一種六自由度磁浮微動臺的製作方法

2023-10-04 10:11:04 2

專利名稱：一種六自由度磁浮微動臺的製作方法
—種六自由度磁浮微動臺技術領域
本發明屬於半導體製造裝備技術領域，主要涉及一種六自由度磁浮微動臺。
背景技術：
光刻機是極大規模集成電路製造中關鍵的超精密裝備，同時也是摩爾定律能夠得到持續驗證的保證。光刻機的解析度和套刻精度決定了集成電路晶片的最小線寬，而對最小線寬的不斷追求使更高密度的集成電路得以實現。另外，為降低集成電路晶片的生產成本，光刻機的產率也是光刻技術追求的目標。光刻機工件臺技術作為光刻機的三大核心技術之一，在很大程度上決定了光刻機的解析度、套刻精度和產率。
雙工件臺技術是目前提高光刻機生產效率的主流技術手段，相對於單純提高工件臺的速度和加速度而言，技術難度更低，效果更好。目前的代表產品為荷蘭ASML公司基於 TwinScan技術即雙工件臺技術的光刻機。
光刻機中工件臺主要分為掩模臺和矽片臺，掩模臺承載光刻掩模板而矽片臺則承載矽片運動，為解決矽片和掩模板在高速高加速運動條件下大行程和高精度之間的矛盾， 有人提出了宏微結合的驅動技術。即掩模臺和矽片臺均採用宏動裝置承載微動臺的複合運動控制模式，利用宏動裝置實現微動臺的大行程而微動臺六自由度超精密控制對其進行補償，最終實現矽片和掩模板的高速高加速運動條件下實現大行程和高精度運動控制。因此決定光刻機工件臺最終定位精度的關鍵部件是六自由度微動臺。
目前光刻機領域運用的超精密微動臺主要分為氣浮和磁浮支撐兩種。磁浮支撐優勢在於可運用在真空環境，因此是深紫外和極紫外光刻技術的必然選擇。ASML公司的美國專利US 6337484公布了一種六自由度磁浮微動臺的結構形式，該裝置的Z向氣浮採用三個重力補償器實現，並同時實現了水平和垂直運動解耦，該方案是氣浮六自由度微動臺的經典結構。清華大學中國專利CN101078889A公布了一種6自由度微動工作檯，該裝置在水平和垂直方向均採用電磁力直接驅動形式，工作時無機械摩擦和阻尼，同時採用基於洛倫茲原理的電磁驅動方式，即電磁力與輸入電流為線性關係，相對於三相交流控制方式，具有控制成熟的優勢，但Z向磁浮支撐是由三個沿豎直方向布置的三個電磁驅動單元持續提供電磁力實現，即沒有氣浮支撐的重力補償功能，增加了多餘的熱耗散，這會對光刻機微動臺工作的嚴苛恆溫環境產生不利影響，因此有待改進。德克薩斯A&M大學Won-jong Kim所在課題組提出一種六自由度磁浮微動臺，該在成果發表在Precision Engineering雜誌(2007 年 31 卷 4 期 337-350 頁)，文章題目為 Design and precision construction of novel ma gnetic-levitation-basedmult1-axis nano-scale positioning systems。該微動臺分為 Y型和△型兩種結構，採用雷射幹涉儀測量水平位移，三個電容傳感器測量垂向位移，水平和垂向驅動均採用三個等同的電磁驅動器，且共用三個永磁體，具有結構簡單易於控制的優點，但存在驅動力小和行程難以擴展的缺陷。清華大學中國專利CN101807010A公布了一種上述方案的改進型六自由度磁浮微動臺，該裝置採用十字型結構，十字支架裝有一個兩自由度致動器，相對Won-jong Kim課題組六自由度微動 臺方案，驅動力有所增加，且X向和Y向運動時可實現雙驅，驅動力過微動臺中心，六個驅動器驅動方式相同，易於控制，但仍存 在單永磁體帶來的磁場分布不均勻的缺陷，擴展行程時帶來非線性控制的困難，且磁浮仍 採用電磁方式，增加熱耗散，在負載質量增大時更為明顯，對微動臺的恆溫環境不利，有待 改進。發明內容
本發明針對上述現有技術存在的不足，提出了一種六自由度磁浮微動臺。該裝置 水平和垂向驅動均採用三個驅動器解耦控制，且驅動器動子磁鋼均採用上下對稱布置方 式，具有水平運動磁場均勻易於擴展行程、垂向運動磁場強驅動力大的優勢，同時在垂向採 用永磁體磁浮方式，重力補償不產熱，有利於微動臺保持恆溫環境。
本發明的目的是這樣實現的
一種六自由度磁浮微動臺，該裝置包括微動臺本體和雷射幹涉測量系統，所述的 微動臺本體由載物臺、基座、電機安裝架、電容位移傳感器和六自由度驅動電機構成，其中 六自由度驅動電機包括電機動子和電機定子，且載物臺固裝在電機動子上，電機定子通過 電機安裝架固裝在基座上，電容位移傳感器配置在載物臺和基座之間；所述的電機動子包 括由磁鋼安裝架上板、磁鋼安裝架下板、立柱、支撐塊、水平運動磁鋼以及垂向運動磁鋼，其 中磁鋼安裝架上板和磁鋼安裝架下板通過位於二者之間的立柱和支撐塊固裝在一起，水平 運動磁鋼和垂向運動磁鋼呈等邊三角形狀均布配裝在磁鋼安裝架上板底面和磁鋼安裝架 下板頂面對應位置上；所述的電機定子包括線圈盒上板、線圈盒下板、水平運動線圈以及由 在垂向運動定子磁鋼頂面和底面上配裝的垂向運動定子線圈構成的垂向運動定子，其中水 平運動線圈和垂向運動定子呈等邊三角形均勻配裝在線圈盒下板的對應空腔內，由線圈盒 上板覆蓋密封；六自由度驅動電機位於初始狀態時，水平運動線圈位於上下兩側對稱的水 平運動磁鋼中心位置，且水平運動線圈左、右部分分別位於磁場方向相反的水平運動磁鋼 左、右部分中心，垂向運動定子處於上下兩側對稱垂向運動磁鋼中心位置，且垂向運動定子 和垂向運動磁鋼的軸線重合，上下兩側垂向運動磁鋼的磁極方向相同，並與垂向運動定子 磁鋼的磁極方向相反，配置在垂向運動定子磁鋼頂面和底面上的垂向運動定子線圈電流方 向相反；所述的雷射幹涉測量系統包括雙頻雷射器、1/2分光稜鏡、反射稜鏡A、反射稜鏡B、 X向位移幹涉測量光路、Y向位移幹涉測量光路和L型反射鏡，所述的1/2分光稜鏡布置在 雙頻雷射器出射光路上，X向位移幹涉測量光路布置在1/2分光稜鏡透射光路上，反射稜鏡 A布置在1/2分光稜鏡反射光路上,反射稜鏡B布置在反射稜鏡A的反射光路上，Y向位移 幹涉測量光路布置在反射稜鏡A的反射光路上，L型反射鏡配裝在載物臺上，其兩個相互垂 直的反射面分別與X向位移幹涉測量光路和Y向位移幹涉測量光路的出射光路垂直；所述 的X向位移幹涉測量光路包括偏振分光鏡A、角錐稜鏡A、角錐稜鏡B、1/4玻片A和接收器 A,其中偏振分光鏡A位於1/2分光稜鏡透射光路上，1/4玻片A布置在偏振分光鏡A的透射 光路上，且位於偏振分光鏡A與L型反射鏡X向反射面之間，角錐稜鏡A和角錐稜鏡B對稱 布置在偏振分光鏡A的雙向反射光路上，接收器A布置在偏振分光鏡A的反向透射光路上； Y向位移幹涉測量光路包括偏振分光鏡B、角錐稜鏡C、角錐稜鏡D、l/4玻片B和接收器B， 其中偏振分光鏡B位於反射稜鏡B反射光路上，1/4玻片B布置在偏振分光鏡B的透射光路 上，且位於偏振分光鏡A與L型反射鏡Y向反射面之間，角錐稜鏡C和角錐稜鏡D對稱布置在偏振分光鏡B的雙向反射光路上,接收器B布置在偏振分光鏡B的反向透射光路上。本發明技術優勢和有益效果有微動臺六自由度採用非接觸式直驅方式，無摩擦 和機械阻尼，具有高剛度和高頻響優點；垂向採用永磁體磁浮重力補償方式，可減小微動臺 熱耗散，利於微動臺保持恆溫環境；水平驅動磁鋼採用上下對稱布置方式，磁場均勻易於 擴展微動臺行程且磁場強水平驅動力大，適用於光刻機工件臺水平高速高加速度的工作要 求。


圖1是本發明的總體結構示意圖；圖2是本發明微動臺主體結構示意圖；圖3是本發明電容傳感器分布示意圖；圖4是本發明雷射幹涉測量光路示意圖；圖5是本發明六自由度驅動電機結構示意圖；圖6是本發明六自由度驅動電機結構爆炸視圖；圖7是本發明六自由度驅動電機動子磁鋼分布示意圖；圖8是本發明六自由度驅動電機定子線圈分布示意圖；圖9是本發明六自由度驅動電機垂向運動定子結構示意圖；圖10是本發明六自由度驅動電機水平驅動結構示意圖；圖11是本發明六自由度驅動電機水平驅動原理圖；圖12是本發明六自由度驅動電機垂直驅動結構示意圖；圖13是本發明六自由度驅動電機垂直驅動原理圖；圖14是本發明驅動力分布示意圖。圖中件號1_微動臺本體；1-1-載物臺；1-2_基座；1-3-電機安裝架；1-4-電 容位移傳感器；1-5-六自由度驅動電機；1-5-1-電機動子磁鋼安裝架上 板；1-5-1-2-磁鋼安裝架下板；1-5-1-3-立柱；1-5-1-4-支撐塊；1-5-2-電機定子; 1-5-2-1-線圈盒上板；1-5-2-2-線圈盒下板；1-5-3-水平運動磁鋼；1-5-4-垂向運 動磁鋼；1-5_5_水平運動線圈；1-5-6-垂向運動定子；1-5_6_1_垂向運動定子線圈；
1-5-6-2-垂向運動定子磁鋼；2_雷射幹涉測量系統；2-1-雙頻雷射器；2-2-1/2分光稜 鏡；2-3_反射稜鏡A ；2-4-反射稜鏡B ；2-5-X向位移幹涉測量光路；2_5_1-偏振分光鏡A ；
2-5-2-角錐稜鏡A；2-5-3-角錐稜鏡B ;2-5-4_1/4玻片A ;2_5_5-接收器A ;2_6_Y向位移 幹涉測量光路；2-6-1_偏振分光鏡B ;2-6-2_角錐稜鏡C ;2-6-3_角錐稜鏡D ;2-6-4_1/4玻 片B ；2-6-5-接收器B ；2-7-L型反射鏡。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明實施方式進行詳細說明。一種六自由度磁浮微動臺，該裝置包括微動臺本體1和雷射幹涉測量系統2，所述 的微動臺本體1由載物臺1-1、基座1-2、電機安裝架1-3、電容位移傳感器1-4和六自由度 驅動電機1-5構成，其中六自由度驅動電機1-5包括電機動子1-5-1和電機定子1-5-2， 且載物臺1-1固裝在電機動子1-5-1上，電機定子1-5-2通過電機安裝架1-3固裝在基座1-2上，電容位移傳感器1-4配置在載物臺1-1和基座1-2之間；所述的電機動子1-5-1包括由磁鋼安裝架上板1-5-1-1、磁鋼安裝架下板1-5-1-2、立柱1-5-1-3、支撐塊1-5_1_4、 水平運動磁鋼1-5-3以及垂向運動磁鋼1-5-4，其中磁鋼安裝架上板1-5-1-1和磁鋼安裝架下板1-5-1-2通過位於二者之間的立柱1-5-1-3和支撐塊1-5-1-4固裝在一起，水平運動磁鋼1-5-3和垂向運動磁鋼1-5-4呈等邊三角形狀均布配裝在磁鋼安裝架上板1-5-1-1 底面和磁鋼安裝架下板1-5-1-2頂面對應位置上；所述的電機定子1-5-2包括線圈盒上板 1-5-2-1、線圈盒下板1-5-2-2、水平運動線圈1-5-5以及由在垂向運動定子磁鋼1_5_6_2頂面和底面上配裝的垂向運動定子線圈1-5-6-1構成的垂向運動定子1-5-6，其中水平運動線圈1-5-5和垂向運動定子1-5-6呈等邊三角形均勻配裝在線圈盒下板1-5-2-2的對應空腔內，由線圈盒上板1-5-2-1覆蓋密封；六自由度驅動電機1-5位於初始狀態時，水平運動線圈1-5-5位於上下兩側對稱的水平運動磁鋼1-5-3中心位置，且水平運動線圈1-5-5左、 右部分分別位於磁場方向相反的水平運動磁鋼1-5-3左、右部分中心，垂向運動定子1-5-6 處於上下兩側對稱垂向運動磁鋼1-5-4中心位置，且垂向運動定子1-5-6和垂向運動磁鋼 1-5-4的軸線重合，上下兩側垂向運動磁鋼1-5-4的磁極方向相同，並與垂向運動定子磁鋼1-5-6-2的磁極方向相反,配置在垂向運動定子磁鋼1-5-6-2頂面和底面上的垂向運動定子線圈1-5-6-1電流方向相反；所述的雷射幹涉測量系統2包括雙頻雷射器2-1、1/2分光稜鏡2-2、反射稜鏡A 2-3、反射稜鏡B2-4、X向位移幹涉測量光路2_5、Y向位移幹涉測量光路2-6和L型反射鏡2-7，所述的1/2分光稜鏡2-2布置在雙頻雷射器2_1出射光路上，X 向位移幹涉測量光路2-5布置在1/2分光稜鏡2-2透射光路上，反射稜鏡A 2-3布置在1/2 分光稜鏡2-2反射光路上，反射稜鏡Β2-4布置在反射稜鏡A 2-3的反射光路上，Y向位移幹涉測量光路2-6布置在反射稜鏡Β2-4的反射光路上，L型反射鏡2-7配裝在載物臺1_1 上，其兩個相互垂直的反射面分別與X向位移幹涉測量光路2-5和Y向位移幹涉測量光路2-6的出射光路垂直；所述的X向位移幹涉測量光路2-5包括偏振分光鏡Α2-5-1、角錐稜鏡 Α2-5-2、角錐稜鏡B2-5-3、l/4玻片Α2-5-4和接收器Α2-5-5，其中偏振分光鏡Α2-5-1位於 1/2分光稜鏡2-2透射光路上，1/4玻片Α2-5-4布置在偏振分光鏡Α2-5-1的透射光路上， 且位於偏振分光鏡Α2-5-1與L型反射鏡2-7Χ向反射面之間，角錐稜鏡Α2-5-2和角錐稜鏡 Β2-5-3對稱布置在偏振分光鏡Α2-5-1的雙向反射光路上,接收器Α2-5-5布置在偏振分光鏡Α2-5-1的反向透射光路上；Υ向位移幹涉測量光路2-6包括偏振分光鏡Β2-6-1、角錐稜鏡C2-6-2、角錐稜鏡D2-6-3、1/4玻片Β2-6-4和接收器Β2-6-5，其中偏振分光鏡Β2-6-1位於反射稜鏡Β2-4反射光路上，1/4玻片Β2-6-4布置在偏振分光鏡Β2-6-1的透射光路上， 處於偏振分光鏡Α2-6-1與L型反射鏡2-7Υ 向反射面之間，角錐稜鏡C2-6-2和角錐稜鏡 D2-6-3對稱布置在偏振分光鏡Β2-6-1的雙向反射光路上，接收器Β2-5-5布置在偏振分光鏡Β2-6-1的反向透射光路上。
本發明的工作原理如下
如圖1、圖3所示，雷射幹涉測量系統2用於測量載物臺1-1的水平位移Χ、Υ兩個自由度，三個電容位移傳感器1-4用於測量載物臺1-1相對於基座1-2的垂向位移Ζ，並解算出RX、RY兩個自由度。該裝置水平驅動原理如圖10、圖11所示，上下對稱分布的水平運動磁鋼1-5-3使水平運動線圈1-5-5兩側處於方向相反的勻強磁場中,水平運動線圈1-5-5 兩側電流方向相反，整個水平合力方向相同，改變電流方向和大小即實現驅動力Fh的控制，三個互成120°分布的水平驅動力Fh合成即可實現載物臺1-1的三個自由度X、Y、RZ 的驅動控制。該裝置垂向驅動和磁浮原理如圖12、圖13所示，垂向運動定子1-5-6處於上 下兩側對稱垂向運動磁鋼1-5-4中心位置，垂向運動定子磁鋼1-5-6-2的磁極方向與垂向 運動磁鋼1-5-4磁極方向相反,受到上下兩個方向排斥力Fvl和Fv2,工作時Fvl與Fv2的 差值即可補償微動臺運動部件重力，此時垂向運動定子磁鋼1-5-6-2在上下兩側對稱的垂 向運動磁鋼1-5-4之間的位置會產生偏移,本實施例中，垂向運動定子磁鋼1-5-6-2與垂向 運動磁鋼1_5_4上板間距小。粘接在垂向運動定子磁鋼1_5_6_2頂面和底面的垂向運動定 子線圈1-5-6-1電流方向相反,產生的垂向力方向相同,控制垂向運動定子線圈1-5-6-1電 流方向和大小即實現驅動力Fv的控制，三個呈等邊三角形布置的垂向力Fv合成即可實現 微動臺Z、RX、RY三個自由度的驅動控制。微動臺驅動力分布如圖14所示。
權利要求
1.一種六自由度磁浮微動臺，其特徵在於該裝置包括微動臺本體(I)和雷射幹涉測量系統(2)，所述的微動臺本體(I)由載物臺(1-1)、基座(1-2)、電機安裝架(1-3)、電容位移傳感器(1-4)和六自由度驅動電機(1-5)構成,其中六自由度驅動電機(1-5)包括電機動子(1-5-1)和電機定子(1-5-2)，且載物臺(1-1)固裝在電機動子(1-5-1)上，電機定子 (1-5-2)通過電機安裝架(1-3)固裝在基座(1-2)上，電容位移傳感器(1-4)配置在載物臺(1-1)和基座(1-2)之間；所述的電機動子(1-5-1)包括由磁鋼安裝架上板(1-5-1-1)、 磁鋼安裝架下板(1-5-1-2)、立柱(1-5-1-3)、支撐塊(1-5-1-4)、水平運動磁鋼(1_5_3)以及垂向運動磁鋼(1-5-4)，其中磁鋼安裝架上板(1-5-1-1)和磁鋼安裝架下板(1-5-1-2) 通過位於二者之間的立柱(1-5-1-3)和支撐塊(1-5-1-4)固裝在一起，水平運動磁鋼 (1-5-3)和垂向運動磁鋼(1-5-4)呈等邊三角形狀均布配裝在磁鋼安裝架上板(1-5-1-1) 底面和磁鋼安裝架下板(1-5-1-2)頂面對應位置上；所述的電機定子(1-5-2)包括線圈盒上板(1-5-2-1)、線圈盒下板(1-5-2-2)、水平運動線圈(1-5-5)以及由在垂向運動定子磁鋼(1-5-6-2)頂面和底面上配裝的垂向運動定子線圈(1-5-6-1)構成的垂向運動定子 (1-5-6)，其中水平運動線圈(1-5-5)和垂向運動定子(1-5-6)呈等邊三角形均勻配裝在線圈盒下板(1-5-2-2)的對應空腔內，由線圈盒上板(1-5-2-1)覆蓋密封；六自由度驅動電機 (1-5)位於初始狀態時，水平運動線圈(1-5-5)位於上下兩側對稱的水平運動磁鋼(1-5-3) 中心位置，且水平運動線圈(1-5-5)左、右部分分別位於磁場方向相反的水平運動磁鋼 (1-5-3)左、右部分中心，垂向運動定子(1-5-6)處於上下兩側對稱垂向運動磁鋼(1-5-4) 中心位置，且垂向運動定子(1-5-6)和垂向運動磁鋼(1-5-4)的軸線重合，上下兩側垂向運動磁鋼(1-5-4)的磁極方向相同，並與垂向運動定子磁鋼(1-5-6-2)的磁極方向相反,配置在垂向運動定子磁鋼(1-5-6-2)頂面和底面上的垂向運動定子線圈(1-5-6-1)電流方向相反；所述的雷射幹涉測量系統(2)包括雙頻雷射器(2-1)、1/2分光稜鏡(2-2)、反射稜鏡 A(2-3)、反射稜鏡B(2-4)、X向位移幹涉測量光路(2-5)、Y向位移幹涉測量光路(2_6)和 L型反射鏡(2-7)，所述的1/2分光稜鏡(2-2)布置在雙頻雷射器(2-1)出射光路上，X向位移幹涉測量光路(2-5)布置在1/2分光稜鏡(2-2)透射光路上，反射稜鏡A(2-3)布置在1/2分光稜鏡(2-2)反射光路上，反射稜鏡B (2-4)布置在反射稜鏡A (2-3)的反射光路上，Y向位移幹涉測量光路(2-6)布置在反射稜鏡B(2-4)的反射光路上，L型反射鏡(2-7) 配裝在載物臺(1-1)上，其兩個相互垂直的反射面分別與X向位移幹涉測量光路(2-5)和 Y向位移幹涉測量光路(2-6)的出射光路垂直；所述的X向位移幹涉測量光路(2-5)包括偏振分光鏡A (2-5-1)、角錐稜鏡A (2-5-2)、角錐稜鏡B (2_5_3)、1/4玻片A(2_5_4)和接收器A(2-5_5),其中偏振分光鏡A(2-5_l)位於1/2分光稜鏡(2_2)透射光路上，1/4玻片 A (2-5-4)布置在偏振分光鏡A (2-5-1)的透射光路上,且位於偏振分光鏡A (2_5_1)與L型反射鏡(2_7)X向反射面之間，角錐稜鏡A(2-5-2)和角錐稜鏡B(2-5-3)對稱布置在偏振分光鏡A (2-5-1)的雙向反射光路上,接收器A (2-5-5)布置在偏振分光鏡A (2_5_1)的反向透射光路上；Y向位移幹涉測量光路(2-6)包括偏振分光鏡B (2-6-1)、角錐稜鏡C (2-6-2)、角錐稜鏡D (2-6-3)、1/4玻片B (2-6-4)和接收器B (2-6-5)，其中偏振分光鏡B (2-6-1)位於反射稜鏡B (2-4)反射光路上，1/4玻片B (2-6-4)布置在偏振分光鏡B (2_6_1)的透射光路上，處於偏振分光鏡A(2-6-1)與L型反射鏡(2-7) Y向反射面之間，角錐稜鏡C(2_6_2)和角錐稜鏡D (2-6-3)對稱布置在偏振分光鏡B (2-6-1)的雙向反射光路上，接收器B (2-5-5)布置在偏振 分光鏡B(2-6-1)的反向透射光路上。
全文摘要
一種六自由度磁浮微動臺屬於半導體製造裝備；該裝置包括雷射幹涉測量系統、電容位移傳感器、微動臺本體及六自由度驅動電機，該電機水平和垂向驅動均採用呈三角形布置的三個驅動器解耦控制，單個水平驅動器採用在水平驅動線圈上下對稱布置動子磁鋼的方式，水平運動磁場均勻易於擴展水平行程，單個垂向驅動器運動磁鋼仍採用上下對稱布置方式，垂向運動定子採用永磁體和線圈複合形式，在提高垂向驅動力的同時具有永磁體磁浮重力補償功能，有利於微動臺保持恆溫環境，該裝置結構緊湊，水平驅動力大，水平行程易於擴展適用於光刻機工件臺水平高速高加速運動的工作需求。
文檔編號G03F7/20GK103048891SQ20121057418
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者譚久彬, 楊遠源, 王雷 申請人:哈爾濱工業大學