CN109916342A - 一种定位平台直线度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定位平台直线度测量系统及方法，属于精密定位控制技术领域，包括：包括集成在直写光刻曝光设备上的精密定位运动平台，精密定位运动平台上安装真空吸盘，真空吸盘上吸附带有Mark点的标定板，Mark点为等间距布置；直写光刻曝光设备的横梁上方安装有第一CCD相机和第二CCD相机，第一CCD相机和第二CCD相机之间的距离为相邻Mark点间距的整数倍。本发明可以有效的评估精密定位运动平台的动态性能，通过测量的直线度数据进行补偿，可以有效的评估精密定位运动平台直线度带给直写光刻曝光系统的误差精度，大幅度提高直写光刻曝光设备的曝光图形正确性，且相较于激光干涉仪，测量过程简单高效且成本低。

Description

一种定位平台直线度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及精密定位控制技术领域，特别涉及一种定位平台直线度测量系统及方法。

背景技术

精密定位运动平台的直线度是衡量精密定位运动平台动态特性的一个重要指标，其主要取决于导轨本身的精密程度和导轨安装调试的影响等几个因素。直线度在直写光刻领域主要影响曝光设备曝光图形的正确性以及影响外层对准和内层对准的精度等。

传统的精密定位运动平台直线度的测量主要是利用激光干涉仪，沿着轴运行的方向，测量出每个位置处直线度的变化。但采用激光干涉仪价格昂贵，组装调试过程复杂，且测试环境要求极高，无法保证精密定位运动平台直线度测量的准确度，不能有效的评估精密定位运动平台直线度带给直写光刻曝光系统的误差精度，很难保证直写光刻曝光设备曝光图形的正确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定位平台直线度测量方法及系统，以简单高效的对定位平台直线度进行测量。

为实现以上目的，本发明采用一种定位平台直线度测量系统，包括集成在直写光刻曝光设备上的精密定位运动平台，精密定位运动平台上安装真空吸盘，真空吸盘上吸附带有Mark点的标定板，所述Mark点为等间距布置；

所述直写光刻曝光设备的横梁上方安装有第一CCD相机和第二CCD相机，第一CCD相机和第二CCD相机之间的距离为相邻Mark点间距的整数倍。

进一步地，所述Mark点的排列方向与所述精密定位运动平台的X轴和Y轴的移动方向一致。

进一步地，所述Mark点的行方向与所述精密定位运动平台的X轴移动方向一致、Mark点的列方向与所述精密定位运动平台的Y轴移动方向一致；

或者，

所述Mark点的行方向与所述精密定位运动平台的Y轴移动方向一致、Mark点的列方向与所述精密定位运动平台的X轴移动方向一致。

进一步地，所述标定板采用高精密曝光机制备。

进一步地，所述标定板为石英基底或硅基底。

进一步地，所述精密定位运动平台安装在所述直写光刻曝光设备的大理石花岗岩底座上。

进一步地，所述任意两Mark点之间的距离精度误差小于0.1um。

进一步地，所述精密定位运动平台为单轴平台或X&Y十字交叉平台或X&Y&Z三轴平台或龙门结构平台。

另一方面，提供一种定位平台直线度测量方法，用于利用上述直线度测量系统对精密定位运动平台的直线度进行测量，包括：

移动精密定位运动平台X轴和Y轴，使得标定板上的两个Mark点分别移动到第一CCD相机视场内、第二CCD相机视场内，并计算Mark点在第二CCD相机中的图像坐标与第二CCD相机视场中心点在Y轴方向的距离值集合，以及在X轴方向的距离值集合，其中该两个Mark点为同一行或同一列；

根据Y轴方向的距离值集合和X轴方向的距离值集合，分别得出X轴方向直线度值和Y轴方向直线度值；

将精密定位运动平台X轴直线度值和Y轴直线度值以固定文件格式，补偿在直写光刻曝光系统软件里。

进一步地，所述移动精密定位运动平台X轴和Y轴，使得标定板上的两个Mark点分别移动到第一CCD相机视场内、第二CCD相机视场内，并计算Mark点在第二CCD相机中的图像坐标与第二CCD相机视场中心点在Y轴方向的距离值集合，以及在X轴方向的距离值集合，包括：

保持精密定位运动平台Y轴坐标不变，全程移动所述精密定位运动平台X轴；

X轴移动路径过程中，在标定板上的两个Mark点分别移动到第一CCD相机视场内、第二CCD相机视场内时，以位于第一CCD相机视场中心的Mark点坐标为基准，计算Mark点在第二CCD相机中的图像坐标与第二CCD相机视场中心点在Y轴方向的距离值集合(dy₁₁,dy₁₂,…,dy_1m)；

保持精密定位平台X轴坐标不变，全程移动所述精密定位运动平台Y轴；

Y轴移动路径过程中，在标定板上的两个Mark点分别移动到第一CCD相机视场内、第二CCD相机视场内时，以位于第一CCD相机视场中心的Mark点坐标为基准，计算Mark点在第二CCD相机中的图像坐标与第二CCD相机视场中心点在X轴方向的距离值集合(dx₁₁,dx₂₁,…,dx_n1)。

进一步地，所述根据Y轴方向的距离值集合和X轴方向的距离值集合，分别得出X轴方向直线度值和Y轴方向直线度值，包括：

根据所述Y轴方向的距离值集合，计算X轴方向的直线度坐标矩阵；

根据所述X轴方向的距离值集合，计算Y轴方向的直线度坐标矩阵；

将所述X轴方向的直线度坐标矩阵和Y轴方向的直线度坐标矩阵，分别得到X轴方向直线度值和Y轴方向直线度值。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明通过将精密定位运动平台集成在直写光刻曝光系统的大理石花岗岩底座上，在精密定位运动平台上安装真空吸盘，在真空吸盘上吸附有标定板，标定板上带有规则排列的Mark点，并且在大理石横梁上安装两个CCD相机。通过移动精密定位运动平台的X轴和Y轴，并计算两个相机视场内Mark点的X轴方向的距离值集合，以及Y轴方向的距离值集合，从而得出X轴方向直线度曲线和Y轴方向直线度曲线。与传统的采用激光干涉仪测量直线度相比，本发明可以有效的评估精密定位运动平台的动态性能，通过测量的直线度数据进行补偿，可以有效的评估精密定位运动平台直线度给直写光刻曝光系统的误差精度，大幅度提高直写光刻曝光设备的曝光图形正确性，且相较于激光干涉仪，测量过程简单高效且成本低。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1是一种定位平台直线度测量系统的立体结构示意图；

图2是一种定位平台直线度测量系统的二维平面示意图；

图3是精密定位运动平台动态特性示意图；

图4是标定板Mark点的排布示意图；

图5是两CCD相机测量X轴直线度的原理示意图；

图6是两CCD相机测量Y轴直线度的原理示意图；

图7是精密定位运动平台X轴直线度坐标系示意图；

图8是精密定位运动平台Y轴直线度坐标系示意图；

图9是一种定位平台直线度测量方法的流程示意图；

图10是采用本方法与采用激光干涉仪得到精密定位运动平台X轴直线度对比示意图；

图11是采用本方法与采用激光干涉仪得到精密定位运动平台Y轴直线度对比示意图。

图中：

1-大理石底座；2-精密定位运动平台Y轴；3-精密定位运动平台X轴；4-精密定位运动平台Z轴；5-真空吸盘；6-标定板；7-第二CCD相机；8-第一CCD相机。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图1至图2所示，本实施例公开了一种定位平台直线度测量系统，包括集成在直写光刻曝光设备上的精密定位运动平台，精密定位运动平台上安装真空吸盘5，真空吸盘5上吸附带有Mark点的标定板6，所述Mark点为等间距布置；

所述直写光刻曝光设备的横梁上方安装有第一CCD相机8和第二CCD相机7，第一CCD相机8和第二CCD相机7之间的距离为相邻Mark点间距的整数倍。

具体地，精密定位运动平台安装在直写光刻曝光设备的大理石底座1上，在大理石横梁上安装第一CCD相机8和第二CCD相机7，真空吸盘5安装在精密定位运动平台Z轴上。其中，第一CCD相机和第二CCD相机分别固定在相机支架上，利用螺钉将相机支架固定在大理石横梁上；在真空吸盘5上开设螺钉孔，通过螺钉将真空吸盘5固定在精密定位运动平台Z轴上。

精密定位运动平台的动态特性如图3所示，在直线度测量之前，移动精密定位运动平台Z轴4，以对两CCD相机与标定板66之间的距离进行调整，并调试CCD图形采集系统，找到标定板6Mark点的最佳焦面。然后移动精密定位运动平台的X轴3和Y轴2，由于第一CCD相机8和第二CCD相机7之间的距离为相邻Mark点间距的整数倍，则第一CCD相机8和第二CCD相机7视场内会同时出现Mark点。第一CCD抓取一个Mark的中心坐标，第二CCD只读取另一个Mark的图像坐标，利用两个Mark点坐标的差值，得到两个Mark点在X轴3方向的距离值和在Y轴2方向的距离值，利用相邻距离值的差值即可得到精密定位运动平台X轴3方向和Y轴2方向的直线度。

进一步地，标定板上Mark点的排布如图4所示，在放置标定板时，使得标定板是行的Mark点的排列方向与精密定位运动平台的X轴和Y轴的移动方向一致。具体为：Mark点的行方向与精密定位运动平台的X轴移动方向一致、Mark点的列方向与精密定位运动平台的Y轴移动方向一致。或者，Mark点的行方向与精密定位运动平台的Y轴移动方向一致、Mark点的列方向与精密定位运动平台的X轴移动方向一致。通过将标定板上的Mark点的排列方向与X轴和Y轴的移动方向保持一致，以保证CCD相机读取的Mark点坐标与X轴和Y轴坐标尽可能一致，提高直线度测量的准确度。

需要说明的是，标定板两方向上(X轴方向和Y轴方向)Mark点排列的间距是相同的。但如果需求不一样，两个方向的间距可以不同。

进一步地，标定板上布置的Mark点为实心圆点。同样地，标定板上也可以布置其它形状和尺寸的形状，以进行直线度测量。

进一步地，标定板采用高精密曝光机制备，采用石英基底或硅基底材质并通过高精度曝光机曝光后刻蚀得到本实施例中标定板，其刻蚀后的图形变形和缩放均很小，标定板上Mark点任意距离的精度误差小于0.1um，提高测量精确度。在测量过程中，直写光刻曝光设备具备CCD图像采集系统，利用图像匹配法和图像处理算法，能使CCD视场中的实心圆Mark自动移动到CCD视场的中心位置，测量精度高，精度误差小于0.5um。

进一步地，精密定位运动平台为单轴平台或X&Y十字交叉平台或X&Y&Z三轴平台或龙门结构平台。其中，真空吸盘安装在精密定位运动平台的轴上方即可，比如单轴平台则将真空吸盘安装在单轴的上方，X&Y十字交叉平台则将真空吸盘安装在X轴或Y轴的上方。

如图9所示，本实施例公开了一种定位平台直线度测量方法，其用于利用上述实施例中直线度测量系统对精密定位运动平台的直线度进行测量，包括如下步骤S1至S2：

S1、移动精密定位运动平台X轴和Y轴，使得标定板上的两个Mark点分别移动到第一CCD相机8视场内、第二CCD相机7视场内，并计算Mark点在第二CCD相机7中的图像坐标与第二CCD相机7视场中心点在Y轴方向的距离值集合，以及在X轴方向的距离值集合，其中该两个Mark点为同一行或同一列。具体为：

S2、根据Y轴方向的距离值集合和X轴方向的距离值集合，分别得出X轴方向直线度值和Y轴方向直线度值。

即根据Y轴方向的距离值集合得出X轴方向直线度值，X轴方向的距离值集合得到Y轴方向直线度值，然后将精密定位运动平台X轴直线度值和Y轴直线度值以固定文件格式，补偿在直写光刻曝光系统软件里。

需要说明的是，激光干涉仪测量采用的是两端点置零(即两端点的直线度设为0)，本方法不需要采用两端点置零，可以以一端为零，只需要把直线度测量完成，补偿即可。

以下对利用本定位平台直线度测量系统测量过程进行具体说明：

(1)以标定板左下角某处为开始位置点，X方向间距为a，Y方向间距为b，保证两个CCD之间在X方向的间距L为a的整数倍。

(2)测量X轴直线度：

(2-1)移动精密定位运动平台X轴和Y轴，将标定板中的一个Mark移动到第一CCD的视场中心，记录此时精密定位运动平台的坐标(x₁₁，y₁₁)，且同一行上的另一个Mark移动到第二CCD的视场，记录另一个Mark在第二CCD中的图像坐标(x₁₁’，y₁₁’)，并计算此时第二CCD的图像坐标与理论中心(第二CCD视场中心)在Y方向的距离dy₁₁，即dy₁₁＝y₁₁’-y₁₁，其中第二CCD视场中心通过第二CCD相机直接读取。

(2-2)如图5、图7所示，保持Y轴坐标Y＝Y₁不变，其中，Y＝Y₁是假定的理论位置，X轴以距离a或a的整数倍移动，在移动X轴过程中，在两个相机视场内均出现Mark点时，以其中第一CCD相机8视场内Mark点坐标为基准点，计算第二CCD相机7视场内Mark点坐标与基准点在X轴方向的距离值，即计算此时Mark点在第二CCD的图像坐标(x₁₂，y₁₂)与理论坐标即第二CCD2视场中心(x₁₂’，y₁₂’)在Y方向的距离dy₁₂，即dy₁₂＝y₁₂’-y₁₂。

(2-3)从而采集在Y轴坐标Y₁时，记录在X轴不同位置时的平台坐标(x₁₁,y₁₁)、(x₁₂,y₁₁)、…(x_1m,y_1m)，计算此时第二CCD的图像坐标与理论中心(第二CCD视场中心)在Y方向的距离(dy₁₁,dy₁₂,…,dy_1m)。

(2-4)将相邻距离值做差即可得到Y轴坐标Y＝Y₁不变时，X轴直线度是(0,dy₁₂-dy₁₁,…,dy_1m-dy₁₁)。

(2-5)移动精密定位运动平台Y轴b距离或b的整数倍，重复步骤2-1)至步骤2-4)，测量精密定位运动平台不同Y轴位置时X轴的直线度。

(2-6)将步骤(2-1)至步骤(2-5)测量的精密定位运动平台X轴直线度值以固定文件格式，补偿在直写光刻曝光系统软件里。

(3)测量Y轴直线度：

(3-1)移动精密定位运动平台X轴和Y轴，回到坐标点(x₁₁，y₁₁)，并计算此时第二CCD的图像坐标与理论中心(第二CCD视场中心)在X方向的距离dx₁₁,即dx₁₁＝x₁₁’-x₁₁。

(3-2)如图6、图8所示，保持X轴坐标X＝X₁不变，Y轴以距离b或b的整数倍移动，在移动Y轴过程中，在两个相机视场内均出现Mark点时，以其中第一CCD相机8视场内Mark点坐标为基准点，计算第二CCD相机7视场内Mark点坐标(x₂₁，y₂₁)与理论中心即第二CCD视场中心(x₂₁’，y₂₁’)在X方向的距离dx₂₁，即dx₂₁＝x₂₁’-x₂₁。

(3-3)在精密定位运动平台X轴坐标X＝X₁下，重复步骤(3-2)，分别采集在X轴坐标X₁时，记录在X轴不同位置时的平台坐标(x₁₁,y₁₁)、(x₂₁,y₂₁)、…(x_n1,y_n1)，计算此时CCD2的图像坐标与理论中心(CCD2视场中心)在X方向的距离(dx₁₁,dx₂₁,…,dx_n1)。

(3-4)X轴坐标X＝X₁时的Y轴直线度是(0,dx₂₁-dx₁₁,…,dx_n1-dx₁₁)。

(3-5)移动精密定位运动平台X轴a距离或a的整数倍，重复步骤(3-1)至步骤(3-4)，测量得到精密定位运动平台不同X轴位置Y轴的直线度。

(3-6)将步骤(3-1)至步骤(3-5)测量的精密定位运动平台Y轴直线度值以固定文件格式，补偿在直写光刻曝光系统软件里。

进一步地，上述步骤S2：根据X轴方向的距离值集合和Y轴方向的距离值集合，分别绘制出X轴方向直线度值和Y轴方向直线度值，包括如下步骤S21至S23：

S21、根据所述X轴方向的距离值集合，计算Y轴坐标Y＝Y₁时X轴方向的直线度坐标矩阵A即：

A＝[(x₁₁,0)(x₁₂,dy₁₂-dy₁₁)…(x_1m,dy_1m-dy₁₁)]。

S22、根据所述Y轴方向的距离值集合，计算X轴坐标X＝X₁时Y轴方向的直线度坐标矩阵H即：

H＝[(0,y₁₁)(dx₂₁-dx₁₁,y₂₁)…(dx_n1-dx₁₁,y_n1)]。

S23、将所述直线度坐标矩阵A和直线度坐标矩阵H，分别生成X轴方向直线度值和Y轴方向直线度值。

需要说明的是，将得到的X轴方向的直线度坐标矩阵和Y轴方向的直线度坐标矩阵分别输入Matlab软件即可生成X轴方向直线度曲线和Y轴方向直线度曲线。

需要说明的是，由于激光干涉仪使用两端点置零为基准点，本实施例将精密定位运动平台Y₁位置时X轴的直线度，或者精密定位运动平台X₁位置时Y轴的直线度，采用转换坐标系方式，与激光干涉仪测得直线度坐标系保持一致。

标定板测得坐标矩阵A的坐标系与指定的坐标系即激光干涉仪测得直线度坐标系存在夹角θ₁，夹角θ₁＝arctan[(dy_1m-dy₁₁)/(x_1m-x₁₁)]，利用坐标系转换矩阵B将测得的坐标矩阵A数据旋转角度θ₁，所述坐标系转换矩阵B如下：

其中(x，y)为初始坐标，(X_i，Y_i)为旋转后的坐标，角度θ₁逆时针方向旋转时为正值，角度θ₁顺时针方向旋转时为负值。

标定板测得的坐标矩阵A经旋转角度θ₁后得到新的坐标矩阵C，如下：

C＝[(X₁₁,0)，(X₁₂,Y₁₂)…(X_1(m-1),Y_1(m-1))，(X_1m,0)]。

标定板测得坐标矩阵H的坐标系与指定的坐标系存在夹角θ₂，夹角θ₂＝arctan[(dx_n1-dx₁₁)/(y_n1-y₁₁)]，利用坐标系转换矩阵J将测得的坐标矩阵H数据旋转角度θ₂，所述坐标系转换矩阵J如下：

其中，(x，y)为初始坐标，(T_i，S_i)为旋转后的坐标，角度θ₂逆时针方向旋转时为正值，角度θ₂顺时针方向旋转时为负值。

标定板测得的坐标矩阵H经旋转角度θ₂后得到新的坐标矩阵K，如下：

K＝[(0,T₁₁)，(S₂₁,T₂₁)…(S_(n-1)1,T_(n-1)1)，(0,T_n1)]。

采用转换坐标系方式，将本方案测量的精密定位运动平台在Y₁位置时X轴的直线度，以及X₁位置时Y轴的直线度，转换至与激光干涉仪测得直线度坐标系保持一致，如图10和图11所示。

如图10-图11可以看出，通过本方法测量的精密定位运动平台X轴和Y轴直线度相对于激光干涉仪，测量结果与激光干涉仪整体趋势保持一致，测量偏差在1um以内。而且由于激光干涉仪采用空间直线为基准直线，其测量值相对于本方法测量值偏大，并且激光干涉仪要求测量环境极严格，调试过程复杂，成本高，本发明操作简单，高效和成本低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定位平台直线度测量系统，其特征在于，包括集成在直写光刻曝光设备上的精密定位运动平台，精密定位运动平台上安装真空吸盘，真空吸盘上吸附带有Mark点的标定板，所述Mark点为等间距布置；

所述直写光刻曝光设备的横梁上方安装有第一CCD相机和第二CCD相机，第一CCD相机和第二CCD相机之间的距离为相邻Mark点间距的整数倍。

2.如权利要求1所述的定位平台直线度测量系统，其特征在于，所述Mark点的排列方向与所述精密定位运动平台的X轴和Y轴的移动方向一致。

3.如权利要求2所述的定位平台直线度测量系统，其特征在于，所述Mark点的行方向与所述精密定位运动平台的X轴移动方向一致、Mark点的列方向与所述精密定位运动平台的Y轴移动方向一致；

或者，

所述Mark点的行方向与所述精密定位运动平台的Y轴移动方向一致、Mark点的列方向与所述精密定位运动平台的X轴移动方向一致。

4.如权利要求1或2所述的定位平台直线度测量系统，其特征在于，所述标定板采用高精密曝光机制备。

5.如权利要求4所述的定位平台直线度测量系统，其特征在于，所述标定板为石英基底或硅基底。

6.如权利要求1或2或3所述的定位平台直线度测量系统，其特征在于，所述精密定位运动平台安装在所述直写光刻曝光设备的大理石花岗岩底座上。

7.如权利要求1所述的定位平台直线度测量系统，其特征在于，所述精密定位运动平台为单轴平台或X&Y十字交叉平台或X&Y&Z三轴平台或龙门结构平台。

8.一种定位平台直线度测量方法，其特征在于，用于利用如权利要求1-7任一项所述的直线度测量系统对精密定位运动平台的直线度进行测量，包括：

移动精密定位运动平台X轴和Y轴，使得标定板上的两个Mark点分别移动到第一CCD相机视场内、第二CCD相机视场内，并计算Mark点在第二CCD相机中的图像坐标与第二CCD相机视场中心点在Y轴方向的距离值集合，以及在X轴方向的距离值集合，其中该两个Mark点为同一行或同一列；

根据Y轴方向的距离值集合和X轴方向的距离值集合，分别得出X轴方向直线度值和Y轴方向直线度值。

9.如权利要求8所述的定位平台直线度测量方法，其特征在于，所述移动精密定位运动平台X轴和Y轴，使得标定板上的两个Mark点分别移动到第一CCD相机视场内、第二CCD相机视场内，并计算Mark点在第二CCD相机中的图像坐标与第二CCD相机视场中心点在Y轴方向的距离值集合，以及在X轴方向的距离值集合，包括：

保持精密定位运动平台Y轴坐标不变，全程移动所述精密定位运动平台X轴；

X轴移动路径过程中，在标定板上的两个Mark点分别移动到第一CCD相机视场内、第二CCD相机视场内时，以位于第一CCD相机视场中心的Mark点坐标为基准，计算Mark点在第二CCD相机中的图像坐标与第二CCD相机视场中心点在Y轴方向的距离值集合(dy₁₁,dy₁₂,…,dy_1m)；

保持精密定位平台X轴坐标不变，全程移动所述精密定位运动平台Y轴；

Y轴移动路径过程中，在标定板上的两个Mark点分别移动到第一CCD相机视场内、第二CCD相机视场内时，以位于第一CCD相机视场中心的Mark点坐标为基准，计算Mark点在第二CCD相机中的图像坐标与第二CCD相机视场中心点在X轴方向的距离值集合(dx₁₁,dx₂₁,…,dx_n1)。

10.如权利要求9所述的定位平台直线度测量方法，其特征在于，所述根据Y轴方向的距离值集合和X轴方向的距离值集合，分别得出X轴方向直线度值和Y轴方向直线度值，包括：

根据所述Y轴方向的距离值集合，计算X轴方向的直线度坐标矩阵；

根据所述X轴方向的距离值集合，计算Y轴方向的直线度坐标矩阵；

将所述X轴方向的直线度坐标矩阵和Y轴方向的直线度坐标矩阵，分别得到X轴方向直线度值和Y轴方向直线度值。