面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺的設計

汪文峰，馬 立，劉志龍，曾佑軒，李豐甜

（上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072）

納米技術是在0.1 nm～100 nm尺度內研究微粒的運動規律和特性，并在此基礎上構建材料、設備和系統的一項嶄新技術。當前為實現納米壓印技術真正意義上的產業化應用，必須解決一個實際性問題：即在大面積晶圓上實現重復性好、質量高的壓印[4]。目前，大面積納米壓印技術主要通過3種方式實現：全面積壓印、步進式壓印[5]、滾動式壓印[6]。

在大面積納米壓印技術應用中，為滿足高效的生產要求，壓印設備在同時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、機械系統等的慣性等固有特征極大地增加了高精度定位實現的難度，同時大行程或超大行程范圍內機械系統的平面度、平行度等系統寄生誤差必然會使納米級定位精度的實現變得更加困難[7]。美國Molecular Imprints公司的Imprio 450 CMOS納米壓印光刻系統代表了下一代納米壓印光刻技術的水平，滿足于24 nm節點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，并具有自動裝卸晶圓和模板的能力。近年來，國內針對納米壓印技術，也相應地做了大量的跟進研究，開展相關研究的研究機構主要有：上海交通大學、華中科技大學、哈爾濱工業大學等。文獻[8]研發的大行程納米壓印光刻機宏動部分的行程為100 mm*100 mm*100 mm，重復定位精度達到 3 μm*3 μm*3 μm。

本文旨在研發一臺能夠實現大行程、微米量級定位的二維精密定位平臺，為大面積納米壓印的實現提供裝備支持。

1 大行程二維精密定位平臺的機械結構設計

根據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的技術指標如表1所示。

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

基于上述考慮，本設計采用類似的模塊化設計的串聯式龍門結構。X向系統采用單軸龍門雙驅結構，Y向系統耦合疊加在X向系統之上，設計的大行程二維精密定位平臺3D模型如圖1所示。X、Y向系統均采用超高精度的雙直線滾動導軌（雙滑塊∕條）導向；平臺采用隔振、變形系數小的大理石做基板；XY轉接板借助理論和FEM分析優化設計，采用航空鋁合金7A04機加成型，并與四條魚腹梁拼裝獲得滿意的抗彎截面系數。為平臺優化設計的剛性支架能夠起到支撐和隔振的作用，采用坦克鏈實現對線纜的科學管理，采用風琴罩及特殊設計的防塵附件保持直線電機和光柵尺的清潔。

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電控系統設計

2.1 電控系統的整體設計

基于永磁同步直線電機伺服控制原理，大行程二維精密定位平臺電控系統框圖如圖2所示，該電控系統主要涉及到IPC、運動控制器、交流伺服驅動器、反饋傳感器等設備。

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

2.2 直線電機的工作原理與選型

2.2.1 直線電機的工作原理

結構形式上，直線電機與旋轉電機展開后的模型相似，相應地，直線電機和對應形式的旋轉電機的電磁原理也類似。就交流永磁同步直線電機而言，其在結構形式上與交流永磁同步旋轉電機相似（圖3），那么其電磁原理也就類似于交流永磁同步旋轉電機。

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

式中：f1為電樞電流的頻率；np為電機磁極對數。同步旋轉磁場和永磁體建立的磁場相互作用，完成電能向機械能的轉換，即旋轉電機將電功率轉換為機械功率，并以轉速和力矩的形式輸出。

而對于交流永磁同步直線電機，電機動子中三相交變的電樞電流在氣隙中建立了行波磁場，行波磁場的速度與直線電機電樞電流頻率、磁極距之間存在類似式（1）的關系，行波磁場和永磁體磁場相互作用，同樣使直線電機完成了電功率向機械功率的轉換，并以電機推力和速度的形式輸出。

2.2.2 直線電機的選型

電機是面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺驅動單元的核心，機械系統的質量和平臺的速度等指標決定了選配電機的性能參數，而電機的電氣特征又決定著驅動器等設備的選配。因此，本文研究中對選用的永磁同步直線電機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 電機選型流程Fig.4 Flow chart of motor selection

對于交流永磁同步旋轉電機，當電樞繞組中通以三相交流電時，交變的電樞繞組電流在氣隙中建立旋轉磁場，旋轉磁場的轉速為同步轉速n1：蘭TecnotionUL系列的兩款電機。通過荷蘭Tecnotion公司提供的仿真軟件進行仿真后，分析可知，荷蘭Tecnotion UL 15N交流永磁同步無鐵心直線電機，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的使用要求。

2.3 反饋傳感器的選型

全閉環控制對面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺高精度指標的實現具有重要意義，直線運動反饋傳感器的分辨率直接決定了全閉環控制系統的精度。然而，直線運動反饋傳感器的分辨率與其檢測速度之間存在類似反比的關系，選型時不能一味地追求高的分辨率，應該綜合考慮速度、精度和成本等多重因素，通常按照式（2）選配的運動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為控制系統精度。

本研究中為大行程二維精密定位平臺選配的運動反饋傳感器為英國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X、Y向速度和精度等指標一致，因此選用的光柵傳感器型號一致。

2.4 驅動器的選型

面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺要實現平面內插補運動控制，高性能運動控制器不可或缺，而控制器的主控單元相比驅動器的主控單元具有更優的性能，因此由運動控制器完成速度閉環和位置閉環，并通過低電平使能驅動器使其完成電流換相和電流閉環工作，此時驅動器相當于一個跨導放大器。

經市場調研，并根據交流永磁同步直線電機選型時仿真分析得到的電流等電氣參數，為永磁同步直線電機UL 9N、UL 15N選配的交流伺服驅動器為以色列ELMO公司的Standard cornet，驅動器型號分別為Standard cornet 5/230、Standard cornet 9/230。Cornet系列驅動器系統中的控制單元可獨立地實現電流環、速度環和位置環的調節和控制，并且三環調節器均具有較高的性能。

2.5 控制器的選型

運動控制器在閉環集中式運動控制系統中扮演著重要的角色，本文研究的系統中，運動控制器主要負責執行運動控制程序并向電機驅動器發送運動控制命令以及對控制系統的安全監視和保護等工作。面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺要實現o-xy平面內復雜的定位和多軸插補運動，要求其控制器必須具有高性能的數字式信號處理器，并支持3通道及以上多電機的同步控制，支持復雜的平面甚至空間多軸插補運動，軟件上要求控制器具有簡單友好的程序開發、調試以及數據處理和顯示能力。綜合考慮，為面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺選配了泰道（中國）IMAC 400運動控制器，IMAC 400具有系統再集成方便的優點。

2.6 電控系統的搭建

采用上述電控系統設備，依據圖2所示的大行程二維精密定位平臺電控系統框圖，為面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺搭建的電控系統如圖5所示。

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

電控系統開發時充分做好了屏蔽和接地保護工作，為防止強電場對弱電信號造成干擾，電機的動力線纜采用雙絞屏蔽電纜，在接入驅動器時采用電容磁環將其與周圍的弱電場隔離，各電控設備和直線電機均做好了接地保護，DB接頭采用金屬殼接地的焊接方式。

3 電控系統調節以及參數調試

3.1 伺服電流環和電機電流換相驅動器內調節

Cornet驅動器可以工作在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選擇工作在力矩控制模式，此時電流閉環和電機電流換相由驅動器完成，驅動器相當于跨導放大器。力矩控制命令由運動控制器的模擬輸入（-10 V～10 V）得到。X向系統光柵傳感器和霍爾傳感器的信號和Y向系統光柵傳感器的信號引入到相應的驅動器后，再引入到運動控制器相應的反饋通道。要使驅動器和運動控制器交互配合完成對直線電機的伺服控制，需要配置驅動器的使能電平和運動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的運動控制器IMAC 400出廠默認設置為低電平使能信號輸出，因此需配置Cornet驅動器參數IL［1］=0以實現對驅動器的低電平使能。

完成上述Cornet驅動器的參數配置，遵循調試流程對面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺控制系統伺服電流環和電機電流換相的調節。

3.2 伺服位置環和速度環運動控制器內調節

完成對IMAC 400運動控制器的基本特征配置、對與伺服算法相關的PID增益，速度、加速度前饋、陷波濾波器等關鍵參數的調節，從而由IMAC 400完成對面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺控制系統的速度閉環和位置閉環。

相關的配置和調節工作主要通過對相關I參數賦值來實現，初期這一過程主要在Pewin32 Pro軟件環境下完成，目前調節得到的滿足平臺物理系統要求的伺服算法相關參數結果如表2所示。

表2 伺服算法相關參數Tab.2 Parameters related to servo algorithm

4 實驗測試

面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺在完成機械裝配和電控設備的初步配置后，采用美國光動公司激光干涉測量儀MCV5000進行測量，該激光干涉儀的分辨率是1 nm，精度可達20 nm，激光干涉儀可以設置采樣參數，并對所采集的點的位置進行處理，可以精確的得出平臺移動的精確參數信息，并可以轉化為曲線。為大行程二維精密定位平臺性能現場測試搭建的實驗系統如圖6所示。

圖6 平臺的實驗系統Fig.6 Experimental system of the platform

通過激光干涉儀測得得性能參數如表3所示，各項性能參數均滿足指標要求。

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

5 結語

本文設計開發了一臺面向納米壓印的大行程二維精密定位平臺。對平臺的整體結構和電控系統進行了合理的設計與搭建，并完成對電控系統伺服參數的調試。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的實驗測試系統，并對平臺的整體性能進行測試。實驗結果表明，該平臺X、Y軸的行程都達到500 mm；X軸速度和Y軸速度分別達到700 mm/s，600 mm/s；加速度都達到了1.5g；重復定位精度都在2 μm以內。該平臺滿足納米壓印領域精密定位的需求，為精密定位的研究提供了參考。