專利名稱：一種用于納米壓印光刻系統(tǒng)的兩平動精密定位工作臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微操作系統(tǒng)，尤其涉及一種可應(yīng)用于壓印光刻系統(tǒng)的兩自由度柔
性并聯(lián)精密定位工作臺。
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(yīng)用于電子學(xué)、光學(xué)、微機械 裝置、新型計算機等，是當今新材料與新器件研究領(lǐng)域中最富有活力的研究領(lǐng)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(shè)計和制造的方法、途徑、工藝等成為眾多科學(xué)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(shè)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(shè)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(fù)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(guān)鍵技術(shù)。具有極大潛在的競爭力和廣闊的應(yīng)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(lǐng)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(dǎo)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(guān)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(shè)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(shè)計，PrecisionEngineering, 2001年25巻3
3期，192-199 (B. J. Choi， S. V. Sreenivasan， S. Johnson, M. Colburn， C. G. Wilson, Design of orientation stage for step and flash imprint lithogr即hy，PrecisionEngineering， 2001,25(3) :192-199.)、 Jae-JongLee等，用于制備lOOnm線寬特征的納米壓印光刻設(shè) 備的設(shè)計與分析，CurrentA卯lied Physics, 2006年第6期，1007-1011 (Jae-JongLee， Kee_Bong Choi，Gee_Hong Kim，Design and analysis of the single—st印nanoimprinting lithography equipment for sub_100 nm linewidth. Current AppliedPhysics2006， 6 :1007-011. )、 Jae-JongLee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，SICEICASEInternationalJointConference，2006年，4902-4904 (Jae-Jong Lee， Kee_Bong Choi，Gee_Hong Kim et al，The UV_Nanoimprint Lithographywith Multi_head nanoimprinting Unit for Sub_50nm Half-pitch Patterns. SICEICASEInternationalJo intConference2006，4902-4904.)中就報道了此種類型的設(shè)備及相關(guān)技術(shù)；也有些研究者 采用被動適應(yīng)、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(shè)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(shè) 計，半導(dǎo)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(yīng)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(dǎo) 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(shè)計使用費用昂貴且壓印時間過長。 基于上述精密定位系統(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)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足，提供一種可以實現(xiàn)主動調(diào)整末端執(zhí)行件 在水平面內(nèi)的兩個平動自由度的一種用于納米壓印光刻系統(tǒng)的兩平動精密定位工作臺，用 于實現(xiàn)壓印光刻過程中的微量進給和精密定位。
本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問題的方案是 —種用于納米壓印光刻系統(tǒng)的兩平動精密定位工作臺，它包括基座、設(shè)置在所述 的基座中間的動平臺、連接在所述的基座底部的一個剛性支架以及連接在所述的動平臺和 基座之間的四個柔性支鏈，以所述的動平臺的兩個對稱軸為中心線，所述的四個柔性支鏈 分別上下和左右對稱的設(shè)置在所述的動平臺四周，每一所述的柔性支鏈包括一個移動塊和 對稱的連接在所述的移動塊左右兩側(cè)的兩個柔性板簧結(jié)構(gòu)，每一所述的板簧結(jié)構(gòu)由四個一 字形柔性板簧構(gòu)成，所述的四個一字形柔性板簧兩兩并聯(lián)設(shè)置形成兩個U形柔性結(jié)構(gòu)，所 述的兩個U形柔性結(jié)構(gòu)的U形底部通過剛性連接板相連而每個U形的兩個頂部則分別與所 述的移動塊和基座相連，在所述的移動塊的前壁和與所述的移動塊的前壁相對的動平臺側(cè) 壁之間連接有兩個相互平行以并聯(lián)形式設(shè)置的一字形柔性板簧，四個壓電陶瓷驅(qū)動器分別 水平放置，每個驅(qū)動器尾部均由螺栓固聯(lián)于基座上并且前端通過螺紋連接有球形接頭，所述的球形接頭頂在移動塊上，二個位置傳感器的導(dǎo)電片分別連接在剛性支架的上平面和動 平臺的下平面上，連接于剛性支架的上平面的兩個導(dǎo)電片中的一個導(dǎo)電片的對稱軸與剛性 支架上平面的上下邊緣中線重合，另一個導(dǎo)電片的對稱軸與剛性支架上平面的左右邊緣中 線重合；連接于動平臺下平面的兩個導(dǎo)電片與剛性支架上的兩個導(dǎo)電片的位置相對平行設(shè)置。 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(shè)計的精密定位工作臺，其柔性機構(gòu)和剛性支架均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(shè)計的精密定位工作臺，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(shè)計的精密定位工作臺，采用柔性板簧作為傳動機構(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，柔性板簧所產(chǎn)生的變形以及執(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(shè)計的精密定位工作臺采用四個壓電陶瓷驅(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)明的一種用于納米壓印光刻系統(tǒng)的兩平動精密定位工作臺柔性機構(gòu) 示意圖； 圖2是本發(fā)明的一種用于納米壓印光刻系統(tǒng)的兩平動精密定位工作臺支架機構(gòu) 示意圖； 圖3是本發(fā)明的一種用于納米壓印光刻系統(tǒng)的兩平動精密定位工作臺整體結(jié)構(gòu) 示意圖； 圖4是圖1所示的柔性機構(gòu)的橫截面示意圖。 其中1、U形柔性結(jié)構(gòu)2、基座3、移動塊4、剛性連接板5、一字形柔性板簧6、動平 臺7、位置傳感器8、剛性支架9、凸起10、球形接頭11、壓電陶瓷驅(qū)動器
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。 請參見圖1 4，一種用于納米壓印光刻系統(tǒng)的兩平動精密定位工作臺。此工作臺 (圖3)有四個壓電陶瓷驅(qū)動器ll，分別在頂部安裝有球形接頭IO，通過球形接頭10以小面 積赫茲接觸方式與移動塊3接觸，壓電陶瓷驅(qū)動器11呈水平放置，為了避免壓電陶瓷與柔 性機構(gòu)驅(qū)動環(huán)節(jié)在工作過程中脫離，壓電陶瓷驅(qū)動器11尾部分別通過孔21螺紋固定在基 座2上，以過盈裝配方式安裝在柔性機構(gòu)驅(qū)動環(huán)節(jié)和基座之間，實現(xiàn)預(yù)緊。兩平動精密定位 工作臺還包括基座2、設(shè)置在所述的基座2中心位置的動平臺6、連接在所述的動平臺6和 基座2之間的四個柔性支鏈以及連接在所述的基座底部的一個剛性支架8，如圖4所示(圖
5中的剖面線部分為在實體上的開通孔部分)以所述的動平臺的兩個對稱軸為中心線，所述 的四個柔性支鏈分別上下和左右對稱的設(shè)置在所述的動平臺四周，每一所述的柔性支鏈包 括一個移動塊3和對稱的連接在所述的移動塊3左右兩側(cè)的兩個梳齒形柔性板簧結(jié)構(gòu)，每 一所述的柔性板簧結(jié)構(gòu)由四個一字形柔性板簧5構(gòu)成，所述的四個一字形柔性板簧兩兩并 聯(lián)設(shè)置形成兩個U形柔性結(jié)構(gòu)l，所述的兩個U形柔性結(jié)構(gòu)1的U形底部通過剛性連接板4 相連而每個U形的兩個頂部則分別與所述的移動塊3和基座2相連，對移動塊3起到支撐 的作用。在所述的移動塊3的前壁和與所述的移動塊的前壁相對設(shè)置的動平臺6側(cè)壁之間 連接有兩個相互平行以并聯(lián)方式設(shè)置的一字形柔性板簧5。四個柔性支鏈中，其中兩個對稱 分布于動平臺6上下兩側(cè)邊緣中心線上，用于實現(xiàn)動平臺6沿y軸方向的平動自由度，另兩 個支鏈則對稱分布于動平臺6左右兩側(cè)邊緣的中心線上，用來實現(xiàn)動平臺6沿x軸方向的 平動自由度。 如圖1和2，工作臺柔性機構(gòu)通過四個孔22及凸起9上的四個孔91與剛性支架8 螺栓連接。二個位置傳感器7的導(dǎo)電片分別固定于剛性支架8上平面和動平臺6下平面上， 二個位置傳感器7均安裝于上述兩個平面的中心位置，連接于剛性支架的上平面的位置傳 感器7的兩個導(dǎo)電片中，其中一個導(dǎo)電片的對稱軸與剛性支架8上平面的上下邊緣中線重 合，另一個導(dǎo)電片的對稱軸與剛性支架8上平面的左右邊緣中線重合。連接于動平臺6下 平面的兩個導(dǎo)電片與剛性支架8上的兩個導(dǎo)電片位置相對且相互平行，安裝時要保證其位 置對準。 位置傳感器7選用2個PI公司研制的D-050型號超高分辨率電容式位置傳感器， 用來檢測動平臺6的實際輸出。 為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 于輸出電壓信號給四個壓電陶瓷驅(qū)動器，讀取所述的二個位置傳感器輸出的位移信號并與 計算機中的設(shè)定值比較后輸出位移補償電壓控制信號給所述的四個壓電陶瓷驅(qū)動器。
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(shè)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，那么精密定位工作臺所能實現(xiàn)的兩個運動的實現(xiàn)方式分別為(l)沿x方向的平動 計算機控制四通道的放大器提供正向驅(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ll，(為了方便，這里稱為右壓電陶瓷驅(qū)動器)，同時，提供反向驅(qū)動電流給位 于左側(cè)柔性驅(qū)動支鏈中的壓電陶瓷驅(qū)動器ll，(為了方便，這里稱為左壓電陶瓷驅(qū)動器)， 位于動平臺上、下兩側(cè)的壓電陶瓷驅(qū)動器(為了方便，這里稱為上、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)動器發(fā)生伸長(而所述的左壓電陶瓷驅(qū)動器縮短)，推動其 前端的移動塊3發(fā)生沿x方向的移動，經(jīng)后續(xù)的兩個并聯(lián)的平行一字形柔性板簧5的傳遞， 將此平動動作傳遞給動平臺6，使其發(fā)生沿x方向的平動。沿x軸反方向運動的實現(xiàn)與上 述過程相同，只是在左、右壓電陶瓷驅(qū)動器上施加與上述方向相反的驅(qū)動電流即可；(2)沿 y方向的平動計算機控制四通道的放大器提供正向驅(qū)動電流給下壓電陶瓷驅(qū)動器，同時， 提供反向驅(qū)動電流給上壓電陶瓷驅(qū)動器，而左、右壓電陶瓷驅(qū)動器不驅(qū)動，那么所述的下壓 電陶瓷驅(qū)動器發(fā)生伸長(而所述的上壓電陶瓷驅(qū)動器縮短)，推動其前端的移動塊3發(fā)生 沿y方向的移動，經(jīng)后續(xù)的兩個并聯(lián)的平行一字形柔性板簧5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。沿y軸反方向運動的實現(xiàn)與上述過程相同，只是在
6上、下壓電陶瓷驅(qū)動器上施加與上述方向相反的驅(qū)動電流即可。 為了克服壓電陶瓷驅(qū)動器的遲滯現(xiàn)象的影響，二個高精度的電容式位置傳感器7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的定位誤差，并把補差電壓實時施加到壓電陶瓷驅(qū)動器11上。 一個快速16位的多通道D/A和A/D轉(zhuǎn)換器用來實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換。
所發(fā)明的二自由度精密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)壓印光刻過程中的微量進給和精密定位。
權(quán)利要求
一種用于納米壓印光刻系統(tǒng)的兩平動精密定位工作臺，其特征在于它包括基座、設(shè)置在所述的基座中間的動平臺、連接在所述的基座底部的一個剛性支架以及連接在所述的動平臺和基座之間的四個柔性支鏈，以所述的動平臺的兩個對稱軸為中心線，所述的四個柔性支鏈分別上下和左右對稱的設(shè)置在所述的動平臺四周，每一所述的柔性支鏈包括一個移動塊和對稱的連接在所述的移動塊左右兩側(cè)的兩個柔性板簧結(jié)構(gòu)，每一所述的板簧結(jié)構(gòu)由四個一字形柔性板簧構(gòu)成，所述的四個一字形柔性板簧兩兩并聯(lián)設(shè)置形成兩個U形柔性結(jié)構(gòu)，所述的兩個U形柔性結(jié)構(gòu)的U形底部通過剛性連接板相連而每個U形的兩個頂部則分別與所述的移動塊和基座相連，在所述的移動塊的前壁和與所述的移動塊的前壁相對的動平臺側(cè)壁之間連接有兩個相互平行以并聯(lián)形式設(shè)置的一字形柔性板簧，四個壓電陶瓷驅(qū)動器分別水平放置，每個驅(qū)動器尾部均由螺栓固聯(lián)于基座上并且前端通過螺紋連接有球形接頭，所述的球形接頭頂在移動塊上，二個位置傳感器的導(dǎo)電片分別連接在剛性支架的上平面和動平臺的下平面上，連接于剛性支架的上平面的兩個導(dǎo)電片中的一個導(dǎo)電片的對稱軸與剛性支架上平面的上下邊緣中線重合，另一個導(dǎo)電片的對稱軸與剛性支架上平面的左右邊緣中線重合，連接于動平臺下平面的兩個導(dǎo)電片與剛性支架上的兩個導(dǎo)電片位置相對平行設(shè)置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于納米壓印光刻系統(tǒng)的二平動精密定位工作臺，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四個壓電陶瓷驅(qū)動器，讀取所 述的二個位置傳感器輸出的位移信號并與計算機中的設(shè)定值比較后輸出位移補償電壓控 制信號給所述的四個壓電陶瓷驅(qū)動器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于納米壓印光刻系統(tǒng)的二自由度精密定位工作臺，它包括基座、動平臺、連接在基座底部的剛性支架以及連接在動平臺和基座之間的四個柔性支鏈，結(jié)構(gòu)中采用四個壓電陶瓷驅(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。二個位置傳感器用來測量動平臺的實際輸出，分別固定于剛性支架和動平臺之間。本精密定位工作臺具有分辨率高、動態(tài)響應(yīng)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G03F7/00GK101770166SQ20101030005
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月6日
發(fā)明者張大衛(wèi), 田延嶺, 賈曉輝 申請人:天津大學(xué)