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Title:
NEGATIVE STIFFNESS SYSTEM FOR GRAVITY COMPENSATION OF MICROPOSITIONER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/090115
Kind Code:
A1
Abstract:
A negative stiffness system for gravity compensation of a micropositioner is mainly used in a wafer-stage micropositioner system of a photoetching machine. The negative stiffness system comprises at least three groups of quasi-zero stiffness units. Each group of quasi-zero stiffness units is formed by a pair of negative stiffness springs (2) and a positive stiffness spring (3) combined together. Each positive stiffness spring (3) is vertically disposed, each pair of negative stiffness springs (2) is obliquely and symmetrically disposed on two sides of the positive stiffness spring (3). Upper ends of the negative stiffness springs (2) and the positive stiffness spring (3) are connected together and fixed to the bottom surface of a rotor (1) of the micropositioner. Lower ends of the negative stiffness springs (2) and the positive stiffness spring (3) are separately connected to a base (4). The negative stiffness system for gravity compensation greatly reduces the stiffness of the system in a gravity action direction, prevents a magnetic circuit adopting a permanent magnet as a gravity compensation structure from affecting elements and components around an environment, and improves bearing capacity.

Inventors:
ZHU, Yu (Post Box4 Branch 82, Tsinghua Univeristy Patent Office Haidian District, Beijing 100084, 100084, CN)
ZHANG, Ming (Post Box4 Branch 82, Tsinghua Univeristy Patent Office Haidian District, Beijing 100084, 100084, CN)
LIU, Zhao (Post Box4 Branch 82, Tsinghua Univeristy Patent Office Haidian District, Beijing 100084, 100084, CN)
CHENG, Rong (Post Box4 Branch 82, Tsinghua Univeristy Patent Office Haidian District, Beijing 100084, 100084, CN)
WANG, Jing (Post Box4 Branch 82, Tsinghua Univeristy Patent Office Haidian District, Beijing 100084, 100084, CN)
TIAN, Li (Post Box4 Branch 82, Tsinghua Univeristy Patent Office Haidian District, Beijing 100084, 100084, CN)
XU, Dengfeng (Post Box4 Branch 82, Tsinghua Univeristy Patent Office Haidian District, Beijing 100084, 100084, CN)
YANG, Kaiming (Post Box4 Branch 82, Tsinghua Univeristy Patent Office Haidian District, Beijing 100084, 100084, CN)
HU, Jinchun (Post Box4 Branch 82, Tsinghua Univeristy Patent Office Haidian District, Beijing 100084, 100084, CN)
YIN, Wensheng (Post Box4 Branch 82, Tsinghua Univeristy Patent Office Haidian District, Beijing 100084, 100084, CN)
MU, Haihua (Post Box4 Branch 82, Tsinghua Univeristy Patent Office Haidian District, Beijing 100084, 100084, CN)
LIU, Hao (Post Box4 Branch 82, Tsinghua Univeristy Patent Office Haidian District, Beijing 100084, 100084, CN)
HU, Chuxiong (Post Box4 Branch 82, Tsinghua Univeristy Patent Office Haidian District, Beijing 100084, 100084, CN)
Application Number:
CN2013/088753
Publication Date:
June 19, 2014
Filing Date:
December 06, 2013
Export Citation:
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Assignee:
SHANGHAI MICRO ELECTRONICS EQUIPMENT CO., LTD. (No. 1525, Zhangdong Road Zhangjiang Hi-Tech Park, Pudong, Shanghai 3, 201203, CN)
TSINGHUA UNIVERSITY (Post Box4 Branch 82, Tsinghua Univeristy Patent Office Haidian District, Beijing 100084, 100084, CN)
International Classes:
G03F7/20; F16F3/00; F16F7/00; F16F15/00
Foreign References:
CN103116249A2013-05-22
CN102410337A2012-04-11
CN85109107A1987-05-06
CN102734377A2012-10-17
CN202132428U2012-02-01
CN202520846U2012-11-07
JPH08166043A1996-06-25
Attorney, Agent or Firm:
BEIJING GRANDER IP LAW FIRM (Room 18A6, East Wing Hanwei Plaza, No.7 Guanghua Road, Chaoyang District, Beijing 4, 100004, CN)
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Claims:
权 利 要 求 书

1. 一种用于微动台重力补偿的负刚度系统, 其特征在于: 所述的负刚度系统包括至少三 组准-零刚度单元;所述的每一组准-零刚度单元由一对负刚度弹簧(2)与一个正刚度弹簧(3) 组合而成, 所述的一个正刚度弹簧 (3) 竖直布置, 所述的一对负刚度弹簧 (2) 倾斜并对称 布置在正刚度弹簧(3) 的两侧, 所述的负刚度弹簧 (2)和正刚度弹簧 (3) 的上端连接在一 起, 并与微动台动子 (1 )底面固定, 所述的负刚度弹簧(2)和所述的正刚度弹簧 (3) 的下 端分别连接在基座 (4) 上;

设稳定的准 -零刚度点的每一个负刚度弹簧和水平位置之间的初始夹角的锐角,即负刚度 弹簧的初始倾角^都对应着一个特定的准零刚度点的负弹簧与正弹簧刚度比,用《ezs 表示;

γ

aQZS ~ 2(\ - γ) 上述式中: a = k。lk。 为刚度比;

L。: 负刚度弹簧的原始长度;

L -. 负刚度弹簧变形后的长度;

7: 负刚度弹簧初始倾角的余弦值, 定义为 y = cose。 ;

a 负刚度弹簧在水平方向的投影长度, 定义为 a = L COs 0 ;

负刚度弹簧的刚度;

: 正刚度弹簧的刚度 。

2. 按照权利要求 1所述的一种用于微动台重力补偿的负刚度系统, 其特征在于: 采用三 组所述的准-零刚度单元的负刚度系统, 按照三角形布置; 采用四组所述的准-零刚度单元的 负刚度系统, 按照矩形来布置。

Description:
一种用于微动台重力补偿的负刚度系统

技术领域

本发明涉及光刻机掩膜台系统, 特别涉及微动台动子的重力平衡系统, 该系统主要应用 于半导体光刻机中, 属于半导体制造装备领域。

背景技术

在很多工业设备中, 需要驱动工件或工件台进行多自由度运动, 并对其进行精确定位, 例如光刻机中的硅片台、 掩模台等设备。 为实现多自由度运动及其精确定位, 如果直接使用 驱动电机来提供支承, 就会使得驱动电机负载增加, 造成电机发热增大。 在很多超精密工作 台中, 电机发热过大, 就会影响环境温度, 造成非接触式测量误差, 最终影响定位精度。 采 用重力补偿结构可减少驱动电机的负载, 从而减少电机发热。

通常采用的永磁非接触式的重力补偿结构具有 结构简单、 零组件表面无需精密加工、 适 用于真空环境中应用等优点。 但对于非接触式永磁重力补偿结构, 需要固定部分和支承部分 之间沿轴线方向具有较小的刚度和较大的承载 力。 随着磁浮工件台的发展, 磁浮工件台大行 程运动台含有大的 halbach磁钢阵列, 产生强磁场, 会对工作状态的微动台动子的重力平衡 效果产生较大的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种负刚度系统的重力补 偿结构, 其动子与定子之间的重力支撑力 沿轴线方向的刚度接近为零, 并具有较大承载力, 同时结构简单, 便于加工和维护。

本发明的技术方案如下:

一种用于微动台重力补偿的负刚度系统, 其特征在于: 所述的负刚度系统包括至少三组 准-零刚度单元;所述的每一组准 -零刚度单元由一对负刚度弹簧与一个正刚度 簧组合而成, 所述的一个正刚度弹簧竖直布置, 所述的一对负刚度弹簧倾斜并对称布置在正刚 度弹簧的两 侧, 所述的负刚度弹簧和正刚度弹簧的上端连接在 一起, 并与微动台动子底面固定, 所述的 负刚度弹簧和所述的正刚度弹簧 3的下端分别连接在基座上;

设稳定的准 -零刚度点的每一个负刚度弹簧和水平位置之 的初始夹角的锐角,即负刚度 弹簧的初始倾角&, 都对应着一个特定的准零刚度点的负弹簧与正 弹簧刚度比, 用 表 示;

γ

a QZS ~ 2(\ - γ) 上述式中: a = k ^ 为刚度比; L。: 负刚度弹簧的原始长度;

负刚度弹簧变形后的长度;

γ ·. 负刚度弹簧初始倾角的余弦值, 定义为 y = cos e。 ;

a 负刚度弹簧在水平方向的投影长度, 定义为 a = L CO s 0 ;

负刚度弹簧的刚度;

: 正刚度弹簧的刚度;

本发明所述的一种用于微动台重力补偿的负刚 度系统, 其特征在于: 采用三组所述的准 -零刚度单元的负刚度系统, 按照三角形布置; 采用四组所述的准-零刚度单元的负刚度系统 按照矩形来布置。

本发明具有以下优点及突出性效果: 随着光刻机磁浮硅片台的研制, 硅片台微动台采用 磁浮方式, 且微动台的结构设计越来越薄。 因此采用本发明可避免磁钢阵列对六自由度微 动 台洛伦兹电机磁场产生的影响, 从而提高了运动精度; 负刚度系统的应用降低了重力补偿结 构的刚度, 提高了承载能力, 起到隔振的作用。

图附说明

图 1是本发明所述微动台重力补偿的负刚度系统 三维示意图。

图 2 显示了负刚度特性曲线。

图 3 是由正、 负刚度弹簧并联而成的组合弹簧。

图 4 是正、 负刚度弹簧及组合弹簧的特性曲线。

图 5 是本发明负刚度系统的准 -零刚度单元的简化模型示意图。

图中: 1 微动台动子; 2 负刚度单元; 3 正刚度单元; 4 基座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体结构、 机理和工作过程作进一步的说明。

一种用于微动台重力补偿的负刚度系统, 负刚度系统包括至少三组准-零刚度单元; 所述 的每一组准-零刚度单元由一对负刚度弹簧 2与一个正刚度弹簧 3组合而成, 一个正刚度弹簧 3 竖直布置,一对负刚度弹簧 2倾斜并对称布置在正刚度弹簧 3的两侧, 负刚度弹簧 2和正刚度弹 簧 3的上端连接在一起, 并与微动台动子 1底面固定, 负刚度弹簧 2和正刚度弹簧 3的下端分别 连接在基座 4上, 如图 1所示。

一种用于微动台重力补偿的负刚度系统, 采用三组所述的准-零刚度单元的负刚度系统 按照三角形布置; 采用四组所述的准-零刚度单元的负刚度系统 按照矩形来布置。

准零刚度单元, 是指当受到外部载荷单元达到平衡位置 (准零刚度点) 时, 单元的总刚 度能达到或接近于零的一种线弹性原件 (如弹簧、 压杆等) 的组合。 本发明所述的负刚度系 统理论基础如下:

刚度的一般定义是弹性元件所承受的载荷对它 引起的变形的变化率, 用 ^表示, 即: 其中: P表示载荷; 表示变形的变化率;

当载荷随变形增加而增加时, 刚度为正; 载荷不因变形增加而变化时, 刚度为零; 载荷 随变形增加反而减少时,则刚度为负。 图 2为有负刚度区的某弹性元件的载荷变形曲线 这类 性质的弹性元件称为负刚度弹簧。 物理上, 负刚度弹簧是一种不稳定的弹性元件, 而振动系 统必须是稳定的系统. 因此, 在振动系统中, 不能用负刚度弹簧作独立的弹性元件, 它必须 与正刚度弹簧并联使用。 图 3是由正刚度弹簧 A和负刚度弹簧 B 并联而成的组合弹簧。 设弹簧 在外力 F 作用产生的变形为 , 正、 负刚度弹簧的弹性力分别为 ( 和 ( ), 于是, 组合 弹簧的弹性力为:

P(S) = P U (S) + P 0 (S) = F ( 2 ) 由(2)式可得到弹性力与变形之间的关系曲线 如图 4所示。

将 (2) 式对 求导得,

K = U 二 k + k ( 3 ) άδ άδ άδ

式中, 、 分别为正刚度弹簧 Α和负刚度弹簧 B 的刚度; K为两种弹簧并联后的总刚度。 由图 4 及公式 (3)可见, 在负刚度弹簧的负刚度区, 由于 2 < 0, 故两种弹簧并联后的总 刚度, 在负刚度弹簧的负刚度区为两种弹簧刚度的代 数和。 这说明, 两种弹簧并联后的总刚 度, 在负刚度弹簧的负刚度区比正刚度弹簧的刚度 要小, 其减少的部分是由负刚度弹簧抵消 的, 这就是正负刚度并联相消原理。 因此,通过正、负刚度弹簧的并联,可以降低 系统的刚度。 由图 4 还可看出,在负刚度弹簧的负刚度区, 两种弹簧的总刚度虽比正刚度弹簧的刚度还小 , 但总的弹性力,即总的承载能力却比只用正刚 度弹簧的要大。 因此,正、 负刚度弹簧并联可成 为一种刚度小承载能力大的弹性元件。

另外, 由图 5中几何关系可求得弹簧反力 /为:

f = k v x + 2 k 0 (L 0 - L) sin Θ ( 4 ) 其中, L。 = ^h 0 2 + a 2 , L = j(h 0 - xf + a 2

在公式中,

L : 负刚度弹簧变形后的长度;

θ 0 : 负刚度弹簧和水平位置之间的初始夹角, 即负刚度弹簧的初始倾角;

Θ : 负刚度弹簧变形后和水平位置之间的夹角, 即负刚度弹簧的倾角;

Ύ : 负刚度弹簧初始倾角的余弦值, 定义为 y = C0S e。 ;

a : 负刚度弹簧在水平方向的投影长度, 定义为 α =∑ ^ Θ , 因系统只在竖直方向位移, 所以此参数为常数;

K : 初始状态下, 负刚度弹簧在竖直方向上的投影长度, 即 Α。= £。8ήΐ ;

χ : 系统受力后, 准零刚度单元在竖直方向的位移。 负刚度弹簧的刚度;

k v

正刚度弹簧的刚度;

K 准零刚度单元的总刚度;

a 刚度比, 定义为《 = ;

f 准零刚度单元所受外部载荷, 一般为竖直方向。

于《 = / L0, L展开后代入公式 (4) , 并且由 sin

(5)

式 5)两边除以 L 0 k v 无量纲化后可得 = x + la i-γ (6)

上式两边各除以位 可得 度的无量纲表达形式:

(7)

由上式可以得到, 当系统刚度 f最小 (等于零) 时, H ^/T^ 此时, 若确定了 初始倾角, 令上式等于零, 则可解出唯一的准零刚度的刚度比《。 7 , 解得 a, 7

e zs ~2(i- r ) 并且, 该准-零刚度点的位置位于 = ^=VT ,即 = ^/1^ 处。

同理, 可以知道, 在系统的刚度比已知的情况下, 同样可以得出系统初始倾角的大小, 关系式如下:

2a

2a + l 同样的, 准-零刚度点的位置位于 c = 。 在本实施例中,简化模型如图 5所示。拟定《 = 0.5,可得 j ezs =0.5, = l- 2 =0.866处。 取小球质量为 4 KG, 重力加速度为 9.8N/kg, 则小球所受重力为 39.2N, 将值代入式 (6) 中, 可求得 。 = 45.26N, 假定弹簧长度 3 为 0.2m, 则可求得竖直弹簧刚度为 k v = 226.3N / ,则 斜弹簧为 113.15 N/mo 采用 ABAQUS依照设计参数进行仿真模拟, 设小球为刚体, 竖直弹簧刚度 226. 3N/m, 斜弹 簧刚度为 113. 15N/m。 弹簧长度为 0. 2m, 斜弹簧倾斜角为 60度。将集中荷载 100N施加在刚体参 考点上, 利用静力分析步计算得到力 -时间曲线, 位移 -时间曲线, 并与时间-力曲线合并可得 力 -位移曲线, 可以看到, 当荷载加至 39N时, 曲线斜率趋于 0, 意味着刚度接近于 0, 此刻弹 簧位移值为 0. 152m,荷载增至 40N时,小球位移值为 0. 207m,荷载增加 IN而位移值增加 0. 055m, 可以确定在位移为 0. 152~0. 207m的范围内, 系统刚度非常小, 并且解析解 = 0.173m, 也落于此区间内, 证明了数值模拟计算的正确性, 并且可以确定仅在重力作用下小球可处于 准-零刚度状态。 根据计算可得负刚度弹簧及正刚度弹簧的反力 曲线, 通过其变化趋势可知, 当负刚度弹簧在 t=0. 39s的时刻反力迅速减小,而此时刻正刚度弹簧 反力则迅速增大从而保持 小球静力平衡, 从而竖向位移在 0. 39s处呈跳跃式增长。 由此可以确定该结构可以应用于微动 台重力补偿结构之中。