CN107664923B - 一种用于光刻运动台系统的微动台及其控制方法 - Google Patents

一种用于光刻运动台系统的微动台及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于光刻运动台系统的微动台及其控制方法，所述微动台安装于工件台的运动部件上，包括微动板和设置于所述微动板底部的四个垂向电机，所述四个垂向电机分设于所述微动板的两侧，每个所述垂向电机对应设置一个传感器，同侧的两个垂向电机之间设置一个Rz电机，距离所述微动板的质心30mm以内处设置有气浮解耦装置。本发明采用四个垂向电机和四个传感器根据冗余驱动原理和冗余测量原理，实现了冗余控制，降低了对微动板频率的要求，即达到50Hz带宽，微动板频率只需做到120Hz左右，降低了对贵重材料的需求，降低了成本；气浮解耦装置靠近微动板的质心而非形心，从而极大地减小了Rz电机的出力。

Description

一种用于光刻运动台系统的微动台及其控制方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种用于光刻运动台系统的微动台及其控制方法。
背景技术
第六代步进扫描投影光刻机(以下称6G)是制作平板显示器件TFT(薄膜晶体管，英文全称：Thin Film Transistor)电路的专用设备，曝光第6代(1500 ×1850mm)尺寸基板，向下兼容第5.5代步进扫描投影光刻机(1500×1300mm) 尺寸基板。步进扫描投影光刻机的成像分辨率为1.7um(基于GHI Line)/1.5um (基于I Line，可选)，套刻精度0.5um，CDU指标为7％@BF，BE，10％@TF， BE，焦深8um(基于GHI Line)/6um(基于I Line，可选)，扫描速度0.8m/s，与第4.5代步进扫描投影光刻机(以下称4.5G)相比，6G曝光基板更大，精度更高。
在光刻机系统中，微动台主要承载玻璃基板等需要曝光的元件在物镜视场内进行高速曝光运动，以完成制作显示面板的一个重要工艺过程。由于6G工件台尺寸更大，对微动台的要求也更高，所以原有针对4.5G的设计已不能适用于6G。
如图1所示，现有的针对4.5G提出的微动台结构包括微动板1，微动板1 下方分别设有三个垂向电机2和三个重力补偿器3，还设有两个相对设置的Rz 电机4，以驱动微动板1在Z向和Rz向的运动，这种结构由于微动板1的一阶结构模态频率制约Z向的控制带宽，例如要实现50Hz的控制带宽，微动板1频率要达到150Hz，不可避免的需要应用陶瓷等材料实现较大的刚性的零件设计，经济性不足；现有技术中采用圆环气浮5和铰链式气浮6解耦Rx和Ry向的扭矩，如图2所示，当铰链式气浮6产生Rx和Ry向的扭矩时，气膜厚度L会发生变化，若扭矩过大，导致气膜厚度L过小，则会影响气浮功能，且扭转行程不足；另外，如图3所示，现有的圆环气浮5的中心与微动板1的形心重合，偏心力矩较大，不易控制，且需要两个Rz电机4产生较大的推力(分别为FRz1和FRz2)，用于平衡水平向加速度产生的惯性力。
因此，如何提供一种能够满足6G工件台的高频率要求、高运动平稳性要求的微动台及其控制方法是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。
发明内容
本发明提供一种用于光刻运动台系统的微动台及其控制方法，以解决上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于光刻运动台系统的微动台，安装于工件台的运动部件上，包括微动板和设置于所述微动板底部的四个垂向电机，所述四个垂向电机分设于所述微动板的两侧，每个所述垂向电机对应设置一个传感器，同侧的两个垂向电机之间设置一个Rz电机，距离所述微动板的质心30mm 以内处设置有气浮解耦装置。
较佳地，所述运动部件与所述微动板之间还设有四个重力补偿器，所述四个重力补偿器分别与所述四个垂向电机一一对应。
较佳地，所述气浮解耦装置包括圆环气浮和簧片，所述运动部件、簧片、圆环气浮以及微动板依次固定连接。
较佳地，所述圆环气浮包括内环和外环，所述内环与外环之间填充有气体，所述簧片与所述外环固定连接。
较佳地，所述微动板的质心与所述圆环气浮在水平面上的中心位置重合。
较佳地，所述传感器为位移传感器，实时检测所述微动板的位移信息。
本发明还提供了一种如上所述的用于光刻运动台系统的微动台的控制方法，四个所述垂向电机和四个所述传感器组成冗余控制系统，控制器向所述冗余控制系统发送指令，根据冗余驱动原理，将该指令转换为四个垂向电机的出力，并驱动微动板运动，所述四个传感器检测所述微动板四个对应位置处的位移量，通过冗余测量原理，将该位移量转换为整个微动板的位置信息，该位置信息作为垂向电机驱动的反馈量。
与现有技术相比，本发明提供的用于光刻运动台系统的微动台及其控制方法具有如下优点：
1.本发明采用四个垂向电机和四个传感器根据冗余驱动原理和冗余测量原理，实现了冗余控制，降低了对微动板频率的要求，即达到50Hz带宽，微动板频率只需做到120Hz左右，降低了对贵重材料的需求，降低了成本；
2.本发明中距离所述微动板的质心30mm以内处设置有气浮解耦装置，也就是说气浮解耦装置靠近微动板的质心而非形心，从而极大地减小了Rz电机的出力；
3.本发明利用圆环气浮的内环及外环的相对滑动作用实现Rz与Z方向的解耦，采用簧片进行Rx与Ry方向的解耦，大大增加了Rx、Ry方向的运动行程。
附图说明
图1为现有的用于光刻运动台系统的微动台的结构示意图；
图2为现有的用于光刻运动台系统的微动台中圆环气浮和铰链式气浮的结构示意图；
图3为现有的用于光刻运动台系统的微动台中圆环气浮与微动板的位置关系示意图；
图4为本发明一具体实施例方式的用于光刻运动台系统的微动台的结构示意图；
图5为本发明一具体实施例方式的用于光刻运动台系统的微动台中圆环气浮与微动板的位置关系示意图；
图6为本发明一具体实施例方式的用于光刻运动台系统的微动台中气浮解耦装置的结构示意图；
图7a和7b分别为本发明一具体实施例方式中气浮解耦装置解耦原理示意图；
图8为本发明一具体实施例方式中用于光刻运动台系统的微动台的控制方法示意图。
图1-图 3中：1-微动板、2-垂向电机、3-重力补偿器、4-Rz电机、5-圆环气浮、 6-铰链式气浮；
图4-图 8中：10-微动板、20-运动部件、30-垂向电机、40-Rz电机、50-气浮解耦装置、51-内环、52-外环、53-簧片、60-重力补偿器。
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。
本发明提供的用于光刻运动台系统的微动台，安装于工件台的运动部件20 上，具体地，所述运动台包括底部的吊框，固定于吊框上的两条平行的Y向导轨，分别固定于所述Y向导轨上并能够沿Y向导轨滑动的Y向滑块，两个Y向滑块之间架设有一X向导轨，所述运动部件20即安装于所述X向导轨上并能够沿X 向导轨移动，所述工件台能够带动运动部件20以及其上的微动板10实现X向和 Y向的移动。
具体地，如图4所示，所述微动台包括微动板10和设置于所述微动板10底部的四个垂向电机30，所述四个垂向电机30分设于所述微动板10的两侧，每个所述垂向电机30对应设置一个传感器(未图示)，具体地，所述传感器为位移传感器，实时检测所述微动板10的位移信息；同侧的两个垂向电机30之间设置一个Rz电机40，本发明采用四个垂向电机30和四个传感器根据冗余驱动原理和冗余测量原理，实现了冗余控制，降低了对微动板10频率的要求，即达到50Hz 带宽，微动板10频率只需做到120Hz左右，降低了对贵重材料(陶瓷等)的需求，降低了成本；请结合图5，距离所述微动板10的质心30mm以内处设置有气浮解耦装置50，较佳地，本实施例中，所述微动板10的质心与圆环气浮在水平面上的中心位置重合，所述圆环气浮靠近微动板10的质心而非形心，使Rz电机 40无需出力用于平衡水平向加速度产生的惯性，从而极大地减小了Rz电机40 的出力。
较佳地，请继续参考图4，所述运动部件20与所述微动板10之间还设有四个重力补偿器60，所述四个重力补偿器60分别与所述四个垂向电机30一一对应，一方面避免三点支撑导致微动板10由于重力原因导致的变形，另一方面可以提高微动板10的控制精度。
较佳地，请重点参考图6，所述气浮解耦装置50包括圆环气浮和簧片53，所述运动部件20、簧片53、圆环气浮以及微动板10依次固定连接，具体地，所述圆环气浮包括内环51和外环52，所述内环51与外环52之间填充有气体，所述簧片53与所述外环52固定连接，本发明利用圆环气浮的内环51及外环52的相对滑动作用实现Rz与Z方向的解耦，采用簧片53进行Rx与Ry方向的解耦，如图7a和7b所示，由于簧片53的刚度小于内环51与外环52之间的气浮阻力，所以运动部件20产生Rx与Ry方向的运动时，簧片53进行弹性形变，而内环 51与外环52之间的气膜厚度L基本保持不变，从而大大增加了Rx、Ry方向的运动行程，其扭转行程可达到500urad，且不会影响气浮性能。
请重点参考图8，并结合图4-图 6，本发明还提供了一种如上所述的用于光刻运动台系统的微动台的控制方法，四个所述垂向电机30和四个所述传感器组成冗余控制系统，控制器向所述冗余控制系统发送指令Z向力Fz、Rx向力FRx、 Ry向力FRy以及冗余自由度FZa，根据冗余驱动原理，将该指令转换为四个垂向电机30的出力(Fz1、Fz2、Fz3和Fz4)，并驱动控制对象(即微动板10)运动，所述四个传感器检测所述微动板10四个对应位置处的位移量(Z1、Z2、Z3、Z4)，通过冗余测量原理，将该位移量转换为整个微动板10的位置信息(Z、Rx、Ry 和Za)，该位置信息作为垂向电机30驱动的反馈量，直至微动板10的位置调整至需求位置。需要说明的是，本发明是对所述冗余驱动原理和冗余测量原理的应用，将其应用到微动板10的姿态调整过程中，提高微动板10姿态调整的控制精度和控制速度。
综上所述，本发明提供的用于光刻运动台系统的微动台及其控制方法，所述微动台安装于工件台的运动部件20上，包括微动板10和设置于所述微动板10 底部的四个垂向电机30，所述四个垂向电机30分设于所述微动板10的两侧，每个所述垂向电机30对应设置一个传感器，同侧的两个垂向电机30之间设置一个 Rz电机40，距离所述微动板10的质心30mm以内处设置有气浮解耦装置50。本发明采用四个垂向电机30和四个传感器根据冗余驱动原理和冗余测量原理，实现了冗余控制，降低了对微动板10频率的要求，即达到50Hz带宽，微动板 10频率只需做到120Hz左右，降低了对贵重材料的需求，降低了成本；气浮解耦装置50靠近微动板10的质心而非形心，从而极大地减小了Rz电机40的出力。
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 (6)

1.一种用于光刻运动台系统的微动台，安装于工件台的运动部件上，其特征在于，包括微动板和设置于所述微动板底部的四个垂向电机，所述四个垂向电机分设于所述微动板的两侧，每个所述垂向电机对应设置一个传感器，同侧的两个垂向电机之间设置一个Rz电机，距离所述微动板的质心30mm以内处设置有气浮解耦装置，所述运动部件与所述微动板之间还设有四个重力补偿器，所述四个重力补偿器分别与所述四个垂向电机一一对应。
2.如权利要求1所述的用于光刻运动台系统的微动台，其特征在于，所述气浮解耦装置包括圆环气浮和簧片，所述运动部件、簧片、圆环气浮以及微动板依次固定连接。
3.如权利要求2所述的用于光刻运动台系统的微动台，其特征在于，所述圆环气浮包括内环和外环，所述内环与外环之间填充有气体，所述簧片与所述外环固定连接。
4.如权利要求2所述的用于光刻运动台系统的微动台，其特征在于，所述微动板的质心与所述圆环气浮在水平面上的中心位置重合。
5.如权利要求1所述的用于光刻运动台系统的微动台，其特征在于，所述传感器为位移传感器，实时检测所述微动板的位移信息。
6.一种如权利要求1所述的用于光刻运动台系统的微动台的控制方法，其特征在于，四个所述垂向电机和四个所述传感器组成冗余控制系统，控制器向所述冗余控制系统发送指令，根据冗余驱动原理，将该指令转换为四个垂向电机的出力，并驱动微动板运动，所述四个传感器检测所述微动板四个对应位置处的位移量，通过冗余测量原理，将该位移量转换为整个微动板的位置信息，该位置信息作为垂向电机驱动的反馈量。
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