三自由度柔性精密定位工作台 【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两平动一转动柔性精密定位工作台。
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.Johnson，M.Colburn，C.G.Wilson，Design of orientation stage for step and flash imprint lithography，PrecisionEngineering，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 thesingle-step nanoimprinting lithography equipment for sub-100 nm linewidth.Current Applied Physics 2006，6：1007？011.)、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-Jong Lee，Kee-Bong Choi，Gee-Hong Kim et al，TheUV-Nanoimprint Lithography with Multi-head nanoimprinting Unit for Sub-50nmHalf-pitch Patterns，SICEICASE International 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地研制，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】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于结构中单自由度柔性铰链和柔性板簧的柔性变形实现对末端执行件(动平台)沿x，y轴的平动和绕z轴的转动的主动调整，完成压印光刻过程中的微量进给和精密定位的三自由度柔性精密定位工作台。
本发明解决压印光刻精密定位技术问题的技术方案是：
三自由度柔性精密定位工作台，它包括刚性支架和连接在所述的刚性支架顶部的基座，在所述的基座中间通过六个柔性支链连接有一个其横截面为矩形的动平台，所述的六个柔性支链的其中两个分别沿动平台的上下两个相对侧边的中线方向设置，另外四个柔性支链两两一组分别位于所述的动平台的左右相对侧边处并且左右两组柔性支链之间相对于所述的动平台的竖直对称轴对称分布设置，组成每组柔性支链的两个柔性支链的轴线相互平行且相对于所述的动平台的水平对称轴对称分布，每一所述的柔性支链均包括一个刚性移动块，所述的刚性移动块的前部分镶嵌于从动平台侧边向动平台内部延伸的动平台凹槽内，所述的刚性移动块的后部分镶嵌于开在基座内的基座凹槽内，在所述的刚性移动块的前部分的前端以及位于动平台的侧边位置的前部分的末端的左右侧壁上依次开有第一、二组半圆凹槽，第一组所述的半圆凹槽的两个半圆弧面之间的连接部分形成前单自由度柔性铰链，第二组所述的半圆凹槽的两个半圆弧面之间的连接部分形成与所述的前单自由度柔性铰链串联设置的后单自由度柔性铰链，所述的前单自由度柔性铰链与所述的动平台相连，所述的刚性移动块的后部分左右两侧壁各自与两个平行并联设置的一字型柔性板簧的一端侧壁垂直相连，两个所述的一字型柔性板簧的另一端侧壁与所述的基座凹槽的内侧壁垂直相连，在所述的基座上开有六个与每一刚性移动块后部分尾端侧壁相连的矩形通槽，在所述的六个矩形通槽内水平的装有六个压电陶瓷驱动器，所述的压电陶瓷驱动器的前端螺纹连接有球形接头，所述的球形接头顶在所述的刚性移动块后部分尾端侧壁上，所述的压电陶瓷驱动器的尾端通过螺栓与基座相连，在动平台底面上和刚性支架的顶面上沿同一圆周方向等间隔的分别固定有三个电容式位置传感器的一个电极板。
与现有技术相比，本发明工作台具有如下显著优点：
本发明设计的精密定位工作台，其柔性机构和支架均可利用线切割一体化加工技术整体加工而成，免于装配、无间隙、无摩擦、不需润滑，利于实现微纳米级高精度定位。
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。
本发明的精密定位工作台，采用单自由度柔性铰链以及柔性板簧作为传动机构，具有无机械摩擦、无间隙的优点。另外，本发明基于材料的弹性变形，柔性铰链及柔性板簧所产生的转角和变形以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六个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，实现微量进给和精密定位。
【附图说明】
图1是本发明的三自由度柔性精密定位工作台柔性机构示意图；
图2是本发明的三自由度柔性精密定位工作台支架示意图；
图3是本发明的三自由度柔性精密定位工作台整体结构示意图；
图4是图1所示的柔性机构的横截面示意图。
【具体实施方式】
以下结合附图及实施例，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。
参见图1~4，一种用于纳米压印光刻系统的三自由度精密定位工作台。它包括刚性支架7和连接在所述的刚性支架7顶部的基座2，在所述的基座2中间通过六个柔性支链连接有一个其横截面为矩形的动平台4，所述的六个柔性支链的其中两个分别沿动平台4的上下两个相对侧边的中线方向设置，另外四个柔性支链两两一组分别位于所述的动平台的左右相对侧边处并且左右两组柔性支链之间相对于所述的动平台的竖直对称轴对称分布设置，组成每组柔性支链的两个柔性支链的轴线相互平行且相对于所述的动平台的水平对称轴对称分布，每一所述的柔性支链均包括一个刚性移动块3，所述的刚性移动块的前部分镶嵌于从动平台侧边向动平台内部延伸的动平台凹槽内，所述的刚性移动块的后部分镶嵌于开在基座内的基座凹槽内，在所述的刚性移动块3的前部分的前端以及位于动平台4的侧边位置的前部分的末端的左右侧壁上依次开有第一、二组半圆凹槽，第一组所述的半圆凹槽的两个半圆弧面之间的连接部分形成前单自由度柔性铰链5 1，第二组所述的半圆凹槽的两个半圆弧面之间的连接部分形成与所述的前单自由度柔性铰链串联设置的后单自由度柔性铰链5 2，所述的前单自由度柔性铰链5 1与所述的动平台4相连，所述的刚性移动块的后部分左右两侧壁各自与两个平行并联设置的一字型柔性板簧1的一端侧壁垂直相连，两个所述的一字型柔性板簧1的另一端侧壁与所述的基座凹槽的内侧壁垂直相连，在所述的基座上开有六个与每一刚性移动块后部分尾端侧壁相连的矩形通槽，(见图4，图中的剖面线部分为在实体上的开通孔部分)，在所述的六个矩形通槽内水平的装有六个压电陶瓷驱动器10，所述的六个压电陶瓷驱动器10通过六个孔21与基座2相连，所述的压电陶瓷驱动器的前端螺纹连接有球形接头9，所述的球形接头顶在所述的刚性移动块后部分尾端侧壁上，在所述的动平台底面上和所述的刚性支架的顶面上沿同一圆周方向等间隔的分别固定有三个电容式位置传感器6的一个电极板。
为了避免压电陶瓷与柔性机构驱动环节在工作过程中脱离，六个压电陶瓷驱动器10尾部通过六个孔21与基座2相连，以过盈装配方式安装在柔性机构驱动环节和基座2之间，实现预紧；压电陶瓷驱动器顶端通过螺纹安装球形接头，使驱动器与驱动点之间形成小面积的赫兹接触。基座、六个结构完全一致的柔性支链及其支撑的动平台，利用线切割技术整体加工而成。支架四个端角位置分布四个结构一致的凸起8，用于支撑和固定柔性机构。
压电陶瓷驱动器10尾部分别通过安装孔21螺纹固定在基座2上。并联的两个一字形柔性板簧1位于移动块3和基座之间，起到支撑移动块3以及保证其运动稳定避免倾斜的作用；两个单自由度柔性铰链5-1，5-2依次串联于移动块3和动平台4之间，支撑动平台4并实现运动的传递。六个柔性支链中，其中两个对称分布于动平台4上下两侧边缘中心轴线上，用于实现动平台4沿y轴方向的平动自由度，其他四个支链分成两组，分布于动平台4左右两侧边缘上下两端，并且两两轴线平行，用来实现动平台4沿x轴方向的平动自由度和绕z轴的转动自由度。
如图1和2，工作台柔性机构通过四个孔22与支架7螺栓连接。三个位置传感器6分别固定于支架7上平面和动平台4下平面之间，三个位置传感器6均沿圆周等间隔均匀分布，并且安装时要保证其位置对准。
位置传感器6选用3个PI公司研制的D-050型号超高分辨率电容式位置传感器，用来检测动平台4的实际输出。
为了提高本发明的工作台的控制精度，本发明的工作台可以采用计算机进行控制，所述的计算机用于输出电压信号给六个压电陶瓷驱动器，读取所述的三个电容式位置传感器输出的位移信号并与计算机中的设定值比较后输出位移补偿电压控制信号给所述的六个压电陶瓷驱动器。
本装置的工作过程如下：
请参见图1~4，计算机控制六通道的放大器提供压电陶瓷驱动器10伸缩所需的电流。压电陶瓷驱动器发生伸长(或缩短)推动移动块3，移动块3在两侧柔性板簧1的支撑下产生移动，进而使得柔性支链上的两个单自由度柔性铰链5-1和5-2产生移动及相应的弯曲弹性变形，从而使得动平台4根据所提供的控制信号发生运动。
此三自由度精密定位工作台具有两个平动自由度(即水平面内沿x方向，y方向的移动)和一个转动自由度(即在水平面内绕水平法线的转动)，这里假设在工作台水平面内沿动平台4上下边缘中线为y轴(即上下两个柔性驱动支链的中心轴线)，动平台4左右边缘中线为x轴，z轴满足右手法则且与xy轴所在平面垂直，那么精密定位工作台所能实现的三个运动的实现方式分别为：(1)沿x方向的平动：计算机控制六通道的放大器提供正向驱动电流给位于动平台4左边缘两个柔性驱动支链中的压电陶瓷驱动器10，(为了方便，这里称为左压电陶瓷驱动器)，同时向位于动平台4右边缘两个柔性驱动支链中的压电陶瓷驱动器10(称为右压电陶瓷驱动器)施加反向驱动电流，位于动平台4上下边缘的两个压电陶瓷驱动器不驱动，那么所述的两个左压电陶瓷驱动器发生伸长，而两个右压电陶瓷驱动器发生收缩，伸长的左压电陶瓷驱动器推动其前端的移动块3发生沿x轴的向右的移动，经过移动块3及两个单自由度柔性铰链5 1和5 2的传递，将此平动动作传递给动平台4，使其发生沿x轴方向的平动。而沿x轴的与上述运动方向相反的平动则可以由分别向动平台左右边缘柔性支链中的两组压电陶瓷驱动器施加与上述方向相反的驱动电流来实现。(2)沿y方向的平动：计算机控制六通道的放大器提供正向驱动电流给位于动平台4下边缘柔性驱动支链中的压电陶瓷驱动器10，(为了方便，这里称为下压电陶瓷驱动器)，同时向位于动平台4上边缘柔性驱动支链中的压电陶瓷驱动器10(称为上压电陶瓷驱动器)施加反向驱动电流，位于动平台4左右边缘的两组压电陶瓷驱动器10不驱动，那么所述的下压电陶瓷驱动器发生伸长，而上压电陶瓷驱动器发生收缩，伸长的下压电陶瓷驱动器推动其前端的移动块3发生沿y轴的向上的移动，经过移动块3及两个单自由度柔性铰链5-1和5-2的传递，将此平动动作传递给动平台4，使其发生沿y轴方向的平动。而沿y轴的与上述运动方向相反的平动则可以由分别向动平台上下边缘柔性支链中的两个压电陶瓷驱动器施加与上述方向相反的驱动电流来实现。(3)绕z轴的转动：计算机控制六通道的放大器同时提供正向驱动电流给位于动平台4左边缘上端柔性驱动支链和右边缘下端柔性驱动支链中的两个压电陶瓷驱动器10，另外，同时提供反向驱动电流给位于动平台4左边缘下端柔性支链和右边缘上端柔性驱动支链中的两个压电陶瓷驱动器10，而位于动平台上下边缘的两个压电陶瓷驱动器10不驱动，那么所述的左边缘上端、右边缘下端两个压电陶瓷驱动器10均发生伸长，推动其前端的移动块3发生沿y轴的方向分别相反的移动，经过移动块3及两个单自由度柔性铰链5-1和5-2的传递，将此平动动作传递给动平台4，由于位于动平台左边缘上端的柔性驱动支链和右边缘下端的柔性驱动支链上下错开一段距离，形成力臂，这样在上述的两个压电陶瓷驱动器10同时驱动时，就在动平台4上形成一个绕z轴的力偶的作用，从而使其发生绕z轴的转动。而绕z轴的与上述运动方向相反的转动则可以由分别向各压电陶瓷驱动器施加与上述方向相反的驱动电流来实现。
为了克服压电陶瓷驱动器的迟滞现象的影响，三个高精度的电容式位置传感器8在动平台运动过程中，实时的检测动平台4的实际输出，并形成闭环控制系统。利用建立的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压电陶瓷驱动器10上。一个快速16位的多通道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。