光刻机工件台定位平台结构设计

叶圣义　徐世福　桑锦凯

摘要：针对光刻机工件台易受到微小震动而引起图像偏差的问题，对工件台定位平台的结构进行了优化设计，同时改进了工作台的调节方式，对今后光刻机工件台的研究与改进具有良好的借鉴意义。

关键词：光刻机;定位台;三轴联动

0 引言

本文针对光刻机自动修改定位存在误差的问题，以光刻机工件台定位平台为研究对象，以接触式光刻理论、1：1全反射投影光刻技术、反射投影技术、电子光刻技术等作为理论与技术支撑，在此基础上完成了光刻机工件台定位平台的结构设计。结合测量反馈系统，本设计主要完成了对光刻机普通定位平台的优化，优化部件及定位部件的设计、组装;文件格式的转换和零件与定位部件实体逻辑位置的装配。同时从精度、运动方式等方面，将本文设计的光刻机工件台定位平台与市面上成熟的产品进行比较，完成了定位平台的结构三维图设计。

1 基本理论

根据对各定位理论的归纳与了解可知，光刻机定位精度取决于光刻机中的像差和层之间的配准精度，基于此，本设计根据要求改善了定位部件的设计、组装以及零件与定位部件的装配，完成了定位平台的三维结构设计以及六自由度平台结构设计，再通过计算机图形技术和3D仿真设计、3D仿真平台，得到定位部件的最优设计方案。

2 定位平台的三维结构设计

2.1    定位平台的“331”原则

2.1.1     “331”原则

“33l”原则内容如下：（1）設置三维测量系统的X、Y、Z轴标准尺寸线或其延长线相互垂直并相交于一交点上，以这三轴测量线为基准建立三维坐标系。（2）设置测量系统中测量平台的X轴导轨导向面、Y轴导轨导向面与X、Y轴标准尺寸线所构成的测量面重合，从而建立两个运动面与一个测量面这三面共面的测量平台。（3）设置测头中心点与三条标准尺寸线或其延长线的交点重合。完成上述工作后，锁定三轴标尺与测头的相对位置，建立三维测量系统。

2.1.2    总体结构设计方案

定位平台整体结构布局示意图如图1所示，设置X轴驱动系统和X向测量系统与X向工作台固定，Y轴驱动系统和Y向测量系统与Y向工作台固定，并通过Y向导轨与X向工作台连接，Z向工作台通过Z向导轨与Y向工作台连接，且Z向工作台与水平面相互垂直。测量和定位由激光测量系统执行。基站和Y向驱动系统都固定连接到X向工作台，同时基础平台还需要设置能测量位移的激光器，并且Z向工作台需要具有与激光器连接的反射目标镜。三维定位平台的部件包括框架系统、导轨、平衡部分、驱动系统和激光干涉仪系统。

2.2    定位工作台的详细结构设计

基于设计和结构要求，对定位工作台三维结构进行设计。方案设计流程如下：

2.2.1    Z向定位工作台设计

从结构设计的角度来看，有必要采取措施确保引导线、测量线和驱动线在同一方向上。通过设定驱动框架和电动框架的精度，可以确保引导线和驱动线的方向一致。通过调节Z向目标透镜的调整机构，可以确保引导线和测量线对准，以此实现Z向定位台的并联设计。

2.2.2    三维定位工作台的结构优化设计

本设计利用“331”原则设计并优化了定位平台的基本结构，通过同步电机偏心安装、磁流变液阻尼器和配重设计、工作台结构参数优化设计，实现了电机驱动时定子和转子的相对径向位移不超过0.1 mm、工作台平稳移动和驱动电机负载稳定的目的。图2为工作台X向受力分析示意图。

3 六自由度平台结构设计

3.1    六自由度平台机构概述

六自由度平台主要由上下平台、电动缸和铰链组成。伺服电动缸通过铰链以并联的形式将固定底座和运动平台连接起来，因而6个伺服电动缸均可独立伸缩。通过6个伺服电动缸的协调伸缩，相对于固定的下平台，运动上平台就可以灵活实现空间6个自由度方向上的位姿运动。

为了获得六自由度平台的空间位置关系，首先建立动态坐标系以及静态坐标系，即Ob-XbYbZb和Op-XpYpZp，选择系统的质心作为坐标系的原点，并且坐标轴的方向平行于平台的惯性主轴方向。

3.2    平台结构参数和技术要求

六自由度平台的上下平台均为不等六边形，有6个相同的支撑杆，其长度可单独调节，通过上下平台之间的万向节连接。该机构的结构参数为上平台外接圆r=0.5 m，下平台外接圆r=1.25 m，六边形短边对角30°，六边形长边对角90°。

4 结语

本设计通过运用多个软件，以光刻机定位平台为对象，完成了对定位平台的设计、建模和仿真（由于篇幅有限，没有展开论述），并结合“331”原则建立了三维平台的结构基础，通过设定驱动框架和电动框架的精度，完成了Z轴升降平台的设计，实现了电机驱动时定子和转子的相对径向位移不超过0.1 mm、工作台平稳移动和驱动电机负载稳定的目的。

本设计还通过改进工作台调节方式，先由三轴联动进行粗调，再由高精度六自由度平台进行微调，完成了光刻机工作台的结构优化与整体方案设计，对今后光刻机工件台结构的研究与改进具有重大意义。

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收稿日期：2020-03-01

作者简介：叶圣义（1998—），男，江苏人，研究方向：机械设计。