CN104423175A - 一种物镜隔振装置及对该物镜及物镜隔振装置的结构计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种物镜隔振装置，其特征在于，该物镜隔振装置包括：一第一接口，用于与一物镜连接；一第二接口，用于与一基板连接；一主体件，该主体件位于该第一接口与第二接口之间，该主体件为一中空柱体，该中空柱体的外表面包括一螺旋坡口，该螺旋坡口的两端均为圆角。本发明还同时公开一种对该物镜及物镜隔振装置的结构计算方法。

Description

一种物镜隔振装置及对该物镜及物镜隔振装置的结构计算方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种物镜隔振装置及对该物镜及物镜隔振装置的结构计算方法。 

背景技术

光刻设备是一种将所需图案应用到衬底上，通常是衬底的目标部分上的机器。例如，可以将光刻设备用在集成电路(IC)的制造中。在这种情况下，可以将可选地称为掩模或掩模版(reticle)的图案形成装置用于生成对应于所述IC的单层的电路图案。可以将该图案成像到衬底(例如，硅晶片)上的目标部分(例如，包括一部分管芯、一个或多个管芯)上。图案成像是通过把图案成像到提供到衬底上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上进行的。通常，单独的衬底将包含被连续曝光的相邻目标部分的网络。常规的光刻设备包括：所谓步进机，在所述步进机中，通过将全部图案尸次曝光到所述目标部分上来辐射每一个目标部分;以及所谓扫描机：在所述扫描机中，通过辐射束沿给定方向(“扫描”方向)扫描所述图案、同时沿与该方向平行或反向平行的方向扫描所述衬底来辐射每一个目标部分。也可能通过将图案压印(imprinting)到衬底的方式从图案形成装置将图案形成到衬底上。 

高精度和高分辨率作为光刻技术当前瞄准的目标需要光刻设备的各部件之间相互精确定位，例如保持图案形成装置(例如掩模)的掩模版台、投影系统和保持衬底的衬底台。除了例如掩模版台和衬底台的定位外，投影系统也面临这种需要。在当前设备中的投影系统包括承载结构，例如透镜座架(透射光的情形)或反射镜框架(反射光的情形)，和包括多个光学元件，例如透镜元件、反射镜等。 

通常在光刻机系统中，由于结构振动将会导致图像的短期误差，同时由于运动系统（如微动台、反射镜）的MA (Moving Average)和MSD(Moving Standard Deviation)的伺服位置误差将导致的图像畸变。降低和控制对整机动态性能，将误差降低到一个较低的水平。 

随着光刻领域对高精度和高稳定性的不断需求。如US7554105专利提出的一种30Hz柔性机构的避免共振的方法,并提出了一种倒T型柔性机构的设计结构和布局本专利提出一种两极隔振的系统方案，其中第一级采用主动减振器AM（0.5 Hz），用于各类基础框架上的低频振动，第二级采用Soft Mount柔性机构装置（30 Hz），用于隔离主基板上的残余振动加速度。 

又如US7554105专利方案提出的一种基于被动隔振的方案前提下，通过设置惯性传感器、重力补偿器、和洛伦茨电机作为执行器的一种系统，来实现对物镜的主动控制和补偿的减振作用。然而对于目前的技术手段提供大载荷（1000kg）的重力补偿装置，实行是有难度的，同时要将物镜整体控制达到高精度、快速响应和反馈是比较困难的。 

又如US7822509专利所提供的一种被动隔振控制方法，用于估算因有效载荷的重心偏差造成的误差，在控制手段的一种补偿算法，用于隔离低频振动的计算方法。但是其计算公式中存在一些讹误。 

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供对该物镜及物镜隔振装置的结构计算方法，能有效控制物镜振幅。 

为了实现上述发明目的，本发明公开一种物镜隔振装置，其特征在于，该物镜隔振装置包括：一第一接口，用于与一物镜连接；一第二接口，用于与一基板连接；一主体件，该主体件位于该第一接口与第二接口之间，该主体件为一中空柱体，该中空柱体的外表面包括一螺旋坡口，该螺旋坡口的两端均为圆角。 

更进一步地，该中空柱体为一瓶状管柱，该瓶状管柱的两端直径大于中间部分直径。该瓶状管柱的内径取值范围为15-25mm，外径取值范围为25-35mm，该螺旋坡口的螺距为20-40mm。 

更进一步地，该中空柱体为一中空圆柱体。该中空圆柱体的内径取值范围为15-20mm，外径取值范围为25-30mm，该螺旋坡口的螺距为30-40mm。 

本发明同时公开一种对物镜及物镜隔振装置的结构计算方法，其特征在于，包括：步骤一、将该物镜的质量，重心位置，转动惯量和主惯性轴作为有效载荷质量的属性，以及将该物镜隔振装置作为支撑的空间位置；步骤二、计算该结构的刚度矩阵；步骤三，根据该刚度矩阵，通过求解方程的特征频率和特征向量得6自由度特征频率计算公式；步骤四、根据该6自由度特征频率计算公式计算标准方差。 

更进一步地，该刚度矩阵为 。 

该6自由度特征频率计算公式为：。 

该标准方差为。 

     与现有技术相比较，本发明所提供的物镜隔振装置能将物镜6自由度模态控制在30Hz附近范围内，进行隔振。 

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是EUVL光刻设备的系统架构示意图； 

图2是本发明所示出的物镜隔振装置的第一实施方式的AA剖面图及局部放大图；

图3是本发明所示出的物镜隔振装置的第二实施方式的AA剖面图及局部放大图；

图4是本发明所示出的物镜隔振装置的频响结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。 

下面结合附图详细说明本发明的一种具体实施例的用于物镜隔振的装置及对该物镜及物镜隔振装置的结构计算方法。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。 

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，在以下描述中所使用的“X向”一词主要指与水平向平行的方向；“Y向”一词主要指与水平向平行，且与X向垂直的方向；“Z向”一词主要指与水平向垂直，且与X、Y向均垂直的方向。 

光源系统(Source，简称SO)：这里使用的术语“辐射”和“束”包含全部类型的电磁辐射，包括:紫外(UV)辐射(例如具有约365、248, 143, 157或126 nm的波长)和极紫外(EUV)辐射(例如具有5-20nm范围的波长)，以及粒子束，例如离子束或电子束。  

照射系统（Illuminator，简称ILL）： 所述照射系统可以包括各种类型的光学部件，例如折射型、反射型、磁性型、电磁型、静电型或其他类型光学元件，或所有这些元件的组合，以引导、成形、或控制辐射束。  

投影系统（Projector Box，简称PO / POB）：这里使用的术语“投影系统”应广义地解释为包括各种类型的投影系统，包括折射型光学系统、反射型光学系统、和反射折射型光学系统、磁性型光学系统、电磁型光学系统和静电型光学系统，或所有这些系统的组合，如对于所使用的曝光辐射所适合的、或对于诸如使用浸没液或使用真空之类的其他因素所适合的。这里使用的任何术语“投影透镜”可以认为是与更上位的术语“投影系统”同义。

如这里所述的，设备是透射型的(例如采用透射式的掩模)。可选的，设备可以是反射型的(例如采用如上述的可编程反射镜阵列，或采用反射式掩模)。 

这里使用的术语“透镜”可以认为是一个或多种光学元件的组合体，包括折射型光学部件、反射型光学部件、磁学型光学部件、电磁型光学部件和静电型光学部件。 

框架减震系统（Frame System，简称SF）：通常在光刻机系统中，由于结构振动将会导致图像的短期误差，同时由于运动系统（如微动台、反射镜）的MA (Moving Average)和MSD(Moving Standard Deviation)的伺服位置误差将导致的图像畸变。降低和控制对整机动态性能，将误差降低到一个较低的水平。支撑结构/框架减震系统SF，用于衰减至少部分所述投影系统的振动。 

掩模（Reticle）：这里所使用的术语“图案形成装置”应被广义地理解为表示能够用于将图案在辐射束的横截面上赋予辐射束、以便在衬底的目标部分上形成图案的任何装置。应当注意，被赋予辐射束的图案可能不与在衬底的目标部分上期望的图案完全相符，例如，图案包含相移特征或所谓的辅助特征。通常，被赋予辐射束的图案将与在目标部分上形成的器件中的特定的功能层相对应，例如集成电路。 

图案形成装置可以是透射式的或反射式的。图案形成装置的示例包括掩模、可编程反射镜阵列以及可编程液晶显示(LCD)面板。掩模在光刻中是公知的，并且包括诸如二元掩模类型、交替型相移掩模类型、衰减型相移掩模类型和各种混合掩模类型之类的掩模类型。可编程反射镜阵列的示例采用小反射镜的矩阵布置，可以独立地倾斜每一个小反射镜，以便沿不同方向反射入射的辐射束。所述倾斜的反射镜把图案赋予到被反射镜阵列反射的辐射束。 

掩模运动台（Reticle Stage，简称RS）：所述支撑结构以依赖于图案形成装置的取向、光刻设备的设计以及诸如图案形成装置是否保持在真空环境中等其他条件的方式保持图案形成装置。所述支撑结构可以采用机械的、真空的或其他夹持技术来保持图案形成装置。支撑结构可以是框架或台，例如，其可以根据需要成为固定的或可移动的。支撑结构可以确保图案形成装置位于所需的位置上(例如相对于投影系统)。在这里任何使用的术语“掩模版”或“掩模”都可以认为与更上位的术语“图案形成装置”同义。 

硅片运动台（Wafer Stage，简称WS）：硅片运动台（工件台）的功能是携带硅片并运动到指定的位置（工位处）进行相应工序的操作。所述光刻设备可以是具有两个(双台)或更多衬底台或“衬底支撑件” (和/或两个或更多的掩模台或“掩模支撑件”)的类型二在这种“多台”的机器中，可以并行地使用附加的台和/或支撑结构，或可以在将一个或更多个其他台和l或支撑结构用于曝光的同时，在一个或更多个台和/或支撑结构上执行预备步骤。 

对准装置（Alignment）：对准装置的功能是完成对硅片和掩模的水平位置对准。所述辐射束B入射到保持在支撑结构（例如掩模台)MT上的所述图案形成装置(例如，掩模)MA上，并被图案形成装置图案化。己经穿过图案形成装置(例如，掩模)MA之后，所述辐射束B通过投影系统PS,所述PS将辐射束聚焦到衬底w的目标部分C上。通过第二定位装置PW和位置传感器IF(例如，干涉仪器件、线性编码器或电容传感器)的帮助，可以精确地移动所述衬底台WT,例如以便将不同的目标部分C定位于所述辐射束PB的路径中。类似地，例如在从掩模库的机械获取之后，或在扫描期间，可以将所述第一定位装置PM和另一个位置传感器(图1中未明确示出)用于将图案形成装置MA相对于所述辐射束PB的路径精确地定位。通常，可以通过形成所述第一定位装置PM的一部分的长行程模块(粗定位)和短行程模块(精确定位)的帮助来实现图案形成装置支撑结构(例如，掩模台)MT的移动。类似的，衬底台WT或衬底支撑的移动可以通过利用形成所述第二定位装置PW的一部分的长行程模块(粗定位)和短行程模块(精确定位)来实现。在步进机的情况下(与扫描器相反)，所述支撑结构MT可以仅与短行程致动器相连，或可以是固定的。可以使用图案形成装置对准标记M1, M2和衬底对准标记P1, P2来对准图案形成装置MA和衬底Wo虽然所示的衬底对准标记占用专用的目标部分，它们可以设置在目标部分(熟知的划线对准标记)之间的位置上。类似的，在提供多于一个管芯到图案形成装置(例如，掩模)MA的情形中，图案形成装置对准标记可以设置在管芯之间。 

浸没式装置IM：光刻设备也可以是其中的衬底的至少一部分被具有相对高的折射率的液体(例如，水)覆盖以填充位于投影系统和衬底之间位置的类型。浸没液体可以用于光刻设备中的其他位置，例如，图案形成装置(例如，掩模)和投影系统之间。浸没技术能够用来增大投影系统的孔径数值。这里用到的术语“浸没”不是指的一种结构，例如衬底，必须进入到液体中，而是仅表示在曝光时液体位于投影系统和衬底之间。 

本发明的目的在于提供一种用于隔振的柔性装置及使用该装置的光刻设备，能有效将被隔振物体的六自由度模态控制在较低频率范围内。以下将结合图1至图4详细说明如何实现该发明目的，并提供若干种较佳实施例。 

如图1中所示，图1是本发明所示出的包含该柔性装置的光刻设备的结构示意图。该光刻设备其包括:照射系统(Illumination，ILL)，构造成调节辐射束和辐射源SO (例如，紫外辐射或其他适当的辐射); 图案支撑和携带结构（Reticle Stage，RS），构造成支撑和携带图案（例如掩模Reticle）形成的装置，并与构造成根据特定参数精确定位图案形成装置的第一定位装置PM相连。所述图案形成装置能将图案在辐射束的横截面上赋予辐射束以形成图案化的辐射束;衬底台或工件台（Wafer Stage，WS），构造成保持衬底，例如涂覆有抗蚀剂的晶片（Wafer），并与构造成根据特定参数精确地定位衬底的第二定位装置PW相连;投影系统（Project System，PO），例如折射式投影透镜系统，构造成将图案化的辐射束投影到衬底的目标部分，所述投影系统配置用于将由图案形成装置MA赋予辐射束B的图案投影到衬底W的目标部分C（例如包括一根或多根管芯)上:框架减震系统（System Frame，SF），用于衰减至少部分所述投影系统的振动。装置系统还包括真空环境系统（System Vacuum/Environment, SV）,用于控制投影曝光区域的环境压力、温度和污染物。 

图1中仅示出光刻设备中与该隔振柔性装置相关的部件。图1中，投影物镜40通过柔性装置502置于主基板301上。主基板301位于主动减震装置302之上，主动减震装置302被放置于基础框架303之上。上述部件均位于真空腔100内。基础框架303位于地基基础304之上。该光刻设备采用两级隔振的系统方案，其中第一级采用主动减振器302（频率0.5 Hz），用于各类基础框架上的低频振动。第二级采用柔性装置502（频率30 Hz），用于隔离主基板301上的残余振动加速度。 

本发明所提供的物镜隔振装置的第一实施方式如图2中所示。图2是本发明所示出的物镜隔振装置的第一实施方式的AA剖面图及局部放大图。第一实施方式中，该物镜隔振装置的主体为一瓶状管柱结构，即横截面为一圆形，两端直径大，中心直径最小。该物镜隔振装置包括顶部一个法兰接口装置101同物镜相连接。底部一个法兰接口103装置同主基板相连接。该瓶状管柱的外表面开有坡口102。在本实施方式中，坡口102的截面为矩形，其根部为圆角104。该实施方式中的柔性刚度值见表1。 

表1

进一步地，在第一实施方式中，包括了圆柱体状的内径d(范围在15-25mm之间)和外径D(范围在25-35mm之间)。在圆柱体的外表面开有坡口，坡口截面螺距Pitch(范围在20-40mm之间)，其坡口截面形状为矩形，穿透管状瓶装(圆锥状)管一壁，矩形坡口宽度W(范围在4-6mm之间)。坡口截面的最终形状取决于加工铣削的刀具形状。其重要的特征是这种坡口截面绕管状圆柱体呈现螺旋形的围绕结构，通过刀具铣削成形。两组螺旋线之间的间距为一个螺距Pitch，P(范围在30-40mm之间)，其中螺旋的圈数(范围在1-3圈之间)是决定柔性装置刚度的重要参数，如表2中，该物镜隔振装置的刚度设计数值保护范围所示。 

                            表2 

本发明所提供的物镜隔振装置的第二实施方式见图3。如图3所示，该物镜隔振装置包括一顶部法兰接口201，用于连接物镜，一底部法兰接口203，用于连接主基板。主体结构为一圆柱体形状的管柱。螺旋坡口202的上端（靠物镜一端）包括一圆角204，下端（靠主基板一端）包括一圆角205。

该实施方式的参数参数包括了管状圆柱体的内径d（范围在15-20mm之间）和外径D（范围在25-30mm之间）。在圆柱体的外表面开有坡口，坡口截面螺距Pitch（范围在30-40mm之间），其坡口截面形状为矩形，穿透管状圆柱体一壁，矩形坡口宽度W（范围在4-6mm之间）。坡口截面的最终形状取决于加工铣削的刀具形状。其重要的特征是这种坡口截面绕管状圆柱体呈现螺旋形的围绕结构，通过刀具铣削成形。两组螺旋线之间的间距为一个螺距Pitch，P （范围在30-40mm之间），其中螺旋的圈数（范围在1-3圈之间）是决定柔性装置刚度的重要参数，如表1所示。 

激励频率等于系统的某一阶固有频率时会发生共振现象，共振最主要的特征就是响应的振幅达到峰值。对于光刻机系统物镜安装在主基板上，外部激励通过主动减振器衰减后仍有部分激励作用在主基板和内部世界中，以主基板残余振动加速度的形式表现和被测量。主基板残余振动通过物镜接口向物镜传递，进而影响物镜的曝光成像质量和镜片控制精度。因此，在任何系统中都必须避免共振的发生。然而在大多数情况下，激励的频率是无法控制的，因为它是与系统或者机械设计的功能所对应的。在此我们主要研究和控制的手段是通过控制系统（物镜POB+柔性支承VIS）的固有频率以避免共振。 

对于多自由度（如6DoF）系统，通过改变系统质量m或者刚度k都会引起系统固有频率的改变。而在实际情况中，质量通常不能轻易的被改变，因为质量值是由系统的功能需求所决定的。例如：物镜POB需要首先实现曝光光学性能、此外包括动镜片的控制功能，高精度微环境控制的功能等。因此，为使系统的固有频率发生变化，最有效的措施是改变系统的刚度，如物镜柔性接口VIS的刚度、支承的数量和位置。即通过改变物镜柔性接口VIS的刚度控制，实行对物镜6DoF特征频率的控制，进而隔离物镜，避免物镜同外部激励共振。 

优化流程：本特征频率优化程序和方法，基于Wolfram Mathematica 软件开发，其设计流程和方法如下图3 VIS 6DoF 特征频率优化流程图所示，包括了四个主要环节：数据输入、计算模型、优化求解和结果可视。 

数据输入：输入数据主要包括两方面：第一：物镜作为有效载荷质量的属性，如表3所示，包括：质量，重心位置，转动惯量和主惯性轴等。第二：指柔性支承VIS作为支撑的空间位置，如图4和表3所示，坐标值相对整机坐标系原点。 

计算模型：运用牛顿第二定律，可以按照一定的步骤推导多自由度系统微分方程。对于多自由度系统，微分方程以矩阵的形式表示如下： 

其中 m，c和k 分别表示质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。、、和F分别表示位移、速度、加速度和力矢量。

公式推导：对于一个n自由度系统，有n个固有频率，每个固有频率对应一个固有振型。通过另行列式为零得到的特征方程来确定固有频率的方法，也可应用于多自由度系统。然而随着自由度的增加，特征方程的求解会变得越来越复杂。可利用固有频率的正交性简化多自由度系统的分析。对于6自由度系统求解固有频率，可推导得到如下公式。 

根据牛顿第二定律 和6自由度受力平衡和力矩平衡，推导6个平衡方程如下； 

根据以上式6个微分方程组连列成行列式或矩阵形式如下；

其中 表示质量矩阵，

其中   表示刚度矩阵。

通过求解方程的特征频率和特征向量得6自由度特征频率计算公式如下； 

优化求解：基于6自由度系统固有频率，优化目标的评估样本标准方差最小，且固有频率样本中最大值和最小值的差值最小。

标准方差：

Max Min的差值：

其目的是尽可能的将6DoF特征频率控制在一个较小的频率带宽范围内，以减小同外部低频激励1-10Hz的共振，同时减小同物镜内部高频 200Hz以上的共振。该优化问题属于约束优化(Constrained Optimize)范畴，计算方法采用内点算法(Interior Point)。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。 

  

Claims (9)

1.一种物镜隔振装置，其特征在于，所述物镜隔振装置包括：

一第一接口，用于与一物镜连接；

一第二接口，用于与一基板连接；

一主体件，所述主体件位于所述第一接口与第二接口之间，所述主体件为一中空柱体，所述中空柱体的外表面包括一螺旋坡口，所述螺旋坡口的两端均为圆角。

2. 如权利要求1所述的物镜隔振装置，其特征在于，所述中空柱体为一瓶状管柱，所述瓶状管柱的两端直径大于中间部分直径。

3.如权利要求1所述的物镜隔振装置，其特征在于，所述中空柱体为一中空圆柱体。

4. 如权利要求3所述的物镜隔振装置，其特征在于，所述瓶状管柱的内径取值范围为15-25mm，外径取值范围为25-35mm，所述螺旋坡口的螺距为20-40mm。

5. 如权利要求4所述的物镜隔振装置，其特征在于，所述中空圆柱体的内径取值范围为15-20mm，外径取值范围为25-30mm，所述螺旋坡口的螺距为30-40mm。

6.一种对物镜及物镜隔振装置的结构计算方法，其特征在于，包括：步骤一、将所述物镜的质量，重心位置，转动惯量和主惯性轴作为有效载荷质量的属性，以及将所述物镜隔振装置作为支撑的空间位置；步骤二、计算所述结构的刚度矩阵；步骤三，根据所述刚度矩阵，通过求解方程的特征频率和特征向量得6自由度特征频率计算公式；步骤四、根据所述6自由度特征频率计算公式计算标准方差。

7.如权利要求6所述的对物镜及物镜隔振装置的结构计算方法，其特征在于，所述刚度矩阵为                                                。

8.如权利要求6所述的对物镜及物镜隔振装置的结构计算方法，其特征在于，所述6自由度特征频率计算公式为：。

9.如权利要求6所述的对物镜及物镜隔振装置的结构计算方法，其特征在于，所述标准方差为。