投影物镜支撑装置以及光刻机设备的制作方法

本发明涉及半导体领域，特别涉及投影物镜支撑装置以及光刻机设备。

背景技术：

光刻机主要是工件台携带硅片或玻璃基片等在物镜下随掩模台保持同步运动，并完成精确的曝光工作的设备。光刻机物镜通过支撑装置安装于主基板上，框架振动(包含地基振动、执行器反力引起的振动等)通过支撑装置传递至物镜，导致物镜结构振动，引起成像的短期误差，危害曝光精度。

为减缓外部振动通过主基板向物镜的传递，物镜与主基板之间采用柔性支撑装置连接。柔性机械结构占用空间小，其各向刚度的大小决定能够减缓框架振动的水平；同时柔性机械结构支撑几百到上千公斤的物镜质量，需保证最大应力在材料许用应力安全范围，因此结构设计具有一定的挑战性。随着光刻领域对高精度和高稳定性的不断需求，对各种柔性机械结构进行了不断的探索。

美国专利us7554105(b2)提出了一种30hz柔性机构的避免共振的方法，并提出了一种倒t型柔性机构的设计结构和布局，如图1所示，该专利提出一种两极隔振的系统方案，其中第一级采用主动减振器，用于各类基础框架上的低频振动，第二级采用softmount柔性机构装置100，用于隔离主基板上的残余振动加速度。

中国专利cn104076612a(申请号201310103211.3)也提出了一种6阶特征频率低于30hz的柔性装置,并提出了一种采用多个柔性铰链结构组合而成的柔性支座的设计结构，如图2所示。该专利中所描述的多柔性铰链组合200总长度150mm-250mm(实际长度225mm)，总宽度20mm-50mm，总高度80mm-150mm，但其柔性铰链结构对尺寸、材料的偏差比较敏感，制品的刚度一致性较差。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出了一种投影物镜支撑装置以及使用这种投影物镜支撑装置的光刻机设备，使用具有镂空的柔性支座作为支撑装置的主要部分，该镂空结构具有相互错位的网格，能够提供比较合适的刚度。

为达到上述目的，本发明提供一种投影物镜支撑装置，位于投影物镜与主基板之间，包括围绕所述投影物镜分布的若干组柔性支撑组件，所有所述柔性支撑组件形成的图形的中心位于所述投影物镜的中轴上，每组柔性支撑组件包括一安装在主基板上的柔性支座，所述柔性支座具有一支座本体，所述支座本体为空心的筒柱状，所述支座本体的筒壁设置有若干层镂空，每一层镂空具有若干个网格，相邻两层镂空的网格相互错位。

作为优选，所述网格的形状为圆角矩形。

作为优选，每一层镂空的网格数不大于八个，相邻两层网格之间的筒壁高度不小于1mm。

作为优选，所述柔性支座还包括

一与所述投影物镜连接的物镜接口，位于所述支座本体上方；

一与所述主基板连接的主基板接口，位于所述支座本体下方。

作为优选，所述主基板接口的直径大于所述支座本体的直径。

作为优选，所述支座本体为圆筒柱状，所述支座本体的外径为30～50mm，筒壁厚度为3～10mm，所述支座本体的高度为80～150mm，共有3～16层镂空，每一层镂空具有3～8个网格，同一层镂空中相邻两个网格的间距为1～12mm,相邻两层网格之间的筒壁高度为1～12mm，所述网格的圆角直径为3～10mm。

作为优选，所述支座本体为椭圆筒柱状，所述支座本体的长外径和短外径皆取值为30～50mm，筒壁厚度为3～10mm，所述支座本体的高度为80～150mm，共有3～16层镂空，每一层镂空具有3～8个网格，同一层镂空中相邻两个网格的间距为1～12mm,相邻两层网格之间的筒壁高度为1～12mm，所述网格的圆角直径为3～10mm。

作为优选，所述支座本体的材料为0cr17ni7al、65mn、4cr13、60si2mna中的任意一种。

作为优选，所述柔性支撑组件为三组，三组柔性支撑组件形成等腰三角形，所述等腰三角形的中心位于所述投影物镜的中轴上。

作为优选，所述柔性支座的一阶固有频率大于800hz。

作为优选，每组柔性支撑组件还包括一限位支座，其安装在所述主基板上，且位于所述柔性支座远离所述投影物镜的一侧。

本发明还提供一种光刻机设备，从上至下依次包括

投影物镜,用于将图案化曝光能量传递到工件表面；

如上所述的投影物镜支撑设备，其一端与所述投影物镜接触，用于支撑所述投影物镜，另一端固定在主基板上；

主基板，用于放置工件；

减振器，用于减缓光刻机设备受到的振动；

基础框架，用于支撑所述主基板和所述减振器；

地基。

作为优选，所述减振器的特征频率为0.5hz。

作为优选，每组柔性支撑组件还包括若干个阻尼器，设置在所述投影物镜与所述主基板之间。

作为优选，所述阻尼器位于所述柔性支座远离所述投影物镜的一侧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种投影物镜支撑装置以及使用这种投影物镜支撑装置的光刻机设备，这种投影物镜支撑装置包含有筒壁具有若干层镂空的柔性支座的支座本体，每一层镂空具有若干个网格，相邻两层镂空的网格相互错位，这样使得该支撑装置具有比较合适的刚度，相互错位的网格将所受的载荷分散，提高了承载能力，同时相互错位的网格又能够吸收振动，减少了振动对物镜的干扰。而使用这种投影物镜支撑装置的光刻机设备，除了具有上述减振的支撑装置，还在主基板与基础框架之间配备减振器，给予光刻机设备双重减振，更好地保障了投影物镜的工作环境。

附图说明

图1为现有技术中提供的柔性支撑结构；

图2为现有技术中提供的柔性铰链结构；

图3为本发明提供的光刻机设备结构示意图；

图4为本发明实施例一柔性支撑组件分布示意图；

图5为本发明实施例一柔性支座结构示意图；

图6为本发明实施例一柔性支座主视图；

图7为图6中a-a处的剖视图；

图8为本发明实施例一柔性支座仅受到z向载荷时的变形仿真图；

图9为本发明实施例一柔性支座仅受到x和y向载荷时的变形仿真图；

图10a～图10d为本发明实施例二柔性支撑组件分布示意图；

图11为本发明实施例二柔性支座结构示意图；

图12为本发明实施例二柔性支座主视图；

图13为图12中b-b处剖视图；

图1中：100-softmount柔性机构装置；

图2中：200-多柔性铰链组合；

本发明图示：1-投影物镜、2-主基板、3-柔性支撑组件、31-柔性支座、311-支座本体、3111-网格、312-物镜接口、313-主基板接口、32-限位支座、33-阻尼器、4-减振器、5-基础框架、6-地基；

t1-筒壁厚度、t2-网格间距、t3-相邻两层网格的间距、d1-支座本体外径、d2-支座本体长外径、d3-支座本体短外径。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

请参照图3，本发明提供一种投影物镜支撑装置，位于投影物镜1与主基板2之间，用于缓解并吸收主基板2的振动，避免投影物镜1受到影响。

该支撑装置主要包括若干组关于投影物镜1中轴对称分布的柔性支撑组件3，以水平方向为x轴，竖直方向为z轴，垂直于xz平面的方向为y轴，建立xyz三维坐标系。

柔性支撑组件3与投影物镜1装配后的rx、ry及rz模态频率值不仅取决于柔性支撑组件3的三方向刚度，与柔性支撑组件3的布置位置、投影物镜1重心的水平向位置及重心垂向高度也有着密切关系。

请参照图4，在本实施例中，设置了三组柔性支撑组件3，其形成了等腰三角形，并且在俯视图中，该等腰三角形的中心与投影物镜1的中心重合。较佳地，三组柔性支撑组件3优选形成等边三角形，关于投影物镜1轴对称，使得中心与质心重合。

上述设置了三组柔性支撑组件3的结构，其主基板2、投影物镜1以及三组柔性支撑组件3形成的振型为平动的前三阶模态，前三阶模态频率值可由下式估算：

其中，kn为三组柔性支撑组件3在x向、y向或z向总刚度，fn为柔性支撑组件3完成与投影物镜1的装配后x向、y向或z向振动频率值，m为投影物镜1的质量，ωn为固有频率(又叫圆频率)。

每组柔性支撑组件3主要包括柔性支座31，柔性支座31从上至下又包括与投影物镜1连接固定的物镜接口312、支座本体311、与主基板2连接固定的主基板接口313，在本实施例中，主基板接口313的直径最大，物镜接口312的直径最小。

柔性支座31在z向承受垂向重载荷，达2000n以上，易产生应力集中，若结构设计不合理，承受的应力大于材料许用应力时，柔性支座31将产生破损；即使应力小于材料许用应力，较大的应力长期作用于柔性支座31，也会引起柔性支座31出现应力疲劳，缩短其使用寿命。因此柔性支座31的设计中，需尽量降低载荷作用时产生的应力。

在本发明中，请参照图5至图7，柔性支座31的支座本体311为筒柱状结构，内部空心，在本实施例中，支座本体311为圆筒柱状，支座本体311的筒壁具有镂空结构，将筒壁均分成若干层，每一层都有镂空结构，每一层的镂空结构为若干个网格3111，网格3111的形状可设定为圆角矩形。

请参照图8和图9，为了防止支座本体311在受载荷过程中产生应力集中点，需要将其所受到的应力分散，本发明采取的措施为将每一层的网格3111相互交错布置，这样一个网格3111上方和下方的结构不相同，则较难产生应力集中点。

但即使设置了交错布置的网格3111，请参照图8，z向载荷仍能引起支座本体311上产生最大应力承受点。在本发明中，柔性支座31的每一层串联形成接近于平面曲杆的负载模式，柔性支座31每一层的最大挠性变形

δz＝f×π×(d-t1/2)³[(1/(6×e×i)+1/(2×g×ip)]，其刚度为

k＝f/δz＝2×e×g×i×ip/[π×((d-t1/2)³×(3×e×i+g×ip)]

其中：i—横截面的惯性矩，i＝t3×t1³/12

ip＝π×[d⁴-(d-2t1)⁴]/32

e—材料的弹性模量

g—材料的剪变模量。

从上式可知，应力承受点通常分布在每个网格3111圆角矩形的圆角处，应力大小的主要决定因素有每层网格3111个数、相邻两层网格3111的间距t3、同一层镂空上两个相邻的网格3111的距离即网格间距t2、网格3111的圆角半径r、以及支座本体311的圆筒直径即支座本体外径d1和筒壁厚度t1、镂空的层数等。支座本体311的这几个参数相互关联，需密切匹配才能使支座本体311的刚度满足需求且使得网格3111的圆角处应力值尽可能小，具体为：

每层镂空结构上网格3111的个数不能过多，通常不大于8个；

相邻两层网格的间距t3不能过小，一般不小于1mm，否则将引起每个网格3111的圆角处应力过大；

网格3111圆角的半径越大，其应力越小；

支座本体外径d1越大，每个网格3111的圆角处应力集中越小，支座本体311在承受垂向载荷时会产生更小的应力。

在本实施例中，支座本体外径d1为30～50mm，筒壁厚度t1为3～10mm，柔性支座31的高度(物镜接口312、支座本体311以及主基板接口313的高度总和)为80～150mm，支座本体311共设置了3～16层的镂空结构，每一层具有3～8个网格3111，同一层镂空中相邻两个网格3111的间距即网格间距t2为1～12mm，相邻两层网格3111之间的筒壁高度即相邻两层网格的间距t3为1～12mm，网格3111的圆角直径为3～10mm。较佳地，主基板接口313的直径最大为75mm，高度为10mm。

柔性支座31的疲劳寿命还与选用材料有关，柔性支座31一般为定刚度零件，其材料多采用屈强比高、韧性好的材料，本发明中采用0cr17ni7al制造。视用途不同，支座本体311也可采用65mn、4cr13、60si2mna等高屈强比、高韧性的材料制造。

在每组柔性支撑组件3中，为避免使用过程中未知外力引起的柔性支座31被破坏，在柔性支座31周围需安装限位支座32，在每组柔性支撑组件3中，限位支座32位于柔性支座31远离投影物镜1的一侧。

使用上述结构的柔性支撑组件3，高于或低于投影物镜1与柔性支撑组件3装配而成的整体固有频率的外界干扰信号将难以传递到投影物镜1上，从而实现投影物镜1与主基板2装配体6个自由度模态小于30hz。

柔性支座31自身的固有频率大于100hz，为避免与柔性支座31固有频率相近的振动频率引起柔性支座31的共振，对隔振产生影响，必须为投影物镜1提供阻尼器33，阻尼器33可以由每组柔性支撑组件3自身提供，也可在投影物镜1其他位置另外安装阻尼器33。在本实施例中，阻尼器33放置在投影物镜1和主基板2之间，在每组柔性支撑组件3中，阻尼器33放置在限位支座32和柔性支座31之间。由于光刻机布局需求，一些传感器或其他装置可以安装在投影物镜1朝向柔性支撑组件3的一侧，由柔性支座31支撑。

本发明提供的柔性支座31的高度约为80～150mm，相对于现有技术中提供的柔性结构，其结构更为紧凑，高度较低则重心较低，提高了相关的稳定性。

本发明还提供一种使用上述投影物镜支撑装置的光刻机设备，如图3所示，从上至下依次为投影物镜1、三组柔性支撑组件3、主基板2、减振器4、基础框架5和地基6。

投影物镜1作为光刻机中最精密部件及基准，对环境振动的要求非常苛刻，因此使用三组柔性支撑组件3作为精密且辅助地减振设备，在主基板2和基础框架5之间采用减振器4，其特征频率一般为0.5hz，用于吸收基础框架5上的低频振动，此时，主基板2上的残余振动以30hz左右占比最少，因此采用的柔性支撑组件3的特征频率约30hz，用于隔离主基板2上的残余振动加速度，给投影物镜1创造了良好的工作环境。

实施例二

请参照图11至图13，本实施例与实施例一的区别在于支座本体311为椭圆筒柱状，支座本体长外径d2和短外径d3皆取值为30～50mm，筒壁厚度t1为3～10mm，柔性支座31的高度(物镜接口312、支座本体311以及主基板接口313的高度总和)为80～150mm，共有3～16层镂空，每一层镂空具有3～8个网格3111，同一层镂空中相邻两个网格3111的网格间距t2为1～12mm，相邻两层网格3111之间的筒壁高度即相邻两层网格的间距t3为1～12mm，网格3111的圆角直径为3～10mm。

请参照图10a～10d，由于本实施例中支座本体311采用非圆筒柱状，因此其在x向、y向、rx向、ry向上的柔性存在差异，因此本实施例中三组柔性支撑组件3虽然仍分布成等腰三角形，但如图10a,其中两腰对应的顶点处支座本体311的长外径方向为y向，第三处的支座本体311的长外径的方向为x向。也可参考图10b～10d,根据实际需要，调整每个柔性支座31摆放的角度，从而调节整个柔性支撑组件3的刚性。

本发明提供一种投影物镜支撑装置以及使用这种投影物镜支撑装置的光刻机设备，这种投影物镜支撑装置包含有筒壁具有若干层镂空的柔性支座31的支座本体311，每一层镂空具有若干个网格3111，相邻两层镂空的网格3111相互错位，这样使得该支撑装置具有比较合适的刚度，相互错位的网格将所受的载荷分散，即提高了承载能力，同时相互错位的网格3111能够吸收振动，减少了振动对投影物镜1的干扰。而使用这种投影物镜支撑装置的光刻机设备，除了具有上述减振的支撑装置，还在主基板2与基础框架5之间配备减振器4，给予光刻机设备双重减振，更好地保障了投影物镜1的工作环境。

本发明对上述实施例进行了描述，但本发明不仅限于上述实施例。显然本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。