CN102393613A - 一种基于同步齿轮调向的双工件台回转交换装置 - Google Patents

Abstract

一种基于同步齿轮调向的双工件台回转交换装置属于半导体制造装备；该装置包含一个由旋转电机定子、旋转电机动子、回转换台齿轮以及旋转连接件构成的回转换台装置，工件台腰部设置有工件台旋转环套和工件台齿轮，在侧面设置工件台转接装置，回转换台装置与工件台转接装置对接后，带动工件台绕基台中心旋转实现位置交换；本发明三节拍回转换台过程中，工件台不自旋，解决了现有回转换台方式工件台相位反转，线缆缠绕以及激光干涉仪目标丢失等问题，同时本发明采用工件台绕基台中心旋转的换台方式，避免整个基台旋转，转动惯量小，在相同转矩条件下，换台时间更短，提高了工件台的运行效率和光刻机产率。

Description

一种基于同步齿轮调向的双工件台回转交换装置

技术领域

本发明属于半导体制造装备技术领域，主要涉及一种基于同步齿轮调向的双工件台回转交换装置。

背景技术

光刻机是极大规模集成电路制造中重要的超精密装备之一。光刻机的分辨率和套刻精度决定了集成电路芯片的最小线宽，同时光刻机的产率则极大的影响集成电路芯片的生产成本，而作为光刻机关键子系统的工件台又在很大程度上决定了光刻机的分辨率、套刻精度和产率。

产率是光刻机发展的主要追求目标之一。在满足分辨率和套刻精度的条件下，提高工件台运行效率进而提高光刻机产率是工件台技术的发展方向。提高工件台运行效率最直接的方式就是提高工件台的运动加速度和速度，但是为保证原有精度，速度和加速度不能无限制提高。最初的工件台只有一个硅片承载装置，光刻机一次只能处理一个硅片，全部工序串行处理，生产效率低。为此有人提出了双工件台技术，这也是目前提高光刻机生产效率的主流技术手段。双工件台技术在工件台上设有曝光工位，预处理工位两个工位和两个工件台，曝光和测量调整可并行处理，大大缩短了时间，提高了生产效率。目前的代表产品为荷兰ASML公司基于TwinScan技术即双工件台技术的光刻机。

提高双工件台的运行效率是目前光刻机工件台技术的发展目标之一。双工件台技术牵涉到工件台在两个工位之间切换的问题，换台效率直接影响双工件台的运行效率以及光刻机的产率。如何在尽可能缩短换台时间的条件下减小换台对其它系统的干扰一直是研究的重点。在传统双台切换过程中，工件台与曝光和预处理工序中一样为直线驱动。例如双工件台专利US2001/0004105A1和WO98/40791中，每个工件台有两个可交换配合的单元来实现双台的交换，在不提高工件台运动速度的前提下提高了产率，但由于工件台与导轨之间也采用耦合连接方式，在换台过程中工件台与驱动单元会出现短暂的分离，对工件台的定位精度产生较大影响。同时运动单元和导轨较长，运动质量较大，对于运动速度和加速度的提高都产生不良影响。专利CN101231471A中，采用H型驱动单元与过渡承接装置上的摩擦轮对接，以避免导轨对接精度问题，但是工件台在换台时需要等待驱动单元与摩擦轮完成对接后才可进行换台操作，对产率带来很大影响。专利CN1828427A中，在预处理工位设置了一个X向导轨，曝光工位设置有两个X向导轨，实现两个工位的并行工作，但由于驱动单元固定在基座上，在工件台运动时会有较大力传递到基座上，对整体带来不良影响。

上述方案中，换台时都没有考虑换台时导向装置的运动对效率的影响。从换台节拍上考虑都采用五节拍形式，即在换台过程中，两个工件台需要停留一段时间使得抓卡装置完成交换，从而完成换台工作。在对光刻机产率要求越来越高的情况下，抓卡装置的交换时间也会对产率产生很大的影响。专利CN101201555中，利用传送带和对接滑块完成换台过程，运动节拍少，操作维护简单，但传送带机构和对接滑块固定在基台上，因此在换台过程中，会有较大的力作用在基台上，对整体动态性能影响较大。专利CN1485694中，利用Y向直线电机和直线导轨的对接完成换台操作，但由于基台中间的间隙过大而引入桥接装置，使得运动节拍增加，增加了换台时间，同时X向直线电机磁钢部分固定在基台上，换台时运动部件的运动会对基台产生较大的反作用力，进而影响整个系统的动态性能。专利CN101770181中利用置换单元的对接完成换台工作，但其导向装置固定在基台上，在换台运动中，运动部件会对基台产生较大的反作用力，进而影响整个系统的动态性能。因此目前的双台直线换台方案有待改进。

回转换台方案较直线换台方案有独特优势，因此出现了采用旋转方式换台的双工件台技术。例如欧洲专利WO98/28665采用带传动实现工件台上曝光工位和预处理工位的两个工件台交换位置，简化了换台工序，但是带传动难以实现纳米定位精度。专利CN101071275A和专利ZL 200920105252.5采用旋转整个基台的方式实现双工件台的换位，简化了系统结构，同时两个工件台运动无重叠区域，避免了碰撞安全隐患。但是通过旋转整个基台实现工件台换位存在转动惯量大，大功率旋转电机精密定位困难和发热量大引起系统温升等问题，同时回转半径大，使光刻机主机结构显著增大。专利CN 102141739A采用旋转两个工件台的方式实现双工件台的换位，换台过程中基台不动，具有转动惯量小的优点。但是，上述四个回转换台方案没有考虑回转换台方式下工件台相位反转与光学系统难以配合的问题。在光刻机曝光和预处理工序中，光学系统需要对工件台各位置传感器和对准标记进行检测，由于各位置传感器和对准标记分布不均，各对准标记结构原理不一致，工件台存在朝向问题。当回转换台后，工件台旋转180°造成工件台位置传感器和对准标记反向，因此目前回转换台方案还有待改进。此外回转换台方式的旋转特性造成工件台线缆缠绕以及激光干涉仪反射镜旋转导致目标丢失等问题还有待解决。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提出了一种基于同步齿轮调向的双工件台回转交换装置。本发明双台旋转切换为三节拍，且换台过程中，工件台不自旋，解决了现有回转换台方案工件台相位反转、线缆缠绕、激光干涉仪目标丢失等问题。同时本发明采用工件台绕基台中心旋转的换台方式，避免旋转整个基台，解决了现有技术回转半径大、转动惯量大等问题，转动惯量小，在相同转矩条件下，换台时间更短，提高了工件台的运行效率和光刻机产率。本发明还解决了现有线性换台方案冲击转矩大和换台节拍多的问题，可采用较小的质量平衡系统，有利于缩短平衡时间，同时简化系统，降低成本，换台节拍减少缩短了换台时间，可有效提高光刻机产率。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于同步齿轮调向的双工件台回转交换装置，在基台Y方向两端部位处设置曝光工位和预处理工位，沿基台两侧长边上对应分别设置Y向长行程直线运动单元，在曝光工位和预处理工位上分别设置X向第一长行程直线运动单元和X向第二长行程直线运动单元，第一工件台和第二工件台可分离地分别配装在X向第一长行程直线运动单元和X向第二长行程直线运动单元上，X向第一长行程直线运动单元和X向第二长行程直线运动单元分别与Y向长行程直线运动单元成H型配置，且可以由Y向长行程直线运动单元驱动，第一工件台和第二工件台分别运行于曝光工位和预处理工位，在两个Y向长行程直线运动单元上分别设置有与第一工件台配套的第一线缆台以及与第二工件台配套的第二线缆台，在基台四周装有激光干涉仪；在曝光工位和预处理工位之间设置安装一个回转换台装置，回转换台装置机械结构包括设置于基台之下的旋转电机定子、旋转电机动子、回转换台齿轮以及旋转连接件；在第一工件台腰部设置第一工件台旋转环套，在侧面底部设置第一工件台转接装置，腰部设置第一工件台齿轮；在第二工件台腰部设置第二工件台旋转环套，在侧面底部设置第二工件台转接装置，腰部设置第二工件台齿轮；第一工件台旋转环套与第一工件台的接触环面为静压气浮轴承，且可做相对旋转运动，第一工件台旋转环套与回转换台装置的旋转连接件对接或分离配合；第二工件台旋转环套与第二工件台的接触面为气浮环面，且可做相对旋转运动，第二工件台旋转环套与回转换台装置的旋转连接件对接或分离配合；第一工件台旋转环套在第一工件台齿轮上方，第二工件台旋转环套在第二工件台齿轮上方；回转换台齿轮、第一工件台齿轮以及第二工件台齿轮的齿数、分度圆直径均相等，回转换台齿轮与第一工件台齿轮之间的传动比为-1，回转换台齿轮与第二工件台齿轮之间的传动比为-1；在第一工件台旋转环套、第二工件台旋转环套与旋转连接件对接后，回转换台齿轮分别与第一工件台齿轮、第二工件台齿轮处于啮合状态；与第一工件台配套的第一线缆台承载第一工件台的线缆，第一线缆台可滑动的配装在Y向第一静压气浮导轨上，由Y向U型槽式第一直线电机驱动，在Y方向上始终与第一工件台保持相对静止；与第二工件台配套的第二线缆台承载第二工件台的线缆，第二线缆台可滑动的配装在Y向第二静压气浮导轨上，由Y向U型槽式第二直线电机驱动，在Y方向上始终与第二工件台保持相对静止。

本发明具有以下创新点和突出优点。

1)提出基于回转式三节拍双工件台交换方法。采用该方法换台仅需三个节拍，即第一节拍是两工件台沿基台Y向中轴线相向运动并与回转换台装置对接；第二节拍是回转换台装置携两工件台绕回转轴线(Z轴O-O′)沿顺时针(或逆时针)方向回转180°(下一次转位沿逆时针(或顺时针)方向回转180°)；第三节拍是两工件台与回转换台装置反向分离并到各自工位。该方法可解决现有线性换台方法节拍过多(五个节拍)的问题，同时也可解决整体转动平台方式转动惯量大，完成时间长的问题。与现有方法与装置相比，本方法换台时间短，可显著提高换台效率和光刻机的产片率，这是本发明的创新点和突出优点之一。

2)提出基于回转式自转调相的三节拍双工件台交换方法与结构方案。两工件台在随回转换台装置绕轴线(Z轴O-O′)回转180°的过程中，两工件台通过各自的齿轮与回转换台齿轮啮合同步反向回转，始终保持与两工件台在零位时的相位不变。可解决现有回转换台方式存在的三大问题，即工件台相位反相、工件台线缆缠绕和激光干涉仪目标丢失等问题。可确保在换台过程中工件台相位始终不变，线缆不缠绕和激光干涉仪目标连续跟踪，这是本发明专利的创新点和突出优点之二。

3)提出一种快速平稳的回转驱动控制方法和结构方案。回转换台过程连续平稳，转矩冲击小，且速度快；同时回转转矩严格作用在精密气浮轴轴线上，不产生冲击力，使平衡方向和位置及平衡力准确可控。解决了现有线性换台方法与方案冲击力和冲击转矩过大，力平衡方向、大小以及力与力矩平衡位置无法准确预测和准确平衡控制的难题；也解决了现有整体回转换台方案质量和惯量过大、所需转矩大、冲击转矩大和所需电机体积大、功能和发热量大等一系列问题。可实现换台过程无冲击力、冲击转矩小、换台速度快且平稳、力矩平衡精确且平衡时间短等多种优点，这是本发明的创新点和突出优点之三。

4)提出一种换台系统对冲力抵消方法和结构方案。在两工件台与回转换台装置对接与分离过程中，使两工件台的质心与回转换台装置回转轴心在一条直线上，且该直线与双工件台系统基台气浮平台y向几何中线重合，且过平衡质量框架的质心位置；可使换台过程中两工件台与回转换台装置线性对接与分离时产生的冲击力大小相等，方向相反，在平衡质量框架上的作用力合力为零。可解决现有线性换台方案中线性冲击力大和平衡质量框架质量与体积庞大及平衡速度慢等问题，可实现换台过程中无冲击力，换台对接和分离速度快，对主机框架和基台冲击小等多项优点，这是本发明专利的创新点和突出优点之四。

附图说明

图1本发明的总体结构示意图。

图2总体结构示意图的剖视图。

图3回转换台装置与工件台连接示意图。

图4第一工件台的轴测图。

图5、6、7、8、9、10、11为工件台换台流程示意图。

图中件号：1-基台；2-曝光工位；3-预处理工位；4a-第一工件台；4b-第二工件台；5-Y向长行程直线运动单元；5a-Y向U型槽式第一直线电机；5b-Y向U型槽式第二直线电机；5c-Y向第一静压气浮导轨；5d-Y向第二静压气浮导轨；6-X向第一长行程直线运动单元；6a-X向平板第一直线电机定子；6b-X向平板第一直线电机动子；6c-X向第一静压气浮导轨；6d-第一承载梁；7-X向第二长行程直线运动单元；7a-X向平板第二直线电机；7b-X向平板第二直线电机动子；7c-X向第二静压气浮导轨；7d-第二承载梁；8a-第一线缆台；8b-第二线缆台；9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h-激光干涉仪；10-回转换台装置；10a-旋转电机定子；10b-旋转电机动子；10c-回转换台齿轮；10d-旋转连接件；11a-第一工件台旋转环套；11b-第二工件台旋转环套；12a-第一工件台转接装置；12b-第二工件台转接装置；13a-第一工件台齿轮；13b-第二工件台齿轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

一种基于同步齿轮调向的双工件台回转交换装置，在基台1Y方向两端部位处设置曝光工位2和预处理工位3，沿基台1两侧长边上对应分别设置Y向长行程直线运动单元5，在曝光工位2和预处理工位3上分别设置X向第一长行程直线运动单元6和X向第二长行程直线运动单元7，第一工件台4a和第二工件台4b可分离地分别配装在X向第一长行程直线运动单元6和X向第二长行程直线运动单元7上，X向第一长行程直线运动单元6和X向第二长行程直线运动单元7分别与Y向长行程直线运动单元5成H型配置，且可以由Y向长行程直线运动单元5驱动，第一工件台4a和第二工件台4b分别运行于曝光工位2和预处理工位3，在两个Y向长行程直线运动单元5上分别设置有与第一工件台4a配套的第一线缆台8a以及与第二工件台4b配套的第二线缆台8b，在基台1四周装有激光干涉仪9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h；在曝光工位2和预处理工位3之间设置安装一个回转换台装置10，回转换台装置10机械结构包括设置于基台1之下的旋转电机定子10a、旋转电机动子10b、回转换台齿轮10c以及旋转连接件10d；在第一工件台4a腰部设置第一工件台旋转环套11a，在侧面底部设置第一工件台转接装置12a，腰部设置第一工件台齿轮13a；在第二工件台4b腰部设置第二工件台旋转环套11b，在侧面底部设置第二工件台转接装置12b，腰部设置第二工件台齿轮13b；第一工件台旋转环套11a与第一工件台4a的接触环面为静压气浮轴承，且可做相对旋转运动，第一工件台旋转环套11a与回转换台装置10的旋转连接件10d对接或分离配合；第二工件台旋转环套11b与第二工件台4b的接触面为气浮环面，且可做相对旋转运动，第二工件台旋转环套11b与回转换台装置10的旋转连接件10d对接或分离配合；第一工件台旋转环套11a在第一工件台齿轮13a上方，第二工件台旋转环套11b在第二工件台齿轮13b上方；回转换台齿轮10c、第一工件台齿轮13a以及第二工件台齿轮13b的齿数、分度圆直径均相等，回转换台齿轮10c与第一工件台齿轮13a之间的传动比为-1，回转换台齿轮10c与第二工件台齿轮13b之间的传动比为-1；在第一工件台旋转环套11a、第二工件台旋转环套11b与旋转连接件10d对接后，回转换台齿轮10c分别与第一工件台齿轮13a、第二工件台齿轮13b处于啮合状态；与第一工件台4a配套的第一线缆台8a承载第一工件台4a的线缆，第一线缆台8a可滑动的配装在Y向第一静压气浮导轨5c上，由Y向U型槽式第一直线电机5a驱动，在Y方向上始终与第一工件台4a保持相对静止；与第二工件台4b配套的第二线缆台8b承载第二工件台4b的线缆，第二线缆台8b可滑动的配装在Y向第二静压气浮导轨5d上，由Y向U型槽式第二直线电机5b驱动，在Y方向上始终与第二工件台4b保持相对静止。

本发明的换台工作流程如下。

如图5所示，初始工作状态，处于曝光工位2的第一工件台4a预对准完毕，处于预处理工位3的第二工件台4b装载新硅片完毕。接下来，曝光工位2开始进行曝光处理，与此同时处于预处理工位3的工件台4b开始进行预对准处理。两工件台完成本工位所需时间不等，一般曝光处理时间较长，位于预处理工位3的第二工件台4b完成对准工作后处于等待状态，待位于曝光工位2的硅片完成曝光工作后，进行工件台交换。

如图6所示，曝光完毕的第一工件台4a由Y向长行程直线运动单元5和X向第一长行程运动单元6驱动到换台预定位置，同样预对准完毕的第二工件台4b由Y向长行程直线运动单元5和X向第一长行程运动单元7驱动到换台预定位置。然后，第一工件台旋转环套11a、第二工件台旋转环套11b与旋转连接件10d对接，此时回转换台齿轮10c分别与第一工件台齿轮13a、第二工件台齿轮13b处于啮合状态。最后，X向第一长行程运动单元6与第一工件台转接装置12a脱离，X向第二长行程运动单元7与第二工件台转接装置12b脱离，并退开一定距离，留出回转换台空间。

如图7、图8、图9所示，回转换台装置10顺时针旋转180°，带动第一工件台4a、第二工件台4b绕基台中心顺时针旋转180°，第一工件台4a到达预对准工位3，第二工件台4b到达曝光工位2，完成位置交换。同时因为回转换台齿轮10c与第一工件台齿轮13a以及第二工件台齿轮13b之间的传动比为-1，使得第一工件台4a、第二工件台4b绕各自对应的旋转环套做逆时针自旋180°。由于绕基台中心旋转和自旋的方向相反，二者的合运动使第一工件台4a、第二工件台4b在整个运动过程中不自旋，即工件台各侧面始终与初始状态平行，因而安装在工件台上的激光干涉仪反射镜的朝向始终不变，在整个换台过程中激光干涉仪不会丢失目标。同时第一线缆台8a与第一工件台4a在Y方向保持相对静止，第二线缆台8b与第二工件台4b在Y方向保持相对静止，线缆不会发生缠绕。

如图10所示，X向第一长行程运动单元6回到预定位置，并与第二工件台转接装置12b对接，同时X向第二长行程运动单元7回到预定位置并与第一工件台转接装置12a对接。然后，旋转连接件10d松开第一工件台旋转环套11a、和第二工件台旋转环套11b，此时第一工件台4a由X向第二长行程运动单元7和Y向长行程运动单元5驱动，第二工件台4b由X向第一长行程运动单元6和Y向长行程运动单元5驱动。

如图11所示，第一工件台4a由Y向长行程直线运动单元5和X向第二长行程运动单元7驱动到预处理工位3的预定位置下、上片并准备预对准处理，第二工件台4b由Y向长行程直线运动单元5和X向第一长行程运动单元6驱动到曝光预定位置，准备曝光。此时系统回到如图5所示的初始状态，完成一个工作周期。接下来为下一轮曝光工序，即重复上面的工序和换台流程，但是为了保证线缆不缠绕，旋转方向与上次相反。

Claims (1)

1.一种基于同步齿轮调向的双工件台回转交换装置，在基台(1)Y方向两端部位处设置曝光工位(2)和预处理工位(3)，沿基台(1)两侧长边上对应分别设置Y向长行程直线运动单元(5)，在曝光工位(2)和预处理工位(3)上分别设置X向第一长行程直线运动单元(6)和X向第二长行程直线运动单元(7)，第一工件台(4a)和第二工件台(4b)可分离地分别配装在X向第一长行程直线运动单元(6)和X向第二长行程直线运动单元(7)上，X向第一长行程直线运动单元(6)和X向第二长行程直线运动单元(7)分别与Y向长行程直线运动单元(5)成H型配置，且可以由Y向长行程直线运动单元(5)驱动，第一工件台(4a)和第二工件台(4b)分别运行于曝光工位(2)和预处理工位(3)，在两个Y向长行程直线运动单元(5)上分别设置有与第一工件台(4a)配套的第一线缆台(8a)以及与第二工件台(4b)配套的第二线缆台(8b)，在基台(1)四周装有激光干涉仪(9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h)；其特征在于：在曝光工位(2)和预处理工位(3)之间设置安装一个回转换台装置(10)，回转换台装置(10)机械结构包括设置于基台(1)之下的旋转电机定子(10a)、旋转电机动子(10b)、回转换台齿轮(10c)以及旋转连接件(10d)；在第一工件台(4a)腰部设置第一工件台旋转环套(11a)，在侧面底部设置第一工件台转接装置(12a)，腰部设置第一工件台齿轮(13a)；在第二工件台(4b)腰部设置第二工件台旋转环套(11b)，在侧面底部设置第二工件台转接装置(12b)，腰部设置第二工件台齿轮(13b)；第一工件台旋转环套(11a)与第一工件台(4a)的接触环面为静压气浮轴承，且可做相对旋转运动，第一工件台旋转环套(11a)与回转换台装置(10)的旋转连接件(10d)对接或分离配合；第二工件台旋转环套(11b)与第二工件台(4b)的接触面为气浮环面，且可做相对旋转运动，第二工件台旋转环套(11b)与回转换台装置(10)的旋转连接件(10d)对接或分离配合；第一工件台旋转环套(11a)在第一工件台齿轮(13a)上方，第二工件台旋转环套(11b)在第二工件台齿轮(13b)上方；回转换台齿轮(10c)、第一工件台齿轮(13a)以及第二工件台齿轮(13b)的齿数、分度圆直径均相等，回转换台齿轮(10c)与第一工件台齿轮(13a)之间的传动比为-1，回转换台齿轮(10c)与第二工件台齿轮(13b)之间的传动比为-1；在第一工件台旋转环套(11a)、第二工件台旋转环套(11b)与旋转连接件(10d)对接后，回转换台齿轮(10c)分别与第一工件台齿轮(13a)、第二工件台齿轮(13b)处于啮合状态；与第一工件台(4a)配套的第一线缆台(8a)承载第一工件台(4a)的线缆，第一线缆台(8a)可滑动的配装在Y向第一静压气浮导轨(5c)上，由Y向U型槽式第一直线电机(5a)驱动，在Y方向上始终与第一工件台(4a)保持相对静止；与第二工件台(4b)配套的第二线缆台(8b)承载第二工件台(4b)的线缆，第二线缆台(8b)可滑动的配装在Y向第二静压气浮导轨(5d)上，由Y向U型槽式第二直线电机(5b)驱动，在Y方向上始终与第二工件台(4b)保持相对静止。

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