CN103279013B - 一种基于滚珠定位的三自由度精密调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滚珠定位的三自由度精密调节装置。该装置安装在浸没式光刻机的主框架和浸没单元之间，其安装基板和连接板之间通过三组相同的运动支链以并联方式相连，每组运动支链由安装基板到连接板方向依次由直线运动副、滚珠固定块、滚珠和两根导向圆柱组成；每组运动支链两侧各有一条预紧弹簧。本发明用以实现浸没式光刻机浸没单元的安装固定以及浸没单元空间位姿的精密调节，实现浸没单元亚微米级精密定位；预紧弹簧预紧力保证了滚珠与导向圆柱可靠接触，解决了传统运动副在微位移范围内存在间隙和爬行的问题；并联结构提高了系统的刚度；采用模块化设计，能用于浸没式光刻机以外其它场合下的三自由度精密调节。

Description

一种基于滚珠定位的三自由度精密调节装置

技术领域

本发明涉及三自由度精密调节装置，尤其是涉及一种基于滚珠定位的三自由度精密调节装置。

背景技术

光刻机作为制造超大规模集成电路的核心装备，在IC集成中起着至关重要的作用。光刻机诞生以来，人们一直努力提高光刻机的光刻分辨率。然而，在分辨率跨越45nm之后，深紫外光（DUV）干式光刻已经达到物理极限。浸没式光刻技术已成为突破45 nm节点的主流技术，对提高光刻分辨率有重要意义。

在浸没式光刻机中，要求在最后一片投影物镜和硅片之间填充一层浸没流场。浸没流场由浸没单元产生，而为了防止浸没流场泄漏，要求浸没单元与硅片之间的缝隙在0.1mm到0.3mm之间，同时对该缝隙有严格的平行度要求；而在浸没式光刻机工作过程中会对浸没单元有一系列的操作，在这些操作过后，仍要求浸没单元与硅片间的浸没流场缝隙满足要求。这就需要有一种精密位姿调节装置来调节浸没单元的位姿以满足浸没式光刻机的要求。

此外，光刻机是一种机构高度集成的设备，在有限的空间中要将复杂的光学系统以及相应的配套机构组合到一起，所以对其各个部件都有严格的安装空间限制，故对于浸没单元的位姿调节机构而言，安装空间要求苛刻。

现在常用的位姿调节机构有很多，按机械结构分大体可以分为串联式、并联式和混合式三类。并联式位姿调节机构较其他两种调节机构有刚度高、工作空间小、负载能力强、惯性小、误差均匀化、成本低等优点。不过传统的并联位姿调节结构采用传统运动副组成并联机构的支链，这样的调节机构有三个缺点，即：传统运动副所占空间大，运动副存在间隙，在微位移范围内机构存在爬行现象。

发明内容

为了实现浸没式光刻机中浸没单元位姿的精密调节，本发明的目的在于提供一种基于滚珠定位的三自由度精密调节装置，具有安装空间小、无间隙、无低速爬行等优点，实现连接板[TZ，RX，RY]三自由度的精密调节，自由度TZ表示沿安装基板中心孔轴线Z轴方向的平移，自由度RX和RY分别表示绕X和Y轴的转动，其中X轴垂直于Z轴，Y轴垂直于X轴和Z轴。

本发明采用的技术方案如下： 

基于滚珠定位的三自由度精密调节装置安装在浸没式光刻机主框架与光刻机浸没单元之间，基于滚珠定位的三自由度精密调节装置通过安装基板安装孔安装到主框架上，光刻机浸没单元通过浸没单元安装孔安装到连接板上；安装基板和连接板之间通过三组结构相同的运动支链以并联方式相连；其中：

每组运动支链：包括直线运动副、滚珠固定块、滚珠和两根导向圆柱；直线运动副固定部件安装在安装基板上成圆周分布的安装槽底面；在直线运动副运动部件下方安装滚珠固定块；滚珠镶嵌在滚珠定位块中，滚珠与两根相互平行的导向圆柱相切，并且滚珠能沿导向圆柱所确定的导向槽滚动；导向圆柱镶嵌在导向圆柱槽内的两侧；

在每组运动支链两侧分别有一根预紧弹簧，在安装基板弹簧安装孔和连接板弹簧安装孔位置分别固定一个弹簧挂杆，预紧弹簧两端挂在相应的弹簧挂杆上；预紧弹簧预紧力确保滚珠与导向圆柱相接触；

所述的连接板上的三个导向圆柱槽中心线相互之间不平行。

每组运动支链中直线运动副运动部件在外界驱动下沿安装基板中心孔轴线Z轴方向运动；滚珠在直线运动副运动部件的驱动下顶升连接板对应部位沿Z轴方向运动，与此伴随着滚珠沿导向圆柱槽的滚动；每组运动支链能独立运动。

本发明具有的有益效果是：

1.三点确定一个平面，本发明中三个滚珠的位置配合互不平行的三条导向槽即定位确定了连接板的位姿，而连接板与浸没单元相连，故这样即定位了浸没单元的位姿；三组运动支链的运动改变三个滚珠的位置，这样就实现了浸没单元[TZ,RX,RY]三自由度的精密调节，能实现浸没单元亚微米级精密定位。

2.本发明中滚珠与导向圆柱在预紧弹簧预紧力作用下始终保持接触状态，这样解决了运动副间存在间隙的问题；同时滚珠在运动过程中与导向圆柱之间为点接触，且能相对滚动，这样解决了机构在微位移范围内存在的爬行等问题。

3. 本发明采用并联结构，使基于滚珠定位的三自由度精密调节装置具有较高刚度和优秀动态性能。

4.本发明中滚珠和导向圆柱的配合实现了相当于传统直线运动副和球副的运动功能，极大的简化了位姿调节装置的结构，缩小了装置的空间尺寸，能满足光刻机对尺寸的严格限制，简单的结构也使基于滚珠定位的三自由度精密调节装置易于制造，成本低。

5.本发明采用模块化的设计思路，整个基于滚珠定位的三自由度精密调节装置自成一体，除了用于浸没式光刻机中浸没单元的位姿调节，能用于有相同要求的其它位姿调节场合。

附图说明

图1是本发明在浸没式光刻机中所处位置的简化示意图。

图2是本发明的立体视图。

图3是本发明的爆炸视图。

图4是本发明沿一运动支链剖视的半剖视图。

图中：S1、浸没式光刻机光学系统，S2、基于滚珠定位的三自由度精密调节装置，S3、光刻机浸没单元，1、浸没式光刻机主框架，2、浸没流场，3、硅片，4、安装基板，4A、安装槽，4B、安装基板弹簧安装孔，4C、安装基板中心孔，4D、安装基板安装孔，5、直线运动副，5A、直线运动副运动部件，5B、直线运动副固定部件，6、滚珠固定块，7、滚珠，8、导向圆柱，9、连接板，9A导向圆柱槽，9B、连接板弹簧安装孔，9C、浸没单元安装孔，10、预紧弹簧，11、弹簧挂杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例说明本发明的具体实施过程。

如图1所示，浸没式光刻机光学系统S1贯穿浸没式光刻机主框架1、基于滚珠定位的三自由度精密调节装置S2和光刻机浸没单元S3，透过浸没流场2对处于最下方的硅片3进行曝光；基于滚珠定位的三自由度精密调节装置S2安装在浸没式光刻机主框架1与光刻机浸没单元S3之间，基于滚珠定位的三自由度精密调节装置S2通过安装基板安装孔4D安装到主框架1上，光刻机浸没单元S3通过浸没单元安装孔9C安装到连接板9上。

如图2,、图3所示，安装基板4和连接板9之间通过三组结构相同的运动支链以并联方式相连；其中：

每组运动支链：包括直线运动副5、滚珠固定块6、滚珠7和两根导向圆柱8；直线运动副固定部件5B安装在安装基板4上成圆周分布的安装槽4A底面；在直线运动副运动部件5A下方安装滚珠固定块6；滚珠7镶嵌在滚珠定位块6中，滚珠7与两根相互平行的导向圆柱8相切，并且滚珠7能沿导向圆柱8所确定的导向槽滚动；导向圆柱8镶嵌在导向圆柱槽9A内的两侧；

在每组运动支链两侧分别有一根预紧弹簧10，在安装基板弹簧安装孔4B和连接板弹簧安装孔9B位置分别固定一个弹簧挂杆11，预紧弹簧10两端挂在相应的弹簧挂杆11上；预紧弹簧10预紧力确保滚珠7与导向圆柱8相接触；所述的连接板9上的三个导向圆柱槽9A中心线相互之间不平行。

如图1、图2和图4所示，本发明中每个运动支链直线运动副运动部件5A沿Z向直线运动推动滚珠7在Z向处在不同位置，同时在连接板9上约束滚珠7的导向圆柱8所确定的导向槽相互之间不平行，则三个滚珠7即可三点确定一个平面，定位确定连接板9的位姿，进一步确定与连接板9相连的浸没单元S3的位姿，以此实现浸没单元S3在[TZ,RX,RY]三自由度的亚微米级调节。

Claims (3)

1.一种基于滚珠定位的三自由度精密调节装置，其特征在于：基于滚珠定位的三自由度精密调节装置（S2）安装在浸没式光刻机主框架（1）与光刻机浸没单元（S3）之间，基于滚珠定位的三自由度精密调节装置（S2）通过安装基板安装孔（4D）安装到主框架（1）上，光刻机浸没单元（S3）通过浸没单元安装孔（9C）安装到连接板（9）上；安装基板（4）和连接板（9）之间通过三组结构相同的运动支链以并联方式相连；其中：

每组运动支链：包括直线运动副（5）、滚珠固定块（6）、滚珠（7）和两根导向圆柱（8）；直线运动副固定部件（5B）安装在安装基板（4）上成圆周分布的安装槽（4A）底面；在直线运动副运动部件（5A）下方安装滚珠固定块（6）；滚珠（7）镶嵌在滚珠固定块（6）中，滚珠（7）与两根相互平行的导向圆柱（8）相切，并且滚珠（7）能沿导向圆柱（8）所确定的导向槽滚动；导向圆柱（8）镶嵌在导向圆柱槽（9A）内的两侧；

在每组运动支链两侧分别有一根预紧弹簧（10），在安装基板弹簧安装孔（4B）和连接板弹簧安装孔（9B）位置分别固定一个弹簧挂杆（11），预紧弹簧（10）两端挂在相应的弹簧挂杆（11）上；预紧弹簧（10）预紧力确保滚珠（7）与导向圆柱（8）相接触。

2.根据权利要求1所述的一种基于滚珠定位的三自由度精密调节装置，其特征在于：所述的连接板（9）上的三个导向圆柱槽（9A）中心线相互之间不平行。

3.根据权利要求1所述的一种基于滚珠定位的三自由度精密调节装置，其特征在于：每组运动支链中直线运动副运动部件（5A）在外界驱动下沿安装基板中心孔（4C）轴线Z轴方向运动；滚珠（7）在直线运动副运动部件（5A）的驱动下顶升连接板对应部位沿Z轴方向运动，并且滚珠（7）能沿导向圆柱（8）所确定的导向槽滚动；每组运动支链能独立运动。