一种带真空罩的动铁式无线缆六自由度磁浮运动平台

摘要

一种带真空罩的动铁式无线缆六自由度磁浮运动平台，主要应用于半导体光刻设备中。该磁浮运动平台含有基座、定子、动子、载片台和测量系统；在动子和载片台之间设有三轴陀螺仪、三轴加速度计、电源模块和无线信号输出模块，并将它们集成在一块线路板上；将动子和定子分别设置于一个真空腔中。本发明采用平面光栅尺测量系统来实现高精度测量，并运用无线充电技术和无线信号传输技术，来实现磁浮运动平台的无线缆设计，使磁浮运动平台的运动部分可在水平面内实现大角度的自由旋转，大大提高了工作台的抗干扰能力和控制系统的控制带宽；同时在极紫外光刻时，避免了一些灌封胶释放的一些气体对光刻产生的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁浮工作台，尤其涉及一种六自由度磁浮工作台，主要应用于半导体光 刻设备中，属于超精密加工和检测设备技术领域。

背景技术

具有高精度和快速响应的微动工作台在现代制造技术中具有极其重要的地位，被视为一 个国家高技术发展水平的重要标志。在超精密机床中，超精密微动工作台用于对进给系统进 行误差补偿，实现超精密加工；在大规模集成电路制造中，超精密微动工作台用于光刻设备 中进行微定位和微进给；在扫描探针显微镜中，超精密微动工作台用于测量样品表面形貌， 进行纳米加工；在生物工程方面，超精密微动工作台用于完成对细胞的操作，实现生物操作 工程化；在医疗科学方面，超精密微动工作台用于显微外科手术，以便减轻医生负担，缩短 手术时间，提高成功率。超精密微动工作台还被广泛应用于光纤对接，MEMS系统加工、封 装及装配，以及电化学加工等领域中。

在半导体光刻设备中，光刻机是专门生产制作集成电路的。根据2005年版的国际半导体 技术蓝图，2007年将用193nm的光刻技术生产线宽65nm的集成电路，2010年将生产线宽 45nm的集成电路，2013年生产线宽32nm的集成电路。光刻机的分辨率由下式表示：

$\mathrm{RES}=k_1\frac{\lambda }{\mathrm{NA}}---\left(1\right)$

通过将光刻投影系统的数值孔径NA和工艺参数k1延伸到其实用极限以及增加浸入式系 统，使用波长为193nm准分子光源的光刻系统可以生产65nm线宽的集成电路，人们还希望 能够继续使用193nm浸入式系统生产45nm线宽的集成电路。采用现有193nm的技术，无论 如何都不能生产32nm线宽的集成电路，必须寻求新的发展方向，采用13.5nm光的极紫外光 刻可以实现更高分辨率的跨越。

概括目前国内外纳米级微动工作台研究现状，为了满足极紫外光刻设备高精度、高速度、 大负载、高动态特性的要求。采用磁浮平面电机的硅片台技术才可以满足光刻设备的要求， 但存在极紫外光刻时，磁浮平面电机的一些灌封胶会释放一些气体，会对光刻产生一定的影 响，并且平面电机上会有大量的电源和传感器的线缆干扰运动等不足，其性能受到一定局限。

发明内容

本发明旨在提供一种带真空罩的动铁式无线缆六自由度磁浮运动平台，使其可适用于极 紫外（EUV）光刻机硅片台工作台，也可用于超精密加工和检测中以实现六自由度运动，且 具有动子无线缆，超强抗干扰能力，高控制带宽等特点。

本发明的技术方案如下：

一种带真空罩的动铁式无线缆六自由度磁浮运动平台，该磁浮运动平台含有基座、定子、 动子、载片台和测量系统，所述的动子由halbach永磁体阵列和磁钢背板组成；所述的定子 是由多组线圈单元排列而成的线圈阵列；所述的测量系统包括平面光栅尺测量系统和电涡流 传感器；其特征在于：在所述的动子和载片台之间还设有一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度 计、电源模块和无线信号输出模块；所述的三轴陀螺仪、三轴加速度计、电源模块和无线信 号输出模块集成在一块线路板上；所述的三轴陀螺仪分别测量动子绕X轴、Y轴和Z轴旋转 的角度；所述的三轴加速度计分别测量动子沿X轴、Y轴和Z轴的线性加速度；在所述的定 子上设有一个无线信号接收模块，所述的三轴陀螺仪和三轴加速度计的测量信号是通过所述 的无线信号输出模块与设置在定子上的无线信号接收模块进行无线通信；所述的电涡流传感 器成阵列布置在定子上的各线圈单元之间的缝隙中，且使得电涡流传感器的测头竖直向上放 置；在定子的一个角的位置上设有三个激光三角传感器，其中沿X方向设有两个激光三角传 感器，沿Y方向设有一个激光三角传感器，三个激光三角传感器与所述的电涡流传感器一起 为所述的三轴陀螺仪和三轴加速度计做六自由度的标定；

所述的磁浮运动平台还含有一个动子真空腔和一个定子真空腔，所述的动子、载片台、 三轴陀螺仪、三轴加速度计、电源模块、无线信号输出模块和平面光栅测量系统放置在动子 真空腔内；所述的定子、电涡流传感器、激光三角传感器和基座放置在定子真空腔内，所述 的动子真空腔和所述的定子真空腔彼此独立，分别通过气体管路与位于真空腔外部的两个真 空泵相连接。

本妇女的另一技术其特征在于：所述的平面光栅尺测量系统包含四块平面光栅尺和若干 光栅读数头，该四块平面光栅尺分别设置在载片台的上表面，且靠紧载片台四条侧边；所述 的若干光栅读数头分别设置在平面光栅尺的正上方沿着定子上表面内的两条正交的中线方 向，并与平面光栅尺之间保持间隙。

本发明所述的电源模块采用可无线充电的电源模块，可无线充电电源模块含有充电电 池、电力接收器和无线充电线圈，所述的电力接收器设置在线路板上，所述的无线充电线圈 则是设置在定子上的任意一个角的位置。

本发明所述的线圈阵列由多组线圈单元分别沿X方向和Y方向排列而成，每组线圈单元 至少包含三个方形线圈，相邻两组线圈单元正交排列。所述的线圈单元采用叠层正交绕制的 线圈组，或采用单层长方形线圈由下至上叠层正交排列且水平放置的线圈组，或采用长方形 线圈水平放置的线圈组，或采用长方形线圈竖直放置的线圈组，或采用叠层正交印刷PCB电 路的线圈组；所述的每个线圈组的线圈数量为3的倍数，每个线圈由通电导线和线圈骨架组 成。

本发明所述动子中的永磁体阵列由主永磁体和附永磁体组成，主永磁体与附永磁体以 Halbach二维阵列形式粘接固定于磁钢背板的表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方 向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：该磁浮运动平台的运动部分和固定部分分别 设置于一个真空罩之中，避免了在极紫外光刻时，磁浮平面电机一些灌封胶释放的一些气体 对光刻产生的影响。另外，与现有技术相比，该磁浮运动平台还采用平面光栅尺测量系统来 实现高精度测量，采用三轴陀螺仪来测量动子的角度，用三轴加速度计来测量动子的线性位 移，并用激光三角传感器和电涡流传感器为三轴陀螺仪和三轴加速度计进行实时零位标定来 防止漂移，并运用了无线充电技术和无线信号传输技术，来实现磁浮运动平台的无线缆设计， 使磁浮运动平台的运动部分可在水平面内实现大角度的自由旋转，大大提高了工作台的抗干 扰能力，同时提高了控制系统的控制带宽。

附图说明

图1为本发明提供的一种带真空罩的动铁式无线缆六自由度磁浮运动平台的结构示意 图。

图2表示出去掉动子真空腔和定子真空腔的三维爆炸结构图。

图3表示出三轴陀螺仪、三轴加速度计、电源模块和线路板安装示意图。

图4为本发明的六自由度磁浮运动平台的零点标定流程图。

图5a、图5b、图5c、图5d和图5e表示出本发明的线圈单元采用的几种不同的结构形 式。

图6a、6b为本发明动子中的两种永磁阵列结构图。

图中：1－基座；2－载片台；4－磁钢背板；5－三轴陀螺仪；6－三轴加速度计；7－电 源模块；8－线路板；9－线圈单元；10－线圈骨架；11－电涡流传感器；12－平面光栅尺测 量系统；13－halbach永磁体阵列；14－线圈阵列；15－激光三角传感器；16－第一主永磁 体；17－第二主永磁体；18－附永磁体；19－无线信号输出模块；20－无线信号接收模块；21- 无线充电线圈；22-动子真空腔；23-定子真空腔；24-电力接收器；31-平面光栅尺；32-平面 光栅读数头。

具体实施方式

图1为本发明提供的一种带真空罩的动铁式无线缆六自由度磁浮运动平台的结构示意 图，图2为去掉动子真空腔和定子真空腔的三维爆炸结构图；该磁浮运动平台含有基座1、 定子、动子、载片台2和测量系统，所述的动子含有halbach永磁体阵列13和磁钢背板4； 所述的定子是由多组线圈单元9排列而成的线圈阵列14；所述的测量系统包括平面光栅尺测 量系统12、电涡流传感器11和激光三角传感器15；在所述的动子和载片台2之间还设有一 个三轴陀螺仪5、一个三轴加速度计6、电源模块7和无线信号输出模块19；所述的三轴陀 螺仪5、三轴加速度计6、电源模块7和无线信号输出模块19集成在一块线路板8上，所述 的三轴陀螺仪5可分别测量动子绕X轴、Y轴和Z轴旋转的角度；所述的三轴加速度计6可 分别测量动子沿X轴、Y轴和Z轴的线性加速度。在所述的定子上设有一个无线信号接收模 块20，所述的三轴陀螺仪5和三轴加速度计6的测量信号是通过所述的无线信号输出模块19 与设置在定子上的无线信号接收模块20进行无线通信。所述的电涡流传感器11成阵列布置 在定子上的各线圈单元9之间的缝隙中，且使得电涡流传感器11的测头竖直向上放置；在定 子的任意一个角的位置上设有三个激光三角传感器15，其中沿X方向设有两个激光三角传感 器15，沿Y方向设有一个激光三角传感器15，三个激光三角传感器与所述的电涡流传感器 11配合使用，为三轴陀螺仪5、三轴加速度计6做空间六自由度的位置标定，如图2所示。

所述的电源模块7采用可无线充电电源模块，可无线充电电源模块含有可充电电池、电 力接收器24和无线充电线圈21，所述的无线充电线圈21位于磁浮运动平台定子线圈阵列14 中的一个确定位置。电源模块7还安装一块电力接收器24，该电力接收器24可为电池进行 无线充电；当电池电力不够时，可在非工作时段将动子部分运动至无线充电线圈21上方，给 无线充电线圈21通上高频电流，就可使电力接收器24中的感应线圈产生电流，从而给电池 充电，如图3所示。

所述的磁浮运动平台还含有一个动子真空腔22和一个定子真空腔23，所述的动子、载 片台2、三轴陀螺仪5、三轴加速度计6、电源模块7、无线信号输出模块19和平面光栅测量 系统12放置在动子真空腔22内；所述的定子、电涡流传感器11、激光三角传感器15和基 座1放置在定子真空腔23内，所述的动子真空腔22和所述的定子真空腔23彼此独立，分别 由两个位于真空腔外部的真空泵来抽真空。

所述的平面光栅尺测量系统12包含四块平面光栅尺31和若干光栅读数头32，该四块平 面光栅尺31分别设置在载片台2的上表面，且靠紧载片台2四条侧边；所述的若干光栅读数 头32分别设置在平面光栅尺31的正上方沿着所述的定子上表面内的两条正交的中线方向上， 并与平面光栅尺31之间保持间隙。该磁浮运动平台的动子部分可实现空间六自由度的运动， 无线缆干扰，可在水平面内绕360°自由旋转。

图5表示磁浮运动平台的五种线圈绕制方式的结构图。所述的线圈单元的线圈制造方式 采用五种形式：第一种线圈单元采用叠层正交绕制的线圈组，如图5（a）所示；或采用单层 长方形线圈由下至上叠层正交排列且水平放置的线圈组，如图5（b）所示；或采用长方形线 圈水平放置的线圈组，如图5（c）所示；或采用长方形线圈竖直放置的线圈组，如图5（d） 所示；或采用叠层正交印刷PCB电路的线圈组，如图5（e）所示。每个线圈组的线圈数量为 3的倍数，每个线圈由通电导线和线圈骨架10组成。

图6表示磁浮运动平台的两种永磁阵列结构图。磁浮运动单元的永磁体阵列由主永磁体 和附永磁体18组成，主永磁体（第一主永磁体16、第二主永磁体17）与附永磁体18以Halbach 一维阵列形式或二维平面阵列形式粘接固定于磁钢背板4的表面上，相邻的主永磁体与附永 磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路。

本发明的工作过程如下：

该磁浮运动平台的永磁体产生的磁场方向、通电线圈电流方向，以及产生的洛伦兹力方 向两者相互垂直。每组线圈单元可同时在永磁阵列所在平面内相互垂直的两个方向，以及垂 直永磁阵列所在平面方向这三个自由度上提供推力。

在本实施例中，如图4所示，首先，该磁浮运动平台定子线圈上电，由于测量系统的大多 数传感器都是增量式的测量，此时需要先进行传感器标定。在磁浮运动平台定子的一角设置 的三个激光三角传感器15，以及位于线圈阵列14上的电涡流传感器11就是用来作为零位进 行标定的。其中沿X方向设有两个激光三角传感器15，可以分别测量磁浮运动平台动子的沿 X方向的位置和绕Z轴方向转动的倾斜角度；沿Y方向设有一个激光三角传感器15，测量磁 浮运动平台动子沿Y方向的位置；位于线圈阵列14上的电涡流传感器11阵列，则可以测量 磁浮运动平台动子沿Y方向的位置，以及绕X轴方向和绕Y轴方向转动的倾斜角度。当完成 以上过程后，即可确定磁浮运动平台动子位于磁浮运动平台定子的位置，同时的，也确定了 安装在磁浮运动平台动子上的三轴陀螺仪5和三轴加速度计6的初始位置，由于三轴陀螺仪 5工作一段时间就会发生漂移，所以需要不断重复进行以上的零位标定过程。

完成了三轴陀螺仪5和三轴加速度计6的初始位置标定后，需要进行激光干涉仪测量系 统12的调整。首先，无线信号输出模块19和无线信号接收模块20不断的将三轴陀螺仪5和 三轴加速度计6的位置信号通知控制系统，无线信号传输的测量信号可采用WIFI、蓝牙或者 红外等方式，通过控制系统不断的调整磁浮运动平台动子在磁场中的位姿，然后调整平面光 栅尺，使其能在允许范围内正常回光工作，至此完成了平面光栅尺测量系统12的调整，在磁 浮运动平台正常工作状态下都是需要平面光栅尺测量系统12来进行高精度位置测量的。

三轴陀螺仪5和三轴加速度计6的供电方式采用在线路板8上安装电源模块7，电源模 块7还安装一块电力接收器24，该电力接收器24可为电池进行无线充电，当电池电力不够 时，可在非工作时段将动子部分运动至位于大型的线圈阵列组件14中的一个确定位置的无线 充电线圈21上方，给无线充电线圈21通上高频电流，就可使电力接收器24中的感应线圈产 生电流，从而给电池充电。

本发明与现有技术相比，采用无线传输技术、无线供电技术和无线缆设计，使动子可在 水平面内绕360°自由旋转，大大提高了工作台的抗干扰能力，同时提高了控制系统的控制 带宽。