压电陶瓷驱动系统的设计与研究

　　摘 要： 针对光刻机投影物镜中使用压电陶瓷对像质补偿镜组进行精密定位控制的需求，设计一种压电陶瓷驱动系统，并着重对其精度性能进行了分析与研究。首先对系统进行了误差项分解，然后对各误差项进行详细的理论计算，最后将所有误差项的影响按最差情况合成，所得结果满足设计要求。进而试制了系统样机，并对其性能进行实验验证，结果表明，压电陶瓷驱动系统的误差不超过80 mV，与理论分析的结果符合，满足压电陶瓷驱动系统的设计指标。

　　关键词： 压电陶瓷; 驱动系统; 系统设计; 误差项分解; 精度分析; 实验验证

　　0 引 言

　　光刻机作为极大规模集成电路工艺关键设备，为了满足10 nm量级特征尺寸的半导体加工需求，其投影物镜对成像质量的要求极为严苛，常常需实现纳米量级的系统波相差。但是在光刻投影物镜的实际加工、装配及工作过程中不可避免地存在元件公差、装配误差以及外部环境引起的各种像差，因此会在投影物镜中配置位置可调的镜片予以补偿[1?4]，通常其定位执行器应具有10 nm量级的典型定位精度。

　　压电陶瓷[5?6]材料以其无磁性干扰、定位分辨率高、发热量小等特点广泛用于光刻机投影物镜中像差补偿镜的定位执行器[7?13]。本文针对上述应用场景分析设计一种压电陶瓷驱动系统，并对其进行了实验验证。

　　1 系统设计

　　1.1 设计目标

　　根据光学设计和结构设计的计算结果，要求某光刻机投影物镜的像差补偿系统具有优于5 μm调节行程、优于550 N的输出力以及10 nm量级的定位分辨率。因此选择PI公司P?885型压电陶瓷作为定位执行器。

　　P?885.11型压电陶瓷的输入电压为100 V，位移6.5 μm。根据驱动P?885型压电陶瓷实现10 nm量级精密定位的要求可知，压电陶瓷驱动系统应满足以下指标：

　　1) 驱动系统的输出电压为0～100 V;

　　2) 驅动系统的输出精度为154 mV;

　　3) 驱动系统带宽为100 Hz。

　　1.2 系统结构

　　为了实现上述设计目标，本文设计的压电陶瓷驱动系统结构如图1所示。上位机发出的位移指令由微控制器接收并将其转换为16位的数字信号;该数字信号经过数模转换器转换为-10～10 V的模拟电压信号，数模转换器所需的高精度低漂移的5 V参考电压由精密电压基准环节提供。模拟电压信号经运算放大器放大10倍后驱动压电陶瓷负载。

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文章名称： 压电陶瓷驱动系统的设计与研究

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