專利名稱：一種掩膜臺系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光刻機掩膜臺系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要應用于半導體光刻機中，屬于半導體 制造裝備領域。
背景技術：
在集成電路芯片的生產(chǎn)過程中，芯片的設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，該工序所用的設備稱為光刻機(曝光機)。光刻機的分 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 機關鍵系統(tǒng)的掩膜臺系統(tǒng)的運動精度和工作效率，又在很大程度上決定了光刻機的分辨率 和曝光效率。步進掃描投影光刻機基本原理如

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 進行硅片上一個chip的曝光，掩膜臺和硅片臺需分別進行加速運動，并在運動到曝光起始 位置時同時達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動 方向運動，掩膜臺以4倍于硅片臺掃描速度的速度向與硅片臺掃描運動的反方向作掃描運 動，兩者的運動要求達到極其精確的同步，最終將掩模版上的全部圖形成像在硅片的特定 芯片(Chip)上。當一個chip掃描結束后，掩膜臺和硅片臺分別進行減速運動，同時硅片臺 進行步進運動，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，掩膜臺往返進行加速、掃描、減速的直線 運動，硅片臺按照規(guī)劃的軌跡進行步進和掃描運動，完成整個硅片的曝光。根據(jù)對掩膜臺的運動要求，掩膜臺主要提供沿掃描方向往返超精密高速直線運動 的功能。其行程應滿足chip長度的4倍、并加上加減速的距離；其掃描速度應為硅片臺掃 描速度的4倍，最高加速度也相應的會高于硅片臺的最高加速度。按照國外典型光刻機商 品的技術指標，掩膜臺的行程超過100mm(有的機型達到200mm)，掃描速度達到1000mm/S， 最高加速度達到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 有效的提高光刻機的生產(chǎn)率。最為重要的是，掩膜臺必需能夠?qū)崿F(xiàn)與硅片臺掃描運動的超高精度的同步運動， 對45nm光刻機而言，其同步精度要求MA(移動平均偏差)小于2. 25nm, MSD (移動標準偏 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。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)動結構(如圖2所示)。掩膜臺系統(tǒng)由粗動臺15和疊加在其上的精動 臺14組成。其中，粗動臺15采用左直線電機13和右直線電機12組成的高速大行程的雙 邊驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動；精動臺14則由X方向的音圈電機17和Y方向的音圈電機18驅(qū)動，對掩 膜臺進行實時高精度的微調(diào)，滿足其運動精度的要求。這種疊層驅(qū)動結構在運動時，上層音 圈電機及其附屬結構和掩膜臺都需要底層直線電機來驅(qū)動，大大增加了底層直線電機的負
3擔，系統(tǒng)結構復雜，限制了掩膜臺的運動精度，妨礙了其加速度的提高。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高光刻機掩模臺的加速度，速度和定位精度，進而促進光刻機的生產(chǎn)率、套 刻精度和分辨率的提高，本發(fā)明提供了一種掩膜臺系統(tǒng)。本發(fā)明的技術方案如下一種掩膜臺系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括掩膜臺、磁懸浮裝置、振動裝置以及驅(qū) 動裝置，所述磁懸浮裝置含有固定在掩膜臺上的懸浮永磁體和固定在光刻機機架上的鐵磁 性部件；所述振動裝置包括分別設置在掩模臺兩端的兩個運動永磁體和兩個固定在光刻機 機架上的靜止電磁鐵，且兩者的同極相對而互斥，使掩膜臺在兩個靜止電磁鐵之間的區(qū)域 往復運動；所述驅(qū)動裝置包括一個以上的X方向驅(qū)動裝置，一個以上Y方向驅(qū)動裝置和一個 以上的Z方向驅(qū)動裝置，每個驅(qū)動裝置都含有固定在光刻機機架上的線圈陣列和固定在掩 膜臺上的永磁體陣列；所述X方向驅(qū)動裝置驅(qū)動掩膜臺在振動裝置中做往復直線運動；所 述Z方向驅(qū)動裝置配合磁懸浮裝置調(diào)節(jié)掩膜臺在Z軸方向的位置以及繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動的 兩個轉(zhuǎn)動自由度，使掩膜臺在工作過程中保持懸浮狀態(tài)；所述Y方向驅(qū)動裝置負責調(diào)整掩 膜臺沿Y軸的位置和繞Z軸的轉(zhuǎn)動自由度。本發(fā)明所述的一種掩膜臺系統(tǒng)，其特征還在于所述磁懸浮裝置的懸浮永磁體為 稀土永磁體，且對稱分布在掩膜臺上表面的四個角上，所述磁懸浮裝置的鐵磁性部件與懸 浮永磁體對應分布并固定在光刻機機架上，且在掩膜臺運動過程中始終吸引懸浮永磁體。本發(fā)明所述的一種掩膜臺系統(tǒng)，其特征還在于所述振動裝置的兩個運動永磁體 為稀土永磁體，運動永磁體的充磁方向與掩膜臺的運動方向相同，且固定在與掩模臺運動 方向垂直的掩膜臺表面；所述靜止電磁鐵和運動永磁體的磁極中軸線重合；靜止電磁鐵采 用永磁體、電磁鐵或永磁體與電磁鐵的組合結構。本發(fā)明所述的一種掩膜臺系統(tǒng)，其特征還在于所述每個X方向驅(qū)動裝置含有第 一永磁體陣列，所述每個Y方向驅(qū)動裝置含有第二永磁體陣列，且每個X方向驅(qū)動裝置和每 個Y方向驅(qū)動裝置共用第一線圈陣列，分別提供X方向和Y方向的推力；所述每個Z方向驅(qū) 動裝置含有第三永磁體陣列和第二線圈陣列，提供Z方向的推力；第一永磁體陣列和第二 永磁體陣列都固定在與掩模臺運動方向平行的掩膜臺表面上；所述第三永磁體陣列固定在 掩膜臺的底部；所述第一線圈陣列和第二線圈陣列固定在光刻機機架上。本發(fā)明所述的一種掩膜臺系統(tǒng)，其特征還在于所述X方向驅(qū)動裝置的數(shù)量為兩 個，對稱布置在與掩模臺運動方向平行的掩膜臺的兩個側面的中部，或者布置在這兩側面 的一端部；所述Y方向驅(qū)動裝置的數(shù)量為四個，對稱布置在與掩模臺運動方向平行的掩膜 臺的兩個側面的兩端，或者布置在這兩側面的中部；所述Z方向驅(qū)動裝置的數(shù)量為四個，對 稱布置在掩膜臺底面的四角，或者對稱布置在掩膜臺底面四邊的中部。本發(fā)明所述的一種掩膜臺系統(tǒng)，其特征還在于所述的第一線圈陣列和第二線圈陣 列都是由無鐵芯矩形線圈組成的一維陣列；所述第一永磁體陣列、第二永磁體陣列和第三 永磁體陣列都采用一維halhch型永磁陣列。本發(fā)明所述的一種掩膜臺系統(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)結構，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；磁懸浮 裝置的吸引力平衡了掩膜臺及其附屬物的絕大部分重力，而且掩膜臺在工作過程中始終在 振動裝置中做往復直線運動，掩膜臺的加速度和速度主要取決于振動裝置，因此，驅(qū)動裝置 只需要很小的功率對掩膜臺的速度和姿態(tài)進行微節(jié)。所有的驅(qū)動裝置的額定功率很小，比 較容易實現(xiàn)輕量化設計。另外，振動裝置的功耗也非常小。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的掩膜臺系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的發(fā)熱也大大 減小。另一方面，與傳統(tǒng)的粗精動疊層結構相比，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動部件疊加的結構，系統(tǒng)中動子的結構大大簡化，考慮到驅(qū)動裝置的 輕量化設計，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，進而提高了 掩膜臺的響應速度和其運動過程中的速度，加速度和運動定位精度，最后大大提高了光刻 機的生產(chǎn)率、套刻精度和分辨率。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是采用粗-精動疊層驅(qū)動結構的傳統(tǒng)掩膜臺系統(tǒng)。圖3是本發(fā)明所述一種掩膜臺系統(tǒng)的結構示意圖。圖4是本發(fā)明所述一種掩膜臺系統(tǒng)底面的結構示意圖。圖5是本發(fā)明所述一種掩膜臺系統(tǒng)中采用的無鐵芯線圈的三維示意圖。圖6是本發(fā)明所述一種掩膜臺系統(tǒng)中第三永磁體陣列及第二永磁體陣列的示意 圖。圖7是本發(fā)明所述一種掩膜臺系統(tǒng)中第一永磁體陣列的示意圖。圖中2-掩膜臺；3-懸浮永磁體；4-鐵磁性部件；5-運動永磁體；6_靜止電磁鐵； 7-第三永磁體陣列；8-第二線圈陣列；9-第一永磁體陣列；10-第一線圈陣列；11-第二永 磁體陣列；12-右直線電機；13-左直線電機；14-精動臺；15-粗動臺；16-氣浮導軌；17-X 方向的音圈電機；18-Y方向的音圈電機；45-光源；47-掩模版；49-透鏡系統(tǒng)；50-硅片。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的具體結構、機理和工作過程作進一步的說明。本發(fā)明提供的一種掩膜臺系統(tǒng)，如圖3所示，包括磁懸浮裝置，振動裝置、驅(qū)動裝 置和掩膜臺2。磁懸浮裝置含有固定在掩膜臺2上的懸浮永磁體3和固定在光刻機機架上 的鐵磁性部件4 ；懸浮永磁體3都是稀土永磁體，且對稱分布在掩膜臺的上表面的四個角 上，磁懸浮裝置的鐵磁性部件4由與掩膜臺運動方向平行的鋼條組成，與懸浮永磁體3對應 分布并固定在光刻機機架上，鋼條的長度覆蓋掩膜臺的整個行程，且在掩膜臺運動過程中 始終吸引懸浮永磁體，從而平衡掩膜臺2及其附屬物的絕大部分重力。本發(fā)明提供的一種掩膜臺系統(tǒng)中的振動裝置包括分別設置在掩模臺2兩端的兩 個運動永磁體5和兩個固定在光刻機機架上的靜止電磁鐵6，且兩者的同極相對而互斥， 使掩膜臺在兩個靜止電磁鐵之間的區(qū)域往復運動。運動永磁體5為稀土永磁體，充磁方向 與掩膜臺的運動方向相同，且固定在與掩模臺運動方向垂直的掩膜臺表面上，靜止電磁鐵6 的磁極的橫截面積大于運動永磁體5的橫截面積，且兩者的磁極的中軸線(即永磁體兩磁
5極表面中心的連線)重合；靜止電磁鐵6也可采用永磁體或永磁體與電磁鐵的組合代替。本發(fā)明提供的一種掩膜臺系統(tǒng)中的驅(qū)動裝置每個都含有固定在光刻機機架上的 線圈陣列和固定在掩膜臺上的永磁體陣列，包括2個X方向驅(qū)動裝置，每個都包含第一永 磁體陣列9和第一線圈陣列10，對稱布置在掩膜臺與其運動方向平行的兩個側面的中部， 采用雙邊驅(qū)動方式提供掩膜臺在X方向的推力；4個Y方向驅(qū)動裝置，每個都包含第二永磁 體陣列11和第一線圈陣列10，對稱布置在掩膜臺與其運動方向平行的兩個側面的兩端，提 供Y方向的推力，負責調(diào)整掩膜臺沿Y軸的平動和繞Z軸的轉(zhuǎn)動兩個自由度；4個Z方向 驅(qū)動裝置，每個都包含第三永磁體陣列7和第二線圈陣列8，對稱布置在掩膜臺底面的四角 (如圖4所示)，負責調(diào)節(jié)掩膜臺沿Z軸方向的位置，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。第一線圈陣列10和第二線圈陣列8都是由采用銅線同心繞制的無鐵芯 矩形線圈(如圖5所示)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；第三永磁體陣列7，第一永磁體陣列9和第二永磁體陣列11都是采用長方體稀土永磁 體排列而成的一維halbach型永磁陣列。第三永磁體陣列7，第二永磁體陣列11中充磁方 向與陣列方向平行的永磁體的體積大于充磁方向與陣列方向垂直的永磁體(如圖6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)。第一永磁體陣列9中充磁方向與陣 列方向平行的永磁體的體積小于充磁方向與陣列方向垂直的永磁體(如圖7所示)。采用基于d_q分解的控制算法，可以使X方向驅(qū)動裝置只提供X方向的推力，Y和 Z方向的推力接近于零；Y方向驅(qū)動裝置只產(chǎn)生Y方向的推力，X和Z方向的推力接近于零； Z方向驅(qū)動裝置只產(chǎn)生Z方向的推力，X和Y方向的推力接近于零。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，磁懸浮裝置的吸引力 小于掩膜臺及其附屬物的重力，掩膜臺停止在略高于第二線圈陣列8上表面的光刻機機架 上的固定工位上。系統(tǒng)上電啟動后，4個Z方向驅(qū)動裝置提供Z方向向上的推力，推動掩膜 臺向上運動到工作位置，然后在掩膜臺工作過程中一方面調(diào)節(jié)掩膜臺沿Z軸方向的位置， 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)，另一方面配合磁懸浮裝置平 衡掩膜臺及其附屬物的重力，使掩膜臺始終處于懸浮狀態(tài)。與此同時，4個Y方向驅(qū)動裝置 提供Y方向的推力，調(diào)整掩膜臺沿Y軸的平動和繞Z軸的轉(zhuǎn)動兩個自由度的姿態(tài)，與4個Z 方向驅(qū)動裝置配合，使掩膜臺達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，2個X方向驅(qū)動裝置采用 雙邊驅(qū)動方式，驅(qū)動掩膜臺沿-X方向進行加速，當掩膜臺運動到-X方向行程的末段，超出 X方向驅(qū)動裝置工作區(qū)域后，X方向驅(qū)動裝置停止工作，掩膜臺在慣性作用下繼續(xù)沿-X方向 運動，固定在掩膜臺-X方向一端的運動永磁體5與固定在光刻機機架上的靜止電磁鐵6的 相對的同一磁極距離迅速減小到一個很小的特定值時，靜止電磁鐵6中通入工作電流(之 前靜止電磁鐵6不通電)，靜止電磁鐵6的磁極與運動永磁體5的磁極之間產(chǎn)生強大的排斥 力，像被壓縮的彈簧一樣使掩模臺減速到零，此后強大的磁場排斥力使掩膜臺沿+X方向運 動并迅速加速到其工作速度，然后掩膜臺進入X方向驅(qū)動裝置工作區(qū)域，此時運動永磁體5 與靜止電磁鐵6的距離很大，兩者的排斥力可以忽略，掩膜臺也達到系統(tǒng)要求的工作速度， 完成啟動階段的工作。
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此后，系統(tǒng)進入正常工作階段，驅(qū)動裝置在X方向驅(qū)動裝置工作區(qū)域內(nèi)對掩膜臺 的速度和姿態(tài)進行微調(diào)，滿足系統(tǒng)對其的速度和位置的要求，同時補償系統(tǒng)的能量耗散。當 掩膜臺運動到+X方向行程的末段，超出X方向驅(qū)動裝置工作區(qū)域后，χ方向驅(qū)動電機又停 止工作，固定在掩膜臺+X方向一端的振動裝置將掩膜臺先減速到零，然后又反向加速，使 掩膜臺向-X方向運動，再次進入X方向驅(qū)動電機工作區(qū)域。如此往復循環(huán)，掩膜臺在振動 裝置作用下做往復直線運動。在停止階段，當掩膜臺運動到X方向驅(qū)動電機工作區(qū)域外靜止工位上方并被固定 在光刻機機架上的靜止電磁鐵6減速到零時，靜止電磁鐵6斷電，靜止電磁鐵6的磁極與運 動永磁體5的磁極之間的排斥力迅速減小到零，掩膜臺被殘余排斥力反向加速，低速運動 到X方向驅(qū)動裝置工作區(qū)域，然后被所有驅(qū)動裝置配合減速停放在靜止工位上。本發(fā)明所述的一種掩膜臺系統(tǒng)，如果其靜止電磁鐵6采用永磁體代替，這可以降 低系統(tǒng)的功耗，但是系統(tǒng)的啟動過程和停止過程變慢，其啟動階段的工作原理如下在系統(tǒng) 上電啟動之前，磁懸浮裝置的吸引力略小于掩膜臺及其附屬物的重力，掩膜臺落在略高于 第二線圈陣列8上表面的光刻機機架上。系統(tǒng)上電啟動后，4個Z方向驅(qū)動裝置首先啟動， 提供Z方向向上的推力，推動掩膜臺向上運動到工作位置，此后在掩膜臺工作過程中，4個Z 方向驅(qū)動裝置一方面調(diào)節(jié)掩膜臺沿Z軸方向的位置，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)，另一方面配合磁懸浮裝置平衡掩膜臺及其附屬物的重力，使掩膜 臺始終處于懸浮狀態(tài)。其次，4個Y方向驅(qū)動裝置提供Y方向的推力，調(diào)整掩膜臺沿Y軸的 平動和繞Z軸的轉(zhuǎn)動兩個自由度的姿態(tài)，與4個Z方向驅(qū)動裝置配合，使掩膜臺達到工作所 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，2個X方向驅(qū)動裝置采用雙邊驅(qū)動方式，驅(qū)動掩膜臺沿-X方向進行 加速，當掩膜臺運動到-χ方向行程的末段，超出X方向驅(qū)動裝置工作區(qū)域后，X方向驅(qū)動裝 置停止工作，固定在掩膜臺-X方向一端的運動永磁體5與固定在光刻機機架上的靜止電磁 鐵6的相對的同一磁極距離減小而產(chǎn)生強大的排斥力，像被壓縮的彈簧一樣使掩模臺減速 到零，掩膜臺的動能變成磁場能，此后強大的磁場排斥力使掩膜臺沿+X方向運動并加速， 此時磁場能又轉(zhuǎn)化為掩膜臺的動能。當掩膜臺進入X方向驅(qū)動裝置工作區(qū)域后，運動永磁 體5與靜止電磁鐵6的距離很大，兩者的排斥力可以忽略，2個X方向驅(qū)動裝置提供+X方向 的推力讓掩膜臺繼續(xù)加速。當掩膜臺運動到+X方向行程的末段，超出X方向驅(qū)動裝置工作 區(qū)域后，X方向驅(qū)動裝置又停止工作，固定在掩膜臺+X方向一端的振動裝置將掩膜臺先減 速到零，然后又反向加速，使掩膜臺向-χ方向運動，再次進入X方向驅(qū)動裝置工作區(qū)域。如 此往復循環(huán)，掩膜臺在振動裝置作用下做往復直線運動，在X方向驅(qū)動裝置工作區(qū)域中不 斷被加速，直到達到系統(tǒng)要求的速度為止，完成啟動階段的工作。此后，系統(tǒng)進入正常工作 階段，此時，X方向驅(qū)動裝置不再對掩膜臺進行加速，只是對其的速度進行微調(diào)，滿足系統(tǒng)對 其的速度和位置的要求，同時補償系統(tǒng)的能量耗散。在停止階段的工作原理與啟動階段相 同，掩膜臺在振動裝置作用下做往復直線運動，在X方向驅(qū)動裝置工作區(qū)域中不斷被減速， 直到其速度降為零，然后被所有驅(qū)動裝置配合停放在靜止工位上。本發(fā)明所述的一種掩膜臺系統(tǒng)，如果其靜止電磁鐵6采用永磁體與電磁鐵的組合 代替，則在其工作原理如下在系統(tǒng)上電啟動之前，磁懸浮裝置的吸引力小于掩膜臺及其附 屬物的重力，掩膜臺停止在略高于第二線圈陣列8上表面的光刻機機架上的固定工位上。系統(tǒng)上電啟動后，4個Z方向驅(qū)動裝置提供Z方向向上的推力，推動掩膜臺向上運動到工作 位置，然后在掩膜臺工作過程中一方面調(diào)節(jié)掩膜臺沿Z軸方向的位置，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)，另一方面配合磁懸浮裝置平衡掩膜臺及其附屬物 的重力，使掩膜臺始終處于懸浮狀態(tài)。與此同時，4個Y方向驅(qū)動裝置提供Y方向的推力，調(diào) 整掩膜臺沿Y軸的平動和繞Z軸的轉(zhuǎn)動兩個自由度的姿態(tài)，與4個Z方向驅(qū)動裝置配合，使 掩膜臺達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，2個X方向驅(qū)動裝置采用雙邊驅(qū)動方式，驅(qū)動掩 膜臺沿-X方向進行加速，當掩膜臺運動到-X方向行程的末段，超出X方向驅(qū)動裝置工作區(qū) 域后，X方向驅(qū)動裝置停止工作，靜止電磁鐵中通入工作電流產(chǎn)生與固定在光刻機機架上的 靜止永磁體相反的磁場，這樣固定在掩膜臺-X方向一端的運動永磁體5受到的靜止電磁鐵 和靜止永磁體的合力為零，掩膜臺在慣性作用下繼續(xù)沿-X方向運動，固定在掩膜臺-X方向 一端的運動永磁體5與固定在光刻機機架上的靜止永磁體的相對的同一磁極距離迅速減 小到一個很小的特定值時，靜止電磁鐵停止通電，靜止永磁體的磁極與運動永磁體5的磁 極之間產(chǎn)生強大的排斥力，像被壓縮的彈簧一樣使掩模臺減速到零，此后強大的磁場排斥 力使掩膜臺沿+X方向運動并迅速加速到其工作速度，然后掩膜臺進入X方向驅(qū)動裝置工作 區(qū)域，此時運動永磁體5與靜止電磁鐵6的距離很大，兩者的排斥力可以忽略，掩膜臺也達 到系統(tǒng)要求的工作速度，完成啟動階段的工作。在正常工作階段，電磁鐵不通電，其工作的 原理與只采用永久磁鐵的時的原理相同。在停止階段，當掩膜臺運動到X方向驅(qū)動電機工 作區(qū)域外靜止工位上方并被固定在光刻機機架上的靜止永磁體減速到零時，靜止電磁鐵通 電，產(chǎn)生與固定在光刻機機架上的靜止永磁體相反的磁場，這樣固定在掩膜臺-X方向一端 的運動永磁體5受到的靜止電磁鐵和靜止永磁體的合力迅速減小為零，掩膜臺這個迅速減 小的合力反向加速，低速運動到X方向驅(qū)動裝置工作區(qū)域，然后被所有驅(qū)動裝置配合減速 停放在靜止工位上?？紤]到磁懸浮裝置的吸引力平衡了掩膜臺及其附屬物的絕大部分重力，且掩膜臺 工作過程中始終做往復直線運動，驅(qū)動裝置只需要很小的功率對掩膜臺進行速度和姿態(tài)微 調(diào)。因此，所有的驅(qū)動裝置比較容易實現(xiàn)輕量化設計。系統(tǒng)的加速度和速度主要取決于振 動裝置，而振動裝置的功耗可以忽略。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的掩膜臺系統(tǒng)，系統(tǒng)的發(fā)熱也大大減小。而且，與采用氣浮導 軌支承的傳統(tǒng)掩膜臺系統(tǒng)相比，本發(fā)明所述的掩膜臺系統(tǒng)采用磁懸浮支承，不需要氣浮系 統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)結構，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。另一方面，與傳統(tǒng)的粗精動疊層結構相比，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動部件疊加的結構，系統(tǒng)中動子的結構大大簡化，考慮到驅(qū)動裝置的 輕量化設計，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，進而提高了 掩膜臺的響應速度和其運動過程中的速度，加速度和運動定位精度，最后大大提高了光刻 機的生產(chǎn)率、套刻精度和分辨率。
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權利要求
1.一種掩膜臺系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括掩膜臺O)、磁懸浮裝置、振動裝置以及 驅(qū)動裝置，所述磁懸浮裝置含有固定在掩膜臺( 上的懸浮永磁體C3)和固定在光刻機機 架上的鐵磁性部件；所述振動裝置包括分別設置在掩模臺( 兩端的兩個運動永磁體 (5)和兩個固定在光刻機機架上的靜止電磁鐵(6)，且兩者的同極相對而互斥，使掩膜臺在 兩個靜止電磁鐵之間的區(qū)域往復運動；所述驅(qū)動裝置包括一個以上的X方向驅(qū)動裝置，一 個以上Y方向驅(qū)動裝置和一個以上的Z方向驅(qū)動裝置，每個驅(qū)動裝置都含有固定在光刻機 機架上的線圈陣列和固定在掩膜臺上的永磁體陣列；所述X方向驅(qū)動裝置驅(qū)動掩膜臺在振 動裝置中做往復直線運動；所述Z方向驅(qū)動裝置配合磁懸浮裝置調(diào)節(jié)掩膜臺在Z軸方向的 位置以及繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動的兩個轉(zhuǎn)動自由度，使掩膜臺在工作過程中保持懸浮狀態(tài)；所述 Y方向驅(qū)動裝置負責調(diào)整掩膜臺沿Y軸的位置和繞Z軸的轉(zhuǎn)動自由度。
2.按照權利要求1所述的一種掩膜臺系統(tǒng)，其特征在于所述磁懸浮裝置的懸浮永磁 體C3)為稀土永磁體，且對稱分布在掩膜臺上表面的四個角上，所述磁懸浮裝置的鐵磁性 部件(4)與懸浮永磁體C3)對應分布并固定在光刻機機架上，且在掩膜臺運動過程中始終 吸引懸浮永磁體。
3.按照權利要求1所述的一種掩膜臺系統(tǒng)，其特征在于所述振動裝置的兩個運動永 磁體為稀土永磁體，運動永磁體(5)的充磁方向與掩膜臺的運動方向相同，且固定在與掩 模臺運動方向垂直的掩膜臺表面；所述靜止電磁鐵(6)和運動永磁體(5)的磁極中軸線重 合；靜止電磁鐵(6)采用永磁體、電磁鐵或永磁體與電磁鐵的組合結構。
4.按照權利要求1所述的一種掩膜臺系統(tǒng)，其特征在于所述每個X方向驅(qū)動裝置含 有第一永磁體陣列(9)，所述每個Y方向驅(qū)動裝置含有第二永磁體陣列(11)，且每個X方向 驅(qū)動裝置和每個Y方向驅(qū)動裝置共用第一線圈陣列(10)，分別提供X方向和Y方向的推力； 所述每個Z方向驅(qū)動裝置含有第三永磁體陣列(7)和第二線圈陣列(8)，提供Z方向的推 力；第一永磁體陣列(9)和第二永磁體陣列(11)都固定在與掩模臺運動方向平行的掩膜臺 表面上；所述第三永磁體陣列(7)固定在掩膜臺的底部；所述第一線圈陣列(10)和第二線 圈陣列(8)固定在光刻機機架上。
5.按照權利要求1所述的一種掩膜臺系統(tǒng)，其特征在于所述X方向驅(qū)動裝置的數(shù)量 為兩個，對稱布置在與掩模臺運動方向平行的掩膜臺的兩個側面的中部，或者布置在這兩 側面的一端部；所述Y方向驅(qū)動裝置的數(shù)量為四個，對稱布置在與掩模臺運動方向平行的 掩膜臺的兩個側面的兩端，或者布置在這兩側面的中部；所述Z方向驅(qū)動裝置的數(shù)量為四 個，對稱布置在掩膜臺底面的四角，或者對稱布置在掩膜臺底面四邊的中部。
6.按照權利要求4所述的一種掩膜臺系統(tǒng)，其特征在于所述的第一線圈陣列(10)和 第二線圈陣列(8)都是由無鐵芯矩形線圈組成的一維陣列；所述第一永磁體陣列(9)、第二 永磁體陣列(11)和第三永磁體陣列(7)都采用一維halbach型永磁陣列。
全文摘要
一種掩膜臺系統(tǒng)，主要用于光刻機系統(tǒng)中。該系統(tǒng)包括磁懸浮裝置，振動裝置、驅(qū)動裝置和掩膜臺。所述磁懸浮裝置由固定在掩膜臺上的永磁體和被永磁體吸引的固定在光刻機機架上的鐵磁性部件組成，在驅(qū)動裝置的配合下使掩膜臺在工作中保持懸浮狀態(tài)；所述振動裝置包括兩個設置在掩模臺兩端的永磁體和與永磁體配合的固定在光刻機機架上的兩個電磁鐵，且兩者同極相對而互斥；所述驅(qū)動裝置由固定在光刻機機架上的線圈陣列和固定在掩膜臺上的永磁體陣列組成，在調(diào)整掩膜臺姿態(tài)的同時直接驅(qū)動掩膜臺在振動裝置中往復高速運動。該系統(tǒng)簡化了掩膜臺結構，提高了掩模臺的速度，加速度和控制帶寬，進而提高了光刻機的生產(chǎn)率、套刻精度和分辨率。
文檔編號H02N11/00GK102096338SQ201110008388
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權日2011年1月14日
發(fā)明者尹文生, 張鳴, 徐登峰, 朱煜, 楊開明, 段廣洪, 汪勁松, 穆海華, 胡金春, 閔偉 申請人:清華大學