壓電陶瓷驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計與研究

陳姝雨　王學(xué)亮

摘 ?要： 針對光刻機投影物鏡中使用壓電陶瓷對像質(zhì)補償鏡組進行精密定位控制的需求，設(shè)計一種壓電陶瓷驅(qū)動系統(tǒng)，并著重對其精度性能進行了分析與研究。首先對系統(tǒng)進行了誤差項分解，然后對各誤差項進行詳細(xì)的理論計算，最后將所有誤差項的影響按最差情況合成，所得結(jié)果滿足設(shè)計要求。進而試制了系統(tǒng)樣機，并對其性能進行實驗驗證，結(jié)果表明，壓電陶瓷驅(qū)動系統(tǒng)的誤差不超過80 mV，與理論分析的結(jié)果符合，滿足壓電陶瓷驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 壓電陶瓷; 驅(qū)動系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計; 誤差項分解; 精度分析; 實驗驗證

中圖分類號： TN876?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）24?0034?04

Design and research of piezoelectric ceramics driving system

CHEN Shuyu1， WANG Xueliang2

（1. Northeastern University， Shenyang 110819， China; 2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract： In allusion to the requirement that the piezoelectric ceramics is used in the projection objective of lithography machine to execute precise positioning control of image quality compensating mirror group， a piezoelectric ceramics driving system is designed and its accuracy performance is analyzed emphatically. The error term is decomposed for the system， and then each error term is calculated theoretically in detail. The influence of all the error terms is synthesized according to worst case， and the obtained results meet the design requirements. A prototype of the system was trial?manufactured and its performance was verified by experiments. The results show that the error of the piezoelectric ceramics driving system is less than 80 mV， which is consistent with the theoretical analysis and meets the design indexes of the piezoelectric ceramics driving system.

Keywords： piezoelectric ceramics; driving system; system design; error term decomposition; precision analysis; experimental verification

0 ?引 ?言

光刻機作為極大規(guī)模集成電路工藝關(guān)鍵設(shè)備，為了滿足10 nm量級特征尺寸的半導(dǎo)體加工需求，其投影物鏡對成像質(zhì)量的要求極為嚴(yán)苛，常常需實現(xiàn)納米量級的系統(tǒng)波相差。但是在光刻投影物鏡的實際加工、裝配及工作過程中不可避免地存在元件公差、裝配誤差以及外部環(huán)境引起的各種像差，因此會在投影物鏡中配置位置可調(diào)的鏡片予以補償[1?4]，通常其定位執(zhí)行器應(yīng)具有10 nm量級的典型定位精度。

壓電陶瓷[5?6]材料以其無磁性干擾、定位分辨率高、發(fā)熱量小等特點廣泛用于光刻機投影物鏡中像差補償鏡的定位執(zhí)行器[7?13]。本文針對上述應(yīng)用場景分析設(shè)計一種壓電陶瓷驅(qū)動系統(tǒng)，并對其進行了實驗驗證。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計

1.1 ?設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)光學(xué)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算結(jié)果，要求某光刻機投影物鏡的像差補償系統(tǒng)具有優(yōu)于5 μm調(diào)節(jié)行程、優(yōu)于550 N的輸出力以及10 nm量級的定位分辨率。因此選擇PI公司P?885型壓電陶瓷作為定位執(zhí)行器。

P?885.11型壓電陶瓷的輸入電壓為100 V，位移6.5 μm。根據(jù)驅(qū)動P?885型壓電陶瓷實現(xiàn)10 nm量級精密定位的要求可知，壓電陶瓷驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)滿足以下指標(biāo)：

1） 驅(qū)動系統(tǒng)的輸出電壓為0～100 V;

2） 驅(qū)動系統(tǒng)的輸出精度為154 mV;

3） 驅(qū)動系統(tǒng)帶寬為100 Hz。

1.2 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)上述設(shè)計目標(biāo)，本文設(shè)計的壓電陶瓷驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機發(fā)出的位移指令由微控制器接收并將其轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字信號;該數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為-10～10 V的模擬電壓信號，數(shù)模轉(zhuǎn)換器所需的高精度低漂移的5 V參考電壓由精密電壓基準(zhǔn)環(huán)節(jié)提供。模擬電壓信號經(jīng)運算放大器放大10倍后驅(qū)動壓電陶瓷負(fù)載。

2 ?系統(tǒng)選型及精度分析

壓電陶瓷驅(qū)動系統(tǒng)的誤差主要由三部分構(gòu)成：運放引入誤差（OPA誤差）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器引入誤差（DAC誤差）和精密電壓基準(zhǔn)環(huán)節(jié)引入誤差（REF誤差），如圖2所示。

2.1 ?OPA引入誤差分析

2.1.1 ?失調(diào)誤差的影響

OPA的失調(diào)誤差主要由輸入偏置電流和輸入失調(diào)電壓引起，輸入偏置電流經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)以電壓的形式在輸出端引入誤差，輸入失調(diào)電壓經(jīng)噪聲增益放大后在輸出端引入誤差。

本驅(qū)動系統(tǒng)中，OPA選擇APEX公司的PA85型高壓運算放大器。PA85作為MOSFET輸入，輸入偏置電流Ib=5 pA，其影響非常小，可以忽略。輸入失調(diào)電壓Vos=0.5 mV，噪聲增益Gn=10，因此失調(diào)誤差將導(dǎo)致OPA輸出端誤差[Eo1]（單位：mV）為：

[Eo1≈Gn·Vos=5] ? ? ? ? ?（1）

2.1.2 ?增益誤差的影響

OPA的開環(huán)增益Ao1會隨著頻率的增高而逐漸減小，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的環(huán)路增益T減小，增大系統(tǒng)的增益誤差。系統(tǒng)增益Ac1與OPA開環(huán)增益Ao1有如下關(guān)系：

[Ac1=A*c1·11+1T=A*c1·11+1Ao1?β] ? ?（2）

式中：[A*c1]=10為理想系統(tǒng)增益;β=0.1為反饋增益;[Ao1]為開環(huán)增益。

[Ao1]可表示為：

[Ao1=A0o1（1+jfP1）（1+jfP2）] ? ? ? ?（3）

式中：[A0o1]為開環(huán)直流增益;P1和P2為開環(huán)增益極點。

為了進一步確定增益誤差，對PA85進行PSpice仿真，得到[A0o1]=103 dB，P1=224 Hz，P2=3.9 MHz。因此，當(dāng)f在DC 100 Hz帶寬范圍內(nèi)變化時，[Ao1]的可變范圍為102～103 dB，T的范圍為82～83 dB，從而可得[Ac1]的范圍為9.999 2～9.999 3。

按最壞的情況進行計算，當(dāng)輸入電壓Vin=10 V時，頻率特性將導(dǎo)致OPA輸出誤差[Eo2]（單位：mV）為：

[Eo2=（A*c1-Ac1）·Vin=8] ? ? ?（4）

2.1.3 ?噪聲的影響

OPA的輸出噪聲主要由低頻段的閃爍噪聲和中高頻段的白噪聲組成，對其輸入端噪聲譜密度建?？傻茫?/p>

[en=100f， ?1 Hz≤f<1 kHz4， ? ? ? ? ?1 kHz≤f≤∞] ? ?（5）

式中，[en]為噪聲譜密度，單位為[nVHz]。因此，在1 Hz～1 MHz頻段內(nèi)噪聲將導(dǎo)致OPA輸出端誤差為：

[Eo3=10100ln 1 0002+41×106-1×1032 ? ? ?=40 μVrms=132 μVpp] （6）

2.1.4 ?OPA誤差

OPA作為系統(tǒng)的最后一級，其誤差將直接體現(xiàn)在系統(tǒng)輸出端。最壞情況為上述所有影響同時發(fā)生，則OPA向系統(tǒng)輸出引入誤差[Eo]（單位：mV）為：

[Eo=Eo1+Eo2+Eo3≈13] ? ? ?（7）

2.2 ?DAC引入誤差分析

DAC的輸出電壓與輸入數(shù)碼之間存在誤差，其中，主要由積分非線性誤差、失調(diào)誤差和增益誤差構(gòu)成，如圖3所示。失調(diào)誤差是指模擬輸出的實際起始值與理想起始值的偏差，增益誤差是指DAC特性曲線的實際斜率與理想斜率的偏差，積分非線性誤差是指實際轉(zhuǎn)換特性曲線與最佳擬合直線的最大偏差。

在本驅(qū)動系統(tǒng)中，DAC選擇Analog Devices公司的AD5570型數(shù)模轉(zhuǎn)換器。AD5570的三項誤差分別為0.4 LSB，3 LSB和3 LSB，當(dāng)使用5 V的電壓基準(zhǔn)時1 LSB=0.3 V。最壞情況下，三項誤差疊加在DAC輸出端，再經(jīng)OPA放大后向系統(tǒng)引入誤差[Ed]（單位：mV）：

[Ed=0.4+3+3×0.3×10≈19] ? ? （8）

2.3 ?REF引入誤差分析

2.3.1 ?初始精度的影響

REF初始精度是指器件在不受外界條件影響的條件下其自身性能導(dǎo)致的輸出偏差。本驅(qū)動系統(tǒng)中，REF選擇Linear Technology公司的LTC6655型電壓基準(zhǔn)。LTC6655的初始精度為0.025%，其額定輸出為5 V，這將導(dǎo)致REF輸出端誤差[Er1]（單位：mV）為：

[Er1=0.025%×5=1.25] ? ? ? （9）

2.3.2 ?溫度漂移的影響

在實際工作條件下，環(huán)境溫度很難保持恒定，這將導(dǎo)致REF的輸出電壓出現(xiàn)漂移，進而向驅(qū)動系統(tǒng)引入誤差。LTC6655的溫漂系數(shù)為2 ppm/℃，并假設(shè)工作環(huán)境存在50 ℃的溫度變化，這將導(dǎo)致REF輸出端誤差[Er2]（單位：mV）為：

[Er2=2×10-6×5×50=0.5] ? ? （10）

2.3.3 ?時間漂移的影響

隨著系統(tǒng)工作時間的增加，REF器件的性能逐漸發(fā)生變化，這也將導(dǎo)致REF的輸出電壓出現(xiàn)漂移，進而向驅(qū)動系統(tǒng)引入誤差。LTC6655的時漂系數(shù)為60 [ppmkHr]，因為半導(dǎo)體時漂系數(shù)會以指數(shù)規(guī)律減小，故取前2 000 h內(nèi)時漂導(dǎo)致REF輸出端誤差的總和[Er3]（單位：mV）作為時漂的最終影響：

[Er3=60×10-6×5×1+13=0.4] ?（11）

2.3.4 ?REF誤差

REF作為系統(tǒng)的第一級，其誤差將經(jīng)過DAC的前端網(wǎng)絡(luò)和OPA的電壓放大，在最壞情況下，上述所有影響發(fā)生疊加，REF向系統(tǒng)輸出引入誤差[Er]（單位：mV）為：

[Er=Er1+Er2+Er3×40=86] ? （12）

2.4 ?系統(tǒng)誤差

綜合以上的分析可以看到，本文設(shè)計的壓電陶瓷驅(qū)動系統(tǒng)輸出精度[E]（單位：mV）約為：

[E=Eo+Ed+Er=118] ? ? ? （13）

滿足系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)。同時可以看到，電壓基準(zhǔn)經(jīng)過DAC前端網(wǎng)絡(luò)和OPA的兩次電壓放大，對于驅(qū)動系統(tǒng)的精度影響最大，可以使用不帶有前端增壓網(wǎng)絡(luò)的DAC以進一步減小系統(tǒng)誤差。

3 ?系統(tǒng)驗證

根據(jù)上述的設(shè)計與研究，制作壓電陶瓷驅(qū)動系統(tǒng)的樣機，如圖4所示。

對該樣機進行性能實驗，輸出端的直流電壓使用Agilent公司3458A型8位半數(shù)字萬用表來測量。實驗過程中，使用示波器監(jiān)測系統(tǒng)的輸出電壓，待其穩(wěn)定后方可讀取萬用表的測量值。

上位機控制驅(qū)動系統(tǒng)以10 V為增量逐步改變系統(tǒng)輸出量，觀測并記錄驅(qū)動系統(tǒng)輸出的實測值，與預(yù)期值進行比較，結(jié)果如表1所示。

從實驗結(jié)果可以看出，在0～100 V的電壓輸出范圍內(nèi)，系統(tǒng)實際測得的直流電壓與預(yù)期值之間的偏差均小于80 mV，該結(jié)果與理論分析及系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)相符，基本滿足光刻機投影物鏡中使用壓電陶瓷進行精密定位的要求。

4 ?結(jié) ?語

本文設(shè)計了針對光刻機投影物鏡中使用壓電陶瓷對象質(zhì)補償鏡組進行精密定位控制的驅(qū)動系統(tǒng)。對所設(shè)計樣機進行了性能實驗，通過觀測得到驅(qū)動系統(tǒng)的實際輸出值滿足理論分析的設(shè)計指標(biāo)，表明壓電陶瓷驅(qū)動系統(tǒng)符合設(shè)計要求。目前該項技術(shù)已應(yīng)用到光刻機投影物鏡的研發(fā)之中，其對定位控制精度有較好的改進效果，對后續(xù)精密定位控制的研究具有指導(dǎo)借鑒意義。

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作者簡介：陳姝雨（1984—），女，遼寧沈陽人，碩士研究生，主要從事電子電路方面的實驗教學(xué)與實驗室建設(shè)的研究工作。