极紫外光刻机工件台动力学建模及仿真

论文摘要

工件台系统是极紫外光刻(EUV)的一个关键子系统。极紫外光刻机采用步进扫描曝光方式,成像质量不仅取决于光学系统的质量,还取决于工件台的动态定位,因此工件台系统机械结构的动态性能和光学系统的质量同样重要。工件台的运行精度、速度、加速度以及动态定位是影响整机成像质量、套刻精度和产率的重要因素。因此在研发阶段对工件台系统的动态分析就显得尤为重要。通过分析国内外先进超精密工件台结构形式,对工件台关键技术进行了研究。分析了真空平衡型气浮支撑的工作原理,推导出数学模型,并进行了承载力及刚度分析;对工件台整体方案进行了分析,并对直线电机及气浮导轨结构形式进行了分析;针对微动平台微动特性,运用几何分析方法,对其进行了运动分析,以解释其微动补偿作用,并对微动台部分进行了结构设计。运用有限元分析软件ANSYS对工件台系统进行了静力分析,模态分析以及瞬态分析。通过静力分析找出工件台静力变形最大位置,为结构设计以及系统安装提供依据。对工件台整机进行了模态分析,找出结构设计的薄弱环节。由于承载微动台决定了系统最终定位精度,因此对承载微动台部分单独进行模态分析。运用瞬态分析方法对工件台动态特性进行了分析,分析其在不同阻尼下的动态响应。尝试将拓扑优化以及参数化建模技术引入结构设计之中。对承载微动台进行基于静态刚度以及动态刚度的拓扑优化分析。利用ANSYS中的APDL语言对承载微动台进行参数化建模及二次开发,将整个有限元分析过程参数化。对拓扑优化后模型进行灵敏度分析,运用ANSYS优化模块对其进行优化。最后对优化后承载微动台进行了静力分析、模态分析以及瞬态分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 国内外高精度工件台发展现状
• 1.3 光刻机工件台的技术难点
• 1.3.1 工件台总体结构方案
• 1.3.2 工件台材料选择
• 1.3.3 直线驱动技术
• 1.3.4 直线导向技术
• 1.4 光刻机工件台动态结构分析
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 第2章 工件台关键技术及结构设计
• 2.1 气浮支撑技术工作原理
• 2.1.1 真空平衡气足数学模型
• 2.1.2 预加载技术
• 2.2 直线驱动技术
• 2.3 工件台方案
• 2.4 两级气浮扫描工件台结构设计
• 2.4.1 微动台精度补偿分析
• 2.4.2 微动台结构设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 工件台静力学及动力学分析
• 3.1 有限元法基本思想
• 3.2 工件台静力学分析
• 3.2.1 紧固件静力学分析
• 3.2.2 工件台工况分析
• 3.3 工件台模态分析
• 3.3.1 工件台等效动力学模型
• 3.3.2 模态分析结果
• 3.4 工件台瞬态分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 工件台结构优化设计
• 4.1 基于ANSYS的结构拓扑优化
• 4.1.1 ANSYS中拓扑优化相关理论及应用
• 4.1.2 选择单元类型
• 4.1.3 定义并控制载荷工况
• 4.1.4 定义并控制优化过程
• 4.1.5 拓扑优化结果分析
• 4.2 工件台参数化建模及仿真分析
• 4.2.1 工件台参数化建模
• 4.2.2 仿真结果分析
• 4.3 动态优化设计
• 4.3.1 灵敏度分析
• 4.3.2 承载微动台优化设计变量
• 4.3.3 承载微动台优化设计目标函数
• 4.3.4 承载微动台优化设计约束条件
• 4.3.5 承载微动台动力优化设计数学模型
• 4.3.6 ANSYS优化分析
• 4.4 优化后承载微动台动态响应分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢