[发明专利]滑动关节轴承角度解耦的磁浮零刚度隔振器与隔振系统

说明书

技术领域

本发明属于精密隔振技术领域，主要涉及一种滑动关节轴承角度解耦的磁浮零刚度隔振器与隔振系统。

背景技术

随着超精密加工与测量精度的不断提高，环境振动成为制约超精密加工装备与测量仪器精度和性能提高的重要因素。尤其是步进扫描光刻机为代表的超大规模集成电路加工装备，技术密集度与复杂度极高，关键技术指标均达到了现有技术的极限，代表了超精密加工装备的最高水平，超精密隔振成为此类装备中的核心关键技术；步进扫描光刻机的线宽已达到22nm及以下，硅片定位精度与套刻精度均达到几纳米，而工件台运动速度达到1m/s以上，工件台加速度达到重力加速度的几十倍，这对现有的隔振技术提出了新的挑战。首先，光刻机需要为计量系统与光刻物镜提供“超静”的工作环境，同时又需要驱动工件台以高速度与高加速度运动，这对隔振系统的隔振性能提出了极其苛刻的要求，其三个方向的固有频率均需要达到1Hz以下；其次，光刻机各部件之间的相对位置，例如光刻物镜与硅片表面的距离，均具有非常严格的要求，且处于位置闭环反馈控制系统的控制之下，要求隔振器上、下安装板之间的相对位置精度达到10μm量级，传统隔振器的定位精度远远不能满足要求。

根据隔振理论，被动式隔振器的固有频率与刚度成正比、与负载质量成反比，因此在负载质量一定的前提下，降低隔振器的刚度是降低固有频率、提高低频与超低频隔振性能的有效途径。传统空气弹簧等形式的隔振器存在静态承载能力与刚度的固有矛盾，同时受材料特性、结构刚度等因素制约，要进一步降低其刚度、尤其是水平向刚度十分困难。针对这一问题，研究人员将“摆”式结构引入到空气弹簧隔振器中，达到降低隔振器水平刚度的目的(1.Nikon Corporation.Vibration Isolator With Low Lateral Stiffness.美国专利公开号：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.美国专利号：US005844664A)。该方法能够在一定程度上降低空气弹簧隔振器的水平刚度，提升其低频隔振性能。该方法存在的问题在于：1)受材料特性与结构刚度制约，隔振器垂向与水平向刚度降低的幅度有限；2)空气弹簧隔振器的垂向与水平向定位精度均很差，无法满足光刻工艺的要求；3)要达到较低的水平刚度需要较大的摆长，导致隔振器高度过大，容易发生弦膜共振，稳定性差。

通过对现有空气弹簧隔振器技术方案的分析可见，现有空气弹簧隔振器难以满足光刻机对超低刚度与高定位精度的要求。德国IDE公司提出了一种摒弃传统橡胶空气弹簧的隔振器技术方案(1.Integrated Dynamics Engineering GmbH.Isolatorgeometrie EinesSchwingungsisolationssystem.欧洲专利号：EP1803965A2；2.Integrated Dynamics EngineeringGmbH.Schwingungsisolationssystem Mit Pneumatischem Tiefpassfilter.欧洲专利号：EP1803970A2；3.Integrated Dynamics Engineering GmbH.Air Bearing with Consideration ofHigh-Frequency Resonances.美国专利公开号：US20080193061A1)。该方案采用垂向与水平向气浮面对各方向的振动进行解耦与隔振，可以达到极低的刚度与固有频率。该方案存在的问题在于：1)已公开技术方案中，隔振器无法实现精确定位；2)专利EP1803965A2中，上、下安装板之间不存在绕水平轴旋转的角运动自由度，该方向的角刚度与固有频率都很高；专利EP1803970A2与US20080193061A1采用橡胶块为上、下安装板提供绕水平轴旋转的角运动自由度，但由于橡胶块角刚度很大，无法有效地进行角运动自由度解耦，角运动自由度解耦机构部件之间存在摩擦力而引入附加刚度，制约隔振性能。