滑模变结构控制在扫描光刻系统中的应用研究

发布时间：2017-07-19 12:14

  本文关键词：滑模变结构控制在扫描光刻系统中的应用研究

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【摘要】：光刻技术的进步是推动半导体产品向大容量低成本方向发展的关键。随着集成电路的特征尺寸逐渐减小、集成度逐渐增加,对光刻机性能指标的要求越来越高。工件台和掩模台超精密运动控制系统是光刻机的重要组成部分,其运动控制性能对于光刻机的精度和产率起到了决定性的作用。对于当今主流的扫描式光刻系统,传统的PID宏微解耦控制方式经过多年不断的发展和完善已经形成了一套针对光刻机工件台和掩模台宏动以及微动部分的成熟控制方法。但是,传统光刻机PID控制方法的一些缺点如仅适用于SISO系统、无法有效处理非线性效应和缺乏直接针对系统鲁棒性的设计手段等问题会在一定程度上影响光刻机控制系统的表现,从而限制光刻机性能的进一步提升。目前,传统的光刻机PID解耦控制方法存在两个亟待解决的问题:问题一,如何在光刻机系统中存在推力波动、摩擦、振动、机械谐振、温湿度变化、测量噪声和负载扰动等不确定性、非线性效应和外部扰动的条件下,对系统的鲁棒性和非线性进行有针对性的控制设计,从而进一步提高在高速扫描运动条件下的光刻机超精密运动控制系统的性能;问题二,如何解决在光刻机传统多自由度解耦控制方式中存在的解耦补偿不彻底或未建模耦合特性导致的多自由度之间的推力及运动耦合问题,并进一步减轻复杂耦合效应对光刻机运动控制系统的影响。针对以上两个问题,本文进行了如下理论和实际应用研究:首先,针对上述问题一,通过对光刻机工件台传统宏微解耦控制方式以及扫描运动性能指标的分析,在工件台宏动/微动SISO解耦模型的基础上提出了一种鲁棒滑模控制方法。该方法的主要特点是针对系统中存在的模型不确定性、非线性效应和扰动等因素进行了有针对性的鲁棒性设计,并且不需要了解系统的精确模型参数。为了有效地解决滑模控制方法的抖振问题,采用边界层技术对滑模项进行了改进。通过在超精密直线运动气浮试验平台上进行的与光刻机传统PID联合低通滤波器控制方法的对比试验,证明了所提出的鲁棒滑模控制方法在解决现有扫描光刻控制问题上的可行性和有效性。由于滑模控制本身是一种基于模型的控制方法,不可避免地会引入模型不确定性和未建模特性等因素的影响,特别是对于工件台解耦控制方式,这种影响更加明显。因此,为了进一步提高前述光刻机鲁棒滑模控制系统的性能,本文针对工件台宏动/微动SISO解耦模型提出了一种基于无模型自适应外环补偿器的改进型鲁棒滑模控制方法。该补偿器主要依赖于被控系统的输入输出信号并且不需要模型信息及测试训练过程。在超精密直线运动气浮试验平台上进行的对比试验结果显示,所提出的无模型自适应外环补偿器对于前述工件台鲁棒滑模闭环控制系统的精度和快速性均有明显的提升。在工件台宏动部分控制系统中,位置依赖型推力波动对控制精度的影响较为明显。为了进一步提高工件台宏动解耦控制系统的快速性表现和抗干扰能力,本文针对前述带有无模型自适应外环补偿的改进型工件台鲁棒滑模控制方法提出了一种基于推力波动和系统逆模型估计的改进型混合自适应前馈控制器。理论推导和稳定性分析可以保证自适应前馈在线估计算法的收敛性和闭环控制系统的稳定性。通过在超精密直线运动气浮试验平台上进行的与传统固定结构逆模型前馈控制方法的对比试验,验证了针对工件台宏动部分提出的混合自适应前馈控制方法在快速性和鲁棒性方面的优越性。其次,针对问题二,为了解决在传统工件台控制方式中存在的解耦不彻底和未建模耦合特性的问题,本文首先针对工件台宏动部分提出了一种三自由度拉格朗日耦合模型。与传统的工件台宏动部分SISO解耦模型相比,该模型充分考虑了在传统方式中为了实现对角解耦而忽略的由X向导轨偏转所引起的X、Y方向推力及运动耦合问题。并在此模型的基础上,针对系统在测量噪声条件下的状态估计问题以及前述解耦不彻底问题提出了一种基于滑模状态观测器的MIMO模糊滑模控制方法。该方法的主要特点是可以通过滑模状态观测器对系统的不可测状态进行准确估计并可以利用模糊逻辑减轻滑模的抖振效应。针对在工件台微动部分传统控制方式中并未充分考虑水平方向步进扫描运动与竖直方向调平调焦运动之间存在的未建模耦合效应问题,本文提出了一种工件台微动部分六自由度耦合模型,此模型可以更加准确地描述微动部分六个自由度之间的复杂推力及运动耦合关系。基于此耦合模型,本文提出了一种改进型工件台微动部分MIMO鲁棒模糊神经网络滑模控制策略,该策略可以利用神经网络对工件台微动部分系统中存在的耦合效应、扰动和不确定性等因素进行实时在线估计并可以通过模糊逻辑有效地改善滑模控制的抖振效应从而进一步提高闭环控制系统的鲁棒性。仿真实验验证了所提出的工件台宏动和微动部分耦合建模方法及相应的MIMO滑模控制方法在工件台扫描运动控制中的可行性和有效性。
【关键词】：滑模控制 扫描光刻系统 工件台 推力波动 神经网络 模糊逻辑
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN305.7
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 绪论14-28
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义14-15
• 1.2 国内外研究发展现状15-26
• 1.2.1 扫描光刻系统及其控制方式15-19
• 1.2.2 扫描光刻控制方法研究现状19-21
• 1.2.3 滑模变结构控制及其在精密伺服控制领域的应用21-26
• 1.3 本文的主要研究内容26-28
• 第2章 工件台鲁棒滑模控制28-50
• 2.1 引言28-29
• 2.2 工件台传统宏微解耦控制方式29-33
• 2.2.1 工件台宏动部分解耦控制29-31
• 2.2.2 工件台微动部分解耦控制31-33
• 2.2.3 工件台宏微控制策略33
• 2.3 扫描运动轨迹及控制性能指标33-37
• 2.4 工件台鲁棒滑模控制37-41
• 2.4.1 工件台宏动/微动SISO解耦模型37
• 2.4.2 基于工件台解耦模型的鲁棒滑模控制37-41
• 2.5 试验研究41-48
• 2.5.1 试验系统介绍41-44
• 2.5.2 试验结果及分析44-48
• 2.6 本章小结48-50
• 第3章 基于无模型自适应外环补偿的改进型工件台鲁棒滑模控制50-65
• 3.1 引言50-51
• 3.2 工件台无模型自适应外环补偿控制51-58
• 3.2.1 动态线性化51-53
• 3.2.2 无模型自适应外环补偿控制53-55
• 3.2.3 稳定性分析55-58
• 3.3 试验研究58-64
• 3.4 本章小结64-65
• 第4章 基于改进型混合自适应前馈的增强型工件台鲁棒滑模控制65-81
• 4.1 引言65-66
• 4.2 工件台宏动部分自适应前馈控制66-71
• 4.2.1 基本型自适应逆模型前馈66-69
• 4.2.2 带有推力波动补偿的改进型混合自适应前馈69-71
• 4.3 试验研究71-80
• 4.4 本章小结80-81
• 第5章 工件台宏动部分MIMO模糊滑模控制81-97
• 5.1 引言81-82
• 5.2 工件台宏动部分三自由度拉格朗日耦合建模82-84
• 5.3 基于滑模状态观测器的工件台宏动MIMO模糊滑模控制84-90
• 5.3.1 工件台宏动部分MIMO模糊滑模控制85-89
• 5.3.2 基于滑模状态观测器的MIMO模糊滑模控制89-90
• 5.4 仿真研究90-96
• 5.5 本章小结96-97
• 第6章 工件台微动部分MIMO鲁棒模糊神经网络滑模控制97-115
• 6.1 引言97-98
• 6.2 工件台微动部分六自由度耦合建模98-102
• 6.2.1 推力耦合建模98-99
• 6.2.2 运动耦合建模99-102
• 6.2.3 六自由度耦合模型102
• 6.3 工件台微动部分MIMO鲁棒模糊神经网络滑模控制102-108
• 6.3.1 基本型MIMO鲁棒神经网络滑模控制102-105
• 6.3.2 改进型MIMO鲁棒模糊神经网络滑模控制105-108
• 6.4 仿真研究108-114
• 6.5 本章小结114-115
• 结论115-118
• 参考文献118-130
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果130-133
• 致谢133-134
• 个人简历134

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本文编号：562842