JP4562336B2 - 変位装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、少なくともＸ方向とそれに垂直なＹ方向に互いに対して変位されうる第１の部分及び第２の部分を含み、
上記第１の部分はＸ方向及びＹ方向に略平行に延びるキャリアを含み、上記キャリアにはＸ方向に平行に延びる行とＹ方向に平行に延びる列のパターンに従って磁石系が固定され、上記行間と上記列間は等距離とされ、各行及び各列には上記キャリアに対して直角に上記第２の部分に向かって延びる磁化方向を有する第１のタイプの磁石と上記キャリアに対して直角に上記第２の部分から遠ざかって延びる磁化方向を有する第２のタイプの磁石が交互に配置され、並置された第１のタイプの磁石と第２のタイプの磁石の各対の間にはＹ方向に平行に第１のタイプの磁石に向かって延びる磁化方向を有する第３のタイプの磁石が配置され、
上記第２の部分は、磁石系の磁場中に配置されＸ方向に対して略４５°の角度を成す電流導体を有する少なくとも１つの第１のタイプの電気コイルと、やはり磁石系の磁場中に配置されＸ方向に対して略４５°の角度を成し第１の電気コイルの電流導体に対して垂直に延びる電流導体を有する少なくとも１つの第２のタイプの電気コイルとを含む変位装置に関する。
【０００２】
このような変位装置は、米国特許第５，８８６，４３２号に記載されており、特に、集積回路製造用のウェーハステッパに使用されうる。装置は、Ｘ方向及びＹ方向に非常に正確且つ迅速な変位を行なうことを可能とする。更に、Ｘ方向及びＹ方向に対して垂直なＺ方向に小さい変位を行なうことも可能である。変位量は、コイルを通る電流の位相及び大きさに依存する。磁石系では、いわゆるＨａｌｂａｃｈ磁石構成が用いられる。この構成では、一連の磁石に含まれる磁石は、一対の並置された磁石の磁化方向が他の磁石に対して９０°回転されるよう磁化される。このような磁石構成を用いることにより、コイルの側により強い磁場が生じ、部分を互いに変位させるためのより大きい力が生ずる。米国特許第５，８８６，４３２号では、Ｈａｌｂａｃｈの原理に従った多数の隣接する磁石列が使用される。磁石列間の距離は磁石の幅に等しい。従って、列の間には空気がある。
【０００３】
本発明は、磁石系を最適化することにより冒頭の段落の変位装置を改善することを目的とする。
【０００４】
これを達成するため、本発明による変位装置は、第１の部分の各磁石行には、並置された第１のタイプの磁石と第２のタイプの磁石の各対の間に配置されＸ方向に平行に第１のタイプの磁石に向かって延びる磁化方向を有する第３のタイプの磁石が配置されることを特徴とする。
【０００５】
本発明によれば、列磁石の間の空間でも一定のパターンに従って配置され、より効率的な磁石構成、従ってより強い磁場が与えられるため、上述のような磁石構成は、米国特許第５，８８６，４３２号による磁石系を用いて得られる場合と比較して、単位面積当たりの磁場はより強くなる。実際、磁石のＨａｌｂａｃｈ構成は、Ｚ方向とＹ方向の両方に得られる。
【０００６】
変位装置の更なる改善は、第１のタイプの磁石と第２のタイプの磁石が側面を有する同じ方形の形状を有し、第３のタイプの磁石が側面を有する矩形の形状を有し、第３のタイプの磁石の長い側面が第１のタイプの磁石及び第２のタイプの磁石の側面と接し、第１のタイプの磁石及び第２のタイプの磁石の側面と同じ長さであり、第３のタイプの磁石の短い側面の寸法と長い側面の寸法の比率が０．２５乃至０．５０の範囲であることによって達成される。この磁石構成は、より強い磁場を生じさせることが分かった。
【０００７】
電流を整流することにより、コイルを流れる電流を適切に導くことにより、即ち電流導体中の位置に依存した電流により、部分が互いに対して変位されるとき、可動部はＸ−Ｙ平面上で僅かに振動する運動を行なうことが分かっている。振動は小さなものであるが、変位装置が用いられる、例えばウェーハステッパや、高い精度が要求される部品プレースメント機械といった適用においては妨害となるものでありうる。これは、コイルの変位中に電流導体上の磁場の分布が変化し、電流導体、従って第２の部分に可変トルクが与えられるために生ずる。
【０００８】
これらの振動する運動は、本発明による変位装置に用いられる電気コイルが、ｎ−位相電流システム（但し、ｎ≧２）によって夫々給電される２組のコイルを含み、有効磁場の中に配置された電流導体の長手方向に見たときに、一方の組のコイルは他方の組のコイルに対して磁石の極のピッチの約半分の距離に亘って移動され、磁石の極のピッチは、同じタイプ（Ｎ）及び（Ｚ）の磁石が配置される中心点（１７）及び（１８）が配置される２つの隣接する対角線の間の距離として定義されることによって減少されうる。これは、コイル中のローレンツ力の和が最小のトルクのみを生じさせるためである。
【０００９】
また、有効磁場の中に配置されたコイルの電流導体が磁石の極のピッチのｋ倍に略等しく、但しｋは２，４，６．．．であり、磁石の極のピッチが同じタイプ（Ｎ）及び（Ｚ）の磁石が配置される中心点（１７）及び（１８）が配置される２つの隣接する対角線の間の距離として定義されれば更に有利である。電流導体の長手方向の運動は、磁場の和が略一定に保たせ、それにより強さの変動は減少する。
【００１０】
本発明の上述及び他の面については、以下説明する実施例を参照することによって明らかとなろう。
【００１１】
図１は、磁石系３によって形成される第１の部分１と、電気コイル系４によって形成される第２の部分とを含む変位装置を示す図である。磁石は、キャリア５に固定され、コイル系はコイルブロック６に固定される。第１の部分と第２の部分は互いに対して運動することができる。一般的に、固定部は磁石を有するキャリア５によって形成され、可動部はコイルブロック６によって形成される。
【００１２】
磁石は、キャリア５上に以下のように配置され、即ち、磁石は、Ｘ方向に平行に延びる行７と、Ｙ方向に平行に延びる列８のパターンに配置され、行間の間隔と列間の間隔は同じである。各行７及び各列８では、第１のタイプの磁石Ｎと第２のタイプの磁石Ｚが交互に配置される。第１のタイプの磁石Ｎは、キャリアに対して直角に、電気コイル系を有する第２の部分に向かって延びる磁化方向を有し、第２のタイプの磁石Ｚは、キャリアに対して直角に、電気コイル系を有する第２の部分から遠ざかって延びる磁化方向を有する。各行及び各列では、第１のタイプの磁石Ｎと第２のタイプの磁石Ｚの各対の間に第３のタイプの磁石Ｈが配置される。列８の間に配置される第３のタイプの磁石Ｈの磁化の方向は、Ｙ方向に平行に、隣接する第１のタイプの磁石Ｎに向かって延び、列７の間に配置される第３のタイプの磁石Ｈの磁化の方向は、Ｘ方向に平行に、やはり隣接する第１のタイプの磁石Ｎに向かって延びる。異なるタイプの磁石Ｎ、Ｚ、Ｈの磁化の方向は、矢印によって示されている。
【００１３】
電気コイル系４には、磁石の有効磁場中に配置される電流導体９がＸ方向に対して４５°の角度を成す第１のタイプの少なくとも１つのコイルＣ_１が設けられ、この電気コイル系４にはまた、やはり磁石の有効磁場中に配置される電流導体１０がＸ方向に対して４５°の角度を成し、第１のタイプのコイルＣ_１の電流導体９に垂直に延びる第２のタイプの少なくとも１つのコイルＣ_２が設けられる。「有効磁場中の電流導体」という表現は、一般的には電流導体の束であるコイルの部分が磁石の磁場の中に配置され、その部分に対して有効ローレンツ力が加えられ、コイルの運動を生じさせることを意味する。
【００１４】
以下、図２を参照して磁石系の中でコイルがどのように運動するかについて説明する。参照番号９_１、１０_１は、磁石の磁場の中に設けられるコイルＣ_１の電流導体を示し、参照番号９_２、１０_２は、磁石の磁場の中に設けられるコイルＣ_２の電流導体を示す。電流導体９_１は、主に磁石Ｎの磁場の中に配置される。これらのＮ磁石の磁化方向は、上向きの、即ち磁石系に対して直角であり電流導体９_１に向かう矢印によって示される。磁界の方向は矢印Ｂ_１によって示される。電流が電流導体９_１の中を矢印Ｉ_１によって示される方向に流れる場合、力Ｆ_１が当該の矢印によって示される方向に電流導体に対して与えられ、その結果として電流導体は矢印Ｆ_１の方向に動き始めようとする。電流導体９_２は、主に磁石Ｚの磁場の中に配置される。これらのＺ磁石の磁化方向は、下向きの、即ち磁石系に対して直角であり電流導体９_２から遠ざかる矢印によって示される。電流導体９_２の中を電流が矢印Ｉ_２の方向に流れる場合、即ち、電流Ｉ_１とは逆向きに流れる場合、力Ｆ_２が当該の矢印によって示される方向に電流導体に対して与えられ、その結果として電流導体は矢印Ｆ_２の方向に、即ち矢印Ｆ_１と同じ方向に動き始めようとする。このようにして、電流導体９_１及び９_２に対して直角に配置される電流導体１０_１及び１０_２は、矢印Ｉ_３及びＩ_４によって示される電流が与えられたときは、Ｎ磁石及びＺ磁石の磁場の影響下で、矢印Ｆ_３及びＦ_４によって示される方向に延びる力を受ける。もちろん、電流導体を流れる電流の向きが逆にされると、与えられる力、従って電流導体の運動もまた逆向きとなる。図３中、この力の相互作用が示されている。
【００１５】
電流導体９、１０の部分１１もまた、第３のタイプの磁石Ｈの上に、及び／又は、磁石がない部分の上に、即ち第１のタイプの磁石Ｎと第２のタイプの磁石Ｚとの間にある（図２の左下を参照）。電流導体のこれらの部分は、平均的な方向がＸ−Ｙ平面に略平行に延びる磁場Ｂの中に配置される。図３中の電流導体９_１Ｃも参照のこと。電流Ｉがこの電流導体を通って流れる場合、電流導体の上述の部分はＸ−Ｙ平面に垂直な方向、即ちＺ方向の力Ｆを受ける。電流の向きと磁石に対する電流導体の位置に依存して、力は磁石に向かう向き又は磁石から遠ざかる向きとなる。力が磁石から遠ざかる向きである場合、この力は浮揚力Ｆ_１と称され、即ち電流導体を磁石から遠ざける力である。このような力は、コイルブロックと磁石との間にベアリングを与えるために使用されうる。
【００１６】
第１のタイプの磁石Ｎと第２のタイプの磁石Ｚは、方形である。第３のタイプの磁石Ｈは矩形であり、Ｈ磁石の長い側面１２がＮ磁石及びＺ磁石の側面１３に接するような寸法とされ（図２参照）、Ｈ磁石の短い側面１４の寸法と長い側面１２の寸法の比率は、０．２５乃至０．５０の範囲にあるようにされる。結果として、最適化分析においてわかっているように、磁石系の１単位面積当たりの磁場の強度が最大となる。
【００１７】
図３は、３つのコイルからなる２つの組、即ち、電流導体９_１ａ、９_１ｂ、９_１ｃ及び戻り電流導体９_２ａ、９_２ｂ、９_２ｃを含む第１の組Ｃ_１１と、電流導体９_３ａ、９_３ｂ、９_３ｃ及び戻り電流導体９_４ａ、９_４ｂ、９_４ｃを含む第２の組Ｃ_２１とを示す。両方のコイルの組は、３相電流系によって給電される。電流導体の長手方向に見た場合、第１の３つの電流導体の組Ｃ_１１は、第２の３つの電流導体の組Ｃ_２１に対して、磁石の極のピッチ１６の略半分である距離１５に亘って移動する。磁石の極のピッチ１６は、ここでは夫々Ｎ及びＺの同じタイプの磁石の中心点１７及び１８が配置される２つの隣接する対角線の間の距離を意味するものとする。この手段が講じられなければ、変位中に電流が流されているコイルの両方の組に対して可変トルクが与えられ、このトルクは、可動部（コイルブロック又は磁石を有するキャリア）を固定部に対してＺ軸回りに振動運動させる。コイルの組が互いに対して変位することにより、２つのコイル組のうちの一方に他方の組のトルクを補償するトルクが生ずるため、この振動効果はかなり減少する。
【００１８】
電流導体の長さ１９は、磁石の極のピッチ１６の約ｋ倍、但しｋは２の倍数、であるよう選定される。結果として、電流導体が長手方向に運動したとき、磁場の和は略一定に保たれる。これは、電流導体に与えられる力の変動を小さくする。この適用は、コイル及び位相に依存するものではない。
【００１９】
図４は、部品プレースメント機械に変位装置を適用した例を示す図である。固定部１は、磁石系３が配置され機械の枠体２０にしっかりと取り付けられたキャリア５によって形成される。磁石は下向きに、部品２２が搭載されねばならないプリント回路板２１の方向に向けられる。磁石の直下には、コイル系４が設けられたコイルブロック６を有する可動部２がある。可動部２にはプレースメントヘッド２３が取り付けられる。プレースメントヘッドには、例えば部品をフィーダ（図示せず）からピックアップし、その後にプリント回路板に搭載するための把持要素又は吸引ピペット２４が設けられる。プレースメントヘッドには、Ｘ方向への運動、及び、Ｚ軸回りの回転（φ運動）を生じさせる別個のモータ２５が更に設けられてもよい。電流が正しく整流されると、プレースメントヘッドはＸ−Ｙ平面の任意の所望の位置に達することができ、従って、部品をプリント回路板上の所望の位置に搭載することができる。コイルブロック６には鉄の板２６も取り付けられ、これによりコイルブロック６は磁石の方向の力を受ける。電流がコイルを通って流れるとき、浮揚力は、磁石によって鉄の板、従ってコイルブロックに対して与えられる引力を補償するものである。従って、コイル中に電流が流れていないとき、浮揚力はなく、コイルブロックは磁石に対して引っ張られるため、プレースメントヘッドは自動的に取り付けられる。結果として、プレースメントヘッドの別のベアリング及び取り付けは必要ではない。
【００２０】
図５は、変位装置を集積回路のリトグラフィー製造用のウェーハステッパに適用した例を示す図である。ウェーハステッパは、変位装置３１を支持する枠体３０、合焦ユニット３２、マスクホルダ３３、及び放射線源３４を含む。放射線源３４には、光源３５が設けられる。マスクホルダ３３には、集積半導体回路のパターンを有するマスク３６が配置されうる。合焦ユニットは、光学軸３８を有する光学レンズ系３７を有する像又は投影系である。枠体３０には、識別ユニット３９もまた取り付けられる。変位装置３１は、磁石系４が設けられたキャリア５を含む。キャリア５は、枠体３０に取り付けられる。変位装置は更に、半導体基板４２が配置されうる基板ホルダ４０を有する第１のコイルブロック６ａと、半導体基板４３が配置されうる基板ホルダ４１を有する第２のコイルブロック６ｂとを含む。基板ホルダを有するコイルブロックは、磁石系の上のＸ−Ｙ平面上の任意の位置に個々に送られうる。これは、ホルダを、ロード及びアンロード位置（図示せず）、識別位置（識別ユニット３９の下）、及び照明位置（合焦ユニット３２の下）の各位置から動かすこと、また、各位置へ動かすことといった度差が同時に、完全に独立に実行されえ、より大きい出力が得られるという利点がある。また、この構成では、浮揚力は基板ホルダが磁石面に対してベアリング支持されることを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 磁石系及び電気コイル系を含む変位装置を示す概略平面図である。
【図２】 図１の変位装置を詳細に示す平面図である。
【図３】 図１に示される変位装置の断面図である。
【図４】 図１の変位装置を部品プレースメント機械に適用した例を示す図である。
【図５】 図１に示される変位装置を集積回路のリトグラフィー製造用のウェーハステッパに適用した例を示す図である。

Claims (5)

1. 少なくともＸ方向とそれに垂直なＹ方向に互いに対して変位されうる第１の部分及び第２の部分を含み、 上記第１の部分はＸ方向及びＹ方向に略平行に延びるキャリアを含み、上記キャリアにはＸ方向に平行に延びる行とＹ方向に平行に延びる列のパターンに従って磁石系が固定され、上記行間と上記列間は等距離とされ、各行及び各列には上記キャリアに対して直角に上記第２の部分に向かって延びる磁化方向を有する第１のタイプの磁石と上記キャリアに対して直角に上記第２の部分から遠ざかって延びる磁化方向を有する第２のタイプの磁石が交互に配置され、並置された第１のタイプの磁石と第２のタイプの磁石の各対の間にはＹ方向に平行に第１のタイプの磁石に向かって延びる磁化方向を有する第３のタイプの磁石が配置され、 上記第２の部分は、磁石系の磁場中に配置されＸ方向に対して略４５°の角度を成す電流導体を有する少なくとも１つの第１のタイプの電気コイルと、やはり磁石系の磁場中に配置されＸ方向に対して略４５°の角度を成し第１の電気コイルの電流導体に対して垂直に延びる電流導体を有する少なくとも１つの第２のタイプの電気コイルとを含む、変位装置であって、
   上記第１の部分の各磁石行には、並置された第１のタイプの磁石と第２のタイプの磁石の各対の間に配置されＸ方向に平行に第１のタイプの磁石に向かって延びる磁化方向を有する第３のタイプの磁石が配置され、
   各電気コイルは、ｎ−位相電流システム（但し、ｎ≧２）によって夫々給電される２組のコイルを含み、
   有効磁場の中に配置された電流導体の長手方向に見たときに、一方の組のコイルは他方の組のコイルに対して磁石の極のピッチの約半分の距離に亘って移動され、
   第１のタイプの磁石（Ｎ）と第２のタイプの磁石（Ｚ）は同じ方形の形状を有し、
   磁石の極のピッチは、第１のタイプの磁石（Ｎ）の中心点（１７）及び第２のタイプの磁石（Ｚ）の中心点（１８）を通る２つの隣接する磁石の対角線の間の距離として定義されることを特徴とする、
   変位装置。
2. 第１のタイプの磁石と第２のタイプの磁石は側面を有する同じ方形の形状を有し、
   第３のタイプの磁石は側面を有する矩形の形状を有し、
   第３のタイプの磁石の長い側面は第１のタイプの磁石及び第２のタイプの磁石の側面と接し、第１のタイプの磁石及び第２のタイプの磁石の側面と同じ長さであり、
   第３のタイプの磁石の短い側面の寸法と長い側面の寸法の比率は０．２５乃至０．５０の範囲であることを特徴とする、
   請求項１記載の変位装置。
3. 有効磁場の中に配置されたコイルの電流導体の長さ（１９）は、磁石の極のピッチのｋ倍に略等しく、但しｋは２，４，６，……であることを特徴とする、
   請求項１又は２記載の変位装置。
4. 機械枠体と、プリント回路板上に部品を搭載するプレースメントヘッドと、を含み、 上記プレースメントヘッドは請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の変位装置によって変位されうる、部品プレースメント機械であって、
   変位装置の固定部は機械枠体に固定され、プレースメントヘッドは変位装置の可動部に固定される、
   部品プレースメント機械。
5. 枠体と、放射線源と、マスクホルダと、基板ホルダと、を有し、 上記マスクホルダは請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の変位装置によって変位されうる、集積回路製造用のリトグラフィー装置であって、
   変位装置の固定部のキャリアは枠体に固定され、基板ホルダはコイルブロックの可動部に固定される、
   リトグラフィー装置。

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