專利名稱：磁性軸承、旋轉(zhuǎn)臺(tái)以及反射電子束光刻設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性軸承的設(shè)計(jì)，具體來(lái)說(shuō)涉及用于電子束光刻和用于電子束計(jì)量的旋轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
磁性軸承是使用磁力來(lái)支撐轉(zhuǎn)子的軸承。使用磁性軸承的優(yōu)點(diǎn)在于，沒(méi)有會(huì)發(fā)生磨損的機(jī)械部件。磁性軸承的一個(gè)缺點(diǎn)在于，其需要電流來(lái)飄浮轉(zhuǎn)子。在高速下，由于轉(zhuǎn)子的不同部分經(jīng)過(guò)各個(gè)磁性致動(dòng)器的磁場(chǎng)而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子中的渦電流可能會(huì)導(dǎo)致能量損耗。美國(guó)專利US 6, 191,513 Bl公開了使用硅鋼層壓板來(lái)減小渦電流，其中所述渦電流會(huì)由于磁滯導(dǎo)致的加熱以及由于響應(yīng)磁體的控制延遲而造成功率損耗。在晶片檢查器件中以及用于半導(dǎo)體工業(yè)的電子束光刻系統(tǒng)通常使用線性臺(tái)。但是利用線性臺(tái)掃描晶片所需的時(shí)間對(duì)于這些系統(tǒng)是加在晶片吞吐量上的一個(gè)限制。在 Journal of Vacuum Science and TfecA^o/c^j^ i (第 27卷，161 至Ij 166 頁(yè))中的Paul Petric、 Chris Bevis、Allen Carrol1>Henry Percy、Marek Zywno>Keith StanforcUAlan Brodie、 Boah Bareket和Luca Gralla (下文中稱作Petric)的一篇文章中公開了一種反射電子束光刻(REBL)系統(tǒng)。其中公開了對(duì)于多個(gè)硅晶片使用旋轉(zhuǎn)臺(tái)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在獨(dú)立權(quán)利要求中規(guī)定了一種磁性軸承、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、反射電子束光刻設(shè)備、磁性致動(dòng)器以及圓柱形轉(zhuǎn)子。在從屬權(quán)利要求中給出了本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例。本發(fā)明的實(shí)施例通過(guò)在轉(zhuǎn)子中使用減小渦電流的鐵磁性材料而解決了前述問(wèn)題。 在一個(gè)實(shí)施例中，在圓柱形轉(zhuǎn)子中使用軟磁性復(fù)合鐵。在另一個(gè)實(shí)施例中，使用諸如硅鋼之類的鐵磁性層壓板來(lái)限制渦電流。使用層壓板來(lái)構(gòu)造所述圓柱形轉(zhuǎn)子的一個(gè)缺點(diǎn)在于，在較高速度下可能會(huì)產(chǎn)生所謂的層壓噪聲。層壓噪聲是由于層壓板突然暴露于大磁場(chǎng)而導(dǎo)致的。層壓噪聲在這里被定義為由鐵磁性層壓板在暴露于階梯式磁場(chǎng)改變時(shí)發(fā)出的噪聲。層壓噪聲的一個(gè)熟悉的實(shí)例是由一些變壓器產(chǎn)生的低頻噪聲。所述低頻噪聲可能是由于電線的振動(dòng)導(dǎo)致的，但是也可能是由于被用來(lái)構(gòu)造變壓器的鐵磁性平板的振動(dòng)而導(dǎo)致的。用于光刻或計(jì)量的旋轉(zhuǎn)臺(tái)中的層壓噪聲是不合期望的。其可能會(huì)在所述臺(tái)中導(dǎo)致小的聲學(xué)振動(dòng)，從而可能會(huì)與光刻處理或計(jì)量發(fā)生干擾。本發(fā)明的實(shí)施例通過(guò)調(diào)節(jié)所述層壓板的指向和/或磁性致動(dòng)器的指向而解決了層壓噪聲的問(wèn)題，從而使得在軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)磁場(chǎng)不會(huì)在每個(gè)層壓板上不均勻地增大。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，將構(gòu)成致動(dòng)器并且與圓柱形轉(zhuǎn)子相鄰的鐵磁性材料的拐角和邊緣磨圓。這就使得磁場(chǎng)增大沒(méi)有那么突然，并且還會(huì)減小層壓噪聲。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例通過(guò)使用永磁體來(lái)支撐或部分地支撐圓柱形轉(zhuǎn)子克服重力而減小了操作磁性軸承所需的電能量。
本發(fā)明的實(shí)施例規(guī)定了一種具有旋轉(zhuǎn)軸的磁性軸承。所述磁性軸承包括圓柱形轉(zhuǎn)子，所述圓柱形轉(zhuǎn)子包括鐵磁性材料。圓柱形轉(zhuǎn)子具有對(duì)稱軸，并且圓柱形轉(zhuǎn)子具有內(nèi)半徑。圓柱形轉(zhuǎn)子具有頂面。由于所述磁性軸承具有旋轉(zhuǎn)軸，因此應(yīng)當(dāng)理解的是，該磁性軸承在重力場(chǎng)中運(yùn)作。所述磁性軸承還包括靜態(tài)輪轂。靜態(tài)輪轂具有從該靜態(tài)輪轂突出并且被定位成與所述頂面相鄰的懸挑。圓柱形轉(zhuǎn)子的頂面處于如重力場(chǎng)所定義的頂部。所述磁性軸承還包括抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備，其用于控制第一表面與所述懸挑之間的距離。抬升磁性致動(dòng)器可以包括永磁體、電磁體或者電磁體與永磁體的組合。所述磁性軸承還包括徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備，其用于控制內(nèi)半徑與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離。徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備也可以包括永磁體、電磁體或者電磁體與永磁體的組合。這種設(shè)置是有利的，這是因?yàn)榇判暂S承具有能夠從靜態(tài)輪轂懸出的圓柱形轉(zhuǎn)子。 圓柱形轉(zhuǎn)子包括鐵磁性材料，并且不包含任何磁體。在一些實(shí)施例中，抬升磁性致動(dòng)器能夠支撐圓柱形轉(zhuǎn)子克服重力，其還通過(guò)防止其擺動(dòng)而穩(wěn)定圓柱形轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。抬升磁性致動(dòng)器控制第一表面與懸挑之間的距離，并且其還把所述旋轉(zhuǎn)軸與對(duì)稱軸在相同方向上對(duì)準(zhǔn)。徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備將對(duì)稱軸與旋轉(zhuǎn)軸對(duì)準(zhǔn)成使其同軸。取決于具體實(shí)施例，旋轉(zhuǎn)軸與對(duì)稱軸可以略有偏差。如果旋轉(zhuǎn)軸是水平的，則徑向磁性致動(dòng)器可以被用來(lái)抬升圓柱形轉(zhuǎn)子。圓柱形轉(zhuǎn)子的行為非常類似陀螺儀。圓柱形轉(zhuǎn)子和連接到該轉(zhuǎn)子并與之一起旋轉(zhuǎn)的任何結(jié)構(gòu)的質(zhì)量具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的力矩。如果存在小的振動(dòng)或擾動(dòng)，則所述轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將趨向于減小圓柱形轉(zhuǎn)子中的移動(dòng)量。這意味著所述軸承將非常有助于為諸如電子束光刻或電子束計(jì)量之類的應(yīng)用提供穩(wěn)定臺(tái)。在另一個(gè)實(shí)施例中，抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備包括至少一個(gè)能夠支撐圓柱形轉(zhuǎn)子克服重力的永磁體。該實(shí)施例是有利的，這是因?yàn)樗鲋辽僖粋€(gè)永磁體支撐圓柱形轉(zhuǎn)子，從而對(duì)于電磁體支撐轉(zhuǎn)子所需的功率較低。這樣就降低了操作磁性軸承所需的電功率。在另一個(gè)實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)軸是垂直旋轉(zhuǎn)軸。垂直旋轉(zhuǎn)軸與重力對(duì)準(zhǔn)。在另一個(gè)實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)軸是水平旋轉(zhuǎn)軸。在另一個(gè)實(shí)施例中，徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備和/或抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備包括至少一個(gè)混合磁體。所述混合磁體包括鐵磁性核芯。所述鐵磁性核芯中切割有兩道溝槽，從而使其剖面呈E形。在兩道溝槽之間有中間節(jié)段，所述中間節(jié)段的外表面的法線指向遠(yuǎn)離鐵磁性核芯。所述混合磁體還包括電線線圈，其被適配成用于在電流經(jīng)過(guò)電線時(shí)生成磁場(chǎng)。所述線圈位于所述兩道溝槽內(nèi)并且圍繞所述中間節(jié)段。所述混合磁體還包括被放置在外表面上的永磁體。所述永磁體的磁化與外表面的法線對(duì)準(zhǔn)。該實(shí)施例是有利的，這是因?yàn)樗鲇来朋w能夠提供飄浮圓柱形轉(zhuǎn)子所需的磁場(chǎng)的一部分。于是電磁體能夠強(qiáng)化或弱化永磁體的磁場(chǎng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，鐵磁性材料包括軟磁性復(fù)合物，以便減小圓柱形轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)期間的渦電流。使用軟磁性復(fù)合物是有益的，這是因?yàn)闇u電流會(huì)產(chǎn)生損耗以及與軸承旋轉(zhuǎn)相反的阻尼力。在另一個(gè)實(shí)施例中，鐵磁性材料包括Somaloy，以便減小渦電流的流旋轉(zhuǎn)。Somaloy 是一種軟磁性復(fù)合物。已經(jīng)討論了使用軟磁性復(fù)合物的有益之處。在另一個(gè)實(shí)施例中，鐵磁性材料包括鐵磁性層壓板以用于減小磁性軸承的旋轉(zhuǎn)期間的渦電流。所述層壓板是在圍繞所述對(duì)稱軸的圓形路徑內(nèi)層疊的，以便構(gòu)造圓柱形容積。 使用層壓板的有益之處在于減小了渦電流。 在另一個(gè)實(shí)施例中，存在所述對(duì)稱軸對(duì)于每一個(gè)層壓板處于其中的平面。每一個(gè)層壓板具有第一橫軸，并且每一個(gè)層壓板被設(shè)置成使得其被圍繞其第一橫軸旋轉(zhuǎn)出所述平面第一角度，所述第一角度處于0到60度之間，優(yōu)選地是0. 1到15度之間。角度的度量是以絕對(duì)項(xiàng)給出的。第一角度可以是負(fù)的或正的。該實(shí)施例是有利的，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)使得層壓板關(guān)于徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備的磁場(chǎng)前沿成一個(gè)微小角度，允許減小層壓噪聲。由于處在圓柱形轉(zhuǎn)子的徑向平面內(nèi)，因此在許多實(shí)施例中不容易傾斜徑向磁性致動(dòng)器。通過(guò)把層壓板旋轉(zhuǎn)第一角度，則不需要旋轉(zhuǎn)徑向磁性致動(dòng)器。在另一個(gè)實(shí)施例中，存在所述對(duì)稱軸處于其中的平面。每一個(gè)層壓板具有第一縱軸，其中每一個(gè)層壓板被設(shè)置成使得其被圍繞其第一縱軸旋轉(zhuǎn)出所述平面第二角度，所述第二角度處于0到60度之間，優(yōu)選地是0. 1到15度之間。角度的度量是以絕對(duì)項(xiàng)給出的。 第二角度可以是負(fù)的或正的。圍繞縱軸旋轉(zhuǎn)這些層壓板是有益的，這是因?yàn)閷訅喊蹇梢躁P(guān)于抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備的磁場(chǎng)具有一個(gè)微小角度。這樣做的益處與當(dāng)把層壓板旋轉(zhuǎn)第一角度時(shí)所提到的相同。在另一個(gè)實(shí)施例中，同時(shí)圍繞第一角度和第二角度旋轉(zhuǎn)層壓板。在該實(shí)施例中，層壓板具有關(guān)于抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備和徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備同時(shí)受控的角度。在另一個(gè)實(shí)施例中，抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備包括至少一個(gè)第一混合磁體。第一混合磁體具有第二縱軸和第二橫軸，并且存在同時(shí)與所述縱軸和第二橫軸相交的半徑。第二橫軸與所述半徑圍成處于0到60度之間的第三角度，優(yōu)選地是0. 1到15度之間。角度的度量是以絕對(duì)項(xiàng)給出的。第三角度可以是負(fù)的或正的。該實(shí)施例是有利的，這是因?yàn)榭梢猿鲇跍p小層壓噪聲的目的調(diào)節(jié)鐵磁性層壓板關(guān)于抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備的指向。在另一個(gè)實(shí)施例中，抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備包括至少一個(gè)第二混合磁體(132，542, 1399)?？v軸和與旋轉(zhuǎn)軸正交的平面與半徑圍成處于0到60度之間的第四角度，優(yōu)選地是 0. 1到15度之間。該實(shí)施例是有利的，這是因?yàn)榭梢猿鲇跍p小層壓噪聲的目的調(diào)節(jié)鐵磁性層壓板關(guān)于徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備的指向。在另一個(gè)實(shí)施例中，抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備和/或徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備包括至少一個(gè)鐵磁性核芯。所述鐵磁性核芯包括兩個(gè)或更多第二表面，其法線與圍繞旋轉(zhuǎn)軸的圓形路徑的切線形成銳角，其中至少一個(gè)第二表面的至少一個(gè)邊緣被磨圓以減小層壓噪聲。該實(shí)施例是有利的，這是因?yàn)槠淙コ伺c圓柱形轉(zhuǎn)子相鄰的拐角。通過(guò)具有鐵磁性核芯的尖銳邊緣使得磁場(chǎng)更加平滑，從而減少層壓噪聲。在另一個(gè)實(shí)施例中，磁性軸承還包括用于測(cè)量?jī)?nèi)半徑關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸的距離的徑向傳感器系統(tǒng)。磁性軸承還包括用于測(cè)量第一表面與所述懸挑之間的距離的抬升傳感器。磁性軸承還包括控制系統(tǒng)，其被適配成接收來(lái)自抬升傳感器的信號(hào)并且控制抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備，從而保持第一表面與所述懸挑之間的第一預(yù)定距離。所述控制系統(tǒng)還被適配成接收來(lái)自軸向傳感器系統(tǒng)的信號(hào)并且控制軸向磁性致動(dòng)器設(shè)備，從而保持內(nèi)半徑與旋轉(zhuǎn)軸之間的第二預(yù)定距離。在另一方面，本發(fā)明規(guī)定了一種旋轉(zhuǎn)臺(tái)。所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的磁性軸承。所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)還包括被適配成旋轉(zhuǎn)磁性軸承的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)包括被適配成固定至少一個(gè)工件的轉(zhuǎn)盤。所述轉(zhuǎn)盤由圓柱形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)還包括用于確定磁性軸承的指向角度的編碼器。該實(shí)施例是有利的，這是因?yàn)檫@樣的旋轉(zhuǎn)臺(tái)可以被用于電子束光刻以及用于電子束計(jì)量裝備。這樣的旋轉(zhuǎn)臺(tái)還可以被用于其中需要穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的其他應(yīng)用，比如用于能量存儲(chǔ)的飛輪。在另一個(gè)實(shí)施例中，抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備包括至少一個(gè)能夠支撐圓柱形轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)盤克服重力的永磁體。該實(shí)施例的益處與前面對(duì)于磁性軸承單獨(dú)所討論的相同。在另一方面，本發(fā)明規(guī)定了一種反射電子束光刻設(shè)備，其包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)臺(tái)。在Petric中描述了反射電子束光刻設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用。在另一方面，本發(fā)明規(guī)定了一種磁性致動(dòng)器，其用于控制磁性軸承中的圓柱形轉(zhuǎn)子與靜態(tài)輪轂之間的距離。所述磁性致動(dòng)器包括鐵磁性核芯，所述鐵磁性核芯具有前表面和后表面，所述表面具有一個(gè)或多個(gè)已磨圓的邊緣以便減小層壓噪聲。已經(jīng)在前面討論了該實(shí)施例的益處。在另一方面，本發(fā)明規(guī)定了一種包括鐵磁性材料的圓柱形轉(zhuǎn)子。圓柱形轉(zhuǎn)子具有對(duì)稱軸，所述鐵磁性材料包括用于減小圓柱形轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)期間的渦電流的鐵磁性層壓板。 所述層壓板是在圍繞所述對(duì)稱軸的圓形路徑內(nèi)層疊的，以便構(gòu)造圓柱形容積。存在所述對(duì)稱軸對(duì)于每一個(gè)層壓板處于其中的平面，并且每一個(gè)層壓板具有第一橫軸(1182)。每一個(gè)層壓板被設(shè)置成使得其被圍繞其第一橫軸旋轉(zhuǎn)出所述平面第一角度(1184)，所述第一角度 (1184)處于0到60度之間，優(yōu)選地是0. 1到15度之間。


下面將參照附圖僅以舉例的方式描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中 圖1示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的功能圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的磁性軸承的一個(gè)實(shí)施例的剖面圖； 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圓柱形轉(zhuǎn)子的透視圖； 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圓柱形轉(zhuǎn)子的一部分的特寫頂視圖； 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的混合磁體的組裝圖； 圖6圖示出使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的混合磁體的益處； 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的混合磁體和圓柱形轉(zhuǎn)子的剖面圖； 圖8示出了去除了圓柱形轉(zhuǎn)子的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的磁性軸承的透視圖； 圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的磁性軸承的透視圖； 圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的磁性軸承的剖面透視圖； 圖11圖示出鐵磁性層壓板圍繞其第一橫軸的旋轉(zhuǎn)； 圖12圖示出鐵磁性層壓板圍繞其第一縱軸的旋轉(zhuǎn)； 圖13圖示出混合磁體在靜態(tài)輪轂上的旋轉(zhuǎn)； 圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)臺(tái)的一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式在這些附圖中，相同的附圖標(biāo)記是完全相同的元件或者執(zhí)行相同的功能。如果其功能完全相同的話，則前面已經(jīng)討論過(guò)的元件將不一定在后面的附圖中討論。
圖1示出了說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例的概念的圖示。其中有旋轉(zhuǎn)圓盤100的透視圖和同一個(gè)旋轉(zhuǎn)圓盤的側(cè)視圖102。所述圓盤圍繞旋轉(zhuǎn)軸106旋轉(zhuǎn)。存在支撐旋轉(zhuǎn)圓盤100、102 的磁性軸承108。標(biāo)記為112的箭頭表明由于徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備而導(dǎo)致的穩(wěn)定化，標(biāo)記為 110的箭頭示出由于抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備而導(dǎo)致的穩(wěn)定化和抬升。本發(fā)明的一些實(shí)施例支撐圓盤102、100和磁性軸承108克服重力。箭頭104示出了旋轉(zhuǎn)方向。該實(shí)施例的關(guān)鍵特征在于
圖1中的圓盤100、102是利用電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的。在一個(gè)實(shí)施例中，所述電動(dòng)機(jī)的靜止部分(定子)與其內(nèi)建在旋轉(zhuǎn)圓盤中的轉(zhuǎn)子發(fā)生磁性相互作用。不存在耦合了轉(zhuǎn)子與定子的機(jī)械軸承系統(tǒng)。在一個(gè)替換實(shí)施例中，存在轉(zhuǎn)動(dòng)磁體軸承的機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在軸向方向上，需要克服重力的磁性飄浮。這些軸向磁性飄浮單元(或抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備)也被主動(dòng)控制來(lái)穩(wěn)定化磁性軸承中的氣隙。在徑向方向上，磁性飄浮單元(或徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備)將旋轉(zhuǎn)圓盤固定就位。徑向磁性飄浮單元提供靜態(tài)預(yù)負(fù)載并且主動(dòng)控制距離。在一個(gè)實(shí)施例中，為所述靜態(tài)預(yù)負(fù)載提供永磁體。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的磁性軸承的一個(gè)實(shí)施例的剖面?zhèn)纫晥D。其中有靜態(tài)輪轂 120，并且有旋轉(zhuǎn)軸106。存在從靜態(tài)輪轂120延伸出的懸挑122。存在圓柱形轉(zhuǎn)子116，其被適配成圍繞旋轉(zhuǎn)軸106旋轉(zhuǎn)。圓柱形轉(zhuǎn)子116具有對(duì)稱軸114。在操作期間，對(duì)稱軸114 和旋轉(zhuǎn)軸106可以對(duì)準(zhǔn)。圓柱形轉(zhuǎn)子116包括外套圈134和鐵磁性材料118。所述鐵磁性材料具有與抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備130相鄰的頂面128。抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備130連接到懸挑122。抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備可以支撐圓柱形轉(zhuǎn)子116克服重力。抬升磁性致動(dòng)器130還控制第一面1 與懸挑122之間的距離。這在圖中由距離1 表示。存在徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備132，其控制內(nèi)半徑IM與旋轉(zhuǎn)軸106之間的距離。該距離在圖中由箭頭136表示。圖3示出了圓柱形轉(zhuǎn)子116的一個(gè)實(shí)施例。在圖中可以看出，該轉(zhuǎn)子關(guān)于對(duì)稱軸 114對(duì)稱。存在圍繞鐵磁性材料118的圓柱體的套圈134。鐵磁性材料118在該實(shí)施例中由各個(gè)單獨(dú)的鐵磁性層壓板338構(gòu)成。在圖中通過(guò)標(biāo)記為338的矩形示出了一個(gè)鐵磁性層壓板的位置。圖4示出了圖3中所示的圓柱形轉(zhuǎn)子的一個(gè)節(jié)段的特寫側(cè)視圖。同樣存在套圈 134。在圖4中可以看到，鐵磁性材料由鐵磁性層壓板440的層疊構(gòu)成。圖5示出了混合磁體542的一個(gè)實(shí)施例?；旌洗朋w542是由永磁體M4、線圈546 和鐵磁性核芯548構(gòu)造的。鐵磁性核芯548具有兩道溝槽550。存在具有外表面554的中間節(jié)段552。線圈546裝配到兩道溝槽550中，并且其被定位成圍繞中間節(jié)段552。隨后把永磁體544附著到外表面554。箭頭556表明外表面5M的法線方向，并且其處在與混合磁體542所產(chǎn)生的磁化相同的方向上。圖6圖示出使用包括永磁體的混合磁體的益處。在該圖中示出了圓柱形轉(zhuǎn)子到電磁體的吸引力664?；旌洗朋w與圓柱形轉(zhuǎn)子之間的力664與流經(jīng)線圈的電流的平方成比例， 并且與二者之間的間隙的平方成反比。軸664表示所述力，軸662表示電磁體的電流。力 666是抬升圓柱形轉(zhuǎn)子所必需的力。為了抬升圓柱形轉(zhuǎn)子，需要有一個(gè)力。但是該力可以由永磁體來(lái)提供。668示出了可以由永磁體替代的電流數(shù)量。永磁體抬升轉(zhuǎn)子，并且只需要電磁體來(lái)增大或減小所述力，以便調(diào)節(jié)圓柱形轉(zhuǎn)子相對(duì)于所述懸挑的位置。箭頭670表明如何可以通過(guò)電磁體改變所述磁體的力。圖7的剖面圖示出了操作中的混合磁體的一個(gè)實(shí)例。存在混合磁體542和圓柱形轉(zhuǎn)子116?；旌洗朋w542包括前面所描述的混合磁體和混合磁體支座674。圓柱形轉(zhuǎn)子116 包括鐵磁性材料118。永磁體544與鐵磁性材料118相鄰。在該圖中看到由于線圈546而導(dǎo)致的磁場(chǎng)線676。電磁體546用來(lái)強(qiáng)化及弱化永磁體M4。曲線678示出由磁場(chǎng)線676 感生出的小渦電流的路徑。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的靜態(tài)輪轂120的一個(gè)實(shí)施例。靜態(tài)輪轂 120具有懸挑122。存在安裝到懸挑122的底面的抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備130，并且存在安裝到靜態(tài)輪轂120上的懸挑122下方的徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備132。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的磁性軸承的組裝圖。存在其上安裝有圓柱形轉(zhuǎn)子116的靜態(tài)輪轂120。所述圓柱形轉(zhuǎn)子包括外側(cè)的金屬134，并且內(nèi)側(cè)是鐵磁性材料 118。還可以看到抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備130。抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備130處在懸挑122與圓柱形轉(zhuǎn)子116的頂面1 之間。在圖8和圖9中示出了所考慮的旋轉(zhuǎn)磁性飄浮的方式。圖9中所示的圓柱形轉(zhuǎn)子 116連接到系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部分。該圓盤也可以連接到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子。在圖8和9中示出了抬升130和徑向132磁性致動(dòng)器設(shè)備。抬升130和徑向132 磁性致動(dòng)器包括E形核芯、永磁體(其用來(lái)產(chǎn)生偏移場(chǎng)或預(yù)負(fù)載)和線圈。在本例中，其是磁阻致動(dòng)器。在另一個(gè)實(shí)施例中還可以使用另一種致動(dòng)器。由抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備130生成的永磁體場(chǎng)可以在垂直方向上克服重力吸引旋轉(zhuǎn)負(fù)載。所述線圈控制間隙變化，從而控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在圖8中示出了徑向致動(dòng)器設(shè)備。其由于永磁體而產(chǎn)生特定預(yù)負(fù)載。該預(yù)負(fù)載可以弱于徑向單元的預(yù)負(fù)載。圖10示出了圖9和10中所示的磁性軸承的剖面透視圖。在較高速度下，快速改變的磁場(chǎng)會(huì)在鋼中感生出渦電流。渦電流會(huì)產(chǎn)生損耗以及與旋轉(zhuǎn)相反的阻尼力。鋼旋轉(zhuǎn)圓盤明顯同時(shí)暴露于徑向和軸向的可變磁場(chǎng)。為了消除(最小化)這一效應(yīng)，所述鋼可以由軟磁性復(fù)合鐵制成。軟磁性復(fù)合物的一個(gè)實(shí)例是Somaloy。在圖10中用橙色示出了應(yīng)當(dāng)包括低損耗(低電阻)材料的圓盤部分的剖面圖。圖11被用來(lái)圖示出當(dāng)層壓板被圍繞其第一橫軸1182旋轉(zhuǎn)時(shí)的位置情況。圖11 示出了圓柱形轉(zhuǎn)子的對(duì)稱軸114。存在平面1180，對(duì)稱軸114位于該平面內(nèi)?？梢詫?duì)于每一個(gè)層壓板1188繪制平面1180。層壓板在旋轉(zhuǎn)之前的位置由標(biāo)記為1186的虛線表示。層壓板1188具有第一橫軸1182。第一橫軸1182也處在平面1180內(nèi)。第一橫軸1182還與對(duì)稱軸114垂直。層壓板被圍繞第一橫軸1182旋轉(zhuǎn)第一角度1184。圖12圖示出鐵磁性層壓板118圍繞其第一縱軸1290的旋轉(zhuǎn)。在圖11中可以看到對(duì)稱軸114處在平面1180內(nèi)。在本圖中，鐵磁性層壓板1288從其在平面1286內(nèi)的位置被旋轉(zhuǎn)第二角度1284。第一縱軸1290處在平面1180內(nèi)，并且處在與對(duì)稱軸114相同的方向上但是不與之同軸。這意味著其也垂直于第一橫軸1182?？梢酝ㄟ^(guò)旋轉(zhuǎn)圖10和11中所示的第一角度1184和第二角度1284來(lái)指定層壓板的指向。圖13示出了已在靜態(tài)輪轂120上被旋轉(zhuǎn)并且被置于一定偏斜角度之后的混合磁體1399的指向。圖13示出了靜態(tài)輪轂120的底視圖。混合磁體1399被顯示為安裝在懸挑122上。旋轉(zhuǎn)之前的位置用虛線顯示為1398?；旌洗朋w1399具有第二縱軸1394和第二橫軸1396。由于這是底視圖，因此旋轉(zhuǎn)軸106的位置被顯示為一個(gè)點(diǎn)106。存在從垂直旋轉(zhuǎn)軸106延伸到第二縱軸1394與第二橫軸1396的交點(diǎn)的半徑。在旋轉(zhuǎn)之后，第二橫軸 1396與半徑1392圍成第三角度1393。圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)臺(tái)1401的一個(gè)實(shí)施例。圖13中所示的旋轉(zhuǎn)臺(tái)合并了先前在圖2中示出的磁性軸承。存在被顯示為安裝到圓柱形轉(zhuǎn)子116上的轉(zhuǎn)盤1403。 為了轉(zhuǎn)動(dòng)磁性軸承，存在電動(dòng)機(jī)1407。其可以是機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，或者也可以是磁性轉(zhuǎn)子。存在編碼器1411以便精確地測(cè)量轉(zhuǎn)盤1403的旋轉(zhuǎn)位置。在轉(zhuǎn)盤1403之上示出了兩個(gè)襯底 1405。襯底1405的實(shí)例可以是用于半導(dǎo)體制造的硅晶片或者掩模。附圖標(biāo)記列表
100 一旋轉(zhuǎn)圓盤的透視圖 102 一旋轉(zhuǎn)圓盤的側(cè)視圖 104 一旋轉(zhuǎn)方向 106 一旋轉(zhuǎn)軸 108 一磁性軸承
110 一由于抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備而導(dǎo)致的穩(wěn)定化
112 —由于徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備而導(dǎo)致的穩(wěn)定化
114 一對(duì)稱軸
116 一圓柱形轉(zhuǎn)子
118 一鐵磁性材料
120 一靜態(tài)輪轂
122 —懸挑
IM —內(nèi)半徑
126 一頂面與懸挑之間的距離 128 一頂面
130 一抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備 132 —徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備 Π4—套圈
136 一內(nèi)半徑與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離
338 -(一個(gè))鐵磁性層壓板
440 -(多個(gè))鐵磁性層壓板
542 一混合磁體
544 一永磁體
546 一線圈
548 一鐵磁性核芯
550 —溝槽
552 一中間節(jié)段
554 一外表面
556 一外表面的法線662 -電流
664 一作為由于電磁體而導(dǎo)致的電流的函數(shù)的吸引力
666 一抬升圓柱形轉(zhuǎn)子所必需的力
668 一可以被永磁體替代的標(biāo)稱電流
670 一控制圓柱形轉(zhuǎn)子所必需的力的改變
672 一已磨圓的邊緣
674 一用于混合磁體的支座
676 一磁場(chǎng)線
678 一渦電流
1180 一平面
1182 —第一橫軸
1184—第一角度
1186 —圍繞第一橫軸旋轉(zhuǎn)之前的鐵磁性層壓板的位置 1188 -(一個(gè))鐵磁性層壓板 1284 —第二角度
1286 —圍繞第一縱軸旋轉(zhuǎn)之前的鐵磁性層壓板的位置 1288 -(一個(gè))鐵磁性層壓板 1290 一第一縱軸
1392一半徑
1393一第三角度
1394—第二縱軸 1396 一第二橫軸
1398一混合磁體的最初指向
1399一混合磁體 1401 一旋轉(zhuǎn)臺(tái) 1403 —轉(zhuǎn)盤 1405 一襯底 1407 -電動(dòng)機(jī) 1411 一編碼器
權(quán)利要求
1.一種具有旋轉(zhuǎn)軸(106)的磁性軸承(108)，其中，所述磁性軸承包括一圓柱形轉(zhuǎn)子(116)，其包括鐵磁性材料(118，338，440)，其中圓柱形轉(zhuǎn)子具有對(duì)稱軸 (114)，其中圓柱形轉(zhuǎn)子具有內(nèi)半徑(IM)，其中圓柱形轉(zhuǎn)子具有處在與對(duì)稱軸正交的平面內(nèi)的頂面(1 )；一靜態(tài)輪轂(120)，其中靜態(tài)輪轂具有從該靜態(tài)輪轂突出并且被定位成與所述頂面相鄰的懸挑(122)；一抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備(130)，其用于控制頂面與懸挑之間的距離(1 );一徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備(132)，其用于控制內(nèi)半徑與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離(136)，其中，抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備(130)包括至少一個(gè)能夠支撐圓柱形轉(zhuǎn)子克服重力的永磁體(544)，并且其中徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備(132)和/或抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備(130)包括至少一個(gè)混合磁體(542，1399)，其中該混合磁體包括一鐵磁性核芯(548)，其中所述鐵磁性核芯中切割有兩道溝槽(550)，從而使其剖面呈 E形，其中在兩道溝槽之間有中間節(jié)段(552)，其中該中間節(jié)段的外表面(5M)的法線(556) 指向遠(yuǎn)離鐵磁性核芯；一電線線圈(546)，其被適配成用于在電流經(jīng)過(guò)電線時(shí)生成磁場(chǎng)(676)，其中所述線圈位于所述兩道溝槽內(nèi)并且圍繞所述中間節(jié)段；一永磁體(544)，其被放置在外表面上，其中磁化與外表面的法線對(duì)準(zhǔn)。
2.權(quán)利要求1的磁性軸承，其中，為了減小圓柱形轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)期間的渦電流，所述鐵磁性材料包括以下各項(xiàng)的其中之一軟磁性復(fù)合物和Somaloy。
3.權(quán)利要求1或2的磁性軸承，其中，所述鐵磁性材料包括鐵磁性層壓板(338，440， 1188,1288)以用于減小圓柱形轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)期間的渦電流，并且其中所述層壓板是在圍繞對(duì)稱軸的圓形路徑內(nèi)層疊的，以便構(gòu)造圓柱形容積。
4.權(quán)利要求3的磁性軸承，其中，存在所述對(duì)稱軸對(duì)于每一個(gè)層壓板(1188)處于其中的平面(1180)，其中每一個(gè)層壓板具有第一橫軸(1182)，并且其中每一個(gè)層壓板被設(shè)置成使得其被圍繞其第一橫軸旋轉(zhuǎn)出所述平面第一角度(1184)，所述第一角度(1184)處于0到 60度之間，優(yōu)選地是0. 1到15度之間。
5.權(quán)利要求3或4的磁性軸承，其中，存在所述對(duì)稱軸對(duì)于每一個(gè)層壓板處于其中的平面(1180)，其中每一個(gè)層壓板具有第一縱軸(1290)，并且其中每一個(gè)層壓板(1288)被設(shè)置成使得其被圍繞其第一縱軸旋轉(zhuǎn)出所述平面第二角度(1觀4)，所述第二角度(1觀4)處于0到60度之間，優(yōu)選地是0. 1到15度之間。
6.權(quán)利要求3、4或5的磁性軸承，其中，抬升致動(dòng)器設(shè)備(130)包括至少一個(gè)第一混合磁體(542，1399)，其中第一混合磁體具有第二縱軸(1394)和第二橫軸(1396)，其中存在與第二縱軸和第二橫軸相交的第一半徑(1392)，并且其中第二橫軸和所述半徑與該半徑圍成處于0到60度之間的第三角度，優(yōu)選地是0. 1到15度之間，并且/或者其中抬升徑向設(shè)備(132)包括至少一個(gè)第二混合磁體(542，1399)，其中所述縱軸和與旋轉(zhuǎn)軸正交的平面與所述半徑圍成處于0到60度之間的第四角度，優(yōu)選地是0. 1到15度之間。
7.權(quán)利要求3到6當(dāng)中的任一項(xiàng)的磁性軸承，其中，抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備和/或徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備包括至少一個(gè)鐵磁性核芯(548)，其中所述鐵磁性核芯具有兩個(gè)或更多第二表面，其法線與圍繞旋轉(zhuǎn)軸的圓形路徑的切線形成銳角，并且其中至少一個(gè)第二表面的至少一個(gè)邊緣被磨圓(672)以減小層壓噪聲。
8.任一項(xiàng)在前權(quán)利要求的磁性軸承，其中，所述磁性軸承還包括用于測(cè)量?jī)?nèi)半徑關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸的距離的徑向傳感器系統(tǒng)，其中所述磁性軸承還包括用于測(cè)量頂面與懸挑之間的距離的抬升傳感器系統(tǒng)，其中所述磁性軸承還包括控制系統(tǒng)，其被適配成接收來(lái)自抬升傳感器系統(tǒng)的信號(hào)并且控制抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備，從而保持頂面與懸挑之間的第一預(yù)定距離， 并且其中控制系統(tǒng)還被適配成接收來(lái)自徑向傳感器系統(tǒng)的信號(hào)并且控制徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備，從而保持內(nèi)半徑與旋轉(zhuǎn)軸之間的第二預(yù)定距離。
9.一種旋轉(zhuǎn)臺(tái)(1401)，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)包括 一根據(jù)任一項(xiàng)在前權(quán)利要求的磁性軸承(108)； 一被適配成旋轉(zhuǎn)磁性軸承的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1407)；一被適配成固定至少一個(gè)工件(1405)的轉(zhuǎn)盤(1403)，其中所述轉(zhuǎn)盤由圓柱形轉(zhuǎn)子支撐；一用于確定磁性軸承的角度指向的編碼器(1311)。
10.權(quán)利要求9的旋轉(zhuǎn)臺(tái)，其中，抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備(130)包括至少一個(gè)能夠支撐圓柱形轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)盤克服重力的永磁體(544 )。
11.一種反射電子束光刻設(shè)備，其包括根據(jù)權(quán)利要求9或10的旋轉(zhuǎn)臺(tái)(1401)，并且其中所述工件是襯底。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有旋轉(zhuǎn)軸(106)的磁性軸承(108)，其中，所述磁性軸承包括圓柱形轉(zhuǎn)子(116)，其包括鐵磁性材料(118，338，440)，其中圓柱形轉(zhuǎn)子具有對(duì)稱軸(114)，圓柱形轉(zhuǎn)子具有內(nèi)半徑(124)，圓柱形轉(zhuǎn)子具有頂面(128)；靜態(tài)輪轂(120)，其中靜態(tài)輪轂具有從該靜態(tài)輪轂突出并且被定位成與所述頂面相鄰的懸挑(122)；抬升磁性致動(dòng)器設(shè)備(130)，其用于控制所述頂面與懸挑之間的距離(126)；徑向磁性致動(dòng)器設(shè)備(132)，其用于控制內(nèi)半徑與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離(136)。
文檔編號(hào)F16C32/04GK102414463SQ201080017769
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
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