专利名称：一种大行程高速双重驱动纳米定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子专用设备技术领域，特别涉及一种大行程高速双重驱动纳米定位系统，尤其适用于步进扫描投影光刻机工件台子系统。
背景技术：
大行程、闻速、闻精度的纳米定位系统在现代尖端工业制造和科学研究领域占有极其重要的地位。随着集成电路(Integrated circuit)制造、生物芯片技术、高精数控加工技术及高速扫描检测等的迅速发展，对定位系统的行程、速度、加速度和精度提出了更高的要求，对高速、高精度定位系统的研究也迫在眉睫。IC制造是高速、高精度定位系统典型的应用领域，是国民经济和社会发展的战略性产业，在推动经济发展、社会进步、提高人民生活水平以及保障国家安全等方面发挥着重要作用，已成为当前国际竞争的焦点和衡量一个国家或地区现代化程度以及综合国力的重要标志。然而，对于超精密纳米定位系统而言，系统的定位精度与运行速度的提高是矛盾的。运行速度、加速度的提高，使得机构的惯性力增大，惯性力变化的频率也随之加大，系统易于产生弹性变形和振动现象，既破坏机构的运动精度，增加机械稳定的建立时间，又降低了系统的运行和定位精度。高精度定位希望机构运行平缓，而高生产率又希望系统高速往复运动并高速启停。同时，在控制系统中反馈位置信息的传感器也是限制定位精度与运动速度提高的重要环节。例如作为位移传感器的精密光栅尺的分辨率可达到纳米级，但由于受信号检测电路扫描频率的限制，光栅尺最大允许移动速度与其测量的分辨率成反比。另一方面，定位系统的大行程与高精度也是相互矛盾的。目前大行程驱动和传动方式(精密丝杠传动、直线电机、音圈电机等)的精度一般限制在微米级；以压电陶瓷为代表的为驱动器的定位精度达到纳米级，但行程只能达到几十微米。如何很好的解决这些矛盾，实现大行程、高速、高精度定位系统成为当前微电子工业界亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种具有大行程、高速、高精度双重驱动的纳米定位系统。为解决上述技术问题，本发明提供了一种大行程高速双重驱动纳米定位系统，所述纳米定位系统包括运动轨迹指令系统、主控计算机、PMAC运动控制板卡、伺服运动控制系统、定位平台和测量控制系统，其中所述的定位平台包括宏动台和微动台，由宏动台来完成高速运动，进行粗定位，解决整个纳米定位系统的速度问题，然后由微动台完成精确微动定位，该纳米定位系统首先利用运动轨迹指令系统对定位平台进行轨迹规划，再利用运动轨迹指令系统将轨迹规划指令输入主控计算机，主控计算机通过PEWIN界面将轨迹规划指令发送给PMAC运动控制板卡，PMAC运动控制板卡按设定的参数和轨迹规划指令来控制定位平台实现移动定位，同时测量控制系统不断地检测定位平台的宏动台和微动台实际位置，并将检测信号实时传输给PMAC运动控制板卡，PMAC运动控制板卡经过采样处理、误差计算及误差补偿，实时反馈给伺服运动控制系统，从而保证定位平台快速跟踪响应速度和纳米级的运动精度。本发明所述的定位平台包括宏动台和微动台，其中，宏动台由长行程直线电机驱动，实现长行程、高速运动，微动台由短行程平面电机驱动，实现高精度微调；长行程由X向与Y向各一台永磁直线电机组成，Y向电机定子与X向电机动子机械固联，米用线性光栅尺构成闭环反馈控制；短行程水平向运动由洛仑兹平面电机进行控制，洛仑兹电机由3个磁性电机组成，其定子线圈与Y向直线电机动子机械固联，采用3轴激光干涉仪作位置检测构成闭环反馈控制。其中，对平面电机进行运动解耦，由于在系统定位时，主控计算机发给定位平台的位置指令是精密工件台的(Xmym QcJ向的设定位置，而精密工件台驱动电机输出的是一个X向和两个y向电机的位置，所以在对精密工件台进行控制前需要先对其驱动电机进行坐标转换，以保证控制的高效性，从而提高系统的控制精度和响应速度。本发明所述的定位平台的控制采取主从控制，短行程电机为主控制对象，用激光干涉仪测量反馈，完成小范围高精度运动，长程电机作为短程电机的从控制系统，用线性光栅尺测量反馈，完成长行程高速粗运动。长短行程间跟踪运动的相对位置由线性光栅尺检测，当线性光栅尺检测到工件台运动到与目标位置在设定距离之内时，通常为几微米，例如1-9微米，停止长程电机的运动，切换到短程电机运动，直至微动台达到目标位置，且从运动总是试图保持两者相对位置为零，以保证高跟踪运动精度和快速跟踪响应速度。其中，激光干涉仪采用三轴测量系统，可对微动台的X、Y1, y2进行精密测量；线性光栅尺可对粗动台的X、Y方向进行精密测量，构成闭环反馈；该纳米定位系统在设计时考虑了三轴测量以及三轴控制，可对x、yi、y2进行控制，以克服定位平台扭摆造成的误差。本发明的原理在于一种大行程、高速、高精度宏微双驱动纳米定位系统，其包括运动轨迹指令系统、主控计算机、PMAC运动控制板卡、伺服运动控制系统、定位平台(宏动台和微动台)和测量控制系统。该纳米定位系统在设计时考虑了三轴测量以及三轴控制，可对X、Y1 > y2进行控制，以克服定位平台扭摆造成的误差。在机械结构上采用了宏动台加微动台的组合结构，即由宏动台来完成高速运动，进行粗定位，解决整个系统的速度问题；然后由微动台完成精确定位，这样既可以使定位系统达到极高的定位精度和响应速度，而且控制可靠。具体操作流程是定位系统首先对定位平台进行轨迹规划将轨迹规划指令输入主控计算机，主控计算机通过PEWIN界面将轨迹规划指令发送给PMAC控制板卡，PMAC控制板卡按设定的参数和轨迹规划指令来控制定位平台实现移动定位，同时测量系统不断地检测定位平台的实际位置，并将检测信号实时传输给PMAC控制卡，PMAC控制卡经过采样处理、误差计算、误差补偿，实时反馈给伺服控制系统，从而保证定位平快速跟踪响应速度和纳米级的运动精度。本发明所述的测量系统包括激光干涉仪、线性光栅尺、位移传感器、速度传感器等。其中激光干涉仪采用三轴测量系统，可对微动台的x、yi、y2进行精密测量；线性光栅尺可对粗动台的X、Y方向进行精密测量，构成闭环反馈；速度传感器可对定位平台的速度进行精密测量，实 现速度反馈。本发明与现有技术相比的优点在于本发明采用长行程直线电机微米级粗动加短行程洛仑兹电机纳米级微调结构，通过引入以高性能DSP芯片为核心的PMAC运动控制卡以及对平面电机进行运动解耦，可以对定位系统进行高速、高实时性多轴控制，从而有效提高了定位系统的响应速度和定位精度。
图I为本发明基本不意图；图2为三轴测量系统 示意图；图3为伺服控制系统多回路控制框图示意图；图4为位置坐标解耦示意图；图5 (a)、图5 (b)为位置坐标解耦步骤示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。图I为本发明的基本面示意图，如图I所示,一种大行程高速双重驱动纳米定位系统主要包括运动轨迹指令系统101、主控计算机102、PMAC运动控制板卡103、伺服运动控制系统104、定位平台和测量控制系统107。定位平台包括宏动台105和微动台106。首先由运动轨迹指令系统101将定位平台(宏动台105和微动台106)的运动轨迹提供给主控计算机102，主控计算机102通过PEWIN界面将轨迹规划指令发送给PMAC运动控制板卡103，PMAC运动控制板卡103按设定的参数和轨迹规划指令来控制定位平台中的宏动台105和微动台106实现精密运动和定位，同时测量控制系统107不断地检测定位平台的中的宏动台105和微动台106实际位置，并将检测信号实时传输给PMAC运动控制板卡103，PMAC运动控制板卡103经过采样处理、误差计算、误差补偿，实时反馈给伺服运动控制系统104，从而保证定位平快速跟踪响应速度和纳米级的运动精度。如图2所示为激光干涉仪三轴测量系统，该纳米定位系统在设计时考虑了三轴测量和三轴控制，可对微动台(106)的x、yi、y2方向进行精确控制。如图3所示为伺服控制系统多回路控制框图，该框图主要包括位置指令301、位置环控制器302、速度环控制器303、PWM功率放大器304、驱动电机305、定位平台306、位置前馈控制器307、电流反馈308、速度反馈309、位置反馈310。此伺服系统多回路控制框图为传统的三环控制，即位置环、速度环及加速度环，属于已有技术。由于工作台既要有较高的定位精度和运动精度，又要有很高的速度与加速度，而增大加速度易造成振动。而且为了保证定位平台高精度运行，工作台的支撑一般采用平衡型气浮部件，而气浮支撑部件又容易引起低频振荡。基于以上原因，工作台采用传统的三环控制策略，即位置环、速度环及加速度环，使系统既可以抑制振动，又具有良好的跟踪特性。三环控制中，位置传感器采用双频激光干涉仪，而速度环、加速度环中的速度和加速度反馈，可以用速度传感器、加速度传感器，也可以借助检测到的位移进行预估。另外，还引入位置前馈补偿器来补偿因阻尼和惯性引起的误差，并在此基础上采用滤波技术进一步抑制系统的机械谐振。如图4、5所示，由于在定位系统工作时，主控计算机发给定位平台的位置指令是微动台的x、y、0 z向的设定位置，而微动台驱动电机输出的是一个X向和两个y向电机的位置，所以在对微动台进行控制前需要先对其驱动电机进行位置坐标转换，位置坐标转换是指将输入的指令位置(xo^yo；，QcJ进行坐标转换，变换成三个电机的直接位置输入U，yi, y2)。如图4所示，SI是yi电机重心与微动台质心在X轴的距离，S2是y2电机重心与微动台质心在X轴的距离，S3是X电机重心与微动台质心在I轴的距离，SI、S2和S3均为常数。如图5所示，为了求出输入的指令位置(Xcg, yCG, Θ CGz)与电机输入位置(X，Y1, y2)之间的关系，可将位置指令分两步完成，先将微动台质心位置平移到指令位置(Xa^ya)处，再将微动台绕Z轴旋转Θ CGz。微动台质心位置平移到指令位置(Xcx;, yo；)处时,此时电机位置(X' ,y/ , J2')与指令位置(Xo；，yCG, Θ cgz)的关系为
权利要求
1.ー种大行程高速双重驱动纳米定位系统，其特征在于所述纳米定位系统包括运动轨迹指令系统(101)、主控计算机(102)、PMAC运动控制板卡(103)、伺服运动控制系统(104)、定位平台和测量控制系统(107)，其中所述的定位平台包括宏动台(105)和微动台(106)，由宏动台来完成高速运动，进行粗定位，解决整个纳米定位系统的速度问题，然后由微动台完成精确微动定位，该纳米定位系统首先利用运动轨迹指令系统(101)对定位平台进行轨迹规划，再利用运动轨迹指令系统(101)将轨迹规划指令输入主控计算机(102)，主控计算机(102)通过PEWIN界面将轨迹规划指令发送给PMAC运动控制板卡(103)，PMAC运动控制板卡(103)按设定的參数和轨迹规划指令来控制定位平台实现移动定位，同时测量控制系统(107)不断地检测定位平台的宏动台(105)和微动台(106)实际位置，并将检测信号实时传输给PMAC运动控制板卡(103)，PMAC运动控制板卡(103)经过采样处理、误差计算及误差补偿，实时反馈给伺服运动控制系统(104)，从而保证定位平台快速跟踪响应速度和纳米级的运动精度。
2.根据权利要求I中所述的大行程高速双重驱动纳米定位系统，其特征在于对定位平台的控制具体为宏动台由长行程直线电机驱动，实现长行程、高速运动，微动台由短行程平面电机驱动，实现高精度微调；长行程由X向与Y向各一台永磁直线电机组成，Y向电机定子与X向电机动子机械固联，采用线性光栅尺构成闭环反馈控制；短行程水平向运动由洛仑兹平面电机进行控制，洛仑兹电机由3个磁性电机组成，其定子线圈与Y向直线电机动子机械固联，采用3轴激光干涉仪作位置检测构成闭环反馈控制。
3.根据权利要求2中所述的大行程高速双重驱动纳米定位系统，其特征在于对平面电机驱动时，对平面电机进行运动解耦，由于在系统定位时，主控计算机发给定位平台的位置指令是精密エ件台的レ。。、,。。、QcJ向的设定位置，而精密エ件台驱动电机输出的是ー个X向和两个y向电机的位置，所以在对精密エ件台进行控制前需要先对其驱动电机进行坐标转换，以保证控制的高效性，从而提高系统的控制精度和响应速度。
4.根据权利要求I中所述的大行程高速双重驱动纳米定位系统，其特征在于所述的定位平台的控制采取主从控制，短行程电机为主控制对象，用激光干涉仪测量反馈，完成小范围高精度运动，长程电机作为短程电机的从控制系统，用线性光栅尺测量反馈，完成长行程高速粗运动；长短行程间跟踪运动的相对位置由线性光栅尺检測，当线性光栅尺检测到エ件台运动到与目标位置在设定距离为几微米时，停止长程电机的运动，切換到短程电机运动，直至微动台达到目标位置，且从运动总是试图保持两者相对位置为零，以保证高跟踪运动精度和快速跟踪响应速度。
全文摘要
本发明公开了一种大行程高速双重驱动纳米定位系统，该纳米定位系统包括运动轨迹指令系统(101)、主控计算机(102)、PMAC运动控制板卡(103)、伺服运动控制系统(104)、定位平台和测量控制系统(107)，其中，定位平台包括宏动台(105)和微动台(106)，该纳米定位系统考虑了三轴测量以及三轴控制，可对X、Y1、Y2进行精密控制，定位平台采用“长行程的直线电机+短行程的平面电机”的运动方式，运动控制方式选取主从控制，短行程平面电机为主控制对象，用激光干涉仪测量反馈，完成小范围高精度运动，长行程直线电机作为短程电机的从控制系统，用光栅尺测量反馈，完成长行程高速粗运动。通过对平面电机运动解耦以及引入PMAC运动控制板卡极大提高了系统的响应速度和实时性能。
文档编号G05B19/414GK102629122SQ20121011268
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者刘旗, 朱江平, 李兰兰, 盛壮, 胡松, 马平 申请人:中国科学院光电技术研究所