高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，用以實(shí)現(xiàn)工件臺(tái)的減震，所述高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備包括磁浮減震器、減震框架、測(cè)量模塊、執(zhí)行模塊和控制器系統(tǒng)，所述工件臺(tái)位于所述減震框架上，所述減震框架通過(guò)所述磁浮減震器實(shí)現(xiàn)支撐和懸浮減震，所述磁浮減震器至少包括兩層哈爾貝克磁陣列，且通過(guò)所述兩層哈爾貝克磁陣列實(shí)現(xiàn)所述減震框架的支撐和懸浮減震，所述測(cè)量模塊和執(zhí)行模塊均與所述減震框架固定連接，所述控制器系統(tǒng)分別與所述測(cè)量模塊和執(zhí)行模塊連接。由于哈爾貝克（Halbach）磁陣列的單邊磁密為傳統(tǒng)NS陣列的倍，在等磁能積情況下實(shí)現(xiàn)更大的負(fù)載能力，并且單邊磁場(chǎng)特性最大化利用磁能積，同時(shí)有效減小了NS陣列的磁場(chǎng)泄露的干擾問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】高精密磁懸淳主動(dòng)減震設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種光刻機(jī)用的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè) 備。
【背景技術(shù)】
[0002] 光刻機(jī)主要由光源（目前主流光刻機(jī)采用波長(zhǎng)193nm的ArF深紫外（DUV)準(zhǔn)分子 激光)、光學(xué)照明系統(tǒng)、投影鏡頭、承載掩模的掩模臺(tái)、承載硅晶片的工件臺(tái)、減震設(shè)備等構(gòu) 成。其要求許多重要部件如測(cè)量系統(tǒng)、曝光系統(tǒng)、零位傳感器、對(duì)準(zhǔn)傳感器、光強(qiáng)能量傳感器 等設(shè)備的振動(dòng)干擾盡可能小，使得重要的模塊處于"安靜"環(huán)境中。由于振動(dòng)的干擾會(huì)傳遞 給測(cè)量框架，使得測(cè)量框架產(chǎn)生不必要的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而干擾工件臺(tái)掩模臺(tái)的測(cè)量系統(tǒng)，最終影 響工件臺(tái)掩模臺(tái)和鏡面誤差，導(dǎo)致套刻誤差和特征線寬誤差加大，因此，減震器是保證實(shí)現(xiàn) 集成電路制造性能的關(guān)鍵設(shè)備之一，通常采用減震裝置將光刻機(jī)內(nèi)部重要部件與基礎(chǔ)框架 等其他結(jié)構(gòu)的外部世界獨(dú)立開(kāi)來(lái)形成獨(dú)立的內(nèi)部世界。
[0003] 光刻機(jī)減震裝置早期采用橡膠阻尼減震，80年代初隨著空氣彈簧減震理論的成 熟，光刻機(jī)減震裝置開(kāi)始采用基于空氣彈簧的被動(dòng)減震技術(shù)。當(dāng)前主流光刻機(jī)減震裝置以 基于空氣彈簧的主動(dòng)減震方式為主，主要采用有源控制器的主動(dòng)控制策略，通過(guò)速度傳感 器（Geophones傳感器）實(shí)現(xiàn)速度測(cè)量進(jìn)行阻尼反饋補(bǔ)償，通過(guò)位置傳感器測(cè)量隔振平臺(tái)的 實(shí)時(shí)位置，利用音圈電機(jī)實(shí)現(xiàn)高帶寬響應(yīng)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)隔振平臺(tái)的精密定位補(bǔ)償能力。承 載隔振平臺(tái)的重力補(bǔ)償部分，則采用氣動(dòng)控制閥實(shí)時(shí)補(bǔ)償氣囊中壓縮空氣的氣壓，從而實(shí) 現(xiàn)減震器的大負(fù)載承載能力和有效的氣動(dòng)隔振減震。
[0004] 光刻機(jī)設(shè)備內(nèi)部減震器典型布局方式常采用三組減震器，每組減震器上配置一個(gè) 垂向補(bǔ)償電機(jī)和一個(gè)水平向補(bǔ)償電機(jī)，同時(shí)配置一個(gè)垂向測(cè)量傳感器和水平向測(cè)量傳感 器，從而實(shí)現(xiàn)隔振平臺(tái)6自由度的減震隔振和位置懸浮定位。
[0005] 減震器的研究目標(biāo)即實(shí)現(xiàn)高承載力、低剛度、低共振頻率、高衰減率，從而實(shí)現(xiàn)較 低的振動(dòng)傳遞率，使得外部擾動(dòng)對(duì)內(nèi)部世界的影響最小化。但隨著光刻機(jī)分辨率的不斷提 高，對(duì)光刻機(jī)的特征線寬指標(biāo)要求也在不斷提升，隨著光刻機(jī)產(chǎn)率的增加，光刻機(jī)設(shè)備內(nèi)部 的工件臺(tái)和掩模臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度、加速度不斷增大，光刻機(jī)內(nèi)部各模塊系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，整機(jī) 重量從2噸?14噸不等，TFT光刻機(jī)甚至達(dá)到了 40噸，因此，光刻機(jī)對(duì)"安靜"環(huán)境的減震 性能要求更加苛刻。為此針對(duì)減震裝置必須實(shí)現(xiàn)大負(fù)載承載能力，同時(shí)業(yè)內(nèi)還提出了"負(fù)剛 度"技術(shù)概念，國(guó)外一些研究者基于磁浮軸承技術(shù)提出了一些新型減震方案。
[0006] 2003年，德國(guó)IDE在美國(guó)提出一種具有負(fù)剛度的磁浮減震裝置專利申請(qǐng) (US7290642)，該專利首次提出采用三個(gè)永磁磁極，相鄰兩個(gè)磁極之間采用磁吸力懸浮方式 實(shí)現(xiàn)減震臺(tái)的雙向剛度設(shè)計(jì)的減震裝置，如圖1所示。
[0007] 2009年荷蘭埃因霍芬大學(xué)（TU/e)的Lomonova教授提出一種基于永磁陣列懸浮的 被動(dòng)減震裝置，如圖2所示。該裝置采用雙層磁陣列結(jié)構(gòu)，每層磁路結(jié)構(gòu)均采用二維NS磁陣 列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，上面兩層磁鐵陣列利用磁吸力懸浮方式對(duì)減震平臺(tái)框架實(shí)現(xiàn)向上拉升 的力量，下面兩層磁鐵陣列利用磁斥力懸浮方式對(duì)減震平臺(tái)框架實(shí)現(xiàn)向上抬升的力量。該 懸浮裝置能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)千公斤的負(fù)載重力補(bǔ)償，垂向負(fù)載的彈簧剛度達(dá)到幾十牛頓每毫米， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較低的共振頻率。
[0008] 這種被動(dòng)磁浮減震裝置與傳統(tǒng)氣浮減震裝置技術(shù)無(wú)疑有巨大的進(jìn)步，但它在永磁 體的等磁能積條件下的磁懸浮有效利用仍然存在不足，并且存在較大的磁泄露，對(duì)光刻機(jī) 應(yīng)用環(huán)境產(chǎn)生諸多不利影響。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種在等磁能積情況下實(shí)現(xiàn)更大的負(fù)載能力，并 且單邊磁場(chǎng)特性最大化利用磁能積的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備。
[0010] 為了解決這一技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，用以實(shí) 現(xiàn)工件臺(tái)的減震，所述高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備包括磁浮減震器、減震框架、測(cè)量模塊、 執(zhí)行模塊和控制器系統(tǒng)，所述工件臺(tái)位于所述減震框架上，所述減震框架通過(guò)所述磁浮減 震器實(shí)現(xiàn)支撐和懸浮減震，所述磁浮減震器至少包括兩層哈爾貝克磁陣列，且通過(guò)所述兩 層哈爾貝克磁陣列實(shí)現(xiàn)所述減震框架的支撐和懸浮減震，所述測(cè)量模塊和執(zhí)行模塊均與所 述減震框架固定連接，所述控制器系統(tǒng)分別與所述測(cè)量模塊和執(zhí)行模塊連接。
[0011] 所述控制器系統(tǒng)采集所述測(cè)量模塊的信息，并根據(jù)所采集到的信息控制所述執(zhí)行 模塊實(shí)現(xiàn)所述減震框架位置的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
[0012] 所述測(cè)量模塊包括位置傳感器與加速度傳感器，均與所述減震框架固定連接，用 以檢測(cè)所述減震框架上對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)的水平向、垂直向的位置和運(yùn)動(dòng)加速度。
[0013] 所述執(zhí)行模塊包括水平向音圈電機(jī)與垂向音圈電機(jī)，分別用于實(shí)現(xiàn)所述減震框架 水平向三個(gè)自由度和堅(jiān)直向三個(gè)自由度位置的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
[0014] 所述兩層哈爾貝克磁陣列分別為第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)和第二層平面磁陣列結(jié) 構(gòu)，所述第一層平面磁陣列與所述減震框架固定連接，所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)與地基 或者定子部分固定連接，所述第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)與所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)通過(guò)兩 者間的磁斥力或磁吸力實(shí)現(xiàn)所述減震框架的支撐和懸浮減震。
[0015] 所述第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)和所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)均由第一磁陣列單元 與第二磁陣列單元沿第二方向交替排布形成。
[0016] 所述第一磁陣列單元由磁鐵組與主磁極單元沿第一方向交替排布形成，所述第二 磁陣列單元由主磁極單元與磁鐵組沿第一方向交替排布形成，且所述第一磁陣列單元中的 磁鐵組與主磁極單元沿第二方向分別與所述第二磁陣列單元中的主磁極單元與磁鐵組對(duì) 應(yīng)連接設(shè)置，所述磁鐵組與所述主磁極單元的尺寸相匹配，所述第一方向與第二方向互相 垂直，且均位于水平面，所述磁鐵組由四個(gè)尺寸相同的磁鋼塊呈田字型緊密排布形成。
[0017] 所述第一磁陣列單元和第二磁陣列單元中的主磁極單元的充磁方向堅(jiān)直向下設(shè) 置，所述第一磁陣列單元中的磁鋼塊的充磁方向均沿體對(duì)角面斜向下設(shè)置，所述第二磁陣 列單元中的主磁極單元與磁鋼塊的充磁方向分別與所述第一磁陣列單元中的主磁極單元 與磁鋼塊的充磁方向相反。
[0018] 所述第一磁陣列單元中的磁鋼塊的充磁方向與水平面的夾角范圍為30至60度
[0019] 同一磁鐵組內(nèi)的四個(gè)磁鋼塊的充磁方向在水平面上的方向分量分別指向四個(gè)不 同的方向。
[0020] 所述第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)中的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向分別與和所述 第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)位置的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向相同。
[0021] 所述第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)中的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向分別與和所述 第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)位置的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向相反。
[0022] 所述第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相鄰的邊緣外側(cè)固定設(shè)有第一方向第一磁陣 列和第二方向第一磁陣列，所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)位置的邊緣外側(cè)設(shè)有第一方向 第二磁陣列和第二方向第二磁陣列，所述第一方向第一磁陣列與所述第一方向第二磁陣列 僅沿第一方向上產(chǎn)生磁吸力或磁斥力，所述第二方向第二磁陣列與所述第二方向第一磁陣 列僅沿第二方向上產(chǎn)生磁吸力或磁斥力。
[0023] 所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)通過(guò)一個(gè)背鐵與地基或者定子部分固定連接，所述第 一方向第二磁陣列和第二方向第二磁陣列固定設(shè)在在背鐵上。
[0024] 所述第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)與所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)分別通過(guò)兩個(gè)背鐵與 所述減震框架和地基或者定子部分固定連接。
[0025] 第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)和第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)均平行于所述減震框架所在平 面設(shè)置。
[0026] 第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)和第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)均相對(duì)于所述減震框架所在平 面傾斜設(shè)置。
[0027] 本發(fā)明提出一種基于平面哈爾貝克（Halbach)磁陣列的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè) 備，由于哈爾貝克（Halbach)磁陣列的單邊磁密為傳統(tǒng)NS陣列的乃倍，在等磁能積情況下 實(shí)現(xiàn)更大的負(fù)載能力，并且單邊磁場(chǎng)特性最大化利用磁能積，同時(shí)有效減小了 NS陣列的磁 場(chǎng)泄露的干擾問(wèn)題。此外，本發(fā)明還利用測(cè)量模塊、執(zhí)行模塊和控制器模塊形成三環(huán)控制， 對(duì)減震框架實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1是本發(fā)明提供的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1提供的磁浮減震器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例1提供的磁浮減震器的另一結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例1提供的磁鐵組的結(jié)構(gòu)示意圖
[0032] 圖5是采用本發(fā)明實(shí)施例1提供的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備的懸浮高度從-1. 5 至〇毫米的磁懸浮負(fù)載變化曲線；
[0033] 圖6是采用本發(fā)明實(shí)施例1提供的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備的懸浮剛度變化曲 線.
[0034] 圖7是采用本發(fā)明實(shí)施例1提供的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備的懸浮共振頻率變 化曲線；
[0035] 圖8是本發(fā)明實(shí)施例2提供的磁浮減震器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖9是本發(fā)明實(shí)施例3提供的磁浮減震器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖10和圖11是本發(fā)明實(shí)施例4提供的磁浮減震器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 以下將結(jié)合圖1至圖11，通過(guò)4個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的高精密磁懸浮主動(dòng)減震 設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的描述，其均為本發(fā)明可選的實(shí)施例，可以認(rèn)為本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不改變 本發(fā)明精神和內(nèi)容的范圍內(nèi)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行修改和潤(rùn)色。
[0039] 實(shí)施例1
[0040] 請(qǐng)參考圖1，本實(shí)施例提供了一種高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，用以實(shí)現(xiàn)工件臺(tái)的 減震，所述高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備包括磁浮減震器、減震框架、測(cè)量模塊、執(zhí)行模塊和 控制器系統(tǒng)，所述工件臺(tái)位于所述減震框架上，所述減震框架通過(guò)所述磁浮減震器實(shí)現(xiàn)支 撐和懸浮減震，所述磁浮減震器至少包括兩層哈爾貝克（Halbach)磁陣列，且通過(guò)所述兩層 哈爾貝克（Halbach)磁陣列實(shí)現(xiàn)所述減震框架的支撐和懸浮減震，所述測(cè)量模塊和執(zhí)行模 塊均與所述減震框架固定連接，所述控制器系統(tǒng)分別與所述測(cè)量模塊和執(zhí)行模塊連接。 [0041] 本實(shí)施例提出一種基于平面哈爾貝克（Halbach )磁陣列的高精密磁懸浮主動(dòng)減震 設(shè)備，由于哈爾貝克（Halbach)的單邊磁密為傳統(tǒng)NS陣列的萬(wàn)倍，在等磁能積情況下實(shí)現(xiàn) 更大的負(fù)載能力，并且單邊磁場(chǎng)特性最大化利用磁能積，同時(shí)有效減小了 NS陣列的磁場(chǎng)泄 露的干擾問(wèn)題。此外，本發(fā)明還利用測(cè)量模塊、執(zhí)行模塊和控制器模塊形成三環(huán)控制，對(duì)減 震框架實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。
[0042] 所述控制器系統(tǒng)采集所述測(cè)量模塊的信息，并根據(jù)所采集到的信息控制所述執(zhí)行 模塊實(shí)現(xiàn)所述減震框架位置的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。所述測(cè)量模塊包括位置傳感器與加速度傳感器， 均與所述減震框架固定連接，用以檢測(cè)所述減震框架上對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)的水平向、垂直向的位 置和運(yùn)動(dòng)加速度。所述執(zhí)行模塊包括水平向音圈電機(jī)與垂向音圈電機(jī)，分別用于實(shí)現(xiàn)所述 減震框架水平向三個(gè)自由度和堅(jiān)直向三個(gè)自由度位置的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
[0043] 具體來(lái)說(shuō)，在本實(shí)施例中所述高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備包括減震框架，由四套 磁浮減震器(至少可以有3套）支撐和減震，減震框架設(shè)有用于兼容和支持光刻機(jī)工件臺(tái)的 接口，工件臺(tái)安裝在減震框架的上方；
[0044] 所述減震設(shè)備還包括：
[0045] 測(cè)量模塊：每套磁浮減震器配置一個(gè)位置傳感器和一個(gè)加速度傳感器，分別用于 測(cè)量其安裝位置點(diǎn)的水平向和垂向位置、加速度；
[0046] 執(zhí)行器模塊：每套磁浮減震器配置一個(gè)水平向音圈電機(jī)和一個(gè)垂向音圈電機(jī)，分 另IJ用于實(shí)現(xiàn)所述減震框架水平向三自由度和垂向三自由度的補(bǔ)償；
[0047] 控制器系統(tǒng)：包括控制板卡、控制機(jī)箱、功率放大器、測(cè)量調(diào)理板卡、接口連線等。 [0048] 工作時(shí)，由于磁力線回路會(huì)根據(jù)上下兩層哈爾貝克磁陣列的平面空間結(jié)構(gòu)不同導(dǎo) 致磁通密度及其均勻性不同，所以首先對(duì)不同結(jié)構(gòu)的減震器進(jìn)行磁場(chǎng)解析，考慮磁陣列的 磁能積特性、磁隙(懸浮高度)、負(fù)載、減震剛度、共振頻率、磁通面積和尺寸等約束條件，確 定磁浮減震器的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)。同時(shí)由于在光刻機(jī)中對(duì)磁泄露要求極高，所以在進(jìn)行結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)和磁路解析時(shí)要考慮磁浮減震器的邊沿磁場(chǎng)問(wèn)題。隔振負(fù)載、懸浮高度、減震結(jié)構(gòu)和 尺寸參數(shù)確定之后，下一步建立靜態(tài)磁斥力方程，分析磁通、磁隙、平面磁陣列尺寸變化對(duì) 磁斥力和負(fù)載重力的影響，獲得如下磁懸浮減震裝置參數(shù)和信息：
[0049] (1)平面磁陣列的各個(gè)關(guān)鍵尺寸參數(shù)；
[0050] (2)額定負(fù)載下，磁斥力與懸浮高度之間的關(guān)系；
[0051] (3)建立懸浮剛度和負(fù)載之間的關(guān)系；
[0052] (4)建立減震器動(dòng)剛度與擾動(dòng)之間的關(guān)系。
[0053] 本發(fā)明的減震設(shè)備采用三環(huán)控制：
[0054] (1)位置環(huán)，通過(guò)多個(gè)位置傳感器測(cè)得每個(gè)磁浮減震器上的相對(duì)位置變化量，經(jīng)過(guò) 傳感器矩陣將物理軸位置變換為邏輯軸位置，再經(jīng)過(guò)控制器系統(tǒng)調(diào)理后再經(jīng)過(guò)執(zhí)行器矩陣 變換為每個(gè)物理執(zhí)行器上的力輸出電流信號(hào)，該電流信號(hào)經(jīng)D/A變換和PA功放輸入到水平 向音圈電機(jī)與垂向音圈電機(jī)實(shí)現(xiàn)位置的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
[0055] ⑵慣性反饋環(huán)路，通過(guò)多個(gè)加速度傳感器測(cè)得減震框架上的加速度信號(hào)，通過(guò)整 形調(diào)理濾波和A/D變換后轉(zhuǎn)換為邏輯軸上的加速度，在經(jīng)過(guò)控制器補(bǔ)償器調(diào)理加入到位置 環(huán)路中。
[0056] (3)前饋環(huán)路，由于光刻機(jī)中工件臺(tái)與掩模臺(tái)的運(yùn)動(dòng)反力會(huì)影響磁浮減震器性能， 或工件臺(tái)掩模臺(tái)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致減震框架的整體質(zhì)心發(fā)生變化，需要將減震框架的運(yùn)動(dòng)位置通 過(guò)前饋的方式由磁浮減震器來(lái)進(jìn)行質(zhì)心補(bǔ)償。
[0057] 請(qǐng)參考圖2,所述兩層哈爾貝克磁陣列分別為第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)502和第二 層平面磁陣列結(jié)構(gòu)503,所述第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)502與所述減震框架固定連接，所述第 二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)503與地基或者定子部分固定連接，所述第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)502 與所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)503通過(guò)兩者間的磁斥力或磁吸力實(shí)現(xiàn)所述減震框架的支 撐和懸浮減震。所述第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)502與所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)503分別通 過(guò)兩個(gè)背鐵501與504與所述減震框架和地基或者定子部分固定連接。第一層平面磁陣列 結(jié)構(gòu)502和第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)503均平行于所述減震框架所在平面設(shè)置。通常，該平 面即為水平面。所述背鐵501在第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)502沿著第三方向向上疊層，所述 背鐵504在第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)503沿著第三方向向下疊層。所述背鐵501和504的厚 度尺寸特征在2到20mm之間，由高導(dǎo)磁材料組成。
[0058] 所述第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)502和所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)503均由第一磁陣 列單元與第二磁陣列單元沿第二方向交替排布形成。所述第一磁陣列單元由磁鐵組與主磁 極單元沿第一方向交替排布形成，所述第二磁陣列單元由主磁極單元與磁鐵組沿第一方向 交替排布形成，且所述第一磁陣列單元中的磁鐵組與主磁極單元沿第二方向分別與所述第 二磁陣列單元中的主磁極單元與磁鐵組對(duì)應(yīng)連接設(shè)置，所述磁鐵組與所述主磁極單元的尺 寸相匹配，所述第一方向與第二方向互相垂直，且均位于水平面，所述磁鐵組由四個(gè)尺寸相 同的磁鋼塊呈田字型緊密排布形成。本實(shí)施例中，磁鋼塊的端面為正方形，且體對(duì)角線與水 平面的夾角范圍為30至60度。
[0059] 在本實(shí)施例中，第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)502和第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)503采用類 哈爾貝克磁陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每層磁鋼陣列都是由磁鋼組單元在第一方向和第二方向延展形 成。第一方向可以定義為水平X方向，第二方向可以定義為水平Y(jié)方向，第三方向定義為垂 直Z方向，此即為堅(jiān)直方向。本實(shí)施例中的第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)502和第二層平面磁陣 列結(jié)構(gòu)503米用反向磁分布陣列。
[0060] 具體來(lái)說(shuō)，請(qǐng)參考圖3,在第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)中的第一磁陣列單元中，磁鐵組 505與主磁極單元506沿X向交替排布，圖中的磁鐵組505 (2)與磁鐵組505 (1)是相同的 磁鐵組，主磁極單元506 (1)與主磁極單元506 (2)是相同的主磁極單元,具體實(shí)施例中交 替排布的磁鐵組505與主磁極單元506不僅限于2個(gè)，可以理解為沿X軸方向可以繼續(xù)交 替排布，從而形成第一磁陣列單元。在第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)中的第二磁陣列單元中，主磁 極單元510與磁鐵組511沿X向交替排布，圖中的磁鐵組511 (2)與磁鐵組511 (1)是相 同的磁鐵組，主磁極單元510 (1)與主磁極單元510 (2)是相同的主磁極單元，具體實(shí)施中 交替排布的磁鐵組511與主磁極單元510可以不僅限于2個(gè)，可以理解為沿X軸方向可以 繼續(xù)交替排布，從而形成第二磁陣列單元，第二磁陣列單元中的磁鐵組511沿Y向與主磁極 單元506對(duì)應(yīng)，第二磁陣列單元中的主磁極單元510沿Y向與磁鐵組505對(duì)應(yīng).第一磁陣 列單元與第二磁陣列單元沿Y向交替排布，從而形成第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)。
[0061] 在第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)503中，第一磁陣列單元以及其中的主磁極單元508和 磁鐵組507與第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)502中的第一磁陣列單元一一對(duì)應(yīng)，第二磁陣列單元 以及其中的主磁極單元509和磁鐵組512也與第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)502中的第二磁陣列 單元--對(duì)應(yīng)。
[0062] 在本實(shí)施例中，請(qǐng)參考圖3,并結(jié)合圖2,現(xiàn)僅舉第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)為例，所述 第一磁陣列單元和第二磁陣列單元中的主磁極單元的充磁方向堅(jiān)直向下設(shè)置，即圖中的主 磁極單元601 (亦即圖2中的506)的充磁方向均是堅(jiān)直向下設(shè)置的，所述第一磁陣列單元 中的磁鋼塊的充磁方向均沿體對(duì)角面斜向下設(shè)置，即圖中的磁鐵組600(亦即圖2中的505) 中的磁鋼塊均沿體對(duì)角面斜向下設(shè)置，具體的情形可參見(jiàn)圖4的中磁鐵組600,圖2和圖3 中僅標(biāo)示了磁鐵組中磁鋼塊的充磁方向在水平面的分量，所述第二磁陣列單元中的主磁極 單元與磁鋼塊的充磁方向分別與所述第一磁陣列單元中的主磁極單元與磁鋼塊的充磁方 向相反，即圖3中的主磁極單元602與主磁極單元601的充磁方向相反，磁鐵組603中的磁 鋼塊的充磁方向與磁鐵組600中的磁鋼塊的充磁方向相反，其具體的方向也可參見(jiàn)圖4的 中磁鐵組600與603的對(duì)比情形。
[0063] 請(qǐng)參考圖3,同一磁鐵組內(nèi)的四個(gè)磁鋼塊的充磁方向在水平面上的方向分量分別 指向四個(gè)不同的方向，由于磁鋼塊的充磁方向是沿體對(duì)角面設(shè)置的，所以其在水平面上的 方向分量必然是沿端面的對(duì)角線方向，由端面的兩條對(duì)角線即可得到四種方向，同一磁鐵 組內(nèi)的四個(gè)磁鋼塊在水平面的方向分量分別指向這四個(gè)方向。只需滿足這一條件即可認(rèn)為 其符合本專利的精神和內(nèi)容，而四種方向的具體分布是不需要特別設(shè)置的，如圖3所示的 分布方式僅是其中的一種。
[0064] 在本實(shí)施例中，所述第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)中的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向 分別與所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)位置的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向相同，故 而兩層平面磁陣列結(jié)構(gòu)之間能夠產(chǎn)生磁斥力。
[0065] 請(qǐng)參考圖3,本實(shí)施例中，所述的第一磁陣列單元和第二磁陣列單元沿著第一方向 的周期長(zhǎng)度為λ，所述的第一磁陣列單元的第一磁鐵組600寬度為λ/8至λ/4,所述的第 一磁陣列單元的第二主磁極單元601的寬度為λ /4至3 λ /8 ;所述的第二磁陣列單元的第 一磁鐵組603寬度為λ/8至λ/4,所述的第一磁陣列單元的第二主磁極單元602的寬度為 入/4至3入/8。
[0066] 實(shí)施本實(shí)施例中的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備時(shí)，經(jīng)仿真計(jì)算可以得到如下的參 數(shù)：磁密參數(shù)為I. 24Τ，所述的第一磁陣列單元和第二磁陣列單元沿著第一方向的周期長(zhǎng) 度λ為40mm，第一磁鐵組600和603、第二主磁極單元601和602均按照λ /4給定。仿真 得到的數(shù)據(jù)表明在第一層平面磁陣列和第二層平面磁陣列之間產(chǎn)生了遠(yuǎn)超過(guò)單個(gè)磁體表 面磁密的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
[0067] 圖5給出了在設(shè)定參數(shù)條件下第一層平面磁陣列和第二層平面磁陣列之間的懸 浮高度從〇至1. 5毫米變化時(shí)可支持的磁懸浮負(fù)載變化曲線，該參數(shù)條件下的負(fù)載可實(shí)現(xiàn) 8. 60千牛至10. 38千牛的承載能力。對(duì)應(yīng)的懸浮剛度變化由圖6給出，平均懸浮剛度為 I. 13E6N/m。對(duì)應(yīng)的懸浮共振頻率由圖7給出，承載的負(fù)載從8. 6KN至10. 3KN變化時(shí)，共振 頻率穩(wěn)定在5-6Hz。為隔振平臺(tái)提供了一個(gè)較低的共振頻率。
[0068] 實(shí)施例2
[0069] 本實(shí)施例與實(shí)施例1的主要區(qū)別在于：請(qǐng)參考圖8,其中上層為第一層平面磁陣列 結(jié)構(gòu)，下層為第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)，所述第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)中的主磁極單元和磁鋼 塊的充磁方向分別與所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)位置的主磁極單元和磁鋼塊的充 磁方向相反，利用磁吸力實(shí)現(xiàn)懸浮減震。而兩層平面磁陣列的具體結(jié)構(gòu)設(shè)置、測(cè)量模塊、執(zhí) 行器模塊和控制器模塊均可參考圖1得到，且與實(shí)施例1類似。
[0070] 實(shí)施本實(shí)施例中的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備時(shí)，經(jīng)仿真計(jì)算可以得到如下的參 數(shù)：磁密參數(shù)為I. 24T，所述的第一磁陣列單元和第二磁陣列單元沿著第一方向的周期長(zhǎng) 度λ為40_，第一磁鐵組、第二主磁極單元均按照λ/4給定。仿真得到的數(shù)據(jù)表明在第一 層平面磁陣列和第二層平面磁陣列之間產(chǎn)生了遠(yuǎn)超過(guò)單個(gè)磁體表面磁密的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
[0071] 實(shí)施例3
[0072] 本實(shí)施例在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，具體來(lái)說(shuō)，參考圖9,所述第一層平面磁 陣列結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相鄰的邊緣外側(cè)固定設(shè)有第一方向第一磁陣列803和第二方向第一磁陣 列801，所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)位置的邊緣外側(cè)設(shè)有第一方向第二磁陣列804和 第二方向第二磁陣列802,所述第一方向第一磁陣列803與所述第一方向第二磁陣列804僅 沿第一方向上產(chǎn)生磁吸力或磁斥力，所述第二方向第二磁陣列802與所述第二方向第一磁 陣列801僅沿第二方向上產(chǎn)生磁吸力或磁斥力。本實(shí)施例中第一方向定義為X向，第二方 向定義為Y向，該磁吸力或磁斥力使得減震框架與外部世界實(shí)現(xiàn)水平方向的振動(dòng)隔離。
[0073] 在本實(shí)施例中，所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)通過(guò)一個(gè)背鐵與地基或者定子部分固 定連接，所述第一方向第二磁陣列和第二方向第二磁陣列固定設(shè)在在背鐵上。進(jìn)而能夠產(chǎn) 生空間，實(shí)現(xiàn)水平方向的振動(dòng)隔離。
[0074] 實(shí)施例4
[0075] 請(qǐng)參考圖10和圖11，第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)901和第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)902均 相對(duì)于所述減震框架所在平面傾斜設(shè)置。所述第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)安裝于所述減震框架 上，所述的第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)包括901 (1)、901 (2)、901 (3)、901 (4)。所述第二層平 面磁陣列結(jié)構(gòu)安裝于定子或地基上，所述的第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)包括902 (1)、902 (2)、 902 (3)、902 (4)。本實(shí)施例可以認(rèn)為其是依據(jù)實(shí)施例1做出的改進(jìn)，在實(shí)施例1中，兩層 平面磁陣列結(jié)構(gòu)與所述減震框架平行設(shè)置，可視作均為沿水平面設(shè)置，而本實(shí)施例可以認(rèn) 為是將實(shí)施例1中的兩層平面磁陣列結(jié)構(gòu)傾斜設(shè)置，使之傾斜后再分別與減震框架與定子 或地基固定連接。本實(shí)施例中的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備亦可參照?qǐng)D1而近似得到，其 差別僅僅是磁浮減震器與其他部件的連接方式存在區(qū)別，其磁浮減震器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)亦可參 照實(shí)施例1至3得到。
[0076] 請(qǐng)參考圖11，X向、Y向位于水平面，亦即實(shí)施例1中的第一方向和第二方向，Z向 為堅(jiān)直方向。本實(shí)施例中，每組磁浮減震器呈斜向放置于減震框架的4個(gè)角上。每組磁浮減 震器與X方向有一小于90度的夾角，每組減震減震器與Y方向有一小于90度的夾角。上 下兩層平面磁陣列結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的懸浮力Fz與第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)901的上表面相互正交， 所述的懸浮力Fz的方向與X方向有一小于90度的夾角，所述的懸浮力Fz的方向與Y方向 有一小于90度的夾角，所述的懸浮力Fz的方向與Z方向有一小于90度的夾角。
[0077] 綜上所述，在諸實(shí)施例中，本發(fā)明提出雙層磁陣列構(gòu)建的減震結(jié)構(gòu)，每層可以采用 同向磁分布陣列構(gòu)建磁吸力懸浮減震架構(gòu)，每層還可以采用反向磁分布陣列構(gòu)建磁斥力懸 浮減震架構(gòu)。本發(fā)明提出采用磁吸力陣列或磁斥力陣列構(gòu)建水平輔助隔離裝置。本發(fā)明采 用音圈電機(jī)作為減震框架的精密補(bǔ)償控制的開(kāi)環(huán)前饋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以精密補(bǔ)償減震框架的 位置，還可以實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)內(nèi)部工件臺(tái)掩模臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的質(zhì)心位置漂移補(bǔ)償。本發(fā)明還采用 加速度傳感器、速度傳感器、位置傳感器作為光刻機(jī)減震平臺(tái)精密控制補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量裝置來(lái) 實(shí)現(xiàn)各個(gè)自由度的剛度、阻尼補(bǔ)償。
[0078] 本實(shí)施例提出一種基于平面哈爾貝克（Halbach)磁陣列的高精密磁懸浮主動(dòng)減震 設(shè)備，還具有如下的好處：
[0079] (1)小體積、大負(fù)載，滿足納米精度的光刻機(jī)設(shè)備大負(fù)載、低剛度和高精度定位的 需求；
[0080] (2)巧妙利用哈爾貝克（Halbach)磁陣列的單邊磁密為傳統(tǒng)NS陣列的倍的優(yōu)勢(shì)， 在等磁能積情況下實(shí)現(xiàn)更大的負(fù)載能力；
[0081] (3)單邊磁場(chǎng)特性最大化利用磁能積，同時(shí)有效減小磁場(chǎng)泄露的干擾；
[0082] (4)音圈電機(jī)作為開(kāi)環(huán)前饋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)精密補(bǔ)償減震框架的位置，還可以實(shí)現(xiàn)光刻 機(jī)內(nèi)部工件臺(tái)掩模臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的質(zhì)心位置漂移補(bǔ)償。
【權(quán)利要求】
1. 一種高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，用以實(shí)現(xiàn)工件臺(tái)的減震，其特征在于：包括磁浮 減震器、減震框架、測(cè)量模塊、執(zhí)行模塊和控制器系統(tǒng)，所述工件臺(tái)位于所述減震框架上，所 述減震框架通過(guò)所述磁浮減震器實(shí)現(xiàn)支撐和懸浮減震，所述磁浮減震器至少包括兩層哈爾 貝克磁陣列，且通過(guò)所述兩層哈爾貝克磁陣列實(shí)現(xiàn)所述減震框架的支撐和懸浮減震，所述 測(cè)量模塊和執(zhí)行模塊均與所述減震框架固定連接，所述控制器系統(tǒng)分別與所述測(cè)量模塊和 執(zhí)行模塊連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：所述控制器系統(tǒng)采 集所述測(cè)量模塊的信息，并根據(jù)所采集到的信息控制所述執(zhí)行模塊實(shí)現(xiàn)所述減震框架位置 的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
3. 如權(quán)利要求2所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：所述測(cè)量模塊包括 位置傳感器與加速度傳感器，均與所述減震框架固定連接，用以檢測(cè)所述減震框架上對(duì)應(yīng) 位置點(diǎn)的水平向、垂直向的位置和運(yùn)動(dòng)加速度。
4. 如權(quán)利要求2所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：所述執(zhí)行模塊包括 水平向音圈電機(jī)與垂向音圈電機(jī)，分別用于實(shí)現(xiàn)所述減震框架水平向三個(gè)自由度和堅(jiān)直向 三個(gè)自由度位置的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
5. 如權(quán)利要求1所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：所述兩層哈爾貝克 磁陣列分別為第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)和第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)，所述第一層平面磁陣列與 所述減震框架固定連接，所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)與地基或者定子部分固定連接，所述 第一層平面磁陣列結(jié)構(gòu)與所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)通過(guò)兩者間的磁斥力或磁吸力實(shí)現(xiàn) 所述減震框架的支撐和懸浮減震。
6. 如權(quán)利要求5所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：所述第一層平面磁 陣列結(jié)構(gòu)和所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)均由第一磁陣列單元與第二磁陣列單元沿第二方 向交替排布形成。
7. 如權(quán)利要求6所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：所述第一磁陣列單 元由磁鐵組與主磁極單元沿第一方向交替排布形成，所述第二磁陣列單元由主磁極單元與 磁鐵組沿第一方向交替排布形成，且所述第一磁陣列單元中的磁鐵組與主磁極單元沿第二 方向分別與所述第二磁陣列單元中的主磁極單元與磁鐵組對(duì)應(yīng)連接設(shè)置，所述磁鐵組與所 述主磁極單元的尺寸相匹配，所述第一方向與第二方向互相垂直，且均位于水平面，所述磁 鐵組由四個(gè)尺寸相同的磁鋼塊呈田字型緊密排布形成。
8. 如權(quán)利要求7所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：所述第一磁陣列單 元和第二磁陣列單元中的主磁極單元的充磁方向堅(jiān)直向下設(shè)置，所述第一磁陣列單元中的 磁鋼塊的充磁方向均沿體對(duì)角面斜向下設(shè)置，所述第二磁陣列單元中的主磁極單元與磁鋼 塊的充磁方向分別與所述第一磁陣列單元中的主磁極單元與磁鋼塊的充磁方向相反。
9. 如權(quán)利要求8所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：所述第一磁陣列單 元中的磁鋼塊的充磁方向與水平面的夾角范圍為30至60度。
10. 如權(quán)利要求8所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：同一磁鐵組內(nèi)的四 個(gè)磁鋼塊的充磁方向在水平面上的方向分量分別指向四個(gè)不同的方向。
11. 如權(quán)利要求7所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：所述第一層平面磁 陣列結(jié)構(gòu)中的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向分別與和所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)中對(duì) 應(yīng)位置的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向相同。
12. 如權(quán)利要求7所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：所述第一層平面磁 陣列結(jié)構(gòu)中的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向分別與和所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)中對(duì) 應(yīng)位置的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向相反。
13. 如權(quán)利要求7所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：所述第一層平面磁 陣列結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相鄰的邊緣外側(cè)固定設(shè)有第一方向第一磁陣列和第二方向第一磁陣列，所 述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)位置的邊緣外側(cè)設(shè)有第一方向第二磁陣列和第二方向第二 磁陣列，所述第一方向第一磁陣列與所述第一方向第二磁陣列僅沿第一方向上產(chǎn)生磁吸 力或磁斥力，所述第二方向第二磁陣列與所述第二方向第一磁陣列僅沿第二方向上產(chǎn)生磁 吸力或磁斥力。
14. 如權(quán)利要求13所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：所述第二層平面 磁陣列結(jié)構(gòu)通過(guò)一個(gè)背鐵與地基或者定子部分固定連接，所述第一方向第二磁陣列和第二 方向第二磁陣列固定設(shè)在在背鐵上。
15. 如權(quán)利要求5所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：所述第一層平面磁 陣列結(jié)構(gòu)與所述第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)分別通過(guò)兩個(gè)背鐵與所述減震框架和地基或者定 子部分固定連接。
16. 如權(quán)利要求5所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：第一層平面磁陣列 結(jié)構(gòu)和第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)均平行于所述減震框架所在平面設(shè)置。
17. 、如權(quán)利要求5所述的高精密磁懸浮主動(dòng)減震設(shè)備，其特征在于：第一層平面磁陣 列結(jié)構(gòu)和第二層平面磁陣列結(jié)構(gòu)均相對(duì)于所述減震框架所在平面傾斜設(shè)置。
【文檔編號(hào)】F16F15/03GK104343885SQ201310347667
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月9日
【發(fā)明者】吳立偉 申請(qǐng)人:上海微電子裝備有限公司