光刻機宏動試驗運動平臺設(shè)計及其減振系統(tǒng)仿真研究

1、    光刻機宏動試驗運動平臺設(shè)計及其減振系統(tǒng)仿真研究    光刻機宏動試驗運動平臺設(shè)計及其減振系統(tǒng)仿真研究    類別：模擬技術(shù)      （中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南 長沙410083）摘 要：對adams的求解原理進行了簡單介紹并運用adams仿真軟件分別建立了兩種結(jié)構(gòu)對應(yīng)的虛擬仿真模型，對減振系統(tǒng)分別無主動控制和有主動控制進行了仿真研究。以光刻機為代表的集成電路設(shè)備是光、機、電一體化的高精尖產(chǎn)品，其設(shè)計和制造

2、集中體現(xiàn)了相關(guān)學(xué)科中最高水平的研究成果，如對光學(xué)鏡頭表面輪廓的納米級測量與誤差補償、亞納米級粗糙度表面的加工，鍍膜材料和工藝、運動平臺的那米級定位、設(shè)備運動環(huán)境（振動、溫度、濕度、粉塵等）的控制等提出了極高的要求1-2。光刻機超精密工件臺是光刻機的核心部件之一，其運動精度直接影響光刻機的分辨力，速度和加速度影響光刻機的工作效率。常見的工作平臺有直線電機式、電磁式、壓電式、摩擦驅(qū)動式及滾珠絲杠式，其中使用最為廣泛的是直線電機式和壓電式，直線電機式一般用作工作平臺的粗動運動，壓電式常用于工作平臺的微動定位運動3-4。此外光刻機在工作過程中，由于工件臺和掩模臺等分系統(tǒng)具有較高的運動加速度和運動速度，

3、運動部件產(chǎn)生的大慣量和其它外部因素將引起光刻機工作核心部分工作平臺的振動，從而影響曝光的質(zhì)量。在光刻機曝光過程中如何精確地保證其靜態(tài)和動態(tài)的相對穩(wěn)定是一個非常關(guān)鍵的技術(shù)問題，為了保證光刻機在工作過程中具有極高的精度，必須將運動部分的產(chǎn)生振動和曝光部分隔離，現(xiàn)代掃描光刻機采用了振動隔離和主動減振技術(shù)。光刻機必須在一個具備良好隔振性能的工作平臺上工作，否則任何微小的振動，如說話的聲音或人員在附近的走動所引起的振動都會影響到光刻機的工作性能。這就對光刻機的工作環(huán)境和光刻機自身設(shè)計提出了更高的要求，光刻機是極端緊密的機電設(shè)備，要求在極為安靜的環(huán)境條件下安裝，并在較寬的頻帶范圍內(nèi)具有減振、隔振能力，本文

4、依托國家自然科學(xué)基金委項目、上海市科委聯(lián)合資助項目精密機械減振隔振技術(shù)研究，對光刻機模擬工作臺及其減振系統(tǒng)進行方案設(shè)計研究。1 光刻機模擬運動平臺系統(tǒng)方案設(shè)計為有效地抑制周圍環(huán)境及建筑物自身振動對試驗臺的影響，試驗臺的地基應(yīng)該有良好的減振、隔振能力，這些振動可以初步通過緩沖隔振和屏障隔振兩種方法來降低5。但緩沖隔振對車輛行駛和沖擊引起的振動無能為力，而不管何種原因引起的振動都可以采用屏障方法進行隔離。由于這些振動的不確定性和隨機性，進行隔振設(shè)計時要考慮到它們所引起的垂直振動和水平振動。圖1為本實驗平臺地基隔振設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖，首先在挖好的地基底面鋪一層細(xì)砂，可以初步吸收地面各種振動傳遞的能量，達(dá)到

5、降低振動的目的。然后就是一層鋼筋混凝土隔層可以取到支撐作用，橡膠減振塊安裝在鋼筋混凝土壁的四周，進一步隔振，接著在橡膠減振快中填滿混凝土，可以取到大地基的作用，保證工作臺的穩(wěn)定。地基隔振方案是一種消極的隔振方式，其隔振效果還不能滿足光刻機工作時的隔振要求，但是國內(nèi)外研究表明，如果采取主動隔振配合并采用恰當(dāng)?shù)目刂品绞?，就可以取得很好的隔振效?-9，因此本課題中就采用的是主動隔振方案。在地基座上根據(jù)設(shè)計要求安裝幾個主動減振器，根據(jù)隔振要求、模擬平臺質(zhì)量大小和可能負(fù)載來選擇和布置減振器，其隔振平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。2 模擬運動平臺結(jié)構(gòu)方案設(shè)計2.1 減振元件的選擇底層中的橡膠隔振板采用的是再生

6、橡膠，尺寸為2 000mm×1 500mm×80mm，硬度在50左右，其常溫下彈性模量為25kg/cm2，許用靜態(tài)壓應(yīng)力為3050kg/cm2，動態(tài)壓應(yīng)力為1015kg/cm2，允許變形靜態(tài)為15，動態(tài)為5，阻尼比在0.0250.15之間。根據(jù)這些參數(shù)得到橡膠墊的剛度為601250000n/m，阻尼比為0.08，則阻尼為430ns/m。目前，國內(nèi)對主動減振器的研究主要在智能可控材料（如磁流變、電流變）及其在車輛、機床等行業(yè)中的應(yīng)用，至于像光刻機這樣高要求的減振器產(chǎn)品，還未見報道。 高性能減振器及減振平臺，是高精度機床、光學(xué)儀器設(shè)備以及微電子制造設(shè)備的基礎(chǔ)件，作為可以用于軍工

7、尖端產(chǎn)品，歐美國家一直對我國實行禁運。隨著我國科技的發(fā)展，以及經(jīng)濟日益全球化的趨勢，歐美對我國的禁運的產(chǎn)品逐漸減少，特別是用于基礎(chǔ)研究設(shè)備（非軍事目的），對高等學(xué)校等部門，限制已經(jīng)較少。根據(jù)本課題的減振要求，選擇tmc公司的stacis2000主動隔振器，它以壓電材料為作動器，性能卓越，能滿足實驗系統(tǒng)的要求，圖3、圖4分別為減振器的垂直和水平減振的傳遞率曲線10。 2.2 運動平臺結(jié)構(gòu)方案設(shè)計工件臺和掩模臺等分系統(tǒng)具有較高的運動加速度和運動速度，運動部件產(chǎn)生大慣量和其它外部因素將引起光刻機工作核心部分工作平臺的振動，從而影響曝光的質(zhì)量。根據(jù)課題要求，必須將它們運動產(chǎn)生的反作用力引出來，不能直接

8、作用在工作平臺上，以降低工作平臺的振動。參照國內(nèi)外研究成果3-14，設(shè)計了以下兩種方案，見圖5、圖6。 3 系統(tǒng)整體仿真模型的建立3.1 adams的分析計算方法15adams采用世界上廣泛流行的多剛體系統(tǒng)運力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)的運力學(xué)方程。它選取系統(tǒng)內(nèi)每個剛體質(zhì)心在慣性參考系中的3個直角坐標(biāo)和確定剛體方位的3個歐拉角作為笛卡爾廣義坐標(biāo)，用帶乘子的拉格朗日第一類方程處理多余坐標(biāo)的完整約束系統(tǒng)或非完整約束系統(tǒng)，導(dǎo)出以笛卡爾廣義坐標(biāo)為變量的運動學(xué)方程。系統(tǒng)雖然采用了不獨立的廣義坐標(biāo)，動力學(xué)方程數(shù)量也很多，但adams的計算程序采用剛性積分算法以及稀疏矩陣技術(shù)，大大提供了計算效率。

9、adams用剛體i的質(zhì)心笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角作為笛卡爾廣義坐標(biāo)，即qixi，yi，zi，i,i,it，對于整個系統(tǒng)有qq1t，q2t，qntt,根據(jù)拉格朗日的第一類方程的能量形式，得到如下方程：非完整約束方程：(q，q&，t)0其中：w為系統(tǒng)動能；q為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)列陣；q為廣義力列陣；為對應(yīng)于完整約束的拉氏乘子列陣；為對應(yīng)于非完整約束的拉氏乘子列陣。重新改寫式（1）成一般形式：f（q，u，w&，t）0g（u，q &）0（q，t）0其中：u為廣義速度列陣；為約束反力及作用力列陣；f為系統(tǒng)動力學(xué)分方程及用戶定義的微分；g為描述非完整約束的代數(shù)方程列陣；為描述完整

10、約束的代方程列陣。對于（2）式的求解，adams通常采用兩種方式求解，一種是直接求解，采用變系數(shù)的bdf剛性積分法，它一般包括三個過程，即預(yù)估階段、校正階段和誤差控制階段；另一種方法是利用約束方程將廣義坐標(biāo)分解為獨立和非獨立坐標(biāo)，然后化簡為常微分方程求解，求解過程一般包括坐標(biāo)分離、預(yù)估、校正、確定相關(guān)坐標(biāo)和誤差控制等5個階段。3.2 系統(tǒng)模型的建立運用adams仿真軟件按照光刻機運動方式來建立整個模擬系統(tǒng)，其優(yōu)點是不需要進行復(fù)雜的理論公式計算，就可以得到所需要的各種參數(shù)，系統(tǒng)包括雙層減振系統(tǒng)及整個模擬運動系統(tǒng)。根據(jù)adams建模原則，在建立整個系統(tǒng)模型時進行了以下處理：（1）能夠合成一個零件的就合成一個，如把直線電機的定子合在了導(dǎo)軌中，而動子、氣浮則合在了連接板中，把工件臺的載荷和掩模臺的載荷分別合在工件臺和掩模臺重；（2）整個系統(tǒng)的重心在建模時一般與z軸重合，因此在建模時盡量考慮對稱（包括質(zhì)量矩）；（3）在地面上建立一個質(zhì)量足夠