專利名稱：用于納米壓印光刻系統(tǒng)的兩平動一轉(zhuǎn)動精密定位工作臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種微操作系統(tǒng)，具體為一種可應(yīng)用于壓印光刻系統(tǒng)的三自由度精密
定位工作臺。
背景技術(shù)：
納米器件包括納米電子器件和納米光電器件，可廣泛應(yīng)用于電子學(xué)、光學(xué)、微機械 裝置、新型計算機等，是當(dāng)今新材料與新器件研究領(lǐng)域中最富有活力的研究領(lǐng)域，也是元器 件小型化、智能化、高集成化等的主流發(fā)展方向。納米器件由于具有潛在的巨大市場和國防 價值，使得其設(shè)計和制造的方法、途徑、工藝等成為眾多科學(xué)家、政府和大型企業(yè)研究和投 資的熱點。目前，納米器件的設(shè)計與制造正處于一個飛速發(fā)展時期，方法多種多樣，圖形化 技術(shù)就是其中之一。 納米壓印光刻技術(shù)是人們在探索更方便、價廉的設(shè)計和制備納米器件的過程中開 發(fā)出來的圖形化技術(shù)，用于納米圖形復(fù)制并可用來制作三維納米結(jié)構(gòu)。與其它光刻技術(shù)相 比，納米壓印技術(shù)具有分辨率高、制作成本低、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點，已成為下一代32納米工 藝的關(guān)鍵技術(shù)。具有極大潛在的競爭力和廣闊的應(yīng)用前景。在國內(nèi)外納米壓印技術(shù)發(fā)展過 程中，已逐漸形成了三大主流技術(shù)軟壓印技術(shù)、熱壓印技術(shù)、紫外壓印技術(shù)。熱壓印技術(shù)可 以彌補軟壓印工藝中彈性模板材料容易變形的不足，且加工效率比較高，但熱壓印過程中， 光刻膠經(jīng)過高溫、高壓、冷卻的變化過程，脫模后產(chǎn)生的壓印圖形常會出現(xiàn)變形現(xiàn)象，不易 進行多次或三維結(jié)構(gòu)的壓印。與前兩者相比，紫外壓印技術(shù)對環(huán)境要求較低，僅在室溫和低 壓力下就可以進行，提高了壓印精度。同時由于模板材料采用透明石英玻璃，易于實現(xiàn)模板 與基片之間的對準(zhǔn)，這使得紫外壓印技術(shù)更適合于多次壓印。除此以外，模板使用周期長以 及適于批量生產(chǎn)也是紫外壓印技術(shù)的主要優(yōu)點。這些特點都使得紫外壓印技術(shù)在ic制造 領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)越性。 壓印過程看似簡單，但要得到較高的壓印精度，則需要從多個方面綜合考慮。壓印 過程中要做到盡可能保證模板與基片的平行，使得模板與基片能夠均勻的接觸。若模板和 基片不平行，將得到鍥形的留模，甚至模板的一端直接接觸基片。如果鍥形留模的厚度超過 壓印特征的高度，那么在后續(xù)的干法等厚刻蝕時就會將特征刻蝕掉。同時模板與基片的不 平行也將會導(dǎo)致下壓時模板與基片的相對滑移，發(fā)生側(cè)向擴張，影響壓印精度。另外，在起 模時也會對壓印特征造成破壞。因此壓印過程中必須保證模板與基片的平行度，即模板與 基片的均勻接觸。壓印光刻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般包括以下主要部件①下壓機構(gòu)；②承載臺；③精 密定位工作臺；④用于固化光刻膠的紫外光光源等，其中精密定位工作臺是壓印光刻系統(tǒng) 的關(guān)鍵部分，由它保證模板與基片平行且能夠均勻接觸，使相對滑動盡可能的小，這樣才能 保證兩者之間的定位精度，保證壓印精度和壓印質(zhì)量。 現(xiàn)有的納米壓印設(shè)備中術(shù)端執(zhí)行件(模板和基片承載臺)平行度的調(diào)整大多采用 被動方式，即通過基片(或模板)承載臺的柔性環(huán)節(jié)變形來保證兩者之間的平行度。例如 B. J. Choi等，步進閃光壓印光刻定位平臺的設(shè)計，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，用于制備lOOnm線寬特征的納米壓印光刻 設(shè)備的設(shè)計與分析，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，用于制備50nm半傾斜特征的紫外 壓印光刻多頭納米壓印單元，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.)中就報道了 此種類型的設(shè)備及相關(guān)技術(shù)；也有些研究者采用被動適應(yīng)、主動找平及手工調(diào)整相結(jié)合的 方式，比如范細(xì)秋等，寬范圍高對準(zhǔn)精度納米壓印樣機的研制，中國機械工程，2005年，16 巻增刊，64-67、嚴(yán)樂等，冷壓印光刻工藝精密定位工作臺的研制，中國機械工程，2004年，15 巻1期，75-78.中報道的此類精密定位工作臺設(shè)計；而另一些研究者則另辟新徑，比如，董 曉文等，氣囊氣缸式紫外納米壓印系統(tǒng)的設(shè)計，半導(dǎo)體光電，2007年，28巻5期，676-684.中 介紹的技術(shù)。這些已有的技術(shù)中，自適應(yīng)調(diào)整精密定位系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、成本 低廉，但它的定位精度，尤其平行度的調(diào)整精度較低，從而限制了加工精度和質(zhì)量的提高。 雖然通過主動找平和手工調(diào)整機構(gòu)，在一定程度上可以提高壓印模板和基片的平行度，但 不能補償壓印過程中由于壓印力不均勻而導(dǎo)致的模板和基片的平行度誤差。氣囊氣缸式壓 印系統(tǒng)克服了壓印過程中硅膠易伸張變形，壓印力分布不均勻，模板易破裂等不足但其真 空室的設(shè)計使用費用昂貴且壓印時間過長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有末端執(zhí)行件位置主動調(diào)整
能力的用于納米壓印光刻系統(tǒng)的兩平動一轉(zhuǎn)動精密定位工作臺。 本發(fā)明解決問題的技術(shù)方案是 納米壓印光刻系統(tǒng)的兩平動一轉(zhuǎn)動精密定位工作臺，它包括支架和連接在所述的 支架頂部的底座，在所述的底座中間通過四個柔性驅(qū)動機構(gòu)連接有一個矩形動平臺，所述 的四個柔性驅(qū)動機構(gòu)的其中兩個沿動平臺的位于兩個相對側(cè)邊的中間位置設(shè)置，另外兩個 柔性驅(qū)動機構(gòu)位于所述的動平臺的另外兩個相對側(cè)邊并且相互錯開設(shè)置，每一所述的柔性 驅(qū)動機構(gòu)包括其前部分插在所述的動平臺內(nèi)并且其后部分插在所述的底座內(nèi)的剛性移動 塊，在所述的剛性移動塊的前部分的前端和位于動平臺的四邊位置的末端的左右側(cè)壁上分 別開有第一和第二組半圓凹槽，每組所述的半圓凹槽的兩個半圓弧面之間的連接部分形成 依次串聯(lián)的前后單自由度柔性鉸鏈，所述的剛性移動塊通過前單自由度柔性鉸鏈與所述的 動平臺相連，位于所述的剛性移動塊的后部分尾端側(cè)壁位置的底座上開有通孔，位于所述 的剛性移動塊的后部分左右兩側(cè)壁處的底座內(nèi)以呈對稱并聯(lián)方式設(shè)置有左右柔性板簧結(jié) 構(gòu)，每一所述的柔性板簧結(jié)構(gòu)的橫截面形狀為梳齒形，在所述的底座內(nèi)沿水平方向開有與 每一所述的通孔貫通的四個安裝孔，在所述的四個安裝孔內(nèi)水平的裝有四個壓電陶瓷驅(qū)動器，所述的壓電陶瓷驅(qū)動器具有球形接頭，所述的球形接頭頂在所述的剛性移動塊后部分
尾端側(cè)壁上，在所述的動平臺底壁上裝有三個電容式位置傳感器的一個電極板，在所述的
支架的頂面上裝有所述的三個電容式位置傳感器的另一個電極板，所述的三個電容式位置
傳感器沿圓周方向等間隔均勻分布。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點 本發(fā)明設(shè)計的精密定位工作臺，采用柔性并聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有高剛度、高精度、低慣量、 結(jié)構(gòu)緊湊、無誤差積累等優(yōu)點。 本發(fā)明設(shè)計的精密定位工作臺，采用單自由度半圓凹槽柔性鉸鏈以及柔性板簧結(jié) 構(gòu)作為傳動機構(gòu)，具有無機械摩擦、無間隙的優(yōu)點。 本發(fā)明設(shè)計的三自由度精密定位系統(tǒng)，其柔性機構(gòu)采用線切割(WEDM)整體加工 技術(shù)，不需要裝配和調(diào)整，從而有效改善了定位精度。 本發(fā)明設(shè)計的精密定位工作臺采用四個壓電陶瓷驅(qū)動器推動驅(qū)動環(huán)節(jié)實現(xiàn)壓印 光刻過程中模板和基片間相對位置的主動調(diào)整?？勺鳛榧{米壓印光刻定位系統(tǒng)的輔助定位 平臺，與原有進給機構(gòu)相結(jié)合，實現(xiàn)快速大進程進給和位置調(diào)整以及微量進給和精密定位。


圖1為本發(fā)明的三自由度精密定位工作臺柔性機構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的三自由度精密定位工作臺支架示意圖；
圖3為本發(fā)明的三自由度精密定位工作臺整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為圖1所示的柔性機構(gòu)的橫截面示意圖； 其中1、剛性移動塊2、底座3、動平臺4、位置傳感器5、柔性板簧結(jié)構(gòu)6、 單自由度柔性鉸鏈7、支架8、球形接頭9、壓電陶瓷驅(qū)動器
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提供的具體實施方式
、結(jié)構(gòu)、特征及其 功效，詳細(xì)說明如下。 請參見圖1 3，納米壓印光刻系統(tǒng)的兩平動一轉(zhuǎn)動精密定位工作臺，它包括支架 7和連接在所述的支架7頂部的底座2，在所述的底座2中間通過四個柔性驅(qū)動機構(gòu)連接 有一個矩形動平臺3，如圖4所示(圖中的剖面線部分為在實體上的開通孔部分)的所述 的四個柔性驅(qū)動機構(gòu)的其中兩個沿動平臺的位于兩個相對側(cè)邊的中間位置設(shè)置，另外兩個 柔性驅(qū)動機構(gòu)位于所述的動平臺3的另外兩個相對側(cè)邊并且相互錯開設(shè)置，每一所述的柔 性驅(qū)動機構(gòu)包括其前部分插在所述的動平臺內(nèi)并且其后部分插在所述的底座2內(nèi)的剛性 移動塊l，在所述的剛性移動塊1的前部分的前端和位于動平臺的四邊位置的末端的左右 側(cè)壁上分別開有第一和第二組半圓凹槽，每組所述的半圓凹槽的兩個半圓弧面之間的連接 部分形成兩個前后依次串聯(lián)的單自由度柔性鉸鏈6，所述的剛性移動塊通過單自由度柔性 鉸鏈與所述的動平臺相連，位于所述的剛性移動塊的后部分尾端側(cè)壁位置的底座上開有通 孔，位于所述的剛性移動塊的后部分左右兩側(cè)壁處的底座內(nèi)以呈對稱并聯(lián)方式設(shè)置有左右 柔性板簧結(jié)構(gòu)5，每一所述的柔性板簧結(jié)構(gòu)的橫截面形狀為梳齒形，在所述的底座內(nèi)沿水平 方向開有與每一所述的通孔貫通的四個安裝孔，在所述的四個安裝孔內(nèi)水平的裝有四個壓
5電陶瓷驅(qū)動器9并且壓電陶瓷驅(qū)動器的尾部通過螺栓固連在所述的底座2上，所述的壓電 陶瓷驅(qū)動器具有球形接頭8，所述的球形接頭頂在所述的剛性移動塊后部分尾端側(cè)壁上，在 所述的動平臺底壁上裝有三個電容式位置傳感器4的一個電極板，在所述的支架的頂面上 裝有所述的三個電容式位置傳感器的另一個電極板。三個電容式位置傳感器4安裝時沿圓 周等間隔分布，兩兩夾角為120° ，這樣的分布方式不僅布局美觀而且可以保證動平臺三種 運動過程中位置檢測的準(zhǔn)確性。 為了提高本工作臺的控制精度，它還包括一個計算機，所述的計算機用于輸出電 壓信號給四個壓電陶瓷驅(qū)動器、讀取所述的三個電容式位置傳感器輸出的位移信號并與計 算機中所建模型的設(shè)定值比較后輸出位移補償電壓控制信號給所述的四個壓電陶瓷驅(qū)動 器。 如圖1和2，動平臺3通過其上的4個孔21及支架上的4個孔71固定于支架7的 上方，且保證三個位置傳感器4 一一對齊，壓電陶瓷驅(qū)動器9通過4個孔22與底座2螺栓 連接。 位置傳感器4選用3個PI公司研制的D-050型號超高分辨率電容式位置傳感器， 用來檢測動平臺3的實際輸出。 此精密定位工作臺中的柔性機構(gòu)包括底座、柔性驅(qū)動機構(gòu)和動平臺由整塊材料利 用線切割(WEDM)整體加工技術(shù)一體化加工而成。
本裝置的工作過程如下 請參見圖1 3，計算機控制三通道的放大器提供壓電陶瓷驅(qū)動器9伸縮所需的電 流。壓電陶瓷驅(qū)動器發(fā)生伸長(或縮短)推動移動塊l，移動塊在兩側(cè)柔性板簧的支撐下 產(chǎn)生移動，進而使得柔性機構(gòu)上的兩個單自由度柔性鉸鏈6產(chǎn)生移動及相應(yīng)的彎曲彈性變 形，從而使得動平臺3根據(jù)所提供的控制信號發(fā)生運動。 此三自由度精密定位工作臺具有兩個平動自由度(即水平面內(nèi)沿x方向，y方向的 移動)和一個轉(zhuǎn)動自由度(即在水平面內(nèi)繞水平法線的轉(zhuǎn)動)，這里假設(shè)在工作臺水平面內(nèi) 沿動平臺3上下邊緣中線為x軸(即上下兩個柔性驅(qū)動支鏈的中心軸線)，動平臺3左右邊 緣中線為y軸，z軸滿足右手法則且與xy軸所在平面垂直，那么精密定位工作臺所能實現(xiàn)
的三個運動的實現(xiàn)方式分別為(l)沿X方向的平動計算機控制三通道的放大器提供正向
驅(qū)動電流給位于動平臺3下邊緣柔性驅(qū)動支鏈中的壓電陶瓷驅(qū)動器，(為了方便，這里稱為 下部壓電陶瓷驅(qū)動器)，同時向位于動平臺3上邊緣柔性驅(qū)動支鏈中的壓電陶瓷驅(qū)動器(稱 為上部壓電陶瓷驅(qū)動器)施加反向驅(qū)動電流，位于動平臺左右邊緣的兩個壓電陶瓷驅(qū)動器 不驅(qū)動，那么所述的下部壓電陶瓷驅(qū)動器發(fā)生伸長，而上部壓電陶瓷驅(qū)動器發(fā)生收縮，伸長 的下部壓電陶瓷驅(qū)動器推動其前端的移動塊1發(fā)生沿x軸的向上的移動，經(jīng)過移動塊1及 兩個單自由度柔性鉸鏈6的傳遞，將此平動動作傳遞給動平臺3，使其發(fā)生沿x軸方向的平 動。而沿x軸的與上述運動方向相反的平動則可以由分別向動平臺上下邊緣柔性機構(gòu)中的 兩個壓電陶瓷驅(qū)動器施加與上述方向相反的驅(qū)動電流來實現(xiàn)。(2)沿y方向的平動計算機 控制三通道的放大器提供正向驅(qū)動電流給位于動平臺3左邊緣柔性驅(qū)動支鏈中的壓電陶 瓷驅(qū)動器，(為了方便，這里稱為左部壓電陶瓷驅(qū)動器)，同時向位于動平臺3右邊緣柔性驅(qū) 動支鏈中的壓電陶瓷驅(qū)動器(稱為右部壓電陶瓷驅(qū)動器)施加反向驅(qū)動電流，位于動平臺 上下邊緣的兩個壓電陶瓷驅(qū)動器不驅(qū)動，那么所述的左部壓電陶瓷驅(qū)動器發(fā)生伸長，而右
6部壓電陶瓷驅(qū)動器發(fā)生收縮，伸長的左部壓電陶瓷驅(qū)動器推動其前端的移動塊1發(fā)生沿y 軸的向右的移動，經(jīng)過移動塊1及兩個單自由度柔性鉸鏈6的傳遞，將此平動動作傳遞給動 平臺3，使其發(fā)生沿y軸方向的平動。而沿y軸的與上述運動方向相反的平動則可以由分別 向動平臺左右邊緣柔性機構(gòu)中的兩個壓電陶瓷驅(qū)動器施加與上述方向相反的驅(qū)動電流來 實現(xiàn)。(3)繞z軸的轉(zhuǎn)動計算機控制三通道的放大器同時提供正向驅(qū)動電流給位于動平臺 3左、右邊緣柔性驅(qū)動支鏈中的兩個壓電陶瓷驅(qū)動器，位于動平臺上下邊緣的兩個壓電陶瓷 驅(qū)動器不驅(qū)動，那么所述的左右兩個壓電陶瓷驅(qū)動器均發(fā)生伸長，伸長的左部壓電陶瓷驅(qū) 動器推動其前端的移動塊1發(fā)生沿y軸的向右的移動，經(jīng)過移動塊1及兩個單自由度柔性 鉸鏈6的傳遞，將此平動動作傳遞給動平臺3，使其發(fā)生沿y軸方向的向右的平動，而伸長的 右部壓電陶瓷驅(qū)動器推動其前端的移動塊1發(fā)生沿y軸的向左的移動，經(jīng)過移動塊1及兩 個單自由度柔性鉸鏈6的傳遞，將此平動動作傳遞給動平臺3，使其發(fā)生沿y軸方向的向左 的平動，由于位于動平臺左右邊緣的兩個柔性驅(qū)動支鏈上下錯開一段距離，形成力臂，這樣 在動平臺左右兩側(cè)的兩個壓電陶瓷驅(qū)動器同時驅(qū)動時，就在動平臺上形成一個繞z軸的力 偶的作用，從而使其發(fā)生繞z軸的轉(zhuǎn)動。 為了克服壓電陶瓷驅(qū)動器的遲滯現(xiàn)象的影響，三個高精度的電容式位置傳感器4 在動平臺運動過程中，實時的檢測動平臺的實際輸出，并形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用建立的模 型在線計算動平臺的定位誤差，并把補差電壓實時施加到壓電陶瓷驅(qū)動器9上。 一個快速 16位的多通道D/A和A/D轉(zhuǎn)換器用來實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換。
權(quán)利要求
用于納米壓印光刻系統(tǒng)的兩平動一轉(zhuǎn)動精密定位工作臺，它包括支架和連接在所述的支架頂部的底座，在所述的底座中間通過四個柔性驅(qū)動機構(gòu)連接有一個矩形動平臺，所述的四個柔性驅(qū)動機構(gòu)的其中兩個沿動平臺的位于兩個相對側(cè)邊的中間位置設(shè)置，另外兩個柔性驅(qū)動機構(gòu)位于所述的動平臺的另外兩個相對側(cè)邊并且相互錯開設(shè)置，每一所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)包括其前部分插在所述的動平臺內(nèi)并且其后部分插在所述的底座內(nèi)的剛性移動塊，在所述的剛性移動塊的前部分的前端和位于動平臺的四邊位置的末端的左右側(cè)壁上分別開有第一和第二組半圓凹槽，每組所述的半圓凹槽的兩個半圓弧面之間的連接部分形成依次串聯(lián)的前后單自由度柔性鉸鏈，所述的剛性移動塊通過前單自由度柔性鉸鏈與所述的動平臺相連，位于所述的剛性移動塊的后部分尾端側(cè)壁位置的底座上開有通孔，位于所述的剛性移動塊的后部分左右兩側(cè)壁處的底座內(nèi)以呈對稱并聯(lián)方式設(shè)置有左右柔性板簧結(jié)構(gòu)，每一所述的柔性板簧結(jié)構(gòu)的橫截面形狀為梳齒形，在所述的底座內(nèi)沿水平方向開有與每一所述的通孔貫通的四個安裝孔，在所述的四個安裝孔內(nèi)水平的裝有四個壓電陶瓷驅(qū)動器，所述的壓電陶瓷驅(qū)動器具有球形接頭，所述的球形接頭頂在所述的剛性移動塊后部分尾端側(cè)壁上，在所述的動平臺底壁上裝有三個電容式位置傳感器的一個電極板，在所述的支架的頂面上裝有所述的三個電容式位置傳感器的另一個電極板。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于納米壓印光刻系統(tǒng)的兩平動一轉(zhuǎn)動精密定位工作臺，其 特征在于它還包括一個計算機，所述的計算機用于輸出電壓信號給四個壓電陶瓷驅(qū)動器， 讀取所述的三個電容式位置傳感器輸出的位移信號并與計算機中的設(shè)定值比較后輸出位 移補償電壓控制信號給所述的四個壓電陶瓷驅(qū)動器。
全文摘要
本發(fā)明的用于納米壓印光刻系統(tǒng)的兩平動一轉(zhuǎn)動精密定位工作臺，它包括支架和底座，在底座中間通過四個柔性驅(qū)動機構(gòu)連接有動平臺，柔性驅(qū)動機構(gòu)包括剛性移動塊，在剛性移動塊的前部分的左右側(cè)壁上分別開有第一和第二組半圓凹槽形成依次串聯(lián)的前后單自由度柔性鉸鏈，剛性移動塊通過前單自由度柔性鉸鏈與動平臺相連，底座上開有通孔，位于剛性移動塊的后部分左右兩側(cè)壁處的底座內(nèi)以呈對稱并聯(lián)方式設(shè)置有左右柔性板簧結(jié)構(gòu)，在底座內(nèi)開有與通孔貫通的安裝孔，在安裝孔內(nèi)裝有頂在剛性移動塊上的壓電陶瓷驅(qū)動器，在動平臺底壁和支架的頂面上分別裝有三個電容式位置傳感器的一個電極板。本工作臺具有高剛度、高精度、低慣量、結(jié)構(gòu)緊湊、無誤差積累等優(yōu)點。
文檔編號G03F7/00GK101710229SQ200910229008
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月7日
發(fā)明者張大衛(wèi), 田延嶺, 賈曉輝 申請人:天津大學(xué)