步进扫描光刻机扫描运动轨迹规划及误差控制

研究一种步进扫描投影光刻机工作台扫描运动超精密轨迹规划算法及误差控制策略。在分析三阶扫描运动与步进运动轨迹规划异同点的基础上,提出三阶扫描运动轨迹规划算法。针对扫描运动精确性与严格同步性要求,分析扫描运动轨迹规划误差补偿的几个关键问题。根据扫描运动轨迹算法离散实现存在的误差,结合内部整数积分策略,提出扫描运动轨迹规划加减速段与扫描速度稳定段运动距离的离散积分策略误差控制方法。此外,为克服切换时间圆整引起的扫描曝光匀速段位置误差,提出一种基于常速扫描运动段位置修正因子的误差补偿方法。以上方法共同实现光刻机工作台扫描运动轨迹规划精度控制。实例证明提出算法是有效和精确的。该算法成功应用于100nm步进扫描投影光刻机工作台的超精密运动控制系统中。     

光刻机工作台运动控制中的若干关键问题

100 nm步进扫描投影光刻机是我国攻关研究的主流机型,工作台是实现其超精密性能的核心子系统。光刻机工作台采用粗、微复合的运动结构,其同步最大运动平均误差(5 nm)和同步最大运动标准偏差(12 nm)等性能指标对运动控制系统提出严苛要求。分析硅片台与掩模台的结构特点,提出了运动控制系统中保证精度实现的组成单元,分别论述轨迹规划、测量系统、控制策略单元等的工作机理与实现特点;为进一步提高运动控制精度,分析工作台可能受到的扰动因素,提出相应的补偿控制策略,探讨运动控制中各环节的参数校准策略。综合论述步进扫描投影型光刻机工作台运动控制中的关键问题,并提出相应的实现与解决方法,可为实际光刻设备超高精度的实现提供指导。     

具有角度修正功能的大行程二维纳米工作台

基于宏微组合驱动方式,提出一种具有角度修正功能的大行程二维纳米工作台设计方案来减小精密测量系统中由于工作台定位及角度误差引入的测量误差.首先,从原理上对设计方案进行了论证.该方案中宏动工作台和微动工作台共用位置反馈系统构成闭环控制,并基于压电陶瓷致动器及柔性铰链设计的六自由度微动工作台对宏动工作台进行直线定位误差及角度误差的综合补偿.然后,基于设计方案设计了宏动工作台及微动工作台的结构.最后,对安装调试后的宏微工作台系统进行了直线组合定位测试及角度误差修正测试.实验结果表明,该工作台系统的宏动行程达到了200 mm×200 mm;在闭环控制下,通过六自由度微动工作台的补偿作用可使各角度偏差由上百秒降至10″以内,由此工作台系统在全行程内的直线定位误差可由3μm降至25 nm以内.实验结果验证了提出的组合定位系统的有效性.     

一种宏微双重驱动精密定位机构的建模与控制

提出一种宏微双重驱动精密定位机构,采用高性能直线电机直接驱动宏动平台,实现系统大行程微米级精度定位;安装在宏动平台上的压电陶瓷驱动微动平台,实现纳米级的分辨率和定位精度,以高频响动态补偿系统的定位误差;采用精密光栅尺反馈微动平台输出端的位置信号,实现定位机构的全闭环反馈控制。在分别建立宏动、微动、宏微机构模型的基础上,提出复合型宏动控制和模糊自校正PID微动控制的宏微控制策略。实验研究表明:系统的动态和稳态性能良好,该定位机构的最大工作行程100 mm,稳定时间小于40 ms,重复定位精度10 nm。     

光刻机步进扫描运动轨迹重叠规划算法

研究一种步进扫描投影光刻机的步进运动与扫描运动的轨迹重叠规划算法。根据给定的系统动力学约束,以保证最大加速度与最大速度不超限为目标,建立步进运动与扫描运动轨迹重叠规划的约束基准。依据该基准,分析步进运动与扫描运动轨迹重叠规划的各种可能情形,推导在最大程度上缩短运动执行时间的轨迹拐点调整计算公式。以此为基础,提出步进运动与扫描运动的轨迹重叠规划算法。通过仿真计算验证算法的正确性与有效性。实际应用证明该算法能在保证运动精度基础上,极大地提高生产率。该算法已被100 nm步进扫描投影光刻机工作台超精密运动控制系统所采用。     

光刻机模拟工作台的精密隔振系统方案设计研究

提出了高精密设备光刻机模拟工作平台隔振系统的设计方法和系统结构;根据国内外现行的减振方法,建立了整个模拟工作台的结构模型;根据减振要求,选择了适当的减振器.由于光刻机所处激励环境的复杂性和系统内部存在的非线性,采用了主动控制方法BP神经网络 PID控制的主动控制方法来控制整个减振系统.     

宏微双级驱动精密定位平台的建模与控制

为实现定位系统在大行程中高精度定位,设计了一种宏微双级驱动精密定位平台。采用金属波纹管直接驱动宏动平台,实现了系统大行程进给。安装在宏动平台上的音圈电机驱动微动平台,补偿宏动平台产生的误差并实现系统的高精度定位。采用双光栅检测方案,增量式光栅反馈宏动平台的位置信号,绝对式高精度光栅反馈微动平台的位置信号,实现二级精密驱动定位系统的全闭环控制设计。分别对宏动平台和微动平台建立数学模型,提出宏动平台带前馈的PID闭环控制和微动平台的神经网络PID复合控制方案。实验结果表明:该定位系统能满足大行程高精度的定位要求,在50mm的行程中重复定位精度能达到0.6μm。     

光刻机工作台超精密运动与同步控制

以同步扫描的运动性能为目标,研究针对步进扫描投影光刻机工作台的超精密运动与同步控制策略.结合工作台的结构特点,提出一种粗、微复合运动控制方法,即:微动台纳米级微动,粗动台微米级跟随运动;以硅片台、掩模台的三阶轨迹规划与轨迹重叠为基础,进行扫描过程中的同步状态规划;为实现纳米级的同步运动精度,进行硅片台与掩模台的动态特性比较,在此基础上提出工作台交叉反馈的同步控制策略,使掩模台实时跟踪硅片台的运动趋势,并设计同步误差模型进行运动性能评估.该方法已在100nm步进扫描投影光刻机中得到实际应用,并取得良好效果.     

高精度定位平台X-Y方向振动误差补偿

为了减小定位平台在X,Y方向的振动误差,实现高精度定位,搭建了宏微结合精密定位系统,由高性能直线电机驱动,气体静压导轨支撑和导向的宏动平台实现系统的大行程微米级定位,并由安装在宏动平台上的压电陶瓷驱动的微动平台对系统进行定位精度补偿。建立了定位系统机电耦合振动模型,采用比例积分微分(proportion integral derivative,简称PID)控制与最小节拍响应控制相结合的策略控制宏动平台,采用前馈-PID控制驱动微动平台,通过电容式微位移传感器实时检测定位系统终端的位置输出信号作为微动台的输入信号,实现定位系统的闭环反馈控制,达到宏动平台的振动误差实时补偿的目的。实验结果显示,所设计的微动补偿平台具有良好的动态特性,定位系统具有良好的误差实时补偿效果,针对X,Y向的振动范围由补偿前的4和3.5μm,补偿后减小到1μm的范围内。结果表明,所研究的振动误差补偿方法可以有效减小定位系统的振动误差,提高系统的定位精度。     

基于机器视觉的宏/微双驱动与控制系统的研究

针对目前单一的驱动方式日益不能满足越来越多的微操作的要求;提出了利用步进电机和压电驱动器组成宏/微双驱动的微操作平台.步进电机实现大行程移动和定位,压电驱动器进行高精度定位误差补偿.同时为了解决宏/微双驱动两部分的协调控制问题,提出了利用全局机器视觉的协调控制方法,将末端执行器与目标点的距离作为控制阈值;如果当前距离大于设定的控制阈值,则启动宏动台进行驱动定位;否则启动压电驱动器进行定位误差补偿.试验结果表明:系统的定位速度快,定位精度为1μm,稳定定位时间小于40ms.