专利名称：使用加速度前馈的精确运动控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及运动控制，且更具体而言，涉及使用加速度信号前馈的高精度运动控制。
背景技术：
高精度机器通常力图相对于一参考框架来定位诸如衬底、工件、掩膜或工艺设备等移动元件。一常见的参考框架是一笨重的花岗岩基座，其上安装有所述移动元件及一固定至所述花岗岩基座以用于移动所述移动元件的致动器。所属领域的技术人员将了解，花岗岩基座本身相对于容纳所述花岗岩基座的建筑物安装，其安装方式使自外部源引入至所述花岗岩基座的运动减至最小。尽管如此，外部影响还是能导致所述基座移动。更重要的是，当移动欲定位的物件时，也会扰动所述基座。换句话说，因欲被定位的物件的运动而引起的所述花岗岩基座上的反作用力将导致所述基座自身移动。在某些应用中，可命令所述参考框架独自移动。在所有这些情况中，基座运动均会降低精确定位系统的性能。为使一物件相对于所述参考框架保持所期望位置，控制系统须在欲移动的物件上形成必需的力。在一接受位置信息及一所命令的轨道的典型控制系统中，所述适宜力的形成需要在所述移动元件的所期望位置与实际位置之间存在某些随动误差，由此导致性能降低。已知可通过预测所述参考框架的运动并将必需的信息馈送至控制所述移动元件位置的控制系统中来提前对某些已知的基座运动进行补偿。当所述参考框架因内部或外部扰动而移动时，此类信息并非总能得到，且特别是不能预测。
在一光刻设备中以前馈方式使用加速度信号也为人们所知。参见第6,420,716 B1号美国专利。该专利力图补偿一投影系统的运动。
发明内容
在本发明的一方面中，用于控制支撑在一参考框架结构上的可移动物件的运动的本发明设备包括一用作一参考框架的结构。一可移动物件由所述结构支撑以便相对于所述结构运动。一致动器固定至所述结构且适于相对于所述结构移动所述可移动物件。提供一可响应于所述可移动物件相对于所述参考框架结构的位置的位置传感器以产生一位置信号。此外，将一加速度传感器固定至所述参考框架结构以产生一加速度信号。提供一可响应于所述位置信号和加速度信号的控制系统，以控制所述致动器移动所述物件以遵循一所命令的轨道。在一优选实施例中，所述控制系统包括一PID伺服滤波器且一与所述加速度信号成正比的信号加至所述PID伺服滤波器的输出。在此实施例中，提供一放大器来驱动所述致动器，以使所述放大器能响应于所述加速度信号与所述PID伺服滤波器输出的和。一适合的参考框架结构是一花岗岩基座。
图1是一本发明实施例的示意性图解。
图2是一使用加速度信号的本发明实施例的随动误差与时间的关系曲线图。
图3是一未使用加速度信号的系统的随动误差与时间的关系曲线图。
具体实施例方式
首先参照图1，如所属领域中众所周知，一参考框架或基座10可为(例如)一花岗岩机器基座。所述基座可支撑于隔离支撑件上以将外部扰动降至最低。一移动元件12可为(例如)一衬底、工件、掩膜或任一工艺设备，其受到支撑以相对于参考框架10运动。移动元件12可按多个自由度移动，但图1中针对单个自由度加以显示。移动元件12通常以一低摩擦方式(例如使用滚珠轴承或空气轴承)支撑于基座10上。
一致动器14以刚性方式固定至基座10且经布置以向移动元件12施加力以使其相对于基座10移动。一位置反馈传感器16响应于移动元件12相对于基座10的位置并向PID伺服滤波器18发送一位置反馈信号。如所属领域的技术人员将了解，PID伺服滤波器是比例积分微分伺服控制器。众所周知，PID伺服滤波器18将一所命令的位置与所测量的位置相比较，以产生一控制输出信号20，控制输出信号20为一驱动致动器14的放大器22提供一输入。如所属领域的技术人员将了解，为使PID伺服控制器形成所必需的力，在所述移动元件的所期望位置与实际位置之间必须存在一随动误差，从而导致性能降低。
为降低此随动误差，尤其是在存在基座10运动时，将一加速度传感器24以刚性方式固定至基座10。加速度传感器24产生一用作一信号调节元件26的输入的输出信号。如所属领域的技术人员将了解，信号调节元件26可能仅是一所选择的增益常数。来自信号调节元件26的一输出信号28在一求和接点30处与控制输出信号20相结合。信号28由此修改发至放大器22的命令，其修改方式使致动器14将向移动元件12施加一经修改的力。所述经修改的力足以使移动元件12加速，以使移动元件12与参考框架或基座10“并驾齐驱”，由此将任一随动误差降低至一可接受范围内。
本发明已在一由位于Weasborough，MA的Danaher公司制造的AC 3500型大型门式定位平台上予以实施。此机器是用于制造电子设备的高精度衬底。此机器的一典型应用要求在可实施后续加工步骤之前移动轴线处于所命令最终位置的±5μm范围内。对于此机器，移动轴线是以131mm的增量移动，且生产量考虑因素要求在开始移动后在约525ms内达到所述稳定标准(±5μm)。
在此实例性实施方案中使用的加速度计24被指定为自位於Manchester，NH的Jewel Instrument，LLC公司购得的部件编号为LCF-165的加速度计。一适合的位置反馈传感器16是一解析度为50nm/计数的线性编码器。因此，所述±5μm的稳定标准等价于位置传感器16的±100次计数。
在使用及不使用加速度传感器24两种情况下均曾进行过实验。图2是一在控制回路中使用加速度传感器24时在131mm移动量情况下随动误差与时间的关系曲线图。如图所示，在移动开始后，随动误差(以计数计)在约510ms时减至小於±100次计数。残余摆动较明显，但处于稳定容差范围内。图3是一在控制回路内不使用加速度传感器24时以计数次数测量到的随动误差随时间变化的曲线图。图3显示在稳定过程中基座10的强摆动效应。如图所示，随动误差在约520ms时在其第一峰值处超过400次计数(20μm)且在约780ms时在其第二峰值处超过250次计数(12.5μm)。此一性能水平是不可接受的，因为长的稳定延迟会明显增加客户工艺步骤的时间且因此降低产量。
应注意，可使用惯性传感器(例如，陀螺仪或测斜仪)来取代加速度计。将了解，当一个以上的自由度正受到控制时，必将存在围绕多个轴线的数个惯性仪器。
应了解，所属领域的技术人员将易知本文所揭示的本发明的修改及变化形式且所有此等修改及变化形式均包含于随附权利要求书的范畴内。
权利要求
1.一种用于控制一支撑于一参考框架结构上的可移动物件的运动的设备，其包括一用作一参考框架的结构；一可移动物件，其由所述结构支撑以便相对于所述结构运动；一致动器，其固定至所述结构以相对于所述结构移动所述可移动物件；一位置传感器，其可响应于所述可移动物件相对于所述参考框架结构的位置来产生一位置信号；一加速度传感器，其固定至所述参考框架结构以产生一加速度信号；及一控制系统，其可响应于所述位置信号及加速度信号来控制所述致动器移动所述物件以遵循一所命令的轨道。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述控制系统包括一PID伺服滤波器。
3.如权利要求2所述的设备，其中一与所述加速度信号成正比的信号加至所述PID伺服滤波器的一输出。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述参考框架结构是一花岗岩基座。
5.如权利要求3所述的设备，其进一步包括一用于驱动所述致动器的放大器，所述放大器可响应于所述加速度信号与所述PID伺服滤波器的所述输出的和。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述加速度传感器是一加速度计。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述加速度传感器是一陀螺仪。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述加速度传感器是一测斜仪。
全文摘要
本发明揭示一种高精度位置控制设备。一支撑于一参考框架(10)上的物件是通过一致动器(14)来移动。一位置传感器(16)产生一位置信号，且一固定至参考框架(10)的加速度传感器(24)产生一加速度信号。一控制系统响应于所述位置信号及所述加速度信号来控制致动器(14)移动所述物件，以便以降低的随动误差来遵循一所命令的轨道。
文档编号G05B19/404GK1906539SQ200480016042
公开日2007年1月31日 申请日期2004年4月7日 优先权日2003年4月14日
发明者阿隆·哈尔帕兹 申请人:科尔摩根公司