DD260366A1

DD260366A1 - DEVICE FOR TRANSMITTING A LINEAR MOVEMENT

Info

Publication number: DD260366A1
Application number: DD30240387A
Authority: DD
Inventors: Gerhard Schubert; Michael Radomsky
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1987-05-04
Filing date: 1987-05-04
Publication date: 1988-09-21
Also published as: DD260366B5

Abstract

Eine Vorrichtung zur Uebertragung einer durch einen Waelzschraubtrieb erzeugten Linearbewegung ist fuer Positionierantriebe, die Linearbewegungen im Submikrometerbereich mit hoher Genauigkeit uebertragen sollen, insbesondere in Korpuskularstrahlgeraeten auf dem Gebiet der Mikroelektronik anwendbar. Mittels zweier Schubstangen wird die Linearbewegung in eine hermetisch abgeschlossene Bearbeitungskammer uebertragen. Die beiden Schubstangen bilden zusammen mit zwei Bruecken ein Gelenkviereck. Eine der Bruecken ist mit der Kugelumlaufmutter des Waelzschraubtriebes starr verbunden. Die Verbindungen der Schubstangen mit den Bruecken sowie der einen Bruecke mit Elementen, die sich in der Bearbeitungskammer befinden, sind jeweils spielfreie Lagerungen hoher Steife fuer Drehbewegungen um ihren Lagerpunkt. Fig. 1A device for the transmission of a linear movement generated by a Waelzschraubtrieb is applicable for positioning drives that are to transmit linear movements in the submicron range with high accuracy, in particular in Korpuskularstrahlgeraeten in the field of microelectronics applicable. By means of two push rods, the linear movement is transferred to a hermetically sealed processing chamber. The two push rods together with two bridges form a four-bar linkage. One of the bridges is rigidly connected to the ball nut of the Waelzschraubtriebes. The connections of the push rods with the bridges as well as the one bridge with elements which are located in the processing chamber are each play-free bearings of high stiffness for rotational movements about their bearing point. Fig. 1

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung einer durch einen Wälzschraubtrieb erzeugten Linearbewegung in einehermetisch abgeschlossene Bearbeitungskammer. Sie ist für Positionierantriebe, die Linearbewegungen im Submikrometerbereich mit hoher Genauigkeit übertragen sollen, insbesondere in Korpuskularstrahlgeräten, z. B. Elektronenstrahlgeräten zur Herstellung mikroelektronischer Schaltkreise anwendbar.The invention relates to a device for transmitting a linear movement generated by a Wälzschraubtrieb in a hermetically sealed processing chamber. It is for positioning drives that are to transmit linear movements in the submicron range with high accuracy, especially in particle beam devices, eg. B. electron beam devices for the production of microelectronic circuits applicable.

Characteristic of the known state of the art

Es ist eine Lösung bekannt, bei der die mit einem Wälzschraubtrieb erzeugte Linearbewegung mit Hilfe zweier symmetrisch angeordneter Schubstangen in einen Vakuumrezipienten übertragen wird. Dabei wird eine unmittelbar mit einer Kugelumlaufmutter zu verbindende Brücke kardanisch mit dieser verbunden. Die Schubstangen sitzen in Passungen in dieser Brücke und sind außerdem fest mit einer zweiten Brücke verschraubt, so daß sich ein starres Viereck ergibt. Dieses Viereck wird bei seiner Linearbewegung in x-Richtung in zwei an der Wand des Rezipienten befestigten Gleitführungen in y- und z-Richtung geführt.It is known a solution in which the linear motion generated by a Wälzschraubtrieb is transmitted by means of two symmetrically arranged push rods in a vacuum recipient. In this case, a bridge to be directly connected to a ball nut gimbal is connected to this. The push rods sit in fits in this bridge and are also firmly bolted to a second bridge, so that there is a rigid quadrilateral. This quadrangle is guided in its linear movement in the x direction in two attached to the wall of the recipient slideways in the y- and z-direction.

Diese Lösung hat folgende Nachteile:This solution has the following disadvantages:

Fertigungs- und Montagetoleranzen, insbesondere zwischen den Richtungen der Spindel des Wälzschraubtriebes und den im Vakuumrezipienten separat geführten Elementen, der Lage der Befestigungspunkte der Schubstangen in den Brücken zu den Gleitführungen, der durch die Passungen in der ersten Brücke vorgegebenen Ausrichtung der Schubstangen zueinander und der diese Brücke gegen Verdrehung sichernden Führung zur Lage der Gleitführungen zueinander können bei derx-Bewegung des starren Vierecks nur durch y- und z-Bewegungen der zweiten Brücke ausgeglichen werden. Diese führen jedoch zu Zwangskräften in den Gleitführungen, somit zu hoher positionsabhängiger Reibung und Partikelgeneration durch Abrieb innerhalb des Vakuumrezipienten. Die Ankopplung der zweiten Brücke an die im Rezipienten separat geführten Elemente ist nur über eine die y- und z-Bewegung der zweiten Brücke ausgleichende Kugel möglich. Die hohen veränderlichen Reibkräfte haben negativen Einfluß auf Genauigkeit und Geschwindigkeit des Positioniersystems.Manufacturing and assembly tolerances, in particular between the directions of the spindle of the Wälzschraubtriebes and the vacuum recipients separately guided elements, the location of the attachment points of the push rods in the bridges to the sliding guides, the predetermined by the fits in the first bridge alignment of the push rods to each other and this Bridge against twisting guide to the position of the sliding guides to each other can be compensated in derx movement of the rigid quadrilateral only by y and z movements of the second bridge. However, these lead to constraining forces in the sliding guides, thus high position-dependent friction and particle generation by abrasion within the vacuum recipient. The coupling of the second bridge to the separately guided in the recipient elements is only possible over a y and z movement of the second bridge balancing ball. The high variable frictional forces have a negative influence on the accuracy and speed of the positioning system.

Die regelungstechnisch bedeutende Größe der Steife eines mechanischen Antriebs wird bei dieser Lösung in hohem Maße durch den Kardan und die Koppelstelle Fläche der zweiten Brücke-Kugel-Fläche der Elemente im Vakuumrezipienten bestimmt und ist hier relativ gering.The control technically significant size of the stiffness of a mechanical drive is determined in this solution to a large extent by the gimbal and the coupling point area of the second bridge-sphere surface of the elements in Vakuumrezipienten and is relatively low here.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung ist, die Übertragung einer durch einen Wälzschraubtrieb erzeugten Linearbewegung in eine hermetisch abgeschlossene Bearbeitungskammer zur geregelten Positionierung im Submikrometerbereich mit gegenüber dem Stand der Technik erhöhter Positioniergeschwindigkeit und -genauigkeit zu ermöglichen.The object of the invention is to enable the transmission of a linear movement generated by a Wälzschraubtrieb in a hermetically sealed processing chamber for controlled positioning in the submicron range with respect to the prior art increased positioning speed and accuracy.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Vorrichtung zur Übertragung einer Linearbewegung zu entwickeln, die gewährleistet, daß keine Zwangskräfte in Gleitführungen aufgrund von Übereinstimmung der Anordnung auftreten, daß die Reibung bewegter Teile und daraus resultierend der Verschleiß mit Partikelgeneration gering sowie die Steife der Vorrichtung hoch ist und daß ein Ausgleich von Lage- und Richtungstoleranzen sowie Spielfreiheit gegeben sind.The invention has for its object to develop such a device for transmitting a linear motion, which ensures that no constraining forces in sliding due to compliance of the arrangement occur that the friction of moving parts and the resulting wear with particle generation low and the rigidity of the device is high and that a balance of position and direction tolerances and backlash are given.

Anhand einer Vorrichtung zur Übertragung einer durch einen Wälzschraubtrieb, bestehend aus Spindel und Kugelumlaufmutter, erzeugten Linearbewegung mittels Schubstangen in eine hermetisch abgeschlossene Bearbeitungskammer, bei der eine mit der Kugelumlaufmutter verbundene, erste Brücke und eine innerhalb der Bearbeitungskammer befindliche, zweite BrückeWith reference to a device for transmitting a generated by a Wälzschraubtrieb, consisting of spindle and ball nut, linear movement by means of push rods in a hermetically sealed processing chamber, in which one connected to the ball nut, the first bridge and located within the processing chamber, second bridge

vorhanden sind, die durch zwei symmetrisch zur Spindel angeordnete Schubstangen miteinander verbunden sind, wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die erste Brücke mit der Kugelumlaufmutter starr verbunden ist, daß die Verbindungen der Schubstangen mit der ersten und der zweiten Brücke jeweils spielfreie Lagerungen hoher Steife für Drehbewegungen um ihren Lagerpunkt sind und daß die zweite Brücke mit in der Bearbeitungskammer separat geführten Elementen durch zwei senkrecht übereinander in der Mitte der zweiten Brücke angeordnete, ebenfalls spielfreie Lager hoher Steife für Drehbewegungen um ihren Lagerpunkt verbunden ist.are present, which are interconnected by two symmetrically arranged to the spindle push rods, the object is achieved in that the first bridge according to the invention with the ball nut is rigidly connected, that the compounds of the push rods with the first and the second bridge each play-free bearings high stiffness are for rotational movements about its bearing point and that the second bridge is connected to the separately guided in the processing chamber elements by two vertically stacked in the middle of the second bridge, also backlash-free high stiffness bearings for rotational movement around its bearing point.

Die beiden Brücken bilden zusammen mit den Schubstangen ein Gelenkviereck, wobei die Schubstangen mit definierten Kräften und gegen seitliche Lageänderungen gesichert und in der Art gegen die Brücken gedrückt werden, daß diese Lagerung eine Drehbewegung um den Lagerpunkt zuläßt. Die Schubstangen benötigen keine weitere Führung als die beschriebenen Lagerungen.The two bridges together with the push rods form a four-bar linkage, the push rods are secured with defined forces and against lateral changes in position and pressed against the bridges in the way that this storage permits a rotational movement about the bearing point. The push rods require no further guidance than the bearings described.

Gleichzeitig sind die Lagerflächen so bemessen, daß sich bei geeigneter Wahl der verspannenden Kräfte eine hohe Steife in Richtung der zu übertragenden Linearbewegung ergibt. Die Öffnungen der Durchführungen in die Bearbeitungskammer sind ohne zusätzliche Lagerung der Schubstangen so groß bemessen, daß ein Ausgleich der Lage- und Richtungstoleranzen durch das Gelenkviereck erfolgen kann, ohne dessen Linear- und Ausgleichsbewegung zu behindern.At the same time, the bearing surfaces are dimensioned so that with a suitable choice of the bracing forces results in a high stiffness in the direction of the linear motion to be transmitted. The openings of the bushings in the processing chamber are dimensioned without additional support of the push rods so large that a balance of the position and direction tolerances can be done by the four-bar linkage, without hindering its linear and compensatory movement.

embodiment

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und der dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden.In the following the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and the accompanying drawings.

Figur 1: zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung, Figur 2: eine Ausführungsform der Lägerungen.Figure 1: shows the basic structure of an inventive arrangement, Figure 2: an embodiment of the Lägerungen.

Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die zwangsfreie Übertragung einer durch einen Wälzschraubtrieb erzeugten Linearbewegung in den Vakuumrezipienten einer Elektronenstrahlbelichtungsanlage. Gemäß Figur 1 wird aus einer ersten Brücke 1 und einer zweiten Brücke 2 sowie zwei Schubstangen 3, die diese Brücken verbinden, ein Gelenkviereck gebildet. Die Brücke 2 befindet sich in einem Vakuumrezipienten 4, in den die Linearbewegung übertragen wird. Den Wälzschraubtrieb bilden eine Spindel 5, die symmetrisch zwischen den Schubstangen 3 und annähernd in einer Ebene mit diesen angeordnet ist, und eine Kugelumlaufmutter 6.The exemplary embodiment relates to the force-free transmission of a linear movement generated by a Wälzschraubtrieb in the vacuum recipient of an electron beam exposure system. According to FIG. 1, a four-bar linkage is formed from a first bridge 1 and a second bridge 2 as well as two push rods 3 which connect these bridges. The bridge 2 is located in a vacuum recipient 4, in which the linear movement is transmitted. The Wälzschraubtrieb form a spindle 5, which is arranged symmetrically between the push rods 3 and approximately in a plane therewith, and a ball nut. 6

Die Spindel 5 ist in zwei gegenseitig verspannten Lagern 7 an der Wand 8 des Vakuumrezipienten 4 gelagert.The spindle 5 is mounted in two mutually braced bearings 7 on the wall 8 of the vacuum recipient 4.

Die Kugelumlaufmutter 6 ist starr mit der Brücke 1 verbunden. Die Spielfreiheit der Brücke 1 gegen eine Drehung um die Spindelachse ist durch Anfedern zweier gegeneinander verspannter Kugellager 9, von denen eines fest mit der Brücke 1 verbunden ist, gegen eine Führungsleiste 10 gewährleistet. Die Schubstangen 3 laufen in Kugelpfannen 11 aus und werden mit diesen Kugelpfannen mittels eines Druckfedermechanismus 12 mit einstellbarer Federkraft gegen in der Brücke 1 eingearbeitete bzw. starr an ihr befestigte Kugelabschnitte 13 gedrückt, so daß um dieses Kugelgelenk nur eine Drehbewegung möglich ist. Die Lagerung der Schubstangen 3 an der sich im Vakuumrezipienten 4 befindlichen Brücke 2 ist analog.The ball nut 6 is rigidly connected to the bridge 1. The backlash of the bridge 1 against rotation about the spindle axis is ensured by springing two mutually braced ball bearings 9, one of which is firmly connected to the bridge 1, against a guide rail 10. The push rods 3 run out of ball sockets 11 and are pressed with these ball sockets by means of a compression spring mechanism 12 with adjustable spring force against incorporated in the bridge 1 or rigidly attached to her ball sections 13, so that this ball joint only a rotational movement is possible. The storage of the push rods 3 at the located in Vakuumrezipienten 4 bridge 2 is analogous.

Die hermetische Abdichtung des Vakuumrezipienten 4 gegen den Atmosphärendruck erfolgt an Durchführungen 14 der Schubstangen 3 mit Rollschlauchdichtungen 15 aus Elastomer.The hermetic sealing of the vacuum recipient 4 against the atmospheric pressure takes place at passages 14 of the push rods 3 with roller hose seals 15 made of elastomer.

Die Durchführungen 14 sind in ihrer lichten Weite so bemessen, daß sie die Bewegung des Geienkvierecks einschließlich der Rollschlauchdichtungen 15 nicht behindern.The passages 14 are dimensioned in their clear width so that they do not hinder the movement of Geienkvierecks including the rolling hose seals 15.

Um eine Verwindung des Gelenkvierecks sowie seine Lageänderung bezüglich den im Vakuumrezipienten 4 separat geführten Elementen 16, z. B. der Führung eines Objekttisches, zu verhindern, wird die Brücke 2 mittels .zweier senkrecht übereinander in der Mitte der Brücke 2 angeordneter analog ausgeführter gemeinsam verspannter Kugelgelenke 17 mit den Elementen 16 im Vakuumrezipienten 4 verbunden. Dabei tragen z.B. die Brücke 2 die Kugelpfannen und die Elemente 16 die Kugelabschnitte.To a distortion of the four-bar linkage and its change in position with respect to the vacuum recipient 4 separately guided elements 16, z. As the leadership of a stage, to prevent the bridge 2 by means of .zweier vertically superimposed in the middle of the bridge 2 arranged analogously executed jointly strained ball joints 17 with the elements 16 in the vacuum receiver 4. Thereby, e.g. the bridge 2 the ball pans and the elements 16 the ball sections.

Sollen größere als durch die Einbautoleranzen bedingte Winkelbewegungen des Gelenkvierecks bei geringster Reibung realisiert werden, so können die Kugelgelenke mit der Form der Kugelpfannen 11 angepaßten Kugelkäfigen ausgerüstet werden, in denen sich eine von der geforderten Steife und von den Platzverhältnissen abhängige Anzahl N(Nä3) Kugeln geeigneten Materials befinden kann.If greater than by the installation tolerances caused angular movements of the four-bar linkage with minimal friction can be realized, the ball joints can be equipped with the shape of the ball pans 11 adapted ball cages in which a dependent on the required stiffness and space N number (Nä3) balls suitable material can be located.

Das Auswandern des Kugelkäfiges aus der Pfanne bei der Bewegung des so entstandenen Kugellager-Kugel-Gelenkes wird durch eine entsprechende Formgebung der Kugelpfanne verhindert.The emigration of the ball cage from the pan during the movement of the resulting ball bearing ball joint is prevented by a corresponding shape of the ball socket.

In Figur 2 ist die Lagerung einer Schubstange 3 dargestellt, bei der sich der an der Brücke 1 befestigte Kugelabschnitt 13 in der Kugelpfanne 11 der Schubstange 3 bewegt. Zusätzlich ist der Druckfedermechanismus 12 dargestellt. Dieser Druckfedermechanismus wird über Gewindebolzen 18, Muttern 19 und Unterlegscheiben 20 gespannt, wodurch der Kugelabschnitt 13 in die Kugelpfanne 11 gedrückt wird.In Figure 2, the storage of a push rod 3 is shown, in which the attached to the bridge 1 ball portion 13 in the ball socket 11 of the push rod 3 moves. In addition, the compression spring mechanism 12 is shown. This compression spring mechanism is stretched over threaded bolts 18, nuts 19 and washers 20, whereby the ball portion 13 is pressed into the ball socket 11.

Claims

Device for transmitting a generated by a Wälzschraubtrieb consisting of spindle and recirculating ball nut, linear movement by means of push rods in a hermetically sealed processing chamber in which a connected to the ball nut, the first bridge and located within the processing chamber, second bridge are present, by two symmetrical arranged to the spindle push rods are interconnected, characterized in that the first bridge (1) with the recirculating ball nut (6) is rigidly connected, that the connections of the push rods (3) with the first and the second bridge (1, 2) each play-free Bearings (11; 13) of high stiffness for rotational movements about their bearing point and that the second bridge (2) with in the processing chamber (4) separately guided elements (16) by two vertically superimposed in the middle of the second bridge arranged, also backlash-free stock (17) high stiffness for rotary motion around its lag is connected.

For this

2 pages drawings