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

1、作為硅片檢測系統(tǒng)的運(yùn)動定位載體，精密運(yùn)動臺是實(shí)現(xiàn)硅片檢測的關(guān)鍵設(shè)備。隨著硅片尺寸日趨擴(kuò)大和特征尺寸的不斷縮小，對精密運(yùn)動臺及其核心部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動態(tài)特性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如何提高精密運(yùn)動臺系統(tǒng)運(yùn)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(xiàng)目，從硅片檢測運(yùn)動臺總體方案與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、運(yùn)動臺系統(tǒng)及其核心部件動態(tài)特性分析與優(yōu)化、樣機(jī)動態(tài)性能測試與試驗(yàn)驗(yàn)證等方面展開深入研究，為高性能硅片檢測

2、運(yùn)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(jì)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(yùn)動機(jī)構(gòu)。針對設(shè)計(jì)了氣浮支承的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)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(yùn)動需求，設(shè)計(jì)了平衡機(jī)構(gòu)基于上述技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種氣浮支承與滾珠導(dǎo)軌并存、并聯(lián)的垂向運(yùn)動機(jī)構(gòu)。電磁驅(qū)動與氣缸平衡機(jī)構(gòu)

3、并聯(lián)的新型多自由度精密運(yùn)動臺。
　　在核心部件氣浮轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)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(diǎn)。搭建了徑推聯(lián)合的空氣靜壓軸承動剛度試驗(yàn)平臺，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果趨勢一致，且誤差小于10％。因此，在氣浮轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(yùn)動臺的多自由度振動模型。通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，分析了硅片檢測運(yùn)動臺的固有振動特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果之間在工作頻域內(nèi)誤差小于10%，驗(yàn)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(yùn)動控制設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
　　研制了硅片檢測運(yùn)動臺原理樣機(jī)，開展了原理樣機(jī)的機(jī)電聯(lián)合仿真分

6、析和動態(tài)特性測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，施加復(fù)合控制方法后，水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)和垂向運(yùn)動機(jī)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(jì)后的氣浮轉(zhuǎn)臺，最高轉(zhuǎn)速從原始設(shè)計(jì)值300rpm提高到了900rpm。測試結(jié)果表明硅片檢測運(yùn)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(yùn)動臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)動臺的研