專(zhuān)利名稱(chēng)：一種采用磁懸浮技術(shù)的光刻機(jī)掩模臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超精密加工和檢測(cè)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種采用磁懸浮技術(shù)的光刻機(jī) 掩模臺(tái)，該掩模臺(tái)主要應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻機(jī)中。
背景技術(shù)：
光刻機(jī)技術(shù)是微細(xì)加工領(lǐng)域應(yīng)用最多最廣的技術(shù)、是集成電路制造領(lǐng)域的核心技 術(shù)。光刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括工作臺(tái)、掩模臺(tái)、基座、支架、物鏡及測(cè)量系統(tǒng)的安裝平臺(tái)、減 振裝置，其中掩模臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度決定了光刻機(jī)的生產(chǎn)效率，掩模臺(tái)的定位精度決定了光刻 機(jī)的曝光精度，具有六軸高精度定位、大行程直線往返運(yùn)動(dòng)的掩模臺(tái)是光刻機(jī)最重要的部 件之一。掩模臺(tái)的基本功能是掩模裝夾、掃描對(duì)準(zhǔn)精密定位、調(diào)平及高度微調(diào)、掩模硅片同 步掃描以及協(xié)助掩模上下片。為保證光刻機(jī)的光刻精度，就要求掩模臺(tái)具有極高的運(yùn)動(dòng)定 位精度。常規(guī)的定位方案采用旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、精密滾珠絲桿傳動(dòng)和滑動(dòng)導(dǎo)軌支撐的 機(jī)械剛性接觸方式，這種方式存在摩擦磨損、產(chǎn)生金屬粉塵，并需要潤(rùn)滑，而且在啟動(dòng)、加 (減)速、反轉(zhuǎn)和停車(chē)時(shí)，中間環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的彈性變形、摩擦、聯(lián)結(jié)間隙以及反向間隙等，會(huì) 造成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的滯后和非線性誤差，各種連接間隙影響了定位精度。直線電機(jī)的出現(xiàn)克服 了旋轉(zhuǎn)電機(jī)加絲桿傳動(dòng)方式的缺點(diǎn)，大大提高了其進(jìn)給性能，但摩擦所產(chǎn)生的金屬粉塵依 然不利于集成電路芯片的性能和質(zhì)量的提高。近年來(lái)研究的氣浮支撐方式雖然消除了摩 擦，但由于氣浮平臺(tái)是利用控制空氣通過(guò)氣嘴加速流動(dòng)，將對(duì)導(dǎo)軌產(chǎn)生沖擊力，因而抗沖擊 能力低，同時(shí)氣浮平臺(tái)僅限于空氣流動(dòng)相對(duì)較小的空間中，外界的空氣流動(dòng)較大時(shí)會(huì)對(duì)其 運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的影響，另外氣浮的承載能力低、支撐剛度小，且不適合真空環(huán)境下工作也大 大降低了其優(yōu)勢(shì)。而利用磁懸浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)掩模臺(tái)的精密運(yùn)動(dòng)由于具有上述傳統(tǒng)方法無(wú)法比 擬的優(yōu)勢(shì)而在近些年得到了廣泛關(guān)注。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種采用磁懸浮技術(shù)的光刻機(jī)掩模臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)使用旋轉(zhuǎn)伺 服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、精密滾珠絲桿傳動(dòng)和滑動(dòng)導(dǎo)軌支撐的傳統(tǒng)方案所無(wú)法實(shí)現(xiàn)超潔凈、高速度、大 行程、精密定位運(yùn)動(dòng)等功能。同時(shí)具有比氣浮光刻機(jī)掩模臺(tái)更大的支撐力、更好的承載特 性、更大的懸浮剛度，并且適應(yīng)真空環(huán)境下工作。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種采用磁懸浮技術(shù)的光刻機(jī)掩模臺(tái)，主要由精密導(dǎo)軌、基座、懸浮體等組成。導(dǎo) 軌固設(shè)在基座上，在懸浮體的豎直方向和沿導(dǎo)軌的水平方向共設(shè)有六對(duì)電磁鐵，豎直方向 四對(duì)，水平方向兩對(duì)；懸浮體上設(shè)有用于檢測(cè)懸浮體各方向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的渦流位移傳感器，懸 浮體在電磁鐵驅(qū)動(dòng)力、渦流位移傳感器反饋?zhàn)饔孟路€(wěn)定懸浮于導(dǎo)軌的上方；直線電機(jī)的定 子沿導(dǎo)軌方向固定在基座上，直線電機(jī)的動(dòng)子固定在懸浮體上，定子與動(dòng)子之間無(wú)機(jī)械接 觸，定子與動(dòng)子間的電磁推力驅(qū)動(dòng)懸浮體沿直線導(dǎo)軌做無(wú)接觸的直線定位運(yùn)動(dòng)。在導(dǎo)軌的導(dǎo)軌面上設(shè)有光柵尺，在懸浮體上設(shè)有光柵尺讀數(shù)頭，光柵尺及其讀數(shù)頭實(shí)時(shí)測(cè)量懸浮體 沿導(dǎo)軌水平方向的位置，用于控制懸浮體的精密定位運(yùn)動(dòng)。懸浮體包括直板式的連接件、C形結(jié)構(gòu)的左支板和C形結(jié)構(gòu)的右支板，左支板和右 支板相向通過(guò)高強(qiáng)度螺栓緊固連接在連接件的左右兩個(gè)側(cè)邊上。電磁鐵安裝在C形結(jié)構(gòu)的 支板上，電磁力全部作用于C形支板上，有利于減小懸浮體的變形，連接件和C形支板對(duì)稱(chēng) 設(shè)置很多盲孔或通孔、凹槽以減輕懸浮體重量，有利于布線兼顧美觀，通過(guò)設(shè)置加強(qiáng)筋改變 加強(qiáng)筋數(shù)量和厚度提高其剛度。連接件中心設(shè)置有正方形方孔以便掩模過(guò)程中光學(xué)系統(tǒng)透 光。導(dǎo)軌采用五面型結(jié)構(gòu)，既減少精加工表面，又減少重量。在基座設(shè)置停放懸浮體的 支柱，其上平面比導(dǎo)軌平面高0. 3mm，可以有效減小導(dǎo)軌因在不工作時(shí)承受上懸浮臺(tái)重力而 產(chǎn)生大變形。在懸浮體的豎直方向設(shè)置的電磁鐵為U型電磁鐵，共4對(duì)，水平方向設(shè)置的電磁鐵 為E型電磁鐵，共2對(duì)。采用這種布局方式有效減小電磁鐵之間的磁場(chǎng)耦合。電磁鐵的鐵 芯采用疊片式硅鋼片結(jié)構(gòu)，以減小磁場(chǎng)渦流損耗。在鐵芯上布置有冷卻管，防止電磁鐵長(zhǎng)時(shí) 間工作過(guò)熱。每一對(duì)電磁鐵的勵(lì)磁都采用差動(dòng)控制模式每一個(gè)電磁對(duì)中的一個(gè)電磁鐵以 偏置電流Itj與控制電流i之和勵(lì)磁，而另一個(gè)電磁鐵則以偏置電流Itj與控制電流i之差勵(lì) 磁。直線電機(jī)為2臺(tái)，直線電機(jī)的定子沿導(dǎo)軌方向固定在基座上，直線電機(jī)的動(dòng)子固 定在懸浮體上，驅(qū)動(dòng)懸浮體沿導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)。渦流位移傳感器為6個(gè)，其中4個(gè)渦 流位移傳 感器安裝在懸浮體的上表面上的電磁鐵附近，另外2個(gè)渦流位移傳感器安放在懸浮體側(cè)面 的電磁鐵附近，用于實(shí)時(shí)反饋電磁鐵的位移。光柵尺讀數(shù)頭和光柵尺均為2套，用于實(shí)時(shí)反 饋懸浮體沿導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)的位移。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思如下磁懸浮技術(shù)是一種非接觸式、無(wú)摩擦的運(yùn)動(dòng)定位的典型的機(jī)電一體化高新技術(shù)。 磁懸浮定位平臺(tái)能通過(guò)電磁力有效控制，從而消除傳統(tǒng)平臺(tái)的摩擦問(wèn)題，解決氣浮平臺(tái)承 載能力低、懸浮剛度小的難題，具有無(wú)污染、噪聲小、易維護(hù)、壽命長(zhǎng)、速度快、精度高、運(yùn)動(dòng) 行程大、平臺(tái)剛度和承載能力好等優(yōu)點(diǎn)。具體的，本發(fā)明所述光刻機(jī)掩模臺(tái)主要由精密導(dǎo)軌、懸浮體、基座、直線電機(jī)、電磁 鐵及反饋控制系統(tǒng)等組成。直線電機(jī)定子固聯(lián)于平臺(tái)基座上，直線電機(jī)動(dòng)子與懸浮體固聯(lián) 在一起。在懸浮體與其導(dǎo)軌面所對(duì)應(yīng)的地方設(shè)有勵(lì)磁線圈和位移傳感器，當(dāng)給電磁鐵線圈 通電時(shí)，電磁鐵將產(chǎn)生電磁懸浮力，電磁鐵采用差動(dòng)控制方式，通過(guò)下電磁鐵的電流大于上 電磁鐵中的電流，當(dāng)電磁合力大于懸浮體的自重時(shí)，懸浮體開(kāi)始懸浮，通過(guò)控制勵(lì)磁線圈通 電電流而改變電磁懸浮力以及位移傳感器的實(shí)時(shí)反饋，懸浮體穩(wěn)定懸浮于導(dǎo)軌上方。此時(shí)， 安裝于懸浮體上的直線電機(jī)動(dòng)子與安裝在導(dǎo)軌上的直線電機(jī)定子組成的雙直線電機(jī)驅(qū)動(dòng) 懸浮體沿導(dǎo)軌方向移動(dòng)，光柵尺和讀數(shù)頭組成的反饋系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)掩模臺(tái)的直線運(yùn) 動(dòng)和精確定位。對(duì)懸浮體上的五個(gè)自由度施加控制力實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，只保留沿導(dǎo)軌方向移動(dòng)的自 由度為進(jìn)給方向。由精密導(dǎo)軌組成的工作平臺(tái)具有六個(gè)自由度且能實(shí)現(xiàn)工作面的逐步調(diào)平 調(diào)焦。磁懸浮掩模臺(tái)中共有六對(duì)12塊差動(dòng)式電磁鐵(其中四對(duì)在垂直方向，二對(duì)在水平方向)。每對(duì)電磁鐵與相應(yīng)的導(dǎo)軌之間保持一定的間隙。其中，垂直方向的四對(duì)電磁鐵與懸浮 體通過(guò)螺栓連接，在平臺(tái)快速步進(jìn)時(shí)提供整個(gè)平臺(tái)懸浮所需的磁力，在工作面需調(diào)平調(diào)焦 時(shí)，分別改變四對(duì)電磁鐵的通電電流，以改變各電磁鐵的磁力，進(jìn)而微調(diào)各自間隙大小，由 此控制懸浮體沿Z軸的微動(dòng)和繞X、Y軸的微小轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到精確調(diào)平調(diào)焦作用。導(dǎo)軌側(cè)面兩 對(duì)電磁鐵與懸浮體也是通過(guò)螺栓連接，在平臺(tái)快速步進(jìn)時(shí)提供機(jī)構(gòu)所需要大小恒定的導(dǎo)向 磁力，以保障步進(jìn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)直線性。同樣，當(dāng)改變其通電電流則可改變各自間隙大小，以實(shí) 現(xiàn)工作平臺(tái)水平微位移以及繞Z軸的微小轉(zhuǎn)動(dòng)。每一對(duì)電磁鐵與導(dǎo)軌的間隙都由一個(gè)獨(dú)立的渦流位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定，并將測(cè)定 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)反饋控制間隙的大小，即控制懸浮體的位置。貼于導(dǎo)軌面上的 光柵尺以及固聯(lián)在懸浮體上的讀數(shù)頭所組成反饋系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以控 制電機(jī)的實(shí)現(xiàn)快速精密直線運(yùn)動(dòng)。電磁鐵鐵芯為疊片式硅鋼片結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌及基座選用球墨鑄鐵材料，其中與電磁鐵 相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)軌面均采用進(jìn)行拋光加工并均質(zhì)處理，以保證微米級(jí)的平面度和垂直度，以保 證平臺(tái)的高精度懸浮。同時(shí)對(duì)這些導(dǎo)軌面進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的表面處理以增加硬度和耐磨性。本發(fā)明設(shè)有專(zhuān)門(mén)停放上懸浮臺(tái)的支柱，以減小上懸浮臺(tái)不工作時(shí)因自身重力產(chǎn)生 的對(duì)導(dǎo)軌的壓力而引起的大變形。有益效果本發(fā)明的采用磁懸浮技術(shù)的光刻機(jī)掩模臺(tái)采用以下主要技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的 各項(xiàng)功能在懸浮體與導(dǎo)軌面所對(duì)應(yīng)的地方設(shè)有勵(lì)磁線圈和渦流位移傳感器，通過(guò)勵(lì)磁線圈 通電所產(chǎn)生的懸浮力以及渦流位移傳感器和控制器的實(shí)時(shí)反饋控制，懸浮體穩(wěn)定懸浮于空 中。此時(shí)，安裝于上懸浮體上的直線電機(jī)動(dòng)子與安裝在導(dǎo)軌上的直線電機(jī)定子所組成的直 線電機(jī)驅(qū)動(dòng)懸浮體沿導(dǎo)軌方向移動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)光柵尺和讀數(shù)頭的實(shí)時(shí)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)直線電 機(jī)的精密直線運(yùn)動(dòng)控制。懸浮體采用兩塊鎂合金C形支板及一塊鋁合金直板式連接件通過(guò)高強(qiáng)度螺栓緊 固連接，電磁力全部作用于剛性好的C形支板上，減小懸浮體的變形，連接件和C形支板對(duì) 稱(chēng)設(shè)置很多盲孔或通孔、凹槽以減輕懸浮體重量，有利于布線兼顧美觀，通過(guò)設(shè)置加強(qiáng)筋改 變加強(qiáng)筋數(shù)量和厚度提高其剛度。連接件中心設(shè)置有正方形方孔以便掩模過(guò)程中光學(xué)系統(tǒng) 透光。上下(左右)電磁鐵采用差動(dòng)控制方式，差動(dòng)工作方式可以產(chǎn)生雙向控制力，改善 平臺(tái)剛度。懸浮體四對(duì)電磁鐵301A、301B、302A、302B、303A、303B、304A、304B 采用 U 型電磁 鐵，控制它在豎直方向上的懸浮位置，兩對(duì)電磁鐵305A、305B、306A、306B采用E型電磁鐵， 控制其水平方向的位置，采用NSSN排列，這種布局方式能夠很好的減小電磁鐵之間的磁場(chǎng) 耦合，如圖5所示。電磁鐵鐵芯采用疊片式硅鋼片結(jié)構(gòu)，如圖4所示，有利于減小磁場(chǎng)渦流損耗。并在 鐵芯上布置冷卻管，防止電磁鐵過(guò)熱。在6對(duì)差動(dòng)電磁鐵的附近分別安裝了 6個(gè)渦流位移傳 感器311、312、313、314、315、316，其中4個(gè)傳感器311、312、313、314用于測(cè)量4懸浮體豎直方 向四對(duì)電磁鐵相對(duì)于導(dǎo)軌面在豎直方向上的位移，以此位移作為控制反饋量，控制上下電磁鐵懸浮力實(shí)現(xiàn)懸浮體的調(diào)平調(diào)焦。其余2個(gè)傳感器315、316用于實(shí)時(shí)反饋懸浮體水平方向上 兩對(duì)電磁鐵相對(duì)于導(dǎo)軌側(cè)平面的偏移量控制側(cè)面電磁鐵電磁力實(shí)現(xiàn)懸浮體導(dǎo)向作用。導(dǎo)軌采用五面型結(jié)構(gòu)，如圖3所示，既減少精加工表面，又減少重量，且剛度變化 不大。導(dǎo)軌下表面101A、102A，上表面101B、102B，以及外側(cè)面103A、103B進(jìn)行拋光加工并 均質(zhì)處理，使表面金屬性能各向同性，以保證懸浮體微米級(jí)懸浮精度。在基座設(shè)有停放懸浮體的支柱，其上平面比導(dǎo)軌平面高0. 3mm，可以有效減小導(dǎo)軌 因在不工作時(shí)承受上懸浮臺(tái)重力而產(chǎn)生大變形。貼于導(dǎo)軌面104A、104B上的光柵尺以及固聯(lián)在懸浮體上的讀數(shù)頭所組成反饋系 統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。懸浮體所用6對(duì)電磁鐵均采用高功率三電平數(shù)字開(kāi)關(guān)功率放大器驅(qū)動(dòng)。通過(guò)控制 系統(tǒng)調(diào)整功放的輸出電流而達(dá)到控制6對(duì)電磁鐵相對(duì)于導(dǎo)軌的懸浮氣隙的目的，結(jié)合合適 的控制算法獲取穩(wěn)定的懸浮運(yùn)動(dòng)和快速精密的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。雙直線電機(jī)二動(dòng)子固定于懸浮體，二定子固定于基座。定子采用永磁平面陣列，該 永磁平面陣列由一系列規(guī)則排列的永磁體布置而成。當(dāng)懸浮體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮后，由兩個(gè)直 線電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)懸浮體沿著導(dǎo)軌平穩(wěn)直線運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明所述光刻機(jī)掩模臺(tái)采用磁懸浮技術(shù)，無(wú)接觸，無(wú)摩擦，可在真空環(huán)境中運(yùn) 行，具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)該直線定位運(yùn)動(dòng)與傳統(tǒng)絲杠相比，不需要任何轉(zhuǎn)換裝置而直接產(chǎn)生推力，無(wú)機(jī) 械接觸，減少零部件損耗，提高了傳動(dòng)效率、可靠性與壽命。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，不產(chǎn)生離心 力，運(yùn)動(dòng)速度更高，實(shí)現(xiàn)高速的定位運(yùn)動(dòng)，且無(wú)噪聲。(2)直線電機(jī)通過(guò)電能直接產(chǎn)生電磁推力，直線電機(jī)的定子和動(dòng)子之間運(yùn)動(dòng)無(wú)機(jī) 械接觸，傳動(dòng)力是在氣隙中產(chǎn)生的，使傳動(dòng)零部件無(wú)磨損，從而大大減少了機(jī)械損耗，增長(zhǎng) 了使用壽命，消除了潤(rùn)滑油和摩擦所產(chǎn)生的粉塵帶來(lái)的影響，適合于超潔凈加工。(3)盡管氣浮加工精度也高，由于氣浮利用空氣的作用，不能在真空加工，懸浮體 懸浮剛度、承載能力、抗沖擊抗干擾能力低，本發(fā)明解決了這一難題，具提高了懸浮運(yùn)動(dòng)的 魯棒性。(4)采用雙直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，大大增加了平臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力，加強(qiáng)了平臺(tái) 的承載能力，提高了直線運(yùn)動(dòng)的加速度，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。(5)本發(fā)明的直線運(yùn)動(dòng)行程理論上可做到無(wú)限長(zhǎng)，同時(shí)也支持同一導(dǎo)軌上多個(gè)懸 浮體并列工作、同時(shí)完成多個(gè)掩模臺(tái)的直線往返運(yùn)動(dòng)。另外光柵尺讀數(shù)頭的分辨率為0. 05 微米、電機(jī)定子長(zhǎng)度大于1米、最大加速度達(dá)到2g。本發(fā)明的最終懸浮運(yùn)動(dòng)與直線定位運(yùn)動(dòng) 都將達(dá)到微米級(jí)定位精度。本發(fā)明所提出的磁懸浮光刻機(jī)掩模臺(tái)利用電磁吸力、電磁直線驅(qū)動(dòng)使光刻機(jī)掩模 臺(tái)完成無(wú)機(jī)械接觸式的往返精密快速直線定位運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)使用旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、精 密滾珠絲桿傳動(dòng)和滑動(dòng)導(dǎo)軌支撐的傳統(tǒng)方案所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的超潔凈、高速度、大行程、精密定 位運(yùn)動(dòng)等功能，具有比氣懸浮光刻機(jī)掩模臺(tái)更大的懸浮剛度和更好的承載特性


圖1是一種采用磁懸浮技術(shù)的光刻機(jī)掩模臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖。
圖2是懸浮體結(jié)構(gòu)圖和電磁鐵分布圖，具體的，圖2a和2b分別是懸浮體結(jié)構(gòu)圖和 電磁鐵分布圖。圖3是基座結(jié)構(gòu)圖。圖4為電磁鐵結(jié)構(gòu)圖，圖a、b分別是U型和E型電磁鐵結(jié)構(gòu)圖。圖5為電磁鐵磁場(chǎng)耦合圖，圖a、b分別是U型和E型電磁鐵磁場(chǎng)耦合圖。圖6是電磁鐵差動(dòng)控制原理圖。圖中1-花崗巖地基2-精密導(dǎo)軌101A、101B、102A、102B、103A、103B-超精加工的六個(gè)導(dǎo)軌表面104A、104B-放置光柵尺的導(dǎo)軌表面111、112-光柵尺121、122-直線電機(jī)定子3-懸浮體300-懸浮體左支板與右支板之間的連接件301A、301B、302A、302B、303A、303B、304A、304B-豎直放置的電磁鐵305A、305B、306A、306B-水平放置的電磁鐵307-硅鋼片308-電磁線圈309-壓板310-冷卻管311、312、313、314-豎直放置的渦流位移傳感器315,316-水平放置的渦流位移傳感器321、322-直線電機(jī)動(dòng)子331、332_光柵尺讀數(shù)頭341、342_左支板和右支板41-第一功率放大器，42-第二功率放大器，51-上電磁特，52-下電磁鐵，6-渦流位 移傳感器
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合圖和具體實(shí)施過(guò)程對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1 光刻機(jī)掩模臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，自下到上由花崗巖地基1、五面型 的精密導(dǎo)軌2、懸浮體3三個(gè)部分組成。與電磁鐵相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)軌面均采用進(jìn)行拋光加工并 均質(zhì)處理，使加工導(dǎo)軌表面平面度和垂直度均達(dá)到1 μ m。懸浮部件結(jié)構(gòu)如圖2a所示，包括 鎂合金C形的左支板341、右支板342，鋁合金連接件300 (鎂合金、鋁合金這種材料相對(duì)于 鑄鐵，密度較小，比強(qiáng)度比剛度大)，12塊電磁鐵301A、301B、302A、302B、303A、303B、304A、 304B、305A、305B、306A、306B(如圖 2b 所示)，6 個(gè)渦流位移傳感器 311、312、313、314、315、 316，2個(gè)直線電機(jī)動(dòng)子321、322，2個(gè)光柵尺讀數(shù)頭331、332等。懸浮體中的電磁鐵、左右 支板通過(guò)螺栓緊固連接在一起。每對(duì)電磁鐵與相應(yīng)的導(dǎo)軌之間保持一定的間隙。懸浮體豎直方向即Z方向四對(duì)差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的電磁鐵301A、30IB、302A、302B、303A、303B、304A、304B采 用U型電磁鐵，提供垂直方向電磁力，以支撐整個(gè)懸浮體，并可以通過(guò)調(diào)節(jié)這四對(duì)電磁線圈 中的電流大小改變電磁力控制懸浮體的懸浮位置而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的調(diào)平；側(cè)面即X方向兩對(duì)差 動(dòng)式結(jié)構(gòu)的電磁鐵3054、3058、306々、3068采用E型電磁鐵，提供水平方向電磁力，以起到Y(jié) 方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向作用。在電磁鐵301B、302B、303B、304B、305B、306B旁邊分別設(shè)有渦流位移 傳感器311、312、313、314、313、314實(shí)時(shí)反饋每對(duì)電磁鐵與相應(yīng)的導(dǎo)軌面之間的間隙，從傳 感器采集到的位移信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，結(jié)合合適的控制算法，比如PID控制、模糊控制， 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，調(diào)整控制參數(shù)，產(chǎn)生輸出電壓，輸入到功率放大器，功率放大器接入48V直 流電源，產(chǎn)生控制電流，控制電流與偏置電流結(jié)合流入電磁線圈，實(shí)時(shí)控制勵(lì)磁線圈通電電 流而改變電磁懸浮力大小，使懸浮體穩(wěn)定懸浮于導(dǎo)軌上方，實(shí)現(xiàn)工作面的調(diào)平調(diào)焦。每個(gè)電 磁鐵上繞有600匝電磁線圈，當(dāng)通過(guò)上下電磁線圈偏置電流為4A，側(cè)面電磁線圈偏置電流 為2k,懸浮氣隙可以穩(wěn)定在0. 5mm,懸浮精度達(dá)到微米級(jí)。渦流傳感器線性度達(dá)到0. 002%, 分辨率達(dá)到0. lnm，量程為2mm。圖3是基座結(jié)構(gòu)圖。底座由花崗巖地基1、精密直線導(dǎo)軌2 和直線電機(jī)定子121、122組成。直線電機(jī)定子固定在花崗巖地基1上，與安裝于懸浮體上 的直線電機(jī)動(dòng)子組成的雙直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)懸浮體沿導(dǎo)軌方向快速直線移動(dòng)。直線電機(jī)是旋轉(zhuǎn) 電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種演變，可看成將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開(kāi)，再將電機(jī)的圓周展開(kāi)成 直線擴(kuò)展而得。直線電機(jī)的定子和動(dòng)子之間運(yùn)動(dòng)無(wú)機(jī)械接觸，直線電機(jī)通過(guò)電能直接產(chǎn)生 電磁推力需任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)力在氣隙中產(chǎn)生。直線電機(jī)額定驅(qū)動(dòng)力是 878. 6N，分辨率是0. 1 μ m，最大加速度2g，最大速度是700mm/s。采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)懸浮體 沿導(dǎo)軌方向移動(dòng)，理論上移動(dòng)距離沒(méi)有限制，基于實(shí)驗(yàn)及經(jīng)濟(jì)成本上的考慮，導(dǎo)軌平臺(tái)長(zhǎng)度 為lm。貼于導(dǎo)軌面104A、104B上的光柵尺111、112與安裝于懸浮體上的光柵尺讀數(shù)頭組成 的反饋系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋懸浮體直線運(yùn)動(dòng)位置，從而改變直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的大小實(shí)現(xiàn)懸浮體的 沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向的精確定位。圖4a和4b分別是U型和E型電磁鐵結(jié)構(gòu)圖。電磁鐵鐵芯采用疊片式硅鋼片結(jié)構(gòu)， 將兩塊壓板壓緊硅鋼，壓板與硅鋼片用螺栓擠壓緊固，然后將壓板聯(lián)接到懸浮體上。有利于 減小磁場(chǎng)渦流損耗，并在鐵芯上布置冷卻管，防止電磁鐵過(guò)熱。如圖5a所示，所有電磁鐵均 是U型電磁鐵，盡管采用NSSN排列方式，但上下電磁鐵磁極形成串聯(lián)，仍有不少耦合，從圖 5b可以看見(jiàn)，側(cè)面采用E型電磁鐵，上下面采用U型電磁鐵，這種U型電磁鐵和E型電磁鐵 的組合使用的方式明顯減小了磁場(chǎng)之間的耦合。電磁鐵差動(dòng)控制原理圖如圖6所示。一個(gè)磁鐵以偏置電流Itj與控制電流i之和 勵(lì)磁，而另一個(gè)則以偏置電流Itj與控制電流i之差勵(lì)磁。因此平臺(tái)所受懸浮力為上下磁鐵 吸力之差，差動(dòng)工作方式可以產(chǎn)生雙向控制力，增加平臺(tái)剛度。
權(quán)利要求
一種采用磁懸浮技術(shù)的光刻機(jī)掩模臺(tái)，其特征在于，導(dǎo)軌固設(shè)在基座上，在懸浮體的豎直方向和沿導(dǎo)軌的水平方向均設(shè)有電磁鐵，懸浮體上設(shè)有用于檢測(cè)懸浮體各方向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的渦流位移傳感器；懸浮體在電磁鐵驅(qū)動(dòng)力、渦流位移傳感器反饋?zhàn)饔孟路€(wěn)定懸浮于導(dǎo)軌的上方；直線電機(jī)的定子沿導(dǎo)軌方向固定在基座上，直線電機(jī)的動(dòng)子固定在懸浮體上，定子與動(dòng)子之間無(wú)機(jī)械接觸；在導(dǎo)軌面上設(shè)有光柵尺，在懸浮體上設(shè)有光柵尺讀數(shù)頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮光刻機(jī)掩模臺(tái)，其特征在于，懸浮體包括直板式的連 接件、C形結(jié)構(gòu)的左支板和C形結(jié)構(gòu)的右支板，左支板和右支板相向設(shè)置在連接件的左右兩 個(gè)側(cè)邊上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮光刻機(jī)掩模臺(tái)，其特征在于，導(dǎo)軌采用五面型結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮光刻機(jī)掩模臺(tái)，其特征在于，在懸浮體豎直方向上設(shè) 置的電磁鐵為U型電磁鐵，共4對(duì)，在懸浮體水平方向上設(shè)置的電磁鐵為E型電磁鐵，共2 對(duì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮光刻機(jī)掩模臺(tái)，其特征在于電磁鐵的鐵芯采用疊片 式硅鋼片結(jié)構(gòu)，在鐵芯上布置有冷卻管。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述磁懸浮光刻機(jī)掩模臺(tái)的連接件，其特征在于，連接件和C形支板 設(shè)置多個(gè)盲孔或通孔、凹槽，連接件中心設(shè)置有用于光刻掩模過(guò)程中光學(xué)系統(tǒng)透光的方孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述磁懸浮光刻機(jī)掩模臺(tái)的電磁鐵，其特征在于，每一對(duì)電磁鐵的 勵(lì)磁都采用差動(dòng)控制模式每一個(gè)電磁對(duì)中的一個(gè)電磁鐵以偏置電流Itj與控制電流i之和 勵(lì)磁，而另一個(gè)電磁鐵則以偏置電流Itj與控制電流i之差勵(lì)磁。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的磁懸浮光刻機(jī)掩模臺(tái)，其特征在于，采用雙電機(jī)驅(qū) 動(dòng)模式，直線電機(jī)為2臺(tái)，光柵尺及其讀數(shù)頭均為2套；渦流位移傳感器為6個(gè)，其中4個(gè)渦 流位移傳感器安裝在懸浮體的上電磁鐵附近，另外2個(gè)渦流位移傳感器安放在懸浮體的側(cè) 面電磁鐵附近。
全文摘要
本發(fā)明提出一種采用磁懸浮技術(shù)的光刻機(jī)掩模臺(tái)，主要由精密導(dǎo)軌、基座、懸浮體等組成。懸浮體內(nèi)安裝有電磁鐵，結(jié)合渦流位移傳感器，實(shí)現(xiàn)懸浮體穩(wěn)定懸浮在導(dǎo)軌上方；直線電機(jī)定子固定在基座上，直線電機(jī)動(dòng)子固定在懸浮體上，導(dǎo)軌面上設(shè)有光柵尺，結(jié)合安裝在懸浮體上的光柵尺讀數(shù)頭，實(shí)現(xiàn)懸浮體精密直線定位運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明所提出的磁懸浮光刻機(jī)掩模臺(tái)利用電磁吸力、電磁直線驅(qū)動(dòng)使光刻機(jī)掩模臺(tái)完成無(wú)機(jī)械接觸式的往返精密快速直線定位運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)使用旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、精密滾珠絲桿傳動(dòng)和滑動(dòng)導(dǎo)軌支撐的傳統(tǒng)方案所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的超潔凈、高速度、大行程、精密定位運(yùn)動(dòng)等功能，具有比氣懸浮光刻機(jī)掩模臺(tái)更大的懸浮剛度和更好的承載特性。
文檔編號(hào)G03F7/20GK101900952SQ20101024203
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月2日
發(fā)明者周海波, 段吉安, 郭寧平 申請(qǐng)人:中南大學(xué)