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一种小型重力补偿器的研究 齐芊枫，方洁，吴立伟，夏海 上海微高精密机械工程有限公司 摘要：光刻机工件台的小型重力补偿器是光刻技术中关于硅片调焦调平的关键技术之一，其性能直接影响机器焦深误差。本文针对一种主动小型重力补偿器展开研究，给出了机械结构、驱动电机和隔振性能的设计，通过实验表明了设计符合需求。 关键词: 小型重力补偿器;隔离振动;工件台 Abstract:The gravity compensator technology is one of the key points in wafer stage of the lithographic device. Its performance will directly affect the focus error of the machine. An active gravity compensator is studied in this paper, the design of mechanical structure, the driving motors and the vibration isolation simulation is presented. Finally the experiment shows the design fulfill the requirements. Keywords:Mini-gravtiy compensator; Vibration isolation; Wafer stage Study on a Mini-Gravity Compensator QI Qianfeng, FANG Jie, WU Liwei,XIA Hai 1.引言 随着光刻技术的进步和半导体工业快速发展，对于光刻设备的基本性能指标——焦深、产率要求不断提升。目前，光刻机整机架构体系逐步发展成为几个减振隔振的独立内部世界与基础框架等外部世界的结合体。以工件台分系统为例，曝光台用于承载待曝光的硅片，同时还包含零位、对准和调焦调平等功能。如何使承片台在曝光过程中免受工件台内部大推力执行器扰动和来自地基噪声的基础框架扰动至关重要。重力补偿装置即在此背景下发展起来的新型结构，通过主动减振与被动隔振结合的方式，使工件台承片台成为独立的内部减振系统。 2.技术关键点 （1）高精密定位控制技术：重力补偿器平台通过三个气动执行器和三个音圈电机的耦合控制，实现垂向三自由度高精密主动减振隔振。同时，还可以实现垂向与水平向的运动解耦。通过重力补偿装置对隔振平台的重力平衡补偿，进而在音圈电机的驱动下实现隔振平台高精密、超高精密的垂向定位控制。 （2）高精密主动减振隔振技术：以恒压室为驱动源，径向气浮为导向，平面气浮为运动自由度解耦的精密气浮结构设计，保证重力补偿装置的动定子间无机械接触，无振动传递和串扰力。对于精密气浮零件需要进行精密的工艺参数设计和分析、气浮特性仿真实现气浮参数设计、以及精密地加工制造，从而实现减振系统的低共振频率，接近-40dB振动衰减能力。 3.技术路线 本方案的小型重力补偿器采用气动执行和和音圈电机组合的方式。气动执行器采用变截面特征的空气式重力补偿装置，实现隔离振动与补偿静态重力的作用。组合形成的重力补偿装置能够承载承片台的静态重力，音圈电机可实现垂向快速高精度的定位。由三个重力补偿装置组合而形成的减振隔振平台就可以实现工件台在垂向的调焦和调平运动。主要技术指标： 承载质量≥100N 减振共振频率：6Hz 被动减振的共振峰传递率：30 垂向气浮刚度：1000N/m 驱动行程（垂向）≥1mm 4结构设计 4.1总体结构设计 如图1为本方案提出的变截面特征的空气式重力补偿装置的结构图。其中，基座和变截面活塞组成承载驱动对象的主要部件，使该装置具有垂向自由度。当压缩空气进入装置中环形空间处，由变截面的原理使活塞沿基座浮起，从而将驱动对象浮起。 图1 变截面重力补偿器结构图 相关对象计算关系如下： 式中：P1为压缩空气气源处压力值，单位为Bar； D1为活塞上端直径，单位为mm； D2为活塞下端直径，单位为mm； m为驱动对象的质量，单位为kg。 进入装置中的压缩空气不仅使活塞浮起，同时也通过在基座和活塞径向间隙中形成高压气膜，使活塞与基座在运动过程中相互没有物理摩擦，有效的达到了隔离振动的目的。气腔的大小，与该装置的隔振频率有关，可进行设计计算。高压空气由处流动至处，并继续向上流动，可以在活塞件的球面和球面气浮件之间形成高压气膜，从而使该装置具有Rx/Ry/Rz向自由度。球面气浮件的球面半径与其垂向（Z向）负载大致有以下关系（见图3）： 式中：P为气浮压力，单位为Bar，假设球面轴承气浮压力一定；