專利名稱：磁鐵單元、磁鐵陣列、磁浮平面電機(jī)及應(yīng)用該磁浮平面電機(jī)的光刻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路裝備制造領(lǐng)域，尤其涉及一種磁鐵單元、磁鐵陣列、磁浮平面電機(jī)及應(yīng)用該磁浮平面電機(jī)的光刻裝置。
背景技術(shù)：
隨著光刻技術(shù)的進(jìn)步和半導(dǎo)體工業(yè)快速發(fā)展，對(duì)于光刻設(shè)備有四項(xiàng)基本性能指標(biāo):線寬均勻性(CD，Critical Dimension Uniformity)、焦深(Focus)、套刻(Overlay)和產(chǎn)率(Throughput)。為了提高線寬均勻性，光刻機(jī)工件臺(tái)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(tái)必須提高垂向精密定位能力；為了提高光刻機(jī)套刻誤差精度，工件臺(tái)必須提高其內(nèi)部模態(tài)來提升動(dòng)態(tài)定位特性。此外，光刻設(shè)備必須增加產(chǎn)率，因此臺(tái)子必須高速運(yùn)動(dòng)，快速啟動(dòng)和停止。光刻設(shè)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(gè)矛盾，當(dāng)前工件臺(tái)技術(shù)采用了粗微動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高速和高精度的技術(shù)分離。粗動(dòng)結(jié)構(gòu)主要有直線電機(jī)組成，可以實(shí)現(xiàn)大行程和高速度運(yùn)動(dòng)。微動(dòng)臺(tái)則層疊安裝于粗動(dòng)臺(tái)上，可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償定位偏差，微動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)納米精度，并具有多自由度運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行光刻曝光和對(duì)準(zhǔn)。目前這種結(jié)構(gòu)采用氣浮軸承結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，無法實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)與執(zhí)行器的一體化耦合設(shè)計(jì)，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量增大，驅(qū)動(dòng)力隨著增大，驅(qū)動(dòng)反力施加給系統(tǒng)的殘余振動(dòng)也增大，從而影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。此外，由于產(chǎn)率要求高加速度導(dǎo)致附加傾翻力矩加大，工件臺(tái)的氣浮靜剛度約束采用高剛性設(shè)計(jì)，對(duì)導(dǎo)向平面度、預(yù)載變形、氣浮工藝參數(shù)設(shè)計(jì)要求非常高。同時(shí)，考慮到配套的電、氣、水、真空通路與柜，工件臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、龐大、可靠性低、維修維護(hù)難度大?；诖鸥∑矫骐姍C(jī)的磁浮運(yùn)動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)部件的多自由度耦合運(yùn)動(dòng)和懸浮導(dǎo)向，在水平XY向?qū)崿F(xiàn)大行程高精度，其它方向?qū)崿F(xiàn)小行程高精度的定位臺(tái)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的氣浮運(yùn)動(dòng)臺(tái)相比，多自由度磁浮驅(qū)動(dòng)集成運(yùn)動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)簡單緊湊，機(jī)械尺寸小，質(zhì)量輕，殘余振動(dòng)小，動(dòng)態(tài)性能更優(yōu)，無阻尼，沒有導(dǎo)向結(jié)構(gòu)精密變形問題；并且可用于開放式真空環(huán)境中，甚至可以實(shí)現(xiàn)無線纜擾動(dòng)設(shè)計(jì)和高精密輕質(zhì)量低剛度冗余驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，大行程多自由度磁浮臺(tái)能更好的應(yīng)用于納米精度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中。美國專利US5886432公開了一種磁浮平面電機(jī)的定位臺(tái)裝置，該裝置的平面電機(jī)磁鐵陣列采用了典型Halbach陣列與傳統(tǒng)的NS陣列結(jié)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其陣列的縱向?yàn)榈湫偷臉?biāo)準(zhǔn)的離散Halbach陣列，橫向?yàn)殡x散間隔的NS陣列。該磁陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在兩個(gè)軸向的磁密特性相異，并且NS陣列方向存在較大的Cogging推力波動(dòng)。美國專利US6531793公開了一種主磁極為方形的二維Halbach磁鐵陣列的磁浮平面電機(jī)定位裝置，該裝置的平面電機(jī)磁鐵陣列采用了標(biāo)準(zhǔn)的離散Halbach磁鐵陣列，其陣列在縱向和橫向均具有相同的磁密特性。但該磁鐵陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的離散特性無法避免該磁陣列的磁泄露和高次諧波產(chǎn)生較大的推力紋波。美國專利US6285097公開了一種主磁極為方形的二維Halbach磁鐵陣列的磁浮平面電機(jī)定位裝置，該裝置的平面電機(jī)磁鐵陣列同樣采用了標(biāo)準(zhǔn)的離散Halbach磁鐵陣列，它進(jìn)一步提出了邊沿磁鐵陣列的拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法，優(yōu)化了邊沿磁泄露的問題。該專利還提出了基于主磁極為八邊形的Halbach磁陣列結(jié)構(gòu)，平面磁密方向與磁鐵陣列外形方向呈45度夾角，且八邊形主磁極采用兩塊三棱柱磁鐵塊構(gòu)建更為連續(xù)的Halbach陣列。該磁鐵陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得垂向磁密相對(duì)更大，而水平磁密相對(duì)更小。美國專利US20100090545 (Al)公開了一種主磁極為方形的二維Halbach磁鐵陣列的磁浮平面電機(jī)定位裝置，該裝置的平面電機(jī)磁鐵陣列同樣采用了標(biāo)準(zhǔn)的離散Halbach磁鐵陣列，平面磁密方向與磁鐵陣列外形方向呈45度夾角，其主磁極為方向的N、S磁極，主磁極磁鐵由四塊三棱柱型磁鐵塊組成，構(gòu)建的磁密為更連續(xù)的Halbach陣列。同樣，該磁鐵陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得垂向磁密相對(duì)更大，而水平磁密相對(duì)更小?，F(xiàn)有技術(shù)中需要進(jìn)一步提高磁浮平面電機(jī)定位裝置的垂向和水平磁密，并減小背面磁泄露。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，本發(fā)明公開一種磁鐵單元、磁鐵陣列、磁浮平面電機(jī)及應(yīng)用該磁浮平面電機(jī)的光刻裝置，能提高磁浮平面電機(jī)定位裝置的垂向和水平磁密，并減小背面磁泄露。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明公開一種十字型磁鐵單元，包括第一磁鐵及圍繞第一磁鐵的第二磁鐵單元，所述第一磁鐵是N極磁鐵或S極磁鐵，所述第一磁鐵的磁化方向沿Z軸方向，所述第二磁鐵單元包括四組結(jié)構(gòu)相同的磁鐵組合，所述四組磁鐵組合分別位于沿X軸方向和沿Y軸方向，所述磁鐵組合的磁化方向指向N極磁鐵或者遠(yuǎn)離S極磁鐵，所述每組磁鐵組合由至少兩個(gè)棱柱磁鐵、或棱錐磁鐵、或棱臺(tái)磁鐵組成。更近一步地，所述第二磁鐵 單元是一長方體，所述磁鐵組合由第一棱柱磁鐵、第二棱柱磁鐵及第三棱柱磁鐵組成一長方體，所述第一、第三棱柱磁鐵結(jié)構(gòu)相同。更近一步地，所述第一、第三棱柱磁鐵沿XZ或YZ平面的截面為一直角三角形，所述第二棱柱磁鐵的截面為一等腰三角形，其下底邊邊長為tm，所述第一磁鐵與其相鄰第二磁鐵單元的任一組磁鐵組合的長度和是P，tm/p的取值范圍為0.35、.7。更近一步地，所述tm/p的取值范圍為0.5^0.57。更近一步地，所述第一、第三棱柱磁鐵沿XZ或YZ平面的截面為一直角三角形，所述第二棱柱磁鐵沿XZ或YZ平面的截面為一等腰梯形，其上底底邊邊長為tp，下底邊邊長為tm，其中tp/tm的取值范圍為(Π).3。更近一步地，所述第一、第三棱柱磁鐵沿XZ或YZ平面的截面為一直角梯形，其上底邊邊長為th，下底邊邊長為H，所述第二棱柱磁鐵沿XZ或YZ平面的截面為一等腰三角形，其底邊邊長為tm，所述第一磁鐵與其相鄰第二磁鐵單元的任一組磁鐵組合的長度和是P，tp/tm的取值范圍為0.35 0.7，th/H的取值范圍為0 0.5。更近一步地，所述第一磁鐵單元與第二磁鐵單元均為梯形，其中第二磁鐵單元的上底底邊邊長為tp，下底邊邊長為tm，任一組磁鐵組合與第一磁鐵的長度和是p，tp/tm的取值范圍為(Γ0.5，tm/p的取值范圍為(Γ0.25。更近一步地，所述的第二棱柱磁鐵的磁化方向沿著X軸方向或Y軸方向，所述的第一棱柱磁鐵和第三棱柱磁鐵的磁化方向分別對(duì)應(yīng)垂直于第二棱柱磁鐵的等腰邊方向。本發(fā)明還公開一種磁鐵陣列，包括若干個(gè)如上所述的磁鐵單元，所述磁鐵單元沿第一軸方向和第二軸方向按照Halbach陣列模式進(jìn)行周期性排布,所述Halbach陣列模式為第一 N極磁鐵與第一 S極磁鐵通過第二磁鐵單元中的一組磁鐵組合連接，所述磁鐵組合的磁化方向指向所述第一 N極磁鐵且遠(yuǎn)離第一 S極磁鐵。本發(fā)明還公開了一種磁浮平面電機(jī)，包括磁鐵陣列和線圈陣列，所述磁鐵陣列包括若干個(gè)如上所述的磁鐵單元，所述磁鐵單元沿第一軸方向和第二軸方向按照Halbach陣列模式進(jìn)行周期性排布組成，所述Halbach陣列模式為第一 N極磁鐵與第一 S極磁鐵通過第二磁鐵單元中的一組磁鐵組合連接，所述磁鐵組合的磁化方向指向所述第一 N極磁鐵且遠(yuǎn)離第一 S極磁鐵；所述線圈陣列位于磁鐵陣列之上或之下，所述磁鐵陣列相對(duì)于所述線圈陣列運(yùn)動(dòng)。更近一步地，所述線圈陣列包括若干個(gè)沿第一軸方向、第二軸方向分布的線圈單元，所述的第一軸方向、第二軸方向分別與X方向、Y方向成45度夾角。更近一步地，所述線圈單元包括呈矩形排列的四個(gè)線圈組，其中相鄰兩個(gè)線圈組分別對(duì)應(yīng)沿第一軸方向、第二軸方向排列。更進(jìn)一步地，該線圈組包括相互平行的四組線圈，該四組線圈組成線圈定子陣列。本發(fā)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(tái)，用于支撐一掩模；一工件臺(tái)，用于支撐一基底并提供六自由度運(yùn)動(dòng)；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(tái)包括如上文所述的磁浮平面電機(jī)。該掩模臺(tái)包括上文所述的磁浮平面電機(jī)。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所提供的磁鐵單元、磁鐵陣列的單邊磁密更強(qiáng)，磁泄露更小，磁密空間分布更加均勻，高次諧波幅值更小，磁鐵陣列的質(zhì)量更輕。該磁鐵陣列相比于等磁能積的其它陣列具有更高的磁密，由該磁鐵陣列所組成的磁浮平面電機(jī)能產(chǎn)生更大的6DOF推力。


關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以通過以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進(jìn)一步的了解。圖1所示為本發(fā)明提供的平面電機(jī)平面示意 圖2所示為實(shí)施例一中的磁鐵陣列結(jié)構(gòu)示意 圖3所示為實(shí)施例一中的磁鐵陣列的基本單元陣列結(jié)構(gòu)示意圖 圖4所示為實(shí)施例一磁鐵陣列沿101/102軸的截?cái)嗝娼Y(jié)構(gòu)示意 圖5所示為實(shí)施例一中tm優(yōu)化曲線示意 圖6實(shí)施例一磁鐵陣列二維磁通分布曲線示意 圖7所示為所示為實(shí)施例一磁鐵陣列強(qiáng)磁側(cè)磁通等高線示意 圖8所示為實(shí)施例一磁鐵陣列弱磁側(cè)磁通等高線示意 圖9所示為實(shí)施例一磁鐵陣列在平面坐標(biāo)內(nèi)IOmm位置的三維磁密曲線示意 圖10所示為實(shí)施例二磁鐵陣列沿101/102軸的截?cái)嗝娼Y(jié)構(gòu)示意 圖11所示為實(shí)施例二單個(gè)極距內(nèi)磁鐵尺寸結(jié)構(gòu)示意圖；圖12所示為實(shí)施例二中tp優(yōu)化曲線示意 圖13所示為實(shí)施例三中的磁鐵在101/102軸的截面結(jié)構(gòu)示意 圖14所示為實(shí)施例四中的磁鐵在101/102軸的截面結(jié)構(gòu)示意 圖15所示為實(shí)施例四單個(gè)極距內(nèi)磁鐵尺寸結(jié)構(gòu)示意 圖16所示為采用本發(fā)明的磁浮平面電機(jī)的光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。主要圖示說明
100-磁鐵陣列200-線圈陣列
101-第一方向102-第二方向
14(1，2…η)-磁鐵陣列的行序15 (1，2…η)-磁鐵陣列的列序
Cl-第一四相線圈組C2-第二四相線圈組
C3-第三組相線圈組C4-第四四相線圈組
CU-四相線圈組的第一線圈C12-四相線圈組的第二線圈
C13-四相線圈組的第三線圈C14-四相線圈組的第四線圈
104-第一類N極方形磁鐵105-第二類S極方形磁鐵 106-第三類組合磁鐵的第一棱柱磁鐵 107-第三類組合磁鐵的第二棱柱磁鐵
108-第三類組合磁鐵的第三棱柱磁鐵 121-磁鐵陣列極距
122-磁鐵陣列極距
104a- 一維Halbach陣列中第一 N極方形磁鐵
105a- —維Halbach陣列中的第一 S極方形磁鐵
104b- 一維Halbach陣列中的第二 N極方形磁鐵
105b- 一維Halbach陣列中的第二 S極方形磁鐵
134a- 一維Halbach陣列中的第一 N極方形磁鐵,磁極沿103正方向
135a- —維Halbach陣列中的第一 S極方形磁鐵,磁極沿103負(fù)方向
136-第三類磁體的第一棱柱磁鐵138-第三類磁體的第三棱柱磁鐵
137-—維Halbach陣列中的第三類磁體的第二梯形棱柱磁鐵 134b- —維Halbach陣列中的第二 N極方形磁鐵,磁極沿103正方向 135b- 一維Halbach陣列中的第二 S極方形磁鐵,磁極沿103負(fù)方向
335a- —維Halbach陣列中的第三類梯形棱柱磁鐵,磁極指向相鄰的第一類N極磁鐵 336a- —維Halbach陣列中的第三類磁鐵的梯形棱柱磁鐵,磁極指向相鄰的第一磁鐵 337a- 一維Halbach陣列中的第一類N極梯形棱柱磁鐵,磁極指向103正方向 338a- —維Halbach陣列中的第二類S極梯形棱柱磁鐵,磁極指向103負(fù)方向 335b- 一維Halbach陣列中的第三類梯形棱柱磁鐵,磁極指向相鄰的第一磁鐵 336b- 一維Halbach陣列中的第三類梯形棱柱磁鐵,磁極指向相鄰的第一磁鐵 337b- —維Halbach陣列中的第一類N極梯形棱柱磁鐵a 338b- 一維Halbach陣列中的第二類S極梯形棱柱磁鐵
236-—維Halbach陣列中的第三類磁鐵的第一梯形棱柱磁鐵,磁極指向相鄰的第二梯形棱柱磁鐵
237-—維Halbach陣列中的第三類磁鐵的第二梯形棱柱磁鐵,磁極指向相鄰的第三梯形棱柱磁鐵 238-—維Halbach陣列中的第三類磁鐵的第三梯形棱柱磁鐵,磁極指向相鄰的第一類N極方形磁鐵
234a- —維Halbach陣列中的第一類磁鐵的第一 N極方形磁鐵,磁極指向103正方向
235a- —維Halbach陣列中的第二類S極梯形棱柱磁鐵,磁極指向103負(fù)方向
234b- —維Halbach陣列中的第一類磁鐵的第二 N極方形磁鐵a
235b- —維Halbach陣列中的第二類磁鐵的第二 S極方形磁鐵
7100-光刻裝置7101-照明模塊
7102-照明支架7103-掩模
7104-掩模臺(tái)平面電機(jī)7112-掩模臺(tái)支撐梁
7105-物鏡7110-掩模臺(tái)支撐框架 7111-主基板 7120-干涉儀測量模塊
7106-硅片7107-承片臺(tái)
7108-平面電機(jī)的磁鐵動(dòng)子7109-平面電機(jī)線圈定子及基座
7113-支撐框架座7115-基礎(chǔ)框架。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的一種具體實(shí)施例的磁浮平面電機(jī)及應(yīng)用該電機(jī)的光刻裝置。然而，應(yīng)當(dāng)將本發(fā)明理解成并不局限于以下描述的這種實(shí)施方式，并且本發(fā)明的技術(shù)理念可以與其他公知技術(shù)或功能與那些公知技術(shù)相同的其他技術(shù)組合實(shí)施。在以下描述中，為了清楚展示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作方式，將借助諸多方向性詞語進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)將“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“內(nèi)”、“向外”、“向內(nèi)”、“上”、“下”等詞語理解為方便用語，而不應(yīng)當(dāng)理解為限定性詞語。此外，在以下描述中所使用的“D1方向”一詞主要指與水平向平行的方向；“D2方向”一詞主要指與水平向平行同時(shí)與Dl方向垂直的方向；“第一方向”或“第一軸”一詞主要指與水平向平行的方向或坐標(biāo)軸第二方向”或“第二軸”一詞主要指與水平向平行且同時(shí)與第一方向垂直的方向或坐標(biāo)軸第三方向”或“第三軸” 一詞主要指與水平向垂直的方向或坐標(biāo)。本發(fā)明提供了一種用于定位臺(tái)的磁浮平面電機(jī)，其包括至少在Dl方向和相互垂直的D2方向上可以相對(duì)彼此移動(dòng)的第一部分100和第二部分200，其中第一部分包括平行于第一方向101和第二方向102延伸的承載體，且磁體系統(tǒng)以平行于第一方向101延伸的行，和平行于第二方向(102)延伸的列的模式固定在該載體上，在該行之間和該列之間具有相等的距離，第一類N極方形磁鐵104具有與承載體呈直角且朝向所述第二部分延伸的磁化方向103，第二類S極方形磁鐵105具有與承載體呈直角且遠(yuǎn)離所述第二部分延伸的磁化方向103，這兩種類型的磁鐵在每行和每列上交替布置。第三類磁鐵(包括第一棱柱磁鐵106，第二棱柱磁鐵107及第三棱柱磁鐵108的組合體)在每對(duì)毗鄰的第一類N極方形磁鐵104和第二類S極方形磁鐵105之間布置在每列上。第三類磁體具有平行于第二方向且朝向第一類N極方形磁鐵10延伸的磁化方向，而所述第二類型導(dǎo)電線圈具有位于所述磁體系統(tǒng)的磁場內(nèi)且與Dl方向成大致45度的角度的導(dǎo)體，且所述導(dǎo)電體垂直于第一類型電線圈200的導(dǎo)電體延伸，其中，在第一部分的磁體的每行上，第三類磁體(包括第一棱柱磁鐵106，第二棱柱磁鐵107及第三棱柱磁鐵108的組合體)也布置在每對(duì)毗鄰的第一類N極方形磁鐵104和第二類S極方形磁鐵105，所述第三類磁體具有平行于第一方向101且朝向第一類磁體延伸的磁化方向。實(shí)施例一:
如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的一種平面電機(jī)永磁鐵陣列排布方法的結(jié)構(gòu)示意圖。平面電機(jī)含有永磁陣列(或稱磁鐵陣列)100和線圈陣列200，線圈陣列200在用磁鐵陣列100上方或者下方，并與磁鐵陣列100存在一定的間隙。該磁浮平面電機(jī)包括:磁鐵陣列100，線圈陣列200。磁鐵陣列100可以沿著第一方向101和第二方向102相對(duì)線圈陣列200作大范圍運(yùn)動(dòng)。其中，磁鐵陣列100按周期順序的行序14 (η)和周期順序的列序15 (η)，其中η為自然數(shù)。磁鐵陣列100的行序14 (η)和列序15 (η)分別在第一方向101和第二方向102排布。兩個(gè)方向的磁體陣列分布詳細(xì)如圖2所示。其中，線圈陣列200由四個(gè)線圈組Cl、C2、C3、C4構(gòu)成的基本單元周期性排布構(gòu)成，該線圈組為四相線圈組，包括四相線圈組的第一線圈C11、四相線圈組的第二線圈C12、四相線圈組的第三線圈C13、四相線圈組的第四線圈C14。線圈組Cl和C3沿著Dl軸方向排布，線圈組C2和C4沿著D2軸方向排布。由C1、C2、C3、C4線圈組構(gòu)建的四相線圈組整體分別沿著Dl軸方向和D2軸方向周期排布，即構(gòu)建線圈定子陣列。如圖2所示，在本發(fā)明所優(yōu)選的永磁平面陣列實(shí)施例1中，101，102，103分別為第一軸，第二軸及第三軸，它們互相垂直。永磁陣列100在101、102平面上分布。磁鐵陣列100由第一類N極方形磁鐵104、第二類S極方形磁鐵105、第三類組合磁鐵(包括第一棱柱磁鐵106,第二棱柱磁鐵107及第三棱柱磁鐵108)沿著第一方向101和第二方向102按照Halbach array (即海爾貝克陣列)模式進(jìn)行周期性排布。其中第三類組合磁鐵由第一棱柱磁鐵106、第二棱柱磁鐵107、第三棱柱磁鐵108三部分磁鐵塊組成。其中該第一類N極方形磁鐵104、第二類S極方形磁鐵105為分別在第三軸方向103的正方向上和負(fù)方向上的磁化方向，它們?cè)谄矫鎯?nèi)交替分布，間距為P。其中，一組第一類N極方形磁鐵104或第二類S極方形磁鐵105與其四條邊輻射方向的4組第三類組合磁鐵(106、107、108)構(gòu)建為一個(gè)磁鐵陣列的基本的單元，如圖3所示。圖3為實(shí)施例1中該Halbach磁鐵陣列的一個(gè)基本單元。該基本單元中心為第一類N極方形磁鐵104時(shí)，其四條邊輻射方向的4組第三類組合磁鐵(106、107、108)磁化方向指向第一類N極方形磁鐵104的方向。該基本單元中心為第二類S極方形磁鐵105時(shí)，其四條邊輻射方向的4組第三類組合磁鐵(106、107、108)磁化方向指向遠(yuǎn)離第二類S極方形磁鐵105的方向。第三類組合磁鐵(106、107、108)分別為第一,第二,第三三棱柱型磁鐵塊，橫截面如圖4所示，分別為直角三角形，等腰三角形和直角三角形，它們共同組成一塊條形磁鐵。該第一類、第二類、第三類磁鐵構(gòu)建一個(gè)完整周期性的Halbach磁鐵組121、122，分布沿著第一軸方向101和第二方向102周期重復(fù)排布，構(gòu)建磁鐵陣列。圖4為實(shí)施例一中該Halbach磁鐵組沿著第一方向101或第二方向102的周期性磁鐵陣列的截面圖。其中，第三類磁鐵的第一棱柱磁鐵106沿著斜面充磁方向垂直指向第三類磁鐵的第二棱柱磁鐵107，第三類磁鐵的第二棱柱磁鐵107的磁極方向與第一方向101平行指向第一類N極方形磁鐵104，第三類磁鐵的第三棱柱磁鐵108沿著斜面充磁方向垂直遠(yuǎn)離第三類磁鐵的第二棱柱磁鐵107，第一類方型磁鐵104a、104b磁化方向平行軸103向上，第二類方型磁鐵105a、105b磁化方向平行軸103向下。第一類方型磁鐵104a、104b和第二類方型磁鐵105a、105b的長、高、寬均一致，第一類方型磁鐵104a、104b和第三類組合磁鐵的長度為P，所述第三類磁鐵的第二棱柱磁鐵107為等腰三角形，其底邊邊長為tm。圖5為實(shí)施例一中該Halbach磁鐵組沿著第一軸方向101或第二方向102的周期性磁鐵陣列的103軸方向的磁密優(yōu)化曲線。圖5的橫軸為第二棱柱磁鐵107底邊邊長為tm與極距長度P的比例值序列，該比例值序列從O到I。圖5的縱軸為圖3該Halbach陣列磁鐵上表面IOmm位置的空間磁密曲線的第一階諧波(圖5中顯示為實(shí)線)和第三階諧波曲線(圖5中顯示為虛線)。根據(jù)該磁密曲線圖可優(yōu)化得到tm/p比例范圍:0.35、.7，該Halbach磁鐵組的磁密的高次諧波幅值相對(duì)較小，尤其是在tm/p比例范圍:0.5^0.57時(shí)，該Halbach磁鐵組的磁密的高次諧波達(dá)到最小化。根據(jù)該磁密曲線圖可優(yōu)化得到tm/p比例范圍:0.3^0.4，該Halbach磁鐵組的磁密的基波幅值最大化，但對(duì)應(yīng)的高次諧波也較大。圖6為實(shí)施例一中該Halbach磁鐵組沿著第一軸方向101或第二方向102的周期性磁鐵陣列的二維磁通分布曲線。根據(jù)該二維磁通分布曲線可得到該分布陣列的末端磁通泄露少，弱側(cè)磁通均勻分布且泄露少，強(qiáng)側(cè)磁通分布周期性變化更為密集。圖7為實(shí)施例一中該Halbach磁鐵組沿著第一軸方向101或第二方向102的周期性磁鐵陣列的強(qiáng)側(cè)磁通等高線，根據(jù)該二維磁通分布曲線可得到該分布陣列的強(qiáng)側(cè)磁通呈標(biāo)準(zhǔn)正弦分布。圖8為實(shí)施例一中該Halbach磁鐵組沿著第一軸方向101或第二方向102的周期性磁鐵陣列的弱側(cè)磁通等高線，根據(jù)該二維磁通分布曲線可得到該分布陣列的弱側(cè)磁通呈正弦分布,泄露的磁通量幅值波動(dòng)較小。圖9為實(shí)施例1中該Halbach磁鐵組沿著第一軸方向101和第二方向102的周期性磁鐵陣列在平面坐標(biāo)內(nèi)磁鐵強(qiáng)側(cè)高度為IOmm位置處的三維磁密分布圖。根據(jù)該二維磁通分布曲線可得到該分布陣列的三維空間磁密呈空間二維理想正弦分布。實(shí)施例二:
圖10給出了圖1中磁鐵陣列的第二種實(shí)施例。如圖10所示，實(shí)施例二為該Halbach磁鐵組沿著第一軸方向101或第二方向102的周期性磁鐵陣列的截面圖。該陣列包括三類磁鐵，其中，第三類磁鐵的第一棱柱磁鐵136沿著斜面充磁方向垂直指向第三類磁鐵的第二棱柱磁鐵137，第三類磁鐵的第二棱柱磁鐵137的磁極方向與第一軸軸方向101平行指向第一類N極方型磁鐵134，第三類磁鐵的第三棱柱磁鐵138沿著斜面充磁方向垂直遠(yuǎn)離第三類磁鐵的第二棱柱磁鐵107，第一類N極方型磁鐵134a、134b磁化方向平行軸103向上，第二類S極方型磁鐵135a、135b磁化方向平行軸103向下。如圖11所示，圖10給出的Halbach磁鐵組的第一類N極方型磁鐵134a、134b和第二類S極方型磁鐵135a、135b的長、高、寬均一致，第一類N極方型磁鐵134a、134b和第三類組合磁鐵的長度為P，所述第三類磁鐵的第二棱柱磁鐵137為等腰梯形，其下底邊邊長為tm，上底邊邊長為tp。圖12為實(shí)施例二中該Halbach磁鐵組沿著第一方向101或第二方向102的周期性磁鐵陣列的第三方向103的磁密優(yōu)化曲線。圖12的橫軸為第二棱柱磁鐵137的上底邊邊長tp與下底邊邊長為tm之間的比例值序列，該比例值序列從O到I ;圖12的縱軸為圖10該Halbach陣列磁鐵上表面IOmm位置的空間磁密曲線的基波曲線。根據(jù)該磁密曲線圖可優(yōu)化得到tp/tm比例范圍:(Γ0.3，該Halbach磁鐵組的空間磁密達(dá)到最大化。尤其是，該比例值取O時(shí)，即為實(shí)施例1的情況，因此，實(shí)施例一即為tp為O的特殊例。
實(shí)施例三:
圖13給出了圖1中磁鐵陣列的第三種實(shí)施例，如圖13所示，實(shí)施例三為該Halbach磁鐵組沿著第一方向101或第二方向102的周期性磁鐵陣列的截面圖。該陣列包括三類磁鐵，其中，第三類磁鐵的第一磁鐵335與第一軸方向101平行指向并指向第一類N極梯形棱柱磁鐵337，第三類磁鐵的第二磁鐵336的磁極方向與第一軸方向101平行指向第一類N極梯形棱柱磁鐵337。第一類截面為梯形的棱柱磁鐵337a、337b磁化方向平行軸103向上，第二類截面為梯形的棱柱磁鐵338a、338b磁化方向平行軸103向下。如圖13所示，該Halbach磁鐵組的第一類磁鐵、第二類磁鐵和第三類磁鐵均為梯形截面磁鐵，它們的寬度均一致。該實(shí)施例3中的第一類方型磁鐵337a、337b和第三類組合磁鐵的長度為p，所述第三類磁鐵的第二棱柱磁鐵137為等腰梯形，其下底邊邊長為tm，上底邊邊長為tp。優(yōu)選地，該實(shí)施例3的第三類磁鐵的上底邊邊長為tp與下底邊邊長為tm之比范圍為:(Γθ.5 ;第三類磁鐵的上底邊邊長為tp與極距長度P之比范圍為:(Γ0.25。實(shí)施例四:
圖14給出了圖1中磁鐵陣列的第四種實(shí)施例。如圖14所示，實(shí)施例4為該Halbach磁鐵組沿著第一軸方向101或第二方向102的周期性磁鐵陣列的截面圖。該陣列包括三類磁鐵:第一類磁鐵234、第二類磁鐵235和第三類磁鐵236、237、238。其中，第三類磁鐵的第一棱柱磁鐵236沿著斜面充磁方向垂直指向第三類磁鐵的第二棱柱磁鐵237，第三類磁鐵的第二棱柱磁鐵237的磁極方向與第一軸方向101平行指向第一類N極方型磁鐵234，第三類磁鐵的第三棱柱磁鐵238沿著斜面充磁方向垂直遠(yuǎn)離第三類磁鐵的第二棱柱磁鐵237，第一類N極方型磁鐵234a、234b磁化方向平行軸103向上，第二類S極方型磁鐵235a、235b磁化方向平行軸103向下。如圖15所示，圖14給出的Halbach磁鐵組的第一類N極方型磁鐵234a、234b和第二類S極方型磁鐵235a、235b的長、高、寬均一致，其中高度為H，第一類N極方型磁鐵234a、234b和第三類組合磁鐵的長度為P，所述第三類磁鐵的第二棱柱磁鐵237為等腰梯形，其下底邊邊長為tm，所述第三類磁鐵的第一棱柱磁鐵236和第三棱柱磁鐵238為直角梯形截面的四棱柱磁鐵，其組合面的邊長th。優(yōu)選地，所述第三類磁鐵的第二棱柱磁鐵237的底邊tm與極距長度P之比例范圍為:0.35、.7，所述第三類磁鐵的第一棱柱磁鐵236和第三棱柱磁鐵238的組合面的邊長th與磁鐵高度H之比例范圍為:(Γθ.5。需要說明的是，本發(fā)明的技術(shù)方案并不局限于上述各實(shí)施例中的磁鐵單元和磁鐵陣列結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域技術(shù)人員完全可以根據(jù)本發(fā)明的總體方案及本領(lǐng)域的技術(shù)知識(shí)，設(shè)計(jì)和改變本發(fā)明磁鐵單元的構(gòu)成形式、參數(shù)等特性:例如采用其他截面形狀的棱柱磁鐵，或者棱臺(tái)、棱錐等磁鐵形狀構(gòu)成Halbach陣列排布的磁鐵組合,根據(jù)設(shè)計(jì)需求和磁密特性選擇各磁鐵的形狀尺寸參數(shù)、磁化方向，等等。本發(fā)明提出一種新的更為連續(xù)的Halbach磁鐵陣列的磁浮平面電機(jī)定位裝置，該裝置的平面電機(jī)磁鐵陣列的主磁極采用方形的磁鐵陣列，第三類磁極采用三棱柱磁鐵與或四棱柱磁鐵共三塊磁鐵構(gòu)建，截面呈三角形或梯形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布局，平面磁密方向與磁鐵陣列外形方向一致，構(gòu)建的磁密為更連續(xù)的Halbach陣列。同時(shí)，該磁鐵陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得垂向和水平磁密均相對(duì)更大，背面磁泄露更小，平面二維磁密的高次諧波更小。圖16更詳細(xì)的給出了根據(jù)本發(fā)明的磁浮平面電機(jī)作為動(dòng)磁鐵定位裝置應(yīng)用于步進(jìn)掃描曝光的光刻裝置，其組成部件包括:照明模 塊7101、照明支架7102、掩模7103、掩模臺(tái)平面電機(jī)7104、掩模臺(tái)支撐梁7112、物鏡7105、掩模臺(tái)支撐框架7110、主基板7111、干涉儀測量模塊7120、硅片7106、承片臺(tái)7107、平面電機(jī)的磁鐵動(dòng)子7108、平面電機(jī)線圈定子及基座7109，支撐框架座7113，以及基礎(chǔ)框架7115。其中，掩模臺(tái)平面電機(jī)7104和工件臺(tái)平面電機(jī)7108、7109均采用了本發(fā)明的動(dòng)磁鐵磁浮平面電機(jī)作為圖形和基底的承載裝置，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)定位臺(tái)的平面電機(jī)磁鐵陣列和線圈陣列布置如前所述。掩模臺(tái)平面電機(jī)7104的線圈定子安裝于掩模臺(tái)支撐梁7112上，而工件臺(tái)平面電機(jī)7108懸浮定位，其定子線圈定子安裝于基座7109上。工件臺(tái)磁浮平面電機(jī)的動(dòng)子采用激光干涉儀7120測量反饋進(jìn)行控制，當(dāng)線圈中通以電流，根據(jù)干涉儀測量得到的位置、進(jìn)行控制調(diào)諧平面電機(jī)控制器的力的大小和方向，進(jìn)而控制平面電機(jī)的電流大小，從而精確定位圖形和基底的位置。曝光過程中，照明模塊7101的光透射過掩模7103將圖形通過物鏡7105按照倍率投影在基底或硅片7106上，刻畫出圖形。本說明書中該只是本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)本發(fā)明的限制。凡本領(lǐng)域技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種十字型磁鐵單元，包括第一磁鐵及圍繞第一磁鐵的第二磁鐵單元，其特征在于，所述第一磁鐵是N極磁鐵或S極磁鐵，所述第一磁鐵的磁化方向沿Z軸方向，所述第二磁鐵單元包括四組結(jié)構(gòu)相同的磁鐵組合，所述四組磁鐵組合分別位于沿X軸方向和沿Y軸方向，所述磁鐵組合的磁化方向指向N極磁鐵或者遠(yuǎn)離S極磁鐵，所述每組磁鐵組合由至少兩個(gè)棱柱磁鐵、或棱錐磁鐵、或棱臺(tái)磁鐵組成。
2.如權(quán)利要求1所述的十字型磁鐵單元，其特征在于，所述第二磁鐵單元是一長方體，所述磁鐵組合由第一棱柱磁鐵、第二棱柱磁鐵及第三棱柱磁鐵組成一長方體，所述第一、第三棱柱磁鐵結(jié)構(gòu)相同。
3.如權(quán)利要求2所述的十字型磁鐵單元，其特征在于，所述第一、第三棱柱磁鐵沿XZ或YZ平面的截面為一直角三角形，所述第二棱柱磁鐵的截面為一等腰三角形，其下底邊邊長為tm，所述第一磁鐵與其相鄰第二磁鐵單元的任一組磁鐵組合的長度和是P，tm/p的取值范圍為0.35 0.7。
4.如權(quán)利要求3所述的十字型磁鐵單元，其特征在于，所述tm/p的取值范圍為0.5 0.57。
5.如權(quán)利要求2所述的十字型磁鐵單元，其特征在于，所述第一、第三棱柱磁鐵沿XZ或YZ平面的截面為一直角三角形，所述第二棱柱磁鐵沿XZ或YZ平面的截面為一等腰梯形，其上底底邊邊長為tp,下底邊邊長為tm,其中tp/tm的取值范圍為(T0.3。
6.如權(quán)利要求2所述的十字型磁鐵單 元，其特征在于，所述第一、第三棱柱磁鐵沿XZ或YZ平面的截面為一直角梯形，其上底邊邊長為th，下底邊邊長為H，所述第二棱柱磁鐵沿XZ或YZ平面的截面為一等腰三角形，其底邊邊長為tm，所述第一磁鐵與其相鄰第二磁鐵單元的任一組磁鐵組合的長度和是P，tp/tm的取值范圍為0.35、.7，th/H的取值范圍為(Γ0.5。
7.如權(quán)利要求1所述的十字型磁鐵單元，其特征在于，所述第一磁鐵單元與第二磁鐵單元均為梯形，其中第二磁鐵單元的上底底邊邊長為tp，下底邊邊長為tm，任一組磁鐵組合與第一磁鐵的長度和是P，tp/tm的取值范圍為(Γ0.5，tm/p的取值范圍為(Γθ.25。
8.如權(quán)利要求3、5、6中任一項(xiàng)所述的十字型磁鐵單元，其特征在于，所述的第二棱柱磁鐵的磁化方向沿著X軸方向或Y軸方向，所述的第一棱柱磁鐵和第三棱柱磁鐵的磁化方向分別對(duì)應(yīng)垂直于第二棱柱磁鐵的等腰邊方向。
9.一種磁鐵陣列，其特征在于，包括若干個(gè)如權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的磁鐵單元，所述磁鐵單元沿第一軸方向和第二軸方向按照Halbach陣列模式進(jìn)行周期性排布，所述Halbach陣列模式為第一 N極磁鐵與第一 S極磁鐵通過第二磁鐵單元中的一組磁鐵組合連接，所述磁鐵組合的磁化方向指向所述第一 N極磁鐵且遠(yuǎn)離第一 S極磁鐵。
10.一種磁浮平面電機(jī)，包括磁鐵陣列和線圈陣列，其特征在于，所述磁鐵陣列包括若干個(gè)如權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的磁鐵單元，所述磁鐵單元沿第一軸方向和第二軸方向按照Halbach陣列模式進(jìn)行周期性排布組成,所述Halbach陣列模式為第一 N極磁鐵與第一 S極磁鐵通過第二磁鐵單元中的一組磁鐵組合連接,所述磁鐵組合的磁化方向指向所述第一 N極磁鐵且遠(yuǎn)離第一 S極磁鐵；所述線圈陣列位于磁鐵陣列之上或之下，所述磁鐵陣列相對(duì)于所述線圈陣列運(yùn)動(dòng)。
11.如權(quán)利要求10所述的磁浮平面電機(jī)，其特征在于，所述線圈陣列包括若干個(gè)沿第一軸方向、第二軸方向分布的線圈單元，所述的第一軸方向、第二軸方向分別與X方向、Y方向成45度夾角。
12.如權(quán)利要求11所述的磁浮平面電機(jī)，其特征在于，所述線圈單元包括呈矩形排列的四個(gè)線圈組，其中相鄰兩個(gè)線圈組分別對(duì)應(yīng)沿第一軸方向、第二軸方向排列。
13.如權(quán)利要求12所述的磁浮平面電機(jī)，其特征在于，所述線圈組包括相互平行的四組線圈，所述四組線圈組成線圈定子陣列。
14.一種光刻裝置，其特征在于，包括:一照明單元，用于提供曝光光束； 一掩模臺(tái)，用于支撐一掩模； 一工件臺(tái)，用于支撐一基底并提供六自由度運(yùn)動(dòng)； 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(tái)包括如權(quán)利要求10至13任一項(xiàng)所述的磁浮平面電機(jī)。
15.如權(quán)利要求14所述的光刻裝置，其特征在于，所述掩模臺(tái)包括如權(quán)利要求10至13任一項(xiàng)所述的磁浮平面電機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種十字型磁鐵單元，包括第一磁鐵及圍繞第一磁鐵的第二磁鐵單元，所述第一磁鐵是N極磁鐵或S極磁鐵，所述第一磁鐵的磁化方向沿Z軸方向，所述第二磁鐵單元包括四組結(jié)構(gòu)相同的磁鐵組合，所述四組磁鐵組合分別位于沿X軸方向和沿Y軸方向，所述磁鐵組合的磁化方向指向N極磁鐵或者遠(yuǎn)離S極磁鐵，所述每組磁鐵組合由至少兩個(gè)棱柱磁鐵、或棱錐磁鐵、或棱臺(tái)磁鐵組成。本發(fā)明還公開一種磁鐵陣列、磁浮平面電機(jī)及應(yīng)用該磁浮平面電機(jī)的光刻裝置。
文檔編號(hào)H02K1/06GK103208867SQ20121001331
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者吳立偉, 黃威, 陳慶生, 方潔 申請(qǐng)人:上海微電子裝備有限公司