JP2020065383A - 真空用リニアモータおよび真空処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リニアモータに接続する配線を真空試料室内で引廻すため、配線被覆から発生するアウトガスや組立作業効率が低下する課題があった。また、リニアモータのコイルと永久磁石との間のギャップを小さくできず、リニアモータの推力発生効率が低下するという課題があった。【解決手段】上記課題を解決するために、永久磁石を有する可動子と、コイルを固定した支持部材を有する固定子とを具備する真空用リニアモータにおいて、支持部材は、真空試料室の壁面との間で真空封止する真空封止部と、真空試料室内に設置されたコイルに対して電流を供給するためのフィードスルーを有することを特徴とする真空用リニアモータを提案する。【選択図】図１

Description

本発明は、真空試料室内において試料ステージを駆動するリニアモータに関する。

電子顕微鏡、イオンビーム装置、半導体製造装置、半導体計測検査装置に代表される真空空間内で試料を観察、検査、計測、分析、加工、搬送（以下、「処理」と称する）する真空処理装置においては、処理の対象となる試料を可動ステージによって移動しつつ、対象試料に対して様々な処理を行うのが一般的である。当該真空処理装置に用いる可動ステージの高速移動や高精度位置決めを実現するための駆動機構として、リニアモータが採用されている。リニアモータには、ムービングマグネット式と呼ばれるリニアモータがある。ムービングマグネット式リニアモータは、永久磁石を有する可動子と、制御電流を通電するコイルを有する固定子から構成されており、可動部への給電配線が一切不要であることから、給電配線可動による断線リスクや異物発生リスクを低減したい場合には好適なリニアモータである。

特開２０１４−１２８１７７号公報

一方、コイルを固定子とするムービングマグネット式のリニアモータは、ステージの可動ストロークに応じたコイルの長さが必要となる。つまり、ストロークを長くしようとすると、それに応じてコイル数を増やす必要があるため、電子顕微鏡における真空チャンバ内に導入する配線数が多くなりやすい。真空試料室内の配線数の増加は、組立工程数の増加とコストアップ、配線被覆から放出されるアウトガスの増加といった問題を招くことになる。このような問題に対処するため、特許文献１には真空封止構造を有する包装部材で固定子側のコイル全体を覆い、永久磁石を有する可動子側とコイルを有する固定子側との空間を気密に隔離するリニアモータが開示されている。

しかしながら、特許文献１の開示技術は、永久磁石を有する可動子を真空環境下に、コイルを有する固定子を大気環境下に配置するため、コイルと永久磁石との空間を隔離する包装部材が必要となり、コイルと永久磁石の間には少なくとも包装部材の厚み以上のギャップが生じることになる。例えば、電子顕微鏡内の真空試料室内においては10^-5Paもの高真空を必要とする場合があり、真空環境と大気環境を隔離するための包装部材の機械強度を確保するためには、ステンレス製の包装部材においても厚さ数ｃｍを要する。リニアモータにおいてはコイルと永久磁石間のギャップが大きくなるほど推力効率が低下するため、固定子と可動子との寸法距離が数ｃｍ離れた場合には、リニアモータの推力発生効率が大幅に低下してしまうという課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、配線被覆から発生するアウトガスとリニアモータの組立作業工数を低減しつつ、推力の発生効率を向上させることができるリニアモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、永久磁石を有する可動子と、コイルを固定した支持部材を有する固定子とを具備する真空用リニアモータにおいて、支持部材は、真空試料室の壁面との間で真空封止する真空封止部と、真空試料室内に設置されたコイルに対して電流を供給するためのフィードスルーを有することを特徴とする真空用リニアモータを提案する。

また、永久磁石を有する可動子と、樹脂部材で被覆されたコイルを有する固定子とを具備する真空用リニアモータにおいて、固定子は、真空試料室の壁面との間で真空封止する真空封止部および第１の貫通孔部とを有する支持部材と、真空試料室内に設置されたコイルに対して電流を供給するための配線とを備え、配線が、第１の貫通孔部を通して真空試料室の外部へ導出され、第１の貫通孔部に、樹脂部材を一体に充填し、又は樹脂部材に結合する充填剤を充填することで、貫通孔部が封止されることを特徴とする真空用リニアモータを提案する。

また、永久磁石を有する可動子と、樹脂部材で被覆されたコイルを有する固定子と、真空試料室内に設置されたコイルに対して電流を供給するための配線とを具備する真空用リニアモータを備え、配線が、真空試料室の壁面に設けた貫通孔部を通して真空試料室の外部へ導出され、貫通孔部に、樹脂部材を一体に充填し、又は樹脂部材に結合する充填剤を充填することで、貫通孔部が封止されることを特徴とする真空処理装置を提案する。

上記構成により、真空試料室内で配線被覆から発生するアウトガスを防止でき、組立作業効率やメンテナンス性に優れ、且つ、推力発生効率の高いリニアモータ、並びに当該リニアモータを用いた真空処理装置の実現が可能となる。

実施例１のリニアモータを駆動源とする試料ステージを示す図 図１のステージのＡ−Ａ線矢視断面図 実施例１の固定子周辺部の構成図 実施例２の固定子周辺部の構成図 実施例３の固定子周辺部の構成図 実施例４の固定子周辺部の構成図 実施例５の固定子周辺部の構成図 本発明の実施例の固定子周辺部の構成図

以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

なお、以下の実施の形態では、一例として、電子顕微鏡等の試料ステージに使用されるリニアモータを例として説明するが、これに限られることなく、イオンビーム装置、半導体製造装置、半導体計測検査装置に代表される真空空間内で試料を観察、検査、計測、分析、加工、搬送する真空処理装置への適用が可能である。

以下、本発明の一実施形態に関して、図１〜３をもとに説明する。

図１に、電子顕微鏡等の真空試料室内においてリニアモータにより駆動される試料ステージの構成例を示す。真空試料室内１９の空間と大気環境２０とは、真空試料室壁部１０を介して隔離されている。試料ステージ２は、Ｘ可動テーブル５とＹ可動テーブル６および各テーブルを各軸方向に直動させるＸローラガイド８とＹローラガイド９、試料を固定するチャック７により構成されている。固定子３と真空試料室壁部１０は、ネジ等で機械的に固定されている。また、Ｘ可動テーブル５とマグネット４は、ネジ等で機械的に固定されており、リニアモータ１の推力がＸ可動テーブル５伝達される。リニアモータ１は、コイルを有する固定子３とマグネットを有する可動子４より構成され、真空試料室内１９に配置されている。

図２は、図１の試料ステージの断面図であり、断面位置と向きは、図１にしたＡ−Ａ断面である。本実施例では、固定子３を共通設計とし、試料ステージ２の所望のストロ−クに応じて固定子３を複数個組み合わせる方式を採用しており、図２の実施例においては、共通設計された固定子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを、Ｘ方向に４つ配置した例を示している。このように、固定子を共通化しストロークに応じて複数個組合せ可能な設計とすることで、ストロークの異なる試料ステージ毎に新たな長さの固定子を準備する必要がなくなり、多品種の試料ステージを製作したい場合にはコスト低減効果が見込める。一方、試料ステージ２のストロークは固定子３の数によって決まるため、ストロークを増加させると、固定子３の数とともに、固定子３に接続する配線１２の数も増加する。図２では、試料ステージ２のＸ方向に固定子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを４つ配置しているため、各固定子への配線１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄも４か所必要となる。真空試料室内１９で配線数が増加すると、配線の被覆からアウトガスの増加、組立工数の増加といった問題を招く。当該問題を解決するための発明の実施形態を、図３を用いて説明する。

図３に、本発明の実施形態における固定子周辺部の一例を示す。固定子３は、コイル１１、支持部材１３、コイル１１に接続するための配線１２、配線１２を真空試料室内１９から大気環境へ取り出すための真空フィードスルー２１により構成されている。真空試料室内１９と大気環境２０とを隔離する真空フィードスルー２１は、樹脂で構成されていても良い。支持部材１３とコイル１１は、接着剤等で固着されて一体となっている。支持部材１３は、金属や樹脂で構成される。真空フィードスルー２１の成形やコイル１１の固定に使用できる樹脂の一例として、エポキシ樹脂が挙げられる。エポキシ樹脂には接着剤タイプのものがあり、該当部分を覆った後に所望の形状に硬化させることができるため、真空フィードスルー２１の成形や支持部材１３とコイル１１の固定も容易にできる。

固定子３の支持部材１３には、固定子３を真空試料室壁部１０に取り付けるためのネジ固定用の穴が空いている（図示無し）。固定子３を真空試料室壁部１０にネジ止めする構造とすることで、固定子３単体での取付け、取外しが可能となり、部品交換が容易に行える。また、固定子３の支持部材１３には、真空封止構造が設けられている。真空封止構造の一例として、Ｏリングによる封止構造が挙げられる。図３の実施形態においては、支持部材１３にＯリング１５を取り付けるＯリング溝１６を設け、当該Ｏリング溝１６のＯリング接触面には機械加工等によりシール面を形成し、真空試料室壁部１０にも同様にＯリング１５が接触する面にシール面を形成する。真空試料室壁部１０には、配線１２を大気環境２０側へ取り出すための貫通孔１４が形成されている。

上記の構成により、従来、真空試料室内を引き廻していた固定子３への配線１２を大気環境下に直接取り出すことが可能となることから、真空試料室内で配線被覆から発生するアウトガスを防止できる。また、真空試料室内でリニアモータへの配線を取り廻す必要がないことから、組立作業効率が向上する。また、コイル３を有する固定子と永久磁石を有する可動子とは、空間的に隔離する必要はなく、ともに真空試料室内に配置されるため、コイルと永久磁石間のギャップが小さいリニアモータが実現でき、リニアモータの推力発生効率の向上を図ることができる。また、固定子３単体での部品交換が可能であり、メンテナンス等の作業性に優れている。

また、実施例４で後述するように、真空フィードスルー２１は、コイルを冷却する冷却流体が供給できるように構成されていても良い。この場合、実施例４に記載した効果と、同様の効果を得ることができる。

図４に、本発明の別の実施形態における固定子周辺部の構成を示す。固定子３は、コイル１１、コイル１１に接続するための配線１２、樹脂１７により構成されている。樹脂１７は、コイル１１と配線１２と貫通孔１４を覆うとともに、真空試料室内１９と大気環境２０とを隔離する部材となるように構成される。言い換えれば、樹脂１７によって貫通孔１４を封止することで、真空試料室内１９と大気環境２０との間の気密性が確保される。また、コイル１１を樹脂１７で覆って剛性を確保し、コイル１１の形状変化を防止することで、リニアモータの性能を長期に渡り安定化することができる。この場合、コイル１１を支持するために、樹脂１７だけでなく、新たな支持部材を追加してもよい。樹脂１７の形状は、射出成形、インサート成形等の成形方法によって成形が可能である。

本実施例においては、実施例１と比較して、固定子３単体での部品交換はできないものの、コイル１１を有する固定子側の部品点数が削減できるため、リニアモータのコスト低減を図ることができる。

図５に、本発明の別の実施形態における固定子周辺部の構成を示す。固定子３は、コイル１１、コイル１１に接続するための配線１２、樹脂１７、支持部材２２により構成されている。樹脂１７は、コイル１１と配線１２と支持部材２２の貫通孔１４を覆うとともに、真空試料室内１９と大気環境２０とを隔離する部材となるように構成される。即ち、樹脂１７によって貫通孔２３を封止することで、真空試料室内１９と大気環境２０との間の気密性が確保される。また、コイル１１を樹脂１７で覆って剛性を確保し、コイル１１の形状変化を防止することで、リニアモータの性能を長期に渡り安定化することができる。支持部材２２には、固定子３を真空試料室壁部１０に取り付けるためのネジ固定用の穴が空いており（図示無し）、固定子３単体での取付け、取外しが可能である。また、支持部材２２には、Ｏリング１５を取り付けるＯリング溝１６を設け、当該Ｏリング溝１６のＯリング接触面には機械加工等によりシール面を形成する。同様に、真空試料室壁部１０にも、Ｏリング１５が接触する面にシール面を形成する。当該Ｏリング１５による真空封止構造によって、支持部材２２と真空試料室壁部１０とは気密性が保持される。

本実施形態においても、実施例１と同様の効果を得ることができる。

図６に、本発明の別の実施形態における固定子周辺部の構成を示す。本実施例は、実施例３において、更に、コイル３を冷却するための冷却流体を供給する配管１８を追加した構成例である。コイルの発熱が試料室や可動テーブルに伝わると可動テーブルの姿勢変化や、可動テーブルの変形が生じる。このような可動テーブルの姿勢変化や変形は、真空処理装置におけるステージ座標計測位置や電子ビーム照射位置の変化を招くため、真空処理装置の処理性能低下の原因となり得る。そのため、ステージ稼働中に生じたコイルの発熱を抑制することは、ステージの高速化（コイルの大電流化）とステージの高精度化を両立するための、重要な課題といえる。真空試料室およびステージの冷却手法としては、一例として図８に示すように、試料室の大気側底面２５に冷却水の配管１８を設置する方法がある。配管１８を試料室底面２５に密着させるため金属製のジャケット２４で覆えば、配管１８をジャケット２４とともに、ねじ等を用いて試料室底面２５に機械的に固定することができる。しかし、図８の構成では、コイル１１で発生した熱は、熱の流れ２６に示す通り、試料室底面２５を経由して冷却水配管１８に伝わるため、どうしても真空試料室や可動テーブルへの伝熱が生じる。図８の構成に比べて、図６の本実施形態では、発熱源であるコイル１１のより近傍に冷却流体の配管１８を配置することができるため、コイル１１に生じた熱をよりダイレクトに冷却流体に逃がすことができ、真空試料室への伝熱を抑制できる。冷却流体には、例えば、水や、特定物質を加えた水溶液を用いる。固定子３は、コイル１１、コイル１１に接続するための配線１２、樹脂１７、支持部材２１、配管１８により構成されている。図６に示す本実施形態の製造方法の一例として、支持部材２２を鋳物で製作する方法がある。あらかじめ支持部材２２に収まる大きさに加工しておいた冷却配管１８を鋳型内に配置し、支持部材２２として使用する金属材料を溶融して流し込み硬化させれば、支持部材２２の内部に冷却配管１８を容易に配置することができる。金属材料の一例としては、熱伝導率が良く鋳造方法での製作も容易なアルミなどが挙げられる。樹脂１７は、コイル１１と配線１２と配管１８と支持部材２２の貫通孔２３を覆うとともに、真空試料室内１９と大気環境２０とを隔離する部材となるように構成される。即ち、樹脂１７によって貫通孔２３を封止することで、真空試料室内１９と大気環境２０との間の気密性が確保される。

本実施形態では、冷却流体による冷却作用によって効率的にコイル１１の発熱を抑え、真空試料室や可動テーブルへの伝熱を抑制することができるため、真空処理装置の処理性能低下を防止できる。また、本実施形態は大電流でのリニアモータ駆動にも好適である。また、従来、コイル１１を冷却するための冷却流体を供給する配管１８は、真空試料室内部１９に配置する必要があったが、本実施形態の水冷配管１８は、樹脂１７によって真空試料室内部１９と気密に隔離できる構成であるため、万が一、水冷配管１８からの漏水があった場合でも、真空試料室内部１９に漏水することがない。

図７に、本発明の別の実施形態における固定子周辺部の構成を示す。本実施例は、実施例３において、支持部材２２に設けるＯリング溝１６の位置を変更し、固定子３を大気環境２０側から真空試料室壁部１０に取り付けられるようにした構成例である。Ｏリング溝１６のＯリング接触面および真空試料室壁部１０のＯリング接触面には、機械加工等によりシール面を形成する。

本実施形態では、固定子３単体での部品交換が可能なだけでなく、大気環境２０側から固定子３の取付け、取外しが可能であるため、よりメンテナンス等の作業性に優れている。

１ リニアモータ
２ 試料ステージ
３ 固定子
４ 可動子
５ Ｘ可動テーブル
６ Ｙ可動テーブル
７ チャック
８ Ｘローラガイド
９ Ｙローラガイド
１０ 真空試料室壁部
１１ コイル
１２ 配線
１３ 支持部材
１４ 貫通孔
１５ Ｏリング
１６ Ｏリング溝
１７ 樹脂
１８ 配管
１９ 真空試料室内
２０ 大気環境
２１ 真空フィードスルー
２２ 支持部材
２３ 貫通孔
２４ ジャケット
２５ 試料室底面
２６ 熱の流れ

Claims (12)

1. 永久磁石を有する可動子と、コイルを固定した支持部材を有する固定子とを具備する真空用リニアモータにおいて、
   前記支持部材は、真空試料室の壁面との間で真空封止する真空封止部と、前記真空試料室内に設置された前記コイルに対して電流を供給するためのフィードスルーを有することを特徴とする真空用リニアモータ。
2. 請求項１において、
   前記真空封止部は、Ｏリングを収容する収容部と、前記Ｏリングが接するシール面とを有することを特徴とする真空用リニアモータ。
3. 請求項１において、
   前記フィードスルーは、更に、前記コイルを冷却する冷却流体を供給するためのフィードスルーであることを特徴とする真空用リニアモータ。
4. 請求項１から３のいずれか１項の真空用リニアモータにおいて、前記電流を供給するための配線又は前記冷却流体を供給するための配管が、前記真空試料室の外部から前記真空試料室の壁面に設けた貫通孔を通して前記フィードスルーに接続されることを特徴とする真空用リニアモータ。
5. 請求項１から４のいずれか１項の真空用リニアモータを具備し、前記真空封止部が前記真空試料室の壁面と間で真空封止することを特徴とする真空処理装置。
6. 永久磁石を有する可動子と、樹脂部材で被覆されたコイルを有する固定子とを具備する真空用リニアモータにおいて、
   前記固定子は、真空試料室の壁面との間で真空封止する真空封止部および第１の貫通孔部とを有する支持部材と、前記真空試料室内に設置された前記コイルに対して電流を供給するための配線とを備え、
   前記配線が、前記第１の貫通孔部を通して前記真空試料室の外部へ導出され、
   前記第１の貫通孔部に、前記樹脂部材を一体に充填し、又は前記樹脂部材に結合する充填剤を充填することで、前記貫通孔部が封止されていることを特徴とする真空用リニアモータ。
7. 請求項６において、
   前記真空封止部は、Ｏリングを収容する収容部と、前記Ｏリングが接するシール面とを有することを特徴とする真空用リニアモータ。
8. 請求項６において、
   前記コイルを冷却するための流体を供給する配管が、前記第１の貫通孔部を通して前記真空試料室の外部へ導出されることを特徴とする真空用リニアモータ。
9. 請求項６から８のいずれか１項の真空用リニアモータにおいて、前記配線又は前記配管が、前記真空試料室の壁面に設けた第２の貫通孔を通して、前記真空試料室の外部へ導出されることを特徴とする真空用リニアモータ。
10. 請求項６から９のいずれか１項の真空用リニアモータを具備し、前記真空封止部が前記真空試料室の壁面と間で真空封止することを特徴とする真空処理装置
11. 永久磁石を有する可動子と、樹脂部材で被覆されたコイルを有する固定子と、真空試料室内に設置された前記コイルに対して電流を供給するための配線とを具備する真空用リニアモータを備え、
    前記配線が、前記真空試料室の壁面に設けた貫通孔部を通して前記真空試料室の外部へ導出され、
    前記貫通孔部に、前記樹脂部材を一体に充填し、又は前記樹脂部材に結合する充填剤を充填することで、前記貫通孔部が封止されていることを特徴とする真空処理装置。
12. 請求項１１において、
    前記コイルを冷却するための流体を供給する配管が、前記貫通孔部を通して前記真空試料室の外部へ導出されることを特徴とする真空処理装置。

Images