光刻机六自由度工件台控制系统设计

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。

目录

光刻机六自由度工件台控制系统设计

THE DESIGN OF CONTROL SYSTEM INSIX DEGREES OF FREEDOM LITHOGRAPHY WAFER STAGE

摘 要

Abstract

目 录

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

3.3.1 平面位移关系分析

3.3.2 平面位移关系分析

3.4 工件台电机模型

3.4.1.1 音圈电机的静态特性：

3.4.1.2 音圈电机的动态特性

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

4.2.1 平面解耦

4.2.2 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 平面验证

4.5.2 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

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

学位论文使用授权说明

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢