JP2004320998A - アクチュエータコイル冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、従来技術の問題および欠点の１つまたは複数を実質的に排除するアクチュエータコイル冷却システムを提供することである。
【解決手段】前記課題は、冷却管が、該冷却管を通流する冷却液を有し、ワイヤのコイルの周部に捲回されており、該冷却液は、前記ワイヤのコイルの近傍かつ該ワイヤのコイルの外側を通流し、複数の熱伝導帯は一般的に、前記ワイヤのコイルの少なくとも一部に対して横軸に配置されており、熱を該ワイヤのコイルから前記冷却管へ伝導させるように構成することによって解決される。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータコイルの冷却と、とりわけローレンツ力アクチュエータで使用されるコイルと、ステージを浮上および駆動するためのリソグラフィツールにおいて使用されるモータとに関する。

ローレンツ力アクチュエータは、物理的に別個の２つの磁気的な構成部材から成る。第１の構成部材は典型的には駆動コイルであり、この駆動コイルを電流が流れる。第２の構成部材は永久磁石のアセンブリから成り、この永久磁石はしばしば、付加的な高透磁性の材料と組み合わされ、ともに、コイルを流れる強磁場を生成する。コイルを流れる電流と永久磁石アセンブリによって生成された磁場との間の相互作用によって、力がコイルに発生し、これと等しい逆の反力が永久磁石アセンブリに発生する。強磁場内のコイルの部分は、コイルのアクティブ部分と称される。熱を循環冷却液に誘導してコイルを適切に冷却しないと、コイルで放散される熱によって温度が過度に上昇することがある。

幾つかのケースでは、冷却液への熱の流れを増大させるため、コイルのアクティブ部分の面に取り付けられた薄い冷却ジャケットが必要とされる。このような冷却ジャケットは典型的には、窒化シリコン等のセラミックから形成される。このセラミックによって、高い電気抵抗率と高い熱伝導性双方の良好な組み合わせが得られ、ひいては、強磁場に起因して不所望の渦電流が発生することなく効率的に熱が伝達される。その際には、強磁場に起因する渦電流の減衰作用が発生しない。

ステンレス鋼も使用されるが、高い電気抵抗率も高い熱伝導性も有さない。充填ポリマの電気抵抗率は高いが、熱伝導性は比較的低く、一般的には冷却水を封入するために充填ポリマを使用することはできない。セラミックは脆弱であり、製造コストが高く、漏れなしで水を（特に薄い部分では）確実に搬送できないことがある。

本発明の課題は、従来技術の問題および欠点の１つまたは複数を実質的に排除するアクチュエータコイル冷却システムを提供することである。

前記課題は、冷却管が、該冷却管を通流する冷却液を有し、ワイヤのコイルの周部に捲回されており、該冷却液は、前記ワイヤのコイルの近傍かつ該ワイヤのコイルの外側を通流し、複数の熱伝導帯は一般的に、前記ワイヤのコイルの少なくとも一部に対して横軸に配置されており、熱を該ワイヤのコイルから前記冷却管へ伝導させるように構成することによって解決される。

本発明の実施形態は、レーストラック形巻き線を有するローレンツアクチュエータコイルを含む。このレーストラック形巻き線は冷却管を有しており、冷却管はレーストラック形巻き線の周部に巻きつけられており、この冷却管を液体が通流する。一般的には、電気的に絶縁された複数の金属の熱伝導帯が、レーストラック形巻き線のアクティブ部分に対して横方向に配置されており、有意な渦電流作用を使用して、レーストラック形巻き線から冷却管へ熱を伝導する。

別の側面では、ベースプレートを含むコイルプレートアセンブリが提供される。冷却管は、該冷却管を通流する冷却液を有する。複数のレールトラック形コイルが、ベースプレートの周部に対称的に、かつ該ベースプレートに対して垂直に配置されている。各レーストラック形コイルはレーストラック形巻き線を有し、これによって磁場が生成される。冷却管は、レーストラック形巻き線の周部に巻きつけられている。さらに、各レーストラック形コイルは複数の熱伝導帯を有する。この熱伝導帯は通常、レーストラック形巻き線の少なくとも一部に対して横方向に配置されており、レーストラック形巻き線から冷却管へ熱を伝導する。

本発明の別の特徴および利点は、以下の説明において記載されており、部分的に該説明において明示されているか、または本発明を実施することによって理解することができる。本発明の利点は、構成によって認識および達成され、とりわけ、記載された本発明の明細書および請求項ならびに添付の図面にて挙げられている。

ここで理解すべきことは、以下の全般的な説明および詳細な説明は例として説明するためのものであり、請求項に記載された本発明を詳細に説明するためのものである。

ここで、本発明の実施形態を参照する。本発明のこの実施例は、添付の図面に示されている。

本発明に関しては、多数の適用が存在する。これらの適用には、半導体製造時に使用される電磁力アクチュエータおよびリニアモータ等の、微細なウェハおよびレチクルステージにおいて使用される電磁力アクチュエータおよびリニアモータが含まれる。しかし、本発明はこれらの適用に制限されない。

典型的なフォトリソグラフィツールでは、ウェハはステージに取り付けられ、複数の自由度Ｘ，Ｙ，Ｚを有し、場合によっては複数の回転自由度を有する。幾つかのシステムは、ロングストロークステージを有するウェハステージも有する。このロングストロークステージは、磁気的に浮上されたショートストロークステージと関連して作動する。ロングストロークステージは、典型的には従来のベアリングによって案内され、リニアモータによって駆動され、大きな尺度のＸ，Ｙ移動を提供する。ショートストロークステージはサーボ制御され、６つの自由度での超微細な位置決めを実現する。このようなシステムではウェハ自体は、ショートストロークステージの電磁的に浮上されるモノリシックな構成部材上に取り付けられる。このモノリシックな構成部材には永久磁石が含まれており、この永久磁石によって強磁場が生成される。この強磁場は、別個のコイルプレートアセンブリの一部であるショートストロークアクチュエータコイルと相互作用する。ショートストロークコイルプレートアセンブリは典型的には、ロングストロークステージの可動構成部材の頂部に取り付けられている。ローレンツコイルは、しばしばこのようなアクチュエータのアプリケーションにおいて使用され、大電流および強磁場を必要とするので、容易に冷却されない。

ローレンツアクチュエータによって熱が生成されることにより、しばしばひずみが発生し、ウェハのアラインメントが困難になる。このことはとりわけ、ウェハ自体に非常に接近しなければならないショートストロークアクチュエータアセンブリにおいて特に典型的である。

アクチュエータコイル熱を水冷却管へ伝達させるため、導電コイルまたは導電帯のシーケンスが使用される。この水冷却管は、最大磁界強度を有する領域外に配置されている。絶縁された銅線またはアルミニウム線が捲回されたコイルか、または絶縁された銅帯またはアルミニウム帯のシーケンスによって、渦電流の減衰を引き起こすことなく効率的に熱が伝導される。図１は、１つのこのような技術を示している。薄肉のステンレス鋼水冷却管がアクチュエータコイルの外側の３つの面に巻き付けられている。絶縁された銅線またはアルミニウム線が、コイルおよび冷却管双方に捲回されている。このようにして形成されたコイルの端部は電気的に絶縁されるので、該コイルにおいて発生された起電力（ＥＭＦ）がループ電流を発生しない。適切なワイヤのサイズを使用することにより、ワイヤにおける渦電流が最小になる。アルミニウム線の場合、酸化アルミニウムを使用して十分に絶縁することができ、かつ熱伝達を最大にすることができる。

さらに図１に示されているように、ショートストロークコイルプレートアセンブリ１０１はベースプレート１２０を有する。この図には示されていないが、ウェハはその上に直接設けられたモノリシックなブロック上に取り付けられる。該モノリシックブロックの磁気的な構成部材（たとえばＮｄＦｅＢ磁石）によって強度の磁場が生成され、この磁場はコイルを流れる電流と相互作用し、該モノリシックブロックにローレンツ力を発生させ、このローレンツ力によって該モノリシックブロックの移動が制御される。さらに図１に示されているように、アセンブリ１０１は複数のアクチュエータコイルアセンブリ１０２Ａ〜１０２Ｄを有し、これらは（この実施例では）四方形のパタンで配置されている。各アクチュエータコイルアセンブリ１０２は、レーストラック巻きコイル１０３（理解しやすくするため、図１には１つのコイル１０３のみが示されている）を有する。レーストラック巻き線の代わりに、フラットコイルまたは重ね巻コイルを使用することができる。熱伝達帯１１１が、コイル１０３と接触して配置されている。レーストラック形コイル１０３は、アクチュエータ駆動コイルとも称される。総じてアクチュエータコイルアセンブリ１０２Ａ〜１０２Ｄによって、Ｘ平面、Ｙ平面の移動とともに回転移動が実現される。

冷却管１１３は、各アクチュエータコイルアセンブリ１０２の周部の３つの面に「捲回」されている。この実施形態では、４つすべてのコイルを冷却するために、冷却管１１３が１つだけ使用されている。冷却管１１３は、流入液連通部１０４および流出液連通部１０５を有する。液供給システム（この図には示されていない）と連通するため、連通ポート１１２Ａ，１１２Ｂが使用される。アクチュエータコイルアセンブリ１０２Ａ〜１０２Ｄに給電するため、それぞれ電気コネクタ１０７Ａ〜１０７Ｄが使用される。

熱をレールトラック形コイル１０３から冷却管１１３へ伝導するため、冷却ジャケット１１０Ａ〜１１０Ｄも使用される。留意されたいのは、冷却ジャケット１１０は、磁界がアクチュエータコイルアセンブリ１０２の他の場所ほど強くない領域に配置されることである。それゆえ、渦電流に起因する問題は最小にされる。

さらに留意されたいのは、アクチュエータコイルアセンブリ１０２Ａ〜１０２Ｄが中央の開口を有するのが図示されているが、このような開口を設けなくてもよいことである。この中央の開口は、不所望の音響的な結合を低減するのに有利である。

アセンブリ１０１は、４つの集束コイル１０６Ａ〜１０６Ｃを有する。これらの集束コイル１０６Ａ〜１０６Ｃは、ウェハが配置されたモノリシックなブロックをＺ軸位置付けするために使用される。集束アクチュエータ１０６Ａ〜１０６Ｄに給電するため、それぞれコネクタ１０８Ａ〜１０８Ｄが使用される。通常、Ｚ軸移動の量は比較的小さいので、集束コイル１０６Ａ〜１０６Ｃを比較的小さくすることもできる。したがってＸ，Ｙ，Ｚ空間内のウェハの位置は、アクチュエータコイルアセンブリ１０２および集束コイル１０６を使用することによって磁気的に制御される。

冷却管１１３を通流する冷却液として、水の他に付加的にエチレングリコールを使用できることにも留意されたい。さらに、図１の実施例では、熱伝導帯１１１がコイルパタン内に捲回されていることにも留意されたい。熱伝導帯１１１は、処理しやすい比較的軟質の金属を含むすべての金属から形成することができる。この比較的軟質の金属は、たとえば銅、ステンレス鋼、金、アルミニウム等である。択一的に、グラファイトまたはグラファイト繊維が使用される。また、熱伝導帯１１１は対流よりむしろ熱伝導によって熱を伝導することにも留意されたい（対流は、液体または他の媒体の物理的移動に影響する）。

４つの駆動コイルおよび４つの集束コイルが図１に示されているが、これよりも多くの数または少ない数の駆動コイルおよび集束コイルを使用できることが認識できるだろう。たとえば本発明を適用することができるレチクルステージの場合、２つのアクチュエータコイルアセンブリ１０２使用するだけでよい（または、底面調整は１つの軸に沿って実施される幾つかのケース、換言すれば１つの自由度を使用すればよい幾つかのケースでは、１つ使用するだけでよい）。

択一的手段として、熱伝導帯１１１を、冷却液が通流する小さな管とすることができる。いずれにせよ、熱伝達の方向は一般的に、レーストラック形巻き線の方向に対して横軸になっている。

別の択一的手段として、熱伝導帯１１１の連続的なコイル巻き線の場所において、積層された絶縁ワイヤステープルのシーケンスを使用することもできる。

別の実施形態が図２に示されている。この実施形態では、電気的絶縁性の薄いファイバガラスプレートに取り付けられた銅帯またはアルミニウム帯のシーケンスが使用される。このような帯は、アクチュエータ駆動コイル表面および水冷却管双方に結合されている。図１と共通する構成要素には、同一の番号が付与されている。付加的に、薄いファイバガラスシート２０２が電気的絶縁体として使用される。さらに、熱伝導帯１１１はコイル内に巻き付けられているのではなく、各面に取り付けられている。図１と同様に、熱伝達の方向は一般的には、コイル１０３のレーストラック形巻き線の方向に対して横方向になっている。

さらに図２を参照すると、ファイバガラスシート２０１は製造中に剥離されるか、または製造コストを最小にするため、適切な場所に残される。

提案されたアプローチは、従来技術よりも低コストで製造することができ、パフォーマンスおよび信頼性の双方を改善することができる。

当業者には、ここに記載された請求項にて定義された本発明の思想および範囲から逸脱することがないように、形態および詳細を種々に変更できることが理解できる。したがって、本発明の幅および範囲は上記の実施例のいずれにも制限されることはなく、冒頭の請求項およびそれに相応するものによってのみ制限される。

本発明の一実施形態のショートストロークコイルプレートアセンブリを示している。

本発明のコイルアセンブリの別の実施形態を示している。

Claims (23)

1. アクチュエータにおいて、
   磁場を生成するために電流を流すワイヤのコイルと、冷却管と、複数の熱伝導帯とが設けられており、
   前記磁場は、別個の磁気的な構成部材によって生成され、
   前記冷却管は、該冷却管を通流する冷却液を有し、前記ワイヤのコイルの周部に捲回されており、
   該冷却液は、前記ワイヤのコイルの近傍かつ該ワイヤのコイルの外側を通流し、
   前記複数の熱伝導帯は一般的に、前記ワイヤのコイルの少なくとも一部に対して横方向に配置されており、熱を該ワイヤのコイルから前記冷却管へ伝導させることを特徴とするアクチュエータ。
2. 冷却ジャケットが設けられており、
   該冷却ジャケットは、前記ワイヤのコイルの１つの側に設けられており、かつ前記冷却管に設けられている、請求項１記載のアクチュエータコイル。
3. 前記複数の熱伝導帯は、コイル内に配置されている、請求項１記載のアクチュエータコイル。
4. 前記複数の熱伝導帯は各側に配置されている、請求項１記載のアクチュエータコイル。
5. 前記複数の熱伝導帯はそれぞれ、冷却液が通流するマイクロ管を有する、請求項１記載のアクチュエータコイル。
6. 前記フック数の熱伝導帯は、金属から形成されている、請求項１記載のアクチュエータコイル。
7. 前記複数の熱伝導帯は、鋼、金、アルミニウム、銅、グラファイトおよびグラファイト繊維のうちいずれか１つから形成されている、請求項１記載のアクチュエータコイル。
8. 前記ワイヤのコイルはレーストラック形巻き線である、請求項１記載のアクチュエータコイル。
9. 前記ワイヤのコイルはフラットコイルである、請求項１記載のアクチュエータコイル。
10. 前記ワイヤのコイルは、重ねられた複数のコイルである、請求項１記載のアクチュエータコイル。
11. コイルプレートアセンブリにおいて、
    ベースプレートと、冷却管と、複数のコイル巻き線とを有しており、
    前記冷却管は、該冷却管を通流する冷却液を有し、
    前記複数のコイル巻き線は、前記ベースプレートの周部に対称的に、かつ該ベースプレートに対して垂直に配置されており、
    各コイル巻き線は磁場を生成し、
    前記冷却管は、該コイル巻き線の周部に巻き付けられており、
    各コイル巻き線は、複数の熱伝導帯を有しており、
    該複数の熱伝導帯は一般的に、レーストラック形巻き線の少なくとも一部に対して横方向に配置されており、熱を前記コイル巻き線から前記冷却管へ伝導することを特徴とするコイルプレートアセンブリ。
12. 前記ベースプレートには、複数の集束コイルが取り付けられている、請求項１１記載のコイルプレートアセンブリ。
13. 前記コイル巻き線の１つの側に、かつ前記冷却管の周部に冷却ジャケットが設けられている、請求項１１記載のコイルプレートアセンブリ。
14. 前記複数の熱伝導帯は、コイル内に配置されている、請求項１１記載のコイルプレートアセンブリ。
15. 前記複数の熱伝導帯は、各側に配置されている、請求項１１記載のコイルプレートアセンブリ。
16. 前記複数の熱伝導帯はそれぞれ、冷却液が通流するマイクロ管を有する、請求項１１記載のコイルプレートアセンブリ。
17. 前記複数の熱伝導帯は金属から形成されている、請求項１１記載のコイルプレートアセンブリ。
18. 前記複数の熱伝導帯は、鋼、金、アルミニウム、銅、グラファイトおよびグラファイト繊維のうちいずれか１つから成る、請求項１１記載のコイルプレートアセンブリ。
19. 前記複数の熱伝導帯は、積層された複数の絶縁されたワイヤステープルから成る、請求項１１記載のコイルプレートアセンブリ。
20. 前記ワイヤのコイルはレーストラック形巻き線である、請求項１１記載のアクチュエータコイル。
21. 前記ワイヤのコイルはフラットコイルである、請求項１１記載のアクチュエータコイル。
22. 前記ワイヤのコイルは、重ねられた複数のコイルである、請求項１１記載のコイルプレートアセンブリ。
23. モータコイルにおいて
    ワイヤのコイルと、冷却管と、複数の熱伝導帯とが設けられており、
    前記ワイヤのコイルは電流を流すことにより、別個の磁気的構成部材によって磁場が生成され、
    前記冷却管は、該冷却管を通流する冷却液を有し、前記ワイヤのコイルの周部に巻き付けられており、
    該冷却液は、該ワイヤのコイルの近傍かつ該ワイヤのコイルの外側を通流し、
    前記複数の熱伝導帯は一般的に、前記ワイヤのコイルの少なくとも一部に対して横方向に配置されており、熱を該ワイヤのコイルから前記冷却管へ伝導することを特徴とするモータコイル。

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