專利名稱：用于納米壓印光刻系統(tǒng)的三自由度微定位工作臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種微操作系統(tǒng)，具體為一種可應(yīng)用于壓印光刻系統(tǒng)的兩平動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)
柔性并聯(lián)微定位工作臺(tái)。
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(jī)械 裝置、新型計(jì)算機(jī)等，是當(dāng)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(jià)值，使得其設(shè)計(jì)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(diǎn)。目前，納米器件的設(shè)計(jì)與制造正處于一個(gè)飛速發(fā)展時(shí)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(jià)廉的設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(bǔ)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(huì)出現(xiàn)變形現(xiàn)象，不易 進(jìn)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(duì)環(huán)境要求較低，僅在室溫和低 壓力下就可以進(jìn)行，提高了壓印精度。同時(shí)由于模板材料采用透明石英玻璃，易于實(shí)現(xiàn)模板 與基片之間的對(duì)準(zhǔn)，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(diǎn)。這些特點(diǎn)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(gè)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(shí)就會(huì)將特征刻蝕掉。同時(shí)模板與基片的不 平行也將會(huì)導(dǎo)致下壓時(shí)模板與基片的相對(duì)滑移，發(fā)生側(cè)向擴(kuò)張，影響壓印精度。另外，在起 模時(shí)也會(huì)對(duì)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(jī)構(gòu)；②承載臺(tái)；③精 密定位工作臺(tái)；④用于固化光刻膠的紫外光光源等，其中精密定位工作臺(tái)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(duì)滑動(dòng)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(tái))平行度的調(diào)整大多采 用被動(dòng)方式，即通過基片(或模板)承載臺(tái)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(jìn)閃光壓印光刻定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)，PrecisionEngineering, 2001年25巻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(jì)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-100nm linewidth， Current AppliedPhysics2006，6 : 1007-1011.) 、 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(bào)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(dòng)適應(yīng)、主動(dòng)找平及手工調(diào)整相結(jié)合的方式，如范細(xì)秋等，寬范圍高對(duì)準(zhǔn)精度納米 壓印樣機(jī)的研制，中國機(jī)械工程，2005年，16巻增刊，64-67、嚴(yán)樂等，冷壓印光刻工藝精密 定位工作臺(tái)的研制，中國機(jī)械工程，2004年，15巻1期，75-78.中報(bào)道的此類精密定位工作 臺(tái)設(shè)計(jì)；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(jì)，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(dòng)找平和手工調(diào)整機(jī)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(bǔ)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(jì)使用費(fèi)用昂貴且壓印時(shí)間過長。 基于上述精密定位系統(tǒng)的不足，具有新型機(jī)構(gòu)形式和控制方法的主動(dòng)調(diào)整型精密定位系統(tǒng) 的研制，對(duì)促進(jìn)IC加工技術(shù)的發(fā)展具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)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，提供一種具有末端執(zhí)行件位置主動(dòng)調(diào)整 能力，可以完成壓印光刻過程中的微量進(jìn)給和精密定位的用于納米壓印光刻系統(tǒng)的三自由 度微定位工作臺(tái)。 本發(fā)明解決壓印光刻精密定位技術(shù)問題的技術(shù)方案是 用于納米壓印光刻系統(tǒng)的三自由度微定位工作臺(tái)，它包括剛性支架和連接在所述 的剛性支架頂部的基座，在所述的基座中間通過六個(gè)柔性支鏈連接有一個(gè)其橫截面為矩形 的動(dòng)平臺(tái)，所述的六個(gè)柔性支鏈的其中兩個(gè)分別沿動(dòng)平臺(tái)的上下兩個(gè)相對(duì)側(cè)邊的中線方向 設(shè)置，另外四個(gè)柔性支鏈兩兩一組分別位于所述的動(dòng)平臺(tái)的左右相對(duì)側(cè)邊處并且左右兩組 柔性支鏈之間相對(duì)于所述的動(dòng)平臺(tái)的豎直對(duì)稱軸對(duì)稱分布設(shè)置，組成每組柔性支鏈的兩個(gè) 柔性支鏈的軸線相互平行且相對(duì)于所述的動(dòng)平臺(tái)的水平對(duì)稱軸對(duì)稱分布，每一所述的柔性 支鏈均包括一個(gè)剛性移動(dòng)塊，所述的剛性移動(dòng)塊的前部分鑲嵌于從動(dòng)平臺(tái)側(cè)邊向動(dòng)平臺(tái)內(nèi) 部延伸的第一動(dòng)平臺(tái)凹槽內(nèi)，所述的剛性移動(dòng)塊的后部分鑲嵌于與第一動(dòng)平臺(tái)凹槽相連通 的并且設(shè)置在基座內(nèi)的基座凹槽內(nèi)，在所述的剛性移動(dòng)塊的前部分的前端以及位于動(dòng)平臺(tái) 的側(cè)邊位置的前部分的末端的左右側(cè)壁上依次開有第一、二組半圓凹槽，第一組所述的半
4圓凹槽的兩個(gè)半圓弧面之間的連接部分形成前單自由度柔性鉸鏈，第二組所述的半圓凹槽
的兩個(gè)半圓弧面之間的連接部分形成與所述的前單自由度柔性鉸鏈串聯(lián)設(shè)置的后單自由
度柔性鉸鏈，所述的前單自由度柔性鉸鏈與所述的動(dòng)平臺(tái)相連，與位于所述的剛性移動(dòng)塊
的后部分尾端側(cè)壁相對(duì)的基座側(cè)壁上開有通孔，所述的剛性移動(dòng)塊的后部分左右兩側(cè)呈對(duì)
稱并聯(lián)方式設(shè)置有左、右兩組柔性板簧，每一組所述的柔性板簧具有四個(gè)彼此平行并聯(lián)設(shè)
置的一字型柔性板簧，其中中間的兩個(gè)一字型柔性板簧的一端垂直連接于設(shè)置在第二動(dòng)平
臺(tái)凹槽內(nèi)的剛性連接塊并且其另一端與所述的剛性移動(dòng)塊的側(cè)壁垂直相連，兩側(cè)的兩個(gè)一
字型柔性板簧的一端與所述的剛性連接塊側(cè)壁垂直連接并且其另一端與基座側(cè)壁垂直相
連，在所述的基座上貫通的開有六個(gè)矩形安裝孔，在所述的六個(gè)安裝孔內(nèi)水平的裝有六個(gè)
壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的前端螺紋連接有球形接頭，所述的球形接頭頂
在所述的剛性移動(dòng)塊后部分尾端側(cè)壁上，在所述的動(dòng)平臺(tái)底面上和所述的剛性支架的頂面
上沿同一圓周方向等間隔的分別固定有三個(gè)電容式位置傳感器的一個(gè)電極板。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn) 本發(fā)明設(shè)計(jì)的微定位工作臺(tái)，其柔性機(jī)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(shí)現(xiàn)微納米級(jí)高精度定位。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的微定位工作臺(tái)，采用柔性并聯(lián)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，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(diǎn)。 本發(fā)明設(shè)計(jì)的微定位工作臺(tái)，采用單自由度柔性鉸鏈以及柔性板簧作為傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)，具有無機(jī)械摩擦、無間隙的優(yōu)點(diǎn)。另外，本發(fā)明基于材料的彈性變形，柔性鉸鏈及柔性板 簧所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角和變形以及執(zhí)行器末端工作空間均很微小，可以有效消除并聯(lián)機(jī)構(gòu)固有的 非線性等缺點(diǎn)。 本發(fā)明設(shè)計(jì)的微定位工作臺(tái)采用六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)壓印光 刻過程中模板和基片間相對(duì)位置的主動(dòng)調(diào)整。可作為納米壓印光刻定位系統(tǒng)的輔助定位平 臺(tái)，實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給和精密定位。


圖l是本發(fā)明的用于納米壓印光刻系統(tǒng)的三自由度微定位工作臺(tái)柔性機(jī)構(gòu)示意 圖； 圖2是本發(fā)明的用于納米壓印光刻系統(tǒng)的三自由度微定位機(jī)構(gòu)剛性支架結(jié)構(gòu)示 意圖； 圖3是本發(fā)明的用于納米壓印光刻系統(tǒng)的三自由度微定位機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是為圖1所示的柔性機(jī)構(gòu)的橫截面示意圖。 其中1、基座 2、柔性板簧 3、單自由度柔性鉸鏈 4、剛性移動(dòng)塊 5、動(dòng)平臺(tái) 6、剛性連接塊7、剛性支架 8、凸起9、位置傳感器 10、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器11、球形接 頭
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施方式
、結(jié)構(gòu)、特征及其 功效，詳細(xì)說明如下。
請參見圖1 4，一種用于納米壓印光刻系統(tǒng)的三自由度微定位工作臺(tái)。此工作臺(tái)包 括剛性支架7和連接在所述的剛性支架7頂部的基座1 ，在所述的基座中間通過六個(gè)柔性支 鏈連接有一個(gè)其橫截面為矩形的動(dòng)平臺(tái)5，它還包括有六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器IO，分別在頂 部安裝有球形接頭ll，通過球形接頭11以小面積赫茲接觸方式與剛性移動(dòng)塊4接觸，壓電 陶瓷驅(qū)動(dòng)器10呈水平放置，尾部分別通過孔1-2螺紋固定在基座1上。如圖4所示(圖中 剖面線部分為開孔槽部分)動(dòng)平臺(tái)5由六個(gè)結(jié)構(gòu)完全一致的柔性支鏈一起支撐。所述的六 個(gè)柔性支鏈的其中兩個(gè)分別沿動(dòng)平臺(tái)的上下兩個(gè)相對(duì)側(cè)邊的中線方向設(shè)置，另外四個(gè)柔性 支鏈兩兩一組分別位于所述的動(dòng)平臺(tái)的左右相對(duì)側(cè)邊處并且左右兩組柔性支鏈之間相對(duì) 于所述的動(dòng)平臺(tái)的豎直對(duì)稱軸對(duì)稱分布設(shè)置，組成每組柔性支鏈的兩個(gè)柔性支鏈的軸線相 互平行且相對(duì)于所述的動(dòng)平臺(tái)的水平對(duì)稱軸對(duì)稱分布。每一所述的柔性支鏈均包括一個(gè)剛 性移動(dòng)塊4，所述的剛性移動(dòng)塊4的前部分鑲嵌于從動(dòng)平臺(tái)側(cè)邊向動(dòng)平臺(tái)內(nèi)部延伸的第一 動(dòng)平臺(tái)凹槽內(nèi)，所述的剛性移動(dòng)塊4的后部分鑲嵌于與第一動(dòng)平臺(tái)凹槽相連通的并且設(shè)置 在基座內(nèi)的基座凹槽內(nèi)，在所述的剛性移動(dòng)塊的前部分的前端以及位于動(dòng)平臺(tái)的側(cè)邊位置 的前部分的末端的左右側(cè)壁上依次開有第一、二組半圓凹槽，第一組所述的半圓凹槽的兩 個(gè)半圓弧面之間的連接部分形成前單自由度柔性鉸鏈3-l，第二組所述的半圓凹槽的兩個(gè) 半圓弧面之間的連接部分形成與所述的前單自由度柔性鉸鏈串聯(lián)設(shè)置的后單自由度柔性 鉸鏈3-2，所述的剛性移動(dòng)塊4通過前單自由度柔性鉸鏈3-l與所述的動(dòng)平臺(tái)5相連，所述 的剛性移動(dòng)塊4的后部分左右兩側(cè)以對(duì)稱并聯(lián)方式設(shè)置有左、右兩組柔性板簧2。每一組所 述的柔性板簧2具有四個(gè)彼此平行并聯(lián)設(shè)置的一字型柔性板簧，其中中間的兩個(gè)一字型柔 性板簧的一端垂直連接于設(shè)置在第二動(dòng)平臺(tái)凹槽內(nèi)的剛性連接塊6側(cè)壁上，另一端與所述 的剛性移動(dòng)塊4的側(cè)壁垂直相連，而兩側(cè)的兩個(gè)一字型柔性板簧的一端垂直連接于設(shè)置在 第二動(dòng)平臺(tái)凹槽內(nèi)的剛性連接塊6側(cè)壁上，另一端與基座1的側(cè)壁垂直相連，在所述的基座 1上貫通的開有六個(gè)矩形安裝孔，用于安裝六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器10。六個(gè)柔性支鏈中，兩個(gè) 柔性支鏈對(duì)稱分布于動(dòng)平臺(tái)5上下兩側(cè)邊緣中心軸線上，用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)沿y軸方向的平 動(dòng)自由度；其它四個(gè)柔性支鏈分成兩組，每組兩個(gè)柔性支鏈分別并聯(lián)后對(duì)稱分布于動(dòng)平臺(tái) 5左右兩側(cè)，而且每組柔性支鏈中的兩個(gè)柔性支鏈又分別相對(duì)于動(dòng)平臺(tái)5的水平對(duì)稱軸上 下對(duì)稱，用來實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)沿x軸方向的平動(dòng)自由度和繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
如圖1和2，工作臺(tái)柔性機(jī)構(gòu)的基座1通過四個(gè)孔1-1與剛性支架7螺栓連接。剛 性支架四個(gè)端角位置分布四個(gè)結(jié)構(gòu)一致的具有螺栓孔8-l的凸起8，用于支撐和固定柔性 機(jī)構(gòu)的基座1。 三個(gè)位置傳感器9分別固定于剛性支架7上平面和動(dòng)平臺(tái)5下平面之間，三個(gè)位 置傳感器9沿圓周等間隔均勻分布，并且安裝時(shí)要保證其位置對(duì)準(zhǔn)。 柔性機(jī)構(gòu)包括基座、六個(gè)結(jié)構(gòu)完全一致的柔性支鏈及其共同支撐的動(dòng)平臺(tái)，利用 線切割技術(shù)整體加工而成。 位置傳感器9選用3個(gè)PI公司研制的D-050型號(hào)超高分辨率電容式位置傳感器， 用來檢測動(dòng)平臺(tái)5的實(shí)際輸出。 為提高本發(fā)明裝置的控制精度，本工作臺(tái)還可以包括一個(gè)計(jì)算機(jī)，所述的計(jì)算機(jī) 用于輸出電壓信號(hào)給六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，讀取所述的三個(gè)電容式位置傳感器輸出的位移 信號(hào)并與計(jì)算機(jī)中的設(shè)定值比較后輸出位移補(bǔ)償電壓控制信號(hào)給所述的六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。
本裝置的工作過程如下 請參見圖1 4，計(jì)算機(jī)控制六通道的放大器提供壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器10伸縮所需的電 流。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器發(fā)生伸長(或縮短)推動(dòng)剛性移動(dòng)塊4，剛性移動(dòng)塊在兩側(cè)柔性板簧的 支撐下產(chǎn)生移動(dòng)，進(jìn)而使得柔性支鏈上的兩個(gè)單自由度柔性鉸鏈3產(chǎn)生移動(dòng)及相應(yīng)的彎曲 彈性變形，從而使得動(dòng)平臺(tái)5根據(jù)所提供的控制信號(hào)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。 此三自由度精密定位工作臺(tái)具有兩個(gè)平動(dòng)自由度(即水平面內(nèi)沿x方向，y方向 的移動(dòng))和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(即在水平面內(nèi)繞水平法線的轉(zhuǎn)動(dòng))，這里假設(shè)在工作臺(tái)水平面 內(nèi)沿動(dòng)平臺(tái)5上下邊緣中線為y軸(即上下兩個(gè)柔性驅(qū)動(dòng)支鏈的中心軸線)，動(dòng)平臺(tái)5左 右邊緣中線為x軸，z軸滿足右手法則且與xy軸所在平面垂直，那么精密定位工作臺(tái)所能 實(shí)現(xiàn)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式分別為(l)沿x方向的平動(dòng)計(jì)算機(jī)控制六通道的放大器提供 正向驅(qū)動(dòng)電流給位于動(dòng)平臺(tái)5左邊緣兩個(gè)柔性驅(qū)動(dòng)支鏈中的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器10，(為了方 便，這里稱為左壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器)，同時(shí)向位于動(dòng)平臺(tái)5右邊緣兩個(gè)柔性驅(qū)動(dòng)支鏈中的壓電 陶瓷驅(qū)動(dòng)器(稱為右壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器)施加反向驅(qū)動(dòng)電流，位于動(dòng)平臺(tái)5上下邊緣的兩個(gè) 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器不驅(qū)動(dòng)，那么所述的兩個(gè)左壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器發(fā)生伸長，而兩個(gè)右壓電陶瓷 驅(qū)動(dòng)器發(fā)生收縮，伸長的左壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)其前端的剛性移動(dòng)塊4發(fā)生沿x軸的向右 的移動(dòng)，經(jīng)過剛性移動(dòng)塊4及兩個(gè)單自由度柔性鉸鏈3的傳遞，將此平動(dòng)動(dòng)作傳遞給動(dòng)平臺(tái) 5，使其發(fā)生沿x軸方向的平動(dòng)。而沿x軸的與上述運(yùn)動(dòng)方向相反的平動(dòng)則可以由分別向動(dòng) 平臺(tái)左右邊緣柔性支鏈中的兩組壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器施加與上述方向相反的驅(qū)動(dòng)電流來實(shí)現(xiàn)。 (2)沿y方向的平動(dòng)計(jì)算機(jī)控制六通道的放大器提供正向驅(qū)動(dòng)電流給位于動(dòng)平臺(tái)5下邊 緣柔性驅(qū)動(dòng)支鏈中的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，(為了方便，這里稱為下壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器)，同時(shí)向 位于動(dòng)平臺(tái)5上邊緣柔性驅(qū)動(dòng)支鏈中的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(稱為上壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器)施加反 向驅(qū)動(dòng)電流，位于動(dòng)平臺(tái)左右邊緣的兩組壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器不驅(qū)動(dòng)，那么所述的下壓電陶瓷 驅(qū)動(dòng)器發(fā)生伸長，而上壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器發(fā)生收縮，伸長的下壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)其前端的 剛性移動(dòng)塊4發(fā)生沿y軸的向上的移動(dòng)，經(jīng)過剛性移動(dòng)塊4及兩個(gè)單自由度柔性鉸鏈3的 傳遞，將此平動(dòng)動(dòng)作傳遞給動(dòng)平臺(tái)5，使其發(fā)生沿y軸方向的平動(dòng)。而沿y軸的與上述運(yùn)動(dòng) 方向相反的平動(dòng)則可以由分別向動(dòng)平臺(tái)上下邊緣柔性支鏈中的兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器施加 與上述方向相反的驅(qū)動(dòng)電流來實(shí)現(xiàn)。(3)繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算機(jī)控制六通道的放大器同時(shí)提 供正向驅(qū)動(dòng)電流給位于動(dòng)平臺(tái)5左邊緣上端柔性驅(qū)動(dòng)支鏈和右邊緣下端柔性驅(qū)動(dòng)支鏈中 的兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器IO，另外，同時(shí)提供反向驅(qū)動(dòng)電流給位于動(dòng)平臺(tái)5左邊緣下端柔性 支鏈和右邊緣上端柔性驅(qū)動(dòng)支鏈中的兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器IO，而位于動(dòng)平臺(tái)上下邊緣的兩 個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器10不驅(qū)動(dòng)，那么所述的左邊緣上端、右邊緣下端兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器10 均發(fā)生伸長，推動(dòng)其前端的剛性移動(dòng)塊4發(fā)生沿y軸的方向分別相反的移動(dòng)，經(jīng)過剛性移動(dòng) 塊4及兩個(gè)單自由度柔性鉸鏈3的傳遞，將此平動(dòng)動(dòng)作傳遞給動(dòng)平臺(tái)5，由于位于動(dòng)平臺(tái)左 邊緣上端的柔性驅(qū)動(dòng)支鏈和右邊緣下端的柔性驅(qū)動(dòng)支鏈上下錯(cuò)開一段距離，形成力臂，這 樣在上述的兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器10同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)，就在動(dòng)平臺(tái)5上形成一個(gè)繞z軸的力偶的 作用，從而使其發(fā)生繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。而繞z軸的與上述運(yùn)動(dòng)方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)則可以由分別 向各壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器施加與上述方向相反的驅(qū)動(dòng)電流來實(shí)現(xiàn)。 為了克服壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的遲滯現(xiàn)象的影響，三個(gè)高精度的電容式位置傳感器9在動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中，實(shí)時(shí)的檢測動(dòng)平臺(tái)5的實(shí)際輸出，并形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用建立的 模型在線計(jì)算動(dòng)平臺(tái)的定位誤差，并把補(bǔ)差電壓實(shí)時(shí)施加到壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器10上。 一個(gè)快 速16位的多通道D/A和A/D轉(zhuǎn)換器用來實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。
權(quán)利要求
用于納米壓印光刻系統(tǒng)的三自由度微定位工作臺(tái)，它包括剛性支架和連接在所述的剛性支架頂部的基座，在所述的基座中間通過六個(gè)柔性支鏈連接有一個(gè)其橫截面為矩形的動(dòng)平臺(tái)，所述的六個(gè)柔性支鏈的其中兩個(gè)分別沿動(dòng)平臺(tái)的上下兩個(gè)相對(duì)側(cè)邊的中線方向設(shè)置，另外四個(gè)柔性支鏈兩兩一組分別位于所述的動(dòng)平臺(tái)的左右相對(duì)側(cè)邊處并且左右兩組柔性支鏈之間相對(duì)于所述的動(dòng)平臺(tái)的豎直對(duì)稱軸對(duì)稱分布設(shè)置，組成每組柔性支鏈的兩個(gè)柔性支鏈的軸線相互平行且相對(duì)于所述的動(dòng)平臺(tái)的水平對(duì)稱軸對(duì)稱分布，每一所述的柔性支鏈均包括一個(gè)剛性移動(dòng)塊，所述的剛性移動(dòng)塊的前部分鑲嵌于從動(dòng)平臺(tái)側(cè)邊向動(dòng)平臺(tái)內(nèi)部延伸的第一動(dòng)平臺(tái)凹槽內(nèi)，所述的剛性移動(dòng)塊的后部分鑲嵌于與第一動(dòng)平臺(tái)凹槽相連通的并且設(shè)置在基座內(nèi)的基座凹槽內(nèi)，在所述的剛性移動(dòng)塊的前部分的前端以及位于動(dòng)平臺(tái)的側(cè)邊位置的前部分的末端的左右側(cè)壁上依次開有第一、二組半圓凹槽，第一組所述的半圓凹槽的兩個(gè)半圓弧面之間的連接部分形成前單自由度柔性鉸鏈，第二組所述的半圓凹槽的兩個(gè)半圓弧面之間的連接部分形成與所述的前單自由度柔性鉸鏈串聯(lián)設(shè)置的后單自由度柔性鉸鏈，所述的前單自由度柔性鉸鏈與所述的動(dòng)平臺(tái)相連，與位于所述的剛性移動(dòng)塊的后部分尾端側(cè)壁相對(duì)的基座側(cè)壁上開有通孔，所述的剛性移動(dòng)塊的后部分左右兩側(cè)呈對(duì)稱并聯(lián)方式設(shè)置有左、右兩組柔性板簧，每一組所述的柔性板簧具有四個(gè)彼此平行并聯(lián)設(shè)置的一字型柔性板簧，其中中間的兩個(gè)一字型柔性板簧的一端垂直連接于設(shè)置在第二動(dòng)平臺(tái)凹槽內(nèi)的剛性連接塊并且其另一端與所述的剛性移動(dòng)塊的側(cè)壁垂直相連，兩側(cè)的兩個(gè)一字型柔性板簧的一端與所述的剛性連接塊側(cè)壁垂直連接并且其另一端與基座側(cè)壁垂直相連，在所述的基座上貫通的開有六個(gè)矩形安裝孔，在所述的六個(gè)安裝孔內(nèi)水平的裝有六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的前端螺紋連接有球形接頭，所述的球形接頭頂在所述的剛性移動(dòng)塊后部分尾端側(cè)壁上，在所述的動(dòng)平臺(tái)底面上和所述的剛性支架的頂面上沿同一圓周方向等間隔的分別固定有三個(gè)電容式位置傳感器的一個(gè)電極板。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于納米壓印光刻系統(tǒng)的三自由度微定位工作臺(tái)，其特征在 于它還包括一個(gè)計(jì)算機(jī)，所述的計(jì)算機(jī)用于輸出電壓信號(hào)給六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，讀取所 述的三個(gè)電容式位置傳感器輸出的位移信號(hào)并與計(jì)算機(jī)中的設(shè)定值比較后輸出位移補(bǔ)償 電壓控制信號(hào)給所述的六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于納米壓印光刻系統(tǒng)的三自由度微定位工作臺(tái)，它包括六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器與基座相連，頂端通過螺紋連接球形接頭。它還包括柔性機(jī)構(gòu)六個(gè)結(jié)構(gòu)完全一致的柔性支鏈及其支撐的動(dòng)平臺(tái)，三個(gè)位置傳感器用來測量動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際輸出，分別固定于剛性支架和動(dòng)平臺(tái)之間。此微定位工作臺(tái)具有分辨率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，可作為納米壓印光刻定位系統(tǒng)的輔助定位平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給和精密定位。
文檔編號(hào)G03F7/20GK101776851SQ201010300349
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者張大衛(wèi), 田延嶺, 賈曉輝 申請人:天津大學(xué)