DE69018750T2

DE69018750T2 - Positioniervorrichtung.

Info

Publication number: DE69018750T2
Application number: DE69018750T
Authority: DE
Inventors: Adrianus Gerardus Bouwer; Engelen Gerard Van
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: ASML Netherlands BV
Priority date: 1989-10-05
Filing date: 1990-10-01
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2010-10-02
Also published as: DE69018750D1; JP3226044B2; KR910008918A; EP0421528A1; US5327060A; NL8902472A; EP0421528B1; JPH03131912A; KR100221442B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung mit einem mittels mindestens eines elektrischen X-Linearmotors und mindestens eines elektrischen Y- Linearmotors in mindestens zwei Koordinatenrichtungen (X, Y) verschiebbaren und durch ein statisches Gaslager berührungsfrei auf einem Unterteil gelagerten Tisch, wobei den beiden Motoren zugeordnete Spulensysteme und Magnetsysteme mit dem Unterteil und dem Tisch verbunden sind und das Gaslager so angeordnet ist, daß seine Luftspaltbreite von Temperaturschwankungen der Spulensysteme im wesentlichen unabhängig ist.
Eine aus US-A-4.507.597 bekannte Positioniervorrichtung der eingangs erwähnten Art weist zwei C-förmige, in einem räumlichen Verhältnis zueinander angeordnete Magnetkreise auf. Eine einen Objekttisch tragende strukturelle Komponente ist zwischen den parallelen Schenkeln jedes Magnetkreises in X- und Y-Richtung parallel zu diesen Schenkeln beweglich angeordnet, wobei ein Element jedes Magnetkreises starr an der strukturellen Komponente betestigt ist, wodurch die strukturelle Komponente unter dem Einfluß der Wechselwirkungskräfte zwischen den Magnetkreisen und diesen Elementen beweglich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der bekannten Positioniervorrichtung werden die vorgenannten Elemente von zwischen diesen Elementen und den unteren Platten der C-förmigen Magnetkreise montierten Luftlagern geführt, wobei die oberen Platten der C-förmigen Magnetkreise mit elektrischen Spulensystemen versehen sind. Auf diese Weise ist die strukturelle Komponente zwischen den parallelen Schenkeln der Magnetkreise im wesentlichen ohne Reibung in X- und Y- Richtung beweglich, wobei die Luftspaltbreite der Gaslager von durch Temperaturschwankungen der Spulensysteme beim Betrieb der Vorrichtung verursachten Schwankungen in den Abmessungen der Spulensysteme im wesentlichen unanbhängig ist.
Die bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß die auf die strukturelle Komponente in X- und Y-Richtung einwirkenden Kräfte nicht nur das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen den magnetischen Flüssen in den Magnetkreisen und der den Spulen zuzuführenden elektrischen Ströme, sondern auch das Ergebnis der magnetischen Anziehung zwischen obigen Elementen der strukturellen Komponente und den Querschenkeln der Magnetkreise sind. Folglich muß, um die strukturelle Komponente in einer stabilen Lage zu halten, den Spulen im Betrieb ein Strom zum Ausgleich der durch diese magnetische Anziehung bedingten Kräfte zugeführt werden, und zur Bewegung der strukturellen Komponente in X- und/oder Y-Richtung muß den Spulen ein zusätzlicher Strom zugeführt werden, wodurch in den Spulen hohe elektrische Widerstandsverluste entstehen.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Positioniervorrichtung zu verschaffen, in der die vorgenannten Nachteile vermieden werden.
Hierzu ist die Positioniervorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Spulensysteme und Magnetsysteme im Betrieb nur durch von den Spulensystemen und Magnetsystemen erzeugte Lorentz-Kräfte in den beiden Koordinatenrichtungen (X, Y) zueinander geführt und miteinander gekoppelt werden. Es sei darauf hingewiesen, daß der Begriff "Lorentz-Kraft" im Sinne der Kraft aufzufassen ist, die das vektorielle Produkt der magnetischen Induktion und der Stromstärke ist. Da die Spulensysteme und Magnetsysteme in den beiden Koordinatenrichtungen nur durch Lorentz-Kräfte gekoppelt sind, wirken bei stromlosen Spulen auf den Tisch keine Kräfte ein, so daß bei stromloser Spule und demnach ohne elektrische Widerstandsverluste in der Spule eine stabile Lage des Tisches aufrechterhalten werden kann.
Eine spezielle Ausführungsform der Positioniervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Magnetsysteme zwei in entgegengesetzten Richtungen parallel zur senkrecht zum Unterteil verlaufenden Z-Koordinatenrichtung magnetisierte Permanentmagnete enthält und daß jedes der Spulensysteme zwei gegenüber den Magneten der Magnetsysteme angeordnete Spulen mit entgegengesetzten Wicklungsrichtungen aufweist. In dieser Ausführungsform wird ein verhältnismäßig kurzer, aus dem zwischen den Magneten eines Magnetpaares liegenden Eisenkobalt, den Permanentmagneten und den Kernen der Spulensysteme gebildeter Magnetkreis jedes der Linearmotoren erzielt.
Eine besondere Ausführungsform der Positioniervorrichtung mit einem sehr steifen statischen Gaslager ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Unterteils magnetisch leitend ist und eine Brücke zwischen den Permanentmagneten jedes der an einem Luftfuß des statischen Gaslagers montierten Magnetsysteme bildet, wobei eine Vorspannung im statischen Gaslager auch von der magnetischen Anziehung zwischen den Permanentmagneten im Luftfuß und dem magnetisch leitenden Teil des Unterteils bestimmt wird.
Eine weitere Ausführungsform der Positioniervorrichtung mit einer vergleichsweise hohen Kippsteifheit des Tisches ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Koordinatenrichtungen jeweils ein Paar Spulensysteme und Magnetsysteme zugeordnet ist.
Eine noch weitere Ausführungsform der Positioniervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Spulensysteme an ihren von den Magnetsystemen abgewandten Seiten im Wärmeleitkontakt mit einem für alle Spulensysteme gemeinsamen Kühler stehen. Der für alle Spulensysteme gemeinsame Kühler ermöglicht eine einfache Konstruktion und gleichmäßige Temperaturverteilung der Positioniervorrichtung.
Eine andere Ausführungsform der Positioniervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler aus in einer Ebene parallel zur X-Y-Ebene angeordneten Kühlerrohrwindungen mit Rechteckquerschnitt besteht. Die aufgrund der flachen Form des Kühlers erzielte, verhältnismäßig große Kontaktfläche des Kühlers mit den Spulensystemen ergibt eine wirksame Kühlung der Positioniervorrichtung.
Es wird darauf hingewiesen, daß in SPIE Vol. 1088 "Optical Laser Microlithography" II (1989) p. 428 und US-A-4.506.204 eine Positioniervorrichtung beschrieben wird, in der der Tisch mittels vier Luftfüßen von besonderer Konstruktion auf dem Unterteil gelagert ist. In jeden der vier Luftfüße ist ein Betätigungsglied vom sogenannten "Sprechspulen"-Typ zum Kippen des Tisches eingebaut. Dieses elektrodynamische Betätigungsglied in jedem Fuß ergibt eine verhältnismäßig weiche Lagerung, so daß die Luftspaltbreite nur unter Schwierigkeiten innerhalb des Bereichs optimaler Lagersteifheit gehalten werden kann.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird in der Folge unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Darin sind:
Fig. 1 eine Perspektivansicht eines Teils der erfindungsgemaßen Positioniervorrichtung,
Fig. 2 eine Draufsicht der Positioniervorrichtung in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 2,
Fig. 4 eine Seitenansicht der in Fig. 1 dargestellten Positioniervorrichtung.
Die Positioniervorrichtung 1 nach Darstellung in Fig. 1 bis 4 umfaßt einen waagrecht angeordneten flachen Unterteil 3 aus einer magnetisch leitenden Eisen- Kobalt-Legierung, über den ein runder Fuß 5 geführt wird. Im Betrieb wird der Fuß 5 mittels eines aus der Europäischen Patentanmeldung EP-A 1-0244012 bekannten statischen Gaslagers (aerostatisches Lager) üblicher Art auf dem Unterteil 3 gelagert. Wie aus Fig. 1 und 2 hervorgeht, sind auf dem Unterteil 3 vier Ecklager 7, 9, 11 und 13 befestigt, wobei Ecklager 13 in Fig. 1 nicht dargestellt ist. In den Ecklagern sind Ansatzflächen für die vier Spulensysteme 15, 17, 19 und 21 angebracht, von denen in Fig. 1 das ganze Spulensystem 15 und das Spulensystem 19 zur Hälfte sichtbar sind, während die Spulensysteme 15, 17, 91 und 21 in Fig. 2 nur mit gestrichelten Linien angegeben sind. Die Spulensysteme 15 - 21 sind über ihre Spulenkerne an diesen Ansatzflächen befestigt. Von diesen Ansatzflächen sind in Fig. 1 nur die Ansatzflächen 23 und 25 für die Spulensysteme 17 und 21 sowie die Ansatzfläche 27 für das Spulensystem 19 dargestellt. Beim Spulensystem 19 ist ein auf der Ansatzfläche 27 befestigter Spulenkern 29 des Spulensystems 19 gerade eben sichtbar. Jedes der Spulensysteme 15 - 21 weist zwei Spulen mit entgegengesetzten Wicklungsrichtungen wie die Spulen 31 und 33 des Spulensystems 15 auf. Vom Spulensystem 19 ist in Fig. 1 nur eine Spule 35 dargestellt. Gegenüber und unter jedem Spulensystem ist ein Magnetsystem angeordnet, das am Luftfuß 5 befestigt ist und zusammen mit den entsprechenden Magnetsystem einen elektrischen Linearmotor zur Verschiebung in den X- und Y-Koordinatenrichtungen bildet. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind die Magnetsysteme 37, 39, 41 und 43 im Luftfuß 5 jeweils gegenüber den Spulensystemen 15, 17, 19 und 21 angeordnet. Jedes der Magnetsysteme 37 - 43 enthält zwei in entgegengesetzten Richtungen parallel zur Z- Koordinatenrichtung magnetisierte Permanentmagnete. Die Permanentmagnetpaare (45, 47), (49, 51) sowie (53, 55) und (57, 59) sind jeweils den Magnetsystemen 37, 39, 41 und 43 zugeordnet. In Fig. 1 sind von diesen Permanentmagnetpaaren der Magnet 59 des Spulensystems 21, die Magnete 49 und 51 des Magnetsystems 39 und der Magnet 53 des Magnetsystems 41 sichtbar. Der Magnetkreis jedes der beschriebenen Linearmotoren wird vom zwischen den Magneten eines Magnetpaares liegenden Eisenkobalt, den Permanentmagneten und den Kernen der Spulensysteme gebildet. Die Breite des Luftspalts im Magnetkreis zwischen den Spulensystemen und den Permanentmagneten wird völlig von der Breite des Luftspalts zwischen dem Unterteil 3 und dem Luftfuß 5 im aerostatischen Lager bestimmt. Da der magnetische Kurzschluß zwischen den Permanentmagneten in einem Magnetsystem im Eisenkobalt des Unterteils 3 liegt, wird eine magnetische Vorspannung des aerostatischen Lagers erzielt. Diese Vorspannung wurde gewählt, um eine optimale Steifheit des aerostatischen Lagers zu erzielen.
Für das statische Gaslager ist der Luftfuß 5 mit in radialer Richtung verlaufenden Kanälen versehen. In Fig. 1 und 3 sind ein Kanal 61 und ein Kanal 63 sichtbar. Über mit den Kanälen 61 und 63 verbundene und in den Luftspalt zwischen dem Luftfuß 5 und dem Unterteil 3 mündende Querkanäle 65 und 67 erreicht die Luft im aerostatischen Lager die Lagerflächen, wo eine Druckaufspeicherung aufgebaut wird. Die Vorspannung des aerostatischen Lagers wird auch vom Gewicht des Luftfußes 5 bestimmt. Außerdem kann der Mittelteil des Luftfußes 5 mittels eines Vakuums zusätzliche Vorspannung erzeugen. Der aus einem Zylinder 69 bestehende Mittelteil des Luftfußes muß dann gegen den äußeren Teil des Luftfußes, an dem das Lager angeordnet ist, abgedichtet werden. Der Zylinder 69 dient als Tisch in der Positioniervorrichtung. Über den Zylinder 69 sind die Kanäle 61 und 63 auch an eine Luftquelle angeschlossen.
An den von den Magnetsystemen abgewandten Seiten stehen die Spulensysteme 15, 17, 19 und 21 in Wärmeleitkontakt mit einem für alle Spulensysteme gemeinsamen Kühler 71 (siehe Fig. 2 und 3). Der Kühler 71 besteht aus Kühlerrohrwindungen mit Rechteckquerschnitt. Die Windungen sind in einer Ebene parallel zur X-Y-Ebene angeordnet. Auf diese Weise wird eine größtmögliche wärmeleitende Oberfläche erzielt. Anstatt eines Gebildes aus Windungen kann auch ein mit Flüssigkeitsströmungskanälen versehener einteiliger flacher Kasten verwendet werden. Bei einem Spiralrohrkühler ist aufgrund dessen höheren Strömungswiderstands zwar eine höhere Leistung der Flüssigkeitspumpe erforderlich, die Strömungsrichtung ist aber unter bestimmten Betriebsbedingungen genauer definiert als in einem einteiligen flachem Kasten. Aufgrund der festen Anordnung der Spulensysteme können auch die Flüssigkeitsanschlüsse des Kühlers an einer festen Stelle angeordnet werden und sind dadurch gegen eine veränderliche Beanspruchung wie in flüssigkeitsgekühlten Schwingspulensystemen geschützt.
Erregung der Spulensysteme 17 und 19 der elektrischen Linearmotoren zur Verschiebung des Luftfußes 5 und des Zylinders 69 parallel zur X-Y-Koordinatenrichtung mit Strömen gleicher Polung und Stärke bewirkt eine unmodulierte Schubbewegung des Luftfußes 5. Dies ist auf analoge Weise auch in der Y-Koordinatenrichtung der Fall. In der in Fig. 1 und 2 dargestellten Neutrallage des Tisches 69 liegt ein Mittelpunkt M des Tisches auf der Z-Achse des Koordinatensystems. Eine Drehung des Tisches 69 um die Z-Achse ohne Verschiebungen des Mittelpunkts M kann erzielt werden, indem entweder die beiden elektrischen Linearmotoren der X-Koordinatenrichtung mit Strömen gleicher Stärke und entgegengesetzter Polung oder die Linearmotoren der Y-Koordinatenrichtung auf analoge Weise erregt werden. Für eine Drehung z können auch alle vier Linearmotoren erregt werden. Verschiebungen und Drehungen des Mittelpunkts M können auch gleichzeitig ausgeführt werden.
Die beschriebene Positioniervorrichtung eignet sich insbesondere zur Herstellung von Masken für die Produktion von integrierten Schaltungen. Diese Masken müssen bei der Herstellung ein- oder mehrmals nach einem äußerst genauen Muster belichtet werden. Diese Masken werden dann in einer optolithographischen Vorrichtung zur Belichtung von Halbleiterplatten verwendet. Die oben beschriebene Positioniervorrichtung kann auch in einer optolithographischen Vorrichtung (einem sogenannten 'wafer stepper') dieser Art verwendet werden.
Ferner läßt sich die Positioniervorrichtung unter anderem zur Herstellung von holographischen Gittern, zum Einschreiben von Strukturen in integrierte optische Komponenten und zur Prüfung bereits hergesteilter Strukturen verwenden.

Claims

1. Positioniervorrichtung mit einem mittels mindestens eines elektrischen X- Linearmotors (15, 37) und mindestens eines elektrischen Y-Linearmotors (17, 39) in mindestens zwei Koordinatenrichtungen (X, Y) verschiebbaren und durch ein statisches Gaslager (5, 61, 63, 65, 67) berührungsfrei auf einem Unterteil (3) gelagerten Tisch (69), wobei den beiden Motoren (15, 37; 17, 39) zugeordnete Spulensysteme (15, 17) und Magnetsysteme (37, 39) mit dem Unterteil (3) und dem Tisch (69) verbunden sind und das Gaslager (5, 61, 63, 65, 67) so angeordnet ist, daß seine Luftspaltbreite von Temperaturschwankungen der Spulensysteme (15, 17) im wesentlichen unabhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulensysteme (15, 17) und Magnetsysteme (37, 39) im Betrieb nur durch von den Spulensystemen (15, 17) und Magnetsystemen (37, 39) erzeugte Lorentz-Kräfte in den beiden Koordinatenrichtungen (X, Y) zueinander geführt und miteinander gekoppelt werden.

2. Positioniervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Magnetsysteme (37, 39) zwei in entgegengesetzten Richtungen parallel zur senkrecht zum Unterteil (3) verlaufenden Z-Koordinatenrichtung magnetisierte Permanentmagnete (45, 47; 49, 51) enthält und daß jedes der Spulensysteme (15, 17) zwei gegenüber den Magneten (45, 47; 49, 51) der Magnetsysteme (37, 39) angeordnete Spulen (31, 33) mit entgegengesetzten Wicklungsrichtungen aufweist.

3. Positioniervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Unterteils (3) magnetisch leitend ist und eine Brücke zwischen den Permanentmagneten (45, 47; 49, 51) jedes der an einem Luftfuß (5) des statischen Gaslagers (5, 61, 63, 65, 67) montierten Magnetsysteme (37, 39) bildet, wobei eine Vorspannung im statischen Gaslager (5, 61, 63, 65, 67) auch von der magnetischen Anziehung zwischen den Permanentmagneten (45, 47; 49, 51) im Luftfuß (5) und dem magnetisch leitenden Teil des Unterteils (3) bestimmt wird.

4. Positioniervorrichtung nach Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Koordinatenrichtungen jeweils ein Paar Spulensysteme (15, 19; 17, 21) und Magnetsysteme (37, 41; 39, 43) zugeordnet ist.

5. Positioniervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulensysteme (15, 17, 19, 21) an ihren von den Magnetsystemen (37, 39, 41, 43) abgewandten Seiten im Wärmeleitkontakt mit einem für alle Spulensysteme (15, 17, 19, 21) gemeinsamen Kühler (71) stehen.

6. Positioniervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (71) aus in einer Ebene parallel zur X-Y-Ebene angeordneten Kühlerrohrwindungen mit Rechteckquerschnitt besteht.