CN102998899A - 二自由度纳米定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二自由度纳米定位平台，包括动平台和基座，所述动平台和所述基座通过X轴方向柔性支链和Y轴方向柔性支链连接。本发明采用柔性并联结构，具有高刚度、高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累等优点；采用柔性板簧作为传动部件，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；采用两个压电陶瓷驱动器分别驱动两个柔性支链，实现了压印光刻过程中模板和基片间相对位置的主动调整。本发明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

二自由度纳米定位平台

技术领域

本发明属于一种微／纳精密工作台，特别是一种可为微/纳表面测量以及微/纳操作等领域提供精密平面定位的二自由度并联柔性精密定位工作台。

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，将得到楔形的留模，甚至模板的一端直接接触基片。如果楔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，Precision Engineering，2001年25卷3期，192-199（B.J.Choi，S.V.Sreenivasan，S.Johnson，M.Colburn，C.G.Wilson，Design of orientationstage for step and flash imprint lithography，Precision Engineering，2001，25(3)：192-199.）、Jae-Jong Lee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-Jong Lee，Kee-Bong Choi，Gee-Hong Kim，Design and analysis of the single-step nanoimprinting lithography equipment for sub-100nmlinewidth，CurrentApplied Physics2006，6:1007–1011.）、Jae-Jong Lee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，SICEICASE International JointConference，2006年，4902-4904（Jae-Jong Lee,Kee-Bong Choi，Gee-Hong Kim et al，TheUV-Nanoimprint Lithography with Multi-head nanoimprinting Unit for Sub-50nm Half-pitchPatterns，SICEICASE International Joint Conference2006，4902-4904.）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

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可以完成快速、精确平面定位并可实时精确跟踪各种平面轨迹的二自由度纳米定位平台。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种二自由度纳米定位平台，包括动平台和基座，所述动平台和所述基座通过X轴方向柔性支链和Y轴方向柔性支链连接；

所述X轴方向柔性支链包括沿平行X轴方向布置的压电陶瓷驱动器、沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆、第一移动块和第二移动块；

所述沿平行X轴方向布置的压电陶瓷驱动器的尾端固定在所述基座上，顶端顶接在所述沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆的底部；

所述沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆的底端通过沿平行X轴方向共线布置的两个第一圆形铰链连接在所述基座的内壁上，所述沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆的顶端通过沿X轴方向布置的第一一字型柔性板簧与所述第一移动块相连；

所述第一移动块通过沿平行Y轴方向且共线布置的两个第二一字型柔性板簧与所述基座的内壁相连，所述第一移动块通过沿平行X轴方向平行布置的两个第三一字型柔性板簧与所述动平台的右侧连接，所述动平台的左侧通过沿平行X轴方向平行布置的两个第四一字型柔性板簧与所述第二移动块连接，所述第二移动块通过沿平行Y轴方向且共线布置的两个第五一字型柔性板簧与所述基座的内壁相连；

所述Y轴方向柔性支链包括沿平行Y轴方向布置的压电陶瓷驱动器、沿平行X轴布置的位移放大杠杆、第三移动块和第四移动块；

所述沿平行Y轴方向布置的压电陶瓷驱动器的尾端固定在所述基座上，顶端顶接在所述沿平行X轴方向布置的位移放大杠杆的底部；

所述沿平行X轴方向布置的位移放大杠杆的底端通过沿平行Y轴方向共线布置的两个第二圆形铰链连接在所述基座的内壁上，所述沿平行X轴方向布置的位移放大杠杆的顶端通过沿Y轴方向布置的第六一字型柔性板簧与所述第三移动块相连；

所述第三移动块通过沿平行X轴方向且共线布置的两个第七一字型柔性板簧与所述基座的内壁相连，所述第三移动块通过沿平行Y轴方向平行布置的两个第八一字型柔性板簧与所述动平台的顶端连接，所述动平台的底端通过沿平行Y轴方向平行布置的两个第九一字型柔性板簧与所述第四移动块连接，所述第四移动块通过沿平行X轴方向且共线布置的两个第十一字型柔性板簧与所述基座的内壁相连。

所述沿平行X轴方向布置的压电陶瓷驱动器和所述动平台位于所述沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆的同侧，所述沿平行Y轴方向布置的压电陶瓷驱动器和所述动平台位于所述沿平行X轴方向布置的位移放大杠杆的同侧。

本发明具有的优点和积极效果是：能够利用线切割一体化加工技术整体加工而成，以免于装配，且无间隙、无摩擦、不需润滑，利于实现微纳米级高精度定位；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；采用柔性板簧作为传动部件，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；采用两个压电陶瓷驱动器分别驱动两个柔性支链，实现了压印光刻过程中模板和基片间相对位置的主动调整。本发明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为本发明的结构示意图；

图2为本发明柔性支链的结构示意图；

图3为本发明采用激光干涉实现位置测量与反馈的示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图3，一种二自由度纳米定位平台，包括动平台2和基座1，所述动平台2和所述基座1通过X轴方向柔性支链和Y轴方向柔性支链连接。

所述X轴方向柔性支链包括沿平行X轴方向布置的压电陶瓷驱动器3、沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆6、第一移动块8和第二移动块12。

所述沿平行X轴方向布置的压电陶瓷驱动器3水平放置，顶端安装有球形接头4，通过球形接头4以小面积赫兹接触方式与所述沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆6的底部接触，所述沿平行X轴方向布置的压电陶瓷驱动器3尾部通过孔25-1螺纹固定在基座1上。为了避免所述沿平行X轴方向布置的压电陶瓷驱动器3与所述沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆6在工作过程中脱离，所述沿平行X轴方向布置的压电陶瓷驱动器3以过盈装配方式安装在所述沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆6和所述的基座1之间，实现预紧。

所述沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆6的底端通过沿平行X轴方向共线布置的两个第一圆形铰链5-1、5-2连接在所述基座1的内壁上，所述沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆6的顶端通过沿X轴方向布置的第一一字型柔性板簧7与所述第一移动块8相连。

所述第一移动块8通过沿平行Y轴方向且共线布置的两个第二一字型柔性板簧9-1、9-2与所述基座1的内壁相连，所述第一移动块8通过沿平行X轴方向平行布置的两个第三一字型柔性板簧10-1、10-2与所述动平台2的右侧连接，所述动平台2的左侧通过沿平行X轴方向平行布置的两个第四一字型柔性板簧11-1、11-2与所述第二移动块12连接，所述第二移动块12通过沿平行Y轴方向且共线布置的两个第五一字型柔性板簧13-1、13-2与所述基座1的内壁相连。

所述Y轴方向柔性支链包括沿平行Y轴方向布置的压电陶瓷驱动器14、沿平行X轴布置的位移放大杠杆17、第三移动块19和第四移动块23。

所述沿平行Y轴方向布置的压电陶瓷驱动器14水平放置，顶端安装有球形接头15，通过球形接头15以小面积赫兹接触方式与所述沿平行X轴方向布置的位移放大杠杆17的底部接触，所述沿平行Y轴方向布置的压电陶瓷驱动器14尾部通过孔25-2螺纹固定在基座1上。为了避免所述沿平行Y轴方向布置的压电陶瓷驱动器14与所述沿平行X轴方向布置的位移放大杠杆17在工作过程中脱离，所述沿平行Y轴方向布置的压电陶瓷驱动器14以过盈装配方式安装在所述沿平行X轴方向布置的位移放大杠杆6和所述的基座1之间，实现预紧。

所述沿平行X轴方向布置的位移放大杠杆17的底端通过两个沿平行Y轴方向共线布置的两个第二圆形铰链16-1、16-2连接在所述基座的内壁上，所述沿平行X轴方向布置的位移放大杠杆17的顶端通过沿Y轴方向布置的第六一字型柔性板簧18与所述第三移动块19相连。

所述第三移动块19通过沿平行X轴方向且共线布置的两个第七一字型柔性板簧20-1、20-2与所述基座的内壁相连，所述第三移动块19通过沿平行Y轴方向平行布置的两个第八一字型柔性板簧21-1、21-2与所述动平台2的顶端连接，所述动平台2的底端通过沿平行Y轴方向平行布置的两个第九一字型柔性板簧22-1、22-2与所述第四移动块23连接，所述第四移动块23通过沿平行X轴方向且共线布置的两个第十一字型柔性板簧24-1、24-2与所述基座的内壁相连。

在本实施例中，所述沿平行X轴方向布置的压电陶瓷驱动器3和所述动平台2位于所述沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆5的同侧，所述沿平行Y轴方向布置的压电陶瓷驱动器14和所述动平台2位于所述沿平行X轴方向布置的位移放大杠杆17的同侧。上述结构可使本发明的结构更加紧凑。

上述工作台利用激光干涉仪26实时检测所述动平台2的位移输出，其位移测量值作为闭环控制算法中的位置反馈信号。上述工作台它还包括一个计算机，所述的计算机用于读取所述的激光干涉测量装置输出的位移信号并与计算机中的参考值比较后通过特定控制算法计算所需的控制电压，并输出所述的电压控制信号给压电陶瓷驱动器，进而实时补偿动平台的运动误差。

上述工作台所能实现的两个运动的实现方式分别为：一）沿X轴方向的平动：计算机输出电压控制信号驱动所述沿平行X轴方向布置的压电陶瓷驱动器3，此时，所述沿平行Y轴方向布置的压电陶瓷驱动器14不驱动，那么沿平行X轴方向布置的压电陶瓷驱动器3发生伸长（或缩短），推动所述沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆6沿平行X轴方向的移动，经沿X轴方向布置的第一一字型柔性板簧7的传递，推动所述第一移动块8发生沿X轴方向的移动，经沿平行X轴方向布置的第三一字型柔性板簧10-1、10-2的传递，将此平动动作传递给动平台2，使其发生沿X轴方向的平动。二）沿Y轴方向的平动：计算机输出电压控制信号驱动所述沿平行Y轴方向布置的压电陶瓷驱动器14，此时，沿平行X轴方向布置的压电陶瓷驱动器3不驱动，那么所述沿平行Y轴方向布置的压电陶瓷驱动器14发生伸长（或缩短），推动所述沿平行X轴方向布置的位移放大杠杆17沿平行Y方向的移动，经所述沿Y轴方向布置的第六一字型柔性板簧18的传递推动第三个移动块19发生沿Y方向的移动，经所述沿平行Y轴方向布置的第八一字型柔性板簧21-1、21-2的传递，将此平动动作传递给动平台2，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，激光干涉仪在动平台运动过程中，实时地检测动平台的位移输出，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上。利用快速16位的多通道D/A和A/D转换器来实现模拟信号和数字信号之间的转换。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种二自由度纳米定位平台，其特征在于，包括动平台和基座，所述动平台和所述基座通过X轴方向柔性支链和Y轴方向柔性支链连接；

所述X轴方向柔性支链包括沿平行X轴方向布置的压电陶瓷驱动器、沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆、第一移动块和第二移动块；

所述沿平行X轴方向布置的压电陶瓷驱动器的尾端固定在所述基座上，顶端顶接在所述沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆的底部；

所述沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆的底端通过沿平行X轴方向共线布置的两个第一圆形铰链连接在所述基座的内壁上，所述沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆的顶端通过沿X轴方向布置的第一一字型柔性板簧与所述第一移动块相连；

所述第一移动块通过沿平行Y轴方向且共线布置的两个第二一字型柔性板簧与所述基座的内壁相连，所述第一移动块通过沿平行X轴方向平行布置的两个第三一字型柔性板簧与所述动平台的右侧连接，所述动平台的左侧通过沿平行X轴方向平行布置的两个第四一字型柔性板簧与所述第二移动块连接，所述第二移动块通过沿平行Y轴方向且共线布置的两个第五一字型柔性板簧与所述基座的内壁相连；

所述Y轴方向柔性支链包括沿平行Y轴方向布置的压电陶瓷驱动器、沿平行X轴布置的位移放大杠杆、第三移动块和第四移动块；

所述沿平行Y轴方向布置的压电陶瓷驱动器的尾端固定在所述基座上，顶端顶接在所述沿平行X轴方向布置的位移放大杠杆的底部；

所述沿平行X轴方向布置的位移放大杠杆的底端通过沿平行Y轴方向共线布置的两个第二圆形铰链连接在所述基座的内壁上，所述沿平行X轴方向布置的位移放大杠杆的顶端通过沿Y轴方向布置的第六一字型柔性板簧与所述第三移动块相连；

所述第三移动块通过沿平行X轴方向且共线布置的两个第七一字型柔性板簧与所述基座的内壁相连，所述第三移动块通过沿平行Y轴方向平行布置的两个第八一字型柔性板簧与所述动平台的顶端连接，所述动平台的底端通过沿平行Y轴方向平行布置的两个第九一字型柔性板簧与所述第四移动块连接，所述第四移动块通过沿平行X轴方向且共线布置的两个第十一字型柔性板簧与所述基座的内壁相连。

2.根据权利要求1所述的二自由度纳米定位平台，其特征在于，所述沿平行X轴方向布置的压电陶瓷驱动器和所述动平台位于所述沿平行Y轴方向布置的位移放大杠杆的同侧，所述沿平行Y轴方向布置的压电陶瓷驱动器和所述动平台位于所述沿平行X轴方向布置的位移放大杠杆的同侧。

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