CN113049173A

CN113049173A - 一种高频响精密测力装置

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Publication number: CN113049173A
Application number: CN201911382681.1A
Authority: CN
Inventors: 余斌; 罗晋
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2021-06-29
Anticipated expiration: 2039-12-27
Also published as: CN113049173B

Abstract

本发明提供了一种高频响精密测力装置，用于浸没式光刻设备，包括顶部结构件、浸没结构件、承力单元、导向结构、测力组件以及支撑框架；顶部结构件位于所述浸没结构件的上方,流体介质在浸没结构件中流动中产生扰动力,承力单元位于浸没结构件的下方；导向结构包括导向结构本体和运动件，所述导向结构本体围设在所述承力单元的外围，其底部与支撑框架固定,运动件位于导向结构本体靠近承力单元的一侧；测力组件与承力单元接触连接，用于获取浸没结构件中流体介质的扰动力。本发明提供的一种高频响精密测力装置，解决了基于单个传感器的结构稳定性问题，在保证测量精度的同时，实现了高频响应。

Description

一种高频响精密测力装置

技术领域

本发明涉及一种浸没式光刻设备的测力装置，尤其涉及一种高频响精密测力装置。

背景技术

现代半导体集成电路制造以光学光刻设备为基础，它利用光学系统把掩模版上的集成电路图形精确地投影到衬底的目标区域上。现有技术中，浸没式光刻设备一般使用193nm光源，能够实现45nm节点及以下的集成电路的制造。浸没式光刻机是在曝光镜头与衬底之间充满流体介质(通常采用特殊处理的超纯水)，采用折射和反射相结合的光路设计，这种设计可以减少投影系统光学元件的数目，控制像差和热效应，以此来增大透镜的数值孔径，提高分辨率和焦深，以便获得更小的特征尺寸。在现有光刻技术变动不大的情况下使得成像分辨率得以显著提高，因此得到越来越广泛的应用。

然而，将衬底浸在流体介质中，这就意味着浸没式光刻机在扫描曝光中需要对流体介质进行供给控制，这会引入不需要的扰动力，该扰动力作用在衬底与工件台，而该扰动力属于高频力,微小波动都会影响精密运动台的控制精度。在浸没式光刻机精密运动台及浸没头的垂向运动控制的研发及在线测试过程中，都需要精确测得该高频扰动力数据，用来定量评估给出控制策略。

因此，如何提供一种测力装置，以获取高频扰动力的相关数据成为本领域技术人员必须解决的技术问题之一。现有技术中，其中一种测力装置如附图1所示，流体介质220在浸没结构件230内流动，它的流动受浸没式光刻机控制，流体介质220产生的垂向力作用在力盘240上，第一力传感器251安装在支撑框架260与力盘240之间，该测力装置的固有模态要达到3倍扰动力频率才能满足扰动力相关数据的测试需求。然而，第一力传感器251采用的是压电式传感器，虽然动态响应非常高，但基于压电原理的力传感器，其测量精度达不到≤±0.03N的精度要求。另外一种测力装置如附图2所示，第二力传感器252采用的是应变式力传感器,为了测量更精准，该测力装置需要多个第二力传感器252设置在力盘240的下方。在实际应用中，即使是行业领先的精密测力HBM供应商提供的型号为1-U9C/50N的高频精密测力传感器，根据其产品说明书中标示的相关数据，虽然其固有频率6.5KHZ可以满足高频的需求，但是±0.05N测量精度无法达到扰动力测量精度≤±0.04N的要求，事实上通过标定方式测量其测量精度可以达到±0.03N，因此现有在线测试平台多采用该方案。然而，为了整体结构的稳定性，往往需要在所述力盘240的下方设置多个第二力传感器252，比如，在附图2中，,共采用3个第二力传感器252，这不仅会带来成本的上升，导致结构复杂，而且其测量精度累积了多个传感器的测量精度，最终整个测力装置的测量精度无法满足±0.03N要求。

因此，如何提供一种符合扰动力指标的测力装置日益成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。其中，扰动力指标如下：频率≤200HZ，扰动力≤1N、波动≤±0.12N。因此，测力装置的模态需求要达到600HZ，测量精度≤±0.04N，测量范围≥1N。

需要说明的是，公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种高频响精密测力装置，旨在保证测量精度的同时，实现高频响应，精确测得高频扰动力数据。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种高频响精密测力装置，用于浸没式光刻设备，所述高频响精密测力装置包括顶部结构件、浸没结构件、承力单元、导向结构、测力组件以及支撑框架；

所述顶部结构件位于所述浸没结构件的上方；

所述流体介质在所述浸没结构件中流动产生扰动力；

所述承力单元位于所述浸没结构件的下方；

所述导向结构包括导向结构本体和运动件，所述导向结构本体围设在所述承力单元的外围，其底部与所述支撑框架固定；

所述运动件位于所述导向结构本体靠近所述承力单元的一侧，其运动方向与所述扰动力方向之间的夹角＜90°；

所述测力组件与所述承力单元接触连接，用于获取所述浸没结构件中流体介质的扰动力。

可选地，所述运动件的运动方向与所述扰动力方向之间的夹角为0°。

可选地，所述测力组件包括力传感器，所述力传感器设置在所述承力单元和所述支撑框架之间。

可选地，所述力传感器包括应变式力传感器。

可选地，所述导向结构包括机械直线导轨、气浮导轨或气浮轴承。

可选地，所述导向结构为机械直线导轨，所述机械直线导轨的摩擦系数≤0.002。

可选地，所述导向结构为气浮导轨，所述气浮导轨的气浮力作用在所述承力单元的底部，并使得所述承力单元在其重力、所述扰动力以及所述气浮力共同作用下受力平衡；

所述测力组件包括压力传感器和加速度传感器，所述压力传感器设置在所述导向结构本体的外侧，用于监测CDA的压力变化；

所述加速度传感器设置在所述承力单元的上，用于监测所述承力单元的垂向加速度。

可选地，流体介质在所述浸没结构件中流动，所述承力单元的径向与所述流体介质的流场径向大小匹配。

可选地，所述高频响精密测力装置的固有频率≥600HZ。

可选地，所述承力单元的直径为90mm-110mm。

与现有技术相比，本发明提供的一种高频响精密测力装置，具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种高频响精密测力装置，用于浸没式光刻设备，包括顶部结构件、浸没结构件、承力单元、导向结构、测力组件以及支撑框架；顶部结构件位于所述浸没结构件的上方,流体介质在浸没结构件中流动中产生扰动力,承力单元位于浸没结构件的下方，为离线测量提供了可能；进一步地导向结构包括导向结构本体和运动件，所述导向结构本体围设在所述承力单元的外围，其底部与支撑框架固定,运动件位于导向结构本体靠近承力单元的一侧，提高了结构模态，满足了高频响测量的需求；测力组件与承力单元接触连接，用于获取浸没结构件中流体介质的扰动力，提高了现有技术中离线测量的精度。

2.解决了基于单个传感器的结构稳定性问题，在保证测量精度的同时，实现了高频响应。能够精确测得高频扰动力数据，为工件台的垂向运动控制策略的研究及控制提供必要的测试数据，从而提高工件台的运动精度。

3.运动件位于所述导向结构本体靠近所述承力单元的一侧，其运动方向与所述扰动力方向之间的夹角＜90°，扩大了测量量程，从而解决了现有技术中力传感器测量范围较小的问题；另一方面，为选择量程更小精度更高的测力传感器提供了可能。

附图说明

图1为现有技术其中一种测力装置的结构示意图；

图2为现有技术中另外一种测力装置的结构示意图；

图3为浸没式光刻机的结构示意图；

图4为本发明实施例一的高频响精密测力装置的结构示意图；

图5为本发明实施例二的高频响精密测力装置的结构示意图；

图6为本发明实施例三的高频响精密测力装置的结构示意图；

其中，附图标记说明如下：

110-光源，120-掩模台，130-物镜，140-对准系统，150-液体控制装置，160-衬底台，161-衬底；

210-顶部结构件，220-流体介质，230-浸没结构件，240-力盘，260-支撑框架；

251-第一力传感器，252-第二力传感器，253-第三力传感器；

270-导向结构，271-导向结构本体，272-运动件；

280-压力传感器，290-加速度传感器；

F-流体介质扰动力。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明提出的高频响精密测力装置作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。应当了解，说明书附图并不一定按比例地显示本发明的具体结构，并且在说明书附图中用于说明本发明某些原理的图示性特征也会采取略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。以及，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在本说明书中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如附图3所示，为浸没式光刻机结构示意图，浸没式光刻机包括光源110，为光刻机提供曝光光源，具体地，所述光源110为激光器，所述光源110所发出的光的波长为365nm、248nm、193nm、157nm或128nm等；掩模台120，提供光刻所需的掩模图形；衬底161，放置于衬底台160上，掩模台120上的掩模图形经物镜130转移到所述衬底161上，对准系统140调整掩模与衬底161的位置关系，所述液体控制装置150位于物镜130最后一片物镜(图中未示出)和所述衬底161之间，所述液体控制装置150将衬底161上的曝光区域部分浸没在流体介质中，衬底台160带动衬底161做扫描或步进运动，最终完成光刻曝光过程。由于光刻技术在曝光过程中的高精密要求，使用测试平台来模拟实际曝光过程中所述流体介质151产生的扰动力，通过测力装置测量扰动力相关数据，而不是在光刻过程进行。这也是本发明下述各实施提供的高频响精密测力装置的应用场景之一。

<实施例一>

本实施例提供的一种高频响精密测力装置，用于浸没式光刻设备。参见附图4，图4为本发明实施例一的高频响精密测力装置的结构示意图。从图中可以看出，所述高频响精密测力装置包括顶部结构件210、浸没结构件230、承力单元、导向结构270、测力组件以及支撑框架260。具体地，所述顶部结构件210位于所述浸没结构件230的上方，所述顶部结构件210用于模拟光刻设备的物镜；所述流体介质220在所述浸没结构件230中流动中产生扰动力，用于模拟实际光刻过程中流体介质产生的扰动力；所述承力单元位于所述浸没结构件230的下方，在本实施例中，所述承力单元为力盘240，用于模拟实际光刻过程中的衬底。

进一步地，所述导向结构270包括导向结构本体271和运动件272，所述导向结构本体271围设在所述力盘240的外围，其底部与所述支撑框架260固定。在本实施例中，所述运动件272位于所述导向结构本体271靠近所述力盘240的一侧，其运动方向与流体介质扰动力F的方向相同，所述运动件272的运动方向与所述扰动力方向之间的夹角为0°,特别地，所述导向结构270与所述力盘240接触但不施加垂向的力。再进一步地，所述测力组件与所述力盘240接触连接，能够检测到所述浸没结构件230中流体介质扰动力F。在本实施例中，所述测力组件为第三力传感器253，设置在所述力盘240和所述支撑框架260之间。

较佳地，所述流体介质220在所述浸没结构件230中流动，所述力盘240的径向与所述流体介质220的流场径向大小匹配，所述力盘240的直径为90mm-110mm。所述力传感器包括应变式力传感器，单个第三力传感器253的固有频率可达6.5KHZ,所述高频响精密测力装置的固有频率≥

600HZ。再进一步地，在其他的实施方式中，所述导向结构270包括但不限于机械直线导轨、气浮导轨或气浮轴承。特别地，当所述导向结构270为机械直线导轨时，其摩擦系统可以控制在0.002。当所述导向结构270为气浮导轨时，气浮导轨的摩擦系数更小，并且所述流体介质220施加到所述导向结构270上的力很小，因此，新增导向结构270后引入的摩擦力可以忽略，对测量精度的影响可以忽略不计。因此，本实施例提供的一种高频响精密测力装置，所述导向结构270能够提高所述高频响精密测力装置的结构模态，再加上运动件272的运动方向与流体介质扰动力F的方向相同，使得通过单个第三力传感器253即可满足在满足高频响测试要求的同时，又能满足测力精度的要求。这样，所述第三力传感器253测得的力即为流体介质扰动力F扰动力。

<实施例二>

如附图5所示，为本实施例高频响精密测力装置的结构示意图，本实施例提供的高频响精密测力装置，与实施例一相比，其不同之处在于，所述运动件272运动方向与所述流体介质扰动力F之间呈一定夹角，所述夹角＜90°，此时，所述第三力传感器253测得力即为“扰动力沿所述导向结构本体271延伸方向的分力”减去“所述导向结构本体271延伸方向的摩擦力”，“导向结构本体271延伸方向的摩擦力”可以通过计算获得，其计算方法为扰动力在导向结构本体271延伸方向的分力与摩擦系数的乘积。

该方案属于间接测量法，同样具备高频响精密测量特点，并且通过夹角的设计可以扩大测量量程，这样可以选择量程更小、精度更高的测力传感器。

<实施例三>

如附图6所示，为本实施例高频响精密测力装置的结构示意图，本实施例提供的高频响精密测力装置，与实施例一相比，其不同之处在于，所述导向结构270为气浮导轨，所述气浮导轨的气浮力作用在所述力盘240的底部，并使得所述力盘240在其重力、所述流体介质扰动力F以及所述气浮力共同作用下受力平衡；进一步地，所述测力组件包括压力传感器280和加速度传感器290，所述压力传感器280设置在所述导向结构本体271的外侧，用于监测CDA(Compressed Dry Air)的压力变化；所述加速度传感器290设置在所述力盘240上，用于监测所述力盘240的垂向加速度。

使用本实施例高频响精密测力装置时，获取流体介质扰动力F的方法如下，假设初始时浸没结构件230中没有流体介质220，则流体介质扰动力F的初始值F_初＝0，a_初＝0，此时，所述气浮导轨的气浮力f(P_初)＝mg，其中，P_初为所述压力传感器280的测量值，m为所述力盘240的质量。因此，根据所述力盘240的受力平衡，当流体介质220通过时产生流场扰动力，其流体介质扰动力F的计算方法为：F＝f(P)-ma，其中，P为所述压力传感器280测量值的变化量，m为所述力盘240的质量，a为所述力盘240的加速度。

本实施例提供的高频响精密测力装置基于气浮导轨，能够实现600HZ以上的固有频率，现有的加速度传感器的测量精度可到0.000001m/s²，压力传感器的测量精度可到±0.01％FS，所述力盘240的质量可以设计在1Kg以内。能够满足高频响精密测量要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

综上，上述实施例对高频响精密测力装置的不同构型进行了详细说明，当然，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种高频响精密测力装置，用于浸没式光刻设备，其特征在于，所述高频响精密测力装置包括顶部结构件、浸没结构件、承力单元、导向结构、测力组件以及支撑框架；

所述顶部结构件位于所述浸没结构件的上方；

所述流体介质在所述浸没结构件中流动产生扰动力；

所述承力单元位于所述浸没结构件的下方；

2.根据权利要求1所述的高频响精密测力装置，其特征在于，所述运动件的运动方向与所述扰动力方向之间的夹角为0°。

3.根据权利要求1所述的高频响精密测力装置，其特征在于，所述测力组件包括力传感器，所述力传感器设置在所述承力单元和所述支撑框架之间。

4.根据权利要求3所述的高频响精密测力装置，其特征在于，所述力传感器包括应变式力传感器。

5.根据权利要求1所述的高频响精密测力装置，其特征在于，所述导向结构包括机械直线导轨、气浮导轨或气浮轴承。

6.根据权利要求5所的高频响精密测力装置，其特征在于，所述导向结构为机械直线导轨，所述机械直线导轨的摩擦系数≤0.002。

7.根据权利要求5所述的高频响精密测力装置，其特征在于，所述导向结构为气浮导轨，所述气浮导轨的气浮力作用在所述承力单元的底部，并使得所述承力单元在其重力、所述扰动力以及所述气浮力共同作用下受力平衡；

8.根据权利要求1所述的高频响精密测力装置，其特征在于，流体介质在所述浸没结构件中流动，所述承力单元的径向与所述流体介质的流场径向大小匹配。

9.根据权利要求1所述的高频响精密测力装置，其特征在于，所述高频响精密测力装置的固有频率≥600HZ。

10.根据权利要求1所述的高频响精密测力装置，其特征在于，所述承力单元的直径为90mm-110mm。