CN104075652A - 电容位移传感器标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容位移传感器标定装置，属于传感器标定技术领域。解决了现有技术中电容位移传感器标定装置标定精度低的技术问题。该标定装置包括电容位移机构和干涉仪机构；所述电容位移机构包括标定台基座、标定台支撑架、传感器支撑架、驱动器、标定台静平台、铰链、标定台动平台、测量角反射镜、导光元件支撑架、导光元件固定座、参考角反射镜、分光镜、传感器固定座、电容传感器、被测面板和驱动器推杆；所述干涉仪机构包括单轴激光干涉仪、干涉仪调节底座、干涉仪支撑架和干涉仪底座。本发明的装置提高了现有电容位移传感器标定装置安装传感器时传感面和被测面之间的平行度精度，减小了装调引入的测量误差，提高传感器标定精度。

Description

电容位移传感器标定装置

技术领域

本发明涉及一种电容位移传感器标定装置，属于电容位移传感器标定技术领域。

背景技术

光刻投影物镜是超大/极大规模集成电路制造工艺中的关键设备，近年来随着集成电路线宽不断减小，光刻投影物镜的分辨率逐渐提高。但是，由于物镜中光学元件制造、检测和***装配集成时存在误差，需要通过微位移调节机构调整光学元件的位置，对装配后的投影物镜***波像差进行补偿。电容式位移传感器是微位移调节时常用的一种精密位移检测设备，具有无磨擦、灵敏度高和操作方便等优点。在微位移检测过程中，随着检测次数的增多，电容传感器会造成精度损失，检测误差逐渐增大，影响投影物镜的补偿效果。对于新出厂的传感器，经过长途运输，加之使用环境和运输环境不一致，要求装入投影物镜前必须对电容位移传感器重新标定。但是，现有的电容位移传感器的标定装置由于安装时不能保证传感器的传感面和被测面之间的平行度，标定精度通常达不到10nm以内，无法用于投影物镜中高精度电容位移传感器标定。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中电容位移传感器标定装置的标定精度低的技术问题，提供一种电容位移传感器标定装置。

为了达到上述目的，本发明采用下面的技术方案实现：

本发明的电容位移传感器标定装置，包括电容位移机构和干涉仪机构；

所述电容位移机构包括标定台基座、标定台支撑架、传感器支撑架、驱动器、标定台静平台、铰链、标定台动平台、测量单元、传感器固定座、电容传感器、被测面板和驱动器推杆；

所述标定台支撑架至少为三个，所有标定台支撑架的底端均固定在标定台基座上；

所述传感器支撑架的底端固定在标定台基座上；

所述传感器固定座固定在传感器支撑架上；

所述电容传感器固定在传感器固定座上，电容传感器测量电容传感器与被测面板之间的位移变化量；

所述标定台静平台固定在所有标定台支撑架的顶端并通过传感器支撑架导向孔套装在传感器支撑架外；

所述铰链至少为三个，所有铰链的底端均固定在标定台静平台的顶面上，所有铰链的顶端均固定在标定台动平台的底面上；

所述标定台动平台通过传感器导向孔套装在电容传感器外；

所述驱动器、驱动器推杆和铰链三者一一对应，驱动器的顶端均固定在标定台静平台的底面上，驱动器推杆固定在驱动器的顶端，并通过驱动器推杆导向孔穿过标定台静平台，驱动器通过驱动器推杆推动铰链移动，铰链带动标定台动平台移动；

所述被测面板固定在标定台动平台的顶面上，且位于电容传感器的上方，被测面板所在平面与电容传感器的传感面平行；

所述测量单元至少为三个，每个测量单元包括测量角反射镜、导光元件支撑架、导光元件固定座、参考角反射镜和分光镜，所述测量角反射镜固定在标定台动平台的顶面上，所述导光元件支撑架的底端固定在标定台静平台的顶面上，所述导光元件固定座的一端固定在导光元件支撑架上，所述参考角反射镜和分光镜依次固定在导光元件固定座的另一端，且分光镜位于测量角反射镜的上方，分光镜与测量角反射镜同光轴，且该光轴方向垂直于电容传感器的传感面；

所述干涉仪机构包括干涉仪底座和干涉仪单元；

所述干涉仪单元至少为三个且与测量单元一一对应，每个干涉仪单元包括单轴激光干涉仪、干涉仪调节底座和干涉仪支撑架；

所述干涉仪支撑架的底端固定在干涉仪底座上；

所述干涉仪调节底座固定在干涉仪支撑架的顶端；

所述单轴激光干涉仪固定在干涉仪调节底座上，单轴激光干涉仪、分光镜和参考角反射镜同光轴，单轴激光干涉仪发出的激光经分光镜分成相互垂直的参考光和测量光，参考光经参考角反射镜反射回分光镜，并经分光镜透射回单轴激光干涉仪，测量光经测量角反射镜反射回分光镜，并经分光镜反射回单轴激光干涉仪。

进一步的，所述电容传感器为柱状电容传感器或者平板电容传感器。

进一步的，所述传感器支撑架为L型结构，所述传感器固定座为凸台结构，传感器支撑架的短端固定在标定台基座上，传感器固定座的底座固定在传感器支撑架长端，传感器固定座的凸台上设有传感器夹持孔和传感器锁紧孔，电容传感器套装在传感器夹持孔内，并通过传感器锁紧孔锁紧固定。

进一步的，所述传感器支撑架和传感器固定座均为阶梯轴结构，传感器支撑架的底盘固定在标定台基座上，传感器固定座的底盘固定在传感器支撑架的顶端，电容传感器固定在传感器固定座的顶端。

进一步的，所述铰链为对称平行四边形结构，包括三个固定座和四个导向弹片，相邻的两个固定座间固定两个导向弹片，两端的固定座的底端均固定在标定台定平台的顶面上，中间的固定座的顶端固定在标定台动平台的底面上。

进一步的，所述导向弹片为圆角形板簧或者圆弧形柔性铰链。

进一步的，所述标定台动平台顶面上设有走线槽。

进一步的，所述标定台动平台为圆盘结构，标定台动平台的对称中心轴与电容传感器的传感轴共线。

进一步的，所述测量单元以电容传感器为中心按圆周均布。

进一步的，所述所有铰链在标定台动平台上按圆周均布。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的电容传感器位移标定装置不但操作简便，而且装调精度高、阿贝误差和余弦误差小，使得标定结果精度高，在10nm以内；

(2)本发明的电容传感器位移标定装置具有TIP-TILT-PISTON调节功能，可以执行Z向平动调节、绕着X轴和Y轴的转动调节，且调节行程可达到1mm，保证传感器的传感面和被测面板的被测面之间的平行度装调精度；

(3)本发明的电容传感器位移标定装置通过更换不同结构的传感器支撑架和传感器固定座，可以对不同类型的电容传感器标定，通用性和互换性强。

附图说明

图1为本发明电容位移传感器标定装置的剖视图；

图2为本发明电容位移传感器标定装置的俯视图；

图3为本发明电容位移传感器标定装置的标定台基座的结构示意图；

图4为本发明电容位移传感器标定装置的传感器支撑架的结构示意图；

图5为本发明电容位移传感器标定装置的传感器固定座的结构示意图；

图6为本发明电容位移传感器标定装置的传感器支撑架的结构示意图；

图7为本发明电容位移传感器标定装置的传感器固定座的结构示意图；

图8为本发明电容位移传感器标定装置的标定台静平台的结构示意图；

图9为本发明电容位移传感器标定装置的铰链的结构示意图，其中，(a)为仰视图，(b)为主视图，(c)为俯视图；

图10为本发明电容位移传感器标定装置的标定台动平台的结构示意图；

图11为本发明电容位移传感器标定装置的被测面板的结构示意图；

图12为本发明电容位移传感器标定装置的导光元件固定座的结构示意图；

图13为本发明电容位移传感器标定装置的干涉光路的原理图；

图中：1、标定台基座，1-1、走线孔，1-2、标定台支撑架连接孔，1-3、传感器支撑架连接孔，2、标定台支撑架，3、传感器支撑架，3-1、传感器固定座连接孔，4、驱动器，5、标定台静平台，5-1、标定台支撑架连接孔，5-2、传感器支撑架导向孔，5-3驱动器连接孔，5-4、驱动器推杆导向孔，5-5、导光元件支撑架连接孔，5-6、铰链连接孔，6、铰链，6-1、固定座，6-2、导向弹片，7、标定台动平台，7-1、传感器导向孔，7-2、走线槽，8、测量角反射镜，9、导光元件支撑架，10、导光元件固定座，10-1、导光元件支撑架夹持孔，10-2、导光元件支撑架锁紧孔，11、参考角反射镜，12、分光镜，13、传感器固定座，13-1、底座，13-2、凸台，13-2-1、传感器夹持孔，13-2-2、传感器锁紧孔，13-3、传感器连接孔，14、电容传感器，15、被测面板，16、驱动器推杆，17、单轴激光干涉仪，18、干涉仪调节底座，19、干涉仪支撑架，20、干涉仪底座。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合图1-13对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明权利要求的限制。

如图1-12所示，电容位移传感器标定装置，包括电容位移机构和干涉仪机构；其中，电容位移机构包括标定台基座1、标定台支撑架2、传感器支撑架3、驱动器4、标定台静平台5、铰链6、标定台动平台7、测量单元、传感器固定座13、电容传感器14、被测面板15和驱动器推杆16；干涉仪机构包括干涉仪单元和干涉仪底座20。

本实施方式中，标定台基座1为圆盘结构，标定台基座1上设有标定台支撑架连接孔1-2和传感器支撑架连接孔1-3，为便于安装不同结构的传感器支撑架3，传感器支撑架连接孔1-3可以设置成多组；标定台基座1上还可以设有走线孔1-1，用于电容传感器14的线缆连接控制箱。

本实施方式中，标定台支撑架2为柱状结构，优选高度相同，标定台支撑架2为三个以上，优选为三个，所有标定台支撑架2的底端均通过标定台支撑架连接孔1-2固定在标定台基座1上，并在标定台基座1上按圆周均布。

本实施方式中，传感器支撑架3的底端固定在标定台基座1上，传感器固定座13固定在传感器支撑架3上，电容传感器14固定在传感器固定座13上，电容传感器14用于测量电容传感器14与被测面板15之间的位移变化量，根据电容传感器14类型的不同，选择匹配的传感器支撑架3和传感器固定座13。

如标定柱状电容位移传感器，传感器支撑架3为L型结构，传感器固定座13为凸台结构，传感器支撑架3的短端通过传感器支撑架连接孔1-3固定在标定台基座1上，传感器固定座13的底座13-1通过传感器固定座连接孔3-1固定在传感器支撑架3的长端上，为方便安装多种不同型号的柱状电容传感器，传感器固定座连接孔3-1可以设有多组，传感器固定座13的凸台13-2上设有传感器夹持孔13-2-1和传感器锁紧孔13-2-2，电容传感器14放置于传感器夹持孔13-2-1中，并通过传感器锁紧孔13-2-2锁紧固定；

如标定平板电容位移传感器，传感器支撑架3和传感器固定座13均为阶梯轴结构，传感器支撑架3的底盘通过传感器支撑架连接孔1-3固定在标定台基座1上，传感器固定座13的底盘固定在传感器支撑架3的顶端，电容传感器14通过电容传感器连接孔13-3固定在传感器固定座13的顶端，为方便安装多种不同型号的平板电容传感器，电容传感器连接孔13-3可以设有多组。

本实施方式中，标定台静平台5为圆盘结构，标定台静平台5上设有多个标定台支撑架连接孔5-1，一个传感器支撑架导向孔5-2，多个驱动器连接孔5-3，多个驱动器推杆导向孔5-4，多个导光元件支撑架连接孔5-5和多个铰链连接孔5-6，标定台静平台5通过标定台支撑架连接孔5-1固定在所有标定台支撑架2的顶端，并通过传感器支撑架导向孔5-2套装在传感器支撑架3外。优选标定台静平台5的对称中心轴和电容传感器14的传感轴共线。

本实施方式中，铰链6为三个以上，且均相同，优选为三个，且按圆周均布在标定台静平台5和标定台动平台7上，所有铰链6均采用过约束的对称平行四边形结构，每个铰链6包括三个固定座6-1和四个导向弹片6-2，三个固定座6-1沿同一方向依次分布，每两个相邻的固定座6-1通过两根平行的导向弹片6-2固定连接，两端的固定座6-1的底端通过铰链连接孔5-6固定在标定台静平台5的顶面上，中间的固定座6-1的顶端固定在标定台动平台7的底面；导向弹片6-2可以为圆角形板簧或者圆弧形柔性铰链；采用对称平行四边形导向结构可以大大减小调节时引入的其他方向的寄生运动误差，导向平稳。铰链6的尺寸参数可以为：宽度1.1mm，长度70mm，厚度10mm，圆角半径0.1mm，材料为殷钢。

本实施方式中，驱动器4为三个以上，优选为三个，所有驱动器4的顶端均通过驱动器连接孔5-3固定在标定台静平台5的底面上，优选按圆周均布。

本实施方式中，驱动器推杆16为三个以上，优选为三个，驱动器4、驱动器推杆16和铰链6三者一一对应，驱动器推杆16固定在驱动器4的顶端，并通过驱动器推杆导向孔5-4穿过标定台静平台5至铰链6中间固定座6-1的下方；驱动器4通过驱动器推杆16推动铰链6移动，铰链6带动标定台动平台7及其上的被测面板15和测量角反射镜8移动。

本实施方式中，标定台动平台7为圆盘结构，其直径小于标定台静平台5，标定台动平台7通过设在其上的电容传感器导向孔7-1套装在电容传感器14外，且电容传感器14未贯通电容传感器导向孔7-1；标定台动平台7顶面的径向方向可以设有走线槽7-2，走线槽7-2用于电容传感器14的线缆连接控制箱。优选标定台动平台7的对称中心轴和电容传感器14的传感轴共线。

本实施方式中，被测面板15为圆形结构，被测面板15固定在标定台动平台7的顶面上，覆盖电容传感器导向孔7-1，且设置于电容传感器14的上方，被测面板15所在平面与电容传感器14的传感面平行，优选被测面板15的对称中心轴与电容传感器14的传感轴共线。

测量单元为三个以上，优选以电容传感器14为中心，按圆周均布，一般为三个，每个测量单元均包括测量角反射镜8、导光元件支撑架9、导光元件固定座10、参考角反射镜11和分光镜12，测量角反射镜8和参考角反射镜11均为角反射镜，分光镜12为50％分光镜。测量角反射镜8固定在标定台动平台7的顶面上，导光元件支撑架9为柱状结构，且底端通过导光元件支撑架连接孔5-5固定在标定台静平台5的顶面边缘上，导光元件固定座10为L型结构，短端设有导光元件支撑架夹持孔10-1和导光元件支撑架锁紧孔10-2，导光元件支撑架9的顶端套装在对应的导光元件支撑架夹持孔10-1内，并通过导光元件支撑架锁紧孔10-2锁紧固定，参考角反射镜11和分光镜12依次固定在导光元件固定座10的长端，分光镜12位于测量角反射镜8的上方，分光镜12在相互垂直的两个方向分别与测量角反射镜8、参考角反射镜11同光轴，且与测量角反射镜8的光轴垂直于电容传感器14的传感面。

干涉仪单元为三个以上，且与测量单元一一对应，每个干涉仪单元均包括单轴激光干涉仪17、干涉仪调节底座18和干涉仪支撑架19。干涉仪支撑架19的底端固定在干涉仪底座20上，干涉仪调节底座18固定在干涉仪支撑架19的顶端，单轴激光干涉仪17固定在干涉仪调节底座18上，单轴激光干涉仪17与其对应的分光镜12和参考角反射镜11同光轴。干涉仪调节底座18可以调节除了Z向高度以外的五个自由度，即：X向平移、Y向平移、绕着X\Y\Z的旋转，进而调节对应的单轴激光干涉仪17的角度，确保经测量角反射镜8和参考角反射镜11反射的光束经分光镜12后能够顺利被接受。

本实施方式中，为方便检测，可以采用标定台基座1水平放置，标定台动平台5、标定台静平台6、电容传感器14和被测面板15皆水平设置，分光镜12、参考角反射镜11和单轴激光干涉仪17在水平方向同光轴，分光镜12与测量角反射镜8在竖直方向同光轴。

如图13所示，单轴激光干涉仪17发出的激光经分光镜12分成相互垂直的测量光和参考光，测量光经测量角反射镜8两次90度折转反射回分光镜12，再经分光镜12反射回单轴激光干涉仪17，构成测量光路，参考光经参考角反射镜11两次90度折转反射回分光镜12，经分光镜12透射回单轴激光干涉仪17，构成参考光路。

标定前，首先在三坐标测量机上检测电容传感器14的传感面和三坐标测量机平台之间的平行度，该形位公差通过修调传感器固定座10保证。被测面板15安装时，检测被测面板15上表面和三坐标测量机平台之间的平行度，该形位公差通过调节驱动器4保证。这样，通过间接测量保证传感器传感面和被测面之间的平行度至许用值范围内。标定时，以初始位置为标定的起始零点，将电容位移传感器14电源打开，等待一段时间，待电容位移传感器14显示数值稳定后，开始记录传感器读数，然后，所有驱动器4以1μm的增量增加，驱动器4通过驱动器推杆16推动铰链6移动，铰链6带动标定台动平台7及其上的被测面板15、测量角反射镜8移动，实现Z向微调节，一方面，电容传感器14测量电容传感器14与被测面板15之间的位移变化量；另一方面，由单轴激光干涉仪17、测量角反射镜8、分光镜12、参考角反射镜11组成干涉测量光路。单轴激光干涉仪17发出的入射光，单轴激光干涉仪17发出的激光经分光镜12分成相互垂直的测量光和参考光，测量光经测量角反射镜8反射回分光镜12，再经分光镜12反射回单轴激光干涉仪17，参考光经参考角反射镜11反射分光镜12，经分光镜12透射回单轴激光干涉仪17，通过分析电容传感器14的读数和单轴激光干涉仪17的读数即可标定电容器。将连续多次测得的几组数据求平均后作为最终的标定结果。

显然，以上实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.电容位移传感器标定装置，其特征在于，包括电容位移机构和干涉仪机构；

所述电容位移机构包括标定台基座(1)、标定台支撑架(2)、传感器支撑架(3)、驱动器(4)、标定台静平台(5)、铰链(6)、标定台动平台(7)、测量单元、传感器固定座(13)、电容传感器(14)、被测面板(15)和驱动器推杆(16)；

所述标定台支撑架(2)至少为三个，所有标定台支撑架(2)的底端均固定在标定台基座(1)上；

所述传感器支撑架(3)的底端固定在标定台基座(1)上；

所述传感器固定座(13)固定在传感器支撑架(3)上；

所述电容传感器(14)固定在传感器固定座(13)上，电容传感器(14)测量电容传感器(14)与被测面板(15)之间的位移变化量；

所述标定台静平台(5)固定在所有标定台支撑架(2)的顶端并通过传感器支撑架导向孔(5-2)套装在传感器支撑架(3)外；

所述铰链(6)至少为三个，所有铰链(6)的底端均固定在标定台静平台(5)的顶面上，所有铰链(6)的顶端均固定在标定台动平台(7)的底面上；

所述标定台动平台(7)通过传感器导向孔(7-1)套装在电容传感器(14)外；

所述驱动器(4)、驱动器推杆(16)和铰链(6)三者一一对应，驱动器(4)的顶端均固定在标定台静平台(5)的底面上，驱动器推杆(16)固定在驱动器(4)的顶端，并通过驱动器推杆导向孔(5-4)穿过标定台静平台(5)，驱动器(4)通过驱动器推杆(16)推动铰链(6)移动，铰链(6)带动标定台动平台(7)移动；

所述被测面板(15)固定在标定台动平台(7)的顶面上，且位于电容传感器(14)的上方，被测面板(15)所在平面与电容传感器(14)的传感面平行；

所述测量单元至少为三个，每个测量单元包括测量角反射镜(8)、导光元件支撑架(9)、导光元件固定座(10)、参考角反射镜(11)和分光镜(12)，所述测量角反射镜(8)固定在标定台动平台(7)的顶面上，所述导光元件支撑架(9)的底端固定在标定台静平台(5)的顶面上，所述导光元件固定座(10)的一端固定在导光元件支撑架(9)上，所述参考角反射镜(11)和分光镜(12)依次固定在导光元件固定座(10)的另一端，且分光镜(12)位于测量角反射镜(8)的上方，分光镜(12)与测量角反射镜(8)同光轴，且该光轴方向垂直于电容传感器(14)的传感面；

所述干涉仪机构包括干涉仪底座(20)和干涉仪单元；

所述干涉仪单元至少为三个且与测量单元一一对应，每个干涉仪单元包括单轴激光干涉仪(17)、干涉仪调节底座(18)和干涉仪支撑架(19)；

所述干涉仪支撑架(19)的底端固定在干涉仪底座(20)上；

所述干涉仪调节底座(18)固定在干涉仪支撑架(19)的顶端；

所述单轴激光干涉仪(17)固定在干涉仪调节底座(18)上，单轴激光干涉仪(17)、分光镜(12)和参考角反射镜(11)同光轴，且该光轴方向平行于电容传感器(14)的传感面，单轴激光干涉仪(17)发出的激光经分光镜(12)分成相互垂直的参考光和测量光，参考光经参考角反射镜(11)反射回分光镜(12)，并经分光镜(12)透射回单轴激光干涉仪(17)，测量光经测量角反射镜(8)反射回分光镜(12)，并经分光镜(12)反射回单轴激光干涉仪(17)。

2.根据权利要求1所述的电容位移传感器标定装置，其特征在于，所述电容传感器(14)为柱状电容传感器或者平板电容传感器。

3.根据权利要求1所述的电容位移传感器标定装置，其特征在于，所述传感器支撑架(3)为L型结构，所述传感器固定座(13)为凸台结构，传感器支撑架(3)的短端固定在标定台基座(1)上，传感器固定座(13)的底座(13-1)固定在传感器支撑架(3)长端上，传感器固定座(13)的凸台(13-2)上设有传感器夹持孔(13-2-1)和传感器锁紧孔(13-2-2)，电容传感器(14)套装在传感器夹持孔(13-2-1)内，并通过传感器锁紧孔(13-2-2)锁紧固定。

4.根据权利要求1所述的电容位移传感器标定装置，其特征在于，所述传感器支撑架(3)和传感器固定座(13)均为阶梯轴结构，传感器支撑架(3)的底盘固定在标定台基座(1)上，传感器固定座(13)的底盘固定在传感器支撑架(3)的顶端，电容传感器(14)固定在传感器固定座(13)的顶端。

5.根据权利要求1所述的电容位移传感器标定装置，其特征在于，所述铰链(6)为对称平行四边形结构，包括三个固定座(6-1)和四个导向弹片(6-2)，相邻的两个固定座(6-1)间固定两个导向弹片(6-2)，两端的固定座(6-1)的底端均固定在标定台定平台(5)的顶面上，中间的固定座(6-1)的顶端固定在标定台动平台(7)的底面上。

6.根据权利要求5所述的电容位移传感器标定装置，其特征在于，所述导向弹片(6-2)为圆角形板簧或者圆弧形柔性铰链。

7.根据权利要求1所述的电容位移传感器标定装置，其特征在于，所述标定台动平台(7)顶面上设有走线槽(7-2)。

8.根据权利要求1所述的电容位移传感器标定装置，其特征在于，所述标定台动平台(7)为圆盘结构，标定台动平台(7)的对称中心轴与电容传感器(14)的传感轴共线。

9.根据权利要求1所述的电容位移传感器标定装置，其特征在于，所述测量单元以电容传感器(14)为中心按圆周均布。

10.根据权利要求1所述的电容位移传感器标定装置，其特征在于，所述所有铰链(6)在标定台动平台(7)上按圆周均布。