摘要:围绕集成电路半导体装备的LPV动力学建模与控制、精密运动系统的建模与高精度运动控制、精密设备的主动隔振与抑振、晶圆机械手结构设计与减振、高精度传感装置研制、精密系统温度控制等方面,本专刊介绍了集成电路半导体装备系统动力学与控制领域一些研究成果.

摘要:运动系统是实现集成电路制造装备高速、高精度、强稳定性运动的核心子系统.随着集成电路制造领域对性能与生产效率要求的不断提升,集成电路制造装备运动系统应具备极高的精度、迅速的响应能力,以及优异的稳定性和鲁棒性.而集成电路制造装备运动系统存在的多自由度和刚柔耦合特性、非线性和时变动力学特性、测量噪声和参数不确定性等问题,对集成电路制造装备运动系统动力学建模与控制带来严峻挑战,线性变参数(Linear Parameter-Varying, LPV)理论为上述问题的解决提供了新方案.本文首先简要概述集成电路制造装备运动系统及其建模与控制问题,其次从建模、辨识、控制三个方面综述集成电路制造装备运动系统LPV建模与控制方法及其应用,最后对集成电路制造装备动力学建模与控制研究进行总结与展望.

摘要:微动致动器凭借其卓越的响应特性和微纳米级步长,在半导体装备领域中发挥了超精密运动的重要作用.然而,其存在的迟滞和蠕变等非线性特性显著制约了其精度和稳定性的提升.传统的建模方法存在计算成本较大,模型复杂，无法直接求得逆模型等问题.为克服上述挑战,本研究通过引入了非线性系统动力学的稀疏辨识(SINDy)算法,进一步优化模型表达式的参数适配,提升建模精度.首先,通过SINDy算法建立正交候选非线性元素数据库,然后,由稀疏回归算子结合正则化对构建的模型进行稀疏惩罚,获得简化后的包含输入与输出的模型框架表达式.在建模过程中,为了解决SINDy算法在稀疏惩罚中因精度下降导致的过拟合问题,本文基于摆线原理受启发,提出了改进惯性权重的粒子寻优算法,对SINDy模型的框架表达式进行再次参数优化.实验结果表明,经过改进的SINDy算法展现出更好的性能.与现有方法相比,本方法不仅能够降低了建模成本和模型复杂度,还能够显著提高了非线性模型的拟合精度.

摘要:晶圆传输机器人是晶圆传输过程中的重要设备,主要承担晶圆的高精度、高速、稳定传输任务.而作为直接接触晶圆的传输机械手指,很大程度上会决定着晶圆传输的可靠性.针对晶圆搬运过程中的无损高刚度要求和轻量化设计目标,本文提出了一种基于伯努利排气负压原理的超薄机械手指结构.该机械手指整体厚度5mm,装有6个吸盘,供给气体从吸盘圆筒侧面喷口高速喷出,在筒内形成旋转气流致负压,吸附晶圆,随后经机械手指与晶圆间隙释放至外界.此气流在吸盘与晶圆之间形成稳定层流,造成晶圆上下压力差,最终实现晶圆向上吸附力.仿真结果表明,晶圆吸附力与吸盘供气压力呈近似线性关系,与吸盘和晶圆的间隙遵循指数函数关系.当间隙为0.6mm时,吸附力效果达到最优.

摘要:高端制造业中对零件精度的需求逐级提高,衍生出高精度轮廓控制的需求,双轴精密运动平台由于其结构刚度高,控制频宽等优点,被广泛应用于数控设备中.本文首先基于双轴运动台的动力学模型,为解耦后的单轴系统设计了前馈反馈相结合的复合控制方法.其次基于切线逼近的轮廓误差模型,对交叉耦合控制策略的框图进行求解,获得了有无交叉耦合控制器的轮廓误差传递函数,并建立了等效反馈回路.再次,分别使用PID调试与定量反馈的方法为时变等效受控对象设计了交叉耦合控制器,并验证定量反馈交叉耦合控制器满足了设计条件.最后通过输入不同参考轨迹,仿真验证定量反馈交叉耦合控制相较于PID型交叉耦合控制在轨迹跟踪性能和适应不同轨迹的优越性.

摘要:为提升永磁同步直线电机的位置跟踪精度,提出一种带有自适应遗忘因子的变论域模糊迭代学习控制策略,应用于电机控制系统,该控制策略集成了模糊逻辑、迭代学习和自适应遗忘因子的优点,能够有效提升控制系统的跟踪精度.变论域模糊控制器通过伸缩因子动态改变论域大小,设计二级模糊控制器用于生成伸缩因子.采用自适应遗忘因子减小迭代学习周期切换时产生的位置误差,设计平滑切换策略和缓步策略改进遗忘因子的自适应率,进一步减小周期切换时的位置误差.结果表明,该控制策略可以有效提高电机的位置跟踪精度,加快控制系统的收敛速度.

摘要:针对半导体加工设备设计了一种主动隔振策略.分析了隔振机构的内部垂向参数特性并建立了隔振机构动力学模型.由于半导体加工设备的隔振装置由基座、隔振机构和由隔振机构支撑的各个部件组成,因此隔振机构动力学模型将基座、隔振机构、支撑组件看作二级隔振系统来模拟隔振装置.为隔振机构设计了自抗扰控制和绝对速度反馈控制联合的控制算法.搭建了基于半导体加工设备用隔振机构和控制算法的仿真模型,给出了传递率和顺应度两个重要指标.最后通过实验验证主动隔振策略的性能.对比隔振率和顺应度两个指标,证明了设计的控制算法效果优于常用控制算法.

摘要:超精密运动台作为半导体设备的核心部件,其伺服精度与主动抑振能力直接决定了半导体设备的性能.针对超精密运动台高速运动时,测量基准因动力学特性受到机器内部噪声的激励而产生振动,导致超精密运动台在这些模态下跟随误差变大的问题,本文研究了一种基于加速度计前馈控制的主动抑振方法,利用加速度计对被测对象加速度信号实时采集的特性精准测量谐振频点,使用相位延迟滤波器解决信号延迟,并通过设计前馈控制器对振动信号进行有效衰减.以实验室设备为例,通过MATLAB等软件进行数据处理与仿真验证,以及整机性能验证,确认基于加速度计前馈控制的主动抑振方法对解决高频振动引起伺服误差较差的有效性、可靠性与可行性.

摘要:晶圆传输机器手是晶圆在搬运过程中实现高精度和高效率自动化的重要组成设备.工作过程中其结构模态固有频率直接影响了晶圆传输中运动控制过程中的精度和稳定性,基于平面3关节直驱旋转运动和垂直升降运动原理,设计了一款SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)型四自由度晶圆传输机器手.首先,采用Ansys Workbench软件对SCARA型晶圆传输机器手的超薄机械手指进行了模态分析,采用均匀轮形筋结构对手指进行了结构尺寸优化,优化后的一阶模态提高了42.79%；然后,采用Ansys Workbench对晶圆传输的整体结构进行了优化,研究发现底座部分刚度较弱,是造成机器手整体低阶模态频率较低的主要原因,对此特别针对底座进行了结构优化,优化后的一阶和二阶模态频率分别提高了52.03%和30.55%.通过结构优化,提高了晶圆传输机器手的整体低阶模态频率,改善了晶圆传输机器手的运动控制过程中的精度和稳定性,避免了共振,进而降低了振动的影响,有效保证了晶圆传输机器手在实际工作中的稳定性和可靠性.

摘要:精密温控系统在半导体制造中对于维持环境温度的稳定性至关重要.然而,由于系统具有时滞、非线性和大惯性等特性,确定最优控制参数变得困难.此外,当系统状态发生变化时,控制参数需要重新整定以适应新的工况.现有的控制器参数整定方法主要分为工程整定法和优化算法.前者简单易用、计算便捷,但仅适用于控制精度要求较低的场景,且依赖于操作人员的经验,需多次反复调节,耗时耗力.后者虽然在参数寻优效率和控制精度方面表现较好,但难以保证系统稳定性,且存在陷入局部最优的风险.针对上述问题,本文提出了一种基于稳定域性能指标的控制器参数自整定方法.该方法首先通过模型辨识获取系统模型,在此基础上应用稳定边界轨迹法确定控制器参数稳定域.为评价系统的设定值跟踪能力和抗扰动性能,提出了相应的性能指标.对稳定域划分网格,计算网格点参数对应的性能指标,确保整定结果为全局最优.此外,本方法使用实际系统数据作为模型扰动输入进行性能评估,使整定结果更具可靠性.实验验证表明,与人工调参相比,基于本文方法得到的控制器参数在系统控制精度上具有显著优势.

摘要:为解决由非线性摩擦力引起的电机位移跟踪误差量化不清晰、补偿设计困难的问题,提出一种基于误差相关系数更新的迭代前馈整定策略.首先,采用“黏滞摩擦+库仑摩擦”非线性摩擦力模型,分析了直线伺服系统中电机位移跟踪误差产生机理,得到电机位移跟踪误差的具体表达式.其次,将非线性摩擦力引起的电机位移跟踪误差与参考位移引起的电机位移跟踪误差联系起来,建立了电机位移跟踪误差到速度、加速度、库仑摩擦的映射关系以及误差相关系数,通过更新判断误差相关系数的大小,进行迭代前馈整定,有效补偿电机位移跟踪误差.最后,在仿真和实验中,不同前馈参数下的误差相关系数大小证明了电机位移跟踪误差分析的正确性,电机跟踪误差的明显降低证明了基于误差相关系数进行迭代前馈整定的有效性.

摘要:针对集成电路设备工业生产中高精度加工和定位的需求,研究了利用反射光栅的增量式光栅尺测量系统.根据高精度平面光栅尺测量原理,建立了反射式光栅尺位移测量系统.利用读数头光束与光栅平面的几何关系,建立光斑位移与位移平台的位置关系,实现了将光栅反射的光信号转化为位移平台的位置信息.设计了光栅反射信号处理的位移测量实验平台,开展了反射式增量光栅尺测量系统原理验证实验、测量一致性实验和测量稳定性实验.实验结果表明：光栅尺位移测量系统原理正确；光栅尺测量系统测量精度达到±2 μm/cm,能够满足集成电路设备工业生产中高精度加工和定位的需求.