CN101398636A - 一种精密减振组件及由其构成的减振平台 - Google Patents

一种精密减振组件及由其构成的减振平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种精密减振组件及由其构成的减振平台，具有减振和Z向定位功能。精密减振组件包括被动减振部件、主动减振执行器和外框架。被动减振部件采用双腔体结构的活塞杆，气囊和压力腔分别位于两个腔体内，气囊具有较大的纵向支撑力和较低的刚度，能隔离衰减高频的振动。主动减振执行器为直线型音圈电机，与被动减振部件并联，根据被控对象振动状态和位置信息，对被动对象施加作用力，带动被控对象运动到指定的位置和对振动进行补偿。至少三个精密减振组件构成的减振平台具有多自由度减振，Z向精确定位和调平调焦功能。本发明可用于光刻机、超精密数控机床、生物芯片扫描仪等具有精密减振要求的设备中。

Description

一种精密减振组件及由其构成的减振平台
技术领域
本发明属于精密制备技术，具体涉及一种精密减振组件及由其构成的减振平台。本发明具有精密减振、精确调平调焦功能，可用于光刻机、精密机床、精密测量设备等高精度设备。
背景技术
光刻机是一种具有复杂结构的微机电装备，分辨率和套刻精度达到纳米级，具有极大的制造难度，已接近精密制造技术的极限。光刻机对于减振系统的要求也达到了极其苛刻的程度，代表了精密减振的最高难度，也是精密减振技术的最典型应用对象。光刻机中的运动部件包括硅片台和掩模台，他们的运动和定位精度是影响光刻机整机精度的重要指标。为了完成一场曝光，掩模台和硅片沿Y方向以4：1的速度比反向扫描运动，完成一场曝光后，硅片台沿X向步进到下一场并继续曝光，由此可见，掩模台和硅片台在工作过程中一直在水平面内往复运动，这将造成掩模台硅片台在水平面内的偏转，形成内部振源，同时从基座传递的外部环境微振动与之发生耦合，严重影响运动精度。目前大多数光刻机都使用一套减振系统将光刻机分离为部分：内部世界和外部世界。外部世界为光刻机的整机框架直接与地基相连，光刻机其余部分作为内部世界悬浮于外部世界之上。这样的结构能够起到一定的隔离外部振动的功能。但时。由于减振系统的布置方式，使得减振作用仅在两部分连接处起作用，而对光刻机内部的关键部件硅片台和淹没台的内部振动激励作用不大。经过理论分析和实际测试发现，光刻机的掩模台、硅片台和物镜仍以一定的频率进行微幅振动。因此必须针对关键部件的特征进行分别减振才能满足光刻机精度不断提高的要求。
掩模台和硅片台在垂向的定位精度也是影响光刻质量的主要因素，在传统的光刻机中通常采用一套结构复杂的调平调焦机构来完成垂向定位精度的保证，这样会使运动台的结构复杂化，同时由于增大工作台的惯量使得控制难度加大。
发明内容
本发明的目的是提供一种精密减振组件及由其构成的减振平台，该精密减振组件具有减振、定位功能；由其构成的减振平台能够实现对低频和超低频扰动的有效抑制和高频振动的衰减，并具有调平、调焦和定位功能。
本发明提供的精密减振组件，其结构为：机架为中空圆柱形，机架的侧壁上开有进气孔，在机架侧壁下方分别布置有多个排气道，机架的底部开有用于连接外接气源的进气口；活塞杆为圆柱形，其剖面成H型；活塞杆位于机架内；在机架与活塞杆之间形成一层柱面压力气膜；进气孔、柱面压力气膜和排气道构成柱面气浮轴承；机架底部开有进气口；
活塞杆内包含上、下腔体，其中一个腔体中安装有气囊，另一个腔体密封构成压力腔；该压力腔与气囊之间开有阻尼调节孔，位于下腔体的压力腔或气囊与进气口相连；
端面气浮轴承定子固定在活塞杆的上端部，端面气浮轴承动子位于端面气浮轴承定子的上方；节流孔内嵌在端面气浮轴承定子上，位于活塞杆上部的压力腔或气囊相通，在端面气浮轴承定子与端面气浮轴承动子之间形成一层端面压力气膜，端面气浮轴承动子通过端面压力气膜悬浮在端面气浮轴承定子之上；端面气浮轴承动子与柔性铰固定连接；
音圈电机包括音圈电机定子和音圈电机动子构成，音圈电机定子与机架端部固定连接，音圈电机动子与端面气浮轴承动子固定连接。
至少三个精密减振组件成多边形布置构成减振平台。
本发明提供的精密减振组件通过被动减振部件和主动减振执行器的组合实现对较宽频带内的Z向振动衰减和抑制，由主动减振执行器同时还能实现Z向的精确定位。
由三个上述精密减振组件构成的减振平台具有Z，RX，RY三个方向的减振功能，同时具有Z向定位，调平。由于精密减振组件中端面气浮轴承的存在，使得该减振平台在水平面内运动是，无机械摩擦力存在，能达到更到的水平定位精度。
本发明可以为光刻机及其他的精密设备提供超静的环境。同时由于该装置具有调平定位功能，可以在不加任何辅助机构的情况下完成光刻机中的调平调焦功能。具体而言，本发明具有如下的技术效果：
(1)采用主动减振和被动减振组合的方式，可实现减振装置具有超低的固有频率，能对固有频率以上的振动有效的隔离。
(2)被动减振装置采用精密气囊与压力腔组合的方式，通过阻尼孔的自动调节可实现在低频时的大阻尼和高频时的小阻尼，改善装置在固有频率处的隔振效果，并提供高频处的较高衰减率。
(3)由于采用了较大体积的压力腔，可以缓解被控对象运动或振动时对气囊压力的冲击，使得被控对象的运动更平稳。
(4)采用两套气源分别对柱面气浮轴承和气囊供气，实现被动装置在水平方向的大刚度和垂向的低刚度。
(5)单个主动减振装置的执行器在进行振动主动控制的同时，还具有Z向定位功能，多个减振装置组合即可达到对被控对象水平面RX，RY方向的调节。
(6)被控对象悬浮在精密减振系统之上，没有直接的机械接触，不会给被控对象水平面内的运动带来误差。
附图说明
图1为本发明提供的精密减振组件的结构示意图；
图2为本发明中第一气路图；
图3为本发明中第二气路图；
图4为本发明提供的减振平台的一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
以下结合设计实例和附图进一步说明本发明的结构和工作原理。
如图1所示，本发明提供的精密减振组件由外框架、被动减振部件和主动减振执行器组成。
机架1为中空圆柱形，机架1的侧壁上开有进气孔2，在机架1侧壁下方分别布置有多个排气道4，释放柱面气浮轴承流出的压力气体，其底部开有用于连接外接气源的进气口10。活塞杆6为圆柱形，其剖面成H型，位于机架1的圆柱形腔内。
当独立气源通过进气口10供气时，压力气体由机架1上的进气孔2后流出，在机架1与活塞杆6之间形成一层柱面压力气膜3，该压力气膜3刚度较大，实现垂向润滑功能。
进气孔2、柱面压力气膜3、排气道4组成柱面气浮轴承，机架1和柱面气浮轴承构成外框架，其中，机架1承载着被动减振部件和主动减振部件，柱面气浮轴承为被动减振部件提供垂向的导向功能，使被动减振部件与机架间实现垂向的无摩擦运动。
气囊5的底部与机架1固定连接，提供较大的垂向支撑力并具有较低的垂向刚度，能隔离和衰减高于其固有频率的振动。气囊5的进气口9与外接气源的进气口10相通。活塞杆6位于气囊5上，活塞杆6由气囊5支承，跟随气囊5的高度变化而运动；活塞杆6使用密封垫片11和螺栓12将活塞杆6的上端面与端面气浮轴承定子13固定连接形成一个体积较大的压力腔7。端面气浮轴承动子16位于端面气浮轴承定子13的上方，共同构成端面气浮轴承。气囊5与活塞杆压力腔7之间设计了一个阻尼调节孔14，使得两个气室相互贯通并保持压力一致。当系统在低频段振动时，由阻尼调节孔14为气囊5提供阻尼，当系统在高频振动时，阻尼调节孔14不起作用，这样实现对系统低频共振频率处的大阻尼和高频振动的低阻尼。该压力腔7同时形成了端面气浮轴承的压力供给腔，端面气浮轴承采用小孔节流方式，节流孔15内嵌在端面气浮轴承定子13上，与端面气浮轴承定子13中的气道相连通，在端面气浮轴承定子13与端面气浮轴承动子16之间形成一层端面压力气膜17。端面气浮轴承动子16采用超静平面的花岗岩或高性能的陶瓷材料。端面气浮轴承动子16通过端面压力气膜17悬浮在端面气浮轴承定子13之上。端面气浮轴承动子16与柔性铰8固定连接。由于气浮轴承的存在，柔性铰8在水平面内沿X/Y轴平动运动时无机械摩擦，不会因此而产生运动误差。
上述气囊5、活塞杆6、压力腔7、端面气浮轴承、柔性铰8构成被动减振部件。
主动减振执行器采用直线型的音圈电机，音圈由于它体积小，特别适合用在一些狭小的空间。另外它响应速度快(毫秒级)，本身重量小，因而可以达到很高的加速度，可以做高速振荡往复运动(可达几十赫兹)。采用直线型的音圈电机可以避免在执行器与被控对象之间的传动机构，减少误差源，使得减振组件的机构更为简单。音圈电机包括音圈电机定子18和动子19构成，音圈电机定子18与机架1端部固定连接，音圈电机动子19与被动减振部件中的端面气浮轴承动子16固定连接。音圈电机定子18与动子19间根据被控对象的振动状态和位置信息，对气浮轴承动子施加作用力，带动被控对象运动到指定的位置和对振动进行补偿。
在本发明中的减振组件采用了两套外接气源分别为气囊5和柱面气浮轴承供气。图2为本发明中的第一气路图，第一储气罐20的压力空气通过第一气动伺服阀21控制后由机架1底部的气道9流入至气囊5中，气囊5中的压力气体由阻尼调节孔14流入至活塞杆内部的压气腔7，再由活塞杆气腔流入端面气浮轴承的节流孔15。气体在端面气浮轴承的定子13和动子16之间产生压力气膜17，使得减振装置与被控平台之间无机械接触。
图3为本发明中的第二气路，第二储气罐22的压力空气通过第二气动伺服阀23控制后由机架1侧向的进气孔2进入机架1，在机架1与活塞杆6之间形成一层柱面压力气膜3，实现垂向润滑功能。在机架1上部与底部分别布置有多个排气道4，释放柱面气浮轴承流出的压力气体。该气路的压力大于第一气路，因此使减振组件具有水平方向的大刚度和垂向的低刚度。
本发明的具体实施为步进扫描光刻机硅片台系统的减振平台。减振平台要实现在水平面内的精密运动和Z向的精确定位。由于其定位精度达到纳米级，外界的任何振动都会造成不可忽视的影响。同时由于减振平台在水平面内的运动会导致减振平台产生重心偏移，导致硅片无法精确进入投影物镜系统的焦面。因此该设计的主要功能为对外界环境振动进行衰减，同时具有Z向定位和调平功能。
如图4所示，在本发明的具体实施中，采用三点布置方式承载减振平台。具有相同结构的三个精密减振组件分布位置如图4所示，减振组件F1，F2，F3成等边三角形布置，使负载平台24的重心与该等边三角形的中心重合。另一方面，F1，F2，F3尽量靠近负载平台24边沿，这样使得在调平调焦过程中，执行器力臂增大，执行力利用率更高。与负载平台1直接固定连接的为三个减振部件中的柔性铰8的上平面，由于间减振组件中端面气浮轴承的存在，负载平台24在水平面内沿X/Y轴平动运动时无机械摩擦，不会因此而产生运动误差。
构成减振平台的精密减振组件也可以是三个以上。在精密减振组件为多个时，成多边形布置，具体根据负载平台的形状确定。
压力腔与气囊上下位置关系变化，即压力腔在下，气囊位于活塞杆之上亦属于本发明的范畴。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1、一种精密减振组件，其特征在于：机架(1)为中空圆柱形，机架(1)的侧壁上开有进气孔(2)，在机架(1)侧壁下方分别布置有多个排气道(4)，机架(1)的底部开有用于连接外接气源的进气口(10)；活塞杆(6)为圆柱形，其剖面成H型；活塞杆(6)位于机架(1)内；在机架(1)与活塞杆(6)之间形成一层柱面压力气膜(3)；进气孔(2)、柱面压力气膜(3)和排气道(4)构成柱面气浮轴承；机架(1)底部开有进气口(10)；
活塞杆(6)内包含上、下腔体，其中一个腔体中安装有气囊(5)，另一个腔体密封构成压力腔；该压力腔与气囊(5)之间开有阻尼调节孔(14)，位于下腔体的压力腔或气囊(5)与进气口(10)相连；
端面气浮轴承定子(13)固定在活塞杆(6)的上端部，端面气浮轴承动子(16)位于端面气浮轴承定子(13)的上方；节流孔(15)内嵌在端面气浮轴承定子(13)上，位于活塞杆(6)上部的压力腔或气囊(5)相通，在端面气浮轴承定子(13)与端面气浮轴承动子(16)之间形成一层端面压力气膜(17)，端面气浮轴承动子(16)通过端面压力气膜(17)悬浮在端面气浮轴承定子(13)之上；端面气浮轴承动子(16)与柔性铰(8)固定连接；
音圈电机包括音圈电机定子(18)和音圈电机动子(19)构成，音圈电机定子(18)与机架(1)端部固定连接，音圈电机动子(19)与端面气浮轴承动子(16)固定连接。
2、根据权利要求1所述的精密减振组件，其特征在于：气囊(5)位于活塞杆(6)的下腔体内，气囊(5)的底部与机架(1)固定连接，气囊(5)的进气口(9)与外接气源的进气口(10)相通；活塞杆(6)由气囊(5)支承，活塞杆(6)的上端面与端面气浮轴承定子(13)固定连接形成压力腔(7)。
3、根据权利要求1所述的精密减振组件，其特征在于：气囊(5)位于活塞杆(6)的上腔体内。
4、一种由权利要求1、2或3所述精密减振组件构成的减振平台，其特征在于：它包括至少三个精密减振组件，各精密减振组件成多边形布置。
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