(57)【要約】  電場が移動物体2の表面領域に相当する領域上に広がって発生するように電極31、31a、31bを配置することによって、大きい力及び大きい加速度を有する静電気移動装置が提供される。好ましくは、実際の移動を引き起す剪断力をさらに増加させるために、端部の区域の電極31aに対して、中央の区域の電極31bに対するよりも高い電圧が印加される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極を備えた、物体を移動させるための静電気装置であって、
電場が移動物体の表面領域に相当する領域上に広がって発生するように前記電極が配置される装置。
【請求項２】
印加電圧を有する前記電極の形状及び／又は配置が、前記移動物体の輪郭に適合している請求項１に記載の装置。
【請求項３】
円形物体を移動するための請求項１又は２に記載の装置であって、前記電極が弧形状を有する装置。
【請求項４】
追加の補助電極が、前記弧形状の電極の隣に、移動方向に平行に配置されている請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記電極がセル形状を有する請求項１又は２に記載の装置。
【請求項６】
前記電極が、方形、六角形又は三角形形状を有する請求項１、２又は５に記載の装置。
【請求項７】
前記移動物体の表面領域に相当する領域の端部に位置する前記電極が、前記移動物体の表面領域に相当する領域の中央に位置する前記電極とは異なる大きさの印加電圧を有する請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の静電気装置の制御方法であって、
前記移動物体の中央付近に位置する電極に対するものとは異なる大きさの電圧が、前記移動物体の端部に位置する電極に印加される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電極を備えた、物体を移動させる静電気装置に関する。例えば、そのような装置は、静電気力のおかげで、半導体デバイスの製造又はコンピュータコンポーネントの製造において、半導体及び非強磁性金属を移動させるために使用されることができる。
【０００２】
本発明は、さらにそのような静電気装置を制御するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
特に半導体及びコンピュータ製造の分野において、粒子による製品表面の汚染を減らすために、摩擦が無く且つ非接触式の方法でコンポーネントを輸送することが重要である。強磁性体のコンポーネントは磁気的に浮揚させることができる、しかし、大部分のコンポーネントは半導体又は非強磁性体である。
非特許文献１（それは、参照文献として本明細書中に組み込まれ、本発明と関連して理解される）において、静電気力を介して、直接、物体を浮揚及び駆動する新規なメカニズムが開示される。これは、例えばシリコン又はアルミニウムのような、導通するが強磁性でない材料のために特に有効である。非特許文献１では、移動方向に直交して配置されるストライプ形状の電極の助けを借りて、アルミニウムディスク又はシリコンウェハは一方向へ移動する。電圧をディスクと重なっている電極に印加することによって、剪断力がディスクの端部に発生し、ディスクが移動する。電極は、個別に制御されることができ、特に個別の印加電圧を有する。
【非特許文献１】J.Jin et al., "Direct Electrostatic Levitation and Propulsion", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 44, No. 2, April 1997, pp.234-239
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ディスク及び電極の協調は静電気モータとみなすことができ、ディスクが可動子であり、電極が固定子である。残念なことに、従来の電気モータと比較して、それらは比較的小さい力を有し、それは低い加速度を意味する。しかし、半導体産業の大部分のアプリケーションは、高速度を必要とする。
【０００５】
そのために、半導体産業の要求を満たす増加した力を有する静電気移動装置が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで本発明は、そのような静電気移動装置を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明によれば、複数の電極を備えた、物体を移動させるための静電気装置であって、電場が移動物体の表面領域に相当する領域上に広がって発生するように前記電極が配置される装置が提供される。
【０００８】
本発明は、ひとつには、物体-電極系に蓄積されるエネルギーを増加させることによって、移動物体と静電気移動装置の電極との間に作用する力を増加させることが可能であるというアイデアに基づく。第一近似において、このエネルギーWeiは、
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に等しい。ここで、Uは電極に印加される電圧、Cは物体-電極系の静電容量である。等しい電圧Uに対して、静電容量Cを増加させることによってエネルギーWeiを増加することができる。電極の材料又は特に移動物体の材料から独立して静電容量Cを増加させる1つの方途は、物体-電極系の配置を変えることである。静電容量Cの増加は、印加電圧を有する電極の領域と移動物体の表面領域との間の差を最小化することによって達成することができる。
【０００９】
さらに、一つの方向へ作用している力は、エネルギーのこの方向についての微分であるので、静電容量のより大きい変化を提供することによっても同様に、力を増加することができる。移動物体の表面領域に電場を発生する領域を適合させることによって、静電容量のより大きい変化が移動物体の端部の領域において提供される。ここで、移動は、移動物体の平面内だけでなく、移動物体に対して垂直方向への運動としても考えられる。
【００１０】
静電気移動装置において、電極のストライプ形状は、印加電圧を有する電極の基本的に矩形の領域につながるが、最も一般的な移動物体であるウェハは、ディスクのような形状、すなわち円形の表面領域を有する。
【００１１】
本発明は、移動物体の表面領域の形状と、静電気移動装置のいくつかの電極に電圧を印加することによって電場が発生している領域の形状との間の適合を最適化することによって、静電気移動装置を用いた静電気モータの力を最適化するとのアプローチに基づく。
【００１２】
好ましくは、電圧が印加される電極の形状及び／又は配置が、移動物体の輪郭に適合される。このような方途により、本移動装置は、容易に、直線の又は平面の配置における、多数の様々な形状を有する物体のための利用に対して適用できる。
【００１３】
本発明のいくつかの好ましい実施例において、装置は弧形状の電極を有することによって円形の物体を移動させるために最適化される。この種類の実施の形態は、特に直線移動に有利である。前記弧形状の電極の隣に移動の方向に平行に配置される補助電極を追加的に用いることは、移動運動を制御する能力を増加するために有利であると判明した。
【００１４】
本発明の他の好ましい実施例において、電極面の領域を最適に利用するために、電極はセル形状、好ましくは、方形、六角形又は三角形の形状を有する。この種類の実施の形態は、平面構造に対して、及び、電圧が印加される電極の配置を変更するだけで様々な形状の物体を移動するために、特に有利である。
【００１５】
全ての電極に対して、同じ又は異なる極性の同じ大きさの電圧を偏らずに印加するのではなく、移動物体の表面領域に相当する領域の端に位置する電極が、移動物体の表面領域に相当する領域の中央に位置する電極と異なる印加電圧を有するように、電圧を印加することが有利であることがさらに判明した。これは、移動物体の大部分の表面上に浮揚力を発生するための電圧を選択すること、及び、実際の移動を引き起こす最適な剪断力のために端部における電圧を最適化することを可能にする。換言すれば、このアプローチは、移動物体の面内の軸周りの回転の制御と同様に、移動物体の面内の及び移動物体に垂直な3つの方向X、Y、Zの制御を可能にする。
【００１６】
更なる態様において、本発明による静電気装置の制御方法が提供され、移動物体の中央付近に位置する電極に対するものとは異なる大きさの電圧が、移動物体の端部に位置する電極に対して印加される。既に説明されたように、異なる電極に対して異なる大きさの電圧を選択することで、3つの直線方向及び移動物体の面内の回転軸上の移動物体の制御、すなわち剪断力及び浮遊力の制御が可能になる。
【００１７】
本発明の詳細な説明は、以下に提供される。当該説明は非制限的な例として提供され、添付の図面を参照して読まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図1は、ストライプ形状の電極3、3a、3bを有する従来技術による静電気移動装置1の平面図である。移動するアルミニウムハードディスク2'の輪郭は点線で示される。アルミニウムディスク2'と重なっている12個の電極3a、3b（より太い境界線を有する）は、印加電圧を有する。各々の電極3、3a、3bは個別に制御されることができ、特に、隣り合う電極から独立した印加電圧を有する。
【００１９】
アルミニウムディスク2'の全体の電位を保つために、いくつかの電極3aは正の電圧によって励起され、他の電極3b（短い線を有する領域）は同じ大きさの負の電圧によって励起される。
【００２０】
アルミニウムディスク2'が傾くことを避けるために、正又は負の電圧の4つの領域が存在し、お互いに補償するために領域全体にわたって分布する。もちろん、4つ以上の領域部分が存在することもできる。基本的な要点は、領域全体にわたって区域が均等に分布することある。
【００２１】
ひとつには、例えば、銅の電極構造を例えばガラスエポキシプリント回路板上に設けるために、静電気移動装置1を製作する場合がある。特に、1つの電極3aが正で他の電極3bが負の場合、干渉を避けるために、2つの電極の間に小さな間隔が常に存在しなければならない。制御装置及び電源装置のような電子部品は、このように静電気移動装置1の基本原理自体を強調するために図1aにおいて省略されており、当業者によく知られている。
【００２２】
図1bから図1dは、静電気移動装置1がどのように動作するかを図示するために、線A-Aに沿った図1の断面を示す。
【００２３】
図1bは、ディスク2'と重なっている電極3a、3bが印加電圧を有することで、ディスク2'が浮揚している状態を示す。次のステップにおいて、意図する移動方向（矢印μ）に、印加電圧を有する電極3a、3bのセットがディスク2'に対して移動するように、各々の電極3、3a、3bが切り替えられる。これは、最も外側の電極3a、3bからディスク2'の端部に作用する剪断力を引き起こす。ディスク2'はこれらの剪断力に反応して矢印μの方向に一つの電極幅分移動し、図1dに示すように再び浮遊力のみが作用する状態となる。
【００２４】
図1aに戻って、印加電圧を有し電場を引き起こす電極3a、3bの領域とディスク2'の表面領域との間に明らかに不整合があり、電極領域の21%以上がディスク2'に直接重なっていない。
【００２５】
図2aは本発明の第１の実施の形態の平面図であり、それは、例えばウェハ2のようなディスク形状の物体の直線移動に特によく適用される。電極30は弧形状を有し、当該弧の開き角の幅は実際のアプリケーションによって選択される。弧形状の電極30の向きは、意図する移動方向（線Q2-Q2に平行な矢印を参照）において、電極30の形状とウェハ2の輪郭とが最も適合するような向きである。端部に沿った剪断力がウェハ2の実際の移動のために最も重要であるので、静電容量それぞれについて、ウェハ2に作用する力、ひいてはそれに作用する加速度を増加させるために、移動方向に沿った静電容量の変化が最適化された。
【００２６】
同様に、円形以外の別の形状を有する移動物体のために、移動方向における物体の輪郭に適合するように、電極の形状を適宜選択することができる。
【００２７】
図2aに示される静電気移動装置1の実施の形態は、最高水準の技術として、異なる極性の印加電圧をもつ4つ以上の区域によって動作することができる。その他、同じ極性の電圧を全ての弧形状電極30に印加すること、及び、移動運動の制御を強化するための補助電極39を用いることが可能である。補助電極39は、弧形状の電極30の隣に、意図する移動方向と平行に配置される。補助電極39として、2つの長い電極又は一列に配置されるいくつかの電極を用いることが可能である。
【００２８】
印加電圧を有する弧形状の電極30aと共に補助電極39の効果が図2aの線Q1-Q1に沿った断面である図2bに示される。補助電極は、浮遊の効果を向上させ、ウェハ2がウェハ面中で移動方向に対して垂直な方向に移動しないことを確保する。
【００２９】
図3aは、本発明の他の実施の形態、方形形状を有する電極セル31を備える静電気移動装置1を示す。この種類の静電気移動装置1は、直線の移動だけでなく、二次元の面内の移動に用いることができる。電極セル31を用いるおかげで、一つの移動装置1を異なる形状の物体に用いることができる。電圧が印加される電極セル31の配置だけを、移動物体の実際の形状に基づいて適応させなければならない。電極セル31が小さいほど、可能な運動及び移動物体のバリエーションが広がる。もちろん、実際のアプリケーションでは、一方で可能な運動及び物体のバリエーションについて、他方で電子コンポーネントの複雑さ及びコストについての妥協が存在する。
【００３０】
この種類の実施の形態が図3bにおいて拡大されて示される。移動するウェハ2が点線によって示される。印加電圧を有しない電極セル31と比較して、（例えば、線Q1-Q1及びQ2-Q2によって定義される境界による既知の４区域様式で、又は４つ以上の区域による様式で）印加電圧を有する電極セル31a、31bが太い境界線で示される。また、発生した電場を伴う領域とウェハ2の表面領域とが、特に端部の区域において、従来技術による静電気移動装置よりも良く一致する。
【００３１】
図3bと3cにおいて図示される例は、異なる大きさの電圧が、発生した電場を伴う領域の端部の区域の電極セル31aと内側の区域の電極セル31b（点付きの領域）に印加されるという、追加的な特徴を有する。図示した例において、より高い電圧を有する電極セル31aに対してより多くの矢印を用いて図3cに示すように、ウェハ2の実際の移動のために特に強い剪断力を引き起こすために、端部区域の電圧がより高くなるように選ばれる。内側の区域の電極セル31bに印加される電圧は小さいが、ウェハ2の浮揚を達成するには十分である。
【００３２】
実際のアプリケーションに応じて、浮揚電圧が剪断力電圧よりも大きい場合があり、2つ以上の異なる大きさの電圧が異なる区域に印加されることがある。
【００３３】
図4と5は同様に、セル式電極32、33に基づく実施の形態を示す。図4では電極セル32は六角形の形状を有し、図5では電極セル33は三角形の形状を有する。図4の六角形の実施の形態は、各々60°離れた6つの方向（矢印を参照）への移動に特によく適応しており、一方、三角形の実施の形態は、各々120°離れた3つの方向（矢印を参照）への移動に特によく適応する。電極セル31、32、33の形状は、また、移動物体の形状に従って選択されることができる。
【００３４】
本発明のいくつかの好ましい実施の形態を記載したが、本発明の趣旨及び概念から逸脱することなく、さまざまな変更、修正及び置換が成され得ることを当業者は認識する。そのために、添付の特許請求の範囲の適切な範囲によって、本発明はあらゆる形態又は変更において請求される。例えば、本発明の範囲内において、従属請求項の特徴を独立請求項の特徴と様々に組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１ａ】従来技術による静電気移動装置を示す図。
【図１ｂ】静電気移動装置の基本原理を示す図。
【図１ｃ】静電気移動装置の基本原理を示す図。
【図１ｄ】静電気移動装置の基本原理を示す図。
【図２ａ】本発明の第１の実施の形態の平面図。
【図２ｂ】線Q1-Q1に沿った図2aの実施の形態の断面図。
【図３ａ】本発明の第２の実施の形態の平面図。
【図３ｂ】第２の実施の形態の拡大平面図。
【図３ｃ】線Q2-Q2に沿った図3bの実施の形態の断面図。
【図４】本発明の第3の実施の形態を示す図。
【図５】本発明の第4の実施の形態を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
1  静電気移動装置：2  ウェハ又はハードディスク：3  ストライプ形状の電極：3a  正の印加電圧を有するストライプ形状の電極：3b  負の印加電圧を有するストライプ形状の電極：30  弧形状の電極：30a  印加電圧を有する弧形状の電極：31  方形電極セル：31a  高い印加電圧を有する方形電極セル：31b  低い印加電圧を有する方形電極：32  六角形の電極セル：33  三角形の電極セル：39  補助電極セル：A-A  線：Q1-Q1  線：Q2-Q2  線：μ  移動方向の矢印
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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