3t1r四自由度精密定位工作檯的製作方法

2023-05-15 00:45:56

專利名稱：3t1r四自由度精密定位工作檯的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種微作業系統，具體為一種可應用於壓印光刻系統的3T1R四自由度精密定位工作檯。
背景技術：
納米器件可廣泛應用於電子學、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展方向。納米壓印光刻技術是一種全新的納米圖形複製方法，其優勢十分明顯，具有強大競爭力，從根本上展示了納米器件生產的廣闊前景，因此在2003年底被國際半導體藍圖機構規劃為下一代32納米節點光刻工藝的關鍵技術。定位工作檯一直是傳統光刻系統的關鍵部分。現有的用於光刻系統的精密定位工作檯多採用氣浮系統，由線性步進電機驅動，如稽鈞生，X射線光刻機中應用的精密定位工作檯，航空精密製造技術，1998年34卷3期，1(Γ12.中介紹的羅斯普拉納爾光刻機和朱煜等，光刻機超精密工件臺研究，電子工業專用設備，2004年109期，25 27.中介紹的國內第一套氣浮精密定位工作檯。滾珠式導軌和螺紋絲槓驅動機構結合形式的精密定位機構驅動速度難以達到光刻系統工作檯的速度要求，應用範圍受到限制。而採用步進電機通過摩擦機構驅動，由滾珠導軌帶動工作檯的精密定位系統，難以克服運動間歇、低速爬行和高速振動、機械穩定建立時間長、無法達到高的運動定位精度等弊病。LeeDeug Woo等,用於納米壓印光刻過程中的自動對準系統的研究，Proceedings of the 1st InternationalConference on Positioning Technology Japan:Hamamatsu, 2004 年 97 101 (Lee DeugWoo,Lee Chae Moon, Chee Dong Hwan. A study on auto alignment system of NanoImprint Lithography(NIL)process. Proceedings of the 1st International Conferenceon Positioning Technology Japan:Hamamatsu，2004. 97 101)中介紹的半球式空氣軸承壓印機利用氣流閥控制壓力，通過半球形的空氣軸承實現承片臺的平行度調整，成本低、結構簡單，但調整精度有待提高。另外，釆用壓電陶瓷與直線電機複合驅動方式的新型精密定位系統，雖然有效的提1 了納米壓印裝備的定位精度、減小了系統穩定時間，但現有壓印設備中末端執行件的平行度調整均釆用被動方式，即通過柔性材料在壓印過程中產生的彈性變形實現承片臺位姿的自適應調整，限制了壓印精度和質量的提高，例如B. J. Choi等，步進閃光壓印光刻定位平臺的設計，Precision Engineering, 2001年25卷
3期，192-199 (B. J. Choi, S. V. Sreenivasanj S. Jonhsonj M. Colburn, C. G. Wilson, Designof orientation stage for step and flash imprint lithography, Precision Engineering, 2001，25 (3) : 192-199. )、Jae-Jong Lee 等，用於製備 IOOnm 線寬特徵的納米壓印光刻設備的設計與分析，Current Applied Physics, 2006年第6期，1007-1011(Jae-Jong Lee, Kee-Bong Choi, Gee-Hong Kim，Design and analysis of the single-stepnanoimprinting lithography equipment for sub—lOOnm linewidth, Current AppliedPhysics 2006,6:1007 - 1011.)中就報導了此種類型的設備及相關技術。也有些研究者釆用被動適應、主動找平及手工調整相結合的方式，如範細秋等，寬範圍高對準精度納米壓印樣機的研製，中國機械工程，2005年，16卷增刊，64-67、嚴樂等，冷壓印光刻工藝精密定位工作檯的研製，中國機械工程，2004年，15卷I期，75-78.中報導的此類精密定位工作檯設計；而另一些研究者則另闢新徑，比如，董曉文等，氣囊氣缸式紫外納米壓印系統的設計，半導體光電，2007年，28卷5期，676-684.中介紹的技術。除此之外，全球各大壓印光刻設備商業機構在納米壓印定位系統研製方面的發展也有目共睹。2008年，歐洲信息化技術研究委員會成功開發了第一代商用極紫外納米壓印光刻設備。同年10月，全球領先的納米壓印設備供應商SUSS宣布，其手動光刻機外加一個納米壓印組件，便可以對大面積圖形重複進行亞50納米的壓印。考慮上述精密定位系統的不足，基於新型構型形式和驅動方式的精密定位系統研究，是納米壓印裝備中的重要研究內容，對於促進IC加工技術的發展具有重要的理論意義和工程實用價值
發明內容
本發明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種一種高剛度、高精度、低慣量、結構緊湊、無誤差積累且無機械摩擦、無間隙的3T1R四自由度精密定位工作檯。本發明為解決公知技術中存在的技術問題所採取的技術方案是一種3T1R四自由度精密定位工作檯，包括動平臺、柔性末端支撐架、四個柔性支鏈、底座和四個壓電陶瓷驅動器；所述柔性末端支撐架呈「工」字形，位於四個所述柔性支鏈的頂端與所述動平臺之間，包括橫截面為圓形的剛性支撐和兩個剛性連接件，所述剛性支撐的豎直兩端各通過一第一彈性鉸鏈與一所述剛性連接件相連；所述動平臺固定在所述剛性支撐上；四個所述柔性支鏈並聯在所述底座和所述柔性末端支撐架之間，並且結構相同，所述柔性支鏈包括通過第二彈性鉸鏈連接的柔性主動臂和柔性從動臂；所述柔性從動臂包括橫向上連杆、兩根豎向連杆和橫向下連杆，兩根所述豎向連杆的上端各通過一第三彈性鉸鏈與所述橫向上連杆連接，兩根所述豎向連杆的下端各通過一第四彈性鉸鏈與所述橫向下連杆連接，所述橫向上連杆、兩根所述豎向連杆和所述橫向下連杆形成平行四邊形；所述柔性主動臂呈「L」形，在其橫向部分內設有第五彈性鉸鏈；所述柔性支鏈的上端通過第六彈性鉸鏈與所述柔性末端支撐架連接，下端固連在所述底座上；相鄰的兩個所述柔性支鏈形成一組，它們的中心對稱面相互平行，另外兩個所述柔性支鏈形成另一組，它們的中心對稱面共面；兩組所述柔性支鏈的中心對稱面垂直；所述底座上固定有剛性支撐臺，四個所述壓電陶瓷驅動器水平安裝在所述剛性支撐臺上，分別驅動四個所述柔性支鏈的所述主動臂。所述壓電陶瓷驅動器以過盈裝配的方式安裝在所述柔性支鏈和所述剛性支撐臺之間。本發明具有的優點和積極效果是1)採用柔性並聯結構，具有高剛度、高精度、低慣量、結構緊湊、無誤差積累等優點。2)基於單自由度柔性鉸鏈的彈性變形，所產生的鉸鏈轉角變化及執行器末端工作空間均很微小，可以有效消除並聯機構固有的非線性等缺點。
3)採用壓電陶瓷驅動器推動驅動環節能夠實現壓印光刻過程中模板和基片間相對位置的主動調整。可作為納米壓印光刻定位系統的輔助定位平臺，實現納米壓印光刻過程中的微量進給和精密定位。


圖I為本發明的結構示意圖；圖2為本發明柔性末端支撐架上端面的示意圖；圖3為本發明柔性末端支撐架下端面的示意圖；圖4為本發明柔性支鏈的示意圖；圖5為本發明底座的示意圖；圖6為本發明中壓電陶瓷驅動器的分布示意圖。
具體實施方式
為能進一步了解本發明的發明內容、特點及功效，茲例舉以下實施例，並配合附圖詳細說明如下請參閱圖I 圖6，一種3T1R四自由度精密定位工作檯，包括動平臺I、柔性末端支撐架2、四個柔性支鏈3-1、3-2、3-3、3-4、底座4和四個壓電陶瓷驅動器。柔性末端支撐架2呈「工」字形，位於四個柔性支鏈3-1、3-2、3-3、3_4頂端與動平臺I之間，包括橫截面為圓形的剛性支撐21和兩個剛性連接件25，剛性支撐21的豎直兩端分別通過第一彈性鉸鏈22、23與兩個剛性連接件25相連，兩個剛性連接件25的左右端部分別設有螺紋孔24。四個柔性支鏈3-1、3-2、3-2、3-4分別通過四組螺紋孔24與柔性末端支撐架2實現螺紋連接。所述動平臺I固定在所述剛性支撐21上。請參閱圖I和圖4，四個柔性支鏈3-1、3-2、3-3、3_4並聯在底座4和所述柔性末端支撐架2之間，並且結構相同，每個柔性支鏈均包括通過第二彈性鉸鏈39連接的柔性主動臂37和柔性從動臂。柔性從動臂包括橫向上連杆35 (I)、兩根豎向連杆36 (1),36 (2)和橫向下連杆35 (2)，兩根豎向連杆36 (1),36 (2)的上端各通過一第三彈性鉸鏈32 (I)與橫向上連杆35 (I)連接，兩根豎向連杆36 (1),36 (2)的下端各通過一第四彈性鉸鏈32
(2)與橫向下連杆35 (2)連接，橫向上連杆35 (I)、兩根豎向連杆36 (1),36 (2)和橫向下連杆35 (2)形成平行四邊形。柔性主動臂呈「L」形，在其橫向部分內設有第五彈性鉸鏈33。柔性支鏈上端通過第六彈性鉸鏈31與柔性末端支撐架2連接，下端固連在底座4上。柔性鉸鏈31上設有螺紋孔34，柔性鉸鏈31通過螺紋孔34實現與柔性末端支撐架2的螺紋連接；柔性主動臂37的橫向部分上設有螺紋孔38，柔性支鏈通過螺紋孔38實現與底座4的螺紋連接。相鄰的兩個柔性支鏈3-1、3-2形成第一組柔性支鏈，它們的中心對稱面相互平行，另外兩個柔性支鏈3-3、3-4形成第二組柔性支鏈，它們的中心對稱面共面；第一組柔性支鏈中每個柔性支鏈3-1、3-2的中心對稱面與第二組柔性支鏈中柔性支鏈的中心對稱面垂直。請參閱圖I、圖5和圖6，底座4上設置「T」形剛性支撐臺42和四個螺紋孔41 ;「T」形剛性支撐臺42用於支撐四個壓電陶瓷驅動器5-1、5-2、5-3、5-4，四個柔性支鏈3-1、3-2、3-3、3-4通過四個螺紋孔41實現與底座4的螺紋連接。四個壓電陶瓷驅動器5-1、5-2、5-3、5-4分別沿水平方向驅動四個柔性支鏈3-1、3-2、3-3、3-4的柔性主動臂37，實現動平臺I的精密動作。為了避免壓電陶瓷在驅動過程中與柔性支鏈脫離，四個壓電陶瓷驅動器以過盈裝配方式安裝在四個柔性支鏈和剛性支撐臺42之間，實現預緊，四個壓電陶瓷驅動器水平放置。上述3T1R四自由度精密定位工作檯可作為納米壓印光刻定位系統的輔助定位平臺，實現納米壓印過程中的微量進給和精密定位。本發明的工作原理本裝置可實現x-y-z- Θ z三個平動自由度和一個轉動自由度的主動調整。為了說明其工作方式，這裡首先設定X軸，y軸位於水平面內，X軸沿第一組柔性支鏈3-1、3-2的中心對稱面方向，Y軸沿第二組柔性支鏈3-3、3-4的中心對稱面方向，而Z軸垂直於X軸和Y軸組成的平面且三者滿足右手法則。同時驅動兩個壓電陶瓷驅動器5-1、5_2，經過柔性支鏈3-1、3_2傳遞，輸入作用力施加於柔性末端支撐架2，經剛性支撐21帶動動平臺I實現沿X方向的平動。驅動壓電陶瓷驅動器5-3 (或壓電陶瓷驅動器5-4)，經過柔性支鏈3_3 (或柔性支 鏈3-4)傳遞後，輸入作用力施加於柔性末端支撐架2的末端位置，經柔性末端支撐架2內的第一彈性鉸鏈22、23傳遞給剛性支撐21，帶動動平臺I實現沿y方向的平動。四個壓電陶瓷驅動器5-1、5-2、5-3、5_4同時驅動，經過四個柔性支鏈3_1、3_2、3-3、3-4傳遞後，輸入作用力施加於柔性末端支撐架2的四個末端位置，經剛性支撐21實現動平臺I沿z方向的平動。同時驅動兩個壓電陶瓷驅動器5_1、5_4 (或同時驅動兩個壓電陶瓷驅動器5-2、5-3)，經過柔性支鏈3-1、3-4 (或柔性支鏈3-2、3-3)傳遞後，輸入作用力施加於柔性末端支撐架2的末端位置，引起柔性末端支撐架2內的第一彈性鉸鏈22、23的彈性變形，從而實現剛性支撐21以及動平臺I繞z軸的轉動。儘管上面結合附圖對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，並不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬於本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種3T1R四自由度精密定位工作檯，其特徵在於，包括動平臺、柔性末端支撐架、四個柔性支鏈、底座和四個壓電陶瓷驅動器； 所述柔性末端支撐架呈「工」字形，位於四個所述柔性支鏈的頂端與所述動平臺之間，包括橫截面為圓形的剛性支撐和兩個剛性連接件，所述剛性支撐的豎直兩端各通過一第一彈性鉸鏈與一所述剛性連接件相連； 所述動平臺固定在所述剛性支撐上； 四個所述柔性支鏈並聯在所述底座和所述柔性末端支撐架之間，並且結構相同，所述柔性支鏈包括通過第二彈性鉸鏈連接的柔性主動臂和柔性從動臂； 所述柔性從動臂包括橫向上連杆、兩根豎向連杆和橫向下連杆，兩根所述豎向連杆的上端各通過一第三彈性鉸鏈與所述橫向上連杆連接，兩根所述豎向連杆的下端各通過一第四彈性鉸鏈與所述橫向下連杆連接，所述橫向上連杆、兩根所述豎向連杆和所述橫向下連杆形成平行四邊形； 所述柔性主動臂呈「L」形，在其橫向部分內設有第五彈性鉸鏈； 所述柔性支鏈的上端通過第六彈性鉸鏈與所述柔性末端支撐架連接，下端固連在所述底座上； 相鄰的兩個所述柔性支鏈形成一組，它們的中心對稱面相互平行，另外兩個所述柔性支鏈形成另一組，它們的中心對稱面共面；兩組所述柔性支鏈的中心對稱面垂直； 所述底座上固定有剛性支撐臺，四個所述壓電陶瓷驅動器水平安裝在所述剛性支撐臺上，分別驅動四個所述柔性支鏈的所述主動臂。
2.根據權利要求I所述3T1R四自由度精密定位工作檯，其特徵在於所述壓電陶瓷驅動器以過盈裝配的方式安裝在所述柔性支鏈和所述剛性支撐臺之間。
全文摘要
本發明公開了一種3T1R四自由度精密定位工作檯，包括動平臺、柔性末端支撐架、四個柔性支鏈、底座和四個壓電陶瓷驅動器；所述柔性末端支撐架呈「工」字形，位於四個所述柔性支鏈的頂端與所述動平臺之間；所述動平臺固定在所述剛性支撐上；四個所述柔性支鏈並聯在所述底座和所述柔性末端支撐架之間，並且結構相同，所述柔性支鏈包括通過第二彈性鉸鏈連接的柔性主動臂和柔性從動臂；所述底座上固定有剛性支撐臺，四個所述壓電陶瓷驅動器水平安裝在所述剛性支撐臺上，分別驅動四個所述柔性支鏈的所述主動臂。本發明採用柔性並聯結構，具有高剛度、高精度、低慣量、結構緊湊、無誤差積累等優點。
文檔編號G03F7/00GK102819186SQ20121032867
公開日2012年12月12日 申請日期2012年9月7日 優先權日2012年9月7日
發明者田延嶺, 賈曉輝, 張大衛, 田佳 申請人:天津大學