硅片檢測運動臺系統(tǒng)設計與動態(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)硅片檢測的關鍵設備。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構設計和動態(tài)特性提出了嚴峻的挑戰(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，依托國家相關重大科研項目，從硅片檢測運動臺總體方案與結構創(chuàng)新設計、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)和技術支持。
　　針對硅片只能背面吸附進行換片的特殊要求，設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構構型。精掃描需求，導軌支承的水平運動機構。針對設計了氣浮支承的旋轉運動機構和直線電磁驅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，設計了平衡機構基于上述技術，設計了一種氣浮支承與滾珠導軌并存、并聯(lián)的垂向運動機構。電磁驅動與氣缸平衡機構

3、并聯(lián)的新型多自由度精密運動臺。
　　在核心部件氣浮轉臺結構設計中，為抑制氣浮轉臺系統(tǒng)中存在的動不平衡擾動，通過理論建模--仿真分析--實驗研究相結合的方法，研究了動不平衡對氣浮轉臺動態(tài)特性和氣膜厚度的影響規(guī)律，為氣浮轉臺的結構設計提供了理論指導。建立了空氣靜壓止推軸承和徑向回轉軸承的動力學模型，針對動網(wǎng)格旋轉計算時存在網(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。研究了不同結構參數(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，試驗結果表明氣浮支承動剛度隨氣膜擾動頻率、軸承回轉速度的提高而顯著增大，且仿真與試驗結果趨勢一致，且誤差小于10％。因此，在氣浮轉臺設計時，設計氣浮轉臺在具有最佳氣膜剛度的同時，應充分考慮氣膜的擠壓效應對動剛度特性的影響。
　　針對具有固、氣、磁相互作用的復雜結構特征的精密運動臺系統(tǒng)，提出了一種子結構等效與簡化的系統(tǒng)多體動力學

5、建模方法。研究了動不平衡和旋轉轉速對氣浮轉臺軸心軌跡的影響規(guī)律，并搭建實驗平臺對其關鍵動力學參數(shù)進行辨識。根據(jù)多體動力學理論,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合的方法，分析了硅片檢測運動臺的固有振動特性。實驗結果與仿真計算結果之間在工作頻域內誤差小于10%，驗證了建模方法和動力學模型的正確性，為后續(xù)結構優(yōu)化和運動控制設計提供了依據(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。實驗結果表明，施加復合控制方法后，水平運動機構、旋轉運動機構和垂向運動機構的定位精度分別達到±2μm、±2arcsec和±0.4μm；通過結構優(yōu)化設計后的氣浮轉臺，最高轉速從原始設計值300rpm提高到了900rpm。測試結果表明硅片檢測運動臺達到了預期的技術要求，且檢測效率提高了2倍。
　　本文的成果為精密氣浮轉臺和精密運動臺的結構設計和動力學分析提供了理論基礎和技術支持，對精密氣浮轉臺和多自由度精密運動臺的研