專利名稱：一種用于光刻機雙工件臺的二維微位移測量方法及傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于IC制造和超精密測量及加工技術(shù)，主要涉及ー種用于光刻機雙エ件臺的ニ維微位移測量方法及傳感裝置。
背景技術(shù)：
光刻是大規(guī)模集成電路的制造中核心步驟，宏微雙エ件臺技術(shù)是提高光刻機性能的主要手段之一。宏微雙重驅(qū)動技術(shù)作為大行程、高精度、高速定位機構(gòu)，在國內(nèi)外研究取得了一定成果。 其中，光柵尺和激光干涉儀等光電式方法通過閉環(huán)反饋控制在雙エ件臺中有所應(yīng)用2001年8月機械設(shè)計與制造雜志第4期71-72頁發(fā)表了一篇名為《大行程高精度兩極定位工作臺的控制方與研究》的文章，該工作臺利用單頻激光干涉儀實現(xiàn)閉環(huán)位置反饋，可以實現(xiàn)500mm的工作行程內(nèi)20nm的重復(fù)定位精度；2005年，光學(xué)精密工程報第13卷第2期171-178頁發(fā)表了一篇名為《一種宏微雙重驅(qū)動精密定位機構(gòu)的建模與控制》的文章，提出一種宏微雙重驅(qū)動精密定位機構(gòu)，采用精密光柵尺反饋微動平臺輸出端的位置信號，實現(xiàn)定位機構(gòu)的全閉環(huán)反饋控制，實現(xiàn)IOOmm工作行程內(nèi)IOnm的重復(fù)定位精度。上述測量裝置解決了ー些雙エ件臺運動控制中的ー些實際問題，但是主要針對宏微雙エ件臺長距離反饋定位，且光電式傳感器價格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對工作環(huán)境要求較高。而針對宏微雙エ件臺Chuck臺、掩膜臺等特殊位置的短距離檢測問題，常見的有電容、電感傳感器1999年,儀表技術(shù)與傳感器報第九期4-5頁發(fā)表了一篇名為《新型微位移電感傳感器設(shè)計》的文章，該文章研制了ー種新型高精度電感傳感器，其分辨率為5nm，測量范圍為20 V- m、200 V- m ；1999年，國防科技大學(xué)學(xué)報第21卷第五期91-94頁發(fā)表了一篇名為《超精密氣浮式電容傳感器系統(tǒng)》的文章，該電容傳感器系統(tǒng)用于超精密接觸式測量系統(tǒng)，其分辨率達0. 01 iim，測量范圍僅為50iim ;2005年，傳感器技術(shù)報低24卷第10期13-16頁發(fā)表了一篇名為《電容式微位移傳感器設(shè)計及其應(yīng)用研究》的文章，采用等電位環(huán)和驅(qū)動屏蔽電纜技木，設(shè)計了電容式微位移傳感器，分辨カ為0. I y m，量程為20 u m。這類電容、電感式傳感器分辨率可達lnm，精度可達幾個納米，但局限性是量程都比較小，一般為幾十到幾百微米不等，且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儀器體積大，易受環(huán)境干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種用于光刻機雙エ件臺的高速高精度ニ維微位移測量方法及傳感裝置，以解決光刻機宏微雙エ件臺Chuck臺、掩膜臺等特殊位置的監(jiān)控問題，達到結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、易于安裝、靈活度高、響應(yīng)速度快的目的。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的—種用于光刻機雙エ件臺的ニ維微位移測量方法，該測量方法步驟如下第一步,光刻機宏微雙エ件臺的宏動機構(gòu)與微動機構(gòu)產(chǎn)生相對位移，垂直于霍爾元件表面的磁場分量隨相對位移線性改變，呈90°相位關(guān)系的第一霍爾微位移傳感器和第ニ霍爾微位移傳感器的輸出霍爾電壓信號變化；第二步，第一霍爾微位移傳感器和第二霍爾微位移傳感器的輸出霍爾電壓信號經(jīng)外部檢測電路的信號調(diào)理模塊進行放大和濾波處理；獲得代表宏微雙エ件臺宏動機構(gòu)與宏微雙エ件臺微動機構(gòu)相對位移量的大小和方向的電壓幅值和相位；第三步，將電壓幅值和相位經(jīng)外部檢測電路的數(shù)據(jù)采集模塊進行數(shù)據(jù)的采集和控制，最后送入上位機進行處理和綜合。一種用于光刻機雙エ件臺的微位移測量傳感裝置，包括光刻機雙エ件臺、雙エ件臺宏動機構(gòu)、雙エ件臺微動機構(gòu)、第一霍爾連接架、第一霍爾微位移傳感器、第二霍爾連接 架、第二霍爾微位移傳感器和外部檢測電路；所述的第一、ニ霍爾微位移傳感器均由動子永磁鐵組基座、永磁鐵組和定子神化鎵霍爾元件組成；其中動子永磁鐵組基座固定在雙エ件臺宏動機構(gòu)或雙エ件臺微動機構(gòu)上，永磁鐵組平行且水平固裝在動子永磁鐵組基座上，第一霍爾微位移傳感器的定子神化鎵霍爾元件安裝在第一霍爾連接架的一側(cè)端部上，第二霍爾微位移傳感器的定子神化鎵霍爾元件安裝在第二霍爾連接架的一側(cè)端部上，且兩個定子砷化鎵霍爾兀件均平行于永磁鐵組的上表面或下表面；第一、ニ霍爾微位移傳感器的定子神化鎵霍爾元件的輸出端均與外部檢測電路的輸入端相連；第一霍爾連接架與第二霍爾連接架之間的夾角為90° ;第一霍爾連接架的另ー側(cè)端部固定在雙エ件臺微動機構(gòu)或雙エ件臺宏動機構(gòu)上；第二霍爾連接架的另ー側(cè)端部固定在雙エ件臺微動機構(gòu)或雙エ件臺宏動機構(gòu)上。外部檢測電路包括霍爾傳感模塊、信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊；霍爾傳感模塊由電源穩(wěn)壓電路、壓控恒流電路和溫度補償電路組成；信號調(diào)理模塊由零偏電壓電路、儀用放大電路、偏置矯正電路主放大電路和ニ階低通濾波電路組成；數(shù)據(jù)采集模塊由A/D芯片、控制芯片和上位機組成；所述的電源穩(wěn)壓電路的輸出端與壓控恒流電路的電源輸入端連接，壓控恒流電路的信號輸出端與溫度補償電路的信號輸入端及第一霍爾微位移傳感器和第二霍爾微位移傳感器的電源輸入端連接；第一霍爾微位移傳感器和第二霍爾微位移傳感器的位移信號輸出端與儀用放大電路的信號正向輸入端連接，零偏電壓電路的輸出端與儀用放大電路的信號負向輸入端連接，偏置矯正電路的輸出端與儀用放大電路的基準(zhǔn)電壓輸入端連接，儀用放大電路的信號輸出端與主放大電路的信號輸入端連接，主放大電路的信號輸出端與ニ階低通濾波電路的信號輸入端連接，ニ階低通濾波電路的輸出端與A/D芯片的模擬信號輸入端連接；A/D芯片的數(shù)字信號輸出端與控制芯片的位移信號輸入端連接，控制芯片的位移測量信號輸出端與上位機的信號輸入端連接；上位機與電腦顯示屏相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點優(yōu)勢是本發(fā)明所述的ー種用于光刻機雙エ件臺的ニ維微位移測量方法及測量裝置，其特點和優(yōu)勢在干水平放置的永磁鐵組產(chǎn)生線性磁場區(qū)間，該磁場區(qū)間線性度好，線性范圍寬，磁場靈敏度高；該裝置電動子永磁鐵組和定子神化鎵霍爾元件，測量相對位移；動子固定于宏微雙エ件臺宏動機構(gòu)定子固定于宏微雙エ件臺微動機構(gòu)，或定子固定于宏微雙エ件臺宏動機構(gòu)動子固定于宏微雙エ件臺微動機構(gòu)上，結(jié)構(gòu)簡單，阿貝誤差小，可直接測得宏微雙重驅(qū)動平臺的位置信號，實現(xiàn)雙エ件臺精確定位；集成度高，易于安裝，主要用于宏微雙エ件臺的Chuck臺、掩膜臺等特殊位置的監(jiān)控；靈活度高，可進行ー維、ニ維，甚至三維測量；無觸點，壽命長；靈敏度高，分辨率好，響應(yīng)速度快，可測量±1_的小位移，在量程范圍內(nèi)，線性度優(yōu)于0.2%。


圖I是霍爾效應(yīng)基本原通不意2是宏動臺為動子的一種用于光刻機雙エ件臺ニ維位移測量方案動カ模型結(jié)構(gòu)示意3是宏動臺為定子的一種用于光刻機雙エ件臺ニ維位移測量方案動カ模型結(jié)構(gòu)示意4是霍爾效應(yīng)微位移測量方案意圖
圖5是外部檢測電路設(shè)計流程示意中件號1-光刻機雙エ件臺；2_雙エ件臺宏動機構(gòu)；3_雙エ件臺微動機構(gòu)；4-第一霍爾連接架；5_第一霍爾微位移傳感器；6_第二霍爾連接架；7_第二霍爾微位移傳感器；8-外部檢測電路；8_1_霍爾傳感模塊；8_1_1_電源穩(wěn)壓電路；8_1_2_壓控恒流電路；8-1-3_溫度補償電路；8-2_信號調(diào)理模塊；8-2-1_零偏電壓電路；8-2-2_儀用放大電路；8_2_3_偏置矯正電路；8_2_4_主放大電路；8_2_5_ ニ階低通濾波電路；8_3_數(shù)據(jù)米集模塊；8-3_l_A/D芯片；8_3_2_控制芯片；8_3_3_上位機；9_動子永磁鐵組基座；10_永磁鐵組；11_定子砷化鎵霍爾元件；
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施例作進ー步詳細描述請參閱圖2和圖3，一種用于光刻機雙エ件臺的ニ維微位移測量傳感裝置，包括光刻機雙エ件臺I、雙エ件臺宏動機構(gòu)2、雙エ件臺微動機構(gòu)3、第一霍爾連接架4、第一霍爾微位移傳感器5、第二霍爾連接架6、第二霍爾微位移傳感器7和外部檢測電路8 ;所述的第一、ニ霍爾微位移傳感器5、7均由動子永磁鐵組基座9、永磁鐵組10和定子神化鎵霍爾元件11組成；其中動子永磁鐵組基座9固定在雙エ件臺宏動機構(gòu)2或雙エ件臺微動機構(gòu)3上，永磁鐵組10平行且水平固裝在動子永磁鐵組基座9上，第一霍爾微位移傳感器5的定子砷化鎵霍爾元件11安裝在第一霍爾連接架4的一側(cè)端部上，第二霍爾微位移傳感器7的定子神化鎵霍爾元件11安裝在第二霍爾連接架6的一側(cè)端部上，且兩個定子神化鎵霍爾元件11均平行于永磁鐵組10的上表面或下表面；第一、ニ霍爾微位移傳感器5、7的定子砷化鎵霍爾元件11的輸出端均與外部檢測電路8的輸入端相連；第一霍爾連接架4與第二霍爾連接架6之間的夾角為90° ;第一霍爾連接架4的另ー側(cè)端部固定在雙エ件臺微動機構(gòu)3或雙エ件臺宏動機構(gòu)2上；第二霍爾連接架6的另ー側(cè)端部固定在雙エ件臺微動機構(gòu)3或雙エ件臺宏動機構(gòu)2上。圖5為外部檢測電路設(shè)計流程示意圖，外部檢測電路8包括霍爾傳感模塊8-1、信號調(diào)理模塊8-2和數(shù)據(jù)采集模塊8-3 ;霍爾傳感模塊8-1由電源穩(wěn)壓電路8-1-1、壓控恒流電路8-1-2和溫度補償電路8-1-3組成；信號調(diào)理模塊8-2由零偏電壓電路8-2-1、儀用放大電路8_2_2、偏置矯正電路8_2_3、主放大電路8_2_4和ニ階低通濾波電路8_2_5組成；數(shù)據(jù)采集模塊8-3由A/D芯片8-3-1、控制芯片8-3-2和上位機8_3_3組成；所述的電源穩(wěn)壓電路8-1-1的輸出端與壓控恒流電路8-1-2的電源輸入端連接，壓控恒流電路8-1-2的信號輸出端與溫度補償電路8-1-3的信號輸入端及第一霍爾微位移傳感器5和第二霍爾微位移傳感器7的電源輸入端連接；第一霍爾微位移傳感器5和第二霍爾微位移傳感器7的位移信號輸出端與儀用放大電路8-2-2的信號正向輸入端連接，零偏電壓電路8-2-1的輸出端與儀用放大電路8-2-2的信號負向輸入端連接，偏置矯正電路8-2-3的輸出端與儀用放大電路8-2-2的基準(zhǔn)電壓輸入端連接，儀用放大電路8-2-2的信號輸出端與主放大電路8-2-4的信號輸入端連接，主放大電路8-2-4的信號輸出端與ニ階低通濾波電路8-2-5的信號輸入端連接，ニ階低通濾波電路8-2-5的輸出端與A/D芯片8-3-1的模擬信號輸入端連接；A/D芯片8-3-1的數(shù)字信號輸出端與控制芯片8-3-2的位移信號輸入端連接，控制芯片8-3-2的位移測量信號輸出端與上位機8-3-3的信號輸入端連接；上位機8-3-3與電腦顯示屏相連。結(jié)合圖I、圖4說明本發(fā)明的微位移測量方法。圖I為霍爾效應(yīng)基本原理示意圖，將半導(dǎo)體金屬片置于垂直于其表面的磁場B中，當(dāng)有電流i沿ab方向流過時，在垂直于電 流i和磁場B的方向Cd上將產(chǎn)生霍爾輸出電壓Uh,這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)；電流i恒定，則霍爾輸出電壓Uh與磁場強度B成正比；圖4是霍爾效應(yīng)微位移測量方案示意圖，平行水平放置的永磁鐵組10產(chǎn)生沿垂直于磁鐵上表面方向的線性磁場區(qū)間Bz，定子神化鎵霍爾元件11平行于永磁鐵組10上表面,永磁鐵組10作為動子固定在雙エ件臺宏動機構(gòu)2或雙エ件臺微動機構(gòu)3上，丁主席神化鎵霍爾元件11作為定子固定在雙エ件臺微動機構(gòu)3或雙エ件臺宏動機構(gòu)2上，當(dāng)光刻機雙エ件臺宏動機構(gòu)2與微動機構(gòu)3產(chǎn)生相對位移吋，霍爾輸出電壓信號隨該相對位移線性變化；通過呈90°相位關(guān)系的兩個霍爾微位移傳感器第一霍爾微位移傳感器5和第二霍爾微位移傳感器7可測得雙エ件臺宏動機構(gòu)2和雙エ件臺微動機構(gòu)3的ニ維相對位置變化。其測量方法步驟為第一歩，光刻機宏微雙エ件臺宏動機構(gòu)2與微動機構(gòu)3產(chǎn)生相對位移,垂直于砷化鎵霍爾兀件11表面的磁場分量Bz隨相對位移線性改變，第一霍爾微位移傳感器5和第二霍爾微位移傳感器7的輸出霍爾電壓信號變化；第ニ歩，第一霍爾微位移傳感器5和第二霍爾微位移傳感器7的輸出霍爾電壓信號經(jīng)外部檢測電路8的信號調(diào)理模塊8-2進行放大和濾波處理；獲得代表宏微雙エ件臺宏動機構(gòu)2與宏微雙エ件臺微動機構(gòu)3相對位移量的大小和方向的電壓幅值和相位；第三歩，將電壓幅值和相位經(jīng)外部檢測電路8的數(shù)據(jù)采集模塊8-3進行數(shù)據(jù)的采集和控制，最后送入上位機8-3~3進彳了處通和綜合。
權(quán)利要求
1.一種用于光刻機雙工件臺的二維微位移測量方法，其特征在于該測量方法步驟為 第一步，光刻機宏微雙工件臺的宏動機構(gòu)與微動機構(gòu)產(chǎn)生相對位移，垂直于霍爾兀件表面的磁場分量隨相對位移線性改變，呈90°相位關(guān)系的第一霍爾微位移傳感器和第二霍爾微位移傳感器的輸出霍爾電壓信號變化； 第二步，第一霍爾微位移傳感器和第二霍爾微位移傳感器的輸出霍爾電壓信號經(jīng)外部檢測電路的信號調(diào)理模塊進行放大和濾波處理；獲得代表宏微雙工件臺宏動機構(gòu)與宏微雙工件臺微動機構(gòu)相對位移量的大小和方向的電壓幅值和相位； 第三步，將電壓幅值和相位經(jīng)外部檢測電路的數(shù)據(jù)采集模塊進行數(shù)據(jù)的采集和控制，最后送入上位機進行處理和綜合。
2.一種用于光刻機雙工件臺的二維微位移測量傳感裝置，包括光刻機雙工件臺(I)、雙工件臺宏動機構(gòu)(2)和雙工件臺微動機構(gòu)(3)，其特征在于該裝置還包括第一霍爾連接架(4)、第一霍爾微位移傳感器(5)、第二霍爾連接架￠)、第二霍爾微位移傳感器(7)和外部檢測電路(8);所述的第一、二霍爾微位移傳感器(5、7)均由動子永磁鐵組基座(9)、永磁鐵組(10)和定子砷化鎵霍爾元件(11)組成；其中動子永磁鐵組基座(9)固定在雙工件臺宏動機構(gòu)(2)或雙工件臺微動機構(gòu)(3)上，永磁鐵組(10)平行且水平固裝在動子永磁鐵組基座(9)上，第一霍爾微位移傳感器(5)的定子砷化鎵霍爾元件(11)安裝在第一霍爾連接架(4)的一側(cè)端部上，第二霍爾微位移傳感器(7)的定子砷化鎵霍爾元件(11)安裝在第二霍爾連接架￠)的一側(cè)端部上，且兩個定子砷化鎵霍爾元件(11)均平行于永磁鐵組(10)的上表面或下表面；第一、二霍爾微位移傳感器(5、7)的定子砷化鎵霍爾兀件(11)的輸出端均與外部檢測電路(8)的輸入端相連；第一霍爾連接架(4)與第二霍爾連接架(6)之間的夾角為90° ;第一霍爾連接架(4)的另一側(cè)端部固定在雙工件臺微動機構(gòu)(3)或雙工件臺宏動機構(gòu)(2)上；第二霍爾連接架￠)的另一側(cè)端部固定在雙工件臺微動機構(gòu)(3)或雙工件臺宏動機構(gòu)(2)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于光刻機雙工件臺的二維微位移測量傳感裝置，其特征在于外部檢測電路(8)包括霍爾傳感模塊(8-1)、信號調(diào)理模塊(8-2)和數(shù)據(jù)采集模塊(8-3);霍爾傳感模塊(8-1)由電源穩(wěn)壓電路(8-1-1)、壓控恒流電路(8-1-2)和溫度補償電路(8-1-3)組成；信號調(diào)理模塊(8-2)由零偏電壓電路(8-2-1)、儀用放大電路(8_2_2)、偏置矯正電路(8_2_3)、主放大電路(8_2_4)和二階低通濾波電路(8_2_5)組成；數(shù)據(jù)采集模塊(8-3)由A/D芯片(8-3-1)、控制芯片(8-3-2)和上位機(8_3_3)組成；所述的電源穩(wěn)壓電路(8-1-1)的輸出端與壓控恒流電路(8-1-2)的電源輸入端連接，壓控恒流電路(8-1-2)的信號輸出端與溫度補償電路(8-1-3)的信號輸入端及第一霍爾微位移傳感器(5)和第二霍爾微位移傳感器(7)的電源輸入端連接；第一霍爾微位移傳感器(5)和第二霍爾微位移傳感器(7)的位移信號輸出端與儀用放大電路(8-2-2)的信號正向輸入端連接，零偏電壓電路(8-2-1)的輸出端與儀用放大電路(8-2-2)的信號負向輸入端連接，偏置矯正電路(8-2-3)的輸出端與儀用放大電路(8-2-2)的基準(zhǔn)電壓輸入端連接，儀用放大電路(8-2-2)的信號輸出端與主放大電路(8-2-4)的信號輸入端連接，主放大電路(8-2-4)的信號輸出端與二階低通濾波電路(8-2-5)的信號輸入端連接，二階低通濾波電路(8-2-5)的輸出端與A/D芯片(8-3-1)的模擬信號輸入端連接；A/D芯片(8_3_1)的數(shù)字信號輸出端與控制芯片(8-3-2)的位移信號輸入端連接，控制芯片(8-3-2)的位移測量信號輸出端與上位機(8-3-3)的信號輸入端連接；上位機(8-3-3)與電腦顯示屏相連。
全文摘要
一種用于光刻機雙工件臺的二維微位移測量方法及傳感裝置，屬于IC制造和超精密測量及加工裝備，其測量方法是霍爾微位移傳感器的輸出霍爾電壓信號隨宏、微雙工件臺相對位移呈線性變化，通過呈90°相位關(guān)系的兩個霍爾微位移傳感器測量二維微位移，外部檢測電路處理并綜合兩個霍爾傳感器的輸出信號完成測量；其裝置解決了光刻宏微雙重驅(qū)動機構(gòu)Chuck臺、掩膜臺等特殊位置高速高精度相對位置檢測的問題，具有無觸點、線性好、可集成度高、可移植力強的特點，且可實現(xiàn)一維、二維或三維等多維度測量，適應(yīng)光刻系統(tǒng)的環(huán)境要求。
文檔編號G03F7/20GK102866595SQ20121038525
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者王雷, 趙勃, 陳彥均 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)