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仰賴 Beckhoff 技術控制藍色激光

2009/5/21 10:34:00

　　光刻系統(tǒng)使用短波、藍色激光在制造純平屏幕用的光掩膜上制作極細小的結構體。

　　總部位于德國 Tettnang 的 Kleo Halbleitertechnik GmbH 主要制造尖端的光刻系統(tǒng)，用于制作生產液晶屏過程中用到的光掩膜。系統(tǒng)通過短波、藍色激光制作極細小的結構體。Artec Engineering GmbH 總部位于德國的 Baienfurt，負責使用 Beckhoff 控制系統(tǒng)實現(xiàn)高精度加工過程的自動化改造。

　　光刻系統(tǒng)的要求非常嚴苛：它們要快速、重復、經濟高效地批量制作高精度光掩碼，尺寸最大為 4 m2。關鍵要求是激光束的定位精度。這一切都基于一個具有高精度幾何結構的減振機架、堅固耐用的高速自動化系統(tǒng)和精確的測量值補償。

　　Artec Engineering GmbH 的常務董事 Tobias Reiter 在對公司采用 Beckhoff 產品作為控制設備平臺時的決策評價時說道：“我們決定選用 Beckhoff 基于 PC 的自動化系統(tǒng)是因為我們對系統(tǒng)精度及堅固性有著極為嚴格的要求?；谖覀円酝e累的經驗來看，我們深信該系統(tǒng)能夠滿足性能、穩(wěn)定性及控制特性方面的高要求。”

　　與此同時，Kleo 進行了大量的市場調研，證明了 Beckhoff 產品具備高速率、不受外界干擾（如振動影響）的特性。Kleo 公司的光刻系統(tǒng)經理 Stefan Scharl 說道：“通過我們的研究，以及 FISW Steuerungstechnik GmbH 與 Stuttgart 大學合作進行的有關激光光刻系統(tǒng)驅動尺寸課題得出的研究結果，加上 Artec 公司的大力推薦，我們絕對相信 Beckhoff 產品是我們的最佳選擇。”

　　機械設計是確保精度的前提
　　機架由一個手動放置（精度為 2 μm）的防振花崗巖基體、一個懸空的花崗巖架及兩個懸空的滑塊構成。激光和一個自動對焦系統(tǒng)安裝在滑塊上，它以 1 m/s 的速度和 10 m/s2 的加速度將激光二極管縱向移動到基底的上方。三噸重的花崗巖架將裝置橫向移動，定位精度為 2.5 μm。壓力系統(tǒng)控制對焦和激光束的橫向偏移。為了制作出所需的結構，在運動過程中不定地對激光束進行脈沖。

AX2xxx 系列伺服驅動器，用于控制高動態(tài)直線電機

　　通過 EtherCAT 實現(xiàn)極速加工
　　控制系統(tǒng)的核心部分是一臺 Beckhoff 控制柜式工控機 C6140（操作系統(tǒng)為 Windows XP 專業(yè)版）和 TwinCAT 自動化軟件。“高速數(shù)據(jù)傳輸和處理是精確激光定位的前提條件。因此，我們只使用高性能組件，如工控機 C6140、EtherCAT 總線系統(tǒng)和 EtherCAT 端子模塊。”Tobias Reiter 如是說。Stefan Scharl 補充道：“這讓我們能夠獲得高采樣率、短周期時間（約 50 μs）和穩(wěn)定的實時能力，它們都是激光束高精度定位的基礎。

　　光刻系統(tǒng)的每根軸都有一個現(xiàn)場總線端子盒，用一根單獨的電纜連接至控制柜。“這樣可減少布線工作量和拖纜數(shù)量，這一點對我們來說特別關鍵。”Stefan Scharl 高興地說道。“我們想要減少拖纜的使用量，用玻璃光纖來代替，以減少機械故障發(fā)生幾率。” “我們使用 PROFIBUS 連接現(xiàn)場總線端子盒和控制裝置，包括 PC 和手持裝置。由于 EtherCAT 具有開放性，其它協(xié)議，如 PROFIBUS，也可通過總線端子模塊系統(tǒng)輕松集成。” Tobias Reiter 解釋道。

　　借助 Beckhoff 驅動技術實現(xiàn)高精度定位
　　“直線電機用于移動龍門架和滑塊，而自動對焦系統(tǒng)的部件則由伺服電機驅動。電機由 Beckhoff AX2xxx 系列數(shù)字式伺服驅動器驅動。結合 TwinCAT 自動化軟件，我們能夠精確定位激光，且重復精度高。”Tobias Reiter 如此說道。“盡管滑塊運動具有高動態(tài)性，我們仍能夠實現(xiàn)勻速運動，在短暫的加速階段后，速度公差小于 0.01 m/s。” 直線電機為反向旋轉。“這樣一來，我們就能夠避免高扭矩并可實現(xiàn)脈沖推力補償。為了避免受到干擾，龍門架中兩根電氣獨立的直線電機借助 TwinCAT NC PTP 通過耦合實現(xiàn)同步，精度可達 5 μm。”

　　龍門架與滑塊的每次移動都需要激活和取消激活空氣軸承。 “這一過程必須快速、精確，位置上無任何變動。”Stefan Scharl 闡釋道。“Beckhoff 控制器完全能夠應對這一挑戰(zhàn)。它們堅固耐用，甚至在從無摩擦到摩擦狀態(tài)轉換過程中也足以避免出現(xiàn)峰谷。”

　　長度測量傳感器可監(jiān)視當前的龍門架和滑塊位置，并且，測得的數(shù)據(jù)直接通過伺服驅動器處理。干擾儀測量激光束的當前位置。位置數(shù)據(jù)在測量數(shù)值補償單元中加以分析，并作為控制激光束定位用壓力系統(tǒng)的基礎。“甚至可通過 Beckhoff 組件將外部驅動系統(tǒng)，如壓力系統(tǒng)，集成入自動化解決方案中，不會影響整個系統(tǒng)的性能。”Stefan Scharl 說道。

　　“由于外形小巧，并集成有 EMC 過濾器和可插拔式連接器，我們能夠輕松地在控制柜中安裝伺服驅動器。”Tobias Reiter 如是說。由于位置測量裝置具有熱敏性，功率電子元件安裝在清潔室外的控制柜內。“為了確保能充分曝光，光纖電纜不能太長。第二個控制柜內包含有激光光纖耦合器，測量裝置安裝在系統(tǒng)附近的清潔室內，并在曝光過程中以與龍門架平行的方向移動。”Stefan Scharl 說道。用于龍門架的直線電機和用于控制柜的驅動器通過 PLC 控制器作為主站和從站軸耦合。

　　具有高度靈活性，適用于批量生產
　　串聯(lián)系統(tǒng)一個重要的成功要素就是靈活性。“由于 Beckhoff I/O 系統(tǒng)后續(xù)擴展的模塊性，修改和重新配置都簡單易行。這使得我們能夠根據(jù)客戶要求進行修改，如可以毫不費力地更改光源數(shù)量。”Stefan Scharl 解釋說。Tobias Reiter 補充道：“此外，我們用軟件而不是硬件創(chuàng)建了多個功能，如安全功能：通過引用總線端子模塊系統(tǒng)中的安全端子模塊，我們能夠便捷地實施安全功能，如急停和安全門電路或通過調整或更換軟件進行其它修改。”