CN101344730A - 一种基于h型结构双边驱动系统的定位控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于H型驱动结构中的定位控制方法及其装置，采用X向直线电机实现X轴的运动，采用Y1Y2双直线电机来实现Y轴的运动，通过Y1，Y2两个电机的交叉耦合来实现减小相对位置误差的控制，X轴与Y轴的交叉耦合来实现减小轮廓误差的控制对三个直线电机的交叉耦合控制来减小同步位置误差以及轮廓误差，从而实现双边驱动同步控制精密定位的要求。

Description

一种基于H型结构双边驱动系统的定位控制方法及装置

技术领域

本发明涉及半导体前道领域中的光刻设备，尤其涉及光刻机中的一种双边驱动系统的定位控制方法及其装置。

背景技术

硅片生产过程中包含了一系列的极为复杂、昂贵、耗时的光刻工艺过程，而光刻机的光刻精度和产率高低直接决定了光刻设备的设计和制造。随着市场对光刻产率需求的提高，且同时要求改善和提高系统的曝光质量和曝光精度。在此背景下要求执行机构在大惯量高速运动时仍具有很高的定位精度。

目前，对双边同步驱动的方式主要是并行控制和主从控制。并行控制方法是双边电机独立控制，彼此之间不产生相互影响，任何一边的扰动也不会影响另外一边，但是一旦其中一边发生扰动，由于缺少相互反馈，属于开环控制，这时系统的同步将难以保证。这时一般采用Rz轴来校正这种不同步，但是这样的方式不仅多了一个控制轴，而且它会导致两个同步轴位置偏差相位不一致，这也影响了控制精度。主从控制方法可以提高控制器的跟踪性能，任何主机的位置，负载的扰动都能准确的反映在从机上，从机可以准确的跟踪主机，但是从机上的扰动却不能反馈到主机上，并且后一台电机的转速比前一台稍有滞后，启动过程的跟随性能不理想，这些均制约了这种控制方式性能的提高。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，在H结构双边驱动系统中双边直线电机同步误差及轮廓误差；本发明提供一种技术方案，通过对三个直线电机的交叉耦合来实现减小相对位置误差的控制，，从而提高双边驱动同步控制的定位的精度和准度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种H型双边驱动定位系统，包括X向运动模块的设定点发生器，用于设定运动台X向期望位置的指示信号，Y向运动的设定点发生器；其特征在于：还包括同步耦合控制器，用于调整Y1运动模块与Y2运动模块的之间的位置误差；交叉耦合控制器，用于运动模块XY方向上的位置误差。

所述的Y向运动模块的位置误差是通过Y1运动模块的位置误差与Y2运动模块的位置误差变换得到。同步耦合控制器，包含依次连接的用于设定增益因子的相关增益器，2个增益分配器。调整XY方向位置信号的轮廓耦合控制器，包含4个交叉耦合增益器和一个耦合误差补偿器，其中分别由一个X方向、Y方向的增益补偿器连接到耦合误差补偿器，输出耦合误差补偿信息，分成两路输出至另外一组X方向、Y方向的增益补偿器。

所述的Y方向的运动模块为两个直线电机，分别位于两相互平行的导轨上，直线电机设置有固定定子，固定于基座；同时，每个直线电机分别设有动子，两动子之间通过横梁相互连接。所述的X方向运动模块为一直线电机，与Y方向的两运动模块成水平正交，该直线电机气浮于连接Y方向两动子的横梁之上，X方向直线电机与硅片承载台相连接；所述的X向直线电机驱动X轴运动，驱动硅片承载台作X向运动，两台Y方向直线电机通过横梁同步驱动硅片台沿Y向运动。所述的Y方向的两个直线电机由同一个驱动信号驱动。

同时本发明提供一种基于H型结构双边驱动系统的定位方法，包括以下定位步骤：

A、两个定位信号同时驱动H型驱动结构，在第一方向与第二方向自由运动，第一运动方向与第二运动方向在平面上正交；

B、第一方向信号驱动一个驱动轴，第二方向信号驱动两个相互平行的驱动轴；

C、同步耦合控制器耦合第二方向两个相互平行的动子之间的Y方向的位置误差信号；

D、轮廓误差控制器耦合第一方向与第二方向X方向与Y方向的位置误差，进行轮廓误差的耦合控制。

所述的步骤C，还包括以下步骤：

(C1)、通过位置传感装置获得目前两个直线电机动子的位置信号；

(C2)、计算两个轴上动子之间的Y方向上的相对位置误差；

(C3)、对误差信号进行增益处理，分配增益信号反馈至输入信号；

(C4)、合并测量信号与误差信号，设置对控制调整变量；

(C5)、驱动两直线电机动子进行位移调整，达到两动子之间Y项运动同步。

所述的步骤D，还包括以下步骤：

(D1)、分别测量第一方向位置误差，第二方向位置误差，合并得到轮廓误差；

(D2)、将轮廓误差输入到交叉耦合补偿器得到轮廓误差补偿修正量；

(D3)、轮廓误差补偿修正量经过轮廓控制交叉耦合算法增益后，反馈至第一、第二方向的驱动轴控制回路；

(D4)、将修正信号与驱动信号合并，调整两方向上各直线电机动子的位置。

本发明带来了如下的有益效果：

定位控制中采用了交叉耦合方式，在各个驱动轴之间进行交叉耦合，反馈耦合信息给各驱动轴，来额外补偿各驱动轴之间的位置误差，改善系统的动态性能和参数不匹配的问题。从而达到对三台电机的交叉耦合控制实现双边驱动同步控制精密定位与精确控制，实现H型驱动结构的精密定位。

同时，本发明提供的控制策略，解决了以下的问题：(1)有效减小了Y向驱动的两台电机负载处于动态的变化时，便引起的电机位移发生变化从而导致的位置误差(2)有效减小了系统运行中XY轴受到负载扰动，机械系统的时间延迟以及XY轴反应速度不匹配等因素导致的轮廓误差。

附图说明

图1一种基于H型双边驱动结构的系统外部结构示意图；

图2一种基于H型双边驱动结构的控制策略示意图；

图3一种基于H型双边驱动结构的轮廓耦合控制器结构示意图；

图4一种基于H型双边驱动结构的同步耦合控制器结构示意图；

图5A相位未校正的双轴同步误差功率谱图；

图5B相位同步校正的双轴同步误差功率谱图；

图6有无轮廓控制的轮廓误差对比数据图；

图7交叉耦合控制与主从控制的同步误差对比数据图。

标号说明

101基础框架；                   102a、102b Y向直线电机的导轨；

103a、103b Y向直线电机的定子；  104-硅片台；

105a、105b Y向直线电机的动子；

106a主柔性块；                  106b副柔性块；107横梁；

108X向直线电机的动子；

201X运动模块设定值发生器；     202Y运动模块设定值发生器；

203X运动模块的伺服补偿器；     204X运动模块执行器；

205X运动模块；                 206Y1运动模块的伺服补偿器；

207Y1运动模块执行器；          208Y1运动模块；

209Y2运动模块的伺服补偿器；    210Y2运动模块执行器；

211Y2运动模块；                212同步耦合控制器；

213Y向位置误差变换模块；       214同步驱动的相对位置误差；

215位置传感器检测X运动模块位置信号；

216位置传感器检测Y1运动模块位置信号；

217位置传感器检测Y2运动模块位置信号；

218X运动模块的负载扰动；       219Y向运动的位置误差；

220轮廓误差控制器；            221Y1运动模块的输出位置；

222X运动模块的位置误差；

223X运动模块的伺服控制的输出力；

224X运动模块的输出位置；       225Y2运动模块的输出位置；

226XY向运动的轮廓误差；

227XY向的耦合控制器输出的补偿力；

228Y1运动模块的位置误差；      229Y2运动模块的位置误差；

230Y1运动模块的伺服控制的输出力；

231Y2运动模块的伺服控制的输出力；

232Y2运动模块的负载扰动；      233Y1运动模块的负载扰动；

234X向补偿力；                 235Y向补偿力；

301a X向耦合增益；         301b X向耦合增益；

302a Y向耦合增益；         302b Y向耦合增益；

303轮廓耦合控制器；        304XY向运动的轮廓误差；

305XY向的耦合控制器输出的补偿力；

403相对增益；401分配补偿增益；402分配补偿增益。

具体实施方式：

在本发明中涉及到Y向两台直线电机双边同步控制。在双边驱动控制中，两套伺服系统的输出通过横梁以及X电机耦合在一起，按同一给定信号驱动两台电机运动，没有电气参数上的直接耦合关系。理想的状态下，假设两台直线电机的各种性能完全一致，并且作用于其上的负载是完全对称的，那么输入相同指令时，两台电机应当以相同的加速度，速度，位移进行运动。然而，在实际情况中，任何两电机的性能不会完全的一致，而且由于横梁上的X向直线电机的运动带来的两者负载的动态变化，引起了电机的速度发生变化，从而引起了位置不同步，为了使伺服系统回到同步状态，需要把机械位置的不同步转化为电气的控制变量，通过对控制变量的调整使其恢复到同步状态。即在两系统中加入相对误差信号作为反馈，经过相关增益后作为跟踪信号分别的反馈给各个驱动系统，与各驱动系统的反馈信号以及期望的输入信号合并作为驱动输入信号，此结构可以反映两系统中各自的负载变化，从而得到很好的同步效果。

在本发明中涉及到轮廓误差控制是将各个运动轴看作一个系统，在各轴位置独立控制的基础上考虑其运动的相互影响，并对各轴进行交叉耦合协调调整，以补偿轮廓误差。在综合各坐标轴的反馈信息的基础上建立一个实时的轮廓误差补偿系统，得到最优的轮廓误差补偿控制量，将轮廓误差补偿修正量发送给各坐标轴，达到减小和消除轮廓误差的目的。交叉耦合控制中，将整个多轴系统看作一个单一的系统。通过考虑轴间的相互影响来计算补偿，提高轴间的匹配度，从而减小跟踪误差。

本发明中采用了交叉耦合方式，在各个轴产生交叉耦合的效果，反馈耦合信息给各轴，来额外补偿各轴之间的增减量，改善系统的动态性能和参数不匹配的问题。从而达到同步控制以及轮廓控制的目的，实现H型驱动结构的精密定位。

本发明针对上述的结构以及方法，设计了相应的控制策略，解决了以下的问题：(1)Y向驱动的两台电机的不同步。这种现象是由于作用在两台电机的负载不可能严格相同，当两台电机的负载处于动态的变化时，便引起了电机位移发生变化，导致位置不同步；(2)减小X向与Y向合成运动的轮廓误差。轮廓误差是由于系统运行中XY轴受到负载扰动，机械系统的时间延迟以及XY轴反应速度不匹配等因素导致的。

下面结合附图1至图7，对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，本发明的一个实施例即双边驱动结构定位控制方案的H型驱动系统的外部结构图，它主要包括基础框架101、X向直线电机以及2个Y向直线电机构成的H型长行程驱动模块、以及气浮系统。

Y向直线电机的定子103a与103b和Y向导轨102a与102b固定在基础框架101上。横梁107的两端与Y向直线电机的动子105a和105b联接。X向直线电机动子108气浮在横梁107上，驱动硅片承载台104作X向运动。当硅片台承载台104运动时，Y向直线电机驱动横梁作Y方向运动，同样，X向直线电机推动硅片台作X向的运动。

当硅片承载台偏离中心位置的时候，驱动质心位置发生变化，2个Y向电机的有效负载发生变化，两个电机产生不同步的状态。因此，要通过调整H型刚性结构的两个Y向电机来补偿，使得两电机保持同步状态。硅片台的运动是X向与Y向运动合成的结果，由于他们之间相互影响产生误差，对轮廓误差进行闭环控制来消除或者减小该误差。

如图2所示，基于H型双边驱动系统装置，设计了H型驱动装置的定位控制系统的控制策略。本发明包含了两种交叉耦合方式：基于轮廓控制的XY方向的交叉耦合和基于同步控制的同步交叉耦合。图中模块201是X向运动模块的设定点发生器，即运动台期望位置的指示信号，通过控制器203，驱动执行器204实现对X向运动模块205的运动控制。模块202是Y向运动的设定点发生器分成两路，一路送给Y1控制器206驱动Y1执行器207实现对Y1运动模块208的运动控制，一路送给Y2控制器209驱动Y2执行器210实现Y2运动模块211的运动控制。基于轮廓控制的XY方向的交叉耦合，能够有效的减少由于X向运动模块与Y向运动模块动态性能不一致或者外界负载干扰引起的轮廓误差。222与219经过轮廓误差控制器220，得到补偿控制力234与235，其中Y相运动的位置误差219是通过Y1的位置误差228与Y2的位置误差229经过转换算法模块213变换得到。基于Y1Y2的同步交叉耦合是通过位置传感器216，217得到Y1Y2运动模块的位置，相减以后得到相对位置误差214，经过同步耦合控制212放大后，分两路，一路与输入信号和位置反馈信号合并，得到位置误差信号228，另一路与输入信号和位置反馈信号合并，得到位置误差信号229，从而实现Y1Y2运动模块之间的交叉耦合信号，实现位置同步控制。

如图3所示，为XY两轴联动轮廓控制交叉耦合系统，用来计算轮廓误差补偿的修正量。X向位置误差222经过X向耦合增益模块301a，Y向运动位置误差219经过Y向耦合增益模块302a，合并得到轮廓误差304，在经过轮廓耦合控制器303得到修正量的补偿力分别通过X向耦合增益模块301b和Y向耦合增益模块302b，与给X控制器及Y1Y2控制器的输出合并，分别得到X运动模块的伺服控制输出力223，Y1运动模块的伺服控制输出力230和Y2运动模块的伺服控制输出力231。用来补偿XY两坐标轴联动带来的误差影响，实现减小或者消除轮廓误差的目的。即通过耦合的方式改善系统的轮廓精度，实质就是将系统的开环轮廓控制变为闭环轮廓控制。

如图4所示，基于Y1Y2的同步交叉耦合是通过位置传感器516，517得到Y1Y2运动模块的位置，相减以后得到相对位置误差214，经过相对增益模块405放大后，一路经过分配增益401与输入信号和位置反馈信号合并，得到位置补偿器输入信号228，另一路经过分配增益402与输入信号和位置反馈信号合并，得到位置补偿器输入信号229，从而实现Y1Y2运动模块之间的交叉耦合信号，实现位置同步控制。其中相对增益模块403足够的大，才能够实现精度高的同步，但是增益403也同时会放大噪声，产生转矩的波动。

如图5A，B所示，在同步控制中，对于采用Rz逻辑轴控制双边驱动执行器和双路测量传感器的控制方法，两路物理轴测量的位置偏差信号相位不一致，相位的不一致导致了控制精度难以提高，通过对使用这种方式的H型驱动系统的测量得出，相位不同步的对系统性能有影响，他们测量数据功率谱分析表明，图5B的能量的强度与密度都优于图5A，其中图5A是相位未校正的功率谱，图5B是相位同步校正的功率谱。

如图6所示，在H型驱动中增加的实时轮廓误差控制器，将轮廓误差补偿修正量送给各轴，达到减小轮廓误差的目的。通过考虑轴间的相互影响来计算补偿，以便提高轴间的匹配度，从而达到减小轮廓误差的目的。图6中黑色线条表示没有加轮廓控制的轮廓误差，蓝色线条表示有轮廓控制的轮廓误差。由图可知轮廓误差控制器有效的减少了两自由度控制的轮廓误差。

如图7所示，对于H型驱动结构的同步控制，其中蓝色的是一般的主从控制的同步运动，黑色的交叉耦合的同步控制，由图可知，交叉耦合控制有效地减少了同步误差。

轮廓交叉耦合控制既没有相位不同步的问题又能够提高H型驱动系统的控制精度，包括减小轮廓误差以及同步误差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1、一种H型双边驱动定位系统，包括X向运动模块的设定点发生器(201)，用于设定运动台X向期望位置的指示信号，Y向运动的设定点发生器(202)，用于设定运动台Y向期望位置的指示信号；其特征在于：还包括

同步耦合控制器(212)，用于调整Y1运动模块(208)与Y2运动模块(211)的之间的位置误差；

轮廓误差控制器(220)，用于调整运动模块在XY向的轮廓误差。

2、如权利要求1所述的一种H型双边驱动定位系统，其特征在于：所述的Y向运动模块的位置误差(219)包括，Y1运动模块(208)的位置误差(228)与Y2运动模块(211)的位置误差(229)。

3、如权利要求1所述的一种H型双边驱动定位系统，其特征在于：所述的同步耦合控制器，包含依次连接的用于设定增益因子的相关增益器，2个增益分配器。

4、如权利要求1所述的基于H型驱动结构的定位方法，其特征在于：所述的用于调整XY方向位置信号的交叉耦合控制器，包含4个交叉耦合增益器和一个耦合误差补偿器，其中分别由一个X方向、Y方向的增益补偿器连接到耦合误差补偿器，输出耦合误差补偿信息，分成两路输出至另外一组X方向、Y方向的增益补偿器。

5、如权利要求1所述的一种H型双边驱动定位系统，其特征在于：所述的Y方向的运动模块为两个直线电机，分别位于两相互平行的导轨(102a、102b)上，直线电机设置有固定定子(103a、103b)，固定于基座；同时，每个直线电机分别设有动子(105a、105b)，两动子(105a、105b)之间通过横梁(107)相互连接。

6、如权利要求1所述的一种H型双边驱动定位系统，其特征在于：所述的X方向运动模块(205)为一直线电机，与Y方向的两运动模块成水平正交，该直线电机位于连接Y方向两动子的横梁(107)之上，X方向直线电机与硅片承载台(104)相连接；

7、如权利要求1、4或5所述的一种H型双边驱动定位系统，其特征在于：所述的X向直线电机驱动X轴运动，驱动硅片承载台作X向运动，两台Y方向直线电机通过横梁垂直连接，同步驱动硅片台沿Y向运动。

8、如权利要求6所述的一种H型结构双边驱动定位系统，其特征在于：所述的X方向直线电机气浮于横梁之上。

9、如权利要求5所述的一种H型结构双边驱动定位系统，其特征在于：所述的Y方向的两个直线电机由同一个驱动信号驱动。

10、一种基于H型结构双边驱动系统的定位方法，其特征在于：包括以下定位步骤：

A、两个定位信号同时驱动H型驱动结构，在第一方向与第二方向自由运动，第一运动方向与第二运动方向在平面上正交；

B、第一方向信号驱动一个驱动轴，第二方向信号驱动两个相互平行的驱动轴；

C、同步耦合控制器耦合第二方向两个相互平行的动子之间的Y方向的位置误差信号

D、轮廓误差控制器耦合第一方向与第二方向X方向与Y方向的位置误差，进行轮廓误差的耦合控制。

11、如权利要求10所述的一种基于H型结构双边驱动系统的定位方法，其特征在于：所述的步骤C，还包括以下步骤：

(C1)、通过位置传感装置获得目前两个直线电机动子的位置信号；

(C2)、计算两个轴上动子之间的Y方向上的相对位置误差；

(C3)、对误差信号进行增益处理，分配增益信号反馈至输入信号；

(C4)、合并测量信号与误差信号，设置对控制调整变量；

(C5)、驱动两直线电机动子进行位移调整，达到两动子之间Y项运动同步。

12、如权利要求10所述的一种基于H型结构双边驱动系统的定位方法，其特征在于：所述的步骤D，还包括以下步骤：

(D1)、分别测量第一方向位置误差，第二方向位置误差，合并得到轮廓误差；

(D2)、将轮廓误差输入到交叉耦合补偿器得到轮廓误差补偿修正量；

(D3)、轮廓误差补偿修正量经过轮廓控制交叉耦合算法增益后，反馈至第一、第二方向的驱动轴控制回路；

(D4)、将修正信号与驱动信号合并，调整两方向上各直线电机动子的位置。

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