（机械工程专业论文）磁悬浮精密定位工作台机电一体化cadcae集成研究.pdf

摘要摘要本文综述了微电子制造设备发展趋势及其精密工作台如光刻机工作台的国内外发展现状及磁悬浮技术研究进展，简要介绍了光刻机工作台主要功能、技术指标要求、组成及关键技术，概述了磁悬浮技术及直线电机驱动的工作原理，着重研究用机电一体化c a d c a e 集成技术设计、分析磁悬浮精密定位工作台的方法，阐明了应用c a d c a e 技术研制磁悬浮精密定位工作台的现实意义。将磁悬浮技术和直线驱动技术相结合，采用c a d t c a e 技术手段设计研究了一种新型磁悬浮精密定位工作台，它是针对微电子行业i c 芯片制造设备如光刻机而研制的快速步进、精密定位机构，是创新性研究。利用磁悬浮技术将工作台悬浮在倒f 导轨上，消除了导轨的摩擦和磨损：直线电机无接触驱动实现了工作台的精密定位。采用c a d c a m c a e 软件u g n x l 0 对光刻机六维磁悬浮定位工件台进行三维屏幕样机概念设计，结构布局合理。为了对磁悬浮定位工作台的工作原理、性能进行深入研究，从基础作起，本文主要对磁悬浮定位平台原理样机进行了机电一体化c a d c a e 研究，进行了原理样机的虚拟样机设计，机构运动分析仿真和干涉检查，将三维转成二维，进行c a d 详图设计，并在c a d 结构设计基础上，进行了电磁场分析、有限元力学分析、原理样机制作和实验测试。本文对磁悬浮定位平台进行了电磁场分析，推导出磁悬浮系统不计漏磁的简单磁路、磁力计算公式和原理样机所采用的开磁路直流直线电机推力及磁通密度计算公式，为设计、分析及控锘8 提供参考。由于存在漏磁，用公式的解析法计算有很大的误差，因此本文采用有限元法( f e m ) 来计算磁悬浮系统磁场分布，从而计算磁力，通过用a n s y s 7 1 软件进行有限元电磁场分析计算，得到平台稳定悬浮时电磁线圈所需电流、悬浮气隙等控制参数，由于设计的磁悬浮系统为非轴对称结构，采用2 d 磁场分析有一定的误差，而采用3 d 电磁场分析更接近实际。结合磁悬浮控制试验，验证本文建立的有限元模型正确性及3 d 电磁场分析模拟的准确性。在a n s y s 软件进行电磁场分析的基础上，将磁力计算结果调入c a e 软件m s cp a t r a n n a s t r a n 中，磁力计算与结构力学耦合计算，有效地进行磁悬浮工作台静力学分析和动力学分析，合理地评价了磁悬浮移动平台的性能。分析结果表明，磁悬中国科学院博士学位论文：磁悬浮精密定位工作台机电一体化c a d c a e 集成研究i i浮移动平台在稳定悬浮状态下具有较高的动态刚度。进行了磁悬浮原理样机的模态试验，通过有限元分析和试验结果比较，证明了本文所建立的磁悬浮定位平台有限元模型是合理的，提出的评价方法和分析结果是正确的。通过有限元分析与原理样机试验，找出了薄弱环节，对结构进行改进和优化设计。本文提出的机电一体化c a d c a e 集成设计分析方法，对解决精密快速步进定位等关键技术问题，缩短磁悬浮工作台研制周期，降低成本，起到了非常重要的作用。而且，该研究为机电产品设计尤其磁悬浮产品或直线电机设计提供了一种新的思路。关键词：计算机辅助设计及工程分析；磁悬浮；直线电机；光刻机；定位平台；有限元法；电磁场分析；结构力学分析：模态分析；模态试验；原理样机；机电一体化h摘要a b s t r a c ti nt h i sp a p e r t h ed e v e l o p m e n tt r e n do fm i c r o e l e c t r o n i c se q u i p m e n t ，t h ep r o g r e s ss i t u a t i o no fp r e c i s i o nw o r ks t a g ef o rl a s e rp h o t o l i t h o g r a p h ye q u i p m e n ta n dt h er e s e a r c ha n de v o l u t i o no fm a g n e t i cl e v i t a t i o nt e c h n o l o g yi nc h i n aa n do t h e rc o u n t r i e sa r ed i s c u s s e dg e n e r a l l y t h em a i nf u n c t i o n ，t h ed e m a n do ft e c t h l i c a i n d e xa n dk e yt e c h n o l o g yo fl a s e rp h o t o l i t h o g r a p h yw o r ks t a g ea r ei n t r o d u c e ds i m p l y t h em a g n e t i cl e v i t a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ew o r kp r i n c i p i eo fl i n e a rm o t o ra r es t a t e d a n dt h ed e s i g na n da n a l y s i sm e t l l o do fm e c b a t r o n i c sc a d c a ef o rm a g n e t i cl e v i t a t i o np r e c i s i o ns t a g ei sp r e s e n t e d ，m o r e o v e r ，p r a c t i c a ls i g n f f i e a n c eo fr e s e a r c ho nn e wm a g n e t i cl e v i t a t i o np r e c i s i o np o s i t i o n i n gs t a g ew i t hc d | c a em e t h o di st l l u m i n a t e d c o m b i n i n gm a g n e t i cl e v i t a t i o nt e c h n o l o g ya n dl i n e a rm o t o rd r i v et e c h n o l o g y , a p p l y i n gc a d c a em e t h o d , an e wm a g n e t i cl e v i t a t i o np r e c i s es t a g ei sd e s i g n e da n dr e s e a r c h e d w h i c hi ss t e pa n dp r e c i s ep o s i t i o nm e c h a n i s mj ni cc h i pm a n u f a c t u r ee q u i p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st r a d es u c ka sl a s e r9 h o t o t i 血o g r a p h ye q u i p m e n t 。i ti sa r ti n n o v a t i v er e s e a r c h a p p l y i n gm a g n e t i cl e v i t a t i o nt e c h n o l o g y , t h es t a g ei ss u s p e n d e do nt h et r a i lo fi n v e r s e f 。t h u st h ew e a ra n dt e a ri se l i m i n a t e d 1 i n e a rm o t o rn o n - c o n t a c td r i v em a k e sp r e c i s ep o s i t i o no f s t a g e b ym e a n so fu g n x l 0 w h i c hi sc a d c a m c a es o f t w a r e t h ev i r t u a ip r o t o t y eo f s i x - d i m e n s i o nm a g n e t i cl e v i t a t i o np o s i t i o ns t a g ei sd e s i g n e dc o n c e p t u a l l y ，a n dt h es t r u c t u r ei sl o 西c a l i no r d e rt or e s e a r c hw o r kp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c ef o rm a g n e t i cl e v i t a f i o np r e c i s ep o s i t i o ns t a g e ，t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h ep r i n c i p l ep r o t o t y p eo ft h es t a g et h r o u g hm e c h a t r o n i c sc a d f c a e 。1 h e3 ds o l i dm o d e l so ft h ep f i n c i p l ep r o t o t y p ew e r eb u i l t 、t h em e c h a n i s ms i m u l a t i o na n di n t e r f e r e n l i a lc h e c k sw e r ed o n eb yu s i n gu g n x l 。0s o f t w a r e b yt r a n s l a t i n gt h r e e - d i m e n s i o ni n t ot w o d i m e n s i o na n dd r a f t i n g t h e2 dd r a w sw e r eg o t o nt h eb a s i so fc a ds t r u c t u r ed e s i g n e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i sa n ds t r u c t u r ea n a l y s i sa r ed o n eb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t h e nap r i n c i p l es a m p l em a c h i n ei sm a u f a c t e d ，f i n a l l yt h et e s ta n de x p e r i m e n t a t i o na r ed o n e b ym a g n e t i cf 沁l da n a l y s i sf o rt h es t a g e ，t h r e ef o r m u l a sr e a c h e d ：o n ei sm a g n e t i cr o a c tm a g n e t i cf o r c ec a l c u l a t i o n a lf o r m u l ao fm a g n e t i cl e v i t a t i o ns y s t e mt h a te x c e p tf l u xl e a k a g e ，t h es e c o n di sm a g n e t i cd r i v i n gf o r o ec a l c u l a t i o n a f o r m u l af o ro p e nm a g n e t i cr o a dd c1 i n e a rm o t o r , t h et h i r di sm a g n e t i cf l u xd e n s i t yc a c u l a t i o n a lf o r m t t l af o rd c1 i n e a rm o t o rt h e s ef o r m u l a sm a k er e f e r e n c ef o rd e s i g n ，a n a l y s i sa n dc o n t r 0 1 h o w e v e rf l u xl e a k a g ei sr e a l l ye x i s t , c a l c u l a t i o nt h r o u g hf o r m u l a ra n a l y t i cm e t h o dh a sm o r ee r r o r , s oe l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i si sm a d eb yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d f f e m ) i na n s y s 7 1 m u l t i p h y s i c sa n da n s y s e m a gp r o g r a m s t y p i c a lq u a n t i t i e so fi n t e r e s ti nam a g n e t i ca n a l y s i sa r ea v a i l a b l es u c ha sm a g n e t i cf l u xd e n s i 吼m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y ,m a g n e t i cf o i c e s ，p o w e r1 0 s sa n df i u xl e a k a g ei nt h es y s t e mo fm a g n e t i c1 e v i t a t i o n t h e ng a i nt h ec u r r e n ti nt h ec o i lw h i c hc o n t r o ll e v i t a t i o ng a pw h e nt h es t a g ei ss t a b l e c o n s i d e r i n gt h a tt h em a g n e t i cl e v i t a f i o ns y s t e mi sn o ta x i a s y m m e t r ys t r u c t u r e t h e2 de l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i sh a se n | o r ls o3 de l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i si sab i tc l o s et or e a l i t y a tl a s t , c o m b i n i n gw i t hm a g n e t i cl e v i t a t i o nc o n t r o it e s t ，t h ev a l i d i t yo ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li nt h i sp a p e ra n da c c u m c yo fs i r e u l a f i o no f3 de l e c t r o m a g n e t i cf i e l dma n a l y s i sa r ev a l i d a t e d o nt h eb a s i so f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i sw i t ha n s y s 7 1 t h er e s u l to f m a g n e t i cf o r c ec a l c u l a t i o ni si n t r o d u c e dt ot h es o f t w a r eo fm s cp a t r a n 肘a s t ra n ，a n dt h ea n a l y s i so fs t a t i c sa n dd y n a m i c sf o rm a g n e t i cl e v i t a t i o ns t a ga r ee f f e c t i v e l yc a r r i e do u tt h r o u g hc o u p l i n gt h em a g n e t i cf o r c ew i t hs t r u c t u r ef o r c e a n dt h e nt h ed y n a m i cc h a r a c t e ro fm a g n e t i cl e v i t a t i o ns t a g ea r el o g i c a l l ye v a l u a t e d n l er e s u l t so fa n a l y s i ss h o wt h a tm a g n e t i c1 e v i t a t i o ns t a g eh a sp r e f e r a b l ed y n a m i cs t i f f n e s s a f t e rm o d a lt e s tf o rm a g n e t i cl e v i t a t i o np r i n c i p l es a m p l em a c h i n e ，t h r o u g hc o m p a r i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h er e s u l to ft e s t i ti st e s t f l e dt h a tt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e io fm a g n e t i ci e v i t a t i o np o s i t i o ns t a g ei sr e a s o n a b l ea n dt h ee s t i m a t em e t h o da n da n a l y s i sr e s u l ta l ea c c u r a t et h r o l i 曲f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dp r l n c i p i es a m p l em a c h i n et e s t ，t h ew e a k n e s sp o i n t sa r ef o u n do u t ，a n dt h e nt h es t r u c t u r ei si m p r o v e d t h ei n t e g r a t i o na n a l y s i sd e s i g nm e t h o do fm e c h o n i c sc a d c a ep r e s e n ti nt h i sp a p e rp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ns h o r t e n i n gt h ep e r i o do fd e s i g na n dm a n u f a c t u r ef o rt h es t a g e ，r e d u c i n gt h ec o s ta n ds e t t l i n gt h ek e yt e c h n o l o g ys u c ha sp r e c i s es t e pp o s i t i o n f u r t h e r m o r e ，t h i sr e s e a r c hp r o v i d e san e wm e t h o df o rt h ed e s i g no fm e c h a t r o n i c sp r o d u c te s p e c i a l l ym a g n e t i cl e v i t a t i o np r o d u c ta n dl i n e a rm o t o r k e yw o r d s ：c a d c a e ，m a g n e t i cl e v i t a t i o n ，l i n e a rm o t o r ，l a s e rp h o t o l i t h o g r a p h ye q u i p m e n t ，p o s i t i o ns t a g e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i s ，s t r u c t u r em e c h a n i c sa n a l y s i s ，m o d a l a n a l y s i s ，m o d a lt e s t ，p r i n c i p l es a m p l em a c h i n e ，m e c h a t r o n i c s i v未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用( 但纯学术性使用不在此限) 。否则，应承担侵权的法律责任。第一章绪论!苎!iif lui 二第一章绪论1 1 弓l 言现代制造技术正朝着高速化、精密化和模块他方向发展，信息等高新技术制造业不仅对加工设备性能如定位的精度和速度提出了越来越高的要求，而且对生产制作环境同样提出j 越来越严格的要求，如光电子器件、半导体芯片等微电子产品均要求在超洁净环境下完成加工制作。在微电子封装设备如共晶粘片机、全自动金丝球焊机和i c 芯片制作设备如光刻机中，往往需要快速而十分精确的定位和非常精细的运动，因此需要高性能的超精密工作台作为其技术支持l m j 。长期以来，这类工作台多数都采用旋转伺服电机驱动和精密滚珠丝杠传动的传统方案。由于从电机到移动工作台之间存在联轴节、丝杠、螺母、轴承等诸多中间环节，不仅加大了定位机构的惯性质量，影响了响应频率；而且由于中间环节产生的弹性变形、摩擦、联结间隙以及反向间隙等，会造成定位进给运动的滞后和非线性误差，降低定位精度。另外，丝杠是细长杼，在力和热的作用下，会产生变形，影响加工精度。为克服以上缺点，提高定位速度和精度，2 0 世纪9 0 年代以后，运用直线电机驱动的定位工作台出现在精密数控机床和加工中心上。直线电机的应用取消了源动力和工作台部件之间的所有中间传动联结环节，实现了机构的直接驱动，亦即人们常说的零传动，具有传统定位工作台无法比拟的优点【6 j 。但其可提供的推力较小、要求移动部件质量轻微。此特点正适合于微电子、i t 等制造业设备，近年来在该领域得到极为迅速的推广应用。无论是滚珠丝杠还是直线电机定位工作台，导轨副、滚珠丝杠副之问的摩擦力及其特性变化等都是影响工作台定位精度的主要因素之一。对于直线电机定位工作台其影响尤甚。而且由于摩擦产生粉尘污染、引起磨损等原因，这些定位工作台已经不能完全满足微电子、i t 等行业产品超洁净制作环境的要求。为了克服或消除摩擦力的负面作用，国内外已经深入研究并积极引用气悬浮支撑技术。它克服了摩擦、磨损，有很大的优越性，但其最大的缺点是刚度小，承载能力低。中国科学院博士学位论文：磁悬浮精密定位工作台机电一体化c a d c a e 集成研究随着磁悬浮列车的出现以及磁悬浮轴承在超高速旋转工业机器和航空陀螺仪上的推广应用，磁悬浮技术日渐倍受重视。磁悬浮技术属高新技术，应用于皋4 造业，对传统枧械产品向枫电体化产品转变发挥着巨大的作用，如磁悬浮轴承、磁悬浮导轨、磁悬浮电机以及磁悬浮机床主轴等，磁悬浮技术在这些产品中的应用显著提高了产品的性能，促进产品的自动化和柔性化。在微电子设备中，如能开发出一种集磁悬浮和线性驱动技术为一体的磁悬浮进给机构，取代现有的传统和气浮进给机构，无疑对微电子设备的加工精度、加工环境、加工效率将得到很大的改善。目前，磁悬浮技术、直线驱动技术及c a d c a e 技术都是成熟技术。通过专利查新，应用c a d c a e技术将磁悬浮和直线驱动技术完整地结合在一起研究的新型精密工作台并将其应用到微电子信息产品加工制造领域的相关报道尚未发现，亦未见国内外进行此项研究的相关报道。传统产品开发模式的主要缺点在于不能在产品的开发设计阶段对其生命周期全过程中的各种因素考虑周全，致使在产品设计甚至制造出来后才发现各式各样的毛病，以至于不得不去修改产品的最初设计，从而延长了开发周期，增加了成本，最终丧失了商机。为此，采用c a d c a e 技术及支持产品开发全过程的数字化、并行化、智能化、集成化的现代设计方法，充分利用各静计算机辅助工具，并有效地考虑产品研发的全过程，从面解决关键技术问题，缩短产品开发周期，降低成本，提高质量，研发出满足用户需要的产品，使企业在市场竞争中立于不败之地。1 2 本文题目来源及研究意义1 2 1 题目来源本文题目来源于2 0 0 2 年度吉林省自然科学基金项目微电子制造设备中磁悬浮超精密平台的研究( 项目编号2 0 0 2 0 6 2 1 ) 及2 0 0 2 年度中国科学院研究生科学与社会实践创新研究类专项基金。我主要从事微电子制造设备中磁悬浮超精密定位平台的机电一体化c a d c a e 集成技术的研究。i 2 2 研究的意义目前，电子信息产业已成为带动世界经济增长的战略性产业，而以集成电路为主体的微电子制造业是信息产业的核心和基础。其技术水平高低2竺苎! 苎! ! 竺! ! i 。! i i ! ! ! ! 暑竺! 竺! 苎!和产业规模大小已经成为衡量一个国家微电子工业发展及综合国力的重要标志。微电子技术的核心是集成电路，集成电路( i c ) 的发展又必须以半导体专用设备为其主要支撑条件。随着硅片直径的不断增大，集成度的不断提高，图形线宽不断缩小，对其加工制作设备要求则是更精密、更高速、更智能化，涉及到当代高新技术中的许多关键技术，在整个i c 生产过程中，光刻设备占据着统治地位。从1 9 7 5 年世界上第一台光刻机诞生以来，光刻机及光刻技术的发展可谓日新月异，突飞猛进。在美、目、欧等技术发达国家，i c 芯片生产使用的光刻机已经做到特征尺寸为0 1 8 加1 3 1 a m 线宽，特征尺寸0 ，i 线宽的光刻机已经进入试生产阶段，并将在2 0 0 4 年投入规模生产【l d 。而我国自行研制的光刻机仅能实现特征尺寸为0 7 0 8 r m a 的线宽【3 ) 。为了发展我国的光刻机，使光刻技术达到国际先进水平，我们要重点进行0 1p 的1 6 g bd r m 器件的光刻技术及光刻机的研究与开发。力争在该技术节点上实现突破，缩小与国际先进水平有差距，使我国不仅发展成为i c 生产大国，而且成为i c 制造强国。工件台和掩模台是光刻机中极其重要的关键部件，必须具有快速步进、精密定位、精确逐场调平调焦和同步扫描的功能和特点。其同步精度和定位精度决定着光刻机的套刻精度，并最终决定了光刻机所能实现的光刻特征线宽尺寸。对于线宽0 ，1 8 j a m 激光光刻机，工件台，掩模台应满足定位精度：o 0 2 邮1 ；转角精度：o 3 0u m d ：调焦精度：o ，1 “m 。对于i c 芯片制造设冬中的定位工作台，传统的机械定位方式是剐性接触支撑和“旋转电机+ 滚珠丝杠”驱动方式定位。这种定位方式存在着很大的弊病，不仅产生摩擦、磨损、金属粉尘，影响微电子产品质量，而且驱动件的质量惯性和连接间隙降低了设备的定位精度和嗨应频率。近年来研制的光刻机，大都采用气浮支撑定位方式，虽然消除了摩擦，但结构庞大复杂，支撑刚度小，承载能力和抗冲击能力降低，亦限制定位精度的提高7 1 。磁悬浮超精密定位平台是针对徽电子行业高精度的i c 芯片制造设备如光刻机中工件台、掩模台的高速、高精度定位及超洁净环境加工而研制的一种新型快速步进、精密定位机构。本项研究变传统的进给方式“旋转电机+滚珠丝杠”驱动为直线电机驱动，此驱动方式无机械接触，传动力是在气隙3主里型兰生堡圭兰笙兰圣釜鍪垄茎茎耋童堡三堡垒堡星三篁些耋篓圣至圣耋i ；i ；童!中产生，无摩擦、磨损，且取消了从电动机到工作台之间的一切中间环节，实现了“零传动”，具有进给速度高、加速度大、启动推力大、刚度和定位精度高、行程长度不受限制等优点，与磁悬浮平台配合，能够实现机构的无接触支撑和导向，应用精密机械、电磁学、数字及伺服控制等机电一体化技术，并采用c a d c a e 技术手段进行设计，可以实现高精度快速定位，且充分满足超洁净加工环境的要求，对提高我国微电子制造业的水平具有积极的现实意义。1 3 国内外精密工作台及磁悬浮技术研究进展随着光刻机整体性能的不断提高，作为光刻机关键部件之一的工件台技术也在快速发展，下面分别介绍国内外超精密工作台技术现状和磁悬浮技术研究进展1 3 1 国外技术现状在国外，国际上各大光刻机生产厂家针对超精密工件台的技术难点，投入了大量人力物力进行攻关和不断改进，在各方面都取有明显的进步。( 1 ) 超精密快速步进定位技术为r 解决快速步进和精密定位的矛盾，国际上主要有两种技术路线：丝杠驱动结构和气浮工件台结构。日本日立( b i t a c h i ) 公司研制出了一种精密x y工件台，是采用粗动台和微动台的双层台结构( 如图l 一1 所示) ：粗动台采用p t f e 滑动轴承导向的独特轻型机械结构，工件台仅在x - y 方向作平面运动，x轴和y 轴驱动机构均包括d c 伺服电机和滚珠丝杠，粗动台具有1 2 0m m 1 2 0m m 行程，最高速度达到1 0 0 咖s ，定位精度为5 “m ；微动台由三个压电陶瓷驱动器进行驱动( 如图卜2 所示) ，沿x 、y 和e 轴作精密运动以校正粗动台x 、y 轴的定位误差以及扭摆误差，微动台的行程为8g m ，可作1 6 0g r a d 的旋转；工件台的定位是通过三维激光干涉测量系统进行闭环伺服控制。根据目立公司1 9 8 8 年的报道，该精密x - y 工件台达到了0 0 5 岬的定位精度，小于1g r a d 的扭摆误差，1 0h i m 的步进时间为2 0 0m s ，4第一章绪论图i - i 双层台机械结构定位平台图i - i 双层台机械结构围卜2 压电陶瓷驱动器的x y o 运动该报道同时指出0 0 5 “m 的定位精度主要是受到激光干涉仪测量分辨力的限制t 如果采用更精密的测量系统，可以进一步改善定位精度。荷兰飞利浦公司是采用气浮工件台结构( 如图卜3 研示) ，并利用真线电机进行驱动，由于采用三轴激光干涉仪，其优点是x 、y 不需要高精度导轨，可以实现轻质量、高速度、精确定位。图卜3 气浮工件台结构( 2 ) 磁悬浮技术磁悬浮技术的研究开始于二十世纪二十年代。但大规模研究和应用却是从六、七十年代开始的，并主要着重在铁路交通运输应用方面以及磁悬浮轴承系统研究方面。在悬浮系统的稳定性研究与控制等基础理论方面进行了大量的富有成效的工作。并在相关的工业领域得到应用，如磁浮列车、磁轴承支承的透平机械、磁轴承支承的飞轮储能系统等。近几年来，随着磁悬浮技术研究的曰益加深和成果的日渐成熟，磁悬浮技术已经在众多高科技领域与相应的加工领域得到广泛的应用，提升了相关领域的技术水准。如磁悬浮技术应用于机床加工可降低机床的单位动力消耗，消除机床导轨摩擦磨损，提高了机床加工精度，延长使用寿命，减少维修费用，并实现微米及亚微米级的定位精度：应用于扫描隧道显微镜中最高能达到纳米级的定位精度耻”】。综合起来，磁悬浮技术具有以下显著的特殊性能：无接触、无润滑、无磨损，运行费用和维修费用低，工作寿命长，适用于真空、超洁净、无菌车间等环境1 1 8 j ；磁悬浮机构的动态性能主要取决于所采用的控制规律，控制精度取决于控制环节中信号的测量精度如传感器的分辨率；作为磁悬浮技术应用实例的磁轴承，允许转子高速旋转，其转速只受材料强度的限制，速度的提高为设计具有全新结构的大功率机器提供了可能性。正因为磁悬浮技术诸多卓越的优点，加之现代光刻正需要无尘超洁净制作环6第一苹绪论i i境，国外很多公司和机构均在进行磁悬浮技术应用研究，出巨资联合研制开发磁悬浮结构的新一代定位平台。1 9 9 7 年由美国i n t e l 、a m d 、m i c r o n 、m o t o r o l a 、s v g l 、u s a l 等公司以及荷兰a s m l 公司共同研发的波长为1 3 n m 的极紫外( e u v ) 光刻机样机上，就采用了无摩擦的磁悬浮定位平台，定位精度达到n m等级。在日本，n i k o n 、c a n o n 和m c 公司也正在共同研究磁悬浮定位平台 1 9 - 2 0 j 。图l 4 是美国i n t e g r a t e ds o l u t i o n si n c 研制的磁悬浮精密平台总体简图，应用于极紫外光刻机( e u v l ) 上。它以气浮平台作为粗动台，以磁悬浮平台为微动台。因为平台移动定位过程中没有任何机械接触。所以特别适用于超洁净室工作环境。其中磁悬浮平台具有六个自由度，均由电磁铁块精密驱动控制，以实现微动台的x y z 三个精密微移动定位和0x8yez 三个微转动定位。气浮粗动台的移动行程为2 0 0 m m ，微动台的x y z 行程均为3 0 0pr f l ，精度误差大约是2 0 n m ：0 x0 y0z 转动范围 1 0 “f a d f f l 。图1 - 4 美国i n t e g r a t e ds o l u t i o n si n c 研制的磁悬浮精密平台日本佳能( c a n o n ) 公司研制的应用在1 3 0 n m 和l o o n m 光刻机上的磁悬浮精密定位平台如图卜5 所示。和美国i n t e g r a t e ds o l u t i o n si n c 公司的平台结构相近，磁悬浮微动台落在十字型粗动台上，同样具有六个自由度，x 方向的定位精度为2 0 n m ，y 方向的定位精度为1 5 ，6 n r a l 2 0 。圈1 5 日本佳能( c a n o n ) 公司研制的应用在1 3 0 n t o 和1 0 0 m 光刻机上的磁悬浮精密定位平台l3 2 国内技术现状在圈内，曾有清华大学、浙江大学、机电部4 5 所、机电部4 8 所、深圳丰德公司和中国科学院光电技术研究所、上海光杌所、电工研究所、长春光机所等单位进行各种类型光刻机的研制工作。在八五期间，图内研制成功了0 8 lu i l l分步投影光刻机和0 7 0 8 “mi 线投影光刻曝光系统，其中的工件台分别采用了气浮工件台和双层台结构并且都采用了三维激光干涉测量技术，达到了较高的技术水平。在九五期间，冒内方面积极跟踪圈际上最新发展动态，开展了x射线光刻同步扫描技术的研究扫描同步精度达到5 0r i m l 另一方面努力开拓国内光刻机应用市场，研制成功了多种实用的掩模一样片平台。下面介绍0 8 l 微米分步投影光刻机工件台和0 7 0 8 微米i 线投影光刻曝光系统工件台。( 1 ) 0 。8 l 啪分步投影光刻机工件台0 8 l 归分步投影先刻机采用的高速三维激光干涉涮量定位气浮工件台( 如图l 一6 所示) ，解决了无水无油无尘的高性能气源系统及气浮、x y ，y 。三维激光干涉测量、三维直线电机驱动及商速运动精密重复定位伺服控制等关键技术，主要技术指标达到t 行程1 4 0 砌x1 4 0 眦，重复定位精度0 1 2g m ，运动速度1 1 0m m s 。自动调焦调平系统解决了气动整场精密自动调平、高精度离焦误差探测光学传感器、离稳定可编程数字精密调焦闭环伺服控制等关键技术，主要技术指标第一章绪论_ _ _ i i i m mi i i i i- - _ _ _ - _ o ! ，l l _ o ! 达到：调焦范围4 0 “，调焦精度0 2 岬。图卜6 三维激光干涉测量定位气浮工件台( 2 ) 国内磁悬浮技术的研究进展中国从八十年代初开始了磁悬浮技术的基础研究，在磁悬浮列车和磁轴承领域也进行了富有成果的研究。国防科技大学、西南交通大学的学者们在电磁铁磁悬浮基础理论研究( 如动态模型的建立与控制、悬浮系统的耦合振动) 的基础上，对磁悬浮列车的悬浮电磁铁设计、磁浮力的分析计算、悬浮系统的非线性控制、列车与轨道之间的共振、悬浮导向系统、悬浮转向系统等进行了理论与试验研究，在磁悬浮列车方面的研究获得重大突破，取得累累硕果，于2 0 0 0 年8 胃研制成功的我国第一台磁悬浮列车已经进入了试运行阶段 2 1 - 3 4 1 。清华大学、西安交通大学、天津大学、武汉理工大学等在磁轴承的转子动力学特性、力耦合及力矩耦合、悬浮系统的电磁阻尼、剐度与结构参数的关系、状态反馈线性化控制、j # 线性动力学分析等方面做了大量的基础研究工作 3 5 。4 2 j 。尤其是茜安交通大学建立了润滑理论及轴承转子系统教育部开放研究实验室，在该领域发表了许多相关论文，取得了丰硕的成果。但将磁悬浮技术应用到光刻技术领域，尤其是有关磁悬浮结构定位平台的研究目前在国内尚没有相应的报道。综合国内外机械丝杠、气浮结构的定位平台，参考国外先进的磁悬浮结构，结合我国实际技术水平和生产需要，应用现代设许方法的e 柏c a 及虚拟样机计算机仿真技术，概念设计出以磁悬浮结构的平台为粗动台，以压电陶瓷驱动器平9m 中国科学院博士兰i 堡i i 姜圣；i 翼茎鋈i i 堑耋塞篓三些皇堡皇三篁些耋垡鍪兰呈茎i i ：! i 圣! 一! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! = = = = = = ! ! ! = =台为微动台的双层结构定位平台，以满足新一代超洁净的0 1 8 9 m 光刻机纳米定位精度的要求。着重研究工程应用中亟待解决的关键技术，理论分析计算与实验相结合，互为补充，优化设计。磁悬浮超精密定位平台的c a d c a e 研究属于创新性研究，在国内未见此项研究的报导，虽然可以查阅到国外相应磁悬浮结构平台的资料，但其核心技术由于受到专利法的保护以及高精尖技术出口的限制，所以磁悬浮超精密定位平台的研究需要从基础做起，首先研究磁悬浮技术和真线驱动技术，并研制出二者结合一起的磁悬浮精密定位平台原理样机，它属于0 1 8 1 t i n 光刻机粗动台，在本研究基础上以后再进行微动台及纳米定位精度工作台的研究。1 4 现代设计方法及c a d c a e 技术应用当前，制造业的首要任务是设计研究出能够满足用户需要的新产品，并以最快的速度使之上市，占领市场从而赢得市场竞争的胜利。传统产品开发模式的主要缺点在于不能在产品的开发设计阶段就对其生命周甥的全过程中的各种因素考虑周全，致使在产品设计甚至制造出来后才发现各式各样的毛病，以至于不得不修改产品的最初设计，从而延长了开发周期，增加了成本，最终丧失商机。为此，应建立一套适合我国国情，支持产品开发与生产全过程的数字化、并行化、智能化、集成化的现代设计方法与系统，充分利用各种计算机辅助工具，如c a d c a e c 删集成软件、有限元分析软件等，并有效地考虑产品开发与生产的全过程，从而缩短产品开发周期，降低成本，提高质量，研制出满足用户需要的产品，使企业在市场竞争中立于不败之地 4 3 - 4 6 】。c d c a e ( 计算机辅助设计与工程分析) 为计算机技术应用的一个非常重要的领域，其中包括三维c a d 建模技术、虚拟样机技术、有限元分析技术、最优化技术等。c a d c a e 技术被广泛应用到机械、航空航天、电子、汽车等领域，c a d e a e技术的应用不仅可以从根本上改变传统的产品设计、开发过程，突破时间、地域环境的限制，实现并行工程，而且可以提高产品质量，缩短产品研发周期。降低成本，增强市场竞争能力，其经济效益和社会效益将是非常可观和直接的 “。1 0第一章绪论1 5 本文的研究内容和研究方法1 5 1 主要研究内容：( 1 ) 光刻机中磁悬浮精密定位工作台的c a d 三维屏幕样机设计，磁悬浮精密定位平台原理样机c a d 结构设计及机构运动仿真：f 2 ) m 有限元法对磁悬浮定位平台进行电磁场分析，磁路和磁力计算及计算机仿真；( 3 ) 结构的有限元力学分析，其中包括静力学分析和动力学分析。重点是对结构具有高的动态刚度的设计进行研究；( 4 ) 对磁悬浮工作台电磁分析中磁力计算与结构力学耦合计算的新方法进行研究。重点解决的问题：( 1 ) 如何应用c a d c a e 技术来解决磁悬浮精密定位平台的结构设计，使结构具有高的动态刚度，实现快速精密定位；( 2 ) 磁悬浮系统电磁场分布及悬浮控制参数的计算和确定。( 3 ) 磁悬浮精密定位平台振动问题研究。1 5 2 研究方法：采用c a d c a e 技术对磁悬浮超精密定位工作台进行设计研究，其特点是利用世界上先进的c a d c a e c a m 软件u g 及有限元分析软件a n s y s 和m s c n a s t r a n ，对高精度高灵敏度的磁悬浮精密定位系统进行虚拟产品三维实体模型构造，对二种方案进行c a d 建模的概念设计并方案优选，在虚拟产品屏幕样机的基础上，进行机构运动分析仿真和c a e 工程分析。对磁悬浮精密定位工作台实施构造虚拟产品一综合设计评价，揭示未来产品各工况下的内在规律如精密工作台电磁场模拟仿真和悬浮及非悬浮状态特性，进行电磁场分析和结构力学分析，从而可以避免以往到加工制造与装配阶段或者到做实验测试时才能暴露出的一些隐患，并指导设计和试验，优化设计，提高了设计质量和缩短了产品研制开发的周期。( 1 ) 理论分析及数值计算中国科学院博士学位论文：磁悬浮精密定位工作台机电体化c a d c a e 集成研究a 用有限元法进行电磁场分析，进行磁路和磁力计算。以a n y s i s 7 7 1作为主要软件工具b 采用m s c n a s t r a n 软件进