[发明专利]XYY精密定位平台的校准方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种平台的校准方法，特别涉及用于芯片制造行业的XYY精密定位平台的校准方法。

背景技术

精密定位平台是精密加工领域的重要工具。例如，光刻机在制造芯片的时候，就是把硅片和掩模分别固定在两个精密定位平台上，以便把掩模上的图形复制到硅片上。

公开号为CN2777335Y的中国专利“一种三自由度精密定位平台”公开了一种精密定位平台，该平台在X方向有一个伸缩机构(该专利中用凸轮和弹性柔性件实现)，Y方向有两个伸缩机构，其原理示意图可参阅图1，图中画出了坐标系，其中，Rz向表示绕Z轴旋转的方向。平台1边缘上的三个点x、y1和y2分别用于表示该一个X向伸缩机构和两个Y向伸缩机构的位置，当伸缩机构在这三个点上伸长或缩短时，平台1便开始运动。通过控制x、y1、y2三个伸缩机构的力的大小和方向，便可实现平台1在X、Y和Rz方向上的运动。

如果把伸缩机构改为其他形式，例如直线电机、丝杠、压电致动器、超声电机等等，或者将整个平台改为X方向具有两个伸缩机构、Y方向具有一个伸缩机构的结构，并不会改变其实质，故将这一类型的平台统称为“XYY平台”。

XYY平台虽然具备结构简单、体积小、没有叠加运动等优点，但在工程实践中，还要解决以下三个问题：

1.执行器的校准问题。

受到电气特性的限制，控制器不能直接带动伸缩机构，而必须通过功率放大部件带动电机，再由电机带动伸缩机构。功率放大部件、电机和伸缩机构共同组成“执行器”。这又进一步带来三个问题：(1)由于功率放大部件有漏电流(用Leak表示)，所以即使控制器的控制值为0(不希望电机运动)，功率放大部件仍然会有微弱的电流送给电机，于是电机不能完全静止；(2)由于功率放大部件的放大倍率(用β表示)有误差，所以电机的实际输出和控制值不同；(3)由于机械误差，最终传递到平台的伸缩量和电机的实际输出又不同。

上述问题的最终后果是：无法把控制器的控制值准确地传递给平台，从而破坏了整个控制系统的伺服性能。如果希望把控制器的控制值准确地传递给平台，就必须做执行器校准。

2.运动的耦合问题。

参见图2，并配合参照图1，设平台1的旋转中心为O，X方向的伸缩机构和平台1边缘的点x相接触。现在要让平台1做旋转运动，则Y方向的两个伸缩机构应一个伸长、一个缩短。但是随着旋转，X方向的伸缩机构会运动到和点x’相接触的位置。因为O到x和O到x’的距离不同，因此平台1在X方向上也会产生移动，即本来只想做Rz运动，却在X方向产生了副作用。这就是“运动的耦合问题”，必须经过解耦才能消除这种耦合。由于加工和装配误差，任何两个平台的耦合关系都不一样，因此必须找到通用、高效的解耦方法。

3.伸缩传感器的校准问题。

为了能迅速确定平台位置，在伸缩机构旁装有伸缩传感器，以便根据各个伸缩机构的伸缩量算出平台的X、Y和Rz坐标。如果伸缩传感器自身有误差，那么算出的平台坐标必然有误差。而伸缩传感器的误差是不可避免的，而且随着长时间运行后的老化，还可能越来越大，因此必须有办法校准伸缩传感器。

以上三个问题，在要求不高的场合影响不大。但是，如果对效率或精度的要求较高(例如光刻机中)，就必须解决这些问题。否则，第一和第二个问题会导致平台经多次调整之后才能到达目标位置(影响效率)，第二和第三个问题会导致平台移动到错误的位置(影响精度)。

上述中国专利“一种三自由度精密定位平台”中，仅根据动力学方程分析了XYY平台的受力关系，没有考虑上述三个问题，因此技术效果不够理想。

美国第6747431号专利(公开日：2004年6月8日)提出了一种执行器校准的方法，但是该方法仅针对电机本身，忽视了功率放大部件的电路误差。

美国第6948254号专利(公开日：2003年9月27日)提出了一种消除定位平台水平位置误差的方法，该方法亦可用于解决运动耦合问题。其缺点是计算量较大，而且需要大量读取标记的位置。在某些设备(例如光刻机)中，读取标记位置需要花费一定的时间，因此大量读取标记位置的后果就是效率低下。

美国第6614617号专利(公开日：2005年9月2日)提出了另一种基于速度误差的执行器校准方法。该方法的优点是对功率放大部件和电机的总误差进行校准，但是在很多设备(例如光刻机)中，缺乏直接测平台运动速度的传感器，通常只能测电机的速度。因此，如果运用上述6948254号专利的方法，则不能对机械误差进行校准。