TWI610520B - 高效率之平面馬達系統 - Google Patents

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TWI610520B
TWI610520B TW102136033A TW102136033A TWI610520B TW I610520 B TWI610520 B TW I610520B TW 102136033 A TW102136033 A TW 102136033A TW 102136033 A TW102136033 A TW 102136033A TW I610520 B TWI610520 B TW I610520B
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axis
parallel
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stage
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傑 多納赫
克雷格 辛普森
彼德 杜佛特
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魯道夫科技股份有限公司
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70691—Handling of masks or workpieces
    • G03F7/70716—Stages
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70691—Handling of masks or workpieces
    • G03F7/70758—Drive means, e.g. actuators, motors for long- or short-stroke modules or fine or coarse driving
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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Abstract

一種平面馬達系統包含一平台(platen)，其具有一第一平面馬達構件、及一階台(stage)，其具有一第二平面馬達構件。該階台可沿著一第一基軸(cardinal axis)或一第二基軸移動。該平面馬達系統更包含一驅動系統。當該驅動系統在一第一驅動組態中被充能(energized)時，該驅動系統施加一第一力及一第二力。該第一力及該第二力並不平行於任何基軸。該第一力及該第二力的一向量總和平行於該第一基軸。當該驅動系統在一第二驅動組態中被充能時，該驅動系統施加一第三力及一第四力。該第三力及該第四力並不平行於任何基軸。該第三力及該第四力的一向量總和平行於該第二基軸。

Description

高效率之平面馬達系統
[相關申請案]
本申請案和2012年10月5日提申的美國暫時申請案第61/710,529號有關，該案內容藉此參照被併於本文中。
本發明大體上係有關於馬達，更具體地係關於一種平面馬達系統。
平面馬達被使用在各種商業及工業應用中。例如，平面馬達被用來控制基材在微影蝕刻投影系統(lithographic projection system)中的位置，因為平面馬達具有用於定位控制之精細的解析度及用來適應大範圍的基材形狀及尺寸之大的平移距離的理想組合。用於平面馬達之小巧、質輕且有效率的驅動系統是有利的。
在本發明的一實施例中，一種平面馬達系統包含一平台及一階台。該平台具有一平的表面且包括一第一平面馬達構件；該階台包括一第二平面馬達構件。當該階台被驅動時，它沿著一第一基軸或沿著一第二基軸平行於該平台的該平的表面移動。該平面馬達系統更包含一驅動系統。當該驅動系統在一第一驅動組態中被充能(energized)時，該驅動系統施加一第一力及一第二力至該階台。該第一力及該第二力並不平行於第一基軸且不平行於第二基軸。該第一力及該第二力的一向量總和平行於該第一基軸。
當該驅動系統在一第二驅動組態中被充能時，該驅動系統施加一第三力及一第四力至該階台。該第三力及該第四力並不平行於第一基軸且不平行於第二基軸。該第三力及該第四力的一向量總和平行於該第二基軸。該平面馬達系統可被建構成使得沿著該第一基軸的淨力等於沿著該第二基軸的淨力。該平面馬達系統亦可被建構成使得沿著該第一基軸的淨力大於沿著該第二基軸的淨力。
在本發明的另一實施例中，一種平面馬達系統包含一平台及一階台。當該階台被驅動時，它沿著一第一基軸或沿著一第二基軸平行於該平台的該平的表面移動。該平台具有一平的表面，其被分成多個平的區域。在每一特定的平的區域內有一沿著一特定的區域性陣列軸對準之特定的鐵磁脊狀物陣列。該階台包括多個驅動單元；每一特定的驅動單元對應到一特定的平的區域。當一特定的 驅動單元被充能時，它施加一特定的力至該階台；該特定的力具有一特定的力度(magnitude)及一特定的力方向，該力方向和該相應的特定的平的區域內的該特定的區域性陣列軸正交。該淨力係沿著該第一基軸或沿著該第二基軸。
在參考下面的詳細說明及附圖之後，本發明的這些及其它好處對於熟習此技藝者將會是顯而易見的。
100‧‧‧直角座標參考系統
101‧‧‧X軸
103‧‧‧Y軸
105‧‧‧Z軸
200‧‧‧平面馬達系統
202‧‧‧第一構件(固定式構件)
212‧‧‧第二構件(活動式構件)
204‧‧‧上表面
214‧‧‧下表面
220‧‧‧間隙
300‧‧‧平面馬達
302‧‧‧平台
312‧‧‧階台
402‧‧‧基板
410‧‧‧表面層
412‧‧‧齒
414‧‧‧填充物
413‧‧‧間隙
411‧‧‧寬度
502‧‧‧載台
510‧‧‧驅動單元
512‧‧‧驅動單元
520‧‧‧驅動單元
522‧‧‧驅動單元
511‧‧‧力
513‧‧‧淨力
521‧‧‧淨力
523‧‧‧力
602‧‧‧基板
610‧‧‧表面層
612‧‧‧脊狀物
614‧‧‧填充物
701‧‧‧淨力
703‧‧‧淨力
711‧‧‧距離△X
713‧‧‧距離△X
705‧‧‧淨力
707‧‧‧淨力
715‧‧‧距離△Y
717‧‧‧距離△Y
800‧‧‧平面馬達
802‧‧‧平台
812‧‧‧階台
902‧‧‧基板
910‧‧‧表面層
912‧‧‧齒
914‧‧‧填充物
901‧‧‧X1軸
903‧‧‧Y1軸
905‧‧‧Z1軸
913‧‧‧間隙
911‧‧‧寬度
1002‧‧‧載台
1010‧‧‧驅動單元
1012‧‧‧驅動單元
1020‧‧‧驅動單元
1022‧‧‧驅動單元
1011‧‧‧力
1013‧‧‧力
1050‧‧‧控制器
1101‧‧‧力
1103‧‧‧力
1105‧‧‧淨力
1121‧‧‧力
1123‧‧‧力
1125‧‧‧淨力
1129‧‧‧距離△X
1141‧‧‧力
1143‧‧‧力
1145‧‧‧淨力
1149‧‧‧距離△Y
1129‧‧‧距離△X
1161‧‧‧力
1163‧‧‧力
1165‧‧‧淨力
1169‧‧‧距離△Y
101‧‧‧主要基軸(X軸)
103‧‧‧次要基軸(Y軸)
1201‧‧‧參考軸(X2軸)
1203‧‧‧參考軸(Y2軸)
1221‧‧‧力
1223‧‧‧力
1225‧‧‧淨力
1241‧‧‧力
1243‧‧‧力
1245‧‧‧淨力
1302‧‧‧基材
1303‧‧‧點
1321‧‧‧射束
1305‧‧‧點
1307‧‧‧點
1309‧‧‧點
2202‧‧‧脊狀物
2201‧‧‧尺度
2204‧‧‧端面
2203‧‧‧縱長向尺度
2212‧‧‧齒
2214‧‧‧間隙
2224‧‧‧端面
1410‧‧‧平台
1410A‧‧‧區域
1410B‧‧‧區域
1410C‧‧‧區域
1410D‧‧‧區域
1420A‧‧‧驅動單元
1420B‧‧‧驅動單元
1420C‧‧‧驅動單元
1420D‧‧‧驅動單元
1440‧‧‧基板
1430‧‧‧表面層
1432‧‧‧脊狀物
1434‧‧‧填充物
1502‧‧‧載台
1602‧‧‧載台
1620A‧‧‧驅動單元
1620B‧‧‧驅動單元
1620C‧‧‧驅動單元
1620D‧‧‧驅動單元
1710A‧‧‧區域
1710B‧‧‧區域
1710C‧‧‧區域
1710D‧‧‧區域
1720A‧‧‧驅動單元
1720B‧‧‧驅動單元
1720C‧‧‧驅動單元
1720D‧‧‧驅動單元
1710‧‧‧平台
1810‧‧‧平台
1810A‧‧‧區域
1810B‧‧‧區域
1810C‧‧‧區域
1810D‧‧‧區域
1820A‧‧‧驅動單元
1820B‧‧‧驅動單元
1820C‧‧‧驅動單元
1820D‧‧‧驅動單元
1902‧‧‧脊狀物
1903‧‧‧力
1904‧‧‧脊狀物
1905‧‧‧力
1911‧‧‧X3軸
1913‧‧‧Y3軸
2000‧‧‧微影蝕刻投影系統
2002‧‧‧光源
2001‧‧‧光
2004‧‧‧標線板
2003‧‧‧光
2005‧‧‧光
2006‧‧‧標線板固持器
2008‧‧‧投影系統
2010‧‧‧基材
2022‧‧‧階台
2024‧‧‧平台
2102‧‧‧電腦
2104‧‧‧中央處理單元(CPU)
2106‧‧‧記憶體
2108‧‧‧資料儲存裝置
2120‧‧‧使用者輸入/輸出界面
2140‧‧‧使用者輸入/輸出裝置
2142‧‧‧通信網路
2122‧‧‧通信網路界面
2124‧‧‧驅動單元1界面
2126‧‧‧驅動單元2界面
2128‧‧‧驅動單元3界面
2130‧‧‧驅動單元4界面
2132‧‧‧位置感測器界面
2152‧‧‧位置感測器
圖1A-圖1D顯示一參考直角座標系統的示意圖；圖2A及圖2B顯示一平面馬達的示意圖；圖3顯示一習知技術的平面馬達的示意圖；圖4A-圖4D顯示一習知技術的平台的示意圖；圖5A-圖5C顯示一習知技術的階台的示意圖；圖6A-圖6D顯示一習知技術的驅動單元的示意圖；圖7A-圖7D顯示一習知技術的力-向量圖；圖8顯示依據本發明的一實施例的平面馬達的示意圖；圖9A-圖9C顯示依據本發明的一實施例的平台的示意圖；圖10顯示依據本發明的一實施例的階台及控制器的示意圖；圖11A-圖11H顯示依據本發明的實施例的力- 向量圖；圖12A-圖12C顯示依據本發明的實施例的力-向量圖；圖13A及圖13B顯示牛耕式書寫(boustrophedonic writing)的例子；圖14A-圖14C顯示依據本發明的一實施例的多區域平台的示意圖；圖15顯示依據本發明的一實施例之一具有多區域平台的平面馬達的示意圖；圖16顯示依據本發明的一實施例之一具有多區域平台的平面馬達的示意圖；圖17顯示依據本發明的一實施例之多區域平台的示意圖；圖18顯示依據本發明的一實施例之多區域平台的示意圖；圖19A-圖19C顯示依據本發明的一實施例之力-向量圖及參考軸；圖20顯示一微影蝕刻投影系統的示意圖；圖21顯示一用運算式系統實施之控制器的示意圖；及圖22A-圖22D顯示一脊狀物和一列齒之間比較。
在下面所描述的平面馬達中，一個三維度(3D)直角座標參考系統被使用。圖1A顯示該直角座標參考系統100的立體圖(P視圖)，其由X軸101、Y軸103、及Z軸105所界定。圖1B顯示A視圖，它是沿著-Z軸所看到的X-Y平面；圖1C顯示B視圖，它是沿著+Y軸所看到的X-Z平面；圖1D顯示C視圖，它是沿著-X軸所看到的Y-Z平面。原點是隨心所欲的，除非在文中有作出與此相反的表示；在下面的圖中，參考軸被設置成它們不會干涉到圖中的其它元件。
圖2A(A視圖)及圖2B(B視圖)顯示一平面馬達200的示意圖，該平面馬達包括一第一構件202及一第二構件212。該第一構件及該第二構件可相對於彼此移動。在一些組態中，該第一構件及該第二構件兩者都可移動。在典型的應用中，該第一構件被稱為固定式構件202(該固定式構件亦被稱為一定子)，及該第二構件被稱為活動式構件212。
為了簡化起見，該固定式構件202及該活動式構件212被顯示為具有矩形的形狀；大致上，每一構件的形狀是任意的。典型地，該固定式構件大於該活動式構件。在一些例子中，該固定式構件實質地大於該活動式構件；例如，該固定式構件可橫跨整個房間的樓板。然而，該固定式構件和該活動式構件的相對尺寸大致上是隨心所欲的。
該固定式構件202具有一平的(平坦的)上表面 204(圖2A及圖2B)，且該活動式構件212具有一平的下表面214(圖2B)。然而，如下文中所描述的，該固定式構件202的該上表面204及該活動式構件212的該下表面214可具有表面特徵結構。在此處，當形狀的條件被界定時，理想的數學條件並未被包含在內。一形狀條件被滿足，如果它在一被具體指定的公差內被滿足的話，該公差例如和可獲得的製造公差、特定應用的要求、及效能與成本之間的取捨有關。該公差例如係由設計工程師來具體指定。例如，一表面是平的(平坦的)，如果它在一被指定的公差內是平坦的；兩個表面是平行的，如果它們在一被指定的公差內是平行的；及兩條線是正交的，如果介於它們之間的角度在一被指定的公差內是90度。
參考圖2B。該活動式構件212被顯示是在該固定式構件202上方，其被一介於該活動式構件212的下表面214和該固定式構件202的該上表面204之間的間隙220隔開。例如，該活動式構件可被磁性地或電磁性地懸浮在該固定式構件上方。該活動式構件亦可被一流體軸承支撐；該流體可以是氣體(譬如，空氣或氮氣)或液體(譬如，水或矽氧烷液體)。換言之，該活動式構件可和該固定式構件機械式地接觸。例如，該活動式構件212的下表面214和該固定式構件202的上表面204可被塗覆一低摩擦係數的材料(譬如，氟聚合物)。在另一例子中，該活動式構件可被球珠軸承支撐在該固定式構件上。為了簡化起見，該間隙並為被示於下面的圖中。
參考圖2A。該活動式構件212可被移動橫跨該固定式構件202的該上表面204。平面馬達的一些組態中，該活動式構件被設置在該固定式構件底下。例如，該固定式構件被支撐在一基座平台之上。該固定式構件具有一平的下表面，及該基座平台具有一平的上表面，其平行於該固定式構件的該平的下表面。該活動式構件被設置在該固定式構件的該下表面和該基座平台的該上表面之間；該活動式構件被支撐在該基座平台的上表面上方或之上。因此，大致上，在一平面馬達中，該活動式構件沿著一平行於該固定式構件的一平的表面的表面移動。
該活動式構件係回應一驅動系統(未示出)所提供的驅動力而移動。該驅動系統可被安裝在該活動式構件上、被安裝在該固定式構件上、或被安裝在該活動式構件及該固定式構件兩者上。驅動系統的一特定的例子被描述於下文中。
該驅動系統典型地將該活動式構件沿著兩條正交的主軸(主軸亦被稱為基軸(cardinal axes)、被指定的運動方向、或較佳的運動方向)。例如，該主軸可以是該X軸或該Y軸。當該活動式構件從第一位置移動至第二位置時，它例如可沿著該X軸移動一第一段距離、接著沿著Y軸移動一第二段距離；或者，它可沿著該Y軸移動一第一段距離、接著沿著X軸移動一第二段距離。
圖3(A視圖)顯示一使用在一微影蝕刻投影系統中之先前技術的平面馬達300的示意圖。它的細節被提 供在美國專利案第5,828,142號中，它的內容藉此參照被併於本文中；一概要首先被提供以促進本發明的實施例在下文中的描述。該平面馬達300包括一固定式構件(其被稱為平台302)，及一活動式構件(其被稱為階台312)。該階台312被一空氣軸承支撐在該平台302上方。
圖4A-圖4D顯示平台302的細節。圖4A顯示A視圖；圖4B顯示剖面圖(X-X’視圖)；圖4C顯示圖4A的一部分的放大圖視；及圖4D顯示圖4B的一部分的放大圖視。參考圖4A及圖4B。該平台302包括該基板402及該表面層410。該基板402是用鐵磁材料製成的。該表面層410包括一陣列的齒412，其是用鐵磁材料製成的。介於齒與齒之間的空間被填入填充物414，其是用非磁性材料製成，譬如環氧樹脂。在一些設計中(譬如，當電容式位置感測器被加入到該平台內的時候)，該填充物材料亦是不導電的材料。
參考圖4C及圖4D。在該齒陣列中的每一齒412都是方形，其側邊平行於X軸及Y軸。該等齒形成一矩形陣列，其行與列分別平行於X軸及Y軸。介於齒與齒之間的該間距413等於一個齒的寬度411；介於沿著X軸的齒之間的間距等於介於沿著Y軸的齒之間的間距。
圖5A-圖5C顯示該階台312的細節。圖5A顯示A視圖；圖5B顯示B視圖；及圖5C顯示C視圖。階台312包括一載台(platform)502。四個驅動單元(其亦被稱為施力器)被安裝在該載台502的底側，它分別為驅動 單元510，驅動單元512，驅動單元520，及驅動單元522。該等驅動單元的進一步細節被描述於下文中。
參考圖5A。當該等驅動單元被充能時，它們提供一驅動力，其驅使該階台312橫跨該平台302的表面(圖3)。每一驅動單元都是雙向的且施加一力度為F的力。對於驅動單元510而言，力511係沿著X軸作用；對於驅動單元512而言，力513係沿著X軸作用；對於驅動單元520而言，力521係沿著Y軸作用；對於驅動單元522而言，力523係沿著Y軸作用。
一代表性的驅動單元(即，驅動單元512)的細節被示於圖6A-圖6D中。圖6A顯示A視圖；圖6B顯示B視圖；圖6C顯示C視圖；及圖6D顯示D視圖。D視圖為一沿著+Z軸觀看的底視圖。該驅動單元512包括該基板602及該表面層610。該基板602是用鐵磁材料製造。該表面層610包括一陣列的脊狀物612，其是用鐵磁材料製造。介於該等脊狀物之間的空間被填入填充物614，其是用非磁性材料製造，譬如環氧樹脂。在一些設計中，該填充物材料亦是不導電的材料。除了一陣列的脊狀物之外，一陣列的齒亦可被使用。
一陣列的電磁線圈(未示出)被埋設在該驅動單元512內。當該等電磁線圈被充能時，該驅動單元512上的該脊狀物610的陣列和該平台302上的該齒412的陣列(圖4A)之間會電磁耦合。該脊狀物的陣列係沿著Y軸對齊且被耦合至沿著Y軸對齊的齒列。淨力513和該等脊狀 物及齒的方位正交；亦即，該淨力513係沿著X軸。
相類似地，對於驅動單元520而言，在該驅動單元上的該脊狀物的陣列係沿著X軸被對齊且耦合至沿著X軸對齊的齒列。該淨力521和該等脊狀物及齒的方位正交；亦即，該淨力521係沿著Y軸。
參考示於圖7A-圖7D中的力-向量圖。為了簡化，階台312用實心圓點來代表。基軸是X軸及Y軸，且力向量係相對於該等基軸被最適地定向；亦即，每一驅動單元所提供的驅動力係沿著該等基軸中的一者被對齊。該等淨力向量係藉由適當地切換該等驅動單元的組態(圖5A)來獲得。在此處，該淨力向量係指個別的力向量的向量總和(其亦被稱為合力)。
在圖7A中，驅動單元520及驅動單元522被關掉；驅動單元510及驅動單元512被打開，每一驅動單元提供一力度為F之在+X方向上的驅動力。具有2F力度之淨力701被施加至該階台312達一段被界定的時間長度，其造成該階台被平移一段距離△X 711。在圖7B中，驅動單元520及驅動單元522被關掉；驅動單元510及驅動單元512被打開，每一驅動單元提供一力度為F之在-X方向上的驅動力。具有2F力度之淨力703被施加至該階台312達一段被界定的時間長度，其造成該階台被平移一段距離△X 713。[註：在一些例子中，一被施加的力可造成一煞車作用來遲滯該運動；且在一些例子中，一被施加的力可被用來固持一階台使其不動。對於描述於本文中的例 子而言，在一段被界定的時間內被施加的驅動力會造成該階台的淨平移。]
在圖7C中，驅動單元510及驅動單元512被關掉；驅動單元520及驅動單元522被打開，每一驅動單元提供一力度為F之在+Y方向上的驅動力。具有2F力度之淨力705被施加至該階台312達一段被界定的時間長度，其造成該階台被平移一段距離△Y 715。在圖7D中，驅動單元510及驅動單元512被關掉；驅動單元520及驅動單元522被打開，每一驅動單元提供一力度為F之在-Y方向上的驅動力。具有2F力度之淨力707被施加至該階台312達一段被界定的時間長度，其造成該階台被平移一段距離△Y 717。
圖8(A視圖)顯示依據本發明的一實施例的平面馬達800的示意圖。該平面馬達800包括一固定式構件(其被稱為平台802)及一活動式構件(其被稱為階台812)。該階台812被一空氣軸承支撐在該平台802上方。
圖9A-圖9C顯示該平台802的細節。圖9A顯示A視圖；圖9B顯示圖9A的一部分的放大圖；圖9C顯示一剖面圖(X1-X1’視圖)的一部分的放大圖。參考圖9C。該平台802包括基板902及表面層910。該基板902是用鐵磁材料製成的。該表面層910包括一陣列的齒912，其是用鐵磁材料製成的。介於齒與齒之間的空間被填入填充物914，其是用非磁性材料製成，譬如環氧樹脂。在一些設計中，該填充物材料亦是不導電的材料。
參考圖9B及圖9C。該齒912的陣列相對於一由X1軸901、Y1軸903、及Z1軸905所界定的直角座標系統被定向。該Z1軸平行於Z軸，且X1-Y1軸(其被稱為陣列軸)相對於該X-Y軸被轉動+45度(逆時鐘)。在該齒912的陣列中的每一齒都是方形，其側邊平行於X1軸及Y1軸。該等齒形成一矩形陣列，其行與列分別平行於X1軸及Y1軸。介於齒與齒之間的該間距913等於一個齒的寬度911。在所示的例子中，介於沿著X1軸的齒之間的間距等於介於沿著Y1軸的齒之間的間距。大致上，齒的形狀及大小、該陣列的形狀組態、及齒與齒之間的間距都是可改變的。
圖10(A視圖)顯示階台812的細節。階台812包括一載台1002。四個驅動單元(其亦被稱為施力器)被安裝在該載台1002的底側，它分別為驅動單元1010，驅動單元1012，驅動單元1020，及驅動單元1022。每一驅動單元係類似上文所描述的驅動單元512；但它們被不同地定向。當該等驅動單元被充能時，它們提供一驅動力，其驅使該階台812橫越該平台802的表面(圖8)。每一驅動單元都是雙向的且施加一力度為F的力。大致上，每一驅動單元所施加的力的力度可以是不同的。對於驅動單元1010而言，力1011係沿著X1軸作用；對於驅動單元1012而言，力1013係沿著X1軸作用；對於驅動單元1020而言，力1021係沿著Y1軸作用；及對於驅動單元1022而言，力1023係沿著Y1軸作用。該等驅動單元是 由控制器1050來控制，其細節將於下文中加以描述。該等驅動單元及該控制器是一驅動系統的一部分，該驅動單元可以各種驅動組態來予以充能以回應來自該控制器的指令。
參考圖11A-圖11H所示的力-向量圖。為了簡化，該階台812係用實心圓點來代表。基軸為X軸及Y軸，但力向量並沒有相對於該等基軸被最適地定向：亦即，每一驅動單元所提供的驅動力並沒有沿著該等基軸的一者被對齊。淨力向量係在該控制器1050(圖10)的控制下藉由適當地切換該等驅動單元的組態來獲得。
參考圖11A及圖11B。驅動單元1010及驅動單元1012被打開，每一驅動單元提供一力度為F之在+X1方向上的驅動力；及驅動單元1020及驅動單元1022被打開，每一驅動單元提供一力度為F之在-Y1方向上的驅動力。因此，力度為2F的力1101沿著+X1方向被施加；且力度為2F的力1103沿著-Y1方向被施加。力度為4Fcos(45°)=2.83F的淨力1105沿著+X方向被施加至該階台812一段被界定的時間長度，其造成該階台平移一段距離△X 1109。
參考圖11C及圖11D。驅動單元1010及驅動單元1012被打開，每一驅動單元提供一力度為F之在-X1方向上的驅動力；及驅動單元1020及驅動單元1022被打開，每一驅動單元提供一力度為F之在+Y1方向上的驅動力。因此，力度為2F的力1121沿著-X1方向被施加；且 力度為2F的力1123沿著+Y1方向被施加。力度為4Fcos(45°)=2.83F的淨力1125沿著-X方向被施加至該階台812一段被界定的時間長度，其造成該階台平移一段距離△X 1129。
參考圖11E及圖11F。驅動單元1010及驅動單元1012被打開，每一驅動單元提供一力度為F之在+X1方向上的驅動力；及驅動單元1020及驅動單元1022被打開，每一驅動單元提供一力度為F之在+Y1方向上的驅動力。因此，力度為2F的力1141沿著+X1方向被施加；且力度為2F的力1143沿著+Y1方向被施加。力度為4F cos(45°)=2.83F的淨力1145沿著+Y方向被施加至該階台812一段被界定的時間長度，其造成該階台平移一段距離△Y 1149。
參考圖11G及圖11H。驅動單元1010及驅動單元1012被打開，每一驅動單元提供一力度為F之在-X1方向上的驅動力；及驅動單元1020及驅動單元1022被打開，每一驅動單元提供一力度為F之在-Y1方向上的驅動力。因此，力度為2F的力1161沿著-X1方向被施加；且力度為2F的力1163沿著-Y1方向被施加。力度為4Fcos(45°)=2.83F的淨力1165沿著-Y方向被施加至該階台812一段被界定的時間長度，其造成該階台平移一段距離△Y 1169。
一驅動單元的大小、重量及功率消耗是重要的設計參數。比較該平面馬達800和該先前技術的平面馬 達300。在這兩者中，該階台包括四個驅動單元，每一驅動單元提供一力度為F的驅動力。在平面馬達300中，沿著每一基軸(X軸及Y軸)的淨力具有2F的力度。然而，在平面馬達800中，沿著每一基軸(X軸及Y軸)的淨力具有2.83F的力度。因此，在沒有增加每一驅動單元的尺寸、重量、或最大功率消耗下淨力被增加(然而，所有驅動單元的總功率消耗將會增加，因為工作循環(duty cycle)更高)。
在平面馬達800中，基軸(X軸及Y軸)是對稱的，且沿著X軸的淨力等於沿著Y軸的淨力。在本發明的另一實施例中，基軸是不對稱的，且沿著X軸的淨力不等於沿著Y軸的淨力。在一些應用中(它們的一個例子被描述於下文中)，(在距離、在工作循環、或在距離及在工作循環這兩者，等方面)沿著一基軸的平移係實質上大於沿著另一基軸的平移。X軸被指派作為主要基軸，Y軸被指定作為次要基軸。X軸及Y軸在下面的例子中是正交的；然而，一般而言，該主要基軸和該次要基軸並不一定要正交。
參考示於圖12A中的參考座標圖。圖中所顯示的是主要基軸101(X軸)及次要基軸103(Y軸)。圖中亦顯示參考軸1201(X2軸)及參考軸1203(Y2軸)；參考軸X2及Y2亦被稱為陣列軸。X2軸係從X軸被旋轉θ度(逆時鐘)。Y2軸係從X2軸被旋轉(180-2θ)度；一般而言，該X2軸與該Y2軸並沒有正交。
參考圖12B所示的力-向量圖。力度為2F的力1221沿著+X2方向被施加；及力度為2F的力1223沿著-Y2方向被施加。力度為Fx=4F cosθ的淨力1225沿著+X方向上施加至該階台。
參考圖12C所示的力-向量圖。力度為2F的力1241沿著+X2方向被施加；及力度為2F的力1243沿著+Y2方向被施加。力度為FY=4F sinθ的淨力1245沿著+Y方向上施加至該階台。
FX/FY的比率因而是cotθ。一些代表性的數值被示於下面的表1中：
Figure TWI610520BD00001
圖13A及圖13B例示一個例子，在此例子中沿著該主要基軸的力較大是有利的。圖案被光束或電子束刻寫在一基材1302的表面上。參考圖13A。基材1302是矩形的，其沿著X軸的尺度實質地大於沿著Y軸的尺度。刻寫係依據一牛耕式程序進行。刻寫在點1301開始，從左到右沿著X軸到達點1303。參考圖13B。射束1321被保持不動，且基材1302(其被攜載於基材台(未示出)上)被由右往左移動。基材1302然後沿著Y軸被步進，使得 點1305被放置在射束1321底下。然後藉由將基材1302從左向右移動而讓刻寫由右向左從點1305進行至點1307。基材1302然後沿著Y軸被步進，使得點1309被放置在射束1321底下。該刻寫然後被繼續。
沿著X軸的移動距離及工作循環這兩者係實質地大於沿著Y軸的移動距離及工作循環。因此，沿著X軸的驅動力大於沿著Y軸的驅動力是有利的。[註：即使是在沿著X軸的尺度相當於或小於沿著Y軸的尺度的時候，如果沿著X軸的工作循環大於沿著Y軸的工作循環的話(例如，如果在每一Y位置該階台沿著X軸移動至少兩級階的話)，則沿著X軸的驅動力大於沿著Y軸的驅動力是有利的。]
回到圖9B及圖10。藉由改變在該平台上的齒陣列的方位及該等驅動單元相對於座標軸(X軸及Y軸)相對應的方位，沿著X軸的驅動力可被增加，同時維持每一驅動單元的尺寸、重量、及最大功率消耗(然而，因為工作循環增加，所以所有驅動單元的總功率消耗將會較大)。在該平台802(圖9A)中，該平台的表面是均勻一致的；亦即，該齒陣列在該平台的整個表面都是均勻一致的。在本發明的其它實施例中，該平台的該表面是不均勻的；相反地，該平台的該表面包括多個區域，其讓該齒陣列被脊狀物陣列取代。每一區域具有一陣列的脊狀物，其沿著一特定的方向被定向。
一脊狀物相較於一列齒的好處被示於圖22A- 圖22D中。一具有a-b-c軸之局部的直角參考座標系統被示出。圖22A(B視圖，立體圖)及圖22B(A視圖，沿著-c軸觀看)顯示脊狀物2202的立體圖，其在此例子中具有一縱長地延伸的(細長形)方形稜鏡形狀。該端面2204(其平行於該a-c平面設置)具有方形的形狀；該方形的邊具有一尺度2201。該縱長軸沿著該b軸延伸。該縱長尺度2203係實質大於尺度2201。大致上，一脊狀物可具有一縱長地延伸的形狀，其具有一任意的剖面形狀。
圖22C(P視圖)及圖22D(C視圖)顯示相對應的一列齒2212，其被間隙2214分隔開。每一齒是一立方體，其端面2224具有和該脊狀物的端面2204一樣的尺度。每一間隙亦是一立方體，其具有相同的邊緣尺度2201。該齒列的總縱長向尺度和該脊狀物2202的總縱長向尺度(尺度2203)一樣。
脊狀物2202和該列齒2212的比較顯示該脊狀物2202具有更多的鐵磁材料體積及表面積。一驅動單元和該平台之間的電磁耦合所產生的該驅動力和該平台的表面上的鐵磁結構的體積及表面積成正比。對於在相同的功率消耗下的相同的驅動單元操作而言，用於一具有脊狀物的平台的驅動力將大於用於具有齒的平台的驅動力。或者，為了達到相同驅動力，一驅動單元驅動一具有脊狀物的平台所消耗的功率比驅動一具有齒列的平台所消耗的功率低。
如上文中參考平台302及平台802所描述的 ，一陣列的齒允許和被定向於不同方向上的驅動單元電磁耦合。但，該平台上一陣列的脊狀物主要提供和一(它的脊狀物陣列係和該平台上的脊狀物陣列對齊的)驅動單元的電磁耦合。在本發明的一實施例中，該平台包括多個平的區域(除非有相反的表示，否則一平的區域亦被簡單稱為一區域)。在每一區域內的脊狀物的陣列的方位可被獨立地界定；在每一區域內的該脊狀物的陣列係沿著一區域性的陣列軸對齊。一分開的驅動單元橫跨一相應的區域操作；該驅動單元可被設置在其相應的區域之上、上方、或底下。在每一相應的區域內的驅動單元係與該相應的區域內的脊狀物陣列對準，用以將驅動力最大化。該驅動力的方向係和該相應的區域的區域性陣列軸正交。
參考圖14A。該平台1410包括四個區域，其被稱為區域1410A、區域1410B、區域1410C及區域1410D。為了簡化，該等脊狀物係用線段來代表。在區域1410A中，該等脊狀物被定向在X軸的-45度(順時鐘)。驅動單元1420A施加一和該等脊狀物正交之力度為G的力。在區域1410B中，該等脊狀物被定向在X軸的-45度。驅動單元1420B施加一和該等脊狀物正交之力度為G的力。在區域1410C中，該等脊狀物被定向在X軸的+45度(逆時鐘)。驅動單元1420C施加一和該等脊狀物正交之力度為G的力。在區域1410D中，該等脊狀物被定向在X軸的+45度。驅動單元1420D施加一和該等脊狀物正交之力度為G的力。一般而言，每一驅動單元所施加的力的 力度可以是不相同的。
圖14B(A視圖)顯示區域1410C的一部分的放大圖。圖14C(H-H’視圖)顯示剖面圖。區域1410C包括一基板1440及一表面層1430。該基板1440是用鐵磁材料製造。該表面層1430包括一陣列之用鐵磁材料製造的脊狀物1432。介於該等脊狀物之間的間隙被填入用非鐵磁材料製造的填充物1434，如環氧樹脂。在一些設計中，該填充物材料亦是不導電的材料。
圖15顯示本發明的一實施例，其被稱為板上(on-board)組態，在此組態中該等驅動單元(1420A，1420B，1420B及1420C)被附裝至該載台1502的底側。圖16顯示本發明的一實施例，其被稱為外伸架(outrigger)組態，在此組態中該等驅動單元(1420A，1420B，1420B及1420C)分別被臂(1620A，1620B，1620C及1620D)附裝至該載台1602。如果個別的力向量被加總的話，則力-向量圖會類似於之前在圖11A-圖11H所示的力-向量圖；沿著每一基軸(X軸及Y軸)的淨力是2.83G。
圖17顯示一實施例，在此實施例中該平台1710包括四個區域。在區域1710A中，脊狀物係沿著Y軸被定向。驅動單元1720A沿著X軸施加一力度為G的力。在區域1710B中，脊狀物係沿著Y軸被定向。驅動單元1720B沿著X軸施加一力度為G的力。在區域1710C中，脊狀物係沿著X軸被定向。驅動單元1720C沿著Y軸施加一力度為G的力。在區域1710D中，脊狀物 係沿著X軸被定向。驅動單元1720D沿著Y軸施加一力度為G的力。一載台可用一板上組態或一外伸架組態被附裝至該等驅動單元。因此，力-向量圖會類似於之前在圖7A-圖7D所示的力-向量圖；沿著每一基軸(X軸及Y軸)的淨力是2G，其中2G>2F，因為用脊狀物取代齒。
圖18顯示一實施例，在此實施例中平台1810包括四個區域。在區域1810A中，脊狀物被定向為和X軸成-δ度(順時鐘)。驅動單元1820A施加一和該等脊狀物正交之力度為G的力。在區域1810B中，脊狀物被定向為和X軸成-δ度。驅動單元1820B施加一和該等脊狀物正交之力度為G的力。在區域1810C中，脊狀物被定向為和X軸成+δ度(逆時鐘)。驅動單元1820C施加一和該等脊狀物正交之力度為G的力。在區域1810D中，脊狀物被定向為和X軸成+δ度。驅動單元1820D施加一和該等脊狀物正交之力度為G的力。
圖19A-圖19C顯示該形狀的其它細節。在圖19A中，脊狀物1902被定向為和X軸+δ度；力度為G的力1903和該脊狀物1902正交。在圖19B中，脊狀物1904被定向為和X軸-δ度；力度為G的力1905和該脊狀物1904正交。圖19C顯示的軸線是力係沿著該等軸線被施加的軸線：即X3軸線1911和Y3軸線1913。X3軸線係從X軸被轉動+ε度。Y3軸線係從X3軸線被轉動+γ度。考量在圖19A及圖19B中的形狀顯示出ε=90-δ及γ=2δ。
一載台可用板上組態或外伸架組態被附裝至該等驅動單元。因此，力-向量圖會類似於之前在圖12A-圖12C所示的力-向量圖：藉由適當地選擇方位角δ，沿著X軸的淨力可大於沿著Y軸的淨力。
在圖14A，圖17及圖18所示的例子中，該平台具有矩形的形狀；且具有大小相同的四個區域，每一區域具有矩形的形狀。一般而言，該平台的形狀及大小可由使用者來界定，區域的數量可由使用者來界定，及每一區域的形狀及大小可由使用者來界定。
圖20顯示一微影蝕刻投影系統2000的示意方塊圖。該光源2002將光2001投射穿過被支撐在該標線板固持器2006上的該標線板2004。該標線片2004包含一將被成像的圖案。被透射穿過該標線板2004的光2003被投影系統2008接收到，該投影系統將光2005聚焦於一基材2010之塗了光阻劑的表面上。基材的例子包括半導體晶圓、液晶顯示器(LCD)面板、及印刷電路板(PCB)。基材2010被階台2022固持，該階台可相對於該平台2024移動。該階台2022及該平台2024可以是一平面馬達2020的構件，該平面馬達可被實施為上文中所描述之本發明的實施例。
控制器1050(圖10)的一實施例被示於圖21中。熟習此技藝者可用硬體、韌體及軟體的各種組合來建構該控制器1050。熟習此技藝者可用各種電子構件(其包括一或多個一般用途處理器(譬如，微處理器)、一或多個數 位訊號處理器、一或多個特殊應用積體電路(ASIC)、及一或多個現場可程式閘陣列(FPGA))建構該控制器1050。
控制器1050包括一電腦2102，其包括一處理器[其被稱為中央處理單元(CPU)]2104、記憶體2106、及資料儲存裝置2108。該資料儲存裝置2108包括持續性，非暫時性之實體的電腦可讀取的媒體，譬如非揮發性半導體記憶體、磁性硬碟機、或唯讀光碟的至少一者。
該控制器1050更包括一使用者輸入/輸出界面2120，其界接該電腦2102和使用者輸入/輸出裝置2140。使用者輸入/輸出裝置2140的例子包括鍵盤、滑鼠、數位存取終端設備、及視訊顯示器。資料(其包括電腦可執行的碼)可經由該使用者輸入/輸出界面2120被傳送進出該電腦2102。
該控制器1050更包括一通信網路界面2122，其將該電腦2102和一通信網路2142相界接。該通信網路2142的例子包括一區域網路及一廣域網路。使用者可透過一和該通信網路2142相聯通的遠端存取終端設備(未示出)來存取該電腦2102。資料(其包括電腦可執行的碼)可經由該通信網路界面2122被傳送進出該電腦2102。
該控制器1050更包括下列界面：˙驅動單元1界面2124，其將該電腦2102和該驅動單元1010(圖10)相界接；˙驅動單元2界面2126，其將該電腦2102和該驅動單元1012(圖10)相界接； ˙驅動單元3界面2128，其將該電腦2102和該驅動單元1020(圖10)相界接；˙驅動單元4界面2130，其將該電腦2102和該驅動單元1022(圖10)相界接；˙位置感測器界面2132，其將該電腦2102和該位置感測器2152相界接。
平面馬達可用開放迴路組態或閉迴路組態來操作。在開放迴路組態中，沒有來自位置感測器的回饋。位置是用介於步驟之間的方向及距離以及步驟的數目來計算。在閉迴路組態中，有來自位置感測器的回饋，位置感測器可被設置在該平台上、在該階台上、或在該平台及階台兩者上。位置感測器的例子被描述於之前提到的美國專利第5,828,142號中。
如所習知的，電腦是在電腦軟體(其界定電腦的整體操作及應用)的控制下操作。該CPU 2104藉由執行電腦程式指令(其界定電腦的整體操作及應用)來控制該電腦的整體操作及應用。該等電腦程式指令可被存放在該資料儲存裝置2108內且在該等程式指令被需要時被載入到該記憶體2106內。控制演算法則(譬如，用來控制階台812(圖10)的移動的演算法則)可被儲存在該記憶體2106內或該資料儲存裝置2108內(或該記憶體2106和該資料儲存裝置2108的組合內)的電腦程式指令界定且被執行該等電腦程式指令的該CPU 2104控制。例如，電腦程式指令可被實施為由熟習此技藝者所編寫之電腦可執行的碼以 實施該演算法則。因此，該CPU 2104可藉由執行電腦程式指令來執行控制演算法則。
前述的[實施方式]在每一方面都應被理解為是例示性及示範性，而不是限制性，且描述於本文中之本發明的範圍不是由[實施方式]來界定，而是依據專利法所允許之完整的範圍用申請專利範圍來界定。應被理解的是，在本文中被顯示及被描述的實施例只是本發明的原理的例示且各種變化可在不偏離本發明的範圍及精神下被熟習此技藝者實施。熟習此技藝者可在不偏離本發明的範圍及精神下實施各種其它特徵的組合。
812‧‧‧階台
1002‧‧‧載台
1010‧‧‧驅動單元
1011‧‧‧力
1012‧‧‧驅動單元
1013‧‧‧力
1020‧‧‧驅動單元
1021‧‧‧力
1022‧‧‧驅動單元
1023‧‧‧力
1050‧‧‧控制器

Claims (12)

  1. 一種平面馬達系統，其包含：一平台，其包含：一平的表面；及一第一平面馬達構件；一階台，其包含一第二平面馬達構件，其中該階台在被驅動時會沿著一第一基軸或沿著一第二基軸平行於該平台的該平的表面移動；及一驅動系統，其中該驅動系統在一第一驅動組態下被充能時會對該階台施加一第一力及一第二力，其中：該第一力具有一第一力度及一第一力方向；該第一力方向不平行於該第一基軸；該第一力方向不平行於該第二基軸；該第二力具有一第二力度及一第二力方向；該第二力方向不平行於該第一基軸；該第二力方向不平行於該第二基軸；及該第一力及該第二力的向量總和係平行於該第一基軸；其中該驅動系統在一第二驅動組態下被充能時會對該階台施加一第三力及一第四力，其中：該第三力具有一第三力度及一第三力方向；該第三力方向不平行於該第一基軸；該第三力方向不平行於該第二基軸；該第四力具有一第四力度及一第四力方向； 該第四力方向不平行於該第一基軸；該第四力方向不平行於該第二基軸；及該第三力及該第四力的向量總和係平行於該第二基軸。
  2. 如申請專利範圍第1項之平面馬達系統，其中該第一基軸和該第二基軸是不對稱的。
  3. 如申請專利範圍第2項之平面馬達系統，其中：該驅動系統包含一控制器；該驅動系統在該第一驅動組態下被充能以回應一來自該控制器的第一指令；及該驅動系統在該第二驅動組態下被充能以回應一來自該控制器的第二指令。
  4. 如申請專利範圍第2項之平面馬達系統，其中該第一力和該第二力的該向量總和的力度等於該第三力和該第四力的該向量總和的力度。
  5. 如申請專利範圍第2項之平面馬達系統，其中該驅動系統包含多個大小、重量及最大功率消耗實質相同的驅動單元。
  6. 如申請專利範圍第1項之平面馬達系統，其中該第一基軸和該第二基軸係正交。
  7. 如申請專利範圍第1項之平面馬達系統，其中：該平台包含沿著一第一陣列軸及一第二陣列軸對齊之一陣列的鐵磁性齒，其中：該第一陣列軸不平行於該第一基軸； 該第一陣列軸不平行於該第二基軸；該第二陣列軸不平行於該第一基軸；該第二陣列軸不平行於該第二基軸；及該階台包含多個驅動單元，其中在該等多個驅動單元中的每一驅動單元在被充能時電磁地耦合至該陣列的鐵磁性齒並對該階台施加一沿著該第一陣列軸或沿著該第二陣列軸的力。
  8. 如申請專利範圍第1項之平面馬達系統，其中該平面馬達系統是微影蝕刻投影系統的一部分，且該階台被建構來載負一基材。
  9. 一種平面馬達系統，其包含：一平台，其具有一平的表面，其中：該平台包含多個平的區域；及該等多個平的區域中的每一特定的平的區域包含一特定的沿著一特定的區域性陣列軸對齊的鐵磁性脊狀物陣列；一階台，其被驅動時會沿著一第一基軸或沿著一第二基軸平行於該平台的該平的表面移動，其中每一該特定的區域性陣列軸不平行於該第一基軸及不平行於該第二基軸，及其中：該階台包含多個驅動單元；該等多個驅動單元中的每一特定的驅動單元和該等多個平的區域中的一特定的平的區域相對應；及每一特定的驅動單元被充能時會對該階台施加一 特定的力，其中該特定的力具有一特定的力度及一特定的力方向，其和該相對應的特定的平的區域內的該特定的區域性陣列軸正交；及一控制器，其中在回應一來自該控制器的第一指令時，至少兩個特定的驅動單元被充能，使得一第一力及一第二力被施加至該階台，其中：該第一力具有一第一力度及一第一力方向；該第一力方向不平行於該第一基軸；該第一力方向不平行於該第二基軸；該第二力具有一第二力度及一第二力方向；該第二力方向不平行於該第一基軸；該第二力方向不平行於該第二基軸；及該第一力及該第二力的向量總和係平行於該第一基軸；其中在回應一來自該控制器的第二指令時，至少兩個特定的驅動單元被充能，使得一第三力及一第四力被施加至該階台，其中：該第三力具有一第三力度及一第三力方向；該第三力方向不平行於該第一基軸；該第三力方向不平行於該第二基軸；該第四力具有一第四力度及一第四力方向；該第四力方向不平行於該第一基軸；該第四力方向不平行於該第二基軸；及該第三力及該第四力的向量總和係平行於該第二基 軸。
  10. 如申請專利範圍第9項之平面馬達系統，其中該第一基軸和該第二基軸是不對稱的。
  11. 如申請專利範圍第9項之平面馬達系統，其中該平面馬達系統是微影蝕刻投影系統的一部分，且該階台被建構載負一基材。
  12. 如申請專利範圍第9項之平面馬達系統，其中該等多個驅動單元的每一者的大小、重量及最大功率消耗係實質相同。
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