压电促动器的纳米级精度控制及其在光刻物镜中的应用研究

发布时间：2020-08-02 11:51

【摘要】：以集成电路(Integration Circuit,IC)为代表的半导体技术的高速发展推动着社会的进步。随着IC的最小特征尺寸向小于30nm的方向发展,作为IC制造光刻技术中的核心部件,光刻投影物镜的像差对成像质量的影响越来越突出。而压电促动器作为物镜光学元件调节机构的核心驱动器件,可以实时补偿像散、球差与畸变等像差,极大地改善投影物镜的成像质量。因此,本论文采用以下方法对压电促动器的建模和控制进行了深入研究,实现了稳态误差小于20nm和调节时间少于0.15s的微米级位移控制,满足了高NA光刻投影物镜高精度像差补偿的需求。1、分析了电容位移传感器、光栅尺与激光测长干涉仪的工作原理,通过实验测试了各自的位移测量噪声,得出了在纳米级精度闭环控制中这三种传感器的适用场合。2、研究了叠堆式压电促动器的迟滞特性,建立了模糊迟滞模型,设计了自适应模糊内模控制算法,分析了算法的稳定性,进行了正弦轨迹跟踪的高精度闭环控制实验。此外,设计了叠堆式压电促动器驱动的移相器系统,借助于外部高精度激光测长干涉仪的位移测量校正,使用半闭环控制方法,实现了3nm的重复定位精度。3、分析了准静态情况下行走式压电促动器位移与电压的关系,对比验证了不同驱动波形下的运动特性,建立了行走式压电促动器系统的动态线性模型,基于频率响应实验数据进行了系统辨识。设计了路径规划、速度前馈、PID反馈和重复学习控制算法,对行走式压电促动器系统进行了定位和轨迹跟踪的高精度闭环控制实验。4、分析了压电促动器在光刻物镜中的应用场景,针对其中的像差补偿轴向调节机构与六自由度调节机构的纳米级精度位移调节控制应用,研究了行程、位移分辨率、调节时间、稳态误差以及闭环控制调节时光学元件面形的变化。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH74
【图文】：

促动器,迭代学习控制,压电,平台

第 1 章绪论为了对叠堆式压电促动器的迟滞效应进行补偿控制，人们研究了前馈控制器反馈控制器、前馈加反馈复合控制器以及其它先进智能控制器。文献[38-41]研究了迭代学习控制方法在叠堆式压电促动器迟滞补偿控制中的应用。如图 1.1(a)所示，Leang[40]采用基于 Preisach 迟滞模型的迭代学习控制方法，分析了该控制方法的收敛性，在全行程范围内的跟踪误差为 0.24%。Helfrich[41采用迭代学习前馈控制加H 反馈控制策略对叠堆式压电促动器微动平台进行精密运动控制，平均 RMS 控制误差为 40nm，如图 1.1(b)所示。

促动器,压电,平台,迟滞模型

(a) (b)图 1.2 压电促动器滑模控制平台和算法Figure 1.2 The platform and algorithm of sliding mode control of piezoelectric actuatorNguyen[47]针对叠堆式压电促动器建立了一致性迟滞模型，并设计了相应的闭环控制方法，控制误差在40nm以内，如图1.3(a)所示。Wong[48]设计了如图1.3(b)所示的基于支持向量机迟滞模型的复合控制器用来抑制压电促动器率相关迟滞非线性的影响，跟踪相对误差可达到 0.03%。

促动器,迟滞模型,压电,支持向量机

[47]针对叠堆式压电促动器建立了一致性迟滞模型，并设计了相应的闭环控制方法，控制误差在40nm以内，如图1.3(a)所示。Wong[48]设计了如图1.3(b)所示的基于支持向量机迟滞模型的复合控制器用来抑制压电促动器率相关迟滞非线性的影响，跟踪相对误差可达到 0.03%。

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