本文選題：空間直線運(yùn)動基準(zhǔn) + 六自由度實(shí)時(shí)測量�。� 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：空間直線運(yùn)動基準(zhǔn)是保證尖端光刻機(jī)運(yùn)動精度的最基本且最關(guān)鍵的運(yùn)動單元。掩模臺作為步進(jìn)掃描光刻機(jī)的關(guān)鍵子系統(tǒng),需要實(shí)現(xiàn)以標(biāo)記參考點(diǎn)為運(yùn)動中心、保持特定姿態(tài)且沿設(shè)計(jì)軸線的高精度勻速空間直線運(yùn)動。該運(yùn)動是實(shí)現(xiàn)后續(xù)更高精度對準(zhǔn)和套刻的前提和關(guān)鍵。但現(xiàn)有的六自由度測量手段精度不高且測量參考與設(shè)計(jì)軸線相分離的問題,以及振動干擾和多自由度間耦合制約運(yùn)動精度的問題,成為掩模臺實(shí)現(xiàn)高精度空間直線運(yùn)動的主要技術(shù)瓶頸。本論文旨在針對上述問題,通過分析掩模臺空間直線運(yùn)動的單自由度大范圍和六自由度高精度的特殊測量和運(yùn)動需求,提出一種基于實(shí)時(shí)測量和運(yùn)動調(diào)整的空間直線運(yùn)動基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)方法。通過構(gòu)建六自由度測量空間,直接獲得與設(shè)計(jì)軸線統(tǒng)一的、數(shù)學(xué)意義上的、虛擬的空間直線,并以此作為參考點(diǎn)位置測量和運(yùn)動參考;通過建立六自由度測量系統(tǒng)的全局模型,消除多自由度間位置解算誤差和結(jié)構(gòu)類測量誤差的影響,從而實(shí)時(shí)高精度地獲取參考點(diǎn)的空間位置及其與設(shè)計(jì)軸線的相對位置;結(jié)合準(zhǔn)零剛度和準(zhǔn)零阻尼懸浮的六自由度運(yùn)動方法,有效隔離振動干擾并消除六自由度運(yùn)動間耦合作用,從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制下掩模臺參考點(diǎn)實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)計(jì)軸線的高精度空間直線運(yùn)動。針對現(xiàn)有的空間直線運(yùn)動中六自由度測量精度不高且測量參考與設(shè)計(jì)軸線相分離的問題,本論文提出了一種基于非封閉測量環(huán)全局模型的六自由度測量方法。該方法采用多位移傳感器構(gòu)建六自由度測量空間,基于坐標(biāo)測量的概念,同時(shí)獲取參考點(diǎn)的空間位置和設(shè)計(jì)軸線對應(yīng)的空間直線。根據(jù)坐標(biāo)變換原理,實(shí)時(shí)描述測量環(huán)中不斷變換的非封閉部分,并引入實(shí)際測量系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)類誤差,建立了測量環(huán)非封閉全局模型。該模型同時(shí)消除了測量環(huán)非封閉部分導(dǎo)致的多自由度間位置解算耦合誤差,以及封閉部分中位置解算誤差和諸多系統(tǒng)誤差的影響,從而實(shí)現(xiàn)了在同一測量空間內(nèi)實(shí)時(shí)獲取掩模臺參考點(diǎn)的空間位置及其與設(shè)計(jì)軸線的相對位置,同時(shí)兼顧了參考點(diǎn)空間位置測量的高精度和與設(shè)計(jì)軸線的統(tǒng)一。針對宏/微驅(qū)動系統(tǒng)中振動干擾和多自由度間運(yùn)動耦合制約微動系統(tǒng)六自由度運(yùn)動精度的問題,本論文提出了一種基于準(zhǔn)零剛度準(zhǔn)零阻尼懸浮的六自由度微動方法。該方法采用回轉(zhuǎn)對稱式磁懸浮重力補(bǔ)償器平衡微動系統(tǒng)重力,建立了該重力補(bǔ)償器基于永磁體等效電流理論的靜態(tài)磁懸浮力和懸浮剛度理論模型,通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性,從而初步實(shí)現(xiàn)微動系統(tǒng)在運(yùn)動空間內(nèi)低剛度懸浮。并通過建立六自由度位置相關(guān)運(yùn)動學(xué)解耦和力相關(guān)動力學(xué)解耦模型,實(shí)現(xiàn)了微動系統(tǒng)相對于參考點(diǎn)的六自由度運(yùn)動解耦。在此基礎(chǔ)上,通過分析實(shí)際系統(tǒng)中寄生剛度和阻尼的產(chǎn)生機(jī)理,分別以位置和速度相關(guān)干擾力的形式在時(shí)域和頻域內(nèi)辨識,并通過力前饋方法補(bǔ)償,最終實(shí)現(xiàn)了微動系統(tǒng)準(zhǔn)零剛度準(zhǔn)零阻尼懸浮。該方法有效隔離了宏動系統(tǒng)振動干擾并消除了運(yùn)動解耦模型誤差的影響,提高了微動系統(tǒng)在閉環(huán)控制下的六自由度運(yùn)動精度。本論文研究了宏動跟隨微動的宏/微驅(qū)動技術(shù),并提出了多柔性鉸鏈組合的單自由度宏動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合上述六自由度實(shí)時(shí)測量方法和運(yùn)動調(diào)整技術(shù)研發(fā)了掩模臺空間直線運(yùn)動系統(tǒng),并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn),測試了該系統(tǒng)的時(shí)域和頻域伺服特性、各自由度位移分辨力、不同自由度間運(yùn)動解耦性能、六自由度測量和運(yùn)動解耦模型精度、宏/微驅(qū)動系統(tǒng)大范圍內(nèi)整體運(yùn)動性能等關(guān)鍵性能參數(shù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了上述方法的有效性。基于該空間直線運(yùn)動基準(zhǔn),對平晶直線度誤差分布實(shí)施測量,并通過與菲索爾干涉儀測量結(jié)果進(jìn)行比較,間接測試了該空間直線運(yùn)動基準(zhǔn)的精度和重復(fù)性,最后分析了其不確定度。結(jié)果表明,該空間直線運(yùn)動基準(zhǔn)在220mm范圍內(nèi)空間直線度的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為21nm,空間直線運(yùn)動的速度均勻性小于2.4%。
[Abstract]:The spatial linear motion datum is the most basic and most critical motion unit to ensure the motion precision of the cutting edge photolithography. As the key subsystem of the step scanning photolithography, the mask table needs to be used to mark the reference point as the center of motion, to maintain a particular attitude and to move straight along the high precision and uniform space along the design axis. It is the precondition and key of higher precision alignment and engraving. However, the existing six degrees of freedom measurement method is not accurate, the problem of measuring the separation of reference and design axis, and the problem of vibration interference and the coupling of multiple degrees of freedom to restrict motion accuracy are the main technical bottlenecks for the high precision space linear motion of the mask. This paper is aimed at this paper. In view of the above problems, by analyzing the special measurement and movement requirements of high precision and high precision of the single degree of freedom and six degrees of freedom of the space straight motion of the mask table, a method of spatial linear motion datum based on real time measurement and motion adjustment is proposed. By constructing the six degree of freedom measurement space, the number of the design axis is directly obtained. In the sense, the virtual space line is used as the reference point position measurement and motion reference. By establishing the global model of the six degree of freedom measurement system, the influence of the position calculation error and the structural class measurement error between the multiple degrees of freedom is eliminated, thus the space position of the reference point and its relative to the designed axis are obtained in real time and high precision. In combination with the six degree of freedom motion method of quasi zero stiffness and quasi zero damping suspension, the vibration interference is effectively isolated and the coupling action between the six degrees of freedom motion is eliminated. Thus the high precision space linear motion of the axis is designed by the reference point of the mask table in real time under closed loop control. The measurement precision of six degrees of freedom in the existing space linear motion is achieved. In this paper, a six degree of freedom measurement method based on the global model of a non closed measuring ring is proposed. This method uses a multi displacement sensor to construct a six degree of freedom measurement space, based on the concept of coordinate measurement, and at the same time obtains the space position of the reference point and the corresponding axis of the design. According to the principle of coordinate transformation, the non closed part of the measuring ring is described in real time, and the structure class error in the actual measurement system is introduced. The non closed global model of the measurement ring is established. The model also eliminates the coupling error between the multiple degrees of freedom and the closed part in the closed part of the measuring ring, and the closed part. In the same measurement space, the spatial position of the reference point of the mask table and its relative position with the designed axis are realized in the same measurement space. At the same time, the high precision of the reference point space position measurement and the unity with the designed axis are taken into account. The motion coupling between degrees of freedom restricts the motion precision of the six degree of freedom of the micro motion system. In this paper, a six degree of freedom fretting method based on quasi zero stiffness quasi zero damping suspension is proposed. This method uses a rotary symmetric magnetic levitation gravity compensator to balance the gravity of the fretting system, and establishes the equivalent current of the gravity compensator based on the permanent magnet. The theoretical model of static magnetic suspension force and suspension stiffness is proved by simulation and experiment. The validity of the model is verified by the simulation and experiment. Thus the microdynamic system is suspended in low stiffness in the motion space. The relative kinematic decoupling of six degrees of freedom position and the coupling model of force correlation dynamics are established to realize the relative point of the microdynamic system relative to the reference point. The six degree of freedom motion decoupling. On this basis, by analyzing the generation mechanism of the parasitic stiffness and damping in the actual system, the method is identified in the time domain and frequency domain in the form of the position and velocity related interference respectively, and the quasi zero stiffness quasi zero damping suspension is realized by the force feedforward method. The method is effectively isolated. The vibration interference of the macro dynamic system and the effect of the motion decoupling model error are eliminated, and the motion accuracy of the six degree of freedom motion of the microdynamic system under closed loop control is improved. The macro / micro drive technology of the macro dynamic following micro motion is studied in this paper, and the structure design method of the single degree of freedom macro dynamic system with multiple flexure hinges is proposed. According to the above six degrees of freedom real-time measurement method and motion adjustment technology, the space linear motion system of the mask table is developed, and the corresponding experiments are designed. The time domain and frequency domain servo characteristics of the system are tested, the displacement resolution of each degree of freedom, the motion decoupling performance of different degrees of freedom, the precision of the six degree of freedom measurement and motion decoupling model, macro / micro The experimental results verify the effectiveness of the proposed method. Based on the spatial linear motion datum, the error distribution of the flat crystal straightness is measured, and the accuracy and weight of the spatial linear motion datum is tested by comparison with the results of the field interferometer. In the end, the uncertainty is analyzed. The results show that the standard uncertainty of the spatial straightness of the spatial linear motion datum in the range of 220mm is 21nm, and the velocity uniformity of the space linear motion is less than 2.4%.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG806

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本文編號：1789470