本發(fā)明涉及光刻領(lǐng)域，尤其涉及一種多自由度長行程直線電機(jī)。
背景技術(shù)：
：隨著光刻技術(shù)的進(jìn)步和半導(dǎo)體工業(yè)的快速發(fā)展，對于光刻設(shè)備有四項(xiàng)基本性能指標(biāo)：線寬均勻性(CD，CriticalDimensionUniformity)、焦深(Focus)、套刻(Overlay)和產(chǎn)率(Throughput)。為了提高線寬均勻性，工件臺或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，工件臺或掩模臺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，工件臺或掩模臺必須提高其內(nèi)部模態(tài)來提升動態(tài)定位特性。此外，光刻設(shè)備必須增加產(chǎn)率，因此工件臺或掩模臺還必須高速運(yùn)動，快速啟動和停止。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，增加掃描速度需要功率更大的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)長行程和高速度運(yùn)動，并具有多自由度運(yùn)動來進(jìn)行光刻曝光和對準(zhǔn)。直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動裝置，相比旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高以及傳動效率高等優(yōu)勢，因此廣泛應(yīng)用于光刻設(shè)備的高精度定位平臺中。如圖1所示，傳統(tǒng)的直線電機(jī)通常包括上下對稱設(shè)置的兩塊背鐵1’、粘接在背鐵1’上的磁鐵陣列2’和位于磁鐵陣列2’之間的線圈3’，線圈3’沿Z向從磁鐵陣列2’兩側(cè)伸出或全部置于磁鐵陣列2’兩側(cè)范圍內(nèi)，分別如圖2a、2b所示，線圈3’的數(shù)量為3的倍數(shù)。當(dāng)線圈3’的數(shù)量等于3時(shí)，在線圈3’內(nèi)通入三相電流，使線圈3’與磁鐵2’之間產(chǎn)生X軸方向的相互作用力，二者沿X軸方向相對運(yùn)動；當(dāng)線圈3’的數(shù)量大于3時(shí)，可以通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式，使線圈3’最終 只有三個(gè)出線端子用于接三相電流。但無論以何種方式接線或通電，該種直線電機(jī)只有X軸方向出力的功能，即只具有一個(gè)自由度，不能滿足光刻設(shè)備在其他方向的運(yùn)動和高精度定位。針對以上問題，提供了一種具有二自由度的直線電機(jī)，如圖3所示，與上述單自由度直線電機(jī)不同的是，該結(jié)構(gòu)中使線圈3’的一部分沿Z軸方向從磁鐵陣列2’一側(cè)伸出，另一部分位于磁鐵陣列2’范圍內(nèi)，如此設(shè)置則使處在磁場內(nèi)部線圈3’具有Z軸方向出力功能，從而使直線電機(jī)具有二自由度運(yùn)動功能。然而該種結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)不具備重力補(bǔ)償功能，當(dāng)電機(jī)上方受到負(fù)載沿Z軸方向的重力作用時(shí)，便會加重線圈3’在Z軸方向的推力壓力，從而影響直線電機(jī)的整體性能，降低光刻設(shè)備的定位精度。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明為了克服以上不足，提供了一種具有重力補(bǔ)償功能的多自由度長行程直線電機(jī)。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種多自由度長行程直線電機(jī)，包括沿Y軸方向平行分布的若干個(gè)背鐵、與所述背鐵粘接的若干磁鐵陣列和位于所述磁鐵陣列之間的線圈，所述線圈沿Z軸方向從所述磁鐵陣列一側(cè)延展，還包括位置與所述線圈對應(yīng)的導(dǎo)磁塊，所述導(dǎo)磁塊位于所述磁鐵陣列沿Z軸的負(fù)方向一側(cè)。進(jìn)一步的，所述背鐵的數(shù)量為2個(gè)，沿Y軸負(fù)方向分別為第一背鐵和第二背鐵，所述磁鐵陣列的數(shù)量為2個(gè)，分別設(shè)置在所述第一背鐵和第二背鐵相對應(yīng)一側(cè)。進(jìn)一步的，所述線圈包括若干線圈繞組，所述線圈繞組由三個(gè)具有中空結(jié)構(gòu)的橢圓形線圈沿X軸方向水平排列而成。進(jìn)一步的，所述導(dǎo)磁塊設(shè)有一個(gè)，由呈片狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)磁材料沿X軸方向堆疊而成，位置與所述線圈繞組沿Z軸負(fù)方向一側(cè)相對應(yīng)。進(jìn)一步的，所述導(dǎo)磁塊設(shè)有若干個(gè)，設(shè)于所述中空結(jié)構(gòu)內(nèi)沿Z軸負(fù)方向最遠(yuǎn)一側(cè)。進(jìn)一步的，還包括設(shè)于所述線圈繞組上表面的上蓋板和設(shè)于線圈繞組下表面的下蓋板，用于固定所述線圈繞組和導(dǎo)磁塊。進(jìn)一步的，所述下蓋板上設(shè)有與所述線圈繞組和導(dǎo)磁塊相適配的凹槽，以及與所述橢圓形線圈中空部分相適配的凸起。進(jìn)一步的，所述背鐵的數(shù)量為3個(gè)，沿Y軸負(fù)方向依次為第一背鐵、第三背鐵和第二背鐵，所述磁鐵陣列的數(shù)量為4個(gè)，分別設(shè)置在所述第一背鐵、第三背鐵相對應(yīng)一側(cè)和所述第三背鐵、第二背鐵相對應(yīng)一側(cè)。進(jìn)一步的，所述相對應(yīng)設(shè)置的磁鐵陣列極性相反。進(jìn)一步的，所述線圈由若干個(gè)沿YZ平面橫截面為U型、具有中空結(jié)構(gòu)的線圈沿X軸方向依次排列而成，所述線圈呈一側(cè)開口包設(shè)在所述第三背鐵外周。進(jìn)一步的，所述導(dǎo)磁塊包括由呈片狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)磁材料沿X軸方向堆疊而成、位置分別與所述線圈開口處的兩端相對應(yīng)的第一導(dǎo)磁塊和設(shè)于所述中空結(jié)構(gòu)內(nèi)沿Z軸負(fù)方向最遠(yuǎn)一側(cè)的第二導(dǎo)磁塊。進(jìn)一步的，所述磁鐵陣列為海爾貝克磁鐵陣列，包括若干個(gè)由4塊永磁鐵沿X軸方向依次拼接而成的海爾貝克單元。進(jìn)一步的，所述4塊永磁鐵依次為S磁鐵、H1磁鐵、N磁鐵和H2磁鐵，所述S磁鐵的磁化方向沿Y軸正向，所述N磁鐵的磁化方向沿Y軸負(fù)向，所述H1磁鐵的磁化方向沿X軸正向，所述H2磁鐵的磁化方向沿X軸負(fù)向。本發(fā)明提供的多自由度長行程直線電機(jī)，通過設(shè)置與線圈對應(yīng)的導(dǎo)磁塊，且導(dǎo)磁塊中心線位于磁鐵陣列中心線沿Z軸的負(fù)方向一側(cè)，當(dāng)直線電機(jī)運(yùn)動時(shí)，導(dǎo)磁塊受磁鐵陣列的作用而產(chǎn)生沿Z軸正向的重力補(bǔ)償力，以抵消負(fù)載產(chǎn)生的沿Z軸方向帶來重力，降低線圈沿Z軸正向的推力壓力，提高了多自由度直線電機(jī)的整體性能，很好地滿足了光刻設(shè)備的高精度定位要求。附圖說明圖1是傳統(tǒng)單自由度直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a、2b是傳統(tǒng)單自由度直線電機(jī)線圈分布示意圖；圖3是現(xiàn)有二自由度直線電機(jī)線圈分布示意圖；圖4是本發(fā)明多自由度長行程直線電機(jī)實(shí)施例1的整體圖；圖5是本發(fā)明多自由度長行程直線電機(jī)實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明多自由度長行程直線電機(jī)實(shí)施例1線圈分布示意圖；圖7是本發(fā)明多自由度長行程直線電機(jī)實(shí)施例1磁鐵陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明多自由度長行程直線電機(jī)實(shí)施例1沿X軸方向運(yùn)動時(shí)重力補(bǔ)償力的仿真曲線；圖9是本發(fā)明多自由度長行程直線電機(jī)實(shí)施例1導(dǎo)磁塊對X軸方向推力的干擾力仿真曲線；圖10是本發(fā)明多自由度長行程直線電機(jī)實(shí)施例1沿Z軸方向運(yùn)動時(shí)重力補(bǔ)償力的仿真曲線；圖11是本發(fā)明多自由度長行程直線電機(jī)實(shí)施例1沿X軸方向運(yùn)動時(shí)線圈X向推力仿真曲線；圖12是本發(fā)明多自由度長行程直線電機(jī)實(shí)施例1沿X軸方向運(yùn)動時(shí)線圈Z向推力仿真曲線；圖13是本發(fā)明多自由度長行程直線電機(jī)實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖；圖14是本發(fā)明多自由度長行程直線電機(jī)實(shí)施例2下蓋板結(jié)構(gòu)示意圖；圖15是本發(fā)明多自由度長行程直線電機(jī)實(shí)施例3結(jié)構(gòu)示意圖；圖16是本發(fā)明多自由度長行程直線電機(jī)實(shí)施例4結(jié)構(gòu)示意圖；圖17是本發(fā)明多自由度長行程直線電機(jī)實(shí)施例4沿XY平面的截面示意圖。圖1-3中所示：1’、背鐵；2’、磁鐵陣列；3’、線圈；圖4-17中所示：1、背鐵；101、第一背鐵；102、第二背鐵；103、第三背鐵；2、磁鐵陣列；201、海爾貝克單元；3、線圈；301、線圈繞組；3011、橢 圓形線圈；4、導(dǎo)磁塊；401、第一導(dǎo)磁塊；402、第二導(dǎo)磁塊；5、上蓋板；6、下蓋板；601、凹槽；602、凸起。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)描述：實(shí)施例1如圖4-6所示，本發(fā)明提供了一種多自由度長行程直線電機(jī)，包括沿Y軸方向平行分布的若干個(gè)背鐵1、與背鐵1粘接的若干磁鐵陣列2和位于磁鐵陣列2之間的線圈3，線圈3沿Z軸方向從磁鐵陣列2一側(cè)延展，還包括位置與線圈3對應(yīng)的導(dǎo)磁塊4，導(dǎo)磁塊4位于磁鐵陣列2沿Z軸負(fù)方向一側(cè)，由于磁鐵陣列2中心線處的磁場最強(qiáng)，而導(dǎo)磁塊4具有趨向強(qiáng)磁的特性，因此，當(dāng)導(dǎo)磁塊4在偏離磁鐵陣列2中心線運(yùn)動時(shí)，會受到指向中心線方向的磁力，即沿Z軸正方向的重力補(bǔ)償力，以抵消直線電機(jī)上負(fù)載產(chǎn)生的沿Z軸負(fù)方向的重力。請重點(diǎn)參照圖5，背鐵1的數(shù)量為2個(gè)，沿Y軸負(fù)方向分別為第一背鐵101和第二背鐵102，磁鐵陣列2的數(shù)量為2個(gè)，分別設(shè)置在第一背鐵101和第二背鐵102相對應(yīng)一側(cè)，即分別粘接在第一背鐵101沿Y軸負(fù)向一側(cè)和第二背鐵102沿Y軸正向一側(cè)。線圈3包括若干線圈繞組301，線圈繞組301由三個(gè)具有中空結(jié)構(gòu)的橢圓形線圈3011沿X軸方向水平排列而成，具體的，當(dāng)線圈繞組301的數(shù)量為1時(shí)，將其與一個(gè)三相驅(qū)動器連接，使直線電機(jī)具有X向和Z向的二自由度運(yùn)動功能；當(dāng)線圈繞組301的數(shù)量等于2時(shí)，使每個(gè)線圈繞組301接一個(gè)三相驅(qū)動器，使直線電機(jī)可以沿X、Z軸方向運(yùn)動，同時(shí)繞Y軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動功能，其中繞Y軸轉(zhuǎn)動通過兩個(gè)線圈繞組301沿Z軸做反向運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)線圈繞組301的數(shù)量大于2時(shí)，將其并聯(lián)或串聯(lián)后與兩個(gè)三相驅(qū)動器連接以實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動功能。優(yōu)選的，導(dǎo)磁塊4設(shè)有一個(gè)，由呈片狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)磁材料沿X軸方向堆疊而成，位置與線圈繞組301沿Z軸負(fù)方向一側(cè)相對應(yīng)，與線圈繞組301處于同一 個(gè)XY平面內(nèi)，導(dǎo)磁塊4采用片狀堆疊的方式是為了減小導(dǎo)磁材料在磁場中運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的渦電流，從而可以減小阻尼力。線圈繞組301上表面設(shè)有上蓋板5，其下表面設(shè)有下蓋板6，下蓋板6上設(shè)有與線圈繞組301和導(dǎo)磁塊4相適配的凹槽601，以及與橢圓形線圈3011中空部分相適配的凸起602，上蓋板5和下蓋板6用于固定線圈繞組301和導(dǎo)磁塊4。如圖7所示，磁鐵陣列2為海爾貝克磁鐵陣列，包括若干個(gè)由4塊永磁鐵沿X軸方向依次拼接而成的海爾貝克單元201，4塊永磁鐵依次為S磁鐵、H1磁鐵、N磁鐵和H2磁鐵，其中，S磁鐵的磁化方向沿Y軸正向，N磁鐵的磁化方向沿Y軸負(fù)向，H1磁鐵的磁化方向沿X軸正向，H2磁鐵的磁化方向沿X軸負(fù)向。請重點(diǎn)參照圖6，設(shè)N磁鐵和S磁鐵中心位置沿X軸方向的間距為τ，即為極距，每個(gè)橢圓形線圈3011沿X軸方向的寬度為Wcoil，二者之間有如下關(guān)系：Wcoil=43τ---(1)]]>或Wcoil=53τ---(2)]]>則每個(gè)線圈繞組301內(nèi)部的三相電流的相位關(guān)系描述如下：根據(jù)三相電機(jī)的矢量控制技術(shù)，每個(gè)橢圓形線圈3011所通的電流采用直軸交軸(DQ)分解法進(jìn)行控制，邏輯上對應(yīng)兩個(gè)電流分量，分別為直軸電流和交軸電流用于控制電機(jī)Z向出力，用于控制電機(jī)X向出力。對應(yīng)于三個(gè)橢圓形線圈3011分別為和設(shè)三個(gè)橢圓形線圈3011內(nèi)實(shí)際通入的電流分別是上述各電流分量有如下關(guān)系：i→A=i→Ad+i→Aqi→B=i→Bd+i→Bqi→C=i→Cd+i→Cq---(3)]]>設(shè)的初始相位為的初始相位為若橢圓形線圈3011的寬度Wcoil和極距τ滿足式(1)的關(guān)系，則三個(gè)橢圓形線圈3011所通入的三相電流初始相位需滿足如下關(guān)系：式中，n為整數(shù)。當(dāng)橢圓形線圈3011的寬度Wcoil和極距τ之間滿足式(1)，電流關(guān)系滿足式(3)，電流相位關(guān)系滿足式(4)時(shí)，三個(gè)橢圓形線圈3011的接線方向一致。若橢圓形線圈3011寬度Wcoil和極距τ滿足式(2)的關(guān)系，則橢圓形線圈3011所通入的三相電流初始相位需滿足如下關(guān)系：式中，n為整數(shù)。當(dāng)橢圓形線圈3011的寬度Wcoil和極距τ之間滿足式(2)，且電流關(guān)系滿足式(3)，電流相位關(guān)系滿足式(5)時(shí)，第二個(gè)橢圓形線圈3011與第一、第三個(gè)橢圓形線圈3011的接線方向相反。以上描述了每組三相線圈內(nèi)部的二組電流分量之間的相位關(guān)系。圖5中示意了6個(gè)線圈3，6個(gè)線圈3的Z向出力的電流分量的相位分別定義為：和當(dāng)需要繞Y軸轉(zhuǎn)動時(shí)，兩組線圈的Z向出力的電流分量相位需滿足以下關(guān)系：式中，n為整數(shù)。當(dāng)不需要繞Y軸轉(zhuǎn)動時(shí)，兩組線圈的Z向出力的電流分量相位需滿足以下關(guān)系：上式中，n為整數(shù)。本實(shí)施例以磁鐵陣列2作定子，線圈3及導(dǎo)磁塊4作為動子，動子沿X軸方向運(yùn)動時(shí)，重力補(bǔ)償力的仿真曲線如圖8所示，仿真的行程為60mm，加長磁鐵陣列2沿X軸方向的排布便可以增長動子的運(yùn)動行程。從圖中可以看出，重力補(bǔ)償力呈周期性波動，波動比例為3.3％((194.62-188.38)/188.38＝3.3％)，此波動可以通過控制Z向電流分量，即控制的電流大小進(jìn)行補(bǔ)償。圖9為動子沿X軸方向運(yùn)動時(shí)導(dǎo)磁塊4對X軸方向推力的干擾力仿真曲線圖，從圖中可以看出，導(dǎo)磁塊4對X軸方向推力的干擾力不超過4.6N，此干擾力則可以通過控制X向電流分量，即控制電流大小進(jìn)行補(bǔ)償。圖10為動子沿Z軸方向運(yùn)動時(shí)重力補(bǔ)償力的仿真曲線圖，與沿X軸向運(yùn)動不同的是，沿Z軸方向運(yùn)動行程受到磁鐵陣列2沿Z軸方向長度的限制，圖中仿真行程為15mm，重力補(bǔ)償力的波動比例為：(221.7-184.8)/184.8＝20.0％。若要求重力補(bǔ)償力波動更小，則可只取導(dǎo)磁塊4與磁鐵陣列2中心線之間的一段作為行程，同時(shí)，此波動也可通過控制Z向電流分量的大小進(jìn)行補(bǔ)償。圖11為動子沿X軸方向運(yùn)動時(shí)，線圈3產(chǎn)生的沿X軸方向的推力仿真曲線圖，從圖中可以得出，推力的波動比例為：(83.8-82.6)/82.6＝1.5％?？梢钥闯?，加入重力補(bǔ)償后，對線圈3在X軸方向的出力影響很小，可以忽略。圖12為動 子沿X軸方向運(yùn)動時(shí)，線圈3產(chǎn)生的沿Z軸方向的推力仿真曲線圖，推力的波動比例為：(9.6-9.4)/9.4＝2.1％。同樣可以看出，加入重力補(bǔ)償后，對線圈3沿Z軸方向出力影響較小，可以忽略。線圈3沿X軸和Z軸方向的推力波動均可以通過控制相應(yīng)方向?qū)?yīng)的電流分量進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)施例2與實(shí)施例1不同的是，該實(shí)施例中導(dǎo)磁塊4設(shè)有若干個(gè)，優(yōu)選的，導(dǎo)磁塊4的數(shù)量與橢圓形線圈3011的數(shù)量相對應(yīng)，且設(shè)于橢圓形線圈3011中空結(jié)構(gòu)內(nèi)沿Z軸負(fù)方向最遠(yuǎn)一側(cè)，如圖13所示，其對應(yīng)的下蓋板6和其中凸起602的分布如圖14所示，采用該種方式設(shè)置導(dǎo)磁塊4大大減少了導(dǎo)磁塊4的占用空間，簡化了直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。實(shí)施例3與上述實(shí)施例不同的是，該實(shí)施例中的導(dǎo)磁塊4結(jié)合了上述兩個(gè)實(shí)施例中導(dǎo)磁塊4的分布方式，即導(dǎo)磁塊4分為兩部分，分別為位置與線圈繞組301沿Z軸負(fù)方向一側(cè)相對應(yīng)、且與線圈繞組301處于同一個(gè)XY平面內(nèi)由呈片狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)磁材料沿X軸方向堆疊而成的第一導(dǎo)磁塊401和數(shù)量與橢圓形線圈3011數(shù)量相對應(yīng)、設(shè)于橢圓形線圈3011中空結(jié)構(gòu)內(nèi)沿Z軸負(fù)方向最遠(yuǎn)一側(cè)的第二導(dǎo)磁塊402，如圖15所示。采用該種方式設(shè)置導(dǎo)磁塊4可以有效增大重力補(bǔ)償力，降低線圈3沿Z軸正方向的推力壓力。實(shí)施例4與上述實(shí)施例不同的是，本實(shí)施例中背鐵1的數(shù)量為3個(gè)，如圖16所示，沿Y軸負(fù)方向依次為第一背鐵101、第三背鐵103和第二背鐵102，磁鐵陣列2的數(shù)量為4個(gè)，分別設(shè)置在第一背鐵101、第三背鐵103相對應(yīng)的一側(cè)和第三背鐵103、第二背鐵102相對應(yīng)的一側(cè)，即分別粘接在第一背鐵101沿Y軸負(fù)方 向的一側(cè)、第三背鐵103沿Y軸方向的正反兩側(cè)和第二背鐵102沿Y軸正方向的一側(cè)，且相對應(yīng)設(shè)置的磁鐵陣列2極性相反，如圖17所示，線圈3由若干個(gè)沿YZ平面的橫截面為U型、具有中空結(jié)構(gòu)的線圈沿X軸方向依次排列而成，線圈3呈一側(cè)開口包設(shè)在所述第三背鐵103外周，導(dǎo)磁塊4包括由呈片狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)磁材料沿X軸方向堆疊而成、位置分別與線圈3開口處的兩端相對應(yīng)的第一導(dǎo)磁塊401和設(shè)于中空結(jié)構(gòu)內(nèi)沿Z軸負(fù)方向最遠(yuǎn)一側(cè)的第二導(dǎo)磁塊402，采用該方式設(shè)置線圈3和導(dǎo)磁塊4進(jìn)一步增大了重力補(bǔ)償力，大大降低了線圈3沿Z軸正方向的推力壓力，提高了直線電機(jī)的整體性能和光刻設(shè)備的定位精度。綜上所述，本發(fā)明提供的多自由度長行程直線電機(jī)，通過設(shè)置與線圈3對應(yīng)的導(dǎo)磁塊4，且導(dǎo)磁塊4中心線位于磁鐵陣列2沿Z軸負(fù)方向的一側(cè)，當(dāng)直線電機(jī)運(yùn)動時(shí)，導(dǎo)磁塊4受磁鐵陣列2的磁場作用而產(chǎn)生沿Z軸正向的重力補(bǔ)償力，以抵消負(fù)載產(chǎn)生的沿Z軸方向帶來重力，降低線圈3沿Z軸正向的推力壓力，提高了多自由度直線電機(jī)的整體性能，很好地滿足了光刻設(shè)備的高精度定位要求。雖然說明書中對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說明，但這些實(shí)施方式只是作為提示，不應(yīng)限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)進(jìn)行各種省略、置換和變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3