专利名称：一种无接触式粗精动叠层定位系统及其运动控制方法
技术领域：
本发明涉及一种无接触式粗精动叠层定位装置运动控制系统，属于半导体光刻设备领域。
背景技术：
具有纳米级运动定位精度的超精密微动台是半导体装备关键部件之一，如光刻机中的硅片台、掩模台等。为实现超精密定位要求，以气浮和磁浮约束为支撑方式的执行单元作为一种超精密运动台被广泛应用。气浮约束作为支撑和导向作用时，减小了机械结构传动引起的摩擦力等作用，提高了系统运动定位精度。以直线电机为驱动单元时，由通电线圈在永磁阵列气隙磁场中产生的洛仑兹力提供驱动力，通过控制线圈中电流大小来改变执行 单元的推力，具有结构简单等优点。目前光刻设备中通常采用粗精动叠层的结构，包括两个粗动台和一个微动台，两个粗动台之间通过一个横梁连接，微动台安装在横梁上，通过横梁实现两个粗动台与微动台的同步运动。一方面连接横梁增加了结构设计的复杂性，增加了系统结构质量，较大的质量将影响系统运动响应性能，另一方面，当结构运动时，如果两个粗动台沿Y轴方向存在位置偏差，由于连接梁的作用，使得两个粗动平台之间产生作用力与反作用力的耦合，使得两个粗动平台的性能相互影响，将影响系统的运动定位精度。因此设计出无机械连接的粗精动叠层定位装置并设计出针对该定位装置的控制方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于半导体装备的定位装置以及位置测量与运动控制算法，不仅满足六自由度运动定位要求，同时解决目前掩模台粗精动叠层结构中由机械结构耦合作用引起的结构复杂、运动性能相互影响等问题。本发明的技术方案如下一种无接触式粗精动叠层定位系统，该控制系统包括定位装置、位置测量装置、驱动装置和控制单元；定位装置包括基架、一个微动台和两个对称布置在微动台两侧的粗动台，两个粗动台之间、粗动台与微动台之间无机械连接；位置测量装置包括I) 一个激光尺，用于测量微动台质心沿Y轴的绝对位置；2)两个光栅测量装置，每个光栅测量装置包括一个光栅尺和一个读数头，用于测量粗动台沿Y轴方向的位移；3)七个电涡流传感器，其中第一电涡流传感器和第二电涡流传感器安装在第一粗动台上，布置于一条沿Y轴的直线上，用于测量微动台沿X轴与粗动台的相对位置，第一和第二电涡流传感器测量值的差动作为微动台绕Z轴的转角；
第三电涡流传感器安装在第一粗动台上，测量第一粗动台与微动台之间沿Y轴方向的相对位置；第四电涡流传感器安装在第二粗动台上，测量第二粗动台与微动台之间沿Y轴方向的相对位置；第五电涡流传感器和第六电涡流传感器安装在第一粗动台上，且位于一条沿Y轴的直线上，第七电涡流传感器安装在第二粗动台上，且与第五电涡流传感器位于一条沿X轴的直线上；该三个电涡流传感器用于测量微动台沿Z轴的绝对位置，第五电涡流传感器和第六电涡流传感器测量值的差动作为微动台绕X轴的转角，第五电涡流传感器和第七电涡流传感器测量值的差动作为微动台绕Y轴的转角；驱动装置包括I)十个音圈电机
微动台包括四个沿Y轴方向驱动的音圈电机、两个沿X轴方向驱动的音圈电机和四个沿Z轴方向驱动的音圈电机；第一音圈电机、第二音圈电机、第五音圈电机的线圈组件固定在第一粗动台上，永磁体组件固定在微动台上，第三音圈电机、第四音圈电机、第六音圈电机的线圈组件固定在第二粗动台上，永磁体组件固定在微动台上；第七音圈电机、第八音圈电机、第九音圈电机、第十音圈电机结构相同，包括外磁环、内磁环、圆柱线圈组件、重力平衡磁柱；外磁环与内磁环的轴线沿Z轴方向，外磁环与内磁环充磁方向相同，沿径向方向且由圆环外表面指向圆心；圆柱线圈位于内磁环与外磁环之间，绕线轴线沿Z轴方向；磁柱的轴线沿Z轴方向，充磁方向沿Z轴正方向；第七音圈电机、第八音圈电机的圆柱线圈组件固定在第一粗动台上，第九音圈电机、第十音圈电机的圆柱线圈组件固定在第二粗动台上；2)两个直线电机两个直线电机分别用于驱动第一粗动台和第二粗动台；所述控制单元包括含有控制程序的工控机、计数卡、A/D卡、D/A卡和驱动器，计数卡采集光栅尺和激光尺的增量信号，A/D卡采集电涡流传感器的信号，计数卡和A/D卡将采集到的信号输入至工控机，工控机以所述信号作为位置反馈信号对微动台以及粗动台进行控制，控制指令通过D/A卡输出至驱动器，驱动力输出电流给电机，实现微动台以及粗动台的运动。基于所述的粗精动叠层定位系统，采用了一种运动控制方法，该控制方法包括如下步骤I)在伺服周期开始，设定微动台的六自由度位移量，其中Xd为沿X轴的位移量，Yd为沿Y轴的位移量，Zd为沿Z轴的位移量，θ xd为绕X轴的转角位移量，θ yd为绕Y轴的转角位移量，Θ zd为绕Z轴的转角位移量；然后将计数卡采集的激光尺信号和A/D卡采集的电涡流传感器信号作为微动台控制环路的反馈信号，将A/D卡采集的电涡流传感器信号作为粗动台控制环路的反馈信号；2)根据设定的微动台六自由度位移量以及反馈信号求解每个音圈电机相应出力，其中第一音圈电机、第二音圈电机、第三音圈电机和第四音圈电机控制微动台沿Y方向移动和绕Z轴旋转的自由度，第五音圈电机和第六音圈电机控制微动台沿X方向移动的自由度，第七音圈电机、第八音圈电机、第九音圈电机和第十音圈电机控制微动台沿Z方向移动、绕X轴旋转和绕Y轴旋转的自由度，电机输出力按以下公式计算
权利要求
1.一种无接触式粗精动叠层定位系统，其特征在于该控制系统包括定位装置、位置测量装置、驱动装置和控制单元； 所述的定位装置包括基架、一个微动台和两个对称布置在微动台两侧的粗动台，两个粗动台之间、粗动台与微动台之间无机械连接； 所述的位置测量装置包括 .1)一个激光尺，用于测量微动台质心沿Y轴的绝对位置； .2)两个光栅测量装置，每个光栅测量装置包括一个光栅尺和一个读数头，用于测量粗动台沿Y轴方向的位移； .3)七个电涡流传感器，其中 第一电涡流传感器和第二电涡流传感器安装在第一粗动台上，布置于一条沿Y轴的直线上，用于测量微动台沿X轴与粗动台的相对位置，第一和第二电涡流传感器测量值的差动作为微动台绕Z轴的转角； 第三电涡流传感器安装在第一粗动台上，测量第一粗动台与微动台之间沿Y轴方向的相对位置；第四电涡流传感器安装在第二粗动台上，测量第二粗动台与微动台之间沿Y轴方向的相对位置； 第五电涡流传感器和第六电涡流传感器安装在第一粗动台上，且位于一条沿Y轴的直线上，第七电涡流传感器安装在第二粗动台上，且与第五电涡流传感器位于一条沿X轴的直线上；该三个电涡流传感器用于测量微动台沿Z轴的绝对位置，第五电涡流传感器和第六电涡流传感器测量值的差动作为微动台绕X轴的转角，第五电涡流传感器和第七电涡流传感器测量值的差动作为微动台绕Y轴的转角； 所述驱动装置包括 O十个音圈电机 微动台包括四个沿Y轴方向驱动的音圈电机、两个沿X轴方向驱动的音圈电机和四个沿Z轴方向驱动的音圈电机；第一音圈电机、第二音圈电机、第五音圈电机的线圈组件固定在第一粗动台上，永磁体组件固定在微动台上，第三音圈电机、第四音圈电机、第六音圈电机的线圈组件固定在第二粗动台上，永磁体组件固定在微动台上； 第七音圈电机、第八音圈电机、第九音圈电机、第十音圈电机结构相同，包括外磁环、内磁环、圆柱线圈组件、重力平衡磁柱；外磁环与内磁环的轴线沿Z轴方向，外磁环与内磁环充磁方向相同，沿径向方向且由圆环外表面指向圆心；圆柱线圈位于内磁环与外磁环之间，绕线轴线沿Z轴方向；磁柱的轴线沿Z轴方向，充磁方向沿Z轴正方向；第七音圈电机、第八音圈电机的圆柱线圈组件固定在第一粗动台上，第九音圈电机、第十音圈电机的圆柱线圈组件固定在第二粗动台上； .2)两个直线电机 两个直线电机分别用于驱动第一粗动台和第二粗动台； 所述控制单元包括含有控制程序的工控机、计数卡、A/D卡、D/A卡和驱动器，计数卡采集光栅尺和激光尺的增量信号，A/D卡采集电涡流传感器的信号，计数卡和A/D卡将采集到的信号输入至工控机，工控机以所述信号作为位置反馈信号对微动台以及粗动台进行控制，控制指令通过D/A卡输出至驱动器，驱动力输出电流给电机，实现微动台以及粗动台的运动。
2.一种如权利要求I所述的无接触式粗精动叠层定位系统的运动控制方法，其特征在于所述控制方法包括如下步骤 1)在伺服周期开始，设定微动台的六自由度位移量，其中Xd为沿X轴的位移量，yd为沿Y轴的位移量，Zd为沿Z轴的位移量，θ xd为绕X轴的转角位移量，θ yd为绕Y轴的转角位移量，Θ zd为绕Z轴的转角位移量；然后将计数卡采集的激光尺信号和A/D卡采集的电涡流传感器信号作为微动台控制环路的反馈信号，将A/D卡采集的电涡流传感器信号作为粗动台控制环路的反馈信号； 2)根据设定的微动台六自由度位移量以及反馈信号求解每个音圈电机相应出力，其中第一音圈电机、第二音圈电机、第三音圈电机和第四音圈电机控制微动台沿Y方向移动和绕Z轴旋转的自由度，第五音圈电机和第六音圈电机控制微动台沿X方向移动的自由度，第七音圈电机、第八音圈电机、第九音圈电机和第十音圈电机控制微动台沿Z方向移动、绕X轴旋转和绕Y轴旋转的自由度，电机输出力按以下公式计算
全文摘要
一种无接触式粗精动叠层定位系统及其运动控制方法，该定位装置包括一个微动台和对称布置在微动台两侧的两个粗动台，微动台利用音圈电机悬浮在两个粗动台上方，各粗动台之间、各粗动台与微动台之间无机械连接。微动台能够实现六自由度运动，两个粗动台沿Y轴方向运动。沿Y轴方向运动的控制方法中，以激光尺信号为微动台沿Y轴方向位置反馈，利用音圈电机驱动实现微动台沿Y轴方向运动。以电涡流传感器信号为粗动台与微动台之间沿Y轴方向位置偏差，以该偏差为控制器反馈实现粗动台与微动台沿Y轴方向的同步运动。
文档编号G01B11/00GK102722088SQ201210180140
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月1日 优先权日2011年6月28日
发明者余东东, 尹文生, 崔乐卿, 张鸣, 徐登峰, 朱煜, 李鑫, 杨开明, 穆海华, 胡金春, 苏哲欣 申请人:清华大学