CN105322754B - Xy工作台 - Google Patents

Abstract

公开了一种XY工作台，其具有专门优化用于其特定任务的单独驱动器，以反转工作台(6)的运动方向(X)，铁磁肋条(14)在工作台(6)的一个边缘处突出并且与要反转的工作台(6)的运动方向(X)垂直地延伸。驱动器具有用于在工作台(6)接近反转点时容纳肋条(14)的磁轭(10)，磁轭的自由端具有极靴(10.1)，所述极靴将借助反转线圈(11)可开关的磁轭内的磁通量聚集在空气间隙(10.2)中，通过空气间隙，肋条(14)进入磁轭(10)的内部。

Description

XY工作台

技术领域

本发明涉及用于XY工作台的驱动器的设计方法，所述工作台能够在一个平面的两个延伸方向，并且在一定的范围内，在与该平面垂直的方向，并且相对于工作台围绕这三个线性方向的旋转来定位。

背景技术

工作台在闭环控制下在一个平面的两个方向的精确定位以及工作台在与平面垂直的方向并且相对于工作台围绕这三个线性方向的旋转的位置的闭环控制在半导体制造中首先是重要的要求。在这种情况下，放在工作台上的晶片必须放在工具的下面，例如，曝光设备的透镜、显微镜的物镜或者用于处理或检查晶片的电子束透镜。与固定工具一起，工作台必须能够在晶片本身的数量级上执行在晶片平面上的运动；至少需要与其垂直的小幅校正，并且相对于所有可能的倾斜，以允许补偿晶片的厚度的各种变化，例如，在晶片的正面和反面的平行度的偏差。

在这个技术领域中，实际应用为工作台所熟知，该工作台在晶片的宽度之上的单独划割区(swath，条带)内在水平方向来回移动，在晶片每次穿过之后，跳跃到另一个划割区，以便工具在曲折形路径中扫描晶片。在这样做时，工作台的速度在一个划割区内恒定。在这个背景下，需要大的力量，主要用于在每个划割区的端部的方向反转；除此以外，驱动器仅仅需要允许小幅位置校正运动并且保持工作台的速度恒定。

由磁力移动的并且保持悬浮的类型的工作台(称为磁悬浮平台)尤其适合于制造半导体，这是因为由于不使用机械支撑，所以这些工作台造成仅仅非常少的干扰颗粒，使这些工作台特别适合于干净的房间。

在美国专利6,879,063 B2中，描述了这种工作台的实例。在此处，工作台通过磁体的平面阵列移动。在其下面，工作台具有线圈，通过这些线圈，在电流适当地穿过时，工作台可以在所有6个自由度中移动。然而，由于工作台的驱动器不必要地笨重(这是因为在整个工作区域上不需要大力量来加速)，结果，必须移动额外的质量，所以这种类型的工作台不优化用于上述特别的运动模式。此外，移动线圈所需要的供电电缆不利于精确定位。在随着工作台移动的线圈中生成的热量对于很多应用可以是个问题。磁体的磁场还可能对各种实际应用不利，如在离子束或电子束应用中一样。

在WO 98/37335 A1中，描述了一种磁力轴承，通过该磁力轴承，负荷能够保持在垂直方向并且放在小距离上，同时，能够在水平方向移动。U形磁轭在此处用作定子，该定子具有设置在可移动的铁磁棒之上和之下的两个平行的分支。永磁体集成在U形磁轭的封闭端内，沿着分支引导永磁体的磁通量，磁路在磁轭与棒之间的空气间隙之上封闭。在这种情况下发生的磁阻力抵消棒的重力并且可借助于线圈来调节，线圈能够削弱或增强磁场，用于垂直地精确定位棒。此外，缠绕在磁轭的一个分支上的其他线圈能够在棒上施加水平力。在各种方向相对于彼此设置的磁轭和棒的几个这种配置允许在所有6个自由度中定位棒以及与棒连接的物体。由驱动器(因此，由棒)移动的质量非常小；驱动器是“动铁”型，与具有动线圈或动磁的驱动器相反。

由这种驱动器可获得的水平力表示某些实际应用的问题，这些力量可能太小，从而不能通过高生产率执行加工工艺。为了实现高吞吐量，需要使在短距离之上快速移动的晶片减速并且停止，然后，需要在相反的方向再次加速，直到快速运动反转。

发明内容

因此，本发明的目标在于，提供至少在XY工作台的某些位置中大的力量可用于反转工作台的运动方向的可能性，以便确保加工工艺的更高生产率。

该目标由XY工作台实现，该XY工作台具有用于反转根据权利要求1所述的工作台的方向的单独驱动器。

公开了一种XY工作台，其具有单独驱动器，以反转工作台的运动方向，铁磁肋条(ferromagnetic rib)在工作台的一个边缘处突出并且与要反转的工作台的运动方向垂直地延伸。驱动器具有用于在所述工作台接近反转点时容纳肋条的磁轭，所述磁轭的自由端具有极靴(pole shoe)，所述极靴将借助反转线圈(reversal coil)可开关的磁轭内的磁通量聚集在空气间隙中，通过所述空气间隙，所述肋条到达磁轭的内部。

因此，为了逐个划割区地处理晶片，配备有用于方向反转的这种单独驱动器的XY工作台仅仅需要比较弱的驱动力，以在扫描运动期间克服外部影响，并且用于在这个运动期间精确地控制位置或速度(下面也描述了这种驱动器)。然后，在每个划割区的端部用于方向反转所需要的大力量由为此目的优化的单独驱动器生成。这个单独驱动器在扫描运动期间优选地时不激活的，并且不干扰实际的加工工艺。

用于方向反转的单独驱动器是“动铁(moving iron)”型。这表示仅少量额外的质量必须与工作台一起移动。不需要为工作台或电能供应冷却。生成磁场的任何元件都不位于移动工作台上，与现有技术的平面电机的情况一样，其中，磁体或线圈直接安装在工作台上。

单独驱动器是无触点操作的直接驱动器。不需要齿轮机构，并且不生成干扰颗粒。驱动器仅由少量的简单元件构成，因此，其构造和保持便宜并且简单。驱动器组件非常平坦，以便垂直地占据仅仅很少的空间(与工作台平面垂直)。如果比较本发明的驱动器概念和由彼此层叠的两个交叉线性轴构造的现有技术的XY工作台，那么尤其是这样。

由于用于方向反转的驱动器与用于工作台的实际XY驱动器分开，所以这两个驱动器的力的路径不同。反转工作台的方向所需要的大的力或其反作用力能够由配重块(balance mass)获得，或者可以通过这种方式经由单独的力量框架引导到地板上，以便这些力量对工作台或工具没有负面影响。

根据示图，从各种具体实施方式的以下描述中，获得本发明的进一步优点和细节。

附图说明

图1以3D示图示出了XY工作台的驱动器；

图2以截面图示出了XY工作台的驱动器；

图3示出了具有四个驱动器的XY工作台；

图4示出了具有驱动器的替换配置的XY工作台；

图5示出了具有用于方向反转的单独驱动器的XY工作台，在方向反转的不同时刻进行了描述；

图6示出了用于方向反转的单独驱动器的替换实施方式；

图7示出了用于处理晶片的动作序列的示意性表示。

具体实施方式

首先，通过图1-图4描述用于生成垂直力以及比较低的水平力的驱动器以及使用这种驱动力的XY平台。然后，通过图5-图7描述用于反转XY平台的运动方向的单独驱动器的实施方式。

图1以3D示图示出了XY工作台的驱动器。可以看到固定的U形磁轭1，该磁轭由具有高渗透性的材料制成并且具有第一分支(limb)1.1和第二分支1.2以及连接两个分支以形成U形的封闭端1.3。

相对于磁轭1可移动的铁磁棒2垂直于分支1.1、1.2延伸。在每种情况下，空气间隙位于棒2与分支1.1、1.2之间的交叉点上，通过其磁轭1和棒2彼此分离。

永磁体3设置在磁轭1的封闭端1.3内，其导致磁通量通过磁轭1和棒2的一部分。封闭磁路采用穿过这两个空气间隙的路径并且是独立的。同样位于磁轭1的封闭端1.3内并且缠绕在磁轭1周围的第一线圈4能够根据流过第一线圈4的电流的强度和方向增大或减小通过磁轭1和棒2的磁通量。通过使用在第一线圈4内的额外恒定电流，可以使用磁体3来分配，生成与磁体3的磁场等效的磁场，但是这个选择的功率效率小得多。

在这个磁路中的磁阻在空气间隙内特别高，并且其值取决于棒的位置。因此，磁阻力生效，努力减少这些空气间隙。如果分支1.1、1.2位于水平面内，并且如果棒2在垂直方向设置在磁轭1之下，那么磁阻力至少抵消棒2以及与棒2连接的任何部分的重力。考虑通过第一线圈4的电流具有合适的闭环控制，空气间隙能够保持恒定，从而能够补偿棒2(以及与其连接的任何部分)的重力。棒2在空气中悬挂在磁轭1之下，并且在一定范围内，还可以根据其垂直位置在Z方向定位。为此，借助于合适的控制器结构，以使空气间隙(即，棒的垂直位置)调整为设定值的方式影响通过第一线圈4的电流。此外，控制器结构可用于抵消作用在棒2上的(例如，由声音和气流造成的)干扰力。

为了同样能够在磁轭1的分支1.1、1.2的延伸方向X(在此处也表示为X方向)定位棒2，第二线圈5缠绕在第二分支1.2周围。只要棒2位于该第二线圈5之下，通过该第二线圈5的电流与通过在第二分支1.2与棒2之间的交叉点上的空气间隙的磁通量相交。洛伦兹反作用力(更确切地说：主要是洛伦兹型的力)的分量在X方向作用在棒2上，在第二线圈5内的电流根据量和方向可以调整该力。为了使棒2的可能行程范围尽可能较大，第二线圈5缠绕在第二分支1.2的整个长度上。

关于磁体3和第一线圈4在磁轭1的封闭端1.3的位置，封闭端1.3表示不携载第二线圈5并且位于棒2的移动范围的外部的磁轭1的部分。除了“U”型底部以外，接近该底部的第一和第二分支1.1、1.2的部分也适合于放置第一线圈4和磁体3，并且也称为U型磁轭1的封闭端。

一种选择是，将线圈5分割成几个部分，这些部分根据棒2的位置来传输或不传输电流，这具有在第二线圈5中减少损耗的优点。另一种选择是，在第一分支1.1使用一个额外线圈，与在第二分支1.2上的第二线圈5相似。

图2示出了穿过第二分支1.2的截面，其中，人们观看XY平面。在此处，显然可认识到，在第二线圈5内的电流与在空气间隙内的磁通量Φ相交，并且在这样做时，在X方向引起洛伦兹力，洛伦兹力的反作用力-FL作用在棒2上。

通过合适的控制器结构，因此，通过两个线圈4和5的电流能够调整，通过该结构，棒2可以垂直地在Z方向并且水平地在X方向沿着分支1.1、1.2定位。由于改变通过第一线圈4或第二线圈5的电流，对水平和垂直力始终具有影响，所以这种控制器结构必须考虑水平和垂直力的这种互相依赖性。例如，如果需要在水平方向X的力，那么通过第二线圈5的电流必须接通。这个电流改变了在空气间隙内的磁通量Φ，从而改变力垂直力。这必须由通过第一线圈4的电流抵消，因为否则分支2的垂直位置会改变。

如果如图2中所示，将工作台6连接至在不同的方向移动并且在不同情况下与具有两个线圈4和5的U形磁轭1相交的至少三个棒2，那么工作台6的所有6个自由度能够由全部6个线圈电流调整。工作台6不需要机械支撑；该工作台无触点地保持悬浮并且可以位于水平平面内。

在图3中显示了这种设置的一个实例。在此，每个棒2沿着可移动的矩形工作台6的每个外边缘设置。4个固定的U形磁轭1放在棒2(在不同情况下，具有直角的交叉棒2)之上，如上所述，每个磁轭具有磁体3以及第一和第二线圈4、5。要由固定工具8处理的晶片7放在工作台6上。例如，工具8可以是用于检查晶片7的显微镜，或者可能是用于将在晶片上应用的光致抗蚀剂暴光的装置。

保持晶片7的工作台6的表面与驱动器的磁轭1的平面XY平行。与在本申请中的平行度的所有引用一样，在技术上不能达到在数学意义上的平行度。大部分情况下，偏离完美的平行度在度的量级内可没有不利之处。

磁轭1的分支以及缠绕在其上的第二线圈5在不同情况下具有足够的长度，以便工作台6以及与该工作台一起的晶片7可在X方向和Y方向上放置到使工具8能够达到晶片7的每个点的程度。棒2的长度确保这四个装置中的每个装置能够随时在X方向或Y方向施加水平力并且在Z方向施加垂直力，与工作台6的瞬时位置无关。

所有4个驱动器在Z方向同样能够具有的小幅运动允许工作台6在Z方向移动，或者相对X方向或Y方向倾斜。由于在不同情况下位于彼此相反的位置的第二线圈5相对于彼此横向偏移一个磁轭1的宽度，并且从而能够生成围绕Z方向的扭矩，所以可以实现围绕Z轴旋转。

因此，考虑适当地控制这四个驱动器，工作台6能够由要调节的总共8个电流放置在所有6个自由度中。

例如，单独驱动器的最大垂直力可在几十N的范围内。因此，四个这样的驱动器能够保持工作台6悬浮，其重量(包括棒2及其有效载荷)大约为10kg。

另一方面，在水平方向实现的洛伦兹力明显更小，例如，相差1个数量级。下面讨论在水平方向产生的比较小的最大加速度。

首先，参照图4描述进一步示例性实施方式。在此，仅仅示意性表示用于工作台6的这四个装置；与在先前的示例性实施方式中类似地构造这四个装置。然而，所有四个磁轭1及其分支1.1、1.2现在沿着X方向延伸。棒2大幅缩短并且设置在工作台6的拐角中，并且更确切地说，以使得它们以除了90度以外的角度与磁轭相交。垂直(磁阻)力仅仅在有限的程度上受到棒2相对于磁轭1的这种旋转的影响。水平洛伦兹力具有与棒2垂直的分量。

这种设置允许产生力并且在X和Y方向定位工作台6。在Y方向减少并且在X方向伸展的配置的形状减小了驱动器的外形尺寸，因此，也减小了整个设备的外形尺寸。

其中图4中所示的配置有用的实际应用的实例可以是处理设备，该设备的工具8在Y方向覆盖了大部分晶片7，从而在Y方向仅仅需要小运行范围，而在X方向，必须移动晶片7的整个直径。在这种应用中，不麻烦的是，所显示的驱动器的放置在Y方向具有更小的运行范围。在这种情况下，该配置具有以下优点：与根据图3的配置相比，在Y方向更小。

如上所述，通过在此处描述的驱动器能够获得的水平力比较有限。对于实际应用，必须通过逐个划割区的方式扫描晶片7，从而晶片通过恒定(以及可能最高的)速度移动划割区，然后，这些实际应用在每个划割区的端部反转其运动方向(在此处也称为方向反转)，跳跃到下一个划割区，并且在相反的方向经过所述下一个划割区，首先需要所有可能最高的加速度以及相应大的力来进行方向反转，然而，否则，仅仅必须克服摩擦力，并且必须使用小的力来进行位置或速度的可能更小的校正。使用上述驱动器，或者可能使用现有技术的其他驱动器，可以比较容易地施加小的力。因此，如果可使用专门用于反转方向的工艺中并且仅必须在该简短的时间跨度中活动的单独驱动器，那么这有利。然后，用于线性运动的驱动器可以相应地具有更小的尺寸。

图5示出了具有用于反转工作台的方向的单独驱动器的XY工作台6。首先，参照图5的(a)更详细地解释该单独驱动器的基本结构。

在X方向可移动的工作台6的顶部边缘处固定棒2，以用于上述类型的驱动器。然而，未显示相关联的U形磁轭1。

在工作台6的外边缘处附接突出的铁磁肋条14，该肋条与要反转的运动方向X垂直地延伸(run)。磁轭10设置在工作台6的运动范围的外端。这个磁轭10具有通过开关13连接至电压或电流源12的反转线圈11。

在面向工作台6的一侧上，磁轭10具有一对极靴10.1，所述极靴将通过反转线圈11生成的磁通量聚集在空气间隙10.2中。这个空气间隙10.2以能够容纳工作台6的铁磁肋条14的方式成形，以便肋条14能够移动穿过空气间隙10.2并且再次在其远离工作台6的一侧上出现，在图5的(c)中显示了这个位置。磁轭10不必如在此处所示是C形；唯一重要的是，能够在空气间隙10.2内生成可开关的可能最高的磁通量，并且铁磁肋条14能够足够远地延伸穿过空气间隙10.2，进入磁轭10内。为此，磁轭10的分支必须在X方向具有足够的长度。下面参照图6，说明避免这个局限性的另一个实施方式。

为了允许肋条14足够远地穿入磁轭10内，肋条14另外设置在工作台6的非铁磁突出部14.1上。必须以使得肋条14配合在极靴10.1之间的方式形成该突出部。

图5的(a)至图5的(g)详细示出了方向反转的时间序列。首先(a)，没有电流在反转线圈11内流动；在极靴10.1之间的空气间隙10.2内没有磁通量。工作台6以及与工作台一起的肋条14在负X方向朝着空气间隙10.2移动。

仅仅在肋条14完全进入了空气间隙10.2内时(b)，闭合开关(c)，并且磁通量累积在渗透肋条14的空气间隙10.2内。然而，由于工作台6继续无阻碍地移动，所以肋条进入磁轭10的内部，并且在这样做时，在远离工作台6的空气间隙10.2的一侧离开空气间隙10.2(d)。然而，这导致空气间隙10.2的磁阻增大，因此，产生抵消该运动的磁阻力。这种磁阻力努力将肋条14吸回空气间隙10.2内。因此，抵消了工作台6的运动方向，并且最终导致期望的方向反转。例如，对于典型的实际应用，可以假设在发生方向反转之前，在接通磁通量之后，工作台6以及因此肋条14依然覆盖5cm的距离。在用于方向反转的单独驱动器的设计中，必须考虑这个距离。

通过磁阻力加速，在方向反转之后，肋条14返回间隙10.2内(e)。此时，再次断开开关13(f)，并且肋条14离开空气间隙10.2，现在处于正X方向(g)。由于已经再次切断磁通量，所以在离开空气间隙时，现在不发生磁阻力。

因此，肋条14从朝着工作台6的一侧进入空气间隙10.2，并且在远离工作台的一侧再次从空气间隙10.2中出现。在此时，磁阻力引起方向反转。肋条再次在相反的方向穿过空气间隙10.2。在离开空气间隙时，方向反转完成。

图6示出了用于反转工作台6的方向的单独驱动器的替换的实施方式。使用具有两个空气间隙10.2和两对极靴10.1的两段式磁轭10。在这个配置中，磁轭10在其远离工作台6的一侧打开。然而，磁轭远离工作台6的一个称为磁轭10的内部，与在图5的先前实施方式中一样。通过与在图5中相同的方式，给相似的部件编号。这个替换的实施方式通过与上面参照图5的(a)至图5的(g)说明的方式相同的方式工作。

用于反转XY工作台的方向的这个单独驱动器的特别优点在于，驱动器仅在方向反转时活动。此时，通常，在放在工作台6上的晶片7上不发生加工工艺。在加工受到外部磁场的干扰时，因此，例如，在电子束光刻或其他无掩模曝光工艺的情况下，这特别重要。

电源12必须使高电流在短时间内可用于反转线圈11。这种电流源的合适形式可以是电容器，该电容器在单独的方向反转事件之间充电并且在闭合开关13时将其能量输出至反转线圈11。存储在电容器内的能量最后用于反转工作台6的方向。

如从图7中显示，在不同情况下，必须在工作台6的两个相对边缘设置用于方向反转的单独驱动器，以通过逐个划割区的方式或者曲折地处理放在工作台6上的晶片7。因此，工作台6能够快速地来回移动，并且在移动结束时，在不同情况下，方向反转。

在图7的上半部分中，显示了典型的曲折形处理路径7.1，其最终确定工作台6的动作序列。在X方向的长期运动期间，由在图1-图4中描述的XY工作台6的驱动器施加的小于1N的力足以补偿干扰并且方向和速度的闭环控制，正如总共100N一样，例如，足以保持工作台悬浮。在Y方向的划割区跳跃也通过不到1牛顿来控制并且可由这个驱动器施加。然而，为了方向反转，需要明显更大的力，例如，这个实例中，200N。这些力必须由单独驱动器施加，以用于反转工作台6的方向。

在图7中可以看出，在X方向的划割区最长，例如，在晶片7的中间(相对于Y方向)，而在处理的开始并且朝着处理的末端时，划割区明显更短。为了给不必要地覆盖的工作台6的截面节省时间，在X方向用于方向反转的这两个单独驱动器是可调节的。因此，在图7的下半部分中，显示了路径15，用于方向反转的这两个单独驱动器在这些路径上移动，而工作台6在这两个单独驱动器之间来回移动。在晶片7上要处理的划割区越长，用于方向反转的这两个驱动器彼此相距就越远。

由于高反作用力作用在用于方向反转的单独驱动器的磁轭10上，所以明智的做法是，以使得对工作台6或工具8没有影响的方式将这些反作用力考虑在设计中。

例如，这可以借助于单独的力架(force frame)来完成，通过该力架，磁轭10直接连接至地面，然而，XY工作台6的驱动器的U形磁轭1连接至花岗石，各自的机器安装在花岗石上并且花岗石与地面隔离，通常甚至积极地抵抗振动。

可替代地，反作用力可来回移动配重块，以便这些力完整地保存在***内，并且同时，不到达工作台6或工具8。因此，地基(foundation)也保持自由振动。

Claims (5)

1.一种XY工作台，具有用于反转工作台(6)的运动方向(X)的单独驱动器，其特征在于，铁磁肋条(14)在所述工作台(6)的边缘处突出并且与要反转的所述工作台(6)的所述运动方向(X)垂直地延伸，并且所述XY工作台具有磁轭(10)，所述磁轭(10)用于至少在所述工作台(6)位于反转点处时容纳所述铁磁肋条(14)，所述磁轭(10)的自由端具有极靴(10.1)，所述极靴(10.1)将通过反转线圈(11)可开关的所述磁轭(10)中的磁通量聚集在介于所述极靴(10.1)之间的空气间隙(10.2)中，通过所述空气间隙(10.2)，所述铁磁肋条(14)到达所述磁轭(10)的内部。

2.根据权利要求1所述的XY工作台，其特征在于，所述铁磁肋条(14)设置在所述工作台(6)的非铁磁突出部(14.1)上。

3.根据权利要求1或2所述的XY工作台，其特征在于，当所述铁磁肋条(14)至少部分地位于所述磁轭(10)的外部时，切断所述磁轭(10)中的所述磁通量，并且当所述铁磁肋条(14)完全位于所述磁轭(10)的所述空气间隙内时，接通所述磁通量。

4.根据权利要求1或2所述的XY工作台，其特征在于，具有反转线圈(11)和极靴(10.1)的磁轭(10)以及铁磁肋条(14)设置在所述工作台(6)的所述运动方向(X)的两侧，以便所述工作台(6)在所述运动方向(X)上能够来回移动。

5.根据权利要求4所述的XY工作台，其特征在于，在两个所述磁轭(10)之间的距离以及由此的所述工作台(6)的所述反转点之间的距离是可调节的。