CN201134009Y - 一种工件台平衡定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种工件台平衡定位装置，涉及半导体光刻技术领域。该工件台平衡定位装置包括基础框架、长行程模块、曝光台、平衡质量系统、平衡质量防漂系统、测量系统和控制系统；长行程模块建立在平衡质量系统上，带动曝光台沿X、Y向运动；平衡质量系统建立在基础框架上，包括主平衡质量和辅平衡质量，用于平衡系统的反作用力和反作用力矩；平衡质量防漂系统安装在基础框架和主平衡质量之间，用于补偿平衡质量系统沿X、Y和Rz向的漂移；控制系统根据测量系统的反馈数据控制长行程模块的运动及主平衡质量的位置补偿。本实用新型大幅减少了工件台加速运动时对光刻机基础的反作用力，降低了光刻机的减振难度，提高了工件台的定位精度。

Description

一种工件台平衡定位装置

技术领域

本实用新型属于半导体的光刻技术领域，涉及到带有平衡质量的大行程精密定位系统，特别是应用于光刻机工件台的平衡定位系统。

背景技术

在300mm高产率低线宽光刻机技术出现以后，特别是后来的双台技术和浸没式技术的出现，工件台和掩模台系统一般都引入平衡块技术来解决整机系统的减振问题。所谓平衡块技术就是将电机的动子固定在驱动元件上，定子固定在平衡块上，驱动元件、平衡块与机架之间分别为气浮轴承连接；在动子与定子的相互作用下，驱动元件和平衡块便分别向相反的方向运动，并且满足动量守恒。

当前光刻机公司的工件台定位系统所采用的平衡块技术的主流思想是：当曝光台沿X、Y向加速运动时，允许平衡块因受偏心力矩而沿Rz(X、Y平面的旋转方向，以下同)向产生小范围的旋转角度，一般在±10毫弧度(mrad)左右。由于长行程电机和曝光台等都是建立在平衡块之上的，平衡块的旋转自然也会引起曝光台的偏摆。为了保证曝光台在整机系统中的正确位置，长行程模块一般采用H型的结构布局，H型竖向的两个电机可以独立驱动，用于补偿曝光台的偏转；并且为了提高H型的横向特征频率，两个竖向长行程电机的动子与横梁之间为刚性连接，因而竖向的两个电机动子与定子之间必须允许发生小范围的相对转动(即平衡块的摆动幅度)。如阿斯麦公司(ASML Netherland B.V.，Veldhoven)的美国专利第7034920B2号专利，尼康公司(Nikon Corporation)的美国专利第6885430B2号公开的工件台定位系统。两者虽然在结构形式上和实现手段上有所差别，但基本的思想是一致的，即允许平衡块因系统沿X、Y向加速时产生的偏心力矩发生旋转。

如上所述的两篇专利，如果忽略外界的干扰，系统都满足动量守恒的关系，也就是说当曝光台回到初始位置时，平衡块在X、Y向也回到初始位置，但在Rz向却不一定能回到初始位置。为了使得平衡块在Rz向能回到初始位置，系统必须要有外力矩的介入，因此，这种定位系统并不满足角动量守恒的关系。

在整个曝光过程中，由于平衡块的旋转，必须及时地补偿曝光台的偏摆角度，而且补偿幅度较大，这在一定程度上会影响系统的稳定性和精度。

清华大学2004年申请了一种与上述平衡策略不同的中国专利，专利号CN1595299A，这种平衡块技术中引入了一个动量轮的概念，其目的是为了实现平衡块的不旋转。专利CN1595299A中的平衡质量系统由一个平衡块和一个动量轮组成。平衡块与基础之间通过两层导轨(X向和Y向)连接，平衡块能够相对基础框架沿X、Y向平动，但不能沿Rz向转动。平衡块用于平衡系统沿X、Y向加速时产生的反作用力。动量轮位于平衡块的质心，与平衡块之间经气浮轴承隔开，并由一旋转电机连接，电机定子固定在平衡块上，转子与动量轮之间通过联轴器连接在一起。动量轮在X、Y向随平衡块一起移动，沿Rz向能够在旋转电机的作用下相对其轴心转动。当平衡块有转动趋势时，动量轮上的旋转电机给平衡块施加一个大小相等的反向力矩，平衡块因力矩平衡而不产生沿Rz向的旋转趋势，动量轮则在旋转电机的驱动下绕其轴心转动。这种平衡块技术不但满足动量守恒，同时，也遵循角动量守恒，但其对动量轮的控制必须要做到适时控制，否则工作中系统会产生沿Rz向的振动。再者，从驱动力矩和结构的角度看，系统只有一个动量轮，很难匹配到合适的旋转电机。

上述用旋转轮解决工件台定位系统的偏转力矩问题并不是在这篇专利里最早出现的，在佳能公司(Canon)的美国专利第6028376号中就已经出现了这种技术。但两者平衡的方法有很大的不同，佳能公司专利中的旋转轮是定轴转动的，也就是说旋转轮的转轴相对机器基础是固定不动的。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题在于提供一种具有较高定位精度的工件台平衡定位装置。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种新的工件台平衡定位装置，其包括基础框架、长行程模块、曝光台、平衡质量系统、平衡质量防漂系统、测量系统和控制系统，所述长行程模块建立在平衡质量系统之上，带动曝光台沿X、Y向运动；曝光台为硅片的承载台；平衡质量系统建立在基础框架之上，包括主平衡质量和辅平衡质量两部分，分别用于曝光台在长行程模块带动下进行加速运动时对光刻机基础产生的反作用力和反作用力矩；平衡质量防漂系统安装在基础框架和平衡质量系统之间，用于补偿平衡质量系统沿X、Y和Rz向的漂移运动；测量系统安装在所述长行程模块和主平衡质量上，为控制系统提供反馈数据；控制系统根据反馈数据控制长行程模块的运动及主平衡质量的位置补偿。

所述长行程模块包括两个Y向长行程电机和一个X向长行程电机，两个Y向长行程电机运动同步，用于实现曝光台沿Y向的运动，X向长行程电机用于实现曝光台沿X向的运动；所述长行程模块还包括一个Y向导轨和一个X向导轨，并且Y向导轨与X向导轨成T型布局；所述长行程模块还包括两个Y向滑块和一个X向滑块，其中一个Y向滑块通过垂向和侧向气浮轴承与Y向导轨连接，另一个Y向滑块通过垂向气浮轴承与主平衡质量的顶部平面连接，X向导轨的两端分别安装在两个Y向滑块上，X向滑块与X向导轨之间通过气浮轴承连接；所述长行程模块的两个Y向长行程电机的动子与对应的Y向滑块安装在一起，定子与主平衡质量体安装在一起；X向长行程电机的动子与X向滑块安装在一起，定子与X向导轨安装在一起。

所述主平衡质量是中间镂空的方框形或者是中间不镂空的方形，且主平衡质量与基础框架之间通过垂向气浮轴承连接，主平衡质量可以相对基础框架做平面运动。

所述辅平衡质量由一个或者数个单元组成，每个单元包括圆柱形的平衡质量体、旋转电机及上、下外壳，用来平衡曝光台沿X、Y和Rz向加速运动时产生的反力矩；进一步地，所述辅平衡质量的圆柱形平衡质量体与下外壳之间经垂向气浮和侧向气浮连接；旋转电机的定子固定在上外壳上，动子与圆柱形的平衡质量体通过联轴器连接在一起；所述辅平衡质量通过下外壳上的法兰从主平衡质量的底部安装于主平衡质量上。

所述平衡质量防漂系统为两个相对主平衡质量质心对称布置的两轴机械手或者小行程平面电机。

所述两轴机械手包括两相连的机械臂、用于驱动对应机械臂的两旋转电机、安装在对应旋转电机上的两旋转编码器、安装于基础框架上的外壳及支架以及输出轴。所述两轴机械手的输出轴连接有连接板，所述两轴机械手通过连接板与主平衡质量连接；或者所述两轴机械手的输出轴固连一个抓手，主平衡质量上安装有接口块，当需要校正主平衡质量的位置时，抓手与接口块相配合，校正完成后，抓手与接口块分离。

所述小行程平面电机的动子安装在主平衡质量上，定子通过支架安装在基础框架上。

本实用新型的工件台平衡定位装置，通过平衡质量的平衡作用，大幅减少了工件台携带负载加速运动时对光刻机基础的反作用力，从而降低了光刻机系统减振的难度，并最终起到了提高工件台系统定位精度的有益效果。

附图说明

图1：光刻机系统曝光单元的平面示意图；

图2：工件台平衡定位装置俯视立体图；

图3：工件台平衡定位装置拆去基础框架1后的仰视立体图；

图4：Y向滑块7的立体图；

图5：X向滑块立体图；

图6：辅平衡质量立体图；

图7：辅平衡质量的剖视图；

图8：平衡质量防漂系统第一种实施例中机械手的立体图；

图9：装有平衡质量防漂系统第二种实施例的工件台平衡定位装置的立体图；

图10：平衡质量防漂系统第二种实施例中机械手的立体图；

图11：装有平衡质量防漂系统第三种实施例的工件台平衡定位装置的立体图；

图12：平衡质量防漂系统第三种实施例中平面电机的立体图。

图13：主平衡质量的控制图。

其中：101-照明系统；102-整机框架；103-掩模台系统；104-物镜系统；105-调焦调平系统；106-工件台系统；107-工件台激光干涉仪；1-基础框架；2-主平衡质量；3-Y向长行程电机定子；4a、4b-Y向长行程电机；5-Y向长行程电机动子；6-连接板；7、16-Y向滑块；8-X向导轨；9-Y向导轨；10-曝光台；11-X向滑块；12-X向长行程电机动子；13-X向长行程电机；14-X向长行程电机定子；15-气浮工作台；17a、17b-两轴机械手；18-连接板；19-Y向滑块16的垂向气浮轴承；20-旋转加速度传感器；21a、21b-辅平衡质量；22a、22b、22c、22d-主平衡质量2的垂向气浮轴承；23-Y向滑块7的垂向气浮轴承；24-Y向滑块7的侧向气浮轴承；25-X向滑块的垂向气浮轴承；26-X向滑块的侧向气浮轴承；27-旋转电机；28-上外壳；29-下外壳；30-联轴器；31-辅平衡质量体；32-连接板；33-机械手输出轴；34-外壳及支架；35-旋转编码器；36-旋转电机；37-旋转编码器；38-旋转电机；39-机械臂一；40-机械臂二；41a、41b-带有抓手的两轴机械手；42-接口块；43-抓手；44-外壳；45a、45b-小行程平面电机；46-平面电机定子；47-平面电机动子；48-安装支架；49-控制系统；50-比较器；51-控制器；52-执行器；53-测量系统。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的较佳实施例进行描述，可以进一步理解本实用新型的目的、具体结构特征和优点。

图1是一种光刻机曝光单元的2D视图，从图中可以看出，该光刻机曝光单元主要包括整机框架102、照明系统101、掩模台系统103、物镜系统104、调焦调平系统105、工件台系统106和工件台激光干涉仪107等。其中的工件台系统106就是我们本次实用新型所要阐述的工件台平衡定位装置。

请参阅图2、3，工件台平衡定位装置主要包括基础框架1、长行程模块、曝光台10、平衡质量系统、平衡质量防漂系统、测量系统53和控制系统49(参阅图13)等。

基础框架1安装在光刻机基础上，自身具有一定的调平能力，它为工件台提供一个牢固可靠的工作平台。

长行程模块用于实现系统在X、Y向的大行程运动。长行程模块主要由Y向长行程电机4a、4b、X向长行程电机13、Y向滑块7、16、X向滑块11、Y向导轨9和X向导轨8等组成。

Y向长行程电机4a、4b分别由动子5和定子3组成。X向长行程电机13由动子12和定子14组成。Y向长行程电机4a、4b运动同步，共同实现平衡定位系统沿Y向的运动，X向电机13用于实现平衡定位系统沿X向的运动。

Y向长行程电机4a的动子5通过连接板6安装在Y向滑块7上，Y向长行程电机4b的动子5通过连接板18安装在Y向滑块16上。Y向滑块7与Y向导轨9之间经垂向气浮轴承23和侧向气浮轴承24连接(见图4)，Y向滑块16与主平衡质量2的上表面经垂向气浮轴承19连接。Y向导轨9安装在主平衡质量2上。X向长行程电机13的动子12安装在X向滑块11上，定子14安装在X向导轨8上，X向滑块11与X向导轨8经气浮轴承25、26连接。X向导轨8一端与Y向滑块7连接，另一端与Y向滑块16连接。

曝光台10是硅片的承载台，并能实现硅片在6自由度(X、Y、Z、Rx、Ry和Rz)上的小范围定位功能。

平衡质量系统包括主平衡质量2和辅平衡质量21a、21b三部分，其中辅平衡质量不限于只有21a、21b两个单元，可以根据结构或者驱动力矩的需要，由一个或者多个组成。平衡定位系统的总质量一般为运动质量(包括Y向长行程电机4a、4b的动子5，X向长行程电机13，X向导轨8和曝光台10等)的10-30倍。

主平衡质量2为中间镂空的方框形，也可以是中间不镂空的方形，采用密度为18g/mm3的钨合金制造。主平衡质量2通过垂向气浮轴承22a、22b、22c、22d与基础框架1连接，能够相对基础框架1做平面运动，用来平衡曝光台10在长行程模块的带动下沿X、Y向加速运动时对光刻机基础产生的反作用力。

请参阅图6、7，辅平衡质量中的每个单元21a、21b结构相同，每一辅平衡质量单元21a(或者21b)由旋转电机27、上外壳28、下外壳29、联轴器30和圆柱形的辅平衡质量体31共同组成。辅平衡质量体31与下外壳29之间经垂向气浮轴承和侧向气浮轴承连接；旋转电机27的定子固定在上外壳28上；转子通过联轴器30与辅平衡质量体31连接在一起。辅平衡质量中的每个单元21a、21b通过下外壳29上的法兰安装在主平衡质量2上，随主平衡质量2一起沿着X、Y向运动。

辅平衡质量21a、21b用于平衡曝光台10在长行程模块的带动下沿X、Y和Rz向加速运动时对主平衡质量2产生的偏转力矩。当主平衡质量2有转动趋势时，安装在主平衡质量2上的加速度传感器20便会反馈一个信号给控制系统49，控制系统49(见图13)根据反馈回的加速度信号，并结合主平衡质量2的转动惯量，便会驱动辅平衡质量21a、21b的旋转电机27，给主平衡质量2施加一个大小相等的反向力矩，主平衡质量2因力矩平衡而不产生沿Rz向的旋转，辅平衡质量体31在旋转电机27的驱动下发生旋转。由于控制上的不适时，也允许主平衡质量体2产生不超过±1mrad的Rz向转角，并借助辅平衡质量21a、21b在规划的时间内消除这个转角。在不考虑摩擦力和管线牵扯力的情况下，整个平衡定位系统相对其设置点(零位，也是工件台平衡定位装置的质心)的动量守恒，角动量也守恒，并满足下面的公式1)和2)(为简化问题起见，假定主平衡质量2无Rz向的转动)：

${\stackrel{\→}{V}}_b\×M_b+{\stackrel{\→}{V}}_m\×M_m=0---1)$

${\stackrel{\→}{V}}_b\×{\stackrel{\→}{r}}_b\×M_b+{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_a\×J_a+{\stackrel{\→}{V}}_m\×{\stackrel{\→}{r}}_m\×M_m=0---2)$

主平衡质量和辅平衡质量等的质心速度；

电机动子和负载等的质心速度；

M_b：主平衡质量和辅平衡质量等的质量；

M_m：电机动子和负载等的质心速度；

主平衡质量和辅平衡质量等的质心到设置点的矢径；

电机动子和负载等的质心到设置点的矢径；

辅平衡质量体的角速度；

J_a：辅平衡质量体相对其转心的转动惯量。

长行程模块带动曝光台10沿X和Y向加速运动时，电机动子会施加给定子大小相等的反作用力。采用平衡块技术前，定子所承受的力会直接传递到基础框架1上。采用平衡块技术后，定子所承受的力传递给了主平衡质量2，力矩传递给了辅平衡质量21a、21b；主平衡质量2和辅平衡质量21a、21b因受力或者力矩相对基础框架1发生运动，也就起到了相应的平衡作用。

平衡质量防漂系统主要用于补偿主平衡质量2相对基础框架1沿X、Y和Rz向的漂移。平衡质量防漂系统具有三个实施例，以下详细介绍每一实施例的具体内容。

图2和图8表示的是平衡质量防漂系统的第一种实施例。该平衡质量防漂系统由两个两轴机械手17a、17b组成，它们相对主平衡质量2的质心前后对称布置，共同实现对主平衡质量2沿X、Y和Rz向的漂移控制。两个两轴机械手17a、17b结构相同。机械手17b(或者17a)主要由机械臂一39、机械臂二40，旋转电机36、38，旋转编码器35、37，输出轴33，连接板32，外壳及安装支架34等组成。机械手17b(或者17a)的机械臂一39安装在外壳34上，由电机36驱动，编码器35安装在电机36上；机械臂40安装在机械臂二40上，由电机38驱动；编码器37安装在电机38上。输出轴33经连接板32与主平衡质量2连接，外壳及支架34安装在基础框架1上。

图9和图10表示的是平衡质量防漂系统的第二实施例。第二种实施例是在第一种实施例的基础上改进的，该平衡质量防漂系统也由两个结构相同的两轴机械手41a、41b组成，它们相对主平衡质量2的质心前后对称布置，共同实现对主平衡质量2沿X、Y和Rz向的漂移控制。机械手41b(或者41a)的结构与第一种方案中的机械手17b(或者17a)类似，区别在于：输出轴上固连了一个抓手43，平衡定位系统需要校正主平衡质量2的位置时，才与安装在主平衡质量2上的接口块42相配合，校正完成后，再与接口块42分开。

图11和图12表示的是平衡质量防漂系统的第三种实施例。该平衡质量防漂系统由两个小行程平面电机45a、45b组成，它们相对主平衡质量2的质心对称布置，共同实现对主平衡质量2沿X、Y和Rz向的漂移控制。平面电机45b(或者45a)由动子47、定子46和安装支架48组成。动子47安装在主平衡质量2上，定子46经过安装支架48安装在基础框架1上。

引起主平衡质量2漂移运动的原因主要包括气浮的扰动，空气摩擦，管线的牵拉等。主平衡质量2的漂移必须进行相应的补偿，否则主平衡质量2会超出规定的行程，导致系统不能连续正常工作。

控制系统49(见图13)可以在一个芯片单元的周期内，或者一行芯片单元的周期内，或者一个硅片的曝光周期内，对防漂系统进行控制以补偿主平衡质量2的漂移运动。

出于控制系统49的需要，长行程电机4a、4b、13、主平衡质量2都有位置数据反馈。测量系统53主要包括长行程电机4a、4b、13的编码器和主平衡质量2的编码器等。同时，为使运动元件在整机坐标系中有一个固定的零点，长行程电机和主平衡质量都配有零位传感器。

图13就是上面提到的控制系统49的控制环路图。主平衡质量2在X、Y和Rz向的设置点被输入给比较器50，比较器50将测量系统53反馈回的数据与理想位置数据比较后，将结果输出给控制器51，控制器51控制着一个三自由度(X、Y和Rz)的执行器52，执行器52对主平衡质量2进行必要的位置校正，测量系统53再将主平衡质量2新的位置数据反馈给比较器50。

本实用新型能够大幅降低工件台平衡定位装置携带负载加速运动时对基础框架的冲击力，降低系统的减振难度，提高系统的定位精度。引用这项技术，长行程电机的加速度、速度和携带的负载质量都可以获得很大提高，这将使得300mm高产率的步进扫描光刻机(特征线宽100nm，套刻精度30nm)技术及后继的双台技术等成为可能。

Claims (15)

1.一种工件台平衡定位装置，其包括基础框架、长行程模块、曝光台、平衡质量系统、平衡质量防漂系统、测量系统和控制系统，其特征在于，所述长行程模块建立在平衡质量系统之上，带动曝光台沿X、Y向运动；平衡质量系统建立在基础框架之上，包括主平衡质量和辅平衡质量，分别用于平衡曝光台在长行程模块的带动下进行加速运动时产生的反作用力和反作用力矩；平衡质量防漂系统安装在基础框架和平衡质量系统之间，补偿平衡质量系统沿X、Y和Rz向的漂移运动；测量系统安装在所述长行程模块和主平衡质量上，为控制系统提供反馈数据；控制系统根据反馈数据控制长行程模块的运动及主平衡质量的位置补偿。

2.如权利要求1所述的工件台平衡定位装置，其特征在于：长行程模块包括两个Y向长行程电机和一个X向长行程电机，两个Y向长行程电机运动同步，共同用于实现曝光台沿Y向的运动，X向长行程电机用于实现曝光台沿X向的运动。

3.如权利要求2所述的工件台平衡定位装置，其特征在于：所述长行程模块包括一个Y向导轨和一个X向导轨，并且Y向导轨与X向导轨成T型布局。

4.如权利要求3所述的工件台平衡定位装置，其特征在于：所述长行程模块包括两个Y向滑块和一个X向滑块，其中一个Y向滑块通过垂向和侧向气浮轴承与Y向导轨连接，另一个Y向滑块通过垂向气浮轴承与主平衡质量的顶部平面连接，X向导轨的两端分别安装在两个Y向滑块上，X向滑块与X向导轨之间通过垂向和侧向气浮轴承连接。

5.如权利要求4所述的工件台平衡定位装置，其特征在于：所述长行程模块的两个Y向长行程电机的动子与对应的Y向滑块安装在一起，定子与主平衡质量体安装在一起；X向长行程电机的动子与X向滑块安装在一起，定子与X向导轨安装在一起。

6.如权利要求1所述的工件台平衡定位装置，其特征在于：主平衡质量为中间镂空的方框形或者中间不镂空的方形；主平衡质量与基础框架之间通过垂向气浮轴承连接，并能相对基础框架做平面运动。

7.如权利要求1所述的工件台平衡定位装置，其特征在于：辅平衡质量由一个或者数个单元组成，每个单元包括圆柱形的平衡质量体、旋转电机及上、下外壳，用来平衡曝光台沿X、Y和Rz向加速运动时产生的反作用力矩。

8.如权利要求7所述的工件台平衡定位装置，其特征在于：所述辅平衡质量的圆柱形平衡质量体与下外壳之间由垂向气浮和侧向气浮连接；旋转电机的定子固定在上外壳上，动子与圆柱形的平衡质量体通过联轴器连接在一起。

9.如权利要求8所述的工件台平衡定位装置，其特征在于：所述辅平衡质量通过下外壳上的法兰从主平衡质量的底部安装于主平衡质量上。

10.如权利要求1所述的工件台平衡定位装置，其特征在于：平衡质量防漂系统为两个相对主平衡质量质心对称布置的两轴机械手或者小行程平面电机。

11.如权利要求10所述的工件台平衡定位装置，其特征在于：所述两轴机械手包括两相连的机械臂、用于驱动对应机械臂的两旋转电机、安装在对应旋转电机上的两旋转编码器、安装于基础框架上的外壳及支架以及输出轴。

12.如权利要求11所述的工件台平衡定位装置，其特征在于：所述两轴机械手的输出轴连接有连接板，两轴机械手通过连接板与主平衡质量连接。

13.如权利要求11所述的工件台平衡定位装置，其特征在于：所述两轴机械手的输出轴固连一个抓手，主平衡质量上安装有接口块，当需要校正主平衡质量的位置时，抓手与接口块相配合，校正完成后，抓手与接口块分离。

14.如权利要求10所述的工件台平衡定位装置，其特征在于：所述小行程平面电机包括动子、定子和安装支架，其中动子安装在主平衡质量上，定子经安装支架安装在基础框架上。

15.如权利要求5所述的工件台平衡定位装置，其特征在于：长行程电机和主平衡质量体都装有位置数据反馈传感器。

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