KR20070099609A - 이동 디바이스 - Google Patents

Abstract

특히 반도체 산업에서의 용도에 있어서, 이동 디바이스(701)는, 자석 시스템(710)이 X-방향과 Y-방향에 평행하게 각각 뻗어나가는 행과 열의 패턴에 따라 배열되는 캐리어(714)를 포함하는 제1 부분을 포함하여 개시된다. Halbach 배열 즉, 각 행과 각 열에 존재하는 연속적인 자석의 자기 배향인 각 행과 열에 존재하는 자석은 시계 반대 방향(counter-clockwise)으로 90도 회전한다. 제2 부분은 두 유형의 전기 코일을 갖는 전기 코일 시스템(712)을 포함하는데, 한 유형의 전기 코일은 45도의 오프셋(offset)을 갖고, 나머지 하나의 전기 코일은 X-방향과 관련하여 -45도의 오프셋을 갖는다. 제1 부분(714,710)은 움직이지 않는 제2 부분(712)과 관련하여 센티미터 그 이상의 범위에 걸쳐서 움직여질 수 있다. 제1 부분의 고 정밀 위치선정(high precision positioning)을 위해 간섭계 시스템(731,730)이 제공된다.

Description

이동 디바이스{DISPLACEMENT DEVICE}

본 발명은 예컨대, 반도체 산업용으로 평면 전기 모터에서의 사용을 위한 이동 디바이스에 관한 것이다.

반도체 산업용 평면 전기 모터는 높은 처리량을 달성하기 위해 높은 가속도를 필요로 한다. 높은 가속도를 획득하기 위한 하나의 방법은 자계를 증가시키는 것이다.

WO 01/18944 A1은 캐리어를 포함하는 제 1 부분을 포함하는 위치 선정 디바이스를 개시하며, 이 캐리어 상에서 자석 시스템이 X-방향 및 Y-방향 각각에 평행하게 뻗은 행과 열의 패턴에 따라 배열된다. 각 행과 열에 있는 자석은 Halbach 배열에 따라 배열되는데, 즉, 각 행과 열에 있는 연속하는 자석의 자기 배향이 반 시계 방향으로 90도 회전함을 의미한다. 제2 부분은 두 유형의 전기 코일을 구비한 전기 코일 시스템을 포함하는데, 이 중 하나의 유형은 X-방향에 대해서 +45도의 오프셋을 갖고 나머지 한 유형은 -45도의 오프셋을 가지며, 상기 제2 부분은 제1 부분에 대해서 이동 가능하다. 자석 배치는 아주 강한 자계를 야기한다.

WO 01/18944 A1은 본 발명과 연관하여 이해되도록 본 명세서에서 참조로써 병합된다.

본 발명의 목적은 취급의 편의에 대해서 WO 01/18944 A1에 개시된 이동 디바이스를 개선하기 위한 것이다.

따라서 이동 디바이스는 적어도 X-방향 및 X-방향에 수직으로 Y-방향으로 서로에 대해 이동될 수 있는 제1 부분과 제2 부분을 포함하여 제공되는데, 상기 제 1부분은 캐리어를 포함하는데, 캐리어는 X-방향 및 Y-방향에 실질적으로 평행하게 뻗어있는 그리고, 캐리어 위에 자석 시스템이 X-방향에 평행하게 뻗은 행과 Y-방향에 평행하게 뻗은 열의 패턴에 따라 고정되고, 행(들) 및 열(들) 사이에 동등한 거리가 존재하고, 캐리어와 직각으로 그리고 제2 부분을 향해서 뻗는 자화 방향 방향을 갖는 제1 유형의 자석(N)과, 캐리어와 직각으로 그리고 제2 부분으로부터 멀어지도록 뻗은 자화 방향 방향을 갖는 제2 유형의 자석은 각 행과 각 열에서 교대로 배열되고, 제3 유형의 자석은 제1 및 제 2 유형(N,Z)의 자석의 병렬 자석으로 된 각 쌍의 자석 사이에서 각 열로 배열되는데, 제3 유형의 자석은 Y-방향에 평행하고 제1 유형의 자석으로 향하여 뻗은 자화 방향을 가지지만, 상기 제2 부분에는 전기 코일 시스템이 제공되는데, 전기코일 시스템은 자석 시스템의 자계에 위치하고 X-방향에 대해 실질적으로 45도의 각을 이루는 전류 전도체를 가진 제1 유형(C₁)의 적어도 하나의 전기 코일과, 자석 시스템의 자계에 또한 위치하고 X-방향에 대해 실질적으로 45도의 각을 이루는 전류 전도체를 가진 제2 유형(C₂)의 적어도 하나의 전기 코일을 포함하고, 상기 전류 전도체는 제1 전기 코일(C₁)의 전류 전도체에 수직으로 뻗어있으며, 여기서 제1 부분의 자석의 각 행에서, 제3 유형의 자석은 또한 제1 및 제2 유형의 병렬 자석(N,Z)의 각 쌍의 병렬 자석 사이에 배열되는데, 이 제3 유형의 자석은 X-방향에 평행하게 그리고 제1 유형의 자석을 향해 뻗는 자화 방향을 가지는 이동 디바이스에 있어서, 상기 제2 부분은 움직이지 않고 제1 부분은 수 센티미터 이상의 범위에 걸쳐 제2 부분에 비례하여 움직여질 수 있는 것을 특징으로 하고, 상기 이동 디바이스는 이동 가능한 제1 부분의 정확한 위치 선정을 위해 간섭계 시스템을 추가적으로 포함한다.

코일 부분인 제2 부분 대신 자석 부분인 제1 부분을 이동하는 것은 여러 이점을 갖는다. 오로지 코일은 전류를 제공받아서 냉각되어야 하기에 호스(hose) 및 와이어(wire)는 움직이는 부분에 붙일 필요가 전혀 없다. 코일 부분이 움직이지 않을 경우, 냉각이 실현되기 더 쉬울 것이다. 이 와이어와 호스는 상호 작용하는 자계와 전류의 영역으로부터 분리되는 공간에 제공될 수 있으며 동적 교란을 더 이상 초래하지 않는다. 이것은 위치 선정에 대한 본래의 정확도를 개선시킨다.

자석 부분의 움직임이 케이블 및 호스와 같은 임의의 제한으로부터 자유로워서, 상기 이동 디바이스는 위치 선정에 있어서 여전히 높은 정확도를 갖는 움직임의 준 무제한 범위를 제공하며, 움직이는 부분에 있는 케이블이 없기 때문에 정확한 위치 측정을 위해 간섭계 시스템에 의해 본질적 정확도가 향상된다. 짧은 범위뿐만 아니라 긴 범위를 통해 움직이는 자석 부분을 가진다는 사실은, 긴 스트로크 스테이지와 짧은 스트로크 스테이지를 갖는 보통 사용되는 더 복잡한 듀얼-스테이지 구성 대신 단일의 스테이지 구성을 허용한다.

당업자에 의해 잘 알려진 바와 같이, 간섭계는 두 광 빔의 간섭 패턴을 분석함으로써 대략 나노미터 정도까지의 길이 차이를 측정하도록 허용한다. 표준 간섭계 시스템은 광 소스, 상기 광빔을 조절하고 상이한 경로를 생성하기 위해 가령, 미러 또는 프리즘과 같은 둘 이상의 광학적 요소와 간섭 패턴을 측정하기 위한 검파기를 포함한다.

아주 민감한 리소그래피 프로세스 동안, 자석은 코일과 같이 열을 발생하지 않아 웨이퍼에 열 스트레스를 유도하지 않으므로, 자석 부분이 웨이퍼를 움직여 운반하는 것이 이점이 된다.

이 이동 디바이스의 또 다른 향상은, 제1 및 제2 유형의 자석이 측면이 똑같은 정사각형 모양을 갖고, 제3 유형의 자석은 측면의 모양에 있어서 직사각형이라는 점에서 달성되며, 이에 의해 제3 유형의 자석의 가장 긴 측면은 제1 및 제2 유형의 자석의 측면에 접하여 제1 및 제2 유형의 자석의 측면만큼 길다. 바람직하게, 제3 유형의 자석의 가장 짧은 측면의 치수 대 가장 긴 측면의 치수의 비율은 0.25와 0.50 사이의 범위이다. 이러한 자석의 배치가 훨씬 더 강한 자계를 초래한다는 사실이 밝혀졌다.

이것은 만일 유효한 자계에 위치한 코일의 전류 컨덕터의 길이가 자석의 폴 피치의 k배와 거의 동일하다면(k는 2의 배수 즉, 2,4,6,...), 자석의 폴 피치는 제1 및 제2 유형의 자석의 중심점이 위치한 두개의 인접한 대각선 사이의 거리로 한정되어 더 유리하다. 이 전류 전도체의 경도 방향으로의 움직임은, 자계의 합(sum)이 실질적으로 일정하게 유지되도록 야기하여, 그 결과로 힘의 변동이 감소된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 제1 부분은 대략 5mm 이하, 바람직하게는 3mm 이하의 높이를 갖는 반환 플레이트를 포함한다. 반환 플레이트는 자석 시스템의 뒤에 바로 위치한다. 이들은 강자성 물질로 만들어지고 자기 플럭스를 자석에 반환하는 기능을 갖는다. 또한 Halbach 자석이라고 불리는 제3 유형의 자석(H)을 제1 및 제2 유형의 자석 사이에 사용하는 경우, 플럭스는 제3 유형의 자석이 없을 때만큼 제1 및 제2 유형의 자석으로부터 멀리 밖으로 뻗어나가지 않는다. 이것은 정상의 경우와 같이 훨씬 얇은 반환 플레이트를 허용하며, 심지어, 반환 플레이트를 전혀 가지지 않는다는 것을 허용한다. 이것은 이동 디바이스의 무게를 줄이고 에너지 효율을 증가시킨다.

바람직한 실시예에서, 코일 높이는 대략 5mm와 30mm 사이, 바람직하게는 대략 9mm와 23mm 사이가 된다. 이러한 실시예는 웨이퍼 스테퍼(stepper)의 사용에 있어서 최적화되었고, 상당한 힘과 (전력 손실 당 힘의 제곱이 되는) 가파름(steepness)의 결합을 제공한다.

Hall 센서 배열을 코일의 중간에 놓는 것이 이점이 있는 것으로 증명되었다. Hall 센서 배열은 자기 플럭스를 측정하는 데에 아주 편리하다. 이러한 측정으로부터 코일 부분에 관련한 자석 부분의 위치가 결정될 수 있다. 적어도 두 개의 Hall 센서 배열의 정보에 기초하여, 어떤 전류 레벨이 어떤 코일에 주어져야만 하는지가 결정된다. 코일 중간에 Hall 센서 배열을 놓음으로써, Hall 센서 배열은 공간을 위한 여분의 필요성 없이 측정의 최적의 정확성을 위하여 자석에 가능한 가깝게 놓여진다.

바람직하게, 간섭계 시스템의 구성 요소는 간섭계 시스템의 광 빔을 반사하기 위한 제1 부분의 수직면 위에 있는 미러 및/또는 프리즘이 된다. 미러 및/또는 프리즘과 이들의 개수를 선택하는 것은 실제의 기하학적 배열(geometry)에 의존한다.

측정된 데이터 또는 제어 신호가 예컨대, 운송될 대상을 위한 유지 수단 또는 교정(calibration) 수단에 관한 데이터와 같이 교환되어야만 하는 경우에, 자석 부분 상에 무선 통신을 위한 수단 제공하는 것은 이점을 갖는다. 바람직한 통신 수단은 예컨대, 광학적이고 전기 용량성이다. 무선 에너지 전달이 운송된 대상의 정전기 클램핑을 위해 인가될 수 있다. 재충전 가능한 베터리 또한 적용될 수 있다.

바람직하게, 자석 부분은 픽-업 코일을 포함한다. 픽-업 코일은 자석 부분 상에 또는 내에 위치한 임의의 전자 구성 요소를 위한 에너지를 픽업하기 위해 또는 신호를 보내기 위해 또는 신호를 픽업하기 위해 사용될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 이 디바이스는 즉, 코일 부분과 같이 제2 부분에 대해 움직여질 자석 부분과 같이 둘 이상의 제1 부분을 포함한다. 이러한 배치는 특히, 여러 대상이 잇따라 동시에 여러 위치로 전송되어야 할 경우에 유용하다.

본 발명의 또 다른 측면에서, 대상 스테이지에서 예로 사용된 바와 같이, 상기 이동 디바이스는 6개의 자유도를 갖는 평면 전기 모터에 사용된다.

본 발명의 상세한 설명은 아래에 제공된다. 상기 상세 설명은 첨부된 도면과 관련하여 읽혀질 비 제한적인 예시의 방법으로써 제공된다.

도 1은 자석 시스템과 전기 코일 시스템을 포함하는 종래 기술에 따른 이동 디바이스의 개략적인 평면도.

도 2는 도 1의 세부적인 평면도.

도 3은 도 1에서 도시된 이동 디바이스의 단면도.

도 4a,b는 본 발명에 따른 이동 디바이스의 개략도.

도 5는 도 4의 이동 디바이스의 자석 부분의 개략도.

도 6은 종래 기술에 따른 이동 디바이스의 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 이동 디바이스의 단면도.

도 8은 본 발명에 따른 이동 디바이스의 더 세부적인 단면도.

도 9는 제1 위치에서 본 발명에 따른 이동 디바이스에 대한 또 다른 실시예의 개략적인 평면도.

도 10은 제2 위치에서 도 9의 이동 디바이스에 대한 개략적인 평면도.

도 11은 본 발명에 따른 이동 디바이스의 자석 부분에 대한 특별한 특징을 도시한 도면.

도 12는 전력 당 가속 대 반환 플레이트의 높이를 도시한 그래프.

도 13은 힘과 가파름(steepness) 대 코일의 높이를 도시한 그래프.

도 1은 자석 시스템(3)에 의해 형성된 제1 부분(1)과 전기 코일 시스템(4)에 의해 형성된 제2 부분(2)을 포함하는, WO 01/18944에서 설명된 바와 같은 이동 디바이스를 개략적으로 도시한다. 이 자석은 캐리어(5) 상에서 고정되고 상기 코일 시스템은 코일 블록(6) 상에서 고정 된다. 제1 및 2 부분은 서로 서로에 대해서 이동 가능하다. 도 1 내지 3에서 도시된 예에서, 움직이지 않는 부분은 자석을 갖는 캐리어(5)에 의해 형성되고 이동 가능한 부분은 코일 블록(6)에 의해 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 이동 디바이스에 있어서, 자석 시스템(3)의 유사 구성이 사용되고 제1 및 2 부분간의 상호작용에 대한 기초적인 원리는 동일하다.

자석은 본 명세서 상에서 이후에 서술되는 방식으로 캐리어(5) 상에 배열된다. 이 자석은 X-방향에 평행하게 뻗은 행(7)과 Y-방향에 평행하게 뻗은 열(8)의 패턴으로 배열되는데, 이 행(들)과 열(들)간의 사이 공간(interspace)도 동일하다. 각 행(7)과 각 열(8)에서, 제1 유형(N)과 제2 유형(Z)의 자석은 교대로(alternately) 배열된다. 제1 유형(N)의 자석은 캐리어와 직각으로 그리고 전기 코일 시스템을 갖는 제2 부분을 향해 뻗어있는 자화 방향을 갖지만, 제2 유형(Z)의 자석은 캐리어 쪽으로 그리고 전기 코일 시스템을 갖는 제2 부분으로부터 멀리(벗어나며) 직각으로 뻗어있는 자화 방향을 갖는다. 각 행과 각 열에서, 제3 유형(H)의 자석은 제1 유형(N)과 제2 유형(Z)의 각 쌍의 자석 사이에 배열된다. 열(들)(8) 사이에 위치한 제3 유형(H)의 자석의 자화 방향은 Y-방향에 평행하게 그리고 제1 유형(N)의 인접한 자석 쪽으로 뻗어있지만, 행(들)(7) 사이에 위치한 제3 유형(H)의 자석에 대한 자화 방향은 X-방향에 평행하게 그리고 또한 제1 유형(N)의 인접한 자석 쪽으로 뻗어있다. 자석의 다른 유형(N,Z 및 H)의 자화 방향은 화살표를 이용해서 나타낸다.

전기 코일 시스템(4)에는 제1 유형(C₁)의 적어도 하나의 코일이 제공되며, 자석의 유효한 자계에 위치한 이 코일의 전류 전도체(9)는 X-방향과 45도의 각을 이루고, 상기 전기 코일 시스템에는 또한 제2 유형(C₂)이고, 전류 전도체(10)를 가지는 적어도 하나의 코일이 제공되며, 자석의 유효한 자계에 위치한 이 코일의 전류 전도체(10)는 X-방향과 45도의 각을 포함하여, 제1 유형(C₁)의 코일의 전류 전도체(9)에 직각으로 뻗어있다. “유효한 자계에 존재하는 전류 전도체”라는 표현은, (일반적으로 한 묶음의 전류 전도체인) 이 코일의 부분이 자석의 자계에 위치하고, 유효한 로렌츠의 힘(effective Lorentz force)이 코일의 움직임을 야기하면서 상기 부분 상에서 지속적으로 작용한다는 사실을 의미하도록 취해져야 한다.

코일이 자석 시스템에서 움직이는 방식은 도 2와 관련하여 본 명세서에서 이후에 설명될 것이다. 참조 번호(9₁,9₂ 및 10₁,10₂)는 자석의 자계에 제공된 코일(C₁,C₂)의 전류 전도체를 각각 나타낸다. 전류 전도체(9₁)는 문자 N을 이용하여 표시된, 자석의 자계에서 눈에 띄게(predominantly) 위치한다. 이러한 N 자석의 자화 방향은 즉, 자석 시스템에 직각으로 그리고 전류 전도체(9₁) 쪽으로 유도되는 것과 같이 위쪽을 가리키는 화살표를 이용하여 표시된다. 자계의 방향은 화살표(B₁)를 이용하여 표시된다. 만일 전기 전류가 화살표(I₁)에 의해 표시된 방향으로 전류 전도체(9₁)를 통해 흐른다면, 힘(F₁)은, 그 결과로서 전류 전도체가 화살표(F₁)의 방 향으로 움직이기 시작하길 원하는, 관련되는 화살표에 의해 표시된 방향으로 전류 전도체 상에서 작용할 것이다. 전류 전도체(9₂)는 Z로 붙여진(참조된) 자석의 자계에 눈에 띄게 위치한다. 이러한 Z 자석의 자화 방향은 아래쪽(즉, 자석 시스템과 직각으로 그리고 전류 전도체(9₂)로부터 멀어지게)을 가리키는 화살표(B₂)를 이용하여 표시된다. 전기 전류가 화살표(I₂)에 따라 전류 전도체(9₂)를 통해 흐른다면{즉, 전류(I₁)에 반대로 흐를 때}, 관련 화살표에 의해 표시된 방향에 존재하는 힘(F₂)은, 전류 전도체(9₂) 상에 지속적으로 작용할 것이며 그 결과로서, 전류 전도체가 화살표(F₂)에 의해 표시된 방향{즉, 화살표(F₁)와 같은 방향}으로 움직이기 시작하길 원한다. 이와 똑 같은 방식으로, 전류 전도체(9₁,9₂)에 직각으로 배열된 전류 전도체(10₁,10₂)는 화살표(I₃,I₄)와 관련하는 전류에서 N과 Z 자석의 자계의 영향 아래에 있는, 화살표(F₃,F₄)를 이용하여 표시된 방향으로 뻗어있는 힘에 종속될 것이다. 물론, 이 전류 전도체에 존재하는 전류가 역전된다면, 이 힘은 계속 작용하여서 전류 전도체의 이동도 또한 역전될 것이다. 도 3에서, 힘의 이러한 상호 작용(interplay)도 또한 도시된다.

전류 전도체(9,10)의 부분(11)은 제3 유형(H)의 자석 위에 그리고/또는 즉, (도 2 참조, 왼쪽 밑) 제1 유형(N) 및 제2 유형(Z)의 자석 사이의 자석이 전혀 없는 부분의 위에 또한 존재한다. 전류 전도체의 이러한 부분은 자계(B)에 위치하는 데, 이 필드의 평균 방향은 X-Y 평면에 평행하게 실질적으로 뻗어있다. 도 3에 전류 전도체(9_1C)로 또한 참조된다. 전류(I)가 이러한 전류 전도체를 통해 흐른다면, 상기 언급한 전류 전도체의 부분은 Z 방향인, X-Y 평면에 수직인 방향에 존재하는 힘(F)에 종속될 것이다. 자석에 대한 전류 전도체의 위치 및 전류의 방향에 의존하여, 상기 힘은 자석 쪽으로 또는 자석으로부터 멀어지게 유도될 것이다. 이러한 힘이 자석으로부터 멀어지게 유도된다면, 이 힘은, 즉, 전류 전도체가 자석으로부터 멀어지게 움직이도록 야기하는 힘인 공중 부양 힘(F₁)으로 언급된다. 이러한 힘은 코일 블록과 자석 사이의 방위 함수를 제공하도록 사용될 수 있다.

제1 유형(N)과 제2 유형(Z)의 자석은 모양에 있어서 정사각형이다. 제3 유형(H)의 자석은 직사각형이며, 이 자석(H)의 (도2 참조) 가장 긴 측면(12)이 N 자석과 Z 자석의 측면(13)과 경계를 이루도록 크기가 정해지며, H 자석의 가장 짧은 측면(14)의 크기와 가장 긴 측면(12)의 크기 사이의 비율은 0.25와 0.50 사이의 범위에 존재한다. 이것은, 최적화 분석에서 발견되어진바와 같이, 자석 시스템의 유닛 영역 당 자계의 가장 큰 힘을 초래한다.

도 3은 두 세트의 세 개의 코일 즉, 전류 전도체(9_1a,9_1b,9_1c)와 반환 전류 전도체(9_2a,9_2b,9_2c)를 갖는 제1 세트 코일(C₁₁)과 전류 전도체(9_3a,9_3b,9_3c)와 반환 전류 전도체(9_4a,9_4b,9_4c)를 갖는 제2 세트 코일(C₂₁)을 도시한다. 두 세트의 코일 모두는 3상 전류 시스템에 의해 주어진다. 전류 전도체의 경도 방향으로 본다면, 세 개의 전류 전도체의 제1 세트 코일(C₁₁)은, 세 개의 전류 전도체의 제2 세트 코일(C₂₁)과 관련하여 자석의 폴 피치(pole pitch)(16)에 대략 반 정도의 거리(15)에 걸쳐 이동된다. 자석의 폴 피치(16)는, 각각 동일한 N 및 Z 유형의 자석의 중심 점(17,18)이 위치하는 두 개의 인접한 대각선 사이의 거리를 의미하는 것으로 본 명세서 상에서 간주된다. 만일 이러한 조치가 취해지지 않는다면, 가변 토크(torque)는 이동 동안에 양 세트의 전류를 운반하는 코일(current-carrying coils) 상에 작용하며, 이러한 토크는 움직이지 않는 부분과 관련하여 Z-축 주위의 움직이는 부분(자석을 지닌 코일 블록 또는 캐리어)에 대한 일종의 진동을 야기한다. 서로에 관련하여 코일 세트의 이동 덕택으로, 이러한 진동 효과는, 토크가 두 세트의 코일 중 하나에서 나타나기 때문에 실질적으로 줄어드는데, 이러한 것은 나머지 세트에 존재하는 토크를 보상한다. 본 발명에 따른 이동 디바이스에서, 이러한 진동 효과는 코일 블록(6)에 진동을 야기한다.

전류 전도체의 길이(19)는 대략 자석의 폴 피치(16)의 k배(k는 2의 배수)와 같게 되도록 선택된다. 결과적으로, 경도 방향으로 전류 전도체의 움직임이 있는 순간에 자계의 합계는 대략 일정하게 유지된다. 이것은 전류 전도체 상에 작용하는 힘에 대한 변동이 더 작아지도록 한다. 이 적용은 코일과 위상의 수에 종속하지 않는다.

도 4a,b는 제1 부분 즉, 움직임이 가능한 자석 부분(410)과 제2 부분 즉, 움직이지 않는 코일 부분(420)(단면도로서의 도 4a, 평면도로서의 도 4b)을 갖는 본 발명에 따른 이동 디바이스(1)를 도시한다. 본 예의 자석 부분(410)은 도 4에서 보이지 않는 자석을 갖는 캐리어(414)를 갖고, 하나 이상의 미러 및/또는 다른 광학적 요소가 자석 부분의 위치에 있어서 고 정밀 측정을 위해 (도 4에서 미도시된) 간섭계 시스템의 일부분으로서 그 위에 고정되는, 상기 캐리어(414)의 윗면에 미러 블록(412)을 갖는다. 이 자석 부분(410)은 움직이지 않는 코일 부분(420)에 관련하여 이동 가능하다. 이 코일(424)은 쿨링 채널(426)을 통해 유체-냉각되는(fluid-cooled) 코일 블록(422) 상에 배열된다. 도 4에서 볼 수 있듯이, 이 코일(424)은 90도에 의해 오프셋 되는 이웃하는 그룹의 배향을 갖는 세 개로 구성된 그룹(들)으로 배열된다. 당업자는 세 개의 코일 이상이거나 또는 더 적은 수의 코일 그룹과 같은, 다른 배열이 또한 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.

도 5는 아래 부분이 위로 플리핑(fliping)된 자석 부분(410)을 더 상세히 도시한다. 세 유형 즉, N,Z 그리고 H 유형의 자석은 도 1을 이용해서 설명된 것과 같이 배열된다.

도 6은 듀얼-스테이지(dual-stage) 구성으로 종래 기술에 따른 이동 디바이스(601)를 도시한다. 장거리 스트로크를 위한 제1 스테이지는 자석 플레이트(610)에 비례하여 이동 가능하고 장거리 스트로크 캐리어(614)에 고정되는 코일(612)을 포함한다. 이 장거리 스트로크 캐리어(614)는 코일(612)을 정류하기 위한 쿨링 장치 및 전자 구성요소를 포함한다. 전류, 제어 신호 및 냉각수 유체를 제공하기 위해, 장거리 스트로크 캐리어(614)는 케이블 암(632)에 부착된다. 이 케이블 암(632)은 이동 디바이스(601)의 움직임 범위를 제한한다. 게다가, 케이블 슬 랩(slab)으로 이루어진 케이블(632)은 자계를 또한 자기고 있기 때문에 자석과 코일 사이의 상호작용을 방해할 수 있다.

장거리 스트로크 캐리어(614) 상에서 단거리 스트로크 스테이지의 일부분이 되는 코일(622)이 고정된다. 자석(620)을 지닌 이 단거리 스트로크 캐리어(624)는 코일(622)과 장거리 스트로크 캐리어(614)에 비례하여 움직여 질 수 있다. 이 단거리 스트로크 스테이지의 위치 선정은 간섭계 시스템의 도움으로 제어되는데, 이 시스템의 두 광빔(630)은 도 6에 도시된다.

하나 뿐만 아니라 두 스테이지가 이동되어 위치 선정되고, 제어되어 냉각되어야만 하기 때문에 도 6의 이동 디바이스(601)에 대한 복잡도는 상당히 높다. 이것은 예컨대, 고 정밀 정확도가 아주 중요한 리소그래피를 위해 사용되는 웨이퍼 스테퍼(wafer stepper)에서와 같이 웨이퍼(20)를 수송하려는 반도체 산업에서 사용될 수 있다.

반대로, 도 7은 예컨대, 웨이퍼 스테퍼에서의 사용을 위해 본 발명에 따른 이동 디바이스(701)를 도시한다. 캐리어(714)에 부착되고 코일 플레이트(712)에 비례하여 이동 가능한 자석(710)을 구비하는 오로지 한 스테이지만이 필요시 된다. 충분한 가속도를 제공하기 위한 필요한 힘은 상기에서 설명된 바와 같이, Halbach 자석 배열을 포함하는 특별한 자석 배열에 의해 제공된다. 이런 움직임은 임의의 케이블 또는 호스에 의해 제한되지도 방해받지도 않는다. 이 캐리어(714)는 열적으로 및 전자기적으로 분리되어 어떠한 방법으로도 예컨대, 웨이퍼(20)인 이동될 대상에 영향을 주지 않는다. 위치 선정에 있어서의 정확성은 광빔(730)을 구비한 간 섭계 제어 유닛(731) 덕택에 달성된다. 이러한 간섭계 제어 유닛(731)은 광 소스와, 본 예에서, 웨이퍼(20)의 위치를 결정하기 위해 측정 데이터를 분석하기 위한 프로세싱 유닛에 중계된 검파기를 포함한다. 광빔(730)은 캐리어(714)의 수직 면 위에 반사되고 위치 측정을 위한 간섭계 제어 유닛(731)에 의해 참조 빔(reference beam)과 비교된다. 종래 기술에 따른 것 보다 덜 움직이는 구성 요소를 갖는 것이 이동 디바이스(701)의 신빙성(신뢰성)을 증가시킨다.

도 8은 웨이퍼 스테퍼에서의 사용을 위해 본 발명에 따른 이동 디바이스(801)를 더 상세히 도시한다. 상기에서 설명된 바와 같이, 주요 부분(들)은 다시 움직이지 않는 코일의 배열(812) 및 코일(812)과 관련해서 이동될 자석(810)의 배열이 된다.

이러한 코일(812)은 테이블(841)에 배열된다. 각 코일(812)의 중심에는 증폭기(856)와 결합된 Hall 센서 배열(854)와 코일(812)과 관련하여 자석(810)의 위치를 측정하기 위한 홀 전극(858)이 있다. 위치, 힘의 단계 및 힘의 방향에 의존하여, 전류는 자석으로 오버래핑되는 코일을 통해 흐르게 된다. 이 코일(812)은 코일(812) 바로 아래에 위치한 쿨링 바디(852)에 의해 냉각된다.

캐리어(814)와 미러 블록(816) 내부 및 그 위의 전자회로를 위한 전력은 픽-업 코일(851)에 의해 픽-업된다.

이 캐리어(814)와 미러 블록(816)은 본 예에서 리프 스프링{(840, leaf spring)}과 같이 탄성이 있는 요소에 의해 진동 및 열에 관해서 분리된다. 캐리어는 대부분의 전자를 포함하지만 미러 블록은 이에 고정된 웨이퍼(20)를 구비한 클 램프(818)를 운반한다. 더욱이 이는 리소그래피 노출 빔의 올바른 위치를 측정하고 확인하기 위한 교정 유닛(850)을 운반한다. 간섭계 프로빙 빔을 반사하기 위해 프리즘(832)과 미러(833)는 미러 블록(816)의 수직 면에 부착된다.

클램프(818)와 교정 유닛(850)은 교정 전자회로(864)와 클램프 전자회로(866)에 의해 제어된다. 이 교정 및 클램프 전자회로(864,866)는 필요에 의존하여 전력 전자회로(862) 이후에 픽-업 코일(851) 및/또는 전력 저장소(860)에 의해 전력 공급된다. 교정 및 클램프 전자회로(864,866)는 통신 전자회로(868)에 중계된다. 캐리어(814) 내부에 있는 수신기(876)와 이미터(870) 그리고 외부에 있는 수신기(872)와 이미터(874)를 통해서, 통신 전자회로는 클램프, 교정 및 이동 디바이스를 위한 제어 데이터를 외부 제어 유닛으로 교환한다. 이 통신 전자회로(868)는 클램프와 교정 전자회로(864,866)와 같이 전력 공급된다. 본 예에서, 무선 통신 수단은 광학적이고, 송출기(870,874)는 광 방출 다이오드이며, 수신기(872,876)는 포토다이오드가 된다. 오로지 픽-업 코일(851)만을 사용하여 통신하는 것이 또한 가능하다는 사실에 주의해야 한다.

전자 구성요소를 캡슐화 했으므로, 진공 상태에서 이동 디바이스(801)를 사용하는 것이 가능하다.

도 9는 하나 뿐만 아니라 소위 트윈-스테이지 구성으로서 코일 플레이트(912)와 관련하여 이동될 두 개의 자석 부분(910)을 갖는 이동 디바이스를 도시한다. 이 평면도에서, 자석 부분(910)의 웨이퍼 클램프(918)와 미러 블록(916)만이 보인다. X,Y,Z 방향에 관련한 공간에서의 위치뿐만 아니라 X,Y,Z 축에 관한 기울기 또한 제어되기에, 6개의 프로빙 빔(930)은 각 자석 부분(910)을 위한 간섭계 시스템에 의해 제공된다.

오직 하나의 자석 부분을 갖는 이동 디바이스가 6개의 자유도를 가질 수 있을 뿐만 아니라 세 개 이상의 자석 부분을 갖는 이동 디바이스도 또한 이러하다(자석 부분 마다 6개의 자유도)는 사실에 주의해야 한다.

이러한 트윈-스테이지 구성은 반도체 산업에서 아주 편리하다. 예컨대, 왼쪽 자석 부분(910) 상의 웨이퍼는 측정되면서, 오른쪽 자석 부분(910) 상의 웨이퍼는 리소그래피 장치의 프로젝션 빔에 동시적으로 노출될 수 있다. 양 자석 부분(910)의 위치에 대한 바뀜(swapping)이 도 10에 도시된다. 케이블 및 호스 암에 부착된 움직이는 코일 부분을 갖는 종래 기술의 듀얼-스테이지 구성과 비교한다면, 모든 이러한 방해가 고려될 필요가 없기에 바뀜 시간이 줄어든다.

도 9 및 10으로부터 알 수 있듯이, 간섭계 시스템은 계속해서 측정할 필요가 없다. 대부분의 적용에 있어서, 자석 부분(910)의 정밀한 위치 선정 동안에만 측정하는 것만으로도 충분하다.

도 9 및 10에 도시된 듀얼-스테이지 이동 디바이스는 다음과 같은 치수를 갖는다: 미러 블록(916)의 길이는 420mm이다. 바뀜(도 10 참조) 동안 양 자석 부분(910) 간의 최소 공간은 50mm이다. 만일 도 4에서 도시된 바와 같이 세 개의 코일로 구성된 하나의 그룹이며 5개의 자기 피치와 동일한 코일 플레이트(912)의 한 평방(one square)을 취하고, 미러 블록의 길이를 15개의 자기 피치와 동일한 두 개 반의 코일 그룹이 되도록 취한다면, 이 자기 피치는 31,8mm가 된다.

도 11은 반환 플레이트(111) 상에 배열된 N 및 Z 유형의 자석(110)을 도시한다. 이 반환 플레이트는 자기 플럭스를 자석(110)에 반환한다. 만일 상기 자석(110) 사이에 Halbach 자석(112)을 추가한다면, 자기 플럭스는, 훨씬 더 적은 플럭스가 반환 플레이트 측면 상에 있는 자석(110)을 나가도록 하기 위해 수정된다. 이러한 결과는 도 12에서 또한 도시된다. 전력 당 가속도 대 반환 플레이트의 높이는 Halbach 자석이 있을 때/자석이 없이 측정되었다. Halbach 자석이 없다면, 전력 당 가속도는 0mm에서 거의 4mm까지 반환 플레이트의 높이를 증가시킴으로써 증가된다. Halbach 자석이 있다면, 대략 2,5mm에서 반환 플레이트가 없는 지점까지, 전력 당 가속도는 일정하게 유지된다. 만일 일부 파라미터가 자석 부분의 무게를 줄임으로써, 심지어 반환 플레이트를 생략함으로써 개선될 수 있다면, 전력 당 가속도에 대한 부정적인 영향은 전혀 없다. Halbach 자석을 이용함으로써, Halbach 자석이 없는 자석 배열과 비교하여 더 낮은 반환 플레이트 높이에 대해 대략 25% 이상의 전력 당 가속도에 대한 전반적인 증가가 있다는 사실에 또한 유의해야 한다.

본 발명에 따른 이동 디바이스를 최적화하기 위한 또 다른 파라미터가 도 13에 도시된다. 움직임에 대한 평면, X-Y 평면에서의 힘뿐만 아니라 가파름은 도 9 및 도 10에서 도시된 디바이스로 코일 높이 변화에 대해 측정되었다. 이 그래프로부터 볼 수 있듯이, 큰 힘과 큰 가파름의 최적 결합은 대략 5mm와 30mm 사이의 높이에서 달성 될 수 있고, 9mm와 25mm 사이가 더 좋으며, 측정된 디바이스를 위한 최적 조건은 약 22mm가 된다.

비록 본 발명의 여러 바람직한 실시예가 서술되었을지라도, 다양한 변화, 변 경 그리고 대체가 본 발명의 정신과 개념에서 벗어나지 않고 행해질 수 있다는 사실을 당업자는 이해할 것이다. 그러므로 본 발명은 첨부된 청구항의 적절한 범위를 갖는 임의의 형태 또는 변형으로 청구된다. 예컨대, 다음 종속 청구항의 특징에 대한 다양한 결합은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 독립 청구항의 특징을 가지며 이루어질 수 있다. 더욱이, 청구항에서의 임의의 참조 번호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 예컨대, 반도체 산업용으로 평면 전기 모터에서의 사용을 위한 이동 디바이스에 이용 가능하다.

Claims (12)

1. 적어도 X-방향 및 이에 수직으로 Y-방향으로 서로에 대해 이동될 수 있는 제1 부분(1)과 제2 부분(2)을 포함하는 이동 디바이스로서,

   상기 제 1부분은 캐리어(5)를 포함하는데, 캐리어는 X-방향 및 Y-방향에 실질적으로 평행하게 뻗어있는 그리고, 캐리어 위에 자석 시스템(3)이 X-방향에 평행하게 뻗은 행(7)과 Y-방향에 평행하게 뻗은 열(8)의 패턴에 따라 고정되고, 행(들) 및 열(들) 사이에 동등한 거리가 존재하고, 캐리어(5)와 직각으로 그리고 제2 부분(2)을 향해서 뻗는 자화 방향 방향을 갖는 제1 유형의 자석(N)과, 캐리어(5)와 직각으로 그리고 제2 부분(2)으로부터 멀어지도록 뻗은 자화 방향 방향을 갖는 제2 유형의 자석(2)은 각 행(7)과 각 열(8)에서 교대로 배열되고, 제3 유형의 자석(H)은 제1 및 제 2 유형의 자석(N,Z)의 병렬 자석으로 된 각 쌍의 자석 사이에서 각 열로 배열되는데, 제3 유형의 자석은 Y-방향에 평행하고 제1 유형(N)의 자석으로 향하여 뻗은 자화 방향을 가지지만, 상기 제2 부분(2)에는 전기 코일 시스템(4)이 제공되는데, 전기코일 시스템(4)은 자석 시스템의 자계에 위치하고 X-방향에 대해 실질적으로 45도의 각을 이루는 전류 전도체(9)를 가진 제1 유형(C1)의 적어도 하나의 전기 코일과, 자석 시스템의 자계에 또한 위치하고 X-방향에 대해 실질적으로 45도의 각을 이루는 전류 전도체(10)를 가진 제2 유형(C2)의 적어도 하나의 전기 코일을 포함하고, 상기 전류 전도체는 제1 전기 코일(C1)의 전류 전도체(9)에 수직으로 뻗어있으며, 여기서 제1 부분(1)의 자석의 각 행(7)에서, 제3 유형의 자석(H) 은 또한 제1 및 제2 유형의 병렬 자석(N,Z)의 각 쌍의 병렬 자석 사이에 배열되는데, 이 제3 유형의 자석은 X-방향에 평행하게 그리고 제1 유형의 자석을 향해 뻗는 자화 방향을 가지는 이동 디바이스에 있어서,

   - 상기 제2 부분(2)은 움직이지 않고 제1 부분(1)은 수 센티미터 이상의 범위에 걸쳐 제2 부분(2)에 비례하여 움직여질 수 있고;

   - 상기 이동 디바이스는 이동 가능한 제1 부분(1)의 정확한 위치 선정을 위해 간섭계 시스템(730,731,832,833)을 추가적으로 포함하는;

   것을 특징으로 하는, 이동 디바이스.
2. 제 1항에 있어서,

   제1 및 제2 유형의 자석(N,Z)이 측면(13)을 구비한 똑같은 정사각형 모양을 갖는 것을 특징으로 하고, 제3 유형의 자석(H)이 측면(12,14)을 갖는 모양에 있어서 직사각형 모양이며, 이에 의해 제3 유형의 자석(H)의 가장 긴 측면(12)은 제1 및 제2 유형의 자석(N,Z)의 측면(13)과 경계를 이루고 제1 및 제2 유형의 자석의 측면(13) 만큼 길다는 사실을 특징으로 하는, 이동 디바이스.
3. 제 2항에 있어서,

   제3 유형의 자석(H)에 대한 가장 긴 측면(12)의 치수와 가장 짧은 측면(14)의 치수의 비율은 0.25와 0.50 사이의 범위인 것을 특징으로 하는, 이동 디바이스.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   코일의 전류 전도체(9,10)가 유효한 자계에 위치하는, 상기 코일의 전류 전도체(9,10)의 길이(19)는, 2의 배수인 자석의 폴 피치(16)의 k배와 거의 동일하고, 자석의 폴 피치(16)는 똑같은 유형(N,Z)의 자석의 각각의 중심 점(17,18)이 위치한 두개의 인접한 대각선 사이의 거리로서 한정된다는 것을 특징으로 하는, 이동 디바이스.
5. 제 1항 내지 제 4항에 중 어느 한 항에 있어서,

   제1 부분(1)은 대략 5mm 이하 바람직하게는, 대략 3mm 이하의 높이를 갖는 반환 플레이트(111)를 포함한다는 것을 특징으로 하는, 이동 디바이스.
6. 제 1항 내지 제 5항에 중 어느 한 항에 있어서,

   코일 높이가 대략 15mm와 30mm 바람직하게는, 대략 19mm와 23mm 사이에 존재한다는 것을 특징으로 하는, 이동 디바이스.
7. 제 1항 내지 제 6항에 중 어느 한 항에 있어서,

   Hall 센서(854)가 코일(812)의 중간에 놓인다는 것을 특징으로 하는, 이동 디바이스.
8. 제 1항 내지 제 7항에 중 어느 한 항에 있어서,

   간섭계 시스템의 구성요소(730,731,832,833)는 간섭계 시스템의 광 빔(730)을 반사하기 위해 제1 부분(1)의 수직면 상에 있는 미러(833) 및/또는 프리즘인 것을 특징으로 하는, 이동 디스플레이.
9. 제 1항 내지 제 8항에 중 어느 한 항에 있어서,

   제1 부분(1)이 무선 데이터 통신을 위한 수단(870,872,874,876)을 갖는다는 것을 특징으로 하는, 이동 디바이스.
10. 제 1항 내지 제 9항에 중 어느 한 항에 있어서,

    제1 부분(1)이 픽-업 코일(851)을 포함한다는 것을 특징으로 하는, 이동 디바이스.
11. 제 1항 내지 제 10항에 중 어느 한 항에 있어서,

    두개 이상의 제1 부분(1)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 이동 디바이스.
12. 6개의 자유도를 갖는 평면 전기 모터에서 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 이동 디바이스의 이용.

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