一種無(wú)源真空吸附裝置的研究

齊芊楓，李進(jìn)春，張德峰

( 上海微電子裝備(集團(tuán))股份有限公司， 上海201203)

目前，工件臺(tái)的發(fā)展方向是高速、高加速和高精度。其中影響精度的關(guān)鍵因素之一是線纜力干擾。由于線纜對(duì)運(yùn)動(dòng)臺(tái)存在三大阻力：靜態(tài)力、阻尼力和剛度力，而且這三大阻力具有隨機(jī)性和非線性特點(diǎn)，無(wú)法完全進(jìn)行補(bǔ)償[1]。工件臺(tái)真空管路如圖1 所示。

圖1 工件臺(tái)的真空管路

為了減小真空管線對(duì)微動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的干擾，目前一般采取3 種措施：①在粗動(dòng)臺(tái)和微動(dòng)臺(tái)之間設(shè)計(jì)對(duì)稱線纜，使線纜力互相抵消，減小作用在微動(dòng)臺(tái)上的線纜力。該方案可大大減小線纜干擾力，但在六自由度微動(dòng)臺(tái)中，由于線纜在非對(duì)稱方向有扭曲、拉伸，干擾力仍較大；②在粗動(dòng)臺(tái)和微動(dòng)臺(tái)之間采用氣浮隔離，進(jìn)行非接觸式真空氣路輸送，該方案在粗微動(dòng)之間沒有真空管路，但真空和正壓的高度集成，零部件設(shè)計(jì)制造難度較大，且該方案只能用于氣浮工件臺(tái)，不能在磁浮工件臺(tái)中應(yīng)用；③微動(dòng)臺(tái)上采用靜電吸盤[2]吸附硅片，該方案無(wú)需真空，能從根本上消除真空管路干擾問題，但粗動(dòng)臺(tái)和微動(dòng)臺(tái)之間仍存在線纜力的干擾，且靜電吸盤方案常用于真空環(huán)境，應(yīng)用范圍受限。

因此，研究一種基于機(jī)械驅(qū)動(dòng)的無(wú)源真空發(fā)生裝置，應(yīng)用于高精密工件臺(tái)的硅片吸附，將從根本上解決真空管路對(duì)工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能的干擾問題，對(duì)工件臺(tái)性能提升具有重要意義。

1 裝置研究

1.1 技術(shù)原理

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程（波義耳定律）（式1），一定體積的理想氣體壓力與體積成反比，其氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系曲線如圖2 所示。一定物質(zhì)的量的氣體，當(dāng)其體積大于大氣壓強(qiáng)下的體積V0，其壓強(qiáng)將小于大氣壓強(qiáng)，即產(chǎn)生真空：

圖2 理想氣體壓強(qiáng)與體積曲線

式(1)中，P 為氣體壓強(qiáng)；V 為氣體體積；n 為氣體物質(zhì)的量；R 為常數(shù)（8.31）；T 為氣體溫度。

無(wú)源真空吸附裝置由三部分組成：（1）真空發(fā)生裝置，可改變一定量氣體的體積，使氣體產(chǎn)生真空；（2）驅(qū)動(dòng)裝置，為真空發(fā)生裝置中的氣體體積改變提供驅(qū)動(dòng)力，并能控制氣體體積的改變量；（3）真空檢測(cè)反饋，檢測(cè)氣體真空值，并實(shí)時(shí)反饋給驅(qū)動(dòng)裝置，由驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)反饋值控制氣體體積的改變量；如圖3 所示。

圖3 無(wú)源真空吸附裝置原理

以上無(wú)源真空吸附裝置通過氣管連接到微動(dòng)臺(tái)和吸盤上，在工件臺(tái)進(jìn)行曝光運(yùn)動(dòng)過程中，對(duì)硅片進(jìn)行吸附。

1.2 設(shè)計(jì)方案

1.2.1 真空發(fā)生裝置設(shè)計(jì)方案

真空發(fā)生裝置可采用兩種方案：①直線型真空發(fā)生裝置，如圖4 所示，活塞在氣腔內(nèi)作直線運(yùn)動(dòng)，改變一定量氣體的體積，使氣體壓強(qiáng)小于大氣壓強(qiáng)，產(chǎn)生真空，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但所需運(yùn)動(dòng)空間較大；②旋轉(zhuǎn)型真空發(fā)生裝置，如圖5 所示，葉片在環(huán)形氣腔內(nèi)繞轉(zhuǎn)軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，改變環(huán)形氣腔內(nèi)一定量氣體體積，使氣體壓強(qiáng)小于大氣壓強(qiáng)，產(chǎn)生真空，該方案結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但能節(jié)省運(yùn)動(dòng)空間，減小裝置體積。

圖4 直線型真空發(fā)生裝置

圖5 旋轉(zhuǎn)型真空發(fā)生裝置

1.2.2 驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)方案

驅(qū)動(dòng)裝置可采用三種方案：①旋轉(zhuǎn)電機(jī)+ 滾珠絲杠，如圖6 所示，旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)直線型真空發(fā)生裝置活塞運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生真空；②VCM 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，如圖7 所示，VCM電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)直線型真空發(fā)生裝置活塞運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生真空；③機(jī)械驅(qū)動(dòng)（恒力彈簧），如圖8 所示，采用機(jī)械儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)型真空發(fā)生裝置的旋轉(zhuǎn)葉片，產(chǎn)生真空，該機(jī)械儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的輸出力為恒定值，保證真空壓力的穩(wěn)定性，可采用恒力彈簧機(jī)構(gòu)。

圖6 旋轉(zhuǎn)電機(jī)和絲杠驅(qū)動(dòng)

圖7 VCM 電機(jī)直驅(qū)

圖8 機(jī)械驅(qū)動(dòng)（恒力彈簧）

1.2.3 真空檢測(cè)反饋設(shè)計(jì)方案

真空檢測(cè)及反饋裝置由真空傳感器及其信號(hào)放大板組成，真空傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)硅片吸附真空值，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)放大板反饋給驅(qū)動(dòng)裝置，以控制氣體體積的改變量，從而控制真空的穩(wěn)定性。真空檢測(cè)反饋裝置在“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”和“VCM 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)”方案中應(yīng)用，但在“機(jī)械驅(qū)動(dòng)（恒力彈簧）”方案中將通過計(jì)算轉(zhuǎn)換為機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由機(jī)械機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制。

1.2.4 設(shè)計(jì)方案分析

根據(jù)真空發(fā)生裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和真空檢測(cè)反饋裝置的特點(diǎn)，采用3 種無(wú)源真空吸附裝置設(shè)計(jì)方案，各方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1 所示。

表1 無(wú)源真空吸附裝置設(shè)計(jì)方案分析

綜合分析上述方案，無(wú)源真空吸附裝置最終采用方案三，即“機(jī)械驅(qū)動(dòng)+ 旋轉(zhuǎn)型真空發(fā)生裝置”方案進(jìn)行產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)。但為節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間和成本，采用方案一進(jìn)行原理驗(yàn)證試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)思路

為提高裝置研究效率和降低研究成本，將裝置試驗(yàn)分為原理驗(yàn)證試驗(yàn)和裝置應(yīng)用試驗(yàn)兩個(gè)階段，試驗(yàn)計(jì)劃如表2 所示。

表2 無(wú)源真空吸附裝置試驗(yàn)計(jì)劃

2.2 吸附試驗(yàn)

2.2.1 吸附性能指標(biāo)

以200 mm 吸盤吸附硅片、曝光時(shí)間60 s 為例計(jì)算，硅片真空吸附性能指標(biāo)需求如表3 所示。

表3 吸盤吸附硅片性能指標(biāo)需求

2.2.2 理論計(jì)算

氣體初始體積和壓強(qiáng)，如圖9 所示，A 到B 之間的真空管路體積V0將作為一定量氣體的初始體積，此時(shí)氣體壓強(qiáng)為大氣壓P0。

圖9 氣體初始體積和壓強(qiáng)

真空壓力P1=-40 kPa 時(shí)，若真空泄露按VL1計(jì)算，如圖10 所示，氣體體積和壓力關(guān)系如式(2)：

圖10 真空壓力-40 kPa 時(shí)，氣體體積和壓強(qiáng)

式(2)中，P0為氣體初始?jí)毫?；V0為氣體初始體積；V1為真空發(fā)生裝置氣體體積；VL1為真空泄漏體積。

在真空壓力P1=-40 kPa，持續(xù)60 s 時(shí)，若真空泄露按VL2計(jì)算，如圖11 所示，氣體體積和壓力關(guān)系如式(3)：

圖11 真空壓力-40 kPa，60 s 時(shí)，氣體體積和壓強(qiáng)

式(3)中，P0為氣體初始?jí)毫?；V0為氣體初始體積；V2為真空發(fā)生裝置氣體體積；VL2為真空泄漏體積；驅(qū)動(dòng)力按式(4)計(jì)算：

式(4)中，F(xiàn) 為驅(qū)動(dòng)力；P 為真空壓力；D 為活塞直徑。

2.2.3 手動(dòng)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置：如圖12 所示，試驗(yàn)裝置包括，吸盤、硅片、直線氣缸（φ25 mm，行程50 mm）、真空壓力表（分辨率：1 kPa）、拉力計(jì)（分辨率：0.1 N）。試驗(yàn)結(jié)果：手動(dòng)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 手動(dòng)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

圖12 手動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置

試驗(yàn)結(jié)論：

（1）真空穩(wěn)定性不滿足，由于人為因素產(chǎn)生，自動(dòng)控制可提高指標(biāo)；

（2）驅(qū)動(dòng)力小于設(shè)計(jì)值，說明真空泄露小于計(jì)算值0.1 L/min；

（3）驗(yàn)證了真空發(fā)生原理，且基本滿足吸附指標(biāo)，可進(jìn)行下一步的電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)。

2.2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置如圖13、圖14 所示，包括吸盤、硅片、直線氣缸（φ25 mm，行程50 mm）、真空壓力傳感器（分辨率：1 kPa）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)（輸出力矩：8 N·m）、滾珠絲杠（導(dǎo)程：1 mm）、控制系統(tǒng)。

圖13 電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)裝置

圖14 電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)照片

電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。真空值隨時(shí)間和移動(dòng)距離變化的曲線如圖15 所示。

表5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)分析：

（1）真空建立時(shí)間不滿足，由圖15 可知，移動(dòng)距離30 mm 真空壓力才能達(dá)到-40 kPa，這是由于絲杠導(dǎo)程1 mm 較?。ㄔO(shè)計(jì)值10 mm，試驗(yàn)絲杠1 mm）；

圖15 真空值、時(shí)間和移動(dòng)距離曲線

（2）真空維持時(shí)間不滿足，由于真空建立的行程較長(zhǎng)，導(dǎo)致后續(xù)維持真空行程不足；

（3）驅(qū)動(dòng)力大于設(shè)計(jì)值，由于理論設(shè)計(jì)值未考慮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自身阻力，導(dǎo)致實(shí)際驅(qū)動(dòng)力大于設(shè)計(jì)值。

試驗(yàn)結(jié)論：

（1）實(shí)現(xiàn)了“驅(qū)動(dòng)裝置+ 真空反饋”的閉環(huán)控制功能；

（2）需要采用10 mm 導(dǎo)程的滾珠絲杠，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)裝置，達(dá)到滿足指標(biāo)要求。

3 產(chǎn)品應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

采用機(jī)械儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)型真空發(fā)生裝置進(jìn)行產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)，對(duì)其進(jìn)行小型化輕量化設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行機(jī)械儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。

由式(4)可知，在特定的真空發(fā)生裝置下，需要保證真空度穩(wěn)定在一定范圍，必須保證驅(qū)動(dòng)裝置輸出的驅(qū)動(dòng)力趨于恒定，而恒力彈簧可實(shí)現(xiàn)輸出恒力的功能。

式(5)中[3]，E 為彈性模量；b 為彈簧的寬度；h為彈簧厚度；Rn為彈簧圈自由狀態(tài)下的半徑，R0為彈簧初始膨脹半徑。

根據(jù)式(2)、式(3)、式(4)和式(5)計(jì)算結(jié)果，在滿足表3 中吸附指標(biāo)的情況下，基于機(jī)械驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)型真空發(fā)生裝置的無(wú)源真空吸附裝置關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)尺寸如下，外形如圖16 所示。

圖16 無(wú)源真空吸附裝置

旋轉(zhuǎn)氣缸外形尺寸：φ25 mm×40 mm；旋轉(zhuǎn)氣缸行程：65 mm；省力轉(zhuǎn)輪：φ45 mm；儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)（恒力彈簧）：φ45 mm；能量補(bǔ)充機(jī)構(gòu)行程：20 mm；裝置總量：約0.7 kg；裝置外形尺寸：88 mm×55 mm×45 mm。

其在微動(dòng)臺(tái)上的設(shè)計(jì)案例如圖17 所示，該微動(dòng)臺(tái)將在硅片曝光過程中，由無(wú)源真空吸附裝置自動(dòng)產(chǎn)生真空吸附硅片，微動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過程中，不會(huì)產(chǎn)生真空管路的干擾。

圖17 無(wú)源真空吸附裝置在微動(dòng)臺(tái)上的應(yīng)用設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過理論分析和試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了一種無(wú)源真空吸附裝置的實(shí)現(xiàn)原理，為裝置產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)奠定了基礎(chǔ)；該裝置采用全機(jī)械驅(qū)動(dòng)，干擾因素較少，設(shè)計(jì)可靠性較高；該裝置體積小，質(zhì)量輕，可與微動(dòng)臺(tái)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)可行性較好；該裝置可應(yīng)用于對(duì)管線擾動(dòng)有更高要求的高精密工件臺(tái)。