一種無源真空吸附裝置的研究

齊芊楓，李進春，張德峰

( 上海微電子裝備(集團)股份有限公司， 上海201203)

目前，工件臺的發展方向是高速、高加速和高精度。其中影響精度的關鍵因素之一是線纜力干擾。由于線纜對運動臺存在三大阻力：靜態力、阻尼力和剛度力，而且這三大阻力具有隨機性和非線性特點，無法完全進行補償[1]。工件臺真空管路如圖1 所示。

圖1 工件臺的真空管路

為了減小真空管線對微動臺運動的干擾，目前一般采取3 種措施：①在粗動臺和微動臺之間設計對稱線纜，使線纜力互相抵消，減小作用在微動臺上的線纜力。該方案可大大減小線纜干擾力，但在六自由度微動臺中，由于線纜在非對稱方向有扭曲、拉伸，干擾力仍較大；②在粗動臺和微動臺之間采用氣浮隔離，進行非接觸式真空氣路輸送，該方案在粗微動之間沒有真空管路，但真空和正壓的高度集成，零部件設計制造難度較大，且該方案只能用于氣浮工件臺，不能在磁浮工件臺中應用；③微動臺上采用靜電吸盤[2]吸附硅片，該方案無需真空，能從根本上消除真空管路干擾問題，但粗動臺和微動臺之間仍存在線纜力的干擾，且靜電吸盤方案常用于真空環境，應用范圍受限。

因此，研究一種基于機械驅動的無源真空發生裝置，應用于高精密工件臺的硅片吸附，將從根本上解決真空管路對工件臺運動性能的干擾問題，對工件臺性能提升具有重要意義。

1 裝置研究

1.1 技術原理

根據理想氣體狀態方程（波義耳定律）（式1），一定體積的理想氣體壓力與體積成反比，其氣體壓強與體積的關系曲線如圖2 所示。一定物質的量的氣體，當其體積大于大氣壓強下的體積V0，其壓強將小于大氣壓強，即產生真空：

圖2 理想氣體壓強與體積曲線

式(1)中，P 為氣體壓強；V 為氣體體積；n 為氣體物質的量；R 為常數（8.31）；T 為氣體溫度。

無源真空吸附裝置由三部分組成：（1）真空發生裝置，可改變一定量氣體的體積，使氣體產生真空；（2）驅動裝置，為真空發生裝置中的氣體體積改變提供驅動力，并能控制氣體體積的改變量；（3）真空檢測反饋，檢測氣體真空值，并實時反饋給驅動裝置，由驅動裝置根據反饋值控制氣體體積的改變量；如圖3 所示。

圖3 無源真空吸附裝置原理

以上無源真空吸附裝置通過氣管連接到微動臺和吸盤上，在工件臺進行曝光運動過程中，對硅片進行吸附。

1.2 設計方案

1.2.1 真空發生裝置設計方案

真空發生裝置可采用兩種方案：①直線型真空發生裝置，如圖4 所示，活塞在氣腔內作直線運動，改變一定量氣體的體積，使氣體壓強小于大氣壓強，產生真空，該方案結構簡單，但所需運動空間較大；②旋轉型真空發生裝置，如圖5 所示，葉片在環形氣腔內繞轉軸作旋轉運動，改變環形氣腔內一定量氣體體積，使氣體壓強小于大氣壓強，產生真空，該方案結構較為復雜，但能節省運動空間，減小裝置體積。

圖4 直線型真空發生裝置

圖5 旋轉型真空發生裝置

1.2.2 驅動裝置設計方案

驅動裝置可采用三種方案：①旋轉電機+ 滾珠絲杠，如圖6 所示，旋轉電機帶動滾珠絲杠產生直線運動，驅動直線型真空發生裝置活塞運動，產生真空；②VCM 電機直接驅動，如圖7 所示，VCM電機直接驅動直線型真空發生裝置活塞運動，產生真空；③機械驅動（恒力彈簧），如圖8 所示，采用機械儲能機構驅動旋轉型真空發生裝置的旋轉葉片，產生真空，該機械儲能機構的輸出力為恒定值，保證真空壓力的穩定性，可采用恒力彈簧機構。

圖6 旋轉電機和絲杠驅動

圖7 VCM 電機直驅

圖8 機械驅動（恒力彈簧）

1.2.3 真空檢測反饋設計方案

真空檢測及反饋裝置由真空傳感器及其信號放大板組成，真空傳感器實時檢測硅片吸附真空值，并將其轉換成數字信號，經放大板反饋給驅動裝置，以控制氣體體積的改變量，從而控制真空的穩定性。真空檢測反饋裝置在“旋轉電機+滾珠絲杠”和“VCM 電機直接驅動”方案中應用，但在“機械驅動（恒力彈簧）”方案中將通過計算轉換為機械驅動機構的運動規律，由機械機構自動控制。

1.2.4 設計方案分析

根據真空發生裝置、驅動裝置和真空檢測反饋裝置的特點，采用3 種無源真空吸附裝置設計方案，各方案優缺點對比如表1 所示。

表1 無源真空吸附裝置設計方案分析

綜合分析上述方案，無源真空吸附裝置最終采用方案三，即“機械驅動+ 旋轉型真空發生裝置”方案進行產品應用開發。但為節約試驗時間和成本，采用方案一進行原理驗證試驗。

2 試驗研究

2.1 試驗思路

為提高裝置研究效率和降低研究成本，將裝置試驗分為原理驗證試驗和裝置應用試驗兩個階段，試驗計劃如表2 所示。

表2 無源真空吸附裝置試驗計劃

2.2 吸附試驗

2.2.1 吸附性能指標

以200 mm 吸盤吸附硅片、曝光時間60 s 為例計算，硅片真空吸附性能指標需求如表3 所示。

表3 吸盤吸附硅片性能指標需求

2.2.2 理論計算

氣體初始體積和壓強，如圖9 所示，A 到B 之間的真空管路體積V0將作為一定量氣體的初始體積，此時氣體壓強為大氣壓P0。

圖9 氣體初始體積和壓強

真空壓力P1=-40 kPa 時，若真空泄露按VL1計算，如圖10 所示，氣體體積和壓力關系如式(2)：

圖10 真空壓力-40 kPa 時，氣體體積和壓強

式(2)中，P0為氣體初始壓力；V0為氣體初始體積；V1為真空發生裝置氣體體積；VL1為真空泄漏體積。

在真空壓力P1=-40 kPa，持續60 s 時，若真空泄露按VL2計算，如圖11 所示，氣體體積和壓力關系如式(3)：

圖11 真空壓力-40 kPa，60 s 時，氣體體積和壓強

式(3)中，P0為氣體初始壓力；V0為氣體初始體積；V2為真空發生裝置氣體體積；VL2為真空泄漏體積；驅動力按式(4)計算：

式(4)中，F 為驅動力；P 為真空壓力；D 為活塞直徑。

2.2.3 手動驅動試驗

試驗裝置：如圖12 所示，試驗裝置包括，吸盤、硅片、直線氣缸（φ25 mm，行程50 mm）、真空壓力表（分辨率：1 kPa）、拉力計（分辨率：0.1 N）。試驗結果：手動驅動試驗結果如表4 所示。

表4 手動驅動試驗結果

圖12 手動驅動裝置

試驗結論：

（1）真空穩定性不滿足，由于人為因素產生，自動控制可提高指標；

（2）驅動力小于設計值，說明真空泄露小于計算值0.1 L/min；

（3）驗證了真空發生原理，且基本滿足吸附指標，可進行下一步的電機驅動試驗。

2.2.4 電機驅動試驗

試驗裝置如圖13、圖14 所示，包括吸盤、硅片、直線氣缸（φ25 mm，行程50 mm）、真空壓力傳感器（分辨率：1 kPa）、驅動電機（輸出力矩：8 N·m）、滾珠絲杠（導程：1 mm）、控制系統。

圖13 電機驅動試驗裝置

圖14 電機驅動試驗照片

電機驅動試驗結果如表5 所示。真空值隨時間和移動距離變化的曲線如圖15 所示。

表5 電機驅動試驗結果

試驗分析：

（1）真空建立時間不滿足，由圖15 可知，移動距離30 mm 真空壓力才能達到-40 kPa，這是由于絲杠導程1 mm 較小（設計值10 mm，試驗絲杠1 mm）；

圖15 真空值、時間和移動距離曲線

（2）真空維持時間不滿足，由于真空建立的行程較長，導致后續維持真空行程不足；

（3）驅動力大于設計值，由于理論設計值未考慮驅動機構的自身阻力，導致實際驅動力大于設計值。

試驗結論：

（1）實現了“驅動裝置+ 真空反饋”的閉環控制功能；

（2）需要采用10 mm 導程的滾珠絲杠，進一步優化設計裝置，達到滿足指標要求。

3 產品應用方案設計

采用機械儲能機構驅動旋轉型真空發生裝置進行產品應用開發，對其進行小型化輕量化設計，主要進行機械儲能機構的設計和計算。

由式(4)可知，在特定的真空發生裝置下，需要保證真空度穩定在一定范圍，必須保證驅動裝置輸出的驅動力趨于恒定，而恒力彈簧可實現輸出恒力的功能。

式(5)中[3]，E 為彈性模量；b 為彈簧的寬度；h為彈簧厚度；Rn為彈簧圈自由狀態下的半徑，R0為彈簧初始膨脹半徑。

根據式(2)、式(3)、式(4)和式(5)計算結果，在滿足表3 中吸附指標的情況下，基于機械驅動旋轉型真空發生裝置的無源真空吸附裝置關鍵部件結構尺寸如下，外形如圖16 所示。

圖16 無源真空吸附裝置

旋轉氣缸外形尺寸：φ25 mm×40 mm；旋轉氣缸行程：65 mm；省力轉輪：φ45 mm；儲能機構（恒力彈簧）：φ45 mm；能量補充機構行程：20 mm；裝置總量：約0.7 kg；裝置外形尺寸：88 mm×55 mm×45 mm。

其在微動臺上的設計案例如圖17 所示，該微動臺將在硅片曝光過程中，由無源真空吸附裝置自動產生真空吸附硅片，微動臺在運動過程中，不會產生真空管路的干擾。

圖17 無源真空吸附裝置在微動臺上的應用設計

4 結束語

通過理論分析和試驗研究，驗證了一種無源真空吸附裝置的實現原理，為裝置產品應用開發奠定了基礎；該裝置采用全機械驅動，干擾因素較少，設計可靠性較高；該裝置體積小，質量輕，可與微動臺進行模塊化設計，產品應用開發可行性較好；該裝置可應用于對管線擾動有更高要求的高精密工件臺。