一種小型重力補(bǔ)償器研究

1、一種小型重力補(bǔ)償器的研究齊芊楓，方潔，吳立偉，夏海上海微高精密機(jī)械工程有限公司摘要：光刻機(jī)工件臺的小型重力補(bǔ)償器是光刻技術(shù)中關(guān)于硅片調(diào)焦調(diào)平的關(guān)鍵技術(shù)之一，其性能直接影響機(jī)器焦深誤差。本文針對一種主動小型重力補(bǔ)償器展開研究，給出了機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動電機(jī)和隔振性能的設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)表明了設(shè)計(jì)符合需求。關(guān)鍵詞: 小型重力補(bǔ)償器;隔離振動;工件臺 Abstract:The gravity compensator technology is one of the key points in wafer stage of the lithographic device. Its performance wil

2、l directly affect the focus error of the machine. An active gravity compensator is studied in this paper, the design of mechanical structure, the driving motors and the vibration isolation simulation is presented. Finally the experiment shows the design fulfill the requirements.Keywords:Mini-gravtiy

3、 compensator; Vibration isolation; Wafer stageStudy on a Mini-Gravity CompensatorQI Qianfeng, FANG Jie, WU Liwei,XIA Hai1.引言隨著光刻技術(shù)的進(jìn)步和半導(dǎo)體工業(yè)快速發(fā)展，對于光刻設(shè)備的基本性能指標(biāo)焦深、產(chǎn)率要求不斷提升。目前，光刻機(jī)整機(jī)架構(gòu)體系逐步發(fā)展成為幾個(gè)減振隔振的獨(dú)立內(nèi)部世界與基礎(chǔ)框架等外部世界的結(jié)合體。以工件臺分系統(tǒng)為例，曝光臺用于承載待曝光的硅片，同時(shí)還包含零位、對準(zhǔn)和調(diào)焦調(diào)平等功能。如何使承片臺在曝光過程中免受工件臺內(nèi)部大推力執(zhí)行器擾動和來自地基噪聲的基礎(chǔ)框架擾動至

4、關(guān)重要。重力補(bǔ)償裝置即在此背景下發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu)，通過主動減振與被動隔振結(jié)合的方式，使工件臺承片臺成為獨(dú)立的內(nèi)部減振系統(tǒng)。2.技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)（1）高精密定位控制技術(shù)：重力補(bǔ)償器平臺通過三個(gè)氣動執(zhí)行器和三個(gè)音圈電機(jī)的耦合控制，實(shí)現(xiàn)垂向三自由度高精密主動減振隔振。同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)垂向與水平向的運(yùn)動解耦。通過重力補(bǔ)償裝置對隔振平臺的重力平衡補(bǔ)償，進(jìn)而在音圈電機(jī)的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)隔振平臺高精密、超高精密的垂向定位控制。（2）高精密主動減振隔振技術(shù)：以恒壓室為驅(qū)動源，徑向氣浮為導(dǎo)向，平面氣浮為運(yùn)動自由度解耦的精密氣浮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證重力補(bǔ)償裝置的動定子間無機(jī)械接觸，無振動傳遞和串?dāng)_力。對于精密氣浮零件需要進(jìn)行精密

5、的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和分析、氣浮特性仿真實(shí)現(xiàn)氣浮參數(shù)設(shè)計(jì)、以及精密地加工制造，從而實(shí)現(xiàn)減振系統(tǒng)的低共振頻率，接近-40dB振動衰減能力。3.技術(shù)路線本方案的小型重力補(bǔ)償器采用氣動執(zhí)行和和音圈電機(jī)組合的方式。氣動執(zhí)行器采用變截面特征的空氣式重力補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)隔離振動與補(bǔ)償靜態(tài)重力的作用。組合形成的重力補(bǔ)償裝置能夠承載承片臺的靜態(tài)重力，音圈電機(jī)可實(shí)現(xiàn)垂向快速高精度的定位。由三個(gè)重力補(bǔ)償裝置組合而形成的減振隔振平臺就可以實(shí)現(xiàn)工件臺在垂向的調(diào)焦和調(diào)平運(yùn)動。主要技術(shù)指標(biāo)：n 承載質(zhì)量100Nn 減振共振頻率：<6Hzn 被動減振的共振峰傳遞率：<30n 垂向氣浮剛度：<1000N/mn 驅(qū)動

6、行程（垂向）1mm4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1為本方案提出的變截面特征的空氣式重力補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)圖。其中，基座和變截面活塞組成承載驅(qū)動對象的主要部件，使該裝置具有垂向自由度。當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入裝置中環(huán)形空間處，由變截面的原理使活塞沿基座浮起，從而將驅(qū)動對象浮起。圖1 變截面重力補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)圖相關(guān)對象計(jì)算關(guān)系如下： 式中：P1為壓縮空氣氣源處壓力值，單位為Bar； D1為活塞上端直徑，單位為mm； D2為活塞下端直徑，單位為mm； m為驅(qū)動對象的質(zhì)量，單位為kg。進(jìn)入裝置中的壓縮空氣不僅使活塞浮起，同時(shí)也通過在基座和活塞徑向間隙中形成高壓氣膜，使活塞與基座在運(yùn)動過程中相互沒有物理摩擦，有效的達(dá)到

7、了隔離振動的目的。氣腔的大小，與該裝置的隔振頻率有關(guān)，可進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。高壓空氣由處流動至處，并繼續(xù)向上流動，可以在活塞件的球面和球面氣浮件之間形成高壓氣膜，從而使該裝置具有Rx/Ry/Rz向自由度。球面氣浮件的球面半徑與其垂向（Z向）負(fù)載大致有以下關(guān)系（見圖3）： 式中：P為氣浮壓力，單位為Bar，假設(shè)球面軸承氣浮壓力一定； D3為球面半徑，單位為mm； 為球面軸承的包角，單位為°；圖2 球面氣浮結(jié)構(gòu)同時(shí)，壓縮空氣可以在球面氣浮件和水平氣浮件之間形成水平向高壓氣膜，從而使該裝置具有X/Y和Rz方向自由度。綜上所述，變截面特征的空氣式重力補(bǔ)償裝置具有X/Y/Z/Rx/Ry/Rz六個(gè)自由

8、度。音圈電機(jī)安裝在活塞底部的密封件上，用于驅(qū)動活塞的精密運(yùn)動。4.2氣浮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3為徑向氣浮的具體實(shí)施方式。基座和活塞徑向氣膜中壓縮空氣的輸送干道為均布的垂向氣道，從氣路接頭進(jìn)入裝置的壓縮空氣，進(jìn)入氣道后，通過在活塞的側(cè)向的截流孔后，在基座和活塞間隙的部分圓周區(qū)域內(nèi)形成高壓氣膜區(qū)。該節(jié)流孔設(shè)計(jì)直徑為0.2mm，在小孔周邊加工有均壓槽以提高徑向氣膜的承載能力。排氣孔用于將部分高壓氣體帶至空氣中，以減小高壓區(qū)域面積，避免高壓損傷和降低零件的加工精度。圖3 徑向氣浮設(shè)計(jì)球面氣浮設(shè)計(jì)如圖4所示，裝置中球面氣浮的實(shí)施采用周面多孔節(jié)流方式。氣室張角與球面包角設(shè)計(jì)如下：30°（21）70

9、76;。，球面節(jié)流孔采用3個(gè)均布，孔徑為0.2mm，在小孔周邊加工有均壓槽以提高球面氣膜的承載能力。球面氣浮件兩端的環(huán)形翼可以限制球面氣浮件的過度偏擺，起到了角度限位的作用。圖4球面氣浮設(shè)計(jì)4.3驅(qū)動電機(jī)設(shè)計(jì)驅(qū)動電機(jī)采用圓形音圈電機(jī)，磁鐵部分和動子相連，線圈部分和定子連接。此設(shè)計(jì)有效的避免了電機(jī)運(yùn)動時(shí)電機(jī)線纜的擾動力。電機(jī)功耗引起線圈發(fā)熱，熱量也不會直接傳導(dǎo)到動子上的高精密氣浮零件上。4.4隔振性能設(shè)計(jì)小型重力補(bǔ)償器在實(shí)際應(yīng)用場景的理論模型如圖4所示，其中m為驅(qū)動對象的質(zhì)量，M為小型重力補(bǔ)償器安裝基架的質(zhì)量。x1和x2為運(yùn)動的幅值。圖4 重力補(bǔ)償器簡模型其動力學(xué)方程如下： 轉(zhuǎn)換到復(fù)數(shù)域 此式即

10、為振動的傳遞率，其中 為激勵(lì)頻率與系統(tǒng)固有頻率的比值， 為系統(tǒng)的阻尼比。主要的激勵(lì)由伺服控制引起，則小型的共振峰頻率由以下方式計(jì)算： Hz，可以滿足設(shè)計(jì)需求5.結(jié)果與討論小型重力補(bǔ)償器的實(shí)物如圖5所示，將三個(gè)小型重力補(bǔ)償器集成到光刻機(jī)的工件臺上進(jìn)行測試，當(dāng)給小型重力補(bǔ)償器提供5bar的壓縮空氣時(shí)，可以將重量為28kg的工件臺曝光臺平穩(wěn)浮起，整個(gè)結(jié)構(gòu)無短觸，測試氣腔剛度為902N/m。圖5重力補(bǔ)償器實(shí)物圖工件臺曝光臺的功率譜如圖6所示，從圖中看出，在3Hz和5Hz附近上出現(xiàn)在共振峰，5Hz以上的頻段無共振現(xiàn)象，這說明隔振性能較為理想，滿足設(shè)計(jì)需求。圖6 曝光臺功率譜6總結(jié)本文根據(jù)工件臺對小型重力補(bǔ)償器的需求，采用了一種變截面的氣動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)方式，對需求參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和仿真，并對實(shí)物進(jìn)行測試。測試結(jié)果滿足需求。得出采用變截面結(jié)構(gòu)的小型重力補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)緊湊，可以方便集成到工件臺曝光內(nèi)部，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)工件臺曝光臺的隔振與調(diào)焦調(diào)平的功能，并在激光干涉儀控制下實(shí)現(xiàn)納米級的定位。說明這種變截面