CN203630384U - 一种大尺寸光栅制造设备 - Google Patents
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Abstract
一种大尺寸光栅制造设备，属于高精度自动化刻蚀设备技术领域。X轴直线电机驱动被加工工件以极低速连续运动或纳米级定位运行，Z轴直线电机驱动化学涂胶或光刻处理盒运动，调节化学涂胶或光刻处理盒与被加工工件之间的距离。整机振动频率在10Hz以下，消除了设备自身振动及环境的振动噪声影响。被加工工件以极低速平稳运行时，CNC数控装置控制化学涂胶或光刻处理盒进行高质量连续均匀地镀膜。直线电机驱动被加工工件以纳米级定位精度极低速运行时，CNC数控装置控制化学涂胶或光刻蚀处理盒进行激光直写式或小尺寸激光干涉式刻蚀工作，在被加工工件的加工面刻蚀出高质量高密度的周期性纳米沟槽。本实用新型结构简单，提高了大尺寸微纳米结构的制造效率。
Description
技术领域
本实用新型属于高精度自动化刻蚀设备技术领域，具体涉及一种超精密大尺寸光栅镀膜及定位光刻设备。
背景技术
光栅是光学系统和科学仪器如大型天文望远镜、惯性约束核聚变激光点火系统、光刻系统等工程系统中的核心光学元件。光栅的尺寸、栅线密度及精度约束了光学仪器系统的发展，因此大尺寸高精度密光栅的制造成了光栅制造领域的亟需解决的热点问题。
常用的光栅制造方法包括机械刻划、激光直写和激光干涉法等。CN102513878A公开了一种机械刻划光栅设备，纳米级定位工作台采用内外两层台的结构，宏定位通过蜗轮蜗杆及丝杠传动链驱动，完成第一级的微米精度定位，然后通过压电陶瓷驱动实现纳米级微定位。第一级微米精度定位工序效率低，此外受制于压电陶瓷的工作行程，要进行大尺寸高精度密光栅的制造，还须进行一道机械拼接工序，并且机械拼接精度差、拼接过程复杂，因此其加工周期长。CN1424594A公开了一种制造小尺寸圆光栅的激光直写装置，对于大尺寸高精度光栅的制造无能为力。美国专利US5142385和国内专利CN103092003A公开了两种激光干涉光刻系统，均采用大尺寸光束形成大尺寸干涉图形曝光基底实现大尺寸光栅制造。由于该专利公开的技术不能用于直写方式进行光刻，只限于干涉方式进行光刻，因此光栅面积越大，干涉图形面积和干涉光束尺寸越大，图形非线性误差和相位漂移引起的误差越大。
发明内容
针对上述技术方案的不足，本实用新型提供一种采用具有稳定低速扫描性能和纳米级定位精度的直线电机驱动的大尺寸光栅制造设备，适用于以激光直写式或小尺寸光束激光干涉式进行光栅刻蚀，为制造大尺寸高精度密光栅的提供了一种可行解决方案。
本实用新型采用的方案如下：
所述一种大尺寸光栅制造设备主要包括气浮静压平台、伺服动力平台、化学涂胶或光刻处理盒31、冷却设备及空压过滤设备集成体19和CNC数控装置18；气浮静压平台可以调节设备的水平度，为伺服动力平台提供稳定的结构支撑，并消除该设备的固有频率级环境的振动影响；伺服运动平台一方面驱动被加工工件14在X轴方向以微纳米精度连续扫描运动或精确定位运动，X轴方向位于水平方向，另一方面驱动化学涂胶或光刻处理盒31在Z轴方向上的运动，所述的X轴包括X1轴和X2轴，X1轴与X2轴互相平行，Z轴指垂直于X轴的竖直方向，精确调节化学涂胶或光刻处理盒31和被加工工件14的距离；冷却设备及空压过滤设备集成体19为气浮静压平台提供稳定的气源，并将伺服动力平台和化学涂胶或光刻处理盒31的工作产热带走，避免热辐射对精密制造的影响；CNC数控装置18与伺服动力平台和化学涂胶或光刻处理盒31组成伺服闭环控制系统，控制被加工工件14的运动与化学涂胶或光刻处理盒31的镀膜或光刻工作精确匹配。
所述气浮静压平台由调水平高度垫脚Ⅰ1、调水平高度垫脚Ⅱ1A、设备支架2、减振系统3和基座4组成；伺服动力平台设置在精密研磨的基座4上，基座4位于减振系统3上，减振系统3采用低频空气式，实现伺服动力平台的振动频率在10HZ以下，消除设备固有的振动频率及环境的振动噪声影响；伺服动力平台主要由X1轴直线电机、X2轴直线电机、升降Z轴直线电机、Z轴配重气缸6、工作台左右移动块连接梁13、工作台托板移动块12、空气静压导轨Ⅰ7、空气静压滑块Ⅰ8、空气静压导轨Ⅱ7A、空气静压滑块Ⅱ8A和光栅组成；空气静压导轨Ⅰ7、空气静压滑块Ⅰ8、空气静压导轨Ⅱ7A、空气静压滑块Ⅱ8A、X1轴直线电机、X2轴直线电机、工作台托板移动块12对称布置于气浮静压平台的基座4上，工作台托板移动块12固定连接在空气静压滑块Ⅰ8和空气静压滑块Ⅱ8A上，被加工加工14放置于与工作台托板移动块12连接的工作台左右移动块连接梁13上，X1轴直线电机和X2轴直线电机通过X1轴直线电机动子10、X1轴电机连接块11、X2轴直线电机动子10A和X2轴电机连接块11A重心驱动被加工工件14精确运动，空气静压导轨Ⅰ7、空气静压滑块Ⅰ8、空气静压导轨Ⅱ7A和空气静压滑块Ⅱ8A对于被加工工件14的运动起到精密导向作用，X1轴光栅15和X2轴光栅15A将被加工工件14的位置实时闭环反馈到CNC数控装置18上，控制被加工工件14在X轴方向上纳米级精度的连续扫描或定位运动；配重气缸滑杆5直接固定在减振系统3上，Z轴左直线电机磁轨30和Z轴右直线电机磁轨30A对称配置在Z轴配重气缸6上，Z轴左直线电机线圈29和Z轴右直线电机线圈29A对称固定在基座4上，Z轴工作台30固接在Z轴配重气缸6，化学涂胶或光刻处理盒31由Z轴工作台30支撑，Z轴左直线电机磁轨30和Z轴右直线电机磁轨30A通过Z轴配重气缸6和Z轴工作台30重心驱动化学涂胶或光刻处理盒31在Z轴方向上运动，Z轴光栅16将化学涂胶或光刻处理盒31的位置实时闭环反馈到CNC数控装置18上，控制化学涂胶或光刻处理盒31在Z轴中心线上以纳米级精度精确定位。
所述设备的超精连续扫描运动、点对点精密定位和冷却设备及空压过滤设备集成体19都通过CNC数控装置18进行运算和伺服指令控制。CNC数控装置18具备PWM直接数字电流伺服控制功能，使伺服动力平台和化学涂胶或光刻处理盒31在控制卡同一数字信号处理器的同一时钟信号下协同工作。
X1轴直线电机和X2轴直线电机采用推力波动小的大推力直线电机，该大推力直线电机采用内部水冷方式，并且具有良好的低速匀速性能，在120mm/s的低速下速度波动小于0.2%，为高速微细超精密加工提供稳定的伺服动力。
所述冷却设备及空压过滤设备集成体19为空气静压导轨7、7A、空气静压滑块8、8A和Z轴配重气缸6提供气源，同时提供循环冷却水消耗直线电机及化学涂胶或光刻处理盒31等的自产热，恒温外罩17将设备与环境隔开，实现整机设备的温差在正负0.1度以下。
所述基座4采用经过精密研磨的花岗岩、铸铁或者高性能机械陶瓷。
本实用新型可以获得如下有益效果：
X1轴直线电机和X2轴直线电机对称布置在基座4的两侧，易于实现重心驱动被加工工件14在X轴方向上的平稳运动，避免被加工工件14运动时的重心跳动给运动平台带来干扰。
Z轴配重气缸6承受化学涂胶或光刻处理盒31的重量，降低了化学涂胶或光刻处理盒31对于Z轴直线电机的推力需求。
减振系统3消除了设备固有的振动频率及环境的振动噪声影响。恒温外罩17将设备与环境隔开，降低环境温度的影响。
伺服动力平台和化学涂胶或光刻处理盒31在控制卡同一数字信号处理器的同一时钟信号下协同工作，避免了时钟误差给高精密光栅制造带来干扰。
采用具有良好低速性能及分辨率达到纳米级的直线电机驱动方式。相对于传统驱动方式，驱动速度较快、行程长，有助于实现高效大尺寸高精密光栅尺的制造。其次，直线电机既能实现高精度连续扫描运动，又能高精度的定位运动，为实现被加工工件14的均匀扫描镀膜和高精度定位光刻提供支持。因此，该设备具有镀膜和光刻功能，适用于作为激光直写或小尺寸光束激光干涉式光栅制造设备的高精度驱动平台，降低了光栅制造设备的成本，并提高了大尺寸高精密光栅制造的效率。
附图说明：
图1大尺寸光栅制造设备
图2直线电机以120mm/s速度运行时的速度波动曲线图
图中，1.调水平高度垫脚Ⅰ；1A.调水平高度垫脚Ⅱ；2.设备支架；3.减振系统；4.基座；5.配重气缸滑杆；6.Z轴配重气缸；7.空气静压导轨Ⅰ；7A.空气静压导轨Ⅱ；8.空气静压滑块Ⅰ；8A.空气静压滑块Ⅱ；9.X1轴直线电机定子；9A.X2轴直线电机定子；10.X1轴直线电机动子；10A.X2轴直线电机动子；11.X1轴电机连接块；11A.X2轴电机连接块；12.工作台托板移动块；13.工作台左右移动块连接梁；14.被加工工件；15.X1轴光栅；15A.X2轴光栅；16.Z轴光栅；17.恒温外罩；18.CNC数控装置；19.冷却设备及空压过滤设备集成体；29.Z轴左直线电机线圈；29A.Z轴右直线电机线圈；30.Z轴左直线电机磁轨；30A.Z轴右直线电机磁；31.化学涂胶或光刻处理盒；32.Z轴工作台。
具体实施方式
下面结合附图来说明本实用新型的具体实施例。
通过设备支架2下方设置的调水平高度垫脚Ⅰ1和调水平高度垫脚Ⅱ1A可以调整设备的水平度，设备支架2上部布置有减振系统3，基座4位于该低频空气减振系统3上，该设备的伺服动力平台设置在经过精密研磨的基座4上，实现伺服动力平台的振动频率在10Hz以下，消除设备固有振动并隔绝环境的影响。
所述冷却设备及空压过滤设备集成体19为空气静压导轨Ⅰ7、空气静压导轨Ⅱ7A、空气静压滑块Ⅰ8、空气静压滑块Ⅱ8A和Z轴配重气缸6提供气源，同时提供循环冷却水消耗直线电机及化学涂胶或光刻处理盒31等的自产热，恒温外罩17将设备与环境隔开，实现整机设备的温差在正负0.1度以下。
X1轴直线电机动子10和X2轴直线电机动子10A，通过精密平稳导向的空气静压滑块Ⅰ8和空气静压滑块Ⅱ8A，驱动工作台托板移动块12和被加工工件14在X轴上以数十毫米/秒的低速往复运动，X1轴光栅15和X2轴光栅15A将被加工工件14的位置实时反馈到CNC数控装置18，保证工件的纳米级定位精度。
Z轴左直线电机磁轨30和Z轴左直线电机磁轨30A通过Z轴工作台32，调节化学涂胶或光刻处理盒31与被加工工件14之间的距离，Z轴光栅16将化学涂胶或光刻处理盒31的位置闭环反馈到CNC数控装置18，保证Z轴工具的纳米级定位精度。
伺服动力平台（包括X1轴、X2轴直线电机和Z轴直线电机）和化学涂胶或光刻处理盒31在控制卡同一数字信号处理器的同一时钟信号下协同工作，保证化学涂胶或光刻处理盒31的镀膜和光刻工作与被加工工件的运动形式精密匹配，避免时钟误差带来镀膜均匀性和刻蚀质量差的问题。
如图2所示，X1轴直线电机10和X2轴直线电机10A具有高性能的极低速匀速性能，其速度波动性在0.2%以下。在化学涂胶或光刻处理盒31对被加工工件14进行镀膜工作时，CNC数控装置18控制被加工工件14以低于120mm/s的极低速平稳运行，实现高质量连续均匀地镀膜。
在激光刻蚀工作时，直线电机驱动被加工工件14以纳米级定位精度极低速运行，CNC数控装置18控制化学涂胶或光刻处理盒31进行激光直写式或小尺寸激光干涉式刻蚀工作，在被加工工件14的加工面刻蚀出高质量高密度的周期性纳米沟槽。
Claims (5)
1.一种大尺寸光栅制造设备，其特征在于：该设备主要包括气浮静压平台、伺服动力平台、化学涂胶或光刻处理盒（31）、冷却设备及空压过滤设备集成体（19）和CNC数控装置（18）；气浮静压平台可以调节设备的水平度，为伺服动力平台提供稳定的结构支撑，并消除该设备的固有频率级环境的振动影响；伺服运动平台一方面驱动被加工工件（14）在X轴方向以微纳米精度连续扫描运动或精确定位运动，X轴方向位于水平方向，另一方面驱动化学涂胶或光刻处理盒（31）在Z轴方向上的运动，所述的X轴包括X1轴和X2轴，X1轴与X2轴互相平行；Z轴方向指与X轴垂直的竖直方向，精确调节化学涂胶或光刻处理盒（31）和被加工工件（14）的距离；冷却设备及空压过滤设备集成体（19）为气浮静压平台提供稳定的气源，并将伺服动力平台和化学涂胶或光刻处理盒的工作产热带走，避免热辐射对精密制造的影响；CNC数控装置（18）与伺服动力平台和化学涂胶或光刻处理盒（31）组成伺服闭环控制系统，控制被加工工件（14）的运动与化学涂胶或光刻处理盒（31）的镀膜或光刻工作精确匹配。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸光栅制造设备，其特征在于：所述气浮静压平台由调水平高度垫脚Ⅰ（1）、调水平高度垫脚Ⅱ（1A）、设备支架（2）、减振系统（3）和基座（4）组成；伺服动力平台设置在精密研磨的基座（4）上，基座（4）位于减振系统（3）上，减振系统（3）采用低频空气式，实现伺服动力平台的振动频率在10HZ以下，消除设备固有的振动频率及环境的振动噪声影响；伺服动力平台主要由X1轴直线电机、X2轴直线电机、Z轴直线电机、Z轴配重气缸（6）、工作台左右移动块连接梁（13）、工作台托板移动块（12、）空气静压导轨Ⅰ（7）、空气静压滑块Ⅰ（8）、空气静压导轨Ⅱ（7A）、空气静压滑块Ⅱ（8A）和光栅组成；空气静压导轨Ⅰ（7）、空气静压滑块Ⅰ（8）、空气静压导轨Ⅱ（7A）、空气静压滑块Ⅱ（8A）、X1轴直线电机、X2轴直线电机、工作台托板移动块（12）对称布置于气浮静压平台的基座（4）上，工作台托板移动块（12）固定连接在空气静压滑块Ⅰ（8）和空气静压滑块Ⅱ（8A）上，被加工加工（14）放置于与工作台托板移动块（12）连接的工作台左右移动块连接梁（13）上，X1轴直线电机和X2轴直线电机通过X1轴直线电机动子（10）、X1轴电机连接块（11）、X2轴直线电机动子（10A）和X2轴电机连接块（11A）重心驱动被加工工件（14）精确运动，空气静压导轨Ⅰ（7）、空气静压滑块Ⅰ（8）、空气静压导轨Ⅱ（7A）、空气静压滑块Ⅱ（8A）对于被加工工件（14）的运动起到精密导向作用，X1轴光栅（15）和X2轴光栅（15A）将被加工工件（14）的位置实时闭环反馈到CNC数控装置（18）上，控制被加工工件（14）在X轴方向上纳米级精度的连续扫描或定位运动；配重气缸滑杆（5）直接固定在减振系统（3）上，Z轴左直线电机磁轨（30）和Z轴右直线电机磁轨（30A）对称配置在Z轴配重气缸（6）上，Z轴左直线电机线圈（29）和Z轴右直线电机线圈（29A）对称固定在基座（4）上，Z轴工作台（30）固接在Z轴配重气缸（6）上，化学涂胶或光刻处理盒（31）由Z轴工作台（30）支撑，Z轴左直线电机磁轨（30）和Z轴右直线电机磁轨（30A）通过Z轴配重气缸（6）和Z轴工作台（30）重心驱动化学涂胶或光刻处理盒（31），Z轴光栅（16）将化学涂胶或光刻处理盒（31）的位置实时闭环反馈到CNC数控装置（18）上，控制化学涂胶或光刻处理盒（31）在Z轴中心线上以纳米级精度精确定位。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸光栅制造设备，其特征在于：CNC数控装置（18）具备PWM直接数字电流伺服控制功能，使伺服动力平台和化学涂胶或光刻处理盒（31）在同一数字信号处理器的同一时钟信号下协同工作。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸光栅制造设备，其特征在于：冷却设备及空压过滤设备集成体（19）为空气静压导轨Ⅰ（7）、空气静压滑块Ⅰ（8）、空气静压导轨Ⅱ（7A）、空气静压滑块Ⅱ（8A）和Z轴配重气缸（6）提供气源，同时提供循环冷却水消耗直线电机及化学涂胶或光刻处理盒（31）等的自产热，恒温外罩（17）将设备与环境隔开，实现整机设备的温差在正负0.1度以下。
5.根据权利要求1所述的一种大尺寸光栅制造设备，其特征在于：基座（4）采用经过精密研磨的花岗岩、铸铁或者高性能机械陶瓷。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 314000 No. 959, Kexing Road, Daqiao Town, Nanhu District, Jiaxing City, Zhejiang Province Patentee after: Hualingjing machine (Zhejiang) Co.,Ltd. Address before: 314006 floor 1, building 6, No. 3339, linggongtang Road, Jiaxing City, Zhejiang Province Patentee before: JIAXING HUALING MECHATRONICS Co.,Ltd. |
|
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20140604 |
|
| CX01 | Expiry of patent term |