[发明专利]直线电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种直线电机。

背景技术

随着光刻技术的进步和半导体工业的快速发展，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，因此台子必须高速运动，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，增加扫描速度需要功率更大的电机，为了克服这个矛盾，当前工件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、真空通路与机箱等等，工件台系统结构复杂、庞大、可靠性低、维修维护难度大。

直线电机无需任何机械转换装置就可直接驱动负载做直线运动，也就不存在因转换装置的变形、齿隙等因素带来的误差，系统的惯性也相对较小。海尔贝克（Halbach）阵列是一种新型永磁体排列方式，它将不同磁化方向的永磁体按照一定的顺序排列，使得阵列一边的磁场显著增强而另一边显著减弱，且很容易得到在空间较理想正弦分布的磁场。Halbach磁铁阵列的这些优良特性使其被广泛应用在直线电机领域中。

1997年，M IT的Kim WJ.High在他的博士论文“Precision Planar Magnetic Levitation”中设计并制造了一套基于4组Halbach型直线电动机的高精度定位平台系统，该系统的4组直线电动机互相配合以产生光刻平台所需要的六维运动，该系统的定位噪音为5nm，加速度可以达到1g(g=9.8m/s2)。另外，MIT的Williams在他的博士论文“Precision six-degree-of-freedom magnetically levitated photolithography stage”中也设计了一套由Halbach型直线电动机和电磁铁混合驱动的高精度定位平台。

美国专利US20040246458于2004年12月09日公开了一种用于光刻机工件台或掩模台的直线电机，具有高的驱动力、高效率和低的纹波力，包括两个平行相对的第一磁道和第二磁道，以及一个电枢，电枢包括三个开环线圈单元，置于第一磁道和第二磁道之间，第一磁道、第二磁道与线圈单元可以各自运动，两个相对的磁道与开环线圈之间有一个没有铁心，这种结构可以减小电机的体积，且增大力的时候不产生额外的热量。通过更有效的电磁材料和更高的电磁力可以增加电机的效率，减少轴承的使用，减小移动的质量，特别适用于真空环境中。

但是，上述两种直线电机中的Halbach磁铁阵列中，由于平面磁密方向与磁铁阵列外形方向不一致，会限制垂向磁通量和水平磁通量，从而限制了垂向磁密和水平慈密，进而限制了垂向推力和水平推力，最终限制了六自由度的推力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁力线更为连续的直线电机，以提高Halbach磁铁阵列中的垂向磁通量和水平磁通量。

为了达到上述的目的，本发明采用如下技术方案：

一种直线电机，包括线圈单元和磁铁单元，所述磁铁单元包括两组相对平行、位于磁轭上的相对称的磁铁阵列；所述线圈单元插入两组磁铁阵列之间，所述线圈单元与所述磁铁阵列之间具有间隙，其特征在于：所述磁铁阵列由第一类磁铁、第二类磁铁以及它们之间的第三类磁铁沿着X轴按照Halbach磁铁阵列模式周期性交替分布，所述第一类磁铁和第二类磁铁沿X轴等间距交替分布且磁化方向分别沿着Y轴的正方向和反方向，所述第三类磁铁是一块棱柱磁铁或者包括三块棱柱磁铁，当所述第三类磁铁是一块棱柱磁铁时，相邻的不同类磁铁之间的相对面均是斜面，当所述第三类磁铁包括三块棱柱磁铁时，相邻的不同棱柱磁铁之间的相对面是斜面。