CN1959533A

CN1959533A - 一种用于步进扫描光刻机的精密隔振系统

Info

Publication number: CN1959533A
Application number: CN 200610136730
Authority: CN
Inventors: 吴运新; 邓习树; 杨辅强; 王建平; 袁志扬; 蔡良斌
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd; Central South University
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd; Central South University
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2026-11-24
Also published as: CN100456140C

Abstract

本发明公开了一种用于步进扫描光刻机的精密隔振系统，它包括多个主动减振单元，主动减振单元包括底座和中间体，在中间体与底座之间设有空气弹簧装置和垂直磁致伸缩作动器；在中间体和底座的侧壁之间设有水平超磁致伸缩作动器和预压力调整装置；一个压力传感器；空气弹簧装置通过高速伺服气动阀与外部气源连通；垂直磁致伸缩作动器、水平超磁致伸缩作动器、压力传感器和高速伺服气动阀与控制系统电连接，控制系统还电连接位移传感器、水平传感器、六自由度加速度传感器。本发明不但可以隔离高频振动，而且对于低频微幅隔振也是非常有效的；不仅可以作为步进扫描光刻机的配套精密隔振系统，而且可以用于其他需要精密隔振的高科技领域。

Description

一种用于步进扫描光刻机的精密隔振系统

技术领域

本发明涉及到微电子制造技术领域中步进扫描光刻机的精密隔振系统设计及控制技术，尤其是结合传感器、智能作动器和空气弹簧的主动隔振系统。

背景技术

随着超精密加工、超精密测量技术以及航天技术的发展，微幅、超微幅振动的影响变得十分突出，尤其是亚微米以下的超精密加工更需要超静环境作保障，因此研究微幅、超微幅的主动隔振具有十分重要的意义。微幅振动控制需要性能优异的传感器和作动器。目前市场上适合用于微幅振动控制的传感器很少，且价格十分昂贵，压电陶瓷作动器应用较广。主动隔振器主要由受控对象、作动器、控制器、测量系统和能源组成。主动隔振器的发展主要决定于作动器、控制器的发展。控制器是主动控制系统中的核心环节，可分为前馈控制器和反馈控制器。前馈控制器适用于对特定扰动采取补偿措施的情况，具有响应快速的特点。美国TMC公司生产的气动主动隔振器PEPS2VXTM(Precision ElectronicPositioning System)，采用全前馈输入，使系统可预测负载运动，缩短定位时间，最大限度地消除隔振平台振动；而反馈控制器则适用于在扰动因素较多且不可检测的情况，它能够自行减少或消除扰动对输出的影响，特别适合对复杂系统和系统参数不确定系统的控制，如隔振平台、柔性结构等。作动器的选择在很大程度上决定了整个隔振系统的性能。近年来，利用智能材料作为作动器制成的隔振平台，在精密加工、精密测量中得到了广泛的应用。如美国TMC公司生产的STACIS 2100压电式主动隔振器可实现6个自由度的隔振，其最大隔振振幅为24um，承载范围182～2045kg，隔振频率范围为0.3～250Hz，在2Hz以上的频率时隔振效果大于90％。智能型作动器主要包括由压电材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、形状记忆合金、电流变流体等制成的作动器，主要用作高精度隔振平台。传统的作动器如液体作动器、气体作动器以及电气作动器，由于体积、重量大，多用于地面及固定系统的主动隔振。

对精密仪器采取隔振措施时，应根据隔振要求，隔振材料和隔振器的性能、适用条件等作全面考虑，选用适当的隔振器方能达到预期的隔振效果。目前应用隔振器品种较多，如常用的橡胶隔振器，金属弹簧隔振器及其他弹性材料隔振等。橡胶隔振器有一定的强度、弹性、阻尼好，对高频振动隔振效果较好，但对汽车行驶引起的低频振动隔振效果不好，且容易老化。金属弹簧，刚度小，弹性好，隔振效果好，但它的阻尼小，水平刚度小于竖向刚度，易晃动，不宜单独用于振动敏感等级为I级的精密仪器工作台隔振。另外，这两种隔振器刚度皆为定值，无法解决在隔振设备运行时因质心位置移动造成隔振平台的倾斜，难以在防微振领域中应用。空气弹簧隔振器在防微振方面效果很好，具有以下性能：①刚度和阻尼可以调节，隔振体系自振频率可保持不变；②具有高度控制阀，可以实现隔振体系刚度中心对质心位置移动的跟踪，保持隔振平台的水平，横向稳定性好；③调节胶囊内气压可获得不同承载力。这种隔振器间在集成电路生产的隔振上用过，也曾用于地铁的减振，而用于精密仪器工作台的隔振上少见。如德国BILZ公司的AIS空气弹簧主动隔振系统。

光刻机在工作过程中，由于工件台和掩模台等分系统具有较高的运动加速度和运动速度，运动部件产生的大惯量和其它外部因素将引起光刻机工作核心部分一工作平台(安装光源系统)的振动，从而影响曝光的质量。在光刻机曝光过程中如何精确地保证其静态和动态的相对稳定是一个非常关键的技术问题。为了保证光刻机在工作过程中具有极高的精度，必须将运动部分的产生振动和曝光部分隔离，现代扫描光刻机采用了振动隔离和主动减振技术。光刻机必须在一个具备良好隔振性能的工作平台上进行工作，否则任何微小的振动，如说话的声音或人员在附近的走动所引起的振动都会影响到光刻机的工作性能。这就对光刻机的工作环境和光刻机自身设计提出了更高的要求。光刻机是极端紧密的机电设备，要求在极为安静的环境条件下安装，并在较宽的频带范围内具有减振、隔振能力。从光刻机目前所达到的最小线宽来看，没有高精度的隔振性能工作平台，就不可能达到那样的光刻精度。

在光刻机工作平台的精密隔振系统设中，所需要考虑的环境振动干扰是很复杂的，不仅有地面传来的大地脉动性振动，而且还有台面试验仪器的运动、建筑物外面车辆行驶所产生的干扰等。大地脉动型地面振动主要指由海浪、潮汐、台风、大气环流、地球自转速率的改变，以及地壳内部的变化等引起的地表振动。自然外力振动频率较低，振幅分布为0.1-5μm左右，频率主要在2-5Hz之间；实验室工作人员走动所引起的振动频率在1-3Hz；通风管道、变压器和马达所引起的振动在6-65Hz；车辆行驶所引起的振动频率在15Hz左右，建筑物本身一般在10-100Hz频率之间摆动，因此微制造平台隔振系统设计需要考虑的振动频率范围为0-100Hz，振幅为5μm以下，这就要求设计的隔振系统不仅对中高频干扰力具有良好的隔振效果，而且对低频和超低频干扰力也能进行有效的隔离，阻止它们传播到工艺系统中去。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于步进扫描光刻机的精密隔振系统，不仅可以解决工件台、掩模台在高速运动情况下产生的高频振动，而且可以解决外界环境变化所导致的低频微幅振动。

为了解决上述技术问题，本发明提供的用于步进扫描光刻机的精密隔振系统，其特征是：它包括：A、多个主动减振单元，所述的主动减振单元包括一个用来安装各个部件以及把整个减振单元固定在步进扫描光刻机的基座上的底座；一个同轴线套在所述的底座内用来连接步进扫描光刻机的工作平台的中间体，在所述的中间体的底部与所述的底座之间设有空气弹簧装置和垂直磁致伸缩作动器；在所述的中间体和所述的底座的侧壁之间设有两个相互垂直布置的水平超磁致伸缩作动器及其安装座和两个与所述的水平超磁致伸缩作动器相对应的预压力调整装置及其安装座；一个安装在所述的中间体上的压力传感器；所述的空气弹簧装置通过高速伺服气动阀与外部气源连通；B、一个控制系统，每个主动减振单元的所述垂直磁致伸缩作动器、水平超磁致伸缩作动器、压力传感器和高速伺服气动阀与所述的控制系统电连接，所述的控制系统还电连接一个安装在工作平台下表面的中心位置的位移传感器，电连接一个用来测量工作平台相对XY平面的倾角的水平传感器，电连接一个用来测量工作平台六个方向的加速度的六自由度加速度传感器。

所述的主动减振单元为4个。

采用上述技术方案的用于步进扫描光刻机的精密隔振系统，根据步进扫描光刻机的运动特点和一般结构特征，本发明把工件台的支撑架，掩模台的支撑架以及安装精密光学系统的支架安装在一个大的工作平台上，工作平台然后连接在本发明中的主动减振系统单元的上表面，共用4个同样的主动减振单元，4个主动减振单元的底座安装在步进扫描光刻机的基座上。

本发明在设计时尽量保证整个结构对称，使工作平台、光学系统安装支架以及掩模台的支架整个系统的重心与主动减振单元刚度重心重合，同时在不影响工作和安装的条件下尽量降低整个工作平台及安装支架的重心，以保证系统更加稳定。

本发明中所采用的与水平超磁致伸缩作动器相对应的预压力调整装置主要包括钢制弹簧、调整螺母及其安装座。

本发明中的控制方法如下：采用4个安装成左右、前后对称主动减振单元，但是每一个主动减振单元由于位置不同和需要控制振动的方向不同，安装角度也是不同的，以把四个减振单元联合起来使用，而不是相互独立的。首先安装调试好后，在静态状态下根据传感器的读数，在控制器中预先设定好它们的初始值。然后启动设备，控制器首先根据压力传感器、水平传感器和位移传感器所测量的数据，运用所设计的软件计算中间体位置，通过伺服气动阀调整中间体高度到计算的高度，同时保证空气弹簧中的压力在设定值附近；同时通过六自由度传感器测得的三个方向的线加速度信号，经过所设计的软件计算分配之后来调整通过作动器线圈的电流或电压大小，来分别驱动垂直方向和水平方向的作动器，使其产生与振动相反的作用力，以降低工作平台的振动，保证系统最大范围的稳定。

根据3点确定一个平面，使用过多的控制阀会导致系统受到局限，进而影响系统的稳定性和性能。因此对于有超过3个减振器的系统来说，控制阀的布置就显得非常重要，是影响系统性能的关键所在。对于精密减振装置来说，所有的刚性负载即使有多于3个的空气弹簧减振器一般也只使用3个控制阀，也就是说在我们的系统中有两个主动减振单元的空气弹簧要共用一个控制阀，具体选用哪两个绑定使用，要看具体情况而定。

本发明不但可以隔离高频振动，而且对于低频微幅隔振也是非常有效的；不仅可以作为步进扫描光刻机的配套精密隔振系统，而且可以用于其他需要精密隔振的高科技领域。

附图说明

图1是本发明的步进扫描光刻机的精密隔振系统及控制整体示意图主视图；

图2是本发明的步进扫描光刻机的精密隔振系统及控制整体示意图左视图；

图3是本发明的主动隔振单元布置方式示意图；

图4是本发明的空气弹簧供气示意图；

图5是本发明的空气弹簧结构示意图。

其中，图1中1a-主动减振单元a底座；2a-主动减振单元a中间体；3a-主动减振单元a的Y方向磁致伸缩作动器；4a-主动减振单元a的Y方向磁致伸缩作动器安装座；5a-主动减振单元a的X方向预压力调整装置；6a-主动减振单元a的X方向预压力调整装置安装座；7a-主动减振单元a的Y方向预压力调整装置安装座；8a-主动减振单元a的Y方向预压力调整装置；9a-主动减振单元a的X方向磁致伸缩作动器；10a-主动减振单元a的X方向磁致伸缩作动器安装座；11-光刻机安装基座；12a-主动减振单元a的空气弹簧装置；13a-主动减振单元a的压力传感器；14-工作平台；15a-安装支架a；16-工件台；17a-横梁a；18-水平传感器；19-掩模台基座；20-六自由度加速度传感器；21-掩模台；23-位移传感器；24c-伺服气动阀c，25a-主动减振单元a的Z方向磁致伸缩作动器。

其中，图2中11-光刻机安装基座；14-工作平台；15a-安装支架a；15b-安装支架b；16-工件台；17a-横梁a；18-水平传感器；19-掩模台基座；21-掩模台；22a-主动减振单元a；22b-主动减振单元b。

其中，图3中1a-主动减振单元a底座；2a-主动减振单元a中间体；3a-主动减振单元a的Y方向磁致伸缩作动器；4a-主动减振单元a的Y方向磁致伸缩作动器安装座；5a-主动减振单元a的X方向预压力调整装置；6a-主动减振单元a的X方向预压力调整装置安装座7a-主动减振单元a的Y方向预压力调整装置安装座；8a-主动减振单元a的Y方向预压力调整装置；9a-主动减振单元a的X方向磁致伸缩作动器；10a-主动减振单元a的X方向磁致伸缩作动器安装座；22a-主动减振单元a；22b-主动减振单b；22c-主动减振单元c；22d-主动减振单元d。

其中图5中1-附加气室；2-阻尼管；3-空气弹簧承载室；4空气弹簧机体。

具体实施方式

如附图1、图2、图3、图4和图5所示，它包括4个主动减振单元，单个主动减振单元如22a包括一个大的底座1a，用来安装各个部件以及把整个减振单元固定在步进扫描光刻机的基座11上；一个同轴线套在底座1a内用来连接步进扫描光刻机的工作平台14的中间体2a，在中间体2a的底部与底座1a之间设有空气弹簧装置12a和垂直磁致伸缩作动器25a；在中间体2a和底座1a的侧壁之间设有两个相互垂直布置的水平超磁致伸缩作动器3a、9a及其安装座4a、10a和两个与水平超磁致伸缩作动器3a、9a相对应的预压力调整装置5a、8a及其安装座6a、7a；一个安装在中间体12a上的压力传感器13a；4个空气弹簧装置分别通过三个高速伺服气动阀26、27、28与外部气源24c连通；每个主动减振单元的垂直磁致伸缩作动器25a、水平超磁致伸缩作动器3a、9a、压力传感器13a和高速伺服气动阀26、27、28与控制系统电连接，控制系统还电连接一个安装在工作平台14下表面的中心位置的位移传感器23，一个用来测量工作平台14相对XY平面的倾角的水平传感器18，一个用来测量工作平台14六个方向的加速度的六自由度加速度传感器20。

如附图1所示，本发明中所述的单个主动减振单元如22a包括一个大的底座1a，用来安装各个部件以及把整个减振单元固定在步进扫描光刻机的基座上；一个空气弹簧12a，用来进行被动隔振以及支撑工作平台及安装架的重量；一个垂直的超磁致伸缩作动器25a，用来降低垂直方向的振动；两个相互垂直布置的水平超磁致伸缩作动器3a、9a，一个用来降低水平X方向的振动，一个用来降低水平Y方向的振动；两个与水平超磁致伸缩作动器相对应的预压力调整装置5a、8a，分别用来调整水平超磁致伸缩作动器的预压力，因为超磁致伸缩作动器一般只能工作在压缩状态下，不能承受拉应力；两个用来安装水平超磁致伸缩作动器于底座上的安装座4a、10a，其在垂直方向容许有一定的位移，保证水平超磁致伸缩作动器作用力的方向垂直于Z方向；两个用来安装与水平超磁致伸缩作动器相对应的预压力调整装置的安装座6a、7a，同样容许其在垂直方向有一定的位移，保证预压力始终与相对应的水平超磁致伸缩作动器的轴线方向一致；一个安装在中间体上的压力传感器13a，用来测量空气弹簧气室中的压力；一个中间体2a，用来连接工作平台、空气弹簧、作动器以及预压力调整装置，使它们成为一个系统。

如附图1所示，首先在地面安装好光刻机的安装基座11，然后把主动减振单元22a、22b、22c、22d按照图3中的布局、位置安装在基座11上面。然后按照图4所示的方法安装好气源部件及其控制设备，接通气源，让空气弹簧处在工作状态，根据设计压力调整好空气弹簧气室内的压力，调整好四个主动减振单元的高度。然后把工作平台14安装在主动减振单元的中间体(如附图1中的2a)上，重新调整空气弹簧的气压和高度，使4个主动减振单元22a、22b、22c、22d的空气室内压力一致，同时高度也一致，然后安装好光学系统安装支架15、横梁17；掩模台基座19。最后分别安装好位移传感器23，水平传感器18和六自由度加速度传感器20。

参见图5，本发明中所采用的空气弹簧装置12a包括附加气室1、阻尼管2、空气弹簧承载室3和空气弹簧机体4。

机械部分安装好之后，按照附图1中的连线方式连接好传感器与控制器、控制器与作动器之间的数据线。安装好后，在静态状态下根据各个传感器的读数，在控制器中预先设定好它们的初始值。然后启动设备，使设备运转起来，这时由于系统运动参数和外部环境的变化，每个传感器的读数会随之发生改变。这时控制器首先根据压力传感器、水平传感器和位移传感器所测量的数据，运用所设计的软件计算中间体位置，通过伺服气动阀调整中间体高度到计算的高度，同时保证空气弹簧中的压力在设定值附近；同时通过六自由度传感器测得的三个方向的线加速度信号，经过所设计的软件计算分配之后来调整通过作动器线圈的电流或电压大小，来分别驱动垂直方向和水平方向的作动器，使其产生与振动相反的作用力，以降低工作平台的振动，保证系统最大范围的稳定。

Claims

1、一种用于步进扫描光刻机的精密隔振系统，其特征是：它包括：A、多个主动减振单元(22a、22b、22c、22d)，所述的主动减振单元(22a)包括一个用来安装各个部件以及把整个减振单元固定在步进扫描光刻机的基座上的底座(1a)；一个同轴线套在所述底座(1a)内用来连接步进扫描光刻机的工作平台的中间体(2a)，在所述中间体(2a)的底部与底座(1a)之间设有空气弹簧装置(12a)和垂直磁致伸缩作动器(25a)；在所述中间体(2a)和所述底座(1a)的侧壁之间设有两个相互垂直布置的水平超磁致伸缩作动器(3a、9a)及其安装座(4a、10a)和两个与水平超磁致伸缩作动器(3a、9a)相对应的预压力调整装置(5a、8a)及其安装座(6a、7a)；一个安装在中间体(12a)上的压力传感器(13a)；4个空气弹簧装置分别通过三个高速伺服气动阀(26、27、28)与外部气源(24c)连通；每个主动减振单元的垂直磁致伸缩作动器(25a)、水平超磁致伸缩作动器(3a、9a)、压力传感器(13a)和高速伺服气动阀与控制系统电连接，控制系统还电连接一个安装在工作平台下表面的中心位置的位移传感器(23)，一个用来测量工作平台相对XY平面的倾角的水平传感器(18)，一个用来测量工作平台六个方向的加速度的六自由度加速度传感器(20)。

2、根据权利要求1所述的用于步进扫描光刻机的精密隔振系统，其特征是：所述的主动减振单元(22a、22b、22c、22d)为4个。