CN203365913U - 一种带真空抓取抬升机构的六自由度微动台 - Google Patents
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Abstract
一种带真空抓取抬升机构的六自由度微动台，主要应用于半导体光刻设备中。本实用新型是在现有六自由度微动台的基础上增加了一个真空抓取抬升机构，该真空抓取抬升机构含有驱动模块、导向模块和测量模块。所述的驱动模块是一个音圈电机，导向模块由一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。本实用新型与现有六自由度微动台结构相比，由于增加了一个真空抓取抬升机构，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。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种微动工作台，尤其涉及一种带磁浮单自由度抬升结构的微动台，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，质心高等不足，其性能受到一定局限。
实用新型内容
本实用新型旨在提供带真空抓取抬升机构的微动台，增加了一个真空抓取抬升机构，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。。
本实用新型的技术方案如下：
一种带真空抓取抬升机构的六自由度微动台，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，还含有真空吸盘、微动台上盖和基座；所述的真空吸盘设置在微动台上盖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真空抓取抬升机构，所述的真空抓取抬升机构布置在微动台上盖的下方，该真空抓取抬升机构包括驱动模块、导向模块和测量模块。
所述的驱动模块是一个动铁式音圈电机，该音圈电机的动子部分由音圈电机固定环、圆柱空心永磁体、音圈电机轭铁和音圈电机极头共同组成；所述的圆柱空心永磁体与音圈电机轭铁和音圈电机极头三者同轴连接在一起，音圈电机轭铁与圆柱空心永磁体之间形成了一个环形深槽；音圈电机固定环套在音圈电机轭铁外部并与之固定在一起；圆柱空心永磁体的充磁方向沿中心轴线方向充磁；另外，音圈电机固定环还沿圆周方向均布有三个真空抓取柱，真空抓取柱为细长中空管；所述的音圈电机的圆柱线圈绕制在线圈骨架上，并位于音圈电机轭铁与圆柱空心永磁体形成的环形深槽中；线圈骨架固定在基座上；
所述的导向模块是一组微型滚珠导轨，位于所述的圆柱空心永磁体孔内，该微型滚珠导轨的滑块固定圆柱空心永磁体中部的孔内壁，微型滚珠导轨的滑轨通过滑轨安装座固定在线圈骨架底部，且使之与微型滚珠导轨的滑块位置对应；
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由线性光栅尺、线性光栅尺安装座、光栅读数头和光栅读数头安装座组成；所述的线性光栅尺通过线性光栅尺安装座安装在音圈电机固定环外部，并沿圆柱空心永磁体的中心轴线方向布置；所述的光栅读数头通过光栅读数头安装座安装在线圈骨架的一端并与线性光栅尺相对应的位置，同时保证两者之间具有一定间隙。
本实用新型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，由于增加了一个真空抓取抬升机构，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为实用新型提供的一种带真空抓取抬升机构的六自由度微动台的三维结构图。
图2为实用新型提供的一种带真空抓取抬升机构的六自由度微动台的剖视图。
图3为本实用新型提供的真空抓取抬升机构的三维结构图。
图4为本实用新型提供的真空抓取抬升机构的驱动模块结构剖视图。
图中：1－基座；3－微动台上盖；4－真空吸盘；5－真空抓取抬升机构；11－圆柱空心永磁体；12－音圈电机轭铁；13－圆柱线圈；14－音圈电机极头；15－线圈骨架；16－真空抓取柱；17－音圈电机固定环；21－微型滚珠导轨的滑块；22－微型滚珠导轨的滑轨；23-滑轨安装座；31－线性光栅尺；32－线性光栅尺安装座；33－光栅读数头；34－光栅读数头安装座；
具体实施方式
图1为本实用新型提供的一种带真空抓取抬升机构的六自由度微动台的三维结构图。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。
该六自由度微动台还含有一个真空抓取抬升机构5，所述的真空抓取抬升机构5布置在微动台上盖3的下方，该真空抓取抬升机构5包括驱动模块、导向模块和测量模块。
驱动模块是一个动铁式音圈电机，如图3和图4所示，该音圈电机的动子部分由音圈电机固定环17、圆柱空心永磁体11、音圈电机轭铁12和音圈电机极头14共同组成；所述的圆柱空心永磁体11与音圈电机轭铁12和音圈电机极头14三者同轴连接在一起，音圈电机轭铁12与圆柱空心永磁体11之间形成了一个环形深槽；音圈电机固定环17套在音圈电机轭铁12外部并与之固定在一起；圆柱空心永磁体11的充磁方向沿中心轴线方向充磁；另外，音圈电机固定环17还沿圆周方向均布有三个真空抓取柱16，真空抓取柱16为细长中空管；所述的音圈电机的圆柱线圈13绕制在线圈骨架15上，并位于音圈电机轭铁12与圆柱空心永磁体11形成的环形深槽中；线圈骨架15固定在基座1上。
所述的导向模块是一组微型滚珠导轨，位于所述的圆柱空心永磁体11孔内，该微型滚珠导轨的滑块21固定圆柱空心永磁体11中部的孔内壁，微型滚珠导轨的滑轨22通过滑轨安装座23固定在线圈骨架15底部，且使之与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由线性光栅尺31、线性光栅尺安装座32、光栅读数头33和光栅读数头安装座34组成；所述的线性光栅尺31通过线性光栅尺安装座32安装在音圈电机固定环17外部，并沿圆柱空心永磁体11的中心轴线方向布置；所述的光栅读数头33通过光栅读数头安装座34安装在线圈骨架15的一端并与线性光栅尺31相对应的位置，同时保证两者之间具有一定间隙。
本实用新型提供的一种带真空抓取抬升机构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通过下方的孔抽真空，将被承载物或者待刻硅片被固定在微动台上方，随着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，真空抓取抬升机构开始工作，与圆柱线圈13的线圈骨架15相连的三个真空抓取柱16抽真空，将被承载物或者待刻硅片吸住，然后后，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，则三个真空抓取柱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，三个真空抓取柱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，三个真空抓取柱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，三个真空抓取柱16停止抽真空，圆柱线圈13断电后，停止工作。
Claims (1)
1.一种带真空抓取抬升机构的六自由度微动台，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，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真空抓取抬升机构（5），所述的真空抓取抬升机构（5）布置在微动台上盖（3）的下方，该真空抓取抬升机构（5）包括驱动模块、导向模块和测量模块；
所述的驱动模块是一个动铁式音圈电机，该音圈电机的动子部分由音圈电机固定环（17）、圆柱空心永磁体（11）、音圈电机轭铁（12）和音圈电机极头（14）共同组成；所述的圆柱空心永磁体（11）与音圈电机轭铁（12）和音圈电机极头（14）三者同轴连接在一起，音圈电机轭铁（12）与圆柱空心永磁体（11）之间形成了一个环形深槽；音圈电机固定环（17）套在音圈电机轭铁（12）外部并与之固定在一起；圆柱空心永磁体（11）的充磁方向沿中心轴线方向充磁；在音圈电机固定环（17）上沿圆周方向均布有三个真空抓取柱（16），真空抓取柱（16）为细长中空管；音圈电机的圆柱线圈（13）绕制在线圈骨架（15）上，并位于音圈电机轭铁（12）与圆柱空心永磁体（11）形成的环形深槽中；所述的线圈骨架（15）固定在基座（1）上；
所述的导向模块是一组微型滚珠导轨，位于所述的圆柱空心永磁体（11）孔内，该微型滚珠导轨的滑块（21）固定圆柱空心永磁体（11）中部的孔内壁，微型滚珠导轨的滑轨（22）通过滑轨安装座（23）固定在线圈骨架（15）底部，且与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由线性光栅尺（31）、线性光栅尺安装座（32）、光栅读数头（33）和光栅读数头安装座（34）组成；所述的线性光栅尺（31）通过线性光栅尺安装座（32）安装在音圈电机固定环（17）外部，并沿圆柱空心永磁体（11）的中心轴线方向布置；所述的光栅读数头（33）通过光栅读数头安装座（34）安装在线圈骨架（15）的一端并与线性光栅尺（31）相对应的位置，同时保证两者之间具有一定间隙。
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Cited By (3)
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| CN117091512B (zh) * | 2023-10-19 | 2024-01-02 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种多读数头协同光栅测量装置、测量方法、介质及设备 |
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