CN203520012U - 一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机 - Google Patents

Abstract

一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机，主要应用于半导体光刻设备中。所述的动铁式磁浮平面电机含有动子、定子、载物台、真空罩和真空泵。动子含有永磁体阵列，永磁体阵列与载物台连接在一起；定子含有通电线圈阵列和基座，通电线圈阵列设置在基座上，永磁体阵列悬浮于通电线圈阵列1正上方，并与所述的通电线圈阵列留有间隙；所述的动子和载物台设置在真空罩内部；所述真空罩与基座密封连接。本实用新型不仅具有结构简单、紧凑、质心驱动、微动台动子惯量小等特点，而且由于将动子和载物台设置在真空罩内，从而在极紫外光刻时，避免了磁浮平面电机的灌封胶释放的一些气体对光刻产生的影响。

Description

一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机

技术领域

本实用新型涉及一种磁浮工作台，尤其涉及一种六自由度磁浮工作台，主要应用于半导体光刻设备中，属于超精密加工和检测设备技术领域。

背景技术

具有高精度和快速响应的微动工作台在现代制造技术中具有极其重要的地位，被视为一个国家高技术发展水平的重要标志。在超精密机床中，超精密微动工作台用于对进给***进行误差补偿，实现超精密加工；在大规模集成电路制造中，超精密微动工作台用于光刻设备中进行微定位和微进给；在扫描探针显微镜中，超精密微动工作台用于测量样品表面形貌，进行纳米加工；在生物工程方面，超精密微动工作台用于完成对细胞的操作，实现生物操作工程化；在医疗科学方面，超精密微动工作台用于显微外科手术，以便减轻医生负担，缩短手术时间，提高成功率。超精密微动工作台还被广泛应用于光纤对接，MEMS***加工、封装及装配，以及电化学加工等领域中。

在半导体光刻设备中，光刻机是专门生产制作集成电路的。根据2005年版的国际半导体技术蓝图，2007年将用波长λ为193nm的光刻技术生产线宽65nm的集成电路，2010年将生产线宽45nm的集成电路，2013年生产线宽32nm的集成电路。光刻机的分辨率由下式表示：

$\mathrm{RES}=k_1\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}---\left(1\right)$

通过将光刻投影***的数值孔径NA和工艺参数k1延伸到其实用极限以及增加浸入式***，使用波长λ为193nm的准分子光源的光刻***可以生产65nm线宽的集成电路，人们还希望能够继续使用波长λ为193nm浸入式***生产45nm线宽的集成电路。采用现有波长λ为193nm的技术，无论如何都不能生产32nm线宽的集成电路，必须寻求新的发展方向，采用13.5nm光的极紫外光刻可以实现更高分辨率的跨越。

概括目前国内外纳米级微动工作台研究现状，为了满足极紫外光刻设备高精度、高速度、大负载、高动态特性的要求。采用磁浮平面电机的硅片台技术才可以满足光刻设备的要求，但在极紫外光刻时，磁浮平面电机的一些灌封胶会释放一些气体，会对光源产生一定的影响，并且平面电机上会有大量的电源和传感器的线缆干扰运动等不足，其性能受到一定局限。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种可应用于极紫外光刻机中的动铁式磁浮平面电机，也可用于超精密加工和检测中以实现六自由度运动，使其不仅具有结构简单、紧凑，质心驱动，微动台动子惯量小等特点，而且可以避免在极紫外光刻时磁浮平面电机的灌封胶释放的一些气体对光刻产生的影响。

本实用新型的技术方案如下：

一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机，该磁浮平面电机由动子和定子组成，动子包含有永磁体阵列和载物台，所述的永磁体阵列与载物台连接在一起；定子包含有通电线圈阵列和基座，其特征在于：所述的动铁式磁浮平面电机还含有真空罩和真空泵；所述的动子设置在真空罩内部，所述的真空罩与位于外部的真空泵连接在一起；

本实用新型所述的一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机，其特征在于：所述的通电线圈阵列由至少四组线圈单元组成，所述的每一组线圈单元由线性排列成一排的三个线圈组成，四组线圈单元水平布置在同一个平面内，其中任意相邻的两组线圈单元正交布置；所述的通电线圈阵列设置在基座上，且所述的永磁体阵列悬浮于所述的通电线圈阵列正上方，并与所述的通电线圈阵列留有间隙；

本实用新型所述的一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机，其特征在于：所述的线圈单元采用叠层正交绕制的线圈组，或采用单层长方形线圈由下至上叠层正交排列且水平放置的线圈组，或采用长方形线圈水平放置的线圈组，或采用长方形线圈竖直放置的线圈组，或采用叠层正交印刷PCB电路的线圈组；所述的每个线圈组的数量为三的倍数，每个线圈由通电导线和线圈骨架组成。

本实用新型所述的一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机，其特征在于：所述的真空罩内部是工作状态时抽成真空环境；

本实用新型所述的一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机，其特征在于：其特征在于：所述的磁浮平面电机的永磁体阵列由主永磁体和附永磁体组成，主永磁体与附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于基座的上表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路；或所述的磁浮平面电机的永磁体阵列由主永磁体和附永磁体组成，按照相邻两块主永磁体以及边缘处主永磁体和附永磁体的充磁方向相反的阵列形式粘接固定于基座上表面上，在各永磁体之间形成封闭磁路。

本实用新型所述的一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机的优点在于：本实用新型不仅具有结构简单、紧凑、质心驱动、微动台动子惯量小等特点，而且由于将动子和载物台设置在真空罩内，从而在极紫外光刻时，避免了磁浮平面电机的灌封胶释放的一些气体对光刻产生的影响。

附图说明

图1为实用新型提供的一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机的三维结构图。

图2表示出去掉真空罩后的动铁式磁浮平面电机的三维结构图。

图3为通电线圈阵列与永磁体阵列的布置结构示意图。

图4a和图4b表示出磁浮平面电机的两种永磁体阵列结构示意图。

图5a、图5b、图5c、图5d和图5e分别表示出本实用新型的线圈单元采用的几种不同的结构形式。

图6为本实用新型提供的具有真空罩的动铁式磁浮平面电机的工作示意图。

图中：1－通电线圈阵列；2－永磁体阵列；3－载物台；4－真空罩；5－基座；10-线圈骨架；11-第一线圈单元；12-第二线圈单元；13-第三线圈单元；14-第四线圈单元；16-第一主永磁体；17-第二主永磁体；18-附永磁体。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的原理结构和工作过程做进一步的说明。

图1、图2为实用新型提供的一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机的三维结构图，该磁浮平面电机含有动子、载物台3、定子、真空罩4和真空泵；动子含有永磁体阵列2，所述的永磁体阵列2与载物台3连接在一起；定子含有通电线圈阵列1和基座5，该通电线圈阵列1设置在基座5上；所述的永磁体阵列（2）和载物台3悬浮于所述的通电线圈阵列1正上方，并与所述的通电线圈阵列1留有间隙；所述的动子和载物台3设置在真空罩4内部，该真空罩4与基座5密封连接，并通过气体管路与位于真空罩外部的真空泵相连。当通电线圈阵列通三相电流之后，永磁体阵列2与载物台3可悬浮于通电线圈阵列1之上，并可在通电线圈阵列1所在的平面内沿X方向和沿Y方向做大行程的平移运动，同时，永磁体阵列2与载物台3除做水平面内沿X方向和沿Y方向平移之外，还可做其它四自由度的运动。

图3为通电线圈阵列与永磁体阵列的布置结构示意图。定子中的通电线圈阵列1设置在基座5上，且所述的永磁体阵列2悬浮于所述的通电线圈阵列1正上方，并与所述的通电线圈阵列1留有间隙。所述的通电线圈阵列1由至少四组线圈单元组成，每一组线圈单元由线性排列成一排的三个线圈组成，四组线圈单元水平布置在同一个平面内，其中任意相邻的两组线圈单元正交布置。

图4a和图4b表示出磁浮平面电机的两种永磁体阵列结构示意图。如图4a所示，磁浮平面电机的永磁体阵列2由主永磁体（第一主永磁体16；第二主永磁体17）、附永磁体18组成，主永磁体与附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于基座5上表面，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路；或所述的磁浮平面电机的永磁体阵列2由主永磁体和基座5上表面组成，按照相邻两块主永磁体的充磁方向相反的阵列形式粘接固定于基座5上表面上，在各永磁体之间形成封闭磁路。如图4b所示，磁浮平面电机的永磁体阵列2由主永磁体、附永磁体组成，相邻两块主永磁体以及边缘处的主永磁体与附永磁体以SN阵列形式粘接固定于基座5上表面上，相邻两块主永磁体以及边缘处的主永磁体与附永磁体的磁场方向相反布置，在各永磁体之间形成封闭磁路；或所述的磁浮平面电机的永磁体阵列2由主永磁体和基座5上表面组成，按照相邻两块主永磁体的充磁方向相反的阵列形式粘接固定于基座5上表面，在各永磁体之间形成封闭磁路。

图5a、图5b、图5c、图5d和图5e分别表示出本实用新型的线圈单元采用的几种不同的结构形式，共举出了五种。线圈单元可以采用叠层正交绕制的线圈组(如图5a)，或采用单层长方形线圈由下至上叠层正交排列成水平放置的线圈组（5b），或采用长方形线圈水平放置的线圈组（如图5c），或采用长方形线圈竖直放置线圈组(如图5d)，或采用叠层正交印刷PCB电路线圈组(如图5e)；所述的每个线圈组的数量为3的倍数，每个线圈由通电导线和线圈骨架10组成。要获得不同的推力大小，可通过增加绕制匝数或改变线圈绕制骨架的厚度等方式。

本实用新型的工作过程如下：磁浮运动单元的永磁体产生的磁场方向、通电线圈电流方向，以及产生的洛伦兹力方向两者相互垂直。通电线圈阵列的每一组线圈单元在永磁体阵列2的磁场作用下，可以产生相互垂直的两个方向的推力。在本实施例中，处在永磁体阵列2磁场范围内共有四个线圈单元，分别为第一线圈单元11、第二线圈单元12、第三线圈单元13和第四线圈单元14，如图6所示。

如6图所示，四个线圈单元中的相邻两个线圈单元的线圈位置两两正交，分别为第一线圈单元11和第三线圈单元13平行，第二线圈单元12和第四线圈单元14相平行，而第一线圈单元11和第二线圈单元12相互垂直。当第一线圈单元11和第三线圈单元13通相同方向的电流时，产生洛伦兹力后反作用于永磁体阵列2，可驱动电机动子沿图6中所示的X轴方向和Z轴方向的运动；当第二线圈单元12和第四线圈单元14通相同方向的电流，产生洛伦兹力后反作用于永磁体阵列2，可驱动电机动子沿图6中所示的Y轴方向和Z轴方向的运动；当四个线圈单元通不同大小的电流时，产生洛伦兹力后反作用于永磁体阵列2，电机动子所受的Z轴方向的力就会有不同，则电机动子就可绕X轴转动，或者绕Y轴转动；当四个线圈单元同时通相同方向电流，电机动子绕Z轴转动；在本实施例中，至少需要四个线圈单元才能实现上述的运动，也可沿X轴方向，或沿Y轴方向增加两个线圈单元，或者同时沿X轴方向和Y轴方向增加四个线圈单元等，根据不同的行程范围的大小需求适当增加。

Claims (4)

1.一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机，该磁浮平面电机含有动子、载物台（3）和定子；动子含有永磁体阵列（2），所述的永磁体阵列（2）与载物台（3）连接在一起；定子含有通电线圈阵列（1）和基座（5），所述的通电线圈阵列（1）设置在基座（5）上，且所述的永磁体阵列（2）悬浮于所述的通电线圈阵列（1）正上方，并与所述的通电线圈阵列（1）留有间隙；其特征在于：所述的动铁式磁浮平面电机还含有真空罩（4）和真空泵；所述的动子和载物台（3）设置在真空罩（4）内部；所述真空罩（4）与基座密封连接，并通过气体管路与位于真空罩外部的真空泵相连。

2.如权利要求1所述的一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机，其特征在于：所述的通电线圈阵列（1）由至少四组线圈单元组成，每组线圈单元由线性排列成一排的三个线圈组成，四组线圈单元水平布置在同一个平面内，其中任意相邻的两组线圈单元正交布置。

3.如权利要求1所述的一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机，其特征在于：所述的线圈单元采用叠层正交绕制的线圈组（5a），或采用单层长方形线圈由下至上叠层正交排列且水平放置的线圈组(5b)，或采用长方形线圈水平放置的线圈组(5c)，或采用长方形线圈竖直放置的线圈组（5d），或采用叠层正交印刷PCB电路的线圈组(5e)；所述的每个线圈组的数量为3的倍数，每个线圈由通电导线和线圈骨架（10）组成。

4.如权利要求1所述的一种具有真空罩的动铁式磁浮平面电机，其特征在于：其特征在于：所述的磁浮平面电机的永磁体阵列（2）由主永磁体和附永磁体组成，主永磁体与附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于基座（5）的上表面，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路；或所述的磁浮平面电机的永磁体阵列（2）由主永磁体和附永磁体组成，按照相邻两块主永磁体以及边缘处主永磁体和附永磁体的充磁方向相反的阵列形式粘接固定于基座（5）上表面上，在各永磁体之间形成封闭磁路。

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