TW201333422A - 平台定位系統及其方法與其使用之對位圖樣 - Google Patents

Abstract

一種平台定位系統，包含一對位圖樣設置於一移動平台上；一電子束聚焦裝置產生一聚焦電子束，對對位圖樣進行掃描，且產生一反射之電子訊號；一電子偵測單元偵測反射之電子訊號；以及一控制單元解讀電子訊號，產生一時序信號，並依據此時序信號決定對位圖樣及電子束聚焦裝置的相對位置，進而調整移動平台的位移。一種平台定位方法亦被提供，可克服移動平台進行旋轉或多移動軸的作動時，所面臨之機械定位漂移的問題。

Description

平台定位系統及其方法與其使用之對位圖樣

本發明係有關一種平台定位系統及方法，特別是一種利用電子束聚焦掃描方式進行定位的平台定位系統及其方法。

隨著工具機、各種產業機械與量測儀器的高精度化，不論是在精密機械、半導體產業、微米或奈米科技皆朝向微小化及精密化發展，其中超精密之加工機、半導體製程裝置及電子資訊機器等皆需要有高精密的定位技術與儀器進行輔助。

一般精密移動平台在進行旋轉或多移動軸的作動時，常會面臨機械定位漂移的問題。目前幾種解決方法如下所述：

(1)　採用光學干涉儀偵測移動平台的精密移動，然而使用光學干涉儀雖可達到高精密定位，但是光學干涉儀並無法架設於移動平台的旋轉軸上。

(2)　採用光學尺進行量測校正，然而光學尺精密度不足，亦無法量測旋轉之偏心。

(3)　使用具有空氣軸承(air bearing)設計之機械轉軸，雖可達到30奈米(nm)的精確度，但其操作需在大氣壓力下，並且體積相當大，不適合於小空間使用。

(4)　以真空式感應器進行修正，但若旋轉台具有傾斜角度時，其機械設計具有相當高之困難度以及複雜度，旋轉台不只一個維度時，設計相當不可行。

為了解決上述問題，本發明目的之一係提供一種平台定位系統及其方法與其使用的對位圖樣，其係可應用於複雜結構之多維度移動平台之奈米級定位，並克服移動平台進行旋轉或多移動軸的作動時，所面臨之機械定位漂移的問題。

為了達到上述目的，本發明一實施例之平台定位系統，包含：一對位圖樣設置於一移動平台上，其中對位圖樣包含複數個且呈放射狀排列之漸寬標記，且相鄰漸寬標記之間具有一間距；一電子束聚焦裝置產生一聚焦電子束；一掃描單元連接電子束聚焦裝置，用以調整聚焦電子束對對位圖樣進行二維圖案掃描，以便產生一反射之電子訊號；一電子偵測單元偵測反射之電子訊號；以及一控制單元連接移動平台、電子束聚焦裝置、掃描單元及電子偵測單元，其中聚焦電子束經二維圖案掃描讀取漸寬標記與讀取間距所產生的反射之電子訊號，經控制單元解讀產生一時序信號，且控制單元依據時序信號中之複數脈波的寬度調整移動平台的位移。其中二維圖案掃描係可為一圓形或橢圓形軌跡掃描。

本發明又一實施例之對位圖樣，應用於一平台定位系統中，對位圖樣係放置於一移動平台上，且與移動平台上所放置之一樣品維持一定距離，對位圖樣包含：複數個漸寬標記，其係呈放射狀排列，且相鄰漸寬標記之間具有一間距。

本發明又一實施例之平台定位方法，包含：於一移動平台上固定一對位圖樣，對位圖樣包含複數個漸寬標記，其係呈放射狀排列，且相鄰漸寬標記之間具有一間距；利用一聚焦電子束對對位圖樣進行二維圖案掃描，且產生一反射之電子訊號；偵測反射之電子訊號；以及解讀反射之電子訊號，產生一時序信號，並依據對位圖樣、二維圖案掃描及時序信號中之複數脈波的寬度調整移動平台的位移。

圖1所示為本發明一實施例平台定位系統之結構示意圖，如圖所示，平台定位系統10包含一對位圖樣設置於一移動平台14上，請同時參閱圖2所示為本發明一實施例之對位圖樣示意圖，其中對位圖樣12包含複數個呈放射狀排列之漸寬標記，於一實施例中，係以漸寬標記的數目為四個為例，惟不限於此，漸寬標記係為一扇形標記121，且相鄰扇形標記121之間具有一間距122；一電子束聚焦裝置16，設置於移動平台14上方，電子束聚焦裝置16係產生一聚焦電子束18，並利用一掃描單元26控制聚焦電子束18對移動平台14上之對位圖樣12進行二維圖案掃描，且產生一反射之電子訊號20，於一實施例中，二維圖案掃描係為一圓形軌跡掃描28，惟不限與此，二維圖案掃描亦可為橢圓形掃描軌跡，如圖2所示，圓形軌跡掃描28讀取扇形標記121及間距122；一電子偵測單元22，用以偵測反射之電子訊號20，電子訊號20可包含二次電子訊號及背向散射電子訊號，惟不限於此；以及一控制單元24，連接移動平台14、電子束聚焦裝置16、掃描單元26及電子偵測單元22。

其中，於一實施例中，移動平台14係包含有三軸微動平台及兩個旋轉台分別進行水平旋轉及垂直偏轉，移動平台14上係供置放一樣品(圖中未示)，且對位圖樣12係設置於樣品附近，並與樣品維持一特定距離，因此聚焦電子束18偵測對位圖樣12的位移即等同於偵測樣品的位移。

接續上述說明，控制單元24中紀錄對位圖樣12之形狀，控制單元24輸出一控制掃描訊號用以控制掃描單元26之掃描路徑，並進一步將電子偵測單元22所偵測之電子訊號20計算轉換為一時序信號，以根據對位圖樣12形狀、掃描路徑及時序信號計算出對位圖樣12之位置隨時間的偏移量，進而調整移動平台14予以修正。

在本發明中，由於對位圖樣12之扇形標記121與間距122之間具有明顯的高低起伏或相異的電氣性質，因此聚焦電子束18之圓形軌跡掃描讀取對位圖樣12所產生的電子訊號20，經由控制單元24解讀為時序信號時，如圖3所示，時序信號30具有高低電壓變化。於一實施例中，當聚焦電子束18掃描經過扇形標記121時，時序信號30顯示為具有一相對高度及寬度的方形脈波32，此時數位數值顯示為1，當聚焦電子束掃18描經過對位圖樣12之間距122時，不具有脈波32起伏，且此時數位數值顯示為0。

以下以對位圖樣係以四個呈放射狀排列之扇形標記依據偏移情況所產生之不同之時序信號為例，說明本發明之特點，請參閱圖4a，四扇形標記分別標示為扇形標記121a、扇形標記121b、扇形標記121c及扇形標記121d，於一實施例中，扇形標記121a及扇形標記121c沿著X方向，扇形標記121b及扇形標記121d沿著Y方向，其中扇形標記121a、121b、121c、121d為由放射中心o逐漸加寬的設計，且四扇形標記121a、121b、121c、121d之間為等間距排列。

如圖4a所示，若圓形軌跡掃描28的路徑的圓心與四扇形標記121a、121b、121c、121d的放射中心o對應時，由於聚焦電子束18(示於圖1)掃描每一扇形標記121a、121b、121c、121d的路徑相同，因此讀取之時序信號30如圖5a所示，其中每一脈波32a、32b、32c、32d的寬度相同，且相鄰脈波32a、32b、32c、32d間的間隔相等，此時序信號代表一正確讀取之訊號。

當對位圖樣12偏移時(即移動平台偏移時)，聚焦電子束18掃描扇形標記121a、121b、121c、121d的路徑改變，如圖4b所示，以對位圖樣12沿X方向偏移為例，聚焦電子束18之圓形軌跡掃描28的路徑掃描經過扇形標記121a及扇形標記121c的路徑不相等，因此讀取之時序信號30’如圖5b所示，脈波32a’及脈波32c’的寬度不同，且相鄰脈波32a’、32b’、32c’、32d’間的間隔亦會改變，如此藉由時序信號30’的脈波32a’、32b’、32c’、32d’寬度與時序信號30的脈波32a、32b、32c、32d寬度相較即可推論移動平台14(示於圖1)隨時間的偏移量，進而調整移動平台14予以修正，使修正後之移動平台14上的對位圖樣12被掃描時可得到如圖5a所示之正確的時序信號30。

於另一實施例中，移動平台14亦可能在X方向及Y方向皆產生偏移，如圖4c所示，聚焦電子束18之圓形軌跡掃描28的路徑掃描經過扇形標記121a、扇形標記121b、121a、121d的路徑不相等，此時時序信號30”中之脈波32a”、32b”、32c”、32d”的寬度皆會改變，如圖5c所示，以藉由脈波寬度和時序變化求得移動平台在X方向及Y方向的偏移量。

接續上述說明，為了辨別時序信號30中各個脈波32的時序關係，以利進行分析，因此在其中一扇形標記121上形成有至少一條凹槽，當聚焦電子束18掃描經過此具有凹槽之扇形標記121時，脈波32非為平整之方波，而係具有一波動之方波。圖6所示為本發明又一實施例之對位圖樣及圓形軌跡掃描示意圖，其中對位圖樣12包含四扇形標記121a、121b、121c、121d，且其中一扇形標記121d上形成有一凹槽34。圖7所示為本發明又一實施例之時序信號示意圖，於此實施例中，聚焦電子束18係掃描圖6所示之對位圖樣，且圓形軌跡掃描28的路徑的圓心與四扇形標記121a、121b、121c、121d的放射中心o對應，如圖7所示，時序信號30中，每一脈波32a、32b、32c、32d的寬度相同，且相鄰脈波32a、32b、32c、32d間的間隔相等，其中一脈波32d的波峰由於扇形標記121d上凹槽34的設計，而呈現一波動36，藉此界定四扇形標記121a、121b、121c、121d與時序信號30中各個脈波32a、32b、32c、32d對應關係。

其中，扇形標記121上不限定為形成凹槽34以作為辨別基準，亦可於扇形標記121上形成有突起。另一方面，為免所採用之扇形標記121的張角過大或過小而使時序信號30難以定序，於一實施例中，係採用張角為45度的扇形標記121以獲取較低之分析誤差。

以上實施例係以對位圖樣包含四個呈放射狀排列之漸寬標記進行說明，惟不限與此，對位圖樣可包含二個、三個或四個以上的漸寬標記；圖8a及圖8b所示為本發明另一實施例之對位圖樣及圓形軌跡掃描示意圖，其中對位圖樣12包含三個呈放射狀排列之扇形標記，三扇形標記分別標示為扇形標記123a、扇形標記123b及扇形標記123c，三扇形標記123a、123b、123c為由放射中心o逐漸加寬的設計，且三扇形標記123a、123b、123c之間為等間距排列。

圖9a及圖9b所示分別為依據圖8a至圖8c所示之圓形軌跡掃描讀取對位圖樣所產生之時序信號示意圖。若圓形軌跡掃描28的路徑的圓心與三扇形標記123a、123b、123c的放射中心o對應時，由於聚焦電子束18(示於圖1)掃描每一扇形標記123a、123b、123c的路徑相同，如圖9a所示，因此讀取之時序信號50中每一脈波52a、52b、52c的寬度相同，且相鄰脈波52a、52b、52c間的間隔相等，此時序信號代表一正確讀取之訊號。當移動平台14產生偏移時，如圖9b所示，聚焦電子束18之圓形軌跡掃描28的路徑掃描經過扇形標記123a、123b、123c的路徑改變，此時時序信號50’中之脈波52a’、52b’、52c’的寬度亦會改變，如此藉由脈波寬度和時序變化經過向量投影計算，以轉換為移動平台的偏移量。

在本發明中，電子束聚焦裝置所產生之聚焦電子束的聚焦點大小係決定平台定位系統之解析度，而聚焦電子束之電流值則用以決定時序信號之信噪比。再者，為增加信噪比，更可採用具有多瓣漸寬標記之對位圖樣，藉以增加掃描時之取樣速度。

圖10所示為本發明一實施例平台定位方法之流程圖，如圖所示，平台定位方法包含：於一移動平台上固定一對位圖樣，此為步驟S40，其中對位圖樣包含四漸寬標記，其係呈放射狀排列；利用一聚焦電子束對對位圖樣進行二維圖案掃描，且產生一反射之電子訊號，此為步驟S42；利用一電子偵測單元偵測反射之電子訊號，此為步驟S44；解讀反射之電子訊號，並產生一時序信號，此為步驟S46；以及依據對位圖樣形狀、掃描路徑及時序信號中之複數脈波的寬度，計算出對位圖樣之位置隨時間的偏移量，此為步驟S48，進而調整移動平台予以修正。

於本發明中，利用聚焦電子束對特定對位圖樣進行掃描，並利用電子偵測單元偵測掃描對位圖樣所產生之反射電子訊號，藉以進一步判定對位圖樣是否位移，以便調整移動平台予以修正，使修正後之移動平台上的對位圖樣被掃描時可得到預設之正確讀取的時序信號。此種平台定位系統及其方法可應用於複雜結構之多維度移動平台之奈米級定位，並克服移動平台進行旋轉或多移動軸的作動時，所面臨之機械定位漂移的問題。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

10．．．平台定位系統

12．．．對位圖樣

121、121a、121b、121c、121d．．．扇形標記

122．．．間距

123a、123b、123c．．．扇形標記

14．．．移動平台

16．．．電子束聚焦裝置

18．．．聚焦電子束

20．．．電子訊號

22．．．電子偵測單元

24．．．控制單元

26．．．掃描單元

28．．．圓形軌跡掃描

30、30’、30”、50、50’．．．時序信號

32．．．脈波

32a、32b、32c、32d．．．脈波

32a’、32b’、32c’、32d’．．．脈波

32a”、32b”、32c”、32d”．．．脈波

52a、52b、52c．．．脈波

52a’、52b’、52c’．．．脈波

o．．．放射中心

34．．．凹槽

36．．．波動

S40、S42、S44、S46、S48．．．步驟

圖1所示為本發明一實施例平台定位系統之方塊示意圖。

圖2所示為本發明一實施例之對位圖樣及圓形軌跡掃描示意圖。

圖3所示為本發明一實施例之時序信號示意圖。

圖4a至圖4c所示為本發明三種實施例之對位圖樣與圓形軌跡掃描對應示意圖。

圖5a至圖5c所示分別為依據圖4a至圖4c所示之圓形軌跡掃描讀取對位圖樣所產生之時序信號示意圖。

圖6所示為本發明又一實施例之對位圖樣及圓形軌跡掃描示意圖。

圖7所示為本發明又一實施例之時序信號示意圖。

圖8a及圖8b所示為本發明另一實施例之對位圖樣及圓形軌跡掃描示意圖。

圖9a及圖9b所示分別為依據圖8a至圖8c所示之圓形軌跡掃描讀取對位圖樣所產生之時序信號示意圖。

圖10所示為本發明一實施例平台定位方法之流程圖。

10．．．平台定位系統

14．．．移動平台

16．．．電子束聚焦裝置

18．．．聚焦電子束

20．．．電子訊號

22．．．電子偵測單元

24．．．控制單元

26．．．掃描單元

Claims (23)

1. 一種平台定位系統，包含：一對位圖樣，設置於一移動平台上，該對位圖樣包含複數個且呈放射狀排列之漸寬標記，且相鄰該漸寬標記之間具有一間距；一電子束聚焦裝置，產生一聚焦電子束；一掃描單元，連接該電子束聚焦裝置，用以調整該聚焦電子束對該對位圖樣進行二維圖案掃描，以便產生一反射之電子訊號；一電子偵測單元，偵測該反射之電子訊號；以及一控制單元，連接該移動平台、該電子束聚焦裝置、該掃描單元及該電子偵測單元，其中該聚焦電子束經該二維圖案掃描讀取該些漸寬標記與讀取該些間距所產生的該反射之電子訊號，經該控制單元解讀產生一時序信號，且該控制單元依據該時序信號中之複數脈波的寬度調整該移動平台的位移。
2. 如請求項1所述之平台定位系統，其中每一該漸寬標記係為一扇形標記。
3. 如請求項2所述之平台定位系統，其中該對位圖樣包含四個該扇形標記。
4. 如請求項2所述之平台定位系統，其中該對位圖樣包含三個該扇形標記，。
5. 如請求項1所述之平台定位系統，其中該些漸寬標記之至少其中之一的表面形成有至少一條凹槽。
6. 如請求項1所述之平台定位系統，其中該二維圖案掃描係為一圓形或橢圓形軌跡掃描，且該圓形或橢圓形軌跡掃描讀取該對位圖樣。
7. 如請求項1所述之平台定位系統，其中該反射之電子訊號包含二次電子訊號及背向散射電子訊號。
8. 一種對位圖樣，應用於一平台定位系統中，該對位圖樣係放置於一移動平台上，且與該移動平台上所放置之一樣品維持一定距離，該對位圖樣包含：複數個漸寬標記，其係呈放射狀排列，且相鄰該漸寬標記之間具有一間距。
9. 如請求項8所述之對位圖樣，其中該些漸寬標記係以一放射中心為基準，呈該放射狀排列，且每一該漸寬標記係由該放射中心往遠離該放射中心方向逐漸加寬。
10. 如請求項8所述之對位圖樣，其中每一該漸寬標記係為一扇形標記。
11. 如請求項10所述之對位圖樣，其中該對位圖樣包含四個該扇形標記。
12. 如請求項10所述之對位圖樣，其中該對位圖樣包含三個該扇形標記。
13. 如請求項8所述之對位圖樣，其中該些漸寬標記之至少其中之一的表面形成有至少一條凹槽。
14. 如請求項8所述之對位圖樣，其中該些漸寬標記係為等間距放射狀排列。
15. 一種平台定位方法，包含：於一移動平台上固定一對位圖樣，該對位圖樣包含複數個漸寬標記，其係呈放射狀排列，且相鄰該漸寬標記之間具有一間距；利用一聚焦電子束對該對位圖樣進行二維圖案掃描，且產生一反射之電子訊號；偵測該反射之電子訊號；以及解讀該反射之電子訊號，產生一時序信號，並依據該對位圖樣、該二維圖案掃描及該時序信號中之複數脈波的寬度調整該移動平台的位移。
16. 如請求項15所述之平台定位方法，其中該二維圖案掃描係為一圓形或橢圓形軌跡掃描，且該圓形或橢圓形軌跡掃描讀取該對位圖樣。
17. 如請求項15所述之平台定位方法，其中該反射之電子訊號包含二次電子訊號及背向散射電子訊號。
18. 如請求項15所述之平台定位方法，其中該些漸寬標記係以一放射中心為基準，呈該放射狀排列，且每一該漸寬標記係由該放射中心往遠離該放射中心方向逐漸加寬。
19. 如請求項15所述之平台定位方法，其中每一該漸寬標記係為一扇形標記。
20. 如請求項19所述之平台定位方法，其中該對位圖樣包含四個該扇形標記。
21. 如請求項19所述之平台定位方法，其中該對位圖樣包含三個該扇形標記。
22. 如請求項15所述之平台定位方法，其中該些漸寬標記之至少其中之一的表面形成有至少一條凹槽。
23. 如請求項25所述之平台定位方法，其中該些漸寬標記係為等間距放射狀排列。