CN103019046B - 一种基于多组独立驱动解耦控制的六自由度磁浮微动台 - Google Patents

Abstract

基于多组独立驱动解耦控制的六自由度磁浮微动台属于半导体制造装备；该装置包括微动台底座、载物台以及在二者之间呈等边三角形布置的三组相同结构的独立驱动装置；每组独立驱动均可以产生水平和垂向驱动力且具有永磁体磁浮重力补偿功能；在微动台底座和载物台中心位置处对应固装平面光栅读数头和平面光栅尺，在微动台底座边缘处布置三个或多个电容传感器，实现六自由度的解耦测量；该装置具有结构紧凑，易于加工装配、发热量小，水平驱动力大的优点，适用于光刻机工件台水平高速高加速运动的工作需求和严苛的恒温环境需求。

Description

一种基于多组独立驱动解耦控制的六自由度磁浮微动台

技术领域

本发明属于半导体制造装备技术领域，主要涉及一种基于多组独立驱动解耦控制的六自由度磁浮微动台。

背景技术

光刻机是极大规模集成电路制造中关键的超精密装备，同时也是摩尔定律能够得到持续验证的保证。光刻机的分辨率和套刻精度决定了集成电路芯片的最小线宽，而对最小线宽的不断追求使更高密度的集成电路得以实现。另外，为降低集成电路芯片的生产成本，光刻机的产率也是光刻技术追求的目标。光刻机工件台技术作为光刻机的三大核心技术之一，在很大程度上决定了光刻机的分辨率、套刻精度和产率。

双工件台技术是目前提高光刻机生产效率的主流技术手段，相对于单纯提高工件台的速度和加速度而言，技术难度更低，效果更好。目前的代表产品为荷兰ASML公司基于TwinScan技术即双工件台技术的光刻机。

光刻机中工件台主要分为掩模台和硅片台，掩模台承载光刻掩模板而硅片台则承载硅片运动，为解决硅片和掩模板在高速高加速运动条件下大行程和高精度之间的矛盾，有人提出了宏微结合的驱动技术。即掩模台和硅片台均采用宏动装置承载微动台的复合运动控制模式，利用宏动装置实现微动台的大行程而微动台六自由度超精密控制对其进行补偿，最终实现硅片和掩模板的高速高加速运动条件下实现大行程和高精度运动控制。因此决定光刻机工件台最终定位精度的关键部件是六自由度微动台。

目前光刻机领域运用的超精密微动台主要分为气浮和磁浮支撑两种。磁浮支撑优势在于可运用在真空环境，因此是深紫外和极紫外光刻技术的必然选择。ASML公司的美国专利US 6337484公布了一种六自由度磁浮微动台的结构形式，该装置的Z向气浮采用三个重力补偿器实现，并同时实现了水平和垂直运动解耦，该方案是气浮六自由度微动台的经典结构。清华大学中国专利CN101078889A公布了一种6自由度微动工作台，该装置在水平和垂直方向均采用电磁力直接驱动形式，工作时无机械摩擦和阻尼，同时采用基于洛伦兹原理的电磁驱动方式，即电磁力与输入电流为线性关系，相对于三相交流控制方式，具有控制成熟的优势，但Z向磁浮支撑是由三个沿竖直方向布置的三个电磁驱动单元持续提供电磁力实现，即没有气浮支撑的重力补偿功能，增加了多余的热耗散，这会对光刻机微动台工作的严苛恒温环境产生不利影响，因此有待改进。德克萨斯A&M大学Won-jong Kim所在课题组提出一种六自由度磁浮微动台，该在成果发表在Precision Engineering杂志(2007年31卷4期337-350页)，文章题目为Design and precision construction of novel magnetic-levitation-basedmulti-axis nano-scale positioning systems。该微动台分为Y型和Δ型两种结构，采用激光干涉仪测量水平位移，三个电容传感器测量垂向位移，水平和垂向驱动均采用三个等同的电磁驱动器，且共用三个永磁体，具有结构简单易于控制的优点，但存在驱动力小和行程难以扩展的缺陷。清华大学中国专利CN101807010A公布了一种上述方案的改进型六自由度磁浮微动台，该装置采用十字型结构，十字支架装有一个两自由度致动器，相对Won-jong Kim课题组六自由度微动台方案，驱动力有所增加，且X向和Y向运动时可实现双驱，驱动力过微动台中心，六个驱动器驱动方式相同，易于控制，但仍存在单永磁体带来的磁场分布不均匀的缺陷，扩展行程时带来非线性控制的困难，且磁浮仍采用电磁方式，增加热耗散，在负载质量增大时更为明显，对微动台的恒温环境不利，有待改进。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提出了一种基于多组独立驱动解耦控制的六自由度磁浮微动台，该装置通过呈等边三角形布置的三组独立驱动的解耦控制实现微动台的六自由度驱动控制，每组独立驱动均可以产生水平和垂向驱动力且具有永磁体磁浮重力补偿功能；达到结构简单、易于扩展行程和水平运动磁场强驱动力大，同时在垂向采用永磁体磁浮方式，重力补偿不产热，有利于微动台保持恒温环境的目的。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于多组独立驱动解耦控制的六自由度磁浮微动台，所述微动台包括微动台底座和载物台，在二者之间呈等边三角形布置了第一独立驱动、第二独立驱动和第三独立驱动；在微动台底座中心位置处固装平面光栅读数头，且在载物台中心位置对应布置平面光栅尺，在微动台底座边缘处布置三个或多个电容传感器；所述的第一独立驱动包括第一独立驱动动子磁钢、第一独立驱动定子磁钢I、第一独立驱动定子磁钢II、第一独立驱动定子线圈I和第一独立驱动定子线圈II，其中第一独立驱动动子磁钢固装在载物台底面上，第一独立驱动定子磁钢I固装在微动台底座顶面上且位于第一独立驱动动子磁钢的正下方，第一独立驱动定子磁钢II固装在微动台底座顶面上且位于第一独立驱动动子磁钢正下方的向外错开位置处，第一独立驱动定子线圈I固装在第一独立驱动定子磁钢II顶面上，第一独立驱动定子线圈II固装在第一独立驱动定子磁钢I顶面上；所述的第二独立驱动和第三独立驱动结构和安装方式与第一独立驱动相同；所述的第一独立驱动定子磁钢I与第一独立驱动动子磁钢的磁极方向相反，第一独立驱动定子磁钢II与第一独立驱动动子磁钢的磁极方向相同。

本发明技术优势和有益效果有：微动台六自由度驱动控制通过呈等边三角形布置的三组独立驱动解耦控制实现，每组独立驱动均可以产生水平和垂向驱动力且具有永磁体磁浮重力补偿功能，三组独立驱动结构相同，具有易加工，装配简单的优势；每组独立驱动采用非接触式直驱方式，无摩擦和机械阻尼，具有高刚度和高频响优点；垂向采用永磁体磁浮重力补偿方式，可减小微动台热耗散，利于微动台保持恒温环境；水平驱动采用左右双线圈对称布置方式，水平驱动力大，适用于光刻机工件台水平高速高加速度的工作要求。

附图说明

图1是本发明六自由度微动台的总体结构示意图；

图2是本发明六自由度微动台的三组独立驱动分布示意图；

图3是本发明单组独立驱动的磁钢线圈位置示意图；

图4是本发明单组独立驱动的磁钢线圈结构示意图；

图5是本发明六自由度微动台电容位移传感器分布示意图；

图6是本发明六自由度微动台平面光栅尺安装位置示意图；

图7是本发明单组独立驱动水平和垂直驱动原理图；

图8是本发明六自由度微动台驱动力分布示意图。

图中件号：1-微动台底座；2-载物台；3A-第一独立驱动；3B-第二独立驱动；3C-第三独立驱动；3A-1-第一独立驱动动子磁钢；3A-2-第一独立驱动定子磁钢I；3A-3-第一独立驱动定子磁钢II；3A-4-第一独立驱动定子线圈I；3A-5-第一独立驱动定子线圈II；4-电容位移传感器；5-平面光栅读数头；6-平面光栅尺。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式进行详细说明。

一种基于多组独立驱动解耦控制的六自由度磁浮微动台，所述微动台包括微动台底座1和载物台2，在微动台底座1和载物台2之间呈等边三角形配置安装第一独立驱动3A、第二独立驱动3B和第三独立驱动3C；在微动台底座1中心位置处、位于第一、二、三独立驱动3A、3B、3C内侧部位固装平面光栅读数头5，且在载物台2中心位置对应布置平面光栅尺6，在微动台底座1边缘处布置三个以上电容位移传感器4；所述的第一独立驱动3A包括第一独立驱动动子磁钢3A-1、第一独立驱动定子磁钢I 3A-2、第一独立驱动定子磁钢II 3A-3、第一独立驱动定子线圈I 3A-4和第一独立驱动定子线圈II 3A-5，其中第一独立驱动动子磁钢3A-1固装在载物台2底面上，第一独立驱动定子磁钢I 3A-2固装在微动台底座1顶面上且位于第一独立驱动动子磁钢3A-1的正下方，第一独立驱动定子磁钢II 3A-3固装在微动台底座1顶面上且位于第一独立驱动动子磁钢3A-1正下方的向外错开位置处，第一独立驱动定子线圈I 3A-4固装在第一独立驱动定子磁钢II 3A-3顶面上，第一独立驱动定子线圈II 3A-5固装在第一独立驱动定子磁钢I 3A-2顶面上；所述的第二独立驱动3B和第三独立驱动3C结构和安装方式与第一独立驱动3A相同；所述的第一独立驱动定子磁钢I 3A-2与第一独立驱动动子磁钢3A-1的磁极方向相反，第一独立驱动定子磁钢II 3A-3与第一独立驱动动子磁钢3A-1的磁极方向相同。

本发明的工作原理如下：

电容位移传感器4用于测量载物台2相对于微动台底座1的垂向位移，三个或多个电容位移传感器4可以解算出载物台2中心的Z向位移以及绕X轴和绕Y轴的旋转位移RX及RY；平面光栅读数头5和平面光栅尺6配合可以解算出载物台2中心的X和Y向位移以及绕Z的旋转位移；因为第一独立驱动定子磁钢II 3A-3固装在第一独立驱动动子磁钢3A-1正下方的向外错开位置，所以固装在第一独立驱动定子磁钢II 3A-3顶面的第一独立驱动定子线圈I 3A-4的内侧所处位置的磁场强度强于外侧，靠近第一独立驱动定子磁钢I 3A-2的位置为内侧，最终形成的磁场合力与内侧所受磁场力方向相同，即为第一独立驱动3A的水平驱动力，该水平驱动力的方向和大小由第一独立驱动定子线圈I 3A-4的电流方向和大小控制；垂直驱动力Fv由第一独立驱动定子线圈II 3A-5的电磁力实现，方向和大小由该线圈中的电流控制；第一独立驱动定子磁钢I 3A-2与第一独立驱动动子磁钢3A-1的磁极方向相反，二者之间的斥力用以补偿载物台的重力；三个互成120°分布的水平驱动力Fh合成即可实现载物台2的三个自由度X、Y、RZ的驱动控制，三个呈等边三角形布置的垂向驱动力Fv合成可以实现载物台2的三个自由度Z、RX、RY的驱动控制。

Claims (1)

1.一种基于多组独立驱动解耦控制的六自由度磁浮微动台，其特征在于所述微动台包括微动台底座(1)和载物台(2)，在微动台底座(1)和载物台(2)之间呈等边三角形配置安装第一独立驱动(3A)、第二独立驱动(3B)和第三独立驱动(3C)；在微动台底座(1)中心位置处、位于第一、二、三独立驱动(3A、3B、3C)内侧部位固装平面光栅读数头(5)，且在载物台(2)中心位置对应布置平面光栅尺(6)，在微动台底座(1)边缘处布置三个以上电容位移传感器(4)；所述的第一独立驱动(3A)包括第一独立驱动动子磁钢(3A-1)、第一独立驱动定子磁钢I(3A-2)、第一独立驱动定子磁钢II(3A-3)、第一独立驱动定子线圈I(3A-4)和第一独立驱动定子线圈II(3A-5)，其中第一独立驱动动子磁钢(3A-1)固装在载物台(2)底面上，第一独立驱动定子磁钢I(3A-2)固装在微动台底座(1)顶面上且位于第一独立驱动动子磁钢(3A-1)的正下方，第一独立驱动定子磁钢II(3A-3)固装在微动台底座(1)顶面上且位于第一独立驱动动子磁钢(3A-1)正下方的向外错开位置处，第一独立驱动定子线圈I(3A-4)固装在第一独立驱动定子磁钢II(3A-3)顶面上，第一独立驱动定子线圈II(3A-5)固装在第一独立驱动定子磁钢I(3A-2)顶面上；所述的第二独立驱动(3B)和第三独立驱动(3C)结构和安装方式与第一独立驱动(3A)相同；所述的第一独立驱动定子磁钢I(3A-2)与第一独立驱动动子磁钢(3A-1)的磁极方向相反，第一独立驱动定子磁钢II(3A-3)与第一独立驱动动子磁钢(3A-1)的磁极方向相同。