CN101609193A - 一种可动光学元件调节定位装置 - Google Patents
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Abstract
一种可动光学元件调节定位装置，涉及一种光刻设备，该装置中可动镜组通过板簧片固定在主镜筒上，可动镜组在驱动电机作用下可以沿光轴运动或是进行水平向倾斜调整，驱动电机驱动采用无隙挠性轴承的驱动机构中杠杆机构长柄，其短柄驱动可动镜组沿光轴运动，本调节定位装置轴向运动精度可达到0.5μm以下，水平向调整精度可达0.5mrad。本调节定位装置结构紧凑，运行平稳，无摩擦，无润滑，低滞后性，且重复性好，可动镜组运动行程可达到0.2mm，线性度极好。
Description
技术领域
本发明涉及一种光刻设备，具体涉及一种在光刻机曝光设备中可动光学元件调节定位装置。。
背景技术
在半导体器件制备以及掩模制造工艺中，采用曝光设备的光刻步骤必不可少。在该光刻步骤中，对涂敷有光刻胶等感光材料的衬底材料进行处理，即通过照明光学系统，对中间掩模上的图形进行照明，并通过投影光学系统，将该图形转移到半导体衬底上。
近年来，随着半导体器件的集成化程度越来越高，器件特征尺寸越来越小，对于图形转移的精度要求也越来越高。在先进光刻机曝光设备中的投影光学系统，需要越来越小的波相差和畸变来满足制备工艺的要求，同时，在这种投影光学系统的曝光设备中，可以实时并容易的对由各种环境及其他因素导致的相差和畸变的变化进行补偿，从而实现对曝光尺寸的精确控制。为了解决这类问题，一般考虑采用设置一个或几个镜片位置可调的方式来进行补偿。
通常来讲，可动镜片的调节机构一般采用丝母丝杆，蜗轮蜗杆和滚珠丝杆等，虽然丝母丝杆调节机构结构简单，紧凑，成本低，但移动精度和定位精度较低；蜗轮蜗杆调节机构工作平稳，结构紧凑，但加工困难，并且精度低；滚珠丝杆相对丝母丝杆精度稍高，但成本也较高。
近年来，在曝光设备中可调镜片的实现方式出现了一些新的调节机构，中国专利CN01120775.2中采用了一种压电元件组成的制动器来驱动柔性四杆机构，四杆机构将制动器水平向的运动转换成活动透镜的光轴方向，从而实现对活动透镜位置的调控。该专利提供的方法精度高，发热低，噪音小，但其柔性连杆机构结构复杂，加工制造难度较高，安装也有较大困难，实用性相对较差。
除此之外，中国专利CN200720074897.8中也提供了一种可动镜片调整机构，该结构采用了并列的两个线形滑轨作导向，伺服电机通过凸轮机构来驱动可动镜片上下运动。然而，凸轮加工难度较大，不能实现自锁，且线形滑轨滑块与导轨之间存在一定得间隙，机构的精度有待进一步提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是实现可动光学元件的调节定位，解决调节定位装置成本高、结构复杂、调整定位幅度较小、定位不够准确等问题。
为解决上诉技术问题，本发明提供的可动光学元件调节定位装置包括：主镜筒1，可动镜组2，固定镜组3，板簧片4，球头柱塞5，驱动电机8，电机固定板9，驱动机构10和位移传感器系统20。其中，可动镜组2包括可动镜组镜片2a和可动镜组镜筒2b，通过板簧片4固定在主镜筒1内，且可动镜组2在主镜筒1内可以沿光轴方向上下运动；固定镜组3包括固定镜组镜片3a和固定镜组镜筒3b，固定在主镜筒1内，可动镜组镜片2a通过板簧片4与固定镜组镜片3a同光轴；驱动机构10为一级杠杆机构，包括通过挠性轴承104安装在基座103上的杠杆101、通过弹簧固定件102固定在基座103上的弹簧片105和安装在所述杠杆101长柄处的圆柱销106，驱动机构10通过固定螺钉14沿光轴方向均布固定在所述主镜筒1上，驱动电机8通过电机固定板9随驱动机构10均布固定在主镜筒1外侧，位移传感器系统20包括位移传感器20a和传感器支架20b，通过固定螺钉15沿光轴均布固定在所述主镜筒1外侧。
根据本发明提供的可动光学元件调节定位装置，其中，板簧片4为平板形状，具有第一沿圆周分布的面201和第二被沿圆周曲线切开的剩余面202，所述第二沿圆周分布的面202与所述第一沿圆周分布的面201相邻连接，且所述第二沿圆周分布的面202环形宽度为所述第一沿圆周分布的面201环形宽度的1/2至1/3，二者具有相同的曲率半径。板簧片4第一沿圆周分布的面201通过第一固定螺钉13固定在主镜筒1上，板簧片4第二沿圆周分布的面202通过第二固定螺钉12固定在可动镜组镜筒2b上。且板簧片4径向方向的刚度远大于其轴向方向的刚度，从而使得可动镜组2轴向运动更容易，而在轴向运动的同时径向不发生相对位移。
球头柱塞5是一种内置压缩弹簧的紧定螺钉，包括一内置弹簧和一位于其下端的滚珠。球头柱塞5均匀放置在可动镜组镜筒2b下端面螺纹孔内，球头柱塞5下端滚珠与主镜筒1接触。球头柱塞5安装时保证一定的预紧力，预紧力大小取决于内置弹簧压缩距离以及内置弹簧的刚度，足够的预紧力用以保证所述可动镜组2在轴向运动时所述可动镜组镜片2a光轴不发生倾斜。
驱动机构10工作时，杠杆101可沿挠性轴承104作一定角度无间隙转动，转动角度不大于15度，其中，挠性轴承104是一种内置交叉弹簧片的圆柱型轴承，具有无摩擦、无需润滑、自定心、自消隙、高重复性、低滞后等优点。挠性轴承104使驱动机构基本可以消除回程误差，而弹簧片105通过弹簧固定件102固定在基座103上，另一端搭在圆柱销106上，弹簧片105为杠杆101提供回弹力。在驱动电机8工作过程中，驱动电机8的驱动轴直接驱动杠杆101长柄处。
根据本发明提供的可动光学元件调节定位装置，可动镜组2在三组驱动电机8同步作用下沿光轴运动。驱动电机8驱动轴作轴向运动推动驱动机构10中的杠杆101长柄，杠杆101短柄驱动可动镜组镜筒2b面6，使可动镜组镜片2a沿光轴运动，均布放置在可动镜组镜筒2b内的球头柱塞5提供反向作用力。可动镜组镜片2a运动精度取决于驱动电机8精度和驱动机构10精度，驱动机构10提供一级减速，这一轴向调节定位装置可以大幅度提高可动镜组镜片2a相对固定镜组镜片3a的位移精度，可达到0.5μm以下，行程可达0.2mm。
而可动镜组2在一组或两组驱动电机8作用下相对所述固定镜组3作倾斜调整运动。驱动电机8驱动轴作轴向运动推动驱动机构10中的杠杆101长柄，杠杆101短柄驱动可动镜组镜筒2b面6，使可动镜组镜片2a此端面作沿光轴运动，其余端面静止不动，由此实现可动镜组2相对固定镜组3的倾斜调整，均布放置在可动镜组镜筒2b内的球头柱塞5提供反向作用力。可动镜组镜片2a倾斜调整精度取决于驱动电机8精度和驱动机构10精度，驱动机构10提供一级减速，这一倾斜调节定位装置倾斜调整精度可以达到0.5mrad以下。
此外，位移传感器20a为非接触式位移传感器，可用来测量可动镜组镜片2a与固定镜组镜片3a的相对位移量，由此可以检测到可动镜组2沿光轴方向的位移量。位移传感器20a还具有检测原点的原点检测功能，通过读取原点位置，可以获得可动镜组2在光轴方向的绝对位置。
本发明的技术效果是，可动镜组2通过板簧片4固定在主镜筒1上，可动镜组2在驱动电机8作用下可以沿光轴运动或是进行水平向倾斜调整，驱动电机8驱动采用无隙挠性轴承的驱动机构中杠杆机构长柄，其短柄驱动可动镜组沿光轴运动，本调节定位装置的结构相对简单，驱动电机8和位移传感器系统20安装在主镜筒1外侧，因此可以更方便的对驱动电机8和位移传感器系统20进行维修和更换。本调节定位装置的轴向运动精度可达到0.50.5μm以下，水平向调整精度可达0.5mrad。本调节定位装置结构紧凑，运行平稳，无摩擦，无润滑，低滞后性，且重复性好，可动镜组运动行程可达到0.2mm，线性度极好。
附图说明
图1为本发明提供的可动光学元件调节定位装置基本机构图，其中：1-主镜筒；4-弹簧片；8-驱动电机；9-电机固定板；12、13-固定螺钉；20-位移传感器系统；
图2为本发明提供的可动光学元件调节定位装置基本结构剖视图，其中：1-主镜筒；2-可动镜组；2a-可动镜组镜片；2b-可动镜组镜筒；3-固定镜组；3a-固定镜组镜片；3b-固定镜组镜筒；4-板簧片；5-球头柱塞；8-驱动电机；9-电机固定板；10-驱动机构；11、12、15-固定螺钉；20-位移传感器系统；20a-位移传感器；20b-位移传感器支架；
图3为本发明提供的可动光学元件调节定位装置基本结构仰视图，其中：1-主镜筒；4-板簧片；10-驱动机构；12、13-固定螺钉；
图4为本发明提供的可动光学元件调节定位装置电机驱动机构简图，其中：1-主镜筒；2a-可动镜组镜片；4-板簧片；6-可动镜组镜筒的面；8-驱动电机；9-电机固定板；101-杠杆；102-弹簧固定件；103-基座；104-挠性轴承；105-弹簧片；106-圆柱销；12、13、14-固定螺钉；
图5为本发明提供的可动光学元件调节定位装置板簧片结构图，其中：201和202为平板形状板簧片4沿圆周分布的两个面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图1为可动光学元件调节定位装置基本结构图，图2为基本结构剖视图，图3为基本结构仰视图，图4为电机驱动机构简图。
结合参考图1～4，本实施例提供了曝光设备中一种光学元件轴向调节定位装置，该装置是为了调整可动镜组镜片2a相对固定镜组镜片3a的位置，包括轴向调整和水平倾斜调整。
可动光学元件轴向调节定位装置主要包括：主镜筒1，可动镜组2，固定镜组3，板簧片4，球头柱塞5，驱动电机8，驱动机构10，位移传感器系统20。
主镜筒1是整个调节定位装置安装的基础，为固定镜组3和可动镜组2提供水平安装基准。
固定镜组3包括固定镜组镜片3a和固定镜组镜筒3b，固定镜组镜片3a通过光学胶固定在固定镜组镜筒3b上，固定镜组3通过固定螺钉11安装在主镜筒1上，固定镜组镜片3a与主镜筒1同光轴。
可动镜组2包括可动镜组镜片2a和可动镜组镜筒2b，可动镜组镜片2a通过光学胶固定在可动镜组镜筒2b上，可动镜组2通过板簧片4和固定螺钉12、13安装在主镜筒1上，可动镜组镜片2a通过板簧片4与固定镜组镜片3a同光轴。
球头柱塞5是一种内置压缩弹簧的紧定螺钉，其均布放置在可动镜组镜筒2b下端面螺纹孔内，球头柱塞5下端滚珠与主镜筒1接触。球头柱塞5安装时保证一定的预紧力，预紧力大小取决于球头柱塞5的内置弹簧压缩距离以及内置弹簧的刚度K。足够的预紧力可以保证可动镜组2在上下运动时可动镜组镜片2a光轴不发生倾斜。
驱动机构10为一级杠杆机构，通过固定螺钉14沿光轴方向均布固定在主镜筒1上。如图4所示，驱动机构10包括：杠杆101，弹簧固定件102，基座103，挠性轴承104，弹簧片105，圆柱销106。杠杆101通过挠性轴承104安装在基座103上，并可沿挠性轴承104作一定角度无间隙转动。挠性轴承104是一种内置交叉弹簧片的圆柱型轴承，具有无摩擦、无需润滑、自定心、自消隙、高重复性、低滞后性等优点。挠性轴承104使驱动机构基本可以消除回程误差，圆柱销106安装在杠杆101长柄处，弹簧片105通过弹簧固定件102固定在基座103上，另一端搭在圆柱销106上，弹簧片105为杠杆101提供回弹力。
驱动电机8通过电机固定板9随驱动机构10均布固定在主镜筒1外侧，驱动电机8驱动轴直接驱动杠杆101长柄处。
如图2、4所示，可动镜组2在三组驱动电机8同步作用下沿光轴运动。驱动电机8驱动轴作轴向运动推动驱动机构10中杠杆101长柄，杠杆101短柄驱动可动镜组镜筒2面6，使可动镜组镜片2a沿光轴运动，均布放置在可动镜组镜筒2b内的球头柱塞5提供反向作用力。可动镜组镜片2a运动精度取决于驱动电机8精度和驱动机构10精度，驱动机构10提供一级减速。本实施例的光学元件的轴向调节定位装置可以大幅度提高可动镜组镜片2a相对固定镜组镜片3a的位移精度，可达到0.5μm以下。
如图2、4所示，可动镜组2在一组或两组驱动电机8作用下相对所述固定镜组3作倾斜调整运动。驱动电机8驱动轴作轴向运动推动驱动驱动机构10中杠杆101长柄，杠杆101短柄驱动可动镜组镜筒2b面6，使可动镜组镜片2a此端面作沿光轴运动，其余端面静止不动，由此实现可动镜组2相对固定镜组3的倾斜调整，均布放置在可动镜组2b内的球头柱塞5提供反向作用力。可动镜组镜片2a倾斜调整精度取决于驱动电机8精度和驱动机构10精度，驱动机构10提供一级减速。本实施例的光学元件的倾斜调节定位装置倾斜调整精度可以达到0.5mrad以下。
如图2～4所示，可动镜组2通过板簧片4固定在主镜筒1上。如图5所示，板簧片4为平板形状，沿圆周分布的面201通过固定螺钉13固定在主镜筒1上，沿圆周分布的面202通过固定螺钉12固定在可动镜组镜筒2b上。其径向方向的刚度远大于其轴向方向的刚度，板簧片4径向方向的大刚度使得可动镜组2上下运动时径向不发生相对位移，板簧片4厚度方向的小刚度使得可动镜组2上下运动更容易。
如图2所示，可动光学元件轴向调节定位装置还包括位移传感器系统20，位移传感器系统20为非接触式位移传感器，位移传感器系统20通过固定螺钉15沿光轴均布固定在主镜筒1外侧，位移传感器系统20包括：位移传感器20a和传感器支架20b，位移传感器20a用来测量可动镜组镜片2a与固定镜组镜片3a的相对位移量，由此可以检测到可动镜组2沿光轴方向的位移量。位移传感器20a还具有检测原点的原点检测功能，通过读取原点位置，可以获得可动镜组2在光轴方向的绝对位置。
如图2所示，驱动电机8和位移传感器系统20安装在主镜筒1外侧，因此可以更方便的对驱动电机8和位移传感器系统20进行维修和更换。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。
Claims (29)
1.一种可动光学元件调节定位装置，主要包括：主镜筒(1)，可动镜组(2)，固定镜组(3)，板簧片(4)，其特征在于，该可动光学器件调节定位装置还包括：球头柱塞(5)，驱动电机(8)，电机固定板(9)，驱动机构(10)和位移传感器系统(20)，其中，所述可动镜组(2)通过板簧片(4)固定在所述主镜筒(1)内，所述固定镜组(3)固定在所述主镜筒(1)内，所述驱动机构(10)通过固定螺钉(14)沿光轴方向均布固定在所述主镜筒(1)上，所述驱动电机(8)通过电机固定板(9)随所述驱动机构(10)均布固定在所述主镜筒(1)外侧，所述位移传感器系统(20)通过固定螺钉(15)沿光轴均布固定在所述主镜筒(1)外侧。
2.根据权利要求1所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述可动镜组(2)包括可动镜组镜片(2a)和可动镜组镜筒(2b)。
3.根据权利要求2所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述可动镜组镜片(2a)通过光学胶固定在所述可动镜组镜筒(2b)上。
4.根据权利要求2或3所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述可动镜组(2)在所述主镜筒(1)内可以沿光轴方向上下运动。
5.根据权利要求1所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述固定镜组(3)包括固定镜组镜片(3a)和固定镜组镜筒(3b)。
6.根据权利要求5所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述固定镜组镜片(3a)通过光学胶固定在所述固定镜组镜筒(3b)上。
7.根据权利要求1所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述板簧片(4)为平板圆环形状，具有第一沿圆周分布的面(201)和第二被沿圆周曲线切开的剩余面(202)，所述第二沿圆周分布的面(202)与所述第一沿圆周分布的面(201)相邻连接，且所述第二沿圆周分布的面(202)环形宽度为所述第一沿圆周分布的面(201)环形宽度的1/2至1/3，二者具有相同的曲率半径。
8.根据权利要求7所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述板簧片(4)第一沿圆周分布的面(201)通过第一固定螺钉(13)固定在所述主镜筒(1)上，所述板簧片(4)第二沿圆周分布的面(202)通过第二固定螺钉(12)固定在所述可动镜组镜筒(2b)上。
9.根据权利要求7或8所述的可动光学元件调节装置，其特征在于，所述板簧片(4)径向方向的刚度远大于其轴向方向的刚度，从而使得所述可动镜组(2)轴向运动更容易，而在轴向运动的同时径向不发生相对位移。
10.根据权利要求3或6或8所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述可动镜组镜片(2a)通过板簧片(4)与所述固定镜组镜片(3a)同光轴。
11.根据权利要求1所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述球头柱塞(5)包括一内置弹簧和一位于其下端的滚珠。
12.根据权利要求11所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述球头柱塞(5)均匀放置在所述可动镜组镜筒(2b)下端面螺纹孔内。
13.根据权利要求11所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述球头柱塞(5)下端滚珠与所述主镜筒(1)接触。
14.根据权利要求11或12或13所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述球头柱塞(5)具有一定的预紧力，所述预紧力的大小取决于所述内置弹簧压缩距离以及内置弹簧的刚度，足够的预紧力用以保证所述可动镜组(2)在轴向运动时所述可动镜组镜片(2a)光轴不发生倾斜。
15.根据权利要求1所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述驱动机构(10)为一级杠杆机构，其包括：通过挠性轴承(104)安装在基座(103)上的杠杆(101)，通过弹簧固定件(102)固定在基座(103)上的弹簧片(105)，和安装在所述杠杆(101)长柄处的圆柱销(106)。
16.根据权利要求15所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述挠性轴承(104)为内置交叉弹簧片的圆柱型轴承。
17.根据权利要求15所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述杠杆(101)可沿所述挠性轴承(104)作一定角度无间隙转动，转动角度不大于15度。
18.根据权利要求15或16或17所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述弹簧片(105)一端固定在所述基座(103)上，另一端搭在所述圆柱销(106)上，为所述杠杆(101)提供回弹力。
19.根据权利要求1或15所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述驱动电机(8)驱动轴直接驱动所述杠杆(101)长柄处。
20.根据权利要求1所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述位移传感器系统(20)为非接触式位移传感器。
21.根据权利要求20所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述位移传感器系统(20)包括：位移传感器(20a)和传感器支架(20b)。
22.根据权利要求20或21所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述位移传感器系统(20)用来测量所述可动镜组镜片(2a)与所述固定镜组镜片(3a)的相对位移量，由此检测所述可动镜组(2)沿光轴方向的位移量。
23.根据权利要求20或21所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述位移传感器系统(20)具有检测原点的原点检测功能，通过读取原点位置，可以获得所述可动镜组(2)在光轴方向的绝对位置。
24.根据权利要求1或3或6或11或12或13或15所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述可动镜组(2)在三组所述驱动电机(8)同步作用下沿光轴运动，所述驱动电机(8)驱动轴作轴向运动推动所述驱动机构(10)中的杠杆(101)长柄，杠杆(101)短柄驱动所述可动镜组(2)面(6)，使所述可动镜组镜片(2a)沿光轴方向运动，均布放置在所述可动镜组镜筒(2b)内的球头柱塞(5)提供反向作用力。
25.根据权利要求1或3或6或11或12或13或15所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述可动镜组镜片(2a)的运动精读取决于所述驱动电机(8)精度和所述驱动机构(10)精度，所述驱动机构(10)提供一级减速。
26.根据权利要求1或3或6或11或12或13或15所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述可动镜组(2)在一组或两组所述驱动电机(8)作用下相对所述固定镜组(3)作倾斜调整运动，所述驱动电机(8)驱动轴作轴向运动推动所述驱动机构(10)中杠杆(101)长柄，所述杠杆(101)短柄驱动所述可动镜组镜筒(2b)面(6)，使所述可动镜组镜片(2a)此端面沿光轴方向运动，其余端面静止不动，由此实现所述可动镜组(2)相对所述固定镜组(3)的倾斜调整，所述均布放置在所述可动镜组镜筒(2b)内的球头柱塞(5)提供反向作用力。
27.根据权利要求1或3或6或11或12或13或15所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述可动镜组镜片(2a)倾斜调整精度取决于所述驱动电机(8)精度和所述驱动机构(10)精度，所述驱动机构(10)提供一级减速。
28.根据权利要求1所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述可动镜组镜片(2a)相对所述固定镜组镜片(3a)的位移精度，可达到0.5μm以下，行程可达0.2mm。
29.根据权利要求1所述的可动光学元件调节定位装置，其特征在于，所述可动镜组镜片(2a)相对所述固定镜组镜片(3a)的倾斜调整精度可以达到0.5mrad以下。
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