柔性膜角度解耦的零刚度隔振器及由其构成的隔振系统

摘要

柔性膜角度解耦的零刚度隔振器及由其构成的隔振系统属于精密隔振技术领域，隔振器主体的套筒与下安装板之间通过气浮面进行润滑与支撑，上安装板与下安装板之间的角运动自由度通过柔性膜进行解耦，音圈电机、位移传感器、限位开关和控制器、驱动器构成位置闭环反馈控制系统，对上、下安装板的相对位置进行精确控制；本发明具有三维零刚度、高定位精度及角度解耦特性，可获得极低的固有频率和突出的低频/超低频隔振性能，从而有效解决超精密测量仪器与加工装备、尤其是步进扫描光刻机中的高性能隔振问题。

说明书

技术领域

本发明属于精密隔振技术领域，主要涉及一种柔性膜角度解耦的零刚度隔振器及由其构 成的隔振系统。

背景技术

随着超精密加工与测量精度的不断提高，环境振动成为制约超精密加工装备与测量仪器 精度和性能提高的重要因素。尤其是步进扫描光刻机为代表的超大规模集成电路加工装备， 技术密集度与复杂度极高，关键技术指标均达到了现有技术的极限，代表了超精密加工装备 的最高水平，超精密隔振成为此类装备中的核心关键技术；步进扫描光刻机的线宽已达到 22nm及以下，硅片定位精度与套刻精度均达到几纳米，而工件台运动速度达到1m/s以上， 工件台加速度达到重力加速度的几十倍，这对现有的隔振技术提出了新的挑战。首先，光刻 机需要为计量系统与光刻物镜提供“超静”的工作环境，同时又需要驱动工件台以高速度与 高加速度运动，这对隔振系统的隔振性能提出了极其苛刻的要求，其三个方向的固有频率均 需要达到1Hz以下；其次，光刻机各部件之间的相对位置，例如光刻物镜与硅片表面的距离， 均具有非常严格的要求，且处于位置闭环反馈控制系统的控制之下，要求隔振器上、下安装 板之间的相对位置精度达到10μm量级，传统隔振器的定位精度远远不能满足要求。

根据隔振理论，被动式隔振器的固有频率与刚度成正比、与负载质量成反比，因此在负 载质量一定的前提下，降低隔振器的刚度是降低固有频率、提高低频与超低频隔振性能的有 效途径。传统空气弹簧等形式的隔振器存在静态承载能力与刚度的固有矛盾，同时受材料特 性、结构刚度等因素制约，要进一步降低其刚度、尤其是水平向刚度十分困难。针对这一问 题，研究人员将“摆”式结构引入到空气弹簧隔振器中，达到降低隔振器水平刚度的目的(1. Nikon Corporation.Vibration Isolator With Low Lateral Stiffness.美国专利公开号： US20040065517A1；2.U.S.Philips Corporation.Positioning Device with a Force Actuator System for Compensating Center-of-gravity Displacements，and Lithographic Device Provided with Such A Positioning Device.美国专利号：US005844664A)。该方法能够在一定程度上降低空气弹簧隔 振器的水平刚度，提升其低频隔振性能。该方法存在的问题在于：1)受材料特性与结构刚度 制约，隔振器垂向与水平向刚度降低的幅度有限；2)空气弹簧隔振器的垂向与水平向定位精 度均很差，无法满足光刻工艺的要求；3)要达到较低的水平刚度需要较大的摆长，导致隔振 器高度过大，容易发生弦膜共振，稳定性差。

通过对现有空气弹簧隔振器技术方案的分析可见，现有空气弹簧隔振器难以满足光刻机 对超低刚度与高定位精度的要求。德国IDE公司提出了一种摒弃传统橡胶空气弹簧的隔振器 技术方案(1.Integrated Dynamics Engineering GmbH.Isolatorgeometrie Eines Schwingungsisolationssystem.欧洲专利号：EP1803965A2；2.Integrated Dynamics Engineering GmbH.Schwingungsisolationssystem Mit Pneumatischem Tiefpassfilter.欧洲专利号： EP1803970A2；3.Integrated Dynamics Engineering GmbH.Air Bearing with Consideration of High-Frequency Resonances.美国专利公开号：US20080193061A1)。该方案采用垂向与水平 向气浮面对各方向的振动进行解耦与隔振，可以达到极低的刚度与固有频率。该方案存在的 问题在于：1)已公开技术方案中，隔振器无法实现精确定位；2)专利EP1803965A2中，上、 下安装板之间不存在绕水平轴旋转的角运动自由度，该方向的角刚度与固有频率都很高；专 利EP1803970A2与US20080193061A1采用橡胶块为上、下安装板提供绕水平轴旋转的角运 动自由度，但由于橡胶块角刚度很大，无法有效地进行角运动自由度解耦，角运动自由度解 耦机构部件之间存在摩擦力而引入附加刚度，制约隔振性能。

荷兰ASML公司也提出了类似的隔振器技术方案(1.U.S.Philips Corp，ASM Lithography B.V.Pneumatic Support Device with A Controlled Gas Supply，and Lithographic Device Provided with Such A Support Device.美国专利号：US006144442A；2.Koninklijke Philips Electronics N.V，ASM Lithography B.V.Lithographic Pneumatic Support Device with Controlled Gas Supply. 国际专利公开号：WO99/22272；3.ASML Netherlands B.V.Support Device，Lithographic Apparatus，and Device Manufacturing Method Employing A Supporting Device，and A Position Control System Arranged for Use in A Supporting Device.美国专利号：US007084956B2；4. ASML Netherlands B.V.Support Device，Lithographic Apparatus，and Device Manufacturing Method Employing A Supporting Device and A Position Control System Arranged for Use in A Supporting Device.欧洲专利号：EP1486825A1)。专利US006144442A与WO99/22272中对气 源压力进行闭环反馈控制，达到提高隔振器的稳定性与性能的目的；专利US007084956B2与 EP1486825A1中在上安装板上设有振动传感器，同时引入参考振动系统，通过控制算法提升 隔振器的隔振性能。但所提出技术方案仍然没有解决隔振器的精确定位与上、下安装板的角 运动自由度解耦问题。

发明内容

本发明的目的是针对超精密测量仪器与加工装备、尤其是步进扫描光刻机等超大规模集 成电路加工装备对隔振器低固有频率、高定位精度的迫切要求，提供一种柔性膜角度解耦的 零刚度隔振器及由其构成的隔振系统，隔振器具有三维超低刚度与极低固有频率，上、下安 装板之间能够进行精确定位及角度解耦，从而有效解决超精密测量仪器与加工装备、尤其是 步进扫描光刻机中的精密隔振问题。

本发明的技术解决方案是：

一种柔性膜角度解耦的零刚度隔振器，由上安装板、下安装板、洁净压缩气源、气管和 隔振器主体组成，隔振器主体安装在上安装板与下安装板之间，洁净压缩气源通过气管与隔 振器主体连接，所述隔振器主体的结构中，套筒的下表面与下安装板通过轴向承载平面气浮 面润滑与支撑，柔性膜安装在套筒的上端，并通过压圈压紧与密封，压板装配体的上压板与 下压板同轴安装在柔性膜的上、下表面，并夹紧柔性膜，上压板的上表面与上安装板刚性连 接；Z向音圈电机、Z向位移传感器与Z向限位开关安装在压板装配体与套筒之间，X向音 圈电机、X向位移传感器、X向限位开关与Y向音圈电机、Y向位移传感器、Y向限位开关 安装在套筒与下安装板之间，Z向音圈电机的驱动力方向为竖直方向，X向音圈电机与Y向 音圈电机的驱动力方向在水平面内且相互垂直，X、Y、Z向位移传感器和X、Y、Z向限位 开关的作用线方向与X、Y、Z向音圈电机的驱动力方向一致；X、Y、Z向位移传感器和X、 Y、Z向限位开关分别与控制器的信号输入端连接，控制器的信号输出端与驱动器的信号输入 端连接，驱动器的信号输出端分别与X、Y、Z向音圈电机连接。

所述套筒内设有气体压力传感器，套筒上设有进气口和电磁阀，气体压力传感器与控制 器的信号输入端连接，控制器的信号输出端与驱动器的信号输入端连接，驱动器的信号输出 端与电磁阀连接。

所述X、Y、Z向音圈电机为圆筒型音圈电机或平板型音圈电机。

所述X、Y、Z向位移传感器为光栅尺、磁栅尺、容栅尺或直线式电位器。

所述X、Y、Z向限位开关为机械式限位开关、霍尔式限位开关或光电式限位开关。

所述柔性膜为橡胶膜。

所述套筒内气体压力为0.1MPa～0.8MPa。

所述轴向承载平面气浮面的气膜厚度为10μm～20μm。

所述套筒上的平面气浮面节流孔的直径为φ0.1mm～φ1mm。

一种由柔性膜角度解耦的零刚度隔振器构成的隔振系统，所述隔振系统包括至少三个柔 性膜角度解耦的零刚度隔振器，各柔性膜角度解耦的零刚度隔振器成多边形布置。

本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：

(1)本发明采用轴向承载平面气浮面对水平向振动进行隔离，气浮面无摩擦、刚度近似 为零，可使隔振器获得水平方向近似零刚度特性和突出的超低频隔振性能，解决了现有技术 受结构刚度、材料特性限制，隔振器水平刚度难以进一步降低，刚度与稳定性不能兼顾的问 题。这是本发明区别于现有技术的创新点之一。

(2)本发明采用位移传感器、限位开关、控制器、驱动器与音圈电机等构成竖直方向与 水平方向的位置闭环反馈控制系统，对上、下安装板之间的相对位置进行精确控制，定位精 度可达到10μm级及以上，可有效解决现有技术方案定位精度低、定位精度与刚度、隔振性 能不能兼顾的问题。这是本发明区别于现有技术的创新点之二。

(3)本发明采用采用柔性膜对角运动自由度进行解耦，柔性膜无摩擦、无磨损，引入附 加角刚度可以忽略，可有效解决现有采用弹性体解耦的技术方案引入较大附加刚度的问题。 这是本发明区别于现有技术的创新点之三。

(4)本发明采用气体压力传感器、电磁阀与控制器、驱动器构成压力闭环反馈控制系统， 精确控制套筒内的气体压力使之保持恒定，对隔振器的轴向载荷进行重力平衡与补偿，柔性 膜在平衡位置附近刚度近似为零，承载负载重力的上、下压板与上安装板可以超低刚度上下 滑动，从而实现理想的重力补偿与零刚度隔振效果。这是本发明区别于现有技术的创新点之 四。

(5)本发明采用主动执行器对上、下安装板之间的相对位置进行主动控制，隔振器参数 可根据被隔振对象特点与工作环境变化实时调节，从而适应不同的工况，具有较好的灵活性、 适应性与稳定性。这是本发明区别于现有技术的创新点之五。

附图说明

图1为柔性膜角度解耦的零刚度隔振器的结构示意图；

图2为柔性膜角度解耦的零刚度隔振器的剖面结构示意图；

图3为柔性膜角度解耦的零刚度隔振器的控制结构框图；

图4为套筒上平面气浮面节流孔的示意图；

图5为三个柔性膜角度解耦的零刚度隔振器构成的隔振系统示意图；

图6为四个柔性膜角度解耦的零刚度隔振器构成的隔振系统示意图。

图中件号说明：1上安装板、2下安装板、3洁净压缩气源、4隔振器主体、5柔性膜、6 套筒、7压板装配体、7a上压板、7b下压板、8X向音圈电机、9Y向音圈电机、9a Y向电 机铁轭、9b Y向电机磁钢、9c Y向电机线圈骨架、9d Y向电机线圈、9e Y向电机过渡件、10 Z向音圈电机、10a Z向电机铁轭、10b Z向电机磁钢、10c Z向电机线圈骨架、10d Z向电机 线圈、10e Z向电机过渡件、11X向位移传感器、12Y向位移传感器、12aY向光栅读数头过 渡件、12b Y向光栅读数头、12c Y向玻璃光栅尺、13Z向位移传感器、13a Z向光栅读数头 过渡件、13b Z向光栅读数头、13c Z向玻璃光栅尺、14X向限位开关、15Y向限位开关、15a Y向限位块、15b Y向霍尔开关、15c Y向限位开关过渡件、15d Y向限位块过渡件、16Z向 限位开关、16a Z向限位块、16b Z向霍尔开关、16c Z向限位开关过渡件、17气体压力传感 器、18电磁阀、19控制器、20驱动器、21轴向承载平面气浮面、22压圈、23进气口、24 平面气浮面节流孔、25负载、26气管、27柔性膜角度解耦的零刚度隔振器。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施例。

一种柔性膜角度解耦的零刚度隔振器，由上安装板1、下安装板2、洁净压缩气源3、气 管26和隔振器主体4组成，隔振器主体4安装在上安装板1与下安装板2之间，洁净压缩气 源3通过气管26与隔振器主体4连接，所述隔振器主体4的结构中，套筒6的下表面与下安 装板2通过轴向承载平面气浮面21润滑与支撑，柔性膜5安装在套筒6的上端，并通过压圈 22压紧与密封，压板装配体7的上压板7a与下压板7b同轴安装在柔性膜5的上、下表面， 并夹紧柔性膜5，上压板7a的上表面与上安装板1刚性连接；Z向音圈电机10、Z向位移传 感器13与Z向限位开关16安装在压板装配体7与套筒6之间，X向音圈电机8、X向位移 传感器11、X向限位开关14与Y向音圈电机9、Y向位移传感器12、Y向限位开关15安装 在套筒6与下安装板2之间，Z向音圈电机10的驱动力方向为竖直方向，X向音圈电机8与 Y向音圈电机9的驱动力方向在水平面内且相互垂直，X、Y、Z向位移传感器11、12、13 和X、Y、Z向限位开关14、15、16的作用线方向与X、Y、Z向音圈电机8、9、10的驱动 力方向一致；X、Y、Z向位移传感器11、12、13和X、Y、Z向限位开关14、15、16分别 与控制器19的信号输入端连接，控制器19的信号输出端与驱动器20的信号输入端连接，驱 动器20的信号输出端分别与X、Y、Z向音圈电机8、9、10连接。

X、Y、Z向位移传感器11、12、13对X、Y、Z向音圈电机8、9、10输出的位移进行 测量，X、Y、Z向限位开关14、15、16对X、Y、Z向音圈电机8、9、10运动的行程进行 限制；控制器19根据X、Y、Z向位移传感器11、12、13与X、Y、Z向限位开关14、15、 16的反馈信号，控制X、Y、Z向音圈电机8、9、10对上安装板5、下安装板6之间的相对 位置进行精确控制。

所述套筒6内设有气体压力传感器17，套筒6上设有进气口23和电磁阀18，气体压力 传感器17与控制器19的信号输入端连接，控制器19的信号输出端与驱动器20的信号输入 端连接，驱动器20的信号输出端与电磁阀18连接。

所述X、Y、Z向音圈电机8、9、10为圆筒型音圈电机或平板型音圈电机。

所述X、Y、Z向位移传感器11、12、13为光栅尺、磁栅尺、容栅尺或直线式电位器。

所述X、Y、Z向限位开关14、15、16为机械式限位开关、霍尔式限位开关或光电式限 位开关。

所述柔性膜5为橡胶膜。

所述套筒6内气体压力为0.1MPa～0.8MPa。

所述轴向承载平面气浮面21的气膜厚度为10μm～20μm。

所述套筒6上的平面气浮面节流孔24的直径为φ0.1mm～φ1mm。

一种由柔性膜角度解耦的零刚度隔振器构成的隔振系统，所述隔振系统包括至少三个柔 性膜角度解耦的零刚度隔振器27，各柔性膜角度解耦的零刚度隔振器27成多边形布置。

下面结合图1～图3给出本发明的一个实施例。本实施例中，隔振器工作时，下安装板2 安装在地基、仪器的基座或基础框架上，上安装板1与被隔振的负载连接。X、Y、Z向音圈 电机8、9、10均采用圆筒型音圈电机。以Y向音圈电机9为例，其主要包括Y向电机铁轭 9a、Y向电机磁钢9b、Y向电机线圈骨架9c、Y向电机线圈9d和Y向电机过渡件9e等部件。 Y向电机铁轭9a和Y向电机线圈骨架9c为圆筒形，Y向电机磁钢9b为圆柱形，Y向电机线 圈9d绕于Y向电机线圈骨架9c上，Y向电机过渡件9e提供Y向电机线圈骨架9c的安装结 构。Y向电机铁轭9a和Y向电机磁钢9b构成电机定子，Y向电机线圈骨架9c、Y向电机线 圈9d构成电机动子。电机工作时线圈中通以电流，根据电磁理论，通电线圈在磁场中会受到 洛伦兹力作用，通过控制电流的大小和方向可以控制电机输出驱动力的大小和方向。

本实施例中，柔性膜5、压圈22与套筒6的安装方式为：在套筒6上沿圆周方向加工螺 纹孔，在压圈22、柔性膜5上沿圆周方向加工通孔，采用螺钉将压圈22压紧柔性膜5装配 于套筒6上，利用柔性膜5材料的弹性起到密封的作用。上压板7a、下压板7b与柔性膜5 的安装方式与之类似。

X、Y、Z向位移传感器11、12、13采用光栅尺。以Z向位移传感器13为例，其主要包 括Z向光栅读数头过渡件13a、Z向光栅读数头13b和Z向玻璃光栅尺13c等部件，Z向光栅 读数头过渡件13a提供Z向光栅读数头13b的安装结构。光栅尺工作时，Z向光栅读数头13b 能够将其与Z向玻璃光栅尺13c的相对位移检测出来，并通过信号导线送给控制器19。

X、Y、Z向限位开关14、15、16采用霍尔式限位开关。以Z向限位开关16为例，其主 要包括Z向限位块16a、Z向霍尔开关16b和Z向限位开关过渡件16c等部件。两个Z向霍 尔开关16b背靠背安装，两个Z向限位块16a为金属材料，与Z向霍尔开关16b的敏感端相 对安装。Z向限位开关过渡件16c提供Z向霍尔开关16b的安装结构。限位开关工作时，当 Z向霍尔开关16b接近Z向限位块16a时，Z向霍尔开关16b给出限位信号，并通过信号导 线送给控制器19。

本实施例中，Z向音圈电机10、Z向位移传感器13和Z向限位开关16均安装在套筒6 的内部。

隔振器对负载的承载采用如下方式实现：洁净压缩气源3通过气管26、经电磁阀18、进 气口23向套筒6内输送洁净压缩空气。控制器19根据气体压力传感器17的反馈信号，控制 电磁阀18的开度，调节输入到套筒6内的气体流量，从而调节套筒6内洁净压缩空气的压力， 使洁净压缩空气对压板装配体7和柔性膜5向上的作用力与负载及压板装配体7的重力、加 载于压板装配体7上的其它零部件的重力相平衡。在柔性膜5的平衡位置，柔性膜5的垂向 刚度近似为零，而横向刚度相对于轴向承载气浮面21的横向刚度则非常大。因此，套筒6可 在柔性膜5的平衡位置附近以近似零刚度沿竖直方向上下移动，从而具有突出的超低频隔振 性能。

本实施例中，套筒6内洁净压缩空气的压力为0.4Mpa，下压板7b和柔性膜5下表面的 有效半径为100mm，则单个隔振器承载的质量为：m＝p×πr²/g≈1282kg，其中p为气体压 力，p＝0.4Mpa，r为下压板7b和柔性膜5下表面的有效半径，r＝100mm，g为重力加速度， g＝9.8m/m²。

图4给出套筒上平面气浮面节流孔的一个实施例。本实施例中，套筒6下表面围绕圆心 沿圆周方向均布8个平面气浮面节流孔24，直径为φ0.2mm。

图5给出三个柔性膜角度解耦的零刚度隔振器构成隔振系统的一个实施例。本实施例中， 负载25为近似三角形金属台体，重量为4吨，采用三个柔性膜角度解耦的零刚度隔振器27 对其进行隔振，三个柔性膜角度解耦的零刚度隔振器27分别支撑负载25的一个角，成三角 形布置。

图6给出四个柔性膜角度解耦的零刚度隔振器构成隔振系统的一个实施例。本实施例中， 负载25为长方形金属台体，重量为8吨，采用四个柔性膜角度解耦的零刚度隔振器27对其 进行隔振，四个柔性膜角度解耦的零刚度隔振器27分别支撑负载25的一个角，成长方形布 置。