CN110513394A - 一种真空气浮轴承及其性能检测装置和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种真空气浮轴承、及其性能检测装置和检测方法，该气浮轴承包括至少一级抽气通道，采用本发明的多级抽气结构的真空气浮轴承，可以把提供给平面气浮轴承的气体抽排出真空腔体，将平面气浮轴承对真空度的影响减小到可接受的范围。该检测装置包括真空室；分别与真空室连接的多级抽气管路、抽真空管路、进气管路、氮气管路，真空室还连接一真空室真空计，该性能检测装置能够准确的评估该真空气浮轴承是否符合实际真空环境的使用需求，还可判断该真空气浮轴承工作时对真空环境的影响，此外还可以通过测试过程和测试结果指导真空气浮轴承的抽气系统的设计。
Description
技术领域
本发明涉及精密设备性能检测领域，具体而言，涉及一种用于真空环境中的差分抽气式气浮轴承、及其性能检测装置和检测方法。
背景技术
在光刻机设备中，工件台负责承载晶圆运动进行曝光。为了获得极高的运动精度和定位精度，尤其是在极紫外光刻机中，工件台的运动精度要求达到1nm左右，所以工件台以及与之相关联的底部框架等结构对机械振动的要求相当严格，因此在一些会发生相对运动的工件之间常常采用气浮轴承作为运动部件的支撑元件。气浮轴承使用压缩气体作为润滑剂，可以极大限度的降低摩擦系数，从而有效的降低因工件之间相互摩擦产生的机械振动，并能确保工件相对运动的高精度、高速度和高热稳定性。气浮轴承工作时需要外界提供源源不断的压缩气体，在轴承面和工件滑动面之间形成一定厚度的具有一定刚度的气膜，将轴承与工件隔离以达到润滑的效果。
在极紫外光刻机中，工件台、掩模台等运动部件都是集成在真空腔室内的，这种情况下如果使用普通的气浮轴承，这些气体最后将从气浮轴承的边沿扩散到周围环境，将会破坏真空环境，影响光刻机正常工作，因此需要采用特殊设计的的真空气浮轴承。
另外，真空气浮轴承对真空环境真空度的影响，即真空性能，是衡量其好坏的重要标准之一。设计合理的真空气浮轴承应该对真空腔室的真空抽取速度、极限真空等没有影响或者影响很小。目前尚无专门的测试设备和测试方法用来检测真空气浮轴承的真空性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明的第一方面，提供一种真空气浮轴承，该气浮轴承包括：进气口，压缩气体从进气口进入气浮轴承内部，在轴承气浮面与工件滑动面之间形成一定厚度的压力气膜；至少一级抽气通道，该抽气通道沿轴承气浮面的外部呈周向环绕向外设置。
本发明的第二个方面，提供一种真空气浮轴承的性能检测装置，该检测装置包括真空室；分别与真空室连接的多级抽气管路，每一级抽气管路对应连接真空气浮轴承的每一级抽气通道，每级抽气管路包括顺次连接的抽气真空计、抽气真空阀、抽气分子泵、抽气机械泵；与真空室连接的抽真空管路，抽真空管路包括顺次连接的抽真空真空阀、抽真空分子泵、抽真空机械泵；与真空室连接的进气管路，进气管路包括顺次连接的进气真空阀、气体压力控制、压缩气体容器；与真空室连接的氮气管路，氮气管路包括与真空室依次相连的氮气真空阀和氮气容器；真空室还连接一真空室真空计。
本发明的第三个方面，提供一种真空气浮轴承的性能检测方法，该方法包括以下步骤：
S1：关闭所有真空阀门；
S2：开启抽真空管路，对真空室抽真空；
S3：真空室真空计监测真空室的真空度，并且记录真空计202读数随时间的变化，得到真空室本底真空度变化曲线；
S4：当真空室真空计示数稳定后，关闭真空管路，停止对真空室抽真空；
S5：打开氮气管路，向真空室通入氮气至真空度为大气压；
S6：关闭氮气管路；
S7：把真空气浮轴承安装在真空室内的固定装置上，将气浮轴承的进气口与进气管路相连，将气浮轴承的各级抽气通道与各级抽气管路相连；
S8：开启抽真空管路，对真空室抽真空，并用真空室真空计监测并记录真空度，从而获得包括真空气浮轴承和抽气管路的释气在内的真空度变化曲线；
S9：关闭真空管路，停止对真空室抽真空；
S10：打开氮气管路，向真空室通入氮气至真空度为大气压；
S11：关闭氮气管路；
S12：依次打开抽真空机械泵、各级抽气机械泵和抽真空真空阀、各级抽气真空阀；
S13：待真空室真空计检测的真空度稳定后打开进气管路向真空气浮轴承供气至所需气压；
S14：打开各级抽气真空计，观察各级抽气真空计和真空室真空计：
如果所有真空计示数都高于各级分子泵启动气压，则终止测试，关闭所有真空计、真空阀门、机械泵；
如果所有或部分真空计示数低于分子泵启动气压，继续以下操作：
S15：开启真空度低于分子泵启动气压的级次所对应的分子泵进行高真空抽取，并记录真空室真空计示数的变化。
S16：待真空室真空计的示数稳定后，关闭进气管路停止向真空气浮轴承供气。
S17：关闭所有真空阀门。
S18：关闭所有分子泵和机械泵。
第S16步所得到的真空度即为该真空气浮轴承工作时的极限真空度，根据该值即可评估该真空气浮轴承是否适用，如果将该值与第S4和S8步所测本底真空进行比较即可判断该真空气浮轴承工作时对真空室的影响。
本发明的有益之处包括：
采用本发明的多级抽气结构的真空气浮轴承，可以把提供给平面气浮轴承的气体抽排出真空腔体，将平面气浮轴承对真空度的影响减小到可接受的范围。同时，它的抽气气路很简单，安装方便且不占据过多的空间，具有抽真空效率高，装置简单，操作步骤简洁等优点，极大的减少了气体扩散到真空室内，保证光刻机的正常工作环境。
另外，本发明采用的真空气浮轴承的性能检测装置和检测方法，能够准确的检测真空室内的真空度，装置结构简单，且使用方便，可评估该真空气浮轴承是否适用实际真空环境的使用需求，还可判断该真空气浮轴承工作时对真空环境的影响；此外还可以通过测试过程和测试结果指导真空气浮轴承的抽气系统的设计。
附图说明
图1为真空气浮轴承示意图及其沿A-A方向的剖面视图；
图2为真空气浮轴承测试装置原理图。
图3为真空气浮轴承测试流程图。
附图标记说明：
101-真空气浮轴承；102-进气口；103-第一级抽气孔；104-第二级抽气孔；105-第三级抽气孔；110-第一级抽气通道；111-第二级抽气通道； 112-第三级抽气通道；109-轴承气浮面；108-第一级抽气通道侧壁；107- 第二级抽气通道侧壁；106-第三级抽气通道侧壁；201-真空室；202-真空室真空计；203-抽真空机械泵；204-抽真空分子泵；205-抽真空真空阀； 206-第一抽气真空计；207-第一抽气真空阀；208-第一抽气分子泵；209- 第一抽气机械泵；210-第二抽气真空阀；211-第二抽气分子泵；212-第二抽气机械泵；213-第二抽气真空计；214-抽气第三机械泵；215-第三抽气分子泵；216-第三抽气真空阀；217-第三抽气真空计；218-进气真空阀； 219-气体压力控制器；220-压缩气体容器；221-质谱仪；222-质谱仪真空阀；223-氮气真空阀；224-氮气容器
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参见附图1,具有三级抽气通道的真空气浮轴承示意图及其剖面视图，气浮轴承101包括进气口102，工作时需要外界提供源源不断的压缩气体，清洁的压缩气体从进气口102进入平面气浮轴承101内部，然后从至少一个节流孔(图中未示出)排出，在轴承气浮面109与工件滑动面之间形成一定厚度的压力气膜，压力气膜具有一定的刚度，支撑起工件，将轴承与工件隔离以达到润滑的效果。
进气口102优选设置在气浮轴承101中心位置。
压力气膜在轴承气浮面109向四周扩散，气浮轴承101的气浮面109的外部沿周向环绕向外设置至少一级抽气通道，例如设置三级抽气通道，包括第一级抽气通道110、第二级抽气通道111、第三级抽气通道112，将进入气浮轴承气浮面109和工件滑动面之间间隙的气体从这些抽气通道110、111、 112抽排出真空腔室。
抽气通道110、111、112优选采取抽气沟槽的型式，各级抽气沟槽的槽深可以相等，也可以不相等。
气浮轴承101的形状可以为正方形、长方形、圆形、三角形等多种形状。
抽气通道110、111、112也可为圆环状、三角形或矩形等型式，且优选各级抽气通道同心且等间隔或不等间隔排布。
真空气浮轴承101的抽气通道110、111、112由侧壁107、108、106分隔开，侧壁107、108、106的上表面优选与气浮轴承101的轴承面共面。
每一级抽气通道110、111、112都有独立的抽气孔，优选分别设置至少一个抽气孔103、104、105，抽气孔103、104、105通过管路与真空室外的真空泵相连，将气体从这些抽气通道110、111、112分级次抽排出真空腔室，使其不能扩散到真空腔室中。
抽气孔103、104、105优选沿气浮轴承101的轴线方向设置在抽气通道 110、111、112的下部，抽气孔103、104、105的直径小于或者等于抽气通道110、111、112的宽度。
每级抽气通道可设置多个抽气孔，多个抽气孔可沿抽气通道的周向等间隔或不等间隔排布。
工作时，由于轴承面109与工件滑动面之间存在气膜间隙，压力气膜在轴承面向四周扩散，一部分气体进入一级排气槽，通过一级排气口由真空泵抽排出；一部分气体进入二级排气槽，通过二级抽气孔由真空泵抽排出；一部分气体进入三级排气槽，通过三级抽气孔由真空泵抽排出；最后一部分则扩散到真空腔室内。根据实际需要，可以增加或减少抽排级次，使得最终进入真空腔室的气流量能降低到可接受的范围。
参见附图2，为具有三级抽气系统的真空气浮轴承性能检测装置的示意图。该检测装置包括真空室201，还包括分别与真空室201连接的三级抽气管路、抽真空管路、进气管路、氮气管路。
一级抽气管路包括与真空室201依次相连的第一抽气真空阀207、第一抽气分子泵208、第一抽气机械泵209；二级抽气管路包括与真空室201依次相连的第二抽气真空阀210、第二抽气分子泵211、第二抽气机械泵212；三级抽气管路包括与真空室201依次相连的第三抽气真空阀216、第三抽气分子泵215、第三抽气机械泵214。第一抽气真空计217、第二抽气真空计213、第三抽气真空计206分别设置在一级抽气管路、二级抽气管路、三级抽气管路上。
抽真空管路包括与真空室201依次相连的抽真空真空阀205、抽真空分子泵204、抽真空机械泵203。
进气管路包括与真空室201依次相连的进气真空阀218、气体压力控制器 219、压缩气体容器220。
氮气管路包括与真空室201依次相连的氮气真空阀223和氮气容器224。除了氮气，还可以是其他任何气体，但是以氮气最佳，成本低，并且对真空的再次抽取最有利。
真空室201还连接一真空室真空计202。
如果真空气浮轴承101还有更多级次的抽气通道，就需要检测装置设置更多级次的抽气管路，其抽气管路的设计和连接与前三级抽气通道相同。
上述气浮轴承的性能检测可采用下述流程或步骤：
S1：关闭所有真空阀门；
S2：依次打开抽真空机械泵203、抽真空真空阀205、抽真空分子泵204，对真空室201抽真空；
S3：打开真空室真空计202监测真空室201的真空度，并且记录真空计202 读数随时间的变化，得到真空室201本底真空度变化曲线；
S4：当真空室真空计202示数稳定后(即达到真空室201的极限真空度)，依次关闭抽真空真空阀205、抽真空分子泵204、抽真空机械泵203；
如果S4所得到的真空腔室的极限真空度大于真空系统工作的真空度，说明该测试系统不满足测试条件，则终止实验。如果小于真空系统工作的真空度，则继续以下操作：
S5：打开氮气真空阀223，向真空腔室201通入氮气至真空度为大气压；
S6：关闭氮气真空阀223；
S7：把真空气浮轴承101安装在真空室201内的固定装置上，将气浮轴承 101的进气口102与进气管路相连，将气浮轴承101的各级抽气通道与各级抽气管路相连；
S8：依次开启抽真空机械泵203、抽真空真空阀205、抽真空分子泵204，对真空室201进行抽真空，并用真空室真空计202监测并记录真空度，从而获得包括真空气浮轴承101和抽气管路的释气在内的真空度变化曲线；
S9：依次关闭抽真空真空阀205、抽真空分子泵204、抽真空机械泵203；
如果S8所得到的真空腔室的极限真空度大于真空系统工作的真空度，说明该测试系统不满足测试条件，则终止实验。如果小于真空系统工作的真空度，则继续以下操作：
S10：打开氮气真空阀223，向真空腔室201通入氮气至真空度为大气压；
S11：关闭氮气真空阀223；
S12：依次打开抽真空机械泵203、第一、第二、第三抽气机械泵209、 212、214和抽真空真空阀205、第一、第二、第三抽气真空阀207、210、 216；
S13：待真空室真空计202检测的真空度稳定后打开进气真空阀218通过气压控制器219向真空气浮轴承101供气至所需气压；
S14：打开第一、第二、第三抽气真空计206、213、217，观察第一、第二、第三抽气真空计206、213、217和真空室真空计202，可能会出现两种情况，需区别对待：
第一种情况A所有真空计示数都高于分子泵启动气压。
出现情况A，表明所有分子泵不能正常启动，无法进行高真空的抽取，则终止测试，关闭所有真空计、真空阀门、机械泵，直接跳至步骤S19。
出现情况A，说明该真空气浮轴承在该检测装置所配置的真空泵条件下不满足高真空环境的使用需求，需要重新设计真空泵抽气系统再做测试。
第二种情况B所有或部分真空计示数低于分子泵启动气压。正常情况下，靠近气浮轴承进气口102的级次的抽气通道所连接的抽气管路的真空计示数大于远离进气口102的级次的抽气通道所连接的抽气管路的真空计示数。对于情况B，继续以下操作：
S15：开启真空度低于分子泵启动气压的级次所对应的分子泵进行高真空抽取，并记录真空室真空计202示数的变化。
S16：待真空室真空计202的示数稳定后，关闭进气真空阀218停止向真空气浮轴承101供气。
S17：关闭所有真空阀门。
S18：关闭所有分子泵和机械泵。
S19：首先关闭进气真空阀218停止供气，再关闭抽真空真空阀205、第一、第二、第三抽气真空阀207、210、216和抽真空机械泵203、第一、第二、第三抽气机械泵209、212、214。
第S16步所得到的真空度即为该真空气浮轴承工作时的极限真空度，根据该值即可评估该真空气浮轴承是否适用。如果将该值与第S4和S8步所测本底真空进行比较即可判断该真空气浮轴承工作时对真空室的影响。
在测试过程中，如果使用氦气作为气浮轴承供气气体，还可设置质谱仪管路，质谱仪管路包括与真空室201依次相连的质谱仪真空阀222和质谱仪 221，质谱仪221优选为四极杆质谱仪，可通过四极杆质谱仪或者检漏仪检测该气浮轴承101正常工作时的氦漏率。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种真空气浮轴承，该气浮轴承(101)包括进气口(102)，压缩气体从进气口(102)进入气浮轴承(101)内部，在轴承气浮面(109)与工件滑动面之间形成一定厚度的压力气膜；其特征在于：该气浮轴承(101)还包括至少一级抽气通道(110、111、112)，该至少一级抽气通道(110、111、112)沿轴承气浮面(109)的外部呈周向环绕向外设置。
2.根据权利要求1所述的真空气浮轴承，其特征在于：抽气通道(110、111、112)为抽气沟槽，各级抽气沟槽的槽深相等或不相等。
3.根据权利要求1所述的真空气浮轴承，其特征在于：气浮轴承(101)的形状为正方形、长方形、圆形或三角形。
4.根据权利要求1所述的真空气浮轴承，其特征在于：抽气通道(110、111、112)为圆环状、三角形或矩形；和/或各级抽气通道(110、111、112)同心且等间隔或不等间隔排布。
5.根据权利要求1所述的真空气浮轴承，其特征在于：真空气浮轴承(101)的各级抽气通道(110、111、112)由侧壁(107、108、106)间隔开，侧壁(107、108、106)的上表面与气浮轴承(101)的轴承气浮面(109)共面。
6.根据权利要求1所述的真空气浮轴承，其特征在于：每级抽气通道(110、111、112)都有单独的至少一个抽气孔(103、104、105)，该至少一个抽气孔(103、104、105)沿抽气通道(110、111、112)的周向等间隔或不等间隔排布。
7.根据权利要求6所述的真空气浮轴承，其特征在于：抽气孔(103、104、105)沿气浮轴承(101)的轴线方向设置在抽气通道(110、111、112)的下部，抽气孔(103、104、105)的直径小于或等于抽气通道110、111、112的宽度。
8.一种真空气浮轴承的性能检测装置，其特征在于：该检测装置包括：
真空室(201)；
分别与真空室(201)连接的多级抽气管路，每级抽气管路包括顺次连接的抽气真空计(217、213、206)、抽气真空阀(207、210、216)、抽气分子泵(208、211、215)、抽气机械泵(209、212、214)；
与真空室(201)连接的抽真空管路，抽真空管路包括顺次连接的抽真空真空阀(205)、抽真空分子泵(204)、抽真空机械泵(203)；
与真空室(201)连接的进气管路，进气管路包括顺次连接的进气真空阀(218)、气体压力控制器(219)、压缩气体容器(220)；
与真空室(201)连接的氮气管路，氮气管路包括与真空室依次相连的氮气真空阀(223)和氮气容器(224)；
与真空室(201)连接的一真空室真空计(202)。
9.根据权利要求8所述的性能检测装置，其特征在于：该性能检测装置还包括：质谱仪管路，质谱仪管路包括与真空室(201)依次相连的质谱仪真空阀(222)和质谱仪(221)。
10.一种真空气浮轴承的真空性能检测方法，采用权利要求8-9之一所述的性能检查装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：关闭所有真空阀门；
S2：开启抽真空管路，对真空室抽真空；
S3：真空室真空计监测真空室的真空度，并且记录真空计202读数随时间的变化，得到真空室本底真空度变化曲线；
S4：当真空室真空计示数稳定后，关闭真空管路，停止对真空室抽真空；
S5：打开氮气管路，向真空室通入氮气至真空度为大气压；
S6：关闭氮气管路；
S7：把真空气浮轴承安装在真空室内的固定装置上，将气浮轴承的进气口与进气管路相连，将气浮轴承的各级抽气通道与各级抽气管路相连；
S8：开启抽真空管路，对真空室抽真空，并用真空室真空计监测并记录真空度，从而获得包括真空气浮轴承和抽气管路的释气在内的真空度变化曲线；
S9：关闭真空管路，停止对真空室抽真空；
S10：打开氮气管路，向真空室通入氮气至真空度为大气压；
S11：关闭氮气管路；
S12：依次打开抽真空机械泵、各级抽气机械泵和抽真空真空阀、各级抽气真空阀；
S13：待真空室真空计检测的真空度稳定后打开进气管路向真空气浮轴承供气至所需气压；
S14：打开各级抽气真空计，观察各级抽气真空计和真空室真空计：
如果所有真空计示数都高于各级分子泵启动气压，则关闭所有真空计、真空阀门、机械泵，终止测试；
如果所有或部分真空计示数低于分子泵启动气压，继续以下操作：
S15：开启真空度低于分子泵启动气压的级次所对应的分子泵进行高真空抽取，并记录真空室真空计示数的变化；
S16：待真空室真空计的示数稳定后，关闭进气管路停止向真空气浮轴承供气；
S17：关闭所有真空阀门；
S18：关闭所有分子泵和机械泵。
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