CN105425551A - 基于双层水冷动磁钢气磁结合气浮双工件台矢量圆弧换台方法及装置 - Google Patents

Abstract

基于双层水冷动磁钢气磁结合气浮双工件台矢量圆弧换台方法及装置属于半导体制造装备技术，该装置包括支撑框架、平衡质量块、气磁结合气浮工件台、工件台测量装置、工件台驱动装置、传感器信号传输装置，两个工件台工作于测量位和曝光位之间，采用平面光栅对工件台位置进行测量，采用双层水冷结构对线圈阵列降温，工件台采用气悬浮和平面电机驱动，双工件台交换过程中，采用平面电机驱动两个工件台实现单节拍弧线快速换台；本发明解决了现有换台方案节拍多、轨迹长、起停环节多、稳定时间长等问题，减少换台环节，缩短了换台时间，提高了光刻机的产率。

Description

基于双层水冷动磁钢气磁结合气浮双工件台矢量圆弧换台方法及装置

技术领域

本发明属于半导体制造装备技术领域，主要涉及一种基于双层水冷动磁钢气磁结合气浮双工件台矢量圆弧回转换台方法及装置。

背景技术

光刻机是极大规模集成电路制造中重要的超精密装备之一。作为光刻机关键子系统的工件台在很大程度上决定了光刻机的分辨率、套刻精度和产率。

产率是光刻机发展的主要追求目标之一。在满足分辨率和套刻精度的条件下，提高工件台运行效率进而提高提高光刻机产率是工件台技术的发展方向。提高工件台运行效率最直接的方式就是提高工件台的运动加速度和速度，但是为保证原有精度，速度和加速度不能无限制提高。最初的工件台只有一个硅片承载装置，光刻机一次只能处理一个硅片，全部工序串行处理，生产效率低。为此有人提出了双工件台技术，这也是目前提高光刻机生产效率的主流技术手段。双工件台技术在工件台上设有曝光、预处理两个工位和两个工件台，曝光和测量调整可并行处理，大大缩短了时间，提高了生产效率。目前的代表产品为荷兰ASML公司基于Twinscan技术即双工件台技术的光刻机。

提高双工件台的运行效率是目前光刻机工件台技术的发展目标之一。双工件台技术的牵扯到工件台在两个工位之间切换的问题，换台效率直接影响到光刻机工件台的运行效率即光刻机的产率。如何在尽可能缩短换台时间的条件下减小换台对其他系统的干扰一直是研究的重点。在传统双台切换过程中，工件台在曝光和预处理工序中一样为直线驱动，双台专利US2001/0004105A1和W098/40791中，每个工件台有两个可交换配合的单元来实现双台的交换，在不提高工件台运动速度的前提下提高了产率，但由于工件台与导轨之间采用耦合连接方式，在换台过程中工件台与驱动单元会出现短暂的分离，对工件台的定位精度产生较大影响。同时运动单元和导轨较长，运动质量较大，对于运动速度和加速度的提高都产生不利影响。中国专利CN101609265提出了一种平面电机驱动的硅片台多台交换系统，平面电机定子设置在基台顶部，动子设置在硅片台底部，相对于直线电机驱动不存在工件台和驱动单元的分离；中国专利CN101694560中提出了一种采用气浮支撑永磁平面电机驱动的双台交换系统，工件台采用平面电机驱动并通过气浮支撑，避免了前述换台过程中驱动单元与工件台分离问题，减小了工件台运行阻力，减小了平面电机驱动电流，减小了散热问题。

上述专利换台时采用直线换台方案，回转换台方案较直线换台方案有独特优势，因此出现了采用回转换台的双工件台技术。中国专利CN101071275采用回转整个基台的方式实现双工件台的换位，简化了系统结构，同时两个工件台运动无重叠区域，避免了碰撞安全隐患。但是通过回转整个基台实现工件台换位存在转动惯量大，大功率回转电机精密定位困难和发热量大引起系统温升等问题，同时回转半径大，使光刻机主机结构显著增大。中国专利CN102495528在基台中心采用一种回转转接台完成双工件台换台，换台分为三个节拍，提高了换台效率，但回转换台机构结构复杂，回转定位精度较低。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于双层水冷动磁钢气磁结合气浮双工件台矢量圆弧回转换台方法及装置，达到实现工件台单节拍快速弧线换台、减少换台环节、缩短换台时间、有效提高了光刻机产率的目的。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于双层水冷动磁钢气磁结合气浮双工件台矢量圆弧换台方法，该方法包括以下步骤：初始工作状态，测量位第一工件台处于预对准状态，曝光位第二工件台处于曝光状态；第一步，测量位第一工件台预对准完毕后由动磁钢驱动运动到测量位换台预定位置A并等待，曝光位第二工件台曝光完毕后由动磁钢驱动运动到曝光位换台预定位置B；第二步，第一工件台与第二工件台通过平面电机矢量控制沿圆弧轨迹逆时针运动，在运动过程中，两个工件台的相位不发生变化，运动位置由平面光栅进行测量，与此同时，第一线缆台跟随第一工件台由测量位一侧向曝光位运动，第二线缆台跟随第二工件台由曝光位一侧向测量位运动，当第一工件台运动到曝光位预定位置C、第二工件台运动到测量位预定位置D时，换台结束，第一工件台在曝光位进行硅片光刻曝光，第二工件台在测量位进行硅片上片及硅片预对准操作；第三步，测量位第二工件台预对准完毕后由动磁钢驱动运动到测量位换台预定位置A'并等待，曝光位第一工件台曝光完毕后由动磁钢驱动运动到曝光位换台预定位置B'；第四步，第二工件台与第一工件台通过平面电机矢量控制沿圆弧轨迹顺时针运动，与此同时，第一线缆台跟随第一工件台由曝光位一侧向测量位运动，第二线缆台跟随第二工件台由测量位一侧向曝光位运动，当第二工件台运动到曝光位预定位置C、第一工件台运动到测量位预定位置D时，换台结束，曝光位第二工件台进入曝光状态，测量位第一工件台进行上下片及预对准操作，此时系统回到初始工作状态，完成了包含两次换台操作的一个工作周期。

一种基于双层水冷动磁钢气磁结合气浮双工件台矢量圆弧换台装置，该装置包括支撑框架、平衡质量块、第一工件台、第二工件台，所述平衡质量块位于支撑框架上方，宏动平面电机定子安装在平衡质量块上的平面上，第一工件台和第二工件台配置在宏动平面电机定子上方，所述第一工件台和第二工件台运行于测量位和曝光位之间，在第一工件台和第二工件台上平面上分别安装测量位平面光栅和曝光位平面光栅，所述第一工件台通过第一线缆台线缆、第一工件台防转板与第一线缆台相连接，第二工件台通过第二线缆台线缆、第二工件台防转板与第二线缆台相连接，第一线缆台和第二线缆台分别安装在第一线缆台导轨和第二线缆台导轨上；支撑框架通过由平面片簧和电磁阻尼器并行组成的运动补偿机构与平衡质量块2相连接，所述平面片簧13由1对X向片簧、1对Y向片簧、1个Z向片簧和1个Rz柔性铰链组成，电磁阻尼器由阻尼器上背板、阻尼器下背板、Y向永磁铁阵列和X向永磁铁阵列、紫铜板和不锈钢立柱装配构成，其中阻尼器上背板和阻尼器下背板通过不锈钢立柱相连接，Y、X向永磁铁阵列安装于阻尼器上、下背板之间，紫铜板固定于支撑框架上，阻尼器上背板与平衡质量块固定，相对于上、下背板紫铜板可以产生X、Y向平动和Rz转动；第一工件台和第二工件台为六自由度磁浮微动台，所述六自由度磁浮微动台由Chuck、吸盘、角锥棱镜、防撞框、宏动平面电机动子，零位传感器、调平调焦传感器组成，微动平面电机动子与重力补偿器动子集成在一起，气足和真空吸附区均分布在六自由度磁浮微动台的底部；所述吸盘安装在Chuck上，Chuck四周安装有四个角锥棱角，Chuck四周安装有防撞框，所述宏动平面电机动子安装在防撞框下方，宏动平面电机动子由磁钢阵列交错排布构成，宏动平面电机定子由上部水冷管道、线圈阵列及下部水冷管道构成，其中线圈阵列成人字形排布；六自由度磁浮微动台底面的四个角分布有呈“7”字型的四个对称均布的气足，气足之间分布有矩形的真空吸附区，呈“口”字型围绕在宏动平面电机动子周围。

本发明具有以下创新点和突出优点：

1)本发明提出的圆弧矢量换台方案可有效缩短换台时间，提高了换台效率。采用矢量换台策略将双工件台现有的多节拍直线换台优化为单节拍快速换台，起停次数少、稳定环节少；同时采用弧线轨迹规划缩短了换台路径，回转冲击小、稳定时间短，这是本发明的创新点和突出优点之一；

2)本发明提出动磁钢平面电机，采用双层水冷布局，有效降低温度，使温度分布均匀，热变形小，同时采用动磁钢驱动、无线通信数据传输，无线缆束缚，结构简单，定位精度高，这是本发明的创新点和突出优点之二；

3)本发明提出了基于电磁阻尼器的被动补偿机构，可以实现平衡质量块X向、Y向、Z向、Rz运动补偿，相对于主动补偿结构，降低了机构的复杂程度，减小了控制和实施难度，这是本发明的创新点和突出优点之三；

4)本发明提出了气磁结合气浮工件台，水平运动依靠矢量平面电机，垂直方向采用气悬浮。气足之间分布有真空吸附区，增加了结构的刚度，气磁结合减小了电流引起的发热，是运动更加稳定可靠，这是本发明的创新点和突出优点之四。

附图说明

图1是单节拍优化规划弧线快速换台流程示意图。

图2是基于双层水冷动磁钢气磁结合气浮双工件台矢量圆弧换台装置总体结构示意图。

图3是双工件台系统的俯视图。

图4是宏动平面电机定子双层水冷结构示意图。

图5是运动补偿机构与平衡质量块装配结构示意图。

图6是平面片簧结构示意图。

图7是电磁阻尼结构示意图。

图8是电磁阻尼器磁钢排布示意图。

图9是六自由度磁浮微动台结构示意图。

图10微动平面电机动子与重力补偿器集成机构示意图。

图11是宏动平面电机磁钢阵列、气足以及真空吸附区示意图。

图12是宏动平面电机线圈阵列示意图。

图中件号：1-支撑框架；2-平衡质量块；3-宏动平面电机定子；3a-上部水冷管道；3b-宏动平面电机线圈阵列；3c-下部水冷管道；4a-第一工件台；4b-第一线缆台线缆；4c-第一工件台防转板；5a-第二工件台；5b-第二线缆台线缆；5c-第一工件台防转板；6a-第一线缆台；6b-第一线缆台导轨；7a-第二线缆台；7b-第二线缆台导轨；8-测量位平面光栅；9-曝光位测量光栅；11-测量位；12-曝光位；13-平面片簧；14-电磁阻尼器；21-阻尼器上背板；22-紫铜板；23-不锈钢立柱；24a-Y向永磁铁阵列；24b-X向永磁铁阵列；25-阻尼器下背板；26-X向片簧；27-Y向片簧；28-Z向片簧；29-Rz柔性铰链；401-Chuck；402-吸盘；403-角锥棱镜；404-防撞框；405-宏动平面电机动子；406-零位传感器；407-调平调焦传感器；408-微动平面电机动子；409-重力补偿器动子；410-气足；411-真空吸附区；412-宏动平面电机磁钢阵列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方案作进一步详细说明：

一种基于双层水冷动磁钢气磁结合气浮双工件台矢量圆弧换台方法，该方法包括以下步骤：初始工作状态，测量位第一工件台处于预对准状态，曝光位第二工件台处于曝光状态；第一步，测量位第一工件台预对准完毕后由动磁钢驱动运动到测量位换台预定位置A并等待，曝光位第二工件台曝光完毕后由动磁钢驱动运动到曝光位换台预定位置B；第二步，第一工件台与第二工件台通过平面电机矢量控制沿圆弧轨迹逆时针运动，在运动过程中，两个工件台的相位不发生变化，运动位置由平面光栅进行测量，与此同时，第一线缆台跟随第一工件台由测量位一侧向曝光位运动，第二线缆台跟随第二工件台由曝光位一侧向测量位运动，当第一工件台运动到曝光位预定位置C、第二工件台运动到测量位预定位置D时，换台结束，第一工件台在曝光位进行硅片光刻曝光，第二工件台在测量位进行硅片上片及硅片预对准操作；第三步，测量位第二工件台预对准完毕后由动磁钢驱动运动到测量位换台预定位置A'并等待，曝光位第一工件台曝光完毕后由动磁钢驱动运动到曝光位换台预定位置B'；第四步，第二工件台与第一工件台通过平面电机矢量控制沿圆弧轨迹顺时针运动，与此同时，第一线缆台跟随第一工件台由曝光位一侧向测量位运动，第二线缆台跟随第二工件台由测量位一侧向曝光位运动，当第二工件台运动到曝光位预定位置C、第一工件台运动到测量位预定位置D时，换台结束，曝光位第二工件台进入曝光状态，测量位第一工件台进行上下片及预对准操作，此时系统回到初始工作状态，完成了包含两次换台操作的一个工作周期。

一种基于双层水冷动磁钢气磁结合气浮双工件台矢量圆弧换台装置，该装置包括支撑框架1、平衡质量块2、第一工件台4a、第二工件台5a，所述平衡质量块2位于支撑框架1上方，宏动平面电机定子3安装在平衡质量块2上的平面上，第一工件台4a和第二工件台5a配置在宏动平面电机定子3上方，所述第一工件台4a和第二工件台5a运行于测量位11和曝光位12之间，在第一工件台4a和第二工件台5a上平面上分别安装测量位平面光栅8和曝光位平面光栅9，所述第一工件台4a通过第一线缆台线缆4b、第一工件台防转板4c与第一线缆台6a相连接，第二工件台5a通过第二线缆台线缆5b、第二工件台防转板5c与第二线缆台7a相连接，第一线缆台6a和第二线缆台7a分别安装在第一线缆台导轨6b和第二线缆台导轨7b上；支撑框架1通过由平面片簧13和电磁阻尼器14并行组成的运动补偿机构与平衡质量块2相连接，所述平面片簧13由1对X向片簧26、1对Y向片簧27、1个Z向片簧28和1个Rz柔性铰链29组成，电磁阻尼器14由阻尼器上背板21、阻尼器下背板25、Y向永磁铁阵列24a和X向永磁铁阵列24b、紫铜板22和不锈钢立柱23装配构成，其中阻尼器上背板21和阻尼器下背板25通过不锈钢立柱23相连接，Y、X向永磁铁阵列24a、24b安装于阻尼器上、下背板21、25之间，紫铜板22固定于支撑框架1上，阻尼器上背板21与平衡质量块2固定，相对于上、下背板21、25紫铜板22可以产生X、Y向平动和Rz转动；第一工件台4a和第二工件台5a为六自由度磁浮微动台，所述六自由度磁浮微动台由Chuck401、吸盘402、角锥棱镜403、防撞框404、宏动平面电机动子405，零位传感器406、调平调焦传感器407组成，微动平面电机动子408与重力补偿器动子409集成在一起，气足410和真空吸附区411均分布在六自由度磁浮微动台的底部；所述吸盘402安装在Chuck401上，Chuck401四周安装有四个角锥棱角403，Chuck401四周安装有防撞框404，所述宏动平面电机动子405安装在防撞框404下方，宏动平面电机动子405由磁钢阵列412交错排布构成，宏动平面电机定子3由上部水冷管道3a、线圈阵列3b及下部水冷管道3c构成，其中线圈阵列3b成人字形排布；六自由度磁浮微动台底面的四个角分布有呈“7”字型的四个对称均布的气足410，气足410之间分布有矩形的真空吸附区411，呈“口”字型围绕在宏动平面电机动子405周围。

本发明工作流程如下。

第一工件台4a在测量位11预对准完毕后由平面电机驱动运动到换台位置A，等待第二工件台5a在曝光位12完成曝光，第二工件台5a完成曝光后由平面电机驱动运动到换台位置B，然后第一工件台4a与第二工件台5a通过平面电机矢量控制沿圆弧轨迹逆时针运动完成换台操作，换台时第一线缆台6a和第二线缆台7a也作相应运动；换台完成后，第一工件台4a向曝光位12运动在曝光位12进行曝光，第二工件台5a向测量位11运动在测量位11进行上片和预对准操作；率先完成硅片预对准完毕的第二工件台5a运动到测量位换台位置A'，等待第一工件台4a完成曝光后运动到换台位置B'，然后，第二工件台5a与第一工件台4a通过平面电机矢量控制沿圆弧轨迹顺时针运动，完成第二次换台；换台完成后，第一工件台4a向测量位11运动，第二工件台5a向曝光位12运动，这样完成了一次完整的工作周期。

Claims (2)

1.一种基于双层水冷动磁钢气磁结合气浮双工件台矢量圆弧换台方法，其特征在于该方法包括以下步骤：初始工作状态，测量位第一工件台处于预对准状态，曝光位第二工件台处于曝光状态；第一步，测量位第一工件台预对准完毕后由动磁钢驱动运动到测量位换台预定位置A并等待，曝光位第二工件台曝光完毕后由动磁钢驱动运动到曝光位换台预定位置B；第二步，第一工件台与第二工件台通过平面电机矢量控制沿圆弧轨迹逆时针运动，在运动过程中，两个工件台的相位不发生变化，运动位置由平面光栅进行测量，与此同时，第一线缆台跟随第一工件台由测量位一侧向曝光位运动，第二线缆台跟随第二工件台由曝光位一侧向测量位运动，当第一工件台运动到曝光位预定位置C、第二工件台运动到测量位预定位置D时，换台结束，第一工件台在曝光位进行硅片光刻曝光，第二工件台在测量位进行硅片上片及硅片预对准操作；第三步，测量位第二工件台预对准完毕后由动磁钢驱动运动到测量位换台预定位置A'并等待，曝光位第一工件台曝光完毕后由动磁钢驱动运动到曝光位换台预定位置B'；第四步，第二工件台与第一工件台通过平面电机矢量控制沿圆弧轨迹顺时针运动，与此同时，第一线缆台跟随第一工件台由曝光位一侧向测量位运动，第二线缆台跟随第二工件台由测量位一侧向曝光位运动，当第二工件台运动到曝光位预定位置C、第一工件台运动到测量位预定位置D时，换台结束，曝光位第二工件台进入曝光状态，测量位第一工件台进行上下片及预对准操作，此时系统回到初始工作状态，完成了包含两次换台操作的一个工作周期。

2.一种基于双层水冷动磁钢气磁结合气浮双工件台矢量圆弧换台装置，该装置包括支撑框架（1）、平衡质量块（2）、第一工件台（4a）、第二工件台（5a），所述平衡质量块（2）位于支撑框架（1）上方，宏动平面电机定子（3）安装在平衡质量块（2）上的平面上，第一工件台（4a）和第二工件台（5a）配置在宏动平面电机定子（3）上方，所述第一工件台（4a）和第二工件台（5a）运行于测量位（11）和曝光位（12）之间，其特征在于在第一工件台（4a）和第二工件台（5a）上平面上分别安装测量位平面光栅（8）和曝光位平面光栅（9），所述第一工件台（4a）通过第一线缆台线缆（4b）、第一工件台防转板（4c）与第一线缆台（6a）相连接，第二工件台（5a）通过第二线缆台线缆（5b）、第二工件台防转板（5c）与第二线缆台（7a）相连接，第一线缆台（6a）和第二线缆台（7a）分别安装在第一线缆台导轨（6b）和第二线缆台导轨（7b）上；支撑框架（1）通过由平面片簧（13）和电磁阻尼器（14）并行组成的运动补偿机构与平衡质量块（2）相连接，所述平面片簧（13）由1对X向片簧（26）、1对Y向片簧（27）、1个Z向片簧（28）和1个Rz柔性铰链（29）组成，电磁阻尼器（14）由阻尼器上背板（21）、阻尼器下背板（25）、Y向永磁铁阵列（24a）和X向永磁铁阵列（24b）、紫铜板（22）和不锈钢立柱（23）装配构成，其中阻尼器上背板（21）和阻尼器下背板（25）通过不锈钢立柱（23）相连接，Y、X向永磁铁阵列（24a、24b）安装于阻尼器上、下背板（21、25）之间，紫铜板（22）固定于支撑框架（1）上，阻尼器上背板（21）与平衡质量块（2）固定，相对于上、下背板（21、25）紫铜板（22）可以产生X、Y向平动和Rz转动；第一工件台（4a）和第二工件台（5a）为六自由度磁浮微动台，所述六自由度磁浮微动台由Chuck（401）、吸盘（402）、角锥棱镜（403）、防撞框（404）、宏动平面电机动子（405），零位传感器（406）、调平调焦传感器（407）组成，微动平面电机动子（408）与重力补偿器动子（409）集成在一起，气足（410）和真空吸附区（411）均分布在六自由度磁浮微动台的底部；所述吸盘（402）安装在Chuck（401）上，Chuck（401）四周安装有四个角锥棱角（403），Chuck（401）四周安装有防撞框（404），所述宏动平面电机动子（405）安装在防撞框（404）下方，宏动平面电机动子（405）由磁钢阵列（412）交错排布构成，宏动平面电机定子（3）由上部水冷管道（3a）、线圈阵列（3b）及下部水冷管道（3c）构成，其中线圈阵列（3b）成人字形排布；六自由度磁浮微动台底面的四个角分布有呈“7”字型的四个对称均布的气足（410），气足（410）之间分布有矩形的真空吸附区（411），呈“口”字型围绕在宏动平面电机动子（405）周围。