CN105549330A

CN105549330A - 基于主动平衡质量动线圈磁浮双工件台矢量圆弧换台方法及装置

Info

Publication number: CN105549330A
Application number: CN201610023013.XA
Authority: CN
Inventors: 谭久彬; 吴剑威; 张银
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2016-01-14
Publication date: 2016-05-04

Abstract

基于主动平衡质量动线圈磁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、磁浮工件台、工件台测量装置、工件台驱动装置，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，采用双电机曲柄摇杆机构组成的主动补偿结构对平衡质量块进行运动补偿，工件台采用磁悬浮平面电机驱动，采用双层水冷散热降温，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

基于主动平衡质量动线圈磁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，主要涉及一种主动平衡质量动线圈磁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。

工件台的位置测量精度直接影响到光刻机工件台的定位精度，进而影响到光刻机的最小线宽。工件台在运动过程中速度较大，测量方案必须满足高速测量和精度要求，在美国专利US6498350B2和US20100279232A1中采用多个激光干涉仪来实现一个工件台的位置测量，采用激光干涉仪测量精度高、工作距离长，但是测量光路过长，对湿度和空气紊流所引起误差非常敏感，而且成本较高。

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主动平衡质量动线圈磁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：

一种基于主动平衡质量动线圈磁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线圈驱动运动到测量位换台预定位置A并充电和等待，曝光位第二工件台曝光完毕后由动线圈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线圈驱动运动到测量位换台预定位置A'并充电和等待，曝光位第一工件台曝光完毕后由动线圈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。

一种基于主动平衡质量动线圈磁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，下层水道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上层水道上方，上层水道和下层水道之间配置宏动平面电机定子，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，第一工件台通过第一线缆台线缆与第一线缆台相连接，第二工件台通过第二线缆台线缆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；支撑框架通过由两个双电机曲柄摇杆机构组成的主动运动补偿机构与平衡质量块相连接，所述双电机曲柄摇杆机构由基座、两个伺服电机、一个输出轴、两个光栅尺、两个读数头、两个曲柄、两个摇杆组成，伺服电机转轴与曲柄连接，两个曲柄分别通过摇杆连接到同一输出轴上，输出轴与平衡质量块通过滚动轴承固连，光栅尺与伺服电机同轴连接，读数头固定在基座上；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、水冷板、防撞框、宏动平面电机动子、平面光栅读数头、调平调焦传感器、微动电机、充电模块组成，重力补偿器动子与微动平面电机动子集成在一起，所述吸盘安装在Chuck上，Chuck四个角上安装有四个平面光栅读数头和四个调平调焦传感器，Chuck固定在微动电机上，在工件台四周安装有防撞框，宏动平面电机动子安装在工件台下方，水冷板安装在宏动平面电机动子上方，所述宏动平面电机动子包括四个基本运动单元，每个单元由四个相绕组组成，其中每相电枢绕组由若干同心的方形线圈构成，各个线圈由里到外依次串联，固定在平板形的初级基板气隙侧，每相邻的两个线圈的绕向相反，宏动平面电机定子采用交错磁钢布局，宏动平面电机定子含有气隙。

本发明具有以下创新点和突出优点：

1)提出圆弧矢量换台方法，并设计了圆弧矢量换台装置。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，同时交换过程实时测量系统监测，确保换台过程中宏/微定位精度，直接溯源到激光波长，最终实现了换台的高效率和高精度两个特性的兼顾。这是本发明的创新点和突出优点之一；

2)提出了基于双电机曲柄摇杆机构的主动补偿机构，可以实现平衡质量块X向、Y向运动的实时精确补偿，相比于被动补偿结构，提高了补偿精度，这是本发明的创新点和突出优点之二；

3)提出了在线充电工件台交换方法，并设计了带有充电模块的工件台装置。采用在线充电工件台换台方法使得结构省去了工件台电机驱动线电缆，减少了线缆绕动力和对工件台传感器的电磁干扰。这是本发明的创新点和突出优点之三；

4)本发明提出集成绕组结构矢量平面电机，采用复合电流驱动实现高功效矢量控制，具有运动范围大、结构简单、推力密度大、动态特性好、绕组利用率高、温度分布均匀、热变形小、定位精度高等特点，同时采用纯磁悬浮方案有效降低加工难度和成本，提高了运动的可靠性能，这是本发明的创新点和突出优点之四；

5)提出基于平面光栅的测量方法，并设计了相应的平面光栅测量装置。和平面光栅测量系统相比较，激光干涉仪系统在测量速度上满足了光刻机系统的测量需求，同时由于其测量噪声小，测量精度高于激光干涉仪，特别是回避了chuck台上平面反射镜的直角反射镜的制造难度与高成本和质量、惯量过大的风险，这是本发明的创新点和突出优点之五。

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是基于平面光栅测量动线圈磁浮双工件台矢量圆弧换台装置总体结构示意图。

图3是双工件台系统的剖视图。

图4是运动补偿机构与平衡质量块装配结构示意图。

图5是双电机曲柄摇杆机构结构示意图。

图6是六自由度磁浮微动台结构示意图。

图7微动平面电机动子与磁浮重力补偿器集成机构示意图。

图8是磁悬浮永磁同步平面电机示意图。

图中件号：1-支撑框架；2-平衡质量系统；3-宏动平面电机定子；4a-第一工件台；4b-第二工件台；5a-测量位平面光栅；5b-曝光位平面光栅；6a-第一线缆台；6b-第一线缆台导轨;6c-第一线缆台线缆；7a-第二线缆台；7b-第二线缆台导轨;7c-第二线缆台线缆；9-上层水道；10-下层水道；11-测量位；12-曝光位；13-双电机曲柄摇杆机构；14-光栅尺；15-读数头；16-曲柄；17-摇杆；18-基座；19-伺服电机；20-输出轴；401-Chuck；402-吸盘；404-防撞框；405-宏动平面电机动子；406-平面光栅读数头；407-调平调焦传感器；409-重力补偿器动子；410-微动平面电机动子；411-微动电机；412-充电模块。

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：

一种基于主动平衡质量动线圈磁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4b，所述平衡质量块2位于支撑框架1上方，下层水道10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4b配置在上层水道9上方，上层水道9和下层水道10之间配置宏动平面电机定子3，所述第一工件台4a和第二工件台4b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4b上平面上分别安装测量位平面光栅5a和曝光位平面光栅5b，第一工件台4a通过第一线缆台线缆6c与第一线缆台6a相连接，第二工件台4b通过第二线缆台线缆7c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通过由两个双电机曲柄摇杆机构13组成的主动运动补偿机构与平衡质量块2相连接，所述双电机曲柄摇杆机构13由基座18、两个伺服电机19、一个输出轴20、两个光栅尺14、两个读数头15、两个曲柄16、两个摇杆17组成，伺服电机19转轴与曲柄16连接，两个曲柄16分别通过摇杆17连接到同一输出轴20上，输出轴20与平衡质量块2通过滚动轴承固连，光栅尺14与伺服电机19同轴连接，读数头15固定在基座18上；第一工件台4a和第二工件台4b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、水冷板403、防撞框404、宏动平面电机动子405、平面光栅读数头406、调平调焦传感器407、微动电机411、充电模块412组成，重力补偿器动子409与微动平面电机动子410集成在一起，所述吸盘402安装在Chuck401上，Chuck401四个角上安装有四个平面光栅读数头406和四个调平调焦传感器407，Chuck401固定在微动电机411上，在工件台四周安装有防撞框404，宏动平面电机动子405安装在工件台下方，水冷板403安装在宏动平面电机动子405上方，所述宏动平面电机动子405包括四个基本运动单元F1、F2、F3、F4，每个单元由四个相绕组组成，其中每相电枢绕组由若干同心的方形线圈构成，各个线圈由里到外依次串联，固定在平板形的初级基板气隙侧，每相邻的两个线圈的绕向相反，宏动平面电机定子3采用交错磁钢布局，宏动平面电机定子3含有气隙9。

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进行充电，等待第二工件台4b在曝光位12完成曝光，第二工件台4b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结束充电并与第二工件台4b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4b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的第二工件台4b运动到测量位换台位置A'进行充电，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4b结束充电并与第一工件台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4b向曝光位12运动，这样完成了一次完整的工作周期。

Claims

1.一种基于主动平衡质量动线圈磁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线圈驱动运动到测量位换台预定位置A并充电和等待，曝光位第二工件台曝光完毕后由动线圈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线圈驱动运动到测量位换台预定位置A'并充电和等待，曝光位第一工件台曝光完毕后由动线圈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。

2.一种基于主动平衡质量动线圈磁浮双工件台矢量圆弧换台装置，其特征在于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（4b），所述平衡质量块（2）位于支撑框架（1）上方，下层水道（10）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（4b）配置在上层水道（9）上方，上层水道（9）和下层水道（10）之间配置宏动平面电机定子（3），所述第一工件台（4a）和第二工件台（4b）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（4b）上平面上分别安装测量位平面光栅（5a）和曝光位平面光栅（5b），第一工件台（4a）通过第一线缆台线缆（6c）与第一线缆台（6a）相连接，第二工件台（4b）通过第二线缆台线缆（7c）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）通过由两个双电机曲柄摇杆机构（13）组成的主动运动补偿机构与平衡质量块（2）相连接，所述双电机曲柄摇杆机构（13）由基座（18）、两个伺服电机（19）、一个输出轴（20）、两个光栅尺（14）、两个读数头（15）、两个曲柄（16）、两个摇杆（17）组成，伺服电机（19）转轴与曲柄（16）连接，两个曲柄（16）分别通过摇杆（17）连接到同一输出轴（20）上，输出轴（20）与平衡质量块（2）通过滚动轴承固连，光栅尺（14）与伺服电机（19）同轴连接，读数头（15）固定在基座（18）上；第一工件台（4a）和第二工件台（4b）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）、水冷板（403）、防撞框（404）、宏动平面电机动子（405）、平面光栅读数头（406）、调平调焦传感器（407）、微动电机（411）、充电模块（412）组成，重力补偿器动子（409）与微动平面电机动子（410）集成在一起，所述吸盘（402）安装在Chuck（401）上，Chuck（401）四个角上安装有四个平面光栅读数头（406）和四个调平调焦传感器（407），Chuck（401）固定在微动电机（411）上，在工件台四周安装有防撞框（404），宏动平面电机动子（405）安装在工件台下方，水冷板（403）安装在宏动平面电机动子（405）上方，所述宏动平面电机动子（405）包括四个基本运动单元（F₁、F₂、F₃、F₄），每个单元由四个相绕组组成，其中每相电枢绕组由若干同心的方形线圈构成，各个线圈由里到外依次串联，固定在平板形的初级基板气隙侧，每相邻的两个线圈的绕向相反，宏动平面电机定子（3）采用交错磁钢布局，宏动平面电机定子（3）含有气隙（9）。