專利名稱：二自由度柔性微定位工作臺的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種微操作系統(tǒng)，具體涉及一種可應用于壓印光刻系統(tǒng)的具有兩個平
動自由度的柔性并聯(lián)微定位工作臺。
背景技術(shù)：
納米器件包括納米電子器件和納米光電器件，可廣泛應用于電子學、光學、微機械 裝置、新型計算機等，是當今新材料與新器件研究領域中最富有活力的研究領域，也是元器 件小型化、智能化、高集成化等的主流發(fā)展方向。納米器件由于具有潛在的巨大市場和國防 價值，使得其設計和制造的方法、途徑、工藝等成為眾多科學家、政府和大型企業(yè)研究和投 資的熱點。目前，納米器件的設計與制造正處于一個飛速發(fā)展時期，方法多種多樣，圖形化 技術(shù)就是其中之一。 納米壓印光刻技術(shù)是人們在探索更方便、價廉的設計和制備納米器件的過程中開 發(fā)出來的圖形化技術(shù)，用于納米圖形復制并可用來制作三維納米結(jié)構(gòu)。與其它光刻技術(shù)相 比，納米壓印技術(shù)具有分辨率高、制作成本低、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點，已成為下一代32納米工 藝的關鍵技術(shù)。具有極大潛在的競爭力和廣闊的應用前景。在國內(nèi)外納米壓印技術(shù)發(fā)展過 程中，已逐漸形成了三大主流技術(shù)軟壓印技術(shù)、熱壓印技術(shù)、紫外壓印技術(shù)。熱壓印技術(shù)可 以彌補軟壓印工藝中彈性模板材料容易變形的不足，且加工效率比較高，但熱壓印過程中， 光刻膠經(jīng)過高溫、高壓、冷卻的變化過程，脫模后產(chǎn)生的壓印圖形常會出現(xiàn)變形現(xiàn)象，不易 進行多次或三維結(jié)構(gòu)的壓印。與前兩者相比，紫外壓印技術(shù)對環(huán)境要求較低，僅在室溫和低 壓力下就可以進行，提高了壓印精度。同時由于模板材料采用透明石英玻璃，易于實現(xiàn)模板 與基片之間的對準，這使得紫外壓印技術(shù)更適合于多次壓印。除此以外，模板使用周期長以 及適于批量生產(chǎn)也是紫外壓印技術(shù)的主要優(yōu)點。這些特點都使得紫外壓印技術(shù)在ic制造 領域具有不可替代的優(yōu)越性。 壓印過程看似簡單，但要得到較高的壓印精度，則需要從多個方面綜合考慮。壓印 過程中要做到盡可能保證模板與基片的平行，使得模板與基片能夠均勻的接觸。若模板和 基片不平行，將得到鍥形的留模，甚至模板的一端直接接觸基片。如果鍥形留模的厚度超過 壓印特征的高度，那么在后續(xù)的干法等厚刻蝕時就會將特征刻蝕掉。同時模板與基片的不 平行也將會導致下壓時模板與基片的相對滑移，發(fā)生側(cè)向擴張，影響壓印精度。另外，在起 模時也會對壓印特征造成破壞。因此壓印過程中必須保證模板與基片的平行度，即模板與 基片的均勻接觸。壓印光刻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般包括以下主要部件①下壓機構(gòu)；②承載臺；③精 密定位工作臺；④用于固化光刻膠的紫外光光源等，其中精密定位工作臺是壓印光刻系統(tǒng) 的關鍵部分，由它保證模板與基片平行且能夠均勻接觸，使相對滑動盡可能的小，這樣才能 保證兩者之間的定位精度，保證壓印精度和壓印質(zhì)量。 現(xiàn)有的納米壓印設備中末端執(zhí)行件(模板和基片承載臺)平行度的調(diào)整大 多采用被動方式，即通過基片(或模板)承載臺柔性環(huán)節(jié)變形來保證兩者之間的平行 度。例如B. J.Choi等，步進閃光壓印光刻定位平臺的設計，Precision Engineering,
32001年25巻3期，192-199 (B. J. Choi， S. V. Sreenivasan， S. Johnson, M. Colburn， C.G. Wilson, Design of orientationstage for step and flash imprint lithogr即hy， Precision Engineering, 2001， 25 (3) : 192-199.) 、 Jae-Jong Lee等，用于制備lOOnm線 寬特征的納米壓印光刻設備的設計與分析，CurrentA卯lied Physics， 2006年第6期， 1007-1011(Jae-Jong Lee， Kee-Bong Choi， Gee-Hong Kim， Design and analysis of the single—st印 nanoimprinting lithography equipment for sub_100nmlinewidth， Current Applied Physics 2006，6 :1007-1011.) 、 Jae-Jong Lee等，用于制備50nm 半傾斜特征的紫外壓印光刻多頭納米壓印單元，SICEICASE International Joint Conference，2006年，4902-4904 (Jae_Jong Lee， Kee-Bong Choi， Gee_Hong Kim et al， The UV_NanoimprintLithography with Multi_head nanoimprinting Unit for Sub—50咖 Half-pitch Patterns,SICEI-CASE International Joint Conference 2006，4902—4904.) 中就報道了此種類型的設備及相關技術(shù)；也有些研究者采用被動適應、主動找平及手工調(diào) 整相結(jié)合的方式，如范細秋等，寬范圍高對準精度納米壓印樣機的研制，中國機械工程， 2005年，16巻增刊，64-67、嚴樂等，冷壓印光刻工藝精密定位工作臺的研制，中國機械工 程，2004年，15巻1期，75-78.中報道的此類精密定位工作臺設計；而另一些研究者則另 辟新徑，比如，董曉文等，氣囊氣缸式紫外納米壓印系統(tǒng)的設計，半導體光電，2007年，28巻 5期，676-684.中介紹的技術(shù)。這些已有的技術(shù)中，自適應調(diào)整精密定位系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡 單、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉，但它的定位精度，尤其平行度的調(diào)整精度較低，從而限制了加工精 度和質(zhì)量的提高。雖然通過主動找平和手工調(diào)整機構(gòu)，在一定程度上可以提高壓印模板和 基片的平行度，但不能補償壓印過程中由于壓印力不均勻而導致的模板和基片的平行度誤 差。氣囊氣缸式壓印系統(tǒng)克服了壓印過程中硅膠易伸張變形，壓印力分布不均勻，模板易破 裂等不足但其真空室的設計使用費用昂貴且壓印時間過長?；谏鲜鼍芏ㄎ幌到y(tǒng)的不 足，具有新型機構(gòu)形式和控制方法的主動調(diào)整型精密定位系統(tǒng)的研制，對促進IC加工技術(shù) 的發(fā)展具有重要的理論意義和工程實用價值。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種末端執(zhí)行件具有在水平面內(nèi)兩 個平動自由度主動調(diào)整能力，可以完成壓印光刻過程中的微量進給和精密定位的二自由度 柔性微定位工作臺。 本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問題的技術(shù)方案是 本發(fā)明的二自由度柔性微定位工作臺，它包括基座和設置在所述的基座內(nèi)的正方 體動平臺，在動平臺第一組垂直相鄰的兩個側(cè)壁上各自連接有一個柔性支鏈并且在其第二 組垂直相鄰的兩個側(cè)壁上分別連接有第一、二支架，在基座的兩個側(cè)壁端面上分別連接有 第三、四支架，所述的基座的兩個側(cè)壁與所述的動平臺第二組垂直相鄰的兩個側(cè)壁分別平 行，所述的第一支架的一端與第三支架的一端彼此相對設置，所述的第二支架的一端與第 四支架的一端彼此相對設置，在所述的第一支架與第三支架彼此相對的面上各自安裝有第 一電容式位移傳感器的一個導電片，在所述的第二支架與第四支架彼此相對的面上各自安 裝有第二電容式位移傳感器的一個導電片，每一所述的柔性支鏈包括第一、二、三并聯(lián)柔性 單元、剛性移動塊和n形驅(qū)動環(huán)節(jié)，所述的第一、二、三并聯(lián)柔性單元為由第一、二兩個串
4聯(lián)柔性單元并聯(lián)后組成的柔性平行四邊形結(jié)構(gòu)，所述的剛性移動塊的左右兩端分別與第
一、二并聯(lián)柔性單元的一端彼此垂直相連，所述的第一、二并聯(lián)柔性單元的另一端分別與基
座的內(nèi)壁彼此垂直相連，所述的第三并聯(lián)柔性單元的一端與所述的動平臺第一組垂直相鄰
的兩個側(cè)壁中的一個側(cè)壁彼此垂直相連并且其另一端與所述的剛性移動塊的上端側(cè)壁彼
此垂直相連，所述的JX形驅(qū)動環(huán)節(jié)的兩個末端分別與第三、四串聯(lián)柔性單元的一端側(cè)壁垂
直相連，所述的第三、四串聯(lián)柔性單元的另一端側(cè)壁分別與第一、二并聯(lián)柔性單元中與其相
鄰設置的第一串聯(lián)柔性單元的中部垂直相連，所述的第一至第四串聯(lián)柔性單元結(jié)構(gòu)一致并
且均為在其兩個相對端的每端分別對稱的設置有兩個半圓形凹槽的矩形塊結(jié)構(gòu)，兩個壓電
陶瓷驅(qū)動器尾部均由螺栓固聯(lián)于基座上并且其前端通過螺紋連接有球形接頭，所述的球形
接頭頂在所述的JX形驅(qū)動環(huán)節(jié)中部側(cè)壁上。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點 本發(fā)明設計的微定位工作臺，其柔性機構(gòu)可利用線切割一體化加工技術(shù)整體加工
而成，免于裝配、無間隙、無摩擦、不需潤滑，利于實現(xiàn)微納米級高精度定位。 本發(fā)明設計的微定位工作臺，采用柔性并聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有高剛度、高精度、低慣量、結(jié)
構(gòu)緊湊、無誤差積累等優(yōu)點。 本發(fā)明設計的微定位工作臺，采用單自由度柔性鉸鏈作為傳動機構(gòu)，具有無機械
摩擦、無間隙的優(yōu)點。另外，本發(fā)明基于材料的彈性變形，柔性鉸鏈所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角以及執(zhí)行
器末端工作空間均很微小，可以有效消除并聯(lián)機構(gòu)固有的非線性等缺點。 本發(fā)明設計的微定位工作臺采用壓電陶瓷驅(qū)動器推動驅(qū)動環(huán)節(jié)實現(xiàn)壓印光刻過
程中模板和基片間水平面內(nèi)相對位置的主動調(diào)整?？勺鳛榧{米壓印光刻定位系統(tǒng)的輔助定
位平臺，實現(xiàn)微量進給和精密定位。
圖1是本發(fā)明的二自由度柔性微定位工作臺柔性機構(gòu)示意圖
圖2是本發(fā)明的二自由度柔性微定位工作臺整體結(jié)構(gòu)示意圖 其中1、單自由度半圓凹槽柔性鉸鏈2、基座3、J"l形驅(qū)動環(huán)節(jié)4、串聯(lián)柔性單元 5、剛性移動塊6、動平臺7、并聯(lián)柔性單元8、球形接頭9、壓電陶瓷驅(qū)動器10、L型支架 11、位移傳感器12、Z型支架
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提供的具體實施方式
、結(jié)構(gòu)、特征及其 功效，詳細說明如下。 參見圖1-2所示的本發(fā)明的二自由度柔性微定位工作臺，它包括基座2和設置在 所述的基座內(nèi)的正方體動平臺6，在所述的動平臺6的第一組相鄰的兩個垂直側(cè)壁上分別 連接有一個柔性支鏈并且在其第二組垂直相鄰的兩個側(cè)壁上各自分別連接有第一、二支架 12，在基座的兩個側(cè)壁端面上分別連接有第三、四支架IO，所述的基座的兩個側(cè)壁與所述的 動平臺6第二組垂直相鄰的兩個側(cè)壁分別平行，所述的第一支架12的一端與第三支架10 的一端彼此相對設置，所述的第二支架12的一端與第四支架10的一端彼此相對設置，在所 述的第一支架12與第三支架IO彼此相對的端面上各自分別安裝有第一電容式位移傳感器11的一個導電片，在所述的第二支架12與第四支架IO彼此相對的面上各自分別安裝有第 二電容式位移傳感器11的一個導電片。位移傳感器11用于檢測動平臺6的兩個運動輸 出。每一所述的柔性支鏈包括第一、二、三并聯(lián)柔性單元7、剛性移動塊5和JX形驅(qū)動環(huán)節(jié) 3，所述的第一、二、三并聯(lián)柔性單元為由第一、二兩個串聯(lián)柔性單元4并聯(lián)后組成的柔性平 行四邊形結(jié)構(gòu)，所述的剛性移動塊5的左右兩端分別與第一、二并聯(lián)柔性單元7的一端彼此 垂直相連，所述的第一、二并聯(lián)柔性單元的另一端分別與基座的內(nèi)壁彼此垂直相連。所述的 第三并聯(lián)柔性單元的一端與所述的動平臺6第一組垂直相鄰的兩個側(cè)壁中的一個側(cè)壁彼 此垂直相連并且其另一端與所述的剛性移動塊5的上端側(cè)壁彼此垂直相連。剛性移動塊5 通過所述的第一、第二和第三并聯(lián)柔性單元7支撐，其中第一、二兩個并聯(lián)柔性單元7分布 于剛性移動塊5的左右兩側(cè)并且其末端與基座1相連，而第一、二兩個并聯(lián)柔性單元7中部 與第三、四串聯(lián)柔行單元4垂直相連，起到驅(qū)動及支撐剛性移動塊5的作用；第三并聯(lián)柔性 單元7連接于動平臺6和剛性移動塊5之間，實現(xiàn)運動的傳遞。所述JX形驅(qū)動環(huán)節(jié)3的兩 個末端分別與第三、四串聯(lián)柔性單元4的一端側(cè)壁相連，所述的第三、四串聯(lián)柔性單元4的 另一端側(cè)壁分別與第一、二并聯(lián)柔性單元中與其相鄰設置的第一串聯(lián)柔性單元的中部垂直 相連，所述的第一至第四串聯(lián)柔性單元結(jié)構(gòu)一致，均為在其兩個相對端的每端分別對稱的 設置有兩個半圓形凹槽的矩形塊結(jié)構(gòu)。其中每端的兩個半圓形凹槽的兩個半圓弧面之間形 成的區(qū)域構(gòu)成單自由度半圓凹槽柔性鉸鏈1，對于一個矩形塊結(jié)構(gòu)具有兩個單自由度半圓 凹槽柔性鉸鏈1。為了避免兩個壓電陶瓷驅(qū)動器9與柔性機構(gòu)J"L.形驅(qū)動環(huán)節(jié)3在工作過 程中脫離，壓電陶瓷驅(qū)動器9尾部通過連接在孔21內(nèi)的螺栓與基座2相連，以過盈裝配方 式安裝在柔性機構(gòu)JX形驅(qū)動環(huán)節(jié)3和基座2之間，實現(xiàn)預緊；壓電陶瓷驅(qū)動器9頂端通過 螺紋安裝球形接頭8，所述的球形接頭8頂在與所述的JT形驅(qū)動環(huán)節(jié)3中部側(cè)面上，使驅(qū)動 器與驅(qū)動點之間形成小面積的赫茲接觸。 所述的第一支架為與動平臺6相連的Z型支架12、所述的第二支架為與基座2剛 性連接的L型支架IO，所述的Z型支架12和L型支架10的一端彼此相對設置。如圖1， L 型支架10通過兩組孔22分別與基座2的兩端螺紋連接，Z型支架12通過兩組孔61分別 螺紋連接于動平臺6的兩個相互垂直的側(cè)面上，這兩個側(cè)面分別與連接柔性支鏈的動平臺 6的另兩個面相對。 為了提高本工作臺的控制精度，本工作臺還可以包括一個計算機，所述的計算機 用于輸出電壓信號給兩個壓電陶瓷驅(qū)動器9，讀取所述的第一、二位移傳感器11輸出的位
移信號并與計算機中的設定值比較后輸出位移補償電壓控制信號給所述的第一、二壓電陶 瓷驅(qū)動器9。 位移傳感器11可以選用2個PI公司研制的D-050型號超高分辨率電容式位移傳 感器，用來檢測動平臺6的實際輸出。 此柔性微定位工作臺中除了兩對L形支架10和Z形支架12以及壓電陶瓷驅(qū)動器 9和球形接頭8之外的其他結(jié)構(gòu)可以由整塊材料利用線切割(WEDM)整體加工技術(shù)一體化加 工而成。
本裝置的工作過程如下 請參見圖1 2，計算機控制兩通道的放大器提供壓電陶瓷驅(qū)動器9伸縮所需的電 流。壓電陶瓷驅(qū)動器發(fā)生伸長(或縮短)推動JX形驅(qū)動環(huán)節(jié)3，進而使得柔性支鏈上的各
6個單自由度柔性鉸鏈1產(chǎn)生相應的彎曲彈性變形，從而使得動平臺6根據(jù)所提供的控制信 號發(fā)生運動。 此二自由度精密定位工作臺具有兩個平動自由度(即水平面內(nèi)沿x方向，y方向的 移動)，這里假設在工作臺水平面內(nèi)沿動平臺6左右邊緣中線為x軸，而上下邊緣中線為y
軸，那么微定位工作臺的兩個平動自由度的實現(xiàn)方式分別為(l)沿X方向的平動計算機
控制二通道的放大器提供正(反)向驅(qū)動電流給位于動平臺6右側(cè)柔性驅(qū)動支鏈中的壓電 陶瓷驅(qū)動器9，(為了方便，這里稱為右壓電陶瓷驅(qū)動器)，位于動平臺下側(cè)的壓電陶瓷驅(qū)動 器9(為了方便，這里稱為下壓電陶瓷驅(qū)動器)不驅(qū)動，那么所述的右壓電陶瓷驅(qū)動器9發(fā) 生伸長(或縮短)，推動其前端的驅(qū)動環(huán)節(jié)3發(fā)生沿x方向的移動，經(jīng)后續(xù)的由多個單自由 度柔性鉸鏈1構(gòu)成的柔性支鏈的傳遞，將此平動動作傳遞給動平臺6，使其發(fā)生沿x軸方向 的平動。(2)沿y方向的平動計算機控制二通道的放大器提供正(反)向驅(qū)動電流給下 壓電陶瓷驅(qū)動器9，而右壓電陶瓷驅(qū)動器9不驅(qū)動，那么所述的下壓電陶瓷驅(qū)動器9發(fā)生伸 長(或縮短)，推動其前端的驅(qū)動環(huán)節(jié)3發(fā)生沿y方向的移動，經(jīng)后續(xù)的由多個單自由度柔 性鉸鏈1構(gòu)成的柔性支鏈的傳遞，將此平動動作傳遞給動平臺6，使其發(fā)生沿y軸方向的平 動。 為了克服壓電陶瓷驅(qū)動器9的遲滯現(xiàn)象的影響，二個高精度的電容式位移傳感器 11在動平臺6運動過程中，實時的檢測動平臺6的實際輸出，并形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用 建立的模型在線計算動平臺6的定位誤差，并把補差電壓實時施加到壓電陶瓷驅(qū)動器9上。 一個快速16位的多通道D/A和A/D轉(zhuǎn)換器分別用來實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換。
所發(fā)明的二自由度微定位工作臺可作為納米壓印光刻定位系統(tǒng)的輔助定位平臺， 實現(xiàn)快速微量進給和精密定位。
權(quán)利要求
二自由度柔性微定位工作臺，它包括基座和設置在所述的基座內(nèi)的正方體動平臺，在動平臺第一組垂直相鄰的兩個側(cè)壁上各自連接有一個柔性支鏈并且在其第二組垂直相鄰的兩個側(cè)壁上分別連接有第一、二支架，在基座的兩個側(cè)壁端面上分別連接有第三、四支架，所述的基座的兩個側(cè)壁與所述的動平臺第二組垂直相鄰的兩個側(cè)壁分別平行，所述的第一支架的一端與第三支架的一端彼此相對設置，所述的第二支架的一端與第四支架的一端彼此相對設置，在第一支架與第三支架彼此相對的面上各自安裝有第一電容式位移傳感器的一個導電片，在第二支架與第四支架彼此相對的面上各自安裝有第二電容式位移傳感器的一個導電片，每一所述的柔性支鏈包括第一、二、三并聯(lián)柔性單元、剛性移動塊和形驅(qū)動環(huán)節(jié)，所述的第一、二、三并聯(lián)柔性單元為由第一、二兩個串聯(lián)柔性單元并聯(lián)后組成的柔性平行四邊形結(jié)構(gòu)，所述的剛性移動塊的左右兩端分別與第一、二并聯(lián)柔性單元的一端彼此垂直相連，所述的第一、二并聯(lián)柔性單元的另一端分別與基座的內(nèi)壁彼此垂直相連，所述的第三并聯(lián)柔性單元的一端與所述的動平臺第一組垂直相鄰的兩個側(cè)壁中的一個側(cè)壁彼此垂直相連并且其另一端與所述的剛性移動塊的上端側(cè)壁彼此垂直相連，所述的形驅(qū)動環(huán)節(jié)的兩個末端分別與第三、四串聯(lián)柔性單元的一端側(cè)壁垂直相連，所述的第三、四串聯(lián)柔性單元的另一端側(cè)壁分別與第一、二并聯(lián)柔性單元中與其相鄰設置的第一串聯(lián)柔性單元的中部垂直相連，所述的第一至第四串聯(lián)柔性單元結(jié)構(gòu)一致并且均為在其兩個相對端的每端分別對稱的設置有兩個半圓形凹槽的矩形塊結(jié)構(gòu)，兩個壓電陶瓷驅(qū)動器尾部均由螺栓固聯(lián)于基座上并且其前端通過螺紋連接有球形接頭，所述的球形接頭頂在所述的形驅(qū)動環(huán)節(jié)中部側(cè)壁上。F2009102450401C00011.tif,F2009102450401C00012.tif,F2009102450401C00013.tif
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的二自由度柔性微定位工作臺，其特征在于所述的第一，二支架為與動平臺相連的Z型支架、所述的第三，四支架為與基座剛性連接的L型支架，所述的 Z型支架和L型支架的一端彼此相對設置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二自由度柔性微定位工作臺，其特征在于它還包括一個計 算機，所述的計算機用于輸出電壓信號給兩個壓電陶瓷驅(qū)動器，讀取所述的第一、二電容式 位移傳感器輸出的位移信號并與計算機中的設定值比較后輸出位移補償電壓控制信號給 所述的第一、二壓電陶瓷驅(qū)動器。
全文摘要
本發(fā)明公開了二自由度柔性微定位工作臺，包括二自由度柔性微定位工作臺柔性機構(gòu)及整體結(jié)構(gòu)的設計，結(jié)構(gòu)中采用兩個壓電陶瓷驅(qū)動器，每個驅(qū)動器尾部通過螺栓與基座相連，頂端通過螺紋連接球形接頭，實現(xiàn)赫茲接觸。定位工作臺的柔性機構(gòu)主要包括基座、兩個結(jié)構(gòu)完全一致的柔性支鏈及其支撐的動平臺三部分。兩個位移傳感器用來測量動平臺的實際輸出，分別通過L型支架和Z型支架固定于基座和動平臺之間。此柔性微定位工作臺具有分辨率高、動態(tài)響應速度快的特點，可作為納米壓印光刻定位系統(tǒng)的輔助定位平臺，實現(xiàn)微量進給和精密定位。
文檔編號G03F7/00GK101738855SQ200910245040
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者張大衛(wèi), 田延嶺, 賈曉輝 申請人:天津大學