CN113917797B - 一种基于六自由度控制的运动台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光刻机技术领域，公开了一种基于六自由度控制的运动台及其控制方法，运动台包括基座、工作台和控制装置，工作台设置于基座的上方，工作台的下表面设置有多个凹槽，控制装置包括控制模块和安装在基座上的第一电机组、第二电机组、位置检测模块，第一电机组设置在工作台的侧面，用以驱动工作台在X方向、Y方向和Rz方向的运动，第二电机组和位置检测模块分别设置在所述凹槽中，第二电机组抵在工作台的底面，用以驱动工作台在Z方向、Rx方向和Ry方向的运动，位置检测模块检测工作台的实时位置；第一电机组、第二电机组、位置检测模块均与控制模块电连接。本发明可以实现对运动台运动的六自由度控制，从而提高对运动台的控制精度。

Description

一种基于六自由度控制的运动台及其控制方法

技术领域

本发明涉及光刻机技术领域，特别是涉及一种基于六自由度控制的运动台及其控制方法。

背景技术

随着芯片精度的不断提高，半导体行业中的芯片制造设备，例如光刻机、晶圆切割机、芯片键合设备、晶圆热处理设备等，和芯片检测设备，例如晶圆膜厚检测设备、晶圆缺陷检测设备等，对运动部件的要求也越来越高，因此，高精度的超精密定位***在半导体领域起着越来越重要的作用，其定位基准技术以其优越的性能逐渐被应用在半导体行业中。

光刻机工作台***典型的结构形式为宏动、微动相结合的结构，其中，工作台精密运动是极重要的关键分***，其定位精度直接影响光刻设备的性能，其运行速度直接影响光刻设备的生产效率，因此，对于高精度微动台的驱动仍是限制光刻机发展的关键因素。而目前对光刻机工作台运动控制的定位精度不够。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种基于六自由度控制的运动台及其控制方法，以解决现有技术对光刻机工作台运动控制的定位精度不够的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一个方面是提供一种基于六自由度控制的运动台，包括基座、工作台和控制装置，所述工作台设置于所述基座的上方，所述工作台的下表面设置有多个凹槽，所述控制装置包括控制模块和安装在所述基座上的第一电机组、第二电机组、位置检测模块，所述第一电机组设置在所述工作台的侧面，用以驱动所述工作台在X方向、Y方向和Rz方向的运动，所述第二电机组和所述位置检测模块分别设置在所述凹槽中，所述第二电机组抵在所述工作台的底面，用以驱动所述工作台在Z方向、Rx方向和Ry方向的运动，所述位置检测模块与所述工作台的表面之间具有间隙，以检测所述工作台的实时位置；所述第一电机组、所述第二电机组、所述位置检测模块均与所述控制模块电连接。

优选地，所述第一电机组包括X向电机、第一Y向电机和第二Y向电机，所述X向电机设置在所述工作台的一侧，所述第一Y向电机和所述第二Y向电机均设置在所述工作台的相邻侧，且所述第一Y向电机和所述第二Y向电机在所述相邻侧间隔设置。

优选地，所述第一电机组还包括安装在基座上的X向电机支座、第一Y向电机支座和第二Y向电机支座，所述X向电机与所述X向电机支座固定，所述X向电机的电机动子与所述工作台的侧面固定，所述X向电机的电机定子固定在所述X向电机支座上；所述第一Y向电机与所述第一Y向电机支座固定，所述第一Y向电机的电机动子与所述工作台的侧面固定，所述第一Y向电机的电机定子固定在所述第一Y向电机支座上；所述第二Y向电机与所述第二Y向电机支座固定，所述第二Y向电机的电机动子与所述工作台的侧面固定，所述第二Y向电机的电机定子固定在所述第二Y向电机支座上。

优选地，所述第二电机组包括第一垂向电机、第二垂向电机和第三垂向电机，所述第一垂向电机、第二垂向电机和第三垂向电机在所述基座上呈正三角形布置。

优选地，所述第二电机组还包括安装在所述基座上的第一垂向电机支座、第二垂向电机支座和第三垂向电机支座，所述第一垂向电机固定在所述第一垂向电机支座上，所述第一垂向电机的电机动子与所述工作台的底面固定，所述第一垂向电机的电机定子固定在所述第一垂向电机支座上；所述第二垂向电机固定在所述第二垂向电机支座上，所述第二垂向电机的电机动子与所述工作台的底面固定，所述第二垂向电机的电机定子固定在所述第二垂向电机支座上；所述第三垂向电机固定在所述第三垂向电机支座上，所述第三垂向电机的电机动子与所述工作台的底面固定，所述第三垂向电机的电机定子固定在所述第三垂向电机支座上。

优选地，所述第一垂向电机的电机动子、所述第二垂向电机的电机动子、所述第三垂向电机的电机动子与所述工作台的底面均是粘接固定。

优选地，所述位置检测模块包括多个传感器组，所述工作台的每个侧面均设置有对应的所述传感器组；每个传感器组均包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器检测所述工作台的侧面的实时位置，所述第二传感器检测所述第二传感器位置距离所述凹槽的底面的高度。

优选地，所述工作台为微晶玻璃台，所述第一电机组分别通过铝块固定在所述微晶玻璃台上，所述铝块与所述微晶玻璃台粘接固定。

优选地，所述工作台的上表面设置有探测器和探测器支座，所述探测器支座安装在所述工作台上，所述探测器安装在所述探测器支座上。

本发明的另一个方面是提供一种如上所述的基于六自由度控制的运动台的控制方法，包括：

步骤S1，利用控制模块控制第一电机组驱动工作台在X方向、Y方向或Rz方向运动，控制模块控制第二电机组驱动工作台在Z方向、Rx方向或Ry方向运动；

步骤S2，利用传感器组检测工作台的实时位置，并将工作台的实时位置发送至控制模块；

步骤S3，判断工作台的实时位置是否满足控制精度要求；

步骤S4，若工作台的实时位置满足控制精度要求，控制模块控制第一电机组和第二电机组停止工作；若工作台的实时位置不满足控制精度要求，则重复进行步骤S1－步骤S3，直至工作台的实时位置满足控制精度要求。

本发明实施例一种基于六自由度控制的运动台及其控制方法与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明实施例的基于六自由度控制的运动台，在基座和工作台之间设置有传感器组和两个电机组，利用其中一个电机组实现工作台在X方向、Y方向和Rz方向的运动，利用另一个电机组实现工作台在Z方向、Rx方向和Ry方向的运动，从而实现对工作台运动的六自由度控制。并且，本发明利用传感器组对工作台的实时位置进行检测，并根据传感器组的检测结果对两个电机组进行控制，使得电机组对工作台的运动控制更加精准，提高对工作台运动的控制精度，从而提高对工作台的定位精度。并且，本发明整体结构紧凑，占用空间小，承受载荷大，在小范围内的调节过程中，只需要控制电机组内的电机动子运动行程即可，控制方法简单。

附图说明

图1是本发明实施例所述基于六自由度控制的运动台的三维结构示意图；

图2是本发明实施例所述基于六自由度控制的运动台的俯视示意图；

图3是图2中的A－A向剖视图；

图4是本发明实施例中基座上传感器组、第一电机组和第二电机组的布置示意图；

图5是本发明实施例中运动台的局部示意图；

图中，1、基座；

2、工作台；21、探测器；22、探测器支座；

31、X向电机；311、X向电机支座；32、第一Y向电机；321、第一Y向电机支座；33、第二Y向电机；331、第二Y向电机支座；

41、第一垂向电机；411、第一垂向电机支座；42、第二垂向电机；421、第二垂向电机支座；43、第三垂向电机；431、第三垂向电机支座；

51、第一水平向传感器；52、第一垂向传感器；53、第二水平向传感器；54、第二垂向传感器；55、第三水平向传感器；56、第三垂向传感器；57、第四水平向传感器；58、第四垂向传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例的一种基于六自由度控制的运动台，包括基座1、工作台2和控制装置，所述工作台2设置于所述基座1的上方，工作台2用于承载工件或探测器21等，所述工作台2的下表面设置有多个凹槽，所述控制装置包括控制模块和安装在所述基座1上的第一电机组、第二电机组、位置检测模块，所述第一电机组设置在所述工作台2的侧面，用以驱动所述工作台2在X方向、Y方向和Rz方向(绕Z轴旋转)的运动，将工作台2移动至相应的水平位置；所述第二电机组和所述位置检测模块分别设置在所述凹槽中，所述第二电机组抵在所述工作台2的底面，用以驱动所述工作台2在Z方向、Rx方向(绕X轴旋转)和Ry方向(绕Y轴旋转)的运动，将工作台2移动至相应的竖直位置；所述位置检测模块与所述工作台2的表面之间具有间隙，以检测所述工作台2的实时位置；所述第一电机组、所述第二电机组、所述位置检测模块均与所述控制模块电连接。位置检测模块将检测的工作台2的实时位置发送至控制模块，控制模块根据工作台2的实时位置对第一电机组和第二电机组进行控制，利用第一电机组和第二电机组驱动工作台2运动，对工作台2的位置进行六自由度调整，提高工作台2的定位精度。

需要说明的是，第二电机组、位置检测模块与凹槽的槽壁面之间均具有间隔，该间隔满足对工作台2位置的调整要求即可，使得工作台2相对于基座1运动时，第二电机组和位置检测模块均不会干涉工作台2的运动。本发明中工作台2的运动均为微动，运动距离为微米级。

本实施例中，第一电机组和第二电机组均由平面电机组成，平面电机具有出力密度高、速度高、可靠性高等特点，并且，易于将其集成到被控对象中，且具有响应速度快、控制灵敏度高、机械结构简单等优点。通过提高平面电机的电机动子的运动行程，可以增加工作台2在各方向上的运动行程，满足工作台2在各方向上的运动要求。

本实施例中，所述第一电机组包括X向电机31、第一Y向电机32和第二Y向电机33，所述X向电机31设置在所述工作台2的一侧，用以驱动工作台2沿X方向运动；所述第一Y向电机32和所述第二Y向电机33均设置在所述工作台2的相邻侧，且所述第一Y向电机32和所述第二Y向电机33在所述工作台2的相邻侧间隔设置，具体地，第一Y向电机32和第二Y向电机33沿工作台2的Y方向间隔设置，用以驱动工作台2沿Y方向运动。通过X向电机31、第一Y向电机32和第二Y向电机33的不同步运动实现工作台2在Rz方向(绕Z轴旋转)的运动。

进一步地，所述第一电机组还包括安装在基座1上的X向电机支座311、第一Y向电机支座321和第二Y向电机支座331，所述X向电机31与所述X向电机支座311固定，所述X向电机31的电机动子与所述工作台2的侧面固定，具体为沿X方向延伸的侧面；所述X向电机31的电机定子与固定在X向电机支座311上；所述第一Y向电机32与所述第一Y向电机支座321固定，所述第一Y向电机32的电机动子与所述工作台2的侧面固定，具体为沿Y方向延伸的侧面，所述第一Y向电机32的电机定子固定在所述第一Y向电机支座321上；所述第二Y向电机33与所述第二Y向电机支座331固定，所述第二Y向电机33的电机动子与所述工作台2的侧面固定，具体为沿Y方向延伸的侧面，且与第一Y向电机32的电机动子固定的侧面相同，所述第二Y向电机33的电机定子固定在所述第二Y向电机支座331上。通过第一电机组的各个电机动子与工作台2的相应侧面固定，使得工作台2在运动控制过程中更加稳定，便于对工作台2的位置进行微调。

本实施例中，X向电机支座311、第一Y向电机支座321、第二Y向电机支座331均为平板。

进一步地，所述第一电机组还包括安装在基座1上的X向固定支架、第一Y向固定支架和第二Y向固定支架，所述X向电机31通过所述X向固定支架与所述X向电机支座311固定，所述X向电机31的电机定子固定在所述X向固定支架上；所述第一Y向电机32通过所述第一Y向固定支架与所述第一Y向电机支座321固定，所述第一Y向电机32的电机定子固定在所述第一Y向固定支架上；所述第二Y向电机33通过所述第二Y向固定支架与所述第二Y向电机支座331固定，所述第二Y向电机33的电机定子固定在所述第二Y向固定支架上。通过设置的X向固定支架、第一Y向固定支架和第二Y向固定支架使得各个电机与相应的电机支座之间的连接更加稳固。

本实施例中，所述第二电机组包括第一垂向电机41、第二垂向电机42和第三垂向电机43，所述第一垂向电机41、第二垂向电机42和第三垂向电机43在所述基座1上呈三角形布置，优选为呈正三角形分布。其中，第一垂向电机41、第二垂向电机42和第三垂向电机43分别设置在不同的凹槽中。第一垂向电机41、第二垂向电机42和第三电机同步运动实现工作台2在Z方向的位置微调，第一垂向电机41、第二垂向电机42和第三电机的不同步运动实现工作台2在Rx方向(绕X轴旋转)和Ry方向(绕Y轴旋转)的运动。

进一步地，所述第二电机组还包括安装在所述基座1上的第一垂向电机支座411、第二垂向电机支座421和第三垂向电机支座431，所述第一垂向电机41固定在所述第一垂向电机支座411上，所述第一垂向电机41的电机动子与所述工作台2的底面固定，所述第一垂向电机41的电机定子固定在所述第一垂向电机支座411上；所述第二垂向电机42固定在所述第二垂向电机支座421上，所述第二垂向电机42的电机动子与所述工作台2的底面固定，所述第二垂向电机42的电机定子固定在所述第二垂向电机支座421上；所述第三垂向电机43固定在所述第三垂向电机支座431上，所述第三垂向电机43的电机动子与所述工作台2的底面固定，所述第三垂向电机43的电机定子定在所述第三垂向电机支座431上。通过第二电机组的各个电机动子与工作台2的底面固定，使得工作台2在运动控制过程中更加稳定，便于对工作台2的位置进行微调。

进一步地，优选地，所述第一垂向电机41的电机动子、所述第二垂向电机42的电机动子、所述第三垂向电机43的电机动子与所述工作台2的底面均是粘接固定。

本实施例中，第一垂向电机支座411、第二垂向电机支座421和第三垂向电机支座431均为平板。

进一步地，所述第二电机组还包括安装在所述基座1上的第一垂向固定支架、第二垂向固定支架和第三垂向固定支架，所述第一垂向电机41通过所述第一垂向固定支架固定在所述第一垂向电机支座411上，所述第一垂向电机41的电机定子与所述第一垂向固定支架固定；所述第二垂向电机42通过所述第二垂向固定支架固定在所述第二垂向电机支座421上，所述第二垂向电机42的电机定子与所述第二垂向固定支架固定；所述第三垂向电机43通过所述第三垂向固定支架固定在所述第三垂向电机支座431上，所述第三垂向电机43的电机定子与所述第三垂向固定支架固定。通过第二电机组的各个电机动子与工作台2的底面固定，使得工作台2在运动控制过程中更加稳定，便于对工作台2的位置进行微调。通过设置的各个垂向固定支架，使得各个垂向电机与相应的垂向电机支座之间的连接更加稳固。

所述位置检测模块包括多个传感器组，所述工作台2的每个侧面均设置有对应的所述传感器组，各个传感器组分别位于工作台底部的凹槽中；每个传感器组均包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器检测所述工作台2的侧面的实时位置，通过检测第一传感器所在位置与凹槽的侧面之间的距离实现，所述第二传感器检测所述第二传感器位置距离所述凹槽的底面的高度；通过多组传感器中的第二传感器的检测结果可以实时检测所述工作台2的顶面的实时位置，其中，第一传感器和第二传感器均安装在相应的传感器支座上，传感器支座固定在机座1上。本实施例中，位置检测模块包括四个传感器组，四个传感器组的第一传感器分别表示为第一水平向传感器51、第二水平向传感器53、第三水平向传感器55、第四水平向传感器57；四个传感器组的第二传感器分别表示为第一垂向传感器52、第二垂向传感器54、第三垂向传感器56、第四垂向传感器58。工作台2的外轮廓呈长方体，四个传感器组在基座1上呈四边形布置，工作台2的四个边角位置各设置一个传感器组，其中，第一水平向传感器51、第二水平向传感器53、第三水平向传感器55、第四水平向传感器57分别用以检测工作台2的水平方向的实时位置，第一垂向传感器52、第二垂向传感器54、第三垂向传感器56、第四垂向传感器58分别用以检测工作台2的垂直方向的实时位置。每个传感器组的传感器均为平面传感器，每个传感器组均与控制模块电连接，通过测量两个平面之间的距离，得到工作台2的相应侧面或顶面的实时位置，并将该实时位置信号转化为控制模块可以识别的电信号。第一水平向传感器51、第二水平向传感器53、第三水平向传感器55、第四水平向传感器57的平面均竖直设置，第一垂向传感器52、第二垂向传感器54、第三垂向传感器56、第四垂向传感器58的平面均水平设置。

本实施例中，所述工作台2为微晶玻璃台，所述第一电机组中的各个电机分别通过铝块固定在所述微晶玻璃台上，所述铝块与所述微晶玻璃台粘接固定。

本实施例中，所述工作台2的上表面设置有探测器21和探测器支座22，所述探测器支座22安装在所述工作台2上，所述探测器21安装在所述探测器支座22上，通过调整工作台2的位置，调整探测器21的位置，实现对探测器21的定位精度控制。

本发明还提供一种基于六自由度控制的运动台的控制方法，对本发明实施例所述运动台的微运动进行控制。所述控制方法包括以下步骤：

步骤S1，利用控制模块控制第一电机组驱动工作台2在X方向、Y方向或Rz方向运动，具体通过X向电机31、第一Y向电机32和第二Y向电机33的配合实现；控制模块控制第二电机组驱动工作台2在Z方向、Rx方向或Ry方向运动，具体通过第一垂向电机41、第二垂向电机42、第三垂向电机43的配合实现；

步骤S2，利用传感器组检测工作台2的实时位置，并将工作台2的实时位置转化为控制模块可以识别的电信号发送至控制模块；

步骤S3，判断工作台2的实时位置是否满足控制精度要求，即判断工作台2的位置是否达到设定位置；

步骤S4，若工作台2的实时位置满足控制精度要求，控制模块控制第一电机组和第二电机组停止工作；若工作台2的实时位置不满足控制精度要求，则重复进行步骤S1－步骤S3，直至工作台2的实时位置满足控制精度要求。

需要说明的是，本发明之基于六自由度控制的运动台的控制方法的其他具体实施方式与上述基于六自由度控制的运动台的具体实施方式大致相同，在此不再赘述。

综上，本发明实施例提供一种基于六自由度控制的运动台及其控制方法，其在基座1和工作台2之间设置有传感器组和两个电机组，利用其中一个电机组实现工作台2在X方向、Y方向和Rz方向的运动，利用另一个电机组实现工作台2在Z方向、Rx方向和Ry方向的运动，从而实现对工作台2运动的六自由度控制。并且，本发明利用传感器组对工作台2的实时位置进行检测，并根据传感器组的检测结果对两个电机组进行控制，使得电机组对工作台2的运动控制更加精准，提高对工作台2运动的控制精度，从而提高对工作台2的定位精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于六自由度控制的运动台，其特征在于，包括基座、工作台和控制装置，所述工作台设置于所述基座的上方，所述工作台的下表面设置有多个凹槽，所述控制装置包括控制模块和安装在所述基座上的第一电机组、第二电机组、位置检测模块，所述第一电机组设置在所述工作台的侧面，用以驱动所述工作台在X方向、Y方向和Rz方向的运动，所述第二电机组和所述位置检测模块分别设置在所述凹槽中，所述第二电机组抵在所述工作台的底面，用以驱动所述工作台在Z方向、Rx方向和Ry方向的运动，所述位置检测模块与所述工作台的表面之间具有间隙，以检测所述工作台的实时位置；所述第一电机组、所述第二电机组、所述位置检测模块均与所述控制模块电连接；

所述第一电机组包括X向电机、第一Y向电机和第二Y向电机，所述X向电机设置在所述工作台的一侧，所述第一Y向电机和所述第二Y向电机均设置在所述工作台的相邻侧，且所述第一Y向电机和所述第二Y向电机在所述相邻侧间隔设置；

所述第一电机组还包括安装在基座上的X向电机支座、第一Y向电机支座和第二Y向电机支座，所述X向电机与所述X向电机支座固定，所述X向电机的电机动子与所述工作台的侧面固定，所述X向电机的电机定子固定在所述X向电机支座上；所述第一Y向电机与所述第一Y向电机支座固定，所述第一Y向电机的电机动子与所述工作台的侧面固定，所述第一Y向电机的电机定子固定在所述第一Y向电机支座上；所述第二Y向电机与所述第二Y向电机支座固定，所述第二Y向电机的电机动子与所述工作台的侧面固定，所述第二Y向电机的电机定子固定在所述第二Y向电机支座上；

所述第二电机组包括第一垂向电机、第二垂向电机和第三垂向电机，所述第一垂向电机、第二垂向电机和第三垂向电机在所述基座上呈正三角形布置；

所述第二电机组还包括安装在所述基座上的第一垂向电机支座、第二垂向电机支座和第三垂向电机支座，所述第一垂向电机固定在所述第一垂向电机支座上，所述第一垂向电机的电机动子与所述工作台的底面固定，所述第一垂向电机的电机定子固定在所述第一垂向电机支座上；所述第二垂向电机固定在所述第二垂向电机支座上，所述第二垂向电机的电机动子与所述工作台的底面固定，所述第二垂向电机的电机定子固定在所述第二垂向电机支座上；所述第三垂向电机固定在所述第三垂向电机支座上，所述第三垂向电机的电机动子与所述工作台的底面固定，所述第三垂向电机的电机定子固定在所述第三垂向电机支座上；

所述第一垂向电机的电机动子、所述第二垂向电机的电机动子、所述第三垂向电机的电机动子与所述工作台的底面均是粘接固定；

所述位置检测模块包括四个传感器组，四个传感器组的第一传感器分别表示为第一水平向传感器、第二水平向传感器、第三水平向传感器、第四水平向传感器；四个传感器组的第二传感器分别表示为第一垂向传感器、第二垂向传感器、第三垂向传感器、第四垂向传感器，工作台的外轮廓呈长方体，四个传感器组在基座上呈四边形布置，工作台的四个边角位置各设置一个传感器组，其中，第一水平向传感器、第二水平向传感器、第三水平向传感器、第四水平向传感器分别用以检测工作台的水平方向的实时位置，第一垂向传感器、第二垂向传感器、第三垂向传感器、第四垂向传感器分别用以检测工作台的垂直方向的实时位置。

2.根据权利要求1所述的基于六自由度控制的运动台，其特征在于，所述工作台为微晶玻璃台，所述第一电机组分别通过铝块固定在所述微晶玻璃台上，所述铝块与所述微晶玻璃台粘接固定。

3.根据权利要求1所述的基于六自由度控制的运动台，其特征在于，所述工作台的上表面设置有探测器和探测器支座，所述探测器支座安装在所述工作台上，所述探测器安装在所述探测器支座上。

4.一种如权利要求1至3任一项所述的基于六自由度控制的运动台的控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1，利用控制模块控制第一电机组驱动工作台在X方向、Y方向或Rz方向运动，控制模块控制第二电机组驱动工作台在Z方向、Rx方向或Ry方向运动；

步骤S2，利用传感器组检测工作台的实时位置，并将工作台的实时位置发送至控制模块；

步骤S3，判断工作台的实时位置是否满足控制精度要求；

步骤S4，若工作台的实时位置满足控制精度要求，控制模块控制第一电机组和第二电机组停止工作；若工作台的实时位置不满足控制精度要求，则重复进行步骤S1-步骤S3，直至工作台的实时位置满足控制精度要求。

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