CN100507724C - 一种6自由度微动工作台 - Google Patents

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Abstract

一种6自由度微动工作台，属于超精密加工和检测设备技术领域。该微动工作台具有3组布置在水平面内的电磁力驱动单元，驱动微动工作台在水平面内X、Y、θz 3个自由度的运动；同时还具有3个沿竖直方向布置的电磁力驱动单元，用于实现驱动微动工作台在Z、θx、θy 3个自由度的运动。本发明采用电磁力直接驱动，与叠层结构相比，具有结构简单、紧凑、驱动质心低等优点，因此不存在机械摩擦，无阻尼，具有较高的位移分辨率；可用于补偿光刻机硅片台的定位误差并实现光刻机调平调焦的功能，也可用于超精密加工和检测中以实现6自由度运动；该微动工作台基于洛伦兹原理工作，输出推力与输入电流之间成线性关系，运动控制技术成熟。

Description

一种6自由度微动工作台
技术领域
本发明涉及一种微动工作台，尤其涉及一种6自由度微动工作台，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***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***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***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。
本申请人在2006年12月29日和2007年4月27日分别申请了一种超薄3自由度平面电机(申请号：200610169826.6)和一种超薄3自由度微动工作台(申请号：200710098790.1)，前者采用单层线圈的超薄结构，避免了采用多个直线电机组合实现3自由度所带来的结构整体性差等诸多问题。后者采用气浮或磁浮轴承，提供了一种应用于光刻机掩模台中的3自由度微动工作台。在以上发明基础上，本发明旨在提供一种可应用于光刻机硅片台中的6自由度微动工作台，该微动工作台用于补偿光刻机硅片台的定位误差并实现光刻机调平调焦的功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种6自由度微动工作台，可用于补偿光刻机硅片台的定位误差并实现光刻机调平调焦的功能，也可用于超精密加工和检测中以实现6自由度运动；同时具有结构简单、紧凑，驱动质心低，微动台动子惯量小等特点。
本发明的技术方案如下：
一种6自由度微动工作台，包括微动台定子、微动台动子和微动台基座，该微动工作台具有3组布置在水平面内的电磁力驱动单元，每组至少包含1个电磁力驱动单元，其中2组驱动单元的驱动轴线平行但不重合，第3组驱动单元的驱动轴线与前2组正交，上述电磁力驱动单元实现微动工作台在水平面内X、Y、θz3个自由度的运动，其特征在于：所述的微动工作台还具有3个沿竖直方向布置的电磁力驱动单元，所述3个沿竖直方向布置的电磁力驱动单元呈三角形布置，驱动微动工作台在Z、θx、θy3个自由度的运动。
本发明所述水平面内的电磁力驱动单元由在竖直方向极化的平面永磁体和线圈两部分组成，平面永磁体布置在线圈有效驱动方向的两个侧边，所述平面永磁体固定在微动台动子中，所述线圈嵌入单层的线圈骨架中，固定在微动台定子上；所述沿竖直方向布置的电磁力驱动单元由沿径向极化的圆柱形永磁体和线圈组成，所述圆柱形永磁体固定在微动台动子中，线圈固定在微动台定子上。
本发明所述微动工作台的优点在于：微动工作台采用并联结构实现6自由度运动，与叠层结构相比，具有结构简单、紧凑、驱动质心低等优点，微动台采用电磁力直接驱动，因此不存在机械摩擦，无阻尼，具有较高的位移分辨率；微动工作台基于洛伦兹原理工作，输出推力与输入电流之间成线性关系，运动控制技术成熟。
附图说明
图1为本发明提供的一种6自由度微动工作台的三维结构图。
图2为6自由度微动工作台的驱动单元的布置结构示意图。
图3为微动工作台实现X方向运动的原理图。
图4为微动工作台实现Y方向运动的原理图。
图5为微动工作台实现绕Z转动的原理图。
图6为微动工作台实现Z方向运动的原理图。
图7为微动工作台实现绕X转动的原理图。
图8为微动工作台实现绕Y转动的原理图。
图中：1—微动台基座；2—微动台定子；3—微动台动子；11—水平布置的第1驱动单元；12—水平布置的第2驱动单元；13—水平布置的第3驱动单元；14—水平布置的第4驱动单元；21—竖直布置的第1驱动单元；22—竖直布置的第2驱动单元；23—竖直布置的第2驱动单元；30—水平面内的线圈骨架30；40—竖直方向的线圈骨架。
具体实施方式
图1为本发明提供的一种6自由度微动工作台的三维结构图。该微动工作台包括微动台基座1，微动台定子2，以及微动台动子3。该微动工作台具有3组布置在水平面内的电磁力驱动单元，其中2组驱动单元的驱动轴线平行但不重合，第3组驱动单元的驱动轴线与前2组正交，所述3组布置在水平面内的电磁力驱动单元实现微动工作台在水平面内X、Y、θz3个自由度的运动；每组至少包含1个电磁力驱动单元，每个电磁力驱动单元由在竖直方向极化的平面永磁体和线圈两部分组成，该平面永磁体布置在线圈有效驱动方向的两个侧边，所述平面永磁体固定在微动台动子3中，所述线圈嵌入单层的线圈骨架30中，固定在微动台定子2上。所述的微动工作台还具有3个沿竖直方向布置的电磁力驱动单元，所述3个沿竖直方向布置的电磁力驱动单元呈三角形布置，每个电磁力驱动单元由线圈和圆柱形永磁体两部分组成，每个线圈都分别固定在各自的线圈骨架40中。所述3个沿竖直方向布置的电磁力驱动单元驱动微动工作台在Z、θx、θy3个自由度的运动。
如图2所示，微动台基座1可以采用U型结构，起支撑微动台定子2作用。微动台定子2包括水平面内的电磁力驱动单元的线圈，水平面内的线圈骨架30，竖直方向驱动单元的线圈，以及竖直方向的线圈骨架40。水平面内的线圈骨架30和竖直方向的线圈骨架40均与微动台基座1固定联接。微动台动子3包括水平面内的驱动单元的平面永磁体，竖直方向的驱动单元的圆柱形永磁体，以及支撑件。水平面内驱动单元的平面永磁体嵌入动子中，分别布置在驱动单元线圈有效驱动方向的侧边，形成竖直方向穿过线圈的磁场。竖直方向驱动单元的永磁体为圆柱形，形成沿径向穿过线圈的磁场。
如图3至图5所示，微动工作台基于洛伦茨原理工作。水平面内驱动单元的永磁体产生的磁场方向、微动台定子中线圈电流方向，以及产生的洛伦茨力方向三者相互垂直。当只有水平布置的第1驱动单元11和水平布置的第3驱动单元13通电流时，驱动单元产生X方向洛伦茨力，从而实现微动台动子沿X方向运动。当只有水平布置的第2驱动单元12和水平布置的第4驱动单元14通电流时，驱动单元产生Y方向洛伦茨力，从而实现微动台动子沿Y方向运动。当水平布置的第1驱动单元11和水平布置的第3驱动单元13通相反方向电流时，驱动单元产生两个相反方向洛伦茨力，从而实现微动台动子绕Z转动。
如图6至图8所示，竖直方向驱动单元产生的洛伦茨力沿上下方向。当竖直布置的第1驱动单元21、竖直布置的第2驱动单元22和竖直布置的第3驱动单元23都通电流时，驱动单元产生Z方向推力，从而实现微动台动子沿Z方向运动。当竖直布置的第1驱动单元21和竖直布置的第2驱动单元22通相同方向电流，而竖直布置的第3驱动单元23通相反方向电流时，驱动单元产生绕X轴力矩，从而实现微动台动子绕X转动。当竖直布置的第1驱动单元21和竖直布置的第2驱动单元22通相反方向电流时，而竖直布置的第3驱动单元23不通电流时，驱动单元产生绕Y轴力矩，从而实现微动台动子绕Y转动。

Claims (1)

1.一种6自由度微动工作台，包括微动台定子(2)、微动台动子(3)和微动台基座(1)，该微动工作台具有3个布置在水平面内的电磁力驱动单元组，每组至少包含1个电磁力驱动单元，其中2组驱动单元的驱动轴线平行但不重合，第3组驱动单元的驱动轴线与前2组正交，所述3组布置在水平面内的电磁力驱动单元实现微动工作台在水平面内X、Y、θz 3个自由度的运动，其特征在于：所述的微动工作台还具有3个沿竖直方向布置的电磁力驱动单元，所述3个沿竖直方向布置的电磁力驱动单元呈三角形布置，驱动微动工作台在Z、θx、θy3个自由度的运动；所述水平面内的电磁力驱动单元由在竖直方向极化的平面永磁体和第一线圈两部分组成，所述平面永磁体布置在所述第一线圈的有效驱动方向的两个侧边，并固定在微动台动子(3)中；所述第一线圈嵌入单层的线圈骨架(30)中，且固定在微动台定子(2)上；所述沿竖直方向布置的电磁力驱动单元由沿径向极化的圆柱形永磁体和第二线圈组成，所述圆柱形永磁体固定在微动台动子(3)中，第二线圈固定在微动台定子(2)上。
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