雙硅片臺(tái)超精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)研究.pdf

1、高性能運(yùn)動(dòng)控制硬件平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)超精密運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。本文結(jié)合“‘十一五’國(guó)家重大科技專項(xiàng)——光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”的研制，對(duì)雙工件臺(tái)臺(tái)超精密運(yùn)動(dòng)控制硬件平臺(tái)進(jìn)行了研究與實(shí)踐。
　　光刻機(jī)要求高速、大行程、6自由度和納米級(jí)同步掃描運(yùn)動(dòng)。對(duì)于65nm光刻機(jī)，其硅片臺(tái)掩膜臺(tái)同步運(yùn)動(dòng)精度要求為：MA<3.2nm，MSD<7nm；對(duì)于雙硅片臺(tái)，其運(yùn)動(dòng)涉及多達(dá)40個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的同步協(xié)調(diào)控制。雙硅片臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需對(duì)上百個(gè)執(zhí)行器、傳感器進(jìn)

2、行精密測(cè)控和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速運(yùn)算處理，并且要高性能的多處理器并行控制結(jié)構(gòu)來滿足其控制計(jì)算與信息處理。
　　本文介紹了雙硅片臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，描述了測(cè)控方案，分析了雙硅片臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制需求，研究并設(shè)計(jì)了一種雙硅片臺(tái)超精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)。掩模臺(tái)、工件臺(tái)均采用粗、精復(fù)合運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)行程粗動(dòng)臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)行程的高速、高加速運(yùn)動(dòng)，短行程微動(dòng)臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精密運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)，通過40多個(gè)軸的同步協(xié)同運(yùn)動(dòng)，完成雙硅片臺(tái)與掩膜臺(tái)的同步運(yùn)動(dòng)

3、。由于是超精密運(yùn)動(dòng)，需要高的采樣控制頻率，需在極短的伺服周期內(nèi)對(duì)不同的軸完成激光測(cè)量模型解算、位置-加速度反饋控制、精密軌跡插補(bǔ)、電機(jī)作用力解耦等復(fù)雜控制計(jì)算，并保證嚴(yán)格同步執(zhí)行。除運(yùn)動(dòng)控制外，還需要對(duì)各運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控，保證運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，如：電機(jī)溫度、激光干涉儀光強(qiáng)信號(hào)、氣浮導(dǎo)軌的氣壓、環(huán)境溫度及氣壓等進(jìn)行測(cè)量；對(duì)行程開關(guān)等多種數(shù)字開關(guān)進(jìn)行控制。多軸同步控制需要運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具備多處理器并行處理的能力；控制算法的復(fù)雜

4、度和實(shí)時(shí)性要運(yùn)動(dòng)控制的計(jì)算單元須擁有超強(qiáng)的計(jì)算能力和高速的處理能力；多測(cè)量系統(tǒng)相互切換及數(shù)百個(gè)傳感器采集涉及到多源、多目標(biāo)的復(fù)雜數(shù)據(jù)傳輸，另外，計(jì)算中涉及到多處理器間共享數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，這都要求運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具備多總線高速高性能數(shù)據(jù)交互能力。
　　針對(duì)上述運(yùn)行需求，本文對(duì)雙硅片臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出了一種基于VME總線的主從式多處理器并行處理的硬件架構(gòu)，以滿足涉及多達(dá)40軸的超精密運(yùn)動(dòng)控制與同步運(yùn)動(dòng)控制要求；設(shè)計(jì)了基于自

5、定義局部總線的并行架構(gòu)和分布式共享內(nèi)存機(jī)制技術(shù)，以保證多處理器同步高速運(yùn)算和在規(guī)定的伺服周期內(nèi)完成參與伺服運(yùn)算的多塊板卡之間的伺服數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)交換；針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)傳感器信號(hào)繁多的特點(diǎn)，為了達(dá)到數(shù)據(jù)采樣實(shí)時(shí)性、同步性的要求并降低實(shí)現(xiàn)難度，避免干擾漂移，減少連接線纜，提出了基于高速光纖鏈路通信的高速高精度信號(hào)采集/控制技術(shù)。
　　本文研制的硬件平臺(tái)已應(yīng)用于國(guó)家重大科技專項(xiàng)的光刻機(jī)雙硅片臺(tái)系統(tǒng)研制，已為在四輪雙硅片臺(tái)樣機(jī)研制配套應(yīng)用