CN103208867B - 磁铁单元、磁铁阵列、磁浮平面电机及应用该磁浮平面电机的光刻装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种十字型磁铁单元，包括第一磁铁及围绕第一磁铁的第二磁铁单元，所述第一磁铁是N极磁铁或S极磁铁，所述第一磁铁的磁化方向沿Z轴方向，所述第二磁铁单元包括四组结构相同的磁铁组合，所述四组磁铁组合分别位于沿X轴方向和沿Y轴方向，所述磁铁组合的磁化方向指向N极磁铁或者远离S极磁铁，所述每组磁铁组合由至少两个棱柱磁铁、或棱锥磁铁、或棱台磁铁组成。本发明还公开一种磁铁阵列、磁浮平面电机及应用该磁浮平面电机的光刻装置。

Description

磁铁单元、磁铁阵列、磁浮平面电机及应用该磁浮平面电机的光刻装置

技术领域

本发明涉及集成电路装备制造领域，尤其涉及一种磁铁单元、磁铁阵列、磁浮平面电机及应用该磁浮平面电机的光刻装置。

背景技术

随着光刻技术的进步和半导体工业快速发展，对于光刻设备有四项基本性能指标：线宽均匀性（CD，Critical Dimension Uniformity）、焦深（Focus）、套刻（Overlay）和产率（Throughput）。为了提高线宽均匀性，光刻机工件台必须提高水平向精密定位能力；为了提高焦深误差精度，工件台必须提高垂向精密定位能力；为了提高光刻机套刻误差精度，工件台必须提高其内部模态来提升动态定位特性。此外，光刻设备必须增加产率，因此台子必须高速运动，快速启动和停止。光刻设备的高速、高加速和高精密的定位能力是相互矛盾的，为了克服这个矛盾，当前工件台技术采用了粗微动结构，实现高速和高精度的技术分离。粗动结构主要有直线电机组成，可以实现大行程和高速度运动。微动台则层叠安装于粗动台上，可以动态补偿定位偏差，微动台实现纳米精度，并具有多自由度运动来进行光刻曝光和对准。目前这种结构采用气浮轴承结构驱动设计技术，无法实现多自由度运动与执行器的一体化耦合设计，导致系统运动结构的质量增大，驱动力随着增大，驱动反力施加给系统的残余振动也增大，从而影响了系统的动态性能。此外，由于产率要求高加速度导致附加倾翻力矩加大，工件台的气浮静刚度约束采用高刚性设计，对导向平面度、预载变形、气浮工艺参数设计要求非常高。同时，考虑到配套的电、气、水、真空通路与柜，工件台系统结构复杂、庞大、可靠性低、维修维护难度大。

基于磁浮平面电机的磁浮运动台设计实现了运动部件的多自由度耦合运动和悬浮导向，在水平XY向实现大行程高精度，其它方向实现小行程高精度的定位台系统。与传统的气浮运动台相比，多自由度磁浮驱动集成运动台的结构简单紧凑，机械尺寸小，质量轻，残余振动小，动态性能更优，无阻尼，没有导向结构精密变形问题；并且可用于开放式真空环境中，甚至可以实现无线缆扰动设计和高精密轻质量低刚度冗余驱动设计，大行程多自由度磁浮台能更好的应用于纳米精度运动系统中。

美国专利US5886432公开了一种磁浮平面电机的定位台装置，该装置的平面电机磁铁阵列采用了典型Halbach阵列与传统的NS阵列结合的拓扑结构，其阵列的纵向为典型的标准的离散Halbach阵列，横向为离散间隔的NS阵列。该磁阵列的拓扑结构在两个轴向的磁密特性相异，并且NS阵列方向存在较大的Cogging推力波动。

美国专利US6531793公开了一种主磁极为方形的二维Halbach磁铁阵列的磁浮平面电机定位装置，该装置的平面电机磁铁阵列采用了标准的离散Halbach磁铁阵列，其阵列在纵向和横向均具有相同的磁密特性。但该磁铁阵列的拓扑结构的离散特性无法避免该磁阵列的磁泄露和高次谐波产生较大的推力纹波。

美国专利US6285097公开了一种主磁极为方形的二维Halbach磁铁阵列的磁浮平面电机定位装置，该装置的平面电机磁铁阵列同样采用了标准的离散Halbach磁铁阵列，它进一步提出了边沿磁铁阵列的拓扑设计方法，优化了边沿磁泄露的问题。该专利还提出了基于主磁极为八边形的Halbach磁阵列结构，平面磁密方向与磁铁阵列外形方向呈45度夹角，且八边形主磁极采用两块三棱柱磁铁块构建更为连续的Halbach阵列。该磁铁阵列的拓扑结构使得垂向磁密相对更大，而水平磁密相对更小。

美国专利US20100090545(A1)公开了一种主磁极为方形的二维Halbach磁铁阵列的磁浮平面电机定位装置，该装置的平面电机磁铁阵列同样采用了标准的离散Halbach磁铁阵列，平面磁密方向与磁铁阵列外形方向呈45度夹角，其主磁极为方向的N、S磁极，主磁极磁铁由四块三棱柱型磁铁块组成，构建的磁密为更连续的Halbach阵列。同样，该磁铁阵列的拓扑结构使得垂向磁密相对更大，而水平磁密相对更小。

现有技术中需要进一步提高磁浮平面电机定位装置的垂向和水平磁密，并减小背面磁泄露。

发明内容

为了克服现有技术中存在的技术缺陷，本发明公开一种磁铁单元、磁铁阵列、磁浮平面电机及应用该磁浮平面电机的光刻装置，能提高磁浮平面电机定位装置的垂向和水平磁密，并减小背面磁泄露。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种十字型磁铁单元，包括第一磁铁及围绕第一磁铁的第二磁铁单元，所述第一磁铁是N极磁铁或S极磁铁，所述第一磁铁的磁化方向沿Z轴方向，所述第二磁铁单元包括四组结构相同的磁铁组合，所述四组磁铁组合分别位于沿X轴方向和沿Y轴方向，所述磁铁组合的磁化方向指向N极磁铁或者远离S极磁铁，所述每组磁铁组合由至少两个棱柱磁铁、或棱锥磁铁、或棱台磁铁组成。

更近一步地，所述第二磁铁单元是一长方体，所述磁铁组合由第一棱柱磁铁、第二棱柱磁铁及第三棱柱磁铁组成一长方体，所述第一、第三棱柱磁铁结构相同。

更近一步地，所述第一、第三棱柱磁铁沿XZ或YZ平面的截面为一直角三角形，所述第二棱柱磁铁的截面为一等腰三角形，其下底边边长为tm，所述第一磁铁与其相邻第二磁铁单元的任一组磁铁组合的长度和是p， tm/p的取值范围为0.35~0.7。

更近一步地，所述tm/p的取值范围为0.5~0.57。

更近一步地，所述第一、第三棱柱磁铁沿XZ或YZ平面的截面为一直角三角形，所述第二棱柱磁铁沿XZ或YZ平面的截面为一等腰梯形，其上底底边边长为tp，下底边边长为tm，其中tp/tm的取值范围为0~0.3。

更近一步地，所述第一、第三棱柱磁铁沿XZ或YZ平面的截面为一直角梯形，其上底边边长为th，下底边边长为H，所述第二棱柱磁铁沿XZ或YZ平面的截面为一等腰三角形，其底边边长为tm，所述第一磁铁与其相邻第二磁铁单元的任一组磁铁组合的长度和是P，tp/tm的取值范围为0.35~0.7，th/H的取值范围为0~0.5。

更近一步地，所述第一磁铁单元与第二磁铁单元均为梯形，其中第二磁铁单元的上底底边边长为tp，下底边边长为tm，任一组磁铁组合与第一磁铁的长度和是p，tp/tm的取值范围为0~0.5，tm/p的取值范围为0~0.25。

更近一步地，所述的第二棱柱磁铁的磁化方向沿着X轴方向或Y轴方向，所述的第一棱柱磁铁和第三棱柱磁铁的磁化方向分别对应垂直于第二棱柱磁铁的等腰边方向。

本发明还公开一种磁铁阵列，包括若干个如上所述的磁铁单元，所述磁铁单元沿第一轴方向和第二轴方向按照Halbach阵列模式进行周期性排布，所述Halbach阵列模式为第一N极磁铁与第一S极磁铁通过第二磁铁单元中的一组磁铁组合连接，所述磁铁组合的磁化方向指向所述第一N极磁铁且远离第一S极磁铁。

本发明还公开了一种磁浮平面电机，包括磁铁阵列和线圈阵列，所述磁铁阵列包括若干个如上所述的磁铁单元，所述磁铁单元沿第一轴方向和第二轴方向按照Halbach阵列模式进行周期性排布组成，所述Halbach阵列模式为第一N极磁铁与第一S极磁铁通过第二磁铁单元中的一组磁铁组合连接，所述磁铁组合的磁化方向指向所述第一N极磁铁且远离第一S极磁铁；所述线圈阵列位于磁铁阵列之上或之下，所述磁铁阵列相对于所述线圈阵列运动。

更近一步地，所述线圈阵列包括若干个沿第一轴方向、第二轴方向分布的线圈单元，所述的第一轴方向、第二轴方向分别与X方向、Y方向成45度夹角。

更近一步地，所述线圈单元包括呈矩形排列的四个线圈组，其中相邻两个线圈组分别对应沿第一轴方向、第二轴方向排列。

更进一步地，该线圈组包括相互平行的四组线圈，该四组线圈组成线圈定子阵列。

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；该工件台包括如上文所述的磁浮平面电机。该掩模台包括上文所述的磁浮平面电机。

与现有技术相比较，本发明所提供的磁铁单元、磁铁阵列的单边磁密更强，磁泄露更小，磁密空间分布更加均匀，高次谐波幅值更小，磁铁阵列的质量更轻。该磁铁阵列相比于等磁能积的其它阵列具有更高的磁密，由该磁铁阵列所组成的磁浮平面电机能产生更大的6DOF推力。

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所示为本发明提供的平面电机平面示意图；

图2所示为实施例一中的磁铁阵列结构示意图；

图3所示为实施例一中的磁铁阵列的基本单元阵列结构示意图

图4所示为实施例一磁铁阵列沿101/102轴的截断面结构示意图；

图5所示为实施例一中tm优化曲线示意图；

图6实施例一磁铁阵列二维磁通分布曲线示意图；

图7所示为所示为实施例一磁铁阵列强磁侧磁通等高线示意图；

图8所示为实施例一磁铁阵列弱磁侧磁通等高线示意图；

图9所示为实施例一磁铁阵列在平面坐标内10mm位置的三维磁密曲线示意图；

图10所示为实施例二磁铁阵列沿101/102轴的截断面结构示意图；

图11所示为实施例二单个极距内磁铁尺寸结构示意图；

图12所示为实施例二中tp优化曲线示意图；

图13所示为实施例三中的磁铁在101/102轴的截面结构示意图；

图14所示为实施例四中的磁铁在101/102轴的截面结构示意图；

图15所示为实施例四单个极距内磁铁尺寸结构示意图；

图16所示为采用本发明的磁浮平面电机的光刻机的结构示意图。

主要图示说明

100-磁铁阵列                        200-线圈阵列        

101-第一方向                        102-第二方向

14（1,2…n）-磁铁阵列的行序         15（1,2…n）-磁铁阵列的列序

C1-第一四相线圈组                   C2-第二四相线圈组

C3-第三组相线圈组                   C4-第四四相线圈组

C11-四相线圈组的第一线圈            C12-四相线圈组的第二线圈

C13-四相线圈组的第三线圈            C14-四相线圈组的第四线圈

104-第一类N极方形磁铁              105-第二类S极方形磁铁

106-第三类组合磁铁的第一棱柱磁铁    107-第三类组合磁铁的第二棱柱磁铁

108-第三类组合磁铁的第三棱柱磁铁    121-磁铁阵列极距

122-磁铁阵列极距                   

104a-一维Halbach阵列中第一N极方形磁铁

105a-一维Halbach阵列中的第一S极方形磁铁

104b-一维Halbach阵列中的第二N极方形磁铁

105b-一维Halbach阵列中的第二S极方形磁铁

134a-一维Halbach阵列中的第一N极方形磁铁，磁极沿103正方向

135a-一维Halbach阵列中的第一S极方形磁铁，磁极沿103负方向

136-第三类磁体的第一棱柱磁铁       138-第三类磁体的第三棱柱磁铁

137-一维Halbach阵列中的第三类磁体的第二梯形棱柱磁铁

134b-一维Halbach阵列中的第二N极方形磁铁，磁极沿103正方向

135b-一维Halbach阵列中的第二S极方形磁铁，磁极沿103负方向

335a-一维Halbach阵列中的第三类梯形棱柱磁铁，磁极指向相邻的第一类N极磁铁

336a-一维Halbach阵列中的第三类磁铁的梯形棱柱磁铁，磁极指向相邻的第一磁铁

337a-一维Halbach阵列中的第一类N极梯形棱柱磁铁，磁极指向103正方向

338a-一维Halbach阵列中的第二类S极梯形棱柱磁铁，磁极指向103负方向

335b-一维Halbach阵列中的第三类梯形棱柱磁铁，磁极指向相邻的第一磁铁

336b-一维Halbach阵列中的第三类梯形棱柱磁铁，磁极指向相邻的第一磁铁

337b-一维Halbach阵列中的第一类N极梯形棱柱磁铁a

338b-一维Halbach阵列中的第二类S极梯形棱柱磁铁

236-一维Halbach阵列中的第三类磁铁的第一梯形棱柱磁铁，磁极指向相邻的第二梯形棱柱磁铁

237-一维Halbach阵列中的第三类磁铁的第二梯形棱柱磁铁，磁极指向相邻的第三梯形棱柱磁铁

238-一维Halbach阵列中的第三类磁铁的第三梯形棱柱磁铁，磁极指向相邻的第一类N极方形磁铁

234a-一维Halbach阵列中的第一类磁铁的第一N极方形磁铁，磁极指向103正方向

235a-一维Halbach阵列中的第二类S极梯形棱柱磁铁，磁极指向103负方向

234b-一维Halbach阵列中的第一类磁铁的第二N极方形磁铁a

235b-一维Halbach阵列中的第二类磁铁的第二S极方形磁铁

7100-光刻装置                         7101-照明模块

7102-照明支架                         7103-掩模

7104-掩模台平面电机                   7112-掩模台支撑梁

7105-物镜                             7110-掩模台支撑框架

7111-主基板                           7120-干涉仪测量模块

7106-硅片                             7107-承片台

7108-平面电机的磁铁动子               7109-平面电机线圈定子及基座

7113-支撑框架座                       7115-基础框架。

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平面电机及应用该电机的光刻装置。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“D1方向”一词主要指与水平向平行的方向；“D2方向”一词主要指与水平向平行同时与D1方向垂直的方向；“第一方向”或“第一轴”一词主要指与水平向平行的方向或坐标轴；“第二方向”或“第二轴”一词主要指与水平向平行且同时与第一方向垂直的方向或坐标轴；“第三方向”或“第三轴”一词主要指与水平向垂直的方向或坐标。

本发明提供了一种用于定位台的磁浮平面电机，其包括至少在D1方向和相互垂直的D2方向上可以相对彼此移动的第一部分100和第二部分200，其中第一部分包括平行于第一方向101和第二方向102延伸的承载体，且磁体系统以平行于第一方向101延伸的行，和平行于第二方向（102）延伸的列的模式固定在该载体上，在该行之间和该列之间具有相等的距离，第一类N极方形磁铁104具有与承载体呈直角且朝向所述第二部分延伸的磁化方向103，第二类S极方形磁铁105具有与承载体呈直角且远离所述第二部分延伸的磁化方向103，这两种类型的磁铁在每行和每列上交替布置。第三类磁铁（包括第一棱柱磁铁106，第二棱柱磁铁107及第三棱柱磁铁108的组合体）在每对毗邻的第一类N极方形磁铁104和第二类S极方形磁铁105之间布置在每列上。第三类磁体具有平行于第二方向且朝向第一类N极方形磁铁10延伸的磁化方向，而所述第二类型导电线圈具有位于所述磁体系统的磁场内且与D1方向成大致45度的角度的导体，且所述导电体垂直于第一类型电线圈200的导电体延伸，其中，在第一部分的磁体的每行上，第三类磁体（包括第一棱柱磁铁106，第二棱柱磁铁107及第三棱柱磁铁108的组合体）也布置在每对毗邻的第一类N极方形磁铁104和第二类S极方形磁铁105，所述第三类磁体具有平行于第一方向101且朝向第一类磁体延伸的磁化方向。

实施例一：

如图1所示，图1是本发明提供的一种平面电机永磁铁阵列排布方法的结构示意图。平面电机含有永磁阵列（或称磁铁阵列）100和线圈阵列200，线圈阵列200在用磁铁阵列100上方或者下方，并与磁铁阵列100存在一定的间隙。该磁浮平面电机包括：磁铁阵列100，线圈阵列200。磁铁阵列100可以沿着第一方向101和第二方向102相对线圈阵列200作大范围运动。其中，磁铁阵列100按周期顺序的行序14（n）和周期顺序的列序15（n），其中n为自然数。磁铁阵列100的行序14（n）和列序15（n）分别在第一方向101和第二方向102排布。两个方向的磁体阵列分布详细如图2所示。其中，线圈阵列200由四个线圈组C1、C2、C3、C4构成的基本单元周期性排布构成，该线圈组为四相线圈组，包括四相线圈组的第一线圈C11、四相线圈组的第二线圈C12、四相线圈组的第三线圈C13、四相线圈组的第四线圈C14。线圈组C1和C3沿着D1轴方向排布，线圈组C2和C4沿着D2轴方向排布。由C1、C2、C3、C4线圈组构建的四相线圈组整体分别沿着D1轴方向和D2轴方向周期排布，即构建线圈定子阵列。

如图2所示，在本发明所优选的永磁平面阵列实施例1中， 101，102，103分别为第一轴，第二轴及第三轴，它们互相垂直。永磁阵列100在101、102平面上分布。磁铁阵列100由第一类N极方形磁铁104、第二类S极方形磁铁105、第三类组合磁铁（包括第一棱柱磁铁106，第二棱柱磁铁107及第三棱柱磁铁108）沿着第一方向101和第二方向102按照Halbach array（即海尔贝克阵列）模式进行周期性排布。其中第三类组合磁铁由第一棱柱磁铁106、第二棱柱磁铁107、第三棱柱磁铁108三部分磁铁块组成。其中该第一类N极方形磁铁104、第二类S极方形磁铁105为分别在第三轴方向103的正方向上和负方向上的磁化方向，它们在平面内交替分布，间距为p。其中，一组第一类N极方形磁铁104或第二类S极方形磁铁105与其四条边辐射方向的4组第三类组合磁铁（106、107、108）构建为一个磁铁阵列的基本的单元，如图3所示。

图3为实施例1中该Halbach磁铁阵列的一个基本单元。该基本单元中心为第一类N极方形磁铁104时，其四条边辐射方向的4组第三类组合磁铁（106、107、108）磁化方向指向第一类N极方形磁铁104的方向。该基本单元中心为第二类S极方形磁铁105时，其四条边辐射方向的4组第三类组合磁铁（106、107、108）磁化方向指向远离第二类S极方形磁铁105的方向。第三类组合磁铁（106、107、108）分别为第一，第二，第三三棱柱型磁铁块，横截面如图4所示，分别为直角三角形，等腰三角形和直角三角形，它们共同组成一块条形磁铁。该第一类、第二类、第三类磁铁构建一个完整周期性的Halbach磁铁组121、122，分布沿着第一轴方向101和第二方向102周期重复排布，构建磁铁阵列。

图4为实施例一中该Halbach磁铁组沿着第一方向101或第二方向102的周期性磁铁阵列的截面图。其中，第三类磁铁的第一棱柱磁铁106沿着斜面充磁方向垂直指向第三类磁铁的第二棱柱磁铁107，第三类磁铁的第二棱柱磁铁107的磁极方向与第一方向101平行指向第一类N极方形磁铁104，第三类磁铁的第三棱柱磁铁108沿着斜面充磁方向垂直远离第三类磁铁的第二棱柱磁铁107，第一类方型磁铁104a、104b磁化方向平行轴103向上，第二类方型磁铁105a、105b磁化方向平行轴103向下。第一类方型磁铁104a、104b和第二类方型磁铁105a、105b的长、高、宽均一致，第一类方型磁铁104a、104b和第三类组合磁铁的长度为p，所述第三类磁铁的第二棱柱磁铁107为等腰三角形，其底边边长为tm。

图5为实施例一中该Halbach磁铁组沿着第一轴方向101或第二方向102的周期性磁铁阵列的103轴方向的磁密优化曲线。图5的横轴为第二棱柱磁铁107底边边长为tm与极距长度p的比例值序列，该比例值序列从0到1。图5的纵轴为图3该Halbach阵列磁铁上表面10mm位置的空间磁密曲线的第一阶谐波（图5中显示为实线）和第三阶谐波曲线（图5中显示为虚线）。根据该磁密曲线图可优化得到tm/p比例范围：0.35~0.7，该Halbach磁铁组的磁密的高次谐波幅值相对较小，尤其是在tm/p比例范围：0.5~0.57时，该Halbach磁铁组的磁密的高次谐波达到最小化。根据该磁密曲线图可优化得到tm/p比例范围：0.3~0.4，该Halbach磁铁组的磁密的基波幅值最大化，但对应的高次谐波也较大。

图6为实施例一中该Halbach磁铁组沿着第一轴方向101或第二方向102的周期性磁铁阵列的二维磁通分布曲线。根据该二维磁通分布曲线可得到该分布阵列的末端磁通泄露少，弱侧磁通均匀分布且泄露少，强侧磁通分布周期性变化更为密集。

图7为实施例一中该Halbach磁铁组沿着第一轴方向101或第二方向102的周期性磁铁阵列的强侧磁通等高线，根据该二维磁通分布曲线可得到该分布阵列的强侧磁通呈标准正弦分布。

图8为实施例一中该Halbach磁铁组沿着第一轴方向101或第二方向102的周期性磁铁阵列的弱侧磁通等高线，根据该二维磁通分布曲线可得到该分布阵列的弱侧磁通呈正弦分布，泄露的磁通量幅值波动较小。

图9为实施例1中该Halbach磁铁组沿着第一轴方向101和第二方向102的周期性磁铁阵列在平面坐标内磁铁强侧高度为10mm位置处的三维磁密分布图。根据该二维磁通分布曲线可得到该分布阵列的三维空间磁密呈空间二维理想正弦分布。

实施例二：

图10给出了图1中磁铁阵列的第二种实施例。如图10所示，实施例二为该Halbach磁铁组沿着第一轴方向101或第二方向102的周期性磁铁阵列的截面图。该阵列包括三类磁铁，其中，第三类磁铁的第一棱柱磁铁136沿着斜面充磁方向垂直指向第三类磁铁的第二棱柱磁铁137，第三类磁铁的第二棱柱磁铁137的磁极方向与第一轴轴方向101平行指向第一类N极方型磁铁134，第三类磁铁的第三棱柱磁铁138沿着斜面充磁方向垂直远离第三类磁铁的第二棱柱磁铁107，第一类N极方型磁铁134a、134b磁化方向平行轴103向上，第二类S极方型磁铁135a、135b磁化方向平行轴103向下。如图11所示，图10给出的Halbach磁铁组的第一类N极方型磁铁134a、134b和第二类S极方型磁铁135a、135b的长、高、宽均一致，第一类N极方型磁铁134a、134b和第三类组合磁铁的长度为p，所述第三类磁铁的第二棱柱磁铁137为等腰梯形，其下底边边长为tm，上底边边长为tp。

图12为实施例二中该Halbach磁铁组沿着第一方向101或第二方向102的周期性磁铁阵列的第三方向103的磁密优化曲线。图12的横轴为第二棱柱磁铁137的上底边边长tp与下底边边长为tm之间的比例值序列，该比例值序列从0到1；图12的纵轴为图10该Halbach阵列磁铁上表面10mm位置的空间磁密曲线的基波曲线。根据该磁密曲线图可优化得到tp/tm比例范围：0~0.3，该Halbach磁铁组的空间磁密达到最大化。尤其是，该比例值取0时，即为实施例1的情况，因此，实施例一即为tp为0的特殊例。

实施例三：

图13给出了图1中磁铁阵列的第三种实施例，如图13所示，实施例三为该Halbach磁铁组沿着第一方向101或第二方向102的周期性磁铁阵列的截面图。该阵列包括三类磁铁，其中，第三类磁铁的第一磁铁335与第一轴方向101平行指向并指向第一类N极梯形棱柱磁铁 337，第三类磁铁的第二磁铁336的磁极方向与第一轴方向101平行指向第一类N极梯形棱柱磁铁 337。第一类截面为梯形的棱柱磁铁337a、337b磁化方向平行轴103向上，第二类截面为梯形的棱柱磁铁338a、338b磁化方向平行轴103向下。如图13所示，该Halbach磁铁组的第一类磁铁、第二类磁铁和第三类磁铁均为梯形截面磁铁，它们的宽度均一致。该实施例3中的第一类方型磁铁337a、337b和第三类组合磁铁的长度为p，所述第三类磁铁的第二棱柱磁铁137为等腰梯形，其下底边边长为tm，上底边边长为tp。优选地，该实施例3的第三类磁铁的上底边边长为tp与下底边边长为tm之比范围为：0~0.5；第三类磁铁的上底边边长为tp与极距长度p之比范围为：0~0.25。

实施例四：

图14给出了图1中磁铁阵列的第四种实施例。如图14所示，实施例4为该Halbach磁铁组沿着第一轴方向101或第二方向102的周期性磁铁阵列的截面图。该阵列包括三类磁铁：第一类磁铁234、第二类磁铁235和第三类磁铁236、237、238。其中，第三类磁铁的第一棱柱磁铁236沿着斜面充磁方向垂直指向第三类磁铁的第二棱柱磁铁237，第三类磁铁的第二棱柱磁铁237的磁极方向与第一轴方向101平行指向第一类N极方型磁铁234，第三类磁铁的第三棱柱磁铁238沿着斜面充磁方向垂直远离第三类磁铁的第二棱柱磁铁237，第一类N极方型磁铁234a、234b磁化方向平行轴103向上，第二类S极方型磁铁235a、235b磁化方向平行轴103向下。如图15所示，图14给出的Halbach磁铁组的第一类N极方型磁铁234a、234b和第二类S极方型磁铁235a、235b的长、高、宽均一致，其中高度为H，第一类N极方型磁铁234a、234b和第三类组合磁铁的长度为p，所述第三类磁铁的第二棱柱磁铁237为等腰梯形，其下底边边长为tm，所述第三类磁铁的第一棱柱磁铁236和第三棱柱磁铁238为直角梯形截面的四棱柱磁铁，其组合面的边长th。优选地，所述第三类磁铁的第二棱柱磁铁237的底边tm与极距长度p之比例范围为：0.35~0.7，所述第三类磁铁的第一棱柱磁铁236和第三棱柱磁铁238的组合面的边长th与磁铁高度H之比例范围为：0~0.5。

需要说明的是，本发明的技术方案并不局限于上述各实施例中的磁铁单元和磁铁阵列结构，本领域技术人员完全可以根据本发明的总体方案及本领域的技术知识，设计和改变本发明磁铁单元的构成形式、参数等特性：例如采用其他截面形状的棱柱磁铁，或者棱台、棱锥等磁铁形状构成Halbach阵列排布的磁铁组合，根据设计需求和磁密特性选择各磁铁的形状尺寸参数、磁化方向，等等。

本发明提出一种新的更为连续的Halbach磁铁阵列的磁浮平面电机定位装置，该装置的平面电机磁铁阵列的主磁极采用方形的磁铁阵列，第三类磁极采用三棱柱磁铁与或四棱柱磁铁共三块磁铁构建，截面呈三角形或梯形拓扑结构布局，平面磁密方向与磁铁阵列外形方向一致，构建的磁密为更连续的Halbach阵列。同时，该磁铁阵列的拓扑结构使得垂向和水平磁密均相对更大，背面磁泄露更小，平面二维磁密的高次谐波更小。

图16更详细的给出了根据本发明的磁浮平面电机作为动磁铁定位装置应用于步进扫描曝光的光刻装置，其组成部件包括：照明模块7101、照明支架7102、掩模7103、掩模台平面电机7104、掩模台支撑梁7112、物镜7105、掩模台支撑框架7110、主基板7111、干涉仪测量模块7120、硅片7106、承片台7107、平面电机的磁铁动子7108、平面电机线圈定子及基座7109，支撑框架座7113，以及基础框架7115。其中，掩模台平面电机7104和工件台平面电机7108、7109均采用了本发明的动磁铁磁浮平面电机作为图形和基底的承载装置，两个运动定位台的平面电机磁铁阵列和线圈阵列布置如前所述。

掩模台平面电机7104的线圈定子安装于掩模台支撑梁7112上，而工件台平面电机7108悬浮定位，其定子线圈定子安装于基座7109上。工件台磁浮平面电机的动子采用激光干涉仪7120测量反馈进行控制，当线圈中通以电流，根据干涉仪测量得到的位置、进行控制调谐平面电机控制器的力的大小和方向，进而控制平面电机的电流大小，从而精确定位图形和基底的位置。曝光过程中，照明模块7101的光透射过掩模7103将图形通过物镜7105按照倍率投影在基底或硅片7106上，刻画出图形。

本说明书中该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 (10)

1. 一种十字型磁铁单元，包括第一磁铁及围绕第一磁铁的第二磁铁单元，其特征在于，所述第一磁铁是N极磁铁或S极磁铁，所述第一磁铁的磁化方向沿Z轴方向，所述第二磁铁单元包括四组结构相同的磁铁组合，所述四组磁铁组合分别位于沿X轴方向和沿Y轴方向，所述磁铁组合的磁化方向指向N极磁铁或者远离S极磁铁，所述每组磁铁组合由至少两个棱柱磁铁、或棱锥磁铁、或棱台磁铁组成；

所述第一磁铁与第二磁铁单元截面均为梯形，其中第二磁铁单元的上底底边边长为tp，下底边边长为tm，任一组磁铁组合与第一磁铁的长度和是p，tp/tm的取值范围为0~0.5，tm/p的取值范围为0~0.25；

或所述第一磁铁与第二磁铁单元均为长方体，所述磁铁组合由第一棱柱磁铁、第二棱柱磁铁及第三棱柱磁铁组成一长方体，且所述第一、第三棱柱磁铁结构相同；其中，所述第一、第三棱柱磁铁沿XZ或YZ平面的截面为一直角三角形，所述第二棱柱磁铁的截面为一等腰三角形，其下底边边长为tm，所述第一磁铁与其相邻第二磁铁单元的任一组磁铁组合的长度和是p，tm/p的取值范围为0.35~0.7；或所述第一、第三棱柱磁铁沿XZ或YZ平面的截面为一直角三角形，所述第二棱柱磁铁沿XZ或YZ平面的截面为一等腰梯形，其上底底边边长为tp，下底边边长为tm，其中tp/tm的取值范围为0~0.3；或所述第一、第三棱柱磁铁沿XZ或YZ平面的截面为一直角梯形，其上底边边长为th，下底边边长为H，所述第二棱柱磁铁沿XZ或YZ平面的截面为一等腰三角形，其底边边长为tm，所述第一磁铁与其相邻第二磁铁单元的任一组磁铁组合的长度和是P，tp/tm的取值范围为0.35~0.7，th/H的取值范围为0~0.5。

2.如权利要求1所述的十字型磁铁单元，其特征在于，所述tm/p的取值范围为0.5~0.57。

3.如权利要求1所述的十字型磁铁单元，其特征在于，所述的第二棱柱磁铁的磁化方向沿着X轴方向或Y轴方向，所述的第一棱柱磁铁和第三棱柱磁铁的磁化方向分别对应垂直于第二棱柱磁铁的等腰边方向。

4.一种磁铁阵列，其特征在于，包括若干个如权利要求1至3任一项所述的磁铁单元，所述磁铁单元沿第一轴方向和第二轴方向按照Halbach阵列模式进行周期性排布，所述Halbach阵列模式为第一N极磁铁与第一S极磁铁通过第二磁铁单元中的一组磁铁组合连接，所述磁铁组合的磁化方向指向所述第一N极磁铁且远离第一S极磁铁。

5.一种磁浮平面电机，包括磁铁阵列和线圈阵列，其特征在于，所述磁铁阵列包括若干个如权利要求1至3任一项所述的磁铁单元，所述磁铁单元沿第一轴方向和第二轴方向按照Halbach阵列模式进行周期性排布组成，所述Halbach阵列模式为第一N极磁铁与第一S极磁铁通过第二磁铁单元中的一组磁铁组合连接，所述磁铁组合的磁化方向指向所述第一N极磁铁且远离第一S极磁铁；所述线圈阵列位于磁铁阵列之上或之下，所述磁铁阵列相对于所述线圈阵列运动。

6.如权利要求5所述的磁浮平面电机，其特征在于，所述线圈阵列包括若干个沿第一轴方向、第二轴方向分布的线圈单元，所述的第一轴方向、第二轴方向分别与X方向、Y方向成45度夹角。

7.如权利要求6所述的磁浮平面电机，其特征在于，所述线圈单元包括呈矩形排列的四个线圈组，其中相邻两个线圈组分别对应沿第一轴方向、第二轴方向排列。

8.如权利要求7所述的磁浮平面电机，其特征在于，所述线圈组包括相互平行的四组线圈，所述四组线圈组成线圈定子阵列。

9.一种光刻装置，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5至8任一项所述的磁浮平面电机。

10. 如权利要求9所述的光刻装置，其特征在于，所述掩模台包括如权利要求5至8任一项所述的磁浮平面电机。