CN108663797B - 一种基于气浮导向的狭缝式可变光阑 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于气浮导向的狭缝式可变光阑；该装置正面板安装有2个X向驱动控制单元、2个Y向驱动控制单元、2个X向支撑导向单元、2个Y向支撑导向单元及光阑窗口；背面板安装有2个重力补偿单元；光阑窗口由2个X向光阑板、2个Y向光阑板、2个X向从动气浮导轨及2个Y向从动气浮导轨；其中成对的单元相对于系统的光学中心轴oo’旋转对称；该装置包括4个基于气浮原理的支承导向单元，对4个从动导轨进行导向，并通过驱动控制单元与重力补偿单元分别对4个光阑板进行控制，光阑板首尾相接形成了共面的矩形窗口，并最终实现平面内任意范围的扫描；本发明建立了一种兼顾高精度、高稳定性的气浮导向的狭缝式可变光阑。
Description
技术领域
本发明属于精密仪器及机械技术领域，特别涉及一种基于气浮导向的狭缝式可变光阑。
背景技术
近年来，随着先进芯片制造业逐渐朝向功能集成化和体积微小化发展，气体静压直线运动基准以其高速度和高精度等显著优点而成为尖端光刻机中的关键部件之一；光刻机曝光系统中光阑片的高速、高加速以及高运动精度需求，对气体静压直线运动基准中的气体静压导轨提出了高承载能力、高转动刚度的要求；为避免直线运动机构遮挡光路或触碰光学器件，光阑片安装在直线运动基准的悬臂端，因此需要提高气体静压导轨的转动刚度，来抵抗光阑片高加速运动时产生的转动力矩；而光刻机曝光系统复杂而精密，其气体静压直线运动机构需要小型化，因此提高单位面积上的转动刚度，成为制约气体静压导轨在光刻机曝光系统中应用的主要技术难题。
2008年，荷兰ASML公司所研发的Twinscan XT 1950i型光刻机，可以实现38nm芯片激光刻蚀。其曝光系统中的直线运动基准采用机械导轨结构，并达到了40m/s2的加速度运动(Y.B.Patrick Kwan,Erik L.Loopstra.Nullifying Acceleration Forces in Nano-Positioning Stages for Sub-0.1mm Lithography Tool for 300mm Wafers[J].proceeding of SPIC：Optical Microlithography,2010,4346：544-557)；但随着芯片制造业的发展，传统的滑动/滚动导轨难以满足高加速度运动以及工作温度稳定性的要求。
专利CN201220540610“二维无摩擦长距离运动的多层气浮吊挂装置”提出了一种气浮导向的吊挂式运动装置，主要包括单层吊挂装置和展开实验架，单层吊挂装置包括支撑部件、气浮随动部件、检测部件和导轨系统，气浮随动部件包括纵向气浮套、两个横向气浮套、两个气浮座、伸缩气管、横向气浮轴和吊挂工装；该装置可以实现大位移长距离随动运动，并满足多层吊挂装置间的配合运动；但是该发明装置是一种随动运动装置，不能保证运动精度，且需要安装在展开实验架上使用，结构不够紧凑。
专利CN201310436356“气浮悬挂式三维展开实验装置”提出一种定位精度高响应速度快的三维运动装置，主要包括十几个气浮运动机构空间上对应分布，并借助滑轮、吊绳、配重等机构安装在支承框架内部；但是该装置虽然可以满足一定的运动精度，但是由于运动环节较多，在高频运动状态下，在输出端不能够确保快速而准确的位移响应，且结构不够紧凑。
专利CN201410839808“一种双气浮导轨式光栅刻划刀架驱动装置”提出一种小型的一维运动装置，主要包括平行安装的两组气浮导轨，并通过固连气浮滑套的方式来提高刻划刀架的运动稳定性；该装置可以实现高速、高频运动，但是相比与该装置的位移输出端，如刀架转接板及刻画刀架，其气浮导轨过于庞大，因此单位面积上的转动刚度较差，且需要刀架配重块来保持平衡。
专利CN201610130635“双面气浮运输台”和专利CN201710832517“一种基于H型气浮导轨的运动平台”分别提出了实现二维运动的气浮装置，可以在兼顾稳定性的同时实现较高的运动和定位精度，但是两种装置的使用方法均为搭载式，无法用于悬挂式或悬臂式的运动场合，且对于光刻机曝光系统来说，体积过于庞大。
上述发明共同的不足之处是均不能通过4个共面光阑板的独立运动来实现平面内任意范围的窗口扫描。步进投影式曝光装置做为尖端光刻机中的关键部件已经成为制约光刻机曝光系统实际应用的关键技术难题。
发明内容
本发明的目的就是针对上述已有技术存在的问题，提出一种基于气浮导向的狭缝式可变光阑，该装置包括4个基于气浮原理的支承导向单元，对4个从动导轨进行导向，并通过驱动控制单元与重力补偿单元分别对4个光阑板进行控制，光阑板首尾相接形成了共面的矩形窗口，达到最终实现平面内任意范围扫描的目的。
上述目的通过以下的技术方案实现：
在正面板上依次分别安装2个相互平行配置的X向驱动控制单元、2个相互平行配置的Y向驱动控制单元、2个相互平行配置的X向支撑导向单元、2个相互平行配置的Y向支撑导向单元及光阑窗口。在背面板安装有2个相互平行的重力补偿单元，所述光阑窗口由2个对应配置的X向光阑板、2个对应配置的Y向光阑板、2个对应配置的X向从动气浮导轨及2个对应配置的Y向从动气浮导轨构成。成对的各单元相对于系统的光学中心轴oo’旋转对称。
所述X向从动气浮导轨与X向光阑板固连，所述X向从动气浮导轨安装在Y向支撑导向单元的Y向窄气浮套。Y向主动气浮导轨通过Y向导轨座和Y向阻尼导轨座与正面板固连，所述Y向主动气浮导轨安装在Y向支撑导向单元的Y向宽气浮套内。Y向支撑导向单元安装在Y向驱动控制单元的位移输出端，所述Y向支撑导向单元与重力补偿单元相连。
所述Y向从动气浮导轨与Y向光阑板固连，所述Y向从动气浮导轨安装在X向支撑导向单元的X向窄气浮套内。X向主动气浮导轨通过X向导轨座和X向阻尼导轨座与正面板固连，所述X向主动气浮导轨安装在X向支撑导向单元的X向宽气浮套内，X向支撑导向单元安装在X向支撑导向单元安装在X向驱动控制单元的位移输出端。
所述X向驱动控制单元的X向电机驱动系统由X向电机垫板、X向电机磁钢、X向电机动子构成。所述X向电机垫板与X向电机磁钢通过紧固件沿X方向安装在正面板上，X向电机垫板调整X向电机磁钢的高度及平行度。所述X向驱动控制单元的X向反馈控制系统由X向气浮模块、X向读数头调整座、X向读数头、X向光栅尺、X向限位开关及X向阻尼器构成。所述X向光栅尺与X向气浮模块连接。所述X向读数头与X向读数头调整座固接，X向读数头调整座固定在X向电机磁钢的上表面。
所述Y向驱动控制单元的Y向电机驱动系统由Y向电机垫板、Y向电机磁钢、Y向电机动子构成。所述Y向电机垫板与Y向电机磁钢通过紧固件沿X方向安装在正面板上，Y向电机垫板调整Y向电机磁钢的高度及平行度。所述Y向驱动控制单元的Y向反馈控制系统由Y向气浮模块、Y向读数头调整座、Y向读数头、Y向光栅尺、Y向限位开关及Y向阻尼器构成。所述Y向光栅尺与Y向气浮模块连接。所述Y向读数头与Y向读数头调整座固接，Y向读数头调整座固定在Y向电机磁钢的上表面。
所述重力补偿单元包括气缸、气缸安装底座、柔性调整单元。所述气缸通过2个气缸安装底座沿Y方向固定在背面板上，气缸的力输出端通过柔性调整单元与Y向气浮模块固连。
本发明具有以下特点及有益效果：
1、本发明装置中的4个支撑导向单元均采用了双层的气浮结构的设计，并根据导轨高加速运动时的受力分析结果，对宽、窄两层气浮套所提供的力矩比进行了合理分配，并最终实现对共面的4个光阑板的精确导向，进而提高了扫描的速度和效率；
2、本发明装置中的4个驱动控制单元均具有电机驱动和反馈控制功能，采用直线光栅进行监测并采用驱动电机进行实时控制，以保证位移输出的准确性；同时采用限位开关和阻尼器的双保险结构，可以避免高频高速运动条件下碰撞对支撑导向单元的所产生的刚性变形；
3、本发明装置中的重力补偿单元配合驱动控制单元使用，提高了光阑板的运动和定位精度，同时可以避免电机突然断电对支撑导向单元及光阑板造成碰撞和损伤。
本发明装置用途广泛，尤其适用于光刻机曝光系统中步进投影式曝光机构。
附图说明
图1为一种基于气浮导向的狭缝式光阑装置正面板装配结构示意图。
图2为一种基于气浮导向的狭缝式光阑装置背面板装配结构示意图。
图3为光阑窗口结构示意图。
图4为X向驱动控制单元及X向支撑导向单元结构示意图。
图5为Y向驱动控制单元及X向支撑导向单元结构示意图。
图6为重力补偿单元结构示意图。
图中：101、正面板；102、背面板；103、光阑窗口；104、Y向支撑导向单元；105、Y向驱动控制单元；106、X向驱动控制单元；107、X向支撑导向单元；108、重力补偿单元；1、Y向从动气浮导轨；2、Y向光阑板；3、X向从动气浮导轨；4、X向光阑板；5、X向阻尼导轨座；6、X向阻尼器；7、X向宽气浮套；8、X向气浮模块；9、X向窄气浮套；10、X向主动气浮导轨；11、X向导轨座；12、X向电机磁钢；13、X向限位开关；14、X向电机动子；15、X向读数头调整座；16、X向读数头；17、X向光栅尺；18、X向电机垫板；19、Y向电机垫板；20、Y向电机磁钢；21、Y向限位开关；22、Y向电机动子；23、Y向读数头；24、Y向读数头调整座；25、Y向光栅尺；26、Y向窄气浮套；27、Y向阻尼器；28、Y向阻尼导轨座；29、Y向气浮模块；30、Y向宽气浮套；31、Y向主动气浮导轨；32、Y向导轨座；33、气缸安装底座；34、气缸；35、柔性调整单元；36、力输出端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。
一种基于气浮导向的狭缝式可变光阑，在该装置的正面板101上依次分别安装2个相互平行配置的X向驱动控制单元106、2个相互平行配置的Y向驱动控制单元105、2个相互平行配置的X向支撑导向单元107、2个相互平行配置的Y向支撑导向单元104及光阑窗口103。在背面板102安装有2个相互平行的重力补偿单元108，所述光阑窗口103由2个对应配置的X向光阑板4、2个对应配置的Y向光阑板2、2个对应配置的X向从动气浮导轨3及2个对应配置的Y向从动气浮导轨1构成。成对的各单元相对于系统的光学中心轴oo’旋转对称。
所述X向从动气浮导轨3与X向光阑板4固连，所述X向从动气浮导轨3安装在Y向支撑导向单元104的Y向窄气浮套26。Y向主动气浮导轨31通过Y向导轨座32和Y向阻尼导轨座28与正面板101固连，所述Y向主动气浮导轨31安装在Y向支撑导向单元104的Y向宽气浮套30内。Y向支撑导向单元104安装在Y向驱动控制单元105的位移输出端，所述Y向支撑导向单元104与重力补偿单元108相连。
所述Y向从动气浮导轨1与Y向光阑板2固连，所述Y向从动气浮导轨1安装在X向支撑导向单元107的X向窄气浮套9内。X向主动气浮导轨10通过X向导轨座11和X向阻尼导轨座5与正面板101固连，所述X向主动气浮导轨10安装在X向支撑导向单元107的X向宽气浮套7内，X向支撑导向单元107安装在X向支撑导向单元107安装在X向驱动控制单元106的位移输出端。
所述X向驱动控制单元106的X向电机驱动系统由X向电机垫板18、X向电机磁钢12、X向电机动子14构成。所述X向电机垫板18与X向电机磁钢12通过紧固件沿X方向安装在正面板101上，X向电机垫板18调整X向电机磁钢12的高度及平行度。所述X向驱动控制单元106的X向反馈控制系统由X向气浮模块8、X向读数头调整座15、X向读数头16、X向光栅尺17、X向限位开关13及X向阻尼器6构成。所述X向光栅尺17与X向气浮模块8连接。所述X向读数头16与X向读数头调整座15固接，X向读数头调整座15固定在X向电机磁钢12的上表面。
所述Y向驱动控制单元105的Y向电机驱动系统由Y向电机垫板19、Y向电机磁钢20、Y向电机动子22构成。所述Y向电机垫板19与Y向电机磁钢20通过紧固件沿X方向安装在正面板101上，Y向电机垫板19调整Y向电机磁钢20的高度及平行度。所述Y向驱动控制单元105的Y向反馈控制系统由Y向气浮模块29、Y向读数头调整座24、Y向读数头23、Y向光栅尺25、Y向限位开关21及Y向阻尼器27构成。所述Y向光栅尺25与Y向气浮模块29连接。所述Y向读数头23与Y向读数头调整座24固接，Y向读数头调整座24固定在Y向电机磁钢20的上表面。
所述重力补偿单元108包括气缸34、气缸安装底座33、柔性调整单元35。所述气缸34通过2个气缸安装底座33沿Y方向固定在背面板102上，气缸34的力输出端36通过柔性调整单元35与Y向气浮模块29固连。
该装置工作时，X向驱动控制单元106带动X向支撑导向单元107沿X向主动气浮导轨10做直线运动，同时伴随运动的还有X向光阑板4、逆时针位置的Y向光阑板2及Y向从动气浮导轨1，而此时逆时针位置的Y向支撑导向单元104的Y向窄气浮套26起导向作用。Y向驱动控制单元105带动Y向支撑导向单元104沿Y向主动气浮导轨31做直线运动，同时伴随运动的还有Y向光阑板2、逆时针位置的X向光阑板4及X向从动气浮导轨3，而此时逆时针位置的X向支撑导向单元107的X向窄气浮套9起导向作用。
X向气浮模块8由X向电机动子14提供驱动力沿着X向主动气浮导轨10的工作面做直线运动时，其运动位置由X向读数头16配合X向光栅尺17进行实时监测，当运动到极限位置时，由安装于两侧的X向限位开关13作为触发开关并启动限位保护，当X向气浮模块8运动到指定位置时，启动X向阻尼器6进行阻尼定位。
Claims (1)
1.一种基于气浮导向的狭缝式可变光阑，其特征在于：在正面板(101)上依次分别安装2个相互平行配置的X向驱动控制单元(106)、2个相互平行配置的Y向驱动控制单元(105)、2个相互平行配置的X向支撑导向单元(107)、2个相互平行配置的Y向支撑导向单元(104)及光阑窗口(103)；在背面板(102)安装有2个相互平行的重力补偿单元(108)，所述光阑窗口(103)由2个对应配置的X向光阑板(4)、2个对应配置的Y向光阑板(2)、2个对应配置的X向从动气浮导轨(3)及2个对应配置的Y向从动气浮导轨(1)构成；成对的各单元相对于系统的光学中心轴oo’旋转对称；
所述X向从动气浮导轨(3)与X向光阑板(4)固连，所述X向从动气浮导轨(3)可移动的装配在Y向窄气浮套(26)内；Y向主动气浮导轨(31)通过Y向导轨座(32)和Y向阻尼导轨座(28)与正面板(101)固连，所述Y向主动气浮导轨(31)安装在Y向支撑导向单元(104)的Y向宽气浮套(30)内；Y向支撑导向单元(104)安装在Y向驱动控制单元(105)的位移输出端，所述Y向支撑导向单元(104)与重力补偿单元(108)相连；
所述Y向从动气浮导轨(1)与Y向光阑板(2)固连，所述Y向从动气浮导轨(1)安装在X向支撑导向单元(107)的X向窄气浮套(9)内；X向主动气浮导轨(10)通过X向导轨座(11)和X向阻尼导轨座(5)与正面板(101)固连，所述X向主动气浮导轨(10)安装在X向支撑导向单元(107)的X向宽气浮套(7)内，X向支撑导向单元(107)安装在X向支撑导向单元(107)安装在X向驱动控制单元(106)的位移输出端；
所述X向驱动控制单元(106)的X向电机驱动系统由X向电机垫板(18)、X向电机磁钢(12)、X向电机动子(14)构成；所述X向电机垫板(18)与X向电机磁钢(12)通过紧固件沿X方向安装在正面板(101)上，X向电机垫板(18)调整X向电机磁钢(12)的高度及平行度；所述X向驱动控制单元(106)的X向反馈控制系统由X向气浮模块(8)、X向读数头调整座(15)、X向读数头(16)、X向光栅尺(17)、X向限位开关(13)及X向阻尼器(6)构成；所述X向光栅尺(17)与X向气浮模块(8)连接；所述X向读数头(16)与X向读数头调整座(15)固接，X向读数头调整座(15)固定在X向电机磁钢(12)的上表面；
所述Y向驱动控制单元(105)的Y向电机驱动系统由Y向电机垫板(19)、Y向电机磁钢(20)、Y向电机动子(22)构成；所述Y向电机垫板(19)与Y向电机磁钢(20)通过紧固件沿X方向安装在正面板(101)上，Y向电机垫板(19)调整Y向电机磁钢(20)的高度及平行度；所述Y向驱动控制单元(105)的Y向反馈控制系统由Y向气浮模块(29)、Y向读数头调整座(24)、Y向读数头(23)、Y向光栅尺(25)、Y向限位开关(21)及Y向阻尼器(27)构成；所述Y向光栅尺(25)与Y向气浮模块(29)连接；所述Y向读数头(23)与Y向读数头调整座(24)固接，Y向读数头调整座(24)固定在Y向电机磁钢(20)的上表面；
所述重力补偿单元(108)包括气缸(34)、气缸安装底座(33)、柔性调整单元(35)；所述气缸(34)通过2个气缸安装底座(33)沿Y方向固定在背面板(102)上，气缸(34)的力输出端(36)通过柔性调整单元(35)与Y向气浮模块(29)固连。
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