基于实时测量与运动调整的空间虚拟直线运动基准技术

摘要

空间直线运动基准是保证尖端光刻机运动精度的最基本且最关键的运动单元。掩模台作为步进扫描光刻机的关键子系统，需要实现以标记参考点为运动中心、保持特定姿态且沿设计轴线的高精度匀速空间直线运动。该运动是实现后续更高精度对准和套刻的前提和关键。但现有的六自由度测量手段精度不高且测量参考与设计轴线相分离的问题，以及振动干扰和多自由度间耦合制约运动精度的问题，成为掩模台实现高精度空间直线运动的主要技术瓶颈。本文旨在针对上述问题，通过分析掩模台空间直线运动的单自由度大范围和六自由度高精度的特殊测量和运动需求，提出一种基于实时测量和运动调整的空间直线运动基准实现方法。通过构建六自由度测量空间，直接获得与设计轴线统一的、数学意义上的、虚拟的空间直线，并以此作为参考点位置测量和运动参考；通过建立六自由度测量系统的全局模型，消除多自由度间位置解算误差和结构类测量误差的影响，从而实时高精度地获取参考点的空间位置及其与设计轴线的相对位置；结合准零刚度和准零阻尼悬浮的六自由度运动方法，有效隔离振动干扰并消除六自由度运动间耦合作用，从而实现闭环控制下掩模台参考点实时跟踪设计轴线的高精度空间直线运动。
　　本研究主要内容包括：⑴针对现有的空间直线运动中六自由度测量精度不高且测量参考与设计轴线相分离的问题，提出了一种基于非封闭测量环全局模型的六自由度测量方法。该方法采用多位移传感器构建六自由度测量空间，基于坐标测量的概念，同时获取参考点的空间位置和设计轴线对应的空间直线。根据坐标变换原理，实时描述测量环中不断变换的非封闭部分，并引入实际测量系统中结构类误差，建立了测量环非封闭全局模型。该模型同时消除了测量环非封闭部分导致的多自由度间位置解算耦合误差，以及封闭部分中位置解算误差和诸多系统误差的影响，从而实现了在同一测量空间内实时获取掩模台参考点的空间位置及其与设计轴线的相对位置，同时兼顾了参考点空间位置测量的高精度和与设计轴线的统一。⑵针对宏/微驱动系统中振动干扰和多自由度间运动耦合制约微动系统六自由度运动精度的问题，提出了一种基于准零刚度准零阻尼悬浮的六自由度微动方法。该方法采用回转对称式磁悬浮重力补偿器平衡微动系统重力，建立了该重力补偿器基于永磁体等效电流理论的静态磁悬浮力和悬浮刚度理论模型，通过仿真和实验验证了该模型的有效性，从而初步实现微动系统在运动空间内低刚度悬浮。并通过建立六自由度位置相关运动学解耦和力相关动力学解耦模型，实现了微动系统相对于参考点的六自由度运动解耦。在此基础上，通过分析实际系统中寄生刚度和阻尼的产生机理，分别以位置和速度相关干扰力的形式在时域和频域内辨识，并通过力前馈方法补偿，最终实现了微动系统准零刚度准零阻尼悬浮。该方法有效隔离了宏动系统振动干扰并消除了运动解耦模型误差的影响，提高了微动系统在闭环控制下的六自由度运动精度。⑶研究了宏动跟随微动的宏/微驱动技术，并提出了多柔性铰链组合的单自由度宏动系统的结构设计方法。在此基础上，结合上述六自由度实时测量方法和运动调整技术研发了掩模台空间直线运动系统，并设计了相应的实验，测试了该系统的时域和频域伺服特性、各自由度位移分辨力、不同自由度间运动解耦性能、六自由度测量和运动解耦模型精度、宏/微驱动系统大范围内整体运动性能等关键性能参数，实验结果验证了上述方法的有效性。基于该空间直线运动基准，对平晶直线度误差分布实施测量，并通过与菲索尔干涉仪测量结果进行比较，间接测试了该空间直线运动基准的精度和重复性，最后分析了其不确定度。结果表明，该空间直线运动基准在220mm范围内空间直线度的合成标准不确定度为21nm，空间直线运动的速度均匀性小于2.4%。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2空间直线运动中六自由度测量方法现状分析

1.3空间直线运动中多自由度运动误差补偿技术现状分析

1.4基于宏/微驱动的空间直线运动技术现状

1.5本研究领域存在的科学问题和关键技术问题

1.6本文的主要研究内容

第2章 基于非封闭测量环全局模型的六自由度实时测量方法研究

2.1引言

2.2非封闭测量环六自由度测量方法分析

2.3非封闭测量环六自由度测量的理论模型

2.4非封闭测量环六自由度测量的全局模型

2.5本章小结

第3章 基于准零刚度准零阻尼悬浮的六自由度微动方法研究

3.1引言

3.2零刚度零阻尼悬浮技术分析

3.3低刚度悬浮和非接触直接驱动六自由度微动技术研究

3.4准零刚度准零阻尼悬浮技术研究

3.5本章小结

第4章 基于宏/微驱动的大范围空间直线运动

4.1引言

4.2宏/微驱动技术方案

4.3基于多柔性铰链组合的H型驱动宏动系统设计

4.4本章小结

第5章 实验与分析

5.1引言

5.2整体系统构成

5.3微动系统伺服性能仿真与测试

5.4微动系统六自由度运动性能测试

5.5六自由度测量和运动解耦实验

5.6宏/微驱动系统运动性能测试

5.7空间直线运动基准精度和重复性测试

5.8空间直线运动基准大范围内精度和重复性测试

5.9空间直线运动基准不确定度分析

5.10本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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