光刻機工件臺定位平臺結構設計

葉圣義　徐世福　桑錦凱

摘要：針對光刻機工件臺易受到微小震動而引起圖像偏差的問題，對工件臺定位平臺的結構進行了優化設計，同時改進了工作臺的調節方式，對今后光刻機工件臺的研究與改進具有良好的借鑒意義。

關鍵詞：光刻機;定位臺;三軸聯動

0 引言

本文針對光刻機自動修改定位存在誤差的問題，以光刻機工件臺定位平臺為研究對象，以接觸式光刻理論、1：1全反射投影光刻技術、反射投影技術、電子光刻技術等作為理論與技術支撐，在此基礎上完成了光刻機工件臺定位平臺的結構設計。結合測量反饋系統，本設計主要完成了對光刻機普通定位平臺的優化，優化部件及定位部件的設計、組裝;文件格式的轉換和零件與定位部件實體邏輯位置的裝配。同時從精度、運動方式等方面，將本文設計的光刻機工件臺定位平臺與市面上成熟的產品進行比較，完成了定位平臺的結構三維圖設計。

1 基本理論

根據對各定位理論的歸納與了解可知，光刻機定位精度取決于光刻機中的像差和層之間的配準精度，基于此，本設計根據要求改善了定位部件的設計、組裝以及零件與定位部件的裝配，完成了定位平臺的三維結構設計以及六自由度平臺結構設計，再通過計算機圖形技術和3D仿真設計、3D仿真平臺，得到定位部件的最優設計方案。

2 定位平臺的三維結構設計

2.1? ? 定位平臺的“331”原則

2.1.1? ? ?“331”原則

“33l”原則內容如下：（1）設置三維測量系統的X、Y、Z軸標準尺寸線或其延長線相互垂直并相交于一交點上，以這三軸測量線為基準建立三維坐標系。（2）設置測量系統中測量平臺的X軸導軌導向面、Y軸導軌導向面與X、Y軸標準尺寸線所構成的測量面重合，從而建立兩個運動面與一個測量面這三面共面的測量平臺。（3）設置測頭中心點與三條標準尺寸線或其延長線的交點重合。完成上述工作后，鎖定三軸標尺與測頭的相對位置，建立三維測量系統。

2.1.2? ? 總體結構設計方案

定位平臺整體結構布局示意圖如圖1所示，設置X軸驅動系統和X向測量系統與X向工作臺固定，Y軸驅動系統和Y向測量系統與Y向工作臺固定，并通過Y向導軌與X向工作臺連接，Z向工作臺通過Z向導軌與Y向工作臺連接，且Z向工作臺與水平面相互垂直。測量和定位由激光測量系統執行。基站和Y向驅動系統都固定連接到X向工作臺，同時基礎平臺還需要設置能測量位移的激光器，并且Z向工作臺需要具有與激光器連接的反射目標鏡。三維定位平臺的部件包括框架系統、導軌、平衡部分、驅動系統和激光干涉儀系統。

2.2? ? 定位工作臺的詳細結構設計

基于設計和結構要求，對定位工作臺三維結構進行設計。方案設計流程如下：

2.2.1? ? Z向定位工作臺設計

從結構設計的角度來看，有必要采取措施確保引導線、測量線和驅動線在同一方向上。通過設定驅動框架和電動框架的精度，可以確保引導線和驅動線的方向一致。通過調節Z向目標透鏡的調整機構，可以確保引導線和測量線對準，以此實現Z向定位臺的并聯設計。

2.2.2? ? 三維定位工作臺的結構優化設計

本設計利用“331”原則設計并優化了定位平臺的基本結構，通過同步電機偏心安裝、磁流變液阻尼器和配重設計、工作臺結構參數優化設計，實現了電機驅動時定子和轉子的相對徑向位移不超過0.1 mm、工作臺平穩移動和驅動電機負載穩定的目的。圖2為工作臺X向受力分析示意圖。

3 六自由度平臺結構設計

3.1? ? 六自由度平臺機構概述

六自由度平臺主要由上下平臺、電動缸和鉸鏈組成。伺服電動缸通過鉸鏈以并聯的形式將固定底座和運動平臺連接起來，因而6個伺服電動缸均可獨立伸縮。通過6個伺服電動缸的協調伸縮，相對于固定的下平臺，運動上平臺就可以靈活實現空間6個自由度方向上的位姿運動。

為了獲得六自由度平臺的空間位置關系，首先建立動態坐標系以及靜態坐標系，即Ob-XbYbZb和Op-XpYpZp，選擇系統的質心作為坐標系的原點，并且坐標軸的方向平行于平臺的慣性主軸方向。

3.2? ? 平臺結構參數和技術要求

六自由度平臺的上下平臺均為不等六邊形，有6個相同的支撐桿，其長度可單獨調節，通過上下平臺之間的萬向節連接。該機構的結構參數為上平臺外接圓r=0.5 m，下平臺外接圓r=1.25 m，六邊形短邊對角30°，六邊形長邊對角90°。

4 結語

本設計通過運用多個軟件，以光刻機定位平臺為對象，完成了對定位平臺的設計、建模和仿真（由于篇幅有限，沒有展開論述），并結合“331”原則建立了三維平臺的結構基礎，通過設定驅動框架和電動框架的精度，完成了Z軸升降平臺的設計，實現了電機驅動時定子和轉子的相對徑向位移不超過0.1 mm、工作臺平穩移動和驅動電機負載穩定的目的。

本設計還通過改進工作臺調節方式，先由三軸聯動進行粗調，再由高精度六自由度平臺進行微調，完成了光刻機工作臺的結構優化與整體方案設計，對今后光刻機工件臺結構的研究與改進具有重大意義。

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收稿日期：2020-03-01

作者簡介：葉圣義（1998—），男，江蘇人，研究方向：機械設計。