CN103309176B - 一种带升降真空爪的六自由度微动台 - Google Patents

一种带升降真空爪的六自由度微动台 Download PDF

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一种带升降真空爪的六自由度微动台，含有实现微动工作台在水平面内沿X方向、Y方向和绕Z轴旋转的第一种电磁力驱动模块和实现微动工作台沿Z方向、绕X轴旋转和绕Y轴旋转的第二种电磁力驱动模块、真空吸盘、微动台上盖、升降真空爪和基座；真空吸盘设置在微动台上盖的上表面的凹槽内；升降真空爪布置在微动台上盖的下方，包括驱动模块、导向模块和测量模块；驱动模块是一个音圈电机，导向模块由两组微型滚珠导轨组成，测量模块是一个线性光栅尺传感器组件。本发明与现有六自由度微动台相比，由于增加了一个带升降真空爪，使得该六自由度微动台具有一个沿垂直方向的大行程的单自由度抬升与抓取功能，满足了光刻机对于硅片的抬升与抓取的要求。

Description

一种带升降真空爪的六自由度微动台
技术领域
本发明涉及一种微动工作台，尤其涉及一种带升降真空爪的六自由度微动台，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。该六自由度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，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，超精密六自由度微动台通常有三类，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。
前两种六自由度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/气浮支撑的六自由度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
本发明旨在提供一种带升降真空爪的六自由度微动台，增加了一个带升降真空爪结构，使得该六自由度微动台具有了一个沿垂直方向的大行程的单自由度抬升与抓取功能，具有结构简单、紧凑等特点。
本发明的技术方案如下：
一种带升降真空爪的六自由度微动台，含有实现微动工作台在水平面内沿X方向、Y方向和绕Z轴旋转的第一种电磁力驱动模块和实现微动工作台沿Z方向、绕X轴旋转和绕Y轴旋转的第二种电磁力驱动模块、真空吸盘、微动台上盖和基座，所述真空吸盘设置在微动台上盖的上表面的凹槽内，并与电磁力驱动模块的动子部分连接在一起，其特征在于：所述的六自由度微动台还含有一个升降真空爪，所述的升降真空爪布置在微动台上盖的下方，该升降真空爪包括驱动模块、导向模块和测量模块；
所述的驱动模块采用一个动圈式音圈电机，音圈电机底座上沿圆周方向均布有至少四个真空抓取柱，真空抓取柱为细长中空管，真空抓取柱的真空气路通过音圈电机底座中的环形槽彼此连通；多个真空抓取柱分别穿入真空吸盘和微动台上盖对应的多个孔中；音圈电机的线圈和线圈骨架固定在音圈电机底座中；音圈电机的永磁体部分通过一个音圈电机固定环通过六自由度微动台的驱动模块的定子部分与基座连接在一起；
所述的导向模块包含两组微型滚珠导轨，该两组微型滚珠导轨布置在所述的音圈电机固定环的圆柱孔内，两组微型滚珠导轨的滑块通过滑块安装座对称安装在音圈电机底座上，两组微型滚珠导轨的滑轨通过T型安装板对称安装在音圈电机固定环上；
所述的测量模块采用一个线性光栅尺传感器组件，该线性光栅尺传感器组件包括线性光栅尺和光栅读数头；所述的线性光栅尺固定在所述的滑块安装座中；所述的光栅读数头固定在所述的T型安装板上，并保证光栅读数头与线性光栅尺的位置相对应，同时保证两者之间具有间隙。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：与现有结构相比，该六自由度微动台除了可实现一定范围内高精度的六个自由度运动之外，由于增加了一个带升降真空爪结构，使得该六自由度微动台具有了一个沿垂直方向的大行程的单自由度抬升与抓取功能，满足了光刻机对于硅片的抬升与抓取的要求。
附图说明
图1为本发明提供的一种带升降真空爪的六自由度微动台的三维外观图。
图2为发明提供的一种带升降真空爪的六自由度微动台的三维剖视图。
图3为升降真空爪的三维结构示意图。
图4为升降真空爪的剖开内部结构图。
图中：1－基座；3－微动台上盖；4－真空吸盘；5－升降真空爪；11－圆柱空心永磁体；12－音圈电机内轭铁；13－圆柱线圈；14－音圈电机外轭铁；15－线圈骨架；16－真空爪；17－音圈电机固定环；18-音圈电机底座；21－微型滚珠导轨的滑块；22－微型滚珠导轨的滑轨；23－滑块安装座；31－线性光栅尺；33－光栅读数头；34－T型安装板。
具体实施方式
图1、图2为本发明提供的一种带升降真空爪的六自由度微动台的三维结构示意图，该六自由度微动台含有实现微动工作台在水平面内沿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和实现微动工作台沿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，还含有真空吸盘4、微动台上盖3和基座1，所述的真空吸盘4设置在微动台上盖3上表面的凹槽内，所述的第一种电磁力驱动模块和第二种电磁力驱动模块设置在微动台上盖3与基座1之间，所述的第一种电磁力驱动模块和第二种电磁力驱动模块的电机线圈部分为驱动模块的定子部分，所述的第一种电磁力驱动模块和第二种电磁力驱动模块的所有电机磁钢和铁轭部分为驱动模块的动子部分，真空吸盘4设置在微动台上盖3与驱动模块的动子部分连接在一起，所述的升降真空爪5布置在微动台上盖3的下方。
图3为本发明提供的升降真空爪的三维结构图，图4为升降真空爪的剖开内部结构图。该升降真空爪5含有驱动模块、导向模块和测量模块；所述的驱动模块采用一个动圈式音圈电机，该音圈电机由圆柱空心永磁体11、音圈电机内轭铁12、圆柱线圈13、音圈电机外铁轭14、线圈骨架15、真空爪16和音圈电机固定环17所组成，所述的音圈电机外铁轭14、圆柱空心永磁体11与音圈电机内轭铁12依次与音圈电机固定环17同轴连接在一起，音圈电机内轭铁12和圆柱空心永磁体11与音圈电机外铁轭14之间形成了一个环形深槽；圆柱空心永磁体11的充磁方向沿中心轴线方向充磁；音圈电机固定环17套在音圈电机内轭铁12外部并与之固定在一起。
音圈电机底座18上沿圆周方向均布有至少四个真空抓取柱16，真空抓取柱16为细长中空管，真空抓取柱16的真空气路通过音圈电机底座18中的环形槽彼此连通；多个真空抓取柱16分别穿入真空吸盘4和微动台上盖3对应的孔中；所述的圆柱线圈13绕制在线圈骨架15上，所述的线圈骨架15固定在音圈电机底座18中，圆柱线圈13与圆柱空心永磁体11同轴放置；音圈电机的永磁体部分通过一个音圈电机固定环17通过六自由度微动台的驱动模块的定子部分与基座1连接在一起。
所述的导向模块包含两组微型滚珠导轨，该两组微型滚珠导轨布置在音圈电机固定环17的圆柱孔内，两组微型滚珠导轨的滑块21通过滑块安装座23对称安装在音圈电机底座18上，两组微型滚珠导轨的滑轨22通过T型安装板34对称安装在音圈电机固定环17上；每组微型滚珠导轨组件包含一对微型滚珠导轨的滑块21和一对微型滚珠导轨的滑轨22，均安装在圆柱空心永磁体11中部；该一对微型滚珠导轨的滑块21对称固定在微型滚珠导轨的滑块安装座23上，微型滚珠导轨的滑块安装座23则固定在音圈电机底座18深入到音圈电机固定环17中部的半圆柱内壁上；一对微型滚珠导轨的滑轨22对称固定在光栅读数头安装座34山，并与一对微型滚珠导轨的滑块21位置对应。
所述的测量模块采用一个线性光栅尺传感器组件，该线性光栅尺传感器组件包括线性光栅尺31和光栅读数头33；所述的线性光栅尺31固定在所述的滑块安装座23中；所述的光栅读数头33固定在所述的T型安装板34上，并保证光栅读数头33与线性光栅尺31的位置相对应，同时保证两者之间具有间隙。
实现微动工作台在水平面内沿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。实现微动工作台沿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，并固定在六自由度微动台基座1上，其充磁方向沿Z轴方向。
本发明提供的一种带升降真空爪的六自由度微动台的工作原理是：当被承载物或者是待刻硅片被放置在真空吸盘4上，真空吸盘4通过上表面的孔抽真空，将被承载物或者待刻硅片固定在六自由度微动台上方，随着六自由度微动台执行预定的运动；当被承载物或者待刻硅片完成运动轨迹之后需要移走时，首先停止真空吸盘4真空吸附，给单自由度抬升结构开始工作，与圆柱线圈13的线圈骨架15相连的至少四个真空爪16抽真空，将被承载物或者待刻硅片吸住，然后，圆柱线圈13通电后在瓦形磁钢生成的指向中心轴线的磁场中受到垂直向上的洛伦兹力，则至少四个真空爪16吸住被承载物或者待刻硅片跟随圆柱线圈13升起至所需高度，至少四个真空爪16停止抽真空，待到被承载物或者待刻硅片由其他装置移走；待到被承载物或者待刻硅片被移走，换上新的被承载物或者新的待刻硅片，至少四个真空爪16吸住新的被承载物或者新的待刻硅片，圆柱线圈13通反相电后跟随圆柱线圈13下降到底部，至少四个真空爪16停止抽真空，圆柱线圈13断电后，停止工作。

Claims (1)

1.一种带升降真空爪的六自由度微动台，含有实现微动台在水平面内沿X方向、Y方向和绕Z轴旋转的第一种电磁力驱动模块和实现微动台沿Z方向、绕X轴旋转和绕Y轴旋转的第二种电磁力驱动模块，还含有真空吸盘(4)、微动台上盖(3)和基座(1)，所述真空吸盘(4)设置在微动台上盖(3)的上表面的凹槽内，并与电磁力驱动模块的动子部分连接在一起，其特征在于：所述的六自由度微动台还含有一个升降真空爪(5)，所述的升降真空爪(5)布置在微动台上盖(3)的下方，该升降真空爪(5)包括驱动模块、导向模块和测量模块；
所述的驱动模块采用一个动圈式音圈电机，音圈电机底座(18)上沿圆周方向均布有至少四个真空抓取柱(16)，真空抓取柱(16)为细长中空管，真空抓取柱(16)的真空气路通过音圈电机底座(18)中的环形槽彼此连通；多个真空抓取柱(16)分别穿入真空吸盘(4)和微动台上盖(3)对应的多个孔中；音圈电机的线圈和线圈骨架(15)固定在音圈电机底座(18)中；音圈电机的永磁体部分通过一个音圈电机固定环(17)通过六自由度微动台的驱动模块的定子部分与基座(1)连接在一起；
所述的导向模块包含两组微型滚珠导轨，该两组微型滚珠导轨布置在所述的音圈电机固定环(17)的圆柱孔内，两组微型滚珠导轨的滑块(21)通过滑块安装座(23)对称安装在音圈电机底座(18)上，两组微型滚珠导轨的滑轨(22)通过T型安装板(34)对称安装在音圈电机固定环(17)上；
所述的测量模块采用一个线性光栅尺传感器组件，该线性光栅尺传感器组件包括线性光栅尺(31)和光栅读数头(33)；所述的线性光栅尺(31)固定在所述的滑块安装座(23)中；所述的光栅读数头(33)固定在所述的T型安装板(34)上，并保证光栅读数头(33)与线性光栅尺(31)的位置相对应，同时保证两者之间具有间隙。
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