專利名稱：氣缸活塞減振裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣缸活塞減振裝置，特別是一種應(yīng)用于半導(dǎo)體前道工序中 光刻機(jī)中的氣缸活塞減振裝置。
背景技術(shù)：
光刻機(jī)系統(tǒng)在工作過程中，工件臺(tái)和掩模臺(tái)分別以投影物鏡的兩面一軸(物 面、焦面和光軸)為基準(zhǔn)，在控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，按要求的精度實(shí)現(xiàn)工件臺(tái)與 掩模臺(tái)之間的相對(duì)位置，以及兩者相對(duì)物鏡的位置。.由于光刻機(jī)高定^f主精度、 高同步運(yùn)動(dòng)精度的特點(diǎn)，任何外界振動(dòng)的傳入和內(nèi)部振動(dòng)的干擾，都會(huì)引起兩 者之間或者兩者相對(duì)物鏡位置的短暫錯(cuò)位，這將會(huì)嚴(yán)重影響光刻質(zhì)量。其中， 引起系統(tǒng)內(nèi)部微振動(dòng)并引發(fā)錯(cuò)位的主要因素有地基振動(dòng)的傳入，步進(jìn)或者步進(jìn) 掃描過程中產(chǎn)生的反作用力和力矩，以及內(nèi)部世界(氣液管路和氣膜的振動(dòng)) 和外部世界的隨機(jī)噪音等。為了消除各種振動(dòng)因素對(duì)光刻機(jī)曝光質(zhì)量的影響，就要對(duì)整機(jī)系統(tǒng)采取有 效的隔振和減振措施。通常的解決辦法是設(shè)法將光刻機(jī)的曝光單元(主要包括 照明系統(tǒng)、掩模臺(tái)、物鏡和工件臺(tái))通過一套被動(dòng)隔振器同安裝地基隔離開來， 這樣就可以避免外界的振動(dòng)通過地基傳給曝光單元。但當(dāng)光刻技術(shù)發(fā)^:到納米 時(shí)代以后，被動(dòng)減振措施已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)的減振需求，這時(shí)，主動(dòng)減振技術(shù) 被應(yīng)用到了光刻機(jī)系統(tǒng)中。主動(dòng)減振器不但能隔離外界振動(dòng)的影響，同時(shí)也能 對(duì)曝光單元的低頻振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)#卜償。光刻機(jī)減振系統(tǒng)發(fā)明專利US6226075 (專利權(quán)人ASMLithography,荷蘭) 的機(jī)械裝置基本結(jié)構(gòu)為一個(gè)中空的活塞與氣缸的組合，而活塞外緣與氣缸內(nèi)緣 之間是存在間隙的，由靜壓空氣所填充。垂直方向上為空氣彈簧減振，地面振 動(dòng)低頻部分將通過空氣彈簧傳遞到光刻機(jī)內(nèi)部，地面振動(dòng)高頻部分在通過空氣 彈簧后得到衰減。在水平方向上，由于不存在機(jī)械接觸，地面的振動(dòng)將不會(huì)傳說明書第2/6頁遞到光刻機(jī)內(nèi)部，而光刻機(jī)內(nèi)部的振動(dòng)也不會(huì)傳遞到外界。這樣是存在不利之 處的，當(dāng)光刻機(jī)內(nèi)部的工件臺(tái)和掩模臺(tái)發(fā)生移動(dòng)時(shí)，不可避免地會(huì)引起物鏡的 質(zhì)心坐標(biāo)的在水平面上的偏移。而光刻機(jī)曝光單元中的物鏡是掩模臺(tái)與工件臺(tái) 的基準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)的坐標(biāo)變化，顯然會(huì)體現(xiàn)在掩模臺(tái)與工件臺(tái)的振動(dòng)上。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種具有水平回復(fù)力的氣缸活塞減振裝置，其能夠 在垂直和水平方向減振，從而避免現(xiàn)有技術(shù)中物鏡質(zhì)心坐標(biāo)在水平面上發(fā)生偏 移而引起水平振動(dòng)的現(xiàn)象。為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明提供一種氣缸活塞減振裝置，所述氣缸活塞 減振裝置包括一第一氣缸以及與所述第一氣缸相互咬合的第一活塞，所述第一 活塞可以在所述第一氣缸腔體內(nèi)部活動(dòng)，所述氣缸活塞減振裝置還包括一設(shè)置 于所述第一氣缸腔體內(nèi)并位于第一氣缸以及第一活塞之間的偏擺機(jī)構(gòu)，所述的 偏擺機(jī)構(gòu)進(jìn)一步包括一個(gè)第二氣缸和一個(gè)柔性活塞長桿，所述第二氣缸裝配在 第一活塞上或裝配在第一氣缸腔體內(nèi)壁上，所述柔性活塞長桿一端置于第二氣 缸內(nèi)并與第二氣缸相互咬合且可在第二氣缸腔體內(nèi)活動(dòng)，另一端與第二氣缸相 對(duì)應(yīng)的裝配在第一氣缸腔體內(nèi)壁上或裝配在第一活塞上。所述的柔性活塞長桿的活動(dòng)端與第二氣缸咬合的外側(cè)壁上還套設(shè)一活塞長 桿密封圈，以保證所述柔性活塞長桿的自由端與第二氣缸的內(nèi)壁之間緊密接觸。所述的第一活塞與第一氣缸咬合的外側(cè)壁上還套設(shè)一第一活塞密封圈，以 保證所述第 一活塞與第 一氣缸的密封性能。所述的第一活塞更進(jìn)一步包括一環(huán)狀活塞以及一內(nèi)活塞，所述環(huán)狀活塞與 內(nèi)活塞之間通過一圓盤薄膜聯(lián)接，其中，所述內(nèi)活塞的外徑小于環(huán)狀活塞的內(nèi) 徑。所述的第二氣缸上還設(shè)有至少一橫向氣孔，用于連通所述第一氣缸與第二 氣缸。所述的第一活塞上還設(shè)有一活塞蓋，所述活塞蓋的中心位置還設(shè)有一活塞 蓋孔。本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置在垂直方向采用氣缸活塞等效為空氣彈簧實(shí)現(xiàn)
減振，在水平方向采用柔性活塞長桿等效為撓性變形彈簧實(shí)現(xiàn)減振，從而實(shí)現(xiàn) 垂直和水平方向上的同步減振，避免了現(xiàn)有技術(shù)中物鏡質(zhì)心坐標(biāo)在水平面上發(fā) 生偏移而引起水平振動(dòng)的現(xiàn)象。


通過以下對(duì)本發(fā)明的一實(shí)施例結(jié)合其附圖的描述，可以進(jìn)一步理解其發(fā)明的目的、具體結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)點(diǎn)。其中，附圖為圖1為本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置在光刻機(jī)等精密機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用示例圖；圖2a為本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置的第 一 實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2b為本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3a為本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置的第一實(shí)施例更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3b為本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置的第二實(shí)施例更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置在水平方向或者徑向方向上的原理示意圖；.圖5為本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置在垂直方向上的原理示意圖。
具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合一個(gè)較佳的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置作進(jìn)一步的詳 纟田描述。圖1為本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置5在光刻機(jī)等精密機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用示 例圖。如圖所示，本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置5處在光刻^/L的外部框架6和內(nèi) 部框架4之間，起主動(dòng)減振作用。.圖2a中顯示了本發(fā)明第一實(shí)施例的氣缸活塞減振裝置的結(jié)構(gòu)，如圖所示， 附屬在第一活塞2下端正中央的第二氣缸33a的腔體，與附屬在第一氣缸1腔 體內(nèi)部的底部正中央的柔性活塞長桿31a,通過活塞長桿密封圈32相互作用。 同時(shí)，請(qǐng)結(jié)合參閱圖3a,其中更為詳細(xì)地顯示了本發(fā)明第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，第 一氣缸1的腔體和第一活塞2是氣缸活塞減振裝置的兩個(gè)主要部分，其主要功 能就是為垂直方向工作的空氣彈簧提供一定容積的密閉空氣。其中，第一活塞2
通過空氣彈簧來確定其相對(duì)于第一氣缸1的腔體底部的垂直位置。第一活塞2主要由內(nèi)活塞26和環(huán)狀活塞24組成，其中，內(nèi)活塞26的外 徑小于環(huán)狀活塞24的內(nèi)徑，以保證內(nèi)活塞26相對(duì)環(huán)狀活塞24運(yùn)動(dòng)所需的空 間。圓盤狀薄膜25是內(nèi)活塞26和環(huán)狀活塞24的聯(lián)結(jié)部件，其中部被夾緊在 內(nèi)活塞26內(nèi)，邊緣部分被夾緊在環(huán)狀活塞24內(nèi)。內(nèi)活塞26的下端正中央附 屬有第二氣缸33a的腔體，而第一氣缸1腔體內(nèi)部的底部正中央附屬有柔性活 塞長桿31a。在環(huán)狀活塞24的外側(cè)壁套設(shè)有一個(gè)第一活塞密封圈27。在柔性 活塞長桿31a的活動(dòng)端的外側(cè)壁套上一個(gè)活塞長桿密封圈32。圓盤狀薄膜25 在水平方向上的剛度接近于零剛度，可以忽略不計(jì)。第一活塞密封圏27和活 塞長桿密封圈32的水平剛度都接近無窮大。第二氣缸33a的腔體相對(duì)乘性活 塞長桿31a上下運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，第一活塞2相對(duì)第一氣缸1的腔體上下運(yùn)動(dòng)。柔 性活塞長桿31a的活動(dòng)端與第二氣缸33a的腔體內(nèi)壁通過活塞長桿密封圏32 相互作用。內(nèi)活塞26及其上部的負(fù)載，與柔性活塞長桿31a共同構(gòu)成偏擺機(jī) 構(gòu)3。在本實(shí)施例中，偏擺機(jī)構(gòu)3的擺長不固定，為負(fù)載的質(zhì)心到第一氣缸l 底部的垂向距離，會(huì)隨著負(fù)載的質(zhì)心的高度變化而有所變化。偏擺機(jī)構(gòu)3的水 平剛度，主要決定了氣缸活塞減振裝置5的水平剛度。偏擺機(jī)構(gòu)3的平衡位置， 決定了內(nèi)活塞26及其上部負(fù)載所構(gòu)成的整體的質(zhì)心的水平位置。橫向氣孔34的作用是,使得第二氣缸33a的腔體和第一氣缸1的腔體相通， 保證第一氣缸1的腔體和第二氣缸33a的腔體內(nèi)的氣壓相等。在第一活塞2上 還設(shè)有活塞蓋13,其中心位置有活塞蓋孔14,基本決定了內(nèi)活塞26在水平面 上的最大活動(dòng)范圍。圖2b以及圖3b為本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 如圖可見，第二實(shí)施例是將第一實(shí)施例中的偏擺機(jī)構(gòu)3倒置。其與第一實(shí)施例 的不同之處在于第二氣缸33b不是位于第一活塞2的下端正中央，而是位于 第一氣缸1的腔體內(nèi)部的底部正中央，而柔性活塞長桿31b不是位于第一氣缸1 腔體內(nèi)部的底部正中央，而是位于第一活塞2的下端正中央。在本實(shí)施例中， 偏擺機(jī)構(gòu)3的擺長固定，為負(fù)載的質(zhì)心到柔性活塞長桿31b下端活塞長桿密封 圏32的垂向距離。其它各部分與第一實(shí)施例相同，在此不復(fù)贅述。 .圖4為本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置在水平方向或者徑向方向上的原理示意
圖，其中，水平方向的低剛度k9可以通過偏擺機(jī)構(gòu)低剛度設(shè)計(jì)獲得。圖5為本 發(fā)明的氣缸活塞減振裝置在垂直方向上的原理示意圖，其中，垂直方向上的空氣彈簧低剛度ku)可以通過氣室大小設(shè)計(jì)獲得。圖4、圖5中，m7為隔振栽荷7 的質(zhì)量，偏擺機(jī)構(gòu)的可彎曲變形的撓性桿9設(shè)于地基8之上，即前述實(shí)施例中 的柔性活塞長桿31a、 31b，此外，密閉空氣的等效彈簧10也同時(shí)設(shè)于地基8之上。以下，對(duì)偏擺機(jī)構(gòu)3的水平剛度進(jìn)行初略計(jì)算& =_，+^;9 丄/3 可作以下參數(shù)設(shè)定m=隔振載荷(=1500 kg)g=重力力口速度(=9.81m/s2 )L=擺長(=250 mm)1=擺彎曲部分長度(=200 mm)1=慣性矩(=;r/64.Z)4，設(shè)定為圓截面)E = 2.1xlO"[7V/m2](為碳鋼的楊氏模量)D=擺的直徑(=15 mm) 從而，& =1.37xl05 N/m 故該種工況下的水平方向共振頻率為對(duì)于該種設(shè)計(jì)參數(shù)的減振器，高于該水平方向共振頻率的外界水平干擾信 號(hào)將難以傳遞到減振器上的負(fù)載上，從而對(duì)較高頻率起減振作用。由此，該減 振機(jī)構(gòu)在水平方向上是確實(shí)可以起到減振效果的。此外，在第一氣釭的腔體底部還存在進(jìn)氣口、排氣口以及外部的氣動(dòng)控制 閥等裝置，在圖中沒有繪制出，進(jìn)氣口、排氣口、外部的氣動(dòng)控制閥以及氣缸 活塞裝置等構(gòu)成氣動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)，用以控制光刻機(jī)內(nèi)部框架垂直方向上的振 動(dòng)精度。而在水平方向上也存在伺服電機(jī)(如洛倫茨電機(jī)，音圈電機(jī)等)、測 量設(shè)備(如加速度計(jì)等)等外部設(shè)備，在圖中也沒有繪制出，偏擺機(jī)構(gòu)、外部
的伺服電機(jī)以及測量設(shè)備等構(gòu)成電動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)，用以控制光刻機(jī)內(nèi)部框架 水平方向上的振動(dòng)精度。綜上所述，通過本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置，利用氣缸活塞結(jié)構(gòu)構(gòu)成的氣 室、.氣動(dòng)控制閥以及測量裝置等組成的閉環(huán)系統(tǒng)，可以控制活塞及負(fù)載在垂直 方向的振動(dòng)精度大小，并且利用柔性活塞長桿水平方向撓性變形、伺服電機(jī)以 及測量裝置等組成的閉環(huán)系統(tǒng)，可以控制活塞及負(fù)載在水平方向的振動(dòng)精度大 小。而且對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員而言有本發(fā)明所揭示的技術(shù)方案可進(jìn)一步 推知，釆用單個(gè)的本發(fā)明氣缸活塞減振裝置能應(yīng)用于主動(dòng)減振系統(tǒng)的垂直方向 和水平方向兩自由度方向的減振，采用三個(gè)或三個(gè)以上的本發(fā)明氣缸活塞減振裝置的組合4吏用，能達(dá)到X， Y， Z, Rx, Ry, Rz六個(gè)自由度方向減振，在此 不復(fù)贅述。需要特別說明的是，本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置不局限于上述實(shí)施例中所 限定的方式，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明 的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1、一種氣缸活塞減振裝置，包括一第一氣缸以及與所述第一氣缸相互咬合的第一活塞，所述第一活塞可以在所述第一氣缸腔體內(nèi)部活動(dòng)，其特征在于，所述氣缸活塞減振裝置還包括設(shè)置于所述第一氣缸腔體內(nèi)并位于第一氣缸以及第一活塞之間的偏擺機(jī)構(gòu)，所述偏擺機(jī)構(gòu)更進(jìn)一步包括一個(gè)第二氣缸和一個(gè)柔性活塞長桿，所述第二氣缸裝配在第一活塞上或裝配在第一氣缸腔體內(nèi)壁上，所述柔性活塞長桿一端置于第二氣缸內(nèi)并與第二氣缸相互咬合且可在第二氣缸腔體內(nèi)活動(dòng)，另一端與第二氣缸相對(duì)應(yīng)的裝配在第一氣缸腔體內(nèi)壁上或裝配在第一活塞上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣缸活塞減振裝置，其特征在于，所述柔性活塞 長桿的活動(dòng)端與第二氣缸咬合的外側(cè)壁上還套設(shè)一活塞長桿密封圏，以保證所 述柔性活塞長桿的活動(dòng)端與第二氣缸的內(nèi)壁緊密接觸。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣缸活塞減振裝置，其特征在于，所述第一活塞 與第一氣缸咬合的外側(cè)壁上還套設(shè)有第一活塞密封圈，以保證所述第一活塞與 第一氣缸的密封性能。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣釭活塞減振裝置，其特征在于，所述第一活塞 更進(jìn)一步包括一環(huán)狀活塞以及一內(nèi)活塞，所述環(huán)狀活塞與內(nèi)活塞之間通過一圓 盤薄膜聯(lián)接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣缸活塞減振裝置，其特征在于，所述內(nèi)活塞的 外徑小于環(huán)狀活塞的內(nèi)徑。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣缸活塞減振裝置，其特征在于，所述第二氣缸 上還設(shè)有至少一橫向氣孔，用于連通所述第一氣缸與第二氣缸。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣釭活塞減振裝置，其特征在于，所述第一活塞 上還設(shè)有一活塞蓋。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的氣缸活塞減振裝置，其特征在于，所述活塞蓋的 中心位置還設(shè)有一活塞蓋孔。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氣缸活塞減振裝置，其包括一第一氣缸以及與所述第一氣缸相互咬合的第一活塞，所述第一活塞可以在所述第一氣缸腔體內(nèi)部活動(dòng)；所述氣缸活塞減振裝置還包括一設(shè)置于所述第一氣缸腔體內(nèi)并位于第一氣缸以及第一活塞之間的偏擺機(jī)構(gòu)，其中，所述氣缸活塞減振裝置的偏擺機(jī)構(gòu)進(jìn)一步包括一個(gè)第二氣缸和一個(gè)柔性活塞長桿，所述第二氣缸裝配在第一活塞上或裝配在第一氣缸腔體內(nèi)壁上，所述柔性活塞長桿一端置于第二氣缸內(nèi)并與第二氣缸相互咬合且可在第二氣缸腔體內(nèi)活動(dòng)，另一端與第二氣缸相對(duì)應(yīng)的裝配在第一氣缸腔體內(nèi)壁上或裝配在第一活塞上。本發(fā)明的氣缸活塞減振裝置可實(shí)現(xiàn)兩自由度方向的減振，組合使用還可實(shí)現(xiàn)六自由度方向的減振。
文檔編號(hào)F16F9/32GK101126429SQ200710046060
公開日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月17日
發(fā)明者嚴(yán)天宏, 周宏權(quán), 袁志揚(yáng) 申請(qǐng)人:上海微電子裝備有限公司