光刻機(jī)宏動(dòng)試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)及其減振系統(tǒng)仿真研究

1、    光刻機(jī)宏動(dòng)試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)及其減振系統(tǒng)仿真研究    光刻機(jī)宏動(dòng)試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)及其減振系統(tǒng)仿真研究    類(lèi)別：模擬技術(shù)      （中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083）摘 要：對(duì)adams的求解原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹并運(yùn)用adams仿真軟件分別建立了兩種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的虛擬仿真模型，對(duì)減振系統(tǒng)分別無(wú)主動(dòng)控制和有主動(dòng)控制進(jìn)行了仿真研究。以光刻機(jī)為代表的集成電路設(shè)備是光、機(jī)、電一體化的高精尖產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)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(duì)光學(xué)鏡頭表面輪廓的納米級(jí)測(cè)量與誤差補(bǔ)償、亞納米級(jí)粗糙度表面的加工，鍍膜材料和工藝、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的那米級(jí)定位、設(shè)備運(yùn)動(dòng)環(huán)境（振動(dòng)、溫度、濕度、粉塵等）的控制等提出了極高的要求1-2。光刻機(jī)超精密工件臺(tái)是光刻機(jī)的核心部件之一，其運(yùn)動(dòng)精度直接影響光刻機(jī)的分辨力，速度和加速度影響光刻機(jī)的工作效率。常見(jiàn)的工作平臺(tái)有直線電機(jī)式、電磁式、壓電式、摩擦驅(qū)動(dòng)式及滾珠絲杠式，其中使用最為廣泛的是直線電機(jī)式和壓電式，直線電機(jī)式一般用作工作平臺(tái)的粗動(dòng)運(yùn)動(dòng)，壓電式常用于工作平臺(tái)的微動(dòng)定位運(yùn)動(dòng)3-4。此外光刻機(jī)在工作過(guò)程中，由于工件臺(tái)和掩模臺(tái)等分系統(tǒng)具有較高的運(yùn)動(dòng)加速度和運(yùn)動(dòng)速度，

3、運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的大慣量和其它外部因素將引起光刻機(jī)工作核心部分工作平臺(tái)的振動(dòng)，從而影響曝光的質(zhì)量。在光刻機(jī)曝光過(guò)程中如何精確地保證其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的相對(duì)穩(wěn)定是一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題，為了保證光刻機(jī)在工作過(guò)程中具有極高的精度，必須將運(yùn)動(dòng)部分的產(chǎn)生振動(dòng)和曝光部分隔離，現(xiàn)代掃描光刻機(jī)采用了振動(dòng)隔離和主動(dòng)減振技術(shù)。光刻機(jī)必須在一個(gè)具備良好隔振性能的工作平臺(tái)上工作，否則任何微小的振動(dòng)，如說(shuō)話的聲音或人員在附近的走動(dòng)所引起的振動(dòng)都會(huì)影響到光刻機(jī)的工作性能。這就對(duì)光刻機(jī)的工作環(huán)境和光刻機(jī)自身設(shè)計(jì)提出了更高的要求，光刻機(jī)是極端緊密的機(jī)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(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、上海市科委聯(lián)合資助項(xiàng)目精密機(jī)械減振隔振技術(shù)研究，對(duì)光刻機(jī)模擬工作臺(tái)及其減振系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)研究。1 光刻機(jī)模擬運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)為有效地抑制周?chē)h(huán)境及建筑物自身振動(dòng)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的影響，試驗(yàn)臺(tái)的地基應(yīng)該有良好的減振、隔振能力，這些振動(dòng)可以初步通過(guò)緩沖隔振和屏障隔振兩種方法來(lái)降低5。但緩沖隔振對(duì)車(chē)輛行駛和沖擊引起的振動(dòng)無(wú)能為力，而不管何種原因引起的振動(dòng)都可以采用屏障方法進(jìn)行隔離。由于這些振動(dòng)的不確定性和隨機(jī)性，進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到它們所引起的垂直振動(dòng)和水平振動(dòng)。圖1為本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)地基隔振設(shè)計(jì)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(dòng)傳遞的能量，達(dá)到

5、降低振動(dòng)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(jìn)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(tái)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(jī)工作時(shí)的隔振要求，但是國(guó)內(nèi)外研究表明，如果采取主動(dòng)隔振配合并采用恰當(dāng)?shù)目刂品绞剑涂梢匀〉煤芎玫母粽裥Ч?-9，因此本課題中就采用的是主動(dòng)隔振方案。在地基座上根據(jù)設(shè)計(jì)要求安裝幾個(gè)主動(dòng)減振器，根據(jù)隔振要求、模擬平臺(tái)質(zhì)量大小和可能負(fù)載來(lái)選擇和布置減振器，其隔振平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。2 模擬運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)壓應(yīng)力為1015kg/cm2，允許變形靜態(tài)為15，動(dòng)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(guó)內(nèi)對(duì)主動(dòng)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(chē)輛、機(jī)床等行業(yè)中的應(yīng)用，至于像光刻機(jī)這樣高要求的減振器產(chǎn)品，還未見(jiàn)報(bào)道。 高性能減振器及減振平臺(tái)，是高精度機(jī)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(guó)家一直對(duì)我國(guó)實(shí)行禁運(yùn)。隨著我國(guó)科技的發(fā)展，以及經(jīng)濟(jì)日益全球化的趨勢(shì)，歐美對(duì)我國(guó)的禁運(yùn)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(duì)高等學(xué)校等部門(mén)，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(dòng)隔振器，它以壓電材料為作動(dòng)器，性能卓越，能滿足實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)工件臺(tái)和掩模臺(tái)等分系統(tǒng)具有較高的運(yùn)動(dòng)加速度和運(yùn)動(dòng)速度，運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生大慣量和其它外部因素將引起光刻機(jī)工作核心部分工作平臺(tái)的振動(dòng)，從而影響曝光的質(zhì)量。根據(jù)課題要求，必須將它們運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的反作用力引出來(lái)，不能直接

8、作用在工作平臺(tái)上，以降低工作平臺(tái)的振動(dòng)。參照國(guó)內(nèi)外研究成果3-14，設(shè)計(jì)了以下兩種方案，見(jiàn)圖5、圖6。 3 系統(tǒng)整體仿真模型的建立3.1 adams的分析計(jì)算方法15adams采用世界上廣泛流行的多剛體系統(tǒng)運(yùn)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)的運(yùn)力學(xué)方程。它選取系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)剛體質(zhì)心在慣性參考系中的3個(gè)直角坐標(biāo)和確定剛體方位的3個(gè)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(lèi)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(yùn)動(dòng)學(xué)方程。系統(tǒng)雖然采用了不獨(dú)立的廣義坐標(biāo)，動(dòng)力學(xué)方程數(shù)量也很多，但adams的計(jì)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(jì)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(duì)于整個(gè)系統(tǒng)有qq1t，q2t，qntt,根據(jù)拉格朗日的第一類(lèi)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(dòng)能；q為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)列陣；q為廣義力列陣；為對(duì)應(yīng)于完整約束的拉氏乘子列陣；為對(duì)應(yīng)于非完整約束的拉氏乘子列陣。重新改寫(xiě)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(dòng)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(duì)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(gè)過(guò)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(dú)立和非獨(dú)立坐標(biāo)，然后化簡(jiǎn)為常微分方程求解，求解過(guò)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(gè)階段。3.2 系統(tǒng)模型的建立運(yùn)用adams仿真軟件按照光刻機(jī)運(yùn)動(dòng)方式來(lái)建立整個(gè)模擬系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行復(fù)雜的理論公式計(jì)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(gè)模擬運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)adams建模原則，在建立整個(gè)系統(tǒng)模型時(shí)進(jìn)行了以下處理：（1）能夠合成一個(gè)零件的就合成一個(gè)，如把直線電機(jī)的定子合在了導(dǎo)軌中，而動(dòng)子、氣浮則合在了連接板中，把工件臺(tái)的載荷和掩模臺(tái)的載荷分別合在工件臺(tái)和掩模臺(tái)重；（2）整個(gè)系統(tǒng)的重心在建模時(shí)一般與z軸重合，因此在建模時(shí)盡量考慮對(duì)稱（包括質(zhì)量矩）；（3）在地面上建立一個(gè)質(zhì)量足夠