[发明专利]一种三自由度定位装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种超精密三自由度运动定位设备，属于半导体装备领域。

背景技术

具有纳米级运动定位精度的超精密微动台是半导体装备关键部件之一，如光刻机中的硅片台、掩模台等。为实现超精密定位要求，以磁浮约束为支撑方式的执行单元作为一种超精密运动台被广泛应用。由通电线圈在永磁阵列气隙磁场中产生的洛仑兹力提供驱动力，通过控制线圈中电流大小来改变执行单元的推力，具有结构简单、易于在真空环境中应用等优点。

目前音圈电机结构如图1、图2所示，包括第一线圈组件、第一永磁体组件、第二永磁体组件。第一线圈组件沿Y方向的长度L与各永磁体组件沿Y轴方向长度相等，当各永磁体组件与第一线圈组件沿Y方向存在安装误差，或由于外力作用使电机动子沿Y轴方向移动时，电机动子所受的Y方向洛仑兹力合力不为零，因此电机动子将受到沿Y方向力而产生Y方向运动，影响了音圈电机的定位精度，同时第一线圈组件与各永磁体之间的有效面积发生变化，因此电机动子所受的沿X轴方向洛仑兹力大小也将发生变化，与设计推力不一致，影响了电机推力常数，使得目前音圈电机结构中动子沿Y轴方向的运动受到约束。

由于上述因素，目前超精密三自由度定位装置通常采用图3中的结构形式，包括第一直线电机、第二直线电机、第一音圈电机、第一定位元件、第二定位元件。第二定位元件与两个直线电机固连在一起，第一音圈电机的定子固定在第二定位元件上。两个直线电机驱动第一音圈电机与两个定位元件一起沿Y轴方向运动或绕Z轴转动。第一音圈电机驱动第一定位元件沿X轴方向微动，因此由第一定位元件可以实现平面三自由度运动。但该三自由度定位装置中包括两个定位元件，两个定位元件采用叠层的结构形式，因此目前超精密定位装置存在结构复杂、装置质量较大的问题，较大的质量将使得其运动响应性能变差。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于半导体装备的定位装置，不仅满足平面三自由度运动定位要求，同时解决目前音圈电机动子在Y方向运动受限以及目前超精密定位装置中采用两个定位元件的叠层结构引起的结构复杂、质量大、响应慢的问题。

本发明的技术方案如下：

一种三自由度定位装置，包括一个或两个沿X轴方向微动的音圈电机、两个沿Y轴方向运动的直线电机和受Z轴方向气浮支撑的一个定位单元。所述音圈电机包括上下两个永磁体组件和设置在上下两个永磁体组件之间的一个或两个线圈组件，上下两个永磁体组件为音圈电机的动子，该音圈电机的线圈组件中与Y轴平行部分的线圈沿Y轴方向的长度，大于等于永磁体组件沿Y轴方向长度与永磁体组件沿Y轴方向移动距离之和；音圈电机中各永磁体组件以常规阵列或Halbach阵列形式布置，各永磁体组件之间形成封闭磁场；所述的两个沿Y轴方向运动的直线电机结构相同，且沿X轴方向对称布置在定位单元的两侧，各直线电机的动子沿Y轴方向运动并处于同一平面；每个音圈电机的动子与相邻侧直线电机的动子通过连接元件固接，或通过连接元件与定位单元固接，直线电机的动子通过连接元件与定位单元固接，或与定位单元的气浮块固接。

本发明所述的每个直线电机包括由绕动子运动平面绕制的线圈组件和位于该线圈组件上方的一个永磁体组件或分别位于上下方的两个永磁体组件，永磁体组件为直线电机动子；直线电机中各永磁体组件包括主永磁体、附永磁体及铁轭，且以Halbach阵列形式布置；直线电机中线圈组件包括多个线圈，各线圈的有效线圈部分粘接固定在一起，形成沿Y轴的线圈阵列。

所述的每个直线电机还可以采用如下结构：每个直线电机包括由沿动子运动平面绕制的线圈组件和位于线圈组件正上方的两个永磁体组件，永磁体组件为直线电机动子；直线电机中各永磁体组件包括主永磁体、附永磁体及铁轭，且以Halbach阵列形式布置；直线电机中线圈组件包括多个线圈和嵌入在线圈中的线圈骨架，各线圈的有效线圈部分粘接固定在一起，形成沿Y轴的线圈阵列。

所述的定位单元包括一个定位元件、四个气浮块及两个气浮导轨；四个气浮块位于同一平面并分别固接于定位元件的四个顶端处；每个气浮块下表面开有气孔，气孔轴线方向沿Z轴方向；两个气浮导轨导向方向沿Y轴方向，且位于与Z轴垂直的同一平面内；气浮块与气浮导轨构成气浮支撑，气浮支撑采用闭式、真空预载或永磁预载的形式。

所述的定位单元还可以采用如下结构：定位单元包括一个定位元件及四个气浮块；四个气浮块位于同一平面并分别固接于定位元件的四个顶端处；气浮块下表面开有气孔，气孔轴线方向沿Z轴方向；气浮块与直线电机的线圈组件正面相对，将直线电机的线圈组件作为气浮导轨。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：