CN102879067A - 一种工件台质量测校方法 - Google Patents

Abstract

一种工件台质量测校方法，包括设定工件台的设定加速度、工件台与平衡质量的设定质量比，规划工件台的匀加速运动轨迹；闭环控制工件台和平衡质量，工件台根据规划的匀加速运动规划轨迹做匀加速运动，平衡质量受到工件台的作用力相应做匀加速运动；根据工件台的光栅尺闭环计算获得工件台相对于平衡质量的加速度，根据平衡质量做匀加速运动时的平衡质量控制器输出力计算获得平衡质量的加速度偏差；根据平衡质量的加速度偏差、工件台的设定加速度、工件台与平衡质量的设定质量比、平衡质量的质量及工件台相对于平衡质量的加速度计算获得工件台和平衡质量的实际质量比、工件台的质量。本发明简单实用、不需要特别设计算法，便于在线测试。

Description

一种工件台质量测校方法

技术领域

本发明涉及一种工件台质量测校方法，特别涉及一种应用于光刻领域的工件台质量测校方法。

背景技术

光刻设备是一种将掩模图案曝光成像到硅片上的设备。已知的光刻设备包括步进重复式和步进扫描式。衡量这些光刻设备性能的重要指标是准确度，即在照射期间要移动的部件能够移动的准确度，要移动的部件包括承载掩模图案的掩模台，承载硅片的硅片台。一般情况下，都会采用位置反馈，利用标准的基于PID(比例-积分-微分)的控制系统进行控制。同时，为了获得纳米级别的位置准确度，以及快速的响应时间，控制系统中通常加入前馈控制。此时，很多的控制参数和机器常数需要标定，才能获得期望的控制效果。运动对象的质量属性是其中一个需要标定的机器常数，而且由于设计质量和实际加工制造装配质量会有误差，该误差会导致系统控制误差和系统结构动力学特性恶化，所以质量属性需要准确标定。

在精密光刻设备硅片台的设计中，通常采用高精度线性直驱三相电机进行伺服控制，同时为了减小高速运动的硅片台对外界的冲击，经常加入一个称为平衡质量的物体，使硅片台的反作用力作用到平衡质量体上，使得平衡质量与硅片台反向运动，这样，根据动量守恒和质心守恒定理，包括硅片台和平衡质量的硅片台系统内部能量守恒，对硅片台系统外部的系统的影响就相对较小。

根据动量守恒，硅片台在高速运动时，平衡质量会反向运动，两者的速度比等于质量的反比，这样，如果质量比准确标定的话，就可以根据硅片台运动的轨迹来规划出平衡质量的轨迹，使得在运动过程中，硅片台系统的质心保持不变，减小对外界的影响，同时也可增加硅片台的定位精度。

中国专利CN101059658A提出了一种在线校核运动质量的方法，这种方法通过比较测量的位置状态与目标位置状态，获得一组误差，然后采用一种非线性滤波算法获得改进后的运动质量校核值，加入到前馈通路中来实时调节系统，形成前馈控制环路。

该方法虽然可以实时的进行前馈系数的修正，但是存在以下一些问题：1、需要涉及一种非线性滤波算法，比较复杂；2、运动质量校核过程包含大量的数据处理，运算开销较大，需要较高的硬件配置；3、运动质量包含的部件比较多时，部件之间的非线性耦合性更加复杂，非线性滤波算法的准确度下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术工件台质量校核方法硬件配置高、计算复杂、非线性耦合强，为了解决上述技术问题，本发明提供了一种工件台质量测校方法，包括：

步骤1，设定所述工件台的设定加速度a_{ls_set}、工件台与平衡质量的设定质量比κ_set，规划工件台的匀加速运动轨迹；

步骤2，闭环控制所述工件台和所述平衡质量，所述工件台根据规划的匀加速运动轨迹做匀加速运动，所述平衡质量受到所述工件台的作用力相应做匀加速运动；

步骤3，根据所述工件台的光栅尺计算获得工件台相对于平衡质量的加速度a_{ls2bm_rel}，根据所述平衡质量做匀加速运动时的平衡质量控制器输出力计算获得平衡质量的加速度偏差Δa；

步骤4，根据所述平衡质量的加速度偏差Δa、所述工件台的设定加速度a_{ls_set}、工件台与平衡质量的设定质量比κ_set、平衡质量的质量m_{bm_rel}及工件台相对于平衡质量的加速度a_{ls2bm_rel}计算获得所述工件台和所述平衡质量的实际质量比κ_{set_rel}、所述工件台的质量m_{ls_rel}。

进一步，步骤4中所述工件台和所述平衡质量的实际质量比κ_{set_rel}的计算公式为 ${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rel}}=\frac{\mathrm{\Λ}}{1-\mathrm{\Λ}},$ 其中 $\mathrm{\Λ}=\frac{(\mathrm{\Δa}+a_{\mathrm{ls}\_\mathrm{set}}*{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{set}})}{a_{\mathrm{ls}2\mathrm{bm}\_\mathrm{rel}}}.$

进一步，所述平衡质量控制器输出力为所述平衡质量实际受力和对应工件台按规划的匀加速运动轨迹运动时的理想受力的差值。

进一步，所述工件台的光栅尺的读头和尺子分别安装在所述工件台和所述平衡质量上，所述工件台上的光栅尺读头测量所述工件台相对所述平衡质量的位移。

进一步，所述平衡质量采用光栅尺闭环控制，所述平衡质量的光栅尺的读头和尺子分别安装在所述平衡质量和框架上，所述平衡质量上的光栅尺读头测量所述平衡质量相对所述框架的位移。

优选的，所述平衡质量控制器输出力为所述平衡质量做匀加速运动稳定后的平衡质量控制器输出力的平均值。

优选的，所述工件台相对于平衡质量的加速度a_{ls2bm_rel}是通过将所述工件台光栅尺的测量值在时域作两次微分后获得。

优选的，多次改变所述工件台的设定加速度a_{ls_set}，并且重复步骤1至4，获得多个工件台和平衡质量的实际质量比κ_{set_rel}，计算其平均值，作为工件台和平衡质量的最终质量比。

优选的，设定时选择与所述工件台与平衡质量的实际质量比κ_{set_rel}接近的数值作为所述工件台与平衡质量的设定质量比κ_set。

进一步，所述工件台包括粗动台和微动台，所述微动台位于所述粗动台上并通过连接副连接，所述工件台和所述平衡质量通过连接副连接。

本发明一种工件台质量测校方法的优点在于简单实用、不需要特别设计算法，便于在线测试，且不受运动质量部件多、非线性耦合强的影响。。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1为一种现有光刻设备硅片台系统的结构示意图；

图2为硅片台系统中的闭环控制原理框图；

图3为硅片台系统中粗动台和平衡质量的闭环控制环路示意图；

图4为两种情况下图3中平衡质量控制器输出力的仿真示意图；

图5为本发明工件台质量测校方法的一种实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

图1示意出一种现有光刻设备硅片台系统的结构。硅片台系统包括硅片台和平衡质量103，硅片台包括微动台101和粗动台102。被曝光的硅片放置在微动台101上，微动台101放置在粗动台102上，它们之间使用连接副106连接，该连接副可以是气浮轴承连接、磁浮轴承连接等多种连接副。微动台101可以实现空间六自由度上运动。粗动台102放置在平衡质量103上，它们之间使用连接副106连接。平衡质量103放置在基础框架104上。基础框架104之上还有测量框架105。平衡质量103与基础框架104、基础框架104与测量框架105之间都使用连接副106连接。连接副106可以是气浮轴承连接、磁浮轴承连接等多种连接方式。基础框架104放置在地面107上，它们之间的连接副106没有特别约束，一般基础框架104都直接放在地面107上。

光刻设备硅片台系统的根本目的是准确快速定位微动台101上的硅片，微动台101的位置相对测量框架105进行测量后反馈，反馈值与设定的微动台101运动轨迹比较，得到微动台测量偏差，反馈控制器对此偏差信号进行调整放大，得到控制信号，控制信号控制微动台执行器驱动微动台101运动，形成闭环控制回路。

但是单靠微动台101的闭环大行程运动往往是达不到需要的定位精度的，所以加入粗动台102，采用粗微动结合的方式来实现快速高精度定位。同时采用平衡质量103反向运动来减小整个硅片台系统对外的干扰。粗动台102和平衡质量103同样设置闭环控制回路，粗动台102选择光栅尺相对平衡质量103进行位置测量，平衡质量103选择光栅尺相对基础框架104测量，粗动台102的位置测量值视为硅片台的位置。参考图2所示，闭环控制环路包括轨迹设定模块201，反馈控制器模块202，执行器模块203，运动对象模块204，测量传感器模块205，轨迹设定模块201的设定轨迹与测量传感器模块205测量的实际轨迹相比较后，得到位置误差信号206。位置误差信号206经反馈控制器模块202后得到控制信号207。

为了实现高速高精度定位，硅片台的质量以及硅片台和平衡质量103的质量比需要准确得到。其中，平衡质量的实际质量可以测量或者通过专利CN101059658A所提到的方法准确标定出。

粗动台采用光栅尺闭环控制，平衡质量也采用光栅尺闭环控制，设计一个匀加速段较长的轨迹，输入到粗动台，粗动台控制中加入设定加速度前馈。根据硅片台和平衡质量的设计质量，得到一个质量比，粗动台轨迹乘以质量比并取反输入到平衡质量给定，平衡质量不加前馈。粗动台和平衡质量的控制环路见图3。

根据牛顿第三定律，硅片台所受的力和硅片台所受的反作用力(即平衡质量受到的力)在数值上是相等的，即a_bm·m_bm＝a_ls·m_ls。设质量比

当设定质量比与实际质量比刚好相等时，平衡质量控制器输出的加速度偏差Δa＝a_{ls_rel}·κ_rel-a_{ls_set}·κ_set＝0，但是当设定质量比与实际质量比不相等时，Δa就不为零。实际的质量比就可以表示为：

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rel}}=\frac{\mathrm{\Δa}+a_{\mathrm{ls}\_\mathrm{set}}\·{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{set}}}{a_{\mathrm{ls}\_\mathrm{rel}}}$ 公式1

其中：m_ls、m_bm、a_ls、a_bm分别表示硅片台的质量、平衡质量的质量、硅片台的加速度、平衡质量的加速度。κ为质量比，a_{ls_set}、a_{ls_rel}、κ_set、κ_rel分别为硅片台的设定加速度、硅片台的实际加速度、设定质量比、实际质量比。Δa为实际加速度和设定加速度的偏差。硅片台的设定加速度、硅片台的实际加速度实际采用的是粗动台的设定加速度，粗动台的实际加速度。

这样，只要知道了硅片台的实际加速度就可以算出实际的质量比。

根据粗动台的光栅尺，可以得到粗动台相对平衡质量的位移，在时域作两次微分后获得粗动台相对平衡质量的加速度。在实际数据处理时，两次微分是通过两次差分来实现的。对两次差分后的粗动台相对平衡质量的加速度进行高阶多项式拟合的数据过滤，具体可以采用1阶拟合。粗动台相对平衡质量的加速度视为硅片台相对平衡质量的加速度，而粗动台相对平衡质量的加速度和粗动台加速度之间有如下关系，(1+κ_rel)·a_{ls_rel}＝a_{ls2bm_rel}，所以我们得到

a_{ls2bm_rel}为硅片台相对平衡质量的加速度。

因此

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rel}}=\frac{(\mathrm{\Δa}+a_{\mathrm{ls}\_\mathrm{set}}*{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{set}})}{a_{\mathrm{ls}2\mathrm{bm}\_\mathrm{rel}}}(1+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rel}})$ 公式2

记

$\mathrm{\Λ}=\frac{(\mathrm{\Δa}+a_{\mathrm{ls}\_\mathrm{set}}*{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{set}})}{a_{\mathrm{ls}2\mathrm{bm}\_\mathrm{rel}}}$ 公式3

则

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rel}}=\frac{\mathrm{\Λ}}{1-\mathrm{\Λ}}$ 公式4

这样就得到了实际的质量比，再结合平衡质量的实际质量，就可以得到硅片台的实际质量了。参见图4所示，仿真结果显示该方法具有可行性，图4下半部显示当设定的质量比与实际的质量比不相同有误差时，平衡质量控制器在匀加速段经过一定稳定时间后的控制力输出不为零，而有一个比较稳定的稳态偏差，该偏差即是由于质量比不准确引起的。所述平衡质量控制器输出力为所述平衡质量实际受力和对应工件台按规划的匀加速运动时的理想受力的差值。图4上半部显示当设定的质量比与实际的质量比相同时，平衡质量控制器在匀加速段经过一定稳定时间后的控制力输出为零。

在本实施例中，为便于测试，根据实际被测试的工件台系统建立测试模型，该测试模型包含所述粗动台、平衡质量等各个模块，也包含上述各测量传感设备。

测试硅片台和平衡质量的质量比时，首先规划运动轨迹，然后将运动轨迹加入到测试模型中，运行测试模型，记录平衡质量控制器的输出力，取匀加速段经过一段稳定时间后的力数据，求取其平均值，并除以平衡质量的实际质量，得到Δa。然后根据粗动台光栅尺的测量值，两次微分后得到硅片台相对平衡质量的实际加速度。代入公式3，得到Λ值，再代入公式4，得到实际的质量比。

改变粗动台的设定加速度值，即改变硅片台的设定加速度，重复几次上面的测试，得到几组不同的实际质量比κ_rel的值，求取其平均值，作为最终质量比的值。

最后结合平衡质量的实际质量，得到硅片台的实际质量。

参照图5所示，本发明校测硅片台和平衡质量质量比以及硅片台质量的一个实施例的流程如下：

1.规划测试模型中的N(本实施例中N为5)组轨迹，所述各轨迹具有较长一段的匀加速段或匀减速段，而且每组的匀加(减)速段的加速度要有比较明显的数值大小差异。这样，可以减小本方法的测校误差，提高测校精度。

2.根据机械设计参数，选择与实际比较接近的一个质量比作为初始质量比数值。

3.硅片台，平衡质量分别进行闭环控制，平衡质量在硅片台反作用力下反向运动。将第一组轨迹输入到硅片台作为硅片台运动参考轨迹，将硅片台运动轨迹与设定质量比的乘积反向后作为平衡质量的运动参考轨迹。

4.运行测试模型，得到平衡质量匀加(减)速段的力输出，除以平衡质量的质量得到平衡质量的加速度输出。

5.通过硅片台光栅尺得到硅片台相对平衡质量的加速度。

6.根据前述公式3和公式4得到该次测试的Λ值和实际的质量比κ_rel。

7.重复上述步骤3～6得到N次测试的Λ值和实际的质量比κ_rel。

8.计算N次测试所得到的各实际的质量比κ_rel的均值，作为最终测试的实际质量比。结合平衡质量的质量，就得到了最终测校的粗动台的质量。

分析中，加入一组测试参数进行实际测验，参数设计及测验结果如下表

需要指出的是，上述本实施例中的测试对象是硅片台，但本发明的质量测校方法并不局限于此，根据实际应用的需要，其测试对象还可以是承载玻璃、MEMS等的各种工件台。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种工件台质量测校方法，所述工件台位于平衡质量上，包括

步骤1，设定所述工件台的设定加速度a_{ls_set}、工件台与平衡质量的设定质量比κ_set，规划工件台的匀加速运动轨迹；

步骤2，闭环控制所述工件台和所述平衡质量，所述工件台根据规划的匀加速运动轨迹做匀加速运动，所述平衡质量受到所述工件台的作用力相应做匀加速运动；

步骤3，根据所述工件台的光栅尺计算获得工件台相对于平衡质量的加速度a_{ls2bm_rel}，根据所述平衡质量做匀加速运动时的平衡质量控制器输出力计算获得平衡质量的加速度偏差Δa；

步骤4，根据所述平衡质量的加速度偏差Δa、所述工件台的设定加速度a_{ls_set}、工件台与平衡质量的设定质量比κ_set、平衡质量的质量m_{bm_rel}及工件台相对于平衡质量的加速度a_{ls2bm_rel}计算获得所述工件台和所述平衡质量的实际质量比κ_{set_rel}、所述工件台的质量m_{ls_rel}。

2.根据权利要求1所述的工件台质量测校方法，其特征在于，步骤4中所述工件台和所述平衡质量的实际质量比κ_{set_rel}的计算公式为

其中

3.根据权利要求1所述的工件台质量测校方法，其特征在于，所述平衡质量控制器输出力为所述平衡质量实际受力和对应工件台按规划的匀加速运动轨迹运动时的理想受力的差值。

4.根据权利要求1所述的工件台质量测校方法，其特征在于，所述工件台的光栅尺的读头和尺子分别安装在所述工件台和所述平衡质量上，所述工件台上的光栅尺读头测量所述工件台相对所述平衡质量的位移。

5.根据权利要求1所述的工件台质量测校方法，其特征在于，所述平衡质量采用光栅尺闭环控制，所述平衡质量的光栅尺的读头和尺子分别安装在所述平衡质量和框架上，所述平衡质量上的光栅尺读头测量所述平衡质量相对所述框架的位移。

6.根据权利要求1所述的工件台质量测校方法，其特征在于，所述平衡质量控制器输出力为所述平衡质量做匀加速运动稳定后的平衡质量控制器输出力的平均值。

7.根据权利要求1或4所述的工件台质量测校方法，其特征在于，所述工件台相对于平衡质量的加速度a_{ls2bm_rel}是通过将所述工件台光栅尺的测量值在时域作两次微分后获得。

8.根据权利要求1所述的工件台质量测校方法，其特征在于，多次改变所述工件台的设定加速度a_{ls_set}，并且重复步骤1至4，获得多个工件台和平衡质量的实际质量比κ_{set_rel}，计算其平均值，作为工件台和平衡质量的最终质量比。

9.根据权利要求1所述的工件台质量测校方法，其特征在于，设定时选择与所述工件台与平衡质量的实际质量比κ_{set_rel}接近的数值作为所述工件台与平衡质量的设定质量比κ_set。

10.根据权利要求1所述的工件台质量测校方法，其特征在于，所述工件台包括粗动台和微动台，所述微动台位于所述粗动台上并通过连接副连接，所述工件台和所述平衡质量通过连接副连接。

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