CN101750885B

CN101750885B - 二自由度精密定位工作台

Info

Publication number: CN101750885B
Application number: CN2010103000537A
Authority: CN
Inventors: 田延岭; 贾晓辉; 张大卫
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2010-01-06
Filing date: 2010-01-06
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2030-01-06
Also published as: CN101750885A

Abstract

本发明公开了二自由度精密定位工作台，它包括基座、动平台、连接在基座底部的刚性支架以及连接在动平台和基座之间的四个柔性支链，每一柔性支链包括一个移动块和三组柔性板簧结构，每一柔性板簧结构均由二个一字形柔性板簧构成，其中第一、第二组柔性板簧结构的分别位于所述的移动块的左右两侧；第三组柔性板簧结构的两个一字形柔性板簧的下端与移动块的上端侧壁相连，并且其上端与动平台的侧壁相连，四个压电陶瓷驱动器分别水平放置，每个驱动器的球形接头顶在移动块下端侧壁上，二个位置传感器的导电片分别连接在刚性支架的上平面和动平台的下平面上。此定位工作台可作为纳米压印光刻定位系统的辅助定位平台，实现微量进给和精密定位。

Description

二自由度精密定位工作台

技术领域

本发明属于一种微操作系统，具体为一种可应用于压印光刻系统的两自由度柔性并联精密定位工作台。

背景技术

纳米器件包括纳米电子器件和纳米光电器件，可广泛应用于电子学、光学、微机械装置、新型计算机等，是当今新材料与新器件研究领域中最富有活力的研究领域，也是元器件小型化、智能化、高集成化等的主流发展方向。纳米器件由于具有潜在的巨大市场和国防价值，使得其设计和制造的方法、途径、工艺等成为众多科学家、政府和大型企业研究和投资的热点。目前，纳米器件的设计与制造正处于一个飞速发展时期，方法多种多样，图形化技术就是其中之一。

纳米压印光刻技术是人们在探索更方便、价廉的设计和制备纳米器件的过程中开发出来的图形化技术，用于纳米图形复制并可用来制作三维纳米结构。与其它光刻技术相比，纳米压印技术具有分辨率高、制作成本低、生产效率高的优点，已成为下一代32纳米工艺的关键技术。具有极大潜在的竞争力和广阔的应用前景。在国内外纳米压印技术发展过程中，已逐渐形成了三大主流技术：软压印技术、热压印技术、紫外压印技术。热压印技术可以弥补软压印工艺中弹性模板材料容易变形的不足，且加工效率比较高，但热压印过程中，光刻胶经过高温、高压、冷却的变化过程，脱模后产生的压印图形常会出现变形现象，不易进行多次或三维结构的压印。与前两者相比，紫外压印技术对环境要求较低，仅在室温和低压力下就可以进行，提高了压印精度。同时由于模板材料采用透明石英玻璃，易于实现模板与基片之间的对准，这使得紫外压印技术更适合于多次压印。除此以外，模板使用周期长以及适于批量生产也是紫外压印技术的主要优点。这些特点都使得紫外压印技术在IC制造领域具有不可替代的优越性。

压印过程看似简单，但要得到较高的压印精度，则需要从多个方面综合考虑。压印过程中要做到尽可能保证模板与基片的平行，使得模板与基片能够均匀的接触。若模板和基片不平行，将得到锲形的留模，甚至模板的一端直接接触基片。如果锲形留模的厚度超过压印特征的高度，那么在后续的干法等厚刻蚀时就会将特征刻蚀掉。同时模板与基片的不平行也将会导致下压时模板与基片的相对滑移，发生侧向扩张，影响压印精度。另外，在起模时也会对压印特征造成破坏。因此压印过程中必须保证模板与基片的平行度，即模板与基片的均匀接触。压印光刻系统结构一般包括以下主要部件：①下压机构；②承载台；③精密定位工作台；④用于固化光刻胶的紫外光光源等，其中精密定位工作台是压印光刻系统的关键部分，由它保证模板与基片平行且能够均匀接触，使相对滑动尽可能的小，这样才能保证两者之间的定位精度，保证压印精度和压印质量。

现有的纳米压印设备中末端执行件(模板和基片承载台)平行度的调整大多采用被动方式，即通过基片(或模板)承载台柔性环节变形来保证两者之间的平行度。例如B.J.Choi等，步进闪光压印光刻定位平台的设计，PrecisionEngineering，2001年25卷3期，192-199(B.J.Choi，S.V.Sreenivasan，S.Johnson，M.Colburn，C.G.Wilson，Design oforientation stage for step and flash imprint lithography，PrecisionEngineering，2001，25(3)：192-199.)、Jae-JongLee等，用于制备100nm线宽特征的纳米压印光刻设备的设计与分析，CurrentApplied Physics，2006年第6期，1007-1011(Jae-JongLee，Kee-Bong Choi，Gee-Hong Kim，Design and analysis of the single-stepnanoimprinting lithography equipment for sub-100 nm linewidth，Current AppliedPhysics2006，6：1007-011.)、Jae-JongLee等，用于制备50nm半倾斜特征的紫外压印光刻多头纳米压印单元，SICEICASEInternationalJointConference，2006年，4902-4904(Jae-Jong Lee，Kee-Bong Choi，Gee-Hong Kim et al，The UV-Nanoimprint Lithographywith Multi-head nanoimprinting Unit for Sub-50nm Half-pitch Patterns，SICEICASEInternationalJointConference2006，4902-4904.)中就报道了此种类型的设备及相关技术；也有些研究者采用被动适应、主动找平及手工调整相结合的方式，如：范细秋等，宽范围高对准精度纳米压印样机的研制，中国机械工程，2005年，16卷增刊，64-67、严乐等，冷压印光刻工艺精密定位工作台的研制，中国机械工程，2004年，15卷1期，75-78.中报道的此类精密定位工作台设计；而另一些研究者则另辟新径，比如，董晓文等，气囊气缸式紫外纳米压印系统的设计，半导体光电，2007年，28卷5期，676-684.中介绍的技术。这些已有的技术中，自适应调整精密定位系统虽然结构简单、结构紧凑、成本低廉，但它的定位精度，尤其平行度的调整精度较低，从而限制了加工精度和质量的提高。虽然通过主动找平和手工调整机构，在一定程度上可以提高压印模板和基片的平行度，但不能补偿压印过程中由于压印力不均匀而导致的模板和基片的平行度误差。气囊气缸式压印系统克服了压印过程中硅胶易伸张变形，压印力分布不均匀，模板易破裂等不足但其真空室的设计使用费用昂贵且压印时间过长。基于上述精密定位系统的不足，具有新型机构形式和控制方法的主动调整型精密定位系统的研制，对促进IC加工技术的发展具有重要的理论意义和工程实用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服已有现有技术的不足，提供一种可以完成压印光刻过程中的微量进给和精密定位的具有末端执行件位置主动调整能力的用于纳米压印光刻系统的二自由度精密定位工作台。

本发明解决压印光刻精密定位技术问题的技术方案是：

二自由度精密定位工作台，它包括基座、设置在所述的基座中间的动平台、连接在所述的基座底部的一个刚性支架以及连接在所述的动平台和基座之间的四个柔性支链，以所述的动平台的两个对称轴为中心线，所述的四个柔性支链分别上下和左右对称的设置在所述的动平台四周，每一所述的柔性支链包括一个移动块和三组柔性板簧结构，每一所述的柔性板簧结构均由二个相互平行成并联结构的一字形柔性板簧构成，这三组柔性板簧结构中，其中第一、第二组柔性板簧结构的分别位于所述的移动块的左右两侧，设置在所述的移动块左侧的第二组柔性板簧结构的两个一字形柔性板簧的右侧壁与移动块的左侧壁相连并且其左侧壁与基座内壁相连，设置在所述的移动块右侧的第一组柔性板簧结构的两个一字形柔性板簧的左侧壁与移动块的右侧壁相连并且其右侧壁与基座内壁相连；所述的第三组柔性板簧结构的两个一字形柔性板簧的下端与所述的移动块的上端侧壁相连，并且其上端与动平台的侧壁相连，与所述的第三组柔性板簧结构的两个一字形柔性板簧的上端相连的动平台侧壁与所述的移动块的上端侧壁平行设置，四个压电陶瓷驱动器分别水平放置，每个压电陶瓷驱动器尾部均由螺栓固联于基座上并且前端通过螺纹连接有球形接头，所述的球形接头顶在移动块下端侧壁上，二个位置传感器的导电片分别连接在刚性支架的上平面和动平台的下平面上，连接于刚性支架的上平面的两个导电片中的一个导电片的对称轴与刚性支架上平面的上下边缘中线重合，另一个导电片的对称轴与刚性支架上平面的左右边缘中线重合，连接于动平台下平面的两个导电片与刚性支架上的两个导电片彼此相对平行设置。

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

本发明设计的精密定位工作台，其柔性机构和刚性支架均可利用线切割一体化加工技术整体加工而成，免于装配、无间隙、无摩擦、不需润滑，利于实现微纳米级高精度定位。

本发明设计的精密定位工作台，采用柔性并联结构，具有高刚度、高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累等优点。

本发明设计的精密定位工作台，采用柔性板簧作为传动机构，具有无机械摩擦、无间隙的优点。另外，本发明基于材料的弹性变形，柔性板簧所产生的变形以及执行器末端工作空间均很微小，可以有效消除并联机构固有的非线性等缺点。

本发明设计的精密定位工作台采用四个压电陶瓷驱动器推动驱动环节实现压印光刻过程中模板和基片间相对位置的主动调整。可作为纳米压印光刻定位系统的辅助定位平台，实现微量进给和精密定位。

附图说明

图1是本发明的二自由度精密定位工作台柔性机构示意图；

图2是本发明的二自由度精密定位工作台支架机构示意图；

图3是本发明的二自由度精密定位工作台整体结构示意图；

图4是图1所示的柔性机构的横截面示意图。

其中：1、第一组柔性板簧结构2、基座3、移动块4、第三组柔性板簧结构5、第二组柔性板簧结构6、动平台7、位置传感器8、刚性支架9、凸起10、球形接头11、压电陶瓷驱动器

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

请参见图1~4，一种二自由度精密定位工作台。此工作台(图3)有四个压电陶瓷驱动器11，分别在顶部安装有球形接头10，通过球形接头10以小面积赫兹接触方式与移动块3接触，压电陶瓷驱动器11呈水平放置，以动平台6的两个对称轴为中心线，压电陶瓷驱动器11分别上下和左右对称的设置在动平台6的四周，尾部分别通过孔21螺纹固定在基座2上。该工作台包括基座2、设置在所述的基座中间的动平台6、连接在所述的基座2底部的一个刚性支架8以及连接在所述的动平台和基座之间的四个柔性支链，所述的四个柔性支链以动平台6的两个对称轴为中心线，分别上下和左右对称的设置在动平台6的四周。如图4所示(图中的剖面线部分为在实体上的开通孔部分)，动平台6由四个结构完全一致的柔性支链一起支撑，每一所述的柔性支链包括一个移动块3和对称的连接在移动块6左右两侧的两个第二、一柔性板簧结构5，1以及连接于移动块6和动平台6之间的第三柔性板簧结构4，三个柔性板簧结构1，4，5均由二个相互平行成并联结构的一字形柔性板簧构成，柔性板簧结构1设置在移动块3的右侧，其左侧壁与移动块3的右侧壁相连，其右侧壁与基座内壁相连，柔性板簧结构5设置在移动块3的左侧，其右侧壁与移动块3的左侧壁相连，其左侧壁与基座内壁相连；第三组柔性板簧结构4位于移动块3和动平台6之间，其下端与移动块3的上端侧壁相连，而其上端与动平台6的侧壁相连，与柔性板簧结构4的上端相连的动平台侧壁与移动块3的上端侧壁平行相对，上述的两组柔性板簧结构1，5对移动块3起到支撑作用，第三组柔性板簧4实现移动块3与动平台6之间的运动传递。四个柔性支链中，其中两个对称分布于动平台6上下两侧边缘中心线上，用于实现动平台6沿y轴方向的平动自由度，另两个支链则对称分布于动平台6左右两侧边缘的中心线上，用来实现动平台6沿x轴方向的平动自由度。

如图1和2，工作台柔性机构通过四个孔22及凸起9上的四个孔91与刚性支架8螺栓连接。二个位置传感器7分别固定于刚性支架8上平面和动平台6下平面之间，连接于刚性支架的上平面的两个导电片中的一个导电片的对称轴与刚性支架上平面的上下边缘的中线重合，另一个导电片的对称轴与刚性支架上平面的左右边缘的中线重合，连接于动平台下平面的两个导电片与刚性支架上的两个导电片位置相对平行设置。

位置传感器7选用2个PI公司研制的D-050型号超高分辨率电容式位置传感器，用来检测动平台6的实际输出。

为了提高本定位工作台的控制精度，本工作台它还包括一个计算机，所述的计算机用于输出电压信号给四个压电陶瓷驱动器，读取所述的二个位置传感器输出的位移信号并与计算机中的设定值比较后输出位移补偿电压控制信号给所述的四个压电陶瓷驱动器。

此二自由度精密定位工作台具有两个平动自由度(即水平面内沿x方向，y方向的移动)，这里假设在工作台水平面内沿动平台6左右边缘中线为x轴，而上下边缘中线为y轴，那么精密定位工作台所能实现的两个运动的实现方式分别为：(1)沿x方向的平动：计算机控制四通道的放大器提供正向驱动电流给位于动平台6右侧柔性驱动支链中的压电陶瓷驱动器11，(为了方便，这里称为右压电陶瓷驱动器)，同时，提供反向驱动电流给位于左侧柔性驱动支链中的压电陶瓷驱动器11，(为了方便，这里称为左压电陶瓷驱动器)，位于动平台上、下两侧的压电陶瓷驱动器(为了方便，这里称为上、下压电陶瓷驱动器)不驱动，那么所述的右压电陶瓷驱动器发生伸长(而所述的左压电陶瓷驱动器缩短)，推动其前端的移动块3发生沿x方向的移动，经后续的两个并联的平行一字形柔性板簧5的传递，将此平动动作传递给动平台6，使其发生沿x轴方向的平动。(2)沿y方向的平动：计算机控制四通道的放大器提供正向驱动电流给下压电陶瓷驱动器，同时，提供反向驱动电流给上压电陶瓷驱动器，而左、右压电陶瓷驱动器不驱动，那么所述的下压电陶瓷驱动器发生伸长(而所述的上压电陶瓷驱动器缩短)，推动其前端的移动块3发生沿y方向的移动，经后续的两个并联的平行一字形柔性板簧5的传递，将此平动动作传递给动平台6，使其发生沿y轴方向的平动。

为了克服压电陶瓷驱动器的迟滞现象的影响，二个高精度的电容式位置传感器7在动平台6运动过程中，实时的检测动平台6的实际输出，并形成闭环控制系统。利用建立的模型在线计算动平台的定位误差，并把补差电压实时施加到压电陶瓷驱动器1上。一个快速16位的多通道D/A和A/D转换器用来实现模拟信号和数字信号之间的转换。

所发明的二自由度精密定位工作台可作为纳米压印光刻定位系统的辅助定位平台，实现微量进给和精密定位。

Claims

1.二自由度精密定位工作台，其特征在于：它包括基座、设置在所述的基座中间的动平台、连接在所述的基座底部的一个刚性支架以及连接在所述的动平台和基座之间的四个柔性支链，以所述的动平台的两个对称轴为中心线，所述的四个柔性支链分别上下和左右对称的设置在所述的动平台四周，每一所述的柔性支链包括一个移动块和三组柔性板簧结构，每一所述的柔性板簧结构均由二个相互平行成并联结构的一字形柔性板簧构成，这三组柔性板簧结构中，其中第一、第二组柔性板簧结构分别位于所述的移动块的左右两侧，设置在所述的移动块左侧的第二组柔性板簧结构的两个一字形柔性板簧的右侧壁与移动块的左侧壁相连并且其左侧壁与基座内壁相连，设置在所述的移动块右侧的第一组柔性板簧结构的两个一字形柔性板簧的左侧壁与移动块的右侧壁相连并且其右侧壁与基座内壁相连；所述的第三组柔性板簧结构的两个一字形柔性板簧的下端与所述的移动块的上端侧壁相连，并且其上端与动平台的侧壁相连，与所述的第三组柔性板簧结构的两个一字形柔性板簧的上端相连的动平台侧壁与所述的移动块的上端侧壁平行设置，四个压电陶瓷驱动器分别水平放置，每个压电陶瓷驱动器尾部均由螺栓固联于基座上并且前端通过螺纹连接有球形接头，所述的球形接头顶在移动块下端侧壁上，二个位置传感器的导电片分别连接在刚性支架的上平面和动平台的下平面上，连接于刚性支架的上平面的两个导电片中的一个导电片的对称轴与刚性支架上平面的上下边缘中线重合，另一个导电片的对称轴与刚性支架上平面的左右边缘中线重合，连接于动平台下平面的两个导电片与刚性支架上的两个导电片彼此相对平行设置。

2.根据权利要求1所述的二自由度精密定位工作台，其特征在于：它还包括一个计算机，所述的计算机用于输出电压信号给四个压电陶瓷驱动器，读取所述的二个位置传感器输出的位移信号并与计算机中的设定值比较后输出位移补偿电压控制信号给所述的四个压电陶瓷驱动器。