一種六自由度微動工作臺制造技術

一種六自由度微動工作臺，含有實現微動工作臺在水平面內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臺沿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采用四組，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臺的動子部分；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臺的定子部分。本發明專利技術與現有技術相比，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。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種微動工作臺，尤其涉及一種六自由度微動工作臺，主要應用于半導體光刻設備中，屬于超精密加工和檢測設備

技術介紹
具有高精度和快速響應的微動工作臺在現代制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志。在超精密機床中，超精密微動工作臺用于對進給系統進行誤差補償，實現超精密加工；在大規模集成電路制造中，超精密微動工作臺用于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，超精密微動工作臺用于顯微外科手術，以 便減輕醫生負擔，縮短手術時間，提高成功率。超精密微動工作臺還被廣泛應用于光纖對接，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，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臺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臺研究現狀，超精密微動臺通常有三類，伺服電機通過滾珠絲杠傳動/直線導軌支撐微動工作臺，壓電陶瓷驅動/柔性鉸鏈支撐導向微動工作臺，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臺。前兩種微動臺由于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。采用音圈電機/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自由度微動工作臺(申請號200710118130. 5)，提供了一種應用于光刻機硅片臺中的六自由度微動工作臺，采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。
技術實現思路
本專利技術旨在提供一種可應用于光刻機硅片臺中的六自由度微動工作臺，該微動工作臺用于補償光刻機硅片臺的定位誤差并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，也可用于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。本專利技術的技術方案如下一種六自由度微動工作臺，含有實現微動工作臺在水平面內沿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臺沿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，其特征在于所述的第一種電磁力驅動模塊采用四組，其中兩組電磁力驅動模塊沿X軸關于Y軸對稱布置，另外兩組電磁力驅動模塊沿Y軸關于X軸對稱布置，所述第二種電磁力驅動模塊采用四組，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臺的動子部分；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臺的定子部分。本專利技術的技術特征還在于所述的微動工作臺還包含一個殼體，所述的微動工作臺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臺的動子部分固定在一起；所述的殼體四個側面為反射鏡面并與水平面垂直，相鄰兩個側面互相垂直，上表面設有 一個圓形凹槽；所述的殼體采用碳化硅陶瓷材料加工而成；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°。本專利技術所述的微動工作臺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。本專利技術所述的第一電磁力驅動單元的包括上下兩部分永磁體組，線圈組件位于上下兩部分永磁體之間，并留有間隙；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陣列形式粘接固定于軛鐵的表面上，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,位于內磁環與外磁環之間，并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，并固定在微動臺基座上，其充磁方向沿Z軸方向；本專利技術所述微動工作臺的優點在于微動工作臺采用并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，微動臺采用電磁力直接驅動，因此不存在機械摩擦，無阻尼，具有較高的位移分辨率；微動工作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系，運動控制技術成熟。碳化硅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。附圖說明圖I為專利技術提供的帶殼體的六自由度微動工作臺的三維結構圖。圖2為本專利技術提供的去出殼體的六自由度微動工作臺的三維結構圖。圖3表示出本專利技術的第一種電磁力驅動模塊和第二種電磁力驅動模塊分別采用四組的布置結構。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為微動工作臺實現X方向運動的原理圖。圖8為微動工作臺實現Y方向運動的原理圖。圖9為微動工作臺實現繞Z轉動的原理圖。圖10為微動工作臺實現Z方向運動的原理圖。圖11為微動工作臺實現繞X轉動的原理圖。圖12為微動工作臺實現繞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-第三本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種六自由度微動工作臺，含有實現微動工作臺在水平面內沿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臺沿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，其特征在于：所述的第一種電磁力驅動模塊采用四組，其中兩組電磁力驅動模塊沿X軸關于Y軸對稱布置，另外兩組電磁力驅動模塊沿Y軸關于X軸對稱布置，所述第二種電磁力驅動模塊采用四組，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臺的動子部分；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（1）共同組成微動工作臺的定子部分。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：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(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：