專利名稱：一種超薄3自由度微動(dòng)工作臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微動(dòng)工作臺(tái)，尤其涉及一種超薄3自由度微動(dòng)工作臺(tái)，主要應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻設(shè)備中，屬于超精密微動(dòng)工作臺(tái)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
具有高精度和快速響應(yīng)的微動(dòng)工作臺(tái)在現(xiàn)代制造技術(shù)中具有極其重要的地位，被視為一個(gè)國家高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。在超精密機(jī)床中，超精密微動(dòng)工作臺(tái)用于對進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)超精密加工；在大規(guī)模集成電路制造中，超精密微動(dòng)工作臺(tái)用于光刻設(shè)備中進(jìn)行微定位和微進(jìn)給；在掃描探針顯微鏡中，超精密微動(dòng)工作臺(tái)用于測量樣品表面形貌，進(jìn)行納米加工；在生物工程方面，超精密微動(dòng)工作臺(tái)用于完成對細(xì)胞的操作，實(shí)現(xiàn)生物操作工程化；在醫(yī)療科學(xué)方面，超精密微動(dòng)工作臺(tái)用于顯微外科手術(shù)，以便減輕醫(yī)生負(fù)擔(dān)，縮短手術(shù)時(shí)間，提高成功率。超精密微動(dòng)工作臺(tái)還被廣泛應(yīng)用于光纖對接，MEMS系統(tǒng)加工、封裝及裝配，以及電化學(xué)加工等領(lǐng)域中。
在半導(dǎo)體光刻設(shè)備中，光刻機(jī)硅片臺(tái)和掩模臺(tái)大多采用粗精疊層結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)超精密微動(dòng)工作臺(tái)。該微動(dòng)臺(tái)疊加于粗動(dòng)臺(tái)之上，用于對粗動(dòng)臺(tái)進(jìn)行精度補(bǔ)償。微動(dòng)工作臺(tái)定位精度決定了光刻機(jī)的曝光精度，定位速度影響光刻機(jī)的生產(chǎn)效率。因此，美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家均把超精密微動(dòng)工作臺(tái)技術(shù)視為光刻機(jī)核心技術(shù)之一，對我國相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行嚴(yán)格的進(jìn)口限制。
概括目前國內(nèi)外納米級微動(dòng)工作臺(tái)研究現(xiàn)狀，超精密微動(dòng)臺(tái)通常有三類，伺服電機(jī)通過絲杠傳動(dòng)/直線導(dǎo)軌支撐微動(dòng)工作臺(tái)，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)/柔性鉸鏈支撐導(dǎo)向微動(dòng)工作臺(tái)，以及音圈電機(jī)或變磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)/氣浮或磁浮支撐微動(dòng)工作臺(tái)。
前兩種微動(dòng)臺(tái)由于支撐系統(tǒng)的摩擦阻尼非線性等因素影響，均無法滿足光刻設(shè)備高速度、大負(fù)載、高動(dòng)態(tài)特性的要求。采用音圈電機(jī)/氣浮支撐的微動(dòng)臺(tái)可以滿足光刻設(shè)備的要求，但存在結(jié)構(gòu)整體性差，臺(tái)體較厚，質(zhì)心高等不足，其性能受到一定局限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超薄3自由度微動(dòng)工作臺(tái)，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子慣量小等特點(diǎn)，以滿足光刻設(shè)備高速度、大負(fù)載、高動(dòng)態(tài)特性要求。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種超薄3自由度微動(dòng)工作臺(tái)，該工作臺(tái)由微動(dòng)臺(tái)基座，微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子以及微動(dòng)臺(tái)定子組成，其特征在于所述微動(dòng)工作臺(tái)具有3組電磁力驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)單元分別嵌入在微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子和微動(dòng)臺(tái)定子中，所述的微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子包括動(dòng)子下滑蓋和動(dòng)子上滑蓋，動(dòng)子下滑蓋嵌有所述3組驅(qū)動(dòng)單元的下永磁體組件，每個(gè)下永磁體組件由兩片磁極方向相反布置的永磁體和設(shè)置在永磁體下面的鐵軛組成，動(dòng)子上滑蓋嵌有所述3組驅(qū)動(dòng)單元的上永磁體組件，每個(gè)上永磁體組件由兩片磁極方向相反布置的永磁體和設(shè)置在永磁體上面的鐵軛組成；所述的微動(dòng)臺(tái)定子包括線圈骨架和3組驅(qū)動(dòng)單元的線圈，所述3組驅(qū)動(dòng)單元的線圈嵌入單層的線圈骨架中；微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子可通過氣浮或磁浮軸承懸浮在微動(dòng)臺(tái)基座之上，與微動(dòng)臺(tái)定子保持間隙；微動(dòng)臺(tái)定子與微動(dòng)臺(tái)基座固定聯(lián)接。
本發(fā)明所述的3組驅(qū)動(dòng)單元，其中兩組驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)軸線平行但不重合，第三組驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)軸線與前兩組正交，分別用以驅(qū)動(dòng)微動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)X、Y、θZ3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明中，所述磁浮軸承可采用四對平面磁浮軸承，分別布置在微動(dòng)工作臺(tái)的四個(gè)角中。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述微動(dòng)臺(tái)基座相鄰的兩個(gè)側(cè)面可分別布置1個(gè)和2個(gè)位移檢測傳感器，用以實(shí)現(xiàn)微動(dòng)臺(tái)X、Y和θZ3個(gè)自由度的位移檢測。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述微動(dòng)臺(tái)基座邊緣加工有凸臺(tái)，用于支撐微動(dòng)臺(tái)定子。
本發(fā)明的又一技術(shù)特征是所述微動(dòng)工作臺(tái)中間留有方形孔結(jié)構(gòu)，以允許中間安裝掩模版。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果所述微動(dòng)工作臺(tái)3組驅(qū)動(dòng)單元的線圈嵌入單一的線圈骨架中，組成微動(dòng)臺(tái)定子，致使整個(gè)微動(dòng)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子慣量小，重心低，具備實(shí)現(xiàn)高速、高加速的可能；所述微動(dòng)臺(tái)采用電磁力直接驅(qū)動(dòng)，致使微動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)方向不存在機(jī)械摩擦，無阻尼，具有較高的位移分辨率；所述微動(dòng)臺(tái)基于洛倫茲原理工作，輸出推力與輸入電流之間成線性關(guān)系，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)成熟。


圖1為本發(fā)明提供的超薄3自由度微動(dòng)工作臺(tái)三維結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)分解圖。
圖3為微動(dòng)工作臺(tái)定子結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為微動(dòng)工作臺(tái)動(dòng)子下滑蓋結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為微動(dòng)工作臺(tái)動(dòng)子上滑蓋結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6a、6b和6c分別表示微動(dòng)工作臺(tái)3種受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
圖7為微動(dòng)工作臺(tái)位移檢測原理圖。
圖中1-微動(dòng)臺(tái)基座；2-微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子；2a-動(dòng)子下滑蓋；2b-動(dòng)子上滑蓋；3-微動(dòng)臺(tái)定子；11-第一驅(qū)動(dòng)單元；12-第二驅(qū)動(dòng)單元；13-第三驅(qū)動(dòng)單元；14-第四驅(qū)動(dòng)單元；21-第一磁浮軸承；22-第二磁浮軸承；23-第三磁浮軸承；24-第四磁浮軸承。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明所述微動(dòng)工作臺(tái)由微動(dòng)臺(tái)基座1、微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子2，以及微動(dòng)臺(tái)定子3三部分組成。微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子2包括兩部分，分別為動(dòng)子下滑蓋2a和動(dòng)子上滑蓋2b，二者固定聯(lián)接。微動(dòng)臺(tái)基座1四個(gè)角加工有凸臺(tái)，起支撐微動(dòng)臺(tái)定子3作用。微動(dòng)臺(tái)定子3介于動(dòng)子下滑蓋2a和動(dòng)子上滑蓋2b之間，并通過凸臺(tái)與微動(dòng)臺(tái)基座1固定聯(lián)接。
微動(dòng)工作臺(tái)具有3組電磁力驅(qū)動(dòng)單元，每組驅(qū)動(dòng)單元至少包含1個(gè)電磁力驅(qū)動(dòng)單元，每個(gè)電磁力驅(qū)動(dòng)單元由上永磁體組件、下永磁體組件和線圈組成。作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，微動(dòng)工作臺(tái)可具有四個(gè)電磁力驅(qū)動(dòng)單元(11、12、13、14)，如圖2、3所示，四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元組成3組，其中第一驅(qū)動(dòng)單元11和第三驅(qū)動(dòng)單元13分別作為一組，第二驅(qū)動(dòng)單元12與第四驅(qū)動(dòng)單元14串聯(lián)，組成第三組，前兩組驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)軸線平行但不重合，都沿X方向，第三組驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)軸線與前兩組正交，沿Y方向。
如圖3所示，四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元(11、12、13、14)的線圈嵌入單層的線圈骨架中，組成微動(dòng)臺(tái)定子3。如圖4所示，動(dòng)子下滑蓋2a安裝有四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元(11、12、13、14)的下永磁體組件，所述下永磁體組件位于線圈有效驅(qū)動(dòng)方向的側(cè)邊，每個(gè)下永磁體組件由兩片磁極方向相反布置的永磁體和設(shè)置在永磁體下面的鐵軛組成，動(dòng)子上滑蓋2b包含安裝有四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元(11、12、13、14)的上永磁體組件，每個(gè)上永磁體組件由兩片磁極方向相反布置的永磁體和設(shè)置在永磁體上面的鐵軛組成；全部永磁體組件分別嵌入動(dòng)子下滑蓋2a和動(dòng)子上滑蓋2b兩層中，從而在微動(dòng)臺(tái)定子3的線圈上下形成封閉磁路。
如圖3所示，本發(fā)明所述微動(dòng)臺(tái)定子3包含四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的線圈和四對平面磁浮軸承，所述驅(qū)動(dòng)單元的線圈位于動(dòng)子上下滑蓋永磁體組件產(chǎn)生的封閉磁場中，通以電流從而產(chǎn)生洛倫茲驅(qū)動(dòng)力，所述平面磁浮軸承位于微動(dòng)臺(tái)定子3的四個(gè)角上，與微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子2平面磁浮軸承一起，通過磁斥力將微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子2懸浮起來。
如圖4和圖5所述，本發(fā)明所述微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子2包含動(dòng)子下滑蓋2a和動(dòng)子上滑蓋2b，動(dòng)子下滑蓋2a包含四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的下永磁體組件和四對平面磁浮軸承，動(dòng)子上滑蓋2b在相應(yīng)位置包含四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的上永磁體組件和四對磁浮平面軸承，所述驅(qū)動(dòng)單元的永磁體組件在微動(dòng)臺(tái)定子3驅(qū)動(dòng)單元的線圈上下形成封閉磁場。
如圖6所示，本發(fā)明所述微動(dòng)臺(tái)基于洛倫茲原理驅(qū)動(dòng)。第一驅(qū)動(dòng)單元11和第三驅(qū)動(dòng)單元13的線圈獨(dú)立工作，當(dāng)兩驅(qū)動(dòng)單元的線圈通以相同方向電流時(shí)，兩驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生同向推力，驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子2沿X方向平動(dòng)(如圖6a所示)。當(dāng)?shù)谝或?qū)動(dòng)單元11和第三驅(qū)動(dòng)單元13的線圈通以相反方向電流時(shí)，兩驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生反向推力，驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子2繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)(如圖6c所示)。第二驅(qū)動(dòng)單元12和第四驅(qū)動(dòng)單元14的線圈串聯(lián)，兩驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生同向推力，驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子2沿Y方向平動(dòng)(如圖6b所示)。
如圖7所示，本發(fā)明所述微動(dòng)臺(tái)包含3個(gè)位移檢測傳感器，第1個(gè)和第2個(gè)位移檢測傳感器并排布置在X方向，二者之間距離為d，第3個(gè)位移檢測傳感器布置在Y方向。X方向位移和繞Z轉(zhuǎn)動(dòng)角度可由第1個(gè)位移檢測傳感器和第2個(gè)位移檢測傳感器測得，分別為X方向位移x=x1+x22,]]>繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度θz=arctanx1-x2d.]]>Y方向位移由第3傳感器測得，y＝y(tǒng)1。
作為本發(fā)明的主要應(yīng)用，該微動(dòng)工作臺(tái)可安裝在半導(dǎo)體光刻設(shè)備的掩模臺(tái)中，因此微動(dòng)工作臺(tái)中間留有方形孔結(jié)構(gòu)，以提供掩模版的安裝空間。
權(quán)利要求
1.一種超薄3自由度微動(dòng)工作臺(tái)，該工作臺(tái)由微動(dòng)臺(tái)基座(1)，微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子(2)以及微動(dòng)臺(tái)定子(3)組成，其特征在于所述微動(dòng)工作臺(tái)具有3組電磁力驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)單元分別嵌入在微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子和微動(dòng)臺(tái)定子中，所述的微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子包括動(dòng)子下滑蓋(2a)和動(dòng)子上滑蓋(2b)，動(dòng)子下滑蓋嵌有所述3組驅(qū)動(dòng)單元的下永磁體組件，每個(gè)下永磁體組件由兩片磁極方向相反布置的永磁體和設(shè)置在永磁體下面的鐵軛組成，動(dòng)子上滑蓋嵌有所述3組驅(qū)動(dòng)單元的上永磁體組件，每個(gè)上永磁體組件由兩片磁極方向相反布置的永磁體和設(shè)置在永磁體上面的鐵軛組成；所述的微動(dòng)臺(tái)定子包括線圈骨架和3組驅(qū)動(dòng)單元的線圈，所述3組驅(qū)動(dòng)單元的線圈嵌入單層的線圈骨架中；微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子通過氣浮或磁浮軸承懸浮在微動(dòng)臺(tái)基座之上，與微動(dòng)臺(tái)定子保持間隙；微動(dòng)臺(tái)定子與微動(dòng)臺(tái)基座固定聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3自由度微動(dòng)工作臺(tái)，其特征在于所述3組電磁力驅(qū)動(dòng)單元，其中兩組驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)軸線平行但不重合，第三組驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)軸線與前兩組正交，分別用以驅(qū)動(dòng)微動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)X、Y、θZ3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的3自由度微動(dòng)工作臺(tái)，其特征在于所述磁浮軸承可采用四對平面磁浮軸承，分別布置在于在微動(dòng)工作臺(tái)的四個(gè)角中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3自由度微動(dòng)工作臺(tái)，其特征在于所述微動(dòng)臺(tái)基座相鄰的兩個(gè)側(cè)面可分別布置1個(gè)和2個(gè)位移檢測傳感器，用以實(shí)現(xiàn)微動(dòng)臺(tái)X、Y和θZ3個(gè)自由度的位移檢測。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3自由度微動(dòng)工作臺(tái)，其特征在于所述微動(dòng)臺(tái)基座邊緣加工有凸臺(tái)，用于支撐微動(dòng)臺(tái)定子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3自由度微動(dòng)工作臺(tái)，其特征在于所述微動(dòng)工作臺(tái)中間留有方形孔結(jié)構(gòu)，以允許中間安裝掩模版。
全文摘要
一種超薄3自由度微動(dòng)工作臺(tái)，屬于超精密微動(dòng)工作臺(tái)領(lǐng)域。本發(fā)明由微動(dòng)臺(tái)基座，微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子以及微動(dòng)臺(tái)定子組成，含有3組電磁力驅(qū)動(dòng)單元。3組驅(qū)動(dòng)單元的線圈嵌入單一的線圈骨架中，組成微動(dòng)臺(tái)定子；微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子包含兩部分，分別為動(dòng)子下滑蓋和動(dòng)子上滑蓋，兩者固定聯(lián)接，并通過氣浮或磁浮軸承懸浮在微動(dòng)臺(tái)基座之上。本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，微動(dòng)臺(tái)動(dòng)子慣量小，重心低，具備實(shí)現(xiàn)高速、高加速的可能。該微動(dòng)工作臺(tái)采用電磁力直接驅(qū)動(dòng)，致使微動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)方向不存在機(jī)械摩擦，無阻尼，具有較高的位移分辨率。本發(fā)明基于洛倫茲原理工作，輸出推力與輸入電流之間成線性關(guān)系，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)成熟。
文檔編號B25H1/00GK101075098SQ20071011159
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月27日
發(fā)明者朱煜, 張鳴, 李廣, 尹文生, 徐登峰 申請人:清華大學(xué)