掩模台三自由度光栅干涉测量模型研究

发布时间：2020-09-29 08:26

　　光刻机作为高端超精密加工装备的代表,在大规模集成电路制造领域发挥了无可替代的重要作用。掩模台作为光刻机的重要核心组成部分,在高速、多自由度下的定位精度直接影响到光刻机的套刻精度。为实现掩模台的六自由度高精度运动定位,需要建立准确的多自由度解耦测量模型。目前掩模台多自由度测量中激光光栅干涉仪已呈现逐步取代激光干涉仪的趋势,但已有的测量模型研究一般仅针对采用激光干涉仪的情况,而欠缺使用光栅干涉仪作为测量反馈元件的掩模台多自由度测量模型。为此,本文针对以基于光栅干涉仪的掩模台测量系统为研究对象,结合光栅干涉仪的测量原理,对掩模台的三自由度高速运动测量系统进行建模分析,建立一个描述光栅干涉仪读数与掩模台位置坐标关系之间的数学模型,完善基于光栅干涉仪的掩模台高速高精度位移测量及定位理论。主要研究工作如下:首先,对掩模台位移测量系统的原理和技术指标进行综合分析,提出基于光栅干涉仪和电容传感器的多自由度测量方法,并分别分析和设计传感器在掩模台上的安装方式和位置布局。其次,以掩模台光栅干涉仪测量系统为研究对象,建立针对掩模台光栅干涉测量系统的多个坐标系,利用坐标和向量的形式精确地表示掩模台测量系统中各个物理量间的关系,并将六自由度之间的耦合情况都考虑在测量模型中。在此基础上,建模过程中率先考虑在理想情况下,分析掩模台运动前后位置坐标与光栅干涉仪读数间的关系,建立不考虑安装误差的测量全局模型;在考虑各种安装误差的情况下,建立考虑安装误差的测量全局模型。利用Solidworks软件模拟掩模台测量系统的运动,验证不考虑安装误差的测量全局模型和考虑安装误差的测量全局模型建模的正确性,证明不考虑安装误差的测量全局模型优于传统简单模型,满足掩模台测量系统的精度需求;分析各个机器常数不准对测量模型带来的影响,得到每个误差允许变化的范围。最后,针对掩模台测量系统全局模型为复杂的非线性隐函数表达式,直接迭代运算会影响测量系统实时性的问题,研究全局模型的数值解算方法,提出一种基于线性化近似求解数值的方法,并使用Matlab对数值解算方法进行仿真实验与分析,验证线性化模型数值解算方法的可行性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

示意图,工件台,激光干涉仪,测量系统

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.1 多自由度测量系统国内外研究现状.1.1 基于激光干涉仪测量系统单频激光干涉仪是最早的激光干涉测量系统，随后随着测量技术的逐渐发频激光干涉仪出现，相比于单频激光干涉仪，其优势在于抗干扰能力强，无漂移且系统增益优。在华中科技大学李小平研发团队研发的六自由度激光干量系统，针对工件台使用六个双频激光器测量 X、Y、RX、RY、RZ 和一个传感器测量 Z。整体测量方案布局如图 1-1 所示。

系统结构图,工件台,多自由度,系统结构图

由正弦曲线型的平面光栅作为位移传感器的核心元件器共同构成的平面编码器测量方案，如图 1-2 所示[21-加产生干涉信号，最终实现多自由度同时测量，实验自由度上具有纳米级的分辨率。此外，华中科技大学射光栅的测量原理对两个方向的位移实现了测量，通与光栅安装误差间的定性关系[24]。2012 年，台湾大学型的平面衍射光栅干涉仪测量系统来实现同时测量套相同的线型衍射光栅干涉仪，通过正交的方式进行简化了整体结构，并且增大了平面光栅和光学读数头的光学配置和紧凑的系统尺寸，它可以有效地减少环性。通过实验结果证明，这种方法测量精度高，稳定25-28]；2012 年，清华大学的朱煜教授研究团队提出了面三维磁定位的测量方法。该方法对平面平移和旋转量级的测量分辨力，通过仿真实验，验证了理想情况性[29]。

布局图,掩模台,三自由度

图 1-3 掩模台三自由度测量布局上述的专利 US7651270B2 掩模台三自由度测量布局方案，如图 1-4 所示，其具体读数头布局如下。左边和一个 X 向的探测头，右图表示在读数头中安装两个通过一致的初始位置和光栅干涉仪测量读数就可以得YXY图 1-4 读数头探测器布局图公司的 NXT:1950i 型光刻机采用由德国 Heidenhain ，其规格为 400mm×400mm，由该光栅作为标尺光

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