一种基于偏心结构的三自由度精密调节装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于偏心结构的三自由度精密调节装置。运动平台沿周面均布延伸有三个沿运动平台径向的支撑臂，三个支撑臂的臂端均开有偏心孔，三个支撑臂的偏心孔各通过结构相同的运动支链连接在安装基板上；用于定位安装基板的预压组件、定位组件安装在主机板底面，定位组件和三个预压组件环绕在运动支链之间的安装基板侧面，三个水平向位移测量组件固定安装在定位组件侧面的主机板底面。本发明用以实现浸没式光刻机浸没单元的安装固定和空间位姿调节，实现浸没单元亚微米级定位；本发明刚度高，调节范围大，运动响应快，采用模块化设计，结构紧凑，装配调整简易，能用于浸没式光刻机以外其它场合下的三自由度精密调节。
【专利说明】一种基于偏心结构的三自由度精密调节装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三自由度调节装置，尤其是涉及一种基于偏心结构的三自由度精密调节装置。
【背景技术】
[0002]在浸没式光刻机中，在最后一片投影物镜和硅片之间存在一层浸没流场。浸没流场由浸没单元产生，而为了防止浸没流场泄漏，要求浸没单元与硅片之间的缝隙在1_以内，同时对该缝隙有严格的平行度要求；浸没式光刻过程中需要对浸没单元进行一系列运动控制，而在浸没单元运动控制中，要求浸没流场仍然满足工作条件要求。这就需要有一种精密位姿调节装置来调节浸没单元的位姿以满足浸没式光刻机的要求。
[0003]此外，对于浸没单元的位姿调节机构而言，安装空间要求苛刻。因为光刻机是一种在有限的空间中要将复杂的光学系统以及相应的配套机构组合到一起的高度集成的设备机构，其中各个部件都有严格的安装空间限制。
[0004]现在常用的位姿调节机构有很多，按机械结构分大体可以分为串联式、并联式和混合式三类。并联式位姿调节机构较其他两种调节机构有刚度高、工作空间小、负载能力强、惯性小、误差均匀化、成本低等优点。传统的并联位姿调节结构采用一般运动副组成并联机构的支链，这样的调节机构有三个缺点，即:传统并联结构所占空间大，运动副存在间隙，在微位移范围内机构存在爬行现象。
【发明内容】
[0005]为了实现浸没式光刻机中浸没单元位姿的精密调节，本发明的目的在于提供一种基于偏心结构的三自由度精密调节装置，具有安装空间小、刚度高、响应快、运动精度高等优点，可实现运动平台[TZ，RX, RY]三自由度的精密调节，Z轴为沿安装基板中心孔轴线向上方向，X、Y、Z轴满足笛卡尔直角坐标系，自由度TZ表示沿Z轴方向的平移，自由度RX和RY分别表示绕X和Y轴的转动。
[0006]本发明的技术方案如下:
本发明的调节装置安装在主机板与浸没单元之间，该调节装置包括三个预压组件、定位组件、三个水平向位移测量组件、安装基板、运动平台和三个运动支链，运动平台沿周面均布延伸有三个沿运动平台径向的支撑臂，三个支撑臂的臂端均开有偏心孔，三个支撑臂的偏心孔各通过结构相同的运动支链连接在安装基板上；用于定位安装基板的预压组件、定位组件安装在主机板底面，定位组件和三个预压组件环绕在运动支链之间的安装基板侧面，三个水平向位移测量组件固定安装在定位组件侧面的主机板底面。
[0007]所述的定位组件包括X向定位组件和Y向定位组件，X向定位组件和Y向定位组件沿相互垂直的定位方向位于安装基板侧面进行定位；三个水平向位移测量组件的其中一个安装在Y向定位组件侧面的主机板底面，另外两个分别安装在X向定位组件两侧的主机板底面。
[0008]所述的水平向位移测量组件包括接近传感器、接近传感器固定件，接近传感器通过接近传感器固定件固定连接在主机板底面，接近传感器朝向安装基板侧面。
[0009]所述的运动支链包括直线运动组件、球面轴承组件和偏心轴薄壁轴承组件；直线运动组件顶部安装在安装基板侧面，直线运动组件底部与球面轴承组件连接，球面轴承组件套在偏心轴薄壁轴承组件内，偏心轴薄壁轴承组件装在运动平台支撑臂的偏心孔内。
[0010]所述的直线运动组件:包括直线运动副、连接杆和连接杆紧固件；直线运动副包括直线运动副滑块、直线运动副固定件、交叉滚子导轨、驱动电机和平衡调整组件，直线运动副滑块两侧通过交叉滚子导轨滑动连接在直线运动副固定件外侧，交叉滚子导轨沿运动平台端面法向，直线运动副固定件内侧固定在安装基板侧面，直线运动副滑块中部沿滑动方向开有通孔，通孔内设有平衡调整组件，驱动电机安装在直线运动副滑块侧面，驱动电机驱动直线运动副滑块沿交叉滚子导轨方向移动；连接杆上端固定连接在直线运动副滑块底部，连接杆下端套有球面轴承组件的球面轴承并通过连接杆紧固件固定；
所述的球面轴承组件:包括球面轴承和球面轴承端盖；球面轴承套在连接杆下端，球面轴承套在偏心轴内，球面轴承上端面通过球面轴承端盖沿轴向与偏心轴薄壁轴承组件的偏心轴上端面固定连接；
所述的偏心轴薄壁轴承组件:包括偏心轴、两个薄壁轴承和两个薄壁轴承端盖；偏心轴周面经两个薄壁轴承装在偏心孔内，两个薄壁轴承分别通过两个薄壁轴承端盖沿轴向定位安装在偏心孔内。
[0011]所述的平衡调整组件包括弹簧挡板、滚珠、压缩弹簧、弹簧垫块和限位螺栓；直线运动副滑块中部的通孔从顶面向下依次装有弹簧挡板、滚珠、压缩弹簧和弹簧垫块，限位螺栓穿过直线运动副滑块上的腰形槽与直线运动副固定件固定连接，弹簧垫块下端通过压缩弹簧压紧在限位螺栓上。
[0012]所述的驱动电机为超声波压电陶瓷电机。
[0013]所述的各个直线运动副底面与安装基板连接处附近设有用于限制直线运动副滑块运动行程的电气限位组件，电气限位组件包括电气限位挡板和电气开关；电气限位挡板一端固定安装在直线运动副滑块的，电气限位挡板另一端位于电气开关槽内，电气开关固定安装在安装基板上。
[0014]所述的两个薄壁轴承卡紧在偏心轴中部凸缘的两侧。
[0015]本发明具有的有益效果是:
1.本发明中三组运动支链上下运动，带动运动平台对应支撑臂在Z向处于不同位置，三点确定一个平面，故当三组运动支链运动停止后，便可确定运动平台的空间位姿，三组运动支链的运动即可实现运动平台[TZ，RX, RY]三自由度的精密调节，这样即可实现固定在运动平台上浸没单元的[TZ，RX, RY]三自由度精密调节，能实现浸没单元亚微米级精密定位。
[0016]2.本发明采用并联结构，运动副采用经典运动副，机构运动阻力小，电机直接驱动，减少了运动的累加误差，速度响应快。
[0017]3.本发明的运动副结构过盈配合，利用运动平台的重力偏载，减少运动副间隙，增加运动精度。
[0018]4.本发明中使用偏心轴结构，以薄壁轴承转轴为转动副中心，以偏心轴中的球面轴承中心为球铰副中心，实现球铰副和转动副的运动方式，利用偏心结构实现球铰副、转动副的运动结构，使系统结构简单紧凑，缩小了装置安装尺寸，使装置易于装配调整。
[0019]5.本发明采用模块化的设计思路，基于偏心结构的三自由度精密调节装置与浸没式光刻机中其它器件没有功能上的耦合，除了能用于浸没式光刻机中浸没单元的位姿调节，也能用于有相同要求的其它位姿调节场合。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明在浸没式光刻机中安装位置的示意图。
[0021]图2是本发明的立体视图。
[0022]图3是本发明的爆炸视图。
[0023]图4是本发明运动支链的剖视图。
[0024]图5是本发明中的偏心结构视图。
[0025]图中:S1、光学系统，S2、本发明，S3、浸没单兀，1、主机板,2、浸没流场,3、娃片,4、安装基板，4A，安装基板安装孔，4B、安装基板侧面，4C、安装螺栓，5、直线运动组件，5A、直线运动副，5A1、直线运动副滑块，5A2、直线运动副固定件、5A3、交叉滚子导轨，5A4、驱动电机，5B、连接杆，5C、连接杆紧固件，5A5、平衡调整组件，5A5a、弹簧挡板，5A5b、滚珠，5A5c、压缩弹簧，5A5d、弹簧垫块，5A5e、限位螺栓；6、球面轴承组件，6A、球面轴承，6B、球面轴承端盖,7、偏心轴薄壁轴承组件，7A、偏心轴，7B、薄壁轴承，7C、薄壁轴承端盖，8、运动平台，8A、浸没单元安装孔，8B、偏心孔，9、电气限位组件，9A、电气限位挡板，9B、电气开关，10、定位组件，10A、X向定位组件，10B、Y向定位组件，11、水平向位移测量组件，1认、接近传感器，1川、接近传感器固定件，12、预压组件。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
[0027]如图1、图2所示，本发明S2安装在主机板I与浸没单元S3之间，光学系统SI贯穿主机板1、本发明S2和浸没单元S3，透过浸没流场2对处于最下方的硅片3进行曝光。本发明S2通过安装基板安装孔4A使用安装螺栓4C安装到主机板I上，调整、定位和监控安装基板4的位置，浸没单元S3通过浸没单元安装孔8A安装到运动平台8下端面上。
[0028]如图2、图3所示，本发明S2包括三个预压组件12、定位组件10、三个水平向位移测量组件11、安装基板4、运动平台8和三个运动支链，运动平台8沿周面均布延伸有三个沿运动平台8径向的支撑臂，三个支撑臂的臂端均开有偏心孔SB，三个支撑臂的偏心孔SB各通过结构相同的运动支链连接在安装基板4上，三个运动支链均布安装在安装基板侧面4B ;用于定位安装基板4的预压组件12、定位组件10安装在主机板I底面，定位组件10和三个预压组件12环绕在运动支链之间的安装基板侧面4B，三个水平向位移测量组件11固定安装在定位组件10侧面的主机板I底面。
[0029]安装基板4和运动平台8的三个支撑臂之间通过三组结构相同的运动支链以并联方式相连，三组运动支链以安装基板4中心孔为中心圆周分布，安装在安装基板4的安装基板侧面4B上。
[0030]如图2、图3所示，定位组件10包括X向定位组件1A和Y向定位组件10B，X向定位组件1A和Y向定位组件1B沿相互垂直的定位方向位于安装基板侧面4B进行定位；预压组件12安装在安装基板侧面4B其余位置，使得定位组件10预压组件12环绕在安装基板4周围；三个水平向位移测量组件11的其中一个安装在Y向定位组件1B侧面的主机板I底面，另外两个分别安装在X向定位组件1A两侧的主机板I底面。
[0031]如图3所示，水平向位移测量组件11包括接近传感器11A、接近传感器固定件11B，接近传感器IlA通过接近传感器固定件IlB固定连接在主机板I底面，接近传感器IlA朝向安装基板侧面4B。
[0032]如图3、图4所示，三组运动支链结构相同，每组运动支链包括直线运动组件5、球面轴承组件6和偏心轴薄壁轴承组件7 ;直线运动组件5顶部安装在安装基板侧面4B，直线运动组件5底部与球面轴承组件6连接,球面轴承组件6套在偏心轴薄壁轴承组件7内，偏心轴薄壁轴承组件7装在运动平台8支撑臂的偏心孔SB内。
[0033]如图4所示，直线运动组件5:包括直线运动副5A、连接杆5B和连接杆紧固件5C ；直线运动副5A包括直线运动副滑块5A1、直线运动副固定件5A2、交叉滚子导轨5A3、驱动电机5A4和平衡调整组件5A5，直线运动副滑块5A1两侧通过交叉滚子导轨5A3滑动连接在直线运动副固定件5A2外侧，交叉滚子导轨5A3沿运动平台8端面法向，直线运动副固定件5A2内侧固定在安装基板侧面4B，直线运动副滑块5A1中部沿滑动方向开有通孔，通孔内设有平衡调整组件5A5，驱动电机5A4安装在直线运动副滑块5A1侧面，驱动电机5A4驱动直线运动副滑块5A1沿交叉滚子导轨5A3方向移动；连接杆5B上端固定连接在直线运动副滑块5A1底部，连接杆5B下端套有球面轴承组件6的球面轴承6A并通过连接杆紧固件5C固定。
[0034]如图4所示,球面轴承组件6:包括球面轴承6A和球面轴承端盖6B ;球面轴承6A套在连接杆5B下端并通过连接杆紧固件5C固定，球面轴承6A套在偏心轴7A内，球面轴承6A上端面通过球面轴承端盖6B沿轴向与偏心轴薄壁轴承组件7的偏心轴7A上端面固定连接。
[0035]如图4所示，偏心轴薄壁轴承组件7:包括偏心轴7A、两个薄壁轴承7B和两个薄壁轴承端盖7C ;偏心轴7A套在球面轴承6A外，偏心轴7A周面经两个薄壁轴承7B装在偏心孔8B内，两个薄壁轴承7B分别通过两个薄壁轴承端盖7C沿轴向定位安装在偏心孔SB内。
[0036]如图4所示，平衡调整组件5A5:包括弹簧挡板5A5a、滚珠5A5b、压缩弹簧5A5c、弹簧垫块5A5d和限位螺栓5A5e ;直线运动副滑块5A1中部的通孔从顶面向下依次装有弹簧挡板5A5a、滚珠5A5b、压缩弹簧5A5c和弹簧垫块5A5d，限位螺栓5A5e穿过直线运动副滑块5A1上的腰形槽与直线运动副固定件5A2固定连接，弹簧垫块5A5d下端通过弹簧5A5c压紧在限位螺栓5A5e上；通过调节压缩弹簧5A5c，使弹簧力等于运动平台重力，达到初始平衡状态。
[0037]驱动电机5A4为超声波压电陶瓷电机。
[0038]各个直线运动副5A底面与安装基板4连接处附近设有用于限制直线运动副滑块5A3运动行程的电气限位组件9。
[0039]电气限位组件9:包括电气限位挡板9A和电气开关9B ；电气限位挡板9A —端固定安装在直线运动副滑块5A3的，电气限位挡板9A另一端位于电气开关9B槽内，电气开关9B固定安装在安装基板4上。
[0040]两个薄壁轴承7B卡紧在偏心轴7A中部凸缘的两侧。本发明利用薄壁轴承中心和球面轴承中心的偏心结构实现运动副，使结构更紧凑，节约了安装空间，重力偏载极大减少了运动副间隙。
[0041 ] 每组运动支链中，驱动电机5A4直接驱动直线运动副滑块5A1沿交叉滚子导轨5A3方向移动，和直线运动副滑块5A1相连的连接杆5B传递运动至球面轴承6A和薄壁轴承7B，使其转动，进而带动运动平台8对应相应直线运动组件5的支撑臂运动；在运动范围内，每组运动支链能独立带动运动平台8对应垂直于支撑臂的运动，三组运动支链即可调整三个运动平台8各自的竖直位置，每组运动支链能独立带动运动平台运动，三点确定一个平面，通过这个原理即确定了运动平台8的位姿。
[0042]如图5所示，本发明具体实施中，在运动平台8上三个伸出的支撑臂与每组直线运动组件5相对应的位置各有一个偏心孔8B，偏心距为2.5mm，偏心轴7A中的孔偏心距也为
2.5mm，薄壁轴承7B转轴中心(即转动副位置)和球面轴承6A回转中心(即球铰副位置)偏心距为2.5mm。
[0043]本发明的具体实施工作过程如下:
如图1、图2、图3所示，运动平台8和安装基板4之间通过三组结构相同的运动支链相连，每组运动支链中，使用驱动电机5A4作为直接驱动源，两个薄壁轴承7B固定偏心轴7A在运动平台8的偏心孔8B中，连接杆5B穿过固定在偏心轴7A孔中的球面轴承6A ;利用偏心轴结构，薄壁轴承7B转轴中心(即转动副位置)和球面轴承6A回转中心(即球铰副位置)的距离即为偏心轴的偏心距2.5mm，利用偏心轴结构实现S副和R副的并联机构，使结构更紧凑，减少系统安装空间；各运动副采用经典运动副，运动阻力更小；薄壁轴承过盈配合，运动平台重力偏载，消除轴承间的微小间隙，减少运动误差；通过调节平衡调整组件5A5中的压缩弹簧5A5c，使弹簧力等于运动平台重力，达到初始平衡状态；驱动电机5A4直接驱动直线运动副滑块5A1沿沿交叉滚子导轨5A3方向移动，和直线运动副滑块5A1相连的连接杆5B传递运动至球面轴承6A和薄壁轴承7B转动，进而带动运动平台8对应直线运动组件5的支撑臂运动；这样在运动范围内，每组运动支链能独立带动运动平台8对应支撑臂运动，三组运动支链即可调整三个运动平台8的支撑臂的位置，三点确定一个平面，通过这个原理即确定了运动平台8的位姿，进而确定了连接在运动平台8上的浸没单元S3的位姿；调节三组运动支链的运动即可实现运动平台8在[TZ，RX，RY]三自由度的精密调节，每组运动支链的定位精度能达到亚微米级，故整个装置可实现运动平台8的[TZ，RX，RY]三自由的亚微米级位姿调节。
[0044]上述【具体实施方式】用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于偏心结构的三自由度精密调节装置，该调节装置(S2)安装在主机板(I)与浸没单元(S3)之间，其特征在于:该调节装置(S2)包括三个预压组件(12)、定位组件(10)、三个水平向位移测量组件(11)、安装基板(4)、运动平台(8)和三个运动支链，运动平台(8)沿周面均布延伸有三个沿运动平台(8)径向的支撑臂，三个支撑臂的臂端均开有偏心孔(SB)，三个支撑臂的偏心孔(SB)各通过结构相同的运动支链连接在安装基板(4)上；用于定位安装基板(4)的预压组件(12)、定位组件(10)安装在主机板(I)底面，定位组件(10)和三个预压组件(12)环绕在运动支链之间的安装基板侧面(4B)，三个水平向位移测量组件(11)固定安装在定位组件(10 )侧面的主机板(I)底面。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏心结构的三自由度精密调节装置，其特征在于:所述的定位组件(10)包括X向定位组件(1A)和Y向定位组件(10B)，X向定位组件(1A)和Y向定位组件(1B)沿相互垂直的定位方向位于安装基板侧面(4B)进行定位；三个水平向位移测量组件(11)的其中一个安装在Y向定位组件(1B)侧面的主机板(I)底面，另外两个分别安装在X向定位组件(1A)两侧的主机板(I)底面。
3.根据权利要求1所述的一种基于偏心结构的三自由度精密调节装置，其特征在于:所述的水平向位移测量组件(11)包括接近传感器(11A)、接近传感器固定件(11B)，接近传感器(11A)通过接近传感器固定件(IlB)固定连接在主机板(I)底面，接近传感器(11A)朝向安装基板侧面(4B)。
4.根据权利要求1所述的一种基于偏心结构的三自由度精密调节装置，其特征在于:所述的运动支链包括直线运动组件(5)、球面轴承组件(6)和偏心轴薄壁轴承组件(7);直线运动组件(5)顶部 安装在安装基板侧面(4B)，直线运动组件(5)底部与球面轴承组件(6)连接，球面轴承组件(6 )套在偏心轴薄壁轴承组件(7 )内，偏心轴薄壁轴承组件(7 )装在运动平台(8)支撑臂的偏心孔(SB)内。
5.根据权利要求4所述的一种基于偏心结构的三自由度精密调节装置，其特征在于:所述的直线运动组件(5):包括直线运动副(5A)、连接杆(5B)和连接杆紧固件(5C);直线运动副(5A)包括直线运动副滑块(5A1)、直线运动副固定件(5A2)、交叉滚子导轨(5A3)、驱动电机(5A4)和平衡调整组件(5A5)，直线运动副滑块(5A1)两侧通过交叉滚子导轨(5A3)滑动连接在直线运动副固定件(5A2)外侧，交叉滚子导轨(5A3)沿运动平台(8)端面法向，直线运动副固定件(5A2)内侧固定在安装基板侧面(4B)，直线运动副滑块(5A1)中部沿滑动方向开有通孔，通孔内设有平衡调整组件(5A5)，驱动电机(5A4)安装在直线运动副滑块(5A1)侧面，驱动电机(5A4)驱动直线运动副滑块(5A1)沿交叉滚子导轨(5A3)方向移动；连接杆(5B)上端固定连接在直线运动副滑块(5A1)底部，连接杆(5B)下端套有球面轴承组件(6)的球面轴承(6A)并通过连接杆紧固件(5C)固定； 所述的球面轴承组件(6):包括球面轴承(6A)和球面轴承端盖(6B);球面轴承(6A)套在连接杆(5B)下端,球面轴承(6A)套在偏心轴(7A)内，球面轴承(6A)上端面通过球面轴承端盖(6B)沿轴向与偏心轴薄壁轴承组件(7)的偏心轴(7A)上端面固定连接； 所述的偏心轴薄壁轴承组件(7):包括偏心轴(7A)、两个薄壁轴承(7B)和两个薄壁轴承端盖(7C);偏心轴(7A)周面经两个薄壁轴承(7B)装在偏心孔(8B)内，两个薄壁轴承(7B)分别通过两个薄壁轴承端盖(7C)沿轴向定位安装在偏心孔(SB)内。
6.根据权利要求5所述的一种基于偏心结构的三自由度精密调节装置，其特征在于:所述的平衡调整组件(5A5)包括弹簧挡板(5A5a)、滚珠(5A5b)、压缩弹簧(5A5c)、弹簧垫块(5A5d)和限位螺栓(5A5e);直线运动副滑块(5A1)中部的通孔从顶面向下依次装有弹簧挡板(5A5a)、滚珠(5A5b)、压缩弹簧(5A5c)和弹簧垫块(5A5d)，限位螺栓(5A5e)穿过直线运动副滑块(5A1)上的腰形槽与直线运动副固定件(5A2)固定连接，弹簧垫块(5A5d)下端通过压缩弹簧(5A5c)压紧在限位螺栓(5A5e)上。
7.根据权利要求5所述的一种基于偏心结构的三自由度精密调节装置，其特征在于:所述的驱动电机(5A4)为超声波压电陶瓷电机。
8.根据权利要求5所述的一种基于偏心结构的三自由度精密调节装置，其特征在于:所述的各个直线运动副(5A)底面与安装基板(4)连接处附近设有用于限制直线运动副滑块(5A3)运动行程的电气限位组件(9)，电气限位组件(9)包括电气限位挡板(9A)和电气开关(9B);电气限位挡板(9A) —端固定安装在直线运动副滑块(5A3)的，电气限位挡板(9A)另一端位于电气开关(9B)槽内，电气开关(9B)固定安装在安装基板(4)上。
9.根据权利要求5所述的一种基于偏心结构的三自由度精密调节装置，其特征在于:所述的两个薄壁轴承( 7B)卡紧在偏心轴(7A)中部凸缘的两侧。
【文档编号】B25J9/02GK104070518SQ201410277880
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】傅新, 邵杰杰, 陶岳帮, 廖安志, 陈文昱, 马同 申请人:浙江大学