高精密磁懸浮主動減震設備的製作方法

2023-06-10 08:56:51 1

高精密磁懸浮主動減震設備的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種高精密磁懸浮主動減震設備，用以實現工件臺的減震，所述高精密磁懸浮主動減震設備包括磁浮減震器、減震框架、測量模塊、執行模塊和控制器系統，所述工件臺位於所述減震框架上，所述減震框架通過所述磁浮減震器實現支撐和懸浮減震，所述磁浮減震器至少包括兩層哈爾貝克磁陣列，且通過所述兩層哈爾貝克磁陣列實現所述減震框架的支撐和懸浮減震，所述測量模塊和執行模塊均與所述減震框架固定連接，所述控制器系統分別與所述測量模塊和執行模塊連接。由於哈爾貝克（Halbach）磁陣列的單邊磁密為傳統NS陣列的倍，在等磁能積情況下實現更大的負載能力，並且單邊磁場特性最大化利用磁能積，同時有效減小了NS陣列的磁場洩露的幹擾問題。
【專利說明】高精密磁懸淳主動減震設備

【技術領域】
[0001] 本發明涉及半導體製造領域，尤其涉及一種光刻機用的高精密磁懸浮主動減震設 備。

【背景技術】
[0002] 光刻機主要由光源（目前主流光刻機採用波長193nm的ArF深紫外（DUV)準分子 雷射)、光學照明系統、投影鏡頭、承載掩模的掩模臺、承載矽晶片的工件臺、減震設備等構 成。其要求許多重要部件如測量系統、曝光系統、零位傳感器、對準傳感器、光強能量傳感器 等設備的振動幹擾儘可能小，使得重要的模塊處於"安靜"環境中。由于振動的幹擾會傳遞 給測量框架，使得測量框架產生不必要的運動，進而幹擾工件臺掩模臺的測量系統，最終影 響工件臺掩模臺和鏡面誤差，導致套刻誤差和特徵線寬誤差加大，因此，減震器是保證實現 集成電路製造性能的關鍵設備之一，通常採用減震裝置將光刻機內部重要部件與基礎框架 等其他結構的外部世界獨立開來形成獨立的內部世界。
[0003] 光刻機減震裝置早期採用橡膠阻尼減震，80年代初隨著空氣彈簧減震理論的成 熟，光刻機減震裝置開始採用基於空氣彈簧的被動減震技術。當前主流光刻機減震裝置以 基於空氣彈簧的主動減震方式為主，主要採用有源控制器的主動控制策略，通過速度傳感 器（Geophones傳感器）實現速度測量進行阻尼反饋補償，通過位置傳感器測量隔振平臺的 實時位置，利用音圈電機實現高帶寬響應補償，從而實現隔振平臺的精密定位補償能力。承 載隔振平臺的重力補償部分，則採用氣動控制閥實時補償氣囊中壓縮空氣的氣壓，從而實 現減震器的大負載承載能力和有效的氣動隔振減震。
[0004] 光刻機設備內部減震器典型布局方式常採用三組減震器，每組減震器上配置一個 垂向補償電機和一個水平向補償電機，同時配置一個垂向測量傳感器和水平向測量傳感 器，從而實現隔振平臺6自由度的減震隔振和位置懸浮定位。
[0005] 減震器的研究目標即實現高承載力、低剛度、低共振頻率、高衰減率，從而實現較 低的振動傳遞率，使得外部擾動對內部世界的影響最小化。但隨著光刻機解析度的不斷提 高，對光刻機的特徵線寬指標要求也在不斷提升，隨著光刻機產率的增加，光刻機設備內部 的工件臺和掩模臺的運動速度、加速度不斷增大，光刻機內部各模塊系統越來越複雜，整機 重量從2噸?14噸不等，TFT光刻機甚至達到了 40噸，因此，光刻機對"安靜"環境的減震 性能要求更加苛刻。為此針對減震裝置必須實現大負載承載能力，同時業內還提出了"負剛 度"技術概念，國外一些研究者基於磁浮軸承技術提出了一些新型減震方案。
[0006] 2003年，德國IDE在美國提出一種具有負剛度的磁浮減震裝置專利申請 (US7290642)，該專利首次提出採用三個永磁磁極，相鄰兩個磁極之間採用磁吸力懸浮方式 實現減震臺的雙向剛度設計的減震裝置，如圖1所示。
[0007] 2009年荷蘭埃因霍芬大學（TU/e)的Lomonova教授提出一種基於永磁陣列懸浮的 被動減震裝置，如圖2所示。該裝置採用雙層磁陣列結構，每層磁路結構均採用二維NS磁陣 列拓撲結構。其中，上面兩層磁鐵陣列利用磁吸力懸浮方式對減震平臺框架實現向上拉升 的力量，下面兩層磁鐵陣列利用磁斥力懸浮方式對減震平臺框架實現向上抬升的力量。該 懸浮裝置能夠實現數千公斤的負載重力補償，垂向負載的彈簧剛度達到幾十牛頓每毫米， 進而實現較低的共振頻率。
[0008] 這種被動磁浮減震裝置與傳統氣浮減震裝置技術無疑有巨大的進步，但它在永磁 體的等磁能積條件下的磁懸浮有效利用仍然存在不足，並且存在較大的磁洩露，對光刻機 應用環境產生諸多不利影響。


【發明內容】

[0009] 本發明要解決的技術問題是提供一種在等磁能積情況下實現更大的負載能力，並 且單邊磁場特性最大化利用磁能積的高精密磁懸浮主動減震設備。
[0010] 為了解決這一技術問題，本發明提供了一種高精密磁懸浮主動減震設備，用以實 現工件臺的減震，所述高精密磁懸浮主動減震設備包括磁浮減震器、減震框架、測量模塊、 執行模塊和控制器系統，所述工件臺位於所述減震框架上，所述減震框架通過所述磁浮減 震器實現支撐和懸浮減震，所述磁浮減震器至少包括兩層哈爾貝克磁陣列，且通過所述兩 層哈爾貝克磁陣列實現所述減震框架的支撐和懸浮減震，所述測量模塊和執行模塊均與所 述減震框架固定連接，所述控制器系統分別與所述測量模塊和執行模塊連接。
[0011] 所述控制器系統採集所述測量模塊的信息，並根據所採集到的信息控制所述執行 模塊實現所述減震框架位置的動態補償。
[0012] 所述測量模塊包括位置傳感器與加速度傳感器，均與所述減震框架固定連接，用 以檢測所述減震框架上對應位置點的水平向、垂直向的位置和運動加速度。
[0013] 所述執行模塊包括水平向音圈電機與垂向音圈電機，分別用於實現所述減震框架 水平向三個自由度和堅直向三個自由度位置的動態補償。
[0014] 所述兩層哈爾貝克磁陣列分別為第一層平面磁陣列結構和第二層平面磁陣列結 構，所述第一層平面磁陣列與所述減震框架固定連接，所述第二層平面磁陣列結構與地基 或者定子部分固定連接，所述第一層平面磁陣列結構與所述第二層平面磁陣列結構通過兩 者間的磁斥力或磁吸力實現所述減震框架的支撐和懸浮減震。
[0015] 所述第一層平面磁陣列結構和所述第二層平面磁陣列結構均由第一磁陣列單元 與第二磁陣列單元沿第二方向交替排布形成。
[0016] 所述第一磁陣列單元由磁鐵組與主磁極單元沿第一方向交替排布形成，所述第二 磁陣列單元由主磁極單元與磁鐵組沿第一方向交替排布形成，且所述第一磁陣列單元中的 磁鐵組與主磁極單元沿第二方向分別與所述第二磁陣列單元中的主磁極單元與磁鐵組對 應連接設置，所述磁鐵組與所述主磁極單元的尺寸相匹配，所述第一方向與第二方向互相 垂直，且均位於水平面，所述磁鐵組由四個尺寸相同的磁鋼塊呈田字型緊密排布形成。
[0017] 所述第一磁陣列單元和第二磁陣列單元中的主磁極單元的充磁方向堅直向下設 置，所述第一磁陣列單元中的磁鋼塊的充磁方向均沿體對角面斜向下設置，所述第二磁陣 列單元中的主磁極單元與磁鋼塊的充磁方向分別與所述第一磁陣列單元中的主磁極單元 與磁鋼塊的充磁方向相反。
[0018] 所述第一磁陣列單元中的磁鋼塊的充磁方向與水平面的夾角範圍為30至60度
[0019] 同一磁鐵組內的四個磁鋼塊的充磁方向在水平面上的方向分量分別指向四個不 同的方向。
[0020] 所述第一層平面磁陣列結構中的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向分別與和所述 第二層平面磁陣列結構中對應位置的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向相同。
[0021] 所述第一層平面磁陣列結構中的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向分別與和所述 第二層平面磁陣列結構中對應位置的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向相反。
[0022] 所述第一層平面磁陣列結構的兩個相鄰的邊緣外側固定設有第一方向第一磁陣 列和第二方向第一磁陣列，所述第二層平面磁陣列結構對應位置的邊緣外側設有第一方向 第二磁陣列和第二方向第二磁陣列，所述第一方向第一磁陣列與所述第一方向第二磁陣列 僅沿第一方向上產生磁吸力或磁斥力，所述第二方向第二磁陣列與所述第二方向第一磁陣 列僅沿第二方向上產生磁吸力或磁斥力。
[0023] 所述第二層平面磁陣列結構通過一個背鐵與地基或者定子部分固定連接，所述第 一方向第二磁陣列和第二方向第二磁陣列固定設在在背鐵上。
[0024] 所述第一層平面磁陣列結構與所述第二層平面磁陣列結構分別通過兩個背鐵與 所述減震框架和地基或者定子部分固定連接。
[0025] 第一層平面磁陣列結構和第二層平面磁陣列結構均平行於所述減震框架所在平 面設置。
[0026] 第一層平面磁陣列結構和第二層平面磁陣列結構均相對於所述減震框架所在平 面傾斜設置。
[0027] 本發明提出一種基於平面哈爾貝克（Halbach)磁陣列的高精密磁懸浮主動減震設 備，由於哈爾貝克（Halbach)磁陣列的單邊磁密為傳統NS陣列的乃倍，在等磁能積情況下 實現更大的負載能力，並且單邊磁場特性最大化利用磁能積，同時有效減小了 NS陣列的磁 場洩露的幹擾問題。此外，本發明還利用測量模塊、執行模塊和控制器模塊形成三環控制， 對減震框架實現了動態的補償。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 圖1是本發明提供的高精密磁懸浮主動減震設備的結構示意圖；
[0029] 圖2是本發明實施例1提供的磁浮減震器的結構示意圖；
[0030] 圖3是本發明實施例1提供的磁浮減震器的另一結構示意圖；
[0031] 圖4是本發明實施例1提供的磁鐵組的結構示意圖
[0032] 圖5是採用本發明實施例1提供的高精密磁懸浮主動減震設備的懸浮高度從-1. 5 至〇毫米的磁懸浮負載變化曲線；
[0033] 圖6是採用本發明實施例1提供的高精密磁懸浮主動減震設備的懸浮剛度變化曲 線.
[0034] 圖7是採用本發明實施例1提供的高精密磁懸浮主動減震設備的懸浮共振頻率變 化曲線；
[0035] 圖8是本發明實施例2提供的磁浮減震器的結構示意圖；
[0036] 圖9是本發明實施例3提供的磁浮減震器的結構示意圖；
[0037] 圖10和圖11是本發明實施例4提供的磁浮減震器的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0038] 以下將結合圖1至圖11，通過4個實施例對本發明提供的高精密磁懸浮主動減震 設備進行詳細的描述，其均為本發明可選的實施例，可以認為本領域的技術人員在不改變 本發明精神和內容的範圍內能夠對其進行修改和潤色。
[0039] 實施例1
[0040] 請參考圖1，本實施例提供了一種高精密磁懸浮主動減震設備，用以實現工件臺的 減震，所述高精密磁懸浮主動減震設備包括磁浮減震器、減震框架、測量模塊、執行模塊和 控制器系統，所述工件臺位於所述減震框架上，所述減震框架通過所述磁浮減震器實現支 撐和懸浮減震，所述磁浮減震器至少包括兩層哈爾貝克（Halbach)磁陣列，且通過所述兩層 哈爾貝克（Halbach)磁陣列實現所述減震框架的支撐和懸浮減震，所述測量模塊和執行模 塊均與所述減震框架固定連接，所述控制器系統分別與所述測量模塊和執行模塊連接。 [0041] 本實施例提出一種基於平面哈爾貝克（Halbach )磁陣列的高精密磁懸浮主動減震 設備，由於哈爾貝克（Halbach)的單邊磁密為傳統NS陣列的萬倍，在等磁能積情況下實現 更大的負載能力，並且單邊磁場特性最大化利用磁能積，同時有效減小了 NS陣列的磁場洩 露的幹擾問題。此外，本發明還利用測量模塊、執行模塊和控制器模塊形成三環控制，對減 震框架實現了動態的補償。
[0042] 所述控制器系統採集所述測量模塊的信息，並根據所採集到的信息控制所述執行 模塊實現所述減震框架位置的動態補償。所述測量模塊包括位置傳感器與加速度傳感器， 均與所述減震框架固定連接，用以檢測所述減震框架上對應位置點的水平向、垂直向的位 置和運動加速度。所述執行模塊包括水平向音圈電機與垂向音圈電機，分別用於實現所述 減震框架水平向三個自由度和堅直向三個自由度位置的動態補償。
[0043] 具體來說，在本實施例中所述高精密磁懸浮主動減震設備包括減震框架，由四套 磁浮減震器(至少可以有3套）支撐和減震，減震框架設有用於兼容和支持光刻機工件臺的 接口，工件臺安裝在減震框架的上方；
[0044] 所述減震設備還包括：
[0045] 測量模塊：每套磁浮減震器配置一個位置傳感器和一個加速度傳感器，分別用於 測量其安裝位置點的水平向和垂向位置、加速度；
[0046] 執行器模塊：每套磁浮減震器配置一個水平向音圈電機和一個垂向音圈電機，分 另IJ用於實現所述減震框架水平向三自由度和垂向三自由度的補償；
[0047] 控制器系統：包括控制板卡、控制機箱、功率放大器、測量調理板卡、接口連線等。 [0048] 工作時，由於磁力線迴路會根據上下兩層哈爾貝克磁陣列的平面空間結構不同導 致磁通密度及其均勻性不同，所以首先對不同結構的減震器進行磁場解析，考慮磁陣列的 磁能積特性、磁隙(懸浮高度)、負載、減震剛度、共振頻率、磁通面積和尺寸等約束條件，確 定磁浮減震器的結構和尺寸參數。同時由於在光刻機中對磁洩露要求極高，所以在進行結 構設計和磁路解析時要考慮磁浮減震器的邊沿磁場問題。隔振負載、懸浮高度、減震結構和 尺寸參數確定之後，下一步建立靜態磁斥力方程，分析磁通、磁隙、平面磁陣列尺寸變化對 磁斥力和負載重力的影響，獲得如下磁懸浮減震裝置參數和信息：
[0049] (1)平面磁陣列的各個關鍵尺寸參數；
[0050] (2)額定負載下，磁斥力與懸浮高度之間的關係；
[0051] (3)建立懸浮剛度和負載之間的關係；
[0052] (4)建立減震器動剛度與擾動之間的關係。
[0053] 本發明的減震設備採用三環控制：
[0054] (1)位置環，通過多個位置傳感器測得每個磁浮減震器上的相對位置變化量，經過 傳感器矩陣將物理軸位置變換為邏輯軸位置，再經過控制器系統調理後再經過執行器矩陣 變換為每個物理執行器上的力輸出電流信號，該電流信號經D/A變換和PA功放輸入到水平 向音圈電機與垂向音圈電機實現位置的動態補償。
[0055] ⑵慣性反饋環路，通過多個加速度傳感器測得減震框架上的加速度信號，通過整 形調理濾波和A/D變換後轉換為邏輯軸上的加速度，在經過控制器補償器調理加入到位置 環路中。
[0056] (3)前饋環路，由於光刻機中工件臺與掩模臺的運動反力會影響磁浮減震器性能， 或工件臺掩模臺的運動導致減震框架的整體質心發生變化，需要將減震框架的運動位置通 過前饋的方式由磁浮減震器來進行質心補償。
[0057] 請參考圖2,所述兩層哈爾貝克磁陣列分別為第一層平面磁陣列結構502和第二 層平面磁陣列結構503,所述第一層平面磁陣列結構502與所述減震框架固定連接，所述第 二層平面磁陣列結構503與地基或者定子部分固定連接，所述第一層平面磁陣列結構502 與所述第二層平面磁陣列結構503通過兩者間的磁斥力或磁吸力實現所述減震框架的支 撐和懸浮減震。所述第一層平面磁陣列結構502與所述第二層平面磁陣列結構503分別通 過兩個背鐵501與504與所述減震框架和地基或者定子部分固定連接。第一層平面磁陣列 結構502和第二層平面磁陣列結構503均平行於所述減震框架所在平面設置。通常，該平 面即為水平面。所述背鐵501在第一層平面磁陣列結構502沿著第三方向向上疊層，所述 背鐵504在第二層平面磁陣列結構503沿著第三方向向下疊層。所述背鐵501和504的厚 度尺寸特徵在2到20mm之間，由高導磁材料組成。
[0058] 所述第一層平面磁陣列結構502和所述第二層平面磁陣列結構503均由第一磁陣 列單元與第二磁陣列單元沿第二方向交替排布形成。所述第一磁陣列單元由磁鐵組與主磁 極單元沿第一方向交替排布形成，所述第二磁陣列單元由主磁極單元與磁鐵組沿第一方向 交替排布形成，且所述第一磁陣列單元中的磁鐵組與主磁極單元沿第二方向分別與所述第 二磁陣列單元中的主磁極單元與磁鐵組對應連接設置，所述磁鐵組與所述主磁極單元的尺 寸相匹配，所述第一方向與第二方向互相垂直，且均位於水平面，所述磁鐵組由四個尺寸相 同的磁鋼塊呈田字型緊密排布形成。本實施例中，磁鋼塊的端面為正方形，且體對角線與水 平面的夾角範圍為30至60度。
[0059] 在本實施例中，第一層平面磁陣列結構502和第二層平面磁陣列結構503採用類 哈爾貝克磁陣列拓撲結構，每層磁鋼陣列都是由磁鋼組單元在第一方向和第二方向延展形 成。第一方向可以定義為水平X方向，第二方向可以定義為水平Y方向，第三方向定義為垂 直Z方向，此即為堅直方向。本實施例中的第一層平面磁陣列結構502和第二層平面磁陣 列結構503米用反向磁分布陣列。
[0060] 具體來說，請參考圖3,在第一層平面磁陣列結構中的第一磁陣列單元中，磁鐵組 505與主磁極單元506沿X向交替排布，圖中的磁鐵組505 (2)與磁鐵組505 (1)是相同的 磁鐵組，主磁極單元506 (1)與主磁極單元506 (2)是相同的主磁極單元,具體實施例中交 替排布的磁鐵組505與主磁極單元506不僅限於2個，可以理解為沿X軸方向可以繼續交 替排布，從而形成第一磁陣列單元。在第一層平面磁陣列結構中的第二磁陣列單元中，主磁 極單元510與磁鐵組511沿X向交替排布，圖中的磁鐵組511 (2)與磁鐵組511 (1)是相 同的磁鐵組，主磁極單元510 (1)與主磁極單元510 (2)是相同的主磁極單元，具體實施中 交替排布的磁鐵組511與主磁極單元510可以不僅限於2個，可以理解為沿X軸方向可以 繼續交替排布，從而形成第二磁陣列單元，第二磁陣列單元中的磁鐵組511沿Y向與主磁極 單元506對應，第二磁陣列單元中的主磁極單元510沿Y向與磁鐵組505對應.第一磁陣 列單元與第二磁陣列單元沿Y向交替排布，從而形成第一層平面磁陣列結構。
[0061] 在第二層平面磁陣列結構503中，第一磁陣列單元以及其中的主磁極單元508和 磁鐵組507與第一層平面磁陣列結構502中的第一磁陣列單元一一對應，第二磁陣列單元 以及其中的主磁極單元509和磁鐵組512也與第一層平面磁陣列結構502中的第二磁陣列 單元--對應。
[0062] 在本實施例中，請參考圖3,並結合圖2,現僅舉第一層平面磁陣列結構為例，所述 第一磁陣列單元和第二磁陣列單元中的主磁極單元的充磁方向堅直向下設置，即圖中的主 磁極單元601 (亦即圖2中的506)的充磁方向均是堅直向下設置的，所述第一磁陣列單元 中的磁鋼塊的充磁方向均沿體對角面斜向下設置，即圖中的磁鐵組600(亦即圖2中的505) 中的磁鋼塊均沿體對角面斜向下設置，具體的情形可參見圖4的中磁鐵組600,圖2和圖3 中僅標示了磁鐵組中磁鋼塊的充磁方向在水平面的分量，所述第二磁陣列單元中的主磁極 單元與磁鋼塊的充磁方向分別與所述第一磁陣列單元中的主磁極單元與磁鋼塊的充磁方 向相反，即圖3中的主磁極單元602與主磁極單元601的充磁方向相反，磁鐵組603中的磁 鋼塊的充磁方向與磁鐵組600中的磁鋼塊的充磁方向相反，其具體的方向也可參見圖4的 中磁鐵組600與603的對比情形。
[0063] 請參考圖3,同一磁鐵組內的四個磁鋼塊的充磁方向在水平面上的方向分量分別 指向四個不同的方向，由於磁鋼塊的充磁方向是沿體對角面設置的，所以其在水平面上的 方向分量必然是沿端面的對角線方向，由端面的兩條對角線即可得到四種方向，同一磁鐵 組內的四個磁鋼塊在水平面的方向分量分別指向這四個方向。只需滿足這一條件即可認為 其符合本專利的精神和內容，而四種方向的具體分布是不需要特別設置的，如圖3所示的 分布方式僅是其中的一種。
[0064] 在本實施例中，所述第一層平面磁陣列結構中的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向 分別與所述第二層平面磁陣列結構中對應位置的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向相同，故 而兩層平面磁陣列結構之間能夠產生磁斥力。
[0065] 請參考圖3,本實施例中，所述的第一磁陣列單元和第二磁陣列單元沿著第一方向 的周期長度為λ，所述的第一磁陣列單元的第一磁鐵組600寬度為λ/8至λ/4,所述的第 一磁陣列單元的第二主磁極單元601的寬度為λ /4至3 λ /8 ;所述的第二磁陣列單元的第 一磁鐵組603寬度為λ/8至λ/4,所述的第一磁陣列單元的第二主磁極單元602的寬度為 入/4至3入/8。
[0066] 實施本實施例中的高精密磁懸浮主動減震設備時，經仿真計算可以得到如下的參 數：磁密參數為I. 24Τ，所述的第一磁陣列單元和第二磁陣列單元沿著第一方向的周期長 度λ為40mm，第一磁鐵組600和603、第二主磁極單元601和602均按照λ /4給定。仿真 得到的數據表明在第一層平面磁陣列和第二層平面磁陣列之間產生了遠超過單個磁體表 面磁密的磁場強度。
[0067] 圖5給出了在設定參數條件下第一層平面磁陣列和第二層平面磁陣列之間的懸 浮高度從〇至1. 5毫米變化時可支持的磁懸浮負載變化曲線，該參數條件下的負載可實現 8. 60千牛至10. 38千牛的承載能力。對應的懸浮剛度變化由圖6給出，平均懸浮剛度為 I. 13E6N/m。對應的懸浮共振頻率由圖7給出，承載的負載從8. 6KN至10. 3KN變化時，共振 頻率穩定在5-6Hz。為隔振平臺提供了一個較低的共振頻率。
[0068] 實施例2
[0069] 本實施例與實施例1的主要區別在於：請參考圖8,其中上層為第一層平面磁陣列 結構，下層為第二層平面磁陣列結構，所述第一層平面磁陣列結構中的主磁極單元和磁鋼 塊的充磁方向分別與所述第二層平面磁陣列結構中對應位置的主磁極單元和磁鋼塊的充 磁方向相反，利用磁吸力實現懸浮減震。而兩層平面磁陣列的具體結構設置、測量模塊、執 行器模塊和控制器模塊均可參考圖1得到，且與實施例1類似。
[0070] 實施本實施例中的高精密磁懸浮主動減震設備時，經仿真計算可以得到如下的參 數：磁密參數為I. 24T，所述的第一磁陣列單元和第二磁陣列單元沿著第一方向的周期長 度λ為40_，第一磁鐵組、第二主磁極單元均按照λ/4給定。仿真得到的數據表明在第一 層平面磁陣列和第二層平面磁陣列之間產生了遠超過單個磁體表面磁密的磁場強度。
[0071] 實施例3
[0072] 本實施例在實施例1的基礎上做了改進，具體來說，參考圖9,所述第一層平面磁 陣列結構的兩個相鄰的邊緣外側固定設有第一方向第一磁陣列803和第二方向第一磁陣 列801，所述第二層平面磁陣列結構對應位置的邊緣外側設有第一方向第二磁陣列804和 第二方向第二磁陣列802,所述第一方向第一磁陣列803與所述第一方向第二磁陣列804僅 沿第一方向上產生磁吸力或磁斥力，所述第二方向第二磁陣列802與所述第二方向第一磁 陣列801僅沿第二方向上產生磁吸力或磁斥力。本實施例中第一方向定義為X向，第二方 向定義為Y向，該磁吸力或磁斥力使得減震框架與外部世界實現水平方向的振動隔離。
[0073] 在本實施例中，所述第二層平面磁陣列結構通過一個背鐵與地基或者定子部分固 定連接，所述第一方向第二磁陣列和第二方向第二磁陣列固定設在在背鐵上。進而能夠產 生空間，實現水平方向的振動隔離。
[0074] 實施例4
[0075] 請參考圖10和圖11，第一層平面磁陣列結構901和第二層平面磁陣列結構902均 相對於所述減震框架所在平面傾斜設置。所述第一層平面磁陣列結構安裝於所述減震框架 上，所述的第一層平面磁陣列結構包括901 (1)、901 (2)、901 (3)、901 (4)。所述第二層平 面磁陣列結構安裝於定子或地基上，所述的第二層平面磁陣列結構包括902 (1)、902 (2)、 902 (3)、902 (4)。本實施例可以認為其是依據實施例1做出的改進，在實施例1中，兩層 平面磁陣列結構與所述減震框架平行設置，可視作均為沿水平面設置，而本實施例可以認 為是將實施例1中的兩層平面磁陣列結構傾斜設置，使之傾斜後再分別與減震框架與定子 或地基固定連接。本實施例中的高精密磁懸浮主動減震設備亦可參照圖1而近似得到，其 差別僅僅是磁浮減震器與其他部件的連接方式存在區別，其磁浮減震器的內部結構亦可參 照實施例1至3得到。
[0076] 請參考圖11，X向、Y向位於水平面，亦即實施例1中的第一方向和第二方向，Z向 為堅直方向。本實施例中，每組磁浮減震器呈斜向放置於減震框架的4個角上。每組磁浮減 震器與X方向有一小於90度的夾角，每組減震減震器與Y方向有一小於90度的夾角。上 下兩層平面磁陣列結構產生的懸浮力Fz與第一層平面磁陣列結構901的上表面相互正交， 所述的懸浮力Fz的方向與X方向有一小於90度的夾角，所述的懸浮力Fz的方向與Y方向 有一小於90度的夾角，所述的懸浮力Fz的方向與Z方向有一小於90度的夾角。
[0077] 綜上所述，在諸實施例中，本發明提出雙層磁陣列構建的減震結構，每層可以採用 同向磁分布陣列構建磁吸力懸浮減震架構，每層還可以採用反向磁分布陣列構建磁斥力懸 浮減震架構。本發明提出採用磁吸力陣列或磁斥力陣列構建水平輔助隔離裝置。本發明採 用音圈電機作為減震框架的精密補償控制的開環前饋驅動機構，可以精密補償減震框架的 位置，還可以實現光刻機內部工件臺掩模臺運動引起的質心位置漂移補償。本發明還採用 加速度傳感器、速度傳感器、位置傳感器作為光刻機減震平臺精密控制補償的測量裝置來 實現各個自由度的剛度、阻尼補償。
[0078] 本實施例提出一種基於平面哈爾貝克（Halbach)磁陣列的高精密磁懸浮主動減震 設備，還具有如下的好處：
[0079] (1)小體積、大負載，滿足納米精度的光刻機設備大負載、低剛度和高精度定位的 需求；
[0080] (2)巧妙利用哈爾貝克（Halbach)磁陣列的單邊磁密為傳統NS陣列的倍的優勢， 在等磁能積情況下實現更大的負載能力；
[0081] (3)單邊磁場特性最大化利用磁能積，同時有效減小磁場洩露的幹擾；
[0082] (4)音圈電機作為開環前饋驅動機構精密補償減震框架的位置，還可以實現光刻 機內部工件臺掩模臺運動引起的質心位置漂移補償。
【權利要求】
1. 一種高精密磁懸浮主動減震設備，用以實現工件臺的減震，其特徵在於：包括磁浮 減震器、減震框架、測量模塊、執行模塊和控制器系統，所述工件臺位於所述減震框架上，所 述減震框架通過所述磁浮減震器實現支撐和懸浮減震，所述磁浮減震器至少包括兩層哈爾 貝克磁陣列，且通過所述兩層哈爾貝克磁陣列實現所述減震框架的支撐和懸浮減震，所述 測量模塊和執行模塊均與所述減震框架固定連接，所述控制器系統分別與所述測量模塊和 執行模塊連接。
2. 如權利要求1所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：所述控制器系統採 集所述測量模塊的信息，並根據所採集到的信息控制所述執行模塊實現所述減震框架位置 的動態補償。
3. 如權利要求2所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：所述測量模塊包括 位置傳感器與加速度傳感器，均與所述減震框架固定連接，用以檢測所述減震框架上對應 位置點的水平向、垂直向的位置和運動加速度。
4. 如權利要求2所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：所述執行模塊包括 水平向音圈電機與垂向音圈電機，分別用於實現所述減震框架水平向三個自由度和堅直向 三個自由度位置的動態補償。
5. 如權利要求1所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：所述兩層哈爾貝克 磁陣列分別為第一層平面磁陣列結構和第二層平面磁陣列結構，所述第一層平面磁陣列與 所述減震框架固定連接，所述第二層平面磁陣列結構與地基或者定子部分固定連接，所述 第一層平面磁陣列結構與所述第二層平面磁陣列結構通過兩者間的磁斥力或磁吸力實現 所述減震框架的支撐和懸浮減震。
6. 如權利要求5所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：所述第一層平面磁 陣列結構和所述第二層平面磁陣列結構均由第一磁陣列單元與第二磁陣列單元沿第二方 向交替排布形成。
7. 如權利要求6所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：所述第一磁陣列單 元由磁鐵組與主磁極單元沿第一方向交替排布形成，所述第二磁陣列單元由主磁極單元與 磁鐵組沿第一方向交替排布形成，且所述第一磁陣列單元中的磁鐵組與主磁極單元沿第二 方向分別與所述第二磁陣列單元中的主磁極單元與磁鐵組對應連接設置，所述磁鐵組與所 述主磁極單元的尺寸相匹配，所述第一方向與第二方向互相垂直，且均位於水平面，所述磁 鐵組由四個尺寸相同的磁鋼塊呈田字型緊密排布形成。
8. 如權利要求7所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：所述第一磁陣列單 元和第二磁陣列單元中的主磁極單元的充磁方向堅直向下設置，所述第一磁陣列單元中的 磁鋼塊的充磁方向均沿體對角面斜向下設置，所述第二磁陣列單元中的主磁極單元與磁鋼 塊的充磁方向分別與所述第一磁陣列單元中的主磁極單元與磁鋼塊的充磁方向相反。
9. 如權利要求8所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：所述第一磁陣列單 元中的磁鋼塊的充磁方向與水平面的夾角範圍為30至60度。
10. 如權利要求8所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：同一磁鐵組內的四 個磁鋼塊的充磁方向在水平面上的方向分量分別指向四個不同的方向。
11. 如權利要求7所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：所述第一層平面磁 陣列結構中的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向分別與和所述第二層平面磁陣列結構中對 應位置的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向相同。
12. 如權利要求7所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：所述第一層平面磁 陣列結構中的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向分別與和所述第二層平面磁陣列結構中對 應位置的主磁極單元和磁鋼塊的充磁方向相反。
13. 如權利要求7所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：所述第一層平面磁 陣列結構的兩個相鄰的邊緣外側固定設有第一方向第一磁陣列和第二方向第一磁陣列，所 述第二層平面磁陣列結構對應位置的邊緣外側設有第一方向第二磁陣列和第二方向第二 磁陣列，所述第一方向第一磁陣列與所述第一方向第二磁陣列僅沿第一方向上產生磁吸 力或磁斥力，所述第二方向第二磁陣列與所述第二方向第一磁陣列僅沿第二方向上產生磁 吸力或磁斥力。
14. 如權利要求13所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：所述第二層平面 磁陣列結構通過一個背鐵與地基或者定子部分固定連接，所述第一方向第二磁陣列和第二 方向第二磁陣列固定設在在背鐵上。
15. 如權利要求5所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：所述第一層平面磁 陣列結構與所述第二層平面磁陣列結構分別通過兩個背鐵與所述減震框架和地基或者定 子部分固定連接。
16. 如權利要求5所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：第一層平面磁陣列 結構和第二層平面磁陣列結構均平行於所述減震框架所在平面設置。
17. 、如權利要求5所述的高精密磁懸浮主動減震設備，其特徵在於：第一層平面磁陣 列結構和第二層平面磁陣列結構均相對於所述減震框架所在平面傾斜設置。
【文檔編號】F16F15/03GK104343885SQ201310347667
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年8月9日 優先權日:2013年8月9日
【發明者】吳立偉 申請人:上海微電子裝備有限公司