CN105068380B - 步进扫描光刻机的自消除振动力的扫描狭缝装置 - Google Patents

Abstract

一种步进扫描光刻机的自消除振动力的扫描狭缝装置，特点在于该装置包括狭缝基框、上组件、下组件、Y向平衡质量系统、右组件、左组件和X向平衡质量系统，本发明在不影响刀口的运动和定位的同时，可完全消除振动力。

Description

步进扫描光刻机的自消除振动力的扫描狭缝装置

技术领域

本发明涉及半导体设备制造技术领域，尤其涉及一种步进扫描光刻机的自消除振动力的扫描狭缝装置。

技术背景

大规模集成电路生产是现代微电子技术的核心，而半导体光刻设备是发展集成电路的基础。步进扫描光刻机利用扫描狭缝限定掩模面照明视场大小及其中心位置，并通过与掩模台/硅片台的同步运动，使物镜视场光强分布轮廓在硅片面的光强形成积分，完成对硅片的曝光。在曝光视场的起始与终止位置处，扫描狭缝可以避免位于曝光视场之外的部分照明视场照射到相邻曝光场上，保证曝光场以外的区域不受成像光束的影响。

产率是半导体光刻设备三大性能参数之一。为了提高产率，需要提高步进扫描光刻机的扫描速度。由于扫描狭缝装置的振动力直接作用在光刻机主框架上，因此当扫描速度提高后，扫描过程中产生的振动力对光刻机整机框架也将产生较大影响。

在先技术CN 103163738 A介绍了一种用于补偿照明扫描向刀口驱动反力的装置，但此装置通过支撑簧片连接安装座和照明刀口安装支架，刀口驱动反力实际上仍能通过支撑簧片传递到安装座上，因此该装置无法完全消除由于刀口驱动反力产生的振动力的影响，且支撑簧片变形将导致刀口位置发生变化，影响刀口的定位。

现有技术欲解决在不影响刀口运动和定位的基础上，实现振动力的完全自消除。

发明内容

本发明目的在于克服在先技术的缺点，提供一种步进扫描光刻机的自消除振动力的扫描狭缝装置，该装置在不影响刀口的运动和定位的同时，可完全消除振动力。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案如下：

一种步进扫描光刻机的自消除振动力的扫描狭缝装置，特点在于该装置包括狭缝基框、上组件、下组件、Y向平衡质量系统、右组件、左组件和X向平衡质量系统：

所述的狭缝基框由沿水平方向的第一x向支架的两端分别与沿竖直方向的第一Y向支架、第三Y向支架构成Π形结构，在第一Y向支架和第三Y向支架之间设有与第一x向支架平行且相近的第二x向支架，在第一Y向支架、第三Y向支架的外侧具有并与之相连且平行的第二Y向支架、第四Y向支架，所述的第二Y向支架和第四Y向支架关于狭缝基框的中垂面对称，在第三Y向支架内侧还有两根x向支杆和第二x向支架，在所述的第一x向支架的内侧面设有x向光栅尺，在所述的第二Y向支架的内侧面设有Y向光栅尺；

所述的X向平衡质量系统包括X向平衡质量块和第三滑块和第四滑块，所述的第三滑块和第四滑块套在所述的第二X支架上，所述的X向平衡质量块的两端分别与所述的左滑块和右滑块相连并与所述的第二Y向支架平行，在所述的X向平衡质量块的两端与所述的第一Y支架和第三Y支架之间设有完全相同的左拉伸弹簧和右拉伸弹簧，在所述的X向平衡质量块上设有驱动电机定子；

所述的左组件包括左刀片、左电机动子、左滑块、左光栅读数头和左连杆，所述的左滑块套在第二x向支架上，所述的左光栅读数头、左滑块、左电机动子和左刀片通过所述的左连杆依次相接在一起，所述的左滑块套在第二x向支架上，所述的左光栅读数头位于所述的左连杆的上端并指向所述的x向光栅尺，所述的左电机动子位于所述的驱动电机定子上，所述的左刀片在所述的左连杆的下端，所述的左组件在所述的左电机动子的驱动下通过所述的左滑块沿所述的X支架在水平方向移动；

所述的右组件由右刀片、右电机动子、右滑块和右光栅读数头和右连杆构成，所述的右滑块套在所述的第二X支架上，所述的右光栅读数头位于所述的右连杆的上端并指向所述的x向光栅尺，所述的右电机动子位于所述的驱动电机定子上，所述的右刀片在所述的右连杆的下端，所述的右组件在所述的右电机动子的驱动下通过所述的右滑块沿所述的X支架在水平方向移动；

所述的Y向平衡质量系统包括Y向平衡质量块、y向驱动电机定子、配重电机动子、第一Y向滑块、第二Y向滑块和第三Y向滑块，所述的Y向平衡质量块呈准方框形结构，该方框形的左上角、左下角和右边中间各延伸一支杆并分别连接所述的第一Y向滑块、第二Y向滑块和第三Y向滑块，所述的第一Y向滑块和第二Y向滑块位于第一Y支架上可移动，所述的第三Y向滑块位于第四Y支架上可移动，所述的Y向平衡质量块经所述的第三Y向滑块延伸的支杆的末端连接所述的配重电机动子，该配重电机动子位于与竖直安装在第三Y支架上的配重电机定子上，所述的Y向平衡质量块右边中间支杆和狭缝基框的两支杆之间布设有两个完全相同的第一y向拉伸弹簧和第二y向拉伸弹簧；所述的配重电机动子和配重电机定子之间产生竖直向上恒定的电磁力，抵消Y向平衡质量系统、上组件和下组件的重力；

所述的上组件由上刀片、上电机动子、上滑块和上连杆构成，所述的上刀片、上电机动子、上滑块和上光栅读数头均固装在所述的上连杆上，所述的上光栅读数头位于所述的上连杆的左端并指向所述的Y向光栅尺，所述的上滑块位于所述的第一Y支架上可滑动，所述的上电机动子位于所述的y向驱动电机定子上，所述的上刀片位于所述的上连杆的另一端；

所述的下组件由下刀片、下电机动子、下滑块、下光栅读数头和下连杆构成，所述的下刀片、下电机动子、下滑块和下光栅读数头均固装在下连杆上，所述的下光栅读数头位于所述的下连杆的左端并指向所述的Y向光栅尺，所述的下滑块位于所述的第一Y支架上可滑动，所述的下电机动子位于所述的y向驱动电机定子上，所述的下刀片位于所述的下连杆的右端；所述的下刀片、上刀片、左刀片和右刀片构成扫描狭缝；所述的上组件和下组件分别利用上电机动子和下电机动子与y向驱动电机定子间的电磁力驱动上刀片和下刀片在Y向产生运动，所述的右组件、左组件分别利用左电机动子和右电机动子与x向驱动电机定子间的电磁力驱动右刀片和左刀片在x向产生运动。

所述的X向平衡质量块的质量为左组件和右组件质量之和的10倍。

所述的左拉伸弹簧和右拉伸弹簧的弹性系数小于0.1N/mm，所述的左拉伸弹簧和右拉伸弹簧的合作用力使X向平衡质量块回到水平方向的中间位置。

所述的第一y向拉伸弹簧和第二y向拉伸弹簧的弹性系数小于0.1N/mm的值，所述的第一y向拉伸弹簧和第二y向拉伸弹簧的合作用力使y向平衡质量块回到竖直方向的中间位置。

所述的Y向平衡质量块的质量为上组件和下组件质量之和的10倍。

在水平方向上，X向平衡质量系统的左右两边与狭缝基框的Y支架之间连接一对相同的拉伸弹簧；在竖直方向上，Y向平衡质量系统通过一对相同的拉伸弹簧与狭缝基框的支杆连接。所述的配重电机的定子固定在狭缝基框的Y支架上，动子沿竖直方向固定在Y向平衡质量系统上。

所述的左右两个组件均包括沿水平方向运动的刀片，沿水平方向驱动的组件电机，沿水平方向运动的组件滑块，沿水平方向运动的光栅读数头以及X向组件连杆，该沿水平方向驱动的组件电机包括水平安装在X向平衡质量系统上的定子和固定在X向组件连杆上沿水平方向运动的动子，所述的上下两个组件均包括沿竖直方向运动的刀片，沿竖直方向驱动的组件电机，沿竖直方向运动的组件滑块，沿竖直方向运动的光栅读数头以及Y向组件连杆，该沿竖直方向驱动的组件电机包括竖直安装在Y向平衡质量系统上的定子和固定在Y向组件连杆上沿竖直方向运动的动子。还包括沿X向平行的光栅尺以及沿Y向平行的光栅尺，该沿X向平行的光栅尺位于狭缝基框的X向支架上，该沿Y向平行的光栅尺位于狭缝基框的Y向支架上。

所述的X向平衡质量系统还包括X向平衡质量块和沿水平方向运动的滑块。所述的Y向平衡质量系统还包括Y向平衡质量块和沿竖直方向运动的滑块。

本发明利用X向平衡质量系统和Y向平衡质量系统的作用，给出一种有效抵消刀片运动过程中产生的电机反向作用力的装置。与先技术相比，该装置不仅在X向和Y向均实现振动力的完全自消除，同时能够保持刀口的运动和定位性能不变。

附图说明

图1为本发明所涉及的用于步进扫描光刻机的自消除振动力的扫描狭缝装置结构示意图；

图2为本发明所涉及的步进扫描光刻机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例，对本发明作详细阐述：

请参阅图2，图2为本发明所涉及的步进扫描光刻机的结构示意图，其中垂直于纸面的方向为X向，竖直向下的方向为Y向，且X向为非扫描方向，Y向为扫描方向。照明系统102将扫描狭缝101中的视场轮廓成像到置于掩模台109上的掩模板上，物镜108将掩模板图形投影到置于硅片台106上的硅片表面，进而对硅片进行曝光。物镜108利用主动隔振系统107连接到光刻机主框架103上，照明系统102以及掩模台109直接固定在光刻机主框架103上，光刻机主框架103与地基105之间通过主动隔振器104隔离环境振动。光刻机在步进扫描工作过程中，扫描狭缝101中Y向刀片与掩模台109以及硅片台106始终保持同步运动，X向刀片作步进运动。本发明自消除振动力的扫描狭缝装置101，能够抵消刀片在运动过程中由于电机反向作用力产生的振动力，同时又不影响刀口的运动和定位。

如图1所示，本发明扫描狭缝装置主要包括狭缝基框1，左组件6和右组件5，X向平衡质量系统7，上组件2和下组件3和Y向平衡质量系统4。

狭缝基框1包括沿水平方向的X支架1f、1g和支杆1c以及沿竖直方向的第一Y支架1a、第二Y支架1b、第三Y支架1d、第四Y支架1e。左组件6由左刀片65，左电机动子63、左滑块61、左光栅读数头64和左连杆62构成。左刀片65、左电机动子63、左滑块61和左光栅读数头64均固装在左连杆62上，左组件6整体通过左滑块61沿着X支架1f在水平方向自由移动。右组件5由右刀片55、右电机动子53、右滑块51、右光栅读数头54和右连杆52构成。右刀片55、右电机动子53、右滑块51、右光栅读数头54均固装在右、连杆52上，右组件5整体通过右滑块51沿着X向支架1f在水平方向自由移动。X向光栅尺沿水平方向安装在狭缝基框1的第一X向支架1g上，用以记录左组件6和右组件5沿X向运动的位移。

X向平衡质量系统7包括X向平衡质量块71和沿X支架1f在水平方向自由运动的滑块73a和滑块73b，该X向平衡质量块71的质量为左组件6和右组件5质量之和的10倍。左组件6和右组件5共用x向驱动电机定子72，该电机定子72沿水平方向固装在X向平衡质量块71上，左组件6和右组件5分别利用左电机动子63和右电机动子53与电机定子72间的电磁力驱动左刀片65和右刀片55在X向产生运动。狭缝基框1与X向平衡质量块71之间在左右两侧各布置一个完全相同的拉伸弹簧14a和14b，其中拉伸弹簧14a一端连接第一Y支架(1a)，另一端连接X向平衡质量块71的左侧，拉伸弹簧14b一端连接Y支架1e，另一端连接Y向平衡质量块71的右侧。拉伸弹簧14a和拉伸弹簧14b的弹性系数很小，一般选择小于0.1N/mm以内。

当电机定子72驱动左组件6和右组件5在水平方向进行运动时，X向平衡质量系统7因电机的反向作用力在水平方向产生相反运动。由于X向平衡质量块71相比左组件6和右组件5的质量较大，因此平衡质量系统7在水平方向的移动范围相比两组件较小。当X向平衡质量块71在水平方向偏离第一Y支架1a和第四Y支架1e的中间位置时，拉伸弹簧14a和拉伸弹簧14b的合作用力使X向平衡质量块71回到水平方向的中间位置。

上组件2由上刀片25、上电机动子23、上滑块21、上光栅读数头24和上连杆22构成。上刀片25、上电机动子23、上滑块21、上光栅读数头24均固装在上连杆22上，上组件2整体通过上滑块21沿着第一Y支架1a在竖直方向自由移动。下组件3由下刀片35、下电机动子33、下滑块31、下光栅读数头34和下连杆32构成。下刀片35、下电机动子33、下滑块31、下光栅读数头34均固装在下连杆32上，下组件3整体通过下滑块31沿着第一Y向支架1a在竖直方向自由移动。Y向光栅尺11沿竖直方向安装在狭缝基框1的第二Y向支架1b上，用以记录上组件2和下组件3沿Y向运动的位移。

Y向平衡质量系统4包括Y向平衡质量块43，沿第一Y支架1a在竖直方向自由运动的滑块41a和滑块41b以及沿第四Y支架1e在竖直方向自由运动的滑块41c，且滑块41a，滑块41b和滑块41c分别位于Y向平衡质量块43的左上角、左下角和右中间位置。该Y向平衡质量块43的质量同样为上组件2和下组件3质量之和的10倍。该Y向平衡质量系统4还包括y向驱动电机定子42和配重电机动子44，该y向驱动电机定子42沿竖直方向固装在Y向平衡质量块43上，上组件2和下组件3分别利用上电机动子23和下电机动子33与y向驱动电机定子42间的电磁力驱动上刀片25和下刀片35在Y向产生运动。该配重电机动子44固装在Y向平衡质量块43上，与竖直安装在地说Y支架1d上的配重电机定子13之间产生竖直向上恒定的电磁力，通过配重电机的恒定电磁力抵消Y向平衡质量系统4、上组件2和下组件3的重力。X向平衡质量块71与狭缝基框1之间也布置有两个完全相同的拉伸弹簧12a和拉伸弹簧12b，且拉伸弹簧一端均连接狭缝基框1上的支杆1c，另一端均连接Y向平衡质量块43。拉伸弹簧12a和拉伸弹簧12b的弹性系数也选择小于0.1N/mm的值。

当y向驱动电机定子42驱动上组件2和下组件3在竖直方向进行运动时，Y向平衡质量系统4因电机的反向作用力在竖直方向产生相反运动。由于Y向平衡质量块43相比上组件2和下组件3的质量也较大，因此Y向平衡质量系统4在竖直方向的移动范围相比两组件较小。由于配重电机抵消了Y向平衡质量系统4的重力，因此当Y向平衡质量块43在竖直方向偏离两个Y支架1c的中间位置时，拉伸弹簧12a和拉伸弹簧12b的合作用力使Y向平衡质量块43回到竖直方向的中间位置。根据胡克定律，扫描狭缝在扫描过程中，竖直方向拉伸弹簧14a和拉伸弹簧14b对狭缝基框1产生的合作用力F为：

F＝2·K·X

其中K为拉伸弹簧14a或拉伸弹簧14b的弹性系数，X为Y向平衡质量块43相对竖直方向中间位置的运动位移量。由于拉伸弹簧14a或拉伸弹簧14b的弹性系数较小，且Y向平衡质量块43相对竖直方向中间位置的运动位移也不大，因此拉伸弹簧14a和拉伸弹簧14b的合作用力F较小，基本可以忽略。

利用X向平衡质量系统7和Y向平衡质量系统4的作用，有效消除了组件2，3，5，6在运动过程中产生的电机反向作用力，避免了振动力传递到光刻机主框架上，进而影响到光刻机整机性能。同时，由于上组件2和下组件3的测量光栅尺11以及左组件6和右组件5的测量光栅尺均固定在狭缝基框1的支架上，并且上组件2的滑块21、下组件3的滑块31，左组件的滑块61以及右组件的滑块51也都沿着狭缝基框1上的支架进行运动，因此当X向平衡质量块71或Y向平衡质量块43在电机反作用力下产生相对运动时，并不影响各组件的运动和定位。最终由上刀片25、下刀片35、左刀片65和右刀片55构成扫描狭缝开口8。该装置在完全自消除振动力影响的情况下，能够保持刀口的运动和定位性能不变。

尽管参照实施例对本发明步进扫描光刻机的自消除振动力的扫描狭缝装置进行了特别描述，但以上描述仅是说明性的而不是限制性的，在不超出本发明的精神和范围的情况下，所有的变化和修改都在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种步进扫描光刻机的自消除振动力的扫描狭缝装置，特征在于该装置包括狭缝基框(1)、上组件(2)、下组件(3)、Y向平衡质量系统(4)、右组件(5)、左组件(6)和X向平衡质量系统(7)：

所述的狭缝基框(1)由沿水平方向的第一x向支架(1g)的两端分别与沿竖直方向的第一Y向支架(1a)、第三Y向支架(1d)构成Π形结构，在第一Y向支架(1a)和第三Y向支架(1d)之间设有与第一x向支架(1g)平行的相近的第二x向支架(1f)，在第一Y向支架(1a)、第三Y向支架(1d)的外侧具有并与之相连且平行的第二Y向支架(1b)、第四Y向支架(1e)，所述的第二Y向支架(1b)和第四Y向支架(1e)关于狭缝基框(1)的中垂面对称，在第三Y向支架(1d)内侧还有两根x向支杆(1c)和第二x向支架(1f)，在所述的第一x向支架(1g)的内侧面设有x向光栅尺(15)，在所述的第二Y向支架(1b)的内侧面设有Y向光栅尺(11)；

所述的X向平衡质量系统(7)包括X向平衡质量块(71)和第三滑块(73a)和第四滑块(73b)，所述的第三滑块(73a)和第四滑块(73b)套在所述的第二X支架(1f)上，所述的X向平衡质量块(71)的两端分别与左滑块(61)和右滑块(51)相连并与所述的第二Y向支架(1b)平行，在所述的X向平衡质量块(71)的两端与所述的第一Y支架(1a)和第三Y支架(1e)之间设有完全相同的左拉伸弹簧(14a)和右拉伸弹簧(14b)，在所述的X向平衡质量块(71)上设有驱动电机定子(72)；

所述的左组件(6)包括左刀片(65)、左电机动子(63)、左滑块(61)、左光栅读数头(64)和左连杆(62)，所述的左滑块(61)套在第二x向支架(1f)上，所述的左光栅读数头(64)、左滑块(61)、左电机动子(63)和左刀片(65)通过所述的左连杆(62)依次相接在一起，所述的左滑块(61)套在第二x向支架(1f)上，所述的左光栅读数头(64)位于所述的左连杆(62)的上端并指向所述的x向光栅尺(15)，所述的左电机动子(63)位于所述的驱动电机定子(72)上，所述的左刀片(65)在所述的左连杆(62)的下端，所述的左组件(6)在所述的左电机动子(63)的驱动下通过所述的左滑块(61)沿所述的X支架(1f)在水平方向移动；

所述的右组件(5)由右刀片(55)、右电机动子(53)、右滑块(51)和右光栅读数头(54)和右连杆(52)构成，所述的右滑块(51)套在所述的第二X支架(1f)上，所述的右光栅读数头(54)位于所述的右连杆(52)的上端并指向所述的x向光栅尺(15)，所述的右电机动子(53)位于所述的驱动电机定子(72)上，所述的右刀片(55)在所述的右连杆(52)的下端，所述的右组件(5)在所述的右电机动子(53)的驱动下通过所述的右滑块(51)沿所述的X支架(1f)在水平方向移动；

所述的Y向平衡质量系统(4)包括Y向平衡质量块(43)、y向驱动电机定子(42)、配重电机动子(44)、第一Y向滑块(41a)、第二Y向滑块(41b)和第三Y向滑块(41c)，所述的Y向平衡质量块(43)呈准方框形结构，该方框形的左上角、左下角和右边中间各延伸一支杆并分别连接所述的第一Y向滑块(41a)、第二Y向滑块(41b)和第三Y向滑块(41c)，所述的第一Y向滑块(41a)和第二Y向滑块(41b)位于第一Y支架(1a)上可移动，所述的第三Y向滑块(41c)位于第四Y支架(1e)上可移动，所述的Y向平衡质量块(43)经所述的第三Y向滑块(41c)延伸的支杆的末端连接所述的配重电机动子(44)，该配重电机动子(44)位于与竖直安装在第三Y支架(1d)上的配重电机定子(13)上，所述的Y向平衡质量块(43)右边中间支杆和狭缝基框(1)的两支杆(1c)之间布设有两个完全相同的第一y向拉伸弹簧(12a)和第二y向拉伸弹簧(12b)；所述的配重电机动子(44)和配重电机定子(13)之间产生竖直向上恒定的电磁力，抵消Y向平衡质量系统(4)、上组件(2)和下组件(3)的重力；

所述的上组件(2)由上刀片(25)、上电机动子(23)、上滑块(21)和上连杆(22)构成，所述的上刀片(25)、上电机动子(23)、上滑块(21)和上光栅读数头(24)均固装在所述的上连杆(22)上，所述的上光栅读数头(24)位于所述的上连杆(22)的左端并指向所述的Y向光栅尺(11)，所述的上滑块(21)位于所述的第一Y支架(1a)上可滑动，所述的上电机动子(23)位于所述的y向驱动电机定子(42)上，所述的上刀片(25)位于所述的上连杆(22)的另一端；

所述的下组件(3)由下刀片(35)、下电机动子(33)、下滑块(31)、下光栅读数头(34)和下连杆(32)构成，所述的下刀片(35)、下电机动子(33)、下滑块(31)和下光栅读数头(34)均固装在下连杆(32)上，所述的下光栅读数头(34)位于所述的下连杆(32)的左端并指向所述的Y向光栅尺(11)，所述的下滑块(31)位于所述的第一Y支架(1a)上可滑动，所述的下电机动子(33)位于所述的y向驱动电机定子(42)上，所述的下刀片(35)位于所述的下连杆(32)的另一端；所述的下刀片(35)、上刀片(25)、左刀片(65)和右刀片(55)构成扫描狭缝；所述的上组件(2)和下组件(3)分别利用上电机动子(23)和下电机动子(33)与y向驱动电机定子(42)间的电磁力驱动上刀片(25)和下刀片(35)在Y向产生运动，所述的右组件(5)、左组件(6)分别利用左电机动子(63)和右电机动子(53)与x向驱动电机定子(72)间的电磁力驱动右刀片(55)和左刀片(65)在x向产生运动。

2.根据权利要求1所述的步进扫描光刻机的自消除振动力的扫描狭缝装置，特征在于所述的X向平衡质量块(71)的质量约为左组件6和右组件5质量之和的10倍。

3.根据权利要求1所述的步进扫描光刻机的自消除振动力的扫描狭缝装置，特征在于所述的左拉伸弹簧(14a)和右拉伸弹簧(14b)的弹性系数小于0.1N/mm，所述的左拉伸弹簧(14a)和右拉伸弹簧(14b)的合作用力使X向平衡质量块(71)回到水平方向的中间位置。

4.根据权利要求1所述的步进扫描光刻机的自消除振动力的扫描狭缝装置，特征在于所述的第一y向拉伸弹簧(12a)和第二y向拉伸弹簧(12b)的弹性系数小于0.1N/mm的值，所述的第一y向拉伸弹簧(12a)和第二y向拉伸弹簧(12b)的合作用力使y向平衡质量块(43)回到竖直方向的中间位置。

5.根据权利要求1所述的步进扫描光刻机的自消除振动力的扫描狭缝装置，特征在于所述的Y向平衡质量块(43)的质量为上组件(2)和下组件(3)质量之和的10倍。