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Design and control of a magnetically levitated six degrees-of-freedom planar motor using t-shape halbach magnet array = T형 할바흐 자석배열을 이용한 6 자유도 자기부상 평면모터의 설계 및 제어
서명 / 저자 Design and control of a magnetically levitated six degrees-of-freedom planar motor using t-shape halbach magnet array = T형 할바흐 자석배열을 이용한 6 자유도 자기부상 평면모터의 설계 및 제어 / Jung-Jae Kim.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2010].
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The smaller, the faster, the cheaper. These are the fundamental goals of the next-generation semiconductor industry. Magnetically levitated planar motors are the only solution to meet these requirements. It can move in six-degrees-of freedom over long range with nano positioning accuracy in vacuum environment. To achieve these goals, we propose, design and control a new type of magnetically levitated planar motor. The proposed planar motor consists of moving magnet array(mover) and multiple coil arrays(stator). The key feature of the the planar motor is to use newly developed T-shape Halbach magnet array. The T-shape Halbach magnet array has several advantages such as higher force, lower force ripple and cost effectiveness compared with previously developed planar motors. These characteristics are very important features to meet the fundamental goals for the next-generation lighography system. High force capability enables fast movement with high control bandwidth, and therefore improves positionig accuracy and product throughput. Low force ripple reduces disturbances, and therefore improves sanning performance. Cost effectiveness, caused by easy-assembly, enables modular manufacturing process of the planar motor. These key featues enable applying the proposed planar motor to the wafer stage of the next-generation lithography system. We present design optimization frameworks in order to maximze force density and minimize force ripple. At first, analytic modeling method based on the Maxwell equation is presented in order to calculate magnetic flux distribution and generated forces. This method predicts six degrees-of-freedom motion of the planar motor at arbitrary position. Secondly, parametric analysis is performed in order to investigate the effect of the design variables on the performances. We can know the correlations between design variables and the performance of the planar motor. Finally, we perform design optimization process in order to find optimal dimensions of the planar motor which maximize force density and minimize force ripple, considering several constraints such as electrical and thermal loading. We verify the effectiveness of the proposed planar motor by comparing the performance of the optimally designed planar motor with previously developed planar motor. A six degrees-of-freedom control method for the moving magnet type planar motor is presented. We explain the commutation algorithm for decoupling and linearization the moving magnet type planar motor. The algorithm inverts an actuator kinematics matrix, which maps the currents to the forces and torques, with minimizing power consumption. We use smooth weighting functions in order to switch the coils near the edge of the magnet array. We describe the six degrees-of-freedom control algorithm based on the system modeling. The MIMO system is fully decoupled to six individual SISO system using the rigid body dynamics and sensor transformation matrix. The realized planar motor is described. We verify the design results and the commutation algorithm, by comparing the predicted and measured forces, using force and torque measurement system. We present the six degrees-of-freedom control system using laser interferometers and capacitance sensors in order to achieve nanometer precision. Finally, we evaluate the control performances of the proposd planar motor.

본 논문에서는 차세대 반도체 노광시스템을 위한 6자유도 자기부상 평면모터를 제안하고 설계하며 제어를 수행한다. 차세대 노광장비는 고진공환경에서 6자유도 대행정구동이 가능한 고정밀스테이지를 필요로 한다. 자기부상 평면모터는 기계적인 결합이나 마찰이 없어 고정밀모션을 수행 가능하다. 경량의 컴팩트한 구조는 고속모션을 가능케하며, 단일몸체구성으로 잔류진동을 제거하여 고정밀모션을 가능케 한다. 외부와의 어떠한 연결도 없기때문에 고진공공정에 적용 가능하다. 차세대 노광시스템으로서 자기부상 평면모터를 사용하기 위해서는 다음의 요구조건을 만족시켜야 한다. 생산성을 향상시키고, 높은 제어성능을 갖기 위해 큰 추력을 발생시켜야 한다. 스캐닝공정의 정확성을 향상시키기 위해 힘리플이 작아야 한다. 나노정밀도를 달성하기 위한 제어기술이 개발되어야 한다. 이러한 요구조건을 만족시키기 위해, 추력을 증가시키고 힘리플을 감소시키며 나노정밀도를 달성가능한, 새로운 6자유도 자기부상 평면모터를 제안한다. 먼저 T형상 할바흐자석배열을 제안한다. 이 자석배열은 기존의 평면모터에 사용된 자석배열에 비해 큰추력을 발생시키며 힘리플을 감소시킨다. 보다 쉽게 조립이 가능하여 경제적인 이점도 얻을수 있다. 제안하는 평면모터는 코일이 지면에 고정되고 자석배열이 움직이는 형태이다. 용이한 제어를 위해 직사각형 형상의 코일을 여러개 사용하여 코일배열을 구성한다. 제안하는 평면모터의 최적설계를 위한 모델링기법을 제시한다. 맥스웰방정식을 바탕으로 자석배열에의해 발생하는 자속분포를 모델링한다. 로렌츠법칙에 의해 평면모터에서 발생하는 6자유도 힘과 토크를 계산한다. 모델링을 바탕으로 추력을 향상시키고 힘리플을 감소시키기 위한 평면모터의 최적설계를 수행한다. 설계사양을 결정하며, 자석과 코일의 형상을 결정하는 설계변수를 정의한다. 설계변수가 추력, 힘리플, 파워 소모에 미치는 영향을 분석하기 위해 파라메트릭 해석을 수행한다. 이를 바탕으로 추력을 최대화시키며 힘리플, 파워소모, 구동전류 및 전압, 치수조건들을 고려하여 최적설계를 수행한다. 설계결과를 바탕으로 공차분석을 수행하며 이로서 평면모터의 최종치수를 결정한다. 다음으로 평면모터의 6자유도 제어기법을 제시한다. 임의의 위치에서 원하는 6자유도 힘과 토크를 발생시키기 위한 전류를 계산하는 커뮤테이션방법을 설명한다. 구동부가 이동할때 자석배열 하단에 위치한 코일만을 구동하기 위해 가중치를 고려한 방법을 이용한다. 시스템 모델링을 바탕으로 6자유도 MIMO 시스템을 디커플시켜 6개의 독립된 SISO 시스템으로 단순화한뒤 각 자유도의 제어기를 설계한다. 평면모터 구동을 위한 제어시퀀스를 설명한다. 마지막으로 제작된 6자유도 자기부상 평면모터 제어시스템을 이용하여 실험을 수행한다. 힘과 토크 측정 시스템을 이용하여 설계결과와 제어알고리즘을 검증한다. 최종적으로 6자유도 제어성능을 평가한다. 300mm 구동이 가능하며, 25nm(rms) 정지정밀도, 0.09% 속도리플, 100nm 스캐닝궤적 추종오차, 42ms 세틀링시간을 달성하였다. 6축 자기부상 평면모터는 차세대노광을 위해 고진공에 적용가능한 유일한 스테이지 기술이다. 기술개발단계로서 현재 사용되고 있는 웨이퍼 스테이지의 성능에는 크게 미치지 못한다. 따라서 정밀도 향상과 시스템의 신뢰도를 향상시킬수 있는 연구가 진행되어야 한다. 고분해능센서를 이용하고, 모델링오차 및 6축커플링을 복합적으로 고려한 제어알고리즘을 이용하면 성능을 향상시킬수 있을 것이다. 힘리플보상 제어기법을 이용하여 스캐닝 성능을 보다 향상시킬수 있을 것이다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 10005
형태사항 xi, 94 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김정재
지도교수의 영문표기 : Dae-Gab Gweon
지도교수의 한글표기 : 권대갑
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 Reference: p. 91-94
주제 Magnetic levitation
Planar motor
Halbach magnet array
six degrees-of-freedom control
자기부상
평면모터
할바흐 자석배열
6자유도 제어
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