KR20040090930A - 액츄에이터 코일 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기장을 생성하는 트랙 권선을 갖는 액츄에이터 코일에 관한 것이다. 냉각 튜브는 관통 유동하는 냉각 액체를 가지며 상기 트랙 권선의 주연부 주위를 둘러싼다. 복수의 열 전도 스트립은 상기 트랙 권선으로부터 상기 냉각 튜브로 열을 전도하기 위해 상기 트랙 권선의 적어도 일부를 대체로 횡단하도록 배열된다.

Description

액츄에이터 코일 냉각 시스템{ACTUATOR COIL COOLING SYSTEM}

본 발명은 액츄에이터 코일을 냉각시키는 것에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 스테이지를 부양 및 구동시키기 위한 리소그래피 공구에 사용되는 로렌츠힘 액츄에이터 및 모터에 사용되는 코일에 관한 것이다.

로렌츠힘 액츄에이터는 두 개의 물리적으로 별도의 자석 요소로 구성된다. 일반적으로 제1 요소는 전류가 통하는 구동 코일이다. 제2 요소는 종종 추가적인 고투자율 물질과 조합되는 영구 자석들의 조립체로 구성되고, 상기 조립체는 코일을 관통하는 강한 자기장을 함께 발생시킨다. 코일을 통해 흐르는 전류와 영구 자석 조립체에 의해 발생되는 자기장 사이의 상호 작용은 코일 상의 힘 및 영구 자석 조립체 상의 동일하고 대향되는 반작용력을 발생시킨다. 강한 자기장 내의 코일부는 코일의 활성부로 언급될 수 있다. 코일이 적절히 냉각되지 않는다면, 코일에서 발산된 열은 순환 냉각 유체에 열을 전달함으로써 온도의 과도한 상승을 유발시킬 수 있다.

일부의 경우, 냉각 유체로 열 유동을 증가시키기 위해 코일의 활성부의 면들에 부착된 얇은 냉각 재킷(jacket)은 필요로 한다. 일반적으로 이러한 냉각 재킷은, 높은 전기 저항 및 열전도성의 양자의 양호한 조합을 제공하는 질화 규소와 같은 세라믹으로 제작되어, 강한 자기장으로 인한 바람직하지 않은 맴돌이 전류 감쇠 효과(eddy current damping effect)를 유발시키지 않고 효율적으로 열을 전달한다.

또한, 스텐레스강도 사용되지만, 높은 전기 저항 및 높은 열전도성을 갖지 않는다. 충전 중합체는 높은 저항을 갖지만, 상대적으로 열악한 열전도성을 가지며, 일반적으로 냉각수를 밀봉하도록 사용될 수 없다. 세라믹은 부서지기 쉽고, 제작 비용이 많이 들며, (특히 얇은 구역에 대해) 누설 없이 신뢰성있게 물을 보유할 수 없다.

본 발명은 관련 기술의 하나 이상의 문제점과 단점을 사실상 제거하는 액츄에이터 코일 냉각 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예는 액체가 관통 유동하여 그 주연부 둘레를 감싸는 냉각 튜브를 갖는, 트랙 권선을 구비한 로렌츠 액츄에이터 코일을 포함한다. 복수의 전기 절연 금속 열 전도 스트립은 상당한 맴돌이 전류 효과를 유도하며 트랙 권선으로부터 냉각 튜브로 열을 전도시키도록 트랙 권선의 활성부에 대해 대체로 횡방향으로 배열된다.

다른 태양에서, 기부판을 포함하는 코일판 조립체가 제공된다. 냉각 튜브는 이를 통해 유동하는 냉각 유체를 갖는다. 복수의 트랙 코일은 기부판 둘레에 그리고 기부판에 수직하게 조직적으로 배열된다. 각각의 트랙 코일은 자기장을 생성하는 트랙 권선을 포함한다. 냉각 튜브는 트랙 권선의 주연부 둘레에 감싸진다. 각각의 트랙 코일은 트랙 권선으로부터 냉각 튜브로 열을 전도하도록 트랙의 적어도 일부에 대해 대체로 횡방향으로 배열된 복수의 열 전도 스트립을 더 포함한다.

본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명에 제시될 것이며, 부분적으로는 상세한 설명으로부터 명백하거나, 또는 상세한 설명의 구현에 의해 알 수 있을 것이다. 본 발명의 장점은 상기 구조에 의해 구현 및 달성될 것이며 상세한 설명과 특허청구범위 및 첨부 도면에서 특히 지적될 것이다.

상기 일반적인 설명과 이하의 상세한 설명 모두는 예시적이고 설명적이며 청구되는 바와 같이 본 발명의 더욱 상세한 설명을 제공하는 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예를 설명하기 위해 포함되고 본 명세서의 일부에포함되고 이를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 설명하며 명세서와 함께 본 발명의 원리를 설명하는 작용을 한다.

도1은 본 발명의 일 실시예의 짧은 스트로크 코일판 조립체.

도2는 본 발명의 코일 조립체의 다른 실시예.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 : 코일판 조립체

102 : 액츄에이터 코일 조립체

103 : 코일

110 : 냉각 재킷

111 : 열 전도 스트립

113 : 냉각 튜브

202 : 유리 섬유 시트

본 발명의 실시예는 첨부된 도면에 도시된 예시를 참조하여 상세히 설명될 것이다.

본 발명은 여러 용도로 사용된다. 이러한 용도는 전자기력 액츄에이터, 반도체 제조에 사용되는 정밀한 웨이퍼와 십자선 스테이지에 사용되는 선형 모터를 포함하지만, 이러한 용도로 한정되지는 않는다.

통상의 리소그래피 공구에서, 웨이퍼는 스테이지 상에 장착되어 X, Y, Z 방향으로의 여러 가지 자유도를 갖고 어느 정도의 회전 자유도를 가질 수 있다. 몇몇 시스템은 또한 자기적으로 부양된 짧은 스트로크 스테이지와 관련하여 작동하는 긴 스트로크 스테이지를 갖는 웨이퍼 스테이지를 포함한다. 긴 스트로크 스테이지는 통상 종래의 베어링에 의해 안내되고 선형 모터에 의해 구동되며 스케일이 큰 X, Y 운동을 제공한다. 짧은 스트로크 스테이지는 6 자유도로 매우 정밀하게 위치 설정되도록 서보 제어된다. 이러한 시스템에서, 웨이퍼 자체는 전자기적으로 부양되고 단일 요소인 짧은 스트로크 스테이지에 장착된다. 이러한 단일 요소는 분리된 코일판 조립체의 일부인 짧은 스트로크 액츄에이터 코일과 상호 작용하는 강한 자기장을 발생시키는 영구 자석을 포함한다. 짧은 스트로크 코일판 조립체는 통상 긴 스트로크 스테이지의 이동 요소의 상부에 장착된다. 로렌츠 코일은 종종 이러한 액츄에이터 용도로 사용되며, 높은 전류 및 강한 자기장이 요구되기 때문에 쉽게 냉각되지 않는다.

로렌츠 액츄에이터에 의해 발생한 열은 종종 비틀림의 원인이 되어, 웨이퍼 정렬을 어렵게 한다. 이는 웨이퍼 자체에 매우 가까운 근접도를 필요로 하는 짧은 스트로크 액츄에이터 조립체에 있어서 사실이다.

전기 도전성 코일 또는 일련의 전기 도전성 스트립은 가장 큰 자기장력을 갖는 영역 외부에 위치된 웨이퍼 냉각 튜브로 액츄에이터 코일 열을 전달하는 데 사용될 수 있다. 절연된 구리를 권취하는 코일, 알루미늄 와이어, 일련의 절연된 구리 또는 알루미늄 스트립들 중 어느 하나는 맴돌이 전류 감쇠를 도입하지 않고 열을 효과적으로 전달한다. 도1은 그러한 기법들 중 하나를 도시한다. 얇은 벽의 스테인레스 냉각 튜브는 3면에서 액츄에이터 코일의 외부 주위를 둘러싼다. 절연된 구리 또는 알루미늄 와이어는 코일과 냉각 튜브 모두의 주위를 둘러싼다. 얻어진 코일의 단부는 전기적으로 절연되어 코일에서 발생한 전동력(EMF)이 루프 전류를 생성하지 않는다. 적절한 크기의 와이어를 사용함으로써, 와이어 내의 맴돌이 전류는 최소화된다. 알루미늄 와이어의 경우에는, 열 전달을 최대화하면서 충분한 절연을 제공하도록 산화 알루미늄을 사용할 수 있다.

도1에 추가로 도시된 바와 같이, 짧은 스트로크 코일판 조립체(101)는 기부판(120)을 포함한다. 본 도면에 도시되지는 않았지만, 웨이퍼는 기부판 바로 위의 단일 블록 상에 장착된다. 단일 블록(NdFeB 자석과 같은) 내의 자기 구성 요소는 코일을 통해 흐르는 전류와 상호 작용하는 강력한 자기장을 발생시켜, 그 운동을 제어하는 단일 블록 상의 로렌츠힘을 발생시킨다. 도1에 추가로 도시된 바와 같이, 조립체(101)는 정사각형 패턴으로 배열된(본 예에서) 복수의 액츄에이터 코일 조립체(102A 내지 102D)를 포함한다. 각각의 액츄에이터 코일 조립체(102)는 트랙 방향으로 권취된 코일(명확히 하기 위해, 단지 하나의 코일(103)만이 도1에서 도시됨)을 포함한다. 트랙 권선 대신에 편평한 코일, 또는 중첩 코일이 사용될 수도 있다. 열 전도 스트립(111)은 코일(103)과 접촉하도록 배열된다. 또한 트랙 코일(103)은 액츄에이터 구동 코일이라 칭한다. 전체적으로, 액츄에이터 코일 조립체(102A 내지 102D)는 회전을 포함하여 X, Y 평면에서의 운동을 제공한다.

냉각 튜브(113)는 각각의 액츄에이터 코일 조립체(102) 주연부의 세 측부 주위로 "싸여"진다. 본 실시예에서, 하나의 냉각 튜브(113)는 모두 4개의 코일을 냉각시키도록 사용된다. 냉각 튜브(113)는 입력 유체 연결부(104)와 출력 유체 연결부(105)를 포함한다. 연결 포트(112A, 112B)는 유체 공급 시스템(본 도면에는 도시 생략)에 연결되도록 사용된다. 전기적 커넥터(107A 내지 107D)는 각각 액츄에이터 코일 조립체(102A 내지 102D)에 전류를 공급하도록 사용된다.

또한, 냉각 재킷(110A 내지 110D)은 트랙 코일(103)로부터 냉각 튜브(113)로 열을 전도하도록 사용된다. 냉각 재킷(110)은 자기력이 액츄에이터 코일 조립체(102) 내의 다른 위치만큼 강하지 않은 영역에 위치된다는 것을 알아야한다. 그러므로, 맴돌이 전류에 의해 발생되는 문제점이 감소된다.

액츄에이터 코일 조립체(102A 내지 102D)가 원치 않는 음향적 연결을 감소시키기 위해 바람직한 중앙 개구를 갖는 것으로 도시되었지만, 그러한 개구를 갖지 않을 수도 있다는 것을 또한 알아야 한다.

또한 조립체(101)는 웨이퍼가 안착되는 단일 블록 상의 Z축 위치설정을 위해 사용되는 4개의 집속 코일(106A 내지 106C)을 포함한다. 각각의 커넥터(108A 내지 108D)는 집속 액튜에이터로 전류를 공급하도록 사용된다. Z축 운동량이 일반적으로 비교적 작으므로, 집속 코일(106A 내지 106C)은 비교적 작을 수 있다. 따라서, X, Y, Z 공간 내의 웨이퍼의 위치는 액츄에이터 코일 조립체(102) 및 집속 코일(106)의 사용을 통해 자기적으로 제어된다.

물 이외에, 에틸렌 글리콜이 냉각 튜브(113)를 통해 유동하는 냉각 유체로서 이용될 수 있음을 또한 주의해야 한다. 도1의 실시예에서, 열 전도 스트립(111)이 코일 패턴으로 권취되는 것을 주의해야 한다. 열 전도 스트립(111)은 구리, 스텐레스강, 알루미늄 등의 작업하기 용이한 비교적 연성인 금속을 포함하는 임의의 재료로 제조될 수 있다. 또한, 흑연 또는 흑연 섬유가 사용될 수 있다. 열 전도 스트립(111)이 대류(대류는 유체 또는 다른 매체의 물리적 이송을 포함함)보다는 전도를 통해 열을 전달한다는 것을 또한 주의해야 한다.

4개의 구동 코일 및 4개의 집속 코일이 도1에 도시되더라도, 이보다 많거나 작은 코일이 이용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 본 발명이 또한 적용 가능한 레티클(reticle) 스테이지의 경우, 단 2개의 액츄에이터 코일 조립체(102)만이 이용될 수 있다(또는 몇몇 경우에, 하나의 축을 따라서만 조절되는, 즉 단일 자유도만이 필요한 하나만이 사용될 수 있다).

대체예로서, 냉각 유체가 유동하는 작은 튜브로서 스트립(111)을 구비하는 것이 가능하다. 어느 경우에나, 열 전달 방향은 트랙 권취 방향에 대해 대체로 횡방향이다.

다른 대체예로서, 스트립(111)의 연속 코일 권선을 대신하여 일련의 적층된 절연 와이어 스테이플을 사용하는 것이 가능하다.

도2에 도시된 다른 실시예는 얇은 전기 절연 유리 섬유판에 부착되는 일련의 구리 또는 알루미늄 스트립을 사용한다. 스트립은 액츄에이터 구동 코일 표면 및 물 냉각 튜브 모두에 접합된다. 도1과 공통되는 요소는 동일한 부호를 갖는다. 또한, 얇은 유리 섬유 시트(202)는 전기 절연체로서 사용된다. 또한, 열 전도 스트립(111)은 코일로 권취되지 않고, 나란히 놓인다. 도1에서와 같이, 열 전달 방향은 코일(103)의 트랙 권취의 방향에 대해 대체로 횡방향이다.

또한, 도2에 대해, 유리 섬유 시트(201)는 제조 비용을 최소화하기 위해 제조 중에 박리될 수 있으며, 또는 제 위치에 남겨질 수도 있다.

제안된 방법은 종래 기술보다 제조하는데 비용이 덜 들며, 성능과 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

형태의 다양한 변경 및 상세가 첨부된 특허청구범위에 한정된 바와 같은 본 발명의 기술 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다는 것을 당해 기술 분야의 숙련자는 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술된 예시적인 실시예 중 어느 실시예에 의해 제한되지는 않고, 이하의 특허청구범위 및 그 동등물에 따라서만 한정되어야 한다.

본 발명에 따르면, 제작 비용이 적게 들며 냉각 성능과 신뢰도를 향상시킬수 있는 액츄에이터 코일 냉각 시스템을 제공할 수 있다.

Claims (23)

1. 별개의 자석 요소들에 의해 생성되는 자기장을 형성하도록 전류를 수반하는 와이어 코일과,

   와이어 코일의 근방이지만 코일 외부에서 관통 유동하는 냉각 액체를 가지고 상기 와이어 코일의 주연부 주위를 둘러싸는 냉각 튜브와,

   상기 와이어 코일로부터 상기 냉각 튜브로 열을 전도하기 위해 상기 와이어 코일의 적어도 일부를 대체로 횡단하도록 배열된 복수의 열 전도 스트립을 포함하는 액츄에이터.
2. 제1항에 있어서, 상기 와이어 코일의 일 측부 주위 및 상기 냉각 튜브 주위에 냉각 재킷을 더 포함하는 액츄에이터.
3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 열 전도 스트립이 코일로 배열된 액츄에이터.
4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 열 전도 스트립이 나란히 배열된 액츄에이터.
5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 열 전도 스트립의 각각은 관통 유동하는 냉각 액체를 갖는 마이크로튜브를 포함하는 액츄에이터.
6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 열 전도 스트립이 금속으로 형성된 액츄에이터.
7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 열 전도 스트립이 강, 금, 알루미늄, 구리, 흑연 및 흑연 섬유 중 어느 하나로 형성된 액츄에이터.
8. 제1항에 있어서, 상기 와이어 코일은 트랙 권선인 액츄에이터.
9. 제1항에 있어서, 상기 와이어 코일은 편평한 코일인 액츄에이터.
10. 제1항에 있어서, 상기 와이어 코일은 복수의 중첩 코일인 액츄에이터.
11. 기부판과,

    관통 유동하는 냉각 유체를 갖는 냉각 튜브와,

    상기 기부판에 수직이고 상기 기부판 주위로 대칭으로 배열되어 각각 자기장을 생성하는 복수의 코일 권선을 포함하고,

    상기 냉각 튜브는 상기 코일 권선의 주연부 주위를 둘러싸고,

    상기 코일 권선으로부터 상기 냉각 튜브로 열을 전도하기 위해 트랙 권선의 적어도 일부를 대체로 횡단하도록 배열된 복수의 열 전도 스트립을 더 포함하는 코일판 조립체.
12. 제11항에 있어서, 상기 기부판 상에 장착된 복수의 집속 코일을 더 포함하는 코일판 조립체.
13. 제11항에 있어서, 상기 코일 권선의 일 측부 주위 및 상기 냉각 튜브 주위에 냉각 재킷을 더 포함하는 코일판 조립체.
14. 제11항에 있어서, 상기 복수의 열 전도 스트립이 코일로 배열된 코일판 조립체.
15. 제11항에 있어서, 상기 복수의 열 전도 스트립이 나란히 배열된 코일판 조립체.
16. 제11항에 있어서, 상기 복수의 열 전도 스트립의 각각은 관통 유동하는 냉각 액체를 갖는 마이크로튜브를 포함하는 코일판 조립체.
17. 제11항에 있어서, 상기 복수의 열 전도 스트립이 금속으로 형성된 코일판 조립체.
18. 제11항에 있어서, 상기 복수의 열 전도 스트립이 강, 금, 알루미늄, 구리,흑연 및 흑연 섬유 중 어느 하나로 형성된 코일판 조립체.
19. 제11항에 있어서, 상기 복수의 열 전도 스트립이 복수의 적층된 절연 와이어 스테이플을 포함하는 코일판 조립체.
20. 제11항에 있어서, 상기 와이어의 코일은 트랙 권선인 코일판 조립체.
21. 제11항에 있어서, 상기 와이어의 코일은 편평한 코일인 코일판 조립체.
22. 제11항에 있어서, 상기 와이어의 코일은 복수의 중첩 코일인 코일판 조립체.
23. 별개의 자석 요소들에 의해 생성되는 자기장을 형성하도록 전류를 수반하는 와이어의 코일과,

    와이어 코일 근방이지만 코일 외부에서 관통 유동하는 냉각 액체를 가지며 상기 와이어 코일의 주연부 주위를 둘러싸는 냉각 튜브와,

    상기 와이어 코일로부터 상기 냉각 튜브로 열을 전도하기 위해 상기 와이어의 코일의 적어도 일부를 대체로 횡단하도록 배열된 복수의 열 전도 스트립을 포함하는 모터 코일.