一種小型重力補償器的研究

齊芊楓，方 潔，吳立偉，夏 海

(上海微高精密機械工程有限公司，上海 201203)

隨著光刻技術的進步和半導體工業快速發展，對于光刻設備的基本性能指標——焦深、產率要求不斷提升。目前，光刻機整機架構體系逐步發展成為幾個減振隔振的獨立內部世界與基礎框架等外部世界的結合體。以工件臺分系統為例，曝光臺用于承載待曝光的硅片，同時還包含零位、對準和調焦調平等功能。如何使承片臺在曝光過程中免受工件臺內部大推力執行器擾動和來自地基噪聲的基礎框架擾動至關重要。重力補償裝置即在此背景下發展起來的新型結構，通過主動減振與被動隔振結合的方式，使工件臺承片臺成為獨立的內部減振系統。

1 技術關鍵點

（1）高精密定位控制技術：重力補償器平臺通過3個氣動執行器和3個音圈電機的耦合控制，實現垂向三自由度高精密主動減振隔振。同時，還可以實現垂向與水平向的運動解耦。通過重力補償裝置對隔振平臺的重力平衡補償，進而在音圈電機的驅動下實現隔振平臺高精密、超高精密的垂向定位控制。

（2）高精密主動減振隔振技術：以恒壓室為驅動源，徑向氣浮為導向，平面氣浮為運動自由度解耦的精密氣浮結構設計，保證重力補償裝置的動定子間無機械接觸，無振動傳遞和串擾力。對于精密氣浮零件需要進行精密的工藝參數設計和分析、氣浮特性仿真實現氣浮參數設計、以及精密的加工制造，從而實現減振系統的低共振頻率，接近-40dB振動衰減能力。

2 技術路線

該方案的小型重力補償器采用氣動執行和音圈電機組合的方式。氣動執行器采用變截面特征的空氣式重力補償裝置，實現隔離振動與補償靜態重力的作用。組合形成的重力補償裝置能夠承載承片臺的靜態重力，音圈電機可實現垂向快速高精度的定位。由三個重力補償裝置組合而形成的減振隔振平臺就可以實現工件臺在垂向的調焦和調平運動。主要技術指標：

■承載質量≥100 N

■減振共振頻率：<6 Hz

■被動減振的共振峰傳遞率：<30

■垂向氣浮剛度：<1 000 N/m

■驅動行程（垂向）≥1 mm

3 結構設計

3.1 總體結構設計

圖1為本方案提出的變截面特征的空氣式重力補償裝置的結構示意圖。其中，基座和變截面活塞組成承載驅動對象的主要部件，使該裝置具有垂向自由度。當壓縮空氣進入裝置中環形空間處，由變截面的原理使活塞沿基座浮起，從而將驅動對象浮起。

相關對象計算關系為：

圖1 變截面重力補償器結構圖

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為驅動對象的質量。

進入裝置中的壓縮空氣不僅使活塞浮起，同時也通過在基座和活塞徑向間隙中形成高壓氣膜，使活塞與基座在運動過程中相互沒有物理摩擦，有效地達到了隔離振動的目的。氣腔的大小，與該裝置的隔振頻率有關，可進行設計計算。高壓空氣沿著圖中所示箭頭方向流動，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）負載大致有以下關系（見圖 2）：

式中：P為氣浮壓力，假設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 球面氣浮結構

同時，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償裝置具有x/y/z/Rx/Ry/Rz六個自由度。音圈電機安裝在活塞底部的密封件上，用于驅動活塞的精密運動。

3.2 氣浮結構設計

圖3為徑向氣浮的具體實施方式。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，從氣路接頭進入裝置的壓縮空氣，進入氣道后，通過在活塞側向的截流孔后，在基座和活塞間隙的部分圓周區域內形成高壓氣膜區。該節流孔設計直徑為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 徑向氣浮設計

球面氣浮設計如圖4所示，裝置中球面氣浮的實施采用周面多孔節流方式。氣室張角與球面包角設計為：30°≤（θ2－θ1）≤70°。球面節流孔采用3個均布，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形翼可以限制球面氣浮件的過度偏擺，起到了角度限位的作用。

3.3 驅動電機設計

圖4 球面氣浮設計

驅動電機采用圓形音圈電機，磁鐵部分和動子相連，線圈部分和定子連接。此設計有效地避免了電機運動時電機線纜的擾動力。電機功耗引起線圈發熱，熱量也不會直接傳導到動子上的高精密氣浮零件上。

3.4 隔振性能設計

小型重力補償器在實際應用場景的理論模型如圖5所示，其中m為驅動對象的質量，M為小型重力補償器安裝基架的質量。x1和x2為運動的幅值。

圖5 重力補償器簡模型

其動力學方程為：

轉換到復數域：

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

4 結果與討論

小型重力補償器的實物如圖6所示，將3個小型重力補償器集成到光刻機的工件臺上進行測試，當給小型重力補償器提供0.5 MPa的壓縮空氣時，可以將質量為28 kg的工件臺曝光臺平穩浮起，整個結構無短觸，測試氣腔剛度為902 N/m。

圖6 重力補償器實物圖

工件臺曝光臺的功率譜如圖7所示，從圖中看出，在3 Hz和5 Hz附近出現共振峰，5 Hz以上的頻段無共振現象，這說明隔振性能較為理想，滿足設計需求。

圖7 曝光臺功率譜

5 總結

本文根據工件臺對小型重力補償器的需求，采用了一種變截面的氣動執行器的結構方式，對需求參數進行計算和仿真，并對實物進行測試。測試結果滿足需求。得出采用變截面結構的小型重力補償器結構緊湊，可以方便集成到工件臺曝光內部，能同時實現工件臺曝光臺的隔振與調焦調平的功能，并在激光干涉儀控制下實現納米級的定位。說明這種變截面小型重力補償器可以應用到高端光刻機的工件臺當中。

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

[2] 劉 暾，劉育華，陳世杰.靜壓氣體潤滑[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1990．

[3] 黨根茂.氣體潤滑技術[M].南京：東南大學出版社，1990．