[发明专利]磁悬浮导向装置及其控制方法

说明书

本发明公开了一种磁悬浮导向装置及其控制方法。该磁悬浮导向装置包括动子滑块单元和导轨单元，动子滑块单元成对地布置于导轨单元的两侧。动子滑块单元包括铁芯和线圈绕组，线圈绕组缠绕于铁芯上。动子滑块单元进一步包括气隙调节装置，其中气隙调节装置设置于铁芯的预定位置处，且在预定位置，气隙调节装置中断由线圈绕组产生的磁力线的至少一部分。本发明的磁悬浮导向装置具有更大的预载力，预载力可调，以及具有较高的动态响应能力。

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮导向装置，适用于高速无摩擦静音运动装置，诸如半导体制造设备、液晶显示制造设备、检测设备中的运动台定位装置，运动台上承载有硅片、掩模、玻璃基底或者类似的基底用以曝光或者检测。

背景技术

随着光刻技术的进步和半导体工业快速发展，对于光刻设备有四项基本性能指标：线宽均匀性(CD，Critical Dimension Uniformity)、焦深(Focus)、套刻(Overlay)和产率(Throughput)。为了提高线宽均匀性，光刻机工件台掩模台必须提高水平向精密定位能力。为了提高焦深误差精度，工件台掩模台必须提高垂向精密定位能力。为了提高光刻机套刻误差精度，工件台掩模台必须提高其内部模态来提升动态定位特性。此外，光刻设备必须增加产率，因此工件台必须高速运动，快速启动和停止。光刻设备的高速、高加速和高精密的定位能力是相互矛盾的。为了克服这个矛盾，当前工件台掩模台技术采用了粗微动结构，实现高速和高精度的技术分离。粗动结构主要由直线电机组成，可以实现大行程和高速度运动。微动台则层叠安装于粗动台上，可以动态补偿定位偏差，微动台实现纳米精度，并具有多自由度运动来进行光刻曝光和对准。

目前这种结构采用气浮轴承结构驱动设计技术，无法实现多自由度运动与执行器的一体化耦合设计，导致系统运动结构的质量增大，驱动力随着增大，驱动反力施加给系统的残余振动也增大，从而影响了系统的动态性能。此外，由于产率要求高加速度导致附加倾翻力矩加大，工件台掩模台的气浮静刚度约束采用高刚性设计，对导向平面度、预载变形、气浮工艺参数设计要求非常高。同时，考虑到配套的电、气、水、真空通路与柜，工件台掩模台系统结构复杂、庞大、可靠性低、维修维护

传统精密气浮运动台利用高压气浮轴承支撑，保证运动台在平台上作无摩擦运动，其关键部件结构主要由高精密的气浮导轨和气浮滑块结构组成。气浮结构由提供正压的气浮垫和真空预紧力(或磁吸力预载)结构由加工成一体。气浮导向装置工作时，气浮结构通入正压气体，在气浮垫与大理石导轨之间形成气膜，使气浮垫受到气浮力N的支撑，保证气浮垫在大理石平台上作无摩擦运动。真空预紧力结构则通入负压气体，使真空预紧力结构受到与气浮力N方向相反的真空预紧力F作用。通过调节气浮力N和真空预紧力F的大小，可以调节气浮垫及气浮导向装置的气浮刚度。如果提高气浮垫的气浮刚度，需要同时增加气浮压力N和真空预紧力F，而增加真空预紧力F会导致气浮垫产生预压弯曲，由于气浮的气膜厚度δ一般只有几微米到十几微米，因此，当弯曲量σ过大使气浮垫与导轨接触时，气浮垫运动将产生机械摩擦，使气浮结构失去作用。当提高承载力时，需要进一步提高供给气压，气浮易发生气振，而且气浮和真空预载的导向装置在基于真空环境应用的运动台中却不能使用。

图1示出一种传统的导轨导向装置。如图1所示，该导向装置包括：导轨单元100、动子滑块单元101以及导轨副单元102三部分共同构成。导轨单元100通常用金属导轨或刚性高的陶瓷导轨。动子滑块单元101主要包括机械滑块或气浮滑块，通常可设计为机械部件(如交叉滚子导轨)或气浮部件(如气浮垫)。导轨副单元102由机械滚子轴承组成或由高压气悬浮轴承组成，或由永磁悬浮轴承组成。导向装置具有多个运动自由度，第一运动自由度方向为X方向，指向导轨单元100的长轴方向。第二运动自由度方向为Y方向，与导轨单元100的长轴方向互相垂直正交。导向装置的第三运动自由度方向为Z方向，它与第一运动自由度方向和第二运动自由度方向均垂直正交，指向动子滑块单元101。其中，动子滑块单元101在导轨单元100上沿着第一运动自由度方向能够自由运动。动子滑块单元101在导轨单元100上沿着第二运动自由度方向具有自由运动功能或具有高刚性约束。滑块101在导轨单元100上沿着第三运动自由度方向具有高刚性约束，可承担运动负载。