滑模變結(jié)構(gòu)控制在掃描光刻系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.pdf

1、光刻技術(shù)的進步是推動半導(dǎo)體產(chǎn)品向大容量低成本方向發(fā)展的關(guān)鍵。隨著集成電路的特征尺寸逐漸減小、集成度逐漸增加，對光刻機性能指標的要求越來越高。工件臺和掩模臺超精密運動控制系統(tǒng)是光刻機的重要組成部分，其運動控制性能對于光刻機的精度和產(chǎn)率起到了決定性的作用。
　　對于當(dāng)今主流的掃描式光刻系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID宏微解耦控制方式經(jīng)過多年不斷的發(fā)展和完善已經(jīng)形成了一套針對光刻機工件臺和掩模臺宏動以及微動部分的成熟控制方法。但是，傳統(tǒng)光刻機 PID

2、控制方法的一些缺點如僅適用于SISO系統(tǒng)、無法有效處理非線性效應(yīng)和缺乏直接針對系統(tǒng)魯棒性的設(shè)計手段等問題會在一定程度上影響光刻機控制系統(tǒng)的表現(xiàn)，從而限制光刻機性能的進一步提升。目前，傳統(tǒng)的光刻機PID解耦控制方法存在兩個亟待解決的問題：問題一，如何在光刻機系統(tǒng)中存在推力波動、摩擦、振動、機械諧振、溫濕度變化、測量噪聲和負載擾動等不確定性、非線性效應(yīng)和外部擾動的條件下，對系統(tǒng)的魯棒性和非線性進行有針對性的控制設(shè)計，從而進一步提高在高速掃描

3、運動條件下的光刻機超精密運動控制系統(tǒng)的性能；問題二，如何解決在光刻機傳統(tǒng)多自由度解耦控制方式中存在的解耦補償不徹底或未建模耦合特性導(dǎo)致的多自由度之間的推力及運動耦合問題，并進一步減輕復(fù)雜耦合效應(yīng)對光刻機運動控制系統(tǒng)的影響。
　　針對以上兩個問題，本文進行了如下理論和實際應(yīng)用研究：
　　首先，針對上述問題一，通過對光刻機工件臺傳統(tǒng)宏微解耦控制方式以及掃描運動性能指標的分析，在工件臺宏動/微動 SISO解耦模型的基礎(chǔ)上提出了一種

4、魯棒滑?？刂品椒āＴ摲椒ǖ闹饕攸c是針對系統(tǒng)中存在的模型不確定性、非線性效應(yīng)和擾動等因素進行了有針對性的魯棒性設(shè)計，并且不需要了解系統(tǒng)的精確模型參數(shù)。為了有效地解決滑?？刂品椒ǖ亩墩駟栴}，采用邊界層技術(shù)對滑模項進行了改進。通過在超精密直線運動氣浮試驗平臺上進行的與光刻機傳統(tǒng)PID聯(lián)合低通濾波器控制方法的對比試驗，證明了所提出的魯棒滑?？刂品椒ㄔ诮鉀Q現(xiàn)有掃描光刻控制問題上的可行性和有效性。
　　由于滑模控制本身是一種基于模型的控制方

5、法，不可避免地會引入模型不確定性和未建模特性等因素的影響，特別是對于工件臺解耦控制方式，這種影響更加明顯。因此，為了進一步提高前述光刻機魯棒滑?？刂葡到y(tǒng)的性能，本文針對工件臺宏動/微動 SISO解耦模型提出了一種基于無模型自適應(yīng)外環(huán)補償器的改進型魯棒滑?？刂品椒?。該補償器主要依賴于被控系統(tǒng)的輸入輸出信號并且不需要模型信息及測試訓(xùn)練過程。在超精密直線運動氣浮試驗平臺上進行的對比試驗結(jié)果顯示，所提出的無模型自適應(yīng)外環(huán)補償器對于前述工件臺魯棒

6、滑模閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度和快速性均有明顯的提升。
　　在工件臺宏動部分控制系統(tǒng)中，位置依賴型推力波動對控制精度的影響較為明顯。為了進一步提高工件臺宏動解耦控制系統(tǒng)的快速性表現(xiàn)和抗干擾能力，本文針對前述帶有無模型自適應(yīng)外環(huán)補償?shù)母倪M型工件臺魯棒滑?？刂品椒ㄌ岢隽艘环N基于推力波動和系統(tǒng)逆模型估計的改進型混合自適應(yīng)前饋控制器。理論推導(dǎo)和穩(wěn)定性分析可以保證自適應(yīng)前饋在線估計算法的收斂性和閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過在超精密直線運動氣浮試驗平臺

7、上進行的與傳統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)逆模型前饋控制方法的對比試驗，驗證了針對工件臺宏動部分提出的混合自適應(yīng)前饋控制方法在快速性和魯棒性方面的優(yōu)越性。
　　其次，針對問題二，為了解決在傳統(tǒng)工件臺控制方式中存在的解耦不徹底和未建模耦合特性的問題，本文首先針對工件臺宏動部分提出了一種三自由度拉格朗日耦合模型。與傳統(tǒng)的工件臺宏動部分 SISO解耦模型相比，該模型充分考慮了在傳統(tǒng)方式中為了實現(xiàn)對角解耦而忽略的由 X向?qū)к壠D(zhuǎn)所引起的X、Y方向推力及運動耦

8、合問題。并在此模型的基礎(chǔ)上，針對系統(tǒng)在測量噪聲條件下的狀態(tài)估計問題以及前述解耦不徹底問題提出了一種基于滑模狀態(tài)觀測器的MIMO模糊滑?？刂品椒?。該方法的主要特點是可以通過滑模狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)的不可測狀態(tài)進行準確估計并可以利用模糊邏輯減輕滑模的抖振效應(yīng)。
　　針對在工件臺微動部分傳統(tǒng)控制方式中并未充分考慮水平方向步進掃描運動與豎直方向調(diào)平調(diào)焦運動之間存在的未建模耦合效應(yīng)問題，本文提出了一種工件臺微動部分六自由度耦合模型，此模型可以更

9、加準確地描述微動部分六個自由度之間的復(fù)雜推力及運動耦合關(guān)系?；诖笋詈夏Ｐ停疚奶岢隽艘环N改進型工件臺微動部分MIMO魯棒模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑?？刂撇呗?，該策略可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對工件臺微動部分系統(tǒng)中存在的耦合效應(yīng)、擾動和不確定性等因素進行實時在線估計并可以通過模糊邏輯有效地改善滑模控制的抖振效應(yīng)從而進一步提高閉環(huán)控制系統(tǒng)的魯棒性。仿真實驗驗證了所提出的工件臺宏動和微動部分耦合建模方法及相應(yīng)的MIMO滑?？刂品椒ㄔ诠ぜ_掃描運動控制中的可行性和