CN102955367A - 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，工件台上安装有电机动子，位于工件台下方的平衡质量上安装有电机定子，包括规划工件台的匀速运动轨迹；电机驱动工件台按照规划的匀速运动轨迹做匀速运动，平衡质量受到工件台的作用力做相应的匀速运动，工件台采用闭环控制，平衡质量采用开环控制；根据平衡质量的位移、工件台相对于平衡质量的位移分别计算获得平衡质量的速度v_{bm_rel}、工件台相对于平衡质量的速度v_{ls2bm_rel}；根据工件台相对于平衡质量的速度v_{ls2bm_rel}计算获得电机的磁铁扰动力频率f_cog；根据磁铁扰动力频率f_cog和平衡质量的质量m_{bm_rel}计算获得工件台和平衡质量的质量比κ和工件台的质量m_ls。本方法简单实用、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。

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，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，所述工件台上安装有电机动子，位于所述工件台下方的平衡质量上安装有电机定子，包括：

步骤1，规划所述工件台的匀速运动轨迹；

步骤2，所述电机驱动所述工件台按照规划的匀速运动轨迹做匀速运动，所述平衡质量受到所述工件台的作用力做相应的匀速运动，所述工件台采用闭环控制，所述平衡质量采用开环控制；

步骤3，根据所述平衡质量的位移、工件台相对于平衡质量的位移分别计算获得所述平衡质量的速度v_{bm_rel}、工件台相对于平衡质量的速度v_{ls2bm_rel}；

步骤4，根据工件台相对于平衡质量的速度v_{ls2bm_rel}计算获得所述电机的磁铁扰动力频率f_cog；

步骤5，根据磁铁扰动力频率f_cog和所述平衡质量的质量m_{bm_rel}计算获得所述工件台和所述平衡质量的质量比κ和所述工件台的质量m_ls。

进一步，所述电机动子为线圈，所述电机定子为磁铁。

优选的，所述工件台采用光栅尺测量获得所述工件台相对平衡质量的位移。

优选的，所述平衡质量采用光栅尺测量获得所述平衡质量的位移。

优选的，步骤3中所述平衡质量的位移、工件台相对于平衡质量的位移分别微分后获得所述平衡质量的速度v_{bm_rel}、工件台相对于平衡质量的速度v_{ls2bm_rel}。

优选的，步骤3中还包括对所述平衡质量的速度v_{bm_rel}、工件台相对于平衡质量的速度v_{ls2bm_rel}进行高阶多项式拟合。

优选的，步骤4和步骤5中间还包括对硅片台或者平衡质量匀速运动的速度进行频域识别，得到对应速度下的磁铁扰动力频率f_cog。

优选的，所述对应速度下的磁铁扰动力频率f_cog为一组数据，记为G1。

优选的，重新规划所述工件台的匀速运动轨迹，重复所有上述步骤，得到磁铁扰动力频率f_cog的另一组数据，记为G2。

优选的，其特征在于，根据公式

对两组频率G1和G2进行γ倍率匹配，取其误差最小者作为两种速度下的磁铁扰动力频率值f_cog，其中f_cog1和f_cog2、v_bm1和v_bm2、v_ls2bm1和v_ls2bm12分别为两组频率G1和G2对应的磁铁扰动力频率、平衡质量的速度、工件台相对平衡质量的速度。

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。

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为现有技术中光刻设备硅片台系统的结构示意图；

图2为硅片台系统中粗动台和平衡质量的闭环控制框图；

图3为本发明硅片台系统的局部结构示意图；

图4为图3中硅片台相对平衡质量的速度和平衡质量的速度对比示意图；

图5为图3中硅片台相对平衡质量的速度功率谱分析示意图；

图6为本发明工件台质量测校方法的一种具体实施方式的流程图。

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示意出现有技术中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6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105都直接放在地面107上。

光刻设备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。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。

三相铁心电机的输出力有一个很明显的特征，由于磁铁布置呈现了周期性的磁场变化，从而在电机动定子相对运动的过程中，会存在固有的磁铁扰动力。理论上，这一扰动力与时间无关，只与动定子的位置相关，一般称该扰动为磁铁绕动力，即cogging力。cogging力的频率与电机动定子各自的运动速度以及电机磁极极距之间的关系为：

$f_{\mathrm{cog}}=\frac{v_m-v_s}{\mathrm{\τ}}$ 公式(1)

其中f_cog为cogging力的频率[Hz]；v_m为电机动子的运动速度[m/s]；v_s为电机定子的运动速度[m/s]；τ为定子磁极极距[m]。

参见图3所示，在硅片台系统中，电机动子201(线圈)安装在硅片台108上，电机定子202(磁铁)安装在平衡质量103上。电机动子201输出动力，驱动硅片台108运动，电机定子202受到其反作用力，驱动平衡质量103运动。电子动定子的速度分别就是硅片台和平衡质量的速度，那么公式(1)可以进一步变形为

$f_{\mathrm{cog}}=\frac{v_{\mathrm{ls}2\mathrm{bm}\_\mathrm{rel}}}{\mathrm{\τ}}$ 公式(2)

其中v_{ls2bm_rel}为硅片台相对平衡质量的速度，

这样cogging力的表达式可以进一步表示为：

$f_{\mathrm{cog}}=\frac{1+\mathrm{\κ}}{\mathrm{\κ\τ}}{v}_{\mathrm{bm}\_\mathrm{rel}}$ 公式(3)， $\mathrm{\κ}=\frac{m_{\mathrm{ls}}}{m_{\mathrm{bm}}}$

其中m_ls、m_bm分别表示硅片台的质量，平衡质量的质量；κ为质量比；v_{bm_rel}为平衡质量的实际速度。

硅片台和平衡质量的相对位移可以由粗动台的光栅尺测量得到，进而可以得到硅片台相对平衡质量的速度。光栅尺的尺子安装在平衡质量上，其读头安装在粗动台上，测量粗动台相对平衡质量的位移，视为硅片台相对平衡质量的位移。如果已知磁铁扰动力(cogging力)频率，根据公式

$f_{\mathrm{cog}}=\frac{1+\mathrm{\κ}}{\mathrm{\κ\τ}}{v}_{\mathrm{bm}}$ 公式(3)

结合平衡质量的光栅尺测量值，就可以得到硅片台和平衡质量的质量比，进而得到硅片台的质量。平衡质量光栅尺的尺子安装在测量框架上，其读头安装在平衡质量上，测量平衡质量相对测量框架的位移，即平衡质量的位移。

从公式(1)中可以看出，在匀速运动阶段，v_bm是一个定值，τ是一个常数，κ虽然未知，但也是一个常数，所以f_cog也是一个常数。所以我们可以通过匀速段的数据来得到cogging力频率。

使平衡质量控制环路开环，这样，平衡质量不受其电机的约束，在硅片台电机动子反力的作用下完全按照动量守恒进行反向运动。

接下来结合附图对该方法进行详细的描述。参考图6所示，本发明工件台质量测校方法一种具体实施方式的步骤流程图包括以下一些步骤：

1.设计两组硅片台运动的轨迹，要求轨迹有较长的一段匀速段，而且两组轨迹匀速段的速度值有明显的不同。这主要是为了减小误差，提高测量的准确性。

2.将第一组轨迹加入到测试模型，运行模型获得硅片台相对平衡质量的位移以及平衡质量的绝对位移，分别微分后得到硅片台相对平衡质量的速度v_{ls2bm_rel}和平衡质量的速度v_{bm_rel}。在实际处理中，微分是通过差分来实现的。图4为一仿真实例中，硅片台相对平衡质量的速度v_{ls2bm_rel}和平衡质量的速度v_{bm_rel}的对比示意图，其中上半部分为硅片台相对平衡质量的速度v_{b2bm_rel}，下半部分为平衡质量的速度v_{bm_rel}。

3.对匀速段的速度数据，包括硅片台相对平衡质量的速度v_{ls2bm_rel}和平衡质量的速度v_{bm_rel}进行高阶多项式拟合，例如最小二乘拟合、一阶拟合，得到硅片台相对平衡质量的平均速度

和平衡质量的平均速度

4.根据硅片台相对平衡质量的平均速度

通过公式(2)计算获得cogging力频率，为了获得更高的测量精度，将其记作参考频率f_参考。

5.对硅片台的位置误差数据进行处理，即对硅片台光栅尺数据做功率谱分析，在第4步得到的参考频率f_参考附近进行搜索，例如0.9f_参考～1.1f_参考之间进行搜索，得到可能的一组cogging频率值，记为第一频率数据组G1。图5为硅片台相对平衡质量在匀速段速度的功率谱分析图，从图中可以看到，cogging力频率在匀速段中有明显的体现，这样，就可以通过平衡来识别cogging力的频率，即通过傅里叶变换实现。这里是对硅片台相对平衡质量的速度数据进行频域识别，也可以是对平衡质量的速度数据进行频域识别。

6.将第二组轨迹数据加入到测试模型，重复步骤2-5，得到第二组cogging频率值，记为第二频率数据组G2。

7.根据公式

对两组频率进行γ倍率匹配，取其误差最小者作为两种轨迹(或速度)下的cogging力频率值f_cog。其中f_cog1和f_cog2、v_bm1和v_bm2、v_ls2bm1和v_ls2bm12分别为两组频率G1和G2对应的磁铁扰动力频率、平衡质量的速度、工件台相对平衡质量的速度

8.将两个f_cog代入公式(3)计算得到该次测试的两个质量比κ₁和κ₂，取其平均值，作为硅片台和平衡质量的质量比κ的值。

9.重复多次1～8的内容，取其平均值作为最终的质量比κ。

根据硅片台和平衡质量的质量比κ，结合平衡质量的质量，就可以得到硅片台的质量。

本具体实施方式中采用两组轨迹分别计算质量比κ，步骤5中的频率搜索，步骤3中的数据拟合获得平均速度，以及多次测量获得平均值均非该发明的必须步骤，仅为减小误差，获得更高的测量精度采用的进一步的方法。

本实施例测试对象是硅片台，其测试对象还可以承载玻璃、MEMS等的工件台。

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

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 (12)

1.一种工件台质量测校方法，其特征在于，所述工件台上安装有电机动子，位于所述工件台下方的平衡质量上安装有电机定子，包括以下步骤：

步骤1，规划所述工件台的匀速运动轨迹；

步骤2，所述电机驱动所述工件台按照规划的匀速运动轨迹做匀速运动，所述平衡质量受到所述工件台的作用力做相应的匀速运动，所述工件台采用闭环控制，所述平衡质量采用开环控制；

步骤3，根据所述平衡质量的位移、工件台相对于平衡质量的位移分别计算获得所述平衡质量的速度v_{bm_rel}、工件台相对于平衡质量的速度v_{ls2bm_rel}；

步骤4，根据工件台相对于平衡质量的速度v_{ls2bm_rel}计算获得所述电机的磁铁扰动力频率f_cog；

步骤5，根据磁铁扰动力频率f_cog和所述平衡质量的质量m_{bm_rel}计算获得所述工件台和所述平衡质量的质量比κ和所述工件台的质量m_ls。

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，所述电机动子为线圈，所述电机定子为磁铁。

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，步骤4中磁铁扰动力频率的计算公式为

其中τ为定子磁极极距。

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，步骤5中工件台和平衡质量的质量比的计算公式为

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，所述工件台采用光栅尺测量获得所述工件台相对平衡质量的位移。

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，所述平衡质量采用光栅尺测量获得所述平衡质量的位移。

7.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3中所述平衡质量的位移、工件台相对于平衡质量的位移分别微分后获得所述平衡质量的速度v_{bm_rel}、工件台相对于平衡质量的速度v_{ls2bm_rel}。

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，步骤3中还包括对所述平衡质量的速度v_{bm_rel}、工件台相对于平衡质量的速度v_{ls2bm_rel}进行高阶多项式拟合。

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，步骤4和步骤5中间还包括对硅片台或者平衡质量匀速运动的速度进行频域识别，得到对应速度下的磁铁扰动力频率f_cog。

10.根据权利要求9所述的工件台质量测校方法，其特征在于，所述对应速度下的磁铁扰动力频率f_cog为一组数据，记为G1。

11.根据权利要求10所述的工件台质量测校方法，其特征在于，重新规划所述工件台的匀速运动轨迹，重复所述步骤1至所述步骤5，得到磁铁扰动力频率f_cog的另一组数据，记为G2。

12.根据权利要求11所述的工件台质量测校方法，其特征在于，根据公式

对两组频率G1和G2进行γ倍率匹配，取其误差最小者作为两种速度下的磁铁扰动力频率值f_cog，其中f_cog1和f_cog2、v_bm1和v_bm2、v_ls2bm1和v_ls2bm12分别为两组频率G1和G2对应的磁铁扰动力频率、平衡质量的速度、工件台相对平衡质量的速度。

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