多自由度短行程超精密平面电机的应用

多自由度短行程超精密平面电机的应用

1超精密平面电机的发展光刻机是集成电路行业最重要、最复杂的关键关键设备。可以实现的特点尺寸、套装精度和产率直接反映了一个国家的制造技术和技能。超精密定位平台作为光刻机系统中的多自由度精密定位及矫正补偿机构,是实现光刻标准线宽、获得高质量光刻图形的首要条件,决定了光刻机最终的光刻分辨率,是实现纳米级精密定位的核心部件。随着精密加工、数字控制等技术的迅速发展,各种应用场合对超精密定位平台的需求量也在不断增加,同时对它的定位精度、运行速度、运动维数及可靠性等方面都提出了更高的要求。为了实现纳米级的定位精度,传统的驱动方式和传动方式已不再适用。比如,传统的定位装置往往采用伺服电机驱动和精密丝杠传动的方案,由于螺纹空程和传动摩擦的存在,其定位精度一般只能达到微米级。随着直线电机技术的迅速发展,精密定位装置开始采用直线电机。为实现多自由度定位运动,一般将两台或多台直线电机进行组合,形成层叠式结构间接实现平面定位,但是这种结构无疑增加了系统的复杂性,存在扰动变量多、系统体积大、成本高等缺点,而且仍然没有摆脱“低维运动机构叠加成高维运动机构”的模式。平面电机是一种仅利用一个运动部件就能够实现平面运动的新型电机,由于摒弃了丝杠、螺杆等传动装置,有效减少了传动环节中的误差传递,简化了系统结构,具有响应速度快、定位精度高、结构强度好、系统结构简单等优点,因此,近年来受到了国内外学者的广泛关注。根据电磁力的产生原理,平面电机分为变磁阻型、感应型、永磁同步型和直流型四大类。其中,前三种均属于宏动电机,用于实现大行程、低精度的定位运动。而直流型平面电机属于微动电机,用于实现短行程、高精度的定位运动,因此,也可称之为短行程超精密平面电机或洛伦兹平面电机,本文仅对该类平面电机进行综述。超精密平面电机由多组直流直线驱动单元集成得到,利用电磁力直接驱动,通过闭环控制位于磁场中通电线圈的电流大小和方向,实现精密定位运动。从原理角度分析,该类电机的推力波动很小,理论上具有无限分辨率,影响定位精度的主要因素是电流纹波以及位置检测装置。因此,具有结构简单、精度高、频响高、惯量小等特点。随着纳米时代的到来,多自由度短行程超精密平面电机在半导体光刻加工、超精密测量、扫描探针显微镜、生物芯片技术、精密机械制造等领域均有着广泛的应用前景。近年来,无论是在前沿科学研究还是尖端工业应用中,多自由度短行程超精密平面电机所占据的地位日益重要,在国内外重要期刊和国际会议上经常有相关文献出现,其各项技术指标已成为衡量国家先进技术发展和制造技术水平的重要标准[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。本文总结了近十几年来出现的典型结构的多自由度短行程超精密平面电机,并介绍了各自的特点。结合国内外研究现状,总结了多自由度短行程超精密平面电机的主要研究内容与关键技术,并针对目前存在的问题,探讨了多自由度短行程超精密平面电机的发展趋势。2动态长环境线超精密平面电机的发展现状目前,国际上正在从事多自由度短行程超精密平面电机相关技术研究的各大高校和科研机构主要集中在日本、韩国、荷兰和美国,如日本东京工业大学、日本东北大学、韩国科学技术院、韩国延世大学、荷兰埃因霍温科技大学、美国麻省理工学院等。近年来,随着我国对集成电路产业的高度重视,越来越多的高校和企业开始进行多自由度短行程超精密平面电机及其相关技术的研究。在国内,清华大学、华中科技大学、浙江理工大学、华南理工大学、西安交通大学、天津大学、哈尔滨工业大学、中科院电工研究所、长春光机所等单位均开展了相关研究工作,并取得了一定成果。一般来说,六自由度的定位运动包括平面定位和调平调焦,平面定位用于产生x向、y向以及绕z轴偏转的运动,由三自由度平面电机即可实现;调平调焦用于产生z向运动、绕x轴偏转以及绕y轴偏转的运动,实现方式主要有电磁铁、洛伦兹线圈、重力补偿器三种方式。下面分别对三自由度气浮型超精密平面电机和具有调平调焦能力的六自由度磁浮型超精密平面电机(一般也称为六自由度磁浮型超精密微动台)的研究现状进行介绍。2.1自由度超精密平面电机的结构及动态特性日本东京工业大学的H.Shinno等人在2004年和2007年分别提出两代用于实现x-y-θ纳米定位精度的超精密平面电机。第一代平面电机由6组直流直线驱动单元集成得到,如图1a所示,实验验证该平面电机在x、y和θ方向上的定位分辨率分别为2nm、2nm和0.2μrad。为了同时满足质量轻和刚度高的要求,主要零部件的结构材料选用氧化铝陶瓷。利用四个高刚度空气静压轴承和一个能够产生吸力作用的真空泵相互配合,平面电机的运动部分可以定位在陶瓷基板上的任意期望位置上。第二代平面电机由8组直流直线驱动单元集成得到,如图1b所示,整个系统关于驱动轴对称分布,减小了非线性和位置依赖性的影响,质心较低,推力波动较小。为了尽量避免运动平台的热变形,将线圈及其轭部固定在基板上。由于整个系统具有结构对称性,所有驱动力均作用在平面电机运动部分的质心,因此各驱动轴之间相互影响非常小。这两种平面电机的缺点是每个线圈仅有一个有效边可以产生有效推力,另外三个边均处于空气中,线圈绕组没有得到充分利用。韩国延世大学的Dong-JuLee等人在2005年提出一种应用在光刻机中的三自由度超精密平面电机,运动部分通过气浮轴承进行支撑,结构如图2所示。文献中,建立了平面电机的有限元模型,对其进行了模态仿真和实验。为了提高电机的动态特性,进行了磁路改进以缩短响应时间,通过增加平衡质量和加固结构来调整动子使得一阶弹性模态转移到高频段。通过改进设计,系统的动态特性得到改善,频带加宽、加速度加大,实验验证系统的定位分辨率为±50nm,带宽为100Hz。清华大学的朱煜等人在2007年提出一种三自由度超精密平面电机,由4组直流直线驱动单元集成得到,如图3所示。其中两个驱动单元是独立的,当这两个驱动单元中的线圈通以相同方向电流时,电机实现y方向平动;当这两个驱动单元中的线圈通以相反方向电流时,电机实现绕z轴的偏转。另外两个驱动单元对角布置,线圈串联或独立,用以实现x方向平动。平面运动支撑方式采用气体静压轴承,平移范围4mm×4mm,转角范围±0.01rad。文献中,建立了平面电机的动力学模型和控制模型,分析了各直流直线驱动单元之间的耦合关系,得到平面电机的力平衡方程。通过电磁力的分配实现控制系统的解耦,对解耦后的单入单出系统设计了双环PD控制器,并进行位置伺服控制实验。为保证电机的工作寿命及适应半导体装备的应用背景,设计了水冷散热管道。华中科技大学的陈学东等人在2010年提出一种悬臂式宏微结合气浮工件台方案,宏动电机采用直线电机,微动电机采用洛伦兹平面电机。其中,洛伦兹平面电机由5组直流直线驱动单元集成得到(4组驱动y方向,1组驱动x方向),具有x向、y向和θz三个自由度,电机行程为x=±1.5mm,y=±1.5mm,最大偏转角度θz=±1.5mrad。这种洛伦兹平面电机的线圈在x方向和y方向为非对称布置,x向线圈位于4组y向线圈之间,可应用于x向驱动力与y向驱动力指标不同的场合,结构如图4所示。为了降低线圈发热,定子采用浸泡式水冷结构。在文献中,对洛伦兹平面电机的结构动态特性进行了详细的研究,建立了平面电机的数学模型、电磁动力学模型以及振动模型,对电机动态特性的影响因素进行了分析,并利用实验验证了理论分析的正确性。哈尔滨工业大学的寇宝泉等人在2011年提出了一种集成绕组结构洛伦兹平面电机方案,如图5所示,电机平动行程为4mm×4mm。这种平面电机采用双边动次级结构,利用4组正方形线圈驱动单元进行组合驱动,通过合理布置各个线圈有效边与永磁体的相对位置,使得无论电机处于何种运动状态,所有线圈始终同时工作,无闲置线圈。因此具有损耗及发热量小、热量分布均匀等优点,从而减小温度梯度对一些精密位移检测设备及系统环境的影响。除了上述利用直流直线驱动单元集成得到的超精密平面电机方案,也可以利用其它形式的驱动单元进行集成。日本东北大学的WeiGao等人在2004年提出了一种三自由度平面电机,由四组两相无刷直流驱动单元集成驱动,动子利用4个气足支撑,可以实现三自由度定位运动,电机结构如图6所示。与利用外围传感器检测电机动子位置的方式不同,这种平面电机将平面位置测量装置集成到定子与动子之间,实现了平面电机的小型化。平面位置测量装置由两个二维角度传感器和一个表面上带有二维正弦波形的角度网格所组成,这个角度网格固定在利用空气轴承悬浮起来的动子平台的下方,角度传感器和空气轴承发射台安装在定子基板上,使得动子平台的移动不会受到通电导线以及空气管道的影响。实验验证系统所能达到的定位分辨率为200nm,偏转角度分辨率为1′′。2.2更加彰显的对于半导体制造、精密测量等超精密定位场合,随着工件尺寸的不断增大,其表面不平度、厚度偏差等因素对焦深提出了更加苛刻的要求。此外,超精密平面定位装置在运动过程中,不可避免地会产生垂直于运动方向的偏移量或俯仰偏转量,投影物镜受热变形也会引起焦面偏移,因此对工件进行调平调焦就变得非常必要。2.2.1浮微动台的结构美国俄亥俄州立大学的XiminShan和ChiaHsiangMenq等人在2000年提出了一种磁悬浮微动台方案,平动行程为4mm×4mm×2mm,偏转角度超过1°。作者建立了六自由度非线性电磁力模型,对高精密磁悬浮运动系统的控制结构进行了研究。这种六自由度磁悬浮微动台采用10组电磁铁进行悬浮和驱动,其中4组用于调平调焦,6组用于平面定位,结构如图7所示。由于这种磁悬浮微动台基于变磁阻原理工作,电磁力与电流的平方成正比,与气隙的平方成反比,使得微动台的运动控制较为复杂,运动平台不能在全工作行程内实现一致的定位稳定性。除此之外,微动台的损耗和温升较大。图8所示为荷兰代尔夫特理工大学提出的磁悬浮驱动单元。上下两个E形电磁铁提供气隙磁场,用于实现磁悬浮功能,同时,为实现水平运动,动子上缠绕次级线圈。通过次级线圈的电流与气隙磁场相互作用,产生动子的驱动力。利用这种结构,同一磁场实现了两个自由度的运动。图9为利用3组磁悬浮驱动单元组成的磁悬浮微动台,中间的驱动板上包括三个动子铁心,上面分别绕有次级线圈,微动台运动行程为10mm。2.2.2结构磁悬浮微动台美国A&M大学的Won-jongKim等人在2002年提出一种Δ形结构六自由度磁悬浮微动台方案,如图10所示。微动台由3个法向执行机构和3个水平执行机构组成,运动部分为一个三角形非磁性平板,6组执行机构均由洛伦兹线圈和永磁体组成,永磁体安装在三角板上,6个线圈固定在定子上。装配体中无铁心部件,使得执行机构具有较高的带宽,不受饱和与磁滞的影响。三角形平板顶部为分别为铝片层、粘弹性层与约束层。三层的装配增加了系统的被动阻尼,减小结构振动并增强了稳定性。该微动台的缺点是运动范围受到电磁执行机构行程的限制,且由于洛伦兹线圈利用率较低使得负载能力较低。2006年,Won-jongKim等人又提出了一种新结构磁悬浮微动台,用Y形的悬浮动子取代了Δ形悬浮动子,如图11所示。与第一代的Δ形微动台相比,第二代微动台克服了非质心驱动的缺点,在运行范围、负载能力、机械设计的简单化以及功率损耗等方面都有着明显的优势。除此之外,Y形动子可以从整体框架中移出,任何定子部件都不会对其产生干扰。通过实验验证,这种Y形悬浮微动台运行范围可以达到5mm×5mm,定位分辨率可以达到3nm。清华大学的朱煜等人在2010年提出了一种十字型结构磁悬浮微动台,其结构原理与Y形微动台相似,也可实现六个自由度,如图12所示。十字型结构磁悬浮微动台由一个十字支架和4个两自由度执行机构组成,每个执行机构由沿竖直方向充磁的永磁体、驱动线圈和悬浮线圈组成,永磁体固定于十字支架的末端,驱动线圈和悬浮线圈分别布置于永磁体的侧面和下面,运动范围±0.5mm。在文献中,应用解析方法(磁荷法)建立了微动台磁场模型并计算了特定结构约束下的磁场分布,对微动台电磁力-位移特性进行了分析。在文献中,采用数值方法计算了微动台电磁单元绕组损耗引起的温升,给出了微动台的发热热源、定子线圈等效导热系数和自然对流及强制水冷条件下表面散热系数,建立了微动台三维温度场的数学模型。根据热传导理论,完成了微动台定子线圈稳态温度场的理论计算,并采用数值方法计算了微动台在自然对流和强制水冷条件下的三维温度场分布。该研究对全面认识微动台内部温升情况及冷却结构设计都具有一定的指导意义。2.2.3磁悬浮重力补偿器除了利用电磁铁和洛伦兹线圈实现调平调焦两种方式外,近几年,又出现了一种磁悬浮重力补偿器的调平调焦方案。磁悬浮重力补偿器有两个作用:(1)动态调平调焦及隔振;(2)对利用永磁体之间的作用力对微动台的运动质量进行补偿,以减小调整线圈的电流和发热量。荷兰埃因霍温科技大学的SvenAntoinJohanHol等人在2006年提出一种圆筒型磁悬浮重力补偿器结构方案,如图13所示。动子由两个径向充磁的永磁环组成,定子由内外两个轴向充磁的永磁环以及位于动子永磁体之间的线圈组成。根据同性相斥、异性相吸的原理可以判断:动子永磁体与定子永磁体上表面具有吸力作用,与定子永磁体下表面具有斥力作用,即定子永磁体与动子永磁体之间会产生一个向上的悬浮力,用于抵消负载的质量。需要动态调整时,位于动子磁场中的定子线圈通入电流,即可产生一个动态补偿力。图14为圆筒型重力补偿器在微动台底部的布置方案。韩国科学技术院的Young-ManChoi等人在2007年提出一种平板型Halbach结构的磁悬浮重力补偿器,如图15所示,其最大优点在于法向刚度非常小,且相同体积下的出力能力是传统结构的4倍。作者利用解析模型对传统结构重力补偿器和Halbach结构重力补偿器的补偿特性进行了比较。并通过对Halbach永磁阵列的永磁体高度比进行优化,得到悬浮力密度与法向刚度的折中方案。图16为利用该磁悬浮重力补偿器实现六自由度微动台调平调焦的结构示意图。2.3超精密平面电机测量原理目前,针对多自由度短行程超精密平面电机,已经有多种结构被提出,并且各种结构之间的特点也得到的初步的比较,但仍然存在一些问题:首先,绝大多数对超精密平面电机的研究只是侧重于某一方面,比如电磁特性、温升、频响等,并没有对超精密平面电机进行综合分析,这样容易导致超精密平面电机在某一方面的指标变差,对于超精密定位及测量系统,这是不允许的。其次,尽管有相关学者已经对超精密平面电机的磁场分析、电磁力计算、动力学建模等重要问题进行了研究,但是到目前为止,仍未形成完整的超精密平面电机的设计方法与分析理论。3超精密平面电机的主要技术指标和参数确定随着精密加工系统、精密测试系统整机指标的不断提高,对超精密平面电机的精度、运行速度、频率响应、温升、可靠性等方面都提出了更高的要求,同时也决定了超精密平面电机的主要研究方向与关键技术。3.1有限元方法解析精度的影响由于超精密平面电机的驱动是以电磁场为介质的,因此电磁场解析和磁路设计是超精密平面电机整体结构设计的前提。目前,磁场的计算方法主要包括:边界条件法、有限元法、等效电流法、等效磁荷法、镜像法等。其中,边界条件法是长行程直线电机磁场解析常用到的方法,赋以边界条件通过很少的计算量便可以实现对其磁场的解析。但是,边界条件法仅适用于初级或次级可近似为无限长的情况,并没有考虑直线电机的纵向端部效应。有限元方法的解析精度依赖于模型的网格形状及剖分数目,为了提高磁场的解析精度就要增加剖分的数量,计算时间大大增加。等效电流法和等效磁荷法是通过对单块永磁体进行模型等效,进而计算气隙磁场的解析方法,满足叠加原理,无需赋边界条件和进行无限长假设,能够比较准确地计算电机的端部磁场,但是对于长行程直线电机,这种方法的计算量较大。镜像法是一种计算处于铁磁边界条件下磁场的解析方法,通过原像场与镜像场的磁场叠加来计算气隙磁场的实际分布情况。结合超精密平面电机的结构特点,一般采用等效电流法或等效磁荷法对永磁体进行等效,并利用镜像法来计算铁磁边界对磁场的影响,从而对气隙磁场进行精确解析。准确的磁场解析对超精密平面电机合理布局、消除边端效应、降低推力波动、提高电机推力等方面均有指导意义,是超精密平面电机建立准确模型和实现超精密定位运动的理论基础。3.2高速高精机械系统的设计要点随着速度与加速度等动态性能指标要求不断提高,超精密平面电机的结构设计不能仅停留在静态设计的水平上,而必须进行结构动力学建模与动态特性分析。通常超精密平面电机的设计是指在满足设计指标要求的条件下,使电机结构紧凑、经济合理。从机械系统动力学观点看,要实现高速度、高精度的目标就必须保证系统具备优良的静、动态品质,主要包括:(1)低惯量:在高速高精定位中,驱动系统的大部分载荷都是惯性的,因此,降低运动部件的质量是设计中需要考虑的一个重要问题。(2)高刚度或高固有频率:来保证系统良好的动态特性和抗干扰能力。(3)质心驱动:当驱动力作用中心与平面电机质心不重合时,会引起系统的振动,造成振动误差,导致系统的定位精度下降,因此在设计超精密平面电机时,应尽量保证质心驱动。掌握超精密系统的结构组成和系统本身的动力学特性,对设备的制造、选择有效的隔振措施、减小振动的影响及改善系统的动态性能等都具有重要的指导意义。3.3电机及控制器的热设计在光刻机等应用背景下,超精密平面电机与外界环境的热交换受到严格的限制。因此,有效冷却结构的设计与温度场分析能够减小超精密平面电机温升对光学检测设备及传感器定位精度的影响,对实现高精度定位运动具有重要意义。电机运行过程中产生的热量不仅使线圈电阻增加,给控制系统带来了时变特性,而且还将导致相关零件的热变形和空气的折射率变化,影响高分辨率位置传感器的检测精度。首先,应该在结构设计方面采取措施,线圈是电机的主要热源,若将线圈作为动子,则会出现供电电线和冷却管路相互干扰的问题,影响系统定位精度。因此,一般将线圈作为定子。其次,利用流动的冷却剂是解决散热问题的主要途径,一般采用水冷方式,通过在线圈周围设计合理的冷却水道结构或者是采用浸泡式水冷结构,将线圈产生的热量带走。另外,为了最大限度地控制电机表面温升,减小电机发热对周围环境及其他部件的影响,一般在电机外表面增加隔热板,切断热源传导路径。3.4重力补偿器的应用在光刻机中,如何使超精密平面电机在曝光过程中免受基础框架振动的干扰至关重要,如外界振动传递到承载硅片的承载台上,则会影响硅片定位精度,因此,需要采用行之有效的方案对超精密平面电机进行减振和隔振。重力补偿器就是在此背景下发展起来的新型结构,通过主动减振与被动隔振结合的方式,使超精密平面电机系统形成一个独立的内部系统。目前的重力补偿器主要分为气浮与磁浮两种类型。上海微电子装备有限公司在文献中提供一种气浮型重力补偿器,能够对微动台进行调平调焦及隔振,且结构简单容易实现,使用寿命长。清华大学在文献中提出一种磁浮型重力补偿器,具有零部件表面无需精密加工、适用于真空环境中应用等优点,并且能够降低行程范围内沿轴线方向的刚度,同时提高轴向承载能力。4基于多因素短途汽机的发展趋势4.1超精密平面电机的应用超精密平面电机要求质量轻、刚度高和热变形小,因此电机的材料应具备密度小、热膨胀系数低、热传导率低、弹性模量大等特点。传统电机的材料仍然为钢材,其密度大、热导率与热膨胀系数高,使得相关性能受到影响。常用的工程结构陶瓷,如氧化铝、氮化铝、碳化硅、氮化硅等,由于具有高强度、高硬度、低密度、耐辐射、抗腐蚀等优点,已逐渐成为航空航天、精密机械等尖端领域的关键材料,将工程结构陶瓷应用于超精密平面电机是一种发展趋势。目前,面临的主要问题是:由于陶瓷材料自身的特性导致其机加工性能较差、加工难度大、加工周期长、造价高。但是,相信随着相关加工工艺的不断完善,该问题会得到解决。另外,在精密定位场合中,减小超精密平面电机对系统环境温度的影响也是重点考虑的问题,需要尽量隔断超精密平面电机与系统环境之间的温度传播途径,因此,在超精密平面电机中采用特殊的隔热材料也是当前的一个研究方向。4.2超精密平面电机的特性超精密平面电机的研发是一项涉及电磁学、传热学、机械学等多个学科的科学探索研究工作,需要从系统的角度进行综合分析,才能发掘出其最优特性。然而,绝大多数对超精密平面电机的研究只是侧重于某一方面,并没有从系统角度对其进行综合分析,目前尚没有利用多物理场分析超精密平面电机的相关文献。相信随着国内外学者对超精密定位系统认识的逐步提高、更多跨学科科研机构的出现以及对多物理场分析软件的进一步掌握,利用多物理场分析设计超精密平面电机的方法必将成为一种趋势。4.3超精密平面电机的设计总结超精密平面电机的结构框架是电磁驱动单元和位置检测单元安装的主体,是超精密平面电机系统稳定工作的基础。现