（机械工程专业论文）双面光刻机控制系统的研究与设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着半导体工业的不断发展，基片面积越来越大，这些器件在集成度、超微线宽、 纵深比、对准精度等指标的要求越来越高，这对光刻机的控制系统也提出了更高层次 的要求，需要控制系统实现基片与掩模精确找平和高精度对准，同时做到操作简单， 灵活性强，可靠性高。论文根据双面光刻机性能指标的要求，对控制系统需求进行了 分析，从运动控制和系统软件两个方面进行了研究与设计。 整机控制系统采用分布式结构，闭环控制的方法，从控制器和执行电机两个主要 环节对运动控制系统进行了分析。对直流伺服电机进行了建模，分析了直流伺服电机 及减速组件的具体选型及应用。对p i d 控制器进行分析，优化p i d 控制参数，提高对 准工作台的响应速度和定位精度，满足性能指标要求。 系统软件采用w i n 2 0 0 0 操作系统为开发平台、v c + + 作为开发工具，确定采用模 块化的设计思想，设计编写了双面光刻机的系统控制程序，并进行了可靠性设计，使 其具有动态故障检测诊断、自动保护功能，提高了控制软件的可靠性，实现了双面光 刻机的控制功能。采用了r s 2 3 2 串行总线接口进行实时数据通信，增加了设备配置的 灵活性，并编写了多线程串口通信程序，保证了机械手、预对准台和主程序并行运行。 论文研究开发的控制系统已经应用在双面光刻机上，经过工艺实验检测表明：运 动控制系统、对准精度等主要性能指标都达到项目既定要求。该型号双面光刻机己进 行生产使用。 关键词：双面光刻机运动控制直流伺服电机数据通信 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h er a p i dg r o w i n go fs e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y , s u b s t r a t es i z eb e c o m el a g e rt h a n b e f o r e ，t h o s ed e v i c e sh a v ei n t e g r a t i o n ，w i r e sw i d t h ，a l i g n i n gp r e c i s i o nb e c o m eh i g h e rt h a n b e f o r e t h o s en e e dt h es y s t e mc o n t r o lh a v eh i g h e rp e r f o r m a n c et h a nb e f o r e ，a c h i e v e p a r a l l e la n da l i g n i n go fm a s kw i t hs u b s t r a t e , a l s oh a v es i m p l e so p e r a t i o n , h i 曲a g i l i t ya n d r e l i a b i l i t y a c c o r d i n ga ss p e c i f i c a t i o n so fd o u b l e s i d em a s ka l i g n e r , t h et h e s i sa n a l y z e d r e q u i r e m e n to fc o n t r o ls y s t e m ，s t u d i e da n dd e s i g n e dm o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n ds y s t e m s o f w a r e t h ee q u i p m e n ta d o p t e dd i s t r i b u t e ds t r u c t u r ea n dc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m , a n a l y z e c o n t r o l l e ra n dm o t o rf o rp r i m a r yf a c t o r so fm o t i o nc o n t r o ls y s t e me s t a b l i s h e dm o d e l so f d cs e r v em o t o r , a n a l y z e ds e l e c t i o no fd cs e r v om o t o ra n dr e d u c e r a n a l y z et op d c o n t r o l l e r , o p t i m i z ep a r a m e t e r , a l lt h e s ei m p r o v es y s t e mm o t i o nr e s p o n s er a p i d i t ya n d t h e p r e c i s i o no f o r i e n t m i o n t h i st h e s i sc o n f i r m st h ew h o l es o f t w a r ei sb a s e do nw i n 2 0 0 0s y s t e m ，a n dd e s i g n e d t h ec o n t r o ls o f t w a r eb yv c 十tu s e dt h ed e s i g no f m o d u l a r i z a t i o n , p r o g r a m m e ds o f t w a r eo f c o n t r o ls y s t e m , w h i l ep r o s e c u t e dr e l i a b l yd e s i g n , w i t hd y n a m i c a l l ya n a l y z e df a i l u r e m o d e l sa n da u t op r o t e c t , i m p r o v e dr e l i a b i l i t yo fc o n t r o ls o f t w a r e ，i m p l e m e n tc o n t r o l f u n c t i o n b a s e do nr s 一2 3 2 cs e r i a l i n t e r f a c e ，d e s i g n e d m u l t i t a s kr e a l t i m ed a t a c o m m u n i c a t i o ni nt h i st h e s i s , i m p r o v e da g i l i t yo fe q u i p m e n tc o n f i g u r a t i o n , p r o g r a m m e d m u l t i t h r e a d i n gs e r i a lc o m m u n i c a t i o n , e n s u r e dr o b o t ，p r e a l i g n e ra n dm a i np r o c e s sr u n n i n g a ts i m u l t a n e i t y t h i sc o n t r o ls y s t e mh a su s e di nt h ed o u b l e s i d em a s ka l i g n e r b yp r o c e s st e c h n i c a l t e s t si n d i c a t e dt h a tt h es y s t e mh a sa c h i e v e de s t a b l i s h e dt a r g e ti nm a j o rs p e c i f i c a t i o n s ，l i k e m o t i o nc o n t r o la n da l i g n i n gp r e c i s i o n t h i sm o d e ld o u b l e s i d em a s ka l i g n e rh a su s e di n p r o d u c t i o n k e yw o r d s ：d o u b l em a s ka l i g n e r m o t i o nc o n t r o ld cs e r v om o t o rd a t a c o m m u n i c a t i o n 独创性声明 l y l 0 1 7 4 2 8 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何冀他 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文韵研究做出贡献的个入和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：办? 亥劈 日期：函一年f 口月工6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回 ( 请在以上方框内打“4 ”) 糊一躲即玉博一次搦套 日期：办年i o 月4 日日期：删辞i 口月如吕 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的来源 1 绪论 信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的 机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变， 微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合， 促使机械工业开始了场大规模的机电一体化技术革命。 进入信息时代的2 1 世纪，微电子技术仍然是信息产业的主要技术支撑之一。除了 加工集成度越来越高的微电子器件外，已经延伸到加工诸如微机电系统( m e m s ) ，微 光电子器件、功率半导体器件、微波器件等一些对经济、国防有着重要作用的特殊器 件。这些特殊器件在航空航天、生物医学、仪器仪表、环境检测和军事等领域有着传 统器件所无法比拟的优势和广泛的应用前景。并且随着微电子的不断发展，其市场空 间和潜力将会更大。双面光刻机是在基片正反两面制作出有相应位置要求图形的设备， 是这些特殊器件生产过程中的关键工艺设备，其性能对元器件的集成度、微型化以及 性能等指标起着决定性作用。随着基片面积的不断增大和这些器件在高集成度、超微 线宽、纵深比、对准精度等指标的要求越来越高，这对所使用的光刻机提出了更高层 次的要求，而这些技术性能要求是现有的双面光刻机无法达到的。但是长期以来，光 刻机作为半导体制造工艺中的关键设备一直被国外厂家垄断，国内在大尺寸高精度的 双面光刻机这一领域的研制还是空白，进口一台6 ”双面光刻机都要花上三十多万美 元。为了打破外国对中国的技术垄断，替代昂贵的进口设备，研制能适用于大面积基 片深度刻蚀的新型双面光刻机已迫在眉睫。因此，中国电子科技集团第4 5 研究所承担 了6 ”双面光刻机项目的研制工作。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 光刻机的发展历程 光学光刻和使用照相机的摄影技术相似，光刻机是利用光学系统把掩模版上的图 形精确地复制到基片表面。从开始硅片制造以来，光学光刻就一直是不断缩小的芯片 特征尺寸的主要限制因素，经常被看成是驱动摩尔定律性能改进的发动机。从s s i 时 华中科技大学硕士学位论文 代直到2 0 世纪7 0 年代，接触式光刻机是主要的光刻手段，被用于线宽尺寸约5um 及 以上的生产。由于接触式光刻机依赖人操作，并且掩模版和光刻胶是直接接触的，容 易被沾污。因此，从2 0 世纪8 0 年代初开始，采用投影方式的光刻机占据了主导地位， 先后出现了扫描投影光刻机和分步重复光刻机。近来在光刻曝光设备上的发展是融合 了扫描投影光刻机和分步重复光刻机技术，即步进扫描光刻技术。步进扫描光刻机已 经在0 2 5 1 1 m 及以下的深紫外光刻中占据主导地位，成为目前i c 制造中的主流光刻设 掣2 】。 虽然现在在i c 制造中接触式光刻机已经很少使用，但是在生产量小的实验室和分 离器件生产线中广泛使用。同时，随着新工艺、新器件的不断出现，接触式光刻机的 使用领域在不断的扩大，有的需要在基片正反两面制作出有相应位置要求的图形，单 面光刻机已经不能满足这样的需求，因此双面光刻机就应运而生，并且在m e m s 、l e d 、 太阳能电池等新兴领域得到广泛地应用。 1 2 2 双面光刻机的国内外现状 目 ； ，双面光刻机研制的主要厂家有国内的中国电子科技集团公司第4 5 研究所、 中科院光电所以及德国k a r ls u s s 、奥地利e v g 、美国o a i 、日本u n i o no p t i c a l 和俄罗 斯p l a n a r 等十几家公司。 在双面光刻机的发展过程中，其对准原理主要有四种方式：红外线双面对准、四物 镜对准、双掩模对准或底部对准 3 - 5 o 红外线双面对准：利用红外线具有穿透能力的特性，用红外线显微镜从正面观察基 片背面的图形，达到和掩模版图形对准的目的。其优点是可直接观察对准与否，但存 在图形反差小对准速度慢、对准精度低、只能用于透射性好的基片等缺点。 四物镜对准：选用4 个高分辨率物镜作为专用的光学系统，上下左右成对设计。其 优点是对准精度高、可直接观察到清晰的对准图像、可获得较高的曝光分辨率，不足 之处是对准观察系统机械结构和光学成像系统复杂、装校难度大、生产效率低，并且 设备成本高。 双掩模对准：该类型采用了双掩模对准，双曝光系统同时曝光，双面对准精度可达 - t - 3l am 。其优点是：对准速度快、生产效率高；不受基片材料及其厚度的影响。 其缺点是曝光分辨率低( 5l im ) 、没有楔形误差补偿功能。 底部对准：将掩模版装载固定后，分别调整底部对准显微镜左、右物镜，使掩模版 上的对准标记清晰成像于监视器，保存对准标记图像，再插入基片( 有图形面向下) ， 此时基片图形和对准标记图像同时出现在监视器上，然后调整基片与对准标记对准， 2 华中科技大学硕士学位论文 从而达到双面对准的要求。单面曝光的底部对准技术可以实现真空接触，消除衍射效 应引起的分辨率下降的影响，具有很高的曝光分辨率( 1 51 1m ) 。同时，也可以避免双 掩模对准时产生的掩模版变形和对准误差，提高了对准精度( 1 5l am ) 。大间隙曝光 可以满足m e m s 等器件对厚胶曝光的要求，并且不受物镜景深的限制。另外，底部对 准还采用c c d 图像处理技术，较之传统的目镜观察对准技术，无论在对准精度和对准 方式上都有很大的提高。 同时，采用底部对准技术的m a 6 b a 6 和e v g 6 2 0 也代表国际双面光刻设备的最先 进水平。以前研制开发的s b 一4 0 1 b 型双面光刻机采用双掩模对准方式，不但线条分辨 率和对准精度较低，而且不能进行大间隙曝光，无法满足厚胶刻蚀。相比之下，底部 对准技术是双面光刻机对准方式的发展趋势。 这种双面对准方式采用大量的执行器件和传感器，对控制系统设计也相应需要改 进。 1 2 3 双面光刻机控制系统的发展与现状 双面光刻机的控制系统刚开始以单板机、单片机控制为主，使用汇编语言编写控 制软件。这种控制系统功能相对简单，抗干扰能力差，可靠性比较低。如德国k a r ls u s s 公司的m j b 2 1 和中电集团4 5 所的b g 7 0 3 型双面光刻机。随着可编程控制器( p l c ) 的兴起，开始采用p l c 为控制核心，触摸屏为人机界面进行参数输入和操作。具有程 序设计简单、价格低廉、可靠性高等优点，但是存在对准一般是通过显微镜目镜观察， 对准工作台通过千分尺手动调整，自动化、智能化程度比较低，人机界面没有图形化 等缺点。如德国k a r ls u s s 公司的m a 2 5 、美国o a i 的、日本u n i o n o p t i c a l 公司的p e m 系列以及中电集团4 5 所的s b 4 0 1 b 等机型。到九十年代采用工业计算机作为控制主体， 操作系统经历了d o s 、w i n d o w s 等开发平台。随着w i n d o w s 操作系统的不断完善和 w i n d o w sn t 的推出应用，虽然在实时性上比较l 1 n u x 、v x w o r k s 、w i n c e 等有 定的不足，但是w i n d o w s 强大的兼容性、灵活的操作性，以及编程资源的丰富，在光 刻机的控制系统得到普遍应用，并采用基于面向对象的可视化编程技术，分布式控制 原理、模块化的思想设计出目前主流的双面光刻机，其中包括k a r ls u s s 的m a 6 b a 6 、 m a l5 0 c c 和e v g 公司的e v g 6 2 0 、e v g 6 4 0 等主流机型i “引，这些光刻机的特点就是 兼容性、自动化程度高，灵活性强，都是由c c d 进行采集处理，可实现自动对准、自 动上下片等功能。 1 2 4 运动控制系统的现状及发展趋势 在一个运动控制系统中“上位控制”和“执行机构”是系统中举足轻重的两个组 华中科技大学硕士学位论文 成部分。“执行机构”部分一般不外乎：步进电机、交流伺服电机，以及直流电机等。 它们作为执行机构，带动目标物体运动，被称之为“四肢”；“上位控制”单元的方案主要 有四种：单片机系统、专业运动控制p l c 、p c + 运动控制卡、专用控制系统。“上位控 制”是“指挥”执行机构动作的，一般也称之为“大脑”。作为运动控制系统的核心部分， 上位控制单元的形式决定了整套系统的运动控制功能的强弱。 随着p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的发展和普及，采用p c + 运动控制卡作为上位控制 将是运动控制系统的一个主要发展趋势 9 - 比】。运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或 高速d s p 作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控 制卡与p c 机构成主从式控制结构：p c 机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时 监控等方面的工作( 例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制 指令的发送、外部信号的监控等等) ；控制卡完成运动控制的所有细节( 包括脉冲和方 向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等) ，无需占用p c 机 资源。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在d o s 或w i n d o w s 系统平台下自行开发、 构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设 备自动化的各个领域。 目前的运动控制卡主要特征有：开放式结构、使用简便、功能丰富、可靠性高等。 具体的特征体现在硬件和软件两个方面：在硬件方面采用p c 机的i s a 总线方式，各 种设置采用简单的跳线和拨码开关；接线方式采用d 型插头；采用p c 机的p c i 总线 方式，卡上无需进行任何跳线设置，所有资源自动配置，接线方式采用s i s c 型插头， 可使用屏蔽线缆，并且所有的输入、输出信号均用光电隔离，提高了控制卡的可靠性 和抗干扰能力；在软件方面提供了丰富的运动控制函数库，以满足不同的应用要求。 用户只需根据控制系统的要求编制人机界面，并调用控制卡运动函数库中的指令函数， 就可以开发出既满足要求又成本低廉的多轴运动控制系统。运动控制卡功能图如图1 1 所示： 4 华中科技大学硕士学位论文 甲 i 臣： 指， p c ，hn l 爆l _ i l 赴】 ，d s p 接 签态 l丌 运动控制 口 1 0 r o w e r a 2 t s a m s a 放大总倍率 l o o 3 6 0 艰摩磊缔 物镜分离距离 3 5 1 4 5 m m ( t s a )3 0 1 0 0 m m ( b s a ) 整机功率2 k w 8 华中科技大学硕士学位论文 光刻机控制系统作为设备的“大脑”，是其核心技术之一，涉及精密运动控制、图 像处理、数据传输、a d 、d a 转换及l d o 信号处理等多方面，设计控制系统时需要从 硬件和软件两个方面考虑，两者需要紧密结合，而且对兼容性和稳定性都有很高的要 求。由于双面光刻机既要适用于小批量或实验室使用，又要能够达到生产线批量生产 的高效性，在手动和自动上片、收片方面两者要进行兼顾。因此，在整机控制系统设 计时应充分考虑结构的灵活性。 对顶部、底部观察显微镜物镜以及对准工作台的运动控制方面都需要手动控制和 自动定位两种方式，而且要求对准工作台的单面对准精度o 5 t x m ，双面图形对准精度要 求达到1 5 1 a m 。对准工作台的性能对产品质量、工作效率有直接的影响。在找平的过程 中，版架z 向运动进行楔形误差补偿，通过对版架z 向位置的控制来调整接触压力， 在实现找平的同时尽量减小掩模版和基片之间的摩擦力，避免对掩模版的损伤。这些 对运动控制系统提出了很高的要求。 该设备控制软件要实现上片、预对准定位、楔形误差补偿、对准、曝光、收片等功 能，完成在基片表面制作特定图形的过程。在满足设备对准精度、运行可靠性的同时， 设计直观、方便的人机界面软件也相当重要。还必须向用户提供友好的操作界面，便 于用户很方便的操作光刻机。为了避免人为误操作以及机器自身故障造成严重损坏， 设计具有动态故障检测和自动保护功能的保护软件。 2 3 控制系统的总体方案 通过前面对双面光刻机结构的分析，控制系统主要包括运动控制系统、图像处理系 统、系统软件、数据i o 处理四个控制单元，如图2 - 2 所示。其中运动控制技术和系统 软件设计是控制系统设计的关键技术。 9 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 2 控制系统结构图 2 3 1 运动控制系统设计方案 一般运动控制可以分为开环与闭环控制两种，闭环控制系统，可以获得精度更高、 速度更快的性能指标【7 。9 】。 而在精密运动控制中，闭环控制常和工业计算机结合使用，构成一个p c + 运动控 制卡的运动控制系统，系统结构如图2 3 所示。在这种结构中，计算机作为上位机向 控制器发出运动指令后，控制器会依据由电机传来的反馈信号，调整输出到电机驱动 器的运动控制信号，可以有效地抑制控制器和驱动器之问杂波干扰的影响。同时，减 少了计算机资源，也提高了控制的精确度，将电机端可能产生的误差降至最低。 图2 3 结合p c 闭环控制系统图 根据双面光刻机控制系统的性能指标和实际的工作环境，综合考虑稳定性和可维护 性，双面光刻机整个系统采用工业p c + 运动控制卡运动控制器的主从式结构，每个运 动控制单元均模块化设计。p c 作为上位机进行系统控制、人机对话、图像处理和状态 检测等任务，并通过p c i 或串行总线接口和运动控制卡运动控制器进行通信，实现各 l o 华中科技大学硕士学位论文 单元按照实际需求完成运动。各部件也可以单独进行试验和调试，这样的结构大大增 强了系统控制的灵活性、快速性和抗干扰能力，从而提高了整机的工作效率和可靠性 指标。自动上下片单元( 包括机械手以及预对准台) 的控制系统通过预留的通信接口 ( 串行总线r s 2 3 2 ) 和上位机连接，使该单元完全独立，这样便于进行积木式组合， 形成适用于不同用户的系列产品。运动控制系统的硬件结构如图2 - 4 所示： 1 砥施至嚣机目1 “”阻l 。卜口i 1 人机界面b 昌 ，。卜、 琏 动 、 盎封机目准1 “”+ “i 忡控 制 t g - 业 、1 茹嚣机目底部7 1 “”4 ”4 + “l 计 算 机 i 控制面板b 运1 叭箍搿机 测r 1 1 竺! 动 净q 控 制 、1 搿和位置检测r 1 = ：兰! 器 图2 4 运动控制系统硬件结构图 2 3 2 系统软件总体设计思路 操作系统是整个设备运行的基础平台，其稳定性直接影响系统软件的可靠性。对目 前流行的操作系统如w i n d o w s 、l i n u x 、v x w 0 账s 、w i nc e 等进行比较，w i n d o w s 操作系统在工业测控系统中使用广泛，而且目前国际上大部分的高端光刻机都是基于 w i n d o w s 平台开发。如奥地利的e v g 公司、德国的k a r ls u s s 公司的光刻机产品都使 用w i n 2 0 0 0 作为操作系统。 作为目前主流的操作系统，w m d o w s 具有许多其他操作系统无法比拟的优点： 1 w m d o w s 的图形功能和可视化的面向对象的编程技术为设计者提供了非常实 用的手段，具有操作界面友好，程序开发相对容易，开发程序可移植性好等优点； 2 具有高精度的实时响应特性和抢占式多任务调度机制，因此，在w m d o w s 下开 发实时多任务系统具有更大的优势； 华中科技大学硕士学位论文 3 w i n d o w s 为应用程序的开发提供了丰富的内部接口函数( a p i ) 可以很方便的实 现弹出式窗口，菜单，滚动条，对话框，图标等界面元素； 4 系统的可靠性高，安全性好，其网络管理功能十分强大，可以对设备增加进行 远程诊断功能； 5 基于m f c 类库的v i s u a lc + + 继承了c 语言易于硬件管理、便于通信、具有丰 富的函数库的特点，有着广泛的硬件支持和良好的兼容性，同时也可以开发友好的人 机界面，有利于进行系统软件的集成与扩展 2 6 - 2 9 1 。 另外，双面光刻机的主要指标在于保证设备的对准精度，对于实时性要求相对较 低，再加上控制系统采用主从式结构，运动控制基于底层独立的微处理器或d s p 完成。 因此，双面光刻机选择w i n d o w s 操作系统为歼发平台。 双面光刻机作为需要人操作的设备，人机界面的设计也相当重要。利用v i s u a lc + + 丰富的函数库和设计灵活的特点，设计用户喜爱的软件工作环境。界面采用下拉式菜 单，结合状态条、对话框引导用户完成各种操作，及时显示设备的状态。使人机界面 友好美观、简洁分明，易于操作者学习和使用。 由于控制程序实现的功能很多，有些部分之间的联系也比较少。如果把这些程序放 在一起设计，不但设计难度加大，而且结构不清晰，程序的可读性差。修改、维护、 升级起来就非常困难。同时系统运行速度和稳定性也会受到影响。因此，在设计系统 软件时，使软件结构模块化，就可以解决这些问题，提高系统运行的稳定性。 华中科技大学硕士学位论文 3 控制系统硬件设计 根据总体设计方案，双面光刻机控制系统硬件部分主要由主控计算机、运动控制 卡、驱动器、执行电机和反馈检测传感器等组成。控制系统硬件设计主要包括主控计 算机的选择、输入参数的检测和传感器的选择、运动控制器的设计、驱动器以及执行 电机的分析与选择。其中，执行电机和运动控制器是系统中不可或缺且相当重要的环 节，其性能的好坏对整机的控制性能有着直接地影响。因此，下面主要通过对这两个 部分的分析来设计运动控制系统的硬件部分。 3 1 执行电机的分析与选型 选择执行电机首先要考虑被控参数的行程范围，其次考虑体积、重量、精度、分 辨率以及响应速度等指标。由于光刻工艺的需求，双面光刻机必须在1 0 0 级左右的超 净化问内使用。而净化间的建设和运行成本很高，空间一般都比较紧张，因此，双面 光刻机在实现功能的同时机械结构设计必须紧凑，电机的外形尺寸必须满足机械安装 方面的要求，同时，驱动的负载差异性也比较大。一般来说，电机的尺寸和它的带载 能力是成正比的，既要求外形尺寸小，又要较大的输出扭矩，这样就给驱动执行器的 选择带来了难题。 在目前工业自动化中常被应用的电机主要有；直流伺服电机( 无刷式有刷式) 、 交流伺服电机、步进电机等三种【3 3 j 4 】。交流伺服电机结构简单，无电刷和换向器，不 需要维修，适应的安装环境宽，可以承受高速运转并提供较大的扭矩。随着变频调速 技术的成熟，交流伺服电机在工业控制中得到广泛应用，但是体积比较大，由于受到 机械结构限制而无法在双面光刻机中安装使用。步进电机不需要反馈就能对位移或速 度进行精确控制，而且控制系统结构简单，价格便宜，但是运行噪音大，并容易产生 震动，双面光刻机的对准观察是在高倍放大成像下进行的，微小的震动都会造成图像 抖动和对准漂移。直流电机变换直流的电能为旋转的机械能，具有噪音小、体积小、 响应速度快以及可靠性高等优点。再根据直流伺服电机的特性曲线图3 一l 进行其运动 控制特性分析u 孓。 华中科技大学硕士学位论文 一1 ， ，。 _ t 走蠛h 一1 2 一l0一 t 一鸯嵯， 耥电藐 一 一一 0 0 、x 辑j；宅殖 0 e 搿粼 一0 一o 2舞渤 图3 1 直流伺服电机特性曲线 从其特性曲线看出还具有以下的特点： ( 1 ) 起动、制动和过载转矩大； ( 2 ) 外加电压转速、# l - 力n 电流转矩呈线性比例，易于平滑调速，且调速范 围广。 ( 3 ) 效率高( 因定子与转子磁场呈9 0 。角会相感应出的作用力f 损失最少) 通过上述分析，直流伺服电机能够满足设备机械、电气两方面的需求。因此，双 面光刻机的驱动执行器选用直流伺服电机。 选定电机类型以后，电机额定功率的选择是一个很重要又很复杂的问题。电机额 定功率过大，电机就经常处于轻载运行，变成“大马拉小车”，同时，电机的性能、运 行效率低降低，外形尺寸增大，给安装带来困难。反过来，电机额定功率过小，那便 是“小马拉大车”，电机的电流超过额定电流，过载不多时，严重影响电机的寿命；过 载较多，就驱动不了负载，会使电机常时问处于起动状态而过热，会破坏电机绝缘材 料性能甚至烧毁电机。为了提高输出转矩和定位精度，采用电机和减速器结合使用的 方式，再根据每个部件的运动精度、负载、外形尺寸等要求的不同，确定具体的类型。 3 1 1 直漉伺服电机的致学模董 直流伺服电机的等效电路模型如图3 2 所示。电枢电路模型部分包含电枢电阻胄。、 1 4 华中科技大学硕士学位论文 电枢电感l 与电机旋转时所感应出的反电动势。磁场线圈部分包含磁场电阻q 与 磁场电感0 ，气隙磁通则以f 表示。 h鼍f 臣 图3 - 2 直流电机的电气模型 直流电机的电枢线圈形成一回路，其电压方程式可表示为： 哪) = i o ( f ) t o + l 警+ 哪) ( 3 1 ) 圪：电枢电压( v )屯：电枢电流( a ) 儿：磁场激磁电压( v )i ，：磁场激磁电流( a ) ，：气隙磁通( w b )屹：旋转反电势( v ) r 。：电枢电阻( o h m )l ：电枢电感( h ) r ，：磁场电阻( o h m ) o ：电机转轴角度( t a d ) 其中匕为电枢线圈经由内激磁电流f ，在磁场线圈所造成的磁场因旋转切割磁力线 而感应出的反电势，由法拉第定律可知切割线圈磁通量的变化会产生电动势： 矿( ，) = 掣a t ( 3 2 ) 九表示线圈的磁通匝数。在旋转的转子电枢线圈，每一个线圈都会因为转子旋转切 割磁力线而造成感应电动势，此反抗电动势圪与转速、线圈数、磁场强度都成正比， 可以表示为： 乓( ，) = j ( ，) 彩( ，) ( 3 3 ) 如果磁场电流保持固定，则气隙磁通为定值，上式可简化为： p ) = k 。国( f ) ( 3 4 ) 1 5 6，l 华中科技大学硕士学位论文 其中足。为电机的旋转反电势常数，单位为v 。 转子电枢线圈载有电流的导线在与其垂直的定子磁场下会受到力的作用，此力的 大小与导线内的电流、导线的长度与磁场的强度成正比，此力作用在转子的轴心上即 造成一扭矩。由于电枢线圈导线的长度是固定的，因此在激磁电流保持定值的情况下， 转子产生的扭矩即与电枢电流成正比 瓦( f ) + k r 屯( f ) ( 3 5 ) 其中k ，为扭矩常数，单位为n m a 。在转子所产生的扭矩无法全数施与负载，有 些将消耗在克服转子本身的摩擦，有些用以带动转子本身的惯量，可将其归纳为： t ( f ) + 乃( f ) + 瓦( f ) + j d i n 衍( t ) + b ( f ) ( 3 6 ) 其中，为电机本身的惯量以及负载反映在电机轴上的等效惯量，口为电机与负载 合成的旋转动粘滞系数，乃则代表摩擦扭矩的总和，瓦为负载扭矩。 由上述方程式决定了直流电机的动态行为，应用拉氏将上式转换为频域，如此可 得； v o ( s ) 一k 0 ) = ( r 。+ s l y , ) i a s ) ( 3 7 ) ( s ) = k o j ( s ) ( 3 8 ) t ( j ) = k r ( j ) ( 3 9 ) t ( s ) = 弓( 5 ) + r a s ) + ( b + s j ) r o ( s ) ( 3 1 0 ) 将上述的关系以方框图表示，可以如图3 - 3 所示。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 3 直流电机模型方框图 假设施加一固定电压与电机的电枢端子，则在稳念时，电机将以定速旋转，此时 所产生的机械功率为： 乓= 疋国= k r l ( 3 1 1 ) 上式中的各物理量都是定值。而电枢线圈所吸收的电气功率为： p e = y ；i ，= ke i 。 ( 3 1 2 ) 由于电枢线圈所吸收的电气功率等于产生的机械功率，因此 巴= e ( 3 1 3 ) 由此可知直流电机的扭矩常数与反电势常数是相依常数，也就是说决定了其中的 一个，另一个也就决定了。例如一个直流电机的扭矩常数为o 5 n m ，也就是说其旋转 反电势常数应为k 。= o 5 v ，转速1 0 0 0 r p m 为1 0 0 0 x 2 8 6 0 ( r a d s e c ) ，由此可知电机如 旋转在1 0 0 0 r p m ，则其反电势约为5 0 v 。 由上述的说明可以知道，扭矩常数越大，表示单位电流产生的扭矩也就越大，而 其反电势常数也就越大，因此旋转时，产生的反电势也就越大。一般高扭矩电机其扭 矩常数都非常高，且应用在高扭矩低转速的场合，而高速电机则旋转反电势常数相对 的递减，多用在高转速低扭矩的应用场合。 理想的直流伺服电机的等效电路模型如图3 - 4 所示。 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 4 直流电机零阶等效电路模型 其数学模型可以由下列方程式表示： 圪= l 兄+ 匕等+ k 。0 ( 3 1 4 ) m 矿，= j ，r ，+ l ，u j t ! ( 3 1 5 ) 7。 7 d t j 粤+ 和m 七t l = k m i f i o t 3 1 6 ) l 建立以等效电路为基础的直流电机模型有以下的优点： 1 1 可直接由电机规格表的参数值建立电机与驱动系统的模型，而不需要推导复杂 的数学方程式，电机与驱动系统的非线形特性也易于加入系统模拟分析。 2 1 经由电路模拟功率转换器的电路设计及系统分析，在设计驱动电路与分析功率 元件特性时尤其方便。 3 1 可借电路模拟软件本身所提供的功能如时域与频域响应模拟、灵敏度分析、可 靠性分析等进行电机驱动系统的设计。 3 1 2 电机型号的选择 在确定选择哪一款电机以前，首先要明确驱动要求，如：需要多大的转矩，在这 一转矩下的速度有多大、加速度情况、负载的惯量；电机允许的最高电压、限制电流 是多少等。而且通常情况下，不是电机直接驱动，而是通过同步带、减速箱、丝杠等 机械装置输出其功率。因此，所有参数都要折算到电机轴。 可以通过对转矩的需求来选出可能的型号。一方面，要考虑峰值转矩肘一，另一 华中科技大学硕士学位论文 方面，还要考虑有效转矩m 。连续运行的特征是通过工作点( m 。，n 。) 来表述的。 在考虑电机的型号选择中，连续转矩作为主要部分必须认真对待。蚝，要比工作点的 转矩m 。大( 吖。， m 。) 。在非连续运行的情况下，如起停的工作状态下，有效转矩 必须比电机的连续转矩小( m 。 m 。) 。这样可以避免电机过热a 并且，所选的电 机的堵转转矩通常都要大于所需的峰值转矩( m n m 一) 。 直流伺服电机在整个工作周期中，所有的运行点必须都在最大电压u 。曲线以下。 如图3 5 所示： n 高 需求 m 图3 5 电机运行工作点 从数学的角度来看，意味着下面的公式适用于所有的工作点( m 。，) ： k = + 告 ( 3 1 7 ) 其中，巧为速度常数，为最高输入电压，以。为空载转速，m s 为工作转矩，惫 为速度转矩斜率。当采用伺服放大器时，考虑到在功率放大级中会有一些电压损耗， 因此加在电机上的有效电压会低一些。所以，当在决定最大给定电压u 。时，预留出 2 0 的余量。这样可以确保在电机的偏差、负载，放大器和电源都不是很合适的时候 依然不会对控制产生过大的影响。 计算负载数据：加( 减) 速所需的转矩计算如下： m 。- j l j l 面a n ( 3 1 8 ) 1 9 华中科技大学硕士学位论文 其中，j l 为负载惯量。例如：电机驱动负载按图3 - 6 所示运动曲线实现周期运动。 转速( 时问( 秒) 图3 - 6 电机运动曲线 被加( 减) 速的负载惯量以是1 2 0 0 0 0 9 c m 2 ，摩擦力矩为3 0 0 m n m ，电源最大为 2 4 v 。则虬= 0 0 1 2 3 三0 嚣= 0 1 5 n m = 1 5 0 m n m ，考虑到摩擦转矩，不同阶段的转矩 分别如下： 一加速度阶段( 时间为o 5 s ) 4 5 0 m n m 一匿速阶段( 时间为2 s )3 0 0 m n m 一制动阶段( 摩擦力是辅助制动的) ( 时间为0 5 s ) 一1 5 0 m n m 峰值转矩产生在加速度阶段，整个运动过程的有效值为： r ：一 肘r b 8 = 1 - - - ( t , m ? + t 2 m ；+ 岛聊) ( 3 1 9 ) 2 8 0 m n m 最大速度是在加速阶段的结束时产生的。在这一点，拥有最大速度( 6 0 r p m ) 和最 大转矩( 4 5 0 m n m ) 。因此，最大的机械功率是： p 黼= 蠡= 0 4 5 x 6 0 x 券 2 盘 ( 3 2 0 ) 齿轮减速箱的选择：所需齿轮箱的最大连续转矩至少要0 2 8 n m 。瞬时转矩至少要 0 4 5 n m 。举例来说，外径2 2 r a m 的金属行星齿轮减速箱可以满足要求。该减速箱推荐 输入转速为6 0 0 0 r p m ，这样，最大允许的减速比为： 2 0 华中科技大学硕士学位论文 t 。；堑：塑：1 0 0 ：1 ( 3 2 1 ) 。“ n 。 6 0 所以，选择速比低一些的8 4 ：1 的三级传动的减速箱。最高效率为5 9 。然后， 速度和转矩要折算到电机轴。 i ，1 0 f = i n 口= 8 4 x 6 0 = 5 0 4 0 r p m ( 3 2 2 ) - - m f r 对m s - = 面2 8 。0 5 9 5 7 m 砌( 3 2 3 ) ，等= 羔删棚 2 4 ， 因此，一只带减速器的直流伺服电机组件就被选择出来了。它能够满足驱动速度 和转矩的要求。 3 2 对准工作台控制单元硬件设计 对准工作台是设备的核心单元，在x 、y 、0 、z 四个方向需要进行精密控制。其 中x 、y 方向的行程n 士5 m m 、0 方向为圭3 5 。，用于调整基片与掩模版的相对位置，也 是基片与掩模对准精度的保证。经过前面的分析，在执行电机选型时，选择了德国p i 公司的m 2 2 7 1 0 型直流伺服电机【1 5 1 。 主要指标如表3 1 所示： 表3 - 1m 2 2 7 1 0 主要指标 性能指标 行程范围 1 0 m m 最小运动增量 0 0 5 i | t m 最大速度 l m m s e c 最大推力 4 0 n 编码器精度 2 0 4 8 c o t m t s r e v 减速比 6 9 1 2 ：1 额定功率 2 w m 2 2 7 1 0 的特点是其输出端为直线运动，避免了旋转电机的机械传动误差，又可 掖容易的兼容手动对准工作台。从表3 - 1 可以看出m 2 2 7 1 0 在运动行程、定位精度以 及输出推力等方面都可以满足需要。与其相应的运动控制选用p i 公司的c 8 4 3 4 0 四轴 2 l 华中科技大学硕士学位论文 运动控制卡，c 8 4 3 4 0 是基于p m d 公司的m c 2 0 0 1 直流伺服运动控制专用d s p ，具有 以下特点： 一p c i 总线接口； 一模拟放大驱动3 w 电机； 先进的p i d 运动控制； s 曲线加速和减速 可用多种高级语言进行二次开发 因此，c 8 4 3 4 0 可方便地和上位计算机兼容，输出可直接连接电机m 2 2 7 1 0 不需要 另接驱动器【旧。另外采用日本s a k a e 公司的高精度位移传感器进行位置跟踪，能确 保工作台中心定位、位置记忆和限位保护。由于在进行对准的过程中，既要快速扫描 运动寻找对准标记，又要精密定位保证对准精度。所以设计了两种运动方式。在较大 的行程中，操作者通过操纵杆进行速度控制，可以迅速到达标记区域；在需要精确对 准时，可进行单步o 3 岬的点动运动。这样既可提高工作效率，又能保证对准精度。 z 向驱动用于完成掩模版与基片接触、楔形误差补偿、微分离等动作。通过对版 架z 向位置的控制来调整接触压力，在实现找平的同时尽量减小掩模版和基片之问的 摩擦力，避免对掩模版的损伤。由于掩模版与基片的中心无法直接驱动，所以z 向电 机的运动点远离中心。为了保证定位的精确度，对控制对象( 掩模版中心位置) 增加 了光栅尺( s o n y 的d g s l 0 型，分辨精度o 5 w n ) 进行位置检测。对准工作台的控制 系统硬件结构如图3 7 所示： 华中科技大学硕士学位