CN102200689A - 一种混合磁浮式的重力补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合磁浮式的重力补偿装置，包括静态重力补偿模块，该静态重力补偿模块包括：中间运动部件；位于中间运动部件周围的外部固定部件，外部固定部件与中间运动部件之间通过磁力作用使得中间运动部件处于径向悬浮状态，从而对中间运动部件进行垂向导向；位于中间运动部件下面的底部固定部件，底部固定部件与中间运动部件之间通过可调节的磁力作用来进行静态重力补偿。根据本发明，采用磁悬浮力，使相对运动的对象进行非接触的位移，并实现了对承片台静态重力补偿和水平向、垂向的解耦。

Description

一种混合磁浮式的重力补偿装置

技术领域

本发明涉及一种混合磁浮式的重力补偿装置。

背景技术

随着大规模集成电路器件集成度的不断提高，光刻分辨力的不断增强，对光刻机的特征线宽指标要求也在不断提升。目前，光刻机已经发展成为内部世界和外部世界的结合体，其中工件台、掩模台和照明系统三个独立世界分别减振隔振。

以微动模块为例，如何使承片台在曝光过程中免受工件台系统和基础框架振动的干扰至关重要，需要采用行之有效的方案对承片台进行减振和隔振。重力补偿器结构就是在此背景下发展起来的新型结构，通过主动减振与被动隔振结合的方式，完成对承片台的调平调焦，使微动模块形成一个独立的内部系统。

专利US6337484B1和US6473161B2公开了一种环形电机和活塞推杆型的重力补偿器装置。通过恒压室压力经活塞推杆传递至微动承片台底部维持其静态重力，通过环形电机实时调节承片台的垂向位移，并通过柔性铰链块、水平向气浮对RX/RY/X/Y解耦，垂向气浮辅助重力补偿器的动子在定子中垂向无摩擦位移。该方案对恒压室气压的控制严格，对空气压力传感器的精度要求很高；另外，气浮结构特别是侧向气浮对零件的加工工艺、气膜的厚度调节和测试都很复杂，所排出的压缩空气对周围环境造成的空气扰动也需要另外加装空气回收装置。

传统的重力补偿器结构主要采用空气恒压室提供静态重力补偿，音圈电机实时驱动作为动态重力补偿相结合的方式，或者仅采用音圈电机作为承片台的垂向执行器来完成调平调焦。前者的气浮结构在设计制造上具有一定难度且可能造成一定的气流扰动，后者电机发热太大势必影响承片台的热学性能。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明基于工件台系统为独立内部世界的结构方案，采用静态隔振和动态位置补偿结合的重力补偿器，并将其布置成均布式结构，共同对承片台进行调平调焦和隔振。本发明的技术方案将重力补偿装置结构分为两大模块，动态垂向位置补偿模块和静态重力补偿模块。本发明主要针对静态重力补偿模块提出，并具有水平解耦和垂向导向的辅助功能。具体地，本发明提供了一种混合磁浮式的重力补偿装置，包括静态重力补偿模块，该静态重力补偿模块包括：中间运动部件；位于中间运动部件周围的外部固定部件，外部固定部件与中间运动部件之间通过磁力作用使得中间运动部件处于径向悬浮状态，从而对中间运动部件进行垂向导向；位于中间运动部件下面的底部固定部件，底部固定部件与中间运动部件之间通过可调节的磁力作用来进行静态重力补偿。

根据本发明的一优选实施方式，中间运动部件为圆筒状，其包括由非导磁材料制成的筒壁以及装配于筒壁内的第一柱状永磁铁和第二柱状永磁铁，第二柱状永磁铁位于第一柱状永磁铁的下方；外部固定部件包括第一环形永磁铁和围绕该第一环形永磁铁设置的第一线圈；底部固定部件包括第三柱状永磁铁和围绕该第三柱状永磁铁设置的第二线圈，第三柱状永磁铁设置成与第二永磁铁产生相互排斥的作用力，通过控制第二线圈中的电流大小来调节相互排斥的作用力的大小。

其中，在垂向上第一环形永磁铁的位置可与第一柱状永磁铁的位置相对，并可通过控制第一线圈中的电流大小来调节第一环形永磁铁与第一柱状永磁铁之间作用力的大小。

根据本发明的另一优选实施方式，中间运动部件为圆筒状，其包括由非导磁材料制成的筒壁以及装配于筒壁内的第四柱状永磁铁和第二、第三环形永磁铁，第二、第三环形永磁铁分别设置在第四柱状永磁铁的上方和下方，第二、第三环形永磁铁与第四柱状永磁铁之间设有由磁场屏蔽材料制成的磁场屏蔽件，在第三环形永磁铁内还设置有第五柱状永磁铁；外部固定部件包括第一、第二超导体以及第四环形永磁铁和围绕该第四环形永磁铁设置的第三线圈，在垂向上第一、第二超导体以及第四环形永磁铁的位置分别与第二、第三环形永磁铁以及第四柱状永磁铁的位置相对，并通过控制第三线圈中的电流大小来调节第四环形永磁铁与第四柱状永磁铁之间作用力的大小；底部固定部件包括第三超导体，第三超导体设置成与第五永磁铁产生相互排斥的作用力。

其中，磁场屏蔽件具有一定的厚度，使得第二、第三环形永磁铁以及第五柱状永磁铁的磁力线与第四柱状永磁铁的磁力线互不干扰。

此外，根据本发明的重力补偿装置可进一步包括水平向解耦模块，该水平向解耦模块包括：柔性连接块，其上开有两层槽，形成十字对开的柔性铰链结构；安装于柔性块下部的第六永磁铁；在第六永磁铁下方的第四超导体，第四超导体与第六永磁铁产生相互排斥的作用力，从而使柔性连接块悬浮在第四超导体的上方，第四超导体具有位于中心的真空气孔，通过调节第六永磁铁和第四超导体之间的真空气流来调节垂向间隙，从而调节第六永磁铁和第四超导体之间的悬浮刚度。

可选地，水平向解耦模块可包括：柔性连接块，其上开有两层槽，形成十字对开的柔性铰链结构；安装于柔性块下部的第七永磁铁；在第七永磁铁下方的第八永磁铁和围绕第八永磁铁设置的第四线圈，第八永磁铁与第七永磁铁产生相互排斥的作用力，从而使柔性连接块悬浮在第八永磁铁的上方，通过控制第四线圈中的电流来调节第七永磁铁和第八永磁铁之间的悬浮刚度。

优选地，根据本发明的重力补偿装置还可进一步包括位于重力补偿装置的圆周外部或顶部、底部的磁场屏蔽件，磁场屏蔽件与装置的其它部件之间留有一定气隙。

根据本发明的技术方案，采用磁悬浮力，使相对运动的对象进行非接触的位移，并实现了对承片台静态重力补偿和水平向、垂向的解耦。

附图说明

图1示出了根据本发明的重力补偿装置的结构示意图；

图2示出了根据本发明一优选实施例的垂向重力补偿结构的示意图；

图3示出了根据本发明另一优选实施例的垂向重力补偿结构的示意图；

图4示出了根据本发明一优选实施例的水平向解耦结构的示意图；

图5示出了根据本发明另一优选实施例的水平向解耦结构的示意图；

图6示出了根据本发明的重力补偿装置的优选位置分布；

图7示出了利用根据本发明的重力补偿装置的承片结构示意图；

图8a示出了磁屏蔽方式；

图8b和图8c是磁屏蔽原理示意图。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。

如图1所示，连接部件102放置于微动承片台部件101的下方，连接部件102与其下方的顶部部件103共同组成水平(X/Y向)解耦部件；中间运动部件104和外部固定部件105组成垂向导向部件；中间运动部件104和底部固定部件106组成静态垂向重力补偿部件。解耦部件和导向部件共同组成运动部分，外部固定部件105和底部固定部件106为静止部分。当需要对该重力补偿装置进行垂向位移测量时，可采用差分传感器——传感器的定子部分108安装于底部固定部件106或外部固定部件105上，传感器的动子部分107安装于微动承片台部件101的底部。

参照图2，其示出了根据本发明一优选实施例的垂向重力补偿结构。壁筒201、第一柱状永磁铁202和第二柱状永磁铁205为中间运动部件，第一环形永磁铁203和第一线圈204为外部静止部件，第三柱状永磁铁206和第二线圈207为底部静止部件。因磁铁同性相斥原理，第二柱状永磁铁205受到第三柱状永磁铁206的斥力Ft而产生静态悬浮，如此可实现对微动承片台部件101的静态重力补偿。第三柱状永磁铁206周围放置有第二线圈207，当第二线圈207通电时，第三柱状永磁铁206和第二线圈207组成电磁铁，其磁场大小可由电流大小来调节改变。当微动承片台部件101的重力有所改变时，可以采用改变第二线圈207中电流大小的方式来进行不同载荷的静态重力补偿，而不需要更换该装置。第一环形永磁铁203和第一柱状永磁铁202也设置为同性相斥，第一柱状永磁铁202与第二柱状永磁铁205安装在筒壁201中，当第二柱状永磁铁205垂向位移时，第一环形永磁铁203与筒壁201因为相斥作用产生向心斥力F1和F2，发生径向悬浮。筒壁201因第一环形永磁铁203的径向悬浮作用而不与之接触，从而实现无摩擦位移，并隔离外部振动。第一线圈204中通电，可以调节这种悬浮作用，筒壁201由允许磁力线穿透的非导磁材料制成。

图3示出了根据本发明另一优选实施例的垂向重力补偿结构。其中，第二环形永磁铁302a、第三环形永磁铁302b、磁场屏蔽件304a和304b、第四柱状永磁铁307a以及第五柱状永磁铁307b安装于筒壁301中组成中间运动部件。第一超导体303a、第二超导体303b、第四环形永磁铁306以及第三线圈305为外部静止部件。第三超导体308为底部静止部件。第三超导体308处于超导态时，第五柱状永磁铁307b产生悬浮(迈斯纳效应)，可作为对微动承片台部件的静态重力补偿。同时，因第四柱状永磁铁307a和第四环形永磁铁306之间的同性相斥(N-N产生F1a和F1b)和异性相吸(S-N产生F2a和F2b)，使中间运动部件具有向上位移的趋势，从而加强了上述静态重力补偿的作用。第一超导体303a和第二环形永磁铁302a组成的径向悬浮结构与第二超导体303b和第三环形永磁铁302b组成的径向悬浮结构对称分布在第四环形永磁铁306和第四柱状永磁铁307a两侧，形成了外部固定部件对中间运动部件的无摩擦导向作用。当对第三线圈305中通入变化的电流时，第四环形永磁铁306与第四柱状永磁铁307a之间可产生不同的斥力。这样，第五柱状永磁铁307b和第三超导体308以及第三线圈305、第四环形永磁铁306和第四柱状永磁铁307a共同组成可调的静态补偿，可以满足不同的载荷要求。磁屏蔽件304a和304b为一定厚度的导磁材料，保证上下磁铁间磁力线互不干扰。筒壁301由允许磁力线穿透的非导磁材料制成，这样外部固定部件和中间运动部件才可以产生作用力。第一超导体303a、第二超导体303b和第三超导体308可由液氮冷却。

图4示出了根据本发明一优选实施例的水平向解耦结构的示意图。参照图4，安装于柔性连接块401下方的第六永磁铁402产生磁场，当第四超导体403处于超导状态时，由迈纳斯效应可知，第六永磁铁402与第四超导体403之间产生相斥力Ft，从而可以使柔性连接块401悬浮在第四超导体403表面，故柔性连接块401具有X/Y向自由度。第四超导体403具有真空气孔404，当真空气孔404连接真空泵时，第六永磁铁402和第四超导体403之间的真空气流可以调节垂向间隙，从而调节第六永磁铁402和第四超导体403之间的悬浮刚度。柔性连接块401上方的圆柱体上开有两层槽，形成十字对开的柔性铰链结构，使柔性连接块401具有RX/RY自由度。第四超导体403可由液氮冷却。

图5示出了根据本发明另一优选实施例的水平向解耦结构。如图5所示，安装于柔性连接块501下方的第七永磁铁502与第八永磁铁503同性相斥，第七永磁铁502受到向上的斥力Ft故相对第八永磁铁503悬浮，改变第四线圈504中的电流可以调节第七永磁铁502和第八永磁铁503之间的悬浮刚度。柔性连接块501上方的圆柱体上开有两层槽，形成十字对开的柔性铰链结构，使柔性连接块501具有RX/RY自由度。

图6示出了根据本发明的重力补偿装置的优选位置分布，其在微动承片台部件101下的工作位置，可单个布置，三个等边(或等腰)布置，四个均布。多个均布时，其几何中心必须落在微动承片台部件101的质心位置，并采用差动方式完成对微动承片台RX/RY调节，且对其质心驱动。每组重力补偿器顶部连接部件的柔性铰链结构在多个垂向差动时可自适应调整。

图7示出了利用根据本发明的重力补偿装置的承片结构示意图，具有等边布置的三个重力补偿装置。承片台部件101承载着硅片701，重力补偿装置601主体工作部分与承片台部件101相连接，其底部固定部件与粗动部件702相连接。

同时，为了防止重力补偿装置中永磁铁、电磁铁等部件产生磁场影响周围电机或传感器的正常工作，可对该装置进行磁场屏蔽。可以在磁浮重力补偿装置的圆周外部或顶部、底部布置磁导率约4000～50000或更高的高导磁材料如铁磁材料。隔磁材料与重力补偿装置部件之间留有一定气隙，间隙优选5～10mm；也可采用多层高磁导率材料，多层导磁材料的层间须有一定气隙，优选5～10mm，层数越多，隔磁效果越好，多层隔磁材料的累计相对导磁率优选50000～200000。图8a示出了桶状隔磁层802和盖板式隔磁层803相对于磁浮重力补偿装置601的分布位置。图8b、8c中将磁浮重力补偿装置601简化成磁铁模型，示出了加装隔磁层后磁力线的走向，解释了隔磁原理。

本发明引入了混合磁浮的方式来解决水平解耦和垂向导向和位置补偿，根据本发明的重力补偿装置具有五个自由度，相对运动无摩擦。采用磁浮代替气浮，可以避免US6337484B1和US6473161B2中的技术方案的高压气浮零件在加工、控制和检测方面的难题。此外，在水平解耦模块中引入超导体-真空和永磁铁-电磁铁的组合方式，使得磁浮间隙刚度可调。

本说明书中所描述的只是本发明的优选具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在如权利要求所界定的本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种混合磁浮式的重力补偿装置，包括静态重力补偿模块，其特征在于，所述静态重力补偿模块包括：

中间运动部件；

位于所述中间运动部件周围的外部固定部件，所述外部固定部件与所述中间运动部件之间通过磁力作用使得所述中间运动部件处于径向悬浮状态，从而对所述中间运动部件进行垂向导向；

位于所述中间运动部件下面的底部固定部件，所述底部固定部件与所述中间运动部件之间通过可调节的磁力作用来进行静态重力补偿。

2.如权利要求1所述的混合磁浮式的重力补偿装置，其特征在于，

所述中间运动部件为圆筒状，其包括由非导磁材料制成的筒壁以及装配于筒壁内的第一柱状永磁铁和第二柱状永磁铁，所述第二柱状永磁铁位于所述第一柱状永磁铁的下方；

所述外部固定部件包括第一环形永磁铁和围绕该第一环形永磁铁设置的第一线圈；

所述底部固定部件包括第三柱状永磁铁和围绕该第三柱状永磁铁设置的第二线圈，所述第三柱状永磁铁设置成与所述第二永磁铁产生相互排斥的作用力，通过控制所述第二线圈中的电流大小来调节相互排斥的作用力的大小。

3.如权利要求2所述的混合磁浮式的重力补偿装置，其特征在于，在垂向上所述第一环形永磁铁的位置与所述第一柱状永磁铁的位置相对，并通过控制所述第一线圈中的电流大小来调节所述第一环形永磁铁与所述第一柱状永磁铁之间作用力的大小。

4.如权利要求1所述的混合磁浮式的重力补偿装置，其特征在于，

所述中间运动部件为圆筒状，其包括由非导磁材料制成的筒壁以及装配于筒壁内的第四柱状永磁铁和第二、第三环形永磁铁，所述第二、第三环形永磁铁分别设置在所述第四柱状永磁铁的上方和下方，所述第二、第三环形永磁铁与所述第四柱状永磁铁之间设有由磁场屏蔽材料制成的磁场屏蔽件，在所述第三环形永磁铁内还设置有第五柱状永磁铁；

所述外部固定部件包括第一、第二超导体以及第四环形永磁铁和围绕该第四环形永磁铁设置的第三线圈，在垂向上所述第一、第二超导体以及第四环形永磁铁的位置分别与所述第二、第三环形永磁铁以及所述第四柱状永磁铁的位置相对，并通过控制所述第三线圈中的电流大小来调节所述第四环形永磁铁与所述第四柱状永磁铁之间作用力的大小；

所述底部固定部件包括第三超导体，所述第三超导体设置成与所述第五永磁铁产生相互排斥的作用力。

5.如权利要求4所述的混合磁浮式的重力补偿装置，其特征在于，所述磁场屏蔽件具有一定的厚度，使得所述第二、第三环形永磁铁以及所述第五柱状永磁铁的磁力线与所述第四柱状永磁铁的磁力线互不干扰。

6.如权利要求1-5中任一项所述的混合磁浮式的重力补偿装置，其特征在于，进一步包括水平向解耦模块，该水平向解耦模块包括：

柔性连接块，其上开有两层槽，形成十字对开的柔性铰链结构；

安装于所述柔性块下部的第六永磁铁；

在所述第六永磁铁下方的第四超导体，所述第四超导体与所述第六永磁铁产生相互排斥的作用力，从而使所述柔性连接块悬浮在所述第四超导体的上方，所述第四超导体具有位于中心的真空气孔，通过调节所述第六永磁铁和所述第四超导体之间的真空气流来调节垂向间隙，从而调节所述第六永磁铁和所述第四超导体之间的悬浮刚度。

7.如权利要求1-5中任一项所述的混合磁浮式的重力补偿装置，其特征在于，进一步包括水平向解耦模块，该水平向解耦模块包括：

柔性连接块，其上开有两层槽，形成十字对开的柔性铰链结构；

安装于所述柔性块下部的第七永磁铁；

在所述第七永磁铁下方的第八永磁铁和围绕所述第八永磁铁设置的第四线圈，所述第八永磁铁与所述第七永磁铁产生相互排斥的作用力，从而使所述柔性连接块悬浮在所述第八永磁铁的上方，通过控制所述第四线圈中的电流来调节所述第七永磁铁和所述第八永磁铁之间的悬浮刚度。

8.如权利要求6所述的混合磁浮式的重力补偿装置，其特征在于，进一步包括位于所述重力补偿装置的圆周外部或顶部、底部的磁场屏蔽件，所述磁场屏蔽件与装置的其它部件之间留有一定气隙。

9.如权利要求7所述的混合磁浮式的重力补偿装置，其特征在于，进一步包括位于所述重力补偿装置的圆周外部或顶部、底部的磁场屏蔽件，所述磁场屏蔽件与装置的其它部件之间留有一定气隙。

10.如权利要求8所述的混合磁浮式的重力补偿装置，其特征在于，所述磁场屏蔽件的磁导率为4000～50000。

Images