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浙汀j 、学硕士学位论文 浸没装置开放式平台控制系统的研究与开发 摘要 浸没式光刻作为具有竞争力的下一代光刻工艺，受到了越来越多的关注。本 课题组近年来开展对浸没装置的研究工作，在研究的过程中，发现动态浸没单元 的研究需要平稳、开放的实验环境，来完成对光刻的模拟和路径的柔性编制。由 于开放式数控系统具有柔性高、成本低、容易升级扩展以及可以引入最新的p c 软硬件技术等优点，所以针对动态的注液实验研究要求，建立了一套具有开放式 结构的平台控制系统，并研究了系统的控制策略并开发系统的控制软件，主要内 容如下： 第一章，介绍了开放式数控系统的研究背景、概念、功能以及开放式的优点； 综述了国内外的研究现状和进展；概括了本文研究的意义和主要研究内容。 第二章，分析了光刻机的结构和实验系统需求，设计了一套基于工业 p c + p m a c 的具有开放式结构的控制系统；介绍了组成系统的各个模块的功能以 及系统硬件的连接；分析并确定了系统的控制方式。 第三章，介绍了系统软件的工作原理和软件开发所用到的相关技术；开发了 一套基于n e t 框架的软件系统，并阐述了系统的软件实现过程，包括路径的交 互式柔性编制、运动程序的自动生成以及数据的实时采集与绘图等；介绍了三次 样条曲线的插补方法和p l c 程序的用途。 第四章，介绍了p m a c 卡i 变量的设置过程，建立了控制系统的数学模型； 优化了系统的控制参数并将自适应算法引入到系统控制之中，满足了动态的注液 实验的要求。 第五章，总结了本文的研究工作和成果，展望了未来需要开展的工作。 关键词：浸没装置；开放式结构；p m a c ；人机界面：二次开发；自适应控制 浙江大学硕士学位论文 浸没装置开放式平台控制系统的研究与开茇 a b s t r a c t i m m e r s i o nl i t h o g r a p h yh a sb e e nc a t c h i n gm o r ea n dm o r es p o t l i g h t s ，c o n s i d e r e da s c o m p e t i t o r t o n e x t g e n e r a t i o nl i t h o g r a p h yt e c h n i c s o u rs t u d yg r o u ph a sb e e n e n g a g i n gi ni m m e r s i o nd e v i c ef o rs e v e r a ly e a r sa n df i n d st h er e s e a r c ho f t h ed y n a m i c e d i t i o no fi m m e r s i o nu n i tr e q u i r i n gs t e a d ya n do p e ne x p e r i m e n t i n ge n v i r o n m e n tt o i m p l e m e n t i n g s i m u l a t i o no ft h el i t h o g r a p h ya n df l e x i b l e c o m p i l a t i o no ft h e l i t h o g r a p h yr o u t i n e t h eo p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s h j g hf l e x i b i l i t y , l o wc o s t ，f a c i l i t yt op r o m o t e ，e x p a n da n di n t r o d u c et h en e w e s tp c t e c h n o l o g yo fs o f t w a r e a n dh a r d w a r ee t c i nv i e wo ft h e s ea d v a n t a g e sa n d r e q u i r e m e n to ft h ed y n a m i ci n j c o t i n g - w a t e re x p e r i m e n t ，t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i s i sm a d eu po fe s t a b l i s h i n g ，a c h i e v i n go ft h eh i 曲p r e c i s i o na sw e l la ss o f t w a r e d e v e l o p i n go f t h eo p e n - a r c h i t e c t u r ew o r k t a b l ec o n t r o ls y s t e m t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e db a c k g r o u n d ，c o n c e p t ，f u n c t i o n s 嬲w e l la sa d v a n t a g e so f t h eo p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n ds u m m a r i z e dt h er e s e a r c hw o r ka n dp r o g r e s si n t h i sf i e l d a f t e r w a r d s ，t h es i g n i f i c a n c ea n dc o n t e n to f t h et h e s i sw e r ep r e s e n t e d t h es e c o n dc h a p t e ra n a l y z e ds t r u c t u r eo ft h el i t h o g r a p h ye q u i p m e n ta n dr e q u i r e m e n t o ft h ee x p e r i m e n ta n dt h e nd e s i g n e das e to fo p e n a r c h i t e c t u r ew o r k t a b l ec o n t r o l s y s t e mw h i c hi sm a i n l ym a d eu po fp ca n dp m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x i s c o n t r o l l e r ) e a c hm o d u l e sf u n c t i o na n dp r i n c i p l eo ft h ec o n t r o ls y s t e mw e r e i n t r o d u c e da n dc o n n e c t i o np r o c e s so ft h eh a r d w a r ew a sp r e s e n t e d a tl a s t ，c o n t r o l m o d eo f t h es y s t e mw a sd e t e r m i n e da f t e ra n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n t t h et 1 1 i r dc h a p t e ri n t r o d u c e dw o r kp r i n c i p l eo ft h es y s t e ms o f t w a r ea n dt e c h n o l o g i e s i nt h ep r o c e s so fs o f t w a r ed e v e l o p i n g t h e ns o f t w a r e s y s t e mb a s e do n n e t f r a m e w o r kw a sd e v e l o p e da n dt h ep r o c e s sw a se l a b o r a t e d n es o f t w a r es y s t e mw a s m a d eu po fm a n m a c h i n ei n t e r a c t i v ec o m p i l a t i o no ft h er o u t i n e ，a u t o m a t i cb u i l do f t h ep r o g r a ma sw e l la st h ed a t ar e a l t i m eg a t h e r i n ga n dp l o w i n ge t e i na d d i t i o n t h e 1 t 塑垩查兰堡兰兰竺笙塞 望丝垄里堑墼茎! 鱼丝型至堑塑里壅皇茎垄 i n t e r p o l a t i o n o f t h r e e t r a n s e c t s c a r v e sa n d t h e u s e s o f p l c w e r e i m k ，d u c e d t h ef o u r t h c h a p t e ri n t r o d u c e d i v a r i a b l ee s t a b l i s h m e n to ft h ep m a ca n d m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，o p t i m i z i n gt h ec o n t r o lp a r a m e t e r s t h e n , a d a p t i v ec o n t r o la r i t h m e t i cw a sr e a l i z e di nt h ec o n t r o ls y s t e mt oa c h i e v er e q u i r e m e n t o f t h ed ”a m i ci n j e c t i n g - w a t e re x p e r i m e n t t h ef i f t hc h a p t e rc o n c l u d e dt h et h e s i sa n d s u g g e s t e dt h ef u t u r er e s e a r c hw o r k k e yw o r d s ：i m m e r s i o nd e v i c e ；o p e n - a r c h i t e c t u r e ；p m a c ；h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ； s e c o n d l yd e v e l o p m e n t ；a d a p t i v ec o n t r o l 学号鲨鱼鲴! 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘茔或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：每f 唣绎签字同期：矽7 年f 月夕同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂江盘堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 细湍纬 f 导师签名： 签字日期： 叼年 占月 7 日 签字日期：冲占月 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 浸投装置开放式平台控制系统的研究与开发 第1 章绪论 本章摘要：介绍了开放式数控系统的研究背景、概念、功能以及开放式的优点： 综述了国内外的研究现状和进展；概括了本文研究的意义和主要研究内容。 1 1 开放式平台控制系统的研究背景 信息产业是2 l 世纪世界经济的主导产业和支柱产业，微电子产业是信息产 业的基础，它影响面广，后续产业链长，具有极为重要的战略地位。集成电路产 业是微电子产业中的重要组成部分，也是当今世界发展最为迅速和竞争最为激烈 的产业。光刻工艺在集成电路的制造工艺流程中最为关键，所以光刻技术的发展 直接影响着集成电路产业的升级【1 j 。 浸没装置是浸没式光刻机的核心组件( 如图1 1 ) ，浸没式光刻机主要是把 浸没装置嵌入到普通式光刻机，并相应的对普通光刻机做相应的修改，来提高分 辨率，所以浸没式光刻相比其它下一代的光刻工艺，是非常具有竞争力的，受到 了业界的广泛关注。 图1 - 1 浸没实验装置示意图 浸没原理早就被物理学家阿米西在意大利佛罗伦萨的实验室里发现，他把一 滴液体加在标夺i - ，y ，借此改善显微镜的成像品质。如今，全球的半导体产业准 备要采纳阿米西的创新技术，把镜片浸在浅薄的液体层中，制造出电路线宽，比 浙兀人学硕士学位论文浸没装置开放式平台控制系统的研究与开发 c 型肝炎病毒的宽度还要小。浸没光刻利用水比空气的折射率高，从而减少了全 反射的光线，最终提高分辨率i z j 。 2 0 0 1 年6 月e i p b n ( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ne l e c t r o n ，i o n p h o t o nb e a m s a n dn a n o t e e h n o l o g y ) 会议上，来自美国m i t 林肯实验室亚微米技术小组的 m i c h a e ls w i t k e s 和m o r d e c h a ir o t h s c h i l d 首次将浸没透镜应用到1 5 7 纳米( 氟气) 光刻机的物镜设计中，并一直在从事浸没式光刻的研究【3 , 4 1 ；随后，日本的 n i k o n 、c a n o n 和荷兰的a s m l 等全球比较大的光刻机制造商也开始研究浸 没式1 9 3 纳米光刻机在工程上的可行性，并在2 0 0 3 年2 月s p i e 会议上公开了研 究活动1 5 】：之后n i k o n 和a s m l 都公布了与t e l 合作开发浸入式光刻技术的协 议，t e l 将为他们提供独特的液体传送技术；i n t e r n a t i o n a ls e m a t e c h ( 美国半 导体制造技术战略联盟) 也开始支持浸没光刻这一新的芯片制造基本技术的研究 嘲。2 0 0 4 年，深紫外光光源供应商c y m e r 公司推出一种适用于浸没光刻技术的 准分子光源x l a 2 0 0 ，该光源允许使用多种氟化氩沉浸扫描器以满足半导体工业 中浸没光刻的需求。同年，欧洲最大的独立微电子和纳米技术研究中心i m e c 联 合了超过2 0 家公司共同研究1 9 3 纳米的浸没式光刻。 国外的浸没式光刻技术可能在2 0 0 9 年达到批量生产，届时，线宽可能大幅 缩小到4 5 纳米，浸没光刻技术的出现使半导体产业没有和摩尔定律脱节。业界 在1 5 7 n m 光刻技术上的投资，估计己超过2 0 亿美元，但浸没技术的出现，却为 他写下了终结的命运。研究人员目前也在观望，浸没原理能否应用到2 0 1 1 年那 一代的晶片上，使线宽缩小到3 2 r i m ，但若想要实现这个目标，必须配合新型镜 头与化学添加剂。2 0 0 5 年3 月，美国罗彻斯特理工学院的史密斯( b r u c ew s m i t h ) 与同事提出了固体式光刻技术，让蓝宝石镜头直接与光刻胶接触，这项技术可望 使2 0 1 5 年的进入2 5 n m 的制程1 7 1 。 我国现在开展浸没式光刻技术研究具有重要的意义。虽然国内合资公司引进 的光刻设备已达到0 2 5 p m 的水平，中芯国际2 0 0 4 年更成功实现了0 1 3 u m 的流 片，引进设备的水平仅落后国外一至两代，但是，由于在设备引进和使用时受到 较为严格的限制，且随时可能遭受更为严厉的封锁，加之光刻设备的重要战略地 位，我国迫切需要尽早在现有的基础上发展自主光刻设备和产业。 国内浸没式光刻技术的研究和国外相比还落后很多，而本文的研究成果是为 浙江大学硕士学位论文浸没装置开放式平台控制系统的研究与开发 动态的注液和液面稳定的实验研究服务的，目前的研究工作存在的问题有：动态 注液状态下液体的密封问题，气泡的检测与消除问题，液体的压力稳定问题，液 体上下表面的接触角问题，边缘曝光的问题，残留水滴问题等等【8 】o 动态的实验需要创建模拟光刻的环境来研究上述的问题。由于平台的稳定性 和控制精度对动态的注液过程具有很大的影响，并且还必须满足实验的柔性和扩 展性的需要，由于开放式数控系统具有柔性高、成本低、容易升级扩展以及可以 引入最新的p c 软硬件技术等优点，所以针对动态的注液实验研究要求，建立了 一套具有开放式结构的平台控制系统，并研究系统的控制精度以及开发系统的控 制软件。 1 2 开放式数控系统的简介与研究现状 目前国内外对基于p c 机的开放式的数控系统都有一定的研究。开放式数控 系统的概念是美国在八十年代末提出的，它具有柔性高、容易升级扩展、以及可 以引入最新的p c 软硬件技术等优点，是二十一世纪数控技术的发展方向。开放 式数控系统是一个全新的概念，目前尚没有统一的定义。o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t ha u t o m a t i o ns y s t e m s ) 是欧共体为开放式数控系统定 义的控制器结构，它将工业控制领域的开放式系统定义为：开放式控制系统由一 系列逻辑上独立的部件组成f 9 】。 1 2 1 开放式数控系统简介 在数控工作台应用领域，人们迫切要求控制器具有配置灵活、功能扩展简便、 基于统一的规范和易于实现统一管理等特点，同时相应的控制软件具有及时扩展 和联接的功能，以使控制系统的开发是标准化和易于实现的，这就产生了具有开 放结构的控制系统。用户可以在开放式系统的平台上增减一定的硬件和软件构成 个性化、柔性的系统，以便使机器人控制系统的硬件平台具有模块化的拓扑结构， 软件具有通用和组合化的模型，能适用多种设备，随意集成，体现强大的适应性， 使数控平台能够在特定领域更好的完成预定的任务【1 0 】。 参考i e e e 对开放式系统的规定，所谓开放式数控系统就是数控系统的开发 可以在统一的运行平台上，面向机床和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对 象，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中， 浙江大学硕士学位论文浸没装置开放式平台控制系统的研究与开发 快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系纠川。开放式数控系统研究的主 要目的是解决变化频繁的需求与传统控制系统专一、固定之间的矛盾，从而建立 一个统一的可重构的工具平台，极大地增强系统的柔性和适应性【1 2 l 。 开放式数控系统要求配置灵活、功能扩展简便、基于统一的规范和易于实现 统一的管理。其构成有多种形式，目前普遍采用的是基于p c 的开放式数控系统： 运动控制器+ p c 型。运动控制器通常选用高速d s p 作为c p u ，如p m a c ，具有 很强的运动控制能力和p l c 控制能力。 开放式控制系统具有如下几个基本的功能要求1 1 】： ( 1 ) 基本的调度管理功能 数控系统是一种复杂的实时多任务控制系统，它涉及到多种任务和功能需要 控制，所以对它们进行合理的调度管理。使之协调有序的工作是数控系统的必备 功能。 ( 2 ) 人机交互功能 数控系统有大量的信息和命令需要实时或非实时的显示出来，提供给操作人 员参考。同时，操作者也有大量的信心和命令要提供给操作系统，因此方便灵活 的人机交互功能是衡量数控系统性能的重要指标。基于此，本课题开发了人机交 互的操作界面。 ( 3 ) 伺服控制功能 伺服控制功能是控制器和机械的桥梁，数控系统通过它来控制电机进行运动 而完成相应的轨迹控制。 ( 4 ) 轨迹控制功能 轨迹控制功能是数控系统的最重要的功能，根据预处理得到的加工信息进行 补偿和插补计算，得到每个插补周期的每个坐标的进给量，进而控制伺服电机运 动。 开放式控制系统不仅指硬件的开放性，同时也指软件的开放性，以p c 机为 硬件平台，将p m a c 卡插入p c 机i s a 的总线插槽中，通过接口连接伺服单元 和f o 单元，达到控制数控机床的目的。p c 机与p m a c 采用总线通讯方式，数 控系统的管理软件采用m i c r o s o f t 公司提出的组件对象模型( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ，简称c o m ) 规范标准来实现系统管理软件的开放性。 浙江丈学硕士学位论文浸没装置开放式平台控制系统的研究与开发 开放式控制系统具有很多优点，特征如下： ( 1 ) 模块化：开放式系统由一系列的功能模块组成，包括硬件的模块化和 软件的模块化。 ( 2 ) 可移植性：开放式系统的可移植性是指在不同的控制器或硬件平台上 运行相同的系统组件的能力。 ( 3 ) 可互操作性：系统组件之间可以相互协作共同工作，总线式设计是实 现可互操作性的关键。 ( 4 ) 可扩展性：指开放式系统可以选择其他同类产品的能力。即可实现成 本高低产品的组合 ( 5 ) 可派生性：可以对某些组件进行升级，从而实现整个系统功能。 1 2 2 国外开放式数控系统的研究现状 在8 0 年代初，国外便开始了推广基于p c 的开放式数控系统，但是直到9 0 年代初才得以实现。世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机的丰富的软硬件资 源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的 通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展，目前正朝 标准化开放体系结构的方向前进【”】。 目前，国际上与开放式数控相关的项目比较多，但是最具影响力的是欧洲的 o s a c a 、美国的o m a c 、日本的o s e c 。 欧洲的o s a c a 计划：欧洲德、法、意、西等国于1 9 9 0 年联合进行了“自 动化系统中开放式体系结构o s a c a ”的研究，该计划于1 9 9 2 年5 月正式为欧 盟官方所接受。截止目前，o s a c a 计划的三个阶段的工作全部完成。已公布的 文件包括“o s a c ai & l if i n a lr e p o r t ”，和“o s a c ah a n d b o o k ”及其他一些文 件。o s a c a 提出了一个“分层的系统平台+ 结构功能单元”的结构。系统平台 由系统硬件和系统软件组成，系统软件包含有系统的核心部分，如操作系统、通 讯系统和可选的应用程序如数据库、图形系统之类。系统平台通过a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 对外提供服务( s e r v i c e ) 。o s a c a 的三个 主要组成部分为通讯系统( c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，参考体系结构( r e f e r e n c e a r c h i t e c t u r e ) ，配置系统( c o n f i g u r a t i o ns y s t e m ) 。 美国的o m a c 计划：美国9 0 年代提出n g c 下一代控制器计划，并拨款l 5 浙江大学硕士学位论文浸没装置开放式平台控制系统的研究与开发 亿美元进行研究，其核心即是开放体系结构的研究。其首要目标是开发开放式系 统体系结构标准规范s o s a c ( s p e c i f i c a t i o nf o ra no p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e s t a n d a r d ) 用来管理工作站和机床控制器的设计和结构组织。s o s a c 定义了n g c 系统、子系统和模块的功能以及相互间的关系，它提出了分级式控制结构，指出 了功能性的分解；定义了虚拟机实现系统模块间的信息相互交换和相互操作：定 义了n m l ( n e u 仃mm a n u f a c t u r i n gl a n g u a g e ) 语言进行制造系统中的信息传递。 该计划己于1 9 9 4 年完成了n g c 原型研究，并且己经转入了工业开发与应用。 例如美国f o m 、g m 和c r e s l e r 等公司在n g c 计划的指导下，联合提出了o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 开发计划，提出了系统基础框架，信息 库管理、任务调度、人机接口、运动控制、传感器接口等构造了控制系统功能体 系结构。该计划的目的是使系统制造厂、机床厂和最终用户分别从缩短开发周期、 降低开发费用、便于系统集成和二次开发、简化系统使用和维护等方面受益。又 如c i n c i n n a t im i l a c r o n 从1 9 9 5 年开始在其所生产的加工中心、铣床、车床及激光 加工等设备中采用开放式体系结构的a 2 1 0 0 系统( 应用双处理器组成，w i n d o w s n t 操作系统的多任务、多功能的开放式系统) 。还有d e l t at a u 公司利用 n g c 和o m a c 等协议，采用p c 机+ p m a c 控制卡构成的p m a c 开放式c n c 系统，获得了良好的应用效果。 日本的o s e c 计划：o s e c 计划是日本的几个公司共同提出的。o s e c 讨论 的重点集中在n c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 本身和分布式控制系统上。o s e c 的开放 c n c 系统体系结构包括了3 个功能层和七个处理层。o s e c 提出了f a d l ( 工厂 自动化描述语言) 和o s e l ( o p e ns y s t e m e n v i r o n m e n t l a n g u a g e ) 加工语言，实 现加工信息的标准化和制造控制系统与c a d c a m 系统之间的直接互连。韩国 等其他国家也都各自进行了开放式数控系统的研究【1 4 1 。 1 2 3 国内开放式数控系统的研究现状 我国经过“六五”、“七五”引进消化，“八五”自主开发，“九五”产业 化、工程化，基本掌握了数控技术，基本形成了一支研究、开发、生产的队伍， 基本具备了数控系统产品的配套能力。并根据国内外相关技术的发展情况，调整 到基于p c 的数控系统发展方向上来，形成了两种平台，开发出了四个基本系统， 其中，华中i 型和中华i 型是将数控专用模板嵌入通用p c 机构成的单机数控系 6 浙江大学硕士学位论文浸没装簧开放式平台控制系统的研究与开发 统，而航天i 型和兰天i 型是将p c 嵌入到数控之中构成的多机数控系统，形成 p c + n c 的前后台型结构。目前国内比较有代表性的新型开放式数控系统研究主 要有以下几种： 第一种是基于软件芯片的开放式数控系统。华中科技大学提出了一种基于软 件芯片( s o i l w a r ei n t e g r a t e dc h i p ，简称s i c ) 的开放式数控系统的实现模式。在 该模式中，通过对数控软件的标准化与规范化研究，运用面向对象的机制，把数 控系统的功能进行抽象并进行封装，将数控软件设计成具有稳定通用的接口、可 以重用的s i c ，每个s i c 完成数控系统的一个独立模块的功能，如插补功能由插 补芯片完成、位置控制功能就由位置芯片完成。并且通过建立一个数控系统软件 芯片集成开发环境对s i c 进行管理，用户可以对s i c 进行检索、浏览和维护， 还可以添加新的s i c o s 用户在组装数控系统或进行二次开发时，可以将芯片库 中检索出的s i c 按照用户所要求的功能进行集成，并可以加入用户新开发的s i c 一起组装，这样开发出的数控系统比以前节省较多时间，总体质量也有大幅提高。 其局限性在于，数控软件芯片的规范化和标准化设计很大程度上由芯片的划分决 定，它需要严格定义，使它们具有更强的逻辑性和更好的封装性。另外，更重要 的一点是，这种软件芯片的使用只是简单的程序源代码的重用，这种移植只能是 同一种编程语言下的移植，是一种极为有限条件下的移植。 第二种是基于现场总线技术的开放式数控系统。现场总线技术可以将大量的 并行信号转化为串行信号，利用双线电缆或光缆可以在上百台设备之间实时传递 上千路的信号。当前现场总线接口和数据交换大多遵循s e r c o s ( f i a lr e a l t i m e c o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o n ) 协议，是目前用于数字伺服而后传动数据通信的唯 一国际标准。s e r c o s 构成一个封闭的环路，根据伺服系统和p l c 的不同地址， 利用插在计算机中的s o f t s e r c a n s 卡实现计算机与数字伺服系统之间的实时 数据通信，形成一种基于现场总线的开放式结构数控系统。但由于s e r c o s 有 三万多个参数，在s e r c o s 参数设置方面现在的系统大多都是使用默认值，这 对于开发高速、高精度的开放式数控系统还有很大差距。并且s e r c o s 总线技 术较为昂贵，对于其普及应用也产生一定的不利影响【1 5 】。 早期的开放式系统结构研究主要集中在硬件方面，如a l b u s 提出的n a s r a m 模型，s a r i d i s 提出的分层递阶结构的智能机器模型，美国能源部提出的智能系统 浙江大学硕士学位论文浸没装置开放式平台控制系统的研究与开发 控制器( g i s c ) ，n i l s o n 利用分层结构提出的开放式控制结构等。随着开放式 结构硬件系统的建立和数字控制技术的发展，陆续出现了一些具有典型代表性的 开放式数控系统软件体系结构，如n g c ，l a a s ，n e x u s ，o r c 等，现在的数 控系统开放式体系结构的研究发展为整体、系统的方法，软、硬件体系兼顾【1 6 1 。 目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数 控系统的功能库以及数控系统的功能软件等都是当前国内外研究的核心【用。 1 3 课题的研究意义 由于a s m l 、n i k o n 和c a n o n 在两年前已经在国际市场上销售分辨率高 于1 0 0 n m 的机型，如果我国在2 0 0 7 年d 。研制出的同类光刻机将十分缺乏竞争力， 但是浸没式光刻产业化研究近几年才刚刚兴起，而我国研究者也j 下在紧跟该技术 的发展，如果能在2 0 0 8 年左右推出与国外同类的工业用浸没光刻设备，那将具 有很强的市场竞争力。近年来本课题组开展对浸液系统的理论和实验研究工作， 并取得了一定的进展，目前还存在着很多问题，动态注液的研究是下一步的研究 工作。 解决这些问题需要建立一个具有开放式结构的数控实验平台，进行动态的注 液以及运动相关参数与液面稳定的关系的研究，这在浸没式光刻技术的研究过程 中是十分重要的。运动相关参数和路径的变化都会对液面的稳定产生影响，所以， 动态注液过程的研究十分需要柔性的数控平台系统，可以十分方便的编制出实验 所需要的路径并设置相关参数，服务于动态的浸没装置。 1 4 主要研究内容 浸液单元与数控运动平台有很强的耦合性，所以平台的设计与路径控制就成 了浸没式光刻研究内容的一部分。工作台的基本技术指标为： ( 1 ) 最大速度( x ，y ) ：2 0 0 m m s ( 2 ) 最大加速度( a c e ) ( x ，y ) ：+ 1 0 r n s 2 ( 3 ) 最大加加速度( j e r k ) ( x ，y ) ：5 0 0 m s 3 ( 4 ) 最大行程：4 0 0 m m * 3 0 0 m m ( 5 ) 位置精度： c e n t e r xa n dd i a n _ y c e n t e ryt h e n ；象限 r e t u r n ( 3 6 0 1 8 0 + ( s i t a ) 3 1 4 1 6 ) e l s e i fd i a n x c e n t e r yt h e n ；二象限 r e t u r n ( 1 8 0 + 1 8 0 + ( s i t a ) 3 1 4 1 6 ) e l s e i fd i a n x 8 1 9 2 y ；定义1 号电机对应x 轴，每8 1 9 2 个脉冲对应1h i m 位移 o p e np r o g i；为程序打开一个缓冲区，定义1 号运动程序 c l e a r；清除缓冲区内原有的内容 a b s ：绝对运动 p 1 = o w h i l e ( p l 5 0 ) ；设置循环次数为5 0 l i n e a r ；直线运动 f 2 0 0：速度2 0 0 m m $ t a 4 0；加速时间为4 0 i l l s t s2 0 ；加加速度时间为2 0 m s x 2 0 y 2 0 c m c l e l：顺时针圆弧 f 2 0 0 t a 4 0 t s2 0 x3 0 y3 0 r 1 0 d 、v e l l 5 0 0：延迟5 0 0 m s p i = p i + 1 e n d w h i l e：循环结束 c l o s e ；关闭缓存 采用控件的编程方式，人机界面的设计显得尤为简单，只需在工具箱里把需 要的控件拖到窗体里便可完成窗体的创建，路径输入主界面如图3 - 11 所示。 浙江大学硕士学位论文 浸没装置开放式平台控制系统的研究与开发 3 3 3 手动简单运动模块 图3 - 1 1 路径输入程序界面 本模块主要负责工作台的手动设置。包括轴的选择、速度的大小以及电机回 零等手动操作，如图3 1 2 所示【卅。 3 3 4 在线实时命令模块 图3 1 2 手动简单运动界面 本模块主要完成在线的实时命令，这么模块需要对p m a c 的在线命令有所 了解，适合高级用户，在线命令请参考p m a c 用户手册，如图3 1 3 所示。 浙江大学硕士学位论文 浸没装置开放式平台控制系统的研究与开发 图3 1 3 在线实时命令模块 3 3 5 在线实时数据采集与画图模块 ( 1 ) 数据采集 p m a c 集执行程序( 运动程序和p l c 程序) 、伺服环更新、资源管理、数 据采集等多种功能于一身，依靠各个模块一起协同工作。其数据采集模块包括采 集周期、数据采集源、采集缓冲区以及采集模式等，就其采集的来源来看，可以 分为以下两种采集方式： 图3 一1 4 数据采集过程 浙江大学硕士学位论文 浸没装置开放式平台控制系统的研究与开发 ( 1 ) 从缓冲区中获得采集数据：在这种采集方式中，需要设定采集周期( 变 量1 1 9 ) 来决定在每个伺服中断周期内执行多少个数据采集周期，设定采集源选 择标志( 变量1 2 0 ) 来决定采集哪一个或多个数据源，以及设定采集源地址( 变 量1 2 0 1 4 4 ) 。在需要采集数据的时候，p m a c 发出采集指令，在每个伺服中断 周期内就将指定数据源中的数据采集到数据采集缓冲区内，再通过译码程序得到 用户需要的数据。这种数据采集方式比较复杂，但应用灵活，采集频率较快，用 户可以通过设定采集源，采集任何p m a c 有效地址中的数据，采集过程如图3 1 4 所示。 ( 2 ) 从i o 及运动寄存器中直接采集数据：在这种采集方式中，用户只需 要读取各个i o 及运动寄存器中的值就能得到需要的数据。由于p m a c 将运行 过程中各个电机、编码器的各种数据自动的存放在相应的f o 及运动寄存器中， 用户不需额外指定采集源，不必关心数据是如何存入、如何译码的，大大简化了 数据采集的难度。本文讨论的方法正是基于p m a c 这种采集方式1 3 5 , 3 6 1 。 需要注意的是v i s u a lb a s i c n e t 的s t r i n g 类是不能改变的，因为v i s u a l b a s i c n e t 中的字符串类型和a p i 的字符串类型是不同的，a p i 函数中广泛使用 的字符串类型为l p c s t r ，其相当于c 语言里的c h a r * ，也就是以n u l l 为结尾 的字符串指针，而v i s u a lb a s i c n e t 的字符串类型是n e t 框架定义的一个类， 而且s t r i n g 实例一旦创建就无法修改它的值，看似能修改的方法实际上返回一个 包含修改内容的新的字符串，所以对于a p i 函数可能会修改字符串的值的情况， 就不能再使用s t r i n g 类型这时需要使用s y s t e m t e x t s t r i n g b u i l d e r 类， s t r i n g b u i l d e r 对象是动态对象，注意要分配足够的容量阱, 3 6 1 。例如： p u b l i cr e s p o n s ea sn e w s y s t e m t e x t s t r i n g b u i l d e r ( 2 5 5 ) 数据的实时采集是通过t i m e r 控件的t i c k 事件，通过p r n a c g e t r e s p o n s e a 0 函数来获得寄存器中的信息，之后通过s t r i n g b u i l d e r 类下的t o s t r i n g 方法经过计 算得到电机的位置信息。t i m e r 的t i c k 事件： p r i v a t es u bt i m e r l t i c k ( b y v a is e n d e ra ss y s t e m o b j e c t ， b y v a lea ss y s t e m e v e n t a r g s ) h a n d l e st i m e r l t i c k r e t u r n _ v a l u e = p m a c g e t r e s p o n s e a ( d e v i c e n u m b e r ，r e s p o n s e ， 浙江大学硕上学位论文浸没装置开放式平台控制系统的研究与开发 2 5 5 ，”# 1p ”) ；这里使用的是“# 1p ”，当然还可以是m 1 6 2 t e x t b o x l 2 t e x t = m i c r o s o f t v i s u a i b a s i c l e f t ( r e s p o n s e t o s t r i n g + 1 0 8 1 9 2 ，7 ) ；若为m 1 6 2 ，此处为r e s p o n s e t o s t r i n g l o 8 1 9 2 9 6 3 2 e n ds u b ( 2 ) 画图 将采集得到的数据绘制成曲线方法也有很多，包括n e t 自带的绘图控件， 或者n e t 与m a t l a b 联合绘图，本文选用了一种比较简单的方法，使用n t g r a p h 控件来完成，n t g r a p h 控件是一个简单的o c x 控件，它能完成二维的绘图操作。 n t g r a p h 控件和其它o c x 控件一样，使用前需要注册。打开开始菜单运行，在 文本框里输入r e g s v r 3 2 路径悄t g r 印h o c x 。如：r e g s v r 3 2d ：k p r o j e c t s k n t g r a p h ， 接下来将控件添加到n e t 环境下的t o o l b o x 工具箱下，方法为在工具箱的空白 处单击右键，选择c h o o s ei t e m 选项，找到n t g r a p hc o n 扛o l ，添加到工具箱里。 添加之后的n t g r a p h 控件就和标准的n e t 控件基本上没有区别”3 s 。 图3 - 1 5n t g r a p h 控件调用 控件的初始化过程： p u b l i cs u bc h u s h i ( ) 浙江大学硕士学位论文 浸没装置开放式平台控制系统的研究与开发 d e v i c e n u m b e r = p m a c s e l e c t ( h w n d ) i fd e v i c e n u m b e r 7t h e n e n d e l s e r e t u r n v a l u e = o p e n p m a c d e v i c e ( d e v i c e n u r a b e r ) i fr e t u r n v a l u et h e n a x n t g r a p h l s e t r a n g e ( - 2 0 0 ，2 0 0