CN100470378C - 一种超薄3自由度微动工作台 - Google Patents

Abstract

一种超薄3自由度微动工作台，属于超精密微动工作台领域。本发明由微动台基座，微动台动子以及微动台定子组成，含有3组电磁力驱动单元。3组驱动单元的线圈嵌入单一的线圈骨架中，组成微动台定子；微动台动子包含两部分，分别为动子下滑盖和动子上滑盖，两者固定联接，并通过气浮或磁浮轴承悬浮在微动台基座之上。本发明整体结构简单、紧凑，微动台动子惯量小，重心低，具备实现高速、高加速的可能。该微动工作台采用电磁力直接驱动，致使微动台在运动方向不存在机械摩擦，无阻尼，具有较高的位移分辨率。本发明基于洛伦兹原理工作，输出推力与输入电流之间成线性关系，运动控制技术成熟。

Description

一种超薄3自由度微动工作台

技术领域

本发明涉及一种微动工作台，尤其涉及一种超薄3自由度微动工作台，主要应用于半导体光刻设备中，属于超精密微动工作台领域。

技术背景

具有高精度和快速响应的微动工作台在现代制造技术中具有极其重要的地位，被视为一个国家高技术发展水平的重要标志。在超精密机床中，超精密微动工作台用于对进给系统进行误差补偿，实现超精密加工；在大规模集成电路制造中，超精密微动工作台用于光刻设备中进行微定位和微进给；在扫描探针显微镜中，超精密微动工作台用于测量样品表面形貌，进行纳米加工；在生物工程方面，超精密微动工作台用于完成对细胞的操作，实现生物操作工程化；在医疗科学方面，超精密微动工作台用于显微外科手术，以便减轻医生负担，缩短手术时间，提高成功率。超精密微动工作台还被广泛应用于光纤对接，MEMS系统加工、封装及装配，以及电化学加工等领域中。

在半导体光刻设备中，光刻机硅片台和掩模台大多采用粗精叠层结构，包含一个超精密微动工作台。该微动台叠加于粗动台之上，用于对粗动台进行精度补偿。微动工作台定位精度决定了光刻机的曝光精度，定位速度影响光刻机的生产效率。因此，美国、日本、欧洲等发达国家均把超精密微动工作台技术视为光刻机核心技术之一，对我国相关产品进行严格的进口限制。

概括目前国内外纳米级微动工作台研究现状，超精密微动台通常有三类，伺服电机通过丝杠传动/直线导轨支撑微动工作台，压电陶瓷驱动/柔性铰链支撑导向微动工作台，以及音圈电机或变磁阻电机驱动/气浮或磁浮支撑微动工作台。

前两种微动台由于支撑系统的摩擦阻尼非线性等因素影响，均无法满足光刻设备高速度、大负载、高动态特性的要求。采用音圈电机/气浮支撑的微动台可以满足光刻设备的要求，但存在结构整体性差，台体较厚，质心高等不足，其性能受到一定局限。

发明内容

本发明的目的是提供一种超薄3自由度微动工作台，使其具有结构简单、紧凑，微动台动子惯量小等特点，以满足光刻设备高速度、大负载、高动态特性要求。

本发明的技术方案如下：

一种超薄3自由度微动工作台，该工作台由微动台基座，微动台动子以及微动台定子组成，其特征在于：所述微动工作台具有3组电磁力驱动单元，驱动单元分别嵌入在微动台动子和微动台定子中，所述的微动台动子包括动子下滑盖和动子上滑盖，动子下滑盖嵌有所述3组驱动单元的下永磁体组件，每个下永磁体组件由两片磁极方向相反布置的永磁体和设置在永磁体下面的铁轭组成，动子上滑盖嵌有所述3组驱动单元的上永磁体组件，每个上永磁体组件由两片磁极方向相反布置的永磁体和设置在永磁体上面的铁轭组成；所述的微动台定子包括线圈骨架和3组驱动单元的线圈，所述3组驱动单元的线圈嵌入单层的线圈骨架中；微动台动子可通过气浮或磁浮轴承悬浮在微动台基座之上，与微动台定子保持间隙；微动台定子与微动台基座固定联接。

本发明所述的3组驱动单元，其中两组驱动单元的驱动轴线平行但不重合，第三组驱动单元的驱动轴线与前两组正交，分别用以驱动微动工作台实现平面内X、Y、θ_Z3个自由度的运动。

在本发明中，所述磁浮轴承可采用四对平面磁浮轴承，分别布置在微动工作台的四个角中。

本发明的技术特征还在于：所述微动台基座相邻的两个侧面可分别布置1个和2个位移检测传感器，用以实现微动台X、Y和θ_Z3个自由度的位移检测。

本发明的技术特征还在于：所述微动台基座边缘加工有凸台，用于支撑微动台定子。

本发明的又一技术特征是：所述微动工作台中间留有方形孔结构，以允许中间安装掩模版。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：所述微动工作台3组驱动单元的线圈嵌入单一的线圈骨架中，组成微动台定子，致使整个微动工作台结构简单、紧凑，微动台动子惯量小，重心低，具备实现高速、高加速的可能；所述微动台采用电磁力直接驱动，致使微动台在运动方向不存在机械摩擦，无阻尼，具有较高的位移分辨率；所述微动台基于洛伦兹原理工作，输出推力与输入电流之间成线性关系，运动控制技术成熟。

附图说明

图1为本发明提供的超薄3自由度微动工作台三维结构图。

图2为本发明一个实施例的三维结构分解图。

图3为微动工作台定子结构示意图。

图4为微动工作台动子下滑盖结构示意图。

图5为微动工作台动子上滑盖结构示意图。

图6a、6b和6c分别表示微动工作台3种受力及运动状态。

图7为微动工作台位移检测原理图。

图中：1—微动台基座；2—微动台动子；2a—动子下滑盖；2b—动子上滑盖；3—微动台定子；11—第一驱动单元；12—第二驱动单元；13—第三驱动单元；14—第四驱动单元；21—第一磁浮轴承；22—第二磁浮轴承；23—第三磁浮轴承；24—第四磁浮轴承。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述微动工作台由微动台基座1、微动台动子2，以及微动台定子3三部分组成。微动台动子2包括两部分，分别为动子下滑盖2a和动子上滑盖2b，二者固定联接。微动台基座1四个角加工有凸台，起支撑微动台定子3作用。微动台定子3介于动子下滑盖2a和动子上滑盖2b之间，并通过凸台与微动台基座1固定联接。

微动工作台具有3组电磁力驱动单元，每组驱动单元至少包含1个电磁力驱动单元，每个电磁力驱动单元由上永磁体组件、下永磁体组件和线圈组成。作为本发明的一个实施例，微动工作台可具有四个电磁力驱动单元(11、12、13、14)，如图2、3所示，四个驱动单元组成3组，其中第一驱动单元11和第三驱动单元13分别作为一组，第二驱动单元12与第四驱动单元14串联，组成第三组，前两组驱动单元的驱动轴线平行但不重合，都沿X方向，第三组驱动单元的驱动轴线与前两组正交，沿Y方向。

如图3所示，四个驱动单元(11、12、13、14)的线圈嵌入单层的线圈骨架中，组成微动台定子3。如图4所示，动子下滑盖2a安装有四个驱动单元(11、12、13、14)的下永磁体组件，所述下永磁体组件位于线圈有效驱动方向的侧边，每个下永磁体组件由两片磁极方向相反布置的永磁体和设置在永磁体下面的铁轭组成，动子上滑盖2b包含安装有四个驱动单元(11、12、13、14)的上永磁体组件，每个上永磁体组件由两片磁极方向相反布置的永磁体和设置在永磁体上面的铁轭组成；全部永磁体组件分别嵌入动子下滑盖2a和动子上滑盖2b两层中，从而在微动台定子3的线圈上下形成封闭磁路。

如图3所示，本发明所述微动台定子3包含四个驱动单元的线圈和四对平面磁浮轴承，所述驱动单元的线圈位于动子上下滑盖永磁体组件产生的封闭磁场中，通以电流从而产生洛伦兹驱动力，所述平面磁浮轴承位于微动台定子3的四个角上，与微动台动子2平面磁浮轴承一起，通过磁斥力将微动台动子2悬浮起来。

如图4和图5所述，本发明所述微动台动子2包含动子下滑盖2a和动子上滑盖2b，动子下滑盖2a包含四个驱动单元的下永磁体组件和四对平面磁浮轴承，动子上滑盖2b在相应位置包含四个驱动单元的上永磁体组件和四对磁浮平面轴承，所述驱动单元的永磁体组件在微动台定子3驱动单元的线圈上下形成封闭磁场。

如图6所示，本发明所述微动台基于洛伦兹原理驱动。第一驱动单元11和第三驱动单元13的线圈独立工作，当两驱动单元的线圈通以相同方向电流时，两驱动单元产生同向推力，驱动微动台动子2沿X方向平动(如图6a所示)。当第一驱动单元11和第三驱动单元13的线圈通以相反方向电流时，两驱动单元产生反向推力，驱动微动台动子2绕Z轴转动(如图6c所示)。第二驱动单元12和第四驱动单元14的线圈串联，两驱动单元产生同向推力，驱动微动台动子2沿Y方向平动(如图6b所示)。

如图7所示，本发明所述微动台包含3个位移检测传感器，第1个和第2个位移检测传感器并排布置在X方向，二者之间距离为d，第3个位移检测传感器布置在Y方向。X方向位移和绕Z转动角度可由第1个位移检测传感器和第2个位移检测传感器测得，分别为：X方向位移 $x=\frac{x_1+x_2}{2},$ 绕Z轴转动角度 ${\mathrm{\θ}}_z=\arctan \frac{x_1-x_2}{d}.$ Y方向位移由第3传感器测得，y＝y₁。

作为本发明的主要应用，该微动工作台可安装在半导体光刻设备的掩模台中，因此微动工作台中间留有方形孔结构，以提供掩模版的安装空间。

Claims (6)

1.一种超薄3自由度微动工作台，该工作台由微动台基座(1)，微动台动子(2)以及微动台定子(3)组成，其特征在于：所述微动工作台具有3组电磁力驱动单元，3组电磁力驱动单元分别嵌入在微动台动子和微动台定子中，所述的微动台动子包括动子下滑盖(2a)和动子上滑盖(2b)，动子下滑盖嵌有上述3组电磁力驱动单元的下永磁体组件，每个下永磁体组件由两片磁极方向相反布置的永磁体和设置在永磁体下面的铁轭组成，动子上滑盖嵌有上述3组电磁力驱动单元的上永磁体组件，每个上永磁体组件由两片磁极方向相反布置的永磁体和设置在永磁体上面的铁轭组成；所述的微动台定子包括线圈骨架和3组电磁力驱动单元的线圈，所述3组电磁力驱动单元的线圈嵌入单层的线圈骨架中；微动台动子通过气浮轴承或磁浮轴承悬浮在微动台基座之上，与微动台定子保持间隙；微动台定子与微动台基座固定联接。

2.根据权利要求1所述的3自由度微动工作台，其特征在于：所述3组电磁力驱动单元，其中两组驱动单元的驱动轴线平行但不重合，第三组驱动单元的驱动轴线与前两组正交，分别用以驱动微动工作台实现平面内X轴方向、Y轴方向和绕Z轴旋转θ_z的3个自由度的运动。

3.根据权利要求1或2所述的3自由度微动工作台，其特征在于：所述磁浮轴承采用四对平面磁浮轴承，分别布置在于在微动工作台的四个角中。

4.根据权利要求1所述的3自由度微动工作台，其特征在于：所述微动台基座相邻的两个侧面分别布置1个和2个位移检测传感器，用以实现微动台X方向、Y方向和绕Z轴旋转θ_z的3个自由度的位移检测。

5.根据权利要求1所述的3自由度微动工作台，其特征在于：所述微动台基座边缘加工有凸台，用于支撑微动台定子。

6.根据权利要求1所述的3自由度微动工作台，其特征在于：所述微动工作台中间留有方形孔结构，以允许中间安装掩模版。

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