专利名称：用于纳米压印光刻系统的两平动一转动精密定位工作台的制作方法
技术领域：
本发明属于一种微操作系统，具体为一种可应用于压印光刻系统的三自由度精密
定位工作台。
背景技术：
纳米器件包括纳米电子器件和纳米光电器件，可广泛应用于电子学、光学、微机械 装置、新型计算机等，是当今新材料与新器件研究领域中最富有活力的研究领域，也是元器 件小型化、智能化、高集成化等的主流发展方向。纳米器件由于具有潜在的巨大市场和国防 价值，使得其设计和制造的方法、途径、工艺等成为众多科学家、政府和大型企业研究和投 资的热点。目前，纳米器件的设计与制造正处于一个飞速发展时期，方法多种多样，图形化 技术就是其中之一。 纳米压印光刻技术是人们在探索更方便、价廉的设计和制备纳米器件的过程中开 发出来的图形化技术，用于纳米图形复制并可用来制作三维纳米结构。与其它光刻技术相 比，纳米压印技术具有分辨率高、制作成本低、生产效率高的优点，已成为下一代32纳米工 艺的关键技术。具有极大潜在的竞争力和广阔的应用前景。在国内外纳米压印技术发展过 程中，已逐渐形成了三大主流技术软压印技术、热压印技术、紫外压印技术。热压印技术可 以弥补软压印工艺中弹性模板材料容易变形的不足，且加工效率比较高，但热压印过程中， 光刻胶经过高温、高压、冷却的变化过程，脱模后产生的压印图形常会出现变形现象，不易 进行多次或三维结构的压印。与前两者相比，紫外压印技术对环境要求较低，仅在室温和低 压力下就可以进行，提高了压印精度。同时由于模板材料采用透明石英玻璃，易于实现模板 与基片之间的对准，这使得紫外压印技术更适合于多次压印。除此以外，模板使用周期长以 及适于批量生产也是紫外压印技术的主要优点。这些特点都使得紫外压印技术在ic制造 领域具有不可替代的优越性。 压印过程看似简单，但要得到较高的压印精度，则需要从多个方面综合考虑。压印 过程中要做到尽可能保证模板与基片的平行，使得模板与基片能够均匀的接触。若模板和 基片不平行，将得到锲形的留模，甚至模板的一端直接接触基片。如果锲形留模的厚度超过 压印特征的高度，那么在后续的干法等厚刻蚀时就会将特征刻蚀掉。同时模板与基片的不 平行也将会导致下压时模板与基片的相对滑移，发生侧向扩张，影响压印精度。另外，在起 模时也会对压印特征造成破坏。因此压印过程中必须保证模板与基片的平行度，即模板与 基片的均匀接触。压印光刻系统结构一般包括以下主要部件①下压机构；②承载台；③精 密定位工作台；④用于固化光刻胶的紫外光光源等，其中精密定位工作台是压印光刻系统 的关键部分，由它保证模板与基片平行且能够均匀接触，使相对滑动尽可能的小，这样才能 保证两者之间的定位精度，保证压印精度和压印质量。 现有的纳米压印设备中术端执行件(模板和基片承载台)平行度的调整大多采用 被动方式，即通过基片(或模板)承载台的柔性环节变形来保证两者之间的平行度。例如 B. J. Choi等，步进闪光压印光刻定位平台的设计，Precision Engineering, 2001年25巻
33期，192-199 (B. J. Choi， S. V. Sreenivasan， S. Jonhson， M. Colburn， C. G. Wilson, Designof orientation stage for step and flash imprint lithogr即hy，Precision Engineering, 2001,25(3) :192-199. )、 Jae-Jong Lee等，用于制备lOOnm线宽特征的纳米压印光刻 设备的设计与分析，Current Applied Physics, 2006年第6期，1007-1011 (Jae-Jong Lee， Kee—Bong Choi， Gee—Hong Kim， Design and analysis of the single—step nanoimprintinglithography equipment for sub_100nm linewidth， Current Applied Physics 2006， 6 :1007-1011.)、 Jae-Jong Lee等，用于制备50nm半倾斜特征的紫外 压印光刻多头纳米压印单元，SICEICASE International Joint Conference, 2006年， 4902-4904(Jae_Jong Lee， Kee_Bong Choi， Gee-Hong Kim et al， The UV_Nanoimprint Lithography with Multi—headnanoimprinting Unit for Sub—50nm Half—pitch Patterns, SICEICASE Internationaljoint Conference 2006， 4902—4904.)中就报道了 此种类型的设备及相关技术；也有些研究者采用被动适应、主动找平及手工调整相结合的 方式，比如范细秋等，宽范围高对准精度纳米压印样机的研制，中国机械工程，2005年，16 巻增刊，64-67、严乐等，冷压印光刻工艺精密定位工作台的研制，中国机械工程，2004年，15 巻1期，75-78.中报道的此类精密定位工作台设计；而另一些研究者则另辟新径，比如，董 晓文等，气囊气缸式紫外纳米压印系统的设计，半导体光电，2007年，28巻5期，676-684.中 介绍的技术。这些已有的技术中，自适应调整精密定位系统虽然结构简单、结构紧凑、成本 低廉，但它的定位精度，尤其平行度的调整精度较低，从而限制了加工精度和质量的提高。 虽然通过主动找平和手工调整机构，在一定程度上可以提高压印模板和基片的平行度，但 不能补偿压印过程中由于压印力不均匀而导致的模板和基片的平行度误差。气囊气缸式压 印系统克服了压印过程中硅胶易伸张变形，压印力分布不均匀，模板易破裂等不足但其真 空室的设计使用费用昂贵且压印时间过长。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有末端执行件位置主动调整
能力的用于纳米压印光刻系统的两平动一转动精密定位工作台。 本发明解决问题的技术方案是 纳米压印光刻系统的两平动一转动精密定位工作台，它包括支架和连接在所述的 支架顶部的底座，在所述的底座中间通过四个柔性驱动机构连接有一个矩形动平台，所述 的四个柔性驱动机构的其中两个沿动平台的位于两个相对侧边的中间位置设置，另外两个 柔性驱动机构位于所述的动平台的另外两个相对侧边并且相互错开设置，每一所述的柔性 驱动机构包括其前部分插在所述的动平台内并且其后部分插在所述的底座内的刚性移动 块，在所述的刚性移动块的前部分的前端和位于动平台的四边位置的末端的左右侧壁上分 别开有第一和第二组半圆凹槽，每组所述的半圆凹槽的两个半圆弧面之间的连接部分形成 依次串联的前后单自由度柔性铰链，所述的刚性移动块通过前单自由度柔性铰链与所述的 动平台相连，位于所述的刚性移动块的后部分尾端侧壁位置的底座上开有通孔，位于所述 的刚性移动块的后部分左右两侧壁处的底座内以呈对称并联方式设置有左右柔性板簧结 构，每一所述的柔性板簧结构的横截面形状为梳齿形，在所述的底座内沿水平方向开有与 每一所述的通孔贯通的四个安装孔，在所述的四个安装孔内水平的装有四个压电陶瓷驱动器，所述的压电陶瓷驱动器具有球形接头，所述的球形接头顶在所述的刚性移动块后部分
尾端侧壁上，在所述的动平台底壁上装有三个电容式位置传感器的一个电极板，在所述的
支架的顶面上装有所述的三个电容式位置传感器的另一个电极板，所述的三个电容式位置
传感器沿圆周方向等间隔均匀分布。 与现有技术相比，本发明具有如下显著优点 本发明设计的精密定位工作台，采用柔性并联结构，具有高刚度、高精度、低惯量、 结构紧凑、无误差积累等优点。 本发明设计的精密定位工作台，采用单自由度半圆凹槽柔性铰链以及柔性板簧结 构作为传动机构，具有无机械摩擦、无间隙的优点。 本发明设计的三自由度精密定位系统，其柔性机构采用线切割(WEDM)整体加工 技术，不需要装配和调整，从而有效改善了定位精度。 本发明设计的精密定位工作台采用四个压电陶瓷驱动器推动驱动环节实现压印 光刻过程中模板和基片间相对位置的主动调整。可作为纳米压印光刻定位系统的辅助定位 平台，与原有进给机构相结合，实现快速大进程进给和位置调整以及微量进给和精密定位。
图1为本发明的三自由度精密定位工作台柔性机构示意图；
图2为本发明的三自由度精密定位工作台支架示意图；
图3为本发明的三自由度精密定位工作台整体结构示意图；
图4为图1所示的柔性机构的横截面示意图； 其中1、刚性移动块2、底座3、动平台4、位置传感器5、柔性板簧结构6、 单自由度柔性铰链7、支架8、球形接头9、压电陶瓷驱动器
具体实施例方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式
、结构、特征及其 功效，详细说明如下。 请参见图1 3，纳米压印光刻系统的两平动一转动精密定位工作台，它包括支架 7和连接在所述的支架7顶部的底座2，在所述的底座2中间通过四个柔性驱动机构连接 有一个矩形动平台3，如图4所示(图中的剖面线部分为在实体上的开通孔部分)的所述 的四个柔性驱动机构的其中两个沿动平台的位于两个相对侧边的中间位置设置，另外两个 柔性驱动机构位于所述的动平台3的另外两个相对侧边并且相互错开设置，每一所述的柔 性驱动机构包括其前部分插在所述的动平台内并且其后部分插在所述的底座2内的刚性 移动块l，在所述的刚性移动块1的前部分的前端和位于动平台的四边位置的末端的左右 侧壁上分别开有第一和第二组半圆凹槽，每组所述的半圆凹槽的两个半圆弧面之间的连接 部分形成两个前后依次串联的单自由度柔性铰链6，所述的刚性移动块通过单自由度柔性 铰链与所述的动平台相连，位于所述的刚性移动块的后部分尾端侧壁位置的底座上开有通 孔，位于所述的刚性移动块的后部分左右两侧壁处的底座内以呈对称并联方式设置有左右 柔性板簧结构5，每一所述的柔性板簧结构的横截面形状为梳齿形，在所述的底座内沿水平 方向开有与每一所述的通孔贯通的四个安装孔，在所述的四个安装孔内水平的装有四个压
5电陶瓷驱动器9并且压电陶瓷驱动器的尾部通过螺栓固连在所述的底座2上，所述的压电 陶瓷驱动器具有球形接头8，所述的球形接头顶在所述的刚性移动块后部分尾端侧壁上，在 所述的动平台底壁上装有三个电容式位置传感器4的一个电极板，在所述的支架的顶面上 装有所述的三个电容式位置传感器的另一个电极板。三个电容式位置传感器4安装时沿圆 周等间隔分布，两两夹角为120° ，这样的分布方式不仅布局美观而且可以保证动平台三种 运动过程中位置检测的准确性。 为了提高本工作台的控制精度，它还包括一个计算机，所述的计算机用于输出电 压信号给四个压电陶瓷驱动器、读取所述的三个电容式位置传感器输出的位移信号并与计 算机中所建模型的设定值比较后输出位移补偿电压控制信号给所述的四个压电陶瓷驱动 器。 如图1和2，动平台3通过其上的4个孔21及支架上的4个孔71固定于支架7的 上方，且保证三个位置传感器4 一一对齐，压电陶瓷驱动器9通过4个孔22与底座2螺栓 连接。 位置传感器4选用3个PI公司研制的D-050型号超高分辨率电容式位置传感器， 用来检测动平台3的实际输出。 此精密定位工作台中的柔性机构包括底座、柔性驱动机构和动平台由整块材料利 用线切割(WEDM)整体加工技术一体化加工而成。
本装置的工作过程如下 请参见图1 3，计算机控制三通道的放大器提供压电陶瓷驱动器9伸縮所需的电 流。压电陶瓷驱动器发生伸长(或縮短)推动移动块l，移动块在两侧柔性板簧的支撑下 产生移动，进而使得柔性机构上的两个单自由度柔性铰链6产生移动及相应的弯曲弹性变 形，从而使得动平台3根据所提供的控制信号发生运动。 此三自由度精密定位工作台具有两个平动自由度(即水平面内沿x方向，y方向的 移动)和一个转动自由度(即在水平面内绕水平法线的转动)，这里假设在工作台水平面内 沿动平台3上下边缘中线为x轴(即上下两个柔性驱动支链的中心轴线)，动平台3左右边 缘中线为y轴，z轴满足右手法则且与xy轴所在平面垂直，那么精密定位工作台所能实现
的三个运动的实现方式分别为(l)沿X方向的平动计算机控制三通道的放大器提供正向
驱动电流给位于动平台3下边缘柔性驱动支链中的压电陶瓷驱动器，(为了方便，这里称为 下部压电陶瓷驱动器)，同时向位于动平台3上边缘柔性驱动支链中的压电陶瓷驱动器(称 为上部压电陶瓷驱动器)施加反向驱动电流，位于动平台左右边缘的两个压电陶瓷驱动器 不驱动，那么所述的下部压电陶瓷驱动器发生伸长，而上部压电陶瓷驱动器发生收縮，伸长 的下部压电陶瓷驱动器推动其前端的移动块1发生沿x轴的向上的移动，经过移动块1及 两个单自由度柔性铰链6的传递，将此平动动作传递给动平台3，使其发生沿x轴方向的平 动。而沿x轴的与上述运动方向相反的平动则可以由分别向动平台上下边缘柔性机构中的 两个压电陶瓷驱动器施加与上述方向相反的驱动电流来实现。(2)沿y方向的平动计算机 控制三通道的放大器提供正向驱动电流给位于动平台3左边缘柔性驱动支链中的压电陶 瓷驱动器，(为了方便，这里称为左部压电陶瓷驱动器)，同时向位于动平台3右边缘柔性驱 动支链中的压电陶瓷驱动器(称为右部压电陶瓷驱动器)施加反向驱动电流，位于动平台 上下边缘的两个压电陶瓷驱动器不驱动，那么所述的左部压电陶瓷驱动器发生伸长，而右
6部压电陶瓷驱动器发生收縮，伸长的左部压电陶瓷驱动器推动其前端的移动块1发生沿y 轴的向右的移动，经过移动块1及两个单自由度柔性铰链6的传递，将此平动动作传递给动 平台3，使其发生沿y轴方向的平动。而沿y轴的与上述运动方向相反的平动则可以由分别 向动平台左右边缘柔性机构中的两个压电陶瓷驱动器施加与上述方向相反的驱动电流来 实现。(3)绕z轴的转动计算机控制三通道的放大器同时提供正向驱动电流给位于动平台 3左、右边缘柔性驱动支链中的两个压电陶瓷驱动器，位于动平台上下边缘的两个压电陶瓷 驱动器不驱动，那么所述的左右两个压电陶瓷驱动器均发生伸长，伸长的左部压电陶瓷驱 动器推动其前端的移动块1发生沿y轴的向右的移动，经过移动块1及两个单自由度柔性 铰链6的传递，将此平动动作传递给动平台3，使其发生沿y轴方向的向右的平动，而伸长的 右部压电陶瓷驱动器推动其前端的移动块1发生沿y轴的向左的移动，经过移动块1及两 个单自由度柔性铰链6的传递，将此平动动作传递给动平台3，使其发生沿y轴方向的向左 的平动，由于位于动平台左右边缘的两个柔性驱动支链上下错开一段距离，形成力臂，这样 在动平台左右两侧的两个压电陶瓷驱动器同时驱动时，就在动平台上形成一个绕z轴的力 偶的作用，从而使其发生绕z轴的转动。 为了克服压电陶瓷驱动器的迟滞现象的影响，三个高精度的电容式位置传感器4 在动平台运动过程中，实时的检测动平台的实际输出，并形成闭环控制系统。利用建立的模 型在线计算动平台的定位误差，并把补差电压实时施加到压电陶瓷驱动器9上。 一个快速 16位的多通道D/A和A/D转换器用来实现模拟信号和数字信号之间的转换。
权利要求
用于纳米压印光刻系统的两平动一转动精密定位工作台，它包括支架和连接在所述的支架顶部的底座，在所述的底座中间通过四个柔性驱动机构连接有一个矩形动平台，所述的四个柔性驱动机构的其中两个沿动平台的位于两个相对侧边的中间位置设置，另外两个柔性驱动机构位于所述的动平台的另外两个相对侧边并且相互错开设置，每一所述的柔性驱动机构包括其前部分插在所述的动平台内并且其后部分插在所述的底座内的刚性移动块，在所述的刚性移动块的前部分的前端和位于动平台的四边位置的末端的左右侧壁上分别开有第一和第二组半圆凹槽，每组所述的半圆凹槽的两个半圆弧面之间的连接部分形成依次串联的前后单自由度柔性铰链，所述的刚性移动块通过前单自由度柔性铰链与所述的动平台相连，位于所述的刚性移动块的后部分尾端侧壁位置的底座上开有通孔，位于所述的刚性移动块的后部分左右两侧壁处的底座内以呈对称并联方式设置有左右柔性板簧结构，每一所述的柔性板簧结构的横截面形状为梳齿形，在所述的底座内沿水平方向开有与每一所述的通孔贯通的四个安装孔，在所述的四个安装孔内水平的装有四个压电陶瓷驱动器，所述的压电陶瓷驱动器具有球形接头，所述的球形接头顶在所述的刚性移动块后部分尾端侧壁上，在所述的动平台底壁上装有三个电容式位置传感器的一个电极板，在所述的支架的顶面上装有所述的三个电容式位置传感器的另一个电极板。
2. 根据权利要求1所述的用于纳米压印光刻系统的两平动一转动精密定位工作台，其 特征在于它还包括一个计算机，所述的计算机用于输出电压信号给四个压电陶瓷驱动器， 读取所述的三个电容式位置传感器输出的位移信号并与计算机中的设定值比较后输出位 移补偿电压控制信号给所述的四个压电陶瓷驱动器。
全文摘要
本发明的用于纳米压印光刻系统的两平动一转动精密定位工作台，它包括支架和底座，在底座中间通过四个柔性驱动机构连接有动平台，柔性驱动机构包括刚性移动块，在刚性移动块的前部分的左右侧壁上分别开有第一和第二组半圆凹槽形成依次串联的前后单自由度柔性铰链，刚性移动块通过前单自由度柔性铰链与动平台相连，底座上开有通孔，位于刚性移动块的后部分左右两侧壁处的底座内以呈对称并联方式设置有左右柔性板簧结构，在底座内开有与通孔贯通的安装孔，在安装孔内装有顶在刚性移动块上的压电陶瓷驱动器，在动平台底壁和支架的顶面上分别装有三个电容式位置传感器的一个电极板。本工作台具有高刚度、高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累等优点。
文档编号G03F7/00GK101710229SQ200910229008
公开日2010年5月19日 申请日期2009年12月7日 优先权日2009年12月7日
发明者张大卫, 田延岭, 贾晓辉 申请人:天津大学