一种工件台平衡质量质心测试校准方法

摘要

一种工件台平衡质量质心测校方法，包含以下步骤：以平衡质量作为测校对象，其水平X、Y自由度开环，Rz自由度闭环；给平衡质量注入运动轨迹，采集平衡质量零速段位移测量输出，将平衡质量的位移数据处理后得到平衡质量的水平向三自由度的位移值；将处理得到的数据代入到质心测校方法中，得到平衡质量质心相对形心的偏心量。通过平衡质量物理传感器的测量值来确定平衡质量质心相对物理传感器测量中心的质心偏差，该方法简单实用，不需要增加额外的测试装置。

权利要求

1.一种工件台平衡质量质心测试校准方法，其特征在于，具有以下步骤：步骤一、针对平衡质量生成N组Rz轨迹，设定最大测试次数M；

步骤二、假设初始时质心偏差 、 为零，设定XY向质心的搜索阈值spec_x和spec_y；

步骤三、选择X、Y、Rz轴的测试模型，将此时的 、 值代入到测试模型中，选择一组Rz轨迹，注入到测试模型；

步骤四、运行测试模型，得到平衡质量零速段位移测量输出，进而得到XYRz三自由度的位移输出 、 和 ，根据公式： 计算出此时的 、 值并记录；

步骤五、输入下一组Rz轨迹，重复步骤三和步骤四，得到不同的 、 值并记录；

步骤六、记录N次值以后，求平均，得到该组测试完成后的质心偏差 、 值；

步骤七、判断是否完成了M次测试，若未完成，则对得到的 、 ，分别与设定的搜索阈值spec_x、spec_y进行比较，如果 、 均小于搜索阈值，则认为测校完成，并确认质心的偏移量为 、 ；如果 、 中至少一个大于搜索阈值，将此时的 、 值代入测试模型，重复步骤三~六，直到 、 值小于设定的搜索阈值，完成测校；或者直到测试次数大于设定的测试次数M，完成测校。

2.根据权利要求1所述的工件台平衡质量质心测试校准方法，其特征在于，所述轨迹为包含位移、速度和加速度等运动参数的三阶运动轨迹。

3.根据权利要求1或2所述的工件台平衡质量质心测试校准方法，其特征在于，所述测试模型在XY轴为开环，在Rz轴为闭环。

4.根据权利要求3所述的工件台平衡质量质心测试校准方法，其特征在于，利用光栅尺实现所述Rz轴的闭环。

5.根据权利要求4所述的工件台平衡质量质心测试校准方法，其特征在于，所述光栅尺为二维光栅尺。

说明书

一种工件台平衡质量质心测试校准方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光刻技术，尤其涉及一种工件台平衡质量质心测试校准方法。

背景技术

[0002] 光刻设备是一种将掩模图案曝光成像到硅片上的设备。已知的光刻设备包括步进重复式和步进扫描式光刻设备。衡量这些光刻设备的一个重要的方面就是准确度，即在照射期间要移动的部件能够移动的准确度，所述要移动的部件有：承载掩模图案的掩模台，承载硅片的硅片台。一般情况下，都会采用位置反馈，利用标准的基于PID(比例-积分-微分)的控制系统进行控制。同时，为了获得纳米级别的位置准确度，以及快速的响应时间，就要求光刻设备有较大的加速度和对测量基准框架较小的冲击，而这两项指标往往是相互矛盾的，所以，在许多光刻设备中，都采用硅片台-平衡质量的结构，硅片台电机产生较大的加速度来满足快速响应的要求，硅片台电机的反力作用到平衡质量上，平衡质量反向运动来吸收硅片台的冲击，来满足对测量基准框架较小冲击的要求。硅片台-平衡质量系统在运动过程中，满足质心守恒。实际中，平衡质量电机驱动中心为质心点，但是测量中心往往取形心点，这样，在实现控制的时候，就存在控制信号从形心位置到质心位置的转换，这个转换和质心和形心的位置偏差密切相关，如果质心和形心位置没有很好的测校，偏差较大的话，控制性能就不会达到需要的精度，而且也会引起电机的过大出力，产生较大热功耗。所以为了获得较好的光刻设备性能，平衡质量的质心需要准确标定。

发明内容

[0003] 针对上述技术问题，本发明测试校准质心的基本思路为，在硅片台-平衡质量系统中，平衡质量在硅片台电机反力作用下以及平衡质量本身电机作用下运动，其运动位移由相应的测量机构检测。单独拿平衡质量作为研究对象，给平衡质量Rz轴加入闭环控制，其反馈信号由上面提到的检测机构测量变换得到。平衡质量的X和Y自由度方向开环不进行控制。当只给Rz向注入运动轨迹信号，如果平衡质量的质心和形心(即测量机构的测量中心)水平向完全重合时，经测量机构测量变换得到的平衡质量Rz自由度的测量值是跟随输入轨迹值，而X和Y自由度的测量值应该为零。但是，当平衡质量的质心和形心不重合，即质心相对形心存在X和(或)Y方向的偏心时，测量变换得到的值的X和(或)Y方向会有一定的位移输出， 而该位移输出的大小与Rz旋转的角度以及质心相对形心X、Y方向的偏心有关，由此我们可以通过测量传感器的输出以及Rz的旋转运动量来得到质心相对形心的偏心。

[0004] 据此，本发明提出了一种质心测校的方法，通过平衡质量位置传感器可以测校出平衡质量在形心坐标系下的质心，通过硅片台-平衡质量系统的质心守恒，进一步地得到硅片台的质心的运动轨迹。

[0005] 本发明提出的工件台平衡质量质心测试校准方法，具有以下步骤：

[0006] 步骤一、针对平衡质量生成N组Rz轨迹，设定最大测试次数M；

[0007] 步骤二、假设初始时质心偏差Δx、Δy为零，设定XY向质心的搜索阈值spec_x和spec_y；

[0008] 步骤三、选择X、Y、Rz轴的测试模型，将此时的Δx、Δy值代入到测试模型中，选择一组Rz轨迹，注入到测试模型；

[0009] 步骤四、运行测试模型，得到平衡质量零速段位移测量输出，进而得到XYRz三自由度的位移输出x_pos_cg、y_pos_cg和rz_pos，根据公式： 计算出此时的Δx、Δy值并记录；

[0010] 步骤五、输入下一组Rz轨迹，重复步骤三和步骤四，得到不同的Δx、Δy值并记录；

[0011] 步骤六、记录N次值以后，求平均，得到该组测试完成后的质心偏差Δx、Δy值；

[0012] 步骤七、判断是否完成了M次测试，若未完成，则对得到的Δx、Δy，分别与设定的搜索阈值spec_x、spec_y进行比较，如果Δx、Δy均小于搜索阈值，则认为测校完成，并确认质心的偏移量为Δx、Δy；如果Δx、Δy中至少一个大于搜索阈值，将此时的Δx、Δy值代入测试模型，重复步骤三～六，直到Δx、Δy值小于设定的搜索阈值，完成测校；或者直到测试次数大于设定的测试次数M，完成测校。

[0013] 其中，所述轨迹为包含位移、速度和加速度等运动参数的三阶运动轨迹。

[0014] 其中，所述测试模型在XY轴为开环，在Rz轴为闭环。

[0015] 其中，利用光栅尺实现所述Rz轴的闭环。

[0016] 其中，所述光栅尺为二维光栅尺。

[0017] 本发明的质心测试校准方法通过平衡质量物理传感器的测量值来确定平衡质量质心相对物理传感器测量中心的质心偏差，该方法简单实用，不需要增加额外的测试装置。

附图说明

[0018] 关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

[0019] 图1所示为本发明的方法所用的光刻设备中的硅片台的结构示意图；

[0020] 图2所示为本发明的方法所用的闭环控制的基本框图；

[0021] 图3所示为本发明的方法采用的平衡质量测量机构的结构示意图；

[0022] 图4所示为本发明的平衡质量质心测校及在线补偿控制框图；

[0023] 图5所示为一仿真实例中，在平衡质量Rz向闭环，加入到Rz轴的运动轨迹的实例；

[0024] 图6所示为上述仿真实例中，在平衡质量Rz向闭环，并加入1mrad运动轨迹时，平衡质量水平向各自由度的位移输出图；

[0025] 图7所示为本发明的平衡质量质心测试流程图。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

[0027] 图1所示为本发明的方法所用的光刻设备中的硅片台的结构示意图。被曝光的硅片放置在微动台101上，微动台101放置在粗动台102上，它们之间使用连接副106连接，该连接副可以是气浮轴承连接、磁浮轴承连接等多种连接副。微动台101可以在空间六自由度上运动。粗动台102放置在平衡质量103上，它们之间使用连接副106连接。平衡质量103放置在基础框架104上。基础框架104之上还有测量框架105。平衡质量103与基础框架104、基础框架104与测量框架105之间都使用连接副106连接。所述连接副106可以采用气浮轴承连接、磁浮轴承连接等多种连接方式。基础框架104直接放置在地面107上。

[0028] 在本实施例中，为了能准确快速定位微动台101上的硅片，测量框架105测量微动台101相对于测量框架105的位置，并进行反馈，与设定的微动台101运动轨迹比较，得到测量偏差，反馈控制器对偏差信号进行调整放大，得到控制信号，微动台执行器根据控制信号驱动微动台101运动，形成闭环控制回路。

[0029] 但是仅靠微动台101的闭环大行程运动往往是达不到需要的定位精度的，所以加入粗动台102，采用粗微动结合的方式来实现快速高精度定位。同时采用平衡质量103反向运动来减小整个硅片台系统对外的干扰。粗动台102和平衡质量103同样设置闭环控制回路，利用光栅尺测量粗动台102相对于平衡质量103的位置，利用光栅尺测量平衡质量103相对于基础框架104的位置。具体的闭环控制环路可以参考图2所示，其中轨迹设定模块201设定运动对象模块204 的运动轨迹，测量传感器模块205测量运动对象模块204的实际运动轨迹，将实际运动轨迹与设定的运动轨迹比较得到位置误差信号206，将位置误差信号206发送至反馈控制器模块202，得到控制信号207并将控制信号传输至执行器模块
203，执行器模块203控制运动对象模块204运动，测量传感器模块205再次测量运动对象模块204的实际运动轨迹并与设定的运动轨迹相比较，并重复上述过程，直至最终定位。

[0030] 根据前面的介绍，为了实现高速高精度定位，需要得到平衡质量的质心相对平衡质量形心的准确位置。

[0031] 图3所示为本发明的方法采用的平衡质量测量机构的结构示意图，图中SN1和SN2为平衡质量测量光栅尺，其中每个光栅尺SN1或者SN2都是二维光栅尺，即可以同时测量平衡质量在图示X方向和图示Y方向的位移，光栅尺的尺子安装在平衡质量下层的外部框架上，其读头安装在平衡质量上。图中灰色小方块表示测量初始位置，白色小方块表示平衡质量旋转一定角度后的测量位置。Ly1和Lx1为SN1到X轴和Y轴的距离，Ly2和Lx2为SN2到X轴和Y轴的距离。图中填充网格的圆圈代表平衡质量质心位置，Δx和Δy分别为平衡质量质心相对形心的偏心，其中形心点就在坐标系原点。

[0032] 设：平衡质量光栅尺SN1、SN2的测量值为：x1,y1和x2,y2

[0033] 平衡质量形心的逻辑轴位移值为：x_pos，y_pos，rz_pos

[0034] 平衡质量质心的逻辑轴位移值为：x_pos_cg，y_pos_cg，rz_pos_cg[0035] 当平衡质量不存在偏心时，即质心和形心重合时，Δx和Δy都为零，平衡质量SN1和SN2的物理测量值(分别表示为x1,y1和x2,y2)和平衡质量质心(即形心)逻辑轴的位移值(X向位移值x_pos，Y向位移值y_pos，Rz向位移值rz_pos)之间的关系为：

[0036] 公式(1)。

[0037] 当Δx和Δy不为零，即平衡质量的质心和形心不重合时，平衡质量SN1和SN2的测量值和平衡质量质心逻辑轴位移值之间的关系为：

[0038] 公式(2)。

[0039] 公式(1)和公式(2)联合可以得到：

[0040]

[0041] 进而可以得到：

[0042] 公式(3)

[0043] 当Rz向闭环加入运动轨迹，而X、Y方向不加入轨迹(即设定位移为零)并且开环时，X和Y方向的位移x_pos,y_pos为零。如果传感器测量到平衡质量在X或Y方向有位移时，这个位移就是由于形心与质心不重合引起的，即质心相对形心坐标系有位移。这样，公式(3)可以进一步表示为：

[0044] 公式(4)

[0045] 从公式(4)可以看出，只要我们得到偏质心下，平衡质量X和Y自由度的位移输出，结合Rz向的运动轨迹，就可以算出平衡质量质心相对形心的偏心量。

[0046] 下面结合图7所示的平衡质量质心测校的流程图对质心测校的流程进行描述。该流程具有如下步骤：

[0047] 步骤一、针对平衡质量生成N(在本实施例中N为“5”)组Rz轨迹，本实施例中该轨迹是包含位移、速度和加速度等运动参数的三阶运动轨迹，设定最大测试次数M(在本实施例中M为“20”)；

[0048] 步骤二、假设初始时质心偏差为零，即Δx、Δy为零；设定XY向质心的搜索阈值spec_x和spec_y，该阈值用于判断是否继续进行搜索，当搜索后的Δx、Δy值小于阈值时，认为搜索到了实际质心，搜索就可以结束；当搜索后的Δx、Δy值大于等于阈值时，则继续搜索；

[0049] 步骤三、根据实际的平衡质量系统选择测试模型，该测试模型在XY轴开环，Rz轴闭环，测试模型中包含上述平衡质量模块以及二维光栅尺，将此时的Δx、Δy值代入到测试模型中，选择一组Rz轨迹，注入到测试模型；本实施例中，测试模型选择如图4所示的在线补偿模型，运动轨迹即为步骤一中描述的三阶运动轨迹；

[0050] 步骤四、运行测试模型，得到平衡质量零速段位移测量输出(到达轨迹规划的零速段时刻后经过一定稳定时间的位移数据)，经过位移数据处理(将平衡质量传感器得到的物理轴位移值转化为逻辑轴位移值)后得到XYRz三自由度的位移输出x_pos_cg、y_pos_cg和rz_pos，根据公式(4)计算出此时的Δx、Δy值并记录；

[0051] 步骤五、输入下一组Rz轨迹，重复步骤三和步骤四，得到不同的Δx、Δy值并记录；

[0052] 步骤六、记录N次值以后，计算其平均值，得到该组测试完成后的质心偏差Δx、Δy值；

[0053] 步骤七、判断是否完成了M次测试，若未完成，则对得到的Δx、Δy，分别与设定的搜索阈值spec_x、spec_y进行比较，如果Δx、Δy均小于搜索阈值，则认为测校完成，质心相对形心的偏心量即为Δx、Δy，如果Δx、Δy中至少一个大于搜索阈值，将此时的Δx、Δy值代入测试模型，重复步骤三～六，直到Δx、Δy值小于设定的搜索阈值，完成测校，或者直到测试次数大于设定的测试次数M，完成测校。

[0054] 图4所示为平衡质量质心测校及在线补偿控制框图，即质心测校及在线补偿模型的示意图。图中，质心在线补偿模型401通过质心测校模块405获得需要的质心修正量，输入到在线补偿模型中，计算得到物理电机的力输出，给入到电机及被控对象模块402中，二维光栅尺模块403实时测量平衡质量的位移，通过测量转换模块404得到平衡质量三自由度的位移输出，给入到质心测校模块405中，质心测校模块405根据如图7所示的测校流程，得到质心的偏心量，再输入到在线补偿模型401中，实时的补偿控制。

[0055] 图5所示为一仿真实例中，在平衡质量Rz向闭环，加入到Rz轴的运动轨迹。

[0056] 图6所示为仿真实例中，在平衡质量Rz向闭环，并加入1mrad运动轨迹时，平衡质量水平向各自由度的位移输出图。图6中第一幅图指平衡质量X向的位移输出，第二幅图指平衡质量Y向的位移输出，第三幅图指平衡质量Rz向的位移输出。

[0057] 在分析中，加入一组测试参数进行实际测验，参数设计及测验结果如下表[0058]

[0059] 可以看出，经过测校的偏心值与设定值基本一致，X向和Y向的测校质心与设定质心偏差在0.15mm范围以内，一次校准精度小于制造公差范围。

[0060] 本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。