[發明專利]共面氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的零剛度隔振器

有效

• 申請號: 201210571682.2
• 申請日: 2012-12-19
• 公開（公告）號: CN103062282A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 崔俊寧;譚久彬;王雷
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: F16F15/027
• 分類號: F16F15/027;F16C32/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于精密隔振技術領域，主要涉及一種共面氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的零剛度隔振器。

背景技術

隨著超精密加工與測量精度的不斷提高，環境振動成為制約超精密加工裝備與測量儀器精度和性能提高的重要因素。尤其是步進掃描光刻機為代表的超大規模集成電路加工裝備，技術密集度與復雜度極高，關鍵技術指標均達到了現有技術的極限，代表了超精密加工裝備的最高水平，超精密隔振成為此類裝備中的核心關鍵技術；步進掃描光刻機的線寬已達到22nm及以下，硅片定位精度與套刻精度均達到幾納米，而工件臺運動速度達到1m/s以上，工件臺加速度達到重力加速度的幾十倍，這對現有的隔振技術提出了新的挑戰。首先，光刻機需要為計量系統與光刻物鏡提供“超靜”的工作環境，同時又需要驅動工件臺以高速度與高加速度運動，這對隔振系統的隔振性能提出了極其苛刻的要求，其三個方向的固有頻率均需要達到1Hz以下；其次，光刻機各部件之間的相對位置，例如光刻物鏡與硅片表面的距離，均具有非常嚴格的要求，且處于位置閉環反饋控制系統的控制之下，要求隔振器上、下安裝板之間的相對位置精度達到10μm量級，傳統隔振器的定位精度遠遠不能滿足要求。

根據隔振理論，被動式隔振器的固有頻率與剛度成正比、與負載質量成反比，因此在負載質量一定的前提下，降低隔振器的剛度是降低固有頻率、提高低頻與超低頻隔振性能的有效途徑。傳統空氣彈簧等形式的隔振器存在靜態承載能力與剛度的固有矛盾，同時受材料特性、結構剛度等因素制約，要進一步降低其剛度、尤其是水平向剛度十分困難。針對這一問題，研究人員將“擺”式結構引入到空氣彈簧隔振器中，達到降低隔振器水平剛度的目的(1.Nikon?Corporation.Vibration?Isolator?With?Low?Lateral?Stiffness.美國專利公開號：US20040065517A1；2.U.S.Philips?Corporation.Positioning?Device?with?a?Force?Actuator?Systemfor?Compensating?Center-of-gravity?Displacements，and?Lithographic?Device?Provided?with?Such?APositioning?Device.美國專利號：US005844664A)。該方法能夠在一定程度上降低空氣彈簧隔振器的水平剛度，提升其低頻隔振性能。該方法存在的問題在于：1)受材料特性與結構剛度制約，隔振器垂向與水平向剛度降低的幅度有限；2)空氣彈簧隔振器的垂向與水平向定位精度均很差，無法滿足光刻工藝的要求；3)要達到較低的水平剛度需要較大的擺長，導致隔振器高度過大，容易發生弦膜共振，穩定性差。

通過對現有空氣彈簧隔振器技術方案的分析可見，現有空氣彈簧隔振器難以滿足光刻機對超低剛度與高定位精度的要求。德國IDE公司提出了一種摒棄傳統橡膠空氣彈簧的隔振器技術方案(1.Integrated?Dynamics?Engineering?GmbH.Isolatorgeometrie?EinesSchwingungsisolationssystem.歐洲專利號：EP?1803965A2；2.Integrated?Dynamics?EngineeringGmbH.Schwingungsisolationssystem?Mit?Pneumatischem?Tiefpassfilter.歐洲專利號：EP?1803970A2；3.Integrated?Dynamics?Engineering?GmbH.Air?Bearing?with?Consideration?ofHigh-Frequency?Resonances.美國專利公開號：US20080193061A1)。該方案采用垂向與水平向氣浮面對各方向的振動進行解耦與隔振，可以達到極低的剛度與固有頻率。該方案存在的問題在于：1)已公開技術方案中，隔振器無法實現精確定位；2)專利EP1803965A2中，上、下安裝板之間不存在繞水平軸旋轉的角運動自由度，該方向的角剛度與固有頻率都很高；專利EP1803970A2與US20080193061A1采用橡膠塊為上、下安裝板提供繞水平軸旋轉的角運動自由度，但由于橡膠塊角剛度很大，無法有效地進行角運動自由度解耦，解耦機構零部件之間存在摩擦力而引入較大附加剛度，制約固有頻率與低頻隔振性能。