光刻机控制算法光刻机小型复合节流静压气浮导轨微结构参数设计Engineering

导读本文选自中国工程院院刊《Engineering》2021年第2期作者：温众普，吴剑威，邢坤鹏，张银，李结安，谭久彬来源：DesignofMicrostruc....

本文选自中国工程院院刊《Engineering》2021年第2期

作者：温众普，吴剑威，邢坤鹏，张银，李结安，谭久彬

来源：Design of Microstructure Parameters on a Small Multi-Throttle Aerostatic Guideway in Photolithography[J].Engineering,2021,7(2):226-237.

编者按

静压气浮导轨具有高速、高精度、低摩擦等优点，广泛用于测量仪器、精密制导、芯片制造等领域。随着光刻机套刻精度和产能效率需求的不断提高，对照明系统中可变狭缝系统的定位精度和扫描速度提出了更高的要求。可变狭缝系统是保证套刻精度、曝光效率以及系统稳定性的核心部件。紧凑型复合节流静压气浮导轨是可变狭缝系统中支撑导向机构的首选方案，与传统气浮导轨相比，复合节流静压气浮导轨具有高刚度的优势，但是结构更为复杂，对操作条件和形状误差具有严格的要求。

中国工程院谭久彬院士科研团队在中国工程院院刊《Engineering》2021年第2期撰文，采用网格自适应法，定量研究了微结构四个参数的影响，揭示了微结构变化对导轨负载性能的影响规律，并利用这些规律对微结构参数进行设计。设计方法的特点在于：通过调节浅腔参数，使承载力、刚度和转动刚度的工作点都统一起来。采用文中的设计流程和调整方法，可以在一定程度上缓解供气压力的限制和各项负载性能间的相互制约。文章指出，采用该方法提高复合节流静压气浮导轨的负载性能，有望提高光刻机中高精度直线运动导向机构的性能，为光刻的跨代发展奠定基础。

一、引言

静压气浮导轨具有高速、高精度、低摩擦等优点，广泛用于测量仪器、精密制导、芯片制造等领域。随着光刻机套刻精度和产能效率需求的不断提高，对照明系统中可变狭缝系统（VS）的定位精度和扫描速度提出了更高的要求。可变狭缝系统安装在一系列光学镜组之间，具有消除狭缝变形的作用，最终实现曝光区域和曝光剂量的控制。因此，可变狭缝系统是保证套刻精度、曝光效率以及系统稳定性的核心部件。紧凑型复合节流静压气浮导轨是可变狭缝系统中支撑导向机构的首选方案，与传统气浮导轨相比，复合节流静压气浮导轨具有高刚度的优势，但是结构更为复杂，对操作条件和形状误差具有严格的要求。

Nakamura和Yoshimoto在层流流动和均匀流动假设下，对复合节流静压气浮导轨进行了分析研究。研究结果表明，采用双排节流孔和较宽均压槽的气浮平板，可以提高俯仰和滚转方向的转动刚度。该分析方法比较适用于研究微结构的某一个参数，因为只有将其他参数限制在一个较窄的取值范围内，才能保持流量系数的有效性。Belforte等就通过实验验证了微结构参数变化可以对节流系数产生显著影响，研究结果表明，紧凑型复合节流静压气体导轨的微结构参数变化范围较宽，不仅可以影响流量系数，还最终影响着导轨的负载性能。正因如此，采用传统方法计算得到的气浮导轨承载力普遍偏高。由于理论计算和实际测试存在差距，所以在设计静压气浮导轨的结构时，对负载性能的计算还要包含约50%的安全裕量。微结构对转动刚度的影响与安全裕量的量级接近，所以传统方法难以体现微结构参数变化的影响。有限元分析法目前已逐渐得到推广和认可，为研究和设计复合节流静压气浮导轨及微结构提供了一种可行方法。

Kim等提出了一种适用于高雷诺数流动的近壁处理方法，用来求解狭长流体域中的高速流动问题。Gharbi等建立了雷诺数与体积有限元网格单元高度的关系，以此建立了适用于高雷诺数流动的网格。Eleshaky和Zhang等分别采用计算流体力学（CFD）法和分离变量法（MSV），验证了下游压降对导轨承载力和稳定性的影响。Gao等研究了节流器喷孔形状对压降和湍流强度的影响，结果表明，带有圆角的喷孔气体流动稳定性最好、导轨的稳定性也最好。进一步研究表明，节流器喷孔和节流微结构的设计主要取决于导轨的特征尺寸以及目标性能等因素。Yadav和Sharma采用有限元法（FEM）研究了倾斜角度对静压气浮带有浅腔的静压气浮止推轴承性能的影响。目前，研究并设计紧凑型复合节流静压气浮导轨的关键问题是建立其微结构参数与负载性能之间的对应关系。温众普等提出了一种网格自适应方法，用来捕捉和细分体积有限元法中的六面体网格。与现有气浮导轨的结构相比，本文研究的导轨的气膜更宽更薄，但是网格自适应方法可以用来细分全部流体域的体积有限元网格，特别是在微结构处的近壁网格，可以依据y