CN102393611B - 光刻机工件台磁预紧平衡定位*** - Google Patents

Abstract

光刻机工件台磁预紧平衡定位***属于半导体光刻技术领域；该***主要包括基台、平衡质量***、磁预紧***、运动单元、硅片台、平衡质量防漂移***，平衡质量***由两个互相嵌套的框架组成，具有X、Y方向自由度，上部建有运动单元，利用动量守恒原理削弱运动部件对基台的冲击力；平衡质量防漂移***用于补偿平衡质量***因受外界阻力而在工作期间产生的位置偏移；磁预紧***用于实时补偿工件台沿Z轴的扭转；本发明能够有效降低机内振动，抵偿工件台沿Z轴的扭转，进而大幅提高硅片台的运动定位精度。

Description

光刻机工件台磁预紧平衡定位***

技术领域

本发明属于半导体光学光刻制造技术领域，主要涉及光刻机中的超精密硅片运动定位***，特别是具有平衡质量减振装置的高速工件台定位***。

背景技术

光学光刻技术是半导体芯片制造业中的主流技术，相对于其他光刻技术，光学光刻技术具有生产率高、定位精度高等优点。作为集成电路芯片前道生产过程中最重要的工序之一，它的基本原理是利用以光致抗蚀剂为中间媒介实现图形的变换、转移和处理，最终把图像信息传递到硅片上，即将掩模板上的设计电路图按照一定的比例缩小转印到半导体芯片上的一种工艺过程，该工序所需设备称为光刻机。

单个半导体芯片上晶体管数目的增长是以光刻技术能得到的特征线宽不断缩小来推动的。线宽也称为制程，是指芯片中晶体管之间导线的连线宽度。目前INTEL公司生产的45nm制程CPU已经得到了广泛应用，32nm制程的CPU也已经投放市场。随着对光刻线宽、套刻精度、生产率等要求的不断提高，对作为光刻机的核心部件之一的超精密高速工件台的定位和减振要求也不断提高。由于光刻机工件台的定位精度直接决定了转印后硅片上电路的线宽大小。全球三大光刻设备生产商：荷兰ASML，日本NIKON，日本CANON，在各自产品系列的研发中，均对光刻机工件台作了大量研究，并结合实际生产过程不断进行改进。他们在其产品中普遍使用了平衡质量减振技术，由于光刻机工件台主要具有三个方向的运动自由度，即X、Y和沿Z轴扭转。所以主要考虑这三个自由度方向上的振动抑制和定位精度。

光刻机工作过程中产生的振动主要由内部振动和外部振动两部分组成。在早期的生产工艺中，硅片直径不大于200mm且对线宽和产率要求较低，光刻机内部振动影响较小，主要考虑消除外部振动。目前300mm直径的硅片已经得到广泛应用，而且产率也不断提高。光刻机的内部振动对各项设备指标的影响越来越大，尤其对光刻精度和速度的不断提高起了严重的制约作用。

光刻机工件台在工作过程中具有较高的运动加速度和运动速度，尤其在高加速度起停过程中，工件台产生的冲击力若得不到很好的缓冲，会对基台产生较大振动，这是光刻机机内振动的主要来源。另外，工件台在X、Y向平面运动过程中，偏离中轴线的加减速运动会造成工件台沿Z轴的扭转，这对于高精度的定位来说不容忽视，需要采取措施抑制。

针对以上问题，国内外相关厂商和研究机构进行了大量的研究，目前采取的主要技术手段是利用动量守恒原理，采取平衡质量减振机构削弱光刻机内部振动。

专利US6885430B2、ZL200710045582、US7034920B2、ZL200410009257、ZL200710042417均利用该原理进行设计。

在专利US6885430B2中，Nikon公司采取了双硅片台的形式，一个硅片台预对准的同时，另一个进行光刻。硅片台建立在X方向和Y方向独立的两个平衡质量块上，平衡质量块上安装了直线电机定子并通过气浮轴承与基座进行连接，当直线电机带动硅片台运动时，作用在电机定子上的反作用力推动了平衡质量块向相反方向运动(动量守恒)。由于平衡质量块是气浮连接于基座上，这就避免了反作用力对基座的直接冲击，振动得以削弱。X、Y向平衡质量块分离的形式虽然结构简单紧凑，控制相对容易，但当硅片台的运动速度不断提升，偏离中轴线加减速运动时，由于角动量的不守恒，将会引起沿Z轴的转动趋势(Rotation z，简称Rz)增大，如果不加以抵偿，将会引起工件台振动，影响精密定位。

上海微电子装备有限公司在其专利ZL200710045582中采取了一种原理上较为简单直观的减振方式，在基台的下部对称布置了一套与上部运动单元(主要包括硅片台、X向气浮导轨、X向直线电机、Y向直线电机的2个动子)完全相同的运动机构，并采取相反的运动策略来抵消上部运动单元工作过程中对基台的反作用力。这种结构虽然能够较好地抵消X、Y平面方向上基台受到的作用力，但在上部硅片偏离轴线运动时，下部对称机构将在偏离轴线另一侧反方向运动，结果产生使Z轴扭转的力偶，相比于单个运动单元，该方案Rz加倍，使抑制Rz更加困难。另外，这种结构采取了两套完全相同的设备，机械结构复杂，整机经济性差。

荷兰ASML公司在其专利US7034920B2中，光刻机平衡质量块设计成能够在X、Y平面上自由平动的整体框架形式，平衡质量块由气浮轴承支撑。在平衡质量块上，布置了一套运动单元，2个Y向直线电机的定子刚性固定在基台上，运动单元和平衡质量块之间通过气浮导轨连接。忽略管线牵扯，气浮摩擦等阻力，直线电机作用于运动单元和平衡质量块上的力大小相等方向相反，平衡质量块因受到直线电机施予的反作用力，向相反一侧运动，运动单元和平衡质量块始终保持动量守恒。X、Y轴直线电机同时运动时，使基台在平面内做自由的二维运动，由于基台的质量可以设计成大于运动单元，在依然满足动量守恒的前提下，避免了基台过大的运动行程对整机空间设计的不利影响。该方式使运动单元的高速起停得到大幅缓冲，避免了对机体的直接冲击。为了抵消Rz，该专利提出利用接触式的旋转轮或者机械臂施予基台力矩来抵抗Rz。但是接触式的施力抗扭结构会给平衡质量块引入牵扯力，破坏动量守恒和减振效果，增加不稳定因素。

为更好地解决以上问题，清华大学在其专利ZL200410009257中提出一种新方案。在基台的质心处，与Z轴同轴镶嵌固定了一个电机，电机通过联轴器连接到一个圆形的由气浮支撑、具有一定质量的旋转轮上。在基台上安装有角速度传感器，当传感器检测到Rz，电机便带动旋转轮正向或者反向旋转，利用电机的反扭力矩平衡Rz。这种方式扭力作用直接，结构简单。称为动量轮机构。

上海微电子装备有限公司在其专利ZL200710042417中提出了一种不同的结构形式，对X、Y向的平衡质量块进行了整合，使之成为一个平衡质量框架，在框架上建有X、Y向直线电机和硅片台，放宽了平衡质量块的自由裕度，即类似于专利US7034920B2中的平衡质量块结构形式。平衡质量块通过气浮连接基座，可以在X、Y平面上平动、沿Z轴扭转，由于没有了沿Z轴扭转的限制，角动量也是守恒的。角动量守恒虽然解决了振动问题，却引起了沿Z轴的位置偏转，对硅片台的定位不利，故需要有一套机构抵消沿Z轴的扭转。与清华大学专利ZL200410009257不同的是，该方案对称布置2个动量轮机构，安装在平衡质量块内。

上述结构作用直接，原理简单，但由于是被动检测，控制***存在一定的延时，难以及时抑制Rz，而且平衡质量块沿Z轴的扭转方向经常变化，需要频繁改变动量轮的转速以及旋转方向，控制的实时性差。为了平衡扭矩大小和响应速度之间的关系，电机的扭矩和转速、回转体的质量和动平衡需要精确匹配，否则回转体的高速转动和频繁加减速将会带来额外的振动，使得电机的选择也较困难。

发明内容

针对以上已有技术的缺陷，本发明解决的问题在于提供一种带有平衡质量减振机构以及磁预紧装置的高精度光刻机工件台定位***，以提高硅片台在X、Y、Rz三自由度方向上的运动定位精度。

为了达到上述要求，本发明提出的光刻机工件台定位***基本结构包括：基台、平衡质量***、磁预紧***、运动单元、硅片台、平衡质量防漂移***。

基台整体设计为沿X轴的平台导轨结构，上侧承载了所有工件台***，下侧连接到地基。平衡质量***由X、Y向平衡质量***组成，X向平衡质量***采取框架结构，框架能与基台导轨精密嵌套，通过气浮连接，在X轴向上具有一维直线运动自由度。Y向平衡质量***采取平面凸台结构，通过凸台和X向平衡质量***精密嵌套、气浮连接，Y向平衡质量***相对X向平衡质量***具有一维直线运动自由度。

通过上述结构，工件台相对基台具有X、Y方向的2维直线运动自由度，即平面运动自由度。

上述基台，其进一步包括4个对角布置的Y向磁预紧***，由于平衡质量***采取气浮连接且能够自由平动，当硅片台沿偏离中轴线运动时，事实上会产生沿Z轴的扭转力矩，即Rz，虽然***在X、Y轴向上动量守恒，但在Rz上角动量不守恒。若不采取相应的缓冲措施，而采取刚度较大的连接，则易导致***在Rz自由度上产生机内振动，其对硅片台的定位精度影响不容忽视。

上述Y向磁预紧***其进一步包括Y向电磁铁固定座，Y向电磁铁，Y向永磁铁，永磁铁刚性固定于X向平衡质量***边缘。电磁铁固定座则与基台刚性连接并与永磁铁相对放置，两者保持较小的间隙，通过在电磁铁上施加可控大小的电流，与永磁铁之间产生可控大小的互斥磁力。在X向平衡质量***边缘对角布置了4个磁预紧***，并提供相同大小的斥力。由于互斥磁力的大小与磁铁间隙成反比，当X向平衡质量***发生沿Rz的微小扭转时，会导致一个对角线上的磁预紧***间隙变小，斥力变大，而另一对角线上的磁预紧***间隙变大，斥力变小，从而产生一个反向力偶，抵偿Rz，而且随着扭转的增大，力偶也会增大。该装置作用类似于弹簧，起到了实时补偿和缓冲的作用，而且对X、Y两自由度上没有施加接触式的外力，不影响平衡质量***的平动，保持了***的动量守恒。

上述磁预紧***不仅建立在基台和X向平衡质量***之间，还建立于X向平衡质量***和Y向平衡质量***之间，在X向平衡质量***对角布置了4套较小型的磁预紧***，磁预紧力直接作用在Y向平衡质量***上，进一步抵偿Rz。

上述运动单元包括X向直线电机运动***和Y向直线电机运动***，在Y向平衡质量***上，沿X轴向平行布置了2套直线电机运动***定子，同时布置的有2套气浮导轨、导轨滑块，Y向直线电机运动***架构于导轨滑块之上，同时，其上建有1套气浮导轨、2套直线电机动子，1套Y向直线电机运动***，该直线电机的动子与硅片台刚性连接。通过上述3套直线电机的共同工作，可以实现硅片台在平面内任意位置的精确定位。

上述X向平衡质量防漂移***定子与X向平衡质量***刚性连接，动子通过固定座与基台刚性连接。Y向平衡质量防漂移***定子与Y向平衡质量***刚性连接，动子通过固定座与X向平衡质量***刚性连接。该***用于纠正平衡质量***由于不可避免地受外力作用(空气阻力、管线牵拉阻力等)造成的长时间工作后平衡质量***的位置漂移，使其实际位移能够基本满足理想动量守恒条件下的位移量。

本发明的优点在于：在不引入外力、不破坏平衡质量块动量守恒的情况下。充分利用电磁铁非接触施力的优势，对平衡质量***垂直于运动方向上的自由度进行约束，具有运动定位精度高、补偿实时性好、机内振动小、控制容易的特点。

附图说明

图1是光刻机工件台磁预紧平衡定位***总体结构图；

图2是图1中基台、X向平衡质量***和Y向平衡质量***拆解结构示意图；

图3是X和Y向平衡质量***底角局部拆解示意图；

图4是磁预紧***局部俯视图；

图5是X向平衡质量防漂***局部结构示意图；

图6是Y向平衡质量防漂***局部结构示意图。

图中：1-基台；2-X向平衡质量***；3-Y向平衡质量***；4a、4b-X向第一、第二直线电机运动***；5-Y向直线电机运动***；6a、6b、6c、6d-Y向第一、二、三、四磁预紧***；7a、7b、7c、7d-X向第一、二、三、四磁预紧***；8-硅片承载台；9-Y向直线电机动子；10-Y向直线电机定子；11a、11b-X向第一、二导轨滑块；12-Y向平衡质量防漂***；13a、13b-X向第一、二直线电机定子；14-X向平衡质量防漂***；15a、15b-X向第一、二导轨；16-X向直线电机动子；17-Y向导轨；18-Y向电磁铁固定座；19-Y向永磁铁；20-Y向电磁铁；21-X向电磁铁固定座；22-X向电磁铁；23-X向永磁铁；24-X向平衡质量防漂***固定座；25-X向平衡质量防漂***直线电机定子；26-X向平衡质量防漂***动子；27-Y向平衡质量防漂***固定座；28-Y向平衡质量防漂***直线电机定子；29-Y向平衡质量防漂***直线电机动子。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方案进行详细描述。

一种光刻机工件台磁预紧平衡定位***；X向平衡质量***2通过固装的X向气浮导轨与基台1嵌合，且于X向上无阻力地自由滑动Y向平衡质量***3通过固装的Y向气浮导轨与X向平衡质量***2嵌合，且在Y向上无阻力地自由滑动；X向第一导轨15a和X向第二导轨15b沿X轴相互平行地刚性安装在Y向平衡质量***3两侧部上，X向第一直线电机定子13a和X向第二直线电机定子13b分别沿X向第一、第二导轨15a、15b刚性固装在Y向平衡质量***3上，Y向导轨17两端分别刚性固定在X向第一、第二导轨滑块11a、11b上，两个X向直线电机动子16分别固定在Y向导轨17两端，且分别与X向第一、第二直线电机定子13a、13b相对配置，至此分别构成X向第一直线电机运动***4a和X向第二直线电机运动***4b；Y向直线电机动子9气浮连接在Y向导轨17上，且在Y轴方向上自由滑动，在Y向导轨17上铺设Y向直线电机定子10，在Y向直线电机动子9侧部上固装硅片承载台8，至此构成Y向直线电机运动***5；X向第一、第二直线电机运动***4a、4b与Y向直线电机运动***5构成在平面内任意定位的平动机构；四个Y向电磁铁固定座18分别刚性固定在基台1四角部位上，四组Y向电磁铁20分别刚性固定在四个Y向电磁铁固定座18上，四组Y向永磁铁19分别与X向平衡质量***2刚性连接，至此分别构成Y向第一、第二、第三、第四磁预紧***6a、6b、6c、6d；四个X向电磁铁固定座21分别刚性固装在X向平衡质量***2四角部位上，四组X向电磁铁22分别刚性固定在四个X向电磁铁固定座21上，四组X向永磁铁23分别与Y向平衡质量***3刚性连接，至此分别构成X向第一、第二、第三、第四磁预紧***7a、7b、7c、7d；X向平衡质量防漂***固定座24与基台1刚性连接，X向平衡质量防漂***直线电机定子25与X向平衡质量防漂***固定座24刚性连接，X向平衡质量防漂***动子26刚性固定在X向平衡质量***2上，至此构成X向平衡质量防漂***14，所述的X向平衡质量防漂***14以X为轴在基台1上对称地配置一套；Y向平衡质量防漂***固定座27刚性固定在X向平衡质量***2上，Y向平衡质量防漂***直线电机定子28刚性固定于Y向平衡质量防漂***固定座27上，Y向平衡质量防漂***直线电机动子29与Y向平衡质量***3刚性连接，至此构成Y向平衡质量防漂***12，所述的Y向平衡质量防漂***12以Y为轴在X向平衡质量***2上对称地配置一套。

X向平衡质量***2和Y向平衡质量***3采用密度约为8.1g/cm³的具有较小线膨胀系数的殷钢制造。

基台1的4个角以及X向平衡质量***2的4个角上全部布置有磁预紧***，永磁铁与电磁铁之间产生互斥力，并留有约5mm～10mm的间隙，永磁铁采用磁性较强的钕铁硼磁钢制造。X向磁预紧***7a、7b、7c、7d产生相同大小的斥力，Y向磁预紧***6a、6b、6c、6d产生相同大小的斥力。如图1视角，当硅片承载台8由于偏离中轴线加减速运动产生的沿Z轴逆时针扭转力矩，将会导致X向磁预紧***7a、7c间隙变大，X向磁预紧***7b、7d间隙变小；Y向磁预紧***6a、6d间隙变大，Y向磁预紧***6b、6c间隙变小；由于磁力大小与间隙大小成反比，于是通过上述磁预紧***产生了两个分别作用于X向平衡质量***2和Y向平衡质量***3的顺时针力偶，并且随着沿Z轴的扭转增大，间隙变化增大，力偶也增大，能够有效抵抗工件台的扭转趋势。由于磁力方向始终垂直于平衡质量***运动方向，故对X、Y轴向上的动量守恒不产生破坏。

相比现有技术，该***作用直接，无需复杂的反馈控制，没有延时，不引入额外的外力破坏工件台动量守恒。使用电磁铁是为调节和实验方便，一旦通过实验确定了满足精度要求的磁力大小，便可将电磁铁换成等磁力的永磁铁，这样可以进一步简化机构，减少管线的牵扯阻力，使工件台更接近理想状态的动量守恒。

由于平衡质量***并非处于理想动量守恒状态，它在运动过程中同时受到一些如空气阻力、冷却水软管和电机线的牵扯力、气浮的扰动等外力作用，长久工作后将导致平衡质量***与理想动量守恒时的位移量有偏差，偏差发生较严重时，将会导致***整体重心偏移，引起Rx、Ry轴向的扭转趋势，降低定位精度，如果不及时纠正平衡质量***的位置，甚至会导致平衡质量***偏离最大行程，冲击其他光刻设备，对整机造成破坏。通过直线电机平衡质量防漂***，能够实时施予平衡质量***一个较小的力，补偿阻力带来的不利影响。或工作一段时间后，***停止光刻并归零，开启防漂***校正平衡质量***的零位，然后重启光刻。

本发明的光刻机工件台平衡定位***，具有X、Y向分离的平衡质量***，能够减少工件台高速起停产生的机内振动。使用非接触式的磁预紧***，在对X、Y向动量守恒不造成影响的前提下，主动缓冲和补偿沿Z轴产生的扭转，不仅削弱了沿Z轴产生的振动，且减小了沿Z轴的偏移量。大幅提高工件台高速运动定位精度。

Claims (1)

1.一种光刻机工件台磁预紧平衡定位***，其特征在于：X向平衡质量***(2)通过自有的X向气浮导轨与基台(1)嵌合，且在X向上无阻力地自由滑动；Y向平衡质量***(3)通过自有的Y向气浮导轨与X向平衡质量***(2)嵌合，且在Y向上无阻力地自由滑动；X向第一导轨(15a)和X向第二导轨(15b)沿X轴相互平行地刚性安装在Y向平衡质量***(3)两侧部上，X向第一直线电机定子(13a)和X向第二直线电机定子(13b)分别沿X向第一、第二导轨(15a、15b)刚性固装在Y向平衡质量***(3)上，Y向导轨(17)两端分别刚性固定在X向第一、第二导轨滑块(11a、11b)上，两个X向直线电机动子(16)分别固定在Y向导轨(17)两端，且分别与X向第一、第二直线电机定子(13a、13b)相对配置，至此分别构成X向第一直线电机运动***(4a)和X向第二直线电机运动***(4b)；Y向直线电机动子(9)气浮连接在Y向导轨(17)上，且在Y轴方向上自由滑动，在Y向导轨(17)上铺设Y向直线电机定子(10)，在Y向直线电机动子(9)侧部上固装硅片承载台(8)，至此构成Y向直线电机运动***(5)；X向第一、第二直线电机运动***(4a、4b)与Y向直线电机运动***(5)构成在平面内任意定位的平动机构；四个Y向电磁铁固定座(18)分别刚性固定在基台(1)四角部位上，四组Y向电磁铁(20)分别刚性固定在四个Y向电磁铁固定座(18)上，四组Y向永磁铁(19)分别与X向平衡质量***(2)刚性连接，至此分别构成Y向第一、第二、第三、第四磁预紧***(6a、6b、6c、6d)；四个X向电磁铁固定座(21)分别刚性固装在X向平衡质量***(2)四角部位上，四组X向电磁铁(22)分别刚性固定在四个X向电磁铁固定座(21)上，四组X向永磁铁(23)分别与Y向平衡质量***(3)刚性连接，至此分别构成X向第一、第二、第三、第四磁预紧***(7a、7b、7c、7d)；X向平衡质量防漂***固定座(24)与基台(1)刚性连接，X向平衡质量防漂***直线电机定子(25)与X向平衡质量防漂***固定座(24)刚性连接，X向平衡质量防漂***动子(26)刚性固定在X向平衡质量***(2)上，至此构成X向平衡质量防漂***(14)，所述的X向平衡质量防漂***(14)以X为轴在基台(1)上对称地配置一套；Y向平衡质量防漂***固定座(27)刚性固定在X向平衡质量***(2)上，Y向平衡质量防漂***直线电机定子(28)刚性固定于Y向平衡质量防漂***固定座(27)上，Y向平衡质量防漂***直线电机动子(29)与Y向平衡质量***(3)刚性连接，至此构成Y向平衡质量防漂***(12)，所述的Y向平衡质量防漂***(12)以Y为轴在X向平衡质量***(2)上对称地配置一套。

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