RU2182530C2 - Method for positioning movable member relative to basic coordinate system - Google Patents
Method for positioning movable member relative to basic coordinate system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2182530C2 RU2182530C2 RU2000119191A RU2000119191A RU2182530C2 RU 2182530 C2 RU2182530 C2 RU 2182530C2 RU 2000119191 A RU2000119191 A RU 2000119191A RU 2000119191 A RU2000119191 A RU 2000119191A RU 2182530 C2 RU2182530 C2 RU 2182530C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- movable element
- movable member
- coordinate system
- guide
- basic surface
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000012799 electrically-conductive coating Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims abstract 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 11
- 238000005070 sampling Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к прецизионным позиционирующим средствам, и может быть широко использовано, например, в прецизионных станках, высокоточных копирующих устройствах, а также в фотолитографических комплексах для электронной промышленности. The invention relates to mechanical engineering, namely to precision positioning means, and can be widely used, for example, in precision machines, high-precision copying devices, as well as in photolithographic complexes for the electronic industry.
Из уровня техники известен способ позиционирования подвижного элемента относительно базовой системы координат, согласно которому установленный в прямолинейных направляющих подвижный элемент перемещают в заданное положение с обеспечением постоянства зазора между оппозитно расположенными вдоль направления перемещения базовыми поверхностями подвижного элемента и направляющих и контролируют положение подвижного элемента относительно базовой системы координат посредством соответствующих средств измерения (Н.С. Ачеркан, "Расчет и конструирование металлорежущих станков", Машгиз, 1952 г., cтp.181, фиг.160). The prior art method of positioning a movable element relative to the base coordinate system, according to which the movable element installed in the straight guides is moved to a predetermined position so as to maintain a constant gap between the base surfaces of the moving element and the guides opposite to the direction of travel and control the position of the moving element relative to the base coordinate system by means of appropriate measuring instruments (N.S. Acherkan, "Calculation and nstruirovanie machine tools ", Mashgiz, 1952 ctp.181, fig.160).
Основным недостатком данного известного из уровня техники способа позиционирования подвижного элемента относительно базовой системы координат является недостаточная точность позиционирования. Объясняется это тем, что в результате циклического перемещения подвижного элемента происходит износ направляющих. Следовательно, при контрольном замере положения подвижного элемента он может быть несколько развернут (в пределах образовавшегося в процессе износа зазора) относительно направления перемещения. В результате этого, например, при измерении расстояния в направлении перемещения от некоторой базовой плоскости отсчета до торцевой поверхности подвижного элемента, различные участки упомянутой торцевой поверхности будут находиться на разных расстояниях относительно плоскости отсчета, что делает результат контрольного измерения положения относительно недостоверным. Наиболее остро вышеуказанный недостаток проявляется при больших габаритах подвижного элемента. The main disadvantage of this known from the prior art method for positioning a movable element relative to the base coordinate system is the lack of accuracy of positioning. This is explained by the fact that as a result of the cyclic movement of the movable element, the wear of the guides occurs. Therefore, during the control measurement of the position of the movable element, it can be slightly deployed (within the gap formed during the wear process) relative to the direction of movement. As a result of this, for example, when measuring a distance in the direction of movement from a certain reference reference plane to the end surface of the movable element, different sections of the said end surface will be at different distances relative to the reference plane, which makes the result of the control position measurement relatively unreliable. The most acute drawback is manifested with the large dimensions of the movable element.
В основу заявленного изобретения была положена задача создания такого способа позиционирования подвижного элемента относительно базовой системы координат, в котором обеспечивалась бы возможность позиционирования с нанометрической точностью посредством повышения достоверности результатов измерения при контрольных замерах положения подвижного элемента. The basis of the claimed invention was the task of creating such a method for positioning a movable element relative to the base coordinate system, in which it would be possible to position with nanometric accuracy by increasing the reliability of the measurement results during control measurements of the position of the moving element.
Поставленная задача обеспечивается посредством того, что в способе позиционирования подвижного элемента относительно базовой системы координат, согласно которому установленный в прямолинейных направляющих подвижный элемент перемещают в заданное положение с обеспечением постоянства зазора между оппозитно расположенными вдоль направления перемещения базовыми поверхностями подвижного элемента и, по меньшей мере, одной направляющей и контролируют положение подвижного элемента относительно базовой системы координат посредством соответствующих средств измерения, согласно изобретения, на упомянутых диэлектрических базовой поверхности направляющей и в зоне концевых участков базовой поверхности подвижного элемента формируют электропроводящее покрытие, после перемещения подвижного элемента в заданное положение осуществляют контроль величин зазоров между базовой поверхностью направляющей и концевыми участками соответствующей базовой поверхности подвижного элемента посредством емкостных датчиков, а контроль положения подвижного элемента относительно базовой системы координат осуществляют после сравнения и обеспечения равенства величин вышеуказанных зазоров. The task is achieved by the fact that in the method of positioning the movable element relative to the base coordinate system, according to which the movable element installed in the rectilinear guides is moved to a predetermined position so as to maintain a constant gap between the base surfaces of the movable element opposite to the direction of movement and at least one guide and control the position of the movable element relative to the base coordinate system by means of According to the invention, an electrically conductive coating is formed on said dielectric base surface of the guide and in the region of end sections of the base surface of the movable element, after moving the movable element to a predetermined position, the gaps between the base surface of the guide and the end sections of the corresponding base surface of the movable element are controlled by capacitive sensors, and monitoring the position of the movable element relative to the base th coordinate system is carried out after comparing and ensuring equality of the values of the above gaps.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где в плане показана принципиальная схема реализации патентуемого способа (пунктиром показано положение подвижного элемента после его позиционирования в заданном положении перед выравниванием величин соответствующих зазоров). The invention is illustrated by graphic materials, where the plan shows a schematic diagram of the implementation of the patented method (the dotted line shows the position of the movable element after its positioning in a predetermined position before aligning the values of the corresponding gaps).
Заявленный способ позиционирования подвижного элемента относительно базовой системы координат реализуется следующим образом. The claimed method of positioning a movable element relative to the base coordinate system is implemented as follows.
Перед началом осуществления процесса позиционирования на диэлектрических базовой поверхности 1, по меньшей мере, одной направляющей 2 и в зоне концевых участков базовой поверхности 3 подвижного элемента 4 формируют электропроводящее покрытие 5. Электропроводящее покрытие 5 на базовой поверхности 1 направляющей 2 может быть сформировано как в виде сплошного слоя, так и в виде равномерно расположенных по длине направляющей 2 полос с заданным шагом (см. графические материалы). В последнем случае это покрытие функционально может быть использовано и в качестве линейки для грубого позиционирования (т. е. с точностью шага расположения полос покрытия) подвижного элемента 4 в заданном положении. Затем установленный в прямолинейных направляющих 2 подвижный элемент 4 перемещают в заданное положение, преимущественно, с обеспечением постоянства зазора между оппозитно расположенными вдоль направления перемещения базовыми поверхностями 3 и 1 подвижного элемента 4 и направляющей 2, соответственно. Перемещение подвижного элемента 4 может осуществляться любыми известными из уровня техники средствами, важно только, чтобы точная ступень этих средств обеспечивала заданную точность позиционирования. После перемещения подвижного элемента 4 в заданное положение осуществляют контроль и сравнение величин зазоров Δ между базовой поверхностью 1 направляющей 2 и концевыми участками соответствующей базовой поверхности 3 подвижного элемента 4 посредством широко известных из уровня техники емкостных датчиков (в графических материалах схема включения емкостных датчиков и средств контроля и сравнения величин соответствующих зазоров условно не показана ввиду того, что она не является предметом настоящего изобретения, а также широкой известности из уровня техники). При несовпадении (по результатам измерения и сравнения) вышеупомянутых величин зазоров Δ любыми известными из уровня техники средствами (с соответствующей разрешающей способностью) осуществляют поворот в плоскости перемещения подвижного элемента 4 с целью выравнивания величин упомянутых зазоров Δ, а контроль положения подвижного элемента 4 относительно базовой системы координат осуществляют только после обеспечения равенства величин вышеуказанных зазоров Δ. То есть, контроль положения подвижного элемента 4 относительно базовой системы координат осуществляют при расположении торца элемента 4 строго перпендикулярно к направлению перемещения этого элемента 4, в результате чего и обеспечивается высокая достоверность результатов измерения при контрольных замерах. Before starting the positioning process on the dielectric base surface 1 of at least one guide 2 and in the region of the end sections of the base surface 3 of the movable element 4, an electrically conductive coating 5 is formed. The electrically conductive coating 5 on the base surface 1 of the guide 2 can be formed as a solid layer, and in the form of 2 strips evenly spaced along the length of the guide with a given step (see graphic materials). In the latter case, this coating can also be functionally used as a ruler for rough positioning (i.e., with the accuracy of the pitch of the strips of the coating) of the movable element 4 in a predetermined position. Then, the movable element 4 installed in the rectilinear guides 2 is moved to a predetermined position, mainly to ensure a constant gap between the base surfaces 3 and 1 of the movable element 4 and the guide 2, which are opposite to the direction of movement, respectively. The movement of the movable element 4 can be carried out by any means known from the prior art, it is only important that the exact step of these means provides a given positioning accuracy. After moving the movable element 4 to a predetermined position, control and comparison of the gaps Δ between the base surface 1 of the guide 2 and the end sections of the corresponding base surface 3 of the movable element 4 is carried out by means of capacitive sensors well-known from the prior art (in graphic materials, the circuit for switching on capacitive sensors and means of control and comparison of the values of the respective gaps is not conventionally shown in view of the fact that it is not the subject of the present invention, as well as a wide known STI in the art). If the aforementioned values of the gaps Δ do not coincide (according to the results of measurement and comparison) by any means known from the prior art (with the appropriate resolution), they rotate in the plane of movement of the movable element 4 in order to align the values of the mentioned gaps Δ, and the position of the movable element 4 is monitored relative to the base system coordinates are carried out only after ensuring equality of the values of the above gaps Δ. That is, the position of the movable element 4 relative to the basic coordinate system is controlled when the end face of the element 4 is located strictly perpendicular to the direction of movement of this element 4, as a result of which the high reliability of the measurement results during control measurements is ensured.
Практическая реализация патентуемого способа позиционирования была осуществлена на экспериментальной установке, включающей следующие основные составные части:
- стол;
- контроллеры управления перемещением стола по координатам "X" и "Y";
- ЭВМ;
- программно-алгоритмическое обеспечение;
- соединительные кабели.The practical implementation of the patented positioning method was carried out on an experimental installation, including the following main components:
- table;
- controllers controlling the movement of the table in the coordinates "X" and "Y";
- computers;
- software and algorithmic support;
- connecting cables.
Стол включал:
- перемещаемую в прямолинейных направляющих по заданным координатам каретку (т.е. подвижный элемент), на которой устанавливается и закрепляется обрабатываемое изделие;
- глобусное наклонное устройство;
- устройства для грубого (с использованием микрометрических винтов) и точного (с использованием нановинтов) перемещения каретки и глобуса;
- измерительные средства контроля положения каретки и глобуса.The table included:
- a carriage (that is, a movable element) moved in straight guides along predetermined coordinates, on which the workpiece is mounted and fixed;
- globe inclined device;
- devices for rough (using micrometer screws) and accurate (using nanoscrews) movement of the carriage and globe;
- measuring tools for monitoring the position of the carriage and the globe.
Конструктивно стол формировался в виде двух модулей: установочной каретки с сервоприводами и измерительными средствами; блоков управления (контроллеров). Structurally, the table was formed in the form of two modules: installation carriage with servos and measuring instruments; control units (controllers).
Установочная часть стола предусматривала закрепление на ней изделий из магнитных и немагнитных материалов, преимущественно, за счет использования "Вакуумного устройства доя фиксации изделий" по патенту РФ 2139179. The installation part of the table provided for fixing products from magnetic and non-magnetic materials on it, mainly through the use of a "Vacuum device for fixing products" according to the patent of the Russian Federation 2139179.
Размеры установочной части каретки выбирались не менее 180х180 мм. The dimensions of the mounting part of the carriage were selected not less than 180x180 mm.
Величина перемещения каретки по координатам "X" и "Y" посредством микрометрических винтов составляла не менее 160 мм с инструментальной среднеквадратичной ошибкой в пределах 0,5 мкм. The magnitude of the movement of the carriage along the coordinates "X" and "Y" by means of micrometric screws was at least 160 mm with an instrumental mean square error of 0.5 μm.
Величина перемещения каретки по координатам "X" и "Y" посредством нановинтов составляла не менее 5 мкм с инструментальной среднеквадратичной ошибкой в пределах 0,5 нм. The value of the carriage displacement along the “X” and “Y” coordinates by means of nanoscrews was not less than 5 microns with an instrumental mean square error within 0.5 nm.
Наклон стола посредством глобусного устройства осуществлялся в пределах ± 10o относительно плоскости "ХОY" с инструментальной среднеквадратичной ошибкой в пределах 1'.The inclination of the table by means of a globe device was carried out within ± 10 o relative to the "ХОY" plane with an instrumental mean square error within 1 '.
Величина допуска по отклонению от перпендикулярности перемещений каретки относительно осей "X" и "Y" в диапазоне перемещений 160х160 мм составляла не более 1'. The tolerance on deviation from the perpendicularity of the carriage displacements relative to the "X" and "Y" axes in the range of displacements of 160x160 mm was not more than 1 '.
Величина допуска по отклонению от параллельности перемещений каретки в плоскости ХОY в диапазоне перемещений 160х160 мм составляла не более 1'. The tolerance for deviation from parallelism of the carriage movements in the ХОY plane in the range of displacements of 160x160 mm was not more than 1 '.
Мертвый ход при перемещении каретки по осям "X" и "Y" посредством микрометрических винтов составлял не более 1 мкм. The backlash when moving the carriage along the "X" and "Y" axes by means of micrometric screws was not more than 1 μm.
Мертвый ход при перемещении каретки по осям "X" и "Y" при переходе процесса перемещения от микровинтов к нановинтам отсутствовал. There was no deadlock when moving the carriage along the "X" and "Y" axes during the transition of the movement process from microscrews to nanoscrews.
Интерферометры для контрольного измерения величины перемещения каретки по осям "X" и "Y" в диапазоне перемещений от 0 до 160 мм имели среднеквадратичную погрешность в пределах 0,1 нм. Interferometers for the control measurement of the carriage displacement along the “X” and “Y” axes in the range of displacements from 0 to 160 mm had a standard error of 0.1 nm.
Среднеквадратичная ошибка средства измерения наклона стола (посредством глобусного устройства) по осям "X" и "Y" в диапазоне +10o была в пределах 1'.The root-mean-square error of the instrument for measuring the inclination of the table (by means of a globe device) along the axes "X" and "Y" in the range of + 10 o was within 1 '.
Необходимо отметить, что устройства точного перемещения (нановинты) соответствующих узлов стола были сконструированы на базе магнитомеханических (магнитострикционных) преобразователей. It should be noted that the devices for precise movement (nanoscrews) of the corresponding table nodes were designed on the basis of magnetomechanical (magnetostrictive) converters.
Особенностью данных магнитомеханических преобразователей является то, что в качестве силового элемента (средства перемещения исполнительного органа) используется стержень из материала с гигантской магнитострикцией (магнитостриктор), который помещен в магнитное поле магнитной системы, сформированной из постоянных магнитов. При изменении (по величине и/или направлению) напряженности магнитного поля магнитной системы происходит изменение линейных размеров магнитостриктора. По сравнению с широко известными магнитострикционными преобразователями (в которых магнитное поле генерируется посредством соленоида) использование в качестве источника магнитного поля постоянных магнитов позволяет в значительной мере сократить энергопотребление в рассматриваемых магнитомеханических преобразователях, устранить их нагрев, повысить временную стабильность положения исполнительного органа, во многих случаях обойтись без источника электропитания и, как следствие, получить позиционирующие устройства (например, нановинты) со следующими эксплуатационными параметрами:
- минимальный шаг перемещения (позиционирования) - 0,01 нм;
- диапазон перемещения - до 1000 мм;
- динамический диапазон - 1011;
- усилие на исполнительном органе при его перемещении - 104 Н;
- потребляемая при работе привода мощность - до 5 Вт;
- отсутствие энергопотребления при фиксации положения исполнительного органа.A feature of these magnetomechanical converters is that a rod made of a material with giant magnetostriction (magnetostrictor), which is placed in the magnetic field of a magnetic system formed of permanent magnets, is used as a power element (means of moving the actuator). With a change (in magnitude and / or direction) of the magnetic field of the magnetic system, the linear dimensions of the magnetostrictor change. Compared with the well-known magnetostrictive transducers (in which a magnetic field is generated by a solenoid), the use of permanent magnets as a magnetic field source can significantly reduce the energy consumption in the considered magnetomechanical transducers, eliminate their heating, increase the temporary stability of the position of the actuator, in many cases do without a power source and, as a result, get positioning devices (for example, nan ints) with the following operational parameters:
- the minimum step of displacement (positioning) is 0.01 nm;
- range of movement - up to 1000 mm;
- dynamic range - 10 11 ;
- effort on the executive body when moving it - 10 4 N;
- power consumed during operation of the drive - up to 5 W;
- lack of energy consumption when fixing the position of the executive body.
На данной экспериментальной установке были достигнуты следующие эксплуатационные показатели. In this experimental setup, the following performance indicators were achieved.
Размер минимального элемента измерения (т.е. минимального дискретного шага перемещения /позиционирования/ при обработке изделия) не более 5 нм. The size of the minimum measurement element (i.e., the minimum discrete step of movement / positioning / during product processing) is not more than 5 nm.
Скорость перемещения каретки по осям "X" и "Y" варьируется от 0 до 10 мм/с. The speed of movement of the carriage along the axes "X" and "Y" varies from 0 to 10 mm / s.
При подходе к заданной координате обеспечивается плавное торможение с ускорением не более 5 мм/с2.When approaching a given coordinate, smooth braking with acceleration of not more than 5 mm / s 2 is ensured.
Средняя квадратичная погрешность определения защитой координаты по всему полю перемещения каретки составляет не более одного элемента измерения (пиксела), т.е. не более 5 нм. The root-mean-square error of the coordinate defining the coordinate over the entire field of carriage movement is not more than one measurement element (pixel), i.e. no more than 5 nm.
Таким образом позиционирующие устройства, промышленно реализующие патентуемый способ с точностью позиционирования, не более 5 не обеспечивают достижение принципиально новых технологических возможностей в области микроэлектроники, оптического приборостроения, прецизионного машиностроения и т.п. и могут стать основой для создания нового поколения суперпрецизионного оборудования дня технологических процессов резания, гравирования, фрезерования и т. д. , а также оборудования для фотолитографических и рентгенолитографических комплексов, используемых в микроэлектронной и полиграфической промышленности. Thus, positioning devices that industrially implement the patented method with positioning accuracy of no more than 5 do not ensure the achievement of fundamentally new technological capabilities in the field of microelectronics, optical instrumentation, precision engineering, etc. and can become the basis for creating a new generation of super-precision equipment of the day for technological processes of cutting, engraving, milling, etc., as well as equipment for photolithographic and radiolithographic complexes used in the microelectronic and printing industries.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000119191A RU2182530C2 (en) | 2000-07-20 | 2000-07-20 | Method for positioning movable member relative to basic coordinate system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000119191A RU2182530C2 (en) | 2000-07-20 | 2000-07-20 | Method for positioning movable member relative to basic coordinate system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2182530C2 true RU2182530C2 (en) | 2002-05-20 |
Family
ID=20238073
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000119191A RU2182530C2 (en) | 2000-07-20 | 2000-07-20 | Method for positioning movable member relative to basic coordinate system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2182530C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516254C2 (en) * | 2008-04-04 | 2014-05-20 | Коррилэйтед Мэгнетикс Рисерч, ЭлЭлСи | Field emission method and system |
-
2000
- 2000-07-20 RU RU2000119191A patent/RU2182530C2/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| АЧЕРКАН Н.С. Расчет и конструирование металлорежущих станков. - М.: Машгиз, 1952, с.181. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516254C2 (en) * | 2008-04-04 | 2014-05-20 | Коррилэйтед Мэгнетикс Рисерч, ЭлЭлСи | Field emission method and system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100437407C (en) | Abbe error correction system and method | |
| US4655594A (en) | Displacement device, particularly for the photolithographic treatment of a substrate | |
| JP6496734B2 (en) | Stage apparatus for semiconductor inspection and lithography systems | |
| KR100634722B1 (en) | Determination of a movable gantry position | |
| JP4050459B2 (en) | Device for detecting the position of two objects | |
| RU2233736C2 (en) | Nanometer-range positioning device | |
| Kimura et al. | Position and out-of-straightness measurement of a precision linear air-bearing stage by using a two-degree-of-freedom linear encoder | |
| Wu et al. | A novel two-dimensional sensor with inductive spiral coils | |
| RU2182530C2 (en) | Method for positioning movable member relative to basic coordinate system | |
| JP2003022959A (en) | Stage unit | |
| US6351313B1 (en) | Device for detecting the position of two bodies | |
| Hojjat et al. | Development of an inductive encoder for simultaneous measurement of two-dimensional displacement | |
| Maeng et al. | Work coordinate setup in the ultra-precision machine tool using electrical breakdown | |
| KR20130095208A (en) | Processing implement position alignment device for component and method thereof | |
| Wei | Precision nanometrology and its applications to precision nanosystems | |
| JPH05259263A (en) | Xy fine-moving stage | |
| CN111197959B (en) | Grating measurement system and photoetching machine | |
| WO2019200492A1 (en) | Positioning device for positioning an object within a plane in at least two degrees of freedom | |
| JP2008524576A (en) | Sequential multi-probe method for straightness measurement of straight rulers | |
| Li et al. | An absolute linear displacement sensor based on eddy current effect | |
| TW202212986A (en) | Machine measurement metrology frame for a lithography system | |
| Jaeger et al. | Nanopositioning and measuring technique | |
| JP2008051525A (en) | Displacement sensor, table driving device and its driving method with the displacement sensor | |
| WO1996041999A1 (en) | Displacement sensor | |
| CN117053692A (en) | Interference scanning type grating ruler measuring system |