用于XY工作台的驱动器以及XY工作台

技术领域

本发明涉及用于XY工作台的驱动器的设计方法，所述工作台能够在 一个平面的两个延伸方向，并且在一定的范围内，在与该平面垂直的方向， 并且相对于工作台围绕这三个线性方向的旋转来定位。

背景技术

工作台在闭环控制下在一个平面的两个方向的精确定位以及工作台 在与平面垂直的方向并且相对于工作台围绕这三个线性方向的旋转的位 置的闭环控制在半导体制造中首先是重要的要求。在这种情况下，放在工 作台上的晶片必须放在工具的下面，例如，曝光设备的透镜、显微镜的物 镜或者用于处理或检查晶片的电子束透镜。与固定工具一起，工作台必须 能够在晶片本身的数量级上执行在晶片平面上的运动；至少需要与其垂直 的小幅校正，并且相对于所有可能的倾斜，以允许补偿晶片的厚度变化， 例如，在晶片的正面和反面的平行度偏差。

在这个技术领域中，实际应用为工作台所熟知，该工作台在晶片的宽 度之上的单独列内在水平方向来回移动，在晶片每次穿过之后，跳跃到另 一列，以便工具在曲折形路径中扫描晶片。在这样做时，工作台的速度在 一列内恒定。在这个背景下，需要大力量，主要用于在每列的端部的方向 逆转；除此以外，驱动器仅仅需要允许小幅位置校正运动并且保持工作台 的速度恒定。

由磁力移动的并且保持悬浮的类型的工作台(称为磁悬浮平台)尤其 适合于制造半导体，这是因为由于不使用机械支架，所以这些工作台造成 仅仅非常少的干扰颗粒，使这些工作台特别适合于干净的房间。

在美国专利6,879,063B2中，描述了用于这些工作台的一个实例。在 此处，工作台通过磁体的平面阵列移动。在其下面，工作台具有线圈，通 过这些线圈，在电流适当地穿过时，工作台可以在所有6个自由度中移动。 然而，由于工作台的驱动器不必要地笨重(这是因为在整个工作区域上不 需要大力量来加速)，结果，必须移动额外的质量，所以这种类型的工作 台不优化用于上述特别的运动模式。此外，移动线圈所需要的供电电缆不 利于精确定位。在随着工作台移动的线圈中生成的热量对于很多应用可以 是个问题。磁体的领域还可能对各种实际应用不利，与在离子束或电子束 应用中一样。

在WO98/37335A1中，描述了一种磁力轴承，通过该磁力轴承，负 荷能够保持在垂直方向并且放在小距离之上，同时，能够在水平方向移动。 U形磁轭在此处用作定子，该定子具有设置在可移动的铁磁棒之上和之下 的两个平行的铁芯。永磁体整合在U形磁轭的封闭端内，沿着铁芯引导永 磁体的磁通量，磁路在磁轭与棒之间的空气间隙之上封闭。在这种情况下 发生的磁阻力抵消棒的重力并且可以借助于线圈来调节，线圈能够削弱或 增强磁场，用于垂直地精确定位棒。此外，缠绕在磁轭的一个铁芯上的进 一步线圈能够在棒上施加水平力。在各种方向相对于彼此设置的磁轭和棒 的几个这种配置允许在所有6个自由度中定位棒以及与棒连接的物体。由 驱动器(因此，由棒)移动的质量非常小；驱动器是“动铁”型，与具有 动线圈或动磁的驱动器相反。

然而，这种类型的驱动器具有以下缺点：由于彼此啮合的移动和非移 动部件具有比较复杂的配置，所以将这种驱动器整合到XY工作台内比较 复杂。

发明内容

因此，本发明的目标在于，提供一种用于XY工作台的改进的驱动器， 与相关技术相比，该驱动器在机械上容易整合。

该目标由以下所述的用于XY工作台的驱动器实现。

因此，公开了一种用于XY工作台的驱动器，其具有固定的、铁磁的 U形磁轭，该磁轭包括共同位于平面内的第一铁芯和第二铁芯；并且具有 可移动的铁磁棒，所述磁轭和棒附带(carry)具有通量的磁路，所述磁路 沿着跨所述铁芯与棒之间的空气间隙的路径，并且从中生成抵消棒的重力 的垂直磁阻力。棒与由铁芯限定的平面平行并且位于所述平面之下。

多个这种驱动器可以特别容易地连接至XY工作台，以便能够调整 XY工作台的所有自由度。

用于XY工作台的驱动器是“动铁”型。这表示工作台必须移动仅仅 少量额外的质量。不需要为工作台或电能供应冷却。生成磁场的任何元件 都不位于移动工作台上，与相关技术的平面电机的情况一样，其中，磁体 或线圈直接安装在工作台上。

该驱动器是无触点操作的直接驱动器。不需要齿轮机构，并且不生成 干扰颗粒。驱动器由仅仅少量的简单元件构成，因此，其构造和保持便宜 并且简单。驱动器组件非常平坦，以便垂直地占据仅仅很少的空间(与工 作台平面垂直)。如果比较本发明的驱动器概念和由彼此层叠的两个交叉 线性轴构造的相关技术的XY工作台，那么尤其是这样。

根据示图，从各种具体实施方式的以下描述中，获得本发明的进一步 优点和细节。

附图说明

图1示出了XY工作台的驱动器的3D示图；

图2示出了XY工作台的驱动器的剖视图；

图3示出了具有四个驱动器的XY工作台；

图4示出了具有驱动器的替换配置的XY工作台；

图5示出了具有用于方向逆转的单独驱动器的XY工作台，在方向逆 转的不同时刻进行了描述；

图6示出了用于方向逆转的单独驱动器的替换实施方式；

图7示出了用于处理晶片的一系列运动的示意性表示。

具体实施方式

图1示出了XY工作台的驱动器的3D示图。可以看到固定的U形磁 轭1，该磁轭由高渗透性的材料制成并且具有第一铁芯(limb)1.1和第二 铁芯1.2以及封闭端1.3，封闭端连接这两个铁芯，以形成U。

相对于磁轭1可移动的铁磁棒2垂直于铁芯1.1、1.2延伸。在不同情 况下，空气间隙位于棒2与铁芯1.1、1.2之间的交叉点，通过这些交叉点， 磁轭1和棒2彼此分离。

永磁体3设置在磁轭1的封闭端1.3内，引起通过磁轭1和棒2的部 分的磁通量。封闭的磁路采用穿过这两个空气间隙的路径并且是独立式。 同样位于磁轭1的封闭端1.3内并且缠绕在磁轭1周围的第一线圈4能够 根据流过第一线圈4的电流的强度和方向增大或减小通过磁轭1和棒2的 磁通量。使用第一线圈4内的额外恒定电流，能够去除磁体3，生成与磁 体3的磁场相等的磁场，但是这个选择的功率效率小得多。

在这个磁路内的磁阻在空气间隙内特别高，并且其值取决于棒的位 置。因此，磁阻力生效，努力减少这些空气间隙。如果铁芯1.1、1.2位于 水平面内，并且如果棒2在垂直方向设置在磁轭1之下，那么磁阻力至少 抵消棒2以及与棒2连接的任何部分的重力。假设通过第一线圈4的电流 具有合适的闭环控制，空气间隙能够保持恒定，从而能够补偿棒2(以及 与其连接的任何部分)的重力。棒2在空气中悬挂在磁轭1之下，并且在 一定范围内，还可以根据其垂直位置在Z方向定位。为此，借助于合适的 控制器结构，通过这种方式影响通过第一线圈4的电流，以便将空气间隙 (即，棒的垂直位置)调整为设定值。此外，控制器结构可以用于抵消作 用在棒2上的(例如，由声音和气流造成的)干扰力量。

为了同样能够在磁轭1的铁芯1.1、1.2的延伸方向X(在此处也表示 为X方向)定位棒2，第二线圈5缠绕在第二铁芯1.2周围。只要棒2位 于这个第二线圈5之下，通过这个第二线圈5的电流就与通过在第二铁芯 1.2与棒2之间的交叉点的空气间隙的磁通量相交。洛伦兹反作用力(更 确切地说：主要是洛伦兹型的力)的分量在X方向作用在棒2上，该力通 过第二线圈5内的电流根据量和方向可以调整。为了使棒2的可能行程范 围尽可能较大，第二线圈5缠绕在第二铁芯1.2的整个长度上。

关于磁体3和第一线圈4在磁轭1的封闭端1.3的位置，封闭端1.3 表示不支撑第二线圈5并且位于棒2的移动范围的外面的磁轭1部分。除 了“U”型底部以外，接近该底部的第一和第二铁芯1.1、1.2的部分也适 合于放置第一线圈4和磁体3，并且也称为U型磁轭1的封闭端。

一种选择是，将线圈5分割成几个部分，这些部分根据棒2的位置来 传输或不传输电流，这具有在第二线圈5中减少损耗的优点。另一种选择 是，在第一铁芯1.1使用一个额外线圈，与在第二铁芯1.2上的第二线圈5 相似。

图2示出了通过第二铁芯1.2的截面，其中，人们观看XY工作台。 在此处，显然可认识到，在第二线圈5内的电流与在空气间隙内的磁通量 Φ相交，并且在这样做时，在X方向引起洛伦兹力，洛伦兹力的反作用力 -FL作用在棒2上。

通过合适的控制器结构，因此，通过这两个线圈4和5的电流能够调 整，通过该结构，棒2可以垂直地在Z方向并且水平地在X方向沿着铁 芯1.1、1.2定位。由于改变通过第一线圈4或第二线圈5的电流，对水平 和垂直力始终具有影响，所以这种控制器结构必须导致水平和垂直力的这 种互相依赖性。例如，如果需要在水平方向X的力，那么通过第二线圈5 的电流必须打开。这个电流改变在空气间隙内的磁通量Φ，从而改变力垂 直力。由于否则的话，铁芯2的垂直位置会改变，所以这必须由通过第一 线圈4的电流抵消。

如果如图2中所示，将工作台6连接至在不同的方向延伸并且在不同 情况下与具有两个线圈4和5的U形磁轭1相交的至少三个棒2，那么工 作台6的所有6个自由度能够由6个线圈电流的总和调整。工作台6不需 要机械支架；该工作台无触点地保持悬浮并且可以位于水平平面内。

在图3中示出了这种设置的实例。在此处，每个棒2沿着可移动的矩 形工作台6的每个外边缘设置。4个固定的U形磁轭1放在棒2(在不同 情况下，具有直角的交叉棒2)之上，如上所述，每个磁轭具有磁体3以 及第一和第二线圈4、5。要由固定工具8处理的晶片7放在工作台6上。 例如，工具8可以是用于检查晶片7的显微镜，或者可能是用于将在晶片 上施加的光致抗蚀剂暴露到光中的装置。

保持晶片7的工作台6的表面与驱动器的磁轭1的平面XY平行。与 在本申请中的平行度的所有引用一样，在技术上不能达到在数学意义上的 平行度。大部分情况下，偏离完美的平行度大约1度，可以没有不利之处。

磁轭1的并且第二线圈5缠绕在其上的铁芯在不同情况下具有充足的 长度，以便工作台6以及与该工作台一起的晶片7可以在这种程度上设置 在X方向和Y方向，以便工具8能够达到晶片7的每个点。棒2的长度 确保这四个驱动器中的每个能够随时在X方向或Y方向施加水平力并且 在Z方向施加垂直力，与工作台6的瞬时位置无关。

所有4个驱动器在Z方向同样能够具有的小幅运动允许工作台6在Z 方向移动，或者围绕X方向或Y方向倾斜。由于在不同情况下位于彼此 相反的位置的第二线圈5相对于彼此横向偏移一个磁轭1的宽度，并且从 而能够生成围绕Z方向的力矩，所以可以实现围绕Z轴旋转。

因此，假如适当地控制这四个驱动器，工作台6能够由要调节的总共 8个电流放置在所有6个自由度中。

例如，单独驱动器的最大垂直力可以在几十N的范围内。因此，四个 这样的驱动器能够保持工作台6悬浮，其重量(包括棒2及其有效载荷) 大约为10kg。

另一方面，在水平方向实现的洛伦兹力明显更小，例如，相差一个数 量级。下面讨论在水平方向产生的比较小的最大加速度。

首先，参照图4，描述进一步示例性实施方式。在此处，仅仅示意性 表示用于工作台6的这四个装置；与在先前的示例性实施方式中一样，构 造这四个装置。然而，所有四个磁轭1及其铁芯1.1、1.2现在沿着X方向 延伸。棒2大幅缩短并且设置在工作台6的角落内，并且更确切地说，通 过这种方式设置，以便棒通过除了90度以外的角度与磁轭相交。垂直(磁 阻)力仅仅在有限的程度上受到棒2相对于磁轭1的这种旋转的影响。水 平洛伦兹力具有与棒2垂直的分量。

这种设置允许产生力并且在X和Y方向定位工作台6。在Y方向减 少并且在X方向伸展的配置的形状减小了驱动器的外形尺寸，因此，也减 小了整个设备的外形尺寸。

如图4中所示，一种配置在实际应用中有用，该实际应用的实例可以 是处理设备，该设备的工具8已经在Y方向覆盖了大部分晶片7，以便在 Y方向仅仅需要小运行(operating)范围，而在X方向，晶片7的整个直 径必须移动。在这种应用中，不麻烦的是，所显示的驱动器的位置在Y方 向具有减小的运行范围。在这种情况下，该配置具有以下优点：与根据图 3的配置相比，在Y方向更小。

如上所述，通过在此处描述的驱动器能够获得的水平力比较有限。对 于实际应用，必须通过逐列(swath-by-swath)的方式扫描晶片7，从而晶 片通过恒定(以及可能最高的)速度移动一列，然后，这些实际应用在每 列的端部逆转其运动方向(在此处也称为方向逆转)，跳跃到下一列，并 且在相反的方向经过所述下一列，首先需要所有可能最高的加速度以及相 应地大力来进行方向逆转，然而，否则，仅仅必须克服摩擦力，并且必须 使用小力来进行位置或速度的可能更小的校正。使用上述驱动器，或者可 能使用相关技术的其他驱动器，可以比较容易地施加小力。因此，如果可 以使用专门用于逆转方向的处理并且仅仅必须在这个简短的时间跨度中 活动的单独驱动器，那么这有利。然后，用于线性运动的驱动器可以相应 地具有更小的尺寸。

图5示出了具有用于逆转工作台的方向的单独驱动器的XY工作台6。 首先，参照图5(a)更详细地解释这个单独驱动器的基本结构。

在X方向可移动的工作台6的顶部边缘固定棒2，用于上述类型的驱 动器。然而，未显示相关联的U形磁轭1。

在工作台6的外边缘上连接突出的铁磁肋条14，该肋条与要逆转的运 动方向X垂直地延伸。磁轭10设置在工作台6的运动范围的外端。这个 磁轭10具有通过开关13连接至电压或电流源12的反向线圈11。

在朝着工作台6的侧边上，磁轭10具有一对极靴10.1，所述极靴在 空气间隙10.2内集中借助于反向线圈11生成的磁通量。这个空气间隙10.2 通过这种方式成形，以便能够接收工作台6的铁磁肋条14，以便肋条14 能够移动穿过空气间隙10.2并且再次在其远离工作台6的侧边上出现，在 图5(c)中示出了这个位置。磁轭10不必如在此处所示是C形；唯一重 要的是，能够在空气间隙10.2内生成可切换的可能最高的磁通量，并且铁 磁肋条14能够足够远地延伸穿过空气间隙10.2，进入磁轭10内。为此， 磁轭10的铁芯必须在X方向具有充足的长度。下面参照图6，解释避免 这个局限性的另一个实施方式。

为了允许肋条14足够远地穿入磁轭10内，肋条14额外地设置在工 作台6的非铁磁突出部14.1上。必须通过这种方式形成这个突出部，以便 与肋条14一样，配合在极靴10.1之间。

图5中(a)至(g)详细示出了方向逆转的时间序列。首先(a)，没 有电流在反向线圈11内流动；在极靴10.1之间的空气间隙10.2内没有磁 通量。工作台6以及与工作台一起的肋条14在负X方向朝着空气间隙10.2 移动。

仅仅在肋条14完全进入了空气间隙10.2内时，(b)是闭合(c)的 开关13，并且磁通量累积在穿入肋条14的空气间隙10.2内。然而，由于 工作台6继续无阻碍地移动，所以肋条进入磁轭10的内部，并且在这样 做时，在远离工作台6的空气间隙10.2的侧边离开空气间隙10.2(d)。 然而，这导致空气间隙10.2的磁阻增大，因此，产生抵消该运动的磁阻力。 这种磁阻力努力将肋条14吸回空气间隙10.2内。因此，抵消了工作台6 的运动方向，并且最终导致期望的方向逆转。例如，对于典型的实际应用， 可以假设在发生方向逆转之前，在打开磁通量之后，工作台6以及因此肋 条14依然覆盖5cm的距离。在用于方向逆转的单独驱动器的设计中，必 须考虑这个距离。

通过磁阻力加速，在方向逆转之后，肋条14返回间隙10.2内(e)。 此时，再次打开开关13(f)，并且肋条14离开空气间隙10.2，现在处于 正X方向(g)。由于已经再次关闭磁通量，所以在离开空气间隙时，现 在不发生磁阻力。

因此，肋条14从朝着工作台6的侧边进入空气间隙10.2，并且在远 离工作台的侧边上再次从空气间隙10.2中出现。在此时，磁阻力引起方向 逆转。肋条再次在相反的方向穿过空气间隙10.2。在离开空气间隙时，方 向逆转完成。

图6示出了用于工作台6的方向逆转的单独驱动器的替换的实施方 式。使用具有两个空气间隙10.2和两对极靴10.1的两段式磁轭10。在这 个配置中，磁轭10在其远离工作台6的一侧上打开。然而，磁轭远离工 作台6的这侧称为磁轭10的内部，与在图5的先前实施方式中一样。通 过与在图5中相同的方式，给相似的部件编号。这个替换的实施方式通过 与上面参照图5的(a)-(g)解释的方式相同的方式运行。

由于用于方向逆转的驱动器与用于工作台6的实际XY驱动器分开， 所以这两个驱动器的力路径不同。逆转工作台的运动方向所需要的大力或 者其反作用力能够由平衡质量获得，或者可以经由单独的力量框架引导到 地板上，以便这些力量对工作台或工具没有负面影响。

用于逆转XY工作台的方向的这个单独驱动器的特别优点在于，驱动 器仅仅在方向逆转瞬间活动。此时，通常，在放在工作台6上的晶片7上 不发生加工工艺。在加工受到外部磁场的干扰时，因此，例如，在电子束 光刻或其他无掩模曝光工艺的情况下，这特别重要。

电源12必须使高电流短时间可用于反向线圈11。这种电流源的合适 形式可以是电容器，该电容器在单独的方向逆转事件之间充电并且在闭合 开关13时将其能量输出给反向线圈11。储存在电容器内的能量最后用于 逆转工作台6的方向。

从图7中显示，在不同情况下，必须在工作台6的两个相反边缘提供 用于方向逆转的单独驱动器，用于通过逐列或者曲折地处理放在工作台6 上的晶片7。因此，工作台6能够快速地来回移动，并且在移动结束时， 在不同情况下，方向逆转。

在图7的上半部分中，示出了限定的曲折形处理路径7.1。在X方向 的长期运动期间，由在图1-4中描述的XY工作台6的驱动器施加的小于 1N的力足以补偿干扰以及方向和速度的闭环控制，正如总共100N一样， 例如，足以保持工作台悬浮。在Y方向的列跳跃也通过不到1牛顿管理并 且可以由这个驱动器施加。然而，为了方向逆转，需要明显更高的力，例 如，这个实例中，200N。这些力必须由单独驱动器施加，用于逆转工作 台6的方向。

如在图7中可以看出的，在X方向的列最长，例如，在晶片7的中间 (相对于Y方向)，而在处理开始并且朝着处理结束时，列明显更短。为 了给不必要地覆盖的工作台6的截面节省时间，在X方向用于方向逆转的 这两个单独驱动器可调。因此，在图7的下半部分中，示出了路径15，用 于方向逆转的这两个单独驱动器在这些路径上移动，而工作台6在这两个 单独驱动器之间来回移动。在晶片7上要处理的列越长，用于方向逆转的 这两个驱动器彼此相距就越远。

由于高反作用力作用在用于方向逆转的单独驱动器的磁轭10上，所 以明智的做法是，通过这种方式逐个设计地考虑这些反作用力，以便对工 作台6或工具8没有影响。

例如，这可以借助于单独的力框架来完成，通过该框架，磁轭10直 接连接至地面，然而，XY工作台6的驱动器的U形磁轭1连接至花岗石， 各自的机器安装在花岗石上并且花岗石与地面隔离，通常甚至积极地抵抗 振动。

或者，反作用力可以来回移动平衡质量，以便这些力依然完全保持在 系统内，并且同时，不到达工作台6或工具8。因此，地基保持也不振动。