Tässä asiakirjassa kuvataan suunnittelun Huipputarkat xy asemointi ja skannaus vaiheessa: Queensgate NPS-XY-100A . Erityistä huomiota kiinnitetään muotoilukonseptin ja metrologisia näkökohdat, jotka helpottavat osa-nanometrin asennon resoluutio, erittäin korkea lineaarisuus, matala hystereesi, alhainen lämpölaajeneminen ja loistaudit liikkeet. Kokeelliset tiedot kuvaavat osa-nanometrin tarkkuus ja osoittaa pitkän aikavälin stabiilius vaiheessa. Johdanto Vaatimukset entistä tarkempaan ja vakaus ovat johtaneet käytön lisäämiseen osa-nanometrin paikannus mekanismeja puolijohde, levyasema, skannaus koetin mikroskopia ja muut tutkimuksen ja kehittämisen aloilla. Queensgate nanopositioning tuotteissa yhdistyvät pietsosähköinen toimilaitteiden Queensgate Nanosensorit ® (kapasitanssi tunnistimet) ja kehittynyt moniakselisiin taipeet design. Nämä tekniikat on yhdistetty 20 vuotta exper ience sähköisessä ja servo-silmukka suunnittelu antaa paikannus lavan osa-nanometrin tarkkuus, täsmällisyys ja repeatability1, 2,3. NPS-XY-100A on edustaja Queensgate n teknologia ja muotoilu kyky. Queensgate NPS-XY-100A Tekniset Queensgate NPS-XY-100A on kahden akselin suljettua paikannus ja skannaus vaiheessa kirjekuori 100 x 100 x 23 mm 40 mm aukko. Rakennettu kokonaan Super Invarasteikko, se tarjoaa> 120 x 120 μ m paikannus ja skannausalue. Sijainti melu on tyypillisesti 0,3 nm (rms) ja Li nearity virhe (kompensoidaan neljäs asteen polynomin elektroniikka) on alle 0,01%. Hystereesi ja loistaudit kulmikas liikkeet ohjataan alle 0,005% ja 10 μ rad vastaavasti koko liikealue. Ensimmäinen värähtelytaajuudeksi vaiheessa on> 350 Hz. Kuvaus NPS-XY-100A Stage NPS-XY-100A sisältää omaa yhdistelmä piezo toimilaitteet, Queensgate Nanosensorit ® ja flexures. Kaksi piezo toimilaitteet on upotettu vaiheessa antaa ajaa suihke molempiin suuntiin. Piezo exp ansion vahvistuu käyttämällä 04:01 taipeet / vipu muotoilu antaa yli 120 x 120 μ m alue. Queensgate Nanosensorit ® seurata aseman alustan ja antaa palautetta säätimen servo-silmukka. Laajennettu flexure Järjestelmä ohjaa motio n alustan sekä x ja y. Taipeet kuvio on suunniteltu erityisesti minimoimaan loistaudit liikkeet kuten kiertoja (hyrrän, pitch, roll) ja out-of-plane liikkeen. Tämän saavuttamiseksi laaja FEA mallintamisen tekniikoita käytettiin optimoimaan kokoonpano ja parametrien avulla. Queensgate NPS3000 Controller NPS-XY-100A vaiheessa ohjaa Queensgate NPS3000 ohjain (DSP pohjainen digi takaisinkytkettyjen järjestelmä). Ohjaimessa on luontainen tarkkuus tehokkaasti 23 bittiä eli keskiyö digitaalinen resoluutio yli 100 μ m alue. Tämä tulos ylittää päätöslauselman eniten / D ja D / A-muuntimet tällä hetkellä saatavilla ja usein alle melutason useimpiin sovelluksiin törmäämme. Kehittynyt digitaalinen PID algoritmeja voidaan optimoida reagointi erilaisiin sovelluksiin. Velocity palaute (ero termi) voidaan käyttää kosteissa ulos mekaanista resonanssia, mikä vähentää merkittävästi ratkaisemaan kertaa. Ohjain antaa käyttäjälle työkalut täydellisen hallinnan järjestelmän kaistanleveys ja silmukka parametrit in situ suorituskyvyn optimointiin. Metrologiset huomioitavaa Epälineaarisuus ja hystereesi ovat virheilmoitukset termejä akselia pitkin liikettä. Arvioimaan näitä staattisen liikkeen virheitä, vaiheet ovat kalibroidaan erityisesti suunniteltu laserinterferometriin, jolla voitaisiin ratkaista liikkeet 0,05 nm tai alle 4. Alkuperäinen skannaa avulla sisäinen kapasitanssi tunnistimet voidaan linearisoida digitaalisesti neljännen kertaluvun. Epälineaarisuus alle 0,01% rutiininomaisesti saavutettu. Tontti lineaarisuuden ja hystereesi virheet mitataan NPS-XY-100A on esitetty kuvassa 1.  Kuva 1. Lineaarisuus ja hystereesi. Nanosensorit ® ja ohjaus er ovat huolellisesti suunniteltu saavuttamaan erittäin alhainen melutaso alas <0,005 nm.Hz - ½. Yhdessä 23 bittinen digitaalinen tarkkuus ja lineaarisuus korvausta, totta osa-nanometrin toistettavuus saavutetaan. Kuvassa 2 pisteohjausviesti vastaus Photonic Force Microscope (PFM) ja 2 nm halkaisijaltaan tuotetaan NPS-XY-100A vaiheessa.  Kuva 2. F 2 nm ympyrä jäljittää NPS-XY-100A [5]. Taipeet System Taipeet suunnittelu opastaa vaihe liikkeen pitkin halutun akselin ja tarjoaa korkean "puhtaus puolesta". Kierto-ja out-of kone virheitä ohjataan erittäin alhaiselle tasolle ilman mitään aktiivista korvausta. Kuvassa 3 out-of-tason liikkeet mitataan NPS-XY-100A yli 100 x 100 μ m skannatun alueen. Out-of-koneen liikkeen virheitä todella mitattu etäisyys on pari nanometriä koko skannausalue. Tämäkin mittaus sisältää drift virheitä. Rakenne mahdollistaa säätö viipottaa virheitä, jotka normaalisti aiheuttavat esim. valmistuksen toleranssit flexures. Näin mitattuna viipottaa virheitä alas muutaman mikro-radiaaneina yli 100 μ m kantama jokaisella akselilla on saavutettu.  Kuva 3. Out-of-suunnitelma liikkeen virhe. Rakennusmateriaalit NPS-XY-100A on valmistettu Super Invarasteikko, tämä materiaali esittelee erittäin alhainen lämpölaajenemiskerroin (noin 0,3 x 10 -6 K -1) ja pitkän aikavälin vakauden. Kokeet Queensgate ovat osoittaneet, että drift ongelmia saattaa ilmetä, jos on olemassa epäsuhta vuonna termisiä ominaisuuksia komponentin käytettyjen materiaalien vaiheessa kokoonpanoon. Nanosensorit ® on valmistettu samasta tai vastaavia materiaaleja kuten vaiheessa ruumiin, mutta toimilaitteita ei voi. Pietsosähköinen materiaali on hyvin alhainen lämmönjohtavuus ex Pansion kerroin (-0,3--0.6 x 10 -6 K -1). Jos porras rakennettiin yleisempiä alumiinia, ja pituus piezo pino on 40 mm, ero lämpölaajeneminen syntyy näiden kahden materiaalin olisi noin 1,2 μ mK -1 piezo lopussa. Salaisina vaikutus mekaanisten monistuksen kertoimella 4, lämpölaajeneminen tuottaa liikettä laiturilla lopussa noin 4,8 μ mK -1. Vaikka suljettua ohjausta voi korjata liikettä ajamalla piezo edelleen suuri HV offset tuloksia skannausalue muutosta ja kylläisyyttä toisessa päässä. Siksi alhainen lämpölaajeneminen materiaali on oleellista välttää lämpövaikutusten ja kaikki Queensgate NPS-XY-100A on rakennettu Super Invarasteikko. Runko ja helat Frame vääristymät johtuvat voimat löytyy vaiheessa koko NPS-XY-100A voidaan tasoilla jopa muutamia satoja nanometriä. Special isostaattisten asennus järjestelmät on suunniteltu osaksi vaiheessa irrottaa vääristymisen takia lämpö ja voima muutoksia. Tämä asennus mekanismi on jälleen taipeet järjestelmä, EDM leikataan runko kuten kuvassa 4. Tämä järjestelmä varmistaa, ettei perinteisen yhteyttä kytkin ja kitkaa järjestelmään. Taipeet järjestelmä on yhteensopiva vuonna irrottamista suuntaan ja erittäin jäykkä kaikkiin muihin suuntiin, säilyttäen keskiasentoon alustan vähentämättä jäykkyys vaiheessa järjestelmään. Tämä isostaattisten asennus mekanismi vaihetta voidaan asentaa pohja ainetta tahansa, ilman huolta lämpö matching.  Kuva 4. Isostaattiset asennus. Dynaaminen reaktion ja pitkän aikavälin vakaus NPS-XY-100A vaiheessa on resonanssitaajuuden 350 Hz ja pienen signaalin 2% asettumisaika <15 ms. Lisääntyvä ladattu massa on normaalisti suuri vaikutus dynaamiseen järjestelmän suorituskykyä, varsinkin kun vaihe on niin pienikokoinen. Queensgate Digitaaliset ohjaimet mukana ohjelmistotyökalun jotta PID parametrit voidaan helposti säätää käyttäjät voivat optimoida suorituskykyä in situ. Käyrä kuvassa 5 mitataan puretaan vaiheessa valvonnassa optimoitu PID parametrit, käyrä b osoittaa, miten esitys oli vaikuttanut 100 g massa lastattu lavalle, ja uudelleen optimoitu PID parametrit antaa takaisin haluttu vaihe vastauksen käyrä C.  Kuva 5. Dynaaminen vaste. Mielenkiinnon kohde on pitkän aikavälin vakauden ja toistettavuutta NPS-XY-100A. Yksi tällainen vaihe oli lähetetty asiakkaalle ja palasi uudelleen kalibroinnin jälkeen puolitoista vuotta. Testitulosten ennen ja jälkeen on lueteltu taulukossa 1. Huomaa jälleen, nämä tiedot ovat melu ja kulkeutumista virheet laserinterferometriin mittausjärjestelmä. Taulukko 1. Pitkänajan stabiilisuus testitulosten (NPS-XY-100A, sarjanumero 50583). | X-Axis | Scale näyttelijä virhe (%) | <0,1 | 0.000 | 0.067 | Linearisointivirhe (%) | <0,01 | 0.002 | 0.007 | Hystereesi virhe (%) | <0,01 | 0.003 | 0.003 | Y-akseli | Scale näyttelijä virhe (%) | <0,1 | 0.001 | 0.035 | Linearisointivirhe (%) | <0,01 | 0.002 | 0.003 | Hystereesi virhe (%) | <0,01 | 0.004 | 0.005 |
Johtopäätökset Johtopäätökset suunnittelun katselmuksen ja testi Yllä esitetty tieto on seuraava; a. NPS-XY-100A on saavuttanut vaatimus osa-nanometrin toistettavuus, tarkkuus, täsmällisyys ja pitkän aikavälin vakauden. b. Alhainen lämpölaajeneminen materiaaleja, kuten Super Invarasteikko ovat välttämättömiä rakennettaessa osa-nanometrin tarkkuudella vaiheessa mekanismit, joilla vältetään vaikutuksen lämpölaajenemisen. C. Kehittynyt digitaalinen ohjaus mahdollistaa in situ suorituskyvyn optimointiin ja parantaa dynaamista suorituskykyä järjestelmään. d. Isostaattiset asennus decouples väistämätön runko vääristymiä termisessä ja voima vaikutuksia ja ylläpitää metrologisia tarkkuutta. Referenssit [1] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks ja Malachy McConnell, suunnittelu ja karakterisointi nanometrin tarkkuudella mekanismit (Paper I), Proceedings of ASPE 1996 vuosikokouksessa, Monterey. [2] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks ja Malachy McConnell, suunnittelu ja karakterisointi nanometrin tarkkuudella mekanismit (Paper II), Proceedings of ASPE 1997 vuosikokouksessa, Norfolk. [3] Thomas R. Hicks, Paul D Atherton, Ying Xu, ja Malachy McConnell, Nanopositioning Kirja, Queensgate Instruments Oy, 1997 [4] Downs , MJ, Rowley, WRC, hienomekaniikka (1993) 15, 1 [5] Kohteliaisuus Ernst-Ludwig Florin, Euroopan molekyylibiologian laboratorio, Heidelberg . |