CN110658688B - 一种工件台***及光刻设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工件台***及光刻设备，该工件台***包括基础框架、底座、运动组件、平衡质量组件、重力补偿装置及传动装置；底座固定在基础框架上；运动组件用于为载物台运动提供驱动力；平衡质量组件可动式设置于基础框架上；运动组件的定子部分固定在平衡质量组件上，动子部分带动载物台相对定子部分运动，其反向作用力驱动平衡质量组件反方向运动；重力补偿装置位于基础框架和底座之间，用于对底座上的负载进行垂向的重力补偿；平衡质量组件通过传动装置驱动重力补偿装置发生与载物台同步同向运动。本发明在不增加底座厚度的前提下，利用平衡质量驱动重力补偿装置对底座上的负载进行实时重力补偿，减小甚至消除负载运动导致的底座变形。

Description

一种工件台***及光刻设备
技术领域
本发明实施例涉及半导体制造装备技术领域，尤其涉及一种工件台***及光刻设备。
背景技术
光刻装置是一种将掩模图案曝光成像到硅片上的设备，主要用于集成电路(IC)或其它微型器件的制造。在光刻装置中起非常重要作用的是工件台***，在步进和扫描光刻机中，工件台用于承载硅片并进行精确运动来满足光刻需要。在光刻设备中，工件台负责硅片的精密运动，一般采用粗微定位方式，即长行程的粗动台实现长距粗定位，而微动台则实现纳米级的精确定位。微动台的作用是承载硅片，通过水平向和垂向的六自由度精确调整和定位使硅片完成对准和调平调焦作业任务。
图1是现有技术工件台在X轴方向的纵向剖面结构示意图，图2是图1在Y轴方向的纵向剖面结构示意图，参考图1和图2，工件台的X轴组件10、Y轴组件20及载物台30的重量全部通过气浮支撑导轨40支撑在底座50上，Y轴组件20的Y向长行程运动，带动整个X轴组件10和载物台30一起沿Y向运动。如此，X轴组件10、Y轴组件20及载物台30对底座50产生的负载会导致底座50面型的变化，进而引起Y轴组件20的气浮支撑导轨40面型的变化，进而影响行程组件的运动精度，最终影响曝光精度。此外，气浮支撑导轨40的面型是负载在固定位置时做好的，如果变形严重则会导致气浮卡死，导致设备出现故障无法正常运行。而负载位置变化引起的底座50面型变化只能通过提高底座的刚度才能减小，如果负载及行程较大，为保证气浮性能，底座50需要有足够的刚度，即足够的厚度。然而随着技术的进步，行程组件的重量和运行速度会相应增加，单纯的增加底座50的厚度已无法满足曝光精度的要求，同时也增加了工件台的设计难度。
因此，需要考虑在不增加底座50厚度的前提下，如何能更有效地减小甚至消除负载运动引起的底座50的变形。
发明内容
本发明提供一种工件台***及光刻设备，用于对底座上的行程组件对底座产生的负载进行实时补偿，减小甚至消除负载运动导致的底座变形，进而保证曝光精度，降低设备的故障几率。
第一方面，本发明实施例提供一种工件台***，该工件台***包括：
基础框架；
底座，固定在基础框架上，用于为载物台运动提供支撑；
运动组件，用于为载物台运动提供驱动力；
平衡质量组件，可动式设置于基础框架上；运动组件包括动子部分和定子部分，定子部分固定在平衡质量组件上，动子部分用于连接载物台，动子部分带动载物台相对于定子部分运动，运动时产生的反向作用力驱动平衡质量组件发生与动子部分的运动方向相反的运动；
重力补偿装置，位于基础框架和底座之间，用于对底座上的负载进行垂向的重力补偿；
传动装置，用于连接平衡质量组件和重力补偿装置，平衡质量组件通过传动装置驱动重力补偿装置发生与载物台同步同向运动。
可选的，运动组件包括Y轴组件和X轴组件，Y轴组件包括Y轴定子部分和Y轴动子部分，X轴组件包括X轴定子部分和X轴动子部分；载物台通过设置在X轴动子部分上实现在X轴定子部分上的X向运动，X轴定子部分通过连接Y轴动子部分实现在Y轴定子部分上的Y向运动，Y轴定子部分固定在平衡质量组件上，X轴定子部分支撑于底座上。
可选的，传动装置包括两组带轮和两个传动带，每组带轮包括同轴旋转的第一带轮和第二带轮；两个第一带轮通过第一传动带连接，两个第二带轮通过第二传动带连接；第二带轮的半径大于第一带轮的半径，第一带轮和第二带轮的转动角速度相等；平衡质量组件通过转接件与第一传动带连接，重力补偿装置通过转接件与第二传动带连接。
可选的，第二带轮的半径R2和第一带轮的半径R1的比值满足如下关系：
Figure BDA0001717351490000031
其中，M1为底座上的负载，即X轴组件、Y轴动子部分和载物台的质量和；M2为平衡质量组件的质量；M3为重力补偿装置的质量；J为其中一组带轮的转动惯量。
可选的，重力补偿装置包括气缸、推杆及柔性铰链，气缸底部通过气浮垫与基础框架连接，柔性铰链位于推杆顶部，柔性铰链的顶部为气浮面。
可选的，重力补偿装置还包括压力传感器和比例调压阀，压力传感器位于气缸内部，用于检测气缸内部的气压波动；比例调压阀用于根据检测到的气缸内部的气压波动，调整气缸内的气压，维持气缸内气压恒定。
可选的，气缸缸体和推杆材料包括铝合金或不锈钢。
可选的，推杆为蜂窝状结构。
可选的，X轴定子部分通过气浮支撑导轨支撑于底座上，X轴定子部分可沿气浮支撑导轨Y方向运动。
可选的，平衡质量组件通过气浮垫支撑于基础框架上。
可选的，该工件台***还包括减震单元，位于基础框架底部。
第二方面，本发明实施例还提供一种光刻设备，包括如本发明第一方面任意所述的工件台***。
本发明实施例提供的工件台***在不增加底座厚度的前提下，利用平衡质量组件的运动，通过传动装置驱动重力补偿装置与于运动组件的动子部分同步运动，对底座上的负载进行实时重力补偿，减小甚至消除负载运动导致的底座变形，进而减少甚至消除底座变形对运动组件运动精度的影响，进而保证曝光精度，降低设备的故障几率。
附图说明
图1是现有技术的工件台在X轴方向的纵向剖面结构示意图；
图2是图1在Y轴方向的纵向剖面结构示意图；
图3是本发明实施例中的工件台***在X轴方向的纵向剖面结构示意图；
图4是图3在Y轴方向的纵向剖面结构示意图；
图5是本发明实施例中的传动装置的结构示意图；
图6是本发明实施例中重力补偿装置的结构示意图；
图7是本发明实施例中重力补偿装置的气压控制***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供一种工件台***，图3是本发明实施例中的工件台***在X轴方向的纵向剖面结构示意图，图4是图3在Y轴方向的纵向剖面结构示意图，参考图3和图4，该工件台***包括：基础框架100、底座200、运动组件、载物台500、平衡质量组件600、重力补偿装置700和传动装置(图中未示出)。
其中，底座200通过支撑件固定在基础框架100上，底座200的底面与基础框架100的上表面存在一定距离。运动组件包括X轴组件300和Y轴组件400，X轴组件300包括X轴定子部分301和X轴动子部分302，Y轴组件400包括Y轴定子部分401和Y轴动子部分402，载物台500通过设置在X轴动子部分302上实现在X轴定子部分301上的X向运动，X轴定子部分301通过连接Y轴动子部分402实现在Y轴定子部分401上的Y向运动，X轴定子部分301通过气浮支撑于底座200上。Y轴定子部分401形成在平衡质量组件600上，可选的，Y轴定子部分401开设有导轨槽，Y轴动子部分402与导轨槽通过气浮轴承连接，Y轴动子部分402在导轨槽内沿Y方向运动，进而带动X轴定子部分301沿Y方向运动。平衡质量组件600可动式设置于基础框架100上，优选的，平衡质量组件600气浮支撑在基础框架100上。当Y轴动子部分402加速运动时，产生的反向作用力驱动平衡质量组件600发生与Y轴动子部分402运动方向相反的反向运动，以此平衡Y轴动子部分402沿Y方向加速运动时产生的反向作用力。重力补偿装置700对应于X轴动子部分301设于基础框架100和底座200之间，重力补偿装置700通过传动装置与平衡质量组件600连接。当平衡质量组件600运动时，通过传动装置驱动重力补偿装置700与X轴动子部分301同步同向运动，重力补偿装置700对底座200上的负载(包括X轴组件300、Y轴动子部分402及载物台500在底座200上产生的负载)进行垂向的重力补偿，能够减小甚至消除负载运动导致的底座200变形，进而减少甚至消除底座200变形对X轴动子部分301运动精度的影响，进而保证曝光精度，降低设备的故障几率，避免了增加底座刚度及厚度以克服底座200变形所带来的空间要求高、成本高等不利影响。
需要说明的是，由于运动组件的长行程运动在底座200上产生的负载对底座200面型的变化影响较大，故在本实施例及后续的实施例中，以重力补偿装置700沿Y方向与载物台500同步同向运动，对底座200上的负载进行垂向的重力补偿为例，对本发明的方案进行说明。事实上，重力补偿装置700也可以与载物台500同步同向运动(包括X方向和Y方向)，在此，本发明不再赘述。
本发明实施例提供的工件台***在不增加底座厚度的前提下，利用平衡质量组件的运动，通过传动装置驱动重力补偿装置与载物台同步运动，对底座上的负载进行实时重力补偿，减小甚至消除负载运动导致的底座变形，进而减少甚至消除底座变形对运动组件运动精度的影响，进而保证曝光精度，降低设备的故障几率。
图5是本发明实施例中的传动装置的结构示意图，可选的，参考图5，传动装置包括两组带轮和两个传动带，每组带轮包括同轴旋转的第一带轮801和第二带轮802。两组带轮中的第一带轮801通过第一传动带连接，两组带轮中第二带轮802通过第二传动带连接。第二带轮802的半径大于第一带轮801的半径，第一带轮801和第二带轮802的转动角速度相等。平衡质量组件600通过转接件(图中未示出)与第一传动带连接，重力补偿装置700通过转接件(图中未示出)与第二传动带连接。当Y轴动子部分402沿Y方向运动时，产生的反向作用力驱动平衡质量组件600产生与Y轴动子部分402运动方向相反的运动，平衡质量组件600带动第一传动带运动，第一传动带带动两组带轮转动，进而带动第二传动带上的重力补偿装置700与X轴定子部分301同步运动，重力补偿装置700对底座200上的负载(包括X轴组件300、Y轴组件400的动子部分402及载物台500在底座200上产生的负载)进行垂向的重力补偿。
可选的，第二带轮802的半径R2和第一带轮801的半径R1的比值满足如下关系：
Figure BDA0001717351490000071
其中，M1为底座200上的负载，即所述X轴组件300、Y轴动子部分402和载物台500的质量和；M2为平衡质量组件600的质量；M3为重力补偿装置700的质量；J为其中一组带轮的转动惯量，J只与该组带轮中两个带轮的质量和半径有关，带轮质量为已知量。
具体的，传动装置的***总能量为：
Figure BDA0001717351490000072
其中，ω为带轮的转动角速度；
将传动装置的***总能量E折算到M2的当量质量M2’上，得到M2的当量质量M2’。
Figure BDA0001717351490000081
根据动量守恒定律M1V1＝2’V2
如需要保证M1与M3速度一致，则第二带轮802的半径R2和第一带轮801的半径R1的比值满足如下关系：
Figure BDA0001717351490000082
其中，M1、M2、M3为已知量，J只与该组带轮中两个带轮的质量和半径有关，带轮质量为已知量。因此，可以根据需要，选择其中一个带轮(例如第一带轮801)的半径R1的数值，再根据上述R1和R2的关系，计算出R2的半径。
需要说明的是，图5所示的传动装置仅仅是对本发明实施例的一种示例性说明，在本发明其他实施例中，传动装置也可以是其他的形式，本发明实施例对此不做限定，只要能够保证平衡质量组件通过传动装置驱动重力补偿装置与Y轴组件的动子部分同步运动即可。
图6是本发明实施例中重力补偿装置的结构示意图，参考图6，可选的，重力补偿装置700包括气缸701、推杆702及柔性铰链703，气缸701底部通过气浮垫与基础框架100连接，柔性铰链703位于推杆702顶部，柔性铰链703的顶部为气浮面，与底座200的底面气浮接触。其中，在该实施例中，柔性铰链703为柔性铰链块，可沿Rx、Ry、Rz扭转，用于适应底座200的面型变化。如此，重力补偿装置700可以在基础框架100和底座200之间，在传动装置的带动下，沿Y方向与X轴定子部分301同步运动。另外，需要说明的是，所述柔性铰链703也可以是标准球形铰链，其工作原理在此不再赘述。
具体可以根据负载设计不同的气缸701的气压和推杆702的直径，实现重力补偿效果。当重力补偿器活塞直径为100mm、气压为5bar时产生的推力为F＝3925N，可以支撑392.5Kg的负载。
图7是本发明实施例中重力补偿装置的气压控制***的结构示意图，参考图6和图7，可选的，重力补偿装置700还包括压力传感器704和比例调压阀705。重力补偿装置的气压控制***还包括气控箱706和PID控制器707(比例-积分-微分控制器)。气控箱706用于向气缸701输送气体；压力传感器704位于气缸701内部，用于检测气缸701内部的气压波动；PID控制器707用于接收压力传感器704检测的气压波动数据，并根据气压波动数据向比例调压阀705发送控制信息，比例调压阀705根据该控制信息控制阀门开度，进而调整气缸701内的气压，维持气缸701内气压恒定。由于重力补偿装置700在Y方向运动时，会导致气缸701内气压波动，导致底座面型变化，采用此重力补偿装置700的气压控制***检测气缸701内的气压波动，并通过比例调压阀实时调节气缸701内的气压，维持气缸701内气压恒定，进而维持推杆702推力(对底座200上的负载补偿)恒定。
可选的，继续参考图7，重力补偿装置的气压控制***还包括消音装置708和前馈控制模块709。其中消音装置708用于降低比例调压阀705动作时产生的噪音；前馈控制模块709与比例调压阀705连接，用于测量干扰量(例如气控箱706输出气压的波动变化)的变化，并经计算，直接克服干扰量对比例调压阀705输出的控制信息的影响，使控制信息不受干扰或少受干扰的影响，进而保证气缸701内气压恒定。
可选的，气缸701缸体和推杆702的材料包括铝合金、不锈钢等强度和刚度较大的材料。
可选的，在不损失垂向刚度的前提下，可将推杆702做轻量化设计。在其中一个实施例中，推杆702采用3D打印技术，做成蜂窝状结构。
可选的，继续参考图3和图4，X轴定子部分301通过多条平行的气浮支撑导轨303支撑于底座200上，X轴定子部分301的底面设有与气浮支撑导轨303配合的滑块304，气浮支撑导轨303与滑块304通过气浮轴承连接，滑块304可以在气浮支撑导轨303上来回滑动，实现X轴定子部分301沿Y方向运动。可选的，X轴动子部分302可以通过气浮轴承与X轴定子部分301连接，以实现在X方向运动。
可选的，继续参考图3和图4，平衡质量组件600通过气浮垫支撑于基础框架100上。当Y轴动子部分402在Y方向加速运动时，其产生的反向作用力作用在Y轴定子部分401上，进而带动平衡质量组件600产生与Y轴动子部分402运动方向相反的运动。平衡质量组件600用于平衡Y轴动子部分402在Y方向加速运动时产生的作用力，避免该反向作用力直接作用在基础框架100上，提高工件台***行程组件的位移精度。
可选的，继续参考图3和图4，该工件台***还包括减震单元，减震单元包括若干个减震器900，均匀分布在基础框架100底部，用于吸收地面震动的能量，避免地面震动影响基础框架100，保证曝光精度。
本发明实施例还提供一种光刻设备，包括如本发明上述任意实施例提供的工件台***。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种工件台***，其特征在于，包括：
基础框架；
底座，固定在所述基础框架上，用于为载物台运动提供支撑；
运动组件，用于为所述载物台运动提供驱动力；
平衡质量组件，可动式设置于所述基础框架上；所述运动组件包括动子部分和定子部分，所述定子部分固定在所述平衡质量组件上，所述动子部分用于连接所述载物台，所述动子部分带动载物台相对于所述定子部分运动，运动时产生的反向作用力驱动所述平衡质量组件发生与所述动子部分的运动方向相反的运动；
重力补偿装置，位于所述基础框架和底座之间，用于对所述底座上的负载进行垂向的重力补偿；
传动装置，用于连接所述平衡质量组件和重力补偿装置，所述平衡质量组件通过所述传动装置驱动所述重力补偿装置发生与所述载物台同步同向运动。
2.根据权利要求1所述的工件台***，其特征在于，所述运动组件包括Y轴组件和X轴组件，所述Y轴组件包括Y轴定子部分和Y轴动子部分，所述X轴组件包括X轴定子部分和X轴动子部分；载物台通过设置在X轴动子部分上实现在X轴定子部分上的X向运动，X轴定子部分通过连接Y轴动子部分实现在Y轴定子部分上的Y向运动，Y轴定子部分固定在所述平衡质量组件上，所述X轴定子部分支撑于所述底座上。
3.根据权利要求2所述的工件台***，其特征在于，所述传动装置包括两组带轮和两个传动带，每组带轮包括同轴旋转的第一带轮和第二带轮；两个所述第一带轮通过第一传动带连接，两个所述第二带轮通过第二传动带连接；所述第二带轮的半径大于所述第一带轮的半径，所述第一带轮和第二带轮的转动角速度相等；所述平衡质量组件通过转接件与第一传动带连接，所述重力补偿装置通过转接件与所述第二传动带连接。
4.根据权利要求3所述的工件台***，其特征在于，所述第二带轮的半径R2和第一带轮的半径R1的比值满足如下关系：
Figure FDA0001717351480000021
其中，M1为所述底座上的负载，即所述X轴组件、Y轴动子部分和载物台的质量和；M2为平衡质量组件的质量；M3为所述重力补偿装置的质量；J为其中一组带轮的转动惯量。
5.根据权利要求1所述的工件台***，其特征在于，所述重力补偿装置包括气缸、推杆及柔性铰链，所述气缸底部通过气浮垫与所述基础框架连接，所述柔性铰链位于所述推杆顶部，柔性铰链的顶部为气浮面。
6.根据权利要求5所述的工件台***，其特征在于，所述重力补偿装置还包括压力传感器和比例调压阀，所述压力传感器位于所述气缸内部，用于检测气缸内部的气压波动；所述比例调压阀用于根据检测到的气缸内部的气压波动，调整气缸内的气压，维持气缸内气压恒定。
7.根据权利要求5所述的工件台***，其特征在于，所述气缸缸体和推杆材料包括铝合金或不锈钢。
8.根据权利要求5所述的工件台***，其特征在于，所述推杆为蜂窝状结构。
9.根据权利要求2所述的工件台***，其特征在于，所述X轴定子部分通过气浮支撑导轨支撑于所述底座上，所述X轴定子部分可沿气浮支撑导轨Y方向运动。
10.根据权利要求1所述的工件台***，其特征在于，所述平衡质量组件通过气浮垫支撑于所述基础框架上。
11.根据权利要求1所述的工件台***，其特征在于，还包括减震单元，位于所述基础框架底部。
12.一种光刻设备，其特征在于，包括如权利要求1-11任一所述的工件台***。
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