[發(fā)明專利]一種基于五桿機構(gòu)的平衡質(zhì)量運動裝置及其控制方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810037800.5
• 申請日: 2008-05-21
• 公開（公告）號: CN101290478A
• 公開（公告）日: 2008-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳立偉;鄒恒杉;呂洋;袁志揚;陳銳
• 申請（專利權(quán)）人: 上海微電子裝備有限公司
• 主分類號: G03F7/20
• 分類號: G03F7/20;G05B11/32;G05D3/12
• 代理公司: 上海思微知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所
• 代理人: 屈蘅;李時云

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光刻設(shè)備的運動裝置，特別涉及光刻設(shè)備的平衡質(zhì)量運動裝置。

背景技術(shù)

光刻機生產(chǎn)過程是一系列的極為復(fù)雜、昂貴、耗時的光刻工藝過程，而光刻機的光刻精度和產(chǎn)率高低直接決定了光刻設(shè)備的設(shè)計和制造。隨著市場對光刻產(chǎn)率需求的提高，且同時要求改善和提高系統(tǒng)的曝光質(zhì)量和曝光精度。在此技術(shù)需求背景下，國外主要光刻設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)均采用了平衡質(zhì)量控制技術(shù)來克服和突破光刻機的工件臺運動時的反作用力外引方式對產(chǎn)率和系統(tǒng)精度的制約。

平衡質(zhì)量控制技術(shù)使得工件臺長行程模塊的負(fù)載質(zhì)量、速度、加速度都相應(yīng)地得到較大幅度地增加。借助平衡質(zhì)量控制技術(shù)，工件臺運動反作用于基礎(chǔ)框架的力會大幅降低，這在很大程度上減少了光刻機系統(tǒng)的減振難度，避免了負(fù)載運動的反作用力對系統(tǒng)曝光的干擾。然而，平衡質(zhì)量技術(shù)的引入使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計趨于復(fù)雜。

目前，工件臺平衡質(zhì)量系統(tǒng)存在雙層和單層平衡質(zhì)量兩種結(jié)構(gòu)，其定位控制的執(zhí)行器系統(tǒng)也主要有兩種方式。一種是采用平衡質(zhì)量直線電機直接驅(qū)動控制方式；另一種是采用旋轉(zhuǎn)電機，借助機構(gòu)運動傳遞來實現(xiàn)平衡質(zhì)量的X、Y、Rz自由度的控制。

對于多自由度的定位臺驅(qū)動控制采用直線電機控制，則需要開發(fā)具有側(cè)向間隙和位移的直線電機，普通直線電機不具有這種功能。這種控制方式的優(yōu)點是三個直線電機可以對X，Y，Rz三個自由度的獨立控制，不存在運動耦合問題，系統(tǒng)無需解耦，其執(zhí)行器系統(tǒng)和測量系統(tǒng)設(shè)計相對簡單，控制策略和控制架構(gòu)方案易于制定。

而采用普通旋轉(zhuǎn)電機通過機構(gòu)運動組合控制平衡質(zhì)量的X，Y，Rz自由度定位，系統(tǒng)需解耦，其執(zhí)行器系統(tǒng)和測量系統(tǒng)設(shè)計相對復(fù)雜些，控制策略和控制架構(gòu)設(shè)計要求相對要高些。但是其硬件方案易于實現(xiàn)，成本較低，系統(tǒng)設(shè)計和軟件設(shè)計可以通過各種手段得到彌補或降低開發(fā)難度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于五桿機構(gòu)的平衡質(zhì)量運動裝置及其控制方法，以實現(xiàn)機構(gòu)運動的完全解耦，提高平衡質(zhì)量的運動控制精度，保證垂直軸向精度達到微弧度精度。

為了達到上述的目的，本發(fā)明提供一種基于五桿機構(gòu)的平衡質(zhì)量運動裝置，包括：平衡質(zhì)量；平衡質(zhì)量框架；氣浮系統(tǒng)；運動限位裝置和平衡質(zhì)量系統(tǒng)運動糾偏與防漂裝置；該平衡質(zhì)量通過該平衡質(zhì)量系統(tǒng)運動糾偏與防漂裝置連接到該平衡質(zhì)量框架上；該平衡質(zhì)量框架置于該氣浮系統(tǒng)上；該運動限位裝置位于該平衡質(zhì)量系統(tǒng)框架的四個頂角點位置上。

該平衡質(zhì)量系統(tǒng)運動糾偏與防漂裝置包括執(zhí)行器系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。該執(zhí)行器系統(tǒng)包括兩組五桿機構(gòu)和四組旋轉(zhuǎn)電機。該兩組五桿機構(gòu)分別包括兩個雙曲柄和兩個連桿，每個雙曲柄兩頭分別連接一組旋轉(zhuǎn)電機和一根連桿，該兩組五桿機構(gòu)關(guān)于該平衡質(zhì)量對偶分布。

該測量系統(tǒng)由四組旋轉(zhuǎn)編碼器通過機構(gòu)運動構(gòu)成。

本發(fā)明還提供一種使用該裝置的方法，該方法可以是獨立運動模式，也可以是跟隨運動模式。

該獨立運動模式中，該平衡質(zhì)量根據(jù)自身獨立的運動軌跡實現(xiàn)平面正交方向及垂直軸向的自由度的單軸運動。

該跟隨運動模式中，該平衡質(zhì)量根據(jù)上層主運動部件的運動軌跡實現(xiàn)平面正交方向、垂直軸向及平面旋轉(zhuǎn)方向的自由度的多軸運動，包括以下步驟：

(1)對上層主運動部件的運動基于平衡質(zhì)量進行絕對測量；

(2)將主運動的設(shè)定值規(guī)劃輸出經(jīng)過乘反向質(zhì)量比增益作為該平衡質(zhì)量平面正交方向的運動參考位置，將主運動設(shè)定值前饋引入到該平衡質(zhì)量平面正交方向跟隨控制的前饋環(huán)路中；

(3)將該平衡質(zhì)量垂直軸向的恒值定位的設(shè)定值位置作為該平衡質(zhì)量垂直軸向的運動參考位置，將該平衡質(zhì)量垂直軸向的設(shè)定值加速度輸入作為該平衡質(zhì)量垂直軸向控制的前饋輸入；

(4)將該平衡質(zhì)量平面旋轉(zhuǎn)方向的恒值定位的設(shè)定值規(guī)劃作為該平衡質(zhì)量平面旋轉(zhuǎn)方向的運動參考位置，將該平衡質(zhì)量平面旋轉(zhuǎn)方向的前饋位置和加速度輸入作為該平衡質(zhì)量平面旋轉(zhuǎn)方向控制的前饋輸入；

(5)該平衡質(zhì)量的執(zhí)行器通過增益平衡解偶實現(xiàn)該平衡質(zhì)量在水平正交方向、垂直軸向及平面旋轉(zhuǎn)方向上的運動。

該執(zhí)行器通過增益平衡解偶實現(xiàn)平衡質(zhì)量在水平正交方向、垂直軸向及平面旋轉(zhuǎn)方向上的運動的方法包括如下步驟：

(1)將傳感器測量轉(zhuǎn)角和測量系統(tǒng)輸出換算成五桿機構(gòu)本身的轉(zhuǎn)動角度；

(2)將控制器輸出轉(zhuǎn)換為鉸支點的力輸出；

(3)根據(jù)五桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)動角度將鉸支點輸出力轉(zhuǎn)換成曲柄端點的受力輸出；