CN102141734B - 重力补偿器以及采用所述重力补偿器的微动台 - Google Patents

Abstract

一种重力补偿器，其对受支撑物体进行垂向的重力补偿，所述重力补偿器包括：连接机构，其连接所述重力补偿器与所述受支撑物体，从而在它们之间进行传动；连接至所述连接机构的垂向驱动机构，所述垂向驱动机构驱动所述连接机构进行垂向运动，从而对所述受支撑物体进行垂向补偿；连接至所述垂向驱动机构的悬浮装置，所述悬浮装置使得所述垂向驱动机构浮于承载基部上，以使所述垂向机构可根据所述受支撑装置的移动而在所述承载基部上做相应的移动。由于根据本发明的重力补偿器采用悬浮装置与承载基部连接，因此可以随着受支撑物体的运动而运动，对重力进行实时平衡，使支撑物体处于悬浮状态，从而使支撑物体的运动效率和性能大大提高。

Description

重力补偿器以及采用所述重力补偿器的微动台

技术领域

本发明涉及重力补偿装置，尤其涉及应用于光刻设备的重力补偿装置。

背景技术

光刻是指将一系列掩膜版上的图形通过曝光***依次转印至硅片相应层上的复杂工艺过程。在光刻设备中，工件台负责硅片的精密运动，一般采用粗微定位方式，即大行程的粗动台实现长距粗定位，而微动台则实现纳米级的精确定位。微动台的作用是承载硅片，通过水平向和垂向的六自由度精确调整和定位使硅片完成对准和调平调焦作业任务。

在微动台之类的精密运动装备中，物体重力对运动的影响较大，需要采取措施进行补偿。光刻设备中，普遍采用重力补偿器+垂向电机的组合，重力补偿器专门平衡驱动物体的重力，以气体驱动最常见，也有靠磁性悬浮或者弹簧驱动的，而垂向电机则负责驱动物体作垂向运动，进行解耦控制。

公开日期为2002-1-8、公开号为US6337484的美国专利，将微动台的水平和垂向运动分开控制。垂向驱动采用重力补偿器，包括一个气缸和一个Z向洛伦茨(Lorentz)电机，二者并联，一共三组。气缸提供稳定的静态力，平衡微动台重力，洛伦茨电机提供动态力，驱动微动台垂向运动。重力补偿器中设计水平和旋转气浮轴承使其具有X、Y、Rx、Ry、Rz方向自由度，通过洛伦茨电机驱动物体相对于下层物体做解耦运动。该重力补偿器结构相对复杂，气路较多，密封要求较高，在水平向加减速时对侧向气浮的刚度要求较高。另外多个重力补偿器布局不能完全消除重力对水平和垂向运动的影响。

公开日期为2009-7-8、公开号为CN101477316中国专利采用了高压流体通路和波纹管结构，发明了一种水平和垂向解耦的重力补偿器，用于平衡重力，再通过分离式电机来驱动微动台。该重力补偿器结构非常复杂，设计难度大，且无法跟随微动台实时运动。

针对以上问题，本发明提出了一种改进的重力补偿器。

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改进的重力补偿器。

根据本发明的一个方面，提供了一种重力补偿器，其对受支撑物体进行垂向的重力补偿。所述重力补偿器包括：连接机构，其连接所述重力补偿器与所述受支撑物体，从而在它们之间进行传动；连接至所述连接机构的垂向驱动机构，所述垂向驱动机构驱动所述连接机构进行垂向运动，从而对所述受支撑物体进行垂向补偿；连接至所述垂向驱动机构的悬浮装置，所述悬浮装置使得所述垂向驱动机构浮于承载基部上，以使所述垂向机构可根据所述受支撑物体的移动而在所述承载基部上作相应的移动。

一些实施例中，所述重力补偿器还包括连接至所述垂向驱动机构的水平向驱动机构，以驱动所述重力补偿器做水平向的运动，从而对所述受支撑物体进行水平向的补偿。

一些实施例中，所述连接机构为包括铰链外罩、铰链旋转球、以及它们之间的球形气浮轴承的球形铰链，所述球形铰链具有Rx、Ry、Rz三个自由度。

一些实施例中，所述垂向驱动机构为音圈电机。

一些实施例中，所述垂向驱动机构为内含有气浮轴承的气缸。

一些实施例中，所述水平向驱动机构为洛伦茨电机，所述电机的动子通过连接杆固定在所述垂向驱动机构上，而其定子与固定部件连接。

一些实施例中，所述悬浮装置为气体悬浮或磁铁悬浮。

根据本发明的另一方面，提供了一种六自由度微动台，包括：水平驱动电机，所述水平驱动电机的动子固定在所述微动台上，其定子固定在所述微动台的承载台上；垂向驱动电机，所述垂向驱动电机的动子固定在所述微动台上，其定子固定在所述承载台上；及如前述的重力补偿器。

一些实施例中，所述微动台仅包括一个所述重力补偿器，并且所述重力补偿器位于所述微动台质心的正下方。

一些实施例中，所述水平驱动电机的动子和定子之间在X、Y、Z、Rx、Ry、Rz六个方向的间隙大于对应方向上所述微动台的行程；并且，所述垂向驱动电机动子和定子之间在X、Y、Z、Rx、Ry、Rz六个方向的间隙大于对应方向上所述微动台的行程，以使所述微动台的水平运动和垂向运动完全解耦。

由于根据本发明的重力补偿器采用悬浮装置与承载基部连接，因此可以随着受支撑物体的运动而运动，对重力进行实时平衡，使支撑物体处于悬浮状态，从而使支撑物体的运动效率和性能大大提高。

本发明还提供了一种六自由度微动台，采用一个前述重力补偿器，放在微动台质心正下方，可使微动台运动的解耦性能大大提高。驱动微动台运动包括水平驱动电机和垂向驱动电机，所有电机的动子和定子之间在X、Y、Z、Rx、Ry、Rz六个方向的间隙大于对应方向上所述微动台的行程，于是水平运动和垂向运动完全解耦，其效果优于三个重力补偿器的布局。

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为重力补偿器1的剖视图；

图2为重力补偿器1’的剖视图；

图3为重力补偿器2的剖视图；

图4为重力补偿器2’的剖视图；

图5为微动台201的剖视图；

图6为微动台201的俯视图；

图7为采用重力补偿器2’的微动台的剖视图。

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。

现参考图1说明根据本发明一实施例的重力补偿器1。图1为重力补偿器1的剖视图。如图1所示，101为受支撑物体，其下方是对受支撑物体101进行重力补偿的重力补偿器1。重力补偿器1的本体通过球形铰链102与受支撑物体101连接，从而在它们之间进行传动。球形铰链102包括相互之间光滑连接的铰链外罩102a与铰链旋转球102b，由此可绕任意方向旋转而具有Rx、Ry、Rz三个自由度。球形铰链102为连接机构的例子。

重力补偿器1包括可作Z向直线运动的垂向驱动机构，以对受支撑物体101进行垂向驱动。本实施例中，音圈电机103作为垂向驱动机构。音圈电机103的磁铁103a作动子，连接至球形铰链旋转球102b，而其线圈103b作定子，固定在电机底座104上。音圈电机103可作Z向单自由度运动。

重力补偿器1还包括位于音圈电机103的底座104下部的悬浮装置105，其使得重力补偿器1和受支撑物体101浮于承载基部上。应理解，悬浮装置105可采用业界公知的气体悬浮、磁铁悬浮等各种悬浮方式。

当受支撑物体101相对于其自身的质心101a作平面旋转运动(Rz方向)或者倾斜运动(Rx、Ry方向)时，质心101a在空间中并未移动，相应地重力在空间中的位置并未变化。此时重力补偿器1不做任何移动，仅由球形铰链102来改变其与受支撑物体101的角度。当支撑物体101作X、Y、Z平移运动时，质心101a在空间中的位置将发生变化，重力位置也将变化。此时重力补偿器1必须跟随支撑物体101作相应的运动，以保证重力补偿器1产生的补偿力始终与支撑物体101重力平衡，即大小相等且方向相反。对于X、Y方向，重力补偿器1依靠其底部悬浮装置105与承载基部的约束，可以很容易地跟随支撑物体101作平移运动。对于Z方向，需要将支撑物体101的运动信息提前传递给音圈电机103，以便重力补偿器1与支撑物体101同步运动，实现重力实施补偿。可通过业界公知的前馈控制来实现同步运动，在此不赘述。

现参考图2说明根据本发明另一实施例的重力补偿器1’。图2为重力补偿器1’的剖视图。本实施例中，重力补偿器1’与重力补偿器1的结构基本相同，所不同之处在于，重力补偿器1’还包括水平向驱动机构。由此，以下附图中，相同或相应的标号指代图1中相同或相应的元件，并且省去了这些相同或相应元件的详细描述。

重力补偿器1’还包括水平向驱动机构。本实施例中，洛伦茨电机107作为水平向驱动机构。洛伦茨电机107的动子107b通过连接杆106固定在重力补偿器1的垂向驱动机构上，而其定子107a固定在装配机构108上，装配机构108通过支撑机构109与固定部件连接。洛伦茨电机107专门驱动重力补偿器作水平面X、Y、Rz运动，从而对所述受支撑物体进行水平向的补偿。重力补偿器1’的质心在洛伦茨电机107的驱动平面内。

当受支撑物体101相对于其自身的质心101a作平面旋转运动(Rz方向)或者倾斜运动(Rx、Ry方向)时，质心101a在空间中并未移动，相应地重力在空间中的位置并未变化。此时重力补偿器1’不做任何移动，仅由球形铰链102来改变其与受支撑物体101的角度。当支撑物体101作X、Y、Z平移运动时，质心101a在空间中的位置将发生变化，重力位置也将变化。此时重力补偿器1’必须跟随支撑物体101作相应的运动，以保证重力补偿器1’产生的补偿力始终与支撑物体101重力平衡，即大小相等且方向相反。为了实现同步，需要将支撑物体101的运动信息(X、Y、Z方向)提前传递给音圈电机103(Z方向)和洛伦茨电机107(X、Y方向)，以便重力补偿器1’与支撑物体101同步运动，实现重力实时补偿。

当重力补偿器仅包括垂向驱动机构时，只对Z向运动作补偿，其它方向X、Y、Rx、Ry、Rz均被动适应所述受支撑物体的运动。当重力补偿器还包括平面驱动机构时，那么主动控制包括X、Y、Z三个方向，其它Rx、Ry、Rz被动适应。

现参考图3说明根据本发明再一实施例的重力补偿器2。图3为重力补偿器2的剖视图。本实施例中，重力补偿器2与重力补偿器1’的结构基本相同，所不同之处在于，采用气缸作为垂向驱动机构。由此，以下附图中，相同或相应的标号指代图1-2中相同或相应的元件，并且省去了这些相同或相应元件的详细描述。

重力补偿器2中，球形铰链202可绕任意方向旋转，具有Rx、Ry、Rz三个自由度，铰链外罩202a与铰链旋转球202b之间有球形气浮轴承203，实现无摩擦旋转。

用作垂向驱动机构的气缸204位于球形铰链202正下方并与其连接。气缸204包括活塞204a、外罩204b、内压腔204c。气缸活塞204a可沿Z向往返运动，其与气缸外罩204b之间有气浮轴承205，可使活塞204a无摩擦移动。外罩204b连接至悬浮装置105。来自气源(未示)的压缩气体进入气缸内压腔204c，通过压强调节可推动活塞204a上下运动。同时204c中的压缩气体进入活塞内部气路主通道206，再通过气路分支207分别进入球形气浮轴承203和侧向气浮轴承205中，提供气浮压力，使202a和202b之间无摩擦旋转以及204a和204b之间无摩擦移动。

悬浮装置105与平面补偿电机107的功能与结构与重力补偿器1’的相应部件完全相同。具体地，重力补偿器2的悬浮装置105采用气体悬浮方式，即为气足105。这样重力补偿器2的六个自由度均通过气浮作无摩擦运动。

类似地，当受支撑物体101作X、Y、Z平移运动时，需要将101的运动信息(X、Y、Z方向)提前传递给气缸204(Z方向)和洛伦茨电机107(X、Y方向)，作前馈控制，以便重力补偿器2与支撑物体101作同步运动，实现重力实施补偿。气缸204需要有较高的响应速度，压力精确可调。

现参考图4说明根据本发明另一实施例的重力补偿器2’。图4为重力补偿器2’的剖视图。本实施例中，重力补偿器2’与重力补偿器2的结构基本相同，所不同之处在于，重力补偿器2’不包括洛伦茨电机107。

当受支撑物体101作X、Y向水平运动时，由于气足105在底部约束，重力补偿器2’的整体依靠球形气浮轴承203和侧向气浮轴承205的作用力，可跟随受支撑物体101同步运动。

现参考图5说明根据本发明的采用重力补偿器2的微动台201。图5为微动台201的剖视图。微动台201为单层结构，质心201a。承载台200，负责支撑微动台201、重力补偿器2以及相关驱动装置。所述重力补偿器2为图3中结构，位于微动台质心201a的正下方，负责平衡微动台201的重力。重力补偿器2通过球形铰链202与微动台201连接，其气足105浮于承载台200之上，其水平驱动机构洛伦茨电机107通过装配机构108和支撑机构109固定在承载台200上。

驱动微动台201作六自由度运动依靠驱动电机，包括水平驱动电机和垂向驱动电机。所有电机定子与动子之间在X、Y、Z、Rx、Ry、Rz六个方向有足够的间隙，间隙大于微动台在该方向的行程，以实现水平运动和垂向运动的解耦。本实施例中，水平驱动电机和垂向驱动电机均采用洛伦茨电机，并且水平向和垂向各三个。如图5所示，水平驱动电机300的动子(磁铁)301固定在微动台201上，定子(线圈)302固定在支撑机构303上，支撑机构303固定在承载台200上。水平驱动电机动子301和定子302之间在X、Y、Z三个方向的间隙大于对应方向上微动台201的行程。垂向驱动电机400的动子(磁铁)401固定在微动台201上，定子(线圈)402固定在支撑机构403上，支撑机构403固定在承载台200上。微动台质心201a正好位于水平驱动电机300和垂向驱动电机400的驱动平面内。

图6为微动台201的俯视图。如图6所示，水平驱动电机300和垂向驱动电机400各三个，水平电机动子301a、301b、301c呈L型分布，垂向电机动子401a、401b、401c呈等边三角形分布，水平和垂向驱动中心与微动台质心201a重合，作质心驱动。三个水平驱动电机组合可使微动台201作X、Y、Rz方向运动，三个垂向驱动电机组合可使微动台201作Z、Rx、Ry方向运动。重力补偿器2应与微动台201作同步运动。

现参考图7说明根据本发明的采用重力补偿器2’的微动台。图7为采用重力补偿器2’的微动台的剖视图。本实施例中，所述微动台的结构与微动台201基本相同，所不同之处在于，采用重力补偿器2’代替重力补偿器2。由此，相同或相应的标号指代图1-6中相同或相应的元件，并且省去了这些相同或相应元件的详细描述。

以上描述的微动台实施例，以前述的重力补偿器2和2’为例子，说明采用本发明重力补偿器的微动台。然而，前述的重力补偿器1和1’同样可应用于微动台。

从图5-7中可以看到，微动台与下面的承载台200无任何机构连接，无解耦板，无解耦柔性块，既能隔振，又能实现水平运动和垂向运动解耦。

本发明具有如下优点。

(1)由于根据本发明的重力补偿器采用悬浮装置与承载基部连接，因此可以随着受支撑物体的运动而运动，对重力进行实时平衡，使支撑物体处于悬浮状态，从而使支撑物体的运动效率和性能大大提高。

(2)由于采用悬浮装置，重力补偿器和受支撑物体浮于承载基部上，可减小运动摩擦，同时还可有效地隔振，消除外部振动对受支撑物体的干扰，提高受支撑物体的运动性能。

(3)本发明的重力补偿器还包括水平向驱动机构，以专门驱动重力补偿器作水平面X、Y、Rz运动，与垂向驱动机构一起进行X、Y、Z三个方向的主动控制，从而可补偿六自由度运动的受支撑物体。

(4)由于本发明的重力补偿器可以随着受支撑物体的运动而运动，因此采用本发明重力补偿器的微动台只需一个放在微动台质心正下方的重力补偿器，无需解耦柔性块。微动台运动的解耦性能得以大大提高。

(5)采用本发明的重力补偿器，再合理设计水平和垂向驱动电机动子与定子之间的间隙，可使水平和垂向运动完全解耦。微动台***(包括单层微动台、重力补偿器、水平和垂向电机动子)与下面的承载台(包括水平垂向电机定子、重力补偿器的水平驱动电机定子)完全无接触，既消除了摩擦力等阻力，也隔离了承载台带来的振动。水平和垂向驱动电机输出力全部作为微动台运动的动力，无需补偿任何阻力，控制效果非常好。

Claims (9)

1.一种重力补偿器，其对受支撑物体进行垂向的重力补偿，其特征在于，包括：

连接机构，其连接所述重力补偿器与所述受支撑物体，从而在它们之间进行传动；

连接至所述连接机构的垂向驱动机构，所述垂向驱动机构驱动所述连接机构进行垂向运动，从而对所述受支撑物体进行垂向补偿；

连接至所述垂向驱动机构的悬浮装置，所述悬浮装置使得所述垂向驱动机构浮于承载基部上，以使所述垂向驱动机构可根据所述受支撑物体的移动而在所述承载基部上作相应的移动；

所述连接机构为包括铰链外罩、铰链旋转球、以及它们之间的球形气浮轴承的球形铰链，所述球形铰链具有Rx、Ry、Rz三个自由度。

2.如权利要求1所述的重力补偿器，其特征在于，所述重力补偿器还包括连接至所述垂向驱动机构的水平向驱动机构，以驱动所述重力补偿器做水平向的运动，从而对所述受支撑物体进行水平向的补偿。

3.如权利要求1所述的重力补偿器，所述垂向驱动机构为音圈电机。

4.如权利要求1所述的重力补偿器，所述垂向驱动机构为内含有气浮轴承的气缸。

5.如权利要求2所述的重力补偿器，所述水平向驱动机构为洛伦茨电机，所述电机的动子通过连接杆固定在所述垂向驱动机构上，而其定子与固定部件连接。

6.如权利要求1至5任一项所述的重力补偿器，所述悬浮装置为气体悬浮或磁铁悬浮。

7.一种六自由度微动台，其特征在于，包括：

水平驱动电机，所述水平驱动电机的动子固定在所述微动台上，其定子固定在所述微动台的承载台上；

垂向驱动电机，所述垂向驱动电机的动子固定在所述微动台上，其定子固定在所述承载台上；及

如前述权利要求任一项所述的重力补偿器。

8.如权利要求7所述的微动台，其特征在于，所述微动台仅包括一个所述重力补偿器，并且所述重力补偿器位于所述微动台质心的正下方。

9.如权利要求7所述的微动台，其特征在于，所述水平驱动电机的动子和定子之间在X、Y、Z、Rx、Ry、Rz六个方向的间隙大于对应方向上所述微动台的行程；并且，所述垂向驱动电机动子和定子之间在X、Y、Z、Rx、Ry、Rz六个方向的间隙大于对应方向上所述微动台的行程，以使所述微动台的水平运动和垂向运动完全解耦。

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