磁懸浮精密定位工作臺(tái)機(jī)電一體化集成研究

馮超

現(xiàn)代制造技術(shù)正朝著高速化、精密化和模塊化方向發(fā)展，信息等高新技術(shù)制造業(yè)不僅對(duì)加工設(shè)備性能如定位的精度和速度提出了越來(lái)越高的要求，而且對(duì)生產(chǎn)制作境同樣提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求，如光電子器件、半導(dǎo)體芯片等微電子產(chǎn)品均要求在超潔凈環(huán)境下完成加工制作。在微電子封裝設(shè)備如共晶粘片機(jī)、全自動(dòng)金絲球焊機(jī)和IC芯片制作設(shè)備如光刻機(jī)中，往往需要快速而十分精確的定位和非常精細(xì)的運(yùn)動(dòng)，因此需要高性能的超精密工作臺(tái)作為其技術(shù)支持。長(zhǎng)期以來(lái)，這類工作臺(tái)多數(shù)都采用旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和精密滾珠絲杠傳動(dòng)的傳統(tǒng)方案。由于從電機(jī)到移動(dòng)工作臺(tái)之間存在聯(lián)軸節(jié)、絲杠、螺母、軸承等諸多中間環(huán)節(jié)，不僅加大了定位機(jī)構(gòu)的慣性質(zhì)量，影響了響應(yīng)頻率；而且由于中間環(huán)節(jié)產(chǎn)生的彈性變形、摩擦、聯(lián)結(jié)間隙以及反向間隙等，會(huì)造成定位進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的滯后和非線性誤差，降低定位精度。另外，絲杠是細(xì)長(zhǎng)桿，在力和熱的作甲下，會(huì)產(chǎn)生變形，影響加工精度。為克服以上缺點(diǎn)，提高定位速度和精度，20世紀(jì)90年代以后，運(yùn)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的定位工作臺(tái)出現(xiàn)在精密數(shù)控機(jī)床和加工中心上。直線電機(jī)的應(yīng)用取消了源動(dòng)力和工作臺(tái)部件之間的所有中間傳動(dòng)聯(lián)結(jié)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的直接驅(qū)動(dòng)，亦即人們常說(shuō)的零傳動(dòng)，具有傳統(tǒng)定位工作臺(tái)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。但其可提供的推力較小、要求移動(dòng)部件質(zhì)量輕微。此特點(diǎn)正適合于微電子、IT等制造業(yè)設(shè)備，近年來(lái)在該領(lǐng)域得到極為迅速的推廣應(yīng)用。

無(wú)論是滾珠絲杠還是直線電機(jī)定位工作臺(tái)，導(dǎo)軌副、滾珠絲杠副之間的摩擦力及其特性變化等都是影響工作臺(tái)定位精度的主要因素之一。對(duì)于直線電機(jī)定位工作臺(tái)其影響尤甚。而且由于摩擦產(chǎn)生粉塵污染、引起磨損等原因，這些定位工作臺(tái)已經(jīng)不能完全滿足微電子、IT等行業(yè)產(chǎn)品超潔凈制作環(huán)境的要求。為了克服或消除摩擦力的負(fù)面作用，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)深入研究并積極引用氣懸浮支撐技術(shù)。它克服了摩擦、磨損，有很大的優(yōu)越性，但其最大的缺點(diǎn)是剛度小，承載能力低。隨著磁懸浮列車的出現(xiàn)以及磁懸浮軸承在超高速旋轉(zhuǎn)工業(yè)機(jī)器和航空陀螺儀上的推廣應(yīng)用，磁懸浮技術(shù)日漸倍受重視。磁懸浮技術(shù)屬高新技術(shù)，應(yīng)用于制造業(yè)，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化產(chǎn)品轉(zhuǎn)變發(fā)揮著巨大的作用，如磁懸浮軸承、磁懸浮導(dǎo)軌、磁懸浮電機(jī)以及磁懸浮機(jī)床主軸等，磁懸浮技術(shù)在這些產(chǎn)品中的應(yīng)用顯著提高了產(chǎn)品的性能，促進(jìn)產(chǎn)品的自動(dòng)化和柔性化。在微電子設(shè)備中，如能開發(fā)出一種集磁懸浮和線性驅(qū)動(dòng)技術(shù)為一體的磁懸浮進(jìn)給機(jī)構(gòu)，取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)和氣浮進(jìn)給機(jī)構(gòu)，無(wú)疑對(duì)微電子設(shè)備的加工精度、加工環(huán)境、加工效率將得到很大的改善。目前，磁懸浮技術(shù)、直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)及以D/CAE技術(shù)都是成熟技術(shù)。通過(guò)專利查新，應(yīng)用CAD/CAE技術(shù)將磁懸浮和直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)完整地結(jié)合在一起研究的新型精密工作臺(tái)并將其應(yīng)用到微電子信息產(chǎn)品加工制造領(lǐng)域的相關(guān)報(bào)道尚未發(fā)現(xiàn)，亦未見國(guó)內(nèi)外進(jìn)行此項(xiàng)研究的相關(guān)報(bào)道。

傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)模式的主要缺點(diǎn)在于不能在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)階段對(duì)其生命周期全過(guò)程中的各種因素考慮周全，致使在產(chǎn)品設(shè)計(jì)甚至制造出來(lái)后才發(fā)現(xiàn)各式各樣的毛病，以至于不得不去修改產(chǎn)品的最初設(shè)計(jì)，從而延長(zhǎng)了開發(fā)周期，增加了成本，最終喪失了商機(jī)。為此，采用CAD/E技術(shù)及支持產(chǎn)品開發(fā)全過(guò)程的數(shù)字化、并行化、智能化、集成化的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，充分利用各種計(jì)算機(jī)輔助工具，并有效地考慮產(chǎn)品研發(fā)的全過(guò)程，從而解決關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，提高質(zhì)量，研發(fā)出滿足用戶需要的產(chǎn)品，使企業(yè)在市場(chǎng)竟?fàn)幹辛⒂诓粩≈亍?/p>

目前電子信息產(chǎn)業(yè)已成為帶動(dòng)世界經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)而以集成電路為主體的微電子制造業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)的核心和基礎(chǔ)。其技術(shù)水平高低和產(chǎn)業(yè)規(guī)模大小已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家微電子工業(yè)發(fā)展及綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。微電子技術(shù)的核心是集成電路，集成電路（IC）的發(fā)展又必須以半導(dǎo)體專用設(shè)備為其主要支撐條件。隨著硅片直徑的不斷增大，集成度的不斷提高，圖形線寬不斷縮小，對(duì)其加工制作設(shè)備要求則是更精密、更高速、更智能化，涉及到當(dāng)代高新技術(shù)中的許多關(guān)鍵技術(shù)，在整個(gè)IC生產(chǎn)過(guò)程中，光刻設(shè)備占據(jù)著統(tǒng)治地位。從1973年世界上第一臺(tái)光刻機(jī)誕生以來(lái)，光刻機(jī)及光刻技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異，突飛猛進(jìn)。在美、歐等技術(shù)發(fā)達(dá)

國(guó)家，IC芯片生產(chǎn)使用的光刻機(jī)已經(jīng)做到特征尺寸為0.18～0.13林m線寬，特征尺寸0.1林m線寬的光刻機(jī)已經(jīng)進(jìn)入試生產(chǎn)階段，并將在2004年投入規(guī)模生產(chǎn)。而我國(guó)自行研制的光刻機(jī)僅能實(shí)現(xiàn)特征尺寸為。.7～0.8腳的線寬。為了發(fā)展我國(guó)的光刻機(jī)，使光刻技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，我們要重點(diǎn)進(jìn)行0.1pm的16GbDRAM器件的光刻技術(shù)及光刻機(jī)的研究與開發(fā)。力爭(zhēng)在該技術(shù)節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)突破，縮小與國(guó)際先進(jìn)水平有差距，使我國(guó)不僅發(fā)展成為IC生產(chǎn)大國(guó)，而且成為IC制造強(qiáng)國(guó)。工件臺(tái)和掩模臺(tái)是光刻機(jī)中極其重要的關(guān)鍵部件，必須具有快速步進(jìn)、精密定位、精確逐場(chǎng)調(diào)平調(diào)焦和同步掃描的功能和特點(diǎn)。其同步精度和定位精度決定著光刻機(jī)的套刻精度，并最終決定了光刻機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的光刻特征線寬尺寸。對(duì)于線寬0.18林m激光光刻機(jī)，工件臺(tái)、掩模臺(tái)應(yīng)滿足定位精度：士0.02林m；轉(zhuǎn)角精度：士0.3Oprad；調(diào)焦精度：士0.1林m。對(duì)于IC芯片制造設(shè)備中的定位工作臺(tái)，傳統(tǒng)的機(jī)械定位方式是剛性接觸支撐和“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”驅(qū)動(dòng)方式定位。這種定位方式存在著很大的弊病，不僅產(chǎn)生摩擦、磨損、金屬粉塵，影響微電子產(chǎn)品質(zhì)量，而且驅(qū)動(dòng)件的質(zhì)量慣性和連接間隙降低了設(shè)備的定位精度和響應(yīng)頻率。近年來(lái)研制的光刻機(jī)，大都采用氣浮支撐定位方式，雖然消除了摩擦，但結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，支撐剛度小，承載能力和抗沖擊能力降低，亦限制定位精度的提高。

磁懸浮超精密定位平臺(tái)是針對(duì)微電子行業(yè)高精度的IC芯片制造設(shè)備如刻機(jī)中工件臺(tái)、掩模臺(tái)的高速、高精度定位及超潔凈環(huán)境加工而研制的一新型快速步進(jìn)、精密定位機(jī)構(gòu)。本項(xiàng)研究變傳統(tǒng)的進(jìn)給方式“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+珠絲杠”驅(qū)動(dòng)為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，此驅(qū)動(dòng)方式無(wú)機(jī)械接觸，傳動(dòng)力是在氣隙中產(chǎn)生，無(wú)摩擦、磨損，且取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的一切中間環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了“零傳動(dòng)”，具有進(jìn)給速度高、加速度大、啟動(dòng)推力大、剛度和定位精度高、行程長(zhǎng)度不受限制等優(yōu)點(diǎn)，與磁懸浮平臺(tái)配合，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)構(gòu)的無(wú)接觸支撐和導(dǎo)向，應(yīng)用精密機(jī)械、電磁學(xué)、數(shù)字及伺服控制等機(jī)電一體化技術(shù)，并采用CAD/CAE技術(shù)手段進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)高精度快速定位，且充分滿足超潔凈加工環(huán)境的要求，對(duì)提高我國(guó)微電子制造業(yè)的水平具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著光刻機(jī)整體性能的不斷提高，作為光刻機(jī)關(guān)鍵部件之一的工件臺(tái)技術(shù)也在快速發(fā)展，下面分別介紹國(guó)內(nèi)外超精密工作臺(tái)技術(shù)現(xiàn)狀和磁懸浮技術(shù)研究進(jìn)展在國(guó)外，國(guó)際上各大光刻機(jī)生產(chǎn)廠家針對(duì)超精密工件臺(tái)的技術(shù)難點(diǎn)，投入了大量人力物力進(jìn)行攻關(guān)和不斷改進(jìn)，在各方面都取有明顯的進(jìn)步。超精密快速步進(jìn)定位技術(shù)為了解決快速步進(jìn)和精密定位的矛盾，國(guó)際上主要有兩種技術(shù)路線：絲杠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和氣浮工件臺(tái)結(jié)構(gòu)。日本日立（Hitachi）公司研制出了一種精密X一Y工件臺(tái)，是采用粗動(dòng)臺(tái)和微動(dòng)臺(tái)的雙層臺(tái)結(jié)構(gòu)。