基于阵列音圈电机的光刻机手指驱动控制系统研究

作     者：王永龙 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘品宽

授予年度：2020年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：光刻机手指 精密定位 阵列音圈电机 驱动控制 

摘      要：半导体制造业是关系到国家命运的基础性产业,其核心装备便是光刻机。而作为光刻机照明系统的关键部件,光刻机手指运动性能直接决定光刻机照明光场的均匀性,影响光刻机精度。但是光刻机手指多达58根,现有的驱动控制系统很难在紧凑的光刻机空间内独立驱动每个手指,而且高加速运动的单根手指难以进行超调量小的超精密定位,都为当前的驱动控制系统硬件和运动控制算法带来了极大的挑战。针对以上问题,为满足光刻机手指的高精度和高效率的需求,本文提出基于阵列音圈电机的光刻机手指驱动方式,并分别从阵列音圈电机的磁场模型、驱动控制系统硬件和运动控制策略三个方面展开研究,并搭建实验平台进行验证。主要工作内容如下:(1)基于磁荷法和镜像法建立了阵列音圈电机的静磁场解析模型。通过将解析模型的结果与有限元仿真软件Maxwell得到的结果进行对比,验证解析模型的正确性,最后仿真验证每路电机静磁场的有效磁感应强度基本一致。(2)设计了光刻机手指驱动控制系统的硬件电路。针对光刻机手指控制系统的强实时性、高精度、多输出和强驱动的需求,本文设计了基于ARM的16轴音圈电机Ether CAT从站板、基于功率放大器的16轴音圈电机线性驱动器和基于FPGA的光栅尺细分解码电路板,并通过功能仿真验证各模块的可行性。(3)对音圈电机指令轨迹进行了优化并设计了运动控制算法。采用变分法设计了基于时间最小和冲击最小的5阶S曲线轨迹,有效减小了光刻机手指的高加速运动带来的冲击;设计复合非线性反馈控制器结合干扰观测器的控制算法,最后将音圈电机模型和上述控制策略在Simulink中进行仿真,验证了控制算法的有效性。(4)搭建光刻机运动控制实验平台并进行性能测试。设计了驱动控制系统的各个子模块的实验平台,测试并验证各个子模块的可行性;然后搭建基于阵列音圈电机的光刻机手指驱动控制系统,进行光刻机手指的定位控制实验。实验表明阵列音圈电机中各路电机均能独立运动,且在4 mm行程范围内,实现了30 ms内的响应速度和5μm内的定位精度,超调量在0.2%以下,满足高精度光刻机手指的定位需求。