CN108663871A - 一种快门装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种快门装置，包括遮光运动模块和运动控制模块，所述运动控制模块控制所述遮光运动模块运动，所述遮光运动模块包括遮光单元、驱动单元和信号测量单元，所述遮光单元包括两个叶片，所述运动控制模块发出一控制信号，所述驱动单元接收所述控制信号并驱动所述两个叶片运行，所述信号测量单元实时测量并反馈所述两个叶片的运行状态给运动控制模块，所述运动控制模块依据反馈的运行状态更新所述控制信号，解决了现有的快门曝光剂量精度不高以及漏光的问题，满足各种曝光剂量的需求，控制曝光剂量的精度。

Description

一种快门装置
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种快门装置。
背景技术
光刻机曝光系统中，曝光剂量精度是一极其重要指标，一般曝光剂量精度指标要求低于1％，曝光剂量精度的控制是通过快门叶片的打开-关闭动作控制。对于高功率汞灯光源而言，快门叶片打开-关闭的完成时间为几十毫秒甚至十几毫秒。可见，快门的工作工况为高速启停、高温的较恶劣工况，对快门性能及可靠性有着非常高的要求。
目前光刻机曝光系统主要应用的快门为旋转电机驱动的旋转式快门和音圈电机驱动的往复摆动式快门。由于旋转式快门速度不高，无法满足小剂量曝光，而往复摆动式快门目前采用的是开环控制结构，其可靠性较差，且结构对温度变化敏感，剂量精度控制不稳定，漏光现象频发。
本发明介绍了一种快门装置，可有效满足各种曝光剂量的要求，解决曝光剂量精度不高及漏光等问题
发明内容
本发明的目的在于提供一种快门装置，以解决现有的快门曝光剂量精度不高以及漏光的问题，满足各种曝光剂量的需求，控制曝光剂量的精度。
一种快门装置，包括遮光运动模块和运动控制模块，所述运动控制模块控制所述遮光运动模块运动，所述遮光运动模块包括遮光单元、驱动单元和信号测量单元，所述遮光单元包括两个叶片，所述运动控制模块发出一控制信号，所述驱动单元接收所述控制信号并驱动所述两个叶片运行，所述信号测量单元实时测量并反馈所述两个叶片的运行状态给运动控制模块，所述运动控制模块依据反馈的运行状态更新所述控制信号。
可选的，所述驱动单元和信号测量单元均为两个，与所述两个叶片一一对应设置。
可选的，所述驱动单元包括电机，所述电机驱动所述两个叶片运动实现所述快门装置的开合。
可选的，所述遮光运动模块还包括固定轴单元，所述固定轴单元包括轴承座、旋转轴和轴承，所述旋转轴贯穿所述轴承设置在轴承座中，所述两个叶片中连接所述旋转轴设置在所述轴承座一侧，所述驱动单元连接所述旋转轴设置在所述轴承座另一侧。
可选的，所述遮光单元还包括叶片转接板，所述两个叶片通过所述叶片转接板与所述旋转轴连接。
可选的，所述叶片转接板与所述旋转轴之间设有隔热板。
可选的，保证所述两个叶片闭合时不漏光的条件是叶片旋转角度误差α满足如下公式：
其中，M为叶片重合量，Mmin为叶片最小重合量，R为叶片旋转半径。
可选的，所述信号测量单元包括位置传感器，所述位置传感器用于实时检测所述两个叶片的位置。
可选的，所述位置传感器包括旋转编码器或圆形光栅尺，所述旋转编码器或圆形光栅尺固定在旋转轴的末端，实时检测所述两个叶片的旋转角度。
可选的，其特征在于，所述位置传感器包括直线光栅尺。
可选的，所述运动控制模块包括处理器、触发器和控制器，所述处理器给触发器下达曝光指令，所述触发器根据曝光指令触发控制器，所述处理器通过通讯接口与控制器进行通讯，所述控制器根据通讯信息控制所述遮光运动模块运动。
在本发明提供的快门装置，包括遮光运动模块和运动控制模块，所述运动控制模块控制所述遮光运动模块运动，所述遮光运动模块包括遮光单元、驱动单元和信号测量单元，所述遮光单元包括两个叶片，所述运动控制模块发出一控制信号，所述驱动单元接收所述控制信号并驱动所述两个叶片运行，所述信号测量单元实时测量并反馈所述两个叶片的运行状态给运动控制模块，所述运动控制模块依据反馈的运行状态更新所述控制信号，解决了现有的快门曝光剂量精度不高以及漏光的问题，满足各种曝光剂量的需求，控制曝光剂量的精度。
进一步的，通过控制器对电机的控制，控制叶片的运行状态，并且位置传感器将叶片的状态实时反馈给控制器，控制器进而对电机的驱动力进行调整，从而形成闭环控制，有效解决快门闭合状态下的漏光问题。
附图说明
图1是本发明一实施例的快门装置的架构图；
图2是本发明一实施例的遮光运动模块结构图；
图3为本发明一实施例中固定轴单元的截面图；
图4是本发明一实施例的曝光过程时间图；
图5是本发明一实施例的叶片位置仿真轨迹图；
图6是本发明一实施例的叶片速度仿真图；
图7是本发明一实施例的叶片加速度仿真图；
图8是本发明一实施例的叶片运动过程中的误差仿真分析。
图中标号：1-遮光运动模块；2-运动控制模块；10-固定轴单元；20-信号测量单元；30-遮光单元；40-驱动单元；60-处理器；70-触发器；80-控制器；101-轴承；102-旋转轴；103-隔热板；104-轴承座；201-位置传感器；301-旋转转接板；302-叶片；401-音圈电机磁铁；402-音圈电机线圈。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的快门装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，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。
现有的快门装置存在剂量精度控制不稳定以及漏光的问题，本发明人经过长期的研究和实验，研发了一种新型的快门装置，解决了上述问题。
本发明提供一种快门装置，包括遮光运动模块和运动控制模块，所述运动控制模块控制所述遮光运动模块运动，所述遮光运动模块包括遮光单元、驱动单元和信号测量单元，所述遮光单元包括两个叶片，所述运动控制模块发出一控制信号，所述驱动单元接收所述控制信号并驱动所述两个叶片运行，所述信号测量单元实时测量并反馈所述两个叶片的运行状态给运动控制模块，所述运动控制模块依据反馈的运行状态更新所述控制信号。
图1是本发明一实施例的快门装置的架构图，如图1所示，所述快门装置包括遮光运动模块1和运动控制模块2，运动控制模块2控制所述遮光运动模块1运动；图2是本发明一实施例的遮光运动模块1的结构图，如图2所示，所述遮光运动模块包括固定轴单元10、信号测量单元20、遮光单元30和驱动单元40，所述信号测量单元20、遮光单元30和驱动单元40均为2套，所述固定轴单元10将两套信号测量单元20、遮光单元30和驱动单元40进行连接，并对称分布，通过两套遮光单元30相背运动实现快门装置的开启，相向运动来实现快门装置的闭合。为方便说明，以下将只以其中一套结构进行说明，所述固定轴单元10连接所述驱动单元40和遮光单元30，所述信号测量单元20与遮光单元30连接，继续参考图1，所述运动控制模块2包括处理器70、触发器60和控制器80，所述处理器70通过通讯接口与控制器80进行通讯，所述处理器70给触发器60下达曝光指令，所述触发器60根据曝光指令触发控制器80，所述控制器80控制遮光单元30的运行状态，信号测量单元20实时反馈遮光单元30的运行状态给处理器70。
所述遮光单元30包括叶片转接板301和叶片302，所述叶片301通过螺钉固定在叶片转接板302上。
图3为本发明一实施例中固定轴单元的截面图，沿着图2中所示A-A’的虚线切开得到图3，如图3所示，所述固定轴单元10包括轴承座104、旋转轴102、轴承101和隔热板103，所述旋转轴102贯穿轴承座104，所述轴承优选的陶瓷轴承，所述轴承101固定在轴承座104上，所述隔热板103固定在旋转轴102上，所述两个叶片连接所述旋转轴102设置在所述轴承座104一侧，所述驱动单元连接所述旋转轴102设置在所述轴承座104另一侧。
请继续参考图2和图3，所述驱动单元40包括电机，优选的为音圈电机，所述音圈电机包括音圈电机磁铁401和音圈电机线圈402，其中音圈电机线圈402固定在旋转轴102上，音圈电机线圈402可驱动旋转轴102旋转。轴承101外圈固定在10轴承座104上。叶片转接板301固定在旋转轴102上，而叶片302通过螺钉分别固定在叶片转接板301上，这样音圈电机驱动旋转轴102，可带动叶片302旋转，实现叶片302的打开和关闭动作，隔热板103固定在旋转轴102上，阻碍叶片转接板301和叶片302的热传导。所述隔热板103优选的为玻璃纤维隔热片，固定在旋转轴102和叶片转接板301之间，可以阻碍叶片转接板301上的热传导，将叶片302的热传导效应降低到最小，提高快门的运行性能。
请结合图1、图2和图3，所述音圈电机线圈402驱动旋转轴102旋转，所述叶片转接板301与旋转轴102连接，从而驱动叶片302旋转，实现叶片302的打开和关闭，所述信号测量单元20包括位置传感器201，所述位置传感器优选的包括旋转编码器，所述旋转编码器固定在旋转轴102的末端，所述旋转编码器也可以用圆形光栅尺或者直线光栅尺代替，所述位置传感器201可以实时的检测叶片302的旋转角度和位置，并将信息最终反馈到处理器70，处理器70根据曝光的剂量大小和控制精度需求，计算出当前的曝光剂量和理论曝光剂量的误差，如果误差小于控制精度，则停止曝光并关闭快门，否则继续曝光直到满足剂量需求。在持续曝光的过程中，旋转编码器201一直实时的检测叶片302的旋转角度，并将信息反馈到处理器70中，处理器70根据反馈的信息,下达指令给控制器80，并通过控制器80控制电机的驱动力，从而调整叶片的运行状态，从而形成一个闭环控制，控制曝光剂量精度和曝光剂量大小。
曝光结束后，叶片需要处于闭合状态，两叶片的重合量为M，由于叶片闭合情况下不允许有漏光现象发生，因此叶片最小重合量Mmin有要求，设叶片旋转半径为R，关闭状态下叶片的角度误差为α，则α必须满足如下公式：
图4是本发明一实施例的曝光过程时间图，纵坐标表示叶片打开旋转的角度，横坐标表示时间，其中T1时间段表示叶片打开的过程，此时开始曝光；T2时间段为叶片完全打开的过程，此时的叶片处于完全打开且维持不动的状态，曝光持续；T3时间段为叶片关闭的过程，曝光结束。其中T1和T3越小，越能满足小剂量曝光的需求，曝光精度越高。
以下以一具体的仿真案例来说明本发明的有益效果，设计叶片打开/关闭的时间为12ms，行程20°(0.349rad)，打开和关闭时叶片处于高速状态，叶片旋转的半径R为100mm，两叶片最大重合量为8mm，为保证关闭状态不漏光，最小重合量设置为6mm。图5是叶片位置的仿真轨迹图，其中横坐标表示时间(s)，纵坐标代表叶片位置(rad)，由图5可知，叶片打开的时间为12ms,叶片的运行的最大位置为0.349rad。图6是叶片的速度仿真图，其中横坐标表示时间(s)，纵坐标表示叶片的角速度(rad/s)，有图6可知，前6ms叶片处于加速状态，最大角速度达到58.18rad/s，6-12ms叶片处于减速状态直到静止，12ms以后叶片处于静止状态。图7是叶片的加速度仿真图，其中横坐标表示时间(s)，纵坐标表示叶片的加速度(rad/s2)，叶片前6ms加速度为9696rad/s2，叶片后6ms加速度为-9696rad/s2。图8是上述叶片运动过程中的误差仿真分析，其中横坐标表示时间(s)，纵坐标表示角度误差(rad)，由图8可以看出，整个过程的最大误差为6.776mrad，而根据公式1的计算可知，快门不漏光的允许角度误差为10mrad，可见本发明提供的快门装置满足高速状态下不漏光的使用要求，并且具有很高的曝光精度，也能满足小剂量曝光的需求。
相应的，本发明还提供一种闭环控制方法，采用上述快门装置来实现，包括以下步骤：
步骤1：运动控制模块发出控制信号；
步骤2：驱动单元驱动遮光单元运行；
步骤3：信号测量单元实时检测遮光单元的运行状态并反馈给运动控制模块；
步骤4：运动控制模块根据剂量要求和所述信号测量单元的检测量给驱动单元发出控制信号；
步骤5：驱动单元根据运动控制模块发出控制信号调整驱动力，控制遮光单元的运行状态。
以下将结合上述实施例具体阐述闭环控制方法。
处理器70下达曝光指令给触发器60，触发器60下达打开叶片302的指令给控制器80，控制器80下达指令给电机，电机驱动旋转轴102进而使叶片302打开，位置传感器201检测叶片302的运行状态反馈给处理器70，处理器70根据反馈的信息通过触发器60调整曝光指令，进而控制器80根据曝光指令实时调整驱动指令，实时调整叶片302的运动状态。完成曝光后，叶片302关闭，开关传感器将叶片关闭的状态反馈给处理器70，所述处理器70根据预设条件等待开始一次新的曝光。
下面结合具体器件型号进行说明，具体的，所述处理器70为PPC板卡，所述触发器60为ISB板卡，所述控制器80例如可以是商用控制器。ISB板卡负责触发商用控制器，商用控制器负责驱动电机与位置传感器201进行位置环的闭环控制。PPC板卡通过多串口卡的RS232通讯与商用控制器进行通讯交互。具体控制流程包含以下2个流程：
1)PPC板卡与ISB板卡控制流程，根据不同剂量进行相应控制：a.PPC板卡下发曝光指令给ISB板卡；b.ISB板卡根据驱动指令下发Trig open(打开叶片)指令给商用控制器；c.不同剂量下计算不同的快门保持时间之后，ISB板卡根据驱动指令下发Trig close(关闭叶片)指令给商用控制器。
2)商用控制器根据ISB板卡指令进行相应操作：a.商用控制器上电后进行搜零动作，之后以一定小电流保持关闭状态；b.伺服等待ISB板卡的Trig指令，进行相应的打开和关闭开闭动作。
为说明闭环控制快门的可靠性，特设计以下样例进行说明。叶片打开/关闭的时间为12ms，行程20°，即打开关闭时叶片处于高速状态，叶片旋转的半径R为100mm，两叶片最大重合量为8mm,为保证关闭状态不漏光，最小重合量设置为6mm，设置伺服周期为333μs。图5是叶片位置的仿真轨迹图，其中横坐标表示时间(s)，纵坐标代表叶片位置(rad)，由图5可知，叶片打开时间为12ms,叶片的运行的最大位置为0.349rad。图6是叶片的速度仿真图，其中横坐标表示时间(s)，纵坐标表示叶片的角速度(rad/s)，由图6可知，前6ms叶片处于加速状态，最大角速度达到58.18rad/s，6-12ms叶片处于减速状态直到静止，12ms以后叶片处于静止状态。图7是叶片的加速度仿真图，其中横坐标表示时间(s)，纵坐标表示叶片的加速度(rad/s2)，叶片前6ms加速度为9696rad/s2，叶片后6ms加速度为-9696rad/s2。图8是上述叶片运动过程中的误差仿真分析，其中横坐标表示时间(s)，纵坐标表示角度误差(rad)，由图8可以看出，整个过程的最大误差为6.776mrad，而根据公式1的计算可知，快门不漏光的允许角度误差为10mrad，，可见该样例设置的参数在快门高速闭环控制状态下满足快门不漏光使用要求，可靠性好。
本发明提供的一种快门装置及方法，包括遮光运动模块和运动控制模块，所述运动控制模块控制所述遮光运动模块运动，所述遮光运动模块包括遮光单元，驱动单元和信号测量单元，所述运动控制模块发出控制信号，所述驱动单元的接收所述控制信号并控制遮光单元运行，所述信号测量单元实时反馈遮光单元的运行状态给运动控制模块，运动控制模块依据反馈的运行状态发出实时控制信号。解决了现有的快门曝光剂量精度不高以及漏光的问题，满足各种曝光剂量的需求，控制曝光剂量的精度。
进一步的，通过控制器对电机的控制，控制叶片的运行状态，并且旋转编码器将叶片的状态实时反馈给控制器，控制器进而对电机的驱动力进行调整，从而形成闭环控制，有效解决快门闭合状态下的漏光问题。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员容易想到是用电缸、气缸来代替电机，以及其他显而易见的变更、修改均属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种快门装置，其特征在于，包括遮光运动模块和运动控制模块，所述运动控制模块控制所述遮光运动模块运动，所述遮光运动模块包括遮光单元、驱动单元和信号测量单元，所述遮光单元包括两个叶片，所述运动控制模块发出一控制信号，所述驱动单元接收所述控制信号并驱动所述两个叶片运行，所述信号测量单元实时测量并反馈所述两个叶片的运行状态给运动控制模块，所述运动控制模块依据反馈的运行状态更新所述控制信号。
2.如权利要求1所述的快门装置，其特征在于，所述驱动单元和信号测量单元均为两个，与所述两个叶片一一对应设置。
3.如权利要求2所述的快门装置，其特征在于，所述驱动单元包括电机，所述电机驱动所述两个叶片运动实现所述快门装置的开合。
4.如权利要求2所述的快门装置，其特征在于，所述遮光运动模块还包括固定轴单元，所述固定轴单元包括轴承座、旋转轴和轴承，所述旋转轴贯穿所述轴承设置在轴承座中，所述两个叶片中连接所述旋转轴设置在所述轴承座一侧，所述驱动单元连接所述旋转轴设置在所述轴承座另一侧。
5.如权利要求4所述的快门装置，其特征在于，所述遮光单元还包括叶片转接板，所述两个叶片通过所述叶片转接板与所述旋转轴连接。
6.如权利要求5所述的快门装置，其特征在于，所述叶片转接板与所述旋转轴之间设有隔热板。
7.如权利要求1所述的一种快门装置，其特征在于，保证所述两个叶片闭合时不漏光的条件是叶片旋转角度误差α满足如下公式：
其中，M为叶片重合量，Mmin为叶片最小重合量，R为叶片旋转半径。
8.如权利要求4所述的快门装置，其特征在于，所述信号测量单元包括位置传感器，所述位置传感器用于实时检测所述两个叶片的位置。
9.如权利要求8所述的快门装置，其特征在于，所述位置传感器包括旋转编码器或圆形光栅尺，所述旋转编码器或圆形光栅尺固定在旋转轴的末端，实时检测所述两个叶片的旋转角度。
10.如权利要求8所述的快门装置，其特征在于，所述位置传感器包括直线光栅尺。
11.如权利要求1所述的快门装置，其特征在于，所述运动控制模块包括处理器、触发器和控制器，所述处理器给触发器下达曝光指令，所述触发器根据曝光指令触发控制器，所述处理器通过通讯接口与控制器进行通讯，所述控制器根据通讯信息控制所述遮光运动模块运动。
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