专利名称：一种用于光刻机双工件台的三维微位移测量方法及传感装置的制作方法
技术领域：
本发明属于IC制造和超精密测量及加工技术，主要涉及一种用于光刻机双工件台的三维微位移测量方法及传感装置。
背景技术：
光刻是大规模集成电路制造中的核心步骤，宏微双工件台技术是提高光刻机性能的主要手段之一。宏微双重驱动技术作为大行程、高精度、高速定位机构，在国内外研究取得了一定成果。其中，光栅尺和激光干涉仪等光电式方法通过闭环反馈控制在双工件台中有所应用2001年8月机械设计与制造杂志第4期71-72页发表了一篇名为《大行程高精度两极定位工作台的控制方与研究》的文章，该工作台利用单频激光干涉仪实现闭环位置反馈，可以实现500mm的工作行程内20nm的重复定位精度；2005年，光学精密工程报第13卷第2期171-178页发表了一篇名为《一种宏微双重驱动精密定位机构的建模与控制》的文章，提出一种宏微双重驱动精密定位机构，采用精密光栅尺反馈微动平台输出端的位置信号，实现定位机构的全闭环反馈控制，实现IOOmm工作行程内IOnm的重复定位精度。上述测量装置解决了一些双工件台运动控制中的一些实际问题，但是主要针对宏微双工件台长距离反馈定位，且光电式传感器价格昂贵，结构复杂，对工作环境要求较高。而针对宏微双工件台Chuck台、掩膜台等特殊位置的短距离检测问题，常见的有电容、电感传感器1999年,仪表技术与传感器报第九期4-5页发表了一篇名为《新型微位移电感传感器设计》的文章，该文章研制了一种新型高精度电感传感器，其分辨率为5nm，测量范围为20 μ m、200 μ m ；1999年，国防科技大学学报第21卷第五期91_94页发表了一篇名为《超精密气浮式电容传感器系统》的文章，该电容传感器系统用于超精密接触式测量系统，其分辨率达O. 01 μ m，测量范围仅为50 μ m ;2005年，传感器技术报低24卷第10期13-16页发表了一篇名为《电容式微位移传感器设计及其应用研究》的文章，采用等电位环和驱动屏蔽电缆技术，设计了电容式微位移传感器，分辨力为O. I μ m，量程为20 μ m。这类电容、电感式传感器分辨率可达lnm，精度可达几个纳米，但局限性是量程都比较小，一般为几十到几百微米不等，且其结构复杂，仪器体积大，易受环境干扰。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足，提出一种用于光刻机双工件台的高速高精度三维微位移测量方法及传感装置，以解决光刻机宏微双工件台Chuck台、掩膜台等特殊位置的监控的问题，达到结构简单、集成度高、易于安装、灵活度高、响应速度快的目的。本发明的目的是这样实现的—种用于光刻机双工件台的三维微位移测量方法，该测量方法步骤如下第一步,光刻机宏微双工件台的宏动机构与微动机构产生相对位移，垂直于霍尔元件表面的磁场分量随相对位移线性改变，相互呈90°相位关系的第一霍尔微位移传感器、第二霍尔微位移传感器和第三霍尔微位移传感器的输出霍尔电压信号变化；第二步，第一霍尔微位移传感器、第二霍尔微位移传感器和第三霍尔微位移传感器的输出霍尔电压信号经外部检测电路的信号调理模块进行放大和滤波处理；获得代表双エ件台宏动机构与宏微双エ件台微动机构相对位移量的大小和方向的电压幅值和相位；第三步，电压幅值和相位经外部检测电路的数据采集模块进行数据的采集和控制，最后送入上位机进行处理和综合。一种用于光刻机双エ件台的ニ维微位移測量传感装置，包括光刻机双エ件台、双エ件台宏动机构、双エ件台微动机构、第一霍尔连接架、第一霍尔微位移传感器、第二霍尔连接架、第二霍尔微位移传感器、第三霍尔微位移传感器、第三霍尔连接架和外部检测电 路；所述的第一、ニ、三霍尔微位移传感器均由动子永磁铁组基座、永磁铁组和定子神化镓霍尔元件组成；其中动子永磁铁组基座固定在双エ件台宏动机构或双エ件台微动机构上，永磁铁组平行水平固装在动子永磁铁组基座上，第一霍尔微位移传感器的定子神化镓霍尔元件安装在第一霍尔连接架的一侧端部上，第二霍尔微位移传感器的定子神化镓霍尔元件安装在第二霍尔连接架的一侧端部上，第三霍尔微位移传感器的定子神化镓霍尔元件安装在第三霍尔连接架的一侧端部上，且三个定子神化镓霍尔元件均平行于永磁铁组的上表面或下表面；第一、ニ、三霍尔微位移传感器的定子砷化镓霍尔兀件的输出端与外部检测电路的输入端相连；第一霍尔连接架、第二霍尔连接架和第三霍尔连接架相互呈90°夹角关系；第一霍尔连接架的另一端固定在双エ件台微动机构上，第二霍尔连接架的另一端固定在双エ件台微动机构上，第三霍尔连接架的另一端固定在双エ件台宏动机构上。外部检测电路包括霍尔传感模块、信号调理模块和数据采集模块；霍尔传感模块由电源稳压电路、压控恒流电路和温度补偿电路组成；信号调理模块由零偏电压电路、仪用放大电路、偏置矫正电路、主放大电路和ニ阶低通滤波电路组成；数据采集模块由A/D芯片、控制芯片和上位机组成；所述的电源稳压电路的输出端与压控恒流电路的电源输入端连接，压控恒流电路的信号输出端与温度补偿电路的信号输入端及第一、ニ、三霍尔微位移传感器的电源输入端连接；第一、ニ、三霍尔微位移传感器的位移信号输出端与仪用放大电路的信号正向输入端连接，零偏电压电路的输出端与仪用放大电路的信号负向输入端连接，偏置矫正电路的输出端与仪用放大电路的基准电压输入端连接，仪用放大电路的信号输出端与主放大电路的信号输入端连接，主放大电路的信号输出端与ニ阶低通滤波电路的信号输入端连接，ニ阶低通滤波电路的输出端与A/D芯片的模拟信号输入端连接；A/D芯片的数字信号输出端与控制芯片的位移信号输入端连接；控制芯片的位移信号输出端与上位机的信号输入端连接；上位机与电脑显示屏相连。与现有技术相比，本发明的特点优势是本发明所述的ー种用于光刻机双エ件台的三维微位移測量方法及測量装置，其特点和优势在于水平放置的永磁铁组产生线性磁场区间，该磁场区间线性度好，线性范围宽，磁场灵敏度高；该装置由动子永磁铁组和定子神化镓霍尔元件，測量相对位移；动子固定于宏微双エ件台宏动机构定子固定于宏微双エ件台微动机构，或定子固定于宏微双エ件台宏动机构动子固定于宏微双エ件台微动机构上，结构简单，阿贝误差小，可直接测得宏微双重驱动平台的位置信号，实现双エ件台精确定位；集成度高，易于安装，主要用于宏微双工件台的Chuck台、掩膜台等特殊位置的监控；灵活度高，可进行一维、二维，甚至三维测量；无触点，寿命长；灵敏度高，分辨率好，响应速度快，可测量±1_的小位移，在量程范围内，线性度优于0.2%。
图I是霍尔效应基本原理不意2是一种用于光刻机双工件台的三维微位移测量方案动力模型结构示意3是霍尔效应微位移测量方案意4是外部检测电路设计流程示意中件号1-光刻机双工件台；2_双工件台宏动机构；3_双工件台微动机构； 4-第一霍尔连接架；5_第一霍尔微位移传感器；6_第二霍尔连接架；7_第二霍尔微位移传感器；8_第三霍尔微位移传感器；9_第三霍尔连接架；10_外部检测电路；10-1-霍尔传感模块；10_1_1_电源稳压电路；10-1-2-压控恒流电路；10_1_3_温度补偿电路；10_2-信号调理模块；10-2-1-零偏电压电路；10-2-2-仪用放大电路；10-2-3-偏置矫正电路；10-2-4-主放大电路；10-2-5-二阶低通滤波电路；10-3-数据采集模块；10-3_1-A/D芯片；10-3-2-控制芯片；10-3-3-上位机；11-动子永磁铁组基座；12-永磁铁组；13-定子砷化镓霍尔元件；
具体实施例方式下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述请参阅图2，本发明的一种实施例，一种用于光刻机双工件台的二维微位移测量传感装置，包括光刻机双工件台I、双工件台宏动机构2、双工件台微动机构3、第一霍尔连接架4、第一霍尔微位移传感器5、第二霍尔连接架6、第二霍尔微位移传感器7、第三霍尔微位移传感器8、第三霍尔连接架9和外部检测电路10 ;所述的第一、二、三霍尔微位移传感器
5、7、8均由动子永磁铁组基座11、永磁铁组12和定子砷化镓霍尔元件13组成；其中动子永磁铁组基座11固定在双工件台宏动机构2或双工件台微动机构3上，永磁铁组12平行水平固装在动子永磁铁组基座11上，第一霍尔微位移传感器5的定子砷化镓霍尔元件13安装在第一霍尔连接架4的一侧端部上，第二霍尔微位移传感器7的定子砷化镓霍尔元件13安装在第二霍尔连接架6的一侧端部上，第三霍尔微位移传感器8的定子砷化镓霍尔元件13安装在第三霍尔连接架9的一侧端部上，且三个定子砷化镓霍尔元件13均平行于永磁铁组12的上表面或下表面；第一、二、三霍尔微位移传感器5、7、8的定子砷化镓霍尔兀件13的输出端与外部检测电路10的输入端相连；第一霍尔连接架4、第二霍尔连接架6和第三霍尔连接架9相互呈90°夹角关系；第一霍尔连接架4的另一端固定在双工件台微动机构3上，第二霍尔连接架6的另一端固定在双工件台微动机构3上，第三霍尔连接架9的另一端固定在双工件台宏动机构2上。图4为外部检测电路设计流程示意图，外部检测电路10包括霍尔传感模块10-1、信号调理模块10-2和数据采集模块10-3 ;霍尔传感模块10-1由电源稳压电路10-1-1、压控恒流电路10-1-2和温度补偿电路10-1-3组成；信号调理模块10-2由零偏电压电路10_2_1、仪用放大电路10_2_2、偏置矫正电路10_2_3、主放大电路10_2_4和二阶低通滤波电路10-2-5组成；数据采集模块10-3由A/D芯片10_3_1、控制芯片10_3_2和上位机10-3-3组成；所述的电源稳压电路10-1-1的输出端与压控恒流电路10-1-2的电源输入端连接，压控恒流电路10-1-2的信号输出端与温度补偿电路10-1-3的信号输入端及第一、ニ、三霍尔微位移传感器5、7、8的电源输入端连接；第一、ニ、三霍尔微位移传感器5、7、8的位移信号输出端与仪用放大电路10-2-2的信号正向输入端连接，零偏电压电路10-2-1的输出端与仪用放大电路10-2-2的信号负向输入端连接，偏置矫正电路10-2-3的输出端与仪用放大电路10-2-2的基准电压输入端连接，仪用放大电路10-2-2的信号输出端与主放大电路10-2-4的信号输入端连接，主放大电路10-2-4的信号输出端与ニ阶低通滤波电路10-2-5的信号输入端连接，ニ阶低通滤波电路10-2-5的输出端与A/D芯片10_3_1的模拟信号输入端连接；A/D芯片10-3-1的数字信号输出端与控制芯片10-3-2的位移信号输入端连接；控制芯片10-3-2的位移信号输出端与上位机10-3-3的信号输入端连接；上位机10-3-3与电脑显示屏相连。结合图I、图3说明本发明的微位移測量方法。图I为霍尔效应基本原理示意图，将半导体金属片置于垂直于其表面的磁场B中，当有电流i沿ab方向流过时，在垂直于电流i和磁场B的方向Cd上将产生霍尔输出电压UH，这种物理现象称为霍尔效应；电流i恒 定，则霍尔输出电压UH与磁场强度B成正比；图3是霍尔效应微位移測量方案示意图，平行水平放置的永磁铁组12产生沿垂直于磁铁上表面方向的线性磁场区间Bz，神化镓霍尔元件13平行于永磁铁组12上表面，永磁铁组12作为动子固定在宏微双エ件台宏动机构2或宏微双エ件台微动机构3上，神化镓霍尔元件13作为定子固定在宏微双エ件台微动机构3或宏微双エ件台宏动机构2上，当光刻机双エ件台宏动机构2与微动机构3产生相对位移吋，霍尔输出电压信号随该相对位移线性变化；通过相互垂直的三个霍尔微位移传感器第一霍尔微位移传感器5和第二霍尔微位移传感器7第三霍尔微位移传感器8可测得双エ件台宏动机构2和双エ件台微动机构3的三维相对位置变化。其測量方法步骤为第一歩，光刻机宏微双エ件台宏动机构2与微动机构3产生相对位移,垂直于砷化镓霍尔兀件13表面的磁场分量Bz随相对位移线性改变，第一霍尔微位移传感器5、第二霍尔微位移传感器7和第三霍尔微位移传感器9的输出霍尔电压信号变化；第二步，第一霍尔微位移传感器5、第ニ霍尔微位移传感器7和第三霍尔微位移传感器9的输出霍尔电压信号经外部检测电路10的信号调理模块10-2进行放大和滤波处理；电压幅值和相位代表宏微双エ件台宏动机构2与宏微双エ件台微动机构3相对位移量的大小和方向；第三步，经外部检测电路10的数据采集模块10-3进行数据的采集和控制，最后送入上位机10-3-3进行处理和综合。
权利要求
1.一种用于光刻机双工件台的三维微位移测量方法，其特征在于方法步骤为 第一步，光刻机宏微双工件台的宏动机构与微动机构产生相对位移，垂直于霍尔兀件表面的磁场分量随相对位移线性改变，相互呈90°相位关系的第一霍尔微位移传感器、第二霍尔微位移传感器和第三霍尔微位移传感器的输出霍尔电压信号变化； 第二步，第一霍尔微位移传感器、第二霍尔微位移传感器和第三霍尔微位移传感器的输出霍尔电压信号经外部检测电路的信号调理模块进行放大和滤波处理；获得代表双工件台宏动机构与宏微双工件台微动机构相对位移量的大小和方向的电压幅值和相位； 第三步，电压幅值和相位经外部检测电路的数据采集模块进行数据的采集和控制，最后送入上位机进行处理和综合。
2.一种用于光刻机双工件台的二维微位移测量传感装置，包括光刻机双工件台(I)、双工件台宏动机构(2)和双工件台微动机构(3)，其特征在于该装置还包括第一霍尔连接架(4)、第一霍尔微位移传感器(5)、第二霍尔连接架(6)、第二霍尔微位移传感器(7)、第三霍尔微位移传感器(8)、第三霍尔连接架(9)和外部检测电路(10);所述的第一、二、三霍尔微位移传感器(5、7、8)均由动子永磁铁组基座(11)、永磁铁组(12)和定子砷化镓霍尔元件(13)组成；其中动子永磁铁组基座(11)固定在双工件台宏动机构(2)或双工件台微动机构(3)上，永磁铁组(12)平行水平固装在动子永磁铁组基座(11)上，第一霍尔微位移传感器(5)的定子砷化镓霍尔元件(13)安装在第一霍尔连接架(4)的一侧端部上，第二霍尔微位移传感器(7)的定子砷化镓霍尔元件(13)安装在第二霍尔连接架(6)的一侧端部上，第三霍尔微位移传感器(8)的定子砷化镓霍尔元件(13)安装在第三霍尔连接架(9)的一侧端部上，且三个定子砷化镓霍尔元件(13)均平行于永磁铁组(12)的上表面或下表面；第一、二、三霍尔微位移传感器(5、7、8)的定子砷化镓霍尔元件(13)的输出端与外部检测电路(10)的输入端相连；第一霍尔连接架(4)、第二霍尔连接架(6)和第三霍尔连接架(9)相互呈90°夹角关系；第一霍尔连接架(4)的另一端固定在双工件台微动机构(3)上，第二霍尔连接架￠)的另一端固定在双工件台微动机构(3)上，第三霍尔连接架(9)的另一端固定在双工件台宏动机构(2)上。
3.根据权利要求2所述的一种用于光刻机双工件台的三维微位移测量传感装置，其特征在于外部检测电路(10)包括霍尔传感模块(10-1)、信号调理模块(10-2)和数据采集模块(10-3);霍尔传感模块(10-1)由电源稳压电路(10-1-1)、压控恒流电路(10-1-2)和温度补偿电路(10-1-3)组成；信号调理模块(10-2)由零偏电压电路(10-2-1)、仪用放大电路(10_2_2)、偏置矫正电路(10_2_3)、主放大电路(10_2_4)和二阶低通滤波电路(10-2-5)组成；数据采集模块(10-3)由A/D芯片(10_3_1)、控制芯片(10_3_2)和上位机(10-3-3)组成；所述的电源稳压电路(10-1-1)的输出端与压控恒流电路(10-1-2)的电源输入端连接，压控恒流电路(10-1-2)的信号输出端与温度补偿电路(10-1-3)的信号输入端及第一、二、三霍尔微位移传感器(5、7、8)的电源输入端连接；第一、二、三霍尔微位移传感器(5、7、8)的位移信号输出端与仪用放大电路(10-2-2)的信号正向输入端连接，零偏电压电路(10-2-1)的输出端与仪用放大电路(10-2-2)的信号负向输入端连接，偏置矫正电路(10-2-3)的输出端与仪用放大电路(10-2-2)的基准电压输入端连接，仪用放大电路(10-2-2)的信号输出端与主放大电路(10-2-4)的信号输入端连接，主放大电路(10-2-4)的信号输出端与二阶低通滤波电路(10-2-5)的信号输入端连接，二阶低通滤波电路(10-2-5)的输出端与A/D芯片(10-3-1)的模拟信号输入端连接；A/D芯片(10_3_1)的数字信号输出端与控 制芯片(10-3-2)的位移信号输入端连接；控制芯片(10-3-2)的位移信号输出端与上位机(10-3-3)的信号输入端连接；上位机(10-3-3)与电脑显示屏相连。
全文摘要
一种用于光刻机双工件台的三维微位移测量方法及其传感装置，属于IC制造和超精密测量及加工装备，其测量方法是霍尔微位移传感器的输出霍尔电压信号随宏、微双工件台相对位移呈线性变化，通过相互呈90°相位关系的三个霍尔微位移传感器测量三维微位移，外部检测电路处理并综合三个霍尔传感器的输出信号完成测量；其装置解决了光刻宏微双重驱动机构Chuck台、掩膜台等特殊位置高速高精度相对位置检测的问题，具有无触点、线性好、可集成度高、可移植力强的特点，且可实现一维、二维或三维等多维度测量，适应光刻系统的环境要求。
文档编号G03F7/20GK102866597SQ20121038542
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者王雷, 赵勃, 陈彦均 申请人:哈尔滨工业大学