一種六自由度微動工作檯的製作方法
2023-04-24 21:09:36
專利名稱：一種六自由度微動工作檯的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微動工作檯，尤其涉及一種六自由度微動工作檯，主要應用於半導體光刻設備中，屬於超精密加工和檢測設備技術領域。
背景技術：
具有高精度和快速響應的微動工作檯在現代製造技術中具有極其重要的地位，被視為一個國家高技術發展水平的重要標誌。在超精密工具機中，超精密微動工作檯用於對進給系統進行誤差補償，實現超精密加工；在大規模集成電路製造中，超精密微動工作檯用於光刻設備中進行微定位和微進給；在掃描探針顯微鏡中，超精密微動工作檯用於測量樣品表面形貌，進行納米加工；在生物工程方面，超精密微動工作檯用於完成對細胞的操作，實現生物操作工程化；在醫療科學方面，超精密微動工作檯用於顯微外科手術，以 便減輕醫生負擔，縮短手術時間，提高成功率。超精密微動工作檯還被廣泛應用於光纖對接，MEMS系統加工、封裝及裝配，以及電化學加工等領域中。在半導體光刻設備中，光刻機娃片臺和掩模臺大多米用粗精疊層結構，包含一個超精密微動工作檯。該微動臺疊加於粗動臺之上，用於對粗動臺進行精度補償。微動工作檯定位精度決定了光刻機的曝光精度，運動速度決定了光刻機的生產效率。因此，美國、日本、歐洲等發達國家均把超精密微動工作檯技術視為光刻機核心技術之一，對我國相關產品進行嚴格的進口限制。概括目前國內外納米級微動工作檯研究現狀，超精密微動臺通常有三類，伺服電機通過滾珠絲槓傳動/直線導軌支撐微動工作檯，壓電陶瓷驅動/柔性鉸鏈支撐導向微動工作檯，以及音圈電機或變磁阻電機驅動/氣浮或磁浮支撐微動工作檯。前兩種微動臺由於支撐系統的摩擦阻尼非線性等因素影響，均無法滿足光刻設備高速度、大負載、高動態特性的要求。採用音圈電機/氣浮支撐的微動臺可以滿足光刻設備的要求，但存在結構整體性差，臺體較厚，質心高等不足，其性能受到一定局限。清華大學在2007年6月29日申請了一種6自由度微動工作檯(申請號200710118130. 5)，提供了一種應用於光刻機矽片臺中的六自由度微動工作檯，採用無摩擦阻尼的音圈電機作為驅動結構，雖然大大提高了定位精度，但是該結構體積大，結構不緊湊，不能很好地適應雙臺交換系統的需要。
發明內容
本發明旨在提供一種可應用於光刻機矽片臺中的六自由度微動工作檯，該微動工作檯用於補償光刻機矽片臺的定位誤差並實現光刻機調平調焦的功能，以實現晶圓片高精度定位的需求，也可用於超精密加工和檢測中以實現六自由度運動，具有結構簡單、緊湊，質心驅動，微動臺動子慣量小等特點。本發明的技術方案如下一種六自由度微動工作檯，含有實現微動工作檯在水平面內沿X方向、Y方向和繞Z軸旋轉三個自由度運動的第一種電磁力驅動模塊和實現微動工作檯沿Z方向、繞X軸旋轉和繞Y軸旋轉的三個自由度的運動的第二種電磁力驅動模塊，其特徵在於所述的第一種電磁力驅動模塊採用四組，其中兩組電磁力驅動模塊沿X軸關於Y軸對稱布置，另外兩組電磁力驅動模塊沿Y軸關於X軸對稱布置，所述第二種電磁力驅動模塊採用四組，分別布置在微動臺基座上表面的四個象限中，四組第二種電磁力驅動模塊與四組第一種電磁力驅動模塊相間布置；每組第一種電磁力驅動模塊和每組第二種電磁力驅動模塊至少包括一個電磁力驅動單元，每個電磁力驅動單元由永磁體、軛鐵、永磁體骨架、通電線圈和線圈骨架構成。四組第一種電磁力驅動模塊的永磁體、軛鐵和永磁體骨架以及四組第二種電磁力驅動模塊的永磁體、永磁體骨架共同組成微動工作檯的動子部分；四組第一種電磁力驅動模塊和四組第二種電磁力驅動模塊的通電線圈和線圈骨架以及微動臺基座共同組成微動工作檯的定子部分。本發明的技術特徵還在於所述的微動工作檯還包含一個殼體，所述的微動工作檯的動子部分和定子部分布置在殼體內部，殼體與所述的微動工作檯的動子部分固定在一起；所述的殼體四個側面為反射鏡面並與水平面垂直，相鄰兩個側面互相垂直，上表面設有 一個圓形凹槽；所述的殼體採用碳化矽陶瓷材料加工而成；在殼體的任意兩個相對側面的下方分別布置一條反射鏡，所述反射鏡的鏡面與所對應的殼體的反射鏡面夾角為135°。本發明所述的微動工作檯還包含三組渦流式位移測量傳感器模塊，每組渦流式位移測量傳感器模塊包含一個測量微動臺動子Z方向位移的渦流式位置測量傳感器和一個測量微動臺動子X方向或Y方向位移的渦流式位移測量傳感器，所述的三組渦流式位移測量傳感器模塊分別布置在微動臺基座上表面的四個象限中的任意三個象限中。本發明所述的第一電磁力驅動單元的包括上下兩部分永磁體組，線圈組件位於上下兩部分永磁體之間，並留有間隙；每部分永磁體組由主永磁體和附永磁體組成，主永磁體與附永磁體以Halbach陣列形式粘接固定於軛鐵的表面上，相鄰的主永磁體與附永磁體的磁場方向相互垂直,在各永磁體之間形成封閉磁路；第二電磁力驅動單元的永磁體包括外磁環和內磁環，外磁環與內磁環的軸線沿Z軸方向同軸布置，外磁環與內磁環充磁方向相同，沿徑向方向且由圓環外表面指向圓心；通電線圈為圓柱形線圈,位於內磁環與外磁環之間，並與內外磁環同軸布置；在第二電磁力驅動單元的中心軸線上還布置有一個重力平衡磁柱，其軸線沿Z軸方向與內外磁環同軸，並固定在微動臺基座上，其充磁方向沿Z軸方向；本發明所述微動工作檯的優點在於微動工作檯採用並聯結構實現六自由度運動，與疊層結構相比，具有結構簡單、緊湊、質心驅動等優點，微動臺採用電磁力直接驅動，因此不存在機械摩擦，無阻尼，具有較高的位移解析度；微動工作檯基於洛倫茲原理工作，輸出推力與輸入電流之間成線性關係，運動控制技術成熟。碳化矽陶瓷零件的使用大大提高了系統性能，將反射鏡集成在殼體上，既減少了零件個數，又降低了反射鏡組件裝配的高精度要求。
圖I為發明提供的帶殼體的六自由度微動工作檯的三維結構圖。圖2為本發明提供的去出殼體的六自由度微動工作檯的三維結構圖。
圖3表示出本發明的第一種電磁力驅動模塊和第二種電磁力驅動模塊分別採用四組的布置結構。圖4表示出每組磁力驅動模塊至少包括一個電磁力驅動單元。圖5為第一種電磁力驅動單元結構示意圖(剖視圖)。圖6為第二種電磁力驅動單元結構示意圖(剖視圖)。圖7為微動工作檯實現X方向運動的原理圖。圖8為微動工作檯實現Y方向運動的原理圖。圖9為微動工作檯實現繞Z轉動的原理圖。圖10為微動工作檯實現Z方向運動的原理圖。
圖11為微動工作檯實現繞X轉動的原理圖。圖12為微動工作檯實現繞Y轉動的原理圖。圖中1 一微動臺基座；2 —殼體；3 —第一電磁力驅動模塊永磁體骨架；5a —第一渦流式位移測量傳感器模塊；5b_第二渦流式位移測量傳感器模塊；5c_第三渦流式位移測量傳感器模塊；6 —反射鏡；7a —第一種電磁力驅動模塊的第一組；7b —第一種電磁力驅動模塊的第二組；7c —第一種電磁力驅動模塊的第三組；7d —第一種電磁力驅動模塊的第四組；9 一第一種電磁力驅動模塊線圈骨架；10 —第一種電磁力驅動模塊線圈支撐板；Ila —第二種電磁力驅動模塊的第一組；llb —第二種電磁力驅動模塊的第二組；llc 一第二種電磁力驅動模塊的第三組；lld第二種電磁力驅動模塊的第四組；12 —第二種電磁力驅動模塊永磁體骨架；13 —第二種電磁力驅動模塊線圈骨架；14-第一種電磁力驅動單元；15第一種電磁力驅動單兀線圈組件,16-第一主永磁體,17-第二主永磁體,18-第三主永磁體；19_第四主永磁體；20第一附永磁體；21_第二附永磁體，22-第一鐵軛，23-第二鐵軛；24 —第二種電磁力驅動單元；25_第二種電磁力驅動單元線圈組件，26-外磁環，27-內磁環,28-重力補償磁柱。
具體實施例方式圖I、圖2和圖3為本發明提供的一種六自由度微動工作檯的三維結構圖。該微動工作檯包括四組第一種電磁力驅動模塊，每組第一種電磁力驅動模塊至少包括一個電磁力驅動單元(如需得到較大的驅動力，可採用多個)，本實施例中第一種電磁力驅動模塊採用的是兩個第一種電磁力驅動單兀14,其中第一種電磁力驅動模塊的第一組7a和第一種電磁力驅動模塊的第三組7c沿X軸關於Y軸對稱布置，另外兩組第一種電磁力驅動模塊的第二組7b和第一種電磁力驅動模塊的第四組7d沿Y軸關於X軸對稱布置；第一種電磁力驅動模塊的第一組7a、第一種電磁力驅動模塊的第二組7、第一種電磁力驅動模塊的第三組7c和第一種電磁力驅動模塊的第四組7d共同實現微動工作檯在水平面內X方向、Y方向和繞Z軸旋轉三個自由度的運動。該微動工作檯還包含四組第二種電磁力驅動模塊，分別為第二種電磁力驅動模塊的第一組11a、第二種電磁力驅動模塊的第二組lib、第二種電磁力驅動模塊的第三組Ilc和第二種電磁力驅動模塊的第四組lld，每組第二種電磁力驅動模塊至少包括一個電磁力驅動單元(如需得到較大的驅動力，可採用多個)，本實施例中採用的是一個第二種電磁力驅動單元24，分別布置在微動臺基座上表面的四個象限中，所述的四組第二種電磁力驅動模塊與四組第一種電磁力驅動模塊相間布置，實現微動工作檯在Z方向、繞X軸旋轉和繞Y軸旋轉的三個自由度的運動。四組第一種電磁力驅動模塊的永磁體、軛鐵和永磁體骨架以及四組第二種電磁力驅動模塊的永磁體、永磁體骨架共同組成微動工作檯的動子部分；所述的四組第一種電磁力驅動模塊和四組第二種電磁力驅動模塊的通電線圈和線圈骨架以及微動臺基座I共同組成微動工作檯的定子部分。本實施例微動工作檯還包含一個殼體2，所述的微動工作檯的動子部分和定子部分布置在殼體2內部，殼體2與所述的微動工作檯的動子部分固定在一起；所述的殼體2四個側面為反射鏡面並與水平面垂直，相鄰兩個側面互相垂直，上表面設有一個圓形凹槽；所述的殼體2採用碳化矽陶瓷材料加工而成，碳化矽陶瓷材料的使用提高了系統性能，將反射鏡集成在殼體上，既減少了零件個數，又降低了該反射鏡組件裝配的高精度的要求。在殼體2的任意兩個相對側面的下方分別布置一條反射鏡6，該反射鏡的鏡面與所對應的殼體2的反射鏡面夾角為135°。
所述的微動工作檯還包含三組渦流式位移測量傳感器模塊，即第一渦流式位移測量傳感器模塊5a、第二渦流式位移測量傳感器模塊5b和第三渦流式位移測量傳感器模塊5c ;每組渦流式位移測量傳感器模塊包含一個測量微動臺動子Z方向位移的位置測量傳感器和一個測量微動臺動子X方向或Y方向位移的位移測量傳感器，所述的三組渦流式位移測量傳感器模塊分別布置在微動臺基座I上表面的四個象限中的任意三個象限中(如圖3所示)。圖5為第一種電磁力驅動單元結構剖視圖。第一電磁力驅動單元包含上下兩部分永磁體組，通電線圈和骨架位於上下兩部分永磁體之間，並留有間隙；每部分永磁體組由主永磁體和附永磁體組成，實施例中包括第一主永磁體16、第二主永磁體17、第三主永磁體18、第四主永磁體19、第一附永磁體20和第二附永磁體21。在上部分永磁體組中，沿X軸方向依次為第一主永磁體16、第一附永磁體20和第二主永磁體17,各主永磁體與各附永磁體粘接固定於第一鐵軛22的表面上；在下部分永磁體組中，沿X軸方向依次為第三主永磁體18、第二附永磁體21和第四主永磁體19，各主永磁體與各附永磁體粘接固定於第二鐵軛23的表面上。第一主永磁體16和第三主永磁體18的充磁方向為Z軸負方向,第二主永磁體17和第四主永磁體19的充磁方向為Z軸正方向，第一附永磁體20的充磁方向為X軸負方向、第二附永磁體21的充磁方向為X軸正方向。各附永磁體與各主永磁體的磁場方向相互垂直，上下部分的各永磁體分別構成了 Halbach陣列形式，且形成封閉磁路。圖6為第二種電磁力驅動單元24的剖視圖。第二種電磁力驅動單元的永磁體包括外磁環26和內磁環27，其軸線沿Z軸方向，外磁環26與內磁環27充磁方向相同，沿徑向方向且由圓環外表面指向圓心。第二種電磁力驅動單元線圈組件25為圓柱形線圈，位於內磁環與外磁環之間，並與內外磁環同軸布置；在第二種電磁力驅動單元的中心軸線上還布置有一個圓筒狀的重力平衡磁柱28，其軸線沿Z軸方向，且與內外磁環同軸，並固定在微動臺基座I上，其充磁方向為軸線沿Z軸正方向。外磁環26、內磁環27以及重力補償磁柱28之間產生作用力，使得重力補償磁柱28受到的作用力與微動工作檯的動子部分的重力大小相等，方向相反，從而達到補償微動工作檯重力的目的。
如圖7至圖9所示，微動工作檯基於洛倫茲原理工作。水平面內驅動單元的永磁體產生的磁場方向、微動臺定子中線圈電流方向，以及產生的洛倫茲力方向兩者相互垂直。當只有第一種電磁力驅動模塊的第一組7a和第一種電磁力驅動模塊的第三組7c通相同方向電流時，驅動單元產生X方向洛倫茲力，從而實現微動臺動子沿X方向運動。當只有第一種電磁力驅動模塊的第二組7b和第一種電磁力驅動模塊的第四組7d通相同方向電流時，驅動單元產生Y方向洛倫茲力，從而實現微動臺動子沿Y方向運動。當第一種電磁力驅動模塊的第一組7a和第一種電磁力驅動模塊的第三組7c通相反方向電流時，或者，第一種電磁力驅動模塊的第二組7b和第一種電磁力驅動模塊的第四組7d通相反方向電流時，驅動單元產生兩個相反方向洛倫茲力，從而實現微動臺動子繞Z轉動。如圖10至圖12所示，第二種電磁力驅動模塊產生的洛倫茲力沿Z軸方向。當第二種電磁力驅動模塊的第一組11a、第二種電磁力驅動模塊的第二組lib、第二種電磁力驅動模塊的第二組Ilc和第二種電磁力驅動模塊的第四組I ld，通相同方向電流時，驅動單元產生Z方向相同方向推力，從而實現微動臺動子沿Z方向運動。當第二種電磁力驅 動模塊的第一組11a、第二種電磁力驅動模塊的第二組Ilb通相同方向電流，而第二種電磁力驅動模塊的第二組Ilc和第二種電磁力驅動模塊的第四組I Id通與第二種電磁力驅動模塊的第一組11a、第二種電磁力驅動模塊的第二組Ilb相反方向電流時，驅動單元產生繞X軸力矩，從而實現微動臺動子繞X轉動。當第二種電磁力驅動模塊的第一組Ila和第二種電磁力驅動模塊的第四組Ild通相同方向電流時，而第二種電磁力驅動模塊的第二組Ilb和第二種電磁力驅動模塊的第二組Ilc通與第二種電磁力驅動模塊的第一組Ila相反方向電流時，驅動單元產生繞Y軸力矩，從而實現微動臺動子繞Y轉動。
權利要求
1.一種六自由度微動工作檯，含有實現微動工作檯在水平面內沿X方向、Y方向和繞Z軸旋轉三個自由度運動的第一種電磁力驅動模塊和實現微動工作檯沿Z方向、繞X軸旋轉和繞Y軸旋轉的三個自由度的運動的第二種電磁力驅動模塊，其特徵在於所述的第一種電磁力驅動模塊採用四組，其中兩組電磁力驅動模塊沿X軸關於Y軸對稱布置，另外兩組電磁力驅動模塊沿Y軸關於X軸對稱布置，所述第二種電磁力驅動模塊採用四組，分別布置在微動臺基座上表面的四個象限中，四組第二種電磁力驅動模塊與四組第一種電磁力驅動模塊相間布置；每組第一種電磁力驅動模塊和每組第二種電磁力驅動模塊至少包括一個電磁力驅動單元，每個電磁力驅動單元由永磁體、軛鐵、永磁體骨架、通電線圈和線圈骨架構成； 四組第一種電磁力驅動模塊的永磁體、軛鐵和永磁體骨架以及四組第二種電磁力驅動模塊的永磁體、永磁體骨架共同組成微動工作檯的動子部分；四組第一種電磁力驅動模塊和四組第二種電磁力驅動模塊的通電線圈和線圈骨架以及微動臺基座(I)共同組成微動工作檯的定子部分。
2.如權利要求I所述的一種六自由度微動工作檯，其特徵在於所述的微動工作檯還包含一個殼體(2)，所述的微動工作檯的動子部分和定子部分布置在殼體(2)內部，殼體(2)與微動工作檯的動子部分固定在一起；所述的殼體(2)的四個側面為反射鏡面，反射鏡面與水平面垂直，且相鄰兩個反射鏡面互相垂直；所述殼體上表面設有一個圓形凹槽；在殼體(2)的任意兩個相對側面的下方分別布置一條反射鏡(6)，所述反射鏡的鏡面與相應的殼體的反射鏡面成135°夾角。所述的殼體(2)採用碳化矽陶瓷材料加工而成。
3.如權利要求2所述的一種六自由度微動工作檯，其特徵在於所述的殼體(2)採用碳化矽陶瓷材料加工而成。
4.如權利要求1、2或3所述的一種六自由度微動工作檯，其特徵在於所述的微動工作檯還包含三組渦流式位移測量傳感器模塊，每組渦流式位移測量傳感器模塊包含一個測量微動臺動子Z方向位移的位置測量傳感器和一個測量微動臺動子X方向或Y方向位移的位移測量傳感器，所述的三組渦流式位移測量傳感器模塊分別布置在微動臺基座(I)上表面的四個象限中的任意三個象限中。
5.按照權利要求I所述的一種六自由度微動工作檯，其特徵在於第一種電磁力驅動模塊的永磁體包括上下兩部分永磁體組，通電線圈位於上下兩部分永磁體組之間，並留有間隙；每部分永磁體組由主永磁體和附永磁體組成，主永磁體與附永磁體以Halbach陣列形式粘接固定於軛鐵的表面上，相鄰的主永磁體與附永磁體的磁場方向相互垂直，在各永磁體之間形成封閉磁路。
6.按照權利要求I所述的一種六自由度微動工作檯，其特徵在於第二種電磁力驅動模塊的永磁體包括外磁環和內磁環，外磁環與內磁環的軸線沿Z軸方向同軸布置，外磁環與內磁環充磁方向相同，沿徑向方向且由圓環外表面指向圓心；通電線圈為圓柱形線圈，位於內磁環與外磁環之間，並與內外磁環同軸布置；在第二種電磁力驅動單元的中心軸線上還布置有一個重力平衡磁柱，該重力平衡磁柱的軸線沿Z軸方向與內外磁環同軸，並固定在微動臺基座(I)上，其充磁方向沿Z軸方向。
全文摘要
一種六自由度微動工作檯，含有實現微動工作檯在水平面內X方向、Y方向和繞Z軸旋轉的第一種電磁力驅動模塊和實現微動工作檯沿Z方向、繞X軸旋轉和繞Y軸旋轉的第二種電磁力驅動模塊；第一種電磁力驅動模塊和第二種電磁力驅動模塊均採用四組，四組第二種電磁力驅動模塊與四組第一種電磁力驅動模塊相間布置。第一種電磁力驅動模塊的永磁體、軛鐵和永磁體骨架以及四組第二種電磁力驅動模塊的永磁體、永磁體骨架共同組成微動工作檯的動子部分；四組第一種電磁力驅動模塊和四組第二種電磁力驅動模塊的線圈和線圈骨架以及微動臺基座共同組成微動工作檯的定子部分。本發明與現有技術相比，具有結構更加簡單、緊湊、質心驅動和微動臺動子慣量小等特點。
文檔編號G03F7/20GK102880009SQ20121032426
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月4日 優先權日2012年9月4日
發明者張鳴, 朱煜, 田麗, 張利, 秦慧超, 王平安, 劉召, 楊開明, 徐登峰, 胡金春, 尹文生 申請人:清華大學