CN103226296B - 一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台 - Google Patents
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Abstract
一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台，主要用于光刻机系统中。叠层工作台含有精动台、粗动台、平衡块、四个隔震器和测量机架；粗动台包括粗动台骨架、四个动铁式电磁力驱动模块和四个气浮轴承；精动台设置在粗动台骨架的中间位置；该系统还含有用于六自由度定位装置的承片台和基座之间位置反馈的激光干涉仪测量组件，激光干涉仪测量组件由激光光源、光路组件、激光干涉仪组成，可对该装置的运动部分进行实时的六自由度的测量。本发明具有结构简单、紧凑，运动部分质量轻；粗动台驱动电机采用加长矩形线圈组，在不影响运动精度的前提下，避开了大规模halbach磁钢阵列的制造困难，又增大了驱动电机行程；进而提高了运动的精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种精动台，尤其涉及一种六自由度精动台，主要应用于半导体光刻设备中，属于超精密加工和检测设备技术领域。
背景技术
具有高精度和快速响应的精动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，超精密精动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，超精密精动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，超精密精动台用于测量样品表面形貌，进行纳米加工；在生物工程方面，超精密精动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，超精密精动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。超精密精动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，包含一个超精密精动台。该微动台叠加于粗动台之上，用于对粗动台进行精度补偿。精动台定位精度决定了光刻机的曝光精度，运动速度决定了光刻机的生产效率。因此，美国、日本、欧洲等发达国家均把超精密精动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精动台研究现状，超精密微动台通常有三类，伺服电机通过滚珠丝杠传动/直线导轨支撑精动台，压电陶瓷驱动/柔性铰链支撑导向精动台，以及音圈电机或变磁阻电机驱动/气浮或磁浮支撑精动台。
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、台体较厚和质心高等不足，其性能受到一定局限。
清华大学在2007年6月29日申请了一种6自由度精动台(申请号：200710118130.5)，提供了一种应用于光刻机硅片台中的六自由度精动台，采用无摩擦阻尼的音圈电机作为驱动结构，虽然大大提高了定位精度，但是该结构体积大，结构不紧凑，不能很好地适应双台交换系统的需要。
发明内容
本发明旨在提供一种可应用于光刻机硅片台中的粗精动叠层工作台，使其具有结构简单、紧凑、质心驱动和微动台动子惯量小等特点。
本发明的技术方案如下：
本发明所述的一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台，含有一个精动台和一个粗动台，其特征在于：所述的叠层工作台还包含一个平衡块、四个隔震器和测量机架；所述的粗动台含有一个粗动台骨架、四个动铁式电磁力驱动模块和四个气浮轴承；所述的精动台设置在粗动台骨架的中间位置，精动台定子骨架与粗动台骨架连接在一起，所述的四个气浮轴承设置在粗动台骨架的四角，并与平衡块上表面形成气膜，支撑粗动台动子部分沿平衡块上表面运动；平衡块的下方四个角上布置四个隔震器；其中两个动铁式电磁力驱动模块沿X轴方向布置在粗动台的中心线上，并关于Y轴对称布置，另外两个动铁式电磁力驱动模块沿Y轴方向布置在粗动台的中心线上，并关于X轴对称布置；每一个动铁式电磁力驱动模块包括永磁体组件和长线圈组件两部分，永磁体组件由主永磁体、附永磁体以及永磁体骨架组成，主永磁体与附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于永磁体骨架的表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路，该永磁体组件通过永磁体骨架固定在粗动台骨架的底面，并沿粗动台骨架的边缘方向放置；每一个长线圈组件由至少三个加长矩形线圈并排水平放置在平衡块的深槽中，且长线圈组件与对应永磁体组件留有间隙；
所述的粗精动叠层工作台还含有一套激光干涉仪测量组件，该激光干涉仪测量组件含有两个激光头、三个多轴干涉仪、一个分光镜和两个干涉仪安装座；所述的激光干涉仪测量组件的全部零件都安装在所述的测量机架上，多轴干涉仪是通过干涉仪安装座安装在测量机架上，其中第一多轴干涉仪和第二多轴干涉仪分别布置在精动台的上方，第一多轴干涉仪和第二多轴干涉仪的测量方向分别沿X方向和Y方向放置，使用分光镜将第一激光头的激光光源平均分配给这两个多轴干涉仪，所述的第一多轴干涉仪和第二多轴干涉仪使用承片台侧面的反射镜面作为干涉仪的反射镜，测量精动台动子部分相对于测量机架的沿X方向、Y方向的位移和绕X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的旋转角度；第三多轴干涉仪布置在平衡块底部下方，由第二激光头提供激光光源，该多轴干涉仪的测量方向沿Z轴方向向上，所述的第三多轴干涉仪使用精动台动子骨架底面的反射镜面作为干涉仪的反射镜，测量精动台定子部分相对于机架的沿Z方向的位移。
本发明所述的一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台，其特征在于：所述的精动台包含一个承片台、精动台动子骨架、精动台定子骨架，以及四个第一种电磁力驱动模块和四个第二种电磁力驱动模块；所述的承片台的四个侧面为反射镜面，反射镜面与水平面垂直，且相邻两个反射镜面互相垂直；所述的第一种电磁力驱动模块的其中两个电磁力驱动模块沿X轴关于Y轴对称布置，另外两个电磁力驱动模块沿Y轴关于X轴对称布置；所述第二种电磁力驱动模块分别布置在精动台定子骨架的四个象限中，四个第二种电磁力驱动模块与四个第一种电磁力驱动模块相间布置；每个第一种电磁力驱动模块和每个第二种电磁力驱动模块至少包括一个电磁力驱动单元，每个电磁力驱动单元由永磁体、轭铁、永磁体骨架、通电线圈和线圈骨架构成；四个第一种电磁力驱动模块的永磁体和轭铁、四个第二种电磁力驱动模块的永磁体和轭铁和精动台动子骨架共同组成精动台的动子部分；四个第一种电磁力驱动模块、四个第二种电磁力驱动模块的通电线圈和线圈骨架和精动台定子骨架共同组成精动台的定子部分；所述的精动台的动子部分和定子部分布置在承片台下方，承片台与精动台的动子部分固定在一起。
本发明的技术特征还在于：所述的粗动台骨架和动铁式电磁力驱动模块的永磁体骨架采用碳纤维加铝蜂窝材料加工而成；
本发明所述的一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台，其特征在于：精动台第一种电磁力驱动模块的永磁体包括上下两部分永磁体组，通电线圈位于上下两部分永磁体组之间，并留有间隙；每部分永磁体组由主永磁体和附永磁体组成，主永磁体与附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于轭铁的表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路。
精动台第二种电磁力驱动模块的永磁体包括外磁环和内磁环，外磁环与内磁环的轴线沿Z轴方向同轴布置，外磁环与内磁环充磁方向相同，沿径向方向且由圆环外表面指向圆心；通电线圈为圆柱形线圈，位于内磁环与外磁环之间，并与内外磁环同轴布置；在第二种电磁力驱动单元的中心轴线上还布置有一个重力平衡磁柱，该重力平衡磁柱的轴线沿Z轴方向与内外磁环同轴，并固定在精动台定子骨架上，其充磁方向沿Z轴方向。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：粗精动叠层工作台采用并联结构实现六自由度运动，具有体积小、结构紧凑、质心驱动等优点，微动台采用电磁力直接驱动，因此不存在机械摩擦、无阻尼，具有较高的位移分辨率；粗动台驱动电机采用加长矩形线圈组，在不影响运动精度的前提下，避开了大规模halbach磁钢阵列的制造困难，又增大了驱动电机行程；精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。碳化硅陶瓷零件的使用大大提高了系统性能，将反射镜集成在壳体上，既减少了零件个数，又降低了反射镜组件装配的高精度要求。激光干涉仪测量的使用大大提高了系统测量精度。
附图说明
图1为发明提供的一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台的三维结构图。
图2为本发明提供的拆去测量机架上盖板的一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台的三维结构图。
图3为本发明提供的拆去承片台的一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台的三维结构图。
图4为本发明的动铁式电磁力驱动模块采用四组的布置结构。
图5为本发明提供的动铁式电磁力驱动模块一维halbach磁钢阵列充磁方向示意图。
图6为本发明的激光干涉仪测量的侧面布置结构视图。
图7为本发明的激光干涉仪测量的底面布置结构视图。
图中：1－承片台；2－平衡块；3－粗动台骨架；4－气浮轴承；5－隔震器；7a－动铁式电磁力第一驱动模块；7b－动铁式电磁力第二驱动模块；7c－动铁式电磁力第三驱动模块；7d－动铁式电磁力第四驱动模块；8－第一种电磁力驱动模块；9－第二种电磁力驱动模块；10－精动台定子骨架；11－永磁体骨架；12－精动台动子骨架；13－测量机架；15-动铁式电磁力驱动模块线圈组件，16-第一主永磁体，17-第二主永磁体，18-第一附永磁体；19-第二附永磁体；21a－第一激光头；21b－第二激光头；22a－第一多轴干涉仪；22b－第二多轴干涉仪；22c－第三多轴干涉仪；23－分光镜；24－干涉仪安装座。
具体实施方式
图1为本发明提供的一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台的三维结构图。该工作台含有精动台、粗动台、平衡块2、隔震器5和测量机架13。精动台与粗动台叠层放置在平衡块上表面，精动台由一个承片台1、精动台动子骨架12、精动台定子骨架10和电磁力驱动模块组成，所述的承片台1固定在精动台动子骨架12的顶部，精动台的电磁力驱动模块包括四组可实现在水平面内沿X方向、Y方向和绕Z轴旋转三个自由度运动的第一种电磁力驱动模块8和四组实现精动台沿Z方向、绕X轴旋转和绕Y轴旋转的三个自由度的运动的第二种电磁力驱动模块9，这种电磁力驱动模块分别呈正方形均布在精动台上，且第一种电磁力驱动模块8和第二种电磁力驱动模块9间隔分布；所述的四组第一种电磁力驱动模块8和四组第二种电磁力驱动模块9的均为动铁式洛伦兹电机，每个电磁力驱动单元的磁钢部分固定在精动台动子骨架12上，每个电磁力驱动单元的线圈部分固定在精动台定子骨架10上，精动台动子骨架12的底面加工成镜面，作为激光干涉仪的反射镜使用。
第一种电磁力驱动模块8的永磁体包括上下两部分永磁体组，通电线圈位于上下两部分永磁体组之间，并留有间隙；每部分永磁体组由主永磁体和附永磁体组成，主永磁体与附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于轭铁的表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路。第二种电磁力驱动模块9的永磁体包括外磁环和内磁环，外磁环与内磁环的轴线沿Z轴方向同轴布置，外磁环与内磁环充磁方向相同，沿径向方向且由圆环外表面指向圆心；通电线圈为圆柱形线圈，位于内磁环与外磁环之间，并与内外磁环同轴布置；在第二种电磁力驱动单元的中心轴线上还布置有一个重力平衡磁柱，该重力平衡磁柱的轴线沿Z轴方向与内外磁环同轴，并固定在精动台定子上，其充磁方向沿Z轴方向。
粗动台含有粗动台骨架3、四个气浮轴承4和四组动铁式电磁力驱动模块，精动台设置在粗动台骨架3的中心，粗动台骨架3采用碳纤维加铝蜂窝材料加工而成，具有质量轻和高模态的特点，精动台的定子部分与粗动台骨架3连接在一起，四个气浮轴承4分别设置在粗动台骨架3的四个角上，该四个气浮轴承4底面与平衡块2上表面形成一层具有一定刚度的气膜，支撑粗动台的动子部分沿平衡块2上表面做无摩擦运动，在平衡块2的下方四角上布置四个隔震器5，避免地面传来的其它震动对运动系统产生影响。所述的动铁式电磁力驱动模块分别为动铁式电磁力第一驱动模块7a、动铁式电磁力第二驱动模块7b、动铁式电磁力第三驱动模块7c和动铁式电磁力第四驱动模块7d。每一组动铁式电磁力驱动模块实现两个自由度的运动；四组动铁式电磁力驱动模块，其中电磁力第一驱动模块7a和动铁式电磁力第三驱动模块7c沿Y轴方向布置在粗动台的中线，并关于X轴对称布置，另外动铁式电磁力第二驱动模块7b和动铁式电磁力第四驱动模块7d沿X轴方向布置在粗动台的中线，并关于Y轴对称布置，如图4所示。这种布置方式，避免了制造大规模的halbach磁钢阵列的困难，并且有利于电机线圈的散热，是比较优化的电机布置方案。
动铁式电磁力驱动模块包括永磁体组件和线圈组件两部分，永磁体组件由第一主永磁体16、第二主永磁体17、第一附永磁体18和第二附永磁体19组成，如图5所示，沿X方向顺序依次为第一附永磁体18、第一主永磁体16、第二附永磁体19和第二主永磁体17，主永磁体与附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于永磁体骨架11的表面上，充磁方向如图5所示，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路；动铁式电磁力驱动模块的永磁体骨架11采用碳纤维加铝蜂窝材料加工而成，具有质量轻，模态高的特点；动铁式电磁力驱动模块线圈组件位于永磁体一侧，并留有间隙；电磁力第一驱动模块7a和动铁式电磁力第三驱动模块7c，实现粗动台沿Y轴和Z轴方向平移和绕X轴和Z轴方向旋转运动，动铁式电磁力第二驱动模块7b和动铁式电磁力第四驱动模块7d，实现粗动台沿X轴方向和Z轴方向的平移和绕Y轴和Z轴方向旋转运动；
图2为本发明提供的拆去测量机架13上盖板的一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台的三维结构图。该激光干涉仪测量组件含有两个激光头、三个多轴干涉仪、一个分光镜23和两个干涉仪安装座24，如图6和图7所示。激光干涉仪测量组件的全部零件都安装在测量机架13上，这是为了保证运动系统产生的振动以及其它振动不会造成的对激光干涉仪测量产生干扰。多轴干涉仪是通过干涉仪安装座24安装在测量机架13上，其中第一多轴干涉仪22a和第二多轴干涉仪22b分别布置在精动台的上方，第一多轴干涉仪22a和第二多轴干涉仪22b的测量方向分别沿X方向和Y方向放置，使用分光镜23将第一激光头21a的激光光源平均分配给这两个多轴干涉仪，所述的第一多轴干涉仪22a和第二多轴干涉仪22b使用承片台1侧面的反射镜面作为干涉仪的反射镜，测量精动台动子部分12相对于测量机架13的沿X方向、Y方向的位移和绕X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的旋转角度；第三多轴干涉仪22c置在平衡块2底部下方，由第二激光头21b提供激光光源，该多轴干涉仪的测量方向沿Z轴方向向上，所述的第三多轴干涉仪22c使用精动台动子骨架12底面的反射镜面作为干涉仪的反射镜，测量精动台定子部分相对于机架的沿Z方向的位移。
下面介绍一下该粗精动叠层工作台的工作原理。精动台为一个六自由度的精密运动组件，可实现空间六个自由度的高精度、小行程精密运动，大行程的运动则由粗动台负责，该粗动台由四组动铁式电磁力第一驱动模块驱动，可沿在平衡块2上表面实现水平面内的运动。如图3所示，当动铁式电磁力第一驱动模块7a和动铁式电磁力第三驱动模块7c通相同方向电流时，实现粗动台沿X方向运动，当动铁式电磁力第二驱动模块7b和动铁式电磁力第四驱动模块7d通相同方向电流时，实现粗动台沿Y方向运动；当动铁式电磁力第一驱动模块7a和动铁式电磁力第三驱动模块7c通相反方向电流时，或当动铁式电磁力第二驱动模块7b和动铁式电磁力第四驱动模块7d通相反方向电流时，实现粗动台绕Z方向旋转运动。
Claims (4)
1.一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台，含有一个精动台和一个粗动台，其特征在于：所述的叠层工作台还包含一个平衡块(2)、四个隔震器(5)和测量机架(13)；所述的粗动台含有一个粗动台骨架(3)、四个动铁式电磁力驱动模块和四个气浮轴承(4)；所述的精动台设置在粗动台骨架(3)的中间位置，精动台定子骨架(10)与粗动台骨架(3)连接在一起，所述的四个气浮轴承(4)设置在粗动台骨架(3)的四角，并与平衡块(2)上表面形成气膜，支撑粗动台动子部分沿平衡块(2)上表面运动；平衡块(2)的下方四个角上布置四个隔震器(5)；其中两个动铁式电磁力驱动模块沿X轴方向布置在粗动台的中心线上，并关于Y轴对称布置，另外两个动铁式电磁力驱动模块沿Y轴方向布置在粗动台的中心线上，并关于X轴对称布置；每一个动铁式电磁力驱动模块包括永磁体组件和长线圈组件两部分，永磁体组件由主永磁体、附永磁体以及永磁体骨架组成，主永磁体与附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于永磁体骨架的表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路，该永磁体组件通过永磁体骨架固定在粗动台骨架(3)的底面，并沿粗动台骨架(3)的边缘方向放置；每一个长线圈组件由至少三个加长矩形线圈并排水平放置在平衡块(2)的深槽中，且长线圈组件与对应永磁体组件留有间隙；
所述的粗精动叠层工作台还含有一套激光干涉仪测量组件，该激光干涉仪测量组件含有两个激光头、三个多轴干涉仪、一个分光镜(23)和两个干涉仪安装座(24)；所述的激光干涉仪测量组件的全部零件都安装在所述的测量机架(13)上，多轴干涉仪是通过干涉仪安装座(24)安装在测量机架(13)上，其中第一多轴干涉仪(22a)和第二多轴干涉仪(22b)分别布置在精动台的上方，第一多轴干涉仪(22a)和第二多轴干涉仪(22b)的测量方向分别沿X方向和Y方向放置，使用分光镜(23)将第一激光头(21a)的激光光源平均分配给这两个多轴干涉仪，所述的第一多轴干涉仪(22a)和第二多轴干涉仪(22b)使用承片台(1)侧面的反射镜面作为干涉仪的反射镜，测量精动台动子部分(12)相对于测量机架(13)的沿X方向、Y方向的位移和绕X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的旋转角度；第三多轴干涉仪(22c)布置在平衡块(2)底部下方，由第二激光头(21b)提供激光光源，该多轴干涉仪的测量方向沿Z轴方向向上，所述的第三多轴干涉仪(22c)使用精动台动子骨架(12)底面的反射镜面作为干涉仪的反射镜，测量精动台定子部分相对于机架的沿Z方向的位移。
2.如权利要求1所述的一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台，其特征在于：所述的精动台包含一个承片台(1)、精动台动子骨架(6)、精动台定子骨架(10)，以及四个第一种电磁力驱动模块(8)和四个第二种电磁力驱动模块(9)；所述的承片台(1)的四个侧面为反射镜面，反射镜面与水平面垂直，且相邻两个反射镜面互相垂直；所述的第一种电磁力驱动模块(8)的其中两个电磁力驱动模块沿X轴关于Y轴对称布置，另外两个电磁力驱动模块沿Y轴关于X轴对称布置；所述第二种电磁力驱动模块(9)分别布置在精动台定子骨架(10)的四个象限中，四个第二种电磁力驱动模块(9)与四个第一种电磁力驱动模块(8)相间布置；每个第一种电磁力驱动模块(8)和每个第二种电磁力驱动模块(9)至少包括一个电磁力驱动单元，每个电磁力驱动单元由永磁体、轭铁、永磁体骨架、通电线圈和线圈骨架构成；四个第一种电磁力驱动模块的永磁体和轭铁、四个第二种电磁力驱动模块的永磁体和轭铁和精动台动子骨架(6)共同组成精动台的动子部分；四个第一种电磁力驱动模块、四个第二种电磁力驱动模块的通电线圈和线圈骨架和精动台定子骨架(10)共同组成精动台的定子部分；所述的精动台的动子部分和定子部分布置在承片台(1)下方，承片台(1)与精动台的动子部分固定在一起。
3.如权利要求1所述的一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台，其特征在于：所述的粗动台骨架(3)和动铁式电磁力驱动模块的永磁体骨架(11)采用碳纤维加铝蜂窝材料加工而成。
4.按照权利要求2所述的一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台，其特征在于：精动台第一种电磁力驱动模块的永磁体包括上下两部分永磁体组，通电线圈位于上下两部分永磁体组之间，并留有间隙；每部分永磁体组由主永磁体和附永磁体组成，主永磁体与附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于轭铁的表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路；精动台第二种电磁力驱动模块的永磁体包括外磁环和内磁环，外磁环与内磁环的轴线沿Z轴方向同轴布置，外磁环与内磁环充磁方向相同，沿径向方向且由圆环外表面指向圆心；通电线圈为圆柱形线圈，位于内磁环与外磁环之间，并与内外磁环同轴布置；在第二种电磁力驱动单元的中心轴线上还布置有一个重力平衡磁柱，该重力平衡磁柱的轴线沿Z轴方向与内外磁环同轴，并固定在精动台定子骨架(10)上，其充磁方向沿Z轴方向。
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