KR20130108325A - 감소된 와류 항력을 나타내는 전자기 작동기의 마이크로채널 냉각 코일 - Google Patents

감소된 와류 항력을 나타내는 전자기 작동기의 마이크로채널 냉각 코일 Download PDF

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마이클 비 빈나드
스코트 코아클리
알렉스 푼
마사히로 토츠
데릭 쿤
레오나르드 코
가우라브 케스와니
알렉산더 쿠퍼
마이클 파랜드
매트 비조르크
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가부시키가이샤 니콘
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Abstract

적어도 하나의 능동적으로 냉각되는 코일 조립체를 갖는 예시적인 전자기 작동기들과 같은 선형 및 평면 모터들이 개시된다. 예시적인 조립체는 제 1 및 제 2 주 표면들을 갖는 코일을 포함한다. 코일의 적어도 하나의 주 표면과 열 접촉하는 각각의 열 전도 냉각 플레이트가 또한 포함된다. 각각의 냉각 플레이트 내에 또는 그 위에 냉각제 통로가 형성되며, 액체 냉각제가 냉각제 통로를 통과한다. 냉각제 통로는 코일의 주 표면의 적어도 일부와 동일 공간에 걸쳐 있는 주 패턴을 갖는다. 주 패턴은 냉각제 플레이트에서의 와류 손실을 줄이는 방식으로 냉각제 통로를 통과하는 냉각제 흐름을 생성하는 보조 패턴을 포함할 수 있다. 냉각제 통로는 바람직하게 포함한다. 예시적인 보조 패턴은 구불구불하다. 예시적인 주 패턴은 방사 패턴이거나, X자 형상 패턴과 같은 방사 양태를 갖는다. 장치들은 전통적인 작동기들보다 더 효과적인 냉각과 더불어, 더 양호한 신뢰성 및 쉬운 유지 보수, 및 감소된 와류 항력을 제공한다.

Description

감소된 와류 항력을 나타내는 전자기 작동기의 마이크로채널 냉각 코일{MICROCHANNEL-COOLED COILS OF ELECTROMAGNETIC ACTUATORS EXHIBITING REDUCED EDDY-CURRENT DRAG}
관련 출원
본 출원은 2010년 9월 3일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/380,159호, 2010년 9월 3일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/380,154호 및 2011년 9월 2일자로 출원된 미국 특허 출원에 대한 우선권을 주장한다. 이들의 내용들은 참조에 의해 각각 전체적으로 본 명세서에 통합된다.
본 발명은 예를 들어 마이크로리소그라피 시스템들에서 사용되는 바와 같은 고정밀 공작물 배치 장치들에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 이러한 시스템들에서 사용되며 급전 시에 열을 발생시키는 다수의 전기 코일 조립체를 포함하는 소정 타입의 전자기 모터들(즉, 선형 모터들 및 평면 모터들)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 특히 고정밀 시스템들에서 사용하기 위해 와류 항력의 형성을 줄이거나 적어도 그에 기여하지 않는 방식으로 그러한 모터들을 냉각하기 위한 장치들 및 방법들에 관한 것이다.
많은 타입의 정밀 시스템들은 공작물과 같은 물체의 정밀 배치를 위해 전자기 모터들 및 기타 작동기들을 사용한다. 그러한 정밀 시스템들의 예는 소정 타입의 마이크로리소그라피 시스템들이며, 여기에서 하나 이상의 스테이지 작동기를 이용하여 이동 및 배치되는 이동 가능 스테이지 상에 물체(예로서, 표면을 패터닝할 웨이퍼 또는 패턴을 형성하는 레티클(reticle))가 탑재된다. 스테이지 작동기들은 종종 선형 모터들로서 구성되며, 이들은 특히 이들의 주요 운동 방향들에서 매우 정확한 스테이지 이동 및 배치를 제공할 수 있다. 이러한 응용들을 위한 선형 모터는 통상적으로 다수의 코일의 조립체 및 적어도 하나의 영구 자석들의 선형 어레이를 포함한다. 코일들에 대한 급전은 코일 조립체와 자석 어레이 상호 간의 전자기 상호작용을 유발하여, 코일 조립체와 자석 어레이의 상대적인 운동을 발생시킨다. 일반적으로, 코일들은 선형 모터의 이동 가능 부분("회전자(armature)" 또는 "정류자(commutator)")이고, 자석 어레이는 모터의 정지 부분("고정자(stator)")이다. 이러한 선형 모터의 일반적인 구성에서, 급전된 코일 조립체가 정지된 자석 어레이에 대해 상대적으로 움직인다. 스테이지 또는 기타 이동체를 코일 조립체에 결합함으로써, 코일들에 대한 급전은 자석 어레이에 대한 이동체의 대응하는 운동을 발생시킨다.
자석 어레이들(선형 모터에서와 같은 1차원이 아니라 2차원임) 및 전기적으로 작동 가능한 코일 조립체들을 또한 포함하는 평면 모터들이 마이크로리소그라피 시스템들에서의 사용을 위해 심각하게 고려되고 있다. 또한, 급전 시에 평면 모터의 코일 조립체는 자석 어레이에 대해 상대적으로 움직인다. 평면 모터들은 이롭게도 3개 내지 6개의 자유도로 운동을 제공할 수 있는 반면, 선형 모터들은 대개 단 하나의 자유도로 운동을 제공하는 경향이 있다.
선형 및 평면 모터들에서, 코일들에 대한 급전은 코일들에 의한 열 발생을 일으킨다. 이러한 열은 제거되거나 통제되지 않을 경우에 정밀 시스템의 다른 영역들로 침투하여, 예를 들어 이동 및 배치 에러들을 유발할 수 있다. 따라서, 가장 극단적인 응용들의 경우, 선형 및 평면 모터들은 모터의 운동 및 배치 정확도에 대한 모터의 온도 변화의 악영향을 제거하거나 적어도 최소화하기 위해 냉각되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 코일들의 가열은 이들의 전기 저항을 증가시키는 경향이 있으며, 이는 계속되는 급전과 더불어 코일들로 하여금 훨씬 더 많은 열을 발생시키게 하고 모터 성능을 더 낮출 수 있다. 게다가, 모터에 의해 생성된 열은 주변 공기를 가열하는 경향이 있으며, 따라서 특히 이웃 레이저 간섭계들 및 기타 고정밀 광학계들의 근처에서 국지적 공기의 굴절률을 크게 변화시킬 수 있는 대류를 발생시킨다. 이러한 굴절률 변화는 시스템에 의해 수행되는 작업의 정확도 및 정밀도를 상당히 저하시킬 수도 있다.
선형 및 평면 모터들과 같은 전자기 모터들을 능동적으로 냉각시키기 위한 다양한 시도들이 있어 왔다. 예를 들어, 일부 전통적인 접근법들은 코일들을 수냉식 하우징 내에 넣거나, 냉각제 안에 잠길 수 있는 "캡슐"을 형성하기 위해 모터-코일 조립체를 에폭시와 같은 경화 폴리머 수지 내에 캡슐화하거나 포팅(potting)하는 것을 수반하였다. 캡슐화된 코일 조립체 내의 코일들을 냉각하는 것은 통상적으로 열이 코일들로부터 (종종 낮은 열 전도율을 갖는) 폴리머 수지를 통해 냉각액으로 전도되는 것을 필요로 한다. 결과적으로, 냉각제와 코일들 사이에는 상당한 열 경사가 형성되어, 높은 코일 온도, 냉각 비효율 및 부적절하고 일관성 없는 코일 냉각을 유발할 수 있다. 이러한 기술의 일례가 미국 특허 제 4,749,921호에 설명되어 있으며, 이 특허에서는 선형 모터 코일들이 냉각제 튜브들을 갖는 수지 내에 넣어진다. 적어도 모터 작동 동안, 냉각제가 튜브들을 통과한다. 이러한 방안은 구현하기가 어렵고, 일관된 결과들을 제공하지 못한다. 이러한 방안은 일반적으로 코일 조립체를 감싸고 전체 조립체를 튜브화 및 캡슐화하는 것에 의해서만 행해질 수 있다. 이러한 구성은 고정밀 시스템들에 대한 만족스러운 성능을 제공하지 못하는데, 그 이유는 특히, 조립체의 부피가 크고, 모터가 여전히 외부 공기로부터 적절히 격리되지 못하기 때문이다.
다른 전통적인 접근법들이 미국 특허 제 4,625,132호, 제 4,749,921호, 제 4,839,545호, 제 4,906,878호, 제 4,916,340호, 제 5,073,734호, 제 5,998,889호, 제 6,114,781호, 제 6,278,203호, 및 제 6,762,516호에 설명되어 있다. 이들 참고 문헌 중 여러 문헌은 모터 코일들 근처에(그러나 분리되어) 배치된 냉각제-전달 플레이트들 사이에 전체 코일 조립체들을 샌드위칭(sandwiching)하는 것을 설명하고 있다. 냉각제를 포함하는 결과적인 큰 부피는 냉각제가 고압 하에서 플레이트들로 전달되는 것을 필요로 한다. 이러한 높은 냉각제 압력은 처리하기가 어려운데, 그 이유는 이 압력이 플레이트들 내의 냉각제 통로들의 팽창을 유발하는 경향이 있고, 이는 왜곡을 유발하기 때문이다. 코일 플레이트들을 통한 냉각제의 흐름 증가를 달성하기 위해 높은 압력이 바람직하다는 사실에도 불구하고, 팽창을 방지하기 위해 냉각제 압력으로 인한 왜곡을 방지하기 위한 실질적인 구조가 필요하다. 본 출원인들은 이러한 전통적인 방안들이 모터들의 효율을 낮추고 모터들의 이동 및 배치 부정확성을 유발하는 모터들 내의 와류 항력에 기여하는 경향이 있다는 것도 발견하였다.
코일들을 둘러싸는 하우징을 통해 냉각제가 흐르는 전통적인 냉각 코일 조립체들은 임의의 탑재 볼트들 또는 조립체로의 그리고 조립체로부터의 전기적 접속들이 냉각제 하우징을 통과하는 것을 필요로 한다. 이것은 누설을 일으키기 쉬운 고정 시일(seal)의 사용을 필요로 하며, 많은 냉각제 누설 가능성을 제공한다.
더구나, 이러한 전통적인 냉각 시스템들은 최신 세대의 마이크로리소그라피 시스템들에서의 사용을 위해 요구되는 것보다 부피가 크다.
다른 전통적인 접근법에 따르면, 코일들이 냉각액 속에 직접 배치되며, 따라서 냉각제에 대한 보호 하우징의 필요를 없앤다. 그러나, 이러한 접근법은 비도전성 냉각제의 사용을 필요로 하며, 따라서 물이 아닌 많은 비도전성 냉각제보다 냉각제로서 훨씬 더 효과적인 물을 사용하지 못한다. 냉각제가 코일 와이어들 상의 절연물을 공격하여 때 이른 코일 손상을 유발할 가능성도 존재한다.
본 명세서에서 개시되는 발명은 다수의 양태를 갖는다. 제 1 양태는 선형 또는 평면 모터와 관련되며, 상기 모터들 중 한 모터의 능동적으로 냉각되는 코일 조립체에 관한 것이다. 이러한 조립체의 일 실시예는 제 1 및 제 2 주 표면들을 갖는 코일을 포함한다. 코일의 적어도 하나의 주 표면과 열 접촉하는 각각의 열 전도 냉각 플레이트도 포함된다. 냉각 플레이트 내에 또는 그 위에 냉각제 통로가 형성되며, 액체 냉각제가 냉각제 통로를 통과한다. 냉각제 통로는 코일의 주 표면의 적어도 일부와 동일 공간에 걸쳐 있는 주 패턴을 갖는다. 주 패턴은 보조 패턴을 포함할 수 있다. 주 패턴 또는 (존재할 경우) 보조 패턴은 큰 연속 영역들을 방지하여 냉각 플레이트에서의 와류 손실을 줄이도록 구성될 수 있다.
설명된 바와 같이, 주 패턴은 보조 패턴을 포함할 수 있다. 보조 패턴은 연속 영역들의 크기를 줄여 냉각 플레이트에서의 와류 손실을 줄이도록 구성되는 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 보조 패턴은 구불구불할 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 주 패턴은 구불구불할 수 있다. 예시적인 주 패턴들은 U자형 패턴들 및 X자형 패턴들을 포함한다. 어느 패턴이든 방사 형상(radial shape)을 갖거나, 팔들을 포함하는 방사 양태 또는 각각의 종점들을 갖는 분기들을 가질 수 있다. 하나 또는 양 패턴은 마이크로채널들을 포함할 수 있다.
방사 형상의 패턴을 갖는 조립체는 실질적으로 패턴의 중앙에 배치된 냉각제 입구 또는 냉각제 출구 및 실질적으로 팔들의 종점들에 각각 배치된 각각의 냉각제 출구들 또는 입구들을 더 포함할 수 있다. 이러한 구성에서, 냉각제 흐름은 적어도 하나의 냉각제 입구를 통해 냉각제 통로로 들어가서, 팔들을 통해 흐르며, 적어도 하나의 냉각제 출구를 통해 냉각제 통로를 나간다. 각각의 보조 패턴은 각각의 팔을 따라 연장하여, 냉각제가 팔들을 통해 흐를 때 냉각제의 비순환 흐름을 유발할 수 있다. 한편, 냉각제는 코일로부터 열을 제거하기 위해 코일의 대응 영역들과 양호한 열 접촉을 갖는다.
다른 실시예들에서, 코일은 제 1 및 제 2 평면 주 표면을 갖는 평면 코일이다. 적어도 하나의 주 표면은 그와 열 접촉하는 각각의 냉각 플레이트를 포함하고, 적어도 하나의 냉각 플레이트는 냉각 플레이트 내에 또는 그 위에 형성된 각각의 냉각제 통로를 포함하며, 적어도 하나의 냉각 플레이트는 냉각제 통로를 통과하는 액체 냉각제를 포함한다. 냉각제 통로는 각각의 코일의 각각의 주 표면과 동일 공간에 걸쳐 있는 주 패턴을 가질 수 있다. 주 패턴은 연속 영역의 크기를 줄여 냉각 플레이트에서의 와류 손실을 줄이도록 구성된다.
다른 실시예들에서는, 외부 플레이트가 포함되며, 외부 플레이트는 냉각 플레이트가 외부 플레이트와 코일 사이에 샌드위칭되도록 배치된다. 냉각 플레이트는 코일의 각각의 주 표면과의 냉각 플레이트의 열 접촉을 향상시키기 위해 외부 플레이트에 의해 코일을 향해 압축되도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 조립체는 냉각제 통로 내에 배치된, 본 명세서에서 정의되는 바와 같은 "정적 혼합기(static mixer)"를 더 포함한다.
일부 실시예들은 냉각 플레이트와 코일의 각각의 주 표면 사이에 열 전도 물질도 포함할 수 있다. 예시적인 물질들은 열 전도 페이스트(paste), 유연한 금속 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
다른 양태는 고정자 및 정류자를 포함하는 전자기 모터들에 관한 것이다. 많은 실시예에서, 정류자는 (급전 시에) 고정자에 대해 상대적으로 이동할 수 있는 다수의 급전 가능 코일(예로서, 와이어 코일들)을 포함한다. 고정자는 "이동-코일" 모터들이라고 하는 이러한 실시예들에서 영구 자석들의 어레이일 수 있다. 다른 실시예들에서, 정류자는 고정자로서 역할하는 다수의 코일의 고정 어레이에 대해 상대적으로 이동하는 자석들의 어레이이다. 이러한 실시예들은 "이동-자석" 모터들이라고 한다. 예시적인 이동 자석 모터들 및 이동 코일 모터들은 선형 모터들 및 평면 모터들을 포함한다.
모터는 코일로부터 열을 전도하기 위하여 적어도 하나의 코일과 열 접촉하는 열 전도 물질의 적어도 하나의 각각의 유닛을 포함할 수 있다. 열 전도 물질의 유닛은 바람직하게 각각의 냉각제 통로를 형성한다. 냉각제 통로는 각각의 코일의 적어도 일부와 동일 공간에 걸쳐 있는 주 패턴을 가질 수 있다. 냉각제 통로는 제 2 패턴도 포함할 수 있으며, 보조 패턴은 적어도 하나의 마이크로채널을 포함할 수 있다. 모터는 냉각제 통로 내에 열 전도 액체 냉각제도 포함한다. 냉각제 통로는 열 전도 물질에서의 와류 손실을 줄이는 방식으로 그를 통한 냉각제 흐름을 발생시킨다. 냉각제 통로 내에서 흐르는 냉각제는 열 전도 물질의 각각의 유닛과 열 접촉하여, 열 전도 물질의 각각의 유닛으로부터, 및 그에 따른 각각의 코일로부터 열을 제거한다.
모터가 다수의 코일을 포함하는 선형 모터인 실시예들에서, 적어도 하나의 코일은 각각의 실질적으로 평면인 주 표면을 갖는다. 적어도 하나의 코일은 각각의 코일 유닛 내에 합체된다. 코일 유닛에서, 각각의 코일의 주 표면은 그와 열 접촉하는 열 전도 물질의 각각의 유닛을 포함한다. 열 전도 물질의 유닛은 코일의 평면 주 표면과 열 접촉하도록 쉽게 배치될 수 있는 냉각제 "플레이트(plate)"로서 바람직하게 구성된다. 이를 위해, 냉각제 플레이트는 바람직하게 실질적으로 평면인 표면을 갖는다. 코일 유닛 내의 적어도 하나의 냉각제 플레이트는 냉각제 통로를 형성한다. 냉각제 통로는 주 패턴을 포함할 수 있다. 주 패턴은 보조 패턴을 포함할 수 있다. 어느 하나의 패턴 또는 양 패턴은 적어도 하나의 마이크로채널을 포함할 수 있다. 패턴(들)은 연속 영역의 크기를 줄이도록, 이에 따라 열 전도 물질에서의 와류 손실을 줄이도록 바람직하게 구성된다. 여기서, 열 전도 물질은 또한 전기 전도 물질인 것으로 가정한다. 이것은 예를 들어 금속 마이크로채널들의 경우에 사실이지만, 열 전도 물질은 AlN과 같은 세라믹일 수도 있으며, 이 경우에 와류 항력은 문제가 되지 않는다.
코일 조립체들의 소정 실시예들은 하나 이상의 개별 코일이 그 자신의 냉각 플레이트(들)를 갖는 모듈 형태를 갖는다. 특히, 다수의 냉각 플레이트를 포함하는 구성들에서, 냉각 플레이트들은 적어도 하나의 매니폴드(manifold)를 이용하여 함께 유압에 의해 연결되며, 냉각 플레이트들은 매니폴드로부터 쉽게 분리될 수 없다. 적어도 하나의 냉각 플레이트가 위에 요약된 다양한 실시예들 중 임의의 실시예에 따라 구성되며, 연속 영역의 크기를 줄이도록, 이에 따라 열 전도 물질에서의 와류 손실을 줄이도록 구성된다. 이러한 모듈 형태의 코일 조립체들은 예를 들어 이동 코일 또는 이동 자석 평면 모터들에서 또는 이동 코일 또는 이동 자석 선형 모터들에서 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 코일 유닛은 각각의 외부 플레이트들을 포함하며, 각각의 외부 플레이트들은 냉각 플레이트들이 각각의 외부 플레이트와 코일 사이에 샌드위칭되도록 배치된다. 각각의 외부 플레이트는 각각의 코일의 각각의 주 표면과의 냉각 플레이트의 열 접촉을 제공하기 위해 코일을 향해 밀어 붙여질 수 있다.
위에 요약된 모터들의 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 냉각제 통로는 각각의 보조 패턴 내에 배치되는, 본 명세서에서 정의되는 바와 같은 각각의 정적 혼합기를 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 전기적으로 작동되는 코일들을 위한 냉각 장치들에 관한 것이다. 일 실시예는 코일과 열 접촉하는 능동 냉각 부재를 포함하며, 냉각 부재는 부재 내의 또는 그 위의 액체 통로를 통해 냉각 액체를 전달하기 위한 적어도 하나의 액체 입구 및 적어도 하나의 액체 출구를 갖는다. 냉각 장치는 본 명세서에서 정의되는 바와 같은 정적 혼합 구조도 포함할 수 있으며, 이 구조는 적어도 하나의 액체 통로 내에 배치되고, 액체가 통로를 통해 흐를 때 액체의 혼합을 유도하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 정적 혼합 구조는 오픈 셀 폼(open-cell foam)이다.
본 발명의 다른 양태들은 본 명세서에서 개시되는 바와 같은 선형 및/또는 평면 모터들을 포함하는 정밀 시스템들(예로서, 마이크로리소그라피 시스템들)에 관한 것이다.
본 명세서에서 개시되는 바와 같은 모터들의 소정 실시예들은 적어도 아래의 장점들을 제공한다.
(a) 그러한 모터들 내의 코일들을 냉각하기 위한 장치들이 더 소형화될 수 있고,
(b) 코일 포팅이 배제되고,
(c) 코일 조립체들이 모듈식이어, 그에 의해 더 간단할 수 있어서, 전체 모터-코일 조립체를 분해하지 않고도 개별 코일들 및 다른 컴포넌트들에 대한 즉석 접근이 가능하고,
(d) 전통적인 모터 냉각 시스템들보다 양호한 열 성능을 제공하고,
(e) 코일들 주위의 냉각제 순환을 제공하기 위하여 큰 가압식 냉각제 용기 내에 코일들을 넣을 필요가 없고,
(f) 압력 용기를 배제함으로써 그를 통한 전기적 창구가 배제되고,
(g) 각각의 코일이 그 자신 각각의 냉각 플레이트(들)를 이용하여 개별적으로 냉각될 수 있으므로, 와류 손실이 감소하며,
(h) 냉각 플레이트들이 와류 손실을 더 줄이도록 (예를 들어, 마이크로채널들 및/또는 특정 패턴의 냉각제 통로들을 이용하여) 구성되는 냉각제 통로들을 포함할 수 있다.
본 방법들의 상기 및 추가적인 특징들 및 장점들은 첨부 도면들을 참조하여 진행하는 아래의 상세한 설명으로부터 더 용이하게 명백해질 것이다.
도 1은 제 1 대표 실시예에서 설명되는 바와 같은 2개의 능동 냉각 냉각제 플레이트 사이의 평면 코일의 샌드위칭을 나타내는 등축도이다. 코일의 각각의 면들에 대한 냉각제 플레이트들의 양호한 열 접촉을 형성 및 유지하기 위해 샌드위칭을 함께 유지하는 "C" 클램프들을 사용하는 예시적인 방법도 도시된다.
도 2a 및 2b는 제 2 대표 실시예에서 설명되는 바와 같은, 하나의 냉각제 플레이트로부터 나머지 냉각제 플레이트로 연장하는 냉각제 통로들을 갖는 2개의 냉각제 플레이트 사이에 샌드위칭된 평면 코일을 나타낸다.
도 3a는 제 1 대표 실시예에서 설명되는 바와 같은, 제 1 플레이트 컴포넌트의 주 표면을 기계 가공 또는 에칭하여 개방된 채널들을 형성한 후에 제 2 플레이트 컴포넌트를 제 1 플레이트 컴포넌트에 본딩하는 하나의 예시적인 냉각제 플레이트 형성 방법을 나타내는 등축도이다.
도 3b는 2개의 단단한 플레이트 사이에 (냉각제 채널들을 형성하도록 절단된) 중앙 플레이트를 샌드위칭하는 다른 예시적인 냉각제 플레이트 형성 방법을 나타내는 등축도이다. 3개의 플레이트는 함께 겹쳐지고 본딩된다. 입구 및 출구 포트들이 단단한 플레이트들 중 하나 또는 둘 다 위에 또는 제 1의 단단한 플레이트 상에 하나 그리고 제 2의 단단한 플레이트 상에 나머지가 배치될 수 있다.
도 4는 제 1 대표 실시예에서 설명되는 예시적인 냉각 회로의 개략도이다.
도 5는 제 1 대표 실시예에서 설명되는 바와 같은, 하나 이상의 냉각제 도관이 냉각 플레이트의 외부 주 표면에 부착된 냉각 플레이트를 나타낸다.
도 6은 제 3 대표 실시예에서 설명되는 바와 같은, 평면 모터 코일 조립체의 상부 표면(즉, 평면 모터 내의 영구 자석 어레이로부터 떨어져 대면하는 표면)의 사시도이다.
도 7은 제 3 대표 실시예에서 설명되는 바와 같은, 평면 모터 코일 조립체의 하부 면(즉, 영구 자석 어레이에 대면하는 면)의 사시도로서, 하우징 내의 코일 유닛들 및 이들의 상대적인 배향들의 상세들을 포함하는 하부 상세를 보여주기 위해 커버 플레이트가 제거된 사시도이다.
도 8은 제 3 대표 실시예에서 코일들(즉, 분할된 코어의 2개의 코일 절반부), 이들의 코어들, 마이크로채널 냉각 조립체들 및 클램핑 플레이트들을 적층하는 방법을 나타내는 코일 유닛의 분해 사시도이다.
도 9는 제 3 대표 실시예에 따른, 평면 모터용 코일 조립체에서 사용되는 쿼터-모터 매니폴드 플레이트의 사시도이다. 보이는 주 표면은 보통은 평면 모터의 영구 자석 어레이로부터 떨어져 대면하는 표면이다.
도 10a 및 10b는 제 3 대표 실시예와 관련하여 (영구 자석 어레이로부터 떨어져 대면하는) 상부 및 (영구 자석 어레이에 대면하는) 하부 코일 유닛을 나타내며, 도 10a는 매니폴드 블록과 쿼터-모터 매니폴드 플레이트의 연결을 나타내고, 도 10b는 코일들 및 냉각 플레이트들을 나타낸다.
도 10c는 제 3 대표 실시예에서 설명되는 실시예를 통한 냉각제 흐름의 개략도이다.
도 11은 제 3 대표 실시예에서 평면 모터 코일 조립체에 냉각제를 공급하고 그로부터 냉각제를 제거하는 데 사용되는 매니폴드 블록의 사시도이다.
도 12는 제 5 대표 실시예에 따른 평면 모터 코일 조립체에서 사용되고 제 3 대표 실시예에 따른 예를 들어 코일 조립체에서 사용되는 냉각 플레이트의 사시도이다.
도 13은 코일들(즉, 분할된 코어의 2개의 코일 절반부), 이들의 코어들, 마이크로채널 냉각 조립체들 및 클램핑 플레이트들을 함께 적층하고 볼트로 고정하는 방법을 나타내는, 제 4 대표 실시예에서 설명되는 바와 같은 코일 유닛의 분해 사시도이다.
도 14는 제 3 대표 실시예에서 설명되는 바와 같은, 능동 냉동 코일 조립체들을 포함하는 다수의 코일 조립체의, 제 4 대표 실시예에 따른 예시적인 어레이의 사시도이다.
도 15a-15c는 냉각 플레이트들에서의 예시적인 냉각제-채널 구성들을 나타낸다. 도 15a는 보조 채널을 갖지 않는 "U"자형 주 채널 구성을 나타낸다. 도 15b는 미세한 구불구불한 보조 채널을 갖는 "U"자형 주 채널 구성을 나타내며, 이러한 구성에서는 냉각제가 "U"의 바닥에서 입구(도시되지 않음)를 통해 주 채널로 들어간다. 도 15c는 "X"자형 주 채널 구성을 나타내며, 이러한 구성에서는 냉각제가 패턴의 중앙에서 입구를 통해 들어간 후에 "X"의 팔들 내의 구불구불한 보조 채널들을 통해 흐른다. 도 15c에 도시된 구성은 와류 형성의 방지에 있어서 3개의 구성 중 가장 효과적이다. (실제로, 와류만의 관점에서는 도 15b의 구성이 도 15c의 구성보다 우수하다. 그러나, 도 15c의 구성은 적당한 냉각제 흐름을 보인다는 점에서 더 실용적이다.)
도 16은 제 7 대표 실시예에서 설명되는 바와 같은 정적 혼합의 결과들을 개략적으로 나타낸다. 흐름 도관(400) 내에 오픈 셀 물질(402)의 유닛이 배치되었다. 도면에서 냉각제는 좌에서 우로 흐르며, 그의 흐름 벡터들(404)은 실질적 층류(laminar flow)를 나타낸다. 흐름이 오픈 셀 물질(402)로 들어가서 통과할 때, 흐름 벡터들은 휘어지고, 이들 중 일부는 벽들(406)을 향하게 되며, 이는 벽들의 냉각을 향상시킨다.
도 17a 및 17b는 제 7 대표 실시예에서 설명되는 바와 같은, 마이크로채널화된 냉각제 흐름 경로 내의 선택된 위치들에서 충분히 작은 기공 크기를 갖는 오픈 셀 물질의 각각의 유닛들의 배치를 개략적으로 나타내는 직교 도면들(orthographical views)이다.
도 18은 전통적인 냉각 재킷 내의 코일의 각각의 면 상에 배치된 냉각제 통로들 내의 코일에 대한 폼 물질과 같은 흐름 혼합 오픈 셀 물질의 각각의 유닛들의 배치를 나타낸다.
도 19는 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 하나 이상의 전자기 작동기를 포함하는 정밀 시스템의 제 1 예인, 제 8 대표 실시예에서 간단히 설명되는 바와 같은 담금식 마이크로리소그라피 시스템(immersion microlithography system)의 개략도이다.
도 20은 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 하나 이상의 전자기 작동기를 포함하는 정밀 시스템의 제 2 예인, 제 8 대표 실시예에서 간단히 설명되는 바와 같은 극자외선(extreme-UV) 마이크로리소그라피 시스템의 개략도이다.
도 21은 반도체 장치들을 제조하기 위한 프로세스와 관련된 예시적인 단계들을 나타내는 프로세스 흐름도이다.
도 22는 도 21에 도시된 프로세스의 단계 704에서 수행되는 바와 같은 기판(예를 들어, 웨이퍼) 처리와 관련된 예시적인 단계들을 나타내는 프로세스 흐름도이다.
본 발명은 어떠한 방식으로도 한정되도록 의도되지 않는 대표적인 실시예들과 관련하여 설명된다.
도면들은 일반적인 구성 방식을 예시하도록 의도되며, 반드시 축척에 따라 도시되지 않는다. 상세한 설명에서 그리고 도면들 자체에서, 특정 설명 예들이 도시되며 상세히 설명된다. 그러나, 도면들 및 상세한 설명은 본 발명을 개시되는 특정 형태들로 한정하도록 의도되는 것이 아니라, 단지 예시적일 뿐이며 당업자에게 본 명세서에서 청구되는 발명을 실시 및/또는 이용하는 방법을 교시하도록 의도된다.
본 출원에서 그리고 청구항들에서 사용될 때, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥이 명확히 달리 지시하지 않는 한은 복수 형태를 포함한다. 게다가, 용어 "포함한다(includes)"는 "포함한다(comprises)"를 의미한다. 또한, "결합되는(coupled)"이라는 용어는 아이템들을 함께 결합 또는 연결하는 기계적 방법은 물론 다른 실용적인 방법을 포함하며, 결합되는 아이템들 사이의 중간 요소들의 존재를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 설명되는 물건들 및 방법들은 어떠한 방식으로도 한정으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명은 개시되는 다양한 실시예들의 모든 새로운, 자명하지 않은 특징들 및 양태들 각각과 그리고 이들 서로의 다양한 조합들 및 하위 조합들과 관련된다. 개시되는 물건들 및 방법들은 임의의 특정 양태 또는 특징 또는 이들의 조합들로 한정되지 않으며, 개시되는 물건들 및 방법들은 임의의 하나 이상의 특정 장점이 존재하거나 문제들이 해결되는 것을 요구하지 않는다.
개시되는 방법들 중 일부 방법의 동작들이 편한 설명을 위해 특정 순서로 설명되지만, 이러한 설명 방식은 후술하는 특정 언어 세트에 의해 특정 배열이 요구되지 않는 한은 재배열을 포함한다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 순차적으로 설명되는 동작들은 일부 예들에서는 재배열되거나 동시에 수행될 수 있다. 더욱이, 단순화를 위해, 첨부 도면들은 개시되는 물건들 및 방법들을 다른 물건들 및 방법과 연계하여 사용할 수 있는 다양한 방식들을 도시하지 않을 수도 있다. 게다가, 설명은 때때로 개시되는 방법들을 설명하기 위하여 "생성하다(produce)" 및 "제공하다(provide)"와 같은 용어들을 사용한다. 이러한 용어들은 수행되는 실제 동작들의 고레벨 추상 개념들이다. 이러한 용어들에 대응하는 실제 동작들은 특정 구현에 따라 다를 것이며, 이 분야의 당업자에 의해 쉽게 식별될 수 있다.
아래의 설명에서는, "위로(up)", "아래로(down)", "상부(upper)", "하부(lower)", "수평(horizontal)", "수직(vertical)", "좌(left)", "우(right)" 등과 같은 소정 용어들이 사용될 수 있다. 이러한 용어들은, 적용 가능한 경우에, 상대적인 관계들을 다룰 때 설명의 소정의 명확성을 제공하기 위해 사용된다. 그러나, 이들 용어는 절대적인 관계들, 위치들 및/또는 배향들을 암시하도록 의도되지 않는다. 예컨대, 물체와 관련하여, "상부(upper)" 표면은 간단히 물체를 뒤집음으로써 "하부(lower)" 표면이 될 수 있다. 그러나, 이것은 여전히 동일한 물체이다.
선형 및 평면 모터들
일반적으로, 사실상 모든 전기 모터들은 2개의 기본 부분, 즉 고정자 및 회전자를 포함한다. ("정류자(commutator)"라고도 지칭되는) 회전자는 고정자에 대해 상대적으로 움직인다. 대부분의 타입의 전기 모터들에서 회전자는 고정자 내에 넣어지며, 모터가 급전될 때마다 회전자는 고정자의 축과 동축인 회전축 주위를 고정자에 대해 상대적으로 회전하여 토크를 생성한다.
선형 모터는 고정자와 회전자가 "펼쳐진(unrolled)" 전기 모터이며, 따라서 선형 모터는 토크를 생성하는 대신에 모터의 길이를 따르는 선형 힘을 생성한다. 즉, 선형 모터 또는 평면 모터에서, 급전된 회전자는 회전 운동을 겪는 것이 아니라, 고정자에 대해 선형으로 이동한다. 평면 모터는 평면 모터의 고정자에 의해 형성되는 평면에서 정류자의 운동을 생성하도록 개조된 기본적으로 선형 모터이다. 대부분의 선형 모터들 및 평면 모터들에서, 고정자는 각각 영구 자석들의 선형 또는 평면 어레이이다. 그러한 모터들에서, 회전자는 급전 시에 자석 어레이에 대한 선형 또는 평면 운동을 각각 겪는 다수의 코일의 조립체이다. 그러한 정류자의 운동 동안, 코일 조립체의 모든 코일들은 함께 움직인다. 따라서, 선형 및 평면 모터들과 관련하여 "코일 조립체(coil assembly)"는 코일들이 적절히 급전될 때마다 고정자에 대해 함께 이동하는 다수의 코일의 그룹이다. 선형 모터 내의 코일 조립체는 통상적으로 적어도 3개의 코일을 포함하고, 평면 모터 내의 코일 조립체는 통상적으로 12개의 코일을 포함한다.
본 발명을 적용할 수 있는 다른 타입의 모터는 음성-코일 모터(VCM)이다. VCM은 자석 하우징 및 코일을 포함하는 간단한 타입의 전기 모터이다. 모터의 단자들에 걸쳐 전압을 인가하면, (모터가 장착된 방식에 따라) 하우징 또는 코일이 소정의 축을 따라 한 방향으로 이동한다. 인가 전압의 극성의 반전은 그 축을 따르는 반대 방향의 이동을 생성한다. 모터에 의해 생성되는 힘은 모터 코일을 통해 흐르는 전류에 비례한다.
와류 항력
와류는 도전체가 가변 자기장에 노출될 때마다 도전체 내에 유도되는 전류이다. 가변 자기장은 도전체 내에 전류의 순환 흐름을 유발한다. 도전체는 0이 아닌 전기 저항을 가지므로, 전류의 순환 흐름은 에너지를 낭비하며, 모터 내에 바람직하지 않은 항력 또는 가열을 유발할 수 있다. 예를 들어, 이동 코일 선형 모터 또는 평면 모터에서, 코일 조립체는 영구 자석들의 선형 또는 평면 어레이에 대해 상대적으로 이동한다. 어레이 상의 거리와 더불어, 자석들은 극성 및 크기에서 교대한다. 코일 조립체에 제공되는 자기장의 이러한 변화들은 코일 조립체가 자석 어레이에 대해 상대적으로 운동할 때마다 코일 조립체의 도전성 부분들로 하여금 와류를 생성하게 한다. 이러한 와류는 코일 조립체의 의도된 운동에 대해 항력을 가하는 것을 포함하여, 모터의 동작을 방해할 수 있다.
모터 동작에 대한 와류 항력의 생성 또는 강화는 모터의 전기 코일들이 본 명세서에서 설명되는 방식으로 냉각될 때마다 문제가 될 수 있다. 이러한 문제에 대한 한 가지 이유는, 여러 실시예에서 사용하기에 적합한 열 전도율을 갖는 많은 물질이 금속들이고, 많은 금속은 도전성을 갖는다는 사실에 있다. 와류 항력을 줄이는 비결은 애초에 와류의 형성을 방지하는 것이다.
제 1 대표 실시예
이 실시예에서, 선형 모터 또는 평면 모터의 코일 조립체의 개별 전자기 코일들은 필요에 따라 코일들을 냉각하기 위한 개별적인 각각의 열 전도(및 능동 냉각) 플레이트들 또는 유사한 물체들과 열 접촉한다. 각각의 코일은 도 1에 도시된 바와 같이 실질적으로 평면인 제 1 표면(12) 및 실질적으로 평면인 대향하는 제 2 표면(14)을 갖는 평면 코일(10)로서 바람직하게 구성된다. 이 실시예에서는, 실질적으로 평면인 적어도 하나의 표면(12)이 각각의 능동 냉각 열 전도 플레이트(16)와 열 접촉한다. 예를 들어, 각각의 코일(10)은 2개의 능동 냉각 열 전도 플레이트(16, 18) 사이에 샌드위칭되며, 제 2 플레이트(18)는 코일(10)의 실질적으로 평면인 대향 표면(14)과 접촉한다.
설명된 바와 같이, 이 실시예에서 플레이트들(16, 18)은 능동적으로 냉각된다. 일부 실시예들에서, 코일(10)마다 플레이트들(16, 18) 중 하나를 능동적으로 냉각하고, 나머지 플레이트는 수동적으로 냉각하거나 냉각하지 않음으로써 만족스러운 결과들을 달성하는 것이 가능할 수 있다. "능동 냉각(active cooling)"은 "수동 냉각(passive cooling)" 또는 비냉각(no cooling)과 구별된다. 수동 냉각은 냉각을 수행하기 위한 에너지의 소비 없이 주로 전도 및/또는 방사 프로세스들에 의존하여 물체로부터 열을 제거한다. 예를 들어, 수동 냉각은 일부 예들에서 냉각될 물체를 히트 싱크(heat sink)에 열적으로 장착함으로써 또는 물체, 특히 주변 공기보다 따뜻한 물체로부터 열을 제거하기 위한 자연 발생 공기 대류에 의존함으로써 달성될 수 있다. 능동 냉각은 냉각될 물체에 송풍기를 지향시키거나, 냉각을 전자적으로 수행하거나(예를 들어, 펠티에 냉각), 냉각될 물체에 대해 냉각제 유체를 순환시키는 것과 같이 냉각을 생성하기 위하여 에너지의 소비를 필요로 한다. 비냉각은 열을 제거하기 위해 아무것도 수행되지 않는다는 것을 의미한다.
능동 냉각을 수행하기 위해, 플레이트(16, 18)는 냉각제 유체, 통상적으로 냉각액이 순환하는 하나 이상의 내부 냉각제 채널을 갖는다. 바람직하게, 냉각제 채널들은 적어도 부분적으로 마이크로채널들로서 구성된다. 냉각제를 플레이트 내의 마이크로채널들에 공급하기 위해, 각각의 플레이트(예로서, 플레이트(16))는 적어도 하나의 입구 포트(20) 및 적어도 하나의 출구 포트(22)를 포함할 수 있다. 입구 포트(20)는 냉각제를 플레이트(16)의 냉각제 채널들 내로 전달한다. 냉각제가 채널들을 통해 흐를 때, 냉각제는 (코일로부터 열을 흡수한) 플레이트로부터 열을 흡수하어, 그에 의해 냉각제는 가열되고, 플레이트 및 코일은 냉각된다. 출구 포트(22)는 가열된 냉각제를 플레이트(16)로부터 다른 곳으로 전달한다. 유사하게, 제 2 플레이트(18)는 입구 포트(24) 및 출구 포트(26)를 포함한다. 플레이트들(16, 18) 중 적어도 하나는 이러한 방식으로 내부에서 액체 냉각됨으로써 수동 냉각이 아니라 "능동(actively)" 냉각된다.
코일(10)로부터의 최적의 열 전달을 위해, 플레이트(16,18)는 코일(10)의 각각의 표면(12, 14)과의 적어도 일부의 직접적인 열 접촉을 갖는다. 이러한 열 접촉은 기계 클램프들(28, 30), 볼트들 또는 유사한 조임 수단을 이용하여 본 플레이트(16, 18)를 코일(10)에 대해 압축함으로써 형성 및 유지될 수 있다. 게다가, 요구되거나 필요한 경우, 코일로부터 플레이트로의 훨씬 더 양호한 열 전도율을 제공하기 위해 접촉 표면들 사이에 열 전도 "계면 물질(interface material)"가 배치될 수 있다. 계면 물질은 (특히, 접착제를 포함하는 경우) 접촉 표면들을 함께 본딩하는 데에도 사용될 수 있으며, 따라서 적어도 지지에 근거하여 클램핑에 대한 필요성을 없앨 수 있다. 열 전도 계면 물질들의 예는 상용 갭-충전 물질들, 열 페이스트들 및 그리스들, 높은 열 전도율의 에폭시들, 열 전달을 개선하기 위해 단단한 표면들 내의 미세한 갭들 내를 따르는 인듐과 같은 유연한 금속들을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
플레이트들(16, 18)은 양호한 열 전도율을 갖는 물질로 바람직하게 제조된다. 결과적으로, 플레이트(16, 18)가 코일(10)로부터 열을 제거하도록 배치될 때마다, 코일(10)로부터의 열이 플레이트들 내로 쉽게 분산된다. 높은 열 전도율을 갖는 물질들은 다양한 금속들을 포함한다. 구리 및 알루미늄 합금들은 금속들 중에서 특히 높은 열 전도율 값들을 갖는다. 소정의 비금속 물질들도 높은 열 전도율을 갖는다. 그러나, 구리 및 알루미늄을 포함하는 많은 금속은 도전체들이다. 도전성 금속의 플레이트들(16, 18)의 제조는 일반적으로 코일 조립체로 하여금 모터 "항력"으로서 나타날 수 있는 와류를 생성하게 할 수 있다. 한정을 의도하지 않는 예로서, 일부 적용 가능한 물질들의 열 전도율 값들은 다음과 같다.
Figure pct00001
일부 구성들에 대해, 와류 형성을 실용 한도 내로 유지하는 것을 보증하기 위해 열 전도율을 약 400 W·m-1K-1 아래로 유지하는 것이 바람직하다. 다른 구성들에서, 열 전도율을 약 20 W·m-1K-1 아래로 유지하는 것이 바람직하다. 또 다른 구성들에서, 열 전도율을 약 200 W·m-1K-1 위로 유지하는 것이 바람직하다. 열 전도율은 와류 항력과 관계가 없다는 점에 유의한다. 이러한 응용에서는 더 높은 전도율이 더 좋다.
와류의 최소화는 일반적으로 물질의 선택만으로는 달성되지 않는다. 도전체들의 소정의 형상들은 다른 형상들보다 와류 형성에 취약하다. 예를 들어, 도전체를 얇게 유지하는 것, 도전체들의 적층 구조의 사용 및/또는 도전체들의 대면적 연속 영역들의 방지는 와류를 최소화하기 위한 3개의 예시적인 접근법이다. 또 하나의 접근법은 양호한 열 전도율을 갖지만 나쁜 전기 전도율을 갖는 물질(예를 들어, 알루미늄 질화물 또는 실리콘)로 플레이트들을 제조하는 것이다.
냉각 플레이트를 제조하기 위한 한 가지 방법은 플레이트들이 면끼리 함께 본딩될 때(또는 함께 유지될 때) 함께 짜맞추어져 함께 내부 채널들을 형성하는 2개의 플레이트 컴포넌트로 플레이트를 형성하는 것이다. 많은 예에서, 냉각 플레이트 내에 내부 냉각제 채널들을 형성하는 유일한 효과적인 방법은 플레이트 컴포넌트의 표면 내에 채널들을 기계 가공 또는 에칭하는 것이다. 채널들은 원하는 길이, 폭 및 깊이를 갖는다. (제 1 플레이트 컴포넌트에 본딩될 수 있는) 동일하거나 상이한 물질의 제 2 플레이트 컴포넌트가 채널들을 둘러싸도록 유사하게 기계 가공 또는 에칭된다. 이것은 도 3a에 도시되며, 여기서는 제 1 플레이트 컴포넌트(100)의 주 표면(102)이 오픈 채널들(104)을 형성하도록 기계 가공 또는 에칭된다. 제 1 플레이트 컴포넌트(100)보다 얇을 수 있는 제 2 플레이트 컴포넌트(106)가 제 1 플레이트 컴포넌트의 주 표면(102)과 정렬되고 본딩된다. 하나의 플레이트 컴포넌트에만 채널들(104)을 형성하는 것에 대한 대안으로서, 양 플레이트 컴포넌트들(100, 106)의 주 표면들(102, 108)을 기계 가공 또는 에칭하여 양 주 표면들 내에 상보적인 채널 부분들을 형성한 후에 2개의 플레이트 컴포넌트를 면끼리 함께 본딩하여 플레이트 조립체(110)를 형성하는 것이 가능하다.
냉각 플레이트를 제조하기 위한 다른 방법은 도 3b에 도시된 바와 같이 3개의 플레이트(111, 113, 115)를 사용하는 것이다. 중앙 플레이트(113)는 냉각제의 흐름 경로를 형성하는 컷아웃(cutout, 117)을 포함하며, 단단한 플레이트들(111, 115) 사이에 샌드위칭된다. 컷아웃(117)은 예를 들어 레이저 절단, 기계 가공 또는 에칭에 의해 형성될 수 있다. 3개의 플레이트(111, 113, 115)는 이러한 겹치는 방식으로 함께 본딩된다. 단단한 플레이트들 중 하나(115)는 냉각제가 컷아웃에 들어가고 나가기 위한 냉각제 입구 및 출구 포트들(119a, 119b)을 각각 포함한다. 플레이트들(111, 113, 115)은 비도전성 물질로 형성될 수 있다.
냉각 플레이트의 또 다른 가능한 구성은 도 5에 예시된 바와 같이 냉각 플레이트의 외부 주 표면에 하나 이상의 도관을 본딩하는 것을 포함한다. 도면에는, 외부 주 표면(202)을 갖는 냉각 플레이트(200)가 도시되어 있다. 외부 주 표면(202)은 구불구불한(또는 다른 적절한) 패턴으로 배열되고 냉각 플레이트의 외부 주 표면(202)에 본딩(예를 들어, 브레이징(brazing), 솔더링(soldering), 용접 또는 접착제 본딩)된 도관(204)을 포함한다. 냉각 플레이트(200)의 반대 주 표면(206)은 전술한 방식으로 코일과 열 접촉한다. 냉각 플레이트(200)는 전술한 바와 같은 내부 냉각 채널들(상술되지 않음)을 더 가질 수 있다.
설명된 바와 같이, 냉각 플레이트는 액체 냉각제를 (적어도 하나의 입구 포트에 의해) 전달하고 순환시키는 하나 이상의 도관 또는 채널을 형성한다. 채널들을 통한 냉각제의 흐름은 냉각제로 하여금 플레이트로부터 열을 흡수하고 각각의 코일로부터 딴 데로 열을 운반하게 한다. 냉각 플레이트는 냉각제가 코일과 접촉하는 것을 방지하므로, 플레이트의 물질과 양립하는 다양한 냉각제들이 사용될 수 있으며, 이들은 코일과 직접 접촉할 경우에 코일을 손상시킬 수 있는 냉각제들을 포함한다. 임의의 다양한 상용 열 전달 유체(예를 들어, FluorinertTM 또는 FreonsTM 중 하나) 또는 물과 같은 양호한 열-냉각 성능을 나타내는 액체 냉각제를 사용하는 것이 바람직하다.
채널들의 기하 구조(즉, 구성)는 임의의 비교적 큰 연속 영역들을 피하면서 냉각 플레이트의 물질로부터 순환하는 냉각제로의 효과적인 열 전달을 위해 바람직하게 최적화된다. 예를 들어, 그러나 어떠한 방식으로도 한정을 의도하지 않고, 채널들은 마이크로채널들로서 전부 또는 부분적으로 구성될 수 있다. "마이크로채널들"은 1 mm보다 작은 적어도 하나의 치수를 갖는 채널들 또는 도관들이다. 예를 들어, 마이크로채널은 수 밀리미터의 길이, 수 밀리미터의 폭 및 수분의 1 밀리미터의 높이를 가질 수 있다. 소정 실시예들에서, 하나의 플레이트에 공급되는 냉각제는 다른 플레이트로, 예를 들어 코일과 접촉하는 제 1 플레이트로부터 코일과 또한 접촉하는 제 2 플레이트로 순환될 수 있다. 또 다른 예에서, 플레이트들로부터 열을 제거하기 위하여 상변화 냉각이 적용될 수 있다. 많은 예에서, 플레이트들의 채널들을 통한(특히, 플레이트들의 마이크로채널들을 통한) 액체 냉각제의 흐름은 난류가 아니라 층류인 경향이 있다. 많은 실시예에서 마이크로채널들이 유용하지만, 이것은 한정으로 간주되지 않아야 한다. 일부 실시예들에서, 냉각 플레이트들은 마이크로채널들보다 큰 하나 이상의 채널을 가질 수 있다.
냉각 플레이트 내에 구현되는 가능한 채널 패턴들의 범위는 사실상 제한되지 않는다. 예를 들어, 채널들은 방사 구성으로 구성될 수 있으며, 따라서 중앙에 배치된 채널을 통해 도입되는 냉각제는 수집되어 출구 포트로 향하기 전에 각각의 채널 내에서 플레이트의 에지들을 향해 방사상으로 밖으로 흐를 수 있다. 다른 예로서, 채널들은 적어도 부분적으로 구불구불한 냉각제 흐름 경로를 제공하도록 구성될 수 있다. 코일의 특정 열 프로파일 및 다른 팩터들에 따라, 많은 다른 채널 구성들이 가능하다.
다른 예시적인 채널 구성은 적어도 하나의 주요 부분 및 적어도 하나의 보조 부분을 포함한다. 예를 들어, 보조 부분은 하나 이상의 마이크로채널을 포함할 수 있고, 주요 부분은 흐름을 보조 부분으로 분산시키고 보조 부분으로부터 흐름을 모으는 다른 채널들을 포함할 수 있다. 임의의 그러한 채널 구성은 채널을 통해 흐르는 냉각제에서 순환 흐름 및 와류를 바람직하게 방지한다.
냉각 회로의 일 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 이 회로는 2개의 냉각 플레이트(122, 124)를 갖는 코일 조립체를 포함한다. 냉각 플레이트들(122, 124) 사이에는 코일(126)이 샌드위칭된다. 각각의 냉각 플레이트는 각각의 입구 포트(128, 130) 및 각각의 출구 포트(132, 134)를 갖는다. 2개의 입구 포트(128, 130)는 2개의 출구 포트(132, 134)와 같이 함께 병렬로 연결된다. 열 교환기(136)로부터의 액체 냉각제는 필터(140)를 통해 입구 포트들(128, 130)로 병렬로 흐르도록 펌프(138) 또는 유사한 장치에 의해 추진된다. 냉각제는 냉각 플레이트들(122, 124) 내의 또는 그 위의 채널들을 통해 순환한 후에 열 교환기(136)로 복귀한다. 열 교환기(136), 펌프(138) 및 필터(140)는 스테이지 냉각 시스템과 같은(그러나 이에 한정되지 않는) 정밀 시스템에서 사용되는 더 일반적인 냉각 시스템의 일부일 수 있다.
제 2 대표 실시예
제 2 실시예가 도 2a 및 2b에 도시되며, 여기서 액체 냉각제는 하나의 플레이트를 통해 순환되고, 이어서 코일 조립체로부터 딴 데로 전달되기 전에 제 2 플레이트의 적어도 일부를 통해 순환된다. 도 2a를 먼저 참조하면, 제 1 냉각 플레이트(52)와 제 2 냉각 플레이트(54) 사이에 샌드위칭된 평면 코일(50)이 도시되어 있다. 도면에는 제 1 냉각 플레이트(52) 내의 냉각제 채널들(56a, 56b)이 보이는데, 그 이유는 하부 상세를 보여주기 위해 커버 플레이트(도시되지 않음)가 제거되었기 때문이다. 유사하게, 도 2b에는, 제 2 플레이트(54) 내의 냉각제 채널들(64)이 보이는데, 그 이유는 하부 상세를 보여주기 위해 각각의 커버 플레이트(도시되지 않음)가 제거되었기 때문이다. 도 2a를 다시 참조하면, 제 1 플레이트(52) 내의 냉각 채널들은 제 1 부분(56a) 및 제 2 부분(56b)을 포함한다. 제 1 부분(56a)은 제 1 유체 도관(60)에 결합되는 입구 포트(58)를 통해 냉각제 유체를 공급받는다. 입구 포트(58)에 의해 제 1 부분(56a)에 공급되는 냉각제는 제 1 피드-스루(feed-through) 포트(62)를 통해 제 2 냉각 플레이트(54) 내의 냉각제 채널(64)로 전달된다. 냉각제 채널(64)을 통과한 후, 냉각제는 제 2 피드-스루 포트(66)를 통해 제 1 냉각 플레이트(52) 내의 제 2 냉각 채널 부분(56b)으로 전달된다. 제 2 냉각 채널 부분(56b)을 통과한 후, 냉각제는 출구 포트(68)를 통해 제 2 유체 도관(70)으로 나간다.
제 1 및 제 2 실시예들(각각 도 1 및 2a-2b)의 구성들은 각각의 모터 코일들의 각각의 표면들(또는 각각의 표면들의 부분들)과 접촉하는 열 전도 물질의 하나 이상의 플레이트를 이용하여 코일들로부터 열을 제거하는 것을 나타낸다. 플레이트들은 각각의 코일들과 양호하게 열 접촉하므로 그리고 플레이트들은 순환하는 냉각제에 의해 능동적으로 냉각되므로, 플레이트들은 코일로부터 받은 열을 플레이트들의 전체 부피 내로 재분산시키며, 따라서 코일 온도를 더 균일하게 한다. 코일(50)과 냉각 플레이트들(52, 54) 사이의 열 흐름을 개선하기 위해 열 계면 물질들 및/또는 기계적 클램핑 또는 본딩이 사용될 수 있다. 플레이트들(52, 54) 중 하나 이상은 플레이트 내의 또는 그 위의 채널들 내에서의 냉각제 흐름에 의해 내부에서 냉각된다. 이러한 구성은 공간 가용성이 극히 제한되는 선형 및 평면 모터들에서의 응용들에 특히 유용하다. 이러한 구성들은 또한 전통적인 냉각 시스템들보다 적은 부피의 냉각제를 사용한다.
도 2a-2b에 도시된 채널들은 와류의 적절한 제어를 위해서는 너무나 큰 연속 영역들을 가질 수 있다. 와류는 예를 들어 채널들을 세분하고 그리고/또는 이들을 더 좁게, 더 얕게, 더 많이 분기되게 그리고/또는 더 많이 감기게 함으로써 실질적으로 감소될 수 있다. 예를 들어, 채널들은 적어도 하나의 주 패턴 및 적어도 하나의 보조 패턴을 갖도록 구성될 수 있다. 제 4 대표 실시예를 참조한다.
제 3 대표 실시예
이 실시예는 평면 모터 내의 회전자로서 유용한 코일 조립체(250)에 관한 것이다. 코일 조립체(250)의 외부 상세들이 도 6 및 7에 도시되며, 도 6은 코일 조립체의 상측의 사시도이고, 도 7은 하측의 사시도이다. 코일 조립체(250)는 상부 커버 플레이트(254), 하부 커버 플레이트(도 7에 도시되지 않음) 및 상부 커버 플레이트와 하부 커버 플레이트 사이에 샌드위칭된 측벽 부분(256)을 포함하는 하우징(252)을 포함한다. 상부 및 하부 커버 플레이트들은 예를 들어 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)로 형성될 수 있다.
이제, 도 7을 참조하면, 하우징(252)의 내부를 볼 수 있다. 하우징(252) 내에는, 12개의 개별 코일 유닛(258)이 나란히 배열된 3의 그룹들로 포함되어 있다. 3개의 코일 유닛(258)의 각각의 그룹은 쿼터-모터 매니폴드 플레이트(262)를 포함한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 코일 유닛(258)은 하부 플레이트(264), 하부 마이크로채널 냉각 조립체(266), 적어도 하나의 코일(268), 코일 코어(270), 상부 마이크로채널 냉각 조립체(272)(도 8 참조) 및 상부 플레이트(274)(도 8 참조)를 포함한다. 각각의 그룹 내의 각각의 코일 유닛(258)의 배향은 동일하며, 그룹마다 배향이 (수평에서 수직으로 그리고 수직에서 수평으로) 변한다는 점에 유의한다. 각각의 코일 유닛(258)에서, 코일은 2개의 코일 절반부(268a, 268b)로 분할될 수 있으며, 상부 마이크로채널 냉각 조립체(272)는 상부 코일 절반부(268a)와 열 접촉하고, 하부 마이크로채널 냉각 조립체(266)는 하부 코일 절반부(268b)와 열 접촉한다. 각각의 코일 유닛(258)은 플레이트들(264, 274) 내의 대응하는 구멍들(276) 내에, 상부 커버 플레이트(254) 내의 대응하는 구멍들(278) 내에 그리고 하부 커버 플레이트 내의 대응하는 구멍들(도시되지 않음) 내에 삽입된 각각의 볼트들(도시되지 않음)에 의해 함께 유지된다. 볼트들을 조임으로써, 마이크로채널 냉각 조립체들(266, 272)이 각각의 코일(들)(268)과 밀접하게 접촉하도록 함께 밀어 붙여짐에 따라, 플레이트들(264, 274)이 각각의 코일 유닛(258)의 각각의 마이크로채널 냉각 조립체들(266, 272)과 밀접하게 접촉하도록 함께 밀어 붙여진다.
도 8에서, 마이크로채널 냉각 조립체들(266, 272)은 각각의 쿼터-모터 매니폴드 플레이트(262)(도 9) 내의 대응하는 구멍들에 연결되는 각각의 피팅들(280, 282)을 포함하며, 이러한 연결들은 각각의 O-링(도시되지 않음) 또는 다른 적절한 수단에 의해 밀봉된다. 각각의 쿼터-모터 매니폴드 플레이트(262)는 적어도 하나의 냉각제 입구(265) 및 적어도 하나의 냉각제 출구(263)를 갖는다. 따라서, 액체 냉각제가 쿼터-모터 매니폴드 플레이트(262)(도 9)에 의해 마이크로채널 냉각 조립체들(266, 272) 각각으로 공급되고 그로부터 제거된다. 쿼터-모터 매니폴드 플레이트(262)는 매니폴드 블록(284)(도 6, 10a, 10b)으로부터 신선한 냉각제를 받고, 사용된 냉각제를 그 매니폴드 블록으로 전달한다.
도 10a-10c에서, 신선한 냉각제를 냉각제 공급원(293)(열 교환기)으로부터 매니폴드 블록으로 전달하고, 사용된 냉각제를 매니폴드 블록(284)으로부터 냉각제 공급원(293)으로 전달하기 위해, 매니폴드 블록(284)으로부터 튜브들(287, 289)이 연장된다. 튜브(287)는 매니폴드 블록(284)의 일반 입구(296)에 연결되며, 튜브(289)는 매니폴드 블록(284)의 일반 출구(294)에 연결된다. 매니폴드 블록(284)에서, 일반 입구(296)는 4개의 출구(292)에 연결되고, 일반 출구(294)는 4개의 입구(290)에 연결된다. 각각의 출구(292)는 각각의 튜브(286)를 통해 각각의 코일 유닛(258)의 쿼터-모터 매니폴드 플레이트(262) 상의 2개의 각각의 입구(263)에 연결된다. 각각의 입구(290)는 각각의 튜브(288)를 통해 쿼터-모터 매니폴드 플레이트(262) 상의 각각의 출구(265)에 연결된다. 이어서, 쿼터-모터 매니폴드 플레이트(262)는 입구 흐름을 마이크로채널 냉각 조립체들(266, 272)(각각의 코일 유닛(258) 내의 총 6개)의 입구 피팅들(282)로 분할한다. 마이크로채널 냉각 조립체들(266, 272)을 통한 냉각제 흐름은 냉각제가 "X"의 팔들의 종점들에서 각각의 조립체로 들어가서 "X"의 중앙에서 각각의 조립체로부터 나오는 X자의 구불구불한 방식이다. 따라서, 냉각제는 "X"의 각각의 팔을 따라 구불구불한 방식으로 방사상으로 안쪽으로 흐른다. 냉각 조립체들(266, 272)로부터, 사용된 냉각제가 일반 출구 포트들(288)을 통해 출구 도관들(265)로 나간다. 출구 도관들(265)은 일반 출구 도관(288)을 통해 매니폴드 블록(284)의 각각의 입구 포트(290)에 연결된다. 매니폴드 블록(284)에서, 입구 포트들(290)은 일반 출구(294)에 접속되고, 이 일반 출구는 튜브(289)를 통해 냉각제 공급원(293)에 연결되며, 이 사이클이 반복된다. 냉각제의 전체 흐름은 12개의 코일(268)을 모두 동시에 냉각하기 위해 코일 유닛들을 통해 그리고 각각의 코일 유닛(258)의 마이크로채널 냉각 조립체들(266, 272)을 통해 코일 유닛들(258)에 평행하다는 점에 유의한다.
4개의 쿼터-모터 매니폴드 플레이트(262)에 대한 연결을 위해, 매니폴드 블록(284)은 4개의 쿼터-모터 매니폴드 플레이트(262)의 각각의 냉각제 입구들(263)에 연결되는 4개의 출구 포트(292)(도 11)를 포함한다. 4개의 출구 포트(292)는 일반 입구 포트(296)를 통해 매니폴드 블록(284)에 들어가는 신선한 냉각제를 동시에 받는다. 매니폴드 블록(284)은 4개의 쿼터-모터 매니폴드 플레이트(262)로부터 사용된 냉각제를 받고, 사용된 냉각제를 일반 출구 포트(294)를 통해 냉각제 공급원(293)으로 전달하는 4개의 입구 포트(290)도 포함한다.
도 10c에서, 냉각제 공급원(923)은 본 평면 모터에 결합되고 그에 의해 이동될 수 있는 스테이지와 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 다른 목적지들에도 냉각제를 공급할 수 있다.
이 실시예는 적어도 아래의 장점들을 제공한다.
(a) 평면 모터 내의 모터 코일들을 냉각하기 위한 시스템의 더 작은 배열,
(b) 코일들을 포팅할 필요성의 배제,
(c) 코일 조립체를 모듈화함으로써 간소화하며, 전체 코일-모터 조립체를 교체하는 대신에, 필요에 따라 결함 코일들 및 다른 부품들을 개별적으로 제거할 수 있음,
(d) 전통적인 냉각 시스템들보다 양호한 열 성능을 제공함,
(e) 코일들 주위에 냉각제를 포함하기 위한 큰 압력 용기에 대한 필요성을 배제함,
(f) 압력 용기를 배제함으로써 그를 통한 전기적 창구에 대한 필요가 배제됨,
(g) 코일 조립체의 모듈 구성은 필요할 때 쉬운 유지 보수를 제공함,
(h) 각각의 코일이 특정 구성들을 갖는 그 자신 각각의 냉각 플레이트들을 이용하여 개별적으로 냉각되므로, 와류 항력의 생성이 실질적으로 감소한다.
이 실시예는 이동-코일 평면 모터에서 사용하기 위한 이동 코일 정류자와 관련하여 설명되고 도시되었지만, 이 실시예는 이동 자석 타입의 평면 모터에서도 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 제 4 대표 실시예를 참조한다.
제 4 대표 실시예
이 실시예는 각각의 코일 조립체가 실질적으로 제 3 대표 실시예에서 개시된 바와 같이 구성되는 코일 조립체들의 어레이에 관한 것이다. 도 14에는, 16개의 코일 조립체의 4 x 4 배열이 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 이 도면에 도시된 4개의 코일 조립체의 일반적인 교대 배열은 동일 평면 내에서 무한히 확장될 수 있다는 것을 쉽게 알 것이다. 필요하거나 원할 경우에, 이동 코일 평면 모터의 정류자에서 더 많은 코일 어셈블리의 추가가 이용될 수 있다. 이동 자석 평면 모터에서도 다수의 코일 조립체가 사용될 수 있으며, 여기서는 코일 조립체들의 교대 배열이 고정자의 역할을 하는 반면, 정류자는 영구 자석들의 어레이이다.
이 실시예의 중요한 장점들은 위에 열거된 제 3 대표 실시예의 장점들과 유사하다. 이동 자석 평면 모터 내의 코일 조립체들의 고정 어레이에서는 코일의 유지 보수가 문제이다. 각각의 코일 조립체가 모듈 구성을 갖는 이러한 특정 실시예는 전통적인 평면 모터들에 비해 코일 유지 보수에 있어서의 상당한 향상을 제공한다.
제 5 대표 실시예
이 실시예에서는, 각각의 모터 코일들과 열 접촉하도록 배열될 수 있는 냉각 플레이트들이 제공된다. 예를 들어, 냉각 플레이트(들)는 모터 코일에 인접하게 그리고 그와 동일 공간에 걸쳐 배치될 수 있다. 엄격하게 열의 관점에서, 냉각 플레이트들은 높은 열 전도율을 갖는 구리, 알루미늄 또는 기타 금속(예로서, 황동 또는 티타늄 합금)으로 형성될 수 있다. 이러한 금속들은 우수한 도전체이기도 하며, 이는 그들 내에 와류가 형성될 수 있는 위험을 제공한다. 도전성 냉각 플레이트들 내의 와류의 생성은 예를 들어 냉각 플레이트들 내의 임의의 큰 연속 영역들을 피함으로써 크게 감소할 수 있다. 큰 연속 영역들을 피하는 한 가지 방법은 냉각 플레이트를 가능한 한 얇게 만드는 것이다. 다른 하나의 방법은 "플레이트"를 미세한 구불구불한 패턴으로 휘어지는 도관과 같은 좁은, 감긴 액체 도관으로 형성하는 것이다. 이러한 패턴은 마이크로채널(들)로서 쉽게 만들어진다.
이 실시예를 함께 묘사하는 예시적인 냉각 플레이트들이 도 15a-15c에 도시되어 있다. 도 15a에 도시된 패턴(330)에서, 냉각제 채널은 일반적인 "U"자 형상의 주 패턴만을 갖는다. 냉각제는 "U"의 하부에서 입구 포트(332)를 통해 들어가서, "U"의 2개의 팔(334)을 통해 흐르고, 팔들의 상부에서 나간다. 전체 코일을 커버하는(즉, "U"의 중앙 영역을 채우는) 단단한 직사각 시트 또는 완전한 루프(즉, "O"자 형상을 만들기 위해 "U"의 팔들의 상부를 접속함)와 같은 형상의 냉각 플레이트들에 비해, 패턴(330)은 냉각 플레이트 내의 와류의 양을 감소시킨다. 그러나, 소정의 응용들에서는, 팔들(334)이 와류를 생성할 만큼 충분히 넓을 수 있으므로, 패턴(330) 내의 와류는 여전히 수용 불가하게 클 수 있다. 도 15b에서, 냉각제 채널(340)은 주 "U"자 형상을 갖지만, "U"의 각각의 팔 내에 미세한 구불구불한 보조 패턴도 포함한다. 도 15a에서와 같이, 도 15b에서 냉각제는 "U"의 하부에서 입구(342)를 통해 도입된다. 냉각제가 "U"의 팔들(344)을 통해 흐를 때, 냉각제는 구불구불한 채널 내에서 각각의 팔의 상부를 향해 앞뒤로 흐른다. 구불구불한 패턴은 냉각 플레이트의 영역을 절단하며, 따라서 와류의 형성에 유리한 조건을 제거한다. 따라서, 도 15b의 구성은 도 15a의 구성보다 적은 와류 항력을 생성하는 경향이 있다. 본 출원인들의 테스트들은 도 15b에 도시된 냉각 플레이트(340)에 의해 생성되는 와류가 도 15a에 도시된 플레이트(330)에 의해 생성되는 것보다 약 1000배 적다는 것을 보여주었다.
도 15c는 냉각체 채널들이 "X"자 형상의 주 패턴(350) 내에 있는 냉각 플레이트의 일례이다. X의 각각의 팔은 구불구불한 보조 패턴을 포함한다. 냉각제는 (입구(352)를 통해) 사실상 주 패턴의 중앙에 들어간 후, 구불구불한 방식으로 "U"의 각각의 팔의 단부로 흐른다. 도 15c의 패턴(350)은 도 15a에 도시된 패턴(330)보다 약 10배 적은 와류를 생성하는 것으로 밝혀졌다. 와류 형성을 더 금지시킴으로써, 패턴은 냉각 플레이트를 제조할 수 있는 물질의 선택에 있어서 더 많은 자유를 허가한다.
본 명세서에서 설명되는 마이크로채널 주 및 보조 패턴들, 특히 "X"자 형상의 주 패턴들 및 미세하게 구불구불한 보조 패턴들은 냉각제의 양호한 흐름 및 코일 표면들의 양호한 열 제거 커버리지를 제공하면서도 고정 시일들의 수도 최소화한다.
제 6 대표 실시예
이 실시예는 도 15c에 도시되고 제 5 대표 실시예에서 설명된 바와 같이 구성된 각각의 냉각 플레이트들을 포함하는 코일 유닛들에 관한 것이다. 냉각 플레이트들은 예를 들어 제 3 대표 실시예에서 사용될 수 있는 예시적인 코일 유닛(300)을 나타내는 도 12에 도시되어 있다. 도면에서, 각각의 냉각 플레이트들(306, 308) 사이에 2개의 코일(302, 304)이 샌드위칭된다. 각각의 냉각 플레이트(306, 308)는 사실상 각각의 냉각 플레이트 전체를 통해 냉각제의 흐름을 전달하도록 구성되는 구불구불한 마이크로채널 보조 패턴(310, 312)을 갖는 각각의 X자형 주 패턴을 포함한다. 구불구불한 마이크로채널들(310, 312)은 중앙에 배치되고 냉각제의 공급원에 연결된 각각의 입구 피팅(fitting)(314, 316)으로부터 냉각제를 획득한다. 구불구불한 마이크로채널들(310, 312)은 "X"의 다리들의 단부들에 배치되고 공급원에 냉각제를 반환하도록 연결된 각각의 냉각제 출구 피팅(318, 320)도 구비한다. 입구 및 출구 피팅들은 모두 동일 높이로 연장되며, 이는 제 3 대표 실시예에서 설명되는 것과 같은 매니폴드 플레이트 등에 대한 그들의 연결을 용이하게 한다는 점에 유의한다. 이러한 연결들은 이 실시예에서 각각의 0-링(325)(도 13)을 이용하는 압축 피팅들이다.
코일 유닛(300)의 분해도가 도 13에 도시되어 있으며, 이 도면에는 2개의 코일 절반부(302, 304)(코어(321)를 가짐), 상부 냉각 플레이트(306) 및 하부 냉각 플레이트(308)가 도시되어 있다. 상부 커버 플레이트(322) 및 하부 커버 플레이트(324)도 도시되어 있다. 커버 플레이트들(322, 324)이 냉각 역할을 하지 않는 경우, 이들은 임의의 광범위한 비도전성 및 열 저전도 물질로 제조될 수 있다.
커버 플레이트들(322, 324)은 냉각 역할과 다른 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 커버 플레이트들(322, 324)은 열 격리 역할을 할 수 있다. 열 격리를 위해 사용될 때, 커버 플레이트들(322, 324)은 코일 유닛(300) 외부의 온도 제어에 기여한다. 구체적으로, 커버 플레이트들(322, 324)은 냉각 플레이트들(306, 308)의 하나 이상의 표면으로부터의 열의 복사를 차단하는 데 사용될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 커버 플레이트들(322, 324)은 특히 코일 유닛(300)의 온도를 균일하게 하는 역할을 하는 열 절연물로서 사용하기 위해 CFRP로 제조되거나 이를 포함할 수 있다. 열 절연의 목적을 위해 커버 플레이트들(322, 324)을 제조할 수 있는 다른 물질은 단독으로 또는 다른 물질들과 함께 사용되는 임의의 다양한 필터 물질이다.
커버 플레이트들(322, 324)은 냉각 플레이트들에 대해 위에서 설명된 바와 같이 열을 제어하고 그리고/또는 줄이기 위해 유체(예로서, 공기와 같은 기체 또는 액체 냉각제)를 흐르게 하기 위한 액체 채널들을 포함할 수 있다. 액체 냉각체는 냉각 플레이트들에 냉각제를 공급하는 데 사용되는 것과 동일한 냉각제 공급원(293)으로부터 매니폴드 블록(도 10c)을 통해 공급될 수 있다. 따라서, 커버 플레이트들(322, 324)의 온도는 원하는 대로 제어될 수 있다. 이러한 구성들에서, 커버 플레이트들(322, 324)은, 커버 플레이트들의 표면들 밖의 각각의 영역들이 상기 플레이트들에 의해 냉각 플레이트들(306, 308)의 각각의 표면들로부터 차단되고, 모터의 자석 조립체가 커버 플레이트들(322, 324)에 의해 모터의 코일 조립체들로부터 열적으로 차단되도록 배열될 수 있다.
제 3 대표 실시예에서 설명된 바와 같이, 코일 절반부들(302, 304), 코어(321) 및 냉각 플레이트들(306, 308)은 함께 서로 그리고 상부 및 하부 커버 플레이트들(322, 324)과 밀접한 열 접촉을 이룬다. 모터 구조 내에 코일 유닛들을 유지하기 위해 볼트들(326)이 사용된다.
상부 및 하부 커버 플레이트들(322, 324)은 냉각 플레이트들(306, 308)을 손상으로부터 보호하고, 코일 유닛(300)에 대한 양호한 실장 표면들을 제공하는 데에도 사용된다. 코일 유닛(300)은 코일 온도를 모니터링하기 위해 필요에 따라 또는 원할 경우에 하나 이상의 열전쌍, 서미스터 또는 다른 온도 센서(도시되지 않음)도 포함할 수 있다. 센서들로부터의 와이어들이 예를 들어 하나 또는 양 커버 플레이트(322, 324) 내에 형성된 슬릿들을 통해 꿰일 수 있다.
도시된 코일 유닛(300)은 코일 유닛에 냉각제 흐름을 제공하는 리셉터클(도시되지 않지만, 제 3 대표 실시예 참조) 내에 장착되도록 구성된다.
이 실시예의 중요한 장점들 및 특징들은 다음을 포함한다.
(1) 마이크로채널들의 사용은 이용 가능한 냉각제 흐름을 효율적으로 이용하는 소형, 경량의 코일 냉각 시스템을 제공한다.
(2) 냉각 플레이트들(306, 308)은 바람직하게 열 고전도 물질로 제조된다. 이들은 와류의 형성을 방지하도록 특별히 구성되므로, 플레이트들을 제조하기 위한 물질의 선택에 있어서 상당한 유연성이 존재한다. 구리가 특히 유리한데, 그 이유는 구리가 제조하기 쉽고 높은 열 전도율을 갖기 때문이다. 구리에 대한 대안으로서, 구리보다 낮은 전도율을 갖는 다른 물질(황동 또는 티타늄 합금 등)를 사용하여, 예를 들어 (더 낮은 전도율로 인해) 와류 항력의 생성을 더 줄이면서, 구리를 사용하여 실현될 수 있는 것보다 양호한 부식 저항을 제공할 수 있다.
제 7 대표 실시예
냉각제의 난류(turbulent flow)는 층류보다 액체에 대한 고체 경계를 가로지르는 더 양호한 열 전달을 제공한다. 그러나, 전자기 작동기들의 크기 및 냉각제 흐름 속도들에 대한 통상적인 제약들은 열 전달 영역 전반에서 완전한 난류를 달성하고 유지하는 것을 어렵게 한다. 또한, 달성 가능한 레이놀즈 수는 많은 작동기 냉각 응용들에서 비교적 낮으며, 이는 열 전달 영역 전반에서 완전한 난류를 유지하는 것을 어렵게 한다. 이것은 흐르는 액체 내에 열 층화(thermal stratification)를 발생시키며, 이는 열 전달율을 낮춘다.
이 실시예는 난류 혼합에 의존하지 않고도 고체-액체 경계 근처의 액체 내에서의 온도 경사를 증가시키기 위해 비난류(점성 전단) 혼합("정적 혼합"이라고도 함) 현상을 이용한다. 온도 경사의 증가는 층류에 비해 코일 권선들로부터 냉각제로의 열 교환이 발생할 수 있는 효율을 증가시킨다. 정적 혼합의 양의 증가는 경계에서의 더 따뜻한 액체와 흐름 밖의 더 차가운 액체의 향상된 혼합을 달성한다. 이것은 매우 낮은 레이놀즈 수들에서 달성될 수 있는데, 그 이유는 혼합의 향상을 위해 난류에 의존하지 않기 때문이다.
이 실시예에서는, 흐르는 냉각제에 의해 열이 제거될 표면을 지나 냉각액의 실제 흐름을 휘게 하는 물질을 흐름 내에 배치함으로써 정적 혼합이 형성된다. 예를 들어, 이 실시예에 따르면, 오픈 셀 물질의 유닛이 코일에 인접하게 냉각제 흐름 경로 내에 배치되며, 따라서 액체 흐름은 오픈 셀 폼 물질의 다양한 구조들 및 간극들 주위의 오픈 셀 물질을 통해 재촉되어 고체-액체 경계를 가로지르는 열 전달을 향상시킨다. 냉각제 내로의 열 거부의 유리한 비율이 때때로 "정적 혼합기들"로서 알려진 구조들을 이용하는 "정적 혼합"으로도 알려진 비난류("점성 전단") 혼합의 이용을 통해 달성된다. 정적 혼합은 경계에 매우 가까운 따뜻한 액체와 흐름 밖의 더 먼 곳으로부터의 더 차가운 액체를 혼합함으로써 경계 근처에서의 온도 경사도 증가시킨다. 이것은 극히 낮은 레이놀즈 수들에서 층류들에서 달성될 수 있는데, 그 이유는 메커니즘이 혼합의 향상을 위해 난류에 의존하지 않기 때문이다.
예시적인 정적 혼합기는 냉각제 흐름 경로 내에 배치된 오픈 셀 "폼"(예를 들어, 금속 폼 또는 폴리머 폼)이다. 정적 혼합기의 물리적인 구조는 폼들로 한정되지 않는다. 대안 구성은 예를 들어 압축된 섬유 매트릭스이다.
오픈 셀 물질의 유닛의 배치를 위한 냉각제 흐름 경로 내의 이용 가능 공간은 매우 제한될 수 있다. 유닛을 가로지르는 압력 강하의 항목도 바람직하게 고려되며, 이는 기공들의 크기 및 분포 및 다른 팩터들을 지시할 수 있다. 적절한 물질들은 많은 폴리머 오픈 셀 폼 내의 약 0.5-1.0 mm 기공 직경으로 한정되지 않는다. 바람직하게, 냉각제 흐름 경로 내의 한 위치에 배치되는 바와 같은 오픈 셀 물질의 유닛은 주로 오픈 셀 물질 주위가 아니라 오픈 셀들을 통해 액체 흐름이 발생하는 것을 보증하기 위해 약간 압축된다.
정적 혼합 현상이 도 16에 도시되며, 이 도면은 오픈 셀 물질(402)의 유닛이 안에 배치된 흐름 도관(400)을 도시한다. 도면에서 냉각제는 좌에서 우로 흐르며, 그의 흐름 벡터들(404)은 실질적 층류를 나타낸다. 흐름 벡터들(404) 중 어느 것도 도관(400)의 벽들(406)을 향하지 않다는 점에 유의한다. 흐름이 오픈 셀 물질(402)에 들어가 통과할 때, 흐름 벡터들(405)은 휘어지며, 이들 중 일부는 벽들(406)을 지향하게 된다. 벽(406)을 향한 흐름 벡터들의 이러한 지향은 벽으로부터 액체 냉각제로 열이 전달되는 효율을 향상시킨다. 오픈 셀 물질의 유닛의 하류에서, 냉각제의 흐름은 통상적으로 다시 층류(408)가 된다.
예를 들어, 도 17a에 도시된 바와 같이, 충분히 작은 기공 크기를 갖는 오픈 셀 물질의 각각의 유닛들(352a-352e)이 마이크로채널화된 냉각제 흐름 경로(350) 내의 선택적인 위치들에 배치될 수 있다. 이러한 경로 흐름(350)은 도 17b에 도시된 바와 같이 코일(354)의 일면 상에 양면 상에 배치될 수 있다.
대안으로서, 도 18에 도시된 바와 같이, 흐름 혼합 오픈 셀 물질의 각각의 유닛들(362a, 362b)이 전통적인 냉각 재킷 내의 코일의 각각의 면에 배치된 각각의 냉각제 통로들 내의 코일(364)에 대해 배치된다.
하나의 특정 평면 모터와 관련된 우리의 테스트에서, 점성 흐름 정적 혼합기들의 사용은 소정의 냉각제 흐름율에서 열 전달율을 약 33% 증가시켰다.
이 실시예의 주목할 만한 특징들은 다음과 같다.
(a) 이러한 점성 흐름의 혼합은 모터 코일들을 냉각시키기 위한 많은 전통적인 방안들은 물론, 본 명세서에서 개시되는 임의의 특정 실시예에 적용될 수 있다.
(b) 이 실시예는 평면 모터, 음성 코일 모터(VCM) 또는 E-코어 작동기와 같은 많은 다른 전자기 작동기에도 적용될 수 있다. 이 실시예는 작동기 크기 및 흐름율의 가능 범위가 열 전달 영역 전반에서 완전한 난류를 보증하지 못하도록 너무 낮은 레이놀즈 수들을 유발하는 대부분의 응용들에서 실익을 갖는다.
(c) 동일하거나 심지어 약간 더 낮은 냉각제 흐름율들에서도 열 거부가 크게 향상된다.
제 8 대표 실시예
본 명세서에서 설명되는 바와 같은 전자기 작동기들, 특히 선형 및/또는 평면 모터들을 사용할 수 있는 정밀 시스템의 일례는 담금식 마이크로리소그라피 시스템이다.
이제, 도 19를 참조하면, 담금식 리소그라피 시스템의 소정 특징들, 즉 광축 A를 따라 모두 배열된 광원(540), 조명 광학계(542), 레티클 스테이지(544), 투영 광학계(546) 및 웨이퍼(기판) 스테이지(548)가 도시되어 있다. 광원(540)은 KrF 엑시머 레이저에 의해 생성되는 바와 같은 248 nm의 DUV 광, ArF 엑시머 레이저에 의해 생성되는 바와 같은 193 nm의 DUV 광 또는 F2 엑시머 레이저에 의해 생성되는 바와 같은 157 nm의 DUV 광과 같은 조명 광의 펄스 빔을 생성하도록 구성된다. 조명 광학계(542)는 광 적분기 및 레티클 스테이지(544)에 장착되는 패터닝된 레티클(550) 상의 지정된 영역의 조명을 위한 조명 빔을 조절하고 형상화하는 적어도 하나의 렌즈를 포함한다. 레티클(550) 상에 정의되는 바와 같은 패턴은 웨이퍼 스테이지(548) 상에 유지되는 웨이퍼(552)에 리소그라피 방식으로 전사될 패턴에 대응한다. 이 시스템에서의 리소그라피 전사는 투영 광학계(546)를 이용하는 레티클(550)로부터 웨이퍼(552)로의 패턴의 공중 이미지의 투영에 의한다. 투영 광학계(546)는 통상적으로 웨이퍼(522) 상에 이미지를 지정된 축소 비율(예를 들어, 1/4 또는 1/5)로 투영하는 많은 개별 광학 요소(상술되지 않음)를 포함한다. 인쇄 가능하게 하기 위해, 웨이퍼 표면은 "레지스트"라고 하는 적절한 감광 물질의 층으로 코팅된다.
레티클 스테이지(544)는 레티클(550)을 X 방향으로, Y 방향으로 그리고 Z 축에 대해 회전하게 이동시키도록 구성된다. 이를 위해, 레티클 스테이지는 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 냉각되는 코일들을 갖는 하나 이상의 선형 모터를 구비한다. 레티클 스테이지(544) 상의 레티클(550)의 이차원 위치 및 배향은 레이저 간섭계(도시되지 않음)에 의해 실시간으로 검출되며, 레티클(550)의 배치는 이렇게 이루어진 검출에 기초하여 주 제어 유닛에 의해 수행된다.
웨이퍼(552)는 웨이퍼 스테이지(548) 상에 웨이퍼 홀더("척(chuck)", 도시되지 않음)에 의해 유지된다. 웨이퍼 스테이지(548)는 필요에 따라 웨이퍼(552)의 (Z축을 따른) 포커싱 위치 및 경사각을 제어 및 조정하기 위한 메커니즘(도시되지 않음)을 포함한다. 웨이퍼 스테이지(548)는 투영 광학계(546)의 이미지 형성 표면에 실질적으로 평행한 X-Y 평면에서 웨이퍼를 이동시키기 위한 전자기 작동기들(예로서, 선형 모터들 또는 평면 모터 또는 이들 모두)도 포함한다. 이러한 작동기들은 바람직하게 선형 모터들, 하나 이상의 평면 모터 또는 이들 모두를 포함한다. 바람직하게, 이러한 작동기들은 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 냉각되는 코일들을 갖는다.
웨이퍼 스테이지(548)는 자동 포커싱 및 자동 수평화 방법에 의해 웨이퍼(552)의 경사각을 조정하기 위한 메커니즘들도 포함한다. 따라서, 웨이퍼 스테이지는 웨이퍼 표면과 투영 광학계의 이미지 표면을 정렬하는 역할을 한다. 웨이퍼의 이차원 위치 및 배향은 다른 레이저 간섭계(도시되지 않음)에 의해 실시간으로 모니터링된다. 이러한 모니터링의 결과들에 기초하는 제어 데이터가 주 제어 유닛으로부터 웨이퍼 스테이지를 구동하기 위한 구동 회로들로 전송된다. 노광 동안, 투영 광학계를 통과하는 광은 레티클 상의 패턴에 따라 스텝 및 반복 또는 스텝 및 스캔 방식으로 웨이퍼 상에서 하나의 위치에서 다른 위치로 순차적인 방식으로 이동하게 된다.
투영 광학계(546)는 통상적으로 웨이퍼(552)의 레지스트 코팅 표면 상에 노광 이미지를 형성하도록 협력하는 많은 렌즈 요소를 포함한다. 편의상, 가장 먼 광학 요소(즉, 웨이퍼 표면에 가장 가까운 요소)는 대물 렌즈(553)이다. 도시된 시스템은 담금식 리소그라피 시스템이므로, 이 시스템은 대물 렌즈(553)와 웨이퍼(552)의 표면 사이에 배치된 담금 액체(554)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 담금 액체(554)는 지정된 타입의 액체이다. 담금 액체는 적어도 레티클의 패턴 이미지가 웨이퍼 상에 노광되는 동안 존재한다.
담금 액체(554)는 탱크, 펌프 및 온도 조절기(일일이 도시되지 않음)를 포함할 수 있는 액체 공급 유닛(556)으로부터 공급된다. 액체(554)는 노즐 메커니즘(555)에 의해 대물 렌즈(553)와 웨이퍼 표면 사이의 갭 내로 서서히 방출된다. 액체 회수 시스템(558)은 공급원(56)이 신선한 액체(554)를 제공함에 따라 갭으로부터 액체를 제거하는 회수 노즐(57)을 포함한다. 결과적으로, 계속 교체되는 담금 액체(554)의 실질적으로 일정한 부피가 대물 렌즈(553)와 웨이퍼 표면 사이에 제공된다. 액체의 온도는 리소그라피 시스템 자체가 배치되는 챔버 내의 온도와 대략 동일하도록 조절된다.
센서(564)가 배치되는, 웨이퍼 스테이지(548) 내에 형성된 리세스(562)를 가로질러 연장하는 센서 윈도(560)도 도시된다. 따라서, 윈도(560)는 리세스(562) 내의 센서(564)를 격리한다. 담금 액체(554)의 계속적인 교체와 더불어, 윈도(560)를 대물 렌즈(553) 아래에 배치하기 위한 웨이퍼 스테이지(548)의 이동은 투영 광학계(546)를 통과하는 빔이 담금 액체 및 윈도(560)를 통해 센서(564)로 전송되게 한다.
이제, 도 20을 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 능동 냉각 코일들을 갖는 하나 이상의 전자기 작동기를 포함할 수 있는 정밀 시스템의 대안 실시예는 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 전자기 작동기를 포함하는 대표적인 정밀 시스템으로서 도시된 EUVL 시스템(900)이다. 도시된 시스템(900)은 진공 챔버(902)를 포함하며, 이 진공 챔버는 진공 챔버(902)의 각각의 챔버들(908a, 908b) 내에 원하는 진공 레벨들을 형성 및 유지할 수 있도록 배열된 진공 펌프들(906a, 906b)을 포함한다. 예를 들어, 진공 펌프(906a)는 상부 챔버(레티클 챔버)(908a) 내에 약 50 mTorr의 진공 레벨을 유지하며, 진공 펌프(906b)는 하부 챔버(광 챔버)(908b) 내에 약 1 mTorr보다 낮은 진공 레벨을 유지한다. 2개의 챔버(908a, 908b)는 장벽(920)에 의해 서로 분리된다. 설명의 편의를 위해, EUVL 시스템(900)의 다양한 컴포넌트들이 도시되지 않지만, EUVL 시스템(900)은 반작용 프레임, 진동 격리 메커니즘, 다양한 작동기들 및 다양한 제어기들과 같은 컴포넌트들을 포함할 수 있다는 것을 알 것이다.
EUV 레티클(916)이 레티클 스테이지(910)에 결합된 레티클 척(914)에 의해 유지된다. 레티클 스테이지(910)는 레티클(916)을 유지하며, 레티클이 예를 들어 리소그라피 노광을 행하기 위한 레티클의 사용 동안 스캐닝 방식으로 측방으로 이동되게 한다. 레티클(916)과 장벽(920) 사이에는 블라인드 장치(blind apparatus)가 위치한다. 조명원(924)이 EUV 조명 빔(926)을 생성하며, 이 빔은 광 챔버(908b)에 들어가서 하나 이상의 미러(928)로부터 그리고 조명 광학계(922)를 통해 반사하여 레티클(916) 상의 원하는 위치를 조명한다. 조명 빔(926)이 레티클(916)로부터 반사될 때, 이 빔은 레티클 상에서 실제로 조명되고 있는 패턴 부분에 의해 "패터닝"된다. 장벽(920)은 차동 압력 장벽의 역할을 하며, 사용 동안 분진 오염으로부터 레티클(916)을 보호하는 레티클 차단(shield)의 역할을 할 수 있다. 장벽(920)은 개구(934)를 형성하며, 이 개구를 통해 조명 빔(926)은 레티클(916)의 원하는 영역을 조명할 수 있다. 레티클(916) 상에 입사하는 조명 빔(926)은 레티클 상의 패턴 정의 요소들과의 상호작용에 의해 패터닝되며, 결과적인 패터닝된 빔(930)은 일반적으로 투영 광학계(938)를 통해, 노광 동안 웨이퍼의 스캐닝 운동을 수행하는 웨이퍼 스테이지(940) 상의 웨이퍼 척(936)에 의해 유지되는 웨이퍼(932)의 표면 상으로 아래로 전파한다. 따라서, 레티클 패턴의 이미지들이 웨이퍼(932) 상에 투영된다.
웨이퍼 스테이지(940)는 예를 들어 평면 모터 또는 하나 이상의 선형 모터에 의해 구동될 수 있는 배치 스테이지, 및 예를 들어 EI-코어 작동기를 이용하여 배치 스테이지에 자기적으로 결합되는 웨이퍼 테이블을 포함할 수 있다(상술되지 않음). 웨이퍼 척(936)은 웨이퍼 테이블에 결합되며, 예를 들어 하나 이상의 음성 코일 모터에 의해 웨이퍼 테이블에 대해 공중 부양될 수 있다. 배치 스테이지가 평면 모터에 의해 구동되는 경우, 평면 모터는 통상적으로 이차원으로 배열된 자석들 및 대응하는 회전자 코일들에 의해 생성되는 각각의 전자기력들을 이용한다. 배치 스테이지는 다수의 운동 자유도, 예를 들어 3 내지 6개의 자유도로 이동하여, 웨이퍼(932)가 투영 광학계(983) 및 레티클(916)에 대해 원하는 위치 및 배향으로 배치되게 하도록 구성된다.
전술한 EUV 공급원 및 조명 광학계를 포함하는 EUVL 시스템은 기계적 정확도, 전기적 정확도 및 광학적 정확도의 규정된 표준들이 충족되고 유지되는 것을 보증하는 방식으로 다양한 조립체들 및 서브시스템들을 조립함으로써 구성될 수 있다. 조립 전에, 조립 동안에 그리고 조립 후에 이러한 표준들을 설정하기 위하여, 필요에 따라 다양한 서브시스템들(특히, 조명 광학계(922) 및 투영 광학계(938))을 평가 및 조정하여, 지정된 정확도 표준들을 달성한다. 필요에 따라, 기계 및 전기 서브시스템들 및 조립체들에 대해 유사한 평가들 및 조정들이 수행된다. 다양한 서브시스템들 및 조립체들의 조립은 조립체들과 서브시스템들 사이에 필요한 바와 같은 광학 및 기계적 인터페이스들, 전기적 상호접속들 및 배관 상호접속들의 생성을 포함한다. EUVL 시스템의 조립 후, 필요에 따라 추가적인 평가들, 교정들 및 조정들을 수행하여, 지정된 시스템 정확도 및 동작 정밀도의 달성을 보증한다. 소정 표준의 청결 및 오염 방지를 유지하기 위하여, EUVL 시스템(또한, 시스템의 소정 서브시스템들 및 조립체들)은 분진 오염, 온도 및 습도가 제어되는 클린 룸 등에서 조립된다.
반도체 장치들은 전술한 바와 같은 마이크로리소그라피 시스템을 이용하여 수행되는 마이크로리소그라피 단계들을 포함하는 프로세스들에 의해 제조될 수 있다. 도 21을 참조하면, 단계 701에서, 반도체 장치의 기능 및 성능 특성들이 설계된다. 단계 702에서, 원하는 패턴을 정의하는 레티클("마스크")이 이전의 설계 단계에 따라 설계되고 제조된다. 한편, 단계 703에서, 기판(웨이퍼)이 제조되고, 적절한 레지스트로 코팅된다. 단계 704(웨이퍼 가공)에서, 단계 702에서 설계된 레티클 패턴이 마이크로리소그라피 시스템을 이용하여 기판의 표면 상에 노광된다. 단계 705에서, 반도체 장치가 조립된다(웨이퍼로부터 개별 장치들 또는 "칩들"을 절단하는 "다이싱", 칩들 상의 특정 위치들에 와이어들을 본딩하는 "본딩", 및 사용을 위해 적절한 패키지들 내에 장치들을 봉입하는 "패키징"을 포함함). 단계 706에서, 조립된 장치들이 테스트 및 검사된다.
마이크로리소그라피 단계를 포함하는 웨이퍼 가공 프로세스의 대표적인 상세들이 도 22에 도시되어 있다. 단계 711("산화")에서, 웨이퍼 표면이 산화된다. 단계 712("CVD")에서, 화학 기상 침적에 의해 웨이퍼 표면 상에 절연층이 형성된다. 단계 713(전극 형성)에서, 예를 들어 기상 침적에 의해 웨이퍼 표면 상에 전극들이 형성된다. 단계 714("이온 주입")에서, 이온들이 웨이퍼 표면에 주입된다. 이러한 단계들(711-714)은 웨이퍼들에 대한 대표적인 "전처리" 단계들을 구성하며, 각각의 단계에서 가공 요건에 따라 선택들이 이루어진다.
웨이퍼 가공의 각각의 스테이지에서, 전처리 단계들이 완료된 때, 아래의 "후처리" 단계들이 구현된다. 제 1 후처리 단계는 단계 715("포토레지스트 형성")이며, 이 단계에서 적절한 레지스트가 웨이퍼의 표면에 도포된다. 이어서, 단계 716("노광")에서, 리소그라피 방식으로 레티클로부터 웨이퍼 상의 레지스트 층으로 패턴을 전사하기 위해 전술한 마이크로리소그라피 시스템이 사용된다. 단계 717("현상")에서, 웨이퍼 상의 노광된 레지스트를 현상하여, 웨이퍼 상의 레지스트 내에 레지스트 패턴에 대응하는 사용 가능한 마스크 패턴을 형성한다. 단계 718("에칭")에서, 현상된 레지스트에 의해 커버되지 않은 영역들(즉, 노출된 물질 표면들)이 제어된 깊이로 에칭에 의해 제거된다. 단계 719("포토레지스트 제거")에서, 현상된 잔여 레지스터가 웨이퍼로부터 제거("스트립")된다.
웨이퍼 상의 회로 패턴들의 다수의 상호접속된 층의 형성은 필요에 따라 전처리 및 후처리 단계들을 반복함으로써 달성된다. 일반적으로, 각각의 층을 형성하기 위해 한 세트의 전처리 및 후처리 단계들이 수행된다.
다양한 실시예들은 냉각 수행으로 한정되지 않다는 점이 주목되었다. 오히려, 이들은 코일들의 온도를 변경하고 조절하는 데 사용될 수 있으며, 이것은 코일들의 온도의 증가를 필요로 할 수 있다.
본 발명은 대표적인 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 그러한 실시예들로 한정되지 않는다는 점이 이해될 것이다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함될 수 있는 바와 같은 모든 대안들, 변경들 및 균등물들을 포함하도록 의도된다.

Claims (73)

  1. 선형 또는 평면 모터에서, 능동적으로 냉각되는 코일 조립체로서,
    제 1 및 제 2 주 표면(main surface)들을 갖는 코일과,
    상기 코일의 적어도 하나의 주 표면과 열 접촉하는 각각의 열 전도 냉각 플레이트와,
    상기 냉각 플레이트 내 또는 상기 냉각 플레이트 상에 형성된 냉각제 통로와,
    상기 냉각제 통로를 통과하는 액체 냉각제를 포함하며,
    상기 냉각제 통로는 상기 코일의 상기 주 표면의 적어도 일부와 동일 공간에 걸쳐 있는 주 패턴(primary pattern)을 갖는
    조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 패턴은 상기 냉각 플레이트에서의 와류 손실을 줄이기 위해 큰 연속 영역을 갖지 않는 형상인
    조립체.

  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 주 패턴은 각각의 종점(termini)을 갖는 팔(arms)을 포함하는 X자 형상의 패턴인
    조립체.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 주 패턴은 구불구불한
    조립체.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 주 패턴은 각각의 종점을 갖는 팔을 포함하는 U자 형상의 패턴인
    조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 패턴은 구불구불한
    조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 패턴은 U자 형상인
    조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 패턴은 보조 패턴(secondary pattern)을 포함하는
    조립체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 보조 패턴은 상기 냉각 플레이트에서의 와류 손실을 줄이기 위해 큰 연속 영역을 갖지 않는 형상인
    조립체.
  10. 제 10 항에 있어서,
    상기 보조 패턴은 구불구불한
    조립체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 패턴은 각각의 종점을 갖는 팔을 포함하는 X자 형상인
    조립체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    실질적으로 상기 X자 형상의 주 패턴의 중앙에 배치된 냉각제 입구 또는 냉각제 출구, 및 실질적으로 상기 팔의 종점에 각각 배치된 각각의 냉각제 출구 또는 입구를 더 포함하고,
    냉각제 흐름이 상기 입구를 통해 상기 냉각제 통로로 진입하고, 상기 팔을 통해 흐르며, 상기 출구를 통해 상기 냉각제 통로를 이탈하며,
    상기 보조 패턴은 상기 냉각제가 상기 팔을 통해 흐를 때 냉각제의 비순환 흐름을 제공하기 위해 각각의 팔을 따라 연장하는
    조립체.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 팔의 상기 종점에 배치된 각각의 냉각제 입구 및 실질적으로 상기 X자 형상의 주 패턴의 중앙에 배치된 적어도 하나의 냉각제 출구를 더 포함하고,
    냉각제 흐름이 상기 입구를 통해 상기 냉각제 통로로 진입하고, 상기 팔을 통해 흐르며, 상기 적어도 하나의 출구를 통해 상기 냉각제 통로를 이탈하며,
    상기 보조 패턴은 상기 냉각제가 상기 팔을 통해 흐를 때 냉각제의 비순환 흐름을 제공하기 위해 각각의 팔을 따라 연장하는
    조립체.
  14. 제 11 항에 있어서,
    실질적으로 상기 종점 중 적어도 하나에 배치된 적어도 하나의 냉각제 입구 및 실질적으로 나머지 종점에 배치된 적어도 하나의 냉각제 출구를 더 포함하는
    조립체.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 패턴은 중심 및 상기 중심으로부터 방사상으로 퍼지는 다수의 팔을 갖는 방사 패턴(radial pattern)이고,
    적어도 하나의 팔이 냉각제 출구 또는 입구를 포함하는 말단 종점(distal terminus)을 가지며,
    적어도 하나의 팔이 마이크로채널의 보조 패턴을 포함하는
    조립체.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 중심은 냉각제 입구 또는 출구를 포함하며,
    적어도 하나의 팔이 각각 냉각제 출구 또는 입구를 포함하는 말단 종점을 갖는
    조립체.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일은 제 1 및 제 2 평면 주 표면을 포함하고,
    적어도 하나의 주 표면은 그와 열 접촉하는 각각의 냉각 플레이트를 포함하고,
    적어도 하나의 냉각 플레이트는 상기 냉각 플레이트 내 또는 상기 냉각 플레이트 상에 형성된 각각의 냉각제 통로를 포함하며,
    적어도 하나의 냉각 플레이트는 상기 냉각제 통로를 통과하는 액체 냉각제를 포함하는
    조립체.
  18. 제 17 항에 있어서,
    적어도 하나의 각각의 냉각제 통로는 상기 평면 코일의 상기 각각의 주 표면과 동일 공간에 걸쳐 있는 주 패턴을 구비하며,
    상기 주 패턴은 연속 영역의 크기를 줄이도록 구성되어, 그에 의해 상기 냉각 플레이트에서의 와류 손실을 줄이는
    조립체.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 주 패턴은 연속 영역의 크기를 더 줄여서 그에 의해 상기 냉각 플레이트에서의 와류 손실을 더 줄이는 각각의 보조 패턴을 포함하는
    조립체.
  20. 제 1 항에 있어서,
    플레이트를 더 포함하되, 상기 냉각 플레이트가 상기 플레이트와 상기 코일 사이에 샌드위칭되도록 배치되고, 상기 플레이트는 상기 냉각 플레이트와 상기 코일의 상기 각각의 주 표면의 열 접촉을 향상시키기 위해 상기 코일을 향해 압축되도록 구성되는
    조립체.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각제 통로의 적어도 일부 내에 배치된 정적 혼합기를 더 포함하는
    조립체.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트와 상기 코일의 상기 각각의 주 표면 사이에 열 전도 물질을 더 포함하는
    조립체.
  23. 전자기 모터로서,
    적어도 하나의 급전 가능한 코일을 포함하는 코일 어레이와,
    상기 각각의 코일로부터의 열을 전도하기 위해 상기 적어도 하나의 코일과 열 접촉하되, 각각 냉각제 통로를 형성하는 적어도 하나의 열 전도 물질의 각각의 유닛과,
    상기 냉각제 통로 내의 열 전도 액체 냉각제를 포함하며,
    상기 냉각제 통로 내에 흐르는 상기 냉각제는 상기 열 전도 물질의 각각의 유닛으로부터의, 및 그에 따른 상기 각각의 코일로부터의 열을 제거하기 위해 상기 열 전도 물질의 각각의 유닛과 열 접촉하는
    모터.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 냉각제 통로는 상기 적어도 하나의 코일의 적어도 일부와 동일 공간에 걸쳐 있는 주 패턴을 가지며,
    상기 주 패턴은 연속 영역의 크기를 줄이도록 구성되어, 그에 의해 상기 열 전도 물질에서의 와류 손실을 줄이는
    모터.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 주 패턴은 연속 영역의 크기를 더 줄여서 그에 의해 상기 냉각 플레이트에서의 와류 손실을 더 줄이는 각각의 보조 패턴을 포함하는
    모터.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 모터는 선형 모터 또는 평면 모터인
    모터.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 모터는 다수의 코일을 포함하는 선형 또는 평면 모터이고,
    적어도 하나의 코일은 적어도 하나의 각각의 실질적으로 평면인 주 표면을 갖는 비교적 편평한 코일이고,
    적어도 하나의 주 표면은 그와 열 접촉하는 상기 열 전도 물질의 각각의 유닛을 포함하되, 상기 열 전도 물질의 유닛은 냉각제 플레이트로서 구성되고,
    적어도 하나의 냉각제 플레이트는 상기 각각의 코일 유닛 내의 상기 각각의 코일의 상기 각각의 주 표면과 열 접촉하는 실질적으로 평면인 표면을 가지며,
    적어도 하나의 냉각 플레이트는 냉각제 통로를 형성하는
    모터.
  28. 제 27 항에 있어서,
    적어도 하나의 코일이 각각의 코일 유닛에 통합되는
    모터.

  29. 제 27 항에 있어서,
    적어도 하나의 냉각제 플레이트가 냉각제 통로를 형성하고,
    상기 냉각제 통로는 상기 각각의 코일의 적어도 일부와 동일 공간에 걸쳐 있는 주 패턴을 가지며,
    상기 주 패턴은 연속 영역의 크기를 줄이도록 구성되어, 그에 의해 상기 열 전도 물질에서의 와류 손실을 줄이는
    모터.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 주 패턴은 연속 영역의 크기를 더 줄여서 그에 의해 상기 냉각 플레이트에서의 와류 손실을 더 줄이는 각각의 보조 패턴을 포함하는
    모터.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 주 패턴은 중심 및 상기 중심으로부터 방사상으로 퍼지는 다수의 팔을 포함하는 방사 패턴인
    모터.
  32. 제 30 항에 있어서,
    상기 보조 패턴은 구불구불한
    모터.
  33. 제 32 항에 있어서,
    적어도 하나의 냉각제 플레이트의 평면 표면은 실질적으로 상기 방사 주 패턴의 중앙에 배치된 냉각제 입구 또는 냉각제 출구를 더 포함하며, 실질적으로 상기 팔의 상기 종점에 각각 배치된 각각의 냉각제 출구 또는 입구를 더 포함하고,
    냉각제 흐름이 상기 입구를 통해 상기 냉각제 통로로 진입하고, 상기 팔을 통해 상기 구불구불한 보조 패턴을 통해 흐르며, 상기 출구들을 통해 상기 냉각제 통로를 이탈하며,
    상기 구불구불한 보조 패턴은 상기 냉각제가 상기 팔을 통해 흐를 때 비순환 흐름을 제공하기 위해 각각의 팔을 따라 연장하는
    모터.
  34. 제 32 항에 있어서,
    상기 주 패턴은 중심 및 상기 팔의 단부에서 각각의 종점을 갖는 X자 패턴이고,
    상기 중심은 냉각제 입구 또는 냉각제 출구를 포함하고,
    각각의 냉각제 출구 또는 입구는 각각 실질적으로 상기 종점에 배치되고,
    냉각제 흐름이 적어도 하나의 냉각제 입구를 통해 상기 냉각제 통로에 진입하고, 상기 팔을 통해 흐르며, 적어도 하나의 냉각제 출구를 통해 상기 냉각제 통로를 이탈하며,
    상기 보조 패턴은 상기 냉각제가 상기 팔을 통해 흐를 때 냉각제의 비순환 흐름을 제공하기 위해 각각의 팔을 따라 연장하는
    모터.
  35. 제 27 항에 있어서,
    적어도 하나의 코일 유닛은 상기 각각의 냉각 플레이트가 각각의 외부 플레이트와 적어도 하나의 코일 사이에 샌드위칭되도록 배치되는 상기 각각의 외부 플레이트를 포함하며,
    상기 각각의 냉각 플레이트와 상기 각각의 코일의 상기 각각의 주 표면의 열 접촉을 형성 및 유지하기 위해 적어도 하나의 외부 플레이트가 상기 적어도 하나의 코일을 향해 밀어 붙여지도록 구성되는
    모터.
  36. 제 23 항에 있어서,
    적어도 하나의 냉각제 통로는 상기 각각의 냉각제 통로 내에 배치된 각각의 정적 혼합기를 포함하는
    모터.
  37. 제 23 항에 있어서,
    상기 모터는 코일 어레이가 복수의 코일 유닛을 포함하는 평면 모터이고,
    적어도 하나의 코일 유닛은 복수의 코일을 포함하고,
    적어도 하나의 코일은 적어도 하나의 각각의 실질적으로 평면인 주 표면을 갖는 비교적 편평한 코일이고,
    적어도 하나의 코일 유닛에서, 각각의 코일의 주 표면은 상기 열 전도 물질의 각각의 유닛을 포함하되, 상기 열 전도 물질의 유닛은 냉각제 플레이트로서 구성되며,
    적어도 하나의 냉각제 플레이트는 상기 주 패턴 및 상기 보조 패턴을 포함하는 냉각제 통로를 형성하는
    모터.

  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 주 패턴은 상기 각각의 코일의 적어도 일부와 동일 공간에 걸쳐 있으며,
    상기 주 패턴은 연속 영역의 크기를 줄이도록 구성되어, 그에 의해 상기 냉각 플레이트에서의 와류 손실을 줄이도록 구성되는
    모터.
  39. 제 38 항에 있어서,
    적어도 하나의 주 패턴은 연속 영역의 크기를 더 줄여서 그에 의해 상기 냉각 플레이트에서의 와류 손실을 더 줄이는 각각의 보조 패턴을 포함하는
    모터.
  40. 제 36 항에 있어서,
    사용된 냉각제를 상기 냉각제 플레이트로부터 제거하는 것과 동시에 상기 냉각제 플레이트에 냉각제를 전달하기 위해 냉각제의 공급원 및 적어도 하나의 냉각제 플레이트에 연결된 매니폴드(manifold)를 더 포함하는
    모터.
  41. 전기적으로 작동되는 코일을 위한 냉각 장치로서,
    능동적으로 냉각되는 부재로서, 코일과 열 접촉하되, 상기 부재 내 또는 상기 부재 상의 액체 통로를 통해 냉각액을 전달하기 위해 적어도 하나의 액체 입구 및 적어도 하나의 액체 출구를 가지는, 상기 능동적으로 냉각되는 부재와,
    상기 액체 통로 내에 배치되며 상기 액체가 상기 통로를 통해 흐를 때 상기 액체의 혼합을 유도하도록 구성되는 정적 혼합 구조를 포함하는
    냉각 장치.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 정적 혼합 구조는 오픈 셀 폼(open-cell foam)인
    냉각 장치.
  43. 제 1 항에 기재된 바와 같은 능동적으로 냉각되는 코일 조립체를 포함하는
    선형 모터.
  44. 제 41 항에 기재된 바와 같은 능동적으로 냉각되는 코일 조립체를 포함하는
    선형 모터.
  45. 제 1 항에 기재된 바와 같은 능동적으로 냉각되는 코일 조립체를 포함하는
    평면 모터.
  46. 제 41 항에 기재된 바와 같은 능동적으로 냉각되는 코일 조립체를 포함하는
    평면 모터.
  47. 제 43 항에 기재된 바와 같은 선형 모터에 결합된 이동체(movable body)를 포함하는
    정밀 시스템.
  48. 제 44 항에 기재된 바와 같은 선형 모터에 결합된 이동체를 포함하는
    정밀 시스템.

  49. 제 45 항에 기재된 바와 같은 평면 모터에 결합된 이동체를 포함하는
    정밀 시스템.
  50. 제 46 항에 기재된 바와 같은 평면 모터에 결합된 이동체를 포함하는
    정밀 시스템.
  51. 제 47 항에 있어서,
    마이크로리소그라피 시스템으로 구성되는
    정밀 시스템.
  52. 제 48 항에 있어서,
    마이크로리소그라피 시스템으로 구성되는
    정밀 시스템.
  53. 제 49 항에 있어서,
    마이크로리소그라피 시스템으로 구성되는
    정밀 시스템.
  54. 제 50 항에 있어서,
    마이크로리소그라피 시스템으로 구성되는
    정밀 시스템.
  55. 제 23 항에 기재된 바와 같은 적어도 하나의 모터를 포함하는
    스테이지.
  56. 제 55 항에 기재된 바와 같은 스테이지를 포함하는
    정밀 시스템.
  57. 제 56 항에 있어서,
    마이크로리소그라피 시스템으로 구성되는
    정밀 시스템.
  58. 마이크로장치 제조 방법에서,
    제 51 항에 기재된 바와 같은 마이크로리소그라피 시스템을 이용하여 마이크로리소그라피 단계가 수행되는
    방법.
  59. 마이크로장치 제조 방법에서,
    제 52 항에 기재된 바와 같은 마이크로리소그라피 시스템을 이용하여 마이크로리소그라피 단계가 수행되는
    방법.
  60. 마이크로장치 제조 방법에서,
    제 53 항에 기재된 바와 같은 마이크로리소그라피 시스템을 이용하여 마이크로리소그라피 단계가 수행되는
    방법.
  61. 마이크로장치 제조 방법에서,
    제 54 항에 기재된 바와 같은 마이크로리소그라피 시스템을 이용하여 마이크로리소그라피 단계가 수행되는
    방법.
  62. 마이크로장치 제조 방법에서,
    제 57 항에 기재된 바와 같은 마이크로리소그라피 시스템을 이용하여 마이크로리소그라피 단계가 수행되는
    방법.
  63. 제 58 항에 기재된 상기 마이크로장치 제조 방법에 의해 제조된
    반도체 웨이퍼.
  64. 제 59 항에 기재된 상기 마이크로장치 제조 방법에 의해 제조된
    반도체 웨이퍼.
  65. 제 60 항에 기재된 상기 마이크로장치 제조 방법에 의해 제조된
    반도체 웨이퍼.
  66. 제 61 항에 기재된 상기 마이크로장치 제조 방법에 의해 제조된
    반도체 웨이퍼.
  67. 제 62 항에 기재된 상기 마이크로장치 제조 방법에 의해 제조된
    반도체 웨이퍼.
  68. 냉각액의 공급원과,
    상기 공급원에 유압식으로(hydraulically) 연결된 펌프와,
    상기 공급원 및 상기 펌프에 유압식으로 결합된 제 1 항에 기재된 바와 같은 능동적으로 냉각되는 코일 조립체를 포함하는
    유압 냉각 회로.
  69. 코일 조립체, 및 힘(force)을 생성하기 위해 상기 코일 조립체와 협력하는 자석 조립체를 포함하는 모터 장치로서,
    코일 표면을 갖는 코일과,
    제 1 표면 및 제 2 표면을 갖되, 상기 제 2 표면은 상기 코일 표면과 열 접촉하며, 상기 힘에 대한 와류 항력(eddy-current drag)을 줄이는 형상을 가지는 제 1 부재와,
    상기 제 1 부재 내 또는 상기 제 1 부재 상에 형성된 제 1 통로와,
    상기 제 1 부재의 상기 제 1 표면을 열적으로 차단하는 차단 부재(shieding member)를 포함하는
    모터 장치.
  70. 제 69 항에 있어서,
    상기 제 1 부재는 임의의 전류 손실을 줄이도록 형상화되는
    모터 장치.
  71. 제 69 항에 있어서,
    상기 차단 부재는 상기 제 1 부재의 상기 제 1 표면과 적어도 부분적으로 접촉하는
    모터 장치.
  72. 제 69 항에 있어서,
    상기 차단 부재 내 또는 상기 차단 부재 상에 형성된 제 2 통로를 더 포함하는
    모터 장치.
  73. 제 72 항에 있어서,
    상기 차단 부재의 온도를 원하는 온도로 제어하는 차단 온도 제어기(shield-temperature controller)를 더 포함하는
    모터 장치.
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