馮超

現(xiàn)代制造技術(shù)正朝著高速化、精密化和模塊化方向發(fā)展，信息等高新技術(shù)制造業(yè)不僅對加工設(shè)備性能如定位的精度和速度提出了越來越高的要求，而且對生產(chǎn)制作境同樣提出了越來越嚴格的要求，如光電子器件、半導(dǎo)體芯片等微電子產(chǎn)品均要求在超潔凈環(huán)境下完成加工制作。在微電子封裝設(shè)備如共晶粘片機、全自動金絲球焊機和IC芯片制作設(shè)備如光刻機中，往往需要快速而十分精確的定位和非常精細的運動，因此需要高性能的超精密工作臺作為其技術(shù)支持。長期以來，這類工作臺多數(shù)都采用旋轉(zhuǎn)伺服電機驅(qū)動和精密滾珠絲杠傳動的傳統(tǒng)方案。由于從電機到移動工作臺之間存在聯(lián)軸節(jié)、絲杠、螺母、軸承等諸多中間環(huán)節(jié)，不僅加大了定位機構(gòu)的慣性質(zhì)量，影響了響應(yīng)頻率；而且由于中間環(huán)節(jié)產(chǎn)生的彈性變形、摩擦、聯(lián)結(jié)間隙以及反向間隙等，會造成定位進給運動的滯后和非線性誤差，降低定位精度。另外，絲杠是細長桿，在力和熱的作甲下，會產(chǎn)生變形，影響加工精度。為克服以上缺點，提高定位速度和精度，20世紀90年代以后，運用直線電機驅(qū)動的定位工作臺出現(xiàn)在精密數(shù)控機床和加工中心上。直線電機的應(yīng)用取消了源動力和工作臺部件之間的所有中間傳動聯(lián)結(jié)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了機構(gòu)的直接驅(qū)動，亦即人們常說的零傳動，具有傳統(tǒng)定位工作臺無法比擬的優(yōu)點。但其可提供的推力較小、要求移動部件質(zhì)量輕微。此特點正適合于微電子、IT等制造業(yè)設(shè)備，近年來在該領(lǐng)域得到極為迅速的推廣應(yīng)用。

無論是滾珠絲杠還是直線電機定位工作臺，導(dǎo)軌副、滾珠絲杠副之間的摩擦力及其特性變化等都是影響工作臺定位精度的主要因素之一。對于直線電機定位工作臺其影響尤甚。而且由于摩擦產(chǎn)生粉塵污染、引起磨損等原因，這些定位工作臺已經(jīng)不能完全滿足微電子、IT等行業(yè)產(chǎn)品超潔凈制作環(huán)境的要求。為了克服或消除摩擦力的負面作用，國內(nèi)外已經(jīng)深入研究并積極引用氣懸浮支撐技術(shù)。它克服了摩擦、磨損，有很大的優(yōu)越性，但其最大的缺點是剛度小，承載能力低。隨著磁懸浮列車的出現(xiàn)以及磁懸浮軸承在超高速旋轉(zhuǎn)工業(yè)機器和航空陀螺儀上的推廣應(yīng)用，磁懸浮技術(shù)日漸倍受重視。磁懸浮技術(shù)屬高新技術(shù)，應(yīng)用于制造業(yè)，對傳統(tǒng)機械產(chǎn)品向機電一體化產(chǎn)品轉(zhuǎn)變發(fā)揮著巨大的作用，如磁懸浮軸承、磁懸浮導(dǎo)軌、磁懸浮電機以及磁懸浮機床主軸等，磁懸浮技術(shù)在這些產(chǎn)品中的應(yīng)用顯著提高了產(chǎn)品的性能，促進產(chǎn)品的自動化和柔性化。在微電子設(shè)備中，如能開發(fā)出一種集磁懸浮和線性驅(qū)動技術(shù)為一體的磁懸浮進給機構(gòu)，取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)和氣浮進給機構(gòu)，無疑對微電子設(shè)備的加工精度、加工環(huán)境、加工效率將得到很大的改善。目前，磁懸浮技術(shù)、直線驅(qū)動技術(shù)及以D/CAE技術(shù)都是成熟技術(shù)。通過專利查新，應(yīng)用CAD/CAE技術(shù)將磁懸浮和直線驅(qū)動技術(shù)完整地結(jié)合在一起研究的新型精密工作臺并將其應(yīng)用到微電子信息產(chǎn)品加工制造領(lǐng)域的相關(guān)報道尚未發(fā)現(xiàn)，亦未見國內(nèi)外進行此項研究的相關(guān)報道。

傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)模式的主要缺點在于不能在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計階段對其生命周期全過程中的各種因素考慮周全，致使在產(chǎn)品設(shè)計甚至制造出來后才發(fā)現(xiàn)各式各樣的毛病，以至于不得不去修改產(chǎn)品的最初設(shè)計，從而延長了開發(fā)周期，增加了成本，最終喪失了商機。為此，采用CAD/E技術(shù)及支持產(chǎn)品開發(fā)全過程的數(shù)字化、并行化、智能化、集成化的現(xiàn)代設(shè)計方法，充分利用各種計算機輔助工具，并有效地考慮產(chǎn)品研發(fā)的全過程，從而解決關(guān)鍵技術(shù)問題，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，提高質(zhì)量，研發(fā)出滿足用戶需要的產(chǎn)品，使企業(yè)在市場竟爭中立于不敗之地。

目前電子信息產(chǎn)業(yè)已成為帶動世界經(jīng)濟增長的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)而以集成電路為主體的微電子制造業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)的核心和基礎(chǔ)。其技術(shù)水平高低和產(chǎn)業(yè)規(guī)模大小已經(jīng)成為衡量一個國家微電子工業(yè)發(fā)展及綜合國力的重要標志。微電子技術(shù)的核心是集成電路，集成電路（IC）的發(fā)展又必須以半導(dǎo)體專用設(shè)備為其主要支撐條件。隨著硅片直徑的不斷增大，集成度的不斷提高，圖形線寬不斷縮小，對其加工制作設(shè)備要求則是更精密、更高速、更智能化，涉及到當代高新技術(shù)中的許多關(guān)鍵技術(shù)，在整個IC生產(chǎn)過程中，光刻設(shè)備占據(jù)著統(tǒng)治地位。從1973年世界上第一臺光刻機誕生以來，光刻機及光刻技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異，突飛猛進。在美、歐等技術(shù)發(fā)達

國家，IC芯片生產(chǎn)使用的光刻機已經(jīng)做到特征尺寸為0.18～0.13林m線寬，特征尺寸0.1林m線寬的光刻機已經(jīng)進入試生產(chǎn)階段，并將在2004年投入規(guī)模生產(chǎn)。而我國自行研制的光刻機僅能實現(xiàn)特征尺寸為。.7～0.8腳的線寬。為了發(fā)展我國的光刻機，使光刻技術(shù)達到國際先進水平，我們要重點進行0.1pm的16GbDRAM器件的光刻技術(shù)及光刻機的研究與開發(fā)。力爭在該技術(shù)節(jié)點上實現(xiàn)突破，縮小與國際先進水平有差距，使我國不僅發(fā)展成為IC生產(chǎn)大國，而且成為IC制造強國。工件臺和掩模臺是光刻機中極其重要的關(guān)鍵部件，必須具有快速步進、精密定位、精確逐場調(diào)平調(diào)焦和同步掃描的功能和特點。其同步精度和定位精度決定著光刻機的套刻精度，并最終決定了光刻機所能實現(xiàn)的光刻特征線寬尺寸。對于線寬0.18林m激光光刻機，工件臺、掩模臺應(yīng)滿足定位精度：士0.02林m；轉(zhuǎn)角精度：士0.3Oprad；調(diào)焦精度：士0.1林m。對于IC芯片制造設(shè)備中的定位工作臺，傳統(tǒng)的機械定位方式是剛性接觸支撐和“旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”驅(qū)動方式定位。這種定位方式存在著很大的弊病，不僅產(chǎn)生摩擦、磨損、金屬粉塵，影響微電子產(chǎn)品質(zhì)量，而且驅(qū)動件的質(zhì)量慣性和連接間隙降低了設(shè)備的定位精度和響應(yīng)頻率。近年來研制的光刻機，大都采用氣浮支撐定位方式，雖然消除了摩擦，但結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，支撐剛度小，承載能力和抗沖擊能力降低，亦限制定位精度的提高。

磁懸浮超精密定位平臺是針對微電子行業(yè)高精度的IC芯片制造設(shè)備如刻機中工件臺、掩模臺的高速、高精度定位及超潔凈環(huán)境加工而研制的一新型快速步進、精密定位機構(gòu)。本項研究變傳統(tǒng)的進給方式“旋轉(zhuǎn)電機+珠絲杠”驅(qū)動為直線電機驅(qū)動，此驅(qū)動方式無機械接觸，傳動力是在氣隙中產(chǎn)生，無摩擦、磨損，且取消了從電動機到工作臺之間的一切中間環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了“零傳動”，具有進給速度高、加速度大、啟動推力大、剛度和定位精度高、行程長度不受限制等優(yōu)點，與磁懸浮平臺配合，能夠?qū)崿F(xiàn)機構(gòu)的無接觸支撐和導(dǎo)向，應(yīng)用精密機械、電磁學(xué)、數(shù)字及伺服控制等機電一體化技術(shù)，并采用CAD/CAE技術(shù)手段進行設(shè)計，可以實現(xiàn)高精度快速定位，且充分滿足超潔凈加工環(huán)境的要求，對提高我國微電子制造業(yè)的水平具有積極的現(xiàn)實意義。

隨著光刻機整體性能的不斷提高，作為光刻機關(guān)鍵部件之一的工件臺技術(shù)也在快速發(fā)展，下面分別介紹國內(nèi)外超精密工作臺技術(shù)現(xiàn)狀和磁懸浮技術(shù)研究進展在國外，國際上各大光刻機生產(chǎn)廠家針對超精密工件臺的技術(shù)難點，投入了大量人力物力進行攻關(guān)和不斷改進，在各方面都取有明顯的進步。超精密快速步進定位技術(shù)為了解決快速步進和精密定位的矛盾，國際上主要有兩種技術(shù)路線：絲杠驅(qū)動結(jié)構(gòu)和氣浮工件臺結(jié)構(gòu)。日本日立（Hitachi）公司研制出了一種精密X一Y工件臺，是采用粗動臺和微動臺的雙層臺結(jié)構(gòu)。