CN102109766B - 解耦机构及使用所述解耦机构的曝光台 - Google Patents

Abstract

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。

Description

解耦机构及使用所述解耦机构的曝光台

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。

附图说明

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101a和101b、半圆柱形滑块103a和103b、以及侧向平面气浮模块105a和105b。半圆柱形气浮模块101a，101b与微动台的承片台102连接，而侧向平面气浮模块105a和105b与粗动台的横梁导轨108连接。

具体地，侧向平面气浮模块105a和105b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，101b使得半圆柱形滑块103a和103b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105a和105b推动半圆柱形滑块103a和103bY向运动，进而通过半圆柱形气浮模块101a和101b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103b与侧向平面气浮模块105a和105b，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103b通过侧向平面气浮模块105a和105b随着转动，由于半圆柱形气浮模块101a和101b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204a和204b、半圆柱形滑块201a和201b、以及侧向平面磁浮模块203a和203b。半圆柱形磁浮模块204a和204b与微动台的承片台202连接，侧向平面磁浮模块203a和203b与横梁导轨108连接。

具体地，侧向平面磁浮模块203a和203b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204a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203b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204a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203b，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203b随着转动，由于半圆柱形磁浮模块204a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102a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。

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，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108一侧的极性相同，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、103b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，所述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值时，所述限位 传感器接收到超限信号，并将该信号发送给长行程直线电机的控制器，进而给 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＞10Hz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10Hz以上的频率，横梁导轨108在长行程运动过程中产生＞10Hz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_c可以依照公式(1)计算：

$f_c=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}}---\left(1\right)$

其中，k是限位装置的弹簧刚度，m是微动框架(202)和横梁导轨(108)的模态质量，其计算依照公式(2)计算：

$m=\frac{m_{\mathrm{ssf}}\·m_{\mathrm{beam}}}{m_{\mathrm{ssf}}+m_{\mathrm{beam}}}---\left(2\right)$

其中，m_ssf为微动框架112的质量，m_beam为横梁导轨108的质量。

限位装置的弹簧特征频率f_c优选3Hz，则框架112)和横梁导轨108之间的扭转刚度为2.2e3Nm/rad，在1Nm的扰动转矩作用下将产生0.455mrad的转动位移。

现参考图8详细描述曝光台的长行程Y向左侧驱动装置和导向装置。如图8所示，Y向左侧驱动装置和导向装置主要包括左侧直线电机磁铁801a，左侧直线电机磁铁支架802a，左侧直线电机动子803a，左侧一维垂向气浮导轨804a，以及垂向气浮模块805a。垂向气浮模块805a使得横梁导轨108悬浮于左侧一维垂向气浮导轨804a之上，具有一维导向作用。左侧直线电机动子803a与横梁导轨108固连。当电机驱动时，横梁导轨108沿着左侧一维垂向气浮导轨804aY向运动。左侧直线电机磁铁支架802a则座落于反向运动质量体113上。

现参考图9详细描述曝光台的长行程Y向右侧驱动装置和导向装置。如图9所示，Y向右侧驱动装置和导向装置主要包括右侧Y向二维气浮导轨滑块110，右侧直线电机磁铁801b，右侧直线电机磁铁支架802b，直线电机动子803b，右侧二维气浮导轨804b，垂向气浮模块805b，以及侧向气浮模块806。垂向气浮模块805b使得横梁导轨108悬浮于右侧二维垂向气浮导轨804b之上，侧向气浮模块806使得横梁导轨108受到右侧二维气浮导轨804bX向定位约束，这样横梁导轨108具有二维导向作用。右侧Y向二维气浮导轨滑块110与横梁导轨108固连，同时直线电机动子803b也与横梁导轨108固连。当电机驱动时，横梁导轨108沿着右侧二维垂向气浮导轨804bY向运动。右侧直线电机磁铁支架802b则座落于反向运动质量体113上。

采用本发明的解耦机构的曝光台具有如下优点。

(1)与本发明的解耦机构相连的微动台在Rz向旋转时，其旋转中心和连接刚度确定而且可控，并且完全不受粗动旋转限制和影响。

(2)与本发明的解耦机构相连的粗动台在Rz向旋转时，其旋转角度可以远超出微动台设备的旋转角度，从而解除对粗动台设计的严格的紧约束限制。

(3)本发明的解耦机构可以应用于高精度曝光台上，可以实现曝光台的减振和精确的位置补偿。

(4)采用本发明之解耦机构的曝光台采用了一端二维气浮导向结构，另一端采用了垂向气浮支撑水平Rz自由的一维气浮导轨结构方式，消除了装配过定位的问题。所述曝光台的气浮导轨加柱形解耦轴承方式，消除了由于电机步进扫描过程中产生的惯性附加转矩对气膜设计瓶颈。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

Claims (11)

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，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。

2.一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，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。

3.一种曝光台，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1或2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。

4.如权利要求3所述的曝光台，其特征在于，所述粗动台由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装置包括左侧直线电机磁铁、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。

5.如权利要求4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，其中所述右侧驱动装置和导向装置中的垂向气浮模块使得所述粗动台悬浮于所述右侧二维气浮导轨之上，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粗动台固连，且所述右侧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，所述粗动台设有Rz限位装置，所述限位装置包括限位传感器，当所述粗动台在Rz向相对旋转角度超出预先设定值时，所述限位传感器对所述Y向长行程电机进行控制以避免所述粗动台与所述微动台发生碰撞。

7.如权利要求6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。

8.如权利要求3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。

9.如权利要求8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。

10.如权利要求8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。

11.如权利要求8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。

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