高精密磁悬浮主动减震设备的制作方法

高精密磁悬浮主动减震设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种高精密磁悬浮主动减震设备，用以实现工件台的减震，所述高精密磁悬浮主动减震设备包括磁浮减震器、减震框架、测量模块、执行模块和控制器系统，所述工件台位于所述减震框架上，所述减震框架通过所述磁浮减震器实现支撑和悬浮减震，所述磁浮减震器至少包括两层哈尔贝克磁阵列，且通过所述两层哈尔贝克磁阵列实现所述减震框架的支撑和悬浮减震，所述测量模块和执行模块均与所述减震框架固定连接，所述控制器系统分别与所述测量模块和执行模块连接。由于哈尔贝克（Halbach）磁阵列的单边磁密为传统NS阵列的倍，在等磁能积情况下实现更大的负载能力，并且单边磁场特性最大化利用磁能积，同时有效减小了NS阵列的磁场泄露的干扰问题。
【专利说明】高精密磁悬淳主动减震设备

【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种光刻机用的高精密磁悬浮主动减震设 备。

【背景技术】
[0002] 光刻机主要由光源（目前主流光刻机采用波长193nm的ArF深紫外（DUV)准分子 激光)、光学照明系统、投影镜头、承载掩模的掩模台、承载硅晶片的工件台、减震设备等构 成。其要求许多重要部件如测量系统、曝光系统、零位传感器、对准传感器、光强能量传感器 等设备的振动干扰尽可能小，使得重要的模块处于"安静"环境中。由于振动的干扰会传递 给测量框架，使得测量框架产生不必要的运动，进而干扰工件台掩模台的测量系统，最终影 响工件台掩模台和镜面误差，导致套刻误差和特征线宽误差加大，因此，减震器是保证实现 集成电路制造性能的关键设备之一，通常采用减震装置将光刻机内部重要部件与基础框架 等其他结构的外部世界独立开来形成独立的内部世界。
[0003] 光刻机减震装置早期采用橡胶阻尼减震，80年代初随着空气弹簧减震理论的成 熟，光刻机减震装置开始采用基于空气弹簧的被动减震技术。当前主流光刻机减震装置以 基于空气弹簧的主动减震方式为主，主要采用有源控制器的主动控制策略，通过速度传感 器（Geophones传感器）实现速度测量进行阻尼反馈补偿，通过位置传感器测量隔振平台的 实时位置，利用音圈电机实现高带宽响应补偿，从而实现隔振平台的精密定位补偿能力。承 载隔振平台的重力补偿部分，则采用气动控制阀实时补偿气囊中压缩空气的气压，从而实 现减震器的大负载承载能力和有效的气动隔振减震。
[0004] 光刻机设备内部减震器典型布局方式常采用三组减震器，每组减震器上配置一个 垂向补偿电机和一个水平向补偿电机，同时配置一个垂向测量传感器和水平向测量传感 器，从而实现隔振平台6自由度的减震隔振和位置悬浮定位。
[0005] 减震器的研究目标即实现高承载力、低刚度、低共振频率、高衰减率，从而实现较 低的振动传递率，使得外部扰动对内部世界的影响最小化。但随着光刻机分辨率的不断提 高，对光刻机的特征线宽指标要求也在不断提升，随着光刻机产率的增加，光刻机设备内部 的工件台和掩模台的运动速度、加速度不断增大，光刻机内部各模块系统越来越复杂，整机 重量从2吨?14吨不等，TFT光刻机甚至达到了 40吨，因此，光刻机对"安静"环境的减震 性能要求更加苛刻。为此针对减震装置必须实现大负载承载能力，同时业内还提出了"负刚 度"技术概念，国外一些研究者基于磁浮轴承技术提出了一些新型减震方案。
[0006] 2003年，德国IDE在美国提出一种具有负刚度的磁浮减震装置专利申请 (US7290642)，该专利首次提出采用三个永磁磁极，相邻两个磁极之间采用磁吸力悬浮方式 实现减震台的双向刚度设计的减震装置，如图1所示。
[0007] 2009年荷兰埃因霍芬大学（TU/e)的Lomonova教授提出一种基于永磁阵列悬浮的 被动减震装置，如图2所示。该装置采用双层磁阵列结构，每层磁路结构均采用二维NS磁阵 列拓扑结构。其中，上面两层磁铁阵列利用磁吸力悬浮方式对减震平台框架实现向上拉升 的力量，下面两层磁铁阵列利用磁斥力悬浮方式对减震平台框架实现向上抬升的力量。该 悬浮装置能够实现数千公斤的负载重力补偿，垂向负载的弹簧刚度达到几十牛顿每毫米， 进而实现较低的共振频率。
[0008] 这种被动磁浮减震装置与传统气浮减震装置技术无疑有巨大的进步，但它在永磁 体的等磁能积条件下的磁悬浮有效利用仍然存在不足，并且存在较大的磁泄露，对光刻机 应用环境产生诸多不利影响。


【发明内容】

[0009] 本发明要解决的技术问题是提供一种在等磁能积情况下实现更大的负载能力，并 且单边磁场特性最大化利用磁能积的高精密磁悬浮主动减震设备。
[0010] 为了解决这一技术问题，本发明提供了一种高精密磁悬浮主动减震设备，用以实 现工件台的减震，所述高精密磁悬浮主动减震设备包括磁浮减震器、减震框架、测量模块、 执行模块和控制器系统，所述工件台位于所述减震框架上，所述减震框架通过所述磁浮减 震器实现支撑和悬浮减震，所述磁浮减震器至少包括两层哈尔贝克磁阵列，且通过所述两 层哈尔贝克磁阵列实现所述减震框架的支撑和悬浮减震，所述测量模块和执行模块均与所 述减震框架固定连接，所述控制器系统分别与所述测量模块和执行模块连接。
[0011] 所述控制器系统采集所述测量模块的信息，并根据所采集到的信息控制所述执行 模块实现所述减震框架位置的动态补偿。
[0012] 所述测量模块包括位置传感器与加速度传感器，均与所述减震框架固定连接，用 以检测所述减震框架上对应位置点的水平向、垂直向的位置和运动加速度。
[0013] 所述执行模块包括水平向音圈电机与垂向音圈电机，分别用于实现所述减震框架 水平向三个自由度和坚直向三个自由度位置的动态补偿。
[0014] 所述两层哈尔贝克磁阵列分别为第一层平面磁阵列结构和第二层平面磁阵列结 构，所述第一层平面磁阵列与所述减震框架固定连接，所述第二层平面磁阵列结构与地基 或者定子部分固定连接，所述第一层平面磁阵列结构与所述第二层平面磁阵列结构通过两 者间的磁斥力或磁吸力实现所述减震框架的支撑和悬浮减震。
[0015] 所述第一层平面磁阵列结构和所述第二层平面磁阵列结构均由第一磁阵列单元 与第二磁阵列单元沿第二方向交替排布形成。
[0016] 所述第一磁阵列单元由磁铁组与主磁极单元沿第一方向交替排布形成，所述第二 磁阵列单元由主磁极单元与磁铁组沿第一方向交替排布形成，且所述第一磁阵列单元中的 磁铁组与主磁极单元沿第二方向分别与所述第二磁阵列单元中的主磁极单元与磁铁组对 应连接设置，所述磁铁组与所述主磁极单元的尺寸相匹配，所述第一方向与第二方向互相 垂直，且均位于水平面，所述磁铁组由四个尺寸相同的磁钢块呈田字型紧密排布形成。
[0017] 所述第一磁阵列单元和第二磁阵列单元中的主磁极单元的充磁方向坚直向下设 置，所述第一磁阵列单元中的磁钢块的充磁方向均沿体对角面斜向下设置，所述第二磁阵 列单元中的主磁极单元与磁钢块的充磁方向分别与所述第一磁阵列单元中的主磁极单元 与磁钢块的充磁方向相反。
[0018] 所述第一磁阵列单元中的磁钢块的充磁方向与水平面的夹角范围为30至60度
[0019] 同一磁铁组内的四个磁钢块的充磁方向在水平面上的方向分量分别指向四个不 同的方向。
[0020] 所述第一层平面磁阵列结构中的主磁极单元和磁钢块的充磁方向分别与和所述 第二层平面磁阵列结构中对应位置的主磁极单元和磁钢块的充磁方向相同。
[0021] 所述第一层平面磁阵列结构中的主磁极单元和磁钢块的充磁方向分别与和所述 第二层平面磁阵列结构中对应位置的主磁极单元和磁钢块的充磁方向相反。
[0022] 所述第一层平面磁阵列结构的两个相邻的边缘外侧固定设有第一方向第一磁阵 列和第二方向第一磁阵列，所述第二层平面磁阵列结构对应位置的边缘外侧设有第一方向 第二磁阵列和第二方向第二磁阵列，所述第一方向第一磁阵列与所述第一方向第二磁阵列 仅沿第一方向上产生磁吸力或磁斥力，所述第二方向第二磁阵列与所述第二方向第一磁阵 列仅沿第二方向上产生磁吸力或磁斥力。
[0023] 所述第二层平面磁阵列结构通过一个背铁与地基或者定子部分固定连接，所述第 一方向第二磁阵列和第二方向第二磁阵列固定设在在背铁上。
[0024] 所述第一层平面磁阵列结构与所述第二层平面磁阵列结构分别通过两个背铁与 所述减震框架和地基或者定子部分固定连接。
[0025] 第一层平面磁阵列结构和第二层平面磁阵列结构均平行于所述减震框架所在平 面设置。
[0026] 第一层平面磁阵列结构和第二层平面磁阵列结构均相对于所述减震框架所在平 面倾斜设置。
[0027] 本发明提出一种基于平面哈尔贝克（Halbach)磁阵列的高精密磁悬浮主动减震设 备，由于哈尔贝克（Halbach)磁阵列的单边磁密为传统NS阵列的乃倍，在等磁能积情况下 实现更大的负载能力，并且单边磁场特性最大化利用磁能积，同时有效减小了 NS阵列的磁 场泄露的干扰问题。此外，本发明还利用测量模块、执行模块和控制器模块形成三环控制， 对减震框架实现了动态的补偿。

【专利附图】

【附图说明】
[0028] 图1是本发明提供的高精密磁悬浮主动减震设备的结构示意图；
[0029] 图2是本发明实施例1提供的磁浮减震器的结构示意图；
[0030] 图3是本发明实施例1提供的磁浮减震器的另一结构示意图；
[0031] 图4是本发明实施例1提供的磁铁组的结构示意图
[0032] 图5是采用本发明实施例1提供的高精密磁悬浮主动减震设备的悬浮高度从-1. 5 至〇毫米的磁悬浮负载变化曲线；
[0033] 图6是采用本发明实施例1提供的高精密磁悬浮主动减震设备的悬浮刚度变化曲 线.
[0034] 图7是采用本发明实施例1提供的高精密磁悬浮主动减震设备的悬浮共振频率变 化曲线；
[0035] 图8是本发明实施例2提供的磁浮减震器的结构示意图；
[0036] 图9是本发明实施例3提供的磁浮减震器的结构示意图；
[0037] 图10和图11是本发明实施例4提供的磁浮减震器的结构示意图。

【具体实施方式】
[0038] 以下将结合图1至图11，通过4个实施例对本发明提供的高精密磁悬浮主动减震 设备进行详细的描述，其均为本发明可选的实施例，可以认为本领域的技术人员在不改变 本发明精神和内容的范围内能够对其进行修改和润色。
[0039] 实施例1
[0040] 请参考图1，本实施例提供了一种高精密磁悬浮主动减震设备，用以实现工件台的 减震，所述高精密磁悬浮主动减震设备包括磁浮减震器、减震框架、测量模块、执行模块和 控制器系统，所述工件台位于所述减震框架上，所述减震框架通过所述磁浮减震器实现支 撑和悬浮减震，所述磁浮减震器至少包括两层哈尔贝克（Halbach)磁阵列，且通过所述两层 哈尔贝克（Halbach)磁阵列实现所述减震框架的支撑和悬浮减震，所述测量模块和执行模 块均与所述减震框架固定连接，所述控制器系统分别与所述测量模块和执行模块连接。 [0041] 本实施例提出一种基于平面哈尔贝克（Halbach )磁阵列的高精密磁悬浮主动减震 设备，由于哈尔贝克（Halbach)的单边磁密为传统NS阵列的万倍，在等磁能积情况下实现 更大的负载能力，并且单边磁场特性最大化利用磁能积，同时有效减小了 NS阵列的磁场泄 露的干扰问题。此外，本发明还利用测量模块、执行模块和控制器模块形成三环控制，对减 震框架实现了动态的补偿。
[0042] 所述控制器系统采集所述测量模块的信息，并根据所采集到的信息控制所述执行 模块实现所述减震框架位置的动态补偿。所述测量模块包括位置传感器与加速度传感器， 均与所述减震框架固定连接，用以检测所述减震框架上对应位置点的水平向、垂直向的位 置和运动加速度。所述执行模块包括水平向音圈电机与垂向音圈电机，分别用于实现所述 减震框架水平向三个自由度和坚直向三个自由度位置的动态补偿。
[0043] 具体来说，在本实施例中所述高精密磁悬浮主动减震设备包括减震框架，由四套 磁浮减震器(至少可以有3套）支撑和减震，减震框架设有用于兼容和支持光刻机工件台的 接口，工件台安装在减震框架的上方；
[0044] 所述减震设备还包括：
[0045] 测量模块：每套磁浮减震器配置一个位置传感器和一个加速度传感器，分别用于 测量其安装位置点的水平向和垂向位置、加速度；
[0046] 执行器模块：每套磁浮减震器配置一个水平向音圈电机和一个垂向音圈电机，分 另IJ用于实现所述减震框架水平向三自由度和垂向三自由度的补偿；
[0047] 控制器系统：包括控制板卡、控制机箱、功率放大器、测量调理板卡、接口连线等。 [0048] 工作时，由于磁力线回路会根据上下两层哈尔贝克磁阵列的平面空间结构不同导 致磁通密度及其均匀性不同，所以首先对不同结构的减震器进行磁场解析，考虑磁阵列的 磁能积特性、磁隙(悬浮高度)、负载、减震刚度、共振频率、磁通面积和尺寸等约束条件，确 定磁浮减震器的结构和尺寸参数。同时由于在光刻机中对磁泄露要求极高，所以在进行结 构设计和磁路解析时要考虑磁浮减震器的边沿磁场问题。隔振负载、悬浮高度、减震结构和 尺寸参数确定之后，下一步建立静态磁斥力方程，分析磁通、磁隙、平面磁阵列尺寸变化对 磁斥力和负载重力的影响，获得如下磁悬浮减震装置参数和信息：
[0049] (1)平面磁阵列的各个关键尺寸参数；
[0050] (2)额定负载下，磁斥力与悬浮高度之间的关系；
[0051] (3)建立悬浮刚度和负载之间的关系；
[0052] (4)建立减震器动刚度与扰动之间的关系。
[0053] 本发明的减震设备采用三环控制：
[0054] (1)位置环，通过多个位置传感器测得每个磁浮减震器上的相对位置变化量，经过 传感器矩阵将物理轴位置变换为逻辑轴位置，再经过控制器系统调理后再经过执行器矩阵 变换为每个物理执行器上的力输出电流信号，该电流信号经D/A变换和PA功放输入到水平 向音圈电机与垂向音圈电机实现位置的动态补偿。
[0055] ⑵惯性反馈环路，通过多个加速度传感器测得减震框架上的加速度信号，通过整 形调理滤波和A/D变换后转换为逻辑轴上的加速度，在经过控制器补偿器调理加入到位置 环路中。
[0056] (3)前馈环路，由于光刻机中工件台与掩模台的运动反力会影响磁浮减震器性能， 或工件台掩模台的运动导致减震框架的整体质心发生变化，需要将减震框架的运动位置通 过前馈的方式由磁浮减震器来进行质心补偿。
[0057] 请参考图2,所述两层哈尔贝克磁阵列分别为第一层平面磁阵列结构502和第二 层平面磁阵列结构503,所述第一层平面磁阵列结构502与所述减震框架固定连接，所述第 二层平面磁阵列结构503与地基或者定子部分固定连接，所述第一层平面磁阵列结构502 与所述第二层平面磁阵列结构503通过两者间的磁斥力或磁吸力实现所述减震框架的支 撑和悬浮减震。所述第一层平面磁阵列结构502与所述第二层平面磁阵列结构503分别通 过两个背铁501与504与所述减震框架和地基或者定子部分固定连接。第一层平面磁阵列 结构502和第二层平面磁阵列结构503均平行于所述减震框架所在平面设置。通常，该平 面即为水平面。所述背铁501在第一层平面磁阵列结构502沿着第三方向向上叠层，所述 背铁504在第二层平面磁阵列结构503沿着第三方向向下叠层。所述背铁501和504的厚 度尺寸特征在2到20mm之间，由高导磁材料组成。
[0058] 所述第一层平面磁阵列结构502和所述第二层平面磁阵列结构503均由第一磁阵 列单元与第二磁阵列单元沿第二方向交替排布形成。所述第一磁阵列单元由磁铁组与主磁 极单元沿第一方向交替排布形成，所述第二磁阵列单元由主磁极单元与磁铁组沿第一方向 交替排布形成，且所述第一磁阵列单元中的磁铁组与主磁极单元沿第二方向分别与所述第 二磁阵列单元中的主磁极单元与磁铁组对应连接设置，所述磁铁组与所述主磁极单元的尺 寸相匹配，所述第一方向与第二方向互相垂直，且均位于水平面，所述磁铁组由四个尺寸相 同的磁钢块呈田字型紧密排布形成。本实施例中，磁钢块的端面为正方形，且体对角线与水 平面的夹角范围为30至60度。
[0059] 在本实施例中，第一层平面磁阵列结构502和第二层平面磁阵列结构503采用类 哈尔贝克磁阵列拓扑结构，每层磁钢阵列都是由磁钢组单元在第一方向和第二方向延展形 成。第一方向可以定义为水平X方向，第二方向可以定义为水平Y方向，第三方向定义为垂 直Z方向，此即为坚直方向。本实施例中的第一层平面磁阵列结构502和第二层平面磁阵 列结构503米用反向磁分布阵列。
[0060] 具体来说，请参考图3,在第一层平面磁阵列结构中的第一磁阵列单元中，磁铁组 505与主磁极单元506沿X向交替排布，图中的磁铁组505 (2)与磁铁组505 (1)是相同的 磁铁组，主磁极单元506 (1)与主磁极单元506 (2)是相同的主磁极单元,具体实施例中交 替排布的磁铁组505与主磁极单元506不仅限于2个，可以理解为沿X轴方向可以继续交 替排布，从而形成第一磁阵列单元。在第一层平面磁阵列结构中的第二磁阵列单元中，主磁 极单元510与磁铁组511沿X向交替排布，图中的磁铁组511 (2)与磁铁组511 (1)是相 同的磁铁组，主磁极单元510 (1)与主磁极单元510 (2)是相同的主磁极单元，具体实施中 交替排布的磁铁组511与主磁极单元510可以不仅限于2个，可以理解为沿X轴方向可以 继续交替排布，从而形成第二磁阵列单元，第二磁阵列单元中的磁铁组511沿Y向与主磁极 单元506对应，第二磁阵列单元中的主磁极单元510沿Y向与磁铁组505对应.第一磁阵 列单元与第二磁阵列单元沿Y向交替排布，从而形成第一层平面磁阵列结构。
[0061] 在第二层平面磁阵列结构503中，第一磁阵列单元以及其中的主磁极单元508和 磁铁组507与第一层平面磁阵列结构502中的第一磁阵列单元一一对应，第二磁阵列单元 以及其中的主磁极单元509和磁铁组512也与第一层平面磁阵列结构502中的第二磁阵列 单元--对应。
[0062] 在本实施例中，请参考图3,并结合图2,现仅举第一层平面磁阵列结构为例，所述 第一磁阵列单元和第二磁阵列单元中的主磁极单元的充磁方向坚直向下设置，即图中的主 磁极单元601 (亦即图2中的506)的充磁方向均是坚直向下设置的，所述第一磁阵列单元 中的磁钢块的充磁方向均沿体对角面斜向下设置，即图中的磁铁组600(亦即图2中的505) 中的磁钢块均沿体对角面斜向下设置，具体的情形可参见图4的中磁铁组600,图2和图3 中仅标示了磁铁组中磁钢块的充磁方向在水平面的分量，所述第二磁阵列单元中的主磁极 单元与磁钢块的充磁方向分别与所述第一磁阵列单元中的主磁极单元与磁钢块的充磁方 向相反，即图3中的主磁极单元602与主磁极单元601的充磁方向相反，磁铁组603中的磁 钢块的充磁方向与磁铁组600中的磁钢块的充磁方向相反，其具体的方向也可参见图4的 中磁铁组600与603的对比情形。
[0063] 请参考图3,同一磁铁组内的四个磁钢块的充磁方向在水平面上的方向分量分别 指向四个不同的方向，由于磁钢块的充磁方向是沿体对角面设置的，所以其在水平面上的 方向分量必然是沿端面的对角线方向，由端面的两条对角线即可得到四种方向，同一磁铁 组内的四个磁钢块在水平面的方向分量分别指向这四个方向。只需满足这一条件即可认为 其符合本专利的精神和内容，而四种方向的具体分布是不需要特别设置的，如图3所示的 分布方式仅是其中的一种。
[0064] 在本实施例中，所述第一层平面磁阵列结构中的主磁极单元和磁钢块的充磁方向 分别与所述第二层平面磁阵列结构中对应位置的主磁极单元和磁钢块的充磁方向相同，故 而两层平面磁阵列结构之间能够产生磁斥力。
[0065] 请参考图3,本实施例中，所述的第一磁阵列单元和第二磁阵列单元沿着第一方向 的周期长度为λ，所述的第一磁阵列单元的第一磁铁组600宽度为λ/8至λ/4,所述的第 一磁阵列单元的第二主磁极单元601的宽度为λ /4至3 λ /8 ;所述的第二磁阵列单元的第 一磁铁组603宽度为λ/8至λ/4,所述的第一磁阵列单元的第二主磁极单元602的宽度为 入/4至3入/8。
[0066] 实施本实施例中的高精密磁悬浮主动减震设备时，经仿真计算可以得到如下的参 数：磁密参数为I. 24Τ，所述的第一磁阵列单元和第二磁阵列单元沿着第一方向的周期长 度λ为40mm，第一磁铁组600和603、第二主磁极单元601和602均按照λ /4给定。仿真 得到的数据表明在第一层平面磁阵列和第二层平面磁阵列之间产生了远超过单个磁体表 面磁密的磁场强度。
[0067] 图5给出了在设定参数条件下第一层平面磁阵列和第二层平面磁阵列之间的悬 浮高度从〇至1. 5毫米变化时可支持的磁悬浮负载变化曲线，该参数条件下的负载可实现 8. 60千牛至10. 38千牛的承载能力。对应的悬浮刚度变化由图6给出，平均悬浮刚度为 I. 13E6N/m。对应的悬浮共振频率由图7给出，承载的负载从8. 6KN至10. 3KN变化时，共振 频率稳定在5-6Hz。为隔振平台提供了一个较低的共振频率。
[0068] 实施例2
[0069] 本实施例与实施例1的主要区别在于：请参考图8,其中上层为第一层平面磁阵列 结构，下层为第二层平面磁阵列结构，所述第一层平面磁阵列结构中的主磁极单元和磁钢 块的充磁方向分别与所述第二层平面磁阵列结构中对应位置的主磁极单元和磁钢块的充 磁方向相反，利用磁吸力实现悬浮减震。而两层平面磁阵列的具体结构设置、测量模块、执 行器模块和控制器模块均可参考图1得到，且与实施例1类似。
[0070] 实施本实施例中的高精密磁悬浮主动减震设备时，经仿真计算可以得到如下的参 数：磁密参数为I. 24T，所述的第一磁阵列单元和第二磁阵列单元沿着第一方向的周期长 度λ为40_，第一磁铁组、第二主磁极单元均按照λ/4给定。仿真得到的数据表明在第一 层平面磁阵列和第二层平面磁阵列之间产生了远超过单个磁体表面磁密的磁场强度。
[0071] 实施例3
[0072] 本实施例在实施例1的基础上做了改进，具体来说，参考图9,所述第一层平面磁 阵列结构的两个相邻的边缘外侧固定设有第一方向第一磁阵列803和第二方向第一磁阵 列801，所述第二层平面磁阵列结构对应位置的边缘外侧设有第一方向第二磁阵列804和 第二方向第二磁阵列802,所述第一方向第一磁阵列803与所述第一方向第二磁阵列804仅 沿第一方向上产生磁吸力或磁斥力，所述第二方向第二磁阵列802与所述第二方向第一磁 阵列801仅沿第二方向上产生磁吸力或磁斥力。本实施例中第一方向定义为X向，第二方 向定义为Y向，该磁吸力或磁斥力使得减震框架与外部世界实现水平方向的振动隔离。
[0073] 在本实施例中，所述第二层平面磁阵列结构通过一个背铁与地基或者定子部分固 定连接，所述第一方向第二磁阵列和第二方向第二磁阵列固定设在在背铁上。进而能够产 生空间，实现水平方向的振动隔离。
[0074] 实施例4
[0075] 请参考图10和图11，第一层平面磁阵列结构901和第二层平面磁阵列结构902均 相对于所述减震框架所在平面倾斜设置。所述第一层平面磁阵列结构安装于所述减震框架 上，所述的第一层平面磁阵列结构包括901 (1)、901 (2)、901 (3)、901 (4)。所述第二层平 面磁阵列结构安装于定子或地基上，所述的第二层平面磁阵列结构包括902 (1)、902 (2)、 902 (3)、902 (4)。本实施例可以认为其是依据实施例1做出的改进，在实施例1中，两层 平面磁阵列结构与所述减震框架平行设置，可视作均为沿水平面设置，而本实施例可以认 为是将实施例1中的两层平面磁阵列结构倾斜设置，使之倾斜后再分别与减震框架与定子 或地基固定连接。本实施例中的高精密磁悬浮主动减震设备亦可参照图1而近似得到，其 差别仅仅是磁浮减震器与其他部件的连接方式存在区别，其磁浮减震器的内部结构亦可参 照实施例1至3得到。
[0076] 请参考图11，X向、Y向位于水平面，亦即实施例1中的第一方向和第二方向，Z向 为坚直方向。本实施例中，每组磁浮减震器呈斜向放置于减震框架的4个角上。每组磁浮减 震器与X方向有一小于90度的夹角，每组减震减震器与Y方向有一小于90度的夹角。上 下两层平面磁阵列结构产生的悬浮力Fz与第一层平面磁阵列结构901的上表面相互正交， 所述的悬浮力Fz的方向与X方向有一小于90度的夹角，所述的悬浮力Fz的方向与Y方向 有一小于90度的夹角，所述的悬浮力Fz的方向与Z方向有一小于90度的夹角。
[0077] 综上所述，在诸实施例中，本发明提出双层磁阵列构建的减震结构，每层可以采用 同向磁分布阵列构建磁吸力悬浮减震架构，每层还可以采用反向磁分布阵列构建磁斥力悬 浮减震架构。本发明提出采用磁吸力阵列或磁斥力阵列构建水平辅助隔离装置。本发明采 用音圈电机作为减震框架的精密补偿控制的开环前馈驱动机构，可以精密补偿减震框架的 位置，还可以实现光刻机内部工件台掩模台运动引起的质心位置漂移补偿。本发明还采用 加速度传感器、速度传感器、位置传感器作为光刻机减震平台精密控制补偿的测量装置来 实现各个自由度的刚度、阻尼补偿。
[0078] 本实施例提出一种基于平面哈尔贝克（Halbach)磁阵列的高精密磁悬浮主动减震 设备，还具有如下的好处：
[0079] (1)小体积、大负载，满足纳米精度的光刻机设备大负载、低刚度和高精度定位的 需求；
[0080] (2)巧妙利用哈尔贝克（Halbach)磁阵列的单边磁密为传统NS阵列的倍的优势， 在等磁能积情况下实现更大的负载能力；
[0081] (3)单边磁场特性最大化利用磁能积，同时有效减小磁场泄露的干扰；
[0082] (4)音圈电机作为开环前馈驱动机构精密补偿减震框架的位置，还可以实现光刻 机内部工件台掩模台运动引起的质心位置漂移补偿。
【权利要求】
1. 一种高精密磁悬浮主动减震设备，用以实现工件台的减震，其特征在于：包括磁浮 减震器、减震框架、测量模块、执行模块和控制器系统，所述工件台位于所述减震框架上，所 述减震框架通过所述磁浮减震器实现支撑和悬浮减震，所述磁浮减震器至少包括两层哈尔 贝克磁阵列，且通过所述两层哈尔贝克磁阵列实现所述减震框架的支撑和悬浮减震，所述 测量模块和执行模块均与所述减震框架固定连接，所述控制器系统分别与所述测量模块和 执行模块连接。
2. 如权利要求1所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：所述控制器系统采 集所述测量模块的信息，并根据所采集到的信息控制所述执行模块实现所述减震框架位置 的动态补偿。
3. 如权利要求2所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：所述测量模块包括 位置传感器与加速度传感器，均与所述减震框架固定连接，用以检测所述减震框架上对应 位置点的水平向、垂直向的位置和运动加速度。
4. 如权利要求2所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：所述执行模块包括 水平向音圈电机与垂向音圈电机，分别用于实现所述减震框架水平向三个自由度和坚直向 三个自由度位置的动态补偿。
5. 如权利要求1所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：所述两层哈尔贝克 磁阵列分别为第一层平面磁阵列结构和第二层平面磁阵列结构，所述第一层平面磁阵列与 所述减震框架固定连接，所述第二层平面磁阵列结构与地基或者定子部分固定连接，所述 第一层平面磁阵列结构与所述第二层平面磁阵列结构通过两者间的磁斥力或磁吸力实现 所述减震框架的支撑和悬浮减震。
6. 如权利要求5所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：所述第一层平面磁 阵列结构和所述第二层平面磁阵列结构均由第一磁阵列单元与第二磁阵列单元沿第二方 向交替排布形成。
7. 如权利要求6所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：所述第一磁阵列单 元由磁铁组与主磁极单元沿第一方向交替排布形成，所述第二磁阵列单元由主磁极单元与 磁铁组沿第一方向交替排布形成，且所述第一磁阵列单元中的磁铁组与主磁极单元沿第二 方向分别与所述第二磁阵列单元中的主磁极单元与磁铁组对应连接设置，所述磁铁组与所 述主磁极单元的尺寸相匹配，所述第一方向与第二方向互相垂直，且均位于水平面，所述磁 铁组由四个尺寸相同的磁钢块呈田字型紧密排布形成。
8. 如权利要求7所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：所述第一磁阵列单 元和第二磁阵列单元中的主磁极单元的充磁方向坚直向下设置，所述第一磁阵列单元中的 磁钢块的充磁方向均沿体对角面斜向下设置，所述第二磁阵列单元中的主磁极单元与磁钢 块的充磁方向分别与所述第一磁阵列单元中的主磁极单元与磁钢块的充磁方向相反。
9. 如权利要求8所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：所述第一磁阵列单 元中的磁钢块的充磁方向与水平面的夹角范围为30至60度。
10. 如权利要求8所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：同一磁铁组内的四 个磁钢块的充磁方向在水平面上的方向分量分别指向四个不同的方向。
11. 如权利要求7所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：所述第一层平面磁 阵列结构中的主磁极单元和磁钢块的充磁方向分别与和所述第二层平面磁阵列结构中对 应位置的主磁极单元和磁钢块的充磁方向相同。
12. 如权利要求7所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：所述第一层平面磁 阵列结构中的主磁极单元和磁钢块的充磁方向分别与和所述第二层平面磁阵列结构中对 应位置的主磁极单元和磁钢块的充磁方向相反。
13. 如权利要求7所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：所述第一层平面磁 阵列结构的两个相邻的边缘外侧固定设有第一方向第一磁阵列和第二方向第一磁阵列，所 述第二层平面磁阵列结构对应位置的边缘外侧设有第一方向第二磁阵列和第二方向第二 磁阵列，所述第一方向第一磁阵列与所述第一方向第二磁阵列仅沿第一方向上产生磁吸 力或磁斥力，所述第二方向第二磁阵列与所述第二方向第一磁阵列仅沿第二方向上产生磁 吸力或磁斥力。
14. 如权利要求13所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：所述第二层平面 磁阵列结构通过一个背铁与地基或者定子部分固定连接，所述第一方向第二磁阵列和第二 方向第二磁阵列固定设在在背铁上。
15. 如权利要求5所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：所述第一层平面磁 阵列结构与所述第二层平面磁阵列结构分别通过两个背铁与所述减震框架和地基或者定 子部分固定连接。
16. 如权利要求5所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：第一层平面磁阵列 结构和第二层平面磁阵列结构均平行于所述减震框架所在平面设置。
17. 、如权利要求5所述的高精密磁悬浮主动减震设备，其特征在于：第一层平面磁阵 列结构和第二层平面磁阵列结构均相对于所述减震框架所在平面倾斜设置。
【文档编号】F16F15/03GK104343885SQ201310347667
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年8月9日 优先权日:2013年8月9日
【发明者】吴立伟 申请人:上海微电子装备有限公司