双自由度主动减振装置及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及集成电路制造领域，尤其涉及一种双自由度主动减振装置及控制方 法。
【背景技术】
[0002] 随着大规模集成电路制造业的发展，以光刻机为代表的纳米加工设备集成了光、 机、电等多个学科的尖端技术，代表了先进制造技术的最高成就。由于以光刻机为代表的纳 米加工设备涉及到纳米曝光、定位与测量，其对振动的、温度、湿度和颗粒等环境控制的要 求及其严格，减振技术就是其中的关键技术之一。早期的光刻机及精密加工设备采用的是 被动减振系统，减振元件有金属弹簧、橡胶和空气弹簧，有时会附加一些阻尼结构。这些减 振系统结构简单，易于实现，缺点是一旦设计完成，其参数很难更改，因而只能对某一特定 的窄频段振动起到衰减作用，而对于隔振对象状态变化较大和振动干扰时变性较强的场合 不太适合；同时，由于稳定性的限制，被动隔振也无法对低频振动进行衰减。随着高端光刻 机的及纳米加工设备的出现，其工作环境更加复杂，被动减振系统对设备的低频振动隔离 和位置稳定性控制已经无能为力，设备内部的干扰力也无法削弱。基于上述原因，将主动隔 振系统应用到光刻机等纳米加工设备中，将会克服被动隔振系统的局限性。主动减振系统 是利用作动器在被动减振系统中加入主动控制，达到衰减系统低频振动和抵消扰动力的作 用，从而实现系统的制振和隔振功能，使系统在1?低频域沮围均能实现较好的减振效果和 稳定性。正是由于这个特点，主动减振系统在光刻机上得到了广泛的应用，其关键技术发展 成为减振系统研究的热点，在先进制造行业具有普遍意义。
[0003] 光刻机主要是工件台携带硅片或玻璃基板等在投影物镜下随掩模台保持同步运 动，并完成精确的曝光工作。光刻机投影物镜通过支撑装置安装于整机框架上，框架振动 (包含地基振动、执行器反力引起的振动等）通过支撑装置传递至投影物镜，导致投影物镜 结构振动、引起成像的短期误差，危害曝光精度。为隔离外部振动通过主基板向投影物镜 传递，投影物镜与主基板之间采用柔性支撑装置连接。柔性机械结构占用空间小，其各向刚 度的大小决定能够隔离框架振动的水平；同时柔性机构支撑几百到上千公斤的投影物镜质 量，需保证最大应力在材料许用应力安全范围，因此结构设计具有一定的挑战性。
[0004] 专利CN102162500A提出了一种垂向主动减振装置和一种垂向及水平向主动减振 装置。主动减振元件采用压电陶瓷块结构，其中压电块的预压紧力由折叠弹簧提供，被动减 振元件采用的是柔性铰链结构，整个装置关于中心线轴对称。压电陶瓷材料是一种同时兼 具正、逆机电耦合特性的智能材料，若对其施加作用力，则在它的两个电极上将感应产生等 量的异种电荷。反之，当它受到外加电压的作用时，便会产生机械变形。基于这一特性，压 电陶瓷材料在振动主动控制中被广泛用作传感器和作动器。该专利中的压电陶瓷块由压电 传感器和压电作动器组成，两部分封装成一个整体。因此压电陶瓷块不仅能够检测由振动 产生的力，而且能够抑制振动。压电陶瓷块在垂向能够承载和施加很大的力，但它不能承受 水平向的剪切力和垂向的拉伸力。压电陶瓷块安装在柔性结构中的两个方孔内，采用粘合 剂将压电陶瓷块的位置固定。当压电陶瓷块处于方孔中时，折叠弹簧处于垂向拉伸状态，因 此对压电陶瓷块施加了一定的预紧力，以防止其受到拉伸力的作用而造成损坏。压电陶瓷 块中的压电传感器检测到由振动产生的力后，将测量信号传给控制器，控制器经过一套控 制算法后进而将控制信号输出给压电作动器以驱动其进行主动振动抑制。应用时，主动减 振装置的上表面与需要进行减振的设备相连，下表面与外界环境相连。
[0005] 当柔性结构中的压电陶瓷块采取水平向布置时，可实现垂向主动减振，但对消除 其它方向振动无能为力。压电陶瓷块倾斜布置时可实现水平向和垂向主动减振。虽然设计 中增加了柔性铰链结构，但是这并不能抑制切向力对压电陶瓷块的作用，压电陶瓷块长期 处于切向力作用下将会降低其使用寿命，严重时甚至会损坏，而且被隔离设备同时受到水 平向和垂向振动时，这种结构无法实现解耦控制，垂向和水平向减振控制相互影响。本发明 旨在提供一种垂向和水平向减振解耦的柔性结构，并通过相应的控制算法实现减振控制， 将振动的幅值降低到一定范围内。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种双自由度主动减振装置及控制方法，能够实现垂向和 水平向解耦的减振，并分别经过减振控制算法，实现主动减振控制，以达到纳米级加工设备 的振动要求。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提出了一种双自由度主动减振装置，用于对光刻机进 行减振处理，所述装置包括一柔性结构，所述柔性结构位于光刻机的投影物镜和主基板之 间，所述柔性结构包括：第一压电陶瓷块、第二压电陶瓷块和第三压电陶瓷块；所述第一压 电陶瓷块和第二压电陶瓷块位于同一水平线上；所述第三压电陶瓷块位于所述第一压电陶 瓷块和第二压电陶瓷块所在的水平线外；并与所述第一压电陶瓷块和第二压电陶瓷块通过 铰链相连；所述第一压电陶瓷块和第二压电陶瓷块通过第一预紧弹簧提供预紧力；所述第 三压电陶瓷块通过第二预紧弹簧提供预紧力；所述第一压电陶瓷块、第二压电陶瓷块和第 三压电陶瓷块位于所述柔性结构内部的方孔内；所述第一压电陶瓷块、第二压电陶瓷块和 第三压电陶瓷块上均连接有压电力传感器。
[0008] 进一步的，在在所述的双自由度主动减振装置中，所述装置还包括限位机构和阻 尼器，所述限位机构固定在所述光刻机的主基板上，所述阻尼器固定于所述光刻机的投影 物镜和主基板之间，且一端连接于所述投影物镜，另一端连接于所述主机板。
[0009] 进一步的，在在所述的双自由度主动减振装置中，所述第一预紧弹簧和第二预紧 弹簧均包括凹槽和圆孔，所述圆孔和凹槽相连。
[0010] 进一步的，在在所述的双自由度主动减振装置中，所述第一预紧弹簧为垂向预紧 弹簧；所述第二预紧弹簧为水平向预紧弹簧，所述垂向预紧弹簧和水平向预紧弹簧均成对 且对称设置。
[0011] 进一步的，在所述的双自由度主动减振装置中，所述垂向预紧弹簧内的凹槽为水 平向凹槽，所述水平向预紧弹簧内的凹槽为垂向凹槽。
[0012] 进一步的，在所述的双自由度主动减振装置中，所述第三压电陶瓷块位于所述第 一压电陶瓷块和第二压电陶瓷块的水平向直线的垂直法线上。
[0013] 进一步的，本发明还提出了一种双自由度主动减振的控制方法，采用如上文所述 的任意一种双自由度主动减振装置，所述控制方法包括：
[0014] 测量出所述柔性结构受到的作用力F_ ;
[0015] 将所述作用力F_与参考力Fraf的差值传输至反馈控制器中；
[0016] 由所述反馈控制器对差值Fot进行处理后得到控制信号作用至所述柔性结构上。
[0017] 进一步的，在所述的双自由度主动减振的控制方法中，所述反馈控制器对差值Fot 进行处理的步骤包括：
[0018] 由刚性模型得出所述柔性结构的位移Xart与差值Fm的关系，
[0019] Xact (t) = KpFerr ⑴
[0020] 其中，Kp为柔性结构刚度的倒数，当作用力Fsot随时间变化时，其关系式为，由柔性 结构的位移X art与差值F_的关系得到控制信号作用至所述柔性结构上。
[0021] 进一步的，在所述的双自由度主动减振的控制方法中，所述双自由度主动减振的 控制方法为反馈式控制方法。
[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：柔性结构能够将垂向和水平向 振动解耦，并分别经过减振控制算法，实现主动减振控制，以达到纳米级加工设备的振动要 求，使用这种主动减振装置和控制算法的机构其减振效果达到了 10~20dB，很好的降低了 振动对光刻机动态性能的影响，保证了投影物镜的成像质量，进而提高了光刻工艺的精度。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明一实施例中光刻机和双自由度主动减振装置的结构示意图；
[0024] 图2为本发明一实施例中柔性结构的结构示意图；
[0025] 图3为本发明一实施例中双自由度主动减振控制方法的方框图。
【具体实施方式】
[0026] 下面将结合示意图对本发明的双自由度主动减振装置及控制方法进行更详细的 描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本 发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的 广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
[0027] 为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能 和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开 发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的 限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费 时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
[0028] 在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要 求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非 精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0029] 光刻机10系统在工作过程中，工件台和掩模台分别以投影物镜11的两面一轴 (物面、焦面和光轴）为基准，在控制系统的驱动下，按要求的精度实现工件台与掩模台之 间的相对位置，以及两者相对投影物镜11的位置。由于光刻机10高定位精度、高同步运动 精度的特点，任何外界振动的传入和内部振动的干扰，都会引起两者之间或者两者相对投 影物镜11位置的短暂错位，这将会严重影响光刻质量。引起系统内部微振动并引发错位的 主要因素有地基振动的传入，步进或者扫描过程中产生的反作用力和力矩，以及内部世界 (气液管路和气膜的振动）和外部世界的随机噪音等。为了消除各种振动因素对光刻机10 曝光质量的影响，就要对整机系统采取有效的隔振和减振措施。通常的解决办法是设法将 光刻机10的曝光单元（主要包括照明系统、掩模台、投影物镜11和工件台）通过一套减振 器16同安装地基18隔离开来，这样就可以避免外界的振动通过