Nanoimprinto litografijos įrankyje kaitinama plokštelė turi įspausti nanostruktūrinį pagrindinį antspaudą į polimerinę plėvelę, kurio padėties tikslumas matuojamas milijardinėmis metro dalimis. Hidraulinis cilindras, stumiantis plokštelę, yra galingas, bet netikslus, žiaurus. Didelės-raiškos linijinis koduotuvas, integruotas tiesiai į plokštelės rėmelį, yra nemirksinti elektroninė akis, realiuoju laiku matuojanti tikslią plokštelės padėtį-, suteikdama grįžtamąjį ryšį, reikalingą itin-tiksliai, uždaros{5} kilpos judesio valdymo sistemai.
Reikia integruoto atsiliepimo apie padėtį šildomose plokštėse
Šildomos plokštės naudojamos tiksliuose gamybos procesuose, tokiuose kaip nanoimprinto litografija, karštasis įspaudimas, plokštelių klijavimas ir terminio suspaudimo klijavimas. Taikant šias programas, plokštelė turi ne tik tiekti vienodą šilumą, bet ir pereiti į tiksliai kontroliuojamą padėtį-dažnai submikronų ar net nanometrų tikslumu. Plokštės padėtis turi būti palaikoma esant apkrovai, esant įvairioms temperatūroms ir nepažeidžiant mechaninės sistemos. Be tikslaus grįžtamojo ryšio net kietas presas negali kompensuoti šiluminio plėtimosi, mechaninio atstūmimo ar deformacijos.
Didelės skiriamosios gebos linijinis kodavimo įrenginys, integruotas tiesiai į plokštelės agregatą, suteikia tokį grįžtamąjį ryšį. Koderis matuoja faktinę plokštelės padėtį, palyginti su fiksuota atskaita (pvz., preso rėmu arba stacionaria pagrindine plokšte). Šis matavimas perduodamas judesio valdikliui, kuris palygina jį su nurodyta padėtimi ir atitinkamai sureguliuoja pavarą (hidraulinę, pneumatinę arba pjezoelektrinę). Rezultatas yra uždaro ciklo padėties nustatymo sistema, kurią galima pakartoti nanometrų diapazone.
Pagrindiniai integruotos linijinės kodavimo sistemos komponentai
Linijinę šildymo plokštės kodavimo sistemą sudaro trys pagrindiniai elementai:
Skalė– Tiksliai pagaminta stiklo, metalo ar keramikos juostelė su periodišku linijų ar magnetinių domenų raštu. Svarstyklės yra tvirtai pritvirtintos prie judančios plokštelės mazgo dalies (pvz., plokštelės galinės plokštės arba tam skirto tvirtinimo laikiklio).
Skaitykite galvą– Kompaktiškas, bekontaktis jutiklis, pritvirtintas prie stacionaraus preso rėmo. Skaitymo galvutė nuskaito svarstyklių modelį optiniu, magnetiniu arba talpiniu principu ir generuoja padėties signalą.
Interpoliacijos elektronika– Grandinė, padalijanti pagrindinį signalo periodą (pvz., 20 µm optinei skalei) į mažesnius žingsnius ir sukurianti galutinę skiriamąją gebą. Tai gali būti integruota į skaitymo galvutę arba atskirą valdiklį.
Kai plokštelė juda, skaitymo galvutė seka svarstyklių poslinkį. Koderis išveda skaitmeninę padėties vertę -paprastai per protokolus, pvz., BiSS, EnDat arba SSI-į judesio valdiklį, kai atnaujinimo dažnis yra nuo 10 kHz iki 100 kHz.
Kodavimo įrenginys yra paties plokštelės vidinė liniuotė, tūkstantį kartų per sekundę nuskaitanti tikslią jos vietą ir šnabždanti valdikliui, kuris puikiai išlaiko jį nejudančią prie nanometro skalės antspaudo.
Pagrindiniai kaitinimo plokštės linijinio kodavimo įrenginio specifikacijų parametrai
Nurodant alinijinio kodavimo įrenginio šildymo plokštės padėties grįžtamasis ryšyssistemoje, turi būti apibrėžti šie parametrai:
Rezoliucija ir tikslumas
Rezoliucija– Mažiausias padėties pokytis, kurį gali aptikti kodavimo įrenginys. Nanoimprinto litografijai ir tiksliam karštajam įspaudimui reikalingos 1 nm, 0,1 nm arba net 1 pm skiriamosios gebos. Didesnė skiriamoji geba leidžia valdikliui atlikti subtilesnius pataisymus. Nurodyta skiriamoji geba turi būti bent eilės tvarka mažesnė už reikalaujamą padėties nustatymo toleranciją.
Tikslumas– Skirtumas tarp išmatuotos padėties ir tikrosios padėties visame matavimo diapazone. Tikslumą įtakoja skalės gradacijos paklaidos, montavimo tolerancijos ir šiluminiai efektai. Submikronų padėties nustatymui būdingas ±0,5 µm tikslumas 100 mm eigos metu; naudojant nanometrus, galimas iki ±10 nm tikslumas.
Matavimo ilgis (kelionės diapazonas)
Koderio skalės ilgis turi atitikti reikiamą plokštelės eigą. Karšto reljefinio preso eiga gali būti tik 10–50 mm; plokštelių klijavimo įrankiui jis gali būti 200–300 mm. Pridedamas nedidelis perėjimas (5–10 mm) už darbinio diapazono, kad būtų galima nustatyti pradinę padėtį ir aptikti ribas.
Šiluminės plėtimosi valdymas
Kodavimo įrenginio tikslumą labai veikia skalės ir plokštelės struktūros šiluminis plėtimasis. Plokštelė veikia aukštesnėje temperatūroje -dažnai 100–400 laipsnių -, o skaitymo galvutė ir skalė turi neviršyti nurodytų šiluminių ribų (paprastai 0–80 laipsnių elektronikai). Todėl:
Mažai besiplečiančios medžiagosyra būtini.Zerodur(stiklo keramikos) šiluminio plėtimosi koeficientas (CTE) yra artimas nuliui (≈0,02 ppm/K).Invar(nikelio ir geležies lydinio) CTE yra ≈1,2 ppm/K. Abu yra geresni nei standartinis plienas (≈11 ppm/K) arba stiklas (≈8 ppm/K). Prireikus mastelio medžiaga suderinama su plokštelės arba atskaitos rėmo CTE.
Terminis atsiejimas– Svarstyklės montuojamos ant plokštelės naudojant žemo laidumo atitvarus arba tarpinį sluoksnį, leidžiantį svarstyklėms išlikti vėsesnėms nei plokštelės korpusas. Aušinimo kanalai arba priverstinis oras gali būti nukreipti į svarstykles.
Šiluminė kompensacija– Kai kuriuose aukščiausios klasės koduotuvuose yra temperatūros jutikliai ant skalės ir naudojami programine įranga pagrįsti kompensavimo algoritmai likutiniam išsiplėtimui koreguoti.
Temperatūros įvertinimas ir šilumos apsauga
Skaitymo galvutėje yra jautrių elektroninių komponentų ir ji paprastai skirta veikti iki 50–85 laipsnių. Kadangi plokštelė gali pasiekti daug aukštesnę temperatūrą, skaitymo galvutė turi būti:
Montuojamas nuotoliniu būduiš karštosios zonos, naudojant standžią ilginamąją svirtį arba šilumą izoliuojančią laikiklį.
Apsaugotas šilumos skydu– Tarp karštosios plokštės ir skaitymo galvutės uždedamas poliruotas metalinis skydas (pvz., nerūdijančio plieno arba aliuminio su atspindinčia danga). Galima pridėti konvekcinius barjerus (pvz., oro tarpą arba keraminę antklodę).
Atvėsinta– Ypatingais atvejais skaitymo galvutė aušinama vandeniu arba oru per nedidelį ventiliatorių arba suspausto oro liniją.
Signalo išvesties ir valdiklio suderinamumas
Kodavimo įrenginio išvestis turi būti suderinama su presui naudojamu judesio valdikliu. Įprasti didelės raiškos serijiniai protokolai apima:
BiSS– Atviras, didelės spartos, mažos delsos protokolas, skirtas tiksliam judesių valdymui.
EndDat(Heidenhain) – Patentuota, bet plačiai palaikoma, siūlanti dvikryptį ryšį, įskaitant klaidų vėliavėles ir temperatūros rodmenis.
SSI(Sinchroninė nuoseklioji sąsaja) – paprastesnė, lėtesnė, bet tinkama daugeliui programų.
A-keturkampis-B– Inkrementinė kvadratūros išvestis su atskaitos ženklu; skiriamąją gebą riboja interpoliacijos koeficientas ir atnaujinimo dažnis.
Nanometrų lygio programoms reikalingas nuoseklusis protokolas su mikrosekundžių atnaujinimo ciklais. Valdiklis taip pat turi gauti daviklio eigos jungiklio signalus (kelionės pabaigos ir atskaitos / namų žymeklius).
Aplinkos apsauga
Kodavimo įrenginys turi būti apsaugotas nuo:
Dulkės ir dalelės– Sukuriama polimerinės plėvelės arba aplinkos. Skaitymo galvutė ir svarstyklės yra įdėtos į silfoną arba slankiojantį sandariklį, pagamintą iš PTFE arba metalo. Rekomenduojamas IP reitingas bent IP64 (nelaidus dulkėms).
Dūmai ir dujų išsiskyrimas– Iš kaitintų polimerų ar tirpiklių. Užsandarintas korpusas su išvalymo prievadu (pvz., suslėgto oro arba azoto) palaiko švarią kodavimo įrenginio atmosferą.
Alyva ir aušinimo skystis– Jei naudojamas apdirbimo arba presavimo aplinkoje, daviklis turi IP67 arba aukštesnį įvertinimą.
Integravimo projektavimo žingsniai
Nurodant šildymo plokštės linijinį kodavimo įrenginį, reikia priimti šiuos inžinerinius sprendimus:
1 veiksmas: nustatykite reikiamą padėties tikslumą
Procesas lemia toleranciją. Nanoimprinto litografijai įprastas likutinis sluoksnio storis yra ±1 nm. Plokštės pakreipimas ir lygiagretumas taip pat turi būti kontroliuojami, todėl dažnai reikia kelių kodavimo įrenginių (trijų ar daugiau), kad būtų galima išmatuoti padėtį skirtinguose kampuose.
2 veiksmas: pasirinkite kodavimo tipą
Optiniai kodavimo įrenginiai– Pateikite aukščiausią skiriamąją gebą (iki 13 val.) ir tikslumą, tačiau yra jautresni užterštumui ir reikalauja švarios aplinkos. Naudojamos stiklinės svarstyklės su difrakcijos grotelėmis.
Magnetiniai kodavimo įrenginiai– Atsparesnis nuo dulkių ir alyvos, tačiau tipinė skiriamoji geba yra nuo mikrometro iki submikrometro (pvz., 0,1 µm). Tinka grubesniam išdėstymui.
Talpiniai kodavimo įrenginiai– Pasiūlyti gerą skiriamąją gebą (nanometrų diapazonas) su vidutiniu aplinkos toleravimu, tačiau rečiau naudojamas aukštos temperatūros integravimui.
Reikalingiausioms tikslioms programoms skirtas aukštos kokybės optinis kodavimo įrenginys su Zerodur skale ir nuo karščio ekranuota skaitymo galvute.
3 veiksmas: projektinis montavimas ir šiluminė izoliacija
Svarstyklių tvirtinimas– Svarstyklės priklijuojamos arba prispaudžiamos prie judančios plokštės konstrukcijos, naudojant klijus su suderintu CTE (pvz., dviejų dalių epoksidine medžiaga, skirta kietinti žemoje temperatūroje). Vengiama skylių ir plyšių, kad būtų išvengta įtempių koncentracijos. Svarstyklės sumontuotos kuo arčiau plokštelės neutralios ašies, kad būtų sumažintos lenkimo sukeltos klaidos.
Skaityti galvos tvirtinimą– Prie stacionaraus rėmo prisukamas standus laikiklis iš Invar arba nerūdijančio plieno. Laikiklis sukurtas taip, kad būtų termiškai stabilus ir slopinamas vibracijai. Nuskaitymo galvutės jutimo tarpas (paprastai 0,2–0,5 mm) nustatomas ir užrakinamas.
Šiluminis barjeras– Tarp plokštelės ir skaitymo galvutės dedamas daugiasluoksnis skydas, sudarytas iš atspindinčios folijos, oro tarpo ir keraminės plokštės. Ekranas tiesiogiai nesiliečia su karštąja plokšte, bet yra sumontuotas stacionarioje pusėje.
4 veiksmas: nurodykite elektros sąsajas ir kabelius
Kabelio tipas– Naudojamas didelio lankstumo ekranuotas kabelis, skirtas nuolatiniam lenkimui (jei skaitymo galvutė yra ant judančio kabelio laikiklio). Kabelis turi atlaikyti aplinkos temperatūrą šalia plokštelės; pirmenybė teikiama PTFE arba silikoniniam išoriniam apvalkalui.
Jungtis– Koderio išėjimui nurodyta tvirta fiksuojanti jungtis (pvz., M12 arba D-sub). Pridedamas atskiras įžeminimo laidas, kad būtų išvengta įžeminimo kilpų.
5 veiksmas: patikrinkite ir kalibruokite
Po surinkimo kodavimo sistema sukalibruojama naudojant lazerinį interferometrą. Kalibravimas kompensuoja visas likusias skalės montavimo klaidas arba šiluminius poslinkius. Kalibravimo duomenys saugomi judesio valdiklyje arba kodavimo elektronikoje.
Proceso pastaba: kelių kodavimo įrenginių naudojimas pakreipimo valdymui
Vienas linijinis kodavimo įrenginys matuoja poslinkį išilgai vienos ašies. Kaitinimo plokštelei, kuri turi likti lygiagreti priešingam paviršiui (pvz., antspaudui ar substratui), trys davikliai yra išdėstyti trijuose plokštės kampuose. Judesio valdiklis nuskaito tris pozicijas ir naudoja diferencialinius signalus, kad valdytų pokrypį per kelias pavaras (pvz., tris pjezoelektrinius kaminus). Ši konfigūracija, žinoma kaip trijų taškų niveliavimo sistema, užtikrina tiek transliacijos, tiek kampinės padėties nustatymo tikslumą nanometrų diapazone.
Specifikacijos pavyzdys
Nanoimprinto litografijos plokštelei, kurios eigos diapazonas yra 50 mm, veikiant 180 laipsnių kampu, galima naudoti šią kodavimo įrenginio specifikaciją:
Tipas– Optinis tiesinis kodavimo įrenginys su Zerodur skale
Rezoliucija– 0,1 nm (po interpoliacijos)
Tikslumas– ±0,2 µm virš 50 mm (kalibruotas)
CTE mastelis– 0,02 ppm/K
Nuskaitykite galvutės darbinę temperatūrą– nuo 0 iki 70 laipsnių (su aktyviu aušinimu)
Išvesties protokolas– BiSS su 10 MHz laikrodžiu
Apsauga– IP64 su azoto prapūtimu
Šilumos skydas– Dvisluoksnis poliruotas aliuminis su 5 mm oro tarpu
Išvada
Integruotas didelės raiškos linijinis kodavimo įrenginys galingą presą paverčia iki mikronų tikslumo prietaisu – svarbiu komponentu, suteikiančiu plokštei tikslų ir nepajudinamą padėties pojūtį. Kruopščiai nurodant kodavimo įrenginio skiriamąją gebą, šiluminio plėtimosi valdymą, šilumos ekranavimą ir aplinkos apsaugą, galima sukurti kaitinimo plokštę, kuri nanometrų skalėje pakartojama net ir esant didelėms šiluminėms apkrovoms. Tiksliausi įrankiai gali matyti savo judėjimą nanometrinėmis akimis, o tinkamai nurodytas linijinis kodavimo įrenginys užtikrina tokį regėjimą.
