CN103048891A

CN103048891A - 一种六自由度磁浮微动台

Info

Publication number: CN103048891A
Application number: CN2012105741858A
Authority: CN
Inventors: 谭久彬; 杨远源; 王雷
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: CN103048891B

Abstract

一种六自由度磁浮微动台属于半导体制造装备；该装置包括激光干涉测量系统、电容位移传感器、微动台本体及六自由度驱动电机，该电机水平和垂向驱动均采用呈三角形布置的三个驱动器解耦控制，单个水平驱动器采用在水平驱动线圈上下对称布置动子磁钢的方式，水平运动磁场均匀易于扩展水平行程，单个垂向驱动器运动磁钢仍采用上下对称布置方式，垂向运动定子采用永磁体和线圈复合形式，在提高垂向驱动力的同时具有永磁体磁浮重力补偿功能，有利于微动台保持恒温环境，该装置结构紧凑，水平驱动力大，水平行程易于扩展适用于光刻机工件台水平高速高加速运动的工作需求。

Description

一种六自由度磁浮微动台

技术领域

本发明属于半导体制造装备技术领域，主要涉及一种六自由度磁浮微动台。

背景技术

光刻机是极大规模集成电路制造中关键的超精密装备，同时也是摩尔定律能够得到持续验证的保证。光刻机的分辨率和套刻精度决定了集成电路芯片的最小线宽，而对最小线宽的不断追求使更高密度的集成电路得以实现。另外，为降低集成电路芯片的生产成本，光刻机的产率也是光刻技术追求的目标。光刻机工件台技术作为光刻机的三大核心技术之一，在很大程度上决定了光刻机的分辨率、套刻精度和产率。

双工件台技术是目前提高光刻机生产效率的主流技术手段，相对于单纯提高工件台的速度和加速度而言，技术难度更低，效果更好。目前的代表产品为荷兰ASML公司基于TwinScan技术即双工件台技术的光刻机。

光刻机中工件台主要分为掩模台和硅片台，掩模台承载光刻掩模板而硅片台则承载硅片运动，为解决硅片和掩模板在高速高加速运动条件下大行程和高精度之间的矛盾，有人提出了宏微结合的驱动技术。即掩模台和硅片台均采用宏动装置承载微动台的复合运动控制模式，利用宏动装置实现微动台的大行程而微动台六自由度超精密控制对其进行补偿，最终实现硅片和掩模板的高速高加速运动条件下实现大行程和高精度运动控制。因此决定光刻机工件台最终定位精度的关键部件是六自由度微动台。

目前光刻机领域运用的超精密微动台主要分为气浮和磁浮支撑两种。磁浮支撑优势在于可运用在真空环境，因此是深紫外和极紫外光刻技术的必然选择。ASML公司的美国专利US 6337484公布了一种六自由度磁浮微动台的结构形式，该装置的Z向气浮采用三个重力补偿器实现，并同时实现了水平和垂直运动解耦，该方案是气浮六自由度微动台的经典结构。清华大学中国专利CN101078889A公布了一种6自由度微动工作台，该装置在水平和垂直方向均采用电磁力直接驱动形式，工作时无机械摩擦和阻尼，同时采用基于洛伦兹原理的电磁驱动方式，即电磁力与输入电流为线性关系，相对于三相交流控制方式，具有控制成熟的优势，但Z向磁浮支撑是由三个沿竖直方向布置的三个电磁驱动单元持续提供电磁力实现，即没有气浮支撑的重力补偿功能，增加了多余的热耗散，这会对光刻机微动台工作的严苛恒温环境产生不利影响，因此有待改进。德克萨斯A&M大学Won-jong Kim所在课题组提出一种六自由度磁浮微动台，该在成果发表在Precision Engineering杂志(2007年31卷4期337-350页)，文章题目为Design and precision construction of novel magnetic-levitation-basedmulti-axis nano-scale positioning systems。该微动台分为Y型和Δ型两种结构，采用激光干涉仪测量水平位移，三个电容传感器测量垂向位移，水平和垂向驱动均采用三个等同的电磁驱动器，且共用三个永磁体，具有结构简单易于控制的优点，但存在驱动力小和行程难以扩展的缺陷。清华大学中国专利CN101807010A公布了一种上述方案的改进型六自由度磁浮微动台，该装置采用十字型结构，十字支架装有一个两自由度致动器，相对Won-jong Kim课题组六自由度微动台方案，驱动力有所增加，且X向和Y向运动时可实现双驱，驱动力过微动台中心，六个驱动器驱动方式相同，易于控制，但仍存在单永磁体带来的磁场分布不均匀的缺陷，扩展行程时带来非线性控制的困难，且磁浮仍采用电磁方式，增加热耗散，在负载质量增大时更为明显，对微动台的恒温环境不利，有待改进。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提出了一种六自由度磁浮微动台。该装置水平和垂向驱动均采用三个驱动器解耦控制，且驱动器动子磁钢均采用上下对称布置方式，具有水平运动磁场均匀易于扩展行程、垂向运动磁场强驱动力大的优势，同时在垂向采用永磁体磁浮方式，重力补偿不产热，有利于微动台保持恒温环境。

本发明的目的是这样实现的：

一种六自由度磁浮微动台，该装置包括微动台本体和激光干涉测量系统，所述的微动台本体由载物台、基座、电机安装架、电容位移传感器和六自由度驱动电机构成，其中六自由度驱动电机包括电机动子和电机定子，且载物台固装在电机动子上，电机定子通过电机安装架固装在基座上，电容位移传感器配置在载物台和基座之间；所述的电机动子包括由磁钢安装架上板、磁钢安装架下板、立柱、支撑块、水平运动磁钢以及垂向运动磁钢，其中磁钢安装架上板和磁钢安装架下板通过位于二者之间的立柱和支撑块固装在一起，水平运动磁钢和垂向运动磁钢呈等边三角形状均布配装在磁钢安装架上板底面和磁钢安装架下板顶面对应位置上；所述的电机定子包括线圈盒上板、线圈盒下板、水平运动线圈以及由在垂向运动定子磁钢顶面和底面上配装的垂向运动定子线圈构成的垂向运动定子，其中水平运动线圈和垂向运动定子呈等边三角形均匀配装在线圈盒下板的对应空腔内，由线圈盒上板覆盖密封；六自由度驱动电机位于初始状态时，水平运动线圈位于上下两侧对称的水平运动磁钢中心位置，且水平运动线圈左、右部分分别位于磁场方向相反的水平运动磁钢左、右部分中心，垂向运动定子处于上下两侧对称垂向运动磁钢中心位置，且垂向运动定子和垂向运动磁钢的轴线重合，上下两侧垂向运动磁钢的磁极方向相同，并与垂向运动定子磁钢的磁极方向相反，配置在垂向运动定子磁钢顶面和底面上的垂向运动定子线圈电流方向相反；所述的激光干涉测量系统包括双频激光器、1/2分光棱镜、反射棱镜A、反射棱镜B、X向位移干涉测量光路、Y向位移干涉测量光路和L型反射镜，所述的1/2分光棱镜布置在双频激光器出射光路上，X向位移干涉测量光路布置在1/2分光棱镜透射光路上，反射棱镜A布置在1/2分光棱镜反射光路上，反射棱镜B布置在反射棱镜A的反射光路上，Y向位移干涉测量光路布置在反射棱镜A的反射光路上，L型反射镜配装在载物台上，其两个相互垂直的反射面分别与X向位移干涉测量光路和Y向位移干涉测量光路的出射光路垂直；所述的X向位移干涉测量光路包括偏振分光镜A、角锥棱镜A、角锥棱镜B、1/4玻片A和接收器A，其中偏振分光镜A位于1/2分光棱镜透射光路上，1/4玻片A布置在偏振分光镜A的透射光路上，且位于偏振分光镜A与L型反射镜X向反射面之间，角锥棱镜A和角锥棱镜B对称布置在偏振分光镜A的双向反射光路上，接收器A布置在偏振分光镜A的反向透射光路上；Y向位移干涉测量光路包括偏振分光镜B、角锥棱镜C、角锥棱镜D、1/4玻片B和接收器B，其中偏振分光镜B位于反射棱镜B反射光路上，1/4玻片B布置在偏振分光镜B的透射光路上，且位于偏振分光镜A与L型反射镜Y向反射面之间，角锥棱镜C和角锥棱镜D对称布置在偏振分光镜B的双向反射光路上，接收器B布置在偏振分光镜B的反向透射光路上。

本发明技术优势和有益效果有：微动台六自由度采用非接触式直驱方式，无摩擦和机械阻尼，具有高刚度和高频响优点；垂向采用永磁体磁浮重力补偿方式，可减小微动台热耗散，利于微动台保持恒温环境；水平驱动磁钢采用上下对称布置方式，磁场均匀易于扩展微动台行程且磁场强水平驱动力大，适用于光刻机工件台水平高速高加速度的工作要求。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明微动台主体结构示意图；

图3是本发明电容传感器分布示意图；

图4是本发明激光干涉测量光路示意图；

图5是本发明六自由度驱动电机结构示意图；

图6是本发明六自由度驱动电机结构爆炸视图；

图7是本发明六自由度驱动电机动子磁钢分布示意图；

图8是本发明六自由度驱动电机定子线圈分布示意图；

图9是本发明六自由度驱动电机垂向运动定子结构示意图；

图10是本发明六自由度驱动电机水平驱动结构示意图；

图11是本发明六自由度驱动电机水平驱动原理图；

图12是本发明六自由度驱动电机垂直驱动结构示意图；

图13是本发明六自由度驱动电机垂直驱动原理图；

图14是本发明驱动力分布示意图。

图中件号：1-微动台本体；1-1-载物台；1-2-基座；1-3-电机安装架；1-4-电容位移传感器；1-5-六自由度驱动电机；1-5-1-电机动子；1-5-1-1-磁钢安装架上板；1-5-1-2-磁钢安装架下板；1-5-1-3-立柱；1-5-1-4-支撑块；1-5-2-电机定子；1-5-2-1-线圈盒上板；1-5-2-2-线圈盒下板；1-5-3-水平运动磁钢；1-5-4-垂向运动磁钢；1-5-5-水平运动线圈；1-5-6-垂向运动定子；1-5-6-1-垂向运动定子线圈；1-5-6-2-垂向运动定子磁钢；2-激光干涉测量系统；2-1-双频激光器；2-2-1/2分光棱镜；2-3-反射棱镜A；2-4-反射棱镜B；2-5-X向位移干涉测量光路；2-5-1-偏振分光镜A；2-5-2-角锥棱镜A；2-5-3-角锥棱镜B；2-5-4-1/4玻片A；2-5-5-接收器A；2-6-Y向位移干涉测量光路；2-6-1-偏振分光镜B；2-6-2-角锥棱镜C；2-6-3-角锥棱镜D；2-6-4-1/4玻片B；2-6-5-接收器B；2-7-L型反射镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式进行详细说明。

一种六自由度磁浮微动台，该装置包括微动台本体1和激光干涉测量系统2，所述的微动台本体1由载物台1-1、基座1-2、电机安装架1-3、电容位移传感器1-4和六自由度驱动电机1-5构成，其中六自由度驱动电机1-5包括电机动子1-5-1和电机定子1-5-2，且载物台1-1固装在电机动子1-5-1上，电机定子1-5-2通过电机安装架1-3固装在基座1-2上，电容位移传感器1-4配置在载物台1-1和基座1-2之间；所述的电机动子1-5-1包括由磁钢安装架上板1-5-1-1、磁钢安装架下板1-5-1-2、立柱1-5-1-3、支撑块1-5-1-4、水平运动磁钢1-5-3以及垂向运动磁钢1-5-4，其中磁钢安装架上板1-5-1-1和磁钢安装架下板1-5-1-2通过位于二者之间的立柱1-5-1-3和支撑块1-5-1-4固装在一起，水平运动磁钢1-5-3和垂向运动磁钢1-5-4呈等边三角形状均布配装在磁钢安装架上板1-5-1-1底面和磁钢安装架下板1-5-1-2顶面对应位置上；所述的电机定子1-5-2包括线圈盒上板1-5-2-1、线圈盒下板1-5-2-2、水平运动线圈1-5-5以及由在垂向运动定子磁钢1-5-6-2顶面和底面上配装的垂向运动定子线圈1-5-6-1构成的垂向运动定子1-5-6，其中水平运动线圈1-5-5和垂向运动定子1-5-6呈等边三角形均匀配装在线圈盒下板1-5-2-2的对应空腔内，由线圈盒上板1-5-2-1覆盖密封；六自由度驱动电机1-5位于初始状态时，水平运动线圈1-5-5位于上下两侧对称的水平运动磁钢1-5-3中心位置，且水平运动线圈1-5-5左、右部分分别位于磁场方向相反的水平运动磁钢1-5-3左、右部分中心，垂向运动定子1-5-6处于上下两侧对称垂向运动磁钢1-5-4中心位置，且垂向运动定子1-5-6和垂向运动磁钢1-5-4的轴线重合，上下两侧垂向运动磁钢1-5-4的磁极方向相同，并与垂向运动定子磁钢1-5-6-2的磁极方向相反，配置在垂向运动定子磁钢1-5-6-2顶面和底面上的垂向运动定子线圈1-5-6-1电流方向相反；所述的激光干涉测量系统2包括双频激光器2-1、1/2分光棱镜2-2、反射棱镜A 2-3、反射棱镜B2-4、X向位移干涉测量光路2-5、Y向位移干涉测量光路2-6和L型反射镜2-7，所述的1/2分光棱镜2-2布置在双频激光器2-1出射光路上，X向位移干涉测量光路2-5布置在1/2分光棱镜2-2透射光路上，反射棱镜A 2-3布置在1/2分光棱镜2-2反射光路上，反射棱镜B2-4布置在反射棱镜A 2-3的反射光路上，Y向位移干涉测量光路2-6布置在反射棱镜B2-4的反射光路上，L型反射镜2-7配装在载物台1-1上，其两个相互垂直的反射面分别与X向位移干涉测量光路2-5和Y向位移干涉测量光路2-6的出射光路垂直；所述的X向位移干涉测量光路2-5包括偏振分光镜A2-5-1、角锥棱镜A2-5-2、角锥棱镜B2-5-3、1/4玻片A2-5-4和接收器A2-5-5，其中偏振分光镜A2-5-1位于1/2分光棱镜2-2透射光路上，1/4玻片A2-5-4布置在偏振分光镜A2-5-1的透射光路上，且位于偏振分光镜A2-5-1与L型反射镜2-7X向反射面之间，角锥棱镜A2-5-2和角锥棱镜B2-5-3对称布置在偏振分光镜A2-5-1的双向反射光路上，接收器A2-5-5布置在偏振分光镜A2-5-1的反向透射光路上；Y向位移干涉测量光路2-6包括偏振分光镜B2-6-1、角锥棱镜C2-6-2、角锥棱镜D2-6-3、1/4玻片B2-6-4和接收器B2-6-5，其中偏振分光镜B2-6-1位于反射棱镜B2-4反射光路上，1/4玻片B2-6-4布置在偏振分光镜B2-6-1的透射光路上，处于偏振分光镜A2-6-1与L型反射镜2-7Y向反射面之间，角锥棱镜C2-6-2和角锥棱镜D2-6-3对称布置在偏振分光镜B2-6-1的双向反射光路上，接收器B2-5-5布置在偏振分光镜B2-6-1的反向透射光路上。

本发明的工作原理如下：

如图1、图3所示，激光干涉测量系统2用于测量载物台1-1的水平位移X、Y两个自由度，三个电容位移传感器1-4用于测量载物台1-1相对于基座1-2的垂向位移Z，并解算出RX、RY两个自由度。该装置水平驱动原理如图10、图11所示，上下对称分布的水平运动磁钢1-5-3使水平运动线圈1-5-5两侧处于方向相反的匀强磁场中，水平运动线圈1-5-5两侧电流方向相反，整个水平合力方向相同，改变电流方向和大小即实现驱动力Fh的控制，三个互成120°分布的水平驱动力Fh合成即可实现载物台1-1的三个自由度X、Y、RZ的驱动控制。该装置垂向驱动和磁浮原理如图12、图13所示，垂向运动定子1-5-6处于上下两侧对称垂向运动磁钢1-5-4中心位置，垂向运动定子磁钢1-5-6-2的磁极方向与垂向运动磁钢1-5-4磁极方向相反，受到上下两个方向排斥力Fv1和Fv2，工作时Fv1与Fv2的差值即可补偿微动台运动部件重力，此时垂向运动定子磁钢1-5-6-2在上下两侧对称的垂向运动磁钢1-5-4之间的位置会产生偏移，本实施例中，垂向运动定子磁钢1-5-6-2与垂向运动磁钢1-5-4上板间距小。粘接在垂向运动定子磁钢1-5-6-2顶面和底面的垂向运动定子线圈1-5-6-1电流方向相反，产生的垂向力方向相同，控制垂向运动定子线圈1-5-6-1电流方向和大小即实现驱动力Fv的控制，三个呈等边三角形布置的垂向力Fv合成即可实现微动台Z、RX、RY三个自由度的驱动控制。微动台驱动力分布如图14所示。

Claims

1.一种六自由度磁浮微动台，其特征在于该装置包括微动台本体(1)和激光干涉测量系统(2)，所述的微动台本体(1)由载物台(1-1)、基座(1-2)、电机安装架(1-3)、电容位移传感器(1-4)和六自由度驱动电机(1-5)构成，其中六自由度驱动电机(1-5)包括电机动子(1-5-1)和电机定子(1-5-2)，且载物台(1-1)固装在电机动子(1-5-1)上，电机定子(1-5-2)通过电机安装架(1-3)固装在基座(1-2)上，电容位移传感器(1-4)配置在载物台(1-1)和基座(1-2)之间；所述的电机动子(1-5-1)包括由磁钢安装架上板(1-5-1-1)、磁钢安装架下板(1-5-1-2)、立柱(1-5-1-3)、支撑块(1-5-1-4)、水平运动磁钢(1-5-3)以及垂向运动磁钢(1-5-4)，其中磁钢安装架上板(1-5-1-1)和磁钢安装架下板(1-5-1-2)通过位于二者之间的立柱(1-5-1-3)和支撑块(1-5-1-4)固装在一起，水平运动磁钢(1-5-3)和垂向运动磁钢(1-5-4)呈等边三角形状均布配装在磁钢安装架上板(1-5-1-1)底面和磁钢安装架下板(1-5-1-2)顶面对应位置上；所述的电机定子(1-5-2)包括线圈盒上板(1-5-2-1)、线圈盒下板(1-5-2-2)、水平运动线圈(1-5-5)以及由在垂向运动定子磁钢(1-5-6-2)顶面和底面上配装的垂向运动定子线圈(1-5-6-1)构成的垂向运动定子(1-5-6)，其中水平运动线圈(1-5-5)和垂向运动定子(1-5-6)呈等边三角形均匀配装在线圈盒下板(1-5-2-2)的对应空腔内，由线圈盒上板(1-5-2-1)覆盖密封；六自由度驱动电机(1-5)位于初始状态时，水平运动线圈(1-5-5)位于上下两侧对称的水平运动磁钢(1-5-3)中心位置，且水平运动线圈(1-5-5)左、右部分分别位于磁场方向相反的水平运动磁钢(1-5-3)左、右部分中心，垂向运动定子(1-5-6)处于上下两侧对称垂向运动磁钢(1-5-4)中心位置，且垂向运动定子(1-5-6)和垂向运动磁钢(1-5-4)的轴线重合，上下两侧垂向运动磁钢(1-5-4)的磁极方向相同，并与垂向运动定子磁钢(1-5-6-2)的磁极方向相反，配置在垂向运动定子磁钢(1-5-6-2)顶面和底面上的垂向运动定子线圈(1-5-6-1)电流方向相反；所述的激光干涉测量系统(2)包括双频激光器(2-1)、1/2分光棱镜(2-2)、反射棱镜A(2-3)、反射棱镜B(2-4)、X向位移干涉测量光路(2-5)、Y向位移干涉测量光路(2-6)和L型反射镜(2-7)，所述的1/2分光棱镜(2-2)布置在双频激光器(2-1)出射光路上，X向位移干涉测量光路(2-5)布置在1/2分光棱镜(2-2)透射光路上，反射棱镜A(2-3)布置在1/2分光棱镜(2-2)反射光路上，反射棱镜B(2-4)布置在反射棱镜A(2-3)的反射光路上，Y向位移干涉测量光路(2-6)布置在反射棱镜B(2-4)的反射光路上，L型反射镜(2-7)配装在载物台(1-1)上，其两个相互垂直的反射面分别与X向位移干涉测量光路(2-5)和Y向位移干涉测量光路(2-6)的出射光路垂直；所述的X向位移干涉测量光路(2-5)包括偏振分光镜A(2-5-1)、角锥棱镜A(2-5-2)、角锥棱镜B(2-5-3)、1/4玻片A(2-5-4)和接收器A(2-5-5)，其中偏振分光镜A(2-5-1)位于1/2分光棱镜(2-2)透射光路上，1/4玻片A(2-5-4)布置在偏振分光镜A(2-5-1)的透射光路上，且位于偏振分光镜A(2-5-1)与L型反射镜(2-7)X向反射面之间，角锥棱镜A(2-5-2)和角锥棱镜B(2-5-3)对称布置在偏振分光镜A(2-5-1)的双向反射光路上，接收器A(2-5-5)布置在偏振分光镜A(2-5-1)的反向透射光路上；Y向位移干涉测量光路(2-6)包括偏振分光镜B(2-6-1)、角锥棱镜C(2-6-2)、角锥棱镜D(2-6-3)、1/4玻片B(2-6-4)和接收器B(2-6-5)，其中偏振分光镜B(2-6-1)位于反射棱镜B(2-4)反射光路上，1/4玻片B(2-6-4)布置在偏振分光镜B(2-6-1)的透射光路上，处于偏振分光镜A(2-6-1)与L型反射镜(2-7)Y向反射面之间，角锥棱镜C(2-6-2)和角锥棱镜D(2-6-3)对称布置在偏振分光镜B(2-6-1)的双向反射光路上，接收器B(2-5-5)布置在偏振分光镜B(2-6-1)的反向透射光路上。