CN103034065A

CN103034065A - 磁浮重力补偿器及光刻装置

Info

Publication number: CN103034065A
Application number: CN2011102990708A
Authority: CN
Inventors: 夏海; 陈庆生; 徐涛
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: CN103034065B

Abstract

本发明公开一种磁浮重力补偿器，包括定子和动子，该动子通过磁力悬浮于该定子之上，该定子包括第一磁环、线圈环及第四磁环，该动子包括第二磁环及第三磁环，所述第一磁环、第二磁环、线圈环、第三磁环、第四磁环依次由内向外同心设置。本发明还公开一种使用该磁浮重力补偿器的光刻装置。

Description

磁浮重力补偿器及光刻装置

技术领域

本发明涉及集成电路装备制造领域，尤其涉及一种磁浮重力补偿器及使用该补偿器的光刻装置。

背景技术

光刻设备是一种将掩模图案曝光成像到硅片上的设备，主要用于集成电路IC或其它微型器件的制造。光刻装置大体上分为两类：一类是步进光刻装置，掩模图案一次曝光成像在硅片的一个曝光区域，随后硅片相对于掩模移动，将下一个曝光区域移动到掩模图案和投影物镜下方，再一次将掩模图案曝光在硅片的另一曝光区域，重复这一过程直到硅片上所有曝光区域都拥有掩模图案的像；另一类是步进扫描光刻装置，在上述过程中，掩模图案不是一次曝光成像，而是通过投影光场的扫描移动成像。在掩模图案成像过程中，掩模与硅片同时相对于投影系统和投影光束移动。

随着大规模集成电路器件集成度的不断提高，光刻分辨率的不断增强，对光刻机特征线宽指标要求也在不断提升。当前，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、掩模台及其照明系统三个独立的世界分别进行减振。考虑微动模块，需要对承片台或承版台进行有效的减振，使其在曝光过程中免受其他系统的干扰。重力补偿器就是在此背景下发展起来的新型结构，通过主被动减振技术，完成对承片台或承版台的调平调焦，使微动模块形成一个独立的内部世界。

专利US6337484B1公开了一种音圈电机和活塞推杆的重力补偿器。通过活塞底部的恒压室来补偿承片台或承版台的重力作用，通过音圈电机实时补偿垂向位移，达到主动减振效果。该方案对恒压室的气压要进行严格控制，同时径向气浮轴承和垂向气浮轴承的设计对活塞推杆的设计和加工工艺都提出很高的要求。所排出的压缩空气对周围环境造成的空气扰动也需要加装空气回收装置。传统重力补偿器主要采用空气恒压室提供静态重力补偿，采用音圈电机进行实时动态补偿，完成调平调焦；或者采用音圈电机直接作为垂向执行器来完成动静态重力补偿。前者由于采用气浮结构，其设计制造上有一定难度，且可能造成气流扰动，引起系统不稳定。后者电机发热过大，引起承片台或承版台热学性能，影响光刻精度。

专利US006791443B2提出了一种磁浮重力补偿器。通过动定子之间的磁浮力产生悬浮力来补偿静态重力。动子上的线圈对定子上磁铁产生的磁场进行切割产生洛伦茨力，来进行动态补偿。该专利在动子上布置有磁铁和线圈，布置空间有限。需要产生足够大的磁浮力来平衡重力，对磁铁的布置产生一定难度。另外动子上的线圈会产生热量，直接传递到承片台或承版台，引起负载物的热膨胀，影响精度。

因此，光刻设备中亟需要一种新的磁浮重力补偿器，既能克服气浮轴承所具有的不稳定的缺点，有能产生足够大的磁浮力来平衡重力。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种磁浮重力补偿器及光刻装置，一方面能通过磁铁之间的磁力产生悬浮力，补偿重力作用，另一方面能通过线圈切割磁场产生洛伦茨力，进行主动补偿隔振。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种磁浮重力补偿器，包括定子和动子，该动子通过磁力悬浮于该定子之上，该定子包括第一磁环、线圈环及第四磁环，该动子第二磁环及第三磁环，所述第一磁环、第二磁环、线圈环、第三磁环、第四磁环依次由内向外同心设置。

更进一步地，该第一磁环包括磁极方向相反的上半磁环和下半磁环，该第四磁环包括磁极方向相反的上半磁环和下半磁环。

该第一磁环的上半磁环和第四磁环的上半磁环的磁极方向相同。

所述第二磁环的磁极方向与第一磁环的下半磁环磁极方向相反，所述第三磁环的磁极方向与第四磁环的下半磁环磁极方向相反。

本发明中，所述磁极方向是指在磁铁内部由S磁极指向N磁极的方向。

更进一步地，该第一磁环、第四磁环及线圈环分别通过一支架与该定子固定，该第二磁环、第三磁环分别通过一支架与该动子固定。该支架由不导磁材料制成。

更进一步地，该第一、第四磁环高度相同，该线圈环的高度小于第二磁环及第三磁环的高度。

更进一步地，该线圈环及线圈支架均通过一冷却单元与该定子固定。该冷却单元为由高导热率材料制成的冷却板，所述冷却板上设置有若干水冷通路。

本发明还公开一种光刻装置，包括：一照明单元，用于提供曝光光束；一掩模台，用于支撑一掩模；一工件台，用于支撑一基底并提供六自由度运动；一投影物镜，用于将掩模上图形按一定比例投射至基底；该工件台包括任一项如上文所述的磁浮重力补偿器。

与现有技术相比较，本发明所提供的磁浮重力补偿器，一方面通过磁铁之间的磁力产生悬浮力，补偿重力作用，另一方面通过线圈切割磁场产生洛伦茨力，进行主动补偿隔振。动定子之间的水平向和垂向有较小的刚度，能起到很好的被动隔振效果。

本发明磁浮重力补偿器的动子和定子之间的磁铁根据同性相斥，异性相吸原理产生悬浮力，以补偿重力作用，同时使动定子之间的悬浮刚度较小，起到被动隔振作用。水平向同样有较小的刚度，在水平向也有很好的被动隔振效果。水平向的磁力能保证动子保持平衡，起到垂向导向作用。动子上的磁铁产生径向磁通，定子上的线圈切割该磁场，产生洛伦茨力，进行主动补偿减振。由于线圈固定在定子上，使线圈产生的热量不直接传递到动子承载的负载物。线圈的高度要略小于动子上磁铁的高度，主要是使在磁场边缘处产生的洛伦茨力不至于波动过大。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是本发明所涉及的磁浮重力补偿器一剖面的示意图；

图2是本发明所涉及的磁浮重力补偿器的磁力受力分析示意图；

图3是本发明所涉及的磁浮重力补偿器的结构示意图；

图4是本发明所涉及的磁浮重力补偿器的磁力线分布示意图；

图5是本发明所涉及的磁浮重力补偿器所产生的悬浮力的仿真示意图；

图6是本发明所涉及的磁浮重力补偿器所产生的悬浮刚度的仿真示意图；

图7是本发明所涉及的磁浮重力补偿器所产生的水平向刚度的仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的一种具体实施例的磁浮重力补偿器及应用该磁浮重力补偿器的光刻装置。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，在以下描述中所使用的“径向”一词主要指指向圆心或远离圆心的方向；“径向向内”一词主要指指向圆心的方向；“径向向外”一词主要指远离圆心的方向，“垂向”一词主要指于重力相平行的方向。

如图1 所示，所示为重力补偿器的一剖面的示意图。该悬浮重力补偿器包括动子101和定子102。磁铁105a和105b通过磁铁支架103固定在动子101上。磁铁105c，105d通过磁铁支架103c固定在定子102上，105e，105f通过磁铁支架103d固定在定子102上。线圈绕组104缠绕在线圈绕组支架107上，并通过冷却板106固定在定子102上。冷却板106结构上开有水冷通道。该磁浮重力补偿器的整体结构示意图，如图3所示，磁铁，磁铁支架和线圈绕组支架均为环状。动子和定子磁铁的磁极方向均为径向。磁铁105a，105b，105c及105e磁极方向为径向向外，磁铁105d，105f的磁极方向为径向向内（参见图1、图2中磁铁内箭头所示）。

动定子之间磁铁的受力分析如图2所示。磁铁105a和105c之间有垂向和径向的作用力与反作用力

和

，其方向如图2所示。同理，磁铁105a和105d之间有垂向和径向的作用力与反作用力

和

,磁铁105b和105e之间有垂向和径向的作用力与反作用力

和

，磁铁105b和105f之间有垂向和径向的作用力与反作用力

和

。作用于磁铁105a和105b的垂向力

，

，

和

之合力能平衡动子的重力，使动子悬浮。当动子处于中心位置时，作用于磁铁105a和105b的径向力

和

相互抵消，径向力

和

也同样相互抵消，同时径向力

和

产生的扭矩

和径向力

和

产生的扭矩

也相互抵消，使动子在水平向保持平衡。

当动子偏离中心位置一定距离时，磁铁105a和磁铁105c、105d之间的距离增大（或者减小），使径向力

和

均增大（或者减小），产生的合力保持为零，产生的扭矩增大（或者减小），相对应的径向力

和

减小（或者增大），产生的合力保持为零，产生的扭矩

减小（或者增大），两者产生的合扭矩

（

）相应的变化。由于该结构为轴对称结构，则与其对称位置必然产生反向的扭矩

，其大小与

相同，使定子保持平衡。

当动子偏离中心位置一定角度时，磁铁105a和105d之间的距离，磁铁105b和105e之间的距离增大（或者减小），使径向力

和的合力和产生的扭矩

不为零，并且随着转动角度不同而变化；相对应的径向力

和

的合力和产生的扭矩

不为零，并且随着转动角度不同而变化。由于该结构为轴对称结构，则与其对称位置必然产生反向的合力和扭矩，其大小与之相同，使定子保持平衡。

如图3中所示，图3是本发明所涉及的磁浮重力补偿器的结构示意图。其中动子通过磁作用力悬浮于定子之上。动子磁铁和定子的磁铁构成若干磁环，线圈也形成一线圈环。动子的磁环由1072和1073组成。定子从内往外依次为：磁环1071，线圈环106和磁环1074，其中磁环1071和磁环1074分别由位于上半部和下半部的磁极方向相反的磁铁组成（参见图1）。磁铁支架103和线圈绕组支架107均为不导磁材料，可以选为铝合金材料或者陶瓷等，但不仅限于这两种材料。冷却板选择导热系数大的材料，可以选为铝合金材料，但不限于这一种材料。

线圈固定于定子上，使线圈产生的热量不直接传递到动子承载的负载物上。线圈的高度要略小于动子上磁铁的高度，主要是使在磁场边缘处产生的洛伦茨力不至于波动过大。

所述重力补偿器的磁力线分布如图4所示。根据同性相吸，异性相斥原理，动子的磁铁与定子的磁铁之间能产生悬浮力，以补偿重力。通过仿真，其产生的悬浮力曲线如图5所示，悬浮力的大小与磁铁的厚度，磁铁之间的距离有关。如果需要产生更大的悬浮力可以通过减小磁铁环之间的距离或者增大磁铁的厚度来实现。悬浮刚度曲线如图6所示。在负的垂向位移段所述减振器动定子之间表现出正刚度特性，在正的垂向位移段表现出负刚度特性。水平向刚度如图7所示，其刚度保持在300N/m幅值之内，为较小的水平向刚度，在水平向能有很好的被动隔振性能，且便于进行伺服控制。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，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，皆应在本发明的范围之内。

Claims

1. 一种磁浮重力补偿器，包括定子和动子，其特征在于，所述动子通过磁力悬浮于所述定子之上，所述定子包括第一磁环、线圈环及第四磁环，所述动子包括第二磁环及第三磁环，所述第一磁环、第二磁环、线圈环、第三磁环、第四磁环依次由内向外同心设置。

2.如权利要求1所述的磁浮重力补偿器，其特征是，所述第一磁环包括磁极方向相反的上半磁环和下半磁环，所述第四磁环包括磁极方向相反的上半磁环和下半磁环。

3.如权利要求1所述的磁浮重力补偿器，其特征是，所述第一磁环的上半磁环和第四磁环的上半磁环的磁极方向相同。

4.如权利要求2或3所述的磁浮重力补偿器，其特征是，所述第二磁环的磁极方向与第一磁环的下半磁环磁极方向相反，所述第三磁环的磁极方向与第四磁环的下半磁环磁极方向相反。

5.如权利要求1所述的磁浮重力补偿器，其特征是，所述第一磁环、第四磁环及线圈环分别通过一支架与所述定子固定，所述第二磁环、第三磁环分别通过一支架与所述动子固定。

6.如权利要求1所述的磁浮重力补偿器，其特征是，所述第一、第四磁环高度相同，所述线圈环的高度小于第二磁环及第三磁环的高度。

7.如权利要求5所述的磁浮重力补偿器，其特征是，所述线圈环及线圈支架均通过一冷却单元与所述定子固定。

8.如权利要求7所述的磁浮重力补偿器，其特征是，所述冷却单元为由高导热率材料制成的冷却板，所述冷却板上设置有若干水冷通路。

9.如权利要求5所述的磁浮重力补偿器，其特征是，所述支架由不导磁材料制成。

10.一种光刻装置，其特征在于，包括：

一照明单元，用于提供曝光光束；

一掩模台，用于支撑一掩模；

一工件台，用于支撑一基底并提供六自由度运动；

一投影物镜，用于将掩模上图形按一定比例投射至基底；

所述工件台包括如权利要求1至9任一项所述的磁浮重力补偿器。