CN109254502A - 基于气磁悬浮和动磁钢的扫描曝光装置 - Google Patents

基于气磁悬浮和动磁钢的扫描曝光装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开基于气磁悬浮和动磁钢的扫描曝光装置；该装置将磁钢并行排列并置于双层线圈中间，通过对线圈中电流来驱动运动滑块部件的直线运动，这种“三明治”型的并列动磁钢结构能够在提供足够的电机出力的同时，不会产生额外的偏转力矩，但能够消除现有技术中线圈线缆力对运动及定位精度的影响，再通过设置相应气磁悬浮结构对直线运动进行支承和导向，提高了单位面积上承载与的转动刚度，并最终通过结合反馈控制，达到高精度、高速、高频运动的目的。本发明可建立一种体积小、速度快、精度高的扫描曝光装置。

Description

基于气磁悬浮和动磁钢的扫描曝光装置
技术领域
本发明属于精密仪器及机械技术领域，特别涉及基于气磁悬浮和动磁钢的扫描曝光装置。
背景技术
近年来，随着先进芯片制造业逐渐朝向功能集成化和体积微小化发展，气体静压直线运动基准以其高速度和高精度等显著优点而成为尖端光刻机中的关键部件之一；光刻机曝光系统中光阑片的高速、高加速以及高运动精度需求，对气体静压直线运动基准中的气体静压导轨提出了高承载能力、高转动刚度的要求；为避免直线运动机构遮挡光路或触碰光学器件，光阑片安装在直线运动基准的悬臂端，因此需要提高气体静压导轨的转动刚度，来抵抗光阑片高加速运动时产生的转动力矩；而光刻机曝光系统复杂而精密，其气体静压直线运动机构需要小型化，因此提高单位面积上的转动刚度，成为制约气体静压导轨在光刻机曝光系统中应用的主要技术难题。
2008年，荷兰ASML公司所研发的Twinscan XT 1950i型光刻机，可以实现38nm芯片激光刻蚀。其曝光系统中的直线运动基准采用机械导轨结构，并达到了40m/s2的加速度运动(Y.B.Patrick Kwan,Erik L.Loopstra.Nullifying Acceleration Forces in Nano-Positioning Stages for Sub-0.1mm Lithography Tool for 300mm Wafers[J].proceeding of SPIC：Optical Microlithography,2010,4346：544-557)；但随着芯片制造业的发展，传统的滑动/滚动导轨难以满足高加速度运动以及工作温度稳定性的要求。
专利CN201310436356“气浮悬挂式三维展开实验装置”提出一种定位精度高响应速度快的三维运动装置，主要包括十几个气浮运动机构空间上对应分布，并借助滑轮、吊绳、配重等机构安装在支承框架内部；但是该装置虽然可以满足一定的运动精度，但是由于运动环节较多，在高频运动状态下，在输出端不能够确保快速而准确的位移响应，且结构不够紧凑。
专利CN201410839808“一种双气浮导轨式光栅刻划刀架驱动装置”提出一种小型的一维运动装置，主要包括平行安装的两组气浮导轨，并通过固连气浮滑套的方式来提高刻划刀架的运动稳定性；该装置可以实现高速、高频运动，但是相比与该装置的位移输出端，如刀架转接板及刻画刀架，其气浮导轨过于庞大，因此单位面积上的转动刚度较差，且需要刀架配重块来保持平衡。
一系列专利CN 201610023016、CN201610023017、CN201610023018、CN201610023019和CN201610023020提出的“基于双层水冷动磁钢气磁结合气浮双工件台矢量圆弧换台方法及装置”，解决了现有换台方案节拍多、轨迹长、起停环节多、稳定时间长等问题，减少换台环节，缩短了换台时间，提高了光刻机的产率。但是由于台体过于沉重，无法用于悬挂式的运动场合，且对于光刻机曝光系统来说，体积过于庞大。
上述发明的共同之处是均不能将小型的气浮导轨应用在高速、高加速、高频运动状况，因为在光刻机曝光系统的有限空间中，线缆力对光阑片的运动精度运动的影响不容忽视，严重限制了光刻机曝光系统的运行速度和精度；因此，通过并列动磁钢的结构设计，优化了驱动电机的性能，消除了现有技术中线缆力对运动及定位精度的影响,并通过气磁悬浮支承及导向的方式来提高直线气浮导轨在单位面积上承载与的转动刚度，进而提高直线运动基准的可靠准确性。
发明内容
本发明的目的就是针对上述已有技术存在的问题，提出基于气磁悬浮和动磁钢的扫描曝光装置，该装置将磁钢并行排列并置于双层线圈中间，通过对线圈中电流来驱动气磁滑块的直线运动，消除了现有技术中线缆力对运动及定位精度的影响，同时通过设置相应气磁悬浮结构对直线运动进行支承和导向，来提高直线气浮导轨在单位面积上承载与的转动刚度,并最终通过结合反馈控制，达到高精度、高速、高频运动的目的。
上述目的通过以下的技术方案实现：
基于气磁悬浮和动磁钢的扫描曝光装置，包括Y向扫描机构、X向扫描机构和柱状光源，所述X向扫描机构的两侧分别安装有Y向扫机构和柱状光源，且X向扫描机构与Y向扫描机构相向安装；所述Y向扫描机构包括Y基座、Y向气磁滑块、Y向上层线圈、挡光侧板、光电读数头；所述Y基座内部设置有气路并留有垂向供气入口和侧向供气入口，Y基座的中心加工有矩形窗口；Y基座上加工有轨道槽，轨道槽的端部安装有限位阻尼器，在轨道槽的中间安装有Y向下层线圈；Y基座上设置有若干排气浮台面，气浮台面上均安装有阵列分布的孔形节流器，孔形节流器与垂向供气入口和侧向供气入口连通，调压阀安装在侧向供气入口和孔形节流器之间；所述Y向气磁滑块的两侧对称加工有L型爪，L型爪的侧面安装有磁性贴片，L型爪的端部安装有防撞阻尼器；Y向气磁滑块上加工有光滑气浮面和梯形刀口；Y向气磁滑块上安装有动磁钢、光栅尺。
所述X向扫描机构包括X基座、X向气磁滑块、X向上层线圈；所述X基座的中心加工有透光窗口和滑槽，在滑槽之间安装有X向下层线圈，X向下层线圈的两侧安装安装有磁性体；X基座上安装有光电读数头和气浮调整模块，在气浮调整模块和滑槽上加工有多排气浮支承点，气浮支承点与供气孔连通；所述X向气磁滑块包括支架、平行安装的气浮导轨和对称分布的磁预紧模块，在X向气磁滑块的端部安装有防撞阻尼器，磁预紧模块通过转接头安装在气浮导轨内侧，支架上安装有动磁钢、光栅尺和运动刀片。
所述Y向扫描机构组装时，所述Y向气磁滑块的L型爪可移动的装配在Y基座的轨道槽内，其中光滑气浮面、磁性贴片的安装位置与气浮台面对应，Y向上层线圈、动磁钢的安装位置与Y向下层线圈对应，挡光侧板平行地安装在梯形刀口两侧且安装位置与矩形窗口对应，光栅尺的上方安装有读数头。
所述X向扫描机构组装时，所述X向气磁滑块的气浮导轨可移动的装配在X基座的滑槽内，其中气浮导轨的安装位置与多排气浮支承点对应，磁预紧模块的安装位置与磁性体对应，X向上层线圈、动磁钢的安装位置与X向下层线圈对应，运动刀片的安装位置与透光窗口对应，光栅尺的上方安装有读数头。
所述Y向下层线圈、动磁钢和Y向上层线圈依次配合安装，并驱动Y向气磁滑块沿轨道槽进行往复直线运动；所述动X向下层线圈、动磁钢和X向上层线圈依次配合安装，并驱动X向气磁滑块沿滑槽进行往复直线运动。
所述光滑气浮面、磁性贴片与气浮台面配合安装构成气磁悬浮，对Y向气磁滑块的直线运动进行支撑和导向；所述其中气浮导轨与多排气浮支承点配合安装构成气悬浮，磁预紧模块与磁性体对应配合安装构成磁悬浮，对X向气磁滑块的直线运动进行支撑和导向。
所述Y向扫描机构与X向扫描机构正交配置，梯形刀口与运动刀片正交配置且首尾衔接，与柱状光源的空间位置保持一致。
所述动磁钢的并行排列位置、数目可根据行程、负载变化而调整。
本发明具有以下特点及有益效果：
1、本发明装置将磁钢并行排列并置于双层线圈中间，通过对线圈中电流来驱动气磁滑块的直线运动，这种“三明治”型的并列动磁钢结构能够在提供足够的电机出力的同时，不会产生额外的偏转力矩，但能够消除现有技术中线圈线缆力对运动及定位精度的影响，大幅提升了电磁直线电机的性能，拓展了电磁直线电机的应用范围。
2、本发明装置将并列动磁钢结构与气磁悬浮支承结构相结合，对直线运动进行支承和导向，可以进一步执行步进或连续扫描、位置反馈控制等功能，结合这些功能最终达到高速、高加速、高频运动的目的。
本发明装置用途广泛，尤其适用于光刻机曝光系统中小型直线运动机构的高速、高频及高精度运动场合。
附图说明
图1为基于气磁悬浮和动磁钢的扫描曝光装置示意图。
图2为Y向扫描机构安装示意图。
图3为Y基座示意图。
图4为Y向气磁滑块示意图。
图5为X向扫描机构安装示意图。
图6为X基座示意图。
图7为X向气磁滑块示意图。
图中：a、Y向扫描机构；b、X向扫描机构；1、Y基座；2、X基座；3、柱状光源；4、Y向气磁滑块；5、Y向上层线圈；6、挡光侧板；7、光电读数头；8、调压阀；9、限位阻尼器；10、矩形窗口；11、侧向供气入口；12、垂向供气入口；13、轨道槽；14、气浮台面；15、孔形节流器；16、Y向下层线圈；17、动磁钢；18、光栅尺；19、磁性贴片；20、L型爪；21、梯形刀口；22、防撞阻尼器；23、光滑气浮面；24、气浮调整模块；25、X向气磁滑块；26、X向上层线圈；27、透光窗口；28、滑槽；29、供气孔；30、气浮支承点；31、磁性体；32、X向下层线圈；33、运动刀片；34、支架；35、磁预紧模块；36、转接头；37、气浮导轨。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。
参考图1，基于气磁悬浮和动磁钢的扫描曝光装置，包括Y向扫描机构、X向扫描机构和柱状光源，所述X向扫描机构的两侧分别安装有Y向扫描机构和柱状光源，且X向扫描机构与Y向扫描机构相向安装。
参考图2，所述Y向扫描机构a包括Y基座1、Y向气磁滑块4、Y向上层线圈5、挡光侧板6、光电读数头7。
参考图3，所述Y基座1内部设置有气路并留有垂向供气入口12和侧向供气入口11，Y基座1的中心加工有矩形窗口10；Y基座1上加工有轨道槽13，轨道槽13的端部安装有限位阻尼器9，在轨道槽13的中间安装有Y向下层线圈16；Y基座1上设置有若干排气浮台面14，气浮台面14上均安装有阵列分布的孔形节流器15，孔形节流器15与垂向供气入口12和侧向供气入口11连通，调压阀8安装在侧向供气入口11和孔形节流器15之间。
参考图4，所述Y向气磁滑块4的两侧对称加工有L型爪20，L型爪20的侧面安装有磁性贴片19，L型爪20的端部安装有防撞阻尼器22；Y向气磁滑块4上加工有光滑气浮面23和梯形刀口21；Y向气磁滑块4上安装有动磁钢17、光栅尺18。
参考图5，所述X向扫描机构b包括X基座2、X向气磁滑块25、X向上层线圈26。
参考图6，所述X基座2的中心加工有透光窗口27和滑槽28，在滑槽28之间安装有X向下层线圈32，X向下层线圈32的两侧安装安装有磁性体31；X基座2上安装有光电读数头7和气浮调整模块24，在气浮调整模块24和滑槽28上加工有多排气浮支承点30，气浮支承点30与供气孔29连通。
参考图7，所述X向气磁滑块4包括支架34、平行安装的气浮导轨37和对称分布的磁预紧模块35，在X向气磁滑块4的端部安装有防撞阻尼器22，磁预紧模块35通过转接头36安装在气浮导轨37内侧，支架34上安装有动磁钢17、光栅尺18和运动刀片33。
参考图2-4，所述Y向扫描机构a组装时，所述Y向气磁滑块4的L型爪20可移动的装配在Y基座1的轨道槽13内，其中光滑气浮面23、磁性贴片19的安装位置与气浮台面14对应，Y向上层线圈5、动磁钢17的安装位置与Y向下层线圈16对应，挡光侧板6平行地安装在梯形刀口21两侧且安装位置与矩形窗口10对应，光栅尺18的上方安装有读数头7。
参考图5-7，所述X向扫描机构b组装时，所述X向气磁滑块25的气浮导轨37可移动的装配在X基座2的滑槽28内，其中气浮导轨37的安装位置与多排气浮支承点30对应，磁预紧模块35的安装位置与磁性体31对应，X向上层线圈26、动磁钢17的安装位置与X向下层线圈32对应，运动刀片33的安装位置与透光窗口27对应，光栅尺18的上方安装有读数头7。
所述Y向下层线圈16、动磁钢17和Y向上层线圈5依次配合安装，并驱动Y向气磁滑块4沿轨道槽13进行往复直线运动；所述动X向下层线圈32、动磁钢17和X向上层线圈26依次配合安装，并驱动X向气磁滑块25沿滑槽28进行往复直线运动。
所述光滑气浮面23、磁性贴片19与气浮台面14配合安装构成气磁悬浮，对Y向气磁滑块4的直线运动进行支撑和导向；所述其中气浮导轨37与多排气浮支承点30配合安装构成气悬浮，磁预紧模块35与磁性体31对应配合安装构成磁悬浮，对X向气磁滑块25的直线运动进行支撑和导向。
所述Y向扫描机构a与X向扫描机构b正交配置，梯形刀口21与运动刀片33正交配置且首尾衔接，与柱状光源3的空间位置保持一致。
所述动磁钢17的并行排列位置、数目可根据行程、负载变化而调整。

Claims (5)

1.基于气磁悬浮和动磁钢的扫描曝光装置，包括Y向扫描机构(a)、X向扫描机构(b)和柱状光源(3)，所述X向扫描机构(b)的两侧分别安装有Y向扫描机构(a)和柱状光源(3)，且X向扫描机构(b)与Y向扫描机构(a)相向安装；其特征在于：所述Y向扫描机构(a)包括Y基座(1)、Y向气磁滑块(4)、Y向上层线圈(5)、挡光侧板(6)、光电读数头(7)；所述Y基座(1)内部设置有气路并留有垂向供气入口(12)和侧向供气入口(11)，Y基座(1)的中心加工有矩形窗口(10)；Y基座(1)上加工有轨道槽(13)，轨道槽(13)的端部安装有限位阻尼器(9)，在轨道槽(13)的中间安装有Y向下层线圈(16)；Y基座(1)上设置有若干排气浮台面(14)，气浮台面(14)上均安装有阵列分布的孔形节流器(15)，孔形节流器(15)与垂向供气入口(12)和侧向供气入口(11)连通，调压阀(8)安装在侧向供气入口(11)和孔形节流器(15)之间；所述Y向气磁滑块(4)的两侧对称加工有L型爪(20)，L型爪(20)的侧面安装有磁性贴片(19)，L型爪(20)的端部安装有防撞阻尼器(22)；Y向气磁滑块(4)上加工有光滑气浮面(23)和梯形刀口(21)；Y向气磁滑块(4)上安装有动磁钢(17)、光栅尺(18)；
所述X向扫描机构(b)包括X基座(2)、X向气磁滑块(25)、X向上层线圈(26)；所述X基座(2)的中心加工有透光窗口(27)和滑槽(28)，在滑槽(28)之间安装有X向下层线圈(32)，X向下层线圈(32)的两侧安装安装有磁性体(31)；X基座(2)上安装有光电读数头(7)和气浮调整模块(24)，在气浮调整模块(24)和滑槽(28)上加工有多排气浮支承点(30)，气浮支承点(30)与供气孔(29)连通；所述X向气磁滑块(4)包括支架(34)、平行安装的气浮导轨(37)和对称分布的磁预紧模块(35)，在X向气磁滑块(4)的端部安装有防撞阻尼器(22)，磁预紧模块(35)通过转接头(36)安装在气浮导轨(37)内侧，支架(34)上安装有动磁钢(17)、光栅尺(18)和运动刀片(33)；
所述Y向扫描机构(a)组装时，所述Y向气磁滑块(4)的L型爪(20)可移动的装配在Y基座(1)的轨道槽(13)内，其中光滑气浮面(23)、磁性贴片(19)的安装位置与气浮台面(14)对应，Y向上层线圈(5)、动磁钢(17)的安装位置与Y向下层线圈(16)对应，挡光侧板(6)平行地安装在梯形刀口(21)两侧且安装位置与矩形窗口(10)对应，光栅尺(18)的上方安装有读数头(7)；
所述X向扫描机构(b)组装时，所述X向气磁滑块(25)的气浮导轨(37)可移动的装配在X基座(2)的滑槽(28)内，其中气浮导轨(37)的安装位置与多排气浮支承点(30)对应，磁预紧模块(35)的安装位置与磁性体(31)对应，X向上层线圈(26)、动磁钢(17)的安装位置与X向下层线圈(32)对应，运动刀片(33)的安装位置与透光窗口(27)对应，光栅尺(18)的上方安装有读数头(7)。
2.根据权利要求1所述的基于气磁悬浮和动磁钢的扫描曝光装置，其特征在于：所述Y向下层线圈(16)、动磁钢(17)和Y向上层线圈(5)依次配合安装，并驱动Y向气磁滑块(4)沿轨道槽(13)进行往复直线运动；所述动X向下层线圈(32)、动磁钢(17)和X向上层线圈(26)依次配合安装，并驱动X向气磁滑块(25)沿滑槽(28)进行往复直线运动。
3.根据权利要求1所述的基于气磁悬浮和动磁钢的扫描曝光装置，其特征在于：所述光滑气浮面(23)、磁性贴片(19)与气浮台面(14)配合安装构成气磁悬浮，对Y向气磁滑块(4)的直线运动进行支撑和导向；所述其中气浮导轨(37)与多排气浮支承点(30)配合安装构成气悬浮，磁预紧模块(35)与磁性体(31)对应配合安装构成磁悬浮，对X向气磁滑块(25)的直线运动进行支撑和导向。
4.根据权利要求1所述的基于气磁悬浮和动磁钢的扫描曝光装置，其特征在于：所述Y向扫描机构(a)与X向扫描机构(b)正交配置，梯形刀口(21)与运动刀片(33)正交配置且首尾衔接，与柱状光源(3)的空间位置保持一致。
5.根据权利要求1所述的基于气磁悬浮和动磁钢的扫描曝光装置，其特征在于：所述动磁钢(17)的并行排列位置、数目可根据行程、负载变化而调整。
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