以高定位精確度加工一個物體的裝置的製作方法
2023-05-02 16:49:56 1
專利名稱：以高定位精確度加工一個物體的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種精密設備，其使用一種帶電粒子束來加工在一個精確定位工作檯上的一個物體，精確定位工作檯執行掃描或步進運動。本發明還涉及例如用於平板印刷設備的精確定位設備。此外，本發明涉及具有磁阻執行機構(actuator)執行機構的設備。
US專利申請No.2003/0007140(Korenaga)公開了一種晶片臺(waferstage)運動裝置。在加工半導體晶片期間，必須結合一個其上具有晶片的工作檯的步進或掃描運動，對該工作檯進行非常精確的定位。工作檯的定位獨立於環境振動。這要求專門的設備用於工作檯的移動和懸掛。為此目的，通常使用線性電機，根據洛倫茲原理進行操作。即，這種電機包括一個線圈和一個電流源，線圈可移動的懸掛在一個磁場中，電流源通過應用流過線圈的電流而產生力。一系列永久磁鐵在該空間中產生磁場，線圈移動通過該空間。根據洛倫茲原理，類似的技術可以用於實現一個磁性軸承(磁力懸浮火車)。使用這種基於洛倫茲原理的移動控制的一個優點在於，所產生的力幾乎不受支撐結構的振動的影響。
基於洛倫茲原理的移動或磁性軸承所產生的一個問題是，其包括相當大的功率消耗。所產生的熱導致多種問題，例如附加的振動，直接或間接的因為由熱效應導致的冷卻或變形的需要。Korenaga描述了一種用於減小能量消耗的解決方案。Korenaga使用長行程線性電機，它移動精確定位工作檯一個短行程。該線性電機的線圈纏繞一個鐵芯，這樣減小了產生運動所要求的能量消耗，但是遭受這種損害，即該芯易於堵塞到電機的磁鐵，這樣導致來自磁鐵的振動傳送到工作檯，並且很難實現精確定位控制。
不過，Korenaga通過增加精確定位臺實現了精確定位，精確定位載物臺具有多個小執行機構，執行機構也使用洛倫茲原理，但在線圈中不包括鐵芯。當這些短行程執行機構有超出限程的危險時，線性電機僅用來實現運動。根據洛倫茲原理使用的空心線圈傳輸很少或不傳輸振動，因為它們產生了一個力，該力幾乎不依賴於線圈和產生磁場的磁鐵的相對位置。
另外，Korenaga在小行程執行機構和最終的工作檯之間使用一個電磁耦合。利用一個中央可磁化的圓柱(cylinder)和多個E型磁芯，具有朝向圓柱的多個柱體(legs)和纏繞多個柱體的線圈以產生磁場，從而實現電磁耦合。電磁耦合用於補償在工作檯上的線性電機的加速的影響。定位是在精確定位載物臺的左邊，使得磁芯堵塞的影響不起作用。
在這樣一個移動系統中使用洛倫茲原理具有多種缺點。如Korenaga已經注意到的，如果使用沒有芯的線圈那麼存在一個熱量產生的問題。通過使用這種僅用於精確移動的線圈可將這個問題減小到一定程度。
此外，在使用一束帶電粒子的成像設備(例如電子束記錄器)中，將成像設備控制在由電機或軸承運送的工作檯上，存在另外的問題，即執行機構的磁場幹擾粒子束。通常利用在工作檯與電機或軸承之間連接的一個機械傳輸，強制將電機和/或磁性軸承設置為離粒子束一個大的距離。這樣一個長距離的傳輸使位置控制難以使用。通過在線圈中使用一個可磁化的芯，也能夠將這個問題減小到這樣的程度，即這個芯定位在磁場中，但是Korenaga告知的堵塞問題使其有問題。
其中，本發明的一個目的是提供一個具有精確定位設備的裝置，精確定位設備兼容多種帶電粒子束，和/或產生少量的熱。
其中，本發明的一個目的是提供這樣一種裝置，其中磁性材料用在定子和中繼器(translator)上，其中減少了振動的傳輸。
根據本發明的一個方面的裝置在權利要求1中提出。根據這個方面，一個磁阻執行機構用於懸掛一個物體工作檯，該工作檯在一個物體的精確加工期間沿著一個加工路徑移動。磁阻執行機構包括一個被動的軟磁相對表面(counter surface)，該表面平行於在用於工作檯的支撐結構上的加工路徑延伸。連到工作檯，磁阻執行機構包括一個主動部分，主動部分包括一個帶有多個朝向相對表面的磁極(pole)的軟磁芯。通過由流過纏繞芯的一個線圈的電流產生的磁力，來調節垂直於該表面的主動部分的定位。
在一個嵌入控制電路中控制流過線圈的電流。在一個外部控制電路中，測量關於主動部分相對於一個基準的定位的信息，並使用該信息計算力設定值信息，該基準機械的與相對表面分離，力設定值信息表示必須由磁阻執行機構施加的一個力。力設定值信息可以表示為例如與該力或該力的平方根成數量比例(number proportional)。
在一個內部控制電路中，力設定值信息用於控制流過線圈的電流。內部迴路比外部迴路具有更快的響應特性，外部迴路的相應速度受機械因數影響。因此，防止了堵塞，並且相對表面的振動或引起的變形不影響定位，使得能夠使用一種磁阻執行機構用於精確加工。
通過事後認識，US專利No.5814774披露了一種電梯，其中應用了一種具有受控力的磁阻執行機構，來提供舒適的乘坐，並且US專利No.5387851披露了一種用於潛水艇的引擎，其中一種具有受控力的磁阻執行機構，用於防止將引擎的振動傳送到引擎的底座。顯而易見，這些公開內容不屬於具有精確定位的物體工作檯的加工設備的技術。
優選的，測量關於在磁極(pole)和相對表面間的一個間隙距離和/或在磁極處的一個磁通量的實時測量信息，以將電流調節到一個確保所要求的力的水平。然而，即使測量了該間隙距離，它也不用於選擇力設定值，而僅是調節需要實現力設定值的電流。
在該裝置的一個實施例中，在一個縫隙內設置軟磁元件和可磁化芯，該縫隙具有側壁，側壁平行於工作檯的移動路徑而延伸。側壁具有高磁導率，以屏蔽來自磁心和可磁化元件的磁場。因此，能夠使懸掛結構更兼容帶電粒子束加工設備。在一個進一步的實施例中，可以交替的設置多對側壁，連接到工作檯和支撐結構。在另一個實施例中，側壁也遮蔽一個線性電機的磁體，該電機用於沿著加工路徑驅動工作檯。
在另一個實施例中，設置多個去磁磁鐵鄰接於可磁化芯的磁極，並且設置成隨著在沿著所屬路徑移動過程中磁極的通路，減小軟磁場的殘餘磁化強度。優選的，多個去磁磁鐵設置在多個磁極的每一側上，使得當向前和向後移動工作檯時它們都跟隨這些磁極，但是，如果能夠確保，當懸掛有效時，工作檯不向後移動了一個有效的距離，那麼在一個單側上的去磁磁鐵就足夠了。
在另一個實施例中，永久預拉伸(pretensioning))磁鐵設置為連接到工作檯，其平行於或穿過可磁化磁芯而作用於軟磁元件。因此，減少了能量消耗。
其中，本發明的一個目的是改進在一個裝置中的磁阻執行機構的實用性，裝置中應當保持低的磁場強度。
根據本發明的一個方面，磁阻執行機構的主動部分提供有兩個可磁化指狀物的陣列，它們相互交叉的設置，在主動部分朝向被動表面的一個表面上伸展。每個陣列的指狀物具有自己的可磁化底座，只有該陣列的指狀物連接到可磁化底座，並且底座通過一個可磁化返迴路徑相互連接，在該返迴路徑中使用一個電線圈能夠產生一個磁場。這樣，在一個小空間內能夠產生一個具有多個磁極的磁場。當這樣一個場沿著被動表面移動時，它留下比一個E或U形芯小的殘餘磁化強度。並且遠離主動部分的場急劇的下降。優選的，指狀物在相互相對的方向上從底座延伸。這樣最小化了要求空間。
在一個實施例中，由一片可磁化材料構成主動部分的指狀物、底座和返迴路徑的組，由這種材料指狀物在該片的相對的末端上構成了鋸齒狀的邊緣，摺疊片材料使得在相對的末端上的指狀物在主動部分的表面內交錯設置。因此，能夠以一種簡單的方法實現這種主動部分。
使用下列附圖，將更詳細描述本發明這些和其它的目的和有利方面。
圖1示出了一個帶電粒子束加工裝置；圖2示出了一個磁阻執行機構的多個部分；圖3示出了一個遮蔽結構；圖3a示出了一個進一步的遮蔽結構；圖4示出了一個控制電路；圖4a示出了一個進一步的控制電路；圖5示出了另一個控制電路；圖6示出了一個具有一個附加磁鐵的磁阻執行機構；圖7示出了一個具有一個長行程洛倫茲執行機構的軸承；圖8示出了一個磁阻執行機構的實施例；圖9示出了一個具有多個去磁磁鐵的執行機構。
圖1示出了一個具有定位設備的帶電粒子束加工裝置。該裝置包括支撐結構10、基板工作檯12、具有一個主動部分14(支撐結構提供一個被動部分，未示出)的磁阻執行機構、參考結構16、傳感器17、帶電粒子源18和基板19。指示x、y和z方向用於參考(後者垂直於圖的平面)。工作檯12在支撐結構10上的x方向內在一個位置範圍(箭頭所示)上可以移動。雖然示出了在一個單獨的(x-)方向上沿著一條路徑的可動性，但是應當理解，可以提供工作檯12在超過一個的方向上(也在z方向上)沿著路徑的可動性。傳感器17設置成測量在工作檯12和參考結構16之間的距離。參考結構16機械的與支撐結構10分離，在這種意義上，其不同於朝向主動部分14的支撐結構的部分，並且如果完全耦合，最好通過振動阻尼連接相連，如本身例如在平板印刷設備中的計量結構所知的。因此，相對表面的振動和變形基本上不會傳遞到參考結構16(例如，小於20％和更好的小於1％)。帶電粒子源18設置成產生一束帶電粒子18a，對準基板工作檯12上的基板19。
圖2更詳細的示出了主動部分14。主動部分14包括一個E型軟磁鐵芯24，具有指向支撐結構10的一個表面的三個柱體、纏繞著芯24的中央柱體的一個電流線圈20和一個間隙距離傳感器22，間隙距離傳感器22在中央柱體和支撐結構10的表面之間的一個間隙中。(如這裡所用的，「軟磁鐵材料」是一種在磁場影響下顯示出高磁化作用的材料，當移除磁場時磁化作用基本消失)。應當理解，對於某些類型的傳感器，不必在中央柱體和支撐結構之間的間隙中設置傳感器22代替的，傳感器22可以位於相鄰的一個柱體，使得間隙尺寸不需要因為傳感器而增加，或通過另一柱體形成在間隙中。
在操作中，一束帶電粒子18a發射到基板19，例如用於在基板19上添加或去除材料、或用於測量基板19的特性、或在其表面或接近其表面改變基板19的特性。工作檯12移動到相對於粒子束18a不同的位置。主動部分14用作一個懸架以將工作檯12保持在垂直於支撐結構10的y方向上的一個控制位置上。一個磁力作用在主動部分14和支撐結構10的一個可磁化部分之間。工作檯12受(通過未示出的裝置)沿著y方向作用的預拉伸力的作用，磁力對其進行補償，使得工作檯12在y方向上保持在一個要求的位置上。
雖然為了簡化，所示的主動部分14的一個實施表現為在工作檯12上施加一個向下的力，但是應當理解通過不同的設置可以實現一個向上的力。在主動部分14施加一個向下的力的情況下，預拉伸力是在向上的方向上，而在主動部分14施加一個向下的力的情況下，預拉伸力是在向下的方向上等。同樣為了簡化，只示出了一個執行機構，應當理解可以出現其它的執行機構，例如為了在y方向上施加其它的力以將工作檯12保持在一個要求的方位上和/或保持一個或多個作用在例如z方向的側向的執行機構以控制定位和定向位。
圖3示出了一個朝向一個可磁化條帶34的主動部分14的yz截面，可磁化條帶34以施加一個力為目的，形成了支撐結構的相關表面。條帶34沿著x方向延伸，基本上在工作檯12的全部可能的x運動範圍內。條帶34安裝在一個屏蔽結構中，屏蔽結構具有磁性的高磁導材料的側壁32和一個連接側壁32的、磁性的高磁導材料的底部。側壁和底部關於條帶34延伸，或進一步在x方向上延伸。當工作檯12在x方向上移動時，主動部分14在側壁32之間移動。優選的，條帶34通過一個基本非可磁化聯接連在側壁32上。
設置封裝側壁30，由一個底部相互連接，並且連在工作檯12上，使得側壁32的一個頂部部分包括在封裝側壁30之間，並且由封裝側壁32和它們的連接底部在頂部封裝主動部分14的可磁化部分。封裝側壁32和它們的連接底部是高可磁化材料；優選的，主動部分14的可磁化部分通過基本非可磁化材料與封裝側壁32和它們的連接底部分離。封裝側壁32在x方向上延伸到芯24的側面柱體之外。
封裝側壁30和側壁32用來屏蔽來自主動部分14和條帶34的雜散磁場。當工作檯12相對於支撐結構上下移動或沿著支撐結構在x方向上移動時，側壁32的頂部末端保持為包括在封裝側壁30之間。結果，基本上抑制了雜散磁場。在一個實施例中，多個互相交叉交替的連在支撐結構上的側壁和連在工作檯12上的側壁可以用於實現進一步改進的屏蔽。在另一個實施例中，僅是出現連到支撐結構10的側壁32，而沒有封裝側壁。在另一個實施例中，僅是出現連到工作檯12的封裝側壁30，而沒有連到支撐結構的側壁。相似的，在一個實施例中，連到工作檯12的側壁可以位於連到支撐結構的側壁之間。側壁的數量依賴於要求的屏蔽量。
在另一個實施例中，在工作檯12和芯24之間的連接具有一個基本上不可磁化的頸部部分，頸部部分比芯24窄，並且封裝側壁32具有一個頂部或多個頂部，從封裝側壁向內凸出，使得從上方部分地包圍芯24，除了一個狹縫用於通過頸部以外。此外，將認識到不必將條帶34和芯24定位成使得條帶34和芯24之間的磁場平行於側壁工作。例如，條帶34和芯24可以超過90度旋轉設置，使得磁場垂直於側壁工作。這樣可以實現在可選擇的方向上定位。
圖3a示出了一個進一步的實施例，其中一個線性電機用於沿著它的主行程方向(x方向)移動工作檯12。將簡要的描述本身已知的這種線性電機。該線性電機包括一對連到支撐結構10的平行壁。在壁上設置多行交替連接的磁鐵36，以在側壁間的空間中產生空間交替方向的磁場。連接到工作檯12的一個電機線圈38位於壁之間的空間內，並且驅動電流通過電機線圈以在場方向的交替方向上移動工作檯。另外，可以在一個位置設置高可磁化材料的屏蔽側壁32，使得磁鐵和它們的支撐結構包括在屏蔽側壁之間。
根據本發明的一個方面，線性電機的側壁用作側壁32，同樣用於屏蔽來自磁阻執行機構的場。優選的，一個電機線圈38連到芯24和工作檯12之間的一個連接。這樣，屏蔽側壁32用於屏蔽來自線性電機的場和來自磁阻執行機構的場(應當理解，以同樣的方法可以屏蔽來自其它類型的執行機構的場，例如，洛倫茲執行機構)。優選的，線性電機的磁鐵是通過基本非可磁化連接而機械連接到屏蔽側壁的。通常，條帶34平行連接到連接側壁的一個壁上，或它是用於磁鐵36的一個可磁化支撐結構的一部分，連接相對支撐壁，或連接到它。但是當芯24的多個柱體的末端朝向一個側壁時，條帶34還可以連到側壁或連接壁。
操作中，為了在工作檯12和支撐結構10之間施加一個力，施加一個電流通過線圈20，產生一個磁通量，磁通量作用通過芯24的中央柱體通過一個間隙到條帶34，和從條帶34通過間隙到芯24的側部柱體，和從那裡返回到中央柱體。該磁通量在芯24和條帶34中引起磁化，並且因此在條帶34和芯24之間(和從而在支撐結構10和工作檯12之間)施加一個力。這個力與感應磁化的積分磁通(flux times theinduced magnetization)成比例。磁通近似與施加到線圈20的電流「I」除以間隙中在芯24的多個柱體與條帶34之間的距離之和「d」成比例。磁化強度與磁通量成比例。因此，在芯24與條帶34之間的力近似與(I/d)2成比例。
圖4示出了一個電路，用於調節力。這個電路包括傳感器17、外部控制電路40、內部控制電路42、線圈20和間隙距離傳感器22。傳感器17檢測在參考結構16和工作檯12(未示出)之間的距離，並且具有一個檢測信號輸出，該輸出耦合到外部控制電路40。外部控制電路40具有一個力設置值輸出，該輸出耦合到內部控制電路42的第一輸入，內部控制電路42具有第二輸入，該輸入耦合到間隙距離傳感器22的一個輸出。內部控制電路42具有一個輸出，該輸出耦合到線圈20。
操作中，傳感器17例如使用幹涉測量技術、或其它精密測量技術，檢測在參考結構16和工作檯12之間的距離。外部控制電路40將測量位置與一個要求位置進行比較，要求位置一般由一個控制計算機(未示出)來選擇，但是也可以是一個局部設置在外部控制電路40中的預定的值。外部控制電路40根據測量距離ym與要求距離yr之差的正負號和數值，選擇一個力設置值Fs。例如，外部控制電路40可以選擇力設置值Fp，力設置值Fp與差值ym-yr成比例的，或與這個差值的一個低通頻率濾波變型(version)成比例。
內部控制電路42設置通過線圈20的電流，以實現要求的力。這可以使用一個產生電流I的前饋電路來完成I＝C d sqrt(Fp)電流I的數值與由間隙距離傳感器22測量的間隙距離d和力設定值的平方根成比例(當然外部控制電路42可以以一個與這個平方根成比例的信號的形式，提供設定值)。比例常數C依賴於芯24和條帶34等的材料特性等。可以使用一個前饋電路。可替換的，內部控制電路42可以包括一個反饋迴路，調節電流I到一個選擇的數值。
一個磁通傳感器可以用於替換(或附加到)間隙距離傳感器22。磁通傳感器可以是一個設置在一個間隙中的霍耳效應傳感器，該間隙在芯24的一個柱體與條帶34之間或者在AC電流或一個飽和芯的情況下，一個或多個纏繞一個柱體的傳感線圈或芯24的主幹。作用在芯24和條帶34之間的力與測量的磁通B的平方成比例，但不進一步依賴於間隙尺寸「d」(間隙尺寸僅影響通過磁通的力)。
圖5示出了內部控制電路42的一個實施例，內部控制電路42具有傳感器50和局部反饋放大器54，以調節通過線圈20的電流I，使得測量的磁通值B對應於力設定值所要求的值。優選的，在這種情況下，控制電路40計算所要求的力的平方根，並且提供一個與這個根成比例的信號作為在內部控制電路42的輸入52處的設定值。外部控制電路40與內部控制電路42一起是調節測量距離ym到一個設定值的反饋迴路的一部分。這個反饋迴路的速度大大慢於內部控制電路42(如果內部控制電路42包括反饋迴路，那麼它形成一個嵌套在該位置反饋迴路中的迴路)的響應速度。設置內部控制電路42的響應速度，使得當工作檯12沿著支撐結構10移動主動部分14時，由條帶34的振動和/或條帶34的高度振動導致的間隙距離d的變化，不會影響在用於所測量距離的反饋迴路的速度的一個時間量程(time scale)上的作用力。實際上，電流調節的速度快於在間隙尺寸上的任何顯著的變化。一般，內部控制電路42可以實現為一個高速模擬電路或反饋電路，而外部控制電路40可以用一個適當的程序控制計算機或一個信號處理器來實現，它也可以實現其它的功能。然而，應當理解，即使具有一個磁通傳感器，一個磁通反饋電路也不是必須的。通過由磁通量分開流過線圈20的電流，磁通傳感器能夠用作一個間隙距離傳感器。該結果與間隙距離成比例，並且能夠用在一個前饋迴路中來控制電流。
在其最簡化的形式中，控制電路使用相對於參考結構16的工作檯12的位置測量來選擇力，該力調節那個位置到一個設定值。然而，可以使用更複雜的控制方案。例如，力可以適應於在運動中預測的力。
圖4a示出了一個更先進的控制系統，包括位置設定值發生器44、位置控制迴路45、軸承設定值發生器46、前饋力發生器47和軸承控制迴路48。位置控制迴路45驅動一個電機49，電機49沿x方向移動工作檯並且接收從電機或一個測量工作檯的位置的傳感器的返回的位置信息。位置控制迴路45從設定值發生器44接收設定值。位置控制迴路45調節工作檯的位置到來自設定值發生器44的x-位置設定值。
軸承控制迴路48包括根據圖4和/或5描述的電路。軸承控制迴路48接收來自軸承設定值發生器46的設定值、間隙尺寸測量和/或磁通測量和相對於參考結構16的位置測量。軸承控制迴路48計算力值，用於將相對於參考結構16的所測量的位置調節到一個設定值，這可以通過例如通過設定線性的與設定值的偏差成比例的力、或根據任何其它函數來實現的，所述的函數例如是這樣的一種函數，例如當該偏差超出一個最大值時該函數充滿(saturates)到一個預定的力。
軸承設定值發生器46選擇設定值，對應於例如一個到參考結構16的固定距離，或根據一個反饋迴路來依據聚焦信息以調整位置。在一個進一步的實施例中，軸承設定值發生器46可以根據x-位置設定值來產生軸承設定值，以說明例如在基板19上的已知高度變化。
前饋力發生器47計算由於在移動期間電機驅動的工作檯所經受的慣性產生的力，並且提供關於所計算的力值信息到軸承控制迴路48。軸承控制迴路48從選擇用於調節工作檯的位置的力中減去這些力，並且根據計算的差值控制所施加的力。因此，由移動產生的力不影響軸承位置控制。
應當理解，僅是通過舉例的方式描述了裝置，可能存在多種變化。例如，除x運動機構外，可以通過一個z運動機構，用於在z方向上移動工作檯。也可以補償所得到的力。此外可以不必補償全部的力，或補償可以依賴於環境。
雖然圖4a中示出了多個單獨的單元，但是應當理解實際上所有或部分這些單元可以實現為運行在一個或多個計算機上的電腦程式。
此外，雖然示出了一個單獨的執行機構，但是應當理解實際上可以出現更多類似的或其它的執行機構，例如以多種自由的等級來控制位置和旋轉。還有，雖然示出了E形芯沿著運動方向延伸，但是應當理解其它方向也是可以的。
圖6示出了主動部分14的一個進一步的實施例。在這個實施例中，永久磁鐵60在安裝的工作檯12上，鄰接於芯24，永久磁鐵60到支撐結構10間隙距離比芯24到支撐結構10間隙距離大。操作中，磁力Fp作用到永久磁鐵60和支撐結構10之間。因此，僅有全部力Ft的一部分必須由芯24施加的力Fe提供，總力Ft必須施加到工作檯12和支撐結構10之間。這樣減少了能量消耗。應當理解代替於使用單獨的永久磁鐵60，這個永久磁鐵也可以連到芯24，使得來自永久磁鐵的磁通達到條帶34，主要穿過芯24，或芯24的多個單獨的部分可以通過永久磁鐵連接。
另外，當使用一個單獨的磁鐵時，最好選擇永久磁鐵60的間隙距離非常大，以致於與總力成比例，由永久磁鐵60施加的力Fp與由芯24施加的力Fe((d(d(Fp+Fe)/dy)/(Fp+Fe)＜(dFe/dy)/Fe))相比具有較小的負剛度(關於在工作檯12與支撐結構10之間的距離的導數dFp/dy)。
圖7示出了一個具有一個磁阻執行機構的懸掛的一種替換方案。在這種替換方案中，永久磁鐵70a、b、72a、b設置在支撐結構10上，永久磁鐵70a、b、72a、b的磁極基本沿著工作檯(未示出)(沿著x方向)移動的路徑的整個長度延伸。一個線圈74連到工作檯(未示出)上，設置在相對的永久磁鐵對70a、b、72a、b的一個縫隙內。線圈74延伸在小於工作檯12的範圍上、或至少基本上不超出工作檯12的範圍，並且因此僅延伸在永久磁鐵70a、b、72a、b的範圍的一小部分上。永久磁鐵70a、b、72a、b在一個縫隙的每一側上成對設置，並且產生工作在橫向於工作檯的運動方向的z方向上的、從狹縫一側到另一側的磁通。由較上的一對的磁鐵70a、b和較下的一對磁鐵72a、b分別提供互相相反極性的磁通。因此，構成了洛倫茲執行機構，其用於當施加電流通過線圈74時在y方向上施加一個力。
這種結構可以用作磁阻傳感器的一個替換。使用洛倫茲執行機構的優點在於它的響應是高線性的，這樣簡化了控制系統的設計，它施加的力對振動不敏感。然而，當雜散磁場是問題時，如在使用一束帶電粒子的設備的情況下，需要使用遮蔽來防止來自雜散場的幹擾。
磁性軸承具有多種優點不需要移動機械接觸，從而很少的或沒有磨損或振動發生，能夠非常精確的控制軸承力，該操作與高真空等是兼容的。由於這些優點，將期望在使用帶電粒子的成像裝置中也使用磁性軸承。然而，此時出現一個問題，即由一個磁性軸承產生的磁場能夠影響帶電粒子命中目標。特別是洛倫茲執行機構具有這種效果，因為它們包括產生磁場的永久磁鐵和線圈穿過其中而移動的一個空間。實際上主要通過空間的將磁性軸承與對磁場敏感的裝置的區域分開，已經解決了磁場問題。然而，越分離，裝置的結構越不方便使用。
磁阻軸承能夠用於實現一個減輕這種問題的簡單和低功率的磁性軸承。在一個磁阻執行機構中，其中一個主動部分必須沿著一個表面移動，從一個表面懸掛一定的距離，該表面可以是一個被動的、可軟磁化的、但通常未磁化的表面。由主動部分局部在該表面中感應磁化。一般，主動部分是一個E或U形磁鐵，具有朝向被動表面的南極和北極和纏繞柱體之一的一個電氣線圈。在主動部分和朝向主動部分的表面部分之外，不需要產生場。因此，當使用一個被動的、通常未磁化的表面時，該表面可以設置為非常接近於裝置的場敏感區域。
然而，實際上，可軟磁化表面不可避免呈現出一個少量殘餘磁場。這樣在這種類型軸承的實用性上強加了一個限制。此外，即使當以一定距離設置主動部分時，主動部分也可以產生特別強的場。
其中，本發明的一個目的是改進在一個裝置中的磁阻執行機構的實用性，該裝置中應當保持低的磁場強度。
圖8示出了磁阻執行機構的另一個實施例的一部分，具有可磁化表面89和一個主動部分80、82、84、86、87、88。通常，該執行機構替代E形芯24，表面89是條帶34或支撐結構的一部分。該執行機構的作用例如是一個磁性軸承的一部分，使主動部分與表面89在垂直於表面89的方向上(y方向上)相互保持一個預定的距離，而在沿著表面89的一個或多個方向上(x或z方向上)允許自由移動。
主動部分包括兩個指狀物80、82的陣列、底座84、86和一個返迴路徑88。線圈87纏繞著返迴路徑88。兩個陣列的指狀物80、82位於朝向表面89的主動部分的表面中。第一陣列指狀物80可與第二陣列指狀物交替設置。第一陣列指狀物80從第一底座84延伸，底座84通過返迴路徑88連接到底座86。第二陣列指狀物82從第二底座86延伸。
一般的，主動部分可以構建成開始於一塊軟磁材料，在該塊軟磁材料的相互相對的末端部分上形成鋸齒狀物，並且將該塊軟磁材料自身對摺，使得鋸齒狀物相互交叉。
操作中，執行機構用於在一個垂直於表面89的方向(y方向)上產生力。一般的，獲得一個預拉伸力，該力起作用使主動部分遠離表面89(例如，如果主動部分在表面89的下方，那麼、通過重力)。施加電流通過線圈87，以產生一個磁場，該磁場通過槽底座84、86、返迴路徑88、指狀物80、82和在第一陣列指狀物80和第二陣列指狀物82之間的空間。在兩陣列指狀物80、82之間的磁場部分到達表面89，在那裡磁場導致磁化，具有在主動部分和表面89之間產生一個吸引力的效果。一般的，調節通過線圈87的電流，使得該吸引力補償其它能夠導致主動部分遠離表面89的力。
這種結構的優點在於，減少了雜散場。應當理解，由於僅有表面89的一窄條將表現有剩餘磁化強度，所以這應用於兩個沿著指狀物的行的方向的運動的情況，而且由於來自每個指狀物的磁場非常小，所以這也應用於垂直於行的運動的情況。應當理解，這種類型的主動部分也可以附有一個永久磁鐵，用於提供預拉伸(pretension)。
圖9示意性的示出了一個實施例，其中去磁磁鐵90、92加到E形芯24，以只要該芯移動就在相反的表面(帶34或表面89)上減小剩餘磁化強度。去磁技術本身是已知的，並且包括例如接近相反表面的感應磁場，極性在相反表面的位置上與由該磁芯施加的場的極性相反，但具有較小的強度，使得在相反表面上產生一個大致為零的淨殘餘磁化強度。在圖中，芯24的磁極(用×標記)沿著的線垂直於工作檯的運動方向(x方向)。第一去磁磁鐵90每一個在芯24的一側上沿著運動方向設置，分別鄰接於一個相應的磁極。第二去磁磁鐵92第一個在芯24的另一側上沿著運動方向設置，分別鄰接於一個相應的磁極。然而，如果能夠確保，當懸掛有效時，在加工過程中工作檯12僅在一個方向中沿著x方向移動了一個有效的距離，那麼在一個單側上的去磁磁鐵就足夠了。
應當理解，這種去磁磁鐵也可以用於圖8的鋸齒狀的芯。此時，磁鐵可以設置在鄰接於這陣列指狀物末端的每一側上。
權利要求
1.一種精確加工裝置，用於加工在精確控制的位置上的一個物體(19)，該裝置包括-一個工作檯(12)，用於支撐要加工的物體(19)；-一個支撐結構(10)，用於對工作檯(12)提供支撐，工作檯(12)可沿著一條路徑相對於支撐結構(10)移動，支撐結構(10)包括一個軟磁元件(34)，軟磁元件(34)具有一個平行於所述路徑而延伸的表面；-一個懸掛執行機構部分(14)，連接到工作檯(12)，懸掛執行機構部分(14)包括一個軟磁芯(24)和一個線圈(20)，軟磁芯(24)具有多個朝向軟磁元件(34)的表面的磁極，線圈(20)用於應用一個電流產生一個磁場，該磁場通過多個磁極穿過所述芯(24)，並且通過軟磁元件(34)返回；-一個定位參考元件(16)，機械地與軟磁元件(34)分離；-一個傳感器(17)，用於產生一個檢測結果，表示懸掛執行機構部分(14)相對於定位參考元件(16)的一個測量位置；-一個控制電路，包括一個外部控制電路(40)和一個內部控制電路(42)，外部控制電路(40)接收所述檢測結果，並且確定力設定值信息以將執行機構部分(14)的測量位置調整到一個要求的值，內部控制電路(42)接收力設定值信息，並且根據力設定值信息來控制電流，以在執行機構部分(14)與支撐結構(10)之間實現一個力。
2.如權利要求1所述的精確加工裝置，其中懸掛執行機構部分(12)包括耦合到內部控制電路(42)的一個通量傳感器和/或間隙尺寸傳感器(22)，內部控制電路(42)根據力設置值信息，使電流適於實現一個力，所述電流依賴於一個所檢測的通量或間隙尺寸。
3.如權利要求1所述的精確加工裝置，在一個縫隙的每側上包括一個磁場遮蔽壁(30、32)，其中設置軟磁元件和軟磁芯的多個磁極。
4.如權利要求3所述的精確加工裝置，在該縫隙的每側上包括一個第一和第二對磁場遮蔽壁(30、32)，第一對的壁(32)連接到支撐結構(10)，並且在縫隙的每側上平行於所述基本沿著路徑的整個長度的路徑而延伸，第二對的壁(30)連接到工作檯(12)，並且在縫隙的每側上平行於部分所述路徑而延伸。
5.如權利要求3所述的精確加工裝置，包括一個線性電機，用於驅動工作檯(12)沿著所述路徑移動，該線性電機包括一個連到工作檯(12)的電機線圈(38)和多行交替連接的磁鐵(36)，多行交替連接的磁鐵(36)連接到支撐結構(10)，並且在工作檯(12)與軟磁芯(24)之間的連接部分上設置在磁場遮蔽壁(32)之間，電機線圈(38)設置在所述多行磁鐵(36)之間。
6.如權利要求1所述的精確加工裝置，包括去磁磁鐵(90)，鄰接於所述芯(24)設置在至少一側上，沿著運動方向跟隨芯(24)，設置成減小由來自軟磁元件(34)中的所述芯(24)的磁場留下的剩餘磁化強度。
7.如權利要求1所述的精確加工裝置，包括至少一個連接到工作檯的預拉伸永久磁鐵(60)，平行於芯(24)或穿過芯(24)，作用於軟磁元件(34)。
8.如權利要求1所述的精確加工裝置，其中懸掛執行機構部分(14)包括一個第一和第二陣列可磁化指狀物(80、82)、一個第一和第二可磁化通用底座(84、86)和一個耦合第一和第二底座(84、86)的可磁化返迴路徑(88)，第一和第二陣列的所有指狀物(80、82)分別安裝在第一和第二可磁化通用底座(84、86)上，第一和第二陣列的指狀物(80、82)處於芯裝置的一個表面內，該表面朝向軟磁元件的一個相對表面(89)，在所述表面內第一陣列的指狀物(80)與第二陣列的指狀物(82)相互交叉延伸，線圈(87)設置成纏繞返迴路徑(88)。
9.如權利要求8所述的精確加工裝置，其中第一和第二陣列的指狀物(80、82)沿相互相對的方向從第一和第二底座(84、86)延伸。
10.如權利要求8所述的精確加工裝置，其中第一和第二陣列的指狀物(80、82)、第一和第二底座(84、86)和返迴路徑(88)是一片可磁化材料的組成部分，第一和第二陣列的指狀物(80、82)分別從這片材料的相互相對末端部分延伸而形成鋸齒狀物，摺疊這片材料使得末端部分位於所述表面內，相對邊緣的鋸齒狀物在所述表面內相互交叉。
11.如權利要求1所述的精確加工裝置，其中外部控制電路(40)具有一個輸入，用於接收信息，該信息指示因為沿著所述路徑的運動而由工作檯(12)經受的一個運動相關力，外部控制電路(40)用該運動相關力補償力設定值。
12.如權利要求1所述的精確加工裝置，包括一個粒子束源(18)，用於產生一帶電粒子束(18a)，對準所述工作檯(12)上的物體(19)。
13.一種帶電粒子加工裝置，用於使用一帶電粒子束(18a)加工一個物體(19)，該裝置包括-一個工作檯(12)，用於支撐要加工的物體(19)；-一個支撐結構(10)，用於對工作檯(12)提供支撐，工作檯(12)可沿著一條路徑相對於支撐結構(10)移動，支撐結構(10)包括一個軟磁元件(34)，軟磁元件(34)具有一個平行於所述路徑而延伸的表面；-一個懸掛執行機構部分(14)，連接到工作檯，懸掛執行機構部分包括一個軟磁芯(24)和一個線圈(20)，軟磁芯(24)具有多個朝向軟磁元件(34)的表面的磁極，線圈(20)用於應用一個電流產生一個磁場，該磁場通過多個磁極穿過芯(24)，並且通過軟磁元件(34)返回；-一個磁場遮蔽壁(30、32)，在一個縫隙的每側上，其中設置軟磁元件(34)和軟磁芯(24)的多個磁極。
14.如權利要求13所述的帶電粒子加工裝置，在該縫隙的每側上包括一個第一和第二對磁場遮蔽壁(30、32)，第一對的壁(32)連接到支撐結構，並且在縫隙的每側上平行於所述基本沿著路徑的整個長度的路徑而延伸，第二對的壁(30)連接到工作檯，並且在縫隙的每側上平行於部分所述路徑而延伸。
15.如權利要求13所述的帶電粒子加工裝置，包括一個線性電機，用於驅動工作檯(12)沿著所屬路徑移動，該線性電機包括一個連到工作檯(12)的電機線圈(38)和多行交替連接的磁鐵(36)，多行交替連接的磁鐵(36)連到支撐結構(10)，並且在工作檯(12)與軟磁元件(24)之間的連接部分上設置在磁場遮蔽壁(30、32)之間，電機線圈(38)設置在所述多行磁鐵(36)之間。
16.一種具有一個磁阻執行機構的裝置，該裝置包括-可磁化材料的一個相對表面(89)；-一個主動部分，相對於相對表面(89)可移動的安裝，主動部分包括一個第一和第二陣列可磁化指狀物(80、82)、一個第一和第二可磁化通用底座(84、86)和一個耦合第一和第二底座(84、86)的可磁化返迴路徑(88)，第一和第二陣列的所有指狀物(80、82)分別安裝在第一和第二可磁化通用底座(84、86)上，第一和第二陣列的指狀物(80、82)處於芯裝置的一個表面內，該表面朝向一個相對表面(89)，在所述表面內第一陣列的指狀物(80)與第二陣列的指狀物(82)相互交叉延伸；-一個電氣線圈(87)，具有至少一個繞組，設置成沿著返迴路徑(88)感應一個磁場。
17.如權利要求16的所述的裝置，其中第一和第二陣列的指狀物(80、82)沿相互相對的方向從第一和第二底座(84、86)延伸。
18.如權利要求16的所述的裝置，其中第一和第二陣列的指狀物(80、82)、第一和第二底座(84、86)和返迴路徑(88)是一片可磁化材料的組成部分，第一和第二陣列的指狀物(80、82)分別從這片材料的相互相對末端部分延伸而形成鋸齒狀物，摺疊這片材料使得末端部分位於所述表面內，相對邊緣的鋸齒狀物在所述表面內相互交叉。
19.如權利要求17的所述的裝置，包括去磁磁鐵(90)，鄰接於所述芯設置在至少一側上，沿相對表面(89)沿著運動方向跟隨芯(24)，以減小由來自所述指狀物(80、82)的磁場在主動部分移動後在相對表面內留下的剩餘磁化強度。
20.如權利要求17的所述的裝置，包括至少一個耦合到主動部分的預拉伸磁鐵(60)，平行於來自齒和穿過齒的磁場而作用於相對表面(89)。
21.如權利要求17的所述的裝置，包括一個束空間和一個粒子源(18)，用於在所述束空間內產生一帶電粒子束(18a)，相對表面(89)鄰接於束空間而設置。
全文摘要
一種裝置加工在精確控制的位置上的一個物體(19)，例如一個半導體晶片。該物體(19)由一個沿著一條路徑可移動的工作檯(12)支撐。一個懸掛執行機構部分(14)連接到工作檯(12)，懸掛執行機構部分(14)包括一個軟磁芯(24)和一個線圈(20)，軟磁芯(24)具有沿著該路徑在支撐結構上的多個朝向軟磁元件(34)的表面的磁極，線圈(20)用於應用一個電流產生一個磁場，該磁場通過多個磁極穿過芯24，並且通過軟磁元件(34)返回。一個傳感器(17)檢測懸掛執行機構部分(14)相對於定位參考元件(16)的一個測量位置。一個控制電路包括一個外部控制電路(40)和一個內部控制電路(42)。外部控制電路(40)接收一個檢測結果，並且確定力設定值信息以將執行機構部分(14)的測量位置調整到一個要求的值。內部控制電路(42)接收力設定值信息，並且根據力設定值信息來控制電流，以在執行機構部分(14)與支撐結構(10)之間實現一個力。
文檔編號G03F7/20GK1726630SQ200380106349
公開日2006年1月25日 申請日期2003年12月15日 優先權日2002年12月16日
發明者J·范埃克, A·F·巴克, D·E·博斯, J·C·科普特, A·C·P·德科勒克, F·M·羅斯, H·G·J·J·A·韋魯門, T·P·H·瓦梅達姆 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司