採用磁懸浮平面電機的矽片臺多臺交換系統的製作方法

2023-06-01 16:38:46

專利名稱：採用磁懸浮平面電機的矽片臺多臺交換系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光刻機矽片臺多臺交換系統，該系統主要應用於半導體光刻機中，屬於半導 體製造裝備領域。
背景技術：
在集成電路晶片的生產過程中，晶片的設計圖形在矽片表面光刻膠上的曝光轉印(光刻) 是其中最重要的工序之一，該工序所用的設備稱為光刻機(曝光機)。光刻機的解析度和曝光 效率極大的影響著集成電路晶片的特徵線寬(解析度)和生產率。而作為光刻機關鍵系統的
矽片超精密運動定位系統(以下簡稱為矽片臺)的運動精度和工作效率，又在很大程度上決 定了光刻機的解析度和曝光效率。
步進掃描投影光刻機基本原理如圖l所示。來自光源45的深紫外光透過掩模版47、透 鏡系統49將掩模版上的一部分圖形成像在矽片50的某個Chip上。掩模版和矽片反向按一定 的速度比例作同步運動，最終將掩模版上的全部圖形成像在矽片的特定晶片(Chip)上。
矽片臺運動定位系統的基本作用就是在曝光過程中承載著矽片並按設定的速度和方向運 動，以實現掩模版圖形向矽片上各區域的精確轉移。由於晶片的線寬非常小(目前最小線寬 已經達到45nm)，為保證光刻的套刻精度和解析度，就要求矽片臺具有極高的運動定位精度； 由於矽片臺的運動速度在很大程度上影響著光刻的生產率，從提高生產率的角度，又要求矽 片臺的運動速度不斷提高。
傳統的矽片臺，如專利EP 0729073和專利US 5996437所描述的，光刻機中只有一個矽 片運動定位單元，即一個矽片臺。調平調焦等準備工作都要在上面完成，這些工作所需的時 間很長，特別是對準，由於要求進行精度極高的低速掃描(典型的對準掃描速度為1 mm/s)， 因此所需時間很長。而要減少其工作時間卻非常困難。這樣，為了提高光刻機的生產效率， 就必須不斷提高矽片臺的步進和曝光掃描的運動速度。而速度的提高將不可避免導致系統動 態性能的惡化，需要採取大量的技術措施保障和提高矽片臺的運動精度，為保持現有精度或 達到更高精度要付出的代價將大大提高。
專利W098/40791 (
公開日期1998.9.17;國別荷蘭)所描述的結構採用雙矽片臺結 構，將上下片、預對準、對準等曝光準備工作轉移至第二個矽片臺上，且與曝光矽片臺同時 獨立運動。在不提高矽片臺運動速度的前提下，曝光矽片臺大量的準備工作由第二個矽片臺 分擔，從而大大縮短了每片矽片在曝光矽片臺上的工作時間，大幅度提高了生產效率。然而 該系統存在的主要缺點在於矽片臺系統的非質心驅動問題。
本申請人在2003年申請的發明專利"步進投影光刻機雙臺輪換曝光超精密定位矽片系 統"(專利申請號ZL03156436.4)，公開了一種帶雙側直線導軌的雙矽片臺交換結構，該矽
3片臺多臺交換系統在工作空間上不存在重疊，因此不需採用碰撞預防裝置。但是該矽片臺多 臺交換系統也存在一些問題， 一是該系統要求極高的導軌對接精度；二是該系統雙側導軌只 有一側空間被同時利用，導致該矽片臺系統外形尺寸較大，這對空間利用率要求較高的半導 體晶片廠而言無疑顯得非常重要。三是該系統矽片臺交換時需採用帶驅動裝置的橋接裝置， 增加了系統的複雜性。
本申請人在2007年申請的發明專利"一種採用十字導軌的光刻機矽片臺多臺交換系統" (專利申請號200710303713.5)公開了一種由4組雙自由度驅動單元實現矽片臺雙臺交換 的結構，該矽片臺的運動是靠兩相鄰雙自由度驅動單元同時運動實現，因此系統對同步控制 具有一定要求。同時，本申請人在2007年申請的發明專利" 一種採用過渡承接裝置的光刻 機矽片臺多臺交換系統"(專利申請號200710303712.0)和"一種採用傳送帶結構的光刻 機矽片臺多臺交換系統"(專利申請號200710303648.6)都在在預處理工位和曝光工位 上分別設有一個H型驅動單元。
所有上述發明專利中的矽片臺都是通過將多個單自由度直線電機疊加成H型或十字型等 疊層結構來實現多自由度平面運動。這種疊層驅動結構在實現平面運動時，上層直線電機及 其直接驅動的矽片臺都需要底層直線電機來驅動，大大增加了底層直線電機的負擔，同時帶 來了非質心驅動，需要高精度同歩控制等問題，系統結構也很複雜，限制了矽片臺的運動定 位精度，妨礙了其定位響應速度的提高。

發明內容
為了提高光刻機矽片臺的加速度，速度和定位精度，進而促進光刻機的生產率、套刻精 度和解析度的提高，本發明提供了一種採用磁懸浮平面電機的矽片臺多臺交換系統。 本發明的技術方案如下
一種採用磁懸浮平面電機的矽片臺多臺交換系統，包括基臺ll、矽片臺組和矽片臺驅動 裝置，其特徵在於所述矽片臺組包括多個結構相同的分別工作於預處理工位或曝光工位的
矽片臺，所述矽片臺驅動裝置採用磁懸浮平面電機，磁懸浮平面電機的定子21設置在基臺頂 部，平面電機的動子24設置在矽片臺底部。
本發明所述的採用磁懸浮平面電機技術的矽片臺多臺交換系統，其特徵還在於所述磁
懸浮平面電機採用動圈式永磁磁懸浮平面電機、動鐵式永磁磁懸浮平面電機或磁懸浮感應式 平面電動機。
本發明所述的採用磁懸浮平面電機技術的矽片臺多臺交換系統，其特徵還在於所述 動圈式永磁磁懸浮平面電機的定子或動鐵式永磁磁懸浮平面電機的動子採用平面永磁陣列，
所述平面永磁陣列包括大永磁體18、小永磁體19和過渡永磁體17，大永磁體、小永磁體和過 渡永磁體分別沿豎直方向、水平方向和與豎直方向成45度角方向充磁；所述大永磁體垂直於Z
軸方向的截面為正方形，在平面內按N-S極交錯排列成平面陣列；所述小永磁體排列在兩個相
鄰大永磁體的正中間，充磁方向從沿z軸正方向充磁的大永磁體指向沿z軸負方向充磁的大永磁體，且與小永磁的一條沿X軸或Y軸方向的稜邊平行；所述過渡永磁體排列在相鄰的大永磁 體和小永磁體之間，充磁方向與相鄰永磁體充磁方向都成45。夾角。
本發明所述的採用磁懸浮平面電機技術的矽片臺多臺交換系統，其特徵還在於所述動 圈式永磁磁懸浮平面電機的動子或動鐵式永磁磁懸浮平面電機的定子由n個在以矽片臺質 心為原點的坐標系中關於X軸對稱分布且關於Y軸對稱分布的X向電磁單元與Y向電磁單元 組成，n為大於等於2的偶數；X向電磁單元由多個線圈沿X軸方向線性排列而成；Y向電磁 單元由多個線圈沿Y軸方向線性排列而成；線圈帶鐵芯或不帶鐵芯。
本發明所述的採用磁懸浮平面電機技術的矽片臺多臺交換系統，其特徵還在於所述動
圈式永磁磁懸浮平面電機的動子或動鐵式永磁磁懸浮平面電機的定子由2個X向電磁單元與
3個Y向電磁單元組成；組成電磁單元的線圈不帶鐵芯。
本發明所述的採用磁懸浮平面電機的矽片臺多臺交換系統具有以下優點及突出性效果
取消了這種多個單自由度運動部件疊加形成多自由度平面運動的結構，由平面電機直接驅動 每個矽片臺實現水平面上的雙臺交換和相應的步進掃描運動，系統結構大大簡化，避免了前
述專利中的導軌對接，非質心驅動，同步控制等一系列問題；採用了磁懸浮支承，不需要氣 浮系統，簡化了系統結構，避免了氣浮引入的振動和噪聲；磁懸浮氣隙可達lmra，大大降低 了支承面的加工要求，降低了加工成本；可以滿足高真空度，高清潔度工作環境的要求；減 輕了驅動負載，提高了矽片臺的響應速度，大大提高了矽片臺運動過程中的速度，加速度和 運動定位精度，進而大大提高了光刻機的生產率、套刻精度和解析度。 圖附說明


圖1顯示了步進掃描投影光刻機基本工作原理。 圖2是只有一個矽片臺的運動定位系統。
圖3是本申請人2007年申請的專利中一種採用疊層驅動結構的矽片臺多臺交換系統。 圖4是本發明所述採用磁懸浮平面電機的矽片臺多臺交換系統的示意圖。
圖5是本發明所述採用磁懸浮平面電機的矽片臺多臺交換系統的一個具體實例的交換示 意圖(俯視圖)。
圖6是本發明所述的具體實例的矽片臺底部平面電機的動子結構的三維視圖。 圖7本發明所述的具體實例的基臺及其上部具體實例的平面電機的定子的俯視圖和剖面 視圖8是本發明所述的具體實例的永磁陣列氣隙磁感應強度豎直分量關於XY坐標的變化 關係示意圖9是本發明所述的具體實例的矽片臺底部平面電機的動子的受力情況示意圖。 圖中
l一矽片臺；3—H型驅動單元；5 — X向直線電機；7—Y向直線電機；9一傳送帶系統； IO—對接滑塊；11—基臺；15—矽片；17—過渡永磁體；18—大永磁體；19—小永磁體；20一平面電機的定子；24—平面電機的動子；45—光源；47—掩模版；49—透鏡系統；50— 矽片；
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體結構、機理和工作過程作進一歩的說明。
步進掃描投影光刻機基本原理如圖l所示。來自光源45的深紫外光透過掩模版47、透 鏡系統49將掩模版上的一部分圖形成像在矽片50的某個Chip上。掩模版和矽片反向按一定 的速度比例作同歩運動，最終將掩模版上的全部圖形成像在矽片的特定晶片(Chip)上。矽 片運動定位系統(矽片臺)的基本作用就是在曝光過程中承載著矽片並按設定的速度和方向 運動，以實現掩模版圖形向矽片上各區域的精確轉移。
傳統的步進掃描投影光刻機矽片臺如圖2所示，光刻機中只有一個矽片運動定位系統， 即只有一個矽片臺。調平、調焦等準備工作都要在同一個矽片臺上完成，這些工作所需的時 間很長，特別是對準，由於要求進行精度極高的低速掃描(典型的對準掃描速度為1 mm/s)， 因此所需時間很長。為了提高光刻機的曝光效率，本發明所述的光刻機矽片臺多臺交換系統， 將調平、調焦、對準等曝光準備工作轉移至預處理工位的矽片臺上，且與曝光工位的矽片臺 同時獨立工作，從而大大縮短矽片在曝光矽片臺上的工作時間。
採用疊層驅動結構實現多自由平面運動的矽片臺多臺交換系統如圖3所示。該系統包含 一個運行於預處理工位的矽片臺1和一個運行於曝光工位的矽片臺1，所述矽片臺均由H型 驅動單元3驅動，驅動矽片臺1作大範圍X、 Y方向運動，所述的H型驅動單元由雙側X向直 線電機5以及Y向直線電機7組成，在基臺兩側安裝有傳送帶系統9，用以驅動矽片臺l由 預處理工位傳送到曝光工位。這種疊層驅動結構，結構複雜，在實現平面運動時，上層直線 電機及其直接驅動的矽片臺都需要底層直線電機來驅動，大大增加了底層直線電機的負擔， 限制了矽片臺的運動定位精度，妨礙了其定位響應速度的提高。
圖5是本發明所述採用磁懸浮平面電機的矽片臺多臺交換系統的一個具體實例的三維交 換示意圖(俯視圖)。由圖可知本發明所述採用磁懸浮平面電機的矽片臺多臺交換系統包括基 臺ll、兩個結構相同的分別工作於預處理工位和曝光工位的矽片臺1、以及矽片臺驅動裝置。 其中，矽片臺驅動裝置採用磁懸浮平面電機，磁懸浮平面電機的定子20設置在基臺11頂 部，磁懸浮平面電機的動子24設置在矽片臺底部.該矽片臺多臺交換系統通過磁懸浮平面電 機直接驅動矽片臺實現平面上的雙臺交換和步進掃描運動。每個矽片臺在完成上一工位的工 序後，按圖5中大箭頭所示的路徑運動到下一工位，繼續完成下一工位的工序，從而以這種類 似循環流水線的結構實現將前一矽片的上下片、預對準、對準等曝光準備工作和後一矽片曝 光工作的並行進行，大大提高了光刻機的生產率。
如圖7所示，設置於基臺ll的頂部的磁懸浮平面電機的定子20採用平面永磁陣列，該 平面永磁陣列由一系列長方體大永磁體18，小永磁體19和過渡永磁體17按圖示規律在基臺 ll上排列而成。所述大永磁體為垂直於Z軸方向的截面為正方形，邊長為2^，沿Z方向充磁，在平面內按N-S極交錯排列，極距為f ;所述小永磁體排列在兩個相鄰大永磁體的正中 間，充磁方向從沿Z軸負方向充磁的大永磁體指向沿Z軸正方向充磁的大永磁體，且與小永 磁的一條沿X軸或Y軸方向的稜邊平行；所述過渡永磁體排列在相鄰的大永磁體和小永磁體
之間，充磁方向與相鄰永磁體充磁方向成45。，充磁方向邊長為、。通過對永磁陣列的參數 ^A和匸n/r進行優化，可以使永磁陣列氣隙磁場強度的Z向分量的高階諧波分量最小。此 平面永磁陣列在具體實例的平面電機的定子20和具體實例的矽片臺l之間的氣隙中或接觸 面上產生氣隙磁場。圖7是圖6所示平面永磁陣列的氣隙磁感應強度豎直分量Bz關於XY 坐標的變化關係示意圖。圖7中同一列中兩相鄰相同永磁體的相同側面間的距離t為極距， 它也是圖8中平面永磁陣列的氣隙磁感應強度兩相鄰峰值之間的距離。
如圖6所示，實施例中的磁懸浮平面電機的動子24由在以矽片臺質心為原點的坐標系中關 於X軸對稱分布且關於Y軸對稱分布的2個X向電磁單元與3個Y向電磁單元組成；每個X向電磁單 元由12個線圈沿X軸方向線性排列而成，沿Y方向對稱布置在矽片臺底部的兩邊；每個Y向電磁 單元由7個線圈沿Y軸方向線性排列而成，沿X方向對稱布置在矽片臺底部的兩個X向電磁單元 的中間；每個線圈都不帶鐵芯；線圈排列方向和永磁陣列排列方向成45° 。
每個線圈通電後在永磁陣列產生的氣隙磁場中受洛侖茲力作用，其所受洛侖茲力可以分 解為三個互相垂直的分力，即沿豎直方向的力Fz，在XY平面內沿線圈長邊方向的力F1和在 XY平面內垂直於線圈長邊方向的力F2，經過分析計算和仿真發現，在矽片臺沿X方向或沿Y 方向運動時Fz和F2在約1. 414 t的行程內按正弦規律變化，峰值大小約為2N， Fl大小約為 0. 00001N-0. 0001N ，約等於0，且遠遠小於Fz和F2故忽略不計。這樣通過適當的控制策略， 單獨控制各個線圈的電流，可以使所有線圈在豎直方向產生的力Fz的合力等於矽片臺所受到 的重力，實現磁懸浮以及每個矽片臺在基臺上完全獨立的平面運動，從而方便的實現水平面 上的雙臺交換和相應的步進掃描運動。
圖7表示了單個矽片臺具有5個電磁單元驅動時的受力情況，5個電磁單元分別稱為第 一電磁單元、第二電磁單元、第三電磁單元、第四電磁單元和第五電磁單元，它們底面的中 心分別為01、 02、 03、 04和05。圖中ABCD為具體實例的矽片臺12的底面，abcd為ABCD 在基臺頂面上的投影。第i個(i4，2,3，4，， 5)電磁單元的3個方向分量F' xi、 F' yi 和F' zi作用於該電樞單元底面的中心0' i，於是在上述力分量的作用下，矽片臺實現 沿x、 y方向的運動和Z方向的磁懸浮。
權利要求
1.一種採用磁懸浮平面電機的矽片臺多臺交換系統，包括基臺(11)、矽片臺組和矽片臺驅動裝置，其特徵在於所述矽片臺組包括多個結構相同的分別工作於預處理工位或曝光工位的矽片臺，所述矽片臺驅動裝置採用磁懸浮平面電機，磁懸浮平面電機的定子(21)設置在基臺頂部，平面電機的動子(24)設置在矽片臺底部。
2.按照權利要求l所述的一種採用磁懸浮平面電機的矽片臺多臺交換系統，其特徵在於: 所述磁懸浮平面電機採用動圈式永磁磁懸浮平面電機、動鐵式永磁磁懸浮平面電機或磁懸浮 感應式平面電動機。
3.按照權利要求2所述的一種採用磁懸浮平面電機的矽片臺多臺交換系統，其特徵在於所述動圈式永磁磁懸浮平面電機的定子或動鐵式永磁磁懸浮平面電機的動子採用平面永磁陣列，所述平面永磁陣列包括大永磁體(18)、小永磁體(19)和過渡永磁體(17)，大永 磁體、小永磁體和過渡永磁體分別沿豎直方向、水平方向和與豎直方向成45度角方向充磁； 所述大永磁體垂直於Z軸方向的截面為正方形，在平面內按N-S極交錯排列成平面陣列；所述 小永磁體排列在兩個相鄰大永磁體的正中間，充磁方向從沿Z軸正方向充磁的大永磁體指向沿 Z軸負方向充磁的大永磁體，且與小永磁的一條沿X軸或Y軸方向的稜邊平行；所述過渡永磁體 排列在相鄰的大永磁體和小永磁體之間，充磁方向與相鄰永磁體充磁方向都成45。夾角。
4. 按照權利要求3所述的一種採用磁懸浮平面電機的矽片臺多臺交換系統，其特徵在於 所述動圈式永磁磁懸浮平面電機的動子或動鐵式永磁磁懸浮平面電機的定子由n個在以矽片 臺質心為原點的坐標系中關於X軸對稱分布且關於Y軸對稱分布的X向電磁單元與Y向電磁 單元組成，n為大於等於2的偶數；X向電磁單元由多個線圈沿X軸方向線性排列而成；Y向 電磁單元由多個線圈沿Y軸方向線性排列而成；線圈帶鐵芯或不帶鐵芯。
5. 按照權利要求4所述的一種採用磁懸浮平面電機的矽片臺多臺交換系統所述動圈式永磁磁懸浮 平面電機的動子或動鐵式永磁磁懸浮平面電機的定子由2個X向電磁單元與3個Y向電磁單元組成；組成電磁單元的線圈不帶鐵芯。
全文摘要
採用磁懸浮平面電機的矽片臺多臺交換系統，主要用於光刻機系統中。該矽片臺多臺交換系統包括基臺、矽片臺組和矽片臺驅動裝置，所述矽片臺組包括多個結構相同的分別工作於預處理工位或曝光工位的矽片臺，所述矽片臺驅動裝置採用磁懸浮平面電機，磁懸浮平面電機的定子設置在基臺頂部，平面電機的動子設置在矽片臺底部。本發明給出了該矽片臺多臺交換系統的一個採用動圈式永磁磁懸浮平面電機的具體實例。實例中，平面電機的定子採用了相鄰永磁體充磁方向互成45°角的新型平面永磁陣列。該矽片臺多臺交換系統通過平面電機直接驅動矽片臺實現平面上的多臺交換和步進掃描運動，提高了光刻機的生產率、套刻精度和解析度。
文檔編號G03F7/20GK101609265SQ20091008889
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月21日 優先權日2009年7月21日
發明者尹文生, 鳴 張, 徐登峰, 煜 朱, 楊開明, 段廣洪, 汪勁松, 胡金春, 田 蔡, 偉 閔 申請人:清華大學