JP6410945B2 - ６自由度リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、ホトリソグラフィの分野に関し、特に、６自由度（degrees of freedom, ＤｏＦｓ）を有するリニアモータに関する。

ホトリソグラフィにおける進歩及び半導体産業の急速な発展に伴い、ホトリソグラフィ設備の性能を測るための以下の４つの基本的な指標、限界寸法（critical dimension, ＣＤ）均一性、焦点、重ね合わせ、スループットが開発されてきた。ＣＤ均一性を高めるために、ウェハ又はマスクのステージの水平方向の位置決め精度の増加が要求される。焦点精度を高めるために、ウェハ又はマスクのステージの垂直方向の位置決め精度の増加が要求される。より高い重ね合わせ精度を得るために、ホトリソグラフィのツールは、より良い動的位置決め（dynamic positioning）性能のためのウェハ又はマスクのステージの内部モデルを改善する必要がある。加えて、ホトリソグラフィ設備の増加するスループットについての必然の要求を満たすために、ウェハ又はマスクのステージは、速い移動、早い始動及び停止ができることが更に要求される。より大きな走査速度は、リソグラフィの露光及び位置合わせに関する多数のＤｏＦｓを有して高速で長い経路を移動することができるより強力なモータを必要とするので、ホトリソグラフィ設備に対する高速、高加速度及び高位置決め性能の要求は、互いに競合する。リニアモータは、中間の変換機構の助けなしに、電力を線形の機械的動作へと直接変換することができる伝達装置である。それらは、構造的な簡潔性、位置決め精度、伝達効率などの点で回転モータに比べて有利であり、それゆえ、ホトリソグラフィ設備に関する高精度位置決めプラットフォームで広く用いられてきた。

図１、２に示すように、従来のリニアモータは、一般に、ハルバッハ磁石アレイ１０１と、３相コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのグループとを含む。３相コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃがそれぞれの３相電流で通電されると、ハルバッハ磁石アレイ１０１は、３相コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃと協働して作動力を生成する。そのメカニズムは、３相コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃに導かれる電流がそれぞれｉａ、ｉｂ、ｉｃであり、リニアモータはＹ方向に距離ｙだけ移され、永久磁石の磁極ピッチがτであり、隣接する２つのコイルがそれぞれ４τ／３だけ離されていると仮定すると、３相コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃにより生成される磁場のＹ方向の磁束密度Ｂｙａ、Ｂｙｂ、Ｂｙｃ及びそのＺ方向の磁束密度Ｂｚａ、Ｂｚｂ、Ｂｚｃは、以下のように与えられる。

ここで、

は、ハルバッハ磁石アレイ１０１のＹ方向の磁束密度強度を表わし、

は、ハルバッハ磁石アレイ１０１のＺ方向の磁束密度強度を示す。

３相モータに関するベクトル制御技術によれば、制御はＤ−Ｑ分解により達成され、そこでは、垂直方向及び水平方向の（すなわち、ＸＹ平面における）力は、ｄ軸電流及びｑ軸電流により制御され、３相コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃについての電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃは、ｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑの関数として表現されることができる。

それゆえ、リニアモータにより生成されるＹ力Ｆｙ及びＺ力Ｆｚは以下の通りである。

Ｙ方向水平力Ｆｙ及びＺ方向垂直力Ｆｚは、リニアモータをＹ方向及びＺ方向にそれぞれ移動できるようにする。しかしながら、露光及び位置合わせの間に、ホトリソグラフィ設備は、６自由度、すなわち、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の並進運動及びＸ、Ｙ、Ｚ方向周りのわずかな回転運動の自由を有して移動する必要がある。それゆえ、従来のリニアモータは、高精度位置決めの要求を満たすことができない。

この問題を解決するために、従来技術において、互いに協力して、ホトリソグラフィプラットフォームにより必要とされる６自由度動作を支援することができるような、従来のハルバッハリニアモータの４つの例を組み込んだリニアモータも提案されている。しかしながら、磁石アレイのレイアウトから生じる制約を受けて、リニアモータは、水平方向に限られた移動経路長を有する。

本発明は、６自由度（ＤｏＦｓ）を有して長い経路移動ができるリニアモータを提示することにより、上で検討した欠点を克服することを求める。

上記目標を達成するために、本発明は、磁石アレイと、磁石アレイ上に配置されたコイルグループとを含む６自由度を有するリニアモータを提供し、磁石アレイは第１ハルバッハ磁石アレイと第２ハルバッハ磁石アレイとを含み、第１ハルバッハ磁石アレイは、Ｘ軸及びＹ軸により定義される平面において、平行四辺形の断面を有し、第１ハルバッハ磁石アレイは、Ｙ軸に平行な第１辺と、Ｙ軸とは角度θを形成する第２辺とを有し、第２ハルバッハ磁石アレイは、Ｙ軸に関して、第１ハルバッハ磁石アレイと鏡面対称の関係にあり、コイルグループは、第１コイルグループ、第２コイルグループ、第３コイルグループ、第４コイルグループを含み、各コイルグループはＹ軸に対して角度θで傾けられた軸を有し、第１コイルグループは、Ｙ軸に関して、第３コイルグループと鏡面対称の関係にあり、第２コイルグループは、Ｙ軸に関して、第４コイルグループと鏡面対称の関係にある。

更に、第１ハルバッハ磁石アレイは、複数のハルバッハ部を含んでも良く、各ハルバッハ部は、Ｙ軸に沿って順番に組み合わされた４つの永久磁石で構成されて、Ｘ軸及びＹ軸により定義される平面において、平行四辺形の断面を有する。

更に、４つの永久磁石は、Ｙ軸に沿って次の順番で順に配置されたＳ磁石、Ｈ磁石、Ｎ磁石及び別のＨ磁石を含んでも良く、Ｓ磁石は、Ｘ軸及びＹ軸により定義される平面に垂直なＺ軸に沿って磁化され、Ｎ磁石は、Ｚ軸に沿ってＳ磁石とは反対に磁化され、Ｈ磁石は、当該平面でＮ磁石の方に向けて磁化される。

更に、ハルバッハ部の数は６であっても良い。
更に、第１コイルグループは、Ｙ軸に沿って水平に配置された３つのコイルで構成されても良く、第２、第３、第４のコイルグループのそれぞれは、第１コイルグループと同じ構成を有し、第１コイルグループと第２コイルグループとはＹ軸に沿って順に配置される。
更に、第１コイルグループ及び第２のコイルグループのＹ軸に沿った中心線は、同じ水平線に位置合わせされても良い。

代わりに、第１コイルグループ及び第２のコイルグループのＹ軸に沿った中心線は、Ｘ軸に沿って、間隔により互いにずらされても良い。
更に、θは、０度よりも大きく、９０度よりも小さくても良い。
更に、コイルグループは、筐体に収納されても良い。

Ｘ軸及びＹ軸により定義される平面に沿った平行四辺形の断面をそれぞれ有する第１、第２のハルバッハ磁石アレイと、４つのコイルグループとの協力により生成される、Ｚ軸に沿った複数の垂直力と、当該平面における複数の水平力との適切な配分及び制御により、提案されたリニアモータは、６自由度を有して移動することができる。加えて、第１、第２のハルバッハ磁石アレイのそれぞれにおいて、ハルバッハ部の数を適切に設計することは、リニアモータの、Ｙ軸における長い移動経路を可能にする。

従来のリニアモータの概略構造図である。 従来のリニアモータの断面図である。 本発明の第１実施の形態に係る６自由度（ＤｏＦｓ）を有するリニアモータの概略構造図である。 本発明の第１実施の形態に係るハルバッハ部の概略構造図である。 本発明の第１実施の形態に係るコイルグループの配分を概略的に示す図である。 本発明の第２実施の形態に係るコイルグループの配分を概略的に示す図である。

本発明は、添付した図面を参照して、以下に詳細に説明される。

（実施の形態１）
図３に示すように、本発明は、磁石アレイ２０１とコイルグループとを含み、６自由度（ＤｏＦｓ）を有するリニアモータを提供する。磁石アレイ２０１は、第１ハルバッハ磁石アレイ２０１ａと第２ハルバッハ磁石アレイ２０１ｂとを含む。第１ハルバッハ磁石アレイ２０１ａのＸＹ平面における断面は平行四辺形である。第１ハルバッハ磁石アレイ２０１ａは、Ｙ軸と平行な水平な辺の組みと、Ｙ軸とは０°よりも大きく９０°よりも小さい角度θを形成する傾けられた辺の組みとを有する。第２ハルバッハ磁石アレイ２０１ｂは、第１ハルバッハ磁石アレイ２０１ａと構造的に同じであって、Ｙ軸に関して、第１ハルバッハ磁石アレイ２０１ａと鏡像対称の関係にある。コイルグループは、磁石アレイ上に配置されて、それらの中心線のそれぞれがＹ軸と角度θを形成するように傾けられる。すなわち、コイルグループの傾けられた辺は、Ｙ軸に対して０°よりも大きく９０°よりも小さい角度θでそれぞれ傾けられる。コイルグループは、第１コイルグループ２０３、第２コイルグループ２０４、第３コイルグループ２０５、第４コイルグループ２０６を含む。Ｙ軸に関して、第１コイルグループ２０３は第３コイルグループ２０５と鏡面対称であり、第２コイルグループ２０４は第４コイルグループ２０６と鏡面対称である。コイルグループは、筐体２０２内部に収納される。第１ハルバッハ磁石アレイ２０１ａ及び第２ハルバッハ磁石アレイ２０１ｂは、それぞれＸＹ平面において平行四辺形の断面を有し、４つのコイルグループと協力して、Ｚ軸に沿った複数の垂直力と、ＸＹ平面における複数の水平力とを生成する。力の配分及び制御は、リニアモータが６自由度を有して移動することを可能にする。

図３、４を参照すると、第１ハルバッハ磁石アレイ２０１ａは、Ｙ軸に沿って組み合わされる４つの永久磁石でそれぞれ構成される多数のハルバッハ部２０１１ａを含む。各永久磁石は、ＸＹ平面において、平行四辺形の断面を有する。ハルバッハ部２０１１ａの数は、Ｙ軸に沿った移動の実際の長さに応じて調整可能である。この実施の形態では、６つのハルバッハ部２０１１ａが提供される。第２ハルバッハ磁石アレイ２０１ｂは、第１ハルバッハ磁石アレイ２０１ａと構造的に同じであって、Ｙ軸に関して第１ハルバッハ磁石アレイ２０１ａと鏡面対称の関係にある。Ｙ軸におけるリニアモータの長い経路移動は、第１ハルバッハ磁石アレイ２０１ａ及び第２ハルバッハ磁石アレイ２０１ｂにおけるハルバッハ部２０１１ａの数を設計することにより達成される。

図４に重点をおいて参照すると、４つの永久磁石は、次の順番で順に配置されるＳ磁石２０１２、Ｈ磁石２０１４、Ｎ磁石２０１３、別のＨ磁石２０１４を含む。Ｓ磁石２０１２はマイナスＺ軸に沿って磁化され、Ｎ磁石２０１３はプラスＺ軸に沿って磁化され、Ｈ磁石２０１４はいつもＸＹ平面に沿ってＮ磁石２０１３に向けて磁化される。図５に重点をおいて参照すると、第１コイルグループ２０３は、Ｙ軸に沿って水平に配置される３つの第１コイル２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃで構成される。第２コイルグループ２０４は、Ｙ軸に沿って水平に配置される３つの第２コイル２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃで構成される。第３コイルグループ２０５は、Ｙ軸に沿って水平に配置される３つの第３コイル２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃで構成される。第４コイルグループ２０６は、Ｙ軸に沿って水平に配置される３つの第４コイル２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃで構成される。第１コイル２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃは傾けられ、それらの傾けられた辺は、第１ハルバッハ磁石アレイ２０１ａの傾けられた辺と平行である。第２、第３、第４コイルグループ２０４、２０５、２０６のそれぞれは、第１コイルグループ２０３と同じように構成される。第１コイルグループ２０３及び第２コイルグループ２０４はＹ軸に沿って順に配置され、第１コイルグループ２０３及び第２コイルグループ２０４のＹ軸に沿った中心線は、同じ水平線に位置合わせされる。

本発明に係る６自由度を有するリニアモータでは、磁石アレイ２０１は、コイルグループと協働して作動力を生成する。そのメカニズムは、各コイルグループについて、電流ｉａ’、ｉｂ’、ｉｃ’がそれぞれの３つのコイルに導かれ、永久磁石の磁極ピッチがτ’であり、隣接する２つのコイルのそれぞれの中心の間の距離Ｗが４τ’／３又は５τ’／３であり、例として、４τ’／３を有すると仮定すると、第１コイル２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ及び第３コイル２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃにより生成される、ｙ’軸に沿った磁場の磁束密度Ｂｙａ’、Ｂｙｂ’、Ｂｙｃ’及びＺ軸に沿ったその磁束密度Ｂｚａ’、Ｂｚｂ’、Ｂｚｃ’は以下のように与えられる。

また、第２コイル２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ及び第４コイル２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃにより生成される、ｙ’軸に沿った磁場の磁束密度Ｂｙａ’、Ｂｙｂ’、Ｂｙｃ’及びＺ軸に沿ったその磁束密度Ｂｚａ’、Ｂｚｂ’、Ｂｚｃ’は以下のように与えられる。

ここで、

は、ｙ’軸に沿った磁石アレイ２０１の磁束密度強度を表わし、

は、Ｚ軸に沿った磁石アレイ２０１の磁束密度強度を示し、
ｙ’＝（リニアモータのＹ変位） * sinθ
であり、* は数学の乗算記号であり、Ｄは第１コイルグループ２０３の中心と第２コイルグループ２０４の中心との間のｙ’軸に沿った距離である。

３相モータに関するベクトル制御技術によれば、制御はＤＱ分解により達成され、そこでは、垂直方向及び水平方向の（すなわち、ＸＹ平面における）力は、ｄ軸電流及びｑ軸電流により制御され、第１コイル２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ及び第３コイル２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃについての電流ｉａ’、ｉｂ’、ｉｃ’は、ｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑの関数として以下のように表現され、

第２コイル２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ及び第４コイル２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃについての電流ｉａ’、ｉｂ’、ｉｃ’は、ｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑの関数として以下のように表現される。

これらの数式から、リニアモータにより生成される水平力Ｆｈ及び垂直力Ｆｖは以下のように計算されることができる。

水平力Ｆｈ及び垂直力Ｆｖは、以下の式に従い、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿った力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚに変換されることができる。

図５に示すように、第１コイルグループ２０３は、Ｚ軸に沿った垂直力Ｆｖ１と、ＸＹ平面における水平力Ｆｈ１とを生成し、第２コイルグループ２０４は、Ｚ軸に沿った垂直力Ｆｖ２と、ＸＹ平面における水平力Ｆｈ２とを生成し、第３コイルグループ２０５は、Ｚ軸に沿った垂直力Ｆｖ３と、ＸＹ平面における水平力Ｆｈ３とを生成し、第４コイルグループ２０６は、Ｚ軸に沿った垂直の力Ｆｖ４と、ＸＹ平面における水平な力Ｆｈ４とを生成する。水平力Ｆｈ１、Ｆｈ２のＹ方向成分は、同じ水平線に沿って加えられ、水平力Ｆｈ３、Ｆｈ４のＹ方向成分は、別の同じ水平線に沿って加えられる。力の配分と制御の原理によれば、ＸＹ平面における水平力Ｆｈ１、Ｆｈ２、Ｆｈ３、Ｆｈ４は、リニアモータの、Ｘ軸、Ｙ軸に沿った並進と、Ｚ軸周りのわずかな回転とを可能にする。加えて、垂直力Ｆｖ１、Ｆｖ２、Ｆｖ３、ＦＶ４は、リニアモータの、Ｚ軸に沿ったわずかな並進と、Ｘ軸、Ｙ軸周りのわずかな回転とを可能にする。すなわち、リニアモータは、６自由度を有して、高い位置決め精度で移動することができる。

（実施の形態２）
実施の形態１とは異なり、この実施の形態によれば、第２コイルグループ２０４のＹ軸に沿った中心線は、第１コイルグループ２０３のものからＸ軸に沿って間隔Ｌだけずらされる。Ｙ軸に関して、第３コイルグループ２０５が第１コイルグループ２０３と鏡面対称の関係にあり、第４コイルグループ２０６が第２コイルグループ２０４と鏡面対称の関係にあるので、図６に示すように、第４コイルグループ２０６の中心線と、第３コイルグループ２０５の中心線との間にも、Ｘ軸に沿って間隔Ｌがある。第１コイルグループ２０３は、Ｚ軸に沿った垂直力Ｆｖ１とＸＹ平面における水平力Ｆｈ１とを生成し、第２コイルグループ２０４は、Ｚ軸に沿った垂直力Ｆｖ２とＸＹ平面における水平力Ｆｈ２とを生成し、第３コイルグループ２０５は、Ｚ軸に沿った垂直力Ｆｖ３とＸＹ平面における水平力Ｆｈ３とを生成し、第４コイルグループ２０６は、Ｚ軸に沿った垂直力Ｆｖ４とＸＹ平面における水平力Ｆｈ４とを生成する。水平力Ｆｈ１、Ｆｈ２のＹ軸に沿った成分は、Ｘ軸に沿って間隔Ｌだけ互いにずらされ、また、水平力Ｆｈ３、Ｆｈ３のＹ軸に沿った成分も、Ｘ軸に沿って間隔Ｌだけ互いにずらされる。力の配分及び制御の原理によれば、ＸＹ平面内部の水平力Ｆｈ１、Ｆｈ２、Ｆｈ３、Ｆｈ４は、リニアモータの、Ｘ軸及びＹ軸に沿った並進と、Ｚ軸周りのわずかな回転とを可能にする。加えて、垂直力Ｆｖ１、Ｆｖ２、Ｆｖ３、ＦＶ４は、リニアモータの、Ｚ軸に沿ったわずかな並進と、Ｘ軸、Ｙ軸周りのわずかな回転とを可能にする。すなわち、リニアモータは、６自由度を有して移動することができる。

コイルグループの上記配置は、この実施の形態に係る６自由度を有するリニアモータのＹ方向の冗長作動（redundant actuation）を可能にする。ここで用いられているように、用語「冗長作動」は、６自由度が、移動中の振動を削減し、制御帯域幅（control bandwidth）を改善し、リニアモータの性能を高めるために同じ帯域幅においてリニアモータのより小さな質量を可能にするために必要なものに対して追加の作動装置（actuator）を用いることを言及する。

本発明のいくつかの実施の形態が、ここに上で説明されてきたけれども、それらは、単に例示的であることが予定され、本発明の範囲を限定することは予定されていない。本発明の趣旨から離れることなくなされた全ての省略、置換、変更は、全て本発明の範囲の中に含まれる。

１０１ ハルバッハ磁石アレイ
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ ３相コイル
２０１ 磁石アレイ
２０１ａ 第１ハルバッハ磁石アレイ
２０１１ａ ハルバッハ部
２０１ｂ 第２ハルバッハ磁石アレイ
２０１２ Ｓ磁石
２０１３ Ｎ磁石
２０１４ Ｈ磁石
２０２ 筐体
２０３ 第１コイルグループ
２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ 第１コイル
２０４ 第２コイルグループ
２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ 第２コイル
２０５ 第３コイルグループ
２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ 第３コイル
２０６ 第４コイルグループ
２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ 第４コイル
θ 角度
Ｌ 間隔

Claims (8)

1. ６自由度を有するリニアモータであって、
   磁石アレイと、磁石アレイ上に配置されたコイルグループとを備え、
   磁石アレイは、第１ハルバッハ磁石アレイと、第２ハルバッハ磁石アレイとを含み、
   第１ハルバッハ磁石アレイは、Ｘ軸及びＹ軸により定義される平面において、平行四辺形の断面を有し、
   第１ハルバッハ磁石アレイは、Ｙ軸に平行な第１辺と、Ｙ軸と角度θを形成する第２辺とを有し、
   第２ハルバッハ磁石アレイは、Ｙ軸に関して、第１ハルバッハ磁石アレイと鏡面対称の関係にあり、
   コイルグループは、Ｙ軸に対して角度θで傾けられた軸をそれぞれ有する第１コイルグループ、第２コイルグループ、第３コイルグループ、第４コイルグループを含み、
   第１コイルグループは、Ｙ軸に関して、第３コイルグループと鏡面対称の関係にあり、
   第２コイルグループは、Ｙ軸に関して、第４コイルグループと鏡面対称の関係にあり、
   角度θは０度よりも大きく、９０度よりも小さい、
   リニアモータ。
2. 第１ハルバッハ磁石アレイは、Ｙ軸に沿って順に組み合わされた４つの永久磁石でそれぞれ構成されて前記平面において平行四辺形の断面をそれぞれ有する複数のハルバッハ部を備える、
   請求項１記載の６自由度を有するリニアモータ。
3. ４つの永久磁石は、Ｙ軸に沿って次の順番で順に配置されるＳ磁石、Ｈ磁石、Ｎ磁石、別のＨ磁石を含み、Ｓ磁石は前記平面に垂直なＺ軸に沿って磁化され、Ｎ磁石はＺ軸に沿ってＳ磁石とは逆向きに磁化され、Ｈ磁石は前記平面においてＮ磁石の方に向けて磁化される、
   請求項２記載の６自由度を有するリニアモータ。
4. ハルバッハ部の数が６である、
   請求項３記載の６自由度を有するリニアモータ。
5. 第１コイルグループは、Ｙ軸に沿って水平に配置された３つのコイルで構成され、第２、第３、第４コイルグループは、それぞれ第１コイルグループと同じ構成を有し、第１コイルグループ及び第２コイルグループは、Ｙ軸に沿って順に配置される、
   請求項１記載の６自由度を有するリニアモータ。
6. 第１コイルグループ及び第２コイルグループのＹ軸に沿った中心線は、同じ水平線と位置合わせされる、
   請求項５記載の６自由度を有するリニアモータ。
7. 第１コイルグループ及び第２コイルグループのＹ軸に沿った中心線は、Ｘ軸に沿って、間隔により互いにずらされる
   請求項５記載の６自由度を有するリニアモータ。
8. コイルグループは筐体に収納される、
   請求項１記載の６自由度を有するリニアモータ。