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

　　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)動壓電陶瓷負載。

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