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光刻机精密气浮工件台的振动特性分析及运动控制

鲍秀兰  
【摘要】: 光刻机是IC制造中最重要和最复杂的关键设备之一,精密运动工件台是光刻机中重要的子系统,其性能直接影响着光刻机的精度和生产效率。本文重点研究光刻机精密气浮工件台的振动特性和运动控制技术。 精密气浮工件台是一个可实现6自由度高速高精运动的复杂结构,其中零件众多,结构复杂,其传动和接触方式多样,并且包括簧片、柔性支撑块等许多高精度、功能特殊的零件,所以精密工件台的动态特性相当复杂。精密气浮工件台定位精度要求达到10nm,已接近物理极限,其精度要求对于控制系统也是一个极大的挑战。本文利用有限元分析方法研究了精密工件台的振动特性,利用分析结果建立了精密工件台的控制模型,提出了精密工件台的控制策略,并进行了控制仿真。 首先在分析精密工件台的结构和工作原理的基础上,讨论了各种连接方式和特殊零件的建模处理,建立了精密工件台的有限元模型并进行了振动特性仿真,通过仿真结果可知由振动对x、y和θz向的定位精度影响较大。由仿真结果还可以识别出前气浮系统产生的振动频率范围为0~300Hz。利用振动分析的结果,对精密工件台进行了结构简化并建立了控制模型;在分析了精密工件台驱动电机的工作原理的基础上,建立了驱动电机的模型,并根据控制的需要对驱动电机进行了位置坐标转换和力坐标转换;根据硅片曝光扫描的需要,进行了精密工件台的轨迹规划;为了实现精密工件台快速、平稳和精密的定位性能,提出了位置/速度双环PID控制策略;最后结合规划的轨迹和建立的控制模型,采用提出的控制策略对精密工件台进行了的控制仿真。 通过精密工件台模态试验的结果对有限元仿真进行了验证,7阶主要峰值的相对误差都在10%以内,仿真与试验的结果基本一致,证明了仿真建模中的处理方法是可行的,振动特性分析的计算结果准确。通过精密工件台控制模型的仿真结果可以看出其在步进扫描方向精确地跟踪了设定轨迹,在扫描阶段定位精度达到了纳米级,满足了控制要求。


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