CN1544991A - 集成电路光刻设备的磁悬浮精密工件台 - Google Patents

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Abstract

一种集成电路光刻设备的磁悬浮精密工件台，采用相互独立的和基于闭环控制的电磁力和洛仑兹电机结构，主要包括由基座框架、工作台、电磁铁衔铁及连接件组成的机械部分，悬浮和驱动工作台的四对电磁铁，驱动平面运动的洛仑兹电机以及与电磁铁相对应的四个电容传感器。电磁力用于抵消重力，同时高精度地驱动一个直线自由度和两个转动自由度的微位移，洛仑兹电机高精度地驱动其余的、位于同一平面的两个直线自由度的大行程位移和一个转动自由度的微位移。本发明使用四对电磁铁和一个平面洛仑兹电机，通过闭环控制将工件台稳定悬浮在空中，六个自由度均无接触和摩擦力，实现了超精密运动控制。

Description

集成电路光刻设备的磁悬浮精密工件台
技术领域：
本发明涉及一种精密工件台，尤其涉及一种集成电路光刻设备的磁悬浮精密工件台，属于集成电路的微细工程制造领域。
背景技术：
高档集成电路光刻设备要求其工件台能够精密地实现六个自由度的运动，其中曝光扫描和步进运动为两个直线位移，要求大的行程(几十至几百毫米)，其余四个自由度的运动行程范围很小。电致伸缩陶瓷(或称压电陶瓷，或称压电体)是一种可以避免摩擦力非线性的器件，能够达到高的运动精度。对于大行程直线位移自由度，由于电致伸缩陶瓷的行程一般远小于一个毫米，只能提供精密定位的微位移，因此还需配备一套大行程的粗定位直线移动机构。这样的工件台，粗定位系统有摩擦磨损，工件台结构与控制方法复杂，安装调试困难，不利于运动精度的进一步提高和长期保持。如果工件台的曝光和步进运动利用空气悬浮的导轨和直线电机驱动，则可以消除摩擦力。但由于空气悬浮的扰动，工作台存在高频抖动，且无法用于真空环境。使用空气悬浮的系统，曝光扫描和步进运动仍然保持粗精两套冗余定位机构。
经EI、SCI和中国专利信息网的检索，尚未发现有与本发明结构相关的磁悬浮精密工件台。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种集成电路光刻设备的磁悬浮精密工件台，能稳定地悬浮在空中，六个自由度均无接触和摩擦力，曝光扫描和步进运动无需冗余，可实现光刻工艺要求的纳米级运动控制精度，同时还能够降低集成电路光刻设备工件台的造价。
为实现这样的目的，本发明设计的集成电路光刻设备精密工件台，采用一种相互独立的和基于闭环控制的电磁力和洛仑兹电机结构，使用四对电磁铁和一个平面电机，通过闭环控制将工件台稳定悬浮在空中，并实现超精密运动控制。在电磁力和洛仑兹电机作用下，工作台稳定悬浮在空中，六个自由度均无接触和摩擦力，其中电磁力用于抵消重力，同时高精度地驱动一个直线自由度和两个转动自由度的微位移，洛仑兹电机高精度地驱动其余的、位于同一平面的两个直线自由度的大行程位移和一个转动自由度的微位移。在由电磁力实现运动控制的三个自由度上，安排有四对电磁铁产生电磁力，由四个电容传感器反馈位置信号，通过解耦算法，构成三个相互独立的闭环控制回路，保证系统正常工作。由洛仑兹电机驱动的三个自由度，使用三路双频激光干涉仪反馈位置信号，构成三个闭环控制回路。洛仑兹电机的定子线圈通过其固定架固定在工件台的基座框架上，在绕组的上方和下方，装有永久磁铁产生磁场。
本发明的具体结构包括精密磁悬浮工件台机械部分、悬浮和驱动工作台的电磁铁、驱动平面运动的洛仑兹电机(包括定子线圈和两套永久磁铁)、以及几何布置的电磁铁和传感器。精密磁悬浮工件台机械部分由基座框架、电磁铁衔铁、工作台、工作台与电磁铁衔铁之间的连接件构成，悬浮和驱动工作台的四对电磁铁对称安装在基座框架上，通过工作台与电磁铁衔铁之间的连接件，工作台与电磁铁衔铁相对固定，并且在两者之间形成一个狭缝。洛仑兹电机的定子穿过狭缝，与基座框架相固定。洛仑兹电机的永久磁铁布置在定子线圈的上方和下方，分别固定在工作台与电磁铁衔铁相对应的两个平面上。
工作时，数字控制器根据参考位置量与相应的传感器测得的实际位置之差，通过控制算法，得到数字量电压控制信号，这些电压控制信号经数模转化后，由控制器输出，经功率放大后分别驱动安装在框架上的电磁铁和固定在框架上的洛沦兹电机定子线圈，使得工件台在六个自由度上的参考位置量与实际位置之差趋于零。为了保持机械结构的对称性，本发明中由电磁铁实现悬浮和驱动的三个自由度中，采用了四对电磁铁和四个电容传感器。通过解耦算法从四个电容传感器的测量值得到相应的三个自由度的位移量，并且由三个控制电压计算出四对电磁铁的控制电压。
由于工作台在悬浮状态下移动，在六个自由度上的移动均无摩擦力非线性，因而只要传感器的分辨率足够高，噪声足够小，就可以使用已有的多种成熟的线性控制算法，达到纳米级的运动控制精度。
本发明提出的这种新型结构的磁悬浮精密工件台，不使用电致伸缩陶瓷，大行程直线位移自由度无需粗定位直线移动机构。工作台能够进行高精度的六个自由度的运动，无摩擦磨损，没有传动机构，机械结构简洁，机械结构具有对称性，能够长期保持精度。洛仑兹电机没有垂直力，磁场均匀，不需换相，漏磁少。电磁力系统和洛仑兹电机相互独立。电磁力闭环控制反馈元件使用电容传感器，与使用双频激光干涉仪比较，既能满足精度要求，又能降低成本。
附图说明：
图1是本发明磁悬浮精密工件台机械结构示意图。
图2是沿图1的中心线CC的截面图。
图1图2中，1为基座框架，2为电磁铁衔铁，3为工作台，4为电磁铁衔铁与工作台之间的连接件，5为同一作用点的一对电磁铁(共有四对这样的电磁铁，图1中能看到两对，另外两对恰好被这两对遮挡)，6为电容传感器(与电磁铁5相对应，共有四个电容传感器)，7为洛仑兹电机定子线圈，8为上下两套永久磁铁，9为洛仑兹电机定子线圈与基座框架之间的连接件。
图3是洛仑兹电机的几何布置示意图。
图3中，7为洛仑兹电机定子线圈，8为永久磁铁。
图4是本发明磁悬浮精密工件台闭环控制系统框图。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明的磁悬浮精密工件台结构如图1所示，采用相互独立的和基于闭环控制的电磁力和洛仑兹电机结构，主要包括由基座框架1，电磁铁衔铁2，工作台3、工作台与电磁铁衔铁之间的连接件4组成的机械部分，悬浮和驱动工作台3的四对电磁铁5，驱动平面运动的洛仑兹电机(包括定子线圈7和两套永久磁铁8)以及与四对电磁铁5的位置相对应的四个电容传感器6。电磁铁衔铁2上方和下方的两个对应的绕有线圈的铁芯构成一对电磁铁5，四对电磁铁5前后两两对称分布于工作台3与电磁铁衔铁2之间的连接件4的两侧，并固定在基座框架1上。图1中所示的为前面的两对电磁铁5。四个电容传感器6与四对电磁铁5一一对应，固定在基座框架1相对于工作台3的一面。通过工作台3与电磁铁衔铁2之间的连接件4，工作台3与电磁铁衔铁2相对固定，并且在两者之间形成一个狭缝，洛仑兹电机定子穿过狭缝，通过其连接件9固定在基座框架1上，洛仑兹电机的两套永久磁铁8布置在定子线圈7的上方和下方，分别固定在工作台3与电磁铁衔铁2相对应的两个平面上。
工作台的三个平动自由度为空间座标系的三个座标轴，x，y，z分别表示沿这三个座标轴的位移量。绕这三个座标轴的三个转动自由度上的转动量分别以α，β，θ表示。由电磁力驱动的三个自由度位移量为z，α，β，由洛仑兹电机产生的洛仑兹力控制的三个自由度位移量为x，y，θ。
电磁力用于抵消重力，同时高精度地驱动一个直线自由度和两个转动自由度的微位移，洛仑兹电机高精度地驱动其余的、位于同一平面的两个直线自由度的大行程位移和一个转动自由度的微位移。
从电容传感器6检测的框架1与工作台3之间的间隙，可以计算出工作台3在z，α和β自由度上的位移量。
图3是洛仑兹电机定子线圈7和永久磁铁8的几何布置示意图。
图3中，由六块永久磁铁构成上下两层永久磁铁8中的一层，用于产生所需要的垂直于XY平面的磁场。六块永久磁铁交错布置，洛仑兹电机定子线圈7由三个线圈构成，中间一个较大的线圈用于产生X方向上的驱动力，另外两个线圈用于产生Y方向上的驱动力以及绕Z轴的力矩。
图4是本发明磁悬浮精密工件台控制系统框图。为了检测工作台在六个自由度上的位移量，本发明使用了四套电容传感器和一套三轴双频激光干涉仪位移测量系统。其中，z，α和β自由度使用电容传感器，x，y，θ使用双频激光干涉仪。双频激光干涉仪的反射镜置于工作台面上。电气控制部分包括一台工业控制计算机，该计算机配有四路16位高速多路数模转换、四路16位高速多路模数转换、三路16位高速多路数模转换、和三路32位开关量输入。其中，数模转换用于输出电磁铁和洛仑兹电机的控制电压，模数转换用于读入电容传感器的测量值，开关量输入用于读入双频激光干涉仪测得的位移量。由计算机输出的控制电压，经由功率放大后，送入电磁铁和洛仑兹电机，产生相应的运动。
在图4所示的磁悬浮精密工件台控制系统中，在六个自由度上的移动均无摩擦力非线性，使用已有的多种成熟的线性控制算法，都可以实现其闭环运动控制，控制精度取决于传感器的分辨率和系统中的电气噪声。
在本发明的一个实施例中，洛仑兹电机驱动的直线位移行程为20mm，电磁铁驱动的直线位移行程为0.1mm，各转动自由度的行程为0.5mrad；重复定位精度为20nm(Z轴)和10nm(X和Y轴)。
本发明的磁悬浮精密工件台六个自由度均无接触和摩擦力，曝光扫描和步进运动无需冗余，单级就可实现光刻工艺要求的纳米级运动控制精度。

Claims (2)

1、一种集成电路光刻设备的磁悬浮精密工件台，其特征在于采用相互独立的和基于闭环控制的电磁力和洛仑兹电机结构，主要包括由基座框架(1)，电磁铁衔铁(2)，工作台(3)、工作台与电磁铁衔铁的连接件(4)组成的机械部分，悬浮和驱动工作台的四对电磁铁(5)，驱动平面运动的洛仑兹电机以及与四对电磁铁(5)相对应几何布置的四个电容传感器(6)，电磁铁衔铁(2)上方和下方的两个对应的绕有线圈的铁芯构成一对电磁铁(5)，四对电磁铁(5)前后两两对称分布于工作台(3)与电磁铁衔铁(2)之间连接件(4)的两侧，并固定在基座框架(1)上，四个电容传感器(6)与四对电磁铁(5)一一对应，固定在基座框架(1)相对于工作台(3)的一面，工作台(3)与电磁铁衔铁(2)通过连接件(4)相对固定，并在两者之间形成一个狭缝，洛仑兹电机定子穿过狭缝并通过其连接件(9)固定在基座框架(1)上，洛仑兹电机的两套永久磁铁(8)布置在定子线圈(7)的上方和下方，分别固定在工作台(3)与电磁铁衔铁(2)相对应的两个平面上。
2、如权利要求1的集成电路光刻设备的磁悬浮精密工件台，其特征在于所述的洛仑兹电机定子线圈(7)由三个绕组构成，分别用于X方向、Y方向的平动和绕Z轴的转动的驱动，定子线圈(7)上方和下方的两套永久磁铁(8)分别由六块交错布置的永久磁铁构成，用于产生垂直于XY平面的磁场。
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