CN113917795A

CN113917795A - 一种微动台气浮支撑装置

Info

Publication number: CN113917795A
Application number: CN202111110621.1A
Authority: CN
Inventors: 吴剑威; 赵鹏越; 刘江; 郑健; 王继尧; 李昌其; 谭久彬
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2021-09-22
Filing date: 2021-09-22
Publication date: 2022-01-11
Anticipated expiration: 2041-09-22
Also published as: CN113917795B

Abstract

本发明涉及半导体加工技术领域，公开了一种微动台气浮支撑装置，包括基座、能够在基座上悬浮的气浮模块、以及位于气浮模块上的连接结构，气浮模块用于支撑连接结构，连接结构用于支撑微动台；气浮模块包括外部框架、调节框架及负压调节板；负压调节框架通过若干个调平螺栓与外部框架相连接；外部框架的外侧设有正压进气孔和负压进气孔，外部框架的下端设有正压排气孔集群；外部框架的中部设有负压腔体，负压腔体的上端设有通槽，负压调节板位于通槽处并与通槽之间密封，负压腔体的边缘还设有与负压排气腔连通的负压排气孔。本发明实施例通过负压调节板的水平姿态改变调整气膜厚度，进而调节气浮模块的水平姿态，提高微动台的水平姿态精度。

Description

一种微动台气浮支撑装置

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，特别是涉及一种微动台气浮支撑装置。

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。同时，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，但受限于机械加工工艺的精度缺陷，接触面气膜的平面度往往难以达到要求，进而产生气膜高低不平的情况，严重影响支撑目标的位姿。

现有气浮式微动台支撑装置受限于接触面气膜的平面度误差，难以实现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

本发明要解决的技术问题是：如何提高微动台被气浮式支撑装置支撑时的水平姿态精度。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微动台气浮支撑装置，其包括基座、能够在所述基座上悬浮的气浮模块、以及位于所述气浮模块上的连接结构，所述气浮模块用于支撑所述连接结构，所述连接结构用于支撑微动台；

所述气浮模块包括外部框架、负压调节框架及负压调节板，所述负压调节框架设于所述外部框架的上端，所述负压调节板与所述负压调节框架的下端面贴合连接；所述负压调节框架通过若干个调平螺栓与所述外部框架相连接；

所述外部框架的外侧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、与所述负压进气孔连通的负压气路、以及与所述负压气路连通的负压排气腔，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，所述负压腔体的边缘还设有与所述负压排气腔连通的负压排气孔。

进一步的，所述通槽呈十字形，所述负压调节板的形状与所述通槽的形状相吻合。

进一步的，所述负压调节板与所述通槽之间通过密封圈密封。

进一步的，上述微动台气浮支撑装置还包括调平连接件，所述调平连接件分别与所述外部框架及所述负压调节框架连接。

进一步的，所述调平连接件由片簧制成。

进一步的，所述正压排气孔集群为疏松多孔结构。

进一步的，所述负压调节框架的上端设有承重板。

进一步的，所述正压进气孔和所述负压进气孔均设于所述外部框架的侧壁上。

进一步的，所述外部框架为矩形，所述外部框架的四个角处分别设有一所述正压排气孔集群，所述外部框架的四个边的中部分别设有一所述负压排气腔，各所述负压排气腔的正下方均设有若干个负压排气孔。

进一步的，所述外部框架均采用铝合金材料制成。

上述技术方案所提供的一种微动台气浮支撑装置，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气浮模块悬浮，通过设置负压腔体为气浮模块与基座之间提供一吸附力，在气浮模块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，从而提高微动台被支撑时的水平姿态精度。另外，负压腔体产生的负压吸附力，能够防止气浮模块悬浮过高造成失稳现象。

附图说明

图1是本发明实施例的微动台气浮支撑装置的立体图；

图2是本发明实施例的气浮模块的立体图；

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是本发明实施例的外部框架的仰视图；

图6是本发明实施例的气浮模块的仰视图。

其中，1－基座，2－气浮模块，21－外部框架，211－正压进气孔，212－负压进气孔，213－正压气路，214－负压气路，215－负压排气腔，216－正压排气孔集群，217－负压腔体，218－通槽，219－负压排气孔，22－负压调节框架，23－负压调节板，24－调平螺栓，25－密封圈，26－调平连接件，27－承重板，3－连接结构，4－微动台。

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微动台气浮支撑装置，其包括基座1、能够在基座1上悬浮的气浮模块2、以及位于气浮模块2上的连接结构3，气浮模块2用于支撑所述连接结构3，连接结构3用于支撑微动台4；

气浮模块2包括外部框架21、负压调节框架22及负压调节板23，所述负压调节框架22设于所述外部框架21的上端，负压调节板23与所述负压调节框架22的下端面贴合连接；负压调节框架22通过若干个调平螺栓24与所述外部框架21相连接；

外部框架21的外侧设有正压进气孔211和负压进气孔212，外部框架21的内部设有与正压进气孔211连通的正压气路213、与负压进气孔212连通的负压气路214、以及与所述负压气路214连通的负压排气腔215，外部框架21的下端设有与所述正压气路213连通的正压排气孔集群216；

外部框架21的底部中间位置设有负压腔体217，负压腔体217的下端开口，负压腔体217的上端设有通槽218，负压调节板23位于所述通槽218处并与所述通槽218之间密封，负压腔体217的边缘还设有与所述负压排气腔215连通的负压排气孔219。

基于上述方案，通过正压排气孔集群216输出的正压气体形成的气膜使气浮模块2悬浮，通过设置负压腔体217为气浮模块2与基座1之间提供一吸附力，在气浮模块2产生水平姿态误差时，通过微调调平螺栓24能够调节负压调节框架22的水平姿态，进而调节与负压调节框架22贴合的负压调节板23的水平姿态，调节负压调节板23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2水平姿态的目的，从而提高微动台4被支撑时的水平姿态精度。另外，负压腔体217产生的负压吸附力，能够防止气浮模块2悬浮过高造成失稳现象。

具体的，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，进而通过调平螺栓24的微调改变气浮模块2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。

在本实施例中，如图3至图6所示，通槽218呈十字形，负压调节板23的形状与通槽218的形状相吻合，也为十字形结构，负压调节板23与外部框架21下表面之间具有高度差，并构成十字形负压腔体217，负压调平功能主要通过调节十字形负压调节板23的水平姿态实现。负压调节板23与负压调节框架22紧密相连，负压调节框架22在矩形四角位置设有调平螺栓24及与其配合的螺母，四个螺栓共同控制负压调节框架22的水平姿态。

其中，负压调节板23与通槽218之间通过密封圈25密封。具体的，密封圈25紧贴于负压调节板23边缘，作为负压腔体217密封结构，实现负压调节板23与外部框架21侧面之间负压腔体217的密封，防止气体泄漏至外部框架21内部。

在本实施例中，如图1至图6所示，上述微动台气浮支撑装置还包括调平连接件26，调平连接件26分别与外部框架21及负压调节框架22连接。

具体的，调平连接件26用于外部框架21与负压调节框架22的连接及初步调平，其一端与外部框架21连接，另一端与负压调节框架22连接。

可选的，调平连接件26由片簧制成。具体的，调平连接件26可分为薄壁和实体两部分，薄壁与负压调节框架22连接，实体与外部框架21连接。

在本实施例中，正压排气孔集群216为疏松多孔结构。具体的，正压排气孔集群216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，负压调节框架22的上端设有承重板27。承重板27用于承载连接结构3，置于气浮模块2上表面，形状为方形薄板，材料为铝合金，并与负压调节框架22通过螺钉连接。

其中，连接结构3为支撑模块，主要功能为连接微动台，并牵引微动台完成指定运动过程，常见于普通的导轨滑块运动机构。

在本实施例中，如图2所示，正压进气孔211和负压进气孔212均设于外部框架21的侧壁上。

具体的，外部框架21为矩形，外部框架21的四个角处分别设有一正压排气孔集群216，外部框架21的四个边的中部分别设有一所述负压排气腔215，各负压排气腔215的正下方均设有若干个负压排气孔219。正压排气孔集群216分布于板下表面的四角处，数量为4个，用于产生与重力方向相反的气浮推力；负压排气腔215为长条形，分布于框架上表面四边中部位置，单个负压排气腔215下端设有5个负压排气孔219，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。

另外，调平连接件26数量为3个，以三角状分布于负压调节框架22上表面位置，与承重板27处于同水平面位置，外部框架21采用铝合金材料制成。

本发明实施例中负压腔体217的密封方式：线性排列的负压排气孔219与负压调节板23的位置均高于外部框架21的下表面位置，二者位于负压腔体217的顶部，外部框架21底部中间位置的十字形空间用于构成负压腔体217。由于十字形负压调节板23难以保证加工精度，因此不设计其与外部框架21中部十字形通槽218的紧配合。同时，负压腔体217中负压气体仅通向下表面，维持与正压的平衡，因此在负压调节板23与外部框架21中部十字形通槽218间设计密封圈25，防止负压气体向外部框架21内部泄露。

本发明实施例中负压调平的方法：负压调节板23与外部框架21下表面之间为十字形负压腔体217，负压调平功能主要通过调节十字形负压调节板23的水平姿态实现。负压调节板23与负压调节框架22紧密相连，负压调节框架22在矩形四角位置设有调平螺栓24，四个螺栓共同控制负压调节框架22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24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。

安装过程：将外部框架21作为形位误差基准，负压调节板23紧密贴合于负压调节框架22下端，二者通过螺栓螺母固定连接，放置于外部框架21内，通过调整调平连接件26使得十字形负压调节板23与外部框架21的十字形通槽218贴合，并将密封圈25压入负压调节板23边缘。外部框架21上端安装承重板27，二者通过螺钉紧固，完成安装后检测板表面水平度误差与密封圈25的密封程度。

正压气浮工作过程：外部框架21主要提供气浮支撑板下表面与基座1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21侧面的正压进气孔211进入，经过内部正压气路213从四个正压进气孔211集群排出，为支撑板底面提供推力，使其悬浮于基座1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21的负压进气孔212进入，经过内部负压气路214在负压排气腔215中汇集，最终从线性负压排气孔219中排出，在负压排气孔219与十字形负压调节板23构成的封闭区域内形成真空负压腔，为气浮模块2底面提供吸附力。若加工过程中存在的外部框架21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217高低不平，影响气浮板水平位姿，可通过旋转位于负压调节框架22四角位置的调平螺栓24，调整负压调节板23的水平位姿，改善负压腔体217高低不平的情况，实现负压调平过程。

综上，本发明实施例提供一种微动台气浮支撑装置，具有以下有益效果：

1、外部框架21侧面进气孔以及外部框架21内部的气路设计，使得单一正负压气源即可满足整个气浮模块2的供气要求，一定程度上节省气源和气管所占用的空间。负压调节板23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，影响气浮系统的工作姿态精度。在气浮系统工作过程中，使用微位移传感器测量支撑板底部气膜的水平姿态误差，通过负压调节板23调平的方式实现负压腔体217的微调，改变底部气膜各处的误差情况，实现微动台工作姿态的动态优化调整。

3、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21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。设计负压调节板23结构，根据底面正压气膜各处的厚度误差对负压腔体217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。

4、具有良好的减重效益。外部框架21中部设有十字形通槽，且含正负压气路214，能够在一定程度上减少支撑板质量，负压调节框架22采用镂空式框架结构，中部多处设有矩形减重通槽。本发明整体采用薄板设计，使得微动台运动灵活性较高，易于控制。

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

1.一种微动台气浮支撑装置，其特征在于，包括基座、能够在所述基座上悬浮的气浮模块、以及位于所述气浮模块上的连接结构，所述气浮模块用于支撑所述连接结构，所述连接结构用于支撑微动台；

2.根据权利要求1所述的微动台气浮支撑装置，其特征在于，所述通槽呈十字形，所述负压调节板的形状与所述通槽的形状相吻合。

3.根据权利要求1所述的微动台气浮支撑装置，其特征在于，所述负压调节板与所述通槽之间通过密封圈密封。

4.根据权利要求1所述的微动台气浮支撑装置，其特征在于，还包括调平连接件，所述调平连接件分别与所述外部框架及所述负压调节框架连接。

5.根据权利要求4所述的微动台气浮支撑装置，其特征在于，所述调平连接件由片簧制成。

6.根据权利要求1所述的微动台气浮支撑装置，其特征在于，所述正压排气孔集群为疏松多孔结构。

7.根据权利要求1所述的微动台气浮支撑装置，其特征在于，所述负压调节框架的上端设有承重板。

8.根据权利要求1所述的微动台气浮支撑装置，其特征在于，所述正压进气孔和所述负压进气孔均设于所述外部框架的侧壁上。

9.根据权利要求1所述的微动台气浮支撑装置，其特征在于，所述外部框架为矩形，所述外部框架的四个角处分别设有一所述正压排气孔集群，所述外部框架的四个边的中部分别设有一所述负压排气腔，各所述负压排气腔的正下方均设有若干个负压排气孔。

10.根据权利要求1所述的微动台气浮支撑装置，其特征在于，所述外部框架均采用铝合金材料制成。