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五、發明說明（P 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明之技術領垃 本發明係有關於一種使用於一精密機械工具如 半導體曝光設備或精密形狀測量設備的液壓氣體轴 承。 背景技藜 在一精密機械工具如半導體曝光設備中，已使用 不同種類的可移動台面以高精確地定位擬處理之物 件（工作件）或原始裸板。 此種可移動台面包括一轴承部，其上使用一大體 上無磨擦力的液壓氣體轴承。此液壓氣體軸承的基 本特徵在於負載（負重力）及一對抗位移的阻力（堅 固性）所產生的負重。然而，當該液壓氣體轴承被 運用於一實際的可移動台面時，該軸承之振動的減 振特性為決定該可移動台面之可靠性的一重要因 素。 該液壓氣體軸承通常設於該可移動台面之一可 移動元件的側邊，並藉由一通過該軸承喷出之氣體 的壓力使該可移動元件由另一相對表面浮動，而且 幾乎在所有的案例中所使用的氣體為空氣。再者， 氣體噴射設備係使用一具有細孔或具多孔性之元件 如石墨的喷嘴，而且因為容易製造，噴嘴式氣體喷 射設備已廣泛用於許多案例中。 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -----線！ 487788 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（2 於習知技藝中，在使用該喷嘴式氣體喷射設備 時’氣體限制作用係利用該氣體由該細孔被釋放出 來時的絕熱膨脹（所謂的孔口節流閥）所造成之氣 壓下降來限制氣體。雖然該孔口節流閥可輕易地被 製造，但是它的減振特性則遜於運用具有多孔性節 流闊之轴承的減振特性。 為排除此缺點，如曰本早期公開案第HE丨3-213718號之習知技藝另提供一方法，其中將一形成 於一細孔或洞之正下方一凹處的深度限制於一特定 範圍内，藉此於該凹處中形造成一自動調整的節流 閥。但是，此習知技藝之方法係運用氣體由該細孔 正下方之實際圓柱喷出時的絕熱（隔熱）膨脹所造 成的氣壓下降，因此該結構大體上與一般的孔口式 結構並無差異。 本申請案之發明人在研究該喷嘴式氣鱧喷射設 備時發現，該轴承之減振特性完全藉由運用氦氣做 為由一特定形狀之孔口喷喷出來的排放氣體而有所 改良’且依據此研究及考量，該發明人思及出本發 明。 本發明揭露之內客 冬發明之目的是要實質地消除在上述習知技藝 中所面臨的缺點及不利條件，並提供一液壓氣體 軸’其可提供一改良的減振特性或性能。 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 裝 I 訂一" II I線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 487788
五、發明說明（3) 依據本發明，此目的可藉由設有一氣體噴射設 備的液壓氣體轴承來完成，該氣鱧喷射設備由一種 圓柱形細孔所組成，其具有不小於0.04mm 且不大 於0.4 mm之直徑，其中氦氣由該圓柱形細孔中排放 出來。 該圓柱形孔以具有一直徑D及一長度L為較 佳’其兩者具有一關係為d4/l不大於2 X 10·4 mm3。 一凹處形成於一軸承表面的平面上，其含有該 氣體喷射設備，藉此該凹處可具有一不小於5以01且 不大於30//m的深度。該凹處以由一具有下列任一 形狀的凹槽所組成者為較佳：丨形、Η形、+形、田 形（正方形中呈交又之形狀）、丁形及L形。 再者，該轴承以具有一轴承體為較佳，而至少一 具有圓柱形孔之喷嘴被設置於該轴承體上，且該喷 嘴及該軸承體均為陶瓷製的。 依據上述本發明之性質與結構，該氦氣是用來作 為該毛細管節流閥之下的喷射氣體，藉此該軸承優 於減振的特性得以被實現。當一運用陶瓷於該軸承 體之以氦氣浮動的可移動台面被應用於一如需求高 工作精密度之半導體曝光裝置之類的精密機械工具 時，於習知技藝中無法實行之高精密度工作則可被 實現;。 本發明之性質及其他特性將藉由以下說明並參 見酌附圖而更清楚。 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) - 訂---------線！ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 487788 A7 B7 五、發明説明（ 里_式之簡要說明 於附圖中： 第1圖為一橫截面囷，其顯示如本發明一實施 例之一液壓氣體轴承的主要部份； 第2圖包括數圖其等顯示藉由毛細管節流閥及 自動調整節流閥降壓的計算結果，其中第2A圖為一 圖表，其顯示使用空氣時的計算結果，而第28圓 一圖表，其顯示使用氦氣時的計算結果；及 第3A至3F圖為可運用於本發明液壓氣體軸承 之凹槽的橫截面圖，分別為丨形（第3A囷），η形（， 3Β圖），+形（第3C圖），田形（正方形中呈交又爻 形狀）（第3D圖）’Τ形（第3Ε圖）及L形（第 圖）〇 為 第 3f 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明實施例之最佳形態 參見酌附圖說明液壓氣體軸承的一實施例如下。 本發明係為一種液壓氣體軸承，其利用一如毛細 管之圓柱形細孔，該孔具有不小於〇.〇4mm且不大 於0.4 mm之直徑。 請參見看第1圖，其顯示本發明液壓氣體軸承之 主要部份的橫截面，一軸承體1通過一軸承縫隙4 以相對於該曲柄軸或計劃支撐元件S而備置，該軸 承縫隙4存在於該軸承體1與該曲柄軸或計刻支擇 -----—----^------、訂------線 (請先閲讀背面之注意事項再填苟本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 487788 A7 B7 五、發明説明（5) 元件S之間。此軸承體1形成為具有一喷嘴η及一 凹處3,此軸承體1係由一喷嘴^及一凹處3所組成， 該二者藉由通過氣體供給裝置（未顯示）噴向該支 樓元件S之氣體來支撐該支撐元件s，使該支撐元件 S處於與該軸承體1分開的狀態。再者，第1囷顯示 的狀態中，該轴承體1的凹處3中可現一自動調整 之限制。 在解說本發明一例示實施例之前，以下先說明將 毛細管限制設備用於本發明之液壓氣體轴承的原 因。 參見見第1圖中液壓氣體轴承的喷嘴η，在供有 一壓力為’’Pa”之氣體的情況下，假設該氣體是由於通 過該細孔2時該細孔2之一璧面2a上的黏性而致降 壓，則於吹出口處，該吹出口正下方的壓力就變 成”Pt”。亦假設該喷出的氣體由於在該凹處3中膨脹 時所產生的絕熱膨脹而受到限制作用（第1囷中之 自動調整的限制作用），則在該凹處3内的壓力就變 成為”Pz”，且假設此氣體在通過該凹處3而被排出該 軸承時，另受到該轴承縫隙4處之黏性阻力，則該 氣體的壓力就變成為一外在壓力” Pa”。 在上述情況中，該降壓ΔΡ經引發以作為代表限 制強度之參數，而用以獲得該降壓ΛΡ的方法將顯示 如下。 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > Α4規格（21〇Χ297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 487788 A7 B7 五、發明説明（g) 該細孔2所造成之毛細管限制以△ρρΡγΡι來表 示，而在該細孔2吹出口之絕熱膨脹所造成的自動 調整之限制則以△?2=卩广口2來表示。 參見第1圖，該氣體的質量流量係透過以下三個 步驟而計算出來。 (1 )受到毛細管限制時的質量流量： ( u D4/256/z RTL) ( Ps2-Pt2 ) (2)受到絕熱膨脹所造成的自動調整之限制時 的質量流量： M2= { APt/ ( RT ) 1’2 } 0。 其中，在Pz/Pg { 2/ ( /c +1 時， A= ^ D ( g+h ) φ 〇={2 κ l{n -1 )}1/2{(P2/Pt)2/" -(P2/Pt)^ +1)/« y/2 (3 )在受到該軸承縫隙4處之黏性阻力時的質 量流量： 依據微分學之計算，矩陣指示如下： Μ3={(ίι+9)3/24πΤ}[0ΜΡ2(Ι ,J)-Ci,HP2(i ,“）·—】 其中p ( I，J)表示於一點（I，J)處之壓力，而 chj為其係數。 其他參數表示如下： D:細孔之直徑；L:細孔之長度； g:凹處深度；h:軸承縫隙之長度； 以：使用氣體之黏性效率；R:氣體常數； T:溫度；/c :特定熱度之比例。 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公嫠） ---------裝-- (請先閲请背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 487788 A7 B7 五、發明説明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在該細孔2中及該轴承表面上的壓力分布係透 過微分學應用質量流量不滅定律來計算。 第2圖為一圖表，其表示與一模型轴承有關之 壓力分布的計算結果及該降壓△ ρ〗的計算結 果。該模型轴承係製備成一具有四角之6〇mm2尺寸 的軸承，而且該喷嘴η係設於該四角上以將該氣體 由各具有0.1mm直徑的四個細孔2喷出。 在該具有0.1 mm直徑的細孔2之周圍配置一具 有如第3F圖所示之具有l形凹槽的凹處3,其具有 一 1〇/zm的深度g。該軸承縫隙4之長度h為5#m。 該計算結果顯示於第2圖之圓表中，其中該橫座 標表示具有喷嘴結構參數為D4 /L之毛細管限制 力。如第2A圖中所示，如果是使用空氣，所產生的 自動調整之限制作用則相當大，而且是在實際可用 的範圍中，△P1<^p2。另一方面，如第2B囷所示， 如果疋使用氦氣，上述的關係則反而成為特定的範 圍D4/L。也就是說，該毛細管限制作用大於該自動 調整之限制作用 本申請案發明人在理論上獲得上述關係（第一原 因）時，曾探討藉由該毛細管限制對氣流造成之黏 性阻力來改善該軸承減振特性的可能性。此可由下 列莫瑞（Mori)等人的、有關液壓氣體轴承穩定要素 之研究夕（曰本專利公報第32卷第244號）， PP· 1877-1882，所顯示的結果中獲得。 冬標準(⑽)姆(210><297公釐 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .^ 訂 線 487788 A7 B7 五、發明説明（ 如上述之莫瑞（Mori)等人，在他們對於該轴承 凹處相關該穩定元件（氣體觸排）之關聯部份的限 制研究中’毛細管限制造成比孔口限制更佳的減振 作用。這表示該氣體為空氣時，則對該穩定元件係 為限制’而對本發明中之供給口非為限制，因此該 結果並不直接適用。因此，本發明的新穎性在於利 用氦氣被作為待用的氣體，且實現該毛細管限制之 優勢為該供給口的限制。 為了改善該轴承的穩定性，增加在該轴承表面的 壓力可有效的（參見日本機械學會論文案（第C版） 第 58 卷第 551 號）（1992_7 )，PP.186-193 )。由第 2圖的計算結果顯示，在一具有d4/l大值的範圍中， 在使用氦氣時，該軸承表面的壓力（=ρ3_ΔΡι_ΔΡ2) 大於使用空氣時的壓力（第二原因）。在D4/L大於 2X1(T4mm3之範圍内，會致使該減振特性的改善。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 依據上述兩個原因，該使用氦氣的液壓氣體轴承 被期望提供一經大幅改善的減振特性，此乃經該發 - 明人証實，並說明如下。 .以下將說明一較佳示範實施例。 待喷出的氦氣係由一氦氣供給設備所供應，該供 給設備藉降低本身的壓力至一預定壓力來供給氦 氣’譬如’由一高壓儲存彈至一降壓閥的壓力。再 者’一可在一預定壓力下供給氦氣的設備亦可被利 用做為該氦氣供給設備。 _______ 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) M胁（21GX297公釐） " 487788 A7 B7 五、發明説明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 被供給至該軸承的氣氣之壓力係以一分壓表 示，通常為0.3至0.7Mpa，而高純度氦氣不是絕對 必要是。為降低成本，氦氣以外的氣體可被混合， 只要不超過總量的50%即可。這表示，於本發明中， 該詞、氦氣〃包含它的混合氣體。由於氬、氮、氧 及空氣為一比氦重的元素或氣體，當該等氣體或元 素混合於氦中時，必須考慮這些氣體混合於氦中的 比例，因為該混合會減弱可從本發明中獲得的效 果。另一方面，氫氣之混合氣體則會增加本發明的 作用’因為氫氣的重量比氦氣輕。 形成於該噴嘴的細孔2為圓柱形，而該圓柱形最 欲求之橫截面的直徑為不小於〇e〇4mm且不大於 0_4mm，在工業上形成或製造如此的細孔是很難 的’而另一方面，如果該直徑為大於〇_〇4 mm，該 限制作用則會減弱，以致無法獲得本發明欲達到的 作用。 再者，該圓柱形細孔2必須具有一大於預定長度 的長度L，以獲得該毛細管限制作用。該細孔2之形 狀係數D4/L的上限取決於該毛細管限制作用可否在 有關絕熱膨脹作用之毛細管限制大於20% (△ PJA P2 ^〇·2)時明顯呈現。 .也就是說，參見第2Β圖，上述狀態在該細孔2 的形狀係數D'L為不大於2 Χ10·4 mm3時可實現， 且因此，上述狀態可成為本發明之更佳狀態。為了 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) m— 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 487788 A7 _B7___ 五、發明説明（^ 獲得本發明之最大的作用，（△Ρ1/ΛΡ2 $ 1 )的狀態 是欲求的。 當該細孔的長度L在（$1 )的狀態下 由以該細孔直徑為0.1mm的條件滿足上述狀態之該 細孔2的形狀係數D4/L獲得時，如果是使用氦氣， 則該長度L約為2 mm，而如果是使用空氣，則該長 度L則約為14 mm。在工業上形成具有一大於i〇mm 之長度且直徑為0.1mm的細孔是很難的，如果是使 用空氣，則無法在工業上實現一具有毛細管限制結 構的軸承。而另一方面，如果使用氦氣作為一排放 氣體，則可輕易實現一具有強而有力的毛細管限制 結構之軸承。 為了增加堅固性及承載量，該凹處3乃形成於該 喷嘴η之細孔2的正下方，也就是位於一在抽承表 面上包括氣體排放口的平面部份上。此凹處3可具 有不同的形狀，但於許多案例中，一同心凹處可運 用於一圓形的軸承表面上，其中一簡單之喷嘴η則 配置於該中心位置。該凹處3的深度不小於5/zm且 不大於30#m。如果該凹處的深度小於5i/m,就難 以獲得欲求的堅固性，而如果該凹處的深度大於 ym，該軸承則會輕易地造成自激的振動。 再者’為了增加該軸承在操作上的穩定性，所欲 者為該凹處容積小並具有一不同形狀的凹槽，該等 形狀如第3A至3F圖所示之丨形（第3A囷）、η形 ------^----装------1Τ------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
A7 -----------B7__ i '發明侧()" ""~ Γ1 (第3B圖）、+形（第3C圖）、田形（+字於正方形 中之形狀）（第3D圖）、T形（第3E圖）及l形（第 3F圖）。更者，有關如第3Ε圖所示之τ形凹槽，該 細孔2以形成於丁字之腳端聚集的一位置上為較 佳。有關如第3F圓所示之L形凹槽，如果喷嘴配置 於一矩形軸承的四角部份上，則該細孔2以形成於 該字母L的角部為較佳。 再者’雖然第3圖顯示不同的凹槽形狀，在一 使用多數噴嘴η的轴承中，或許有可能以組合的方 式使用這些凹槽。為了如前所提關於該圓形凹處3 的相同原因，而將該凹槽5的深度限制為不小於5 /zm且不大於。 再者，該喷嘴η及設置著該喷嘴的軸承體1以是 陶瓷製成亦為所欲。如該陶瓷，亦可利用，譬如氧 化紹、氧化錯、碳化矽、氮化矽、SIAL0N、氮化鋁 及這些以陶瓷為主的化合物材料，該等都可稱為細 陶瓷。 該陶瓷之適用的原因在於：有別於使用金屬材 料’它不會生銹；形狀穩定；由於它的重量輕及堅 固性高所以而不會有結構上的變形；大體上不會產 生粗刻邊’若是使用金屬，在機器製作過程中在該 軸承·表面上處理該凹處時則會產生粗刻邊；且可運 用不同的處理方法，如雷射處理、鼓風處理等，這 些處理方法則難以作為金屬製作的方法。 ___ 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )( 21GX297公釐） — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 /788 /788 經濟部智慧財產局員工消費洽作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（企 由於該氦氣具有優越的熱傳導屬性，因此可在相 當短的時間内實完熱平衡狀態，即使是將沒有極佳 ， 之熱傳導屬性的陶瓷用於該轴承體亦然。如上述， ^ 在使用以該陶瓷所之可移動台面做為一精密機器的 構成元件，該氦氣可以有利地減少整個系統中溫度 的波動，且可以對該製作上的精密度有所貢獻。 以下將說明一較佳例示實施例。 將該軸承表面定為一具有60 X 60 mm2尺寸的正 方形。裝設具有不同細孔形狀或形式之喷嘴的轴 承，係使用氧化鋁陶瓷所製成，且已經過測試。 該噴嘴排列於該軸承的四角部份，而位於該孔口 正下方之凹處形成一具有如第3F圖所示之L形的凹 槽，藉此該轴承表面的中心被該凹槽所環繞。此凹 槽的深度為1〇vm。將一與大氣壓差為0.4Mpa的氣 體供應至該軸承。一伏起（升起）距離，即轴承縫 隙，藉由調整該載荷而設定為5/zm。 減振係藉施加衝擊負載於該軸承來計算。藉一減 • 振曲線獲得振動之靜止時間，而共振頻率及阻尼比 . 例則藉由FFT (快速傅立葉轉換）（Fast Fourier
Transform)阻尼曲線之分析獲得。 由該共振頻率中獲得一堅固性（動作堅固性）值 的頻库。有關不同之D4/L的測量結果乃顯示於下列 表1中。由此表1中可發現，在使用氦氣為排出氣 時’相對於使用空氣且將減振比例調為兩倍時，該 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） ------J— ---I--I I 1^ (請先Μ.讀背面之注意事項再填寫本頁) 487788 五、發明說明（1名 振動靜止時間會減半，即使是提供與使用空氣時大 致相同的堅固性亦然。因此，該顯著的減振作用是 肯定的。 表1 氣體 種類 細孔形狀係數 D4/L(x1〇'4m3) 振動靜止時 間 Ts(ms) 阻尼比例 (η 動作堅固性 Kd(N/β m) 氦 3 25 0.036 84 0.3 「18 0.051 I 88 0.1 12 0.085 93 空氣 3 45 0.022 87 0.3 42 0.024 92 0.1 28 0.036 98 *振動靜止時間：振動寬度設定為1/1〇的時間。 (請先«.讀背面之注意事項再填寫本頁) in 再者，應注意的是，前述實施例為本發明之示範 實施例，然而，本發明並不限定於前述者，其他的 變動及改良仍含括於本發明之範圍内。 =«· 4 — —#. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公* ) 487788 A7 B7 五、發明說明（ώ 元件標號對照表 1.. .轴承體 2.. .細孔3.. .凹處 4.. .轴承缝隙5.. .凹槽 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _ 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 社 •印 製 17 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）