專利名稱：一種配裝波紋管垂向解耦重力補償器的微動臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造裝備技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種配裝波紋管垂向解耦重力補償器的微動臺。
背景技術(shù)：
光刻機是極大規(guī)模集成電路制造中重要的超精密裝備之一。光刻機分辨率、套刻精度、產(chǎn)率一直是人們追求的光刻機三大性能指標，而光刻機工件臺技術(shù)作為光刻機三大核心技術(shù)之一，對于提升光刻機上述指標至關(guān)重要。工件臺系統(tǒng)作為光刻機的核心組成部 分，其主要任務(wù)是實現(xiàn)高速和高加、減速度的超精密運動控制，即在高速和高加速度條件下具備納米定位精度，以配合光刻過程中的上片、預(yù)對準、對準、曝光和下片等加工制造工序。為了解決工件臺在高速條件下長行程和納米定位精度之間的矛盾，出現(xiàn)了宏微結(jié)合兩級運動控制技術(shù)。一般情況下，宏動實現(xiàn)長行程微米級定位，微動實現(xiàn)短行程納米級定位，二者結(jié)合可在一定程度上解決長行程和超精密定位的矛盾。因此，目前在工件臺中實現(xiàn)納米定位精度的核心部件為微動臺。為實現(xiàn)微動臺六自由度納米定位精度，微動臺所處環(huán)境極為嚴苛，環(huán)境微小振動及溫度波動是必須考慮的因素。局部溫控技術(shù)和隔振技術(shù)是決定微動臺性能的關(guān)鍵技術(shù)。目前微動臺局部溫控一般采用水冷和氣浴相結(jié)合的形式，隔振一般采用氣浮或磁浮的重力補償器實現(xiàn)。另外，重力補償器通過補償微動臺運動部件的重力可以降低微動臺垂向電機的熱耗散，減小微動臺受到熱膨脹的影響，同時還重力補償器承擔微動臺六自由度解耦的任務(wù)。因此，重力補償器是光刻機微動臺的關(guān)鍵部件。荷蘭ASML公司專利EP973067A2和US6337484B1公布了一種氣浮重力補償器的兩種結(jié)構(gòu)形式，均采用環(huán)形洛倫茨電機作為垂向驅(qū)動器，由高壓氣腔實現(xiàn)重力補償，推/力氣浮軸承實現(xiàn)水平解耦。該裝置的兩種結(jié)構(gòu)形式區(qū)別在于垂直轉(zhuǎn)動解耦結(jié)構(gòu)不同，一個采用球形氣浮軸承，另一個采用垂直設(shè)置的雙軸柔性鉸鏈。但球形氣浮軸承存在球面加工研磨難和檢測難的問題，雙軸柔性鉸鏈問題在于存在應(yīng)力集中，在微動臺連續(xù)工作條件下，可靠性不高。ASML公司專利EP_1160628_A2公開的重力補償器基本結(jié)構(gòu)類似與上述兩個專利。上海SMEE專利CN101082775公布了一種可垂向微調(diào)和重力補償裝置，該裝置以微調(diào)整定位方式能得到精確的位置控制，同時采用平衡質(zhì)量的方式以減小和消除運動反力以及系統(tǒng)質(zhì)心頻繁變換給光刻機帶來的影響，該裝置水平解耦采用推力氣浮軸承實現(xiàn)，垂向解耦采用雙軸柔性鉸鏈方式實現(xiàn)，特別是在垂向微調(diào)驅(qū)動裝置音圈電機上設(shè)置有柔性支撐環(huán)節(jié)。同樣，柔性鉸鏈存在加工難和應(yīng)力集中的問題。上海SMEE專利CN101477314公布了一種氣浮重力補償器，引入側(cè)向浮板和水平浮板解決水平解耦問題，垂向解耦仍為雙軸柔性鉸鏈，該裝置特點在于利用波紋管的彈性實現(xiàn)垂向位移跟隨，采用分離式電機驅(qū)動。相對于環(huán)套式電機，分離式電機具有電機設(shè)計加工簡單的優(yōu)點，但微動臺存在動態(tài)調(diào)節(jié)支撐點和靜態(tài)補償支撐點不重合的情況，帶來控制解耦運算困難等問題。上海SMEE專利CN102141734A公布了一種重力補償器及微動臺的結(jié)構(gòu)形式，該裝置單獨使用一個帶球頭鉸鏈垂向解耦的重力補償器支撐微動臺，重力補償器通過底部懸浮裝置浮于底部支撐面，實現(xiàn)水平解耦，微動臺通過六個分立式分布的電機完成六自由度驅(qū)動控制。該裝置優(yōu)勢在于使用單個重力補償器支撐，垂向解耦和水平解耦比較徹底，但重力補償器支撐中軸線必須保證過微動臺運動部件質(zhì)心，而僅僅通過設(shè)計來保證，實現(xiàn)起來較為困難，微動臺穩(wěn)定性差，而且不能通過多個重力補償器來自適應(yīng)調(diào)節(jié)支撐中心，同樣存在球鉸加工和檢測難度大的問題。上海SMEE專利CN102200698A公布了一種混合磁浮式重力補償器，該裝置采用磁懸浮力使相對運動的對象進行非接觸的運動，并實現(xiàn)了對微動臺靜態(tài)重力補償和水平向解耦，垂向解耦同樣通過雙軸鉸鏈實現(xiàn)。相對于氣浮式重力補償器，該裝置優(yōu)勢在于不需要外圍壓縮氣源裝置，系統(tǒng)較為簡單，但存在支撐剛度動態(tài)變化的問題。決定重力補償器的隔振性能的因素是支撐剛度穩(wěn)定且足夠低，氣浮式主要通過外接一定體積的氣罐來實現(xiàn)剛度穩(wěn)定在接近零剛度的狀態(tài)，不會隨垂向位移變化，而磁浮式支撐剛度因磁極距離隨垂向位移變化而變化。上述現(xiàn)有重力補償器方案中，垂向解耦采用球頭氣浮軸承，存在加工檢測困難的 共性問題，而雙軸柔性鉸鏈會因應(yīng)力集中導(dǎo)致連續(xù)高速工作條件下可靠性不高的問題。同時上述各個方案均沒有考慮重力補償器溫控的問題，有待改進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種配裝波紋管垂向解耦重力補償器的微動臺，達到簡化結(jié)構(gòu)、降低傳統(tǒng)球鉸結(jié)構(gòu)的加工難度、消除雙軸柔性鉸鏈應(yīng)力集中、適用于連續(xù)工作環(huán)境、抑制溫升、減小電機動子熱膨脹對微動臺的影響、消除氣路與電纜并行鋪設(shè)由線纜發(fā)熱帶來的壓縮空氣溫升、均化冷卻水和壓縮空氣溫度、抑制微動臺微環(huán)境下的溫度波動、保證微動臺嚴苛的恒溫外部環(huán)境的目的。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種配置波紋管垂向解耦重力補償器的微動臺，該微動臺包括由三個重力補償器支撐的微動臺負載平臺，所述重力補償器包括垂向音圈電機動子磁鋼、垂向音圈電機定子線圈、基座、活塞、密封O型圈，其中活塞與基座內(nèi)部圓柱腔同心配合，且在活塞底端面與基座內(nèi)部圓柱腔之間構(gòu)成底部氣腔；在基座的底側(cè)部上設(shè)置進氣口，所述進氣口與基座底部氣腔連通，活塞外表面與基座內(nèi)部圓柱腔內(nèi)壁面之間構(gòu)成徑向氣浮軸承，基座的底部氣腔支撐活塞，并使其可以Z向自由運動，在基座上設(shè)置出氣口 ；垂向音圈電機定子線圈固定在定子上，垂向音圈電機動子磁鋼與垂向音圈電機定子線圈同心扣裝配合，且在水平方向之間設(shè)有間隙，垂向音圈電機動子磁鋼同時存在水平和垂向自由度；所述重力補償器的活塞頂部上配置有波紋管，波紋管頂部與微動臺負載平臺粘接，波紋管底部與活塞形成推力氣浮軸承；在垂向音圈電機動子磁鋼與微動臺負載平臺之間配置有支撐簧片，支撐簧片下端固接在垂向音圈電機動子磁鋼頂部，支撐簧片上端與微動臺負載平臺粘接，支撐簧片由三個相同的片簧構(gòu)成，三個片簧相對于垂向音圈電機動子磁鋼軸心呈對稱分布；在基座與垂向音圈電機定子線圈之間設(shè)置有水冷環(huán)形腔，在基座與垂向音圈電機定子線圈上、下部接觸處設(shè)置有密封O型圈，在基座上開有與水冷環(huán)形腔相通的進水口和出水口 ；所述重力補償器分別與均溫裝置連通，所述的均溫裝置包括均溫裝置水室、均溫裝置氣室、螺旋管路以及均溫裝置進氣口、均溫裝置出氣口、均溫裝置進水口和均溫裝置出水口，其中均溫裝置氣室設(shè)置在均溫裝置水室內(nèi)部，螺旋管路配置在均溫裝置水室室內(nèi)，螺旋管路的兩端分別與均溫裝置氣室和均溫裝置出氣口連通，在均溫裝置水室上配裝均溫裝置進水口和均溫裝置出水口，均溫裝置出水口與重力補償器上的進水口連通，且與重力補償器的水冷環(huán)形腔連通；均溫裝置氣室與均溫裝置進氣口連通，均溫裝置出氣口與基座上的進氣口連通。本發(fā)明具有以下創(chuàng)新點和突出優(yōu)點I)提出了一種基于波紋管垂向解耦的重力補償器。此裝置采用波紋管實現(xiàn)重力補償器垂向解耦，結(jié)構(gòu)極為簡單，大大降低了使用傳統(tǒng)球鉸結(jié)構(gòu)的加工難度，同時不存在雙軸柔性鉸鏈應(yīng)力集中的問題，適用于連續(xù)工作環(huán)境，這是本發(fā)明的創(chuàng)新點和突出優(yōu)點之一。2)增加了電機水冷結(jié)構(gòu)，采用水冷方式帶走電機熱耗散，抑制溫升，同時使用關(guān)于電機動子軸心呈對稱分布的三片簧支撐方式，可釋放電機動子熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，減小其對微動臺的影響，這是本發(fā)明的創(chuàng)新點和突出優(yōu)點之二。3)配備冷去水和壓縮空氣的均溫裝置，用以消除氣路與電纜并行鋪設(shè)由線纜發(fā)熱帶來的壓縮空氣溫升，均化冷卻水和壓縮空氣溫度，極大的抑制了微動臺微環(huán)境下的溫度 波動，保證微動臺嚴苛的恒溫外部環(huán)境。這是本發(fā)明的創(chuàng)新點和突出優(yōu)點之三。


圖I是配裝波紋管垂向解耦重力補償器的微動臺軸測圖；圖2是圖I的俯視圖；圖3是重力補償器與均溫裝置連接結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是重力補償器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是重力補償器支撐簧片分布結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是均溫裝置結(jié)構(gòu)圖。圖中件號1-微動臺負載平臺；2A、2B、2C_重力補償器；3_均溫裝置；4_波紋管；5-支撐簧片；6_垂向音圈電機動子磁鋼；7_垂向音圈電機定子線圈；8_基座；9_活塞；10-出水口 ；11_出氣口 ；12_進氣口 ；13_進水口 ；14_密封O型圈；15_均溫裝置水室；16——均溫裝置氣室；17_螺旋管路；18_均溫裝置進氣口 ；19_均溫裝置出氣口 ；20_均溫裝置進水口 21-均溫裝置出水口。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式進行詳細說明。一種配置波紋管垂向解耦重力補償器的微動臺，該微動臺包括由三個重力補償器2A、2B、2C支撐的微動臺負載平臺1，所述重力補償器2A、2B、2C包括垂向音圈電機動子磁鋼6、垂向音圈電機定子線圈7、基座8、活塞9、密封O型圈14，其中活塞9與基座8內(nèi)部圓柱腔同心配合，且在活塞9底端面與基座8內(nèi)部圓柱腔之間構(gòu)成底部氣腔；在基座8的底側(cè)部上設(shè)置進氣口 12，所述進氣口 12與基座8底部氣腔連通，活塞9外表面與基座8內(nèi)部圓柱腔內(nèi)壁面之間構(gòu)成徑向氣浮軸承，基座8的底部氣腔支撐活塞9，并使其可以Z向自由運動，在基座8上設(shè)置出氣口 11 ;垂向音圈電機定子線圈7固定在定子8上，垂向音圈電機動子磁鋼6與垂向音圈電機定子線圈7同心扣裝配合，且在水平方向之間設(shè)有間隙，垂向音圈電機動子磁鋼6同時存在水平和垂向自由度；其特征在于所述重力補償器2A、2B、2C的活塞9頂部上配置有波紋管4，波紋管4頂部與微動臺負載平臺I粘接，波紋管4底部與活塞9形成推力氣浮軸承；在垂向音圈電機動子磁鋼6與微動臺負載平臺I之間配置有支撐簧片5，支撐簧片5下端固接在垂向音圈電機動子磁鋼6頂部，支撐簧片5上端與微動臺負載平臺I粘接，支撐簧片5由三個相同的片簧構(gòu)成,三個片簧相對于垂向音圈電機動子磁鋼6軸心呈對稱分布；在基座8與垂向音圈電機定子線圈7之間設(shè)置有水冷環(huán)形腔，在基座8與垂向音圈電機定子線圈7上、下部接觸處設(shè)置有密封O型圈14，在基座8上開有與水冷環(huán)形腔相通的進水口 13和出水口 10 ;所述重力補償器2A、2B、2C分別與均溫裝置3連通，所述的均溫裝置3包括均溫裝置水室15、均溫裝置氣室16、螺旋管路17以及均溫裝置進氣口 18、均溫裝置出氣口 19、均溫裝置進水口 20和均溫裝置出水口 21，其中均溫裝置氣室16設(shè)置在均溫裝置水室15內(nèi)部，螺旋管路17配置在均溫裝置水室15室內(nèi)，螺旋管路17的兩端分別與均溫裝置氣室16和均溫裝置出氣口 19連通，在均溫裝置水室15上配裝均溫裝置進水口 20和均溫裝置出水口 21，均溫裝置出水口 21與重力補償器2A、2B、2C上的進水口 13連通，且與重力補償器2A、2B、2C的水冷環(huán)形腔連通；均溫裝置氣室16與均溫裝置進氣口 18連通，均溫裝置出氣口 19與基座8上的進氣口 12連通。本發(fā)明的工作流程如下微動臺由底部呈等邊三角形分布的的三個重力補償器2A、2B、2C支撐，設(shè)計上保證等邊三角形中心和微動臺質(zhì)心在同一垂線上，單個重力補償器具有垂向驅(qū)動電機，三個運動合成可實現(xiàn)微動臺Z、Rx, Ry三自由度運動。三個片簧相對于垂向音圈電機動子磁鋼6軸心呈對稱分布，垂向音圈電機動子磁鋼6因溫升產(chǎn)生的熱變形通過簧片的柔性連接，減弱向微動臺負載平臺I擴散程度。冷卻水由均溫裝置進水口 20進入均溫裝置水室15，再經(jīng)均溫裝置出水口 21流入進水口 13，進入重力補償器2A、2B、2C水冷環(huán)形腔，壓縮空氣由均溫 裝置進氣口 18進入均溫裝置氣室16，再流經(jīng)螺旋管路17并與均溫裝置水室15的冷卻水進行熱交換，均化水溫和氣溫，最終經(jīng)均溫裝置出氣口 19和進氣口 12進入基座8底部氣腔。壓縮空氣和冷卻水通過均溫裝置3后溫度均化，消除氣路與電纜并行鋪設(shè)由線纜發(fā)熱帶來的壓縮空氣溫升，抑制微動臺微環(huán)境下的溫度波動。
權(quán)利要求
1.一種配裝波紋管垂向觸耦垂力補償器的微動臺，該微動臺包括由三個重力補償器(2A、2B、2C)支撐的微動臺負載平臺(I)，所述重力補償器(2A、2B、2C)包括垂向音圈電機動子磁鋼(6)、垂向音圈電機定子線圈(7)、基座(8)、活塞(9)、密封O型圈(14)，其中活塞(9)與基座(8)內(nèi)部圓柱腔同心配合，且在活塞(9)底端面與基座(8)內(nèi)部圓柱腔之間構(gòu)成底部氣腔；在基座(8)的底側(cè)部上設(shè)置進氣口(12)，所述進氣口(12)與基座(8)底部氣腔連通，活塞(9)外表面與基座(8)內(nèi)部圓柱腔內(nèi)壁面之間構(gòu)成徑向氣浮軸承，基座(8)的底部氣腔支撐活塞(9)，并使其可以Z向自由運動，在基座(8)上設(shè)置出氣口(11);垂向音圈電機定子線圈⑵同定在定子⑶上，垂向音圈電機動子磁鋼(6)與垂向音圈電機定子線圈⑵同心扣裝配合，且在水平方向之間設(shè)有間隙，垂向音圈電機動子磁鋼(6)同時存在水平和垂向自由度；其特征在于所述重力補償器(2A、2B、2C)的活塞(9)頂部上配置有波紋管(4)，波紋管(4)頂部與微動臺負載平臺(I)粘接，波紋管(4)底部與活塞(9)形成推力氣浮軸承；在垂向音圈電機動子磁鋼(6)與微動臺負載平臺(I)之間配置有支撐簧片(5)，支撐簧片(5)下端固接在垂向音圈電機動子磁鋼(6)頂部，支撐簧片(5)上端與微動臺負載平臺(I)粘接，支撐簧片(5)由三個相同的片簧構(gòu)成，三個片簧相對于垂向音圈電機動子磁鋼(6)軸心呈對稱分布；在基座(8)與垂向音圈電機定子線圈(7)之間設(shè)置有水冷環(huán)形腔，在基座(8)與垂向音圈電機定子線圈(7)上、下部接觸處設(shè)置布密封O型圈(14)，在基座(8)上開有與水冷環(huán)形腔相通的進水口(13)和出水口(10);所述重力補償器(2A、2B、2C)分別與均溫裝置(3)連通，所述的均溫裝置(3)包括均溫裝置水室(15)、均溫裝置氣室(16)、螺旋管路(17)以及均溫裝置進氣口(18)、均溫裝置出氣口(19)、均溫裝置進水口(20)和均溫裝置出水口(21)，其中均溫裝置氣室(16)設(shè)置在均溫裝置水室(15)內(nèi)部，螺旋管路(17)配置在均溫裝置水室(15)室內(nèi)，螺旋管路(17)的兩端分別與均溫裝置氣室(16)和均溫裝置出氣口(19)連通，在均溫裝置水室(15)上配裝均溫裝置進水口(20)和均溫裝置出水口(21)，均溫裝置出水口(21)與重力補償器(2A、2B、2C)上的進水口(13)連通，且與重力補償器(2A、2B、2C)的水冷環(huán)形腔連通；均溫裝置氣室(16)與均溫裝置進氣口(18)連通，均溫裝置出氣口(19)與基座⑶上的進氣口(12)連通。
全文摘要
一種配裝波紋管垂向解耦重力補償器的微動臺屬于半導(dǎo)體制造裝備技術(shù)領(lǐng)域，該微動臺在重力補償器頂部配置有波紋管實現(xiàn)垂向解耦，在垂向音圈電機動子磁鋼頂部相對于軸心對稱配置有由三個相同的片簧構(gòu)成的支撐簧片，在基座與垂向音圈電機定子線圈之間設(shè)置有水冷環(huán)形腔，并配備有冷卻水和壓縮空氣的均溫裝置，本微動臺具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工、可釋放電機動子熱膨脹應(yīng)力、帶走電機產(chǎn)熱、抑制溫升的特點，同時可均化冷卻水和壓縮空氣溫度，消除氣路與電纜并行鋪設(shè)由線纜發(fā)熱帶來的壓縮空氣溫升，有利于抑制微動臺微環(huán)境下的溫度波動，保證微動臺嚴苛的恒溫外部環(huán)境。
文檔編號G03F7/20GK102866596SQ201210385289
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者譚久彬, 楊遠源, 王雷, 趙勃 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)