专利名称：气缸活塞减振装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气缸活塞减振装置，特别是一种应用于半导体前道工序中 光刻机中的气缸活塞减振装置。
背景技术：
光刻机系统在工作过程中，工件台和掩模台分别以投影物镜的两面一轴(物 面、焦面和光轴)为基准，在控制系统的驱动下，按要求的精度实现工件台与 掩模台之间的相对位置，以及两者相对物镜的位置。.由于光刻机高定^f主精度、 高同步运动精度的特点，任何外界振动的传入和内部振动的干扰，都会引起两 者之间或者两者相对物镜位置的短暂错位，这将会严重影响光刻质量。其中， 引起系统内部微振动并引发错位的主要因素有地基振动的传入，步进或者步进 扫描过程中产生的反作用力和力矩，以及内部世界(气液管路和气膜的振动) 和外部世界的随机噪音等。为了消除各种振动因素对光刻机曝光质量的影响，就要对整机系统采取有 效的隔振和减振措施。通常的解决办法是设法将光刻机的曝光单元(主要包括 照明系统、掩模台、物镜和工件台)通过一套被动隔振器同安装地基隔离开来， 这样就可以避免外界的振动通过地基传给曝光单元。但当光刻技术发^:到纳米 时代以后，被动减振措施已经无法满足系统的减振需求，这时，主动减振技术 被应用到了光刻机系统中。主动减振器不但能隔离外界振动的影响，同时也能 对曝光单元的低频振动进行主动#卜偿。光刻机减振系统发明专利US6226075 (专利权人ASMLithography,荷兰) 的机械装置基本结构为一个中空的活塞与气缸的组合，而活塞外缘与气缸内缘 之间是存在间隙的，由静压空气所填充。垂直方向上为空气弹簧减振，地面振 动低频部分将通过空气弹簧传递到光刻机内部，地面振动高频部分在通过空气 弹簧后得到衰减。在水平方向上，由于不存在机械接触，地面的振动将不会传说明书第2/6页递到光刻机内部，而光刻机内部的振动也不会传递到外界。这样是存在不利之 处的，当光刻机内部的工件台和掩模台发生移动时，不可避免地会引起物镜的 质心坐标的在水平面上的偏移。而光刻机曝光单元中的物镜是掩模台与工件台 的基准。基准的坐标变化，显然会体现在掩模台与工件台的振动上。发明内容本发明的目的在于提供一种具有水平回复力的气缸活塞减振装置，其能够 在垂直和水平方向减振，从而避免现有技术中物镜质心坐标在水平面上发生偏 移而引起水平振动的现象。为了达到上述的目的，本发明提供一种气缸活塞减振装置，所述气缸活塞 减振装置包括一第一气缸以及与所述第一气缸相互咬合的第一活塞，所述第一 活塞可以在所述第一气缸腔体内部活动，所述气缸活塞减振装置还包括一设置 于所述第一气缸腔体内并位于第一气缸以及第一活塞之间的偏摆机构，所述的 偏摆机构进一步包括一个第二气缸和一个柔性活塞长杆，所述第二气缸装配在 第一活塞上或装配在第一气缸腔体内壁上，所述柔性活塞长杆一端置于第二气 缸内并与第二气缸相互咬合且可在第二气缸腔体内活动，另一端与第二气缸相 对应的装配在第一气缸腔体内壁上或装配在第一活塞上。所述的柔性活塞长杆的活动端与第二气缸咬合的外侧壁上还套设一活塞长 杆密封圈，以保证所述柔性活塞长杆的自由端与第二气缸的内壁之间紧密接触。所述的第一活塞与第一气缸咬合的外侧壁上还套设一第一活塞密封圈，以 保证所述第 一活塞与第 一气缸的密封性能。所述的第一活塞更进一步包括一环状活塞以及一内活塞，所述环状活塞与 内活塞之间通过一圆盘薄膜联接，其中，所述内活塞的外径小于环状活塞的内 径。所述的第二气缸上还设有至少一横向气孔，用于连通所述第一气缸与第二 气缸。所述的第一活塞上还设有一活塞盖，所述活塞盖的中心位置还设有一活塞 盖孔。本发明的气缸活塞减振装置在垂直方向采用气缸活塞等效为空气弹簧实现
减振，在水平方向采用柔性活塞长杆等效为挠性变形弹簧实现减振，从而实现 垂直和水平方向上的同步减振，避免了现有技术中物镜质心坐标在水平面上发 生偏移而引起水平振动的现象。
通过以下对本发明的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为图1为本发明的气缸活塞减振装置在光刻机等精密机械设备中的应用示例图；图2a为本发明的气缸活塞减振装置的第 一 实施例的结构示意图；图2b为本发明的气缸活塞减振装置的第二实施例的结构示意图；图3a为本发明的气缸活塞减振装置的第一实施例更详细的结构示意图；图3b为本发明的气缸活塞减振装置的第二实施例更详细的结构示意图；图4为本发明的气缸活塞减振装置在水平方向或者径向方向上的原理示意图；.图5为本发明的气缸活塞减振装置在垂直方向上的原理示意图。
具体实施方式
以下将结合一个较佳的实施例对本发明的气缸活塞减振装置作进一步的详 纟田描述。图1为本发明的气缸活塞减振装置5在光刻机等精密机械设备中的应用示 例图。如图所示，本发明的气缸活塞减振装置5处在光刻^/L的外部框架6和内 部框架4之间，起主动减振作用。.图2a中显示了本发明第一实施例的气缸活塞减振装置的结构，如图所示， 附属在第一活塞2下端正中央的第二气缸33a的腔体，与附属在第一气缸1腔 体内部的底部正中央的柔性活塞长杆31a,通过活塞长杆密封圈32相互作用。 同时，请结合参阅图3a,其中更为详细地显示了本发明第一实施例的结构，第 一气缸1的腔体和第一活塞2是气缸活塞减振装置的两个主要部分，其主要功 能就是为垂直方向工作的空气弹簧提供一定容积的密闭空气。其中，第一活塞2
通过空气弹簧来确定其相对于第一气缸1的腔体底部的垂直位置。第一活塞2主要由内活塞26和环状活塞24组成，其中，内活塞26的外 径小于环状活塞24的内径，以保证内活塞26相对环状活塞24运动所需的空 间。圆盘状薄膜25是内活塞26和环状活塞24的联结部件，其中部被夹紧在 内活塞26内，边缘部分被夹紧在环状活塞24内。内活塞26的下端正中央附 属有第二气缸33a的腔体，而第一气缸1腔体内部的底部正中央附属有柔性活 塞长杆31a。在环状活塞24的外侧壁套设有一个第一活塞密封圈27。在柔性 活塞长杆31a的活动端的外侧壁套上一个活塞长杆密封圈32。圆盘状薄膜25 在水平方向上的刚度接近于零刚度，可以忽略不计。第一活塞密封圏27和活 塞长杆密封圈32的水平刚度都接近无穷大。第二气缸33a的腔体相对乘性活 塞长杆31a上下运动；同时，第一活塞2相对第一气缸1的腔体上下运动。柔 性活塞长杆31a的活动端与第二气缸33a的腔体内壁通过活塞长杆密封圏32 相互作用。内活塞26及其上部的负载，与柔性活塞长杆31a共同构成偏摆机 构3。在本实施例中，偏摆机构3的摆长不固定，为负载的质心到第一气缸l 底部的垂向距离，会随着负载的质心的高度变化而有所变化。偏摆机构3的水 平刚度，主要决定了气缸活塞减振装置5的水平刚度。偏摆机构3的平衡位置， 决定了内活塞26及其上部负载所构成的整体的质心的水平位置。横向气孔34的作用是,使得第二气缸33a的腔体和第一气缸1的腔体相通， 保证第一气缸1的腔体和第二气缸33a的腔体内的气压相等。在第一活塞2上 还设有活塞盖13,其中心位置有活塞盖孔14,基本决定了内活塞26在水平面 上的最大活动范围。图2b以及图3b为本发明的气缸活塞减振装置的第二实施例的结构示意图。 如图可见，第二实施例是将第一实施例中的偏摆机构3倒置。其与第一实施例 的不同之处在于第二气缸33b不是位于第一活塞2的下端正中央，而是位于 第一气缸1的腔体内部的底部正中央，而柔性活塞长杆31b不是位于第一气缸1 腔体内部的底部正中央，而是位于第一活塞2的下端正中央。在本实施例中， 偏摆机构3的摆长固定，为负载的质心到柔性活塞长杆31b下端活塞长杆密封 圏32的垂向距离。其它各部分与第一实施例相同，在此不复赘述。 .图4为本发明的气缸活塞减振装置在水平方向或者径向方向上的原理示意
图，其中，水平方向的低刚度k9可以通过偏摆机构低刚度设计获得。图5为本 发明的气缸活塞减振装置在垂直方向上的原理示意图，其中，垂直方向上的空气弹簧低刚度ku)可以通过气室大小设计获得。图4、图5中，m7为隔振栽荷7 的质量，偏摆机构的可弯曲变形的挠性杆9设于地基8之上，即前述实施例中 的柔性活塞长杆31a、 31b，此外，密闭空气的等效弹簧10也同时设于地基8之上。以下，对偏摆机构3的水平刚度进行初略计算& =_，+^;9 丄/3 可作以下参数设定m=隔振载荷(=1500 kg)g=重力力口速度(=9.81m/s2 )L=摆长(=250 mm)1=摆弯曲部分长度(=200 mm)1=惯性矩(=;r/64.Z)4，设定为圆截面)E = 2.1xlO"[7V/m2](为碳钢的杨氏模量)D=摆的直径(=15 mm) 从而，& =1.37xl05 N/m 故该种工况下的水平方向共振频率为对于该种设计参数的减振器，高于该水平方向共振频率的外界水平干扰信 号将难以传递到减振器上的负载上，从而对较高频率起减振作用。由此，该减 振机构在水平方向上是确实可以起到减振效果的。此外，在第一气釭的腔体底部还存在进气口、排气口以及外部的气动控制 阀等装置，在图中没有绘制出，进气口、排气口、外部的气动控制阀以及气缸 活塞装置等构成气动控制闭环系统，用以控制光刻机内部框架垂直方向上的振 动精度。而在水平方向上也存在伺服电机(如洛伦茨电机，音圈电机等)、测 量设备(如加速度计等)等外部设备，在图中也没有绘制出，偏摆机构、外部
的伺服电机以及测量设备等构成电动控制闭环系统，用以控制光刻机内部框架 水平方向上的振动精度。综上所述，通过本发明的气缸活塞减振装置，利用气缸活塞结构构成的气 室、.气动控制阀以及测量装置等组成的闭环系统，可以控制活塞及负载在垂直 方向的振动精度大小，并且利用柔性活塞长杆水平方向挠性变形、伺服电机以 及测量装置等组成的闭环系统，可以控制活塞及负载在水平方向的振动精度大 小。而且对于本领域的一般技术人员而言有本发明所揭示的技术方案可进一步 推知，釆用单个的本发明气缸活塞减振装置能应用于主动减振系统的垂直方向 和水平方向两自由度方向的减振，采用三个或三个以上的本发明气缸活塞减振装置的组合4吏用，能达到X， Y， Z, Rx, Ry, Rz六个自由度方向减振，在此 不复赘述。需要特别说明的是，本发明的气缸活塞减振装置不局限于上述实施例中所 限定的方式，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通 技术人员应当理解，可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明 的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1、一种气缸活塞减振装置，包括一第一气缸以及与所述第一气缸相互咬合的第一活塞，所述第一活塞可以在所述第一气缸腔体内部活动，其特征在于，所述气缸活塞减振装置还包括设置于所述第一气缸腔体内并位于第一气缸以及第一活塞之间的偏摆机构，所述偏摆机构更进一步包括一个第二气缸和一个柔性活塞长杆，所述第二气缸装配在第一活塞上或装配在第一气缸腔体内壁上，所述柔性活塞长杆一端置于第二气缸内并与第二气缸相互咬合且可在第二气缸腔体内活动，另一端与第二气缸相对应的装配在第一气缸腔体内壁上或装配在第一活塞上。
2、 根据权利要求1所述的气缸活塞减振装置，其特征在于，所述柔性活塞 长杆的活动端与第二气缸咬合的外侧壁上还套设一活塞长杆密封圏，以保证所 述柔性活塞长杆的活动端与第二气缸的内壁紧密接触。
3、 根据权利要求1所述的气缸活塞减振装置，其特征在于，所述第一活塞 与第一气缸咬合的外侧壁上还套设有第一活塞密封圈，以保证所述第一活塞与 第一气缸的密封性能。
4、 根据权利要求1所述的气釭活塞减振装置，其特征在于，所述第一活塞 更进一步包括一环状活塞以及一内活塞，所述环状活塞与内活塞之间通过一圓 盘薄膜联接。
5、 根据权利要求4所述的气缸活塞减振装置，其特征在于，所述内活塞的 外径小于环状活塞的内径。
6、 根据权利要求1所述的气缸活塞减振装置，其特征在于，所述第二气缸 上还设有至少一横向气孔，用于连通所述第一气缸与第二气缸。
7、 根据权利要求1所述的气釭活塞减振装置，其特征在于，所述第一活塞 上还设有一活塞盖。
8、 根据权利要求7所述的气缸活塞减振装置，其特征在于，所述活塞盖的 中心位置还设有一活塞盖孔。
全文摘要
本发明提供一种气缸活塞减振装置，其包括一第一气缸以及与所述第一气缸相互咬合的第一活塞，所述第一活塞可以在所述第一气缸腔体内部活动；所述气缸活塞减振装置还包括一设置于所述第一气缸腔体内并位于第一气缸以及第一活塞之间的偏摆机构，其中，所述气缸活塞减振装置的偏摆机构进一步包括一个第二气缸和一个柔性活塞长杆，所述第二气缸装配在第一活塞上或装配在第一气缸腔体内壁上，所述柔性活塞长杆一端置于第二气缸内并与第二气缸相互咬合且可在第二气缸腔体内活动，另一端与第二气缸相对应的装配在第一气缸腔体内壁上或装配在第一活塞上。本发明的气缸活塞减振装置可实现两自由度方向的减振，组合使用还可实现六自由度方向的减振。
文档编号F16F9/32GK101126429SQ200710046060
公开日2008年2月20日 申请日期2007年9月17日 优先权日2007年9月17日
发明者严天宏, 周宏权, 袁志扬 申请人:上海微电子装备有限公司