专利名称：一种无接触式粗精动叠层六自由度定位装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种六自由度定位设备，尤其涉及一种无接触式粗精动叠层六自由度定位设备，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：
具有纳米级运动定位精度的超精密微动平台是半导体装备关键部件之一，如光刻机中的硅片台、掩模台等。为实现超精密定位要求，以气浮和磁浮约束为支撑方式的执行单元作为一种超精密运动台被广泛应用。气浮约束作为支撑和导向作用时，减小了机械结构传动引起的摩擦力等作用，提高了系统运动定位精度。以直线电机为驱动单元时，由通电线圈在永磁阵列气隙磁场中产生的洛仑兹力提供驱动力，通过控制线圈中电流大小来改变执行单元的推力，具有结构简单等优点。目前光刻机中掩模台通常采用粗精动叠层的结构，包括两个沿Y轴方向运动的粗动台，和一个六自由度运动的微动平台。两个粗动台之间通过连接梁连接在一起，其中连接梁与一个粗动台固定连接，与另一侧粗动台通过柔性铰链连接，微动平台安装在连接梁上，实现定位装置整体运动。一方面连接梁增加了结构设计的复杂性，增加了系统结构质量，较大的质量将影响系统运动响应性能，另一方面，当结构运动时，如果两个粗动台沿Y轴方向存在位置偏差，由于连接梁的作用，使得两个粗动平台之间产生作用力与反作用力的耦合，使得两个粗动平台的性能相互影响，将影响系统的运动定位精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于半导体装备的定位装置，不仅满足六自由度运动定位要求，同时解决目前掩模台粗精动叠层结构中由机械结构耦合作用引起的结构复杂、运动性能相互影响等问题。本发明的技术方案如下一种无接触式粗精动叠层六自由度定位装置，所述定位装置包含基架、一个微动平台、两个粗动平台和测量系统，所述测量系统包含光栅测量系统、电涡流传感器测量系统和激光尺测量系统；微动平台悬浮在两个粗动平台上，两个粗动平台对称布置在微动平台两侧，两个粗动平台悬浮在基架上；粗动平台包括一个直线电机、一个连接元件、一个支撑元件和一个导向元件；粗动平台在直线电机驱动下沿Y轴运动；支撑元件的下表面与基架的上表面正面相对，支撑元件下表面有气孔，气孔轴线沿Z轴方向，在支撑元件与基架之间形成沿Z轴方向的气浮支撑；导向元件侧面与基架的侧面正面相对，导向元件的侧面有气孔，气孔的轴线沿X轴方向，导向元件与基架之间形成气浮导向，导向方向沿Y轴方向；光栅测量系统包含两个光栅测量装置，每个光栅测量装置包括一个光栅尺、一个光栅尺安装架、一个读数头和光栅尺调整装置；光栅尺调整装置固定于基架上，光栅尺安装架与光栅尺调整装置固定连接，通过调整光栅尺调整架使光栅尺安装架的长边方向沿Y轴方向；光栅尺粘贴固定于光栅尺安装架表面上，光栅条纹沿Y轴方向，光栅读数头与直线电机连接；电涡流传感器测量系统包括安装在粗动台上七个电涡流传感器，测量金属导体安装在微动平台上；第一电涡流传感器和第二电涡流传感器安装在第一粗动台上，并位于沿Y轴的一条直线上，第三电涡流传感器和第四电涡流传感器分别安装在第一粗动台与第二粗动台上，并位于一条沿X轴方向的直线上，第五电涡流传感器和第六电涡流传感器安装在第一粗动台的连接元件上，并位于一条沿Y轴方向的直线上，第七电涡流传感器安装在第二粗动台上，并与第五电涡流传感器位于一条沿X轴方向的直线上；
激光尺测量系统安装在基架上，测量微动平台在Y方向的位移。微动平台包括四个沿Y轴方向驱动的第一音圈电机、两个沿X轴方向驱动的第二音圈电机和四个沿Z轴方向驱动的第三音圈电机；第一音圈电机包括上下永磁体组件和位于永磁体组件之间的线圈组件；各线圈组件绕线平面在同一平面，且位于两个永磁体组件之间，并保留间隙；每个永磁体组件包括铁轭、主永磁体、附永磁体，主永磁体与各附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于铁轭的表面上；各附永磁体与各主永磁体的磁场方向相互垂直，在第两个永磁体组件中形成封闭磁路；四个第一音圈电机中的线圈组件固定在粗动平台上，永磁体组件固定在微动平台上；第二音圈电机包括一个线圈组件和对称布置在线圈组件两侧的两个永磁体组件；每个永磁体组件包括主永磁体和铁轭；各主永磁体以常规阵列的形式粘接固定在铁轭表面上；各永磁体组件之间形成封闭磁路；第二音圈电机中的线圈组件固定在粗动台上，第二音圈电机中的永磁体组件固定在微动平台上；第三音圈电机包括外磁环、内磁环、圆柱线圈组件、重力平衡磁柱；外磁环与内磁环的轴线沿Z轴方向，外磁环与内磁环充磁方向相同，沿径向方向且由圆环外表面指向圆心；圆柱线圈位于内磁环与外磁环之间，绕线轴线沿Z轴方向；磁柱的轴线沿Z轴方向，充磁方向沿Z轴正方向；第三音圈电机的圆柱线圈组件固定在粗动台上。
图I为本发明定位装置结构原理示意图(轴测图)。图2为本发明粗动台轴测图。图3为本发明粗动台侧视图。图4为本发明微动平台结构示意图(轴测图)。图5为本发明第一音圈电机剖视图。图6为本发明第二音圈电机结构示意图(轴测图)。图7为第二音圈电机剖视图。图8为本发明音圈电机线圈位置示意图。图9为本发明第三音圈电机结构示意图(轴测图)。图10为本发明第三音圈电机外磁环图。图11为本发明第三音圈电机内磁环图。图12为本发明第三音圈电机磁柱图。图13为本发明水平方向电涡流传感器位置示意图。图14为本发明垂直方向电涡流传感器位置示意图。
图15为本发明光栅尺示意图(轴测图)。图16为本发明光栅尺主视图。图17为本发明激光尺位置示意图。图中001-基架； 100-粗动台101-直线电机，102-支撑元件，103-导向元件，104-连接元件2OO-微动平台210-第一音圈电机211-第一线圈组件，212-第一永磁体组件，213-第二永磁体组件2121-第一主永磁体,2142-第二主永磁体,2125-第三主永磁体,2131-第四主永磁体，2133-第五主永磁体,2135-第六主永磁体,2122-第一附永磁体,2124-第二附永磁体,2132-第三附永磁体,2134-第四附永磁体,2142-第一铁轭220-第二音圈电机221-第二线圈组件，222-第三永磁体组件，223-第四永磁体组件，2221-第七主永磁体，2222-第八主永磁体，2231-第九主永磁体，2232-第十主永磁体，2241-第三铁轭，2242-第四铁轭230-第三音圈电机231-第三线圈组件，232-外磁环，233-内磁环，234-磁柱401-第一电涡流传感器，402-第二电涡流传感器，403-第三电涡流传感器，404-第四电涡流传感器，405-第五电涡流传感器，406-第六电涡流传感器，407-第七电涡流传感器300-光栅尺测量系统301-光栅尺，301-光栅尺安装架，302-光栅尺调整装置，303-光栅尺，304-读数头900-激光尺
具体实施例方式下面结合附图对本发明的原理、结构和工作过程来进一步说明本发明。图I为本发明定位装置的结构示意图(轴测图)。本发明定位装置包括基架001、一个微动平台200、两个对称布置在微动平台两侧的粗动平台100。图2为粗动台结构轴测图，图3为粗动台侧视图。每个粗动平台100包括一个直线电机101、一个连接元件104、一个气浮支撑元件102和一个气浮导向元件103。连接元件104与直线电机固接，气浮支撑元件102与直线电机固连，气浮导向元件103与气浮支撑元件102固连。气浮支撑元件102的下表面与基架001的上表面正面相对，支撑元件102下表面有气孔，气孔轴线沿Z轴方向，气浮支撑元件102与基架001之间形成沿Z轴方向的气浮支撑，气浮支撑方式采用真空预载的方式；气浮导向元件103的侧面与基架001的侧面正面相对，气浮导向元件103的侧面有气孔，气孔的轴线沿X轴方向，气浮导向元件103与基架001之间形成气浮导向，导向方向沿Y轴方向，气浮方式为真空预载的方式。
图4为微动平台结构轴测图，微动平台200由四个沿Y轴方向驱动的第一音圈电机210、两个沿X轴方向驱动的第二音圈电机220和四个沿Z轴方向驱动的第三音圈电机230，通过这十个音圈电机实现微动平台200的六自由度运动。图5为第一音圈电机210结构剖视图。第二音圈电机210包括第一永磁体组件212、第二永磁体组件213、第一线圈组件211。第一线圈组件211位于第一永磁体组件212与第二永磁体组件213之间，并保留间隙。第一永磁体组件212包括第一铁轭2142与主永磁体、附永磁体，沿X轴方向依次为第一主永磁体2121、第一附永磁体2122、第二永磁体2123、第二附永磁体2124、、第三主永磁体2125，各主永磁体与各附永磁体粘接固定于第一铁轭2142的表面上。第二永磁体组 件213包括第二铁轭2142与主永磁体、附永磁体，沿X轴方向依次为第四主永磁体2131、第三附永磁体2132、第五主永磁体2133、第四附永磁体2134、第六主永磁体2135，各主永磁体与各附永磁体粘接固定于第二铁轭2142的表面上。第一主永磁体2121、第三主永磁体2125、第四主永磁体2131、第六主永磁体2135的充磁方向为Z轴负方向，第二主永磁体2123、第五主永磁体2133的充磁方向为Z轴正方向。第一主永磁体2121的N极面正对第四主永磁体2131的S极面，第二主永磁体2123的S极面正对第五主永磁体2133的N极面，第三主永磁体2125的N极面正对第六主永磁体2135的S极面。第一附永磁体2123、第四附永磁体2134的充磁方向为Y负方向，第三附永磁体2124、第三附永磁体2132的充磁方向为Y正方向。各附永磁体与各主永磁体的磁场方向相互垂直，在第一永磁体组件212与第二永磁体组件213中分别构成了 Halbach阵列形式，且形成封闭磁路。如图12所示，四个第一音圈电机210中的第一线圈组件211分别固定在两个粗动台100上，第一永磁体组件212与第二永磁体组件213分别固定在微动平台200上。线圈通电时，电流方向与磁场方向垂直，因此将产生洛仑兹力。洛仑兹力方向、通电线圈电流方向与磁感应强度方向相互垂直，使得第一永磁体组件212与第二永磁体组件213在洛仑兹力作用下沿Y轴方向运动。当四个第一音圈电机210沿Y轴方向驱动力相同时，实现微动平台200沿Y轴运动，当该四个第一音圈电机210沿Y轴方向驱动力不相同时，实现微动平台200绕Z轴的转动。图6为第二音圈电机220轴测图，图7为第二音圈电机220剖视图。第二音圈电机220包括第三永磁体组件222、第四永磁体组件223和第二线圈组件221。第三永磁体组件222包括第七主永磁体2221、第八主永磁体2222、第三铁轭2241。第四永磁体组件223包括第九主永磁体2231、第十主永磁体2232、第四铁轭2242。第七主永磁体2221、第八主永磁体2222固定于第三铁轭2241上，第九主永磁体2231、第十主永磁体2232固定于第四铁轭2242上。第八主永磁体2222与第十主永磁体2231的充磁方向沿Z轴正方向，第七主永磁体2221与第九主永磁体2231的充磁方向沿Z轴负方向。第七主永磁体2221的N极表面与第九主永磁体2231的S极表面正面相对，第八主永磁体2222的S极表面与第十主永磁体2232的N极表面正面相对，各永磁体组件之间形成封闭磁路。第二线圈组件221位于第三永磁体组件222与第四永磁体组件223之间，并留有间隙。第二音圈电机220中的线圈组件221分别固定在两个粗动台100上，第二音圈电机220中的各永磁体组件固定在微动平台200上。线圈通电时，电流方向与线圈有效部分所在区域的磁场方向垂直，因此将产生洛仑兹力。洛仑兹力方向、通电线圈电流方向与磁感应强度方向相互垂直，使得第三永磁体组件222与第四永磁体组件223在洛仑兹力作用下实现沿X轴方向运动，因此驱动微动平台200沿X轴方向运动。图8为第三音圈电机230结构轴测图。第三音圈电机230包括外磁环232、内磁环233、圆柱线圈组件231、重力平衡磁柱234。图9为第三音圈电机230中外磁环232主视图。图10为第三音圈电机230中内磁环233主视图。图11为第三音圈电机230中磁柱234主视图。外磁环232与内磁环233的轴线沿Z轴方向，外磁环232与内磁环233充磁方向相同，沿径向方向且由圆环外表面指向圆心。圆柱线圈231位于内磁环233与外磁环232之间，绕线轴线沿Z轴方向。磁柱234的轴线沿Z轴方向，充磁方向沿Z轴正方向。四个第三音圈电机230的圆柱线圈组件231分别固定在粗动台100两个直线电机上，第三音圈电机230的外磁环232、内磁环233和磁柱234固定在微动平台200上。圆柱线圈231通电时，通电线圈231与内磁环233、外磁环 232之间产生洛仑兹力，当四个第三音圈电机230产生的洛仑兹力大小相同时，实现微动平台200沿Z轴方向运动，当四个第三音圈电机230产生的洛仑兹力大小不同时，实现微动平台200绕X轴转动与绕Y轴转动。线圈通电时，通电线圈231与磁柱234之间产生洛仑兹力，改变电流的大小使得产生的洛仑兹力与微动平台200的重力相等，达到微动平台200重力平衡的目的。图13为水平方向电涡流传感器位置示意图，图14为垂直方向电涡流传感器位置示意图。微动平台200与粗动台100的相对位置测量系统中包括七个电涡流传感器，每个电涡流传感器安装在粗动台100上，测量金属导体安装在微动平台200上。第一电涡流传感器401、第二电涡流传感器402安装在第一粗动台100上，并位于沿Y轴的一条直线上，测量微动平台200与粗动台100之间沿X轴方向相对距离，第一电涡流传感器401与第二电涡流传感器402信号的差动可测量微动平台200与两个粗动台100之间绕Z轴的相对转角。第三电涡流传感器403、第四电涡流传感器404分别安装在第一粗动台100与第二粗动台100上，并位于一条沿X轴方向的直线上，分别测量微动平台200相对于第一粗动台100、第二粗动台100沿Y轴方向的距离。第五电涡流传感器405、第六电涡流传感器406安装在第一粗动台100的连接元件104上，并位于一条沿Y轴方向的直线上，这两个电涡流传感器用于测量微动平台200与第一粗动台100之间沿Z轴方向距离，这两个电涡流传感器信号的差动可测量微动平台200相对第一粗动台100的绕X轴的转角。第七电涡流传感器407安装在第二粗动台100上，并与第五电涡流传感器405位于一条沿X轴方向的直线上，第七电涡流传感器407测量微动平台200与第二粗动台100沿Z轴方向的距离，第七电涡流传感器407与第五电涡流传感器405信号的差动测量微动平台200相对于第一粗动台100、第二粗动台100的绕Y轴的转角。图15为本发明装置中光栅尺测量轴测图，图16为光栅尺测量装置主视图。粗动台100包括两个光栅测量装置300，该两个光栅测量装置300沿X轴方向对称布置在粗动台100的两侧。每个光栅测量装置300包括一个光栅尺303、一个光栅尺安装架301、一个读数头304和光栅尺调整装置302。光栅尺调整装置302固定于基架001上，光栅尺安装架301与光栅尺调整装置302固定连接，通过调整光栅尺调整架302使光栅尺安装架301的长边方向沿Y轴方向。光栅尺303粘贴固定于光栅尺安装架301表面上,光栅条纹沿Y轴方向。光栅读数头304与直线电机101连接，当直线电机101沿Y轴运动时，光栅尺300用来检测粗动台100直线电机101沿Y轴方向的位置。 图17为 激光测量装置示意图，激光尺900测量微动平台200沿Y轴方向绝对位置。
权利要求
1.一种无接触式粗精动叠层六自由度定位装置，其特征在于所述定位装置包含基架(001)、一个微动平台(200)、两个粗动平台(100)和测量系统，所述测量系统包含光栅测量系统(300)、电涡流传感器测量系统和激光尺测量系统(900);微动平台(200)悬浮在两个粗动平台(100)上，两个粗动平台(100)对称布置在微动平台(200)两侧，两个粗动平台(100)悬浮在基架(001)上； 所述的粗动平台(100)包括一个直线电机、一个连接元件、一个支撑元件和一个导向元件；粗动平台(100)在直线电机驱动下沿Y轴运动；支撑元件的下表面与基架的上表面正面相对，支撑元件下表面有气孔，气孔轴线沿Z轴方向，在支撑元件与基架之间形成沿Z轴方向的气浮支撑；导向元件侧面与基架的侧面正面相对，导向元件的侧面有气孔，气孔的轴线沿X轴方向，导向元件与基架之间形成气浮导向，导向方向沿Y轴方向； 所述的光栅测量系统包含两个光栅测量装置(300)，每个光栅测量装置包括一个光栅 尺、一个光栅尺安装架、一个读数头和光栅尺调整装置；光栅尺调整装置固定于基架上，光栅尺安装架与光栅尺调整装置固定连接，通过调整光栅尺调整架使光栅尺安装架的长边方向沿Y轴方向；光栅尺粘贴固定于光栅尺安装架表面上，光栅条纹沿Y轴方向，光栅读数头与直线电机连接； 所述的电涡流传感器测量系统包括安装在粗动台上七个电涡流传感器，测量金属导体安装在微动平台上；第一电涡流传感器和第二电涡流传感器安装在第一粗动台上，并位于沿Y轴的一条直线上，第三电涡流传感器和第四电涡流传感器分别安装在第一粗动台与第二粗动台上，并位于一条沿X轴方向的直线上，第五电涡流传感器和第六电涡流传感器安装在第一粗动台的连接元件上，并位于一条沿Y轴方向的直线上，第七电涡流传感器安装在第二粗动台上，并与第五电涡流传感器位于一条沿X轴方向的直线上； 所述激光尺测量系统(900 )安装在基架(001)上，测量微动平台在Y方向的位移。
2.如权利要求I中所述的一种无接触式粗精动叠层六自由度定位装置，其特征在于微动平台(200)包括四个沿Y轴方向驱动的第一音圈电机、两个沿X轴方向驱动的第二音圈电机和四个沿Z轴方向驱动的第三音圈电机； 第一音圈电机包括上下永磁体组件和位于永磁体组件之间的线圈组件；各线圈组件绕线平面在同一平面，且位于两个永磁体组件之间，并保留间隙；每个永磁体组件包括铁轭、主永磁体、附永磁体，主永磁体与各附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于铁轭的表面上；各附永磁体与各主永磁体的磁场方向相互垂直，在第两个永磁体组件中形成封闭磁路；四个第一音圈电机中的线圈组件固定在粗动平台上，永磁体组件固定在微动平台上； 第二音圈电机包括一个线圈组件和对称布置在线圈组件两侧的两个永磁体组件；每个永磁体组件包括主永磁体和铁轭；各主永磁体以常规阵列的形式粘接固定在铁轭表面上；各永磁体组件之间形成封闭磁路；第二音圈电机中的线圈组件固定在粗动台上，第二音圈电机中的永磁体组件固定在微动平台上； 第三音圈电机包括外磁环、内磁环、圆柱线圈组件、重力平衡磁柱；外磁环与内磁环的轴线沿Z轴方向,外磁环与内磁环充磁方向相同,沿径向方向且由圆环外表面指向圆心；圆柱线圈位于内磁环与外磁环之间，绕线轴线沿Z轴方向；磁柱的轴线沿Z轴方向，充磁方向沿Z轴正方向；第三音圈电机的圆柱线圈组件固定在粗动台上。
全文摘要
一种无接触式粗精动叠层六自由度定位装置，涉及一种超精密六自由度运动定位装置。该定位装置包括一个微动平台，和对称布置在微动平台两侧的两个粗动台。每个粗动台由直线电机独立驱动实现沿Y轴运动，微动平台由十个音圈电机驱动实现六自由度运动。测量系统包括一个激光尺、两个光栅尺、七个电涡流传感器，测量系统能够测量每个粗动平台沿Y轴方向的绝对位置、微动平台六自由度绝对位置、粗动平台与微动平台之间沿Y轴方向的相对位置。粗动台中两个直线电机独立运动，当音圈电机通电时微动平台悬浮在粗动台上方，实现了粗动台之间、粗动台与微动平台之间的无接触式叠层运动，避免了现有结构中机械接触引起的运动耦合与结构干涉等问题。
文档编号H01L21/68GK102722089SQ20121018034
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月1日 优先权日2011年6月28日
发明者尹文生, 张鸣, 徐登峰, 朱煜, 李鑫, 杨开明, 汪劲松, 田丽, 穆海华, 胡金春, 许岩 申请人:清华大学