ナノインプリント リソグラフィ ツールでは、加熱されたプラテンが、10 億分の 1 メートル単位で測定される位置精度で、ナノ構造のマスター スタンプをポリマー フィルムに押し付ける必要があります。プラテンを押す油圧シリンダーは強力ですが、不正確で荒々しいものです。プラテンのフレームに直接組み込まれた高解像度リニア エンコーダは、プラテンの正確な位置をリアルタイムで測定する点滅しない電子の目です。-、超高精度の閉ループ モーション コントロール システムに必要なフィードバックを提供します。-
加熱プラテンにおける統合された位置フィードバックの必要性
加熱プラテンは、ナノインプリント リソグラフィー、ホット エンボス加工、ウェーハ ボンディング、熱圧着などの精密製造プロセスで使用されます。このようなアプリケーションでは、プラテンは均一な熱を供給するだけでなく、正確に制御された位置に移動する必要があり、多くの場合、サブミクロン、さらにはナノメートルの精度で移動する必要があります。-プラテンの位置は、負荷がかかっても、温度が変化しても、機械システムのコンプライアンスに抗して維持されなければなりません。正確なフィードバックがなければ、たとえ硬いプレスであっても、熱膨張、機械的なバックラッシュ、またはたわみを補正することはできません。
プラテン アセンブリに直接統合された高解像度リニア エンコーダがそのフィードバックを提供します。エンコーダは、固定基準 (プレス フレームや固定ベース プレートなど) に対するプラテンの実際の位置を測定します。この測定値はモーション コントローラーに入力され、指令された位置と比較され、それに応じてアクチュエーター (油圧、空気圧、または圧電) が調整されます。その結果、ナノメートル範囲での再現性が可能な閉ループ位置決めシステムが実現します。
統合リニアエンコーダシステムのコアコンポーネント
加熱プラテン用のリニア エンコーダ システムは、次の 3 つの主要な要素で構成されます。
規模– 線または磁区の周期的なパターンを持つ、精密に製造されたガラス、金属、またはセラミックのストリップ。スケールは、プラテン アセンブリの可動部分 (プラテン バック プレートや専用の取り付けブラケットなど) にしっかりと取り付けられています。
リードヘッド– 固定プレスフレームに固定されたコンパクトな非接触センサー。読み取りヘッドは、光学、磁気、または容量性の原理を使用してスケールのパターンをスキャンし、位置信号を生成します。
補間エレクトロニクス– 基本信号周期 (光学スケールの場合は 20 µm など) をより小さな増分に分割し、最終的な分解能を生成する回路。これは、読み取りヘッドまたは別個のコントローラーに統合される場合があります。
プラテンが移動すると、読み取りヘッドがスケールの変位を追跡します。エンコーダはデジタル位置値を出力します。-通常、BiSS、EnDat、SSI などのプロトコルを介して、10 kHz ～ 100 kHz の更新レートでモーション コントローラにデジタル位置値を出力します。-
エンコーダーはプラテン自体の内部定規であり、その正確な位置を 1 秒間に 1,000 回読み取り、コントローラーにささやき、ナノメートルスケールのスタンプに対してプラテンを完全に静止させます。
加熱プラテン上のリニアエンコーダの主な仕様パラメータ
を指定する場合リニアエンコーダ加熱プラテン位置フィードバックシステムでは、次のパラメータを定義する必要があります。
解像度と精度
解決– エンコーダが検出できる最小の位置変化。ナノインプリント リソグラフィーや精密ホット エンボス加工では、1 nm、0.1 nm、さらには 1 pm の解像度が必要です。解像度が高くなると、コントローラーはより微妙な補正を行うことができます。指定された解像度は、必要な位置決め許容値より少なくとも 1 桁小さい必要があります。
正確さ– 全測定範囲にわたる測定位置と真の位置の差。精度はスケールの目盛り誤差、取り付け公差、熱の影響に影響されます。サブミクロンの位置決めの場合、移動量 100 mm で ±0.5 µm の精度が一般的です。ナノメートルのアプリケーションでは、±10 nm までの精度が利用可能です。
測定長さ（移動範囲）
エンコーダのスケールの長さは、プラテンの必要なストロークと一致する必要があります。ホットエンボスプレスの場合、移動距離はわずか 10 ～ 50 mm です。ウェハボンディングツールの場合、200 ～ 300 mm になる可能性があります。ホーミングおよびリミット検出のために、動作範囲を超える小さなオーバートラベル (5 ～ 10 mm) が追加されます。
熱膨張管理
エンコーダの精度は、スケールとプラテン構造の両方の熱膨張に大きく影響されます。プラテンは高温で動作します。-多くの場合 100 ～ 400 度-ですが、読み取りヘッドとスケールは指定された温度制限内 (電子機器の場合は通常 0 ～ 80 度) 内に維持する必要があります。したがって：
低膨張スケール材料が不可欠です。ゼロデュア(ガラスセラミック) の熱膨張係数 (CTE) はほぼゼロ (≈0.02 ppm/K) です。インバール(ニッケル鉄合金) の CTE は ≈1.2 ppm/K です。どちらも標準のスチール (≈11 ppm/K) やガラス (≈8 ppm/K) よりも優先されます。スケールの材質は、必要に応じてプラテンまたは基準フレームの CTE に適合します。
熱デカップリング– スケールは、低導電率のスタンドオフまたは中間層を使用してプラテンに取り付けられており、スケールをプラテン本体よりも低温に保つことができます。冷却チャネルまたは強制空気がスケールに向けられる場合があります。
熱補償– 一部のハイエンドエンコーダはスケールに温度センサーを組み込み、ソフトウェアベースの補償アルゴリズムを使用して残留膨張を補正します。
温度定格と遮熱性
読み取りヘッドには敏感な電子部品が含まれており、通常は 50 ～ 85 度までの動作が定格されています。プラテンは非常に高い温度に達する可能性があるため、読み取りヘッドは次の条件を満たす必要があります。
リモートでマウント剛性の高い延長アームまたは断熱ブラケットを使用して、ホットゾーンから遠ざけます。
遮熱板で保護されている– 研磨された金属シールド (反射コーティングを施したステンレス鋼またはアルミニウムなど) がホット プラテンと読み取りヘッドの間に配置されます。対流障壁（例えば、エアギャップまたはセラミックブランケット）を追加してもよい。
冷却された– 極端な場合には、読み取りヘッドは水冷または小型ファンまたは圧縮空気ラインを介して空冷されます。
信号出力とコントローラーの互換性
エンコーダの出力は、印刷機で使用されるモーション コントローラと互換性がある必要があります。一般的な高解像度シリアル プロトコルには次のものがあります。
BiSS– 高精度のモーション制御に適したオープン、高速、低遅延のプロトコル。
エンダット(Heidenhain) – 独自仕様ですが広くサポートされており、エラー フラグや温度測定値を含む双方向通信を提供します。
SSI(同期シリアル インターフェイス) – シンプルで低速ですが、多くのアプリケーションに適しています。
A‑クアッド‑B– リファレンスマーク付きのインクリメンタル直交出力。解像度は補間係数と更新レートによって制限されます。
ナノメートルレベルのアプリケーションの場合、マイクロ秒の更新サイクルを持つシリアル プロトコルが必要です。コントローラは、エンコーダのリミット スイッチ信号 (移動端および基準/ホーム マーカー) も受信する必要があります。
環境保護
エンコーダは以下から保護する必要があります。
粉塵や微粒子– ポリマーフィルムまたは環境によって生成されます。読み取りヘッドとスケールは、PTFE または金属製のベローズまたはスライド シールで囲まれています。少なくとも IP64 (防塵) の IP 定格が推奨されます。
ヒュームとガスの発生– 加熱されたポリマーまたは溶剤から。パージポート (圧縮空気や窒素など) を備えた密閉されたエンクロージャにより、エンコーダの雰囲気は清浄に保たれます。
オイルとクーラント– 機械加工またはプレス環境で使用される場合、エンコーダは IP67 以上の定格で指定されます。
統合設計の手順
加熱プラテン用のリニア エンコーダを指定するには、次の技術上の決定が必要です。
ステップ 1: 必要な位置精度を決定する
このプロセスにより許容差が決まります。ナノインプリント リソグラフィーの場合、残留層の厚さの均一性は ±1 nm が一般的です。プラテンの傾きと平行度も制御する必要があり、さまざまなコーナーの位置を測定するには複数のエンコーダ (3 つ以上) が必要になることがよくあります。
ステップ 2: エンコーダのタイプを選択する
光学式エンコーダ– 最高の分解能 (午後 1 時まで) と精度を提供しますが、汚染に対してより敏感であり、クリーンな環境が必要です。回折格子付きガラススケールを使用しています。
磁気エンコーダ– 塵や油に対してより堅牢ですが、一般的な分解能はマイクロメートルからサブマイクロメートルの範囲です (例: 0.1 µm)。より粗い位置決めに適しています。
静電容量式エンコーダ– 適度な環境耐性を備えた良好な分解能 (ナノメートル範囲) を提供しますが、高温での統合にはあまり一般的ではありません。
最も要求の厳しい精度のアプリケーションには、Zerodur スケールと熱シールドされた読み取りヘッドを備えた高品位の光学式エンコーダが指定されています。
ステップ 3: 取り付けと熱絶縁の設計
スケールアタッチメント– スケールは、CTE が一致した接着剤 (低温硬化用に設計された 2 液性エポキシなど) を使用して可動プラテン構造に接着またはクランプされます。応力集中を防ぐために穴やスロットは避けられます。スケールは、曲げによる誤差を最小限に抑えるために、プラテンの中立軸のできるだけ近くに取り付けられています。
読み取りヘッドの取り付け– インバーまたはステンレス鋼製の剛性ブラケットが固定フレームにボルトで固定されています。ブラケットは熱的に安定し、振動が減衰するように設計されています。読み取りヘッドのセンシング ギャップ (通常 0.2 ～ 0.5 mm) が設定され、ロックされます。
遮熱層– 反射フォイル、エアギャップ、セラミックプレートで構成される多層シールドがプラテンと読み取りヘッドの間に配置されます。シールドはホットプラテンに直接接触せず、固定側に取り付けられています。
ステップ 4: 電気インターフェースとケーブル配線を指定する
ケーブルの種類– 連続曲げ用に設計された高屈曲シールド ケーブルが使用されています (読み取りヘッドが移動ケーブル キャリア上にある場合)。ケーブルはプラテン付近の周囲温度に耐える必要があります。 PTFE またはシリコンの外側ジャケットが推奨されます。
コネクタ– エンコーダ出力には、堅牢なロック コネクタ (M12 または D-sub など) が指定されています。アースループを防止するために、個別のアース線が付属しています。
ステップ 5: テストと校正
組み立て後、エンコーダ システムはレーザー干渉計を使用して校正されます。キャリブレーションにより、残っているスケールの取り付け誤差や温度オフセットが補正されます。キャリブレーション データは、モーション コントローラーまたはエンコーダー電子機器に保存されます。
プロセスノート: チルト制御に複数のエンコーダを使用する
1 つのリニア エンコーダで 1 つの軸に沿った変位を測定します。対向面（スタンプや基板など）に対して平行を維持する必要がある加熱プラテンの場合、プラテンの 3 つの隅に 3 つのエンコーダが配置されます。モーション コントローラーは 3 つの位置を読み取り、差動信号を使用して複数のアクチュエーター (たとえば、3 つの圧電スタック) を介して傾きを制御します。 3 点レベリング システムとして知られるこの構成は、ナノメートル範囲の並進位置精度と角度位置精度の両方を達成します。
仕様例
移動範囲が 50 mm、180 度で動作するナノインプリント リソグラフィ プラテンの場合、次のエンコーダ仕様を使用できます。
タイプ– Zerodur スケールを備えた光学式リニアエンコーダ
解決– 0.1 nm (補間後)
正確さ– 50 mm で ±0.2 µm (校正済み)
スケールCTE– 0.02 ppm/K
読み取りヘッドの動作温度– 0 ～ 70 度 (アクティブ冷却あり)
出力プロトコル– 10 MHz クロックの BiSS
保護– IP64（窒素パージあり）
ヒートシールド– 5 mm のエアギャップを備えた 2 層研磨アルミニウム
結論
統合された高解像度リニア エンコーダは、強力なプレス機をサブミクロンの精密機器に変換します。これは、プラテンに正確で揺るぎない位置感覚を与える重要なコンポーネントです。エンコーダの分解能、熱膨張管理、熱シールド、環境保護を慎重に指定することで、激しい熱負荷下でもナノメートルスケールの再現性で位置決めを行う加熱プラテンを構築できます。最も正確なツールは、ナノメートルの目で自身の動きを確認でき、適切に指定されたリニア エンコーダがその視覚を提供します。
