微納加工中的精密工件臺技術(shù)

前言

　　隨著集成電路、數(shù)字控制等技術(shù)的迅速發(fā)展，對精密工件臺的需要量不斷增加，同時對工件臺的精度和運行速度等也提出了越來越高的要求。作為精密儀器和設(shè)備的關(guān)鍵部件，精密工件臺決定了儀器和設(shè)備的精度及其生產(chǎn)效率。事實表明，我國光刻設(shè)備的研制水平一直落后于發(fā)達(dá)國家，其中一個重要原因就是未能研制出性能可靠的精密工件臺，這一點制約著我國光刻技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用?！　≈袊茖W(xué)院電工研究所，作為幾十年來一直從事電子束光刻設(shè)備研制的單位，深感全面了解精密工件臺技術(shù)狀況的必要性和重要性。有關(guān)講述精密工件臺內(nèi)容的資料一般散見于精密儀器或精密機械方面的書籍，而專門討論精密工件臺的專著和書籍并不多見。隨著光刻加工等尖端技術(shù)的不斷發(fā)展，對精密工件臺提出了越來越高的要求，所幸的是，可應(yīng)用于精密工件臺的相關(guān)技術(shù)，如新型材料、新型驅(qū)動電機也隨之不斷出現(xiàn)，各科研機構(gòu)、公司可以利用這些新的技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)并研制出各種各樣性能良好的新型精密工件臺來滿足微納加工技術(shù)的不斷需求，因此精密工件臺技術(shù)也增加了較多的新內(nèi)容。為促進(jìn)我國精密儀器和專用設(shè)備的發(fā)展，提高精密工件臺的研制水平，有必要總結(jié)相關(guān)的研究成果和工程實踐經(jīng)驗，系統(tǒng)介紹和闡明精密工件臺技術(shù)的諸多方面知識。作者收集了近年來有關(guān)精密工件臺的資料，總結(jié)了中國科學(xué)院電工研究所設(shè)計和使用精密工件臺的工作經(jīng)驗，并結(jié)合自己工作中的體會在這一方面進(jìn)行了初步的嘗試。　　本書介紹了精密加工和精密測量等方面應(yīng)用的精密工件臺技術(shù)，主要討論應(yīng)用在光刻機中的精密工件臺，圍繞著如何提高工件臺的精度、運行速度、行程等目標(biāo)而展開論述。全書分為九章。第一章 敘述了工件臺的結(jié)構(gòu)組成、應(yīng)用、發(fā)展?fàn)顩r及目前先進(jìn)工件臺已經(jīng)達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)。第二章 至第五章 系統(tǒng)地介紹了精密測量技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、直線導(dǎo)向技術(shù)的工作原理、技術(shù)特點和選用準(zhǔn)則，并附有實例；在此基礎(chǔ)上，對當(dāng)前多種工件臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行了歸類和分析。第六章 闡述了實現(xiàn)各種微位移技術(shù)的原理、結(jié)構(gòu)、特點及其應(yīng)用實例。第七章 闡述了精密工件臺控制系統(tǒng)的組成、伺服控制系統(tǒng)、電機的控制方式以及控制補償方法及校正算法。第八章 結(jié)合實例對工件臺進(jìn)行精度分析，給出了工件臺的特性評價方法和精度補償方法。第九章 闡述了精密工件臺在微電子產(chǎn)業(yè)、精密測量、生物芯片技術(shù)、納米表面形貌測量和納米加工設(shè)備中的具體應(yīng)用和發(fā)展前景。

內(nèi)容概要

　　《微納加工中的精密工件臺技術(shù)》是“電子束、離子束、光子束微納加工技術(shù)系列專著”中的一個分冊。它與已出版的《電子束曝光微納加工技術(shù)》一書相輔相成，重點講述微納加工中的關(guān)鍵部件——精密工件臺的結(jié)構(gòu)、原理和主要技術(shù)，以及通過精密工件臺提高加工精度和生產(chǎn)效率的有效方法。全書分為九章。第一章 講述精密工件臺的組成、發(fā)展現(xiàn)狀和主要技術(shù)指標(biāo)。第二章 至第五章 系統(tǒng)介紹精密測量技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、直線導(dǎo)向技術(shù)的工作原理、技術(shù)特點和選用準(zhǔn)則。第六章 通過實例闡明微位移技術(shù)的原理及結(jié)構(gòu)特點。第七章 和第八章 講述精密工件臺的控制系統(tǒng)、精度分析及精度補償方法。第九章 主要介紹精密工件臺在微電子產(chǎn)業(yè)、精密測量、生物芯片技術(shù)、納米表面形貌測量和納米加工設(shè)備中的具體應(yīng)用和發(fā)展前景?！　≡诋?dāng)前微納加工技術(shù)迅猛發(fā)展和相關(guān)專著及技術(shù)圖書十分匱乏的情況下，《微納加工中的精密工件臺技術(shù)》的出版對促進(jìn)我國微納加工技術(shù)的研發(fā)工作必將起到積極的作用。

作者簡介

　　劉俊標(biāo)，1974.年4月生，中國科學(xué)院電工研究所副研究員。1995年畢業(yè)于福州大學(xué)本科，2001年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，獲博士學(xué)位。2002年進(jìn)入中國科學(xué)院電工研究所博士后流動站工作，2004年出站。一直從事精密機械設(shè)計和電子束曝光技術(shù)的研究。曾獲國防科工委科技進(jìn)步一等獎一項，王寬誠博士后獎勵基金等。曾發(fā)表學(xué)術(shù)論文十余篇?！　⊙?，1956年生，中國科學(xué)院電工研究所高級工程師。1982年畢業(yè)于上海同濟大學(xué)本科。長期從事電子束曝光技術(shù)和相關(guān)設(shè)備的電氣控制方面的研究與開發(fā)工作。曾發(fā)表學(xué)術(shù)論文十幾篇?！　☆櫸溺?，1941年生，中國科學(xué)院電工研究所研究員，博導(dǎo)。曾任中國科學(xué)院電工研究所微細(xì)加工研究室主任、副所長，中國科學(xué)院高技術(shù)局局長、綜合計劃局局長?！　?967年中國科學(xué)院電工研究所研究生畢業(yè)，專業(yè)為電火花加工物理基礎(chǔ)。畢業(yè)后留所工作，從事微細(xì)加工技術(shù)研究，創(chuàng)建該所微細(xì)加工研究室。1980年起，曾在聯(lián)邦德國亞琛工業(yè)大學(xué)從事亞微米曝光技術(shù)研究2年，后又作為特聘專家在香港從事電子束制版技術(shù)、研究3年。長期研究電子束曝光技術(shù)和相關(guān)設(shè)備開發(fā)，先后主持并完成國家攻關(guān)項目2項，中國科學(xué)院重大科研項目3項，其中有微米級可變矩形電子束曝光機、0.1／an掃描電子束曝光機和縮小投影成像電子束曝光實驗系統(tǒng)。目前正在主持中國科學(xué)院創(chuàng)新工程重大項目——納米級電子束曝光系統(tǒng)實用化研究。在國內(nèi)外發(fā)表論文40多篇。

書籍目錄

第一章 緒論第一節(jié) 精密工件臺一、工件臺的定義和分類二、精密工件臺的組成和分類三、精密工件臺的用途第二節(jié) 精密工件臺技術(shù)的發(fā)展一、精密工件臺技術(shù)的發(fā)展概況二、當(dāng)前工件臺達(dá)到的最高性能指標(biāo)三、國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r第三節(jié) 本書的內(nèi)容和目的第二章 精密測量技術(shù)第一節(jié) 概述第二節(jié) 光柵測量技術(shù)一、光柵位移檢測原理二、高分辨率的實現(xiàn)三、光柵測量的精度分析第三節(jié) 激光干涉儀測量技術(shù)一、一些基本概念二、激光干涉儀三、雙頻激光干涉儀中的幾項關(guān)鍵技術(shù)四、測量系統(tǒng)五、平面鏡激光干涉儀的對準(zhǔn)分析和測量誤差分析六、平面鏡激光干涉儀的安裝與調(diào)整第三章 高速、高精度直線驅(qū)動技術(shù)第一節(jié) 高速、高精度直線驅(qū)動技術(shù)概況一、高速、高精度直線驅(qū)動技術(shù)二、直線驅(qū)動技術(shù)分類第二節(jié) 間接驅(qū)動技術(shù)一、旋轉(zhuǎn)電機二、滾珠絲杠副第三節(jié) 直接驅(qū)動技術(shù)一、電磁式直線電機的直接驅(qū)動二、壓電直線電機的直接驅(qū)動第四章 直線導(dǎo)向技術(shù)第一節(jié) 概述一、直線導(dǎo)軌的導(dǎo)向原理二、對導(dǎo)軌的基本要求第二節(jié) 常用導(dǎo)軌的類型及其技術(shù)特性一、塑料（PTEE）導(dǎo)軌二、滾動導(dǎo)軌三、靜壓導(dǎo)軌四、彈簧導(dǎo)軌五、磁懸浮導(dǎo)軌第三節(jié) 導(dǎo)軌對工件臺的影響一、導(dǎo)向精度對測量精度的影響二、導(dǎo)軌類型對位移分辨率的影響第五章 精密工件臺的結(jié)構(gòu)型式第一節(jié) 平面單層式結(jié)構(gòu)一、機械式平面單層結(jié)構(gòu)二、氣浮式平面單層結(jié)構(gòu)三、磁懸浮式平面單層結(jié)構(gòu)第二節(jié) 雙層結(jié)構(gòu)一、機械式雙層結(jié)構(gòu)二、靜壓式雙層結(jié)構(gòu)第三節(jié) 大行程納米級精密工件臺的實現(xiàn)一、“十字”型工件臺結(jié)構(gòu)二、“H”型工件臺結(jié)構(gòu)三、六維磁懸浮納米級精密工件臺第六章 微位移技術(shù)第一節(jié) 微位移機構(gòu)一、機械傳動式微位移機構(gòu)二、扭輪摩擦傳動微位移機構(gòu)三、電熱變形致動式微位移機構(gòu)四、彈性變形傳動式微位移機構(gòu)五、磁致伸縮式微位移機構(gòu)六、壓電陶瓷或電致伸縮微位移機構(gòu)七、電磁驅(qū)動式微位移機構(gòu)八、其他第二節(jié) 微位移傳感器一、電阻應(yīng)變式微位移傳感器二、電容式微位移傳感器第三節(jié) 微位移工件臺的設(shè)計和特性分析一、設(shè)計要求二、設(shè)計步驟三、驅(qū)動和控制四、實驗分析第七章 控制技術(shù)第一節(jié) 概述一、主、從控制器二、位置測量三、驅(qū)動電路和驅(qū)動機構(gòu)四、位置顯示五、限位保護系統(tǒng)第二節(jié) 伺服控制系統(tǒng)一、伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成二、伺服定位控制系統(tǒng)的基本分類三、控制系統(tǒng)的控制方式四、控制系統(tǒng)的特性及指標(biāo)五、控制系統(tǒng)對電動機的要求第三節(jié) 電動機的控制一、直流電動機伺服控制二、交流電動機伺服控制三、步進(jìn)電機控制四、超聲電機控制第四節(jié) 控制系統(tǒng)的補償方法一、串聯(lián)補償二、負(fù)反饋補償三、前饋補償四、復(fù)合控制與擾動補償五、順饋補償六、常用的補償電路七、常用的調(diào)節(jié)器八、數(shù)字控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器第五節(jié) 信號檢測一、電流檢測二、電壓檢測三、轉(zhuǎn)速檢測四、位置檢測第六節(jié) 幾種不同類型工件臺的控制一、光柵掃描電子束曝光機工件臺的控制二、X-Y-θ工件臺的伺服控制三、平面步進(jìn)電機X-Y-θ超精密工件臺的控制系統(tǒng)第八章 精密工件臺的精度分析第一節(jié) 精度分析一、工件臺的用途及其工作原理二、工件臺開環(huán)系統(tǒng)的精度分析三、工件臺閉環(huán)系統(tǒng)的精度分析第二節(jié) 工件臺的幾個性能指標(biāo)及其測試方法一、性能指標(biāo)二、測試方法三、精度補償?shù)谌?jié) 高精度的保證一、熱變形的控制二、振動的控制三、小結(jié)第九章 精密工件臺的應(yīng)用第一節(jié) 精密工件臺在微電子產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用一、精密工件臺在光刻設(shè)備中的應(yīng)用二、精密工件臺在光學(xué)曝光系統(tǒng)中的功能三、對套刻精度和生產(chǎn)率的影響四、步進(jìn)重復(fù)式精密工件臺五、步進(jìn)掃描式精密工件臺六、精密工件臺在電子束掃描曝光機中的作用七、x射線光刻機中應(yīng)用的精密定位工件臺八、幾種光刻技術(shù)中的工件臺比較九、精密工件臺在掩模版修復(fù)儀中的應(yīng)用十、掩?；蚓蠄D形尺寸的測量第二節(jié) 精密工件臺在坐標(biāo)測量機中的應(yīng)用一、精密工件臺在工具顯微鏡中的應(yīng)用二、精密工件臺在三坐標(biāo)測量機中的應(yīng)用第三節(jié) 在基于掃描探針顯微鏡技術(shù)的微加工系統(tǒng)中的應(yīng)用一、掃描探針顯微技術(shù)二、基于AFM技術(shù)的微加工系統(tǒng)第四節(jié) 精密工件臺在生物芯片技術(shù)中的應(yīng)用第五節(jié) 精密工件臺在機械制造中的應(yīng)用一、超精密車床二、電火花切割加工設(shè)備三、三維成型加工第六節(jié) 小結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　隨著精密加工、數(shù)字控制等技術(shù)的迅速發(fā)展，對精密工件臺的需要量不斷增加，同時對工件臺的精度、運行速度、行程、自動化程度、可靠性等都提出了很高的要求。這些要求并非是孤立的，一些要求往往相互制約，如，工件臺的高速和高精度的要求是相互矛盾的。為了滿足高精度的要求，工件臺的最小運動當(dāng)量（或位移分辨率）越小越好，但在伺服系統(tǒng)調(diào)速比有限的情況下，工件臺的速度就不能無限制地提高；大行程和高精度的要求也是相互矛盾的，行程越大，意味著在同樣精度要求下對工件臺的導(dǎo)軌直線性誤差也越敏感，對零部件的加工和安裝精度則提出了更為苛刻的要求，而工件臺的行程則受到現(xiàn)有加工和安裝精度的限制；自動化程度與可靠性也是一對矛盾，自動化程度越高，系統(tǒng)越復(fù)雜，高可靠性的實現(xiàn)越困難?！　⊥瑫r，高精度、高速度、大行程對控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時控制也提出了很大的挑戰(zhàn)。在工作過程中，為了保證精度，對工件臺的任一點位置都需要實時控制。當(dāng)精度越高、行程越大、速度越高時，控制系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)量和處理速度也隨之增加。　　精密工件臺是集精密位置檢測技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、直線導(dǎo)向技術(shù)、控制技術(shù)等多項技術(shù)為一體的有機綜合體。在這些技術(shù)中，如果某一個方面得到改進(jìn)或提高，將使精密工件臺整體性能得到提高。如，當(dāng)工件臺驅(qū)動方法是采用直接驅(qū)動而不是間接驅(qū)動時，由于減少了傳動鏈長度和傳動環(huán)節(jié)中的誤差傳遞，將使工件臺的精度、速度和加速度性能都得到提高。因此應(yīng)當(dāng)及時引用新材料、新技術(shù)來滿足工件臺發(fā)展的需要。

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