[发明专利]一种基于五杆机构的平衡质量运动装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及光刻设备的运动装置，特别涉及光刻设备的平衡质量运动装置。

背景技术

光刻机生产过程是一系列的极为复杂、昂贵、耗时的光刻工艺过程，而光刻机的光刻精度和产率高低直接决定了光刻设备的设计和制造。随着市场对光刻产率需求的提高，且同时要求改善和提高系统的曝光质量和曝光精度。在此技术需求背景下，国外主要光刻设备生产企业均采用了平衡质量控制技术来克服和突破光刻机的工件台运动时的反作用力外引方式对产率和系统精度的制约。

平衡质量控制技术使得工件台长行程模块的负载质量、速度、加速度都相应地得到较大幅度地增加。借助平衡质量控制技术，工件台运动反作用于基础框架的力会大幅降低，这在很大程度上减少了光刻机系统的减振难度，避免了负载运动的反作用力对系统曝光的干扰。然而，平衡质量技术的引入使得系统结构设计趋于复杂。

目前，工件台平衡质量系统存在双层和单层平衡质量两种结构，其定位控制的执行器系统也主要有两种方式。一种是采用平衡质量直线电机直接驱动控制方式；另一种是采用旋转电机，借助机构运动传递来实现平衡质量的X、Y、Rz自由度的控制。

对于多自由度的定位台驱动控制采用直线电机控制，则需要开发具有侧向间隙和位移的直线电机，普通直线电机不具有这种功能。这种控制方式的优点是三个直线电机可以对X，Y，Rz三个自由度的独立控制，不存在运动耦合问题，系统无需解耦，其执行器系统和测量系统设计相对简单，控制策略和控制架构方案易于制定。

而采用普通旋转电机通过机构运动组合控制平衡质量的X，Y，Rz自由度定位，系统需解耦，其执行器系统和测量系统设计相对复杂些，控制策略和控制架构设计要求相对要高些。但是其硬件方案易于实现，成本较低，系统设计和软件设计可以通过各种手段得到弥补或降低开发难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于五杆机构的平衡质量运动装置及其控制方法，以实现机构运动的完全解耦，提高平衡质量的运动控制精度，保证垂直轴向精度达到微弧度精度。

为了达到上述的目的，本发明提供一种基于五杆机构的平衡质量运动装置，包括：平衡质量；平衡质量框架；气浮系统；运动限位装置和平衡质量系统运动纠偏与防漂装置；该平衡质量通过该平衡质量系统运动纠偏与防漂装置连接到该平衡质量框架上；该平衡质量框架置于该气浮系统上；该运动限位装置位于该平衡质量系统框架的四个顶角点位置上。

该平衡质量系统运动纠偏与防漂装置包括执行器系统和测量系统。该执行器系统包括两组五杆机构和四组旋转电机。该两组五杆机构分别包括两个双曲柄和两个连杆，每个双曲柄两头分别连接一组旋转电机和一根连杆，该两组五杆机构关于该平衡质量对偶分布。

该测量系统由四组旋转编码器通过机构运动构成。

本发明还提供一种使用该装置的方法，该方法可以是独立运动模式，也可以是跟随运动模式。

该独立运动模式中，该平衡质量根据自身独立的运动轨迹实现平面正交方向及垂直轴向的自由度的单轴运动。

该跟随运动模式中，该平衡质量根据上层主运动部件的运动轨迹实现平面正交方向、垂直轴向及平面旋转方向的自由度的多轴运动，包括以下步骤：

(1)对上层主运动部件的运动基于平衡质量进行绝对测量；

(2)将主运动的设定值规划输出经过乘反向质量比增益作为该平衡质量平面正交方向的运动参考位置，将主运动设定值前馈引入到该平衡质量平面正交方向跟随控制的前馈环路中；

(3)将该平衡质量垂直轴向的恒值定位的设定值位置作为该平衡质量垂直轴向的运动参考位置，将该平衡质量垂直轴向的设定值加速度输入作为该平衡质量垂直轴向控制的前馈输入；

(4)将该平衡质量平面旋转方向的恒值定位的设定值规划作为该平衡质量平面旋转方向的运动参考位置，将该平衡质量平面旋转方向的前馈位置和加速度输入作为该平衡质量平面旋转方向控制的前馈输入；

(5)该平衡质量的执行器通过增益平衡解偶实现该平衡质量在水平正交方向、垂直轴向及平面旋转方向上的运动。

该执行器通过增益平衡解偶实现平衡质量在水平正交方向、垂直轴向及平面旋转方向上的运动的方法包括如下步骤：

(1)将传感器测量转角和测量系统输出换算成五杆机构本身的转动角度；

(2)将控制器输出转换为铰支点的力输出；

(3)根据五杆机构的转动角度将铰支点输出力转换成曲柄端点的受力输出；