CN106936337A - 磁浮平面旋转电机及光刻装置 - Google Patents

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    • G03F7/70691—Handling of masks or workpieces
    • G03F7/70716—Stages

Abstract

本发明公开了一种磁浮平面旋转电机及光刻装置，该磁浮平面旋转电机包括：背铁、安装在所述背铁上的磁钢阵列和与所述磁钢阵列对应设置的线圈阵列；其中，所述磁钢阵列包括若干辐射状环形布置的扇形磁体，所述线圈阵列包括3n个空心扇形的单相线圈。本发明既有磁浮直线、平面电机的高精度，又能实现平面任意角度旋转的功能。而对某两个或是某几个一定排布的单相线圈单独通电，可以实现磁浮平面旋转电机六个自由度的不同运动控制。

Description

磁浮平面旋转电机及光刻装置
技术领域
本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种磁浮平面旋转电机及光刻装置。
背景技术
如图1和图2所示，磁浮直线电机结构主要包括：定子背铁、位于所述定子背铁上的定子磁钢阵列、设置在所述定子磁钢阵列上的动子线圈以及线圈外壳。其中，所述定子磁钢阵列由磁铁通过N极和S极交替排布，如果动子线圈中的三相线圈通入互差120°电角度的幅值频率相同的交流电流，可以保证磁浮直线电机在水平向和垂向两个自由度上输出推力，即可以实现磁悬浮直线运动。
而现有的磁浮平面电机，可以实现X、Y向全行程域的磁悬浮扫描运动，以及RX、RY、RZ向微行程姿态调整。对于一种新提出的旋转测较、曝光的光刻工艺，由于无法提供持续稳定高速的RZ自由度旋转，难以满足新的工艺需求。
发明内容
本发明提供一种磁浮平面旋转电机及光刻装置，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种磁浮平面旋转电机，包括：背铁、安装在所述背铁上的磁钢阵列和与所述磁钢阵列对应设置的线圈阵列；其中，所述磁钢阵列包括若干辐射状环形布置的扇形磁体，所述线圈阵列包括3n个空心扇形的单相线圈,所述n为正整数。
作为优选，所述扇形磁体包括N极扇形磁钢、S极扇形磁钢和Halbach磁钢，其中，所述N极扇形磁钢和S极扇形磁钢间隔排列且环形首尾相接，所述Halbach磁钢设置在所述N极扇形磁钢与S极扇形磁钢之间。
作为优选，每三个单相线圈组成一发力体，相邻两发力体中心线之间的夹角为4τ/3或者5τ/3，其中τ为N极扇形磁钢和S极扇形磁钢的极距角。
作为优选，还包括重力补偿装置，所述重力补偿装置设置在所述磁钢阵列或者线圈阵列中心。
本发明还提供一种光刻装置，包括：光路系统、微动台、由所述的磁浮平面旋转电机控制的磁浮旋转台、运动台、数据采集装置、处理器和控制器，其中，所述磁浮旋转台设置在所述运动台上并控制所述微动台运动，所述数据采集装置采集磁浮旋转台、运动台以及光路系统的数据信息，并传递至所述处理器，所述处理器处理数据后传递至控制器，所述控制器控制所述磁浮旋转台和运动台动作。
作为优选，还包括用于检测所述运动台行程的激光干涉仪和用于检测所述磁浮旋转台的旋转角度的环形光栅，所述激光干涉仪和环形光栅各自与所述控制器和数据采集装置连接。
与现有技术相比，本发明的磁浮平面旋转电机，包括：背铁、安装在所述背铁上的磁钢阵列和与所述磁钢阵列对应设置的线圈阵列；其中，所述磁钢阵列包括若干辐射状环形布置的扇形磁体，所述线圈阵列包括3n个空心扇形的单相线圈。本发明通过将磁钢阵列设置为环状，可以实现RZ方向运动的功能，满足光刻系统中可能的旋转测校、曝光等精密运动台需求。与现有永磁直线电机的磁路不同的是，其环形磁铁阵列式首尾相接，故没有行程限制，可像普通旋转电机一样输出恒定转速和转矩。但是与普通旋转电机不同的是当其单相线圈通以一定相位的三相控制电流时，可以同时输出垂直方向的推力，从而实现磁悬浮。即本发明既有磁浮直线、平面电机的高精度，又能实现平面任意角度旋转的功能。而对某两个或是某几个一定排布的单相线圈单独通电，可以实现磁浮平面旋转电机六个自由度的不同运动控制。
附图说明
图1至图2分别为现有的磁浮直线电机的结构示意图；
图3为本发明实施例1中磁浮平面旋转电机的结构示意图；
图4为本发明实施例1中磁浮平面旋转电机的俯视图；
图5为本发明实施例1中带有重力补偿器的磁浮平面旋转电机的结构示意图；
图6为本发明实施例1中光刻装置的结构示意图；
图7为本发明实施例1中基片加工的路线图；
图8为本发明实施例1中单相线圈出力示意图；
图9为本发明实施例2中磁浮平面旋转电机的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例1
如图3和图4所示，本实施例公开的磁浮平面旋转电机，包括定子和动子。其中，定子包括背铁103和磁钢阵列101；该动子包括线圈阵列及线圈阵列的外围框架(图中未示出)。
具体地，所述磁钢阵列101包括若干辐射状环形布置的扇形磁体，该扇形磁体包括N极扇形磁钢、S极扇形磁钢和Halbach(霍尔贝克)磁钢，其中，所述N极扇形磁钢和S极扇形磁钢间隔排列且环形首尾相接，所述Halbach磁钢设置在所述N极扇形磁钢与S极扇形磁钢之间。
请继续参照图3和图4，所述线圈阵列由3n(n为1、2、3…)个扇形单相线圈组成，该单相线圈呈环状紧密排布的集中绕制，即所述单相线圈为空心扇形。
具体地，每三个单相线圈组成一发力体，相邻两发力体中心线之间的夹角为4τ/3或者5τ/3，其中τ为相邻N极扇形磁钢和S极扇形磁钢的极距角，成三相线圈，即有三相3n/4n极，即单相线圈为3n个，对应的磁极为4n个(每)，τ＝π/2N，n为1、2、3…或者3n/5n极，即单相线圈为3n个，磁极为5n个，τ＝2π/5n，n为1、2、3…的结构形式。
需要说明的是，极距，一般是指相邻两极磁铁中心距，这里因为是扇形磁铁沿圆周分布，所以极距角是相邻两极磁铁分布所呈角度，即：τ为相邻的N极扇形磁钢和S极扇形磁钢分布所呈角度。
其中，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。
请参照图5，本实施例的磁浮平面旋转电机中心还设置有重力补偿装置104，所述重力补偿装置104可以减小磁浮平面旋转电机在实现Z向浮力所产生的损耗，可以使用所需X/Y/RX/RY方向运动行程较小的情况。
请参照图6，本实施例还提供了一种光刻装置，该光刻装置中实现承载基片的精密运动台主要由长行程的运动台，磁浮旋转台以及微动台构成，可以使基片完成基本的全面域测校与曝光。
具体地，该光刻装置具体包括：光路系统60、微动台10、由所述的磁浮平面旋转电机控制的磁浮旋转台20、环形光栅30、运动台40、激光干涉仪50、数据采集装置70、处理器80和控制器90。其中，所述环形光栅30用于测量磁浮旋转台20的旋转角度，所述激光干涉仪50用于检测所述运动台40在水平面(XY面)上的运动行程，所述环形光栅30和激光干涉仪50分别将测量的数据传送至所述数据采集装置70和控制器90，数据采集装置70还与所述光路系统60连接，收集光路信息，并将信息传递至所述处理器80，所述处理器80处理完数据后传递至控制器90，所述控制器90控制所述运动台40以及磁浮旋转台20运动，进而带动磁浮旋转台20上的微动台10运动，进而控制微动台10上的基片运动。
由于本实施例的光刻装置中设置有磁浮旋转台20，且环形光栅30可以实现旋转式的多角度面型高速测量并记录，缩短测校基片的时间，达到缩短单片加工时间，增加产率的目的。另外由于有磁浮旋转台20，可以实现圆轨道式曝光，使光刻装置在完成基片中心区域刻蚀后，增加外缘几圈的基片加工，增加基片利用率。具体如图7所示，在中心区域刻蚀完成后，磁浮旋转台20还可以在外缘沿轨道1和轨道2对基片机型加工，增加基片利用率，且增大工作效率。
进一步的，所述磁浮平面旋转电机可由三相脉宽调制(PWM)驱动器驱动，控制简单。如图3和图4所示，一个发力体中设置有三组单相线圈，为示区别，分别称之为第一、第二、第三线圈102a、102b、102c，在图中的第一、第二、第三线圈102a、102b、102c中通以三相电。具体地，
第一线圈102a中电流：
第二线圈102b中电流：iB＝IK*sin(πθ/τ)；
第三线圈102c中电流：
其中，IK为控制电流幅值；θ为磁浮平面旋转电机旋转角度值；φ为控制输出角。
通入该电流后，磁浮平面旋转电机可以输出恒定的垂向浮力Fz和转矩torque，其中r为旋转半径，τ为极距角。若已如图3所示的单相线圈与磁极对应位置为起始角度，则时，其各相及合成出力曲线如图8所示。
进一步的，本发明通过在某一时刻，对水平运动所需方向的正交轴对称的四个单相线圈通以控制电流，让其都输出X或Y向或者水平任意方向的水平力，可以实现XY向运动，对RX和RY运动自由度。具体，以RX方向为例，可在与某一时刻，X轴正交轴即Y轴对称的四个单相线圈通以控制电流，相互对称的单相线圈输出相反的Z向力，则可以得到稳定的RX方向转矩。如此X/Y/Z/RX/RY/RZ方向动子受力全部可以由单相线圈控制完成。如此多输入多输出系统(MIMO)的控制，需要配合六个自由度的传感器和一个旋转位置编码器进行反馈控制完成。
实施例2
如图9所示，本实施例与实施例1的区别点在于，本实施例以磁钢阵列101作为动子，线圈阵列102作为定子。
由于动线圈式可能造成比较严重的线缆干扰，而采用动磁铁式的方案，将线圈阵列102作为定子，通以一定规律的各相电流，可以使环形的磁钢阵列101的动子实现磁浮旋转。这样不仅可以排除线缆干扰，还可以更合理排布单相线圈，适于散热。
综上所述，本发明提供一种磁浮平面旋转电机及光刻装置，该磁浮平面旋转电机包括：背铁、安装在所述背铁上的磁钢阵列和与所述磁钢阵列对应设置的线圈阵列；其中，所述磁钢阵列包括若干辐射状环形布置的扇形磁体，所述线圈阵列包括3n个空心扇形的单相线圈。本发明通过将磁钢阵列设置为环状，可以实现RZ方向运动的功能，满足光刻系统中可能的旋转测校、曝光等精密运动台需求。与现有永磁直线电机的磁路不同的是，其环形磁铁阵列式首尾相接，故没有行程限制，可像普通旋转电机一样输出恒定转速和转矩。但是与普通旋转电机不同的是当其单相线圈通以一定相位的三相控制电流时，可以同时输出垂直方向的推力，从而实现磁悬浮。即本发明既有磁浮直线、平面电机的高精度，又能实现平面任意角度旋转的功能。而对某两个或是某几个一定排布的单相线圈单独通电，可以实现磁浮平面旋转电机六个自由度的不同运动控制。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种磁浮平面旋转电机，其特征在于，包括：背铁、安装在所述背铁上的磁钢阵列和与所述磁钢阵列对应设置的线圈阵列；其中，所述磁钢阵列包括若干辐射状环形布置的扇形磁体，所述线圈阵列包括3n个空心扇形的单相线圈,所述n为正整数。
2.如权利要求1所述的磁浮平面旋转电机，其特征在于，所述扇形磁体包括N极扇形磁钢、S极扇形磁钢和霍尔贝克磁钢，其中，所述N极扇形磁钢和S极扇形磁钢间隔排列且环形首尾相接，所述霍尔贝克磁钢设置在所述N极扇形磁钢与S极扇形磁钢之间。
3.如权利要求2所述的磁浮平面旋转电机，其特征在于，每三个单相线圈组成一发力体，相邻两发力体中心线之间的夹角为4τ/3或者5τ/3，其中τ为N极扇形磁钢和S极扇形磁钢的极距角。
4.如权利要求1所述的磁浮平面旋转电机，其特征在于，还包括重力补偿装置，所述重力补偿装置设置在所述磁钢阵列或者线圈阵列中心。
5.一种光刻装置，其特征在于，包括：光路系统、微动台、由如权利要求1至4任意一项所述的磁浮平面旋转电机控制的磁浮旋转台、运动台、数据采集装置、处理器和控制器，其中，所述磁浮旋转台设置在所述运动台上并控制所述微动台运动，所述数据采集装置采集磁浮旋转台、运动台以及光路系统的数据信息，并传递至所述处理器，所述处理器处理数据后传递至控制器，所述控制器控制所述磁浮旋转台和运动台动作。
6.如权利要求5所述的光刻装置，其特征在于，还包括用于检测所述运动台行程的激光干涉仪和用于检测所述磁浮旋转台的旋转角度的环形光栅，所述激光干涉仪和环形光栅各自与所述控制器和数据采集装置连接。
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