补偿系统三自由度位移测量及误差传递分析研究

摘要

随着半导体工艺技术的快速发展，实现极大规模集成电路芯片制造的光刻设备对产率、线宽、套刻精度等技术指标提出了越来越高的要求，与之而来的是为实现高产片率的高加速度要求与实现高套刻精度的高定位精度要求之间的矛盾问题。为解决光刻机工件台高加速度与高定位精度的问题，工件台引入了平衡质量技术，其主要功能是在高加速度的条件下削弱机内振动，提高硅片台运动定位精度。工件台补偿系统结构复杂，运动单元多，为达到硅片台的定位精度要求，必须对运动单元进行误差传递分析，找出对位移测量结果影响较大的误差源，并进行误差补偿，以提高硅片台测量精度。
　　本文以由平衡质量块、宏动单元、硅片台单元组成的工件台补偿系统为研究对象，建立了补偿系统三自由度位移测量模型，并对各运动单元误差源作用机理进行分析，建立综合误差传递模型，通过仿真与实验对测量结果进行验证。论文主要研究内容如下：
　　(1)基于工件台补偿系统机械结构组成，建立平衡质量块相对于支撑框架三自由度位移测量模型，宏动单元相对于平衡质量块三自由度位移测量模型，硅片台相对于宏动单元三自由度测量模型，最终给出硅片台在基台坐标系下的位置信息；根据测量传感器布局，建立平衡质量块、宏动单元的三自由度位移测量数学模型，并针对平衡质量块三自由度位移测量模型提出修正方案，对安装误差进行补偿。
　　(2)基于多体系统理论和仪器精度理论，建立在各误差源综合作用的情况下补偿系统的误差传递模型，找出影响各运动单元位移测量结果的误差源，并通过分析每个误差源的作用机理，以几何误差向量的形式给出各误差源对支撑框架、平衡质量块、宏动单元等刚体空间姿态六自由度方向位移影响程度，并建立了平衡质量块、宏动单元的三自由度位移测量结果的不确定度评估模型。
　　(3)通过仿真实验等方法获得了支撑框架、平衡质量块、宏动单元等各运动链间误差源的相关参数，给出了各误差源对相应运动单元测量结果的影响程度，并对平衡质量块、宏动单元三自由度位移测量结果进行了不确定度评定计算，给出了测量结果的扩展不确定度；对补偿系统“H”型驱动导轨进行了动力学仿真，给出了宏动单元加速运动过程中的动态误差，为后续误差传递模型的综合计算提供了相关参数。
　　(4)针对平衡质量块三自由度位移测量模型搭建实验装置进行验证，并将测量结果与激光位移传感器和光电自准直仪示数进行比较，实验结果表明在0~10mm运动范围内，平衡质量块x向、y向测量误差均小于35μm，Rz向测量误差小于17μrad。
　　(5)针对补偿系统整体的三自由度位移测量结果及其不确定度进行了蒙特卡洛法验证，针对激光干涉仪执行清零操作时，通过蒙特卡洛法对硅片台在基台坐标系下的位移测量结果进行了不确定度评定，在各种误差综合作用的情况下，在置信概率95％下，硅片台相对于基台的x向和y向位移输出结果及其扩展不确定度分别为：x=(165.000±0.064)mm，y=(195.000±0.054)mm。
　　综上，本文提出了补偿系统三自由度位移测量模型和误差传递模型，获得了各误差源对相应运动单元空间姿态六自由度影响程度，通过蒙特卡洛法，对在各误差源综合作用的情况下，硅片台在基台坐标系下的三自由度输出结果进行了不确定度评定。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 平衡质量块位移测量国内外研究现状

1.3 工件台多自由度位移测量国内外研究现状

1.4 多刚体误差传递分析的国内外研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 补偿系统三自由度位移测量系统组成

2.1 引言

2.2 补偿系统机械结构组成

2.3 补偿系统三自由度位移测量模型的建立

2.4 补偿系统各单元三自由度位移测量方法

2.5 本章小结

第3章 补偿系统误差传递模型及误差源影响分析

3.1 引言

3.2 补偿系统误差传递模型的建立

3.3 支撑框架几何运动误差建模

3.4 平衡质量块几何运动误差建模

3.5 Y向宏动单元几何运动误差建模

3.6 X向宏动单元几何运动误差建模

3.7本章小结

第4章 补偿系统误差源参数辨识

4.1 引言

4.2 支撑框架几何运动误差源参数辨识

4.3 平衡质量块几何运动误差源参数辨识

4.4 宏动单元几何运动误差源参数辨识

4.5 本章小结

第5章 补偿系统三自由度测量实验与不确定度评估

5.1 引言

5.2平衡质量块三自由度位移测量实验

5.3 补偿系统测量结果不确定度评估

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

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