一種用於步進掃描光刻機的精密隔振系統的製作方法

2024-01-31 13:58:15

專利名稱：一種用於步進掃描光刻機的精密隔振系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及到微電子製造技術領域中步進掃描光刻機的精密隔振系統設計及控制技術，尤其是結合傳感器、智能作動器和空氣彈簧的主動隔振系統。
背景技術：
隨著超精密加工、超精密測量技術以及航天技術的發展，微幅、超微幅振動的影響變得十分突出，尤其是亞微米以下的超精密加工更需要超靜環境作保障，因此研究微幅、超微幅的主動隔振具有十分重要的意義。微幅振動控制需要性能優異的傳感器和作動器。目前市場上適合用於微幅振動控制的傳感器很少，且價格十分昂貴，壓電陶瓷作動器應用較廣。主動隔振器主要由受控對象、作動器、控制器、測量系統和能源組成。主動隔振器的發展主要決定於作動器、控制器的發展。控制器是主動控制系統中的核心環節，可分為前饋控制器和反饋控制器。前饋控制器適用於對特定擾動採取補償措施的情況，具有響應快速的特點。美國TMC公司生產的氣動主動隔振器PEPS2VXTM(Precision ElectronicPositioning System)，採用全前饋輸入，使系統可預測負載運動，縮短定位時間，最大限度地消除隔振平臺振動；而反饋控制器則適用於在擾動因素較多且不可檢測的情況，它能夠自行減少或消除擾動對輸出的影響，特別適合對複雜系統和系統參數不確定系統的控制，如隔振平臺、柔性結構等。作動器的選擇在很大程度上決定了整個隔振系統的性能。近年來，利用智能材料作為作動器製成的隔振平臺，在精密加工、精密測量中得到了廣泛的應用。如美國TMC公司生產的STACIS 2100壓電式主動隔振器可實現6個自由度的隔振，其最大隔振振幅為24um，承載範圍182～2045kg，隔振頻率範圍為0.3～250Hz，在2Hz以上的頻率時隔振效果大於90％。智能型作動器主要包括由壓電材料、電致伸縮材料、磁致伸縮材料、形狀記憶合金、電流變流體等製成的作動器，主要用作高精度隔振平臺。傳統的作動器如液體作動器、氣體作動器以及電氣作動器，由於體積、重量大，多用於地面及固定系統的主動隔振。
對精密儀器採取隔振措施時，應根據隔振要求，隔振材料和隔振器的性能、適用條件等作全面考慮，選用適當的隔振器方能達到預期的隔振效果。目前應用隔振器品種較多，如常用的橡膠隔振器，金屬彈簧隔振器及其他彈性材料隔振等。橡膠隔振器有一定的強度、彈性、阻尼好，對高頻振動隔振效果較好，但對汽車行駛引起的低頻振動隔振效果不好，且容易老化。金屬彈簧，剛度小，彈性好，隔振效果好，但它的阻尼小，水平剛度小於豎向剛度，易晃動，不宜單獨用于振動敏感等級為I級的精密儀器工作檯隔振。另外，這兩種隔振器剛度皆為定值，無法解決在隔振設備運行時因質心位置移動造成隔振平臺的傾斜，難以在防微振領域中應用。空氣彈簧隔振器在防微振方面效果很好，具有以下性能①剛度和阻尼可以調節，隔振體系自振頻率可保持不變；②具有高度控制閥，可以實現隔振體系剛度中心對質心位置移動的跟蹤，保持隔振平臺的水平，橫向穩定性好；③調節膠囊內氣壓可獲得不同承載力。這種隔振器間在集成電路生產的隔振上用過，也曾用於地鐵的減振，而用於精密儀器工作檯的隔振上少見。如德國BILZ公司的AIS空氣彈簧主動隔振系統。
光刻機在工作過程中，由於工件臺和掩模臺等分系統具有較高的運動加速度和運動速度，運動部件產生的大慣量和其它外部因素將引起光刻機工作核心部分一工作平臺(安裝光源系統)的振動，從而影響曝光的質量。在光刻機曝光過程中如何精確地保證其靜態和動態的相對穩定是一個非常關鍵的技術問題。為了保證光刻機在工作過程中具有極高的精度，必須將運動部分的產生振動和曝光部分隔離，現代掃描光刻機採用了振動隔離和主動減振技術。光刻機必須在一個具備良好隔振性能的工作平臺上進行工作，否則任何微小的振動，如說話的聲音或人員在附近的走動所引起的振動都會影響到光刻機的工作性能。這就對光刻機的工作環境和光刻機自身設計提出了更高的要求。光刻機是極端緊密的機電設備，要求在極為安靜的環境條件下安裝，並在較寬的頻帶範圍內具有減振、隔振能力。從光刻機目前所達到的最小線寬來看，沒有高精度的隔振性能工作平臺，就不可能達到那樣的光刻精度。
在光刻機工作平臺的精密隔振系統設中，所需要考慮的環境振動幹擾是很複雜的，不僅有地面傳來的大地脈動性振動，而且還有臺面試驗儀器的運動、建築物外面車輛行駛所產生的幹擾等。大地脈動型地面振動主要指由海浪、潮汐、颱風、大氣環流、地球自轉速率的改變，以及地殼內部的變化等引起的地表振動。自然外力振動頻率較低，振幅分布為0.1-5μm左右，頻率主要在2-5Hz之間；實驗室工作人員走動所引起的振動頻率在1-3Hz；通風管道、變壓器和馬達所引起的振動在6-65Hz；車輛行駛所引起的振動頻率在15Hz左右，建築物本身一般在10-100Hz頻率之間擺動，因此微製造平臺隔振系統設計需要考慮的振動頻率範圍為0-100Hz，振幅為5μm以下，這就要求設計的隔振系統不僅對中高頻幹擾力具有良好的隔振效果，而且對低頻和超低頻幹擾力也能進行有效的隔離，阻止它們傳播到工藝系統中去。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種用於步進掃描光刻機的精密隔振系統，不僅可以解決工件臺、掩模臺在高速運動情況下產生的高頻振動，而且可以解決外界環境變化所導致的低頻微幅振動。
為了解決上述技術問題，本發明提供的用於步進掃描光刻機的精密隔振系統，其特徵是它包括A、多個主動減振單元，所述的主動減振單元包括一個用來安裝各個部件以及把整個減振單元固定在步進掃描光刻機的基座上的底座；一個同軸線套在所述的底座內用來連接步進掃描光刻機的工作平臺的中間體，在所述的中間體的底部與所述的底座之間設有空氣彈簧裝置和垂直磁致伸縮作動器；在所述的中間體和所述的底座的側壁之間設有兩個相互垂直布置的水平超磁致伸縮作動器及其安裝座和兩個與所述的水平超磁致伸縮作動器相對應的預壓力調整裝置及其安裝座；一個安裝在所述的中間體上的壓力傳感器；所述的空氣彈簧裝置通過高速伺服氣動閥與外部氣源連通；B、一個控制系統，每個主動減振單元的所述垂直磁致伸縮作動器、水平超磁致伸縮作動器、壓力傳感器和高速伺服氣動閥與所述的控制系統電連接，所述的控制系統還電連接一個安裝在工作平臺下表面的中心位置的位移傳感器，電連接一個用來測量工作平臺相對XY平面的傾角的水平傳感器，電連接一個用來測量工作平臺六個方向的加速度的六自由度加速度傳感器。
所述的主動減振單元為4個。
採用上述技術方案的用於步進掃描光刻機的精密隔振系統，根據步進掃描光刻機的運動特點和一般結構特徵，本發明把工件臺的支撐架，掩模臺的支撐架以及安裝精密光學系統的支架安裝在一個大的工作平臺上，工作平臺然後連接在本發明中的主動減振系統單元的上表面，共用4個同樣的主動減振單元，4個主動減振單元的底座安裝在步進掃描光刻機的基座上。
本發明在設計時儘量保證整個結構對稱，使工作平臺、光學系統安裝支架以及掩模臺的支架整個系統的重心與主動減振單元剛度重心重合，同時在不影響工作和安裝的條件下儘量降低整個工作平臺及安裝支架的重心，以保證系統更加穩定。
本發明中所採用的與水平超磁致伸縮作動器相對應的預壓力調整裝置主要包括鋼製彈簧、調整螺母及其安裝座。
本發明中的控制方法如下採用4個安裝成左右、前後對稱主動減振單元，但是每一個主動減振單元由於位置不同和需要控制振動的方向不同，安裝角度也是不同的，以把四個減振單元聯合起來使用，而不是相互獨立的。首先安裝調試好後，在靜態狀態下根據傳感器的讀數，在控制器中預先設定好它們的初始值。然後啟動設備，控制器首先根據壓力傳感器、水平傳感器和位移傳感器所測量的數據，運用所設計的軟體計算中間體位置，通過伺服氣動閥調整中間體高度到計算的高度，同時保證空氣彈簧中的壓力在設定值附近；同時通過六自由度傳感器測得的三個方向的線加速度信號，經過所設計的軟體計算分配之後來調整通過作動器線圈的電流或電壓大小，來分別驅動垂直方向和水平方向的作動器，使其產生與振動相反的作用力，以降低工作平臺的振動，保證系統最大範圍的穩定。
根據3點確定一個平面，使用過多的控制閥會導致系統受到局限，進而影響系統的穩定性和性能。因此對於有超過3個減振器的系統來說，控制閥的布置就顯得非常重要，是影響系統性能的關鍵所在。對於精密減振裝置來說，所有的剛性負載即使有多於3個的空氣彈簧減振器一般也只使用3個控制閥，也就是說在我們的系統中有兩個主動減振單元的空氣彈簧要共用一個控制閥，具體選用哪兩個綁定使用，要看具體情況而定。
本發明不但可以隔離高頻振動，而且對於低頻微幅隔振也是非常有效的；不僅可以作為步進掃描光刻機的配套精密隔振系統，而且可以用於其他需要精密隔振的高科技領域。


圖1是本發明的步進掃描光刻機的精密隔振系統及控制整體示意圖主視圖；圖2是本發明的步進掃描光刻機的精密隔振系統及控制整體示意圖左視圖；圖3是本發明的主動隔振單元布置方式示意圖；圖4是本發明的空氣彈簧供氣示意圖；圖5是本發明的空氣彈簧結構示意圖。
其中，圖1中1a-主動減振單元a底座；2a-主動減振單元a中間體；3a-主動減振單元a的Y方向磁致伸縮作動器；4a-主動減振單元a的Y方向磁致伸縮作動器安裝座；5a-主動減振單元a的X方向預壓力調整裝置；6a-主動減振單元a的X方向預壓力調整裝置安裝座；7a-主動減振單元a的Y方向預壓力調整裝置安裝座；8a-主動減振單元a的Y方向預壓力調整裝置；9a-主動減振單元a的X方向磁致伸縮作動器；10a-主動減振單元a的X方向磁致伸縮作動器安裝座；11-光刻機安裝基座；12a-主動減振單元a的空氣彈簧裝置；13a-主動減振單元a的壓力傳感器；14-工作平臺；15a-安裝支架a；16-工件臺；17a-橫梁a；18-水平傳感器；19-掩模臺基座；20-六自由度加速度傳感器；21-掩模臺；23-位移傳感器；24c-伺服氣動閥c，25a-主動減振單元a的Z方向磁致伸縮作動器。
其中，圖2中11-光刻機安裝基座；14-工作平臺；15a-安裝支架a；15b-安裝支架b；16-工件臺；17a-橫梁a；18-水平傳感器；19-掩模臺基座；21-掩模臺；22a-主動減振單元a；22b-主動減振單元b。
其中，圖3中1a-主動減振單元a底座；2a-主動減振單元a中間體；3a-主動減振單元a的Y方向磁致伸縮作動器；4a-主動減振單元a的Y方向磁致伸縮作動器安裝座；5a-主動減振單元a的X方向預壓力調整裝置；6a-主動減振單元a的X方向預壓力調整裝置安裝座7a-主動減振單元a的Y方向預壓力調整裝置安裝座；8a-主動減振單元a的Y方向預壓力調整裝置；9a-主動減振單元a的X方向磁致伸縮作動器；10a-主動減振單元a的X方向磁致伸縮作動器安裝座；22a-主動減振單元a；22b-主動減振單b；22c-主動減振單元c；22d-主動減振單元d。
其中圖5中1-附加氣室；2-阻尼管；3-空氣彈簧承載室；4空氣彈簧機體。
具體實施例方式
如附圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，它包括4個主動減振單元，單個主動減振單元如22a包括一個大的底座1a，用來安裝各個部件以及把整個減振單元固定在步進掃描光刻機的基座11上；一個同軸線套在底座1a內用來連接步進掃描光刻機的工作平臺14的中間體2a，在中間體2a的底部與底座1a之間設有空氣彈簧裝置12a和垂直磁致伸縮作動器25a；在中間體2a和底座1a的側壁之間設有兩個相互垂直布置的水平超磁致伸縮作動器3a、9a及其安裝座4a、10a和兩個與水平超磁致伸縮作動器3a、9a相對應的預壓力調整裝置5a、8a及其安裝座6a、7a；一個安裝在中間體12a上的壓力傳感器13a；4個空氣彈簧裝置分別通過三個高速伺服氣動閥26、27、28與外部氣源24c連通；每個主動減振單元的垂直磁致伸縮作動器25a、水平超磁致伸縮作動器3a、9a、壓力傳感器13a和高速伺服氣動閥26、27、28與控制系統電連接，控制系統還電連接一個安裝在工作平臺14下表面的中心位置的位移傳感器23，一個用來測量工作平臺14相對XY平面的傾角的水平傳感器18，一個用來測量工作平臺14六個方向的加速度的六自由度加速度傳感器20。
如附圖1所示，本發明中所述的單個主動減振單元如22a包括一個大的底座1a，用來安裝各個部件以及把整個減振單元固定在步進掃描光刻機的基座上；一個空氣彈簧12a，用來進行被動隔振以及支撐工作平臺及安裝架的重量；一個垂直的超磁致伸縮作動器25a，用來降低垂直方向的振動；兩個相互垂直布置的水平超磁致伸縮作動器3a、9a，一個用來降低水平X方向的振動，一個用來降低水平Y方向的振動；兩個與水平超磁致伸縮作動器相對應的預壓力調整裝置5a、8a，分別用來調整水平超磁致伸縮作動器的預壓力，因為超磁致伸縮作動器一般只能工作在壓縮狀態下，不能承受拉應力；兩個用來安裝水平超磁致伸縮作動器於底座上的安裝座4a、10a，其在垂直方向容許有一定的位移，保證水平超磁致伸縮作動器作用力的方向垂直於Z方向；兩個用來安裝與水平超磁致伸縮作動器相對應的預壓力調整裝置的安裝座6a、7a，同樣容許其在垂直方向有一定的位移，保證預壓力始終與相對應的水平超磁致伸縮作動器的軸線方向一致；一個安裝在中間體上的壓力傳感器13a，用來測量空氣彈簧氣室中的壓力；一個中間體2a，用來連接工作平臺、空氣彈簧、作動器以及預壓力調整裝置，使它們成為一個系統。
如附圖1所示，首先在地面安裝好光刻機的安裝基座11，然後把主動減振單元22a、22b、22c、22d按照圖3中的布局、位置安裝在基座11上面。然後按照圖4所示的方法安裝好氣源部件及其控制設備，接通氣源，讓空氣彈簧處在工作狀態，根據設計壓力調整好空氣彈簧氣室內的壓力，調整好四個主動減振單元的高度。然後把工作平臺14安裝在主動減振單元的中間體(如附圖1中的2a)上，重新調整空氣彈簧的氣壓和高度，使4個主動減振單元22a、22b、22c、22d的空氣室內壓力一致，同時高度也一致，然後安裝好光學系統安裝支架15、橫梁17；掩模臺基座19。最後分別安裝好位移傳感器23，水平傳感器18和六自由度加速度傳感器20。
參見圖5，本發明中所採用的空氣彈簧裝置12a包括附加氣室1、阻尼管2、空氣彈簧承載室3和空氣彈簧機體4。
機械部分安裝好之後，按照附圖1中的連線方式連接好傳感器與控制器、控制器與作動器之間的數據線。安裝好後，在靜態狀態下根據各個傳感器的讀數，在控制器中預先設定好它們的初始值。然後啟動設備，使設備運轉起來，這時由於系統運動參數和外部環境的變化，每個傳感器的讀數會隨之發生改變。這時控制器首先根據壓力傳感器、水平傳感器和位移傳感器所測量的數據，運用所設計的軟體計算中間體位置，通過伺服氣動閥調整中間體高度到計算的高度，同時保證空氣彈簧中的壓力在設定值附近；同時通過六自由度傳感器測得的三個方向的線加速度信號，經過所設計的軟體計算分配之後來調整通過作動器線圈的電流或電壓大小，來分別驅動垂直方向和水平方向的作動器，使其產生與振動相反的作用力，以降低工作平臺的振動，保證系統最大範圍的穩定。
權利要求
1.一種用於步進掃描光刻機的精密隔振系統，其特徵是它包括A、多個主動減振單元(22a、22b、22c、22d)，所述的主動減振單元(22a)包括一個用來安裝各個部件以及把整個減振單元固定在步進掃描光刻機的基座上的底座(1a)；一個同軸線套在所述底座(1a)內用來連接步進掃描光刻機的工作平臺的中間體(2a)，在所述中間體(2a)的底部與底座(1a)之間設有空氣彈簧裝置(12a)和垂直磁致伸縮作動器(25a)；在所述中間體(2a)和所述底座(1a)的側壁之間設有兩個相互垂直布置的水平超磁致伸縮作動器(3a、9a)及其安裝座(4a、10a)和兩個與水平超磁致伸縮作動器(3a、9a)相對應的預壓力調整裝置(5a、8a)及其安裝座(6a、7a)；一個安裝在中間體(12a)上的壓力傳感器(13a)；4個空氣彈簧裝置分別通過三個高速伺服氣動閥(26、27、28)與外部氣源(24c)連通；每個主動減振單元的垂直磁致伸縮作動器(25a)、水平超磁致伸縮作動器(3a、9a)、壓力傳感器(13a)和高速伺服氣動閥與控制系統電連接，控制系統還電連接一個安裝在工作平臺下表面的中心位置的位移傳感器(23)，一個用來測量工作平臺相對XY平面的傾角的水平傳感器(18)，一個用來測量工作平臺六個方向的加速度的六自由度加速度傳感器(20)。
2.根據權利要求1所述的用於步進掃描光刻機的精密隔振系統，其特徵是所述的主動減振單元(22a、22b、22c、22d)為4個。
全文摘要
本發明公開了一種用於步進掃描光刻機的精密隔振系統，它包括多個主動減振單元，主動減振單元包括底座和中間體，在中間體與底座之間設有空氣彈簧裝置和垂直磁致伸縮作動器；在中間體和底座的側壁之間設有水平超磁致伸縮作動器和預壓力調整裝置；一個壓力傳感器；空氣彈簧裝置通過高速伺服氣動閥與外部氣源連通；垂直磁致伸縮作動器、水平超磁致伸縮作動器、壓力傳感器和高速伺服氣動閥與控制系統電連接，控制系統還電連接位移傳感器、水平傳感器、六自由度加速度傳感器。本發明不但可以隔離高頻振動，而且對於低頻微幅隔振也是非常有效的；不僅可以作為步進掃描光刻機的配套精密隔振系統，而且可以用於其他需要精密隔振的高科技領域。
文檔編號H01L21/027GK1959533SQ200610136730
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月24日 優先權日2006年11月24日
發明者吳運新, 鄧習樹, 楊輔強, 王建平, 袁志揚, 蔡良斌 申請人:中南大學, 上海微電子裝備有限公司