CN1760760A - 极紫外光刻精密磁悬浮工件台 - Google Patents

Abstract

一种极紫外光刻精密磁悬浮工件台。它由微定位平台组件[117]、粗定位平台组件[125]、基座组件[132]组成；基座组件[132]位于最底部，粗定位平台组件[125]位于基座组件[132]正上方，可以相对基座沿Y向移动；基座[101]通过磁悬浮导轨[102]支撑粗定位平台组件[125]。微定位平台组件[117]位于粗定位平台组件[125]正上方，由粗定位平台组件[125]通过磁悬浮导轨[112]支撑，相对粗定位平台组件[125]沿X方向移动；粗定位平台组件[125]的线缆台[107]、平衡块[108]、电磁铁[118]，可有效降低工件台的定位误差，提高其刚度。本发明可实现XY长行程线性运动及X、Y、Z、θ_X、θ_Y、θ_Z方向六维微动，结构简单、刚度好、能耗低、精度高，适用于极紫外光刻机和其他真空作业环境的精密加工和检测作业。

Description

极紫外光刻精密磁悬浮工件台

技术领域

本发明涉及一种极紫外光刻设备，特别涉及极紫外光刻精密磁悬浮工件台。

背景技术

投影光刻技术是IC光刻加工的一项前沿技术，它利用掩模台和工件台的同步运动，可将掩模上的图形通过微缩光学系统投影到涂有抗蚀剂的晶片上，再经过定型、显影等工艺，最终在晶片上复制出具有缩小倍率的图形。扫描曝光与一次性全部曝光不同，它利用常规窄条狭缝像场的匀速直线扫描来实现大芯片尺寸像场内的连续移动曝光，由于像场均分可减小投影误差及像差；加之扫描中逐个小像场的连续自动调平调焦可充分利用镜头的有效焦深，更好地控制并校正了大像场内晶片的局部不平度并扩大和改善了光刻工艺范围。因而利用步进扫描技术，小像场的镜头可进行大尺寸芯片的光刻，并能提供更好的成像质量。

极紫外光刻(EUVL)被称为最具发展潜力的下一代光刻工艺，它利用波长为13.5nm的极紫外光源，通过多层膜反射镜构成的缩小投影光学系统，在真空环境中将掩模图型复制到硅片上，实现高分辨率光刻(＜70nm)。图1为EUVL工作原理图。一个EUVL系统包括了一个光源1，例如同步辐射光源或激光等离子光源，它发出的X射线2通过聚光镜3，会聚后的光束4照射到掩模5上，掩模5反射的光束经光学系统7反射后，再穿过窗口8，最终将掩模图形投影到晶片9上。掩模5安装在掩模台6上，晶片9安装在工件台10上。

EUVL采用扫描曝光方式，其光刻机的成像质量不仅取决于光学系统的质量，还取决于工件台和掩模台的动态定位及动态同步性能，因而对于工件台、掩模台的运行精度、速度、加速度以及动态定位和扫描同步性能提出了严格的要求。而且，由于EUVL工作于真空环境，不仅要求各部件材料与真空环境相适应，也要求工件台结构简单、能耗低、重量轻、体积小。

现有的光刻精密工件台结构包括了多种设计方案：一种是采用传统的机械定位方式，即刚性接触支撑和“旋转电机+滚珠丝杠”驱动方式定位。这种定位方式存在着很大的弊病，不仅产生摩擦、磨损、金属粉尘，影响微电子产品质量，而且驱动件的质量惯性和连接间隙降低了设备的定位精度和响应频率。另一种是采用气浮定位方式，虽然消除了摩擦，但结构庞大复杂，支撑刚度小，承载能力和抗冲击能力降低，亦限制定位精度的提高。

US patent2002/0074516公开了一种光刻精密工件台结构，它设计的XY移动平台，其特点在于扫描运动时可将电机的磁场屏蔽掉，比较适于电子束曝光机等需要严格控制电磁干扰的场合。但是对于EUVL来说，它使用的气浮导轨容易出现漏气问题，因而不适合EUVL的真空作业环境。

把磁悬浮技术和线性无接触驱动技术有机地结合在一起，成为精密定位工件台的一种新思路。

US Patent 2004/0080727公开了一种光刻精密工件台结构，其特点是电机带有冷却装置，改善了电机的散热，它在X、Y向驱动分别用了2个直线电机，用磁悬浮导轨实现非接触导向。缺点是使用电机太多，能量消耗大。

另外，导线拉力变化，以及电机在运动过程中的加速和减速引起工件台的振动冲击，也是制约工件台定位精度和动态性能的一个重要问题。

US.Patent 5699621公开了一种光刻精密工件台结构，它的X、Y平台均采用直线电机驱动，磁悬浮导向，结构简单，能耗低。但是没有考虑导线的干扰问题，以及电机加速过程对工件台的冲击，因而重复定位精度受到限制。

US.Patent6353271公开了一种EUVL精密工件台结构，它利用直线电机和磁悬浮导轨驱动，可以实现6自由度的精确定位。其缺点是在步进运动方向采用了“旋转电机+滚珠丝杠”驱动方式定位，也没有对电机冲击力进行补偿。

发明内容

针对现有光刻精密工件台中存在的精度和行程之间的矛盾，以及振动冲击、导线拉力等问题，本发明提供一种适用于极紫外光刻真空环境作业的高精度长行程精密定位工件台，本发明不仅可以实现扫描曝光过程所需的步进扫描运动，而且能提高机构的精度和稳定性。

本发明所采用的技术方案：

本发明一种具有6自由度的精密磁悬浮工件台，主要包括微定位平台组件，粗定位平台组件和基座组件。其中：基座组件位于最底部，粗定位平台组件位于基座组件正上方，可以相对基座沿Y方向移动，基座通过磁悬浮导轨支撑粗定位平台组件。微定位平台组件位于粗定位平台组件正上方，由粗定位平台组件通过磁悬浮导轨支撑，可以相对粗定位平台组件沿X方向移动。

各组件的结构如下：

(A)基座组件，位于整个磁悬浮精密工件台的最底部。包括：

(1)基座，位于工件台组件的最底部，是基座组件的核心部件。

(2)Y方向直线电机初级，安装在基座上表面中间位置，沿Y方向布置。

(3)Y方向磁悬浮导轨，安装在基座上表面左右两侧，沿Y方向布置。

(4)Y方向磁条，安装在基座上表面，在直线电机初级左右两侧呈对称布置。

(B)粗定位平台组件，该组件位于基座正上方，基座组件通过磁悬浮导轨支撑粗定位平台组件。包括：

(1)步进梁，位于基座的正上方，通过左右两端的电磁铁与基座磁悬浮导轨间的磁场作用悬浮在基座上方。

(2)Y方向直线电机次级，安装在梁下表面与基座上直线电机初级对应的位置。

(3)X方向直线电机初级，安装在梁上表面，方向与Y方向直线电机次级垂直。

(4)X向磁悬浮导轨，安装在梁前后两侧。

(5)Y向运动电磁铁，固定于步进梁左右两端。

(6)线缆台，位于步进梁上方，与微定位平台组件并行，可在梁上沿X方向移动，步进梁通过磁悬浮导轨支撑线缆台。

(7)平衡块，位于步进梁前后两侧，可沿步进梁在X方向移动。步进梁通过磁悬浮导轨支撑平衡块，其支撑导轨位于微定位平台组件对应导轨的下方。

(C)微定位平台组件，位于步进梁正上方，步进梁通过磁悬浮导轨支撑微定位平台组件。包括：

(1)微动台，位于步进梁正上方，具有1维长行程(X方向)移动和6维精密运动(X、Y、Z方向的移动和绕X、Y、Z轴的转动θX、θY、θZ)能力，步进梁通过磁悬浮导轨支撑微动台。

(2)真空吸盘，安装在微动台上表面中心位置。

(3)X方向直线电机次级，安装在微动台下表面，与粗定位平台组件中的X直线电机初级对应的位置。

(4)激光反射镜，安装在微动台上表面的两个互相垂直的边沿，用于双频激光干涉仪测量系统的位置检测。

本发明工作原理及工作过程：

当给Y向直线电机施加电流时，步进梁底部的直线电机驱动粗定位平台组件和微定位平台组件沿Y向运动，即步进运动。由于梁左右两端的电磁铁与基座导轨间的磁悬浮力作用，以及梁底部的磁体与基座磁条间的磁场力作用，梁与基座间保持非接触状态。当粗定位平台运动到目标位置时，给X方向直线电机施加电流，电机产生的推力会驱动微定位平台组件沿X方向移动，即扫描运动。线缆台底部安装了独立的电机次级，因而给电机施加电流也会推动线缆台沿X方向运动。由于步进梁前后两侧的导轨与微动台、线缆台、平衡块上的电磁铁间的磁悬浮力作用，步进梁与上述元件保持非接触状态。微动台可实现3方向移动和3方向微转动，由于真空吸盘和激光反射镜固定安装在微动台上，所以可以获得与微动台同样的运动。

本发明的有益效果是：

1、可实现X、Y两个方向的长行程运动。本发明的两个长行程运动电机采用十字型交叉布置，具有结构简单，运动平稳，能耗低的特点。

2、机构的精度高。本发明采用粗、微两级驱动方式，与现有技术中单级驱动方式相比，本发明可兼顾高精度和长行程；

3、本发明引入线缆台，消除了由于导线张力变化对工件台运动的干扰；

4、本发明采用磁浮导轨，排除了导轨机械摩擦引起的精度误差。

5、本发明采用平衡块装置，可有效抑制电机加、减速时的振动冲击，提高了稳定性。

6、本发明的结构、驱动和导向设计特别适合于真空作业环境，可用于EUVL扫描曝光作业。也可用于纳米加工、检测等其它精密定位操作。

附图说明

图1为极紫外光刻工作原理图。图中：1光源，2X射线，3聚光镜，4光束，5掩模，6掩模台，7反射光学系统，8窗口，9晶片，10工件台。

图2为本发明具体实施方式的结构总图。图中：101基座，102Y向磁悬浮导轨，103步进梁，104激光反射镜，105真空吸盘，106微动台，107线缆台，108平衡块，109磁条，110Y向直线电机初级，111Y向导轨磁条113X向直线电机初级。

图3为本发明具体实施方式的零件分解图。图中：117微定位平台组件125粗定位平台组件，132基座组件。

图4为步进梁103的俯视图。图中：118a、118b、118c、118d为电磁铁；112a、112b、114a、114b为X向导轨磁条。

图5为微定位平台组件117的俯视图。

图6为微定位平台组件117对应的仰视图。

图7为微动台106的原理结构图。图中：139位移传感器，133电磁绕组，134永磁铁，135定子，136移动体。

图8为线缆台107结构图。图中：120支架，122输出电缆接口，121输入电缆接口，123位移传感器，118l、118n电磁铁，124直线电机次级。

图9为工件台中的电磁铁118结构图。

具体实施方式

以下结合具体实施方式进一步说明本发明。

图2、图3为本发明的总体结构安排。如图3所示，本发明共包括三个部分：微定位平台组件117、粗定位平台组件125和基座组件132。基座组件132的主体由基座101和固定于基座两端的两个Y向磁悬浮导轨102a、102b组成。基座101上表面安装有Y向直线电机初级110和两个磁条109a、109b。粗定位平台组件125的主体包括步进梁103，线缆台107和平衡块108。粗定位定台组件125由基座组件132通过磁悬浮导轨102支撑。步进梁103下表面安装有Y向直线电机次级116和两个磁体115a，115b。电机次级116与基座101上电机初级110共同作用，可带动粗定位平台组件125和微定位平台组件117沿Y向的运动。磁体115a、115b与基座101上的磁条109a、109b间的磁场力大小刚好使步进梁103与基座101间保持非接触状态，但可抑制步进梁103高速运动时的振动，增加了步进梁103的刚度。步进梁103左右两端各分别固定有2个电磁铁118a，118b，118c，118d，它们与基座导组件中对应的磁条111(111a，111b)间产生的磁场力作用，使步进梁103悬浮在基座上方。步进梁103上表面固定了X向直线电机初级113。步进梁103前后两侧表面固定有导轨磁条112(112a，112b)和114(114a，114b)，平衡块108(108a，108b)位于步进梁103前后两侧，通过电磁铁118(118k，118m，118i，118j)与X向导轨磁条114(114a，114b)间的磁场力吸附在步进梁103上，由电机的反作用力驱动平衡块108沿X方向移动。线缆台107位于步进梁103上方，也是通过电磁铁118(118n，118l)与X向导轨磁条112(112a，112b)间的磁场力悬浮于步进梁103正上方，由直线电机124带动，可在步进梁103上沿X向移动。微定位平台组件117由步进梁103通过磁悬浮导轨102支撑，其主体包括微动台106、激光反射镜104、真空吸盘105。微动台106底部安装有X向直线电机次级119，它与X向直线电机初级113作用，带动微定位平台组件117沿X向长行程运动。微动台106通过安装在其下端内侧的电磁铁118(118e，118f，118g，118h)与X向导轨磁条112(112a，112b)间的磁场力作用，步进梁103保持恒定间隙，保证X向长行程运动的直线度。微动台106上表面中心位置安装了真空吸盘，微动台106上表面两互相垂直的边沿安装了激光反射镜104。

图4为步进梁103的俯视图，步进梁103的下表面安装了Y向直线电机次级116和磁体115a和115b，它们分别与基座上表面的Y向直线电机初级110和磁条109a、109b相对应。步进梁103左右两侧安装了Y方向运动导向的电磁铁118a、118b、118c、118d；前后两端外侧安装了X向运动的磁悬浮导轨磁条112a、114a、112b、114b。步进梁103上表面安装有X向直线电机的初级113，用于驱动微定位平台组件117，实现X方向长行程运动。

图5、图6分别为微定位平台组件117结构的俯视图和底视图。微动台106由步进梁103的磁悬浮导轨102支撑，其下表面安装了X向直线电机次级119，它与步进梁103上的X向直线电机初级113相作用，使微动台106在X方向具备长行程(＞300μm)运动能力。微动台106两端内侧安装了4个电磁铁118g，118h；118e，118f，它们与步进梁103上X向导轨磁条112a，112b间的磁场力使微动台106悬浮在步进梁103的上方。沿微动台106上表面两互相垂直的边沿安装了激光反射镜104，用于检测微动台106和真空吸盘105的位置。真空吸盘105安装在微动台106上表面中心位置，用于固定待加工晶片。

图7为微动台的原理图，它是基于磁悬浮原理，移动体可以产生6个自由度方向的微小运动。安装在定子135上的4个电磁绕组133(I、II、III、IV)与移动体136上对应的4个永磁铁134间的电场力Ra和磁场力Rs综合作用，可带动移动体沿X、Y、Z方向微移动(纳米级精度)或绕θx、θy、θz的微转动(微弧精度)。由于磁场力Rs的作用，定子135与移动体136间保持非接触状态。139为位移传感器，用于检测移动体与定子间的悬浮高度。

图8为线缆台107结构图。线缆台107通过磁悬浮导轨102支撑悬浮在步进梁103上方。线缆台107主体是支架120，其下方内侧安装了电磁铁118n，118l，它们与X向导轨磁条112a，112b间产生磁场力，用于支撑线缆台107。线缆台107下表面中心位置安装了X向直线电机次级124，它与步进梁103上的X向直线电机初级113相互作用，可推动线缆台107沿X方向移动。线缆台107底部安装输入电缆接口121，用于与外界输入电缆连接。线缆台107上表面面向微定位平台组件117方向安装了输出电缆接口122，用于与微定位平台组件117的线缆连接。线缆台107左侧表面安装了位移传感器123，用于检测线缆台107与微动台106间的距离。在工件台运动过程中，电缆长度发生变化，导致其作用在微动台106上张力发生变化，影响运动精度。线缆台107的作用在于它可以跟随微定位平台组件117的运动，并与之保持恒定的距离，从而使电缆作用在微定位平台组件117上的力保持恒定。线缆台107也可用单独的直流伺服电机驱动。由于线缆台107精度要求不太高，因而直流伺服电机可满足要求。

图9为电磁铁118结构图。138为本体，它的两个工作面130和131相交成45度，这种结构方式可以实现以最少的电磁铁和传感器实现精确的导向功能。130面固定有一个电磁铁126和一个位移传感器127，131面固定有一个电磁铁128和一个位移传感器129，通过控制电磁铁电流可以控制电磁铁与导轨磁条间的磁场力，从而使与电磁铁相连的组件悬浮在磁条上，实现精确的非接触导向功能。位移传感器127和129用于检测电磁铁与相应导轨磁条间的悬浮高度。

Claims (6)

1、一种极紫外光刻精密磁悬浮工件台，其特征在于：它由微定位平台组件[117]、粗定位平台组件[125]、基座组件[132]组成；基座组件[132]位于最底部，粗定位平台组件[125]位于基座组件[132]正上方，可以相对基座沿Y向移动，基座[101]通过磁悬浮导轨[102]支撑粗定位平台组件[125]；微定位平台组件[117]位于粗定位平台组件[125]正上方，由粗定位平台组件[125]通过磁悬浮导轨[112]支撑，相对粗定位平台组件[125]沿X方向移动。

2、按照权利要求1所述的极紫外光刻精密磁悬浮工件台，其特征在于：所述的微定位平台组件[117]包括微动台[106]、真空吸盘[105]、激光反射镜[104]，电磁铁[118]，直线电机次级[119]；微动台[106]由步进梁[103]的磁悬浮导轨[102]支撑，其下表面安装了X向直线电机次级[119]，它与步进梁[103]上的X向直线电机初级[113]相作用，使微动台[106]在X方向具备长行程(＞300μm)运动能力；微动台[106]两端内侧各安装了电磁铁[118g]，[118h]，[118e]，[118f]，它们与步进梁[103]上X向导轨磁条[112a]，[112b]间的磁场力使微动台[106]悬浮在步进梁[103]的上方；沿微动台[106]上表面两互相垂直的边沿安装了激光反射镜[104]，激光反射镜[104]两工作镜面成垂直布置；真空吸盘[105]安装在微动台[106]上表面中心位置；微定位平台组件[117]具有一个方向的长行程运动以及6个自由度方向(X、Y、Z方向移动、θx、θy、θz方向转动)的微运动能力。

3、按照权利要求1或2所述的极紫外光刻精密磁悬浮工件台，其特征在于：所述的基座组件[132]的主体由基座[101]和固定于基座两端的两个Y向磁悬浮导轨[102a]、[102b]组成；基座[101]上表面安装有Y向直线电机初级[110]和两个磁条[109a]、[109b]。

4、按照权利要求1至3的任何一项所述的所述极紫外光刻精密磁悬浮工件台，其特征在于：粗定位平台组件[125]的主体包括步进梁[103]，线缆台[107]和平衡块[108]；粗定位定台组件[125]由基座组件[132]通过磁悬浮导轨[102]支撑；步进梁[103]下表面安装有Y向直线电机次级[116]和两个磁体[115a]，[115b]；磁体[115a]、[115b]与基座[101]上的磁条[109a]、[109b]间的磁场力使步进梁[103]与基座[101]间保持非接触状态；步进梁[103]左右两端各分别固定有电磁铁[118a]，[118b]，[118c]，[118d]；步进梁[103]悬浮在基座[101]上；步进梁[103]上表面固定了X向直线电机初级[113]；步进梁[103]前后两侧表面固定有磁条[112]、[114]，平衡块[108a]，[108b]位于步进梁[103]前后两侧，通过电磁铁[118k]，[118m]，[118i]，[118j]与X向导轨磁条[114a]，[114b]间的磁场力吸附在步进梁[103]上。

5、按照权利要求1至4的任何一项所述的所述极紫外光刻精密磁悬浮工件台，其特征在于：所述线缆台[107]通过磁悬浮导轨[102]支撑悬浮在步进梁[103]上方；线缆台[107]主体是支架[120]，其下方内侧安装了电磁铁[118n]，[118l]；线缆台[107]下表面中心位置安装了X向直线电机次级[124]，X向直线电机次级[124]外侧安装了输入电缆接口[121]，线缆台[107]上表面面向微动台[103]方向安装了输出电缆接口[122]，左侧表面安装了位移传感器[123]。

6、按照权利要求1至5任何一项所述的所述极紫外光刻精密磁悬浮工件台，其特征在于所述的电磁铁[118]的工作面[130]和[131]相交成45度，每个面各固定有一个电磁铁[126]、[128]和一个位移传感器[127]、[129]。

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