DE3432993A1

DE3432993A1 - Vorrichtung zum positionieren eines werkstuecks in einem system zur behandlung unter lokalisiertem vakuum

Info

Publication number: DE3432993A1
Application number: DE19843432993
Authority: DE
Inventors: Michael Stephen Beverly Mass. Foley; Robert W. Marblehead Mass. Milgate III; Paul Francis Swampscott Mass. Petric; John J. Ipswich Mass. Waz
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1983-09-19
Filing date: 1984-09-07
Publication date: 1985-04-04
Also published as: GB2147122A; JPS6091543A; US4560880A; FR2552249A1; NL8402862A; GB2147122B; GB8423655D0

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf die Behandlung eines Werkstücks unter lokalisiertem Vakuum, und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Positionieren eines Werkstücks nahe einer Glocke zur Erzeugung eines lokalisierten Vakuums, um eine kontak_;tlose Vakuumdichtung zu schaffen, während das Werkstück gegenüber der Vakuumglocke in seitlicher Richtung bewegt wird.

Bei .Teilchenstrahlsystem, z.B. bei zur Ionenimplantation, Elektronenstrahllithographie oder Ionenstrahllithographie dienenden Systemen, ist es notwendig, den Strahlenwegbereich zwischen der Teilchenstrahlquelle und dem zu behandelnden Werkstück zu evakuieren. Das Werkstück wird entweder direkt oder durch eine Luftschleuse in die Vakuumkammer eingeführt. Derartige Systeme sind überaus kompliziert und kostspielig. Außerdem wird durch den zum Evakuieren erforderlichen Zeitaufwand die Gesamt-Behandlungsgeschwindigkeit verringert, die bei der kommerziellen Halbleiterherstellung eine außerordentlich "wichtige Rolle spielt. Diese Probleme sind durch die Entwicklung der im folgenden beschriebenen lokalisierten Vakuumbehandlung vermindert worden.

Bei bestimmten Teilchenstrahlsystemen muß das Werkstück während der Behandlung bewegt werden. Bei der Elektronenstrahl-, lithographie werden auf ein Werkstück Mikro-Miniaturmuster von außerordentlich hoher Genauigkeit exponiert. Um eine hohe

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Genauigkeit zu erreichen, wird das Elektronenstrahl-Ablenkungsfeld auf eine Fläche begrenzt, die sehr viel kleiner ist als das Werkstück. In typischen Fällen mißt das Ablenkungsfeld eines Elektronenstrahls nach jeder Seite wenige Millimeter, während das Werkstück, im allgemein ein Halbleiterplättchen oder eine Maskenplatte, eine Größe von mehreren Zoll aufweisen kann. Soll das gesamte Werkstück exponiert werden, muß es gegenüber dem Elektronenstr_ahJL_genau positioniert werden. In der Vergangenheit wurde das Werkstück mit Hilfe eines Systems von außerhalb des Vakuumbereichs angeordneten Antriebsmotoren positioniert, und ein mechanisches Gestänge diente dazu, die Bewegung über Bälge oder drehbewegliche Vakuumdichtungen in den Vakuumbereich zu übertragen.- Derartige Systeme waren groß, korn-' pliziert und relativ kostspielig.

Eine Vorrichtung zur Vakuumbehandlung in einem lokalisierten Bereich auf der Oberfläche eines Werkstücks wurde in einer früheren US-Anmeldung beschrieben. Zu der Vakuumbehandlungsvorrichtung gehört eine Glocke, die eine innere Vakuumbehandlungszone umschließt. Die Spitze der Glocke befindet sich direkt über der Oberfläche des Werkstücks und ist von diesem durch einen vorbestimmten Abstand oder Spalt getrennt. Die Spitze der Glocke bildet zusammen mit dem Werkstück eine kontaktlose, abgestufte Vakuumdichtung zwischen der im Inneren liegenden Vakuumbehandlungszone und der Umgebung. Die Vakuumglocke erzeugt auf der Oberfläche des Werkstücks eine Vakuumzone, die im Vergleich zur Größe des Werkstücks klein ist.

Damitr-die gesamte Oberfläche des Werkstücks behandelt v/erden kann, wird dieses auf einer Bühne angeordnet, die gegenüber der Spitze der Glocke in seitlicher Richtung bewegbar ist. Um bei Elektronenstrahllithographiesystemen ein hohes Arbeitstempo zu erreichen, wird die Bühne gewöhnlich mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 10 cm/sec bewegt. Während dieser Bewegung muß der Spalt zwischen der Spitze der Hülle und dem Werkstück innerhalb vorgeschriebener Grenzen dynamisch geregelt werden. ^w'enn

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der Abstand zu groß wird, ergibt.sich in der Vakuumzone ein reduziertes Vakuum, und der Arbeitsprozeß wird unterbrochen,

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'bis der'erforderliche Vakuumpegel wieder erreicht/kann. Bei Lithographiesystemen^veYwehdete Elektronenstrahlsäulen müssen im mittleren bis Hochvakuumbereich betrieben werden. In vielen Fällen ist zu wenig Raum vorhanden, um eine Einrichtung zum Hochleitungsvakuumpumpen unterzubringen. In solchen Fällen muß der Spalt relativ klein sein. Kann eine Einrichtung zum HochleitungsvakuumpumperT vorgesehen oder mit einem geringeren Vakuum gearbeitet werden, ist ein größerer Spalt zulässig. Andererseits darf der Spalt nicht so klein werden, daß" die Gefahr einer Berührung zwischen der Spitze der Glocke und dem Werkstück besteht. Ein Werkstück von der Art eines Halbleiterplättchens ist höchst empfindlich und kann infolge einer solchen Berührung bleibenden Schaden davontragen oder zerbrechen. Halbleiterplättchen sind zwar im allgemeinen flach und eben, doch können sie eine veränderliche Dicke, Oberflächenunregelmäßigkeiten und durch die Bearbeitung hervorgerufene Verwerfungen aufweisen, die sämtlich dazu führen, daß sich der Spalt während der seitlichen Bewegung des Plättchens verändert. Außerdem unterliegt die Bühneneinrichtung, mit deren Hilfe das Plättchen gegenüber der Spitze der Glocke seitlich.bewegt wird, gewissen Fehlern und Toleranzen, die dazu führen, daß sich der Spalt während der Bewegung des Plättchens verändert. Diese Faktoren machen eine dynamische Regelung des Spalts zwischen der Spitze der Glocke und dem Werkstück während der Behandlung erforderlich.

Ein Teilchenstrahlsystem, bei dem das Werkstück während einer lokalisierten Vakuumbehandlung in seitlicher Richtung bewegt wird, ist in einer früheren US-Anmeldung beschrieben. Eine Vorrichtung zum Regeln des Spalts bei der lokalen Vakuumbehandlung ist ebenfalls in einer früheren US-Anmeldung beschrieben.

Ein wichtiger Bestandteil des Systems zum Positionieren des Werkstücks ist die Z-Achseh-Zustelleinrichtung, die das Werk-

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stück gegenüber der Spitze der Vakuumglocke mechanisch positioniert, und zwar als Reaktion auf ein aus der Spaltabmessung gewonnenes Kontrollsignal. Die Zustelleinrichtung muß außerordentlich genau arbeiten, da der Spalt zwischen dem Werkstück und der Vakuumglocke innerhalb weniger Mikrometer auf einem vorgeschriebenen Maß gehalten werden muß. Außerdem muß die Zustelleinrichtung schnell arbeiten, um die erforderliche Spaltabmessung bei seitlichen Bewegungen von bis zu 10 cm/sec aufrechtzuerhalten. Ferner muß die Zustelleinrichtung das Werkstück entlang der Z-Achse bewegen, ohne ihm eine Kipp- oder Drehbewegung zu erteilen, die zu einer Verzerrung und falschen Placierung der durch den Elektronenstrahl geschriebenen Muster führen würde.

In einer der oben erwähnten Anmeldungen wird- die Verwendung einer piezoelektrischen Z-Achsen-Zustclleinrichtung offenbart. Die beschriebene Vorrichtung arbeitet zwar im allgemeinen zufriedenstellend, doch benötigen piezoelektrische Zustelleinrichtungen relativ hohe Betriebsspannungen sowie Einrichtungen zum Amplifizieren ihrer relativ kleinen mechanischen Bewegungen. Wird die Bewegung amplifiziert, nimmt die Kraft der Zustelleinrichtung entsprechend ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Vorrichtung zum Positionieren eines flachen Werkstücks zu schaffen. Ferner soll durch die Erfindung eine neuartige Vorrichtung zum Positionieren eines Werkstücks gegenüber einer Glocke zum Erzeugen eines lokalisierten Vakuums geschaffen werden. Außerdem soll-eine Vorrichtung zum Aufrechterhalten eines vorbestimmten Abstands oder Spalts zwischen einem Werkstück und einer Vakuumglocke während der seitlichen Verschiebung des Werkstücks geschaffen werden. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum Z-Achsen-Positionieren eines Werkstücks gegenüber einer Vakuumglocke, ohne daß dem Werkstück unerwünschte seitliche oder Drehbewegungen erteilt werden. Schließlich soll durch die Erfindung eine Vorrichtung zum

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hydraulischen Z-Achsen-Positionieren eines Werkstücks gegen- über einer lokalisierten Vakuumglocke geschaffen werden.

Erfindungsgemäß werden diese und andere Ziele und Vorteile mit Hilfe einer Vorrichtung zur Z-Achsen-Positionierung eines Werkstücks erreicht, während das Werkstück seitlich in der X-Y-Ebene bewegt wird. Zu der Vorrichtung gehören ein X-Y-Tisch, zum Bewegen in der X—Y-Ebene, die rechtwinklig zur Z-Achse verläuft, sowie eine Bühnenbaugruppe, die gegenüber dem X-Y-Tisch entlang der Z-Achse beweglich ist. Zu der Bühnenbaugruppe gehören Einrichtungen zum Festhalten des Werkstücks in "der Behandlungsstellung. Ferner gehört zu der Vorrichtung eine Z-Achsen-Zustelleinrichtungs-Baugruppe mit mehreren ausdehnungsfähigen, Flüssigkeit enthaltenden Bauteilen, die zwischen dem X-Y-Tisch und der Bühnenbaugruppe eingeschaltet sind -und dazu dienen, sich entlang der Z-Achse auszudehnen und zusammenzuziehen, und zwar als Reaktion auf Variationen des in ihnen jeweils enthaltenen Flüssigkeitsvolumens, sowie eine Einrichtung zum Variieren des Flüssigkeitsvolumens in jedem der flüssigkeitsgefüllten Bauteile entsprechend einem Zustelleinrichtungs-Steuer.signal, um die Bühnenbaugruppe entlang der Z-Achse zu bewegen. Zu der Vorrichtung gehören ferner Einrichtungen zum Fühlen der Z-Achsen-Position des Werkstücks und zum Erzeugen des Zustelleinrichtungs-Steuersignals, das die Z-Achsen-Position des Werkstücks innerhalb eines vorbestimmten Bereichs hält. Bei einer bevorzugten Ausführungsform dient die Vorrichtung dazu, ein Halbleiterplättchen gegenüber einer/Vakuumglocke so zu positionieren, daß zwischen der Glocke und dem Plättchen ein vprbestimmter Spalt aufrechterhalten wird.

Entsprechend einem Merkmal der Erfindung gehören zu der Vorrichtung ferner Einrichtungen zum Verhindern seitlicher oder Drehbewegungen der Bühnenbaugruppe gegenüber dem X-Y-Tisch, zu denen ein flexibles, ebenes Bauteil gehört, das parallel zu dem Spalt angeordnet und zwischen dem X-Y-Tisch und der Bühnenbaugruppe eingeschaltet ist. Bei den Flüssigkeit enthaltenden

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Bauteilen kann es.sich um Bälge handeln, die jeweils durch einen hydraulischen Zylinder mit einem Balg und einem durch einen linearen Schrittschaltmotor betätigen Kolben gesteuert werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Elektronenstrahl-Behandlunqssystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt der Vakuumglocke zur ^Erzeugung eines lokalisierten Vakuums nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt der erfindungsgemäßen P-ositioniervorrichtung;

Fig. 4 eine vereinfachte Draufsicht der Positioniervorrichtung nach Fig. 3; und

Fig. 5 die hydraulische Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung.

Ein Teilchenstrahlsystem mit Einrichtungen zur. lokalen Vakuumbehandlung eines Werkstücks ist in Fig. 1 in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Zu einen Elektronenstrahllithographiesystem gehört eine Glockeneinrichtung 10 zum Erzeugen eines lokalisierten Vakuums, die an den Ausgang einer Elektronenstrahlsäule 12 montiert, ist, zu welch letzterer eine Elektronenquelle sowie optische Einrichtungen zur Verkleinerung, Projektion und Ablenkung gehören. Die Säule 12 weist außerdem optische Beleuchtungs- und Strahlformungseinrichtungen auf, falls mit einem geformten Strahl gearbeitet wird. Eine bevorzugte Elektronenstrahlsäule 12 ist in der älteren deutschen Anmeldung P 33 07 138.1 beschrieben. Dem Fachmann sind jedoch auch andere"geeignete Elektronenstrahlsäulen bekannt. Die Säule 12

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gibt einen fein f.okussierten Elektronenstrahl 14 ab (Fig. 2), der die Glockeneinrichtung 10 passiert und auf ein Werkstück, "z.B. ein Halbleiterplättchen 16, auftrifft. Der gesamte von dem Elektronenstrahl 14~dtrrchlaufene Bereich zwischen der Elektronenquelle und dem Plättchen 16 wird durch eine Hochvakuumpumpe 17, die an die Säule 12 angeschlossen ist, auf einem Hochvakuum in der Größenordnung von 1O^- Torr gehalten. Dem Fachmann ist bekannt, daß bei einem System zum praktischen Gebrauch die elektronerropirischen Elemente außerhalb des Vakuumbereichs angeordnet sind und daß eine durch den Elektronenstrahl durchlaufene zentrale Röhre auf einem Hochvakuum gehalten wird. Die Glockeneinrichtung 10 ist an eine Vakuumpumpe 20:"der ersten Stufe, eine Vakuumpumpe 22 der zweiten Stufe und die Hochvakuumpumpe 17 angeschlossen. Das Plättchen 16 wird durch eine auf der Bühne 24 montierte Saugträgerplatte 18 unterstützt und in seiner Lage gehalten. Die Bühne 24 wird über einem X-Y-Tisch durch Zustelleinrichtungen 28 unterstützt und weist Spiegelflächen 30 auf, mit denen die Saugträgerplatte starr verbunden ist und die zur genauen Messung der X-Y-Position des Plättchens 16 dienen. Die Plättchen werden durch ein nicht dargestelltes automatisches Plättchenhandhabungssystem auf der Saugträgerplatte 18 angeordnet und von ihr entfernt. Der X-Y-Tisch 26 wird in der X-Y-Ebene durch ein X-Y-Antriebssystem 34 bewegt. Die genaue X-Y-Position des Plättchens 16 wird durch ein Laser-Interferometersystem 36 gefühlt, das optische Signale auf die Spiegelflächen 30 richtet. Es sei bemerkt, daß die Z-Achse 37 allgemein mit dem Weg des Elektronenstrahls 14 zusammenfällt, während die X-Achse und die Y-Achse eine zur Z-Achse 37 rechtwinklige Ebene bilden, in der das Plättchen bewegt wird. Zu dem vollständigen Elektronenstrahllithographiesysteni gehört außerdem ein in Fig. 1 nicht dargestellter Regler oder Rechner mit dem zugehörigen elektronischen System, der die Säule 12, das Antriebssystem 34, das Vakuumsystem und das Plättchenhandhabungssystem steuert sowie Musterdaten speichert und Regelsignale für den Strahl liefert.

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Die Spitze der Glockeneinrichtung 10 und die Oberfläche des Plättchens 15 sind in Fig. 2 in einer vergrößerten Schnittdarstellung gezeigt. -Zu_der^_Glocke 10 gehören konzentrische Manschetten 40a, 40b und 40c, die jeweils von konischer Form sein können, sowie eine Spitze 42, die aus den in einer Ebene angeordneten Spitzen der Manschetten 40a, 40b und 40c besteht. Die Spitze 42 befindet sich während der Behandlung etwas oberhalb des Plättchens 15^._Zwischen der Spitze 42 und der Oberfläche des-Plättchens 16 ist ein Spalt G vorhanden, der gewöhnlich in der Größenordnung von etwa 30 Mikrometer liegt. Die Manschette 40a umschließt eine Hochvakuum-Behandlungszone 44. Während des Betriebs wird durch eine Differentialpumpenanordnung eine abgestufte Vakuumdichtung in der Spaltregion zwischen der Hochvakuumzone 44 und der Umgebung aufrechterhalten. Zwischen den Manschetten 40a und 40b ist eine mit der Zone 44 konzentrische ringförmige Öffnung 46 vorhanden, und zwischen den Manschetten 40b und 40c befindet sich eine ebenfalls mit der Zone 44 konzentrische Ringöffnung 48. Die Ringöffnung 48 ist an die Vakuumpumpe 20 der ersten Stufe angeschlossen, die den Druck um die Hochvakuumzone 44 herum auf einen Niedervakuumpegel reduziert und eine erste Vakuumzone erzeugt. Die Ringöffnung 46 ist an die Vakuumpumpe 22 der zweiten Stufe angeschlossen, die den Druck um die Hochvakuumzone 44 herum auf einen mittleren Vakuumpegel reduziert und eine zweite Vakuumzone erzeugt. Die Vakuumzone 44 ist an die Hochvakuumpumpe 17 angeschlossen. In Abhängigkeit von dem bei einem bestimmten Prozeß erforderlichen Druck können mehr oder weniger Vakuumpumpstufen verwendet werden, um die abgestufte Dichtung auszubilden. In typischen Fällen beträgt der Außendurchmesser der Spitze 42 für die Elektronenstrahllithographie zum direkten Schreiben etwa 10 bis 15 mm, während der Durchmesser der Vakuumzone 44 etwa 3 bis 5 mm mißt. Bringt man die Spitze der Glockeneinrichtung 10 in nächste Nähe der Oberfläche des Plättchens 16, wird in der Vakuumzone 44 ein Hochvakuum aufrechterhalten. Wird das Plättchen 16 unter der Glockeneinrichtung 10 verschoben, wird der Elektronenstrahl innerhalb der Vakuumzone 44 über den

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Bereich der Plättchenoberfläche geführt. Weitere Angaben über die Glockeneinrichtung zur Erzeugung eines lokalisierten Vakuums sind in früheren US-Anmeldungen zu finden.

Die Vorrichtung zum Positionieren des Werkstücks 16 gegenüber der Glockeneinrichtung 10 ist in Fig. 3 und 4 mit weiteren Einzelheiten dargestellt. Die Saugträgerplatte 18 hält das Plättchen 16 gegenüber der Bühne 24, auf der sie starr montiert ist, in einer festen Lage. Die Verwendung von Saugträgerplatten zum Festhalten von Halbleiterp.lättchen in einer ebenen und starren Lage ist bekannt; sie haben den-Vorteil, daß sie in physischem Kontakt mit der Rückseite des Plättchens stehen, v/o seine Beschädigung weniger wahrscheinlich ist. Die Saugträgerplatte 18 muß das Plättchen 16 während der Behandlung eben halten und darf keinerlei Bewegung des Plättchens zulassen. Zu einer geeigneten Saugträgerplatte gehören mehrere kleine Stifte, die von einer Umrandung umschlossen sind, die mit dem Plättchen.eine Vakuumdichtung bildet. Die Stifte liegen mit dem oberen Ende der Umrandung in einer Ebene. Wird das hinter dem Plättchen vorhandene Volumen evakuiert, wird das Plättchen angesaugt, so daß es die Stifte berührt und abgeflacht wird. Eine solche Saugträgerplatte ist in der Veröffentlichung "Wafer Flatness Utilizing the Pin Recess Chuck" von Saunders in Solid State Tech., Mai 1982, S. 73, sowie in der US-PS 4 213 698 beschrieben. Die Bühne 24 hat allgemein die Form einer Metallplatte mit zwei auf zueinander rechtwinkligen Seiten ausgebildeten(erhöhten Rändern. Präzisionsspiegel 30 sind entweder auf den erhöhten Rändern 50 montiert oder vorzugsweise durch Polieren direkt an diesen ausgebildet, um zusammen mit dem Laser-Interferometersystem 36 die X-Y-Lage der Bühne 24 und des Plättchens 16 zu fühlen. Neben der Saugträgerplatte 18 ist auf der Bühne 24 ein Abstütz- oder Einstellblock 52 montiert, dessen Oberfläche mit der Oberfläche des Plättchens 16 in einer Ebene liegt. Beim Einrichten des Systems sowie beim Austauschen der Plättchens wird der Block 52 unterhalb der Spitze 42 der Glockeneinrichtung 10 angeordnet, um

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das Vakuum aufrechtzuerhalten. Der Abstütz- oder Einstellblock 52 weist gewöhnlich Bezugsmarkierungen auf, die zum Messen und Ausrichten des Elektronenstrahls vor dem Exponieren des Plättchens 16 dienen. Die Bühne 24 ist auf einer Platte 54 montiert, die als obere Verbindungsplatte für die im folgenden beschriebenen Elemente des Z-Achsen-Zustellsystems dient.

Eine auf der Oberfläche des X-Y-Tisches 26 montierte Platte 56 dient als untere Verbindungsplatte für die Elemente des Z-Achsen-Zustellsystems. Der X-Y-Tisch 26 unterstützt die Bühne 24 über das Z-Achsen-Zustellsystem und wird in der X-Y-Ebene durch das Antriebssystem 34 angetrieben. Die Bewegung in der X-Y-Ebene muß so plan wie irgend möglich erfolgen, d.h« frei von Abweichungen in der Z—Achsen-Richtung und frei von Vibrationen. Bei dem Antriebssystem 34 kann es sich um jedes geeignete Hochpräzisions-X-Y-Positioniersystem handeln. Ein zweckmäßiges Antriebssystem 34 arbeitet mit Linearmotoren oder Translatoren, wie sie in einer früheren US-Patentanmeldung beschrieben sind. In diesem Zusammenhancj sei auf folgende Veröffentlichungen hingewiesen* B.A. Sawyer: "Magnetic Positioning Device", Re 27,289, sowie J. Dunfield u.a.: "Sawyer Principal Linear Motor Positions Without Feedback", Power Transmissions Design, Juni 1974, S. 72. Ein anderes geeignetes Antriebssystem 34 arbeitet mit X- und Y-Antriebsmotoren, die auf bekannte Art über eine Spindel mit dem X-Y-Tisch verbunden sind. Da sich der X-Y-Tisch nicht im Vakuum befindet, werden keine Bälge oder sonstigen Vaküumans chilis se benötigt. Die seitliche Lage der Bühne 24 wird durch das Laser-Interferometersystem 36 genau gefühlt, welches Laserstrahlen auf senkrechte Spiegel 30 richtet. Die Ausgangssignale des Laser-Interferometersystems 36 werden einer Systemsteuerung zugeführt, zu der gewöhnlich ein Rechner gehört. Die Systemsteuerung überwacht die Position der Bühne 24 und übermittelt Steuersignale an das Antriebssystem 34, welches das Plättchen kontinuierlich zur Elektronenstrahlbehandlung positioniert. Die Verwendung von Laser-Interferometern zum Überwachen der X-Y-Position einer bewegbaren Bühne ist in der US-PS 4 063 103 beschrieben.

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Gemäß Fig. 3 und 4 sind mehrere•Z—AChsen-Zustelleinrichtungen 28, normalerweise drei, zwischen, der Platte 54 und der Platte '56 eingeschaltet. Zu jeder der Zustelleinrichtungen 28 gehören ein an der Platte 54 montierter oberer Stützblock 60 und ein an der Platte 56 montierter unterer Stützblock 62; zwischen beiden Blöcken 60 und 62 befindet sich ein Balg 64. Der Balg 64 braucht nur wenige Falten aufzuweisen, da die zurückzulegende Strecke entlang der Z—Achse klein ist und gewöhnlich in der Größenordnung von etwa 0,38 mm liegt. Das Innere jedes der Bälge 64 steht über einen Kanal 66 in dem unteren Stützblock 62 und eine Leitung 68 mit einem hydraulischen Steuersystem in Verbindung. Der Balg 64, der Kanal 66 und die Leitung 68 sind mit einer relativ inkompressiblen Hydraulikflüssigkeit, z.B. Öl, gefüllt. Im Fall eines- Strahls aus geladenen Teilchen wird als Hydraulikflüssigkeit Perfluorpolyäther bevorzugt. Als Reaktion auf Variationen des in ihnen enthaltenen Flüssigkeitsvolumens dehnen sich die Bälge 64 aus und ziehen sich zusammen, wodurch die Bühne 24 veranlaßt wird, sich entlang der Z-Achse nach oben oder unten zu bewegen.

Das hydraulische Steuersystem 70 ist in Fig. 5 dargestellt. Jede der von den Zustelleinrichtungen 28 kommenden Leitungen 68 ist an einen hydraulischen Zylinder 72 angeschlossen. Jeder der hydraulischen Zylinder 72 besteht aus einem Flüssigkeit enthaltenden Zylinder, einem Kolben 74 und einem Balg 75. Durch die Verwendung des Balges 75 wird die Reibung vermindert und ein abgedichtetes Hydrauliksystem geschaffen, bei dem die Gefahr von Leckverlusten an Hydraulikflüssigkeit gering ist. Alternativ kann ein Kolben bekannter Art ohne Balg verwendet werden. Der Kolben 74 in jedem der hydraulischen Zylinder 72 steht über eine Verbindungsstange 76 mit einem Verbindungsblock 78 in Verbindung. An letzteren ist auch die·Abtriebswelle eines linearen Schrittschaltmotors 80 angeschlossen, der mittels eines geeigneten. Rahmens 82 an der Platte 56 befestigt ist. Ein Steuersignal erregt den Motor 80 und veranlaßt den Verbindungsblock -78, sich nach innen oder außen zu

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bewegen. Die Verbindungsstangen 76 werden parallel zueinander bewegt und variieren das Flüssigkeitsvolumen in den Zylindern 72, die ihrerseits entsprechende Variationen des Flüssigkeitsvolumens in den Bälgen 64 bewirken und die Bühne 24 entlang der Z-Achse aufwärts oder abwärts.bewegen. Der Verbindungsblock 78 ist mit Einstellkragen 84 versehen, mittels deren die Höhe der Zustelleinrichtungen 28 einzeln eingestellt werden kann. Hierdurch wird es ermöglicht, die Bühne anfänglich parallel auf die Spitze 42 der Vakuumglockeneinrichtung 10 und die Ebene der X-Y-Bewegung auszurichten. In der Folge werden beim Betrieb des Systems die Zustelleinrichtungen 28 parallel betätigt, so daß die parallele Ausrichtung der Vakuumglockeneinrichtung 10 und des Werkstücks 16 erhalten bleibt. Es sei darauf hingewiesen, daß der Verbindungsblock 78 auf beliebige Weise betätigt werden kann, z.B. durch einen Rotationsmbtor bekannter Art und einen Umwandler der Drehbewegungen in lineare Bewegungen oder durch eine lineare Zustelleinrichtung anderer Art. Falls erforderlich, können die Zustelleinrichtungen entfernt angeordnet sein.

Gemäß Fig. 3 ist die Positioniervorrichtung mit Einrichtungen zum Verhindern von seitlichen oder Drehbewegungen der Bühne gegenüber dem X-Y-Tisch 26 versehen. An der Platte 56 ist eine Säule 86 starr befestigt, die sich nach oben in Richtung auf die Bühne 24 erstreckt. Eine flexible Scheibe 88, gewöhnlich in Form eines dünnen Bleches aus Federmetall, ist in der X-Y-Ebene zwischen der Platte 54 und der Säule 86 angeordnet. Die Säule 86 ist mit einer Ringnut versehen, die einen Hai hering zum Festlegen der flexiblen Scheibe 88 an der Säule 86 aufnimmt. Die Platte 54 ist ihrerseits mit einer Ringnut versehen, in die ein Haltering 92 zum Festlegen ker flexiblen Scheibe 88 an der Platte 54 eingreift. Die flexible Scheibe 88 erteilt der Bühne 24 eine geringe Bewegungsfreiheit gegenüber dem X-Y-Tisch 26 entlang der Z-Achse. Eine seitliche Bewegung in der X-Y-Ebene und eine Drehbewegung der Bühne 24 gegenüber dem X-Y-Tisch 26 werden jedoch verhindert.

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Gemäß Fig. 3 und 4 ist die Positioniervorrichtung mit mehre- . ren Federbaugruppen 94 versehen,die zwischen der Platte 54 "und der "Platte 56 eingeschaltet sind, um das Z-Achsen-Zustellsystem nach unten in"Richtung auf den X-Y-Tisch 26 vorzuspannen. Eine Einzelheit einer Federbaugruppe 94 ist in einem weggeschnitten gezeichneten Abschnitt von Fig. 3 dargestellt. Eine Feder 100 im zusammengedrückten Zustandl· stützt sich an einem Becherteil 96 und an einem mit einem Flansch versehenen Stift 98 ab, wodurch das Z-Achsen-Zustellsystem nach unten in Richtung auf den X-Y-Tisch 26 vorgespannt wird. Der Zweck der Federbaugruppen 94 besteht darin, eine Kraft auszuüben, die die durch die' Vakuumglockeneinrichtung auf das Plättchen 16 ausgeübte nach oben gerichtete Kraft aufhebt, und das hydraulische System vorzuspannen. ·

Durch die Verwendung der Platten 54 und 56 zum Montieren der Zustelleinrichtungen 28, der Federbaugruppen 94, der Säule 86 und der flexiblen Scheibe 88 wird verhindert, daß Spannungen auf die Bühne 24 übertragen werden. Solche Spannungen könnten zu einer Verzerrung der Bühne 24 führen und Meßfehler beim Positionieren des Plättchens in der X-Y-Ebene verursachen, das von einer starren Verbindung zwischen dem Plättchen 16 und den Spiegeln 30 abhängig ist. Können solche Spannungen toleriert werden, sind die Platten 54 und 56 entbehrlich, und die Elemente des Z-Achsen-Zustellsystems können direkt an dem X-Y-Tisch 26 und der Bühne 24 befestigt sein.

Um die Abmessung des Spalts G innerhalb vorgeschriebener Grenzen zu halten, werden ein Spaltsensor und eine Steuerschaltung benötigt. Der Spaltsensor fühlt den Abstand zwischen der Spitze der Vakuumglockeneinrichtung 10 und dem Plättchen 16 und liefert ein für die Abmessung des Spalts repräsentatives Signal. Die Regelschaltung reagiert auf das Signal des Spaltfühlers und ermittelt, ob der vorhandene Spalt innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen liegt, worauf er dem linearen Schrittschaltmotor 80 die notwendigen Steuersignale, zuführt, um die Größe des

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Spalts zu variieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein an die zweite Stufe der Vakuumglockeneinrichtung angeschlossener Unterdruckmesser als Spaltfühler verwendet. Der in der zweiten Stufe der Glockeneinrichtung 10 herrschende Druck hängt direkt mit der Größe des Spalts zusammen. Der Vorteil der Verwendung eines Unterdruckmessers zum Messen des Spalts besteht darin, daß der Spalt in einem Rinqbereich gemessen wird, der der Vakuumzone 44_dic.ekt__benachbart ist, d.h. dem Punkt, wo die"Spaltgröße wichtig ist. Ein geeigneter Unterdruckmesser ist ein Kapazitivmanometer-Unterdruckmesser, wie er von der Firma MKS Instruments, Inc., unter der Bezeichnung 222BHS-A-0.5%-10 auf den Markt gebracht wird. Es können auch Spaltfühler anderer Art, z.B. kapazitive Spaltfühler, verwendet werden. Die Steuerschaltung in ihrer einfachsten Form arbeitet mit einer Vergleichsschaltung, die ermittelt, ob das Aüsgangssignal des Spaltfühlers innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt. Innerhalb dieses Bereichs ist die Abmessung des Spalts in Ordnung, und eine Betätigung in Richtung der Z-Achse ist nicht erforderlich. Liegt das Spaltfühlersignal außerhalb der vorgeschriebenen Grenzen, wird ein Signal an den linearen Schrittmotor 80 übertragen, damit die Bühne 24 nach oben oder unten bewegt wird, um die Abmessung des Spalts auf das vorgeschriebene Maß zu bringen.

Die erfindungsgemäße Positioniervorrichtung ist vorstehend in Verbindung mit einem System zur lokalen Vakuumbehandlung beschrieben worden. Für den Fachmann liegt es auf der Hand, daß die offenbarte Positioniervorrichtung überall da verwendet werden kann, wo ein flaches Werkstück, z.B. ein Halbleiterplättchen, in einer X-Y-»Ebene bewegt wird und eine genaue Kontrolle seiner Position in der Z-Achsen-Richtung erforderlich ist. Beispiele für'solche Systeme sind optische und Röntgenstrahlen-Musterrepetiersysterne (step-and-repeat systems), bei denen ein Plättchen gegenüber einem Projektionssystem genau positioniert werden muß;

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Claims

Patentanwälte · European Patent Attorneys

München

Vl P611 D

VARIAN ASSOCIATES,"INC. Palo Alto, CaI., USA

Vorrichtung zum Positionieren eines.Werkstücks in
einem System zur Behandlung unter lokalisiertem Vakuum

Priorität: 19. September 1983 - U S A - Serial No. 533 823

Ansprüche

Vorrichtung zum Positionieren eines Werkstücks gegenüber einer
Vakuumglocke in einem System zur Behandlung unter lokalisiertem
Vakuum, um zwischen der Vakuumglocke und dem Werkstück einen Spalt
von vorbestimmter Größe aufrechtzuerhalten, während das Werkstück
gegenüber der Z-Achse der Vakuumglocke in seitlicher Richtung bewegt wird, bestehend aus

einem X-Y-Tisch (26), der in einer zu der Z-Achse (37) recht- ' winkligen Ebene eine X-Y-Bewegung ausführen kann,

einer Bühnenbaugruppe (24), die gegenüber dem X-Y-Tisch entlang der Z-Achse bewegbar ist, wobei zu der Bühnenbaugruppe Einrichtungen zum Festhalten des Werkstücks (16) in einer Behandlungslage gehören,

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einer Z-Achsen-Zustellbaugruppemit

■'._, ■ mehreren ausdehnungsf ahigen, Flüssigkeit enthaltenden Bauteilen (28), die zwischen dem X-Y-Tisch und der Bühnenbaugruppe eingeschaltet sind und sich als Reaktion auf Variationen des-in ihnen enthaltenen Flüssigkeitsvolumens entlang der Z-Achse ausdehnen und zusammenziehen, und

Einrichtungen zum Variieren des Flüssigkeitsvolumens in jedem der Flüssigkeit enthaltenden Bauteile als Reaktion auf ein Zustelleinrichtungs-Steuersignal, um die Bühnenbaugruppe entlang der Z-Achse zu bewegen, sowie

Einrichtungen· zum Fühlen des Spalts (G) zwischen dem ,Werkstück und der Vakuumglocke (10) und zum Erzeugen des Zustelleinrichtungs-Steuersignals, das die Abmessung des Spalts innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs 'halt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Flüssigkeit enthaltenden Bauteilen (28) Bälge (64) gehören, die zwischen dem X-Y-Tisch (26) und der Bühnenbaugruppe (24) eingeschaltet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Z-Achsen-Zustellbaugruppe zwischen dem X-Y-Tisch (26) und der Bühnenbaugruppe (24) angeordnete Einrichtungen gehören, die eine seitliche oder Drehbewegung der Bühnenbaugruppe gegenüber dem X-Y-Tisch verhindern.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu" den Einrichtungen zum Verhindern von seitlichen und Drehbewegungen ein flexibles, flaches Bauteil (88) gehört, das in einer zu dem Spalt parallelen Ebene angeordnet und zwischen dem X-Y-Tisch (26) und der Bühnenbaugruppe (24) eingeschaltet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Bauteil (88) an seinem Umfang an der Bühnenbaugruppe (24) befestigt ist.

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6. Vorrichtung nach Anspruch .5, gekennzeichnet durch eine Säule
(86), die mit einem Ende am mittleren Teil des flexiblen Bauteils (88) und mit dem anderen Ende an dem X-Y-Tisch (26) befestigt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu
der Z-Achsen-Zustellbaugruppe Einrichtungen (94) zum Vorspannen der Bühnenbaugruppe_X24)_entlang der Z-Achse (37) entgegen der Richtung der durch die Vakuumglocke (10) ausgeübten Kraft gehören.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu
der Vorspanneinrichtung (94)· mehrere Federeinrichtungen (100) gehören, die dazu dienen, die Bühnenbaugruppe (24) in der Richtung des X-Y-Tisches (26) vorzuspannen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu
der Einrichtung zum Variieren des Flüssigkeitsvolumens in den Flüssigkeit enthaltenden Bauteilen (28) eine lineare Zustelleinrichtung sowie Einrichtungen zum Umwandeln der linearen Bewegung der linearen Zustelleinrichtung in Variationen des in ■ jedem der Flüssigkeit enthaltenden Bauteile vorhandenen Flüssigkeitsvolumens gehören.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zu
den linearen Zustelleinrichtungen ein linearer Schrittmotor gehört.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zu
den Einrichtungen zum Umwandeln der linearen Bewegung ein
hydraulischer Zylinder (72) gehört, der an jedes der Flüssigkeit enthaltenden Bauteile angeschlossen ist, sowie ein Kolben (74) zum Variieren des Flüssigkeitsvolumens in den Zylindern.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (74) mit dem Zylinder (72) über einen Balg (75) in Verbindung steht. ■ - ■
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der hydraulischen Zylinder (72) einzeln verstellbar ist,

- -um ein Nivellieren und Verstellen der Bühnenbaugruppe (24) in der Z-Achsen-Richtung-zu-ermöglichen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Bühnenbaugruppe (24) eine.polierte Fläche (30) in der X-Z-Ebene sowie eine polierte Fläche in der Y-Z-Ebene gehören, die zum Überwachen der X-Y-Position des Werkstücks (16) dienen.
15. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß zu der Einrichtung zum Festlegen der Werkstücke (16) eine Saugträgerplatte (18) gehört.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bühnenbaugruppe (24) über eine Verbindungsplatte (78) mit der Z-Achsen-Zustellbaugruppe in Verbindung steht, um zu verhindern, daß durch letztere Baugruppe Spannungen auf die Plattformbaugruppe ausgeübt werden.
17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Werkstück (16) um ein Halbleiterplättchen handelt und daß die lokalisierte Vakuumglocke (10) zu einem Elektronenstrahl-Lithographiesystem gehört.
18. Vorrichtung zum Z-Achsen-Positionieren eines ebenen Werkstücks, während das Werkstück seitlich in der X-Y-Ebene bewegt wird, gekennzeichnet durcheinen X-Y-Tisch (26), der in einer zur Z-Achse (37) rechtwinkligen Ebene X-Y-Bewegungen ausführen kann,

eine Bühnenbaugruppe (24), die sich gegenüber dem X-Y-Tisch entlang der Z-Achse bewegen kann, wobei zu der Bühnenbau~ gruppe Einrichtungen zum Festlegen des Werkstücks in einer Behandlungsstellung gehören,

eine Z-Achsen-Zustelleinrichtung mit

mehreren ausdehnungsfähigen, Flüssigkeit enthaltenden Bauteilen (28), die zwischen dem X-Y-Tisch und der Bühnenbaugruppe (24) angeordnet sind und sich als Reaktion auf Variationen des in ihnen enthaltenen Flüssigkeitsvolumens entlang der Z-Achse ausdehnen und zusammenziehen können, und

Einrichtungen zum Variieren des Flüssigkeitsvolumens in jedem der Flüssigkeit enthaltenden Bauteile als Reaktion auf ein Zustelleinrichtungs-Steuersignal, um die Bühnenbaugruppe entlang der Z-Achse zu bewegen, sowie

Einrichtungen zum Fühlen der Z-Achsen-Position des Werkstücks und zum Erzeugen des Zustelleinrichtungs-Steuersignals, das die Z-Achsen-Position des Werkstücks in einem vorgeschriebenen Bereich hält. "

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