專利名稱：使用加速度前饋的精確運(yùn)動(dòng)控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及運(yùn)動(dòng)控制，且更具體而言，涉及使用加速度信號(hào)前饋的高精度運(yùn)動(dòng)控制。
背景技術(shù)：
高精度機(jī)器通常力圖相對(duì)于一參考框架來定位諸如襯底、工件、掩膜或工藝設(shè)備等移動(dòng)元件。一常見的參考框架是一笨重的花崗巖基座，其上安裝有所述移動(dòng)元件及一固定至所述花崗巖基座以用于移動(dòng)所述移動(dòng)元件的致動(dòng)器。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，花崗巖基座本身相對(duì)于容納所述花崗巖基座的建筑物安裝，其安裝方式使自外部源引入至所述花崗巖基座的運(yùn)動(dòng)減至最小。盡管如此，外部影響還是能導(dǎo)致所述基座移動(dòng)。更重要的是，當(dāng)移動(dòng)欲定位的物件時(shí)，也會(huì)擾動(dòng)所述基座。換句話說，因欲被定位的物件的運(yùn)動(dòng)而引起的所述花崗巖基座上的反作用力將導(dǎo)致所述基座自身移動(dòng)。在某些應(yīng)用中，可命令所述參考框架獨(dú)自移動(dòng)。在所有這些情況中，基座運(yùn)動(dòng)均會(huì)降低精確定位系統(tǒng)的性能。為使一物件相對(duì)于所述參考框架保持所期望位置，控制系統(tǒng)須在欲移動(dòng)的物件上形成必需的力。在一接受位置信息及一所命令的軌道的典型控制系統(tǒng)中，所述適宜力的形成需要在所述移動(dòng)元件的所期望位置與實(shí)際位置之間存在某些隨動(dòng)誤差，由此導(dǎo)致性能降低。已知可通過預(yù)測(cè)所述參考框架的運(yùn)動(dòng)并將必需的信息饋送至控制所述移動(dòng)元件位置的控制系統(tǒng)中來提前對(duì)某些已知的基座運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)所述參考框架因內(nèi)部或外部擾動(dòng)而移動(dòng)時(shí)，此類信息并非總能得到，且特別是不能預(yù)測(cè)。
在一光刻設(shè)備中以前饋方式使用加速度信號(hào)也為人們所知。參見第6,420,716 B1號(hào)美國(guó)專利。該專利力圖補(bǔ)償一投影系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一方面中，用于控制支撐在一參考框架結(jié)構(gòu)上的可移動(dòng)物件的運(yùn)動(dòng)的本發(fā)明設(shè)備包括一用作一參考框架的結(jié)構(gòu)。一可移動(dòng)物件由所述結(jié)構(gòu)支撐以便相對(duì)于所述結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。一致動(dòng)器固定至所述結(jié)構(gòu)且適于相對(duì)于所述結(jié)構(gòu)移動(dòng)所述可移動(dòng)物件。提供一可響應(yīng)于所述可移動(dòng)物件相對(duì)于所述參考框架結(jié)構(gòu)的位置的位置傳感器以產(chǎn)生一位置信號(hào)。此外，將一加速度傳感器固定至所述參考框架結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生一加速度信號(hào)。提供一可響應(yīng)于所述位置信號(hào)和加速度信號(hào)的控制系統(tǒng)，以控制所述致動(dòng)器移動(dòng)所述物件以遵循一所命令的軌道。在一優(yōu)選實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)包括一PID伺服濾波器且一與所述加速度信號(hào)成正比的信號(hào)加至所述PID伺服濾波器的輸出。在此實(shí)施例中，提供一放大器來驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器，以使所述放大器能響應(yīng)于所述加速度信號(hào)與所述PID伺服濾波器輸出的和。一適合的參考框架結(jié)構(gòu)是一花崗巖基座。


圖1是一本發(fā)明實(shí)施例的示意性圖解。
圖2是一使用加速度信號(hào)的本發(fā)明實(shí)施例的隨動(dòng)誤差與時(shí)間的關(guān)系曲線圖。
圖3是一未使用加速度信號(hào)的系統(tǒng)的隨動(dòng)誤差與時(shí)間的關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式
首先參照?qǐng)D1，如所屬領(lǐng)域中眾所周知，一參考框架或基座10可為(例如)一花崗巖機(jī)器基座。所述基座可支撐于隔離支撐件上以將外部擾動(dòng)降至最低。一移動(dòng)元件12可為(例如)一襯底、工件、掩膜或任一工藝設(shè)備，其受到支撐以相對(duì)于參考框架10運(yùn)動(dòng)。移動(dòng)元件12可按多個(gè)自由度移動(dòng)，但圖1中針對(duì)單個(gè)自由度加以顯示。移動(dòng)元件12通常以一低摩擦方式(例如使用滾珠軸承或空氣軸承)支撐于基座10上。
一致動(dòng)器14以剛性方式固定至基座10且經(jīng)布置以向移動(dòng)元件12施加力以使其相對(duì)于基座10移動(dòng)。一位置反饋傳感器16響應(yīng)于移動(dòng)元件12相對(duì)于基座10的位置并向PID伺服濾波器18發(fā)送一位置反饋信號(hào)。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，PID伺服濾波器是比例積分微分伺服控制器。眾所周知，PID伺服濾波器18將一所命令的位置與所測(cè)量的位置相比較，以產(chǎn)生一控制輸出信號(hào)20，控制輸出信號(hào)20為一驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器14的放大器22提供一輸入。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，為使PID伺服控制器形成所必需的力，在所述移動(dòng)元件的所期望位置與實(shí)際位置之間必須存在一隨動(dòng)誤差，從而導(dǎo)致性能降低。
為降低此隨動(dòng)誤差，尤其是在存在基座10運(yùn)動(dòng)時(shí)，將一加速度傳感器24以剛性方式固定至基座10。加速度傳感器24產(chǎn)生一用作一信號(hào)調(diào)節(jié)元件26的輸入的輸出信號(hào)。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，信號(hào)調(diào)節(jié)元件26可能僅是一所選擇的增益常數(shù)。來自信號(hào)調(diào)節(jié)元件26的一輸出信號(hào)28在一求和接點(diǎn)30處與控制輸出信號(hào)20相結(jié)合。信號(hào)28由此修改發(fā)至放大器22的命令，其修改方式使致動(dòng)器14將向移動(dòng)元件12施加一經(jīng)修改的力。所述經(jīng)修改的力足以使移動(dòng)元件12加速，以使移動(dòng)元件12與參考框架或基座10“并駕齊驅(qū)”，由此將任一隨動(dòng)誤差降低至一可接受范圍內(nèi)。
本發(fā)明已在一由位于Weasborough，MA的Danaher公司制造的AC 3500型大型門式定位平臺(tái)上予以實(shí)施。此機(jī)器是用于制造電子設(shè)備的高精度襯底。此機(jī)器的一典型應(yīng)用要求在可實(shí)施后續(xù)加工步驟之前移動(dòng)軸線處于所命令最終位置的±5μm范圍內(nèi)。對(duì)于此機(jī)器，移動(dòng)軸線是以131mm的增量移動(dòng)，且生產(chǎn)量考慮因素要求在開始移動(dòng)后在約525ms內(nèi)達(dá)到所述穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)(±5μm)。
在此實(shí)例性實(shí)施方案中使用的加速度計(jì)24被指定為自位於Manchester，NH的Jewel Instrument，LLC公司購得的部件編號(hào)為L(zhǎng)CF-165的加速度計(jì)。一適合的位置反饋傳感器16是一解析度為50nm/計(jì)數(shù)的線性編碼器。因此，所述±5μm的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)等價(jià)于位置傳感器16的±100次計(jì)數(shù)。
在使用及不使用加速度傳感器24兩種情況下均曾進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)。圖2是一在控制回路中使用加速度傳感器24時(shí)在131mm移動(dòng)量情況下隨動(dòng)誤差與時(shí)間的關(guān)系曲線圖。如圖所示，在移動(dòng)開始后，隨動(dòng)誤差(以計(jì)數(shù)計(jì))在約510ms時(shí)減至小於±100次計(jì)數(shù)。殘余擺動(dòng)較明顯，但處于穩(wěn)定容差范圍內(nèi)。圖3是一在控制回路內(nèi)不使用加速度傳感器24時(shí)以計(jì)數(shù)次數(shù)測(cè)量到的隨動(dòng)誤差隨時(shí)間變化的曲線圖。圖3顯示在穩(wěn)定過程中基座10的強(qiáng)擺動(dòng)效應(yīng)。如圖所示，隨動(dòng)誤差在約520ms時(shí)在其第一峰值處超過400次計(jì)數(shù)(20μm)且在約780ms時(shí)在其第二峰值處超過250次計(jì)數(shù)(12.5μm)。此一性能水平是不可接受的，因?yàn)殚L(zhǎng)的穩(wěn)定延遲會(huì)明顯增加客戶工藝步驟的時(shí)間且因此降低產(chǎn)量。
應(yīng)注意，可使用慣性傳感器(例如，陀螺儀或測(cè)斜儀)來取代加速度計(jì)。將了解，當(dāng)一個(gè)以上的自由度正受到控制時(shí)，必將存在圍繞多個(gè)軸線的數(shù)個(gè)慣性儀器。
應(yīng)了解，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將易知本文所揭示的本發(fā)明的修改及變化形式且所有此等修改及變化形式均包含于隨附權(quán)利要求書的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于控制一支撐于一參考框架結(jié)構(gòu)上的可移動(dòng)物件的運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，其包括一用作一參考框架的結(jié)構(gòu)；一可移動(dòng)物件，其由所述結(jié)構(gòu)支撐以便相對(duì)于所述結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)；一致動(dòng)器，其固定至所述結(jié)構(gòu)以相對(duì)于所述結(jié)構(gòu)移動(dòng)所述可移動(dòng)物件；一位置傳感器，其可響應(yīng)于所述可移動(dòng)物件相對(duì)于所述參考框架結(jié)構(gòu)的位置來產(chǎn)生一位置信號(hào)；一加速度傳感器，其固定至所述參考框架結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生一加速度信號(hào)；及一控制系統(tǒng)，其可響應(yīng)于所述位置信號(hào)及加速度信號(hào)來控制所述致動(dòng)器移動(dòng)所述物件以遵循一所命令的軌道。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述控制系統(tǒng)包括一PID伺服濾波器。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中一與所述加速度信號(hào)成正比的信號(hào)加至所述PID伺服濾波器的一輸出。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述參考框架結(jié)構(gòu)是一花崗巖基座。
5.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括一用于驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器的放大器，所述放大器可響應(yīng)于所述加速度信號(hào)與所述PID伺服濾波器的所述輸出的和。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述加速度傳感器是一加速度計(jì)。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述加速度傳感器是一陀螺儀。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述加速度傳感器是一測(cè)斜儀。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種高精度位置控制設(shè)備。一支撐于一參考框架(10)上的物件是通過一致動(dòng)器(14)來移動(dòng)。一位置傳感器(16)產(chǎn)生一位置信號(hào)，且一固定至參考框架(10)的加速度傳感器(24)產(chǎn)生一加速度信號(hào)。一控制系統(tǒng)響應(yīng)于所述位置信號(hào)及所述加速度信號(hào)來控制致動(dòng)器(14)移動(dòng)所述物件，以便以降低的隨動(dòng)誤差來遵循一所命令的軌道。
文檔編號(hào)G05B19/404GK1906539SQ200480016042
公開日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2004年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月14日
發(fā)明者阿隆·哈爾帕茲 申請(qǐng)人:科爾摩根公司