TW202042489A - 磁浮電機及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供了一種磁浮電機及其控制方法，磁鋼陣列模組上具有至少兩個線圈模組，每個所述線圈模組均包括至少6個呈矩陣分佈的發力體，控制模組即時識別兩個線圈模組所處的工況並根據所述線圈模組所處的工況控制其發力體的通電和斷電以控制所述線圈模組的工作模式，能夠在有限的面積下使至少6個呈矩陣分佈的發力體同時使用，在需要時增加所述線圈模組運動的加速度，並且不需要將磁鋼陣列模組的尺寸做的足夠大。

Description

磁浮電機及其控制方法

本發明涉及半導體製備技術領域，尤其涉及一種磁浮電機及其控制方法。

在光刻機的工件台和遮罩台中，通常採用長行程的直線電機結合短行程的音圈電機，並選用氣浮軸承來實現高速、高精密定位。然而，在這種結構方案中，為了獲得多個運動自由度，往往需要多個直線電機採用堆疊的方式加以實現。這種結構方案不僅增加了整個系統的複雜度，降低了模態，而且加大了底層直線電機的負載，導致運動台的定位精度、控制帶寬和運動速度大幅下降。此外，當運動行程需要增加時，氣浮直線導軌的製造成本不但幾何上升，而且越來越困難，已經成為大尺寸晶元製造的發展瓶頸。

為了解決上述問題，出現了一種新型結構的電機——磁浮電機。它基於洛倫茲力原理，將產生的電磁力直接施加到工件台上，能夠同時提供多軸運動。磁浮電機一般包括磁鋼陣列模組和線圈單元模組兩大部分，所述磁鋼陣列模組中的磁鋼陣列單元呈交替排列方式，非常便於拓展，有效解決了大行程設計上的技術瓶頸。而且，藉由磁浮技術，降低了對運動面型的約束，工作過程無接觸磨損，非常適合大行程、真空、超潔淨、超精密定位的需求。

習知的磁浮電機的線圈單元模組通常具有4個發力體提供移動的加速度，總加速較小，為了增加總加速度就需要增加發力體的數量，但是由於磁鋼陣列模組在列方向上寬度尺寸無法做到很大，限於尺寸和佈局的約束，習知的磁鋼陣列模組的面積無法滿足6個及其以上的發力體同時使用。

本發明的目的在於提供一種磁浮電機及其控制方法，在磁鋼陣列模組在列方向上寬度尺寸有限的情況下，能夠滿足6個及其以上的發力體同時使用。

為了達到上述目的，本發明提供了一種磁浮電機，包括：

磁鋼陣列模組，用於產生磁場；

至少兩個線圈模組，位於所述磁鋼陣列模組上並能夠在平行於所述磁鋼陣列模組所在的平面內移動，每個所述線圈模組均包括至少6個呈矩陣分佈的發力體；

控制模組，與每個所述線圈模組連接，用於根據所述線圈模組中各發力體與磁鋼陣列模組的位置關係，控制各發力體的通電和斷電並切換所述線圈模組的工作模式。

可選的，每個所述發力體包括多個沿同一方向平行排布的線圈，其中，每個所述線圈模組中，相鄰兩個所述發力體的線圈排布方向相垂直。

可選的，每個所述線圈模組中每行所述發力體的總數量小於每列所述發力體的總數量。

可選的，每個所述線圈模組中具有K個發力體，K為大於或等於6的偶數；

當K是3的倍數時，每個所述線圈模組中線圈排布方向相同的兩個所述發力體的中心在其線圈排布方向上的間距D均滿足如下公式：

當K不是3的倍數時，每個所述線圈模組中線圈排布方向相同的兩個所述發力體的中心在其線圈排布方向上的間距D均滿足如下公式：

其中，n為正整數， 為所述磁鋼陣列模組的磁極距。

可選的，每個所述線圈模組均還包括支撐座，每個所述線圈模組的每個所述發力體均設置於相應的所述支撐座內。

可選的，所述各線圈模組在至少一個方向上的寬度尺寸的總和大於所述磁鋼陣列模組在該方向上的寬度尺寸。

本發明還提供了一種所述磁浮電機的控制方法，包括：

控制模組即時識別線圈模組所處的工況；

所述控制模組根據所述線圈模組所處的工況控制所述線圈模組的發力體的通電和斷電以控制所述線圈模組的工作模式。

可選的，所述線圈模組的工作模式包括部分線圈工作模式及全線圈工作模式，在所述部分線圈工作模式下，所述控制模組控制每個所述線圈模組的至少一行所述發力體斷電，剩餘行的所述發力體通電，在所述全線圈工作模式下，所述控制模組控制所述線圈模組的所有所述發力體通電。

可選的，當所述線圈模組在所述磁鋼陣列模組內移動時，所述線圈模組處於測量對準工況，所述控制模組控制所述線圈模組處於全線圈工作模式；當所述線圈模組移動並部分懸出所述磁鋼陣列模組外時，所述線圈模組處於位置切換工況，所述控制模組控制懸於所述磁鋼陣列模組外的所述發力體斷電並控制所述線圈模組處於部分線圈工作模式。

可選的，在所述部分線圈工作模式下，對於同一個所述線圈模組，所述控制模組每次均控制相同數量和相同位置的所述發力體斷電。

在本發明提供的磁浮電機及其控制方法中，磁鋼陣列模組上具有至少兩個線圈模組，每個所述線圈模組均包括至少6個呈矩陣分佈的發力體，控制模組即時識別兩個線圈模組所處的工況並根據所述線圈模組所處的工況控制其發力體的通電和斷電以控制所述線圈模組的工作模式，能夠在有限的面積下使至少6個呈矩陣分佈的發力體同時使用，在需要時增加所述線圈模組運動的加速度，並且不需要將磁鋼陣列模組的尺寸做的足夠大。

下面將結合示意圖對本發明的具體實施方式進行更詳細的描述。根據下列描述和申請專利範圍，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，圖式均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

為了便於描述，本文以（俯視示意圖中，在此包括第2圖至第8圖）平行於紙面向下為X方向（列方向），平面於紙面向右為Y方向（行方向），垂直於紙面向外為Z方向，建立XYZ三維坐標系。如第1圖-第3圖所示，本實施例提供了一種磁浮電機，包括磁鋼陣列模組1、控制模組及至少兩個線圈模組2，所述磁鋼陣列模組1用於產生磁場，至少兩個所述線圈模組2懸浮於磁鋼陣列模組1上方，每個所述線圈模組2包括支撐座212及位於所述支撐座212內的至少6個發力體211，每個所述線圈模組2中的發力體211包括若干個沿同一方向平行排布的線圈，其中，相鄰兩個所述發力體211的線圈排布方向垂直，當在所述發力體211的線圈中通電時，所述線圈模組2能夠在平行於所述磁鋼陣列模組1所在的平面內移動。所述控制模組與每個所述線圈模組2連接，用於根據所述線圈模組中各發力體與磁鋼陣列模組的位置關係，控制所述線圈模組2中各發力體211的通電和斷電並切換所述線圈模組2的工作模式。

具體的，如第2圖及第3圖所示，本實施例中，所述磁鋼陣列模組1上具有兩個所述線圈模組2，每個所述線圈模組2中具有6個發力體211（具體為發力體XZ1、發力體XZ2、發力體XZ3、發力體YZ1、發力體YZ2、發力體YZ3），每個所述發力體211包括3個沿X方向或Y方向平行排布的線圈（其中，發力體XZ1、發力體XZ2、發力體XZ3中的線圈均沿X方向平行排布，發力體YZ1、發力體YZ2、發力體YZ3中的線圈均沿Y方向平行排布），並且，相鄰兩個所述發力體211的線圈排布方向是不同的，即不管是沿X方向還是沿Y方向，線圈排布方向不同的發力體211始終是間隔分佈的。例如，發力體XZ3中的線圈均沿X方向平行排布，其相鄰的發力體YZ1、發力體YZ3中的線圈均沿Y方向平行排布。又如，發力體YZ3中的線圈均沿Y方向平行排布，其相鄰的發力體XZ1、發力體XZ2、發力體XZ3中的線圈均沿X方向平行排布。

可以理解的是，每個所述發力體211中各線圈產生的Z向力雖然可以產生需要的懸浮力，使所述線圈模組2懸浮在所述磁鋼陣列模組1上，但由於到所述發力體211的質心存在轉臂，因此所述發力體211的合成轉矩不為零，將不可避免產生一個繞X方向或Y方向的伴隨轉矩，稱為間距轉矩，產生X向力和Z向力的線圈將存在一個繞Y方向旋轉的間距轉矩，產生Y向力和Z向力的線圈將存在一個繞X方向旋轉的間距轉矩，因此這些間距轉矩是作為干擾存在的，必須加以消除。如第2圖所示，本實施例中，6個所述發力體211呈3行2列分佈，設所述磁鋼陣列模組1的磁極距為 ，令發力體XZ2的中心與發力體XZ1的中心在X方向上的間距為∆X1，發力體XZ1的中心與發力體XZ3的中心在X方向上的間距為∆X2，且∆X1=∆X2=(5+1/3)* ，發力體YZ1的中心與發力體YZ3的中心在Y方向上的間距為∆Y1，發力體YZ2的中心與發力體YZ1的中心在Y方向上的間距為∆Y2，且∆Y1=(4+1/3)* ，∆Y2=1/3* ，則6個發力體211各自產生的間距轉矩分別為：

（1）

其中，

，

、

、

、

、

、

分別為發力體XZ1、發力體XZ2、發力體XZ3、發力體YZ1、發力體YZ2、發力體YZ3產生的間距轉矩，

、

、

分別為發力體XZ1、發力體XZ2、發力體XZ3產生的X向力，

、

、

分別為發力體YZ1、發力體YZ2、發力體YZ3產生的Y向力，

、

、

分別為發力體XZ1、發力體XZ2、發力體XZ3產生的Z向力，

、

、

分別為發力體YZ1、發力體YZ2、發力體YZ3產生的Z向力。

當∆X1、∆X2、∆Y1和∆Y2均滿足公式

，其中，D為∆X1、∆X2、∆Y1或∆Y2，n 為正整數，則公式（1）等效為：

（2）

其中，

和

分別為X方向上和Y方向上的間距轉矩，此時所述磁浮電機處於出力均勻的狀態，完成了對間距轉矩的結構補償。也就是說，本實施例中，將所述線圈模組2中線圈排布方向相同的兩個所述發力體211中心在其線圈排布方向上的間距D設置為

，以對磁浮電機的間距轉矩進行補償，使得磁浮電機處於出力均勻的狀態。即在本申請實施例中，發力體XZ2的中心與發力體XZ1的中心在X方向上的間距∆X1，發力體XZ1的中心與發力體XZ3的中心在X方向上的間距∆X2均滿足公式

，相應的，發力體XZ2的中心與發力體XZ3的中心在X方向上的間距也滿足公式

。

根據以上公式可以得到，當所述線圈模組2中發力體211的數量K為3的倍數時，所述線圈模組2中線圈排布方向相同的兩個所述發力體211中心在其線圈排布方向上的間距D設置為

，當所述線圈模組2中發力體211的數量K不是3的倍數時（例如為大於等於6的偶數，K=8、K=10等），所述線圈模組中線圈排布方向相同的兩個所述發力體中心在其線圈排布方向上的間距D設置為

。可以理解的是，所述線圈模組2中線圈排布方向相同的每兩個所述發力體211中心在其線圈排布方向上的間距D可以相等或不相等，只要滿足

或

即可。

進一步，如第3圖所示，本實施例中，所述各線圈模組2在至少一個方向（在此包括X方向或者Y方向）上的寬度尺寸的總和大於所述磁鋼陣列模組1在該方向上的寬度尺寸。例如，所述磁鋼陣列模組1上的所有所述線圈模組2在Y方向上的寬度尺寸的總和小於所述磁鋼陣列模組1在Y方向上的寬度尺寸，一個所述線圈模組2在X方向上的寬度尺寸小於所述磁鋼陣列模組1在X方向上的寬度尺寸，以使所述線圈模組2能夠在X方向上和Y方向上移動調整位置，兩個所述線圈模組2在X方向上的寬度尺寸的總和大於所述磁鋼陣列模組1在X方向上的寬度尺寸，這樣一來可以將所述磁鋼陣列模組1在X方向上的尺寸做小一些，降低了所述磁鋼陣列模組1的製造成本。具體的，在本申請實施例中，所述磁鋼陣列模組1和所述線圈模組2均呈矩形，並且所述磁鋼陣列模組1的長邊和所述線圈模組2的短邊相平行且均沿著Y方向延伸，所述磁鋼陣列模組1的短邊和所述線圈模組2的長邊相平行且均沿著X方向延伸。

由於所述磁鋼陣列模組1在X方向上的尺寸有限，當兩個所述線圈模組2移動時，不能很好的利用所述磁鋼陣列模組1的空間，特別是難以實現兩個所述線圈模組2位置的交換。當兩個所述線圈模組2均位於所述磁鋼陣列模組1內且僅在固定的範圍內運動時（不涉及位置交換），所述控制模組控制所述線圈模組2中各發力體均通電並切換所述線圈模組2的工作模式至全線圈工作模式（6個發力體同時工作）；當兩個所述線圈模組2需要切換位置時，所述控制模組控制所述線圈模組2中的至少一行發力體斷電並切換所述線圈模組2的工作模式至部分線圈工作模式（4個發力體同時工作），具體的，所述控制模組根據6個所述發力體在所述磁鋼陣列模組1上的位置，控制一部分發力體通電且另一部分發力體斷電，以實現兩個所述線圈模組2切換位置。

基於此，本實施例還提供了一種磁浮電機的控制方法，包括：

步驟S1：控制模組即時識別線圈模組所處的工況；

步驟S2：所述控制模組根據所述線圈模組所處的工況控制其發力體的通電和斷電並切換所述線圈模組的工作模式。

具體的，如第4圖-第8圖所示，本實施例以所述磁浮電機用於光刻機的工件台中以承載並移動待曝光的基底為例進行說明。

如第4圖所示，所述磁鋼陣列模組1中具有兩個工位，分別為曝光工位和測量工位，所述曝光工位和測量工位上方分別為曝光模組和測量模組，所述線圈模組用於承載基底，當所述線圈模組承載所述基底位於曝光工位或測量工位時，所述曝光模組和測量模組對所述基底執行曝光或測量。本實施例中，所述磁鋼陣列模組1上具有兩個線圈模組2，分別為第一線圈模組21a和第二線圈模組21b，初始狀態下，所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b分別位於曝光工位和測量工位，此時，所述第一線圈模組21a承載的基底正在執行同軸對準、矽片曝光等工作流程，所述第二線圈模組21b承載的基底正在執行工件台調平、工件台對準、矽片面型測量、矽片對準等工作流程，以為曝光做準備，此時所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b均處於測量對準工況，所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b均需要高加速度以快速實現對準工作，所以此時，所述控制模組控制所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b均處於全線圈工作模式，即所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b的6個發力體均通電，以提供高加速度，進而提高測量和曝光的速度，提高了產率。

進一步，當所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b承載的基底完成測量和曝光後，所述第一線圈模組21a上的基底已經被曝光，需要移動至下片工位去下片，並移動至上片工位上片，上片完畢後再移動至所述測量工位上，所述第二線圈模組21b上的基底已經完成了測量，需要移動至曝光工位去執行曝光。也就是說，所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b需要交換位置。如第5圖所示，由於所述磁鋼陣列模組1在X方向上的尺寸限制，所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b交換位置時，所述第一線圈模組21a的第一行發力體（XZ3和YZ1）和所述第二線圈模組21b的最後一行發力體（XZ3和YZ1）會懸出所述磁鋼陣列模組1，所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b均處於位置切換工況，此時在發力體（XZ3和YZ1）懸出所述磁鋼陣列模組1之前，所述控制模組控制所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b均處於部分線圈工作模式，即所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b的4個發力體通電，雖然此時加速度會降低，但是對於曝光流程來說，在曝光工位和測量工位的對準工作需要幾千次頻繁的加速減速，所以在曝光工位和測量工位的對準工作才是影響產率的重要因素，在位置切換時降低加速度對產率的影響很小，整體看來，本發明提供的磁浮電機的控制方法仍然極大的提高了產率。

可以理解的是，本實施例中由於所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b均只有6個發力體，尺寸比較小，所以只有一行發力體懸出所述磁鋼陣列模組1外，當所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b中有6個以上的發力體以至於所述線圈模組在X方向的尺寸較大時，可以將多行所述發力體懸出所述磁鋼陣列模組1，在此不再一一舉例說明。

進一步，如第6圖所示，在所述第一線圈模組21a在部分線圈工作模式下移動至所述下片工位，以將曝光完畢的基底移走，此時，所述第二線圈模組21b可以直接在部分線圈工作模式下移動至曝光工位上，等待所述第一線圈模組21a就位。接著如第7圖所示，所述第一線圈模組21a在部分線圈工作模式下再移動至所述上片工位進行上片，然後移動至所述測量工位，此時所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b完成了位置交換，結束位置切換工況，開始測量對準工位，所述控制模組控制所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b切換進全線圈工作模式。如第8圖所示，當所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b上的基底完成測量和曝光後，所述第一線圈模組21a和所述第二線圈模組21b再次交換位置，在所述發力體（XZ3和YZ1）懸出所述磁鋼陣列模組1之前，所述控制模組切換至部分線圈工作模式。藉由在全線圈工作模式和部分線圈工作模式之間切換，能夠在磁鋼陣列模組1尺寸有限的情況下使至少6個呈矩陣分佈的發力體同時使用，在需要時增加所述線圈模組運動的加速度，並且不需要將磁鋼陣列模組的尺寸做的足夠大，降低了製造成本。

可以理解的是，在所述部分線圈工作模式下，對於同一個所述線圈模組，所述控制模組每次均控制相同數量和相同位置的發力體斷電，也就是說，每個所述線圈模組在部分線圈工作模式下斷電和通電的發力體的數量和位置都是固定的，控制較為簡單。

綜上，在本發明實施例提供的磁浮電機及其控制方法中，磁鋼陣列模組上具有至少兩個線圈模組，每個所述線圈模組均包括至少6個呈矩陣分佈的發力體，控制模組即時識別兩個線圈模組所處的工況並根據所述線圈模組所處的工況控制其發力體的通電和斷電並切換所述線圈模組的工作模式，能夠在有限的面積下使至少6個呈矩陣分佈的發力體同時使用，在需要時增加所述線圈模組運動的加速度，並且不需要將磁鋼陣列模組的尺寸做的足夠大。

上述僅為本發明的較佳實施例而已，並不對本發明起到任何限制作用。任何所屬技術領域具有通常知識者，在不脫離本發明的技術方案的範圍內，對本發明揭露的技術方案和技術內容做任何形式的等同替換或修改等變動，均屬未脫離本發明的技術方案的內容，仍屬於本發明的保護範圍之內。

1:磁鋼陣列模組 2:線圈模組 21a:第一線圈模組 21b:第二線圈模組 211:發力體 212:支撐座 ∆X1、∆X2、∆X3、∆Y1、∆Y2:間距 XZ3、YZ3、XZ2、YZ1、XZ1、YZ2:發力體

第1圖為本發明實施例提供的線圈模組的剖面示意圖； 第2圖為本發明實施例提供的線圈模組的俯視圖； 第3圖為本發明實施例提供的磁浮電機的平面示意圖； 第4圖-第8圖為本發明實施例提供的磁浮電機的控制步驟圖；

211:發力體

212:支撐座

XZ3、YZ3、XZ2、YZ1、XZ1、YZ2:發力體

Claims (10)

1. 一種磁浮電機，其包括： 一磁鋼陣列模組，用於產生磁場； 至少兩個線圈模組，位於該磁鋼陣列模組上並能夠在平行於該磁鋼陣列模組所在的平面內移動，每個該線圈模組均包括至少6個呈矩陣分佈的一發力體； 一控制模組，與每個該線圈模組連接，用於根據該線圈模組中各該發力體與該磁鋼陣列模組的位置關係，控制各該發力體的通電和斷電並切換該線圈模組的工作模式。
2. 如請求項1所述的磁浮電機，其中，每個該發力體包括沿同一方向平行排布的複數個線圈，其中，每個該線圈模組中，相鄰兩個該發力體的線圈排布方向相垂直。
3. 如請求項1或2所述的磁浮電機，其中，每個該線圈模組中每行該發力體的總數量小於每列該發力體的總數量。
4. 如請求項2所述的磁浮電機，其中，每個該線圈模組中具有K個發力體，K為大於或等於6的偶數； 當K是3的倍數時，每個該線圈模組中線圈排布方向相同的兩個該發力體的中心在其線圈排布方向上的間距D均滿足如下公式：

   

   當K不是3的倍數時，每個該線圈模組中線圈排布方向相同的兩個該發力體的中心在其線圈排布方向上的間距D均滿足如下公式：

   

   其中，n為正整數，

   

   為該磁鋼陣列模組的磁極距。
5. 如請求項1所述的磁浮電機，其中，每個該線圈模組均進一步包括一支撐座，每個該線圈模組的每個該發力體均設置於相應的該支撐座內。
6. 如請求項1所述的磁浮電機，其中，各該線圈模組在至少一個方向上的寬度尺寸的總和大於該磁鋼陣列模組在該方向上的寬度尺寸。
7. 一種如請求項1-6中任一項所述的磁浮電機的控制方法，其包括： 一控制模組即時識別該線圈模組所處的工況； 該控制模組根據該線圈模組所處的工況控制該線圈模組的發力體的通電和斷電以控制該線圈模組的工作模式。
8. 如請求項7所述的磁浮電機的控制方法，其中，該線圈模組的工作模式包括一部分線圈工作模式及一全線圈工作模式，在該部分線圈工作模式下，該控制模組控制每個該線圈模組的至少一行該發力體斷電，剩餘行的該發力體通電，在該全線圈工作模式下，該控制模組控制該線圈模組的所有該發力體通電。
9. 如請求項8所述的磁浮電機的控制方法，其中，當該線圈模組在該磁鋼陣列模組內移動時，該線圈模組處於測量對準工況，該控制模組控制該線圈模組處於該全線圈工作模式；當該線圈模組移動並部分懸出該磁鋼陣列模組外時，該線圈模組處於位置切換工況，該控制模組控制懸於該磁鋼陣列模組外的該發力體斷電並控制該線圈模組處於該部分線圈工作模式。
10. 如請求項8或9所述的磁浮電機的控制方法，其中，在該部分線圈工作模式下，對於同一個該線圈模組，該控制模組每次均控制相同數量和相同位置的該發力體斷電。

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