專利名稱：磁浮重力補償器及光刻裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及集成電路裝備制造領域，尤其涉及一種磁浮重力補償器及使用該補償器的光刻裝置。
背景技術：
光刻設備是一種將掩模圖案曝光成像到硅片上的設備，主要用于集成電路IC或其它微型器件的制造。光刻裝置大體上分為兩類一類是步進光刻裝置，掩模圖案一次曝光成像在娃片的一個曝光區域，隨后娃片相對于掩模移動，將下一個曝光區域移動到掩模圖案和投影物鏡下方，再一次將掩模圖案曝光在硅片的另一曝光區域，重復這一過程直到硅片上所有曝光區域都擁有掩模圖案的像；另一類是步進掃描光刻裝置，在上述過程中，掩模圖案不是一次曝光成像，而是通過投影光場的掃描移動成像。在掩模圖案成像過程中，掩模與硅片同時相對于投影系統和投影光束移動。隨著大規模集成電路器件集成度的不斷提高，光刻分辨率的不斷增強，對光刻機特征線寬指標要求也在不斷提升。當前，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、掩模臺及其照明系統三個獨立的世界分別進行減振。考慮微動模塊，需要對承片臺或承版臺進行有效的減振，使其在曝光過程中免受其他系統的干擾。重力補償器就是在此背景下發展起來的新型結構，通過主被動減振技術，完成對承片臺或承版臺的調平調焦，使微動模塊形成一個獨立的內部世界。專利US6337484B1公開了一種音圈電機和活塞推桿的重力補償器。通過活塞底部的恒壓室來補償承片臺或承版臺的重力作用，通過音圈電機實時補償垂向位移，達到主動減振效果。該方案對恒壓室的氣壓要進行嚴格控制，同時徑向氣浮軸承和垂向氣浮軸承的設計對活塞推桿的設計和加工工藝都提出很高的要求。所排出的壓縮空氣對周圍環境造成的空氣擾動也需要加裝空氣回收裝置。傳統重力補償器主要采用空氣恒壓室提供靜態重力補償，采用音圈電機進行實時動態補償，完成調平調焦；或者采用音圈電機直接作為垂向執行器來完成動靜態重力補償。前者由于采用氣浮結構，其設計制造上有一定難度，且可能造成氣流擾動，引起系統不穩定。后者電機發熱過大，引起承片臺或承版臺熱學性能，影響光刻精度。專利US006791443B2提出了一種磁浮重力補償器。通過動定子之間的磁浮力產生懸浮力來補償靜態重力。動子上的線圈對定子上磁鐵產生的磁場進行切割產生洛倫茨力，來進行動態補償。該專利在動子上布置有磁鐵和線圈，布置空間有限。需要產生足夠大的磁浮力來平衡重力，對磁鐵的布置產生一定難度。另外動子上的線圈會產生熱量，直接傳遞到承片臺或承版臺，引起負載物的熱膨脹，影響精度。因此，光刻設備中亟需要一種新的磁浮重力補償器，既能克服氣浮軸承所具有的不穩定的缺點，有能產生足夠大的磁浮力來平衡重力
發明內容
為了克服現有技術中存在的缺陷，本發明提出一種磁浮重力補償器及光刻裝置，一方面能通過磁鐵之間的磁力產生懸浮力，補償重力作用，另一方面能通過線圈切割磁場產生洛倫茨力，進行主動補償隔振。為了實現上述發明目的，本發明公開一種磁浮重力補償器，包括定子和動子，該動子通過磁力懸浮于該定子之上，該定子包括第一磁環、線圈環及第四磁環，該動子第二磁環及第三磁環，所述第一磁環、第二磁環、線圈環、第三磁環、第四磁環依次由內向外同心設置。更進一步地，該第一磁環包括磁極方向相反的上半磁環和下半磁環，該第四磁環包括磁極方向相反的上半磁環和下半磁環。該第一磁環的上半磁環和第四磁環的上半磁環的磁極方向相同。所述第二磁環的磁極方向與第一磁環的下半磁環磁極方向相反，所述第三磁環的磁極方向與第四磁環的下半磁環磁極方向相反。本發明中，所述磁極方向是指在磁鐵內部由S磁極指向N磁極的方向。更進一步地，該第一磁環、第四磁環及線圈環分別通過一支架與該定子固定，該第二磁環、第三磁環分別通過一支架與該動子固定。該支架由不導磁材料制成。更進一步地，該第一、第四磁環高度相同，該線圈環的高度小于第二磁環及第三磁環的高度。更進一步地，該線圈環及線圈支架均通過一冷卻單元與該定子固定。該冷卻單元為由高導熱率材料制成的冷卻板，所述冷卻板上設置有若干水冷通路。本發明還公開一種光刻裝置，包括一照明單元，用于提供曝光光束；一掩模臺，用于支撐一掩模；一工件臺，用于支撐一基底并提供六自由度運動；一投影物鏡，用于將掩模上圖形按一定比例投射至基底；該工件臺包括任一項如上文所述的磁浮重力補償器。與現有技術相比較，本發明所提供的磁浮重力補償器，一方面通過磁鐵之間的磁力產生懸浮力，補償重力作用，另一方面通過線圈切割磁場產生洛倫茨力，進行主動補償隔振。動定子之間的水平向和垂向有較小的剛度，能起到很好的被動隔振效果。本發明磁浮重力補償器的動子和定子之間的磁鐵根據同性相斥，異性相吸原理產生懸浮力，以補償重力作用，同時使動定子之間的懸浮剛度較小，起到被動隔振作用。水平向同樣有較小的剛度，在水平向也有很好的被動隔振效果。水平向的磁力能保證動子保持平衡，起到垂向導向作用。動子上的磁鐵產生徑向磁通，定子上的線圈切割該磁場，產生洛倫茨力，進行主動補償減振。由于線圈固定在定子上，使線圈產生的熱量不直接傳遞到動子承載的負載物。線圈的高度要略小于動子上磁鐵的高度，主要是使在磁場邊緣處產生的洛倫茨力不至于波動過大。
關于本發明的優點與精神可以通過以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的了解。圖1是本發明所涉及的磁浮重力補償器一剖面的示意圖2是本發明所涉及的磁浮重力補償器的磁力受力分析示意圖3是本發明所涉及的磁浮重力補償器的結構示意圖；圖4是本發明所涉及的磁浮重力補償器的磁力線分布示意圖5是本發明所涉及的磁浮重力補償器所產生的懸浮力的仿真示意圖6是本發明所涉及的磁浮重力補償器所產生的懸浮剛度的仿真示意圖7是本發明所涉及的磁浮重力補償器所產生的水平向剛度的仿真示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明的一種具體實施例的磁浮重力補償器及應用該磁浮重力補償器的光刻裝置。然而，應當將本發明理解成并不局限于以下描述的這種實施方式，并且本發明的技術理念可以與其他公知技術或功能與那些公知技術相同的其他技術組合實施。在以下描述中，為了清楚展示本發明的結構及工作方式，將借助諸多方向性詞語進行描述，但是應當將“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“內”、“向外”、“向內”、“上”、“下”等詞語理解為方便用語，而不應當理解為限定性詞語。此外，在以下描述中所使用的“徑向”一詞主要指指向圓心或遠離圓心的方向；“徑向向內”一詞主要指指向圓心的方向；“徑向向外”一詞主要指遠離圓心的方向，“垂向” 一詞主要指于重力相平行的方向。如圖1所示，所示為重力補償器的一剖面的示意圖。該懸浮重力補償器包括動子101和定子102。磁鐵105a和105b通過磁鐵支架103固定在動子101上。磁鐵105c，105d通過磁鐵支架103c固定在定子102上，105e, 105f通過磁鐵支架103d固定在定子102上。線圈繞組104纏繞在線圈繞組支架107上，并通過冷卻板106固定在定子102上。冷卻板106結構上開有水冷通道。該磁浮重力補償器的整體結構示意圖，如圖3所示，磁鐵，磁鐵支架和線圈繞組支架均為環狀。動子和定子磁鐵的磁極方向均為徑向。磁鐵105a, 105b, 105c及105e磁極方向為徑向向外，磁鐵105d，105f的磁極方向為徑向向內(參見圖1、圖2中磁鐵內箭頭所示)。 動定子之間磁鐵的受力分析如圖2所示。磁鐵105a和105c之間有垂向和徑向的作用力與反作用力JWI和琢1，其方向如圖2所示。同理，磁鐵105a和105d之間有垂向和徑向的作用力與反作用力—和_，磁鐵105b和105e之間有垂向和徑向的作用力與反作用力M3和_ ,磁鐵105b和105f之間有垂向和徑向的作用力與反作用力M4和職。作用于磁鐵105a和105b的垂向力iftl, Nv2 , Nv3和■之合力能平衡動子的重力，使動子懸浮。當動子處于中心位置時，作用于磁鐵105a和105b的徑向力時！和_相互抵消，徑向力·^2和_也同樣相互抵消，同時徑向力和_產生的扭矩ΑΠ和徑向力_和_產生的扭矩Jfcf2 Ik相互抵消，使動子在水平向保持平衡。當動子偏離中心位置一定距離時，磁鐵105a和磁鐵105c、105d之間的距離增大(或者減小)，使徑向力琢1和@均增大(或者減小)，產生的合力保持為零，產生的扭矩Ml增大(或者減小)，相對應的徑向力_和_減小(或者增大)，產生的合力保持為零，產生的扭矩!減小(或者增大)，兩者產生的合扭矩M (Μ = [Μ1 -M2|)相應的變化。由于該結構為軸對稱結構，則與其對稱位置必然產生反向的扭矩Af，其大小與M相同，使定子保持平衡。當動子偏離中心位置一定角度時，磁鐵105a和105d之間的距離，磁鐵105b和105e之間的距離增大(或者減小)，使徑向力_和■的合力和產生的扭矩財！不為零，并且隨著轉動角度不同而變化；相對應的徑向力￥和_的合力和產生的扭矩Jtfl不為零，并且隨著轉動角度不同而變化。由于該結構為軸對稱結構，則與其對稱位置必然產生反向的合力和扭矩，其大小與之相同，使定子保持平衡。如圖3中所示，圖3是本發明所涉及的磁浮重力補償器的結構示意圖。其中動子通過磁作用力懸浮于定子之上。動子磁鐵和定子的磁鐵構成若干磁環，線圈也形成一線圈環。動子的磁環由1072和1073組成。定子從內往外依次為磁環1071，線圈環106和磁環1074，其中磁環1071和磁環1074分別由位于上半部和下半部的磁極方向相反的磁鐵組成(參見圖1)。磁鐵支架103和線圈繞組支架107均為不導磁材料，可以選為鋁合金材料或者陶瓷等，但不僅限于這兩種 材料。冷卻板選擇導熱系數大的材料，可以選為鋁合金材料，但不限于這一種材料。線圈固定于定子上，使線圈產生的熱量不直接傳遞到動子承載的負載物上。線圈的高度要略小于動子上磁鐵的高度，主要是使在磁場邊緣處產生的洛倫茨力不至于波動過大。所述重力補償器的磁力線分布如圖4所示。根據同性相吸，異性相斥原理，動子的磁鐵與定子的磁鐵之間能產生懸浮力，以補償重力。通過仿真，其產生的懸浮力曲線如圖5所示，懸浮力的大小與磁鐵的厚度，磁鐵之間的距離有關。如果需要產生更大的懸浮力可以通過減小磁鐵環之間的距離或者增大磁鐵的厚度來實現。懸浮剛度曲線如圖6所示。在負的垂向位移段所述減振器動定子之間表現出正剛度特性，在正的垂向位移段表現出負剛度特性。水平向剛度如圖7所示，其剛度保持在300N/m幅值之內，為較小的水平向剛度，在水平向能有很好的被動隔振性能，且便于進行伺服控制。本說明書中所述的只是本發明的較佳具體實施例，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，皆應在本發明的范圍之內。
權利要求
1.一種磁浮重力補償器，包括定子和動子，其特征在于，所述動子通過磁力懸浮于所述定子之上，所述定子包括第一磁環、線圈環及第四磁環，所述動子包括第二磁環及第三磁環，所述第一磁環、第二磁環、線圈環、第三磁環、第四磁環依次由內向外同心設置。
2.如權利要求1所述的磁浮重力補償器，其特征是，所述第一磁環包括磁極方向相反的上半磁環和下半磁環，所述第四磁環包括磁極方向相反的上半磁環和下半磁環。
3.如權利要求1所述的磁浮重力補償器，其特征是，所述第一磁環的上半磁環和第四磁環的上半磁環的磁極方向相同。
4.如權利要求2或3所述的磁浮重力補償器，其特征是，所述第二磁環的磁極方向與第一磁環的下半磁環磁極方向相反，所述第三磁環的磁極方向與第四磁環的下半磁環磁極方向相反。
5.如權利要求1所述的磁浮重力補償器，其特征是，所述第一磁環、第四磁環及線圈環分別通過一支架與所述定子固定，所述第二磁環、第三磁環分別通過一支架與所述動子固定。
6.如權利要求1所述的磁浮重力補償器，其特征是，所述第一、第四磁環高度相同，所述線圈環的高度小于第二磁環及第三磁環的高度。
7.如權利要求5所述的磁浮重力補償器，其特征是，所述線圈環及線圈支架均通過一冷卻單元與所述定子固定。
8.如權利要求7所述的磁浮重力補償器，其特征是，所述冷卻單元為由高導熱率材料制成的冷卻板，所述冷卻板上設置有若干水冷通路。
9.如權利要求5所述的磁浮重力補償器，其特征是，所述支架由不導磁材料制成。
10.一種光刻裝置，其特征在于，包括一照明單元，用于提供曝光光束； 一掩模臺，用于支撐一掩模； 一工件臺，用于支撐一基底并提供六自由度運動； 一投影物鏡，用于將掩模上圖形按一定比例投射至基底； 所述工件臺包括如權利要求1至9任一項所述的磁浮重力補償器。
全文摘要
本發明公開一種磁浮重力補償器，包括定子和動子，該動子通過磁力懸浮于該定子之上，該定子包括第一磁環、線圈環及第四磁環，該動子包括第二磁環及第三磁環，所述第一磁環、第二磁環、線圈環、第三磁環、第四磁環依次由內向外同心設置。本發明還公開一種使用該磁浮重力補償器的光刻裝置。
文檔編號H02N15/00GK103034065SQ201110299070
公開日2013年4月10日 申請日期2011年9月29日 優先權日2011年9月29日
發明者夏海, 陳慶生, 徐濤 申請人:上海微電子裝備有限公司