автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка двухкоординатных систем прецизионного перемещения в вакуумных корпускулярно-лучевых установках

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

г го о л

¡¿-.чл На правах рукописи

Давыдов Владимир Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА' ДВУХКООРДИНАТНЫХ СИСТЕМ ПРЕЦИЗИОННОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В ВАКУУМНЫХ КОРПУСШЯРНО-ЛУЧЕВЫХ УСТАНОВКАХ

Специальность: 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

А в то реферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственно* электротехническом университете.

Научный руководитель -

кандидат технических наук, профессор Солодовников А.И. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Небылов A.B. кандидат физико-математических наук Заславский С.Л.

Ведущая организация- Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской АН

Защита диссертации состоится "2$ " (I (Грк 1993 г. ] часов на заседании специализированного совета К.063.36.0-Санкт-Петербургского государственного электротехнической университета по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПГЭТУ.

Автореферат разослан "22." НСЯ^рЯ 1993 года.

Ученый секретарь специализированного совета

Юрков Ю.В

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В центре внимания современной микро-¡лектроники находится создание полупроводниковых приборов и, особенно, сверхбольших интегральных микросхем.

Каждое исследование в микроэлектронике, каждый шаг ее заавития требуют соответствующего специального оборудования. ( началу переоснащения отрасли очередной моделью она должна юответствовать уровню развития микроэлектроники на будущий шриод. Поэтому требования к технологическому I оборудованию 1сшшы формироваться на основе анализа соответствующего направления машиностроения и развития микроэлектроники на относительно продолжительный срок.

Корпускулярно-лучевые методы воздействия на образец 1учками- заряженных частиц широко используются в физико-ана-штических исследованиях структур и при создании элементов в ¡ысоком и сверхвысоком вакууме. В процессе воздействия требуется обеспечить точное позиционирование образца (пластины) зтносительно системы формирования пучка.

В существующих отечественных системах, применяемых в ¡акуумных корпускулярно-лучевых установках (КЛУ), погреш-юсть позиционирования при коррекции положения рабочего пуч-са составляет ± 0,1 мкм. При этом перемещение образца в 1лоскостЦ осуществляется на расстояние до 150 мм по двум ортогональным координатам ' с механической точностью около ; 1,5 М!ш. Системы с-указанными параметрами сдерживают пере-[од литографии в субмикронную область.

Анализ и синтез систем прецизионного перемещения (СПЯ) эбразцов в вакууме предполагает использование машинных мето-ЮВ расчета и проектирование подобных систем на базе разработанных моделей. Известные из литературы, такие модели либо !лохо приспособлены для этих целей из-за слабой математической формализации, либо имеют излишня упрощенное описание технической части, измерительной подсистемы и действующих юзмущений, что не позволяет учитывать кпк особенности рэа-шзации, так и фиаику работы подоиотем и действия возмуяе-шй. В то же время. как »сказывает опыт рапряоотк;: нрэцаги-

онных систем, указанные факторы во многом определяют достижимую точность перемещения.

Таким образом, работа, направленная на исследование V

\

разработку системы высокоточного перемещения образцов в вакуумных камерах, является весьма актуальной. Такая система, нечувствительная к возмущениям, позволит уменьшить размерь формируемых методами литографии, элементов и улучшить их качество.

Целью работы является исследование и разработка принципов построения и вопросов практической реализации СЛШ в КЛУ, обеспечивающих высокую точность позиционирования образцга относительно системы формирования йучка заряженных частиц..

В плане сформулированной темы выдвигаются следующие задачи исследований:

- анализ состояния проблемы,

- построение математических моделей возмущении, действующих в системе перемещения,

- исследование влияний Возмущений на точность работы СПП,

- разработка принципов компенсации возмущений в СПП,

- разработка прецизионного привода, включающего измеритель, перемещений, функциональной структуры системы и создание ее лабораторного макета,

- экспериментальные исследования макета системы.

Методы исследования. В диссертации использовались аппарат операторного представления математического описания системы, частотные критерии устойчивости, методы теорю чувствительности, гармонического анализа, численного решения на- ЭВМ. Для анализа статических и динамических характерно™ использовались цифровое моделирование и экспериментальные исследования.

Основные теоретические положения и выводы подтверждень результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна работы.

1. Разработана математическая модель СШ, учитывающая возмущения в основной части канала перемещения, в канале измерения и на ее выходе, и влияние системы перемещения не систему формирования и отклонения пучка.

2. Исследовано влияние возмущений на точность перемеще-

ния образца относительно системы формирования рабочего пучка;

3.Разработаны принципы компенсации основных возмущений.

Практическая ценность.

1. Выявленные при анализе состояния проблемы требования к построению современных двухкоординатных СПП в КЛУ.

2. Математическая модель системы перемещения по двум координатам с учетом возмущений, позволяющая исследовать качество конкретной реализации системы.

3. Структурные и схемные реализации основных узлов СПП: сверхвысоковакуумный прецизионный двухкоординатный стол с компенсатором разворотов, лазерный интерферометр, быстродействующий прецизионный привод, работающий в большом диапазоне перемещения.

4. Полученная СПП и ее элементы, которые могут быть использованы: в составе КЛУ, таких как электронные и ионные литографы, установки ионной имплантации, электронного и ионного травления; в составе литографических комплексов для производства электронных изделий с высокой плотностью упаковки^ электронных и туннельных микроскопах; в установках для контроля линейных размеров полупроводниковых структур; а также в приборах для анализа свойств и структуры веществ.

Внедрение результатов работы._Результаты диссертационной работы использованы при проведении работ фирмой "Аналитические приборы"(темы N 1538 и N 1553); выполнении договора N 12 от 05.01.90 по теме "Стенд для исследования технологий электрокаллеструйного формирования деталей из металло-полимерных композиций"; в разработке " Прецизионный предметный столик для оптических микроскопов" (фирма "Поверхность", договор N 8 от 10.02.92); в разработке "Автоматизированная система контроля светотехнических характеристик волоконно-оптических изделий"(фирма "Оптан", договор N 323.04.91 от 16.07.91).

Апробация работы. Основные положения" и разделы диссертационной работы докладывались и обсуждались на четвертой и пятой научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов НТО АН СССР по аналитическому приборостроению (г. Ленинград, 1985, 1988гг.); на совещаниях по Комплексной

программе СЭВ (НРБ,- София, БАН, 1986 г.; ЧССР, г. БрНО, ИП ЧСАН, ТЕСЛА, 1985, 1989 гг.); на первой международной конференции молодых ученых (г. Ленинград, НТО АН СССР, 1990 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных р'абот, в том числе 5 журнальных статей и авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 147 наименований, и приложения. Основная часть работы изложена на 135 страницах машинописного текста. Работа содержит 63 рисунка и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дана ее общая характеристика, кратко излагается содержание всех разделов, отражены основные положения, имеющие научную новизну и выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу принципов построения существующих СПП в КЛУ, способов и средств управления с учетом . основных текущих и перспективных требований технологических процессов, предъявляемых к СПП. Рассмотрены параметры систем и диапазоны их изменения, а также особенности влияния трения в высоком и сверхвысоком вакууме.

Рассматриваемый класс СПП характеризуется следующими требованиями и особенностями:

- постоянным повышением точности, разрешающей способности и - совершенствованием динамических характеристик;

- необходимостью тщательного поддержания режимов технологических операций с соблюдением сверхчистых условий производства;

- ограничениями на конфигурацию системы и выбор материалов, накладываемыми высоковакуумными условиями работы;

- зависимостью структурной схемы системы от способа измерения перемещения;

- сложным взаимосвязанным движением различных элементов системы в сочетании с программно-циклическими режимами работы;

- удалением двигателей привода от объекта;

- многомассовостыо подвижных частей;

.- косвенным измерением выходных координат;

- необходимостью учета и минимизации порождаемых системой возмущений, влияющих на качество работы других подсистем установки;

- необходимостью обеспечения высокой надежности;

- противоречием между стремлением к получению наилучших параметров и требованием по затратам.

С учетом выделенной специфики рассмотрены состав, хат рактеристики и работа существующих систем управления. В результате проведенного анализа выделено более 50 возмущающих факторов,, .влияющих на точность перемещения, которые могшо разделить на три группы. К первой группе относятся внешние возмущения. Ко второй - возмущения, вызванные изменением параметров СПП. К третей - возмущения, порождаемые системой перемещения и влияющие на систему формирования пучка заряженных частиц.

Потребность в СБИС с элементами, размеры которых достигают сотых долей микрометра, определяет соответствующие требования по точности перемещения образцов (полупроводниковых пластин) в литографических установках. Отсюда следует необходимость построения нового класса СПП в КЛУ, малочувствительных к влиянию возмущений, на точность перемещения.

Во второй главе разработана математическая модель системы перемещения образца по двум координатам с учетом действующих в системе возмущений. Используя методы теории чувствительности, проведено ксследовачие движения система соответствующей базовой совокупности параметров. Исследована влияния возмущений на точность перемещения. Определены основные источники возмущений.

Условие нормального функционирования системы имеет вид 1?у(1,сс')сМу, й'сМш, тде [?у - множество значений У, которые реально могут иметь место в процессе функционирования системы; Му - множество аначений У, при которых свойства (состояние) системы удовлетворяют предъявляемым требованиям; Ма - множество допустимых значений параметров из совокупности «'.

- 6 - .

Математическая' модель прототипов систем автоматического управления прецизионным перемещением в вакуумных установках разработана в виде обобщенной структурной схемы, которая включает в себя математические модели элементов направленного действия

У1 - 1Л (XI,VI), 1 - 1,(1), п и связи, объединяющие их,

XI - 5КУ1,.. .,Уп,У1'), 1.-1,(1),п, где 1л, 31 - некоторый вычислительный алгоритм или формула; XI, У1 - переменные состояния; VI, VI' - переменные, характеризующие приложенные к системе внешние возмущения.

Разработанная структурная схема СПП учитывает возмущения в основном канале, в канале измерения, на выходе системы, влияние СПП на систему формирования и отклонения пучка, коррекцию относительного положения образца путем смещения пучка заряженных частиц, смещение объекта относительно точек съема координат измерителем перемещения, упругость механических связей, взаимовлияние приводов, износ и биение направляющих, точность юстировки, варианты компоновки стола, реализацию измерителя перемещения, насыщение усилителя, нелинейный характер момента трогания двигателя и трения в вакууме, люфт привода, действие атмосферного давления и др.'

В интерферометрическом канале измерения учитываются влияния на точность измерения: погрешности источника излучения, изменений параметров среды, эффекта Доплера, расходимости излучения, разворотов стола, ухода диаграммы направленности, флуктуации длины волны излучателя,, нестабильности параметров фотоприемного блока, блока увеличения разрешения, мощности источника излучения, тепловых деформаций, изменения фоновых засветок, дифракции света, автоколлимационных бликов, разьюстировки оптической, схемы, точности детектора начального положения, уокорений сгола и внешних вибрации.

На выходе системы учитываются: неровность подвижных отражателей; неточность перезагрузки образца; развороты стола; изменение температуры; а также влияние СПП на систему формирования и отклонения пучка, основными проявлениями которого являются: рассеяние пучка частиц натеканиями стола, действие магнитных полей привода, электрических зарядов, накапливай-

мых элементами стола,и вихревых токов, наводимых в столе при его движении в магнитном поле системы формирования пучка.

Многомассовая механическая часть основного канала перемещения приведена к эквивалентной трехмассовой системе: двигатель- координатный стол-образец.

Проведен расчет разработанной СПП которая включила известные из литературы наилучшие параметры. Путем введения в систему последовательного корректирующего звена, обеспечена устойчивость системы при достаточном ее быстродействии.

Показатель качества системы Л определяется максимальным отклонением вектора выходных координат на интервале обработки ^

J - шах {|Уоз -Уод|,|Хоз -Ход|>, 1н<1 <1м

где Уоа; Хоз, - входные координаты; Усд, Хсд координаты действительного положения образца; 1:н -момент входа системы в зону динамической коррекции положения пучка частиц (для систем с динамической коррекцией) или момент входа 'стола в заданную зону с учетом полного успокоения вибраций; 1м -время начала коррекции относительного положения образца и пучка по меткам на образце или время завершения процесса обработки.

Линейная скорректированная система, имеющая основную или базовую (расчетную) совокупность параметров, отрабатывает скачкообразное 5мм изменение входного воздействия за время регулирования 0,08с с перерегулированием 15%, время входа в зону 0,03 мкм составляет 0,17 с. Система с нелинейностью вида "насыщение1.1, ограничивающей максимальное напряжение двигателя |ид| до 27В, при отработке ступенчатого воздействия более 38 мкм движется без перерегулирования, время перехода на 5 мм до входа в 5% зону равно 0,09 с, время входа в зону 0.03 мкм составляет 0,2 с. Насыщение ограничивает максимальную скорость движения. Это приводит к увеличению времени перехода. Однако, система с насыщением осуществляет движение более плавно, по сравнению с движением линейной системы.

Неточность учета параметров реальной системы а' приводит к отклонениям действительного режима функционирования от

- 8 - .

расчетного. Отклонения параметров можно считать действующим! на систему возмущениями. Чувствительность точности системы i изменению параметров количественно определялась с помощьв функций чувствительности методом полной линеаризации, основанным на аппроксимации показателя качества в точке а" - а' зависимостью

J (а") - J (ос') +(dJ/d«,,)-Ac(" , где «" - ,a"m> - совокупность возмущающих факторов:

Да" - вариации параметров. Для временных характеристик имее)

Y(t) -Y(t,«') +(dY/doi") -Да" , где dY/ftd? матрица функций чувствительности.

Изменение значения параметра «"j на величину m вызывает новое движение системы Yi(t,c<"+ m), которому соответствуют йовые значения показателей качества Ji-Ji(ct»+ ш), при этом дополнительное движение и соответствующее приращени* показателя качества определяются соотношениями: 6Yi - Yi(t,a-+ ш) - Yi(t,a"); 6Ji - Ji (ot"+ m) - Ji(a-<).

В результате действия трения установление величины выходного сигнала заканчивается при попадании в интервал tYo; >- етс. Y03 + етс], где етс - ошибка системы, обусловленна; наличием сухого трения. етс является случайной величиной среднее значение которой равно нулю, а предельное ' значен» пропорционально зоне нечувствительности, обусловленной сухи трением.

Предел разрешающей способности по положению для систем] с зоной нечувствительности, пропорциональной величине момен-■ та трогания Мтс и действию на привод атмосферного давлени: Матм, в первом приближении определяется уравнением

£тах * (Мтс + Матм)/(Ки-Ку), для системы с нелинейным трением в направляющих стола

Етах - Кс-Ртс/(Ки-Ку). где Ки - коэффициент передачи двигателя по моменту; Ку - ко зффициент усиления корректирующего звена; Кс - плечо приве денного момента нагрузки; Рте - сила сухого трения.

Рассмотрено воздействие около пятидесяти возмущений н Точность перемещения. Вариации основных параметров и реэуль таты оценки точности.....представлены в таблице.

- g -

Результаты оценки точности перемещения. Таблица

Варьируемый Вариация Изменение

параметр параметра точности,мкм

1.-Изменение температуры камеры,град. 0,1 0,16

2. Вибрации внешние:

частота, Гц 0,1-10000

амплитуда на частоте 5 Гц, мкм 0,25 0,063

3. Влияние вихревых токов.

наводимых при движении стола ■ 0,8

4. Погрешность загрузки образца

4.1 по X и У, мкм 200 200

4.2 по углу, мрад 2 10

5. Развороты стола, мкрад 25 0,125

6. Неточность установки

направляющих,, мкрад 20 0,1

7. Износ узлов трения, мкм/км 10 - 0,5

8. Расходимость излучения, мрад 1 О", 005

9. Дрейф постоянной составляющей, X 10 0,023

10.Неточность установки зеркал

объекта, мкрад 14,5 0,073

11.Ускорение привода, м/с2 4 52

12.Смещение образца при перемещении 38

13.Момент трения, обусловленный дей-

ствием атмосферного давления, кг 0,20 11

14.Коэффициент трения в вакууме 0,24 83

15.Момент трогания, кг-мм 0,25 13,5

16.Погрешность определения "нуля",мкм 40 40

При расчете рассматривался режим перемещения образца по шагам 5 мм в диапазоне 200 мм на расстояние 1 км. Для получения точности выше 10 нм необходимо:

- обеспечить малую чувствительность системы перемещения к воздействию основных возмущений;

- измерение положения объекта в плоскости производить с учетом разворотов;

- начинать обработку пластины после окончания ее перемещения.

В режиме обработки, во время движения стола необходимо учитывать смещение образца относительно плоскости измерения.

В третьей главе разработаны принципы компенсации основных возмущений в измерительном канале и на выходе системы. Введены структурная компенсация воздействий температуры и вибраций на показания лазерного интерферометра, компенсация разворотов и сухого трения в направляющих предметного стола. Разработана структура СИЛ с компенсацией возмущений.

Проблема чувствительности поведения системы к изменению . ее параметров - прежде всего, проблема структурного синтеза. Степень чувствительности динамических свойств системы к изменениям ее параметров зависит от выбранной структуры. При этом уже характером структуры диктуются ограничения, которые наложены на параметры системы.

Сравнительно низкая точность интерферометра, проявляемая в системе, вызвана чувствительностью его к непрямолинейности перемещения измерительных кареток стола и деформациям референтных плечей. Большое количество оптических элементов приводит к ужесточению требований к точности их изготовле-' ния, затрудняет установку и удержание их в рабочем положении при воздействии "вибраций и изменении температуры, а также вызывает дополнительные блики, поглощение света, его рассеяние и дифракцию, приводящие к снижению точности измерения.

Повышение точности интерферометра достигается расположением светоделителя, формирующего референтный канал на ко-' лонне, вблизи пучка, исключением элементов, смещение которых приводит к изменению длины референтного плеча, сокращением числа элементов в информационном канале.

В рассмотренных системах развороты стола при перемещении достигают ± 25 мкрад. Развороты возмущают основной канал, снижают точность измерения перемещения и вызывают*нере-гистрируемые смещения образца относительно плоскости измерения. Для качественного совмещения соседних полей формируемого на поверхности образца изображения необходимо, чтобы развороты образца не превышали 0,5 мкрад.

Уменьшение разворотов стола достигнуто путем введения в структуру системы контура, компенсирующего развороты. На вход контура, включающего элемент сравнения, интегратор, ис-

■полнительный элемент и измеритель разворотов, подается заданное положение стола по углу R3. Передаточная функция по сигналу рассогласования определяется следующим выражением:

Re(S) - (R3(S) + Rb(S))/(1 + W(S)), где Rb - возмущение...(развороты, которые необходимо компенсировать);- S'^оператор Лапласа; W - передаточная функция разомкнутого контура. Интегратор обеспечивает полную компенсацию разворотов при остановке стола.

Величина сухого трения характеризует предел разрешающей способности по положению. Предложен следующий способ повышения разрешающей способности перемещения за счет компенсации сухого трения путем введения дополнительного канала относительного изменения скорости движения направляющей.

Поведение звена, учитывающего нелинейный характер трения в базовых и прижимных упорах направляющей стола, описывается следующими уравнениями:

/Fct-(Ктв1+Ктв2)•Vh-(Ftc1+FtC2)-sign(VH) при Vh*0; ч Fh.-Ю при Fct < (Ftc1+Ftc2) h.Vh -□; >(1)

Mct-S-Vh -FH , ' J

где Fh -.воздействующая «а направляющую результирующая сила; Fct - сила, формируемая двигателем; Ктв1, FtcI, Ктв2, Ftc2 -коэффициенты вязкого трения и силы сухого трения в узлах направляющая-базовые упоры и направляющая-прижимные упоры соответственно; Мст, Ун - масса и скорость направляющей.'

Звено трения дополнено элементами, обеспечивающими разнонаправленное движение базового и прижимного упоров вдоль оси направляющей со скоростями Y6 и Уп соответственно, причем V6 —Vn. Уравнение (1) во время движения направляющей принимает вид:

Fh - Fct - Ktb1-Vh + KTBl-Vn - Ktb2-Vh - Ктв2-Уп -- FTCl-slgn(VH - Vn) - FTc2-sign(VH + Vn). При KtbI - Ktb2 , FtcI - Ftc2 - Ftc и KtbI + Ктв2 - Ктв, получим

/ Fct - Ktb-Vh - 2-Ftc при |Vh| > |Vn| \ Fh - ^ Fct - Ktb-Vh при |Vh| < |Vn| У (2)

Mct-S-Vh - Fh , )

Как только |Vh| становится меньше |Vn|, действующая на направляющую сила сухого трения становится равной нулю, и,

если Рст * О, направляющая начинает увеличивать скорость до момента времени, когда |Ун| превысит |Уп| или до значения ' Уп - Рст/Ктв. При |Ун| > |Уп| и Рст < 2-Рте происходит процесс торможения до • момента когда Ун становится равной нулю или до |Ун| < |Уп|. Такое движение соответствует работе системы с релейным элементом.

Система (2), находясь в положении, близком к положению покоя, при Рст < 2-Рте и синусоидальом изменении скорости упоров частотой ниже (Ктв1 + Ктв2)/Мст отслеживает скорости |УпI в направлении действия силы Рст, т.е. осуществляет движение по шагам. Величина шага зависит от амплитуды и частоты Уп. При изменении Уп с частотой 1 кГц достигается переход на нанометровые расстояния.

Сила Рст формируется виротно-импульсным преобразователем (ШИП). На начальном участке движения, при |Ун| < |Уп| сила Рте близка к нулю. Это приводит к сокращению времени разгона системы.

Электромагнитные процессы схемы ШИП при несимметричном способе управления, в которой пульсации тока в два раза меньше чем при симметричном управлении, описываются уравнениями

ином - 1?я-1я-+ Ья-д1я/д1 + Ед при О < Ь <

О - 1?я-1я + 1л-д1я/оЬ + Ед при Ьс < Ь < Тм,'

где ином, (?я, 1я, Ья - напряжение питания, сопротивление якоря, ток якоря и индуктивность двигателя; Ед - электродви-' жущая сила; Ьс, Тм - длительность.импульса и период ШИП.

Расчетные данные движения, показали возможность системы осуществлять перемещения без перерегулирования с точностью входа в заданное положение не ниже 1 нм.

При перемещении предметного стола можно выделить следующие участки:'

- движение нелинейной системы, находящейся в насыщении, когда ид - ином;

- движение линейной системы при |Цпйп| < |11д| < |11ном|;

- движение по шагам при 1)д - иш1п, где 1)д - напряжение, подаваемое на двигатель; 1Шп - минимальное питающее напряжение двигателя.

Четвертая глава посвящена реализации элементов СПЦ,

Разработаны высокоточный лазерный интерферометр, быстродействующий прецизионный электропривод, нечувствительный к величине сухого трения. Разработана конструкция сверхвысоковаку-умного прецизионного стола.,с - устройством для компенсации разворотов..,.

Схема разработанного трехкоординатного интерферометра, нечувствительная'к воздействиям температуры и вибрации при сохранении чувствительности измерения, имеет в три раза меньше' оптических элементов, по сравнению с аналогами.

Интерферометр показал следующие характеристики: '- минимальная дискретность отсчёта перемещения

линейного (Х,У), мкм 0,00125

углового, мкрад О,ОБ

- диапазон измерения (Х,У), мм 320

- максимальная измеряемая скорость перемещения отражателя с дискретностью отсчета 5нм, мм/с 320

- максимально допустимый поворот интерферометрической головки или подвижного отражателя • ± .2 град

Разработан датчик начального положения стола с погрешностью определения "нуля" меньше 5 мкм. Датчик реализован на оптопаре, расположенной снаружи вакуумной камеры вблизи стола. Проходящее через окна камеры излучение светодиода, перекрываемое закрепленным на направляющей стола ножом, попадает на фотодиод который по величине светового потока ■определяет положение стола.

Разработанный оригинальный сверхвысоковакуумный прецизионный двухкоординатный предметный стол с устройством для компенсации разворотов имеет одноплатную структуру, высокую жесткость механических связей за счет сокращения длины передачи между двигателем каждой координаты и столом. Двигатели располагаются снаружи вакуумной камеры. Масса перемещаемых частей составляет 3 кг. Габаритные размеры стола позволяют разместить его в аналитической камере диаметром 600 мм. Конструкция стола, а также материалы, из которых изготовлены элементы конструкции, удовлетворяют условиям работы в сверхвысоком вакууме, не создают электрических и магнитных полей, влияющих на формируемые пучки заряженных частиц, имеют малый коэффициент линейного расширения. Основными материалами сто-

- 14 -

ла являются титан и вакуумная керамика.

■ Привод каждой координаты включает 'ЛИП и блок компенсации сухого трения, реализованный на базе трубок из пьеэоке-рамики. Экспериментальным путем определена зависимость изменения размеров трубки из керамики ПКР-7М от прикладываемого напряжения. Наружный диаметр трубки равен. 14 мм, внутренний - 12 мм, длина - 32 мм. Чувствительность трубки 240 А/В, емкость составила 62,3 нФ.

Привод обеспечивает установку стола в зону ± 2,5 ни.. Максимальная скорость движения стола - 200 мм/с, ускорение. -4,8 м/сг, диапазон перемещения по координатам X и Y составляет 200 мм, время перехода на расстояние 5мм до входа в эо-, ну 10 ыкм равно 0,12 с.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы. Разработанная двухкоординатная СПП, обеспечивающая перемещения о нанометровой точностью при сохранении быстродействия, по своим характеристикам отвечает перспективным требованиям технологических процессов создания элементов с размерами в сотые доли микрометра пучками заряженных частиц в сверхвысоком вакууме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получены следующие основные результаты:

1. На основании анализа состояния проблемы и тенденций развития двухкоординатных СПП в КЛУ определена совокупность возмущающих факторов, обуславливающих неточность позиционирования образцов относительно системы формирования пучка заряженных частиц, и сформулированы требования к построению таких систем с учетом перспектив развития микроэлектроники.

2. разработана математическая модель СПП в вакуумных установках, учитывающая возмущения в основном канале перемещения, в канале измерения и на выходе системы, а также влияние системы перемещения на систему формирования и отклонения пучка. Модель позволяет исследовать различные варианты СПП о учетом конструктивных решений, схем измерения перемещения, алгоритмов управления и специфики оборудования установки.

3. Проведенное методами теории чувствительности иссле-

дование позволило оценить влияние каждого возмущающего фактора в отдельности на точность системы и выделить из них наиболее существенные.

4. Разработана структура системы перемещения, точность которой малочувствительна »¿'возмущениям, что создает основу для создания "СПП в вакууме с высокими точностными характеристиками.

5. Разработана, изготовлена и испытана система перемещения, включающая интерферометр с разрешением 1,25 нм и максимальной скоростью измерения 320 мм/с, нечувствительный к величине сухого трения прецизионный привод, обеспечивающий движение с максимальной скоростью 200 мм/с и установку стола в зону ± 2,5 нм, а также двухкоординатный стол, имеющий жесткие механические связи, с пьезоэлектрическим компенсатором угловых разворотов и двигателями постоянного тока, расположенными снаружи вакуумной камеры. Время перемещения на расстояние 5мм до входа в зону 10 мкм составляет 0,12 с.

6. Полученные структурные и схемотехнические решения, а также рекомендации по разработке отдельных узлов позволяют улучшить точностные параметры существующих систем и могут быть использованы при расчете и синтезе систем прецизионного перемещения как в вакуумных установках, так и при обычных атмосферных условиях. СПП, реализуемые на основе выполненной разработки, могут применяться в различных областях техники, в том числе, в "нанотехнологии" - исследовании и изготовлении приборных структур в микроэлектронике; физике и химии поверхности; в приборах для исследования макромалекул, вир1-сов и других биологических структур.

• ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Давыдов В.Н. Система управления объекта с переменными параметрами: IV научно-техн. конф. молодых ученых и специалистов НТО АН СССР по аналит. приборостроению. - Л.: НТО АН СССР, 1985. - 1 с.

2. Давыдов В.Н. Система управления двухкоординатным столом: У научно-техн. конф. молодых ученых и специалистов НТО АН СССР по-аналит. приборостроению. -Л.: НТО АН СССР,

1988. -1 с.

3. Давыдов В.Н. Система перемещения макета двухкоорди-натного стола: I междунар. конф. молодых ученых. - Л.: НТО АН СССР, 1990. - 1 с.

4. Александров В.Ю., Давыдов В.Н., Майоров A.A. Сверх-высоковакуумньш высокоскоростной прецизионнцй двухкоординат-ный стол // Приборы и техника эксперимента. - 1990. - N6. -С. - 212.

5. Александров В.Ю., Даввдов В.Н. Макет сверхвысоксва-куумного прецизионного двухкоординатного стола: I междунар. конф. молодых ученых. - Л.: НТО АН СССР, 1990. - 1 с.

6. Прецизионный предметный столик для оптических микроскопов / A.C. Войтенко, С.М. Войтенко, В.Н. Давыдов, A.A. Майоров // Электронная промышленность. - 1993.- N 3,- С. 41.

7. Давыдов В.Н., Петраш Ю.В. Прецизионный двухкоорди-натный столик для точного позиционирования волоконно-оптических изделий // Электронная промышленность. - 1993. - N 3. - С. 41.

8. Давыдов В.Н. Вакуумный X-Y стол // Приборы и системы управления. - 1993. - N6. - С. 44 - 46.

9. Давыдов В.Н. Оптическая схема интерферометра для измерения перемещений двухкоординатного стола литографической установки // Оптический журнал. - 1993. - N 1. С. 77 - 78.

10. A.c. 1739794 СССР, МНИ Н Ol L 21/00. Сверхвысоковакуумный двухкоординатный стол. / В.Ю. Александров, В.Н. Да*-выдов, A.A. Майоров (СССР). - N 4720836/21; Заявл. 17.07.89; Опубл. 7.06.92; Бюл. N 34 - 1 с.

Подписано к печати 15.11.93 г. Объем I п.л.

Заказ ' 246 Тираж 100 экз.

Ротопринт. С.-Пб.ГЭТУ. 197376,С.-Петербург, ул.Проф.Попова,5