2축 듀얼 스테이지의 구성 및 제어시스템 개발

Abstract

Lithography system, often called Lithography equipment, is a core process technology which determines the degree of integration in circuit for semiconductors and LCD, etc. It is the necessary equipment in order to form a circuit with fine pattern in semiconductor wafer or TFT LCD glass board using light source, such as light or electronic beam, on photomask. As next generation lithographic technology develops, the semiconductor's line width gets minuter. The important part which determines the precision of lithography system is the stage that moves the silicon wafer to lithograph. The wafer moving tool is formed by nano stage which moves minutely moving, and precision stage which moves long section. It is called dual stage. In this paper, to compose the dual stage and to develop control system, different actuator was modeled and the controller was designed. Nano stage is actuated by piezoelectric actuator and the simulation tool was constructed for 2 axis nano stage guided by elastic guide. To do this, hysteresis and creep of piezoelectric actuator should be modeled precisely. 24 sets of hysteresis parameters according to the input voltage and 2 sets of creep parameters according to rise and down were obtained. Modeling using RecurDyn can be expanded to multiple axis stage easly, and elastic guide can be modeled easily and more realistically using ANSYS. 2 axis precision stage using linear motor is a tool moving comparatively long distance with high velocity and precisely, and is used in many industrial fileds. In this paper, nonlinear adaptive controller and cross coupling controller was designed to control position in high speed, high precision. To embody high speed and high precision linear motion, modeling of linear motor was carried out considering nonlinearities such as friction and ripple. Also, to estimate and compensate the nonlinearities, nonlinear adaptive controller and adaptation law was obtained using lyapunov function. Nonlinear adaptive controller was designed based on the compensation of estimated nonlinearities included in control input when only one axis is actuating. Contour error which occur when two axis are coupled, are compensated using cross coupling control, and it was verified through simulation and experiment. Developed simulation tool can be used to design and verify controller which can be adapted to nano stage, and proposed nonlinear observer can be used to improve position and contour error in linear motor.; 미세한 구간을 움직이는 nano stage와 긴 구간을 움직이는 정밀 스테이지로 결합되어 움직이는 dual stage의 구성 및 제어시스템 개발을 위하여 각각 특성이 다른 구동기를 모델링하고 제어기를 설계 하였다. nano stage는 압전 구동기로 구동되고 탄성 가이드에 의해 가이드 되는 2축 나노 스테이지를 위한 시뮬레이션 툴을 구축하였다. 이를 위하여 압전 구동기의 비선형성인 hysteresis와 creep를 보다 정확히 모델링 하기 위하여 입력 전압에 따른 24-set의 hysteresis 파라미터와 상승과 하강에 따른 2-set의 creep 파라미터를 구하였다. 상용 동역학 해석 프로그램인 RecurDyn과 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 탄성 가이드를 모델링 하였고, 실험을 통하여 모델링의 타당성을 검증하였다. RecurDyn을 통한 모델링은 쉽게 다축 스테이지로 확장이 가능하며, ANSYS를 이용한 탄성 가이드의 모델링은 다양한 형태를 가지는 탄성 기구를 모델링 하는데 있어서 보다 실제 시스템에 근접하게 그리고 용이하게 설계할 수 있었다. 리니어 모터를 이용한 2축 정밀 스테이지는 선형운동이 필요로 하는 다양한 분야에 적용 되고 있다. 논문에서는 리니어 모터 시스템의 고속 고정밀 위치제어를 위하여 비선형 적응제어기와 교차축 연동제어기를 설계하였다. 고속, 고정밀 선형운동을 구현하기 위하여 리니어 모터를 마찰이나 리플과 같은 지배적인 비선형성을 고려하여 모델링 하였다. 또한, 비선형성을 추정하고 보상하기 위한 비선형 적응제어기와 적응법칙을 가상 제어입력과 적절한 리아프노프 함수를 통하여 유도하였다. 한 축의 구동일 경우 적응법칙에 의해 리니어 모터의 비선형 특성은 각각을 추정하여 합하는 방식과 비선형성을 한꺼번에 추정하는 방식으로 추정된 비선형성은 제어입력에 포함되어 보상되는 비선형 적응제어기를 설계하였다. 두 축을 연동하였을 때 생기는 윤곽오차는 교차 축 연동제어기를 적용하여 윤곽정밀도를 향상시켰다. 이를 시뮬레이션 및 실험을 통하여 비선형 적응제어기의 성능을 확인하였다. 구축된 시뮬레이션 툴은 nano stage에 적용될 제어기 설계 및 검증을 위한 시뮬레이션에 응용될 수 있으며, 제안된 비선형관측기는 리니어 모터의 위치 및 윤곽정밀도 향상에 유용하게 적용 될 수 있다.