仰賴 Beckhoff 技術(shù)控制藍(lán)色激光
光刻系統(tǒng)使用短波、藍(lán)色激光在制造純平屏幕用的光掩膜上制作極細(xì)小的結(jié)構(gòu)體。
總部位于德國(guó) Tettnang 的 Kleo Halbleitertechnik GmbH 主要制造尖端的光刻系統(tǒng)，用于制作生產(chǎn)液晶屏過程中用到的光掩膜。系統(tǒng)通過短波、藍(lán)色激光制作極細(xì)小的結(jié)構(gòu)體。Artec Engineering GmbH 總部位于德國(guó)的 Baienfurt，負(fù)責(zé)使用 Beckhoff 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度加工過程的自動(dòng)化改造。
光刻系統(tǒng)的要求非常嚴(yán)苛：它們要快速、重復(fù)、經(jīng)濟(jì)高效地批量制作高精度光掩碼，尺寸最大為 4 m2。關(guān)鍵要求是激光束的定位精度。這一切都基于一個(gè)具有高精度幾何結(jié)構(gòu)的減振機(jī)架、堅(jiān)固耐用的高速自動(dòng)化系統(tǒng)和精確的測(cè)量值補(bǔ)償。
Artec Engineering GmbH 的常務(wù)董事 Tobias Reiter 在對(duì)公司采用 Beckhoff 產(chǎn)品作為控制設(shè)備平臺(tái)時(shí)的決策評(píng)價(jià)時(shí)說道：“我們決定選用 Beckhoff 基于 PC 的自動(dòng)化系統(tǒng)是因?yàn)槲覀儗?duì)系統(tǒng)精度及堅(jiān)固性有著極為嚴(yán)格的要求。基于我們以往所積累的經(jīng)驗(yàn)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(shí)，Kleo 進(jìn)行了大量的市場(chǎng)調(diào)研，證明了 Beckhoff 產(chǎn)品具備高速率、不受外界干擾（如振動(dòng)影響）的特性。Kleo 公司的光刻系統(tǒng)經(jīng)理 Stefan Scharl 說道：“通過我們的研究，以及 FISW Steuerungstechnik GmbH 與 Stuttgart 大學(xué)合作進(jìn)行的有關(guān)激光光刻系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)尺寸課題得出的研究結(jié)果，加上 Artec 公司的大力推薦，我們絕對(duì)相信 Beckhoff 產(chǎn)品是我們的最佳選擇。”
機(jī)械設(shè)計(jì)是確保精度的前提
機(jī)架由一個(gè)手動(dòng)放置（精度為 2 μm）的防振花崗巖基體、一個(gè)懸空的花崗巖架及兩個(gè)懸空的滑塊構(gòu)成。激光和一個(gè)自動(dòng)對(duì)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(dòng)到基底的上方。三噸重的花崗巖架將裝置橫向移動(dòng)，定位精度為 2.5 μm。壓力系統(tǒng)控制對(duì)焦和激光束的橫向偏移。為了制作出所需的結(jié)構(gòu)，在運(yùn)動(dòng)過程中不定地對(duì)激光束進(jìn)行脈沖。
通過 EtherCAT 實(shí)現(xiàn)極速加工
控制系統(tǒng)的核心部分是一臺(tái) Beckhoff 控制柜式工控機(jī) C6140（操作系統(tǒng)為 Windows XP 專業(yè)版）和 TwinCAT 自動(dòng)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(jī) C6140、EtherCAT 總線系統(tǒng)和 EtherCAT 端子模塊。”Tobias Reiter 如是說。Stefan Scharl 補(bǔ)充道：“這讓我們能夠獲得高采樣率、短周期時(shí)間（約 50 μs）和穩(wěn)定的實(shí)時(shí)能力，它們都是激光束高精度定位的基礎(chǔ)。
光刻系統(tǒng)的每根軸都有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線端子盒，用一根單獨(dú)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(diǎn)對(duì)我們來說特別關(guān)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(jī)械故障發(fā)生幾率。” “我們使用 PROFIBUS 連接現(xiàn)場(chǎng)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(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度定位
“直線電機(jī)用于移動(dòng)龍門架和滑塊，而自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的部件則由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)由 Beckhoff AX2xxx 系列數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。結(jié)合 TwinCAT 自動(dòng)化軟件，我們能夠精確定位激光，且重復(fù)精度高。”Tobias Reiter 如此說道。“盡管滑塊運(yùn)動(dòng)具有高動(dòng)態(tài)性，我們?nèi)阅軌驅(qū)崿F(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)，在短暫的加速階段后，速度公差小于 0.01 m/s。” 直線電機(jī)為反向旋轉(zhuǎn)。“這樣一來，我們就能夠避免高扭矩并可實(shí)現(xiàn)脈沖推力補(bǔ)償。為了避免受到干擾，龍門架中兩根電氣獨(dú)立的直線電機(jī)借助 TwinCAT NC PTP 通過耦合實(shí)現(xiàn)同步，精度可達(dá) 5 μm。”
龍門架與滑塊的每次移動(dòng)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(dòng)。”Stefan Scharl 闡釋道。“Beckhoff 控制器完全能夠應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。它們堅(jiān)固耐用，甚至在從無摩擦到摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中也足以避免出現(xiàn)峰谷。”
長(zhǎng)度測(cè)量傳感器可監(jiān)視當(dāng)前的龍門架和滑塊位置，并且，測(cè)得的數(shù)據(jù)直接通過伺服驅(qū)動(dòng)器處理。干擾儀測(cè)量激光束的當(dāng)前位置。位置數(shù)據(jù)在測(cè)量數(shù)值補(bǔ)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(chǔ)。“甚至可通過 Beckhoff 組件將外部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如壓力系統(tǒng)，集成入自動(dòng)化解決方案中，不會(huì)影響整個(gè)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(qū)動(dòng)器。”Tobias Reiter 如是說。由于位置測(cè)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(nèi)。“為了確保能充分曝光，光纖電纜不能太長(zhǎng)。第二個(gè)控制柜內(nèi)包含有激光光纖耦合器，測(cè)量裝置安裝在系統(tǒng)附近的清潔室內(nèi)，并在曝光過程中以與龍門架平行的方向移動(dòng)。”Stefan Scharl 說道。用于龍門架的直線電機(jī)和用于控制柜的驅(qū)動(dòng)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(chǎn)
串聯(lián)系統(tǒng)一個(gè)重要的成功要素就是靈活性。“由于 Beckhoff I/O 系統(tǒng)后續(xù)擴(kuò)展的模塊性，修改和重新配置都簡(jiǎn)單易行。這使得我們能夠根據(jù)客戶要求進(jìn)行修改，如可以毫不費(fèi)力地更改光源數(shù)量。”Stefan Scharl 解釋說。Tobias Reiter 補(bǔ)充道：“此外，我們用軟件而不是硬件創(chuàng)建了多個(gè)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(shí)施安全功能，如急停和安全門電路或通過調(diào)整或更換軟件進(jìn)行其它修改。”
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