精密运动平台高精度PID控制器研究

论文摘要

超精密运动平台是步进扫描式光刻机的核心部件之一。生产上对半导体光刻设备高质量和高效率的不断追求,迫使其运动平台朝着高速、高加速度的方向进一步发展。因此,如何提高运动平台的运动精度,保证半导体器件的光刻质量,成为半导体光刻设备研制过程中一个亟待解决的问题。本文的研究内容来源于国家自然科学基金委重大项目、上海市科委联合资助项目《精密机械减振隔振技术》。本课题以步进扫描式光刻机隔振平台精密运动平台为研究对象,针对研究任务和国内外研究现状,本论文采用理论研究、计算机仿真分析,与实验研究相结合的研究路线与方法。为使伺服系统克服非线性干扰,利用模糊控制理论,对运动平台模糊PID控制器进行了仿真分析和试验研究;为减小伺服系统跟踪误差,针对精密运动平台的特点,分析了重复控制在运动平台中的应用。学位论文的主要研究内容为:(1)通过分析光刻机隔振试验平台硅片台和掩模台宏动定位系统各个环节的数学模型,建立了硅片台和掩模台伺服系统数学模型,为后续控制方法的设计、验证提供了软件环境。(2)为使硅片台宏动定位系统克服非线性扰动,根据PID控制三个参数的特性,设计了增量式的模糊PID控制器。仿真和实验结果均表明所设计的控制器同普通PID控制相比,可有效的改善伺服系统动态性能,提高定位精度。(3)为减小掩模台宏动定位系统跟踪误差,根据掩模台伺服系统特点设计了基于重复控制的混合PID控制器。仿真结果表明:重复控制器中低通滤波器时间常数对控制效果影响较大;同普通PID控制器相比,所设计的控制器可以更有效的减小跟踪误差。以上研究内容,对于半导体工业中所广泛应用到的步进扫描光刻机超精密运动平台技术有一定指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光刻技术的发展现状及趋势
• 1.2.1 国际主流光刻技术的发展现状及趋势
• 1.2.2 国内光刻技术的发展现状及趋势
• 1.3 光刻机精密工件台技术概述
• 1.3.1 步进扫描式光刻机整机结构与工作原理
• 1.3.2 步进扫描式光刻机工件台技术发展现状
• 1.3.3 精密工件台伺服系统控制策略
• 1.4 课题来源及研究意义
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究意义
• 1.4.3 本文研究技术路线与主要内容
• 第二章 工件台宏动定位系统数学模型
• 2.1 概述
• 2.2 光刻机隔振试验平台结构
• 2.2.1 光刻机隔振试验平台整体结构
• 2.2.2 精密工件台控制系统结构
• 2.2.3 光刻机隔振试验平台相关技术参数
• 2.3 硅片台伺服系统数学模型
• 2.3.1 交流永磁伺服电机的矢量控制原理
• 2.3.2 交流永磁伺服电机数学模型
• 2.3.3 硅片台伺服系统其它环节的数学模型
• 2.3.4 交流永磁伺服电机电流控制方式
• 2.3.5 硅片台伺服系统仿真模型的建立
• 2.4 掩模台伺服系统数学模型
• 2.4.1 直线电机数学模型
• 2.4.2 掩模台仿真模型的建立
• 2.5 本章小结
• 第三章 模糊PID控制
• 3.1 概述
• 3.2 模糊控制原理
• 3.2.1 模糊控制系统结构
• 3.2.2 模糊推理过程的步骤
• 3.2.3 增量式模糊控制
• 3.3 模糊PID控制器设计
• 3.3.1 模糊PID控制器结构
• 3.3.2 PID控制器参数特性及整定方法
• 3.3.3 模糊控制规则的制定
• 3.3.4 隶属度函数、量化因子、比例因子的选择
• 3.4 仿真分析
• 3.4.1 仿真结果
• 3.4.2 结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 模糊PID控制实验研究
• 4.1 实验目的及设备
• 4.2 模糊PID控制器编程与实现
• 4.2.1 模糊控制表的制定
• 4.2.2 模糊控制器程序的编制
• 4.3 实验结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于重复控制的PID控制器设计
• 5.1 概述
• 5.2 重复控制的原理
• 5.3 重复控制系统的稳定性
• 5.4 重复控制器设计
• 5.4.1 低通滤波器截止频率的计算
• 5.4.2 基于重复控制的混合控制器设计
• 5.5 仿真结果及分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果