KR100977466B1 - 원통형 자기부상 스테이지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 칩의 소형화와 대용량화 추세로 인한 회로 패턴의 미세화로 고정밀도의 노광장치가 요구됨에 따라 종래의 평면형 스테이지를 대신하여 대면적의 반도체 기판이나 디스플레이 패널의 기판상에 다양한 임의 형상의 미세 크기의 패턴을 생성하기 위하여 원통형 기판을 사용하는 경우에 있어서, 원통형 기판과 상기 원통형 기판에 결합된 제1영구자석 배열과 제1코일 배열의 조합 그리고 제2영구자석 배열과 제2코일 배열의 조합을 포함하도록 구성하여 상기 코일 배열들에 전류를 인가함에 따라 발생한 자기장이 대응하는 상기 영구자석 배열들의 자기장과의 상호작용에 의하여 발생하는 자기력을 제어하여 미세하게 상기 원통형 기판의 부상과 이송 그리고 회전을 가능하도록 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
또한, 상기 코일 배열에 열이 발생하는 것을 해소하기 위하여 상기 코일 배열이 조립된 고정자에 냉각핀으로 접촉하고, 상기 고정자의 내부에 형성된 냉각관로를 포함하는 냉매 순환 루프를 포함하는 원통형 자기부상 스테이지용 냉각장치를 제공한다.
원통형 기판, 자기부상, 자기부상 스테이지, 노광 장치

Description

원통형 자기부상 스테이지{Cylindrical Magnetic Levitation Stage}
원통형 자기부상 스테이지(Cylindrical Magnetic Levitation Stage)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대면적의 반도체 기판이나 디스플레이 패널의 기판상에 다양한 임의 형상의 미세 크기의 패턴을 생성하기 위하여 원통형 기판을 사용하는 경우에 있어서, 상기 원통형 기판의 표면상에 미세 패턴을 생성하도록 노광장치 및 노광작업에 적용될 수 있는 자기부상 원리를 응용한 비접촉 방식을 통하여 상기 원통형 기판의 축방향 이송 및 축에 대한 회전을 미세하게 제어할 수 있는 원통형 자기부상 스테이지에 관한 것이다.
반도체 소자, LCD(Liquid Crystal Display) 패널 등 장치의 제조공정 중 하나인 리소그래피 공정에 있어서는, 기판으로서의 포토 레지스트가 도포된 웨이퍼 또는 글래스 플레이트 위에 전사하기 위하여 노광 장치가 사용되고 있다.
웨이퍼 상에 만들려고 하는 회로패턴을 지니고 있는 마스크를 통해 빛을 통과시켜 그 형태를 마스크로부터 감광제로 옮기는 작업, 즉 광원을 이용해 원하는 부분에 미세 패턴을 형성시키는 기술을 광 미세 가공기술(Photolithography)이라 하고 이러한 공정을 수행하는 것을 노광 장치라 한다.
종래에는 노광 기판이 웨이퍼 또는 글래스 플레이트와 같은 평판형으로 이루어져 있었으므로, 대면적의 노광작업을 수행하기 위해서는 웨이퍼 또는 글래스 플레이트의 크기에 대응되는 평면형 스테이지가 이용되었다. 그러나, 최근 반도체 칩의 소형화와 대용량화 추세로 인한 회로 패턴의 미세화로 고정밀도의 노광장치가 요구됨에 따라 종래의 평면형 스테이지로 대응하는 데 한계가 존재하였다.
특히, 노광 작업이 진공 환경에서 이루어져야 하는 경우, 웨이퍼 또는 글래스 플레이트의 이송용 스테이지도 진공환경에 적용될 수 있어야 하나, 진공용 스테이지의 경우 대부분 접촉식 기계 베어링을 사용하므로, 마찰로 인해 고정밀화에 한계가 따르며, 진공환경에서 적용 가능한 비접촉식 공기부상 베어링이라 할지라도 저진공 환경에서만 적용 가능한 문제점이 존재하였다.
이에 본 발명에서는 종래의 평면형 스테이지의 경우에 웨이퍼 또는 글래스 크기에 대응되어 대형화에 한계가 있으므로, 대형화가 가능하도록 기판의 형상을 원통형으로 전환하고, 상기 원통형 기판의 표면상에 미세 패턴 생성을 위한 고정밀 제어를 수행하기 위하여 비접촉식 자기부상 원리를 적용한 원통형 자기부상 스테이지를 통하여 대형화 및 고정밀화는 물론 진공환경에서도 사용이 가능한 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다음과 같은 구성을 제공한다.
본 발명은 원통형 기판과 상기 원통형 기판의 양단에 연결된 제1원통형 기판 홀더와 제2원통형 기판 홀더와 각각 제1영구자석 배열과 제2영구자석 배열을 부착한 제1가동자와 제2가동자가 포함되고, 상기 제1가동자와 상기 제1원통형 기판 홀더가 연동하고, 상기 제2가동자와 제2원통형 기판 홀더가 연동하도록 각각을 연결하는 제1결합부와 제2결합부와 상기 제1영구자석 배열과 제2영구자석 배열의 하부에 각각 제1코일 배열과 제2코일 배열이 배치된 제1고정자와 제2고정자를 포함하여 이루어지는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
또한, 상기 제1원통형 기판 홀더와 상기 제2원통형 기판 홀더는 상기 원통형 기판의 양측으로 결합되고 분리될 수 있으며, 상기 제1영구자석 배열과 상기 제2영 구자석 배열은 각각 제1가동자와 제2가동자의 원통형 표면을 따라 부착되는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
본 발명은 상기 제1영구자석 배열과 제2영구자석 배열에 임의의 외력이 인가되면, 이 외력이 제1가동자와 제2가동자에 각각 전달되고, 제1가동자와 제2가동자에 전달된 외력이 각각 제1결합부와 제2결합부로 전달되고, 이 전달된 외력은 다시 제1원통형 기판 홀더와 제2원통형 기판 홀더를 거쳐 상기 원통형 기판에 전달되어, 상기 원통형 기판의 미세 이송 및 회전을 시킬 수 있으며, 이를 위하여 상기 제1코일 배열과 상기 제2코일 배열에 각각 전류를 인가하여, 상기 제1코일 배열과 상기 제2코일 배열의 표면으로부터 각각 자기장이 발생하고, 상기 발생한 자기장과 제1영구자석 배열과 제2영구자석 배열 각각의 자기장이 상호작용에 의하여 자기력이 발생되고, 상기 발생하는 자기력을 제어하여 제1영구자석 배열과 제2영구자석 배열에 외력을 인가하도록 하는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
따라서, 상기 발생하는 자기력을 제어함에 따라 상기 제1영구자석 배열과 상기 제2영구자석 배열이 비접촉식으로 부상하며, 상기 제1영구자석 배열과 상기 제2영구자석 배열을 미세 이송 및 회전을 시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
상기 제1영구자석 배열과 상기 제1코일 배열 각각의 자기장의 상호작용에 의하여 발생되는 자기력을 통하여, 수직방향으로의 부상력과 원통 회전 방향으로의 회전력을 발생시키며, 상기 제2영구자석 배열과 상기 제2코일 배열 각각의 자기장 의 상호작용에 의하여 발생되는 자기력을 통하여, 수직방향으로의 부상력과 원통 축방향으로의 이송력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
따라서, 상기 제1영구자석 배열과 상기 제2영구자석 배열 각각의 자기장과 상기 제1코일 배열과 상기 제2코일 배열 각각의 자기장의 상호작용에 의하여, 상호간에 수직방향으로의 부상력과, 원통 회전 방향으로의 회전력과, 원통 축방향으로의 이송력을 발생시키고, 상기 제1영구자석 배열과 상기 제2영구자석 배열과 상기 제1코일 배열과 상기 제2코일 배열 각각의 상호간에 발생된 부상력과 회전력과 이송력을 이용하여, 상기 원통형 기판을 비접촉 방식으로 미세 부상과 회전과 이송을 할 수 있는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
상기 제1영구자석 배열은 4종류의 자화방향을 갖는 각각의 막대형 영구자석조각A, 영구자석조각B, 영구자석조각C, 영구자석조각D를 할바흐 배열(Halbach Array)로 원통 모양을 형성하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
또한, 원통 모양으로 형성된 제1영구자석 배열은 상기 제1가동자의 원통형 표면에 따라 부착되며, 상기 제1코일 배열은 자기장 발생면이 평면형인 제1코일 조각을 반원통 모양으로 배치하여 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
따라서, 상기 제1영구자석 배열과 상기 제1코일 배열 각각으로부터 발생되는 자기장의 상호 작용에 의하여, 수직방향으로의 부상력과 원통 회전 방향으로의 회 전력을 발생시키고, 상기 발생된 회전력을 이용하여 상기 원통형 기판을 미세 부상 및 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
상기 제1영구자석 배열은 4종류의 자화방향을 갖는 각각의 반원형 영구자석조각E, 영구자석조각F, 영구자석조각G, 영구자석조각H를 할바흐 배열(Halbach Array)로 원통 모양을 형성하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
또한, 원통 모양으로 형성된 제2영구자석 배열은 상기 제2가동자의 원통형 표면에 따라 부착되며, 상기 제2코일 배열은 자기장 발생면이 반원형으로 오목한 제2코일 조각을 반원통 모양으로 배치하여 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
따라서, 상기 제2영구자석 배열과 상기 제2코일 배열 각각으로부터 발생되는 자기장의 상호 작용에 의하여, 수직방향으로의 부상력과 원통 축방향으로의 이송력을 발생시키고, 상기 발생된 이송력을 이용하여 상기 원통형 기판을 미세 부상 및 이송할 수 있는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
더불어, 제1영구자석 배열과 제2영구자석 배열을 형성하는 영구자석조각A, 영구자석조각B, 영구자석조각C, 영구자석조각D, 영구자석조각E, 영구자석조각F, 영구자석조각G, 영구자석조각H를 2차원 할바흐 배열(2-Dimensional Halbach Array)로 원통 모양으로 혼합 조립하여 상기 제1영구자석 배열과 상기 제2영구자석 배열이 동일한 구조를 갖도록 구성하는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
이 때, 상기 제1영구자석 배열은 상기 제1가동자의 원통형 표면에 부착되고, 상기 제2영구자석 배열은 상기 제2가동자의 원통형 표면에 부착되며, 상기 제1코일 배열과 상기 제2코일 배열은 제1코일조각 6개를 한 조로 하고 제2코일조각 6개를 한 조로 한 다음, 각 조의 코일조각을 반원통 모양을 띄도록 2차원으로 혼합 배치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
또한, 상기 제1영구자석 배열과 상기 제1코일 배열의 각각의 자기장으로 발생되는 자기력은 수직방향으로의 부상력과 원통 축방향으로의 이송력과 원통 회전방향으로의 회전력을 동시에 발생시킬 수 있으며, 상기 제2영구자석 배열과 상기 제2코일 배열의 각각의 자기장으로 발생되는 자기력은 수직방향으로의 부상력과 원통 축방향으로의 이송력과 원통 회전방향으로의 회전력을 동시에 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
그리고, 본 발명은 원통형 냉각장치에 있어서, 제1고정자와; 상기 제1고정자에 열교환을 위한 냉각핀이; 형성되고, 상기 제1고정자 내부에 형성된 냉각 관로와 냉매인입관과 냉매배출관을 포함하는 냉매 순환 루프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지용 냉각장치를 제공한다.
또한, 원통형 냉각장치에 있어서, 제2고정자와; 상기 제2고정자에 열교환을 위한 냉각핀이; 형성되고, 상기 제2고정자 내부에 형성된 냉각 관로와 냉매인입관과 냉매배출관을 포함하는 냉매 순환 루프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지용 냉각장치를 제공한다.
이 때, 상기 제1고정자 또는 상기 제2고정자에 다수의 냉각핀이 일정 간격으 로 배치되어 있으며, 상기 냉각핀 사이에는 제1코일 배열 또는 제2코일 배열이 삽입되어 결합되고, 상기 제1코일 배열 또는 상기 제2코일 배열의 측면이 상기 냉각핀의 측면과 접촉될 수 있도록 접착하며, 상기 제1코일 배열 또는 상기 제2코일 배열에 전류를 인가하면 전류의 세기에 따라 상기 제1코일 배열 또는 상기 제2코일 배열에서 열이 발생하며, 상기 발생된 열은 냉각핀을 통해 제1고정자 또는 제2고정자로 전도되는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지용 냉각장치를 제공한다.
따라서, 상기 제1고정자 또는 상기 제2고정자의 내부에 형성된 냉각관로를 통하여 냉매가 흐름에 따라 제1고정자로 전도된 열을 방열함에 따라 제1고정자 또는 제2고정자의 온도상승과 제1코일 배열 또는 제2코일 배열의 온도상승을 억제하는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지용 냉각장치를 제공한다.
또한, 상기 제1고정자 또는 상기 제2고정자의 움직임이 발생하였을 경우, 상기 냉매인입관 및 상기 냉매배출관과 상기 제1고정자 또는 상기 제2고정자 사이의 직각도 및 평행도를 유지하기 위해, 상기 냉매 순환 루프에서 고정형 꺽임관을 제1고정자에 결합하여 상기 냉매인입관 및 상기 냉매배출관을 고정하는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지용 냉각장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 원통형 자기부상 스테이지는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 종래의 평면형 기판 대신 원통형 기판을 사용하므로, 향후 대면적 초정밀 롤투롤(roll to roll)의 양산공정 대응이 용이하여 대형화에 기여할 수 있다.
둘째, 비접촉 방식인 자기부상 원리를 이용하여, 원통형 기판을 미세하게 이송 및 회전 제어할 수 있으므로, 원통형 기판상에 미세 패턴을 생성하기가 용이하여 고정밀 제어를 통한 장치의 고집적화가 가능하다.
셋째, 자기 부상 원리를 이용하므로, 진공환경에서도 원통형 기판을 미세하게 이송 및 회전 제어가 가능한 효과가 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 대면적의 반도체 기판이나 디스플레이 패널의 기판상에 다양한 임의 형상의 미세 크기의 패턴을 생성하기 위하여 원통형 기판을 사용하는 경우에 있어서, 원통형 기판과 상기 원통형 기판에 결합된 제1영구자석 배열과 제1코일 배열의 조합 그리고 제2영구자석 배열과 제2코일 배열의 조합을 포함하도록 구성하여 상기 코일 배열들에 전류를 인가함에 따라 발생한 자기장이 대응하는 상기 영구자석 배열들의 자기장과의 상호작용에 의하여 발생하는 자기력을 제어하여 미세하게 상기 원통형 기판의 부상과 이송 그리고 회전을 가능하도록 하는 원통형 자기부상 스테이지를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 구현예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 바람직한 일 구현예로서, 도 1은 본 발명의 원통형 자기부상 스테 이지의 전체 구성에 대한 사시도를 도시하고 있다. 도 1에 도시된 것처럼, 본 발명의 원통형 자기부상 스테이지(1)는 원통형 기판(10)과, 상기 원통형 기판(10)에 연결된 제1원통형 기판 홀더(11)와 제2원통형 기판 홀더(12), 제1가동자(23)와 제2가동자(33)에 각각 결합되어 장착된 제1영구자석 배열(21)과 제2영구자석 배열(31), 그리고 상기 가동자들과 상기 원통형 기판 홀더들을 연결하는 제1결합부(13)와 제2결합부(14)를 포함하고, 상기 제1영구자석 배열(21)과 제2영구자석 배열(31)에 외력을 인가할 수 있도록 그 하부에 각각 제1코일 배열(22)과 제2코일 배열(32)이 배치된 제1고정자(41)와 제2고정자(51)를 포함하도록 구성된다. 또한, 상기 고정자에는 냉각수가 통과할 수 있는 냉각 관로(25)를 형성하여 상기 코일에 전류가 흐름으로써 발생하는 열에너지를 흡수할 수 있는 냉각장치를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 원통형 자기부상 스테이지의 전체 구성의 사시도에 대한 전개도로서, 각 구성 간의 결합관계를 도시하고 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 상기 원통형 자기부상 스테이지(1)는 노광 작업을 수행하기 위한 원통형 기판(10)이 상기 원통형 기판을 고정하여 장착해주는 한 쌍의 원통형 기판 홀더(제1원통형 기판 홀더, 제2원통형 기판 홀더: 11, 12)와 착탈이 가능하도록 결합된다. 그리고, 상기 원통형 기판과 동일한 축방향으로 한 쌍의 가동자(제1가동자, 제2가동자: 23, 33)가 배치되고, 상기 한 쌍의 가동자들의 원통형 표면에 각각 자기장을 형성하도록 한 쌍의 영구자석 배열을 부착한다. 상기 한 쌍의 원통형 기판 홀더와 상기 한 쌍의 가동자들은 각각 제1결합부(13)와 제2결합부(14)로 결합되어 상기 한 쌍의 영구자석 배열에 인가된 외력을 상기 원통형 기 판(10)으로 전달하여 상기 원통형 기판이 미세하게 이송 및 회전 가능하도록 구성한다.
상기 원통형 기판(10)의 미세한 이송 및 회전이 가능하도록 제1영구자석 배열(21)과 제2영구자석 배열(31)에 외력을 인가하기 위해서는, 도2에 도시된 것처럼, 상기 제1영구자석 배열(21)과 제2영구자석 배열(31)의 하부에 상기 원통형 기판 등이 결합한 구성을 지지하도록 고정됨은 물론 제1코일배열과 제2코일배열을 포함하도록 구성된 제1고정자(41)와 제2고정자(51)를 배치한다. 상기 제1코일배열(22)과 제2코일 배열(32)에 각각 전류를 인가하는 경우, 상기 제1코일 배열(22)과 제2코일 배열(32)의 표면으로부터 각각 자기장이 발생되고, 이러한 자기장이 상기 제1영구자석 배열(21)과 상기 제2영구자석 배열(31) 각각의 자기장과 상호작용에 의하여 자기력이 발생한다. 이 때, 발생된 자기력을 적절히 제어하면 제1영구자석 배열(21)과 제2영구자석 배열(31)을 부상시켜 비접촉 상태로 유지할 수 있게 된다. 또한, 상기 발생된 자기력을 정밀하게 제어하는 경우, 상기 제1영구자석 배열(21)과 제2영구자석 배열(31)을 미세하게 이송 및 회전시킬 수 있게 된다.
도 1과 도 2에 도시된 상기 원통형 자기부상 스테이지(1)에서 발생되는 자기력은 제1영구자석 배열(21)과 제1코일 배열(22)의 각각의 자기장으로 발생되는 자기력의 경우 수직방향으로의 부상력과 상기 원통형 기판의 축에 대한 회전방향으로의 회전력을 발생시킨다. 또한, 제2영구자석 배열(31)과 제2코일 배열(32)의 각각의 자기장으로 발생되는 자기력의 경우 수직방향으로의 부상력과 상기 원통형 기판의 축방향으로의 이송력을 발생시킨다. 따라서, 상기 제1영구자석 배열(21)과 상기 제2영구자석 배열(31)의 각각의 자기장과 상기 제1코일 배열(22)과 상기 제2코일 배열(32)의 각각의 상호작용에 의하여, 상기 원통형 기판에 수직방향으로 부상력을 제공하고, 상기 원통형 기판의 축에 대한 회전방향으로의 회전력과 상기 원통형 기판의 축방향으로의 이송력을 제공하여, 상기 원통형 기판을 미세하게 이송 및 회전할 수 있도록 구성된다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 본 발명에 의한 원통형 기판(10)의 부상과 이송을 담당하는 제1자기부상부(20)의 제1영구자석 배열(21)과 제1코일 배열(22) 구성의 사시도와 측면도, 그리고 정면도를 도시하고 있다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 것처럼, 상기 제1자기부상부(20)는 제1영구자석 배열(21)과 제1코일 배열(22)을 포함하여 구성된다. 상기 제1영구자석 배열(21)은 4종류의 자화방향을 갖는 각각의 막대형 영구자석조각(영구자석조각A, 영구자석조각B, 영구자석조각C, 영구자석조각D: 21-a, 21-b, 21-c, 21-d)이 할바흐 배열(Halbach Array)을 이루며 원통 모양을 형성하도록 배치되고, 상기 제1영구자석 배열(21)은 도 2에서와 같이 상기 제1가동자(23)에 결합된다. 그리고, 상기 자기장 발생면이 평면형이 되도록 코일을 감은 제1코일 조각을 도 3a 내지 도 3c에 도시된 것과 같이 반원통 모양으로 배치하여 제1코일 배열(22)을 구성하며, 도 2에 도시된 것처럼 제1고정자(41)와 함께 조립된다. 상기 제1고정자(41)에는 상기 제1코일 조각을 삽입할 수 있는 홈을 형성하여 상기 제1코일 조각이 삽입 고정되도록 한다. 따라서, 상기 제1코일 배열(22)에 전류를 인가하는 경우 자기장이 발생하게 되고 상기 제1코일 배열(22)에 의하여 발생된 자기장과 상기 제1영구자석 배열(21)의 자 기장의 상호작용에 의하여, 수직방향으로는 부상력을, 원통 축방향으로는 회전력을 발생시킨다. 이러한 부상력과 회전력을 이용하여 상기 원통형 기판을 미세하게 부상 및 회전할 수 있게 된다. 바람직하게는, 상기 제1영구자석 배열의 축방향 길이와 상기 원통형 기판의 노광 작업 거리를 고려하여, 상기 제1코일 배열(22)을 포함하는 상기 제1고정자(41)의 길이를 충분히 길게 하여 상기 제1영구자석 배열의 축방향 이송에 대응하도록 구성한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 의한 원통형 기판(10)의 부상과 회전을 담당하는 제2자기부상부(30)의 제2영구자석 배열(31)과 제2코일 배열(32) 구성의 사시도와 측면도, 그리고 정면도를 도시하고 있다.
도 4a 내지 도 4c에 도시된 것과 같이, 상기 제2자기부상부(30)는 제2영구자석 배열(31)과 제2코일 배열(32)을 포함하여 구성된다. 상기 제2영구자석 배열(31)은 4종류의 자화방향을 갖는 각각의 반원형 영구자석조각(영구자석조각E, 영구자석조각F, 영구자석조각G, 영구자석조각H: 31-a, 31-b, 31-c, 31-d)이 할바흐 배열(Halbach Array)을 이루며 원통 모양을 형성하도록 배치되고, 상기 제2영구자석 배열(31)은 도 2에서와 같이 상기 제2가동자(33)에 결합된다. 그리고, 상기 자기장 발생면이 반원형으로 오목한 제2코일 조각을 도 4a 내지 도 4c에 도시된 것과 같이 반원통 모양으로 배치하여 제2코일 배열(32)을 구성하며, 도 2에 도시된 것처럼 제2고정자(51)와 함께 조립된다. 상기 제2고정자(51)에는 상기 제2코일 조각을 삽입할 수 있는 홈을 형성하여 상기 제2코일 조각이 삽입 고정되도록 한다. 따라서, 상기 제2코일 배열(32)에 전류를 인가하는 경우 자기장이 발생하게 되고 상기 제2코 일 배열(32)에 의하여 발생된 자기장과 상기 제2영구자석 배열(31)의 자기장의 상호작용에 의하여, 수직방향으로는 부상력을, 원통 축방향으로는 이송력을 발생시킨다. 이러한 부상력과 이송력을 이용하여 상기 원통형 기판을 미세하게 부상 및 이송할 수 있게 된다. 바람직하게는, 상기 제2영구자석 배열의 축방향 길이와 상기 원통형 기판의 노광 작업 거리를 고려하여, 상기 제2코일 배열(32)을 포함하는 상기 제2고정자(51)의 길이를 충분히 길게 하여 상기 제1영구자석 배열의 축방향 이송에 따른 상기 제2영구자석의 축방향 이송에 대응하도록 구성한다.
본 발명의 원통형 자기부상 스테이지에서 상기 원통형 기판(10)을 부상, 이송, 회전시키기 위하여 상기 자기부상부를 구성하는 다른 일 구현예로서, 상기 영구자석 배열을 2차원 할바흐 배열로 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 영구자석 배열들, 즉, 영구자석 배열A, 영구자석조각B, 영구자석조각C, 영구자석조각D, 영구자석조각E, 영구자석조각F, 영구자석조각G, 영구자석조각H가 2차원 할바흐 배열(2-Dimensional Halbach Array)을 이루며 원통 모양을 형성하도록 혼합 조립되어, 상기 제1영구자석 배열(21)과 상기 제2영구자석 배열(31)을 동일한 구조로 구성할 수 있다. 그리고, 상기 제1코일 조각의 6개를 한 조로 하고 상기 제2코일 조각의 6개를 다른 한 조로 하여, 상기 각 조의 코일조각들을 2차원의 전·후·좌·우 방향으로 혼합 배치하여 반원통 모양을 형성하도록 구성하여, 각각의 제1코일 배열(22)과 제2코일 배열(32)을 동일한 구조로 구성할 수 있다. 이 때, 각각의 영구자석 배열들은 대응하는 가동자에 결합하여 조립되고, 각각의 코일 배열들은 대응하는 고정자에 결합하여 조립되도록 구성한다.
2차원 할바흐 배열을 구성하도록 배치된 상기 영구자석 배열과 대응하는 상기 코일 배열을 포함하는 자기부상부는 제1영구자석 배열(21)과 제1코일 배열(22) 각각의 자기장으로 인하여 발생되는 자기력은 수직방향으로의 부상력과 원통 축방향으로의 이송력, 그리고, 원통 회전 방향으로의 회전력을 동시에 발생시킬 수 있고, 또한, 상기 제2영구자석 배열(31)과 제2코일 배열(32) 각각의 자기장으로 인하여 발생되는 자기력으로도 상술한 부상력, 이송력, 회전력을 동시에 발생시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 원통형 자기부상 스테이지에서 고정자의 냉각을 위한 냉각장치의 사시도를 도시하고 있다.
도 5에 도시된 것과 같이 본 발명의 원통형 자기부상 스테이지는 냉매를 순환하여 고정자(41, 51)를 냉각하기 위한 것으로서, 고정자를 포함하여 냉각핀(42), 접속관(43), 직각 꺽임관(44), 신축이음관(45, 47), T자형 관(46), 고정형 꺽임관(48), 냉매 인입관(49), 냉매 배출관(50)으로 이루어진다. 도 5에 도시된 것처럼, 제1고정자(41)에 다수의 냉각핀(42)이 일정한 간격으로 형성되어 있으며, 상기 냉각핀들 사이에는 도 2에 도시된 것처럼, 제1코일 배열(22)이 삽입되어 결합된다. 바람직하게는, 상기 제1코일 배열(22)의 측면이 상기 냉각핀의 측면과 완전히 접촉이 되어 충분한 열교환이 발생할 수 있도록 구성한다.
상기 제1코일 배열(22)에 전류를 인가하면, 전류의 세기에 따라 상기 제1코일 배열(22)에 열이 발생하며, 이렇게 발생한 열은 냉각핀(42)을 통해, 제1고정자(41)로 전도된다. 도 5에 도시된 상기 냉매 인입관(49)과 냉매 배출관(50) 등을 포함한 냉각관들은 도 1 또는 도 2에 도시된 상기 제1고정자(41)에 형성된 냉각 관로(25)와 함께 하나의 냉매 순환 루프를 형성하여, 상기 제1고정자(41)로 전도된 열을 흡수/방출하면서 순환한다. 따라서, 이러한 열교환에 의하여 상기 제1고정자(41)의 온도 상승을 억제함은 물론 냉각핀에 의하여 접촉되어 있는 제1코일 배열(22)의 온도 상승도 억제하게 된다.
따라서, 상기 냉매 인입관을 통해 인입된 냉매는 냉매 관로를 통하여 상기 제1고정자(41)와 열교환을 수행하고, 다시 냉매 배출관을 통하여 배출된다.
또한, 본 발명의 원통형 자기부상 스테이지는 자동화 작업을 구현하기 위하여, 상기 제1고정자(41)가 움직이도록 구성될 수 있으며, 이러한 제1고정자(41)의 움직임 발생시 진공 리크(leak) 발생에 따른 공기 인입을 방지하고 작업 환경의 진공 유지를 달성하도록 상기 냉각 장치의 제1고정자(41)와 냉매 인입관 및 냉매 배출관 사이의 직각도 및 평행도를 유지하기 위하여 고정형 꺽임관(48)이 설치되도록 한다.
본 발명의 원통형 자기부상 스테이지의 제2고정자(51)에 대하여도 상술한 냉매순환 루프와 동일한 구조의 냉매 순환 루프를 구성하는 냉각 장치를 구현하여 상기 제2고정자(51) 및 제2코일 배열(32)에 발생하는 열을 흡수/방출하도록 구성할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
도 1은 본 발명의 원통형 자기부상 스테이지의 사시도.
도 2는 본 발명의 원통형 자기부상 스테이지의 전체 구성의 전개도.
도 3a는 본 발명에 의한 원통형 기판의 부상과 이송을 담당하는 제1자기부상부의 제1영구자석 배열과 제1코일 배열 구성의 사시도.
도 3b는 본 발명에 의한 원통형 기판의 부상과 이송을 담당하는 제1자기부상부의 제1영구자석 배열과 제1코일 배열 구성의 측면도.
도 3c는 본 발명에 의한 원통형 기판의 부상과 이송을 담당하는 제1자기부상부의 제1영구자석 배열과 제1코일 배열 구성의 정면도.
도 4a는 본 발명에 의한 원통형 기판의 부상과 회전을 담당하는 제2자기부상부의 제2영구자석 배열과 제2코일 배열 구성의 사시도.
도 4b는 본 발명에 의한 원통형 기판의 부상과 회전을 담당하는 제2자기부상부의 제2영구자석 배열과 제2코일 배열 구성의 측면도.
도 4c는 본 발명에 의한 원통형 기판의 부상과 회전을 담당하는 제2자기부상부의 제2영구자석 배열과 제2코일 배열 구성의 정면도.
도 5는 본 발명에 의한 원통형 자기부상 스테이지의 냉각장치의 사시도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10: 원통형 기판 25: 냉각관로
11: 제1원통형 기판 홀더 31: 제2영구자석 배열
12: 제2원통형 기판 홀더 31-a: 영구자석배열E
13: 제1결합부 31-b: 영구자석배열F
14: 제2결합부 31-c: 영구자석배열G
21: 제1영구자석 배열 31-d: 영구자석배열H
21-a: 영구자석배열A 32: 제2코일 배열
21-b: 영구자석배열B 33: 제2가동자
21-c: 영구자석배열C 41: 제1고정자
21-d: 영구자석배열D 51: 제2고정자
22: 제1코일 배열
23: 제1가동자

Claims (29)

  1. 원통형 기판;과 상기 원통형 기판의 양단에 연결된 제1원통형 기판 홀더와 제2원통형 기판 홀더;와 각각 제1영구자석 배열과 제1영구자석 배열을 부착한 제1가동자와 제2가동자;가 포함되고, 상기 제1가동자와 상기 제1원통형 기판 홀더가 연동하고, 상기 제2가동자와 제2원통형 기판 홀더가 연동하도록 각각을 연결하는 제1결합부와 제2결합부;와 상기 제1영구자석 배열과 제2영구자석 배열의 하부에 각각 제1코일 배열과 제2코일 배열이 배치된 제1고정자와 제2고정자를 포함하여 이루어지는 원통형 자기부상 스테이지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1원통형 기판 홀더와 상기 제2원통형 기판 홀더는 상기 원통형 기판의 양측으로 결합되고 분리될 수 있는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1영구자석 배열과 상기 제2영구자석 배열은 각각 제1가동자와 제2가동자의 원통형 표면을 따라 부착되는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1영구자석 배열과 제2영구자석 배열에 임의의 외력이 인가되면, 이 외력이 제1가동자와 제2가동자에 각각 전달되고, 제1가동자와 제2가동자에 전달된 외력이 각각 제1결합부와 제2결합부로 전달되고, 이 전달된 외력은 다시 제1원통형 기판 홀더와 제2원통형 기판 홀더를 거쳐 상기 원통형 기판에 전달되어, 상기 원통형 기판의 미세 이송 및 회전을 시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제1코일 배열과 상기 제2코일 배열에 각각 전류를 인가하여, 상기 제1코일 배열과 상기 제2코일 배열의 표면으로부터 각각 자기장이 발생하고, 상기 발생한 자기장과 제1영구자석 배열과 제2영구자석 배열 각각의 자기장이 상호작용에 의하여 자기력이 발생되고, 상기 발생하는 자기력을 제어하여 제1영구자석 배열과 제2영구자석 배열에 외력을 인가하도록 하는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 발생하는 자기력을 제어함에 따라 상기 제1영구자석 배열과 상기 제2영구자석 배열이 비접촉식으로 부상하며, 상기 제1영구자석 배열과 상기 제2영구자석 배열을 미세 이송 및 회전을 시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 제1영구자석 배열과 상기 제1코일 배열 각각의 자기장의 상호작용에 의하여 발생되는 자기력을 통하여, 수직방향으로의 부상력과 원통 회전 방향으로의 회전력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 제2영구자석 배열과 상기 제2코일 배열 각각의 자기장의 상호작용에 의하여 발생되는 자기력을 통하여, 수직방향으로의 부상력과 원통 축방향으로의 이송력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 제1영구자석 배열과 상기 제2영구자석 배열 각각의 자기장과 상기 제1코일 배열과 상기 제2코일 배열 각각의 자기장의 상호작용에 의하여, 상호간에 수직방향으로의 부상력과, 원통 회전 방향으로의 회전력과, 원통 축방향으로의 이송력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 제1영구자석 배열과 상기 제2영구자석 배열과 상기 제1코일 배열과 상기 제2코일 배열 각각의 상호간에 발생된 부상력과 이송력과 회전력을 이용하여, 상기 원통형 기판을 비접촉 방식으로 미세 부상과 이송과 회전을 할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 제1영구자석 배열은 4종류의 자화방향을 갖는 각각의 막대형 영구자석조각A, 영구자석조각B, 영구자석조각C, 영구자석조각D를 할바흐 배열(Halbach Array)로 원통 모양을 형성하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  12. 청구항 11에 있어서, 원통 모양으로 형성된 상기 제1영구자석 배열은 상기 제1가동자의 원통형 표면에 따라 부착되는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  13. 청구항 1에서, 상기 제1코일 배열은 자기장 발생면이 평면형인 제1코일 조각을 반원통 모양으로 배치하여 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테 이지.
  14. 청구항 1에서, 상기 제1영구자석 배열과 상기 제1코일 배열 각각으로부터 발생되는 자기장의 상호 작용에 의하여, 수직방향으로의 부상력과 원통 회전 방향으로의 회전력을 발생시키고, 상기 발생된 회전력을 이용하여 상기 원통형 기판을 미세 부상 및 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 제1영구자석 배열은 4종류의 자화방향을 갖는 각각의 반원형 영구자석조각E, 영구자석조각F, 영구자석조각G, 영구자석조각H를 할바흐 배열(Halbach Array)로 원통 모양을 형성하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  16. 청구항 15에 있어서, 원통 모양으로 형성된 제2영구자석 배열은 상기 제2가동자의 원통형 표면에 따라 부착되는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  17. 청구항 1에서, 상기 제2코일 배열은 자기장 발생면이 반원형으로 오목한 제2코일 조각을 반원통 모양으로 배치하여 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  18. 청구항 1에서, 상기 제2영구자석 배열과 상기 제2코일 배열 각각으로부터 발생되는 자기장의 상호 작용에 의하여, 수직방향으로의 부상력과 원통 축방향으로의 이송력을 발생시키고, 상기 발생된 이송력을 이용하여 상기 원통형 기판을 미세 부상 및 이송할 수 있는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  19. 청구항 1에 있어서, 제1영구자석 배열과 제2영구자석 배열을 형성하는 영구자석조각A, 영구자석조각B, 영구자석조각C, 영구자석조각D, 영구자석조각E, 영구자석조각F, 영구자석조각G, 영구자석조각H를 2차원 할바흐 배열(2-Dimensional Halbach Array)로 원통 모양으로 혼합 조립하여 상기 제1영구자석 배열과 상기 제2영구자석 배열이 동일한 구조를 갖도록 구성하는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 제1영구자석 배열은 상기 제1가동자의 원통형 표 면에 부착되고, 상기 제2영구자석 배열은 상기 제2가동자의 원통형 표면에 부착되는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  21. 청구항 19에 있어서, 상기 제1코일 배열과 상기 제2코일 배열은 제1코일조각 6개를 한 조로 하고 제2코일조각 6개를 한조로 한 다음, 각 조의 코일조각을 반원통 모양을 띄도록 2차원으로 혼합 배치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  22. 청구항 19 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1영구자석 배열과 상기 제1코일 배열의 각각의 자기장으로 발생되는 자기력은 수직방향으로의 부상력과 원통 축방향으로의 이송력과 원통 회전방향으로의 회전력을 동시에 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  23. 청구항 19 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2영구자석 배열과 상기 제2코일 배열의 각각의 자기장으로 발생되는 자기력은 수직방향으로의 부상력과 원통 축방향으로의 이송력과 원통 회전방향으로의 회전력을 동시에 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지.
  24. 원통형 냉각장치에 있어서, 제1고정자와; 상기 제1고정자에 열교환을 위한 냉각핀이; 형성되고, 상기 제1고정자 내부에 형성된 냉각 관로와 냉매인입관과 냉매배출관을 포함하는 냉매 순환 루프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지용 냉각장치.
  25. 원통형 냉각장치에 있어서, 제2고정자와; 상기 제2고정자에 열교환을 위한 냉각핀이; 형성되고, 상기 제2고정자 내부에 형성된 냉각 관로와 냉매인입관과 냉매배출관을 포함하는 냉매 순환 루프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지용 냉각장치.
  26. 청구항 24 또는 청구항 25에 있어서, 상기 제1고정자 또는 상기 제2고정자에 다수의 냉각핀이 일정 간격으로 배치되어 있으며, 상기 냉각핀 사이에는 제1코일 배열 또는 제2코일 배열이 삽입되어 결합되고, 상기 제1코일 배열 또는 상기 제2코일 배열의 측면이 상기 냉각핀의 측면과 접촉될 수 있도록 접착하는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지용 냉각장치.
  27. 청구항 26에 있어서, 상기 제1코일 배열 또는 상기 제2코일 배열에 전류를 인가하면 전류의 세기에 따라 상기 제1코일 배열 또는 상기 제2코일 배열에서 열이 발생하며, 상기 발생된 열은 냉각핀을 통해 제1고정자 또는 제2고정자로 전도되는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지용 냉각장치.
  28. 청구항 27에 있어서, 상기 제1고정자 또는 상기 제2고정자의 내부에 형성된 냉각관로를 통하여 냉매가 흐름에 따라 제1고정자로 전도된 열을 방열함에 따라 제1고정자 또는 제2고정자의 온도상승과 제1코일 배열 또는 제2코일 배열의 온도상승을 억제하는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지용 냉각장치.
  29. 청구항 24 또는 청구항 25에 있어서, 상기 제1고정자 또는 상기 제2고정자의 움직임이 발생하였을 경우, 상기 냉매인입관 및 상기 냉매배출관과 상기 제1고정자 또는 상기 제2고정자 사이의 직각도 및 평행도를 유지하기 위해, 상기 냉매 순환 루프에서 고정형 꺽임관을 제1고정자에 결합하여 상기 냉매인입관 및 상기 냉매배출관을 고정하는 것을 특징으로 하는 원통형 자기부상 스테이지용 냉각장치.
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