步进扫描光刻机模拟隔振试验平台主动减振系统研究

摘要

步进扫描光刻机在工作过程中，由于工件台和掩模台等分系统具有较高的运动加速度，其运动产生的惯性力将引起光刻机工作核心部分(工作平台)的振动，进而影响曝光的质量。在曝光过程中如何保证工作平台的相对稳定是一个非常关键的技术问题，为了保证光刻机在工作过程中具有极高的光刻精度，运动部分产生的振动必须与内部世界进行隔离，步进扫描光刻机采用了振动隔离和主动减振技术。本课题受国家自然科学基金委重大项目课题(编号：50390064)及其上海市科委联合资助项目《精密机械减振隔振技术研究》支持，以半导体工业应用中的步进扫描光刻机精密隔振系统为研究对象，主要进行了以下几个方面研究： (1)设计了一种能够完全再现步进扫描光刻机运动的模拟隔振试验平台，首次在国内对步进扫描光刻机的主动精密减振系统进行了研究。平台分为内部世界和外部世界两大部分，两者之间采用能够6自由度减振的主动压电式精密减振系统相连接；工件台定位系统采用H型精密滚珠丝杠平台结构，掩模台定位系统采用精密直线电机定位平台；工件台和掩模台与外界驱动电机之间采用的是气浮轴承结构，工件台、掩模台底部采用真空气垫。该结构认为真空气垫和其底部支撑平台的摩擦力为零，也能部分隔离运动系统产生的振动传递到内部世界。 (2)运用虚拟样机技术研究了试验平台主动减振系统的结构参数，给出了步进扫描光刻机减振系统设计的基本原则及注意事项。建立了步进扫描光刻机模拟隔振试验平台的ADAMS多体动力学仿真模型，对减振系统主要结构参数进行了选择。分析了减振系统主要参数变化对内部世界工作平台的动态特性影响，提出了相关的解决办法；研究了系统不同支撑点数量(3点或4点)以及减振器非线性刚度和阻尼对试验平台内部世界动态特性的影响。 (3)研究了确定步进扫描光刻机主动减振系统固有特性的方法。建立了步进扫描光刻机模拟试验平台内部世界的坐标系系统，根据此坐标系系统建立了内部世界的6自由度动力学模型，计算了系统固有频率和振型向量，理论计算结果、有限元计算结果、试验模态参数识别结果比较吻合，证明了建立主动减振系统动力学模型的正确性。 (4)提出了步进扫描光刻机模拟隔振试验平台减振系统6自由度主动减振的主动控制方法，并进行了仿真研究。分析了6自由度减振协同控制策略，建立了ADAMS和MATLAB联合仿真模型，分别对减振器彼此独立以及相互协作两种减振控制方式进行了研究，结果表明，采用后者可以得到更好的减振控制效果。进行独立控制和协同控制研究时，分别采用了普通PID控制和不完全微分PID控制两种方法进行了比较，结果证明，采用后者可以得到更好的控制效果。 (5)分析了引起光刻机内部世界振动的主要因素以及传播途径，并试验研究了主动减振系统对外界环境微振动的适应能力。内部因素主要是由于工件台、掩模台高速运动而引起的振动，通过真空气垫及基座传到内部世界；外部因素主要包括大地脉动性振动如地震、人员走动、说话、空调运行、建筑物外面车辆行驶及空气压力波动所产生的干扰等，其主要振动频率范围为1-100Hz，振幅为5μ m以下，通过地面或者空气传播到内部世界。试验研究了环境噪声对步进扫描光刻机模拟隔振试验平台内部世界微振动的影响，验证了减振系统对外界环境微振动具有一定的适应能力。 (6)搭建了步进扫描光刻机模拟隔振试验平台的物理平台，对减振系统的静动态减振性能进行了试验研究。对设计的地基隔振效果以及主动减振平台的减振效果进行了试验研究，结果表明减振要求达到设计指标；测试了工件台定位系统运动、掩模台定位系统运动及整个系统运动时步进扫描光刻机内部世界的振动情况，结果表明，试验平台减振效果满足设计要求。 对步进扫描光刻机精密隔振系统的研究，国外仅有少量报道，国内尚无相关研究报道。本论文的研究内容、方法及结论，对步进扫描光刻机精密隔振系统的分析、设计具有一定的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究意义及来源

1.2减振隔振技术概述

1.3精密仪器隔振中常用的方法

1.4振动主动控制的基本方法

1.5隔振系统动力学研究的主要方法

1.6本文研究路线及主要内容

第二章模拟隔振试验平台设计中的几个关键问题

2.1概述

2.2方案设计

2.3精密定位系统设计

2.4掩模台及工件台连接装置设计

2.5精密隔振减振系统设计

2.6本章小结

第三章减振系统结构参数选择及其对试验平台动态特性的影响

3.1 ADAMS动力学仿真软件概述

3.2 ADAMS动力学仿真软件理论基础

3.3步进扫描光刻机隔振试验平台ADAMS仿真模型的建立

3.4减振系统主要参数变化对试验平台动态特性影响分析

3.5减振器非线性刚度和阻尼对内部世界振动特性的影响

3.6本章小结

第四章减振系统动力学建模与分析

4.1概述

4.2弹性支撑任意布置的减振体振动数学模型

4.3试验平台减振系统动力学方程的建立

4.4内部世界固有频率计算结果分析

4.5内部世界固有频率试验模态参数频域识别分析

4.6本章小结

第五章减振系统的主动控制策略研究

5.1概述

5.2主动减振控制理论策略分析

5.3基于ADAMS和MATLAB的联合控制仿真模型分析

5.4基于PID的主动减振系统减振器独立控制研究

5.5基于PID的主动减振系统协同控制仿真研究

5.6仿真结果比较分析

5.7本章小结

第六章减振系统对环境噪声引起微振动的适应性试验分析

6.1概述

6.2影响试验平台内部世界微振动的主要因素分析

6.3试验系统组成及减振系统对微振动适应性评判方法

6.4测试结果分析

6.5本章小结

第七章减振系统静动态减振性能测试试验分析

7.1减振系统减振性能测试试验系统组成

7.2减振系统静态减振性能测试试验分析

7.3减振系统动态减振性能测试试验分析

7.4本章小结

第八章全文总结与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间参加科研、申请专利和发表论文情况