[发明专利]非接触长行程多自由度纳米精密工作台

说明书

技术领域

本发明涉及一种精密工作台，特别涉及一种采用电磁驱动器进行闭环主动控制与静压空气止推轴承混合支承的非接触长行程多自由度纳米精密工作台。

背景技术

近年来，半导体工艺技术不断发展，目前大规模集成电路线宽仅有数十纳米，同时为了提高工艺效率，晶元的尺寸不断增大，目前已经达到12英寸-16英寸，因此在半导体加工曝光设备中要求相应的长行程多自由度纳米精密工作台。该工作台不仅要将晶元准确地固定在预定的位置，而且要对晶元的垂直位置和姿态实施微小调整，校准和运动控制精度进一步提高，工作环境更加苛刻。长行程多自由度纳米精密工作台还广泛用于超精密加工与测量，如液晶显示器加工工艺设备和光学镜头加工，原子力显微镜等纳米操控系统，和光学装置校准系统等。总之，大行程多自由度纳米精密工作台是半导体加工工艺设备、超精密加工与测量和未来纳米技术发展的一项关键技术。

库仑摩擦力是实现纳米精密工作台的主要障碍，往往采用接触式的粗精两极运动方式或非接触方式，避免或极大地降低库仑摩擦。粗精两极运动方式由有库仑摩擦粗运动机构(包括回转电机驱动、丝杠螺母传动和导轨)实现大行程运动，再叠加一个无库仑摩擦电致伸缩陶瓷(PZT)达到运动控制精度的要求。粗精两极方式两个驱动器的暂态过程限制了系统总的闭环带宽，而 且这种方式结构复杂，标定困难，制造成本高。静压空气悬浮或磁浮是两种实现非接触工作台的技术，由于没有接触，库仑摩擦力非常小，或者完全避免了库仑摩擦力，可以实现纳米精密工作台。首先被应用于纳米精密工作台的是静压空气导轨，实现长行程纳米精度运动。粗静两极运动方式和静压空气导轨只能实现单轴平动工作台，两轴工作台由两个相互垂直的单轴平动系统构成，体积大，结构复杂笨重，多个移动部件增大了移动质量和系统惯性，对于加工、装配和标定有很高的精度要求。

为了克服以上问题，已有的研究提出了静压空气止推轴承和磁悬浮技术，这两种方式都可以实现单级即单一移动质量、长行程和多自由度的纳米精密工作台。静压空气止推轴承不需要闭环控制，工作台姿态和垂直方向3个自由度是被动的，取决于轴承的设计和加工，平面3轴由3轴平面电机驱动，实现平面3轴长行程纳米精密工作台(H.Shinno，H.Hashizume，H.Yoshioka，and et.al.X-Y-θnano-positinoing table system for a mother machine.Annals of the CIRP，.vol.53(1)，pp.337-340，2004.)。磁悬浮工作台利用磁悬浮技术和平面驱动技术(Carter FM，Galburt DN，Roux S.Magnetically levitated and driven reticlemaskingblade stage mechanism having six degrees freedom of motion.US Patent6,906,789；2005.，李黎川，集成电路光刻设备的磁悬浮精密工件台，中国发明专利200310108549，2003)，实现6自由度长行程纳米精密工作台，包括工作台姿态和垂直方向3轴和平面3轴。与磁悬浮技术相比，静压空气止推轴承工作台，不需要闭环控制，结构简单，性能稳定，被动器件不发热，分析和设计技术成熟，制造成本低，已经有了相当的工业应用。其主要缺点是，1)工作台姿态角和垂直方向位移不可控，支承精度取决于轴承的设计和加工；2)使 用真空负压预载调节静压空气轴承的刚度和承载力；3)产生静压气膜的高压气体对工作台的白噪声扰动使工作台发生自激振动，具有原理性机械振动噪声，限制了运动分辨率的进一步提高。为了将主动控制和静压空气悬浮的优点结合起来，提出了电磁静压空气混合精密轴承，通过电磁驱动器对静压空气轴承进行闭环控制，实现了高回转精度(Halem Khanfir，Mare Bonis，PhilippeRevel.Improving waviness in ultra precision turning by optimizing the dynamicbehavior of a spindle with magnetic bearings.International Journal of MachineTools&Manufacture，2005(45)：841-848)。韩国科技高等学院(KAIST)SQ Lee和DG Gweon提出了一种采用3个混合支承的三角形精密工作台(A new 3-DOFZ-tilts micropositioning system using electromagnetic actuators and air bearings.Precision Engineering 24(2000)24-31.)，每个混合支承是一个一体化的电磁驱动器与静压空气止推轴承，其支承面为圆形，在圆心安装了位移传感器，围绕圆心均匀安装了4个电磁驱动器，每个电磁驱动器由一套铁心和线圈构成，在每个电磁驱动器的中心加工了4个节流孔构成静压空气止推轴承。通过每个混合支承的位移传感器检测工作台垂直位移并进行闭环控制，实现工作台垂直位移和姿态3轴闭环控制。该工作台的主要缺点是：1)由控制3个混合支承垂直位移实现工作台垂直和姿态3轴闭环控制，被控的动力学耦合给系统建摸和控制器综合与分析带来困难，影响工作台的动态性能和运动控制精度。2)为了获得载荷和动特性的对称性，工作台形状只能为等边三角形，而应用中往往要求工作台形状为对称的矩形或正方形。3)一体化的电磁驱动器与静压空气止推轴承混合支承结构复杂，设计、分析、加工、和安装困难。4)每一个混合支承有1个位移传感器和4个围绕位移传感器均匀安装的电磁驱动器， 闭环控制时需将4个电磁驱动器等效为一个在圆心上的电磁驱动器进行控制，这种等效对电磁驱动器电磁参数一致性和安装精度要求很高。这些缺点限制了这种工作台的精度和实际应用。