上稍有不同，但均属于本发明的保护范围。以下部分以加工设备为半导体领域的步进扫描光刻机为例，来说明步进扫描光刻机采用本发明的实现方法的具体过程。

步进扫描光刻机的运动平台7为承载硅片的硅片台，请参阅图1a、1b，根据硅片与硅片物理特性，选择y1向、y2向零点传感器2、3沿x向之间的特定的工装距离Lm。

根据步骤1，将硅片台运动至特定位置，读取背景磁场，根据公式(1)，根据实际需要选取n值的，读取背景磁场强度并保存，且需要分别测得B_0x、B_0y1、B_0y2。

根据步骤2，首先运动硅片台至名义零点位置，然后搜索精确的x、y1的精确坐标值(x′，y1′)，满足预设条件即搜索成功，根据公式(2)，计算得出当前位置与零高斯点的距离，并与预设值进行比较，符合要求停止逼近。

根据步骤3，硅片台沿x向运动Lm至名义y2零点传感器3位置(x0，y2)，搜索精确坐标值；

根据步骤4，依据公式(4)计算偏转角度，得出当前硅片台坐标与基准方向的夹角。

根据步骤5，修正上述角度，使硅片台当前方向与基准方向保持一致，此时硅片台rz方向的物理重复性已得到保证。

根据步骤6，将硅片台沿x负方向运动Lm，即回到(x′，y1′)点附近，重新搜索该准确位置。搜索成功保持静止，该位置即为当前硅片台坐标原点，或作为坐标原点基准位置。

通过以上流程不但保证了坐标原点(0，0)点的重复性，也有效保证了rz方向的重复性。物理位置虽已得到有效保证，但其测量输出却并不是(0，0，0)也不是加上某一固定偏置的测量结果。因此根据步骤7，修正测量模型偏置参数，保证测量输出的精确性，具体偏置算法与测量模型关系密切，实际为一逆向运算得出偏置设置。本例中经整理简化后算法如下，以x向激光干涉测量光束的第一束(简称“x1”)进行偏置计算为例：

         fringes_at_zero_x＝beam_len_at_zero_x/λ

         offset_x1＝fringes_at_zero_x+2*rz_x-raw_if_x1

注：beam_len_at_zero_x为设备固有常数；

λ为测量光波长；

fringes_at_zero_x为坐标零点至干涉仪出光面的波长计数；

rz_x为模型参数，rz对x的影响因子；

raw_if_x1为当前位置测量结果原始值。

根据以上流程分别计算得出测量光束的偏置，同时更新测量系统模型参数并激活，则硅片台的坐标不仅在物理位置上保证了高重复性，而且在逻辑上保证了输出结果与之对应，从而达到预期目的，实际应用中明显提高硅片台重复精度30％，有效降低后续运算处理负担，提高生产效率。

Claims (5)

1.一种精密加工设备的提高重复精度的工件台结构，其包括运动平台和基准平面，其特征在于，运动平台上表面固装有x向零位磁铁、y向零位磁铁，基准平面上固装有x向零位传感器、y1向零位传感器、y2向零位传感器，且所述的y1向零位传感器与y2向零位传感器在x向相隔固定距离。

2.如权利要求1所述的工件台结构，其特征在于：所述零位传感器为霍尔元件。

3.如权利要求1所述的工件台结构，其特征在于：运动平台位于名义零点位置时，所述x向零位传感器及y1向零位传感器分别与x向零位磁铁及y1向磁铁垂向正对。

4.一种采用如权利要求1所述工件台结构提高重复精度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

a.将运动平台运动至特定位置，采样当前位置分别取出x向零位传感器、y1向零位传感器、y2向零位传感器的输出，依据公式(1)分别取上述三个零位传感器的背景磁场强度B₀，其中n为采样点数；

$B_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i/n...\left(1\right)$

b.运动平台运动首先到名义零点位置(x，y1)，即x向零位磁铁及y1向磁铁分别与x向零位传感器及y1向零位传感器垂向正对的位置，然后分别进行搜索x向与y向的零高斯点步骤；

c.搜索完成，运动平台静止于(x′，y1′)点，然后以此位置为基准点，相对该基准点(x′，y1′)在x向运动所述固定距离至y2零点传感器名义位置(x0，y2)处，进行y向的零高斯点搜索；

d.搜索完成，运动平台静止于(x0，y2′)，然后运动平台在(x0，y2′)点处沿x负方向运动所述固定距离至(x′，y1′)点附近，依据公式(4)搜索结果计算偏转角度α，其中L为所述固定距离；

α≈(y2′-y1′)/L                     (4)

e.运动平台在rz反方向运动上述角度α；

f进行x向与y向的零高斯点搜索，.重新搜索零点位置；

g.计算测量系统当前所需偏置，即将输出确定为零，采集当前原始测量结果，根据测量系统计算模型逆推偏置数值，并且将其激活为当前配置。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤b、c、f中搜索零高斯点的步骤执行如下：读取当前位置零位传感器输出值B，减去背景磁场因素B₀，根据比例因子K，依据公式(2)计算得出当前位置距离零高斯点的位移s，然后逐渐逼近，如此往复执行，直至零位传感器输出值B等于背景磁场因素B₀。

s＝K·(B-B₀)                (2)

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