CN1252542C - 带有平衡块消振装置的超精密硅片定位系统 - Google Patents

Abstract

带有平衡块消振装置的超精密硅片定位系统，该系统运用动量守恒原理，将硅片承载装置及其驱动导向装置放置在一个由气浮轴承支撑的、具有X、Y两自由度的平衡块上，当硅片承载装置沿一个方向运动时，平衡块反方向运动，消除由于运动反力引起的振动；该系统还装有动量轮系统，用于消除硅片承载装置运动平面内由于动量距不守恒带来的振动；整个系统由三个空气弹簧支撑，吸收其余三个自由度的残余振动，从而进一步提高了硅片定位系统的运动精度。

Description

带有平衡块消振装置的超精密硅片定位系统

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，特别涉及一种带有消振装置的超精密硅片定位系统，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、光阑、透镜将掩模上的一部分图形成像在硅片的某个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。由于芯片的线宽非常小(目前最小线宽已经达到90nm)，就要求硅片台具有极高的运动定位精度；由于硅片台的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，又要求硅片台的速度不断提高。而速度的提高带来了一系列负面效应，其中由此引起的振动不仅导致硅片运动定位精度的下降，同时还严重影响光刻机的光学成像系统和测量系统，因此振动抑制已经成为当前在光刻领域将线宽向更小尺度推进的主要障碍之一。本发明涉及一种利用动量守恒原理抑制硅片超精密运动定位系统自身振动的装置。

光刻机在生产过程中受到的振动主要来自两方面，一是来自外界环境(大地振动，声振等)的振动，二是来自光刻机内部机械结构(主要是硅片台和掩模台)运动产生的振动。

在以往的光刻机中，由于速度低、精度低，振动抑制的重点在于对外部环境振动的隔离，而对于光刻机自身振动的消除则辅以阻尼吸振等措施，如专利US6226072、US6028376中所述。而随着光刻线宽不断变小，那种隔离外界振动为主，内部吸振为辅的手段就逐渐变得不能适应，由此，在不断提高振动隔离装置效能的同时，又发展起新的、针对光刻机自身振动的主动消减技术。

目前主要使用的技术就是利用动量守恒原理消除光刻机自身机械结构运动产生的振动。专利US6359679和专利EP1111469均利于这种原理进行振动消除，但二者实现方式有较大差别。专利US6359679采用的方式为在结构主体(硅片台或掩模台)的运动方向的延长线上安装一个平衡质量，同样由电机驱动，运动方向与主运动方向相反，通过精确的计算和控制，使得平衡质量运动所产生的运动反力同结构主体运动所产生的运动反力相互抵消，以此达到消除振动的目的；专利EP1111469采用的方式更为完美的利用了动量守恒原理，其原理见图2，其中图2a显示的是非动量守恒结构，小车41运行于基座42上，基座固定。小车运动时产生的运动反力作用在基座42上导致基座发生振动；图2b显示了动量守恒消振原理，当小车43朝一个方向运动时，基座44反向运动，消除了运动反力引起的振动。由于基座和运动部分均采用气浮支撑，摩擦力几乎可以忽略，这种结构形式可以极大的降低运动系统的运动反力引起的系统振动，从而大幅削弱来自内部结构振动对光刻机的影响。相比较两种方式，第二种方式因其更好的效果目前已经开始应用在新一代光刻机当中。

上述两种运动动量守恒原理消除振动的方法都存在各自的不足：专利US6359679中提出的方法由于在同一运动方向上使用了两个直线电机，导致定位系统的体积增大，同时由于驱动元件增多并且距离硅片或掩模的距离较近，使得对于硅片或掩模周围的温度控制变得更加困难；专利EP1111469所使用的方法虽然避免了上述问题，但该方法在实现动量守恒的过程中为了保持运动平面内角动量的守恒，使整个平衡质量在平面内处于了自由状态，由于硅片台的驱动和导向装置均装在平衡质量块上，该质量块在运动平面内发生的微小转动会影响硅片的定位精度。为此该方法对平衡质量在运动平面内的转动加上了一定的约束，但由于约束存在摩擦使得动量守恒消振的效果降低。

在专利CN1485694中提出了一种用于步进扫描型光刻机的双台轮换曝光超精密定位硅片台系统，该系统拥有两个用于承载硅片的独立的并且可以同时工作的运动定位单元，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。

但该发明并未涉及如何消除曝光过程中由于运动定位单元高速、高加速运动时产生的振动对于整个光刻机的影响。本发明针对此点在该双台结构的基础上发展了一种运用动量守恒原理进行主动消振的新结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有平衡块的用于步进投影光刻机双台轮换曝光超精密定位硅片台的振动消除装置，它可有效消除硅片曝光和预处理过程中硅片台运动反力引起的振动对台体本身、光刻机曝光系统和测量系统的影响，从而提高硅片台的运动精度和运行速度，提升曝光质量。

本发明的技术方案如下：

带有平衡块消振装置的超精密硅片定位系统，含有运行于曝光工位和预处理工位的两个硅片台承载装置，使硅片承载装置沿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；两个硅片承载装置分别设置在双侧直线导轨的两侧，并分别通过直线电机和气浮轴承同双侧直线导轨相联；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，其特征在于：该系统设有一个具有X、Y两自由度的平衡块，所述的两个硅片承载装置通过气浮轴承设置在平衡块上，所述双侧直线导轨的底面也通过气浮轴承支撑在平衡块的上表面，平衡块通过其底面的气浮轴承安装在基座的上表面，平衡块的底面设有两个起导向作用的矩形槽，两个“口”字形导轨通过气浮轴承同所述矩形槽相配合；所述两个“口”字形导轨通过气浮轴承设置在基座上。

本发明的技术特征还在于：在所述的平衡块底面的中心部位开有一个圆形槽，槽中装有动量轮系统，所述的动量轮系统是由旋转伺服电机、角加速度传感器、动量轮和回转气浮轴承构成；所述的动量轮与伺服电机直接相连，并通过回转气浮轴承支撑在圆形槽中。

本发明的技术特征还在于：在沿平衡块的X、Y运动方向上均装有防漂移的直线电机和线性光栅，当平衡块的位置发生非预期的偏离时，电机可以及时予以纠正。

在上述方案的基础上，本发明的技术特征还在于：在沿平衡块的X、Y运动方向上均装有防漂移的音圈电机和线性光栅，当平衡块的位置发生非预期的偏离时，电机可以及时予以纠正。本发明所述的基座的底部装有三个空气弹簧，吸收残余振动。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：由于平衡块自身带有导轨，限制了平衡块在运动平面内的转动自由度，可防止由于平衡块在运动平面内发生微小转动导致的硅片定位精度下降。而为实现运动平面内的动量矩守恒，本发明引入了动量轮系统，由于动量轮的位置距离硅片较远，也减轻了动量轮驱动装置发热带来的负面影响。本发明通过将现有的两种动量守恒消振的实现方法有机结合，并辅以空气弹簧的被动隔振，能够更好的消除了硅片定位系统运动反力引起的振动，从而进一步提高硅片定位系统的运动精度。

附图说明

图1显示了扫描型光刻机的工作原理。

图2显示了动量守恒消振原理。

图3是平衡块系统的等轴侧图。

图4为扫描导轨空气轴承的布置图。

图5为平衡块系统的爆炸图。

图6显示了平衡块导轨气浮轴承的布置情况和动量轮系统的结构。

图7显示了整个系统工作时动量轮和空气弹簧的位置。

图8、9说明了防漂移电机和线性光栅的安装位置。

图中：

1-平衡块消振装置

2-基座

3-平衡块

4a、4b-“口”字形导轨

5a、5b-硅片承载装置双侧直线导轨

7a、7b-硅片承载装置

8a、8b、9a、9b-硅片承载装置扫描方向驱动用直线电机

10a、10b、11a、11b-硅片承载装置步进方向驱动用直线电机

12a、12b-平衡块沿步进方向的防漂移电机

13a、13b-平衡块沿扫描方向的防漂移电机

14-硅片预处理工位

15-硅片曝光工位

16-用于驱动动量轮的伺服电机

17-动量轮

18-用于支撑动量轮的回转气浮轴承

19a、19b、19c-用于支撑基座的三个空气弹簧

20a、20b、21a、21b、22a、22b-支撑扫描导轨沿步进方向运行的气浮导轨

23-在Z方向为平衡块提供支撑的气浮轴承(导向面为24)

24-基座2上的导向面

25a、25b、26a、26b-为平衡块导轨提供Z向支撑的气浮轴承(导向面为24)

27a、27b、28a、28b-为平衡块导轨提供步进方向支撑的气浮轴承

29a、29b、30a、30b-为平衡块导轨提供步进方向导向的导轨

31(a-h)-为平衡块导轨提供扫描方向支撑的气浮轴承

32-平衡块步进方向位置检测线性光栅

33-平衡块扫描方向位置检测线性光栅

34(a-d)-为平衡块导轨提供扫描方向导向的导轨

35-掩模

36-光阑

37-透镜

38-硅片

39-扫描视场

40-步进视场

41-小车

42-基座

43-小车

44-基座

具体实施方式

本发明运用动量守恒原理消除光刻机中超精密硅片定位系统在工作时由运动反力引起振动。该系统包括由硅片承载装置7a，7b，用于Y向扫描驱动的直线电机8a，8b，9a，9b，用于X向步进驱动的直线电机10a，10b，11a，11b，及双侧直线导轨5a，5b。

平衡块3由气浮轴承和气浮导轨4a，4b支撑子基座2上，并可沿X，Y方向自由运动。平衡块系统和硅片承载装置及其驱动电机、导轨组成的动量守恒系统可以有效消减运动反力引起的振动。

平衡块的内部装有由动量轮17、旋转伺服电机16、回转气浮轴承18和角加速度传感器组成的动量轮系统，该系统与硅片承载装置及其驱动电机、导轨组成动量矩守恒系统，当两个硅片承载装置同时运动时，产生的运动反力矩使得平衡块有转动的趋势，此时动量轮系统中的角加速度传感器将所测得的加速度信息反馈给伺服控制系统，通过计算后控制动量轮反向旋转，从而保持平衡块的姿态，降低运动反力矩引起的振动。

图3显示了平衡块消振系统工作时的状态。硅片承载装置7a，7b由粗动台和六自由度的微动台构成，微动台叠放在粗动台上。粗动台分别由直线电机10a、10b、8a、9a和11a、11b、8b、9b驱动并由气浮轴承支撑可以在导向面14、15上沿X、Y方向运动。

图4显示了硅片运动定位单元中的扫描导轨5a、5b的气浮导向结构，两个扫描导轨分别通过气浮轴承20a、20b、22a和21a、21b、22b支撑在平衡块3上，并可沿X方向运动。此外图4还显示了平衡块3下表面安装的气浮轴承23，该轴承将平衡块支撑在基座2的上表面24并可使平衡块在X-Y平面内自由运动。

图5为平衡块系统的爆炸图，它和图6-同显示了平衡块系统的结构。平衡块系统由平衡块3、基座2、平衡块导轨4a、4b和由动量轮17、旋转伺服电机16、回转气浮轴承18组成的动量轮系统组成。

由图5、6中可见，平衡块上带有导向面29a、29b和30a、30b，它们同“口”字形导轨4a、4b上的气浮轴承27a、27b和28a、28b形成的气浮导轨使得平衡块3可以在X方向自由运动。

“口”字形导轨在Z方向的支撑由气浮轴承25a、25b和26a、26b支撑在基座2的导向面24实现，其水平方向的支撑由八个气垫31a-h支撑在基座2的导向面34a、34b、34c、34d上实现，这种支撑形式使得平衡块3连同“口”字形导轨可以-同沿Y方向自由运动。

在硅片运动定位单元工作时，当扫描导轨5a、5b沿X方向运动时，由于直线电机的定子同平衡块固联在一起，运动反力直接作用在平衡块3上，使得平衡块沿相反方向运动。当硅片承载装置7a、7b沿Y方向运动时，直线电机的运动反力通过扫描导轨两端的空气轴承20a、20b和21a、21b作用在平衡块上，使得平衡块沿相反方向运动。这样就消除了运动反力引起的振动。

由于整个系统在工作时平衡块3处于自由状态，则工作时的各种干扰因素会导致平衡块的位置发生变化，称为平衡块的漂移。为了纠正平衡块的位置漂移，在结构中设置了防漂移直线电机和线性光栅检测装置，如图8、9所示。

沿X方向布置的防漂移电机12a、12b以及位置检测光栅32和沿Y方向布置的防漂移电机13a、13b以及位置检测光栅33的工作模式为：线性光栅32、33分别检测平衡块沿X方向和Y方向的漂移量，当漂移量积累到一定值时，直线电机开始工作，将平衡块纠正到设定位置。

以上描述的为系统在X-Y面内的动量守恒模式，但由于系统有两个硅片承载装置，当他们同时运动时，对于平衡块，就会产生一个运动反力矩，这个力矩使平衡块有转动的趋势。由于平衡块导轨的存在，实际平衡块并不会发生转动，但由此就会产生振动，影响光刻机的其他部分。为此，在平衡块的下底面中心部位安装有动量轮系统，其位置如图5、6、7所示。该系统分别由伺服电机16、动量轮17和回转气浮轴承18组成。回转气浮轴承的作用是使动量轮实现无摩擦旋转。这个系统的工作模式为，当安装在平衡块上的高精度角加速度传感器(未示出)敏感到平衡块有发生转动的趋势时，伺服电机根据角加速度的反馈，在控制系统的控制下反向旋转，抵消平衡块在水平面内的动量矩，从而实现水平面内的动量矩守恒，抑制振动的产生。

由于硅片承载装置具有六自由度的运动能力，即微动台在运动时会产生沿垂直方向的运动反力，同时由于硅片承载装置运动时沿水平方向作用到平衡块上的运动反力没有通过平衡块的质心，因此在整个系统工作过程中必然会导致水平面以外三个自由度的动量和动量矩的不守恒，为抑制这一原因产生的振动，在基座的下面安装了三个低刚度的空气弹簧。如图5、7所示。由于空气弹簧的刚度很低，当平衡块受到Z向的运动反力以及θx和θy方向的运动反力矩时，空气弹簧发生变形。由于平衡块和硅片承载装置的质量比很大，而运动定位单元在水平面以外的运动范围很小，因此空气弹簧的变形量也很小，在空气弹簧的额定变形范围之内，因此在一定程度上可以实现在水平面以外三个自由度的动量及动量矩守恒，抑制振动的产生。

Claims (5)

1.带有平衡块消振装置的超精密硅片定位系统，含有运行于曝光工位和预处理工位的两个硅片台承载装置(7a，7b)，使硅片承载装置沿Y向运动且交换的可对接的双侧直线导轨(5a，5b)以及与双侧直线导轨成H型布置的X向直线导轨；两个硅片承载装置分别设置在双侧直线导轨的两侧，并分别通过扫描方向驱动用直线电机(8a，9a，8b，9b)和气浮轴承同双侧直线导轨相联，所述的双侧直线导轨的两端均装有步进方向驱动用直线电机(10a，10b，11a，11b)和气浮轴承，可沿X向导轨作无摩擦的步进运动，其特征在于：该系统设有一个具有X、Y两自由度的平衡块(3)，所述的两个硅片承载装置通过气浮轴承设置在平衡块上，所述双侧直线导轨的底面也通过气浮轴承支撑在平衡块的上表面，平衡块通过其底面的气浮轴承安装在基座(2)的上表面，平衡块的底面设有两个起导向作用的矩形槽(29b，30b)，两个口字形导轨(4a，4b)通过气浮轴承同所述矩形槽相配合；所述两个口字形导轨通过气浮轴承设置在基座上。

2.按照权利要求1所述的硅片定位系统，其特征在于：在所述的平衡块底面的中心部位开有一个圆形槽，槽中装有动量轮系统，所述的动量轮系统是由旋转伺服电机(16)、角加速度传感器、动量轮(17)和回转气浮轴承(18)构成；所述的动量轮与伺服电机直接相连，并通过回转气浮轴承支撑在圆形槽中。

3.按照权利要求1所述的硅片定位系统，其特征在于：在沿平衡块的X、Y运动方向上均装有防漂移的直线电机(12a，12b，13a，13b)和线性光栅(32，33)。

4.按照权利要求1所述的硅片定位系统，其特征在于：在沿平衡块的X、Y运动方向上均装有防漂移的音圈电机和线性光栅。

5.按照权利要求1～4任一权利要求所述的硅片定位系统，其特征在于：在基座的底部装有三个空气弹簧(19a，19b，19c)。

Images