一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)，主要用于光刻機(jī)系統(tǒng)中。該系統(tǒng)包括掩膜臺、驅(qū)動電機(jī)和機(jī)架；驅(qū)動電機(jī)為動鐵式磁浮平面電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)的永磁體陣列和掩膜臺連接在一起，組成了該掩膜臺系統(tǒng)的動子部分；驅(qū)動電機(jī)的線圈陣列和機(jī)架連接在一起，組成了該掩膜臺系統(tǒng)的定子部分；驅(qū)動電機(jī)可實現(xiàn)該掩膜臺系統(tǒng)的六自由度運(yùn)動，平面光柵尺則作為該掩膜臺系統(tǒng)的測量傳感器用于掩膜臺的位置反饋測量。粗精動一體磁浮掩膜臺在減小了掩模臺體積的同時既提高了掩模臺的速度、加速度和控制帶寬，又滿足了高運(yùn)動精度和定位精度的要求，進(jìn)而提高了光刻機(jī)的生產(chǎn)率、套刻精度和分辨率。
【專利說明】一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光刻機(jī)掩模臺系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻機(jī)中，屬于半導(dǎo)體制造裝備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]在集成電路芯片的生產(chǎn)過程中，芯片的設(shè)計圖形在硅片表面光刻膠上的曝光轉(zhuǎn)印(光刻)是其中最重要的工序之一，該工序所用的設(shè)備稱為光刻機(jī)(曝光機(jī))。光刻機(jī)的分辨率和曝光效率極大的影響著集成電路芯片的特征線寬(分辨率)和生產(chǎn)率。而作為光刻機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)的掩膜臺系統(tǒng)的運(yùn)動精度和工作效率，又在很大程度上決定了光刻機(jī)的分辨率和曝光效率。
[0003]步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)基本原理如圖1所示。來自光源45的深紫外光透過掩膜臺上的掩模版47、透鏡系統(tǒng)49將掩模版上的一部分圖形成像在硅片50的某個Chip上。為進(jìn)行硅片上一個chip的曝光，掩膜臺和硅片臺需分別進(jìn)行加速運(yùn)動，并在運(yùn)動到曝光起始位置時同時達(dá)到掃描曝光所要求的4:1的速度。此后，硅片臺以均勻的速度向掃描運(yùn)動方向運(yùn)動，掩膜臺以4倍于娃片臺掃描速度的速度向與娃片臺掃描運(yùn)動的反方向作掃描運(yùn)動，兩者的運(yùn)動要求達(dá)到極其精確的同步，最終將掩模版上的全部圖形成像在硅片的特定芯片(Chip)上。當(dāng)一個chip掃描結(jié)束后,掩膜臺和娃片臺分別進(jìn)行減速運(yùn)動，同時娃片臺進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動，將下一個要曝光的chip移動到投影物鏡下方。此后，掩膜臺向與上次掃描運(yùn)動方向相反的方向加速、掃描、減速，硅片臺則按照規(guī)劃的方向加速、掃描、減速，在同步掃描過程中完成一個chip的曝光。如此不斷重復(fù)，掩膜臺往返進(jìn)行加速、掃描、減速的直線運(yùn)動，硅片臺按照規(guī)劃的軌跡進(jìn)行步進(jìn)和掃描運(yùn)動，完成整個硅片的曝光。
[0004]根據(jù)對掩膜臺的運(yùn)動要求，掩膜臺主要提供沿掃描方向往返超精密高速直線運(yùn)動的功能。其行程應(yīng)滿足chip長度的4倍、并加上加減速的距離；其掃描速度應(yīng)為硅片臺掃描速度的4倍,最高加速度也相應(yīng)的會高于娃片臺的最高加速度。按照國外典型光刻機(jī)商品的技術(shù)指標(biāo)，掩膜臺的行程超過IOOmm (有的機(jī)型達(dá)到200mm)，掃描速度達(dá)到1000mm/s，最高加速度達(dá)到20m/s2，即2g。提高掩膜臺的掃描速度和加速度(硅片臺也同步提高)，能有效的提聞光刻機(jī)的生廣率。
[0005]最為重要的是，掩膜臺必需能夠?qū)崿F(xiàn)與硅片臺掃描運(yùn)動的超高精度的同步運(yùn)動，對45nm光刻機(jī)而言，其同步精度要求MA (移動平均偏差)小于2.25nm，MSD (移動標(biāo)準(zhǔn)偏差)小于5.4nm。其中，MA主要影響曝光的套刻精度，MSD主要影響曝光分辨率。
[0006]為了滿足掩膜臺大行程和高速高精度的苛刻要求，傳統(tǒng)的掩膜臺系統(tǒng)通常采用粗-精動疊層的驅(qū)動結(jié)構(gòu)。對掩膜臺進(jìn)行實時高精度的微調(diào)，滿足其運(yùn)動精度的要求。這種疊層驅(qū)動結(jié)構(gòu)在運(yùn)動時，上層音圈電機(jī)及其附屬結(jié)構(gòu)和掩膜臺都需要底層直線電機(jī)來驅(qū)動，大大增加了底層直線電機(jī)的負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了掩膜臺的運(yùn)動精度，妨礙了其加速度的提聞。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]為了提高光刻機(jī)掩模臺的加速度，速度和定位精度，進(jìn)而促進(jìn)光刻機(jī)的生產(chǎn)率、套刻精度和分辨率的提高，本發(fā)明提供了 一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括掩膜臺臺體、驅(qū)動電機(jī)和機(jī)架；所述的掩膜臺臺體位于該掩膜臺系統(tǒng)的中部，所述的驅(qū)動電機(jī)采用兩組，兩組驅(qū)動電機(jī)對稱布置在掩膜臺臺體沿X方向的兩個側(cè)面上，驅(qū)動電機(jī)的永磁體陣列和掩膜臺臺體連接在一起，構(gòu)成該掩膜臺系統(tǒng)的動子部分，兩組驅(qū)動電機(jī)的線圈陣列和機(jī)架連接在一起，構(gòu)成該掩膜臺系統(tǒng)的定子部分，每個驅(qū)動電機(jī)在X方向、Y方向和Z方向的三個方向出力。
[0010]所述的驅(qū)動電機(jī)的線圈陣列的線圈采用疊層正交線圈，多個疊層正交線圈沿線性方向依次排列；或線圈陣列的線圈采用單層繞制線圈，多個單層線圈沿線性方向依次排列，且相鄰兩個線圈的繞線方向相互垂直；線圈陣列中的每個線圈由通電線圈和線圈骨架組成，整個線圈固定在機(jī)架上。
[0011]所述的一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)還含有平面衍射光柵測量系統(tǒng)，所述的平面衍射光柵測量系統(tǒng)包括用于測量掩膜臺與機(jī)架之間相對位置的兩個傳感器組件；所述的每個傳感器組件包括一個平面衍射光柵尺、多個光柵讀數(shù)頭和一個光柵讀數(shù)頭連接板；所述的兩個傳感器組件沿X軸方向?qū)ΨQ布置在掩膜臺臺體的下方；所述的每個傳感器組件的光柵讀數(shù)頭通過光柵讀數(shù)頭連接板與機(jī)架連接在一起，所述的光柵讀數(shù)頭沿X軸方向等間距對稱分布在掩膜臺臺體的兩側(cè)，且固定于光柵讀數(shù)頭連接板的上表面，所述的每側(cè)的光柵讀數(shù)頭共用一個平面衍射光柵尺；所述的平面衍射光柵尺安裝在掩膜臺臺體沿X軸方向的兩側(cè)邊上；所述的光柵讀數(shù)頭與平面衍射光柵尺之間保留間隙。
[0012]本發(fā)明所述的一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)，其特征在于:所述的掩膜臺臺體為薄壁殼體，由碳化硅陶瓷材料制成。
[0013]本發(fā)明所述的一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)，其特征在于:所述的驅(qū)動電機(jī)的永磁體陣列由主永磁體、附永磁體和永磁體背板組成，主永磁體與附永磁體以Halbach二維平面陣列形式粘接固定于永磁體背板的表面上，相鄰的主永磁體與附永磁體的磁場方向相互垂直，在各永磁體之間形成封閉磁路。
[0014]本發(fā)明所述的一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)具有以下優(yōu)點及突出性效果:與采用氣浮導(dǎo)軌支承的傳統(tǒng)掩膜臺相比，本發(fā)明所述的掩膜臺采用磁懸浮支承，不需要氣浮系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，避免了氣浮引入的振動和噪聲，而且可以滿足極紫外光刻所需的高真空度環(huán)境；所有的驅(qū)動裝置的額定功率很小，比較容易實現(xiàn)輕量化設(shè)計。這樣，整個系統(tǒng)的總功率將大大小于傳統(tǒng)的采用具備高速和高加速度性能直線電機(jī)的掩膜臺系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的發(fā)熱也大大減小。
[0015]另一方面，與傳統(tǒng)的粗精動疊層結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明所述的一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)取消了這種多個單自由度運(yùn)動部件疊加的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中動子的結(jié)構(gòu)大大簡化，考慮到驅(qū)動裝置的輕量化設(shè)計，系統(tǒng)動子的總質(zhì)量大大減小，動子本身的模態(tài)和剛度也大大提高，進(jìn)而提高了掩膜臺的響應(yīng)速度和其運(yùn)動過程中的速度，加速度和運(yùn)動定位精度，最后大大提高了光刻機(jī)的生產(chǎn)率、套刻精度和分辨率。
[0016]圖附說明
[0017]圖1是本發(fā)明所述一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明所述一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明所述一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)平面衍射光柵尺測量的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4a、圖4b是本發(fā)明所述一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)中兩種無鐵芯線圈的三維示意圖。
[0021]圖5a、圖5b是本發(fā)明所述一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)中驅(qū)動電機(jī)永磁體陣列充磁方向的示意圖。
[0022]圖中:1—掩膜臺臺體；2—機(jī)架；4一永磁體陣列；5—線圈陣列；9—線圈；10—線圈骨架；12—永磁體背板；13—主永磁體；14一附永磁體；25—光柵讀數(shù)頭；26—光柵讀數(shù)頭連接板；27—平面衍射光柵尺。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、機(jī)理和工作過程作進(jìn)一步的說明。
[0024]本發(fā)明提供的一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)，如圖1和圖2所示，該系統(tǒng)包括掩膜臺臺體1、驅(qū)動電機(jī)和機(jī)架2，所述的掩膜臺臺體I位于該掩膜臺系統(tǒng)的中部，所述的掩膜臺臺體I為薄壁殼體，由碳化娃陶瓷材料制成。
[0025]本發(fā)明提供的一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)是采用動鐵式磁浮平面電機(jī)，(如圖3所示)；所述的驅(qū)動電機(jī)共有兩個，每個都含有固定在機(jī)架2上的線圈陣列5和固定在掩膜臺臺體I上的永磁體陣列4，對稱布置在掩膜臺與其運(yùn)動方向即X方向平行的兩個側(cè)面，采用雙邊驅(qū)動方式，每一個驅(qū)動電機(jī)可同時提供掩膜臺在X方向、Y方向和Z方向的推力，兩個驅(qū)動電機(jī)同時工作負(fù)責(zé)調(diào)整掩膜臺沿X軸方向的轉(zhuǎn)動、繞Y方向的轉(zhuǎn)動和繞Z軸的轉(zhuǎn)動三個自由度。線圈陣列5是由采用銅線同心繞制的無鐵芯矩形線圈組成的一維陣列，線圈的支架采用非鐵磁性部件(如鋁合金)制成，所述的驅(qū)動電機(jī)的線圈陣列5的制造方式有兩種:第一種線圈陣列中的線圈單元采用由內(nèi)至外疊層正交繞制的方式，每個模塊由線圈9和線圈骨架10組成，將所述的若干個線圈單元沿線性方向緊挨著固定在機(jī)架2上，如圖4 (a)所示，采用該種線圈的驅(qū)動電機(jī)，當(dāng)線圈通電時，在線圈的相鄰兩個繞線層分別通大小相等方向相互垂直的電流il和i2 (電流方向如圖4 (a)所示)，每個線圈在這兩種電流在永磁體陣列中磁場范圍內(nèi)可同時產(chǎn)生兩個相互垂直的兩個方向的洛倫茲力，實現(xiàn)兩個方向的推力；第二種線圈陣列中的線圈單元采用單層繞制的方式，每個模塊由線圈9和線圈骨架10組成，將所述的若干個線圈單元沿線性方向，按照相鄰兩個線圈單元的繞線方向相互垂直并固定在機(jī)架2上，如圖4 (b)所示，用該種線圈的驅(qū)動電機(jī)，當(dāng)線圈通電時，相鄰的兩個線圈分別通大小相等方向相互垂直的電流il和i2 (電流方向如圖4 (b)所示)，這兩個線圈分別在永磁體陣列中磁場范圍內(nèi)可分別產(chǎn)生兩個相互垂直的兩個方向的洛倫茲力，實現(xiàn)兩個方向的推力。
[0026]所述的驅(qū)動電機(jī)的永磁體陣列由主永磁體13、附永磁體14和永磁體背板12組成，主永磁體13與附永磁體14以Halbach 二維平面陣列形式粘接固定于永磁體背板12的表面上，相鄰的主永磁體13與附永磁體14的磁場方向相互垂直，在各永磁體之間形成封閉磁路，(如圖5 (b)所示，圖中的“N”，“S”表示永磁體的N極和S極，此時永磁體的充磁方向垂直于紙面；箭頭表示永磁體的充磁方向，此時永磁體的充磁方向平行于紙面)。
[0027]該系統(tǒng)還含有平面衍射光柵測量系統(tǒng)，所述的平面衍射光柵測量系統(tǒng)包括用于測量掩膜臺與機(jī)架2之間相對位置的兩個傳感器組件；所述的每個傳感器組件包括一個平面衍射光柵尺27、若干個光柵讀數(shù)頭25和一個光柵讀數(shù)頭連接板26 ;所述的兩個傳感器組件沿X軸方向?qū)ΨQ布置在掩膜臺臺體I的下方；所述的每個傳感器組件的光柵讀數(shù)頭25通過光柵讀數(shù)頭連接板26與機(jī)架2連接在一起，所述的光柵讀數(shù)頭25沿X軸方向等間距對稱分布在光柵讀數(shù)頭連接板26的上表面，所述的每側(cè)的光柵讀數(shù)頭25共用一個平面衍射光柵尺27 ;所述的平面衍射光柵尺27安裝在掩膜臺臺體I沿X軸方向的兩側(cè)邊上；所述的光柵讀數(shù)頭25與平面衍射光柵尺27之間保留間隙；當(dāng)粗動臺沿X軸方向做往復(fù)運(yùn)動時，同一側(cè)的至少保證有兩個光柵讀數(shù)頭25同時進(jìn)行測量，實現(xiàn)X方向、Y方向和Z方向的位移測量，該兩個光柵讀數(shù)頭25差動，還進(jìn)行繞X軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的角度的測量；關(guān)于X軸對稱的兩個相對應(yīng)的兩個光柵讀數(shù)頭25差動，實現(xiàn)繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角度的測量；
[0028]本發(fā)明所述的一種掩膜臺系統(tǒng)，其工作階段分為啟動階段、正常工作階段和停止階段，共三個階段。啟動階段的工作原理如下:在系統(tǒng)上電啟動之前，掩膜臺停止在機(jī)架上的固定工位上。系統(tǒng)上電啟動后，兩個驅(qū)動電機(jī)采用雙邊驅(qū)動方式，提供Z方向向上的推力，推動掩膜臺動子部分向上運(yùn)動到工作位置，然后在掩膜臺工作過程中一方面調(diào)節(jié)掩膜臺動子部分沿Z軸方向的位置，使粗動臺動子部分及精動臺始終處于懸浮狀態(tài)，及繞X軸方向的轉(zhuǎn)動和繞Y方向的轉(zhuǎn)動這兩個自由度的姿態(tài)，與此同時，兩個驅(qū)動電機(jī)提供Y方向的推力，調(diào)整掩膜臺動子部分沿Y軸的平動和繞Z軸的轉(zhuǎn)動兩個自由度的姿態(tài)，使掩膜臺動子部分達(dá)到工作所要求的位置和姿態(tài)，并在整個工作過程中實時調(diào)節(jié)前述五個自由度，滿足系統(tǒng)對這五個自由度的定位要求。然后，兩個驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動沿掩膜臺動子部分X方向進(jìn)行加、減速和勻速往復(fù)運(yùn)動，達(dá)到系統(tǒng)要求的工作速度，完成啟動階段的工作。
[0029]此后，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作階段，驅(qū)動電機(jī)在X方向的工作區(qū)域內(nèi)對掩膜臺動子部分的速度和姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，滿足系統(tǒng)對其的速度和位置的要求，同時補(bǔ)償系統(tǒng)的能量耗散。當(dāng)掩膜臺動子部分運(yùn)動到+X方向行程的末段，X方向直線電機(jī)減速工作至停止，然后又反向加速，使掩膜臺動子部分向-X方向運(yùn)動至該行程的末段，X方向直線電機(jī)減速工作至停止,如此往復(fù)循環(huán)。
[0030]在停止階段，當(dāng)掩膜臺動子部分低速運(yùn)動靜止工位上方，然后驅(qū)動電機(jī)配合減速停放在靜止工位上。
[0031]另一方面，與傳統(tǒng)的粗精動疊層結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明所述的一種掩膜臺系統(tǒng)取消了這種多個單自由度運(yùn)動部件疊加的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中動子的結(jié)構(gòu)大大簡化，考慮到驅(qū)動裝置的輕量化設(shè)計，系統(tǒng)動子的總質(zhì)量大大減小，動子本身的模態(tài)和剛度也大大提高，進(jìn)而提高了掩膜臺的響應(yīng)速度和其運(yùn)動過程中的速度，加速度和運(yùn)動定位精度，最后大大提高了光刻機(jī)的生產(chǎn)率、套刻精度和分辨率。
【權(quán)利要求】
1.一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括掩膜臺臺體(I)、驅(qū)動電機(jī)和機(jī)架(2);所述的掩膜臺臺體(I)位于該掩膜臺系統(tǒng)的中部，所述的驅(qū)動電機(jī)采用兩組，兩組驅(qū)動電機(jī)對稱布置在掩膜臺臺體(I)沿X方向的兩個側(cè)面上，驅(qū)動電機(jī)的永磁體陣列(4)和掩膜臺臺體(I)連接在一起，構(gòu)成該掩膜臺系統(tǒng)的動子部分，兩組驅(qū)動電機(jī)的線圈陣列和機(jī)架(2)連接在一起，構(gòu)成該掩膜臺系統(tǒng)的定子部分，每個驅(qū)動電機(jī)在X方向、Y方向和Z方向的三個方向出力； 所述的驅(qū)動電機(jī)的線圈陣列(5)的線圈采用疊層正交線圈，多個疊層正交線圈沿線性方向依次排列；或線圈陣列的線圈采用單層繞制線圈，多個單層線圈沿線性方向依次排列，且相鄰兩個線圈的繞線方向相互垂直；線圈陣列(5)中的每個線圈由通電線圈(9)和線圈骨架(10)組成，整個線圈固定在機(jī)架(2)上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)還含有平面衍射光柵測量系統(tǒng)，所述的平面衍射光柵測量系統(tǒng)包括用于測量掩膜臺與機(jī)架(2)之間相對位置的兩個傳感器組件；所述的每個傳感器組件包括一個平面衍射光柵尺(27)、若干個光柵讀數(shù)頭(25)和一個光柵讀數(shù)頭連接板(26);所述的兩個傳感器組件沿X軸方向?qū)ΨQ布置在掩膜臺臺體(I)的下方；所述的每個傳感器組件的光柵讀數(shù)頭(25)通過光柵讀數(shù)頭連接板(26)與機(jī)架(2)連接在一起，所述的光柵讀數(shù)頭(25)沿X軸方向等間距對稱分布在掩膜臺臺體(I)的兩側(cè)，且固定于光柵讀數(shù)頭連接板(26)的上表面，所述的每側(cè)的光柵讀數(shù)頭(25 )共用一個平面衍射光柵尺(27 );所述的平面衍射光柵尺(27 )安裝在掩膜臺臺體(I)沿X軸方向的兩側(cè)邊上；所述的光柵讀數(shù)頭(25)與平面衍射光柵尺(27)之間保留間隙。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)，其特征在于:所述的掩膜臺臺體(I)為薄壁殼體，由碳化娃陶瓷材料制成。
4.如權(quán)利要求1所述的一種粗精動一體的磁浮掩膜臺系統(tǒng)，其特征在于:所述的驅(qū)動電機(jī)的永磁體陣列由主永磁體(13)、附永磁體(14)和永磁體背板(12)組成，主永磁體(13)與附永磁體(14)以Halbach 二維平面陣列形式粘接固定于永磁體背板(12)的表面上，相鄰的主永磁體(13)與附永磁體(14)的磁場方向相互垂直，在各永磁體之間形成封閉磁路。
【文檔編號】G03F7/20GK103454864SQ201310390450
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】朱煜, 張鳴, 劉召, 楊開明, 徐登峰, 田麗, 張利, 秦慧超, 葉偉楠, 張金, 穆海華, 尹文生, 胡金春, 胡楚雄, 趙彥坡, 胡清平 申請人:清華大學(xué), 北京華卓精科科技有限公司