本發(fā)明涉及光刻設(shè)備，特別涉及一種應(yīng)用于運動臺的力矩補償裝置及方法。

背景技術(shù)：

光刻設(shè)備是一種將所需圖案應(yīng)用到襯底上的機(jī)器。可以用在集成電路(IC)的制造中，具體為，掩?；蜓谀０?reticle)生成對應(yīng)于所述IC的單層的電路圖案，將該圖案成像到襯底(例如，硅晶片)的目標(biāo)部分上。圖案成像是通過把圖案提供到襯底上的輻射敏感材料(抗蝕劑)層上進(jìn)行的。通常，單獨的襯底將包含被連續(xù)曝光的相鄰目標(biāo)部分的網(wǎng)絡(luò)。常規(guī)的光刻設(shè)備包括：所謂步進(jìn)機(jī)，在所述步進(jìn)機(jī)中，通過將全部圖案曝光到所述目標(biāo)部分上來輻射每一個目標(biāo)部分；以及所謂掃描機(jī)：在所述掃描機(jī)中，通過輻射束沿給定方向(“掃描”方向)掃描所述圖案，同時沿與該方向平行或反向平行的方向掃描所述襯底來輻射每一個目標(biāo)部分。也可能通過將圖案壓印(imprinting)到襯底的方式從圖案形成裝置將圖案形成到襯底上。

隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，高速高精密技術(shù)已成為裝備制造業(yè)的一個發(fā)展方向。高速高精度要求是相互矛盾的，為了滿足高精度的要求，定位工件臺的最小運動量和位移分辨率要越小越好；長行程和高精度的要求也是矛盾的，行程越長，意味著同樣的精度要求下對工件臺導(dǎo)軌的誤差就越敏感，對零部件的加工和安裝精度要求也更為苛刻。而在眾多矛盾中最突出的是如何消除精密工件臺運動部件間的摩擦。解決這一矛盾的有效方法就是采用氣浮技術(shù)，因而也就出現(xiàn)了基于氣浮支撐和直線電機(jī)驅(qū)動的超精密、長行程氣浮工件臺。氣浮潤滑是用氣體代替油作為潤滑劑，靜壓氣浮平臺由于工件臺和導(dǎo)軌之間以一層極薄的氣體隔開，使活動面和靜止面避免直接接觸的理想支撐元件，因此具有無摩擦、壽命長、速度高、精密度高、溫升小等優(yōu)點。

然而，由于氣體的可壓縮性，氣浮平臺同時具有承載力小、剛度低、穩(wěn)定 性差等缺點。在TFT(薄膜場效應(yīng)晶體管，Thin Film Transistor)光刻機(jī)領(lǐng)域，運動負(fù)載和運動行程越來越大，為了提高產(chǎn)率，加速度越來越大，而運動精度指標(biāo)并沒有降低。因此，運動過程中，需要格外關(guān)注氣浮導(dǎo)軌面型和氣浮動態(tài)載荷變化。如圖1所示，對于6G TFT光刻機(jī)，其Y向?qū)к?和Y向輔助導(dǎo)軌2長度超過4.5m，X向?qū)к?的長度也超過2m，運動質(zhì)量超過2t，運動加速度達(dá)0.5G，在巨大的氣浮預(yù)載力和電機(jī)推力下，導(dǎo)軌變形很難控制，氣浮承受的動態(tài)力也很大，可能會導(dǎo)致氣膜擠壓，氣膜間隙減小，極端情況下，可能會直接導(dǎo)致運動臺卡死。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種應(yīng)用于工件臺的力矩補償裝置及方法，以補償運動臺的偏心力矩和慣性力矩，避免運動臺重心變化導(dǎo)致的氣膜擠壓。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于工件臺的力矩補償裝置，包括：真空氣浮塊，設(shè)置在運動臺的X向運動模塊和Y向運動模塊上；真空泵，與所述真空氣浮塊連通，用于在所述真空氣浮塊中產(chǎn)生負(fù)壓；風(fēng)機(jī)，與所述真空氣浮塊連通，用于在所述真空氣浮塊中產(chǎn)生正壓；以及控制器，控制所述真空泵和風(fēng)機(jī)動作。

作為優(yōu)選，所述真空氣浮塊包括第一、第二側(cè)面氣浮塊和第一、第二頂面氣浮塊；其中，所述第一側(cè)面氣浮塊設(shè)置在X向運動模塊的底部兩側(cè)，且位置與X向?qū)к墝?yīng)；所述第二側(cè)面氣浮塊設(shè)置在Y向運動模塊的底部兩側(cè)，且位置與Y向?qū)к墝?yīng)；所述第一頂面氣浮塊設(shè)置于X向運動模塊與X向?qū)к壷g；所述第二頂面氣浮塊設(shè)置于Y向運動模塊與Y向?qū)к壷g。

作為優(yōu)選，所述真空泵和風(fēng)機(jī)通過氣管與所述真空氣浮塊連通。

作為優(yōu)選，所述控制器與服務(wù)器連接，根據(jù)服務(wù)器指令控制真空泵和風(fēng)機(jī)動作。

作為優(yōu)選，所述X向運動模塊和Y向運動模塊上還設(shè)置有位置傳感器和加速度傳感器。

一種應(yīng)用于運動臺的力矩補償方法，采用所述的力矩補償裝置，通過控制真空氣浮塊內(nèi)的氣體壓強(qiáng)，動態(tài)補償運動臺的偏心力矩、慣性力或慣性力矩。

作為優(yōu)選，當(dāng)X向運動模塊偏離中心時，通過調(diào)節(jié)第二頂面氣浮塊的氣壓補償所述X向運動模塊的偏心力矩。

作為優(yōu)選，當(dāng)X向運動模塊偏離中心時，偏心力矩為：M1＝Mx×g×L；其中，Mx為X向運動模塊的質(zhì)量，g為重力加速度、L為X向運動模塊偏離中心的距離；所述第二頂面氣浮塊需要補償?shù)臍怏w壓強(qiáng)為：P1＝M1/L1/A1，其中，L1為兩側(cè)第二頂面氣浮塊的間距，A1為所述第二頂面氣浮塊的等效面積。

作為優(yōu)選，當(dāng)X向運動模塊在X向?qū)к壣线M(jìn)行加/減速運動時，產(chǎn)生的慣性力矩與偏心力矩M1共同影響運動臺，通過調(diào)節(jié)第二側(cè)面氣浮塊內(nèi)的氣壓補償。

作為優(yōu)選，當(dāng)X向運動模塊在X向?qū)к壣线M(jìn)行加/減速運動時，產(chǎn)生慣性力矩為：M2＝Mx×a×H，其中，a為X向運動模塊加速度，H為X向運動模塊質(zhì)心與第二側(cè)面氣浮塊的高度差；需要補償力矩為M3＝M1±M2，補償?shù)臍鈮簽镻2＝M3/L2/A2，L2為兩第二側(cè)面氣浮塊的距離，A2為所述第二側(cè)面氣浮塊的等效面積。

作為優(yōu)選，X向運動模塊內(nèi)設(shè)置有X向電機(jī)，該X向電機(jī)的出力點與X向運動模塊的質(zhì)心存在偏差時，產(chǎn)生偏心力矩，通過調(diào)節(jié)第一頂面氣浮塊內(nèi)的氣壓補償。

作為優(yōu)選，偏心力矩為M4＝Mx×a2×H2，式中a2為Y向運動模塊的加速度，H2為X向電機(jī)的出力點與X向運動模塊的質(zhì)心的偏心距，則補償氣壓為P4＝M4/L3/A3，式中，L3為兩側(cè)的第一頂面氣浮塊的距離，A3為第一頂面氣浮塊的等效面積。

作為優(yōu)選，當(dāng)Y向運動模塊沿Y向?qū)к壖?減速運動時，X向運動模塊的慣性力將會作用在第一側(cè)面氣浮塊。

作為優(yōu)選，慣性力F1＝Mx×a4，補償壓強(qiáng)P＝F/A4，式中，a4為Y向運動模塊的加速度，A4為第一側(cè)面氣浮塊的等效面積。

作為優(yōu)選，當(dāng)Y向運動模塊沿X向?qū)к壖?減速運動時，X向運動模塊的慣性力將會作用在第二側(cè)面氣浮塊。

作為優(yōu)選，慣性力F＝Mx×a5，補償壓強(qiáng)P＝F/A2，式中，a5為X向運動模塊的加速度，A2為第二側(cè)面氣浮塊的等效面積。

作為優(yōu)選，真空氣浮塊內(nèi)的壓強(qiáng)調(diào)節(jié)范圍為±0.7Bar。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：本發(fā)明的力矩補償裝置通過設(shè)置真空氣浮塊，并將真空氣浮塊安裝在運動臺上，使其一端產(chǎn)生正壓，一端產(chǎn)生負(fù)壓，兩者合成力矩抵消運動臺運動過程中產(chǎn)生的力矩，保證氣膜厚度，進(jìn)而補償運動臺的偏心力矩和慣性力矩，避免運動臺重心變化導(dǎo)致的氣膜擠壓。當(dāng)運動臺加速運動時，動態(tài)調(diào)節(jié)正負(fù)壓力，補償慣性力和電機(jī)力產(chǎn)生的力矩。當(dāng)運動臺偏心時，根據(jù)運動臺偏心距，動態(tài)調(diào)節(jié)正負(fù)壓力，補償運動臺偏心產(chǎn)生的力矩，避免運動臺重心變化導(dǎo)致的氣膜擠壓。

本發(fā)明的力矩補償方法可以補償運動臺運動過程中電機(jī)出力點與質(zhì)心不匹配時產(chǎn)生的力矩；運動質(zhì)量偏心產(chǎn)生的力矩，較小重心移動對氣浮的影響；氣浮力與慣性力作用點不匹配時產(chǎn)生的力矩，使系統(tǒng)更穩(wěn)定；補償運動臺加減速過程中產(chǎn)生的慣性力矩，并通過位移和加速度前饋，使力矩補償最優(yōu)，效果更好。

附圖說明

圖1為運動臺的X、Y向運動模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2和圖3均為本發(fā)明一具體實施方式中應(yīng)用于運動臺的力矩補償裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明一具體實施方式中真空氣浮塊的分布示意圖；

圖5為本發(fā)明一具體實施方式中真空氣浮塊與X向?qū)к壍奈恢藐P(guān)系示意圖；

圖6為本發(fā)明一具體實施方式中真空氣浮塊與Y向?qū)к壍奈恢藐P(guān)系示意圖；

圖7為本發(fā)明一具體實施方式中X向運動模塊偏離中心示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細(xì)的說明。需說明的是，本發(fā)明附圖均采用簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。

如圖1-3所示，本發(fā)明旨在通過在X向運動模塊5與X向?qū)к?、Y向運動模塊4與Y向?qū)к?包括Y向主導(dǎo)軌1和Y向輔助導(dǎo)軌2)之間增設(shè)真空氣 浮塊13，以達(dá)到補償運動臺的慣性力、偏心力矩和慣性力矩的目的。

請重點參照圖2和圖3，并結(jié)合圖1，本發(fā)明的應(yīng)用于運動臺的力矩補償裝置，包括：真空氣浮塊13，控制器12，真空泵15，風(fēng)機(jī)14和氣管16。

具體地，所述真空氣浮塊13設(shè)置在運動臺的X向運動模塊5和Y向運動模塊4上；所述真空泵15通過氣管16與所述真空氣浮塊13連通，用于在所述真空氣浮塊13中產(chǎn)生負(fù)壓；所述風(fēng)機(jī)14也通過氣管16與所述真空氣浮塊13連通，用于在所述真空氣浮塊13中產(chǎn)生正壓；所述控制器12用于控制所述真空泵15和風(fēng)機(jī)14動作。具體地，所述控制器12與服務(wù)器11連接，根據(jù)服務(wù)器11的指令控制真空泵15和風(fēng)機(jī)14動作。本發(fā)明通過將真空氣浮塊13安裝在運動模塊(包括：X向運動模塊5和Y向運動模塊4)上，由服務(wù)器11下發(fā)運動臺的X向運動模塊5位置信號給控制器12，通過偏心距和重力計算所需要補償?shù)牧卮笮。刂普婵毡?5產(chǎn)生負(fù)壓或風(fēng)機(jī)14產(chǎn)生正壓，使其產(chǎn)生反向力矩，抵消X向運動模塊5偏心產(chǎn)生的附加力矩。

請重點參照圖4至圖6，并結(jié)合圖1至3，所述真空氣浮塊13包括第一、第二側(cè)面氣浮塊31、32和第一、第二頂面氣浮塊33、34。其中，所述第一側(cè)面氣浮塊31設(shè)置在X向運動模塊5的底部兩側(cè)，且位置與X向?qū)к?對應(yīng)；所述第二側(cè)面氣浮塊32設(shè)置在Y向運動模塊4的底部兩側(cè)，且位置與Y向主導(dǎo)軌1對應(yīng)；所述第一頂面氣浮塊33設(shè)置于X向運動模塊5與X向?qū)к?之間；所述第二頂面氣浮塊34設(shè)置于Y向運動模塊4與Y向?qū)к壷g。通過上述設(shè)置，本發(fā)明可以根據(jù)運動臺上運動模塊的運動方式選擇性地控制對應(yīng)真空氣浮塊13，達(dá)到針對性動態(tài)補償運動臺力矩的目的。

需要說明的是，本發(fā)明中服務(wù)器11可以通過與光刻機(jī)系統(tǒng)連接獲取運動模塊的速度、質(zhì)心等參數(shù)，也可以通過在運動模塊中設(shè)置位置傳感器和加速度傳感器來獲取相關(guān)參數(shù)。

請繼續(xù)參照圖1至圖6，本發(fā)明還提供一種應(yīng)用于運動臺的力矩補償方法，其通過控制器12控制真空氣浮塊13產(chǎn)生正、負(fù)壓，以達(dá)到補償偏心力矩、慣性力和慣性力矩的目的。

具體地，通過調(diào)節(jié)不同位置的真空氣浮塊13的氣壓，可以調(diào)節(jié)運動臺偏心力矩、運動臺運動過程中產(chǎn)生的慣性力以及X向運動模塊5中電機(jī)出力點與X 向運動模塊質(zhì)心偏離產(chǎn)生的力矩。

請重點參照圖7，當(dāng)X向運動模塊5偏離中心距離時，會對第二頂面氣浮塊34產(chǎn)生偏心力矩，因此，通過調(diào)節(jié)第二頂面氣浮塊34內(nèi)的氣體壓強(qiáng)，可以補償該偏心力矩。具體地，偏心力矩為M1＝Mx×g×DX，其中，Mx為X向運動模塊5的質(zhì)量，g為重力加速度，DX為偏心距。因此，對左端的第二頂面氣浮塊34施加正壓，右端的第二頂面氣浮塊34施加負(fù)壓，其所需要的補償氣體壓強(qiáng)大小為：P1＝M1/L1/A1，式中L1為左、右端的第二頂面氣浮塊34的距離，A1為第二頂面氣浮塊34的等效面積。

進(jìn)一步的，當(dāng)X向運動模塊5在X向?qū)к?上進(jìn)行加/減速運動時，對第二側(cè)面氣浮塊32產(chǎn)生慣性力矩。具體地，由于X向運動模塊5的質(zhì)心與第二側(cè)面氣浮塊32存在高度差H1，產(chǎn)生的慣性力矩為M2＝Mx×a1×H1，a1為X向運動模塊5在X方向的加速度，該慣性力矩M2與偏心力矩M1疊加影響運動臺的氣膜厚度。因此，通過整機(jī)控制系統(tǒng)向服務(wù)器11提供X向運動模塊5的質(zhì)心和運動加速度，即可以計算出需要補償?shù)膽T性力矩M2，進(jìn)而可以得到最佳補償力矩M3＝M1±M2(其中，+表示M1、M2同向、-表示M1、M2反向)，因此，對第二側(cè)面氣浮塊32的補償氣體壓強(qiáng)為：P2＝M3/L2/A2，其中，L2為兩側(cè)的第二側(cè)面氣浮塊32之間的距離，A2為第二側(cè)面氣浮塊32的等效面積。

由于X向運動模塊5內(nèi)設(shè)置有X向電機(jī)，該X向電機(jī)的出力點與X向運動模塊5的質(zhì)心存在偏差時，也會產(chǎn)生偏心力矩。具體地，X向運動模塊5向左加速運動時，產(chǎn)生的附加力矩M4＝Mx×a2×H2，其中a2為X向運動模塊5的加速度，該力矩將會對第一頂面氣浮塊33產(chǎn)生影響。此時，對左端的第一頂面氣浮塊33施加正壓，右端的第一頂面氣浮塊33施加負(fù)壓，需要補償?shù)臍怏w壓強(qiáng)大小為：P3＝M4/L3/A3，式中L3為左、右端第一頂面氣浮塊33的距離，A3為第一頂面氣浮塊33的等效面積。

本發(fā)明還可以補償運動臺加/減速運動時，慣性力對氣膜的擠壓。運動臺的Y向運動模塊4沿Y向主導(dǎo)軌1、Y向輔助導(dǎo)軌2加/減速運動時，X向運動模塊5的慣性力將會作用在第一側(cè)面氣浮塊31，產(chǎn)生的慣性力F1＝Mx×a4，式中a4為X向運動模塊5在Y向的加速度，將會損失2～3um氣膜厚度。此時，通過對兩側(cè)的第一側(cè)面氣浮塊31調(diào)壓，產(chǎn)生正/負(fù)壓力補償慣性力F1，壓強(qiáng)大小 為P5＝F1/A4，式中，A4為第一側(cè)面氣浮塊31的等效面積。當(dāng)X向運動模塊5沿X向?qū)к?進(jìn)行加/減速度運動時，X向電機(jī)反力將會作用在第二側(cè)面氣浮塊32，產(chǎn)生的慣性力F2＝Mx×a5，式中a5為X向運動模塊5在X向的加速度，將會損失2～3um氣膜厚度。此時，可以應(yīng)用第二側(cè)面氣浮塊32，產(chǎn)生正負(fù)壓力補償慣性力F2，氣體壓強(qiáng)大小為P6＝F2/A2，式中，A2為第二側(cè)面氣浮塊32的等效面積。

需要說明的是，所述真空氣浮塊13的內(nèi)氣體壓強(qiáng)的可調(diào)節(jié)范圍在±0.7bar，依據(jù)補償彎矩最大值和氣壓調(diào)節(jié)范圍可以確定真空氣浮塊13的等效面積大小，此處不予贅述。

此外，以上計算所得氣體壓強(qiáng)均為理論值，實際補償值超出理論值40％以上，上述補償力也可以通過非接觸式電機(jī)或磁鐵實現(xiàn)。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包括這些改動和變型在內(nèi)。