KR101659956B1 - 자기 베어링, 회전 스테이지 및 반사 전자 빔 리소그래피 장치 - Google Patents

자기 베어링, 회전 스테이지 및 반사 전자 빔 리소그래피 장치 Download PDF

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노마러 펀다 사힌
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

회전축을 갖는 자기 베어링으로서, 자기 베어링은 강자성 부재를 포함하는 원통형 회전자로서, 이 원통형 회전자는 대칭축을 갖고, 이 원통형 회전자는 내주면을 갖고, 이 원통형 회전자는 상부측을 갖는 원통형 회전자와, 그로부터 돌출하고 상부측에 인접하여 위치된 현수부를 갖는 정적 허브와, 제 1 표면과 현수부 사이의 거리를 제어하기 위한 리프트 자기 액추에이터 장치와, 내주면과 회전축 사이의 거리를 제어하기 위한 래디얼 자기 액추에이터 장치를 포함한다.

Description

자기 베어링, 회전 스테이지 및 반사 전자 빔 리소그래피 장치{A MAGNETIC BEARING, A ROTARY STAGE, AND A REFLECTIVE ELECTRON BEAM LITHOGRAPHY APPARATUS}
본 발명은 자기 베어링의 디자인에 관한 것으로서, 특히 전자 빔 리소그래피를 위한 그리고 전자 빔 메트롤로지(metrology)를 위한 회전 스테이지의 디자인에 관한 것이다.
자기 베어링은 회전자를 지지하기 위해 자기력을 사용하는 베어링이다. 자기 베어링의 사용시 장점은 마모되는 어떠한 기계적 부품도 존재하지 않는다는 것이다. 자기 베어링의 단점은 이들이 회전자를 부상시키기 위한 전류를 필요로 한다는 것이다. 높은 속도에서, 자기 액추에이터의 자기장을 통해 통과하는 회전자의 상이한 부분에 기인하는 회전자 내의 와전류(eddy current)는 에너지 손실을 유도할 수 있다.
미국 특허 제 6,191,513 B1호는 자기 이력에 의해 발생된 열 및 감응 자석의 제어의 지연에 기인하여 전력 손실을 초래하는 와전류를 감소시키기 위한 실리콘강 적층(lamination)의 사용을 개시하고 있다.
웨이퍼 검사 디바이스에서 전자 빔 리소그래피에 대해, 반도체 산업을 위한 시스템은 통상적으로 선형 스테이지를 사용한다. 그러나, 선형 스테이지로 웨이퍼를 스캔하는데 요구되는 시간은 이들 시스템을 위한 웨이퍼 처리량에 대한 제한이다. 진공 과학 및 기술의 저널 B(Journal of Vacuum Science and Technology B) 27권, 페이지 161 내지 166, 폴 페트릭(Paul Petric), 크리스 베비스(Chris Bevis), 앨런 캐롤(Allen Carroll), 헨리 퍼시(Henry Percy), 마렉 지누(Marek Zywno), 키스 스탠포드(Keith Stanford), 알란 브로디(Alan Brodie), 보아 바레킷(Boah Bareket) 및 루카 그랄라(Luca Gralla)(이하, 페트릭이라 칭함)에 의한 논문에는, 반사성 전자 빔 리소그래피(REBL) 시스템이 개시되어 있다. 이는 다중 실리콘 웨이퍼를 위한 회전 스테이지의 사용을 개시하고 있다.
본 발명은 독립 청구항에서 자기 베어링, 회전 스테이지, 반사 전자 빔 리소그래피 장치, 자기 액추에이터 및 원통형 회전자를 제공한다. 본 발명의 실시예는 종속 청구항에 제공되어 있다.
본 발명의 실시예는 와전류를 감소시키는 회전자 내의 강자성 부재의 사용에 의해 전술된 문제점을 처리한다. 일 실시예에서, 연성 자기 복합철이 원통형 회전자에 사용된다. 다른 실시예에서, 실리콘강과 같은 강자성 적층이 와전류를 제한하는데 사용된다.
원통형 회전자를 구성하기 위해 적층을 사용하는 단점은 더 높은 속도에서 소위 적층 소음이 생성될 수 있다는 것이다. 적층 소음은 적층이 큰 자기장에 갑자기 노출되는 것에 기인한다. 적층 소음은 본 명세서에서 단계식 자기장 변화에 노출될 때 강자성 적층에 의해 방출된 소음으로서 정의된다. 적층 소음의 친숙한 예는 몇몇 변압기에 의해 생성되는 윙윙소리(hum)이다. 윙윙소리는 와이어의 진동에 기인할 수 있지만, 이는 또한 변압기를 구성하는데 사용된 강자성 플레이트의 진동에 의해 발생될 수 있다. 리소그래피 또는 메트롤로지에 대한 회전 스테이지 내의 적층 소음은 바람직하지 않다. 이는 스테이지 내에 작은 음향 진동을 유발할 수 있고, 이는 리소그래피 프로세스 또는 메트롤로지와 간섭할 수 있다.
본 발명의 실시예는 베어링이 회전함에 따라 자기장이 각각의 적층을 가로질러 균일하게 증가하지 않도록 적층의 배향 및/또는 자기 액추에이터의 배향을 조정함으로써 적층 소음의 문제점을 처리한다. 본 발명의 일 실시예에서, 액추에이터를 포함하고 원통형 회전자에 인접하는 강자성 부재의 코너 및 에지는 라운딩된다. 이는 자기장 증가를 덜 급격하게 하고 또한 적층 소음을 감소시킨다.
본 발명의 실시예는 중력에 대해 원통형 회전자를 지지하거나 부분적으로 지지하기 위해 영구 자석을 사용함으로써 자기 베어링을 작동하는데 요구되는 전기 에너지의 양을 감소시킨다.
본 발명의 실시예는 회전축을 갖는 자기 베어링을 제공한다. 자기 베어링은 강자성 부재를 포함하는 원통형 회전자를 포함한다. 원통형 회전자는 대칭축을 갖고, 원통형 회전자는 내주면을 갖는다. 원통형 회전자는 상부측을 갖는다. 자기 베어링은 회전축을 갖기 때문에, 이 자기 베어링은 중력장에서 기능한다는 것이 이해된다. 자기 베어링은 정적 허브를 추가로 포함한다. 정적 허브는 정적 허브로부터 돌출하고 상부측에 인접하여 위치된 현수부를 갖는다. 원통형 회전자의 상부측은 중력장에 의해 규정되는 바와 같이 상부에 있다. 자기 베어링은 제 1 표면과 현수부 사이의 거리를 제어하기 위한 리프트 자기 액추에이터 장치를 추가로 포함한다. 리프트 자기 액추에이터는 영구 자석, 전자석 또는 전자 및 영구 자석의 조합을 포함할 수 있다. 자기 베어링은 내주면과 회전축 사이의 거리를 제어하기 위한 래디얼 자기 액추에이터 장치를 추가로 포함한다. 래디얼 자기 액추에이터 장치는 영구 자석, 전자석 또는 전자석과 영구 자석의 조합을 또한 포함할 수 있다.
이 장치는 자기 베어링이 정적 허브로부터 현수하는 것이 가능한 원통형 회전자를 갖기 때문에 유리하다. 원통형 회전자는 강자성 부재를 포함하고, 임의의 자석을 포함하지 않는다. 몇몇 실시예에서, 리프트 자기 액추에이터는 중력에 대해 원통형 회전자를 지지하는 것이 가능하고, 동요하는 것을 방지함으로써 원통형 회전자의 회전을 또한 안정화한다.
리프트 자기 액추에이터는 제 1 표면과 현수부 사이의 거리를 제어하고, 이들은 또한 동일한 방향에서 회전축 및 대칭축을 정렬한다. 래디얼 자기 액추에이터 장치는 이들이 동축이 되도록 대칭축과 회전축을 정렬한다. 실시예에 따르면, 회전축 및 대칭축은 약간 일탈될 수 있다. 회전축이 수평이면, 래디얼 자기 액추에이터는 원통형 회전자를 상승시키는데 사용될 수 있다.
원통형 회전자는 자이로스코프와 매우 유사하게 거동한다. 원통형 회전자 및 회전자에 연결되어 그와 함께 회전하는 임의의 구조체의 질량은 회전 관성 모멘트를 갖는다. 작은 진동 또는 장애가 존재하면, 회전 관성은 원통형 회전자 내의 이동량을 감소시키는 경향을 가질 것이다. 이는 베어링이 전자 빔 리소그래피 또는 전자 빔 메트롤로지로서 이러한 용례를 위해 안정한 스테이지를 제공하기 위해 매우 유용할 것이라는 것을 의미한다.
다른 실시예에서, 리프트 자기 액추에이터 장치는 중력에 대해 원통형 회전자를 지지하는 것이 가능한 적어도 하나의 영구 자석을 포함한다. 이 실시예는 적어도 하나의 영구 자석이 원통형 회전자를 지지하고 따라서 더 적은 전력이 회전자를 지지하기 위해 전자석에 요구되기 때문에 유리하다. 이는 자기 베어링을 작동하는데 필요한 전력을 감소시킨다.
다른 실시예에서, 회전축은 수직 회전축이다. 수직 회전축은 중력과 정렬된다.
다른 실시예에서, 회전축은 수평 회전축이다.
다른 실시예에서, 래디얼 자기 액추에이터 장치 및/또는 리프트 자기 액추에이터 장치는 적어도 하나의 하이브리드 자석을 포함한다. 하이브리드 자석은 강자성 코어를 포함한다. 강자성 코어는 단면이 E 형상이 되도록 절단된 2개의 슬롯을 갖는다. 2개의 슬롯 사이에 중간 섹션이 존재하고, 중간 섹션은 법선이 강자성 코어로부터 이격하여 지향하는 외부면을 갖는다. 하이브리드 자석은 전류가 와이어를 통해 통과할 때 자기장을 생성하기 위해 적용된 와이어로 이루어진 코일을 추가로 포함한다. 코일은 2개의 슬롯 내에서 중간 섹션 주위에 위치된다. 하이브리드 자석은 외부면 상에 배치된 영구 자석을 추가로 포함한다. 영구 자석의 자화는 외부면의 법선과 정렬된다. 이 실시예는 영구 자석이 원통형 회전자를 부상시키는데 필요한 자기장의 부분을 제공하는 것이 가능하기 때문에 유리하다. 전자석은 이어서 영구 자석의 자기장을 강화시키거나 약화시키는 것이 가능하다.
다른 실시예에서, 강자성 부재는 원통형 회전자의 회전 중에 와전류를 감소시키기 위해 연성 자기 복합 재료를 포함한다. 연성 자기 복합 재료의 사용은 와전류가 손실 및 베어링의 회전에 대향하는 댐핑력을 생성하기 때문에 유리하다.
다른 실시예에서, 강자성 부재는 와전류 스트림 회전을 감소시키기 위해 소말로이(Somaloy)를 포함한다. 소말로이는 연성 자기 복합 재료의 유형이다. 연성 자기 복합 재료를 사용하는 이점은 이미 설명되어 있다.
다른 실시예에서, 강자성 부재는 자기 베어링의 회전 중에 와전류를 감소시키기 위한 강자성 적층을 포함한다. 적층은 원통형 체적을 구성하기 위해 대칭축 둘레에서 회전 경로로 적층된다. 적층의 사용은 와전류가 감소되는 이득을 갖는다.
다른 실시예에서, 대칭축이 적층의 각각에 대해 놓이는 평면이 존재한다. 적층의 각각은 제 1 횡축을 갖고, 적층의 각각은 0 내지 60도, 바람직하게는 0.1 내지 15도인 제 1 각도만큼 그 제 1 횡축 둘레에서 평면으로부터 회전되도록 배열된다. 각도의 척도는 절대 항으로 제공된다. 제 1 각도는 네거티브 또는 포지티브일 수 있다. 이 실시예는 래디얼 자기 액추에이터 장치의 자기장의 선단 에지에 대한 약간의 각도에서 적층을 갖는 것이 적층 노이즈가 감소되게 하기 때문에 유리하다. 원통형 회전자의 반경방향 평면 상에 위치되어, 다수의 실시예에서 래디얼 자기 액추에이터를 기울이는 것이 용이하지 않다. 제 1 각도만큼 적층을 회전시킴으로써, 래디얼 자기 액추에이터는 회전될 필요가 없다.
다른 실시예에서, 대칭축이 놓이는 평면이 존재한다. 적층의 각각은 제 1 종축을 갖고, 적층의 각각은 0 내지 60도, 바람직하게는 0.1 내지 15도의 제 2 각도만큼 그 제 1 종축 둘레에서 평면으로부터 회전되도록 배열된다. 각도의 척도는 절대 항으로 제공된다. 제 2 각도는 네거티브 또는 포지티브일 수 있다. 종축 둘레로 이들 적층을 회전시키는 것은, 적층이 이어서 리프트 자기 액추에이터 장치의 자기장에 대해 약간의 각도를 가질 수 있기 때문에 유리하다. 이는 적층이 제 1 각도만큼 회전될 때 언급된 바와 동일한 이득을 갖는다.
다른 실시예에서, 적층은 제 1 각도 및 제 2 각도의 모두에 대해 회전된다. 이 실시예에서, 적층은 리프트 자기 액추에이터 장치 및 래디얼 자기 액추에이터 장치의 모두에 대해 제어된 각도를 갖는다.
다른 실시예에서, 리프트 액추에이터 장치는 적어도 하나의 하이브리드 자석을 포함한다. 하이브리드 자석은 제 2 종축 및 제 2 횡축을 갖고, 종축 및 제 2 횡축의 모두를 교차하는 반경이 존재한다. 제 2 횡축은 반경과 0 내지 60도, 바람직하게는 0.1 내지 15도의 제 3 각도를 에워싼다. 각도의 척도는 절대 항으로 제공된다. 제 3 각도는 네거티브 또는 포지티브일 수 있다. 이 실시예는 리프트 자기 액추에이터 장치에 대한 강자성 적층의 배향이 적층 소음을 감소시키기 위해 적용될 수 있기 때문에 유리하다.
다른 실시예에서, 리프트 래디얼 장치는 적어도 하나의 제 2 하이브리드 자석(132, 542, 1399)을 포함한다. 종축 및 회전축에 직교하는 평면은 반경과 0 내지 60도, 바람직하게는 0.1 내지 15도의 제 4 각도를 에워싼다. 이 실시예는 래디얼 자기 액추에이터 장치에 대한 강자성 적층의 배향이 적층 소음을 감소시키기 위해 조정될 수 있기 때문에 유리하다.
다른 실시예에서, 리프트 자기 액추에이터 장치 및/또는 래디얼 자기 액추에이터 장치는 적어도 하나의 강자성 코어를 포함한다. 강자성 코어는 그 법선이 회전축 둘레에서 원형 경로의 접선과 예각을 형성하는 2개 이상의 제 2 표면을 갖고, 적어도 하나의 제 2 표면의 적어도 하나의 에지는 적층 소음을 감소시키도록 라운딩된다. 이 실시예는 원통형 회전자에 인접한 코너를 제거하기 때문에 유리하다. 강자성 코어의 날카로운 에지를 갖는 것은 자기장을 더 평활하게 하고, 따라서 적층 소음을 감소시킨다.
다른 실시예에서, 자기 베어링은 회전축에 대한 내주면의 거리를 측정하기 위한 래디얼 센서 시스템을 추가로 포함한다. 자기 베어링은 제 1 표면과 현수부 사이의 거리를 측정하기 위한 리프트 센서를 추가로 포함한다. 자기 베어링은 리프트 센서로부터 신호를 수신하기 위해 그리고 제 1 표면과 현수부 사이의 제 1 사전 결정된 거리가 유지되도록 리프트 자기 액추에이터 장치를 제어하기 위해 적용된 제어 시스템을 추가로 포함한다. 제어 시스템은 축방향 센서 시스템으로부터 신호를 수신하기 위해 그리고 내주면과 회전축 사이의 제 2 사전 결정된 거리가 유지되도록 축방향 자기 액추에이터 장치를 제어하기 위해 추가로 적용된다.
다른 양태에서, 본 발명은 회전 스테이지를 제공한다. 회전 스테이지는 본 발명의 실시예에 따른 자기 베어링을 포함한다. 회전 스테이지는 자기 베어링을 회전하기 위해 적용된 구동 시스템을 추가로 포함한다. 회전 스테이지는 적어도 하나의 워크피스를 유지하기 위해 적용된 플래터(platter)를 포함한다. 플래터는 원통형 모터에 의해 구동된다. 회전 스테이지는 자기 베어링의 배향 각도를 결정하기 위한 인코더를 추가로 포함한다. 이 실시예는 이러한 회전 스테이지가 전자 빔 리소그래피를 위해, 또한 전자 빔 메트롤로지 장비를 위해 사용될 수 있다. 이러한 회전 스테이지는 안정한 회전 운동이 에너지 저장을 위한 플라이휠과 같은 것이 필요한 다른 용례에 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 리프트 자기 액추에이터 장치는 중력에 대해 원통형 회전자 및 플래터를 지지하는 것이 가능한 적어도 하나의 영구 자석을 포함한다. 이 실시예는 자기 베어링 단독에 대해 전술된 바와 동일한 이득을 갖는다.
다른 양태에서, 본 발명은 본 발명의 실시예에 따른 회전 스테이지를 포함하는 반사 전자 빔 리소그래피 장치를 제공한다. 반사 전자 빔 리소그래피 장치의 디자인 및 사용은 페트릭에 설명되어 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 자기 베어링 내의 원통형 회전자와 정적 허브 사이의 거리를 제어하기 위한 자기 액추에이터를 제공한다. 자기 액추에이터는 강자성 코어를 포함하고, 강자성 코어는 선단면 및 적층 소음을 감소시키기 위한 하나 이상의 라운딩된 에지를 갖는 후단면을 갖는다. 이 실시예의 이득은 전술되어 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 강자성 부재를 포함하는 원통형 회전자를 제공한다. 원통형 회전자는 대칭축을 갖고, 강자성 부재는 원통형 회전자의 회전 중에 와전류를 감소시키기 위한 강자성 적층을 포함한다. 적층은 원통형 체적을 구성하기 위해 대칭축 둘레에서 원형 경로로 적층된다. 대칭축이 적층의 각각에 대해 놓인 평면이 존재하고, 적층의 각각은 제 1 횡축(1182)을 갖는다. 적층의 각각은 0 내지 60도, 바람직하게는 0.1 내지 15도의 제 1 각도(1184)만큼 그 제 1 횡축 둘레로 평면으로부터 회전되도록 배열된다.
이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예가 도면을 참조하여 단지 예로서만 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예의 기능 다이어그램.
도 2는 본 발명에 따른 자기 베어링의 실시예의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 회전자의 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 회전자의 부분의 확대 평면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자석의 조립 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자석의 이득을 설명하는 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자석 및 원통형 회전자의 단면도.
도 8은 원통형 회전자가 제거되어 있는 상태의 본 발명의 실시예에 따른 자기 베어링의 사시도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 자기 베어링의 사시도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 자기 베어링의 단면 사시도.
도 11은 그 제 1 횡축 둘레의 강자성 적층의 회전을 도시하는 도면.
도 12는 그 제 1 종축 둘레의 강자성 적층의 회전을 도시하는 도면.
도 13은 정적 허브 상의 하이브리드 자석의 회전을 도시하는 도면.
도 14는 본 발명에 따른 회전 스테이지의 실시예를 도시하는 도면.
이들 도면에서 유사한 도면 부호로 나타낸 요소는 동일한 요소이거나 동일한 기능을 수행한다. 전술되어 있는 요소는 기능이 동일한 경우에 반드시 이후의 도면에서 설명되어 있지는 않을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예의 개념을 설명하는 다이어그램을 도시한다. 회전 디스크(100)의 사시도 및 동일한 회전 디스크(102)의 측면도가 있다. 디스크는 회전축(106) 둘레로 회전한다. 회전 디스크(100, 102)를 지지하는 자기 베어링(108)이 존재한다. 화살표(112)는 래디얼 자기 액추에이터 장치에 기인하는 안정화를 지시하고 있고, 화살표(110)는 리프트 자기 액추에이터 장치에 기인하는 안정화 및 상승을 나타내고 있다. 본 발명의 몇몇 실시예는 디스크(102, 100) 및 자기 베어링(108)을 중력에 대해 지지한다. 화살표(104)는 회전 방향을 나타낸다.
이 실시예의 주요 특징은 다음과 같다.
도 1의 디스크(100, 102)는 전자 모터로 회전된다. 일 실시예에서, 모터의 고정부(고정자)는 회전 디스크로 구성된 그 회전자와 자기적으로 상호 작용한다. 회전자 및 고정자를 결합하는 어떠한 기계적 베어링 시스템도 존재하지 않는다. 대안 실시예에서, 자기 베어링을 회전시키는 기계적 구동 시스템이 존재한다.
축방향에서, 자기 부상이 중력에 대해 요구된다. 이들 축방향 자기 부상 유닛(또는 리프트 자기 액추에이터 장치)이 또한 자기 베어링 내의 공기 간극을 안정화하기 위해 능동적으로 제어된다.
반경방향에서, 자기 부상 유닛(또는 래디얼 자기 액추에이터 장치)은 회전 디스크를 적소에 유지한다. 래디얼 자기 부상 유닛은 정적 예비 부하를 공급하고 거리를 능동적으로 제어한다. 일 실시예에서, 정적 예비 부하는 영구 자석으로 공급된다.
도 2는 본 발명에 따른 자기 베어링의 실시예의 단면 측면도를 도시한다. 정적 허브(120)가 존재하고, 회전축(106)이 존재한다. 정적 허브(120)로부터 연장하는 현수부(122)가 존재한다. 회전축(106) 둘레로 회전을 위해 적용된 원통형 회전자(116)가 존재한다. 원통형 회전자(116)는 대칭축(114)을 갖는다. 작동 중에, 대칭축(114) 및 회전축(106)은 정렬될 수 있다. 원통형 회전자(116)는 외부 칼라(134) 및 강자성 부재(118)를 포함한다. 강자성 부재는 리프트 자기 액추에이터 장치(130)에 인접한 상부측(128)을 갖는다. 리프트 자기 액추에이터 장치(130)는 현수부(122)에 연결된다. 리프트 자기 액추에이터 장치는 중력에 대해 원통형 회전자(116)를 지지할 수 있다. 리프트 자기 액추에이터(130)는 또한 제 1 측(128)과 현수부(122) 사이의 거리를 제어한다. 이는 도면에서 거리(126)에 의해 지시되어 있다. 내주면(124)과 회전축(106) 사이의 거리를 제어하는 래디얼 자기 액추에이터 장치(132)가 존재한다. 거리는 도면에서 화살표(136)로 지시되어 있다.
도 3은 원통형 회전자(116)의 실시예를 도시한다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 회전자는 대칭축(114)에 대해 대칭이다. 강자성 부재(118)의 실린더를 둘러싸는 칼라(134)가 존재한다. 이 실시예에서 강자성 부재(118)는 개별 강자성 적층(338)으로 구성된다. 일 강자성 적층의 위치가 도면에서 도면 부호 338로 나타낸 직사각형에 의해 도시되어 있다.
도 4는 도 3에 도시된 원통형 회전자의 섹션의 확대 측면도를 도시한다. 재차 칼라(134)가 존재한다. 도 4에서, 강자성 부재는 강자성 적층(440)의 스택으로 구성된다는 것을 알 수 있다.
도 5는 하이브리드 자석(542)의 실시예를 도시한다. 하이브리드 자석(542)은 영구 자석(544), 코일(546) 및 강자성 코어(548)로부터 구성된다. 강자성 코어(548)는 2개의 슬롯(550)을 갖는다. 외부면(554)을 갖는 중간 섹션(552)이 존재한다. 코일(546)은 2개의 슬롯(550) 내에 끼워지고, 중간 섹션(552) 주위에 위치된다. 영구 자석(544)은 이어서 외부면(554)에 부착된다. 화살표(556)는 외부면(554)에 수직인 방향으로 지시하고, 또한 하이브리드 자석(542)에 의해 생성된 자화와 동일한 방향에 위치된다.
도 6은 영구 자석을 포함하는 하이브리드 자석을 사용하는 이득을 예시하는 다이어그램을 도시한다. 이 다이어그램에서, 전자석으로의 원통형 회전자의 인력(664)이 도시되어 있다. 하이브리드 자석과 원통형 회전자 사이의 힘(664)은 코일을 통한 전류의 제곱에 비례하고, 이들 2개의 부재 사이의 간극의 제곱에 반비례한다. 축(664)은 힘을 지시하고, 축(662)은 전자석의 전류를 지시한다. 힘(666)은 원통형 회전자를 상승시키는데 필요한 힘이다. 원통형 회전자를 상승시키기 위해 힘이 필요하다. 그러나, 이는 영구 자석에 의해 공급될 수 있다. 도면 부호 (668)는 영구 자석으로 교체될 수 있는 전류량을 나타낸다. 영구 자석은 회전자를 상승시키고, 전자석은 현수부에 대한 원통형 회전자의 위치를 조정하기 위해 힘을 증가시키거나 감소시키는데에만 필요하다. 화살표(670)는 자석의 힘이 어떻게 전자석에 의해 변경될 수 있는지를 지시한다.
도 7은 작동시에 하이브리드 자석의 예를 도시하는 단면도를 도시한다. 하이브리드 자석(542) 및 원통형 회전자(116)가 존재한다. 하이브리드 자석(542)은 전술된 하이브리드 자석 및 하이브리드 자석 장착부(674)를 포함한다. 원통형 회전자(116)는 강자성 부재(118)를 포함한다. 영구 자석(544)은 강자성 부재(118)에 인접한다. 이 도면에서, 코일(546)에 기인하는 자기장 라인(676)을 볼 수 있다. 전자석(546)은 영구 자석(544)을 강화하고 약화하는 기능을 한다. 곡선(678)은 자기장 라인(676)에 의해 유도된 작은 에지 전류의 경로를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 정적 허브(120)의 실시예를 도시한다. 정적 허브(120)는 현수부(122)를 갖는다. 현수부(122)의 하부측에 장착된 리프트 자기 액추에이터 장치(130)가 존재하고, 정적 허브(120) 상에서 현수부(122) 아래에 장착된 래디얼 자기 액추에이터 장치(132)가 존재한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 자기 베어링의 조립도를 도시한다. 원통형 회전자(116)가 그 위에 장착되어 있는 정적 허브(120)가 존재한다. 원통형 회전자는 외부에 금속(134)을 포함하고, 내부에는 S강자성 부재(118)가 있다. 리프트 자기 액추에이터 장치(130)가 또한 도시되어 있다. 리프트 자기 액추에이터 장치(130)는 원통형 회전자(116)의 상부측(128)과 현수부(122) 사이에 있다.
도 8 및 도 9에서, 회전 자기 부상의 고려된 방식이 도시되어 있다. 도 9에 도시된 원통형 회전자(116)는 시스템의 회전부에 연결된다. 이 디스크는 마찬가지로 전기 모터의 회전자에 연결될 수 있다.
리프트 자기 액추에이터 장치(130) 및 래디얼 자기 액추에이터 장치(132)가 도 8 및 도 9에 지시되어 있다. 리프트 자기 액추에이터 장치(130) 및 래디얼 자기 액추에이터 장치(132)는 E-형 코어, 영구 자석(오프셋 필드 또는 예비 부하를 생성하기 위한) 및 코일을 포함한다. 이 경우에, 이는 릴럭턴스 액추에이터(reluctance actuator)이다. 다른 종류의 액추에이터가 또한 다른 실시예에서 사용될 수 있다.
리프트 자기 액추에이터 장치(130)에 의해 생성된 영구 자기장은 중력에 대해 수직 방향으로 회전 부하를 끌어당길 수 있다. 코일은 간극 편차, 따라서 시스템의 안정성을 제어한다.
도 8에는 액추에이터 장치가 도시된다. 이는 영구 자석에 기인하여 특정 예비 부하를 생성한다. 이 예비 부하는 래디얼 유닛의 예비 부하보다 약할 수 있다.
도 10은 도 9 및 도 10에 도시된 자기 베어링의 단면 사시도를 도시한다. 높은 속도에서, 고속 변경 자기장은 강 내에 와전류를 유도한다. 와전류는 회전에 대향하는 댐핑력 및 손실을 생성한다. 강 회전 디스크는 반경방향 및 축방향의 모두에서 가변 자기장에 명백하게 노출된다. 이 영향을 제거(최소화)하기 위해, 강은 연성 자기 복합철로 제조될 수 있다. 연성 자기 복합 재료의 예는 소말로이이다. 도 10에서, 오렌지색의 디스크의 부분의 단면도는 저손실(저전기 저항) 재료를 포함해야 한다.
도 11은 이들이 이들의 제 1 횡축(1182) 둘레에서 회전되어 있을 때 적층의 위치를 예시하는데 사용된다. 도 11은 원통형 회전자의 대칭축(114)을 도시한다. 대칭축(114)이 놓이게 되는 평면(1180)이 존재한다. 평면(1180)은 각각의 적층(1188)에 대해 묘사될 수 있다. 회전 전의 적층의 위치가 도면 부호 1186으로 나타낸 점선에 의해 표시되어 있다. 적층(1188)은 제 1 횡축(1182)을 갖는다. 제 1 횡축(1182)은 또한 평면(1180) 내에 놓인다. 제 1 횡축(1182)은 또한 대칭축(114)에 수직이다. 적층은 제 1 각도(1184)만큼 제 1 횡축(1182) 둘레에서 회전된다.
도 12는 그 제 1 종축(1290) 둘레의 강자성 적층(118)의 회전을 도시한다. 도 11에서, 평면(1180) 내에 놓인 대칭축(114)을 볼 수 있다. 이 도면에서, 강자성 적층(1288)은 제 2 각도(1284)만큼 평면(1286) 내에서 그 위치로부터 회전된다. 제 1 종축(1290)은 평면(1180) 내에 놓이고, 대칭축(114)과 동일한 방향이지만 동축은 아니다. 이는 이 제 1 종축이 또한 제 1 횡축(1182)에 수직이라는 것을 의미한다. 적층의 배향은 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 제 1 각도(1184) 및 제 2 각도(1284) 둘레의 회전에 의해 지정될 수 있다.
도 13은 회전되어 정적 허브(120) 상에 경사각으로 놓여진 후의 하이브리드 자석(1399)의 배향을 도시한다. 도 13은 정적 허브(120)의 저면도를 도시한다. 하이브리드 자석(1399)은 현수부(122) 상에 장착되어 도시되어 있다. 회전 전의 위치가 도면 부호 1398로서 점선으로 도시되어 있다. 하이브리드 자석(1399)은 제 2 종축(1394) 및 제 2 횡축(1396)을 갖는다. 이는 저면도이기 때문에, 회전축(106)의 위치가 점(106)으로서 도시되어 있다. 수직 회전축(106)으로부터 제 2 종축(1394)과 제 2 횡축(1396)의 교점으로 연장하는 반경이 존재한다. 회전 후에, 제 2 횡축(1396) 및 반경(1392)이 제 3 각도(1393)를 에워싼다.
도 14는 본 발명에 따른 회전 스테이지(1401)의 실시예를 도시한다. 도 14에 도시된 회전 스테이지는 도 2에 도시된 것과 같은 자기 베어링을 구비한다. 원통형 회전자(116)에 장착된 플래터(1403)가 도시되어 있다. 자기 베어링을 회전시키기 위해, 모터(1407)가 존재한다. 이는 기계적 구동 시스템일 수 있거나 또한 자기 회전자일 수 있다. 플래터(1403)의 회전 위치를 정확하게 측정하기 위한 인코더(1411)가 존재한다. 플래터(1403)의 상부에는 2개의 기판(1405)이 도시되어 있다. 기판(1405)의 예는 반도체 제조를 위한 실리콘 웨이퍼 또는 마스크일 수 있다.
100: 회전 디스크 102: 회전 디스크
104: 회전 방향 106: 회전축
108: 자기 베어링
110: 리프트 자기 액추에이터 장치에 의한 안정화
112: 래디얼 자기 액추에이터 장치에 의한 안정화
114: 대칭축 116: 원통형 회전자
118: 강자성 부재 120: 정적 허브
122: 현수부 124: 내주면
126: 상부측과 현수부 사이의 거리 128: 상부측
130: 리프트 자기 액추에이터 장치 132: 래디얼 자기 액추에이터 장치
134: 칼라 136: 내주면과 회전축 사이의 거리
338: 강자성 적층 440: 강자성 적층들
542: 하이브리드 자석 544: 영구 자석
546: 코일 548: 강자성 코어
550: 슬롯 552: 중간 섹션
554: 외부면 556: 외부면의 접선
662: 전류
664: 전자석에 기인하는 전류의 함수로서 인력
666: 원통형 회전자를 상승하는데 필요한 힘
668: 영구 자석에 의해 교체될 수 있는 공칭 전류
670: 원통형 회전자를 제어하기 위해 필요한 힘의 변화
672: 라운딩된 에지 674: 하이브리드 자석용 장착부
676: 자기장 라인 678: 와전류
1180: 평면 1182: 제 1 횡축
1184: 제 1 각도
1186: 제 1 횡축 둘레의 회전 전의 강자성 적층의 위치
1188: 강자성 적층 1284: 제 2 각도
1286: 제 1 종축 둘레의 회전 전의 강자성 적층의 위치
1288: 강자성 적층 1290: 제 1 종축
1392: 내주면 1393: 제 3 각도
1394: 제 2 종축 1396: 제 2 횡축
1398: 하이브리드 자석의 원래 배향 1399: 하이브리드 자석
1401: 회전 스테이지 1403: 플래터
1405: 기판 1407: 모터
1411: 인코더

Claims (11)

  1. 회전축(106)을 갖는 자기 베어링(108)으로서,
    - 원통형 체적을 구성하기 위해 원형 경로로 적층되는 강자성 적층들(laminations)을 포함하는 강자성 부재(118, 338, 440)의 내부 실린더와 외부 칼라를 포함하는 원통형 회전자(116)로서, 상기 원통형 회전자는 대칭축(114)을 갖고 상기 강자성 부재의 내주면(124)을 가지며, 상기 원통형 회전자의 강자성 부재는 상기 대칭축에 직교하는 평면에 놓인 상부측(128)을 갖는, 상기 원통형 회전자(116)와,
    - 현수부(122)를 갖는 정적 허브(120)로서, 상기 현수부는 상기 정적 허브로부터 돌출하고 상기 상부측에 인접하여 위치되는, 상기 정적 허브(120)와,
    - 상기 상부측과 상기 현수부 사이에 장착되며 상기 상부측과 상기 현수부 사이의 거리(126)를 제어하기 위한 리프트 자기 액추에이터 장치(130)와,
    - 상기 회전축(106)과 상기 강자성 부재의 내주면(124) 사이에 장착되며, 상기 내주면(124)과 상기 회전축(106) 사이의 거리(136)를 제어하기 위한 래디얼 자기 액추에이터 장치(132)를 포함하고,
    상기 리프트 자기 액추에이터 장치(130)는 상기 강자성 부재에 인접하고 중력에 대해 상기 원통형 회전자를 지지하는 것이 가능한 적어도 하나의 영구 자석(544)을 포함하고, 상기 리프트 자기 액추에이터 장치 및 선택적으로 또한 상기 래디얼 자기 액추에이터 장치는 적어도 하나의 하이브리드 자석(542, 1399)을 포함하고,
    상기 하이브리드 자석은,
    - 단면이 E 형상이 되도록 절단된 2개의 슬롯(550)을 갖는 강자성 코어(548)로서, 상기 2개의 슬롯 사이에는 중간 섹션(552)이 존재하고, 상기 중간 섹션은 외부면(554)을 갖되 상기 외부면(554)의 법선(556)이 상기 강자성 코어로부터 이격하여 지향하는, 상기 강자성 코어(548),
    - 전류가 와이어를 통해 통과할 때 자기장(676)을 생성하도록 구성된 와이어로 이루어진 코일(546)로서, 상기 2개의 슬롯 내에서 상기 중간 섹션 주위에 위치되는, 상기 코일(546), 및
    - 상기 외부면 위에 배치된 영구 자석(544)을 포함하고,
    자화가 상기 하이브리드 자석에 의해 상기 외부면(554)의 법선과 동일한 방향으로 생성되는, 자기 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 강자성 부재는 상기 원통형 회전자의 회전 중에 와전류(eddy current)를 감소시키기 위해 연성 자기 복합물 및 소말로이(Somaloy) 중 하나를 포함하는, 자기 베어링.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 강자성 부재는 상기 원통형 회전자의 회전 중에 와전류를 감소시키기 위한 강자성 적층들(338, 440, 1188, 1288)을 포함하고, 상기 적층들은 원통형 체적을 구성하기 위해 상기 대칭축 둘레에서 원형 경로로 적층되는, 자기 베어링.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 대칭축이 상기 적층들(1188)의 각각에 대해 놓이는 평면(1180)이 존재하고, 상기 적층들의 각각은 제 1 횡축(1182)을 갖고, 상기 적층들의 각각은 0 내지 60도의 제 1 각도(1184)만큼 상기 제 1 횡축 둘레에서 상기 평면으로부터 회전되도록 구성되는, 자기 베어링.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 대칭축이 상기 적층들의 각각에 대해 놓이는 평면(1180)이 존재하고, 상기 적층들의 각각은 제 1 종축(1290)을 갖고, 상기 적층들(1288)의 각각은 0 내지 60도의 제 2 각도(1284)만큼 상기 제 1 종축 둘레에서 상기 평면으로부터 회전되도록 구성되는, 자기 베어링.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 리프트 자기 액추에이터 장치(130)는 적어도 하나의 제 1 하이브리드 자석(542, 1399)을 포함하고, 상기 제 1 하이브리드 자석은 제 2 종축(1394) 및 제 2 횡축(1396)을 갖고, 상기 제 2 종축과 상기 제 2 횡축을 교차하는 제 1 반경(1392)이 존재하고, 상기 제 2 횡축 및 상기 반경은 상기 반경과 0 내지 60도의 제 3 각도(1393)를 에워싸고, 그리고/또는 상기 래디얼 자기 액추에이터 장치(132)는 적어도 하나의 제 2 하이브리드 자석(542, 1399)을 포함하고, 상기 종축 및 상기 회전축에 직교하는 평면은 상기 반경과 0 내지 60도의 제 4 각도를 에워싸는 자기 베어링.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 리프트 자기 액추에이터 장치 및/또는 래디얼 자기 액추에이터 장치는 적어도 하나의 강자성 코어(548)를 포함하고, 상기 강자성 코어는 2개 이상의 제 2 표면을 가지되, 상기 제 2 표면의 법선이 상기 회전축에 대한 원형 경로의 접선과 예각을 형성하고, 적어도 하나의 제 2 표면의 적어도 하나의 에지는 적층 소음을 감소시키기 위해 라운딩되는, 자기 베어링.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 자기 베어링은 상기 회전축에 대한 상기 내주면의 거리를 측정하기 위한 래디얼 센서 시스템을 추가로 포함하고, 상기 자기 베어링은 상기 상부측과 상기 현수부 사이의 거리를 측정하기 위한 리프트 센서 시스템을 추가로 포함하고, 상기 자기 베어링은 상기 리프트 센서 시스템으로부터 신호를 수신하기 위해 그리고 상기 상부측과 상기 현수부 사이의 제 1 사전 결정된 거리가 유지되도록 상기 리프트 자기 액추에이터 장치를 제어하도록 구성된 제어 시스템을 추가로 포함하고, 상기 제어 시스템은 상기 래디얼 센서 시스템으로부터 신호를 수신하기 위해 그리고 상기 내주면과 상기 회전축 사이의 제 2 사전 결정된 거리가 유지되도록 상기 래디얼 자기 액추에이터 장치를 제어하도록 추가로 구성되는, 자기 베어링.
  9. 회전 스테이지(1401)로서,
    - 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 자기 베어링(108)과,
    - 상기 자기 베어링을 회전시키도록 구성된 구동 시스템(1407)과,
    - 적어도 하나의 워크피스(workpiece; 1405)를 유지하도록 구성된 플래터(1403)로서, 원통형 회전자에 의해 지지되는, 상기 플래터(1403)와,
    - 상기 자기 베어링의 각도 배향을 결정하기 위한 인코더(1411)를 포함하는, 회전 스테이지.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 리프트 자기 액추에이터 장치(130)는 상기 원통형 회전자 및 상기 플래터를 중력에 대해 지지하는 것이 가능한 적어도 하나의 영구 자석(544)을 포함하는 회전 스테이지.
  11. 제 9 항에 따른 회전 스테이지(1401)를 포함하는 반사 전자 빔 리소그래피 장치로서, 워크피스가 기판인, 반사 전자 빔 리소그래피 장치.
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