CN105020314A - 双自由度主动减振装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双自由度主动减振装置及控制方法，柔性结构能够将垂向和水平向振动解耦，并分别经过减振控制算法，实现主动减振控制，以达到纳米级加工设备的振动要求，使用这种主动减振装置和控制算法的机构其减振效果达到了10～20dB，很好的降低了振动对光刻机动态性能的影响，保证了投影物镜的成像质量，进而提高了光刻工艺的精度。

Description

双自由度主动减振装置及控制方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，尤其涉及一种双自由度主动减振装置及控制方法。

背景技术

随着大规模集成电路制造业的发展，以光刻机为代表的纳米加工设备集成了光、机、电等多个学科的尖端技术，代表了先进制造技术的最高成就。由于以光刻机为代表的纳米加工设备涉及到纳米曝光、定位与测量，其对振动的、温度、湿度和颗粒等环境控制的要求及其严格，减振技术就是其中的关键技术之一。早期的光刻机及精密加工设备采用的是被动减振***，减振元件有金属弹簧、橡胶和空气弹簧，有时会附加一些阻尼结构。这些减振***结构简单，易于实现，缺点是一旦设计完成，其参数很难更改，因而只能对某一特定的窄频段振动起到衰减作用，而对于隔振对象状态变化较大和振动干扰时变性较强的场合不太适合；同时，由于稳定性的限制，被动隔振也无法对低频振动进行衰减。随着高端光刻机的及纳米加工设备的出现，其工作环境更加复杂，被动减振***对设备的低频振动隔离和位置稳定性控制已经无能为力，设备内部的干扰力也无法削弱。基于上述原因，将主动隔振***应用到光刻机等纳米加工设备中，将会克服被动隔振***的局限性。主动减振***是利用作动器在被动减振***中加入主动控制，达到衰减***低频振动和抵消扰动力的作用，从而实现***的制振和隔振功能，使***在高低频域范围均能实现较好的减振效果和稳定性。正是由于这个特点，主动减振***在光刻机上得到了广泛的应用，其关键技术发展成为减振***研究的热点，在先进制造行业具有普遍意义。

光刻机主要是工件台携带硅片或玻璃基板等在投影物镜下随掩模台保持同步运动，并完成精确的曝光工作。光刻机投影物镜通过支撑装置安装于整机框架上，框架振动(包含地基振动、执行器反力引起的振动等)通过支撑装置传递至投影物镜，导致投影物镜结构振动、引起成像的短期误差，危害曝光精度。为隔离外部振动通过主基板向投影物镜传递，投影物镜与主基板之间采用柔性支撑装置连接。柔性机械结构占用空间小，其各向刚度的大小决定能够隔离框架振动的水平；同时柔性机构支撑几百到上千公斤的投影物镜质量，需保证最大应力在材料许用应力安全范围，因此结构设计具有一定的挑战性。

专利CN102162500A提出了一种垂向主动减振装置和一种垂向及水平向主动减振装置。主动减振元件采用压电陶瓷块结构，其中压电块的预压紧力由折叠弹簧提供，被动减振元件采用的是柔性铰链结构，整个装置关于中心线轴对称。压电陶瓷材料是一种同时兼具正、逆机电耦合特性的智能材料，若对其施加作用力，则在它的两个电极上将感应产生等量的异种电荷。反之，当它受到外加电压的作用时，便会产生机械变形。基于这一特性，压电陶瓷材料在振动主动控制中被广泛用作传感器和作动器。该专利中的压电陶瓷块由压电传感器和压电作动器组成，两部分封装成一个整体。因此压电陶瓷块不仅能够检测由振动产生的力，而且能够抑制振动。压电陶瓷块在垂向能够承载和施加很大的力，但它不能承受水平向的剪切力和垂向的拉伸力。压电陶瓷块安装在柔性结构中的两个方孔内，采用粘合剂将压电陶瓷块的位置固定。当压电陶瓷块处于方孔中时，折叠弹簧处于垂向拉伸状态，因此对压电陶瓷块施加了一定的预紧力，以防止其受到拉伸力的作用而造成损坏。压电陶瓷块中的压电传感器检测到由振动产生的力后，将测量信号传给控制器，控制器经过一套控制算法后进而将控制信号输出给压电作动器以驱动其进行主动振动抑制。应用时，主动减振装置的上表面与需要进行减振的设备相连，下表面与外界环境相连。

当柔性结构中的压电陶瓷块采取水平向布置时，可实现垂向主动减振，但对消除其它方向振动无能为力。压电陶瓷块倾斜布置时可实现水平向和垂向主动减振。虽然设计中增加了柔性铰链结构，但是这并不能抑制切向力对压电陶瓷块的作用，压电陶瓷块长期处于切向力作用下将会降低其使用寿命，严重时甚至会损坏，而且被隔离设备同时受到水平向和垂向振动时，这种结构无法实现解耦控制，垂向和水平向减振控制相互影响。本发明旨在提供一种垂向和水平向减振解耦的柔性结构，并通过相应的控制算法实现减振控制，将振动的幅值降低到一定范围内。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双自由度主动减振装置及控制方法，能够实现垂向和水平向解耦的减振，并分别经过减振控制算法，实现主动减振控制，以达到纳米级加工设备的振动要求。

为了实现上述目的，本发明提出了一种双自由度主动减振装置，用于对光刻机进行减振处理，所述装置包括一柔性结构，所述柔性结构位于光刻机的投影物镜和主基板之间，所述柔性结构包括：第一压电陶瓷块、第二压电陶瓷块和第三压电陶瓷块；所述第一压电陶瓷块和第二压电陶瓷块位于同一水平线上；所述第三压电陶瓷块位于所述第一压电陶瓷块和第二压电陶瓷块所在的水平线外；并与所述第一压电陶瓷块和第二压电陶瓷块通过铰链相连；所述第一压电陶瓷块和第二压电陶瓷块通过第一预紧弹簧提供预紧力；所述第三压电陶瓷块通过第二预紧弹簧提供预紧力；所述第一压电陶瓷块、第二压电陶瓷块和第三压电陶瓷块位于所述柔性结构内部的方孔内；所述第一压电陶瓷块、第二压电陶瓷块和第三压电陶瓷块上均连接有压电力传感器。

进一步的，在在所述的双自由度主动减振装置中，所述装置还包括限位机构和阻尼器，所述限位机构固定在所述光刻机的主基板上，所述阻尼器固定于所述光刻机的投影物镜和主基板之间，且一端连接于所述投影物镜，另一端连接于所述主机板。

进一步的，在在所述的双自由度主动减振装置中，所述第一预紧弹簧和第二预紧弹簧均包括凹槽和圆孔，所述圆孔和凹槽相连。

进一步的，在在所述的双自由度主动减振装置中，所述第一预紧弹簧为垂向预紧弹簧；所述第二预紧弹簧为水平向预紧弹簧，所述垂向预紧弹簧和水平向预紧弹簧均成对且对称设置。

进一步的，在所述的双自由度主动减振装置中，所述垂向预紧弹簧内的凹槽为水平向凹槽，所述水平向预紧弹簧内的凹槽为垂向凹槽。

进一步的，在所述的双自由度主动减振装置中，所述第三压电陶瓷块位于所述第一压电陶瓷块和第二压电陶瓷块的水平向直线的垂直法线上。

进一步的，本发明还提出了一种双自由度主动减振的控制方法，采用如上文所述的任意一种双自由度主动减振装置，所述控制方法包括：

测量出所述柔性结构受到的作用力F_sen；

将所述作用力F_sen与参考力F_ref的差值F_err传输至反馈控制器中；

由所述反馈控制器对差值F_err进行处理后得到控制信号作用至所述柔性结构上。

进一步的，在所述的双自由度主动减振的控制方法中，所述反馈控制器对差值F_err进行处理的步骤包括：

由刚性模型得出所述柔性结构的位移X_act与差值F_err的关系，

x_act(t)＝K_pF_err(t)

其中，K_p为柔性结构刚度的倒数，当作用力F_sen随时间变化时，其关系式为，由柔性结构的位移X_act与差值F_err的关系得到控制信号作用至所述柔性结构上。

进一步的，在所述的双自由度主动减振的控制方法中，所述双自由度主动减振的控制方法为反馈式控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：柔性结构能够将垂向和水平向振动解耦，并分别经过减振控制算法，实现主动减振控制，以达到纳米级加工设备的振动要求，使用这种主动减振装置和控制算法的机构其减振效果达到了10～20dB，很好的降低了振动对光刻机动态性能的影响，保证了投影物镜的成像质量，进而提高了光刻工艺的精度。

附图说明

图1为本发明一实施例中光刻机和双自由度主动减振装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例中柔性结构的结构示意图；

图3为本发明一实施例中双自由度主动减振控制方法的方框图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的双自由度主动减振装置及控制方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关***或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

光刻机10***在工作过程中，工件台和掩模台分别以投影物镜11的两面一轴(物面、焦面和光轴)为基准，在控制***的驱动下，按要求的精度实现工件台与掩模台之间的相对位置，以及两者相对投影物镜11的位置。由于光刻机10高定位精度、高同步运动精度的特点，任何外界振动的传入和内部振动的干扰，都会引起两者之间或者两者相对投影物镜11位置的短暂错位，这将会严重影响光刻质量。引起***内部微振动并引发错位的主要因素有地基振动的传入，步进或者扫描过程中产生的反作用力和力矩，以及内部世界(气液管路和气膜的振动)和外部世界的随机噪音等。为了消除各种振动因素对光刻机10曝光质量的影响，就要对整机***采取有效的隔振和减振措施。通常的解决办法是设法将光刻机10的曝光单元(主要包括照明***、掩模台、投影物镜11和工件台)通过一套减振器16同安装地基18隔离开来，这样就可以避免外界的振动通过地基18传给曝光单元，如图1所示，在基础框架17和主基板12间通过减振器16实现地基18振动隔离。

随着大规模集成电路器件集成度的提高，对光刻机10工作分辨率要求愈来愈高，即要求光刻机10曝光***的稳定性、测量***的准确性和运动平台的精度也得愈来愈高(目前定位精度高于10nm)，同时工作波长也愈来愈短。进入纳米精度后，光刻分辨率对振动的影响已相当敏感。投影物镜11作为光刻机10中最精密部件及基准，对环境振动的要求非常苛刻，通过减振器16实现的单级减振已不能满足其性能需求。因此需要两极隔振***，其中第一级采用减振器16，用于各类基础框架17上的低频振动，第二级采用柔性结构13，用于隔离主基板12上的残余振动加速度。

请参考图1和图2，在本实施例中，提出了一种双自由度主动减振装置，用于对光刻机10进行减振处理，所述装置包括一柔性结构13，所述柔性结构13位于光刻机10的投影物镜11和主基板12之间，所述柔性结构13包括：

第一压电陶瓷块3a、第二压电陶瓷块3b和第三压电陶瓷块3c，所述第一压电陶瓷块3a和第二压电陶瓷块3b位于同一水平线上，所述第三压电陶瓷块3c位于所述第一压电陶瓷块3a和第二压电陶瓷块3b所在的水平线外，所述第一压电陶瓷块3a和第二压电陶瓷块3b通过第一预紧弹簧提供预紧力；所述第三压电陶瓷块3c通过第二预紧弹簧提供预紧力；所述第一压电陶瓷块3a、第二压电陶瓷块3b和第三压电陶瓷块3c位于所述柔性结构13内部的方孔1a、1b和1c内；并与所述第一压电陶瓷块3a和第二压电陶瓷块3b分别通过铰链5a和5b相连；多个压电力传感器2，所述压电力传感器2分别连接在所述第一压电陶瓷块3a、第二压电陶瓷块3b和第三压电陶瓷块3c上。

在本实施例中，所述装置还包括限位机构14和阻尼器15，所述限位机构14固定在所述光刻机10的主基板上，用于限制所述投影物镜11的振动位移，所述阻尼器15固定于所述光刻机10的投影物镜11和主基板12之间，且一端连接于所述投影物镜11，另一端连接于所述主机板12，用于衰减振动能量。

在本实施例中，所述第一预紧弹簧和第二预紧弹簧均包括凹槽和圆孔，所述圆孔和凹槽相连。所述第一预紧弹簧为垂向预紧弹簧4a、4b；所述第二预紧弹簧为水平向预紧弹簧6a、6b，所述垂向预紧弹簧4a、4b和水平向预紧弹簧6a、6b均成对且对称设置。

垂向方向的预紧力由垂向预紧弹簧4a、4b作用在第一压电陶瓷块3a和第二压电陶瓷块3b上，用于防止第一压电陶瓷块3a和第二压电陶瓷块3b受到拉伸力而损坏。当柔性结构13受到水平向作用力F_sen时，作用力F_sen通过铰链5a、5b分别施加在第三压电陶瓷块3c上，水平向的预紧力由水平向预紧弹簧6a、6b提供。若所述柔性结构13同时受到水平向和垂向振动作用时，所述柔性结构13可分别把作用力F_sen分解水平向的第三压电陶瓷块3c和垂向的第一压电陶瓷块3a、第二压电陶瓷块3b上，通过对这个两个方向的主动减振控制就可以实现整体的主动减振，进而解决背景技术存在的无法解耦的问题。

在本实施例中，所述垂向预紧弹簧4a、4b内的凹槽为水平向凹槽，所述水平向预紧弹簧6a、6b内的凹槽为垂向凹槽。

在本实施例中，所述第三压电陶瓷块3c位于所述第一压电陶瓷块3a和第二压电陶瓷块3b所在的水平线的垂直法线上，从而可以达到很好的解耦效果。

在本实施例中，所述块体7的材质为不锈钢，在其他实施例中，所述块体7可以为高弹性材料。

请参考图3，在本实施例中，还提出了一种双自由度主动减振的控制方法，采用如上文所述的双自由度主动减振装置，

所述控制方法包括：

S1：测量出所述柔性结构13受到的作用力F_sen；

S2：将所述作用力F_sen与参考力F_ref的差值F_err传输至反馈控制器中；

S3：由所述反馈控制器对差值F_err进行处理后得到控制信号作用至所述柔性结构13上。

在本实施例中，所述反馈控制器对差值F_err进行处理的步骤包括：

由刚性模型得出所述柔性结构13的位移X_act与差值F_err的关系，

x_act(t)＝K_pF_err(t)       (1)

其中，K_p为柔性结构13刚度的倒数，当作用力F_sen随时间变化时，其关系式为，

x_act(t)＝K_i1∫F_err(t)      (2)

将上述(1)和(2)式相加得出，

x_act(t)＝K_pF_err(t)+K_i1∫F_err(t)     (3)

对(3)式求导得出，

F_err(t)＝d_avcx′_act(t)+k_avcx_act(t)      (4)

对(4)式进行两边拉式变换得出，

$C\left(s\right)=\frac{1}{{\mathrm{sd}}_{\mathrm{avc}}+k_{\mathrm{avc}}}=\frac{K_{\mathrm{il}}}{s+p}---\left(5\right)$

其中 $K_{\mathrm{il}}=\frac{1}{d_{\mathrm{avc}}},p=\frac{k_{\mathrm{avc}}}{d_{\mathrm{avc}}}.$

(5)式就是反馈控制器中经过一系列控制算法要实现的目标。通过仿真计算上述积分力反馈控制算法可以降低投影物镜11共振峰值约20db。

本实施例中提到的控制算法是通过测量振动时力的变化，直接对主动减振装置施加力补偿。这种控制算法是一种反馈控制方法。当外界扰动信号作用于柔性结构13上时会产生一个作用力F_sen，作用力F_sen可以通过压电力传感器2获得，把作用力F_sen与参考力F_ref相减就会得到一个差值F_err，差值F_err通过反馈控制器和扰动信号共同作用与柔性结构13上，如果压电力传感器2测量的值比扰动信号单独作用时变小了，就表明反馈控制起到了对振动抑制的作用。

综上，在本发明实施例提供的双自由度主动减振装置及控制方法中，柔性结构能够将垂向和水平向振动解耦，并分别经过减振控制算法，实现主动减振控制，以达到纳米级加工设备的振动要求，使用这种主动减振装置和控制算法的机构其减振效果达到了10～20dB，很好的降低了振动对光刻机动态性能的影响，保证了投影物镜的成像质量，进而提高了光刻工艺的精度。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双自由度主动减振装置，用于对光刻机进行减振处理，所述装置包括一柔性结构，所述柔性结构位于光刻机的投影物镜和主基板之间，所述柔性结构包括：第一压电陶瓷块、第二压电陶瓷块和第三压电陶瓷块；所述第一压电陶瓷块和第二压电陶瓷块位于同一水平线上；所述第三压电陶瓷块位于所述第一压电陶瓷块和第二压电陶瓷块所在的水平线外；并与所述第一压电陶瓷块和第二压电陶瓷块通过铰链相连；所述第一压电陶瓷块和第二压电陶瓷块通过第一预紧弹簧提供预紧力；所述第三压电陶瓷块通过第二预紧弹簧提供预紧力；所述第一压电陶瓷块、第二压电陶瓷块和第三压电陶瓷块位于所述柔性结构内部的方孔内；所述第一压电陶瓷块、第二压电陶瓷块和第三压电陶瓷块上均连接有压电力传感器。

2.如权利要求1所述的双自由度主动减振装置，其特征在于，所述装置还包括限位机构和阻尼器，所述限位机构固定在所述光刻机的主基板上，所述阻尼器固定于所述光刻机的投影物镜和主基板之间，且一端连接于所述投影物镜，另一端连接于所述主机板。

3.如权利要求1所述的双自由度主动减振装置，其特征在于，所述第一预紧弹簧和第二预紧弹簧均包括凹槽和圆孔，所述圆孔和凹槽相连。

4.如权利要求3所述的双自由度主动减振装置，其特征在于，所述第一预紧弹簧为垂向预紧弹簧；所述第二预紧弹簧为水平向预紧弹簧，所述垂向预紧弹簧和水平向预紧弹簧均成对且对称设置。

5.如权利要求4所述的双自由度主动减振装置，其特征在于，所述垂向预紧弹簧内的凹槽为水平向凹槽，所述水平向预紧弹簧内的凹槽为垂向凹槽。

6.如权利要求1所述的双自由度主动减振装置，其特征在于，所述第三压电陶瓷块位于所述第一压电陶瓷块和第二压电陶瓷块所在的水平线的垂直法线上。

7.一种双自由度主动减振的控制方法，采用如权利要求1至6所述的任意一种双自由度主动减振装置，所述控制方法包括：

测量出所述柔性结构受到的作用力F_sen；

将所述作用力F_sen与参考力F_ref的差值F_err传输至反馈控制器中；

由所述反馈控制器对差值F_err进行处理后得到控制信号作用至所述柔性结构上。

8.如权利要求7所述的双自由度主动减振的控制方法，其特征在于，所述反馈控制器对差值F_err进行处理的步骤包括：

由刚性模型得出所述柔性结构的位移X_act与差值F_err的关系，

x_act(t)＝K_pF_err(t)

其中，K_p为柔性结构刚度的倒数，当作用力F_sen随时间变化时，其关系式为，由柔性结构的位移X_act与差值F_err的关系得到控制信号作用至所述柔性结构上。

9.如权利要求7所述的双自由度主动减振的控制方法，其特征在于，所述双自由度主动减振的控制方法为反馈式控制方法。