CN104677271A - 一种零位传感器调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种零位传感器，包括：一基座，用于定位、支撑和包纳该零位传感器；一调节板，包括第一定位销，该调节板可在该基座一面滑动，该调节板上设有第一定位孔和锁紧装置，该锁紧装置用于锁紧该调节板与基座的相对位置；激光准直镜，用于发射激光，该激光准直镜安装在该基座上；角锥反射镜，具有三个相互垂直的光反射面和一个大圆端面，用于接收和反射该激光准直镜的入射光；位置传感器，用于接收该激光的反射光，该反射光在该位置传感器上形成反射光斑，该位置传感器安装在该基座上，该位置传感器与激光准直镜的位置相对固定。

Description

一种零位传感器调节装置及方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种零位传感器调节装置及方法。

背景技术

     在光刻机的位置测量系统中采用了激光干涉仪系统。由于激光干涉仪是一个增量测量系统，只能提供相对位移的精确测量，需要使用零位传感器为激光干涉仪提供一个位置作为初始零点。

在专利申请号CN201010530550.6中公布了一种两自由度零位传感器的结构，采用了将PSD（二维平面光电位置传感器）固定在基座上，激光准直镜固定在伸入基座内部的调节板上的结构。如图1中所示,图1中包括基座1、调节板2、激光准直镜3、二维平面光电位置传感器4、镜座5、角锥反射镜6、定位销7。

现有技术中公开另一种技术方案是，将调节板与基座以专用工装（见专利申请号CN201110165131.1）调节到理论计算好的零位相对位置锁紧后，只要工件带动反射镜运动到某位置时，由激光准直镜发射出的激光经工件上的反射镜反射刚好入射到PSD的光电中心，此时该工件位置即为零点。三个两自由度零位传感器成组使用就可确定被测物相对于基准的所有6个自由度。

此结构的缺点首先是在调零过程中，为了让调节板能在基座顶面滑动，此二者间接触面必然存在间隙。当PSD显示调节到零位时，随着锁紧时调节板贴紧基座，这个间隙被消除，于是调节板在锁紧前后存在相对基座的位置变化，固定在调节板上的准直镜会因此而产生相对于基座的位置变化，使入射光的入射角和位置都会变化，极大地影响调节精度，见图1。

其次，由于调节板上的下伸结构需要伸入基块内部以固定激光准直镜，调节板和准直镜需要设计连接件，连接件与调节板下伸结构连接以固定激光准直镜。这样就多了一个部件，相对来说结构复杂，多了个误差项影响精度，还造成了制造，装配，成本等方面的一系列问题，见图1。

再次，为了容纳调节板的下伸结构，以及要留出足够的空间以供调节，基块必需要开一个足够大的孔，作为一个主要承力件，这个靠近固定螺钉的大孔的存在对于锁紧与固定前后整体受力状况会产生较大的负面影响。见图2。图2是现有技术中基座滑面中央大孔位置示意图，其中10为基座的滑面中央大孔。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种零位传感器调节装置及方法，用于精确地调整零位传感器的位置。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种零位传感器，包括：一基座，用于定位、支撑和包纳该零位传感器；一调节板，包括第一定位销，该调节板可在该基座一面滑动，该调节板上设有第一定位孔和锁紧装置，该锁紧装置用于锁紧该调节板与基座的相对位置；激光准直镜，用于发射激光，该激光准直镜安装在该基座上； 角锥反射镜，具有三个相互垂直的光反射面和一个大圆端面，用于接收和反射该激光准直镜的入射光；位置传感器，用于接收该激光的反射光，该反射光在该位置传感器上形成反射光斑，该位置传感器安装在该基座上，该位置传感器与激光准直镜的位置相对固定。

更进一步地，该激光准直镜通过安装孔安装在该基座上，该位置传感器通过定位面安装在该基座上，该安装孔和该定位面处于同一平面上。 

更进一步地，该调节板为一长方体金属板。

更进一步地，该基座设有对外安装接口及对内元器件固定接口。

更进一步地，该第一定位销和第一定位孔各为两个。

本发明同时公开一种零位传感器的调节装置，还包括：水平二维滑动台，用于调节该基座和调节板的相对位置；基座固定板，位于该水平二维滑动台上，用于将该基座固定在该水平二维滑动台上；调节板固定座，位于该水平二维滑动台上，用于将该调节板固定在该水平二维滑动台上；第二定位销和第二定位孔，位于该调节板固定座上，该第二定位销用作模拟测量基准，该第一定位销可插入该第二定位孔，该第二定位销可插入该第一定位孔，使得该调节板与该模拟测量基准固定。

更进一步地，该水平二维滑动台包括基础部分和滑动部分，该基座通过该基座固定板与滑动部分连接，该调节板通过该调节板固定座与基础部分连接。

更进一步地，该位置传感器为平面光电二维测量元件，该零位传感器、水平二维滑动台、基座固定板和调节板固定座的数量各为三个。

本发明还公开一种调节装置进行调节的方法，包括：步骤一：使该角锥反射镜相对该第二

定位销固定；步骤二：通过调节该滑动部分改变该基座相对于该调节板位置，使该反射光斑照射到该位置传感器感光面中心；步骤三：通过该锁紧装置锁定该激光准直镜与位置传感器相对于该第二定位销的位置，使得该零位传感器归零。

更进一步地，该方法还包括：步骤四：将归零后的零位传感器从该水平二维滑动台卸下，

通过该第一定位销将零位传感器定位到该实际测量基准上，该角锥反射镜则被镜座固定在被测工件上；步骤五：该被测工件带动该角锥反射镜运动到零位时，该位置传感器与激光准直镜的位置使得该反射光斑照射到该位置传感器感光面中心，完成该被测工件相对于该实际测量基准的零位对准。

与现有技术相比较，现有技术中的调节板在基块上滑动时存在间隙，随着锁紧后这个间隙被消除，固定在调节板上的准直镜会因此而产生相对于基座的位置变化，极大影响调节精度，经本发明所述结构改进，调节精度提高幅度达300%以上。

由于调节板上的下伸结构需要伸入基块内部以固定激光准直镜，调节板和准直镜需要设计连接件，连接件与调节板下伸结构连接以固定激光准直镜。这样就多了一个装配环节，不仅多了个误差项，还造成了制造，装配，成本等方面的一系列问题。现结构取消了调节板与激光准直镜的连接块，简化了部件结构，制造及装配工艺性也会因此得到改善。

为了容纳调节板的下伸结构，以及要留出足够的空间以供调节，基块必需要开一个足够大的孔，作为一个主要承力件，这个靠近固定螺钉的大孔的存在对于锁紧与固定前后整体受力状况会产生较大的负面影响。因基座取消了调节板滑面中央大孔，可以使调节板锁紧前后受力情况得到改善，经测定可减小变形量25%左右。

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是现有技术中常使用的调节板与基座间隙位置示意图；

图2是现有技术中常使用的基座滑面中央大孔位置示意图；

图3是零位传感器的角锥反射镜的外形结构示意图；

图4是零位传感器的角锥反射镜光斑运动原理图；

图5是零位传感器的角锥反射镜光路原理图；

图6是零位传感器的光路附视原理图；

图7是零位传感器光路侧视原理图；

图8是本发明所涉及的零位传感器结构图；

图9是本发明所涉及的零位传感器调节工装原理图

图10是本发明所涉及的零位传感器调节工装应用场景图。

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。

角锥反射镜6外型如图3所示，它具有三个相互垂直度极好的光反射面。图3中，61是光反射面，62是圆柱面，63是大圆端面。根据这一特性，从偏离角锥反射镜圆柱面轴线（光轴）一个角度范围的锥角内的任一方向的入射光均会被平行反射回去。

如图4示，在角锥反射镜6的大圆端面63上，当入射光作远离角锥反射镜中心光轴平动时，根据角锥反射镜的特性，反射光也会作远离角锥反射镜光轴平动，并且运动距离相同。而当入射光作靠近角锥反射镜6光轴运动时，反射光也会作靠近角锥反射镜6光轴运动并且运动距离相同。图4中，65是入射光斑、66是光轴轴心、64是反射光斑。

于是，作为上述原理的应用，可以利用这一特性来确定一个被测工件的平面二维两自由度零点：

零位传感器工作原理如图5所示。可以确定一个激光准直镜3、角锥反射镜6、位置传感器的相对位置关系，其中，位置传感器优选平面光电二维测量元件PSD4，使反射光刚好能打在PSD 4的光电感应面中心，角锥反射镜6与被测工件固定，而PSD 4和激光准直镜6固定在测量基准上，测量基准的位置由定位销7来确定。此时的被定位工件相对测量基准（定位销7）的位置就被称为零位。

这时，如果被定位工件带动角锥反射镜6相对测量基准（定位销7）产生位移，则反射光斑必然会产生相对于PSD 4光电感应面中心的位移量，这个位移量由PSD测出，经过电器电路模块采集处理后可读出并分析。根据这个量，结合激光干涉仪的相对位移测量数据，可以调节被测工件相对测量基准（定位销7）位置，使反射光斑重新打在PSD中心，即可将被测工件移回零位。

因PSD 4是平面二维测量元件，一个零位传感器内包含一个PSD 4，仅能对被测工件的2个自由度归零，因此要对被测工件进行完全的6自由度归零需要3个零位传感器成组使用。

然而在现实状况下，因制造及装配误差，常常会造成激光准直镜3及PSD4实际位置与理论位置相对测量基准（定位销7）的偏离，需要调节激光准直镜3及PSD4实际位置对这些误差进行补偿，否则当零位传感器以定位销7固定在测量基准上后，反射光斑将无法如愿照射到PSD4的感光面中心。

因制造和装配误差总是存在的，并且远远大于零位对准的精度需求，相差达一个数量级，无法通过提高制造精度解决，零位对准也只需反射光斑打在PSD4感光面中心上就能满足零位对准功能的要求，激光准直镜3及PSD4实际位置在哪里可以不用考虑，因此激光准直镜3偏离测量基准（定位销7）一个距离a，对PSD4来说总会在反方向找到-a使PSD4感光中心接收到反射光。

但在现实中，因零位传感器应用空间要求外形尺寸要求很小，所以激光准直镜3及PSD4实际位置应尽可能靠近其相对测量基准（定位销7）的理论位置，因为激光准直镜3实际位置偏离理论位置越大，相反方向就需要等量的尺寸空间，带来不必要的尺寸增大，给设计与制造带来一系列问题。

此时根据上述原理，运用如下调节方法：

使角锥反射镜3相对测量基准（定位销7）固定不动，通过移动激光准直镜3及PSD4相对于角锥反射镜6暨测量基准（定位销7）的位置，将偏离PSD4感光面中心的光斑调回零位，此过程被称为零位传感器的归零操作，使用的工具是零位传感器调节工装。

在装机使用前，每个零位传感器需单独进行标定归零处理，需使用零位传感器调节工装（见专利申请号CN201110165131.1），此工装上安装定位有两个模拟定位销（用于模拟零位传感器定位销7）及一个基准角锥镜（用于模拟角锥反射镜6），工装可以精确模拟零位传感器的零位状态时，测量基准（定位销7）与角锥反射镜6之间的相对理论位置。在工装上以这两个模拟定位销及基准角锥镜及其相对位置为准，调节激光准直镜3及PSD4的相对于两个模拟定位销的位置（因模拟定位销及基准角锥镜相对位置固定，所以这个调节也是相对基准角锥镜的），使反射光斑照射到PSD4的中心，锁定激光准直镜6与PSD4相对于两个模拟定位销的位置后，就完成了对单个零位传感器的归零操作。

如图6，在俯视方向，角锥反射镜6（在工装上由基准角锥镜模拟）不动，激光准直镜3及PSD4同时相对角锥反射镜6向图右运动，暨入射光相对于角锥反射镜6光轴向右运动。如前述，相应地反射光相对于角锥反射镜6光轴向左运动，同时因激光准直镜3及PSD4相对位置固定，在激光准直镜3向右移动的同时PSD4也随之向右运动，因此，最终反射光打在PSD4感光平面上产生的反射光斑，因激光准直镜3及PSD4相对角锥反射镜6的向右运动，而产生相对PSD4本身的左向运动，并且此运动距离为激光准直镜3及PSD4相对角锥反射镜6的向右运动距离的2倍。同理当激光准直镜3及PSD4同时相对角锥反射镜6向左运动时，反射光斑产生相对PSD4本身的右向运动，并且此运动距离为激光准直镜3及PSD4相对角锥反射镜6的向右运动距离的2倍。

如图7，在侧视方向，角锥反射镜6（在工装上由基准角锥镜模拟）不动，激光准直镜3及PSD4同时角锥反射镜6向上运动，暨入射光相对于角锥反射镜6光轴向上运动。如前述，相应地反射光相对于角锥反射镜6光轴向下运动，同时因激光准直镜3及PSD4相对位置固定，在激光准直镜3向右移动的同时PSD4也随之向上运动，因此，最终反射光打在PSD4感光平面上产生的反射光斑，因激光准直镜3及PSD4相对角锥反射镜6的向右运动，而产生相对PSD4本身的下向运动，并且此运动距离为激光准直镜3及PSD4相对角锥反射镜6的向上运动距离的2倍。同理当激光准直镜3及PSD4同时相对角锥反射镜6向下运动时，反射光斑产生相对PSD4本身的上行运动，并且此运动距离为激光准直镜3及PSD4相对角锥反射镜6的向右运动距离的2倍。

于是，工装上总存在激光准直镜3及PSD4对角锥反射镜6与测量基准（定位销7）这两组之间相对位置，可以使反射光斑打在PSD4的中心。

归零操作及使用过程中，因激光准直镜3与PSD4位置已被锁定，相当于入射光与反射光相对位置始终不变，因此可以方便地将激光准直镜3与PSD4在设计中固定于同一部件内。

此后就可将归零后的零位传感器从工装上拆下，换用零位传感器自身的定位销7将零位传感器定位到测量基准上去。角锥反射镜6则被零位传感器系统的镜座5部分固定在被测工件上。每个零位传感器可确定工件的两个自由度，所以3个零位传感器就可以确定整个被测工件相对测量基准的所有6个自由度。

本发明所涉及的零位传感器调节装置如图8中所示。该零位传感器调节装置包括基座1和调节板2。 基座1用于对整个模块起定位支撑和包纳的作用，并提供对外安装接口及对内元器件固定接口。激光准直镜3，用于发射激光，激光准直镜3安装在所述基座1上。角锥反射镜6，具有三个相互垂直的光反射面61和一个大圆端面63，用于接收和反射所述激光准直镜的入射光。位置传感器4，用于接收激光的反射光，反射光在位置传感器4上形成反射光斑，位置传感器安4装在基座1上，位置传感器4与激光准直镜3的位置相对固定。因本技术方案所涉调节方法中PSD 4与激光准直镜3的相对位置固定不变，所以PSD 4定位面与激光准直镜3的安装孔位置也是固定不动的，可以将PSD 4定位面与激光准直镜3的安装孔一起设计在基座1内部。经理论计算确定PSD 4与激光准直镜3的相对位置后，就确定了PSD 4定位面与激光准直镜3的安装孔相对基座1的位置。

基座内部加工有定位面，用于定位PSD 4及其背板相对于基座1本身的位置与资态，同时其上还加工有一个安装孔，用于定位激光准直镜3相对于基座1本身的位置与资态。在将PSD 4与激光准直镜3安装到基座1上以后，就固定了PSD 4与激光准直镜3的之间的相对位置。所述安装孔和定位面处于同一平面上。

如前所述，由于加工及装配误差的存在，这个相对位置并不准确，同时，因调节精度要求很高，达微米级，如果直接将定位销7孔加工在基座上，那么由于制造误差的存在，准直镜3及PSD4实际位置都会偏离理论位置，导致安装完后反射光将打不到PSD4的中心，所以需要调节环节来补回制造误差，这是调节板2的作用。

调节板2为一长立方体金属板，可在基座1顶面滑动，其上有两个以上的第一定位销和两个以上的第一销孔7，并有锁紧装置用来锁紧其与基座1的相对位置，其作用是调节基座1相对测量基准（定位销7）的位置。为此使用专用工装（见专利申请号CN201110165131.1。此工装有两部分，分别与水平二维滑动台的基础部分和滑动部分连接，可在水平向调节相对位置。

水平二维滑动台，用于调节所述基座和调节板的相对位置；基座固定板，位于水平二维滑动台上，用于将基座固定在水平二维滑动台上，基座通过基座固定板与滑动部分连接。调节板固定座，位于水平二维滑动台上，用于将调节板2固定在水平二维滑动台上，调节板通过调节板固定座与基础部分连接。位于调节板固定座上也有两个与调节板上的第一定位孔和第一定位销分别对应的第二定位销和第二定位孔，第二定位销用作模拟测量基准，第一定位销7可插入所述第二定位孔，第二定位销可插入所述第一定位孔，使得调节板2与模拟测量基准固定。基座固定板与零位传感器基座1连接，而调节板固定座则与零位传感器调节板2连接。当调节水平二维滑动台的基础部分和滑动部分相对位置时可带动零位传感器基座1和调节板2产生相互运动而起到调节零位传感器基座1零位传感器调节板2相对位置的作用，如图9所示。为方便起见，在使用工装时调节时，零位传感器需要在图7工作状态基础上翻转180°见图10所示），将工装上的模拟定位销（第二定位销）插入调节板2上的定位孔中，使调节板2与工装基准（模拟测量基准）固定，调节工装移动基座1相对于调节板2位置，使反射光打在PSD 4中心位置，制造误差得到补偿后，就可锁紧调节板2与基座1的相对位置。然后就可将零位传感器从工装上取下。这样，当零位传感器换用自身定位销7被安装到真正测量基准上后，被测工件带动角锥反射镜6运动到零位时，PSD 4与激光准直镜3的位置将能使反射光斑照射到PSD 4的中心，完成工件相对于测量基准的零位对准。在应用零位传感器系统时，为3个一组，成组使用，即零位传感器、水平二维滑动台、基座固定板和调节板固定座的数量各为三个。

总的说来，运用上述调节装置进行调节的方法，包括以下步骤：

步骤一：使所述角锥反射镜6相对所述第二定位销固定；

步骤二：通过调节所述滑动部分改变所述基座1相对于所述调节板2位置，使所述反射光斑照射到所述位置传感器4感光面中心；

步骤三：通过所述锁紧装置锁定所述激光准直镜3与位置传感器4相对于所述第二定位销的位置，使得所述零位传感器归零。

步骤四：将归零后的零位传感器从所述水平二维滑动台卸下，通过所述第一定位销7将零位传感器定位到所述实际测量基准上，所述角锥反射镜6则被镜座5固定在被测工件上；

步骤五：所述被测工件带动所述角锥反射镜6运动到零位时，所述位置传感器与激光准直镜3的位置使得所述反射光斑照射到所述位置传感器4感光面中心，完成所述被测工件相对于所述实际测量基准的零位对准。

与现有技术相比较，调节板在基块上滑动时存在间隙，随着锁紧后这个间隙被消除，固定在调节板上的准直镜会因此而产生相对于基座的位置变化，极大影响调节精度，经本发明所述结构改进，调节精度提高幅度达300%以上。

由于调节板上的下伸结构需要伸入基块内部以固定激光准直镜，调节板和准直镜需要设计连接件，连接件与调节板下伸结构连接以固定激光准直镜。这样就多了一个装配环节，不仅多了个误差项，还造成了制造，装配，成本等方面的一系列问题。现结构取消了调节板与激光准直镜的连接块，简化了部件结构，制造及装配工艺性也会因此得到改善。

为了容纳调节板的下伸结构，以及要留出足够的空间以供调节，基块必需要开一个足够大的孔，作为一个主要承力件，这个靠近固定螺钉的大孔的存在对于锁紧与固定前后整体受力状况会产生较大的负面影响。因基座取消了调节板滑面中央大孔，可以使调节板锁紧前后受力情况得到改善，经测定可减小变形量25%左右。

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)

1.一种零位传感器，其特征在于，包括：

一基座，用于定位、支撑和包纳所述零位传感器；

一调节板，包括第一定位销，所述调节板可在所述基座一面滑动，所述调节板上设有第一定位孔和锁紧装置，所述锁紧装置用于锁紧所述调节板与基座的相对位置；

激光准直镜，用于发射激光，所述激光准直镜安装在所述基座上； 

角锥反射镜，具有三个相互垂直的光反射面和一个大圆端面，用于接收和反射所述激光准直镜的入射光；

位置传感器，用于接收所述激光的反射光，所述反射光在所述位置传感器上形成反射光斑，所述位置传感器安装在所述基座上，所述位置传感器与激光准直镜的位置相对固定。

2.如权利要求1所述的零位传感器，其特征在于，所述激光准直镜通过安装孔安装在所述基座上，所述位置传感器通过定位面安装在所述基座上，所述安装孔和所述定位面处于同一平面上。

3.如权利要求1所述的零位传感器，其特征在于，所述调节板为一长方体金属板。

4.如权利要求1所述的零位传感器，其特征在于，所述基座设有对外安装接口及对内元器件固定接口。

5.如权利要求1所述的零位传感器，其特征在于，所述第一定位销和第一定位孔各为两个。

6.一种采用权利要求1所述的零位传感器的调节装置，其特征在于，还包括：

水平二维滑动台，用于调节所述基座和调节板的相对位置；

基座固定板，位于所述水平二维滑动台上，用于将所述基座固定在所述水平二维滑动台上；

调节板固定座，位于所述水平二维滑动台上，用于将所述调节板固定在所述水平二维滑动台上；

第二定位销和第二定位孔，位于所述调节板固定座上，所述第二定位销用作模拟测量基准，所述第一定位销可插入所述第二定位孔，所述第二定位销可插入所述第一定位孔，使得所述调节板与所述模拟测量基准固定。

7.如权利要求6所述的调节装置，其特征在于，所述水平二维滑动台包括基础部分和滑动部分，所述基座通过所述基座固定板与滑动部分连接，所述调节板通过所述调节板固定座与基础部分连接。

8.如权利要求6所述的调节装置，其特征在于，所述位置传感器为平面光电二维测量元件，所述零位传感器、水平二维滑动台、基座固定板和调节板固定座的数量各为三个。

9.一种使用权利要求6所述的调节装置进行调节的方法，其特征在于，包括：

步骤一：使所述角锥反射镜相对所述第二定位销固定；

步骤二：通过调节所述滑动部分改变所述基座相对于所述调节板位置，使所述反射光斑照射到所述位置传感器感光面中心；

步骤三：通过所述锁紧装置锁定所述激光准直镜与位置传感器相对于所述第二定位销的位置，使得所述零位传感器归零。

10.如权利要求9所述的调节的方法，其特征在于，还包括：

步骤四：将归零后的零位传感器从所述水平二维滑动台卸下，通过所述第一定位销将零位传感器定位到所述实际测量基准上，所述角锥反射镜则被镜座固定在被测工件上；

步骤五：所述被测工件带动所述角锥反射镜运动到零位时，所述位置传感器与激光准直镜的位置使得所述反射光斑照射到所述位置传感器感光面中心，完成所述被测工件相对于所述实际测量基准的零位对准。