JP4165903B2 - 集積された磁気浮揚及び回転装置 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は一般に、磁気ベアリング及び電磁気モータに関する。更に詳細には、集積された非常にコンパクトな回転磁気ベアリング及びモータを提供する方法及び装置に関し、特に半導体ウエハ処理で有用なものに関する。
発明の背景
半導体製造では、シリコン又は他の半導体材料の割れやすいウエハが、真空、不活性ガス、又はプロセスガスの何れかである制御された超清浄な大気中で処理されなければならない。大気中の微細な汚染物質は直接又はウエハのガスプロセスの結果としてウエハ上に堆積するので、それらは深刻な問題である。ウエハ上の微細な粒子はウエハを汚染し、ウエハの汚染された部分から作られた半導体素子は欠陥品となる。従って、清浄度は歩留まりに直接関係し、同様に最終的な製品コストにも影響する。現在のプロセス技術は、真空又は不活性ガスで充填された輸送手段により接続された複数のチャンバの使用を含む。これらのチャンバは、特定のプロセス段階に特化している。プロセスは、腐食性が強く非常に高温の過酷な雰囲気を通常含む。
プロセス段階の１つは、イオン注入によるドーピングに続くウエハのアニールである。注入は、もし除去されなければ、イオンをドープされたシリコンの抵抗値の望ましくない変化の原因となる歪みを結晶構造内に生み出す。これらの歪みを除去するために、アニールは重要である。現在の製造は、アニールのための短時間熱処理（ＲＴＰ）に変わった。ＲＴＰは、ウエハ上の真空チャンバ内に取り付けられた放熱源（例えばランプ）の使用を含む。ランプは、ウエハをプロセスに適した高温状態に素早く至らせる。ＲＴＰのために、ウエハの上下に非遮蔽領域を有することが必要である。
ウエハは結局、各々が大体同じ既知の特性を有しなければならない複数の個別素子（例えばマイクロプロセッサ、又はメモリチップ）に再分割されるので、ウエハ全体にわたるプロセスの均一性は重要である。均一性はまた、比較的面積が広い単一素子（例えば、単一チップ上へのコンピュータ全体の組み込み）の使用を所望する場合にも重要である。要約すると、均一性もまた歩留まりに影響する。均一性を生み出すために、ウエハが処理される時、従来はウエハに垂直な（且つ中心をなす）垂線又はＺ軸のまわりで回転させた。回転はまた、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）、熱処理、イオン注入によるドーピング、及び他の技術によるドーピングのような他のウエハ処理に対しても使用される。
これまで、従来のＲＴＰウエハ処理装置は、ウエハキャリアを同様に支持する回転プラットフォームを支持するために機械的接触ベアリングを使用してきたが、高価なベアリングが使用される特別注文の設計でさえ、多くの問題の原因である。第１に、ベアリングは接触して動くので摩耗する。この摩耗が粒子汚染の原因である。第２に摩耗、及び困難な環境（超高真空）又は過酷な環境（例えば、腐食性又は高温の雰囲気）のために潤滑剤には厳しい制限があり、ベアリングは予想外に故障し、一般に比較的短時間で故障する。（特に高真空にさらされるとき、潤滑剤は蒸発する。封止及び潤滑剤の選択は問題の制御に役立つが、ベアリング潤滑剤は汚染源を残す。）
ベアリングの故障は、重大な生産休止時間の原因である。ベアリング故障はまた、新しいベアリングの直接コスト、及びそれ自体が５０，０００ドルの範囲の価値を有するウエハが処理される損失のために、生産コストを引き上げる。例えベアリング故障が無くても、ウエハは破損する。如何なるウエハの破損もチャンバが再び使用できるようになる前にベアリングから注意深く排除しなければならないウエハの破片及び粒子を生み出すので、ウエハの損失に加えて破損も生産時間の重大な損失を生み出す。動作時、機械的ベアリングはまた振動を生じさせて（大きな音を立てて）伝導し、外部の機械的衝撃及び振動により摩滅又は損害を与えられ得る。機械的ベアリングはまた、静摩擦、並びに品質及び歩留まりに不都合な影響を与える位置制御での誤差を招く「遊び」の悪影響を被る。これら及び他の問題はまた、処理されるウエハのサイズ及びウエハの回転速度の実用的上限を課す。現在、約２００ｍｍの直径を有するウエハが、確実に処理できる最大のウエハである。これらの大きなウエハに対して、回転速度は一般に９０ｒｐｍ以下である。
磁気的な取り扱いが、ウエハプロセスでの使用に対して考慮されてきた。例えば、M．Ota他の″Development of Mag-Lev Polar Coordinate Robot Operation in Ultra High Vacuum″，Magnetic Suspension II,pp.351-359（1991）は、磁気ベアリングを使用して真空中で動作させるための極座標ロボットを記載している。無接触浮揚のための磁気ベアリング及びウエハの直線移動はまた、S．Moriyama他の″Development of Magnetically Suspended Liner Pulse Motor for Contactless Direct Drive in Vacuum Chamber Robot″,九州工業大学,電気学会紀要,Vol.115-D,No.3,1995年3月,pp.311-318のような論文の主題である。機械的ベアリングの汚染問題を回避する磁気浮揚装置の進歩が明らかな近道である一方、この種の研究はウエハ輸送、特にプロセスチャンバ間の直線輸送に限定されてきており、プロセス中にウエハを回転させるチャンバ自体の中での使用のためではなかった。
回転動作を支持する磁気ベアリングの一般的な使用は既知である。磁気ベアリングは一般に、摩擦による接触を完全に除去することが重要な箇所で使用される。一般的な配置では、軸方向に離された１組の磁気ベアリングが、軸方向に挿入された電気モータにより駆動される回転シャフトを支持する。モータの回転子は一般に、モータの出力シャフトに固定される。半径方向及び軸方向双方の磁気ベアリングは、ジャイロスコープ、フライホイール、ガスタービン、及び電気計測装置として種々の素子内で使用される。
摩擦のない動作並びに封止されたチャンバ内及び類似物内の動きを制御する遠隔操作の進歩は明らかであるが、磁気ベアリングは大きくて扱いにくく高価なので、広く使用されてはいない。位置センサ、並びにベアリングを予め選択された位置及び方向に停止させて中央に置く能動帰還制御回路の必要性により部分的にコストは押し上げられ、前記予め選択された位置及び方向は自由度６（互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの３軸に沿った直線移動、及び各軸のまわりでの回転）にわたる制御を一般に含む。
少なくとも自由度１の受動制御により能動制御のコストを減少させることは既知である。一般的な形態では、この受動制御は、軸に沿って配置された１組の永久磁石間の磁気的反発を使用する。ＬＣ同調回路もまた、受動制御を提供する方法でインダクタンスＬのコイルに電流を発生させる磁場を変化させることが知られている。インダクタンスＬのコイル、及びキャパシタンスＣのキャパシタは直列接続される。ＡＣ励起周波数は、ＬＣ共振周波数より少し高く設定される。コイルのインダクタンスはコイルと回転子の間のエアギャップに対して非常に敏感なので、ギャップの変化はＬＣ回路のインピーダンスを自動的に変化させ、同様に、電流を中心に誘導するように調節する。
受動制御を使用するか否かに関係なく、もし駆動回転部材が磁気的に支持されていれば、前記駆動回転部材も駆動されなければならない。直接的な機械的駆動装置を使用すると、チャンバ（例えば、封止内に保持される回転シャフト）内部の制御された雰囲気を維持する間、チャンバ（汚染源）に対して無防備な摩擦接触なしに、如何にして回転動力をチャンバ内部に伝達するかという問題がある。磁気駆動装置はこの問題を克服できるが、このタイプの駆動装置の大きさ及びコストの高さを招き、更にＡＣ駆動磁束とＤＣ浮揚磁束の相互干渉を同様に招く。封止されたチャンバプロセスに対して、ＡＣ駆動磁束は更に困難を招く。ＡＣ磁束はチャンバ壁内の渦電流損を生じさせ、同様に固定子及び回転子内にも生じさせる。第２に、チャンバ壁を収容するエアギャップは、磁気回路内のリラクタンス（磁気抵抗）の主要な原因を構成する。第３に、回転子に作用するＡＣ磁束が、ＤＣ浮揚磁束により回転子の実質的な飽和と競合する。要約すると、磁気浮揚装置を有する回転式磁気駆動装置の集積に反する、設計上考慮すべき重大な事柄がある。
現在まで、ウエハの回転式電磁気駆動装置と組み合わせたＲＴＰのようなウエハプロセスにおいて、磁気ベアリングの摩擦のない浮揚装置を使用するシステムは知られていない。更に一般的に、回転式電磁気モータ駆動装置を有する磁気ベアリングの浮揚運転及び摩擦なし運転を結びつける、コンパクトで費用効果の高い配置は発明されていない。
従って、本発明の主な目的は、その運転中に可動部品間の物理的接触を使用しない、組み合わされ集積された回転式磁気ベアリング及び回転式駆動装置のためのプロセス及び装置を提供することである。
本発明の他の目的は、非常にコンパクトで、物理的にも能動制御においてもベアリングギャップを確立し維持するために必要とされる、集積された磁気ベアリング、並びに駆動プロセス及び方法を提供することである。
本発明の他の目的は、真空中、腐食性の雰囲気内、又はウエハプロセス（特にＲＴＰプロセス）において遭遇する高温において信頼して運転でき、且つ長寿命である長所を有する、集積された磁気ベアリング及び駆動装置を提供することである。
本発明の他の目的は、非常に大きな直径（例えば、３００ｍｍ以上）を有するウエハを処理でき、５００から１２００ｒｐｍ以上でウエハを回転させることができる長所を有する、集積された磁気ベアリング及び駆動装置を提供することである。
本発明の他の目的は、チャンバ内の微粒子汚染、及び微粒子汚染又は機械的ベアリングの故障による生産停止時間を減少させる、ウエハ処理のための磁気ベアリング及び駆動装置を提供することである。
本発明の他の目的は、高精度な位置決めを可能にし、振動を発生せず、ウエハを外部の振動及び衝撃から分離する、磁気ベアリング及び駆動装置を提供することである。
更に本発明の他の目的は、競争力ある製造コストを有するこれらの長所を提供することである。
発明の概要
コンパクトで集積された磁気浮揚及び回転駆動装置は、磁気回転子及び周辺機器、及び非接触固定子を利用する。固定子は、低いリラクタンスを有する強磁性体の互いに垂直に等間隔で配置された磁極（好ましくはプレート）の間に挟まれた、ＤＣ磁束源の永久磁石又はその他を有する。プレートは、環状エアギャップを有する回転子でぴったりと囲まれ、等角度で配置された複数の磁極セグメント（例えば４セグメント）に好ましくは分割される。回転子は、好ましくは回転子の外周上に形成され固定子の間に垂直に配置された相補的な磁極の集合（例えば、８組の突出した歯状磁極）を有するリングである。(i)垂直なＺ軸に沿って回転子を受動的に中央に配置し、(ii)Ｘ−Ｙ水平面内の固定子内部で回転子のＸ−Ｙ座標を半径方向に片寄らせ、(iii)適切に付勢された固定子上の多相モータ巻線により作り出された回転磁場と相互に作用できる回転磁極内の磁束を提供するように、この配置は永久磁石の磁束を使用する。
各固定子の磁極セグメントは、各固定子プレート本体内の弓形のスロット間に好ましくは巻かれた能動位置制御コイルを支持する。回転子の半径方向、垂直方向、及び角度方向の位置は、渦電流センサ及びホール効果センサ、又は回転子付近に配置された同等のセンサにより感知される。制御装置の閉ループ帰還制御回路は、永久磁石により生成されたＤＣ磁束に加減される磁束を生成する制御コイルを付勢する電流を生成する。電流は、回転子をＸ−Ｙ座標の半径方向中心に維持するように磁束の強さを調節する。電流はまた、少なくとも高い回転速度において、永久磁石磁束の受動リラクタンス芯出しが制御できないＸ−Ｙ平面外部の回転子の発振を制御するように作動できる。理想的には、平面外振動はコイルの内部結合、及びこれらの振動が発振を減衰させる渦電流を発生するような材料の選択のような受動的手段により、単独で制御される。
本発明の他の態様は、非同期誘導性モータを提供するために歯の無い回転子を使用する。他の半径方向位置決め受動制御は、能動制御コイルと直列接続されたキャパシタ、及び共振周波数より少し上に設定されたＬＣ回路のＡＣ励起を使用する。固定子−回転子エアギャップの充電は、コイルのインダクタンスＬの変化を招くコイルに結合し、回転子を所望の中心位置に向けて回転子を駆動する方法で電流を変化させる原因となる。
感知位置も見積もることができる。磁気回路内のエアギャップをモニタするために、小信号が高い搬送周波数の制御コイル電流に重畳される。他の位置見積もり方法は、制御コイル電流を直接測定する。半径方向位置情報を発生するために、マイクロプロセッサが感知されたコイルの電流を解析する。
本発明のこれら及び他の特徴並びに目的は、付随する図面を考慮して読むべき以下の詳細な説明から更に完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のモータの断面図である。
図２は、半導体ウエハＲＴＰのためにチャンバと組み合わせて運転される、本発明の集積された磁気浮揚及び回転装置の垂直断面図である。
図３は、図１及び図２に示された固定子、回転子、及び周辺部分（チャンバのウエハキャリヤ、及びウエハ）の垂直断面詳細図である。
図４は、図１から図３に示された回転子の斜視図である。
詳細な説明
図１から図４は、シリコンウエハ１４をマイクロプロセッサ又はメモリチップのような複数の個別半導体素子に加工するための封止されたチャンバ１２と組み合わせての使用に適合された、本発明の集積された磁気モータ及び浮揚システム（ＩＭＭＳＳ）１０を示す。ＩＭＭＳＳ１０は、回転子１８を囲む固定子１６を、半径方向の間隔（即ち、薄い環状エアギャップ２０）で特徴づける。回転子１８はウエハキャリヤ２２を支持（及び、ウエハキャリヤ２２と交換可能に結合）し、同様にウエハキャリヤ２２が、その上部表面でウエハ１４を搬送する。垂直なＺ軸２４のまわりの回転子の回転は、キャリヤ２２及びウエハ１４を同じＺ軸のまわりで回転させ、その間の操作は回転子、キャリヤ、及びウエハの共通中心線と一般に一致する。これらの素子の回転は、好ましくは、Ｘ軸２６、Ｙ軸２８、及びＺ軸２４が互いに直交する単一のＸ−Ｙ水平面に横たわるようにさせられる。
主な実施例、及びチャンバ１２内の複数のウエハ１４の連続するプロセス、特にドーパントのイオン注入により発生した結晶格子応力を除去するウエハ１４の短時間熱処理（ＲＴＰ）を参照して、本発明は記載される。しかし、ウエハを回転させることが必要であるか望ましい他の半導体プロセス段階、又は更に広範囲に、本体を回転又は停止する必要があるときいつでも、特に本体が制御された雰囲気内にある場合に本発明が有用であることが理解されるであろう。
ＲＴＰチャンバ１２は下部ハウジング１２ａ、及びチャンバ内の真空（例えば、０．００１Torr）を維持するのに十分なだけ封止と噛み合う上部ハウジングカバー１２ｂを有するだけでなく、必要なときにチャンバ内部に直接アクセスできるように分離している。ネジ３０は、固定子１６をチャンバハウジング１２ａの壁１２ｃに固定している。回転子１８は、円筒状チャンバ壁１２ｅ、底部フランジ１２ｆ、及び隙間３２を有するウエハキャリヤ２２を横たわらせる円形底部プレート１２ｈにより蓋をされた円筒状壁１２ｇにより形成された環状壁１２ｄに収容されている。
この配置は回転子１８の落とし込み挿入及びチャンバからの除去を可能にし、回転子は強磁性体であるから、前記落とし込み挿入及び除去はロボットを使用して磁気的に、又は手動で実行できる。もしウエハの破損があれば、回転子１８、キャリヤ２２、及びウエハ１４の残部は、従来の機械的ベアリングを清浄にするために必要な僅かの時間でウエハ粒子の洗浄を容易にできる平滑な表面のみを残す。この配置はまた、ウエハ、ウエハキャリヤ、並びに上流及び下流と連続したウエハに対するアクセスを残す。これは、ハウジング部分１２ｈに取り付けられた１つ又は複数の高温計の制御の下でランプ３４又は同等の放射熱エネルギー源を使用する、ウエハを横断する明確に定義された熱勾配において重要である。この配列はまた、ウエハ及び／又はキャリヤの位置を決め他の処理装置に搬送する、完全にロボット化され完全に集積された磁気処理及び搬送システムと非常に互換性が高い。
以下で議論されるように、共通磁気回路がＩＭＭＳＳの運転の中心をなすとき、回転子浮揚磁束は固定子の上部磁極から回転子を通して下部磁極に向かって流れる。従って、環状ギャップ２０内の壁１２ｅは薄く、非磁性体でなければならず、重大な渦電流を誘導してはならない。好ましい実施例では、直径１２インチ（３０７ｍｍ）の回転子に対して、壁１２ｅは好ましくは０．０３５インチの厚さで、３１６型ステンレス鋼で形成される。他のチャンバ壁もまた、好ましくは同じ材料で形成される。
固定子１６は、永久磁石３８を挟んだ一般に平坦なプレートの形状をした、垂直方向に間隔をあけられた１組の磁極３６を有し、図示されるように永久磁石３８は、好ましくは、磁極セグメント３６ａの中心上に配置され関連づけられた４個の等角度で間隔をあけられた永久磁石３８ａである。４個の永久磁石３８ａは、プレート３６の外周上に一般に取り付けられる。エアギャップの存在にも拘わらず、永久磁石３８ａは回転子において強いＤＣ磁束を作り出すことができる。ＤＣ磁束は、回転子を浮揚させ、垂直方向の中心に固定するのに十分なだけ強い。サマリウムコバルト磁石、種々の等級のネオジミウム-鉄-ボロン磁石、及びセラミックが適当である。セラミック-フェライト磁石は、低コストのために好ましい。サマリウムコバルト磁石は、動作温度と消磁が関係する箇所で使用される。ネオジミウムは、定められた大きさに対して最大の磁束を提供する。
プレート３６は、高い透磁率及び低いリラクタンスを有する磁性体で形成される。コストが低いので、低炭素鋼が好ましい。磁流により生じるＤＣ磁束は、（図示された実施例ではチャンバ壁１２ｅを含む）ギャップ２０を横切って、上部磁極プレートから、この磁気回路付近の回転子１８に流れる。好ましい実施例では、回転子プレートと固定子プレートの間の高リラクタンスなエアギャップは、回転子上で半径方向外側に向けて延びる２個のフランジ１８ａ、１８ｂを形成することにより最小化される。それらは各々がプレート３６の１つと一般に位置合わせされるように、垂直方向に間隔をあけられる。回転子はまた、高い透磁率及び低いリラクタンスを有する磁性体で形成される。好ましくは、回転子はニッケルでメッキされた低炭素鋼のリングである。代わりに、リラクタンスの低いケイ素鋼、又は耐腐食性の高い１７−４ＰＨステンレス鋼も使用できる。
永久磁石は近くの軟鉄部材を反対の極性で磁化するが、永久磁石３８及び磁極３６により供給されるＤＣ磁束は極性が反対の回転子内に磁束場を誘導し、互いに引き合う原因となる（そして、それによりエアギャップの介在を最小にし、磁気回路のリラクタンスを減少させる）。同様に、固定子１６及び回転子１８は、上部及び下部プレート３６間、並びにフランジ１８ａ、１８ｂ間のエアギャップ２０ａ、２０ｂ各々を閉じる回路のリラクタンスを最小化するために、この傾向を利用するように構成される。これらエアギャップ内の磁力は、レベリング効果と回転子の浮揚を組み合わせる、相対する１組のスプリングと類似している。回転子フランジは、図１に示すように、４個の固定子磁極セグメント３６ａと適合するように大きさを合わされ間隔をあけられた８個の磁極１８ｃを各々有する。２個のフランジ１８ａ、１８ｂがあるので、突起形状を生じるように両方のフランジ上の整合パターン内で磁極１８ｃは形成される。
また、永久磁石のＤＣ磁束は、固定子及び回転子の磁極間に磁気引力を生じる。この引力は半径方向に配向され、半径方向の片寄りを生じる。しかし、片寄りは不安定で、回転子を半径方向の一側面に引き付ける傾向がある。従って、以下で議論するように追加の半径方向位置制御が必要である。また、永久磁石３８のＤＣ磁束は、回転子及び固定子を磁化することにより、回転子磁束場を誘導する。Ｚ軸まわりのトルクを増すために回転子磁場は回転する電磁場と干渉し、それにより回転子を駆動する。
固定子は２組のコイル、即ち駆動コイル４０及び複数の能動制御コイル４２を含み、各々は磁極セグメント３６ａの１つのプレートに関係している。駆動コイル４０は、好ましくは固定子プレート３６の内部エッジ上のノッチ４４の列内に保持された端末巻線を有する多相巻線である。駆動コイル４０は、回転子を回転させる回転子のＤＣ磁束場と干渉する回転電磁場を発生させるために、従来の多相ＡＣ駆動電流により付勢される。
制御コイル４２は８個で、固定子磁極セグメント３６ａを分割して定める半径方向スロット４８上の中心角に配置された体心弓形スロット４６を通して上部及び下部プレート３６の１つに各々巻かれている。制御コイル４２の各々は、磁束を発生する制御電流を通す。電流の方向により、この磁束は回転子に作用するＤＣ磁束場に磁束を加減（調節）する。これらの電流における調節は、静的及び動的の双方で、回転子の半径方向の位置及び方向を安定化する。半径方向中心に配置された回転子の位置は回転子の両側に隙間を残すので、回転子が回転する時にチャンバ壁と摩擦性の接触がない。浮揚は、回転子を壁体１２ｄの底部フランジ１２ｆから持ち上げる。
各磁極セグメントを形成する両方の磁極片にコイルがあるので、垂直方向に組み合わされたコイルでの電流調節はまた、所望するＸ−Ｙ平面外の回転子の傾斜も制御できる。ＤＣ磁束場により生成された能動リラクタンスの芯出しはまた能動的に傾斜を制御できるが、それにも拘わらず、もしこの制御磁場が弱いか又は回転速度が速すぎたら、回転子は所望するＸ−Ｙ平面の外部で発振するか又は傾斜した平衡位置に至る傾向がある。垂直方向に間隔をあけて配置され、「プッシュ−プル」法で付勢され、回転子の反対方向に配置された制御コイル４２は、そのような振動に対する制御、又は予め定められた垂直位置及び水平方向からの回転子の誤差に対する制御を最大にする。
能動位置制御を有する高速度動作のための好ましい実施例では、４個の半径方向位置センサ４９、４個の垂直方向位置センサ５０、及び３個の歪みセンサ５２が、チャンバ側壁１２ｇ、底部フランジ１２ｆ、及び磁極片３６の内部周囲の回転子付近に各々取り付けられる。位置センサは普通の渦電流センサ、又は既知の同等物である。それらは、回転子の物理的（半径方向、及び垂直）位置に対応する信号を発生する。誤差センサ５２は普通のホール効果センサであり、歯１８ｃの有無により決定する時に回転子の角度位置を感知する。角度位置は、駆動コイル４０の従来の電気的整流に対して使用される。センサ５２は磁極プレート３６内の相互ノッチ４４に好ましくは取り付けられ、ノッチ内の駆動コイル４０を覆う。半径方向及び垂直方向位置情報は、各位置制御コイル４２に電流を出力する制御装置５４に入力される。明快には、センサ及びコイルを制御装置５４に接続する配線が、１個のコイル４２及び２個のセンサ４９、５０のみに関して図１に示されている。しかし、全センサ４９、５０からの出力が制御装置５４への入力として供給されることが理解されるであろう。
制御装置５４は、好ましくはテキサスインスツルメンツ社のＤＳＰ Ｃ３０、又は当業者に既知の同等品である。関連するコイル４２に供給される電流の振幅及び方向は、(i)半径方向中央に位置する回転子における磁場の調節を生成する。３個の自由度（Ｚ軸に沿う位置、Ｘ軸及びＹ軸のまわりの回転）は受動的に制御され、能動制御回路のコスト及び大きさは、全自由度での完全な能動制御と比較して実質的に減少する。制御電流はまた、予め定められたＸ−Ｙ平面外の傾斜、高い回転速度で現れＤＣ磁束の受動的な垂直方向芯出しが適切に制御できない特定の減衰振動も能動的に制御できる。
図を参照すると、限定するものではないが、１２インチ（３０７ｍｍ）の直径と８個の突出した磁極を有する図４に示される形状のステンレス鋼で出来た回転子について、その回転子は約５．５ポンド（約２．５ｋｇ）の質量を有する。石英リングキャリア２２及びウエハ１４は浮揚すべき全質量７．５ポンド（３．４ｋｇ）に対して２．０ポンドの質量を有し、中心に配置され回転させられる。０．０８０インチの磁気ギャップ２０、３１６ステンレススチールで出来た厚さ０．０２５インチ（０．６ｍｍ）のハウジング壁１２ｅ、上記で考慮し記載した磁極、及び永久磁石３８が、浮揚、リラクタンス生成、半径方向のハウジング及び回転子の磁化のために３，５００ガウスの磁場を作り出す。回転子は約２００ポンド／インチの垂直方向シフトで浮いている。制御コイル４２は、１軸当たり最大電力定格１８Ｗを有する。動作電力は、１軸当たり約１Ｗである。同期単極モータとして運転されているので、このＩＭＳＳは最大回転速度１２００ｒｐｍを有する最大トルク３．０Ｎｍを発生し、停止状態から動作速度まで回転を上げるのに約６．０秒かかる。回転が上がった最大モータ電力は２００Ｗで、通常の動作速度における電力は約１００Ｗであり、部分的に渦電流損をもたらす。
好ましい実施例は位置センサ及び位置制御装置を使用するが、センサ及び関連する電子回路がＩＭＭＳＳ１０のコストの掛かる主要な部品である。他の実施例は、受動的な半径方向位置制御を用いてこれらのコストを減少させる。キャパシタ５６（点線で示す）は、各半径方向制御コイル４２と直列に接続されている。固定された振幅、固定された交流周波数電圧が回路を励起する。回路は、周波数ｆｃ＝√１／ＬＣにおいて共振し、Ｌは各コイル４２のインダクタンス、Ｃは関連するキャパシタ５６のキャパシタンスである。共振周波数ｆｎにおいて、ＬＣ回路のインピーダンスは純粋に抵抗性であり、従ってコイルの電流は大きい。通常のコイルインダクタンス（ｆｎより僅かに上）付近で動作させることにより、ＬＣ電流のインピーダンスは磁気エアギャップ２０に対して非常に鋭敏になる。ギャップ開口部ｇが減少するにつれて、Ｌは１／ｇに比例するのでインダクタンスは増加する。共振周波数は減少し、インピーダンスは増加し、電流は減少する。正反対のコイルでは反対のことが起こる。これらの電流は変化し、回転子の位置変化に応答し、特に正反対に配置された制御コイル４２と「プッシュ−プル」方式で動作させられるとき、少なくとも特定の条件では、半径方向位置センサ及び制御回路の付随なしで受動的な半径方向の位置安定を可能にする。この方法の限界は交流励起、駆動コイル４０の交流モータ励起との干渉、システムの動力学最適化における柔軟性の限界、及び減衰能力の減少により設けられた渦電流によるチャンバ壁内の電力損失を含む。位置センサを除き制御装置は除かない半径方向位置センサに対する他の代替は、位置の概算である。１つの方法は、制御コイル電流上の高搬送周波数のような小信号を考える。この高周波信号は（ＬＣ回路について上記で論じたように）インピーダンスの測定値を提供し、同様に磁気回路中のエアギャップの測定値であり、従って回転子の位置である。第２の方法は、制御コイル４２の電流を直接測定する。感知された電流値は、上記のように、関連するコイル４２の誘導性インピーダンスの関数であり、同様にエアギャップ２０の大きさの関数である。制御装置のマイクロプロセッサは、感知した電流変化を回転子の位置変化に変換するようにプログラムされる。従って、制御装置は、予め定められた位置及び方向に回転子を駆動するように制御コイル電流で適当な修正を行う通常の方法で、この位置情報を使用する。ここで使用されるように、「感知」は、トランスデューサ、ここで記載されるＬＣ法及び概算法、並びに当業者には既知の技術を使用する位置感知を含む。上記のように、理想的な位置制御は、センサ及び能動制御回路のコストを回避する完全な受動性である。完全な受動制御は十分低い回転速度に対してはうまく働くが、高速動作（例えば１２００ｒｐｍ）に対しては、ある程度の能動制御が好ましい。
本発明は単極モータに関して記載されてきたが、ＩＭＭＳＳ１０を誘導モータに使用することも可能である。これはシステムが固定された周波数及び励起電圧外で動作することを可能にする。それはまた、単極モータの位相電流に対する付近のセンサ５２及び電気整流子を取り除く。更に誘導性モータは、単極モータの磁極により発生するトルク変動を回避する。図４に示すように歯状回転子１８ｃを取り除くことにより、ＩＭＭＳＳ１０は非同期誘導性モータを簡単に動作させることが出来る。誘導性駆動の問題は、固定された周波数における通常動作に対して回転速度を上げるために必要な強いＡＣ磁場である。
単極モータに関して、異なる形状及び数の磁極が使用できる。より多い磁極は回転子及び固定子で必要な鉄の総量を減少させるが、必要な励起周波数及び磁化電流は増加する。溶接の体積及びチャンバ壁損もまた設計上考慮すべきことである。
粒子汚染を発生する接触移動なしに、制御された過酷な雰囲気のチャンバ内でウエハを回転させる半導体ウエハ処理で使用される、集積された磁気モータ及びサスペンションシステムについて記載してきた。集積は、商業上実用的なＩＭＭＳＳに必要な高度のコンパクトさを加える。本発明のＩＭＭＳＳは、ベアリング故障、並びにウエハ破損及びベアリング故障に関係する清掃作業が原因のウエハ製造停止時間を減少させる。本発明のＩＭＭＳＳはまた、完全集積化及び無接触ウエハ組立を提供できるロボット化とも非常に互換性が高い。本発明のＩＭＭＳＳはまた、機械的ベアリングを使用する従来の機器を用いて、これまで述べてきたものより大直径（例えば３００ｍｍ以上）のウエハをより高い回転速度（例えば１２００ｒｐｍ）で処理することを可能にする。本発明のＩＭＭＳＳは、摩擦力及び静摩擦力により損なわれずに、ウエハの正確な位置決めを可能にする。本発明のＩＭＭＳＳは、従来の機械的ベアリングを使用するウエハ処理システムと比較して長い寿命を有する。本発明のＩＭＭＳＳは機械的振動を発生せず、ウエハを外部の振動及び衝撃から分離する。本発明のＩＭＭＳＳはまた、優れたチャンバ内形状を提供し、ウエハの上下領域は遮蔽されず、内部部品は殆ど無く、僅かな部品は半径方向に除去又は排除される。ここで記載されるシステムはまた柔軟性に富む。本発明のＩＭＭＳＳは、異なる回転体（ウエハ、非ウエハ、可変サイズのウエハ）、異なる動作環境、回転速度の範囲、及び他のコスト／性能のトレードオフを扱える。
本発明は好ましい実施例に関して記載されてきたが、前記記載及び図面から種々の代替及び変形があり得ることは当業者には理解できるであろう。例えば、本発明はＤＣ磁束場を作り出す永久磁石３８ａに関して記載してきたが、鉄心入りコイル若しくはコイル、又はコイルと磁性体の組み合わせのような他の同等物を使用することが可能である。ここに使用されるように、「永久磁石」は全てのＤＣ磁束場源を含む。同様に、プレート型磁極片は４個の磁極セグメントとして記載されてきたが、この特定の形状及び磁極の数は本質ではない。本質的なことは、浮揚、半径方向の片寄り、及び回転子磁束場磁化の作用を磁束が同時に果たすように、小さなエアギャップを横切って回転子への磁束を支持する磁極を有することである。同様に、磁場コイル及び制御コイルが端部及び中央に各々巻かれているが、これらの巻線に対しては他の位置でも可能である。しかし、ＤＣ磁束を調節するために、制御コイルはＤＣ磁気回路に直接接続するべきである。固定子及び回転子はまた、渦電流損を制御するために積層されるが、コストの増加を伴う。同様に、回転子は異なる数の磁極で形成でき、単一の突出した歯状磁極、又は非同期誘導性モータに関して記載したように歯状磁極なしで形成できる。当業者が考え得るこれら及び他の改良及び変形は、請求の範囲の範囲内にある。

Claims (16)

1. 固定子及び回転子を有するモータを用いて円筒状壁の内部で質量を垂直軸Ｚのまわりで回転及び浮揚させるための方法であって、固定子及び回転子間の接触摩擦なしに前記回転は起こり、前記回転子と前記固定子の間のエアギャップに前記円筒状壁は配置され、
   透磁率が高い磁性体のリングとして、前記Ｚ軸に沿って互いに間隔をあけられ各々が前記固定子に向けて延びる２個のフランジを有する前記回転子を形成し、
   各々が前記フランジの１つと垂直方向に位置合わせされ、永久磁石を挟む１組の磁極プレートとして固定子を形成し、前記磁極プレートは多相駆動コイル及び複数の位置制御コイルを有し、前記位置制御コイルは角度方向に間隔をあけて配置された複数の磁極セグメントに巻かれ、
   ＤＣ磁束場を用いて前記Ｚ軸に沿う固定子内で回転子を受動的に浮揚して芯出しし、前記ＤＣ磁束場はまた前記Ｚ軸に垂直なＸ−Ｙ平面外の傾斜に対して回転子を中央に配置し、前記ＤＣ磁束場は前記固定子の前記永久磁石に源を発し、
   同時に、前記ＤＣ磁束場で前記回転子を半径方向に片寄らせ、
   同時に、前記エアギャップを横切り前記円筒状壁を通して加えられた前記ＤＣ磁束場で前記回転子内に磁束場を誘導し、
   前記ＤＣ磁束場により前記回転子内に誘導された前記磁束場と相互作用する、前記駆動コイルにより前記固定子に生成された回転する電磁場を使用して前記Ｚ軸のまわりで回転するように前記回転子を駆動し、前記回転する電磁場は前記エアギャップを横切り前記円筒状壁を通して加えられ、
   少なくとも前記固定子に関する前記回転子の半径方向の位置を感知し、
   前記駆動の間、前記回転子と前記固定子の間の間隔を維持するために、前記感知に応答して固定子のまわりの角度方向に間隔をあけられた領域のＤＣ磁束を前記位置制御コイルで調節することから成ることを特徴とする方法。
2. 前記回転子が強磁性体の連続したリングであり、前記受動的なＺ軸に沿う芯出しは前記リングのリラクタンス芯出しであることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記駆動が同期及び単極であることを特徴とする、請求項２記載の方法。
4. 前記駆動が非同期及び誘導性であることを特徴とする、請求項２記載の方法。
5. 前記調節が能動的であり、コイルの提供及び前記各領域において前記コイルの電流を交流励起することにより生成することを特徴とする、請求項１記載の方法。
6. 前記調節が受動的であり、個別の位置センサの助力なしにその磁場が調節を行う角度的に間隔をあけられた領域の１つのコイルのインダクタンスがＬである前記各領域においてＡＣ励起されたＬＣ回路を同調することにより前記調節を行うことを特徴とする、請求項１記載の方法。
7. 個別の位置センサの助力なしに回転子と固定子の間の間隔の動的な見積もりにより前記調節を行うことを特徴とする、請求項１記載の方法。
8. 集積された磁気モータ、及びＸ軸とＹ軸に対して互いに垂直なＺ軸のまわりで質量を回転させる浮揚装置であって、
   円筒状壁と、
   Ｚ軸に沿って互いに間隔をあけられ、各々が半径方向外側に向けて延びる１組のフランジを有し、磁性体で形成されるリング状の回転子と、
   一般に前記Ｘ−Ｙ面内で延び、前記磁気回転子を接近した間隔で囲む固定子であって、
   (i)前記円筒状壁が挿入された前記回転子と前記固定子の間の前記間隔において、前記フランジの１つと各々が位置合わせされる上部及び下部磁極と、
   (ii)(a)Ｚ軸及び一般にＺ軸に垂直な方向に沿って回転子を受動的にリラクタンス芯出しし、(b)前記回転子に半径方向に片寄らせる力を供給し、(c)前記回転子にＤＣ磁束場を誘導する前記ＤＣ磁束場を前記間隔を横切り前記円筒状壁を通して発生するために前記上部及び下部磁極の間に挟まれた永久磁石と、
   (iii)前記回転子における前記ＤＣ磁束場との相互作用を通して前記Ｚ軸のまわりで回転させるために前記回転子を駆動するように前記磁極に取り付けられ、前記駆動が前記間隔を横切り前記円筒状壁を通して行われる巻線と、
   (iv)前記固定子に対して前記回転子を半径方向に芯出しし、前記永久磁石の受動傾斜制御を補償するために、前記ＤＣ永久磁場の磁束を加減する磁束を発生する前記固定子の周囲に等角度で配置された複数の位置制御コイルを有する前記固定子と、
   少なくとも前記回転子の半径方向の実際の位置を感知し、感知された半径方向の位置を示す電気信号を生成するための手段、及び
   加減する磁束を生成する前記電気信号に応答して前記複数の位置制御コイルの各々に位置制御電流を生成するための手段とから成ることを特徴とする、前記集積された磁気モータ及び浮揚装置。
9. 前記回転子がその周囲に形成された複数の歯状磁極片を有する連続リングであり、同期単極駆動を行うために前記回転子に面する周囲に形成された対応する磁極を前記磁極片が有することを特徴とする、請求項８記載の集積された磁気モータ及び浮揚装置。
10. 前記回転子が歯状磁極を有しない連続リングであり、前記回転子に対して前記固定子の巻線が非同期誘導性駆動を行うことを特徴とする、請求項８記載の集積された磁気モータ及び浮揚装置。
11. 前記コイルが前記磁極片上の正反対の列に配置された能動コイルであることを特徴とする、請求項８記載の集積された磁気モータ及び浮揚装置。
12. 前記コイルが能動コイルであり、また前記能動コイルが前記磁極片の１つと各々が関連する垂直方向に位置合わせして配置された１組であることを特徴とする、請求項１１記載の集積された磁気モータ及び浮揚装置。
13. 前記コイルが各々キャパシタに直列接続され、関連するコイルのインダクタンスが前記回転子について受動性の半径方向位置制御を提供するようにある周波数においてＡＣ電流により励起されることを特徴とする、請求項８記載の集積された磁気モータ及び浮揚装置。
14. 前記位置制御電流発生手段が前記電流の振幅を感知する手段、及び前記固定子に関する前記回転子の半径方向の位置を感知された前記振幅から計算する手段を含むことを特徴とする、請求項８記載の集積された磁気モータ及び浮揚装置。
15. 前記感知手段が複数の半径方向及び垂直方向回転子位置センサを含むことを特徴とする、請求項８記載の集積された磁気モータ及び浮揚装置。
16. 半導体ウエハを封止可能なチャンバ内で処理するための集積された磁気支持及び回転駆動装置であって、前記チャンバは円筒状壁を含み、
    前記チャンバ内に配置され、前記チャンバ内の前記ウエハ支持に適合され、前記ウエハが前記Ｚ軸に垂直なＸ−Ｙ面内にある間、前記Ｚ軸のまわりで前記ウエハを回転させる、強磁性体で形成された複数の磁極を有する、Ｚ軸に沿って互いに間隔をあけられた１組のフランジを有し、透磁率が高い磁性体で形成される回転子と、
    前記チャンバの外側に配置され、前記回転子を接近した間隔で囲み、
    (i)そのＤＣ磁束が前記間隔を横切り前記円筒状壁を通して作用し、前記回転子を浮揚させ、前記回転子の位置を半径方向に片寄らせ、前記回転子内にＤＣ磁束を誘導する永久磁石と、
    (ii)各々が前記フランジの１つと垂直方向に位置合わせされ、前記永久磁石を挟み、各々が複数の等角度配置された磁極セグメントに分割された上部及び下部固定子プレートと、
    (a)前記回転子を囲み、前記回転子、及び前記Ｘ−Ｙ平面内の前記Ｚ軸のまわりの前記回転子上に支持されたウエハを回転させるために前記回転子内の前記誘導されたＤＣ磁束と相互作用する回転電磁場を発生する前記固定子に巻かれた多相巻線と、
    (b)前記固定子プレートセグメントの各々に巻かれた、複数に位置制御コイルを有する固定子と、
    少なくとも前記回転子の半径方向及び垂直方向の位置を決定する回転子位置感知手段と、
    前記回転子に作用する前記永久磁石のＤＣ磁束を調節することにより、半径方向に前記回転子を芯出しし、前記Ｘ−Ｙ平面外の傾斜に対して中心に配位するための前記位置制御コイルである前記位置感知手段に応答する帰還制御回路から成ることを特徴とする、前記集積された磁気支持及び回転駆動装置。

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