汪文峰，馬 立，劉志龍，曾佑軒，李豐甜

（上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072）

納米技術(shù)是在0.1 nm～100 nm尺度內(nèi)研究微粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建材料、設(shè)備和系統(tǒng)的一項(xiàng)嶄新技術(shù)。當(dāng)前為實(shí)現(xiàn)納米壓印技術(shù)真正意義上的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，必須解決一個(gè)實(shí)際性問題：即在大面積晶圓上實(shí)現(xiàn)重復(fù)性好、質(zhì)量高的壓印[4]。目前，大面積納米壓印技術(shù)主要通過3種方式實(shí)現(xiàn)：全面積壓印、步進(jìn)式壓印[5]、滾動(dòng)式壓印[6]。

在大面積納米壓印技術(shù)應(yīng)用中，為滿足高效的生產(chǎn)要求，壓印設(shè)備在同時(shí)滿足大行程或超大行程的特性與高速性之間存在矛盾。并且，高速條件下電氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)等的慣性等固有特征極大地增加了高精度定位實(shí)現(xiàn)的難度，同時(shí)大行程或超大行程范圍內(nèi)機(jī)械系統(tǒng)的平面度、平行度等系統(tǒng)寄生誤差必然會(huì)使納米級(jí)定位精度的實(shí)現(xiàn)變得更加困難[7]。美國Molecular Imprints公司的Imprio 450 CMOS納米壓印光刻系統(tǒng)代表了下一代納米壓印光刻技術(shù)的水平，滿足于24 nm節(jié)點(diǎn)集成電路的制備要求，能在直徑為300 mm～500 mm的晶圓基底上成型納米特征的圖案，并具有自動(dòng)裝卸晶圓和模板的能力。近年來，國內(nèi)針對(duì)納米壓印技術(shù)，也相應(yīng)地做了大量的跟進(jìn)研究，開展相關(guān)研究的研究機(jī)構(gòu)主要有：上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。文獻(xiàn)[8]研發(fā)的大行程納米壓印光刻機(jī)宏動(dòng)部分的行程為100 mm*100 mm*100 mm，重復(fù)定位精度達(dá)到 3 μm*3 μm*3 μm。

本文旨在研發(fā)一臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)大行程、微米量級(jí)定位的二維精密定位平臺(tái)，為大面積納米壓印的實(shí)現(xiàn)提供裝備支持。

1 大行程二維精密定位平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)大面積納米壓印需求，本文研究的大行程二維精密定位平臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical specifications of large travel 2-D precision positioning platform for nanoimprint

基于上述考慮，本設(shè)計(jì)采用類似的模塊化設(shè)計(jì)的串聯(lián)式龍門結(jié)構(gòu)。X向系統(tǒng)采用單軸龍門雙驅(qū)結(jié)構(gòu)，Y向系統(tǒng)耦合疊加在X向系統(tǒng)之上，設(shè)計(jì)的大行程二維精密定位平臺(tái)3D模型如圖1所示。X、Y向系統(tǒng)均采用超高精度的雙直線滾動(dòng)導(dǎo)軌（雙滑塊∕條）導(dǎo)向；平臺(tái)采用隔振、變形系數(shù)小的大理石做基板；XY轉(zhuǎn)接板借助理論和FEM分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用航空鋁合金7A04機(jī)加成型，并與四條魚腹梁拼裝獲得滿意的抗彎截面系數(shù)。為平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的剛性支架能夠起到支撐和隔振的作用，采用坦克鏈實(shí)現(xiàn)對(duì)線纜的科學(xué)管理，采用風(fēng)琴罩及特殊設(shè)計(jì)的防塵附件保持直線電機(jī)和光柵尺的清潔。

圖1 面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)3D模型Fig.1 3D model of large-stroke 2-D precision positioning platform for nanoimprinting

2 二維高速高精密定位平臺(tái)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

基于永磁同步直線電機(jī)伺服控制原理，大行程二維精密定位平臺(tái)電控系統(tǒng)框圖如圖2所示，該電控系統(tǒng)主要涉及到IPC、運(yùn)動(dòng)控制器、交流伺服驅(qū)動(dòng)器、反饋傳感器等設(shè)備。

圖2 大行程二維精密定位平臺(tái)的電控系統(tǒng)框圖Fig.2 Electronic control system block diagram of large travel 2D precision positioning platform

2.2 直線電機(jī)的工作原理與選型

2.2.1 直線電機(jī)的工作原理

結(jié)構(gòu)形式上，直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開后的模型相似，相應(yīng)地，直線電機(jī)和對(duì)應(yīng)形式的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電磁原理也類似。就交流永磁同步直線電機(jī)而言，其在結(jié)構(gòu)形式上與交流永磁同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似（圖3），那么其電磁原理也就類似于交流永磁同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

圖3 交流永磁同步直線電機(jī)原理示意圖Fig.3 Principle diagram of AC permanent magnet synchronous linear motor

式中：f1為電樞電流的頻率；np為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和永磁體建立的磁場(chǎng)相互作用，完成電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，即旋轉(zhuǎn)電機(jī)將電功率轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率，并以轉(zhuǎn)速和力矩的形式輸出。

而對(duì)于交流永磁同步直線電機(jī)，電機(jī)動(dòng)子中三相交變的電樞電流在氣隙中建立了行波磁場(chǎng)，行波磁場(chǎng)的速度與直線電機(jī)電樞電流頻率、磁極距之間存在類似式（1）的關(guān)系，行波磁場(chǎng)和永磁體磁場(chǎng)相互作用，同樣使直線電機(jī)完成了電功率向機(jī)械功率的轉(zhuǎn)換，并以電機(jī)推力和速度的形式輸出。

2.2.2 直線電機(jī)的選型

電機(jī)是面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)驅(qū)動(dòng)單元的核心，機(jī)械系統(tǒng)的質(zhì)量和平臺(tái)的速度等指標(biāo)決定了選配電機(jī)的性能參數(shù)，而電機(jī)的電氣特征又決定著驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備的選配。因此，本文研究中對(duì)選用的永磁同步直線電機(jī)做了慎重的選型分析，具體選型流程如圖4所示，最后選擇了荷

圖4 電機(jī)選型流程Fig.4 Flow chart of motor selection

對(duì)于交流永磁同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)，當(dāng)電樞繞組中通以三相交流電時(shí)，交變的電樞繞組電流在氣隙中建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n1：蘭TecnotionUL系列的兩款電機(jī)。通過荷蘭Tecnotion公司提供的仿真軟件進(jìn)行仿真后，分析可知，荷蘭Tecnotion UL 15N交流永磁同步無鐵心直線電機(jī)，在加速度、輸出力、電樞電流和溫升等方面均能較好地滿足面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)的使用要求。

2.3 反饋傳感器的選型

全閉環(huán)控制對(duì)面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)高精度指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義，直線運(yùn)動(dòng)反饋傳感器的分辨率直接決定了全閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度。然而，直線運(yùn)動(dòng)反饋傳感器的分辨率與其檢測(cè)速度之間存在類似反比的關(guān)系，選型時(shí)不能一味地追求高的分辨率，應(yīng)該綜合考慮速度、精度和成本等多重因素，通常按照式（2）選配的運(yùn)動(dòng)量傳感器能較好地滿足使用要求。

式中：ne為傳感器的分辨率；n0為控制系統(tǒng)精度。

本研究中為大行程二維精密定位平臺(tái)選配的運(yùn)動(dòng)反饋傳感器為英國Renishaw公司的增量式直線光柵傳感器，分辨率為0.1 μm，大行程二維精密定位平臺(tái)X、Y向速度和精度等指標(biāo)一致，因此選用的光柵傳感器型號(hào)一致。

2.4 驅(qū)動(dòng)器的選型

面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制，高性能運(yùn)動(dòng)控制器不可或缺，而控制器的主控單元相比驅(qū)動(dòng)器的主控單元具有更優(yōu)的性能，因此由運(yùn)動(dòng)控制器完成速度閉環(huán)和位置閉環(huán)，并通過低電平使能驅(qū)動(dòng)器使其完成電流換相和電流閉環(huán)工作，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)于一個(gè)跨導(dǎo)放大器。

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，并根據(jù)交流永磁同步直線電機(jī)選型時(shí)仿真分析得到的電流等電氣參數(shù)，為永磁同步直線電機(jī)UL 9N、UL 15N選配的交流伺服驅(qū)動(dòng)器為以色列ELMO公司的Standard cornet，驅(qū)動(dòng)器型號(hào)分別為Standard cornet 5/230、Standard cornet 9/230。Cornet系列驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)中的控制單元可獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的調(diào)節(jié)和控制，并且三環(huán)調(diào)節(jié)器均具有較高的性能。

2.5 控制器的選型

運(yùn)動(dòng)控制器在閉環(huán)集中式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中扮演著重要的角色，本文研究的系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制器主要負(fù)責(zé)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制程序并向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制命令以及對(duì)控制系統(tǒng)的安全監(jiān)視和保護(hù)等工作。面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)o-xy平面內(nèi)復(fù)雜的定位和多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，要求其控制器必須具有高性能的數(shù)字式信號(hào)處理器，并支持3通道及以上多電機(jī)的同步控制，支持復(fù)雜的平面甚至空間多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，軟件上要求控制器具有簡(jiǎn)單友好的程序開發(fā)、調(diào)試以及數(shù)據(jù)處理和顯示能力。綜合考慮，為面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)選配了泰道（中國）IMAC 400運(yùn)動(dòng)控制器，IMAC 400具有系統(tǒng)再集成方便的優(yōu)點(diǎn)。

2.6 電控系統(tǒng)的搭建

采用上述電控系統(tǒng)設(shè)備，依據(jù)圖2所示的大行程二維精密定位平臺(tái)電控系統(tǒng)框圖，為面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)搭建的電控系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 大行程二維精密定位平臺(tái)電控系統(tǒng)Fig.5 Electronic control system of large-stroke 2-D precision positioning platform

電控系統(tǒng)開發(fā)時(shí)充分做好了屏蔽和接地保護(hù)工作，為防止強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)弱電信號(hào)造成干擾，電機(jī)的動(dòng)力線纜采用雙絞屏蔽電纜，在接入驅(qū)動(dòng)器時(shí)采用電容磁環(huán)將其與周圍的弱電場(chǎng)隔離，各電控設(shè)備和直線電機(jī)均做好了接地保護(hù)，DB接頭采用金屬殼接地的焊接方式。

3 電控系統(tǒng)調(diào)節(jié)以及參數(shù)調(diào)試

3.1 伺服電流環(huán)和電機(jī)電流換相驅(qū)動(dòng)器內(nèi)調(diào)節(jié)

Cornet驅(qū)動(dòng)器可以工作在5種不同控制模式下，面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)選擇工作在力矩控制模式，此時(shí)電流閉環(huán)和電機(jī)電流換相由驅(qū)動(dòng)器完成，驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)于跨導(dǎo)放大器。力矩控制命令由運(yùn)動(dòng)控制器的模擬輸入（-10 V～10 V）得到。X向系統(tǒng)光柵傳感器和霍爾傳感器的信號(hào)和Y向系統(tǒng)光柵傳感器的信號(hào)引入到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器后，再引入到運(yùn)動(dòng)控制器相應(yīng)的反饋通道。要使驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器交互配合完成對(duì)直線電機(jī)的伺服控制，需要配置驅(qū)動(dòng)器的使能電平和運(yùn)動(dòng)控制器的使能電平特性一致，面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制器IMAC 400出廠默認(rèn)設(shè)置為低電平使能信號(hào)輸出，因此需配置Cornet驅(qū)動(dòng)器參數(shù)IL［1］=0以實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的低電平使能。

完成上述Cornet驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)配置，遵循調(diào)試流程對(duì)面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)控制系統(tǒng)伺服電流環(huán)和電機(jī)電流換相的調(diào)節(jié)。

3.2 伺服位置環(huán)和速度環(huán)運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)調(diào)節(jié)

完成對(duì)IMAC 400運(yùn)動(dòng)控制器的基本特征配置、對(duì)與伺服算法相關(guān)的PID增益，速度、加速度前饋、陷波濾波器等關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)節(jié)，從而由IMAC 400完成對(duì)面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)控制系統(tǒng)的速度閉環(huán)和位置閉環(huán)。

相關(guān)的配置和調(diào)節(jié)工作主要通過對(duì)相關(guān)I參數(shù)賦值來實(shí)現(xiàn)，初期這一過程主要在Pewin32 Pro軟件環(huán)境下完成，目前調(diào)節(jié)得到的滿足平臺(tái)物理系統(tǒng)要求的伺服算法相關(guān)參數(shù)結(jié)果如表2所示。

表2 伺服算法相關(guān)參數(shù)Tab.2 Parameters related to servo algorithm

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)在完成機(jī)械裝配和電控設(shè)備的初步配置后，采用美國光動(dòng)公司激光干涉測(cè)量?jī)xMCV5000進(jìn)行測(cè)量，該激光干涉儀的分辨率是1 nm，精度可達(dá)20 nm，激光干涉儀可以設(shè)置采樣參數(shù)，并對(duì)所采集的點(diǎn)的位置進(jìn)行處理，可以精確的得出平臺(tái)移動(dòng)的精確參數(shù)信息，并可以轉(zhuǎn)化為曲線。為大行程二維精密定位平臺(tái)性能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Experimental system of the platform

通過激光干涉儀測(cè)得得性能參數(shù)如表3所示，各項(xiàng)性能參數(shù)均滿足指標(biāo)要求。

表3 面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Technical specifications of large travel 2-D precision positioning stage for nanoimprint

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一臺(tái)面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)。對(duì)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)與搭建，并完成對(duì)電控系統(tǒng)伺服參數(shù)的調(diào)試。利用激光干涉儀搭建了面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)平臺(tái)的整體性能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺(tái)X、Y軸的行程都達(dá)到500 mm；X軸速度和Y軸速度分別達(dá)到700 mm/s，600 mm/s；加速度都達(dá)到了1.5g；重復(fù)定位精度都在2 μm以內(nèi)。該平臺(tái)滿足納米壓印領(lǐng)域精密定位的需求，為精密定位的研究提供了參考。