CN101364052A - 主动减振系统及其预见控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主动减振系统，包括基座、主基板、减振单元及其控制系统，其特征在于至少3个减振单元，以相同的夹角围绕一个中心平均分布在一个圆周平面上，所述减振单元底端安装在基座上，顶端连接主基板，所述控制系统连接减振单元，接收来自减振单元的振动信号，并反馈控制信息。其中预见控制模块根据主基板上掩模台、工件台等运动部件的路径规划，得出各运动部件在未来一段时间内的位置信息，预见控制器综合各运动部件当前位置和未来一段时间内的位置信息，通过预见控制算法得出预见补偿控制信号，将预见补偿控制信号与减振反馈控制信号叠加，驱动主动减振系统。本发明具有功率小，发热量低，减振精度高等优点。

Description

主动减振系统及其预见控制方法

【技术领域】

本发明涉及一种主动减振系统，尤其涉及了一种用于步进光刻机使用了预见控制的主动减振系统

【背景技术】

超精密的主动减振系统是许多高科技技术与产品开发的基础，因而一直受到各国的高度重视。随着超微细加工与装配技术、超精密测量技术的发展，微振动的影响变得更加突出。步进扫描光刻机在工作过程中，由于工件台和掩模台等分系统具有较高的运动加速度和运动速度，运动部件在运动过程中产生的反作用力，以及倾覆力矩将引起光刻机核心部分振动，从而影响曝光质量。

现代步进扫描光刻机针对其工作特点，都采用了相适应的超精密的主动减振系统。如专利US5823307公布了一种主动减振系统，该装置采用刚性作动器(如压电陶瓷)与被动减振结构(如橡胶)串联工作的方式实现减振功能。这种串联的工作方式使得作动器必须承载负载的重量，导致需要较大功率的作动器，成本较高，而且容易导致发热问题。专利US2003057619公布了一种主动减振装置与控制方法，该装置采用空气弹簧与作动器并联工作的方式并采用前馈控制实时补偿掩模台和工件台在运动过程中产生的倾覆力矩，实现减振功能。但随着光刻硅片尺寸的不断增大，掩模台和工件台的承载质量，运动速度，加速度的不断提高，采用前馈控制进行力矩补偿在反应时间和精度控制上的难度越来越大。

对于步进扫描光刻机而言，主动减振系统对于精度有非常苛刻的要求，在保证高精度的减振控制的同时，也需要考虑其成本以及功耗问题。这也是主动减振系统的发展方向。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种高精度，低能耗的主动减振系统。在保证精度及反应速度的情况下，能够有效降低倾覆力矩所产生的扰动。

本发明所述的一种主动减振系统，包括基座、主基板、减振单元及其控制系统，三个减振单元，以相同的夹角围绕一个中心平均分布在一个圆周平面上，所述减振单元底端安装在基座上，顶端连接主基板；所述控制系统连接减振单元，接收来自减振单元的振动信号，并反馈控制信息。

所述减振单元包括空气弹簧密封压力容腔，容腔内设有压电陶瓷作动器、中间体及预压力调节装置，所述中间体的一端与主基板固定连接，另一端设置压电陶瓷作动器以及预压力调节装置，三个压电陶瓷作动器呈(X，Y，Z)三维设置于中间体，两个预压力调节装置在水平X及Y方向上与所述压电陶瓷作动器对应设置。减振单元的空气弹簧密封压力容腔通过阻尼管连接高速气动伺服阀，容腔内还设有压力传感器以及位置传感器，传感器与控制系统连接，压电陶瓷作动器、预压力调节装置以及高速气动伺服阀均由控制系统控制。

主基板连接减振单元，作为减振面并承载工件台，在对应减振器的位置上还设有三轴地震式加速传感器，加速传感器同样连接控制系统。

本发明所述的主动减振系统，其控制系统包括压力控制单元以及电气控制单元。

压力控制单元又分为压力控制环路和位置控制环路。

压力控制环路中通过压力传感器实时检测所述减振单元内的气体压力，并与压力参考信号比较，通过控制器产生控制信号，驱动高速驱动伺服阀，使得减振单元内部的气体压力保持在设定值附近；位置控制环路中通过位置传感器实施监测中间体的垂直向位置信息，并与参考信号比较，通过控制器产生控制信号，驱动高速气动伺服阀动作，使得中间体的垂直向位置保持在设定值附近。

电气控制单元包括反馈控制模块和预见控制模块。

所述反馈控制模块包括位置反馈环路和加速度反馈环路。反馈环路通过位置传感器实时监测中间体水平向的位置信号，并与参考信号比较，通过控制器产生信号，驱动水平X及Y向的压电陶瓷作动器动作，使得中间体的水平向位置保持在设定值附近；加速度反馈环路通过三轴地震式加速传感器实时检测主基板的振动信号，与参考信号比较后通过低通滤波器进入控制器产生反馈控制信号。

所述预见控制模块根据主基板上掩膜台、工件台等各运动部件路径规划，得出各运动部件在未来一段时间内的位置信息，预见控制器综合各运动部件当前位置和未来一段时间内的位置信息，通过预见控制算法得出预见补偿控制信号，将预见补偿控制信号与反馈环路产生的反馈控制信号叠加，驱动压电陶瓷作动器。其预见控制方法步骤如下：

运动控制系统对工件台、掩模台等各运动部件进行路径规划；

(2)根据规划路径计算各运动部件在整个运动过程中的位置信号；

(3)将上述位置信号传送给振动控制系统；

(4)振动控制系统根据位置信号确定各运动部件的预见步长Md；

(5)计算Md步长内，运动部件产生的倾覆力矩；

(6)使用预见控制算法根据倾覆力矩计算得到力矩补偿信号；

(7)将力矩补偿信号与振动反馈信号叠加，驱动减振系统的作动器动作。

由主动减振系统的系统结构可以看出，本发明采用了空气弹簧与压电陶瓷作动器并联工作的方式，空气弹簧承载负载并隔离高频振动，压电陶瓷作动器对低频振动进行了有效的主动隔离，具有功率小，发热量低的优点，另外采用了预见控制实时补偿配合反馈控制的方法，有效降低了工作台在移动中所产生的倾覆力矩。

【附图说明】

图1为本发明主动减振系统的一个具体实施例结构框架示意图；

图2为本发明所述减振单元结构示意图的主视图；

图3为本发明所述减振单元结构示意图的俯视图；

图4为本发明所述主动减振系统的控制系统示意图；

图5为本发明所述压力控制单元系统原理图；

图6为本发明所述电气控制单元系统原理图；

图7为本发明所述预见控制方法的流程图。

【具体实施方式】

以下结合说明书附图对本发明的一个具体实施例做详细介绍。

如图1所示，描述的是用于步进扫描光刻机的主动减振系统的结构框架示意图。主要包括：主基板1，物镜2，掩模台3，工件台7，减振单元4(包括4a，4b，4c，三个减振单元，呈正三角分布，4c见图4)，基座6。整个基础框架位于减振地基5之上，可以有效隔离周围环境产生的振动影响。光刻机在工作过程中，掩模台3和工件台7按照预先规划的路径进行扫描曝光，由于掩模台和硅片台具有较高的运动速度和加速度，运动部件在运动过程中产生的反作用力通过外引的手段作用在外部系统上，会引起基座6的振动。减振单元4需将基座6的振动进行隔离，以保证主基板1所承载的内部系统(包括物镜2，掩模台3，工件台7等)不受其影响；另一方面，掩模台3和工件台7按照预先规划的路径进行扫描运动，这种运动会造成掩模台3和工件台7的重心偏移，由此使得系统产生倾覆力矩，而且随着掩模台3、工件台7工作位置的变化，这种倾覆力矩也随之变化，这种变化对内部系统的稳定性产生了一定的干扰。为了消除倾覆力矩带来的振动扰动，减振单元4必须能实时进行力矩补偿以消除倾覆力矩带来的振动扰动。减振单元4由三个减振单元4a，4b，4c组成(4c见图4)，并在主基板上布置了三个对应的三轴地震式加速传感器8(图中只绘出了相应的8a、8b)，加速传感器与控制系统电连接，实时检测主基板X，Y，Z三向振动信号，并将其反馈给控制系统实现主动减振。

图2，图3分别是单个减振单元结构示意图的主视图和俯视图。单个减振单元包括：空气弹簧密封压力容腔16，中间体15，压力传感器12，阻尼管13，高速气动伺服阀14，压电陶瓷作动器10a，10b，10c，预压力调整装置11a，11b，位置传感器9(包括两个水平位置传感器，1个竖直位置传感器，可测量X，Y，Z三向位置信号)。位置传感器9与控制系统电连接，实时反馈中间体15位置信号。空气弹簧密封压力容腔16内充满压力气体，通过阻尼管13，高速气动伺服阀14与外部气源相连，用来承载负载重量，并隔离高频振动。三个压电陶瓷作动器呈(X，Y，Z)三维分布，其中一个垂向的压电陶瓷作动器10b，可以产生垂向主动控制力，两个相互垂直布置的水平压电陶瓷作动器10a，10c，可以产生水平向主动控制力，压电陶瓷作动器10a，10b，10c产生的主动控制力可以对低频振动实现主动减振。两个与压电陶瓷作动器相对应的预压力调整装置11a，11b使压电陶瓷作动器处于受压状态。单个减振单元可以实现(X，Y，Z)三向的主动减振功能。

图4为控制系统的示意图。图中包括三个减振单元4a，4b，4c以及控制系统17。三个减振单元4a，4b，4c成正三角形布置，用来对光刻机内部系统进行减振。单个减振单元可以实现三个方向的主动减振，所有减振单元4可以实现对光刻机内部系统六个自由度的主动减振功能。控制系统17包括压力控制单元和电气控制单元。压力控制单元用来控制空气弹簧密封压力容腔16内气体压力，调整中间体15垂直向位置，使中间体在垂直向保持在设定值附近。电气控制单元用来调整中间体15水平向位置，使中间体在水平向保持在设定值附近；以及控制压电陶瓷作动器的主动控制力，以实现主动减振功能。

图5为压力控制单元系统原理图。压力控制单元分为压力控制环路和位置控制环路。压力控制环路中，压力传感器12实时检测减振单元中气体压力，并于压力参考信号比较，通过控制器产生控制信号，驱动高速气动伺服阀14动作，保证减振单元中气压在设定值附近。位置控制环路中，位置传感9实时检测中间体15垂直向的位置信号并与参考信号比较，通过控制器产生控制信号，驱动高速气动伺服阀14动作，通过腔内外压强，将中间体15垂直向位置保持在设定值附近。

图6为电气控制单元系统原理图。电气控制单元包括反馈控制模块和预见控制模块。反馈控制模块中包括位置反馈环路和加速度反馈环路。位置传感器实时检测中间体水平向的位置信号并于参考信号比较，通过控制器产生控制信号，驱动水平向压电陶瓷作动器10a、10c动作，使中间体15的水平向位置保持在设定值附近。加速度传感器8a，8b，8c实时检测主基板1的振动信号，与参考信号比较后通过低通滤波器进入控制器产生反馈控制信号。预见控制模块，根据掩模台3，工件台7路径规划，得出掩模台3，工件台7在未来一段时间的位置信号，预见控制器综合掩模台3、工件台7当前位置信号和未来一段时间的位置信号通过预见控制算法得出预见补偿控制信号，将预见补偿信号与反馈控制信号叠加，用来驱动压电陶瓷作动器10，实现对光刻机内部系统六自由度的主动减振。

图7为本发明所述预见控制方法的流程图。其步骤如下：

(1)运动控制系统对掩模台，工件台等各运动部件进行路径规划；

(2)根据规划路径计算各运动部件在整个运动过程中的位置信号；

(3)将上述位置信号传送给振动控制系统；

(4)振动控制系统根据位置信号确定掩模台、工件台等运动部件的预见步长Md；

(5)计算Md步长内，主基板产生的倾覆力矩；

(6)使用预见控制算法根据倾覆力矩计算得到力矩补偿信号；

(7)将力矩补偿信号与振动反馈信号叠加，驱动减振系统的作动器动作。

作为本发明的优选方案，在上述实施例的基础上，可在基座6与减振地基5之间增加被动隔振装置，如空气弹簧隔振装置，可有效降低高频振动影响；或采用非接触式的作动器，如音圈电机作动器，直线电机作动器等，有有效隔离高频振动的影响。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1、一种主动减振系统，包括基座、主基板、减振单元及其控制系统，其特征在于至少3个减振单元，以相同的夹角围绕一个中心平均分布在一个圆周平面上，所述减振单元底端安装在基座上，顶端连接主基板；所述控制系统连接减振单元，接收来自减振单元的振动信号，并反馈控制信息。

2、如权利要求1所述的主动减振系统，其特征在于所述减振单元包括空气弹簧密封压力容腔，容腔内设有压电陶瓷作动器、中间体及预压力调节装置，所述中间体的一端与主基板固定连接，另一端设置压电陶瓷作动器以及预压力调节装置，三个压电陶瓷作动器呈(X，Y，Z)三维设置于中间体，两个预压力调节装置在水平X及Y方向上与所述压电陶瓷作动器对应设置，预压力调节装置由控制系统控制。

3、如权利要求2所述的主动减振系统，其特征在于所述减振单元的空气弹簧密封压力容腔通过阻尼管连接高速气动伺服阀，容腔内还设有压力传感器以及位置传感器均与控制系统连接，高速气动伺服阀由控制系统控制。

4、如权利要求1所述的主动减振系统，其特征在于所述主基板连接减振单元，作为减振面并承载工件台，在对应减振器的位置上还设有三轴地震式加速传感器，传感器连接控制系统。

5、如权利要求1至4所述的主动减振系统，其特征在于所述控制系统包括压力控制单元以及电气控制单元。

6、如权利要求5所述的主动减振系统，其特征在于所述压力控制单元分为压力控制环路和位置控制环路。

7、如权利要求6所述的主动减振系统，其特征在于压力控制环路中通过压力传感器实时检测所述减振单元内的气体压力，并与压力参考信号比较，通过控制器产生控制信号，驱动高速气动伺服阀，使得减振单元内部的气体压力保持在设定值附近。

8、如权利要求6所述的主动减振系统，其特征在于位置控制环路中通过位置传感器实施监测中间体的垂直向位置信息，并与参考信号比较，通过控制器产生控制信号，驱动高速气动伺服阀，使得中间体的垂直向位置保持在设定值附近。

9、如权利要求5所述的主动减振系统，其特征在于所述电气控制单元包括反馈控制模块和预见控制模块。

10、如权利要求9所述的主动减振系统，其特征在于所述反馈控制模块包括位置反馈环路和加速度反馈环路。

11、如权利要求10所述的主动减振系统，其特征在于所述位置反馈环路通过位置传感器实时监测中间体水平向的位置信号，并与参考信号比较，通过控制器产生信号，驱动水平X及Y向的压电陶瓷作动器动作，使得中间体的水平向位置保持在设定值附近。

12、如权利要求10所述的主动减振系统，其特征在于所述加速度反馈环路通过三轴地震式加速传感器实时检测主基板的振动信号，与参考信号比较后通过低通滤波器进入控制器产生反馈控制信号。

13、如权利要求9所述的主动减振系统，其特征在于所述预见控制模块根据主基板上各运动部件的路径规划，得出各部件在未来一段时间内的位置信息，预见控制器综合各运动部件当前位置和未来一段时间内的位置信息，通过预见控制算法得出预见补偿控制信号，将预见补偿控制信号与反馈环路产生的反馈控制信号叠加，驱动压电陶瓷作动器。

14、一种使用了预见控制方法的主动减振系统，其预见控制方法步骤如下：

(1)运动控制系统对工件台内各运动部件进行路径规划；

(2)根据规划路径计算各运动部件在整个运动过程中的位置信号；

(3)将上述位置信号传送给振动控制系统；

(4)振动控制系统根据位置信号确定运动部件的预见步长Md；

(5)计算Md步长内，运动部件产生的倾覆力矩；

(6)使用预见控制算法根据倾覆力矩计算得到力矩补偿信号；

(7)将力矩补偿信号与振动反馈信号叠加，驱动减振系统的作动器动作。

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