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光刻机六自由度工件台控制系统设计

作　者: 丛志浩
导　师: 陈兴林
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 光刻机工件台解耦状态反馈三闭环
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题背景及研究意义  9-10
  1.2 光刻机发展历史及现状  10-11
  1.3 光刻机工件台技术简介  11-16
    1.3.1 光刻机工作原理  11-12
    1.3.2 工件台发展历史  12-15
    1.3.3 工件台技术国内外现状  15-16
  1.4 耦合作用对工件台的影响  16
  1.5 本文研究主要内容  16-17
第2章解耦算法基础  17-28
  2.1 耦合基本概念介绍  17-19
  2.2 耦合程度分析  19-21
    2.2.1 直接法  20
    2.2.2 相对增益矩阵  20-21
    2.2.3 对角优势矩阵  21
  2.3 解耦方法研究  21-27
    2.3.1 古典控制理论解耦方法  21-23
    2.3.2 现代控制理论解耦方法  23-24
    2.3.3 智能控制理论解耦方法  24-27
  2.4 本章小结  27-28
第3章光刻机工件台的建模分析  28-42
  3.1 工件台系统的结构及功能  28-29
  3.2 工件台的控制系统结构  29-30
  3.3 工件台位移姿态关系  30-38
    3.3.1 X , Y , θ_ z 平面位移关系分析  30-31
    3.3.2 Z , θ_x , θ_ y 平面位移关系分析  31-38
  3.4 工件台电机模型  38-40
  3.5 工件台控制模型建立  40-41
  3.6 本章小结  41-42
第4章工件台解耦设计及仿真  42-66
  4.1 耦合程度的判断  42-44
  4.2 解耦控制系统设计  44-50
    4.2.1 X , Y ,θ_ z 平面解耦  44-47
    4.2.2 Z , θ_x , θ_ y 平面解耦  47-50
  4.3 单回路闭环控制器设计  50-60
    4.3.1 Y轴控制器设计  50-57
    4.3.2 闭环回路中机械谐振的影响和消除  57-60
  4.4 其他自由度仿真结果  60-62
  4.5 解耦效果仿真验证  62-65
    4.5.1 X , Y ,θ z 平面验证  63-64
    4.5.2 Z , θ_x , θ_ y 平面验证  64-65
  4.6 本章小结  65-66
第5章工件台轨迹规划  66-73
  5.1 步进扫描工作原理  66
  5.2 扫描轨迹分析  66-67
  5.3 扫描轨迹规划及算法设计  67-72
  5.4 本章小结  72-73
结论  73-74
参考文献  74-78
致谢  78

光刻机六自由度工件台控制系统设计

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