专利名称：解耦机构及使用所述解耦机构的曝光台的制作方法
技术领域：
本发明涉及Rz向解耦机构，由其涉及用于光刻设备的解耦机构。
背景技术：
在H型双边驱动工件台系统中，由于早期微动台对粗动台平面运动速度要求不 高，其XY粗动运动所产生的反作用力被引到整机内部框架上，其负面效应由主动隔振系统 加以弥补。但随着当前对微动台的XY粗动速度要求越来越高，于是引入了平衡质量块技 术，用以实时抵消微动台平面粗动高速运动时的反作用力，但由于平衡块为自由平面运动， 它产生的附加旋转运动将会导致上层运动部件跟随偏转。由于微动台与粗动台，以及粗动 台与平衡质量之间在平面Rz方向刚性连接或者弱耦合连接，平衡块的旋转会导致微动台 旋转超出规定限度。美国专利US6635887公开了一种柔性连接技术。该柔性块连接直线电机及其导 轨，横梁和两个直线电机刚性连接。该结构通过依靠柔性块的机械变形来吸收Rz方向粗动 台与平衡质量之间的扭矩变形能，从而减轻对粗动导轨侧向气浮的压迫变形，使得整机具 备较好的动力学特性，并达到Rz向的精密定位控制。此专利的保护重点在H型布局时要进 行Rz的旋转和X向的拉伸。但是该结构仍然为结构弱耦合形式，没有实现粗动与平衡质量 的完全解耦，对Rz结构本身的设计工艺要求和加工、装调要求难度较大，Rz结构本身的寿 命设计受到严格限制。中国专利CN200720071434.6公开了一种柔性连接装置。该柔性块连接直线电机 及其导轨。通过主柔性块和副柔性块的不同自由度的变形，实现Rz向运动解耦。在柔性块 上安装了缓冲器和接触开关对系统起保护作用。但是这种柔性块不能控制Rz向旋转中心。 所述曝光台采用了过定位结构安装直线电机及其导轨，均不利于曝光台的装调和控制。为消除上述的不足，本专利给出了一种结构，特别涉及一种用于纳米级精度曝光 台的Rz向解耦机构。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种消除粗动台 与微动台之间Rz向耦合的解耦机构。为实现上述目的，本发明提供了一种实现粗动台与微动台的Rz向旋转解耦的解 耦机构，所述解耦机构在所述粗动台与所述微动台之间形成浮动连接。较佳地，所述解耦机构包括连接在一起的半圆柱形气浮模块、半圆柱形滑块、以及 侧向平面气浮模块其中所述半圆柱形气浮模块与所述微动台的承片台连接，而所述侧向平 面气浮模块与所述粗动台的横梁导轨连接。较佳地，所述解耦机构包括连接在一起的半圆柱形磁浮模块、半圆柱形滑块、以及 侧向平面磁浮模块，其中所述半圆柱形磁浮模块与所述微动台的承片台连接，所述侧向平 面磁浮模块与所述粗动台的横梁导轨连接。
根据本发明的解耦机构使得粗动台和微动台之间为浮动轴承连接，从而实现粗微 动在Rz向自由度的完全解耦。
参考下文较佳实施例的描述以及附图，可最佳地理解本发明及其目的与优点，其 中图1描述了本发明解耦机构的一个实施例；图2描述了本发明解耦机构的另一实施例；图3描述了本发明解耦机构的曝光台；图4描述了曝光台的旋转磁浮防撞保护装置；图5描述了曝光台的旋转电磁铁防撞保护装置；图6描述了曝光台的旋转弹簧缓冲防撞保护装置；图7描述了曝光台的Rz限位保护装置；图8描述了曝光台的长行程运动的左侧驱动与导向装置；图9描述了曝光台的长行程运动的右侧驱动与导向装置。
具体实施例方式参见本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多 不同的形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为 了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。整份说明 书中，相同或类似的部件给予相同或类似的标号。现参考图1描述根据本发明的实现粗动台与微动台的Rz向旋转解耦的解耦机构 的第一实施例，其利用平面气浮和柱形气浮轴承，得以实现粗微动台的Rz向的解耦。如图1 所示，圆柱形气浮旋转解耦机构100包括连接在一起的半圆柱形气浮模块IOla和101b、半 圆柱形滑块103a和103b、以及侧向平面气浮模块10 和10恥。半圆柱形气浮模块101a， IOlb与微动台的承片台102连接，而侧向平面气浮模块10 和10 与粗动台的横梁导轨 108连接。具体地，侧向平面气浮模块10 和10 使得横梁导轨108与承片台102实现振 动气浮隔离。半圆柱形气浮模块101a，IOlb使得半圆柱形滑块103a和10 与承片台102 实现振动气浮隔离。当横梁导轨108在Y向运动时，横梁导轨108通过侧向平面气浮模块 10 和10 推动半圆柱形滑块103a和IOIBbY向运动，进而通过半圆柱形气浮模块IOla和 IOlb推动承片台102Y向运动。在X向运动时，通过半圆柱形滑块103a和10 与侧向平 面气浮模块10 和10 ，可以实现微动承片台102与横梁导轨108在X向的解耦。同时， 由于运动台的XY加速运动，产生的附加转矩导致横梁导轨108在Rz向的转动时，半圆柱形 滑块103a和10 通过侧向平面气浮模块10 和10 随着转动，由于半圆柱形气浮模块 IOla和IOlb具备Rz旋转解耦功能，因此横梁导轨108在Rz向的转动不会直接导致微动承 片台102在Rz向上转动，从而解除了承片台102和横梁导轨108之间的旋转耦合。现参考图2描述根据本发明的解耦机构的第二实施例，其利用平面磁浮和柱形磁 浮轴承，得以实现粗微动台的Rz向的解耦。如图2所示，旋转磁浮解耦机构200包括连接在一起的半圆柱形磁浮模块20 和204b、半圆柱形滑块201a和201b、以及侧向平面磁浮 模块203a和20 。半圆柱形磁浮模块20 和204b与微动台的承片台202连接，侧向平面 磁浮模块203a和20 与横梁导轨108连接。具体地，侧向平面磁浮模块203a和20 使得横梁导轨108与微动承片台202实现 振动磁浮隔离，半圆柱形磁浮模块20 和204b使得半圆柱形滑块201a和201b与微动承 片台202实现振动磁浮隔离。当横梁导轨108在Y向运动时，横梁导轨108通过侧向平面 磁浮模块203a和20 推动半圆柱形滑块201a和201bY向运动，进而通过半圆柱形磁浮模 块20 和204b推动承片台202Y向运动。在X向运动时，通过半圆柱形滑块201a和201b 与侧向平面磁浮模块203a和20北，以实现承片台202与横梁导轨108在X向的解耦。同 时，由于运动台的XY加速运动，产生的附加转矩导致横梁导轨108在Rz向的转动时，半圆 柱形滑块201a和201b通过侧向平面磁浮模块203a和20 随着转动，由于半圆柱形磁浮 模块20 和204b具备Rz旋转解耦功能，因此横梁导轨108在Rz向的转动不会直接导致 承片台202在Rz向上的转动。从而解除了承片台202和横梁导轨108之间的旋转耦合。根据本发明的解耦机构使得粗动台和微动台之间为浮动轴承连接，从而实现粗微 动在Rz向自由度的完全解耦。下文将参考图3详述采用本发明的解耦机构的曝光台。如图3所示，所述曝光台包括粗动台和微动台。粗动台包括其上设有在大理石基 座111支撑框架112。在大理石基座111的左右两侧分别安装了 Y向左侧直线电机，Y向右 侧直线电机。左右两侧电机分别包括定子16a和16b以及动子17a和17b。左侧一维Y向 长行程气浮导轨109a和右侧Y向二维长行程气浮导轨109b固连在大理石基座111的左右 两侧。右侧Y向二维气浮导轨滑块110通过垂向气浮模块悬浮于右侧二维Y向长行程气浮 导轨109b的上表面，由此右侧二维Y向长行程气浮导轨109b的两侧也通过侧向气浮模块 与Y向二维气浮导轨滑块110气浮隔离。粗动台还包括长行程X向横梁导轨108。长行程 X向横梁导轨108的左端通过垂向气浮模块悬浮于左侧一维Y向长行程气浮导轨109a的 上表面，而长行程X向横梁导轨108的右端与右侧Y向二维气浮导轨滑块110固连。长行 程X向横梁导轨108的左端和Y向左侧直线电机动子17a固连在一起，右侧Y向二维气浮 导轨滑块110与Y向右侧直线电机动子17b固连在一起。因此，导轨滑块110通过三侧气 浮受右侧二维Y向长行程气浮导轨109b约束，仅仅在Y向运动。长行程X向横梁导轨108 上设有X向长行程电机15，其磁铁和动子具有允许Rz向的偏差容量。反向运动质量体113 与Y向左侧直线电机的定子16a和Y向右侧直线电机的定子16b固连。当长行程模块XY 运动时，反作用力直接反作用给三自由度反向运动质量体113，使得三自由度反向运动质量 体113在长行程模块相反的方向运动。反向运动质量体113也通过垂向气浮悬浮于支撑框 架112之上。微动台包括承片台12。具有X、Y、Rz这3个自由度的承片台12通过垂向气足模 块悬浮于大理石基座111之上。微动台还包括位于横梁导轨108两侧的平面导向模块10 和 102b。微动台与粗动台之间设有解耦机构，粗微动台的XY运动功能和Rz向的运动解耦 功能。如第一实施例或第二实施例的解耦机构绕长行程X向横梁导轨108的两侧设置。由 于前文业已详述描述，此处不再赘述。
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承片台12的X向驱动由X向长行程电机15提供，承片台12的Y向驱动由Y向左 侧直线电机和Y向右侧直线电机提供。承片台12的XY向加速时产生的Rz向附加转矩将 会直接通过长行程直线电机反作用力传递给反向运动质量体113。由于Y向二维气浮导轨 滑块110与反向运动质量体113在Rz向上气浮耦合，因此反向运动质量体113和长行程模 块同步在Rz向上旋转。而长行程X向横梁导轨108与承片台12通过所述解耦机构，故承 片台12不随之旋转，满足光刻设备扫描曝光需求。同时，所述解耦机构利用气浮和磁浮原 理在满足运动功能需求的同时实现了粗动台与微动台的隔离，起到了隔振减震作用。以上 以曝光台设备为例给出了旋转解耦机构的应用，但是旋转解耦机构并不仅限于这种应用方 式。此外，X向横梁导轨108的两侧还可包括防撞保护结构104。当横梁导轨108在Rz 向相对微动承片台12旋转角度超出预先设定值时，防撞保护结构104可以起到缓冲作用， 从而保护微动承片台12碰撞到横梁导轨108。防撞保护结构104可有多种实施方式。图4示出了磁浮防撞保护结构，磁浮防撞保护结构为磁铁缓冲装置401和402。长 行程χ向横梁导轨108的两侧安装有磁铁阵列，当横梁导轨108在Rz向相对承片台102的 旋转角度超出预先设定值时，磁浮缓冲装置401和402通过同性相斥的原理产生斥力，可以 起到缓冲作用，从而保护承片台102碰撞到横梁导轨108。图5示出了的电磁铁防撞保护结构，电磁铁防撞保护结构为电磁铁缓冲装置501 和502。长行程X向横梁导轨108的两侧安装有磁铁阵列，当横梁导轨108在Rz向相对承 片台102的旋转角度超出预先设定值时，电磁铁缓冲装置501和502通过环形电流在铁芯 中产生磁力，其磁力方向与X向横梁导轨108—侧的极性相同，同性相斥产生的斥力可以起 到缓冲作用，从而保护承片台102碰撞到横梁导轨108。所述的电磁铁防撞保护结构的电磁 铁产生的电磁力可以通过改变电流大小来调节。图6示出了弹簧防撞保护结构，弹簧防撞保护结构为弹簧缓冲装置601和602。当 横梁导轨108在Rz向相对承片台102旋转角度超出预先设定值时，弹簧冲装置601和602 通过弹簧的弹性变形可以起到缓冲作用，从而保护承片台102碰撞到横梁导轨108。此外，由X、Y向的长行程电机的伺服刚度使得承片台保持所需位置，在解耦机构 的半圆柱形滑块(103a、10;3b或201a、201b)与框架112之间安装有角度Rz限位装置13， 以探测横梁导轨108与微动框架112之间的相对旋转角速度。探测到的角速度信号传递给 长行程控制器，若判断转速超限，则停止驱动Y向长行程电机的运动，保护微动承片台设备 安全。图7具体示出了限位保护装置的结构。如图7所示，所沭限位装置包括限位传感器 701.702.703和704。当横梁导轨108在Rz向相对承片台102旋转角度超出预先设定倌 时，所沭限位传感器接iBr至丨丨艮{言号，并斜言号发送i合长行^ 线申j几的控泡丨器,讲而金合 出响应动作，避免Rz向横梁导轨108与承片台102发生碰撞。下面以带有弹簧防撞保护结构的曝光台为例，说明限位装置的工作。在扫描曝光 过程中，承片台12通过微动电机(未示)伺服控制硅片11在Rz向保持在所需的位置上。 设在X向横梁导轨108两侧的Rz限位装置使得承片台微动框架202保持在同硅片11同步 的角度位置上，可以防止微动框架112在Rz向自由漂移。同时，Rz限位装置将承片台12在 Rz向的转动扭矩通过被动或主动方式传递给横梁导轨108。框架112的特征频率值优选至0. 1 10Hz，承片台旋转扭矩产生的反力，当其特征频率> IOHz时，就很难传递到横梁导轨 108上，因为在这种频率情况下，框架112不受限位装置频率的影响。同样，对于承片台危害 最大的扰动也发生在IOHz以上的频率，横梁导轨108在长行程运动过程中产生> IOHz的 扰动也通过所述限位装置隔离了。选用502式的阻尼器限位，典型阻尼系数在0.4至0.85 之间，优选0.65至0.75。这样，长行程的作用力不会被放大而影响框架112。限位装置选 用弹簧的特征频率f。可以依照公式(1)计算
权利要求
1.一种实现粗动台与微动台的Rz向旋转解耦的解耦机构，其特征在于，所述解耦机构 在所述粗动台与所述微动台之间形成浮动连接。
2.如权利要求1所述的解耦机构，其特征在于，所述解耦机构包括连接在一起的半圆 柱形气浮模块、半圆柱形滑块、以及侧向平面气浮模块，其中所述半圆柱形气浮模块与所述 微动台的承片台连接，而所述侧向平面气浮模块与所述粗动台的横梁导轨连接。
3.如权利要求1所述的解耦机构，其特征在于，所述解耦机构包括连接在一起的半圆 柱形磁浮模块、半圆柱形滑块、以及侧向平面磁浮模块，其中所述半圆柱形磁浮模块与所述 微动台的承片台连接，所述侧向平面磁浮模块与所述粗动台的横梁导轨连接。
4.一种曝光台，其特征在于，包括粗动台和微动台，以及设置在所述粗动台与所述微动 台之间的、如前述权利要求任一项所述的解耦机构，其中所述粗动台与所述微动台通过所 述解耦机构形成浮动连接。
5.如权利要求4所述的曝光台，其特征在于，所述粗动台X向和Y向长行程电机进行驱 动，其中所述Y向长行程电机的左侧驱动装置和导向左侧直线电机磁铁、左侧直线电机磁 铁支架、左侧直线电机动子、左侧一维垂向气浮导轨以及垂向气浮模块，其中所述垂向气浮 模块使得所述粗动台悬浮于所述左侧一维垂向气浮导轨之上，所述左侧直线电机动子与所 述粗动台固连，所述左侧直线电机磁铁支架与三自由度反向运动质量体固连，当所述Y向 长行程电机驱动时，所述粗动台沿着所述左侧一维垂向气浮导轨Y向运动。
6.如权利要求5所述的曝光台，其特征在于，所述Y向长行程电机的右侧驱动装置和导 向装置包括右侧直线电机磁铁、右侧直线电机磁铁支架、右侧直线电机动子、右侧二维气浮 导轨滑块、右侧二维气浮导轨、垂向气浮模块以及侧向气浮模块，其中所述垂向气浮模块使 得所述粗动台悬浮于所述右侧二维垂向气浮导轨之上，所述侧向气浮模块使得所述粗动台 受到所述右侧二维气浮导轨的X向定位约束，由此对所述粗动台具有二维导向作用，所述 右侧二维气浮导轨滑块与所述固连，且所述直线电机动子也与所述粗动台固连，所述右侧 直线电机磁铁支架与三自由度反向运动质量体固连，当所述Y向长行程电机驱动时，所述 粗动台沿着所述右侧二维垂向气浮导轨Y向运动。
7.如权利要求6所述的曝光台，其特征在于，所述粗动台设有Rz限位装置，当所述粗动 台在Rz向相对所述旋转角度超出预先设定值时，所述限位传感器对所述Y向长行程直线电 机进行控制以避免所述粗动台与所述微动台发生碰撞。
8.如权利要求7所述的曝光台，其特征在于，所述Rz限位装置为Rz角速度传感器。
9.如权利要求4所述的曝光台，其特征在于，所述解耦机构安装有防撞保护装置，以防 止所述微动台与所述粗动台之间的碰撞。
10.如权利要求9所述的曝光台，其特征在于，所述防撞保护装置为磁浮防撞保护结构。
11.如权利要求9所述的曝光台，其特征在于，所述防撞保护装置为电磁铁防撞保护结构。
12.如权利要求9所述的曝光台，其特征在于，所述防撞保护装置为弹簧防撞保护结构。
全文摘要
一种实现粗动台与微动台的Rz向旋转解耦的解耦机构，所述解耦机构在所述粗动台与所述微动台之间形成浮动连接。根据本发明的解耦机构使得粗动台和微动台之间为浮动轴承连接，从而实现粗微动在Rz向自由度的完全解耦。
文档编号G03F7/20GK102109766SQ20091020094
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者吴立伟, 郑乐平 申请人:上海微电子装备有限公司