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微电子制芯领域中磁悬浮精密定位平台的研究

宋文荣  
【摘要】: 论文系统地综述了国内外微电子技术的发展概况、发展趋势以及微电子产业在世界经济增长中具有的重大影响,概述了光刻技术和光刻设备的研究与发展状况,叙述了当前磁悬浮技术的研究及应用水平,阐明了研制新型磁悬浮精密定位平台的现实意义、重要性和可行性。介绍了磁悬浮技术和直线电机技术的一般理论基础,具体描述了磁悬浮轴承和列车的结构原理。 在参考国内外光刻机现有定位平台结构形式的基础上,根据磁悬浮轴承和列车的结构原理,以磁悬浮技术为基础、以直线电机无接触驱动为动力,研究并设计了具有自主知识产权的两种结构模式磁悬浮精密定位平台,以适应我国自主研制开发新一代光刻机的需要。通过性价分析对比,最终确定磁悬浮精密定位平台采用V型对称导轨结构形式。在此基础上进行了磁悬浮系统的刚度、阻尼、磁路等分析与设计计算,并给出了相应的取值范围以及指出了在设计计算时应注意的方面。 对影响定位平台垂直方向稳定精度的误差进行了理论分析,结果表明将工作点的位置选取在悬浮连接点决定的台面中心时,有利于减小磁悬浮误差对平台工作点的稳定精度带来的负面影响。 分析并计算了导轨式定位平台磁悬浮系统中存在的磁力耦合现象。在建立了磁悬浮系统的动力学模型基础上,对磁悬浮系统进行了解耦控制设计,并对解耦后的磁悬浮定位平台进行了阶跃响应和抗干扰能力的仿真试验。结果表明磁悬浮系统实现了完全解耦,一个输入量仅控制一个输出量,且解耦控制系统具有较好的抗干扰能力。 利用罗斯-霍维茨判据,理论分析了定位平台磁悬浮控制系统的稳定性。结果显示,磁悬浮系统在与定态相对应的平衡点(i_0,z_0)处是稳定可控的。 建立了磁悬浮定位平台直线定位运动的数学模型,根据传递函数,运用MATLAB软件中的SIMULINK仿真模块,构造了平台定位运动的PID位置反馈控制仿真模型。在该仿真模型基础上进行了针对多项系数及参数的仿真试验,得到多组试验曲线。分析比较仿真试验曲线可知:采用结构轻量化设计、选用较大弹性系数的直线电机等可以大幅度改善定位系统的位移输出动态性能,提高定应运动的控制精度,并有利于满足设备高生产率的需求。 构思设计了一种可变阻尼系统。该可变阻尼系统在平台启动时阻尼很小或为零,而当平台接近定位位置的瞬时阻尼很大。它将使定位平台既有高的响应频率,动作灵敏,又具有较高的定位精度。 制作了磁悬浮精密定位平台的原理样机,在不同状态下进行了原理样机直线定位运动的对比试验。结果表明,磁悬浮状态下的定位精度要高于摩擦状态下的定位精度, 中国科学院博士学位论文:微电子制芯领域中磁悬浮精密定位平台的研究 磁悬浮结乍J有利于提高平台的定位精度。在现有光栅尺精度为4脚的试验条件下,原 理样机磁悬浮状态时的定位精度能达到10脚。 理论分析、计算和试验结果说明:磁悬浮精密定位平台的研制是成功可行的,它 可以替代传统的摩擦定位平台或气浮定位平台。它无摩擦磨损,克服了由此产生的各 种缺陷如金属粉尘污染等问题;省略了各种联结传动部件,减轻了机构的重量,消除 了联结间隙,有效地提高了平台动态响应频率和定位精度。因此,采用磁悬浮精密定 位平台加压电马达驱动能满足新一代光刻机超洁净制作环境、超精密定位精度、高生 产效率的要求。


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