CN103982587A - 光刻机的柔性支撑装置及柔性支撑件 - Google Patents

Abstract

本发明属于光刻机的柔性支撑装置及柔性支撑件。所述柔性支撑件包括与物镜相连的顶块、柔性连接机构和与主基板相连的底块，所述柔性连接机构包括两个柔性连接件，柔性连接件设在顶块和底块之间，构成人字型或倒T字型柔性支撑件，所述柔性连接件为设有内部梁的框结构或者设有柔性铰链的梁结构。所述柔性支撑装置包括三个柔性支撑件、第二柔性支撑件和第三柔性支撑件，三者分布在等腰三角形的三个交点，物镜设置在三角形中心位置。本发明提供技术方案通过所采用的柔性支撑件及其位置排布实现了物镜与主基板装配体整体模态小于30Hz。柔性支撑件具有超低刚性，足够的支撑强度同时避免了应力集中。

Description

光刻机的柔性支撑装置及柔性支撑件

技术领域

本发明属于光刻机设备，具体涉及光刻机的柔性支撑装置及柔性支撑件。

背景技术

光刻机主要是工件台携带硅片或玻璃基板等在物镜下随掩模台保持同步运动，并完成精确的曝光工作。

光刻机系统在工作过程中，工件台和掩模台分别以投影物镜的两面一轴（物面、焦面和光轴）为基准，在控制系统的驱动下，按要求的精度实现工件台与掩模台之间的相对位置，以及两者相对物镜的位置。由于光刻机高定位精度、高同步运动精度的特点，任何外界振动的传入和内部振动的干扰，都会引起两者之间或者两者相对物镜位置的短暂错位，这将会严重影响光刻质量。引起系统内部微振动并引发错位的主要因素有地基振动的传入，步进或者扫描过程中产生的反作用力和力矩，以及内部世界（气液管路和气膜的振动）和外部世界的随机噪音等。为了消除各种振动因素对光刻机曝光质量的影响，就要对整机系统采取有效的隔振和减振措施。

随着大规模集成电路器件集成度的提高,光刻工作分辨力要求愈来愈高,即要求光刻机曝光系统的稳定性、测量系统的准确性和运动平台的精度也得愈来愈高(目前定位精度高于10nm),同时工作波长也愈来愈短。进入纳米精度后，光刻分辨率对振动的影响已相当敏感。投影物镜作为光刻机中最精密部件及基准，对环境振动的要求非常苛刻，通过减振器实现的单级减振已不能满足其性能需求。如图1所示，需要两极隔振系统，其中第一级采用主动减振器101，该主动减振器101将架设物镜100的主基板102和基础框架103隔离开来，用于各类基础框架103上的低频振动，第二级采用柔性支撑装置，用于隔离基物镜100及主基板102，用于基础框架103上的残余振动加速度，具体结构见图1。

柔性支撑装置内支撑件104支撑几百到上千公斤的物镜100质量，需保证最大应力在材料许用应力安全范围，另外其各向刚度的大小决定能够隔离基础框架103振动的水平，因此结构设计具有一定的挑战性。现有以下几种支撑件的设计方案。

方案一：如图2（a）所示，采用Soft Mount柔性机构装置（30Hz），倒T型支撑件，用于隔离主基板上的残余振动加速度，该结构易产生应力集中，导致材料断裂和疲劳失效，并且这种梁结构的X、Y、Z三向柔性较差，隔振不足。

方案二：如图2（b）所示，采用切口和载重的薄片结合使得顶部相对于底部在二维平面内的可移动，从而实现减振效果，但该结构垂向刚度小，承载力小。

方案三：如图2（c）所示，支撑件为两条支腿组成的人字形支撑结构，该结构整体固有频率高，频率比小，隔振效果不理想。

以上方案的柔性支撑装置的整体前六阶模态频率过高，对较高频率的干扰信号隔离不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是柔性支撑件无法兼顾良好的支撑力和超低的刚性，对较高频率的干扰信号隔离不足，为了克服以上不足，提供了一种光刻机的柔性支撑装置及柔性支撑件。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：所述柔性支撑件包括与物镜相连的顶块、柔性连接机构和与主基板相连的底块，所述柔性连接机构包括两个柔性连接件，柔性连接件设在顶块和底块之间，构成人字型或倒T字型柔性支撑件，所述柔性连接件为设有内部梁的框结构或者设有柔性铰链的梁结构。框结构可以实现各向柔性，但易产生应力集中，内部梁用于加强框结构中的应力集中部位，梁结构提供柔性连接件刚性，柔性铰链可以实现梁机构的X、Y、Z三向柔性。

进一步，所述人字型柔性支撑件的两柔性连接件之间的夹角为90°~120°。

进一步，所述人字型柔性支撑件的柔性连接件为框结构，所述框结构还包括收缩段，将框结构分为上框和下框，收缩段外侧夹角为90°~130°，框结构的厚度为2mm~8mm，壁厚为1mm~4mm。收缩段进一步增加了框结构的各向柔性，降低固有频率。

进一步，所述内部梁包括交叉梁和/或一字梁。

进一步，所述倒T字型柔性支撑件的柔性连接件为梁结构，所述梁结构包括竖直的方型梁和水平的H型梁，所述方型梁由上横梁、下横梁、连接上横梁和下横梁的左竖梁和右竖梁构成，所述H型字梁包括连接梁、连接梁一端的左横梁和连接梁另一端的右横梁，所述下横梁设置在连接梁上。

进一步，所述方型梁的的左竖梁和右竖梁的长度5mm~40mm，宽度3mm~10mm，高度50mm~150mm，左竖梁和右竖梁之间的间距为5~80mm，所述H型梁的连接梁的长度80mm~180mm，宽度5mm~40mm，高度5mm~20mm，左横梁和右横梁的长度30mm~180mm，宽度5mm~20mm，高度5mm~40mm。

进一步，所述柔性铰链为圆弧型柔性铰链，其包括设在所述方型梁四个顶角的第一柔性铰链、设在左竖梁和右竖梁上的第二柔性铰链和设在H型梁四个拐角的第三柔性铰链。通过调节单个运动副的尺寸只会对单个方向上的刚度进行调节，不影响其他方向的刚度，实现了各向刚度解耦，适应多种刚度或载荷条件下的性能需求。

进一步，所述第一柔性铰链的圆弧直径为2mm~10mm，所述第二柔性铰链和第三柔性铰链的的圆弧直径为5~20mm。

进一步，所述柔性支撑件的总长度为80mm~210mm，总宽度为10mm~200mm，总高度为50mm~200mm。

进一步，所述柔性支撑件的主体外形由机床加工成型，柔性连接件采用线切割成型。

进一步，所述柔性支撑件采用弹簧钢或殷钢。

进一步，所述柔性支撑件在Z向刚度为2000N/mm~8000N/mm，X和Y向刚度为200N/mm~3000N/mm。

本发明还提供了一种柔性支撑装置，所述柔性支撑装置包括第一柔性支撑件、第二柔性支撑件和第三柔性支撑件，三者分布在等腰三角形的三个交点，第一柔性支撑件位于顶点，第二柔性支撑件和第三柔性支撑件位于两个底点，物镜设置在三角形中心位置。

所述中心是指三角形三条高的交点。

进一步，所述第一柔性支撑件横向或纵向设置，所述第二柔性支撑件和第三柔性支撑件以顶点的中线为轴镜像设置。柔性支撑件在XY面的投影为一字型，在XY面上，一字与X轴之间的夹角为0°时为横向，夹角为90°时为纵向。排列方式应保证第一柔性支撑件、第二柔性支撑件和第三柔性支撑件的X向刚度之和与Y向刚度之和近似相等，即K_x1+K_x2+K_x3≈K_y1+K_y2+K_y3，其中

进一步，所述柔性支撑装置还包括设置在主基板和物镜之间的限位块，所述限位块用于当使用过程中因未知外力引起的柔性支撑件的破损时，支撑物镜。

进一步，所述柔性支撑装置还包括阻尼器，所述阻尼器用于防止当柔性支撑件的固有频率与震源频。

所述柔性支撑装置与物镜装配后，X向模态频率值f_x、Y向模态频率值f_y、Z向模态频率值f_z、R_x向模态频率值f_a、R_y向模态频率值f_β和Rz向模态频率值f_Y可由下式（I）~（VI）估算：

$\mathrm{fx}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{\Σkx}}{m}}---\left(I\right)$

$\mathrm{fy}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{\Σky}}{m}}---\left(\mathrm{II}\right)$

$\mathrm{fz}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{\Σkz}}{m}}---\left(\mathrm{III}\right)$

$\mathrm{fa}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{k}_y{\mathrm{az}}^2+{\mathrm{kzay}}^2}{{\mathrm{mpx}}^2}}---\left(\mathrm{IV}\right)$

$\mathrm{f\β}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{\Σkx}{\mathrm{az}}^2+{\mathrm{kzax}}^2}{{\mathrm{mpy}}^2}}---\left(V\right)$

$\mathrm{f\γ\β}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{\Σkx}{\mathrm{ay}}^2+{\mathrm{kyax}}^2}{{\mathrm{mpz}}^2}}---\left(\mathrm{VI}\right)$

其中k_x为柔性支撑件X向的刚度，k_y为柔性支撑件Y向的刚度，k_z为柔性支撑件Z向的刚度，m为物镜质量，a_x为柔性支撑件距物镜中心轴的X向距离，a_y为柔性支撑件距物镜中心轴的Y向距离，a_z为柔性支撑件距物镜中心轴的Z向距离，ρx为物镜绕X轴转动惯量,ρy为物镜绕Y轴转动惯量，ρz为物镜绕Z轴转动惯量，∑是指三组柔性支撑件的数据求和。

本发明提供的柔性支撑装置通过所采用的柔性支撑件的结构设计及位置布置实现了物镜与主基板装配体的6自由度模态均小于30Hz，隔离了框架的振动。本发明提供的柔性支撑件结构具有超低刚性，但同时又能够保证支撑强度，规避了结构中的应力集中。

附图说明

图1是光刻机结构示意图；

图2是现有技术中支撑件的结构示意图，其中(a)为方案一，(b)为方案二，(c)为方案三。

图3是实施例1柔性支撑件排布示意图。

图4是实施例1柔性支撑装置结构示意图。

图5是实施例1柔性支撑件的结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为主视图的K向视图。

图6是实施例2柔性支撑件排布示意图。

图7是实施例2柔性连接件的结构示意图。

图8是实施例3柔性支撑件排布示意图，其中(a)为第一柔性支撑件横向设置，(b)为第一柔性支撑件竖向设置。

图9是实施例3柔性支撑件的结构示意图，其中(a)为柔性支撑件的主视图，(b)为柔性支撑件的右视图，(c)为柔性支撑件的俯视图。

图中所示：100-物镜，101-主动减震器，102-主基板，103-基础框架，104-支撑件；

11-第一柔性支撑件，12-第二柔性支撑件，13-第三柔性支撑件，14-中线，15-限位块，16-阻尼器；

21-顶块，22-第一底块，23-第二底块，24-第一柔性连接件，25-第二柔性连接件；

241-X型收缩段，242-上框，243-第一交叉梁，244-下框，245-第二交叉梁，246-第一一字梁，247-第二一字梁，248-沙漏状收缩段，249-第三一字梁；

31-第一底块组，32-第二底块组，33-第三柔性连接件，34-第四柔性连接件；

311-前底块，312-后底块；

331-连接梁，332-左横梁，333-右横梁，334-第三柔性铰链；

341-上横梁，342-下横梁，343-左竖梁，344-右竖梁，345-第一柔性铰链，346-第二柔性铰链。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

实施例1

如图3所示，本发明所述柔性支撑装置包括第一柔性支撑件11、第二柔性支撑件12和第三柔性支撑件13，三者分布在等腰三角形的三个交点，第一柔性支撑件11位于顶点，第二柔性支撑件12和第三柔性支撑件13位于两个底点，物镜100的中心与三角形中心重合。

所述第一柔性支撑件11横向设置，所述第二柔性支撑件12和第三柔性支撑件13与第一柔性支撑件11之间的夹角为60°，第二柔性支撑件12和第三柔性支撑件13以顶点的中线14为轴镜像设置。

如图4所示，所述柔性支撑装置还包括与第一柔性支撑件11、第二柔性支撑件12和第三柔性支撑件13一一对应的限位块15和阻尼器16，柔性支撑件、阻尼器16和限位块15由内向外依次设置在物镜100和主基板102之间。

需要指出的是阻尼器16还可以设置在物镜100上。

如图5所示，所述第一柔性支撑件11、第二柔性支撑件12和第三柔性支撑件13的结构相同，以第一柔性支撑件11为例，其包括与物镜100相连的顶块21、柔性连接机构和与主基板102相连的第一底块22和第二底块23。所述柔性连接机构包括第一柔性连接件24和第二柔性连接件25，所述第一柔性连接件24的顶端与顶块21相连，低端与第一底块22相连，第二柔性连接件25的顶端与顶块21相连，低端与第二底块23相连，第一柔性连接件24和第二柔性连接件25之间的夹角为100°，第一柔性支撑件11整体呈人字型，总长度为210mm，总宽度为30mm，总高度为120mm。

所述第一柔性连接件24和第二柔性连接件25的结构相同，均为框结构，以第一柔性连接件24为例，所述第一柔性连接件24包括X型收缩段241、X型收缩段241以上的上框242、设置在上框242内的第一交叉梁243、X型收缩段241以下的下框244和设置在下框244内的第二交叉梁245，X型收缩段241外侧夹角为120°，第一柔性连接件24的厚度为6mm，壁厚为1.5mm。

材料采用60Si2Mn。

所述第一柔性支撑件11的主体外形由机床加工成型，第一柔性连接件24和第二柔性连接件25采用线切割成型。第一柔性支撑件11的自身固有频率大于400Hz，在X、Y、Z以及RX、RY和RZ6个自由度上可以在材料允许的弹性范围内变形，在Z方向刚度范围2000N/mm至8000N/mm，X和Y方向刚度范围200N/mm至3000N/mm。

将柔性支撑装置与物镜100和主基板102装配完成，采用单点测量，多点锤击的方式进行模态测试。数据采集仪器为Spectrum Dynamics公司的siglab测试系统；传感器为PCB公司的356A17型三轴加速度传感器。测试完成后，采用StarModal软件对测试数据进行辨识，从而得到模态参数。经测试物镜与柔性块装配后整体前六自由度模态频率小于30Hz，可达到隔振效果。

m为物镜质量600kg，通过式（I）~（VI）估算六自由度模态频率小于30Hz。

实施例2

除以下区别外，其余均参考实施例1。

如图6所示，所述第一柔性支撑件11竖向设置，所述第二柔性支撑件12和第三柔性支撑件13与第一柔性支撑件11平行。

如图7所示，所述第一柔性连接件24和第二柔性连接件25内的第一一字梁246替换第一交叉梁243，第二一字梁247替换第二交叉梁245，并且沙漏状收缩段248替换了X型收缩段241，在沙漏状收缩段248的最窄处设有第三一字梁249。

实施例3

除以下区别外，其余均参考实施例1。

如图8所示，所述第一柔性支撑件11横向或竖向设置，所述第二柔性支撑件12和第三柔性支撑件13与第一柔性支撑件11垂直。所述柔性支撑装置不包括限位块15和阻尼器16。

如图9所示，所述第一柔性支撑件11、第二柔性支撑件12和第三柔性支撑件13的结构相同，以第一柔性支撑件11为例，其包括物镜100相连的顶块21、柔性连接机构和与主基板102相连的第一底块组31和第二底块组32。

所述第一底块组31和第二底块组32结构相同，以第一底块组31为例，其包括前底块311和后底块312。

所述柔性连接机构包括H型第三柔性连接件33和方型第四柔性连接件34，第三柔性连接件33和第四柔性连接件34为设有柔性铰链的梁结构。

所述第三柔性连接件33包括连接梁331、连接梁331一端的左横梁332和连接梁311另一端的右横梁333，所述连接梁331的长度120mm，宽度20mm，高度10mm，左横梁332和右横梁333尺寸相同，其长度100mm，宽度15mm，高度25mm。

所述第四柔性连接件34包括上横梁341、下横梁342、连接上横梁341和下横梁342的左竖梁343和右竖梁344。左竖梁343和右竖梁344的尺寸相同，其长度20mm，宽度7mm，高度75mm，左竖梁343和右竖梁344之间的间距为20mm。

所述左横梁332的前后两端分别与第一底块组31的前底块311和后底块312相连，右横梁333与第二底块组32类似方式相连，所述上横梁341与顶块21相连，下横梁342设置在连接梁331的中部且下横342与左横梁332或右横梁333垂直，当然也可以平行设置。

自此第一柔性支撑件11整体呈倒T型，总长度为170mm，总宽度为100mm，总高度为115mm。

所述第四柔性连接件34还包括第一柔性铰链345和第二柔性铰链346，所述第一柔性铰链345由设在方型梁的四个顶角，结构相同的四对圆弧构成，该圆弧的直径为4mm，通过调节第一柔性铰链345的参数可实现X向刚度调节。所述第二柔性铰链346由设在左竖梁343和右竖梁344上的四对圆弧构成，该圆弧的直径为14mm，通过调节第二柔性铰链346的参数可实现Y向刚度调节。

所述第三柔性连接件33还包括第三柔性铰链334，其由设在H型梁四个拐角的两对圆弧构成，该圆弧的直径为14mm，通过调节第三柔性铰链334的参数可实现Z向刚度的调节。从而实现各向刚度解耦，适应多种刚度或载荷条件下的性能需求。

所述第一柔性支撑件11的主体外形由机床加工成型，第三柔性连接件33和第四柔性连接件34采用线切割成型。

将柔性支撑装置与物镜100和主基板102装配完成，采用单点测量，多点锤击的方式进行模态测试。数据采集仪器为Spectrum Dynamics公司的siglab测试系统；传感器为PCB公司的356A17型三轴加速度传感器。测试完成后，采用StarModal软件对测试数据进行辨识，从而得到模态参数。经测试物镜与柔性块装配后整体前六自由度模态频率小于30Hz，可达到隔振效果。

m为物镜质量600kg，通过式（I）~（VI）估算六自由度模态频率小于30Hz。

Claims (16)

1.一种光刻机的柔性支撑件，其包括与物镜相连的顶块、柔性连接机构和与主基板相连的底块，其特征在于，所述柔性连接机构包括两个柔性连接件，柔性连接件设在顶块和底块之间，构成人字型或倒T字型柔性支撑件，所述柔性连接件为设有内部梁的框结构或者设有柔性铰链的梁结构。

2.根据权利要求1所述一种光刻机的柔性支撑件，其特征在于，所述人字型柔性支撑件的两柔性连接件之间的夹角为90°~120°。

3.根据权利要求2所述一种光刻机的柔性支撑件，其特征在于，所述人字型柔性支撑件的柔性连接件为框结构，所述框结构还包括收缩段，将框结构分为上框和下框，收缩段外侧夹角为90°~130°，框结构的厚度为2mm~8mm，壁厚为1mm~4mm。

4.根据权利要求1~3任一项所述一种光刻机的柔性支撑件，其特征在于，所述内部梁包括交叉梁和/或一字梁。

5.根据权利要求1所述一种光刻机的柔性支撑件，其特征在于，所述倒T字型柔性支撑件的柔性连接件为梁结构，所述梁结构包括竖直的方型梁和水平的H型梁，所述方型梁由上横梁、下横梁、连接上横梁和下横梁的左竖梁和右竖梁构成，所述H型字梁包括连接梁、连接梁一端的左横梁和连接梁另一端的右横梁，所述下横梁设置在连接梁上。

6.根据权利要求5所述一种光刻机的柔性支撑件，其特征在于，所述方型梁的的左竖梁和右竖梁的长度5mm~40mm，宽度3mm~10mm，高度50mm~150mm，左竖梁和右竖梁之间的间距为5~80mm，所述H型梁的连接梁的长度80mm~180mm，宽度5mm~40mm，高度5mm~20mm，左横梁和右横梁的长度30mm~180mm，宽度5mm~20mm，高度5mm~40mm。

7.根据权利要求5或6所述一种光刻机的柔性支撑件，其特征在于，所述柔性铰链为圆弧型柔性铰链，其包括设在所述方型梁四个顶角的第一柔性铰链、设在左竖梁和右竖梁上的第二柔性铰链和设在H型梁四个拐角的第三柔性铰链。

8.根据权利要求7所述一种光刻机的柔性支撑件，其特征在于，所述第一柔性铰链的圆弧直径为2mm~10mm，所述第二柔性铰链和第三柔性铰链的的圆弧直径为5~20mm。

9.根据权利要求1所述一种光刻机的柔性支撑件，其特征在于，所述柔性支撑件的总长度为80mm~210mm，总宽度为10mm~200mm，总高度为50mm~200mm。

10.根据权利要求1所述一种光刻机的柔性支撑件，其特征在于，所述柔性支撑件的主体外形由机床加工成型，柔性连接件采用线切割成型。

11.根据权利要求1所述一种光刻机的柔性支撑件，其特征在于，所述柔性支撑件采用弹簧钢或殷钢。

12.根据权利要求1所述一种光刻机的柔性支撑件，其特征在于，所述柔性支撑件在Z向刚度为2000N/mm~8000N/mm，X和Y向刚度为200N/mm~3000N/mm。

13.一种柔性支撑装置，其特征在于，所述柔性支撑装置包括第一柔性支撑件、第二柔性支撑件和第三柔性支撑件，所述第一柔性支撑件、第二柔性支撑件和第三柔性支撑件选自权利要求1~12任一项所述一种光刻机的柔性支撑件，三者分布在等腰三角形的三个交点，第一柔性支撑件位于顶点，第二柔性支撑件和第三柔性支撑件位于两个底点，物镜设置在三角形中心位置。

14.根据权利要求13所述一种柔性支撑装置，其特征在于，所述第一柔性支撑件横向或纵向设置，所述第二柔性支撑件和第三柔性支撑件以顶点的中线为轴镜像设置。

15.根据权利要求13所述一种柔性支撑装置，其特征在于，所述柔性支撑装置还包括设置在主基板和物镜之间的限位块。

16.根据权利要求13所述一种柔性支撑装置，其特征在于，所述柔性支撑装置还包括阻尼器。