CN103226295A - 一种光刻机硅片台微动工作台 - Google Patents

Abstract

一种光刻机硅片台微动工作台，主要应用于半导体光刻设备中。本发明包含有基座、微动工作台动子、微动工作台定子、四个第一种洛伦兹电机和四个第二种洛伦兹电机；四个第一种洛伦兹电机布置在微动工作台的四边并关于原点对称，驱动微动台沿X方向、Y方向和绕Z轴旋转方向运动；四个第二种洛伦兹电机分别布置在X轴和Y轴上，并对称分布在四组第一种洛伦兹电机外侧，驱动微动台沿Z方向、绕X轴旋转方向和绕Y轴旋转方向运动。另外该微动工作台还含有闭合磁路的重力补偿结构。本发明与现有技术相比，具有电机种类少、装配简单、结构紧凑、质心驱动和微动台动子惯量小等特点。

Description

一种光刻机硅片台微动工作台

技术领域

本发明涉及一种微动工作台，尤其涉及一种光刻机硅片台微动工作台，主要应用于半导体光刻设备中，属于超精密加工和检测设备技术领域。

背景技术

具有高精度和快速响应的微动工作台在现代制造技术中具有极其重要的地位，被视为一个国家高技术发展水平的重要标志。在超精密机床中，超精密微动工作台用于对进给系统进行误差补偿，实现超精密加工；在大规模集成电路制造中，超精密微动工作台用于光刻设备中进行微定位和微进给；在扫描探针显微镜中，超精密微动工作台用于测量样品表面形貌，进行纳米加工；在生物工程方面，超精密微动工作台用于完成对细胞的操作，实现生物操作工程化；在医疗科学方面，超精密微动工作台用于显微外科手术，以便减轻医生负担，缩短手术时间，提高成功率。超精密微动工作台还被广泛应用于光纤对接，MEMS系统加工、封装及装配，以及电化学加工等领域中。

在半导体光刻设备中，光刻机硅片台和掩模台大多采用粗精叠层结构，包含一个超精密微动工作台。该微动台叠加于粗动台之上，用于对粗动台进行精度补偿。微动工作台定位精度决定了光刻机的曝光精度，运动速度决定了光刻机的生产效率。因此，美国、日本、欧洲等发达国家均把超精密微动工作台技术视为光刻机核心技术之一，对我国相关产品进行严格的进口限制。

概括目前国内外纳米级微动工作台研究现状，超精密微动台通常有三类，伺服电机通过滚珠丝杠传动/直线导轨支撑微动工作台，压电陶瓷驱动/柔性铰链支撑导向微动工作台，以及音圈电机或变磁阻电机驱动/气浮或磁浮支撑微动工作台。前两种微动台由于支撑系统的摩擦阻尼非线性等因素影响，均无法满足光刻设备高速度、大负载、高动态特性的要求。采用音圈电机的微动台可以满足光刻设备的要求，但存在结构整体性差，台体较厚，质心高等不足，其性能受到一定局限。

本申请人在2007年6月29日申请了一种6自由度微动工作台（申请号：200710118130.5），提供了一种应用于光刻机硅片台中的六自由度微动工作台，采用无摩擦阻尼的音圈电机作为驱动结构，虽然大大提高了定位精度，但是该结构体积大，结构不紧凑，不能很好地适应双台交换系统的需要。

发明内容

本发明旨在提供一种可应用于光刻机硅片台中的六自由度微动工作台，该微动工作台用于补偿光刻机硅片台的定位误差并实现光刻机调平调焦的功能，以实现晶圆片高精度定位的需求，也可用于超精密加工和检测中以实现六自由度运动，具有结构简单、紧凑，质心驱动，微动台动子惯量小等特点。

本发明的技术方案如下：

一种光刻机硅片台微动工作台，含有基座，微动工作台动子，微动工作台定子，其特征在于：该微动工作台还包括第一种洛伦兹电机和第二种洛伦兹电机；所述的第一种洛伦兹电机实现在水平面内沿X方向、Y方向和绕Z轴旋转的三个自由度运动；所述的第二种洛伦兹电机实现沿Z方向、绕X轴旋转和绕Y轴旋转的三个自由度运动；所述的第一种洛伦兹电机采用四个，呈方形布置，且该种电机的线圈在水平面内出力；所述第二种洛伦兹电机采用四个，第二种洛伦兹电机分别对应布置在每个第一种洛伦兹电机外侧，呈方形布置，且该种电机的线圈沿竖直方向出力；

四个第一种洛伦兹电机的永磁体、轭铁和永磁体骨架以及四个第二种洛伦兹电机的永磁体、轭铁和永磁体骨架共同组成微动工作台的动子部分；四个第一种洛伦兹电机和四个第二种洛伦兹电机的线圈和线圈骨架以及微动台基座共同组成微动工作台的定子部分。

本发明所述的一种光刻机硅片台微动工作台，其特征还在于：所述的微动工作台还包含一组重力补偿结构，重力补偿结构位于微动工作台中心部位，该组重力补偿结构包含至少三个永磁体单元和一个重力补偿隔板，每个永磁体单元由永磁体和轭铁组成，永磁体单元沿环形均布在微动台竖直中心轴线的周围，永磁体单元与永磁体骨架的上表面连接在一起，重力补偿隔板位于永磁体单元的下部，并与微动工作台线圈骨架连接在一起，所述的永磁体单元与重力补偿隔板之间留有间隙。

本发明所述的一种光刻机硅片台微动工作台，其特征在于：所述的微动工作台还包含三个位于微动工作台的内部二维位移测量传感器组件，每一个二维位移测量传感器组件包括二维位移测量传感器、激光头、传感器安装座以及激光头安装座；每个二维位移测量传感器安装在传感器安装座上，传感器安装座设置在微动工作台线圈骨架的底部；激光头安装在激光头安装座中，激光头安装座安装在永磁体骨架的底部，并使激光头与二维位移测量传感器相对应布置，且留有间隙。

本发明所述的一种光刻机硅片台微动工作台，其特征在于：所述的第一种洛伦兹电机和第二种洛伦兹电机为方形洛伦兹电机。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：该微动工作台八个洛伦兹电机实现六自由度运动，实现自由度冗余解算的过驱动设计，并将洛伦兹电机布置在动子的振动节点上，避开了微动台的柔性模态被激发对控制系统稳定性和控制精度的影响，最终实现提高控制系统稳定性和控制精度的目的；从装配的角度上看，具有电机种类少、装配简单、结构紧凑、质心驱动和微动台动子惯量小等特点。另外，重力补偿结构具有隔磁的作用，使得本发明的微动工作台可应用于磁浮工作台上，不会受到磁浮工作台磁场的影响。

附图说明

图1为本发明提供的带壳体的微动工作台的三维结构图。

图2为本发明提供的去除壳体的微动工作台的三维结构图。

图3为本发明的第一种洛伦兹电机和第二种洛伦兹电机的布置位置。

图4为本发明的二维位移测量传感器测量系统结构示意图。

图5为本发明的重力补偿结构图。

图6为第一种电磁力驱动单元结构示意图（剖视图）。

图7为第二种电磁力驱动单元结构示意图（剖视图）。

图8为微动工作台实现X方向运动的原理图。

图9为微动工作台实现Y方向运动的原理图。

图10为微动工作台实现绕Z转动的原理图。

图11为微动工作台实现Z方向运动的原理图。

图12为微动工作台实现绕X转动的原理图。

图13为微动工作台实现绕Y转动的原理图。

图中：1－微动台基座；2－壳体；3－吸盘；4-微动工作台线圈骨架；5a－第一组二维位移测量传感器模块；5b－第二组二维位移测量传感器模块；5c－第三组二维位移测量传感器模块；6－永磁体骨架；7a－第一种洛伦兹电机的第一组；7b－第一种洛伦兹电机的第二组；7c－第一种洛伦兹电机的第三组；7d－第一种洛伦兹电机的第四组；8a－第二种洛伦兹电机的第一组；8b－第二种洛伦兹电机的第二组；8c－第二种洛伦兹电机的第三组；8d－第二种洛伦兹电机的第四组；9－重力补偿轭铁；10－重力补偿永磁体；11－重力补偿隔板；14－第一种洛伦兹电机线圈组件；16－第一主永磁体；17－第二主永磁体；18－第三主永磁体；19－第四主永磁体；20－第一附永磁体；21－第二附永磁体；22－第一铁轭；23－第二铁轭；29－第二种洛伦兹电机线圈支撑座；30－第二种洛伦兹电机线圈组件；31－第一主永磁体；32－第二主永磁体，33－第三主永磁体；34－第四主永磁体；35－第一附永磁体；36－第二附永磁体；37－第一铁轭；38－第二铁轭；41－二维位移测量传感器；42－激光头；43－传感器安装座；44－激光头安装座。

具体实施方式

图1、图2和图3为本发明提供的一种光刻机硅片台微动工作台的三维结构图。一种光刻机硅片台微动工作台，含有基座1，微动工作台动子，微动工作台定子，该微动工作台还包括第一种洛伦兹电机和第二种洛伦兹电机；第一种洛伦兹电机实现在水平面内沿X方向、Y方向和绕Z轴旋转的三个自由度运动，第二种洛伦兹电机实现沿Z方向、绕X轴旋转和绕Y轴旋转的三个自由度运动。

本实施例中采用四组第一种洛伦兹电机，两两对应，呈方形布置，且该种电机的线圈在水平面内出力；沿X轴方向布置的两组电机第一种洛伦兹电机的第一组7a和第一种洛伦兹电机的第三组7c，其中第一种洛伦兹电机的第一组7a偏X轴右侧，第一种洛伦兹电机的第三组7c偏X轴左侧并且两组电机关于原点对称布置，另外，第一种洛伦兹电机的第二组7b和第一种洛伦兹电机的第四组7d沿Y轴方向布置，其中第一种洛伦兹电机的第二组7b偏Y轴右，第一种洛伦兹电机的第四组7d偏Y轴左并且两组电机关于原点对称布置，这四组电机同时关于原点对称；第一种洛伦兹电机的第一组7a、第一种洛伦兹电机的第二组7、第一种洛伦兹电机的第三组7c和第一种洛伦兹电机的第四组7d共同实现微动工作台在水平面内X方向、Y方向和绕Z轴旋转三个自由度的运动。

本实施例中第二种洛伦兹电机采用四个，第二种洛伦兹电机分别对应布置在每个第一种洛伦兹电机外侧，呈方形布置，分别为第二种洛伦兹电机的第一组8a、第二种洛伦兹电机的第二组8b、第二种洛伦兹电机的第三组8c和第二种洛伦兹电机的第四组8d，且该种电机的线圈沿竖直方向出力，分别布置在微动台基座上表面的四个边上，实现微动工作台在Z方向、绕X轴旋转和绕Y轴旋转的三个自由度的运动。

四个第一种洛伦兹电机的永磁体、轭铁和永磁体骨架以及四个第二种洛伦兹电机的永磁体、、轭铁和永磁体骨架共同组成微动工作台的动子部分；四个第一种洛伦兹电机和四个第二种洛伦兹电机的线圈和线圈骨架以及微动台基座共同组成微动工作台的定子部分。

另外，如图1所示，本实施例微动工作台还包含一个壳体2，所述的微动工作台的动子部分和定子部分布置在壳体2内部，壳体2与所述的微动工作台的动子部分固定在一起；所述的壳体2四个侧面为反射镜面并与水平面垂直，相邻两个侧面互相垂直，上表面设有一个圆形凹槽，内装有吸盘3，作为载物台，被载物被固定在其上表面。

图4所述的微动工作台还包含三组二维位移测量传感器模块，即第一组二维位移测量传感器模块5a、第二组二维位移测量传感器模块5b和第三组二维位移测量传感器模块5c；每组二维位移测量传感器测量微动台动子两个自由度的位移的位置，三组二维位移测量传感器模块分别布置在微动台基座上表面，沿X轴布置一组，沿Y轴对称布置两组。该二维位移测量传感器模块包括二维位移测量传感器41、激光头42、传感器安装座43以及激光头安装座44，每个二维位移测量传感器41安装在传感器安装座43上，传感器安装座43设置在微动工作台线圈骨架4的底部；激光头42安装在激光头安装座44中，激光头安装座44安装在微动工作台线圈骨架4的底部，并使激光头42与二维位移测量传感器41相对布置且留有间隙；每个二维位移测量传感器模块测量微动台动子的两个自由度的位移量。

本发明所述的微动工作台还包含一组重力补偿结构，重力补偿结构位于微动工作台中心部位；图5为本发明的重力补偿结构图，该重力补偿结构包括固定部分和支承部分，固定部分是包括重力补偿轭铁9和重力补偿永磁体10，重力补偿永磁体10镶嵌在所述的轭铁9中，重力补偿永磁体10沿轴向充磁，下底面为S极，上底面为N极；支承部分由重力补偿隔板11组成。固定部分的重力补偿轭铁9和重力补偿永磁体10位于支撑部分重力补偿隔板的上方。

图6为第一种洛伦兹电机的结构剖视图。第一种洛伦兹电机包含上下两部分永磁体组和线圈组件，通电线圈和骨架位于上下两部分永磁体之间，并留有间隙；每部分永磁体组由主永磁体和附永磁体组成，实施例中包括第一主永磁体16、第二主永磁体17、第三主永磁体18、第四主永磁体19、第一附永磁体20和第二附永磁体21。在上部分永磁体组中，沿X轴方向依次为第一主永磁体16、第一附永磁体20和第二主永磁体17，各主永磁体与各附永磁体粘接固定于第一铁轭22的表面上；在下部分永磁体组中，沿X轴方向依次为第三主永磁体18、第二附永磁体21和第四主永磁体19，各主永磁体与各附永磁体粘接固定于第二铁轭23的表面上。第一主永磁体16和第三主永磁体18的充磁方向为Z轴负方向，第二主永磁体17和第四主永磁体19的充磁方向为Z轴正方向，第一附永磁体20的充磁方向为X轴负方向、第二附永磁体21的充磁方向为X轴正方向。各附永磁体与各主永磁体的磁场方向相互垂直，上下部分的各永磁体分别构成了Halbach阵列形式，且形成封闭磁路。

图7为第二种洛伦兹电机的剖视图。第二种洛伦兹电机包含上下两部分永磁体组和线圈组件，通电线圈和骨架位于上下两部分永磁体之间，并留有间隙；每部分永磁体组由主永磁体和附永磁体组成，实施例中包括第一主永磁体31、第二主永磁体32、第三主永磁体33、第四主永磁体34、第一附永磁体35和第二附永磁体36。

在上部分永磁体组中，沿X轴方向依次为第一主永磁体31、第一附永磁体35和第二主永磁体32，各主永磁体与各附永磁体粘接固定于第一铁轭37的表面上；在下部分永磁体组中，沿X轴方向依次为第三主永磁体33、第二附永磁体36和第四主永磁体34，各主永磁体与各附永磁体粘接固定于第二铁轭38的表面上。第一主永磁体31和第三主永磁体33的充磁方向为Z轴负方向，第二主永磁体32和第四主永磁体34的充磁方向为Z轴正方向，第一附永磁体35的充磁方向为X轴负方向、第二附永磁体36的充磁方向为X轴正方向。各附永磁体与各主永磁体的磁场方向相互垂直，上下部分的各永磁体分别构成了Halbach阵列形式，

如图8至图10所示，微动工作台基于洛伦兹原理工作。水平面内驱动单元的永磁体产生的磁场方向、微动台定子中线圈电流方向，以及产生的洛伦兹力方向两者相互垂直。当只有第一种洛伦兹电机的第一组7a和第一种洛伦兹电机的第三组7c通相同方向电流时，驱动单元产生X方向洛伦兹力，从而实现微动台动子沿X方向运动。当只有第一种洛伦兹电机的第二组7b和第一种洛伦兹电机的第四组7d通相同方向电流时，驱动单元产生Y方向洛伦兹力，从而实现微动台动子沿Y方向运动。当第一种洛伦兹电机的第一组7a和第一种洛伦兹电机的第三组7c通相反方向电流时，或者，第一种洛伦兹电机的第二组7b和第一种洛伦兹电机的第四组7d通相反方向电流时，驱动单元产生两个相反方向洛伦兹力，从而实现微动台动子绕Z转动。

如图11至图13所示，第二种洛伦兹电机产生的洛伦兹力沿Z轴方向。当第二种洛伦兹电机的第一组8a、第二种洛伦兹电机的第二组8b、第二种洛伦兹电机的第三组8c和第二种洛伦兹电机的第四组8d，通相同方向电流时，驱动单元产生Z方向相同方向推力，从而实现微动台动子沿Z方向运动。当第二种洛伦兹电机的第一组8a、第二种洛伦兹电机的第二组8b通相同方向电流，而第二种洛伦兹电机的第二组8c和第二种洛伦兹电机的第四组8d通与第二种洛伦兹电机的第一组8a、第二种洛伦兹电机的第二组8b相反方向电流时，驱动单元产生绕X轴力矩，从而实现微动台动子绕X转动。当第二种洛伦兹电机的第一组8a和第二种洛伦兹电机的第四组8d通相同方向电流时，而第二种洛伦兹电机的第二组8b和第二种洛伦兹电机的第二组8c通与第二种洛伦兹电机的第一组8a相反方向电流时，驱动单元产生绕Y轴力矩，从而实现微动台动子绕Y转动。

Claims (4)

1.一种光刻机硅片台微动工作台，含有基座（1），微动工作台动子，微动工作台定子，其特征在于：该微动工作台还包括第一种洛伦兹电机和第二种洛伦兹电机；所述的第一种洛伦兹电机实现在水平面内沿X方向、Y方向和绕Z轴旋转的三个自由度运动；所述的第二种洛伦兹电机实现沿Z方向、绕X轴旋转和绕Y轴旋转的三个自由度运动；所述的第一种洛伦兹电机采用四个，呈方形布置，且该种电机的线圈在水平面内出力；所述第二种洛伦兹电机采用四个，第二种洛伦兹电机分别对应布置在每个第一种洛伦兹电机外侧，呈方形布置，且该种电机的线圈沿竖直方向出力；

四个第一种洛伦兹电机的永磁体、轭铁和永磁体骨架以及四个第二种洛伦兹电机的永磁体、轭铁和永磁体骨架共同组成微动工作台的动子部分；四个第一种洛伦兹电机和四个第二种洛伦兹电机的线圈和线圈骨架以及微动台基座共同组成微动工作台的定子部分。

2.按照权利要求1所述的一种光刻机硅片台微动工作台，其特征在于：所述的微动工作台还包含一组重力补偿结构，重力补偿结构位于微动工作台中心部位，该组重力补偿结构包含至少三个永磁体单元和一个重力补偿隔板（11），每个永磁体单元由永磁体和轭铁组成，永磁体单元沿环形均布在微动台竖直中心轴线的周围，永磁体单元与永磁体骨架的上表面连接在一起，重力补偿隔板（11）位于永磁体单元的下部，并与微动工作台线圈骨架（4）连接在一起，所述的永磁体单元与重力补偿隔板（11）之间留有间隙。

3.按照权利要求1或2所述的一种光刻机硅片台微动工作台，其特征在于：所述的微动工作台还包含三个位于微动工作台内部的二维位移测量传感器组件，每一个二维位移测量传感器组件包括二维位移测量传感器（41）、激光头（42）、传感器安装座（43）以及激光头安装座（44）；每个二维位移测量传感器（41）安装在传感器安装座（43）上，传感器安装座（43）设置在微动工作台线圈骨架（4）的底部；激光头（42）安装在激光头安装座（44）中，激光头安装座（44）安装在永磁体骨架的底部，并使激光头（42）与二维位移测量传感器（41）相对应布置，且留有间隙。

4.按照权利要求1所述的一种光刻机硅片台微动工作台，其特征在于：所述的第一种洛伦兹电机和第二种洛伦兹电机的外形呈方形结构。

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