CN102393610B - 光刻机工件台陀螺进动式主动稳定装置 - Google Patents

Abstract

光刻机工件台陀螺进动式主动稳定装置属于半导体光学光刻制造技术；在基台上安装可平行移动的平衡质量块，在平衡质量块沿X轴两侧对称部位上分别安装X向第一和第二直线电机定子，X向第一和第二直线电机动子分别气浮安装在X向第一和第二直线电机定子上，在X向第一和第二直线电机动子之间刚性固装带有Y向直线电机定子的Y向导轨，Y向直线电机动子气浮安装在Y向导轨上，硅片承载台固定在Y向直线电机动子侧部上，气浮连接在基台上的硅片台支承座与硅片承载台刚性连接，由舵机、机械陀螺仪和陀螺仪固定座构成的第一、二、三、四陀螺主动稳定装置分别安装在平衡质量块四角处的四个槽坑内；本装置补偿实时性好，振动小，定位精度高。

Description

光刻机工件台陀螺进动式主动稳定装置

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系统，特别是具有平衡质量减振装置的高速工件台定位系统。

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，控制系统存在一定的延时，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

针对以上缺陷，本发明设计一种用于光刻机工件台平衡定位系统中的陀螺进动式主动稳定装置，达到补偿实时性好、振动小、定位精度高、控制容易的目的。

本发明的目的是这样实现的：

在基台上通过气浮安装平衡质量块，且平衡质量块在基台X、Y轴平面内能够自由移动，在平衡质量块上沿X轴两侧对称部位处分别安装X向第一直线电机定子和X向第二直线电机定子，X向第一直线电机动子和X向第二直线电机动子通过气浮导轨分别安装在X向第一直线电机定子和X向第二直线电机定子上，在X向第一直线电机动子和X向第二直线电机动子之间刚性固装Y向导轨，Y向直线电机定子安装在Y向导轨上，Y向直线电机动子(7)通过气浮导轨安装在Y向导轨上，硅片承载台刚性固定在Y向直线电机动子侧部上，硅片台支承座的底部通过气浮支撑连接在基台上，硅片台支承座的顶部与硅片承载台刚性连接，在平衡质量块的四个对角处对称设置四个槽坑，在四个槽坑内沿Y轴分别依次配置第一陀螺主动稳定装置、第二陀螺主动稳定装置、第三陀螺主动稳定装置、第四陀螺主动稳定装置，第一、第二、第三、第四陀螺主动稳定装置分别由舵机、机械陀螺仪和陀螺仪固定座构成，其中舵机刚性固装在平衡质量块上，内部带有高速回转体的机械陀螺仪通过陀螺仪固定座与舵机的舵机轴刚性连接，至此构成光刻机工件台陀螺进动式主动稳定装置。

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。能有效抵消光刻机工件台沿Z轴产生的扭转，而且完全不影响平衡质量块在X、Y向上的平动。通过控制舵机在一个较小的角度内转动，达到补偿实时性好，振动小，定位精度高、控制容易的目的。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图；

图2是平衡质量块结构示意图；

图3是基台结构示意图；

图4是第一、二、三、四陀螺主动稳定装置原理图；

图5是第一、二、三、四陀螺主动稳定装置结构示意图；

图6是图1中安装在平衡质量块上的陀螺主动稳定装置局部俯向视图；

图7是第一、二、三、四陀螺主动稳定装置舵机立体图。

图中：1-基台；2-平衡质量块；3-硅片台支承座；4a、4b、4c、4d-第一、二、三、四陀螺主动稳定装置；5a、5b-X向第一、第二直线电机定子；6a、6b-X向第一、第二直线电机动子；7-Y向直线电机动子；8-Y向导轨；9-Y向直线电机定子；10-硅片承载台；11-机械陀螺仪；12-陀螺仪固定座；13-舵机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例进行详细描述。

图1是本发明专利总体结构示意图，基台1连接至地基，平衡质量块2通过气浮与基台1连接，在X、Y平面内能够自由平移滑动；在平衡质量块2与沿X轴对称部位两侧分别安装了X向第一和第二直线电机定子5a、5b，X向第一和第二直线电机动子6a、6b通过气浮导轨安装在X向直线电机定子5a、5b之上，在X向直线电机动子6a和6b之间刚性固定了Y向导轨8，Y向导轨8上安装了Y向直线电机定子9，Y向直线电机动子7通过气浮导轨安装在Y向导轨8上；硅片承载台10刚性固定在Y向直线电机动子7的侧部，硅片台支承座3的底部通过气浮支撑连接于基台1上，顶部与硅片承载台10刚性连接；Y向直线电机和X向直线电机共同作用，带动硅片承载台10和硅片台支承座3在平面内运动。运动单元包括硅片台支承座3、硅片承载台10、Y向直线电机动子7、Y向导轨8、Y向直线电机定子9、X向直线电机动子6a、6b。

图2是平衡质量块结构示意图。由图可见，在平衡质量块2的4个对角，对称开了4个槽坑，用于安装第一、二、三、四陀螺主动稳定装置4a、4b、4c、4d。

图4是第一、二、三、四陀螺主动稳定装置原理图。该图详细表示了陀螺仪的进动性原理。图中，陀螺仪沿Y轴转动，当其外框架受到沿X轴的扭矩Rx时，由于具有进动性，陀螺仪会产生沿Z轴的扭矩Rz。

图5是第一、二、三、四陀螺主动稳定装置结构示意图。该图是将图4的原理实物化后的结构形式，机械陀螺仪11内部有高速转动的回转体，通过陀螺仪固定座12对机械陀螺仪11进行装卡，且与舵机13的轴刚性连接，舵机13进而带动陀螺仪11转动。

图6是安装在平衡质量块上的陀螺主动稳定装置局部俯向视图。通过该图可以明显看到第二陀螺主动稳定装置4b在平衡质量块2上的安装位置及运动空间。

本发明的工作过程如下：

当传感器检测到平衡质量块2发生沿Z轴的扭转时，启动舵机13控制机械陀螺仪11沿X轴转动，由于机械陀螺仪11具有进动性，机械陀螺仪11自身产生了沿Z轴的扭转趋势，舵机13沿X轴的正反旋转，决定了机械陀螺仪11产生的沿Z轴扭转的正反，扭矩直接作用于平衡质量块2，可以对平衡质量块2的扭转进行补偿。

本发明的光刻机工件台陀螺进动式主动稳定装置利用了机械陀螺仪的进动性，通过在平衡质量块上安装机械陀螺仪的方法，在不对平衡质量块引入外力，即不对X、Y方向的动量守恒产生影响的同时，实施主动控制，能精确控制平衡质量块沿Z轴的扭转，减小工件台的扭转量，大幅提高光刻机工件台的运动定位精度。

Claims (1)

1.一种光刻机工件台陀螺进动式主动稳定装置，在基台(1)上通过气浮安装平衡质量块(2)，且平衡质量块(2)在基台(1)X、Y轴平面内能够自由移动，在平衡质量块(2)上沿X轴两侧对称部位处分别安装X向第一直线电机定子(5a)和X向第二直线电机定子(5b)，X向第一直线电机动子(6a)和X向第二直线电机动子(6b)通过气浮导轨分别安装在X向第一直线电机定子(5a)和X向第二直线电机定子(5b)上，在X向第一直线电机动子(6a)和X向第二直线电机动子(6b)之间刚性固装Y向导轨(8)，Y向直线电机定子(9)安装在Y向导轨(8)上，Y向直线电机动子(7)通过气浮导轨安装在Y向导轨(8)上，硅片承载台(10)刚性固定在Y向直线电机动子(7)侧部上，其特征在于硅片台支承座(3)的底部通过气浮连接在基台(1)上，硅片台支承座(3)的顶部与硅片承载台(10)刚性连接，在平衡质量块(2)的四个对角处对称设置四个槽坑，在四个槽坑内沿Y轴分别依次配置第一陀螺主动稳定装置(4a)、第二陀螺主动稳定装置(4b)、第三陀螺主动稳定装置(4c)、第四陀螺主动稳定装置(4d)，第一、第二、第三、第四陀螺主动稳定装置(4a、4b、4c、4d)分别由舵机(13)、机械陀螺仪(11)和陀螺仪固定座(12)构成，其中舵机(13)刚性固装在平衡质量块(2)上，内部带有高速回转体的机械陀螺仪(11)通过陀螺仪固定座(12)与舵机(13)的舵机轴刚性连接。

Images