光刻机是一种半导体制造装备,是芯片生产流程中的关键设备。193nm步进扫描式光刻机是当今国际主流的光刻设备,同时伴随着双工件台和浸没式光刻等新型技术,使光刻机的分辨率、套刻精度和产率达到前所未有的程度。工件台掩模台分系统是光刻机的重要组成部分,控制系统的品质对工件台和掩模台的精度、生产效率有很大影响。本文主要针对工件台和掩模台控制系统设计过程中几个重要的问题进行研究,包括:6自由度动力学模型,宏-微控制问题,工件台和掩模台的同步控制问题,扫描运动和步进运动的轨迹规划,双工件台换台问题。　　首先,建立了工件台和掩模台的6自由度动力学模型。根据工件台和掩模台的实际机械结构和工作特点建立的频域模型,能够反映出在多个执行电机共同作用下的运动特性,同时体现了硅片曝光区域不断变化对模型带来的影响。与单自由度模型相比,忽略了执行电机电气特性等次要因素,但是模型能够更准确地描述被控对象的动态特性和多自由度耦合影响。6自由度动力学模型具有更高的精度并且符合光刻机的设计原理和工作特点。　　其次,针对硅片曝光区域变化的问题,采用了以微动台质心运动为控制对象的设计思路,利用芯片与硅片几何中心的相对位置计算位置参考轨迹的解算矩阵,其优点是被控对象的数学模型是线性时不变,可以对6个运动自由度分别设计独立的单输入单输出控制器。工件台和掩模台均采用宏动跟踪微动的宏-微控制结构,解决超高精度与大行程运动之间的矛盾,但控制系统设计的重点是微动控制器。对工件台和掩模台分别设计了位置-速度双闭环结构的PID控制器。针对工件台存在未建模扰动和电机推力波动问题,提出了一种MIMO滑模变结构控制算法,仿真结果表明当音圈电机推力存在一定的扰动下,工件台的位置跟踪精度仍在要求范围内。利用芯片曝光具有重复性的特点,对掩模台系统设计了一种带有遗忘因子的迭代学习算法,并证明学习律的收敛性,通过仿真验证了存在输入扰动和初始定位偏差情况下迭代学习系统的控制效果。　　再次,研究了工件台和掩模台的同步控制问题。分析对比了交叉耦合和主从同步控制方法,根据工件台和掩模台的实际扫描速度和质量关系,选择以工件台为主动系统,掩模台为从动系统的主从同步控制结构。基于滑模变结构理论提出了一种同步控制算法,用体现扫描运动特点的函数作为同步偏差系数设计时变滑模面,使掩模台的滑模控制器在曝光扫描时间段内起到减小同步偏差的作用。通过Matlab仿真验证了滑模同步控制算法的效果并分析了同步偏差和掩模台控制偏差的关系。基于迭代学习理论对掩模台设计了同步学习控制系统。针对硅片曝光区域变化引起工件台扫描方向位置输出变化的问题,从期望轨迹慢变的角度提出了一种同步学习算法,使同步偏差收敛于一个很小的邻域内。仿真结果表明硅片曝光区域变化会引起同步偏差有规律的变化,但是算法的收敛性和同步精度符合要求。　　最后,对双工件台换台问题和步进扫描运动的轨迹规划和控制问题进行了详细研究。对硅片扫描运动的过程进行分析,给出了109芯片情况下硅片的最短处理时间,以此规划了5阶S曲线。从缩短步进时间的角度,对工件台步进运动设计了时间-冲击最优的改进S曲线。仿真结果说明,在运动距离相同的情况下改进S曲线比5阶S曲线的运动时间更短,运动轨迹平滑并且不会超出执行电机的允许范围。对比了国内外几种典型的双台交换方法,对换台过程中的工件台运动路径问题进行分析并且对平动和转动两种典型换台方法设计了最佳的换台路径。从控制系统设计的角度研究了换台过程的点对点运动问题,提出了时间-冲击最优的工件台控制算法,在缩短换台时间的基础上避免了单纯时间最优Bang-Bang控制加速度突变的缺点。Matlab仿真给出了各种不同方法的换台时间以及时间-冲击最优控制的运动轨迹。