《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》是清華大學於2009年9月11日申請的發明專利，該專利的申請號為2009101729499，公布號為CN101694560A，公布日為2010年4月14日，發明人是朱煜、張鳴、汪勁松、閔偉、尹文生、胡金春、徐登峰、楊開明、段廣洪、田麗、許岩。
《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》主要用於光刻機系統中。該矽片台雙台交換系統包括基台、兩個結構相同的分別工作於預處理工位和曝光工位的矽片台和矽片台驅動裝置。所述矽片台驅動裝置由平面電機和氣浮結構組成，平面電機採用永磁平面電機、步進式平面電動機、感應式平面電動機或開關磁阻式平面電機，平面電機一個定子和兩個動子組成，定子設定在基台頂部，動子設定在矽片台的底部；所述氣浮結構由多個設定於矽片台底部的氣浮軸承組成。該系統通過平面電機直接驅動矽片台實現平面上的雙台交換和步進掃描運動，提高了光刻機的生產率、套刻精度和解析度。
2018年12月20日，《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》獲得第二十屆中國專利銀獎。
（概述圖為《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統
- 公布號：CN101694560A
- 公布日：2010年4月14日
- 申請號：2009101729499
- 申請日：2009年9月11日
- 申請人：清華大學
- 地址：北京市100084信箱82分箱清華大學專利辦公室
- 發明人：朱煜、張鳴、汪勁松、閔偉、尹文生、胡金春、徐登峰、楊開明、段廣洪、田麗、許岩
- 分類號：G03F7/20（2006.01）I、H02K33/18（2006.01）I
- 代理機構：北京鴻元智慧財產權代理有限公司
- 代理人：邸更岩
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
在積體電路晶片的生產過程中，晶片的設計圖形在矽片表面光刻膠上的曝光轉印（光刻）是其中最重要的工序之一，該工序所用的設備稱為光刻機（曝光機）。光刻機的解析度和曝光效率極大的影響著積體電路晶片的特徵線寬（解析度）和生產率。而作為光刻機關鍵系統的矽片超精密運動定位系統（以下簡稱為矽片台）的運動精度和工作效率，又在很大程度上決定了光刻機的解析度和曝光效率。
步進掃描投影光刻機基本原理如圖1所示。來自光源45的深紫外光透過掩模版47、透鏡系統49將掩模版上的一部分圖形成像在矽片50的某個Chip上。掩模版和矽片反向按一定的速度比例作同步運動，最終將掩模版上的全部圖形成像在矽片的特定晶片（Chip）上。
矽片台運動定位系統的基本作用就是在曝光過程中承載著矽片並按設定的速度和方向運動，以實現掩模版圖形向矽片上各區域的精確轉移。由於晶片的線寬埋戲宙非常小（鴉少2009年9月前最小線寬已經達到45納米），為保證光刻的套刻精度和解析度，就要求矽片台具有極高的運動定位精度；由於矽片台的運動速度在很大程度上影響著光刻的生產率，從提高生產率的角度，又要求矽片台的運動速度不斷提高。
傳統的矽片台，如專利EP0729073和專利US5996437所描述的，光刻機中只有一個矽片運動定位單元，即一個矽片台。調平調焦等準備工作都要在上面完成，這些工作所需的時間很長，特別是對準，由於要求進行精度極高的低速掃描（典型的對準掃描速度為1毫米/秒），因此所需時間很長。而要減少其工作時間卻非常困難。這樣，為了提高光刻機的生產效率，就必須不斷提高矽片台的步進和曝光掃描的運動速度。而速度的提高將不可避免導致系統動辣刪影態性能的惡化，需要採取大量的技術措施保障和提高矽片台的運動精度，為保持2009年9月前已有精度或達到更高精度要付出的代價將提高。
專利WO98/40791（公開日期：1998.9.17；國別：荷蘭）所描述的結構採用雙矽片台結構，將上下片、預對準、對準等曝光準備工作轉移至第二個矽片台上，且與曝光矽片台同時獨立運動。在不提高矽片台運動速度的前提下，曝光矽片台大量的準備工作由第二個矽片台分擔，從而縮短了每片矽片在曝光矽片台上的工作時間，大妹艱道幅度提高了生產效率。然而該系統存在的主要缺點在於矽片台系統的非質心驅動問題。
該發明申請人在2003年申請的發明專利“步進投影光刻機雙台輪換曝光超精密定位矽片系統”（專利申請號：ZL03156436.4），公開了一種帶雙側直線導軌的雙矽片台交換結構，該矽片台雙台交換系統在工作空間上不存在重疊，因此不需採用碰撞預防裝置。但是該矽片台雙台交換系統也存在一些問題，一是該系統要求極高的導軌對接精度；二是該系統雙側導軌只有一側空間被同時利用，導致該矽片台系統外形尺寸較大，這對空間利用率要求較高的半導體晶片廠而言無疑顯得非常重要。三是該系統矽片台交換時需採用帶驅動裝置的橋接裝置，增加了系統的複雜性。
該發明申請人在2007年申請的發明專利“一種採用十字導軌的光刻機矽片台雙台交換系統”（專利申請號：200710303713.5）公開了一種由4組雙自由度驅動單元實現矽片台雙台交換的結構，該矽片台的運動是靠兩相鄰雙自由度驅動單元同時運動實現，因此系統對同步控制具有一定要求。同時，該發明申請人在2007年申請的發明專利“一種採用過渡承接裝置的光刻機矽片台雙台交換系統”（專利申請號：200710303712.0）和“一種採用傳送帶結構的光刻禁院嬸機矽片台雙台交換系統”（專利申請號：200710303648.6）都在在預處理工位和曝光工位上分別設有一個H型驅動單元。
所有上述發明專利中的矽片台都是通過將多個單自由度直線電機疊加成H型或十字型等疊層結構來實現多自由度平面運動。這種疊層驅動結構在實現平面運動時，上層直線電機及其直接驅動的矽片台都需要底層直線電機來驅動，增加了底層直線電機的負擔，同時帶來了非質心驅動，需要高精度同步控制等問題，系統結構也很複雜，限制了矽片台屑棗騙祖的運動定位精度，妨礙了其定位回響速度的提高。該發明申請人於2007年申請的發明專利“動圈式做大範圍平面運動磁浮六自由度工作檯”（專利申請號：200710304519.9）與《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》專利的技術相似，但是存線上圈布置不對稱導致的動子受力不對稱，需要電磁力提供懸浮支承，發熱大，控制複雜等缺點。
發明內容
專利目的
為了提戀享舟擔高光刻機矽片台的加速度，速度和定位精度，進而促進光刻機的生產率、套刻精度和解析度的提高，《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》提供了一種採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統。
技術方案
《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》包括基台11，兩個結構相同的分別工作於預處理工位和曝光工位的矽片台和矽片台驅動裝置，其特徵在於：所述矽片台驅動裝置由平面電機和氣浮結構組成，平面電機由一個定子20和兩個動子組成，平面電機的定子20設定在基台頂部，每個矽片台的底部設有平面電機的一個動子24；所述氣浮結構由多個設定於矽片台底部的氣浮軸承23組成。
該發明所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵還在於：所述平面電機採用永磁平面電機、步進式平面電動機、感應式平面電動機或開關磁阻式平面電機。
該發明所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵還在於：所述永磁平面電機的定子採用平面永磁陣列16，該平面永磁陣列由一系列磁化方向交錯排列的永磁體布置而成。
該發明所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵還在於：所述永磁平面電機的動子由n個在以矽片台質心為原點的坐標系中關於X軸對稱分布且關於Y軸對稱分布的電磁單元組成，n為大於等於4的偶數；每個電磁單元由多個線圈線性排列而成，線圈帶鐵芯或不帶鐵芯；相鄰電磁單元排列方向互成90°布置；所述氣浮結構至少由兩個對稱均布的氣浮軸承組成。
該發明所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵還在於：所述永磁平面電機的動子由四個電磁單元組成，每個電磁單元由五個矩形無鐵芯線圈線性排列而成，線圈排列方向與永磁陣列排列方向成45°角布置；所述氣浮結構由五個設定於平台底部的氣浮軸承組成，五個氣浮軸承在以矽片台質心為原點的坐標系中關於X軸軸對稱分布且關於Y軸軸對稱分布，電磁單元和氣浮軸承在平台底部交錯排列。
該發明所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵還在於：所述平面永磁陣列採用由一系列永磁體在底座上排列而成的Halbach陣列。
改善效果
該發明所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統具有以下優點及突出性效果：取消了這種多個單自由度運動部件疊加形成多自由度平面運動的結構，由平面電機直接驅動每個矽片台實現水平面上的雙台交換和相應的步進掃描運動，系統結構簡化，避免了前述專利中的導軌對接，非質心驅動，同步控制等一系列問題；採用了氣浮支承，在矽片台勻速運動過程中僅需要很小的控制電流，避免了前述專利中六自由磁懸浮支承帶來的電機功率大，發熱大的問題，同時降低了控制的複雜度，改進了電磁單元的布置方式，電磁單元不僅關於矽片台之心中心對稱，而且電磁單元在以矽片台質心為原點的坐標系中關於X軸軸對稱分布且關於Y軸軸對稱分布，保證了矽片台的質心驅動，簡化了系統的控制結構；減輕了驅動負載，提高了矽片台的回響速度，提高了矽片台運動過程中的速度，加速度和運動定位精度，進而提高了光刻機的生產率、套刻精度和解析度。
附圖說明
圖1顯示了步進掃描投影光刻機基本工作原理。
圖2是只有一個矽片台的運動定位系統。
圖3是該申請人2007年申請的一種採用疊層驅動結構的矽片台雙台交換系統。
圖4是《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》所述採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統的結構示意圖。
圖5是該發明的一個具體實施例，即採用永磁平面電機和氣浮支承的矽片台雙台交換系統的三維交換示意圖。
圖6是該發明所述的矽片台底部平面電機的動子和氣浮結構的三維視圖。
圖7是該發明所述的基台及其上部的平面電機的定子的三維視圖。
圖8是該發明所述的永磁陣列氣隙磁感應強度豎直分量關於XY坐標的變化關係示意圖。
圖9是該發明所述的矽片台底部平面電機的動子的受力情況示意圖。
圖中：1-矽片台；3-H型驅動單元；5-X向直線電機；7-Y向直線電機；9-傳送帶系統；10-對接滑塊；11-基台；15-矽片；16-平面永磁陣列；18-第一長方體永磁體；19-第二長方體永磁體；20-平面電機的定子；23-氣浮結構；24-平面電機的動子；45-光源；47-掩模版；49-透鏡系統；50-矽片。
權利要求
1.《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》包括基台（11），兩個結構相同的分別工作於預處理工位和曝光工位的矽片台和矽片台驅動裝置，其特徵在於：所述矽片台驅動裝置由平面電機和氣浮結構組成，平面電機由一個定子（20）和兩個動子組成，平面電機的定子（20）設定在基台頂部，每個矽片台的底部設有平面電機的一個動子（24）；所述氣浮結構由多個設定於矽片台底部的氣浮軸承（23）組成。
2.按照權利要求1所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵在於：所述平面電機採用永磁平面電機、步進式平面電動機、感應式平面電動機或開關磁阻式平面電機。
3.按照權利要求2所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵在於：所述永磁平面電機的定子採用平面永磁陣列（16），該平面永磁陣列由一系列磁化方向交錯排列的永磁體布置而成。
4.按照權利要求2所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵在於：所述永磁平面電機的動子由n個在以矽片台質心為原點的坐標系中關於X軸對稱分布且關於Y軸對稱分布的電磁單元組成，n為大於等於4的偶數；每個電磁單元由多個線圈線性排列而成，線圈帶鐵芯或不帶鐵芯；相鄰電磁單元排列方向互成90°布置；所述氣浮結構至少由兩個對稱均布的氣浮軸承組成。
5.按照權利要求4所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵在於：所述永磁平面電機的動子由四個電磁單元組成，每個電磁單元由五個矩形無鐵芯線圈線性排列而成，線圈排列方向與永磁陣列排列方向成45°角布置；所述氣浮結構由五個設定於平台底部的氣浮軸承組成，五個氣浮軸承在以矽片台質心為原點的坐標系中關於X軸軸對稱分布且關於Y軸軸對稱分布，電磁單元和氣浮軸承在平台底部交錯排列。
6.按照權利要求3所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵在於：所述平面永磁陣列採用由一系列永磁體在底座上排列而成的Halbach陣列。
實施方式
下面結合附圖對該發明的具體結構、機理和工作過程作進一步的說明。
步進掃描投影光刻機基本原理如圖1所示。來自光源45的深紫外光透過掩模版47、透鏡系統49將掩模版上的一部分圖形成像在矽片50的某個Chip上。掩模版和矽片反向按一定的速度比例作同步運動，最終將掩模版上的全部圖形成像在矽片的特定晶片（Chip）上。矽片運動定位系統（矽片台）的基本作用就是在曝光過程中承載著矽片並按設定的速度和方向運動，以實現掩模版圖形向矽片上各區域的精確轉移。
傳統的步進掃描投影光刻機矽片台如圖2所示，光刻機中只有一個矽片運動定位系統，即只有一個矽片台。調平、調焦等準備工作都要在同一個矽片台上完成，這些工作所需的時間很長，特別是對準，由於要求進行精度極高的低速掃描（典型的對準掃描速度為1毫米/秒），因此所需時間很長。為了提高光刻機的曝光效率，該發明所述的光刻機矽片台雙台交換系統，將調平、調焦、對準等曝光準備工作轉移至預處理工位的矽片台上，且與曝光工位的矽片台同時獨立工作，從而縮短矽片在曝光矽片台上的工作時間。
採用疊層驅動結構實現多自由平面運動的矽片台雙台交換系統如圖3所示。該系統包含一個運行於預處理工位的矽片台1和一個運行於曝光工位的矽片台1，所述矽片台均由H型驅動單元3驅動，驅動矽片台1作大範圍X、Y方向運動，所述的H型驅動單元由雙側X向直線電機5以及Y向直線電機7組成，在基台兩側安裝有傳送帶系統9，用以驅動矽片台1由預處理工位傳送到曝光工位。這種疊層驅動結構，結構複雜，在實現平面運動時，上層直線電機及其直接驅動的矽片台都需要底層直線電機來驅動，增加了底層直線電機的負擔，限制了矽片台的運動定位精度，妨礙了其定位回響速度的提高。
圖4是該發明所述採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統的結構示意圖。
由圖可知該發明所述採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統是包括基台11，兩個結構相同的分別工作於預處理工位和曝光工位的矽片台和矽片台驅動裝置，其特徵在於：所述矽片台驅動裝置由平面電機和氣浮結構組成，平面電機由一個定子20和兩個動子組成，平面電機的定子20設定在基台頂部，每個矽片台的底部設有平面電機的一個動子24；所述氣浮結構由多個設定於矽片台底部的氣浮軸承23組成。所述平面電機採用永磁平面電機、步進式平面電動機、感應式平面電動機或開關磁阻式平面電機。在永磁平面電機時。優選採用動圈式無鐵芯永磁平面電機，對實現大範圍，高速度和高加速度的精確定位較為容易，系統的綜合性能較為優異。相比之下，帶鐵芯的永磁平面電機因鐵芯的磁滯效應導致系統的頻寬下降；步進式平面電動機存在低頻振盪、失步和高頻失步，運行速度和加速度不能很高，自身噪聲和振動較大的缺陷；感應式平面電動機機電特性複雜，很難實現高速和高精度平面驅動；開關磁阻式平面電機存在轉矩脈動大，建模和控制難等問題。
圖5是該發明的一個具體實施例，即採用永磁平面電機和氣浮支承的矽片台雙台交換系統的三維交換示意圖。所述永磁平面電機的定子20採用平面永磁陣列16（如圖7所示），該平面永磁陣列由一系列磁化方向交錯排列的永磁體布置而成。
如圖6所示，平面電機的動子24由四個在以矽片台質心為原點的坐標系中關於X軸對稱分布且關於Y軸對稱分布的電磁單元組成，各相鄰電磁單元方向互成90°角布置，每個電磁單元由5個矩形無鐵芯線圈線性排列而成，線圈排列方向與永磁陣列排列方向成45°角布置。的氣浮結構23由5個設定於平台底部的對稱均布的真空預載氣浮軸承組成。工作時，由氣浮軸承提供每個矽片台在豎直方向的在的平面電機的定子20上的氣浮支承。每個矽片台在完成上一工位的工序後，按圖4中大箭頭所示的路徑運動到下一工位，繼續完成下一工位的工序，從而以這種類似循環流水線的結構實現將前一矽片的上下片、預對準、對準等曝光準備工作和後一矽片曝光工作的並行進行，提高了光刻機的生產率。
如圖7所示，設定於基台11的頂部的平面電機的定子20採用平面永磁陣列，該平面永磁陣列由一系列第一長方體永磁體18和第二長方體永磁體19按圖7所示規律在的基台11上排列成Halbach陣列，陣列方向在XY平面上與線圈排列方向（圖中為X軸或Y軸方向）成45°角，圖6中第一長方體永磁體18（長、寬、高分別為2a、a、a，a為第一長方體永磁體18一個邊的長度）沿豎直方向（即2a的方向）被磁化，產生N極和S極，標註在永磁上表面的N和S表示該永磁體位於上部的磁極名稱，第二長方體永磁體19（長、寬、高分別為a、0.5a、2a，a為第二長方體永磁體19一個短邊的邊長）沿0.5a的邊長方向上磁化，磁化方向（寬的方向）如永磁鐵表面箭頭所示（箭頭由永磁體S極指向永磁體N極）。若干永磁體如圖7按一定規律排列，使得永磁體的磁化方向交錯排列。平面永磁陣列16在的平面電機的定子20和的矽片台1之間的氣隙中或接觸面上產生氣隙磁場。圖8是圖7所示平面永磁陣列的氣隙磁感應強度豎直分量Bz關於XY坐標的變化關係示意圖。圖8中同一列中兩相鄰相同永磁體的相同側面間的距離τ為極距，它也是圖7中平面永磁陣列的氣隙磁感應強度兩相鄰峰值之間的距離。
所述設定於的矽片台1底部的的平面電機的動子24由四個或大於四的偶數個在以矽片台質心為原點的坐標系中關於X軸對稱分布且關於Y軸對稱分布的電磁單元組成，所述每個電磁單元由一個或一個以上相同的矩形無鐵芯線圈線性排列而成；其最佳化結構是採用四個電磁單元，每個電磁單元由相同的五個矩形無鐵芯線圈線性排列而成。矩形無鐵芯線圈的長度大於Halbach陣列的極距的四倍，寬度為Halbach陣列極距的0.8～1倍。一般矩形線圈的長約為7a，寬約1.4a，線圈厚度約為0.4a（a為永磁體5一個短邊的邊長），線圈排列方向與永磁陣列排列方向成45°角（或沿X軸方向或沿Y軸方向）布置，各相鄰電磁單元方向互成90°角布置。
每個線圈通電後在永磁陣列產生的氣隙磁場中受洛侖茲力作用，其所受洛侖茲力可以分解為三個互相垂直的分力，即沿豎直方向的力Fz，在XY平面內沿線圈長邊方向的力F1和在XY平面內垂直於線圈長邊方向的力F2，經過分析計算和仿真發現，在矽片台沿X方向或沿Y方向運動時Fz和F2在約1.414τ的行程內按正弦規律變化，峰值大小約為2N，F1大小約為0.00001N-0.0001N，約等於0，且遠遠小於Fz和F2故忽略不計。這樣通過適當的控制策略，單獨控制各個線圈的電流，可以使所有線圈在豎直方向產生的力Fz的合力為零，同時考慮到真空預載氣浮支承的剛度接近零阻尼特性，可以實現每個矽片台在基台上完全獨立的平面運動，從而方便的實現水平面上的雙台交換和相應的步進掃描運動。
圖9表示了單個矽片台具有4個電磁單元驅動時的受力情況，4個電磁單元分別稱為第一電磁單元、第二電磁單元、第三電磁單元和第四電磁單元，它們底面的中心分別為O1、O2、O3和O4。圖中ABCD為矽片台1的底面，abcd為ABCD在基台頂面上的投影。第i個（i＝1，2，3，4）電磁單元的3個方向分量F′xi、F′yi和F′zi作用於該電樞單元底面的中心Oi，於是在上述力分量的作用下，矽片台實現沿x、y方向的運動。
榮譽表彰
2018年12月20日，《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》獲得第二十屆中國專利銀獎。
該發明申請人在2003年申請的發明專利“步進投影光刻機雙台輪換曝光超精密定位矽片系統”（專利申請號：ZL03156436.4），公開了一種帶雙側直線導軌的雙矽片台交換結構，該矽片台雙台交換系統在工作空間上不存在重疊，因此不需採用碰撞預防裝置。但是該矽片台雙台交換系統也存在一些問題，一是該系統要求極高的導軌對接精度；二是該系統雙側導軌只有一側空間被同時利用，導致該矽片台系統外形尺寸較大，這對空間利用率要求較高的半導體晶片廠而言無疑顯得非常重要。三是該系統矽片台交換時需採用帶驅動裝置的橋接裝置，增加了系統的複雜性。
該發明申請人在2007年申請的發明專利“一種採用十字導軌的光刻機矽片台雙台交換系統”（專利申請號：200710303713.5）公開了一種由4組雙自由度驅動單元實現矽片台雙台交換的結構，該矽片台的運動是靠兩相鄰雙自由度驅動單元同時運動實現，因此系統對同步控制具有一定要求。同時，該發明申請人在2007年申請的發明專利“一種採用過渡承接裝置的光刻機矽片台雙台交換系統”（專利申請號：200710303712.0）和“一種採用傳送帶結構的光刻機矽片台雙台交換系統”（專利申請號：200710303648.6）都在在預處理工位和曝光工位上分別設有一個H型驅動單元。
所有上述發明專利中的矽片台都是通過將多個單自由度直線電機疊加成H型或十字型等疊層結構來實現多自由度平面運動。這種疊層驅動結構在實現平面運動時，上層直線電機及其直接驅動的矽片台都需要底層直線電機來驅動，增加了底層直線電機的負擔，同時帶來了非質心驅動，需要高精度同步控制等問題，系統結構也很複雜，限制了矽片台的運動定位精度，妨礙了其定位回響速度的提高。該發明申請人於2007年申請的發明專利“動圈式做大範圍平面運動磁浮六自由度工作檯”（專利申請號：200710304519.9）與《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》專利的技術相似，但是存線上圈布置不對稱導致的動子受力不對稱，需要電磁力提供懸浮支承，發熱大，控制複雜等缺點。
發明內容
專利目的
為了提高光刻機矽片台的加速度，速度和定位精度，進而促進光刻機的生產率、套刻精度和解析度的提高，《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》提供了一種採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統。
技術方案
《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》包括基台11，兩個結構相同的分別工作於預處理工位和曝光工位的矽片台和矽片台驅動裝置，其特徵在於：所述矽片台驅動裝置由平面電機和氣浮結構組成，平面電機由一個定子20和兩個動子組成，平面電機的定子20設定在基台頂部，每個矽片台的底部設有平面電機的一個動子24；所述氣浮結構由多個設定於矽片台底部的氣浮軸承23組成。
該發明所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵還在於：所述平面電機採用永磁平面電機、步進式平面電動機、感應式平面電動機或開關磁阻式平面電機。
該發明所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵還在於：所述永磁平面電機的定子採用平面永磁陣列16，該平面永磁陣列由一系列磁化方向交錯排列的永磁體布置而成。
該發明所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵還在於：所述永磁平面電機的動子由n個在以矽片台質心為原點的坐標系中關於X軸對稱分布且關於Y軸對稱分布的電磁單元組成，n為大於等於4的偶數；每個電磁單元由多個線圈線性排列而成，線圈帶鐵芯或不帶鐵芯；相鄰電磁單元排列方向互成90°布置；所述氣浮結構至少由兩個對稱均布的氣浮軸承組成。
該發明所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵還在於：所述永磁平面電機的動子由四個電磁單元組成，每個電磁單元由五個矩形無鐵芯線圈線性排列而成，線圈排列方向與永磁陣列排列方向成45°角布置；所述氣浮結構由五個設定於平台底部的氣浮軸承組成，五個氣浮軸承在以矽片台質心為原點的坐標系中關於X軸軸對稱分布且關於Y軸軸對稱分布，電磁單元和氣浮軸承在平台底部交錯排列。
該發明所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵還在於：所述平面永磁陣列採用由一系列永磁體在底座上排列而成的Halbach陣列。
改善效果
該發明所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統具有以下優點及突出性效果：取消了這種多個單自由度運動部件疊加形成多自由度平面運動的結構，由平面電機直接驅動每個矽片台實現水平面上的雙台交換和相應的步進掃描運動，系統結構簡化，避免了前述專利中的導軌對接，非質心驅動，同步控制等一系列問題；採用了氣浮支承，在矽片台勻速運動過程中僅需要很小的控制電流，避免了前述專利中六自由磁懸浮支承帶來的電機功率大，發熱大的問題，同時降低了控制的複雜度，改進了電磁單元的布置方式，電磁單元不僅關於矽片台之心中心對稱，而且電磁單元在以矽片台質心為原點的坐標系中關於X軸軸對稱分布且關於Y軸軸對稱分布，保證了矽片台的質心驅動，簡化了系統的控制結構；減輕了驅動負載，提高了矽片台的回響速度，提高了矽片台運動過程中的速度，加速度和運動定位精度，進而提高了光刻機的生產率、套刻精度和解析度。
附圖說明
圖1顯示了步進掃描投影光刻機基本工作原理。
圖2是只有一個矽片台的運動定位系統。
圖3是該申請人2007年申請的一種採用疊層驅動結構的矽片台雙台交換系統。
圖4是《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》所述採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統的結構示意圖。
圖5是該發明的一個具體實施例，即採用永磁平面電機和氣浮支承的矽片台雙台交換系統的三維交換示意圖。
圖6是該發明所述的矽片台底部平面電機的動子和氣浮結構的三維視圖。
圖7是該發明所述的基台及其上部的平面電機的定子的三維視圖。
圖8是該發明所述的永磁陣列氣隙磁感應強度豎直分量關於XY坐標的變化關係示意圖。
圖9是該發明所述的矽片台底部平面電機的動子的受力情況示意圖。
圖中：1-矽片台；3-H型驅動單元；5-X向直線電機；7-Y向直線電機；9-傳送帶系統；10-對接滑塊；11-基台；15-矽片；16-平面永磁陣列；18-第一長方體永磁體；19-第二長方體永磁體；20-平面電機的定子；23-氣浮結構；24-平面電機的動子；45-光源；47-掩模版；49-透鏡系統；50-矽片。
權利要求
1.《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》包括基台（11），兩個結構相同的分別工作於預處理工位和曝光工位的矽片台和矽片台驅動裝置，其特徵在於：所述矽片台驅動裝置由平面電機和氣浮結構組成，平面電機由一個定子（20）和兩個動子組成，平面電機的定子（20）設定在基台頂部，每個矽片台的底部設有平面電機的一個動子（24）；所述氣浮結構由多個設定於矽片台底部的氣浮軸承（23）組成。
2.按照權利要求1所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵在於：所述平面電機採用永磁平面電機、步進式平面電動機、感應式平面電動機或開關磁阻式平面電機。
3.按照權利要求2所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵在於：所述永磁平面電機的定子採用平面永磁陣列（16），該平面永磁陣列由一系列磁化方向交錯排列的永磁體布置而成。
4.按照權利要求2所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵在於：所述永磁平面電機的動子由n個在以矽片台質心為原點的坐標系中關於X軸對稱分布且關於Y軸對稱分布的電磁單元組成，n為大於等於4的偶數；每個電磁單元由多個線圈線性排列而成，線圈帶鐵芯或不帶鐵芯；相鄰電磁單元排列方向互成90°布置；所述氣浮結構至少由兩個對稱均布的氣浮軸承組成。
5.按照權利要求4所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵在於：所述永磁平面電機的動子由四個電磁單元組成，每個電磁單元由五個矩形無鐵芯線圈線性排列而成，線圈排列方向與永磁陣列排列方向成45°角布置；所述氣浮結構由五個設定於平台底部的氣浮軸承組成，五個氣浮軸承在以矽片台質心為原點的坐標系中關於X軸軸對稱分布且關於Y軸軸對稱分布，電磁單元和氣浮軸承在平台底部交錯排列。
6.按照權利要求3所述的採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統，其特徵在於：所述平面永磁陣列採用由一系列永磁體在底座上排列而成的Halbach陣列。
實施方式
下面結合附圖對該發明的具體結構、機理和工作過程作進一步的說明。
步進掃描投影光刻機基本原理如圖1所示。來自光源45的深紫外光透過掩模版47、透鏡系統49將掩模版上的一部分圖形成像在矽片50的某個Chip上。掩模版和矽片反向按一定的速度比例作同步運動，最終將掩模版上的全部圖形成像在矽片的特定晶片（Chip）上。矽片運動定位系統（矽片台）的基本作用就是在曝光過程中承載著矽片並按設定的速度和方向運動，以實現掩模版圖形向矽片上各區域的精確轉移。
傳統的步進掃描投影光刻機矽片台如圖2所示，光刻機中只有一個矽片運動定位系統，即只有一個矽片台。調平、調焦等準備工作都要在同一個矽片台上完成，這些工作所需的時間很長，特別是對準，由於要求進行精度極高的低速掃描（典型的對準掃描速度為1毫米/秒），因此所需時間很長。為了提高光刻機的曝光效率，該發明所述的光刻機矽片台雙台交換系統，將調平、調焦、對準等曝光準備工作轉移至預處理工位的矽片台上，且與曝光工位的矽片台同時獨立工作，從而縮短矽片在曝光矽片台上的工作時間。
採用疊層驅動結構實現多自由平面運動的矽片台雙台交換系統如圖3所示。該系統包含一個運行於預處理工位的矽片台1和一個運行於曝光工位的矽片台1，所述矽片台均由H型驅動單元3驅動，驅動矽片台1作大範圍X、Y方向運動，所述的H型驅動單元由雙側X向直線電機5以及Y向直線電機7組成，在基台兩側安裝有傳送帶系統9，用以驅動矽片台1由預處理工位傳送到曝光工位。這種疊層驅動結構，結構複雜，在實現平面運動時，上層直線電機及其直接驅動的矽片台都需要底層直線電機來驅動，增加了底層直線電機的負擔，限制了矽片台的運動定位精度，妨礙了其定位回響速度的提高。
圖4是該發明所述採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統的結構示意圖。
由圖可知該發明所述採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統是包括基台11，兩個結構相同的分別工作於預處理工位和曝光工位的矽片台和矽片台驅動裝置，其特徵在於：所述矽片台驅動裝置由平面電機和氣浮結構組成，平面電機由一個定子20和兩個動子組成，平面電機的定子20設定在基台頂部，每個矽片台的底部設有平面電機的一個動子24；所述氣浮結構由多個設定於矽片台底部的氣浮軸承23組成。所述平面電機採用永磁平面電機、步進式平面電動機、感應式平面電動機或開關磁阻式平面電機。在永磁平面電機時。優選採用動圈式無鐵芯永磁平面電機，對實現大範圍，高速度和高加速度的精確定位較為容易，系統的綜合性能較為優異。相比之下，帶鐵芯的永磁平面電機因鐵芯的磁滯效應導致系統的頻寬下降；步進式平面電動機存在低頻振盪、失步和高頻失步，運行速度和加速度不能很高，自身噪聲和振動較大的缺陷；感應式平面電動機機電特性複雜，很難實現高速和高精度平面驅動；開關磁阻式平面電機存在轉矩脈動大，建模和控制難等問題。
圖5是該發明的一個具體實施例，即採用永磁平面電機和氣浮支承的矽片台雙台交換系統的三維交換示意圖。所述永磁平面電機的定子20採用平面永磁陣列16（如圖7所示），該平面永磁陣列由一系列磁化方向交錯排列的永磁體布置而成。
如圖6所示，平面電機的動子24由四個在以矽片台質心為原點的坐標系中關於X軸對稱分布且關於Y軸對稱分布的電磁單元組成，各相鄰電磁單元方向互成90°角布置，每個電磁單元由5個矩形無鐵芯線圈線性排列而成，線圈排列方向與永磁陣列排列方向成45°角布置。的氣浮結構23由5個設定於平台底部的對稱均布的真空預載氣浮軸承組成。工作時，由氣浮軸承提供每個矽片台在豎直方向的在的平面電機的定子20上的氣浮支承。每個矽片台在完成上一工位的工序後，按圖4中大箭頭所示的路徑運動到下一工位，繼續完成下一工位的工序，從而以這種類似循環流水線的結構實現將前一矽片的上下片、預對準、對準等曝光準備工作和後一矽片曝光工作的並行進行，提高了光刻機的生產率。
如圖7所示，設定於基台11的頂部的平面電機的定子20採用平面永磁陣列，該平面永磁陣列由一系列第一長方體永磁體18和第二長方體永磁體19按圖7所示規律在的基台11上排列成Halbach陣列，陣列方向在XY平面上與線圈排列方向（圖中為X軸或Y軸方向）成45°角，圖6中第一長方體永磁體18（長、寬、高分別為2a、a、a，a為第一長方體永磁體18一個邊的長度）沿豎直方向（即2a的方向）被磁化，產生N極和S極，標註在永磁上表面的N和S表示該永磁體位於上部的磁極名稱，第二長方體永磁體19（長、寬、高分別為a、0.5a、2a，a為第二長方體永磁體19一個短邊的邊長）沿0.5a的邊長方向上磁化，磁化方向（寬的方向）如永磁鐵表面箭頭所示（箭頭由永磁體S極指向永磁體N極）。若干永磁體如圖7按一定規律排列，使得永磁體的磁化方向交錯排列。平面永磁陣列16在的平面電機的定子20和的矽片台1之間的氣隙中或接觸面上產生氣隙磁場。圖8是圖7所示平面永磁陣列的氣隙磁感應強度豎直分量Bz關於XY坐標的變化關係示意圖。圖8中同一列中兩相鄰相同永磁體的相同側面間的距離τ為極距，它也是圖7中平面永磁陣列的氣隙磁感應強度兩相鄰峰值之間的距離。
所述設定於的矽片台1底部的的平面電機的動子24由四個或大於四的偶數個在以矽片台質心為原點的坐標系中關於X軸對稱分布且關於Y軸對稱分布的電磁單元組成，所述每個電磁單元由一個或一個以上相同的矩形無鐵芯線圈線性排列而成；其最佳化結構是採用四個電磁單元，每個電磁單元由相同的五個矩形無鐵芯線圈線性排列而成。矩形無鐵芯線圈的長度大於Halbach陣列的極距的四倍，寬度為Halbach陣列極距的0.8～1倍。一般矩形線圈的長約為7a，寬約1.4a，線圈厚度約為0.4a（a為永磁體5一個短邊的邊長），線圈排列方向與永磁陣列排列方向成45°角（或沿X軸方向或沿Y軸方向）布置，各相鄰電磁單元方向互成90°角布置。
每個線圈通電後在永磁陣列產生的氣隙磁場中受洛侖茲力作用，其所受洛侖茲力可以分解為三個互相垂直的分力，即沿豎直方向的力Fz，在XY平面內沿線圈長邊方向的力F1和在XY平面內垂直於線圈長邊方向的力F2，經過分析計算和仿真發現，在矽片台沿X方向或沿Y方向運動時Fz和F2在約1.414τ的行程內按正弦規律變化，峰值大小約為2N，F1大小約為0.00001N-0.0001N，約等於0，且遠遠小於Fz和F2故忽略不計。這樣通過適當的控制策略，單獨控制各個線圈的電流，可以使所有線圈在豎直方向產生的力Fz的合力為零，同時考慮到真空預載氣浮支承的剛度接近零阻尼特性，可以實現每個矽片台在基台上完全獨立的平面運動，從而方便的實現水平面上的雙台交換和相應的步進掃描運動。
圖9表示了單個矽片台具有4個電磁單元驅動時的受力情況，4個電磁單元分別稱為第一電磁單元、第二電磁單元、第三電磁單元和第四電磁單元，它們底面的中心分別為O1、O2、O3和O4。圖中ABCD為矽片台1的底面，abcd為ABCD在基台頂面上的投影。第i個（i＝1，2，3，4）電磁單元的3個方向分量F′xi、F′yi和F′zi作用於該電樞單元底面的中心Oi，於是在上述力分量的作用下，矽片台實現沿x、y方向的運動。
榮譽表彰
2018年12月20日，《採用氣浮平面電機的矽片台雙台交換系統》獲得第二十屆中國專利銀獎。
