CN101609265B - 采用磁悬浮平面电机的硅片台多台交换系统 - Google Patents

Abstract

采用磁悬浮平面电机的硅片台多台交换系统，主要用于光刻机系统中。该硅片台多台交换系统包括基台、硅片台组和硅片台驱动装置，所述硅片台组包括多个结构相同的分别工作于预处理工位或曝光工位的硅片台，所述硅片台驱动装置采用磁悬浮平面电机，磁悬浮平面电机的定子设置在基台顶部，平面电机的动子设置在硅片台底部。本发明给出了该硅片台多台交换系统的一个采用动圈式永磁磁悬浮平面电机的具体实例。实例中，平面电机的定子采用了相邻永磁体充磁方向互成45°角的新型平面永磁阵列。该硅片台多台交换系统通过平面电机直接驱动硅片台实现平面上的多台交换和步进扫描运动，提高了光刻机的生产率、套刻精度和分辨率。

Description

采用磁悬浮平面电机的硅片台多台交换系统

技术领域

本发明涉及光刻机硅片台多台交换系统，该系统主要应用于半导体光刻机中，属于半导体制造装备领域。

背景技术

在集成电路芯片的生产过程中，芯片的设计图形在硅片表面光刻胶上的曝光转印(光刻)是其中最重要的工序之一，该工序所用的设备称为光刻机(曝光机)。光刻机的分辨率和曝光效率极大的影响着集成电路芯片的特征线宽(分辨率)和生产率。而作为光刻机关键系统的硅片超精密运动定位系统(以下简称为硅片台)的运动精度和工作效率，又在很大程度上决定了光刻机的分辨率和曝光效率。

步进扫描投影光刻机基本原理如图1所示。来自光源45的深紫外光透过掩模版47、透镜系统49将掩模版上的一部分图形成像在硅片50的某个Chip上。掩模版和硅片反向按一定的速度比例作同步运动，最终将掩模版上的全部图形成像在硅片的特定芯片(Chip)上。

硅片台运动定位系统的基本作用就是在曝光过程中承载着硅片并按设定的速度和方向运动，以实现掩模版图形向硅片上各区域的精确转移。由于芯片的线宽非常小(目前最小线宽已经达到45nm)，为保证光刻的套刻精度和分辨率，就要求硅片台具有极高的运动定位精度；由于硅片台的运动速度在很大程度上影响着光刻的生产率，从提高生产率的角度，又要求硅片台的运动速度不断提高。

传统的硅片台，如专利EP 0729073和专利US 5996437所描述的，光刻机中只有一个硅片运动定位单元，即一个硅片台。调平调焦等准备工作都要在上面完成，这些工作所需的时间很长，特别是对准，由于要求进行精度极高的低速扫描(典型的对准扫描速度为1mm/s)，因此所需时间很长。而要减少其工作时间却非常困难。这样，为了提高光刻机的生产效率，就必须不断提高硅片台的步进和曝光扫描的运动速度。而速度的提高将不可避免导致系统动态性能的恶化，需要采取大量的技术措施保障和提高硅片台的运动精度，为保持现有精度或达到更高精度要付出的代价将大大提高。

专利WO98/40791(公开日期：1998.9.17；国别：荷兰)所描述的结构采用双硅片台结构，将上下片、预对准、对准等曝光准备工作转移至第二个硅片台上，且与曝光硅片台同时独立运动。在不提高硅片台运动速度的前提下，曝光硅片台大量的准备工作由第二个硅片台分担，从而大大缩短了每片硅片在曝光硅片台上的工作时间，大幅度提高了生产效率。然而该系统存在的主要缺点在于硅片台系统的非质心驱动问题。

本申请人在2003年申请的发明专利“步进投影光刻机双台轮换曝光超精密定位硅片系统”(专利申请号：ZL03156436.4)，公开了一种带双侧直线导轨的双硅片台交换结构，该硅 片台多台交换系统在工作空间上不存在重叠，因此不需采用碰撞预防装置。但是该硅片台多台交换系统也存在一些问题，一是该系统要求极高的导轨对接精度；二是该系统双侧导轨只有一侧空间被同时利用，导致该硅片台系统外形尺寸较大，这对空间利用率要求较高的半导体芯片厂而言无疑显得非常重要。三是该系统硅片台交换时需采用带驱动装置的桥接装置，增加了系统的复杂性。

本申请人在2007年申请的发明专利“一种采用十字导轨的光刻机硅片台多台交换系统”(专利申请号：200710303713.5)公开了一种由4组双自由度驱动单元实现硅片台双台交换的结构，该硅片台的运动是靠两相邻双自由度驱动单元同时运动实现，因此系统对同步控制具有一定要求。同时，本申请人在2007年申请的发明专利“一种采用过渡承接装置的光刻机硅片台多台交换系统”(专利申请号：200710303712.0)和“一种采用传送带结构的光刻机硅片台多台交换系统”(专利申请号：200710303648.6)都在在预处理工位和曝光工位上分别设有一个H型驱动单元。

所有上述发明专利中的硅片台都是通过将多个单自由度直线电机叠加成H型或十字型等叠层结构来实现多自由度平面运动。这种叠层驱动结构在实现平面运动时，上层直线电机及其直接驱动的硅片台都需要底层直线电机来驱动，大大增加了底层直线电机的负担，同时带来了非质心驱动，需要高精度同步控制等问题，系统结构也很复杂，限制了硅片台的运动定位精度，妨碍了其定位响应速度的提高。

发明内容

为了提高光刻机硅片台的加速度，速度和定位精度，进而促进光刻机的生产率、套刻精度和分辨率的提高，本发明提供了一种采用磁悬浮平面电机的硅片台多台交换系统。

本发明的技术方案如下：

一种采用磁悬浮平面电机的硅片台多台交换系统，包括基台11、硅片台组和硅片台驱动装置，其特征在于：所述硅片台组包括多个结构相同的分别工作于预处理工位或曝光工位的硅片台，所述硅片台驱动装置采用磁悬浮平面电机，磁悬浮平面电机的定子21设置在基台顶部，平面电机的动子24设置在硅片台底部。

本发明所述的采用磁悬浮平面电机技术的硅片台多台交换系统，其特征还在于：所述磁悬浮平面电机采用动圈式永磁磁悬浮平面电机、动铁式永磁磁悬浮平面电机或磁悬浮感应式平面电动机。

本发明所述的采用磁悬浮平面电机技术的硅片台多台交换系统，其特征还在于：所述动圈式永磁磁悬浮平面电机的定子或动铁式永磁磁悬浮平面电机的动子采用平面永磁阵列，所述平面永磁阵列包括大永磁体18、小永磁体19和过渡永磁体17，大永磁体、小永磁体和过渡永磁体分别沿竖直方向、水平方向和与竖直方向成45度角方向充磁；所述大永磁体垂直于Z轴方向的截面为正方形，在平面内按N-S极交错排列成平面阵列；所述小永磁体排列在两个相邻大永磁体的正中间，充磁方向从沿Z轴正方向充磁的大永磁体指向沿Z轴负方向充磁的大永 磁体，且与小永磁的一条沿X轴或Y轴方向的棱边平行；所述过渡永磁体排列在相邻的大永磁体和小永磁体之间，充磁方向与相邻永磁体充磁方向都成45°夹角。

本发明所述的采用磁悬浮平面电机技术的硅片台多台交换系统，其特征还在于：所述动圈式永磁磁悬浮平面电机的动子或动铁式永磁磁悬浮平面电机的定子由n个在以硅片台质心为原点的坐标系中关于X轴对称分布且关于Y轴对称分布的X向电磁单元与Y向电磁单元组成，n为大于等于2的整数；X向电磁单元由多个线圈沿X轴方向线性排列而成；Y向电磁单元由多个线圈沿Y轴方向线性排列而成；线圈带铁芯或不带铁芯。

本发明所述的采用磁悬浮平面电机技术的硅片台多台交换系统，其特征还在于：所述动圈式永磁磁悬浮平面电机的动子或动铁式永磁磁悬浮平面电机的定子由2个X向电磁单元与3个Y向电磁单元组成；组成电磁单元的线圈不带铁芯。

本发明所述的采用磁悬浮平面电机的硅片台多台交换系统具有以下优点及突出性效果：取消了这种多个单自由度运动部件叠加形成多自由度平面运动的结构，由平面电机直接驱动每个硅片台实现水平面上的双台交换和相应的步进扫描运动，系统结构大大简化，避免了前述专利中的导轨对接，非质心驱动，同步控制等一系列问题；采用了磁悬浮支承，不需要气浮系统，简化了系统结构，避免了气浮引入的振动和噪声；磁悬浮气隙可达1mm，大大降低了支承面的加工要求，降低了加工成本；可以满足高真空度，高清洁度工作环境的要求；减轻了驱动负载，提高了硅片台的响应速度，大大提高了硅片台运动过程中的速度，加速度和运动定位精度，进而大大提高了光刻机的生产率、套刻精度和分辨率。

图附说明

图1显示了步进扫描投影光刻机基本工作原理。

图2是只有一个硅片台的运动定位系统。

图3是本申请人2007年申请的专利中一种采用叠层驱动结构的硅片台多台交换系统。

图4是本发明所述采用磁悬浮平面电机的硅片台多台交换系统的示意图。

图5是本发明所述采用磁悬浮平面电机的硅片台多台交换系统的一个具体实例的交换示意图(俯视图)。

图6是本发明所述的具体实例的硅片台底部平面电机的动子结构的三维视图。

图7本发明所述的具体实例的基台及其上部具体实例的平面电机的定子的俯视图和剖面视图；

图8是本发明所述的具体实例的永磁阵列气隙磁感应强度竖直分量关于XY坐标的变化关系示意图；

图9是本发明所述的具体实例的硅片台底部平面电机的动子的受力情况示意图。

图中：

1-硅片台；3-H型驱动单元；5-X向直线电机；7-Y向直线电机；9-传送带系统；10-对接滑块；11-基台；15-硅片；17-过渡永磁体；18-大永磁体；19-小永磁体；20 -平面电机的定子；24-平面电机的动子；45-光源；47-掩模版；49-透镜系统；50-硅片；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体结构、机理和工作过程作进一步的说明。

步进扫描投影光刻机基本原理如图1所示。来自光源45的深紫外光透过掩模版47、透镜系统49将掩模版上的一部分图形成像在硅片50的某个Chip上。掩模版和硅片反向按一定的速度比例作同步运动，最终将掩模版上的全部图形成像在硅片的特定芯片(Chip)上。硅片运动定位系统(硅片台)的基本作用就是在曝光过程中承载着硅片并按设定的速度和方向运动，以实现掩模版图形向硅片上各区域的精确转移。

传统的步进扫描投影光刻机硅片台如图2所示，光刻机中只有一个硅片运动定位系统，即只有一个硅片台。调平、调焦等准备工作都要在同一个硅片台上完成，这些工作所需的时间很长，特别是对准，由于要求进行精度极高的低速扫描(典型的对准扫描速度为1mm/s)，因此所需时间很长。为了提高光刻机的曝光效率，本发明所述的光刻机硅片台多台交换系统，将调平、调焦、对准等曝光准备工作转移至预处理工位的硅片台上，且与曝光工位的硅片台同时独立工作，从而大大缩短硅片在曝光硅片台上的工作时间。

采用叠层驱动结构实现多自由平面运动的硅片台多台交换系统如图3所示。该系统包含一个运行于预处理工位的硅片台1和一个运行于曝光工位的硅片台1，所述硅片台均由H型驱动单元3驱动，驱动硅片台1作大范围X、Y方向运动，所述的H型驱动单元由双侧X向直线电机5以及Y向直线电机7组成，在基台两侧安装有传送带系统9，用以驱动硅片台1由预处理工位传送到曝光工位。这种叠层驱动结构，结构复杂，在实现平面运动时，上层直线电机及其直接驱动的硅片台都需要底层直线电机来驱动，大大增加了底层直线电机的负担，限制了硅片台的运动定位精度，妨碍了其定位响应速度的提高。

图5是本发明所述采用磁悬浮平面电机的硅片台多台交换系统的一个具体实例的三维交换示意图(俯视图)。由图可知本发明所述采用磁悬浮平面电机的硅片台多台交换系统包括基台11、两个结构相同的分别工作于预处理工位和曝光工位的硅片台1、以及硅片台驱动装置。其中，硅片台驱动装置采用磁悬浮平面电机，磁悬浮平面电机的定子20设置在基台11顶部，磁悬浮平面电机的动子24设置在硅片台底部.该硅片台多台交换系统通过磁悬浮平面电机直接驱动硅片台实现平面上的双台交换和步进扫描运动。每个硅片台在完成上一工位的工序后，按图5中大箭头所示的路径运动到下一工位，继续完成下一工位的工序，从而以这种类似循环流水线的结构实现将前一硅片的上下片、预对准、对准等曝光准备工作和后一硅片曝光工作的并行进行，大大提高了光刻机的生产率。

如图7所示，设置于基台11的顶部的磁悬浮平面电机的定子20采用平面永磁阵列，该平面永磁阵列由一系列长方体大永磁体18，小永磁体19和过渡永磁体17按图示规律在基台11上排列而成。所述大永磁体为垂直于Z轴方向的截面为正方形，边长为τ_m，沿Z方向充 磁，在平面内按N-S极交错排列，极距为τ；所述小永磁体排列在两个相邻大永磁体的正中间，充磁方向从沿Z轴负方向充磁的大永磁体指向沿Z轴正方向充磁的大永磁体，且与小永磁的一条沿X轴或Y轴方向的棱边平行；所述过渡永磁体排列在相邻的大永磁体和小永磁体之间，充磁方向与相邻永磁体充磁方向成45°，充磁方向边长为τ_n。通过对永磁阵列的参数τm/τ和τn/τ进行优化，可以使永磁阵列气隙磁场强度的Z向分量的高阶谐波分量最小。此平面永磁阵列在具体实例的平面电机的定子20和具体实例的硅片台1之间的气隙中或接触面上产生气隙磁场。图7是图6所示平面永磁阵列的气隙磁感应强度竖直分量Bz关于XY坐标的变化关系示意图。图7中同一列中两相邻相同永磁体的相同侧面间的距离τ为极距，它也是图8中平面永磁阵列的气隙磁感应强度两相邻峰值之间的距离。

如图6所示，实施例中的磁悬浮平面电机的动子24由在以硅片台质心为原点的坐标系中关于X轴对称分布且关于Y轴对称分布的2个X向电磁单元与3个Y向电磁单元组成；每个X向电磁单元由12个线圈沿X轴方向线性排列而成，沿Y方向对称布置在硅片台底部的两边；每个Y向电磁单元由7个线圈沿Y轴方向线性排列而成，沿X方向对称布置在硅片台底部的两个X向电磁单元的中间；每个线圈都不带铁芯；线圈排列方向和永磁阵列排列方向成45°。

每个线圈通电后在永磁阵列产生的气隙磁场中受洛仑兹力作用，其所受洛仑兹力可以分解为三个互相垂直的分力，即沿竖直方向的力Fz，在XY平面内沿线圈长边方向的力F1和在XY平面内垂直于线圈长边方向的力F2，经过分析计算和仿真发现，在硅片台沿X方向或沿Y方向运动时Fz和F2在约1.414τ的行程内按正弦规律变化，峰值大小约为2N，F1大小约为0.00001N-0.0001N，约等于0，且远远小于Fz和F2故忽略不计。这样通过适当的控制策略，单独控制各个线圈的电流，可以使所有线圈在竖直方向产生的力Fz的合力等于硅片台所受到的重力，实现磁悬浮以及每个硅片台在基台上完全独立的平面运动，从而方便的实现水平面上的双台交换和相应的步进扫描运动。

图7表示了单个硅片台具有5个电磁单元驱动时的受力情况，5个电磁单元分别称为第一电磁单元、第二电磁单元、第三电磁单元、第四电磁单元和第五电磁单元，它们底面的中心分别为O1、O2、O3、O4和O5。图中ABCD为具体实例的硅片台12的底面，abcd为ABCD在基台顶面上的投影。第i个(i＝1，2，3，4，，5)电磁单元的3个方向分量F′xi、F′yi和F′zi作用于该电枢单元底面的中心O′i，于是在上述力分量的作用下，硅片台实现沿x、y方向的运动和Z方向的磁悬浮。

Claims (3)

1.一种采用磁悬浮平面电机的硅片台多台交换系统，包括基台(11)、硅片台组和硅片台驱动装置，其特征在于：所述硅片台组包括多个结构相同的分别工作于预处理工位或曝光工位的硅片台，所述硅片台驱动装置采用磁悬浮平面电机，磁悬浮平面电机的定子(21)设置在基台顶部，平面电机的动子(24)设置在硅片台底部；所述磁悬浮平面电机采用动圈式永磁磁悬浮平面电机、动铁式永磁磁悬浮平面电机或磁悬浮感应式平面电动机；所述动圈式永磁磁悬浮平面电机的定子或动铁式永磁磁悬浮平面电机的动子采用平面永磁阵列，所述平面永磁阵列包括大永磁体(18)、小永磁体(19)和过渡永磁体(17)，大永磁体、小永磁体和过渡永磁体分别沿竖直方向、水平方向和与竖直方向成45度角方向充磁；所述大永磁体垂直于Z轴方向的截面为正方形，在平面内按N-S极交错排列成平面阵列；所述小永磁体排列在两个相邻大永磁体的正中间，充磁方向从沿Z轴正方向充磁的大永磁体指向沿Z轴负方向充磁的大永磁体，且与小永磁的一条沿X轴或Y轴方向的棱边平行；所述过渡永磁体排列在相邻的大永磁体和小永磁体之间，充磁方向与相邻永磁体充磁方向都成45°夹角。

2.按照权利要求1所述的一种采用磁悬浮平面电机的硅片台多台交换系统，其特征在于：所述动圈式永磁磁悬浮平面电机的动子或动铁式永磁磁悬浮平面电机的定子由n个在以硅片台质心为原点的坐标系中关于X轴对称分布且关于Y轴对称分布的X向电磁单元与Y向电磁单元组成，n为大于等于2的整数；X向电磁单元由多个线圈沿X轴方向线性排列而成；Y向电磁单元由多个线圈沿Y轴方向线性排列而成；线圈带铁芯或不带铁芯。

3.按照权利要求2所述的一种采用磁悬浮平面电机的硅片台多台交换系统：所述动圈式永磁磁悬浮平面电机的动子或动铁式永磁磁悬浮平面电机的定子由2个X向电磁单元与3个Y向电磁单元组成；组成电磁单元的线圈不带铁芯。

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