（光学工程专业论文）激光调阻机光刻平台系统控制研究与设计.pdf

中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 摘要 本文从以下几方面对激光调阻机的光刻平台系统进行了控制研 究与设计： 结合实验分析了光刻平台的动、静态性能和定位精度对电阻光 刻质量的影响，并针对目前最微小的0 4 0 2 型号电阻对光刻平台提出 了控制要求。 研究了带动光刻平台的新型直线电机控制原理，通过反复调整 比例、积分等一系列伺服控制参数，并结合光刻平台阶跃动态曲线， 提高了光刻平台的响应性。为了提高光刻平台的定位精度，通过在控 制中采用斜率校正法，减小了光刻平台的定位误差，解决了光刻平台 的定位精度问题。 光刻平台换行时间较长会影响整机的光刻效率。针对这个问题， 提出了一种光刻平台与测量探针组的并行工作方式，实现了光刻平台 的高速换行，解决了光刻平台的速度问题。 设计编写了全部光刻平台系统自动控制程序和人机交互程序， 使其具有全自动上片、检片、装片、换片、光刻、收片功能，实现了 激光调阻机的全自动光刻过程。 为了避免由于机械故障或人为误操作等原因，对昂贵的测量探 针组以及光刻平台等精密运动器件造成损坏，对光刻平台系统进行了 可靠性设计，使其具有了动态故障自诊断和自保护功能，保护了光学 系统、光刻平台和测量精密探针组的安全。 实现了一种光刻平台与光学系统的在线对光路功能，简化了光 刻平台与光学系统的光路对准调整工作。 采用以太网与并口结合的通讯方式，实现了上位机与光刻平台 系统的数据传递与同步。 关键词：激光；激光调阻机；光刻平台；直线电机；可靠性 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h el a s e rt r i mt a b l ec o n t r 0 1d e v e l o p m e n ta n dd e s i g no f l a s e rr e s i s t o rt r i m m i n gs y s t e mf r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s f i r s t l y , i ta n a l y z e st h ei n f l u e n c eo nl a s e rt r i mq u a l i t yb yt h ed y n a m i cf e a t u r e ， s t a t ef e a t u r ea n dp o s i t i o na c c u r a c yo fl a s e rt r i m m i n gt a b l e ，a n dp u tf o r w a r d st h e c o n t r o lr e q u i r e m e n to f0 4 0 2r e s i s t o r s e c o n d l y , i ts t a t e st h ec o n t r o lp r i n c i p l eo f t h en e w1 i n e a rm o t o rw h i c hd r i v e st h e l a s e rt r i mt a b l et h r o u g ha d j u s t i n gp r o p o r t i o ng a i na n di n t e g r a t e dg a i nr e p e a t e d l y , a n d t h ec o m b i n a t i o nw i t ht h ed y n a m i cc u r v eo fl a s e rt r i mt a b l e i ti m p r o v e s1 a s e rt r i m t a b l e sr e s p o n s em o r e o v e r , i no r d e rt oi m p r o v el a s e rt r i mt a b l e sp o s i t i o na c c u r a c y , i t r e d u c e sl a s e rt r i mt a b l e sp o s i t i o ne r r o rt h r o u g ht h em e t h o do fs l o p ec o r r e c t i o n t h e1 a s e rt r i mt a b l e sl o n gi n t e r v a lo fc h a n g e l i n ec a nd e c r e a s es y s t e m s e f f i c i e n c y i no r d e rt or e s o l v e st h i sp r o b l e m , t h i sp a p e rp u tf o r w a r dap a r a l l e lw a yo f 1 a s e rt r i mt a b l ew i t hm e a s u r es t i t c h e s r e a l i z e dl a s e rt r i mt a b l e s h i g hs p e e d c h a n g e l i n e t h r o u 吐d e s i g n sa n dd e v e l o p m e n t st h ei a s e rt r i mt a b l es y s t e ma u t o m a t i c c o n t r o lp r o g r a m ，t h es y s t e mr e a l i z e da u t o m a t i cp r o v i d er e s i s t o r s ，c h e c kr e s i s t o r s ，s e t r e s i s t o r s ，c h a n g er e s i s t o r sa n dc o l l e c tr e s i s t o r sf u n c t i o n s ，a n dr e a l i z e da u t o m a t i cw o r k p r o g r e s s f o rs o m er e a s o n ss u c ha sm e c h a n i cf a u l ta n dm i s so p e r a t i o n ，t h ee x p e n s i v e m e a s u r es t i t c h e sa n df i n e1 a s e rt r i mt a b l ec a nb eb r o k e ni no r d e rt or e s o l v et h i s p r o b l e m ，t h i sp a p e rd i s c u s sr e l i a b i l i t yd e s i g n ，w i t hw h i c ht h el a s e rt r i mt a b l es y s t e m c a nr e a l i z e dd y n a m i cf a u l td i a g n o s ea n ds e l b p r o t e c t ，a n di tp r o t e c tt h eo p t i c a ls y s t e m ， l a s e rt r i mt a b l ea n dm e a s u r es t i t c h e s f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dao n 1 i n ea d j u s tm e t h o dt oa i ma tt h e i n i t i a l i z ep o s i t i o nf r o m1 a s e rt r i mt a b l et oo p t i c a ls y s t e m t h i sm e t h o ds i m p l i f yt h e a d j u s tw o r k a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e s c o m m u n i c a t i o nw a y c o m b i n e de t h e rn e tw i t hp a r a l l e lp o r t i tr e a l i z e dt h ed a t a t r a n s l a t i n ga n d s y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n dl a s e rt r i mt a b l es y s t e m k e y w o r ds ：l a s e r ，l a s e rr es i s t o rt r i m ，l a s e rt r i mt a b l e ，l i n e a rm o t o r ， r e l i a b i l i t y 4 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 第一章绪论 1 1 引言 激光调阻机是激光加工设备在微电子工业中的一种应用，它利用 激光对薄膜电阻进行精密修调，集光学、精密机械、计算机控制、伺 服控制等多种技术融为一体，是典型的光机电一体化设备。待调的电 阻是在薄瓷片上印刷的一层电阻浆薄膜，两端是金属焊盘。其电阻值 略低于微调后期望的电阻值，且制造误差为4 0 6 0 ，所以必须经过 修凋后才能达到指定要求的阻值和精度。激光调阻机的原理是把激光 器发出的脉冲激光束聚焦成很小的光点，达到适量的能量密度，对薄 膜电阻的导电体进行切割，使之膜层熔融、蒸发，以改变薄膜电阻导 电体的有效导电面积或有效导电长度，达到调整薄膜电阻单元阻值的 目的。激光可聚焦成很小的光斑、能量集中、不产生污染、又易于用 计算机控制，因此可以满足快速微调电阻使之达到精确的预定值的目 的。微调时首先对电阻进行测量，把数据传送给计算机，计算机根据 预先设计好的修调方法指令光束定位器使激光按照一定的轨迹和路 径切割电阻，直至阻值达到预定值。它实现了激光加工过程的自动化， 并具有高精度、高效率等特点，每小时能生产18 万只用于手机、笔 记本电脑等小型电器的片式电阻。 1 2 激光产业发展现状 激光加工是非接触的加工方法，高效率、高精度、无污染、热影 响区小，因此在电子工业中，尤其是在微电子工业中得到了广泛的应 用。 世界激光器市场可以划分为三大区域：美国( 包括北美) 占5 5 ， 欧洲占2 2 ，日本及太平洋地区占2 3 。5 0 0 瓦以下的中、小功率激 光器是美国的优势，5 0 0 瓦以上用于材料加工的高功率激光器是德国 的优势，而小功率的半导体激光器是日本的优势，占世界市场的7 0 以上。美国、日本、德国三个国家激光产业的发展代表了当今世界激 光产业发展的趋势。日本在光电子技术方面占优势，在激光医疗及激 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 光检测方面是美国的优势，而激光材料加工设备方面则是德国的优 势。这表明各个国家的发展都与他们自己的工业基础有关。 我国激光产业具有很好的发展前景和很大的潜力，但也必须看到 除了激光加工材料已经形成了很大的生产规模外，其它激光设备的产 业与国外相比还存在着较大的差距。 1 3 国内、外激光调阻机研制发展历程及现状 激光刻蚀设备是用激光的精确定位控制和检测系统的高精度检 测来修整不同的材料，达到不同的要求。激光调阻机是激光刻蚀技术 在电子加工业中的一种应用，激光调阻机是集光学、精密机械、计算 机控制、精密测量、伺服控制等多种技术于体的高度自动化设备。 目前，美国e s i 公司是世界上最大的激光微调机生产厂商，生产激光 刻蚀薄膜电阻、厚膜电路和p c b 钻孔等设备；美国的t e m e x c o m p o n e n t s 公司生产激光刻蚀陶瓷电容的设备；美国的m a x i m 公司生产模拟芯片，也同时生产专门针对激光刻蚀设备检测系统的器 件产品。 激光调阻机项目是国内第一台自主开发的激光调阻设备，它是广 东风华高科集团与长春光机所合作的产物，此项目的开发成功，填补 了国内激光调阻机的空白。 1 4 激光调阻机研究的意义 激光技术是二十世纪与原子能、半导体、计算机齐名的近代四大 发明之r 一。激光的应用已经渗透到加工、医疗、军事、通讯、检测、 娱乐等领域。二十一世纪被誉为“光加工时代”。1 9 8 5 年到1 9 9 5 年 间，国外激光产业以每年1 0 的增长率进行增长，在19 9 8 就己达到 9 7 0 亿马克的销售额，预计到2 0 1 0 年世界光电子工业的产值将达到 4 0 0 0 亿美元。激光加工、激光通讯、激光医疗将成为激光技术应用 最为重要的三个方面。 以美国、日本、德国为首的西方工业发达国家非常重视激光技术 的发展与应用，把激光技术列为国家级发展计划，例如美国的“激光 核巨变计划”、德国的“激光2 0 0 0 ”、英国的“阿维尔计划”等，形 1 0 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 成了如德国的通快公司( t r u m p f ) ，美国的相干公司( c o h e r e n t ) 及 s y n a r d 公司等世界知名公司纷纷抢滩中国市场，希望从逐渐谋取兴起 的激光应用市场谋取高额利润，尚在成长中的中国激光产业面临严峻 挑战。 激光调阻机是激光技术在电子加工工业中的一种应用，它是集光 学、精密机械、计算机控制、精密测量、伺服控制等多种技术于一体 的高技术产品。在电子工业领域，激光技术应用于存储器激光冗余修 正、激光划片、激光修补、激光精密焊接、多层电路板激光精细加工、 激光精细切割和打孔、激光标记、激光辅助清洗和激光镊子等多方面。 激光调阻机的研制成功标志着我国在光学、机械、控制、测量等 领域的综合水平达到了一定的高度，它的研制成功为我国其它激光加 工设备的生产奠定了良好的基础。同时，它还缩小了我国与国外在此 领域的差距，它的诞生，打破了国外的技术垄断，取代了进口，为国 家节省了外汇。 1 5 本文主要研究的内容 本文围绕激光调阻机光刻平台控制系统的研制，主要进行了以 下方面的研究。 通过实验，结合光刻电阻实际图片，分析了光刻平台的动态性 能、静态稳定性、定位精度对各型号电阻片光刻痕质量及电阻精度的 影响，并分别针对不同型号的电阻对光刻平台性能提出了相应要求。 分析了拖载光刻平台的新型直线电机的控制原理，通过反复实 验，以光刻平台动态曲线为依据，通过调整比例、积分、微分及速度 前馈等一系列伺服控制参数，以及通过斜率校正方法( s l o p e c o r r e c t i o n ) ，使光刻平台达到了定位精度要求。 光刻平台换行时间较长会影响整机的光刻效率。针对这个问题， 提出了一种光刻平台与测量系统探针组的并行工作方式。此方法实现 了光刻平台的高速换行，满足了光刻效率的要求。 设计编写了全部光刻平台系统自动控制程序和人机交互程序， 使其具有全自动上片、检片、装片、换片、光刻、收片功能，实现了 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 激光调阻机的全自动光刻过程。 设备在工作过程中，由于机械故障或人为误操作等原因，会对 昂贵的测量探针组以及光刻平台等精密运动器件造成严重损坏。针对 这个问题，对光刻平台系统进行了可靠性设计，使其具有了动态故障 自诊断和自保护功能，保护了光学系统、光刻平台和测量系统精密探 针组的安全。 提出并实现了一种光刻平台与光学系统的在线对光路功能，简 化了光刻平台与光学系统的光路对准调整工作。 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 第二章激光调阻机及光刻平台系统概述 2 1 激光调阻机组成概况 激光调阻机共由五部分构成，它们是：上位机总控系统、电阻实 时测量系统、光刻平台系统、激光控制系统和电源系统。图21 是激 光调阻机的总体构成框图。 其中，上位机总控系统是激光调阻机的总控制部分，它协调与控 制整个设备。它提供同步型号，负责各系统的同步，也负责其它各系 统的初始数据的设置和在工作过程中监视各系统的工作状态。 电阻实时测量系统负责电阻刻蚀过程中的实时检测，来判断电阻 是否已经达到期望值，它的性能关系到电阻的精度。 激光控制系统用来控制激光束的偏转及y a g 激光器的开关，它 的信号由电阻实时测量系统给出。 光刻平台系统与激光控制系统配合，通过光束精确定位实现电阻 片在光刻平台上的高精度刻蚀过程，以及全自动电阻片光刻平台换片 过程控制。 图2 1 激光调阻机总体构成框图 电源系统提供给各部分一次电源，它包括线性电源和开关电源， 各系统根据需要再进行二次稳压、滤波，以减小电源的干扰纹波，提 高电源的稳定度。 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 2 2 光刻平台系统组成及各部分功能 、 激光调阻机光刻平台系统共有五部分组成：光刻平台机构、测量 探针机构、电阻片自动输片机构、与上位机的同步通讯、控制面板及 告警指示。 光刻平台机构是光刻平台系统的重要组成部分，它由一部直线电 机拖载，与激光控制系统配合，实现每行电阻的快速精确定位与光刻 时的高稳定性。同时，它还通过光纤传感器和真空压力传感器，实现 电阻片完好性实时检测的功能。 测量探针机构也是光刻平台系统的重要组成部分。由于在电阻的 刻蚀过程中是边测量边光刻的，因此在进行每一行的光刻时，都需耍 把两排极细的测量探针组准确压在电阻两端的焊接点上。当此行电阻 光刻结束后，测量探针机构要带动探针组抬起并离开光刻平台表面， 待光刻平台精确定位到下一行电阻位置后，测量探针机构带动探针组 下落并再次压在光刻平台上电阻片表面。测量探针机构是由交流伺服 电机通过凸轮带动，与一对直线轴承配合，来实现此功能的。但这要 求测量探针机构动作快速、准确、可靠，如果不能及时带动探针组抬 起，就会损坏昂贵的探针组。 i ；厂一 卜 降8 8 咧 l l 一 苫糊镜组 筐兰= 测量探卡! 量探卡升降兰! 电阻片定位及损坏测试机构7l t - 。脊 直线驱动电机广_ u 。_ j 上1 、电阻片 r 图2 2 激光调阻机光刻平台机构与测量探针机构组成 1 4 中国科学院硕士研究生学位论文t 激光调阻机光刻平台系统控制设计 激光调阻机光刻平台机构与测量探针机构组成如图22 所示。 y a g 激光器发出的约18 瓦功率的脉冲激光，经过扩束器进入振镜组， 经方向调制后经过f0 聚焦透镜组进行等像面聚焦，最终光点打在电 阻片上。电阻片在光刻平台上，由光刻平台电阻片定位机构进行定位 夹持，并在光刻前对电阻片进行损坏测试。 电阻片自动输片机构实现全自动上片、检片、装片、换片、光刻、 收片功能，不需要人工操作就能实现在刻完一片电阻后自动把它从光 刻平台上取走，并放上一个新的电阻片，实现了激光调阻机的全自动 光刻过程。电阻片自动输片机构包括一个摆动机械手、两个移动机械 手、八个旋转片箱和一个检测平台。如果在电阻片的传输过程中，有 一个环节的交接位置不正确，就会发生错误。因此对这部分的要求是 可靠、准确。 与上位机的同步通讯部分实现换行与光刻的同步控制和数据参 数的传递，包括并行通讯和以太网通讯两部分。并行通讯实现同步控 制，以太网通讯实现数据参数和故障代码的双方向传递。此部分的要 求是快速、可靠。 控制面板及告警指示部分实现操作人员对激光调阻机光刻平台 系统的控制，包括单片加工方式、自动连续加工方式、复位等功能。 这部分的要求是方便、可靠。 2 3 小结 本章首先介绍了激光调阻机的总体结构组成，然后介绍了激光调 阻机的一个重要组成部分一一光刻平台系统的机构组成及其功能，为 下面介绍光刻平台系统的控制设计打下了基础。 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 第三章激光调阻机光刻平台控制设计 激光调阻机的功能是对电阻片进行快速精密光刻修调，使修调后 的电阻达到期望的阻值，而对电阻片的光刻修调过程都是在光刻平台 上进行的。因此，光刻平台的控制研究对激光调阻机具有重要的意义。 本章分析了光刻平台性能对电阻片光刻痕质量的影响，并通过分析拖 载光刻平台的新型直线电机的控制原理，以光刻平台阶跃响应曲线为 依据，通过反复实验，调整比例、积分等一系列伺服控制参数，以及 通过斜率校正方法( s l o p ec o r r e c t i o n ) ，有针对性地提出一套合理的光 刻平台控制方法，使光刻平台达到很高的定位精度和较高的响应速 度。 3 1 光刻平台控制要求 电阻片有多行多列电阻，以二维矩阵排列。不同型号的电阻片， 电阻分布数量也不同。下面是几种型号电阻片的电阻分布情况。 表3 1 ，不同型号电阻片的电阻分布情况 电阻片电阻片电阻电阻电阻单只电阻 型号 尺寸( r a m ) 行数列数数量尺寸( m m ) 0 8 0 55 0 6 12 83 61 0 0 808 xl 0 6 0 35 0 6 1385 72 1 6 606 08 0 4 0 25 0 6 15 77 84 4 4 60 4 0 6 在这几种不同型号的电阻片中，0 4 0 2 型电阻对光刻平台的要求最 高。它有着相对更小的尺寸，每个标准大小陶瓷电阻片上的贴片电阻 数量为4 4 4 6 个，单只电阻浆料涂层尺寸只有0 4 m m 0 6 m m ，这要求 光刻平台具有较高的重复定位精度；另外，由于电阻焊接与测量端尺 寸仅有04 m m 02 m m ，而测量探针组是由两排共15 6 根细针组成的， 由于针有弹性变形，并且排列上有一定的位置误差，因此特别要求光 刻平台要有足够高的重复定位精度，来弥补探针组的针位置误差。综 合以上两点并经过实验，要求光刻平台的重复定位精度不能低于 6 1 a m ，否则就会影响测量的准确性。这是对精度上的要求，另外对光 1 6 中国科学院硕士研究生学位论文t 激光调阻机光刻平台系统控制设计 刻平台的速度也有较高的要求。由于振镜姐的y 方向光扫描范围有 限，只有1 0 m m ，而电阻片长度为6 1 m m ，不能覆盖整片电阻，因此 在一行光刻结束后，为了进行下一行光刻，必须由光刻平台携带电组 片精确定位在下一行光刻位置。由于在一小时内要加工1 8 万片电组， 除去光刻和换片时间，光刻平台必须要在11 秒内完成57 次精确定位， 平均每次定位约02 秒，这期间包括测量探针组快速上升，与电阻片 脱离接触，同时光刻平台要迅速移动到下一行光刻位置并能快速定 位，随后测量探针组要快速下压，使之与电阻片接触。由此可见对光 刻平台的速度要求也是很高的。综上所述，为了同时满足精度和速度 上的性能要求，为光刻平台的控制提出了更高的要求。另外，在光刻 过程中，光刻平台的动态性能和稳态性能对光刻质量也有着很大的影 响。为了有针对性地进行控制设计，首先对光刻平台的各项性能电阻 片光刻质量造成的影响作一下分析。 3 2 光刻平台性能对光刻质量及速度的影响 3 2 1 光刻平台动态性能对光刻质量的影响 影响激光调阻质量的一个因素是光刻平台的动态性能，这是因 为，激光调阻机的加工效率非常高，因此不但每个动作或功能的运行 速度很快，而且相互之间的配合也非常紧密，经常是一个动作完成后， 接着它的动作就会立即执行。在刻阻换行过程中，光刻平台移动到新 的一行光刻位置后，光刻就立即开始。因此，如果光刻平台的动态性 能不佳，上升时间( t ，) 与调节时间( t 。) 太长，或超调量( 口) 太 大，都会对每行的前几列电阻光刻痕产生严重影响。从而影响整片电 阻的误差精度与调阻质量。 下面给出了几种因光刻平台动态性能不佳而对电阻片光刻痕质 量造成影响的情况，并分析了造成影响的具体原因。 1 标准的光刻痕 为了便于比较，首先给出了标准的光刻痕照片，如图3 1 所示。 可以看出，标准的光刻痕横槽平直，形状规则。这是评价光刻质量的 一个重要依据。 1 7 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 图3 1 标准的光刻痕 2 光刻痕横槽下陷 这种情况，光刻痕横槽不是平直的，而是略微下陷。电阻光刻痕 如图31 所示。 图3 2 光刻痕横槽下陷 经过分析，出现这个问题的原因是由于t 。太长，导致在光刻平台 到达新的一行光刻位置，并已经开始光刻的时候，光刻平台还在进行 缓慢的调节。从而导致光刻平台的位置发生变化，在列的负方向产生 变形。 3 光刻横槽上翘 这种情况，光刻痕横槽不是平直的，而是略微上翘。电阻光刻痕 如图32 所示。 图3 3 光刻痕横槽上翘 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 经过分析，出现这个问题的原因是由于一太大，导致在光刻平 台到达新的一行光刻位置，并已经开始光刻的时候，光刻平台还处在 超调的位置。在进行光刻的时候，光刻平台在进行回调，从而导致光 刻平台的位置发生变化，在列的正方向产生变形。 3 2 2 光刻平台的稳态性能对光刻质量的影响 在光刻过程中，光刻平台的稳态性能对激光调阻质量有着很大的 影响。一方面，如果在行刻时光刻平台稳定性不好，发生位置漂移， 会造成横槽形状不平直，使光刻痕发生变形，加大修调后的电阻误差 范围，影响光刻质量；另一方面，由于在光刻过程中，要对刻蚀电阻 进行实时测量，因此测量探针要一直压在电阻两端。光刻平台的不稳 定，会影响测量探针与电阻两端的接触，发生接触不良，形成等效电 阻，影响测量系统的精确度，从而进一步增加电阻误差范围。 图34 光刻痕横槽 这种情况，主要造成的影响是电阻精度偏差大，并且光刻痕横槽 不是平直的。实际电阻光刻痕如图34 所示。 3 2 3 光刻平台定位精度对光刻质量的影响 光刻平台的定位精度对光刻质量有着更为严重的影响，它主要不 是影响光刻痕形状，而是影响电阻值的测量。经过实验和测量，如果 不采取措施提高精度，光刻平台的定位精度为l5 h 。这对于0 8 0 5 及 0 6 0 3 型号的电阻已经可以满足精度要求，而对于0 4 0 2 型号的电阻就 不能满足要求。因为这会对测量造成很大的影响，致使在一行中有多 个电阻测量不到值，而在光刻过程中，这些电阻就会因始终达不到标 准值而被激光截断，成为断路电阻。如果在一个电阻片中，有6 粒以 上的电阻发生这种情况，就会使这片电阻成为不合格品。可见，如果 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 光刻平台的定位精度不高，就会影响0 4 0 2 型号整片电阻的合格率， 从而使设备达不到性能要求。 3 2 4 光刻平台与测量探针机构的配合对光刻质量的影响 由于电阻光刻过程是边测量边刻蚀，因此光刻平台系统还包括一 套测量探卡机构，负责对探针组的控制。在工作过程中，当光刻平台 定位在一行电阻的位置后，探针组立即下落，并准确压在待刻电阻行 的每个电阻两端极小金属片状引脚，进行实时测量。光刻结束一行电 阻后，探针组立即上升，然后光刻平台定位在下一行电阻的位置，随 后探针组再次立即下落，重复以上工作流程。在光刻每个电阻时，两 个方向刻蚀的距离都与实际测量结果有关，也就影响到了刻蚀后电阻 值的精确程度。 可以看出，要想对电阻进行准确测量，测量探针机构要与光刻平 台紧密配合。如果探针组下压过早、过晚，或探针组己经压下，而光 刻平台还因为未完成动作而发生位置漂移，都会影响测量探针与电阻 两端的接触，发生接触不良，形成等效电阻，影响测量系统的精确度， 从而进一步增加电阻误差范围，图35 显示出实验过程中，由于测量 探针与电阻两端发生接触不良而出现的刻蚀电阻实验结果。 ( a ) 接触不上( b ) 接触不良 图3 5 接触不良造成的光刻痕横槽 在测量系统进行实时测量时，刻痕不断延长，直至测量电阻大于 等于待刻电阻值时，才结束此电阻的刻蚀。从图中可以看出，当接触 不上时，测量输入为开路，电阻为无穷大。由于测量系统判断电阻值 达到期望值的依据是实际测量阻值大于期望值，所以测量系统此时认 为电阻已经达到阻值，不必进行光刻；而当接触不良时，探针与电阻 2 0 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 两端的接触位置产生了接触电阻，形成等微电阻，与实际电阻串联， 使刻蚀后的实际电阻值偏小。 为了避免这种情况的发生，要增强光刻平台与测量探针机构工作 的相关性，保证光刻平台与测量探针机构动作交替进行，进行完一个 动作成后才能继续下个动作，尤其是要保证测量探针下压后，光刻 平台位置要稳定。 3 2 5 光刻平台对光刻速度的影响 激光调阻的速度是由光刻速度和换行速度两个因素决定的，即激 光修调一片电阻的时间是光刻系统光刻时间和光刻平台换行时间的 总和。光刻平台换行时间占总调阻时间的约1 3 ，因此光刻平台的性 能与调阻速度有很大的关系。在调阻机工作过程中，光刻平台总是处 在频繁的小距离换行工作状态。其每片运动的距离和次数如表32 所 不。 表32 各型号电阻片的电阻行分布情况 电阻片型号 行间距 行数 0 8 0 52 m m 2 8 0 6 0 31 4 m m3 8 0 4 0 20 9 8 m m5 7 从表中我们可以看出，在加工每片0 4 0 2 电阻的时候，光刻平台 要移动5 7 次，每次移动1 m m 。对于如此小距离频繁动作，应该寻找 一个方法减小时间消耗，提高激光调阻速度。 3 3 光刻平台提高光刻质量的控制方式及实现 3 3 1 控制方式 要想获得优越的控制性能，使光刻平台的动态和静态性能获得最 佳效果，就要对光刻平台进行正确的调整与控制。由于光刻平台是由 一部直线电机拖载的，所以要考虑整个光刻平台的质量、惯量、摩擦 系数、阻尼系数等特性，并针对工作状态中的位移、速度、加速度进 行优化，通过调整控制器的比例、积分、微分参数，以单位阶跃时问 响应曲线作为调整效果依据，进行调整从而使控制达到要求。 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 3 3 2 光刻平台的直线电机控制原理 直线电机是近年来才出现的一种新型电机，它从交流伺服电机变 形发展而来，主要的目的是把传统电机的旋转运动直接以直线运动代 替，省略了丝杠等转换和传递机构，在提高效率、速度的同时也消除 了传动误差，可以获得教好的定位精度。直线电机是从传统的旋转交 流伺服电机经过演化而形成的。它把旋转伺服电机展开，定子变成了 滑动块，转子变成了一个磁轨。其中，滑动块由一组传导电流的线圈 组成，而磁轨则由一组呈直线排列的交替极性安置的强磁材料组成。 工作时，滑动块中的线圈通过正弦交替的电流产生运动，直线光栅编 码器输出反馈信号，在闭环控制下实现精确而高速的运动。 直线电机的控制是一个全闭环伺服控制系统，它通过控制器发出 的驱动电源脉冲频率、宽度和幅度，驱动电机实现运动的方向、速度； 同时，内置在直线电机导轨上的高精度条型光栅数字编码器返回滑块 的位置，作为反馈量输入控制器，进行伺服处理运算。伺服算法有几 个参数是可以根据实际情况调整的，通过调整它们可以改变其动态、 静态性能。为了对直线电机进行调整以获得优良的性能，要对其控制 器原理有一个了解。图3 6 所示的是直线电机控制器的控制原理框图。 图3 6 直线电机控制原理框图 中国科学院硕士研究生学位论文；激光调阻机光刻平台系统控制设计 可以看出，需要调节的参数包括比例增益、积分增益、速度前馈 增益、速度反馈增益、加速度前馈增益等参数。其中，比例增益起加 快响应速度的作用；积分增益起到减小位置误差的作用；速度前馈增 益提高运动过程中位置轨迹的准确性；速度反馈增益可以提高系统稳 定性；加速度前馈增益在加、减速阶段可以提高运动过程中位置轨迹 的准确性。 3 3 3 提高光刻平台动态与稳态性能的伺服增益参数调整设计 伺服系统的参数非常多，要把所有参数都设置为合适的数值非常 不容易。同时，在伺服系统的调试过程中，有些参数是相互反向影响 的，即增加某个参数的值可能会提高某个方面的性能，但它的值的增 加同时又会降低另外一个方面的性能。因此在进行参数调整前，要先 分析出我们着重的是哪些性能，这样才能够有针对性地进行调试。 光刻平台在工作中，主要的性能指标是快速、准确地定位，即要 有良好的动态性能：同时，要在停止运动时具有尽量小的调节范围， 即要有良好的稳态性能。另外，光刻平台的运动是小距离移动，移动 范围在5 0 0 u m 2 0 0 0 9 m 内。在此情况下，加速和减速时间要占的时间 比例比较大，要对加速和减速性能进行优化，以获得总体性能的提高。 虽然以上几方面的要求比较高，但对于其它一些性能要求就比较低， 如对运动过程中速度的均匀性并无过高的要求。通过以上分析光刻平 台的工作特点，就可以根据其着重点做详细的实验，并把参数调整目 标全部向此靠拢，尽管这可能会在一定程度上降低非重点性能的指 标，但通常可以根据应用目的获得优越的性能。 通过以上分析，可以看出只要调节好比例增益和积分增益就可以 获得比较好的性能。其中，比例增益成比例地反应控制系统偏差信号 e ( t ) ，偏差一旦产生它就产生控制作用减小偏差。它是在一个伺服周 期内命令位置与实际位置差的系数，它的的功能是加快响应，比例增 益越大，定位时间越快，并在一定程度上增加稳定性。积分增益可以 减少或消除由摩擦、重量、惯量等造成的位置偏差，提高系统稳定度 和精度。当位置错误产生时，积分增益控制会快速上升，直到克服阻 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 力使系统定位在命令位置，消除稳态误差， 1 比例增益调整 在调试过程中，要获得好的动态性能，先主要调节比例参数，以 减小上升时间( t 。) 和超调量( 。) ，然后再调节积分参数，使其 减小调节时间( t ；) 、减小稳态误差。按照这种调试步骤，先主要调 节比例参数并进行了实验。实验参数及结果如图图37 ( a h ) 所示。 其中s g p 为比例增益，s g i 为积分增益。 ( a ) ( b ) 2 4 ： 。f 11 。i 。l1 。i i 1 i 。 三_| 一 三_ ： 雕 | _ ： 7 i 。2 二，i 。j “一；j j - 。，。o ! 蠢鼻；彝i _ # 鼻 。 i | 一 。j 。i o ij 。 啊 渗0 攀一 鎏攀攀攀，蓬溪；鏊 i j 豢漤囊 挚 “。 0| i ；目_ 雹_ ：冀 一 i i。一 ，一 ： ? j 一：。善j ，：、r _ 。j ；一1 ? 童蔓：i 二：簧：o j 董l l i 。 1 。 j。v 。| ? ：、j ! ： ： e _ 巷 川? 。1 。叠一l ! j j 一。+ i 1 01 譬j 。：曩。_ i 。0 _ ，麓。叫o 蠢 。 一、i 一1、i o l - 一二一 。 一、一 i 。 ” “。 。 ? 麓。l _ t - ， ，。 ! 一年 二 筮巧 l i j翻强： j 强_ l 四i 生_ _ _ ? 霉 i o 。j一07 。、0 。i p 摹 。、。，1 i 。0 。ii o - 叠_ 。h ；：? r 菇 誊 苷 j 国 i “ 二v _ 譬 | 。蠢| ： ：o 麓 攀鬻：i 蘩豢 i j i ! 攀 ? 。囊学 川j - 、斗- 澎黪爨蒸戮磐移爹 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 当比例增益大于13 时，发生了多次过调，调节时间( t ；) 反而增加。 在比例增益为o 95 到10 5 的范围内，反应响应速度的综合指标调节 时间( t 。) 比较小。可以在此小范围内同时调整积分增益进行进一步 优化。 2 积分增益调整 调节积分增益的方法是如果超调量( 一) 过大，则相应增加积 分增益；如果上升时间( t ，) 过长，则减小积分增益。调节的目标是 让光刻平台阶跃响应曲线有一个小的正向过冲，然后有一个很微小的 反向过冲，紧接着定位在命令位置。采用这种实验方法及思路，进行 了系列实验，实验参数及结果如图38 ( a e ) 所示。 ( a ) ( b ) ； 。i 4 l 。i 。1 i 。l i 。j 。 1 11 - “| ? j 穿 斗 im 嚣 j ：_ | ji ? l ，m _ 一、 一 一 -rj，。7 。，o j 。1 _ 1。 一。 啊 4 _ | _ “。0 _ 1 - 一。07 4 l 1i j 。r 一4 誊+ 0 j 麓刮1 醚 ii 囊一 ? 。j + 薹、- j j 一毫0 0薹萋? j 嚣誊萋，： _ 拼 0 7 j ，、 ? -， 一1 | l _ ? 曩。翟鬈臻善。 一： 一j f 蘩爹i 辫 0 i 。“o 。i i 、j 1 。：? i 。薯1 0 鎏_ _ j 。l _ 霉一- j 一 ，i 。 ，i j ? ?。j 、| ： 1 j 。| + ： 二i 。 。： - 一 i 。- 一。jj 。一。0 。j i 。- ? ? o ： j i。il-1 矗- 、 ：。? 。篱y 1 1 毫：_ 。、1 曩：一哆妻| 。撼j 。? 誊t j j ：! 嚣! j 董妻荨囊誓。： 耧 、 。- |? ? 一。 誊。 。，” ，一 1 。 1 io i一 0j | 。冀： ： 雾 。 。y： j。_ o 0 - 0 - 稚一_ 一 ： i ，0 0j 一i o _ _ 、二- ? 薯一一一i ：- ”。 一 _ ：一_ 鬻。j j ：= kl 倒 置秸 釜 龉l i ， 一 蹦g酗嘲圈田l 卿j 哥1-_ ；磁鳝丽日 ；“墨蜀整-衙i_ 礤 l ；i阿隧黼髓i -i 珏啪圈嘲l 醺强蠹 目 雌 1 1 | 1譬珊_ _ 雌 疆圈| 懵曩 r a i 口日a _嚣 疆鲻 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 最优状态，对提高光刻平台性能有着重要的作用。 通过以上实验，选择出合适的光刻平台性能参数。通过使用这些 参数值，对光刻平台的性能进行了最优化，从而提高了整套系统的性 能。同时，从实验的结果也可以看出，对伺服系统的调整参数取值也 不是唯一的。 3 3 4 提高定位精度的斜率校正法( s l o p ec o r r e c t i o n ) 控制设计 尽管直线电机具有较高的重复精度，可以达到iu m ，但是它的 定位精度却不是很高。根据其资料，定位精度在不同运动距离时有所 不同，最高可以达到1 2 u m ，这在进行0 4 0 2 型电阻光刻时就不能满足 要求。这是因为，0 4 0 2 型电阻的焊接与测量端尺寸仅有o4 m m o2 m m ，而测量探针组是由两排共15 6 根细针组成的，由于针有弹性 变形，并且排列上有一定的位置误差，因此特别要求光刻平台要有足 够高的定位精度，来弥补探针组的针位置误差，使每根探针都能准确 压在相应的测量端上。这要求光刻平台的重复定位精度不能低于 6 i j m ，否则就会影响测量的准确性，从而影响光刻电阻精度。 这种定位误差通过p i d 调整是无法改善的，因此，必须采取其它 措施来提高光刻平台的定位精度。 1 提高定位精度前误差测量与分析 为了准确测量在定位过程中的误差，光刻平台每次定位后，立即 查询光刻平台的期望位置、命令位置、编码器位置和实际误差值。表 3 3 是运动步进距离为1 0 0 0 i i m 的测量结果。 表3 3 提高精度前定位误差 期望位置命令位置编码器位置实际误差 ( m )( p m )( u m ) ( p m ) 1 7 9 9 5 017 9 8 5 017 9 8 3 1+ 1 9 1 7 8 8 5 0 l7 8 8 5 01 7 8 8 3 4 + 1 6 l7 7 8 5 0 l7 7 8 5 017 7 8 3 0+ 2 0 1 7 6 8 5 01 7 6 8 5 01 7 6 8 3 7+ l3 1 7 5 8 5 0 1 7 5 8 5 01 7 5 8 3 9+ 1 1 中国科学院硕士研究生学位论文：激光调阻机光刻平台系统控制设计 1 7 4 8 5 017 4 8 5 01 7 4 8 38+ 1 2 1 7 3 8 5 01 7 3 8 5 01 7 3 8 3 0+ 2 0 17 2 8 5 01 7 2 8 5 0 1 7 2 8 3 7+ 17 1 7 1 8 5 01 7 l8 5 01 7 18 3 5+ 1 5 从表中可以看出，由直线电机拖载的光刻平台定位误差最大可以 达到1 l 肚一2 0 肚，不能满足使用要求。 2 斜率校正法f s l o p ec o r r e c t i o n ) 控制设计 为了减小定位误差范围，使其限制在6 “m 以内，通过查阅参考 资料【1 1 ，拟采取斜率校正法。它的原理是：根据不同运动距离情况 下测量的误差，计算出一定运动距离范围内的斜率校正系数。在计算 命令位置的时候，根据实际运动距离引入相应斜率校正系数，重新计 算命令位置，使实际定位位置接近期望位置，从而减小误差。具体方 法为： 首先，根据下式根据不同运动距离计算相应斜率校正系数。 斜率校正系数( ac * 4 * ，) = 平均误差( p ) 步进距离( d ) 根据表3 3 ，可以知道在步进距离为1 0 0 0 p m 时，误差的平均值 为1 5 8 ，则 斜率校正系数a 0 0 1 = l5 8 1 0 0 0 = 0 0 l58 然后，在运行过程中