六自由度磁浮微动台电磁场建模与计算

随着人类在制造领域中采用的尺度由μm进入nm,高精度的微动台承担了实现nm精度制造和测量的任务[1]。在光刻机中包含一个超精密6自由度微动台,该微动台在水平方向自由度用于光刻机硅片台精度补偿,竖直方向自由度用于光刻机调平调焦。

超精密微动台一般指行程在mm尺度、精度达到100nm以下的运动平台。按支承形式可分为柔性铰链、气浮和磁浮支承微动台;按驱动技术分为压电陶瓷和Lorentz电机驱动微动台;按可动部件的层数分为单层(平面)、两层和多层微动台;按结构形式分为串联、并联和混联微动台[2]。本文讨论Lorentz电机驱动、磁悬浮支承、单层、并联、6自由度微动台。

Lorentz电机驱动工作原理是靠Lorentz力直接驱动,并通过控制线圈中电流的大小来控制电磁力的大小,从而带动微动台产生精密微位移。磁悬浮支承工作原理是利用磁场作用产生垂直于物体表面的方向力,使一对相对运动部件保持一定的距离,并处于一种相对平衡状态。由于Lorentz电机驱动、磁悬浮支承微动台的运动平台和支承机构均采用非接触式的电磁力技术,因此没有摩擦和机械部件的磨损,同时避免了气浮支承中存在的气路、气源等复杂结构。磁浮微动台还可以适应下一代光刻机真空环境应用的要求。

美国和荷兰学者率先在Lorentz电机驱动、磁悬浮支承微动台设计和控制方面进行了富有成果的研究。美国麻省理工学院Kim和Trumper研制了世界上第一台用于光刻机、基于Lorentz原理、永磁阵列型6自由度微动台,磁悬浮平台动子底部的4个角上各安装一个Halbach型永磁阵列,与4个定子线圈对应,构成4个驱动单元。每个驱动单元分别提供一个水平方向的驱动力和一个竖直方向的支承力,微动台定位精度达到5 nm[3]。美国俄亥俄州立大学Menq领导的研究小组设计了一种基于变磁阻原理的6自由度微动台,微动台共用了10个电磁驱动单元,其中4个放在底部用于产生磁悬浮力,另外6个布置在微动台侧面产生平面运动,微动台通过闭环控制实现了20 nm的定位精度[4]。美国德州农机大学Verma和Kim研制了基于Lorentz原理、永磁型6自由度微动台,微动台的核心部件是一个非铁磁性材料的三角形滑板,微动台包含3个垂直方向的电磁力驱动器和3个水平方向的电磁力驱动器, 6个驱动器的磁铁安装在滑板上,线圈与基座固定,微动台定位精度达到5 nm[5]。2007年Zhang和Kim设计了第二代永磁型6自由度微动台,该微动台主要克服了第一代微动台非质心驱动的缺点,同时运动行程和负载能力大大提高[6]。2007年Menq研制了第二代永磁型6自由度微动台,该微动台使用了3个紧凑的两轴线性驱动器,微动台在X轴、Y轴和Z轴上的定位精度分别达到1·1 nm、0·74 nm和4·4 nm,除具有超高定位精度外,该微动台还具有体积小的特点,整个微动台只有约一个光盘大小[7]。