CN104076612B

CN104076612B - 重载荷柔性支撑装置

Info

Publication number: CN104076612B
Application number: CN201310103211.3A
Authority: CN
Inventors: 王璟; 王茜; 季采云
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: CN104076612A

Abstract

本发明公开了一种重载荷柔性支撑装置，包括三组柔性机构，三组柔性机构支撑物镜并呈等腰三角形布置在主基板上。柔性机构包括：顶部横梁和两条侧面竖梁，顶部横梁的两端分别与对称设置的两侧面竖梁相连；顶部横梁上分别设有至少一组中心轴为Y向的第一柔性铰链和至少一组中心轴为Z向的第二柔性铰链，第一柔性铰链靠近所述顶部横梁的中心，第二柔性铰链靠近侧面竖梁；所述侧面竖梁上设有至少一组中心轴为X向的第三柔性铰链；所述第一、第二和第三柔性铰链统称为柔性铰链。物镜采用3组相同的柔性机构支撑在主基板上，使得整体前六阶模态频率低于30Hz，起到了振动隔离的作用，提高了物镜曝光的稳定性，降低因结构振动导致的成像短期误差。

Description

重载荷柔性支撑装置

技术领域

本发明涉及光刻机领域，特别涉及一种重载荷柔性支撑装置。

背景技术

光刻机在工作过程中，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。由于光刻机具有高定位精度、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。请参照图1，通常的解决办法是设法在基础框架2上安装一套减震器3，使光刻机的曝光单元(主要包括照明系统、掩模台、物镜6和主基板4)通过所述减振器3同地基1以及基础框架2隔离开来，这样就可以避免外界的振动通过地基1传给曝光单元。

请继续参照图1，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。物镜6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3实现的单级减振已不能满足其性能需求。需要两级隔振系统，其中第一级采用减振器3，用于各类基础框架2上的低频振动，第二级采用柔性机构5，用于隔离主基板4上的残余振动加速度。

由于，柔性机构5在垂向需承受2000N以上的重载荷，易产生应力集中，若柔性机构5的结构设计不合理，应力大于材料许用应力时，柔性机构5将产生破坏；即使应力小于材料许用应力，较大的应力长期作用于柔性机构5，也会引起柔性机构5疲劳，缩短其使用寿命。

因此，如何提供一种重载荷下结构应力较小的柔性支撑装置，避免应力集中产生的机构破坏，提高零件疲劳寿命的重载荷柔性支撑装置是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明提供一种重载荷下结构应力较小的柔性支撑装置，避免柔性支撑装置因应力集中而产生机构破坏，延长使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明提供一种重载荷柔性支撑装置，包括三组柔性机构，所述三组柔性机构支撑物镜，并呈等腰三角形布置在光刻机的主基板上；所述三组柔性机构的垂向刚度间为并联关系；所述三组柔性机构的水平向刚度间为并联关系；所述柔性机构包括：顶部横梁和两条侧面竖梁，所述顶部横梁的两端分别与对称设置的两条侧面竖梁相连；所述顶部横梁上至少设有一组中心轴为Y向的第一柔性铰链和一组中心轴为Z向的第二柔性铰链，其中，第一柔性铰链靠近所述顶部横梁的中心，第二柔性铰链靠近侧面竖梁；所述侧面竖梁上至少设有一组中心轴为X向的第三柔性铰链；所述第一、第二和第三柔性铰链统称为柔性铰链；所述柔性铰链的刚度之间为串联关系。

作为优选，所述等腰三角形包含一条底边和两条斜边，位于所述底边两端点处的两组柔性机构以等腰三角形的中线为中心对称分布，所述等腰三角形顶点处的柔性机构与等腰三角形底边两端点处的两组柔性机构平行、垂直或呈角度布置。

作为优选，所述顶部横梁的中心至少设有一物镜接口。

作为优选，所述两条侧面竖梁的底部分别至少设有一主基板接口。

作为优选，所述两侧面竖梁的底部通过一底部横梁相连。

作为优选，所述第一柔性铰链与所述物镜接口边缘的距离不小于5mm。

作为优选，所述柔性机构采用机床加工而成。

作为优选，所述柔性机构采用弹簧钢或殷钢。

作为优选，所述柔性机构的长度为150mm～250mm，宽度为20mm～50mm，高度为80mm～150mm。

作为优选，所述顶部横梁和侧面竖梁的厚度为8～12mm。

作为优选，所述柔性铰链的截面形式包括圆形、直梁形、倒圆角直梁形或者渐变收缩形。

作为优选，所述柔性铰链的截面为圆形时，所述圆形的直径为6～30mm。

作为优选，第三柔性铰链与所述侧面竖梁底面的距离不小于8mm。

作为优选，还包括阻尼器，所述阻尼器安装在所述物镜与主基板之间。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：物镜采用3组相同的柔性机构支撑在主基板上，3组柔性机构成等腰三角形布置，并使物镜中心尽量与三角形中心重合，柔性机构同物镜装配后，整体前六阶模态频率低于30Hz，起到了振动隔离的作用，提高了物镜曝光的稳定性，降低因结构振动导致的成像短期误差。由于柔性支撑装置自身的固有频率较高，大于400Hz，远高于振源频率，能起到避免共振的效果。

附图说明

图1为现有技术中光刻机的结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式中柔性机构(无底部横梁)的结构示意图；

图3为本发明一具体实施方式中柔性机构的左视图；

图4为本发明一具体实施方式中柔性机构的俯视图；

图5为本发明一具体实施方式中柔性机构(含底部横梁)的结构示意图；

图6a～6d分别为本发明一具体实施方式中柔性铰链的截面示意图；

图7a～7d分别为本发明一具体实施方式中柔性机构的分布图。

图1中：1-地基、2-基础框架、3-减震器、4-主基板、5-柔性机构、6-物镜。

图2～7d中：10-柔性机构，11-顶部横梁，12-侧面竖梁，13-物镜接口，14-主基板接口，15-底部横梁，20-物镜、30-主基板，40-柔性铰链、41-第一柔性铰链，42-第二柔性铰链，43-第三柔性铰链，50-底边，51a、51b-斜边，52-中线、60a、60b-端点、61-顶点。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参照图2～5，并结合图7a，本发明的重载荷柔性支撑装置，包括三组柔性机构10，所述三组柔性机构10支撑物镜20，并呈等腰三角形布置在光刻机的主基板30上。所述柔性机构10包括：顶部横梁11和两条侧面竖梁12，所述顶部横梁11的两端分别与对称设置的两条侧面竖梁12相连；所述顶部横梁11上分别设有至少一组中心轴为Y向的第一柔性铰链41和至少一组中心轴为Z向的第二柔性铰链42，其中，第一柔性铰链41靠近所述顶部横梁11的中心，第二柔性铰链42靠近侧面竖梁12；所述侧面竖梁12上设有至少一组中心轴为X向的第三柔性铰链43；所述第一、第二和第三柔性铰链41、42、43统称为柔性铰链40。具体地，所述第一柔性铰链41为所述柔性机构10提供Z向柔性，所述第二柔性铰链42为所述柔性机构10提供Y向柔性，所述第三柔性铰链43为所述柔性机构10提供Y向柔性，同时降低柔性机构10Z向受载荷所产生的应力。三组柔性机构10的垂向刚度间为并联关系，水平向刚度间也为并联关系，即柔性支撑装置垂向总刚度为三组柔性机构10的垂向刚度之和，水平向总刚度为三组柔性机构10的水平向刚度之和。柔性支撑装置完成与物镜20的装配后，振型为平动的前三阶模态频率值可由下式估算：

ω_{n} = \sqrt{\frac{k_{n}}{m}}

f_{n} = \frac{ω_{n}}{2 π}

其中，k_n为三组柔性机构10在X向、Y向或Z向总刚度，f_n为柔性支撑装置完成与物镜20的装配后X向、Y向或Z向模态频率值，m为物镜20的质量。

柔性机构中10的各柔性铰链40的刚度之间为串联关系，则柔性机构10的各向刚度具有如下关系：

\frac{1}{K_{x}} = \frac{N 1}{K_{41 x}} + \frac{N 2}{K_{42 x}} + \frac{N 3}{K_{43 x}} + \frac{1}{K_{q t x}}

\frac{1}{K_{y}} = \frac{N 1}{K_{41 y}} + \frac{N 2}{K_{42 y}} + \frac{N 3}{K_{43 y}} + \frac{1}{K_{q t y}}

\frac{1}{K_{z}} = \frac{N 1}{K_{41 z}} + \frac{N 2}{K_{42 z}} + \frac{N 3}{K_{43 z}} + \frac{1}{K_{q t z}}

式中：

1、Kx为柔性机构10的X向总刚度，K_41x为第一柔性铰链41的X向刚度，K_42x为第二柔性铰链42的X向刚度，K_43x为第三柔性铰链43的X向刚度，K_qtx为柔性铰链40其他部分X向总刚度，N1、N2、N3分别为第一、第二和第三柔性铰链41、42、43的个数；

2、Ky为柔性机构10的Y向总刚度，K_41y为第一柔性铰链41的Y向刚度，K_42y为第二柔性铰链42的Y向刚度，K_43y为第三柔性铰链43的Y向刚度，K_qty为柔性铰链40其他部分Y向总刚度，N1、N2、N3分别为第一、第二和第三柔性铰链41、42、43的个数；

3、Kz为柔性机构10的Z向总刚度，K_41z为第一柔性铰链41的Z向刚度，K_42z为第二柔性铰链42的Z向刚度，K_43z为第三柔性铰链43的Z向刚度，K_qtz为柔性铰链40其他部分Z向总刚度，N1、N2、N3分别为第一、第二和第三柔性铰链41、42、43的个数。

柔性机构10的X向柔性主要由柔性机构10的结构的不稳定性提供，即侧面竖梁12上的第三柔性铰链43对柔性机构10的X向柔度也具有一定贡献，忽略其他对柔性机构10X向的柔度贡献较小因素，柔性机构10的X向刚度计算可简化为：

\frac{1}{K_{x}} = \frac{N 3}{K_{43 x}} + \frac{1}{K_{q t x}}

柔性机构10的Y向柔性主要由侧面竖梁12上的第三柔性铰链43提供，即顶部横梁11上的第二柔性铰链42对柔性机构10的Y向柔度也具有一定贡献，忽略其它对柔性机构10Y向的柔度贡献较小因素，柔性机构10Y向刚度计算可简化为：

\frac{1}{K_{y}} = \frac{N 2}{K_{42 y}} + \frac{N 3}{K_{43 y}}

柔性机构10的Z向柔性主要由顶部横梁11上的第一柔性铰链41提供，即顶部横梁11的厚度、宽度及长度也是Z向刚度的重要影响因素，即忽略对柔性机构10的Z向的柔度贡献较小因素，柔性机构10的Z向刚度计算可简化为：

\frac{1}{K_{z}} = \frac{N 1}{K_{41 z}} + \frac{1}{K_{q t z}}

本发明的物镜20采用3组相同的柔性机构10支撑在主基板30上，3组柔性机构10成等腰三角形布置，并使物镜20中心尽量与三角形中心重合，柔性机构10同物镜20装配后，整体前六阶模态频率低于30Hz，起到了振动隔离的作用，提高了物镜20曝光的稳定性，降低因结构振动导致的成像短期误差。由于本发明柔性支撑装置自身的固有频率较高，大于400Hz，远高于振源频率，能起到避免共振的效果。

请参照图5，并结合图2～4，所述顶部横梁11的中心至少设有一物镜接口13，所述两条侧面竖梁12的底部分别至少设有一主基板接口14，便于柔性机构10的安装，确保所述柔性机构10能够稳定支持物镜20。较佳的，所述两侧面竖梁12的底部通过一底部横梁15相连，使得所述柔性机构10为一种带有柔性铰链40的方框结构，方框结构的不稳定性为柔性机构10提供X向的柔性。

请参照图6a～6d，所述柔性铰链40的截面形式包括如图6a所示的直梁形、如图6b所示的圆形、如图6c所示的倒圆角直梁形或者如图6d的所示的由两侧向中心渐变收缩的对称铰链形式。

请继续参照图2～7a，通常，垂向载荷引起的柔性机构10的最大应力在第一柔性铰链41处，应力大小的主要决定因素有第一柔性铰链41的个数、第一柔性铰链41截面为圆形时的直径、圆形中心位置以及第一柔性铰链41相对柔性机构10与物镜接口13边缘间的距离l(见图2和图5)。第一柔性铰链41的个数、圆形直径、圆形中轴位置三者相互关联，需密切匹配才能达到柔性机构10的刚度需求且使应力达到最小。较佳的，第一柔性铰链41和物镜接口13边缘间的距离l不小于5mm，否则将引起第一柔性铰链41处应力集中。

开设多组第一柔性铰链41的顶部横梁11相比只开设一组第一柔性铰链41，在承受Z向载荷时会产生更小的应力。水平向载荷引起的柔性机构10最大应力通常在第三柔性铰链43处，应力大小的主要决定因素有第三柔性铰链43的圆形直径、圆形中轴位置以及第三柔性铰链43相对柔性机构10的侧面竖梁12底面距离s，距离s需不小于8mm，否则将引起第三柔性铰链43处应力集中。

较佳的，柔性机构10总长度为150mm～250mm，总宽度为20mm～50mm，总高度为80mm～150mm，顶部横梁11和侧面竖梁12的厚度为8～12mm，若柔性铰链40的直径为圆形，所述圆形的直径为6mm～30mm。此时，高于物镜20与柔性支撑装置整体固有频率的外界干扰信号将难以传递到物镜20上，从而对较高频率起减振作用。由此，柔性支撑装置可以起到隔离物镜20振动的效果，实现物镜20与主基板30装配体自由度模态小于30Hz。

需要说明的是，由于柔性机构10刚性较低，为避免使用过程中未知外力引起的柔性机构10破坏，在柔性机构10周围需安装限位。柔性机构10自身的固有频率大于400HZ，为避免与柔性机构10固有频率相近的振动频率引起柔性机构10的共振，对隔振产生的影响。本发明还为物镜20提供了阻尼器，阻尼器可以安装在所述物镜20与主基板之间，也可在物镜20其他位置安装阻尼器。由于光刻机布局需求，一些传感器或其他装置可以安装在物镜20上，由柔性支撑装置支撑。

作为优选，所述柔性机构10采用机床加工而成，所述柔性机构10采用热膨胀系数小的弹簧钢或殷钢材料，材料的改变可以改变柔性机构10的刚性。

请参照图7a～7d，所述等腰三角形包含一条底边50和两条斜边51a、51b，位于所述底边50两端点60a、60b处的两组柔性机构10以等腰三角形的中线52为中心对称分布，所述等腰三角形顶点61处的柔性机构10与等腰三角形底边50两端点60a、60b处的两组柔性机构10平行、垂直或呈角度布置。实际应用中，可以根据需要调节柔性机构10的角度，从而来调节柔性调整装置的刚性。

综上，本发明的重载荷柔性支撑装置，包括三组柔性机构10，所述三组柔性机构10支撑物镜20，并呈等腰三角形布置在光刻机的主基板30上。所述柔性机构10包括：顶部横梁11和两条侧面竖梁12，所述顶部横梁11的两端分别与对称设置的两条侧面竖梁12相连；所述顶部横梁11上分别设有至少一组中心轴为Y向的第一柔性铰链41和至少一组中心轴为Z向的第二柔性铰链42，其中，第一柔性铰链41靠近所述顶部横梁11的中心，第二柔性铰链42靠近侧面竖梁12；所述侧面竖梁12上设有至少一组中心轴为X向的第三柔性铰链43；所述第一、第二和第三柔性铰链41、42、43统称为柔性铰链40。本发明中，物镜20采用3组相同的柔性机构10支撑在主基板30上，3组柔性机构10成等腰三角形布置，并使物镜20中心尽量与三角形中心重合，柔性机构10同物镜20装配后，整体前六阶模态频率低于30Hz，起到了振动隔离的作用，提高了物镜20曝光的稳定性，降低因结构振动导致的成像短期误差。由于柔性支撑装置自身的固有频率较高，大于400Hz，远高于振源频率，能起到避免共振的效果。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims

1.一种重载荷柔性支撑装置，其特征在于，包括三组柔性机构，所述三组柔性机构支撑物镜，并呈等腰三角形布置在光刻机的主基板上；所述三组柔性机构的垂向刚度间为并联关系；所述三组柔性机构的水平向刚度间为并联关系，即所述柔性支撑装置的垂向总刚度为三组柔性机构的垂向刚度之和，所述柔性支撑装置的水平向总刚度为三组柔性机构的水平向刚度之和；

所述柔性机构包括：顶部横梁和两条侧面竖梁，所述顶部横梁的两端分别与对称设置的两条侧面竖梁相连；

所述顶部横梁上至少设有一组中心轴为Y向的第一柔性铰链和一组中心轴为Z向的第二柔性铰链，其中，第一柔性铰链靠近所述顶部横梁的中心，第二柔性铰链靠近侧面竖梁；

所述侧面竖梁上至少设有一组中心轴为X向的第三柔性铰链；

所述第一、第二和第三柔性铰链统称为柔性铰链；所述柔性铰链的刚度之间为串联关系，满足如下关系：

\frac{1}{K_{x}} = \frac{N 1}{K_{41 x}} + \frac{N 2}{K_{42 x}} + \frac{N 3}{K_{43 x}} + \frac{1}{K_{q t x}}

\frac{1}{K_{y}} = \frac{N 1}{K_{41 y}} + \frac{N 2}{K_{42 y}} + \frac{N 3}{K_{43 y}} + \frac{1}{K_{q t y}}

\frac{1}{K_{z}} = \frac{N 1}{K_{41 z}} + \frac{N 2}{K_{42 z}} + \frac{N 3}{K_{43 z}} + \frac{1}{K_{q t z}}

式中：

K_x为柔性机构的X向总刚度，K_41x为第一柔性铰链的X向刚度，K_42x为第二柔性铰链的X向刚度，K_43x为第三柔性铰链的X向刚度，K_qtx为柔性铰链其他部分X向总刚度，N1、N2、N3分别为第一、第二和第三柔性铰链的个数；

K_y为柔性机构的Y向总刚度，K_41y为第一柔性铰链的Y向刚度，K_42y为第二柔性铰链的Y向刚度，K_43y为第三柔性铰链的Y向刚度，K_qty为柔性铰链其他部分Y向总刚度；

K_z为柔性机构的Z向总刚度，K_41z为第一柔性铰链的Z向刚度，K_42z为第二柔性铰链的Z向刚度，K_43z为第三柔性铰链的Z向刚度，K_qtz为柔性铰链其他部分Z向总刚度。

2.如权利要求1所述的重载荷柔性支撑装置，其特征在于，所述等腰三角形包含一条底边和两条斜边，位于所述底边两端点处的两组柔性机构以等腰三角形的中线为中心对称分布，所述等腰三角形顶点处的柔性机构与等腰三角形底边两端点处的两组柔性机构平行、垂直或呈角度布置。

3.如权利要求1所述的重载荷柔性支撑装置，其特征在于，所述顶部横梁的中心至少设有一物镜接口。

4.如权利要求3所述的重载荷柔性支撑装置，其特征在于，所述两条侧面竖梁的底部分别至少设有一主基板接口。

5.如权利要求3所述的重载荷柔性支撑装置，其特征在于，所述两条侧面竖梁的底部通过一底部横梁相连。

6.如权利要求3所述的重载荷柔性支撑装置，其特征在于，所述第一柔性铰链与所述物镜接口边缘的距离不小于5mm。

7.如权利要求1所述的重载荷柔性支撑装置，其特征在于，所述柔性机构采用机床加工而成。

8.如权利要求1所述的重载荷柔性支撑装置，其特征在于，所述柔性机构采用弹簧钢或殷钢。

9.如权利要求1所述的重载荷柔性支撑装置，其特征在于，所述柔性机构的长度为150mm～250mm，宽度为20mm～50mm，高度为80mm～150mm。

10.如权利要求8所述的重载荷柔性支撑装置，其特征在于，所述顶部横梁和侧面竖梁的厚度为8～12mm。

11.如权利要求1所述的重载荷柔性支撑装置，其特征在于，所述柔性铰链的截面形式包括圆形、直梁形、倒圆角直梁形或者渐变收缩形。

12.如权利要求11所述的重载荷柔性支撑装置，其特征在于，所述柔性铰链的截面为圆形时，所述圆形的直径为6～30mm。

13.如权利要求1所述的重载荷柔性支撑装置，其特征在于，第三柔性铰链与所述侧面竖梁底面的距离不小于8mm。

14.如权利要求1所述的重载荷柔性支撑装置，其特征在于，还包括阻尼器，所述阻尼器安装在所述物镜与主基板之间。