專利名稱：一種超薄3自由度微動工作臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微動工作臺，尤其涉及一種超薄3自由度微動工作臺，主要應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻設(shè)備中，屬于超精密微動工作臺領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
具有高精度和快速響應(yīng)的微動工作臺在現(xiàn)代制造技術(shù)中具有極其重要的地位，被視為一個國家高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。在超精密機床中，超精密微動工作臺用于對進給系統(tǒng)進行誤差補償，實現(xiàn)超精密加工；在大規(guī)模集成電路制造中，超精密微動工作臺用于光刻設(shè)備中進行微定位和微進給；在掃描探針顯微鏡中，超精密微動工作臺用于測量樣品表面形貌，進行納米加工；在生物工程方面，超精密微動工作臺用于完成對細(xì)胞的操作，實現(xiàn)生物操作工程化；在醫(yī)療科學(xué)方面，超精密微動工作臺用于顯微外科手術(shù)，以便減輕醫(yī)生負(fù)擔(dān)，縮短手術(shù)時間，提高成功率。超精密微動工作臺還被廣泛應(yīng)用于光纖對接，MEMS系統(tǒng)加工、封裝及裝配，以及電化學(xué)加工等領(lǐng)域中。
在半導(dǎo)體光刻設(shè)備中，光刻機硅片臺和掩模臺大多采用粗精疊層結(jié)構(gòu)，包含一個超精密微動工作臺。該微動臺疊加于粗動臺之上，用于對粗動臺進行精度補償。微動工作臺定位精度決定了光刻機的曝光精度，定位速度影響光刻機的生產(chǎn)效率。因此，美國、日本、歐洲等發(fā)達國家均把超精密微動工作臺技術(shù)視為光刻機核心技術(shù)之一，對我國相關(guān)產(chǎn)品進行嚴(yán)格的進口限制。
概括目前國內(nèi)外納米級微動工作臺研究現(xiàn)狀，超精密微動臺通常有三類，伺服電機通過絲杠傳動/直線導(dǎo)軌支撐微動工作臺，壓電陶瓷驅(qū)動/柔性鉸鏈支撐導(dǎo)向微動工作臺，以及音圈電機或變磁阻電機驅(qū)動/氣浮或磁浮支撐微動工作臺。
前兩種微動臺由于支撐系統(tǒng)的摩擦阻尼非線性等因素影響，均無法滿足光刻設(shè)備高速度、大負(fù)載、高動態(tài)特性的要求。采用音圈電機/氣浮支撐的微動臺可以滿足光刻設(shè)備的要求，但存在結(jié)構(gòu)整體性差，臺體較厚，質(zhì)心高等不足，其性能受到一定局限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超薄3自由度微動工作臺，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，微動臺動子慣量小等特點，以滿足光刻設(shè)備高速度、大負(fù)載、高動態(tài)特性要求。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種超薄3自由度微動工作臺，該工作臺由微動臺基座，微動臺動子以及微動臺定子組成，其特征在于所述微動工作臺具有3組電磁力驅(qū)動單元，驅(qū)動單元分別嵌入在微動臺動子和微動臺定子中，所述的微動臺動子包括動子下滑蓋和動子上滑蓋，動子下滑蓋嵌有所述3組驅(qū)動單元的下永磁體組件，每個下永磁體組件由兩片磁極方向相反布置的永磁體和設(shè)置在永磁體下面的鐵軛組成，動子上滑蓋嵌有所述3組驅(qū)動單元的上永磁體組件，每個上永磁體組件由兩片磁極方向相反布置的永磁體和設(shè)置在永磁體上面的鐵軛組成；所述的微動臺定子包括線圈骨架和3組驅(qū)動單元的線圈，所述3組驅(qū)動單元的線圈嵌入單層的線圈骨架中；微動臺動子可通過氣浮或磁浮軸承懸浮在微動臺基座之上，與微動臺定子保持間隙；微動臺定子與微動臺基座固定聯(lián)接。
本發(fā)明所述的3組驅(qū)動單元，其中兩組驅(qū)動單元的驅(qū)動軸線平行但不重合，第三組驅(qū)動單元的驅(qū)動軸線與前兩組正交，分別用以驅(qū)動微動工作臺實現(xiàn)平面內(nèi)X、Y、θZ3個自由度的運動。
在本發(fā)明中，所述磁浮軸承可采用四對平面磁浮軸承，分別布置在微動工作臺的四個角中。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述微動臺基座相鄰的兩個側(cè)面可分別布置1個和2個位移檢測傳感器，用以實現(xiàn)微動臺X、Y和θZ3個自由度的位移檢測。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述微動臺基座邊緣加工有凸臺，用于支撐微動臺定子。
本發(fā)明的又一技術(shù)特征是所述微動工作臺中間留有方形孔結(jié)構(gòu)，以允許中間安裝掩模版。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果所述微動工作臺3組驅(qū)動單元的線圈嵌入單一的線圈骨架中，組成微動臺定子，致使整個微動工作臺結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，微動臺動子慣量小，重心低，具備實現(xiàn)高速、高加速的可能；所述微動臺采用電磁力直接驅(qū)動，致使微動臺在運動方向不存在機械摩擦，無阻尼，具有較高的位移分辨率；所述微動臺基于洛倫茲原理工作，輸出推力與輸入電流之間成線性關(guān)系，運動控制技術(shù)成熟。


圖1為本發(fā)明提供的超薄3自由度微動工作臺三維結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明一個實施例的三維結(jié)構(gòu)分解圖。
圖3為微動工作臺定子結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為微動工作臺動子下滑蓋結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為微動工作臺動子上滑蓋結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6a、6b和6c分別表示微動工作臺3種受力及運動狀態(tài)。
圖7為微動工作臺位移檢測原理圖。
圖中1-微動臺基座；2-微動臺動子；2a-動子下滑蓋；2b-動子上滑蓋；3-微動臺定子；11-第一驅(qū)動單元；12-第二驅(qū)動單元；13-第三驅(qū)動單元；14-第四驅(qū)動單元；21-第一磁浮軸承；22-第二磁浮軸承；23-第三磁浮軸承；24-第四磁浮軸承。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明所述微動工作臺由微動臺基座1、微動臺動子2，以及微動臺定子3三部分組成。微動臺動子2包括兩部分，分別為動子下滑蓋2a和動子上滑蓋2b，二者固定聯(lián)接。微動臺基座1四個角加工有凸臺，起支撐微動臺定子3作用。微動臺定子3介于動子下滑蓋2a和動子上滑蓋2b之間，并通過凸臺與微動臺基座1固定聯(lián)接。
微動工作臺具有3組電磁力驅(qū)動單元，每組驅(qū)動單元至少包含1個電磁力驅(qū)動單元，每個電磁力驅(qū)動單元由上永磁體組件、下永磁體組件和線圈組成。作為本發(fā)明的一個實施例，微動工作臺可具有四個電磁力驅(qū)動單元(11、12、13、14)，如圖2、3所示，四個驅(qū)動單元組成3組，其中第一驅(qū)動單元11和第三驅(qū)動單元13分別作為一組，第二驅(qū)動單元12與第四驅(qū)動單元14串聯(lián)，組成第三組，前兩組驅(qū)動單元的驅(qū)動軸線平行但不重合，都沿X方向，第三組驅(qū)動單元的驅(qū)動軸線與前兩組正交，沿Y方向。
如圖3所示，四個驅(qū)動單元(11、12、13、14)的線圈嵌入單層的線圈骨架中，組成微動臺定子3。如圖4所示，動子下滑蓋2a安裝有四個驅(qū)動單元(11、12、13、14)的下永磁體組件，所述下永磁體組件位于線圈有效驅(qū)動方向的側(cè)邊，每個下永磁體組件由兩片磁極方向相反布置的永磁體和設(shè)置在永磁體下面的鐵軛組成，動子上滑蓋2b包含安裝有四個驅(qū)動單元(11、12、13、14)的上永磁體組件，每個上永磁體組件由兩片磁極方向相反布置的永磁體和設(shè)置在永磁體上面的鐵軛組成；全部永磁體組件分別嵌入動子下滑蓋2a和動子上滑蓋2b兩層中，從而在微動臺定子3的線圈上下形成封閉磁路。
如圖3所示，本發(fā)明所述微動臺定子3包含四個驅(qū)動單元的線圈和四對平面磁浮軸承，所述驅(qū)動單元的線圈位于動子上下滑蓋永磁體組件產(chǎn)生的封閉磁場中，通以電流從而產(chǎn)生洛倫茲驅(qū)動力，所述平面磁浮軸承位于微動臺定子3的四個角上，與微動臺動子2平面磁浮軸承一起，通過磁斥力將微動臺動子2懸浮起來。
如圖4和圖5所述，本發(fā)明所述微動臺動子2包含動子下滑蓋2a和動子上滑蓋2b，動子下滑蓋2a包含四個驅(qū)動單元的下永磁體組件和四對平面磁浮軸承，動子上滑蓋2b在相應(yīng)位置包含四個驅(qū)動單元的上永磁體組件和四對磁浮平面軸承，所述驅(qū)動單元的永磁體組件在微動臺定子3驅(qū)動單元的線圈上下形成封閉磁場。
如圖6所示，本發(fā)明所述微動臺基于洛倫茲原理驅(qū)動。第一驅(qū)動單元11和第三驅(qū)動單元13的線圈獨立工作，當(dāng)兩驅(qū)動單元的線圈通以相同方向電流時，兩驅(qū)動單元產(chǎn)生同向推力，驅(qū)動微動臺動子2沿X方向平動(如圖6a所示)。當(dāng)?shù)谝或?qū)動單元11和第三驅(qū)動單元13的線圈通以相反方向電流時，兩驅(qū)動單元產(chǎn)生反向推力，驅(qū)動微動臺動子2繞Z軸轉(zhuǎn)動(如圖6c所示)。第二驅(qū)動單元12和第四驅(qū)動單元14的線圈串聯(lián)，兩驅(qū)動單元產(chǎn)生同向推力，驅(qū)動微動臺動子2沿Y方向平動(如圖6b所示)。
如圖7所示，本發(fā)明所述微動臺包含3個位移檢測傳感器，第1個和第2個位移檢測傳感器并排布置在X方向，二者之間距離為d，第3個位移檢測傳感器布置在Y方向。X方向位移和繞Z轉(zhuǎn)動角度可由第1個位移檢測傳感器和第2個位移檢測傳感器測得，分別為X方向位移x=x1+x22,]]>繞Z軸轉(zhuǎn)動角度θz=arctanx1-x2d.]]>Y方向位移由第3傳感器測得，y＝y(tǒng)1。
作為本發(fā)明的主要應(yīng)用，該微動工作臺可安裝在半導(dǎo)體光刻設(shè)備的掩模臺中，因此微動工作臺中間留有方形孔結(jié)構(gòu)，以提供掩模版的安裝空間。
權(quán)利要求
1.一種超薄3自由度微動工作臺，該工作臺由微動臺基座(1)，微動臺動子(2)以及微動臺定子(3)組成，其特征在于所述微動工作臺具有3組電磁力驅(qū)動單元，驅(qū)動單元分別嵌入在微動臺動子和微動臺定子中，所述的微動臺動子包括動子下滑蓋(2a)和動子上滑蓋(2b)，動子下滑蓋嵌有所述3組驅(qū)動單元的下永磁體組件，每個下永磁體組件由兩片磁極方向相反布置的永磁體和設(shè)置在永磁體下面的鐵軛組成，動子上滑蓋嵌有所述3組驅(qū)動單元的上永磁體組件，每個上永磁體組件由兩片磁極方向相反布置的永磁體和設(shè)置在永磁體上面的鐵軛組成；所述的微動臺定子包括線圈骨架和3組驅(qū)動單元的線圈，所述3組驅(qū)動單元的線圈嵌入單層的線圈骨架中；微動臺動子通過氣浮或磁浮軸承懸浮在微動臺基座之上，與微動臺定子保持間隙；微動臺定子與微動臺基座固定聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3自由度微動工作臺，其特征在于所述3組電磁力驅(qū)動單元，其中兩組驅(qū)動單元的驅(qū)動軸線平行但不重合，第三組驅(qū)動單元的驅(qū)動軸線與前兩組正交，分別用以驅(qū)動微動工作臺實現(xiàn)平面內(nèi)X、Y、θZ3個自由度的運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的3自由度微動工作臺，其特征在于所述磁浮軸承可采用四對平面磁浮軸承，分別布置在于在微動工作臺的四個角中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3自由度微動工作臺，其特征在于所述微動臺基座相鄰的兩個側(cè)面可分別布置1個和2個位移檢測傳感器，用以實現(xiàn)微動臺X、Y和θZ3個自由度的位移檢測。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3自由度微動工作臺，其特征在于所述微動臺基座邊緣加工有凸臺，用于支撐微動臺定子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3自由度微動工作臺，其特征在于所述微動工作臺中間留有方形孔結(jié)構(gòu)，以允許中間安裝掩模版。
全文摘要
一種超薄3自由度微動工作臺，屬于超精密微動工作臺領(lǐng)域。本發(fā)明由微動臺基座，微動臺動子以及微動臺定子組成，含有3組電磁力驅(qū)動單元。3組驅(qū)動單元的線圈嵌入單一的線圈骨架中，組成微動臺定子；微動臺動子包含兩部分，分別為動子下滑蓋和動子上滑蓋，兩者固定聯(lián)接，并通過氣浮或磁浮軸承懸浮在微動臺基座之上。本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，微動臺動子慣量小，重心低，具備實現(xiàn)高速、高加速的可能。該微動工作臺采用電磁力直接驅(qū)動，致使微動臺在運動方向不存在機械摩擦，無阻尼，具有較高的位移分辨率。本發(fā)明基于洛倫茲原理工作，輸出推力與輸入電流之間成線性關(guān)系，運動控制技術(shù)成熟。
文檔編號B25H1/00GK101075098SQ20071011159
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月27日
發(fā)明者朱煜, 張鳴, 李廣, 尹文生, 徐登峰 申請人:清華大學(xué)