专利名称：一种配装波纹管垂向解耦重力补偿器的微动台的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体制造装备技术领域，主要涉及一种配装波纹管垂向解耦重力补偿器的微动台。
背景技术：
光刻机是极大规模集成电路制造中重要的超精密装备之一。光刻机分辨率、套刻精度、产率一直是人们追求的光刻机三大性能指标，而光刻机工件台技术作为光刻机三大核心技术之一，对于提升光刻机上述指标至关重要。工件台系统作为光刻机的核心组成部 分，其主要任务是实现高速和高加、减速度的超精密运动控制，即在高速和高加速度条件下具备纳米定位精度，以配合光刻过程中的上片、预对准、对准、曝光和下片等加工制造工序。为了解决工件台在高速条件下长行程和纳米定位精度之间的矛盾，出现了宏微结合两级运动控制技术。一般情况下，宏动实现长行程微米级定位，微动实现短行程纳米级定位，二者结合可在一定程度上解决长行程和超精密定位的矛盾。因此，目前在工件台中实现纳米定位精度的核心部件为微动台。为实现微动台六自由度纳米定位精度，微动台所处环境极为严苛，环境微小振动及温度波动是必须考虑的因素。局部温控技术和隔振技术是决定微动台性能的关键技术。目前微动台局部温控一般采用水冷和气浴相结合的形式，隔振一般采用气浮或磁浮的重力补偿器实现。另外，重力补偿器通过补偿微动台运动部件的重力可以降低微动台垂向电机的热耗散，减小微动台受到热膨胀的影响，同时还重力补偿器承担微动台六自由度解耦的任务。因此，重力补偿器是光刻机微动台的关键部件。荷兰ASML公司专利EP973067A2和US6337484B1公布了一种气浮重力补偿器的两种结构形式，均采用环形洛伦茨电机作为垂向驱动器，由高压气腔实现重力补偿，推/力气浮轴承实现水平解耦。该装置的两种结构形式区别在于垂直转动解耦结构不同，一个采用球形气浮轴承，另一个采用垂直设置的双轴柔性铰链。但球形气浮轴承存在球面加工研磨难和检测难的问题，双轴柔性铰链问题在于存在应力集中，在微动台连续工作条件下，可靠性不高。ASML公司专利EP_1160628_A2公开的重力补偿器基本结构类似与上述两个专利。上海SMEE专利CN101082775公布了一种可垂向微调和重力补偿装置，该装置以微调整定位方式能得到精确的位置控制，同时采用平衡质量的方式以减小和消除运动反力以及系统质心频繁变换给光刻机带来的影响，该装置水平解耦采用推力气浮轴承实现，垂向解耦采用双轴柔性铰链方式实现，特别是在垂向微调驱动装置音圈电机上设置有柔性支撑环节。同样，柔性铰链存在加工难和应力集中的问题。上海SMEE专利CN101477314公布了一种气浮重力补偿器，引入侧向浮板和水平浮板解决水平解耦问题，垂向解耦仍为双轴柔性铰链，该装置特点在于利用波纹管的弹性实现垂向位移跟随，采用分离式电机驱动。相对于环套式电机，分离式电机具有电机设计加工简单的优点，但微动台存在动态调节支撑点和静态补偿支撑点不重合的情况，带来控制解耦运算困难等问题。上海SMEE专利CN102141734A公布了一种重力补偿器及微动台的结构形式，该装置单独使用一个带球头铰链垂向解耦的重力补偿器支撑微动台，重力补偿器通过底部悬浮装置浮于底部支撑面，实现水平解耦，微动台通过六个分立式分布的电机完成六自由度驱动控制。该装置优势在于使用单个重力补偿器支撑，垂向解耦和水平解耦比较彻底，但重力补偿器支撑中轴线必须保证过微动台运动部件质心，而仅仅通过设计来保证，实现起来较为困难，微动台稳定性差，而且不能通过多个重力补偿器来自适应调节支撑中心，同样存在球铰加工和检测难度大的问题。上海SMEE专利CN102200698A公布了一种混合磁浮式重力补偿器，该装置采用磁悬浮力使相对运动的对象进行非接触的运动，并实现了对微动台静态重力补偿和水平向解耦，垂向解耦同样通过双轴铰链实现。相对于气浮式重力补偿器，该装置优势在于不需要外围压缩气源装置，系统较为简单，但存在支撑刚度动态变化的问题。决定重力补偿器的隔振性能的因素是支撑刚度稳定且足够低，气浮式主要通过外接一定体积的气罐来实现刚度稳定在接近零刚度的状态，不会随垂向位移变化，而磁浮式支撑刚度因磁极距离随垂向位移变化而变化。上述现有重力补偿器方案中，垂向解耦采用球头气浮轴承，存在加工检测困难的 共性问题，而双轴柔性铰链会因应力集中导致连续高速工作条件下可靠性不高的问题。同时上述各个方案均没有考虑重力补偿器温控的问题，有待改进。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足，提出一种配装波纹管垂向解耦重力补偿器的微动台，达到简化结构、降低传统球铰结构的加工难度、消除双轴柔性铰链应力集中、适用于连续工作环境、抑制温升、减小电机动子热膨胀对微动台的影响、消除气路与电缆并行铺设由线缆发热带来的压缩空气温升、均化冷却水和压缩空气温度、抑制微动台微环境下的温度波动、保证微动台严苛的恒温外部环境的目的。本发明的目的是这样实现的一种配置波纹管垂向解耦重力补偿器的微动台，该微动台包括由三个重力补偿器支撑的微动台负载平台，所述重力补偿器包括垂向音圈电机动子磁钢、垂向音圈电机定子线圈、基座、活塞、密封O型圈，其中活塞与基座内部圆柱腔同心配合，且在活塞底端面与基座内部圆柱腔之间构成底部气腔；在基座的底侧部上设置进气口，所述进气口与基座底部气腔连通，活塞外表面与基座内部圆柱腔内壁面之间构成径向气浮轴承，基座的底部气腔支撑活塞，并使其可以Z向自由运动，在基座上设置出气口 ；垂向音圈电机定子线圈固定在定子上，垂向音圈电机动子磁钢与垂向音圈电机定子线圈同心扣装配合，且在水平方向之间设有间隙，垂向音圈电机动子磁钢同时存在水平和垂向自由度；所述重力补偿器的活塞顶部上配置有波纹管，波纹管顶部与微动台负载平台粘接，波纹管底部与活塞形成推力气浮轴承；在垂向音圈电机动子磁钢与微动台负载平台之间配置有支撑簧片，支撑簧片下端固接在垂向音圈电机动子磁钢顶部，支撑簧片上端与微动台负载平台粘接，支撑簧片由三个相同的片簧构成，三个片簧相对于垂向音圈电机动子磁钢轴心呈对称分布；在基座与垂向音圈电机定子线圈之间设置有水冷环形腔，在基座与垂向音圈电机定子线圈上、下部接触处设置有密封O型圈，在基座上开有与水冷环形腔相通的进水口和出水口 ；所述重力补偿器分别与均温装置连通，所述的均温装置包括均温装置水室、均温装置气室、螺旋管路以及均温装置进气口、均温装置出气口、均温装置进水口和均温装置出水口，其中均温装置气室设置在均温装置水室内部，螺旋管路配置在均温装置水室室内，螺旋管路的两端分别与均温装置气室和均温装置出气口连通，在均温装置水室上配装均温装置进水口和均温装置出水口，均温装置出水口与重力补偿器上的进水口连通，且与重力补偿器的水冷环形腔连通；均温装置气室与均温装置进气口连通，均温装置出气口与基座上的进气口连通。本发明具有以下创新点和突出优点I)提出了一种基于波纹管垂向解耦的重力补偿器。此装置采用波纹管实现重力补偿器垂向解耦，结构极为简单，大大降低了使用传统球铰结构的加工难度，同时不存在双轴柔性铰链应力集中的问题，适用于连续工作环境，这是本发明的创新点和突出优点之一。2)增加了电机水冷结构，采用水冷方式带走电机热耗散，抑制温升，同时使用关于电机动子轴心呈对称分布的三片簧支撑方式，可释放电机动子热膨胀产生的应力，减小其对微动台的影响，这是本发明的创新点和突出优点之二。3)配备冷去水和压缩空气的均温装置，用以消除气路与电缆并行铺设由线缆发热带来的压缩空气温升，均化冷却水和压缩空气温度，极大的抑制了微动台微环境下的温度 波动，保证微动台严苛的恒温外部环境。这是本发明的创新点和突出优点之三。
图I是配装波纹管垂向解耦重力补偿器的微动台轴测图；图2是图I的俯视图；图3是重力补偿器与均温装置连接结构示意图；图4是重力补偿器结构示意图；图5是重力补偿器支撑簧片分布结构示意图；图6是均温装置结构图。图中件号1-微动台负载平台；2A、2B、2C_重力补偿器；3_均温装置；4_波纹管；5-支撑簧片；6_垂向音圈电机动子磁钢；7_垂向音圈电机定子线圈；8_基座；9_活塞；10-出水口 ；11_出气口 ；12_进气口 ；13_进水口 ；14_密封O型圈；15_均温装置水室；16——均温装置气室；17_螺旋管路；18_均温装置进气口 ；19_均温装置出气口 ；20_均温装置进水口 21-均温装置出水口。
具体实施例方式下面结合附图对本发明实施方式进行详细说明。一种配置波纹管垂向解耦重力补偿器的微动台，该微动台包括由三个重力补偿器2A、2B、2C支撑的微动台负载平台1，所述重力补偿器2A、2B、2C包括垂向音圈电机动子磁钢6、垂向音圈电机定子线圈7、基座8、活塞9、密封O型圈14，其中活塞9与基座8内部圆柱腔同心配合，且在活塞9底端面与基座8内部圆柱腔之间构成底部气腔；在基座8的底侧部上设置进气口 12，所述进气口 12与基座8底部气腔连通，活塞9外表面与基座8内部圆柱腔内壁面之间构成径向气浮轴承，基座8的底部气腔支撑活塞9，并使其可以Z向自由运动，在基座8上设置出气口 11 ;垂向音圈电机定子线圈7固定在定子8上，垂向音圈电机动子磁钢6与垂向音圈电机定子线圈7同心扣装配合，且在水平方向之间设有间隙，垂向音圈电机动子磁钢6同时存在水平和垂向自由度；其特征在于所述重力补偿器2A、2B、2C的活塞9顶部上配置有波纹管4，波纹管4顶部与微动台负载平台I粘接，波纹管4底部与活塞9形成推力气浮轴承；在垂向音圈电机动子磁钢6与微动台负载平台I之间配置有支撑簧片5，支撑簧片5下端固接在垂向音圈电机动子磁钢6顶部，支撑簧片5上端与微动台负载平台I粘接，支撑簧片5由三个相同的片簧构成,三个片簧相对于垂向音圈电机动子磁钢6轴心呈对称分布；在基座8与垂向音圈电机定子线圈7之间设置有水冷环形腔，在基座8与垂向音圈电机定子线圈7上、下部接触处设置有密封O型圈14，在基座8上开有与水冷环形腔相通的进水口 13和出水口 10 ;所述重力补偿器2A、2B、2C分别与均温装置3连通，所述的均温装置3包括均温装置水室15、均温装置气室16、螺旋管路17以及均温装置进气口 18、均温装置出气口 19、均温装置进水口 20和均温装置出水口 21，其中均温装置气室16设置在均温装置水室15内部，螺旋管路17配置在均温装置水室15室内，螺旋管路17的两端分别与均温装置气室16和均温装置出气口 19连通，在均温装置水室15上配装均温装置进水口 20和均温装置出水口 21，均温装置出水口 21与重力补偿器2A、2B、2C上的进水口 13连通，且与重力补偿器2A、2B、2C的水冷环形腔连通；均温装置气室16与均温装置进气口 18连通，均温装置出气口 19与基座8上的进气口 12连通。本发明的工作流程如下微动台由底部呈等边三角形分布的的三个重力补偿器2A、2B、2C支撑，设计上保证等边三角形中心和微动台质心在同一垂线上，单个重力补偿器具有垂向驱动电机，三个运动合成可实现微动台Z、Rx, Ry三自由度运动。三个片簧相对于垂向音圈电机动子磁钢6轴心呈对称分布，垂向音圈电机动子磁钢6因温升产生的热变形通过簧片的柔性连接，减弱向微动台负载平台I扩散程度。冷却水由均温装置进水口 20进入均温装置水室15，再经均温装置出水口 21流入进水口 13，进入重力补偿器2A、2B、2C水冷环形腔，压缩空气由均温 装置进气口 18进入均温装置气室16，再流经螺旋管路17并与均温装置水室15的冷却水进行热交换，均化水温和气温，最终经均温装置出气口 19和进气口 12进入基座8底部气腔。压缩空气和冷却水通过均温装置3后温度均化，消除气路与电缆并行铺设由线缆发热带来的压缩空气温升，抑制微动台微环境下的温度波动。
权利要求
1.一种配装波纹管垂向触耦垂力补偿器的微动台，该微动台包括由三个重力补偿器(2A、2B、2C)支撑的微动台负载平台(I)，所述重力补偿器(2A、2B、2C)包括垂向音圈电机动子磁钢(6)、垂向音圈电机定子线圈(7)、基座(8)、活塞(9)、密封O型圈(14)，其中活塞(9)与基座(8)内部圆柱腔同心配合，且在活塞(9)底端面与基座(8)内部圆柱腔之间构成底部气腔；在基座(8)的底侧部上设置进气口(12)，所述进气口(12)与基座(8)底部气腔连通，活塞(9)外表面与基座(8)内部圆柱腔内壁面之间构成径向气浮轴承，基座(8)的底部气腔支撑活塞(9)，并使其可以Z向自由运动，在基座(8)上设置出气口(11);垂向音圈电机定子线圈⑵同定在定子⑶上，垂向音圈电机动子磁钢(6)与垂向音圈电机定子线圈⑵同心扣装配合，且在水平方向之间设有间隙，垂向音圈电机动子磁钢(6)同时存在水平和垂向自由度；其特征在于所述重力补偿器(2A、2B、2C)的活塞(9)顶部上配置有波纹管(4)，波纹管(4)顶部与微动台负载平台(I)粘接，波纹管(4)底部与活塞(9)形成推力气浮轴承；在垂向音圈电机动子磁钢(6)与微动台负载平台(I)之间配置有支撑簧片(5)，支撑簧片(5)下端固接在垂向音圈电机动子磁钢(6)顶部，支撑簧片(5)上端与微动台负载平台(I)粘接，支撑簧片(5)由三个相同的片簧构成，三个片簧相对于垂向音圈电机动子磁钢(6)轴心呈对称分布；在基座(8)与垂向音圈电机定子线圈(7)之间设置有水冷环形腔，在基座(8)与垂向音圈电机定子线圈(7)上、下部接触处设置布密封O型圈(14)，在基座(8)上开有与水冷环形腔相通的进水口(13)和出水口(10);所述重力补偿器(2A、2B、2C)分别与均温装置(3)连通，所述的均温装置(3)包括均温装置水室(15)、均温装置气室(16)、螺旋管路(17)以及均温装置进气口(18)、均温装置出气口(19)、均温装置进水口(20)和均温装置出水口(21)，其中均温装置气室(16)设置在均温装置水室(15)内部，螺旋管路(17)配置在均温装置水室(15)室内，螺旋管路(17)的两端分别与均温装置气室(16)和均温装置出气口(19)连通，在均温装置水室(15)上配装均温装置进水口(20)和均温装置出水口(21)，均温装置出水口(21)与重力补偿器(2A、2B、2C)上的进水口(13)连通，且与重力补偿器(2A、2B、2C)的水冷环形腔连通；均温装置气室(16)与均温装置进气口(18)连通，均温装置出气口(19)与基座⑶上的进气口(12)连通。
全文摘要
一种配装波纹管垂向解耦重力补偿器的微动台属于半导体制造装备技术领域，该微动台在重力补偿器顶部配置有波纹管实现垂向解耦，在垂向音圈电机动子磁钢顶部相对于轴心对称配置有由三个相同的片簧构成的支撑簧片，在基座与垂向音圈电机定子线圈之间设置有水冷环形腔，并配备有冷却水和压缩空气的均温装置，本微动台具有结构简单、易加工、可释放电机动子热膨胀应力、带走电机产热、抑制温升的特点，同时可均化冷却水和压缩空气温度，消除气路与电缆并行铺设由线缆发热带来的压缩空气温升，有利于抑制微动台微环境下的温度波动，保证微动台严苛的恒温外部环境。
文档编号G03F7/20GK102866596SQ201210385289
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者谭久彬, 杨远源, 王雷, 赵勃 申请人:哈尔滨工业大学