硅片檢測運動臺系統(tǒng)設(shè)計與動態(tài)特性研究.pdf

1、作為硅片檢測系統(tǒng)的運動定位載體，精密運動臺是實現(xiàn)硅片檢測的關(guān)鍵設(shè)備。隨著硅片尺寸日趨擴大和特征尺寸的不斷縮小，對精密運動臺及其核心部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和動態(tài)特性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如何提高精密運動臺系統(tǒng)運動精度和檢測效率成為目前業(yè)界亟待突破的瓶頸之一。本文面向國家重大工程需求，依托國家相關(guān)重大科研項目，從硅片檢測運動臺總體方案與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計、運動臺系統(tǒng)及其核心部件動態(tài)特性分析與優(yōu)化、樣機動態(tài)性能測試與試驗驗證等方面展開深入研究，為高性能硅片檢測

2、運動臺的研制提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。
　　針對硅片只能背面吸附進(jìn)行換片的特殊要求，設(shè)計了無凹槽真空承片臺相對于中間支架垂向升降并吸/針對硅片表面螺旋線軌跡高效高放硅片的自主換片新結(jié)構(gòu)構(gòu)型。精掃描需求，導(dǎo)軌支承的水平運動機構(gòu)。針對設(shè)計了氣浮支承的旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)和直線電磁驅(qū)動與氣缸掃描階段的亞微米級精密定位和換片階段的大行程運動需求，設(shè)計了平衡機構(gòu)基于上述技術(shù)，設(shè)計了一種氣浮支承與滾珠導(dǎo)軌并存、并聯(lián)的垂向運動機構(gòu)。電磁驅(qū)動與氣缸平衡機構(gòu)

3、并聯(lián)的新型多自由度精密運動臺。
　　在核心部件氣浮轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為抑制氣浮轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)中存在的動不平衡擾動，通過理論建模--仿真分析--實驗研究相結(jié)合的方法，研究了動不平衡對氣浮轉(zhuǎn)臺動態(tài)特性和氣膜厚度的影響規(guī)律，為氣浮轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。建立了空氣靜壓止推軸承和徑向回轉(zhuǎn)軸承的動力學(xué)模型，針對動網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)計算時存在網(wǎng)格扭曲的問題，開發(fā)了一種徑向軸承瞬時流態(tài)網(wǎng)格更新方法。研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)對氣浮軸承動剛度的影響規(guī)律，揭

4、示了氣浮支承動剛度對氣膜擾動頻率、軸承回轉(zhuǎn)速度最為敏感的特點。搭建了徑推聯(lián)合的空氣靜壓軸承動剛度試驗平臺，試驗結(jié)果表明氣浮支承動剛度隨氣膜擾動頻率、軸承回轉(zhuǎn)速度的提高而顯著增大，且仿真與試驗結(jié)果趨勢一致，且誤差小于10％。因此，在氣浮轉(zhuǎn)臺設(shè)計時，設(shè)計氣浮轉(zhuǎn)臺在具有最佳氣膜剛度的同時，應(yīng)充分考慮氣膜的擠壓效應(yīng)對動剛度特性的影響。
　　針對具有固、氣、磁相互作用的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的精密運動臺系統(tǒng)，提出了一種子結(jié)構(gòu)等效與簡化的系統(tǒng)多體動力學(xué)

5、建模方法。研究了動不平衡和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速對氣浮轉(zhuǎn)臺軸心軌跡的影響規(guī)律，并搭建實驗平臺對其關(guān)鍵動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行辨識。根據(jù)多體動力學(xué)理論,建立了硅片檢測運動臺的多自由度振動模型。通過仿真分析和實驗研究相結(jié)合的方法，分析了硅片檢測運動臺的固有振動特性。實驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果之間在工作頻域內(nèi)誤差小于10%，驗證了建模方法和動力學(xué)模型的正確性，為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運動控制設(shè)計提供了依據(jù)。
　　研制了硅片檢測運動臺原理樣機，開展了原理樣機的機電聯(lián)合仿真分

6、析和動態(tài)特性測試。實驗結(jié)果表明，施加復(fù)合控制方法后，水平運動機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)和垂向運動機構(gòu)的定位精度分別達(dá)到±2μm、±2arcsec和±0.4μm；通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后的氣浮轉(zhuǎn)臺，最高轉(zhuǎn)速從原始設(shè)計值300rpm提高到了900rpm。測試結(jié)果表明硅片檢測運動臺達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)要求，且檢測效率提高了2倍。
　　本文的成果為精密氣浮轉(zhuǎn)臺和精密運動臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計和動力學(xué)分析提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，對精密氣浮轉(zhuǎn)臺和多自由度精密運動臺的研