專利名稱：使用有效載荷作為慣性參考質(zhì)量的有源隔振的致動(dòng)器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于有源隔振的致動(dòng)器裝置，該裝置包括慣性參考質(zhì)量。


圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的有源隔振系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括有效載荷2，該有效載荷例如可以是光刻(lithography)機(jī)中的度量架(metroframe)。速度傳感器4被附于有效載荷2。代替速度傳感器，可以使用加速度傳感器。傳感器4可以是地震檢波器。
傳感器4被連接至控制器6，該控制器6有時(shí)被稱為“天鉤(skyhook)”控制器。控制器6可以是任何適當(dāng)編程的(微)計(jì)算機(jī)。
然而，模擬和數(shù)字電路可以在合適的地方被使用。
將致動(dòng)器8設(shè)置在有效載荷2和“地”16之間。控制器6被連接至致動(dòng)器8，以將適當(dāng)?shù)妮斎胄盘?hào)提供給致動(dòng)器8。實(shí)際上，放大器(未示出)位于控制器6和致動(dòng)器8之間，以基于控制器輸出信號(hào)而產(chǎn)生將被發(fā)送給致動(dòng)器8的功率信號(hào)?？梢杂^察到，傳感器4、控制器6和致動(dòng)器8之間的連接被示出為實(shí)際線路。然而，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，這些連接可以是無線連接。該觀察還適用于本發(fā)明的實(shí)施例中所示的其它連接。
以示意性的方式示出致動(dòng)器8。致動(dòng)器8可以是洛倫茲電動(dòng)機(jī)或者任何其他被布置成產(chǎn)生如由控制器6控制的力的合適致動(dòng)器。
圖1還示出包括活塞12和殼體14的空氣支架(airmount)10，其中活塞12可向上和向下移動(dòng)。在使用中，殼體14充滿空氣(或任何其它適當(dāng)氣體)。提供了通過溝道21連接至殼體14的閥20?？刂破鞅贿B接至閥20以控制其工作。傳感器18被提供以測(cè)量空氣支架10的殼體14與有效載荷2之間的距離z1。傳感器18被連接至比較器17，該比較器還接收參考信號(hào)z1ref。傳感器18產(chǎn)生表示距離z1的輸出信號(hào)。該比較器17產(chǎn)生與z1ref和傳感器18的輸出之間的差成比例的輸出信號(hào)，并且將該輸出信號(hào)施加至控制器19。控制器19以這種方式致動(dòng)閥20，即以期望電平z1ref來控制距離z1。
控制器6和19不必是單獨(dú)的物理單元。它們可以被實(shí)施為運(yùn)行在同一計(jì)算機(jī)上的單獨(dú)程序。
實(shí)際上，有效載荷2可以非常重，例如3000千克或更多。空氣支架10被提供作為有源控制裝置不是嚴(yán)格必需的?？蛇x擇地，它可以是無源隔振裝置。代替空氣支架10，可以使用諸如彈簧之類的其它隔振裝置。
在實(shí)際情形中，正如對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，將主要有三個(gè)或四個(gè)空氣支架10來支撐有效載荷2。此外，圖1示出一個(gè)致動(dòng)器裝置，它包括傳感器4、控制器6和致動(dòng)器8；然而，實(shí)際中可以有多個(gè)致動(dòng)器裝置。該致動(dòng)器裝置然后被布置成在六個(gè)自由度(x、y、z和圍繞x、y及z的轉(zhuǎn)動(dòng))中任何一個(gè)或不同自由度的組合中提供隔振。
傳感器4可以是地震檢波器，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，該地震檢波器包括參考質(zhì)量或慣性質(zhì)量，相對(duì)于該參考質(zhì)量來測(cè)量質(zhì)量2的位移。
圖2示出現(xiàn)有技術(shù)有源隔振系統(tǒng)的另一例子，正如由P.G.Nelson的An active vibration isolation system for inertial reference andprecision measurement，Rev.Sci.Instr.62(9)，September 1991，pp.2069-2075所公開的。圖2示出天花板23，該天花板可被設(shè)想為“地”。該天花板23處于高度zc。用彈簧35將質(zhì)量27掛在天花板23下面。致動(dòng)器25位于天花板23和質(zhì)量27之間，以控制質(zhì)量27位于的高度z2。
用彈簧37將質(zhì)量29掛在質(zhì)量27下面。該質(zhì)量29處于高度z3。傳感器33檢測(cè)質(zhì)量27和29之間的距離d。傳感器可是電容傳感器。距離d是高度z2和z3之間差的量度z2-z3。傳感器33對(duì)控制器31產(chǎn)生反饋信號(hào)，該控制器31基于該反饋信號(hào)來產(chǎn)生用于致動(dòng)器25的控制信號(hào)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，如圖2中所示的系統(tǒng)被如下使用傳感器33、彈簧37和質(zhì)量29一起形成地震檢波器，其中質(zhì)量29是地震檢波器的參考質(zhì)量或慣性質(zhì)量。示出了通過將距離信號(hào)d反饋到控制器31來改善z2/zc的可傳遞性。因此，該文獻(xiàn)公開了通過反饋與該質(zhì)量和另一慣性參考質(zhì)量之間的距離相關(guān)的距離信號(hào)，可以降低自“地”懸掛的質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)與地的運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性。
在任何現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中，慣性質(zhì)量都不具有不同于作為參考質(zhì)量的另一目的，相對(duì)于該參考質(zhì)量來測(cè)量將被控制的質(zhì)量的位移。本發(fā)明的目的是提供一種有源隔振系統(tǒng)，考慮到這兩個(gè)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)，該系統(tǒng)改善了有效載荷的隔振。
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，本發(fā)明提供一種有源隔振系統(tǒng)，該有源隔振系統(tǒng)被布置成將有效載荷與地運(yùn)動(dòng)隔離，該有效載荷通過至少一根彈簧來支撐，該系統(tǒng)包括用于檢測(cè)該有效載荷的位移并產(chǎn)生位移信號(hào)的傳感器、用于接收該位移信號(hào)并基于該位移信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)的控制器、以及被布置成基于該控制信號(hào)產(chǎn)生致動(dòng)力的致動(dòng)器，其特征在于，該系統(tǒng)包括支撐該有效載荷的質(zhì)量，該傳感器被布置成檢測(cè)該有效載荷相對(duì)于該質(zhì)量的位移，以及該致動(dòng)器被布置成將該致動(dòng)力施加于該質(zhì)量，以使該有效載荷用作慣性參考質(zhì)量。
因此，本發(fā)明基于下述認(rèn)識(shí)，即其振動(dòng)需要被控制的有效載荷可以被用作參考質(zhì)量或慣性質(zhì)量，基于該認(rèn)識(shí)各種不同工業(yè)過程可被執(zhí)行。可以示出的是，通過根據(jù)本發(fā)明的裝置，與如圖1和2中所示的現(xiàn)有技術(shù)裝置相比，有效載荷被更好地與地運(yùn)動(dòng)相隔離。尤其在較低頻率處，位移測(cè)量勝過了速度測(cè)量，并且提供了更好的有源隔離。此外，不需要致動(dòng)器來直接控制有效載荷的運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明還涉及一種被配備具有如上所定義的有源隔振系統(tǒng)的光刻設(shè)備。然而，本發(fā)明可同樣很好地應(yīng)用于任何其它高精度的機(jī)器。
本發(fā)明還涉及一種將有效載荷與地運(yùn)動(dòng)相隔離的有源隔振的方法，包括-通過至少一根彈簧支撐有效載荷，-提供用于檢測(cè)有效載荷的位移并產(chǎn)生位移信號(hào)的傳感器，-基于該位移信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)，-基于該控制信號(hào)產(chǎn)生致動(dòng)力，其特征在于，-通過質(zhì)量支撐有效載荷，-檢測(cè)有效載荷相對(duì)于該質(zhì)量的位移，-將該致動(dòng)力施加于該質(zhì)量，以使該有效載荷被用作慣性參考質(zhì)量。
下面將參考一些圖來詳細(xì)說明本發(fā)明。這些附圖僅僅打算來闡明本發(fā)明并僅僅示出一些實(shí)施例。它們不打算以任何方式來限制本發(fā)明。本發(fā)明僅僅由所附的權(quán)利要求書及其技術(shù)等效物來限定。
圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)有源隔振系統(tǒng)；圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的另一有源隔振系統(tǒng)；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的有源隔振系統(tǒng)；圖4示出根據(jù)圖3的系統(tǒng)的可傳遞性的例子；圖5示出本發(fā)明的可選實(shí)施例。
圖1和2已經(jīng)在上面被解釋。
圖3示出通過例如腿的支撐設(shè)備由地16支撐的第一質(zhì)量51。由于這些支撐設(shè)備將具有有限的硬度，所以它們被示出為彈簧53、55。盡管兩個(gè)支撐設(shè)備53、55被示出，但是實(shí)際上可以有三個(gè)或可能更多個(gè)支撐設(shè)備。第二質(zhì)量41通過彈簧45由第一質(zhì)量來支撐。此外，實(shí)際上，在第一和第二質(zhì)量之間可能有或?qū)⒂懈喔鶑椈伞５谌|(zhì)量39通過彈簧43由第二質(zhì)量41來支撐。此外，在第三質(zhì)量39和第二質(zhì)量41之間可以有多于一根的彈簧。第三質(zhì)量39是有效載荷。在使用中，有效載荷39支撐在一個(gè)或多個(gè)工業(yè)過程中使用的一個(gè)或多個(gè)設(shè)備57。第一質(zhì)量51不必存在。于是第二質(zhì)量41直接由地16支撐。
這三個(gè)不同質(zhì)量39、41、51的設(shè)置例如可用在光刻設(shè)備中。在光刻設(shè)備中，第一質(zhì)量51可以是具有2000kg的質(zhì)量的基架(baseframe)，第二質(zhì)量41可以是具有4000kg的質(zhì)量的副架(sub-frame)，而第三質(zhì)量39可以是具有3200kg的質(zhì)量的度量架。在這種光刻設(shè)備中，彈簧43、45將具有不同的彈簧常數(shù)。例如，可以選擇彈簧43，以使它向第三質(zhì)量39提供在0.1-10Hz范圍內(nèi)的本征頻率，例如0.3Hz?？梢圆贾脧椈?5，以使它向第二質(zhì)量41提供在1-10Hz范圍內(nèi)的本征頻率，例如3Hz。支撐設(shè)備53、55可以是這樣的，即使得它們向第一質(zhì)量51提供在30-40Hz范圍內(nèi)的本征頻率，例如35Hz或更高。
在光刻設(shè)備中，度量架39支撐可包括加速度計(jì)、投影透鏡和一或多個(gè)傳感器的設(shè)備57。
第一質(zhì)量51被示出具有位移z7，第二質(zhì)量41被示出具有位移z6，而第三質(zhì)量39被示出具有位移z5。地16被示出具有位移h。傳感器59被提供以測(cè)量距離d2的變化，即第二質(zhì)量41和第三質(zhì)量39之間的位移。距離d2的該變化是z5和z6之間的差的量度也就是z5-z6。傳感器59產(chǎn)生輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)是距離d2變化的指示。該輸出信號(hào)被傳送給控制器49。該控制器49基于傳感器59的該輸出信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)。該控制信號(hào)被傳送給致動(dòng)器47。該致動(dòng)器47致動(dòng)第二質(zhì)量41。該致動(dòng)器47可以是洛倫茲電動(dòng)機(jī)或任何其他被布置成產(chǎn)生如由控制器49所致動(dòng)的力F的合適致動(dòng)器。在如圖3中所示的裝置中，有效載荷39自身起到慣性參考質(zhì)量的作用。
使用距離d2的變化作為控制器49的輸入，證明提供了對(duì)支撐設(shè)備57的有效載荷39的非常好的有源隔離。這在圖4中被示出。圖4示出在無源模式和有源模式中z5/h的可傳遞性。在無源模式中控制器49被關(guān)閉，而在有源模式中控制器49被打開。圖4示出在有源模式中可傳遞性z5/h好得多。也就是，降低了有效載荷39的運(yùn)動(dòng)與地16的相關(guān)性。當(dāng)彈簧43、45具有如上所示的本征頻率時(shí)，這種降低在圖3的設(shè)計(jì)中已經(jīng)以非常低的頻率開始。在圖4的無源模式可傳遞性z5/h中，可以認(rèn)識(shí)到用于彈簧43的0.3Hz、用于彈簧45的3Hz和用于支撐設(shè)備53、55的35Hz的這些本征頻率。
如上所示，對(duì)于本發(fā)明的應(yīng)用，第一質(zhì)量51不是嚴(yán)格必需的，該第一質(zhì)量51通過支撐設(shè)備53、55由地16支撐。代之以，第二質(zhì)量41可通過彈簧45直接由地16支撐，并且由致動(dòng)器47所控制。
彈簧43、45可以是期望的任何合適的彈簧。它們可以是無源彈簧。它們還可以是如根據(jù)圖1的現(xiàn)有技術(shù)所示的空氣支架。
圖5示出本發(fā)明的可選實(shí)施例。相同的參考符號(hào)指的是前面附圖中的相同部件。與根據(jù)圖3的實(shí)施例的差別如下。該裝置包括在傳感器59和控制器49之間的第一濾波器61。此外，另一傳感器58被提供以檢測(cè)有效載荷39和第一質(zhì)量51或地16之間的距離d3。傳感器58經(jīng)由第二濾波器60被連接至控制器49。
因此，在根據(jù)圖5的裝置中，傳感器58、59的輸出信號(hào)被以各自濾波器60、61的濾波系數(shù)來加權(quán)，以及控制器49接收與d2和d3相關(guān)的信號(hào)的加權(quán)和。在實(shí)施例中，濾波器60、61被設(shè)計(jì)成給d2的反饋影響提供更高加權(quán)以用于更高頻率，以及給d3的反饋影響提供更高加權(quán)以用于更低頻率。
正如將對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的，濾波器60、61可以與控制器49被組合成一個(gè)單元。
權(quán)利要求
1.有源隔振系統(tǒng)，其被布置成將有效載荷(39)與地運(yùn)動(dòng)隔離，所述有效載荷(39)通過至少一根彈簧(43)來支撐，所述系統(tǒng)包括用于檢測(cè)所述有效載荷(39)的位移并產(chǎn)生位移信號(hào)的傳感器、用于接收所述位移信號(hào)并基于所述位移信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)的控制器(49)、以及被布置成基于所述控制信號(hào)產(chǎn)生致動(dòng)力的致動(dòng)器(47)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括支撐所述有效載荷(39)的質(zhì)量(41)，所述傳感器被布置成檢測(cè)所述有效載荷(39)相對(duì)于所述質(zhì)量的位移，以及所述致動(dòng)器被布置成將所述致動(dòng)力施加于所述質(zhì)量(41)，以使所述有效載荷(39)被用作慣性參考質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源隔振系統(tǒng)，其中所述有效載荷(39)支撐一個(gè)或多個(gè)設(shè)備(57)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有源隔振系統(tǒng)，其中所述質(zhì)量(41)通過另一根彈簧(45)由主體(16；51)支撐，以及所述致動(dòng)器(47)被布置成將所述致動(dòng)力施加在所述質(zhì)量(41)和所述主體(16；51)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的有源隔振系統(tǒng)，其中所述主體是地(16)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的有源隔振系統(tǒng)，其中所述主體是通過至少一條腿(53，55)由地(16)支撐的基架(51)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3-5中任何一項(xiàng)所述的有源隔振系統(tǒng)，其中所述另一根彈簧(45)被布置成向所述質(zhì)量(41)提供在1-10Hz的范圍內(nèi)的本征頻率。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的有源隔振系統(tǒng)，其中所述彈簧(43)被布置成向所述有效載荷(39)提供在0.1-10Hz的范圍內(nèi)的本征頻率。
8.光刻設(shè)備，其配備有根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的有源隔振系統(tǒng)。
9.將有效載荷(39)與地運(yùn)動(dòng)相隔離的有源隔振的方法，包括-通過至少一根彈簧(43)支撐所述有效載荷(39)，-提供用于檢測(cè)所述有效載荷(39)的位移并產(chǎn)生位移信號(hào)的傳感器，-基于所述位移信號(hào)而產(chǎn)生控制信號(hào)，-基于所述控制信號(hào)而產(chǎn)生致動(dòng)力，其特征在于，-通過質(zhì)量(41)支撐所述有效載荷(39)，-檢測(cè)所述有效載荷(39)相對(duì)于所述質(zhì)量的位移，以及-將所述致動(dòng)力施加于所述質(zhì)量(41)，以使所述有效載荷(39)被用作慣性參考質(zhì)量。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，包括通過所述有效載荷(39)支撐一個(gè)或多個(gè)設(shè)備(57)，以及在工業(yè)過程中使用所述一個(gè)或多個(gè)設(shè)備(57)。
全文摘要
將有效載荷(57)與地運(yùn)動(dòng)相隔離的有源隔振的方法和系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有主體(16；51)、通過至少一根彈簧(45)由主體(51)支撐的質(zhì)量(41)、通過至少另一根彈簧(43)由質(zhì)量(41)支撐的另一質(zhì)量(39)。傳感器檢測(cè)在質(zhì)量(41)和另一質(zhì)量(39)之間的距離，并且產(chǎn)生距離信號(hào)?？刂破?49)接收距離信號(hào)，并基于距離信號(hào)而產(chǎn)生控制信號(hào)。致動(dòng)器(47)基于控制信號(hào)而致動(dòng)所述質(zhì)量(41)的位置，而另一質(zhì)量支撐將與地(16)隔離的有效載荷。
文檔編號(hào)G03F7/20GK1914436SQ200580003146
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2005年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月26日
發(fā)明者T·P·H·沃默達(dá)姆, M·J·弗沃德爾唐克 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司