CN105527796A - 龙门式设备和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种龙门式设备和控制方法，包括支撑装置、通过龙门架连接装置设于支撑装置上的龙门架本体、置于龙门架本体上的第一传感单元、第二传感单元和扫描振镜、置于支撑装置上的第三传感单元、位于扫描振镜与龙门架本体之间用于支撑扫描振镜垂向移动的垂向执行器。本发明的有益效果为：所述龙门架本体和龙门架连接装置组合起来实现龙门架本体的水平向移动和垂向移动，提供了多元化的选择；根据第一传感单元、第二传感单元和第三传感单元的测量值获得扫描振镜高度测量传感器的垂向设定值，然后移动扫描振镜，从而将扫描振镜的最佳焦点调到目标点，降低了控制难度，节约了生产成本。

Description

龙门式设备和控制方法

技术领域

本发明涉及一种光学装置和控制方法，尤其是一种可垂向移动的龙门式设备和控制方法。

背景技术

随着平板显示技术的发展，在平板显示光刻设备和测量设备中，置于工件台上的基底的尺寸越来越大，对工件台进行垂向或水平向移动的难度增大，移动距离也受到基底尺寸的限制，而与工件台相比，龙门架具有结构简单、工作距离长的优点，因此采用龙门架取代工件台的优势也越来越突出。

目前，龙门架仅有水平向控制式，还没有垂向控制的先例。在现有技术中，光刻机垂向控制的方法是采用调焦调平传感器进行闭环控制，将测量区域调到最佳焦面处。其控制方法为：给定调焦调平传感器高度及倾斜的设定值，根据设定值与传感器测量的高度及倾斜值进行伺服，最终将测量区域调到最佳焦面。图1为现有技术中垂向控制原理图，其中，基底放置在工件台上，控制器首先发出控制命令，工件台执行器(电机)根据控制命令对工件台移位；此后，调焦调平传感器测量基底上表面的当前位置，并将当前位置负反馈至控制器从而形成控制环路；控制器再根据所述反馈发出控制命令给电机。重复上述步骤后，可将工件台上的基底调整至最佳焦面，即目标平面。

然而，利用调焦调平传感器闭环的方法进行垂向控制，调焦调平传感器需要参与闭环控制，根据反馈机制实现垂向控制，这样实现起来比较花费时间，且调焦调平传感器闭环机制比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种龙门式设备和控制方法，所述龙门式设备包括龙门架和龙门架导轨，既能实现水平向移动又能实现垂向移动，且无需调焦调平传感器参与闭环控制以将基底调整到最佳焦面，降低了控制难度，节约了生产成本。

为了达到上述目的，本发明提供了一种龙门式设备，包括：

支撑装置，用于承载基底；

龙门架本体和龙门架连接装置，所述龙门架本体通过龙门架连接装置设于所述支撑装置上；

扫描振镜，置于所述龙门架本体上；

光源，用于向所述扫描振镜发射光束，扫描振镜驱动所述光束按照预定轨迹扫描；

第三传感单元，置于所述支撑装置上，所述光束经过扫描振镜照射至第三传感单元上形成光斑，第三传感单元测量所述光斑大小和光强；

第一传感单元，置于所述龙门架本体上，用于测量基底和第三传感单元的表面高度，根据所述光斑大小和光强以及第三传感单元的表面高度，确定所述扫描振镜的最佳焦点位置；

第二传感单元，置于所述龙门架本体上，用于测量扫描振镜的高度；

垂向执行器，位于所述扫描振镜与龙门架本体之间，用于支撑所述扫描振镜垂向移动，从而将扫描振镜的最佳焦点调节到目标点。进一步地，所述龙门架连接装置包括龙门架导轨。

进一步地，所述龙门架本体包括第一横梁和第二横梁，所述第一横梁和第二横梁相互垂直，且均位于水平方向上并承载所述扫描振镜沿所述龙门架导轨进行水平方向移动。

进一步地，所述第三传感单元为轮廓仪。

进一步地，所述第一传感单元为色差传感器、位移传感器或调焦调平传感器。

进一步地，所述第二传感单元为光栅尺、线性可变差动变压器或干涉仪。

进一步地，所述支撑装置包括工件台、大理石、减震器和地基，所述基底放置在工件台上，所述工件台置于大理石上，所述大理石通过减震器与地基连接。

进一步地，所述光源为激光器，所述龙门式设备用于玻璃基底的激光封装，所述基底包括上玻璃基板和下玻璃基板，所述第一传感单元测量的基底表面高度为所述上玻璃基板下表面的高度。

进一步地，所述龙门式设备用于曝光装置，所述第一传感单元测量的基底表面高度为基底上表面高度。

本发明还提供了一种应用于上述龙门式设备的控制方法，所述龙门式设备的控制方法为通过逐场测量逐场调焦的方法将扫描振镜的最佳焦点调节到目标点，包括以下步骤：

1)所述光源发射的光束经过扫描振镜照射至第三传感单元上，所述第一传感单元测量第三传感单元上表面高度Z_BF；

2)所述垂向执行器调节所述扫描振镜的垂向位置，使得所述第三传感单元上的光斑最大光强最强，所述第二传感单元测量所述扫描振镜与龙门架本体的相对高度Z_galBFref，确定扫描振镜的最佳焦点位置；

3)所述第一传感单元测量基底表面上目标点高度Z_mes；

4)计算将扫描振镜最佳焦点调整到目标点的第二传感单元的高度设定值Z_s：

Z_s＝Z_galBFref+(Z_mes-Z_BF)；

5)根据所述高度设定值将扫描振镜的最佳焦点移动到所述的目标点。

本发明还提供了另一种应用于上述龙门式设备的控制方法，所述龙门式设备的控制方法通过全局测量逐场调焦的方法将扫描振镜的最佳焦点调节到目标点，包括以下步骤：

1)所述光源发射的光束经过扫描振镜照射至第三传感单元上，所述第一传感单元测量第三传感单元上表面高度Z_BF；

2)所述垂向执行器调节所述扫描振镜的垂向位置，使得所述第三传感单元上的光斑最大光强最强，所述第二传感单元测量所述扫描振镜与龙门架本体的相对高度Z_galBFref，确定扫描振镜的最佳焦点位置；

3)所述第一传感单元分别测量基底表面上多个调平点高度z₁，z₂…z_n；

4)根据所述调平点高度z₁，z₂…z_n，以及事先设定的多个调平点的水平位置(x₁,y₁)，(x₂,y₂)···(x_n,y_n)，计算基底的整体高度pz和倾斜pwx、pwy：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{pz}-\mathrm{pwy}\·x_1+\mathrm{pwx}\·y_1=z_1\\ \mathrm{pz}-\mathrm{pwy}\·x_2+\mathrm{pwx}\·y_2=z_2\\ ......\\ \mathrm{pz}-\mathrm{pwy}\·x_n+\mathrm{pwx}\·y_n=z_n\end{array}\right.$

其中，n为正整数；

5)根据基底的整体高度pz和倾斜pwx、pwy，以及事先设定的目标点的水平位置(x_aim,y_aim)，计算目标点的高度值z_aim：

pz-pwy·x_aim+pwx·y_aim＝z_aim

6)计算将扫描振镜最佳焦点调整到目标点的第二传感单元的高度设定值Z_s：

Z_s＝Z_galBFref+(Z_aim-Z_BF)；

7)根据所述高度设定值将扫描振镜的最佳焦点移动到所述的目标点。

进一步地，所述调平点的数量为三个。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：不仅仅采用了工件台，还采用了龙门架本体和龙门架连接装置，所述龙门架本体和龙门架连接装置组合起来实现龙门架本体的水平向移动和垂向移动，提供了多元化的选择；根据第一传感单元、第二传感单元和第三传感单元的测量值获得扫描振镜高度测量传感器的垂向设定值，然后移动扫描振镜，从而将扫描振镜的最佳焦点调到目标点，降低了控制难度，节约了生产成本。

附图说明

图1为现有技术中垂向控制原理图；

图2为本发明实施例一中龙门式设备的垂向控制装置的结构示意图；

图3为本发明实施例一中垂向控制原理图；

图4为本发明实施例一中扫描振镜的高度调整原理图；

图5为本发明实施例二中扫描振镜的高度调整原理图。

其中，1：光源，2：第一传感单元，3：第三传感单元，4：扫描振镜，5：第二传感单元，6：垂向执行器，7：玻璃基底，8：龙门架本体，9：龙门架导轨，10：工件台，11：大理石，12：减震器，13：地基，14：第二传感单元零平面，15：第一传感单元零平面，16：第三传感单元上表面，17：上玻璃基底上表面，18：上玻璃基底下表面，19：下玻璃基底上表面，20：水平方向零位，21：第一调平点，22：目标点，23：第二调平点，24：第三调平点。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

如图2所示，图2为本发明实施例1中龙门式设备的垂向控制装置的结构示意图，所述龙门式设备包括：

支撑装置，用于承载基底，基底为玻璃基底或蓝宝石基底，在本实施例中，优选为玻璃基底7；

龙门架本体8和龙门架连接装置，所述龙门架本体8通过龙门架连接装置设于所述支撑装置上；

扫描振镜4，置于所述龙门架本体8上，扫描振镜4可以驱动光束按照预定轨迹扫描，并具有3自由度(x，y，z)运动，该3自由度运动包括垂向(z方向)的1自由度运动和水平方向的2自由度运动(x方向和y方向)；

光源1，用于向所述扫描振镜4发射光束，扫描振镜4驱动所述光束按照预定轨迹扫描，在本实施例中，光源1为激光器；

第三传感单元3，置于所述支撑装置上，所述光束经过扫描振镜4照射至第三传感单元3上形成光斑，第三传感单元3测量所述光斑大小和光强；

第一传感单元2，置于所述龙门架本体8上，用于测量基底7和第三传感单元3的表面高度，根据所述光斑大小和光强以及第三传感单元3的表面高度，确定所述扫描振镜4的最佳焦点位置；

第二传感单元2，置于所述龙门架本体8上，用于测量扫描振镜4的高度；

垂向执行器6，位于所述扫描振镜4与龙门架本体8之间，用于支撑所述扫描振镜4垂向移动，从而将扫描振镜4的最佳焦点调节到目标点。

龙门架连接装置包括龙门架导轨9，龙门架本体8包括x方向的第一横梁和y方向的第二横梁，所述第一横梁和第二横梁相互垂直，且均位于水平方向上并承载所述扫描振镜4沿龙门架导轨9进行水平方向移动。第一传感单元2也可被称为非接触式高度测量传感器，第二传感单元5也可被称为扫描振镜高度测量传感器，第三传感单元3为轮廓仪。其中，第一传感单元2和第二传感单元5是垂向测量传感器，第一传感单元2为色差传感器、位移传感器或调焦调平传感器，能够在不接触被测物体的前提下，返回被测物体上某一测量面至少z方向的数值；第二传感单元5为光栅尺、LVDT(LinearVariableDifferentialTransformer，即线性可变差动变压器)或干涉仪，用于测量扫描振镜4的高度，且与垂向执行器6实现闭环控制来移动扫描振镜4，从而将扫描振镜4的最佳焦点移动到目标点；第三传感单元3测量扫描振镜4出射的激光的光斑大小和光强。支撑装置包括工件台10、大理石11、减震器12和地基13，所述玻璃基底7放置在工件台10上，工件台10可以只用来支撑玻璃板7，无需进行垂向移动和水平方向移动，所述轮廓仪3、工件台10和龙门架导轨9均置于大理石11上，所述大理石11通过减震器12与地基13连接。激光器置于地基13上，所述激光器发射激光，经过扫描振镜4照射到玻璃基底7或轮廓仪3上表面，所述龙门式设备用于玻璃基底7的激光封装，所述基底包括上玻璃基底和下玻璃基底，所述第一传感单元2测量的基底表面高度为所述上玻璃基底下表面18的高度。

此外，所述龙门式设备用于曝光装置，所述第一传感单元2测量的基底表面高度为基底上表面高度。

如图3所示，图3为本发明实施例一中垂向控制示意图，控制器首先发出控制命令，垂向执行器6(电机)根据控制命令对扫描振镜4移位，并将当前位置负反馈至控制器从而形成控制环路。垂向设定值是根据第一传感单元2、第二传感单元5及第三传感单元3测量获得的数据通过数学模型计算而来，该数学模型包括第一数学模型和第二数学模型，垂向设定值和当前位置的差值输入控制器，最终实现当前位置跟踪垂向设定值，即其差值为零。

如图4所示，图4为本发明实施例一提供的扫描振镜高度调整原理图，通过逐场测量逐场调焦的方法将扫描振镜4的最佳焦点调到目标点，其垂向控制方法为:

1.所述光源1发射的光束经过扫描振镜4照射至第三传感单元3上，所述第一传感单元2测量第三传感单元上表面16的高度Z_BF；

2.所述垂向执行器6调节所述扫描振镜4的垂向位置，使得所述第三传感单元3上的光斑最大光强最强，所述第二传感单元5测量所述扫描振镜4与龙门架本体8的相对高度Z_galBFref，确定扫描振镜4的最佳焦点位置；

3.所述第一传感单元2测量基底表面上目标点高度Z_mes，即测量工件台10上支撑的上玻璃基底下表面18上测量点的高度，也就是目标点22的高度，该目标点22并未在图4中标出；

4.计算将扫描振镜4最佳焦点调整到目标点22的第二传感单元5的垂向高度设定值Z_s，

计算公式如下：

Z_s＝Z_galBFref+(Z_mes-Z_BF)(1)

上述公式(1)为第一数学模型；

5.根据所述高度设定值将扫描振镜4的最佳焦点移动到所述的目标点22，即第二传感单元5伺服闭环控制将扫描振镜4的最佳焦点移动到目标点22。

实施例二

在实施例二中，龙门式设备的垂向控制装置的结构示意图和垂向控制原理图也分别如图2和图3所示，在实施例一中已经详细介绍了如图2所示的龙门式设备以及如图3所示的垂向控制原理图，故在此不再赘述。

如图5所示为本发明实施例二中扫描振镜高度调整示意图，在使用玻璃基底时，上玻璃基底下表面常常会有一定的倾斜，与实施例一中未考虑该倾斜不同，在实施例二中，考察了上玻璃基底下表面的倾斜对所述高度设定值的影响，通过逐场测量逐场调焦的方法将扫描振镜4的最佳焦点调到目标点，其垂向控制方法为:

1.所述光源1发射的光束经过扫描振镜4照射至第三传感单元3上，所述第一传感单元2测量第三传感单元上表面16高度Z_BF；

2.所述垂向执行器6调节所述扫描振镜4的垂向位置，使得所述第三传感单元3上的光斑最大光强最强，所述第二传感单元5测量所述扫描振镜4与龙门架本体8的相对高度Z_galBFref，确定扫描振镜4的最佳焦点位置；

3.所述第一传感单元分别测量基底表面上多个调平点高度z₁，z₂…z_n，其中，n为正整数，在本实施例中，第一传感单元2测量工件台10上支撑的上玻璃基底下表面18上第一调平点21的高度，记为z₁，测量第二调平点23和第三调平点24的高度，记为z₂和z₃；

4.利用记录的三个调平点的高度值计算上玻璃基底的整体高度和倾斜，所述高度和倾斜需要设定三个未知量，不妨设为pz、pwx和pwy，设上玻璃板下表面18的方程为：

z＝pz-pwy·x+pwx·y(2)

设第一调平点21、第二调平点23和第三调平点24相对水平方向零位20的水平位置分别为(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，(x₃,y₃)，三个调平点第一传感单元2的相对高度值为z₁、z₂和z₃，则代入方程(2)可得到：

$\left\{\begin{array}{c}.\mathrm{pz}-\mathrm{pwy}\·x_1+\mathrm{pwx}\·y_1=z_1\\ \mathrm{pz}-\mathrm{pwy}\·x_2+\mathrm{pwx}\·y_2=z_2\\ \mathrm{pz}-\mathrm{pwy}\·x_3+\mathrm{pwx}\·y_3=z_3\end{array}\right.---\left(3\right)$

由方程(3)可以求出pz、pwx和pwy的值；

5.计算目标点22的高度值，设目标点22的水平位置为(x_aim,y_aim)，目标点22的相对高度值为z_aim，则代入方程(2)可得：

pz-pwy·x_aim+pwx·y_aim＝z_aim(4)

由方程(4)可以求出z_aim的值；

6.计算将扫描振镜4最佳焦点调整到目标点22的第二传感单元5的高度设定值Z_s，计算公式如下：

Z_s＝Z_galBFref+(Z_aim-Z_BF)(5)

上述公式(2)、(3)、(4)、(5)为第二数学模型；

8.根据所述高度设定值将扫描振镜4的最佳焦点移动到所述的目标点22，即第二传感单元5伺服闭环控制将扫描振镜4的最佳焦点移动到目标点22。

综上，在本发明实施例提供的龙门式控制装置和方法中，不仅仅采用了工件台，还采用了龙门架本体8和龙门架连接装置，所述龙门架本体8和龙门架连接装置组合起来实现龙门架本体8的水平向移动和垂向移动，提供了多元化的选择；只需根据非接触式高度测量传感器2的测量值和扫描振镜高度测量传感器5的测量值，计算得到扫描振镜高度测量传感器5的垂向设定值，然后扫描振镜高度测量传感器5根据设定值闭环控制移动扫描振镜4，从而将扫描振镜2的最佳焦点调到目标点22，降低了控制难度，节约了生产成本。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种龙门式设备，其特征在于，所述龙门式设备包括：

支撑装置，用于承载基底；

龙门架本体和龙门架连接装置，所述龙门架本体通过龙门架连接装置设于所述支撑装置上；

扫描振镜，置于所述龙门架本体上；

光源，用于向所述扫描振镜发射光束，扫描振镜驱动所述光束按照预定轨迹扫描；

第三传感单元，置于所述支撑装置上，所述光束经过扫描振镜照射至第三传感单元上形成光斑，第三传感单元测量所述光斑大小和光强；

第一传感单元，置于所述龙门架本体上，用于测量基底和第三传感单元的表面高度，根据所述光斑大小和光强以及第三传感单元的表面高度，确定所述扫描振镜的最佳焦点位置；

第二传感单元，置于所述龙门架本体上，用于测量扫描振镜的高度；

垂向执行器，位于所述扫描振镜与龙门架本体之间，用于支撑所述扫描振镜垂向移动，从而将扫描振镜的最佳焦点调节到目标点。

2.如权利要求1所述的龙门式设备，其特征在于，所述龙门架连接装置包括龙门架导轨。

3.如权利要求2所述的龙门式设备，其特征在于，所述龙门架本体包括第一横梁和第二横梁，所述第一横梁和第二横梁相互垂直，且均位于水平方向上并承载所述扫描振镜沿所述龙门架导轨进行水平方向移动。

4.如权利要求1所述的龙门式设备，其特征在于，所述第三传感单元为轮廓仪。

5.如权利要求4所述的龙门式设备，其特征在于，所述第一传感单元为色差传感器、位移传感器或调焦调平传感器。

6.如权利要求4所述的龙门式设备，其特征在于，所述第二传感单元为光栅尺、线性可变差动变压器或干涉仪。

7.如权利要求1所述的龙门式设备，其特征在于，所述支撑装置包括工件台、大理石、减震器和地基，所述基底放置在工件台上，所述工件台置于大理石上，所述大理石通过减震器与地基连接。

8.如权利要求1所述的龙门式设备，其特征在于，所述光源为激光器，所述龙门式设备用于玻璃基底的激光封装，所述基底包括上玻璃基底和下玻璃基底，所述第一传感单元测量的基底表面高度为所述上玻璃基底下表面的高度。

9.如权利要求1所述的龙门式设备，其特征在于，所述龙门式设备用于曝光装置，所述第一传感单元测量的基底表面高度为基底上表面高度。

10.一种龙门式设备的控制方法，应用于如权利要求1至9任一项所述的龙门式设备，其特征在于，所述龙门式设备的控制方法为通过逐场测量逐场调焦的方法将扫描振镜的最佳焦点调节到目标点，包括以下步骤：

1)所述光源发射的光束经过扫描振镜照射至第三传感单元上，所述第一传感单元测量第三传感单元上表面高度Z_BF；

2)所述垂向执行器调节所述扫描振镜的垂向位置，使得所述第三传感单元上的光斑最大光强最强，所述第二传感单元测量所述扫描振镜与龙门架本体的相对高度Z_galBFref，确定扫描振镜的最佳焦点位置；

3)所述第一传感单元测量基底表面上目标点高度Z_mes；

4)计算将扫描振镜最佳焦点调整到目标点的第二传感单元的高度设定值Z_s：

Z_s＝Z_galBFref+(Z_mes-Z_BF)；

5)根据所述高度设定值将扫描振镜的最佳焦点移动到所述的目标点。

11.一种龙门式设备的控制方法，应用于如权利要求1至9任一项所述的龙门式设备，其特征在于，所述龙门式设备的控制方法通过全局测量逐场调焦的方法将扫描振镜的最佳焦点调节到目标点，包括以下步骤：

1)所述光源发射的光束经过扫描振镜照射至第三传感单元上，所述第一传感单元测量第三传感单元上表面高度Z_BF；

2)所述垂向执行器调节所述扫描振镜的垂向位置，使得所述第三传感单元上的光斑最大光强最强，所述第二传感单元测量所述扫描振镜与龙门架本体的相对高度Z_galBFref，确定扫描振镜的最佳焦点位置；

3)所述第一传感单元分别测量基底表面上多个调平点高度z₁，z₂…z_n；

4)根据所述调平点高度z₁，z₂…z_n，以及事先设定的多个调平点的水平位置(x₁,y₁)，(x₂,y₂)···(x_n,y_n)，计算基底的整体高度pz和倾斜pwx、pwy：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{pz}-\mathrm{pwy}\·x_1+\mathrm{pwx}\·y_1=z_1\\ \mathrm{pz}-\mathrm{pwy}\·x_2+\mathrm{pwx}\·y_2=z_2\\ ......\\ \mathrm{pz}-\mathrm{pwy}\·x_n+\mathrm{pwx}\·y_n=z_n\end{array}\right.$

其中，n为正整数；

5)根据基底的整体高度pz和倾斜pwx、pwy，以及事先设定的目标点的水平位置(x_aim,y_aim)，计算目标点的高度值z_aim：

pz-pwy·x_aim+pwx·y_aim＝z_aim

6)计算将扫描振镜最佳焦点调整到目标点的第二传感单元的高度设定值Z_s：

Z_s＝Z_galBFref+(Z_aim-Z_BF)；

7)根据所述高度设定值将扫描振镜的最佳焦点移动到所述的目标点。

12.如权利要求11所述的龙门式设备的控制方法，其特征在于，所述调平点的数量为三个。