CN114488699B - 带质量平衡补偿的可变光阑及光刻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带质量平衡补偿的可变光阑及光刻机。可变光阑包括：基座；X向组件，设于基座上，X向组件包括两个X向刀片；Y向组件，设于基座上且与X向组件垂直，Y向组件包括两个Y向刀片，两个Y向刀片与两个X向刀片共同围成用于曝光的狭缝窗口；补偿组件，设于基座上与Y向组件相同的一侧，且与Y向组件平行设置，补偿组件用于向基座输出与Y向组件输出至基座的推力相反的反推力，以对Y向组件进行质量平衡补偿。该发明提供一种能对Y向组件进行质量平衡补偿且结构紧凑、质量平衡补偿效果较好的可变光阑及光刻机。

Description

带质量平衡补偿的可变光阑及光刻机

技术领域

本发明涉及半导体设备制造技术领域，尤其涉及一种带质量平衡补偿的可变光阑及光刻机。

背景技术

在光刻机中，为了在扫描曝光过程中限定掩模面照明视场大小及其中心位置，避免成像光束对曝光视场以外的区域曝光，需要利用可变狭缝单元来作为可变光阑100，限定曝光区域，光阑是指在光学系统中对光束起着限制作用的实体，泛指一些用于拦光的零件或组件。可变光阑100上设有可移动的刀片，通过多个刀片来挡光，多个刀片之间形成狭缝窗口，狭缝窗口可供光束通过，窗口之外的部分被刀片遮挡，不能透过光。

如图1和图2所示，可变光阑100竖直安装固定在步进扫描光刻机顶部照明系统的基准板2上，可变光阑100上设置有能沿X向运动的刀片和能沿Y向运动的刀片，沿X向运动的刀片和沿Y向运动的刀片共同围成狭缝窗口。可变光阑100沿Z向的前方设置有聚光镜组3，后方设置有照明镜组4，聚光镜组3和照明镜组4均安装在基准板2上，光轴方向沿Z向。

Y向周期性高加速度运动会对可变光阑100的主体框架以及基准板2产生较大的周期性冲击力，从而影响可变光阑100的动态运动性能以及基准板2上集成安装的顶部照明系统的振动稳定性，进而影响动态扫描曝光成像半影以及动态照明积分均匀性。且Y向扫描加速度越高、产生的高频振动冲击反作用力越大，极大的制约了高速可变狭缝装置在高速、高加速，低反作用力方面的发展。现有的可变光阑100中虽然有少数可变光阑100能对Y向扫描运动进行平衡和补偿，但普遍存在整体结构复杂，体积较大的缺点，且补偿效果欠佳。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种能对Y向组件进行质量平衡补偿且结构紧凑、质量平衡补偿效果较好的带质量平衡补偿的可变光阑及光刻机。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种带质量平衡补偿的可变光阑，包括：

基座；

X向组件，设于所述基座上，所述X向组件包括两个X向刀片；

Y向组件，设于所述基座上且与所述X向组件垂直，所述Y向组件包括两个Y向刀片，两个所述Y向刀片与两个所述X向刀片共同围成用于曝光的狭缝窗口；

补偿组件，设于所述基座上与所述Y向组件相同的一侧，且与所述Y向组件平行设置，所述补偿组件用于向所述基座输出与所述Y向组件输出至所述基座的推力相反的反推力，以对所述Y向组件进行质量平衡补偿。

可选的，所述Y向组件包括：

Y向滑轨，设于所述基座上；

两个Y向滑块，两个所述Y向滑块沿Y向间隔分布在所述Y向滑轨上，两个所述Y向刀片分别设置在两个所述Y向滑块上；以及

Y向驱动装置，与所述Y向滑块连接以驱动所述Y向滑块沿所述Y向移动。

可选的，所述补偿组件包括：

补偿组件滑轨，设于所述基座上，且所述补偿组件滑轨与所述Y向滑轨平行设置；

补偿组件滑块，设于所述滑轨补偿组件滑轨上；以及

补偿组件驱动装置，与所述补偿组件滑块连接以驱动所述补偿组件滑块沿所述Y向移动。

可选的，所述补偿组件滑轨的结构与所述Y向滑轨的结构相同；所述补偿组件滑块与所述Y向滑块的结构相同；所述补偿组件驱动装置的结构与所述Y向驱动装置的结构相同。

可选的，所述补偿组件与所述Y向组件设于所述基座上同一侧，且分别设于两个互相垂直的侧壁上。

可选的，所述Y向刀片包括三角形支撑部以及拦光部，所述三角形支撑部的其中一个三角形边与所述Y向滑块连接，所述拦光部设于所述三角形支撑部与所述Y向滑块连接的三角形边的对角处。

可选的，所述三角形支撑部上设置有减重槽以及加强筋。

可选的，所述Y向驱动装置包括：

Y向线圈定子，设于所述基座上；以及

Y向磁铁动子，设于所述Y向滑块上；

其中，所述Y向线圈定子与所述Y向滑块贴合设置，以使所述Y向线圈定子与所述Y向滑块上的所述Y向磁铁动子配合形成所述Y向驱动装置。

可选的，所述Y向磁铁动子为长条状，且为若干条，每一所述Y向磁铁动子均沿X向延伸设置，若干条所述Y向磁铁动子沿所述Y向上的连线与所述Y向之间形成一夹角。

可选的，所述夹角为0-31.3°。

可选的，所述Y向滑块上设置有用于容纳所述Y向磁铁动子的第一凹槽，所述Y向磁铁动子嵌设于所述第一凹槽中。

可选的，所述Y向滑轨与所述Y向滑块均为L形，所述Y向滑块的L形外侧壁叠设于所述Y向滑轨的L形内侧壁上，所述Y向滑块的L形内侧壁与所述Y向线圈定子贴合。

可选的，所述Y向滑轨为气浮滑轨，所述Y向滑块为气浮滑块，所述Y向滑块的L形外侧壁的其中一个侧壁上设有所述Y向磁铁动子，其中另一个侧壁上设有第二预紧磁铁。

一种光刻机，其中，包括如上所述的可变光阑。

本发明的有益之处在于：

补偿组件向基座输出与Y向组件输出至基座的推力相反的反推力，以对Y向组件进行质量平衡补偿，实时减小甚至消除Y向组件对基座的高频反作用力，避免高频反作用力所产生的高频振动对动态扫描曝光成像半影及动态照明积分均匀性的影响，能实现最大扫描速度3.5m/s，最大扫描加速度17.5m/s2，步进扫描运动行程为±60mm，扫描运动反作用力＜10N；

Y向组件和补偿组件均可直接固定在基座上，使得Y向两个刀片动子在扫描运动加减速段对电机定子产生的反向推力(电磁力)直接传递到基座上，且补偿组件产生的补偿力也直接传递到基座上，振动力传递路径直接、简单，电机定子反向推力直接传递到可变光阑的基座上，易于控制补偿；

补偿组件采用主动补偿的方式，直接输出补偿力至Y向组件反作用力同侧的基座上；

将补偿组件设置在基座上与Y向组件相同的一侧，能使可变光阑整体结构尺寸小，结构紧凑，占用空间小，适用于大行程、高加速度、高速度、大窗口的可变光阑；将补偿组件设置在基座上与Y向组件相同的一侧还能使补偿组件补偿力作用质心相对Y向组件反作用力质心偏距较小，易于反作用力直接补偿平衡；

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是现有技术中可变光阑安装在光刻机中的侧视结构示意图；

图2是现有技术中可变光阑安装在光刻机中的主视结构示意图；

图3是本发明实施例中可变光阑的立体结构示意图；

图4是本发明图3所示结构的主视结构示意图；

图5是本发明实施例中X向组件的立体结构示意图；

图6是本发明中图5中A部分的放大图；

图7是本发明实施例中X向组件的X向滑块与X向滑轨配合的配合面的结构示意图；

图8是本发明中图3所示结构去掉X向组件、补偿组件以及Y向滑轨的结构示意图；

图9是本发明实施例中Y向刀片与Y向滑块的俯视结构示意图；

图10是本发明图9所示结构另一视角的结构示意图；

图11是本发明实施例中Y向磁铁动子与Y向滑块装配的侧视图的简化结构示意图；

图12是本发明实施例中补偿组件去掉补偿滑轨的结构示意图。

图中：

100、可变光阑；1、基座；101、安装面；102、侧安装面；2、基准板；3、聚光镜组；4、照明镜组；

10、X向组件；11、X向滑轨；12、X向滑块；121、第一预紧磁铁；13、X向刀片；14、磁轨；141、导向槽；15、无铁芯线圈动子；16、磁石定子；161、第一磁石定子；162、第二磁石定子；17、转接板；18、微调板；

20、Y向组件；21、Y向滑轨；22、Y向滑块；221、第一凹槽；222、第二预紧磁铁；23、Y向刀片；231、三角形支撑部；232、拦光部；233、减重槽；234、加强筋；24、Y向线圈定子；25、Y向磁铁动子；26、光栅尺；27、光栅尺读数头；28、电气互锁开关；29、限位块；

30、补偿组件；31、补偿组件滑轨；32、补偿组件滑块；321、第二凹槽；322、第三预紧磁铁；34、补偿线圈定子；35、补偿磁铁动子。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

图3是本发明实施例中可变光阑的立体结构示意图，图4是本发明图3所示结构的主视结构示意图，如图3和图4所示，本发明的可变光阑100包括基座1、X向组件10、Y向组件20以及补偿组件30，X向组件10、Y向组件20以及补偿组件30均设置在基座1上，X向组件10与Y向组件20互相垂直，X向组件10包括两个X向刀片13，Y向组件20包括两个Y向刀片23，两个Y向刀片23与两个X向刀片13共同围成用于曝光的狭缝窗口。在一种具体应用中，本发明的可变光阑100用于步进扫描光刻机，作为步进扫描光刻机的曝光系统中用于形成曝光窗口的可变狭缝单元。因此，可变光阑100的X向组件10即步进扫描光刻机的步进运动单元，X向组件10上的X向刀片13沿X向做步进运动，Y向组件20即步进扫描光刻机的扫描运动单元，Y向组件20上的Y向刀片23沿Y向做扫描运动。当然，在其它一些实施中，也可以使X向组件10和Y向组件20均为扫描运动单元，均做扫描运动，在此不作限制，只要保证X向组件10与Y向组件20中至少一个为扫描组件即可。补偿组件30设置在基座1上与Y向组件20相同的一侧，且补偿组件30与Y向组件20平行设置。如图3所示，在一种实施方式中，X向组件10设置在基座1的上侧，Y向组件20和补偿组件30设置在基座1的左侧。补偿组件30用于向基座1输出与Y向组件20输出至基座1的推力相反的反推力，以对Y向组件20进行质量平衡补偿。

具体的，由于Y向组件20周期性高加速度扫描运动会对基座1产生较大的周期性冲击反作用力，从而影响可变光阑100的动态运动性能以及基准板2上集成安装的顶部照明系统的振动稳定性，进而影响动态扫描曝光成像半影以及动态照明积分均匀性，且扫描加速度越高、产生的高频振动冲击反作用力越大，极大的制约了可变光阑100在高速、高加速及低反作用力方面的发展，本发明中设置补偿组件30来向基座1输出与Y向组件20输出至基座1的推力相反的反推力，以对Y向组件20进行质量平衡补偿，实时减小甚至消除Y向组件20对基座1的高频反作用力，避免高频反作用力所产生的高频振动对动态扫描曝光成像半影及动态照明积分均匀性的影响，能实现最大扫描速度3.5m/s，最大扫描加速度17.5m/s²，步进扫描运动行程为±60mm，扫描运动反作用力小于10N。

Y向组件20和补偿组件30均可直接固定在基座1上，使得Y向两个刀片动子在扫描运动加减速段对电机定子产生的反向推力(电磁力)直接传递到基座1上，且补偿组件30产生的补偿力也直接传递到基座1上，振动力传递路径直接、简单，电机定子反向推力直接传递到可变光阑100的基座1上，易于控制补偿。

补偿组件30采用主动补偿的方式，直接输出补偿力至Y向组件20反作用力同侧的基座1上。

将补偿组件30设置在基座1上与Y向组件20相同的一侧，能使可变光阑100整体结构尺寸小，结构紧凑，占用空间小，适用于大行程、高加速度、高速度、大窗口的可变光阑100；将补偿组件30设置在基座1上与Y向组件20相同的一侧还能使补偿组件30的补偿力作用质心相对Y向组件20的反作用力质心偏距较小，易于反作用力直接补偿平衡。

图5是本发明实施例中X向组件的立体结构示意图，如图5所示，X向组件10包括X向滑轨11、X向滑块12、X向刀片13以及X向驱动装置。X向滑轨11可以为气浮滑轨，相应的X向滑块12为与气浮滑轨配合的气浮滑块。X向滑块12为两个，两个X向滑块12沿X向间隔分布在X向滑轨11上，也就是说在同一个X向滑轨11上设置了两个X向滑块12，每一个X向滑块12上均设置一个X向刀片13，X向滑块12上连接有X向驱动装置，X向驱动装置可驱动X向滑块12在X向滑轨11上沿X向移动，两个X向滑块12可连接到同一X向驱动装置，使两个X向滑块12同步移动，也可以将两个X向滑块12分别连接不同的X向驱动装置，每个X向滑块12单独移动，在此不作限制，X向滑块12可带动与其连接的X向刀片13移动。

请结合图3及图8，Y向组件20包括Y向滑轨21、Y向滑块22、Y向刀片23以及Y向驱动装置。Y向滑轨21设置在基座1上，例如通过螺钉固定在基座1上，Y向滑轨21可以为气浮滑轨，相应的Y向滑块22为与气浮滑轨配合的气浮滑块。Y向滑块22为两个，两个Y向滑块22沿Y向间隔分布在Y向滑轨21上，也就是说在同一个Y向滑轨21上设置了两个Y向滑块22，每一个Y向滑块22上均设有一Y向刀片23，且Y向滑块22上连接有Y向驱动装置，Y向驱动装置可驱动Y向滑块22在Y向滑轨21上沿Y向移动，两个Y向滑块22可连接到同一Y向驱动装置，使两个Y向滑块22同步移动，也可以将两个Y向滑块22分别连接不同的Y向驱动装置，每个Y向滑块22单独移动，在此不作限制，Y向滑块22带动与其连接的Y向刀片23移动。本发明中，如图8所示，将两个Y向滑块22分别连接不同的Y向驱动装置，通过两个不同的Y向驱动装置来分别驱动两个Y向滑块22，可以使每个Y向滑块22获得更大的驱动力，同时有利于每个Y向滑块22的独立控制。

本发明中将同一方向运动的两个刀片设置在同一滑轨上，例如两个X向刀片13设置在同一X向滑轨11上，两个Y向刀片23设置在同一Y向滑轨21上，使可变光阑100能形成较大的矩形狭缝窗口进行静态和动态拦光。同一方向运动的两个刀片设置在同一滑轨上，使得同一方向运动的两个刀片的驱动出力一致，运动一致，定位精度较高，且结构紧凑，刀片的运动行程较大，可实现更高速度、加速度、大行程的运动性能。

如图3所示，可以理解的是，X向刀片13与Y向刀片23在Z向上间隔预定距离，这样使得X向刀片13与Y向刀片23之间的运动互不干涉，相互之间独立运动，保证完整的行程。Z向为光轴方向，即光线从Z向打入，所以即使X向刀片13与Y向刀片23在Z向上间隔预定距离，还是会在Z向上形成完整的矩形窗口进行挡光，不影响挡光效果。图6是本发明中图5中A部分的放大图，请结合图5及图6，X向驱动装置包括磁轨14和无铁芯线圈动子15。磁轨14内设置有磁石定子16，磁石定子16包括相对设置于磁轨14内的第一磁石定子161及第二磁石定子162。无铁芯线圈动子15至少部分设于第一磁石定子161与第二磁石定子162之间，这样才能使无铁芯线圈动子15与磁石定子16配合，形成电机，当无铁芯线圈动子15通入交流电时，磁轨14的气隙中产生行波磁场，而固定不动的磁石定子16在行波磁场的切割下，发生电磁感应产生电流，最终在电流和磁场的相作用下对无铁芯线圈动子15产生推力，使无铁芯线圈动子15沿X向移动。无铁芯线圈动子15连接至X向滑块12，无铁芯线圈动子15沿X向移动带动X向滑块12移动，基于X向滑轨11的气浮支撑导向，X向滑块12带动X向刀片13移动，实现X向刀片13沿着X向的步进运动。每个X向刀片13上都连接单独的X向滑块12和磁石定子16，使得每个X向刀片13可单独驱动，而两个X向刀片13可以共用一个磁轨14，也可以采用单独的磁轨14，在此不作限制。另外磁轨14也可以采用多段拼接的方式，如图5所示的实施中，磁轨14采用了三段拼接，拼接成一个较长的磁轨14，使得两个X向刀片13可共用一个磁轨14。在其它一些实施例中，也可根据需要调整拼接的数量，例如可以只是一段或两端，也可是四段或五段，在此不作限制，实现两个X向刀片13同轴气浮导向下相对独立的运动。X向两个X向刀片13采用同一个气浮导轨支撑导向，以及同一个磁轨14定子固定，独立无铁芯线圈动子15的驱动形式，使得整体结构精简，节省了空间，增加了两个X向刀片13的运动行程，并保证了无径向齿槽力、垂直吸引力等阻尼力，提高了X向整体的气浮刚度和电机出力一致性，从而提高X向气浮承载力，提高X向刀片13步进运动动态性能(例如高速度、高加速度等)和运行平稳性，同时其结构布局紧凑简单，减小了安装误差的累积，提高了X向两个刀片的运动一致性和定位精度。采用无铁芯线圈动子15可减轻整体重量，提升运行稳定性。

如图6所示，磁轨14可以为U形，第一磁石定子161及第二磁石定子162分别设置于U形的两个相对的侧壁上，这样可以使第一磁石定子161及第二磁石定子162相对设置，在第一磁石定子161和第二磁石定子162之间形成一定间距，用于安装无铁芯线圈动子15。无铁芯线圈动子15的一端从磁轨14的U形开口处伸入第一磁石定子161与第二磁石定子162之间，无铁芯线圈动子15只需一部分伸入磁轨14中即可，另一部分留在磁轨14外部，用于连接X向滑块12。在其它实施例中，也可以将整个无铁芯线圈动子15完全置于磁轨14中，而通过其它转接件来将无铁芯线圈动子15与位于磁轨14外的X向滑块12连接。磁轨14的U形结构设计有利于第一磁石定子161和第二磁石定子162的安装，也有利于提升磁轨14与第一磁石定子161和第二磁石定子162的整体性，使三者形成一个整体的模组，便于设备的安装，减少零散部件的数量。

另外，磁轨14的U形结构设计还有利于无铁芯线圈动子15的导向，避免无铁芯线圈动子15发生运动偏移。例如可以在磁轨14的U形的底部开设导向槽141，无铁芯线圈动子15伸入第一磁石定子161与第二磁石定子162之间的一端延伸至导向槽141中。可以理解的是，导向槽141沿X向延伸，以使导向槽141顺着无铁芯线圈动子15的移动方向延伸，不阻碍无铁芯线圈动子15的移动。导向槽141与无铁芯线圈动子15间隙配合，也就是说无铁芯线圈动子15与导向槽141之间具有一定的间隙，这样才能使无铁芯线圈动子15顺畅的移动，导向槽141的设置只是为了在无铁芯线圈动子15发生较大偏移时进行阻挡。实际上，无铁芯线圈动子15与第一磁石定子161、第二磁石定子162及导向槽141之间均保持一定间隙，以使无铁芯线圈动子15具有一定运动空间，保证无铁芯线圈动子15在整个磁轨14中运行平滑顺畅。无铁芯线圈动子15伸入磁轨14中的一端通过导向槽141导向，未伸入磁轨14中的一端与X向滑块12连接，通过X向滑轨11来导向，这样使得导向效果更好，整体运行更平稳，精度更高，不易发生偏离。图7是本发明实施例中X向组件的X向滑块与X向滑轨配合的配合面的结构示意图，如图7所示，X向滑块12的与X向滑轨11相对的侧壁上还可以设置第一预紧磁铁121，也就是说X向滑块12与X向滑轨11配合的配合面设置第一预紧磁铁121，此种结构适用于X向滑轨11和X向滑块12分别为气浮滑轨和气浮滑块的情况下，第一预紧磁铁121可为X向滑块12提供足够稳定的气浮预紧力，保持气浮面之间稳定的气膜厚度，保证气浮支撑刚度，同时提高X向的动子的扭转刚度，消除X向刀片13在重力、气浮力及线缆力影响下的静态扰动，保证X向刀片13的静态稳定性。

请参阅图6，X向滑轨11与X向滑块12均为L形，X向滑块12的L形内侧壁叠设于X向滑轨11的L形外侧壁上，X向滑块12的L形外侧壁的其中一个侧壁与无铁芯线圈动子15连接，其中另一个侧壁与X向刀片13连接。这样将X向滑轨11和X向滑块12均设计为L形，通过L形面配合，可增加气浮支撑面，提升气浮支撑的效果，使整个模组运行更平稳，提升了X向刀片13移动的精确性。

基于X向滑轨11与X向滑块12均为L形，其配合面也为L形配合面，请参阅图7，所以第一预紧磁铁121可以设置在X向滑块12的两个L形侧面上，提升气浮预紧力。

如图6所示，X向与Y向形成平面a，磁轨14的U形侧壁与平面垂直，也就是说磁轨14的磁轨面垂直平面a设置，磁轨14的U形开口朝向平面a，基于磁轨14与平面a垂直，结合L形的X向滑块12设计，L形的X向滑块12形成直角转向，使得X向刀片13与X向滑块12连接后，X向刀片13与平面a平行。这样设计可以使得磁轨14在X向上占用较小的安装宽度，在平面a上留出更大的空间来给刀片运动，尤其是使Y向刀片23可以在Y向上向磁轨14的方向运动更长的距离，行程更大，使得整个结构设计更合理，刀片行程更大。

如图6所示，X向滑块12与无铁芯线圈动子15的沿Y向上靠近Y向刀片23的侧壁连接，无铁芯线圈动子15的沿Y向上靠近Y向刀片23的侧壁即图6所示中无铁芯线圈动子15的下表面，且X向滑块12与无铁芯线圈动子15连接处设置有转接板17。转接板17的设计可避免X向滑轨11与磁轨14发生干涉，如图6，由于X向滑块12安装在无铁芯线圈动子15的下表面，如果直接将X向滑块12贴合无铁芯线圈动子15的下表面安装，那么与X向滑块12配合的X向滑轨11必定会与磁轨14靠得很近甚至接触，导致安装不便，使得X向滑轨11与磁轨14互相干涉，所以设计转接板17可避免两者干涉。另外，转接板17也使得X向滑块12与无铁芯线圈动子15之间的连接更方便，便于装配。

请继续参阅图6，X向滑块12与X向刀片13之间垫设有微调板18。微调板18设置在X向滑块12上，X向刀片13紧靠微调板18设置，X向刀片13和微调板18通过螺栓紧固在X向滑块12上，具体为固定在X向滑块12上与平面a平行的侧壁上，这样保证X向刀片13处于平面a内，可沿X向移动。在X向滑块12与X向刀片13之间垫设微调板18，通过修磨微调板18的厚度和安装平面倾斜度，可以保证X向刀片13相对Y向刀片23的Z向间隙和倾斜度，保证X向刀片13的可替换性。就算更换X向刀片13，也可以通过修磨微调板18来保证所有X向刀片13均能达到理想的安装效果。

请结合图3及图8，Y向驱动装置包括Y向线圈定子24及Y向磁铁动子25。Y向线圈定子24沿Y向设置，Y向线圈定子24通过紧固件直接固定在基座1上，将Y向线圈定子24直接固定在基座1可以使Y向线圈定子24的反作用力直接传递到基座1上，进而能更好的根据此反作用力来控制补偿组件30输出抵消此反作用力的平衡力。Y向磁铁动子25则直接设置在Y向滑块22上，Y向磁铁动子25与Y向滑块22一体式设计可降低整体的重量，使质量最小化，同时Y向磁铁动子25与Y向滑块22一体式设计具有高模态的优点，提高了Y向刀片23扫描运动的动态性能。Y向线圈定子24与Y向滑块22贴合设置，以使Y向线圈定子24与Y向滑块22上的Y向磁铁动子25配合形成Y向驱动装置，以驱动Y向滑块22上的Y向刀片23移动。每个Y向刀片23都连接有单独的Y向磁铁动子25和Y向滑块22，使得每个Y向刀片23都可以单独驱动，独立运动。在一种实施方式中，Y向线圈定子24采用带铁芯的线圈定子，这样可保留铁芯直线电机大推力、低成本及散热好的优点，因为较大铁芯线圈有利于散热。另外，由于Y向磁铁动子25与Y向滑块22一体式设计形成动子，又使得Y向驱动装置达到像无铁芯直线电机动子的质量最小化的优点。并且，Y向磁铁动子25与Y向滑块22一体式设计形成动子可缩小整体的体积，节省空间。再者，由于Y向驱动装置采用了线圈不动磁铁动的驱动形式，使得Y向驱动装置的线缆固定不动，消除了线缆运动拉扯对Y向刀片23的动态扰动。

Y向磁铁动子25的形状和Y向磁铁动子25安装在Y向滑块22上的安装方式没有限制，只要能使Y向磁铁动子25与Y向线圈定子24配合实现驱动Y向刀片23的扫描运动即可。在一种实施方式中，如图8所示，Y向磁铁动子25可为长条状，Y向磁铁动子25为多条，每一条Y向磁铁动子25均沿X向延伸设置，这样设置可保证Y向驱动装置形成Y向驱动力。多条Y向磁铁动子25沿Y向上的连线与Y向之间形成一夹角，图11是本发明实施例中Y向磁铁动子与Y向滑块装配的侧视图的简化结构示意图，如图11所示，多条Y向磁铁动子25沿Y向上的连线与Y向之间形成一夹角c,使得多条Y向磁铁动子25整体上相对于Y向呈一定倾斜角度，有效地减小了齿槽效应导致的径向齿槽力急剧变化，减少了速度波动和动态误差，提高了高速度、高加速度运动的动态稳定性。同时，Y向磁铁动子25整体上相对于Y向呈一定倾斜角度设置使得动子一直存在着较稳定的径向齿槽力，故Y向驱动装置可实现自身重力补偿及对惯性加速度力的阻尼作用，抵抗在掉电等情况下Y向驱动装置的自由落体和相对运动碰撞，提高了Y向刀片23的运动安全性。较佳的，夹角c可为0-31.3°。

请参阅图8，Y向滑块22上设置有用于容纳Y向磁铁动子25的第一凹槽221，Y向磁铁动子25嵌设于第一凹槽221中。这样可以使得Y向滑块22表面较为平整，避免Y向磁铁动子25凸出Y向滑块22的表面，Y向滑块22表面较为平整便于Y向滑块22与Y向滑轨21的装配。

请结合图3及图8，Y向滑轨21与Y向滑块22均为L形，Y向滑块22的L形外侧壁叠设于Y向滑轨21的L形内侧壁上，Y向滑块22的L形内侧壁与Y向线圈定子24贴合，Y向线圈定子24大致为矩形，Y向滑块22贴合在矩形的一个角上。通过Y向滑轨21与Y向滑块22这种L形的配合面设计，可增大Y向滑块22与Y向滑轨21配合的配合面的面积，当Y向滑轨21为气浮滑轨、Y向滑块22为气浮滑块时，通过Y向滑轨21与Y向滑块22的L形的配合面设计可增大气浮面，提升气浮效果，保证良好的气浮导向作用，实现Y向刀片23稳定移动，也有利于Y向驱动的速度和加速度的提升，实现驱动模组的高模态。

在Y向滑轨21为气浮滑轨、Y向滑块22为气浮滑块的情况下，如图8所示，Y向滑块22的L形外侧壁的其中一个侧壁上设有Y向磁铁动子25，其中另一个侧壁上设有第二预紧磁铁222。在Y向滑块22的两个L形外侧壁上一个设置Y向磁铁动子25，另一个设置第二预紧磁铁222，既可以实现使Y向磁铁动子25与Y向线圈定子24配合形成驱动装置，又可以利用第二预紧磁铁222来提升气浮预紧力，保证相对稳定的电磁感应间隙，保证电机出力的稳定性，提升驱动装置运行稳定性。如图8所示，Y向滑块22的L形外侧壁其中一个侧壁与平面a平行，其中另一个侧壁与平面a垂直，Y向磁铁动子25设置在Y向滑块22的与平面a平行的外侧壁上，第二预紧磁铁222设置在Y向滑块22的与平面a垂直的外侧壁上。

可以理解的是，本发明中X向组件10也可采用上述Y向组件20的结构，使得X向组件10和Y向组件20可都做扫描运动。

如图8所示，Y向滑块22上设置有光栅尺26，基座1上设置有光栅尺读数头27。光栅尺读数头27能读取光栅尺26上的刻度，由于光栅尺26跟随Y向滑块22移动，所以通过读取光栅尺26上的刻度来检测Y向滑块22的移动速度和加速度。

请继续参考图8，每个Y向刀片23上均设置有电气互锁开关28，电气互锁开关28相当于一个感应块，当两个Y向刀片23靠得太近时，两个Y向刀片23上的电气互锁开关28可以互相感应到，进而控制报警系统报警或控制可变光阑100停止工作，设置电气互锁开关28提升了可变光阑100的安全性能。

本发明中，补偿组件30可以是任一种能对基座1输出作用力的装置，在本发明一种实施方式中，将补偿组件30设置为与Y向组件20的结构和驱动方式基本相同，只是补偿组件30没有刀片，而Y向组件20上设置有Y向刀片，将补偿组件30设置为与Y向组件20一样的采用静线圈、动磁铁驱动方式、同轴气浮支撑导向方式及磁铁动子和气浮滑块结构一体化的结构。将补偿组件30设置为与Y向组件20基本相同，体现了模块化和一致性设计，适合批量加工和维修维护，且采用磁铁动子和气浮滑块结构一体化的结构形式，提高了运动精度，结构紧凑，大大降低了空间尺寸，适用于大行程、高加速度、高速度、大窗口的可变光阑100。

请结合图3及图12，补偿组件30包括补偿组件滑轨31、补偿组件滑块32以及补偿组件驱动装置。补偿组件滑轨31设置在基座1上。补偿组件滑轨31的结构与Y向滑轨21的结构相同，当然也可以设置为结构不同，且补偿组件滑轨31与Y向滑轨21平行设置。补偿组件滑块32设置在滑轨补偿组件滑轨31上，补偿组件滑块32与Y向滑块22的结构相同，当然也可以设置为结构不同。补偿组件驱动装置与补偿组件滑块32连接以驱动补偿组件滑块32沿Y向移动，补偿组件驱动装置的结构与Y向驱动装置的结构相同，当然也可以设置为结构不同。

具体的，如图12所示，补偿组件30包括补偿线圈定子34及补偿磁铁动子35。补偿线圈定子34沿Y向设置，补偿线圈定子34通过紧固件直接固定在基座1上，将补偿线圈定子34直接固定在基座1可以使补偿线圈定子34的补偿作用力直接传递到基座1上，补偿作用力传递路径直接，补偿更及时，易于控制。补偿磁铁动子35则直接设置在补偿组件滑块32上，补偿磁铁动子35与补偿组件滑块32一体式设计可降低整体的重量，使质量最小化。补偿线圈定子34与补偿组件滑块32贴合设置，以使补偿线圈定子34与补偿组件滑块32上的补偿磁铁动子35配合形成补偿组件驱动装置。在一种实施方式中，补偿线圈定子34采用带铁芯的线圈定子，这样可保留铁芯直线电机大推力、低成本及散热好的优点，因为较大铁芯线圈有利于散热。另外，由于补偿磁铁动子35与补偿组件滑块32一体式设计形成动子，又使得补偿组件驱动装置达到像无铁芯直线电机动子的质量最小化的优点。并且，补偿磁铁动子35与补偿组件滑块32一体式设计形成动子可缩小整体的体积，节省空间。

在Y向组件20加减速运动阶段，通过实时控制补偿组件30的补偿磁铁动子35相对Y向组件20反向加减速运动，从而通过补偿线圈定子34对基座1产生较大惯性力，以抵消Y向组件20的Y向线圈定子24传递到基座1上的反作用力。由于Y向组件20中两个Y向刀片23均同轴气浮导向，故安装在基座1同侧位置的1个补偿组件30即可实现对两个Y向磁铁动子25的反作用力平衡补偿。补偿组件30的补偿组件滑块32和补偿磁铁动子35一体式设计，形成补偿动子组件，补偿动子组件具有较大的平衡质量(约1.188kg)，且运动行程较大(约94mm)，可产生的惯性力大于232N，Y向磁铁动子25的加速度力约为150.5N，在考虑到同步运动控制时间偏差的基础上，可保证补偿后的最大反作用力小于10N，极大减小了对基座1的冲击和顶部照明系统的振动扰动，通过运动控制实现补偿组件30相对Y向组件20实时同步反向运动，实现加减速阶段惯性力的主动反向补偿或消除。

本发明采用补偿组件30主动补偿反作用力的方式，通过控制系统实时获取规划运动轨迹下两个Y向刀片23在扫描阶段每个运动点的加速度和加速度力，通过力学平衡计算出补偿组件30相同时间点处的反向加速度力，从而控制补偿组件30的补偿磁铁动子35进行反向加速补偿运动，产生补偿推力作用到基座1上，抵消或补偿Y向线圈定子24对基座1的反作用力。可分别闭环控制Y向组件20的两个刀片动子、补偿组件30的补偿磁铁动子35的各自单独伺服运动，并开环控制整体质量补偿系统的运动。本发明的这种补偿结构和补偿方式无需建立统一质心坐标系，无需控制补偿组件30的运动位移，可实现高频高加速度的实时补偿，补偿精度高。

请参考图3及图4，补偿组件30与Y向组件20设置在基座1上的同一侧，但设置在基座1上不同的两个互相垂直的侧壁上。具体的，基座1包括一个与平面a平行的安装面101，X向组件10和Y向组件20设置在安装面101上，且X向组件10和Y向组件20分别设置在安装面101的上侧和左侧，安装面101的左侧还设置有一个与安装面101垂直的侧安装面102，补偿组件30安装在侧安装面102上。将Y向组件20设置在安装面101上并将补偿组件30安装在侧安装面102上有利于使整体结构更紧凑，有利于缩小体积，节省空间。

请参考图12，补偿磁铁动子35的形状和补偿磁铁动子35安装在补偿组件滑块32上的安装方式没有限制，只要能使补偿磁铁动子35与补偿线圈定子34配合形成电机驱动补偿磁铁动子35移动即可。在一种实施方式中，如图12所示，补偿磁铁动子35可为长条状，补偿磁铁动子35为多条，每一条补偿磁铁动子35均沿Z向延伸设置。与Y向磁铁动子25类似的，多条补偿磁铁动子35沿Y向上的连线与Y向之间形成一夹角，使得多条补偿磁铁动子35整体上相对于Y向呈一定倾斜角度，有效地减小了齿槽效应导致的径向齿槽力急剧变化，减少了速度波动和动态误差，提高了高速度、高加速度运动的动态稳定性。较佳的，夹角可为0-31.3°。

请参阅图12，补偿组件滑块32上设置有用于容纳补偿磁铁动子35的第二凹槽321，补偿磁铁动子35嵌设于第二凹槽321中。这样可以使得补偿组件滑块32表面较为平整，避免补偿磁铁动子35凸出补偿组件滑块32的表面，补偿组件滑块32表面较为平整便于补偿组件滑块32与补偿组件滑轨31的装配。

请结合图3及图12，补偿组件滑轨31与补偿组件滑块32均为L形，补偿组件滑块32的L形外侧壁叠设于补偿组件滑轨31的L形内侧壁上，补偿组件滑块32的L形内侧壁与补偿线圈定子34贴合，补偿线圈定子34大致为矩形，补偿组件滑块32贴合在矩形的一个角上。通过补偿组件滑轨31与补偿组件滑块32这种L形的配合面设计，可增大补偿组件滑块32与补偿组件滑轨31配合的配合面的面积，当补偿组件滑轨31为气浮滑轨、补偿组件滑块32为气浮滑块时，通过补偿组件滑轨31与补偿组件滑块32的L形的配合面设计可增大气浮面，提升气浮效果，保证良好的气浮导向作用，实现补偿组件滑块32的稳定移动，也有利于补偿组件驱动的速度和加速度的提升，实现驱动模组的高模态。

在补偿组件滑轨31为气浮滑轨、补偿组件滑块32为气浮滑块的情况下，如图12所示，补偿组件滑块32的L形外侧壁的其中一个侧壁上设有补偿磁铁动子35，其中另一个侧壁上设有第三预紧磁铁322。在补偿组件滑块32的两个L形外侧壁上一个设置补偿磁铁动子35，另一个设置第三预紧磁铁322，既可以实现使补偿磁铁动子35与补偿线圈定子34配合形成驱动装置，又可以利用第二预紧磁铁222来提升气浮预紧力，保证相对稳定的电磁感应间隙，保证电机出力的稳定性，提升驱动装置运行稳定性。如图12所示，补偿组件滑块32的L形外侧壁其中一个侧壁与平面a平行，其中另一个侧壁与平面a垂直，补偿磁铁动子35设置在补偿组件滑块32的与平面a垂直的外侧壁上，第三预紧磁铁322设置在补偿组件滑块32的与平面a平行的外侧壁上。

补偿组件滑块32上设置有光栅尺26，基座1上设置有光栅尺读数头27。光栅尺读数头27能读取光栅尺26上的刻度，由于光栅尺26跟随补偿组件滑块32移动，所以通过读取光栅尺26上的刻度来检测补偿组件滑块32的移动速度和加速度。

如图3所示，Y向滑轨21和补偿组件滑轨31的两端均设置有限位块29，对各滑轨上的滑块进行限位，防止滑块脱出。

由于Y向刀片23的悬臂伸出较长，即Y向刀片23刀口相对Y向滑块22的质心偏距较大，导致Y向刀片动子组件(指Y向滑块22和Y向磁铁动子25形成的动子组件)的一阶固有频率较低(Ry弯曲振型模态较低)，无法承受较大的Y向运动加速度，若Y向运动加速度较大会产生谐振，同时会产生较大的Ry静力变形，影响X向刀片13与Y向刀片23的运动间隙。而此Y向刀片23的悬臂梁结构的一阶固有频率主要由Y向刀片23的质量和Ry抗弯曲刚度、以及Y向刀片23相对Y向滑块22安装部分的质量分布和Ry抗弯曲刚度决定。本发明中，通过基于高模态的轻量化拓扑优化仿真，对Y向刀片23的结构进行拓扑优化设计，Y向刀片23采用异形结构。

具体的，图9是本发明实施例中Y向刀片与Y向滑块的俯视结构示意图，如图9所示，Y向刀片23包括三角形支撑部231以及拦光部232，拦光部232可以采用矩形。三角形支撑部231的其中一个三角形边与Y向滑块22连接，拦光部232设于三角形支撑部231与Y向滑块22连接的三角形边的对角处。这样将拦光部232与Y向滑块22之间通过异形的三角形支撑部231连接，三角形支撑部231类似于一个三角形悬臂，上述Y向刀片23的结构可实现Y向刀片动子组件的质量最小化(约0.429kg)，一阶模态最大化(约167Hz)。通过基于运动轨迹的Y向磁铁动子25加速度频域特性仿真，验证其在高速度(3.5m/s)、高加速度(175g)、周期运动时间(218ms)下具有良好的动态频域性能(激励频率167Hz下，激励加速度小于0.1m/s²)。并通过稳态热力耦合仿真分析，验证其在极限热应力和静力作用下刀片的热变形较小(Xmax＝0.028mm，Ymax＝0.008mm,Zmax＝0.0006mm)，对动态扫描曝光成像半影及动态照明积分均匀性的影响可忽略。

如图9所示，三角形支撑部231为直角三角形，其中一条直角边d与Y向滑块22连接，另一条直角边e位于靠近另一Y向刀片23的一侧，而非直角边f位于远离另一Y向刀片23的一侧，直角边e与矩形的拦光部232的夹角g为90°，非直角边f与矩形的拦光部232的夹角h为135°，直角边d的长度为105mm，矩形的拦光部232的长r为116mm，宽k为67.5mm，长r沿Y向，拦光部232的远离Y向滑块22的宽度边与直角边d之间的距离m为183mm，拦光部232的靠近另一Y向刀片23的长度边与直角边e之间的距离n为44mm。矩形的拦光部232的厚度为2mm。图10是本发明图9所示结构另一视角的结构示意图；如图10所示，三角形支撑部231上设置有减重槽233以及加强筋234。加强筋234可以利用减重槽233的侧壁来形成。加强筋234的宽度为2mm，厚度为7.7mm。

通过上述异形的Y向刀片23结构的设计，可显著高Y向刀片23的Ry抗弯刚度。

Y向刀片23采用复合SiC材料，复合SiC材料具有硬度高、轻质、低热膨胀系数、高耐磨性、高硬度、高刀口形貌精度等特点。

本发明还提供一种光刻机，光刻机包括上述可变光阑100，由于本发明光刻机具有上述可变光阑100，所以至少具有上述可变光阑100所具有的有益效果，在此不再重复赘述。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种带质量平衡补偿的可变光阑，其特征在于，包括：

基座(1)；

X向组件(10)，设于所述基座(1)上，所述X向组件(10)包括两个X向刀片(13)；

Y向组件(20)，设于所述基座(1)上且与所述X向组件(10)垂直，所述Y向组件(20)包括两个Y向刀片(23)，两个所述Y向刀片(23)与两个所述X向刀片(13)共同围成用于曝光的狭缝窗口；

补偿组件(30)，设于所述基座(1)上与所述Y向组件(20)相同的一侧，且与所述Y向组件(20)平行设置，所述补偿组件(30)用于向所述基座(1)输出与所述Y向组件(20)输出至所述基座(1)的推力相反的反推力，以对所述Y向组件(20)进行质量平衡补偿；

所述补偿组件(30)与所述Y向组件(20)设于所述基座(1)上同一侧，且分别设于两个互相垂直的侧壁上。

2.根据权利要求1所述的带质量平衡补偿的可变光阑，其特征在于，所述Y向组件(20)包括：

Y向滑轨(21)，设于所述基座(1)上；

两个Y向滑块(22)，两个所述Y向滑块(22)沿Y向间隔分布在所述Y向滑轨(21)上，两个所述Y向刀片(23)分别设置在两个所述Y向滑块(22)上；以及

Y向驱动装置，与所述Y向滑块(22)连接以驱动所述Y向滑块(22)沿所述Y向移动。

3.根据权利要求2所述的带质量平衡补偿的可变光阑，其特征在于，所述补偿组件(30)包括：

补偿组件滑轨(31)，设于所述基座(1)上，所述补偿组件滑轨(31)与所述Y向滑轨(21)平行设置；

补偿组件滑块(32)，设于所述补偿组件滑轨(31)上；以及

补偿组件驱动装置，与所述补偿组件滑块(32)连接以驱动所述补偿组件滑块(32)沿所述Y向移动。

4.根据权利要求3所述的带质量平衡补偿的可变光阑，其特征在于，所述补偿组件滑轨(31)的结构与所述Y向滑轨(21)的结构相同；所述补偿组件滑块(32)与所述Y向滑块(22)的结构相同；所述补偿组件驱动装置的结构与所述Y向驱动装置的结构相同。

5.根据权利要求2所述的带质量平衡补偿的可变光阑，其特征在于，所述Y向刀片(23)包括三角形支撑部(231)以及拦光部(232)，所述三角形支撑部的其中一个三角形边与所述Y向滑块(22)连接，所述拦光部设于所述三角形支撑部与所述Y向滑块(22)连接的三角形边的对角处。

6.根据权利要求5所述的带质量平衡补偿的可变光阑，其特征在于，所述三角形支撑部上设置有减重槽以及加强筋。

7.根据权利要求2所述的带质量平衡补偿的可变光阑，其特征在于，所述Y向驱动装置包括：

Y向线圈定子(24)，设于所述基座(1)上；以及

Y向磁铁动子(25)，设于所述Y向滑块(22)上；

其中，所述Y向线圈定子(24)与所述Y向滑块(22)贴合设置，以使所述Y向线圈定子(24)与所述Y向滑块(22)上的所述Y向磁铁动子(25)配合形成所述Y向驱动装置。

8.根据权利要求7所述的带质量平衡补偿的可变光阑，其特征在于，所述Y向磁铁动子(25)为长条状，且为若干条，每一所述Y向磁铁动子(25)均沿X向延伸设置，若干条所述Y向磁铁动子(25)沿所述Y向上的连线与所述Y向之间形成一夹角。

9.根据权利要求8所述的带质量平衡补偿的可变光阑，其特征在于，所述夹角为0-31.3°。

10.根据权利要求7所述的带质量平衡补偿的可变光阑，其特征在于，所述Y向滑块(22)上设置有用于容纳所述Y向磁铁动子(25)的第一凹槽(221)，所述Y向磁铁动子(25)嵌设于所述第一凹槽(221)中。

11.根据权利要求7所述的带质量平衡补偿的可变光阑，其特征在于，所述Y向滑轨(21)与所述Y向滑块(22)均为L形，所述Y向滑块(22)的L形外侧壁叠设于所述Y向滑轨(21)的L形内侧壁上，所述Y向滑块(22)的L形内侧壁与所述Y向线圈定子(24)贴合。

12.根据权利要求11所述的带质量平衡补偿的可变光阑，其特征在于，所述Y向滑轨(21)为气浮滑轨，所述Y向滑块(22)为气浮滑块，所述Y向滑块(22)的L形外侧壁的其中一个侧壁上设有所述Y向磁铁动子(25)，其中另一个侧壁上设有第二预紧磁铁(222)。

13.一种光刻机，其特征在于，包括如权利要求1至12任一项所述的可变光阑。