CN101477316B - 重力补偿器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种重力补偿器，引入侧向浮板和水平浮板解决垂向和水平解耦问题，利用高压流体通路形成高压流体膜，提供无摩擦的解耦技术；采用的波纹管结构不仅可以通过其弹性达到垂向位移跟随作用，且材料普通、结构简单，易于设计和制造，使用寿命长；另外，通过分离式电机驱动，有效的达到了对Chuck微动台动静位移补偿的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种重力补偿器，特别涉及一种光刻技术中的重力补偿器。
背景技术
近代半导体科技发展迅速，其中光刻技术扮演了重要的角色。光刻技术在半导体的应用上，是将设计好的线路制作成具有特定形状可透光的掩模，利用曝光原理，使光源通过掩模投影至硅晶片上，可曝光显示特定的图案。
随着大规模集成电路器件集成度的不断提高，光刻分辨力的不断增强，对光刻机的特征线宽指标要求也在不断提升。目前，光刻机已经发展成为几个分别减振隔振的独立内部世界与基础框架等其他结构的外部世界的结合体。
以工件台分系统为例，如何使Chuck微动台在曝光过程中免受工件台系统和基础框架振动的干扰至关重要，需要采用行之有效的方案对微动台模块进行减振和隔振。重力补偿器结构就是在此背景下发展起来的新型结构，通过主动减振与被动隔振结合的方式，使工件台的微动台系统形成一个独立的内部系统。
美国专利号为US6473161B2的专利公开了一种环形电机和活塞推杆型的重力补偿器装置。通过恒压室气体压力经活塞推杆传递至微动台，从而维持其静态重力，通过环形电机实时调节微动台的垂向位移。该专利方案对恒压室气压的控制严格，对空气压力传感器的精度要求很高；另外，环形电机的设计制造也是一个技术壁垒。
而另一美国专利号为US6388733B1的专利，通过水平面的三个音圈电机、大理石平台底面的四个气囊被动隔振系统和四个垂向音圈电机将工件台大理石模块隔离成内部世界。该方案中的四个气囊的材料较为特殊，且橡胶气囊容易因为前后压差过大而影响使用寿命。
请参阅图1，其显示现有的层叠式及环套式一体式重力补偿器示意图，如图所示，两类常见的一体式重力补偿器501与其动态位移补偿电机502都是设置为一体的，图中施力点503在叠层式布置中由于电机或空气重力补偿器远离Chuck微动台，可能产生倾覆力矩的因素；而在环套式布置的结构中(如专利US6473161B2)，设计和制造环形电机存在技术壁垒，其中需要高精度高响应速度的气体传感器来检测气腔中的气流状况。
有鉴于此，如何提供一种重力补偿器，来综合解决上述问题已成为业界亟待解决的技术课题。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种重力补偿器，能够对微动台进行调平调焦及隔振，且结构简单、容易实现、使用寿命长。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种重力补偿器，用于对光刻设备中的微动台进行调平调焦和隔振，所述重力补偿器从上到下依次包括止推轴承、浮板、导向柱及压缩流体容器，其中，所述压缩流体容器能够充入压缩流体且在Z向具有弹性；所述浮板表面具有高压流体孔；所述导向柱连接在所述浮板与所述压缩流体容器之间以引导运动方向，并能够将所述压缩流体引导至浮板表面的高压流体孔，从而能够在所述浮板与所述止推轴承下端形成流体膜，使得所述止推轴承能够在X/Y方向运动；而所述止推轴承上端与所述微动台下端连接，且具有柔性铰链结构，能够在RX/RY向运动。
其中，所述导向柱外围具有衬套；所述压缩流体容器底部固定至一底座，所述衬套通过连接在底座的支柱支撑；所述导向柱中部外侧面具有高压流体孔，能够引导高压流体并在所述衬套内侧与所述导向柱之间形成流体膜，使得所述导向柱能够在所述衬套的导向下在Z向无摩擦运动；所述高压流体孔上下两侧开有泄压槽，所述衬套内具有高压排流孔，流过所述泄压槽的气体通过该高压排流孔排出，所述泄压槽的垂向槽宽与所述高压排流孔的孔径关系由所述重力补偿器的垂向行程决定。
进一步的，所述压缩流体容器侧面是波纹管结构，所述波纹管结构是金属材料，其中设置有弹簧。所述波纹管结构的上下端分别通过焊接方式连接至法兰，所述法兰内部具有高压流体通道，所述导向柱、浮板的内部也具有高压流体通道，所述浮板表面的高压流体孔的两侧还开有泄压槽。
本发明的重力补偿器，引入侧向浮板和水平浮板解决垂向和水平解耦问题，利用高压流体通路形成高压流体膜，提供无摩擦的解耦技术；采用的波纹管结构不仅可以通过其弹性达到垂向位移跟随作用，且材料普通、结构简单，易于设计和制造，使用寿命长；另外，通过分离式电机驱动，避免了叠层式布置中由于电机或空气重力补偿器远离Chuck微动台而产生倾覆力矩的可能因素，同时另辟蹊径，跨越了环套式布置中设计和制造环形电机的技术壁垒，有效的达到了对Chuck微动台动静位移补偿的功能。分离式电机和重力补偿器分别对微动台实现质心驱动的分布方式，使其可以采用相同的输入输出条件。
附图说明
图1为现有的层叠式及环套式一体式重力补偿器示意图。
图2为本发明一实施例的重力补偿器正面剖面图。
图3A为本发明一实施例的重力补偿器流体通道正面剖面图。
图3B为本发明一实施例的重力补偿器的浮板俯视图。
图3C为本发明一实施例的重力补偿器的压缩流体容器正面剖面图。
图4为本发明一实施例的重力补偿器与其分离式电机分布示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明也可通过其他不同的具体实施例加以实施或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
本发明中所述重力补偿器，可以应用在光刻设备中，对工件台系统或掩模台系统中的微动台进行垂向位置补偿及隔振。
本发明基于工件台掩模台系统为独立内部世界的结构方案，采用静态隔振和动态补偿分离式的重力补偿器均布式结构，具有对微动台进行调平调焦和隔振的功能。
图2为本发明一实施例的重力补偿器正面剖面图，所述重力补偿器主要用于Chuck微动台的静态隔振，其位于Chuck微动台101的下方。所述重力补偿器从上到下依次包括止推轴承102、浮板103、导向柱106及压缩流体容器，整个重力补偿器通过底座110固连在外部系统平台上，在本实施例中，所述压缩流体容器侧面是波纹管结构108(以下简称波纹管)，而压缩流体容器上下面是连接法兰107a、107b，且通过焊接方式与波纹管108连接在一起形成压缩流体容器，当压缩流体通过底座110上的进口进入压缩流体容器时，由于波纹管108具有弹性，故可在压缩流体作用下产生垂向变形位移。
位于连接法兰107a上方的为导向柱106，用于对波纹管108变形进行垂向位置引导。围绕导向柱106一周为衬套105，衬套105和导向柱106侧面都加工有高压流体孔，使导向柱106可以在衬套105中实现无摩擦的位移，衬套105通过3根支杆109支撑，支杆109的上端固联于衬套105，下端固联于底座110。导向柱106的上方固联浮板103，浮板103上布置有高压流体孔(未图示)，用于将止推轴承102浮起，止推轴承102的上端粘接在Chuck微动台101底部，下端面与浮板103之间形成流体膜，具有X/Y方向的运动自由度。由于止推轴承102上部具有柔性铰链的特殊结构，止推轴承102具有RX/RY的运动自由度。整个结构中，102、103、104、106、107、108组成运动模块，105、109、110为静止模块。在这个结构中，整个运动模块使Chuck微动台101具有Z向自由度，止推轴承102和浮板103之间形成的流体膜使Chuck微动台101具有X/Y向自由度，止推轴承102的柔性铰链结构使Chuck微动台101具有RX/RY向自由度。在本实施例中，所述压缩流体为压缩空气，且以下都以压缩空气为例进行说明，但不以此为限。
请一并参阅图3A及图3B，其中图3A为本发明一实施例的重力补偿器流体通道正面剖面图，而图3B为本发明一实施例的重力补偿器的浮板俯视图。如图所示，压缩空气从波纹管108上方的连接法兰107a的气孔中进入导向柱106内的高压流体通道(本实施例中为高压气道)209(6个)，将压缩空气导引至导向柱中部外侧面的高压流体孔(高压气流孔)208(6个)，与衬套105内侧形成气膜，导向柱106可以在衬套105中无摩擦的上下移动。为了防止高压气流孔208附近的压力过高对部件产生损伤，高压气流孔208的上下两侧圆周面上开有泄压槽206，泄压槽206内的气体通过衬套105内的排气孔207排至大气。泄气槽206的垂向槽宽与位于衬套105的排气孔207孔径关系与空气重力补偿器的垂向行程有关，使导向柱106和衬套105相互运动时，泄压槽206和排气孔207始终相通。同时，为防止空气重力补偿器周围的空气扰动，可以在气浮板103和衬套105中间放置气体回收装置。导向柱内高压气道209也为浮板(气浮板)103供气，压缩空气通过气浮板103和导向柱106之间到达气浮板内部高压气道202(6个)，并通过气浮板表面高压气流孔201(6个)在止推轴承102下端和气浮板103上表面形成气膜。为了防止气浮板表面高压区对附近部件的损伤和降低部件的加工精度，气浮板103表面开有泄压槽203，泄压槽203底部开有排气孔204(3个)，将泄压气流导引至气浮板103下端。210为限位距离，保证导向柱106等运动模块在该范围内运动。
图3C所示本发明一实施例的重力补偿器的压缩流体容器正面剖面图，如图所示，本实施例中采用的波纹管结构108可以分为具有弹簧(见图3C左侧结构)和不具有弹簧(见图3C右侧结构)两种形式。波纹管108可以采用金属或非金属材料，内部可承受压力在1MPa范围内，优选0.2～0.8MPa。波纹管体内用于冲入不同的可压缩流体，包括空气或者其他。波纹管中是否具有弹簧结构可根据对波纹管及冲入气体的刚度和系统隔振要求进行选择。
如图4为本发明一实施例的重力补偿器与其分离式电机分布示意图，如图所示，空气重力补偿器401与分离式电机402是优选以下两种方式布设，其中本实施例中，分离式电机402为音圈电机(VCM，Voice Coil Motor)，而本发明是以重力补偿器与该类分离式电机402联合差动布置实现调平调焦隔振功能的。第一类(图4左侧结构)为3个空气重力补偿器以及3个VCM呈等边三角形或等腰三角形的分布，3个空气重力补偿器401所形成的质心、3个VCM(音圈电机)402形成的质心和Chuck微动台101的质心必须在同一点(或尽可能在很小范围内)，即各项目形成以质心为圆心，同一长度为半径的圆周上均布的分布方式。第二类(图4右侧结构)为3个VCM呈等边三角形或等腰三角形的分布，其三角形几何中心落于Chuck微动台质心处，单个空气重力补偿器置于质心位置，从而达到3个VCM的几何中心，Chuck微动台中心，空气重力补偿器质心都位于同一点。
空气重力补偿器与VCM的分离布置，避免了叠层式布置中由于电机或空气重力补偿器远离Chuck微动台而产生倾覆力矩的可能因素；也另辟蹊径，跨越了环套式布置中设计和制造环形电机的技术壁垒，有效的达到了对Chuck微动台动静力补偿的功能。另外，内部充满可压缩流体的波纹管结构，在电机对Chuck微动台进行动态补偿后，由于波纹管自身具有的弹性作用，可以迅速的跟踪电机的动态位移补偿量，所以不需要高精度高响应速度的气体传感器来检测气腔中的气流状况。
综上所述，本发明的重力补偿器，引入侧向浮板和水平浮板解决垂向和水平解耦问题，利用高压流体通路形成高压流体膜，提供无摩擦的解耦技术；采用波纹管结构与气缸和活塞推杆组成的恒压室相比，不需要精度很高的空气压力传感器来实时检测恒压室的内部压力，不仅结构简单，其弹性作用可以达到同样的垂向位移跟随作用，而且材料普通，且易于设计和制造，使用寿命长；另外，通过分离式电机驱动，避免了叠层式布置中由于电机或空气重力补偿器远离Chuck微动台而产生倾覆力矩的可能因素，同时另辟蹊径，跨越了环套式布置中设计和制造环形电机的技术壁垒，有效的达到了对Chuck微动台动静力补偿的功能。质心驱动的分布方式使分离式电机和重力补偿器都可以采用相同的输入输出条件，简化了控制需求。
上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与变化。因此，本发明的权利保护范围，应以权利要求书的范围为依据。
Claims (15)
1.一种重力补偿器，用于对光刻设备中的微动台进行调平调焦和隔振，其特征在于：所述重力补偿器从上到下依次包括止推轴承、浮板、导向柱及压缩流体容器，其中，所述压缩流体容器能够充入压缩流体且在Z向具有弹性；所述浮板表面具有高压流体孔；所述导向柱连接在所述浮板与所述压缩流体容器之间以引导运动方向，并能够将所述压缩流体引导至浮板表面的高压流体孔，从而能够在所述浮板与所述止推轴承下端形成流体膜，使得所述止推轴承能够在X/Y方向运动；而所述止推轴承上端与所述微动台下端连接，且具有柔性铰链结构，能够在RX/RY方向运动。
2.如权利要求1所述的重力补偿器，其特征在于，所述导向柱外围具有衬套。
3.如权利要求2所述的重力补偿器，其特征在于，所述压缩流体容器底部固定至一底座，所述衬套通过连接在底座的支柱支撑。
4.如权利要求2或3所述的重力补偿器，其特征在于，所述导向柱中部外侧面具有高压流体孔，能够引导高压流体在所述衬套内侧与所述导向柱之间形成流体膜，使得所述导向柱能够在所述衬套的导向下在Z向无摩擦运动。
5.如权利要求4所述的重力补偿器，其特征在于，所述高压流体孔上下两侧开有泄压槽。
6.如权利要求5所述的重力补偿器，其特征在于，所述衬套内具有高压排流孔，流过所述泄压槽的气体通过该高压排流孔排出。
7.如权利要求6所述的重力补偿器，其特征在于，所述泄压槽的垂向槽宽与所述高压排流孔的孔径关系由所述重力补偿器的垂向行程决定。
8.如权利要求1所述的重力补偿器，其特征在于，所述压缩流体容器侧面是波纹管结构。
9.如权利要求8所述的重力补偿器，其特征在于，所述波纹管结构中设置有弹簧。
10.如权利要求8所述的重力补偿器，其特征在于，所述波纹管结构是金属材料。
11.如权利要求8所述的重力补偿器，其特征在于，所述波纹管结构的上下端分别连接至法兰。
12.如权利要求11所述的重力补偿器，其特征在于，所述波纹管与法兰之间通过焊接方式连接。
13.如权利要求11所述的重力补偿器，其特征在于，所述法兰内部具有高压流体通道。
14.如权利要求1所述的重力补偿器，其特征在于，所述导向柱、浮板的内部具有高压流体通道。
15.如权利要求1所述的重力补偿器，其特征在于，所述浮板表面的高压流体孔的两侧开有泄压槽。
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