專利名稱：重力補償器以及采用所述重力補償器的微動臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及重力補償裝置，尤其涉及應用于光刻設備的重力補償裝置。
背景技術：
光刻是指將一系列掩膜版上的圖形通過曝光系統依次轉印至硅片相應層上的復 雜工藝過程。在光刻設備中，工件臺負責硅片的精密運動，一般采用粗微定位方式，即大行 程的粗動臺實現長距粗定位，而微動臺則實現納米級的精確定位。微動臺的作用是承載硅 片，通過水平向和垂向的六自由度精確調整和定位使硅片完成對準和調平調焦作業任務。在微動臺之類的精密運動裝備中，物體重力對運動的影響較大，需要采取措施進 行補償。光刻設備中，普遍采用重力補償器+垂向電機的組合，重力補償器專門平衡驅動物 體的重力，以氣體驅動最常見，也有靠磁性懸浮或者彈簧驅動的，而垂向電機則負責驅動物 體作垂向運動，進行解耦控制。
公開日期為2002-1-8、公開號為US6337484的美國專利，將微動臺的水平和垂向 運動分開控制。垂向驅動采用重力補償器，包括一個氣缸和一個Z向洛倫茨(Lorentz)電 機，二者并聯，一共三組。氣缸提供穩定的靜態力，平衡微動臺重力，洛倫茨電機提供動態 力，驅動微動臺垂向運動。重力補償器中設計水平和旋轉氣浮軸承使其具有X、Y、Rx、Ry、Rz 方向自由度，通過洛倫茨電機驅動物體相對于下層物體做解耦運動。該重力補償器結構相 對復雜，氣路較多，密封要求較高，在水平向加減速時對側向氣浮的剛度要求較高。另外多 個重力補償器布局不能完全消除重力對水平和垂向運動的影響。
公開日期為2009-7-8、公開號為CN101477316中國專利采用了高壓流體通路和波 紋管結構，發明了一種水平和垂向解耦的重力補償器，用于平衡重力，再通過分離式電機來 驅動微動臺。該重力補償器結構非常復雜，設計難度大，且無法跟隨微動臺實時運動。針對以上問題，本發明提出了一種改進的重力補償器。

發明內容
有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種改進的重力 補償器。根據本發明的一個方面，提供了一種重力補償器，其對受支撐物體進行垂向的重 力補償。所述重力補償器包括連接機構，其連接所述重力補償器與所述受支撐物體，從而 在它們之間進行傳動；連接至所述連接機構的垂向驅動機構，所述垂向驅動機構驅動所述 連接機構進行垂向運動，從而對所述受支撐物體進行垂向補償；連接至所述垂向驅動機構 的懸浮裝置，所述懸浮裝置使得所述垂向驅動機構浮于承載基部上，以使所述垂向機構可 根據所述受支撐物體的移動而在所述承載基部上作相應的移動。一些實施例中，所述重力補償器還包括連接至所述垂向驅動機構的水平向驅動機 構，以驅動所述重力補償器做水平向的運動，從而對所述受支撐物體進行水平向的補償。一些實施例中，所述連接機構為包括鉸鏈外罩、鉸鏈旋轉球、以及它們之間的球形氣浮軸承的球形鉸鏈，所述球形鉸鏈具有Rx、Ry、Rz三個自由度。一些實施例中，所述垂向驅動機構為音圈電機。一些實施例中，所述垂向驅動機構為內含有氣浮軸承的氣缸。一些實施例中，所述水平向驅動機構為洛倫茨電機，所述電機的動子通過連接桿 固定在所述垂向驅動機構上，而其定子與固定部件連接。一些實施例中，所述懸浮裝置為氣體懸浮或磁鐵懸浮。根據本發明的另一方面，提供了一種六自由度微動臺，包括水平驅動電機，所述 水平驅動電機的動子固定在所述微動臺上，其定子固定在所述微動臺的承載臺上；垂向驅 動電機，所述垂向驅動電機的動子固定在所述微動臺上，其定子固定在所述承載臺上；及如 前述的重力補償器。一些實施例中，所述微動臺僅包括一個所述重力補償器，并且所述重力補償器位 于所述微動臺質心的正下方。一些實施例中，所述水平驅動電機的動子和定子之間在X、Y、Z、Rx、Ry、Rz六個方 向的間隙大于對應方向上所述微動臺的行程；并且，所述垂向驅動電機動子和定子之間在 X、Y、Z、Rx、Ry、Rz六個方向的間隙大于對應方向上所述微動臺的行程，以使所述微動臺的 水平運動和垂向運動完全解耦。由于根據本發明的重力補償器采用懸浮裝置與承載基部連接，因此可以隨著受支 撐物體的運動而運動，對重力進行實時平衡，使支撐物體處于懸浮狀態，從而使支撐物體的 運動效率和性能大大提高。本發明還提供了一種六自由度微動臺，采用一個前述重力補償器，放在微動臺質 心正下方，可使微動臺運動的解耦性能大大提高。驅動微動臺運動包括水平驅動電機和垂 向驅動電機，所有電機的動子和定子之間在X、Y、z、Rx、Ry、Rz六個方向的間隙大于對應方 向上所述微動臺的行程，于是水平運動和垂向運動完全解耦，其效果優于三個重力補償器 的布局。


參考下文較佳實施例的描述以及附圖，可最佳地理解本發明及其目的與優點，其 中圖1為重力補償器1的剖視圖；圖2為重力補償器1’的剖視圖；圖3為重力補償器2的剖視圖；圖4為重力補償器2’的剖視圖；圖5為微動臺201的剖視圖；圖6為微動臺201的俯視圖；圖7為采用重力補償器2’的微動臺的剖視圖。
具體實施例方式參見本發明實施例的附圖，下文將更詳細地描述本發明。然而，本發明可以以許多 不同的形式實現，并且不應解釋為受在此提出之實施例的限制。相反，提出這些實施例是為了達成充分及完整公開，并且使本技術領域的技術人員完全了解本發明的范圍。現參考圖1說明根據本發明一實施例的重力補償器1。圖1為重力補償器1的剖 視圖。如圖1所示，101為受支撐物體，其下方是對受支撐物體101進行重力補償的重力補 償器1。重力補償器1的本體通過球形鉸鏈102與受支撐物體101連接，從而在它們之間進 行傳動。球形鉸鏈102包括相互之間光滑連接的鉸鏈外罩10 與鉸鏈旋轉球102b，由此可 繞任意方向旋轉而具有Rx、Ry、Rz三個自由度。球形鉸鏈102為連接機構的例子。重力補償器1包括可作Z向直線運動的垂向驅動機構，以對受支撐物體101進行 垂向驅動。本實施例中，音圈電機103作為垂向驅動機構。音圈電機103的磁鐵103a作動 子，連接至球形鉸鏈旋轉球102b，而其線圈10 作定子，固定在電機底座104上。音圈電機 103可作Z向單自由度運動。重力補償器1還包括位于音圈電機103的底座104下部的懸浮裝置105，其使得重 力補償器1和受支撐物體101浮于承載基部上。應理解，懸浮裝置105可采用業界公知的 氣體懸浮、磁鐵懸浮等各種懸浮方式。當受支撐物體101相對于其自身的質心IOla作平面旋轉運動(Rz方向)或者傾 斜運動(Rx、Ry方向)時，質心IOla在空間中并未移動，相應地重力在空間中的位置并未變 化。此時重力補償器1不做任何移動，僅由球形鉸鏈102來改變其與受支撐物體101的角 度。當支撐物體101作X、Y、Z平移運動時，質心IOla在空間中的位置將發生變化，重力位 置也將變化。此時重力補償器1必須跟隨支撐物體101作相應的運動，以保證重力補償器 1產生的補償力始終與支撐物體101重力平衡，即大小相等且方向相反。對于X、Y方向，重 力補償器1依靠其底部懸浮裝置105與承載基部的約束，可以很容易地跟隨支撐物體101 作平移運動。對于Z方向，需要將支撐物體101的運動信息提前傳遞給音圈電機103，以便 重力補償器1與支撐物體101同步運動，實現重力實施補償。可通過業界公知的前饋控制 來實現同步運動，在此不贅述。現參考圖2說明根據本發明另一實施例的重力補償器1’。圖2為重力補償器1’ 的剖視圖。本實施例中，重力補償器1’與重力補償器1的結構基本相同，所不同之處在于， 重力補償器1’還包括水平向驅動機構。由此，以下附圖中，相同或相應的標號指代圖1中 相同或相應的元件，并且省去了這些相同或相應元件的詳細描述。重力補償器1’還包括水平向驅動機構。本實施例中，洛倫茨電機107作為水平向 驅動機構。洛倫茨電機107的動子107b通過連接桿106固定在重力補償器1的垂向驅動 機構上，而其定子107a固定在裝配機構108上，裝配機構108通過支撐機構109與固定部 件連接。洛倫茨電機107專門驅動重力補償器作水平面X、Y、Rz運動，從而對所述受支撐物 體進行水平向的補償。重力補償器1’的質心在洛倫茨電機107的驅動平面內。當受支撐物體101相對于其自身的質心IOla作平面旋轉運動(Rz方向)或者傾 斜運動(Rx、Ry方向)時，質心IOla在空間中并未移動，相應地重力在空間中的位置并未變 化。此時重力補償器1’不做任何移動，僅由球形鉸鏈102來改變其與受支撐物體101的角 度。當支撐物體101作X、Y、Z平移運動時，質心IOla在空間中的位置將發生變化，重力位 置也將變化。此時重力補償器1’必須跟隨支撐物體101作相應的運動，以保證重力補償器 1’產生的補償力始終與支撐物體101重力平衡，即大小相等且方向相反。為了實現同步，需 要將支撐物體101的運動信息(X、Y、Z方向)提前傳遞給音圈電機103 (Ζ方向)和洛倫茨電機107 (X、Y方向)，以便重力補償器1’與支撐物體101同步運動，實現重力實時補償。當重力補償器僅包括垂向驅動機構時，只對Z向運動作補償，其它方向X、Y、Rx, Ry、Rz均被動適應所述受支撐物體的運動。當重力補償器還包括平面驅動機構時，那么主 動控制包括X、Y、Z三個方向，其它Rx、Ry、Rz被動適應。現參考圖3說明根據本發明再一實施例的重力補償器2。圖3為重力補償器2的 剖視圖。本實施例中，重力補償器2與重力補償器1’的結構基本相同，所不同之處在于，采 用氣缸作為垂向驅動機構。由此，以下附圖中，相同或相應的標號指代圖1-2中相同或相應 的元件，并且省去了這些相同或相應元件的詳細描述。重力補償器2中，球形鉸鏈202可繞任意方向旋轉，具有Rx、Ry、Rz三個自由度，鉸 鏈外罩20 與鉸鏈旋轉球202b之間有球形氣浮軸承203，實現無摩擦旋轉。用作垂向驅動機構的氣缸204位于球形鉸鏈202正下方并與其連接。氣缸204 包括活塞20 、外罩204b、內壓腔2(Mc。氣缸活塞20 可沿Z向往返運動，其與氣缸外罩 204b之間有氣浮軸承205，可使活塞20 無摩擦移動。外罩204b連接至懸浮裝置105。來 自氣源(未示)的壓縮氣體進入氣缸內壓腔2(Mc，通過壓強調節可推動活塞20 上下運 動。同時2(Mc中的壓縮氣體進入活塞內部氣路主通道206，再通過氣路分支207分別進入 球形氣浮軸承203和側向氣浮軸承205中，提供氣浮壓力，使20 和202b之間無摩擦旋轉 以及20 和204b之間無摩擦移動。懸浮裝置105與平面補償電機107的功能與結構與重力補償器1’的相應部件完 全相同。具體地，重力補償器2的懸浮裝置105采用氣體懸浮方式，即為氣足105。這樣重 力補償器2的六個自由度均通過氣浮作無摩擦運動。類似地，當受支撐物體101作X、Y、Z平移運動時，需要將101的運動信息(X、Y、Z 方向)提前傳遞給氣缸204 (Z方向)和洛倫茨電機107 (X、Y方向)，作前饋控制，以便重力 補償器2與支撐物體101作同步運動，實現重力實施補償。氣缸204需要有較高的響應速 度，壓力精確可調。現參考圖4說明根據本發明另一實施例的重力補償器2’。圖4為重力補償器2’ 的剖視圖。本實施例中，重力補償器2’與重力補償器2的結構基本相同，所不同之處在于， 重力補償器2’不包括洛倫茨電機107。當受支撐物體101作Χ、Υ向水平運動時，由于氣足105在底部約束，重力補償器2’ 的整體依靠球形氣浮軸承203和側向氣浮軸承205的作用力，可跟隨受支撐物體101同步運動。現參考圖5說明根據本發明的采用重力補償器2的微動臺201。圖5為微動臺201 的剖視圖。微動臺201為單層結構，質心201a。承載臺200，負責支撐微動臺201、重力補 償器2以及相關驅動裝置。所述重力補償器2為圖3中結構，位于微動臺質心201a的正下 方，負責平衡微動臺201的重力。重力補償器2通過球形鉸鏈202與微動臺201連接，其氣 足105浮于承載臺200之上，其水平驅動機構洛倫茨電機107通過裝配機構108和支撐機 構109固定在承載臺200上。驅動微動臺201作六自由度運動依靠驅動電機，包括水平驅動電機和垂向驅動電 機。所有電機定子與動子之間在X、Y、z、Rx、Ry、Rz六個方向有足夠的間隙，間隙大于微動 臺在該方向的行程，以實現水平運動和垂向運動的解耦。本實施例中，水平驅動電機和垂向驅動電機均采用洛倫茨電機，并且水平向和垂向各三個。如圖5所示，水平驅動電機300的 動子(磁鐵)301固定在微動臺201上，定子(線圈)302固定在支撐機構303上，支撐機構 303固定在承載臺200上。水平驅動電機動子301和定子302之間在X、Y、Z三個方向的間 隙大于對應方向上微動臺201的行程。垂向驅動電機400的動子(磁鐵)401固定在微動 臺201上，定子(線圈)402固定在支撐機構403上，支撐機構403固定在承載臺200上。微 動臺質心201a正好位于水平驅動電機300和垂向驅動電機400的驅動平面內。圖6為微動臺201的俯視圖。如圖6所示，水平驅動電機300和垂向驅動電機400 各三個，水平電機動子301a、301b、301c呈L型分布，垂向電機動子401a、401b、401c呈等邊 三角形分布，水平和垂向驅動中心與微動臺質心201a重合，作質心驅動。三個水平驅動電 機組合可使微動臺201作X、Y、Rz方向運動，三個垂向驅動電機組合可使微動臺201作Z、 Rx、Ry方向運動。重力補償器2應與微動臺201作同步運動。現參考圖7說明根據本發明的采用重力補償器2’的微動臺。圖7為采用重力補 償器2’的微動臺的剖視圖。本實施例中，所述微動臺的結構與微動臺201基本相同，所不 同之處在于，采用重力補償器2’代替重力補償器2。由此，相同或相應的標號指代圖1-6中 相同或相應的元件，并且省去了這些相同或相應元件的詳細描述。以上描述的微動臺實施例，以前述的重力補償器2和2’為例子，說明采用本發明 重力補償器的微動臺。然而，前述的重力補償器1和1’同樣可應用于微動臺。從圖5-7中可以看到，微動臺與下面的承載臺200無任何機構連接，無解耦板，無 解耦柔性塊，既能隔振，又能實現水平運動和垂向運動解耦。本發明具有如下優點。(1)由于根據本發明的重力補償器采用懸浮裝置與承載基部連接，因此可以隨著 受支撐物體的運動而運動，對重力進行實時平衡，使支撐物體處于懸浮狀態，從而使支撐物 體的運動效率和性能大大提高。(2)由于采用懸浮裝置，重力補償器和受支撐物體浮于承載基部上，可減小運動 摩擦，同時還可有效地隔振，消除外部振動對受支撐物體的干擾，提高受支撐物體的運動性 能。(3)本發明的重力補償器還包括水平向驅動機構，以專門驅動重力補償器作水平 面X、Y、Rz運動，與垂向驅動機構一起進行X、Y、Z三個方向的主動控制，從而可補償六自由 度運動的受支撐物體。(4)由于本發明的重力補償器可以隨著受支撐物體的運動而運動，因此采用本發 明重力補償器的微動臺只需一個放在微動臺質心正下方的重力補償器，無需解耦柔性塊。 微動臺運動的解耦性能得以大大提高。(5)采用本發明的重力補償器，再合理設計水平和垂向驅動電機動子與定子之間 的間隙，可使水平和垂向運動完全解耦。微動臺系統(包括單層微動臺、重力補償器、水平 和垂向電機動子)與下面的承載臺(包括水平垂向電機定子、重力補償器的水平驅動電機 定子)完全無接觸，既消除了摩擦力等阻力，也隔離了承載臺帶來的振動。水平和垂向驅動 電機輸出力全部作為微動臺運動的動力，無需補償任何阻力，控制效果非常好。
權利要求
1.一種重力補償器，其對受支撐物體進行垂向的重力補償，其特征在于，包括連接機構，其連接所述重力補償器與所述受支撐物體，從而在它們之間進行傳動；連接至所述連接機構的垂向驅動機構，所述垂向驅動機構驅動所述連接機構進行垂向 運動，從而對所述受支撐物體進行垂向補償；連接至所述垂向驅動機構的懸浮裝置，所述懸浮裝置使得所述垂向驅動機構浮于承載 基部上，以使所述垂向機構可根據所述受支撐物體的移動而在所述承載基部上作相應的移 動。
2.如權利要求1所述的重力補償器，其特征在于，所述重力補償器還包括連接至所述 垂向驅動機構的水平向驅動機構，以驅動所述重力補償器做水平向的運動，從而對所述受 支撐物體進行水平向的補償。
3.如權利要求2所述的重力補償器，其特征在于，所述連接機構為包括鉸鏈外罩、鉸鏈 旋轉球、以及它們之間的球形氣浮軸承的球形鉸鏈，所述球形鉸鏈具有Rx、Ry、Rz三個自由 度。
4.如權利要求3所述的重力補償器，所述垂向驅動機構為音圈電機。
5.如權利要求3所述的重力補償器，所述垂向驅動機構為內含有氣浮軸承的氣缸。
6.如權利要求3所述的重力補償器，所述水平向驅動機構為洛倫茨電機，所述電機的 動子通過連接桿固定在所述垂向驅動機構上，而其定子與固定部件連接。
7.如權利要求前述權利任一項所述的重力補償器，所述懸浮裝置為氣體懸浮或磁鐵懸浮。
8.—種六自由度微動臺，其特征在于，包括水平驅動電機，所述水平驅動電機的動子固定在所述微動臺上，其定子固定在所述微 動臺的承載臺上；垂向驅動電機，所述垂向驅動電機的動子固定在所述微動臺上，其定子固定在所述承 載臺上；及如前述權利要求任一項所述的重力補償器。
9.如權利要求8所述的微動臺，其特征在于，所述微動臺僅包括一個所述重力補償器， 并且所述重力補償器位于所述微動臺質心的正下方。
10.如權利要求8所述的微動臺，其特征在于，所述水平驅動電機的動子和定子之間在 X、Y、Z、Rx、Ry、Rz六個方向的間隙大于對應方向上所述微動臺的行程；并且，所述垂向驅動 電機動子和定子之間在X、Y、Z、Rx、Ry、Rz六個方向的間隙大于對應方向上所述微動臺的行 程，以使所述微動臺的水平運動和垂向運動完全解耦。
全文摘要
一種重力補償器，其對受支撐物體進行垂向的重力補償，所述重力補償器包括連接機構，其連接所述重力補償器與所述受支撐物體，從而在它們之間進行傳動；連接至所述連接機構的垂向驅動機構，所述垂向驅動機構驅動所述連接機構進行垂向運動，從而對所述受支撐物體進行垂向補償；連接至所述垂向驅動機構的懸浮裝置，所述懸浮裝置使得所述垂向驅動機構浮于承載基部上，以使所述垂向機構可根據所述受支撐裝置的移動而在所述承載基部上做相應的移動。由于根據本發明的重力補償器采用懸浮裝置與承載基部連接，因此可以隨著受支撐物體的運動而運動，對重力進行實時平衡，使支撐物體處于懸浮狀態，從而使支撐物體的運動效率和性能大大提高。
文檔編號G03F7/20GK102141734SQ20101010242
公開日2011年8月3日 申請日期2010年1月28日 優先權日2010年1月28日
發明者趙輝 申請人:上海微電子裝備有限公司