质量重心测量装置及方法

摘要

本发明提供了一种质量重心测量装置及方法，通过调节水平向调节机构在所述滑槽内的位置；水平测量尺测量待测量部件的支撑点的位置；根据垂向精密测量装置的读数调整每个垂向调节机构的垂向距离；小型力传感器测量待测量部件保持水平时的支撑点的第一垂向力，根据第一垂向力确定所述待测量部件的质量；根据待测量部件的质量、相邻两支撑点之间的距离和第一垂向力确定待测量部件的水平向重心；以待测量部件的其中相邻两个支撑点的连线为轴将待测量部件转动α角；小型力传感器测量待测量部件另外两个支撑点的第二垂向力；确定待测量部件的垂向重心，本发明能够准确测量待测量部件如光刻装置的运动部件的质量及其重心位置，测试时间短且精度高。

权利要求

1.一种质量重心测量装置的质量重心测量方法，质量重心测量装置包括基座和多个支撑机构，每个支撑机构包括依次连接的水平向调节机构、垂向调节机构和小型力传感器，其中，所述基座上设置有多条滑槽和多个水平测量尺；所述水平向调节机构分别设置于所述滑槽内，以使所述水平向调节机构在滑槽内滑移；所述垂向调节机构用于支撑一待测量部件，每个垂向调节机构上设置有垂向精密测量装置；所述小型力传感器用于测量所述待测量部件的支撑点的垂向力；其特征在于，所述测量方法包括：调节所述水平向调节机构在所述滑槽内的位置，以使所述垂向调节机构支撑起所述待测量部件；

选择所述待测量部件上的一个位置作为原点，建立以所述原点为中心的X和Y向坐标轴，所述水平测量尺测量所述待测量部件的支撑点的位置，从而获得相邻两支撑点之间的距离；

根据所述垂向精密测量装置的读数调整每个垂向调节机构的垂向距离，以使所述待测量部件保持水平；

所述小型力传感器测量所述待测量部件保持水平时的支撑点的第一垂向力，根据所述第一垂向力确定所述待测量部件的质量；

根据所述待测量部件的质量、相邻两支撑点之间的距离和第一垂向力确定所述待测量部件的水平向重心；

以所述待测量部件的其中相邻两个支撑点的连线为轴将所述待测量部件转动α角；

所述小型力传感器测量所述待测量部件另外两个支撑点的第二垂向力；

根据所述待测量部件的质量、相邻两支撑点之间的距离、第一垂向力、水平向重心、α角和第二垂向力确定所述待测量部件的垂向重心。

2.如权利要求1所述的质量重心测量方法，其特征在于，所述待测量部件为长方体，所述支撑机构、滑槽和水平测量尺的数量为四个，确定所述待测量部件的水平向重心的步骤中，根据下述公式获取所述待测量部件的水平向重心：

其中，(x0,y0)表示所述水平向重心，m表示所述待测量部件的质量，a表示连线平行于X向坐标轴的两个支撑点之间的距离，b表示连线平行于Y向坐标轴的两个支撑点之间的距离，F1、F2、F3和F4分别表示四个支撑点的第一垂向力。

3.如权利要求2所述的质量重心测量方法，其特征在于，确定所述待测量部件的垂向重心的步骤中，根据下述公式确定所述待测量部件的垂向重心：

其中，F11和F22分别表示另外两个支撑点的第二垂向力，z0表示所述待测量部件的垂向重心。

说明书

质量重心测量装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种质量重心测量装置及方法。

背景技术

[0002] 随着半导体行业的发展，越来越多的先进技术已被应用到这一行业当中。现有的光刻装置大体上分为两类，一类是步进光刻装置，掩模图案一次曝光成像在镜片的一个曝光区域；另一类是步进扫描光刻装置，掩模图案不是一次曝光成像，而是通过投影光场的扫描移动成像。衡量光刻设备的一个重要的方面就是运动部件的定位精度，所述运动部件包括：承载掩模图案的掩模台，承载硅片的硅片台。实际中，通常以运动部件电机驱动中心为重心点，但是测量中心往往取形心点，这样，在实现伺服控制时，就存在控制信号从形心位置到重心位置的转换，这个转换和重心和形心的位置偏差密切相关，如果重心和形心位置没有很好的校准，偏差较大的话，控制性能就无法达到需要的纳米级别的精度。为了获得较好的光刻设备性能，运动部件的重心需要准确标定。

[0003] 在现有技术中，通过给运动部件Rz轴（水平向旋转轴）加入闭环控制，其反馈信号由检测机构测量变换得到。运动部件的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，如果运动部件的重心和形心（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运动部件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，当运动部件重心和形心不重合，即重心相对形心存在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旋转的角度以及重心相对形心X、Y方向的偏心有关，由此可以通过测量传感器的输出以及Rz的旋转运动量来得到重心相对形心的偏心。这种方法虽然不需要额外的测量装置，但是由于各种噪声因素，重心测量精度无法保证，同时，这种方法测量步骤比较麻烦，测试过程冗长。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种质量重心测量装置及方法，能够提供结构简单有效的质量重心测量装置，利用力矩平衡原理，准确测量待测量部件如光刻装置的运动部件的质量及其重心位置，测试时间短且精度高。

[0005] 为解决上述问题，本发明提供一种质量重心测量装置，

[0006] 包括基座和多个支撑机构，每个支撑机构包括依次连接的水平向调节机构、垂向调节机构和小型力传感器，其中，

[0007] 所述基座上设置有多条滑槽和多个水平测量尺；

[0008] 所述水平向调节机构分别设置于所述滑槽内，以使所述水平向调节机构在滑槽内滑移；

[0009] 所述垂向调节机构用于支撑一待测量部件，每个垂向调节机构上设置有垂向精密测量装置；

[0010] 所述小型力传感器用于测量所述待测量部件的支撑点的垂向力。

[0011] 进一步的，在上述装置中，每个水平向调节机构上设置有固定螺钉，用于将所述水平向调节机构固定于所述基座上。

[0012] 进一步的，在上述装置中，所述小型力传感器的顶部设置有球铰机构。

[0013] 进一步的，在上述装置中，每个垂向调节机构上设置有防滑移部件，用于防止所述待测量部件滑移。

[0014] 进一步的，在上述装置中，所述待测量部件为一光刻装置的运动部件。

[0015] 进一步的，在上述装置中，所述垂向精密测量装置为千分尺或者游标卡尺。

[0016] 进一步的，在上述装置中，所述支撑机构、滑槽和水平测量尺的数量均为四个，所述滑槽和水平测量尺沿所述基座的对角线设置。

[0017] 根据本发明的另一面，提供一种采用上述质量重心测量装置的质量重心测量方法，包括：

[0018] 调节所述水平向调节机构在所述滑槽内的位置，以使所述垂向调节机构支撑起所述待测量部件；

[0019] 选择所述待测量部件上的一个位置作为原点，建立以所述原点为中心的X和Y向坐标轴，所述水平测量尺测量所述待测量部件的支撑点的位置，从而获得相邻两支撑点之间的距离；

[0020] 根据所述垂向精密测量装置的读数调整每个垂向调节机构的垂向距离，以使所述待测量部件保持水平；

[0021] 所述小型力传感器测量所述待测量部件保持水平时的支撑点的第一垂向力，根据所述第一垂向力确定所述待测量部件的质量；

[0022] 根据所述待测量部件的质量、相邻两支撑点之间的距离和第一垂向力确定所述待测量部件的水平向重心；

[0023] 以所述待测量部件的其中相邻两个支撑点的连线为轴将所述待测量部件转动α角；

[0024] 所述小型力传感器测量所述待测量部件另外两个支撑点的第二垂向力；

[0025] 根据所述待测量部件的质量、相邻两支撑点之间的距离、第一垂向力、水平向重心、α角和第二垂向力确定所述待测量部件的垂向重心。

[0026] 进一步的，在上述方法中，

[0027] 所述待测量部件为长方体，所述支撑机构、滑槽和水平测量尺的数量为四个，确定所述待测量部件的水平向重心的步骤中，根据下述公式获取所述待测量部件的水平向重心：

[0028]

[0029] 其中（，xo,yo）表示所述水平向重心，m表示所述待测量部件的质量，a表示连线平行于X向坐标轴的两个支撑点之间的距离，b表示连线平行于Y向坐标轴的两个支撑点之间的距离，F1、F2、F3和F4分别表示四个支撑点的第一垂向力。

[0030] 进一步的，在上述方法中，

[0031] 确定所述待测量部件的垂向重心的步骤中，根据下述公式确定所述待测量部件的垂向重心：

[0032]

[0033] 其中，F11和F22分别表示另外两个支撑点的第二垂向力，zo表示所述待测量部件的垂向重心。

[0034] 与现有技术相比，本发明提供一种结构简单有效的质量重心测量装置，通过调节所述水平向调节机构在所述滑槽内的位置，以使所述垂向调节机构支撑起所述待测量部件；选择所述待测量部件上的一个位置作为原点，建立以所述原点为中心的X和Y向坐标轴，所述水平测量尺测量所述待测量部件的支撑点的位置，从而获得相邻两支撑点之间的距离；根据所述垂向精密测量装置的读数调整每个垂向调节机构的垂向距离，以使所述待测量部件保持水平；所述小型力传感器测量所述待测量部件保持水平时的支撑点的第一垂向力，根据所述第一垂向力确定所述待测量部件的质量；根据所述待测量部件的质量、相邻两支撑点之间的距离和第一垂向力确定所述待测量部件的水平向重心；以所述待测量部件的其中相邻两个支撑点的连线为轴将所述待测量部件转动α角；所述小型力传感器测量所述待测量部件另外两个支撑点的第二垂向力；根据所述待测量部件的质量、相邻两支撑点之间的距离、第一垂向力、水平向重心、α角和第二垂向力确定所述待测量部件的垂向重心，能够利用力矩平衡原理，准确测量待测量部件如光刻装置的运动部件的质量及其重心位置，测试时间短且精度高。

附图说明

[0035] 图1是本发明一实施例的质量重心测量装置的结构图；

[0036] 图2是本发明一实施例的支撑机构的结构图；

[0037] 图3是本发明一实施例的矩形待测量部件的测量示意图；

[0038] 图4是本发明一实施例的菱形待测量部件的测量示意图；

[0039] 图5是本发明一实施例的质量重心测量方法的流程图；

[0040] 图6是本发明一实施例的垂直距离测量原理图；

[0041] 图7是本发明一实施例的待测量部件转动α角的示意图。

具体实施方式

[0042] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0043] 实施例一

[0044] 如图1和2所示，本发明提供一种质量重心测量装置，包括基座1和四个支撑机构2，每个支撑机构2包括依次连接的水平向调节机构21、垂向调节机构22和小型力传感器23。

[0045] 所述基座1上沿对角线设置有四条滑槽11和四个水平测量尺12，所述水平测量尺12可用于测量所述水平向调节机构21的位置。

[0046] 所述水平向调节机构21分别设置于所述滑槽11内，以使所述水平向调节机构21在滑槽11内滑移。优选的，每个水平向调节机构21上设置有固定螺钉，用于将所述水平向调节机构21固定于所述基座1上。具体的，在水平向调节机构21在滑槽11内滑移到需要的位置后，可以通过固定螺钉将水平向调节机构21固定在基座1上。

[0047] 所述垂向调节机构22用于支撑一待测量部件3的四个支撑点A、B、C、D，每个垂向调节机构22上设置有垂向精密测量装置，例如千分尺和游标卡尺等。本实施例采用千分尺，所述垂向调节机构22可以实现垂向移动，千分尺可以实现待测量部件3的垂向位置精密测量。优选的，所述垂向调节机构22设置有防滑移部件，用于防止所述待测量部件3滑移，从而保证测试精度并保证安全。所述待测量部件3为一光刻装置的运动部件。

[0048] 所述小型力传感器23用于测量所述待测量部件3的四个支撑点A、B、C和D的垂向力。优选的，所述小型力传感器23的顶部设置有球铰机构，所述球铰机构可以保证小型力传感器23测量的垂向力的准确性。

[0049] 如图3和4所示，针对不同的待测量部件3的形状，可调节四个水平向调节机构21分别在所述滑槽11内的位置，以使四个垂向调节机构22同时支撑起待测量部件3，在待测量部件3能够得到四个垂向调节机构22共同有效的支撑，才能通过小型力传感器23得到待测量部件3的四个角的有效垂向力数值。

[0050] 图3所示待测量部件3为一光刻装置的运动部件，其形状为矩形状。可通过调节测量装置的垂向调节机构22，使运动部件的上表面保证水平或与装置的基座表面成斜角。

[0051] 本实施例提供结构简单有效的质量重心测量装置，能够利用力矩平衡原理，准确测量待测量部件如光刻装置的运动部件的质量及其重心位置，测试时间短且精度高。

[0052] 实施例二

[0053] 如图5所示，本发明还提供一种采用如实施例一所述的质量重心测量装置的质量重心测量方法，包括：

[0054] 步骤S1，调节所述水平向调节机构21在所述滑槽内11的位置，以使垂向调节机构22支撑起所述待测量部件。

[0055] 步骤S2，选择所述待测量部件3上的一个位置作为原点o，建立以所述原点o为中心的X和Y向坐标轴，所述水平测量尺12测量所述待测量部件3的四个支撑点的位置，从而获得相邻两支撑点之间的距离a和b。

[0056] 步骤S3，根据所述千分尺的读数调整每个垂向调节机构22的垂向距离，以使所述待测量部件3保持水平。

[0057] 步骤S4，所述小型力传感器23测量所述待测量部件3保持水平时的四个支撑点的第一垂向力，根据所述第一垂向力确定所述待测量部件3的质量。

[0058] 步骤S5，根据待测量部件3的质量、所述距离a和b、第一垂向力确定所述待测量部件3的水平向重心。

[0059] 优选的，步骤S5中，确定所述待测量部件3的水平向重心的步骤中，根据下述公式获取所述待测量部件的水平向重心：

[0060]

[0061] 其中（，xo,yo）表示所述水平向重心，m表示所述待测量部件的质量，a表示连线平行于X向坐标轴的两个支撑点之间的距离，b表示连线平行于Y向坐标轴的两个支撑点之间的距离，F1、F2、F3和F4分别表示四个支撑点的支撑力，即所述第一垂向力。

[0062] 步骤S6，以所述待测量部件3的其中相邻两个支撑点的连线为轴将所述待测量部件转动α角。

[0063] 步骤S7，所述小型力传感器23测量所述待测量部件3另外两个支撑点的第二垂向力。

[0064] 步骤S8，根据所述距离a和b、第一垂向力、水平向重心、α角和第二垂向力确定所述待测量部件3的垂向重心。

[0065] 优选的，步骤S8中根据下述公式确定所述待测量部件的垂向重心：

[0066]

[0067] 其中，F11和F22分别表示另外两个角的第二垂向力，zo表示所述待测量部件的垂向重心。

[0068] 如图6所示，本实施例中以运动部件的形心（几何中心）o点为原点，其它实施例中原点的选择也可为所述待测量部件上的其它任一个位置，以所述原点o为中心建立坐标系X和Y向轴，om为待测量部件重心，重心坐标值为(xo,yo,zo)。由水平测量尺12确定原点o的位置，并确定所述待测量部件上相邻两支撑点之间的距离a和b。调节垂向调节机构22保持待测量部件表面水平，用小型力传感器23测试四个支撑点A、B、C、D的支撑力分别为F1、F2、F3和F4。由此确定待测量部件总质量为m。通过式（1），确定待测量部件水平向重心xo,yo。

[0069]

[0070] 如图7所示，将待测量部件以CD为轴转动α角，测试四个支撑点A、B、C、D的支撑力，分别为F11，F22，F33和F44。通过式（2），确定待测量部件垂向重心zo。

[0071]

[0072] 通过上述步骤，最终得到了完整的重心坐标值(xo,yo,zo)。

[0073] 本发明中的待测量部件3可为多种形状，例如图4所示的菱形，当然也不限定于矩形和菱形；支撑机构2和相应的滑槽11的数量为大于等于3，可根据实际需要进行设计。综上所述，本发明提供一种结构简单有效的质量重心测量装置，能够利用力矩平衡原理，准确测量待测量部件如光刻装置的运动部件的质量及其重心位置，测试时间短且精度高。

[0074] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

[0075] 专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

[0076] 显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。