CN110028008A - 升降机构、升降台装置、光刻机及光刻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种升降机构、升降台装置、光刻机及光刻方法，所述升降机构包括箱体、蜗杆、蜗轮和丝杆；在所述蜗杆转动时驱使所述蜗轮转动，并通过所述蜗轮转动带动所述丝杆在竖直方向升降运动。本发明所提供的升降机构能够在有限的空间内同时满足高精度和大负载的垂向升降调节要求。以及，本发明还进一步的采用了防转限位机构，防止丝杆转动以使得蜗轮和蜗杆的出力被丝杆完全接收，同时限制了丝杆的运动范围，使得整个传动机构具有更高的效率及可靠性。此外，本发明提供的一种升降机构，弥补了现有技术中高精度、大负载及小尺寸升降机构的空缺，并且应用于例如光刻机领域中，也可相应提升其光刻效果。

Description

升降机构、升降台装置、光刻机及光刻方法
技术领域
本发明涉及升降机构，尤其是涉及一种升降机构、升降台装置、光刻机及光刻方法。
背景技术
升降机构是一种常见的机构，可以用于将人或者货物升降到某一高度，能够应用于众多领域中，例如在半导体制造领域中，将升降机构应用于光刻机工件台中，通过固定在工件台的基架上，可以用于支撑以及调节整个磁浮台模块。
然而由于前道光刻机整机尺寸限制，该升降机构的安装位置及空间十分有限，在此前提下，又对其调节精度、稳定性以及可靠性的要求也很高。同时，还要求该升降机构能够承受例如1.5吨的大负载。目前，市场上查到的所有升降台系统都不能满足需求且相差甚远。以及，发明人咨询了多家可进行定制升降台服务的知名升降台生产制造公司，皆被告知无法制造出同时满足高精度、大负载及小尺寸等工况的合适的升降台系统。故，现在急需一种能在有限的空间内实现高精度、大负载且具有高可靠性的升降机构以填补目前市场上高精度、大负载及小尺寸升降机构的空缺。
发明内容
为了解决目前缺少能在有限的空间内实现高精度、大负载且高可靠性的升降机构的技术问题，本发明提供了一种升降机构，所述升降机构包括箱体、蜗杆、蜗轮和丝杆；所述蜗杆和所述蜗轮设置在所述箱体内，所述蜗杆与所述蜗轮的外螺纹配合连接，所述蜗轮的内螺纹套设于所述丝杆上，所述丝杆竖直设置并从所述箱体延伸出；在所述蜗杆转动时驱使所述蜗轮转动，并通过所述蜗轮转动带动所述丝杆在竖直方向升降运动。
可选的，在所述丝杆的侧壁上设置有防转限位槽，在所述箱体上设置有与所述防转限位槽位置对应的插孔，所述升降机构还包括滑块，所述滑块插入所述插孔并卡设在所述防转限位槽中，所述丝杆上的所述防转限位槽、所述箱体上的所述插孔和所述滑块构成了所述丝杆的防转限位机构。
可选的，所述防转限位机构为一个。
可选的，所述防转限位机构为两个。
可选的，两个所述防转限位机构关于所述丝杆的中心轴对称设置。
可选的，所述蜗轮和所述蜗杆的传动比范围为1:40～1:120。
可选的，所述蜗轮的内螺纹的螺距小于2mm。
可选的，所述升降机构还包括多个蜗轮轴承，多个所述蜗轮轴承设置在所述箱体内，并沿着竖直方向分别设置在所述蜗轮的上方和下方，位于所述蜗轮下方的所述蜗轮轴承支撑所述蜗轮。
可选的，所述蜗轮轴承抵推所述蜗轮，以使所述蜗轮和所述箱体之间的保持预定间隙。
可选的，所述蜗轮轴承为交叉滚子轴承。
可选的，所述升降机构还包括多个蜗杆轴承，多个所述蜗杆轴承设置在所述箱体内，并沿着所述蜗杆的长度方向套设在所述蜗杆上，以径向限位所述蜗杆。
可选的，所述蜗杆轴承为向心球轴承。
可选的，所述箱体包括上侧箱体和下侧箱体，所述上侧箱体和所述下侧箱体分别从所述蜗轮的上方和下方包覆所述蜗轮，其中，在所述上侧箱体和所述下侧箱体的对应位置上均设置有圆锥销孔，将一圆锥销插入所述圆锥销孔中，以使所述上侧箱体和所述下侧箱体对准固定。
可选的，所述下侧箱体包括：
第一部分，弧形槽结构，用于从所述蜗杆下方包覆所述蜗杆；
第二部分，具有一盘状支撑件和辅助支撑件，用于从所述蜗轮下方包覆所述蜗轮；其中，
所述盘状支撑件和所述弧形槽的侧壁在水平方向上相互连接，所述辅助支撑件设置在所述盘状支撑件的下方，所述辅助支撑件的底部和所述第一部分的所述弧形槽的底部在同一水平面上；
所述辅助支撑件延伸设置在所述第一部分和第二部分的连接处，并与所述第一部分连接，以增加第一部分和第二部分的连接处的厚度尺寸。
本发明还提供了一种升降台装置，包括：
本发明所提供的所述升降机构，
工作平台，设置在所述升降机构中的所述丝杆的上方并与所述丝杆的顶端连接，通过所述丝杆的升降实现所述工作平台的升降。
本发明还提供了一种光刻机，采用本发明所提供的一种升降台装置。
本发明还提供了一种光刻方法，采用本发明所提供的一种光刻机。
本发明提供的一种升降机构，采用了蜗杆、蜗轮和丝杆组合的传动机构，整体结构简单可靠，选用了调节比范围为1:40～1:120的蜗轮和蜗杆的组合，并配合以螺距小于2mm的丝杆，能够在有限的空间内同时满足高精度和大负载的垂向升降调节要求。以及，本发明还进一步的采用了防转限位机构，防止丝杆转动以使得蜗轮和蜗杆的出力被丝杆完全接收，同时限制了丝杆的运动范围，使得整个传动机构具有更高的效率及可靠性。本发明提供的一种升降机构，弥补了现有技术中高精度、大负载及小尺寸升降机构的空缺，并且应用于例如光刻机领域中，也可相应提升其光刻效果。
附图说明
图1是本发明实施例一中升降机构的整体结构图；
图2是本发明实施例一中传动机构的结构示意图；
图3和图4是本发明实施例一中升降机构的剖视图；
图5和图6为本发明实施例一中下侧箱体的示意图；
图7和图8是本发明实施例二中升降机构的剖视图；
图9是本发明实施例二中下侧箱体加强前后的结构对比示意图；
图10和图11为本发明实施例二中下侧箱体改进后的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的升降机构作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常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。
实施例一
首先，图1本发明实施例一中升降机构的整体结构图，图2是本发明实施例一中传动机构的结构示意图，图3和图4是本发明实施例一中升降机构的剖视图，以下参考图1至图4所示，本实施例中提供了一种升降机构，所述升降机构包括箱体4、蜗杆1、蜗轮2和丝杆3；所述蜗杆1和所述蜗轮2设置在所述箱体4内，所述蜗杆1与所述蜗轮2的外螺纹配合连接，所述蜗轮2的内螺纹套设于所述丝杆3上，所述丝杆3竖直设置并从所述箱体4延伸出；在所述蜗杆1转动时驱使所述蜗轮2转动，并通过所述蜗轮2转动带动所述丝杆3在竖直方向升降运动。
以下参考图2所示，以说明本发明中传动机构的传动过程。蜗杆1水平设置并与蜗轮2的外齿轮配合连接；丝杆3竖直设置；所述蜗轮2的内圈设置有蜗轮内螺纹并套设于所述丝杆3上。由此可见，当转动蜗杆1时，由于与蜗轮2的外螺纹相连接，蜗杆1沿其中心轴的轴向转动转化为了蜗轮2沿其中心轴的轴向转动，又由于蜗轮2通过蜗轮内螺纹与丝杆3连接，进而蜗轮2的转动转化为了丝杆3竖直方向的升降运动，进而若将负载置于丝杆3的顶部，即可通过丝杆3实现负载的升降。并且，由于蜗轮、蜗杆和丝杆具备较小的尺寸和体积，因此由其所构成的升降机构相应的具备较小的体积。例如，其整体体积可小于160mm(长)×120mm(宽)×40mm(高)。
本实施例中，所述箱体4包括上侧箱体401和下侧箱体402，所述上侧箱体401和所述下侧箱体402分别从所述蜗轮2的上方和下方包覆所述蜗轮2。具体的，所述上侧箱体401还具有上盖部分，所述上盖部分包覆部分丝杆3，以为后续形成防转限位机构提供充足的空间；进一步的，图5和图6为本发明实施例一中下侧箱体的示意图，参考图5和图6所示，所述下侧箱体包括第一部分和与所述第一部分连接的第二部分，所述第一部分用于从所述蜗杆下方包覆所述蜗杆，所述第二部分用于从所述蜗轮下方包覆所述蜗轮。具体的，所述第一部分和所述第二部分的形貌可以分别和所述蜗杆和所述蜗轮相契合。例如，第一部分为弧形槽结构，所述第二部分具有一盘状支撑件和辅助支撑件，所述弧形槽的侧壁和所述盘状支撑件在水平方向上相互连接，所述辅助支撑件设置在所述盘状支撑件的下方，并使所述辅助支撑件的底部和所述第一部分的所述弧形槽的底部在同一水平面上。
作为优选的方案，在所述丝杆3的侧壁上设置有防转限位槽301，在所述箱体4上设置有与所述防转限位槽301位置对应的插孔，所述升降机构还包括一滑块5，所述滑块5插入所述插孔并卡设在所述防转限位槽301中，所述丝杆3上的所述防转限位槽301、所述箱体4上的所述插孔和所述滑块5构成了所述丝杆3的防转限位机构。
参考图2所示，本实施例中，设置有1个所述防转限位机构。不难理解的是，所述蜗轮2的内螺纹与所述丝杆3之间存在摩擦力，故若不采用所述防转限位机构，则当所述蜗轮2转动时，由于丝杆3径向没有与其他部件固定连接，其会因摩擦力作用而随着蜗轮2一起转动，进而使得蜗杆和蜗轮机构输出的转动无法完全转化为丝杆3的升降运动，导致整个传动机构的传动效率低下，同时也导致丝杆3的升降位移量难以控制，极大的削弱了传动机构的调节精度。由此可见，采用本实施例中所示的防转限位机构，使得所述丝杆3径向相对于箱体固定，不会产生不必要的转动，因此具有更高的传动效率与垂向调节精度。
进一步的，所述蜗轮和所述蜗杆的传动比范围例如为1:40～1:120，以及，所述蜗轮的内螺纹的螺距优选小于2mm。由于所述蜗轮2和所述蜗杆1具有较大的传动比，从而能够在大角度的转动蜗杆1下，实现蜗轮2转动的角度更为精确。以及，所述丝杆3的螺纹与所述蜗轮2的内螺纹的螺距较小，例如为小于2mm，相应地能够更为精确地控制所述丝杆3的升降尺寸。
以一具体的实施例说明，当所述蜗轮2和所述蜗杆3的传动比为1:80，当所述丝杆3的螺纹与所述蜗轮2的内螺纹的螺距为1mm，则所述蜗杆1转动一圈时，所述蜗轮2对应旋转1/80圈，进而所述丝杆3相对于所述蜗轮2也旋转了1/80圈，上升的高度则为1/80的螺距，即12.5μm，进而实现了更大精度的丝杆升降尺寸的调整。
此外，在实际操作时，可进一步使蜗杆1的转动角度控制到很小，例如蜗杆1可仅转动1°，则此时丝杆3相应的仅会产生34.7nm的升降，由此可见，本实施例中所提供的升降机构具有较高的垂向调节精度。
应当说明的是，根据具体的需要，本领域技术人员也可相应调整所述蜗轮2和蜗杆1的传动比以及所述丝杆3的螺距，进而所述的垂直调节精度也会相应的发生改变，故本实施例中所述的垂直调节精度仅是一种参考，而并非限制本发明所能实现的垂直调节精度范围。
作为优选的方案，所述升降机构还包括多个蜗轮轴承6，多个所述蜗轮轴承6设置在所述箱体4内，并沿着竖直方向分别设置在所述蜗轮2的上方和下方，位于所述蜗轮2下方的所述蜗轮轴承支撑所述蜗轮2。所述蜗轮轴承6抵推所述蜗轮2，以使所述蜗轮2和所述箱体4之间的保持预定间隙。
具体的，本实施例中，在所述蜗轮2的上方和下方各设置有一蜗轮轴承6，通过所述蜗轮轴承6的设置，使得所述蜗轮2与所述箱体4之间保持预定间隙，从而避免了传动过程中，蜗轮2与箱体4发生摩擦而导致传动效率降低，并会降低升降机构的调节精度的问题。同时，所述蜗轮轴承6从所述蜗轮2的上方和下方抵推所述蜗轮2，使得所述蜗轮2相对箱体4的位置得以固定，而其中，位于蜗轮2下方的蜗轮轴承则会承受更大的压力，起到了支撑蜗轮2的作用。
作为优选的方案，所述蜗轮轴承为交叉滚子轴承。
本实施例中，可以理解的是，由于所述蜗轮2下方的蜗轮轴承起到了支撑蜗轮2的作用，故在施加负载的条件下，所述负载的压力也会传递至所述蜗轮轴承6上，故为了更好的适应蜗轮2的工作状况，择优选取了具有较强承载能力与较高旋转精度的轴承，即交叉滚子轴承，并且交叉滚子轴承的厚度尺寸能够控制得比其他轴承更小，进一步节省了安装空间，缩小了所述升降机构的高度。
作为优选的方案，所述升降机构还包括多个蜗杆轴承7，多个所述蜗杆轴承7设置在所述箱体4内，并沿着所述蜗杆1的长度方向套设在所述蜗杆1上，以径向限位所述蜗杆1。所述蜗杆轴承7为向心球轴承。
本实施例中，参考图3所示，所述蜗杆轴承7设置在所述箱体4内，并沿着所述蜗杆1的长度方向套设在所述蜗杆1上，以限位所述蜗杆1。所述蜗杆轴承7同样起到了支撑所述蜗杆1，以防止出现所述蜗杆1与箱体4摩擦而导致传动效率降低、调节精度降低的问题。考虑到所述蜗杆1的工作状况，择优选取了承载能力较弱，但转速更高、噪音更低的向心球轴承。
以及，本实施例中还采用了其它部件以增加整个升降机构的可靠性，例如在上侧箱体401顶部设置有无油轴套8，用以提升丝杆3的轴向导向精度；在所述上侧箱体401的内侧与所述下侧箱体402的内侧上均设置有密封圈槽，用以放置密封圈；在所述蜗轮2与蜗轮轴承6的叠层结构上下两侧分别设置有蜗轮盖9，并在所述蜗轮盖上设置有密封圈槽，用以放置密封圈；在所述蜗杆1两端的所述蜗杆轴承7的外侧设置有密封垫片10，并通过螺母11进行限位固定，所述蜗杆1两端还设置有正六边形蜗杆调节装置12，以便于借助该正六边形蜗杆调节装置12实现蜗杆1的精确转动，进而便于调节丝杆3的升降高度。
此外，发明人对所述升降机构中的蜗轮和蜗杆的组合、丝杆及丝杆螺纹进行了强度校核，结果表明，所述升降机构能够在不超出各部件的许用应力下，实现1.5t负载的升降。
综上所述，本实施例中所提供的一种升降机构，结构简单可靠性高，即能够在保证各个传动部件的受力不超出其许用应力的前提下，在有限的空间范围内(例如160mm×120mm×40mm的空间)，实现1.5t的大负载与高精度的升降运动。
实施例二
本实施例中，在实施例一中所提供的一种升降机构的基础上，进行了结构上的改进以使其能够更好的适应实际使用情况。
图7和图8是本发明实施例二中升降机构的剖视图，以下参考图2、图7和图8所示。作为实施例一的改进方案，在所述升降机构上设置有2个所述防转限位机构13，且2个所述防转限位机构13关于所述丝杆的中心轴对称设置。
具体的，防转限位机构13由防转限位槽、插孔和滑块组成，即相当于在所述丝杆的两侧对称地分别设置有一防转限位槽，在两个所述防转限位槽对应的上侧箱体位置处也分别形成有一插孔，进行防转限位时，在两个插孔中分别插入一滑块并卡设于所述防转限位槽中。由于在进行防转限位时，滑块与所述丝杆实际是一种键连接，故滑块会承受较大的力矩，容易导致滑块不满足强度要求，故本实施例中采用了强度更高的双键方式，同时也增强了防转限位的效果。
作为实施例一的另一个改进方案，在所述上侧箱体401和所述下侧箱体402的对应位置上均设置有圆锥销孔15，将一圆锥销15插入所述圆锥销孔中，以使所述上侧箱体401和所述下侧箱体402对准固定。将所述箱体划分为2个部分，既便于加工与组装，也便于区分各个部件能够实现的功能。
具体的，参考图8所示，由于所述箱体4由所述上侧箱体401和所述下侧箱体402构成，且上下两部分有不同方向同轴度公差要求，即例如对上下两部分的圆形区域的同轴度有要求，故在进行加工时，应当一次完成，以保证加工及后续装配时的同轴度与一致性。因此，本实施例中在所述上侧箱体401和下侧箱体402对应位置上设置有圆锥销孔，进行加工装配时，通过插入圆锥销以实现上下侧箱体的对准及固定，进而提高了加工精度且降低了加工难度。
以及，本实施例中，参考图7所示，在分析了蜗轮2处的蜗轮轴承6的结构后，发现可以通过将所述蜗轮轴承6的轴承固定模块14移除，进而能够进一步缩减所述升降机构的垂向尺寸。
作为优选的方案，本实施例中，对所述下侧箱体402的结构进行了加强，图9是本发明实施例二中下侧箱体加强前后的结构对比示意图，图10和图11为本发明实施例二中下侧箱体改进后的示意图，以下参考图9至图11所示，下侧箱体402的第一部分和第二部分相互连接，所述第二部分的所述辅助支撑件还进一步延伸设置在所述第一部分和第二部分的连接处，并与所述第一部分连接，以使第一部分和第二部分的连接处具备较大的厚度尺寸(即，第一部分和和第二部分的连接处的厚度尺寸为第一部分的盘状支撑件和辅助支撑件的总厚度)，从而使升降机构中的下侧箱体402能够承受较大的压力，具备较高的安全系数。
基于上述的升降机构，本实施例中还提供了一种升降台装置，包括：
上述的升降机构，
工作平台，设置在所述升降机构中的所述丝杆的上方并与所述丝杆的顶端连接，通过所述丝杆的升降实现所述工作平台的升降。
本实施例中还提供了一种基于上述升降台装置的光刻机，具体的，将所述升降台装置应用于光刻机的工件台系统中，进而所述工件台系统能够实现更高精度与更大负载的作业，进而，采用所述光刻机的光刻方法，也能够具有更高的精度，提高了光刻的质量与效率。
综上所述，本发明提供了一种升降机构，结构简单可靠，能够在有限的空间内同时实现高精度和大负载的垂向升降调节。以及，本发明还进一步的采用了防转限位机构，使得整个传动机构具有更高的效率及可靠性。本发明所提供的一种升降机构，弥补了现有技术中高精度、大负载及小尺寸升降机构的空缺，并且应用于例如光刻机领域中，也可相应提升其光刻效果。
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，倘若本发明的这些改动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动在内。

Claims (17)

1.一种升降机构，其特征在于，所述升降机构包括箱体、蜗杆、蜗轮和丝杆；所述蜗杆和所述蜗轮设置在所述箱体内，所述蜗杆与所述蜗轮的外螺纹配合连接，所述蜗轮的内螺纹套设于所述丝杆上，所述丝杆竖直设置并从所述箱体延伸出；在所述蜗杆转动时驱使所述蜗轮转动，并通过所述蜗轮转动带动所述丝杆在竖直方向升降运动。
2.根据权利要求1所述的升降机构，其特征在于，在所述丝杆的侧壁上设置有防转限位槽，在所述箱体上设置有与所述防转限位槽位置对应的插孔，所述升降机构还包括滑块，所述滑块插入所述插孔并卡设在所述防转限位槽中，所述丝杆上的所述防转限位槽、所述箱体上的所述插孔和所述滑块构成了所述丝杆的防转限位机构。
3.根据权利要求2所述的升降机构，其特征在于，所述防转限位机构为一个。
4.根据权利要求2所述的升降机构，其特征在于，所述防转限位机构为两个。
5.根据权利要求4所述的升降机构，其特征在于，两个所述防转限位机构关于所述丝杆的中心轴对称设置。
6.根据权利要求1所述的升降机构，其特征在于，所述蜗轮和所述蜗杆的传动比范围为1:40～1:120。
7.根据权利要求1所述的升降机构，其特征在于，所述蜗轮的内螺纹的螺距小于2mm。
8.根据权利要求1所述的升降机构，其特征在于，所述升降机构还包括多个蜗轮轴承，多个所述蜗轮轴承设置在所述箱体内，并沿着竖直方向分别设置在所述蜗轮的上方和下方，位于所述蜗轮下方的所述蜗轮轴承支撑所述蜗轮。
9.根据权利要求8所述的升降机构，其特征在于，所述蜗轮轴承抵推所述蜗轮，以使所述蜗轮和所述箱体之间的保持预定间隙。
10.根据权利要求8所述的升降机构，其特征在于，所述蜗轮轴承为交叉滚子轴承。
11.根据权利要求1所述的升降机构，其特征在于，所述升降机构还包括多个蜗杆轴承，多个所述蜗杆轴承设置在所述箱体内，并沿着所述蜗杆的长度方向套设在所述蜗杆上，以径向限位所述蜗杆。
12.根据权利要求11所述的升降机构，其特征在于，所述蜗杆轴承为向心球轴承。
13.根据权利要求1所述的升降机构，其特征在于，所述箱体包括上侧箱体和下侧箱体，所述上侧箱体和所述下侧箱体分别从所述蜗轮的上方和下方包覆所述蜗轮，其中，在所述上侧箱体和所述下侧箱体的对应位置上均设置有圆锥销孔，将一圆锥销插入所述圆锥销孔中，以使所述上侧箱体和所述下侧箱体对准固定。
14.根据权利要求13所述的升降机构，其特征在于，所述下侧箱体包括：
第一部分，弧形槽结构，用于从所述蜗杆下方包覆所述蜗杆；
第二部分，具有一盘状支撑件和辅助支撑件，用于从所述蜗轮下方包覆所述蜗轮；其中，
所述盘状支撑件和所述弧形槽的侧壁在水平方向上相互连接，所述辅助支撑件设置在所述盘状支撑件的下方，所述辅助支撑件的底部和所述第一部分的所述弧形槽的底部在同一水平面上；
所述辅助支撑件延伸设置在所述第一部分和第二部分的连接处，并与所述第一部分连接，以增加第一部分和第二部分的连接处的厚度尺寸。
15.一种升降台装置，其特征在于，包括：
如权利要求1-14中任一项所述的升降机构，
工作平台，设置在所述升降机构中的所述丝杆的上方并与所述丝杆的顶端连接，通过所述丝杆的升降实现所述工作平台的升降。
16.一种光刻机，其特征在于，采用如权利要求15所述的一种升降台装置。
17.一种光刻方法，其特征在于，采用如权利要求16所述的一种光刻机。
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