一種掩模臺工作臺制造技術

一種掩模臺工作臺，屬于超精密加工和檢測設備技術領域。該掩模臺工作臺含有微動臺、粗動臺和機座；微動臺包含微動臺臺體和洛倫茲電機；洛倫茲電機包含三種洛倫茲電機，每種洛倫茲電機對稱分布在微動臺臺體沿X軸方向的兩側面；粗動臺包含驅動模塊和粗動臺底座，每個驅動模塊由粗動臺臺體、直線電機和氣浮軸承組成。微動臺臺體和粗動臺臺體均采用碳化硅陶瓷材料構成。本發明專利技術既能滿足大行程需要，又能實現高精度六自由度微調；采用碳化硅可加工陶瓷制造主要零部件，重量輕，并將多個零件一體化為一個部件，體積小，使得結構更加緊湊，既減少了微動臺零部件數量，又提高了系統的模態、精度和頻響。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種六自由度定位裝置，尤其涉及一種掩模臺工作臺，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超精密微動平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。該六自由度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，超精密六自由度微動臺通常有三類，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。前兩種六自由度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/氣浮支撐的六自由度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。本申請人在2011年6月28日申請了一種無接觸式粗精動疊層六自由度定位裝置(申請號201110177038. 2)采用動鐵式音圈電機對稱分布在微動臺基體四周，微動臺基體尺寸和質量較大導致電機熱損耗大，導致粗動臺和平衡塊也非常龐大，系統精度低，響應速度慢，無法滿足高精度高頻響的要求。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種結構緊湊、質心驅動、高精度和高頻響的掩模臺工作臺。本專利技術的技術方案如下一種掩模臺工作臺，含有微動臺、粗動臺和機座，微動臺包含微動臺臺體和洛倫茲電機；粗動臺包含第一驅動模塊、第二驅動模塊和粗動臺底座，第一驅動模塊和第二驅動模塊關于微動臺臺體呈對稱布置；每個驅動模塊由粗動臺臺體、直線電機和氣浮軸承組成，其特征在于所述的洛倫茲電機包含三種洛倫茲電機，每種洛倫茲電機對稱分布在微動臺臺體沿X軸方向的兩側面，其中，第一種洛倫茲電機的驅動方向沿X軸方向，關于Y軸對稱布置，每側至少兩個，驅動微動臺臺體沿X方向和繞Z軸旋轉方向運動；第二種洛倫茲電機的驅動方向沿Y軸方向并通過微動臺質心，每側一個，驅動微動臺臺體沿Y方向運動；第三種洛倫茲電機的驅動方向沿Z軸方向，關于Y軸對稱布置，每側兩個，位于微動臺臺體的四個角上，驅動微動臺臺體沿Z方向、繞X軸旋轉方向和Y軸旋轉方向運動；所述的粗動臺臺體的下表面和外側面分別與粗動臺底座的上表面和內側面之間形成氣浮支撐，作為驅動模塊的氣浮導向；所述的直線電機的動子部分連接在粗動臺臺體內，直線電機的定子部分固定在粗動臺底座的上表面，定子磁鋼沿Z軸方向建立磁場，動子線圈水平放置，其長邊沿Y方向布置，動子線圈沿X方向在直線電機定子磁鋼之間做切割磁力線運動。本專利技術的技術特征還在于微動臺臺體采用碳化硅陶瓷材料燒制成型；所述的粗動臺臺體采用碳化硅陶瓷構件，且氣浮軸承的氣足和粗動臺臺體構成一體化結構。本專利技術所述的關于Y軸對稱的第一種洛倫茲電機每側四個，每個洛倫茲電機包含上下兩部分永磁體組和線圈，線圈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。第二種洛倫茲電機每側一個，每個洛倫茲電機包含上下兩部分永磁體組和線圈，線圈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。第三種洛倫茲電機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。本專利技術的另一技術特征是該掩模臺工作臺還包括電渦流傳感器測量系統，電渦流傳感器測量系統包括安裝在粗動臺上的八個電渦流傳感器，第一電渦流傳感器和第二電渦流傳感器安裝在第一驅動模塊上，并位于沿X軸的一條直線上，測量微動臺沿Y軸方向和沿Z軸旋轉方向的位移；第三電渦流傳感器和第四電渦流傳感器分別安裝在第一驅動模塊和第二驅動模塊上，并位于一條沿Y軸方向的直線上，測量微動臺沿X軸方向和沿Z軸旋轉方向的位移；第五電渦流傳感器和第六電渦流傳感器安裝在第一驅動模塊上，并位于一條沿X軸方向的直線上；第七電渦流傳感器和第八電渦流傳感器安裝在第二驅動模塊上，并位于一條沿X軸方向的直線上，共同測量微動臺沿Z軸方向、沿X軸旋轉方向和沿Y軸旋轉方向的位移。本專利技術的又一技術特征是所述的掩模臺粗動臺還包含用于粗動臺與機座相對位置反饋的光柵尺測量系統，所述的光柵測量系統包含兩個光柵測量裝置對稱布置在粗動臺第一驅動模塊和第二驅動模塊上，每個光柵測量裝置含有一個光柵尺、一個光柵讀數頭、一個光柵尺安裝架和一個光柵尺調整裝置；光柵尺調整裝置固定于粗動臺底座上，光柵尺安裝架與光柵尺調整裝置固定連接，光柵尺粘貼固定于光柵尺安裝架表面上，光柵條紋沿X軸方向，光柵讀數頭與直線電機連接，通過調整光柵尺調整裝置使光柵尺安裝架的長邊方向沿X軸方向。本專利技術具有以下優點及突出性效果該掩模臺工作臺采用粗精動疊加的方式，既能滿足大行程需要又能實現高精度六自由度微調，采用碳化硅可加工陶瓷制造主要零部件，結構緊湊，重量輕，因此減小了音圈電機的推力需求，從而結構尺寸變小；另外，碳化硅可加工陶瓷材料的應用，將多個零件一體化為一個部件，使得結構更加緊湊，既減少了微動臺零部件數量，又提高了系統的模態，提高了精度和頻響。附圖說明圖I為本專利技術提供的一種掩模臺工作臺的三維結構圖。圖2為微動臺結構示意圖。 圖3為粗動臺結構示意圖。圖4為微動臺臺體結構示意圖。圖5為本專利技術的一種實施例第一種洛倫茲電機剖視圖。圖6為本專利技術的一種實施例第二種洛倫茲電機剖視圖。圖7為本專利技術的一種實施例第三種洛倫茲電機剖視圖。圖8為光柵尺測量系統結構示意圖。圖中1-粗動臺；2_微動臺；3_測量系統；4-機座；7 —粗動臺底座；8 —粗動臺臺體；9一直線電機；10 —微動臺臺體；lla-第一種洛倫茲電機一 ；llb-第一種洛倫茲電機二 ； IIc-第一種洛倫茲電機三本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種掩模臺工作臺，含有微動臺、粗動臺和機座，微動臺包含微動臺臺體（10）和洛倫茲電機；粗動臺包含第一驅動模塊、第二驅動模塊和粗動臺底座（7），第一驅動模塊和第二驅動模塊關于微動臺臺體呈對稱布置；每個驅動模塊由粗動臺臺體（8）、直線電機和氣浮軸承組成，其特征在于：所述的洛倫茲電機包含三種洛倫茲電機，每種洛倫茲電機對稱分布在微動臺臺體沿X軸方向的兩側面，其中，第一種洛倫茲電機的驅動方向沿X軸方向，關于Y軸對稱布置，每側至少兩個，驅動微動臺臺體沿X方向和繞Z軸旋轉方向運動；第二種洛倫茲電機的驅動方向沿Y軸方向并通過微動臺質心，每側至少一個，驅動微動臺臺體沿Y方向運動；第三種洛倫茲電機的驅動方向沿Z軸方向，關于Y軸對稱布置，每側兩個，位于微動臺臺體的四個角上，驅動微動臺臺體沿Z方向、繞X軸旋轉方向和Y軸旋轉方向運動；所述的粗動臺臺體（8）的下表面和外側面分別與粗動臺底座（7）的上表面和內側面之間形成氣浮支撐，作為驅動模塊的氣浮導向；所述的直線電機（9）的動子部分連接在粗動臺臺體（8）內，直線電機（9）的定子部分固定在粗動臺底座（7）的上表面，定子磁鋼沿Z軸方向建立磁場，動子線圈水平放置，其長邊沿Y方向布置，動子線圈沿X方向在直線電機定子磁鋼之間做切割磁力線運動。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：朱煜，張鳴，劉召，許巖，張金，田麗，王婧，楊開明，徐登峰，胡金春，尹文生，穆海華，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：