CN101206410A - 工件台平衡质量定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种工件台平衡质量定位系统，用于光刻机中工件台的减振，其包括X向和Y向长行程模块，以实现硅片承载台相对于系统框架在X、Y两个方向上的独立运动；纠偏和防漂装置，用于补偿平衡质量系统框架在X、Y和Rz向的位置漂移；及垂向微调及重力补偿装置，安装在X向和Y向长行程模块上与承载微动台之间，用以支撑硅片承载微动台几乎全部的静态重量，并兼有z、Rx、Ry三方向自由度的微调整功能。本发明针对光刻大直径硅片的曝光系统，在工件台中采用平衡质量方式，以减小和消除水平向的运动反力以及系统重心变化对曝光系统造成的不利影响；采用特殊设计的垂向微调及重力补偿装置，确保了硅片承载微动台的垂向减振隔振和精密定位功能。

Description

工件台平衡质量定位系统

技术领域

本发明涉及一种应用于光刻机中的工件台平衡质量定位系统，特别是具有重力补偿及垂向精密定位装置的工件台平衡质量定位系统。

背景技术

光刻是指将一系列掩模版上的芯片图形通过曝光系统依次转印到硅片相应层上的复杂的工艺过程。整个光刻过程大约消耗芯片前道制造时间的60％，占有整个芯片制造的近40％的成本。而这一系列复杂、昂贵、耗时的光刻工艺过程集中在芯片前道生产线对应的一组光刻机上完成，因此光刻机的光刻精度和产率高低直接影响着芯片的集成度和制造成本。

与直径200mm的硅片相比，直径300mm硅片表面的有效光刻面积一般提高1.2～1.7倍，这将使芯片的制造成本下降30％左右，且直径300mm硅片的制造工艺已趋于成熟，基于这些因素，目前光刻直径为300mm的硅片已经成为前道光刻领域的主流技术。随着直径300mm硅片业成为光刻领域的主流技术，传统的光刻直径200mm硅片的框架系统及局部减振布局已经不能满足提高系统产率和曝光质量的要求。其主要体现在：工件台高加速度起停时产生的运动反力即使引出至外部框架，如不加以处理，对光刻系统的影响已不容忽视；工件台高速运动时引起系统重心的频繁变化所带来光刻系统的无序振动也不容忽视。针对光刻大直径硅片的工件台，为了提高硅片的产率，要求光刻机扫描速度不断提升，这势必要不断提高扫描运动的加速度，所产生的运动反力和工件台系统重心的频繁变化所引起的振动问题如不加以解决，必定恶化曝光质量，取得适得其反的结果。

平衡质量技术正是在这种条件下出现的。通过平衡质量技术，工件台传递给基础框架的作用力会大幅降低，这在很大程度上减少了光刻机系统的减振难度，避免了运动反力对系统曝光的干扰。

一种传统的工件台质量定位系统采用了反力外引加主动阻尼抵消运动反力的方式，并实时补偿因重心变化产生的偏心力矩的负面影响，以抵消长行程模块的运动反力，并使工件台系统的重心在运动过程中保持不变。但是这种在原有机型框架基础上采用的主动抵消和补偿反力的方式受光刻技术发展瓶颈所限，只是权宜之计。

另一种传统的工件台质量定位系统具有双层的平衡质量块用于抵消运动反力，即在工件台步进扫描两个方向上均引入相当于平衡质量的机构，用以抵消步进和扫描方向上的运动反力对光刻系统的影响，同时，在整个曝光过程中工件台系统的重心保持不变，但由于增加部件，因而价格相对偏高。

因此，如何克服上述先前技术的缺失，进而于使平衡质量定位系统的结构简单，使其运动完全解耦，并且易于制定跟踪控制策略，是目前亟待解决的课题。

发明内容

鉴于上述习知技术的缺点，本发明的主要目的是提供一种平衡质量定位系统，针对光刻大直径硅片的曝光系统，以减小和消除运动反力以及系统重心变化对曝光系统造成的不利影响。

为达上述目的，本发明即提供一种工件台平衡质量定位系统，应用于光刻机中对系统工件台的减振，其包括系统框架、基础框架、硅片承载台、气浮系统、及运动限位装置，该系统框架通过该气浮系统相对该基础框架运动，该运动限位装置位于该系统框架的四个角点位置用以圈定该定位系统在该基础框架上作平面运动的极限位置，其一步包括：

X向和Y向长行程模块，以实现上述硅片承载台相对于上述系统框在X、Y两个方向上的独立运动；

纠偏和防漂装置，用于补偿平衡质量系统框架在X向、Y向和Rz向的位置漂移；及垂向微调及重力补偿装置，安装在上述X向和Y向长行程模块上与该承载微动台之间，用以支撑硅片承载微动台几乎全部的静态重量，并兼有z、Rx、Ry三方向自由度的微调整功能。

上述的工件台平衡质量定位系统，其进一步包括：该X向和Y向长行程模块包括Y向长行程电机和X向长行程电机。

上述的工件台平衡质量定位系统中，该Y向长行程电机和该X向长行程电机进一步包括Y1向长行程驱动电机定子、Y1向长行程驱动电机动子、X向长行程驱动电机定子、Y2向长行程驱动电机动子、Y2向长行程驱动电机定子，该X向长行程电机的该等定子与该Y向两组长行程电机的该等动子安装在一起。

上述的工件台平衡质量定位系统中，该Y向长行程电机的个数为2个，该X向长行程电机的个数为1个。

上述的工件台平衡质量定位系统中，该等垂向微调及重力补偿装置包括重力补偿器及垂向执行器，该重力补偿器用于支撑该承载微动台的静态重量，该垂向执行器作为z向微动补偿器，用以实现该承载微动台的z向微补偿及精密定位。

上述的工件台平衡质量定位系统中，该垂向执行器进一步包括联结在该承载微动台一侧的音圈电机，以实现该硅片承载微动台在水平方向x、y、Rz三自由度的微调整。

上述的工件台平衡质量定位系统，其进一步包括：该垂向执行器进一步包括在水平向具有自适应的调整功能的支撑簧片，以实现垂向微调及重力补偿装置在垂向作微小位移时运动的完全解耦。

上述的工件台平衡质量定位系统中，该重力补偿器进一步包括环状气浮，其与支撑簧片一起用以补偿该微动台的水平移动以及该音圈电机的垂向运动。

上述的工件台平衡质量定位系统中，该重力补偿器进一步包括簧片支撑机构，以实现微动台位姿微调时水平向和垂向运动的完全解耦。

上述的工件台平衡质量定位系统中，该等垂向微调及重力补偿装置的个数为3个。

综上所述，本发明的工件台平衡质量定位系统，本发明针对光刻大直径硅片的曝光系统，在工件台中采用平衡质量方式，以减小和消除运动反力以及系统重心变化对曝光系统造成的不利影响。其工件台系统的硅片承载微动台采用独立的减振隔振方式，同时具有z、Rx、Ry、x、y、Rz六个方向自由度的微调整功能，用以精确的位置控制。

附图说明

图1为本发明的一种工件台平衡质量定位系统的主视图。

图2为本发明的一种工件台平衡质量定位系统的硅片承载台的横截面剖视图。

图3为本发明的一种工件台平衡质量定位系统的重力补偿和垂向微调装置的剖面示意图。

图4为本发明的一种工件台平衡质量定位系统的重力补偿器的供气回路示意图。

图5为本发明的一种工件台平衡质量定位系统的重力补偿和垂向微调装置的控制回路示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，该领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易了解本发明其它优点及功效。

为了大幅度降低工件台运动时施加给曝光系统的反作用力，可以采用平衡质量的方式来降低和抵消运动反力。本发明的工件台平衡质量系统属于单层平衡质量精密定位系统。以下将对照各附图对本发明的工件台平衡质量定位系统的各组成部分进行详细的说明。

如图1及2所示，该工件台平衡质量定位系统包括平衡质量系统框架1、基础框架4、X向和Y向长行程模块(图中未标注图号)、硅片承载台7、四个气浮系统2、9、13、20、四个运动限位装置3、8、14、19、三组纠偏与防漂装置11、15、18及三组具有相同结构形式的垂向微调及重力补偿装置22。

上述系统框架1，以用来平衡该X、Y向长行程电机施加给该定子5、12、17的反作用力。

上述基础框架4具有调平能力，为上述系统框架1提供了一个牢固可靠的工作平台。该基础框架4的上方具有一铺面10(可为大理石原料)用以设置上述支撑气浮系统2、9、13、20。该系统框架1通过该支撑气浮系统2、9、13、20支撑在该铺面10上。该系统框架1相对该基础框架4做平面运动。

上述长行程模块用于实现系统在X、Y向的大行程运动，主要包括2个Y向长行程电机和1个X向长行程电机，具体为：Y1向长行程驱动电机定子5、Y1向长行程驱动电机动子6、X向长行程驱动电机定子12、Y2向长行程驱动电机动子16、Y2向长行程驱动电机定子17。上述2个Y向电机运动需要同步等速运动以实现Y向运动。上述X向长行程电机的该等定子12与上述Y向两组长行程电机的该等动子6、16安装在一起，该滑块与其运行导轨之间用气浮轴承连接。

上述Y向两组长行程电机的该等定子5、17固设在上述系统框架1上。

上述X向长行程电机的该等定子12固设在上述Y1、Y2直线电机的该等动子6、16上并实现刚性连接，这样，上述长行程模块只可以实现上述硅片承载台7相对于上述系统框架1在X、Y两个方向上的独立运动。

上述四组运动限位装置3、8、14、19固设在上述基础框架4上，位于上述系统框架1初始化的四个角点位置，用以圈定该平衡质量定位系统在上述基础框架4上作平面运动的极限位置，不允许其超出其圈定的运动范围。

上述纠偏和防漂装置11、15、18，分别用于补偿平衡质量系统框架1在X向、Y向和Rz向的位置漂移。

该等垂向微调及重力补偿装置22以该硅片承载微动平台7的几何中心为中心，呈120°等角度布置在工件台长行程基座23上与该承载微动台7之间，用以支撑硅片承载微动台7几乎全部的静态重量，并兼有z、Rx、Ry三方向自由度的微调整功能。该等垂向微调及重力补偿装置22包括重力补偿器(图中未标图号)及垂向执行器(图中未标图号)。该重力补偿器用于支撑该承载微动台10的静态重量。该垂向执行器作为z向微动补偿器，用以实现该承载微动台7的z向微补偿及精密定位。

如图3所示，该重力补偿器包括推杆顶端气浮出气口32、位于垂向微调及重力补偿装置22中心处的气浮挡头33、气浮挡头支撑处的柔性铰链机构34、推杆顶部环状气浮35、簧片支撑机构41、恒压室进气口42、恒压室43、重力补偿器器壁体44、周向气浮45、周向气浮进气口46、气体通道47、周向气浮排气口48和推杆49。该垂向执行器包括安装在该定子支撑盖37顶部的三组等圆周布置的支撑簧片31、垂向微调整音圈电机24的定子36、垂向微调整音圈电机24的定子支撑盖37、垂向微调整音圈电机24的动子线圈38、垂向微调整音圈电机24的动子线圈支撑架39和动子线圈支撑架固定机构40。该承载微动台7在水平方向通过布置在水平面的该等三组微调的音圈电机24与工件台微动台承载框架21实现物理连接，该音圈电机24的动子29通过柔性簧片27联结在该承载微动台7一侧，以实现该硅片承载微动台7在水平方向x、y、Rz三自由度的微调整。该音圈电机24的定子28均安装在微动台水平向微调电机支撑体30上，该支撑体再安装在该工件台微动台承载框架21上。该承载微动台的承载框架21与通过气浮25支撑在该铺面10上的工件台长行程基座23联结。因而，该承载微动台7可以独立减振隔振，并兼具6自由度的微调整能力。

该支撑簧片31与该气浮挡头33一起粘结在该硅片承载微动平台7的底平面上，共同支撑着该承载微动平台7的全部重量。该支撑簧片31在水平向具有自适应的调整功能，以实现三组垂向微调及重力补偿装置在垂向作微小位移时运动的完全解耦。该气浮挡头33与该环状气浮35支撑着该承载微动平台7几乎全部的静态重量，该环状气浮35允许该气浮挡头33与该推杆49间在水平向和垂向有一定的微小位移，用以补偿该支撑簧片31的水平移动以及音圈电机的垂向运动。

上述三组垂向微调整音圈电机24实现该承载微动台7的垂向精密调整定位时，对应的支撑簧片31通过侧向的微小形变实现水平向的自适应调整功能，这会导致音圈电机24固定在该定子支撑盖37上的定子永磁体36与该动子线圈38间发生微小的错动。一般情况下，电机定动子的间隙可以补偿。但当该承载微动台7水平向(x、y、Rz)的微调音圈电机24三组联合动作时，应保证该承载微动台7在水平向微调不会影响到垂向的微调，即需要实现水平向和垂向在控制上的完全解耦。因此，在本较佳实施例中，重力补偿器的器壁体44对应垂向微调整音圈电机的动子线圈支撑架39安装的位置处具有特别设计的该簧片支撑机构41，允许垂向执行器对应的该支撑簧片31、该垂向微调整音圈电机的定子36、该垂向微调整音圈电机的定子支撑盖37、该垂向微调整音圈电机的动子线圈38、该垂向微调整音圈电机的动子线圈支撑架39部分相对于重力补偿器推杆允许在水平x、y向有0.5mm的位移，从而实现微动台位姿微调时水平向和垂向运动的完全解耦。推杆侧壁的周向气浮45其气浮间隙约为10～16μm。

该器壁体44是整个重力补偿器的主体外壳和支撑安装部分。恒压室43维持一个恒定的压力，承载微动台7几乎全部的重量，因压力基本维持不变，该恒压室对承载微动台7因振动等因素发生重量变化的刚度几乎为零，可以将高频振动过滤为超低频振动，大幅消除工件台内部和外部振动对承载微动台7的影响。该器壁体44直接固定安装在工件台长行程基座23上，恒压室43的压力通过推杆49，推杆顶部气浮挡头33支撑着承载微动台7。因活塞推杆49与侧壁44以及推杆49顶部与气浮挡头33间均有周向气浮45和推杆顶部的环状气浮35分布，因此推杆49上下运动的摩擦力可以消除。恒压补偿气口42用以接通保持恒压室43压力稳定不变的可控气源。

Z向补偿电机为微动的该音圈电机24，响应速度快，定位精度高。考虑到电机工作时线圈发热对微动台7的不利影响，将其永磁体定子部分36安装在垂向微调整音圈电机的定子支撑盖37上，支撑盖37与承载微动台7直接机械连接。其动子线圈部分38通过垂向微调整音圈电机的动子线圈支撑架39安装在器壁体44上。

安装调整后，需要确保柔性支撑簧片31的顶部平面与重力补偿器气浮挡头33顶部平面共面。音圈电机定子36和动子38要求精确组合安装成一体并形成一直线微动电机。其重要功能是根据振动信号，实时微补偿硅片承载微动台7在Z向的位置，并能瞬间支撑该承载微动台7的全部重量，其主要作用相当于一个磁力阻尼器、微补偿器和精密定位执行器。磁力阻尼用以消除振动对微动平台7的影响，微补偿器和精密定位执行器用以调整微动平台7的z向高度并实现精确定位。

如图4所示，配合参照图3，维持重力补偿器的恒压室43以及侧壁气浮44和顶部气浮35的供应气源50是一个具有较大容积的容器，用以避免气源供应泵体波动对重力补偿器工作造成的影响。调节阀51是一个可自动控制和调节的阀体，用以保持供应气源压力的稳定，尽量减小因气体流动引起压力的波动。为了进一步控制气压，使其稳定，在调节阀51下安装有一个体积更大气体容器室52，以保持供应重力补偿器压力的稳定。气路54直接接通重力补偿器的恒压室43，并通过控制阀53接通恒压室进气口42。控制阀53用以控制调整进气口，当恒压室43的压力与气体容器室52压力不一致时，控制阀53调整进气孔大小，在允许的时间内使其压力降为零。因此，当推杆49因硅片承载微动台7加速度不同，发生向上和向下运动，恒压室43内有气体流入或流出，这都会在控制器59上引起一个压力降，控制阀53调整进气孔大小，在允许的时间内使其压力降为零，使推杆49承受微动台7的几乎全部的静态重量，减小音圈电机组件发热量。当音圈电机稳定调整到控制位置后，恒压室43内的压力会逐渐恢复到原先的恒压，并可持续稳定并保持在该恒压下自适应稳定的工作。

如图5所示，重力补偿及垂向执行装置的控制回路由垂向音圈电机控制器55、承载硅片微动台位置传感器56、重力补偿器57、恒压室气源控制阀58、重力补偿控制器59以及两个比较环节和一个反馈环节组成。Z-Setpoint为硅片承载微动台7的控制器设置值，Z-Position为差分传感器测量得到的硅片承载微动台10的实际位置值，F_Voice Coil为音圈电机控制器55控制音圈电机垂向电磁驱动力的输出值，F_Air为重力补偿器推杆49的气体推力输出值。通过比较环节，使系统自动识别是否达到所需重力，并通过补偿环节，控制重力合适度，以确保其垂向精密定位。

本发明的工件台平衡质量定位系统，具有重力补偿及垂向精密定位装置，用以实现工件台平衡质量定位系统的运动补偿和初始化回零。相较于习知技术，本发明针对光刻大直径硅片，在不影响系统曝光质量的前提下如何提高系统产率的问题，本发明工件台布局方式，结合平衡质量体和微动台特殊的6自由度微调整和定位结构，从而消除了大行程运动基座加减速运动时产生的运动反力，系统重心在整个曝光过程中保持不变，硅片承载微动台形成独立隔振减振和精密定位单元，并能够实现纳米级的位姿调整和定位功能。

上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，亦即，本发明事实上仍可作其它改变。因此，熟知本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此本发明的权利保护范围，应如后述的申请专利范围之所列。

Claims (10)

1.一种工件台平衡质量定位系统，应用于光刻机中对系统工件台的减振，其包括系统框架、基础框架、硅片承载台、气浮系统、及运动限位装置，该系统框架通过该气浮系统相对该基础框架运动，该运动限位装置位于该系统框架的四个角点位置用以圈定该定位系统在该基础框架上作平面运动的极限位置，其特征在于进一步包括：

X向和Y向长行程模块，以实现上述硅片承载台相对于上述系统框在X、Y两个方向上的独立运动；

纠偏和防漂装置，用于补偿平衡质量系统框架在X向、Y向和Rz向的位置漂移；及

垂向微调及重力补偿装置，安装在上述X向和Y向长行程模块上与该承载微动台之间，用以支撑硅片承载微动台几乎全部的静态重量，并兼有z、Rx、Ry三方向自由度的微调整功能。

2.如权利要求1所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于：该X向和Y向长行程模块包括Y向长行程电机和X向长行程电机。

3.如权利要求2所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于：该Y向长行程电机和该X向长行程电机进一步包括Y1向长行程驱动电机定子、Y1向长行程驱动电机动子、X向长行程驱动电机定子、Y2向长行程驱动电机动子、Y2向长行程驱动电机定子，该X向长行程电机的该等定子与该Y向两组长行程电机的该等动子安装在一起。

4.如权利要求3所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于：该Y向长行程电机的个数为2个，该X向长行程电机的个数为1个。

5.如权利要求1所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于：该等垂向微调及重力补偿装置包括重力补偿器及垂向执行器，该重力补偿器用于支撑该承载微动台的静态重量，该垂向执行器作为z向微动补偿器，用以实现该承载微动台的z向微补偿及精密定位。

6.如权利要求5所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于：该垂向执行器进一步包括联结在该承载微动台一侧的音圈电机，以实现该硅片承载微动台在水平方向x、y、Rz三自由度的微调整。

7.如权利要求6所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于：该垂向执行器进一步包括在水平向具有自适应的调整功能的支撑簧片，以实现垂向微调及重力补偿装置在垂向作微小位移时运动的完全解耦。

8.如权利要求7所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于：该重力补偿器进一步包括环状气浮，其与支撑簧片一起用以补偿该微动台的水平移动以及该音圈电机的垂向运动。

9.如权利要求8所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于：该重力补偿器进一步包括簧片支撑机构，以实现微动台位姿微调时水平向和垂向运动的完全解耦。

10.如权利要求1所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于：该等垂向微调及重力补偿装置的个数为3个。

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