一种掩模台平衡块合质心防飘移运动控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光刻机掩模台的运动精度控制方法，尤其涉及掩模台平衡块合质 心防飘移运动控制方法，属于半导体装备技术领域。
【背景技术】
[0002] 光刻机掩模台要实现纳米级的运动控制精度，使用安装在基台上的测量单元（多 轴激光干涉仪)进行多自由度的纳米级位置测量。光刻机掩模台扫描过程可以分为加速、扫 描、减速三个阶段，在加速和减速段，粗动台在加速或者减速运动时对应产生一个较大的反 作用力于平衡块和基台，从而导致平衡块和基台的振动，通过其他基台部件，振动传递到系 统的测量单元，进而产生测量误差，恶化控制性能。
[0003] 为了减弱粗动台运动反作用力带来的振动影响，避免粗动台运动的反作用力直接 作用在基台上，基台与粗动台之间通过平衡块进行连接，根据动量守恒定律，利用平衡块系 统抵消粗动台运动时产生的一部动量。具体而言，平衡块下表面通过第一气浮轴承与基台 连接，平衡块上表面通过第二气浮轴承与粗动台动子连接。粗动台沿y轴方向运动，产生的 反作用力会最终作用到平衡块上，使平衡块产生反方向的运动。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种掩模台平衡块合质心防飘移运动控制方法，实现实时调 整平衡块y向自由度漂移量，防止过度漂移，同时使平衡块的漂移不能对微动台、粗动台的 正常运行产生干扰，以及避免使基台产生较大的振动，影响激光干涉仪的测量。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] -种掩模台平衡块合质心防飘移运动控制方法，所述掩模台包含一个基台、一个 沿y方向自由度运动的平衡块、一个微动台和对称布置在微动台两侧的粗动台、测量单元、 防漂移驱动单元和控制单元;所述平衡块下表面通过第一气浮轴承与基台连接，平衡块上 表面通过第二气浮轴承与粗动台动子连接;粗动台和微动台采用无接触式粗精叠层结构连 接;所述防漂移驱动单元包括:沿y向布置的第一防漂移直线电机和第二防漂移直线电机； 所述控制单元含有控制程序的工控机、光栅计数卡和D/A卡和驱动器，其特征在于该方法包 括如下步骤：
[0007] 1)在伺服周期开始，设定平衡块和粗动台合质心位移为零，在平衡块两侧分别布 置第一平衡块绝对光栅尺和第二平衡块绝对光栅尺，采用光栅计数卡分别采集第一平衡块 绝对光栅尺和第二平衡块绝对光栅尺的信号，算数平均得到平衡块相对于基台的y向相对 位移信号y b;
[0008] 2)在沿粗动台运动的平衡块内侧布置第一粗动台绝对光栅尺和第二粗动台绝对 光栅尺;采用光栅计数卡分别采集第一粗动台绝对光栅尺和第二粗动台绝对光栅尺的信 号，算数平均得到粗动台相对于平衡块的y向相对位移信号y r;
[0009] 3)由位移信号yb和yr计算得到平衡块与粗动台合质心位移y。％，计算表达式为：
[0010] mb + m,
[0011]其中ycx)g为合质心位移，yb为平衡块质心位移，yc; = yb+yr为粗动台质心位移，m。为粗 动台动子质量，mb为粗动台直线电机定子、平衡块与导轨的质量之和；
[0012]以(mb+mc)ycQg作为反馈的信号，负反馈得到合质心的位移偏差 ecQg，表达式为：
[001 3] 6cog - 0_(Hlb+nic ) y"cog
[0014] 4)采用基于非线性刚度的变增益控制算法对合质心的位移偏差~。8进行处理，其 中变增益项Φ (e?g)表达式为：
[0015]
[0016] 式中aP为偏置系数，bp为放大系数，cP为上升速率系数，e?g为合质心的位移偏差；
[0017] 5)将变增益项的输出信号通过平衡块线性控制器处理后，得到防漂移电机的控制 指令，通过电流分配解耦，该控制指令由D/A卡进行数模转换后输入至驱动器，驱动器成比 例地输出电流驱动防漂移电机；
[0018] 6)在下一个伺服周期，重复1)至5)步骤，进而驱动平衡块向设定位置运动。
[0019] 本发明所述的平衡块线性控制器采用PID控制器、超前滞后控制器或鲁棒控制器。
[0020] 本发明具有以下优点及突出性的技术效果:本发明提供的掩模台平衡炔基于平衡 块和粗动台合质心的运动控制方法能够有效消除粗动台直线电机反作用力对基台的影响， 所提出的合质心防漂移运动控制方法既能保证平衡块在粗动台直线电机运动过程中不产 生超过极限范围的漂移，又能够避免将较大的反作用力传递至基台上。
【附图说明】
[0021 ]图1为本发明掩模台结构原理示意图（轴测图）。
[0022]图2为本发明掩模台结构俯视图。
[0023]图3为本发明平衡块结构原理示意图（轴测图）。
[0024]图4为本发明平衡块结构仰视图。
[0025]图5为本发明平衡块合质心控制原理结构框图。
[0026] 图6为本发明平衡块合质心控制框图。
[0027] 图7为本发明平衡块合质心控制方法程序流程框图。
[0028] 图中：1-基台；2-平衡块;3-粗动台；4-微动台；5a_第一平衡块绝对光栅尺;5b_第 二平衡块绝对光栅尺;6a_第一粗动台绝对光栅尺;6b_第二粗动台绝对光栅尺;7-第二气浮 轴承;8-第一气浮轴承;9a_第一防漂移电机;9b_第二防漂移电机；Φ( ·)_非线性刚度的变 增益项。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明的原理、结构和工作过程来进一步说明本发明。
[0030]图1为本发明掩模台结构原理示意图（轴测图），图2为掩模台结构原理俯视图。该 掩模台包含一个基台1、一个沿y方向自由度运动的平衡块2、粗动台3和一个微动台4,以及 测量单元、防漂移驱动单元和控制单元。
[0031]平衡块2的下表面通过第一气浮轴承8与基台1连接，平衡块上表面通过第二气浮 轴承7与粗动台动子连接;粗动台3和微动台4采用无接触式粗精叠层结构连接;测量单元包 括:位于平衡块2两侧的第一平衡块绝对光栅5a和第二平衡块绝对光栅5b，用于测量平衡块 2沿y向的相对于基台1的位移;第一粗动台绝对光栅尺6a、第二粗动台绝对光栅尺6b位于粗 动台两侧导轨处，用于测量粗动台3沿y向相对于平衡块2的位移。
[0032]图3为平衡块结构原理示意图（轴测图），图4为平衡块结构仰视图。防漂移驱动单 元包括:沿y向布置的第一防漂移直线电机9a、第二防漂移直线电机％，用于驱动平衡块沿y 向的防漂移运动。平衡块两侧安装第一平衡块绝对光栅5a、第二平衡块绝对光栅5b，对应读 数头安装在基台上。平衡块上粗动台运动导轨处安装第一粗动台绝对光栅尺6a、第二粗动 台绝对光栅尺6b，对应光栅尺读数头安装在粗动台上。
[0033] 为避免粗动台3直线电机反作用力直接作用在基台1上，在掩模台中增加了平衡块 2,平衡块2的下表面通过第一气浮轴承8与基台1连接，平衡块2上表面通过第二气浮轴承7 与粗动台动子连接，使平衡块与基台，以及平衡块与粗动台之间无摩擦自由运动。本发明掩 模台平衡块和粗动台的质量之比为20:1，当粗动台直线电机产生推力时，其反作用力会使 平衡块成比例地朝相反的方向运动，理想情况下，当粗动台直线电机往复运动回到初始位 置时，平衡块也会回到对应初始位置，但由于加工安装误差、外界扰动等因素，平衡块在运 动过程中会产生位置漂移。为控制平衡块的位置，平衡块周围布置氨脂硬限位，使其不超出 平衡块的极限远动范围y向±30mm。防漂移驱动单元，包括沿y向的第一防漂移直线电机9a、 第二防漂移直线电机9b。防漂移驱动单元一方面要确保平衡块不发生过度漂移，另一方面 不能对粗动台、微动台的精密运动控制产生干扰。
[0034] 图5为平衡块合质心控制原理结构框图。控制单元包括含有控制程序的工控机、光 栅计数卡、D/A卡和驱动器，控制单元通过光栅计数卡分别采集第一平衡块绝对光栅5a、第 二平衡块