岳松 吳云峰 葉玉堂 羅彭 胥嫏 張薿文 何景秋 電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院 610054

引 言

激光調(diào)阻機(jī)是利用激光工藝對(duì)薄膜電阻進(jìn)行精密修整的關(guān)鍵設(shè)備，是集光學(xué)、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)控制、和精密測(cè)量等技術(shù)于一體的高技術(shù)微電子設(shè)備。其工作原理是把激光器發(fā)出的脈沖激光束聚焦成很小的光點(diǎn)，達(dá)到適當(dāng)?shù)哪芰棵芏龋瑢?duì)薄膜電阻的導(dǎo)電體進(jìn)行切割，使之膜層熔融、蒸發(fā)，以改變薄膜電阻導(dǎo)電體的有效導(dǎo)電面積或有效導(dǎo)電長(zhǎng)度，達(dá)到調(diào)整薄膜電阻單元阻值的目的。由于切割中沒(méi)有化學(xué)過(guò)程并能在大氣中加工，所以可以實(shí)時(shí)測(cè)量的結(jié)果，并實(shí)現(xiàn)激光加工過(guò)程自動(dòng)化。該設(shè)備具有精度高、效率高和工藝簡(jiǎn)便的特點(diǎn)[1][2]。

激光調(diào)阻時(shí)首先對(duì)電阻的刻蝕圖形預(yù)先利用AutoCAD設(shè)計(jì)好，并輸入到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)置圖形產(chǎn)生光束的強(qiáng)度與位置使激光按照一定的軌跡和路徑切割電阻，直到阻值達(dá)到預(yù)定值。它實(shí)現(xiàn)了激光加工過(guò)程的自動(dòng)化，并具有高精度、高效率等特點(diǎn)。

1 激光調(diào)阻系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

激光調(diào)阻系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：

1)光學(xué)系統(tǒng)，包括激光器、調(diào)整激光光束質(zhì)量的光路、二維振鏡系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)成像監(jiān)控系統(tǒng)等。

2)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的精密二維運(yùn)動(dòng)、垂直方向高度調(diào)節(jié)等功能。

3)自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、二維振鏡系統(tǒng)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行精密控制，與工控PC之間通信，實(shí)現(xiàn)整機(jī)分布式控制。

整體設(shè)計(jì)思想：脈沖激光器輸出的激光束經(jīng)擴(kuò)束器、二維振鏡掃描系統(tǒng)后，由透鏡組聚焦入射至樣品表面。主控計(jì)算機(jī)可控制激光器的脈沖頻率、平均輸出功率、工作時(shí)間等參數(shù)，從而改變?nèi)肷渲翗悠繁砻娴墓β拭芏?，?duì)不同材料和厚度的薄膜進(jìn)行加工處理；同時(shí)，主控計(jì)算機(jī)可控制二維振鏡掃描系統(tǒng)和樣品臺(tái)的電機(jī)，使光束偏轉(zhuǎn)不同的角度實(shí)現(xiàn)聚焦光斑在樣品表面不同位置處的掃描，配合對(duì)激光器參數(shù)的控制，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意預(yù)置圖形的激光直寫(xiě)加工。

系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)可選方案：方案一和方案二，見(jiàn)圖1和圖2。

方案一、將成像光路和激光光路同軸設(shè)計(jì)，利用波長(zhǎng)選擇型反射鏡和濾色片將可見(jiàn)光成像到相機(jī)而不影響激光透射，從而有效地對(duì)樣品進(jìn)行定位和刻蝕。

方案二、把成像光路獨(dú)立出來(lái)，將成像光路和激光刻蝕的初始光路平行放置，兩者相隔固定距離D，樣品先移動(dòng)到相機(jī)視場(chǎng)下進(jìn)行定位導(dǎo)航，然后根據(jù)距離D再水平（沿x軸）移動(dòng)到激光聚焦的位置進(jìn)行刻蝕處理。

比較兩個(gè)方案，方案一在光路中多了一個(gè)反射鏡，其確定激光通過(guò)此反射鏡會(huì)有一定的損耗，一定程度上減小了激光光束的功率，需對(duì)反射鏡的膜層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)；方案二在實(shí)施方式上簡(jiǎn)單了很多，只需在調(diào)試安裝過(guò)程中確定出D的具體數(shù)值，以后每次定位導(dǎo)航之后水平（沿x軸）移動(dòng)D即可開(kāi)始刻蝕。

針對(duì)系統(tǒng)需求，視覺(jué)成像系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：（1）對(duì)加工位置進(jìn)行精確定位；（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控激光束質(zhì)量和加工區(qū)域的質(zhì)量狀況；（3）對(duì)垂直方向的自動(dòng)調(diào)焦提供判據(jù)。方案一可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)這三個(gè)功能，方案二則無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控加工區(qū)域的質(zhì)量。因此，選用方案一作為系統(tǒng)的整體方案。

2 激光調(diào)阻系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)

整機(jī)光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示，主要由激光光路系統(tǒng)和視覺(jué)成像系統(tǒng)構(gòu)成。激光光路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束的擴(kuò)束、掃描、聚焦等控制，視覺(jué)成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光斑質(zhì)量監(jiān)控、激光加工區(qū)域定位、實(shí)時(shí)加工情況檢測(cè)等功能。

2.1 激光光路系統(tǒng)

激光光路系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

1)激光器：激光器應(yīng)選用被加工材料吸收系數(shù)高、光束質(zhì)量好、輸出穩(wěn)定的激光光源。

2)擴(kuò)束器：為了降低光束的擴(kuò)散角，需要對(duì)激光束進(jìn)行擴(kuò)束。擴(kuò)束器采用倒裝望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)。

3)振鏡掃描系統(tǒng)：在激光加工系統(tǒng)中，需要將光束快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、均勻地進(jìn)行掃描移動(dòng)。二維振鏡系統(tǒng)在各種激光加工設(shè)備中得到了普遍的應(yīng)用[3]。

4)聚焦透鏡組：聚焦透鏡組采用平場(chǎng)聚焦透鏡組（f-θ聚焦透鏡組），主要實(shí)現(xiàn)：a.提高用于加工的激光束能量密度，得到質(zhì)量盡可能好的激光光斑；b.提供線(xiàn)性?huà)呙桕P(guān)系，從而提高掃描精度。

2.2 視覺(jué)成像系統(tǒng)

視覺(jué)成像系統(tǒng)主要由CCD相機(jī)、成像鏡頭、光源組成。主要實(shí)現(xiàn)兩方面的功能：1）對(duì)激光光束質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將調(diào)整參數(shù)反饋給光束控制系統(tǒng)；2）對(duì)被加工區(qū)域進(jìn)行精確定位，并對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 激光調(diào)阻系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

3.1 二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

在激光直寫(xiě)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)激光光束中心與工件的相對(duì)位置移動(dòng)主要靠二維振鏡掃描系統(tǒng)與二維平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。二維直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)加工區(qū)域的位移控制，二維振鏡掃描系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)的激光束位移控制。垂直調(diào)焦機(jī)構(gòu)在垂直方向上對(duì)平場(chǎng)自聚焦透鏡進(jìn)行微調(diào)，使激光光束聚焦質(zhì)量達(dá)到最好并保持一致性。

對(duì)于本系統(tǒng)，精密二維移動(dòng)平臺(tái)的選型設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。平臺(tái)的機(jī)械精度在很大程度上決定了系統(tǒng)的整體精度。平臺(tái)的機(jī)械精度主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)精度和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛性。

圖1 整機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)方案一

圖2 整機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)方案二

圖3 激光直寫(xiě)機(jī)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)精度

為保證直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)精度，本項(xiàng)目選用的高精度線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)模塊包括高精度滾珠絲桿導(dǎo)軌組、高精度伺服驅(qū)動(dòng)、線(xiàn)性光柵尺。

滾珠絲桿是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。

交流伺服電機(jī)的控制精度相當(dāng)高，其主要由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線(xiàn)編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。

光柵尺的工作原理，是由一對(duì)光柵副中的主光柵（即標(biāo)尺光柵）和副光柵（即指示光柵）進(jìn)行相對(duì)位移時(shí)，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑白相間（或明暗相間）的規(guī)則條紋圖形，稱(chēng)之為莫爾條紋。經(jīng)過(guò)光電器件轉(zhuǎn)換使黑白（或明暗）相同的條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90°的正弦波或方波，送入光柵數(shù)顯表計(jì)數(shù)顯示。現(xiàn)在光柵無(wú)論是發(fā)展和技術(shù)性能都在進(jìn)一步提高，光柵在測(cè)量系統(tǒng)中的占有率已超過(guò)80%，而光柵長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的分辨力已覆蓋到微米級(jí)、亞微米級(jí)和納米級(jí)，測(cè)量速度也從60～480m/min，測(cè)量長(zhǎng)度從1～100m。

閉環(huán)控制系統(tǒng)將檢測(cè)到的實(shí)際位移反饋到數(shù)控裝置的比較器中，與輸入的原指令位移值進(jìn)行比較，用比較后的差值控制移動(dòng)。由高精度滾珠絲桿導(dǎo)軌組、高精度伺服驅(qū)動(dòng)、線(xiàn)性光柵尺組成的閉環(huán)系統(tǒng)可以將系統(tǒng)的精度控制在微米級(jí)別，完全滿(mǎn)足光刻的需求。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛性要求。

對(duì)激光加工設(shè)備而言，由于其光學(xué)結(jié)構(gòu)精密，對(duì)整機(jī)的平穩(wěn)性要求非常高，因此需要機(jī)臺(tái)的自重要大；另外，由于運(yùn)動(dòng)部分本身的質(zhì)量，其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖量也會(huì)比較大，因此對(duì)系統(tǒng)的剛性要求也非常高，要求基座能夠降低機(jī)械運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)。

因此，選用花崗巖材料作整機(jī)的基座?；◢弾r材料具有如下優(yōu)點(diǎn)：材料本身由億萬(wàn)年的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)形成，晶體結(jié)構(gòu)精細(xì)，具有非常高的剛性和硬度（鑄鐵的兩倍）；對(duì)溫度的變化會(huì)有最小的尺寸變化；價(jià)格便宜；壽命長(zhǎng)，不會(huì)生銹，因此保養(yǎng)的費(fèi)用很低；具有良好的平面度，不會(huì)產(chǎn)生毛刺和表面凸起現(xiàn)象。

3.2 工件定位方式

工件的機(jī)械定位也是一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容，直接決定了刻蝕的相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度。針對(duì)被加工工件的形狀，進(jìn)行分別設(shè)計(jì)。

（1）平面定位

平面定位采取模具方式，對(duì)特定的需要刻蝕的零件進(jìn)行有序緊密的排列，然后依次對(duì)每一個(gè)零件進(jìn)行刻蝕，例如對(duì)于一個(gè)待刻蝕面是一個(gè)圓柱端面的零件，我們可以加工專(zhuān)業(yè)模具，模具在加工時(shí)要保證良好的精度，使零件在模具內(nèi)不能有晃動(dòng)，保證刻蝕精度。在模具的邊緣加工高精度的定位標(biāo)記，便于初始定位和坐標(biāo)導(dǎo)引。

（2）圓柱曲面定位

圓柱定位主要由高精度方便式彈簧夾頭，高精度伺服電機(jī)和圓光柵組成。其主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。曲面旋轉(zhuǎn)的角度由高分辨率的圓光柵編碼輸出，反饋至運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

4 激光調(diào)阻系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

4.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)組成

自動(dòng)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，采用分布式結(jié)構(gòu)，各個(gè)運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)采用專(zhuān)門(mén)的控制模塊，各種控制模塊與主控單元之間進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

整機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)組成單元

1）.主控單元：

圖4 工件旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

主控單元相當(dāng)于整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)的主機(jī)，可以是標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡，也可以是CAN總線(xiàn)接口卡。主控單元與上位機(jī)（即工控機(jī)，IPC）之間通過(guò)PCI總線(xiàn)進(jìn)行通信，與各個(gè)子模塊之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行通信。

2).二維振鏡掃描運(yùn)動(dòng)控制模塊：

振鏡是二維光學(xué)掃描系統(tǒng)的核心組件，掃描系統(tǒng)的掃描速度、光束偏轉(zhuǎn)角度等多個(gè)參數(shù)由其決定。振鏡的結(jié)構(gòu)如圖6所示。振鏡運(yùn)動(dòng)控制模塊需要對(duì)振鏡的模擬輸入量進(jìn)行精密控制，在接口控制設(shè)計(jì)時(shí)需要高精度的D/A轉(zhuǎn)換，將由上位機(jī)和控制模塊發(fā)來(lái)的控制信號(hào)準(zhǔn)確快速地轉(zhuǎn)換為振鏡的運(yùn)動(dòng)控制量。

3）.聚焦透鏡運(yùn)動(dòng)控制模塊：

在激光直寫(xiě)系統(tǒng)工作過(guò)程中，激光光斑的聚焦程度直接影響加工工件的質(zhì)量。要控制光斑的質(zhì)量，必須對(duì)平場(chǎng)聚焦透鏡組的垂直位置進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。聚焦透鏡運(yùn)動(dòng)控制模塊與聚焦透鏡調(diào)焦機(jī)構(gòu)、視覺(jué)成像系統(tǒng)、視覺(jué)算法等模塊之間形成閉環(huán)控制，整個(gè)閉環(huán)調(diào)焦過(guò)程如圖7所示。

4）.二維平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制模塊：

圖5 整機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對(duì)于高精度激光加工系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)振鏡系統(tǒng)進(jìn)行精密運(yùn)動(dòng)控制只能在小范圍內(nèi)進(jìn)行光束掃描控制，即只能加工有限范圍內(nèi)的圖形。當(dāng)實(shí)際區(qū)域超過(guò)振鏡工作范圍之后，需要對(duì)工件本身進(jìn)行高精度線(xiàn)性位移。在本系統(tǒng)中，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)模塊采用“伺服電機(jī)+滾珠絲杠+精密直線(xiàn)導(dǎo)軌+光柵尺”的結(jié)構(gòu)，二維平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制模塊需要接收光柵尺編碼器返回的位置信號(hào)，對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)、與參考位置比對(duì)等處理，從而對(duì)二維平臺(tái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)精密運(yùn)動(dòng)控制。

5）.工件旋轉(zhuǎn)平臺(tái)控制模塊

對(duì)圓柱形工件的側(cè)面進(jìn)行加工時(shí)，需要對(duì)加工件的旋轉(zhuǎn)位置進(jìn)行精確控制，在工件旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中采用高精度圓光柵，實(shí)現(xiàn)高精度編碼，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)控制模塊對(duì)編碼信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

5 結(jié)論

以上部分對(duì)激光調(diào)阻機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)方案作了較為詳實(shí)的認(rèn)證，并對(duì)其中的重要部份作了分析。這一個(gè)系統(tǒng)目前已在實(shí)踐中得到驗(yàn)證。研制出的樣機(jī)可加工最小線(xiàn)寬達(dá)到0.01mm，加工線(xiàn)速度≥2000mm/s。線(xiàn)性度≥99.5%。實(shí)際工作中，最大掃描范圍可達(dá)到98.4 mm×98.4 mm，掃描精度為17 μ m。

圖6 振鏡結(jié)構(gòu)圖

圖7 平場(chǎng)聚焦透鏡閉環(huán)運(yùn)動(dòng)

[1]梅遂生激光加工在電阻工業(yè)中的應(yīng)用激光與紅外.2001,24（1）：5-10

[2]李文娟，田興志.厚膜微調(diào)技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì).光機(jī)電信息.2004，6：29-34

[3]楊少辰.振鏡式光束掃描/偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)及成像過(guò)程的研究.激光與紅外.1997,4(2)95-99