一種多自由度長行程直線電機的製作方法

2023-05-30 08:36:11

本發明涉及光刻領域，尤其涉及一種多自由度長行程直線電機。
背景技術：
：隨著光刻技術的進步和半導體工業的快速發展，對於光刻設備有四項基本性能指標：線寬均勻性(CD，CriticalDimensionUniformity)、焦深(Focus)、套刻(Overlay)和產率(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；為了提高光刻機套刻誤差精度，工件臺或掩模臺必須提高其內部模態來提升動態定位特性。此外，光刻設備必須增加產率，因此工件臺或掩模臺還必須高速運動，快速啟動和停止。光刻設備的高速、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，實現長行程和高速度運動，並具有多自由度運動來進行光刻曝光和對準。直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置，相比旋轉電機具有結構簡單、定位精度高以及傳動效率高等優勢，因此廣泛應用於光刻設備的高精度定位平臺中。如圖1所示，傳統的直線電機通常包括上下對稱設置的兩塊背鐵1』、粘接在背鐵1』上的磁鐵陣列2』和位於磁鐵陣列2』之間的線圈3』，線圈3』沿Z向從磁鐵陣列2』兩側伸出或全部置於磁鐵陣列2』兩側範圍內，分別如圖2a、2b所示，線圈3』的數量為3的倍數。當線圈3』的數量等於3時，在線圈3』內通入三相電流，使線圈3』與磁鐵2』之間產生X軸方向的相互作用力，二者沿X軸方向相對運動；當線圈3』的數量大於3時，可以通過串聯或並聯的方式，使線圈3』最終 只有三個出線端子用於接三相電流。但無論以何種方式接線或通電，該種直線電機只有X軸方向出力的功能，即只具有一個自由度，不能滿足光刻設備在其他方向的運動和高精度定位。針對以上問題，提供了一種具有二自由度的直線電機，如圖3所示，與上述單自由度直線電機不同的是，該結構中使線圈3』的一部分沿Z軸方向從磁鐵陣列2』一側伸出，另一部分位於磁鐵陣列2』範圍內，如此設置則使處在磁場內部線圈3』具有Z軸方向出力功能，從而使直線電機具有二自由度運動功能。然而該種結構的直線電機不具備重力補償功能，當電機上方受到負載沿Z軸方向的重力作用時，便會加重線圈3』在Z軸方向的推力壓力，從而影響直線電機的整體性能，降低光刻設備的定位精度。技術實現要素：本發明為了克服以上不足，提供了一種具有重力補償功能的多自由度長行程直線電機。為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種多自由度長行程直線電機，包括沿Y軸方向平行分布的若干個背鐵、與所述背鐵粘接的若干磁鐵陣列和位於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延展，還包括位置與所述線圈對應的導磁塊，所述導磁塊位於所述磁鐵陣列沿Z軸的負方向一側。進一步的，所述背鐵的數量為2個，沿Y軸負方向分別為第一背鐵和第二背鐵，所述磁鐵陣列的數量為2個，分別設置在所述第一背鐵和第二背鐵相對應一側。進一步的，所述線圈包括若干線圈繞組，所述線圈繞組由三個具有中空結構的橢圓形線圈沿X軸方向水平排列而成。進一步的，所述導磁塊設有一個，由呈片狀結構的導磁材料沿X軸方向堆疊而成，位置與所述線圈繞組沿Z軸負方向一側相對應。進一步的，所述導磁塊設有若干個，設於所述中空結構內沿Z軸負方向最遠一側。進一步的，還包括設於所述線圈繞組上表面的上蓋板和設於線圈繞組下表面的下蓋板，用於固定所述線圈繞組和導磁塊。進一步的，所述下蓋板上設有與所述線圈繞組和導磁塊相適配的凹槽，以及與所述橢圓形線圈中空部分相適配的凸起。進一步的，所述背鐵的數量為3個，沿Y軸負方向依次為第一背鐵、第三背鐵和第二背鐵，所述磁鐵陣列的數量為4個，分別設置在所述第一背鐵、第三背鐵相對應一側和所述第三背鐵、第二背鐵相對應一側。進一步的，所述相對應設置的磁鐵陣列極性相反。進一步的，所述線圈由若干個沿YZ平面橫截面為U型、具有中空結構的線圈沿X軸方向依次排列而成，所述線圈呈一側開口包設在所述第三背鐵外周。進一步的，所述導磁塊包括由呈片狀結構的導磁材料沿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的第一導磁塊和設於所述中空結構內沿Z軸負方向最遠一側的第二導磁塊。進一步的，所述磁鐵陣列為海爾貝克磁鐵陣列，包括若干個由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軸負向。本發明提供的多自由度長行程直線電機，通過設置與線圈對應的導磁塊，且導磁塊中心線位於磁鐵陣列中心線沿Z軸的負方向一側，當直線電機運動時，導磁塊受磁鐵陣列的作用而產生沿Z軸正向的重力補償力，以抵消負載產生的沿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的整體性能，很好地滿足了光刻設備的高精度定位要求。附圖說明圖1是傳統單自由度直線電機結構示意圖；圖2a、2b是傳統單自由度直線電機線圈分布示意圖；圖3是現有二自由度直線電機線圈分布示意圖；圖4是本發明多自由度長行程直線電機實施例1的整體圖；圖5是本發明多自由度長行程直線電機實施例1的結構示意圖；圖6是本發明多自由度長行程直線電機實施例1線圈分布示意圖；圖7是本發明多自由度長行程直線電機實施例1磁鐵陣列的結構示意圖；圖8是本發明多自由度長行程直線電機實施例1沿X軸方向運動時重力補償力的仿真曲線；圖9是本發明多自由度長行程直線電機實施例1導磁塊對X軸方向推力的幹擾力仿真曲線；圖10是本發明多自由度長行程直線電機實施例1沿Z軸方向運動時重力補償力的仿真曲線；圖11是本發明多自由度長行程直線電機實施例1沿X軸方向運動時線圈X向推力仿真曲線；圖12是本發明多自由度長行程直線電機實施例1沿X軸方向運動時線圈Z向推力仿真曲線；圖13是本發明多自由度長行程直線電機實施例2結構示意圖；圖14是本發明多自由度長行程直線電機實施例2下蓋板結構示意圖；圖15是本發明多自由度長行程直線電機實施例3結構示意圖；圖16是本發明多自由度長行程直線電機實施例4結構示意圖；圖17是本發明多自由度長行程直線電機實施例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、導磁塊；401、第一導磁塊；402、第二導磁塊；5、上蓋板；6、下蓋板；601、凹槽；602、凸起。具體實施方式下面結合附圖對本發明作詳細描述：實施例1如圖4-6所示，本發明提供了一種多自由度長行程直線電機，包括沿Y軸方向平行分布的若干個背鐵1、與背鐵1粘接的若干磁鐵陣列2和位於磁鐵陣列2之間的線圈3，線圈3沿Z軸方向從磁鐵陣列2一側延展，還包括位置與線圈3對應的導磁塊4，導磁塊4位於磁鐵陣列2沿Z軸負方向一側，由於磁鐵陣列2中心線處的磁場最強，而導磁塊4具有趨向強磁的特性，因此，當導磁塊4在偏離磁鐵陣列2中心線運動時，會受到指向中心線方向的磁力，即沿Z軸正方向的重力補償力，以抵消直線電機上負載產生的沿Z軸負方向的重力。請重點參照圖5，背鐵1的數量為2個，沿Y軸負方向分別為第一背鐵101和第二背鐵102，磁鐵陣列2的數量為2個，分別設置在第一背鐵101和第二背鐵102相對應一側，即分別粘接在第一背鐵101沿Y軸負向一側和第二背鐵102沿Y軸正向一側。線圈3包括若干線圈繞組301，線圈繞組301由三個具有中空結構的橢圓形線圈3011沿X軸方向水平排列而成，具體的，當線圈繞組301的數量為1時，將其與一個三相驅動器連接，使直線電機具有X向和Z向的二自由度運動功能；當線圈繞組301的數量等於2時，使每個線圈繞組301接一個三相驅動器，使直線電機可以沿X、Z軸方向運動，同時繞Y軸轉動，實現三自由度運動功能，其中繞Y軸轉動通過兩個線圈繞組301沿Z軸做反向運動來實現；當線圈繞組301的數量大於2時，將其並聯或串聯後與兩個三相驅動器連接以實現三自由度運動功能。優選的，導磁塊4設有一個，由呈片狀結構的導磁材料沿X軸方向堆疊而成，位置與線圈繞組301沿Z軸負方向一側相對應，與線圈繞組301處於同一 個XY平面內，導磁塊4採用片狀堆疊的方式是為了減小導磁材料在磁場中運動時產生的渦電流，從而可以減小阻尼力。線圈繞組301上表面設有上蓋板5，其下表面設有下蓋板6，下蓋板6上設有與線圈繞組301和導磁塊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用於固定線圈繞組301和導磁塊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軸負向。請重點參照圖6，設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，每個橢圓形線圈3011沿X軸方向的寬度為Wcoil，二者之間有如下關係：Wcoil=43τ---(1)]]>或Wcoil=53τ---(2)]]>則每個線圈繞組301內部的三相電流的相位關係描述如下：根據三相電機的矢量控制技術，每個橢圓形線圈3011所通的電流採用直軸交軸(DQ)分解法進行控制，邏輯上對應兩個電流分量，分別為直軸電流和交軸電流用於控制電機Z向出力，用於控制電機X向出力。對應於三個橢圓形線圈3011分別為和設三個橢圓形線圈3011內實際通入的電流分別是上述各電流分量有如下關係：iA=iAd+iAqiB=iBd+iBqiC=iCd+iCq---(3)]]>設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)的關係，則三個橢圓形線圈3011所通入的三相電流初始相位需滿足如下關係：式中，n為整數。當橢圓形線圈3011的寬度Wcoil和極距τ之間滿足式(1)，電流關係滿足式(3)，電流相位關係滿足式(4)時，三個橢圓形線圈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)的關係，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係：式中，n為整數。當橢圓形線圈3011的寬度Wcoil和極距τ之間滿足式(2)，且電流關係滿足式(3)，電流相位關係滿足式(5)時，第二個橢圓形線圈3011與第一、第三個橢圓形線圈3011的接線方向相反。以上描述了每組三相線圈內部的二組電流分量之間的相位關係。圖5中示意了6個線圈3，6個線圈3的Z向出力的電流分量的相位分別定義為：和當需要繞Y軸轉動時，兩組線圈的Z向出力的電流分量相位需滿足以下關係：式中，n為整數。當不需要繞Y軸轉動時，兩組線圈的Z向出力的電流分量相位需滿足以下關係：上式中，n為整數。本實施例以磁鐵陣列2作定子，線圈3及導磁塊4作為動子，動子沿X軸方向運動時，重力補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動行程。從圖中可以看出，重力補償力呈周期性波動，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行補償。圖9為動子沿X軸方向運動時導磁塊4對X軸方向推力的幹擾力仿真曲線圖，從圖中可以看出，導磁塊4對X軸方向推力的幹擾力不超過4.6N，此幹擾力則可以通過控制X向電流分量，即控制電流大小進行補償。圖10為動子沿Z軸方向運動時重力補償力的仿真曲線圖，與沿X軸向運動不同的是，沿Z軸方向運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，重力補償力的波動比例為：(221.7-184.8)/184.8＝20.0％。若要求重力補償力波動更小，則可只取導磁塊4與磁鐵陣列2中心線之間的一段作為行程，同時，此波動也可通過控制Z向電流分量的大小進行補償。圖11為動子沿X軸方向運動時，線圈3產生的沿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％。可以看出，加入重力補償後，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軸方向運動時，線圈3產生的沿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，加入重力補償後，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方向對應的電流分量進行補償。實施例2與實施例1不同的是，該實施例中導磁塊4設有若干個，優選的，導磁塊4的數量與橢圓形線圈3011的數量相對應，且設於橢圓形線圈3011中空結構內沿Z軸負方向最遠一側，如圖13所示，其對應的下蓋板6和其中凸起602的分布如圖14所示，採用該種方式設置導磁塊4大大減少了導磁塊4的佔用空間，簡化了直線電機的結構複雜度。實施例3與上述實施例不同的是，該實施例中的導磁塊4結合了上述兩個實施例中導磁塊4的分布方式，即導磁塊4分為兩部分，分別為位置與線圈繞組301沿Z軸負方向一側相對應、且與線圈繞組301處於同一個XY平面內由呈片狀結構的導磁材料沿X軸方向堆疊而成的第一導磁塊401和數量與橢圓形線圈3011數量相對應、設於橢圓形線圈3011中空結構內沿Z軸負方向最遠一側的第二導磁塊402，如圖15所示。採用該種方式設置導磁塊4可以有效增大重力補償力，降低線圈3沿Z軸正方向的推力壓力。實施例4與上述實施例不同的是，本實施例中背鐵1的數量為3個，如圖16所示，沿Y軸負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的數量為4個，分別設置在第一背鐵101、第三背鐵103相對應的一側和第三背鐵103、第二背鐵102相對應的一側，即分別粘接在第一背鐵101沿Y軸負方 向的一側、第三背鐵103沿Y軸方向的正反兩側和第二背鐵102沿Y軸正方向的一側，且相對應設置的磁鐵陣列2極性相反，如圖17所示，線圈3由若干個沿YZ平面的橫截面為U型、具有中空結構的線圈沿X軸方向依次排列而成，線圈3呈一側開口包設在所述第三背鐵103外周，導磁塊4包括由呈片狀結構的導磁材料沿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的第一導磁塊401和設於中空結構內沿Z軸負方向最遠一側的第二導磁塊402，採用該方式設置線圈3和導磁塊4進一步增大了重力補償力，大大降低了線圈3沿Z軸正方向的推力壓力，提高了直線電機的整體性能和光刻設備的定位精度。綜上所述，本發明提供的多自由度長行程直線電機，通過設置與線圈3對應的導磁塊4，且導磁塊4中心線位於磁鐵陣列2沿Z軸負方向的一側，當直線電機運動時，導磁塊4受磁鐵陣列2的磁場作用而產生沿Z軸正向的重力補償力，以抵消負載產生的沿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的整體性能，很好地滿足了光刻設備的高精度定位要求。雖然說明書中對本發明的實施方式進行了說明，但這些實施方式只是作為提示，不應限定本發明的保護範圍。在不脫離本發明宗旨的範圍內進行各種省略、置換和變更均應包含在本發明的保護範圍內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp