CN113833756B - 一种基于气磁联合调平的微动台支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光刻机技术领域，公开了一种基于气磁联合调平的微动台支撑装置，包括承重板、外部框架、负压调节框架、负压调节板、磁悬浮导轨、连接结构、基座及直线编码器；外部框架设于基座上，连接结构设于外部框架上，连接结构用于支撑微动台；基座上设有与磁悬浮导轨相适配的金属导轨；直线编码器与所述磁悬浮导轨电连接。本发明使用气浮与磁悬浮结合的方式，通过控制外部框架底部负压腔体改善正压气膜各处厚度不均匀的情况，减少气膜振动误差；通过磁悬浮技术调节外部框架上板面与导轨间的悬浮间隙，在降低与导轨间运动摩擦的同时进一步微调支撑板姿态，并由编码器控制磁力线圈产生周期性变化的磁力，驱动支撑板实现高精度运动。

Description

一种基于气磁联合调平的微动台支撑装置

技术领域

本发明涉及光刻机技术领域，特别是涉及一种基于气磁联合调平的微动台支撑装置。

背景技术

随着微电子科学与大规模电路技术的不断进步与发展，微型芯片的市场需求量逐年扩大。在半导体工艺不断迭代、更新的情况下，现有芯片的最小线径尺寸取得重大突破，芯片功能逐步趋于完善化、复杂化。另一方面，芯片微型化进程的不断推进，对光刻机的加工稳定性提出更高要求，传统低端光刻机已难以满足加工需求。在芯片光刻加工工艺中，光线经过人为设计的掩模板与成像系统，在放置硅片的微动台正上方进行高速曝光，完成电子元器件线路的光刻蚀，而硅片作为芯片的基本原材料，直接决定芯片加工过程的成品率。

为保证加工过程的自动化，提高芯片加工效率，微动台需要不断进行直线运动与更换硅片等过程，其高速运动后停止于工作区的姿态直接影响硅片是否能够垂直接受曝光，进而影响成品芯片质量。在精密运动领域，常采用气浮系统产生气膜支撑核心部件，抵消部件重力影响并降低运动摩擦，实现高精密运动位姿要求，但受限于现有机械加工工艺的精度缺陷及重力分布的不均匀影响，接触面气膜的平面度往往难以达到要求，造成气膜高低不平的情况，影响支撑目标的位姿。

现有气浮式微动台支撑装置存在以下问题：支撑装置受限于接触面气膜的平面度误差，难以保证光刻机工作过程中微动台的水平精度，无法满足高端光刻机微动台的高精度姿态要求，严重限制芯片加工工艺精度的进一步提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于气磁联合调平的微动台支撑装置，以提高光刻机工件台工作过程中微动台的水平精度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于气磁联合调平的微动台支撑装置，其包括承重板、外部框架、负压调节框架、负压调节板、磁悬浮导轨、连接结构、基座及直线编码器；

所述外部框架的外侧面设有正压进气孔和负压进气孔，所述外部框架的内部设有与所述正压进气孔连通的正压气路、以及与所述负压进气孔连通的负压气路；所述外部框架的内部还设有与所述负压气路连通的负压排气腔，所述负压排气腔的下方还设有负压排气孔；所述外部框架的下端设有与所述正压气路连通的正压排气孔集群；

所述负压调节框架置于所述外部框架内并通过调平螺栓与所述外部框架相连接；所述负压调节框架的下端与所述负压调节板贴合连接；所述承重板设于所述负压调节框架的上端，所述磁悬浮导轨位于所述承重板上；

所述外部框架的底部中间位置设有负压腔体，所述负压腔体的下端开口，所述负压腔体的上端设有通槽，所述负压调节板位于所述通槽处并与所述通槽之间密封；

所述外部框架设于所述基座上，所述连接结构设于所述外部框架上，所述连接结构用于支撑微动台；所述基座上设有与所述磁悬浮导轨相适配的金属导轨；所述直线编码器与所述磁悬浮导轨电连接。

进一步的，所述磁悬浮导轨包括磁力线圈、导轨框架和磁定子块，多个所述磁定子块嵌套于所述导轨框架的侧面凹槽内，所述磁力线圈置于所述导轨框架的底部凹槽内并与所述导轨框架连接。

进一步的，所述负压调节板的边缘处设有密封圈，所述负压调节板与所述通槽之间通过所述密封圈密封。

进一步的，上述支撑装置还包括调平连接件，所述调平连接件的一端与所述外部框架连接，所述调平连接件的另一端与所述负压调节框架连接。

进一步的，所述调平连接件采用片簧制成，所述调平连接件包括与所述负压调节框架连接的薄壁部、以及与所述外部框架连接的实体部。

进一步的，所述外部框架为采用铝合金材料制成的方形结构。

进一步的，所述正压排气孔集群的数量为4个，分别置于所述外部框架的四个角处。

进一步的，所述正压排气孔集群采用疏松多孔质气浮材料制成。

进一步的，所述负压排气腔为长条形，两个所述负压排气腔分布于所述外部框架上表面相对的两边的中部位置，所述负压排气腔与磁悬浮导轨平行设置，各所述负压排气腔的下端均设有3－6个所述负压排气孔。

进一步的，所述通槽为与所述负压排气腔形状相吻合的长条形。

上述技术方案所提供的一种基于气磁联合调平的微动台支撑装置，与现有技术相比，其有益效果在于：通过正压排气孔集群输出的正压气体形成的气膜使外部框架悬浮，通过设置负压腔体为外部框架与基座之间提供一吸附力，在外部框架产生水平姿态误差时，通过微调调平螺栓能够调节负压调节框架的水平姿态，进而调节与负压调节框架贴合的负压调节板的水平姿态，调节负压调节板的水平姿态会改变负压气膜的分布情况并与正压气膜形成补充，进而调整气膜厚度达到调节气浮模块水平姿态的目的；通过磁悬浮导轨能够提供金属导轨与外部框架间的磁间隙，并利用直线编码器提供动力源，实现低摩擦、高精度运动；通过负压调节板调平的方式实现负压腔体的微调，同时可调节导轨与板面间的磁间隙，实现微动台工作姿态的动态优化调整，从而提高微动台被支撑时的水平姿态精度。

附图说明

图1是本发明实施例的微动台支撑装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的外部框架、负压调节框架及磁悬浮导轨的组装示意图；

图3是本发明实施例的外部框架在负压气路处的剖视图；

图4是本发明实施例的外部框架在正压气路处的剖视图；

图5是本发明实施例的磁悬浮导轨的结构示意图；

图6是图2的仰视图。

其中，1－承重板，2－外部框架，21－正压进气孔，22－负压进气孔，23－正压气路，24－负压气路，25－正压排气孔集群，26－负压排气腔，27－负压排气孔，3－负压调节框架，31－调平螺栓，32－螺母，4－负压调节板，5－密封圈，6－磁悬浮导轨，61－磁力线圈，62－导轨框架，63－磁定子块，7－连接结构，8－基座，9－调平连接件，10－直线编码器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图6所示，本发明实施例所提供的是一种基于气磁联合调平的微动台支撑装置，包括承重板1、外部框架2、负压调节框架3、负压调节板4、磁悬浮导轨6、连接结构7、基座8及直线编码器10；

外部框架2的外侧面设有正压进气孔21和负压进气孔22，外部框架2的内部设有与正压进气孔21连通的正压气路23、以及与负压进气孔22连通的负压气路24；外部框架2的内部还设有与负压气路24连通的负压排气腔26，负压排气腔26的下方还设有负压排气孔27；外部框架2的下端设有与正压气路23连通的正压排气孔集群25；

负压调节框架3置于所述外部框架2内并通过调平螺栓31与外部框架2相连接；负压调节框架3的下端与所述负压调节板4贴合连接；承重板1设于所述负压调节框架3的上端，磁悬浮导轨6位于所述承重板1上；

外部框架2的底部中间位置设有负压腔体，负压腔体的下端开口，负压腔体的上端设有通槽，负压调节板4位于所述通槽处并与通槽之间密封；

外部框架2设于所述基座8上，连接结构7设于所述外部框架2上，连接结构7用于支撑微动台；基座8上设有与所述磁悬浮导轨6相适配的金属导轨；直线编码器10与所述磁悬浮导轨6电连接，直线编码器10为磁悬浮运动控制模块，主要用于调节磁定子块63的极性，实现支撑板的磁力驱动，常见于普通电路所使用的编码器。

基于上述方案，通过正压排气孔集群25输出的正压气体形成的气膜使外部框架2悬浮，通过设置负压腔体为外部框架2与基座8之间提供一吸附力，在外部框架2产生水平姿态误差时，通过微调调平螺栓31能够调节负压调节框架3的水平姿态，进而调节与负压调节框架3贴合的负压调节板4的水平姿态，调节负压调节板4的水平姿态会改变负压气膜的分布情况并与正压气膜形成补充，进而调整气膜厚度达到调节气浮模块水平姿态的目的；通过磁悬浮导轨6能够提供金属导轨与外部框架2间的磁间隙，并利用直线编码器10提供动力源，实现低摩擦、高精度运动；通过负压调节板4调平的方式实现负压腔体的微调，同时可调节导轨与板面间的磁间隙，实现微动台工作姿态的动态优化调整，从而提高微动台被支撑时的水平姿态精度。

具体的，本实施例中，如图1至图6所示，正压排气孔集群25位于外部框架2下表面四角处，占据较大面积，用于产生与重力方向相反的气浮推力。负压排气孔27位于外部框架2下表面两边的中部位置，占据较小的线性面积，用于产生与气浮推力方向相反的负压吸附力，防止支撑板悬浮过高造成失稳。同时，磁悬浮导轨6放置于支撑板上表面，工作状态下可磁化位于基座8上的金属导轨，产生磁吸附力，并与气浮系统构成平衡状态，使得支撑板悬浮于金属导轨与基座8上表面，摩擦力处于最低值。

在本实施例中，如图5所示，磁悬浮导轨6包括磁力线圈61、导轨框架62和磁定子块63，多个磁定子块63嵌套于导轨框架62的侧面凹槽内，磁力线圈61置于导轨框架62的底部凹槽内并与导轨框架62连接。具体的，磁悬浮导轨6为磁悬浮模块，主要用于实现悬浮与磁力驱动两种功能。

如图6所示，在本实施例中，负压调节板4的边缘处设有密封圈5，负压调节板4与通槽之间通过所述密封圈5密封。密封圈5为本发明的负压腔体密封结构，主要功能为实现负压调节板4与外部框架2侧面之间负压腔体的密封，防止气体泄漏至外部框架2内部。

进一步的，如图1至图6所示，本实施例的支撑装置还包括调平连接件9，调平连接件9的一端与外部框架2连接，调平连接件9的另一端与负压调节框架3连接。调平连接件9为连接元件，用于外部框架2与负压调节框架3的连接及初步调平。

具体的，调平连接件9采用片簧制成，调平连接件9包括与负压调节框架3连接的薄壁部、以及与外部框架2连接的实体部。

可选的，外部框架2为采用铝合金材料制成的方形结构。铝合金材料质量轻，便与加工。

其中，正压排气孔集群25采用疏松多孔质气浮材料制成。具体的，正压排气孔集群25包括多个排气孔，类似蜂窝状，使得排气更加均匀。

在本实施例中，如图2所示，负压排气腔26为长条形，两个负压排气腔26分布于外部框架2上表面相对的两边的中部位置，负压排气腔26与磁悬浮导轨6平行设置，各负压排气腔26的下端均设有3－6个负压排气孔27，具体为5个。

在本实施例中，如图1至图6所示，通槽为与负压排气腔26形状相吻合的长条形；承重板1形状为方形薄板，材料为铝合金，板上矩形状分布螺纹孔，数量为8个；外部框架2中部设有长条形通槽，正压进气孔21分布于板侧面上部，数量为1个，负压进气孔22分布于板侧面下部，数量为4个；负压调节框架3采用方形金属框架结构，中间设有大型矩形通槽4个，中型矩形通槽4个，小型矩阵通槽4个，均为对称分布，用于结构减重；方形四对角处设有螺纹孔，用于安装调平螺栓31和螺母32，数量为4个；负压调节板4采用矩形硬质塑料薄板结构制成；密封圈5采用橡胶材料，与负压调节板4侧面紧密贴合，为镂空矩形结构。

另外，上述磁定子块63由小型通电线圈构成，数量为9个，按照一定的距离间隔放置于导轨侧面，磁力线圈61分内外两层放置于导轨底部，用于提供向上的磁推力。

上述负压调节板4的位置高于外部框架2下表面位置，负压调节板4下端到外部框架2下表面为负压腔体区域；调平连接件9数量为3个，以三角状分布于负压调节框架3上表面位置，与承重板1处于同水平面位置。

本实施例的负压腔体的密封方法：本发明实施例中线性负压排气孔27与负压调节板4的位置均高于外部框架2的下表面位置，二者在外部框架2底部的中间位置形成矩形空间，用于构成负压腔体。由于矩形负压调节板4难以保证加工精度，因此不设计其与外部框架2中部矩形通槽的紧配合。同时，负压腔体中负压气体仅通向下表面，维持与正压的平衡，因此需要在负压调节板4与外部框架2中部矩形通槽间设计密封圈55，防止负压气体向外部框架2内部泄露。

本实施例的磁悬浮导轨6工作方法：磁悬浮导轨6与直线编码器10构成完整的可控磁悬浮导轨6系统，底部磁力线圈61通电后变为磁铁并磁化与基座8上的金属导轨产生吸附力，使得支撑板及连接部分紧贴导轨悬浮。同时，通过改变磁力线圈61中的电流大小，调整支撑板对于导轨的吸附力，进而控制工作状态下支撑板的姿态。直线编码器10控制磁定子块63改变极性，运动方向上靠前的磁定子块63吸引，靠后的磁定子块63排斥，进而驱动整个气浮板运动。

本实施例的负压调平的方法：负压调节板4与外部框架2下表面之间的高度差构成矩形负压腔体，负压调平功能主要通过调节矩形负压调节板4的水平姿态实现。负压调节板4与负压调节框架3紧密相连，负压调节框架3在矩形四角位置设有调平螺栓31，四个调平螺栓31共同控制负压调节框架3的水平姿态。在气浮系统工作过程中，使用微位移传感器或振动传感器测量气膜厚度是否均匀以及气膜的振动情况，进而通过微调调平螺栓31的方式改变底部负压气膜的分布情况并与正压气膜形成补充，达到调整气膜厚度，减少振动的目的。

本实施例的支撑装置的安装过程：

将外部框架2作为形位误差基准，负压调节板4紧密贴合于负压调节框架3下端，二者通过螺栓螺母32连接，放置于外部框架2内，通过调整调平连接件9使得矩形负压调节板4与外部框架2的矩形通槽贴合，并将密封圈5压入负压调节板4边缘。外部框架2上端安装承重板1，二者通过螺钉紧固，完成安装后检测板表面水平度误差与密封圈5的密封程度。将磁定子块63嵌入导轨框架62的侧板中，并将之与直线编码器10连接，磁力线圈61连接至导轨框架62的底部，整体磁悬浮导轨6放置于支撑板上表面，与运动方向水平。

本实施例的支撑装置的工作过程：

磁悬浮工作过程：

将直流电通入磁悬浮导轨6的磁力线圈61中，产生磁力并磁化金属导轨，使得支撑板能够借助磁吸力悬浮于金属导轨与基座8表面之间，并通过改变两导轨中的线圈电流大小，调整支撑板的工作姿态。支撑板及支撑目标移动时，直线编码器10控制磁定子块63改变极性，运动方向上靠前的磁定子块63吸引，靠后的磁定子块63排斥，可以实现高速、高加速度运动。

正压气浮工作过程：

外部框架2主要提供气浮支撑板下表面与基座8表面间的气膜，需要正压气源供气。气浮系统工作时，正压气体从外部框架2侧面的正压进气孔21进入，经过内部正压气路23从四个正压排气孔集群25排出，为支撑板底面提供推力，使其悬浮于基座8表面。同时，负压系统工作产生负压吸附力，防止支撑板悬浮过高导致失稳现象。

负压调平气浮系统工作过程：

负压气体从外部框架2的负压进气孔22进入，经过内部负压气路24在负压排气腔26中汇集，最终从线性负压排气孔27中排出，在负压排气孔27与矩形负压调节板4构成的封闭区域内形成真空负压腔，为支撑板底面提供吸附力。若加工过程中存在的外部框架2下表面误差以及支撑板载重物质量分布不均等问题，造成负压腔体高低不平，影响气浮板水平姿态，可通过旋转位于负压调节框架3四角位置的调平螺栓31，调整负压调节板4的水平姿态，改善负压腔体高低不平的情况，实现负压调平过程。

综上，本发明实施例提供的一种基于气磁联合调平的微动台支撑装置，具有以下有益效果：

1、结构设计科学合理，微动台气浮支撑板作为精密运动的辅助机构，通过气浮原理抵消微动台及外围零部件的重力影响，减少运动摩擦力，使得微动台易于控制，精度更高。磁悬浮导轨6设计，能够提供导轨与支撑板间的磁间隙，并利用直线编码器10提供支撑板动力源，实现低摩擦、高精度运动。负压调节板4的设计，能够有效解决支撑目标质量分布不均以及底部气浮表面加工误差所带来的气膜振动和水平姿态偏差问题，提高微动台工作状态下的精度。

2、具有良好的工作姿态精度。微动台及其外围部件不是完全轴对称结构，在实际工作时存在质量分布不均等问题，影响工作姿态精度。在支撑板工作过程中，使用微位移传感器测量支撑板水平姿态误差，通过矩形负压调节板4调平的方式实现负压腔体的微调，并调节导轨与板面间的磁间隙，实现微动台工作姿态的动态优化调整。

3、能够实现高精度运动控制。借助气磁联合调平方法，可实现支撑板以及载重物的完全悬浮，运动摩擦力大幅度减少，在直线编码器10的控制下，磁定子块63不断改变极性，实现支撑板的受控运动，对于磁定子块63电流方向的高速控制能够精确实现支撑板的步进运动，在低摩擦力的情况下，支撑板的运动效果更好。

4、具有良好的运动稳定度。微动台属于高精度运动部件，工作过程中的微小振动会对成品质量造成影响。在实际机械加工过程中，气浮面(外部框架2下表面)的平整度误差会造成气膜高低不平的情况，产生微小振动并传递至微动台。本发明设计负压调节板4与磁悬浮调节装置，根据支撑板运动时的姿态误差进行微调，使得各处气膜厚度均匀且正负压平衡，减少气膜振动，降低微动台的工作干扰。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于气磁联合调平的微动台支撑装置，其特征在于，包括承重板、外部框架、负压调节框架、负压调节板、磁悬浮导轨、连接结构、基座及直线编码器；

所述外部框架的外侧面设有正压进气孔和负压进气孔，所述外部框架的内部设有与所述正压进气孔连通的正压气路、以及与所述负压进气孔连通的负压气路；所述外部框架的内部还设有与所述负压气路连通的负压排气腔，所述负压排气腔的下方还设有负压排气孔；所述外部框架的下端设有与所述正压气路连通的正压排气孔集群；

所述负压调节框架置于所述外部框架内并通过调平螺栓与所述外部框架相连接；所述负压调节框架的下端与所述负压调节板贴合连接；所述承重板设于所述负压调节框架的上端，所述磁悬浮导轨位于所述承重板上；

所述外部框架的底部中间位置设有负压腔体，所述负压腔体的下端开口，所述负压腔体的上端设有通槽，所述负压调节板位于所述通槽处并与所述通槽之间密封；

所述外部框架设于所述基座上，所述连接结构设于所述外部框架上，所述连接结构用于支撑微动台；所述基座上设有与所述磁悬浮导轨相适配的金属导轨；所述直线编码器与所述磁悬浮导轨电连接。

2.根据权利要求1所述的微动台支撑装置，其特征在于，所述磁悬浮导轨包括磁力线圈、导轨框架和磁定子块，多个所述磁定子块嵌套于所述导轨框架的侧面凹槽内，所述磁力线圈置于所述导轨框架的底部凹槽内并与所述导轨框架连接。

3.根据权利要求1所述的微动台支撑装置，其特征在于，所述负压调节板的边缘处设有密封圈，所述负压调节板与所述通槽之间通过所述密封圈密封。

4.根据权利要求1所述的微动台支撑装置，其特征在于，还包括调平连接件，所述调平连接件的一端与所述外部框架连接，所述调平连接件的另一端与所述负压调节框架连接。

5.根据权利要求4所述的微动台支撑装置，其特征在于，所述调平连接件采用片簧制成，所述调平连接件包括与所述负压调节框架连接的薄壁部、以及与所述外部框架连接的实体部。

6.根据权利要求1所述的微动台支撑装置，其特征在于，所述外部框架为采用铝合金材料制成的方形结构。

7.根据权利要求6所述的微动台支撑装置，其特征在于，所述正压排气孔集群的数量为4个，分别置于所述外部框架的四个角处。

8.根据权利要求7所述的微动台支撑装置，其特征在于，所述正压排气孔集群采用疏松多孔质气浮材料制成。

9.根据权利要求6所述的微动台支撑装置，其特征在于，所述负压排气腔为长条形，两个所述负压排气腔分布于所述外部框架上表面相对的两边的中部位置，所述负压排气腔与磁悬浮导轨平行设置，各所述负压排气腔的下端均设有3－6个所述负压排气孔。

10.根据权利要求9所述的微动台支撑装置，其特征在于，所述通槽为与所述负压排气腔形状相吻合的长条形。

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