光刻机六自由度工件台控制系统设计

论文摘要

光刻机是IC制造业的核心装备,而工件台掩膜台系统又是工件台系统中运动控制的核心组成部分,具有扫描、上下片、定位、调平调焦等一些功能。其运动控制的性能对光刻机的工作效率及精度都有着非常大的影响。近年来光刻机技术发展迅速,对工件台掩膜台系统的性能也越来越高,这就对工件台控制系统的设计提出了很高的要求。而工件台系统因为具有6自由度,以及其高精度快响应的要求,六自由度之间的耦合作用就对工件台系统的性能带来了很大的影响,因此,需要进行首先解耦设计,才能对其进行进一步的控制。首先,本文针对工件台系统的耦合情况,着手研究耦合的概念,判断耦合程度来确定是否需要对系统进行解耦设计,若需要设计应该对系统进行怎样的设计来消除耦合。在判断完耦合程度之后,研究了一些基于古典控制理论、现代控制理论、智能控制理论的解耦方法,比较了其优缺点、适用范围,选择合适于工件台系统解耦设计的状态反馈解耦方法。其次,对工件台系统进行了建模,先通过研究工件台所需要完成的功能,和运动特点,建立一个适当的机械模型,并选择了合适的电机来作为工件台运动部分的驱动元件。之后研究了电机的位移和工件台质心的位移之间的关系,来建立方程组,通过分析音圈电机的模型,将整个系统的位移关系、力学关系、电磁力等关系联立起来,建立了控制系统模型。然后,对系统进行了解耦设计,将六自由度相互耦合的MIMO系统,转化为输入和输出一一对应的SISO系统,然后依据工程上应用最为广泛的三闭环系统的设计方法,对SISO系统进行了控制,使其达到了较好的性能指标。对于系统的机械谐振,设计了陷波器,来消除其带来的不利影响。通过仿真验证了设计的结果。最后,对工件台的运动轨迹进行了规划,给出了整个硅片的曝光过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 光刻机发展历史及现状
• 1.3 光刻机工件台技术简介
• 1.3.1 光刻机工作原理
• 1.3.2 工件台发展历史
• 1.3.3 工件台技术国内外现状
• 1.4 耦合作用对工件台的影响
• 1.5 本文研究主要内容
• 第2章 解耦算法基础
• 2.1 耦合基本概念介绍
• 2.2 耦合程度分析
• 2.2.1 直接法
• 2.2.2 相对增益矩阵
• 2.2.3 对角优势矩阵
• 2.3 解耦方法研究
• 2.3.1 古典控制理论解耦方法
• 2.3.2 现代控制理论解耦方法
• 2.3.3 智能控制理论解耦方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 光刻机工件台的建模分析
• 3.1 工件台系统的结构及功能
• 3.2 工件台的控制系统结构
• 3.3 工件台位移姿态关系
• z 平面位移关系分析'>3.3.1 X , Y , θz 平面位移关系分析
• x , θy 平面位移关系分析'>3.3.2 Z , θ_x , θy 平面位移关系分析
• 3.4 工件台电机模型
• 3.5 工件台控制模型建立
• 3.6 本章小结
• 第4章 工件台解耦设计及仿真
• 4.1 耦合程度的判断
• 4.2 解耦控制系统设计
• z 平面解耦'>4.2.1 X , Y ,θz 平面解耦
• x , θy 平面解耦'>4.2.2 Z , θ_x , θy 平面解耦
• 4.3 单回路闭环控制器设计
• 4.3.1 Y轴控制器设计
• 4.3.2 闭环回路中机械谐振的影响和消除
• 4.4 其他自由度仿真结果
• 4.5 解耦效果仿真验证
• 4.5.1 X , Y ,θ z 平面验证
• x , θy 平面验证'>4.5.2 Z , θ_x , θy 平面验证
• 4.6 本章小结
• 第5章 工件台轨迹规划
• 5.1 步进扫描工作原理
• 5.2 扫描轨迹分析
• 5.3 扫描轨迹规划及算法设计
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢