摘 要： 原子光刻系統(tǒng)的設(shè)備龐大而復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度及穩(wěn)頻光等參數(shù)都需要監(jiān)視和控制。針對(duì)目前多采用人員值守的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行操控導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效率低下的現(xiàn)狀，介紹了原子沉積原理和原子沉積實(shí)驗(yàn)裝置的構(gòu)造及主要功能，提出了原子沉積實(shí)驗(yàn)裝置中溫度控制方案和穩(wěn)頻光的差分信號(hào)數(shù)據(jù)采集方案。通過(guò)完成對(duì)溫度信號(hào)和穩(wěn)頻光信號(hào)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與記錄，實(shí)現(xiàn)了原子光刻系統(tǒng)的溫控系統(tǒng)自動(dòng)化和激光穩(wěn)頻系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。該方案不僅提高了實(shí)驗(yàn)效率，而且對(duì)USB開(kāi)發(fā)人員和自動(dòng)化研究人員也具備一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 原子光刻； 溫度控制； 數(shù)據(jù)采集； USB接口

中圖分類(lèi)號(hào)： TN305.7?34； TM417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）13?0124?04

Abstract： The atom lithography system is a big and complex device， and the parameters of temperature and frequency stabilization light need to monitor and control in experimentation. Since the experiment efficiency is low due to the device is controlled by means of the method with people on duty， the principle of atomic layer deposition， structure and main function of atomic layer deposition experiment device are introduced. The data acquisituon scheme of frequency stabilization light differential signal and temperature control scheme in atomic layer deposition experiment device is proposed. The experimental data of temperature signal and frequency stabilization light signal is automaticlly collect and record to realize the automatic temperature control system for atomic lithography system and remote control of laser frequency stabilization system. The scheme can improve the experiment efficiency， and has a certain reference value for USB developers and automation researchers.

Keywords： atom lithography； temperature control； data acquisition； USB interface

0 引 言

原子光刻系統(tǒng)擁有著龐大而復(fù)雜的設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有多個(gè)參數(shù)需要監(jiān)視和控制，目前多采用人員值守的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行操控，導(dǎo)致人力資源利用率低[1]。對(duì)其實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及遠(yuǎn)程控制不僅可以把人從繁重的體腦力勞動(dòng)以及復(fù)雜的工作環(huán)境中解放出來(lái)，而且為擴(kuò)大研究規(guī)模，提高研究效率，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的全程控制帶來(lái)了極大的便利[2]。

1 溫控系統(tǒng)的自動(dòng)化研究

1.1 原子爐溫控原理

原子光刻系統(tǒng)中原子爐溫度的控制是由一個(gè)溫控回路來(lái)完成并實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示。

首先設(shè)定自己所想要達(dá)到的溫度，設(shè)定值用SP值表示，而實(shí)際的溫度（PV值）連接到儀表的輸入端。實(shí)際溫度與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差大小計(jì)算輸出值。控制器的輸出連接到執(zhí)行器，控制加熱或制冷來(lái)調(diào)節(jié)被控對(duì)象。調(diào)節(jié)的效果又可以通過(guò)測(cè)量溫度反饋到控制器上做進(jìn)一步調(diào)節(jié)，這就是一個(gè)控制回路[3]。在原子爐溫控系統(tǒng)的研究中，需要完成的參數(shù)有：PV值的設(shè)置、SP值的設(shè)置、PID參數(shù)的設(shè)置以及程序的編輯[4]。整個(gè)溫控回路中，最關(guān)鍵的便是將實(shí)際溫度與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)偏差大小計(jì)算輸出值，從而調(diào)整回路控制加熱。

1.2 PID控制

（1） 比例控制

在原子爐溫控系統(tǒng)中，比例項(xiàng)的輸出與偏差大小成一定的比例。當(dāng)比例帶為10 ℃，在偏差為3 ℃時(shí)產(chǎn)生30%的輸出。偏差為10 ℃時(shí)輸出為100%。單獨(dú)的比例控制通?？梢允惯^(guò)程值穩(wěn)定在某一直線上，但與設(shè)定值會(huì)有一定的偏差，此時(shí)輸出功率正好等于散熱量。

（2） 積分控制

在原子爐溫控回路中，積分控制主要用來(lái)消除靜態(tài)偏差。在偏差持續(xù)期間通過(guò)不斷加大或減小輸出來(lái)消除靜態(tài)偏差。對(duì)輸出加大或減小的速度由積分時(shí)間決定，速度不能太快，以免引起震蕩。

（3） 微分控制

微分項(xiàng)與過(guò)程值的變化率成正比，方向相反。在原子爐溫控系統(tǒng)中，它主要用來(lái)防止正負(fù)過(guò)沖。此外在整個(gè)回路控制中，微分項(xiàng)還有一種用途：如果過(guò)程值快速下降（如打開(kāi)了爐門(mén)），微分項(xiàng)可以抑制比例積分的作用，使?fàn)t門(mén)關(guān)上后減小過(guò)沖[5]。微分項(xiàng)可以根據(jù)PV的變化率來(lái)計(jì)算，也可以根據(jù)偏差的變化率來(lái)計(jì)算。

（4） 高低過(guò)沖抑制

PID參數(shù)用于在偏差較小的情況下使過(guò)程值穩(wěn)定在設(shè)定點(diǎn)處。高低過(guò)沖參數(shù)用來(lái)在大偏差的情況下抑制過(guò)沖[6]。它們分別是在設(shè)定值之上或之下的作用點(diǎn)，當(dāng)過(guò)程值達(dá)到此點(diǎn)并向設(shè)定值接近時(shí)，輸出開(kāi)始增加或減小。

1.3 自動(dòng)化升溫的程序設(shè)定

在Eurotherm3504型原子爐內(nèi)，含有一個(gè)程序給定器，通過(guò)在上面編譯和設(shè)定程序，可以產(chǎn)生一個(gè)按時(shí)間變化的設(shè)定值[7]。程序給定器對(duì)于溫度控制是經(jīng)常用到的，它可以讓溫度按一定速率爬升到一個(gè)值，保溫一定時(shí)間后再按另一個(gè)速率爬升至另一個(gè)溫度值并保溫一定時(shí)間，繼續(xù)下去直到結(jié)束。

當(dāng)SP值設(shè)定好之后，加溫設(shè)備將會(huì)給原子爐加溫，實(shí)際的溫度PV值會(huì)實(shí)時(shí)被程序給定器監(jiān)控。在剛開(kāi)始的升溫階段，PV值一般無(wú)法跟上SP值的變化，于是便產(chǎn)生等待，SP值在升溫等待中往復(fù)進(jìn)行，此時(shí)PID控制對(duì)這兩個(gè)升溫過(guò)程進(jìn)行調(diào)整和控制，使PV值在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)能夠按照SP值的變化而變化，從而達(dá)到預(yù)想的升溫狀態(tài)。除此之外，當(dāng)SP值達(dá)到預(yù)期的溫度時(shí)，便會(huì)停止不變，此時(shí)PV值加溫仍在繼續(xù)，于是會(huì)有一定的過(guò)沖現(xiàn)象，PID控制再一次起到調(diào)制作用，使PV值經(jīng)過(guò)一個(gè)調(diào)整過(guò)程也迅速達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)溫度。

如圖2所示為原子爐自動(dòng)升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果，直線為原子爐自動(dòng)升溫30 ℃/min的升溫上限，自動(dòng)升溫過(guò)程不得超出直線的上方，否則原子爐將會(huì)被燒壞。實(shí)心曲線是原子爐自動(dòng)升溫的實(shí)時(shí)測(cè)試結(jié)果，每15 min測(cè)試一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所繪制的曲線，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升溫之后溫度變化的實(shí)際規(guī)律。起始時(shí)刻由于PID的控制在調(diào)整階段，因此升溫速度較為緩慢，在大約20 min之后，經(jīng)過(guò)PID的調(diào)節(jié)，PV值和SP值達(dá)到一致的升溫速率，升溫過(guò)程呈線性增長(zhǎng)，升溫速度和升溫時(shí)間均符合實(shí)驗(yàn)所需，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)溫度1 650 ℃后，PV值達(dá)到穩(wěn)定并保持不變。

2 基于USB 2.0接口的原子光刻數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

原子光刻系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)如圖3所示。

原子光刻系統(tǒng)中差分穩(wěn)頻信號(hào)已經(jīng)由傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)，并由BNC頭將信號(hào)傳遞出來(lái)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅需要采集并顯示信號(hào)值和波形，還需要在穩(wěn)頻信號(hào)超出虛線所示的范圍時(shí)發(fā)出警報(bào)。因此所需要設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)具備的功能為：數(shù)據(jù)采集（將傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)）、數(shù)據(jù)的監(jiān)控顯示（將數(shù)據(jù)回傳到上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示）。

（1） 芯片的選擇

從小巧便攜、成本低、電路結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、易于二次開(kāi)發(fā)等方面考量，本系統(tǒng)選用56?pinSSOP封裝的CY7C68013A，該芯片支持USB 2.0協(xié)議。

A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇：由于本系統(tǒng)需要采集的穩(wěn)頻信號(hào)的輸入范圍是-200～200 mV，且頻率較低，因此為了簡(jiǎn)化電路板的設(shè)計(jì)，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍是首先要考慮的因素。與此同時(shí)，滿足CY7C68013A芯片高速USB 2.0的工作特性，提高系統(tǒng)的適用性，系統(tǒng)使用分辨率高、采樣速率快、輸入范圍為-5～5 V的A/D轉(zhuǎn)換器MAX1308[8]。

（2） 電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

CY7C68013A需要3.3 V的供電電源，MAX1308需要2.7～5.25 V的電壓供電，而24LC64所需的供電電壓為2.5～5.5 V。根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)系統(tǒng)跳針選擇系統(tǒng)的供電方式，系統(tǒng)使用外接供電方案和總線供電方案兩種，可以選擇任意一種供電方式為系統(tǒng)模塊提供電源[9]。CY7C68013A芯片需要3.3 V電壓作為其正常工作電壓，且能滿足MAX1308和24LC64的供電范圍，因此只需要將總線電源所供給的5 V電壓降壓成3.3 V。電路使用LT1763?3.3型電源轉(zhuǎn)換芯片，該芯片可以直接將5 V降壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的功能主要依靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括：固件程序設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和上位應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

（1） 固件程序設(shè)計(jì)

芯片CY7C68013A內(nèi)部的增強(qiáng)型8051處理單元作為微處理器來(lái)處理對(duì)應(yīng)設(shè)備的請(qǐng)求和返回?cái)?shù)據(jù)等工作。為了使未處理正常工作，需要相應(yīng)的軟件支持，固定程序（Firmware）就是在設(shè)備端運(yùn)行的對(duì)應(yīng)程序。系統(tǒng)需要編寫(xiě)相應(yīng)的固件程序針對(duì)不同的USB設(shè)備，完成相應(yīng)的請(qǐng)求及數(shù)據(jù)處理等工作。

① USB端點(diǎn)配置。CY7C68013A芯片的端點(diǎn)數(shù)總共有7個(gè)，即EP0，EP1OUT，EP1IN，EP2，EP4，EP6和EP8。為適應(yīng)不同帶寬的工況需求，根據(jù)用戶的實(shí)際需要，進(jìn)一步將端點(diǎn)2，4，6，8配置成OUT或IN的雙重、三重或四重的緩存。本次固件開(kāi)發(fā)根據(jù)設(shè)計(jì)需要僅用到了三個(gè)端點(diǎn)，EP0，EP2，EP6，這些端點(diǎn)及相應(yīng)寄存器的設(shè)置均在TD_Init（）函數(shù)中完成。

② GPIF設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。本文選用的56腳CY7C68013A中GPIF提供一組控制輸出信號(hào)CTL[2..0]、一組外設(shè)輸入信號(hào)RDY[1..0]，F(xiàn)X2LP內(nèi)部的FIFO標(biāo)志以及4個(gè)用戶定義的波形描述符，通常定義為FIFO讀，F(xiàn)IFO寫(xiě)，單字/字節(jié)讀，單字/字節(jié)寫(xiě)，但也可以是這4種控制波形的任意組合，通過(guò)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的邏輯組合，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的時(shí)序邏輯。

USB芯片內(nèi)部是采用“GPIF主控模式”單次字節(jié)寫(xiě)（SnglWR），單字讀（SnglRD）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D的讀/寫(xiě)控制。根據(jù)前面硬件設(shè)計(jì)，其中控制芯片的采樣引腳RDY0連接到A/D的單通道轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)（EOC）上，RDY1連接到A/D所有通道轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)（EOLC）上，引腳CTL0，CTL1，CTL2分別連接到A/D的轉(zhuǎn)換控制信號(hào)CONVST與讀/寫(xiě)（RD/WR）信號(hào)上。接下來(lái)就是時(shí)序控制波形的編寫(xiě)以及狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)，而時(shí)序的持續(xù)時(shí)間是以IFCLK周期為單位的。

（2） 固件程序下載

整個(gè)固件程序的開(kāi)發(fā)將在Keil C下完成，本次固件程序編寫(xiě)完成后直接在PC機(jī)端利用CYPRESS公司提供的固件程序下載界面通過(guò)USB線下載。

（3） USB驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

在本實(shí)驗(yàn)中采取一種簡(jiǎn)單、快速開(kāi)發(fā)USB接口應(yīng)用系統(tǒng)的方法，即直接在LabVIEW環(huán)境下通過(guò)NI?VISA開(kāi)發(fā)能驅(qū)動(dòng)用戶USB系統(tǒng)的應(yīng)用程序，完全避開(kāi)了以前開(kāi)發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序的復(fù)雜性，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期[10]。

（4） 上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)

本次上位機(jī)界面的開(kāi)發(fā)是利用與Nl?VISA相配合的LabVIEW模板中VI子節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖4為上位機(jī)界面流程圖。

當(dāng)USB設(shè)備接入PC機(jī)，PC機(jī)會(huì)檢測(cè)是否有USB設(shè)備接入，如果PC機(jī)顯示不可識(shí)別的USB設(shè)備，則需要重新安裝USB驅(qū)動(dòng)程序，如果能夠順利通過(guò)檢測(cè)，則開(kāi)始對(duì)AD進(jìn)行通道選擇，原子光刻系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只用一個(gè)通道便可以滿足需求；然后啟動(dòng)AD進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，數(shù)據(jù)在實(shí)時(shí)顯示的過(guò)程中會(huì)和給定的值進(jìn)行比較，監(jiān)視采集數(shù)據(jù)是否超過(guò)限定的電壓范圍，如果在給定的值范圍之內(nèi)，則無(wú)警報(bào)顯示，否則會(huì)有紅色警報(bào)燈警告。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，使用信號(hào)發(fā)生器輸入正弦波，設(shè)定報(bào)警上限為0.2 V下限為-0.2 V，如圖5所示為采集數(shù)據(jù)示意圖。圖形顯示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠很好地采集到實(shí)時(shí)電壓值，且顯示出的波形與信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)波形一樣，并在超過(guò)報(bào)警上下限時(shí)，報(bào)警燈變紅，發(fā)出警報(bào)。經(jīng)過(guò)信號(hào)發(fā)生器的反復(fù)測(cè)試，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以滿足使用條件。

實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)頻光基本穩(wěn)定在0 V左右，報(bào)警系統(tǒng)顯示綠色，表示數(shù)據(jù)未超過(guò)報(bào)警上下限，是理想的穩(wěn)頻光信號(hào)。將該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)與PCI數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，在同時(shí)采集的情況下，實(shí)驗(yàn)曲線、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均相互吻合，結(jié)果的一致性達(dá)到了99%。該系統(tǒng)完全可以滿足原子光刻系統(tǒng)穩(wěn)頻光的數(shù)據(jù)采集要求。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)原子光刻系統(tǒng)的研究，成功地實(shí)現(xiàn)了原子光刻系統(tǒng)中溫度的自動(dòng)升溫和穩(wěn)頻光信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。一方面顯著提高了實(shí)驗(yàn)效率，另一方面簡(jiǎn)化了采集設(shè)備的安裝、使用和維護(hù)，具有一定的推廣使用價(jià)值。

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