泰伯光刻机Z向运动平台控制系统研究

发布时间：2018-01-22 18:42

  本文关键词： 泰伯光刻机 运动控制系统 音圈电机 PID控制 DSP处理器　出处：《中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：本文在泰伯光刻机样机研发的背景下,进行样机Z轴运动控制系统的研究工作。泰伯光刻机是利用周期性微纳结构的自成像效应进行光刻的设备,具有成像分辨率高、实现无镜头成像等优点。目前常用的泰伯光刻机有两种曝光模式,一种是定点曝光模式,另一种是扫描曝光模式。定点曝光模式要求Z向运动平台具有较高的定位精度,并且随着微纳结构周期的减小,对定位精度的要求也越高。扫描曝光模式需要Z向运动平台匀速运动时稳定性要好,对定位精度的要求不高。因此为满足目前对高分率周期型微纳结构的需求,对泰伯光刻机Z向运动平台的定位精度以及运动稳定性提出了更高的要求。本文在分析了现有控制系统的组成部分以及特点的情况下,提出以音圈电机作为执行器的方案,设计了以DSP为主处理器,FPGA为协处理器的运动控制板卡,并搭建实验平台,对运动平台性能进行测试。本文详细介绍了基于音圈电机的泰伯光刻机Z向运动控制系统的设计方案以及相关实验。第一章介绍了研究的背景和意义,对运动控制系统进行分析,提出采用音圈电机作为执行器的设计方案;第二章分析了音圈电机的数学模型,在此基础上建立音圈电机的控制模型,分析了三阶S型速度曲线规划算法并进行优化;第三章介绍运动控制板卡硬件电路设计的原理以及过程;第四章介绍控制系统的软件设计,包括FPGA程序设计、DSP程序设计以及上位机控制界面软件设计。第五章搭建实验平台对系统的定位精度和匀速运动性能进行测试,实验结果显示,在空载情况下,该平台重复定位精度为0.563μm,当增加0.5kg的负载情况下,系统重复定位精度为0.667μm,满足设计要求的1μm;同时对系统在低速、中速、高速三种速度匀速运动情况下时间位移图进行分析,结果显示,在这三种速度模式下,均可以实现稳定的运动。将该运动系统嵌入到实验室已有的URE-2000/35光刻机中进行曝光测试,实验结果显示,该运动平台基本达到预期的要求;最后对本文进行总结,并对下一步需要进行的工作进行展望。
[Abstract]:In this paper, the research work of Z-axis motion control system is carried out under the background of the research and development of Tyber lithography machine, which is based on the self-imaging effect of periodic micro-nano structure. It has the advantages of high resolution and no lens. There are two kinds of exposure mode, one is fixed-point exposure mode, which is commonly used in Tyber lithography at present. The other is scanning exposure mode, which requires high positioning accuracy of Z-direction moving platform and decreases with the period of micro-nano structure. The higher the requirement of positioning accuracy is, the better the stability of the scanning exposure mode is when the Z-direction moving platform is moving at uniform speed, and the less the requirement of the positioning accuracy is. Therefore, in order to meet the needs of the periodic micro-nano structure with high fraction rate at present. Higher requirements for the positioning accuracy and motion stability of the Z-direction motion platform of the Taber lithography machine are put forward. In this paper, the components and characteristics of the existing control system are analyzed. A motion control board with voice coil motor as actuator is proposed, and a motion control board with DSP as coprocessor is designed, and an experimental platform is built. The performance of the motion platform is tested. This paper introduces the design scheme and related experiments of the Z-direction motion control system of the Taiber lithography machine based on the voice coil motor. Chapter 1 introduces the background and significance of the research. The motion control system is analyzed, and the design scheme of using voice coil motor as actuator is put forward. In the second chapter, the mathematical model of the voice coil motor is analyzed, and the control model of the voice coil motor is established, and the third-order S-shape speed curve programming algorithm is analyzed and optimized. The third chapter introduces the principle and process of hardware circuit design of motion control card. Chapter 4th introduces the software design of the control system, including FPGA programming. DSP program design and PC control interface software design. 5th chapter built the experimental platform to test the positioning accuracy and uniform motion performance of the system. The experimental results show that in the case of no load. The precision of repeated positioning of the platform is 0.563 渭 m, and when the load of 0.5kg is increased, the precision of repeated positioning of the system is 0.667 渭 m, which meets the design requirement 1 渭 m; At the same time, the time displacement diagram of the system is analyzed under the condition of low speed, medium speed and high speed. The results show that in these three speed modes. The motion system is embedded into the URE-2000/35 lithography machine in the laboratory for exposure test. The experimental results show that the motion platform basically meets the expected requirements; Finally, this paper is summarized and the future work is prospected.
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP273

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本文编号：1455469