RU2182530C2 - Способ позиционирования подвижного элемента относительно базовой системы координат - Google Patents
Способ позиционирования подвижного элемента относительно базовой системы координат 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
Изобретение относится к области машиностроения, а именно, к прецизионным позиционирующим средствам, и может быть использовано в прецизионных станках, высокоточных копирующих устройствах, а также в фотолитографических комплексах для электронной промышленности. Техническим результатом предложенного способа является обеспечение нанометрической точности позиционирования посредством повышения достоверности результатов измерения при контрольных замерах положения подвижного элемента. Способ включает формирование электропроводящего покрытия на выполненных из диэлектрического материала базовой поверхности направляющей и в зонах концевых участков базовой поверхности подвижного элемента и, после перемещения подвижного элемента в заданное положение, контроль величины зазора между базовой поверхностью направляющей и концевыми участками соответствующей базовой поверхности подвижного элемента посредством емкостных датчиков, причем контроль положения подвижного элемента относительно базовой системы координат осуществляют после сравнения и обеспечения равенства величин вышеуказанных зазоров. 1 ил.
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.
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).
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.
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.
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.
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).
Заявленный способ позиционирования подвижного элемента относительно базовой системы координат реализуется следующим образом.
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.
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.
- стол;
- контроллеры управления перемещением стола по координатам "X" и "Y";
- ЭВМ;
- программно-алгоритмическое обеспечение;
- соединительные кабели.
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.
- 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.
Конструктивно стол формировался в виде двух модулей: установочной каретки с сервоприводами и измерительными средствами; блоков управления (контроллеров).
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.
Размеры установочной части каретки выбирались не менее 180х180 мм.
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.
Величина перемещения каретки по координатам "X" и "Y" посредством нановинтов составляла не менее 5 мкм с инструментальной среднеквадратичной ошибкой в пределах 0,5 нм.
Наклон стола посредством глобусного устройства осуществлялся в пределах ± 10o относительно плоскости "ХОY" с инструментальной среднеквадратичной ошибкой в пределах 1'.
Величина допуска по отклонению от перпендикулярности перемещений каретки относительно осей "X" и "Y" в диапазоне перемещений 160х160 мм составляла не более 1'.
Величина допуска по отклонению от параллельности перемещений каретки в плоскости ХОY в диапазоне перемещений 160х160 мм составляла не более 1'.
Мертвый ход при перемещении каретки по осям "X" и "Y" посредством микрометрических винтов составлял не более 1 мкм.
Мертвый ход при перемещении каретки по осям "X" и "Y" при переходе процесса перемещения от микровинтов к нановинтам отсутствовал.
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.
Среднеквадратичная ошибка средства измерения наклона стола (посредством глобусного устройства) по осям "X" и "Y" в диапазоне +10o была в пределах 1'.
Необходимо отметить, что устройства точного перемещения (нановинты) соответствующих узлов стола были сконструированы на базе магнитомеханических (магнитострикционных) преобразователей.
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.
- 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.
На данной экспериментальной установке были достигнуты следующие эксплуатационные показатели.
Размер минимального элемента измерения (т.е. минимального дискретного шага перемещения /позиционирования/ при обработке изделия) не более 5 нм.
Скорость перемещения каретки по осям "X" и "Y" варьируется от 0 до 10 мм/с.
При подходе к заданной координате обеспечивается плавное торможение с ускорением не более 5 мм/с2.
Средняя квадратичная погрешность определения защитой координаты по всему полю перемещения каретки составляет не более одного элемента измерения (пиксела), т.е. не более 5 нм.
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.
Claims (1)
- Способ позиционирования подвижного элемента относительно базовой системы координат, согласно которому установленный в прямолинейных направляющих подвижной 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, отличающийся тем, что на выполненных из диэлектрического материала базовой поверхности направляющей и в зонах 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.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000119191A RU2182530C2 (ru) | 2000-07-20 | 2000-07-20 | Способ позиционирования подвижного элемента относительно базовой системы координат |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000119191A RU2182530C2 (ru) | 2000-07-20 | 2000-07-20 | Способ позиционирования подвижного элемента относительно базовой системы координат |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2182530C2 true RU2182530C2 (ru) | 2002-05-20 |
Family
ID=20238073
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000119191A RU2182530C2 (ru) | 2000-07-20 | 2000-07-20 | Способ позиционирования подвижного элемента относительно базовой системы координат |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2182530C2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516254C2 (ru) * | 2008-04-04 | 2014-05-20 | Коррилэйтед Мэгнетикс Рисерч, ЭлЭлСи | Система и способ полевой эмиссии |
-
2000
- 2000-07-20 RU RU2000119191A patent/RU2182530C2/ru 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 (ru) * | 2008-04-04 | 2014-05-20 | Коррилэйтед Мэгнетикс Рисерч, ЭлЭлСи | Система и способ полевой эмиссии |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100437407C (zh) | 阿贝误差校正系统及方法 | |
| US4655594A (en) | Displacement device, particularly for the photolithographic treatment of a substrate | |
| JP6496734B2 (ja) | 半導体検査およびリソグラフィシステムのためのステージ装置 | |
| KR100634722B1 (ko) | 이동식 갠트리 위치 측정 장치 | |
| JP4050459B2 (ja) | ２つの対象物の位置を検出するための装置 | |
| RU2233736C2 (ru) | Нанометрическое позиционирующее устройство | |
| 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 (ru) | Способ позиционирования подвижного элемента относительно базовой системы координат | |
| JP2003022959A (ja) | ステージ装置 | |
| 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 (ko) | 부품에 대한 가공 기구 위치 정렬 장치 및 방법 | |
| Wei | Precision nanometrology and its applications to precision nanosystems | |
| JPH05259263A (ja) | Ｘｙ微動ステージ | |
| CN111197959B (zh) | 一种光栅测量系统及光刻机 | |
| WO2019200492A1 (de) | Positioniervorrichtung zum positionieren eines objektes innerhalb einer ebene in wenigstens zwei freiheitsgraden. | |
| JP2008524576A (ja) | 直定規の直線度測定のための順次式マルチプローブ法 | |
| Li et al. | An absolute linear displacement sensor based on eddy current effect | |
| TW202212986A (zh) | 用於微影系統的機械測量計量框架 | |
| Jaeger et al. | Nanopositioning and measuring technique | |
| JP2008051525A (ja) | 変位センサおよび変位センサを備えたテーブル駆動装置並びにその駆動方法 | |
| WO1996041999A1 (en) | Displacement sensor | |
| CN117053692A (zh) | 一种干涉扫描式光栅尺测量系统 |