CN201017175Y - 一种大阻尼精密柔性支撑机构 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种大阻尼精密柔性支撑机构。其由柔性块本体和大阻尼橡胶体组成，所述柔性块本体靠近上下两端处分别设置有一组横向贯穿柔性块本体的垂向弹性铰链，柔性块本体正面的中部开有通槽，两侧设有一对侧向弹性铰链，通槽与每一侧向弹性铰链之间还设有一中部弹性铰链，所述的大阻尼橡胶体容设在通槽中，并通过前、后挡板压紧固定。该柔性支撑机构阻尼大，不仅能有效的对物镜的低频振动进行减振和消除，而且具有五个方位的微调柔性，可以避免物镜安装时发生过约束问题，从而有效地过滤物镜的高频振动。该柔性支撑机构结构紧凑、可靠性高，适应性强，能满足Bumping光刻机等精密设备的工作要求。

Description

一种大阻尼精密柔性支撑机构
技术领域
本实用新型涉及半导体领域中光刻装置的柔性支撑机构，特别是一种大阻尼的精密柔性支撑机构。
背景技术
光刻是半导体制造工艺中非常重要的一道工序，特征线宽是光刻的重要指标之一，减小光刻的特征线宽能够有效提高IC电路的集成度。但是，影响特征线宽的因素多而复杂，其中一个潜在的瓶颈就是投影物镜的微振动。而引起投影物镜微振动的主要因素有：地基振动、运动平台的扫描作用力(***中工件台和掩模台的步进和扫描)、内部世界(气液管路和气膜)的振动和外部世界的随机噪音等。
通常解决高精度装置的微振动问题的基本办法是设法将装置同安装地基隔离开来，以避免将外界的振动通过地基导入，引起装置的振动。美国专利US5,953,105(公告日：1999年9月14日)，US6,038,013(公告日：2000年3月14日)和US5,187,519(公告日：1993年2月16日)是采用以下方法的：将投影物镜安装在主基板上，主基板通过振动隔离***悬浮在基础框架之上，振动隔离***将主基板、物镜***与外部世界隔离开来形成内部世界，通过主动控制的隔振器进行减振隔振，从而有效隔离和消除地基振动及工件台和掩模台的扫描作用力引起的振动通过主基板传入投影物镜，通过这种方法可使物镜光学***的微振动问题得到一定的改善和降低。但是以上专利均采用物镜所在的内部世界一体隔离减振，因物镜内部世界(气液管路和气膜)的扰动和外部世界的随机噪音引起的投影物镜的微振动问题并没有得到有效的解决。
美国专利US6,791,664(公告日：2004年9月14日)中使用了简单的钢质柔性机构作为物镜的支撑块。为了防止物镜位置发生过约束，在支撑块上加工有依据动力学原理进行设计的柔性铰链结构，从而使得物镜悬浮的总体刚度以及整机相关的谐振频率都能被限制在一定的范围内。但是，因为这种钢质柔性支撑机构会对物镜起支撑和定位作用，因此对涉及z和Rx方向的两个自由度的刚度较大，无法被动调节。因此对应特定模态下，引起物镜在这两个方向的微振动无法得到有效减振。另外，由于钢质柔性块的阻尼很小，对于低频振动(小于500Hz)，减振效果很不理想。对于特征线宽小于等于100nm的光刻工艺来说，光刻机的曝光***要求工件台(包括掩模台)相对于投影物镜的定位误差不超过2nm，因此，原有低阻尼的钢质支撑机构难以实现物镜需要的稳定性指标。对此，专利US6,791,664采取将压电陶瓷作动器和压电传感器作为一体植入钢质支撑块中的方法，根据检测到的压电传感器的振动信号，控制压电陶瓷作动器的伸缩来调整支撑块的阻尼比，实现物镜的主动减振。通过这种减振方式，使得针对物镜主要低频模态——“操纵杆”模态的相对阻尼由原先的0.2％提高到16％，可以有效地降低振动振幅达86％。但同时针对“钟摆式”模态的减振效果改善并不大。而且采用美国专利公开的技术方案降低了柔性支撑块的支撑刚度；压电陶瓷的主动减振方式，需要采用特定控制算法的控制器进行控制，加大了实现的复杂度；同时压电陶瓷动作时，压电陶瓷上下表面发生轻微错动而产生侧向剪切力会降低压电作动器的使用寿命，并影响其长期工作的稳定性和可靠性。
实用新型内容
本实用新型的目的在于在物镜和主基板间提供一种大阻尼柔性支撑机构，对物镜高阶模态振型进行减振和消除，它主要针对物镜内部世界(气液管路和气膜)的扰动和外部世界的随机噪音引起物镜的微振动进行减振和消振。
为达到上述的目的，本实用新型提供一种大阻尼精密柔性支撑机构，它由柔性块本体和大阻尼橡胶体组成，所述柔性块本体靠近上下两端处分别设置有一组横向贯穿柔性块本体的垂向弹性铰链，柔性块本体正面的中部开有通槽，两侧设有一对侧向弹性铰链，通槽与每一侧向弹性铰链之间还设有一中部弹性铰链，所述的大阻尼橡胶体容设在通槽中，并通过前、后档板压紧固定。
在上述的大阻尼精密柔性支撑机构中，所述的柔性块本体为一长方体不锈钢体。
在上述的大阻尼精密柔性支撑机构中，所述侧向弹性铰链的垂向狭缝与中部弹性铰链的狭缝连通。
在上述的大阻尼精密柔性支撑机构中，所述的大阻尼橡胶体截面形状同通槽的形状，体积略大于通槽的容积。
在上述的大阻尼精密柔性支撑机构中，所述的中部弹性铰链靠近通槽的一端设置有一对通孔，前后档板通过夹紧螺钉、螺母将大阻尼橡胶体压紧固定在通槽内，所述螺钉穿过中部弹性铰链的通孔与螺母锁紧。
在上述的大阻尼精密柔性支撑机构中，所述的柔性块本体顶部开有一个阶梯孔，所述大阻尼橡胶体的中部开有一个沿竖直方向的腰型通孔，阶梯孔和腰型通孔由一个螺栓连接并通过阶梯孔底端的螺纹拧紧。
在上述的大阻尼精密柔性支撑机构中，所述的柔性块本体顶部对称分布有两螺纹孔，垂向弹性铰链与螺纹孔相交处开有两个通孔。
在上述的大阻尼精密柔性支撑机构中，所述的柔性块本体底部等间距分布有四组八个螺纹孔。
本实用新型由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
1.本实用新型结构紧凑、可靠性高，适应性强，具有大阻尼的显著特点，同时拥有Rx，Ry，Rz，x，y五个自由度的微调能力，并在z向具有一定的支撑刚度；
2.由于该柔性支撑机构具有五个方位的微调柔性，可以避免物镜安装时发生过约束问题，从而有效地过滤物镜的高频振动；
3.因其具有大阻尼的特点，所以可以有效地对物镜的低频振动进行减振和消除，满足Bumping光刻机等精密设备的工作要求。
附图说明
本实用新型的大阻尼精密柔性支撑机构的具体结构由以下的实施例及附图给出。
图1为投影物镜的减振装置的结构示意图；
图2为柔性块支撑的物镜的主要振动模态示意图；
图3为本实用新型柔性块本体的主视图；
图4为本实用新型柔性块本体的侧视图；
图5为大阻尼精密柔性支撑机构的装配示意图。
具体实施方式
以下将对本实用新型的大阻尼精密柔性支撑机构作进一步的详细描述。
图1示出了投影物镜1、柔性支撑机构4、主基板2和主动减振***3的位置关系。在本实施例中，三个柔性支撑机构4等圆周布置在物镜1与主基板2之间，并通过安装接口连接。主基板2和物镜1一体通过三组主动减振***3安装在基础框架(未图示)上。投影物镜1在与主基板2连接时由于采用了钢质柔性块支撑，使物镜伴生出两种主要的比较活跃的低特征频率的振动模态，它们分别是“操纵杆”模态和“钟摆式”模态，如图2所示。图2左边的是“操纵杆”模态，指物镜相对主基板，在物镜安装面的两水平轴x轴和y轴附近发生微转Rx和Ry；图2右边的是“钟摆式”模态，指物镜相对主基板安装面发生的微小的水平偏移Δx和Δy，“钟摆式”模态主要受限于物镜支撑块的切向刚度；另外，还有特征频率比较高的两个悬浮模态，是指沿垂直轴z轴的微小运动Δz和以z轴为转轴的转动Rz。
为了使物镜对应两种模态的微振尽快衰减和耗散完毕，需要在适度提高柔性支撑块的垂向刚度和切向刚度的同时，增加支撑块的阻尼比。本实用新型针对Bumping步进光刻机(线宽2μm，单机套刻精度500nm)提出了一种解决方式，即在高刚度钢质支撑块内加工出经过动力学分析设计的代表弹簧和弹性铰链的微细结构，同时在这些贯穿的沟槽内填充有高阻尼的橡胶类材料。填充的材料必须符合光刻环境要求并具有大阻尼、适度刚度、同支撑块材料表面的粘结性好，不脱落的特点。
参阅图3至图5，本实用新型的大阻尼精密柔性支撑机构4主要由柔性块本体5和大阻尼橡胶体21组成。柔性块本体5为一长方体不锈钢体，其靠近上下两端处对称位置各设置有一组垂向弹性铰链15，并横向贯穿于柔性块本体5中，形成垂向弹性铰链区14，该两组垂向弹性铰链15的作用是：提供物镜1沿x、y方向的微小转动Rx、Ry和位移Δx、Δy。
柔性块本体5正面中部开有截面类似于对开口的两把“剪刀”的通槽8，两侧设有一对侧向弹性铰链13，通槽8与每一侧向弹性铰链13之间还设有一中部弹性铰链23，于本实施例中，侧向弹性铰链13的垂向狭缝与中部弹性铰链23的狭缝相连通，形成侧向弹性铰链区9，以起到z向减振的作用。大阻尼橡胶体21的截面形状同通槽8的形状，体积略大于通槽8的容积，从而当其容设在通槽8中时，能够与通槽8紧密贴合。中部弹性铰链23靠近通槽8的一端还设有一对通孔22，前、后档板17、19通过夹紧螺钉20、螺母16将大阻尼橡胶体21压紧固定在通槽8内，螺钉20穿过中部弹性铰链23的通孔22与螺母16锁紧。
柔性块本体5的顶部对称分布有两螺纹孔11，作为物镜1的安装接口，形成物镜安装接口区6。由于螺纹孔11的孔径较深，为避免影响垂向弹性铰链15的工作性能，在螺纹孔11与垂向弹性铰链15的相交处开设两个通孔25。除了两个螺纹孔11外，柔性块本体5顶部还开有一个阶梯孔7，大阻尼橡胶体21的中部沿竖直方向开有一个与之对应的腰型通孔24，阶梯孔7和腰型通孔24由一个螺栓18连接并通过阶梯孔7底端的螺纹拧紧，用以从纵向压紧大阻尼橡胶体21，并实现侧向弹性铰链13的预紧。通过调节螺栓18的锁紧程度，可适当调节该柔性支撑机构的z向刚度。
柔性块本体5的底部等间距分布有四组八个螺纹孔12，作为与主基板2的安装接口，形成主基板安装接口区10。
对于柔性支撑机构4的物镜安装接口区6和主基板安装接口区10的具体形式，可以根据物镜1的具体形式进行适度调整，其对物镜1及柔性支撑机构4的基本模态和减振效果的影响并不大。
综上所述，采用本实用新型的大阻尼精密柔性支撑机构4，可以实现物镜在Rx，Ry，Rz，x，y五个自由度的微调，避免了物镜安装时的过定位问题，对物镜的高频振动可以进行有效地过滤。同时因每一柔性块本体5中部安装有前后上下均被压紧的大阻尼橡胶体21，阻尼比大幅增加，可以有效地对物镜的低频振动进行减振和消除。预紧螺栓18具有适度调整柔性块垂向支撑刚度的功能。前后两挡板17、19具有压紧和密封大阻尼橡胶体21的功能。

Claims (13)

1.一种大阻尼精密柔性支撑机构，其特征在于：所述的大阻尼精密柔性支撑机构(4)由柔性块本体(5)和大阻尼橡胶体(21)组成，所述柔性块本体(5)靠近上下两端处分别设置有一组横向贯穿柔性块本体(5)的垂向弹性铰链(15)，柔性块本体(5)正面的中部开有通槽(8)，两侧设有一对侧向弹性铰链(13)，通槽(8)与每一侧向弹性铰链(13)之间还设有一中部弹性铰链(23)，所述的大阻尼橡胶体(21)容设在通槽(8)中，并通过前、后档板(17、19)压紧固定。
2.如权利要求1所述的大阻尼精密柔性支撑机构，其特征在于：所述的柔性块本体(5)为一长方体不锈钢体。
3.如权利要求1所述的大阻尼精密柔性支撑机构，其特征在于：所述侧向弹性铰链(13)的垂向狭缝与中部弹性铰链(23)的狭缝连通。
4.如权利要求1所述的大阻尼精密柔性支撑机构，其特征在于：所述的大阻尼橡胶体(21)截面形状同通槽(8)的形状。
5.如权利要求1所述的大阻尼精密柔性支撑机构，其特征在于：所述的大阻尼橡胶体(21)的体积略大于通槽(8)的容积。
6.如权利要求1所述的大阻尼精密柔性支撑机构，其特征在于：所述的中部弹性铰链(23)靠近通槽(8)的一端设置有一对通孔(22)。
7.如权利要求6所述的大阻尼精密柔性支撑机构，其特征在于：所述的前、后档板(17、19)通过夹紧螺钉(20)、螺母(16)将大阻尼橡胶体(21)压紧固定在通槽(8)内，所述螺钉(20)穿过中部弹性铰链(23)的通孔(22)与螺母(16)锁紧。
8.如权利要求1所述的大阻尼精密柔性支撑机构，其特征在于：所述的柔性块本体(5)顶部开有一个阶梯孔(7)。
9.如权利要求8所述的大阻尼精密柔性支撑机构，其特征在于：所述大阻尼橡胶体(21)的中部开有一个沿竖直方向的腰型通孔(24)。
10.如权利要求9所述的大阻尼精密柔性支撑机构，其特征在于：所述的阶梯孔(7)和腰型通孔(24)由一个螺栓(18)连接并通过阶梯孔(7)底端的螺纹拧紧。
11.如权利要求1所述的大阻尼精密柔性支撑机构，其特征在于：所述的柔性块本体(5)顶部对称分布有两螺纹孔(11)。
12.如权利要求11所述的大阻尼精密柔性支撑机构，其特征在于：所述的垂向弹性铰链(15)与螺纹孔(11)相交处开有两个通孔(25)。
13.如权利要求1所述的大阻尼精密柔性支撑机构，其特征在于：所述的柔性块本体(5)底部等间距分布有四组八个螺纹孔(12)。
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