CN113917644A - 一种镜片六自由度微动平台 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种镜片六自由度微动平台，包括镜片(1)、XYθZ微动调节机构(2)和ZθXθY微动调节机构(3)。XYθZ微动调节机构(2)包含一柔性铰链机构(7)，X向驱动电机(8.1)、Y向驱动电机(8.2)、θZ向驱动电机(8.3)，X向驱动电机(8.1)、Y向驱动电机(8.2)正交布置并指向镜片中心轴，θZ向驱动电机(8.3)相对镜片中心轴偏心布置；X向复位弹簧(11.1)与X向驱动电机(8.1)相对布置，Y向复位弹簧(11.2)与Y向驱动电机(8.2)相对布置，θZ向复位弹簧(11.3)与θZ向驱动电机(8.3)相对布置。本发明能够对镜片X、Y、Z、θX、θY、θZ六个方向进行调节，以适应在制造及装配过程中引入的加工和装配误差以及环境变化带来的误差。

Description

一种镜片六自由度微动平台
技术领域
本发明具体涉及一种镜片六自由度微动平台，可用于光刻机中物镜镜片的姿态调节，也可用于生产中工件的安装检测与调试。
背景技术
随着大规模集成电路的发展，高精度的投影光刻机需求日益增加。对于高精度的投影光刻机，由于加工和装配能力的限制，不可避免地会在制造及装配过程中产生误差。此外，在高精度投影光刻机的长期使用过程中，温度、压力等环境变化均会引起镜片姿态的改变，进而对像质产生不良影响。因此，需要对镜片的姿态进行调节，保证镜片在X、Y、Z、θX、θY、θZ六个方向可调，释缓因加工、装配及环境变化带来的镜片位置变化，保证镜片在整个光学系统中的相对位置，提高成像质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镜片六自由度微动平台，用来调节镜片在X、Y、Z、θX、θY、θZ六个方向的自由度，以补偿制造及装配过程中引入的误差以及长期使用过程中环境变化带来的误差，保证物镜成像质量。
本发明采用的技术方案为：一种镜片六自由度微动平台，该微动平台包括：镜片、XYθZ微动调节机构、ZθXθY微动调节机构。XYθZ微动调节机构包含一柔性铰链机构，X向驱动电机、Y向驱动电机、θZ向驱动电机，X向驱动电机、Y向驱动电机正交布置并指向镜片中心轴，θZ向驱动电机相对镜片中心轴偏心布置；X向复位弹簧与X向驱动电机相对布置，Y向复位弹簧与Y向驱动电机相对布置，Z向复位弹簧与Z向驱动电机相对布置。ZθXθY微动调节机构中包含沿圆周均布的三个Z向调节机构、上动板、镜筒。三个Z向调节机构通过螺栓连接安装于镜筒上，上动板通过螺栓与三个Z向调节机构连接。通过柔性铰链机构与上动板螺栓连接实现XYθZ微动调节机构、ZθXθY微动调节机构的连接。通过X向驱动电机驱动柔性铰链机构实现镜片X方向单向调节。通过Y向驱动电机驱动柔性铰链机构实现镜片Y方向单向调节。通过X、Y、θZ向驱动电机差动驱动柔性铰链机构实现镜片θZ方向单向调节。通过同步驱动三个Z向调节机构实现镜片Z方向单向调节。通过差动驱动三个Z向调节机构分别实现镜片θX、θY方向单向调节。
所述镜片设有三个周向均布的镜片安装凸台，分别连接在三个完全相同的弹性支撑上。
所述XYθZ微动调节机构的镜片三自由度姿态调节仅通过一个柔性铰链结构实现，三个电机驱动柔性铰链的不同位置实现三自由度运动。
所述柔性铰链机构采用弹性材料，通过弹性变形实现XYθZ三自由度调节。
所述XYθZ微动调节机构三个自由度的复位依靠复位弹簧实现。X向复位弹簧与X向驱动电机相对布置，Y向复位弹簧与Y向驱动电机相对布置，θZ向复位弹簧与Z向驱动电机相对布置。
所述XYθZ微动调节机构的柔性铰链机构分三层，最内层为θZ向调节，中间层为X向运动调节，最外层为Y向运动调节。
所述的ZθXθY微动调节机构镜片三自由度姿态调节通过沿圆周均布的三个Z向调节机构实现。
所述的三个Z向调节机构，通过电机3驱动顶杆、钢球水平运动，通过楔形块将水平运动转换为簧片Z向变形。
所述的三个Z向调节机构，通过V型块限制钢球水平运动沿特定直线方向。
本发明的原理是：本装置运用了弹性原理，镜片支撑采用三个弹性结构，在压紧镜片的同时保证压力不至于过大，且可缓释因温度变化引起的镜片径向膨胀；X、Y、θZ向的调节通过驱动柔性铰链的不同位置，产生X、Y、θZ向的弹性变形，实现镜片在三个方向上的微调；Z、θX、θY的调节通过驱动楔形块运动使得簧片产生Z向变形实现，通过改变楔形块斜面斜率，可实现不同的运动量转换比例，实现镜片在三个方向上的微调。
本发明的有益效果是：由于镜片与三个弹性结构直接连接，可缓释镜片径向受热变形。此外，X、Y、θZ向的调节仅通过一个柔性铰链实现，结构简单、易于装调；Z、θX、θY调节机构可通过改变楔形块斜面斜率实现不同驱动量与运动输出量比例，实现镜片Z、θX、θY方向精准微动调节；本发明具有较高的集成性，具有良好的空间布置性，同时，各方向运动的耦合程度低，易于运动学解耦；通过本发明的六自由度微动平台，可以实现镜片在X、Y、Z、θX、θY、θZ六个方向微动调节，保证镜片在整个光学系统中的相对位置，提高成像质量。
附图说明
本发明所述的镜片六自由度微动平台具体结构形式以附图形式作进一步阐述：
图1为本发明一种镜片六自由度微动平台示意图，其中，1为镜片，2为XYθZ微动调节机构，3为ZθXθY微动调节机构，4.1为第一镜片安装凸台，4.2为第二镜片安装凸台，4.3为第三镜片安装凸台，5.1为第一弹性支撑，5.2为第二弹性支撑，5.3为第三弹性支撑，6为上动板。
图2为XYθZ微动调节机构示意图，其中，7为柔性铰链机构，8.1为X向驱动电机，8.2为Y向驱动电机，8.3为θZ向驱动电机，9.1为X向复位弹簧安装轴，9.2为Y向复位弹簧安装轴，9.3为θZ向复位弹簧安装轴。
图3为XYθZ微动调节机构剖视图，其中，7为柔性铰链机构，8.1为X向驱动电机，8.2为Y向驱动电机，8.3为θZ向驱动电机，10.1为X向球头顶杆，10.2为Y向球头顶杆，10.3为θZ向球头顶杆，9.1为X向复位弹簧安装轴，9.2为Y向复位弹簧安装轴，9.3为θZ向复位弹簧安装轴，11.1为X向复位弹簧，11.2为Y向复位弹簧，11.3为θZ向复位弹簧。
图4为XYθZ微动调节机构运动简图。
图5为ZθXθY微动调节机构示意图，其中，12为镜筒，13.1为第一Z向调节机构，13.2为第二Z向调节机构，13.3为第三Z向调节机构。
图6为Z向调节机构示意图，其中，14为簧片，15为楔形块，16为钢球，17为V型块，18为顶杆，19为电机。
图7为簧片示意图，其中，20为第一螺孔，21为第二螺孔。
图8为楔形块俯视图，其中，22为第三螺孔，23为斜面。
图9为V型块示意图，其中，24为安装沉孔，25为导轨。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，参照附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本装置包含三层结构，最上层为镜片1，中间层为XYθZ微动调节机构2，最底层为ZθXθY微动调节机构3。镜片上设有第一镜片安装凸台4.1、第二镜片安装凸台4.2、第三镜片安装凸台4.3，分别与第一弹性支撑5.1、第二弹性支撑5.2、第三弹性支撑5.3连接。三个弹性支撑结构及工作原理均相同，且沿镜片周向均布，每个弹性支撑通过两颗螺钉固定在下方XYθZ微动调节机构2的柔性铰链机构7上；XYθZ微动调节机构2位于ZθXθY微动调节机构3上方，通过柔性铰链机构7与上动板6螺栓连接实现XYθZ微动调节机构2、ZθXθY微动调节机构3的连接。
如图2、3所示，XYθZ微动调节机构2包含一柔性铰链机构7，X向驱动电机8.1、Y向驱动电机8.2、θZ向驱动电机8.3。X向驱动电机8.1、Y向驱动电机8.2正交布置并指向镜片中心轴，θZ向驱动电机8.3相对镜片中心轴偏心布置；X向复位弹簧11.1与X向驱动电机8.1相对布置，Y向复位弹簧11.2与Y向驱动电机8.2相对布置，θZ向复位弹簧11.3与θZ向驱动电机8.3相对布置。X向复位弹簧11.1穿过X向复位弹簧安装轴9.1，通过X向复位弹簧安装轴9.1与柔性铰链机构7螺钉连接固定在柔性铰链机构7上；Y向复位弹簧11.2穿过Y向复位弹簧安装轴9.2，通过Y向复位弹簧安装轴9.2与柔性铰链机构7螺钉连接固定在柔性铰链机构7上；θZ向复位弹簧11.3穿过θZ向复位弹簧安装轴9.3，通过θZ向复位弹簧安装轴9.3与柔性铰链机构7螺钉连接固定在柔性铰链机构7上。
如图4所示为XYθZ微动调节机构运动简图。可知，XYθZ微动调节机构为三层结构，由内而外分别为θZ向运动层、X向运动层和Y向运动层，保证镜片1进行X向、Y向、θZ向的运动。XYθZ微动调节机构为过约束结构，通过铰链的弹性变形实现三个方向的微调。
结合图2、3、4可知，X向驱动电机8.1产生的驱动力Fx1带动X向球头顶杆10.1沿X向正向直线运动时，驱动柔性铰链机构7的中间层实现实现镜片X方向正向单向调节，X向驱动电机8.1带动X向球头顶杆10.1沿X向反向运动时，通过相对布置的X向复位弹簧11.1实现X向反向运动。Y向驱动电机8.2产生的驱动力FY带动Y向球头顶杆10.2沿Y向正向直线运动时，驱动柔性铰链机构7的最外层实现实现镜片Y方向正向单向调节，Y向驱动电机8.2带动Y向球头顶杆10.2沿Y向反向运动时，通过相对布置的Y向复位弹簧11.2实现Y向反向运动。θZ向驱动电机8.3带动θZ向球头顶杆10.3沿直线运动时，由于驱动力Fx2方向与X向产生一个力矩，同时调节X向驱动电机8.1、Y向驱动电机8.2，差动驱动柔性铰链机构7，可实现镜片θZ方向单向调节。
如图1、5所示，ZθXθY微动调节机构3包含沿圆周均布的三个Z向调节机构(第一Z向调节机构13.1、第二Z向调节机构13.2、第三Z向调节机构13.3)、镜筒12。三个Z向调节机构(第一Z向调节机构13.1、第二Z向调节机构13.2、第三Z向调节机构13.3)与镜筒12螺栓连接，三个Z向调节机构(13.1、13.2、13.3)运动端与上动板6连接。通过差动驱动三个Z向调节机构(第一Z向调节机构13.1、第二Z向调节机构13.2、第三Z向调节机构13.3)分别实现上动板6的θX、θY方向单向运动，进而实现镜片1的θX、θY方向单向调节。通过同步驱动三个Z向调节机构(第一Z向调节机构13.1、第二Z向调节机构13.2、第三Z向调节机构13.3)实现上动板6在Z方向单向运动，进而实现镜片1的Z方向单向调节。
如图6、7、8、9所示，Z向调节机构包含电机19、顶杆18、V型块17、钢球16、簧片14、楔形块15。电机19推动顶杆18沿水平方向直线运动，顶杆18推动钢球16沿V型块17上的导轨25直线运动。钢球16通过楔形块15的斜面23，带动楔形块15沿Z向运动。楔形块15推动簧片14产生Z向变形，实现Z向运动输出。通过改变楔形块15上斜面23的斜率，可改变电机19的水平驱动量与簧片14的Z运动输出量的比例。
本发明所详述的设计实例仅用于说明本发明的优势和合理性，凡以本发明技术方案为基础优化设计的实例均属于本发明的范畴。本发明未详细阐述的技术和原理属于本发明领域人员所公知的技术。

Claims (14)

1.一种镜片六自由度微动平台，其特征在于：包括镜片(1)、XYθZ微动调节机构(2)和ZθXθY微动调节机构(3)，XYθZ微动调节机构(2)包含一柔性铰链机构(7)，X向驱动电机(8.1)、Y向驱动电机(8.2)和θZ向驱动电机(8.3)，X向驱动电机(8.1)、Y向驱动电机(8.2)正交布置并指向镜片中心轴，θZ向驱动电机(8.3)相对镜片中心轴偏心布置；X向复位弹簧(11.1)与X向驱动电机(8.1)相对布置，Y向复位弹簧(11.2)与Y向驱动电机(8.2)相对布置，θZ向复位弹簧(11.3)与θZ向驱动电机(8.3)相对布置，ZθXθY微动调节机构(3)中包含沿圆周均布的三个Z向调节机构(13.1、13.2、13.3)、上动板(6)、镜筒(12)，通过柔性铰链机构(7)与上动板(6)螺栓连接实现XYθZ微动调节机构(2)、ZθXθY微动调节机构(3)的连接，三个Z向调节机构(13.1、13.2、13.3)通过螺栓连接安装于镜筒(12)上，上动板(6)通过螺栓与三个Z向调节机构(13.1、13.2、13.3)连接，通过X向驱动电机(8.1)驱动柔性铰链机构(7)实现镜片(1)X方向单向调节，通过Y向驱动电机(8.2)驱动柔性铰链机构(7)实现镜片(1)Y方向单向调节，通过X向驱动电机(8.1)、Y向驱动电机(8.2)、θZ向驱动电机(8.3)差动驱动柔性铰链机构(7)实现镜片(1)θZ方向单向调节，通过同步驱动三个Z向调节机构(13.1、13.2、13.3)实现镜片(1)Z方向单向调节，通过差动驱动三个Z向调节机构(13.1、13.2、13.3)分别实现镜片(1)θX、θY方向单向调节。
2.根据权利要求1所述的一种镜片六自由度微动平台，其特征在于：所述镜片(1)设有三个周向均布的镜片安装凸台(4.1、4.2、4.3)，分别连接在三个完全相同的弹性支撑(5.1、5.2、5.3)上。
3.根据权利要求1所述的一种镜片六自由度微动平台，其特征在于：所述XYθZ微动调节机构(2)的镜片三自由度姿态调节仅通过一个柔性铰链机构(7)结构的弹性变形实现，控制X向驱动电机(8.1)、Y向驱动电机(8.2)和θZ向驱动电机(8.3)驱动柔性铰链机构(7)的不同位置实现三自由度运动。
4.根据权利要求3所述的一种镜片六自由度微动平台，其特征在于：所述的XYθZ微动调节机构中所述柔性铰链机构(7)采用弹性材料，通过弹性变形实现XYθZ三自由度调节。
5.根据权利要求3所述的一种镜片六自由度微动平台，其特征在于：XYθZ微动调节机构(2)三个自由度的复位依靠复位装置实现，X向复位弹簧(11.1)与X向驱动电机(8.1)相对布置，Y向复位弹簧(11.2)与Y向驱动电机(8.2)相对布置，θZ向复位弹簧(11.3)与θZ向驱动电机(8.3)相对布置。X向驱动电机(8.1)、Y向驱动电机(8.2)、θZ向驱动电机(8.3)分别与X球头顶杆(10.1)、Y球头顶杆(10.2)、θZ向球头顶杆(10.3)螺纹连接。
6.根据权利要求5所述的一种镜片六自由度微动平台，其特征在于：X向复位弹簧(11.1)穿过X向复位弹簧安装轴(9.1)，通过X向复位弹簧安装轴(9.1)与柔性铰链机构(7)螺钉连接固定在柔性铰链机构(7)上；Y向复位弹簧(11.2)穿过Y向复位弹簧安装轴(9.2)，通过Y向复位弹簧安装轴(9.2)与柔性铰链机构(7)螺钉连接固定在柔性铰链机构(7)上；θZ向复位弹簧(11.3)穿过θZ向复位弹簧安装轴(9.3)，通过θZ向复位弹簧安装轴(9.3)与柔性铰链机构(7)螺钉连接固定在柔性铰链机构(7)上。
7.根据权利要求1所述的一种镜片六自由度微动平台，其特征在于：XYθZ微动调节机构(2)的柔性铰链机构(7)分三层，最内层为θZ向调节，中间层为X向运动调节，最外层为Y向运动调节。
8.根据权利要求1所述的一种镜片六自由度微动平台，其特征在于：所述ZθXθY微动调节机构(2)包括上动板(11)、沿圆周均布的三个Z向调节机构(13.1、13.2、13.3)、镜筒(12)，三个Z向调节机构(13.1、13.2、13.3)分别与上动板(6)和镜筒(12)通过螺栓连接。
9.根据权利要求8所述的一种镜片六自由度微动平台，其特征在于：所述三个Z向调节机构(13.1、13.2、13.3)均包括电机(19)、顶杆(18)、V型块(17)、钢球(16)、簧片(14)、楔形块(15)，电机(19)与顶杆(18)通过螺纹连接，楔形块(15)与簧片(14)通过螺栓连接，顶杆(18)与钢球(16)接触，钢球(16)与楔形块(15)中斜面(23)接触，钢球(16)安装于V型块(17)中导轨(25)，并可沿导轨(25)滚动。
10.根据权利要求9所述的一种镜片六自由度微动平台，其特征在于：簧片(14)表面设有第一螺孔(20)，用以与镜筒(12)连接，簧片(14)表面设有第二螺孔(21)，用以与楔形块(15)及上动板(6)连接，簧片(14)材料可选但不限于：9Cr18、铍青铜。
11.根据权利要求9所述的一种镜片六自由度微动平台，其特征在于：所述楔形块(15)表面设有第三螺孔(22)，用以与簧片(14)连接，楔形块(15)下表面为一斜面(23)，与钢球(16)接触，钢球(16)可沿斜面(23)滚动，实现将电机(19)的水平方向运动转换为簧片(14)的Z变形，通过改变斜面(23)的斜率，可改变电机(19)的水平驱动量与簧片(14)Z运动输出量的比例。
12.根据权利要求9所述的一种镜片六自由度微动平台，其特征在于：所述V型块(17)设有导轨(25)，用以安装钢球(16)，通过V型块(17)限制钢球(16)滚动方向为沿导轨(25)的直线，V型块(17)通过安装沉孔(24)固定于镜筒(12)上。
13.根据权利要求8所述的一种镜片六自由度微动平台，其特征在于：所述Z向调节机构(13.1、13.2、13.3)，电机(19)推动顶杆(18)沿水平方向直线运动，顶杆(18)推动钢球(16)沿V型块(17)上的导轨(25)直线运动，钢球(16)通过楔形块(15)的斜面(23)，带动楔形块(15)沿Z向运动，楔形块(15)推动簧片(14)产生Z向变形，实现Z向运动输出。
14.根据权利要求1所述的一种镜片六自由度微动平台，其特征在于：所述的ZθXθY微动调节机构(3)，通过差动驱动三个Z向调节机构(13.1、13.2、13.3)分别实现镜片(1)θX、θY方向单向调节，通过同步驱动三个Z向调节机构(13.1、13.2、13.3)实现镜片(1)Z方向单向调节。
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