一种基于双柔性副的三自由度精密调节并联机构的制作方法

本发明涉及一种三自由度精密调节并联机构，尤其是涉及一种基于双柔性副的三自由度精密调节并联机构。

背景技术：

浸没式光刻机是超大规模集成电路制造的核心设备。与传统光刻机不同的是，浸没式光刻机在投影物镜和硅片之间添加了一层液体，称为浸没流场。这样就增大了折射率，从而获得更高的分辨率。浸没光刻是当前45nm以下的集成电路生产线上唯一实际应用的技术。

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1mm以内，同时对该缝隙有严格的平行度要求。另外在浸没式光刻机的工作过程，曝光热效应会使液体折射率非均匀变化，光刻胶的释放反应会产生微小气泡，光刻胶表面化学物质会在液体中扩散，这些都会不同程度地影响到曝光质量。为保证成像质量，现采用快速更新浸没液体的方法来带走这些不利因素。但是快速流动的液体必然会导致浸没单元内流场波动，并且流动的液体很容易受到外部干扰，导致速度、温度和压力等参数的变化和波动，这对光刻是十分不利的。因此要求浸没单元能减小外部干扰对液体稳定流动的影响，位移和定位精度要求±0.1um以内。同时，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。总而言之，为满足浸没式光刻机的需要，对浸没单元的位姿调节装置提出了以下要求：1)空间尺寸小；2)位姿可调范围大；3)刚度高；4)定位精度高。

目前浸没式光刻机主要采用3-psr-v并联机构来实现位姿调节并满足上述要求。在3-psr-v中，“3”表示并联机构有三条运动支链，“psr”表示每条运动支链分别由直线运动副p，球副s和转动副r组成，“v”表示转动副r的转动轴线与动平面垂直，这也是该结构与普通3-psr并联机构的区别，普通的3-psr并联机构中的转动副r是与动平面在一个平面内的。这种3-psr-v结构具有较高刚度和高精度，此外，并联机构的所有执行器都可以固定于基点，因此降低了本身活动块的质量，较之于串联机构，承载能力更好，并且结构简单，惯量小、动态特性好，容易实现高速运动。由于不需要普通3-psr并联机构在轴向需要的安装空间，极大地减小了机构在轴向所占的空间；相同的径向空间中可以获得比其他三自由度并联机构更大的调节范围；三个转动副r与动平台在同一平面上，更利于转动副r与运动平面通过柔性副一体化设计。

在本发明中，3-psr-v并联机构中的转动副r、球副s使用柔性副，直线运动副p使用双直线导轨保证，实现了柔性副与运动平面一体化设计。柔性副是一种利用材料的弹性变形传递或转换运动、力或能量的新型机构，较之于传统的刚性机构，消除了传动机构的空程和机械摩擦，具有许多优点：1.整体化设计和加工，可简化结构、减小体积和质量、免于装配；2.无间隙和摩擦，可实现高精度运动；3.免于磨损，提高寿命；4.免于润滑，避免污染；5.可增大结构刚度。采用柔性副作为运动副的柔性机构，其末端的位移是驱动位移由柔性副变形传输所得到的，由于柔性副的变形量极为有限，所以机构的运动空间相对狭小，在浸没式光刻机中，这一特点可以得到利用。

基于柔性副的并联位姿调节机构是柔性副微操作系统的扩充，不仅具有柔性副所特有的优点，而且具有更高的刚度和更高的抗疲劳强度，由于其刚度大、承载能力高、响应速度快、工作空间小、无摩擦、无间隙、无润滑等优点，基于柔性副的并联位姿调节机构设备在浸没式光刻机中的使用将为浸没式光刻机带来了新的发展。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种基于双柔性副的三自由度精密调节并联机构。

本发明安装在浸没式光刻机主框架与浸没单元之间，包括三组以并联方式连接结构相同的运动支链，三组运动支链以浸没单元中心孔为中心圆周不均匀分布在浸没单元三个伸出端。所述的每组运动支链均包括直线运动组件、双柔性副连杆组件、机械防撞组件、z向位移测量组件、重力补偿组件。

所述的直线运动组件包括直线运动块安装板、驱动机构、双导轨组件。直线运动组件、机械防撞组件、z向位移测量组件、重力补偿组件均安装在的直线运动块安装板的一侧，直线运动块安装板的另一侧与浸没式光刻机主框架的下端面通过螺纹贴合安装。双导轨组件包括滑轨、滑轨安装平台、滑轨安装紧固件、滑块、u形滑块安装板、驱动块连接板、滚针安装槽、第一双柔性副连杆安装螺纹孔；滑轨、滑轨安装平台滑轨安装紧固件垂直固定在直线运动块安装板上。两个平行设置的滑轨分别固定在滑轨安装平台左右两边的阶梯台上，在两个滑轨两侧均安装有滑轨安装紧固件，通过侧向的紧定螺钉保证滑轨水平向安装可靠无缝隙；滑轨安装紧固件上开有安装槽。滑块与滑轨滑动连接，u形滑块安装板通过螺钉安装在滑块上；u形滑块安装板内壁两个侧面刚好分别卡住两个滑块的左侧面和右侧面；驱动块连接板下表面一边通过螺钉与u形滑块安装板的上端面贴合，u形滑块安装板与驱动块连接板连接后连接侧上下边的两端设置在滑轨安装紧固件上开有的安装槽内。驱动块连接板设置在驱动机构上方与直线运动块安装板平行设置，驱动块连接板与驱动机构连接。驱动块连接板远离u形滑块安装板侧上表面开有第一双柔性副连杆安装螺纹孔。驱动块连接板垂直u形滑块安装板安装侧两边均开有滚针安装槽。

所述的双柔性副连杆组件包括双柔性副连杆、双柔性副连杆连接螺钉、双柔性副连杆连接板、双柔性副连杆连接板安装螺钉。双柔性副连杆为含有柔性r副5r和柔性s副的双柔性副机构。与直线运动组件通过柔性s副侧的第二双柔性副连杆安装螺纹孔与驱动块连接板上的第一双柔性副连杆安装螺纹孔通过螺钉连接，柔性r副侧的双柔性副连杆连接螺钉将双柔性副连杆安装到双柔性副连杆连接板上，然后双柔性副连杆连接板通过双柔性副连杆连接板安装螺钉与浸没单元的伸出端相连接。

所述的机械防撞组件包括中空方形垫安装块、方形垫、撞击块、圆柱形防撞垫、防撞垫安装槽，中空方形垫安装块设置在滑轨安装平台安装滑轨侧两个滑轨之间的顶端，方形垫安装块上端面与滑轨安装平台相平，方形垫安装块下底面装有方形垫，撞击块安装在u形滑块安装板的内侧，圆柱形防撞垫安装在直线运动块安装板上加工出的防撞垫安装槽内。

所述的z向位移测量组件包括编码器、l形编码器安装板、光栅尺；编码器通过水平固定螺钉安装在l形编码器安装板的竖直侧面上，l形编码器安装板通过螺钉安装在直线运动块安装板上，光栅尺安装在u形滑块安装板的侧面。

所述的重力补偿组件包括活节螺栓、弹簧、滚针；安装在驱动块连接板和直线运动块安装板之间、驱动机构两侧，活节螺栓通过螺纹安装于直线运动块安装板上，滚针从驱动块连接板的上面嵌于驱动块连接板上加工出的滚针安装槽中，弹簧的下钩环与活节螺栓的螺栓头相连，下钩环套于滚针上，实现对驱动块连接板的拉紧作用，并在机构处于正置状态下时，用于平衡浸没单元的重力作用。

所述的直线运动组件中驱动机构为音圈电机或微调螺纹副；音圈电机包括音圈电机定子和音圈电机动子，音圈电机动子通过螺钉与驱动块连接板相连；微调螺纹副包括微调螺钉、螺纹套、微调螺纹副安装板，螺纹套与微调螺纹副安装板上的安装孔过盈配合。

所述的滑块与滑轨之间有润滑。

所述的柔性r副的特征参数为柔性r副切口半径r1等于6mm，柔性s副5s的特征参数为柔性s副切口半径r2等于6.5mm，柔性r副与柔性s副中心距离l1等于30mm，双柔性副连杆长度l2等于44mm。

所述的方形垫安装块中空。

作为优选，所述的光栅尺选用贴片式光栅尺。

本发明通过三组运动支链上下运动，带动浸没单元对应伸出端在z向处于不同位置，三点确定一个平面，故当三组运动支链运动停止后，便可确定浸没单元的空间位姿，能实现浸没单元亚微米级精密定位。采用并联结构，使用音圈电机或者微调螺纹副直接驱动，运动副为柔性副，形成基于双柔性副的三自由度并联机构，具有高刚度、响应快的特点。驱动源可替换地选择使用音圈电机或者微调螺纹副，并通过双导轨保证其输出位移的垂直度，直线运动组件结构对两种驱动源安装具有通用性。使用柔性r副和柔性s副替代传统运动副，结构简单紧凑，减小了安装空间；具有无摩擦、不需润滑的优点，因此避免了传统运动副对浸没单元造成的污染；具有高刚度的优点，保证了机构的可靠性。使用重力平衡组件平衡了浸没单元的重力，减小了对驱动源动力的要求，对于音圈电机而言，减小输入电流，减少发热。采用模块化的设计思路，基于双柔性副的三自由度精密调节并联机构与浸没式光刻机中其它器件没有功能上的耦合，除了能用于浸没式光刻机中浸没单元的位姿调节，也能用于有相同要求的其它位姿调节场合。

附图说明

图1为本发明在浸没式光刻机中所处位置的简化示意图；

图2本发明的整体结构立体图；

图3为选用音圈电机的运动支链除双柔性副连杆组件的倒置结构立体图；

图4为选用微调螺纹副的运动支链除双柔性副连杆组件的倒置爆炸视图；

图5为图2中双柔性副连杆组件的结构示意图；

图6为双柔性副连杆的结构示意图；

图7为机械防撞组件的倒置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种基于双柔性副的三自由度精密调节并联机构s2安装在浸没式光刻机主框架1与浸没单元s3之间，浸没式光刻机光学系统s1贯穿浸没式光刻机主框架1、基于双柔性副的三自由度精密调节并联机构s2和浸没单元s3，透过浸没流场2对处于最下方的硅片3进行曝光。浸没式光刻机主框架1与浸没单元s3之间通过如图2所示的三组结构相同的运动支链以并联方式连接，三组运动支链以浸没单元中心孔为中心圆周不均匀分布，其分布角度依据浸没单元三个伸出端确定。

三自由度精密调节并联机构s2包括三组结构相同的运动支链，每组运动支链均包括直线运动组件4、双柔性副连杆组件5、机械防撞组件6、z向位移测量组件7、重力补偿组件8。

直线运动组件4包括直线运动块安装板4a、驱动机构、双导轨组件4d。直线运动组件4、机械防撞组件6、z向位移测量组件7、重力补偿组件8均安装在的直线运动块安装板4a的一侧，直线运动块安装板4a的另一侧与浸没式光刻机主框架1的下端面通过螺纹贴合安装。

如图3和4所示，直线运动组件4中驱动机构为音圈电机4b或微调螺纹副4c；音圈电机4b包括音圈电机定子4b1和音圈电机动子4b2，音圈电机动子4b2通过螺钉与驱动块连接板4d6相连；微调螺纹副4c包括微调螺钉4c1、螺纹套4c2、微调螺纹副安装板4c3，螺纹套4c2与微调螺纹副安装板4c3上的安装孔过盈配合；两种驱动机构可替换地固定安装在直线运动块安装板4a上。

双导轨组件4d包括滑轨4d1、滑轨安装平台4d2、滑轨安装紧固件4d3、滑块4d4、u形滑块安装板4d5、驱动块连接板4d6、滚针安装槽4d7、第一双柔性副连杆安装螺纹孔4d8；滑轨4d1、滑轨安装平台4d2滑轨安装紧固件4d3垂直固定在直线运动块安装板4a上。两个平行设置的滑轨4d1分别固定在滑轨安装平台4d2左右两边的阶梯台上，在两个滑轨4d1两侧均安装有滑轨安装紧固件4d3，通过侧向的紧定螺钉保证滑轨4d1水平向安装可靠无缝隙；滑轨安装紧固件4d3上开有安装槽。滑块4d4与滑轨4d1滑动连接，滑块4d4与滑轨4d1之间有润滑、摩擦小，u形滑块安装板4d5通过螺钉安装在滑块4d4上，u形滑块安装板4d5内壁两个侧面刚好分别卡住两个滑块4d4的左侧面和右侧面；驱动块连接板4d6下表面一边通过螺钉与u形滑块安装板4d5的上端面贴合，u形滑块安装板4d5与驱动块连接板4d6连接后上下边的两端设置在滑轨安装紧固件4d3上开有的安装槽内。驱动块连接板4d6设置在驱动机构上方与直线运动块安装板4a平行设置。驱动块连接板4d6远离u形滑块安装板4d5侧上表面开有第一双柔性副连杆安装螺纹孔4d8。驱动块连接板4d6垂直u形滑块安装板4d5安装侧两边均开有滚针安装槽4d7。

如图5和6所示，双柔性副连杆组件5包括双柔性副连杆5a、双柔性副连杆连接螺钉5b、双柔性副连杆连接板5c、双柔性副连杆连接板安装螺钉5d。双柔性副连杆5a为含有柔性r副5r和柔性s副5s的双柔性副机构，其中柔性r副5r的特征参数为柔性r副切口半径r1等于6mm，柔性s副5s的特征参数为柔性s副切口半径r2等于6.5mm，柔性r副与柔性s副中心距离l1等于30mm，双柔性副连杆长度l2等于44mm。与直线运动组件4通过柔性s副5s侧的第二双柔性副连杆安装螺纹孔5e与驱动块连接板4d6上的第一双柔性副连杆安装螺纹孔4d8通过螺钉连接，柔性r副5r侧的双柔性副连杆连接螺钉5b将双柔性副连杆5a安装到双柔性副连杆连接板5c上，然后双柔性副连杆连接板5c通过双柔性副连杆连接板安装螺钉5d与浸没单元s3的伸出端相连接。

三自由度精密调节并联机构s2通过直线运动块安装板4a安装到浸没式光刻机主框架1上，通过双柔性副连杆组件5中的双柔性副连杆连接板安装螺钉5d连接到浸没单元s3的三个伸出端上。双柔性副连杆组件5用于连接直线运动组件4和浸没单元s3。

如图7所示，机械防撞组件6包括中空方形垫安装块6a、方形垫6b、撞击块6c、圆柱形防撞垫6d、防撞垫安装槽6e，中空方形垫安装块6a设置在滑轨安装平台4d2安装滑轨侧两个滑轨之间的顶端，方形垫安装块6a上端面与滑轨安装平台4d2相平，因其具有中空的结构从而在正置的安装情况下装有方形垫6b，撞击块6c安装在u形滑块安装板4d5的内侧，圆柱形防撞垫6d安装在直线运动块安装板4a上加工出的防撞垫安装槽6e内。

z向位移测量组件7包括编码器7a、l形编码器安装板7b、贴片式光栅尺7c；编码器7a通过水平固定螺钉安装在l形编码器安装板7b的竖直侧面上，l形编码器安装板7b通过螺钉安装在直线运动块安装板4a上，而贴片式光栅尺7c通过粘贴的方式安装在u形滑块安装板4d5的侧面。

重力补偿组件8包括活节螺栓8a、弹簧8b、滚针8c；安装在驱动块连接板4d6和直线运动块安装板4a之间、驱动源音圈电机4b或微调螺纹副4c两侧，活节螺栓8a通过螺纹安装于直线运动块安装板4a上，滚针8c从驱动块连接板4d6的上面嵌于驱动块连接板4d6上加工出的滚针安装槽4d7中，弹簧8b的下钩环与活节螺栓8a的螺栓头相连，下钩环套于滚针8c上，实现对驱动块连接板4d6的拉紧作用，并在机构处于正置状态下时，用于平衡浸没单元s3的重力作用。

三组结构相同的运动支链每组都能独立带动所连接浸没单元s3的伸出端；每组运动支链中，音圈电机4b或微调螺纹副4c在上电或手动调节状态下沿滑轨4d1保证z向运动，4中的驱动块连接板4d6与双柔性副连杆5a相连，双柔性副连杆5a中的柔性r副5r和柔性s副5s发生弹性形变，进一步带动与之相连的浸没单元s3伸出端产生z向移动，浸没单元s3即产生z、rx、ry三个方向的位移，实现对浸没单元s3的位姿调节。

本发明的具体实施过程如下：

基于双柔性副的三自由度精密调节并联机构安装在光刻机主框架与浸没单元之间，基于双柔性副的三自由度精密调节并联结构包含不均匀分布在以浸没单元中心孔为中心圆周上的三组结构相同的运动支链。每组运动支链中，可根据需要使用音圈电机或微调螺纹副作为驱动机构(直接驱动源)，驱动机构输出运动时带动驱动块连接板运动，进而带动与滑块相连的u形滑块安装板运动，在双导轨组件保证下实现p副运动；利用双柔性副连杆，柔性s副实现双柔性副中的柔性球副功能，柔性s副切口半径等于6.5mm，柔性r副实现双柔性副中的柔性旋转副功能，柔性r副切口半径等于6.0mm，总体实现具有柔性转动副和柔性球副的双柔性副串联机构。双柔性副机构具有高精度、结构简单、体积较小、无摩擦无润滑、无污染的特点。柔性r副具有横向转动刚度小，纵向和轴向转动刚度大的特点；

如使用音圈电机，上电后音圈电机动子输出运动；如使用微调螺纹副，通过手动调节微调螺钉使其推动驱动块连接板运动；

基于双柔性副的三自由度精密调节并联机构中的重力补偿组件通过活节螺栓安装于直线运动块安装板上，滚针安装在驱动块连接板上，弹簧的两个钩环分别与活节螺栓的螺栓头和滚针相连，利用弹簧的拉力拉紧驱动块连接板，平衡驱动块连接板及与驱动块连接板相连的双柔性副连杆组件、浸没单元的重力，实现基于双柔性副的三自由度精密调节并联机构零重力驱动，减小了对驱动源的推力要求；

驱动源带动驱动块连接板运动时，当运动到上限位时，与圆柱形防撞垫相撞停止运动，运动到下限位时，安装在u形滑块安装板内侧的撞击块与嵌于中空方形垫安装块中的方形垫相撞停止运动，从而保证基于双柔性副的三自由度精密调节并联机构带动的浸没单元不会与浸没式光刻机光学系统的物镜相撞，且不会与硅片相撞；安装在u形滑块安装板上的贴片式光栅尺随u形滑块安装板运动，编码器测量其运动位移，作为反馈输出，从而实现机构的闭环控制；

音圈电机或微调螺纹副直接驱动驱动块连接板沿浸没单元的法向运动，和驱动块连接板连接的双柔性副连杆上的柔性s副和柔性r副实现球副和转动副的运动；进而带动与之连接的浸没单元伸出端运动。这样在运动范围内，每组运动支链能独立带动浸没单元伸出端运动，三只运动支链即可调整浸没单元的伸出端位置，根据三点确定一面原理，基于双柔性副的三自由度精密调节并联机构通过三组支链就确定了浸没单元的位姿，调节三组运动支链的运动即可实现浸没单元在[z，rx，ry]三自由度的精密调节，每组运动支链的定位精度能达到亚微米级，故整个装置可实现对浸没单元的[z，rx，ry]三自由的亚微米级位姿调节。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。