[发明专利]一种大行程高速双重驱动纳米定位系统

说明书

技术领域

本发明涉及微电子专用设备技术领域，特别涉及一种大行程高速双重驱动纳米定位系统，尤其适用于步进扫描投影光刻机工件台子系统。

背景技术

大行程、高速、高精度的纳米定位系统在现代尖端工业制造和科学研究领域占有极其重要的地位。随着集成电路(Integrated circuit)制造、生物芯片技术、高精数控加工技术及高速扫描检测等的迅速发展，对定位系统的行程、速度、加速度和精度提出了更高的要求，对高速、高精度定位系统的研究也迫在眉睫。IC制造是高速、高精度定位系统典型的应用领域，是国民经济和社会发展的战略性产业，在推动经济发展、社会进步、提高人民生活水平以及保障国家安全等方面发挥着重要作用，已成为当前国际竞争的焦点和衡量一个国家或地区现代化程度以及综合国力的重要标志。

然而，对于超精密纳米定位系统而言，系统的定位精度与运行速度的提高是矛盾的。运行速度、加速度的提高，使得机构的惯性力增大，惯性力变化的频率也随之加大，系统易于产生弹性变形和振动现象，既破坏机构的运动精度，增加机械稳定的建立时间，又降低了系统的运行和定位精度。高精度定位希望机构运行平缓，而高生产率又希望系统高速往复运动并高速启停。同时，在控制系统中反馈位置信息的传感器也是限制定位精度与运动速度提高的重要环节。例如作为位移传感器的精密光栅尺的分辨率可达到纳米级，但由于受信号检测电路扫描频率的限制，光栅尺最大允许移动速度与其测量的分辨率成反比。另一方面，定位系统的大行程与高精度也是相互矛盾的。目前大行程驱动和传动方式(精密丝杠传动、直线电机、音圈电机等)的精度一般限制在微米级；以压电陶瓷为代表的为驱动器的定位精度达到纳米级，但行程只能达到几十微米。如何很好的解决这些矛盾，实现大行程、高速、高精度定位系统成为当前微电子工业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种具有大行程、高速、高精度双重驱动的纳米定位系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种大行程高速双重驱动纳米定位系统，所述纳米定位系统包括运动轨迹指令系统、主控计算机、PMAC运动控制板卡、伺服运动控制系统、定位平台和测量控制系统，其中所述的定位平台包括宏动台和微动台，由宏动台来完成高速运动，进行粗定位，解决整个纳米定位系统的速度问题，然后由微动台完成精确微动定位，该纳米定位系统首先利用运动轨迹指令系统对定位平台进行轨迹规划，再利用运动轨迹指令系统将轨迹规划指令输入主控计算机，主控计算机通过PEWIN界面将轨迹规划指令发送给PMAC运动控制板卡，PMAC运动控制板卡按设定的参数和轨迹规划指令来控制定位平台实现移动定位，同时测量控制系统不断地检测定位平台的宏动台和微动台实际位置，并将检测信号实时传输给PMAC运动控制板卡，PMAC运动控制板卡经过采样处理、误差计算及误差补偿，实时反馈给伺服运动控制系统，从而保证定位平台快速跟踪响应速度和纳米级的运动精度。

本发明所述的定位平台包括：宏动台和微动台，其中，宏动台由长行程直线电机驱动，实现长行程、高速运动，微动台由短行程平面电机驱动，实现高精度微调；长行程由X向与Y向各一台永磁直线电机组成，Y向电机定子与X向电机动子机械固联，采用线性光栅尺构成闭环反馈控制；短行程水平向运动由洛仑兹平面电机进行控制，洛仑兹电机由3个磁性电机组成，其定子线圈与Y向直线电机动子机械固联，采用3轴激光干涉仪作位置检测构成闭环反馈控制。

其中，对平面电机进行运动解耦，由于在系统定位时，主控计算机发给定位平台的位置指令是精密工件台的(x_CG、y_CG、θ_CGz)向的设定位置，而精密工件台驱动电机输出的是一个x向和两个y向电机的位置，所以在对精密工件台进行控制前需要先对其驱动电机进行坐标转换，以保证控制的高效性，从而提高系统的控制精度和响应速度。

本发明所述的定位平台的控制采取主从控制，短行程电机为主控制对象，用激光干涉仪测量反馈，完成小范围高精度运动，长程电机作为短程电机的从控制系统，用线性光栅尺测量反馈，完成长行程高速粗运动。长短行程间跟踪运动的相对位置由线性光栅尺检测，当线性光栅尺检测到工件台运动到与目标位置在设定距离之内时，通常为几微米，例如1-9微米，停止长程电机的运动，切换到短程电机运动，直至微动台达到目标位置，且从运动总是试图保持两者相对位置为零，以保证高跟踪运动精度和快速跟踪响应速度。