一种小型重力补偿器的研究

齐芊枫，方 洁，吴立伟，夏 海

(上海微高精密机械工程有限公司，上海 201203)

随着光刻技术的进步和半导体工业快速发展，对于光刻设备的基本性能指标——焦深、产率要求不断提升。目前，光刻机整机架构体系逐步发展成为几个减振隔振的独立内部世界与基础框架等外部世界的结合体。以工件台分系统为例，曝光台用于承载待曝光的硅片，同时还包含零位、对准和调焦调平等功能。如何使承片台在曝光过程中免受工件台内部大推力执行器扰动和来自地基噪声的基础框架扰动至关重要。重力补偿装置即在此背景下发展起来的新型结构，通过主动减振与被动隔振结合的方式，使工件台承片台成为独立的内部减振系统。

1 技术关键点

（1）高精密定位控制技术：重力补偿器平台通过3个气动执行器和3个音圈电机的耦合控制，实现垂向三自由度高精密主动减振隔振。同时，还可以实现垂向与水平向的运动解耦。通过重力补偿装置对隔振平台的重力平衡补偿，进而在音圈电机的驱动下实现隔振平台高精密、超高精密的垂向定位控制。

（2）高精密主动减振隔振技术：以恒压室为驱动源，径向气浮为导向，平面气浮为运动自由度解耦的精密气浮结构设计，保证重力补偿装置的动定子间无机械接触，无振动传递和串扰力。对于精密气浮零件需要进行精密的工艺参数设计和分析、气浮特性仿真实现气浮参数设计、以及精密的加工制造，从而实现减振系统的低共振频率，接近-40dB振动衰减能力。

2 技术路线

该方案的小型重力补偿器采用气动执行和音圈电机组合的方式。气动执行器采用变截面特征的空气式重力补偿装置，实现隔离振动与补偿静态重力的作用。组合形成的重力补偿装置能够承载承片台的静态重力，音圈电机可实现垂向快速高精度的定位。由三个重力补偿装置组合而形成的减振隔振平台就可以实现工件台在垂向的调焦和调平运动。主要技术指标：

■承载质量≥100 N

■减振共振频率：<6 Hz

■被动减振的共振峰传递率：<30

■垂向气浮刚度：<1 000 N/m

■驱动行程（垂向）≥1 mm

3 结构设计

3.1 总体结构设计

图1为本方案提出的变截面特征的空气式重力补偿装置的结构示意图。其中，基座和变截面活塞组成承载驱动对象的主要部件，使该装置具有垂向自由度。当压缩空气进入装置中环形空间处，由变截面的原理使活塞沿基座浮起，从而将驱动对象浮起。

相关对象计算关系为：

图1 变截面重力补偿器结构图

式中：P1为压缩空气气源处压力值；D1为活塞上端直径；D2为活塞下端直径；m为驱动对象的质量。

进入装置中的压缩空气不仅使活塞浮起，同时也通过在基座和活塞径向间隙中形成高压气膜，使活塞与基座在运动过程中相互没有物理摩擦，有效地达到了隔离振动的目的。气腔的大小，与该装置的隔振频率有关，可进行设计计算。高压空气沿着图中所示箭头方向流动，可以在活塞件的球面和球面气浮件之间形成高压气膜，从而使该装置具有Rx/Ry/Rz向自由度。球面气浮件的球面半径与其垂向（Z向）负载大致有以下关系（见图 2）：

式中：P为气浮压力，假设球面轴承气浮压力一定；D3为球面半径；θ为球面轴承的包角。

图2 球面气浮结构

同时，压缩空气可以在球面气浮件和水平气浮件之间形成水平向高压气膜，从而使该装置具有x/y和Rz方向自由度。综上所述，变截面特征的空气式重力补偿装置具有x/y/z/Rx/Ry/Rz六个自由度。音圈电机安装在活塞底部的密封件上，用于驱动活塞的精密运动。

3.2 气浮结构设计

图3为径向气浮的具体实施方式。基座和活塞径向气膜中压缩空气的输送气道为均布的垂向气道，从气路接头进入装置的压缩空气，进入气道后，通过在活塞侧向的截流孔后，在基座和活塞间隙的部分圆周区域内形成高压气膜区。该节流孔设计直径为0.2 mm，在小孔周边加工有均压槽以提高径向气膜的承载能力。排气孔用于将部分高压气体带至空气中，以减小高压区域面积，避免高压损伤和降低零件的加工精度。

图3 径向气浮设计

球面气浮设计如图4所示，装置中球面气浮的实施采用周面多孔节流方式。气室张角与球面包角设计为：30°≤（θ2－θ1）≤70°。球面节流孔采用3个均布，孔径为0.2 mm，在小孔周边加工有均压槽以提高球面气膜的承载能力。球面气浮件两端的环形翼可以限制球面气浮件的过度偏摆，起到了角度限位的作用。

3.3 驱动电机设计

图4 球面气浮设计

驱动电机采用圆形音圈电机，磁铁部分和动子相连，线圈部分和定子连接。此设计有效地避免了电机运动时电机线缆的扰动力。电机功耗引起线圈发热，热量也不会直接传导到动子上的高精密气浮零件上。

3.4 隔振性能设计

小型重力补偿器在实际应用场景的理论模型如图5所示，其中m为驱动对象的质量，M为小型重力补偿器安装基架的质量。x1和x2为运动的幅值。

图5 重力补偿器简模型

其动力学方程为：

转换到复数域：

此式即为振动的传递率，其中λ为激励频率与系统固有频率的比值，ξ为系统的阻尼比。主要的激励由伺服控制引起，则小型的共振峰频率

4 结果与讨论

小型重力补偿器的实物如图6所示，将3个小型重力补偿器集成到光刻机的工件台上进行测试，当给小型重力补偿器提供0.5 MPa的压缩空气时，可以将质量为28 kg的工件台曝光台平稳浮起，整个结构无短触，测试气腔刚度为902 N/m。

图6 重力补偿器实物图

工件台曝光台的功率谱如图7所示，从图中看出，在3 Hz和5 Hz附近出现共振峰，5 Hz以上的频段无共振现象，这说明隔振性能较为理想，满足设计需求。

图7 曝光台功率谱

5 总结

本文根据工件台对小型重力补偿器的需求，采用了一种变截面的气动执行器的结构方式，对需求参数进行计算和仿真，并对实物进行测试。测试结果满足需求。得出采用变截面结构的小型重力补偿器结构紧凑，可以方便集成到工件台曝光内部，能同时实现工件台曝光台的隔振与调焦调平的功能，并在激光干涉仪控制下实现纳米级的定位。说明这种变截面小型重力补偿器可以应用到高端光刻机的工件台当中。

[1] 方 洁，齐芊枫，齐宁宁.一种空气式位置补偿装置[P].中国专利：200910198840.2,2009-11-17.

[2] 刘 暾，刘育华，陈世杰.静压气体润滑[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990．

[3] 党根茂.气体润滑技术[M].南京：东南大学出版社，1990．