CN102495530A - 一种过梁式步进扫描和三节拍双工件台交换装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种过梁式步进扫描和三节拍双工件台交换装置与方法属于半导体制造装备技术领域，该系统含有设置在同一基台上的运行于曝光工位的硅片台和运行于预处理工位的硅片台，在基台边缘分别设置有4个Y方向直线运动单元和2个X方向直线运动单元，在基台中间设置有2个过梁式直线运动单元，其底面高于工件台工作面；两个硅片台将基台表面作为气浮支撑和导向面；Y方向直线运动单元通过沿X方向直线运动单元可以实现沿X方向运动，并通过其自身的Y方向运动滑块共同实现硅片台的X或Y方向的运动；本发明采用一体化设计，省掉双台交换系统在交换过程中的抓卡和换卡运动节拍，整个交换过程仅有三个节拍，显著缩短交换过程所需时间，明显提高生产效率。

Description

一种过梁式步进扫描和三节拍双工件台交换装置与方法

技术领域

本发明属于半导体制造装备技术领域，主要涉及一种过梁式步进扫描和三节拍双工件台交换装置与方法。

背景技术

光刻技术是通过曝光的方法将掩模版上的图形转移到涂覆于硅片表面的光刻胶上，利用后续的显影、刻蚀等技术将光刻胶上的图形转移到硅片上。光刻机是光刻技术中重要的超精密系统型工程设备之一，其整体性能对于整个光刻工艺具有非常重要的作用。工件台的主要作用是在高速和高加速度的条件下承载晶圆实现纳米级定位，完成光刻过程中的上下片、预对准、对准等工序，同时与掩模台配合完成曝光动作。工件台技术对于提高光刻机分辨率、套刻精度和产率具有至关重要的作用。

产率是光刻机产业化发展的主要追求目标之一。为了提高产率，避免频繁更换晶圆，目前晶圆直径从150m、200mm逐步增加到目前的300mm。在晶圆直径增大的同时，工件台的运动速度和运动加速度也进行了相应的提高。工件台的运动速度和运动加速度的提高对纳米级定位提出更大的考验，对整体性能造成很大影响。为了进一步提高产率，从减小对准测量的时间出发，有人提出双工件台技术，即在工件台上设定曝光工位和预对准工位，两个硅片台分别位于曝光工位和预对准工位，采用这种方式实现预对准和曝光的同时进行。荷兰ASML公司的TwinScan系统是国际上最早提出的双工件台系统，基于TwinScan技术(即双工件台技术)光刻机也是目前最具有代表性的双工件台光刻机。采用双工件台技术可以很大的提高光刻机的运行效率，提高产率。不同的公司采用不同的实现方法。双台专利WO98/40791中，每个硅片台结构中有两个可交换配合的单元来实现双台的交换，实现预处理和曝光的同时独立工作，提高了生产效率。但是由于硅片台与导轨采用耦合连接方式，在交换过程中硅片台与驱动单元会存在短暂的分离，对硅片台的定位精度造成影响。专利US2001/0004105A1中，采用双台交换技术，实现在不提高硅片台运动速度的前提下提高了产率，但由于硅片台与导轨之间也采用耦合连接方式，同样在换台过程中同样会出现硅片台与驱动单元的短暂分离，影响硅片台的定位精度。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，但是硅片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，在硅片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驱动单元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，两个硅片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。因此目前的双台方案有待改进。

发明内容

针对现有技术的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种过梁式步进扫描和三节拍双工件台交换装置与方法，通过采用过梁结构和工件台固联方法，使硅片台双台交换过程中省掉抓卡和换卡运动节拍，使硅片台双台交换过程仅需要3个运动节拍，可缩短交换过程所需时间，进而有效提高光刻机生产效率。

本发明的目的是这样实现的：

一种过梁式步进扫描和三节拍双工件台交换方法，该方法的三节拍步骤是：两硅片台交换以前，运行于曝光工位的第一硅片台由第一直线运动单元卡持，运行于预处理工位的第二硅片台由第三直线运动单元卡持，从而实现曝光和预处理所需的X-Y运动；在曝光和预处理运动结束以后，第一节拍：第一、二硅片台分别在Y方向第一、二直线运动单元的带动下，沿X方向向与其临近的基台边缘运动，使Y方向第一、三直线运动单元分别于Y方向第二、四直线运动单元对齐形成组合导轨；第二节拍：第一、二硅片台分别沿两条Y方向组合导轨运动，穿越第一、二过桥式直线运动单元，并跨越对齐部分，分别到达Y方向第二、四直线运动单元上的既定位置；第三节拍：第一、二硅片台分别在Y方向第二、四直线运动单元的带动下做X方向运动，并分别到达预处理和曝光工位；整个换台过程结束；当曝光和预处理工序结束后，第一、二硅片台将做与上述三节拍相逆的运动，从而实现连续的换台过程。

一种过梁式步进扫描和三节拍双工件台交换装置，该装置含有设置在同一基台上运行于曝光工位的第一硅片台和运行于预处理工位的第二硅片台，在基台边缘分别设置有4个Y方向第一、二、三、四直线运动单元，在基台对称的两侧部位上各设置1个X方向第一、二直线运动单元，在基台中间部位上设置有2个沿X方向的过梁式第一、二直线运动单元，其底面高于硅片台工作面；第一、二硅片台在基台上的4个Y方向第一、二、三、四直线运动单元与X方向第一、二直线运动单元所围成的平面内作X-Y运动，并与基台表面共同构成气浮支撑与导向面；4个Y方向第一、二、三、四直线运动单元通过沿X方向第一、二直线运动单元和第一、二过梁式直线运动单元可以实现沿X方向运动，且通过其自身的Y方向第一、二直线运动单元滑块共同实现第一、二硅片台的X方向或Y方向的运动；4个Y方向第一、二、三、四直线运动单元均包括Y方向直线电机和Y方向气浮轴承，其中Y方向第一、二、三、四直线运动单元的直线电机定子为永磁组结构，Y方向直线运动单元的直线电机动子为线圈结构，Y方向气浮轴承安装在Y方向第一、二、三、四直线运动单元的直线电机定子和Y方向直线运动单元的直线电机动子之间，永磁组布置方式为卧式或立式；Y方向第一、二直线运动单元的直线电机共用Y方向直线运动单元的直线电机动子，Y方向第三、四直线运动单元的直线电机共用动子部分；2个X方向第一、二直线运动单元均包括X向直线电机和气浮轴承，其中X方向第一、二直线运动单元的直线电机定子为永磁组结构，X向第一、二直线运动单元的电机动子为线圈结构，X方向第一直线运动单元的直线电机包含两个X向动子部分，X方向第二直线运动单元的直线电机包含两个X向动子部分；永磁组布置方式为卧式或立式；2个过梁式第一、二直线运动单元均包括直线电机和气浮轴承，其中过梁式第一、二直线运动单元的直线电机定子为永磁组结构，过梁式直线运动单元的直线电机动子为线圈结构，气浮轴承安装在过梁式第一、二直线运动单元的直线电机定子和过梁式直线运动单元的直线电机动子之间；永磁组布置方式为卧式或立式；过梁式第一直线运动单元的直线电机包含两个动子部分，过梁式第二直线运动单元的直线电机包含两个动子部分；Y方向第一直线运动单元的一端与X向第一直线运动单元滑块刚性联接，Y方向第一直线运动单元的另一端与过梁式第一直线运动单元滑块刚性联接；Y方向第二直线运动单元一端与X向第二直线运动单元滑块刚性联接，Y方向第二直线运动单元另一端与过梁式第二直线运动单元滑块刚性联接；Y方向第三直线运动单元一端与X向第二直线运动单元滑块刚性联接，Y方向第三直线运动单元另一端与过梁式第二直线运动单元滑块刚性联接；Y方向第四直线运动单元一端与X向第一直线运动单元滑块刚性联接，另一端与过梁式第一直线运动单元滑块刚性联接；第一、二硅片台分别于Y方向直线运动单元滑块刚性联接。

本发明与现有方法和装置相比具有如下创新点和突出优点：

1、提出平行过梁式三节拍换台方法。工件台与Y向气浮导轨套及直线电机动子固联在一起，在换台过程中没有抓卡动作和换卡动作，三个节拍即可完成两工件台位置的交换，比现有双工件台交换方案节省两个节拍；同时交换过程中第一节拍导轨靠边接轨和第三节拍导轨向工作位运动两个动作均是Y向导轨两端双导轨双驱方式，驱动力大，且被驱动体，即Y向导轨(小于Y向全程的1/2)和工件台，质量和惯量小，驱动速度快，综合上述技术优势，本方案的换台时间可显著短于现有方法和装置方案，这是本发明的创新点和显著优点之一；

2、提出过梁式双工件台系统结构方案。将两个气浮导轨和直线电机平行安置于梁上，两组(4个)X向气浮导轨滑套和直线电机动子与之配合安装。在曝光时，曝光位工件台与两X向气浮导轨与直线电机构成步进扫描系统；预处理位工件台与另两X向气浮导轨与直线电机构成预处理系统。在两工件台交换位置时，两系统的对应气浮导轨和直线电机迅速滑向基台边缘，在梁下，组成两条贯穿Y向基台Y方向边缘的长气浮导轨和直线电机。两工件台在梁下分别沿两气浮导轨和直线电机滑向对面，并与两工作位置上的两组Y向气浮导轨构成新的曝光系统和预处理系统。该结构方案可保证作为两工件台导向和支承面的基台平台形成一个整体工作面，有利于两工件台交换和工作时的运动平稳性和连续性，同时有利于提高平衡冲击和振动的整体特性和双工件台系统的整体结构刚度。这是本方案的创新点和显著优点之二。

3、提出Y向运动单元的一体化结构方案。将工件台与Y向气浮导轨和直线电机动子相固联，实现了硅片台和Y向气浮导轨和直线电机的一体化设计，使结构更紧凑，结构刚度显著提高，有利于控制特性的提升。这既可明显提升两工件台在换台时长行程驱动的速度，而且使曝光过程中的步进和扫描速度显著提升。综合上述技术优势，本方案可使单片加工周期较现有方法和装置明显缩短，这是本发明的创新点与显著优点之三；

附图说明

图1为光刻机的工作原理示意图。

图2为本发明总体结构示意图。

图3、图4、图5、图6为换台流程示意图。

图7为采用不包含直线电机结构的X方向直线运动单元的工件台结构示意图。图中：

1、基台；2、基台上表面；6、曝光工位；7、预处理工位；11、第一硅片台；12、第二硅片台；21、Y方向第一直线运动单元，包括Y方向直线电机和Y方向气浮轴承；21a、Y方向第一直线运动单元滑块，包括直线电机动子；22、Y方向第二直线运动单元，包括Y方向直线电机和Y方向气浮轴承；23、Y方向第三直线运动单元，包括Y方向直线电机和Y方向气浮轴承；23a、Y方向第二直线运动单元滑块，包括直线电机动子；24、Y方向第四直线运动单元，包括Y方向直线电机和Y方向气浮轴承；31、X方向第一直线运动单元，包括X向直线电机和气浮轴承；31a、X方向第一直线运动单元滑块部分，包括直线电机动子部分；31b、X方向第一直线运动单元滑块部分，包括直线电机动子部分；32、X方向第二直线运动单元，包括X向直线电机和气浮轴承；31a、X方向第二直线运动单元滑块部分，包括直线电机动子部分；31b、X方向第二直线运动单元滑块部分，包括直线电机动子部分；41、过梁式第一直线运动单元，包括直线电机和气浮轴承；42、过梁式第二直线运动单元，包括直线电机和气浮轴承；41a、过梁式第一直线运动单元滑块，包括直线电机动子部分；41b、过梁式第一直线运动单元滑块，包括直线电机动子部分；42a、过梁式第二直线运动单元滑块，包括直线电机动子部分；42b、过梁式第二直线运动单元滑块，包括直线电机动子部分；44、透镜系统；45、光源；47、掩模版；50、硅片；

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方案进行详细描述。

实施方案1

一种过梁式步进扫描和三节拍双工件台交换装置，该装置含有设置在同一基台1上运行于曝光工位6的第一硅片台11和运行于预处理工位7的第二硅片台12，在基台1边缘分别设置有4个Y方向第一、二、三、四直线运动单元21、22、23、24，在基台1对称的两侧部位上各设置1个X方向第一、二直线运动单元31、32，在基台1中间部位上设置有2个沿X方向的过梁式第一、二直线运动单元41、42，其底面高于硅片台工作面；第一、二硅片台11、12在基台1上的4个Y方向第一、二、三、四直线运动单元21、22、23、24与X方向第一、二直线运动单元31、32所围成的平面内作X-Y运动，并与基台1表面共同构成气浮支撑与导向面；4个Y方向第一、二、三、四直线运动单元21、22、23、24通过沿X方向第一、二直线运动单元31、32和第一、二过梁式直线运动单元可以实现沿X方向运动，且通过其自身的Y方向第一、二直线运动单元滑块21a、23a共同实现第一、二硅片台11、12的X方向或Y方向的运动；4个Y方向第一、二、三、四直线运动单元21、22、23、24均包括Y方向直线电机和Y方向气浮轴承，其中Y方向第一、二、三、四直线运动单元的直线电机定子21、22、23、24为永磁组结构，Y方向直线运动单元的直线电机动子21a、23a为线圈结构，Y方向气浮轴承安装在Y方向第一、二、三、四直线运动单元的直线电机定子21、22、23、24和Y方向直线运动单元的直线电机动子21a、23a之间，永磁组布置方式为卧式或立式；Y方向第一、二直线运动单元21、22的直线电机共用Y方向直线运动单元的直线电机动子21a，Y方向第三、四直线运动单元23、24的直线电机共用动子部分23a；2个X方向第一、二直线运动单元31、32均包括X向直线电机和气浮轴承，其中X方向第一、二直线运动单元的直线电机定子31、32为永磁组结构，X向第一、二直线运动单元的电机动子31a、31b、32a、32b为线圈结构，X方向第一直线运动单元31的直线电机包含两个X向动子部分31a、31b，X方向第二直线运动单元32的直线电机包含两个X向动子部分32a、32b；永磁组布置方式为卧式或立式；2个过梁式第一、二直线运动单元41，42均包括直线电机和气浮轴承，其中过梁式第一、二直线运动单元的直线电机定子41，42为永磁组结构，过梁式直线运动单元的直线电机动子41a、41b、42a、42b为线圈结构，气浮轴承安装在过梁式第一、二直线运动单元的直线电机定子41，42和过梁式直线运动单元的直线电机动子41a、41b、42a、42b之间；永磁组布置方式为卧式或立式；过梁式第一直线运动单元41的直线电机包含两个动子部分41a、41b，过梁式第二直线运动单元42的直线电机包含两个动子部分42a、42b；Y方向第一直线运动单元21的一端与X向第一直线运动单元滑块31b刚性联接，Y方向第一直线运动单元21的另一端与过梁式第一直线运动单元滑块41b刚性联接；Y方向第二直线运动单元22一端与X向第二直线运动单元滑块32a刚性联接，Y方向第二直线运动单元22另一端与过梁式第二直线运动单元滑块42a刚性联接；Y方向第三直线运动单元23一端与X向第二直线运动单元滑块32b刚性联接，Y方向第三直线运动单元23另一端与过梁式第二直线运动单元滑块42b刚性联接；Y方向第四直线运动单元24一端与X向第一直线运动单元滑块31a刚性联接，另一端与过梁式第一直线运动单元滑块41a刚性联接；第一、二硅片台(11、12)分别于Y方向直线运动单元滑块21a、23a刚性联接。

系统完成硅片台双台交换的过程如图3、4、5、6所示，第一、二硅片台11、12交换以前，如图2所示，硅片台所处位置为初始位置，且分别被Y方向直线运动单元21和23的卡持，并依据上述原理做X和Y方向运动，以实现曝光和预处理所需的运动。

在硅片台完成曝光和预处理工序后，双台交换过程开始，分为三个节拍：

第一节拍：如图3所示，第一、二硅片台11、12分别在Y方向直线运动单元21、23的带动下，沿X方向向与其临近的基台1边缘运动，并最终，如图4所示，Y方向直线运动单元21、23分别于Y方向直线运动单元22、24对齐形成组合导轨；

第二节拍：如图5所示，第一、二硅片台11、12分别沿两条Y方向组合导轨运动，过程中穿越第一、二过桥式直线运动单元41、42，并跨越对齐部分，并最终，如图5所示，分别到达Y方向直线运动单元22、24上的既定位置；

第三节拍：如图6所示，第一、二硅硅片台11、12分别在Y方向直线运动单元22、24的带动下做X方向运动，并分别到达预处理和曝光工位；整个换台过程结束；

当曝光再次结束时，第一、二硅片台11、12将做与上述三节拍逆向运动，再次实现换台运动。之后重复以上过程。

实施方案2

如图7所示，修改实施方案1中置于基台1中间位置的两个过梁式的X方向直线运动单元41、42的结构，即得到实施方案2。实施方案1中，过梁式的X方向直线运动单元41、42是由直线电机和气浮导轨构成，而在实施方案2中，新的过梁式X方向直线运动单元41、42不包含直线电机结构，而仅仅为气浮导轨。与实施方案1相比，实施方案2中，X方向的驱由双驱变为单驱，一定程度上，可以减小导轨两端驱动力不一致性问题；并且，因为过梁式导轨减少了直线电机结构，故Z方向尺寸也相应的减小，有利于工件台系统设计空间的利用；另外一方面，因X方向由双驱变为单驱，故对单驱电机要求也相应增加，如尺寸变大等。

Claims (2)

1.一种过梁式步进扫描和三节拍双工件台交换方法，其特征在于：该方法的三节拍步骤是：两硅片台交换以前，运行于曝光工位的第一硅片台由第一直线运动单元卡持，运行于预处理工位的第二硅片台由第三直线运动单元卡持，从而实现曝光和预处理所需的X-Y运动；在曝光和预处理运动结束以后，第一节拍：第一、二硅片台分别在Y方向第一、二直线运动单元的带动下，沿X方向向与其临近的基台边缘运动，使Y方向第一、三直线运动单元分别于Y方向第二、四直线运动单元对齐形成组合导轨；第二节拍：第一、二硅片台分别沿两条Y方向组合导轨运动，穿越第一、二过桥式直线运动单元，并跨越对齐部分，分别到达Y方向第二、四直线运动单元上的既定位置；第三节拍：第一、二硅片台分别在Y方向第二、四直线运动单元的带动下做X方向运动，并分别到达预处理和曝光工位；整个换台过程结束；当曝光和预处理工序结束后，第一、二硅片台将做与上述三节拍相逆的运动，从而实现连续的换台过程。

2.一种过梁式步进扫描和三节拍双工件台交换装置，其特征在于：该装置含有设置在同一基台(1)上运行于曝光工位(6)的第一硅片台(11)和运行于预处理工位(7)的第二硅片台(12)，在基台(1)边缘分别设置有4个Y方向第一、二、三、四直线运动单元(21、22、23、24)，在基台(1)对称的两侧部位上各设置1个X方向第一、二直线运动单元(31、32)，在基台(1)中间部位上设置有2个沿X方向的过梁式第一、二直线运动单元(41、42)，其底面高于硅片台工作面；第一、二硅片台(11，12)在基台(1)上的4个Y方向第一、二、三、四直线运动单元(21、22、23、24)与X方向第一、二直线运动单元(31、32)所围成的平面内作X-Y运动，并与基台(1)表面共同构成气浮支撑与导向面；4个Y方向第一、二、三、四直线运动单元(21、22、23、24)通过沿X方向第一、二直线运动单元(31，32)和第一、二过梁式直线运动单元可以实现沿X方向运动，且通过其自身的Y方向第一、二直线运动单元滑块(21a、23a)共同实现第一、二硅片台(11，12)的X方向或Y方向的运动；4个Y方向第一、二、三、四直线运动单元(21、22、23、24)均包括Y方向直线电机和Y方向气浮轴承，其中Y方向第一、二、三、四直线运动单元的直线电机定子(21、22、23、24)为永磁组结构，Y方向直线运动单元的直线电机动子(21a、23a)为线圈结构，Y方向气浮轴承安装在Y方向第一、二、三、四直线运动单元的直线电机定子(21、22、23、24)和Y方向直线运动单元的直线电机动子(21a、23a)之间，永磁组布置方式为卧式或立式；Y方向第一、二直线运动单元(21、22)的直线电机共用Y方向直线运动单元的直线电机动子(21a)，Y方向第三、四直线运动单元(23、24)的直线电机共用动子部分(23a)；2个X方向第一、二直线运动单元(31、32)均包括X向直线电机和气浮轴承，其中X方向第一、二直线运动单元的直线电机定子(31、32)为永磁组结构，X向第一、二直线运动单元的电机动子(31a、31b、32a、32b)为线圈结构，X方向第一直线运动单元(31)的直线电机包含两个X向动子部分(31a、31b)，X方向第二直线运动单元(32)的直线电机包含两个X向动子部分(32a、32b)；永磁组布置方式为卧式或立式；2个过梁式第一、二直线运动单元(41，42)均包括直线电机和气浮轴承，其中过梁式第一、二直线运动单元的直线电机定子(41，42)为永磁组结构，过梁式直线运动单元的直线电机动子(41a、41b、42a、42b)为线圈结构，气浮轴承安装在过梁式第一、二直线运动单元的直线电机定子(41，42)和过梁式直线运动单元的直线电机动子(41a、41b、42a、42b)之间；永磁组布置方式为卧式或立式；过梁式第一直线运动单元(41)的直线电机包含两个动子部分(41a、41b)，过梁式第二直线运动单元(42)的直线电机包含两个动子部分(42a、42b)；Y方向第一直线运动单元(21)的一端与X向第一直线运动单元滑块(31b)刚性联接，Y方向第一直线运动单元(21)的另一端与过梁式第一直线运动单元滑块(41b)刚性联接；Y方向第二直线运动单元(22)一端与X向第二直线运动单元滑块(32a)刚性联接，Y方向第二直线运动单元(22)另一端与过梁式第二直线运动单元滑块(42a)刚性联接；Y方向第三直线运动单元(23)一端与X向第二直线运动单元滑块(32b)刚性联接，Y方向第三直线运动单元(23)另一端与过梁式第二直线运动单元滑块(42b)刚性联接；Y方向第四直线运动单元(24)一端与X向第一直线运动单元滑块(31a)刚性联接，另一端与过梁式第一直线运动单元滑块(41a)刚性联接；第一、二硅片台(11、12)分别于Y方向直线运动单元滑块(21a、23a)刚性联接。

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