专利名称：一种用于光刻机双工件台的二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制造和超精密測量及加工技术，主要涉及ー种用于光刻机双エ件台的ニ维微位移測量方法及传感装置。
背景技术：
光刻是大規模集成电路的制造中核心步骤，宏微双エ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エ件台中有所应用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。上述測量装置解决了ー些双エ件台运动控制中的ー些实际问题，但是主要针对宏微双エ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。而针对宏微双エ件台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，该文章研制了ー种新型高精度电感传感器，其分辨率为5nm，测量范围为20 V- m、200 V- 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測量系统，其分辨率达0. 01 iim，测量范围仅为50iim ;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木，设计了电容式微位移传感器，分辨カ为0. I y m，量程为20 u 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エ件台的高速高精度ニ维微位移測量方法及传感装置，以解决光刻机宏微双エ件台Chuck台、掩膜台等特殊位置的监控问题，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—种用于光刻机双エ件台的ニ维微位移測量方法，该测量方法步骤如下第一步,光刻机宏微双エ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，呈90°相位关系的第一霍尔微位移传感器和第ニ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和第二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；获得代表宏微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，将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和外部检测电路；所述的第一、ニ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，永磁铁组平行且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，且两个定子砷化镓霍尔兀件均平行于永磁铁组的上表面或下表面；第一、ニ霍尔微位移传感器的定子神化镓霍尔元件的输出端均与外部检测电路的输入端相连；第一霍尔连接架与第二霍尔连接架之间的夹角为90° ;第一霍尔连接架的另ー侧端部固定在双エ件台微动机构或双エ件台宏动机构上；第二霍尔连接架的另ー侧端部固定在双エ件台微动机构或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霍尔微位移传感器和第二霍尔微位移传感器的电源输入端连接；第一霍尔微位移传感器和第二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，控制芯片的位移測量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ニ维微位移測量方法及測量装置，其特点和优势在干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；该装置电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，主要用于宏微双エ件台的Chuck台、掩膜台等特殊位置的监控；灵活度高，可进行ー维、ニ维，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，可測量±1_的小位移，在量程范围内，线性度优于0.2%。
图I是霍尔效应基本原通不意2是宏动台为动子的一种用于光刻机双エ件台ニ维位移測量方案动カ模型结构示意3是宏动台为定子的一种用于光刻机双エ件台ニ维位移測量方案动カ模型结构示意4是霍尔效应微位移测量方案意图
图5是外部检测电路设计流程示意中件号1-光刻机双エ件台；2_双エ件台宏动机构；3_双エ件台微动机构；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-外部检测电路；8_1_霍尔传感模块；8_1_1_电源稳压电路；8_1_2_压控恒流电路；8-1-3_温度补偿电路；8-2_信号调理模块；8-2-1_零偏电压电路；8-2-2_仪用放大电路；8_2_3_偏置矫正电路；8_2_4_主放大电路；8_2_5_ ニ阶低通滤波电路；8_3_数据米集模块；8-3_l_A/D芯片；8_3_2_控制芯片；8_3_3_上位机；9_动子永磁铁组基座；10_永磁铁组；11_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ー步详细描述请參阅图2和图3，一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I、双エ件台宏动机构2、双エ件台微动机构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和外部检测电路8 ;所述的第一、ニ霍尔微位移传感器5、7均由动子永磁铁组基座9、永磁铁组10和定子神化镓霍尔元件11组成；其中动子永磁铁组基座9固定在双エ件台宏动机构2或双エ件台微动机构3上，永磁铁组10平行且水平固装在动子永磁铁组基座9上，第一霍尔微位移传感器5的定子砷化镓霍尔元件11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的定子神化镓霍尔元件11安装在第二霍尔连接架6的一侧端部上，且两个定子神化镓霍尔元件11均平行于永磁铁组10的上表面或下表面；第一、ニ霍尔微位移传感器5、7的定子砷化镓霍尔元件11的输出端均与外部检测电路8的输入端相连；第一霍尔连接架4与第二霍尔连接架6之间的夹角为90° ;第一霍尔连接架4的另ー侧端部固定在双エ件台微动机构3或双エ件台宏动机构2上；第二霍尔连接架6的另ー侧端部固定在双エ件台微动机构3或双エ件台宏动机构2上。图5为外部检测电路设计流程示意图，外部检测电路8包括霍尔传感模块8-1、信号调理模块8-2和数据采集模块8-3 ;霍尔传感模块8-1由电源稳压电路8-1-1、压控恒流电路8-1-2和温度补偿电路8-1-3组成；信号调理模块8-2由零偏电压电路8-2-1、仪用放大电路8_2_2、偏置矫正电路8_2_3、主放大电路8_2_4和ニ阶低通滤波电路8_2_5组成；数据采集模块8-3由A/D芯片8-3-1、控制芯片8-3-2和上位机8_3_3组成；所述的电源稳压电路8-1-1的输出端与压控恒流电路8-1-2的电源输入端连接，压控恒流电路8-1-2的信号输出端与温度补偿电路8-1-3的信号输入端及第一霍尔微位移传感器5和第二霍尔微位移传感器7的电源输入端连接；第一霍尔微位移传感器5和第二霍尔微位移传感器7的位移信号输出端与仪用放大电路8-2-2的信号正向输入端连接，零偏电压电路8-2-1的输出端与仪用放大电路8-2-2的信号负向输入端连接，偏置矫正电路8-2-3的输出端与仪用放大电路8-2-2的基准电压输入端连接，仪用放大电路8-2-2的信号输出端与主放大电路8-2-4的信号输入端连接，主放大电路8-2-4的信号输出端与ニ阶低通滤波电路8-2-5的信号输入端连接，ニ阶低通滤波电路8-2-5的输出端与A/D芯片8-3-1的模拟信号输入端连接；A/D芯片8-3-1的数字信号输出端与控制芯片8-3-2的位移信号输入端连接，控制芯片8-3-2的位移测量信号输出端与上位机8-3-3的信号输入端连接；上位机8-3-3与电脑显示屏相连。结合图I、图4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4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10产生沿垂直于磁铁上表面方向的线性磁场区间Bz，定子神化镓霍尔元件11平行于永磁铁组10上表面,永磁铁组10作为动子固定在双エ件台宏动机构2或双エ件台微动机构3上，丁主席神化镓霍尔元件11作为定子固定在双エ件台微动机构3或双エ件台宏动机构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；通过呈90°相位关系的两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可测得双エ件台宏动机构2和双エ件台微动机构3的ニ维相对位置变化。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11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和第二霍尔微位移传感器7的输出霍尔电压信号变化；第ニ歩，第一霍尔微位移传感器5和第二霍尔微位移传感器7的输出霍尔电压信号经外部检测电路8的信号调理模块8-2进行放大和滤波处理；获得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的电压幅值和相位；第三歩，将电压幅值和相位经外部检测电路8的数据采集模块8-3进行数据的采集和控制，最后送入上位机8-3~3进彳了处通和综合。
权利要求
1.一种用于光刻机双工件台的二维微位移测量方法，其特征在于该测量方法步骤为 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，呈90°相位关系的第一霍尔微位移传感器和第二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和第二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；获得代表宏微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，将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￠)、第二霍尔微位移传感器(7)和外部检测电路(8);所述的第一、二霍尔微位移传感器(5、7)均由动子永磁铁组基座(9)、永磁铁组(10)和定子砷化镓霍尔元件(11)组成；其中动子永磁铁组基座(9)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(10)平行且水平固装在动子永磁铁组基座(9)上，第一霍尔微位移传感器(5)的定子砷化镓霍尔元件(11)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(11)安装在第二霍尔连接架￠)的一侧端部上，且两个定子砷化镓霍尔元件(11)均平行于永磁铁组(10)的上表面或下表面；第一、二霍尔微位移传感器(5、7)的定子砷化镓霍尔兀件(11)的输出端均与外部检测电路(8)的输入端相连；第一霍尔连接架(4)与第二霍尔连接架(6)之间的夹角为90° ;第一霍尔连接架(4)的另一侧端部固定在双工件台微动机构(3)或双工件台宏动机构(2)上；第二霍尔连接架￠)的另一侧端部固定在双工件台微动机构(3)或双工件台宏动机构(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二维微位移测量传感装置，其特征在于外部检测电路(8)包括霍尔传感模块(8-1)、信号调理模块(8-2)和数据采集模块(8-3);霍尔传感模块(8-1)由电源稳压电路(8-1-1)、压控恒流电路(8-1-2)和温度补偿电路(8-1-3)组成；信号调理模块(8-2)由零偏电压电路(8-2-1)、仪用放大电路(8_2_2)、偏置矫正电路(8_2_3)、主放大电路(8_2_4)和二阶低通滤波电路(8_2_5)组成；数据采集模块(8-3)由A/D芯片(8-3-1)、控制芯片(8-3-2)和上位机(8_3_3)组成；所述的电源稳压电路(8-1-1)的输出端与压控恒流电路(8-1-2)的电源输入端连接，压控恒流电路(8-1-2)的信号输出端与温度补偿电路(8-1-3)的信号输入端及第一霍尔微位移传感器(5)和第二霍尔微位移传感器(7)的电源输入端连接；第一霍尔微位移传感器(5)和第二霍尔微位移传感器(7)的位移信号输出端与仪用放大电路(8-2-2)的信号正向输入端连接，零偏电压电路(8-2-1)的输出端与仪用放大电路(8-2-2)的信号负向输入端连接，偏置矫正电路(8-2-3)的输出端与仪用放大电路(8-2-2)的基准电压输入端连接，仪用放大电路(8-2-2)的信号输出端与主放大电路(8-2-4)的信号输入端连接，主放大电路(8-2-4)的信号输出端与二阶低通滤波电路(8-2-5)的信号输入端连接，二阶低通滤波电路(8-2-5)的输出端与A/D芯片(8-3-1)的模拟信号输入端连接；A/D芯片(8_3_1)的数字信号输出端与控制芯片(8-3-2)的位移信号输入端连接，控制芯片(8-3-2)的位移测量信号输出端与上位机(8-3-3)的信号输入端连接；上位机(8-3-3)与电脑显示屏相连。
全文摘要
一种用于光刻机双工件台的二维微位移测量方法及传感装置，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，通过呈90°相位关系的两个霍尔微位移传感器测量二维微位移，外部检测电路处理并综合两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G03F7/20GK102866595SQ20121038525
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