[發明專利]磁懸浮導向裝置及其控制方法

有效

• 申請號: 201610240783.X
• 申請日: 2016-04-18
• 公開（公告）號: CN107306099B
• 公開（公告）日: 2019-04-09
• 發明（設計）人: 吳立偉;楊曉峰;陳慶生
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H02N15/00
• 分類號: H02N15/00
• 代理公司: 上海一平知識產權代理有限公司 31266
• 代理人: 祝蓮君;蔡繼清

本發明公開了一種磁懸浮導向裝置及其控制方法。該磁懸浮導向裝置包括動子滑塊單元和導軌單元，動子滑塊單元成對地布置于導軌單元的兩側。動子滑塊單元包括鐵芯和線圈繞組，線圈繞組纏繞于鐵芯上。動子滑塊單元進一步包括氣隙調節裝置，其中氣隙調節裝置設置于鐵芯的預定位置處，且在預定位置，氣隙調節裝置中斷由線圈繞組產生的磁力線的至少一部分。本發明的磁懸浮導向裝置具有更大的預載力，預載力可調，以及具有較高的動態響應能力。

技術領域

本發明涉及一種磁懸浮導向裝置，適用于高速無摩擦靜音運動裝置，諸如半導體制造設備、液晶顯示制造設備、檢測設備中的運動臺定位裝置，運動臺上承載有硅片、掩模、玻璃基底或者類似的基底用以曝光或者檢測。

背景技術

隨著光刻技術的進步和半導體工業快速發展，對于光刻設備有四項基本性能指標：線寬均勻性(CD，Critical Dimension Uniformity)、焦深(Focus)、套刻(Overlay)和產率(Throughput)。為了提高線寬均勻性，光刻機工件臺掩模臺必須提高水平向精密定位能力。為了提高焦深誤差精度，工件臺掩模臺必須提高垂向精密定位能力。為了提高光刻機套刻誤差精度，工件臺掩模臺必須提高其內部模態來提升動態定位特性。此外，光刻設備必須增加產率，因此工件臺必須高速運動，快速啟動和停止。光刻設備的高速、高加速和高精密的定位能力是相互矛盾的。為了克服這個矛盾，當前工件臺掩模臺技術采用了粗微動結構，實現高速和高精度的技術分離。粗動結構主要由直線電機組成，可以實現大行程和高速度運動。微動臺則層疊安裝于粗動臺上，可以動態補償定位偏差，微動臺實現納米精度，并具有多自由度運動來進行光刻曝光和對準。

目前這種結構采用氣浮軸承結構驅動設計技術，無法實現多自由度運動與執行器的一體化耦合設計，導致系統運動結構的質量增大，驅動力隨著增大，驅動反力施加給系統的殘余振動也增大，從而影響了系統的動態性能。此外，由于產率要求高加速度導致附加傾翻力矩加大，工件臺掩模臺的氣浮靜剛度約束采用高剛性設計，對導向平面度、預載變形、氣浮工藝參數設計要求非常高。同時，考慮到配套的電、氣、水、真空通路與柜，工件臺掩模臺系統結構復雜、龐大、可靠性低、維修維護

傳統精密氣浮運動臺利用高壓氣浮軸承支撐，保證運動臺在平臺上作無摩擦運動，其關鍵部件結構主要由高精密的氣浮導軌和氣浮滑塊結構組成。氣浮結構由提供正壓的氣浮墊和真空預緊力(或磁吸力預載)結構由加工成一體。氣浮導向裝置工作時，氣浮結構通入正壓氣體，在氣浮墊與大理石導軌之間形成氣膜，使氣浮墊受到氣浮力N的支撐，保證氣浮墊在大理石平臺上作無摩擦運動。真空預緊力結構則通入負壓氣體，使真空預緊力結構受到與氣浮力N方向相反的真空預緊力F作用。通過調節氣浮力N和真空預緊力F的大小，可以調節氣浮墊及氣浮導向裝置的氣浮剛度。如果提高氣浮墊的氣浮剛度，需要同時增加氣浮壓力N和真空預緊力F，而增加真空預緊力F會導致氣浮墊產生預壓彎曲，由于氣浮的氣膜厚度δ一般只有幾微米到十幾微米，因此，當彎曲量σ過大使氣浮墊與導軌接觸時，氣浮墊運動將產生機械摩擦，使氣浮結構失去作用。當提高承載力時，需要進一步提高供給氣壓，氣浮易發生氣振，而且氣浮和真空預載的導向裝置在基于真空環境應用的運動臺中卻不能使用。

圖1示出一種傳統的導軌導向裝置。如圖1所示，該導向裝置包括：導軌單元100、動子滑塊單元101以及導軌副單元102三部分共同構成。導軌單元100通常用金屬導軌或剛性高的陶瓷導軌。動子滑塊單元101主要包括機械滑塊或氣浮滑塊，通常可設計為機械部件(如交叉滾子導軌)或氣浮部件(如氣浮墊)。導軌副單元102由機械滾子軸承組成或由高壓氣懸浮軸承組成，或由永磁懸浮軸承組成。導向裝置具有多個運動自由度，第一運動自由度方向為X方向，指向導軌單元100的長軸方向。第二運動自由度方向為Y方向，與導軌單元100的長軸方向互相垂直正交。導向裝置的第三運動自由度方向為Z方向，它與第一運動自由度方向和第二運動自由度方向均垂直正交，指向動子滑塊單元101。其中，動子滑塊單元101在導軌單元100上沿著第一運動自由度方向能夠自由運動。動子滑塊單元101在導軌單元100上沿著第二運動自由度方向具有自由運動功能或具有高剛性約束。滑塊101在導軌單元100上沿著第三運動自由度方向具有高剛性約束，可承擔運動負載。