CN1200321C - 步进投影光刻机双台轮换曝光超精密定位硅片台系统 - Google Patents

Abstract

步进投影光刻机双台轮换曝光超精密定位硅片台系统，该系统含有运行于曝光工位的硅片台定位单元和运行于预处理工位的硅片台定位单元，每个定位单元含有硅片承载装置。本发明设有供硅片承载装置沿Y向运动及交换的可对接的双侧直线导轨及与双侧直线导轨成H型布置的X向直线导轨；所述双侧直线导轨的两端均装有直线电机和气浮轴承，可沿X向导轨作无摩擦的步进运动，其底面也通过气浮轴承支撑在所述基台的上表面；两个硅片承载装置分别设置在双侧直线导轨的两侧。该系统可在保持现有单台曝光硅片运动定位系统的运动速度和加速度的前提下大幅度提升曝光效率；工作空间上不存在重叠和发生干涉的问题，系统结构简单，有效提高了运行的可靠性和定位精度。

Description

步进投影光刻机双台轮换曝光超精密定位硅片台系统

技术领域

本发明涉及一种在光刻过程中用于硅片的超精密运动定位系统，该系统既可以用于扫描型光刻机，也可以用于步进型光刻机。

背景技术

在集成电路芯片的生产过程中，芯片的设计图形在硅片表面光刻胶上的曝光转印(光刻)是其中最重要的工序之一，该工序所用的设备称为光刻机(曝光机)。光刻机的分辨率和曝光效率极大的影响着集成电路芯片的特征线宽(分辨率)和生产率。而作为光刻机主要组成部分的硅片超精密运动定位系统的运动精度和工作效率，又在很大程度上决定了光刻机的分辨率和曝光效率。

光刻机可以按照其硅片运动定位系统的不同运动形式分为步进型光刻机(STEPPER)和扫描型光刻机(SCANNER)。二者的主要区别在于扫描型光刻机有可进行大范围扫描运动定位的掩模运动定位系统，而步进型光刻机没有。同时，二者的硅片运动定位系统在曝光时的运动规律也不同，步进型光刻机硅片台只有步进运动，而扫描型光刻机硅片台除进行不同芯片(Chip)间的步进运动外，还进行Chip内的扫描运动。

以目前居于主流的扫描型光刻机为例，其基本原理如图1所示。来自光源的激光透过掩模47、光阑48、透镜49将掩模上的一部分图形成像在硅片50的某个Chip上。掩模和硅片反向或同向按一定的速度比例作同步运动(如4∶1或5∶1，视透镜的缩小倍率而定)，最终将掩模上的全部图形成像在硅片的特定芯片(Chip)上。

硅片运动定位系统(下简称为硅片台)的基本作用就是在曝光过程中承载着硅片并按设定的速度和方向运动，以实现掩膜图形向硅片上各区域的精确转移。由于芯片的线宽非常小(目前最小线宽已经达到90nm)，为保证光刻的套刻精度和分辨率，就要求硅片台具有极高的运动定位精度；由于硅片台的运动速度在很大程度上影响着光刻的生产率，从提高生产率的角度，又要求硅片台的运动速度不断提高。

传统的硅片台，如专利EP 0729073和专利US 5996437所描述的，光刻机中只有一个硅片运动定位单元，即一个硅片台。诸如准备工作都要在上面完成。这些工作所需的时间很长，特别是对准，由于其要求进行精度极高的低速扫描(典型的对准扫描速度为1mm/s)，因此所需时间很长。而要减少其工作时间却非常困难。这样，为了提高光刻机的生产效率，就必须不断提高硅片台的步进和曝光扫描的运动速度。而速度的提高将不可避免导致系统动态性能的恶化，需要采取大量的技术措施保障和提高硅片台的运动精度。为保持现有精度甚至达到更高精度要付出的代价将大大提高。

专利WO98/40791(公开日期：1998.9.17；国别：荷兰)所描述的结构采用双硅片台结构，将上下片、预对准、对准等曝光准备工作转移至第二个硅片台上，且与曝光硅片台同时独立运动。在不提高硅片台运动速度的前提下，曝光硅片台大量的准备工作由第二个硅片台分担，从而大大缩短了每片硅片在曝光硅片台上的工作时间，大幅度提高了生产效率。

然而这种双台结构也存在一些问题：一是在两硅片台进行交换时，两硅片台在一段很短的时间内将处于自由状态，这无疑会对系统的定位精度造成一定的影响，而为解决这一问题将使结构复杂化。二是两硅片台的运动范围存在重叠区域，这会导致双台在运动过程中发生碰撞，其后果将是灾难性的。为此就必须增加防碰撞控制装置和检测装置，同样也会使系统复杂化，可靠性也会下降。三是由于硅片台不可避免的会带有数量众多的线缆，该结构在实现交换的过程中对线缆的处理将比较困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种步进投影光刻机双台轮换曝光超精密定位硅片台系统，它可使硅片的曝光过程和预处理过程同时进行，进一步简化系统结构，提高运行的可靠性和定位精度。

本发明的技术方案如下：一种步进投影光刻机双台轮换曝光超精密定位硅片台系统，该系统含有运行于曝光工位的硅片台定位单元和运行于预处理工位的硅片台定位单元，每个硅片台定位单元含有硅片承载装置，所述的两个硅片台定位单元设置在一基台上，其特征在于：在所述的基台上设有供硅片承载装置沿Y向运动及交换的可对接的双侧直线导轨及与双侧直线导轨成H型布置的X向直线导轨；所述的双侧直线导轨的两端均装有直线电机和气浮轴承，可沿X向导轨作无摩擦的步进运动，其底面也通过气浮轴承支撑在所述基台的上表面；两个硅片承载装置分别设置在双侧直线导轨的两侧，并通过直线电机和气浮轴承同双侧直线导轨相联。

本发明的的技术特征还在于：在基台上设有一个可供硅片承载装置交换时起桥接功能的桥接装置，该装置是由设置在基台中部凹槽中的气浮导套、桥接板及驱动装置组成。

本发明所述的每个硅片承载装置分别装有一个线缆台，每个线缆台由Y向导轨、Y向滑块、设置在Y向滑块内的X向滑块、Y向驱动装置和X向驱动装置组成；X向滑块同硅片承载装置的线缆相连。

本发明所述桥接装置中的驱动装置采用摩擦轮或气缸驱动。

本发明中所述的气浮轴承采用真空预载的气浮轴承或永磁预载气浮轴承。

线缆台的驱动装置可以采用直线电机驱动，气浮导轨导向，线性光栅作为位置反馈；或采用滚珠导轨导向，旋转伺服电机驱动，滚珠丝杠或同步带传动，由圆光栅作为位置反馈。

本发明还在基台的X向直线导轨和每个双侧直线导轨的导向面上均装有用于硅片台定位单元位置反馈的线性光栅。

本发明还包括用于硅片定位单元位置反馈的双频激光干涉仪。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明所提出的双台轮换曝光硅片超精密运动定位系统由于采用了并行工作原理，使得硅片的曝光过程和预处理过程同时进行，可以在保持现有单台曝光硅片运动定位系统的运动速度和加速度的前提下大幅度提升曝光效率；该双台结构在工作空间上不存在重叠，因而不会发生干涉，不必在采用额外的碰撞预防装置，降低了系统的复杂程度，提高了可靠性。同时本发明采用了线缆台结构，有效降低了线缆变形导致的对系统运动定位精度的不良影响。

附图说明

图1a、1b为光刻机的工作原理。

图2为整个系统的等轴侧图。

图3表示了系统处于交换状态的情况。

图4为硅片承载装置交换后系统的工作状态。

图5、图6表示了Y向可对接双侧直线导轨、硅片承载装置和线缆台的结构。

图7为桥接装置的结构示意图。

图8为激光干涉仪的空间安装位置的结构。

图中：1—基台；

2—基台上的曝光工位；

3—基台上的预处理工位；

4、5—双侧可对接直线导轨；

6、7—硅片承载装置；

8a—曝光工位上的导向面；

8b—预处理工位上的导向面；

9a、9b—线缆台(包括线缆、导轨，X向滑块和Y向滑块)；

10a、10b—桥接装置(包括桥接板、气浮导套及驱动装置)；

11a、11b、12a、12b—双侧可对接直线导轨单元上用于驱动硅片承载装置沿Y向运动的直线电机；

13a、13b、14a、14b—双侧可对接直线导轨单元上用于驱动自身沿X向运动的直线电机；

15a、15b、16a、16b—双侧可对接直线导轨单元上用于硅片承载装置沿Y向运动的直线导轨面；

17、18—硅片承载装置侧面安装的气浮轴承；

19、20—硅片承载装置底面安装的气浮轴承；

21、22—双侧可对接直线导轨单元底面安装的气浮轴承；

23a、23b—曝光工位上安装的用于双侧可对接直线导轨4沿X方向运动的直线导轨；

24a、24b—预处理工位上安装的用于双侧可对接直线导轨5沿X方向运动的直线导轨；

25a、25b、26a、26b—双侧可对接直线导轨上安装的气浮轴承；

27a、27b、28a、28b—双侧可对接直线导轨上安装的用于Y向运动位置检测的线性光栅；

29—曝光工位上安装的用于双侧可对接直线导轨4沿X向运动位置检测的线性光栅；

30—预处理工位上安装的用于双侧可对接直线导轨4沿X向运动位置检测的线性光栅；

31a、31b—线缆；32a、32b—线缆台X向滑块；33a、33b—线缆台Y向滑块；

34a、34b—线缆台Y向导轨；35a、35b、38a、38b—桥接装置的驱动装置；

36、40—桥接板；37、39-气浮导套；41、42、43、44、45、46—双频激光干涉仪

47—掩模；48—光阑；49—透镜；50—硅片；51—基台中部的凹槽

52a、52b—凸台。

具体实施方式

图2显示了整个系统在工作时的状态。此时双侧可对接直线导轨4、5和硅片承载装置6、7一起分别在曝光工位和硅片预处理工位完成设定的动作，桥接装置10a、10b处于非桥接位置，不会和直线导轨单元发生干涉。线缆台9a、9b由其驱动装置驱动，使硅片承载装置上的线缆保持与硅片承载装置同步运动。

图3显示了系统工作于交换状态时的情景。首先双侧可对接直线导轨单元4、5和硅片承载装置6、7一起进入交换位置P¹、P²，此时，双侧直线导轨4、5精确对接。然后桥接装置由其驱动装置驱动沿X轴方向相向运动进入桥接位置。之后硅片承载装置6、7由直线电机驱动在对接的Y向双侧直线导轨单元上的相对侧相向运动，硅片承载装置7由预处理工位运动到曝光工位，硅片承载装置6由曝光工位运动到预处理工位，从而实现硅片承载装置相对于曝光工位和预处理工位的交换。交换后桥接装置10a、10b沿X方向背向运动撤离桥接位置，这时硅片承载装置又可以按设定的动作运行，新的工作循环开始。图4为硅片承载装置交换后系统的工作状态。

图5、6显示了Y向可对接双侧直线导轨4、5、硅片承载装置6、7、和曝光工位及预处理工位之间的相互关系。硅片承载装置6、7的下表面装有真空预载的气浮轴承19、20，通过空气轴承支撑在曝光工位和预处理工位的导向面8a、8b上(如图2所示)，并可沿x，y方向无摩擦运动。同时硅片承载装置6、7的侧面也通过真空预载气浮轴承17、18分别支撑在Y向可对接双侧直线导轨4、5的侧面导轨面15a、15b、16a、16b上，并分别由直线电机11a、11b、12a、12b驱动沿y向无摩擦运动。双侧直线导轨4通过底面的真空预载气浮轴承21和气浮轴承25a、25b支撑在曝光工位的导轨23a、23b上，并由直线电机13a、13b驱动沿x向无摩擦运动；直线导轨单元5通过底面的真空预载气浮轴承22和气浮轴承26a、26b支撑在预处理工位的导轨24a、24b上，并由直线电机14a和14b驱动沿x向无摩擦运动。

本发明中所述的每个双侧直线导轨的两个导向面的上方均安装有直线电机的定子，与之对应的直线电机动子安装在硅片承载装置的一侧；每个双侧直线导轨的两端的直线电机的动子安装在双侧直线导轨上，与之对应的定子安装在基台上。

在曝光工位和预处理工位上安装有线性光栅29、30，可分别作为直线导轨单元4、5沿X向运动的位置反馈装置。直线导轨单元4、5上安装的线性光栅27a、27b、28a、28b则分别作为硅片承载装置沿Y方向运动的位置反馈装置。但对精度的要求更高时，则采用双频激光干涉测量作为反馈装置。

本发明中为达到高定位精度均采用了无摩擦的气浮轴承，在某些部位采用了真空预载作为空气轴承的预载方式，这种方式也可以更换为永磁预载。

本发明所采用的结构经过简单调整还可工作于真空环境，如将空气轴承替换为磁悬浮轴承或可在真空下工作的气浮轴承。

图5和图6还显示了线缆台的工作状况和结构。由X向滑块32a、32b，Y向滑块33a、33b，线缆31a、31b，线缆台导轨34a、34b组成的两个线缆台分别对应于硅片承载装置6和7，保证线缆同硅片承载装置同步运动。其中，Y向滑块33a、33b分别安装在线缆台导轨34a、34b上，可沿Y向运动；X向滑块32a、32b安装分别在Y向滑块33a、33b中，可沿X方向运动；X向滑块32a、32b同线缆31a、31b相连。由于线缆台的运动精度不高，其驱动方案可灵活配置。可以采用直线电机驱动，气浮导轨导向，线性光栅作为位置反馈；也可以采用滚珠导轨导向，旋转伺服电机驱动，滚珠丝杠或同步带传动，由圆光栅作为位置反馈。

图7显示了桥接装置的结构。由桥接板36、40，气浮导套37、39，摩擦驱动装置构成的两套桥接装置分别位于基台的两侧。其中气浮导套37、39安装在基台中部凹槽51两侧的凸台上，其作用是为桥接板36、40提供运动导向。桥接板36、40安装在气浮导套37、39中；摩擦驱动装置35a、35b、38a、38b也安装在凸台52a，52b上，其摩擦轮压紧在桥接板的两侧。

当硅片承载装置6、7处于工作状态时，桥接板位于非桥接位置，如图2中所示，当硅片承载装置处于交换状态时，桥接板则进入桥接位置，如图3所示。摩擦驱动装置是由伺服电机带动摩擦轮驱动桥接板前后运动，也可以采用气缸作为驱动元件。

图8显示了本发明在采用双频激光干涉仪作为位置反馈时的安装位置。由于在光刻机中，激光干涉仪都是同光学系统安装在一起，同定位系统在物理上由隔振装置隔离，因此本图中仅表示出激光干涉仪的空间位置，不涉及其安装形式。本测量方案可对硅片承载装置做六自由度测量。

Claims (8)

1.一种步进投影光刻机双台轮换曝光超精密定位硅片台系统，该系统含有运行于曝光工位的硅片台定位单元和运行于预处理工位的硅片台定位单元，每个硅片台定位单元含有硅片承载装置(6、7)，所述的两个硅片台定位单元设置在一基台(1)上，其特征在于：在所述的基台上设有供硅片承载装置沿Y向运动及交换的可对接的双侧直线导轨(4、5)及与双侧直线导轨成H型布置的X向直线导轨(23a、23b、24a、24b)；所述的双侧直线导轨的两端均装有直线电机(13a、13b、14a、14b)和气浮轴承(25a、25b、26a、26b)，可沿X向导轨作无摩擦的步进运动，其底面也通过气浮轴承(19、20)支撑在所述基台的上表面(8a、8b)；两个硅片承载装置分别设置在双侧直线导轨的两侧，并通过直线电机(11a、11b、12a、12b)和气浮轴承(17、18)同双侧直线导轨相联。

2.按照权利要求1所述的定位硅片台系统，其特征在于：在基台(1)上设有可供硅片承载装置交换时起桥接功能的桥接装置(10a、10b)，该装置是由设置在基台中部凹槽(51)中的气浮导套(37、39)、桥接板(36、40)及驱动装置(35a、35b、38a、38b)组成。

3.按照权利要求1或2所述的定位硅片台系统，其特征在于：所述的每个硅片承载装置(6、7)分别装有一个线缆台(9a、9b)，每个线缆台由Y向导轨(34a、34b)、Y向滑块(33a、33b)、设置在Y向滑块内的X向滑块(32a、32b)、Y向驱动装置和X向驱动装置组成；X向滑块同硅片承载装置的线缆相连。

4.照权利要求2所述的定位硅片台系统，其特征在于：所述的桥接装置中的驱动装置采用摩擦轮或气缸驱动。

5.按照权利要求1所述的定位硅片台系统，其特征在于：所述的气浮轴承为真空预载的气浮轴承或永磁预载气浮轴承。

6.按照权利要求3所述的定位硅片台系统，其特征在于：线缆台的驱动装置采用直线电机驱动，气浮导轨导向，线性光栅作为位置反馈；或采用滚珠导轨导向，旋转伺服电机驱动，滚珠丝杠或同步带传动，由圆光栅作为位置反馈。

7.按照权利要求1所述的定位硅片台系统，其特征在于：在所述基台的X向直线导轨和每个双侧直线导轨的导向面(15a、15b、16a、16b)上均装有用于硅片台定位单元位置反馈的线性光栅(27a、27b、28a、28b、29、30)。

8.按照权利要求1或7所述的定位硅片台系统，其特征在于：该系统还包括用于硅片定位单元位置反馈的双频激光干涉仪(41、42、43、44、45、46)。

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