CN106292190A - 应用于运动台的力矩补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于运动台的力矩补偿装置及方法，该应用于工件台的力矩补偿装置包括：真空气浮块，设置在运动台的X向运动模块和Y向运动模块上；真空泵，与所述真空气浮块连通，用于在所述真空气浮块中产生负压；风机，与所述真空气浮块连通，用于在所述真空气浮块中产生正压；以及控制器，控制所述真空泵和风机动作。本发明通过将真空气浮块安装在运动台上，使其一端产生正压，一端产生负压，两者合成力矩抵消运动台运动过程中产生的力矩，保证气膜厚度，进而补偿运动台的偏心力矩和惯性力矩，避免运动台重心变化导致的气膜挤压。

Description

应用于运动台的力矩补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及光刻设备，特别涉及一种应用于运动台的力矩补偿装置及方法。

背景技术

光刻设备是一种将所需图案应用到衬底上的机器。可以用在集成电路(IC)的制造中，具体为，掩模或掩模版(reticle)生成对应于所述IC的单层的电路图案，将该图案成像到衬底(例如，硅晶片)的目标部分上。图案成像是通过把图案提供到衬底上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上进行的。通常，单独的衬底将包含被连续曝光的相邻目标部分的网络。常规的光刻设备包括：所谓步进机，在所述步进机中，通过将全部图案曝光到所述目标部分上来辐射每一个目标部分；以及所谓扫描机：在所述扫描机中，通过辐射束沿给定方向(“扫描”方向)扫描所述图案，同时沿与该方向平行或反向平行的方向扫描所述衬底来辐射每一个目标部分。也可能通过将图案压印(imprinting)到衬底的方式从图案形成装置将图案形成到衬底上。

随着现代工业发展，高速高精密技术已成为装备制造业的一个发展方向。高速高精度要求是相互矛盾的，为了满足高精度的要求，定位工件台的最小运动量和位移分辨率要越小越好；长行程和高精度的要求也是矛盾的，行程越长，意味着同样的精度要求下对工件台导轨的误差就越敏感，对零部件的加工和安装精度要求也更为苛刻。而在众多矛盾中最突出的是如何消除精密工件台运动部件间的摩擦。解决这一矛盾的有效方法就是采用气浮技术，因而也就出现了基于气浮支撑和直线电机驱动的超精密、长行程气浮工件台。气浮润滑是用气体代替油作为润滑剂，静压气浮平台由于工件台和导轨之间以一层极薄的气体隔开，使活动面和静止面避免直接接触的理想支撑元件，因此具有无摩擦、寿命长、速度高、精密度高、温升小等优点。

然而，由于气体的可压缩性，气浮平台同时具有承载力小、刚度低、稳定性差等缺点。在TFT(薄膜场效应晶体管，Thin Film Transistor)光刻机领域，运动负载和运动行程越来越大，为了提高产率，加速度越来越大，而运动精度指标并没有降低。因此，运动过程中，需要格外关注气浮导轨面型和气浮动态载荷变化。如图1所示，对于6G TFT光刻机，其Y向导轨1和Y向辅助导轨2长度超过4.5m，X向导轨3的长度也超过2m，运动质量超过2t，运动加速度达0.5G，在巨大的气浮预载力和电机推力下，导轨变形很难控制，气浮承受的动态力也很大，可能会导致气膜挤压，气膜间隙减小，极端情况下，可能会直接导致运动台卡死。

发明内容

本发明提供一种应用于工件台的力矩补偿装置及方法，以补偿运动台的偏心力矩和惯性力矩，避免运动台重心变化导致的气膜挤压。

为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于工件台的力矩补偿装置，包括：真空气浮块，设置在运动台的X向运动模块和Y向运动模块上；真空泵，与所述真空气浮块连通，用于在所述真空气浮块中产生负压；风机，与所述真空气浮块连通，用于在所述真空气浮块中产生正压；以及控制器，控制所述真空泵和风机动作。

作为优选，所述真空气浮块包括第一、第二侧面气浮块和第一、第二顶面气浮块；其中，所述第一侧面气浮块设置在X向运动模块的底部两侧，且位置与X向导轨对应；所述第二侧面气浮块设置在Y向运动模块的底部两侧，且位置与Y向导轨对应；所述第一顶面气浮块设置于X向运动模块与X向导轨之间；所述第二顶面气浮块设置于Y向运动模块与Y向导轨之间。

作为优选，所述真空泵和风机通过气管与所述真空气浮块连通。

作为优选，所述控制器与服务器连接，根据服务器指令控制真空泵和风机动作。

作为优选，所述X向运动模块和Y向运动模块上还设置有位置传感器和加速度传感器。

一种应用于运动台的力矩补偿方法，采用所述的力矩补偿装置，通过控制真空气浮块内的气体压强，动态补偿运动台的偏心力矩、惯性力或惯性力矩。

作为优选，当X向运动模块偏离中心时，通过调节第二顶面气浮块的气压补偿所述X向运动模块的偏心力矩。

作为优选，当X向运动模块偏离中心时，偏心力矩为：M1＝Mx×g×L；其中，Mx为X向运动模块的质量，g为重力加速度、L为X向运动模块偏离中心的距离；所述第二顶面气浮块需要补偿的气体压强为：P1＝M1/L1/A1，其中，L1为两侧第二顶面气浮块的间距，A1为所述第二顶面气浮块的等效面积。

作为优选，当X向运动模块在X向导轨上进行加/减速运动时，产生的惯性力矩与偏心力矩M1共同影响运动台，通过调节第二侧面气浮块内的气压补偿。

作为优选，当X向运动模块在X向导轨上进行加/减速运动时，产生惯性力矩为：M2＝Mx×a×H，其中，a为X向运动模块加速度，H为X向运动模块质心与第二侧面气浮块的高度差；需要补偿力矩为M3＝M1±M2，补偿的气压为P2＝M3/L2/A2，L2为两第二侧面气浮块的距离，A2为所述第二侧面气浮块的等效面积。

作为优选，X向运动模块内设置有X向电机，该X向电机的出力点与X向运动模块的质心存在偏差时，产生偏心力矩，通过调节第一顶面气浮块内的气压补偿。

作为优选，偏心力矩为M4＝Mx×a2×H2，式中a2为Y向运动模块的加速度，H2为X向电机的出力点与X向运动模块的质心的偏心距，则补偿气压为P4＝M4/L3/A3，式中，L3为两侧的第一顶面气浮块的距离，A3为第一顶面气浮块的等效面积。

作为优选，当Y向运动模块沿Y向导轨加/减速运动时，X向运动模块的惯性力将会作用在第一侧面气浮块。

作为优选，惯性力F1＝Mx×a4，补偿压强P＝F/A4，式中，a4为Y向运动模块的加速度，A4为第一侧面气浮块的等效面积。

作为优选，当Y向运动模块沿X向导轨加/减速运动时，X向运动模块的惯性力将会作用在第二侧面气浮块。

作为优选，惯性力F＝Mx×a5，补偿压强P＝F/A2，式中，a5为X向运动模块的加速度，A2为第二侧面气浮块的等效面积。

作为优选，真空气浮块内的压强调节范围为±0.7Bar。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的力矩补偿装置通过设置真空气浮块，并将真空气浮块安装在运动台上，使其一端产生正压，一端产生负压，两者合成力矩抵消运动台运动过程中产生的力矩，保证气膜厚度，进而补偿运动台的偏心力矩和惯性力矩，避免运动台重心变化导致的气膜挤压。当运动台加速运动时，动态调节正负压力，补偿惯性力和电机力产生的力矩。当运动台偏心时，根据运动台偏心距，动态调节正负压力，补偿运动台偏心产生的力矩，避免运动台重心变化导致的气膜挤压。

本发明的力矩补偿方法可以补偿运动台运动过程中电机出力点与质心不匹配时产生的力矩；运动质量偏心产生的力矩，较小重心移动对气浮的影响；气浮力与惯性力作用点不匹配时产生的力矩，使系统更稳定；补偿运动台加减速过程中产生的惯性力矩，并通过位移和加速度前馈，使力矩补偿最优，效果更好。

附图说明

图1为运动台的X、Y向运动模块的结构示意图；

图2和图3均为本发明一具体实施方式中应用于运动台的力矩补偿装置的结构示意图；

图4为本发明一具体实施方式中真空气浮块的分布示意图；

图5为本发明一具体实施方式中真空气浮块与X向导轨的位置关系示意图；

图6为本发明一具体实施方式中真空气浮块与Y向导轨的位置关系示意图；

图7为本发明一具体实施方式中X向运动模块偏离中心示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用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。

如图1-3所示，本发明旨在通过在X向运动模块5与X向导轨3、Y向运动模块4与Y向导轨(包括Y向主导轨1和Y向辅助导轨2)之间增设真空气浮块13，以达到补偿运动台的惯性力、偏心力矩和惯性力矩的目的。

请重点参照图2和图3，并结合图1，本发明的应用于运动台的力矩补偿装置，包括：真空气浮块13，控制器12，真空泵15，风机14和气管16。

具体地，所述真空气浮块13设置在运动台的X向运动模块5和Y向运动模块4上；所述真空泵15通过气管16与所述真空气浮块13连通，用于在所述真空气浮块13中产生负压；所述风机14也通过气管16与所述真空气浮块13连通，用于在所述真空气浮块13中产生正压；所述控制器12用于控制所述真空泵15和风机14动作。具体地，所述控制器12与服务器11连接，根据服务器11的指令控制真空泵15和风机14动作。本发明通过将真空气浮块13安装在运动模块(包括：X向运动模块5和Y向运动模块4)上，由服务器11下发运动台的X向运动模块5位置信号给控制器12，通过偏心距和重力计算所需要补偿的力矩大小，控制真空泵15产生负压或风机14产生正压，使其产生反向力矩，抵消X向运动模块5偏心产生的附加力矩。

请重点参照图4至图6，并结合图1至3，所述真空气浮块13包括第一、第二侧面气浮块31、32和第一、第二顶面气浮块33、34。其中，所述第一侧面气浮块31设置在X向运动模块5的底部两侧，且位置与X向导轨3对应；所述第二侧面气浮块32设置在Y向运动模块4的底部两侧，且位置与Y向主导轨1对应；所述第一顶面气浮块33设置于X向运动模块5与X向导轨3之间；所述第二顶面气浮块34设置于Y向运动模块4与Y向导轨之间。通过上述设置，本发明可以根据运动台上运动模块的运动方式选择性地控制对应真空气浮块13，达到针对性动态补偿运动台力矩的目的。

需要说明的是，本发明中服务器11可以通过与光刻机系统连接获取运动模块的速度、质心等参数，也可以通过在运动模块中设置位置传感器和加速度传感器来获取相关参数。

请继续参照图1至图6，本发明还提供一种应用于运动台的力矩补偿方法，其通过控制器12控制真空气浮块13产生正、负压，以达到补偿偏心力矩、惯性力和惯性力矩的目的。

具体地，通过调节不同位置的真空气浮块13的气压，可以调节运动台偏心力矩、运动台运动过程中产生的惯性力以及X向运动模块5中电机出力点与X向运动模块质心偏离产生的力矩。

请重点参照图7，当X向运动模块5偏离中心距离时，会对第二顶面气浮块34产生偏心力矩，因此，通过调节第二顶面气浮块34内的气体压强，可以补偿该偏心力矩。具体地，偏心力矩为M1＝Mx×g×DX，其中，Mx为X向运动模块5的质量，g为重力加速度，DX为偏心距。因此，对左端的第二顶面气浮块34施加正压，右端的第二顶面气浮块34施加负压，其所需要的补偿气体压强大小为：P1＝M1/L1/A1，式中L1为左、右端的第二顶面气浮块34的距离，A1为第二顶面气浮块34的等效面积。

进一步的，当X向运动模块5在X向导轨3上进行加/减速运动时，对第二侧面气浮块32产生惯性力矩。具体地，由于X向运动模块5的质心与第二侧面气浮块32存在高度差H1，产生的惯性力矩为M2＝Mx×a1×H1，a1为X向运动模块5在X方向的加速度，该惯性力矩M2与偏心力矩M1叠加影响运动台的气膜厚度。因此，通过整机控制系统向服务器11提供X向运动模块5的质心和运动加速度，即可以计算出需要补偿的惯性力矩M2，进而可以得到最佳补偿力矩M3＝M1±M2(其中，+表示M1、M2同向、-表示M1、M2反向)，因此，对第二侧面气浮块32的补偿气体压强为：P2＝M3/L2/A2，其中，L2为两侧的第二侧面气浮块32之间的距离，A2为第二侧面气浮块32的等效面积。

由于X向运动模块5内设置有X向电机，该X向电机的出力点与X向运动模块5的质心存在偏差时，也会产生偏心力矩。具体地，X向运动模块5向左加速运动时，产生的附加力矩M4＝Mx×a2×H2，其中a2为X向运动模块5的加速度，该力矩将会对第一顶面气浮块33产生影响。此时，对左端的第一顶面气浮块33施加正压，右端的第一顶面气浮块33施加负压，需要补偿的气体压强大小为：P3＝M4/L3/A3，式中L3为左、右端第一顶面气浮块33的距离，A3为第一顶面气浮块33的等效面积。

本发明还可以补偿运动台加/减速运动时，惯性力对气膜的挤压。运动台的Y向运动模块4沿Y向主导轨1、Y向辅助导轨2加/减速运动时，X向运动模块5的惯性力将会作用在第一侧面气浮块31，产生的惯性力F1＝Mx×a4，式中a4为X向运动模块5在Y向的加速度，将会损失2～3um气膜厚度。此时，通过对两侧的第一侧面气浮块31调压，产生正/负压力补偿惯性力F1，压强大小为P5＝F1/A4，式中，A4为第一侧面气浮块31的等效面积。当X向运动模块5沿X向导轨3进行加/减速度运动时，X向电机反力将会作用在第二侧面气浮块32，产生的惯性力F2＝Mx×a5，式中a5为X向运动模块5在X向的加速度，将会损失2～3um气膜厚度。此时，可以应用第二侧面气浮块32，产生正负压力补偿惯性力F2，气体压强大小为P6＝F2/A2，式中，A2为第二侧面气浮块32的等效面积。

需要说明的是，所述真空气浮块13的内气体压强的可调节范围在±0.7bar，依据补偿弯矩最大值和气压调节范围可以确定真空气浮块13的等效面积大小，此处不予赘述。

此外，以上计算所得气体压强均为理论值，实际补偿值超出理论值40％以上，上述补偿力也可以通过非接触式电机或磁铁实现。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (17)

1.一种应用于运动台的力矩补偿装置，其特征在于，包括：

真空气浮块，设置在运动台的X向运动模块和Y向运动模块上；

真空泵，与所述真空气浮块连通，用于在所述真空气浮块中产生负压；

风机，与所述真空气浮块连通，用于在所述真空气浮块中产生正压；

以及

控制器，控制所述真空泵和风机动作。

2.如权利要求1所述的应用于运动台的力矩补偿装置，其特征在于，所述真空气浮块包括第一、第二侧面气浮块和第一、第二顶面气浮块；其中，

所述第一侧面气浮块设置在X向运动模块的底部两侧，且位置与X向导轨对应；

所述第二侧面气浮块设置在Y向运动模块的底部两侧，且位置与Y向导轨对应；

所述第一顶面气浮块设置于X向运动模块与X向导轨之间；

所述第二顶面气浮块设置于Y向运动模块与Y向导轨之间。

3.如权利要求1所述的应用于运动台的力矩补偿装置，其特征在于，所述真空泵和风机通过气管与所述真空气浮块连通。

4.如权利要求1所述的应用于运动台的力矩补偿装置，其特征在于，所述控制器与服务器连接，根据服务器指令控制真空泵和风机动作。

5.如权利要求1所述的应用于运动台的力矩补偿装置，其特征在于，所述X向运动模块和Y向运动模块上还设置有位置传感器和加速度传感器。

6.一种应用于运动台的力矩补偿方法，采用如权利要求1至5任一项所述的力矩补偿装置，其特征在于，通过控制真空气浮块内的气体压强，动态补偿运动台的偏心力矩、惯性力或惯性力矩。

7.如权利要求6所述的应用于运动台的力矩补偿方法，其特征在于，当X向运动模块偏离中心时，通过调节第二顶面气浮块的气压补偿所述X向运动模块的偏心力矩。

8.如权利要求7所述的应用于运动台的力矩补偿方法，其特征在于，当X向运动模块偏离中心时，偏心力矩为：M1＝Mx×g×L；

其中，Mx为X向运动模块的质量，g为重力加速度、L为X向运动模块偏离中心的距离；

所述第二顶面气浮块需要补偿的气体压强为：P1＝M1/L1/A1，其中，L1为两侧第二顶面气浮块的间距，A1为所述第二顶面气浮块的等效面积。

9.如权利要求8所述的应用于运动台的力矩补偿方法，其特征在于，当X向运动模块在X向导轨上进行加/减速运动时，产生的惯性力矩与偏心力矩M1共同影响运动台，通过调节第二侧面气浮块内的气压补偿。

10.如权利要求9所述的应用于运动台的力矩补偿方法，其特征在于，当X向运动模块在X向导轨上进行加/减速运动时，产生惯性力矩为：M2＝Mx×a×H，其中，a为X向运动模块加速度，H为X向运动模块质心与第二侧面气浮块的高度差；需要补偿力矩为M3＝M1±M2，补偿的气压为P2＝M3/L2/A2，L2为两第二侧面气浮块的距离，A2为所述第二侧面气浮块的等效面积。

11.如权利要求6所述的应用于运动台的力矩补偿方法，其特征在于，X向运动模块内设置有X向电机，该X向电机的出力点与X向运动模块的质心存在偏差时，产生偏心力矩，通过调节第一顶面气浮块内的气压补偿。

12.如权利要求11所述的应用于运动台的力矩补偿方法，其特征在于，偏心力矩为M4＝Mx×a2×H2，式中a2为Y向运动模块的加速度，H2为X向电机的出力点与X向运动模块的质心的偏心距，则补偿气压为P4＝M4/L3/A3，式中，L3为两侧的第一顶面气浮块的距离，A3为第一顶面气浮块的等效面积。

13.如权利要求6所述的应用于运动台的力矩补偿方法，其特征在于，当Y向运动模块沿Y向导轨加/减速运动时，X向运动模块的惯性力将会作用在第一侧面气浮块。

14.如权利要求13所述的应用于运动台的力矩补偿方法，其特征在于，惯性力F1＝Mx×a4，补偿压强P＝F/A4，式中，a4为Y向运动模块的加速度，A4为第一侧面气浮块的等效面积。

15.如权利要求6所述的应用于运动台的力矩补偿方法，其特征在于，当Y向运动模块沿X向导轨加/减速运动时，X向运动模块的惯性力将会作用在第二侧面气浮块。

16.如权利要求15所述的应用于运动台的力矩补偿方法，其特征在于，惯性力F＝Mx×a5，补偿压强P＝F/A2，式中，a5为X向运动模块的加速度，A2为第二侧面气浮块的等效面积。

17.如权利要求6所述的应用于运动台的力矩补偿方法，其特征在于，真空气浮块内的压强调节范围为±0.7Bar。