专利名称：采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光刻机硅片台双台交换系统，该系统主要应用于半导体光刻机中，属
于半导体制造装备领域。
背景技术：
在集成电路芯片的生产过程中，芯片的设计图形在硅片表面光刻胶上的曝光转印 (光刻)是其中最重要的工序之一，该工序所用的设备称为光刻机(曝光机)。光刻机的分 辨率和曝光效率极大的影响着集成电路芯片的特征线宽(分辨率)和生产率。而作为光刻 机关键系统的硅片超精密运动定位系统(以下简称为硅片台)的运动精度和工作效率，又 在很大程度上决定了光刻机的分辨率和曝光效率。 步进扫描投影光刻机基本原理如图l所示。来自光源45的深紫外光透过掩模 版47、透镜系统49将掩模版上的一部分图形成像在硅片50的某个Chip上。掩模版和硅 片反向按一定的速度比例作同步运动，最终将掩模版上的全部图形成像在硅片的特定芯片 (Chip)上。 硅片台运动定位系统的基本作用就是在曝光过程中承载着硅片并按设定的速度 和方向运动，以实现掩模版图形向硅片上各区域的精确转移。由于芯片的线宽非常小(目 前最小线宽已经达到45nm)，为保证光刻的套刻精度和分辨率，就要求硅片台具有极高的运
动定位精度；由于硅片台的运动速度在很大程度上影响着光刻的生产率，从提高生产率的 角度，又要求硅片台的运动速度不断提高。 传统的硅片台，如专利EP 0729073和专利US 5996437所描述的，光刻机中只有一 个硅片运动定位单元，即一个硅片台。调平调焦等准备工作都要在上面完成，这些工作所 需的时间很长，特别是对准，由于要求进行精度极高的低速扫描(典型的对准扫描速度为 lmm/s)，因此所需时间很长。而要减少其工作时间却非常困难。这样，为了提高光刻机的生 产效率，就必须不断提高硅片台的步进和曝光扫描的运动速度。而速度的提高将不可避免 导致系统动态性能的恶化，需要采取大量的技术措施保障和提高硅片台的运动精度，为保 持现有精度或达到更高精度要付出的代价将大大提高。 专利W098/40791(
公开日期1998.9. 17 ;国别荷兰)所描述的结构采用双硅片 台结构，将上下片、预对准、对准等曝光准备工作转移至第二个硅片台上，且与曝光硅片台 同时独立运动。在不提高硅片台运动速度的前提下，曝光硅片台大量的准备工作由第二个 硅片台分担，从而大大縮短了每片硅片在曝光硅片台上的工作时间，大幅度提高了生产效 率。然而该系统存在的主要缺点在于硅片台系统的非质心驱动问题。 本申请人在2003年申请的发明专利"步进投影光刻机双台轮换曝光超精密定位 硅片系统"(专利申请号ZL03156436. 4)，公开了一种带双侧直线导轨的双硅片台交换结 构，该硅片台双台交换系统在工作空间上不存在重叠，因此不需采用碰撞预防装置。但是该 硅片台双台交换系统也存在一些问题，一是该系统要求极高的导轨对接精度；二是该系统 双侧导轨只有一侧空间被同时利用，导致该硅片台系统外形尺寸较大，这对空间利用率要求较高的半导体芯片厂而言无疑显得非常重要。三是该系统硅片台交换时需采用带驱动装 置的桥接装置，增加了系统的复杂性。 本申请人在2007年申请的发明专利"一种采用十字导轨的光刻机硅片台双台交 换系统"(专利申请号200710303713. 5)公开了一种由4组双自由度驱动单元实现硅片台 双台交换的结构，该硅片台的运动是靠两相邻双自由度驱动单元同时运动实现，因此系统 对同步控制具有一定要求。同时，本申请人在2007年申请的发明专利"一种采用过渡承接 装置的光刻机硅片台双台交换系统"(专利申请号200710303712. 0)和"一种采用传送带 结构的光刻机硅片台双台交换系统"(专利申请号200710303648. 6)都在在预处理工位和 曝光工位上分别设有一个H型驱动单元。 所有上述发明专利中的硅片台都是通过将多个单自由度直线电机叠加成H型或 十字型等叠层结构来实现多自由度平面运动。这种叠层驱动结构在实现平面运动时，上层 直线电机及其直接驱动的硅片台都需要底层直线电机来驱动，大大增加了底层直线电机的 负担，同时带来了非质心驱动，需要高精度同步控制等问题，系统结构也很复杂，限制了硅 片台的运动定位精度，妨碍了其定位响应速度的提高。本申请人于2007年申请的发明专利 "动圈式做大范围平面运动磁浮六自由度工作台"(专利申请号200710304519. 9)与本发 明专利的技术相似，但是存在线圈布置不对称导致的动子受力不对称，需要电磁力提供悬 浮支承，发热大，控制复杂等缺点。
发明内容
为了提高光刻机硅片台的加速度，速度和定位精度，进而促进光刻机的生产率、套
刻精度和分辨率的提高，本发明提供了一种采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统。 本发明的技术方案如下 —种采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统，包括基台ll，两个结构相同的分 别工作于预处理工位和曝光工位的硅片台和硅片台驱动装置，其特征在于所述硅片台驱 动装置由平面电机和气浮结构组成，平面电机由一个定子20和两个动子组成，平面电机的 定子20设置在基台顶部，每个硅片台的底部设有平面电机的一个动子24 ;所述气浮结构由 多个设置于硅片台底部的气浮轴承23组成。 本发明所述的采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统，其特征还在于所述平 面电机采用永磁平面电机、步进式平面电动机、感应式平面电动机或开关磁阻式平面电机。 本发明所述的采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统，其特征还在于所述永 磁平面电机的定子采用平面永磁阵列16，该平面永磁阵列由一系列磁化方向交错排列的永 磁体布置而成。 本发明所述的采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统，其特征还在于所述永 磁平面电机的动子由n个在以硅片台质心为原点的坐标系中关于X轴对称分布且关于Y轴 对称分布的电磁单元组成，n为大于等于4的偶数；每个电磁单元由多个线圈线性排列而 成，线圈带铁芯或不带铁芯；相邻电磁单元排列方向互成90。布置；所述气浮结构至少由 两个对称均布的气浮轴承组成。 本发明所述的采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统，其特征还在于所述永 磁平面电机的动子由四个电磁单元组成，每个电磁单元由五个矩形无铁芯线圈线性排列而成，线圈排列方向与永磁阵列排列方向成45。角布置；所述气浮结构由五个设置于平台底
部的气浮轴承组成，五个气浮轴承在以硅片台质心为原点的坐标系中关于x轴轴对称分布
且关于Y轴轴对称分布，电磁单元和气浮轴承在平台底部交错排列。 本发明所述的采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统，其特征还在于所述平 面永磁阵列采用由一系列永磁体在底座上排列而成的Halbach阵列。 本发明所述的采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统具有以下优点及突出性
效果取消了这种多个单自由度运动部件叠加形成多自由度平面运动的结构，由平面电机
直接驱动每个硅片台实现水平面上的双台交换和相应的步进扫描运动，系统结构大大简
化，避免了前述专利中的导轨对接，非质心驱动，同步控制等一系列问题；采用了气浮支承，
在硅片台匀速运动过程中仅需要很小的控制电流，避免了前述专利中六自由磁悬浮支承带
来的电机功率大，发热大的问题，同时降低了控制的复杂度，改进了电磁单元的布置方式，
电磁单元不仅关于硅片台之心中心对称，而且电磁单元在以硅片台质心为原点的坐标系中
关于X轴轴对称分布且关于Y轴轴对称分布，保证了硅片台的质心驱动，简化了系统的控制
结构；大大减轻了驱动负载，提高了硅片台的响应速度，大大提高了硅片台运动过程中的速
度，加速度和运动定位精度，进而大大提高了光刻机的生产率、套刻精度和分辨率。 图附说明
图1显示了步进扫描投影光刻机基本工作原理。
图2是只有一个硅片台的运动定位系统。 图3是本申请人2007年申请的一种采用叠层驱动结构的硅片台双台交换系统。
图4是本发明所述采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统的结构示意图。
图5是本发明的一个具体实施例，即采用永磁平面电机和气浮支承的硅片台双台 交换系统的三维交换示意图。 图6是本发明所述的硅片台底部平面电机的动子和气浮结构的三维视图。 图7本发明所述的基台及其上部的平面电机的定子的三维视图。 图8是本发明所述的永磁阵列气隙磁感应强度竖直分量关于XY坐标的变化关系
示意图。 图9是本发明所述的硅片台底部平面电机的动子的受力情况示意图。
图中 1-硅片台；3-H型驱动单元；5-X向直线电机；7-Y向直线电机；9-传送带系统；
10-对接滑块；11-基台；15-硅片；16-平面永磁阵列；18-第一长方体永磁体；
19-第二长方体永磁体；20-平面电机的定子；23-气浮结构；24_平面电机的动 子； 45-光源；47-掩模版；49-透镜系统；50-硅片。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体结构、机理和工作过程作进一步的说明。 步进扫描投影光刻机基本原理如图l所示。来自光源45的深紫外光透过掩模
版47、透镜系统49将掩模版上的一部分图形成像在硅片50的某个Chip上。掩模版和硅
片反向按一定的速度比例作同步运动，最终将掩模版上的全部图形成像在硅片的特定芯片(Chip)上。硅片运动定位系统(硅片台)的基本作用就是在曝光过程中承载着硅片并按设 定的速度和方向运动，以实现掩模版图形向硅片上各区域的精确转移。 传统的步进扫描投影光刻机硅片台如图2所示，光刻机中只有一个硅片运动定位 系统，即只有一个硅片台。调平、调焦等准备工作都要在同一个硅片台上完成，这些工作所 需的时间很长，特别是对准，由于要求进行精度极高的低速扫描(典型的对准扫描速度为 lmm/s)，因此所需时间很长。为了提高光刻机的曝光效率，本发明所述的光刻机硅片台双台 交换系统，将调平、调焦、对准等曝光准备工作转移至预处理工位的硅片台上，且与曝光工 位的硅片台同时独立工作，从而大大縮短硅片在曝光硅片台上的工作时间。
采用叠层驱动结构实现多自由平面运动的硅片台双台交换系统如图3所示。该系 统包含一个运行于预处理工位的硅片台l和一个运行于曝光工位的硅片台l，所述硅片台 均由H型驱动单元3驱动，驱动硅片台1作大范围X、Y方向运动，所述的H型驱动单元由双 侧X向直线电机5以及Y向直线电机7组成，在基台两侧安装有传送带系统9，用以驱动硅 片台1由预处理工位传送到曝光工位。这种叠层驱动结构，结构复杂，在实现平面运动时， 上层直线电机及其直接驱动的硅片台都需要底层直线电机来驱动，大大增加了底层直线电 机的负担，限制了硅片台的运动定位精度，妨碍了其定位响应速度的提高。
图4是本发明所述采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统的结构示意图。
由图可知本发明所述采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统是包括基台11， 两个结构相同的分别工作于预处理工位和曝光工位的硅片台和硅片台驱动装置，其特征在 于所述硅片台驱动装置由平面电机和气浮结构组成，平面电机由一个定子20和两个动 子组成，平面电机的定子20设置在基台顶部，每个硅片台的底部设有平面电机的一个动子 24 ;所述气浮结构由多个设置于硅片台底部的气浮轴承23组成。所述平面电机采用永磁 平面电机、步进式平面电动机、感应式平面电动机或开关磁阻式平面电机。在永磁平面电机 时。优选采用动圈式无铁芯永磁平面电机，对实现大范围，高速度和高加速度的精确定位较 为容易，系统的综合性能较为优异。相比之下，带铁芯的永磁平面电机因铁芯的磁滞效应导 致系统的带宽下降；步进式平面电动机存在低频振荡、失步和高频失步，运行速度和加速度 不能很高，自身噪声和振动较大的缺陷；感应式平面电动机机电特性复杂，很难实现高速和 高精度平面驱动；开关磁阻式平面电机存在转矩脉动大，建模和控制难等问题。
图5是本发明的一个具体实施例，即采用永磁平面电机和气浮支承的硅片台双台 交换系统的三维交换示意图。所述永磁平面电机的定子20采用平面永磁阵列16(如图7 所示)，该平面永磁阵列由一系列磁化方向交错排列的永磁体布置而成。
如图6所示，平面电机的动子24由四个在以硅片台质心为原点的坐标系中关于X 轴对称分布且关于Y轴对称分布的电磁单元组成，各相邻电磁单元方向互成9(T角布置， 每个电磁单元由5个矩形无铁芯线圈线性排列而成，线圈排列方向与永磁阵列排列方向成 45°角布置。的气浮结构23由5个设置于平台底部的对称均布的真空预载气浮轴承组成。 工作时，由气浮轴承提供每个硅片台在竖直方向的在的平面电机的定子20上的气浮支承。 每个硅片台在完成上一工位的工序后，按图4中大箭头所示的路径运动到下一工位，继续 完成下一工位的工序，从而以这种类似循环流水线的结构实现将前一硅片的上下片、预对 准、对准等曝光准备工作和后一硅片曝光工作的并行进行，大大提高了光刻机的生产率。
如图7所示，设置于基台11的顶部的平面电机的定子20采用平面永磁阵列，该平面永磁阵列由一系列第一长方体永磁体18和第二长方体永磁体19按图7所示规律在的基 台ll上排列成Halbach阵列，阵列方向在XY平面上与线圈排列方向(图中为X轴或Y轴 方向)成45°角，图6中第一长方体永磁体18(长、宽、高分别为2a、a、a， a为第一长方体 永磁体18 —个边的长度)沿竖直方向(即2a的方向)被磁化，产生N极和S极，标注在永 磁上表面的N和S表示该永磁体位于上部的磁极名称，第二长方体永磁体19(长、宽、高分 别为a、0. 5a、2a， a为第二长方体永磁体19 一个短边的边长)沿0. 5a的边长方向上磁化， 磁化方向(宽的方向)如永磁铁表面箭头所示(箭头由永磁体S极指向永磁体N极)。若 干永磁体如图7按一定规律排列，使得永磁体的磁化方向交错排列。平面永磁阵列16在的 平面电机的定子20和的硅片台1之间的气隙中或接触面上产生气隙磁场。图8是图7所 示平面永磁阵列的气隙磁感应强度竖直分量Bz关于XY坐标的变化关系示意图。图8中同 一列中两相邻相同永磁体的相同侧面间的距离t为极距，它也是图7中平面永磁阵列的气 隙磁感应强度两相邻峰值之间的距离。 所述设置于的硅片台1底部的的平面电机的动子24由四个或大于四的偶数个在 以硅片台质心为原点的坐标系中关于X轴对称分布且关于Y轴对称分布的电磁单元组成， 所述每个电磁单元由一个或一个以上相同的矩形无铁芯线圈线性排列而成；其优化结构是 采用四个电磁单元，每个电磁单元由相同的五个矩形无铁芯线圈线性排列而成。矩形无铁 芯线圈的长度大于Halbach阵列的极距的四倍，宽度为Halbach阵列极距的0. 8 1倍。一 般矩形线圈的长约为7a，宽约1. 4a，线圈厚度约为0. 4a(a为永磁体5 —个短边的边长)，线 圈排列方向与永磁阵列排列方向成45。角(或沿X轴方向或沿Y轴方向)布置，各相邻电 磁单元方向互成90。角布置。 每个线圈通电后在永磁阵列产生的气隙磁场中受洛仑兹力作用，其所受洛仑兹力 可以分解为三个互相垂直的分力，即沿竖直方向的力Fz，在XY平面内沿线圈长边方向的力 Fl和在XY平面内垂直于线圈长边方向的力F2，经过分析计算和仿真发现，在硅片台沿X方 向或沿Y方向运动时Fz和F2在约1. 414 t的行程内按正弦规律变化，峰值大小约为2N， Fl大小约为0. 00001N-0. OOOIN，约等于0，且远远小于Fz和F2故忽略不计。这样通过适当 的控制策略，单独控制各个线圈的电流，可以使所有线圈在竖直方向产生的力Fz的合力为 零，同时考虑到真空预载气浮支承的刚度接近零阻尼特性，可以实现每个硅片台在基台上 完全独立的平面运动，从而方便的实现水平面上的双台交换和相应的步进扫描运动。
图9表示了单个硅片台具有4个电磁单元驱动时的受力情况，4个电磁单元分别 称为第一电磁单元、第二电磁单元、第三电磁单元和第四电磁单元，它们底面的中心分别为 01、 02、 03和04。图中ABCD为硅片台1的底面，abcd为ABCD在基台顶面上的投影。第i 个(i = 1，2，3，4)电磁单元的3个方向分量F' xi、F' yi和F' zi作用于该电枢单元底 面的中心Oi，于是在上述力分量的作用下，硅片台实现沿x、y方向的运动。
权利要求
一种采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统，包括基台(11)，两个结构相同的分别工作于预处理工位和曝光工位的硅片台和硅片台驱动装置，其特征在于所述硅片台驱动装置由平面电机和气浮结构组成，平面电机由一个定子(20)和两个动子组成，平面电机的定子(20)设置在基台顶部，每个硅片台的底部设有平面电机的一个动子(24)；所述气浮结构由多个设置于硅片台底部的气浮轴承(23)组成。
2. 按照权利要求1所述的采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统，其特征在于所述平面电机采用永磁平面电机、步进式平面电动机、感应式平面电动机或开关磁阻式平面 电机。
3. 按照权利要求2所述的采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统，其特征在于所述永磁平面电机的定子采用平面永磁阵列(16)，该平面永磁阵列由一系列磁化方向交错排列的永磁体布置而成。
4. 按照权利要求2所述的采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统，其特征在于所述永磁平面电机的动子由n个在以硅片台质心为原点的坐标系中关于X轴对称分布且关于 Y轴对称分布的电磁单元组成，n为大于等于4的偶数；每个电磁单元由多个线圈线性排列 而成，线圈带铁芯或不带铁芯；相邻电磁单元排列方向互成90。布置；所述气浮结构至少 由两个对称均布的气浮轴承组成。
5. 按照权利要求4所述的采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统，其特征在于所 述永磁平面电机的动子由四个电磁单元组成，每个电磁单元由五个矩形无铁芯线圈线性排列而成，线圈排列方向与永磁阵列排列方向成45。角布置；所述气浮结构由五个设置于平台底部的气浮轴承组成，五个气浮轴承在以硅片台质心为原点的坐标系中关于x轴轴对称分布且关于Y轴轴对称分布，电磁单元和气浮轴承在平台底部交错排列。
6. 按照权利要求3所述的采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统，其特征在于所述平面永磁阵列采用由一系列永磁体在底座上排列而成的Halbach阵列。
全文摘要
采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统，主要用于光刻机系统中。该硅片台双台交换系统包括基台、两个结构相同的分别工作于预处理工位和曝光工位的硅片台和硅片台驱动装置。所述硅片台驱动装置由平面电机和气浮结构组成，平面电机采用永磁平面电机、步进式平面电动机、感应式平面电动机或开关磁阻式平面电机，平面电机一个定子和两个动子组成，定子设置在基台顶部，动子设置在硅片台的底部；所述气浮结构由多个设置于硅片台底部的气浮轴承组成。该系统通过平面电机直接驱动硅片台实现平面上的双台交换和步进扫描运动，提高了光刻机的生产率、套刻精度和分辨率。
文档编号H02K33/18GK101694560SQ200910172949
公开日2010年4月14日 申请日期2009年9月11日 优先权日2009年4月3日
发明者尹文生, 张鸣, 徐登峰, 朱煜, 杨开明, 段广洪, 汪劲松, 田丽, 胡金春, 许岩, 闵伟 申请人:清华大学;