基于光刻机磁悬浮平面电机运动系统的线圈电流切换算法的制作方法

本发明涉及半导体装备技术领域，更为具体地，涉及一种基于光刻机磁悬浮平面电机运动系统的线圈电流切换算法。

背景技术：

平面电机直接利用电磁能产生二维平面运动，具有高精度、出力密度高、反应快等特点，因而在半导体、液晶屏幕等二维加工领域中有着重要的应用前景。与其它平面电机相比，磁悬浮平面电机更易于控制，定子表面加工要求也较低，因此逐渐受到人们的关注。

在光刻机双磁浮工件台系统中，为了提高芯片的产率，将对准测量、调平调焦与曝光等芯片制造过程在两个工件台上分解，因此两个磁悬浮平面电机通过不断的位置交换形成了并行工作机制。考虑降低系统能量损耗和提高系统效率，对磁钢阵列的长度尺寸进行了限制，使得两个磁悬浮平面电机的长度之和大于磁钢阵列的长度，导致两个磁悬浮平面电机在交换位置的过程中，会出现磁悬浮平面电机动子的部分线圈运动到磁钢阵列以外的情况，该部分线圈电流会突变为零，而导致线圈两端产生较大的端电压，影响控制精度。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于光刻机磁悬浮平面电机运动系统的线圈电流切换算法，该算法能够尽可能地减小平面电机线圈的发热损耗，同时实现动圈式磁悬浮平面电机动子全运动范围内线圈电流的光滑切换，保证线圈两端不会产生过大的端电压。

为了实现上述目的，本发明通过以下的技术方案来实现的：

一种基于光刻机磁悬浮平面电机运动系统的线圈电流切换算法，其特征在于，所述运动系统包括定子和平面电机动子，所述定子为磁钢阵列，其表面加工有等间距排布的散热孔，所述平面电机动子包括第一组三相通电线圈、第二组三相通电线圈、第三组三相通电线圈、第四组三相通电线圈、第五组三相通电线圈以及第六组三相通电线圈，所述平面电机动子在运动过程中，所述第一组三相通电线圈至所述第四组三相通电线圈不会离开磁钢阵列正上方，称为非切换组，第五组三相通电线圈和第六组三相通电线圈会在部分时间离开磁钢阵列正上方，称为切换组；根据线圈离开磁钢阵列的方式不同，所述第五组三相通电线圈随着逐渐靠近第三组三相通电线圈依次包括第一突变切换组线圈、第二突变切换组线圈以及第三突变切换组线圈，所述第六组三相通电线圈为渐变切换组线圈；所述运动系统还包括十二个z向电涡流传感器、第一y向电涡流传感器和第二y向电涡流传感器、一个x向容栅尺和一个y向光栅尺；

建立平面电机定子上的固定坐标系o-xyz，固定坐标系o-xyz中x轴和y轴分别沿着所述定子垂直的两边，z轴垂直于所述定子上表面向上，原点o位于所述定子上表面x方向和y方向坐标均最小的散热孔中心；建立所述平面电机动子上的随动坐标系os-xsyszs，随动坐标系os-xsyszs中x轴、y轴和z轴分别与固定坐标系o-xyz中x轴、y轴和z轴平行，原点os位于所述平面电机动子质心；

所述十二个z向电涡流传感器均安装于磁浮平面电机动子下表面，靶面均为磁悬浮平面电机定子的上表面，用于测量所述平面电机动子z方向的悬浮高度，它们相对所述平面电机动子的位置固定，共分为三组，且每组分别处于同一x坐标线上；

所述第一y向电涡流传感器和所述第二y向电涡流传感器均安装于磁悬浮所述平面电机动子的侧面，位于同一y坐标线上，靶面均为线缆台侧面，所述第一y向电涡流传感器和所述第二y向电涡流传感器的平均值为所述平面电机动子相对于所述线缆台在y方向的坐标；

所述x向容栅尺的读数头安装于所述平面电机动子的侧面，标尺贴于所述线缆台靠近所述平面电机动子的侧面上，用于测量所述平面电机动子x方向的运动；

所述y向光栅尺的读数头安装于所述线缆台上，标尺贴于所述定子的侧面，用于测量所述平面电机动子y方向的运动；

基于上述运动系统的线圈电流切换算法包括如下步骤：

1)根据halbach型二维永磁阵列的磁场谐波模型和洛仑兹力法则，建立单个线圈在磁场中的受力模型，然后以所述平面电机动子质心为各个线圈所受到合力的作用点，采用力和力矩的叠加原理，将所有线圈受到的力和力矩叠加起来，得到所述平面电机动子的六自由度受力与线圈电流之间的耦合方程，将其表示为：w(q)＝k(q)i，其中w(q)＝[fx,fy,fz,tx,ty,tz]^t，表示整个平面电机动子受到的6自由度力/力矩，q是表征平面电机动子(3)位置的矢量，k(q)是平面电机动子(3)的耦合矩阵，i＝[i1,i2,…i18]^t表示十八线圈中通入的电流；

2)将所述第一y向电涡流传感器和所述第二y向电涡流传感器在当前伺服周期内的读数求平均，再加上所述y向光栅尺在当前伺服周期内的读数，得到所述平面电机动子质心在固定坐标系o-xyz中y方向的坐标，记为y；将所述x向容栅尺在当前伺服周期内的读数作为所述平面电机动子质心在固定坐标系o-xyz中x方向的坐标，记为x；根据所述第一突变切换组线圈和所述渐变切换组线圈在所述平面电机动子上的安装位置，确定两个线圈中心在随动坐标系os-xsyszs中的xs方向和ys方向的坐标，其中，所述第一突变切换组线圈(340)的中心坐标为(x1,y1)，所述渐变切换组线圈的中心坐标为(x2,y2)；再计算所述第一突变切换组线圈中心在固定坐标系o-xyz中的坐标(x1,y1)，计算公式为：x1＝x+x1、y1＝y+y1，和所述渐变切换组线圈中心在固定坐标系o-xyz中的坐标(x2,y2)，计算公式为：x2＝x+x2、y2＝y+y2；

3)判断是否成立，其中d是单个线圈的宽度，lx是磁钢阵列下边缘的x方向坐标，若成立，则判断三组突变切换组线圈已开始离开磁钢阵列正上方，则选取作为所述第一突变切换组线圈的切换权重函数，选取作为第二突变切换组线圈的切换权重函数，选取作为第三突变切换组线圈的切换权重函数；否则将第一突变切换组线圈(340)、第二突变切换组线圈、第三突变切换组线圈的切换权重函数依次设为s1(x)＝s2(x)＝s3(x)＝1；

4)判断是否成立，其中l是单个线圈的长度，lx是磁钢阵列下边缘的x方向坐标，若成立，则判断渐变切换组线圈已开始离开磁钢阵列正上方，则选取作为渐变切换组线圈的切换权重函数；否则将渐变切换组线圈(35)的切换权重函数设为c(x)＝1；

5)以所有线圈电流矢量的二范数最小为目标，对力与电流的耦合方程求加权伪逆解得到各线圈电流值，计算公式为：i＝k^-(q)wd，其中k^-(q)＝pxk^t(q)[k(q)pxk^t(q)]^-1，px＝diag(1,1…1,s3(x),s2(x),s1(x),c(x),c(x),c(x))为十八线圈的切换权重对角矩阵，wd是平面电机动子期望受到的6自由度力/力矩，i＝[i1,i2,…i18]^t是计算得到的十八线圈中通入的电流值。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明根据平面电机动子在运动过程中，判断动子线圈是否会离开磁钢阵列正上方，将动子线圈分为切换组和非切换组，再根据平面电机动子相对磁钢的位置不同，对切换组线圈选取不同的切换权重函数，最后通过对力与电流的耦合方程求加权伪逆解得到各线圈电流值，本发明的算法不仅减小了平面电机线圈的发热损耗，而且避免了线圈离开磁钢阵列时产生的电流突变现象，实现了动圈式磁悬浮平面电机动子全运动范围内线圈电流的光滑切换。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为本发明所采用的运动系统结构示意图；

图2为本发明所采用的光刻机双磁浮工件台结构示意图；

图3为本发明的线圈电流切换算法流程框图；

图4为本发明所设计的线圈电流切换算法的仿真结果。

图中：1-；定子；；2-散热孔；3-平面电机动子；30-第一组三相通电线圈、31-第二组三相通电线圈、32-第三组三相通电线圈、33-第四组三相通电线圈、34-第五组三相通电线圈，35-第六组三相通电线圈，340-第一突变切换组线圈、341-第二突变切换组线圈，342-第三突变切换组线圈，4-z向电涡流传感器；5-第一y向电涡流传感器；6-第二y向电涡流传感器；7-x向的容栅尺；8-y向的光栅尺；9-线缆台。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

图1示出了本发明所采用的运动系统结构示意图(俯视图)。图2示出了本发明所采用的光刻机双磁浮工件台结构示意图(俯视图)。本发明提供了一种基于光刻机磁悬浮平面电机运动系统的线圈电流切换算法，其中，运动系统包括定子1和平面电机动子3，定子为磁钢阵列，其表面加工有等间距排布的散热孔2，平面电机动子3包括第一组三相通电线圈30、第二组三相通电线圈31、第三组三相通电线圈32、第四组三相通电线圈33、第五组三相通电线圈34以及第六组三相通电线圈35，平面电机动子3在运动过程中，第一组三相通电线圈30至第四组三相通电线圈33不会离开磁钢阵列正上方，称为非切换组，第五组三相通电线圈34和第六组三相通电线圈35会在部分时间离开磁钢阵列正上方，称为切换组；根据线圈离开磁钢阵列的方式不同，第五组三相通电线圈34随着逐渐靠近第三组三相通电线圈32依次包括第一突变切换组线圈340、第二突变切换组线圈341以及第三突变切换组线圈342，所述第六组三相通电线圈35为渐变切换组线圈；运动系统还包括十二个z向电涡流传感器4、第一y向电涡流传感器5和第二y向电涡流传感器6、一个x向容栅尺7和一个y向光栅尺8；

建立平面电机定子1上的固定坐标系o-xyz，固定坐标系o-xyz中x轴和y轴分别沿着所述定子1垂直的两边，z轴垂直于所述定子1上表面向上，原点o位于所述定子1上表面x方向和y方向坐标均最小的散热孔2中心；建立所述平面电机动子3上的随动坐标系os-xsyszs，随动坐标系os-xsyszs中x轴、y轴和z轴分别与固定坐标系o-xyz中x轴、y轴和z轴平行，原点os位于所述平面电机动子3质心；

十二个z向电涡流传感器4均安装于磁浮平面电机动子3下表面，靶面均为磁悬浮平面电机定子1的上表面，用于测量平面电机动子3在z方向的悬浮高度，它们相对平面电机动子3的位置固定，共分为三组，且每组分别处于同一x坐标线上；

第一y向电涡流传感器5和第二y向电涡流传感器6均安装于磁悬浮平面电机动子3的侧面，位于同一y坐标线上，靶面均为线缆台9侧面，第一y向电涡流传感器5和第二y向电涡流传感器6的平均值为平面电机动子相对于线缆台9在y方向的坐标；

x向容栅尺7的读数头安装于所述平面电机动子3的侧面，标尺贴于所述线缆台9靠近所述平面电机动子3的侧面上，用于测量所述平面电机动子3在x方向的运动；

y向光栅尺8的读数头安装于线缆台9上，标尺贴于定子1的侧面，用于测量平面电机动子3在y方向的运动；

见图3，基于上述运动系统的线圈电流切换算法包括如下步骤：

1)根据halbach型二维永磁阵列的磁场谐波模型和洛仑兹力法则，建立单个线圈在磁场中的受力模型，然后以平面电机动子质心为各个线圈所受到合力的作用点，采用力和力矩的叠加原理，将所有线圈受到的力和力矩叠加起来，得到平面电机动子的六自由度受力与线圈电流之间的耦合方程，将其表示为：w(q)＝k(q)i，其中w(q)＝[fx,fy,fz,tx,ty,tz]^t，表示整个平面电机动子受到的6自由度力/力矩，q是表征平面电机动子位置的矢量，k(q)是平面电机动子(3)的耦合矩阵，i＝[i1,i2,…i18]^t表示十八线圈中通入的电流；

2)将第一y向电涡流传感器和第二y向电涡流传感器在当前伺服周期内的读数求平均，再加上y向光栅尺8在当前伺服周期内的读数，得到平面电机动子3质心在固定坐标系o-xyz中y方向的坐标，记为y；将x向容栅尺7在当前伺服周期内的读数作为所述平面电机动子3质心在固定坐标系o-xyz中x方向的坐标，记为x；根据第一突变切换组线圈340和渐变切换组线圈35在所述平面电机动子3上的安装位置，确定两个线圈中心在随动坐标系os-xsyszs中的xs方向和ys方向的坐标，其中，第一突变切换组线圈340的中心坐标为(x1,y1)，渐变切换组线圈35的中心坐标为(x2,y2)；再计算第一突变切换组线圈340中心在固定坐标系o-xyz中的坐标(x1,y1)，计算公式为：x1＝x+x1、y1＝y+y1，和渐变切换组线圈35中心在固定坐标系o-xyz中的坐标(x2,y2)，计算公式为：x2＝x+x2、y2＝y+y2；

3)判断是否成立，其中d是单个线圈的宽度，lx是磁钢阵列下边缘的x方向坐标，若成立，则判断三组突变切换组线圈已开始离开磁钢阵列正上方，则选取作为第一突变切换组线圈340的切换权重函数，选取作为第二突变切换组线圈341的切换权重函数，选取作为第三突变切换组线圈342的切换权重函数；否则将第一突变切换组线圈340、第二突变切换组线圈341、第三突变切换组线圈342的切换权重函数依次设为s1(x)＝s2(x)＝s3(x)＝1；

4)判断是否成立，其中l是单个线圈的长度，lx是磁钢阵列下边缘的x方向坐标，若成立，则判断渐变切换组线圈35已开始离开磁钢阵列正上方，则选取作为渐变切换组线圈35的切换权重函数；否则将渐变切换组线圈35的切换权重函数设为c(x)＝1；

5)以所有线圈电流矢量的二范数最小为目标，对力与电流的耦合方程求加权伪逆解得到各线圈电流值，计算公式为：i＝k^-(q)wd，其中k^-(q)＝pxk^t(q)[k(q)pxk^t(q)]^-1，px＝diag(1,1…1,s3(x),s2(x),s1(x),c(x),c(x),c(x))为十八线圈的切换权重对角矩阵，wd是平面电机动子期望受到的6自由度力/力矩，i＝[i1,i2,…i18]^t是计算得到的十八线圈中通入的电流值。

图4示出了本发明所设计的线圈电流切换算法的仿真结果。从图4可以看出，当动子质心x方向坐标为-60～108mm时，切换组线圈离开磁钢阵列正上方，该过程中切换组线圈电流逐渐变为零，且所有线圈电流均未产生突变现象，证明本发明所设计的算法可以实现动圈式磁悬浮平面电机动子全运动范围内线圈电流的光滑切换。

如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的基于光刻机磁悬浮平面电机运动系统的线圈电流切换算法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于光刻机磁悬浮平面电机运动系统的线圈电流切换算法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。