CN103454864B - 一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统 - Google Patents
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Abstract
一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统，主要用于光刻机系统中。该系统包括掩膜台、驱动电机和机架；驱动电机为动铁式磁浮平面电机，驱动电机的永磁体阵列和掩膜台连接在一起，组成了该掩膜台系统的动子部分；驱动电机的线圈阵列和机架连接在一起，组成了该掩膜台系统的定子部分；驱动电机可实现该掩膜台系统的六自由度运动，平面光栅尺则作为该掩膜台系统的测量传感器用于掩膜台的位置反馈测量。粗精动一体磁浮掩膜台在减小了掩模台体积的同时既提高了掩模台的速度、加速度和控制带宽，又满足了高运动精度和定位精度的要求，进而提高了光刻机的生产率、套刻精度和分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及光刻机掩模台系统，该系统主要应用于半导体光刻机中，属于半导体制造装备技术领域。
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掩膜台系统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的深紫外光透过掩膜台上的掩模版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。为进行硅片上一个chip的曝光，掩膜台和硅片台需分别进行加速运动，并在运动到曝光起始位置时同时达到扫描曝光所要求的4：1的速度。此后，硅片台以均匀的速度向扫描运动方向运动，掩膜台以4倍于硅片台扫描速度的速度向与硅片台扫描运动的反方向作扫描运动，两者的运动要求达到极其精确的同步，最终将掩模版上的全部图形成像在硅片的特定芯片（Chip）上。当一个chip扫描结束后，掩膜台和硅片台分别进行减速运动，同时硅片台进行步进运动，将下一个要曝光的chip移动到投影物镜下方。此后，掩膜台向与上次扫描运动方向相反的方向加速、扫描、减速，硅片台则按照规划的方向加速、扫描、减速，在同步扫描过程中完成一个chip的曝光。如此不断重复，掩膜台往返进行加速、扫描、减速的直线运动，硅片台按照规划的轨迹进行步进和扫描运动，完成整个硅片的曝光。
根据对掩膜台的运动要求，掩膜台主要提供沿扫描方向往返超精密高速直线运动的功能。其行程应满足chip长度的4倍、并加上加减速的距离；其扫描速度应为硅片台扫描速度的4倍，最高加速度也相应的会高于硅片台的最高加速度。按照国外典型光刻机商品的技术指标，掩膜台的行程超过100mm（有的机型达到200mm），扫描速度达到1000mm/s，最高加速度达到20m/s2，即2g。提高掩膜台的扫描速度和加速度（硅片台也同步提高），能有效的提高光刻机的生产率。
最为重要的是，掩膜台必需能够实现与硅片台扫描运动的超高精度的同步运动，对45nm光刻机而言，其同步精度要求MA（移动平均偏差）小于2.25nm，MSD（移动标准偏差）小于5.4nm。其中，MA主要影响曝光的套刻精度，MSD主要影响曝光分辨率。
为了满足掩膜台大行程和高速高精度的苛刻要求，传统的掩膜台系统通常采用粗-精动叠层的驱动结构。对掩膜台进行实时高精度的微调，满足其运动精度的要求。这种叠层驱动结构在运动时，上层音圈电机及其附属结构和掩膜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，系统结构复杂，限制了掩膜台的运动精度，妨碍了其加速度的提高。
发明内容
为了提高光刻机掩模台的加速度，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，本发明提供了一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统。
本发明的技术方案如下：
一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统，其特征在于：该系统包括掩膜台台体、驱动电机和机架；所述的掩膜台台体位于该掩膜台系统的中部，所述的驱动电机采用两组，两组驱动电机对称布置在掩膜台台体沿X方向的两个侧面上，驱动电机的永磁体阵列和掩膜台台体连接在一起，构成该掩膜台系统的动子部分，两组驱动电机的线圈阵列和机架连接在一起，构成该掩膜台系统的定子部分，每个驱动电机在X方向、Y方向和Z方向的三个方向出力。
所述的驱动电机的线圈阵列的线圈采用叠层正交线圈，多个叠层正交线圈沿线性方向依次排列；或线圈阵列的线圈采用单层绕制线圈，多个单层线圈沿线性方向依次排列，且相邻两个线圈的绕线方向相互垂直；线圈阵列中的每个线圈由通电线圈和线圈骨架组成，整个线圈固定在机架上。
所述的一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统，其特征在于：该系统还含有平面衍射光栅测量系统，所述的平面衍射光栅测量系统包括用于测量掩膜台与机架之间相对位置的两个传感器组件；所述的每个传感器组件包括一个平面衍射光栅尺、多个光栅读数头和一个光栅读数头连接板；所述的两个传感器组件沿X轴方向对称布置在掩膜台台体的下方；所述的每个传感器组件的光栅读数头通过光栅读数头连接板与机架连接在一起，所述的光栅读数头沿X轴方向等间距对称分布在掩膜台台体的两侧，且固定于光栅读数头连接板的上表面，所述的每侧的光栅读数头共用一个平面衍射光栅尺；所述的平面衍射光栅尺安装在掩膜台台体沿X轴方向的两侧边上；所述的光栅读数头与平面衍射光栅尺之间保留间隙。
本发明所述的一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统，其特征在于：所述的掩膜台台体为薄壁壳体，由碳化硅陶瓷材料制成。
本发明所述的一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统，其特征在于：所述的驱动电机的永磁体阵列由主永磁体、附永磁体和永磁体背板组成，主永磁体与附永磁体以Halbach二维平面阵列形式粘接固定于永磁体背板的表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路。
本发明所述的一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统具有以下优点及突出性效果：与采用气浮导轨支承的传统掩膜台相比，本发明所述的掩膜台采用磁悬浮支承，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，而且可以满足极紫外光刻所需的高真空度环境；所有的驱动装置的额定功率很小，比较容易实现轻量化设计。这样，整个系统的总功率将大大小于传统的采用具备高速和高加速度性能直线电机的掩膜台系统，整个系统的发热也大大减小。
另一方面，与传统的粗精动叠层结构相比，本发明所述的一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统取消了这种多个单自由度运动部件叠加的结构，系统中动子的结构大大简化，考虑到驱动装置的轻量化设计，系统动子的总质量大大减小，动子本身的模态和刚度也大大提高，进而提高了掩膜台的响应速度和其运动过程中的速度，加速度和运动定位精度，最后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是本发明所述一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统的结构示意图。
图2是本发明所述一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统驱动电机的结构示意图。
图3是本发明所述一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统平面衍射光栅尺测量的结构示意图。
图4a、图4b是本发明所述一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统中两种无铁芯线圈的三维示意图。
图5a、图5b是本发明所述一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统中驱动电机永磁体阵列充磁方向的示意图。
图中：1—掩膜台台体；2—机架；4—永磁体阵列；5—线圈阵列；9—线圈；10—线圈骨架；12—永磁体背板；13—主永磁体；14—附永磁体；25—光栅读数头；26—光栅读数头连接板；27—平面衍射光栅尺。
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。
本发明提供的一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统，如图1和图2所示，该系统包括掩膜台台体1、驱动电机和机架2，所述的掩膜台台体1位于该掩膜台系统的中部，所述的掩膜台台体1为薄壁壳体，由碳化硅陶瓷材料制成。
本发明提供的一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统的驱动电机是采用动铁式磁浮平面电机，（如图3所示）；所述的驱动电机共有两个，每个都含有固定在机架2上的线圈阵列5和固定在掩膜台台体1上的永磁体阵列4，对称布置在掩膜台与其运动方向即X方向平行的两个侧面，采用双边驱动方式，每一个驱动电机可同时提供掩膜台在X方向、Y方向和Z方向的推力，两个驱动电机同时工作负责调整掩膜台沿X轴方向的转动、绕Y方向的转动和绕Z轴的转动三个自由度。线圈阵列5是由采用铜线同心绕制的无铁芯矩形线圈组成的一维阵列，线圈的支架采用非铁磁性部件（如铝合金）制成，所述的驱动电机的线圈阵列5的制造方式有两种：第一种线圈阵列中的线圈单元采用由内至外叠层正交绕制的方式，每个模块由线圈9和线圈骨架10组成，将所述的若干个线圈单元沿线性方向紧挨着固定在机架2上，如图4（a）所示，采用该种线圈的驱动电机，当线圈通电时，在线圈的相邻两个绕线层分别通大小相等方向相互垂直的电流i1和i2（电流方向如图4（a）所示）,每个线圈在这两种电流在永磁体阵列中磁场范围内可同时产生两个相互垂直的两个方向的洛伦兹力，实现两个方向的推力；第二种线圈阵列中的线圈单元采用单层绕制的方式，每个模块由线圈9和线圈骨架10组成，将所述的若干个线圈单元沿线性方向，按照相邻两个线圈单元的绕线方向相互垂直并固定在机架2上，如图4（b）所示，用该种线圈的驱动电机，当线圈通电时，相邻的两个线圈分别通大小相等方向相互垂直的电流i1和i2（电流方向如图4（b）所示）,这两个线圈分别在永磁体阵列中磁场范围内可分别产生两个相互垂直的两个方向的洛伦兹力，实现两个方向的推力。
所述的驱动电机的永磁体阵列由主永磁体13、附永磁体14和永磁体背板12组成，主永磁体13与附永磁体14以Halbach二维平面阵列形式粘接固定于永磁体背板12的表面上，相邻的主永磁体13与附永磁体14的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路，（如图5（b）所示，图中的“N”，“S”表示永磁体的N极和S极，此时永磁体的充磁方向垂直于纸面；箭头表示永磁体的充磁方向，此时永磁体的充磁方向平行于纸面）。
该系统还含有平面衍射光栅测量系统，所述的平面衍射光栅测量系统包括用于测量掩膜台与机架2之间相对位置的两个传感器组件；所述的每个传感器组件包括一个平面衍射光栅尺27、若干个光栅读数头25和一个光栅读数头连接板26；所述的两个传感器组件沿X轴方向对称布置在掩膜台台体1的下方；所述的每个传感器组件的光栅读数头25通过光栅读数头连接板26与机架2连接在一起，所述的光栅读数头25沿X轴方向等间距对称分布在光栅读数头连接板26的上表面，所述的每侧的光栅读数头25共用一个平面衍射光栅尺27；所述的平面衍射光栅尺27安装在掩膜台台体1沿X轴方向的两侧边上；所述的光栅读数头25与平面衍射光栅尺27之间保留间隙；当粗动台沿X轴方向做往复运动时，同一侧的至少保证有两个光栅读数头25同时进行测量，实现X方向、Y方向和Z方向的位移测量，该两个光栅读数头25差动，还进行绕X轴和Z轴旋转的角度的测量；关于X轴对称的两个相对应的两个光栅读数头25差动，实现绕Y轴旋转的角度的测量；
本发明所述的一种掩膜台系统，其工作阶段分为启动阶段、正常工作阶段和停止阶段，共三个阶段。启动阶段的工作原理如下：在系统上电启动之前，掩膜台停止在机架上的固定工位上。系统上电启动后，两个驱动电机采用双边驱动方式，提供Z方向向上的推力，推动掩膜台动子部分向上运动到工作位置，然后在掩膜台工作过程中一方面调节掩膜台动子部分沿Z轴方向的位置，使粗动台动子部分及精动台始终处于悬浮状态，及绕X轴方向的转动和绕Y方向的转动这两个自由度的姿态，与此同时，两个驱动电机提供Y方向的推力，调整掩膜台动子部分沿Y轴的平动和绕Z轴的转动两个自由度的姿态，使掩膜台动子部分达到工作所要求的位置和姿态，并在整个工作过程中实时调节前述五个自由度，满足系统对这五个自由度的定位要求。然后，两个驱动电机驱动沿掩膜台动子部分X方向进行加、减速和匀速往复运动，达到系统要求的工作速度，完成启动阶段的工作。
此后，系统进入正常工作阶段，驱动电机在X方向的工作区域内对掩膜台动子部分的速度和姿态进行微调，满足系统对其的速度和位置的要求，同时补偿系统的能量耗散。当掩膜台动子部分运动到+X方向行程的末段，X方向直线电机减速工作至停止，然后又反向加速，使掩膜台动子部分向-X方向运动至该行程的末段，X方向直线电机减速工作至停止，如此往复循环。
在停止阶段，当掩膜台动子部分低速运动静止工位上方，然后驱动电机配合减速停放在静止工位上。
另一方面，与传统的粗精动叠层结构相比，本发明所述的一种掩膜台系统取消了这种多个单自由度运动部件叠加的结构，系统中动子的结构大大简化，考虑到驱动装置的轻量化设计，系统动子的总质量大大减小，动子本身的模态和刚度也大大提高，进而提高了掩膜台的响应速度和其运动过程中的速度，加速度和运动定位精度，最后大大提高了光刻机的生产率、套刻精度和分辨率。
Claims (3)
1.一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统，其特征在于：该系统包括掩膜台台体(1)、驱动电机和机架(2)；所述的掩膜台台体(1)位于该掩膜台系统的中部，所述的驱动电机采用两组，两组驱动电机对称布置在掩膜台台体(1)沿X方向的两个侧面上，驱动电机的永磁体阵列(4)和掩膜台台体(1)连接在一起，构成该掩膜台系统的动子部分，两组驱动电机的线圈阵列和机架(2)连接在一起，构成该掩膜台系统的定子部分，每个驱动电机在X方向、Y方向和Z方向的三个方向出力；所述的掩膜台台体(1)为薄壁壳体，由碳化硅陶瓷材料制成；
所述的驱动电机的线圈阵列(5)的线圈采用叠层正交线圈，多个叠层正交线圈沿线性方向依次排列；或线圈阵列的线圈采用单层绕制线圈，多个单层线圈沿线性方向依次排列，且相邻两个线圈的绕线方向相互垂直；线圈阵列(5)中的每个线圈由通电线圈(9)和线圈骨架(10)组成，整个线圈固定在机架(2)上。
2.如权利要求1所述的一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统，其特征在于：该系统还含有平面衍射光栅测量系统，所述的平面衍射光栅测量系统包括用于测量掩膜台与机架(2)之间相对位置的两个传感器组件；所述的每个传感器组件包括一个平面衍射光栅尺(27)、若干个光栅读数头(25)和一个光栅读数头连接板(26)；所述的两个传感器组件沿X轴方向对称布置在掩膜台台体(1)的下方；所述的每个传感器组件的光栅读数头(25)通过光栅读数头连接板(26)与机架(2)连接在一起，所述的光栅读数头(25)沿X轴方向等间距对称分布在掩膜台台体(1)的两侧，且固定于光栅读数头连接板(26)的上表面，所述的每侧的光栅读数头(25)共用一个平面衍射光栅尺(27)；所述的平面衍射光栅尺(27)安装在掩膜台台体(1)沿X轴方向的两侧边上；所述的光栅读数头(25)与平面衍射光栅尺(27)之间保留间隙。
3.如权利要求1所述的一种粗精动一体的磁浮掩膜台系统，其特征在于：所述的驱动电机的永磁体阵列由主永磁体(13)、附永磁体(14)和永磁体背板(12)组成，主永磁体(13)与附永磁体(14)以Halbach二维平面阵列形式粘接固定于永磁体背板(12)的表面上，相邻的主永磁体(13)与附永磁体(14)的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路。
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