CN100553082C - 一种超薄3自由度平面电机 - Google Patents
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Abstract
一种超薄3自由度平面电机，属于半导体装备领域。为提供一种满足光刻设备一面要求高精度一面要求高速度的微动工作台执行元件，本发明公开了一种超薄3自由度平面电机，由线圈组件和永磁体组件组成，包含三组驱动单元，在单层上实现在平面内3个自由度，其中两组驱动单元的驱动轴线平行但不重合，第三组驱动单元驱动轴线与前两组的正交；每组驱动单元包含一个或多个线圈串联、驱动力方向一致的驱动单元，每个驱动单元含有一个沿电机运动平面绕制的线圈和上下两对永磁体。从整体性能而言，本发明所述平面电机具有结构紧凑、推力大、精度高以及可整体实现三自由度运动等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微动3自由度平面电机，尤其涉及一种超薄3自由度平面电机，属于半导体装备领域。
背景技术
集成电路的发展过程一直遵循摩尔定律，即：集成电路的性能每18个月提高1倍，特征尺寸每3年缩小
倍。集成电路集成度的不断提高和特征尺寸的不断减小，给集成电路带来了一系列优点，如低功耗，低成本以及高性能。同时也给半导体制造设备，尤其是光刻设备，带来了革命性挑战。集成电路特征尺寸每提高一个节点，就要求光刻设备的分辨率提高一个档次。在光刻设备中，具有纳米级运动和定位精度的超精密微动台是其关键部件之一，它直接影响着光刻设备所能达到的曝光分辨率。一般认为，超精密微动台的定位精度应不低于集成电路特征尺寸的1/5，通常要达到1/10。
光刻设备的硅片台和掩模台为实现超精密定位运动，在结构形式上多采用粗动台和多自由度超精密微动台相结合的结构形式。目前，超精密微动台通常有三类，伺服电机通过滚珠丝杠传动/直线导轨支撑、压电陶瓷驱动/柔性铰链支撑导向、以及音圈电机或变磁阻电机驱动/气浮或磁浮支撑。
前两种微动台由于支撑***的摩擦阻尼非线性等因素影响，均无法满足光刻设备高速度、大负载、高动态特性的要求。采用音圈电机/气浮支撑的微动台可以满足光刻设备的要求，但存在结构整体性差，台体较厚，质心高等不足，其性能受到一定局限。
电磁力直接驱动式3自由度平面电机是一种通过预先设定方向的3组电磁力直接驱动以形成平面内3自由度运动的电机。
通过控制3组线圈中特定线圈电流的大小来控制特定方向电磁力的大小，使平面电机动子产生相应方向的精密微位移。平面电机动子直接受到3组电磁驱动单元同时产生的电磁驱动力作用。以磁场能量转换为基础的电磁驱动元件具有非接触驱动、行程大、无滞后、高响应力、驱动控制技术成熟等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种满足光刻设备一面要求高精度一面要求高速度的微动工作台执行元件，技术方案如下：
一种超薄3自由度平面电机，所述平面电机由线圈组件和永磁体组件组成，包含三组驱动单元，在单层上实现在平面内3个自由度，其中两组驱动单元的驱动轴线平行但不重合，第三组驱动单元驱动轴线与前两组的正交；每组驱动单元包含一个或多个线圈串联、驱动力方向一致的驱动单元，每个驱动单元含有一个沿电机运动平面绕制的线圈和上下两对永磁体。
在本发明中，所述平面电机的线圈组件是由平面电机全部的线圈嵌入单一的平面骨架中形成的；所述平面电机的永磁体组件包含上下一对平面骨架，两者相联成为一体，以及在上下平面骨架与线圈对应的方向嵌入的永磁体和铁轭；所述线圈组件位于永磁体组件的上下平面骨架间，并保证间隙。
在本发明中，所述永磁体分别布置在线圈有效驱动方向的两个侧边，磁极方向相反，并固定在铁轭上，形成封闭磁场。
作为本发明的一种实施方式，所述平面电机可包含三个驱动单元，其中两个驱动单元是独立的，分别形成第一组和第二组驱动单元，当这两个驱动单元中的两个线圈通以相同方向电流时，电机实现Y方向平动，当这两个驱动单元中的两个线圈通以相反方向电流时，电机实现绕Z轴的转动；第三个驱动单元作为第三组驱动单元，用以实现电机X方向平动。
作为本发明的一种实施方式，所述平面电机可包含四个驱动单元，其中两个驱动单元是独立的，分别形成第一组和第二组驱动单元，当这两个驱动单元中的线圈通以相同方向电流时，电机实现Y方向平动，当这两个驱动单元中的两个线圈通以相反方向电流时，电机实现绕Z轴的转动；另外两个驱动单元对角布置，并且两个驱动单元线圈串联或独立，形成第三组驱动单元，用以实现电机X方向平动。
作为本发明的一种实施方式，所述平面电机可包含四个驱动单元，其中两个驱动单元是独立的，分别形成第一组和第二组驱动单元，当这两组驱动单元中的线圈通以相同方向电流时，电机实现Y方向平动，当这两个驱动单元中的两个线圈通以相反方向电流时，电机实现绕Z轴的转动；另外两个驱动单元对称布置，并且两个驱动单元线圈串联或独立，形成第三组驱动单元，用以实现电机X方向平动。
作为本发明的一种实施方式，所述平面电机可包含五个驱动单元，其中四个驱动单元中两两线圈串联，分别形成第一组和第二组驱动单元，当这两组驱动单元中的线圈通以相同方向电流时，电机实现X方向平动，当这两组驱动单元中的线圈通以相反方向电流时，电机实现绕Z轴的转动；另外一个驱动单元形成第三组驱动单元，用以实现电机Y方向平动。
作为本发明的一种实施方式，所述平面电机可包含六个驱动单元，其中四个驱动单元中两两线圈串联，分别形成第一组和第二组驱动单元，当这两组驱动单元中的线圈通以相同方向电流时，电机实现X方向平动，当这两个驱动单元中的两个线圈通以相反方向电流时，电机实现绕Z轴的转动；另外两个驱动单元线圈串联，形成第三组驱动单元，用以实现电机Y方向平动。
本发明所述平面电机的优点在于：所述平面电机的所有线圈均在同一平面骨架绕制，所有永磁体分别安装在两个平面骨架中，致使平面电机具有超薄结构，且结构整体性好。所述平面电机在线圈有效驱动方向的两个侧边上下各布置一对永磁体，并增加铁轭，致使平面电机磁路闭合，单位电流产生推力更大，且输入电流与输出推力之间线形度更优。所述平面电机在X方向至少可以包含两个驱动单元，致使平面电机在X方向推力增大，以满足光刻机快速步进要求；所述平面电机动子质量轻惯量小，致使平面电机具备实现高速、高加速的可能。从整体性能而言，本发明所述平面电机具有结构紧凑、推力大、精度高以及可整体实现三自由度运动等优点。
附图说明
图1为本发明所述3自由度平面电机单个驱动单元的三维图。
图2为本发明所述3自由度平面电机单个驱动单元的磁路图。
图3为本发明所述3自由度平面电机第一个实施例布置示意图。
图4为本发明所述3自由度平面电机第二个实施例三维图。
图5为本发明所述3自由度平面电机第二个实施例三维分解图。
图6为本发明所述3自由度平面电机第二个实施例三维组件分解图。
图7a至图7c显示了本发明所述3自由度平面电机第二个实施例的三种工作状态。
图8为本发明所述3自由度平面电机的第三个实施例布置示意图。
图9为本发明所述3自由度平面电机的第四个实施例布置示意图。
图10为本发明所述3自由度平面电机的第五个实施例布置示意图。
图11为本发明所述3自由度平面电机的第六个实施例布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明。
如图1至图6所示，本发明所述超薄3自由度平面电机由线圈组件1和永磁体组件2组成。在本发明中，全部的线圈嵌入单一的平面骨架中，作为线圈组件1。永磁体组件2包含上、下平面骨架，两者相联成为一体，上下平面骨架与线圈对应方向嵌入永磁体和铁轭。线圈组件1位于永磁体组件2上下平面骨架间，并保证适当的间隙。在实际应用中，根据微动台的结构，可以选择线圈组件作为定子或作为动子。所述平面电机包含三组驱动单元，在单层上实现在平面内3个自由度，其中两组驱动单元的驱动轴线平行但不重合，第三组驱动单元驱动轴线与前两组的正交；每组驱动单元包含一个或多个线圈串联、驱动力方向一致的驱动单元。
如图1所示，本发明所述超薄3自由度平面电机每个驱动单元均包含一个沿电机运动平面绕制的线圈和上下两对永磁体，所述永磁体分别布置在线圈有效驱动方向的两个侧边，永磁体与线圈保持适当的间隙。上下永磁体固定于铁轭上(永磁体和铁轭均与上下平面骨架固定)，所述铁轭引导磁路呈闭合状态，以提高单位电流产生的推力，并提高输入电流与输出力之间线性度。
如图2所示，本发明所述3自由度平面电机每个驱动单元磁路均呈闭合状态。磁场由两对磁极布置相反的永磁体产生，并作用于线圈有效驱动方向的两个侧边上，磁场磁感应强度方向与线圈电流方向始终保持垂直。
如图3所示，本发明所述的超薄3自由度平面电机第一实施例包含三组驱动单元，每组驱动单元仅包括一个驱动单元。其中第一驱动单元驱动45与第三驱动单元47轴线平行但不重合，分别形成第一组和第二组驱动单元，第二驱动单元46驱动方向与前两者正交，形成第三组驱动单元。第二驱动单元46用以实现电机Y方向平动，第一驱动单元45、第三驱动单元47独立工作，当二者线圈通以相同方向电流时，用以实现电机X方向平动，当通以相反方向电流时，产生力矩作用，电机实现绕Z轴转动。
本发明所述3自由度平面电机第二实施例如图4-图6所示。线圈组件1包含线圈骨架5以及嵌入线圈骨架5中，并且其轴向垂直于线圈骨架5上表面的第一线圈6、第二线圈7、第三线圈8和第四线圈9。设在两对角位置的第一线圈6和第三线圈8可以串联或独立工作，形成第三组驱动单元，第二线圈7和第四线圈9分别形成第一组和第二组驱动单元。永磁体组件2包含上平面骨架3、下平面骨架4，下面八片永磁体10、下面四片铁轭18，上面八片永磁体22、上面四片铁轭30，以及联接件34。上平面骨架3、下平面骨架4，上面四片铁轭30，下面四片铁轭18通过联接件34固定联接，上面八片永磁体22、下面八片永磁体10分别粘结固定在上面四片铁轭30，下面四片铁轭18上。
如图7a-图7c所示，本发明所述3自由度平面电机基于洛伦兹原理工作。线圈组件1电流i方向、永磁体组件2磁感应强度E方向，以及产生电磁力F方向三者两两垂直。当第一线圈6和第三线圈8串联并通以直流电源时，由于永磁体组件2产生垂直穿过线圈有效部分磁场，并形成封闭磁路，将产生如图7a所示电磁力。电磁力F的方向与通电线圈电流i的方向和磁感应强度E的方向相互垂直，致使平面电机实现X方向平动。当第二线圈7和第四线圈9工作，并通以相同方向直流电源时，平面电机实现Y方向平动，如图7b所示。而当第二线圈7和第四线圈9通以相反方向直流电源时，永磁体组件2所受两电磁力F产生力矩，平面电机将实现转动，如图7c所示。
以第一实施例为基本型，本发明所述3自由度平面电机可以衍生出各种配置方式，各种配置方式都包含三组驱动单元。图8至图10显示了几种典型的配置方式，但本发明并不限于此。
图8为本发明所述3自由度平面电机的第三个实施例布置示意图，该实施例采用四个驱动单元，其中第二驱动单元46和第四驱动单元48线圈串联或独立，形成第三组驱动单元，线圈通以相同方向电流，驱动电机实现X方向平动；第一驱动单元45、第三驱动单元47则独立工作，分别形成第一组和第二组驱动单元，二者线圈通以相同方向电流，驱动电机实现Y方向平动；二者线圈通以相反方向电流，实现绕Z轴转动。
图9为本发明所述3自由度平面电机的第四个实施例布置示意图。该实施例采用五个驱动单元。其中第三驱动单元47作为第三组驱动单元，驱动电机实现Y方向平动。第一驱动单元45和第二驱动单元46线圈串联，作为第一组驱动单元，第四驱动单元48和第五驱动单元49线圈串联，作为第二组驱动单元，第一组和第二组驱动单元独立工作，二者线圈通以相同方向电流，驱动电机实现X方向平动；二者线圈通以相反方向电流，实现绕Z轴转动。
图10为本发明所述3自由度平面电机的第五个实施例布置示意图。该实施例采用六个驱动单元。其中第三驱动单元47和第四驱动单元48线圈串联，作为第三组驱动单元，驱动电机实现Y方向平动。第一驱动单元45和第二驱动单元46线圈串联，作为第一组驱动单元，第五驱动单元49和第六驱动单元50线圈串联，作为第二组驱动单元，第一组和第二组驱动单元独立工作，二者线圈通以相同方向电流，驱动电机实现X方向平动；二者线圈通以相反方向电流，实现绕Z轴转动。
图11为本发明所述3自由度平面电机的第六个实施例布置示意图。该实施例采用六个驱动单元。其中第二驱动单元46和第五驱动单元49线圈串联，作为第三组驱动单元，驱动电机实现Y方向平动。第一驱动单元45和第四驱动单元48线圈串联，作为第一组驱动单元，第三驱动单元47和第六驱动单元50线圈串联，作为第二组驱动单元，第一组和第二组驱动单元独立工作，二者线圈通以相同方向电流，驱动电机实现X方向平动；二者线圈通以相反方向电流，实现绕Z轴转动。
Claims (7)
1.一种超薄3自由度平面电机，所述平面电机由线圈组件和永磁体组件组成，其特征在于：所述平面电机包含三组驱动单元，在单层上实现在平面内3个自由度，其中两组驱动单元的驱动轴线平行但不重合，第三组驱动单元驱动轴线与前两组的正交；每组驱动单元包含一个或多个线圈串联、驱动力方向一致的驱动单元，每个驱动单元含有一个沿电机运动平面绕制的线圈和上下两对永磁体；所述平面电机的线圈组件是由平面电机全部的线圈嵌入单一的平面骨架中形成的；所述平面电机的永磁体组件包含联成为一体的上下一对平面骨架，以及在上下平面骨架与线圈对应的方向嵌入的永磁体和铁轭；所述线圈组件位于永磁体组件之间，并保证间隙。
2.根据权利要求1所述的平面电机，其特征在于：所述上下两对永磁体分别布置在线圈有效驱动方向的两个侧边，两对永磁体的磁极方向相反，并固定在铁轭上，形成封闭磁场。
3.根据权利要求1所述的平面电机，其特征在于：所述平面电机包含三个驱动单元，其中两个驱动单元是独立的，分别形成第一组和第二组驱动单元，当这两个驱动单元中的两个线圈通以相同方向电流时，电机实现Y方向平动，当这两个驱动单元中的两个线圈通以相反方向电流时，电机实现绕Z轴的转动；第三个驱动单元作为第三组驱动单元，用以实现电机X方向平动。
4.根据权利要求1所述的平面电机，其特征在于：所述平面电机包含四个驱动单元，其中两个驱动单元是独立的，分别形成第一组和第二组驱动单元，当这两个驱动单元中的线圈通以相同方向电流时，电机实现Y方向平动，当这两个驱动单元中的两个线圈通以相反方向电流时，电机实现绕Z轴的转动；另外两个驱动单元对角布置，并且两个驱动单元线圈串联或独立，形成第三组驱动单元，用以实现电机X方向平动。
5.根据权利要求1所述的平面电机，其特征在于：所述平面电机包含四个驱动单元，
其中两个驱动单元是独立的，分别形成第一组和第二组驱动单元，当这两组驱动单元中的线圈通以相同方向电流时，电机实现Y方向平动，当这两个驱动单元中的两个线圈通以相反方向电流时，电机实现绕Z轴的转动；另外两个驱动单元对称布置，并且两个驱动单元线圈串联或独立，形成第三组驱动单元，用以实现电机X方向平动。
6.根据权利要求1所述的平面电机，其特征在于：所述平面电机包含五个驱动单元，其中四个驱动单元中两两线圈串联，分别形成第一组和第二组驱动单元，当这两组驱动单元中的线圈通以相同方向电流时，电机实现X方向平动，当这两组驱动单元中的线圈通以相反方向电流时，电机实现绕Z轴的转动；另外一个驱动单元形成第三组驱动单元，用以实现电机Y方向平动。
7.根据权利要求1所述的平面电机，其特征在于：所述平面电机包含六个驱动单元，其中四个驱动单元中两两线圈串联，分别形成第一组和第二组驱动单元，当这两组驱动单元中的线圈通以相同方向电流时，电机实现X方向平动，当这两个驱动单元中的两个线圈通以相反方向电流时，电机实现绕Z轴的转动；另外两个驱动单元线圈串联，形成第三组驱动单元，用以实现电机Y方向平动。
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