CN104880911B - 一种光刻机工件台及其垂向位置初始化方法 - Google Patents

一种光刻机工件台及其垂向位置初始化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种光刻机工件台，包括水平向模块、微动模块、预对准模块和衬底交接模块，其特征在于：所述微动模块包括多个重力补偿器，多个绝对位置传感器，多个光栅尺传感器以及微动板；所述多个绝对位置传感器用于工件台的垂向位置回零；所述多个光栅尺传感器用于工件台的垂向伺服控制。本发明提出的一种光刻机工件台及其垂向位置初始化方法，提高了工件台相对整机的垂向零位稳定性，解决了由于垂向回零不准导致的工件台垂向运动精度差的可靠性不足的问题，同时还为光栅尺垂向装调过程带来了便利。

Description

一种光刻机工件台及其垂向位置初始化方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，更进一步地，涉及一种光刻机工件台及其垂向位置初始化方法。
背景技术
光刻机用于将掩模的图形复制到硅片或玻璃基板上。工件台携带硅片或玻璃基板水平向与掩模台同步运动，垂向根据调焦调平系统(FLS)的设定值实现调焦调平运动。工件台运动误差直接影响投影物镜的成像性能。为降低垂向调焦调平误差，工件台垂向采用低刚度的重力补偿器支撑垂向运动模块，以隔离基座传递到垂向模块的低频振动。典型的低刚度重力补偿器设计如专利CN201010571517.8。典型的工件台如专利CN201010618373.7。
在专利CN201010618373.7所示的工件台中，垂向采用相对光栅尺反馈控制工件台实现精确定位，但是其垂向零位的建立依赖于初始化过程中的回零流程。垂向回零之前，工件台垂向的初始位置由重力补偿器保证。然而，重力补偿器采用压力环路控制，缺乏位置反馈环路，初始位置极易受气源压力波动及负载扰动的影响。重力补偿器的刚度越低，气源的压力波动和负载的直接扰动导致的工件台垂向初始位置相对零位的偏移也越大。
垂向初始位置漂移较大，导致如下问题：(1)工件台圆环气浮轴承产生气振，造成工件台初始化失败；(2)初始化过程中，垂向回零误差较大，工件台相对整机的零位偏差较大；(3)初始化后垂向的运动精度超差。
测试数据显示，工件台垂向偏移达0.3mm，而允许的偏移为0.1mm。通过增大压力阀的控制精度可以缓解，但是无法从根源上消除。目前垂向位置偏移的问题是工件台可靠性不足的首要因素。垂向初始位置偏移的根源是工件台垂向缺乏绝对的零位基准。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明在现有工件台上增加了垂向位置的零位基准，同时描述了垂向位置初始化的流程。
本发明提出一种光刻机工件台，包括水平向模块、微动模块、预对准模块和衬底交接模块，其特征在于：所述微动模块包括多个重力补偿器，多个绝对位置传感器，多个光栅尺传感器以及微动板；所述多个绝对位置传感器用于工件台的垂向位置回零；所述多个光栅尺传感器用于工件台的垂向伺服控制。
较优地，还包括位置传感器反馈控制回路，所述位置传感器反馈控制回路反馈所述绝对位置传感器的测量值，控制所述重力补偿器压力，使所述微动板的位置调整到给定范围内。
较优地，还包括切换器，实现光栅尺反馈控制回路和所述位置传感器控制环路的控制切换。
较优地，所述绝对位置传感器为电涡流位置传感器。
本发明还提出一种光刻机工件台的垂向位置初始化方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)垂向初始位置判断；
2)调整重力补偿器压力；
3)采用光栅尺反馈实现垂向电机闭环控制；
4)垂向搜零；
5)调整零位偏差。
其中，所述步骤1)垂向初始化位置判断方法为比较位置传感器测量值与设定值的差是否小于阈值。
其中，所述步骤2)调整重力补偿器压力是根据重力补偿器所在位置与设定值的差乘以比例系数作为调整压力。
在本发明的另一个实施例中，提出了一种光刻机工件台的垂向位置初始化方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)位置传感器反馈控制回路控制调整重力补偿器压力；
2)微动板的位置调整到给定范围内；
3)采用光栅尺反馈实现垂向电机闭环控制；
4)垂向搜零；
5)调整零位偏差。
在本发明的再一个实施例中，提出了一种光刻机工件台的垂向位置初始化方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)位置传感器反馈控制回路闭环控制垂向电机；
2)微动板的位置调整到给定范围内；
3)光栅尺传感器清零；
4)切换到光栅尺闭环控制垂向电机回路。
较优地，位置传感器控制回路带宽范围1Hz～20Hz，光栅尺控制回路带宽30Hz～100Hz。
本发明提出的一种光刻机工件台及其垂向位置初始化方法，提高了工件台相对整机的垂向零位稳定性，解决了由于垂向回零不准导致的工件台垂向运动精度差的可靠性不足的问题，同时还为光栅尺垂向装调过程带来了便利。
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为本发明光刻机工作台结构示意图；
图2为本发明光刻机工件台微动模块机构示意图；
图3为本发明光刻机工件台垂向位置初始化方法图；
图4为本发明光刻机工件台垂向位置初始化控制方法图；
图5为本发明第二实施例光刻机工件台垂向位置回零方法图；
图6为本发明第二实施例光刻机工件台垂向位置回零控制方法图；
图7为本发明第三实施例光刻机工件台垂向位置回零方法图。
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。
如图1所示，图1为本发明光刻机工作台结构示意图。本发明光刻机工件台包括长行程运动模块100、微动模块200、预对准旋转模块300和衬底交接模块400。长行程运动模块100包括X向导轨、X向滑块、X向驱动电机、Y向导轨、Y向滑块、Y向电机、反力外引等组件，用于实现水平向大范围定位。预对准旋转模块300包括：预对准电机、光栅尺、导向滚轮及转盘等。衬底交接模块400包括支撑点组件、真空组件等。
微动模块200结构如图2所示，包括：底座201、重力补偿器202、垂向电机203、垂向光栅尺204、电涡流传感器205、Rz电机206、Rz光栅尺207、长条镜208、圆形气浮209、微动板210、Rz电涡流传感器211。电涡流传感器205、211在本发明中用于实现底座201和微动板210之间绝对位置测量的传感器，使用时无需重新建立零位，典型如电涡流传感器、LVDT传感器、线性差分传感器等，在本发明中不局限于电涡流传感器，但是为描述方便，仅仅以电涡流传感器为例。光栅尺204、207用于实现底座201和微动板210之间相对位置测量的传感器，其零位需要重新标定，典型的如激光干涉仪、激光尺、相对光栅尺等，在本发明中不局限于光栅尺但是为描述方便，仅仅以光栅尺为例。
重力补偿器202包括3～4个组成，用于支撑微动板210的重力，其水平向和垂向具有极低的刚度。圆形气浮209用于微动板210垂向和Rz的运动导向。圆形气浮结构上包括分体式和一体式结构。圆形气浮209和重力补偿器202的组合使用后，微动板210的Z向固有频率和Rz的固有频率在15Hz以内。垂向光栅尺204包括3个光栅尺204-1、204-2、204-3，用于实现Z、Rx、Ry位置测量。垂向电机203包括3个电机203-1、203-2、203-3，用于实现垂向Z、Rx、Ry的驱动力。Rz光栅尺207包括207-1和207-2，当然也可以只用1个光栅尺，用于测量Rz的位置。Rz电涡流传感器211用于测量微动板的Rz绝对位置，可以对称布置2个或只布置1个。Rz电机206包括206-1和206-2，两个电机成对称布置，形成力偶驱动微动板210作Rz旋转运动。电涡流传感器205包括3个205-1、205-2、205-3，用于测量Z、Rx、Ry的绝对位置。
垂向光栅尺204受限于尺寸一般选用高精度的相对光栅尺传感器。典型的相对光栅尺测量分辨率达到5nm～50nm。但是相对光栅尺的垂向零位建立需要通过搜零来实现。而一旦垂向初始姿态偏离零位太大，则会导致垂向回零不准确，甚至导致搜零搜不到。
重力补偿器202一般采用比例压力阀控制。在垂向回零之前，微动板210的垂向初始位置受限于比压阀的控制精度及微动板的扰动大小。比压阀的控制精度往往受气源波动影响较大。重力补偿器支撑微动板210时，其垂向初始姿态难以保证，直接影响垂向初始化及回零过程可靠性。
电涡流传感器205用于测量微动板210的垂向的绝对位置。其测量精度在0.1～10um之间。以电涡流传感器205测量得到的微动板的绝对位置，反馈调整重力补偿器202气压大小，使得微动板的初始姿态调整给定的位置。
工件台垂向位置初始化方法第一实施例如图3所示。步骤601为判定微动板210的垂向初始姿态是否在给定的范围以内。获取3个电涡流传感器的测量值Z11、Z21和Z31，与零位位置Z10、Z20和Z30比较。判断3个偏差值是否在给定的范围Zv0以内，即满足如下条件：
如果不满足条件，则需要执行步骤602调整重力补偿器GC压力。调整的方法是将位置偏差折算到GC所在位置的位置偏差，并采用线性方式折算为GC所在位置的推力。调整GC压力的公式如下：
其中Z11-Z10、Z21-Z20、Z31-Z30为3个电涡流传感器的位置偏差。A为常系数矩阵，为3个电涡流传感器的高度值与3个GC所在位置的高度值之间的转换关系。k1、k2、k3为线性系数。
重复执行步骤602和601，直到垂向初始偏差满足给定条件，可以执行下一步骤603。步骤603实现垂向的光栅尺闭环控制垂向电机。步骤604为垂向搜零，用于搜索光栅尺204的零位传感器位置。步骤605为调整零位偏差，用于根据搜零得到的零位偏差调整光栅尺204的零位偏差。
经过上述的步骤完成垂向初始化及回零。
在第一实施例中，调整重力补偿器压力使得电涡流传感器测量值在给定范围内的过程为开环控制方法，垂向初始姿态的调整过程较长，影响产率。
第二实施例描述了一种光刻机垂向控制方法及垂向回零方法。垂向控制方法将电涡流传感器测量值反馈控制重力补偿器压力，从而能快速将微动板的位置调整到给定范围内。
如图4所示为本发明垂向位置控制方法第二实施例。采用电涡流传感器反馈，控制重力补偿器，实现垂向Z、Rx、Ry的气动垂向控制。具有无发热、冲击小的优点。
运动轨迹发生器611用于生成加速度、速度、位置等运动轨迹曲线。前馈控制器612利用轨迹发生器611的加速度、速度、位置等信号产生前馈力，实现运动过程的快速响应。反馈控制器613，为常规的比例积分微分(PID)控制器。反馈控制器613利用位置设定值与实际位置的差作为输入，调节出反馈控制力,用于维持系统闭环稳定。前馈控制器和反馈控制器的合力通过执行器解耦618逻辑轴Z、Rx、Ry的力解耦为3个重力补偿器的输出力。重力补偿器的输出力作用在微动板上，实现Z、Rx、Ry的位置运动。3个电涡流传感器616将微动板615的物理位置测得后，通过测量解耦617模块，将其解耦为微动板的逻辑轴Z、Rx、Ry的位置。运动轨迹发生器的位置设定值与电涡流传感器测得的逻辑轴实际位置的差就是反馈控制器输入控制误差。
电涡流反馈重力补偿器的3个逻辑轴的带宽在1Hz～20Hz之间，仅仅用于将微动板调整到给定的位置。光栅尺反馈控制电机的带宽在30Hz～100Hz之间。
相应的垂向回零方法如5所示。其中，步骤606电涡流传感器闭环控制重力补偿器，其闭环控制方法如图4所示。步骤607为将微动板的垂向位置调整到给定的位置。其中，采用重力补偿器气动调整垂向位置对微动板的冲击较小，无发热。步骤608～610与方案1中的步骤603～605一致。
本实施例具有如下好处：气动调整速度较快，对微动板的冲击较小，发热小，同时采用电涡流传感器回零的零位稳定性较好。
本发明垂向控制方案第三实施例如图6所示，其中运动轨迹发生器621，用于生成加速度、速度、位置等运动轨迹曲线。前馈控制器622用于产生加速度、速度、位置前馈力。反馈控制器623，为常规的PID控制器。电机执行器解耦模块624，用于将逻辑轴的Z、Rx、Ry控制力变成物理轴的3个电机输出力。3个垂向电机625，微动板626。电涡流传感器627。测量解耦628用于将电涡流传感器测量值计算出逻辑轴Z、Rx、Ry轴的位置。光栅传感器629。测量解耦630用于将光栅尺测量值计算出逻辑轴Z、Rx、Ry轴的位置。轨迹生成器631。前馈、反馈控制器632、633。开关634，用于将两套控制器进行切换。
采用电涡流控制电机的带宽在1Hz～20Hz之间。采用光栅控制电机的带宽在30Hz～100Hz之间。
基于第三实施例的垂向控制方案，提出了一种回零方法，如图7所示。步骤641用于将电涡流与垂向电机实现闭环。步骤642用于将电涡流做为测量系统的闭环环路将微动板运动给定位置。步骤643用于将光栅尺信号清零。步骤644为将电涡流控制电机切换为光栅尺闭环控制垂向电机。
基于该方案，工件台可快速的完成工件台垂向的初始化。
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 (8)

1.一种光刻机工件台，包括水平向模块、微动模块、预对准模块和衬底交接模块，其特征在于：所述微动模块包括多个重力补偿器，多个绝对位置传感器，多个光栅尺传感器以及微动板；所述多个绝对位置传感器用于工件台的垂向位置回零；所述多个光栅尺传感器用于工件台的垂向伺服控制；所述多个光栅尺传感器包括垂向光栅尺和Rz光栅尺，垂向光栅尺包括3个光栅尺，用于实现Z，Rx，Ry位置测量；
还包括位置传感器反馈控制回路，所述位置传感器反馈控制回路反馈所述绝对位置传感器的测量值，控制所述重力补偿器压力，使所述微动板的位置调整到给定范围内。
2.如权利要求1所述的光刻机工件台，其特征在于，还包括切换器，实现光栅尺反馈控制回路和所述位置传感器控制环路的控制切换。
3.如权利要求1所述的光刻机工件台，其特征在于，所述绝对位置传感器为电涡流位置传感器。
4.一种光刻机工件台的垂向位置初始化方法，所述光刻机工件台包括水平向模块、微动模块、预对准模块和衬底交接模块，所述微动模块包括重力补偿器，位置传感器，光栅尺传感器以及微动板；所述光栅尺传感器包括垂向光栅尺和Rz光栅尺，垂向光栅尺包括3个光栅尺，用于实现Z，Rx，Ry位置测量；还包括位置传感器反馈控制回路，其特征在于，包括如下步骤：
1)垂向初始位置判断，比较位置传感器测量值与设定值的差是否小于阈值；
2)调整所述重力补偿器压力；
3)重复执行步骤1)和2)，直到垂向初始偏差满足给定条件；
4)采用所述光栅尺传感器反馈实现垂向电机闭环控制；
5)垂向搜零；
6)调整零位偏差。
5.如权利要求4所述的光刻机工件台的垂向位置初始化方法，其特征在于，所述步骤2)所述调整重力补偿器压力是根据所述重力补偿器所在 位置与设定值的差乘以比例系数作为调整压力。
6.一种光刻机工件台的垂向位置初始化方法，所述光刻机工件台包括水平向模块、微动模块、预对准模块和衬底交接模块，所述微动模块包括重力补偿器，位置传感器，光栅尺传感器以及微动板；所述光栅尺传感器包括垂向光栅尺和Rz光栅尺，垂向光栅尺包括3个光栅尺，用于实现Z，Rx，Ry位置测量；还包括位置传感器反馈控制回路，其特征在于，包括如下步骤：
1)所述位置传感器反馈控制回路控制调整所述重力补偿器压力；
2)所述微动板的位置调整到给定范围内；
3)采用所述光栅尺传感器反馈实现垂向电机闭环控制；
4)垂向搜零；
5)调整零位偏差。
7.一种光刻机工件台的垂向位置初始化方法，其特征在于，包括水平向模块、微动模块、预对准模块和衬底交接模块，所述微动模块包括重力补偿器，位置传感器，光栅尺传感器以及微动板；所述光栅尺传感器包括垂向光栅尺和Rz光栅尺，垂向光栅尺包括3个光栅尺，用于实现Z，Rx，Ry位置测量；还包括位置传感器反馈控制回路，包括如下步骤：
1)所述位置传感器反馈控制回路闭环控制垂向电机；
2)所述微动板的位置调整到给定范围内；
3)所述光栅尺传感器清零；
4)切换到光栅尺传感器闭环控制垂向电机回路。
8.如权利要求4-7之一所述的光刻机工件台的垂向位置初始化方法，其特征在于，所述位置传感器控制回路带宽范围1Hz～20Hz，光栅尺控制回路带宽30Hz～100Hz。
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