摘 要： 針對(duì)光刻機(jī)投影物鏡中使用壓電陶瓷對(duì)像質(zhì)補(bǔ)償鏡組進(jìn)行精密定位控制的需求，設(shè)計(jì)一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并著重對(duì)其精度性能進(jìn)行了分析與研究。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了誤差項(xiàng)分解，然后對(duì)各誤差項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)的理論計(jì)算，最后將所有誤差項(xiàng)的影響按最差情況合成，所得結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。進(jìn)而試制了系統(tǒng)樣機(jī)，并對(duì)其性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的誤差不超過(guò)80 mV，與理論分析的結(jié)果符合，滿(mǎn)足壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞： 壓電陶瓷; 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 誤差項(xiàng)分解; 精度分析; 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　0 引 言

　　光刻機(jī)作為極大規(guī)模集成電路工藝關(guān)鍵設(shè)備，為了滿(mǎn)足10 nm量級(jí)特征尺寸的半導(dǎo)體加工需求，其投影物鏡對(duì)成像質(zhì)量的要求極為嚴(yán)苛，常常需實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)的系統(tǒng)波相差。但是在光刻投影物鏡的實(shí)際加工、裝配及工作過(guò)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(huì)在投影物鏡中配置位置可調(diào)的鏡片予以補(bǔ)償[1?4]，通常其定位執(zhí)行器應(yīng)具有10 nm量級(jí)的典型定位精度。

　　壓電陶瓷[5?6]材料以其無(wú)磁性干擾、定位分辨率高、發(fā)熱量小等特點(diǎn)廣泛用于光刻機(jī)投影物鏡中像差補(bǔ)償鏡的定位執(zhí)行器[7?13]。本文針對(duì)上述應(yīng)用場(chǎng)景分析設(shè)計(jì)一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果，要求某光刻機(jī)投影物鏡的像差補(bǔ)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(jí)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(dòng)P?885型壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)10 nm量級(jí)精密定位的要求可知，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足以下指標(biāo)：

　　1) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出電壓為0～100 V;

　　2) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出精度為154 mV;

　　3) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶寬為100 Hz。

　　1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)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(hào);該數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為-10～10 V的模擬電壓信號(hào)，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(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大10倍后驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷負(fù)載。

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