專利名稱：活塞氣缸減振機構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種活塞氣缸減振機構，特別是一種應用于半導體'前道工 序中光刻機中的活塞氣缸減振機構。
背景技術：
光刻機系統(tǒng)在工作過程中，工件臺和掩模臺分別以投影物鏡的兩面一軸(物 面、焦面和光軸)為基準，在控制系統(tǒng)的驅動下，按要求的精度實現(xiàn)工件臺與 掩模臺之間的相對位置，以及兩者相對物鏡的位置。由于光刻機高定位精度、 高同步運動精度的特點，任何外界振動的傳入和內部振動的干擾，都會引起兩 者之間或者兩者相對物鏡位置的短暫錯位，這將會嚴重影響光刻質量。其中， 引起系統(tǒng)內部微振動并可1發(fā)錯位的主要因素有地基振動的傳入，步進或者步進 掃描過程中產(chǎn)生的反作用力和力矩，以及內部世界(氣液管路和氣膜的振動) 和外部世界的隨機噪音等。為了消除各種振動因素對光刻機曝光質量的影響，就要對整機系統(tǒng)采取有 效的隔振和減振措施。通常的解決辦法是設法將光刻機的曝光單元(主要包括 照明系統(tǒng)、掩模臺、物鏡和工件臺)通過一套被動隔振器同安裝地基隔離開來， 這樣就可以避免外界的振動通過地基傳給曝光單元。但當光刻技術發(fā)展到納米 時代以后，被動減振措施已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)的減振需求，這時，主動減振技術 被應用到了光刻機系統(tǒng)中。主動減振器不但能隔離外界振動的影響，同時也能 對曝光單元的低頻振動進行主動補償。光刻機減振系統(tǒng)發(fā)明專利US6226075 (專利權人ASMLithography，荷蘭) 的機械裝置基本結構為一個中空的活塞與氣缸的組合，而活塞外緣與氣缸內緣 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 動低頻部分將通過空氣彈簧傳遞到光刻機內部，地面振動高頻部分在通過空氣 彈簧后得到衰減。在水平方向上，由于不存在機械接觸，地面的振動將不會傳
遞到光刻機內部，而光刻機內部的振動也不會傳遞到外界。這樣是存在不利之 處的，當光刻機內部的工件臺和掩模臺發(fā)生移動時，不可避免地會引起物鏡的 質心坐標的在水平面上的偏移。而光刻機曝光單元中的物鏡是掩模臺與工件臺 的基準。基準的坐標變化，顯然會體現(xiàn)在掩模臺與工件臺的振動上。實用新型內容本實用新型的目的在于提供一種具有水平回復力的活塞氣缸減振機構，其 能夠在垂直和水平方向減振，從而避免現(xiàn)有技術中物鏡質心坐標在水平.面上發(fā) 生偏移而引起水平振動的現(xiàn)象。為了達到上述的目的，本實用新型提供一種活塞氣缸減振機構，所述活塞 氣缸減振機構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部活動，所述活塞氣缸減振機構還包括一 設置于所述第一氣缸腔體內并位于第一氣缸以及第一活塞之間的偏擺機構，所 述的偏擺機構進一步包括一個第二氣缸和一個柔性活塞長桿，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壁上，所述柔性活塞長桿一端置于第 二氣缸內并與第二氣缸相互咬合且可在第二氣缸腔體內活動，另一端與第二氣 缸相對應的裝配在第 一氣缸腔體內壁上或裝配在第 一活塞上。所述的柔性活塞長桿的活動端與第二氣缸咬合的外側壁上還套設一活塞長 桿密封圈，以保證所述柔性活塞長桿的自由端與第二氣釭的內壁之間緊密接觸。所述的第一活塞與第一氣缸咬合的外側壁上還套設一第一活塞密封圏，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一步包括一環(huán)狀活塞以及一內活塞，所述環(huán)狀活塞與 內活塞之間通過一圓盤薄膜聯(lián)接，其中，所述內活塞的外徑小于環(huán)狀活塞的內 徑。.所述的第二氣缸上還設有至少一橫向氣孔，用于連通所述第一氣缸與第二 氣缸。所述的第 一活塞上還設有一活塞蓋，所述活塞蓋的中心位置還設有一活塞 蓋孔。本實用新型的活塞氣缸減振機構在垂直方向采用氣缸活塞等效為空氣彈簧
實現(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現(xiàn)減振，從而 實現(xiàn)垂直和水平方向上的同步減振，避免了現(xiàn)有技術中物鏡質心坐標在水平面 上發(fā)生偏移而引起水平振動的現(xiàn)象。


通過以下對本實用新型的一實施例結合其附圖的描述，可以進一步理解其實用新型的目的、具體結構特征和優(yōu)點。其中，附圖為圖1為本實用新型的活塞氣缸減^^幾構在光刻機等精密機械設備中的應用 示例圖；圖2a為本實用新型的活塞氣缸減振機構的第一實施例的結構示意圖,； 圖2b為本實用新型的活塞氣缸減振機構的第二實施例的結構示意圖； 圖3a為本實用新型的活塞氣缸減振機構的第一實施例更詳細的結構示意圖；圖3b為本實用新型的活塞氣缸減振機構的第二實施例更詳細的結構示意圖；圖4為本實用新型的活塞氣缸減4^^幾構在水平方向或者徑向方向上的原理 示意圖；圖5為本實用新型的活塞氣缸減振^L構在垂直方向上的原理示意圖。
具體實施方式
以下將結合一個較佳的實施例對本實用新型的活塞氣缸減振機構作進一步 的詳細描述。圖1為本實用新型的活塞氣缸減振機構5在光刻機等精密機械設備中的應 用示例圖。如圖所示，本實用新型的活塞氣缸減振機構5處在光刻機的外部框 架6和內部框架4之間，起主動減振作用。圖2a中顯示了本實用新型第一實施例的活塞氣缸減^^幾構的結構，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l 腔體內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，請結合參閱圖3a，其中更為詳細地顯示了本實用新型第一實施例的結構，
第一氣缸1的腔體和第一活塞2是活塞氣缸減振機構的兩個主要部分，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主要由內活塞26和環(huán)狀活塞24組成，其中，內活塞26的外 徑小于環(huán)狀活塞24的內徑，以保證內活塞26相對環(huán)狀活塞24運動所需的空 間。圓盤狀薄膜25是內活塞26和環(huán)狀活塞24的聯(lián)結部件，其中部被夾緊在 內活塞26內，邊緣部分被夾緊在環(huán)狀活塞24內。內活塞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的外側壁套設有一個第一活塞密封圏27。在柔性 活塞長桿31a的活動端的外側壁套上一個活塞長桿密封圏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。第一活塞密封圈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的腔體相對柔性活 塞長桿31a上下運動；同時，第一活塞2相對第一氣缸1的腔體上下運^;。柔 性活塞長桿31a的活動端與第二氣缸33a的腔體內壁通過活塞長桿密封圏32 相互作用。內活塞26及其上部的負載，與柔性活塞長桿31a共同構成偏擺機 構3。在本實施例中，偏擺機構3的擺長不固定，為負載的質心到第一氣缸1 底部的垂向距離，會隨著負載的質心的高度變化而有所變化。偏擺機構3的水 平剛度，主要決定了活塞氣缸減振機構5的水平剛度。偏擺機構3的平衡位置， 決定了內活塞26及其上部負載所構成的整體的質心的水平位置。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的腔體內的氣壓相等。在第一活塞2上 還設有活塞蓋13,其中心位置有活塞蓋孔14,基本決定了內活塞26在水平面 上的最大活動范圍。圖2b以及圖3b為本實用新型的活塞氣缸減^4凡構的第二實施例的結構示 意圖。如圖可見，第二實施例是將第一實施例中的偏擺機構3倒置。其與第一 實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 施例中，偏擺機構3的擺長固定，為負載的質心到柔性活塞長桿31b下端活塞長桿密封圈32的垂向距離。其它各部分與第一實施例相同，在此不復贅述。圖4為本實用新型的活塞氣缸減振機構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可以通過偏擺機構低剛度設計獲得。圖5為本實用新型的活塞氣缸減振機構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計獲得。圖4、圖5中，m7為隔振載荷7的質量，偏擺機構的可彎曲變形的撓性桿9設于地基8之上，即前述實施例中的柔性活塞長桿31a、 31b，此外，密閉空氣的等效彈簧IO也同時設于地基8之上。以下，對偏擺機構3的水平剛度進行初略計算 ,— 附g 3￡7可作以下參數(shù)設定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)I =慣性矩(=;r/64. D4 ，設定為圓截面)E二2.1xlO"[iV/m2](為石友鋼的楊氏才莫量)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于該種設計參數(shù)的減振器，高于該水平方向共振頻率的外界水平干擾信 號將難以傳遞到減振器上的負載上，從而對較高頻率起減振作用。由此，該減 振機構在水平方向上是確實可以起到減振效果的。此外，在第一氣缸的腔體底部還存在進氣口、排氣口以及外部的氣動控制 閥等裝置，在圖中沒有繪制出，進氣口、排氣口、外部的氣動控制閥以及氣缸 活塞裝置等構成氣動控制閉環(huán)系統(tǒng)，用以控制光刻機內部框架垂直方向上的振
動精度。而在水平方向上也存在伺服電機(如洛倫茨電機，音圏電機等)、測 量設備(如加速度計等)等外部設備，在圖中也沒有繪制出，偏擺機構、外部 的伺服電機以及測量設備等構成電動控制閉環(huán)系統(tǒng)，用以控制光刻機內部框架 水平方向上的振動精度。綜上所述，通過本實用新型的活塞氣缸減振機構，利用氣缸活塞結構構成 的氣室、氣動控制閥以及測量裝置等組成的閉環(huán)系統(tǒng)，可以控制活塞及負載在 垂直方向的振動精度大小，并且利用柔性活塞長桿水平方向撓性變形、伺服電 機以及測量裝置等組成的閉環(huán)系統(tǒng)，可以控制活塞及負載在水平方向的.振動精 度大小。而且對于本領域的一般技術人員而言有本實用新型所揭示的技術方案 可進一步推知，采用單個的本實用新型活塞氣缸減振機構能應用于主動減振系 統(tǒng)的垂直方向和水平方向兩自由度方向的減振，采用三個或三個以上的本實用新型活塞氣缸減振機構的組合使用，能達到X， Y, Z, Rx, Ry， Rz六個自由 度方向減振，在此不復贅述。需要特別說明的是，本實用新型的活塞氣缸減振機構不局限于上述實施例 中所限定的方式，盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領 域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型進行修改或者等同替換，而 不脫離本實用新型的精神和范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍 當中。
權利要求1. 一種活塞氣缸減振機構，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部活動，其特征在于，所述活塞氣缸減振機構還包括設置于所述第一氣缸腔體內并位于第一氣缸以及第一活塞之間的偏擺機構，所述偏擺機構更進一步包括一個第二氣缸和一個柔性活塞長桿，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壁上，所述柔性活塞長桿一端置于第二氣缸內并與第二氣缸相互咬合且可在第二氣缸腔體內活動，另一端與第二氣缸相對應的裝配在第一氣缸腔體內壁上或裝配在第一活塞上。
2、 根據(jù)權利要求1所述的活塞氣缸減振機構，其特征在于，所述柔性活塞 長桿的活動端與第二氣缸咬合的外側壁上還套設一活塞長桿密封圈，以.保證所 述柔性活塞長桿的活動端與第二氣缸的內壁緊密接觸。
3、 根據(jù)權利要求1所述的活塞氣缸減振機構，其特征在于，所述第一活塞 與第一氣缸咬合的外側壁上還套設有第一活塞密封圈，以保證所述第一活塞與 第一氣缸的密封性能。
4、 根據(jù)權利要求1所述的活塞氣缸減振機構，其特征在于，所述第一活塞 更進一步包括一環(huán)狀活塞以及一內活塞，所述環(huán)狀活塞與內活塞之間通過一圓 盤薄膜聯(lián)接。
5、 根據(jù)權利要求4所述的活塞氣缸減振機構，其特征在于，所述內活塞的 外徑小于環(huán)狀活塞的內徑。
6、 根據(jù)權利要求1所述的活塞氣缸減振機構，其特征在于，所述第二氣缸 上還設有至少一橫向氣孔，用于連通所述第一氣缸與第二氣缸。
7、 根據(jù)權利要求1所述的活塞氣缸減振機構，其特征在于，所述第一活塞 上還設有一活塞蓋。
8、 根據(jù)權利要求7所述的活塞氣缸減振機構，其特征在于，所述活塞蓋的 中心位置還設有一活塞蓋孔。
專利摘要本實用新型提供一種活塞氣缸減振機構，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部活動；所述活塞氣缸減振機構還包括一設置于所述第一氣缸腔體內并位于第一氣缸以及第一活塞之間的偏擺機構，其中，所述活塞氣缸減振機構的偏擺機構進一步包括一個第二氣缸和一個柔性活塞長桿，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壁上，所述柔性活塞長桿一端置于第二氣缸內并與第二氣缸相互咬合且可在第二氣缸腔體內活動，另一端與第二氣缸相對應的裝配在第一氣缸腔體內壁上或裝配在第一活塞上。本實用新型的活塞氣缸減振機構可實現(xiàn)兩自由度方向的減振，組合使用還可實現(xiàn)六自由度方向的減振。
文檔編號F16F15/023GK201080989SQ200720074739
公開日2008年7月2日 申請日期2007年9月17日 優(yōu)先權日2007年9月17日
發(fā)明者嚴天宏, 周宏權, 袁志揚 申請人:上海微電子裝備有限公司