磁悬浮精密定位工作台机电一体化集成研究

冯超

现代制造技术正朝着高速化、精密化和模块化方向发展，信息等高新技术制造业不仅对加工设备性能如定位的精度和速度提出了越来越高的要求，而且对生产制作境同样提出了越来越严格的要求，如光电子器件、半导体芯片等微电子产品均要求在超洁净环境下完成加工制作。在微电子封装设备如共晶粘片机、全自动金丝球焊机和IC芯片制作设备如光刻机中，往往需要快速而十分精确的定位和非常精细的运动，因此需要高性能的超精密工作台作为其技术支持。长期以来，这类工作台多数都采用旋转伺服电机驱动和精密滚珠丝杠传动的传统方案。由于从电机到移动工作台之间存在联轴节、丝杠、螺母、轴承等诸多中间环节，不仅加大了定位机构的惯性质量，影响了响应频率；而且由于中间环节产生的弹性变形、摩擦、联结间隙以及反向间隙等，会造成定位进给运动的滞后和非线性误差，降低定位精度。另外，丝杠是细长杆，在力和热的作甲下，会产生变形，影响加工精度。为克服以上缺点，提高定位速度和精度，20世纪90年代以后，运用直线电机驱动的定位工作台出现在精密数控机床和加工中心上。直线电机的应用取消了源动力和工作台部件之间的所有中间传动联结环节，实现了机构的直接驱动，亦即人们常说的零传动，具有传统定位工作台无法比拟的优点。但其可提供的推力较小、要求移动部件质量轻微。此特点正适合于微电子、IT等制造业设备，近年来在该领域得到极为迅速的推广应用。

无论是滚珠丝杠还是直线电机定位工作台，导轨副、滚珠丝杠副之间的摩擦力及其特性变化等都是影响工作台定位精度的主要因素之一。对于直线电机定位工作台其影响尤甚。而且由于摩擦产生粉尘污染、引起磨损等原因，这些定位工作台已经不能完全满足微电子、IT等行业产品超洁净制作环境的要求。为了克服或消除摩擦力的负面作用，国内外已经深入研究并积极引用气悬浮支撑技术。它克服了摩擦、磨损，有很大的优越性，但其最大的缺点是刚度小，承载能力低。随着磁悬浮列车的出现以及磁悬浮轴承在超高速旋转工业机器和航空陀螺仪上的推广应用，磁悬浮技术日渐倍受重视。磁悬浮技术属高新技术，应用于制造业，对传统机械产品向机电一体化产品转变发挥着巨大的作用，如磁悬浮轴承、磁悬浮导轨、磁悬浮电机以及磁悬浮机床主轴等，磁悬浮技术在这些产品中的应用显著提高了产品的性能，促进产品的自動化和柔性化。在微电子设备中，如能开发出一种集磁悬浮和线性驱动技术为一体的磁悬浮进给机构，取代现有的传统和气浮进给机构，无疑对微电子设备的加工精度、加工环境、加工效率将得到很大的改善。目前，磁悬浮技术、直线驱动技术及以D/CAE技术都是成熟技术。通过专利查新，应用CAD/CAE技术将磁悬浮和直线驱动技术完整地结合在一起研究的新型精密工作台并将其应用到微电子信息产品加工制造领域的相关报道尚未发现，亦未见国内外进行此项研究的相关报道。

传统产品开发模式的主要缺点在于不能在产品的开发设计阶段对其生命周期全过程中的各种因素考虑周全，致使在产品设计甚至制造出来后才发现各式各样的毛病，以至于不得不去修改产品的最初设计，从而延长了开发周期，增加了成本，最终丧失了商机。为此，采用CAD/E技术及支持产品开发全过程的数字化、并行化、智能化、集成化的现代设计方法，充分利用各种计算机辅助工具，并有效地考虑产品研发的全过程，从而解决关键技术问题，缩短产品开发周期，降低成本，提高质量，研发出满足用户需要的产品，使企业在市场竟争中立于不败之地。

目前电子信息产业已成为带动世界经济增长的战略性产业而以集成电路为主体的微电子制造业是信息产业的核心和基础。其技术水平高低和产业规模大小已经成为衡量一个国家微电子工业发展及综合国力的重要标志。微电子技术的核心是集成电路，集成电路（IC）的发展又必须以半导体专用设备为其主要支撑条件。随着硅片直径的不断增大，集成度的不断提高，图形线宽不断缩小，对其加工制作设备要求则是更精密、更高速、更智能化，涉及到当代高新技术中的许多关键技术，在整个IC生产过程中，光刻设备占据着统治地位。从1973年世界上第一台光刻机诞生以来，光刻机及光刻技术的发展可谓日新月异，突飞猛进。在美、欧等技术发达

国家，IC芯片生产使用的光刻机已经做到特征尺寸为0.18～0.13林m线宽，特征尺寸0.1林m线宽的光刻机已经进入试生产阶段，并将在2004年投入规模生产。而我国自行研制的光刻机仅能实现特征尺寸为。.7～0.8脚的线宽。为了发展我国的光刻机，使光刻技术达到国际先进水平，我们要重点进行0.1pm的16GbDRAM器件的光刻技术及光刻机的研究与开发。力争在该技术节点上实现突破，缩小与国际先进水平有差距，使我国不仅发展成为IC生产大国，而且成为IC制造强国。工件台和掩模台是光刻机中极其重要的关键部件，必须具有快速步进、精密定位、精确逐场调平调焦和同步扫描的功能和特点。其同步精度和定位精度决定着光刻机的套刻精度，并最终决定了光刻机所能实现的光刻特征线宽尺寸。对于线宽0.18林m激光光刻机，工件台、掩模台应满足定位精度：士0.02林m；转角精度：士0.3Oprad；调焦精度：士0.1林m。对于IC芯片制造设备中的定位工作台，传统的机械定位方式是刚性接触支撑和“旋转电机+滚珠丝杠”驱动方式定位。这种定位方式存在着很大的弊病，不仅产生摩擦、磨损、金属粉尘，影响微电子产品质量，而且驱动件的质量惯性和连接间隙降低了设备的定位精度和响应频率。近年来研制的光刻机，大都采用气浮支撑定位方式，虽然消除了摩擦，但结构庞大复杂，支撑刚度小，承载能力和抗冲击能力降低，亦限制定位精度的提高。

磁悬浮超精密定位平台是针对微电子行业高精度的IC芯片制造设备如刻机中工件台、掩模台的高速、高精度定位及超洁净环境加工而研制的一新型快速步进、精密定位机构。本项研究变传统的进给方式“旋转电机+珠丝杠”驱动为直线电机驱动，此驱动方式无机械接触，传动力是在气隙中产生，无摩擦、磨损，且取消了从电动机到工作台之间的一切中间环节，实现了“零传动”，具有进给速度高、加速度大、启动推力大、刚度和定位精度高、行程长度不受限制等优点，与磁悬浮平台配合，能够实现机构的无接触支撑和导向，应用精密机械、电磁学、数字及伺服控制等机电一体化技术，并采用CAD/CAE技术手段进行设计，可以实现高精度快速定位，且充分满足超洁净加工环境的要求，对提高我国微电子制造业的水平具有积极的现实意义。

随着光刻机整体性能的不断提高，作为光刻机关键部件之一的工件台技术也在快速发展，下面分别介绍国内外超精密工作台技术现状和磁悬浮技术研究进展在国外，国际上各大光刻机生产厂家针对超精密工件台的技术难点，投入了大量人力物力进行攻关和不断改进，在各方面都取有明显的进步。超精密快速步进定位技术为了解决快速步进和精密定位的矛盾，国际上主要有两种技术路线：丝杠驱动结构和气浮工件台结构。日本日立（Hitachi）公司研制出了一种精密X一Y工件台，是采用粗动台和微动台的双层台结构。