[发明专利]基于双层气浮的悬臂式直线运动基准装置

说明书

本发明公开一种基于双层气浮的悬臂式直线运动基准装置；该装置通过双层的力封闭式气浮结构，实现了二维的气浮支承与导向，并提高了单位气浮工作面上的转动刚度，最终通过结合精密驱动与反馈控制，达到高速、高加速、高频运动的目的。本发明可建立一种体积小、悬臂长、转矩载荷大的二维运动基准装置。

技术领域

本发明属于精密仪器及机械技术领域，特别涉及一种基于双层气浮的悬臂式直线运动基准装置。

背景技术

近年来，随着先进芯片制造业逐渐朝向功能集成化和体积微小化发展，气体静压直线运动基准以其高速度和高精度等显著优点而成为尖端光刻机中的关键部件之一；光刻机曝光系统中光阑片的高速、高加速以及高运动精度需求，对气体静压直线运动基准中的气体静压导轨提出了高承载能力、高转动刚度的要求；为避免直线运动机构遮挡光路或触碰光学器件，光阑片安装在直线运动基准的悬臂端，因此需要提高气体静压导轨的转动刚度，来抵抗光阑片高加速运动时产生的转动力矩；而光刻机曝光系统复杂而精密，其气体静压直线运动机构需要小型化，因此提高单位面积上的转动刚度，成为制约气体静压导轨在光刻机曝光系统中应用的主要技术难题。

2008年，荷兰ASML公司所研发的Twinscan XT 1950i型光刻机，可以实现38nm芯片激光刻蚀。其曝光系统中的直线运动基准采用机械导轨结构，并达到了40m/s²的加速度运动(Y.B.Patrick Kwan,Erik L.Loopstra.Nullifying Acceleration Forces in Nano-Positioning Stages for Sub-0.1mm Lithography Tool for 300mm Wafers[J].proceeding of SPIC：Optical Microlithography,2010,4346：544-557)；但随着芯片制造业的发展，传统的滑动/滚动导轨难以满足高加速度运动以及工作温度稳定性的要求。

专利CN201220540610“二维无摩擦长距离运动的多层气浮吊挂装置”提出了一种气浮导向的吊挂式运动装置，主要包括单层吊挂装置和展开实验架，单层吊挂装置包括支撑部件、气浮随动部件、检测部件和导轨系统，气浮随动部件包括纵向气浮套、两个横向气浮套、两个气浮座、伸缩气管、横向气浮轴和吊挂工装；该装置可以实现大位移长距离随动运动，并满足多层吊挂装置间的配合运动；但是该发明装置是一种随动运动装置，不能保证运动精度，且需要安装在展开实验架上使用，结构不够紧凑。

专利CN201310436356“气浮悬挂式三维展开实验装置”提出一种定位精度高响应速度快的三维运动装置，主要包括十几个气浮运动机构空间上对应分布，并借助滑轮、吊绳、配重等机构安装在支承框架内部；但是该装置虽然可以满足一定的运动精度，但是由于运动环节较多，在高频运动状态下，在输出端不能够确保快速而准确的位移响应，且结构不够紧凑。

专利CN201410839808“一种双气浮导轨式光栅刻划刀架驱动装置”提出一种小型的一维运动装置，主要包括平行安装的两组气浮导轨，并通过固连气浮滑套的方式来提高刻划刀架的运动稳定性；该装置可以实现高速、高频运动，但是相比与该装置的位移输出端，如刀架转接板及刻画刀架，其气浮导轨过于庞大，因此单位面积上的转动刚度较差，且需要刀架配重块来保持平衡。

专利CN201610130635“双面气浮运输台”和专利CN201710832517“一种基于H型气浮导轨的运动平台”分别提出了实现二维运动的气浮装置，可以在兼顾稳定性的同时实现较高的运动和定位精度，但是两种装置的使用方法均为搭载式，无法用于悬挂式或悬臂式的运动场合，且对于光刻机曝光系统来说，体积过于庞大。

上述发明的共同之处是均不能将小型的气浮导轨应用在高速、高加速、高频运动状况，然而在光刻机曝光系统中，光阑片的高速高精度运动需要通过气浮支承及导向的方式来实现，这就要求提高直线气浮导轨在单位面积上承载与的转动刚度，进而提高悬臂式直线运动基准的可靠准确性。

发明内容