專利名稱：：Xyy精密定位平臺的校準方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種平臺的校準方法，特別涉及用于芯片制造行業(yè)的XYY精密定位平臺的校準方法。
背景技術(shù)：
：精密定位平臺是精密加工領(lǐng)域的重要工具。例如，光刻機在制造芯片的時候，就是把硅片和掩模分別固定在兩個精密定位平臺上，以便把掩模上的圖形復制到硅片上。公開號為CN2777335Y的中國專利"一種三自由度精密定位平臺，，公開了一種精密定位平臺，該平臺在X方向有一個伸縮機構(gòu)(該專利中用凸輪和彈性柔性件實現(xiàn))，Y方向有兩個伸縮機構(gòu)，其原理示意圖可參閱圖1，圖中畫出了坐標系，其中，Rz向表示繞Z軸旋轉(zhuǎn)的方向。平臺l邊緣上的三個點x、yl和y2分別用于表示該一個X向伸縮才幾構(gòu)和兩個Y向伸縮才幾構(gòu)的位置，當伸縮才兒構(gòu)在這三個點上伸長或縮短時，平臺1便開始運動。通過控制x、yl、y2三個伸縮機構(gòu)的力的大小和方向，便可實現(xiàn)平臺1在X、Y和Rz方向上的運動。如果把伸縮機構(gòu)改為其他形式，例如直線電機、絲杠、壓電致動器、超聲電機等等，或者將整個平臺改為X方向具有兩個伸縮機構(gòu)、Y方向具有一個伸縮才幾構(gòu)的結(jié)構(gòu)，并不會改變其實質(zhì)，故將這一類型的平臺統(tǒng)稱為"XYY平臺"。XYY平臺雖然具備結(jié)構(gòu)簡單、體積小、沒有疊加運動等優(yōu)點，但在工程實踐中，還要解決以下三個問題1.執(zhí)行器的校準問題。受到電氣特性的限制，控制器不能直接帶動伸縮機構(gòu)，而必須通過功率放大部件帶動電機，再由電機帶動伸縮機構(gòu)。功率放大部件、電機和伸縮機構(gòu)共同組成"執(zhí)行器"。這又進一步帶來三個問題(1)由于功率放大部件有漏電流(用Z^;t表示)，所以即使控制器的控制值為0(不希望電機運動)，功率放大部件仍然會有微弱的電流送給電機，于是電機不能完全靜止；(2)由于功率放大部件的放大倍率(用"表示)有誤差，所以電機的實際輸出和控制值不同；(3)由于機械誤差，最終傳遞到平臺的伸縮量和電機的實際輸出又不同。上述問題的最終后果是無法把控制器的控制值準確地傳遞給平臺，從而破壞了整個控制系統(tǒng)的伺服性能。如果希望把控制器的控制值準確地傳遞給平臺，就必須做執(zhí)行器校準。2.運動的耦合問題。參見圖2，并配合參照圖1，設(shè)平臺1的旋轉(zhuǎn)中心為0,X方向的伸縮機構(gòu)和平臺l邊緣的點x相接觸?，F(xiàn)在要讓平臺l做旋轉(zhuǎn)運動，則Y方向的兩個伸縮機構(gòu)應一個伸長、一個縮短。但是隨著旋轉(zhuǎn)，X方向的伸縮機構(gòu)會運動到和點x，相接觸的位置。因為O到x和O到x，的距離不同，因此平臺1在X方向上也會產(chǎn)生移動，即本來只想做Rz運動，卻在X方向產(chǎn)生了副作用。這就是"運動的耦合問題"，必須經(jīng)過解耦才能消除這種耦合。由于加工和裝配誤差，任何兩個平臺的耦合關(guān)系都不一樣，因此必須找到通用、高效的解耦方法。3.伸縮傳感器的校準問題。為了能迅速確定平臺位置，在伸縮機構(gòu)旁裝有伸縮傳感器，以便根據(jù)各個伸縮機構(gòu)的伸縮量算出平臺的X、Y和Rz坐標。如果伸縮傳感器自身有誤差，那么算出的平臺坐標必然有誤差。而伸縮傳感器的誤差是不可避免的，而且隨著長時間運行后的老化，還可能越來越大，因此必須有辦法校準伸縮傳感器。以上三個問題，在要求不高的場合影響不大。但是，如果對效率或精度的要求較高(例如光刻機中)，就必須解決這些問題。否則，第一和第二個問題會導致平臺經(jīng)多次調(diào)整之后才能到達目標位置(影響效率)，第二和第三個問題會導致平臺移動到錯誤的位置(影響精度)。上述中國專利"一種三自由度精密定位平臺"中，僅根據(jù)動力學方程分析了XYY平臺的受力關(guān)系，沒有考慮上述三個問題，因此技術(shù)效果不夠理想。美國第6747431號專利(公開日2004年6月8日)提出了一種執(zhí)行器校準的方法，但是該方法僅針對電機本身，忽視了功率放大部件的電路誤差。美國第6948254號專利(公開日2003年9月27日)提出了一種消除定位平臺水平位置誤差的方法，該方法亦可用于解決運動耦合問題。其缺點是計算量較大，而且需要大量讀取標記的位置。在某些設(shè)備(例如光刻機)中，讀取標記位置需要花費一定的時間，因此大量讀取標記位置的后果就是效率低下。美國第6614617號專利(公開日2005年9月2日)提出了另一種基于速度誤差的執(zhí)行器校準方法。該方法的優(yōu)點是對功率放大部件和電機的總誤差進行校準，但是在很多設(shè)備(例如光刻機)中，缺乏直接測平臺運動速度的傳感器，通常只能測電機的速度。因此，如果運用上述6948254號專利的方法，則不能對機械誤差進行校準。美國第7256411號專利(公開日2007年8月14日)提出了一種對線性陣列傳感器進行校準的方法，而這種傳感器是可以用做伸縮傳感器的。但是，如果采用其他類型的傳感器做伸縮傳感器，就不能使用這鐘方法了。此外，該方法還要求額外增加測試樣板(testpattern)和鼓輪(drum)，不便于應用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是提供一種在一個流程中全部解決執(zhí)行器校準、解耦和伸縮傳感器校準問題的XYY精密定位平臺的校準方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)手段實現(xiàn)一種XYY精密定位平臺的校準方法，所述平臺具有一控制器，所述控制器連接至三個執(zhí)行器，每個執(zhí)行器進一步包括一個功率放大部件、一個電機、一個伸縮機構(gòu)和一個校正部件，所述的三個伸縮才幾構(gòu)分別為一個X方向的伸縮才幾構(gòu)，記為x伸縮4幾構(gòu)，以及兩個Y方向的伸縮機構(gòu)，記為yl、y2伸縮機構(gòu)，所述控制器還連接至三個伸縮傳感器，分別記為x伸縮傳感器和yl、y2伸縮傳感器，所述的三個伸縮傳感器分別用來纟笨測x伸縮;f幾構(gòu)、yl伸縮機構(gòu)和y2伸縮;l^構(gòu)的伸縮量，所述校準方法包括下列步驟(1)執(zhí)行器校準，用于對來自控制器的控制值F進行校正，以得到校正后的控制值F，將F'送入功率放大部件，轉(zhuǎn)換成電流值/'后再送入電機；(2)伸縮傳感器校準，使所述平臺分別沿X方向和Y方向移動一段距離，通過對平臺的坐標及伸縮傳感器的探測和計算，分別得到x伸縮傳感器和yl、y2伸縮傳感器各自的誤差比例；(3)校準解耦矩陣，分別使三個伸縮機構(gòu)中的兩個保持靜止，另一個伸長或者縮短一段距離，并通過位置傳感器讀取平臺坐標，以計算出解耦矩陣。進一步地，步驟(l)中控制值F經(jīng)所述校正部件變換為F,其變換公式為P=F*M7+o#e/;其中，參數(shù)MC和o"訴e按如下方法確定任意耳又一個值0/i，作為臨時的存入^^正部件；關(guān)閉控制器，使控制值F變?yōu)?;檢測功率放大部件輸出的電流，假設(shè)其大小為/i，并用參數(shù)p表示功率放大部件的放大倍率，用丄ed表示功率放大部件的漏電流，則得到一個方程n=*o/i+丄滅；任意耳又不同于o/1的值o/2，并作為新的臨時oifsez存入校正部件；檢測功率放大部件輸出的電流，假設(shè)其大小為/2,則得到一個方程解上述兩方程，得到;S和,則合理的和il/C分別為廣廣￡eaA,,"1=--;AfC/戸,進一步地，步驟(2)中校準x伸縮傳感器的具體步驟是用位置傳感器讀取平臺的坐標，記為(X,，K，iz,),讀取此時x伸縮傳感器的令平臺沿X軸移動一段距離；用位置傳感器讀取平臺的坐標，檢查其^是否接近fc,，如相差較大則令平臺做旋轉(zhuǎn)運動，直到其iz與fc,—致或足夠接近；再次用位置傳感器讀取平臺的坐標，記為化2,^尺22),讀取此時x伸縮傳感器的輸出，記為^議2;此時，平臺在X坐標軸上的實際位移為A-X,,而x伸縮傳感器的變化量為&!議2-因此x伸縮傳感器的誤差比例為/""^=義一義'6欣2-W^進一步地，步驟(2)中校準yl和y2伸縮傳感器的具體步驟是用位置傳感器讀取平臺的坐標，記為(Z"K,i^),讀取此時yi伸縮傳感器和y2伸縮傳感器的輸出，分別記為Mn3和;令平臺沿Y軸移動一段距離；用位置傳感器讀取平臺的坐標，檢查其尺z是否接近^3,如相差較大則令平臺做旋轉(zhuǎn)運動，直到其7fe與/z,—致或足夠接近；再次用位置傳感器讀取平臺的坐標，記為(義4，^&4),讀取此時yl伸縮傳感器和y2伸縮傳感器的輸出，分別記為和6/"24;計算得出yl和y2伸縮傳感器的誤差比例分別為游14k一k進一步地，令解耦矩陣是一個3x3的矩陣，用B表示，則步驟(3)中解耦矩陣的具體計算方法為用位置傳感器讀取平臺的坐標，記為(《，g，/^);令yl伸縮機構(gòu)和y2伸縮機構(gòu)保持靜止，x伸縮機構(gòu)伸長或者縮短一段距離，用Ar表示這段距離；用伸縮傳感器讀取平臺的坐標，記為(12,72，&2);列出一個方程由此方程可以解得解耦矩陣B的第一列的值；令x伸縮機構(gòu)和y2伸縮機構(gòu)保持靜止，yl伸縮機構(gòu)伸長或者縮短一段距離，用Ayl表示這段距離；用位置傳感器讀取平臺的坐標，記為(^,i;,&;);列出一個方程<table>tableseeoriginaldocumentpage107</column></row><table>由此方程可以解得解耦矩陣B的第二列的值；令x伸縮機構(gòu)和yl伸縮機構(gòu)保持靜止，y2伸縮機構(gòu)伸長或者縮短一段距離，用Ay2表示這段距離；用位置傳感器讀取平臺的坐標，記為(^A,/^);列出一個方程<table>tableseeoriginaldocumentpage107</column></row><table>由此方程可以解得解耦矩陣B的第三列的值。本發(fā)明由于采用了上述的技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果1、執(zhí)行器的電路誤差和機械誤差均得到校準；2、允許使用任何類型的傳感器作為伸縮傳感器；3、充分利用獨立于XYY精密定位平臺的位置傳感器，不但用它來做解耦，還用它來做執(zhí)行器校準和伸縮傳感器校準。對光刻機而言，這意味著不額外增加專用設(shè)備，完全利用光刻機中的現(xiàn)有設(shè)備；4、利用矩陣運算的疊加性質(zhì)，簡化解耦過程，不再大量讀取標記位置，校準精度高，速度快，實現(xiàn)全自動校準。圖1為XYY精密定位平臺原理圖；圖2為XYY精密定位平臺運動耦合問題的示意圖；圖3為XYY精密定位平臺在光刻才兒中的布置方式示意圖；圖4為本發(fā)明的執(zhí)行器校準原理圖。具體實施方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的XYY精密定位平臺的校準方法進行詳細描述。圖3是XYY平臺在光刻機中的一種布置方式。在平臺1的上方，有一個位置傳感器2，位置傳感器2可以探測平臺1的位置。由于位置傳感器2是獨立于平臺1的，所以它可以精確地探測到平臺1的位置，和平臺1是否經(jīng)過校準無關(guān)。于本發(fā)明的其它實施例中，位置傳感器2也可以裝在平臺1的側(cè)面或者下面，只要獨立于平臺1即可。校準分為三步，次序不可顛倒。詳述如下第一步執(zhí)行器校準參見圖4，其中F為來自控制器的控制值。為了對執(zhí)行器進行校準，F(xiàn)不是直接進入功率放大部件4，而是先進入校正部件3。校正部件3其實就是一個用硬件或者軟件實現(xiàn)的數(shù)值運算器，它按如下規(guī)則對F進行變換接著，P^皮送入功率》文大部件4,變成電流/',再送入電機5。電機5在收到/'大的電流時，輸出/'w,牛頓的力，其中，尺,是電機的推力比，單位是牛頓/安培。上式中參數(shù)MC和按如下方法確定(1)任意取一個值o/1，作為臨時的q^"存入4交正部件3;(2)關(guān)閉控制器，使控制值F變?yōu)镺;(3)檢測功率放大部件4輸出的電流，假設(shè)其大小為/l,則得到一個方程(4)任意取不同于o/l的值o/2，并作為新的臨時存入校正部件3;(5)檢測功率放大部件4輸出的電流，假設(shè)其大小為/2，則得到一個方程(6)解上述兩方程，得到功率放大部件4的/和丄ed,則合理的q^^和MC分別為^Led1=--;MC:P"《,把這兩個合理的值存入校正部件3即可。第二步伸縮傳感器校準伸縮傳感器校準的基本原理是若平臺1在運動前后，其沿Z軸的旋轉(zhuǎn)量^沒有變化，則位置傳感器2所探測到的平臺l的運動距離，等同于伸縮機構(gòu)的實際伸縮量。校準x伸縮傳感器的步驟是(1)用位置傳感器2讀取平臺l的坐標，記為(JT,，i;,/^)，讀取此時x伸縮傳感器的輸出，記為6/",;(2)令平臺1沿X軸移動一段距離；(3)用位置傳感器2讀取平臺1的坐標，檢查其i^是否接近&,，如相差較大則令平臺1做旋轉(zhuǎn)運動，直到其&與一致或足夠接近；(4)再次用位置伸縮傳感器2讀取平臺1坐標，記為(A，:^,i^)。讀取此時x伸縮傳感器的輸出，記為MZ2;(5)此時，平臺l在X坐標軸上的實際位移為A-而x伸縮傳感器的變化量為W/Z2。因此x伸縮傳感器的誤差比例為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>校準yl和y2伸縮傳感器的步驟是(1)用位置傳感器2讀取平臺1的坐標，記為(^A,/^)，讀取此時yl伸縮傳感器和y2伸縮傳感器的輸出，分別記為6/"13和6!'"23;(2)令平臺1沿Y軸移動一段距離；(3)用位置傳感器2讀取平臺1的坐標，檢查其^是否接近^3，如相差較大則令平臺l做旋轉(zhuǎn)運動，直到其&與&3—致或足夠接近；(4)再次用位置傳感器2讀取平臺1的坐標，記為(14^4，&4)。讀取此時yl伸縮傳感器和y2伸縮傳感器的輸出，分別記為MH4和to/24;(5)和校準x伸縮傳感器相類似，可以分別確定yl和y2伸縮傳感器的誤差比例<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>確定了三個伸縮傳感器的誤差比例之后，只要在伸縮傳感器的輸出基礎(chǔ)上乘以它的誤差比例，即可得到實際的伸縮量。第三步校準解耦矩陣解耦矩陣是一個3x3的矩陣，用B表示，校準解耦矩陣的具體步驟是(1)用位置傳感器2讀取平臺1的坐標，記為(z,，"，i^);(2)令yl伸縮機構(gòu)和y2伸縮機構(gòu)保持靜止，x伸縮機構(gòu)伸長或者縮短一段距離，用Ax表示這段距離；(3)用位置傳感器2讀取平臺1的坐標，記為(12,6，^2);(4)列出一個方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>其中由此方程可以解得B的第一列的值。(5)令x伸縮機構(gòu)和y2伸縮機構(gòu)保持靜止，yl伸縮機構(gòu)伸長或者縮短一段距離，用Ayl表示這段距離；1的坐標，記為(X;A,/^);(<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>由此方程可以解得B的第二列的值。(8)令x伸縮機構(gòu)和yl伸縮機構(gòu)保持靜止，y2伸縮機構(gòu)伸長或者縮短一段距離，用A》，2表示這段距離；(9)用位置傳感器2讀取平臺1的坐標，記為(1474,&4);(10)列出一個方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>由此方程可以解得B的第三列的值。矩陣B確定后，如果需要平臺1做(AX，Ay，Ai^)的位移，則按下式算出三個伸縮機構(gòu)各自的伸縮量(<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>平臺1就會準確完成所需要的位移，不會有副作用。綜上所述，本發(fā)明的XYY精密定位平臺的校準方法綜合考慮了執(zhí)行器校準、解耦和伸縮傳感器校準問題，在一個流程中全部解決。通過充分利用獨立于平臺的位置傳感器，既可用它來做解耦，還用它來做執(zhí)行器校準和伸縮傳感器校準。此外，利用矩陣運算的疊加性質(zhì)，簡化了解耦過程，不再大量讀取標記位置，從而提高了效率。權(quán)利要求1、一種XYY精密定位平臺的校準方法，所述平臺具有一控制器，所述控制器連接至三個執(zhí)行器，每個執(zhí)行器進一步包括一個功率放大部件、一個電機、一個伸縮機構(gòu)和一個校正部件，所述的三個執(zhí)行器中一共包括三個伸縮機構(gòu)，這三個伸縮機構(gòu)分別為一個X方向的伸縮機構(gòu)，記為x伸縮機構(gòu)，以及兩個Y方向的伸縮機構(gòu)，記為y1、y2伸縮機構(gòu)，所述控制器還連接至三個伸縮傳感器，分別記為x伸縮傳感器和y1、y2伸縮傳感器，其特征在于，所述的三個伸縮傳感器分別用來探測x伸縮機構(gòu)、y1伸縮機構(gòu)和y2伸縮機構(gòu)的伸縮量，所述校準方法包括下列步驟(1)執(zhí)行器校準，用于對來自控制器的控制值F進行校正，以得到校正后的控制值F′，將F′送入功率放大部件，轉(zhuǎn)換成電流值I′后再送入電機；(2)伸縮傳感器校準，使所述平臺分別沿X方向和Y方向移動一段距離，通過對平臺的坐標以及伸縮傳感器的探測和計算，分別得到三個伸縮傳感器各自的誤差比例；(3)校準解耦矩陣，分別使三個伸縮機構(gòu)中的兩個保持靜止，另一個伸長或者縮短一段距離，并通過伸縮傳感器讀取平臺坐標，以計算出解耦矩陣。2、如權(quán)利要求1所述的校準方法，其特征在于，步驟(1)中，控制值F經(jīng)所述校正部件變換為P，其變換公式為其中，參數(shù)MC和oj^&按如下方法確定任意取一個值。/1,作為臨時的q^w存入校正部件；關(guān)閉控制器，使控制值F變?yōu)?;檢測功率放大部件輸出的電流，假設(shè)其大小為/l,并用p表示功率放大部件的放大倍率，用丄ed表示功率放大部件的漏電流，則得到一個方程/1=-*o/l+丄eoA;任意取不同于o/l的值。/2，并作為新的臨時o^S"存入才t正部件；檢測功率放大部件輸出的電流，假設(shè)其大小為/2,則得到一個方程解上述兩方程，得到功率放大部件的々和Ze"/t,則合理的和MC分別為3、如權(quán)利要求1所述的校準方法，其特征在于，步驟(2)中，校準x伸縮傳感器的具體步驟是用位置傳感器讀取平臺的坐標，記為"J,&,)，讀取此時x伸縮傳感器的令平臺沿x軸移動一^a距離；用位置傳感器讀取平臺的坐標，檢查其/fe是否接近i^，如相差較大則令平臺做旋轉(zhuǎn)運動，直到其&與化一致或足夠接近；再次用位置傳感器讀取平臺的坐標，記為(12，72,^2),讀取此時x伸縮傳感器的輸出，記為6/汰2;此時，平臺在X坐標軸上的實際位移為^-而x伸縮傳感器的變化量為^"2-W,Z,，因此x伸縮傳感器的誤差比例為義'<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>4、如權(quán)利要求1所述的校準方法，其特征在于，步驟(2)中，校準yl和y2伸縮傳感器的具體步驟是用位置傳感器讀取平臺的坐標，記為(;^,73，7^;)，讀取此時yl伸縮傳感器和y2伸縮傳感器的輸出，分別記為Mn,和Z^F2,;令平臺沿Y軸移動一段距離；用位置傳感器讀取平臺的坐標，檢查其&是否接近&3，如相差較大則令平臺做旋轉(zhuǎn)運動，直到其iz與&3—致或足夠接近；再次用位置傳感器讀取平臺的坐標，記為(^4,^4),讀取此時yl伸縮傳感器和y2伸縮傳感器的輸出，分別記為tonj。My24;計算得出yl和y2伸縮傳感器的誤差比例分別為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>5、如權(quán)利要求1所述的校準方法，其特征在于，令解耦矩陣是一個3x3的矩陣，用B表示，則步驟(3)中，解耦矩陣的具體計算方法為用伸縮傳感器讀取平臺的坐標，記為(X,，^7^);令yl伸縮機構(gòu)和y2伸縮機構(gòu)保持靜止，x伸縮機構(gòu)伸長或者縮短一段距離，用Ax表示這段距離；用位置傳感器讀取平臺的坐標，記為化2，^&2);列出一個方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>由此方程可以解得解耦矩陣B的第一列的值；令x伸縮機構(gòu)和y2伸縮機構(gòu)保持靜止，yl伸縮機構(gòu)伸長或者縮短一段距離,用Ayl表示這段距離；用位置傳感器讀取平臺的坐標，記為(^,^/^);列出一個方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>由此方程可以解得解耦矩陣B的第二列的值；令x伸縮機構(gòu)和yl伸縮機構(gòu)保持靜止，y2伸縮機構(gòu)伸長或者縮短一段距離用Ay2表示這段距離；用位置傳感器讀取平臺的坐標，記為(Zd&);列出一個方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>繞3=/z4-iz3由此方程可以解得解耦矩陣B的第三列的值。AX3=X4-JT全文摘要本發(fā)明提供了一種XYY精密定位平臺的校準方法，用于在單一流程中全部解決執(zhí)行器校準、解耦和伸縮傳感器校準的問題。所述方法通過在XYY精密定位平臺外設(shè)置一獨立的位置傳感器，并依次完成執(zhí)行器校準、伸縮傳感器校準和解耦矩陣校準來實現(xiàn)。該方法充分利用了獨立于平臺的位置傳感器，不但用它來做解耦，還用它來做執(zhí)行器校準和伸縮傳感器校準，此外，利用矩陣運算的疊加性質(zhì)，還可簡化解耦過程。本發(fā)明的校準方法校準精度高，速度快，可實現(xiàn)全自動校準，對光刻機而言，不額外增加專用設(shè)備，完全利用光刻機中的現(xiàn)有設(shè)備就可實現(xiàn)。文檔編號G03F7/20GK101260967SQ200810036208公開日2008年9月10日申請日期2008年4月17日優(yōu)先權(quán)日2008年4月17日發(fā)明者剛吳申請人:上海微電子裝備有限公司