基于扰动观测器的光刻机运动台刚度阻尼补偿与解耦
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TP273

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上海市自然科学基金项目(23ZR1466000).


Stiffness and damping compensation and decoupling for lithography motion stages using disturbance observer
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    摘要:

    光刻机精密运动台普遍采用粗-微动台复合架构, 以兼顾大行程与纳米级精度. 然而, 在实际高速扫描工况下, 由柔性管线与音圈电机电涡流效应引发的粗-微动台寄生耦合难题, 严重制约了微动台的最终定位性能. 为解决此问题, 在粗动台单向双驱同步控制架构基础上, 提出一种基于“灰盒物理建模”与状态空间扰动观测器(SS-DOB)相结合的解耦补偿算法. 所提方法的核心在于, 从物理机理出发将复杂且难以精确建模的耦合扰动力, 显式分解为确定性的刚度分量与阻尼分量, 以及非线性的残余未建模分量; 进而, 通过匀速运动激励信号在线辨识刚度系数, 利用传递函数频域分析辨识阻尼系数, 以实现主导耦合力的零相位滞后前馈补偿; 同时, 构建带有数字时序补偿机制的SS-DOB, 对高频残余扰动进行实时精准估计与“兜底”补偿; 最终, 通过在光刻机精密运动台上的实验验证了所提方法的有效性. 实验结果表明, 所提出的补偿算法能有效抑制粗-微动台间的耦合扰动, 将运动台$Y $向的定位精度(${\rm mean} +3 \sigma $)从32.73 nm显著提升至18.67 nm, 性能提升约43%.

    Abstract:

    Lithography motion stages widely adopt a coarse-fine compound architecture to achieve both large strokes and nanometer-level precision. However, during high-speed scanning, coarse-fine parasitic coupling — induced by flexible cables and voice coil motor eddy currents — severely limits the fine stage's positioning performance. To address this, we propose a decoupling compensation algorithm combining gray-box physical modeling and a state-space disturbance observer (SS-DOB). The complex coupling disturbance is explicitly decomposed into deterministic stiffness and damping components, alongside a nonlinear residual. By identifying the stiffness online via constant-velocity excitation and the damping through frequency-domain analysis, zero-phase-lag feedforward compensation is achieved for the dominant coupling forces. Simultaneously, an SS-DOB with digital timing compensation accurately estimates and suppresses high-frequency residuals. Experimental results on a lithography motion stage validate the method, demonstrating a 43% improvement in $ Y $-direction positioning accuracy $ ({\rm mean}+3\sigma) $from 32.73 nm to 18.67 nm.

    参考文献
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    引证文献
引用本文

申楠楠,康琦.基于扰动观测器的光刻机运动台刚度阻尼补偿与解耦[J].控制与决策,2026,41(11):3007-3017

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  • 收稿日期:2025-11-24
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  • 在线发布日期: 2026-10-16
  • 出版日期: 2026-11-10
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