一種小型重力補(bǔ)償器的研究

齊芊楓，方 潔，吳立偉，夏 海

(上海微高精密機(jī)械工程有限公司，上海 201203)

隨著光刻技術(shù)的進(jìn)步和半導(dǎo)體工業(yè)快速發(fā)展，對(duì)于光刻設(shè)備的基本性能指標(biāo)——焦深、產(chǎn)率要求不斷提升。目前，光刻機(jī)整機(jī)架構(gòu)體系逐步發(fā)展成為幾個(gè)減振隔振的獨(dú)立內(nèi)部世界與基礎(chǔ)框架等外部世界的結(jié)合體。以工件臺(tái)分系統(tǒng)為例，曝光臺(tái)用于承載待曝光的硅片，同時(shí)還包含零位、對(duì)準(zhǔn)和調(diào)焦調(diào)平等功能。如何使承片臺(tái)在曝光過(guò)程中免受工件臺(tái)內(nèi)部大推力執(zhí)行器擾動(dòng)和來(lái)自地基噪聲的基礎(chǔ)框架擾動(dòng)至關(guān)重要。重力補(bǔ)償裝置即在此背景下發(fā)展起來(lái)的新型結(jié)構(gòu)，通過(guò)主動(dòng)減振與被動(dòng)隔振結(jié)合的方式，使工件臺(tái)承片臺(tái)成為獨(dú)立的內(nèi)部減振系統(tǒng)。

1 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

（1）高精密定位控制技術(shù)：重力補(bǔ)償器平臺(tái)通過(guò)3個(gè)氣動(dòng)執(zhí)行器和3個(gè)音圈電機(jī)的耦合控制，實(shí)現(xiàn)垂向三自由度高精密主動(dòng)減振隔振。同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)垂向與水平向的運(yùn)動(dòng)解耦。通過(guò)重力補(bǔ)償裝置對(duì)隔振平臺(tái)的重力平衡補(bǔ)償，進(jìn)而在音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)隔振平臺(tái)高精密、超高精密的垂向定位控制。

（2）高精密主動(dòng)減振隔振技術(shù)：以恒壓室為驅(qū)動(dòng)源，徑向氣浮為導(dǎo)向，平面氣浮為運(yùn)動(dòng)自由度解耦的精密氣浮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證重力補(bǔ)償裝置的動(dòng)定子間無(wú)機(jī)械接觸，無(wú)振動(dòng)傳遞和串?dāng)_力。對(duì)于精密氣浮零件需要進(jìn)行精密的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和分析、氣浮特性仿真實(shí)現(xiàn)氣浮參數(shù)設(shè)計(jì)、以及精密的加工制造，從而實(shí)現(xiàn)減振系統(tǒng)的低共振頻率，接近-40dB振動(dòng)衰減能力。

2 技術(shù)路線

該方案的小型重力補(bǔ)償器采用氣動(dòng)執(zhí)行和音圈電機(jī)組合的方式。氣動(dòng)執(zhí)行器采用變截面特征的空氣式重力補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)隔離振動(dòng)與補(bǔ)償靜態(tài)重力的作用。組合形成的重力補(bǔ)償裝置能夠承載承片臺(tái)的靜態(tài)重力，音圈電機(jī)可實(shí)現(xiàn)垂向快速高精度的定位。由三個(gè)重力補(bǔ)償裝置組合而形成的減振隔振平臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)工件臺(tái)在垂向的調(diào)焦和調(diào)平運(yùn)動(dòng)。主要技術(shù)指標(biāo)：

■承載質(zhì)量≥100 N

■減振共振頻率：<6 Hz

■被動(dòng)減振的共振峰傳遞率：<30

■垂向氣浮剛度：<1 000 N/m

■驅(qū)動(dòng)行程（垂向）≥1 mm

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為本方案提出的變截面特征的空氣式重力補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，基座和變截面活塞組成承載驅(qū)動(dòng)對(duì)象的主要部件，使該裝置具有垂向自由度。當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入裝置中環(huán)形空間處，由變截面的原理使活塞沿基座浮起，從而將驅(qū)動(dòng)對(duì)象浮起。

相關(guān)對(duì)象計(jì)算關(guān)系為：

圖1 變截面重力補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)圖

式中：P1為壓縮空氣氣源處壓力值；D1為活塞上端直徑；D2為活塞下端直徑；m為驅(qū)動(dòng)對(duì)象的質(zhì)量。

進(jìn)入裝置中的壓縮空氣不僅使活塞浮起，同時(shí)也通過(guò)在基座和活塞徑向間隙中形成高壓氣膜，使活塞與基座在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互沒(méi)有物理摩擦，有效地達(dá)到了隔離振動(dòng)的目的。氣腔的大小，與該裝置的隔振頻率有關(guān)，可進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。高壓空氣沿著圖中所示箭頭方向流動(dòng)，可以在活塞件的球面和球面氣浮件之間形成高壓氣膜，從而使該裝置具有Rx/Ry/Rz向自由度。球面氣浮件的球面半徑與其垂向（Z向）負(fù)載大致有以下關(guān)系（見(jiàn)圖 2）：

式中：P為氣浮壓力，假設(shè)球面軸承氣浮壓力一定；D3為球面半徑；θ為球面軸承的包角。

圖2 球面氣浮結(jié)構(gòu)

同時(shí)，壓縮空氣可以在球面氣浮件和水平氣浮件之間形成水平向高壓氣膜，從而使該裝置具有x/y和Rz方向自由度。綜上所述，變截面特征的空氣式重力補(bǔ)償裝置具有x/y/z/Rx/Ry/Rz六個(gè)自由度。音圈電機(jī)安裝在活塞底部的密封件上，用于驅(qū)動(dòng)活塞的精密運(yùn)動(dòng)。

3.2 氣浮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3為徑向氣浮的具體實(shí)施方式。基座和活塞徑向氣膜中壓縮空氣的輸送氣道為均布的垂向氣道，從氣路接頭進(jìn)入裝置的壓縮空氣，進(jìn)入氣道后，通過(guò)在活塞側(cè)向的截流孔后，在基座和活塞間隙的部分圓周區(qū)域內(nèi)形成高壓氣膜區(qū)。該節(jié)流孔設(shè)計(jì)直徑為0.2 mm，在小孔周邊加工有均壓槽以提高徑向氣膜的承載能力。排氣孔用于將部分高壓氣體帶至空氣中，以減小高壓區(qū)域面積，避免高壓損傷和降低零件的加工精度。

圖3 徑向氣浮設(shè)計(jì)

球面氣浮設(shè)計(jì)如圖4所示，裝置中球面氣浮的實(shí)施采用周面多孔節(jié)流方式。氣室張角與球面包角設(shè)計(jì)為：30°≤（θ2－θ1）≤70°。球面節(jié)流孔采用3個(gè)均布，孔徑為0.2 mm，在小孔周邊加工有均壓槽以提高球面氣膜的承載能力。球面氣浮件兩端的環(huán)形翼可以限制球面氣浮件的過(guò)度偏擺，起到了角度限位的作用。

3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)

圖4 球面氣浮設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用圓形音圈電機(jī)，磁鐵部分和動(dòng)子相連，線圈部分和定子連接。此設(shè)計(jì)有效地避免了電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)電機(jī)線纜的擾動(dòng)力。電機(jī)功耗引起線圈發(fā)熱，熱量也不會(huì)直接傳導(dǎo)到動(dòng)子上的高精密氣浮零件上。

3.4 隔振性能設(shè)計(jì)

小型重力補(bǔ)償器在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的理論模型如圖5所示，其中m為驅(qū)動(dòng)對(duì)象的質(zhì)量，M為小型重力補(bǔ)償器安裝基架的質(zhì)量。x1和x2為運(yùn)動(dòng)的幅值。

圖5 重力補(bǔ)償器簡(jiǎn)模型

其動(dòng)力學(xué)方程為：

轉(zhuǎn)換到復(fù)數(shù)域：

此式即為振動(dòng)的傳遞率，其中λ為激勵(lì)頻率與系統(tǒng)固有頻率的比值，ξ為系統(tǒng)的阻尼比。主要的激勵(lì)由伺服控制引起，則小型的共振峰頻率

4 結(jié)果與討論

小型重力補(bǔ)償器的實(shí)物如圖6所示，將3個(gè)小型重力補(bǔ)償器集成到光刻機(jī)的工件臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)給小型重力補(bǔ)償器提供0.5 MPa的壓縮空氣時(shí)，可以將質(zhì)量為28 kg的工件臺(tái)曝光臺(tái)平穩(wěn)浮起，整個(gè)結(jié)構(gòu)無(wú)短觸，測(cè)試氣腔剛度為902 N/m。

圖6 重力補(bǔ)償器實(shí)物圖

工件臺(tái)曝光臺(tái)的功率譜如圖7所示，從圖中看出，在3 Hz和5 Hz附近出現(xiàn)共振峰，5 Hz以上的頻段無(wú)共振現(xiàn)象，這說(shuō)明隔振性能較為理想，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖7 曝光臺(tái)功率譜

5 總結(jié)

本文根據(jù)工件臺(tái)對(duì)小型重力補(bǔ)償器的需求，采用了一種變截面的氣動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)方式，對(duì)需求參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和仿真，并對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果滿足需求。得出采用變截面結(jié)構(gòu)的小型重力補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)緊湊，可以方便集成到工件臺(tái)曝光內(nèi)部，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)工件臺(tái)曝光臺(tái)的隔振與調(diào)焦調(diào)平的功能，并在激光干涉儀控制下實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的定位。說(shuō)明這種變截面小型重力補(bǔ)償器可以應(yīng)用到高端光刻機(jī)的工件臺(tái)當(dāng)中。

[1] 方 潔，齊芊楓，齊寧寧.一種空氣式位置補(bǔ)償裝置[P].中國(guó)專利：200910198840.2,2009-11-17.

[2] 劉 暾，劉育華，陳世杰.靜壓氣體潤(rùn)滑[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990．

[3] 黨根茂.氣體潤(rùn)滑技術(shù)[M].南京：東南大學(xué)出版社，1990．