JP2014516236A - リニアモータにおいて永久磁石の保磁力を局所的に向上させる方法 - Google Patents

Abstract

リニアモータ用ハルバッハ配列。高温での逆磁場に起因する、ＮｄＦｅＢ永久磁石のエッジ領域における不可逆減磁を回避するために、該当する各磁石のエッジ領域（図３ＣのＥ_ＬＢ）にジスプロシウムが添加される。ジスプロシウムを添加する位置は該モータの磁場解析から求められる。結果：前記エッジ領域におけるより高い保磁力、及び、これらの磁石の中心部における更に高い残留磁気。

Description

本発明は、モータ、モータの設計方法及び製造方法、ステージ装置、並びに露光装置に係り、特に、複数の磁石を含む磁石ユニットと複数のコイルを含むコイルユニットとを用いて構成されるモータ、該モータの設計方法及び製造方法、前記モータを備えるステージ装置、並びに該ステージ装置を備える露光装置に関する。

リニアモーターカー、電気自動車、ハイブリッドカー、工作機器、露光装置の可動ステージ等の駆動源として、磁場と電流の相互作用による力を利用して直線運動を得るリニアモータ、回転運動を得る回転モータ、さらには平面運動を得る平面モータ等が利用されている。これらのモータは、複数の永久磁石を含む磁石ユニットと複数のコイルを含むコイルユニットとの一方を可動子（あるいは回転子）、他方を固定子とし、固定子に対して可動子を一軸方向、回転方向、あるいは平面方向に駆動するように構成されている。

上述のモータの性能は、永久磁石の特性に強く依存する。永久磁石の特性は、例えば、残留磁束密度Ｂｒ、保磁力Ｈｃ、ＢＨ積（あるいは最大エネルギー積ＢＨ_ｍａｘ）等により表される。ここで、残留磁束密度Ｂｒはヒステリシス曲線（減磁曲線）において磁場の強さを零にしたときの残留している磁束密度、保磁力Ｈｃはその磁束密度をゼロにするために要する減磁場の強さである。

強力な永久磁石を実現するには、残留磁束密度Ｂｒが大きく、且つ保磁力Ｈｃが大きいこと（さらにＢＨ_ｍａｘが大きいこと）を要する。磁石の強さは磁束密度に比例するため、残留磁束密度Ｂｒの大きな磁石ほど強力な磁石となる。さらに、保磁力Ｈｃの大きな磁石ほど、その強い磁力を安定に保ち続けることができるからである。

モータ用の強力な永久磁石として、希土類系磁石が有望である。その代表に、サマリウム・コバルト磁石（Ｓｍ_２Ｃｏ_１７）、ネオジム・鉄・ボロン磁石（Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ）等がある。しかし、これらの磁石は、高温環境下において減磁する性質がある。そこで、保磁力Ｈｃを上げるために、例えば、ジスプロシウムＤｙが添加される（例えば特許文献１参照）。しかし、ジスプロシウムＤｙは高価であり、その価格が安定しないという問題がある。また、ジスプロシウムＤｙの添加により、残留磁束密度Ｂｒが低下する。そのため、少ない量のジスプロシウムＤｙを用いて、残留磁束密度Ｂｒと保磁力Ｈｃとの両方を（さらにＢＨ_ｍａｘを）向上するのは困難であった。

米国特許出願公開第２００８／０２４５４４２号明細書

本発明は、上述の事情の下でなされたものであり、第１の観点からすると、複数の磁石を含む磁石ユニットと複数のコイルを含むコイルユニットとを用いて構成されるモータの設計方法であって、前記コイルユニットに対応して配列された前記磁石ユニットに含まれる複数の磁石が誘導する磁場を解析し、該解析結果に基づいて前記複数の磁石のそれぞれについて該磁石の内部における保磁力を向上させる成分の分布を決定することと、前記保磁力を向上させる成分の分布に基づいてそれぞれ構成される前記複数の磁石を用いて前記磁石ユニットを設計することと、を含むモータの設計方法である。

これによれば、複数の磁石内の磁場の解析結果に基づいて複数の磁石のそれぞれについて保磁力を向上させる成分の分布を決定し、その分布に基づいて複数の磁石のそれぞれが構成される。これにより、少ない量の保磁力を向上させる成分を用いて、残留磁束密度と保磁力との両方が改善された強い磁力と高い耐熱性能を備えた永久磁石を実現することが可能となる。そして、その永久磁石を用いて磁石ユニットを、その磁石ユニットを用いてモータを設計することにより、モータの性能を改善することが可能となる。

本発明は、第２の観点からすると、本発明のモータの設計方法によりモータを設計することと、前記設計結果に従ってモータを製造することと、を含むモータの製造方法である。

これによれば、駆動力の大きいモータを製造することが可能となる。

本発明は、第３の観点からすると、本発明のモータの設計方法により設計され、該設計結果に従って製造された第１のモータである。

これによれば、駆動力の大きいモータが得られる。

本発明は、第４の観点からすると、複数の磁石を含む磁石ユニットと複数のコイルを含むコイルユニットとを用いて構成されるモータであって、前記コイルユニットに対応して配列された前記磁石ユニットに含まれる複数の磁石が誘導する磁場を解析し、該解析結果に基づいて前記複数の磁石のそれぞれについて該磁石の内部における保磁力を向上させる成分の分布を決定し、該分布に基づいてそれぞれ構成される前記複数の磁石を用いて前記磁石ユニットが設計された第２のモータである。

これによれば、複数の磁石内の磁場の解析結果に基づいて複数の磁石のそれぞれについて保磁力を向上させる成分の分布を決定し、その分布に基づいて複数の磁石のそれぞれが構成される。これにより、少ない量の保磁力を向上させる成分を用いて、残留磁束密度と保磁力との両方が改善された強い磁力と高い耐熱性能を備えた永久磁石を実現することが可能となる。そして、その永久磁石を用いて磁石ユニットを、その磁石ユニットを用いてモータを設計することにより、モータの性能を改善することが可能となる。

本発明は、第５の観点からすると、本発明の第２のモータと、前記モータを構成する前記磁石ユニットと前記コイルユニットとの一方が設けられたステージ支持部材と、前記ステージ支持部材に支持され、前記磁石ユニットと前記コイルユニットとの他方が設けられたステージと、を備えるステージ装置である。

これによれば、高速駆動可能なステージ装置が得られる。

本発明は、第６の観点からすると、マスクに形成されたパターンを物体に転写する露光装置であって、前記マスク及び前記物体との少なくとも一方の移動装置として、本発明のステージ装置を備える露光装置である。

これによれば、マスク及び物体との少なくとも一方を高速駆動する高スループットな露光装置が得られる。

図１（Ａ）は一実施形態に係るリニアモータの外観を示す斜視図、図１（Ｂ）はリニアモータのＸＹ断面図である。 図２（Ａ）はリニアモータのＹＺ断面の拡大図、図２（Ｂ）は可動子（磁石ユニット）に含まれる永久磁石の配列及び磁極の向きを示す図である。 図３（Ａ）は磁石ユニット内の永久磁石の配列を示す図、図３（Ｂ）は磁場解析により求められた磁石ユニット内の永久磁石の内部の磁束密度分布を示す図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）及び図３（Ｂ）の楕円Ｃ内を拡大して示す図である。 図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、永久磁石の減磁評価の結果を示す図である。 リニアモータの性能評価の結果を示す表である。 一実施形態の露光装置の概略構成を示す斜視図である。 レチクルステージ装置の概略構成を示す斜視図である。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜図７を用いて説明する。

図１（Ａ）には本実施形態に係るリニアモータ８０の外観を示す斜視図、図１（Ｂ）にはリニアモータ８０の概略構成を表すＸＹ断面図が示されている。リニアモータ８０は、ムービングマグネット型のローレンツ力（電磁力）駆動方式のリニアモータである。リニアモータ８０は、駆動方向（ここではＸ軸方向とする）を長手とする平板状のコイルユニット８０Ａから成る固定子（以下ではコイルユニット８０Ａと同じ符号を用いて示す）と、固定子８０Ａを挟んでその表裏（±Ｙ側）に配置される磁石ユニット８０Ｂ_１，８０Ｂ_２から成る可動子（以下では磁石ユニット８０Ｂ_１，８０Ｂ_２と同じ符号を用いて示す）とから構成されている。

図２（Ａ）には、リニアモータ８０の具体的構成が示されている。コイルユニット８０Ａは、３相コイルを構成する１４個のコイル（５つのＵ相コイルと、５つのＶ相コイルと、４つのＷ相コイル）を含む。図２（Ａ）では、８つのコイルＵ２，Ｖ２，Ｗ２，Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３，Ｕ４，Ｖ４が示されている。これらのコイルは、非磁性体材料から成るベース８０Ａ_０の内部に、Ｘ軸方向に一定間隔で配列されている。

図２（Ｂ）に示されるように、磁石ユニット８０Ｂ_１は、ヨーク材８０Ｂ_１０上にＸ軸方向に配列された４０の永久磁石（以下、単に磁石と呼ぶ）Ｍ_ｉｊ（ｉ＝１〜５、ｊ＝１〜８）を含む。磁石Ｍ_ｉｊとして、例えばネオジム・鉄・ボロン磁石（Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ）の希土類系磁石が採用される。また、ヨーク材８０Ｂ_１０として、透磁率が高く飽和磁化の大きな磁性体が採用される。なお、磁石ユニットは、例えば４０個の磁石を個別に用意しても良いし、1個の磁石を磁極の向きに応じて４０の領域に分けることで構成しても良い。

磁石Ｍ_ｉｊは、ＸＹ面内における磁極の向き及びＸ軸方向の幅の異なる８つの磁石（例えば磁石Ｍ_２１，Ｍ_２２，Ｍ_２３，Ｍ_２４，Ｍ_２５，Ｍ_２６，Ｍ_２７，Ｍ_２８）を単位ユニット（ユニットＭＵ２）とし、５つのユニットＭＵ１〜ＭＵ５のいずれかに分類される。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）では、コイルユニット８０Ａ内の８つのコイルＵ２，Ｖ２，Ｗ２，Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３，Ｕ４，Ｖ４に対向している磁石が示されている。

磁石ユニット８０Ｂ_２も、磁石ユニット８０Ｂ_１と同様に構成されている。ただし、磁石ユニット８０Ｂ_２内の磁石の磁極の向きが、コイルユニット８０Ａの中心（基準線Ｌｃ）を基準にして、磁石ユニット８０Ｂ_１内の磁石の磁極の向きに対して逆になるように配置されている。

磁石ユニット８０Ｂ_１，８０Ｂ_２内の磁石は、コイルユニット８０Ａの中心（基準線Ｌｃ）上で正弦的分布の磁場（磁束密度）を誘導するように、それらの配列、すなわちＸＹ面内における磁極の向き及びＸ軸方向の幅が定められている。図２（Ｂ）では、各磁石の磁極の向き（Ｓ極からＮ極の向き）が矢印を用いて示されている。磁極の向きは、隣接する磁石の磁極の向きに対して４５度ずれている。例えば、ユニットＭＵ２内の磁石Ｍ_２１，Ｍ_２２，Ｍ_２３，Ｍ_２４，Ｍ_２５，Ｍ_２６，Ｍ_２７，Ｍ_２８の磁極の向きは、順に−４５度ずつ回転し、隣接するユニットＭＵ３内の磁石Ｍ_３１の磁極の向きは磁石Ｍ_２１のそれと同じになる。

ただし、磁極の向きのずれの角度は４５度に限るものではない。例えば、磁石の数を増やしてずれの角度を４５度よりも小さい角度にして磁極の向きを回転させていく構成も可能である。また、全ての磁石間でずれの角度を等しくせずに、最終的に１ユニットで元の角度に戻るように適宜ずれの角度を設定するようにしてもよい。

磁石のＸ軸方向の幅は、磁極の向きがＹ軸方向のものが他の向きのものより大きく定められている。例えば、ユニットＭＵ２については、磁石Ｍ_２４，Ｍ_２８の幅は、他の磁石Ｍ_２１，Ｍ_２２，Ｍ_２３，Ｍ_２５，Ｍ_２６，Ｍ_２７の幅より大きい。ユニット単位のＸ軸方向の幅は、各１のＵ相、Ｖ相、及びＷ相コイルの配列ピッチに対して、２つの単位ユニットの磁石が配列されるように定められている。但し、これらの構成に限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。

上述のリニアモータ８０を例に、本発明のモータの設計方法について説明する。

第１ステップにおいて、リニアモータ８０、特にリニアモータ８０に含まれる磁石ユニット８０Ｂ_１，８０Ｂ_２（及びコイルユニット８０Ａ）を設計する。前述の通り、コイルユニット８０Ａの構成（コイルの配列等）に対応して、基準線Ｌｃ上（例えば、駆動時にコイルユニット８０Ａが存在することになる位置）で所定の磁束密度分布の磁場を誘導するように、磁石ユニット８０Ｂ_１，８０Ｂ_２内においてヨーク材８０Ｂ_１０，８０Ｂ_２０上での磁石Ｍ_ｉｊ（ｉ＝１〜５、ｊ＝１〜８）の配列、すなわち各磁石の磁極の向き、幅等が決定される。それにより、図３（Ａ）に示されるように、磁石ユニット８０Ｂ_１，８０Ｂ_２が設計される。

第２ステップにおいて、上述のように設計された磁石ユニット８０Ｂ_１，８０Ｂ_２、すなわち磁石Ｍ_ｉｊ（ｉ＝１〜５、ｊ＝１〜８）とヨーク材８０Ｂ_１０，８０Ｂ_２０等から構成される磁気回路において、磁石Ｍ_ｉｊが誘導する磁場を解析する。解析には、例えば、有限要素法を用いた電磁場解析手法を用いることができる。また、解析では、上で決定された磁石Ｍ_ｉｊとヨーク材８０Ｂ_１０，８０Ｂ_２０の配置等に加えて、磁石の組成より定まる残留磁束密度、保磁力、透磁率等の各磁石の特性、ヨーク材の透磁率（さらには透磁率が磁場の強さに依存すること）等が考慮される。

磁石Ｍ_ｉｊが誘導する磁場（磁束密度）Ｂは、それぞれの磁石が有する磁化Ｉと磁場の強さＨとから、Ｂ＝Ｉ＋μＨと与えられる。ここで、係数μは透磁率である。磁石の内部では、磁化Ｉ自身が誘導する反磁場Ｈｄ（＞０）のため、磁束密度Ｂは、反磁場Ｈｄによる磁束密度の分だけ磁化Ｉより小さくなる。また、隣接する磁石の磁化及びヨーク材８０Ｂ_１０，８０Ｂ_２０の磁化が誘導する磁場が減磁場（増磁場）として作用することにより、さらに磁束密度Ｂが小さくなる（又は大きくなる）。

上述の磁場解析により、図３（Ｂ）に示されるように、磁石の内部における磁場（磁束密度分布）が求められる。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）において楕円Ｃにより示される磁石Ｍ_２３，Ｍ_２４，Ｍ_２５，Ｍ_２６，Ｍ_２７，Ｍ_２８，Ｍ_３１内部における磁束密度分布が拡大して示されている。磁石内の領域Ｅ_ＬＢ、例えば磁極の向きが＋Ｙ方向の磁石Ｍ_２４の−Ｙ部、この磁石Ｍ_２４の両側に位置する磁石Ｍ_２３，Ｍ_２５の磁石Ｍ_２４との境界近傍、磁極の向きが−Ｘ方向の磁石Ｍ_２６の＋Ｙ部、磁極の向きが−Ｙ方向の磁石Ｍ_２８の−Ｙ部、及びこの磁石Ｍ_２８の両側に位置する磁石Ｍ_２７，Ｍ_３１の磁石Ｍ_２８との境界近傍では、他の領域に比べて磁場が弱い（磁束密度が低い）ことが分かる。

上の解析結果において、磁場の弱い領域Ｅ_ＬＢでは、それぞれの磁石が有する磁化が誘導する反磁場又は隣接／対向する磁石による磁界あるいはヨーク材（またはコイルユニット８０Ａとの間の空間）が誘導する減磁場（減磁場と総称する）、が強いことを意味する。この減磁場の強さＨ’がそれぞれの磁石が有する保磁力Ｈｃより大きいと（Ｈ’＞Ｈｃ）、その磁石は減磁され、磁石としての機能が低下してしまう。従って、磁石ユニット８０Ｂ_１，８０Ｂ_２を構成する磁石Ｍ_ｉｊ（ｉ＝１〜５、ｊ＝１〜８）として、Ｈ’＞Ｈｄが求められる。一方、その他の磁場の強い領域については、減磁場Ｈ’が弱いことを意味する。これらの領域では、保磁力Ｈｃが幾らか小さくても、その磁石が減磁されることはない。従って、磁石Ｍ_ｉｊ（ｉ＝１〜５、ｊ＝１〜８）内の磁場の弱い領域Ｅ_ＬＢについてのみ、その他の磁場の強い領域より高い保磁力Ｈｃが必要となる。

高い保磁力Ｈｃを得るためには、前述の通り、ネオジム・鉄・ボロン磁石（Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ）の希土類系磁石に対して、保磁力Ｈｃを上げる成分を添加すると良い。ここでは、ジスプロシウムＤｙを選択する。それにより、高い保磁力Ｈｃが得られるとともに、高温環境下においても減磁し難くなる。しかし、ジスプロシウムＤｙは高価であり、その価格が安定しないという問題がある。また、ジスプロシウムＤｙの添加により、残留磁束密度Ｂｒが低下するという問題がある。

そこで、第３ステップにおいて、上の解析結果に基づいて、磁石内の磁場の弱い領域（減磁場の強い領域）Ｅ_ＬＢにのみジスプロシウムＤｙを添加する、又は領域Ｅ_ＬＢにその他の領域より相対的に多くのジスプロシウムＤｙを添加するように、ジスプロシウムＤｙの添加分布を決定する。ここでは、添加分布を領域Ｅ_ＬＢに等しく定めることとする。これにより、領域Ｅ_ＬＢでは高い保磁力Ｈｃが得られ、その他の領域では強い残留磁束密度Ｂｒが維持される。従って、個々の磁石全体として、少ない量のジスプロシウムＤｙを用いて、残留磁束密度と保磁力との両方が改善され、強い磁力と高い耐熱性能を備えた磁石を得ることができる。

また、保磁力Ｈｃを上げる成分の添加分布を決定するとともに、例えば残留磁束密度Ｂｒを向上する成分の添加の分布、耐熱性能を向上する成分の添加の分布を決定することとしても良い。かかる場合、これらの分布は、保磁力Ｈｃを上げる成分の添加を優先するため、領域Ｅ_ＬＢ以外の領域に領域Ｅ_ＬＢより相対的に多く添加するように決定すると良い。

なお、第２ステップでは、磁場が所定の閾値より弱い（磁束密度が閾値より低い）領域を領域Ｅ_ＬＢとして求めるが、第３ステップにおいて、少ない量のジスプロシウムＤｙを用いて高い残留磁束密度と高い保磁力を得るために、それぞれの磁石の配置、すなわち磁極の向き、残留磁束密度、保磁力等に基づいて、閾値を適切に選択する必要がある。一例として、各磁石についての減磁曲線の最大変曲点における磁束密度、各磁石内部の磁束密度の平均等を基準にして閾値を与えると良い。また、本実施形態では、閾値を１つのみ設定したが、それに限定されるものではない。例えば、磁石の磁束密度の大きさに基いて複数の閾値を設定し、各閾値に応じてジスプロシウムＤｙの添加量やその分布状態あるいはその両方を決めるようにしても良い。

第４ステップにおいて、上で得られた添加の分布に基づいてジスプロシウムＤｙを添加して、磁石Ｍ_ｉｊ（ｉ＝１〜５、ｊ＝１〜８）のそれぞれを構成する。ここで、図３（Ｃ）に示されるように領域Ｅ_ＬＢは、磁石の境界の一部に接している。そこで、例えば、その一部の磁石の境界表面に、Ｄｙ酸化物、Ｄｙフッ化物、又はＤｙを含む合金の粉末を被覆し、高温処理して磁石内部に拡散させることにより、領域Ｅ_ＬＢにのみジスプロシウムＤｙを添加することができる。なお、ジスプロシウムＤｙ等、添加成分の添加の詳細については、例えば特開２０１０−１３５５２９号公報（対応する米国特許出願公開第２０１１／０２１０８１０号明細書）に開示されている。

上述のように構成された磁石Ｍ_ｉｊ（ｉ＝１〜５、ｊ＝１〜８）を用いて磁石ユニット８０Ｂ_１，８０Ｂ_２を設計し、それらを用いてリニアモータ８０を構成する。

ここで、磁石ユニット８０Ｂ_１，８０Ｂ_２内の磁石Ｍ_ｉｊ（ｉ＝１〜５、ｊ＝１〜８）の配列（各磁石の磁極の向き、幅等）を再度決定し（ステップ１を行い）、さらにステップ２，３，４を繰り返し行ってもよい。これにより、より最適な構成のリニアモータ８０を設計することが可能となる。

上述のように設計された磁石の減磁特性を評価した。その評価結果が、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示されている。図４（Ａ）より、ジスプロシウムＤｙの添加なしの磁石は常温（約２０度）以上の温度で減磁するのに対し、本実施形態の磁石（開発品）は約６０度までの温度において減磁しないことがわかる。なお、温度６０度は、後述する露光装置１０においてリニアモータを使用する環境温度の上限である。また、図４（Ｂ）より、全体にわたってジスプロシウムＤｙが添加された磁石は本実施形態の磁石と同様の減磁特性を示すが、磁力が弱いことがわかる。従って、少ない量のジスプロシウムＤｙを用いて効率良く残留磁束密度と保磁力との両方を改善して、強い磁力と高い耐熱性能を備えた磁石が得られたことが分かる。

本実施形態の設計を用いると、ジスプロシウムＤｙは、磁石Ｍ_ｉｊ（ｉ＝１〜５、ｊ＝１〜８）に対して略一様に全体的に拡散させるのではなく、局所的、選択的に拡散させることになるので、その添加量を減らすことが可能になる。この場合、個々の磁石において、その磁束の向きとジスプロシウムＤｙが分布する領域との位置関係は、磁石が磁気回路のどの部分に配置されているかによって異なると言える。例えば、磁石ユニット８０Ｂ_１のうちの、磁石Ｍ_２４に関してみると、磁極の向きが第１方向（ここでは−Ｙ方向）なのに対し、ジスプロシウムＤｙが第１方向に対して第１の状態となる領域で分布（磁極方向を表す矢印の先端側に分布）している一方、磁石_２8に関してみると、磁極の向きが第２方向（ここでは＋Ｙ方向）なのに対し、ジスプロシウムＤｙが第２方向に対して前記第１の状態とは異なる第２の状態となる領域で分布(磁極方向を矢印の後端側に分布)していることになる。

なお、上記実施形態では、磁石Ｍ_ｉｊ（ｉ＝１〜５、ｊ＝１〜８）の全てに対し、領域Ｅ_ＬＢの分布を求め、その領域に選択的にジスプロシウムＤｙを添加したが、このような構成に限定されるものではない。例えば、ＭＵ１〜ＭＵ５のうちの１つの単位ユニット中で、所定の１方向に向いた磁極を有する磁石（領域）にのみ、本実施形態の設計方法を適用させても、少なくともその磁石分に関しては同様の効果を奏することが可能である。

上述の磁石を用いて設計、製造されたリニアモータ８０の性能評価を行った。図５に、２つの試作機（その１及びその２）と現行機についての評価結果が示されている。２つの試作機では、現行機に対して、磁束密度において４．０％及び２．５％の向上（不図示）、推力定数について６．５２％及び４．０８％の向上、発熱量について１１．８７％及び７．６９％の低減が得られた。

上述のように設計、製造されたリニアモータ８０を用いて構成される露光装置１０について説明する。

図６には、本実施形態に係る露光装置１０の概略構成が示されている。露光装置１０は、ステップ・アンド・スキャン方式でマスクとしてのレチクルのパターンを基板としての液晶用ガラスプレートに転写する液晶用の走査型露光装置である。

露光装置１０は、照明系１２、レチクルステージ装置１４、プレートステージ装置１６、不図示の投影光学系及びこの投影光学系が設けられた本体コラム１８等を備えている。

本体コラム１８は、設置床の上面に載置されたベースフレーム（フレームキャスタ）２０の上面に複数（ここでは４つ）の防振パッド２２を介して水平に保持された定盤２４と、定盤２４上に固定された第１コラム２６と、第１コラム２６上に設けられた不図示の第２コラム等から構成されている。

この内、定盤２４は、後述するプレートステージのベースを構成するもので、定盤２４の上面にプレートステージの移動面２４ａが形成されている。

第１コラム２６には、不図示の投影光学系がその光軸方向をＺ軸方向として保持されている。投影光学系としては、ここでは両側テレセントリックな屈折光学系が用いられており、その投影倍率は例えば等倍となっている。

第２コラムは、投影光学系を囲むような状態で第１コラム２６の上面に固定されており、第２コラム上に図６に示されるレチクルステージベース２８が水平に固定されている。レチクルステージベース２８の上面にレチクルステージＲＳＴの移動面２８ａが形成されている。

このようにして構成された本体コラム１８に対する設置床からの振動は、防振パッド２２によってマイクロＧレベルで絶縁されている。

照明系１２は、例えば特開平９−３２０９５６号公報に開示されるように、光源ユニット、シャッタ、２次光源形成光学系、ビームスプリッタ、集光レンズ系、レチクルブラインド、及び結像レンズ系等（いずれも不図示）から構成され、レチクルステージＲＳＴに保持されたレチクルＲ（図７参照）上の矩形（あるいは円弧状）の照明領域を均一な照度で照明する。照明系１２は、図６に示されるように、一対の支持部材１３Ａ、１３Ｂをそれぞれ介して本体コラム１８とは別に設けられた一対の保持部材としてのリアクションフレーム４０Ａ、４０Ｂの上部に支持されている。リアクションフレーム４０Ａ、４０Ｂの下端は、ベースフレーム２０の側方にて設置床に接続されている。

レチクルステージ装置１４は、図７に示されるように、レチクルステージＲＳＴと、レチクルステージＲＳＴを移動面２８ａに沿って駆動する駆動装置を構成する一組のリニアモータ３０、３２とを備えている。

これを更に詳述すると、レチクルステージＲＳＴの下面には不図示のエアーパッドが複数配置されており、これらのエアーパッドによって移動面２８ａに対して所定のクリアランスを介して浮上支持されている。レチクルステージＲＳＴの中央部には、断面矩形の凹部１５が形成されており、凹部１５の内底部にレチクルＲが真空吸着等によって固定されるようになっている。凹部１５の内底部（レチクルＲの裏面側）には、照明光の通路を形成する矩形の開口（図示省略）が形成されている。

リニアモータ３０は、レチクルステージベース２８の上方に配置され（図６参照）、走査方向（ここではＹ軸方向とする）に沿って延びる断面コの字状の磁極ユニットから成る固定子（ステータ）３０Ａと、レチクルステージＲＳＴのＸ方向一側（−Ｘ側）の側面に一体的に固定された電機子ユニットから成る可動子（ローター）３０Ｂとから構成されている。固定子３０Ａは、実際には、リアクションフレーム４０Ａの上部突出部の先端に固定されている。

リニアモータ３２は、図７に示されるように、レチクルステージベース２８の上方に配置され（図６参照）、Ｙ軸方向に沿って延びる断面コの字状の磁極ユニットから成る固定子（ステータ）３２Ａと、レチクルステージＲＳＴのＸ方向他側（＋Ｘ側）の側面に一体的に固定された電機子ユニットから成る可動子（ローター）３２Ｂとから構成されている。固定子３２Ａは、実際には、リアクションフレーム４０Ｂの上部突出部の先端に固定されている。

リニアモータ３０，３２として、前述のリニアモータ８０と同様の構成のローレンツ力（電磁力）駆動方式のリニアモータが用いられている。リニアモータ３０，３２の磁極ユニット（固定子３０Ａ，３２Ａ）と電機子ユニット（可動子３０Ｂ，３２Ｂ）とが、それぞれ、リニアモータ８０の磁石ユニット８０Ｂ_１，８０Ｂ_２とコイルユニット８０Ａに対応する。ただし、リニアモータ３０，３２はムービングコイル型のモータであり、磁極ユニットと駆動方向（Ｙ軸方向）の長さは電機子ユニットより短い。この点を除いて、リニアモータ３０，３２はリニアモータ８０と同様に構成されている。

以上詳細に説明したように、本実施形態のリニアモータ８０及びその設計方法並びに製造方法によると、コイルユニット８０Ａに対応して配列された磁石ユニット８０Ｂ_１，８０Ｂ_２に含まれる複数の磁石Ｍ_ｉｊ（ｉ＝１〜５、ｊ＝１〜８）が誘導する磁場を解析し、その解析結果に基づいてそれぞれの磁石の内部における保磁力を向上させる成分の分布を決定し、その分布に基づいて複数の磁石のそれぞれが構成される。これにより、少ない量の保磁力を向上させる成分を用いて、残留磁束密度と保磁力との両方が改善された強い磁力と高い耐熱性能を備えた永久磁石を実現することが可能となる。そして、その永久磁石を用いて磁石ユニットを、その磁石ユニットを用いてモータを設計することにより、駆動力の大きい高速駆動可能な高性能のモータを設計・製造することが可能となる。

また、本実施形態のレチクルステージ装置１４は、駆動源としてリニアモータ８０と同様の構成のリニアモータ３０，３２が用いられている。これにより、レチクルステージＲＳＴを高速駆動することのできる高性能なステージ装置が得られる。

また、本実施形態の露光装置１０は、リニアモータ８０と同様の構成のリニアモータ３０，３２が用いられたレチクルステージ装置１４が備えられている。これにより、マスクを高速駆動する高スループットな露光装置が得られる。

なお、本実施形態のレチクルステージ装置１４及び露光装置１０では、本発明のリニアモータ８０と同様の構成のリニアモータ３０，３２をレチクルステージＲＳＴの駆動源として用いたが、プレートステージ装置１６におけるプレートステージＰＳＴの駆動源として用いることも可能である。

また、上記実施形態では、リニアモータ８０と同様の構成のリニアモータを備えた液晶用の走査型露光装置について説明したが、これに限らず、リニアモータ８０と同様の構成のリニアモータ及びこれを備えたステージ装置は、半導体素子製造用のスキャニング・ステッパにも同様に適用できることは勿論である。また、ステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置（いわゆるステッパ）等の静止露光型の露光装置、あるいは電子線露光装置（ＥＢ露光装置）などの露光装置は勿論、レーザリペア装置その他ＸＹステージを備えた装置であれば好適に適用できる。

また、上記実施形態のリニアモータ８０の設計方法並びに製造方法は、リニアモータに限らず、回転モータ及び平面モータについても利用することができる。

また、上記実施形態のリニアモータ８０は、ステージ装置及び露光装置に限らず、リニアモーターカー、電気自動車、ハイブリッドカー等、高温環境の中で使用されるモータに好適である。

なお、これまでの説明で引用した露光装置などに関する全ての公報、米国特許出願公開明細書の開示を援用して本明細書の記載の一部とする。

本発明のモータは、高速駆動可能なステージ装置の動力源に適している。本発明のモータの設計方法及び製造方法は、大きな残留磁束密度と保磁力とを有する永久磁石を実現し、その永久磁石を用いて高性能のモータを設計・製造するのに適している。また、本発明のステージ装置は、ステージを高速駆動するのに適している。また、本発明の露光装置は、物体を露光するのに適している。

Claims (24)

1. 複数の磁石を含む磁石ユニットと複数のコイルを含むコイルユニットとを用いて構成されるモータの設計方法であって、
   前記コイルユニットに対応して配列された前記磁石ユニットに含まれる複数の磁石が誘導する磁場を解析し、該解析結果に基づいて前記複数の磁石のそれぞれについて該磁石の内部における保磁力を向上させる成分の分布を決定することと、
   前記保磁力を向上させる成分の分布に基づいてそれぞれ構成される前記複数の磁石を用いて前記磁石ユニットを設計することと、
   を含むモータの設計方法。
2. 請求項１に記載のモータの設計方法において、
   前記決定することでは、前記保磁力を向上させる成分の分布は、前記複数の磁石のそれぞれの内部における前記磁場の強度が閾値より小さい領域の分布から決定されるモータの設計方法。
3. 請求項２に記載のモータの設計方法において、
   前記保磁力を向上させる成分の分布は、前記保磁力を向上させる成分が、前記磁場の強度が閾値より大きい領域に比べて小さい領域に多く含まれるように決定されるモータの設計方法。
4. 請求項２に記載のモータの設計方法において、
   前記保磁力を向上させる成分と異なる添加成分の分布は、前記添加成分が、前記磁場の強度が閾値より小さい領域に比べて大きい領域に多く含まれるように決定されるモータの設計方法。
5. 請求項２〜４のいずれか一項に記載のモータの設計方法において、
   前記閾値は、前記複数の磁石のそれぞれの磁極の向きと残留磁束密度と保磁力とのうちの少なくとも１つから決定されるモータの設計方法。
6. 請求項２〜５のいずれか一項に記載のモータの設計方法において、
   前記閾値は、前記複数の磁石のそれぞれについての減磁曲線の最大変曲点における磁束密度から与えられるモータの設計方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のモータの設計方法において、
   前記複数の磁石は、前記コイルユニットの基準面上で該コイルユニットに含まれる複数のコイルの配置に対応する磁束密度分布を構成するように配列されるモータの設計方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のモータの設計方法において、
   前記設計することでは、前記保磁力を向上させる成分の分布に基づいて、前記保持力を向上する成分を部分的に添加してそれぞれ構成される前記複数の磁石が用いられるモータの設計方法。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のモータの設計方法において、
   前記複数の磁石のそれぞれは、少なくともＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂを含む希土類系磁石であり、
   前記保磁力を向上させる成分は、ジスプロシウムであるモータの設計方法。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のモータの設計方法において、
    前記モータは、前記磁石ユニットと前記コイルユニットとの一方を可動子、他方を固定子とし、前記固定子に対して前記可動子が一軸方向に移動するリニアモータであるモータの設計方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のモータの設計方法によりモータを設計することと、
    前記設計結果に従ってモータを製造することと、
    を含むモータの製造方法。
12. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のモータの設計方法により設計され、該設計結果に従って製造されたモータ。
13. 複数の磁石を含む磁石ユニットと複数のコイルを含むコイルユニットとを用いて構成されるモータであって、
    前記コイルユニットに対応して配列された前記磁石ユニットに含まれる複数の磁石が誘導する磁場を解析し、該解析結果に基づいて前記複数の磁石のそれぞれについて該磁石の内部における保磁力を向上させる成分の分布を決定し、該分布に基づいてそれぞれ構成される前記複数の磁石を用いて前記磁石ユニットが設計されたモータ。
14. 請求項１３に記載のモータにおいて、
    前記保磁力を向上させる成分の分布は、前記複数の磁石のそれぞれの内部における前記磁場の強度が閾値より小さい領域の分布から決定されるモータ。
15. 請求項１４に記載のモータにおいて、
    前記保磁力を向上させる成分の分布は、前記保磁力を向上させる成分が、前記磁場の強度が閾値より大きい領域に比べて小さい領域に多く含まれるように決定されるモータ。
16. 請求項１４に記載のモータにおいて、
    前記保磁力を向上させる成分と異なる添加成分の分布は、前記添加成分が、前記磁場の強度が閾値より小さい領域に比べて大きい領域に多く含まれるように決定されるモータ。
17. 請求項１４〜１６のいずれか一項に記載のモータにおいて、
    前記閾値は、前記複数の磁石のそれぞれの磁極の向きと残留磁束密度と保磁力とのうちの少なくとも１つから決定されるモータ。
18. 請求項１４〜１７のいずれか一項に記載のモータにおいて、
    前記閾値は、前記複数の磁石のそれぞれについての減磁曲線の最大変曲点における磁束密度から与えられるモータ。
19. 請求項１３〜１８のいずれか一項に記載のモータにおいて、
    前記複数の磁石は、前記コイルユニットの基準面上で該コイルユニットに含まれる複数のコイルの配置に対応する磁束密度分布を構成するように配列されるモータ。
20. 請求項１３〜１９のいずれか一項に記載のモータにおいて、
    前記保磁力を向上させる成分の分布に基づいて、前記保持力を向上する成分を部分的に添加してそれぞれ構成される前記複数の磁石が用いられるモータ。
21. 請求項１３〜２０のいずれか一項に記載のモータにおいて、
    前記複数の磁石のそれぞれは、少なくともＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂを含む希土類系磁石であり、
    前記保磁力を向上させる成分は、ジスプロシウムであるモータ。
22. 請求項１３〜２１のいずれか一項に記載のモータにおいて、
    前記モータは、前記磁石ユニットと前記コイルユニットとの一方を可動子、他方を固定子とし、前記固定子に対して前記可動子が一軸方向に移動するモータ。
23. 請求項２２に記載のモータと、
    前記モータを構成する前記磁石ユニットと前記コイルユニットとの一方が設けられたステージ支持部材と、
    前記ステージ支持部材に支持され、前記磁石ユニットと前記コイルユニットとの他方が設けられたステージと、
    を備えるステージ装置。
24. マスクに形成されたパターンを物体に転写する露光装置であって、
    前記マスク及び前記物体との少なくとも一方の移動装置として請求項２３に記載のステージ装置を備える露光装置。