氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器的製作方法

2023-06-08 23:42:11

專利名稱：氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器的製作方法
技術領域：
本發明屬於精密隔振技術領域，主要涉及一種氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器。
背景技術：
隨著超精密加工與測量精度的不斷提高，環境振動成為制約超精密加工裝備與測量儀器精度和性能提高的重要因素。尤其是步進掃描光刻機為代表的超大規模集成電路加工裝備，技術密集度與複雜度極高，關鍵技術指標均達到了現有技術的極限，代表了超精密加工裝備的最高水平，超精密隔振成為此類裝備中的核心關鍵技術；步進掃描光刻機的線寬已達到22nm及以下，矽片定位精度與套刻精度均達到幾納米，而工件臺運動速度達到lm/s以上，工件臺加速度達到重力加速度的幾十倍，這對現有的隔振技術提出了新的挑戰。首先，光刻機需要為計量系統與光刻物鏡提供「超靜」的工作環境，同時又需要驅動工件臺以高速度與高加速度運動，這對隔振系統的隔振性能提出了極其苛刻的要求，其三個方向的固有頻率均需要達到IHz以下；其次，光刻機各部件之間的相對位置，例如光刻物鏡與矽片表面的距離，均具有非常嚴格的要求，且處於位置閉環反饋控制系統的控制之下，要求隔振器上、下安裝板之間的相對位置精度達到10 μ m量級，傳統隔振器的定位精度遠遠不能滿足要求。根據隔振理論，被動式隔振器的固有頻率與剛度成正比、與負載質量成反比，因此在負載質量一定的前提下，降低隔振器的剛度是降低固有頻率、提高低頻與超低頻隔振性能的有效途徑。傳統空氣彈簧等形式的隔振器存在靜態承載能力與剛度的固有矛盾，同時受材料特性、結構剛度等因素制約，要進一步降低其剛度、尤其是水平向剛度十分困難。針對這一問題，研究人員將「擺」式結構引入到空氣彈簧隔振器中，達到降低隔振器水平剛度的目的(1. Nikon Corporation. Vibration Isolator With Low Lateral Stiffness.美國專利公開號US20 040065517A1 ；2. U. S. Philips Corporation. Positioning Devicewith a Force Actuator Systemfor Compensating Center-of-gravity Displacements，and Lithographic Device Provided with Such APositioning Device.美國專利號US005844664A)。該方法能夠在一定程度上降低空氣彈簧隔振器的水平剛度，提升其低頻隔振性能。該方法存在的問題在於1)受材料特性與結構剛度制約，隔振器垂向與水平向剛度降低的幅度有限；2)空氣彈簧隔振器的垂向與水平向定位精度均很差，無法滿足光刻工藝的要求；3)要達到較低的水平剛度需要較大的擺長，導致隔振器高度過大，容易發生弦膜共振，穩定性差。通過對現有空氣彈簧隔振器技術方案的分析可見，現有空氣彈簧隔振器難以滿足光刻機對超低剛度與高定位精度的要求。德國IDE公司提出了一種摒棄傳統橡膠空氣彈簧的隔振器技術方案(1.1ntegrated Dynamics Engineering GmbH.1solatorgeometrie EinesSchwingungs iso Iat ions system.歐洲專利號EP1803965A2 ；2.1ntegrated DynamicsEngineeringGmbH. Schwingungsisolationssystem Mit Pneumatischem Tiefpassfilter.歐洲專利號ΕΡ1803970Α2 ;3· Integrated Dynamics Engineering GmbH. Air Bearing withConsideration of High-Frequency Resonances.美國專利公開號US20080193061A1)。該方案採用垂向與水平向氣浮面對各方向的振動進行解耦與隔振，可以達到極低的剛度與固有頻率。該方案存在的問題在於1)已公開技術方案中，隔振器無法實現精確定位；2)專利EP1803965A2中，上、下安裝板之間不存在繞水平軸旋轉的角運動自由度，該方向的角剛度與固有頻率都很高；專利EP1803970A2與US20080193061A1採用橡膠塊為上、下安裝板提供繞水平軸旋轉的角運動自由度，但由於橡膠塊角剛度很大，無法有效地進行角運動自由度解耦，角運動自由度解耦機構部件之間存在摩擦力而引入附加剛度，制約隔振性能。荷蘭ASML公司也提出了類似的隔振器技術方案(1. U. S. Philips Corp,ASM LithographyB. V. Pneumatic Support Device with A Controlled Gas Supply,and Lithographic Device Providedwith Such A Support Device.美國專利號US006144442A ;2·Koninklijke Philips ElectronicsN. V. , ASM LithographyΒ.V.Lithographic Pneumatic Support Device with Controlled Gas Supply.國際專利公開號W099/22272 ;3. ASML Netherlands B. V. Support Device,LithographicApparatus, and Device Manufacturing Method Employing A SupportingDevice, and A PositionControl System Arranged for Use in A Supporting Device.美國專利號USOO7O8^i956B2 ;4. ASML Netherlands Β. V. Support Device, LithographicApparatus, and Device ManufacturingMethod Employing A Supporting Device and APosition Control System Arranged for Use in ASupporting Device.歐洲專利號EP1486825A1)。專利US006144442A與W099/22272中對氣源壓力進行閉環反饋控制，達到提高隔振器的穩定性與性能的目的；專利US007084956B2與EP1486825A1中在上安裝板上設有振動傳感器，同時引入參考振動系統，通過控制算法提升隔振器的隔振性能。但所提出技術方案仍然沒有解決隔振器的精確定位與上、下安裝板的角運動自由度解耦問題。

發明內容
本發明的目 的是針對超精密測量儀器與加工裝備、尤其是步進掃描光刻機等超大規模集成電路加工裝備對隔振器低固有頻率、高定位精度的迫切要求，提供一種氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器，隔振器具有三維近似零剛度與極低固有頻率，上、下安裝板之間能夠進行精確定位與角度解耦，從而有效解決超精密測量儀器與加工裝備、尤其是步進掃描光刻機中的精密隔振問題。本發明的目的是這樣實現的一種氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器，由上安裝板、下安裝板、潔淨壓縮氣源、氣管和隔振器主體組成，隔振器主體安裝在上安裝板和下安裝板之間，潔淨壓縮氣源通過氣管與隔振器主體連接，所述隔振器主體的結構是套筒的下表面與下安裝板通過磁懸浮平面電機的磁懸浮作用形成的磁浮間隙進行承載，活塞筒倒扣安裝在套筒內，並與套筒通過徑向承載圓柱氣浮面潤滑與支撐，氣浮球軸承安裝在活塞筒和上安裝板之間，Z向音圈電機、Z向位移傳感器與Z向限位開關安裝在活塞筒與套筒之間，X向位移傳感器、X向限位開關與Y向位移傳感器、Y向限位開關安裝在套筒與下安裝板之間，Z向音圈電機的驅動力方向和磁懸浮平面電機的X向驅動力、Y向驅動力方向兩兩互相垂直，Z向位移傳感器、Z向限位開關的作用線方向與Z向音圈電機的驅動力方向一致，X向位移傳感器、X向限位開關的作用線方向與磁懸浮平面電機的X向驅動力一致，Y向位移傳感器、Y向限位開關的作用線方向與磁懸浮平面電機的Y向驅動力方向一致；x、Y、Z向位移傳感器和X、Y、Z向限位開關分別與控制器的信號輸入端連接，控制器的信號輸出端與驅動器的信號輸入端連接，驅動器的信號輸出端分別與磁懸浮平面電機、Z向音圈電機連接。所述活塞筒內設有氣體壓力傳感器，活塞筒上設有進氣口和電磁閥，氣體壓力傳感器與控制器的信號輸入端連接，驅動器的信號輸出端與電磁閥連接。所述磁懸浮平面電機的配置方式是在套筒底面側壁安裝無導線連接的磁懸浮平面電機動子，在下安裝板上表面側壁相對配裝磁懸浮平面電機定子。所述Z向音圈電機為圓筒型音圈電機或平板型音圈電機。所述X、Y、Z向位移傳感器為光柵尺、磁柵尺、容柵尺或直線式電位器。所述X、Y、Z向限位開關為機械式限位開關、霍爾式限位開關或光電式限位開關。所述活塞筒內氣體壓力為O.1MPa O. 8MPa。所述磁懸浮平面電機動子與磁懸浮平面電機定子之間的磁浮間隙為O. Olmm Imm0本發明的技術創新性及產生的良好效果在於(I)本發明摒棄了傳統基於彈性元件/機構的隔振器技術方案，採用磁懸浮平面電機的磁懸浮作用、徑向承載圓柱氣浮面對水平向和垂向振動進行解耦與隔離，磁懸浮承載方式在電機無定位驅動 力輸出時水平剛度近似為零，與氣浮面一起，使隔振器獲得近似的零剛度特性和突出的超低頻隔振性能，解決了現有技術受結構剛度、材料特性限制，剛度難以進一步降低，剛度與穩定性不能兼顧的問題。這是本發明區別於現有技術的創新點之
O(2)本發明採用位移傳感器尺、限位開關、控制器、驅動器與電機構成豎直方向與水平方向的位置閉環反饋控制系統，對上、下安裝板之間的相對位置進行精確控制，定位精度可達到10 μ m及以上，可有效解決現有技術方案定位精度低、定位精度與剛度及隔振性能不能兼顧的問題。這是本發明區別於現有技術的創新點之二。(3)本發明採用氣浮球軸承對上、下安裝板之間的角運動進行解耦，氣浮球軸承無摩擦，不引入附加角剛度，可有效解決現有採用彈性體進行角度解耦的方法引入較大附加角剛度、制約固有頻率與低頻隔振性能的問題。這是本發明區別於現有技術的創新點之三。(4)本發明採用氣體壓力傳感器、電磁閥與控制器、驅動器等構成壓力閉環反饋控制系統，精確控制套筒內的氣體壓力，對隔振器的軸向載荷進行重力平衡與補償，在徑向承載圓柱氣浮面的作用下，承載負載重力的活塞筒可沿套筒以近似零剛度上下自由滑動，從而實現理想的重力平衡與零剛度隔振效果。這是本發明區別於現有技術的創新點之四。(5)本發明採用主動執行器對上、下安裝板之間的相對位置和活塞筒內的氣體壓力進行主動控制，隔振器參數可根據被隔振對象特點與工作環境變化進行實時調節，從而適應不同的工況，具有較好的靈活性、適應性與穩定性。這是本發明區別於現有技術的創新點Z,五O


圖1為氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器結構示意圖；圖2為氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器的三維剖面結構示意圖；圖3為氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器的控制結構框圖；圖4為活塞筒上圓柱氣浮面節流孔和球面氣浮面節流孔的示意圖。圖中件號說明1上安裝板、2下安裝板、3潔淨壓縮氣源、4隔振器主體、5活塞筒、6套筒、7氣浮球軸承、IOZ向音圈電機、IOa Z向電機鐵軛、IOb Z向電機磁鋼、IOc Z向電機線圈骨架、IOd Z向電機線圈、IOe Z向電機過渡件、IlX向位移傳感器、12Y向位移傳感器、12a Y向光柵讀數頭過渡件、12b Y向光柵讀數頭、12c Y向玻璃光柵尺、13Z向位移傳感器、13a Z向光柵讀數頭過渡件、13b Z向光柵讀數頭、13c Z向玻璃光柵尺、14X向限位開關、15Y向限位開關、15a Y向限位塊、15b Y向霍爾開關、15c Y向限位開關過渡件、15d Y向限位塊過渡件、16Z向限位開關、16a Z向限位塊、16b Z向霍爾開關、16c Z向限位開關過渡件、17氣體壓力傳感器、18電磁閥、19控制器、20驅動器、21磁浮間隙、22徑向承載圓柱氣浮面、23進氣口、24磁懸浮平面電機、24a磁懸浮平面電機動子、24b磁懸浮平面電機定子、25圓柱氣浮面節流孔、26氣管、27球面氣浮面、28球面氣浮面節流孔。
具體實施方式
下面結合附圖給出本發明的具體實施例。一種氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器，由上安裝板1、下安裝板2、潔淨壓縮氣源3、氣管26和隔振器主體4組成，隔振器主體4安裝在上安裝板I和下安裝板2之間，潔淨壓縮氣源3通過氣管26與隔振器主體4連接，所述隔振器主體4的結構是套筒6的下表面與下安裝板2通過磁懸浮平面電機24的磁懸浮作用形成的磁浮間隙21進行承載，活塞筒5倒扣安裝在套筒6內，並與套筒6通過徑向承載圓柱氣浮面22潤滑與支撐，氣浮球軸承7安裝在活塞筒5和上安裝板I之間，Z向音圈電機10、Z向位移傳感器13與Z向限位開關16安裝在活塞筒5與套筒6之間，X向位移傳感器11、X向限位開關14與Y向位移傳感器12、Y向限位開關15安裝在套筒6與下安裝板2之間，Z向音圈電機10的驅動力方向和磁懸浮平面電機24的X向驅動力、Y向驅動力方向兩兩互相垂直，Z向位移傳感器13、Z向限位開關16的作用線方向與Z向音圈電機10的驅動力方向一致，X向位移傳感器11、X向限位開關14的作用線方向與磁懸浮平面電機24的X向驅動力一致，Y向位移傳感器12、Y向限位開關15的作用線方向與磁懸浮平面電機24的Y向驅動力方向一致；X、Y、Z向位移傳感器11、12、13和X、Y、Z向限位開關14、15、16分別與控制器19的信號輸入端連接，控制器19的信號輸出端與驅動器20的信號輸入端連接,驅動器20的信號輸出端分別與磁懸浮平面電機24、Z向音圈電機10連接。X、Y、Z向位移傳感器11、12、13對X、Y、Z向音圈電機8、9、10輸出的位移進行測量，X、Y、Z向限位開關14、15、16對X、Y、Z向音圈電機8、9、10運動的行程進行限制；控制器19根據X、Y、Z向位移傳感器11、12、13與Χ、Υ、Ζ向限位開關14、15、16的反饋信號，控制X、Y、Z向音圈電機8、9、10對上、下安裝板1、2之間的相對位置進行精確控制。所述活塞筒5內設有氣體壓力傳感器17，活塞筒5上設有進氣口 23和電磁閥18，氣體壓力傳感器17與控制器19的信號輸入端連接，驅動器20的信號輸出端與電磁閥18連接。所述磁磁懸浮平面電機24的配置方式是在套筒6底面側壁安裝無導線連接的磁懸浮平面電機動子24a，在下安裝板上表面側壁相對配裝磁懸浮平面電機定子24b。所述Z向音圈電機10為圓筒型音圈電機或平板型音圈電機。所述X、Y、Z向位移傳感器11、12、13為光柵尺、磁柵尺、容柵尺或直線式電位器。所述Χ、Υ、Ζ向限位開關14、15、16為機械式限位開關、霍爾式限位開關或光電式限位開關。所述活塞筒5內氣體壓力為O.1MPa O. 8MPa0所述磁懸浮平面電機動子24a與磁懸浮平面電機定子24b之間的磁浮間隙21為
O.Olmm Imm0下面結合圖1 圖3給出本發明的一個實施例。本實施例中，零剛度隔振器工作時，下安裝板2安裝在地基、儀器的基座或基礎框架上，上安裝板I與被隔振的負載連接。Z向音圈電機10米用圓筒型音圈電機，其主要包括Z向電機鐵軛10a、Z向電機磁鋼10b、Z向電機線圈骨架10c、Z向電機線圈IOd和Z向 電機過渡件IOe等部件。Z向電機鐵軛IOa和Z向電機線圈骨架IOc為圓筒形，Z向電機磁鋼IOb為圓柱形，Z向電機線圈IOd繞於Z向電機線圈骨架IOc上，Z向電機過渡件IOe提供Z向電機線圈骨架IOc的安裝結構。Z向電機鐵軛IOa和Z向電機磁鋼IOb構成電機定子，Z向電機線圈骨架10c、Z向電機線圈IOd構成電機動子。電機工作時線圈中通以電流，根據電磁理論，通電線圈在磁場中會受到洛倫茲力作用，通過控制電流的大小和方向可以控制電機輸出驅動力的大小和方向。本實施例中氣浮球軸承7的安裝方式為氣浮球軸承7的下表面安裝在活塞筒5上，並通過球面氣浮面27潤滑與支撐，氣浮球軸承7的上表面與上安裝板I剛性連接。X、Y、Z向位移傳感器11、12、13採用光柵尺。以Z向位移傳感器13為例，其主要包括Z向光柵讀數頭過渡件13a、Z向光柵讀數頭13b和Z向玻璃光柵尺13c等部件，Z向光柵讀數頭過渡件13a提供Z向光柵讀數頭13b的安裝結構。光柵尺工作時，Z向光柵讀數頭13b能夠將其與Z向玻璃光柵尺13c的相對位移檢測出來，並通過信號導線送給控制器19。X、Y、Z向限位開關14、15、16採用霍爾式限位開關。以Z向限位開關16為例，其主要包括Z向限位塊16a、Z向霍爾開關16b和Z向限位開關過渡件16c等部件。兩個Z向霍爾開關16b背靠背安裝,兩個Z向限位塊16a為金屬材料,與Z向霍爾開關16b的敏感端相對安裝。Z向限位開關過渡件16c提供Z向霍爾開關16b的安裝結構。限位開關工作時，當Z向霍爾開關16b接近Z向限位塊16a時，Z向霍爾開關16b給出限位信號，並通過信號導線送給控制器19。本實施例中，Z向音圈電機10、Z向位移傳感器13和Z向限位開關16均安裝在活塞筒5和套筒6之間，且安裝在活塞筒5內部。隔振器對負載的承載採用如下方式實現潔淨壓縮氣源3通過氣管26、經電磁閥18、進氣口 23向活塞筒5內輸送潔淨壓縮空氣。控制器19根據氣體壓力傳感器17的反饋信號，控制電磁閥18的開度，調節輸入到活塞筒5內的氣體流量，從而調節活塞筒5內潔淨壓縮空氣的壓力，使潔淨壓縮空氣對活塞筒5向上的作用力與負載、活塞筒5及加載與活塞筒5上的其它零部件的重力相平衡，實現理想的重力補償與零剛度隔振效果。
本實施例中，活塞筒5內潔淨壓縮空氣的壓力為O. 4Mpa，活塞筒5下表面的有效半徑為100_，則單個隔振器承載的質量為m = pX Jir2/g ^ 1282kg，其中p為氣體壓力，P = O. 4Mpa, r為活塞筒5下表面的有效半徑，r = 100mm, g為重力加速度，g = 9. gm/m2。圖4給出活塞筒上圓柱氣浮面節流孔和球面氣浮面節流孔的一個實施例。本實施例中，活塞筒5側壁上沿圓周方向均布兩排圓柱氣浮面節流孔25，每排圓柱氣浮面節流孔25的數量為8個，直徑為Φ0. 2mm。活塞筒5上表面的凹球面上繞圓心沿圓周方向均勻分布8個球面氣浮面節流孔28 ，直徑為Φ O. 2mm。
權利要求
1.一種氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器，由上安裝板(I)、下安裝板(2)、潔淨壓縮氣源(3)、氣管(26)和隔振器主體⑷組成，隔振器主體⑷安裝在上安裝板(I)和下安裝板(2)之間，潔淨壓縮氣源(3)通過氣管(26)與隔振器主體(4)連接，其特徵在於所述隔振器主體(4)的結構是套筒(6)的下表面與下安裝板(2)通過磁懸浮平面電機(24)的磁懸浮作用形成的磁浮間隙(21)進行承載，活塞筒(5)倒扣安裝在套筒出)內，並與套筒(6)通過徑向承載圓柱氣浮面(22)潤滑與支撐，氣浮球軸承(7)安裝在活塞筒(5)和上安裝板⑴之間，Z向音圈電機(10)、Z向位移傳感器(13)與Z向限位開關(16)安裝在活塞筒(5)與套筒(6)之間，X向位移傳感器(11)、X向限位開關(14) 與Y向位移傳感器(12)、Y向限位開關(15)安裝在套筒(6)與下安裝板⑵之間，Z向音圈電機(10)的驅動力方向和磁懸浮平面電機(24)的X向驅動力、Y向驅動力方向兩兩互相垂直，Z向位移傳感器(13)、Z向限位開關(16)的作用線方向與Z向音圈電機(10)的驅動力方向一致，X向位移傳感器(11)、X向限位開關(14)的作用線方向與磁懸浮平面電機 (24)的X向驅動力一致，Y向位移傳感器(12)、Y向限位開關(15)的作用線方向與磁懸浮平面電機(24)的Y向驅動力方向一致；X、Y、Z向位移傳感器(11、12、13)和Χ、Υ、Ζ向限位開關(14、15、16)分別與控制器(19)的信號輸入端連接，控制器(19)的信號輸出端與驅動器(20)的信號輸入端連接，驅動器(20)的信號輸出端分別與磁懸浮平面電機(24)、Ζ向音圈電機(10)連接。
2.根據權利要求1所述的氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器，其特徵在於所述活塞筒(5)內設有氣體壓力傳感器(17)，活塞筒(5)上設有進氣口(23)和電磁閥(18)，氣體壓力傳感器(17)與控制器(19)的信號輸入端連接，驅動器(20)的信號輸出端與電磁閥(18)連接。
3.根據權利要求1所述的氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器，其特徵在於所述磁懸浮平面電機(24)的配置方式是在套筒(6)底面側壁安裝無導線連接的磁懸浮平面電機動子(24a)，在下安裝板上表面側壁相對配裝磁懸浮平面電機定子(24b)。
4.根據權利要求1所述的氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器，其特徵在於所述Z向音圈電機(10)為圓筒型音圈電機或平板型音圈電機。
5.根據權利要求1所述的氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器，其特徵在於所述X、Y、Z向位移傳感器(11、12、13)為光柵尺、磁柵尺、容柵尺或直線式電位器。
6.根據權利要求1所述的氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器，其特徵在於所述Χ、Υ、Ζ向限位開關(14、15、16)為機械式限位開關、霍爾式限位開關或光電式限位開關。
7.根據權利要求1所述的氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器，其特徵在於所述活塞筒(5)內氣體壓力為O.1MPa O. 8MPa。
8.根據權利要求3所述的氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器，其特徵在於所述磁懸浮平面電機動子(24a)與磁懸浮平面電機定子(24b)之間的磁浮間隙 (21)為 O. Olmm Imnin
全文摘要
氣浮球軸承角度解耦與磁懸浮平面驅動定位的隔振器屬於精密隔振技術領域，隔振器主體的套筒與下安裝板之間通過磁懸浮平面電機的磁懸浮作用進行承載，活塞筒與套筒之間通過氣浮面進行潤滑與支撐，上安裝板與下安裝板之間的角運動自由度通過氣浮球軸承進行解耦，電機、位移傳感器、限位開關和控制器、驅動器構成位置閉環反饋控制系統，對上、下安裝板的相對位置進行精確控制；本發明具有三維零剛度、高定位精度及角度解耦特性，可獲得極低的固有頻率和突出的低頻與超低頻隔振性能，從而有效解決超精密測量儀器與加工裝備、尤其是步進掃描光刻機中的高性能隔振問題。
文檔編號F16C32/06GK103047341SQ20121057458
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者譚久彬, 崔俊寧, 王雷 申請人:哈爾濱工業大學