运动台控制系统、运动台系统与曝光装置的制作方法

本发明涉及光刻领域，尤其涉及一种运动台控制系统、运动台系统与曝光装置。

背景技术：

由于pid(proportional-integral-derivative)控制器结构简单易于调试，被广泛运用于光刻机运动台反馈控制系统中。但对于一个闭环控制系统，有些性能限制是无法避免的。对于pid控制器，积分器的作用是为了消除闭环控制系统的稳态误差，但会导致系统响应具有较大的超调和较长的稳态时间。控制器中微分作用可以改善积分作用导致的不良影响，但微分作用过大会使系统无法抑制高频噪声。为了消除积分导致的较大超调和较长稳定时间影响，重置控制(resetcontrol)方法被应用于运动台控制系统中。

重置控制是在pid控制器的基础上，对积分器进行优化。重置控制的原理是在控制器输入值过零时，对积分器当前状态置零。对于运动台控制系统，重置控制就是在控制偏差e(t)＝0时，将积分动作置0。重置控制在运动台系统闭环结构框图如图1中所示。

专利cn201510058161采用了图2中所示的控制结构，为一种结合比例积分与状态重置的控制系统。其优势在于保留控制器积分作用，保证无积分器的系统稳态误差为0。缺点在于其采用一阶重置环节，改变现有pid控制器结构，增加调节参数和调试复杂性。同时未考虑重置机制对系统频域的影响，对于稳定裕度较为临界的实际工件台系统来说，若重置机制改变了系统频域性能而导致系统无法收敛，带来的后果是严重的。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何保证系统的调试自由度，精调运动台性能。

为了解决以上技术问题，本发明的第一方面提供了一种运动台控制系统、运动台系统与曝光装置，包括运动台、测量系统、pid控制器，所述pid控制器以所述运动台检测到的位置观测值与位置设定值之间的误差作为输入误差，控制所述运动台的运动位置，所述pid控制器包括积分模块、比例增益模块以及微分模块，所述输入误差经所述比例增益模块处理后分别输入至微分模块以及积分模块，所述pid控制器综合所述比例增益模块、微分模块以及积分模块的输出量得到控制量；

其中，所述积分模块包括重置积分器和常规积分器，所述常规积分器用以针对输入的经所述比例增益模块处理后的输入误差，进行相应的积分处理后输出，所述重置积分器用以针对输入的经所述比例增益模块处理后的输入误差，进行相应的积分处理后输出，所述积分模块基于重置被引入的比例与未被引入的比例，并结合所述重置积分器与所述常规积分器的输出量后输出信号。

可选的，所述运动台的运动加速度观测值与加速度设定值之间的加速度误差值被输入至所述重置积分器，进而使得：在当前加速度误差值与上一伺服周期的加速度误差值之间的符号相反时，所述重置积分器的当前状态被重置。

可选的，所述重置积分器还输入有重置积分比例系数单元，所述重置积分比例系数单元用以被调整改变重置的初始状态值。

可选的，所述积分模块还包括重置比例单元与非重置比例单元；

所述重置比例单元用于：以所调整的重置被引入的比例对经所述比例增益模块处理后的输入误差进行处理后输出至所述重置积分器；

所述未重置比例单元用于：以所调整的重置未被引入的比例对经所述比例增益模块处理后的输入误差进行处理后输出至所述常规积分器。

可选的，所述重置积分器的处理结果输出至一积分补偿单元。

可选的，所述积分补偿单元用以以如下积分补偿系数对所述重置积分器输出的结果进行补偿：

其中，p为用以表示重置被引入比例的重置比例系数，r为用以表示重置的初始状态值的重置积分比例系数。

可选的，所述重置积分器控制方程为：xr(t⁺)＝r·xr(t),e(t)·e(t^-)<0。

可选的，所述pid控制器的动作机理由以下方程表述：

其中，u(t)为pid控制器的输出，e(t)为当前输入误差；e(t^-)为上一伺服周期的输入误差，kp表示pid控制器中的比例增益，fi表示pid控制器中的积分频率，fd则表示pid控制器中的微分频率，xr(t)表示当前积分的状态量，xr(t⁺)表示重置后积分的状态输出量。

可选的，所述运动台的数学模型表述为：

其中，m为运动台的运动质量，c为线缆阻尼，k为线缆刚度。

可选的，所述运动台的数学模型表述为：

其中，m为运动台的运动质量。

本发明的第二方面提供了一种运动台系统，所述运动台系统使用所述运动台的控制系统控制所述运动台的运动。

本发明的第三方面提供了一种曝光装置，至少包括照明系统、对准系统、运动台系统，所述运动台系统包括运动台和所述的运动台控制系统。

可选的，所述运动台是掩模台和/或工件台。

为了保证系统的调试自由度，精调台子性能，本发明在重置积分器的基础上，进一步引入了常规积分器，同时，基于重置被引入的比例与未被引入的比例对重置积分器与常规积分器进行分别处理，将两个积分器按一定比列分配接入环路，可有效保证稳态误差为0，进一步的，由于重置被引入的比例这一量的引入，通过改变这一比例，保证了调试自由度，可见，其最终实现运动台精调性能的提升。

附图说明

图1是现有相关技术中一运动台控制系统的示意图；

图2是现有相关技术中一运动台控制系统中pid控制器的示意图；

图3是本发明实施例1中运动台控制系统的示意图；

图4是本发明实施例2中运动台控制系统的示意图；

图5是本发明实施例2中系统相位提升与参数p、r关系图；

图6是本发明实施例2中调试流程示意图；

图7是本发明实施例3中运动台控制系统的示意图；

图8是本发明实施例3中调试流程示意图。

具体实施方式

以下将结合图3至图8对本发明提供的运动台控制系统进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

请综合参考图3、图4以及图7三个实施例中运动台控制系统，本发明提供了一种运动台控制系统，包括运动台、测量系统、pid控制器，所述pid控制器以所述运动台检测到的位置观测值与位置设定值之间的误差作为输入误差，控制所述运动台的运动位置，所述pid控制器包括积分模块、比例增益模块以及微分模块，所述输入误差经所述比例增益模块处理后分别输入至微分模块以及积分模块，所述pid控制器综合所述比例增益模块、微分模块以及积分模块的输出量得到控制量；

其中，所述积分模块包括重置积分器和常规积分器，所述常规积分器用以针对输入的经所述比例增益模块处理后的输入误差，进行相应的积分处理后输出，所述重置积分器用以针对输入的经所述比例增益模块处理后的输入误差，进行相应的积分处理后输出，所述积分模块基于重置被引入的比例与未被引入的比例，并结合所述重置积分器与所述常规积分器的输出量后输出信号。

有关其中的重置积分器的使用：

在实施例1中，请参考图3，其与现有的相关技术相类似，重置控制的原理是在控制器输入值过零时，对积分器当前状态置零。

请比对参考图4与图3，实施例2与实施例1最大的不同在于，所述运动台的运动加速度观测值与加速度设定值之间的加速度误差值被输入至所述重置积分器，进而使得：在当前加速度误差值与上一伺服周期的加速度误差值之间的符号相反时，所述重置积分器的当前状态被重置。

之所以有此设计，原因在于：

光刻机运动台的测量系统受环境干扰强，例如采用干涉仪系统为测量系统时，测量值存在误差，且应用于光刻机的运动台系统位置精度要求通常达到纳米级别，实际测量系统难以检测控制器输入值是否过零，因此重置规则需要优化。现改进为：实际控制系统为离散系统，若误差当前值与误差过去值符号相反，则重置；

进一步，重置机制的优化方法如图4所示，是采用加速度传感器，直接采取当前运动台加速度数值，配合经过轨迹规划后的运动台加速度设定值，我们可以得到运动台实时加速度偏差，当加速度偏差当前值与上一伺服周期偏差值符合相反，重置动作开启。这种做法是直接检测运动台实际运动状态，更加准确。同时，原先采用的重置控制技术的触发机制为检测系统响应误差会受到反馈环路的延迟作用制约，采用直接检测运动台加速度可以消除环路延迟。

在实施例1至实施例3中，为了保证系统的调试自由度，精调台子性能，增加控制器积分的重置初始值的可调性，引入重置系数，改变系统重置率。

具体来说，所述重置积分器还输入有重置积分比例系数单元，所述重置积分比例系数单元用以被调整改变重置的初始状态值。

所述积分模块还包括重置比例单元与非重置比例单元；

所述重置比例单元用于：以所调整的重置被引入的比例对经所述比例增益模块处理后的输入误差进行处理后输出至所述重置积分器；

所述未重置比例单元用于：以所调整的重置未被引入的比例对经所述比例增益模块处理后的输入误差进行处理后输出至所述常规积分器。

通过这两种优化，重置方程变更为：

即：所述重置积分器控制方程为：xr(t⁺)＝r·xr(t),e(t)·e(t^-)<0。

所述pid控制器的动作机理由以下方程表述：

其中，u(t)为pid控制器的输出，e(t)为当前输入误差；e(t^-)为上一伺服周期的输入误差，kp表示pid控制器中的比例增益，fi表示pid控制器中的积分频率，fd则表示pid控制器中的微分频率，xr(t)表示当前积分的状态量，xr(t⁺)表示重置后积分的状态输出量。

在实施例2中，所述运动台的数学模型表述为：

其中，m为运动台的运动质量，c为线缆阻尼，k为线缆刚度。

对于运动台单轴siso系统的稳态误差则可计算得到(令设定值为阶跃信号)：

其中，e(s)代表误差项，r(s)代表参考输入项，gws为被控对象即运动台的传递函数，gc为控制器的传递函数。从结果可看出，控制器中若无纯积分项，则无法保证稳态误差为0。从中也可进一步证明本发明引入两个积分器的有益效果，将重置控制器结构改为pi+ci积分器，其中积分器和重置积分器需同时存在，并按一定比列分配接入环路。采用pi+ci积分器后，积分补偿系数则需要进行更改，同时调试步骤顺序进一步确定。

经过计算和推导，所述重置积分器的处理结果输出至一积分补偿单元，所述积分补偿单元用以以如下积分补偿系数对所述重置积分器输出的结果进行补偿：

采用这种结构后，会在不影响系统幅值的情况下，使系统的相位提升：

系统相位提升与参数p和r的关系规律如图5所示。

可见，实施例2中应用到运动台上的重置控制结构，其中p为结合pid与重置机制的重置比例系数，可改变重置机制引入pid控制器的比例；r为重置积分比例系数，可改变重置的初始状态值；ki为积分增益补偿系数，由(3-5)计算可得数值，减少调试难度，可以消除重置机制对系统频域性能的影响。

引入新的调试参数p和r，同时调试过程存在先后顺序，调试需要遵从图6所示步骤。初始调试时，从pid参数及各补偿器参数调试开始，fi参数数值可适当增大，在保证系统稳定的同时，可适当牺牲系统相位裕度来提升系统的带宽和积分频率，相位裕度可保持在20～35度左右。引入重置后，系统的相位裕度会得以改善。

在实施例3中，工件台采用了线缆台结构，或者引入了线缆刚度与阻尼补偿模块，控制器结构则变为如图7所示结构。则运动台的数学模型简化为：

其中，m为运动台的运动质量，对于运动台单轴siso系统的稳态误差则可计算得到(令设定值为阶跃信号)：

其中，e(s)代表误差项，r(s)代表参考输入项，gws为被控对象即运动台的传递函数，gc为控制器的传递函数。由于被控对象存在积分项，可保证稳态位置误差为0，则调试步骤变更为如图8所示步骤。

本发明一实施例还提供了一种运动台系统，所述运动台系统使用所述运动台的控制系统控制所述运动台的运动。

本发明一实施例还提供了一种曝光装置，至少包括照明系统、对准系统、运动台系统，所述运动台系统包括运动台和所述的运动台控制系统。

可选的，所述运动台是掩模台和/或工件台。

综上所述，为了保证系统的调试自由度，精调台子性能，本发明在重置积分器的基础上，进一步引入了常规积分器，同时，基于重置被引入的比例与未被引入的比例对重置积分器与常规积分器进行分别处理，将两个积分器按一定比列分配接入环路，可有效保证稳态误差为0，进一步的，由于重置被引入的比例这一量的引入，通过改变这一比例，保证了调试自由度，可见，其最终实现运动台精调性能的提升。