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文 | 祥说
编辑 | 祥说
介绍
自1973年第1台光刻机在荷兰面世败兴，光刻机的伺服精度与日加强，此刻已取得了长足的发展。
光刻机的重点系统包含：光学系统、机械减震系统、测绘反馈系统、工件台和掩模台系统等。
超精细工件台做为光刻机的3大关键技术之一，其需求拥有纳米级的定位精度和同步运动精度。
因为工件台的制造工艺、非质心驱动和测绘反馈安装的原由，工件台的实质位置和目的位置存在必定的误差。
因而采用恰当的测校技术对工件台有些参数进行校准，作为改善其定位精度和同步运动精度的重点手段。
光刻机工件台解耦的基本原理分析
工件台重点由3大部分构成：基本框架、平衡质量块、粗微动台体，微动台是光刻机的核心部件，是微动台进行纳米级运动的关键。
刻片时微动台经过调平、调焦等动作，并进行纳米级的揭发运动，使硅片晶圆完整。
微动台按功能分为4个公司：Chuck部件、执行公司、测绘公司、E-Pin部件揭发。Chuck部件重点包含45°微晶镜块和真空吸盘。
45°微晶镜块做为反射镜，协同双频激光干涉仪进行高精度测绘；真空吸盘用来固定硅片，防止在上下片过程中硅片滑落；
另一，Chuck部件装载测绘宏微相对位置传感器的磁极，执行公司重点包含微动平面音圈电机本体及垂向音圈电机。
执行公司采用3个平面音圈电机实现执行公司动子的水平X、Y向运动以及Rz偏转。
采用3个垂向音圈电机实现执行公司动子的垂向Z向运动和Rx、Ry偏转，这般可实现微动台六自由度精细运动掌控；
另一，台体垂直方向上还安装重力赔偿器，用来抵消微动台重力，来减少音圈电机出力，6个音圈电机布局示意图如图1所示。
因此呢，因为微动电机六自由度的存在，并且其结构精细，系统繁杂，不可避免地存在耦合现象，且耦合会影响工件台的工作效率、套刻精度。
倘若不思虑耦合功效来设计掌控系统，在实质中常常会带来很大的掌控偏差，因此需要对其进行解耦。
工件台GB解耦矩阵校准的建模分析
倘若将微动台看做一个整体，在掌控微动台体沿着某个方向平移，或沿着质心坐标系的某个轴做旋转时。
需要由掌控系统计算出所需要的力或力矩的体积，并能够恰当地掌控各个电机，使得它们的合力恰好是所需要的。
这般能够对应每一个自由度的位移或转角设计各个自由度的闭环掌控系统，各自闭环系统的输出其理学含义是对应的力或力矩体积。
磁浮平面电机可分为6个理学轴，分别为H1，H2，H3，Z1，Z2，Z3，它们的相互功效可使电机产生6个自由度的运动。
其中，理学轴H1，H2，H3产生水平X向和Y向运动，Z1，Z2，Z3产生垂直Z向运动，水平向和垂直向的相互功效产生旋转运动。
当电机在X向和Y向出力时，存在从掌控中心到质心点的增益规划和从质心点到执行器的增益平衡。
工件台微动台在质心坐标系下和几何坐标系下的受力模型如图2所示。
Fh2和Fh3与X轴的夹角为60°,3个水平向矢量电机内切圆半径为R，Fh2与内切圆切点、内切圆圆心和微动台质心3点共线。
从图2能够得出，磁浮平面电机动子在水平向由3组三相线圈驱动，实现X，Y，RZ三自由度运动。
其中，力Fh1和Fh2，Fh3实现X和Y向驱动，Fh1和Fh2，Fh3差动实现RZ的运动。垂向由一样3组三相线圈驱动，实现Z，Rx，Ry三自由度运动。
其中，FZ1，FZ2，FZ3实现Z向驱动，Fh1和Fh2，Fh3，FZ1，FZ2，FZ3差动实现Rx向和Ry向驱动。
针对平面电机动子质心处的规律力及力矩同理学轴各电机驱动力关系可如公式（1）所示：
GB逆矩阵如公式（2）所示：
GB逆矩阵参数配置只能用于工件台的理想模型，实质上因为制造误差，倘若需求高掌控性能，这个矩阵不准确，只能用作默认设置。该矩阵的36个元素均需要进行校准。
GB解耦矩阵的功效是将规律轴掌控器的输出力转换到各个理学轴上。
SI暗示输入敏锐度传函（输入为u，输出为in，见图3），SP暗示过程传函（输入为u，输出为out，P暗示in和out之间的传函），则in和out处的输出分别为：
工件台伺服掌控环路描述如图4所示。Raw Mechanics暗示B点到C点之间的过程传函，Compensated Mechanics暗示A点到C点之间的过程传函。
A点到B点之间的过程传函即为GS矩阵与GB矩阵的乘积，因此呢，GB矩阵可经过计算Hmraw（原始机械传函）、Hmc（赔偿机械传函）和GS矩阵来获取。
计算机械传函，利用所描述的过程传函计算办法可分别计算Hmraw和Hm。原始机械传函与赔偿机械传函的关系如下：
计算理想机械传函和GS0矩阵，校准后赔偿机械传函应该等于一固定的传函Hmd。
其中，GBcal为校准后的GB矩阵，Hmd和Gs0（Gs0暗示工件台处在零位时微动台功效点与质心之间的转换关系）计算公式如下：
其中，xstep、ystep、zstep为工件台在原点时名义重心相对测绘点的位移，xcog、ycog、zcog为工件台在原点时名义重心相对实质重心的位移，其详细值由设备常数给定。
其中，Mass为Chuck质量；Jzz为Chuck绕Z轴旋转的转动惯量；Jxx为Chuck绕X轴旋转的转动惯量；Jyy为Chuck绕Y轴旋转的转动惯量；Ts为采样周期。
当原始机械传函确定后，校准后的GB矩阵，且GB校准矩阵需取某一频率段的均值，该频率范围是[20 Hz，50 Hz]。
实验数据分析
校准前，经过设备常数获取的GB矩阵的值为：
校准后的GB矩阵，如式（14）所示：
在频域上进行分析测试。
如图5所示，当对X轴注入噪声，噪声水平为20Hz～50Hz时，校准后的机械传涵幅值大幅度降低，即GB解耦矩阵校准后，X方向对RY方向的串扰明显降低。
如图6所示，当对Y轴注入噪声，噪声水平为20Hz～50Hz时，校准后的机械传涵幅值大幅度降低，即GB解耦矩阵校准后，X方向对RY方向的串扰明显降低。
如图7所示，当对Y轴注入噪声，噪声水平为20Hz～50Hz时，在X方向上校准后的机械传涵幅值显著降低，即GB解耦矩阵校准后，Y方向对X方向的串扰明显降低。
如图8所示，当对RX轴注入噪声，噪声水平为20Hz~50Hz时，在Y方向上校准后的机械传涵幅值显著降低，即GB解耦矩阵校准后，RX方向对Y方向的串扰明显降低。
如图9所示，当对Z轴注入噪声，噪声水平为20Hz～50Hz时，校准后的机械传涵幅值大幅度降低，即GB解耦矩阵校准后，Z方向对RX方向的串扰明显降低。
结论
本文重点科研工件台微动台GB解耦矩阵的测校办法。
按照工件台结构特点，分析得出六自由度之间的耦合会影响工件台的工作效率、套刻精度，在微动台与音圈电机的力学层面分析。
给出了详细的解耦关系式，而后对微动GB解耦矩阵校准办法进行了科研，从工件台的伺服掌控环路上的机械传涵为出发点，设计了传递函数法对微动台GB解耦矩阵校准方法。
按照最后测试数据，频域上分析得出工件台微动各轴之间的串扰有着显著降低，很好地满足了课题的需要，验证了办法的有效性。
参考文献
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发表于 2024-10-10 18:58:31