CN101807010B - 纳米精度六自由度磁浮微动台及应用 - Google Patents

纳米精度六自由度磁浮微动台及应用 Download PDF

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Abstract

纳米精度六自由度磁浮微动台及应用，主要应用于半导体光刻设备中。该微动台含有十字支架和四个两自由度致动器。每个两自由度致动器包括沿竖直方向极化的永磁体、水平力线圈以及竖直力线圈，永磁体固定于十字支架的末端，水平力线圈和竖直力线圈分别布置于永磁体的侧面和下面，并与永磁体保持间隙；十字支架和四块沿竖直方向极化的永磁体组成微动台的动子；水平力线圈和竖直力线圈分别由线圈骨架固定，组成微动台的定子；定子固定于微动台的基座上。采用两个所述的微动台，与两自由度大行程直线电机组合，可构成光刻机双硅片台定位系统。本发明具有结构简单，驱动力大，质量轻，无线缆扰动的特点，易于实现高精度、高加速度六自由度微运动。

Description

纳米精度六自由度磁浮微动台及应用
技术领域
本发明涉及一种纳米精度六自由度磁浮微动台，主要应用于半导体光刻设备中，属于超精密加工和检测设备技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展，人类在制造领域中采用的尺度由微米进入纳米。在这个过程中，高精度的微动台承担了实现纳米级定位和加工的任务。纳米精度微动台一般是指行程在毫米、精度达到纳米的运动平台。按照纳米精度微动台驱动技术与支承技术的发展过程，前后主要存在：压电陶瓷驱动、柔性铰链支承微动台，短行程音圈电机驱动、气浮支承微动台，以及洛仑兹电机驱动、磁浮支承微动台。
压电陶瓷配合柔性铰链，是实现微运动的一种常见型式，它具有结构紧凑、体积小、位移分辨率高的特点。但是，压电陶瓷存在运动范围较小的不足。要产生100微米的位移，通常需要100毫米长度的压电陶瓷片。压电陶瓷在电场的作用下也存在滞后、蠕变、非线性等不良特性，使其重复性降低，瞬态响应变慢，其位移特性还直接受信号频率、载荷状况以及历史条件等的影响。
短行程音圈电机驱动、气浮式微动台克服了传统接触式导轨无力满足高速、高加速度条件下高精度定位需要的缺陷，以其固有的无摩擦、低功耗、清洁、以及优异的动态响应特性而广泛用于单自由度或平面结构中。要实现六自由度，短行程音圈电机驱动、气浮式微动台通常采用多级逐层串联结构，导致微动台结构笨重，惯性增大，稳定建立时间延长。气浮式微动台也较难应用于真空环境。
洛仑兹电机驱动、磁浮式微动台是一种新型的微动台型式，是靠电磁力直接驱动，利用电磁场作用产生垂直于物体表面的方向力，并通过控制线圈中电流的大小来控制电磁力的大小，从而支承并带动微动台产生精密微运动。由于磁浮式微动台运动平台和驱动机构均采用非接触式的磁悬浮驱动技术，因此没有摩擦力和机械部件的磨损。与气浮式微动台相比，磁浮微动台具有无声、不存在高频振动的特点，同时又避免了气浮支承中存在气路、气源等复杂结构或部件的设置，在微动台行程、精度、实现多自由度方面具有较大的优势。根据电磁力产生的方式不同，磁浮式微动台通常可分为基于洛仑兹原理驱动和基于变磁阻原理驱动，按布置方式可以进一步分为动圈式和动铁式两种。
中国发明专利(ZL200710118130.5)公开了一种六自由度微动工作台，该微动工作台采用三自由度平面电机与三个竖直方向短行程音圈电机驱动组合而成，在拓扑结构上采用并联方式，突破了早期六自由度微动台普遍采用压电陶瓷驱动、柔性铰链支承，或采用气浮支承、短行程音圈电机多级逐层串联方式的局限，在结构设计上具有较大的创新。但该六自由度微动工作台采用水平方向三自由度和竖直方向三自由度组合式结构，并且水平方向采用了上下两层永磁体，竖直方向采用了三个短行程音圈电机，导致该六自由度微动台结构仍然较为复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型结构的纳米精度六自由度磁浮微动台，用于对光刻机硅片台定位误差进行纳米精度的动态补偿；并实现光刻机硅片台的调平调焦。
本发明的技术方案如下：
一种纳米精度六自由度磁浮微动台，含有十字支架和四个两自由度致动器，每个两自由度致动器包括沿竖直方向极化的永磁体、水平力线圈以及竖直力线圈；永磁体固定于十字支架的末端，水平力线圈和竖直力线圈分别布置于永磁体的侧面和下面，并与永磁体保持间隙；所述的十字支架和四块沿竖直方向极化的永磁体组成微动台的动子；水平力线圈和竖直力线圈分别由线圈骨架固定，组成微动台的定子；微动台的定子固定于微动台的基座上。
所述的六自由度微动台还包括四路双频激光干涉仪和四个电容传感器，作为位置反馈元件；双频激光干涉仪的反射镜固定在永磁体的侧面，用于检测水平方向的位移，电容传感器布置在微动台动子的下面，用于检测竖直方向的位移。
作为本发明的一种应用，其特征在于：采用两个本发明所述的纳米精度六自由度微动台，与两自由度大行程直线电机组合，构成光刻机双硅片台定位系统。
本发明所述纳米精度六自由度微动台的优点在于：结构简单，驱动力大，质量轻，散热方便，无线缆扰动，易于实现高精度、高加速度六自由度微运动。
附图说明
图1为本发明提供的纳米精度六自由度磁浮微动台三维结构图。
图2为六自由度微动台的三维结构分解图。
图3为两自由度致动器的工作原理图。
图4为六自由度微动台的工作原理。
图5为包含本发明所述六自由度微动台的光刻机双硅片台定位系统。
图中：
1-定子；2-动子；3-基座；5-永磁体；6-水平力线圈；7-竖直力线圈；8-线圈骨架；9-十字支架；10-反射镜；11-电容传感器；15-六自由度微动台；16-硅片；17-X1直线电机；18-X2直线电机；19-Y直线电机。
具体实施方式
图1和图2分别为本发明提供的纳米精度六自由度磁浮微动台的三维结构图和三维结构分解图。微动台含有十字支架9和四个两自由度致动器，每个两自由度致动器由沿竖直方向极化的永磁体5、水平力线圈6以及竖直力线圈7组成；永磁体5固定于十字支架9的末端，水平力线圈6和竖直力线圈7分别布置于永磁体5的侧面和下面，并与永磁体保持间隙。所述的十字支架9和四块沿竖直方向极化的永磁体5组成微动台的动子2；水平力线圈6和竖直力线圈7分别由线圈骨架8固定，组成微动台的定子1；微动台的定子1固定于微动台的基座3上。
本发明所提供的纳米精度六自由度磁浮微动台还包括四路双频激光干涉仪和四个电容传感器11，作为位置反馈元件；双频激光干涉仪的反射镜10固定在所述永磁体5的侧面，用于检测水平方向的位移，电容传感器11布置在微动台动子2的下面，用于检测竖直方向的位移。
图3为两自由度致动器的工作原理图。水平力线圈6位于永磁体5的侧面，由于水平力线圈6两侧中，靠近永磁体5的一侧，其磁感应强度要比远离永磁体5的另一侧大，因此当水平力线圈6通以电流时，尽管两侧电流大小相同，但由于磁感应强度不同，基于洛仑兹原理，导致线圈两侧分别产生一个洛仑兹力F1、F2，此二力的方向相反，但大小并不相同，此二力合成以后产生一个水平方向的驱动力。竖直力线圈7位于永磁体5的下面，由于磁场沿斜向穿过竖直力线圈7，当竖直力线圈7通以电流时，基于洛仑兹原理，线圈两侧同样分别产生一个洛仑兹力F3、F4，此二力大小相同，方向如图3所示，此二力合成后产生一个竖直方向支承力。
图4为本发明提供的纳米精度六自由度磁浮微动台的工作原理图。微动台包含四个两自由度致动器，根据图3所述的工作原理，每个两自由度致动器均产生一个水平方向驱动力，因此微动台总共受到四个水平方向驱动力作用，分别为Fh1、Fh2、Fh3和Fh4，这四个力通过不同方向组合(通过改变电流方向)，作用在微动台动子2上，可以驱动微动台动子2在水平面内沿X方向和Y方向平动，以及绕Z轴转动。根据图3所述的工作原理，每个两自由度致动器还产生一个竖直方向驱动力，因此微动台在竖直方向也总共受到四个支承力作用，分别为Fv1、Fv2、Fv3和Fv4，这四个力通过不同方向组合(通过改变电流方向)，作用在微动台动子2上，可以驱动微动台动子2在竖直方向沿Z方向平动，以及绕X轴和绕Y轴转动。
图5为包含2个本发明所述六自由度微动台的光刻机硅片台定位系统。该光刻机硅片台定位系统包含由大行程直线电机组成的粗动台和本发明所述的六自由度微动台15组成。硅片16位于六自由度微动台之上。粗动台由X1直线电机17、X2直线电机18以及Y直线电机19组成。Y直线电机19的动子与六自由度微动台15的定子连接，带动微动台上的硅片16做大行程高速运动。六自由度微动台15水平方向的运动对粗动台的大行程高速运动做精度动态补偿，以提高硅片台定位系统的精度；竖直方向的运动对硅片做调平和调焦。本定位系统采用了双硅片台结构，目的在于一个硅片台在曝光的同时，另一个硅片台可以进行曝光前的预对准，从而提高光刻机工作效率。

Claims (3)

1.一种纳米精度六自由度磁浮微动台，其特征在于：含有十字支架(9)和四个两自由度致动器，每个两自由度致动器包括沿竖直方向极化的永磁体(5)、水平力线圈(6)以及竖直力线圈(7)；永磁体(5)固定于十字支架(9)的末端，水平力线圈和竖直力线圈分别布置于永磁体的侧面和下面，并与永磁体保持间隙；所述的十字支架(9)和四块沿竖直方向极化的永磁体(5)组成微动台的动子(2)；水平力线圈和竖直力线圈分别由线圈骨架(8)固定，组成微动台的定子(1)；微动台的定子(1)固定于微动台的基座(3)上。
2.按照权利要求1所述的一种纳米精度六自由度微动台，其特征在于：所述的纳米精度六自由度磁浮微动台还包括四路双频激光干涉仪和四个电容传感器(11)，作为位置反馈元件；双频激光干涉仪的反射镜(10)固定在所述永磁体(5)的侧面，用于检测水平方向的位移，电容传感器(11)布置在微动台动子(2)的下面，用于检测竖直方向的位移。
3.一种光刻机双硅片台定位系统，其特征在于：所述的光刻机双硅片台定位系统采用两个如权利要求1所述的纳米精度六自由度微动台，与两自由度大行程直线电机组合而成。
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