一種光刻機矽片臺雙臺交換系統的製作方法

2023-05-13 20:05:16 1

專利名稱：一種光刻機矽片臺雙臺交換系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光刻機矽片臺雙臺交換系統，該系統應用於半導體光刻機中，屬於半導 體製造設備技術領域。
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木原理如圖1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lmm/s)， 因此所需時間很長。而要減少其工作吋間卻非常困難。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2007年申請的發明專利" 一種光刻機矽片臺雙臺交換系統"(公開號CN101101454 )公開了一種光刻機的雙臺交換系統，其具有結構簡單，空間利 用率高等優點，進而提高光刻機的曝光效率。但是該雙矽片臺系統也存在一些問題， 一是由 於多處採用氣浮軸承結構，對於零部件的加工和裝配的精度都要求微米級以上；二是矽片臺 的外型尺寸一致性要求高；三是參與交換的導軌之間很難安裝用於檢測相互位置的傳感器， 上直線導軌之間可能發生碰撞。

發明內容
針對現有技術的不足和缺陷，本發明的目的是提供一種新的光刻機矽片臺雙臺交換系統， 以克服已有矽片臺雙臺交換系統結構複雜以及要求極高的加工和裝配精度等缺點，使其具有 結構簡單，空間利用率高以及交換時不會發牛雙自由度驅動單元的上直線導軌之間發生碰撞 等優點，進而提高光刻機的曝光效率。
本發明的技術方案如下
一種光刻機矽片臺雙臺交換系統，該系統含有運行於曝光工位6的第一矽片臺IO和運行
於預處理工位7的第二矽片臺12，每個矽片臺分別由一個六自由度微動臺承載，矽片臺和六 自由度微動臺構成一個矽片臺組，六自由度微動臺採用洛倫茲電機驅動，所述的兩個矽片臺 設置在一長方形基臺上表面2，設長邊為X方向，短邊為Y方向，在基臺l兩長邊分別設有 X方向第一雙自由度驅動單元21a和X方向第二雙自由度驅動單元21b，兩短邊分別設有Y 方向第一雙自由度驅動單元22a和Y方向第二雙自由度驅動單元22b，雙自由度驅動單元由 上直線電機和下直線電機進行驅動，其特徵在於每個矽片臺組的六自由度微動臺有上下兩 層驅動器，上層為水平方向驅動器，下層為垂直方向驅動器，上層驅動器實現X方向、Y方 向和繞Z軸旋轉的運動，下層驅動器實現Z方向、繞X軸旋轉和繞Y軸旋轉的運動；六自 由度微動臺基座62與X方向第一雙自由度驅動單元21a的推桿35固定，六自由度微動臺上 層驅動器的定子線圈63與Y方向第一雙自由度驅動單元22a的推桿35固定；
該系統雙矽片臺的交換過程在交換時，首先，兩矽片臺組六自由度微動臺上層驅動器 的定子線圏63分別與對應的上層驅動器動子磁鋼64完全分離，兩六自由度微動臺上層驅動 器的定子線圈63不交換，兩矽片臺交換工位，然後，位於曝光工位的六自由度微動臺上層驅 動器的定子線圈63插入運行至曝光工位的六自由度微動臺上層驅動器動子磁鋼64間隙內， 位於預處理工位的六自由度微動臺上層驅動器的定子線圈63插入運行至預處理工位的六自 由度微動臺上層驅動器動子磁鋼64間隙內，之後進入下一工作循環。
一種光刻機矽片臺雙臺交換系統，其特徵在於所述的六自由度微動臺的上層驅動器使 用至少3個洛倫茲電機；下層驅動器至少使用3個洛倫茲電機。
一種光刻機矽片臺雙臺交換系統，其特徵在於所述的六自由度微動臺的上層驅動器使
用4個洛倫茲電機，六自由度微動臺的下層驅動器使用4個洛倫茲電機。
一種光刻機矽片臺雙臺交換系統，其特徵在於六自由度微動臺的上下兩層驅動器的動子磁鋼均固定在同一個骨架上並懸浮在矽片臺中；當六自由度微動臺停止工作時，微動臺下 層驅動器懸浮的動子磁鋼66落在機械零位67上。
一種光刻機矽片臺雙臺交換系統，其特徵在於在所述的雙自由度驅動單元的上直線電 機的導軌和下直線電機的導軌上分別安裝有用作雙自由度驅動單元位置反饋的線性光柵。
一種光刻機矽片臺雙臺交換系統，其特徵在於所述的光刻機矽片臺雙臺交換系統還包 含用於矽片臺運動位置反饋的雙頻雷射幹涉儀。
本發明與現有技術相比，具有以下突出性的優點 一是該系統的矽片臺六自由度微動臺 的雙層驅動單元的磁鋼和線圈與矽片臺和推桿之間分別固定，因此避免了裝配時的極高精度 要求。二是水平方向電磁驅動單元的動、定子之間氣隙大，雙臺交換時不會發生碰撞，並且 降低了系統零部件的安裝精度要求。


圖1為光刻機的工作原理示意圖。
圖2為本發明提供的光刻機矽片臺雙臺交換系統及其交換前的狀態圖。 圖3顯示了矽片臺和六自由度微動臺結構。
圖4矽片臺組六自由度微動臺的雙層驅動結構與雙自由度驅動單元之間的聯接方式。 圖5矽片臺組六自由度微動臺下層垂直方向驅動單元的定子結構。 圖6顯示了交換前兩個矽片臺運動到交換位置的狀態。 圖7、 8顯示了交換時兩個矽片臺在交換位置的狀態。 圖9顯示了系統完成交換後的狀態。 圖中
1—基臺；2—基臺上表面；5 —直線電機；6—曝光工位；7—預處理工位；10—第一矽片 臺；12—第二矽片臺；21a—X方向第一雙自由度驅動單元；21b—X方向第二雙自由度驅動 單元；22a—Y方向第一雙自由度驅動單元；22b—Y方向第二雙自由度驅動單元；35 —推桿； 45—光源；47—掩模版；49—透鏡系統；50—矽片；62—微動臺基座；63—微動臺上層驅動 器定子線圈；64—微動臺上層驅動器動子磁鋼；65—微動臺下層驅動器定子線圈；66—微動 臺下層驅動器動子磁鋼；67—機械零位。
具體實施例方式
圖2顯示了光刻機矽片臺雙臺交換系統的結構示意圖，該系統含有基臺1，基臺長邊為X 方向，短邊為Y方向，有運行於曝光工位6的第一矽片臺10，運行於預處理工位7的第二矽 片臺12，以及設置在基臺邊緣的4個沿X向和Y向運動的雙自由度驅動單元。兩個矽片臺 位於4個雙自由度驅動單元圍成的空間內，並通過氣浮軸承懸浮在基臺上表面。X方向第一 雙自由度驅動單元21a的推桿與矽片臺六自由度微動臺基座62固結，Y方向第一雙自由度驅 動單元22a的推桿與矽片臺六自由度微動臺上層驅動器定子線圈63固結。相同的，X方向第二雙自由度驅動單元21b的推桿與矽片臺六自由度微動臺基座62固結，Y方向第二雙自由度 驅動單元22b的推桿與矽片臺六自由度微動臺上層驅動器定子線圈63固結。
圖3、圖4顯示了矽片臺和六自由度微動臺與雙自由度驅動單元之間的聯接方式。矽片 臺六自由度微動臺有上下兩層驅動器，通過8個洛倫茲電機可實現矽片臺六自由度微動。洛 倫茲電機由磁鋼和線圈組成。上層的水平方向驅動單元實現X方向、Y方向和繞Z軸方向的 運動，通過控制四個洛倫茲電機對矽片臺施加推、拉或扭轉作用；下層的垂直方向驅動單元 實現繞X軸方向、繞Y軸方向和Z方向的運動，通過控制四個洛倫茲電機的作用力使矽片臺 升、降或扭轉。
X方向第一雙自由度驅動單元21a的推桿與矽片臺六自由度微動臺基座62固結，X方向 第一雙自由度驅動單元21a的上下直線電機驅動第一矽片臺10沿X和Y方向的運動，Y方向 第一雙自由度驅動單元22a的推桿與矽片臺六自由度微動臺上層驅動器定子線圈63固結來驅 動矽片臺六自由度微動臺的水平方向微動，並配合X方向第一雙自由度驅動單元21a在基臺 上表面的運動。相同的，X方向第二雙自由度驅動單元21b的推桿與矽片臺六自由度微動臺 基座62固結，X方向第二雙自由度驅動單元21b的上下直線電機驅動第二矽片臺12沿X和 Y方向的運動，X方向第二雙自由度驅動單元22b的推桿與矽片臺六自由度微動臺上層驅動 器定子線圈63固結來驅動矽片臺六自由度微動臺的水平方向微動，並配合X方向第二雙自由 度驅動單元21b在基臺上表面的運動。
圖5為矽片臺六自由度微動臺下層垂直方向驅動單元的定子結構。矽片臺六自由度微動 臺有上下兩層驅動器，上下兩層驅動器的動子磁鋼均固定在同一個零件上並懸浮在矽片臺中， 上層驅動器的定子線圈座與一個Y方向雙自由度驅動單元的推桿連接，下層驅動器的定子線 圈固定在矽片臺基座62上，當兩個矽片臺進行交換時，矽片臺六自由度微動臺上層驅動器定 子線圈63完全撤出上層驅動器動子64，與此同時下層驅動器的定子65也停止工作，懸浮的 磁鋼動子66落在機械零位67上。
系統完成矽片臺雙臺交換的過程如圖6、圖7、圖8和圖9所示。矽片臺10和12交換以 前，如圖6所示矽片臺所處位置作為起始位置，Y方向第一雙自由度驅動單元22a與矽片臺 六自由度微動臺上層驅動器定子線圈63連接，X方向第一雙自由度驅動單元21a中的上直線 導軌與矽片臺10的微動臺基座62固結，從而驅動矽片臺10在曝光工位6作曝光運動，與此 同時，Y方向第二雙自由度驅動單元22b與矽片臺六自由度微動臺上層驅動器定子線圈63連 接，X方向第二雙自由度驅動單元21b中的上直線導軌與矽片臺12的微動臺基座62固結， 以此驅動矽片臺12在預處理工位7作預處理運動。
在矽片臺各自完成預處理和曝光工序後，系統進入雙臺交換狀態，如圖8、圖9和圖10 所示。此時矽片臺10由X方向第一雙自由度驅動單元21a通過下直線導軌30驅動向曝光工 位方向運動，Y方向第一雙自由度驅動單元22a靜止，隨著X方向第一雙自由度驅動單元21a的移動，與Y方向第一雙自由度驅動單元22a的推桿固結的矽片臺六自由度微動臺上層動子 線圈撤出矽片臺10。另外一個矽片臺12由X方向第二雙自由度驅動單元21b通過下直線導 軌30驅動向曝光工位方向運動，Y方向第二雙自由度驅動單元22b靜止，隨著X方向第二 雙自由度驅動單元21b的移動，與Y方向第二雙自由度驅動單元22b的推桿固結的矽片臺六 fi由度微動臺上層動子線圈撤出矽片臺12。
當兩矽片臺分別沿X方向運動至圖中所示位置時，Y方向第一雙自由度驅動單元22a開 始沿Y方向向右移動，Y方向第二雙自由度驅動單元22b沿Y方向向左移動，直到分別與兩 矽片臺六自由度微動臺的上層定子間隙對齊到可以剛好插入為止。兩個X方向雙自由度驅動 單元分別驅動兩矽片臺10和12沿X方向繼續移動直至兩動子線圈分別插入到位，至此完成 了兩矽片臺的位置交換，系統進入下一個循環。
權利要求
1.一種光刻機矽片臺雙臺交換系統，該系統含有運行於曝光工位(6)的第一矽片臺(10)和運行於預處理工位(7)的第二矽片臺(12)，每個矽片臺分別由一個六自由度微動臺承載，矽片臺和六自由度微動臺構成一個矽片臺組，六自由度微動臺採用洛倫茲電機驅動，所述的兩個矽片臺設置在一長方形基臺上表面(2)，設長邊為X方向，短邊為Y方向，在基臺(1)兩長邊分別設有X方向第一雙自由度驅動單元(21a)和X方向第二雙自由度驅動單元(21b)，兩短邊分別設有Y方向第一雙自由度驅動單元(22a)和Y方向第二雙自由度驅動單元(22b)，雙自由度驅動單元由上直線電機和下直線電機進行驅動，其特徵在於每個矽片臺組的六自由度微動臺有上下兩層驅動器，上層為水平方向驅動器，下層為垂直方向驅動器，上層驅動器實現X方向、Y方向和繞Z軸旋轉的運動，下層驅動器實現Z方向、繞X軸旋轉和繞Y軸旋轉的運動；六自由度微動臺基座(62)與X方向第一雙自由度驅動單元(21a)的推桿(35)固定，六自由度微動臺上層驅動器的定子線圈(63)與Y方向第一雙自由度驅動單元(22a)的推桿(35)固定；該系統雙矽片臺的交換過程在交換時，首先，兩矽片臺組六自由度微動臺上層驅動器的定子線圈(63)分別與對應的上層驅動器動子磁鋼(64)完全分離，兩六自由度微動臺上層驅動器的定子線圈(63)不交換，兩矽片臺交換工位，然後，位於曝光工位的六自由度微動臺上層驅動器的定子線圈(63)插入運行至曝光工位的六自由度微動臺上層驅動器動子磁鋼(64)間隙內，位於預處理工位的六自由度微動臺上層驅動器的定子線圈(63)插入運行至預處理工位的六自由度微動臺上層驅動器動子磁鋼(64)間隙內，之後進入下一工作循環。
2. 按照權利要求l所述的一種光刻機矽片臺雙臺交換系統，其特徵在於所述的六自由 度微動臺的上層驅動器使用至少3個洛倫茲電機；下層驅動器至少使用3個洛倫茲電機。
3. 按照權利要求2所述的一種光刻機矽片臺雙臺交換系統，其特徵在於所述的六自由 度微動臺的上層驅動器使用4個洛倫茲電機，六自由度微動臺的下層驅動器使用4個洛倫茲 電機。
4. 按照權利要求l所述的一種光刻機矽片臺雙臺交換系統，其特徵在於六自由度微動 臺的上下兩層驅動器的動子磁鋼均固定在同一個骨架上並懸浮在矽片臺中；當六自由度微動 臺停止工作時，微動臺下層驅動器懸浮的動子磁鋼(66)落在機械零位(67)上。
5. 按照權利要求l所述的一種光刻機矽片臺雙臺交換系統，其特徵在於在所述的雙自由度驅動單元的上直線電機的導軌和下直線電機的導軌上分別安裝有用作雙自由度驅動單元 位置反饋的線性光柵。
6. 按照權利要求l所述的一種光刻機矽片臺雙臺交換系統，其特徵在於所述的光刻機矽片臺雙臺交換系統還包含用於矽片臺運動位置反饋的雙頻雷射幹涉儀。
全文摘要
一種光刻機矽片臺雙臺交換系統，該系統含有運行於曝光工位的矽片臺和運行於預處理工位的矽片臺，每個矽片臺各由一個六自由度微動臺承載，矽片臺和六自由度微動臺構成一個矽片臺組，兩個矽片臺組設置在同一長方形的基臺上。在基臺每邊分別設有一組雙自由度驅動單元，兩個矽片臺組通過氣浮軸承懸浮在基臺上表面；矽片臺組的六自由度微動臺結構分上下兩層，可實現6自由度控制，基臺長邊的雙自由度驅動單元與六自由度微動臺外殼連接，驅動整個矽片臺組在水平面上運動，基臺短邊的雙自由度驅動單元與六自由度微動臺上層定子線圈骨架連接，驅動六自由度微動臺上層定子線圈在水平面上運動。本發明避免了因矽片臺交換採用對接導軌所帶來的要求極高的加工和裝配精度，以及需增加對接輔助裝置等缺陷，大大簡化了系統結構。
文檔編號G03F7/20GK101551598SQ20091013150
公開日2009年10月7日 申請日期2009年4月3日 優先權日2009年4月3日
發明者尹文生, 鳴 張, 徐登峰, 煜 朱, 段廣洪, 汪勁松, 麗 田, 胡金春 申請人:清華大學