CN101561635A - 双边驱动装置的定位控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种双边驱动装置的定位控制系统与方法。带柔性块的H型结构双边驱动装置的定位控制系统包括：比较器、转化器、二阶低通滤波器以及第一加法器。比较器，用于提供X向、Y向以及Rz向的位置误差信号。转化器，耦接比较器，用于转化位置误差信号，以得到第一修正信号。二阶低通滤波器，用于反馈控制信号，以得到第二修正信号。第一加法器，分别耦接转化器与二阶低通滤波器，用于叠加第一修正信号与第二修正信号至控制信号。

Description

双边驱动装置的定位控制系统与方法

技术领域

本发明涉及光刻装置的技术领域，具体涉及一种带柔性块的H型结构双边驱动装置的定位控制系统与方法。

背景技术

现有技术中的光刻装置，主要用于集成电路芯片或其它微型器件的制造。通过光刻装置，具有不同掩模图案的多层掩模在精确对准下依次成像在涂覆有光刻胶的晶片上，例如半导体晶片或LCD板。因此，在生产过程中，光刻装置的分辨率和曝光率极大的影响着集成电路芯片或其它微型器件的特征线宽和生产率。

光刻装置大体上分为两类，一类是步进光刻装置，掩模图案一次曝光成像在晶片的一个曝光区域，随后晶片相对于掩模移动，将下一个曝光区域移动到掩模图案和投影物镜下方，再一次将掩模图案曝光在晶片的另一曝光区域，重复这一过程直到晶片上所有曝光区域都拥有掩模图案的像。另一类是步进扫描光刻装置，在上述过程中，掩模图案不是一次曝光成像，而是通过投影光场的扫描移动成像。在掩模图案成像过程中，掩模与晶片同时相对于投影系统和投影光束移动。

在光刻装置中起非常重要作用的是工件台、掩模台的精密运动定位系统。目前，光刻设备大多所采用的闭环定位系统，是对各个轴的位置进行闭环控制。其中，一种现有技术的情况(参见美国发明专利，公告号：US6008610)，其技术特点是公开了一种定位控制系统应用于一种高性能的扫描定位仪器中精密工件台的同步运动控制。这种定位系统使用执行器去调节精密工件台的六个自由度。各个轴通过位置闭环来进行精密定位。这种现有技术的缺点是没有补偿各个轴之间的干扰产生的误差。尤其是对于多刚体模型，干扰产生同步误差没有得到补偿。

本发明的目的在于提供一种带柔性块的H型结构双边驱动装置的定位控制系统与方法，这种对柔性装置的精密定位控制可以应用于高精度曝光台上，可以实现曝光台的减振和精确的位置补偿，对于多刚体模型，能减小或者消除干扰带来的同步误差。本发明提出的对柔性结构的双边驱动定位控制方法实现了多自由度系统的精密定位，能够在一个周期内的加速减速时减少稳定时间从而增加生产能力，可以有效的提高装置的同步能力，提高抗干扰性。

发明内容

本发明提出一种双边驱动装置的定位控制系统与方法。带柔性块的H型结构双边驱动装置的定位控制系统包括：比较器、转化器、二阶低通滤波器以及第一加法器。比较器，用于提供X向、Y向以及Rz向的位置误差信号。转化器，耦接比较器，用于转化位置误差信号，以得到第一修正信号。二阶低通滤波器，用于反馈控制信号，以得到第二修正信号。第一加法器，分别耦接转化器与二阶低通滤波器，用于叠加第一修正信号与第二修正信号至控制信号。

本发明提出的双边驱动装置的定位控制系统中，所述定位控制系统还包括控制器，耦接所述比较器，用于产生所述控制信号。

本发明提出的双边驱动装置的定位控制系统中，所述转化器为带二阶低通的驱动对象名义模型的逆。

本发明提出的双边驱动装置的定位控制系统中，所述定位控制系统还包括X向、Y向以及Rz向运动模块设定点发生器，分别用于设定运动台X向、Y向以及Rz向的期望位置信号和加速度信号。

本发明提出的双边驱动装置的定位控制系统中，所述定位控制系统还包括质量前馈模块，接收所述加速度信号，并产生第三修正信号。

本发明提出的双边驱动装置的定位控制系统中，所述定位控制系统还包括第二加法器，用于叠加所述第三修正信号至所述控制信号。

本发明提出的双边驱动装置的定位控制系统中，所述定位控制系统还包括第一转化矩阵，用于将所述控制信号转化为实际驱动位置的控制信号。

本发明提出的双边驱动装置的定位控制系统中，所述定位控制系统还包括：

干涉仪，用于测量X向、Y向以及Rz向的实际位置信号；以及

第二转化矩阵，用于将所述实际位置信号转化为基于重心的位置信号。

本发明提出的双边驱动装置的定位控制系统中，所述定位控制系统还包括干扰补偿器，用于减小以至于消除干扰信号对所述控制信号的干扰。

本发明提出的双边驱动装置的定位控制方法，包括以下步骤：提供X向、Y向以及Rz向的位置误差信号；所述位置误差信号经过转化器，得到第一修正信号；将控制信号反馈，获得第二修正信号；以及将所述第一修正信号与所述第二修正信号叠加至所述控制信号。

本发明提出的双边驱动装置的定位控制方法中，所述定位控制方法还包括：通过控制器获得所述控制信号。

本发明提出的双边驱动装置的定位控制方法中，所述定位控制方法还包括：加入干扰信号至所述控制信号。

本发明提出的双边驱动装置的定位控制方法中，所述定位控制方法还包括：通过质量前馈模块接收加速度信号，产生第三修正信号，并将所述第三修正信号合并至所述控制信号。

本发明提出的双边驱动装置的定位控制方法中，所述定位控制方法还包括：通过第一转化矩阵将所述控制信号转化为实际驱动位置的控制信号。

本发明提出的双边驱动装置的定位控制方法中，所述定位控制方法还包括：

通过干涉仪测量X向、Y向以及Rz向的实际位置信号；以及

通过第二转化矩阵将所述实际位置信号转化为基于重心的实际位置信号。

本发明提出的双边驱动装置的定位控制方法中，所述定位控制方法还包括：

通过X向、Y向以及Rz向运动模块设定点发生器获得运动台X向、Y向以及Rz向的期望位置信号；以及

通过比较器比较所述期望位置信号与所述基于重心的实际位置信号，获得所述位置误差信号。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为现有技术中采用柔性连接装置的曝光台设备结构图。

图2A所示为Y向加速度与时间以及Y向位置与时间的关系。

图2B所示为X向加速度与时间以及X向位置与时间的关系。

图3所示为根据本发明一实施例的带柔性块的H型结构双边驱动装置的定位控制系统示意图。

图4所示为根据本发明一实施例的带柔性块的H型结构双边驱动装置的定位控制方法流程示意图。

图5所示为根据本发明一实施例的带柔性块的H型结构双边驱动装置的定位控制方法示意图。

图6所示为不同控制方法下的抗干扰能力同步误差对比图。

具体实施方式

在本发明中涉及对含有柔性结构的，有两台Y向直线电机驱动的双边同步控制。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、速度和位移进行运动。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，需要将不同步引起的Rz轴实现闭环控制，可以实时的动态的修正不同步误差。

在本发明中涉及到的减小同步误差的方法，将水平向的X、Y、Rz三个运动运动方向看作一个系统，对各个方向进行位置闭环控制，然后分别解耦到这三个运动轴上，从而实现Y向两个运动轴的同步控制，提高定位精度。同时考虑到干扰的影响，在三个方向的控制上加入了干扰信号的补偿修正量，将位置误差与控制器的驱动力补偿，从而修正驱动力，有效的提高了轴间的误差，提升了系统的同步性能以及抗干扰的性能。

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)减小各个运动方向所受到的负载以及噪声的干扰对系统的同步以及定位的影响，解决了机械系统的时间延迟以及X、Y轴反应速度不匹配等因素导致的系统不同步性。

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

图1所示为现有技术中采用柔性连接装置的曝光台设备结构图。如图1所示，带柔性块的H型双边驱动装置1包括基座101、曝光台102、由X向直线电机以及2个Y向直线电机构成的H型驱动模块、气浮系统以及柔性装置103。在本实施例中，基座101为大理石材质，然而本发明并不对此作出限制。

在本实施例中，曝光台103有3个自由度，分别为X、Y以及Rz。在基座101的左右两侧分别安装了Y向L侧直线电机104和Y向R侧直线电机105，Y向电机用以提供Y向驱动。其中，Y向L侧直线电机104的定子与Y向L侧平衡质量块106固连，Y向R侧直线电机105的定子与Y向R侧平衡质量块107固连。Y向导轨108固连在基座101上。X向导轨109穿设于曝光台102，其一端通过转接板将Y向辅助气浮垫110和Y向L侧直线电机104的动子固连在一起，X向导轨109的另一端通过柔性连接板111、气浮垫转接板112将Y向底面气浮垫113和Y向R侧直线电机105的动子固连在一起。X向电机114的定子与X向导轨109固连，X向电机114的定子一端通过柔性装置103与Y向侧向气浮垫115固连。X向电机114的动子与曝光台103固连。

上述的Y向侧面气浮垫115与Y向导轨108的侧平面形成垂直气浮轴承，用以提供Y向运动的导向功能。对气浮轴承的气膜厚度和气膜刚度都有一定的要求。Y向底面气浮垫113与Y向导轨108的上平面形成水平向气浮轴承，Y向辅助气浮垫110与基座101的上表面形成水平向气浮轴承。水平向气浮轴承用以支撑X向导轨109和X向电机114以及相连转接板的重力。

当Y向L侧直线电机104和Y向R侧直线电机105驱动不同步时，X向导轨109形成一定的偏角，其解耦由Y向直线电机动子与定子之间的间隙提供。X向电机114与X向导轨109固连，X向电机114也产生一定的偏角，其结构由柔性装置103提供。以上提供了曝光台102Rz向的自由度。曝光台102的X向运动由X向电机114驱动。X向导轨109与曝光台102之间形成垂直气浮轴承，提供X向运动的导向。

图2A所示为Y向加速度与时间以及Y向位置与时间的关系。图2B所示为X向加速度与时间以及X向位置与时间的关系。如图2A所示，曲线201描述了Y向加速度与时间的关系，曲线202描述了Y向位置与时间的关系。如图2B所示，曲线203描述了X向加速度与时间的关系，曲线204描述了X向位置与时间的关系。

图3所示为根据本发明一实施例的带柔性块的H型结构双边驱动装置的定位控制系统示意图。请一并参照图1，本实施例所提供的带柔性块的H型结构双边驱动装置的定位控制系统2(以下简称定位控制系统)用于定位带柔性块的H型双边驱动装置1的精密曝光台102。

如图3所示，定位控制系统3包括X向运动模块的设定点发生器301、Y向运动模块的设定点发生器302以及Rz向运动模块的设定点发生器303。X向、Y向以及Rz向运动模块设定点发生器分别用于设定运动台X向、Y向以及Rz向的期望位置信号和加速度信号。在本实施例中，上述运动模块设定点发生器为数字信号处理器或者微处理器，然而本发明并不对此作出限制。

在本实施例中，定位控制系统3还包括转化器、二阶低通滤波器、第一加法器、第二加法器、质量前馈模块、第一转化矩阵313、第二转化矩阵336以及干扰补偿器。

具体来说，由干涉仪(图未示)测量获得带柔性块的H型双边驱动装置1的X向、Y向以及Rz向的实际位置信号。第二转化矩阵336接收上述实际位置信号，并用于将所述实际位置信号转化为基于重心的实际位置信号。在本实施例中，X向、Y向以及Rz向的实际位置信号由干涉仪测量获得，在其他实施例中，实际位置信号也可以由其他的测量方法获得，本发明对此并不作出限制。

X向比较器330分别接收X向位置的命令信号以及X向基于重心的实际位置信号315，并做出比较，提供X向的位置误差信号。相类似的，Y向比较器331对Y向位置的命令信号以及Y向基于重心的实际位置信号316做出比较，以提供Y向的位置误差信号。Rz向比较器332比较Rz向位置的命令信号以及Rz向基于重心的实际位置信号317，提供Rz向的位置误差信号。

上述X向、Y向以及Rz向位置的误差信号被控制器304，305，306放大并转化为控制信号。上述控制信号经过第一转化矩阵313转化为实际驱动位置的控制信号318，319，320。在本实施例中，第一转化矩阵313为坐标转化矩阵，具体是用计算机软件去产生的坐标变换信号，得到各个物理轴的控制信号。

以X向为例，X向转化器307耦接X向比较器330，接收X向的位置误差信号，并转化得到X向第一修正信号。X向二阶低通滤波器310，用于反馈上述控制信号，以得到X向第二修正信号。X向第一加法器327分别耦接X向转化器307与X向二阶低通滤波器310，用以叠加所述X向第一修正信号与X向第二修正信号至所述控制信号。在本实施例中，X向转化器307为带二阶低通的驱动对象名义模型的逆。

X向运动模块的设定点发生器301设定运动台X向加速度信号，为期望的控制力用于补偿跟踪误差信号。X向加速度信号经过X向质量前馈模块321产生X向第三修正信号，即加速度前馈补偿信号。X向第二加法器333用于叠加X向第三修正信号至上述控制信号。

相类似的，定位控制系统Y向、Rz向原理与X向相同，在此不再累述。

图4所示为根据本发明一实施例的带柔性块的H型结构双边驱动装置的定位控制方法流程示意图。图5所示为根据本发明一实施例的带柔性块的H型结构双边驱动装置的定位控制方法示意图。请一并结合图4与图5，本实施例所提供的定位控制方法包括以下步骤：

S30，由比较器510提供位置误差信号。

具体来说，模块502是设定点的位置发生器(运动台期望位置的指示信号)，与来自实际测量的位置信号517通过比较器510进行比较，以得到位置误差信号。

S31，转化器506接收上述误差信号，并转化得到第一修正信号。其中，在本实施例中，转化器506为带二阶低通滤波器的名义模型的逆。

S32，控制器504将上述误差信号放大并转化为控制信号，藉由二阶低通滤波器507将控制信号反馈，以得到第二修正信号。

S33，第一加法器514分别接收来自转化器506的第一修正信号与来自二阶低通滤波器507的第二修正信号，并将第一修正信号与第二修正信号相加，用于补偿来自控制器504的控制信号。

本实施例所提供的定位控制方法还包括：S34，得到的控制信号在第二加法器512处，与来自质量前馈模块503的第三修正信号相加得到的驱动信号驱动质量体505。在本实施例中，模块501是设定点的加速度发生器(运动台期望加速度的指示信号)，其中模块508与模块509均用以在系统中加入干扰。

在本实施例中，在前馈环路中加入以后的传递函数为：

$Y\left(s\right)=\frac{P(P^{\′}C+Q)}{P^{\′}(1+\mathrm{PC})+(P-P^{\′})Q}(R\left(s\right)-M\left(s\right))+\frac{{\mathrm{PP}}^{\′}(1-Q)}{P^{\′}(1+\mathrm{PC})+(P-P^{\′})Q}(D\left(s\right)+\mathrm{AA}\left(s\right))$

所以位置误差信号为：

$E\left(s\right)=R\left(s\right)-Y\left(s\right)=\frac{P^{\′}(1-Q)}{P^{\′}(1+\mathrm{PC})+(P-P^{\′})Q}R\left(s\right)+\frac{P(P^{\′}C+Q)}{P^{\′}(1+\mathrm{PC})+(P-P^{\′})Q}M\left(s\right)$

$-\frac{{\mathrm{PP}}^{\′}(1-Q)}{P^{\′}(1+\mathrm{PC})+(P-P^{\′})Q}(D\left(s\right)+\mathrm{AA}\left(s\right))$

其中Y是实际输出信号，M是测量信号，R是输入信号，D是干扰信号，AA是加速度前馈信号，P是控制对象的传递函数，P’是控制对象的估计，C是控制器，Q是二阶低通滤波器。

如图6所示，在H型驱动中增加的扰动误差补偿控制器，将误差补偿修正量送给各轴，达到减小干扰引起的误差的目的。通过考虑偏差与输出力来计算补偿，以便提高Y向两个轴抗干扰的能力，从而达到减小同步误差的目的。图中黑色线条表示没有加干扰误差补偿器的同步误差，蓝色线条表示有干扰误差补偿器的同步误差。由图可知干扰误差补偿控制器有效的减少了同方向两轴的同步误差。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (16)

1.一种双边驱动装置的定位控制系统，其特征在于，包括：

比较器，用于提供X向、Y向以及Rz向的位置误差信号；

转化器，耦接所述比较器，用于转化所述位置误差信号，以得到第一修正信号；

二阶低通滤波器，用于反馈控制信号，以得到第二修正信号；以及

第一加法器，分别耦接所述转化器与所述二阶低通滤波器，用于叠加所述第一修正信号与所述第二修正信号至所述控制信号。

2.根据权利要求1所述的双边驱动装置的定位控制系统，其特征在于，所述定位控制系统还包括控制器，耦接所述比较器，用于产生所述控制信号。

3.根据权利要求1所述的双边驱动装置的定位控制系统，其特征在于，所述转化器为带二阶低通的驱动对象名义模型的逆。

4.根据权利要求1所述的双边驱动装置的定位控制系统，其特征在于，所述定位控制系统还包括X向、Y向以及Rz向运动模块设定点发生器，分别用于设定运动台X向、Y向以及Rz向的期望位置信号和加速度信号。

5.根据权利要求4所述的双边驱动装置的定位控制系统，其特征在于，所述定位控制系统还包括质量前馈模块，接收所述加速度信号，并产生第三修正信号。

6.根据权利要求5所述的双边驱动装置的定位控制系统，其特征在于，所述定位控制系统还包括第二加法器，用于叠加所述第三修正信号至所述控制信号。

7.根据权利要求1所述的双边驱动装置的定位控制系统，其特征在于，所述定位控制系统还包括第一转化矩阵，用于将所述控制信号转化为实际驱动位置的控制信号。

8.根据权利要求1所述的双边驱动装置的定位控制系统，其特征在于，所述定位控制系统还包括：

干涉仪，用于测量X向、Y向以及Rz向的实际位置信号；以及

第二转化矩阵，用于将所述实际位置信号转化为基于重心的位置信号X向、Y向以及Rz向。

9.根据权利要求1所述的双边驱动装置的定位控制系统，其特征在于，所述定位控制系统还包括干扰补偿器，用于补偿干扰信号对所述控制信号的干扰。

10.一种双边驱动装置的定位控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供X向、Y向以及Rz向的位置误差信号；

所述位置误差信号经过转化器，得到第一修正信号；

将控制信号反馈，获得第二修正信号；以及

将所述第一修正信号与所述第二修正信号叠加至所述控制信号。

11.根据权利要求10所述的双边驱动装置的定位控制方法，其特征在于，所述定位控制方法还包括：通过控制器获得所述控制信号。

12.根据权利要求10所述的双边驱动装置的定位控制方法，其特征在于，所述定位控制方法还包括：加入干扰信号至所述控制信号。

13.根据权利要求10所述的双边驱动装置的定位控制方法，其特征在于，所述定位控制方法还包括：通过质量前馈模块接收加速度信号，产生第三修正信号，并将所述第三修正信号合并至所述控制信号。

14.根据权利要求10所述的双边驱动装置的定位控制方法，其特征在于，所述定位控制方法还包括：通过第一转化矩阵将所述X向、Y向以及Rz向控制信号转化为实际驱动位置的控制信号。

15.根据权利要求10所述的双边驱动装置的定位控制方法，其特征在于，所述定位控制方法还包括：

通过干涉仪测量X向、Y向以及Rz向的实际位置信号；以及

通过第二转化矩阵将所述实际位置信号转化为基于重心的实际位置信号。

16.根据权利要求15所述的双边驱动装置的定位控制方法，其特征在于，所述定位控制方法还包括：

通过X向、Y向以及Rz向运动模块设定点发生器获得运动台X向、Y向以及Rz向的期望位置信号；以及

通过比较器比较所述期望位置信号与所述基于重心的实际位置信号，获得所述位置误差信号。

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