CN101241314A - 可补偿z向位置的六自由度精密定位台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可补偿Z向位置的六自由度精密定位台，结构上主要分成XY台和曝光台，XY台是一个水平向精密定位台，目的是通过一套水平向驱动器加精密、有效的传动机构加闭环控制实现水平向(X、Y向)的精确定位；曝光台从上到下主要分为旋转台、调平调焦机构、硅片厚度补偿机构三层，硅片交接机构位于旋转台和硅片厚度补偿机构的中间。本发明的可补偿Z向位置的六自由度精密定位平台，水平方向上可用于大行程、高速、高精度场合，垂向上可实现三个自由度的亚微米精度的调节。
Description
技术领域
本发明涉及一种定位平台，特别涉及一种包含Z向位置补偿机构的六自由度精密定位平台。
背景技术
高精密定位平台在半导体制造、精密加工等领域内的应用十分广泛，以投影光刻设备为例，随着技术的发展，生产效率的要求越来越高，基底尺寸越来越大，厚度变化大，承载基底的定位台的行程也越来越大。2007年1月3日公开的“面向IC封装的两自由度气浮精密定位平台”(公开号CN1887686A)，用于芯片的封装或MEMS加工制造，能够在小于100mm的行程范围内实现高速、高精度定位，但行程小，而且两个自由度方向上都采用了解耦机构，使得整体结构变得复杂。
因此，如何提供一种可用于大行程、高速、高精度场合的精密定位平台已成为业界亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可补偿Z向位置的六自由度精密定位台，其水平方向上可用于大行程、高速、高精度场合，垂向上可实现三个自由度的亚微米精度的调节。
本发明的目的是这样实现的：一种可补偿Z向位置的六自由度精密定位台，包括水平向定位台和曝光台，所述曝光台位于水平向定位台的上层，所述水平向定位台包括基础平台及分别固定在基础平台上两侧的两个X向直线电机和两个Y向直线电机，该两个X向直线电机的动子之间依次通过X向连接板、X向L形导轨、Y向导轨、X向平导轨及两个X向连接块固连在一起，该两个Y向电机的动子分别和两个气足侧板固连，所述气足侧板固定在气浮于基础平台上的气足底板上；所述曝光台包括旋转台、调平调焦机构和硅片厚度补偿机构，所述旋转台除承载硅片外还要完成Rz向调节，其通过三个柔性件与调平调焦机构的上平板相连，所述调平调焦机构与硅片厚度补偿机构相连，所述硅片厚度补偿机构下设有气足，所述Y向导轨穿过气足。
所述的X向L形导轨和X向平导轨之间固连了两个横梁；基础平台上还设有长条，用于和X向L形导轨配合以限定两个X向直线电机动子之间连接体在Y向的自由度。X向L形导轨的底面和X向平导轨的底面与基础平台上表面之间形成稳定的气浮结构；两个气足侧板分别和Y向导轨的两个侧面形成气浮结构。
所述曝光台的旋转机构采用直线电机加丝杠机构实现，所述旋转电机加丝杠机构驱动吸附硅片的吸盘绕一个铰链转动，从而在Rz向调节硅片，所述旋转电机加丝杠机构和铰链都固定在调平调焦机构的上平板上。
所述的调平调焦机构采用直流伺服电机加凸轮结构实现，所述伺服电机固定在调平调焦机构的上平板上，凸轮固定在硅片厚度补偿机构的Z向运动部分上。进一步地，所述调平调焦机构包括三个直流伺服电机，分别在Z、Rx和Ry三个方向上调节硅片。
所述调平调焦机构还包括一板簧，用于导向和保证水平向刚度，该板簧的一部分和调平调焦机构的上平板相连，另一部分和硅片厚度补偿机构相连。
所述的硅片厚度补偿机构采用旋转电机加楔块加环形导轨的结构形式，环形导轨的滑块在三处各连接一个楔块，滑块带动楔块转动，与楔块配合的轴承上升或下降，从而最终带动硅片在Z向运动。进一步地，每个楔块处各装一个导轨导向。
此外，曝光台底板上还设有用于水平向定位台测量的长条镜，其与调平调焦机构分离。
本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
1、水平向定位台的整个Y向驱动机构，包括Y向驱动电机，都在X向驱动层的上一层，使得定位台在实现大行程精密定位功能的同时，结构紧凑，易于实现，并在结构上解耦，不需专门的解耦机构；
2、每一个驱动层的驱动电机均布置在两侧，可有效降低被驱动体转动惯量对定位精度的影响，同时使驱动力更大，这样能以大的加速度和速度驱动大质量的被驱动体作大行程直线运动；
3、X向电机动子通过两个X向连接块与X向平导轨和Y向导轨相连，而不是直接和Y向导轨相连，降低了Y向导轨的加工难度，也就降低了成本；
4、水平向定位台用于测量的反射镜固定在曝光台底板上，与调平调焦机构分离，可有效降低阿贝误差，提高水平向定位精度。
附图说明
本发明的可补偿Z向位置的六自由度精密定位台的具体结构由以下的实施例及附图给出。
图1为本发明的精密定位台的总体结构示意图。
图2和图3为本发明的精密定位台中水平向定位台的结构示意图。
图4为水平向定位伺服环的示意图。
图5为本发明的精密定位台中曝光台的结构示意图。
具体实施方式
以下将对本发明的可补偿Z向位置的六自由度精密定位台作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明的可补偿Z向位置的六自由度精密定位台，结构上主要分成水平向定位台1(以下简称XY台)和曝光台2，其中曝光台2在XY台1的上层。
XY台是一个水平向精密定位台，目的是通过“一套水平向驱动器+精密、有效的传动机构+闭环控制”实现水平向(X、Y向)的精确定位。具体结构如图2和图3所示。
图2中，两个X向直线电机的定子111分别固定在基础平台52上的两侧，两个X向直线电机动子112之间从右往左(图2中)依次通过以下零件固连在一起：X向连接板32、X向L形导轨22、Y向导轨41、X向平导轨21、两个X向连接块15。为了提高两个X向直线电机动子112之间所有件连接起来的整体(X向动体)刚度和固定Y向直线电机的两个定子16，在X向L形导轨22和X向平导轨21之间固连了两个横梁31。固定在基础平台52上的长条51用于和X向L形导轨22配合以限定两个X向直线电机动子112之间连接体在Y向的自由度。
图3中可以更清楚地看到Y向的结构。两个Y向电机动子17分别和两个气足侧板18固连，两个气足侧板18固定在气足底板19上，气足底板19气浮在基础平台52上。
下面对气浮结构作进一步说明。图2中，X向L形导轨22和固定在基础平台52上的长条51之间形成稳定的气浮结构(真空+气浮形成的稳定的气膜)，使得所有与X向L形导轨22固连的件均沿长条(即X轴)作高精度、无摩擦、低功耗的直线运动，同时限定了X向动体在Y向的自由度。然后是X向L形导轨22的底面和X向平导轨21的底面与基础平台52上表面之间形成稳定的气浮结构，支撑着X向动体在基础平台52上运动。然后是两个气足侧板18分别和Y向导轨41的两个侧面形成气浮结构，最后是气足底板19与基础平台52上表面之间通过气浮连接在一起(见图3)。
两个气足侧板18是固连在气足底板19上的，这样，当X向直线电机驱动X向动体沿X向运动时，通过Y向导轨41带动两个气足侧板18和气足底板19整体沿X向运动，Y向电机还可以同时驱动两个气足侧板18和气足底板19整体沿Y向导轨41运动，若将工件与两个气足侧板18相连，本发明的水平向定位台就可以驱动工件在X、Y向运动。
由上述结构可知，若基础平台52上表面面积足够大，X、Y向直线电机定子111、16足够长，Y向导轨41足够长，则本发明的水平向定位台行程会相当大，如＞400mm，这是一般的定位台所不能比拟的。此外，整个Y向驱动机构，包括Y向驱动电机，都在X向驱动层的上一层，使得整体结构紧凑，易于实现，这样的结构形式同时也解决了X向、Y向驱动时的解耦问题。每一个驱动层的驱动电机均布置在两侧，可有效降低被驱动体转动惯量对定位精度的影响，同时使驱动力更大，这样能以大的加速度和速度驱动大质量的被驱动体作大行程直线运动。
图2所示结构中，左边的X向电机动子112通过两个X向连接块15与X向平导轨21和Y向导轨41相连，而不是直接和Y向导轨41相连，降低了Y向导轨的加工难度，也就降低了成本，使结构更易于实现。因为Y向导轨的材料特性和加工精度直接影响了定位台的定位精度，故Y向导轨的设计精度已经接近加工极限，所采用的材料也很难加工，若Y向导轨和左边的X向电机动子112直接相连，会加长导轨，并使导轨的结构更复杂，在很大程度上增加了Y向导轨的加工难度。
在位置测量环节加上高精度测量系统进行反馈，再加上X、Y向直线电机驱动的高分辨率，保证了整体定位台能够精密定位至纳米级。伺服环如图4所示，图中，Kp、Kv是比例微分(PD)控制器的参数，s为拉普拉斯变换的复变数，M为质量。传感器检测到受控对象的实际位置后反馈给设置点，也就是电机的伺服控制单元，在此计算实际位置和设定值的差值后给电机一定的伺服力，通过PD控制器驱动受控对象到设定位置，同时要考虑来自线缆等的干扰力，然后再比较传感器检测值与设定值的差值，如此反复，直到该值小于允许值。
图1中的曝光台2从上到下主要分为旋转台607、调平调焦机构612、硅片厚度补偿机构604三层，硅片交接机构位于旋转台607和调平调焦机构612的中间，具体结构如图5所示。
旋转台607除承载硅片外，还要在Rz向调节，在曝光台2最上层。结构形式为旋转电机+丝杠机构驱动吸附硅片的吸盘绕一个铰链转动，从而在Rz向调节硅片。下面通过三个柔性件608与调平调焦机构的上平板609相连，旋转电机+丝杠机构和铰链都固定在其上；
调平调焦机构612由三个直流伺服电机610+凸轮结构611在Z、Rx和Ry三个方向上调节硅片，板簧615用于导向和保证水平向刚度，一部分和上平板609相连，另一部分和硅片厚度补偿机构604相连。伺服电机固定在上平板609上，凸轮固定在硅片厚度补偿机构604的Z向运动部分上。所述的调平调焦机构也可采用直流伺服电机加楔形块结构实现。
硅片厚度补偿机构604采用旋转电机驱动一个环形导轨的结构，环形导轨的滑块在三处各连接一个楔块603，滑块带动楔块603转动，与楔块603配合的轴承上升或下降，从而最终带动硅片在Z向运动。每个楔块603处各装一个导轨导向。
硅片厚度补偿机构604的下面连接着气足605，使整个曝光台气浮在大理石606上。Y导轨620穿过气足，左右(X向)两侧通过气浮连接起来。Y导轨620左右运动时，带动曝光台一起沿X向运动。
该曝光台上还设有两个长条镜601(见图5)，当采用图1中的激光干涉仪3进行水平向测量时，会分出三束光分别测量X、Y、Y三个方向的值，该两个长条镜601即用于反射激光束。为尽量降低阿贝误差，长条镜601与调平调焦机构612分离，即调平调焦时长条镜不动。
Claims (12)
1、一种可补偿Z向位置的六自由度精密定位台，包括水平向定位台和曝光台，所述曝光台位于水平向定位台的上层，其特征在于：所述水平向定位台包括基础平台及分别固定在基础平台上两侧的两个X向直线电机和两个Y向直线电机，该两个X向直线电机的动子之间依次通过X向连接板、X向L形导轨、Y向导轨、X向平导轨及两个X向连接块固连在一起，该两个Y向电机的动子分别和两个气足侧板固连，所述气足侧板固定在气浮于基础平台上的气足底板上；所述曝光台包括旋转台、调平调焦机构和硅片厚度补偿机构，所述旋转台除承载硅片外还要完成Rz向调节，其通过三个柔性件与调平调焦机构的上平板相连，所述调平调焦机构与硅片厚度补偿机构相连，所述硅片厚度补偿机构下设有气足，所述Y向导轨穿过气足。
2、如权利要求1所述的精密定位台，其特征在于：所述的X向L形导轨和X向平导轨之间固连了两个横梁。
3、如权利要求1所述的精密定位台，其特征在于：基础平台上还设有长条，用于和X向L形导轨配合以限定两个X向直线电机动子之间连接体在Y向的自由度。
4、如权利要求1所述的精密定位台，其特征在于：X向L形导轨的底面和X向平导轨的底面与基础平台上表面之间形成稳定的气浮结构。
5、如权利要求1所述的精密定位台，其特征在于：两个气足侧板分别和Y向导轨的两个侧面形成气浮结构。
6、如权利要求1所述的精密定位台，其特征在于：所述曝光台的旋转机构采用直线电机加丝杠机构实现，所述旋转电机加丝杠机构驱动吸附硅片的吸盘绕一个铰链转动，从而在Rz向调节硅片，所述旋转电机加丝杠机构和铰链都固定在调平调焦机构的上平板上。
7、如权利要求1所述的精密定位台，其特征在于：所述的调平调焦机构采用直流伺服电机加凸轮结构实现，所述伺服电机固定在调平调焦机构的上平板上，凸轮固定在硅片厚度补偿机构的Z向运动部分上。
8、如权利要求7所述的精密定位台，其特征在于：所述调平调焦机构包括三个直流伺服电机，分别在Z、Rx和Ry三个方向上调节硅片。
9、如权利要求1所述的精密定位台，其特征在于：所述调平调焦机构还包括一板簧，用于导向和保证水平向刚度，该板簧的一部分和调平调焦机构的上平板相连，另一部分和硅片厚度补偿机构相连。
10、如权利要求1所述的精密定位台，其特征在于：所述的硅片厚度补偿机构采用旋转电机加楔块加环形导轨的结构形式，环形导轨的滑块在三处各连接一个楔块，滑块带动楔块转动，与楔块配合的轴承上升或下降，从而最终带动硅片在Z向运动。
11、如权利要求10所述的精密定位台，其特征在于：每个楔块处各装一个导轨导向。
12、如权利要求1所述的精密定位台，其特征在于：曝光台底板上还设有用于水平向定位台测量的长条镜，其与调平调焦机构分离。
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