光刻機(jī)工件臺(tái)定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉圣義　徐世?！∩ｅ\凱

摘要：針對(duì)光刻機(jī)工件臺(tái)易受到微小震動(dòng)而引起圖像偏差的問(wèn)題，對(duì)工件臺(tái)定位平臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)改進(jìn)了工作臺(tái)的調(diào)節(jié)方式，對(duì)今后光刻機(jī)工件臺(tái)的研究與改進(jìn)具有良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：光刻機(jī);定位臺(tái);三軸聯(lián)動(dòng)

0 引言

本文針對(duì)光刻機(jī)自動(dòng)修改定位存在誤差的問(wèn)題，以光刻機(jī)工件臺(tái)定位平臺(tái)為研究對(duì)象，以接觸式光刻理論、1：1全反射投影光刻技術(shù)、反射投影技術(shù)、電子光刻技術(shù)等作為理論與技術(shù)支撐，在此基礎(chǔ)上完成了光刻機(jī)工件臺(tái)定位平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合測(cè)量反饋系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)主要完成了對(duì)光刻機(jī)普通定位平臺(tái)的優(yōu)化，優(yōu)化部件及定位部件的設(shè)計(jì)、組裝;文件格式的轉(zhuǎn)換和零件與定位部件實(shí)體邏輯位置的裝配。同時(shí)從精度、運(yùn)動(dòng)方式等方面，將本文設(shè)計(jì)的光刻機(jī)工件臺(tái)定位平臺(tái)與市面上成熟的產(chǎn)品進(jìn)行比較，完成了定位平臺(tái)的結(jié)構(gòu)三維圖設(shè)計(jì)。

1 基本理論

根據(jù)對(duì)各定位理論的歸納與了解可知，光刻機(jī)定位精度取決于光刻機(jī)中的像差和層之間的配準(zhǔn)精度，基于此，本設(shè)計(jì)根據(jù)要求改善了定位部件的設(shè)計(jì)、組裝以及零件與定位部件的裝配，完成了定位平臺(tái)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及六自由度平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和3D仿真設(shè)計(jì)、3D仿真平臺(tái)，得到定位部件的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

2 定位平臺(tái)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1? ? 定位平臺(tái)的“331”原則

2.1.1? ? ?“331”原則

“33l”原則內(nèi)容如下：（1）設(shè)置三維測(cè)量系統(tǒng)的X、Y、Z軸標(biāo)準(zhǔn)尺寸線或其延長(zhǎng)線相互垂直并相交于一交點(diǎn)上，以這三軸測(cè)量線為基準(zhǔn)建立三維坐標(biāo)系。（2）設(shè)置測(cè)量系統(tǒng)中測(cè)量平臺(tái)的X軸導(dǎo)軌導(dǎo)向面、Y軸導(dǎo)軌導(dǎo)向面與X、Y軸標(biāo)準(zhǔn)尺寸線所構(gòu)成的測(cè)量面重合，從而建立兩個(gè)運(yùn)動(dòng)面與一個(gè)測(cè)量面這三面共面的測(cè)量平臺(tái)。（3）設(shè)置測(cè)頭中心點(diǎn)與三條標(biāo)準(zhǔn)尺寸線或其延長(zhǎng)線的交點(diǎn)重合。完成上述工作后，鎖定三軸標(biāo)尺與測(cè)頭的相對(duì)位置，建立三維測(cè)量系統(tǒng)。

2.1.2? ? 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

定位平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)布局示意圖如圖1所示，設(shè)置X軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和X向測(cè)量系統(tǒng)與X向工作臺(tái)固定，Y軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和Y向測(cè)量系統(tǒng)與Y向工作臺(tái)固定，并通過(guò)Y向?qū)к壟cX向工作臺(tái)連接，Z向工作臺(tái)通過(guò)Z向?qū)к壟cY向工作臺(tái)連接，且Z向工作臺(tái)與水平面相互垂直。測(cè)量和定位由激光測(cè)量系統(tǒng)執(zhí)行?；竞蚘向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都固定連接到X向工作臺(tái)，同時(shí)基礎(chǔ)平臺(tái)還需要設(shè)置能測(cè)量位移的激光器，并且Z向工作臺(tái)需要具有與激光器連接的反射目標(biāo)鏡。三維定位平臺(tái)的部件包括框架系統(tǒng)、導(dǎo)軌、平衡部分、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和激光干涉儀系統(tǒng)。

2.2? ? 定位工作臺(tái)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)要求，對(duì)定位工作臺(tái)三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)流程如下：

2.2.1? ? Z向定位工作臺(tái)設(shè)計(jì)

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，有必要采取措施確保引導(dǎo)線、測(cè)量線和驅(qū)動(dòng)線在同一方向上。通過(guò)設(shè)定驅(qū)動(dòng)框架和電動(dòng)框架的精度，可以確保引導(dǎo)線和驅(qū)動(dòng)線的方向一致。通過(guò)調(diào)節(jié)Z向目標(biāo)透鏡的調(diào)整機(jī)構(gòu)，可以確保引導(dǎo)線和測(cè)量線對(duì)準(zhǔn)，以此實(shí)現(xiàn)Z向定位臺(tái)的并聯(lián)設(shè)計(jì)。

2.2.2? ? 三維定位工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用“331”原則設(shè)計(jì)并優(yōu)化了定位平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)同步電機(jī)偏心安裝、磁流變液阻尼器和配重設(shè)計(jì)、工作臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)徑向位移不超過(guò)0.1 mm、工作臺(tái)平穩(wěn)移動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定的目的。圖2為工作臺(tái)X向受力分析示意圖。

3 六自由度平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1? ? 六自由度平臺(tái)機(jī)構(gòu)概述

六自由度平臺(tái)主要由上下平臺(tái)、電動(dòng)缸和鉸鏈組成。伺服電動(dòng)缸通過(guò)鉸鏈以并聯(lián)的形式將固定底座和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)連接起來(lái)，因而6個(gè)伺服電動(dòng)缸均可獨(dú)立伸縮。通過(guò)6個(gè)伺服電動(dòng)缸的協(xié)調(diào)伸縮，相對(duì)于固定的下平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)上平臺(tái)就可以靈活實(shí)現(xiàn)空間6個(gè)自由度方向上的位姿運(yùn)動(dòng)。

為了獲得六自由度平臺(tái)的空間位置關(guān)系，首先建立動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系以及靜態(tài)坐標(biāo)系，即Ob-XbYbZb和Op-XpYpZp，選擇系統(tǒng)的質(zhì)心作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，并且坐標(biāo)軸的方向平行于平臺(tái)的慣性主軸方向。

3.2? ? 平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)和技術(shù)要求

六自由度平臺(tái)的上下平臺(tái)均為不等六邊形，有6個(gè)相同的支撐桿，其長(zhǎng)度可單獨(dú)調(diào)節(jié)，通過(guò)上下平臺(tái)之間的萬(wàn)向節(jié)連接。該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為上平臺(tái)外接圓r=0.5 m，下平臺(tái)外接圓r=1.25 m，六邊形短邊對(duì)角30°，六邊形長(zhǎng)邊對(duì)角90°。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)運(yùn)用多個(gè)軟件，以光刻機(jī)定位平臺(tái)為對(duì)象，完成了對(duì)定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)、建模和仿真（由于篇幅有限，沒(méi)有展開(kāi)論述），并結(jié)合“331”原則建立了三維平臺(tái)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，通過(guò)設(shè)定驅(qū)動(dòng)框架和電動(dòng)框架的精度，完成了Z軸升降平臺(tái)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)徑向位移不超過(guò)0.1 mm、工作臺(tái)平穩(wěn)移動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定的目的。

本設(shè)計(jì)還通過(guò)改進(jìn)工作臺(tái)調(diào)節(jié)方式，先由三軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行粗調(diào)，再由高精度六自由度平臺(tái)進(jìn)行微調(diào)，完成了光刻機(jī)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與整體方案設(shè)計(jì)，對(duì)今后光刻機(jī)工件臺(tái)結(jié)構(gòu)的研究與改進(jìn)具有重大意義。

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收稿日期：2020-03-01

作者簡(jiǎn)介：葉圣義（1998—），男，江蘇人，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。