基于微型控制器的原子光刻系統(tǒng)自動化控制研究

摘 要： 原子光刻系統(tǒng)的設(shè)備龐大而復雜，在實驗過程中溫度及穩(wěn)頻光等參數(shù)都需要監(jiān)視和控制。針對目前多采用人員值守的方式對設(shè)備進行操控導致實驗效率低下的現(xiàn)狀，介紹了原子沉積原理和原子沉積實驗裝置的構(gòu)造及主要功能，提出了原子沉積實驗裝置中溫度控制方案和穩(wěn)頻光的差分信號數(shù)據(jù)采集方案。通過完成對溫度信號和穩(wěn)頻光信號等實驗數(shù)據(jù)的自動采集與記錄，實現(xiàn)了原子光刻系統(tǒng)的溫控系統(tǒng)自動化和激光穩(wěn)頻系統(tǒng)的遠程控制。該方案不僅提高了實驗效率，而且對USB開發(fā)人員和自動化研究人員也具備一定的參考價值。

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

中圖分類號： TN305.7?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 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)擁有著龐大而復雜的設(shè)備，在實驗過程中有多個參數(shù)需要監(jiān)視和控制，目前多采用人員值守的方式對設(shè)備進行操控，導致人力資源利用率低[1]。對其實驗裝置實現(xiàn)自動化及遠程控制不僅可以把人從繁重的體腦力勞動以及復雜的工作環(huán)境中解放出來，而且為擴大研究規(guī)模，提高研究效率，實現(xiàn)實驗的全程控制帶來了極大的便利[2]。

1 溫控系統(tǒng)的自動化研究

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溫控回路來完成并實現(xiàn)的，如圖1所示。

首先設(shè)定自己所想要達到的溫度，設(shè)定值用SP值表示，而實際的溫度（PV值）連接到儀表的輸入端。實際溫度與設(shè)定值進行比較，根據(jù)偏差大小計算輸出值?？刂破鞯妮敵鲞B接到執(zhí)行器，控制加熱或制冷來調(diào)節(jié)被控對象。調(diào)節(jié)的效果又可以通過測量溫度反饋到控制器上做進一步調(diào)節(jié)，這就是一個控制回路[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]。整個溫控回路中，最關(guān)鍵的便是將實際溫度與設(shè)定值進行比較，然后根據(jù)偏差大小計算輸出值，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，比例項的輸出與偏差大小成一定的比例。當比例帶為10 ℃，在偏差為3 ℃時產(chǎn)生30%的輸出。偏差為10 ℃時輸出為100%。單獨的比例控制通?？梢允惯^程值穩(wěn)定在某一直線上，但與設(shè)定值會有一定的偏差，此時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，積分控制主要用來消除靜態(tài)偏差。在偏差持續(xù)期間通過不斷加大或減小輸出來消除靜態(tài)偏差。對輸出加大或減小的速度由積分時間決定，速度不能太快，以免引起震蕩。

（3） 微分控制

微分項與過程值的變化率成正比，方向相反。在原子爐溫控系統(tǒng)中，它主要用來防止正負過沖。此外在整個回路控制中，微分項還有一種用途：如果過程值快速下降（如打開了爐門），微分項可以抑制比例積分的作用，使爐門關(guān)上后減小過沖[5]。微分項可以根據(jù)PV的變化率來計算，也可以根據(jù)偏差的變化率來計算。

（4） 高低過沖抑制

PID參數(shù)用于在偏差較小的情況下使過程值穩(wěn)定在設(shè)定點處。高低過沖參數(shù)用來在大偏差的情況下抑制過沖[6]。它們分別是在設(shè)定值之上或之下的作用點，當過程值達到此點并向設(shè)定值接近時，輸出開始增加或減小。

1.3 自動化升溫的程序設(shè)定

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

當SP值設(shè)定好之后，加溫設(shè)備將會給原子爐加溫，實際的溫度PV值會實時被程序給定器監(jiān)控。在剛開始的升溫階段，PV值一般無法跟上SP值的變化，于是便產(chǎn)生等待，SP值在升溫等待中往復進行，此時PID控制對這兩個升溫過程進行調(diào)整和控制，使PV值在相對較短的時間內(nèi)能夠按照SP值的變化而變化，從而達到預想的升溫狀態(tài)。除此之外，當SP值達到預期的溫度時，便會停止不變，此時PV值加溫仍在繼續(xù)，于是會有一定的過沖現(xiàn)象，PID控制再一次起到調(diào)制作用，使PV值經(jīng)過一個調(diào)整過程也迅速達到穩(wěn)定的目標溫度。

如圖2所示為原子爐自動升溫實驗結(jié)果，直線為原子爐自動升溫30 ℃/min的升溫上限，自動升溫過程不得超出直線的上方，否則原子爐將會被燒壞。實心曲線是原子爐自動升溫的實時測試結(jié)果，每15 min測試一個實驗數(shù)據(jù)得出的實驗結(jié)果所繪制的曲線，是實現(xiàn)自動升溫之后溫度變化的實際規(guī)律。起始時刻由于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PID的調(diào)節(jié)，PV值和SP值達到一致的升溫速率，升溫過程呈線性增長，升溫速度和升溫時間均符合實驗所需，當?shù)竭_目標溫度1 650 ℃后，PV值達到穩(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

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)頻信號已經(jīng)由傳感器將光信號轉(zhuǎn)換成了電信號，并由BNC頭將信號傳遞出來。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計不僅需要采集并顯示信號值和波形，還需要在穩(wěn)頻信號超出虛線所示的范圍時發(fā)出警報。因此所需要設(shè)計的數(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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號）、數(shù)據(jù)的監(jiān)控顯示（將數(shù)據(jù)回傳到上位機實時顯示）。

（1） 芯片的選擇

從小巧便攜、成本低、電路結(jié)構(gòu)精簡、易于二次開發(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)頻信號的輸入范圍是-200～200 mV，且頻率較低，因此為了簡化電路板的設(shè)計，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍是首先要考慮的因素。與此同時，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

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)實際情況，通過系統(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

在硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的功能主要依靠軟件來實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件設(shè)計包括：固件程序設(shè)計、驅(qū)動程序設(shè)計和上位應(yīng)用程序設(shè)計。

（1） 固件程序設(shè)計

芯片CY7C68013A內(nèi)部的增強型8051處理單元作為微處理器來處理對應(yīng)設(shè)備的請求和返回數(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)備端運行的對應(yīng)程序。系統(tǒng)需要編寫相應(yīng)的固件程序針對不同的USB設(shè)備，完成相應(yīng)的請求及數(shù)據(jù)處理等工作。

① USB端點配置。CY7C68013A芯片的端點數(shù)總共有7個，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)用戶的實際需要，進一步將端點2，4，6，8配置成OUT或IN的雙重、三重或四重的緩存。本次固件開發(fā)根據(jù)設(shè)計需要僅用到了三個端點，EP0，EP2，EP6，這些端點及相應(yīng)寄存器的設(shè)置均在TD_Init（）函數(shù)中完成。

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

USB芯片內(nèi)部是采用“GPIF主控模式”單次字節(jié)寫（SnglWR），單字讀（SnglRD）來實現(xiàn)對A/D的讀/寫控制。根據(jù)前面硬件設(shè)計，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)束標志信號（EOC）上，RDY1連接到A/D所有通道轉(zhuǎn)換結(jié)束標志信號（EOLC）上，引腳CTL0，CTL1，CTL2分別連接到A/D的轉(zhuǎn)換控制信號CONVST與讀/寫（RD/WR）信號上。接下來就是時序控制波形的編寫以及狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)，而時序的持續(xù)時間是以IFCLK周期為單位的。

（2） 固件程序下載

整個固件程序的開發(fā)將在Keil C下完成，本次固件程序編寫完成后直接在PC機端利用CYPRESS公司提供的固件程序下載界面通過USB線下載。

（3） USB驅(qū)動的設(shè)計

在本實驗中采取一種簡單、快速開發(fā)USB接口應(yīng)用系統(tǒng)的方法，即直接在LabVIEW環(huán)境下通過NI?VISA開發(fā)能驅(qū)動用戶USB系統(tǒng)的應(yīng)用程序，完全避開了以前開發(fā)USB驅(qū)動程序的復雜性，大大縮短了開發(fā)周期[10]。

（4） 上位機界面的設(shè)計

本次上位機界面的開發(fā)是利用與Nl?VISA相配合的LabVIEW模板中VI子節(jié)點來實現(xiàn)，圖4為上位機界面流程圖。

當USB設(shè)備接入PC機，PC機會檢測是否有USB設(shè)備接入，如果PC機顯示不可識別的USB設(shè)備，則需要重新安裝USB驅(qū)動程序，如果能夠順利通過檢測，則開始對AD進行通道選擇，原子光刻系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只用一個通道便可以滿足需求；然后啟動AD進行數(shù)據(jù)采集和傳輸，數(shù)據(jù)在實時顯示的過程中會和給定的值進行比較，監(jiān)視采集數(shù)據(jù)是否超過限定的電壓范圍，如果在給定的值范圍之內(nèi)，則無警報顯示，否則會有紅色警報燈警告。

3 實驗測試

實驗對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了測試，使用信號發(fā)生器輸入正弦波，設(shè)定報警上限為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時電壓值，且顯示出的波形與信號發(fā)生器發(fā)出的信號波形一樣，并在超過報警上下限時，報警燈變紅，發(fā)出警報。經(jīng)過信號發(fā)生器的反復測試，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以滿足使用條件。

實驗中穩(wěn)頻光基本穩(wěn)定在0 V左右，報警系統(tǒng)顯示綠色，表示數(shù)據(jù)未超過報警上下限，是理想的穩(wěn)頻光信號。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)進行了比對，在同時采集的情況下，實驗曲線、實驗數(shù)據(jù)均相互吻合，結(jié)果的一致性達到了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

本文通過對原子光刻系統(tǒng)的研究，成功地實現(xiàn)了原子光刻系統(tǒng)中溫度的自動升溫和穩(wěn)頻光信號的數(shù)據(jù)采集。一方面顯著提高了實驗效率，另一方面簡化了采集設(shè)備的安裝、使用和維護，具有一定的推廣使用價值。

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