CN1726630A - 以高定位精确度加工一个物体的装置 - Google Patents

Abstract

一种装置加工在精确控制的位置上的一个物体(19)，例如一个半导体晶片。该物体(19)由一个沿着一条路径可移动的工作台(12)支撑。一个悬挂执行机构部分(14)连接到工作台(12)，悬挂执行机构部分(14)包括一个软磁芯(24)和一个线圈(20)，软磁芯(24)具有沿着该路径在支撑结构上的多个朝向软磁元件(34)的表面的磁极，线圈(20)用于应用一个电流产生一个磁场，该磁场通过多个磁极穿过芯24，并且通过软磁元件(34)返回。一个传感器(17)检测悬挂执行机构部分(14)相对于定位参考元件(16)的一个测量位置。一个控制电路包括一个外部控制电路(40)和一个内部控制电路(42)。外部控制电路(40)接收一个检测结果，并且确定力设定值信息以将执行机构部分(14)的测量位置调整到一个要求的值。内部控制电路(42)接收力设定值信息，并且根据力设定值信息来控制电流，以在执行机构部分(14)与支撑结构(10)之间实现一个力。

Description

以高定位精确度加工一个物体的装置

本发明涉及一种精密设备，其使用一种带电粒子束来加工在一个精确定位工作台上的一个物体，精确定位工作台执行扫描或步进运动。本发明还涉及例如用于平板印刷设备的精确定位设备。此外，本发明涉及具有磁阻执行机构(actuator)执行机构的设备。

US专利申请No.2003/0007140(Korenaga)公开了一种晶片台(waferstage)运动装置。在加工半导体晶片期间，必须结合一个其上具有晶片的工作台的步进或扫描运动，对该工作台进行非常精确的定位。工作台的定位独立于环境振动。这要求专门的设备用于工作台的移动和悬挂。为此目的，通常使用线性电机，根据洛伦兹原理进行操作。即，这种电机包括一个线圈和一个电流源，线圈可移动的悬挂在一个磁场中，电流源通过应用流过线圈的电流而产生力。一系列永久磁铁在该空间中产生磁场，线圈移动通过该空间。根据洛伦兹原理，类似的技术可以用于实现一个磁性轴承(磁力悬浮火车)。使用这种基于洛伦兹原理的移动控制的一个优点在于，所产生的力几乎不受支撑结构的振动的影响。

基于洛伦兹原理的移动或磁性轴承所产生的一个问题是，其包括相当大的功率消耗。所产生的热导致多种问题，例如附加的振动，直接或间接的因为由热效应导致的冷却或变形的需要。Korenaga描述了一种用于减小能量消耗的解决方案。Korenaga使用长行程线性电机，它移动精确定位工作台一个短行程。该线性电机的线圈缠绕一个铁芯，这样减小了产生运动所要求的能量消耗，但是遭受这种损害，即该芯易于堵塞到电机的磁铁，这样导致来自磁铁的振动传送到工作台，并且很难实现精确定位控制。

不过，Korenaga通过增加精确定位台实现了精确定位，精确定位载物台具有多个小执行机构，执行机构也使用洛伦兹原理，但在线圈中不包括铁芯。当这些短行程执行机构有超出限程的危险时，线性电机仅用来实现运动。根据洛伦兹原理使用的空心线圈传输很少或不传输振动，因为它们产生了一个力，该力几乎不依赖于线圈和产生磁场的磁铁的相对位置。

另外，Korenaga在小行程执行机构和最终的工作台之间使用一个电磁耦合。利用一个中央可磁化的圆柱(cylinder)和多个E型磁芯，具有朝向圆柱的多个柱体(legs)和缠绕多个柱体的线圈以产生磁场，从而实现电磁耦合。电磁耦合用于补偿在工作台上的线性电机的加速的影响。定位是在精确定位载物台的左边，使得磁芯堵塞的影响不起作用。

在这样一个移动系统中使用洛伦兹原理具有多种缺点。如Korenaga已经注意到的，如果使用没有芯的线圈那么存在一个热量产生的问题。通过使用这种仅用于精确移动的线圈可将这个问题减小到一定程度。

此外，在使用一束带电粒子的成像设备(例如电子束记录器)中，将成像设备控制在由电机或轴承运送的工作台上，存在另外的问题，即执行机构的磁场干扰粒子束。通常利用在工作台与电机或轴承之间连接的一个机械传输，强制将电机和/或磁性轴承设置为离粒子束一个大的距离。这样一个长距离的传输使位置控制难以使用。通过在线圈中使用一个可磁化的芯，也能够将这个问题减小到这样的程度，即这个芯定位在磁场中，但是Korenaga告知的堵塞问题使其有问题。

其中，本发明的一个目的是提供一个具有精确定位设备的装置，精确定位设备兼容多种带电粒子束，和/或产生少量的热。

其中，本发明的一个目的是提供这样一种装置，其中磁性材料用在定子和中继器(translator)上，其中减少了振动的传输。

根据本发明的一个方面的装置在权利要求1中提出。根据这个方面，一个磁阻执行机构用于悬挂一个物体工作台，该工作台在一个物体的精确加工期间沿着一个加工路径移动。磁阻执行机构包括一个被动的软磁相对表面(counter surface)，该表面平行于在用于工作台的支撑结构上的加工路径延伸。连到工作台，磁阻执行机构包括一个主动部分，主动部分包括一个带有多个朝向相对表面的磁极(pole)的软磁芯。通过由流过缠绕芯的一个线圈的电流产生的磁力，来调节垂直于该表面的主动部分的定位。

在一个嵌入控制电路中控制流过线圈的电流。在一个外部控制电路中，测量关于主动部分相对于一个基准的定位的信息，并使用该信息计算力设定值信息，该基准机械的与相对表面分离，力设定值信息表示必须由磁阻执行机构施加的一个力。力设定值信息可以表示为例如与该力或该力的平方根成数量比例(number proportional)。

在一个内部控制电路中，力设定值信息用于控制流过线圈的电流。内部回路比外部回路具有更快的响应特性，外部回路的相应速度受机械因数影响。因此，防止了堵塞，并且相对表面的振动或引起的变形不影响定位，使得能够使用一种磁阻执行机构用于精确加工。

通过事后认识，US专利No.5814774披露了一种电梯，其中应用了一种具有受控力的磁阻执行机构，来提供舒适的乘坐，并且US专利No.5387851披露了一种用于潜水艇的引擎，其中一种具有受控力的磁阻执行机构，用于防止将引擎的振动传送到引擎的底座。显而易见，这些公开内容不属于具有精确定位的物体工作台的加工设备的技术。

优选的，测量关于在磁极(pole)和相对表面间的一个间隙距离和/或在磁极处的一个磁通量的实时测量信息，以将电流调节到一个确保所要求的力的水平。然而，即使测量了该间隙距离，它也不用于选择力设定值，而仅是调节需要实现力设定值的电流。

在该装置的一个实施例中，在一个缝隙内设置软磁元件和可磁化芯，该缝隙具有侧壁，侧壁平行于工作台的移动路径而延伸。侧壁具有高磁导率，以屏蔽来自磁心和可磁化元件的磁场。因此，能够使悬挂结构更兼容带电粒子束加工设备。在一个进一步的实施例中，可以交替的设置多对侧壁，连接到工作台和支撑结构。在另一个实施例中，侧壁也遮蔽一个线性电机的磁体，该电机用于沿着加工路径驱动工作台。

在另一个实施例中，设置多个去磁磁铁邻接于可磁化芯的磁极，并且设置成随着在沿着所属路径移动过程中磁极的通路，减小软磁场的残余磁化强度。优选的，多个去磁磁铁设置在多个磁极的每一侧上，使得当向前和向后移动工作台时它们都跟随这些磁极，但是，如果能够确保，当悬挂有效时，工作台不向后移动了一个有效的距离，那么在一个单侧上的去磁磁铁就足够了。

在另一个实施例中，永久预拉伸(pretensioning))磁铁设置为连接到工作台，其平行于或穿过可磁化磁芯而作用于软磁元件。因此，减少了能量消耗。

其中，本发明的一个目的是改进在一个装置中的磁阻执行机构的实用性，装置中应当保持低的磁场强度。

根据本发明的一个方面，磁阻执行机构的主动部分提供有两个可磁化指状物的阵列，它们相互交叉的设置，在主动部分朝向被动表面的一个表面上伸展。每个阵列的指状物具有自己的可磁化底座，只有该阵列的指状物连接到可磁化底座，并且底座通过一个可磁化返回路径相互连接，在该返回路径中使用一个电线圈能够产生一个磁场。这样，在一个小空间内能够产生一个具有多个磁极的磁场。当这样一个场沿着被动表面移动时，它留下比一个E或U形芯小的残余磁化强度。并且远离主动部分的场急剧的下降。优选的，指状物在相互相对的方向上从底座延伸。这样最小化了要求空间。

在一个实施例中，由一片可磁化材料构成主动部分的指状物、底座和返回路径的组，由这种材料指状物在该片的相对的末端上构成了锯齿状的边缘，折叠片材料使得在相对的末端上的指状物在主动部分的表面内交错设置。因此，能够以一种简单的方法实现这种主动部分。

使用下列附图，将更详细描述本发明这些和其它的目的和有利方面。

图1示出了一个带电粒子束加工装置；

图2示出了一个磁阻执行机构的多个部分；

图3示出了一个遮蔽结构；

图3a示出了一个进一步的遮蔽结构；

图4示出了一个控制电路；

图4a示出了一个进一步的控制电路；

图5示出了另一个控制电路；

图6示出了一个具有一个附加磁铁的磁阻执行机构；

图7示出了一个具有一个长行程洛伦兹执行机构的轴承；

图8示出了一个磁阻执行机构的实施例；

图9示出了一个具有多个去磁磁铁的执行机构。

图1示出了一个具有定位设备的带电粒子束加工装置。该装置包括支撑结构10、基板工作台12、具有一个主动部分14(支撑结构提供一个被动部分，未示出)的磁阻执行机构、参考结构16、传感器17、带电粒子源18和基板19。指示x、y和z方向用于参考(后者垂直于图的平面)。工作台12在支撑结构10上的x方向内在一个位置范围(箭头所示)上可以移动。虽然示出了在一个单独的(x-)方向上沿着一条路径的可动性，但是应当理解，可以提供工作台12在超过一个的方向上(也在z方向上)沿着路径的可动性。传感器17设置成测量在工作台12和参考结构16之间的距离。参考结构16机械的与支撑结构10分离，在这种意义上，其不同于朝向主动部分14的支撑结构的部分，并且如果完全耦合，最好通过振动阻尼连接相连，如本身例如在平板印刷设备中的计量结构所知的。因此，相对表面的振动和变形基本上不会传递到参考结构16(例如，小于20％和更好的小于1％)。带电粒子源18设置成产生一束带电粒子18a，对准基板工作台12上的基板19。

图2更详细的示出了主动部分14。主动部分14包括一个E型软磁铁芯24，具有指向支撑结构10的一个表面的三个柱体、缠绕着芯24的中央柱体的一个电流线圈20和一个间隙距离传感器22，间隙距离传感器22在中央柱体和支撑结构10的表面之间的一个间隙中。(如这里所用的，“软磁铁材料”是一种在磁场影响下显示出高磁化作用的材料，当移除磁场时磁化作用基本消失)。应当理解，对于某些类型的传感器，不必在中央柱体和支撑结构之间的间隙中设置传感器22：代替的，传感器22可以位于相邻的一个柱体，使得间隙尺寸不需要因为传感器而增加，或通过另一柱体形成在间隙中。

在操作中，一束带电粒子18a发射到基板19，例如用于在基板19上添加或去除材料、或用于测量基板19的特性、或在其表面或接近其表面改变基板19的特性。工作台12移动到相对于粒子束18a不同的位置。主动部分14用作一个悬架以将工作台12保持在垂直于支撑结构10的y方向上的一个控制位置上。一个磁力作用在主动部分14和支撑结构10的一个可磁化部分之间。工作台12受(通过未示出的装置)沿着y方向作用的预拉伸力的作用，磁力对其进行补偿，使得工作台12在y方向上保持在一个要求的位置上。

虽然为了简化，所示的主动部分14的一个实施表现为在工作台12上施加一个向下的力，但是应当理解通过不同的设置可以实现一个向上的力。在主动部分14施加一个向下的力的情况下，预拉伸力是在向上的方向上，而在主动部分14施加一个向下的力的情况下，预拉伸力是在向下的方向上等。同样为了简化，只示出了一个执行机构，应当理解可以出现其它的执行机构，例如为了在y方向上施加其它的力以将工作台12保持在一个要求的方位上和/或保持一个或多个作用在例如z方向的侧向的执行机构以控制定位和定向位。

图3示出了一个朝向一个可磁化条带34的主动部分14的yz截面，可磁化条带34以施加一个力为目的，形成了支撑结构的相关表面。条带34沿着x方向延伸，基本上在工作台12的全部可能的x运动范围内。条带34安装在一个屏蔽结构中，屏蔽结构具有磁性的高磁导材料的侧壁32和一个连接侧壁32的、磁性的高磁导材料的底部。侧壁和底部关于条带34延伸，或进一步在x方向上延伸。当工作台12在x方向上移动时，主动部分14在侧壁32之间移动。优选的，条带34通过一个基本非可磁化联接连在侧壁32上。

设置封装侧壁30，由一个底部相互连接，并且连在工作台12上，使得侧壁32的一个顶部部分包括在封装侧壁30之间，并且由封装侧壁32和它们的连接底部在顶部封装主动部分14的可磁化部分。封装侧壁32和它们的连接底部是高可磁化材料；优选的，主动部分14的可磁化部分通过基本非可磁化材料与封装侧壁32和它们的连接底部分离。封装侧壁32在x方向上延伸到芯24的侧面柱体之外。

封装侧壁30和侧壁32用来屏蔽来自主动部分14和条带34的杂散磁场。当工作台12相对于支撑结构上下移动或沿着支撑结构在x方向上移动时，侧壁32的顶部末端保持为包括在封装侧壁30之间。结果，基本上抑制了杂散磁场。在一个实施例中，多个互相交叉交替的连在支撑结构上的侧壁和连在工作台12上的侧壁可以用于实现进一步改进的屏蔽。在另一个实施例中，仅是出现连到支撑结构10的侧壁32，而没有封装侧壁。在另一个实施例中，仅是出现连到工作台12的封装侧壁30，而没有连到支撑结构的侧壁。相似的，在一个实施例中，连到工作台12的侧壁可以位于连到支撑结构的侧壁之间。侧壁的数量依赖于要求的屏蔽量。

在另一个实施例中，在工作台12和芯24之间的连接具有一个基本上不可磁化的颈部部分，颈部部分比芯24窄，并且封装侧壁32具有一个顶部或多个顶部，从封装侧壁向内凸出，使得从上方部分地包围芯24，除了一个狭缝用于通过颈部以外。此外，将认识到不必将条带34和芯24定位成使得条带34和芯24之间的磁场平行于侧壁工作。例如，条带34和芯24可以超过90度旋转设置，使得磁场垂直于侧壁工作。这样可以实现在可选择的方向上定位。

图3a示出了一个进一步的实施例，其中一个线性电机用于沿着它的主行程方向(x方向)移动工作台12。将简要的描述本身已知的这种线性电机。该线性电机包括一对连到支撑结构10的平行壁。在壁上设置多行交替连接的磁铁36，以在侧壁间的空间中产生空间交替方向的磁场。连接到工作台12的一个电机线圈38位于壁之间的空间内，并且驱动电流通过电机线圈以在场方向的交替方向上移动工作台。另外，可以在一个位置设置高可磁化材料的屏蔽侧壁32，使得磁铁和它们的支撑结构包括在屏蔽侧壁之间。

根据本发明的一个方面，线性电机的侧壁用作侧壁32，同样用于屏蔽来自磁阻执行机构的场。优选的，一个电机线圈38连到芯24和工作台12之间的一个连接。这样，屏蔽侧壁32用于屏蔽来自线性电机的场和来自磁阻执行机构的场(应当理解，以同样的方法可以屏蔽来自其它类型的执行机构的场，例如，洛伦兹执行机构)。优选的，线性电机的磁铁是通过基本非可磁化连接而机械连接到屏蔽侧壁的。通常，条带34平行连接到连接侧壁的一个壁上，或它是用于磁铁36的一个可磁化支撑结构的一部分，连接相对支撑壁，或连接到它。但是当芯24的多个柱体的末端朝向一个侧壁时，条带34还可以连到侧壁或连接壁。

操作中，为了在工作台12和支撑结构10之间施加一个力，施加一个电流通过线圈20，产生一个磁通量，磁通量作用通过芯24的中央柱体通过一个间隙到条带34，和从条带34通过间隙到芯24的侧部柱体，和从那里返回到中央柱体。该磁通量在芯24和条带34中引起磁化，并且因此在条带34和芯24之间(和从而在支撑结构10和工作台12之间)施加一个力。这个力与感应磁化的积分磁通(flux times theinduced magnetization)成比例。磁通近似与施加到线圈20的电流“I”除以间隙中在芯24的多个柱体与条带34之间的距离之和“d”成比例。磁化强度与磁通量成比例。因此，在芯24与条带34之间的力近似与(I/d)²成比例。

图4示出了一个电路，用于调节力。这个电路包括传感器17、外部控制电路40、内部控制电路42、线圈20和间隙距离传感器22。传感器17检测在参考结构16和工作台12(未示出)之间的距离，并且具有一个检测信号输出，该输出耦合到外部控制电路40。外部控制电路40具有一个力设置值输出，该输出耦合到内部控制电路42的第一输入，内部控制电路42具有第二输入，该输入耦合到间隙距离传感器22的一个输出。内部控制电路42具有一个输出，该输出耦合到线圈20。

操作中，传感器17例如使用干涉测量技术、或其它精密测量技术，检测在参考结构16和工作台12之间的距离。外部控制电路40将测量位置与一个要求位置进行比较，要求位置一般由一个控制计算机(未示出)来选择，但是也可以是一个局部设置在外部控制电路40中的预定的值。外部控制电路40根据测量距离ym与要求距离yr之差的正负号和数值，选择一个力设置值Fs。例如，外部控制电路40可以选择力设置值Fp，力设置值Fp与差值ym-yr成比例的，或与这个差值的一个低通频率滤波变型(version)成比例。

内部控制电路42设置通过线圈20的电流，以实现要求的力。这可以使用一个产生电流I的前馈电路来完成

                       I＝C d sqrt(Fp)

电流I的数值与由间隙距离传感器22测量的间隙距离d和力设定值的平方根成比例(当然外部控制电路42可以以一个与这个平方根成比例的信号的形式，提供设定值)。比例常数C依赖于芯24和条带34等的材料特性等。可以使用一个前馈电路。可替换的，内部控制电路42可以包括一个反馈回路，调节电流I到一个选择的数值。

一个磁通传感器可以用于替换(或附加到)间隙距离传感器22。磁通传感器可以是一个设置在一个间隙中的霍耳效应传感器，该间隙在芯24的一个柱体与条带34之间或者在AC电流或一个饱和芯的情况下，一个或多个缠绕一个柱体的传感线圈或芯24的主干。作用在芯24和条带34之间的力与测量的磁通B的平方成比例，但不进一步依赖于间隙尺寸“d”(间隙尺寸仅影响通过磁通的力)。

图5示出了内部控制电路42的一个实施例，内部控制电路42具有传感器50和局部反馈放大器54，以调节通过线圈20的电流I，使得测量的磁通值B对应于力设定值所要求的值。优选的，在这种情况下，控制电路40计算所要求的力的平方根，并且提供一个与这个根成比例的信号作为在内部控制电路42的输入52处的设定值。外部控制电路40与内部控制电路42一起是调节测量距离ym到一个设定值的反馈回路的一部分。这个反馈回路的速度大大慢于内部控制电路42(如果内部控制电路42包括反馈回路，那么它形成一个嵌套在该位置反馈回路中的回路)的响应速度。设置内部控制电路42的响应速度，使得当工作台12沿着支撑结构10移动主动部分14时，由条带34的振动和/或条带34的高度振动导致的间隙距离d的变化，不会影响在用于所测量距离的反馈回路的速度的一个时间量程(time scale)上的作用力。实际上，电流调节的速度快于在间隙尺寸上的任何显著的变化。一般，内部控制电路42可以实现为一个高速模拟电路或反馈电路，而外部控制电路40可以用一个适当的程序控制计算机或一个信号处理器来实现，它也可以实现其它的功能。然而，应当理解，即使具有一个磁通传感器，一个磁通反馈电路也不是必须的。通过由磁通量分开流过线圈20的电流，磁通传感器能够用作一个间隙距离传感器。该结果与间隙距离成比例，并且能够用在一个前馈回路中来控制电流。

在其最简化的形式中，控制电路使用相对于参考结构16的工作台12的位置测量来选择力，该力调节那个位置到一个设定值。然而，可以使用更复杂的控制方案。例如，力可以适应于在运动中预测的力。

图4a示出了一个更先进的控制系统，包括位置设定值发生器44、位置控制回路45、轴承设定值发生器46、前馈力发生器47和轴承控制回路48。位置控制回路45驱动一个电机49，电机49沿x方向移动工作台并且接收从电机或一个测量工作台的位置的传感器的返回的位置信息。位置控制回路45从设定值发生器44接收设定值。位置控制回路45调节工作台的位置到来自设定值发生器44的x-位置设定值。

轴承控制回路48包括根据图4和/或5描述的电路。轴承控制回路48接收来自轴承设定值发生器46的设定值、间隙尺寸测量和/或磁通测量和相对于参考结构16的位置测量。轴承控制回路48计算力值，用于将相对于参考结构16的所测量的位置调节到一个设定值，这可以通过例如通过设定线性的与设定值的偏差成比例的力、或根据任何其它函数来实现的，所述的函数例如是这样的一种函数，例如当该偏差超出一个最大值时该函数充满(saturates)到一个预定的力。

轴承设定值发生器46选择设定值，对应于例如一个到参考结构16的固定距离，或根据一个反馈回路来依据聚焦信息以调整位置。在一个进一步的实施例中，轴承设定值发生器46可以根据x-位置设定值来产生轴承设定值，以说明例如在基板19上的已知高度变化。

前馈力发生器47计算由于在移动期间电机驱动的工作台所经受的惯性产生的力，并且提供关于所计算的力值信息到轴承控制回路48。轴承控制回路48从选择用于调节工作台的位置的力中减去这些力，并且根据计算的差值控制所施加的力。因此，由移动产生的力不影响轴承位置控制。

应当理解，仅是通过举例的方式描述了装置，可能存在多种变化。例如，除x运动机构外，可以通过一个z运动机构，用于在z方向上移动工作台。也可以补偿所得到的力。此外可以不必补偿全部的力，或补偿可以依赖于环境。

虽然图4a中示出了多个单独的单元，但是应当理解实际上所有或部分这些单元可以实现为运行在一个或多个计算机上的计算机程序。

此外，虽然示出了一个单独的执行机构，但是应当理解实际上可以出现更多类似的或其它的执行机构，例如以多种自由的等级来控制位置和旋转。还有，虽然示出了E形芯沿着运动方向延伸，但是应当理解其它方向也是可以的。

图6示出了主动部分14的一个进一步的实施例。在这个实施例中，永久磁铁60在安装的工作台12上，邻接于芯24，永久磁铁60到支撑结构10间隙距离比芯24到支撑结构10间隙距离大。操作中，磁力Fp作用到永久磁铁60和支撑结构10之间。因此，仅有全部力Ft的一部分必须由芯24施加的力Fe提供，总力Ft必须施加到工作台12和支撑结构10之间。这样减少了能量消耗。应当理解代替于使用单独的永久磁铁60，这个永久磁铁也可以连到芯24，使得来自永久磁铁的磁通达到条带34，主要穿过芯24，或芯24的多个单独的部分可以通过永久磁铁连接。

另外，当使用一个单独的磁铁时，最好选择永久磁铁60的间隙距离非常大，以致于与总力成比例，由永久磁铁60施加的力Fp与由芯24施加的力Fe((d(d(Fp+Fe)/dy)/(Fp+Fe)＜(dFe/dy)/Fe))相比具有较小的负刚度(关于在工作台12与支撑结构10之间的距离的导数dFp/dy)。

图7示出了一个具有一个磁阻执行机构的悬挂的一种替换方案。在这种替换方案中，永久磁铁70a、b、72a、b设置在支撑结构10上，永久磁铁70a、b、72a、b的磁极基本沿着工作台(未示出)(沿着x方向)移动的路径的整个长度延伸。一个线圈74连到工作台(未示出)上，设置在相对的永久磁铁对70a、b、72a、b的一个缝隙内。线圈74延伸在小于工作台12的范围上、或至少基本上不超出工作台12的范围，并且因此仅延伸在永久磁铁70a、b、72a、b的范围的一小部分上。永久磁铁70a、b、72a、b在一个缝隙的每一侧上成对设置，并且产生工作在横向于工作台的运动方向的z方向上的、从狭缝一侧到另一侧的磁通。由较上的一对的磁铁70a、b和较下的一对磁铁72a、b分别提供互相相反极性的磁通。因此，构成了洛伦兹执行机构，其用于当施加电流通过线圈74时在y方向上施加一个力。

这种结构可以用作磁阻传感器的一个替换。使用洛伦兹执行机构的优点在于它的响应是高线性的，这样简化了控制系统的设计，它施加的力对振动不敏感。然而，当杂散磁场是问题时，如在使用一束带电粒子的设备的情况下，需要使用遮蔽来防止来自杂散场的干扰。

磁性轴承具有多种优点：不需要移动机械接触，从而很少的或没有磨损或振动发生，能够非常精确的控制轴承力，该操作与高真空等是兼容的。由于这些优点，将期望在使用带电粒子的成像装置中也使用磁性轴承。然而，此时出现一个问题，即由一个磁性轴承产生的磁场能够影响带电粒子命中目标。特别是洛伦兹执行机构具有这种效果，因为它们包括产生磁场的永久磁铁和线圈穿过其中而移动的一个空间。实际上主要通过空间的将磁性轴承与对磁场敏感的装置的区域分开，已经解决了磁场问题。然而，越分离，装置的结构越不方便使用。

磁阻轴承能够用于实现一个减轻这种问题的简单和低功率的磁性轴承。在一个磁阻执行机构中，其中一个主动部分必须沿着一个表面移动，从一个表面悬挂一定的距离，该表面可以是一个被动的、可软磁化的、但通常未磁化的表面。由主动部分局部在该表面中感应磁化。一般，主动部分是一个E或U形磁铁，具有朝向被动表面的南极和北极和缠绕柱体之一的一个电气线圈。在主动部分和朝向主动部分的表面部分之外，不需要产生场。因此，当使用一个被动的、通常未磁化的表面时，该表面可以设置为非常接近于装置的场敏感区域。

然而，实际上，可软磁化表面不可避免呈现出一个少量残余磁场。这样在这种类型轴承的实用性上强加了一个限制。此外，即使当以一定距离设置主动部分时，主动部分也可以产生特别强的场。

其中，本发明的一个目的是改进在一个装置中的磁阻执行机构的实用性，该装置中应当保持低的磁场强度。

图8示出了磁阻执行机构的另一个实施例的一部分，具有可磁化表面89和一个主动部分80、82、84、86、87、88。通常，该执行机构替代E形芯24，表面89是条带34或支撑结构的一部分。该执行机构的作用例如是一个磁性轴承的一部分，使主动部分与表面89在垂直于表面89的方向上(y方向上)相互保持一个预定的距离，而在沿着表面89的一个或多个方向上(x或z方向上)允许自由移动。

主动部分包括两个指状物80、82的阵列、底座84、86和一个返回路径88。线圈87缠绕着返回路径88。两个阵列的指状物80、82位于朝向表面89的主动部分的表面中。第一阵列指状物80可与第二阵列指状物交替设置。第一阵列指状物80从第一底座84延伸，底座84通过返回路径88连接到底座86。第二阵列指状物82从第二底座86延伸。

一般的，主动部分可以构建成开始于一块软磁材料，在该块软磁材料的相互相对的末端部分上形成锯齿状物，并且将该块软磁材料自身对折，使得锯齿状物相互交叉。

操作中，执行机构用于在一个垂直于表面89的方向(y方向)上产生力。一般的，获得一个预拉伸力，该力起作用使主动部分远离表面89(例如，如果主动部分在表面89的下方，那么、通过重力)。施加电流通过线圈87，以产生一个磁场，该磁场通过槽底座84、86、返回路径88、指状物80、82和在第一阵列指状物80和第二阵列指状物82之间的空间。在两阵列指状物80、82之间的磁场部分到达表面89，在那里磁场导致磁化，具有在主动部分和表面89之间产生一个吸引力的效果。一般的，调节通过线圈87的电流，使得该吸引力补偿其它能够导致主动部分远离表面89的力。

这种结构的优点在于，减少了杂散场。应当理解，由于仅有表面89的一窄条将表现有剩余磁化强度，所以这应用于两个沿着指状物的行的方向的运动的情况，而且由于来自每个指状物的磁场非常小，所以这也应用于垂直于行的运动的情况。应当理解，这种类型的主动部分也可以附有一个永久磁铁，用于提供预拉伸(pretension)。

图9示意性的示出了一个实施例，其中去磁磁铁90、92加到E形芯24，以只要该芯移动就在相反的表面(带34或表面89)上减小剩余磁化强度。去磁技术本身是已知的，并且包括例如接近相反表面的感应磁场，极性在相反表面的位置上与由该磁芯施加的场的极性相反，但具有较小的强度，使得在相反表面上产生一个大致为零的净残余磁化强度。在图中，芯24的磁极(用×标记)沿着的线垂直于工作台的运动方向(x方向)。第一去磁磁铁90每一个在芯24的一侧上沿着运动方向设置，分别邻接于一个相应的磁极。第二去磁磁铁92第一个在芯24的另一侧上沿着运动方向设置，分别邻接于一个相应的磁极。然而，如果能够确保，当悬挂有效时，在加工过程中工作台12仅在一个方向中沿着x方向移动了一个有效的距离，那么在一个单侧上的去磁磁铁就足够了。

应当理解，这种去磁磁铁也可以用于图8的锯齿状的芯。此时，磁铁可以设置在邻接于这阵列指状物末端的每一侧上。

Claims (21)

1、一种精确加工装置，用于加工在精确控制的位置上的一个物体(19)，该装置包括：

-一个工作台(12)，用于支撑要加工的物体(19)；

-一个支撑结构(10)，用于对工作台(12)提供支撑，工作台(12)可沿着一条路径相对于支撑结构(10)移动，支撑结构(10)包括一个软磁元件(34)，软磁元件(34)具有一个平行于所述路径而延伸的表面；

-一个悬挂执行机构部分(14)，连接到工作台(12)，悬挂执行机构部分(14)包括一个软磁芯(24)和一个线圈(20)，软磁芯(24)具有多个朝向软磁元件(34)的表面的磁极，线圈(20)用于应用一个电流产生一个磁场，该磁场通过多个磁极穿过所述芯(24)，并且通过软磁元件(34)返回；

-一个定位参考元件(16)，机械地与软磁元件(34)分离；

-一个传感器(17)，用于产生一个检测结果，表示悬挂执行机构部分(14)相对于定位参考元件(16)的一个测量位置；

-一个控制电路，包括一个外部控制电路(40)和一个内部控制电路(42)，外部控制电路(40)接收所述检测结果，并且确定力设定值信息以将执行机构部分(14)的测量位置调整到一个要求的值，内部控制电路(42)接收力设定值信息，并且根据力设定值信息来控制电流，以在执行机构部分(14)与支撑结构(10)之间实现一个力。

2、如权利要求1所述的精确加工装置，其中悬挂执行机构部分(12)包括耦合到内部控制电路(42)的一个通量传感器和/或间隙尺寸传感器(22)，内部控制电路(42)根据力设置值信息，使电流适于实现一个力，所述电流依赖于一个所检测的通量或间隙尺寸。

3、如权利要求1所述的精确加工装置，在一个缝隙的每侧上包括一个磁场遮蔽壁(30、32)，其中设置软磁元件和软磁芯的多个磁极。

4、如权利要求3所述的精确加工装置，在该缝隙的每侧上包括一个第一和第二对磁场遮蔽壁(30、32)，第一对的壁(32)连接到支撑结构(10)，并且在缝隙的每侧上平行于所述基本沿着路径的整个长度的路径而延伸，第二对的壁(30)连接到工作台(12)，并且在缝隙的每侧上平行于部分所述路径而延伸。

5、如权利要求3所述的精确加工装置，包括一个线性电机，用于驱动工作台(12)沿着所述路径移动，该线性电机包括一个连到工作台(12)的电机线圈(38)和多行交替连接的磁铁(36)，多行交替连接的磁铁(36)连接到支撑结构(10)，并且在工作台(12)与软磁芯(24)之间的连接部分上设置在磁场遮蔽壁(32)之间，电机线圈(38)设置在所述多行磁铁(36)之间。

6、如权利要求1所述的精确加工装置，包括去磁磁铁(90)，邻接于所述芯(24)设置在至少一侧上，沿着运动方向跟随芯(24)，设置成减小由来自软磁元件(34)中的所述芯(24)的磁场留下的剩余磁化强度。

7、如权利要求1所述的精确加工装置，包括至少一个连接到工作台的预拉伸永久磁铁(60)，平行于芯(24)或穿过芯(24)，作用于软磁元件(34)。

8、如权利要求1所述的精确加工装置，其中悬挂执行机构部分(14)包括一个第一和第二阵列可磁化指状物(80、82)、一个第一和第二可磁化通用底座(84、86)和一个耦合第一和第二底座(84、86)的可磁化返回路径(88)，第一和第二阵列的所有指状物(80、82)分别安装在第一和第二可磁化通用底座(84、86)上，第一和第二阵列的指状物(80、82)处于芯装置的一个表面内，该表面朝向软磁元件的一个相对表面(89)，在所述表面内第一阵列的指状物(80)与第二阵列的指状物(82)相互交叉延伸，线圈(87)设置成缠绕返回路径(88)。

9、如权利要求8所述的精确加工装置，其中第一和第二阵列的指状物(80、82)沿相互相对的方向从第一和第二底座(84、86)延伸。

10、如权利要求8所述的精确加工装置，其中第一和第二阵列的指状物(80、82)、第一和第二底座(84、86)和返回路径(88)是一片可磁化材料的组成部分，第一和第二阵列的指状物(80、82)分别从这片材料的相互相对末端部分延伸而形成锯齿状物，折叠这片材料使得末端部分位于所述表面内，相对边缘的锯齿状物在所述表面内相互交叉。

11、如权利要求1所述的精确加工装置，其中外部控制电路(40)具有一个输入，用于接收信息，该信息指示因为沿着所述路径的运动而由工作台(12)经受的一个运动相关力，外部控制电路(40)用该运动相关力补偿力设定值。

12、如权利要求1所述的精确加工装置，包括一个粒子束源(18)，用于产生一带电粒子束(18a)，对准所述工作台(12)上的物体(19)。

13、一种带电粒子加工装置，用于使用一带电粒子束(18a)加工一个物体(19)，该装置包括：

-一个工作台(12)，用于支撑要加工的物体(19)；

-一个支撑结构(10)，用于对工作台(12)提供支撑，工作台(12)可沿着一条路径相对于支撑结构(10)移动，支撑结构(10)包括一个软磁元件(34)，软磁元件(34)具有一个平行于所述路径而延伸的表面；

-一个悬挂执行机构部分(14)，连接到工作台，悬挂执行机构部分包括一个软磁芯(24)和一个线圈(20)，软磁芯(24)具有多个朝向软磁元件(34)的表面的磁极，线圈(20)用于应用一个电流产生一个磁场，该磁场通过多个磁极穿过芯(24)，并且通过软磁元件(34)返回；

-一个磁场遮蔽壁(30、32)，在一个缝隙的每侧上，其中设置软磁元件(34)和软磁芯(24)的多个磁极。

14、如权利要求13所述的带电粒子加工装置，在该缝隙的每侧上包括一个第一和第二对磁场遮蔽壁(30、32)，第一对的壁(32)连接到支撑结构，并且在缝隙的每侧上平行于所述基本沿着路径的整个长度的路径而延伸，第二对的壁(30)连接到工作台，并且在缝隙的每侧上平行于部分所述路径而延伸。

15、如权利要求13所述的带电粒子加工装置，包括一个线性电机，用于驱动工作台(12)沿着所属路径移动，该线性电机包括一个连到工作台(12)的电机线圈(38)和多行交替连接的磁铁(36)，多行交替连接的磁铁(36)连到支撑结构(10)，并且在工作台(12)与软磁元件(24)之间的连接部分上设置在磁场遮蔽壁(30、32)之间，电机线圈(38)设置在所述多行磁铁(36)之间。

16、一种具有一个磁阻执行机构的装置，该装置包括：

-可磁化材料的一个相对表面(89)；

-一个主动部分，相对于相对表面(89)可移动的安装，主动部分包括一个第一和第二阵列可磁化指状物(80、82)、一个第一和第二可磁化通用底座(84、86)和一个耦合第一和第二底座(84、86)的可磁化返回路径(88)，第一和第二阵列的所有指状物(80、82)分别安装在第一和第二可磁化通用底座(84、86)上，第一和第二阵列的指状物(80、82)处于芯装置的一个表面内，该表面朝向一个相对表面(89)，在所述表面内第一阵列的指状物(80)与第二阵列的指状物(82)相互交叉延伸；

-一个电气线圈(87)，具有至少一个绕组，设置成沿着返回路径(88)感应一个磁场。

17、如权利要求16的所述的装置，其中第一和第二阵列的指状物(80、82)沿相互相对的方向从第一和第二底座(84、86)延伸。

18、如权利要求16的所述的装置，其中第一和第二阵列的指状物(80、82)、第一和第二底座(84、86)和返回路径(88)是一片可磁化材料的组成部分，第一和第二阵列的指状物(80、82)分别从这片材料的相互相对末端部分延伸而形成锯齿状物，折叠这片材料使得末端部分位于所述表面内，相对边缘的锯齿状物在所述表面内相互交叉。

19、如权利要求17的所述的装置，包括去磁磁铁(90)，邻接于所述芯设置在至少一侧上，沿相对表面(89)沿着运动方向跟随芯(24)，以减小由来自所述指状物(80、82)的磁场在主动部分移动后在相对表面内留下的剩余磁化强度。

20、如权利要求17的所述的装置，包括至少一个耦合到主动部分的预拉伸磁铁(60)，平行于来自齿和穿过齿的磁场而作用于相对表面(89)。

21、如权利要求17的所述的装置，包括一个束空间和一个粒子源(18)，用于在所述束空间内产生一带电粒子束(18a)，相对表面(89)邻接于束空间而设置。

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