JP2006246570A - リニアモータ及びリニアモータを利用した露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 可動子を軽量化し、コイルの発熱を低減することを可能にするリニアモータを提供すること。
【解決手段】 主極永久磁石と、主極永久磁石の周囲に磁場を集める補極永久磁石と、を配置した可動子と、主極永久磁石と対向する固定子コイルとを有し、主極永久磁石と固定子コイルとの間で、制御電流に基づく推力を発生させるリニアモータは、固定子コイルと対向する平面に配置される、第１の永久磁石厚さを備える主極永久磁石と、固定子コイルと対向し、主極永久磁石が配置された同一平面に配置される、第２の永久磁石厚さを備える補極永久磁石と、を備え、第１及び第２の永久磁石厚さは、第１の永久磁石厚さ＞第２の永久磁石厚さなる関係を満たす。
【選択図】 図６

Description

本発明はリニアモータ及びリニアモータを利用した露光装置に関するものである。

回路パターンが描かれたガラス基板（以下、「レチクル」という。）に露光光を照射して、縮小光学系を経てウエハ上に回路パターンを転写する露光装置に関しては、ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影露光装置(いわゆる「ステッパ」)やステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装置(いわゆる「スキャニングステッパ」)等、種々のタイプのものが従来から研究されている。半導体の高集積化に伴い、露光装置における回路パターンの転写技術に関しても高集積化が要求されており、例えば、回路パターンを転写するウエハや、レチクルを３次元的な所定の位置に、高精度に位置決めをすることが可能なリニアモータが要求されている。

また、露光装置の生産性の観点から、露光処理能力（スループット）の高い駆動機構が要求されており、特に、位置決め精度とともに、高速駆動が可能なリニアモータが要求されている。

位置決め性能及びスループットの観点から、電磁駆動力によって推力を発生させるいわゆる平面モータ（フラットモータ（flat motor）、またはリニアモータともいう）は、ステージを駆動する電流と推力の関係が高帯域まで線形の関係を示す点において制御性に優れ、広い制御帯域において安定した位置決め精度を確保することが可能であること、単純の構成で小型化が容易であること、また、平面モータを平面方向及び回転方向の各自由度に対応して推力を発生するように組み合わせることで、６自由度の駆動（位置決め及び姿勢制御）によるマルチステージ方式の位置決めが可能なことから注目が集まっている。

上述の従来技術として、例えば、以下の特許文献１に示されるものがある。
特開2004−254489号公報

しかしながら、永久磁石を有する部分を可動子にしたリニアモータの場合、推力を主に発生させる永久磁石（主極）の周囲に磁場を効率よく集めるために設置する永久磁石（補極）を複数配置することにより、可動子を構成する永久磁石の質量が増加するという問題がある。可動子の質量が増加すると、可動子を高加減速駆動させる際に、コイルに大きな電流を流さなくてはならず、コイルの発熱量も増加する。コイルに流す電流が増加すると消費電力も大きくなるために、リニアモータを駆動させるモータドライバも大型化し。その分コストもかかることになる。

また、コイルの発熱量の増加により、固定子側に生じた発熱がステージに伝達すると、ステージが熱膨張し、例えば、レーザ干渉計等で計測している位置から回路パターンを焼き付けているウエハの露光領域までの距離が熱膨張で変化し、露光領域の位置決め精度が低下するという問題がある。更に、コイルの発熱により固定子上の空気の温度が上昇すると、その領域の気圧が変化する。その結果、ステージの位置を検出するのに使用するレーザ干渉計のレーザービームの波長が固定子の上を通る際に変動し、レーザ干渉計でステージの位置を正確に検出できなくなる可能性もある。

本発明は、以上の問題点を鑑みてなされたものであり、リニアモータにおける可動子を軽量化し、コイルの発熱を低減することを可能にするリニアモータを提供することを目的とする。

あるいは、リニアモータをステージの駆動機構として採用する露光装置において、コイルの発熱量の影響を抑制し、高精度な露光領域の位置決めを実現する露光技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するべく、本発明にかかるリニアモータは、主として、以下の構成を備えることを目的とする。

すなわち、主極永久磁石と、当該主極永久磁石の周囲に磁場を集める補極永久磁石と、を配置した可動子と、当該主極永久磁石と対向する固定子コイルとを有し、当該主極永久磁石と固定子コイルとの間で、制御電流に基づく推力を発生させるリニアモータは、
前記固定子コイルと対向する平面に配置される、第１の永久磁石厚さを備える主極永久磁石と、
前記固定子コイルと対向し、前記主極永久磁石が配置された同一平面に配置される、第２の永久磁石厚さを備える補極永久磁石と、を備え、
前記第１及び第２の永久磁石厚さとは、第１の永久磁石厚さ＞前記第２の永久磁石厚さ、なる関係を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、可動子の質量を軽量化することにより、コイルの発熱を低減し、位置決め精度及び高速駆動性能に優れたリニアモータを提供することが可能になる。

あるいは、かかるリニアモータをステージの駆動機構として採用する露光装置において、コイルの発熱量の影響を抑制し、高精度な露光領域の位置決めを実現することが可能になる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を添付図面の参照により説明する。図１は第１実施形態にかかるリニアモータの全体的な構成を示す図であり、図１（ａ）は、ＸＹ平面内のリニアモータをＺ方向から見た状態を示す図である。コイル１１６ａ，１１６ｂ…を含む固定子１００上には、リニアモータの可動子として機能するステージ１１０が配置されている。ステージ１１０上には、ウエハを保持する不図示の機構が搭載されており、ウエハを保持した状態でステージ１１０をＸＹ方向またはＺ方向に並進、回転駆動してウエハを所定の位置、姿勢に位置決めすることが可能である。

ステージ１１０の位置及び姿勢は、例えば、ある計測基準に取り付けられたレーザ干渉計等の位置計測部（１３２０（ａ〜ｃ）、姿勢計測部（１３３０（ａ〜ｃ）（図１３を参照））で測定することが可能である。

図１（ｂ）はリニアモータを横（ＸＺ平面をＹ軸方向）から見た状態を示す図ある。ステージ１１０（以下、これを「可動子ユニット」ともいう。）は、直方体形状（平板形状）をした天板１１２と、固定子１００側のコイル列１１６ａに対向する位置に配列された永久磁石列１１４を有する。

固定子１００は、ベース１１８と、ベース１１８上に固定された６層のコイル列からなる積層コイル列１１６から構成される。ここで、積層コイル列１１６は、図１（ａ）及び図２に示すように、コイルの長手方向がＹ軸方向に平行となるように配置されるコイル列と、コイルの長手方向がＸ軸方向に平行となるように配置されるコイル列とがそれぞれ交互に６つ積層した状態で配置される。各コイル列が発生させる力は、ステージ１１０の少なくとも１自由度分の推進力となり、６つのコイル列の積層により、ステージ１１０の位置、姿勢は６自由度の推進力で制御されることになる。

＜制御系の説明＞
図１３は、ステージ１１０の駆動を制御するための制御回路のブロック図であり、電流制御部１３００は、ステージ１１０を駆動して位置、姿勢を制御するための制御電流を、Ａ相コイル（１３０２）、−Ａ相コイル（１３０４）、Ｂ相コイル（１３０６）、−Ｂ相コイル（１３０８）に対して、所定のタイミングで印加することができる。電流制御部１３００は、装置の全体制御を司る装置制御部１３１０により出力される制御指令値１３７０と、位置計測部１３２０（ａ〜ｃ）により検出されるステージ１１０の位置検出情報１３５０（ａ〜ｃ）と、姿勢計測部１３３０（ａ〜ｃ）により検出されるステージ１１０の姿勢情報１３６０（ａ〜ｃ）と、に基づき制御電流１３８０（ａ〜ｄ）を、各コイル列において選択したコイルに対して出力することができる。図１３では、簡単化のために、制御電流は１つのコイル列に対するもののみを図示している。電流制御部１３００は、６つのコイル列において、各コイルに対する制御電流を生成して、隣り合うコイルの組み合わせによりなるコイルユニット（例えば、Ａ相コイルと−Ｂ相コイル（図４のコイル７とコイル８が対応する）、−Ａ相コイルとＢ相コイル（図４のコイル９とコイル１０が対応する）の組み合わせ）に制御電流を印加する。これにより、電流制御部１３００は、並進方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）の推力及び回転方向（ωｘ、ωｙ、ωｚ方向）の推力を生成させて、ステージ１１０の位置及び姿勢を制御する。

＜固定子の構成＞
図１（ｂ）は、リニアモータをXZ平面より見た状態を示す図であり、固定子１００は、ベース１１８とコイル列を６つ積層した積層コイル列１１６より構成される。固定子１００を示すＡ部に着目し、積層コイル列１１６を拡大して図示したものが図２である。図２を参照すると、コイルの長手方向がＹ軸方向に平行になるように配置されたコイル列１、３、５と、コイルの長手方向がＸ軸方向に平行になるように配置されたコイル列２、４、６とが、交互に配置されている。

図２において、コイル列１はステージ１１０をＸ軸方向に駆動するためのコイル列であり、コイル列１の下に不図示の絶縁シートを介してコイル列２が配置されている。コイル列２はステージ１１０をＹ方向に駆動するためのコイル列であり、コイル列２の下に絶縁シートを介してコイル列３が配置されている。コイル列３はステージ１１０をＺ方向に駆動するためのコイル列であり、コイル列３の下に絶縁シートを介してコイル列４が配置されている。

コイル列１〜３は、ステージ１１０を並進方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向）に駆動するための推力を生成するために使用される。

次に、コイル列４はステージ１１０をＺ軸回りに回転駆動するためのコイル列であり、コイル列４の下に絶縁シートを介してコイル列５が配置されている。コイル列５はステージ１１０をＹ軸回りに回転駆動するためのコイル列であり、コイル列５の下に絶縁シートを介してコイル列６が配置されている。そして、コイル列６はステージ１１０をＸ軸回りに回転駆動するためのコイル列であり、コイル列６の下に絶縁シートを介してベース部材１００が配置されている。

コイル列４〜６は、ステージ１１０を回転方向（ωｚ、ωｙ、ωｘ）に駆動するための推力を生成するために使用される。

尚、１つのコイル列を１つの自由度の動きを実現するための推力を発生させる駆動源とする積層コイル１１６の構成は、図２に示すものに限定されるものではなく、例えば、コイル列を積層する順番に関しは、コイル列１、３、５を回転方向の駆動用、コイル列２，４、６を並進方向の駆動として積層コイル列１１６を構成するようにしてもよい。

＜ステージ１１０の説明＞
図３は可動子１１０に設けられた永久磁石列１１４の構成を示す図である。天板１１２の下部に複数の永久磁石（図３（ｂ）の１１５ａ〜ｆ）からなる永久磁石列１１４が構成されている。永久磁石列１１４はＺ方向に上向きに着磁された磁石と、Ｚ方向下向きに着磁された磁石（図３（ｂ）の１１５ａ，１１５ｂが対応する）と、Ｘ方向に対して４５度方向、１３５度方向、−１３５度方向、−４５度方向に着磁された磁石（図３（ｂ）の１１５ｃ、ｄ、ｅ、ｆが対応する）の６種類の永久磁石からなる。

図３（ｂ）は、ステージ１１０を裏側（永久磁石列１１４が配置されている面側）から見た状態を示す図である。永久磁石列１１４は、固定子１００に対向する方向(−Ｚ方向)の極性をもつ永久磁石(１１５ｂ)と、その反対方向(＋Ｚ方向)の極性をもつ永久磁石(１１５ａ)(これらを「主極」と呼ぶ)と、それらの間にお互いの極性方向が反発するように配列された永久磁石(１１５ｃ、１１５ｄ、１１５ｅ、１１５ｆ)(これらを「補極」と呼ぶ)とで構成されている。固定子１００に対向する方向(−Ｚ方向)の極性をもつ永久磁石を「○」の中に「・」を書いて表し(１１５ｂ)、その反対方向(＋Ｚ方向)の極性をもつ永久磁石を「○」の中に「×」を書いて表している(１１５ａ)。同様に補極の極性方向を、矢印を使って表している。

永久磁石(１１５ａ〜１１５ｆ)はＸ方向、Ｘ方向及びＹ方向に周期Ｌで規則的に並べられている。永久磁石がこのように規則的に配列されていることによって、固定子１００側に磁場が効率的に集められる。この磁場のＺ成分は、Ｘ方向、Ｙ方向に周期Lで擬似正弦波となるように分布し主極の下でピークをもつ。この磁場のＸ成分、Ｙ成分も同様に、Ｘ方向、Ｙ方向に周期Ｌでほぼ正弦波となるように分布し補極の下でピークをもつ。

＜駆動方法の説明＞
図４は、Ｙ軸方向に平行に配置されたコイル列からステージ１１０の裏側（永久磁石列１１４が配置されている面側）を見た状態を示す図である。コイル列を構成する各コイルユニットの長手部分の間隔は磁石周期Ｌ／２である。また、隣り合うコイルユニット同士の間隔は、（３／４）×Ｌ周期で配置されている。すなわち、磁石周期Ｌに対して、隣り合うコイルでは２７０ずつ位相がずれることになる。

また、図４の状態で、ステージ１１０側の永久磁石列１１４と重なる固定子側１００側のコイルには１〜１６の番号を付している。ここで、各コイルに流す制御電流は、コイル（１〜１６）と永久磁石列１１４との位置関係に対応した以下の４つのグループ、Ａ相コイルのグループ（コイル３、７、１１、１５）と、−Ａ相コイルのグループ（コイル５、９、１３）と、Ｂ相コイルのグループ（コイル２、６、１０、１４）と、−Ｂ相コイルのグループ（コイル４、８、１２、１６）、に分けられる。

ここで、Ａ相、Ｂ相の２相の制御電流に対して、マイナス方向の−Ａ相、−Ｂ相の制御電流は、Ａ相、Ｂ相の制御電流と逆向きの制御電流を流せばステージ１１０に対して、Ａ相、Ｂ相の制御電流と同一方向の推力を発生させる。Ａ相、Ｂ相の制御電流が決まると、−Ａ相、−Ｂ相の電流は自動的に決まることになる。磁場のＺ成分は、Ｘ方向、Ｙ方向に周期Ｌで擬似的な正弦波となるように分布し、主極の下でピークをもち、この磁場のＸ成分、Ｙ成分も同様に、Ｘ方向、Ｙ方向に周期Ｌでほぼ正弦波となるように分布し補極の下でピークをもつので、各コイルに鉛直方向の磁束密度分布と同じ位相の電流を流すようにサイン波制御すれば位置によらず電流のサイン波振幅に比例した推力が発生する。

図４に示すステージ１１０の位置をＸ＝０とし、ステージ１１０の位置をＸだけ変化させた状態で各相のコイルに単位電流（１[Ａ]）を流すと、ステージ１１０に働く水平方向の推力f_hは、以下のように数式化される。

Ａ相コイル：f_h＝ＨＤＦ×ｃｏｓ（（Ｘ／Ｌ）×２×π）・・・（１）
Ｂ相コイル：f_h＝ＨＤＦ×ｓｉｎ（（Ｘ／Ｌ）×２×π）・・・（２）
−Ａ相コイル：Ａ相と逆向きの推力 ・・・（３）
−Ｂ相コイル：Ｂ相と逆向きの推力 ・・・（４）
ここで、「ＨＤＦ」は、ステージ１１０がＸ＝０の位置でＡ相のコイルに１[Ａ]の電流を流した際に、ステージ１１０に働く水平方向の推力（水平方向推力定数）を表す。

このときに各相のコイルに以下の電流（（５）〜（８）式）を流すと、ｓｉｎ^２（（Ｘ／Ｌ）×２×π）＋ｃｏｓ^２（（Ｘ／Ｌ）×２×π）＝１の関係式により、Ｘの値に依らず一様な推力を働かせることができる。

Ａ相電流：ＩＡ＝Ｉｃ×ｃｏｓ（（Ｘ／Ｌ）×２×π） ・・・（５）
Ｂ相電流：ＩＢ＝Ｉｃ×ｓｉｎ（（Ｘ／Ｌ）×２×π） ・・・（６）
−Ａ相にはＡ相と逆向きの電流 ・・・（７）
−Ｂ相にはＢ相と逆向きの電流 ・・・（８）
ただしＩｃ（１本のコイルに流す電流の最大値）は任意である。

また、各相のコイルに単位電流（１[Ａ]）を流した際にステージ１１０に働く鉛直方向の推力f_vを数式化すると、以下のようになる。

Ａ相コイル：f_v＝ＶＤＦ×ｓｉｎ（（Ｘ／Ｌ）×２×π） ・・・（９）
Ｂ相コイル：f_v＝ＶＤＦ×ｃｏｓ（（Ｘ／Ｌ）×２×π） ・・（１０）
−Ａ相コイル：Ａ相と逆位相の推力 ・・・（１１）
−Ｂ相コイル：Ｂ相と逆位相の推力 ・・・（１２）
ただしＶＤＦは、ステージがＸ＝０の位置でＢ相のコイルに１[Ａ]の電流を流した際にステージに働く垂直方向の推力（垂直方向推力定数）を表す。

このステージ１１０にＺ方向の推力を働かせたい場合には、各相のコイルに以下の電流（（１３）〜（１６）式）を流すと、Ｘの値に依らず一様な推力を働かせることができる。

Ａ相電流：ＩＡ＝Ｉｃ×ｃｏｓ（（Ｘ／Ｌ）×２×π + (π／２)）
＝Ｉｃ×ｓｉｎ（（Ｘ／Ｌ）×２×π） ・・・（１３）
Ｂ相電流：ＩＢ＝Ｉｃ×ｓｉｎ（（Ｘ／Ｌ）×２×π + (π／２)）
＝Ｉｃ×ｃｏｓ（（Ｘ／Ｌ）×２×π） ・・・（１４）
−Ａ相にはＡ相と逆向きの電流 ・・・（１５）
−Ｂ相にはＢ相と逆向きの電流 ・・・（１６）
ただしＩｃ（１本のコイルに流す電流の最大値）は任意である。

ステージ１１０がＸ=０の位置より（Ｘ＋）プラス側にずれている場合(０＜Ｘ＜(３／４)×Ｌ)、ステージ１１０をＸ方向に駆動する際に、電流制御部１３００は、コイル列１において、例えば、コイルユニット(７、８)、(９、１０)とコイルユニット(１１、１２)を使って、ステージ１１０に水平方向の推力を働かせる制御電流を流せばよい。

装置制御部１３１０の制御の下、電流制御部１３００は、ステージ１１０の位置に応じて、並進方向及び回転方向にステージ１１０を駆動するために、コイルユニットの切り替え制御を行うことが可能である。電流制御部１３００は、図２に示した、コイル列１〜６のそれぞれに対して、ステージ１１０を並進方向及び回転方向に駆動するために、コイル列におけるコイルユニットの選択と切り替え、そして各コイルユニットに対する制御電流の印加を制御することでステージ１１０を所定の位置及び姿勢に制御を行うことが可能である。

ステージ１１０をＺ方向に駆動する際に、電流制御部１３００は、例えば、コイル列３のコイルユニット(６、７)、(８、９)、(１０、１１)及びコイルユニット(１２、１３)を使って、ステージに鉛直方向の推力を働かせる制御電流を流してやればよい。

また、ステージにＹ軸回りの回転力を働かせる際には、電流制御部１３００は、例えば、コイル列５におけるコイルユニット(６、７)、(８、９)とコイルユニット(１０、１１)、(１２、１３)を使って、ステージ１１０に互いに反対方向の鉛直方向の推力が働くように制御電流を流してやればよい。

ステージの位置の変化Ｘが(３／４)×Ｌ≦Ｘ＜２×(３／４)×Ｌの範囲にある場合は、上に述べたコイルユニットを１つ上の番号をもつコイルユニットに切換えればよい。例えば、この場合、電流制御部１３００はコイルユニット（３、４）を（４、５）に、コイルユニット（６、７）を（７、８）に切換えることでコイルユニットの切り替えを行うことが可能である。

更に、ステージ１１０を、２×(３／４)×Ｌ以上の範囲で駆動する場合も、電流制御部１３００は、同様のコイルユニットの切換えを行うことができる。固定子１００側にコイルユニットが配置されている領域であれば、電流制御部１３００は、ステージ１１０を駆動するための制御電流をコイルユニットに印加して、ステージ１１０を駆動するための推力を生成させることが可能である。

また、ステージ１１０がＸ＝０の位置よりマイナス側にずれている場合(−（３／４）×Ｌ＜Ｘ＜０)、ステージ１１０をＸ方向に駆動する際に、電流制御部１３００は、コイル列１において、例えば、コイルユニット(６、７)、(８、９)及びコイル(１０、１１)を使って、ステージ１１０に水平方向の推力を働かせる制御電流を流してやればよい。

更に、ステージ１１０の位置の変化Ｘが−２×(３／４)×Ｌ ＜Ｘ≦−(３／４)×Ｌの範囲にある場合、電流制御部１３００は、上述のコイルユニットより１つ下の番号をもつコイルユニットに切換えることでコイルユニットの切り替えを行うことが可能である。例えば、電流制御部１３００は、コイル（２、３）を（１、２）に、コイル（５、６）を（４、５）に切換えればよい。

電流制御部１３００はステージ１１０を、−２×(３／４)×Ｌより更にマイナス方向の範囲で駆動させる場合も、同様のコイルの切換えを行うことができる。マイナス方向に移動する際にも、固定子１００側にコイルユニットが配置されている領域であれば、電流制御部１３００は、ステージ１１０を駆動するための制御電流をコイルユニットに印加して、ステージ１１０を駆動するための推力を生成させることが可能である。

図５は、Ｘ軸方向に平行に配置されたコイル列から、ステージ１１０の裏側（永久磁石列１１４が配置されている面側）を見た状態を示す図である。コイル列を構成する各コイルの長手方向部分の間隔は、図４で説明した構成と同様に磁石周期Ｌ／２であり、隣り合うコイル同士の間隔は（３／４）×Ｌ周期で配置されている。図５の状態で、ステージ１１０側の永久磁石列１１４と重なる固定子１００側のコイルには、図４と同様に１〜１６の番号を付している。電流制御部１３００は、ステージ１１０の位置と駆動方向（並進方向及び回転方向）に応じて、制御電流を印加するコイル番号を決定し、切り替えを行い、Ａ相、Ｂ相の制御電流をそのコイルユニットに印加することで、図４と同様にステージ１１０にＹ方向の推力（コイル列２）、Ｚ軸周りの回転力（コイル列４）、Ｘ軸回りの回転力（コイル列６）を働かせることができる。

＜永久磁石列１１４の説明＞
図６は、図３（ａ）を拡大した図であり、図３（ｂ）において、ＡＡ-ＡＡ部で破断したステージ１１０の断面を示す図である。同図において、１１２は天板であり、１１５ａ及び１１５ｂは永久磁石列１１４を構成する主極の永久磁石を示し、１１５ｄ及び１１５ｆは、永久磁石列１１４を構成する補極の永久磁石を示し、それぞれ図３（ｂ）で説明した１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｄ、１１５ｆの永久磁石と同じ極性を有する。

主極永久磁石（１１５ａ及び１１５ｂ）と、主極永久磁石の周囲に磁場を集める補極永久磁石（１１５ｄ及び１１５ｆ）と、を配置した可動子（ステージ１１０）と、主極永久磁石と対向する固定子コイルとを有し、主極永久磁石と固定子コイルとの間で、制御電流に基づく推力を発生させるリニアモータは、可動子と対向する固定子コイル（例えば、図１の１１６ａ，１１６ｂ）との間で推力を発生させて、可動子の駆動と位置決めを制御する制御回路（図１３）とを備えるリニアモータは、固定子コイルと対向する平面に配置される、第１の永久磁石厚さ（以下、「主極の磁石厚さ（ｔ１）」）を備える主極永久磁石と、固定子コイルと対向し、主極永久磁石が配置された同一平面に配置される、第２の永久磁石厚さ（以下、「補極の磁石厚さ（ｔ２）」）を備える補極永久磁石と、を備え、第１及び第2の永久磁石厚さは、第１の永久磁石厚さ＞前記第２の永久磁石厚さ、なる関係（ｔ１＞ｔ２）を満たす。

具体的には、図６において、主極(１１５ａ、１１５ｂ)の永久磁石の厚さはｔ１であり、補極(１１５ｄ、１１５ｆ)の永久磁石の厚さはt２となっている。この永久磁石の厚さの関係は、図３においても同様であり、主極(１１５ａ、１１５ｂ)の磁石厚さをｔ１、補極(１１５ｃ、１１５ｄ、１１５ｅ、１１５ｆ)の磁石厚さをt２とする。図３および図６において、主極の磁石厚さ（ｔ１）と補極の磁石厚さ（ｔ２）との間にはｔ１＞ｔ２の関係が成り立っている。

ステージ１１０における永久磁石列１１４は、主極の永久磁石(１１５ａ、１１５ｂ)が固定子１００に対向する面と、補極の永久磁石（１１５ｃ、１１５ｄ、１１５ｅ、１１５ｆ）が固定子１００に対向する面とは、段差が生じないようにＸＹ平面内に配置されるものとする（図３、図６）。固定子１００と対向する面に段差が生じないように主極及び補極の永久磁石は配置されることにより、補極（１１５ｄ、１１５ｆ）と天板１１２との間には、主極（１１５ａ，１１５ｂ）との厚さの差分（＝ｔ１−ｔ２）対応する空隙部１１７が形成される。

永久磁石列１１４の構成において、ステージ１１０に推力を働かせる磁場を主に発生させているのは主極であり、補極はステージ１１０に推力を働かせる磁場を固定子側に効率よく集めるための補助的な役割をになう永久磁石である。図３に示す主極と補極の永久磁石の配列では、主極の数に比べて補極の数の数が倍近く設けられている。従来の平面モータのように主極の磁石厚さ（ｔ１）と補極の磁石厚さ（ｔ２）を同じ（ｔ１＝ｔ２）にすると、ステージ１１０の質量がその分（ｔ１−ｔ２に相当する質量分）負荷として大きくなるため、ステージ１１０を高加減速で移動させるために、電流制御部１３００は、制御電流して各層コイルに大電流を流す必要が生じ、これによって、各層コイルに発生する発熱も大きくなり、消費電力も大きくなる。

これに対して、補極の磁石厚さｔ２を、主極の磁石厚さｔ１に比べて薄くすると、その分推力定数は減少するが、主極の永久磁石に比べて補極の永久磁石の数が倍近く多い構成になっているため、推力の減少分に比べて補極の磁石厚さが薄くなることによるステージ質量の減少効果の方が大きくなる。

ステージ１１０を駆動する際に使用するコイルユニット（隣り合うコイルの組み合わせ）のユニット数をＵ、ステージ１１０に要求される水平方向の加速度をαとする。

ｔ１=ｔ２の場合、ステージ１１０の質量をＭ、水平方向推力定数をＨＤＦ、１本のコイルユニットに流す電流の最大値をＩｃとする。

ｔ１＞ｔ２の場合、ステージ１１０の質量をＭ’、水平方向推力定数をＨＤＦ’、１本のコイルユニットに流す電流の最大値をＩｃ’とする。

補極の永久磁石の厚さを薄くしたことによる推力定数の減少率をｋ、質量の減少率をＫとすると、水平方向推力定数の関係は、ＨＤＦ’=ＨＤＦ(１−ｋ)となり、ステージ１１０の質量の関係は、Ｍ’=Ｍ(１−Ｋ)となる。

（１）〜（８）式により、ステージ１１０に働く１つのコイルユニット（隣り合うコイルの組み合わせ（例えば、Ａ相コイルと−Ｂ相コイル）における水平方向の推力を計算すると、（１７）式のようになる。

（１）式ｘ（５）式＋（２）式ｘ（６）式＝Ｉｃ・ＨＤＦ・・・（１７）
Ｉｃ：１本のコイルに流す電流の最大値
ＨＤＦ：水平方向推力定数。

そして、（１７）の関係からステージ１１０を駆動するために、複数のコイルユニット数Ｕを使用する場合の水平方向の推力は、Ｕ・Ｉｃ・ＨＤＦとなり、補極の永久磁石の厚さを薄くした場合の推力は、Ｕ・Ｉｃ’・ＨＤＦ’となる。複数のコイルユニットＵを使用する場合の運動方程式として（１８）、（１９）式の関係が成り立つ。

ｔ１＝ｔ２の場合： Ｕ・Ｉｃ・ＨＤＦ=Ｍ・α ・・・（１８）
ｔ１＞ｔ２の場合： Ｕ・Ｉｃ’・ＨＤＦ’=Ｍ’・α・・・（１９）
Ｉｃ’をＩｃ、ｋ、Ｋによって表すと（２０）の関係が成り立つ。

Ｉｃ’=(１−Ｋ)／(１−ｋ)×Ｉｃ ・・・（２０）
補極の永久磁石（１１５ｄ、ｆ等）の厚さを薄くした構成において、１本のコイルに流す電流の最大値Ｉｃ’が、補極と主極の永久磁石の厚さが同じ場合における電流の最大値Ｉｃより小さくなる（Ｉｃ’＜Iｃ）ためには、質量の減少率（Ｋ）＞推力定数の減少率（ｋ）なる関係が成り立てばよい。

第２の永久磁石厚さ(ｔ2)は、第１の永久磁石厚さ（ｔ１）と、第２の永久磁石厚さ(ｔ2)との差分に基づく可動子（ステージ１１０）に働く推力の減少割合（推力定数の減少率（ｋ））に比べて、可動子の質量の減少割合（質量の減少率（Ｋ））が大きくなる関係を満たす。すなわち、ステージ１１０に働く推力が減少する割合（ｋ）に比べて、ステージの質量の減少する割合（Ｋ）の方が大きくなるように、ｔ２の磁石厚さを設定すれば、ステージ１１０をｔ１＝ｔ２として駆動する場合と同一加速度で駆動する際にコイルに流すべき制御電流を小さくすることができる。

ステージ１１０を駆動する際に使用するコイルユニットに発生するジュール熱をＱ、使用するコイルユニット数をＵ、１本のコイルに流す電流の最大値をＩｃ、コイル１本の抵抗をＲとすると、（２１）式の関係が成り立つ。

Ｑ＝Ｕ・Ｉｃ²・Ｒ ・・・（２１）
１本のコイルに流す電流の最大値（Ｉｃ）が小さくなると、コイルユニットに発生するジュール熱（Ｑ）も小さくなる。すなわち、補極の永久磁石ｔ２の厚さを、ステージ１１０に働く推力が減少する割合（ｋ）に比べて、ステージの質量の減少する割合（Ｋ）の方が大きくなるように設定すれば、ステージ１１０を水平方向に、ｔ１＝ｔ２として駆動する場合と同一加速度で駆動する際に、コイルユニットに発生するジュール熱（Ｑ）も軽減することができる。

すなわち、質量の減少率（Ｋ）＞推力定数の減少率（ｋ）の関係を満たす補極の永久磁石の厚さをｔ２にした場合、水平方向の加速度を減少させることなく、コイルユニットに生じるジュール熱を軽減することができる。

以上の説明は、水平方向の推力に限定されるものではなく、垂直方向に推力を発生させる場合や回転方向に推力を発生させる場合にも成り立つものである。

本実施形態によれば、可動子の質量を軽量化することにより、コイルの発熱を低減し、位置決め精度及び高速駆動性能に優れたリニアモータを提供することが可能になる。

また、ジュール熱（Ｑ）の軽減に加えて、空隙部１１７はかかるジュール熱が天板１１２に伝達されるのを抑制し、天板１１２を冷却することも可能である。天板１１２が加熱されると、例えば、天板上１１２上に設けられている不図示のウエハを保持する機構が加熱されることになり、空隙部１１７は、かかる熱の影響による変形などウエハに及ぶ影響を排除することができる。

また、天板１１２が熱膨張し変形することによる、位置計測誤差の発生を抑制することが可能になる。

尚、本実施形態で説明した補極の永久磁石（１１５ｄ、１１５ｆ）と、天板（１１２）との間の空隙部１１７の形成により、永久磁石の接着面積が減少する場合でも、主極の永久磁石及び補極の永久磁石とは異なる軽量の材質の部材を空隙部１１７に設けて、接着強度が低下を防止することができる。

空隙部１１７に設けられる永久磁石（１１５ａ〜ｆ）より密度の小さい軽量の材料としては、例えば、セラミクス等の多孔質材やハニカム部材、中空部材などが利用可能である。

この構成により、リニアモータにおける（可動子）１１０の軽量化を図るとともに、補極の永久磁石における接着強度が低下することを防止することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を説明する。図７は、Ｘ方向に移動可能なリニアモータ１１９と、Ｙ方向に移動可能なリニアモータ１２０を組み合わせて、ステージ７０１を２次元的に駆動してＸＹ平面内に位置決めするステージシステムを示す図である。リニアモータ１１９及び１２０を駆動して、所定の位置に位置決めする制御回路は第１実施形態で説明した図１３の制御回路を利用することが可能である。

図８は、リニアモータ１１９における可動子と固定子の構造を説明する断面図であり、図７の（CC-CC）-(BB-BB)断面を矢印の方向に向かって見た図である。第２実施形態における可動子１２２を構成する永久磁石の配列には、第１実施形態で説明したのと同様の構成が採用されているものとする。

可動子１２２には、主極の永久磁石（１２１ａ，１２１ｂ）が、補極の永久磁石（１２１ｃ、１２１ｄ）を間に介して、交互に極性が異なるように配置されている。主極の永久磁石の間に配置される補極の永久磁石（１２１ｃ、１２１ｄ）は、Ｘ方向および−Ｘ方向の極性を有し、それぞれの極性が主極の永久磁石を間にはさみ、対向するように配置されている。

また、主極の永久磁石（１２１ａ，１２１ｂ）と補極の永久磁石（１２１ｃ、１２１ｄ）は、固定子１２３に対して対向する面に段差がないように配置されている。

１２６は磁性もしくは非磁性材の天板であり、主極の永久磁石（１２１ａ，１２１ｂ）は、天板１２６に取り付けられた状態で固定されている。本実施形態における永久磁石の厚さも、第１実施形態で説明したのと同様に、主極の永久磁石（図８の１２１ａ，１２１ｂ）の厚さをｔ１とし、補極の永久磁石（図８の１２１ｃ、１２１ｄ）の厚さをｔ２として、両厚さの関係には、ｔ１＞ｔ２の関係が成り立っているものとする。また、永久磁石の厚さの相違に起因にして、補極の永久磁石（１２１ｃ、１２１ｄ）と天板１２６との間には、空隙部１２５を設ける構造が採用されている。

また、図９は、リニアモータを構成する可動子と固定子の関係を示す、図８の変形例を示す図である。図９の構成では、可動子１３２を固定子１３３が上下に挟む構造になっている。図９の構成においても、可動子１３２を構成する永久磁石の配列には、第１実施形態で説明したのと同様の構成が採用されている。

図９における可動子１３２には、主極の永久磁石（１３１ａ，１３１ｂ）が、補極の永久磁石（１３１ｃ、１３１ｄ）を間に介して、交互に極性が異なるように配置されている。主極の永久磁石の間に配置される補極の永久磁石（１３１ｃ、１３１ｄ）は、Ｘ方向および−Ｘ方向の極性を有し、それぞれの極性が主極の永久磁石を間に挟み、対向するように配置されている。また、主極の永久磁石（１３１ａ，１３１ｂ）と補極の永久磁石（１３１ｃ、１３１ｄ）は、固定子１３３に対して対向する面に段差がないように配置されている。

１３６は磁性もしくは非磁性材の天板であり、主極の永久磁石（１３１ａ，１３１ｂ）は、天板１２６に取り付けられた状態で固定されている。図９における永久磁石の厚さも、第１実施形態で説明したのと同様に、主極の永久磁石（図９の１３１ａ，１３１ｂ）の厚さをｔ１とし、補極の永久磁石（図９の１３１ｃ、１３１ｄ）の厚さをｔ２として、両厚さの関係には、ｔ１＞ｔ２の関係が成り立っているものとする。また、永久磁石の厚さの相違に起因にして、補極の永久磁石（１３１ｃ、１３１ｄ）と天板１３６との間には、空隙部１３５を設ける構造が採用されている。

図８においても図９においても、可動子における主極の永久磁石の両端には補極の永久磁石が配置され、主極に比べて補極の永久磁石の数が多い構成となっている。

従って、１次元に移動可能なリニアモータにおいても、補極の永久磁石の厚さｔ２を、可動子１２２に働く推力が減少する割合（ｋ）に比べて、ステージの質量の減少する割合（Ｋ）の方が大きくなるように、設定することにより、１次元方向に駆動するリニアモータに関しても、３次元に移動可能なリニアモータにおける効果と同様の効果を得ることができる。

本実施形態によれば、可動子の質量を軽量化することにより、コイルの発熱を低減し、位置決め精度及び高速駆動性能に優れたリニアモータを提供することが可能になる。

また、補極の永久磁石の厚さｔ２を、上述の関係を満たすように設定することにより、永久磁石の厚さをｔ１＝ｔ２として駆動する場合と同一加速度で駆動する際に、コイルユニットに発生するジュール熱（Ｑ）も軽減することができる。質量の減少率（Ｋ）＞推力定数の減少率（ｋ）の関係を満たす補極の永久磁石の厚さをｔ２にした場合、水平方向の加速度を減少させることなく、コイルユニットに生じるジュール熱を軽減することができる。

尚、本実施形態で説明した補極の永久磁石（１２１ｃ、ｄ、１３１ｃ、ｄ）と、天板（１２６、１３６）との空隙部（１２５、１３５）により、永久磁石の接着面積が減少し、接着強度が低下する場合でも、可動子に働く推力が減少する割合（ｋ）に比べて、ステージの質量の減少する割合（Ｋ）の方が大きくなるように、補極の永久磁石の厚さｔ２を設定して、永久磁石の接着面積を増やす目的で永久磁石より密度の小さい軽量の材料を配置することも可能である。この場合、密度の小さい材料としては、例えば、セラミクス等の多孔質材やハニカム部材、中空部材などが利用可能である。

（第３実施形態）
次に、本発明にかかる第３実施形態を図１０の参照により説明する。図１０は、第１または第２実施形態にかかるリニアモータを露光装置に適用した例を示す図である。露光装置１０００は図１０に示すように、照明装置２０１、レチクルを搭載するレチクルステージ２０２、投影光学系２０３、ウエハを搭載するウエハステージ２０４を有する。露光装置１０００は、不図示のレチクルに形成された回路パターンをウエハ上に投影露光するものであり、ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影露光装置またはステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装置であってもよい。

照明装置２０１は回路パターンが形成されたレチクルを照明し、光源部と照明光学系とを有する。光源部は、例えば、光源としてレーザを使用する。使用するレーザは、例えば、波長約193nmのArFエキシマレーザ、波長約248nmのKrFエキシマレーザ、波長約153nmのF₂エキシマレーザなどを使用することができるが、レーザの種類はエキシマレーザに限定されず、例えば、YAGレーザを使用してもよいし、そのレーザの個数も限定されないものとする。

光源にレーザが使用される場合、レーザ光源からの平行光束を所望のビーム形状に整形する光束整形光学系、コヒーレントなレーザ光束をインコヒーレント化するインコヒーレント化光学系を使用することが好ましい。また、光源部に使用可能な光源はレーザに限定されるものではなく、一または複数の水銀ランプやキセノンランプなどのランプも使用可能である。

照明光学系はレチクルを照明する光学系であり、レンズ、ミラー、ライトインテグレーター、絞り等を含む。

投影光学系２０３は、複数のレンズ素子のみからなる光学系、複数のレンズ素子を少なくとも一枚の凹面鏡を有する光学系（カタディオプトリック光学系）、複数のレンズ素子と少なくとも一枚のキノフォームなどの回折光学素子とを有する光学系、全ミラー型の光学系等を使用することができる。このような露光装置は、半導体集積回路等の半導体デバイスや、マイクロマシン、薄膜磁気ヘッド等の微細なパターンが形成されたデバイスの製造に利用されうる。

レチクルを搭載するレチクルステージ２０２またはウエハを搭載するウエハステージ２０４の駆動機構は、第１または第２実施形態で説明したリニアモータを採用することができる。露光装置にかかる駆動機構を採用することにより、可動部となるステージの質量の軽量化が可能になり、主極の永久磁石の厚さｔ１＞補極の永久磁石の厚さｔ２なる関係の下、ステージに働く推力が減少する割合（ｋ）に比べて、ステージの質量の減少する割合（Ｋ）の方が大きくなるように補極の永久磁石の厚さ（ｔ２）を設定すれば、ｔ１＝ｔ２として駆動する場合と同一加速度で駆動する際に、コイルユニットに発生するジュール熱（Ｑ）も軽減することができる。

また、ジュール熱（Ｑ）の軽減に加えて、空隙部はかかるジュール熱が天板に伝達されるのを抑制し、天板を冷却することも可能である。天板が加熱されると、例えば、天板上に設けられている不図示のレチクルまたはウエハを保持する機構が加熱されることになり、空隙部は、かかる熱の影響による変形など、レチクルまたはウエハに及ぶ影響を抑制することができる。

また天板が熱膨張して変形することによる、露光領域における位置計測誤差の発生を抑制することが可能になる。更に、露光領域における温度変化に起因する気圧の変化を抑制することにより、位置計測部（１３２０ａ，ｂ，ｃ：図１３を参照）、姿勢計測部（１３３０ａ，ｂ，ｃ）におけるレーザ干渉計の波長の変動を抑え、高精度な露光領域の位置決めを実現することが可能になる。

（デバイス製造方法の例）
次に、第３実施形態の露光装置を利用した半導体デバイスの製造プロセスを説明する。図１１は半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク作製）では設計した回路パターンに基づいてマスクを作製する。

一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記のマスクとウエハを用いて、上記の露光装置によりリソグラフィ技術を利用してウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組み立て工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、ステップ７でこれを出荷する。

上記ステップ４のウエハプロセスは図１２に示すように、ウエハの表面を酸化させる酸化ステップ（ステップ１１）、ウエハ表面に絶縁膜を成膜するＣＶＤステップ（ステップ１２）、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する電極形成ステップ（ステップ１３）、ウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込みステップ（ステップ１４）、ウエハに感光剤を塗布するレジスト処理ステップ（ステップ１５）、上記の露光装置によって回路パターンをレジスト処理ステップ（ステップ１５）後のウエハに転写する露光ステップ（ステップ１６）、露光ステップで露光したウエハを現像する現像ステップ（ステップ１７）、現像ステップで現像したレジスト像以外の部分を削り取るエッチングステップ（ステップ１８）、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くレジスト剥離ステップ（ステップ１９）を有する。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成することができる。

第１実施形態にかかるリニアモータの全体的な構成を示す図である。 第１実施形態における積層コイル列１１６を拡大して図示した図である。 可動子１１０に設けられた永久磁石列１１４の構成を示す図である。 Ｙ軸方向に平行に配置されたコイル列からステージ１１０の裏側（永久磁石列１１４が配置されている面側）を見た状態を示す図である。 Ｘ軸方向に平行に配置されたコイル列から、ステージ１１０の裏側（永久磁石列１１４が配置されている面側）を見た状態を示す図である。 図３（ｂ）において、ＡＡ-ＡＡ部で破断したステージ１１０の断面を示す図である。 ステージ７０１を２次元的に駆動してＸＹ平面内に位置決めするステージシステムを示す図である。 リニアモータにおける可動子と固定子の構造を説明する断面図である。 リニアモータを構成する可動子と固定子の関係を示す、図８の変形例を示す図である。 第１または第２実施形態にかかるリニアモータを露光装置に適用した例を示す図である。 半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。 ステップ４のウエハプロセスを詳細に説明する図である。 ステージ１１０の駆動を制御するための制御回路のブロック図である。

Claims (7)

1. 主極永久磁石と、当該主極永久磁石の周囲に磁場を集める補極永久磁石と、を配置した可動子と、当該主極永久磁石と対向する固定子コイルとを有し、当該主極永久磁石と固定子コイルとの間で、制御電流に基づく推力を発生させるリニアモータであって、
   前記固定子コイルと対向する平面に配置される、第１の永久磁石厚さを備える主極永久磁石と、
   前記固定子コイルと対向し、前記主極永久磁石が配置された同一平面に配置される、第２の永久磁石厚さを備える補極永久磁石と、を備え、
   前記第１及び第２の永久磁石厚さは、第１の永久磁石厚さ＞前記第２の永久磁石厚さ、なる関係を満たすことを特徴とするリニアモータ。
2. 前記第２の永久磁石厚さは、前記第１の永久磁石厚さと前記第２の永久磁石厚さとの差分による前記可動子に働く推力の減少割合に比べて、当該差分による前記可動子の質量の減少割合が大きくなる関係を、満たすことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記第１の永久磁石厚さと、前記第２の永久磁石厚さとの差分に対応する領域には、空隙部が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のリニアモータ。
4. 前記第１の永久磁石厚さと、前記第２の永久磁石厚さとの差分に対応する領域には、前記主極永久磁石及び補極永久磁石とは異なる材質の部材が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のリニアモータ。
5. 前記異なる材質には、多孔質材やハニカム部材、中空部材が含まれることを特徴とする請求項４に記載のリニアモータ。
6. 回路パターンが形成されたレチクルを照明し、当該回路パターンをウエハ上に投影露光する露光装置であって、
   前記レチクルを搭載するレチクルステージと、
   前記ウエハを搭載するウエハステージと、
   前記レチクルステージまたはウエハステージを駆動し、位置決めするリニアモータとを備え、主極永久磁石と、当該主極永久磁石の周囲に磁場を集める補極永久磁石と、を配置した可動子と、当該主極永久磁石と対向する固定子コイルとを有し、当該主極永久磁石と固定子コイルとの間で、制御電流に基づく推力を発生させる、当該リニアモータは、
   前記固定子コイルと対向する平面に配置される、第１の永久磁石厚さを備える主極永久磁石と、
   前記固定子コイルと対向し、前記主極永久磁石が配置された同一平面に配置される、第２の永久磁石厚さを備える補極永久磁石と、を備え、
   前記第１及び第２の永久磁石厚さは、第１の永久磁石厚さ＞前記第２の永久磁石厚さ、なる関係を満たすことを特徴とする露光装置。
7. デバイス製造方法であって、
   基板を請求項６に記載の露光装置で露光する露光工程と、
   前記基板を現像する現像工程と
   を備えることを特徴とするデバイス製造方法。

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