CN113917796A - 一种多自由度宏微混合的精密运动台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及运动平台技术领域，公开了一种多自由度宏微混合的精密运动台，包括基座、宏动模块、微动模块和微动台；基座包括支承平台，宏动模块包括X向驱动模块、Y向驱动模块和Z向驱动模块；微动模块包括底部框架、上部框架和垂向运动装置，底部框架与Z向驱动模块连接，垂向运动装置连接在底部框架与上部框架之间，垂向运动装置包括微动电机和传动件，传动件与上部框架传动连接；微动台固定布置在上部框架上。宏动模块的Z向驱动模块控制微动台在垂直方向上运动，并对微动台在Z向上进行粗略调节，微动模块的微动电机通过传动件带动微动台在Z向上做精密移动，提高了工件台在Z向上的精密运动控制，满足光刻机在微动台移动中的精度需求。

Description

一种多自由度宏微混合的精密运动台

技术领域

本发明涉及运动平台技术领域，特别是涉及一种多自由度宏微混合的精密运动台。

背景技术

光刻是半导体制造过程中的一道非常重要的工序，它是将一系列掩模版上的芯片图形通过曝光依次转移到硅片相应层上的工艺过程，被认为是大规模集成电路制造中的核心步骤。光刻机中的工件台主要作用为承载硅片、并携带硅片在投影物镜下完成与掩模台相匹配的曝光运动。

光刻机工作台系统典型的结构形式为宏动、微动相结合的结构，平面电机具有出力密度高，高速度、高可靠性等特点，并且易于将其集成到被控对象中，具有响应速度快、控制灵敏度高、机械结构简单等优点，从而实现对运动台的运动控制。工件台精密运动是极重要的关键分系统，其定位精度直接影响光刻设备的性能，其运行速度直接影响光刻设备的生产效率，所以对于高精度微动台的驱动技术仍是限制光刻机发展的关键因素。

申请公布号为CN102537049A的中国发明专利公开了一种光刻机运动平台，包括：微动台，用于承载工件；Z向驱动装置，连接于微动台，Z向驱动装置用于驱动微动台运动；以及径向气浮导向模块，设置于微动台，径向气浮导向模块包括：圆环定子，具有气浮导向部，微动台在Z向驱动装置的驱动下以气浮导向部为导向运动；以及多个柔性铰链，均匀地固定于微动台，每一个柔性铰链分别具有固定部、柔性部以及气浮部，固定部固定于微动台，柔性部连接固定部与气浮部，气浮部面对气浮导向部，且气浮部与气浮导向部之间能够形成均匀的压缩空气层。

上述的光刻机运动平台的Z向活动主要靠Z向驱动装置驱动，而Z向驱动装置的定位精度较低，无法满足光刻机高精度运行的需求。

发明内容

本发明的目的是：提供一种多自由度宏微混合的精密运动台，以实现工件台的宏动和微动模块同步运动，提高工件台运动精度要求，解决现有技术中光刻机工件台运动台在移动过程中存在的精度不足的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多自由度宏微混合的精密运动台，包括基座、布置在所述基座上的宏动模块和布置在所述宏动模块上的微动模块，还包括用于承载工件的微动台；

所述基座包括支承平台，所述宏动模块包括布置在所述支承平台上的X向驱动模块、与所述X向驱动模块连接的Y向驱动模块和布置在所述Y向驱动模块上的Z向驱动模块；

所述微动模块布置在所述Z向驱动模块上，所述微动模块包括底部框架、上部框架和垂向运动装置，所述底部框架与所述Z向驱动模块连接，垂向运动装置连接在所述底部框架与所述上部框架之间，所述垂向运动装置包括布置在所述底部框架上的微动电机和与所述微动电机传动连接的传动件，所述传动件与所述上部框架传动连接；

所述微动台固定布置在所述上部框架上。

优选地，所述传动件为与所述微动电机传动连接的凸轮，所述上部框架支撑布置在凸轮的外壁曲面上。

优选地，所述底部框架上至少布置三个所述垂向运动装置，各所述垂向运动装置的所述凸轮的中心线呈中心对称排布。

优选地，所述底部框架上间隔布置有多个支撑弹簧，所述支撑弹簧的顶端与所述上部框架连接。

优选地，所述Z向驱动模块包括多个固定布置在所述Y向驱动模块上的尺蠖电机，所述尺蠖电机的输出端与所述底部框架传动连接。

优选地，所述Y向驱动模块包括Y向导轨、Y向水平电机和气浮套，所述Y向水平电机与所述X向驱动模块连接，所述Y向水平电机布置在所述Y向导轨上，所述气浮套浮动支撑在所述支承平台上并且导向装配在所述Y向导轨上，所述Y向水平电机与所述气浮套传动连接，所述Z向驱动模块布置在所述气浮套上。

优选地，所述支承平台上布置有固定槽，所述气浮套上布置有与所述固定槽配合以锁定所述气浮套的锁紧元件。

优选地，所述X向驱动模块包括X向左侧电机、X向右侧电机、X向左侧导轨、X向右侧导轨、X向左侧运动台装配体和X向右侧运动台装配体，所述X向左侧运动台装配体和所述X向右侧运动台装配体均布置在所述支承平台上，所述X向左侧导轨布置在所述X向左侧运动台装配体上，所述X向左侧电机导向装配在所述X向左侧导轨上，所述X向右侧导轨布置在所述X向右侧运动台装配体上，所述X向右侧电机导向装配在所述X向右侧导轨上，所述Y向驱动模块连接在所述X向左侧电机与所述X向右侧电机之间，朝向所述Y向驱动模块的一侧的所述X向左侧运动台装配体与X向右侧运动台装配体上均布置有阻尼器。

优选地，所述X向左侧运动台装配体与所述X向右侧运动台装配体上均布置有柔性机构，所述柔性机构包括叠加的第一柔性铰链和第二柔性铰链，所述第一柔性铰链与所述第二柔性铰链交替布置。

优选地，所述微动台包括工件吸盘和工件夹持部件，所述工件夹持部件布置在所述底部框架上，所述工件夹持部件顶端的吸孔绕所述工件吸盘呈中心对称布置，所述吸孔的数量不少于三个。

本发明实施例一种多自由度宏微混合的精密运动台与现有技术相比，其有益效果在于：支承平台上布置宏动模块和微动模块，宏动模块的X向驱动模块、Y向驱动模块带动微动台在X向、Y向上移动，Z向驱动模块控制微动台在垂直方向上运动，并对微动台在Z向上进行粗略调节，微动模块的微动电机通过传动件带动上部框架及其上的微动台在Z向上做精密移动，从而大大提高了工件台在Z向上的精密运动控制，满足光刻机在微动台移动中的精度需求。

附图说明

图1是本发明的多自由度宏微混合的精密运动台的结构示意图；

图2是图1的多自由度宏微混合的精密运动台的俯视图；

图3是图1的多自由度宏微混合的精密运动台的Z向驱动模块工作前示意图；

图4是图1的多自由度宏微混合的精密运动台的Z向驱动模块工作后示意图；

图5是图1的多自由度宏微混合的精密运动台的柔性机构的结构示意图；

图6是图5的多自由度宏微混合的精密运动台的柔性机构的第一柔性铰链的结构示意图；

图7是图5的多自由度宏微混合的精密运动台的柔性机构的第二柔性铰链的结构示意图；

图8是图1的多自由度宏微混合的精密运动台的微动模块的结构示意图；

图9是图8的多自由度宏微混合的精密运动台的微动模块省略上部框架后的结构示意图；

图10是图9的多自由度宏微混合的精密运动台的微动模块的俯视图。

图中，1、基座；11、支承平台；12、气浮支承面；13、固定槽；2、宏动模块；21、X向左侧电机；22、X向右侧电机；23、Y向水平电机；24、X向左侧导轨；25、X向右侧导轨；26、Y向导轨；27、X向左侧运动台装配体；28、X向右侧运动台装配体；29、阻尼器；210、气浮套；211、锁紧元件；212、尺蠖电机；213、柔性件支架；214、第一柔性铰链；215、第二柔性铰链；31、底部框架；32、上部框架；33、垂向运动装置；34、工件夹持部件；35、工件吸盘；36、微动电机；37、凸轮；38、支撑弹簧；39、电机支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的一种多自由度宏微混合的精密运动台的优选实施例，如图1至图10所示，该多自由度宏微混合的精密运动台包括基座1、宏动模块2、微动模块和微动台，基座1为该精密运动台的支撑基础，宏动模块2布置在基座1上，微动模块布置在宏动模块2上，微动台布置在微动模块上，宏动模块2用于驱动微动模块在X、Y、Z三向上做大规模移动，微动模块用于驱动微动台在Z向上做精密移动，微动台用于承载工件。

基座1包括支承平台11和气浮支承面12，支承平台11为大理石材质，支承平台11用于支承整个精密运动台，气浮支承面12位于支承平台11的上表面，气浮支承面12支撑Y向驱动模块，提供工作台在水平方向的运动，减小Y向驱动模块的运动阻力。

宏动模块2包括X向驱动模块、Y向驱动模块和Z向驱动模块，X向驱动模块支撑布置在支承平台11上，Y向驱动模块与X向驱动模块连接，Z向驱动模块布置在Y向驱动模块上，微动模块布置在Z向驱动模块上。X向驱动模块用于驱动Y向驱动模块在X向上移动，Y向驱动模块用于驱动Z向驱动模块在Y向上移动，Z向驱动模块用于驱动微动台在Z向上移动，通过各个方向驱动模块的配合作用，驱动微动台在空间位置内移动。

X向驱动模块包括X向左侧电机21、X向右侧电机22、X向左侧导轨24、X向右侧导轨25、X向左侧运动台装配体27和X向右侧运动台装配体28，X向左侧运动台装配体27和X向右侧运动台装配体28均固定布置在支承平台11上，X向左侧运动台装配体27和X向右侧运动台装配体28相互平行布置。X向左侧电机21导向装配在X向左侧导轨24上，X向右侧导轨25布置在X向右侧运动台装配体28上，X向右侧导轨25布置在X向右侧运动台装配体28上，X向右侧电机22导向装配在X向右侧导轨25上，X向左侧导轨24、X向右侧导轨25相互平行布置，Y向驱动模块连接在X向左侧电机21与X向右侧电机22之间。

X向左侧电机21和X向右侧电机22可以驱动Y向驱动模块在X方向上移动，进而带动微动台在X方向上移动。X向左侧运动台装配体27与X向右侧运动台装配体28的朝向Y向驱动模块的一侧均布置有阻尼器29，X向左侧运动台装配体27与X向右侧运动台装配体28上各有两个阻尼器29，阻尼器29对Y向驱动模块具有阻尼缓冲作用，减小Y向驱动模块与X向左侧导轨24、X向右侧导轨25之间的碰撞。

支承平台11上布置有四个阻尼器29，四个阻尼器29呈矩形分布，四个阻尼器29分别位于X向左侧电机21和X向右侧电机22的移动行程的两端，阻尼器29可以减缓X向左侧电机21和X向右侧电机22的移动速度，限制X向左侧电机21和X向右侧电机22的行程，提高移动精度。

X向左侧运动台装配体27与X向右侧运动台装配体28上均布置有柔性机构，柔性机构为不锈钢材质，柔性机构由多个柔性铰链叠加构成。柔性机构可以平衡X向两侧导轨的运动，保证宏动机构的运动稳定性要求。

本实施例中，柔性机构包括柔性件支架213、第一柔性铰链214和第二柔性铰链215，第一柔性铰链214与第二柔性铰链215叠加布置在柔性件支架213上，第一柔性铰链214与第二柔性铰链215交替布置。第一柔性铰链214和第二柔性铰链215的外部结构相同，但是第二柔性铰链215内部的结构孔与第一柔性铰链214偏差90度，即第一柔性铰链214中心的结构孔绕中心线转动90度后可获得第二柔性铰链215。第一柔性铰链214和第二柔性铰链215可在Rz方向上扭动，可以负责微动台在Rz方向上的调节，使微动台具有在Rz方向上的自由度。

Y向驱动模块包括Y向导轨26、Y向水平电机23和气浮套210，Y向水平电机23与X向左侧电机21、X向右侧电机22连接，X向左侧电机21、X向右侧电机22与Y向水平电机23呈H形结构，Y向水平电机23的定子的两端分别连接X向左侧电机21、X向右侧电机22的动子，Y向水平电机23布置在Y向导轨26上，气浮套210浮动支撑在支承平台11的气浮支撑面上并且导向装配在Y向导轨26上，X向左侧电机21、X向右侧电机22与Y向水平电机23共同控制气浮套210在支承平台11上运动的水平位置，三台水平电机共同负责微动台X和Y方向上的调节。

气浮套210为回字型结构，气浮套210浮动支撑在气浮支撑面上，可以减小气浮套210移动时的阻力。支承平台11上布置有固定槽13，气浮套210上布置有与固定槽13配合以锁定气浮套210的锁紧元件211，气浮套210可通过锁紧元件211与固定槽13紧密连接，并且固定在支承平台11上。当微动台暂时一段时间不工作或者需要装箱移动时，气浮套210需要移置X向导轨的固定一端，并通过锁紧元件211固定在支承平台11的固定槽13位置，锁紧元件211可以为螺栓。

Z向驱动模块布置在气浮套210上，微动模块与Z向驱动模块固定连接，气浮套210水平方向上移动时可以带动Z向驱动模块移动，调节Z向驱动模块的X、Y向位置，即可调节微动模块的X、Y向位置。Z向驱动模块通过螺纹连接固定在微动模块上，调节微动模块及其上的微动台的Z向位置，使微动台具备Z向自由度。

优选地，Z向驱动模块包括四个尺蠖电机212，尺蠖电机212固定在气浮套210上，尺蠖电机212的顶端为输出端，四个尺蠖电机212的底端与气浮套210固定连接、顶端与微动模块传动连接，四个尺蠖电机212对称布置在气浮套210的X方向的两端，四个尺蠖电机212用于增加微动台整体在垂直方向上的运动行程。

微动模块布置在Z向驱动模块上，微动模块包括底部框架31、上部框架32和垂向运动装置33，底部框架31与Z向驱动模块连接，垂向运动装置33连接在底部框架31与上部框架32之间，垂向运动装置33用于负责微动台的垂向运动。在本实施例中，底部框架31通过螺栓与尺蠖电机212固定连接，微动台布置在上部框架32上，微动模块驱动微动台移动。

垂向运动装置33包括电机支架39、微动电机36、支撑弹簧38和传动件，电机支架39固定布置在底部框架31上，微动电机36固定布置在电机支架39上，传动件用于传动连接微动电机36与上部框架32，微动电机36驱动传动件带动上部框架32移动，进而带动微动台移动。

垂向运动装置33布置底部框架上，垂向运动装置33共有三组，三组垂向运动装置33呈中心对称排布。传动件为凸轮37，凸轮37转动装配在微动电机36的输出轴上，三组垂向运动装置33呈中心对称排布在底部框架31上，使三个凸轮37呈中心对称布置，上部框架32支撑布置在凸轮37的外壁曲面上。微动电机36转动时带动凸轮37转动，根据三个凸轮37的旋转可以实现微动台垂向的微动调节。由于凸轮37是偏心设计，可以对微动台在Z向、Rx和RY三个自由度的调节。

该多自由度宏微混合的精密运动台为六自由度运动平台，其中宏动模块2主要控制X、Y、Rz三个自由度的运动，微动模块主要控制Z、Rx、Ry三个自由度的运动。

每个电机支架39上布置有四组支撑弹簧38，四组支撑弹簧38呈矩形分布，支撑弹簧38的顶端与上部框架32固定连接，支撑弹簧38起到连接底部框架31与上部框架32的作用，微动电机36驱动凸轮37转动时，支撑弹簧38限制底部框架31和顶部框架的位置，使顶部框架与凸轮37之间保持压紧力。

微动台布置在上部框架32上，微动台包括工件吸盘35和工件夹持部件34，工件夹持部件34布置在底部框架31上，工件夹持部件34顶端具有吸孔，吸孔有三个，吸孔绕工件吸盘35呈中心对称布置，在其他实施例中，吸孔也可以有四个、五个等，光刻机工作时，工件主要为硅片。工件夹持部件34主要通过真空吸附的方式对硅片Z向位移进行控制，其垂向运动主要由电机进行驱动，配合机械手完成硅片的曝光及交接工作。

工件吸盘35由微晶玻璃制成，其上端设计兼容4寸、6寸、8寸的吸盘，可以在不改变结构的情况下，吸盘与硅片形成封闭腔，从而吸附不同尺寸的硅片。

微动台用于硅片的曝光工作过程中，当完成一片晶圆的曝光后，微动台运动至硅片交接位置，工件吸盘35和工件夹持部件34交错工作控制硅片，并配合机械手对硅片进行上下片交接工作，直至完成所有硅片的曝光。

本发明的工作过程为：

宏动模块2的运动过程为，整个宏动模块2放置在支承平台11上，气浮套210的下端与气浮支撑面接触，通过气足结构使气浮套210浮在支承平台11的上方，同时通过X向左侧电机21、X向右侧电机22和Y向水平电机23控制气浮套210及其上的微动台的水平位置；X向左侧电机21、X向右侧电机22带动微动台做X方向上的运动，并且在X向左侧电机21、X向右侧电机22运动过程中，通过X向左侧运动台装配体27和X向右侧运动台装配体28内的柔性结构平衡导轨的运动，保证微动台宏动运动稳定性的要求。

在垂直方向(Z向)上，连接微动台和回字型的气浮套210上的Z向驱动模块通过四个尺蠖电机212完成Z方向上的运动，根据不同的情况设置相对应的微动台位置，可有效控制宏动模块2尺寸，确保微动台运动的稳定性。当微动台暂时一段时间不工作或者需要装箱移动时，需要将气浮套210移置X向导轨的固定一端，并通过螺栓将锁紧元件211固定在支承平台11上的固定槽13位置。

微动模块运动过程为，通过三组垂向运动装置33驱动上部框架32及其上的微动台运动，三组垂向运动装置33的三个凸轮37不同步运动，可以实现对微动台Rx与Ry方向的转动进行实时的调节，凸轮37和微动电机36均固定在电机支架39上，由于三个凸轮37设计的偏心作用，从而产生Z向变化，通过支撑弹簧38将凸轮37固定在微动台的底部框架31上，根据三个凸轮37的结构设计和排布距离可以改变其转动弧度。

当宏动模块2的位置及微动台Rx、Ry和Z方向位置控制确定后，此时微动台的内部工件夹持部件34和工件吸盘35开始配合工作。进一步地，当微动台工作时，工件夹持部件34和工件吸盘35两者都通过真空吸附的方式控制硅片的位置，完成对硅片的传输与夹持工作，其中工件吸盘35和工件夹持部件34分别与硅片形成封闭腔，当完成一片晶圆的曝光后，微动台运动至硅片交接位置，此时，工件吸盘35装置停止吸附，工件夹持部件34运动至硅片下表面(吸附位置)，工件夹持部件34将吸附硅片，并沿垂直方向从硅片底端向上移动至硅片交接工位(上限制位置)，此时，工件夹持部件34吸盘停止吸附，通过机械手将已曝光硅片拖走，并将新硅片放置工件夹持部件34上，完成一次硅片的交接工作，重复每次硅片的上下片工作，直至完成所有硅片的曝光。

综上，本发明实施例提供一种多自由度宏微混合的精密运动台，其支承平台上布置宏动模块和微动模块，宏动模块的X向驱动模块、Y向驱动模块带动微动台在X向、Y向上移动，Z向驱动模块控制微动台在垂直方向上运动，并对微动台在Z向上进行粗略调节，微动模块的微动电机通过传动件带动上部框架及其上的微动台在Z向上做精密移动，从而大大提高了工件台在Z向上的精密运动控制，满足光刻机在微动台移动中的精度需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多自由度宏微混合的精密运动台，其特征在于，包括基座、布置在所述基座上的宏动模块和布置在所述宏动模块上的微动模块，还包括用于承载工件的微动台；

所述基座包括支承平台，所述宏动模块包括布置在所述支承平台上的X向驱动模块、与所述X向驱动模块连接的Y向驱动模块和布置在所述Y向驱动模块上的Z向驱动模块；

所述微动模块布置在所述Z向驱动模块上，所述微动模块包括底部框架、上部框架和垂向运动装置，所述底部框架与所述Z向驱动模块连接，垂向运动装置连接在所述底部框架与所述上部框架之间，所述垂向运动装置包括布置在所述底部框架上的微动电机和与所述微动电机传动连接的传动件，所述传动件与所述上部框架传动连接；

所述微动台固定布置在所述上部框架上。

2.根据权利要求1所述的多自由度宏微混合的精密运动台，其特征在于，所述传动件为与所述微动电机传动连接的凸轮，所述上部框架支撑布置在凸轮的外壁曲面上。

3.根据权利要求2所述的多自由度宏微混合的精密运动台，其特征在于，所述底部框架上至少布置三个所述垂向运动装置，各所述垂向运动装置的所述凸轮的中心线呈中心对称排布。

4.根据权利要求2所述的多自由度宏微混合的精密运动台，其特征在于，所述底部框架上间隔布置有多个支撑弹簧，所述支撑弹簧的顶端与所述上部框架连接。

5.根据权利要求1－4任一项所述的多自由度宏微混合的精密运动台，其特征在于，所述Z向驱动模块包括多个固定布置在所述Y向驱动模块上的尺蠖电机，所述尺蠖电机的输出端与所述底部框架传动连接。

6.根据权利要求1－4任一项所述的多自由度宏微混合的精密运动台，其特征在于，所述Y向驱动模块包括Y向导轨、Y向水平电机和气浮套，所述Y向水平电机与所述X向驱动模块连接，所述Y向水平电机布置在所述Y向导轨上，所述气浮套浮动支撑在所述支承平台上并且导向装配在所述Y向导轨上，所述Y向水平电机与所述气浮套传动连接，所述Z向驱动模块布置在所述气浮套上。

7.根据权利要求6所述的多自由度宏微混合的精密运动台，其特征在于，所述支承平台上布置有固定槽，所述气浮套上布置有与所述固定槽配合以锁定所述气浮套的锁紧元件。

8.根据权利要求1－4任一项所述的多自由度宏微混合的精密运动台，其特征在于，所述X向驱动模块包括X向左侧电机、X向右侧电机、X向左侧导轨、X向右侧导轨、X向左侧运动台装配体和X向右侧运动台装配体，所述X向左侧运动台装配体和所述X向右侧运动台装配体均布置在所述支承平台上，所述X向左侧导轨布置在所述X向左侧运动台装配体上，所述X向左侧电机导向装配在所述X向左侧导轨上，所述X向右侧导轨布置在所述X向右侧运动台装配体上，所述X向右侧电机导向装配在所述X向右侧导轨上，所述Y向驱动模块连接在所述X向左侧电机与所述X向右侧电机之间，朝向所述Y向驱动模块的一侧的所述X向左侧运动台装配体与X向右侧运动台装配体上均布置有阻尼器。

9.根据权利要求8所述的多自由度宏微混合的精密运动台，其特征在于，所述X向左侧运动台装配体与所述X向右侧运动台装配体上均布置有柔性机构，所述柔性机构包括叠加的第一柔性铰链和第二柔性铰链，所述第一柔性铰链与所述第二柔性铰链交替布置。

10.根据权利要求1－4任一项所述的多自由度宏微混合的精密运动台，其特征在于，所述微动台包括工件吸盘和工件夹持部件，所述工件夹持部件布置在所述底部框架上，所述工件夹持部件顶端的吸孔绕所述工件吸盘呈中心对称布置，所述吸孔的数量不少于三个。

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