CN104678711A - 运动台反力抵消装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动台反力抵消装置，包括：主动阻尼元件、速度测量元件、弹性元件、解耦机构以及线性导轨；所述线性导轨安装在电机定子下；所述主动阻尼元件的一侧与所述电机定子连接，另一侧与反力支撑架连接；所述弹性元件的一侧与所述电机定子相连，另一侧与所述解耦机构连接；所述解耦机构的另一端与光刻机的反力支撑架相连；所述速度测量元件设置于所述电机定子上。本发明采用主动阻尼元件来提供阻尼完成反力抵消，采用速度测量元件实时监控电机定子的速度，实时控制主动阻尼元件施加的主动阻尼力的大小。结构简单，而且可以根据电机定子的运动情况实时改变阻尼力的大小，保证在有效的缓冲行程内有效衰减直线电机定子动能。

Description

运动台反力抵消装置

技术领域

本发明涉及光刻领域，特别涉及一种运动台反力抵消装置。

背景技术

光刻是半导体制造过程中一道非常重要的工序，它是将一系列掩模版上的芯片图形通过曝光依次转移到硅片相应层上的工艺过程，被认为是大规模集成电路制造中的核心步骤。半导体制造中一系列复杂而耗时的光刻工艺主要由相应的光刻机来完成。

光刻机中的硅片台主要为承载硅片、并携带硅片在投影物镜下完成与掩模台相匹配的曝光运动。当硅片台和掩模台在整机内部框架之内时，其运动反力将直接作用于内部框架，从而造成整个内部框架的振动加剧，如果其振动指标超过整机的性能约束将不能进行正常的曝光工作。

美国提供一种技术方案，是将运动台电机定子放在外部框架，运动台曝光时所产生的反作用力将直接通过与外部框架的连接作用于外部框架，从而减少对光刻机内部框架的冲击影响。然而该种方案对整机框架和运动台的结构设计均提出较高的要求，在一定程度上降低了运动台的模块化设计程度，运动台与整机的集成工艺也比较复杂。

另一种公开的运动台结构方案中，将配置在两个方向的长行程驱动电机的定子均放置在光刻机的外部框架上，而其微动台部分则通过一个垂向气足可以在内部框架提供的大理石平台上做无摩擦运动，从而将长行程运动部分和微动台部分放置在相互隔离的两个框架上，减少了对光刻机内部框架的冲击。该方案所给运动台结构较为复杂，并且其垂向高度较大。

此外，还有一种技术方案是直接将反力机构与内部框架相连接，在运动台和减震器之间没有解耦机构，在反力抵消的过程中，带入地基振动，直接影响运动台的运动精度。同时采用被动式的阻尼器提供阻尼，由于阻尼器存在摩擦力，在弹簧复位过程中，运动台无法准确的回复至行程原点。

发明内容

本发明提供一种装配工艺简单，不影响运动台结构的运动台反力抵消装置。

为解决上述技术问题，本发明提供一种运动台反力抵消装置，安装在地基与运动台之间，包括：主动阻尼元件、速度测量元件、弹性元件、解耦机构以及线性导轨；其中，所述线性导轨安装在运动台的电机定子下；所述主动阻尼元件的一侧与所述电机定子连接，所述主动阻尼元件的另一侧与反力支撑架连接；所述弹性元件的一侧与所述电机定子相连，所述弹性元件的另一侧与所述解耦机构连接；所述解耦机构的另一端与光刻机的反力支撑架相连；所述速度测量元件设置于所述电机定子上，用于测量电机定子的速度。

作为优选，还包括调节螺杆，所述调节螺杆通过调节支座安装在反力支撑架上，用于改变弹性元件的张力。

作为优选，还包括位移测量元件，所述位移测量元件分别配置在电机动子和硅片台、电机动子和电机定子之间，用于建立硅片台自身的绝对位置坐标。

作为优选，所述位移测量元件采用光栅尺。

作为优选，所述电机定子通过电机安装板与所述线性导轨连接，电机动子与长行程组件连接。

作为优选，所述位移测量元件通过位移测量元件连接板和电机连接板与长行程组件连接。

作为优选，所述主动阻尼元件通过主动阻尼元件连接板以及连接板与电机安装板上的电机定子相连。

作为优选，所述速度测量元件通过速度测量元件连接板固定在所述电机安装板上。

作为优选，所述主动阻尼元件通过主动阻尼元件安装板安装在反力支撑架上。

作为优选，所述主动阻尼元件采用音圈电机。

作为优选，所述速度测量元件采用速度传感器。

作为优选，所述速度测量元件采用绝对速度反馈环。

作为优选，所述解耦机构通过解耦机构安装板固定在反力支撑架上。

作为优选，所述解耦机构采用叠层橡胶。

作为优选，所述弹性元件为弹簧。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.采用电机定子通过线性导轨与运动台连接，在此结构下，运动台的结构与反力抵消装置分离，有效地降低了运动台的复杂度，便于运动台的结构模块化设计。

2.结构简单的反力抵消方式，降低了整机框架与运动台的设计难度和装配难度。

3.采用解耦机构解耦隔离地基振动和运动台由于减震器工作产生的与基础框架之间的相对运动。

4.采用主动阻尼元件提供Y向主动阻尼力，并采用速度测量元件实时测量在主动阻尼的作用下，电机定子能量的衰减情况，由此来控制主动阻尼元件施加的主动阻尼力的大小。

5.通过两端连接的弹性元件将电机定子恢复行程原点。

6.采用主动阻尼技术衰减反力，并使用解耦机构解耦，降低了传递到基础框架的振动，提高运动台控制的精度。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式中光刻机的结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式中运动台反力抵消装置的结构原理图；

图3为本发明一具体实施方式中运动台反力抵消装置的主视图；

图4为本发明一具体实施方式中运动台反力抵消装置的俯视图；

图5为本发明一具体实施方式中运动台反力抵消装置的详细视图；

图6为本发明一具体实施方式中运动台反力抵消装置的叠层橡胶特性原理图；

图7为本发明一具体实施方式中运动台反力抵消装置的控制原理图。

图中：1-地基、2-减震器、3-基础框架、4-硅片台、5-投影物镜、6-掩模台、7-反力支撑架、8-控制系统、9-电机、9a-电机定子、9b-电机动子、10-电机安装板；

101-线性导轨、102-主动阻尼元件、103-弹性元件、104-解耦机构、105-速度测量元件、106-位移测量元件、107-调节螺杆、108-调节支座、109-速度测量元件连接板、110-电机连接板、111-长行程组件、112-解耦机构安装板、113-主动阻尼元件安装板、114-主动阻尼元件连接板、115-连接板、116-位移测量元件连接板。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示的投影式光刻机。其主体部分中，用于承载掩模版的掩模台6、用于承载硅片的硅片台4以及投影物镜5共同放置在基础框架3之上，并通过减震器2隔离来自地基1的振动。在光刻机的地基1上配置反力支撑架7，驱动硅片台4运动的电机9的电机定子9a所受的反作用力将直接作用于反力支撑架7之上，这样一方面减小了反作用力对基础框架3的冲击，另一方面降低了减震器2补偿硅片台4运动反力的性能要求，从而可以保证基础框架3中所有部件处在较小的振动环境中。本发明的运动台反力抵消装置，安装在地基1与运动台之间，下面结合附图2～7对本发明做详细描述：

如图2～6所示，本发明的运动台反力抵消装置，主要包括：线性导轨101、主动阻尼元件102、速度测量元件105、弹性元件103以及解耦机构104；其中，

所述线性导轨101安装在运动台的电机定子9a下；

所述主动阻尼元件102的一侧与所述电机定子9a连接，所述主动阻尼元件102的另一侧与反力支撑架7连接；

所述弹性元件103的一侧与所述电机定子9a相连，所述弹性元件103的另一侧与所述解耦机构104连接；

所述解耦机构104的另一端与光刻机的反力支撑架7相连；

所述速度测量元件105设置于所述电机定子9a上，用于测量电机定子9a的速度。

具体地，运动台两端通过主动阻尼元件102和弹性元件103与反力支撑架7连接。在运动台运动过程中，通过速度测量元件105测量电机定子9a的速度，然后反馈给控制系统8，通过控制系统8调节电机定子9a两端的主动阻尼元件102施加的阻尼力的大小，达到衰减运动台电机定子9a动能的目的。电机定子9a在两侧弹性元件103作用下回归行程零点。由于整个运动台反力抵消装置安装在地基1与运动台之间，在减震器2运动过程中，运动台将随之运动，解耦机构104对运动台与反力支撑架7之间进行解耦，可以有效解耦隔离地基1振动。

作为优选，本发明采用运动台反力抵消装置自身的结构特点进行解耦。具体地，根据电机定子9a动能的衰减情况的需要，弹性元件103的刚度较大，自身解耦效果不佳。因此，如图6所示，本发明的解耦机构104采用叠层橡胶，该叠层橡胶在轴向（Y向）方向的承压能力量级为10⁷N/m，几乎为刚性，不影响电机定子9a的运动行程测量，在叠层橡胶的径向方向的承压能力的量级为10⁵N/m，承压能力较弱，可自由旋转，符合解耦要求的特点，从而达到解耦的目的。较佳的，所述解耦机构104通过解耦机构安装板112固定在反力支撑架7上。

请重点参照图4，所述运动台反力抵消装置还包括调节螺杆107和位移测量元件106。其中，所述调节螺杆107通过调节支座108安装在反力支撑架7上，用于改变弹性元件103的张力；所述位移测量元件106分别配置在电机动子9b和硅片台4、电机动子9b和电机定子9a之间，用于建立硅片台4自身的绝对位置坐标。进一步的，所述位移测量元件106采用光栅尺。

请继续参照图1～7，所述线性导轨101两侧对称地安装在基础框架3上；电机安装板10安装在线性导轨101上，即所述电机定子9a通过电机安装板10与所述线性导轨101连接；电机动子9b与长行程组件111连接；所述位移测量元件106通过位移测量元件连接板116和电机连接板110与长行程组件111连接。

进一步的，所述主动阻尼元件102通过主动阻尼元件安装板113安装在反力支撑架7上。并且，所述主动阻尼元件102通过主动阻尼元件连接板114以及连接板115与电机安装板10上的电机定子9a相连。所述速度测量元件105通过速度测量元件连接板109固定在所述电机安装板10上。较佳的，所述主动阻尼元件102和速度测量元件105分别采用音圈电机和速度传感器，并采用绝对速度反馈环将速度传感器测得的电机定子9a的信息传递给控制系统8。作为优选，所述速度传感器为绝对速度传感器。具体地，在运动台运动过程中，由速度传感器采集电机定子9a的速度，反馈给控制系统8，产生速度反馈信号，控制音圈电机动作，提供阻尼力。由于音圈电机自身结构中，其电机定子和动子之间存在间隙，所以其又可以利用自身结构特点进行解耦。也就是说，由于主动阻尼元件102的自身结构之间存在间隙，此间隙大于减震器2运动各方向的行程，因此，本发明也可以利用主动阻尼元件102的自身结构特点进行解耦。

进一步的，所述弹性元件103为弹簧。弹簧的线性区间满足电机定子9a的运动行程，同时，其弹性力大小满足复位要求力的大小，即可使运动台回归行程零点。

请重点参照图7，在运动台运动的过程中，运动台的运动速度在实时改变，其产生在电机定子9a上的运动反力也随之在不停的改变，在本发明中采用绝对速度反馈环，速度传感器实时检测运动台电机定子9a的振动信号，与参考信号比较后进入控制系统8的速度反馈控制器，产生速度反馈控制信号，驱动主动阻尼元件102动作，主动阻尼元件102实时改变出力大小，为反力抵消装置提供阻尼。

请再次参照图1～7，下面将详细说明本发明的运动台反力抵消装置的工作过程：

在运动台运动之前，通过调节调节螺杆107以改变弹性元件103的张力大小使长行程组件111处于Y方向的行程零点。当电机9的电机动子9b驱动长行程组件111沿+Y方向做直线运动时，电机9的电机定子9a将沿线性导轨101向-Y方向做直线运动。

在运动过程中，安装在电机安装板10上的速度测量元件105将实时测量电机9的电机定子9a的速度。反馈给控制系统8，通过控制系统8调节两端主动阻尼元件102的施力大小，使电机9的电机定子9a在有效行程内有效的衰减动能。在运动过程中，-Y方向的弹性元件103将被压缩，电机9的电机定子9a的动能衰减后，将在弹性元件103回复力的作用下回归行程零点。由于两端主动阻尼元件102在电机定子9a回归零位的过程中不存在阻尼力，所以电机定子9a每次回归的行程零点不会存在较大偏差。

在电机9的电机定子9a和电机动子9b做相对运动时，通过电机9的电机动子9b和电机定子9a之间，基础框架3和电机9的电机动子9b之间安装的位移测量元件106的位移量的比较；能准确计算出长行程组件111相对行程零点的运动位移。

综上所述，本发明的运动台反力抵消装置，包括：线性导轨101、主动阻尼元件102、速度测量元件105、弹性元件103以及解耦机构104；其中，所述线性导轨101安装在运动台的电机定子9a下；所述主动阻尼元件102的一侧与所述电机定子9a连接，所述主动阻尼元件102的另一侧与反力支撑架7连接；所述弹性元件103的一侧与所述电机定子9a相连，所述弹性元件103的另一侧与所述解耦机构104连接；所述解耦机构104的另一端与光刻机的反力支撑架7相连；所述速度测量元件105设置于所述电机定子9a上，用于测量电机定子9a的速度。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.采用电机定子9a通过线性导轨101与运动台连接，在此结构下，运动台的结构与反力抵消结构分离，有效地降低了运动台结构的复杂度，便于运动台的结构模块化设计。

2.运动台反力抵消装置分别在电机动子9b和硅片台4之间、电机动子9b和电机定子9a之间配置了位移测量元件106，用于建立硅片台4自身的绝对位置坐标。

3.采用解耦机构104解耦隔离地基1振动和运动台由于减震器2工作产生的与基础框架3之间的相对运动。

4.采用主动阻尼元件102提供Y向主动阻尼力，并采用速度测量元件105实时测量在主动阻尼的作用下，电机定子9a能量的衰减情况，由此来控制主动阻尼元件102施加的主动阻尼力的大小。

5.通过两端连接的弹性元件103将电机定子9a恢复行程原点。

6.采用主动阻尼技术衰减反力，并使用解耦机构104解耦，降低了传递到基础框架3的振动，提高运动台控制的精度。

7.结构简单的反力抵消方式，降低了整机框架与运动台的设计难度和装配难度。

8.本发明的运动台反力抵消装置安装在硅片台4的自身模块内，降低了与整机框架的接口设计难度；运动台反力抵消装置的缓冲行程小，不会增加硅片台4和整机的尺寸。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种运动台反力抵消装置，安装在地基与运动台之间，包括：主动阻尼元件、速度测量元件、弹性元件、解耦机构以及线性导轨；其中，

所述线性导轨安装在运动台的电机定子下；

所述主动阻尼元件的一侧与所述电机定子连接，所述主动阻尼元件的另一侧与反力支撑架连接；

所述弹性元件的一侧与所述电机定子相连，所述弹性元件的另一侧与所述解耦机构连接；

所述解耦机构的另一端与光刻机的反力支撑架相连；

所述速度测量元件设置于所述电机定子上，用于测量电机定子的速度。

2.如权利要求1所述的运动台反力抵消装置，其特征在于，还包括调节螺杆，所述调节螺杆通过调节支座安装在反力支撑架上，用于改变弹性元件的张力。

3.如权利要求1所述的运动台反力抵消装置，其特征在于，还包括位移测量元件，所述位移测量元件分别配置在电机动子和硅片台、电机动子和电机定子之间，用于建立硅片台自身的绝对位置坐标。

4.如权利要求3所述的运动台反力抵消装置，其特征在于，所述位移测量元件采用光栅尺。

5.如权利要求3所述的运动台反力抵消装置，其特征在于，所述电机定子通过电机安装板与所述线性导轨连接，电机动子与长行程组件连接。

6.如权利要求5所述的运动台反力抵消装置，其特征在于，所述位移测量元件通过位移测量元件连接板和电机连接板与长行程组件连接。

7.如权利要求5所述的运动台反力抵消装置，其特征在于，所述主动阻尼元件通过主动阻尼元件连接板以及连接板与电机安装板上的电机定子相连。

8.如权利要求5所述的运动台反力抵消装置，其特征在于，所述速度测量元件通过速度测量元件连接板固定在所述电机安装板上。

9.如权利要求1所述的运动台反力抵消装置，其特征在于，所述主动阻尼元件通过主动阻尼元件安装板安装在反力支撑架上。

10.如权利要求1所述的运动台反力抵消装置，其特征在于，所述主动阻尼元件采用音圈电机。

11.如权利要求1所述的运动台反力抵消装置，其特征在于，所述速度测量元件采用速度传感器。

12.如权利要求1所述的运动台反力抵消装置，其特征在于，所述速度测量元件采用绝对速度反馈环。

13.如权利要求1所述的运动台反力抵消装置，其特征在于，所述解耦机构通过解耦机构安装板固定在反力支撑架上。

14.如权利要求1所述的运动台反力抵消装置，其特征在于，所述解耦机构采用叠层橡胶。

15.如权利要求1所述的运动台反力抵消装置，其特征在于，所述弹性元件为弹簧。