專利名稱：一種混合磁浮式的重力補償裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種混合磁浮式的重力補償裝置。
背景技術：
隨著大規模集成電路器件集成度的不斷提高，光刻分辨力的不斷增強，對光刻機的特征線寬指標要求也在不斷提升。目前，光刻機已經發展成為內部世界和外部世界的結合體，其中工件臺、掩模臺和照明系統三個獨立世界分別減振隔振。以微動模塊為例，如何使承片臺在曝光過程中免受工件臺系統和基礎框架振動的干擾至關重要，需要采用行之有效的方案對承片臺進行減振和隔振。重力補償器結構就是在此背景下發展起來的新型結構，通過主動減振與被動隔振結合的方式，完成對承片臺的調平調焦，使微動模塊形成一個獨立的內部系統。專利US6337484B1和US6473161B2公開了一種環形電機和活塞推桿型的重力補償器裝置。通過恒壓室壓力經活塞推桿傳遞至微動承片臺底部維持其靜態重力，通過環形電機實時調節承片臺的垂向位移，并通過柔性鉸鏈塊、水平向氣浮對RX/RY/X/Y解耦，垂向氣浮輔助重力補償器的動子在定子中垂向無摩擦位移。該方案對恒壓室氣壓的控制嚴格，對空氣壓力傳感器的精度要求很高；另外，氣浮結構特別是側向氣浮對零件的加工工藝、氣膜的厚度調節和測試都很復雜，所排出的壓縮空氣對周圍環境造成的空氣擾動也需要另外加裝空氣回收裝置。傳統的重力補償器結構主要采用空氣恒壓室提供靜態重力補償，音圈電機實時驅動作為動態重力補償相結合的方式，或者僅采用音圈電機作為承片臺的垂向執行器來完成調平調焦。前者的氣浮結構在設計制造上具有一定難度且可能造成一定的氣流擾動，后者電機發熱太大勢必影響承片臺的熱學性能。
發明內容
針對現有技術中存在的上述問題，本發明基于工件臺系統為獨立內部世界的結構方案，采用靜態隔振和動態位置補償結合的重力補償器，并將其布置成均布式結構，共同對承片臺進行調平調焦和隔振。本發明的技術方案將重力補償裝置結構分為兩大模塊，動態垂向位置補償模塊和靜態重力補償模塊。本發明主要針對靜態重力補償模塊提出，并具有水平解耦和垂向導向的輔助功能。具體地，本發明提供了一種混合磁浮式的重力補償裝置， 包括靜態重力補償模塊，該靜態重力補償模塊包括中間運動部件；位于中間運動部件周圍的外部固定部件，外部固定部件與中間運動部件之間通過磁力作用使得中間運動部件處于徑向懸浮狀態，從而對中間運動部件進行垂向導向；位于中間運動部件下面的底部固定部件，底部固定部件與中間運動部件之間通過可調節的磁力作用來進行靜態重力補償。根據本發明的一優選實施方式，中間運動部件為圓筒狀，其包括由非導磁材料制成的筒壁以及裝配于筒壁內的第一柱狀永磁鐵和第二柱狀永磁鐵，第二柱狀永磁鐵位于第一柱狀永磁鐵的下方；外部固定部件包括第一環形永磁鐵和圍繞該第一環形永磁鐵設置的第一線圈；底部固定部件包括第三柱狀永磁鐵和圍繞該第三柱狀永磁鐵設置的第二線圈， 第三柱狀永磁鐵設置成與第二永磁鐵產生相互排斥的作用力，通過控制第二線圈中的電流大小來調節相互排斥的作用力的大小。 其中，在垂向上第一環形永磁鐵的位置可與第一柱狀永磁鐵的位置相對，并可通過控制第一線圈中的電流大小來調節第一環形永磁鐵與第一柱狀永磁鐵之間作用力的大根據本發明的另一優選實施方式，中間運動部件為圓筒狀，其包括由非導磁材料制成的筒壁以及裝配于筒壁內的第四柱狀永磁鐵和第二、第三環形永磁鐵，第二、第三環形永磁鐵分別設置在第四柱狀永磁鐵的上方和下方，第二、第三環形永磁鐵與第四柱狀永磁鐵之間設有由磁場屏蔽材料制成的磁場屏蔽件，在第三環形永磁鐵內還設置有第五柱狀永磁鐵；外部固定部件包括第一、第二超導體以及第四環形永磁鐵和圍繞該第四環形永磁鐵設置的第三線圈，在垂向上第一、第二超導體以及第四環形永磁鐵的位置分別與第二、第三環形永磁鐵以及第四柱狀永磁鐵的位置相對，并通過控制第三線圈中的電流大小來調節第四環形永磁鐵與第四柱狀永磁鐵之間作用力的大小；底部固定部件包括第三超導體，第三超導體設置成與第五永磁鐵產生相互排斥的作用力。其中，磁場屏蔽件具有一定的厚度，使得第二、第三環形永磁鐵以及第五柱狀永磁鐵的磁力線與第四柱狀永磁鐵的磁力線互不干擾。此外，根據本發明的重力補償裝置可進一步包括水平向解耦模塊，該水平向解耦模塊包括柔性連接塊，其上開有兩層槽，形成十字對開的柔性鉸鏈結構；安裝于柔性塊下部的第六永磁鐵；在第六永磁鐵下方的第四超導體，第四超導體與第六永磁鐵產生相互排斥的作用力，從而使柔性連接塊懸浮在第四超導體的上方，第四超導體具有位于中心的真空氣孔，通過調節第六永磁鐵和第四超導體之間的真空氣流來調節垂向間隙，從而調節第六永磁鐵和第四超導體之間的懸浮剛度。可選地，水平向解耦模塊可包括柔性連接塊，其上開有兩層槽，形成十字對開的柔性鉸鏈結構；安裝于柔性塊下部的第七永磁鐵；在第七永磁鐵下方的第八永磁鐵和圍繞第八永磁鐵設置的第四線圈，第八永磁鐵與第七永磁鐵產生相互排斥的作用力，從而使柔性連接塊懸浮在第八永磁鐵的上方，通過控制第四線圈中的電流來調節第七永磁鐵和第八永磁鐵之間的懸浮剛度。優選地，根據本發明的重力補償裝置還可進一步包括位于重力補償裝置的圓周外部或頂部、底部的磁場屏蔽件，磁場屏蔽件與裝置的其它部件之間留有一定氣隙。根據本發明的技術方案，采用磁懸浮力，使相對運動的對象進行非接觸的位移，并實現了對承片臺靜態重力補償和水平向、垂向的解耦。
圖1示出了根據本發明的重力補償裝置的結構示意圖；圖2示出了根據本發明一優選實施例的垂向重力補償結構的示意圖；圖3示出了根據本發明另一優選實施例的垂向重力補償結構的示意圖；圖4示出了根據本發明一優選實施例的水平向解耦結構的示意圖；圖5示出了根據本發明另一優選實施例的水平向解耦結構的示意5
圖6示出了根據本發明的重力補償裝置的優選位置分布；圖7示出了利用根據本發明的重力補償裝置的承片結構示意圖；圖8a示出了磁屏蔽方式；圖8b和圖8c是磁屏蔽原理示意圖。
具體實施例方式下面，結合附圖詳細描述根據本發明的優選實施例。如圖1所示，連接部件102放置于微動承片臺部件101的下方，連接部件102與其下方的頂部部件103共同組成水平(X/Y向)解耦部件；中間運動部件104和外部固定部件 105組成垂向導向部件；中間運動部件104和底部固定部件106組成靜態垂向重力補償部件。解耦部件和導向部件共同組成運動部分，外部固定部件105和底部固定部件106為靜止部分。當需要對該重力補償裝置進行垂向位移測量時，可采用差分傳感器——傳感器的定子部分108安裝于底部固定部件106或外部固定部件105上，傳感器的動子部分107安裝于微動承片臺部件101的底部。參照圖2，其示出了根據本發明一優選實施例的垂向重力補償結構。壁筒201、第一柱狀永磁鐵202和第二柱狀永磁鐵205為中間運動部件，第一環形永磁鐵203和第一線圈204為外部靜止部件，第三柱狀永磁鐵206和第二線圈207為底部靜止部件。因磁鐵同性相斥原理，第二柱狀永磁鐵205受到第三柱狀永磁鐵206的斥力Ft而產生靜態懸浮，如此可實現對微動承片臺部件101的靜態重力補償。第三柱狀永磁鐵206周圍放置有第二線圈 207，當第二線圈207通電時，第三柱狀永磁鐵206和第二線圈207組成電磁鐵，其磁場大小可由電流大小來調節改變。當微動承片臺部件101的重力有所改變時，可以采用改變第二線圈207中電流大小的方式來進行不同載荷的靜態重力補償，而不需要更換該裝置。第一環形永磁鐵203和第一柱狀永磁鐵202也設置為同性相斥，第一柱狀永磁鐵202與第二柱狀永磁鐵205安裝在筒壁201中，當第二柱狀永磁鐵205垂向位移時，第一環形永磁鐵203 與筒壁201因為相斥作用產生向心斥力Fl和F2，發生徑向懸浮。筒壁201因第一環形永磁鐵203的徑向懸浮作用而不與之接觸，從而實現無摩擦位移，并隔離外部振動。第一線圈 204中通電，可以調節這種懸浮作用，筒壁201由允許磁力線穿透的非導磁材料制成。圖3示出了根據本發明另一優選實施例的垂向重力補償結構。其中，第二環形永磁鐵302a、第三環形永磁鐵302b、磁場屏蔽件304a和304b、第四柱狀永磁鐵307a以及第五柱狀永磁鐵307b安裝于筒壁301中組成中間運動部件。第一超導體303a、第二超導體 303b、第四環形永磁鐵306以及第三線圈305為外部靜止部件。第三超導體308為底部靜止部件。第三超導體308處于超導態時，第五柱狀永磁鐵307b產生懸浮(邁斯納效應)， 可作為對微動承片臺部件的靜態重力補償。同時，因第四柱狀永磁鐵307a和第四環形永磁鐵306之間的同性相斥(N-N產生Fla和Flb)和異性相吸(S-N產生F2a和F2b)，使中間運動部件具有向上位移的趨勢，從而加強了上述靜態重力補償的作用。第一超導體303a和第二環形永磁鐵302a組成的徑向懸浮結構與第二超導體303b和第三環形永磁鐵302b組成的徑向懸浮結構對稱分布在第四環形永磁鐵306和第四柱狀永磁鐵307a兩側，形成了外部固定部件對中間運動部件的無摩擦導向作用。當對第三線圈305中通入變化的電流時，第四環形永磁鐵306與第四柱狀永磁鐵307a之間可產生不同的斥力。這樣，第五柱狀永磁鐵307b和第三超導體308以及第三線圈305、第四環形永磁鐵306和第四柱狀永磁鐵307a共同組成可調的靜態補償，可以滿足不同的載荷要求。磁屏蔽件304a和304b為一定厚度的導磁材料，保證上下磁鐵間磁力線互不干擾。筒壁301由允許磁力線穿透的非導磁材料制成，這樣外部固定部件和中間運動部件才可以產生作用力。第一超導體303a、第二超導體 303b和第三超導體308可由液氮冷卻。圖4示出了根據本發明一優選實施例的水平向解耦結構的示意圖。參照圖4，安裝于柔性連接塊401下方的第六永磁鐵402產生磁場，當第四超導體403處于超導狀態時，由邁納斯效應可知，第六永磁鐵402與第四超導體403之間產生相斥力Ft，從而可以使柔性連接塊401懸浮在第四超導體403表面，故柔性連接塊401具有X/Y向自由度。第四超導體 403具有真空氣孔404，當真空氣孔404連接真空泵時，第六永磁鐵402和第四超導體403 之間的真空氣流可以調節垂向間隙，從而調節第六永磁鐵402和第四超導體403之間的懸浮剛度。柔性連接塊401上方的圓柱體上開有兩層槽，形成十字對開的柔性鉸鏈結構，使柔性連接塊401具有RX/RY自由度。第四超導體403可由液氮冷卻。圖5示出了根據本發明另一優選實施例的水平向解耦結構。如圖5所示，安裝于柔性連接塊501下方的第七永磁鐵502與第八永磁鐵503同性相斥，第七永磁鐵502受到向上的斥力Ft故相對第八永磁鐵503懸浮，改變第四線圈504中的電流可以調節第七永磁鐵502和第八永磁鐵503之間的懸浮剛度。柔性連接塊501上方的圓柱體上開有兩層槽， 形成十字對開的柔性鉸鏈結構，使柔性連接塊501具有RX/RY自由度。圖6示出了根據本發明的重力補償裝置的優選位置分布，其在微動承片臺部件 101下的工作位置，可單個布置，三個等邊(或等腰)布置，四個均布。多個均布時，其幾何中心必須落在微動承片臺部件101的質心位置，并采用差動方式完成對微動承片臺RX/RY 調節，且對其質心驅動。每組重力補償器頂部連接部件的柔性鉸鏈結構在多個垂向差動時可自適應調整。圖7示出了利用根據本發明的重力補償裝置的承片結構示意圖，具有等邊布置的三個重力補償裝置。承片臺部件101承載著硅片701，重力補償裝置601主體工作部分與承片臺部件101相連接，其底部固定部件與粗動部件702相連接。同時，為了防止重力補償裝置中永磁鐵、電磁鐵等部件產生磁場影響周圍電機或傳感器的正常工作，可對該裝置進行磁場屏蔽。可以在磁浮重力補償裝置的圓周外部或頂部、底部布置磁導率約4000 50000或更高的高導磁材料如鐵磁材料。隔磁材料與重力補償裝置部件之間留有一定氣隙，間隙優選5 IOmm ；也可采用多層高磁導率材料，多層導磁材料的層間須有一定氣隙，優選5 10mm，層數越多，隔磁效果越好，多層隔磁材料的累計相對導磁率優選50000 200000。圖8a示出了桶狀隔磁層802和蓋板式隔磁層803相對于磁浮重力補償裝置601的分布位置。圖8b、8c中將磁浮重力補償裝置601簡化成磁鐵模型，示出了加裝隔磁層后磁力線的走向，解釋了隔磁原理。本發明引入了混合磁浮的方式來解決水平解耦和垂向導向和位置補償，根據本發明的重力補償裝置具有五個自由度，相對運動無摩擦。采用磁浮代替氣浮，可以避免 US6337484B1和US6473161B2中的技術方案的高壓氣浮零件在加工、控制和檢測方面的難題。此外，在水平解耦模塊中引入超導體-真空和永磁鐵-電磁鐵的組合方式，使得磁浮間隙剛度可調。
本說明書中所描述的只是本發明的優選具體實施例，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對本發明的限制。凡本領域技術人員依本發明的構思通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在如權利要求所界定的本發明的范圍之內。
權利要求
1.一種混合磁浮式的重力補償裝置，包括靜態重力補償模塊，其特征在于，所述靜態重力補償模塊包括中間運動部件；位于所述中間運動部件周圍的外部固定部件，所述外部固定部件與所述中間運動部件之間通過磁力作用使得所述中間運動部件處于徑向懸浮狀態，從而對所述中間運動部件進行垂向導向；位于所述中間運動部件下面的底部固定部件，所述底部固定部件與所述中間運動部件之間通過可調節的磁力作用來進行靜態重力補償。
2.如權利要求1所述的混合磁浮式的重力補償裝置，其特征在于，所述中間運動部件為圓筒狀，其包括由非導磁材料制成的筒壁以及裝配于筒壁內的第一柱狀永磁鐵和第二柱狀永磁鐵，所述第二柱狀永磁鐵位于所述第一柱狀永磁鐵的下方；所述外部固定部件包括第一環形永磁鐵和圍繞該第一環形永磁鐵設置的第一線圈；所述底部固定部件包括第三柱狀永磁鐵和圍繞該第三柱狀永磁鐵設置的第二線圈，所述第三柱狀永磁鐵設置成與所述第二永磁鐵產生相互排斥的作用力，通過控制所述第二線圈中的電流大小來調節相互排斥的作用力的大小。
3.如權利要求2所述的混合磁浮式的重力補償裝置，其特征在于，在垂向上所述第一環形永磁鐵的位置與所述第一柱狀永磁鐵的位置相對，并通過控制所述第一線圈中的電流大小來調節所述第一環形永磁鐵與所述第一柱狀永磁鐵之間作用力的大小。
4.如權利要求1所述的混合磁浮式的重力補償裝置，其特征在于，所述中間運動部件為圓筒狀，其包括由非導磁材料制成的筒壁以及裝配于筒壁內的第四柱狀永磁鐵和第二、第三環形永磁鐵，所述第二、第三環形永磁鐵分別設置在所述第四柱狀永磁鐵的上方和下方，所述第二、第三環形永磁鐵與所述第四柱狀永磁鐵之間設有由磁場屏蔽材料制成的磁場屏蔽件，在所述第三環形永磁鐵內還設置有第五柱狀永磁鐵；所述外部固定部件包括第一、第二超導體以及第四環形永磁鐵和圍繞該第四環形永磁鐵設置的第三線圈，在垂向上所述第一、第二超導體以及第四環形永磁鐵的位置分別與所述第二、第三環形永磁鐵以及所述第四柱狀永磁鐵的位置相對，并通過控制所述第三線圈中的電流大小來調節所述第四環形永磁鐵與所述第四柱狀永磁鐵之間作用力的大小；所述底部固定部件包括第三超導體，所述第三超導體設置成與所述第五永磁鐵產生相互排斥的作用力。
5.如權利要求4所述的混合磁浮式的重力補償裝置，其特征在于，所述磁場屏蔽件具有一定的厚度，使得所述第二、第三環形永磁鐵以及所述第五柱狀永磁鐵的磁力線與所述第四柱狀永磁鐵的磁力線互不干擾。
6.如權利要求1-5中任一項所述的混合磁浮式的重力補償裝置，其特征在于，進一步包括水平向解耦模塊，該水平向解耦模塊包括柔性連接塊，其上開有兩層槽，形成十字對開的柔性鉸鏈結構；安裝于所述柔性塊下部的第六永磁鐵；在所述第六永磁鐵下方的第四超導體，所述第四超導體與所述第六永磁鐵產生相互排斥的作用力，從而使所述柔性連接塊懸浮在所述第四超導體的上方，所述第四超導體具有位于中心的真空氣孔，通過調節所述第六永磁鐵和所述第四超導體之間的真空氣流來調節垂向間隙，從而調節所述第六永磁鐵和所述第四超導體之間的懸浮剛度。
7.如權利要求1-5中任一項所述的混合磁浮式的重力補償裝置，其特征在于，進一步包括水平向解耦模塊，該水平向解耦模塊包括柔性連接塊，其上開有兩層槽，形成十字對開的柔性鉸鏈結構；安裝于所述柔性塊下部的第七永磁鐵；在所述第七永磁鐵下方的第八永磁鐵和圍繞所述第八永磁鐵設置的第四線圈，所述第八永磁鐵與所述第七永磁鐵產生相互排斥的作用力，從而使所述柔性連接塊懸浮在所述第八永磁鐵的上方，通過控制所述第四線圈中的電流來調節所述第七永磁鐵和所述第八永磁鐵之間的懸浮剛度。
8.如權利要求6所述的混合磁浮式的重力補償裝置，其特征在于，進一步包括位于所述重力補償裝置的圓周外部或頂部、底部的磁場屏蔽件，所述磁場屏蔽件與裝置的其它部件之間留有一定氣隙。
9.如權利要求7所述的混合磁浮式的重力補償裝置，其特征在于，進一步包括位于所述重力補償裝置的圓周外部或頂部、底部的磁場屏蔽件，所述磁場屏蔽件與裝置的其它部件之間留有一定氣隙。
10.如權利要求8所述的混合磁浮式的重力補償裝置，其特征在于，所述磁場屏蔽件的磁導率為4000 50000。
全文摘要
本發明公開了一種混合磁浮式的重力補償裝置，包括靜態重力補償模塊，該靜態重力補償模塊包括中間運動部件；位于中間運動部件周圍的外部固定部件，外部固定部件與中間運動部件之間通過磁力作用使得中間運動部件處于徑向懸浮狀態，從而對中間運動部件進行垂向導向；位于中間運動部件下面的底部固定部件，底部固定部件與中間運動部件之間通過可調節的磁力作用來進行靜態重力補償。根據本發明，采用磁懸浮力，使相對運動的對象進行非接觸的位移，并實現了對承片臺靜態重力補償和水平向、垂向的解耦。
文檔編號G03F7/20GK102200689SQ20101013107
公開日2011年9月28日 申請日期2010年3月23日 優先權日2010年3月23日
發明者吳立偉, 方潔, 齊寧寧, 齊芊楓 申請人:上海微電子裝備有限公司, 上海微高精密機械工程有限公司