[發明專利]一種無接觸式單自由度定位裝置及其同步運動控制方法

有效

• 申請號: 201210179247.5
• 申請日: 2012-06-01
• 公開（公告）號: CN102722086A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 朱煜;楊開明;李鑫;崔樂卿;胡金春;張鳴;徐登峰;穆海華;尹文生;余東東
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G03F7/20
• 分類號: G03F7/20;G05D3/12;H01L21/68
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

技術領域

本發明涉及一種無接觸式粗精動疊層結構及定位裝置的運動控制方法，主要應用于半導體光刻設備中，屬于超精密加工和檢測設備技術領域。

背景技術

具有納米級運動定位精度的超精密微動臺是半導體裝備關鍵部件之一，如光刻機中的硅片臺、掩模臺等。為實現超精密定位要求，以氣浮和磁浮約束為支撐方式的執行單元作為一種超精密運動臺被廣泛應用。氣浮約束作為支撐和導向作用時，減小了機械結構傳動引起的摩擦力等作用，提高了系統運動定位精度。以直線電機為驅動單元時，由通電線圈在永磁陣列氣隙磁場中產生的洛侖茲力提供驅動力，通過控制線圈中電流大小來改變執行單元的推力，具有結構簡單等優點。

目前光刻機中掩模臺粗動臺結構通常包括兩個直線電機，兩個直線電機之間通過連接梁連接在一起，實現沿Y軸方向的同步運動。一方面連接梁增加了結構設計的復雜性，增加了系統結構質量，較大的質量將影響系統運動響應性能，另一方面，當結構運動時，如果兩個粗動臺沿Y軸方向存在位置偏差，由于連接梁的作用，使得兩個粗動平臺之間產生作用力與反作用力的耦合，使得兩個粗動平臺的性能相互影響，影響系統的運動定位精度。因此采用無連接梁形式的粗動臺，并設計出針這種無機械接觸的粗動臺同步運動控制方法具有重要意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種應用于光刻機掩模臺粗動臺中種無接觸式單自由度定位裝置及其同步運動控制方法。

本發明的技術如下：

一種無接觸式單自由度定位裝置，該定位裝置包括兩個沿Y軸方向運動的粗動臺，同時該兩個粗動臺之間無機械連接。每個粗動臺包括一個直線電機、一個支撐元件和一個導向元件；粗動臺在洛侖茲力作用下沿Y軸運動；支撐元件的下表面與基架的上表面正面相對，支撐元件下表面有氣孔，氣孔軸線沿Z軸方向，在支撐元件與基架之間形成沿Z軸方向的氣浮支撐；導向元件的側面與基架的側面正面相對，導向元件的側面有氣孔，氣孔的軸線沿X軸方向，導向元件與基架之間形成氣浮導向，導向方向沿Y軸方向。

每個粗動平臺各包括一個光柵測量裝置，光柵測量裝置包括一個光柵尺、一個光柵尺安裝架、一個讀數頭和光柵尺調整裝置；光柵尺調整裝置固定于基架上，光柵尺安裝架與光柵尺調整裝置固定連接，通過調整光柵尺調整裝置使光柵尺安裝架的長邊方向沿Y軸方向；光柵尺固定于光柵尺安裝架表面上，光柵條紋沿Y軸方向；光柵讀數頭與直線電機連接，當直線電機沿Y軸運動時，光柵尺用來檢測粗動臺直線電機沿Y軸方向的位置。

根據所述的無接觸式單自由度定位裝置采用了一種同步運動控制方法，所述控制方法包括如下步驟：

1）在伺服周期開始，設定第一光柵尺測量裝置的輸出信號為x₁₀₀₁，作為第一粗動臺的位置反饋，第二光柵尺測量裝置的輸出信號為x₁₀₀₂，以第一光柵尺測量裝置信號和第二光柵尺測量裝置的輸出信號的差值作為第二粗動臺的位置反饋；

2）第一粗動臺和第二粗動臺均以加速度作為控制器前饋，根據設定的位置反饋信號求解每個電機相應的出力，實現第一粗動臺沿Y軸運動，第二粗動臺對第一粗動臺的跟隨運動；電機輸出力按以下公式計算：