一種大尺寸光柵制造設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種大尺寸光柵制造設(shè)備，屬于高精度自動化刻蝕設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】。X軸直線電機驅(qū)動被加工工件以極低速連續(xù)運動或納米級定位運行，Z軸直線電機驅(qū)動化學涂膠或光刻處理盒運動，調(diào)節(jié)化學涂膠或光刻處理盒與被加工工件之間的距離。整機振動頻率在10Hz以下，消除了設(shè)備自身振動及環(huán)境的振動噪聲影響。被加工工件以極低速平穩(wěn)運行時，CNC數(shù)控裝置控制化學涂膠或光刻處理盒進行高質(zhì)量連續(xù)均勻地鍍膜。直線電機驅(qū)動被加工工件以納米級定位精度極低速運行時，CNC數(shù)控裝置控制化學涂膠或光刻蝕處理盒進行激光直寫式或小尺寸激光干涉式刻蝕工作，在被加工工件的加工面刻蝕出高質(zhì)量高密度的周期性納米溝槽。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，提高了大尺寸微納米結(jié)構(gòu)的制造效率。
【專利說明】一種大尺寸光柵制造設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于高精度自動化刻蝕設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種超精密大尺寸光柵鍍膜及定位光刻設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]光柵是光學系統(tǒng)和科學儀器如大型天文望遠鏡、慣性約束核聚變激光點火系統(tǒng)、光刻系統(tǒng)等工程系統(tǒng)中的核心光學元件。光柵的尺寸、柵線密度及精度約束了光學儀器系統(tǒng)的發(fā)展，因此大尺寸高精度密光柵的制造成了光柵制造領(lǐng)域的亟需解決的熱點問題。
[0003]常用的光柵制造方法包括機械刻劃、激光直寫和激光干涉法等。CN102513878A公開了一種機械刻劃光柵設(shè)備，納米級定位工作臺采用內(nèi)外兩層臺的結(jié)構(gòu)，宏定位通過蝸輪蝸桿及絲杠傳動鏈驅(qū)動，完成第一級的微米精度定位，然后通過壓電陶瓷驅(qū)動實現(xiàn)納米級微定位。第一級微米精度定位工序效率低，此外受制于壓電陶瓷的工作行程，要進行大尺寸高精度密光柵的制造，還須進行一道機械拼接工序，并且機械拼接精度差、拼接過程復雜，因此其加工周期長。CN1424594A公開了一種制造小尺寸圓光柵的激光直寫裝置，對于大尺寸高精度光柵的制造無能為力。美國專利US5142385和國內(nèi)專利CN103092003A公開了兩種激光干涉光刻系統(tǒng)，均采用大尺寸光束形成大尺寸干涉圖形曝光基底實現(xiàn)大尺寸光柵制造。由于該專利公開的技術(shù)不能用于直寫方式進行光刻，只限于干涉方式進行光刻，因此光柵面積越大，干涉圖形面積和干涉光束尺寸越大，圖形非線性誤差和相位漂移引起的誤差越大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述技術(shù)方案的不足，本實用新型提供一種采用具有穩(wěn)定低速掃描性能和納米級定位精度的直線電機驅(qū)動的大尺寸光柵制造設(shè)備，適用于以激光直寫式或小尺寸光束激光干涉式進行光柵刻蝕，為制造大尺寸高精度密光柵的提供了一種可行解決方案。
[0005]本實用新型采用的方案如下:
[0006]所述一種大尺寸光柵制造設(shè)備主要包括氣浮靜壓平臺、伺服動力平臺、化學涂膠或光刻處理盒31、冷卻設(shè)備及空壓過濾設(shè)備集成體19和CNC數(shù)控裝置18 ;氣浮靜壓平臺可以調(diào)節(jié)設(shè)備的水平度，為伺服動力平臺提供穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)支撐，并消除該設(shè)備的固有頻率級環(huán)境的振動影響；伺服運動平臺一方面驅(qū)動被加工工件14在X軸方向以微納米精度連續(xù)掃描運動或精確定位運動，X軸方向位于水平方向，另一方面驅(qū)動化學涂膠或光刻處理盒31在Z軸方向上的運動，所述的X軸包括Xl軸和X2軸，Xl軸與X2軸互相平行，Z軸指垂直于X軸的豎直方向，精確調(diào)節(jié)化學涂膠或光刻處理盒31和被加工工件14的距離；冷卻設(shè)備及空壓過濾設(shè)備集成體19為氣浮靜壓平臺提供穩(wěn)定的氣源，并將伺服動力平臺和化學涂膠或光刻處理盒31的工作產(chǎn)熱帶走，避免熱輻射對精密制造的影響；CNC數(shù)控裝置18與伺服動力平臺和化學涂膠或光刻處理盒31組成伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制被加工工件14的運動與化學涂膠或光刻處理盒31的鍍膜或光刻工作精確匹配。[0007]所述氣浮靜壓平臺由調(diào)水平高度墊腳I 1、調(diào)水平高度墊腳II 1A、設(shè)備支架2、減振系統(tǒng)3和基座4組成；伺服動力平臺設(shè)置在精密研磨的基座4上，基座4位于減振系統(tǒng)3上，減振系統(tǒng)3采用低頻空氣式，實現(xiàn)伺服動力平臺的振動頻率在IOHZ以下，消除設(shè)備固有的振動頻率及環(huán)境的振動噪聲影響；伺服動力平臺主要由Xl軸直線電機、X2軸直線電機、升降Z軸直線電機、Z軸配重氣缸6、工作臺左右移動塊連接梁13、工作臺托板移動塊12、空氣靜壓導軌I 7、空氣靜壓滑塊I 8、空氣靜壓導軌II 7A、空氣靜壓滑塊II 8A和光柵組成；空氣靜壓導軌I 7、空氣靜壓滑塊I 8、空氣靜壓導軌II 7A、空氣靜壓滑塊II 8A、Xl軸直線電機、X2軸直線電機、工作臺托板移動塊12對稱布置于氣浮靜壓平臺的基座4上，工作臺托板移動塊12固定連接在空氣靜壓滑塊I 8和空氣靜壓滑塊II 8A上，被加工加工14放置于與工作臺托板移動塊12連接的工作臺左右移動塊連接梁13上，Xl軸直線電機和X2軸直線電機通過Xl軸直線電機動子10、X1軸電機連接塊11、X2軸直線電機動子IOA和X2軸電機連接塊IlA重心驅(qū)動被加工工件14精確運動，空氣靜壓導軌I 7、空氣靜壓滑塊I 8、空氣靜壓導軌II 7A和空氣靜壓滑塊II 8A對于被加工工件14的運動起到精密導向作用，Xl軸光柵15和X2軸光柵15A將被加工工件14的位置實時閉環(huán)反饋到CNC數(shù)控裝置18上，控制被加工工件14在X軸方向上納米級精度的連續(xù)掃描或定位運動；配重氣缸滑桿5直接固定在減振系統(tǒng)3上，Z軸左直線電機磁軌30和Z軸右直線電機磁軌30A對稱配置在Z軸配重氣缸6上，Z軸左直線電機線圈29和Z軸右直線電機線圈29A對稱固定在基座4上，Z軸工作臺30固接在Z軸配重氣缸6，化學涂膠或光刻處理盒31由Z軸工作臺30支撐，Z軸左直線電機磁軌30和Z軸右直線電機磁軌30A通過Z軸配重氣缸6和Z軸工作臺30重心驅(qū)動化學涂膠或光刻處理盒31在Z軸方向上運動，Z軸光柵16將化學涂膠或光刻處理盒31的位置實時閉環(huán)反饋到CNC數(shù)控裝置18上，控制化學涂膠或光刻處理盒31在Z軸中心線上以納米級精度精確定位。
[0008]所述設(shè)備的超精連續(xù)掃描運動、點對點精密定位和冷卻設(shè)備及空壓過濾設(shè)備集成體19都通過CNC數(shù)控裝置18進行運算和伺服指令控制。CNC數(shù)控裝置18具備PWM直接數(shù)字電流伺服控制功能，使伺服動力平臺和化學涂膠或光刻處理盒31在控制卡同一數(shù)字信號處理器的同一時鐘信號下協(xié)同工作。
[0009]Xl軸直線電機和X2軸直線電機采用推力波動小的大推力直線電機，該大推力直線電機采用內(nèi)部水冷方式，并且具有良好的低速勻速性能，在120mm/s的低速下速度波動小于0.2%，為高速微細超精密加工提供穩(wěn)定的伺服動力。
[0010]所述冷卻設(shè)備及空壓過濾設(shè)備集成體19為空氣靜壓導軌7、7A、空氣靜壓滑塊8、8A和Z軸配重氣缸6提供氣源，同時提供循環(huán)冷卻水消耗直線電機及化學涂膠或光刻處理盒31等的自產(chǎn)熱，恒溫外罩17將設(shè)備與環(huán)境隔開，實現(xiàn)整機設(shè)備的溫差在正負0.1度以下。
[0011]所述基座4采用經(jīng)過精密研磨的花崗巖、鑄鐵或者高性能機械陶瓷。
[0012]本實用新型可以獲得如下有益效果:
[0013]Xl軸直線電機和X2軸直線電機對稱布置在基座4的兩側(cè)，易于實現(xiàn)重心驅(qū)動被加工工件14在X軸方向上的平穩(wěn)運動，避免被加工工件14運動時的重心跳動給運動平臺帶來干擾。
[0014]Z軸配重氣缸6承受化學涂膠或光刻處理盒31的重量，降低了化學涂膠或光刻處理盒31對于Z軸直線電機的推力需求。
[0015]減振系統(tǒng)3消除了設(shè)備固有的振動頻率及環(huán)境的振動噪聲影響。恒溫外罩17將設(shè)備與環(huán)境隔開，降低環(huán)境溫度的影響。
[0016]伺服動力平臺和化學涂膠或光刻處理盒31在控制卡同一數(shù)字信號處理器的同一時鐘信號下協(xié)同工作，避免了時鐘誤差給高精密光柵制造帶來干擾。
[0017]采用具有良好低速性能及分辨率達到納米級的直線電機驅(qū)動方式。相對于傳統(tǒng)驅(qū)動方式，驅(qū)動速度較快、行程長，有助于實現(xiàn)高效大尺寸高精密光柵尺的制造。其次，直線電機既能實現(xiàn)高精度連續(xù)掃描運動，又能高精度的定位運動，為實現(xiàn)被加工工件14的均勻掃描鍍膜和高精度定位光刻提供支持。因此，該設(shè)備具有鍍膜和光刻功能，適用于作為激光直寫或小尺寸光束激光干涉式光柵制造設(shè)備的高精度驅(qū)動平臺，降低了光柵制造設(shè)備的成本，并提聞了大尺寸聞精密光棚制造的效率。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0018]圖1大尺寸光柵制造設(shè)備
[0019]圖2直線電機以120mm/s速度運行時的速度波動曲線圖
[0020]圖中，1.調(diào)水平高度墊腳I ;1A.調(diào)水平高度墊腳II ；2.設(shè)備支架；3.減振系統(tǒng)；
4.基座；5.配重氣缸滑桿；6.Z軸配重氣缸；7.空氣靜壓導軌I ;7A.空氣靜壓導軌II ；8.空氣靜壓滑塊I ;8A.空氣靜壓滑塊II ;9.X1軸直線電機定子；9A.X2軸直線電機定子；10.Xl軸直線電機動子；10A.X2軸直線電機動子；11.Xl軸電機連接塊；11A.X2軸電機連接塊；12.工作臺托板 移動塊；13.工作臺左右移動塊連接梁；14.被加工工件；15.X1軸光柵；15八^2軸光柵；16.2軸光柵；17.恒溫外罩；18.CNC數(shù)控裝置；19.冷卻設(shè)備及空壓過濾設(shè)備集成體；29.Z軸左直線電機線圈；29A.Z軸右直線電機線圈；30.Z軸左直線電機磁軌；30A.Z軸右直線電機磁；31.化學涂膠或光刻處理盒；32.Z軸工作臺。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖來說明本實用新型的具體實施例。
[0022]通過設(shè)備支架2下方設(shè)置的調(diào)水平高度墊腳I I和調(diào)水平高度墊腳II IA可以調(diào)整設(shè)備的水平度，設(shè)備支架2上部布置有減振系統(tǒng)3，基座4位于該低頻空氣減振系統(tǒng)3上，該設(shè)備的伺服動力平臺設(shè)置在經(jīng)過精密研磨的基座4上，實現(xiàn)伺服動力平臺的振動頻率在IOHz以下，消除設(shè)備固有振動并隔絕環(huán)境的影響。
[0023]所述冷卻設(shè)備及空壓過濾設(shè)備集成體19為空氣靜壓導軌I 7、空氣靜壓導軌II 7A、空氣靜壓滑塊I 8、空氣靜壓滑塊II 8A和Z軸配重氣缸6提供氣源，同時提供循環(huán)冷卻水消耗直線電機及化學涂膠或光刻處理盒31等的自產(chǎn)熱，恒溫外罩17將設(shè)備與環(huán)境隔開，實現(xiàn)整機設(shè)備的溫差在正負0.1度以下。
[0024]Xl軸直線電機動子10和X2軸直線電機動子10A，通過精密平穩(wěn)導向的空氣靜壓滑塊I 8和空氣靜壓滑塊II 8A，驅(qū)動工作臺托板移動塊12和被加工工件14在X軸上以數(shù)十毫米/秒的低速往復運動，Xl軸光柵15和X2軸光柵15A將被加工工件14的位置實時反饋到CNC數(shù)控裝置18，保證工件的納米級定位精度。
[0025]Z軸左直線電機磁軌30和Z軸左直線電機磁軌30A通過Z軸工作臺32，調(diào)節(jié)化學涂膠或光刻處理盒31與被加工工件14之間的距離，Z軸光柵16將化學涂膠或光刻處理盒31的位置閉環(huán)反饋到CNC數(shù)控裝置18，保證Z軸工具的納米級定位精度。
[0026]伺服動力平臺(包括Xl軸、X2軸直線電機和Z軸直線電機)和化學涂膠或光刻處理盒31在控制卡同一數(shù)字信號處理器的同一時鐘信號下協(xié)同工作，保證化學涂膠或光刻處理盒31的鍍膜和光刻工作與被加工工件的運動形式精密匹配，避免時鐘誤差帶來鍍膜均勻性和刻蝕質(zhì)量差的問題。
[0027]如圖2所示，Xl軸直線電機10和X2軸直線電機IOA具有高性能的極低速勻速性能，其速度波動性在0.2%以下。在化學涂膠或光刻處理盒31對被加工工件14進行鍍膜工作時，CNC數(shù)控裝置18控制被加工工件14以低于120mm/s的極低速平穩(wěn)運行，實現(xiàn)高質(zhì)量連續(xù)均勻地鍍膜。
[0028]在激光刻蝕工作時，直線電機驅(qū)動被加工工件14以納米級定位精度極低速運行，CNC數(shù)控裝置18控制化學涂膠或光刻處理盒31進行激光直寫式或小尺寸激光干涉式刻蝕工作，在被加工工件14的加工面刻蝕出高質(zhì)量高密度的周期性納米溝槽。
【權(quán)利要求】
1.一種大尺寸光柵制造設(shè)備，其特征在于:該設(shè)備主要包括氣浮靜壓平臺、伺服動力平臺、化學涂膠或光刻處理盒(31)、冷卻設(shè)備及空壓過濾設(shè)備集成體(19)和CNC數(shù)控裝置(18);氣浮靜壓平臺可以調(diào)節(jié)設(shè)備的水平度，為伺服動力平臺提供穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)支撐，并消除該設(shè)備的固有頻率級環(huán)境的振動影響；伺服運動平臺一方面驅(qū)動被加工工件(14)在X軸方向以微納米精度連續(xù)掃描運動或精確定位運動，X軸方向位于水平方向，另一方面驅(qū)動化學涂膠或光刻處理盒(31)在Z軸方向上的運動，所述的X軸包括Xl軸和X2軸，Xl軸與X2軸互相平行；Z軸方向指與X軸垂直的豎直方向，精確調(diào)節(jié)化學涂膠或光刻處理盒(31)和被加工工件(14)的距離；冷卻設(shè)備及空壓過濾設(shè)備集成體(19)為氣浮靜壓平臺提供穩(wěn)定的氣源，并將伺服動力平臺和化學涂膠或光刻處理盒的工作產(chǎn)熱帶走，避免熱輻射對精密制造的影響；CNC數(shù)控裝置(18)與伺服動力平臺和化學涂膠或光刻處理盒(31)組成伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制被加工工件(14)的運動與化學涂膠或光刻處理盒(31)的鍍膜或光刻工作精確匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大尺寸光柵制造設(shè)備，其特征在于:所述氣浮靜壓平臺由調(diào)水平高度墊腳I (I)、調(diào)水平高度墊腳II (1A)、設(shè)備支架(2)、減振系統(tǒng)(3)和基座(4)組成；伺服動力平臺設(shè)置在精密研磨的基座(4)上，基座(4)位于減振系統(tǒng)(3)上，減振系統(tǒng)(3)采用低頻空氣式，實現(xiàn)伺服動力平臺的振動頻率在IOHZ以下，消除設(shè)備固有的振動頻率及環(huán)境的振動噪聲影響；伺服動力平臺主要由Xl軸直線電機、X2軸直線電機、Z軸直線電機、Z軸配重氣缸(6)、工作臺左右移動塊連接梁(13)、工作臺托板移動塊(12、)空氣靜壓導軌I (7)、空氣靜壓滑塊I (8)、空氣靜壓導軌II (7A)、空氣靜壓滑塊II (8A)和光柵組成；空氣靜壓導軌I (7)、空氣靜壓滑塊I (8)、空氣靜壓導軌II (7A)、空氣靜壓滑塊II (8A)、Xl軸直線電機、X2軸直線電機、工作臺托板移動塊(12)對稱布置于氣浮靜壓平臺的基座(4)上，工作臺托板移動塊(12)固定連接在空氣靜壓滑塊I (8)和空氣靜壓滑塊II(SA)上，被加工加工(14)放置于與工作臺托板移動塊(12)連接的工作臺左右移動塊連接梁(13)上，Xl軸直線電機和X2軸直線電`機通過Xl軸直線電機動子(10),Xl軸電機連接塊(11 )、X2軸直線電機動子(IOA)和X2軸電機連接塊(IlA)重心驅(qū)動被加工工件(14)精確運動，空氣靜壓導軌I (7)、空氣靜壓滑塊I (8)、空氣靜壓導軌II (7A)、空氣靜壓滑塊II(SA)對于被加工工件(14)的運動起到精密導向作用，Xl軸光柵(15)和X2軸光柵(15A)將被加工工件(14)的位置實時閉環(huán)反饋到CNC數(shù)控裝置(18)上，控制被加工工件(14)在X軸方向上納米級精度的連續(xù)掃描或定位運動；配重氣缸滑桿(5)直接固定在減振系統(tǒng)(3)上，Z軸左直線電機磁軌(30)和Z軸右直線電機磁軌(30A)對稱配置在Z軸配重氣缸(6)上，Z軸左直線電機線圈(29)和Z軸右直線電機線圈(29A)對稱固定在基座(4)上，Z軸工作臺(30)固接在Z軸配重氣缸(6)上，化學涂膠或光刻處理盒(31)由Z軸工作臺(30)支撐，Z軸左直線電機磁軌(30)和Z軸右直線電機磁軌(30A)通過Z軸配重氣缸(6)和Z軸工作臺(30)重心驅(qū)動化學涂膠或光刻處理盒(31)，Z軸光柵(16)將化學涂膠或光刻處理盒(31)的位置實時閉環(huán)反饋到CNC數(shù)控裝置(18)上，控制化學涂膠或光刻處理盒(31)在Z軸中心線上以納米級精度精確定位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大尺寸光柵制造設(shè)備，其特征在于:CNC數(shù)控裝置(18)具備PWM直接數(shù)字電流伺服控制功能，使伺服動力平臺和化學涂膠或光刻處理盒(31)在同一數(shù)字信號處理器的同一時鐘信號下協(xié)同工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大尺寸光柵制造設(shè)備，其特征在于:冷卻設(shè)備及空壓過濾設(shè)備集成體(19)為空氣靜壓導軌I (7)、空氣靜壓滑塊I (8)、空氣靜壓導軌II (7A)、空氣靜壓滑塊II (8A)和Z軸配重氣缸(6)提供氣源，同時提供循環(huán)冷卻水消耗直線電機及化學涂膠或光刻處理盒(31)等的自產(chǎn)熱，恒溫外罩(17)將設(shè)備與環(huán)境隔開，實現(xiàn)整機設(shè)備的溫差在正負0.1度以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大尺寸光柵制造設(shè)備，其特征在于:基座(4)采用經(jīng)過精密研磨的花崗巖、鑄鐵或`者高性能機械陶瓷。
【文檔編號】G03F7/20GK203630384SQ201320837321
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】伍鵬 申請人:嘉興華嶺機電設(shè)備有限公司