CN103345126A - 一种三自由度纳米定位微动硅片台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度纳米定位微动硅片台，包括底板，支撑机构，柔性导向板，驱动电机，方镜，吸盘和干涉仪；底板为整个硅片台的基座；柔性导向板通过内部特殊导向簧片，实现单层三自由度运动，即X，Y和θ_z三个运动方向的导向作用，中间通过支撑机构与底板连接；驱动电机安装在柔性导向板内，提供驱动动力；方镜固定在柔性导向板上，侧面布置三轴干涉仪，完成位移反馈，实现系统闭环；方镜上放置吸盘，吸盘上放置硅片，由此组成一个高精度微动硅片台。采用独特的柔性导向板设计，使得三自由度运动在一个层次上实现，进而使结构紧凑，高度尺寸小；且用簧片导向，干涉仪测量，能实现数纳米级的定位精度，满足32nm技术节点硅片台定位需求。

Description

一种三自由度纳米定位微动硅片台

技术领域

本发明涉及用于光刻领域三自由度纳米定位平台的技术领域，特别是一种三自由度纳米定位微动硅片台，可实现X向，Y向和θ_z三自由度微位移调解、高精度定位的运动平台。

背景技术

随着集成电路的发展，其线宽尺寸也在不断减小，同时对光刻机中工件台的定位精度也提出了更高的要求。针对32nm技术节点，要求工件台的定位精度达到数纳米以下，因而常规的运动台以无法满足要求。

专利CN2706835Y揭示了一种三自由度定位台，实现水平X,Y,θ_z三自由度调解。该装置由压电陶瓷驱动，柔性铰链导向，能实现纳米级定位。但是该装置本质上是半闭环系统，定位精度受限，不可能实现数纳米定位精度，且该装置的柔性簧片设计也不合理，运动行程做不大。

专利CN101211669A揭示了一种水平三自由度调节装置，能实现大行程运动。但是该装置由丝杆电机驱动，且本质上是一个半闭环系统，定位精度只能实现微米级定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米定位，尺寸紧凑的一种三自由度微动硅片台，满足32nm技术节点对硅片台的精度需求。

本发明采用的技术方案是：一种三自由度纳米定位微动硅片台，包括：底板，支撑机构，驱动电机，柔性导向板，方镜，吸盘和干涉仪；所述底板布置在硅片台底部，为硅片台的基础框架；所述支撑机构布置在所述底板和所述柔性导向板之间，支撑起该硅片台的整个运动部件；所述柔性导向板提供硅片台的三维导向功能，布置在所述支撑机构和所述方镜之间；所述方镜布置在硅片台上层，与所述柔性导向板可动部分固连，同时在所述方镜侧面提供所述干涉仪测量面，反馈系统位移；所述吸盘布置在所述方镜上，同时直接承载硅片，最终实现所述硅片的三自由度微位移调节和纳米级定位。

进一步的，所述支撑机构由上支撑板，保持架，润滑脂，下支撑板和钢球组成；所述钢珠布置在所述上支撑板和所述下支撑板之间，所述保持架布置在所述下支撑板上，所述保持架内填充所述润滑脂，使所述钢珠在油膜面上做滚动，摩擦小；所述支撑机构按正三角形布置三组在所述柔性导向板可动部分下，提供Z向支撑和平面导向。

进一步的，所述支撑机构由预紧拉簧，气浮垫，气膜和垫块组成；所述气浮垫由正压供气，在所述垫块和所述气浮垫之间形成所述气膜，使导向无任何摩擦力；所述气浮垫与所述底板之间由球头形结构直接压紧安装；所述预紧拉簧追加所述气浮垫的预紧力，提高气浮刚度；所述支撑机构按正三角形布置三组在所述柔性导向板可动部分下，提供Z向支撑和平面导向。

进一步的，所述驱动电机布置在所述柔性导向板内，布置有三个，每一个电机对应一个方向的运动，分别提供X向，Y向和θ_z向驱动动力；所述驱动电机是压电陶瓷，或是扁平音圈电机。

进一步的，所述柔性导向板分为四个功能区，分别为框架区域，X向运动区域，Y向运动区域和θ_z向运动区域；所述四个功能区域之间由导向簧片连接，分别是X向导向簧片，Y向导向簧片和θ_z向导向簧片；所述X向导向簧片由四片导向簧片组成，沿Y轴对称布置在所述柔性导向板的四个角上；所述Y向导向簧片由四片导向簧片组成，沿X轴对称布置在所述柔性导向板的四个角上；所述θ_z向导向簧片由四片导向簧片组成，沿圆周均布在所述柔性导向板的四个角上，进而实现三自由度导向功能。

进一步的，所述方镜在侧面提供所述干涉仪测量面，反馈系统位移；在所述方镜中部放置所述吸盘，之上放置所述硅片；所述方镜与所述柔性导向板可动部分固连。

进一步的，所述干涉仪为三轴干涉仪，分别是Y轴，X1轴和X2轴，其中X1轴和X2轴组合完成X向和θ_z向位移测量。

本发明的原理在于：

本发明为一种用于光刻机中承载硅片，具有纳米定位精度的三自由度微动硅片台。该硅片台由底板，支撑机构，柔性导向板，驱动电机，方镜，吸盘和干涉仪等组成；底板为整个硅片台的基座；柔性导向板通过内部特殊导向簧片，实现单层三自由度运动，即X，Y和θ_z三个运动方向的导向作用，中间通过支撑机构与底板连接；驱动电机安装在柔性导向板内，提供驱动动力；方镜固定在柔性导向板上，侧面布置三轴干涉仪，完成位移反馈，实现系统闭环；方镜上放置吸盘，吸盘上放置硅片，由此组成一个高精度微动硅片台。该装置采用独特的柔性导向板设计，使得三自由度运动在一个层次上实现，进而使结构紧凑，尤其实现了较小的高度尺寸小；且用簧片导向，干涉仪测量，能实现数纳米级的定位精度，满足32nm技术节点硅片台定位需求。具体的：

本发明为一种具有三自由度运动，纳米定位精度的微动硅片台，它包括：底板，支撑机构，柔性导向板，驱动电机，方镜，吸盘以及干涉仪组成。其中底板为整个运动台的基础框架；支撑机构布置在底板和柔性导向板之间，负责承载该硅片台运动部分重力和垂向导向作用；柔性导向板布置在支撑机构之上，实现X向，Y向和θ_z向导向功能，同时驱动电机布置在柔性导向板内，提供驱动动力；方镜布置在柔性导向板之上，负责承载吸盘以及硅片，同时完成把柔性导向板的运动传递给硅片；干涉仪布置在该硅片台外围，方镜侧面作为检测面，完成位移测量和系统闭环。所述支撑机构布置在所述底板和所述柔性导向板之间，共三组，约束所述柔性导向板运动区域在一个面上运动，同时支撑所述方镜等物件的重量；所述支撑机构为滚动支撑，或者气浮支撑，摩擦力小甚至没有摩擦力。所述柔性导向板由三组导向簧片组成，每一组导向簧片由四片导向簧片组成，进而实现运动方向低刚度，非运动方向高刚度特性。所述驱动电机布置在所述柔性导向板内，且和所述柔性导向板提供的三向导向功能一一对应；所述驱动电机共有三套，分别驱动_z向运动；所述驱动电机可以是压电陶瓷或者扁平音圈电机。所述方镜完成所述柔性导向板和吸盘以及硅片之间的链接，同时在侧面提供所述干涉仪的测量面，实现位移反馈。所述干涉仪布置有三个测量轴，分别为Y轴干涉仪，X1干涉仪和X2干涉仪，其中所述Y轴干涉仪完成Y向测量，所述X1干涉仪和X2干涉仪完成X向位移和θ_z向位移测量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明由所述柔性导向板导向，干涉仪测量，垂直方向低摩擦支撑，使得该硅片台具有很高的响应频率，进而实现纳米级定位精度；

2、本发明同时由于采用了所述柔性导向板结构，使得在一层结构上实现了三个方向的运动功能，进而使高度方向的结构十分紧凑，而且实现了轻量化设计。

附图说明

图1为本发明的总体结构图；

图2为图1的爆炸图（立体装配图），100-硅片；101-吸盘；102-方镜；103-Y轴干涉仪；104-X1干涉仪；105-X2干涉仪；106-底板；200-柔性导向板；204-X向驱动电机；205-Y向驱动电机；206-θ_z向驱动电机；

图3为驱动机构平面图，200a、200b、200c、200d为柔性导向板的4个功能区域，其中200a区域为框架区域，200b区域为X向运动区域，200c区域为Y向运动区域，200d区域为θ_z向运动区域；201a,b,c,d-X向导向簧片；202a,b,c,d-Y向导向簧片；203a,b,c,d-θ_z向导向簧片；300a,b,c-支撑机构；

图4为支撑机构第一实施例的剖视图，301-上支撑板；302-保持架；303-润滑脂；304-下支撑板；305-钢球；

图5为支撑机构第二实施例的剖视图，306a,b-预紧拉簧；307-气浮垫；308-气膜；309-垫块。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的，特点和优点更加明显易懂，下面对本发明的具体实施做详细说明。

如图1和图2所示，本发明由硅片100，吸盘101，方镜102，Y轴干涉仪103，X1干涉仪104，X2干涉仪105，底板106，柔性导向板200，X向驱动电机204，Y向驱动电机205，θ_z向驱动电机206等组成。底板106布置在该硅片台最下层，支撑整个硅片台；柔性导向板200和X向驱动电机204，Y向驱动电机205，θ_z向驱动电机206共同组成一个三自由度运动台，实现X，Y和θ_z三向运动功能；方镜102起硅片100和运动机构之间的过渡作用，同时完成干涉仪测量功能，实现系统闭环。

如图3所示，柔性导向板200分四个区域，分别为框架区域200a,X向运动区域200b，Y向运动区域200c，θ_z向运动区域200d,其中200a区域和底板106固连，200b,200c,200d区域为可动区域，且四个区域之间分别由X向导向簧片201，Y向导向簧片202，θ_z向导向簧片203连接而成，实现三向导向功能。X向导向簧片201由201a,201b,201c,201d四个X向导向簧片组成，沿Y轴对称布置在柔性导向板200的四个角上，具有X向上低刚度，Y向上高刚度特性，实现X向导向功能；Y向导向簧片202由202a,202b,202c,202d四个Y向导向簧片组成，沿X轴对称布置在柔性导向板200的四个角上，具有Y向上低刚度，X向上高刚度特性，实现Y向导向功能；θ_z向导向簧片203由203a,203b,203c,203d四个θ_z向导向簧片组成，沿圆周均布在柔性导向板200的四个角上，具有θ_z向上低刚度，XY向上高刚度特性，实现θ_z向导向功能。柔性导向板200底部布置有三套支撑机构300，该支撑机构300按正三角形分布在柔性导向板200的200d区域，一方面支撑该硅片台运动部件的重量，另一方面约束该硅片台的Z向自由度。

如图4所示，为支撑机构300的内部结构图，该支撑机构由上支撑板301，保持架302，润滑脂303，下支撑板304和钢球305组成。钢珠305在平面内做滚动运动，在柔性导向板200d区域按正三角形布置三套，进而实现XY平面导向和Z向支撑。该支撑机构为滚动摩擦，摩擦系数小，非线性因素小，可是实现较高的定位精度。

如图5所示，为支撑机构300的另一个实施例。该支撑机构采用气浮支撑的结构设计，由预紧拉簧306，气浮垫307，气膜308和垫块309组成；气浮垫307布置在底板106上，气浮垫307和底板106由球头形结构直接压紧安装；在气浮垫附近对称布置两根预紧拉簧306a,306b，预紧拉簧306的拉力追加到气浮垫307上，预紧拉簧306的拉力和该硅片台的运动部件的重力共同组成气浮垫307的预紧力；气浮垫307通正压，在垫块309和气浮垫307之间形成气膜308，实现Z向支撑和XY平面无摩擦导向。该支撑机构由于采用了气浮导向结构，实现了无摩擦导向，无任何爬行现象，使该系统具有高速响应，高精度定位的优势。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术的公知技术。

Claims (7)

1.一种三自由度纳米定位微动硅片台，其特征在于，包括：底板（106），支撑机构，驱动电机，柔性导向板（200），方镜（102），吸盘（101）和干涉仪；所述底板（106）布置在硅片台底部，为硅片台的基础框架；所述支撑机构布置在所述底板（106）和所述柔性导向板（200）之间，支撑起该硅片台的整个运动部件；所述柔性导向板（200）提供硅片台的三维导向功能，布置在所述支撑机构和所述方镜（102）之间；所述方镜（102）布置在硅片台上层，与所述柔性导向板（200）可动部分固连，同时在所述方镜（102）侧面提供所述干涉仪测量面，反馈系统位移；所述吸盘（101）布置在所述方镜（102）上，同时直接承载硅片，最终实现所述硅片的三自由度微位移调节和纳米级定位。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度纳米定位微动硅片台，其特征在于：所述支撑机构由上支撑板，保持架，润滑脂，下支撑板和钢球组成；所述钢珠布置在所述上支撑板和所述下支撑板之间，所述保持架布置在所述下支撑板上，所述保持架内填充所述润滑脂，使所述钢珠在油膜面上做滚动，摩擦小；所述支撑机构按正三角形布置三组在所述柔性导向板可动部分下，提供Z向支撑和平面导向。

3.根据权利要求1所述的一种三自由度纳米定位微动硅片台，其特征在于：所述支撑机构由预紧拉簧，气浮垫，气膜和垫块组成；所述气浮垫由正压供气，在所述垫块和所述气浮垫之间形成所述气膜，使导向无任何摩擦力；所述气浮垫与所述底板之间由球头形结构直接压紧安装；所述预紧拉簧追加所述气浮垫的预紧力，提高气浮刚度；所述支撑机构按正三角形布置三组在所述柔性导向板可动部分下，提供Z向支撑和平面导向。

4.根据权利要求1所述的一种三自由度纳米定位微动硅片台，其特征在于：所述驱动电机布置在所述柔性导向板内，布置有三个，每一个电机对应一个方向的运动，分别提供X向，Y向和θ_z向驱动动力；所述驱动电机是压电陶瓷，或是扁平音圈电机。

5.根据权利要求1所述的一种三自由度纳米定位微动硅片台，其特征在于：所述柔性导向板分为四个功能区，分别为框架区域，X向运动区域，Y向运动区域和θ_z向运动区域；所述四个功能区域之间由导向簧片连接，分别是X向导向簧片，Y向导向簧片和θ_z向导向簧片；所述X向导向簧片由四片导向簧片组成，沿Y轴对称布置在所述柔性导向板的四个角上；所述Y向导向簧片由四片导向簧片组成，沿X轴对称布置在所述柔性导向板的四个角上；所述θ_z向导向簧片由四片导向簧片组成，沿圆周均布在所述柔性导向板的四个角上，进而实现三自由度导向功能。

6.根据权利要求1所述的一种三自由度纳米定位微动硅片台，其特征在于：所述方镜在侧面提供所述干涉仪测量面，反馈系统位移；在所述方镜中部放置所述吸盘，之上放置所述硅片；所述方镜与所述柔性导向板可动部分固连。

7.根据权利要求1所述的一种三自由度纳米定位微动硅片台，其特征在于：所述干涉仪为三轴干涉仪，分别是Y轴，X1轴和X2轴，其中X1轴和X2轴组合完成X向和θ_z向位移测量。

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