用于纳米压印光刻系统的六自由度精密定位工作台

摘要

本发明公开了用于纳米压印光刻系统的六自由度精密定位工作台，其中空间柔性机构包括预紧机构、三个第一位移传感器和三个第一压电陶瓷驱动器，预紧机构包括与刚性环相连的弹性预紧环、底座、立柱、三个底部弹性铰链和第一位移传感器，压电陶瓷驱动器顶在弹性铰链上；平面柔性机构包括刚性环、刚性支撑台、三个柔性支链和三个第二压电陶瓷驱动器，每一柔性支链包括三个顶部弹性铰链，三个第二弹性铰链之间通过驱动连杆和中间连杆连接，两个第二弹性铰链分别与刚性环和刚性支撑台相连，第二压电陶瓷驱动器顶在驱动连杆上，三对支架，在每对支架上连接有一个第二位移传感器，刚性支撑台与动平台相连。此工作台分辨率高、动态响应速度快。

说明书

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六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末端执行件(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卷3期，192-199(B.J.Choi，S.V.Sreenivasan，S.Jonhson，M.Colburn，C.G.Wilson，Designof orientation stage for step and flash imprint lithography，Precision Engineering，2001，25(3)：192-199.)、Jae-Jong Lee等，用于制备100nm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-JongLee，Kee-Bong Choi，Gee-Hong Kim et al，The UV-Nanoimprint Lithography withMulti-head nanoimprinting Unit for Sub-50nm Half-pitch Patterns，SICEICASEInternational Joint 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，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卷增刊，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卷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卷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。基于上述精密定位系统的不足，具有新型机构形式和控制方法的主动调整型精密定位系统的研制，对促进IC加工技术的发展具有重要的理论意义和工程实用价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高刚度、高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累且无机械摩擦、无间隙的六自由度精密定位工作台。

本发明解决技术问题的技术方案是：

本发明六自由度精密定位工作台，它包括空间柔性机构和平面柔性机构，所述的空间柔性机构包括预紧机构、三个第一位移传感器和三个其轴线沿竖直方向设置的第一压电陶瓷驱动器，每个所述的第一压电陶瓷驱动器底部通过螺栓与底座连接并且其上部通过螺纹与第一球形接头连接，所述的预紧机构包括弹性预紧环、连接在所述的底座中心位置的立柱和其上对称的设置有两个第一半圆形凹槽的三个下部弹性铰链，所述的第一半圆凹槽的轴线沿水平方向设置，每一所述的下部弹性铰链的一侧侧壁与所述的立柱的上部侧壁相连为一体并且所述的底部弹性铰链的另一侧侧壁与所述的弹性预紧环的底部相连为一体，三个C形上支架的顶面与弹性预紧环的底面相连，三个C形下支架的底面与所述的底座固定相连，所述的C形上支架的底面与C形下支架的顶面相对间隔设置，每一所述的第一位移传感器的两个电极片分别螺纹连接于一个C形上支架的底面和一个C形下支架的顶面上，每一所述的第一球形接头顶在所述的下部弹性铰链与弹性预紧环相连一侧的下侧面上；所述的平面柔性机构包括刚性环、设置在所述的刚性环中心位置的其横截面为三角形的刚性支撑台、三个柔性支链和其轴线沿水平方向设置的三个第二压电陶瓷驱动器，每个第二压电陶瓷驱动器的尾部通过螺栓与所述的刚性环连接并且其前部通过螺纹与第二球形接头连接，每一所述的柔性支链包括其上对称的设置有两个第二半圆形凹槽的三个上部弹性铰链，所述的第二半圆形凹槽的轴线沿竖直方向设置，所述的三个上部弹性铰链之间通过驱动连杆和中间连杆构成直角形串联连接，位于每一所述的柔性支链两末端处的两个上部弹性铰链分别与所述的刚性环和刚性支撑台相连，每一第二球形接头顶在所述的驱动连杆侧壁上，在刚性支撑台的三个顶点位置以及刚性环上与之相对应的位置上分别相对的设置有三对L形支架，在每一对所述的支架上分别连接有一个第二位移传感器的一个导电片，所述的刚性支撑台通过螺栓与动平台相连，所述的刚性环通过螺栓连接于所述的弹性预紧环顶面。

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。

本发明设计的精密定位工作台基于单自由度柔性铰链的弹性变形，所产生的铰链转角变化及执行器末端工作空间均很微小，可以有效消除并联机构固有的非线性等缺点。

本发明设计的精密定位工作台采用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，实现纳米压印光刻过程中的微量进给和精密定位。

附图说明

图1是本发明的六自由度精密定位工作台整体结构示意图；

图2是本发明的六自由度精密定位工作台整体结构中剖去动平台后结构示意图；

图3是本发明的六自由度精密定位工作台上部的平面柔性机构底面与传感器安装方式示意图；

图4是本发明的六自由度精密定位工作台下部空间柔性机构中预紧机构与底座固连所构成的机构示意图；

图5是本发明的六自由度精密定位工作台上部的平面柔性机构正面结构示意图；

图6是本发明的六自由度精密定位工作台上部的平面柔性机构底面结构示意图。

具体实施方式

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。

本发明六自由度精密定位工作台，它包括空间柔性机构和平面柔性机构两部分。

如图1～3，上部的可实现x-y-θz三个自由度的平面柔性机构主要包括刚性环2、设置在所述的刚性环2中心位置的其横截面为三角形的刚性支撑台11、三个柔性支链和其轴线沿水平方向设置的三个第二压电陶瓷驱动器14，每个第二压电陶瓷驱动器14的尾部通过螺栓与所述的刚性环2连接并且其前部通过螺纹与第二球形接头13连接，每一所述的柔性支链包括其上对称的设置有两个第二半圆形凹槽的三个上部弹性铰链12，所述的第二半圆形凹槽的轴线沿竖直方向设置，所述的三个上部弹性铰链12之间通过驱动连杆16和中间连杆15构成直角形串联连接，位于每一所述的柔性支链两末端处的两个上部弹性铰链12分别与所述的刚性环2和刚性支撑台11相连，每一第二球形接头13顶在所述的驱动连杆16侧壁上，在刚性支撑台11的三个顶点位置以及刚性环2与之相对应的位置上分别相对的设置有三对L形支架17-1、17-2，在每一对所述的L形支架上分别连接有一个第二位移传感器18的一个导电片，所述的刚性支撑台11通过螺栓与动平台1相连。

如图1和4所示，所述的空间柔性机构包括预紧机构、三个第一位移传感器7和三个其轴线沿竖直方向设置的第一压电陶瓷驱动器6，每个所述的第一压电陶瓷驱动器6底部通过螺栓与底座8连接并且其上部通过螺纹与第一球形接头4连接，所述的预紧机构包括弹性预紧环3、连接在所述的底座8中心位置的立柱9和其上对称的设置有两个第一半圆形凹槽的三个下部弹性铰链10，所述的第一半圆形凹槽的轴线沿水平方向设置，每一所述的下部弹性铰链10的一侧侧壁与所述的立柱9的上部侧壁相连为一体并且所述的下部弹性铰链10的另一侧侧壁与所述的弹性预紧环3的底部相连为一体，三个C形上支架5-1的顶面与弹性预紧环3的底面相连，所述的三个C形下支架5-2的底面与所述的底座8固定相连，所述的C形上支架的底面与C形下支架的顶面相对间隔设置，每一所述的第一位移传感器7的两个电极片分别设置在一个C形上支架5-1的底面和一个C形下支架5-2的顶面上，每一所述的第一球形接头4顶在一个所述的第一半圆形凹槽弹性铰链10与弹性预紧环3相连一侧的下侧面上。

如图2和图4，下部三自由度空间柔性机构通过弹性预紧环3上的三个预紧孔31和刚性环2上的三个刚性孔21与上部可实现x-y-θz三个自由度的平面柔性机构螺栓连接。下部弹性铰链10一端与立柱9固连，另一端与弹性预紧环3固连。第一压电陶瓷驱动器6通过底座8上的三个底座孔81与底座8螺栓连接。上支架5-1通过三对上连接孔32与弹性预紧环3螺纹连接，下支架5-2通过三对下连接孔82与底座8螺纹连接。

如图5和图6，上部的三自由度平面柔性机构中，压电陶瓷驱动器14通过刚性环2上的三个安装孔22与刚性环2螺栓连接。L形支架17-1通过三对孔112与刚性支撑台11螺纹连接，L形支架17-2通过三对支架孔23与刚性环2螺纹连接。

优选的所述的三个第一压电陶瓷驱动器沿圆周方向等间隔刚性固定在底座上并与三个C形上、下支架之间相互间隔60°。这种布置方式使得整体结构紧凑、保证驱动位置的受力均匀及沿z方向运动的各向同性。

所述的空间柔性机构中的三个下部弹性铰链优选的以等间隔的方式刚性固定在弹性预紧环上。这种布置形式可以提供各向同性的侧向刚度。

所述的平面柔性机构中的三个柔性支链优选的沿圆周方向等间隔固连于刚性环和刚性支撑台之间。这种布置方式可以提供沿圆周各向同性的切向刚度，限制动平台绕x轴和y轴的转动。

计算机控制六通道的放大器提供第一、二压电陶瓷驱动器6、14伸缩所需要的电流。在预紧力的作用下，动平台1可以根据控制信号运动。为了克服迟滞现象的影响，六个高精度的电容式位移传感器7、18用来测量动平台1的实际输出，并形成闭环控制系统。利用建立的数学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第一压电陶瓷驱动器6和第二压电陶瓷驱动器14上。两个快速16位多通道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。

传感器可以选用PI公司研制的D-050型号超高分辨率电容式位置传感器。

所发明的六自由度精密定位工作台可作为纳米压印光刻定位系统的辅助定位平台，实现纳米压印过程中的微量进给和精密定位。

本装置中上部的平面柔性机构可以实现x-y-θz三个自由度的主动调整，下部的空间柔性机构可以实现θx-θy-z三个自由度的主动调整，两者结合后可以实现空间内六个自由度的位置调整。为了说明其工作方式，这里首先设定x轴，y轴位于水平面内而z轴垂直于x轴，y轴组成的平面且三者满足右手法则。

上部的平面柔性机构的工作过程为：同时驱动三个压电陶瓷驱动器14，那么经柔性支链传递后，输入作用力施加于刚性支撑台11三个顶点位置并且其方向分别夹角为120°，如果令施加在这三个第二压电陶瓷驱动器14上的驱动电流大小(或方向)不相同，那么当产生的三个驱动力矩相互平衡而驱动力的合作用不为零且方向与x轴(或y轴)方向一致时，动平台1可产生xoy面内沿x轴(或y轴)的平动；反之，若产生的三个驱动力矩合作用不为零而驱动力的合力为零时，动平台1可产生绕z轴的转动；另外，若产生的三个驱动力矩合作用以及驱动力的合力均不为零时，动平台1可同时实现x-y-θz三个自由度的主动调整；如果令施加在这三个第二压电陶瓷驱动器14上的驱动电流相同，那么产生的三个驱动力的合力为零，动平台1只受到三个驱动力矩的合作用，这时，动平台1可产生绕z轴的转动。

下部的空间柔性机构的工作过程为：同时驱动三个第一压电陶瓷驱动器6，那么其上部的下部弹性铰链10发生相应的弹性弯曲变形，产生方向平行于z轴的输入作用力施加于弹性预紧环3上，引起其相应的弹性变形，经传递作用于动平台1。如果施加在这三个第二压电陶瓷驱动器14上的驱动电流大小(或方向)不同，那么所产生的三个驱动力及其对应的三个驱动力矩的合作用亦不能平衡，这样可以使得动平台1产生绕x轴(或y轴)的转动和沿z轴的平动；如果令施加在这三个第二压电陶瓷驱动器14上的驱动电流相同，那么产生的三个驱动力矩的合作用为零，动平台1只受到三个同向的驱动力的作用，这时，动平台1可产生沿z轴的平动。