Nanoimprint litograafia tööriistas peab kuumutatud plaat suruma nanostruktuuriga põhitempli polümeerkilesse, mille positsiooni täpsust mõõdetakse miljardites meetrites. Plaati lükkav hüdrosilinder on võimas, kuid ebatäpne jõhker. Kõrge eraldusvõimega lineaarne kodeerija, mis on integreeritud otse plaadi raami, on vilkumatu elektrooniline silm, mis mõõdab plaadi täpset asukohta-reaalajas, pakkudes tagasisidet, mis on vajalik üli-täpse, suletud ahelaga{5}}liikumise juhtimissüsteemi jaoks.
Vajadus integreeritud positsioonitagasiside järele kuumutatud plaatidel
Kuumutatud plaate kasutatakse täppistootmisprotsessides, nagu nanoimprint litograafia, kuumpressimine, vahvlite liimimine ja termiline kokkupressimine. Nendes rakendustes ei pea plaat mitte ainult andma ühtlast soojust, vaid liikuma ka täpselt kontrollitud asendisse, -sageli alla mikroni või isegi nanomeetri täpsusega. Plaadi asend tuleb hoida koormuse all, erinevatel temperatuuridel ja mehaanilise süsteemi nõuetele mittevastavuses. Ilma täpse tagasisideta ei suuda isegi jäik press kompenseerida soojuspaisumist, mehaanilist tagasilööki ega läbipainde.
Otse plaadikoostu integreeritud kõrge eraldusvõimega lineaarkooder annab selle tagasiside. Kooder mõõdab plaadi tegelikku asendit fikseeritud võrdlusaluse suhtes (nt pressraam või statsionaarne alusplaat). See mõõtmine suunatakse liikumiskontrollerile, mis võrdleb seda käsuasendiga ja reguleerib täiturmehhanismi (hüdraulilist, pneumaatilist või piesoelektrilist) vastavalt. Tulemuseks on suletud ahelaga positsioneerimissüsteem, mida on võimalik korrata nanomeetrite vahemikus.
Integreeritud lineaarse kodeerimissüsteemi põhikomponendid
Kütteplaadi lineaarne kodeerimissüsteem koosneb kolmest põhielemendist:
Skaala– Täpselt valmistatud klaasist, metallist või keraamilisest ribast, millel on perioodiline joonte või magnetdomeenide muster. Kaal on jäigalt kinnitatud plaadisõlme liikuva osa (nt plaadi tagaplaadi või spetsiaalse kinnitusklambri) külge.
Loe pea– Kompaktne kontaktivaba andur, mis on kinnitatud statsionaarsele pressraamile. Lugemispea skaneerib skaala mustrit optiliste, magnetiliste või mahtuvuslike põhimõtete abil ja genereerib asendisignaali.
Interpolatsiooni elektroonika– Ahel, mis jagab põhisignaali perioodi (nt 20 µm optilise skaala puhul) väiksemateks sammudeks, andes lõpliku eraldusvõime. Selle võib integreerida lugemispeasse või eraldi kontrollerisse.
Kui plaat liigub, jälgib lugemispea skaala nihet. Kodeerija väljastab liikumiskontrollerile digitaalse asukoha väärtuse-tavaliselt protokollide, nagu BiSS, EnDat või SSI- kaudu, uuendussagedusega 10 kHz kuni 100 kHz.
Kodeerija on plaadi enda sisemine joonlaud, mis loeb selle täpset asukohta tuhat korda sekundis ja sosistab selle kontrollerile, mis hoiab seda ideaalselt paigal nanomeetrilise templi vastu.
Kütteplaadil oleva lineaarkooderi peamised spetsifikatsiooniparameetrid
Kui täpsustada alineaarkoodri kuumutusplaadi asendi tagasisidesüsteemi, tuleb määratleda järgmised parameetrid:
Eraldusvõime ja täpsus
Resolutsioon– Väikseim asukohamuutus, mida kodeerija suudab tuvastada. Nanoimprint litograafia ja täppiskuumpressimise jaoks on nõutavad eraldusvõimed 1 nm, 0,1 nm või isegi 1 pm. Peenem eraldusvõime võimaldab kontrolleril teha peenemaid parandusi. Määratud eraldusvõime peaks olema vähemalt suurusjärgu võrra väiksem kui nõutav positsioneerimise tolerants.
Täpsus– erinevus mõõdetud asukoha ja tegeliku asukoha vahel kogu mõõtepiirkonnas. Täpsust mõjutavad skaala gradueerimisvead, paigaldustolerantsid ja termilised mõjud. Submikronilise positsioneerimise puhul on tüüpiline täpsus ±0,5 µm 100 mm käigu kohta; nanomeetri rakenduste jaoks on saadaval täpsus kuni ±10 nm.
Mõõtmispikkus (sõiduulatus)
Kodeerija skaala pikkus peab vastama plaadi nõutavale käigule. Kuuma reljeefpressi puhul võib käik olla vaid 10–50 mm; vahvli liimimise tööriista puhul võiks see olla 200–300 mm. Kohandumise ja piiri tuvastamiseks on lisatud väike ülekäik (5–10 mm) tööpiirkonnast kaugemale.
Soojuspaisumise juhtimine
Kodeerija täpsust mõjutab kriitiliselt nii skaala kui ka plaadi struktuuri soojuspaisumine. Plaat töötab kõrgendatud temperatuuridel -sageli 100–400 kraadi -samal ajal, kui lugemispea ja skaala peavad jääma kindlaksmääratud termilistesse piiridesse (elektroonika puhul tavaliselt 0–80 kraadi). Seetõttu:
Madala paisumisega materjalidon hädavajalikud.Zerodur(klaaskeraamika) soojuspaisumise koefitsient (CTE) on nullilähedane (≈0,02 ppm/K).Invar(nikli-raua sulam) CTE on ≈1,2 ppm/K. Mõlemad on eelistatud tavalisele terasele (≈11 ppm/K) või klaasile (≈8 ppm/K). Skaala materjal sobitatakse vastavalt vajadusele plaadi või võrdlusraami CTE-ga.
Termiline lahtisidumine– Kaal on paigaldatud plaadile, kasutades madala juhtivusega vaheseinu või vahekihti, mis võimaldab kaalul plaadi korpusest jahedamaks jääda. Jahutuskanalid või sundõhk võivad olla suunatud skaalale.
Termiline kompensatsioon– Mõned tipptasemel kodeerijad sisaldavad skaala temperatuuriandureid ja kasutavad jääkpaisumise korrigeerimiseks tarkvarapõhiseid kompensatsioonialgoritme.
Temperatuurireiting ja kuumuskaitse
Lugemispea sisaldab tundlikke elektroonilisi komponente ja on tavaliselt ette nähtud töötamiseks kuni 50–85 kraadi. Kuna plaat võib jõuda palju kõrgemale temperatuurile, peab lugemispea olema:
Paigaldatud kaugjuhtimisegakuumast tsoonist, kasutades jäika pikendusvarre või soojusisolatsiooniklambrit.
Kaitstud kuumakilbiga– Kuumplaadi ja lugemispea vahele asetatakse poleeritud metallist kaitsekate (nt roostevaba teras või peegeldava kattega alumiinium). Võib lisada konvektsioonitõkkeid (nt õhuvahe või keraamiline tekk).
Jahutatud– Äärmuslikel juhtudel jahutatakse lugemispead vesi- või õhkjahutusega väikese ventilaatori või suruõhutoru kaudu.
Signaali väljundi ja kontrolleri ühilduvus
Kodeerija väljund peab ühilduma pressi juures kasutatava liikumiskontrolleriga. Levinud kõrge eraldusvõimega jadaprotokollid hõlmavad järgmist:
BiSS– Avatud, kiire ja madala latentsusajaga protokoll, mis on eelistatud täpse liikumise juhtimiseks.
EndDat(Heidenhain) – patenteeritud, kuid laialdaselt toetatud, pakkudes kahesuunalist sidet, sealhulgas vealippe ja temperatuurinäitu.
SSI(Sünkroonne jadaliides) – lihtsam, aeglasem, kuid piisav paljude rakenduste jaoks.
A-neli-B– Inkrementaalne kvadratuurväljund koos võrdlusmärgiga; eraldusvõimet piiravad interpolatsioonitegur ja uuendussagedus.
Nanomeetritaseme rakenduste jaoks on vaja mikrosekundiliste värskendustsüklitega jadaprotokolli. Kontroller peab vastu võtma ka koodri piirlüliti signaale (sõidulõpu ja võrdlus-/kodumarkerid).
Keskkonnakaitse
Kodeerija peab olema kaitstud:
Tolm ja tahked osakesed– Tekib polümeerkile või keskkond. Lugemispea ja skaala on ümbritsetud PTFE-st või metallist valmistatud lõõtsa või libiseva tihendiga. Soovitatav IP-reiting on vähemalt IP64 (tolmukindel).
Aurud ja gaaside väljutamine– Kuumutatud polümeeridest või lahustitest. Puhastuspordiga suletud korpus (nt suruõhk või lämmastik) hoiab kodeerija atmosfääri puhtana.
Õli ja jahutusvedelik– Kui seda kasutatakse töötlemis- või pressimiskeskkonnas, on koodril IP67 või kõrgem reiting.
Integratsiooni kavandamise etapid
Kütteplaadi lineaarse kodeerija määramine hõlmab järgmisi tehnilisi otsuseid:
1. samm: määrake nõutav asukoha täpsus
Protsess määrab tolerantsi. Nanojäljendi litograafia puhul on tavaline jääkkihi paksuse ühtlus ±1 nm. Samuti tuleb kontrollida plaadi kallet ja paralleelsust, mis nõuab sageli mitut kodeerijat (kolm või enam), et mõõta asukohta erinevates nurkades.
2. samm: valige kodeerija tüüp
Optilised kodeerijad– Tagage kõrgeim eraldusvõime (kuni 13:00) ja täpsus, kuid on saastumise suhtes tundlikumad ja nõuavad puhast keskkonda. Kasutatakse difraktsioonvõrega klaaskaalu.
Magnetkodeerijad– Vastupidavam tolmu ja õli vastu, kuid tüüpilised eraldusvõimed on vahemikus mikromeetrit kuni submikromeetrini (nt 0,1 µm). Sobib jämedama positsioneerimise jaoks.
Mahtuvuslikud kodeerijad– Pakub head eraldusvõimet (nanomeetrivahemik) mõõduka keskkonnataluvusega, kuid on vähem levinud kõrge temperatuuriga integreerimisel.
Kõige nõudlikumate täppisrakenduste jaoks on ette nähtud kõrgekvaliteediline optiline kodeerija Zeroduri skaalaga ja kuumavarjestatud lugemispeaga.
3. samm: projekteeritud paigaldamine ja soojusisolatsioon
Skaala kinnitus– Kaal on liimitud või klambriga kinnitatud liikuva plaadi konstruktsiooni külge, kasutades sobiva CTE-ga liimi (nt kaheosaline epoksiid, mis on ette nähtud madalal temperatuuril kõvenemiseks). Stressi kontsentratsioonide vältimiseks välditakse auke ja pilusid. Kaal on paigaldatud võimalikult lähedale plaadi neutraalteljele, et minimeerida painde põhjustatud vigu.
Lugege pea kinnitamist– Statsionaarse raami külge kinnitatakse jäik Invarist või roostevabast terasest kronstein. Klamber on konstrueeritud olema termiliselt stabiilne ja vibratsiooni summutav. Lugemispea sensori vahe (tavaliselt 0,2–0,5 mm) on seatud ja lukustatud.
Soojusbarjäär– Plaadi ja lugemispea vahele asetatakse mitmekihiline kilp, mis koosneb peegeldavast fooliumist, õhupilust ja keraamilisest plaadist. Varjestus ei puutu otse kuumutusplaadiga kokku, vaid on paigaldatud statsionaarsele küljele.
4. samm: määrake elektriliidesed ja kaabeldus
Kaabli tüüp– Kasutatakse suure paindumisega varjestatud kaablit, mis on ette nähtud pidevaks painutamiseks (kui lugemispea on liikuval kaablikanduril). Kaabel peab taluma plaadi lähedal ümbritsevat temperatuuri; eelistatud on PTFE või silikoonist väliskate.
Ühendus– Kooderi väljundi jaoks on ette nähtud tugev lukustatav pistik (nt M12 või D-sub). Maandussilmuste vältimiseks on kaasas eraldi maandusjuhe.
5. samm: testige ja kalibreerige
Pärast kokkupanekut kalibreeritakse kodeerimissüsteem laserinterferomeetri abil. Kalibreerimine kompenseerib kõik allesjäänud skaala paigaldusvead või termilised nihked. Kalibreerimisandmed salvestatakse liikumiskontrollerisse või koodri elektroonikasse.
Protsessi märkus: mitme kodeerija kasutamine kalde juhtimiseks
Üks lineaarkooder mõõdab nihet piki ühte telge. Kuumutusplaadi jaoks, mis peab jääma paralleelseks vastaspinnaga (nt tempel või põhimik), on kolm kodeerijat paigutatud plaadi kolme nurka. Liikumiskontroller loeb kolme asendit ja kasutab diferentsiaalsignaale kalde juhtimiseks mitme täiturmehhanismi (nt kolme piesoelektrilise virna) kaudu. See kolmepunktilise nivelleerimissüsteemina tuntud konfiguratsioon saavutab nii translatsiooni kui ka nurga positsioneerimise täpsuse nanomeetri vahemikus.
Näidisspetsifikatsioon
Nanoimprint litograafiaplaadil, mille liikumisulatus on 50 mm ja mis töötab 180 kraadi juures, võib kasutada järgmist kodeerija spetsifikatsiooni:
Tüüp- Optiline lineaarkooder Zeroduri skaalaga
Resolutsioon– 0,1 nm (pärast interpoleerimist)
Täpsus– ±0,2 µm üle 50 mm (kalibreeritud)
Skaala CTE– 0,02 ppm/K
Lugege pea töötemperatuuri– 0 kuni 70 kraadi (aktiivjahutusega)
Väljundprotokoll– BiSS 10 MHz kellaga
Kaitse– IP64 koos lämmastikupuhastusega
Kuumakaitse– Kahekihiline poleeritud alumiinium 5 mm õhuvahega
Järeldus
Integreeritud kõrge eraldusvõimega lineaarkooder muudab võimsa pressi alla mikroni täppisinstrumendiks, kriitiliseks komponendiks, mis annab plaadile selle täpse ja kõigutamatu asukohataju. Kodeerija eraldusvõime, soojuspaisumise juhtimise, kuumusvarjestuse ja keskkonnakaitse hoolikalt täpsustades saab ehitada kuumutusplaadi, mis positsioneerib end nanomeetri skaala korratavusega isegi intensiivse termilise koormuse korral. Kõige täpsemad tööriistad näevad nanomeetri silmadega nende enda liikumist ja õigesti määratud lineaarkooder tagab selle nägemise.
