CN105229334B - 用于测量平台的混合振动隔离系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供测量工具，其包括主动振动隔离装置及被动振动隔离装置两者。测量工具可包括组合在所述测量工具的不同支撑结构中以阻尼及减少广泛频率及强度范围中的振动的被动隔离系统或主动隔离系统，例如约束层阻尼器、颗粒冲击阻尼器或液体冲击阻尼器及/或噪声消除转换器。可应用频率范围的频谱分析及优化以根据所提供的原理确定特定工具配置。

Description

用于测量平台的混合振动隔离系统
技术领域
本发明涉及振动阻尼系统的领域，且更特定地说，涉及测量工具中的振动阻尼。
背景技术
第7,502,103号美国专利(其全文以引用的方式并入本文中)教示通过实施移动配衡质量的方法而阻尼台振动。随着测量技术不断发展，此方法变得较不符合成本效益且需要增大空间来适应移动质量。
发明内容
本发明的一个方面提供一种包括主动振动隔离装置及被动振动隔离装置两者的测量工具。
本发明的此类、额外及/或其它方面及/或优点是：在下列详细描述中阐述；可从详细描述推论；及/或可通过本发明的实践而学习。
附图说明
为了更好地理解本发明的实施例且展示如何实行所述实施例，现在(纯粹通过实例的方式)参考附图，其中类似数字自始至终指示对应元件或区段。
在附图中：
图1是根据本发明的一些实施例的测量工具布局的高级示意图解说明。
图2A及2B是根据本发明的一些实施例的约束层阻尼系统的高级示意图解说明。
图3是根据本发明的一些实施例的颗粒阻尼器的高级示意图解说明。
图4是根据本发明的一些实施例的噪声消除转换器的操作原理的高级示意图解说明。
图5是根据本发明的一些实施例的图解说明一种方法的高级流程图。
具体实施方式
现在详细地特定参考图式，应强调展示的特点是通过实例的方式且只为说明性地讨论本发明的优选实施例的目的，且为提供据信为本发明的原理及概念方面的最有用且最易理解的描述呈现所述特点。就此而言，并不试图比基本理解本发明所需要的更详细地展示本发明的结构细节，所述描述以及图式使所属领域技术人员明白如何在实践中体现本发明的若干形式。
在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应理解在本发明的应用中，本发明并不限制于下列描述中阐述或在图式中图解说明的构造细节及组件布置。本发明可应用于其它实施例或以各种方式实践或实行。同样地，应理解本文采用的用语及术语是为描述目的且不应被视为限制。
本发明提供测量工具，其包括主动振动隔离装置及被动振动隔离装置两者。测量工具可包括组合在所述测量工具的不同支撑结构中以阻尼及减少广泛频率及强度范围中的振动的被动隔离系统，例如约束层阻尼器、颗粒冲击阻尼器或液体冲击阻尼器及/或噪声消除转换器。可应用频率范围的频谱分析及优化以根据提供的原理确定特定工具配置。
呈现的工具及方法将工具与周围噪声及/或振动隔离且减少工具对其周围的冲击。隔离系统可经设计及经优化以将最敏感的设备(如扫描仪)与测量工具隔离，同时保持测量工具与环境隔离。本发明揭示主动振动阻尼机构及被动振动阻尼机构的优化组合，所述机构经设计以符合成本效益的方式面临测量工具中的增大移动质量的挑战。根据相对于特定应用的相应频率范围调适许多不同技术。本发明的某些实施例提供测量工具的隔离解决方案，其既将测量系统与环境隔离且又将环境与测量系统隔离。所述解决方案以符合成本效益且可缩放的方式提供振动隔离及振动能量耗散。
图1是根据本发明的一些实施例的测量工具布局100的高级示意图解说明。工具100包括光学器件90、台95、晶片卡盘157、光学器件支撑结构105、工具底座台110(例如，包含卡盘及晶片台的光学器件工作台)、隔离系统120、工具工作台135、工具工作台支架130及台座140(或地板150)。
虽然目前的测量工具一般使用主动隔离系统或被动隔离系统120，但是测量工具100组合主动隔离系统及被动隔离系统120以及工具工作台支架130及台座140(或地板150)中的被动隔离元件。
图2A及2B是根据本发明的一些实施例的约束层阻尼系统160的高级示意图解说明。系统160包括(例如，通过粘合剂163)附接到约束层161、169的阻尼层165。图2A示意性图解说明在未施加力的情况下的静止中的系统160，而图2B示意性图解说明在施加水平剪力下的系统160。阻尼层165操作以缓和剪力对约束层161、169的影响。由于阻尼层165的剪力变形及材料在由基础约束层169施加的弯曲应力下产生的延伸及压缩，能量被耗散。
约束层阻尼构件160可包括结构材料中的(若干)嵌入式粘弹性层165。粘弹性层165的剪力变形为支撑结构的自然频率提供能量耗散及有效阻尼。
图3是根据本发明的一些实施例的颗粒阻尼器170的高级示意图解说明。阻尼器170包括由壁173、底座172及封罩177(其是封围于支撑底座172及壁173的外壳171内)约束的封壳175内的颗粒174及覆盖外壳171且经配置以将所施加力传递到封罩177上的盖179。阻尼器170中的振动能量(例如源自为光学器件支撑结构105的部分的台移动或来自地板150的振动)经传递到粒状材料174中且在其内耗散。不受理论的束缚，颗粒冲击阻尼器170通过颗粒174在由壁173、底座172及封罩177所界定封壳内的运动而引起的摩擦及颗粒174自身的变形来耗散能量。工具100的度量平台支撑结构105或其它零件内部的一些容积可部分用颗粒174(例如砂、陶瓷、塑料或金属珠，或以上的任何混合物/组合)填充。
在某些实施例中，粒状材料174可由粘性液体替换来提供基于液体的阻尼器170。阻尼器170是用以耗散跨越广阔的频率及温度范围的能量的符合成本效益的方式。阻尼器170提供台产生的震动的阻尼及高g负载吸收。颗粒冲击阻尼器170可经设计以抑制(阻尼)隔离系统120、结构105及/或工具100或其零件的自然频率(类似于经调谐质量阻尼器TMD的作用)。颗粒冲击阻尼器170可经设计以抑制(阻尼)存在于工具100中的若干自然频率(且因此充当许多TMD)。
被动隔离系统120可经配置以包括剪力层约束层阻尼元件160(图2)或/及颗粒阻尼器170或粘性液体阻尼器(图3)。如光学器件支撑结构105、工具底座台110、工具工作台135、工具支脚130及校平器及台座140的任何支撑结构可包括剪力层阻尼元件160及/或嵌入于相应经特殊设计的腔中的颗粒阻尼器170或粘性液体阻尼器。
工具100可包括被动隔离系统120(例如支撑结构105中的约束层阻尼元件160)与支撑结构105中及/或工具工作台135、支脚130或台座140(或地板150)中的颗粒冲击阻尼器(或液体冲击阻尼器)170的组合。此组合提供广泛动态范围的振动阻尼及振动隔离系统的良好传递性。
颗粒冲击阻尼器170或液体冲击阻尼器170可经布置以吸收或耗散台冲击能量的一部分来减少必须由被动隔离系统120(包括例如，约束层阻尼元件160)处理的能量及/或转移到环境的能量。
图4是根据本发明的一些实施例的噪声消除转换器180的操作原理的高级示意图解说明。工具100可进一步包括噪声消除转换器180以减少更大范围的机械频率。噪声消除转换器180有效地消除任何起源(例如，空气、地板、结构)的机械噪声(如果机械噪声处于噪声消除转换器的频谱响应范围中)。
噪声消除转换器180经配置以检测(经由检测器184)输入声波181(噪声、振动或其它)且产生(经由产生器185)具有反向极性的相同声波188(具有负号、反相、180度相差)。振动或噪声声波181及感应(装置产生)声波188彼此干扰且抵消而产生零(或非常接近零)振动/噪声/声波189。此技术局限于检测装置184与负声波装置的感应器185两者的频率及振幅响应。多个转换器180可同步部署以产生更宽的频率响应(例如，来自多个源的干扰型样可用于产生更详尽的消除型样)。应注意，声波181及189在图4描绘为纯正弦波只是为了简单起见及图解说明的目的，且以非限制性方式描绘(因通常预期存在更复杂的输入181及消除波189)。有利地，噪声消除转换器180使动态范围变宽且改善振动隔离系统的可传递性。
在非限制性实例中，可考虑下列方面。任何此类方面可结合于或适应于特定条件。
具有低谐振频率的被动隔离可与台座140相关联或提供于台座140顶部、下方或内部以减少工具100对环境的冲击且将工具100与环境隔离。例如，台座的被动隔离的工作频率范围可经选择位于0.5Hz到110Hz或150Hz的范围内。例如，被动隔离可为基于负刚性效应的隔离。
工具工作台135经配置是刚硬且厚重，具有相对宽松的机械容限。粘弹性层(例如，剪力层约束层阻尼元件160)可嵌入到工具工作台135中以阻尼相对高的频率，例如在从50Hz直到1KHz的范围内。工具工作台135的质量可经配置以充当低通滤波器。
冲击阻尼器170(基于颗粒或基于液体)可经设计以安置于工具工作台支架(“支脚”)130的内部空间内来替代(若干)经调谐质量阻尼器(TMD)或与其组合。具体来说，可相对于应被有效阻尼的少数特定谐振频率调谐嵌入的冲击阻尼器170及/或TMD。在某些实施例中，冲击阻尼器170可经配置以阻尼在指定频率范围内的振动且额外TMD可经调谐到指定频率范围内或外的某些特定频率。指定频率范围可为相对高的且可向上延伸到几个kHz(例如，1kHz到10kHz)。
隔离系统120可经设计为主动隔离系统以包括机械、气动及/或液压弹簧及马达以减少台95对工具100及其环境的冲击，以及将台95及工具100与环境隔离。因此，隔离系统120可经设计以处理来自台95与地板150中的任一者或两者的振动。主动隔离系统120可经配置以处理2-3Hz到100-150Hz的范围的振动频率。
经设计为刚硬且厚重(例如，由花岗岩制成)的工具底座台110可包括并入冲击阻尼器170(基于颗粒或基于液体)及/或TMD到其中的凹处。此类凹处可经配置以阻尼指定频率范围内及/或特定谐振频率下的振动。频率范围可相对高且可向上延伸到几个kHz(例如，1kHz到10kHz)。工具底座台110的质量可经配置以充当低通滤波器。
经配置为刚硬且具有严格机械容限的光学器件支撑结构105可并入结构阻尼元件，例如阻尼层及/或剪力层约束层阻尼元件160及/或结构阻尼装置(如特征为具有非常严格机械容限及静态刚度的D型柱装置)。
工具100可通过具有声波衬垫隔离及使用(例如)噪声消除转换器180主动抑制噪声的声波表层155来进一步与环境隔离(例如与声波振动隔离)。声波转换器(例如噪声消除转换器180)可定位于表层155、工具框架、工具底座台110、工具工作台135上或支撑结构(例如工具工作台支架130及光学器件支撑结构105)上。
工具台95可包括所有轴(X、Y、Z、T)的一个组合件或包括具有单独的光学移动轴及晶片移动轴的分布式系统。晶片卡盘157可包括用于在测量期间(尤其在台稳定时间期间)的主动卡盘校平控制的集成垂直致动器(致动器可包括(例如)音圈、不同类型的压电马达等等)。卡盘子系统157可包括致动器来控制Z/倾倒/倾斜及传感器(如陀螺仪及加速计)以提供所需输入。另外，台前馈信号是为所需的且并入致动器的控制系统中。传感器可安装于界定光学轴的系统元件(例如，主物镜)上以确保晶片卡盘157与测量头的光学轴之间的垂直性。致动器可经控制以在所有测量过程期间维持或控制水平晶片位置(或晶片与光学轴之间的垂直性)且因此通过在台95的稳定期间最小化等待时间而减少MAM(移动–获取–测量)。
有利地，虽然文献(例如第7,502,103号美国专利)教示通过实施移动配衡质量的方法来阻尼台的振动，但是本发明并不需要使用额外移动质量来平衡台的移动。因此，本发明提供更简便且更可靠的解决方案，其更符合成本效益且更节省空间。具有主动及/或被动组件的所揭示的综合混合振动隔离系统通过在工具100中的适当位置中组合及实施许多不同技术而提供符合成本效益、符合空间效益的度量工具隔离系统。特定配置可适应于相对于上文呈现的遍及工具100及其环境的振动频率的分布的分析的要求。
图5是根据本发明的一些实施例的图解说明一种方法200的高级流程图。方法200可包括用于产生、制备及/或使用测量工具100的阶段(例如下列阶段中的任一者)，不考虑其次序。
方法200包括将主动振动隔离装置及被动振动隔离装置组合到度量工具中(阶段210)。方法200可包括将约束层阻尼元件及颗粒或液体冲击阻尼器引入到支撑结构中(阶段220)及/或将粘弹性层嵌入到工具或支撑结构的结构材料中(阶段225)及/或在度量平台中使用颗粒或液体冲击阻尼器(阶段230)以将振动能量传递到粒状材料或液体中而耗散(阶段235)及/或装配噪声消除转换器以(通过检测振动波且产生具有反向极性的相反波消除噪声(阶段245))减少机械频率(阶段240)。
方法200可进一步包括下列阶段中的任一者：在台座的顶部上使用具有低谐振频率的被动隔离(阶段212)；使用机械、气动及/或液压弹簧及马达来主动地隔离台(阶段214)；将粘弹性层嵌入工具工作台中(阶段227)；将调谐到指定频率范围的阻尼器并入工具工作台支架内及/或工具底座台内(阶段236)；及将经设计以具有严格机械容限及静态刚性的阻尼层并入光学器件的支撑结构内(阶段238)。
方法200可进一步包括应用主动抑制声波噪声的声波表层来隔离台(阶段247)且将声波转换器应用到工具底座台及/或应用到光学器件的支撑结构(阶段248)以及可能应用到其它支撑结构。
方法200可进一步包括((例如)通过将致动器集成于晶片卡盘中(阶段252)及/或经由传感器数据控制致动器以维持水平晶片位置且最小化台稳定的等待时间(阶段254))提供主动卡盘校平(阶段250)。
上文揭示的阶段的任何配置可经调整以通过配置被动隔离组件及主动隔离组件的组合而容许避免移动配衡质量的方法以减少施加到台且由台作用的振动(阶段260)。
有利地，所揭示的工具100克服阻尼接近工具100的组件的自然频率的振动的当前限制；对隔离系统的可传递性功能的限制；对动态范围的限制；对能量耗散的限制；以及衰减大部分台冲击到地板的转移。所揭示的本发明克服在测量工具中的振动阻尼元件的受限的动态范围及低程度能量耗散的当前挑战，且此外克服阻尼组件的自然频率的挑战及不足的可传递性功能的挑战。所揭示的解决方案处理振动的双向转移(从环境转移到台以及从台转移到环境)且因此提供完整且可调整的振动阻尼解决方案。
在上文描述中，实施例是本发明的实例或实施方案。“一个实施例”、“一实施例”、“某些实施例”或“一些实施例”的各处出现未必全部指相同实施例。
尽管本发明的各种特征可在单一实施例的背景内容中描述，但是所述特征也可单独或以任何适当的组合提供。相反地，虽然为了清楚起见本文在单独实施例的背景内容中描述本发明，但是本发明也可在单一实施例中实施。
本发明的某些实施例可包含来自上文所揭示的不同实施例的特征，且某些实施例可并入来自上文所揭示的其它实施例的元件。在特定实施例背景内容中揭示本发明的元件不应被视为限制其单独在特定实施例中的使用。
此外，应理解本发明可以各种方式实行或实践，且本发明可在上文描述中概述的实施例以外的某些实施例中实施。
本发明不限制于这些图或相应描述。例如，流程不必移动通过每一图解说明的框或状态，或完全按照如图解说明及描述的相同次序。
除非另外定义，否则本文使用的技术及科学术语的含义应如本发明所属领域的一般技术人员通常所理解的。
虽然已关于有限数目的实施例描述本发明，但是此类实施例不应被视为限制本发明的范围，而是作为一些优选实施例的范例。其它可能的变动、修改及应用也在本发明的范围内。因此，本发明的范围不应由至此已描述的内容限制，而应由所附权利要求书及其合法等效物限制。

Claims (23)

1.一种度量工具，其包括：
至少一个主动振动隔离装置；以及，
至少一个被动振动隔离装置，其中所述至少一个主动振动隔离装置或至少一个被动振动隔离装置中的至少一者是选自由以下组成的群组的至少之一：
A)所述度量工具的支撑结构内的约束层阻尼器及至少一个颗粒或液体冲击阻尼器；
B)经布置以通过消除噪声而减少机械频率的至少一个噪声消除转换器；
C)经布置以检测振动波且产生具有反向极性的相反波的至少一个噪声消除转换器；
D)具有经配置以将所述度量工具与所述度量工具的环境中的声波振动隔离的至少一个噪声消除转换器的至少一个声波表层；
E)应用到工具底座台及光学器件的支撑结构中的至少一者的至少一个声波转换器；以及，
F)其组合。
2.根据权利要求1所述的度量工具，其进一步包括：
嵌入到所述度量工具的结构材料中或嵌入到所述度量工具的支撑结构中的粘弹性层。
3.根据权利要求1所述的度量工具，其进一步包括：
经布置以将振动能量传递到所述阻尼器的粒状材料或液体中而耗散的所述度量工具中的至少一个颗粒或液体冲击阻尼器。
4.根据权利要求1所述的度量工具，其中所述被动振动隔离装置隔离与所述度量工具的台座相关联的0.5Hz到150Hz的频率范围内的频率。
5.根据权利要求1所述的度量工具，其进一步包括：
经布置以阻尼50Hz到1kHz的频率范围内的振动且嵌入所述度量工具的工具工作台及光学器件支撑结构中的至少一者中的至少一个粘弹性层。
6.根据权利要求1所述的度量工具，其进一步包括：
经布置以阻尼1kHz到10kHz的频率范围内的振动且嵌入所述度量工具的工具工作台支架及工具底座台内的至少一者中的至少一个冲击阻尼器。
7.根据权利要求1所述的度量工具，其进一步包括：
经配置以隔离具有介于2Hz与150Hz之间的范围的振动频率的主动隔离系统。
8.根据权利要求1所述的度量工具，其进一步包括：
具有经配置以维持水平晶片位置且最小化台稳定的等待时间的传感器控制的致动器的主动卡盘校平器。
9.一种度量方法，其包括：
将至少一个主动振动隔离装置及至少一个被动振动隔离装置组合到度量工具中；以及
执行选自由以下步骤组成的群组的至少一个步骤：
A)将约束层阻尼及至少一个颗粒或液体冲击阻尼器引入到所述度量工具的支撑结构中；
B)通过使用至少一个噪声消除转换器消除噪声而减少机械频率；
C)通过检测振动波且产生具有反向极性的相反波而实行所述噪声消除；
D)组合至少一个声波表层与经配置以将所述度量工具与在所述度量工具的环境中的声波振动隔离的至少一个噪声消除转换器；
E)将声波转换器应用到工具底座台及光学器件的支撑结构中的至少一者；以及，
F)其组合。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
将粘弹性层嵌入到所述度量工具的结构材料中或嵌入到所述度量工具的支撑结构中。
11.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
使用所述度量工具中的至少一个颗粒或液体冲击阻尼器将振动能量传递到所述阻尼器的粒状材料或液体中而耗散。
12.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
将0.5Hz到150Hz的频率范围内的被动振动隔离与所述度量工具的台座相关联。
13.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
将经布置以阻尼50Hz到1kHz的频率范围内的振动的至少一个粘弹性层嵌入所述度量工具的工具工作台及光学器件支撑结构中的至少一者中。
14.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
将经布置以阻尼1kHz到10kHz的频率范围内的振动的至少一个冲击阻尼器嵌入所述度量工具的工具工作台支架及工具底座台中的至少一者内。
15.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
提供经配置以处理具有介于2Hz与150Hz之间的范围的振动频率的主动隔离系统。
16.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
提供具有经配置以维持水平晶片位置且最小化台稳定的等待时间的传感器控制的致动器的主动卡盘校平器。
17.一种度量工具，其包括主动和被动振动隔离装置，其中至少一个振动隔离装置嵌入到所述度量工具的结构材料中或嵌入到度量工具的支撑结构中；所述度量工具进一步包括：具有经配置以维持水平晶片位置且最小化台稳定的等待时间的传感器控制的致动器的主动卡盘校平器。
18.根据权利要求17所述的度量工具，其进一步包括：
经布置以将振动能量传递到阻尼器的粒状材料或液体中而耗散的所述度量工具中的至少一个颗粒或液体冲击阻尼器。
19.根据权利要求17所述的度量工具，其中被动振动隔离装置隔离与所述度量工具的台座相关联的0.5Hz到150Hz的频率范围内的频率。
20.根据权利要求17所述的度量工具，其进一步包括：
经布置以阻尼50Hz到1kHz的频率范围内的振动且嵌入所述度量工具的工具工作台及光学器件支撑结构中的至少一者中的至少一个粘弹性层。
21.根据权利要求17所述的度量工具，其进一步包括：
经布置以阻尼1kHz到10kHz的频率范围内的振动且嵌入所述度量工具的工具工作台支架及工具底座台中的至少一者内的至少一个冲击阻尼器。
22.根据权利要求17所述的度量工具，其进一步包括：
经配置以隔离具有介于2Hz与150Hz之间的范围的振动频率的主动隔离系统。
23.根据权利要求17所述的度量工具，其进一步包括：
至少一个主动振动隔离装置；以及，
至少一个被动振动隔离装置，其中所述至少一个主动振动隔离装置或至少一个被动振动隔离装置中的至少一者是选自由以下组成的群组的至少之一：
A)所述度量工具的支撑结构内的约束层阻尼器及至少一个颗粒或液体冲击阻尼器；
B)经布置以通过消除噪声而减少机械频率的至少一个噪声消除转换器；
C)经布置以检测振动波且产生具有反向极性的相反波的至少一个噪声消除转换器；
D)具有经配置以将所述度量工具与所述度量工具的环境中的声波振动隔离的至少一个噪声消除转换器的至少一个声波表层；
E)应用到工具底座台及光学器件的支撑结构中的至少一者的至少一个声波转换器；以及，
F)其组合。
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