預置圖形式激光調阻機系統的設計與實現

岳松 吳云峰 葉玉堂 羅彭 胥嫏 張薿文 何景秋 電子科技大學光電信息學院 610054

引 言

激光調阻機是利用激光工藝對薄膜電阻進行精密修整的關鍵設備，是集光學、精密機械、計算機控制、和精密測量等技術于一體的高技術微電子設備。其工作原理是把激光器發出的脈沖激光束聚焦成很小的光點，達到適當的能量密度，對薄膜電阻的導電體進行切割，使之膜層熔融、蒸發，以改變薄膜電阻導電體的有效導電面積或有效導電長度，達到調整薄膜電阻單元阻值的目的。由于切割中沒有化學過程并能在大氣中加工，所以可以實時測量的結果，并實現激光加工過程自動化。該設備具有精度高、效率高和工藝簡便的特點[1][2]。

激光調阻時首先對電阻的刻蝕圖形預先利用AutoCAD設計好，并輸入到計算機。計算機根據預置圖形產生光束的強度與位置使激光按照一定的軌跡和路徑切割電阻，直到阻值達到預定值。它實現了激光加工過程的自動化，并具有高精度、高效率等特點。

1 激光調阻系統整體設計

激光調阻系統主要由以下幾部分構成：

1)光學系統，包括激光器、調整激光光束質量的光路、二維振鏡系統、機器視覺成像監控系統等。

2)機械運動系統，實現平臺的精密二維運動、垂直方向高度調節等功能。

3)自動控制系統，對機械運動系統、二維振鏡系統等運動參數進行精密控制，與工控PC之間通信，實現整機分布式控制。

整體設計思想：脈沖激光器輸出的激光束經擴束器、二維振鏡掃描系統后，由透鏡組聚焦入射至樣品表面。主控計算機可控制激光器的脈沖頻率、平均輸出功率、工作時間等參數，從而改變入射至樣品表面的功率密度，對不同材料和厚度的薄膜進行加工處理；同時，主控計算機可控制二維振鏡掃描系統和樣品臺的電機，使光束偏轉不同的角度實現聚焦光斑在樣品表面不同位置處的掃描，配合對激光器參數的控制，即可實現對任意預置圖形的激光直寫加工。

系統的內部結構包括兩個可選方案：方案一和方案二，見圖1和圖2。

方案一、將成像光路和激光光路同軸設計，利用波長選擇型反射鏡和濾色片將可見光成像到相機而不影響激光透射，從而有效地對樣品進行定位和刻蝕。

方案二、把成像光路獨立出來，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，樣品先移動到相機視場下進行定位導航，然后根據距離D再水平（沿x軸）移動到激光聚焦的位置進行刻蝕處理。

比較兩個方案，方案一在光路中多了一個反射鏡，其確定激光通過此反射鏡會有一定的損耗，一定程度上減小了激光光束的功率，需對反射鏡的膜層結構進行研究設計；方案二在實施方式上簡單了很多，只需在調試安裝過程中確定出D的具體數值，以后每次定位導航之后水平（沿x軸）移動D即可開始刻蝕。

針對系統需求，視覺成像系統主要實現三個功能：（1）對加工位置進行精確定位；（2）實時監控激光束質量和加工區域的質量狀況；（3）對垂直方向的自動調焦提供判據。方案一可以同時實現這三個功能，方案二則無法實時監控加工區域的質量。因此，選用方案一作為系統的整體方案。

2 激光調阻系統光學系統

整機光學系統如圖3所示，主要由激光光路系統和視覺成像系統構成。激光光路系統實現對激光束的擴束、掃描、聚焦等控制，視覺成像系統實現對激光光斑質量監控、激光加工區域定位、實時加工情況檢測等功能。

2.1 激光光路系統

激光光路系統主要由以下幾部分組成：

1)激光器：激光器應選用被加工材料吸收系數高、光束質量好、輸出穩定的激光光源。

2)擴束器：為了降低光束的擴散角，需要對激光束進行擴束。擴束器采用倒裝望遠鏡的結構。

3)振鏡掃描系統：在激光加工系統中，需要將光束快速、準確、連續、均勻地進行掃描移動。二維振鏡系統在各種激光加工設備中得到了普遍的應用[3]。

4)聚焦透鏡組：聚焦透鏡組采用平場聚焦透鏡組（f-θ聚焦透鏡組），主要實現：a.提高用于加工的激光束能量密度，得到質量盡可能好的激光光斑；b.提供線性掃描關系，從而提高掃描精度。

2.2 視覺成像系統

視覺成像系統主要由CCD相機、成像鏡頭、光源組成。主要實現兩方面的功能：1）對激光光束質量進行實時監測，將調整參數反饋給光束控制系統；2）對被加工區域進行精確定位，并對加工過程進行實時監控。

3 激光調阻系統機械運動系統

3.1 二維運動平臺

在激光直寫過程中，實現激光光束中心與工件的相對位置移動主要靠二維振鏡掃描系統與二維平面運動平臺實現。二維直線運動平臺主要實現對加工區域的位移控制，二維振鏡掃描系統實現小范圍內的激光束位移控制。垂直調焦機構在垂直方向上對平場自聚焦透鏡進行微調，使激光光束聚焦質量達到最好并保持一致性。

對于本系統，精密二維移動平臺的選型設計非常關鍵。平臺的機械精度在很大程度上決定了系統的整體精度。平臺的機械精度主要體現在兩個方面：直線運動精度和系統結構的剛性。

圖1 整機內部結構方案一

圖2 整機內部結構方案二

圖3 激光直寫機光學系統結構圖

（1）直線運動精度

為保證直線運動精度，本項目選用的高精度線性運動模塊包括高精度滾珠絲桿導軌組、高精度伺服驅動、線性光柵尺。

滾珠絲桿是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。

交流伺服電機的控制精度相當高，其主要由電機軸后端的旋轉編碼器保證。對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。交流伺服系統的加速性能較好，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。

光柵尺的工作原理，是由一對光柵副中的主光柵（即標尺光柵）和副光柵（即指示光柵）進行相對位移時，在光的干涉與衍射共同作用下產生黑白相間（或明暗相間）的規則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經過光電器件轉換使黑白（或明暗）相同的條紋轉換成正弦波變化的電信號，再經過放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90°的正弦波或方波，送入光柵數顯表計數顯示。現在光柵無論是發展和技術性能都在進一步提高，光柵在測量系統中的占有率已超過80%，而光柵長度測量系統的分辨力已覆蓋到微米級、亞微米級和納米級，測量速度也從60～480m/min，測量長度從1～100m。

閉環控制系統將檢測到的實際位移反饋到數控裝置的比較器中，與輸入的原指令位移值進行比較，用比較后的差值控制移動。由高精度滾珠絲桿導軌組、高精度伺服驅動、線性光柵尺組成的閉環系統可以將系統的精度控制在微米級別，完全滿足光刻的需求。

（2）系統結構的剛性要求。

對激光加工設備而言，由于其光學結構精密，對整機的平穩性要求非常高，因此需要機臺的自重要大；另外，由于運動部分本身的質量，其運動產生的沖量也會比較大，因此對系統的剛性要求也非常高，要求基座能夠降低機械運動所產生的振動。

因此，選用花崗巖材料作整機的基座。花崗巖材料具有如下優點：材料本身由億萬年的地質運動形成，晶體結構精細，具有非常高的剛性和硬度（鑄鐵的兩倍）；對溫度的變化會有最小的尺寸變化；價格便宜；壽命長，不會生銹，因此保養的費用很低；具有良好的平面度，不會產生毛刺和表面凸起現象。

3.2 工件定位方式

工件的機械定位也是一項非常重要的內容，直接決定了刻蝕的相對運動精度。針對被加工工件的形狀，進行分別設計。

（1）平面定位

平面定位采取模具方式，對特定的需要刻蝕的零件進行有序緊密的排列，然后依次對每一個零件進行刻蝕，例如對于一個待刻蝕面是一個圓柱端面的零件，我們可以加工專業模具，模具在加工時要保證良好的精度，使零件在模具內不能有晃動，保證刻蝕精度。在模具的邊緣加工高精度的定位標記，便于初始定位和坐標導引。

（2）圓柱曲面定位

圓柱定位主要由高精度方便式彈簧夾頭，高精度伺服電機和圓光柵組成。其主要結構如圖4所示。曲面旋轉的角度由高分辨率的圓光柵編碼輸出，反饋至運動控制系統，實現閉環控制。

4 激光調阻系統自動控制系統

4.1 自動控制系統組成

自動控制系統主要實現對整個系統的自動化控制，采用分布式結構，各個運動子系統采用專門的控制模塊，各種控制模塊與主控單元之間進行通信，實現整機系統的穩定運轉。

整機自動控制系統的結構如圖5所示。

4.2 自動控制系統組成單元

1）.主控單元：

圖4 工件旋轉結構

主控單元相當于整個現場總線系統的主機，可以是標準的工業運動控制卡，也可以是CAN總線接口卡。主控單元與上位機（即工控機，IPC）之間通過PCI總線進行通信，與各個子模塊之間通過現場總線進行通信。

2).二維振鏡掃描運動控制模塊：

振鏡是二維光學掃描系統的核心組件，掃描系統的掃描速度、光束偏轉角度等多個參數由其決定。振鏡的結構如圖6所示。振鏡運動控制模塊需要對振鏡的模擬輸入量進行精密控制，在接口控制設計時需要高精度的D/A轉換，將由上位機和控制模塊發來的控制信號準確快速地轉換為振鏡的運動控制量。

3）.聚焦透鏡運動控制模塊：

在激光直寫系統工作過程中，激光光斑的聚焦程度直接影響加工工件的質量。要控制光斑的質量，必須對平場聚焦透鏡組的垂直位置進行精細調節。聚焦透鏡運動控制模塊與聚焦透鏡調焦機構、視覺成像系統、視覺算法等模塊之間形成閉環控制，整個閉環調焦過程如圖7所示。

4）.二維平臺運動控制模塊：

圖5 整機自動控制系統結構

對于高精度激光加工系統來說，對振鏡系統進行精密運動控制只能在小范圍內進行光束掃描控制，即只能加工有限范圍內的圖形。當實際區域超過振鏡工作范圍之后，需要對工件本身進行高精度線性位移。在本系統中，直線運動模塊采用“伺服電機+滾珠絲杠+精密直線導軌+光柵尺”的結構，二維平臺運動控制模塊需要接收光柵尺編碼器返回的位置信號，對位置信號進行計數、與參考位置比對等處理，從而對二維平臺實現閉環精密運動控制。

5）.工件旋轉平臺控制模塊

對圓柱形工件的側面進行加工時，需要對加工件的旋轉位置進行精確控制，在工件旋轉結構中采用高精度圓光柵，實現高精度編碼，旋轉平臺控制模塊對編碼信號進行處理，實現閉環控制。

5 結論

以上部分對激光調阻機的整個系統方案作了較為詳實的認證，并對其中的重要部份作了分析。這一個系統目前已在實踐中得到驗證。研制出的樣機可加工最小線寬達到0.01mm，加工線速度≥2000mm/s。線性度≥99.5%。實際工作中，最大掃描范圍可達到98.4 mm×98.4 mm，掃描精度為17 μ m。

圖6 振鏡結構圖

圖7 平場聚焦透鏡閉環運動

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

[2]李文娟，田興志.厚膜微調技術及發展趨勢.光機電信息.2004，6：29-34

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