专利名称：步进扫描光刻机双台交换定位系统的制作方法
技术领域：
本发明属于精确定位领域，尤其涉及半导体行业中硅片的运动定位装置。
背景技术：
光刻工序是指将掩模上的芯片图形曝光转印到硅片上，它是集成电路芯片生产制造过程中重要的工序之一。一道光刻工序中包含多道子工序上下片、预对准、对准、曝光等。系统的生产效率(throughput)由各道子工序运行速度决定。
典型的光刻设备是一个硅片台的结构，如图1所示，系统主要由照明系统16，掩模台定位系统15，投影物镜系统14，硅片台运动定位系统2，调焦调平检测系统13等组成，其中200为硅片，500为掩模。照明系统由照明光源和照明物镜系统组成，光束通过掩模单元，将掩模上的图形通过具有缩小倍率的投影物镜成像在硅片上，即为光刻过程。硅片台运动定位系统的基本作用就是承载硅片，进行对准，曝光，上下硅片等动作，所有的动作都在一个硅片台上执行，单个硅片曝光的循环如图2所示，所有动作串联运行，系统的生产效率就由这个循环决定。要提高系统的生产效率，需要缩短各部分的运行时间。目前随着芯片特征线宽(CD)越来越小，对准技术要求精度越来越高，对硅片台要求实现高精度低速扫描，想要减少对准时间相当困难。另外只有不断提高硅片台的步进和曝光扫描速度，但速度的不断提高会导致系统动态性能恶化，这对保护装置和运行精度控制的技术要求非常高，付出的成本大大提高。
目前在光刻设备上已出现采用双硅片台的结构，如图3所示，系统组成结构类似图1，包括照明系统16，掩模台定位系统15，投影物镜系统14，硅片台定位系统2a、2b，调焦调平检测系统13，与单硅片台比较多了一个硅片台。双硅片台系统将光刻工序中对准、上下片等工作转移到另外一个台2a，这样就可以与执行曝光的硅片台2b并行工作，如图4曝光循环示意图所示，单个硅片的曝光循环时间大大缩短，在不提高硅片台步进扫描速度情况下可提高生产效率(throughput)。双台的专利如WO98/40791(
公开日期1998.9.17；国别荷兰)所描述，每个硅片台结构中有两个可交换配合的单元和一个台支持座，台支持座与导轨相连。工作时，一个硅片可在预处理工位进行曝光前的预处理工作，另外一个硅片在曝光工位进行曝光，当两项工作结束，两个台都分别移动到交换位置，后进行台支持座的交换，从一个台的配合单元，移动到另外一个台的配合单元，从而实现两硅片台的交换。这种方式可以实现缩短每个硅片的曝光工作时间，不提高硅片台运动速度下大幅度提高生产效率。
然而这种结构也存在一些问题，由于每个台与导轨采用的是耦合连接方式，在交换过程中，台支持座与硅片台需短暂分离，这段时间台处于自由状态，会对系统的定位精度造成影响。在专利US 2001/0004105(
公开日期2001.6.21；国别荷兰)中虽对上述发明进行了改进，但是增加了许多防护装置和检测装置，系统结构复杂化。另外由于两硅片台在运行到两台交换的位置时，存在运动范围重叠区域，这会导致双台运动过程中发生碰撞，造成严重后果。在后者的专利中同时提出了许多防此种碰撞的机械保护装置和硬软件控制方法，这都是结构本身存在的需克服的问题。
专利WO 01/40875(
公开日期2001.7.6；国别美国)中提出了另外一种双台结构，此发明的显著特点是每个台都有一个独立的上下片装置和对准装置，分设在整个硅片基台的两边，在两台的中间位置为曝光位。工作时，一个硅片台可以执行曝光，另外一个台同时进行上下片和对准，当两个台的工作完成，处在曝光位置的硅片台可直线移出曝光位，同时对准完毕的台移进曝光位，两个台移动互不干涉，且运行的路径短，交换速度快。完成硅片曝光的台就可执行下片，上新片，后在自身的测量位上进行曝光前的预处理工作。这样完成一个硅片的曝光循环。
上述专利的结构，运行简单可靠，克服了上文所述第一种方案的不足，但是非常明显的是，这个结构与前一种比较，由于多出一套对准装置和上下片装置，成本显著增加。对准装置或调焦调平装置精度要求非常高，不论是装置本身的加工制造，而且装置的安装要求也与单对准装置的控制要求翻了一倍，种种情况都显著增加了系统的制造成本。另外，由于曝光工位设置在两个预处理工位的中间位置，对于整个硅片基台而言，相比较上述第一种专利方案，多了一个工位，这样就增加了硅片基台的总体尺寸。
发明内容
本发明需要解决的技术问题在于提供一种步进扫描光刻机双台交换定位系统，使得结构简单的同时硅片曝光循环时间变得更短。
本发明的技术方案如下包括总基台、设置在总基台上并运行于曝光工位的硅片台定位单元和运行于预处理工位的硅片台定位单元，每个硅片台定位单元包括硅片承载装置、运动定位检测装置、x向导轨、y向导轨、线性光栅，每个硅片承载装置安装于x向导轨上，可沿x向导轨运动，x向导轨安装在y向导轨上并可沿y向导轨运动，两个工位的x向导轨可进行对接，导轨上均安装有线性光栅，运动定位检测装置用于曝光工位硅片曝光和预处理工位硅片对准的位置测量和反馈，其特征在于预处理工位设置有一个x向导轨，曝光工位设置有两个x向导轨。
作为对本发明的改进，在所述每个硅片承载装置上分别设置有线缆台，线缆台通过线缆台导轨可在总基台两侧运动。所述线缆台包括x向滑块、设置在x向滑块内的y向滑块，驱动x向滑块运动的x向驱动装置和驱动y向滑块运动的y向驱动装置。
作为对本发明的改进，所述每个硅片承载装置与导轨的连接采用气浮轴承，可采用真空预载的气浮轴承或永磁预载气浮轴承之一。
作为对本发明的改进，所述运动定位检测装置采用激光干涉仪系统，分别设置于硅片台定位单元互相垂直的两侧。
作为对本发明的改进，每个硅片承载装置负载于x向直线导轨上，并可沿x向导轨作无摩擦的步进运动，x向导轨的两侧有与之成H型的y向直线导轨，x向导轨承载硅片承载装置可在y向导轨上作无摩擦的步进运动。
作为对本发明的改进，每个x向导轨和两侧的y向导轨上均有线性光栅，用于硅片台的定位位置反馈。
本发明与现有技术相比的有益效果是由于曝光位增设一个导轨，不仅可以实现两承载装置的交换，同时极大地减少了曝光位的交换台的耗时，交换过程变得简单，成本得到有效控制。另外，采用两个工位曝光工位和曝光前的预处理工位，实现了两个工位的并行工作，减少了每个硅片曝光的时间，系统可在保持单台硅片台定位系统的运动速度和加速度不变的情况下提高生产效率；另外，本发明简单的结构使得工作空间上消除了重叠区域，两工位工作不再干涉，因而不必采用额外的防碰撞的装置，简化了系统，降低了成本，有效地提高了可靠性。
图1为单硅片台定位系统的光刻机结构示意图；图2为单硅片台曝光循环示意图；图3为现有的双硅片台定位系统的光刻机结构示意图；图4为对应图3的双硅片台曝光循环示意图；图5为本发明双硅片台定位系统的结构示意图；图6为本发明的双硅片台轮换流程图；图7～图12为一个工作流程的动态工作示意图。
1-基台2、2a、2b-均指硅片台运动定位系统13-调焦调平及对准装置14-投影物镜系统15-掩模台运动定位系统16-照明系统200-硅片500-掩模
10a、10b、11b为x向导轨单元20a、21a、20b、21b为y向直线导轨面30a、30b为线缆台39a、39b为线缆台导轨40a、49a、40b、41b、49b为线形光栅50a、51a、50b、51b为双频激光干涉仪具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
图5显示了本发明双硅片台定位系统处于工作时的状态，其结构包括总基台1、设置在总基台上并运行于曝光工位的硅片台定位单元和运行于预处理工位的硅片台定位单元，每个硅片台定位单元包括硅片承载装置2a(预处理工位的硅片承载装置)、2b(曝光工位的硅片承载装置)、运动定位检测装置50a、51a、50b、51b；x向导轨10a、或10b、11b；y向导轨20a、21a或20b、21b，每个硅片承载装置安装于x向导轨上，可沿x向导轨运动，x向导轨安装在y向导轨上并可沿y向导轨运动，两个工位的x向导轨可进行对接，导轨上均安装有线性光栅40a、49a或40b、41b、49b，运动定位检测装置用于曝光工位硅片曝光位置和预处理工位硅片对准位置的位置测量和反馈，预处理工位设置的x向导轨为10a，从图7-13看，曝光工位上下两个x向导轨分别为10b、11b。除此，还包括线缆台30a、30b、，其经过设置于总基台两侧的线缆台导轨39a、39b运动。
如图5，此时可对接的x向直线导轨10a和硅片承载装置2a在预处理工位进行设定的工作，x向直线导轨10b和另一个硅片承载装置2b在曝光工位进行设定的曝光工作，其中x向直线导轨11b在硅片台的边缘位置，不与曝光的台产生干涉，暂时处于闲置状态。线缆台30a、30b由设置于其内部的驱动装置驱动，使硅片承载装置上的线缆保持与硅片承载装置2a、2b同步运动。
本发明硅片承载装置2a、2b与导轨10a、10b、11b，导轨10a、10b、11b与导轨20a、21a、20b、21b之间采用了无摩擦的气浮轴承，某些部位采用了真空预载作为空气轴承的预载方式，视需要也可以采用永磁预载。
本发明的导轨上均分别装有线性光栅40a、49a、40b、41b、49b，光栅40a、40b、41b可作为两个硅片承载装置2a、2b沿x方向的位置反馈装置，线性光栅49a、49b则可作为硅片承载装置2a、2b沿y方向的位置反馈装置。对曝光工位的中心曝光位置和预处理工位的对准位置，采用激光干涉仪检测系统50a、51a、50b、51b作为位置测量反馈装置。两个台交换过程的位置另外还采用辅助传感器加以控制。
图6显示了双硅片台工作的流程，在光刻过程中，根据当前实践所得，硅片的上下片和对准时间及其硅片的曝光区域形貌检测时间要少于曝光整个硅片所需要的时间，因此，双台工作的流程可优化为流程图所示的步骤，详细的结构布局可见图7-图12。
图中将暂预处理工位的台称为2a，曝光工位的台称为2b。在操作开始，见步骤200，两个台都没有硅片，此时，2b处于闲置状态，2a台移动到上下片位置上片，后进行对准和调焦调平的数据采集，详细见图7。位置检测由线性光栅40a、49a和激光干涉仪50a、51a反馈。
步骤210，详见图8，硅片承载装置2a的硅片预处理完成后，移动到交换位置，此时曝光工位的两个导轨和硅片承载装置2b也移动到交换位置，实现导轨10a与导轨11b的对接，位置由线性光栅和传感器检测控制。
步骤220，详见图9，随后，直线电机驱动硅片承载装置2a从预处理工位移动到曝光工位，完成已预处理的硅片台的交换。
步骤230，详见图10，预处理工位的导轨快速移动到曝光工位中已经完成曝光的硅片台2b所在的位置，实现导轨10a与导轨10b的对接，以引导硅片承载装置2b从曝光位置移动到预处理工位。
步骤240，详见图11，硅片承载装置2b在直线电机驱动下，从曝光工位移动到预处理工位。两台轮换完成动作。
步骤250，详见图12，硅片承载装置2b移动到预对准工位的上下片位置，将曝光完毕的硅片移出，并上载新硅片，后移动到对准位置，进行一系列的设定动作；同时，硅片承载装置2a由导轨11b驱动，在曝光位进行曝光动作，导轨10b移动到边缘位置暂时处于闲置状态。
步骤260，硅片承载装置2a的硅片曝光完毕，移动到交换位置；同时，已经预处理完毕的2b也移动到交换位置，实现导轨10a与10b的对接，并由直线电机驱动，2b从预处理工位移动到曝光工位。详细图形说明类似于图7中的台交换位置图8-9。
步骤270，预处理工位的导轨10a引导硅片承载装置2b移动到曝光工位后，快速移动到基台另一端，与导轨11b实现对接。此时硅片承载装置2b等候曝光。详细图形说明类似于图10。
步骤280，直线电机驱动硅片承载装置2a从曝光工位移动到预处理工位，后可以进行一系列的下上片、对准和调焦调平测量等设定工作；硅片承载装置2b在导轨10b的驱动下进行曝光动作。详细图形说明类似于图11-图12。
步骤290，2a台预处理完毕后等待2b台的硅片曝光，当2b台曝光完毕，就分别移动到交换位置，预处理工位的导轨10a与曝光工位的暂时闲置导轨11b对接，进行台的移动交换。重复步骤220，以此循环，完成连续的硅片曝光动作。
以上已描述了本发明的具体实施方式
，但本发明不局限用于半导体光刻中硅片的运动定位，具体的说，可以用于任何需要精确定位，并实现两台交换可并行工作的装置或系统。因此，虽然已公开了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将会意识到，在不背离权利要求书中公开的本发明的范围的情况下，任何各种修改、添加和替换均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种步进扫描光刻机双台交换定位系统，包括总基台、设置在总基台上并运行于曝光工位的硅片台定位单元和运行于预处理工位的硅片台定位单元，每个硅片台定位单元包括硅片承载装置、运动定位检测装置、x向导轨、y向导轨、线性光栅，每个硅片承载装置安装于x向导轨上，可沿x向导轨运动，x向导轨安装在y向导轨上并可沿y向导轨运动，两个工位的x向导轨可进行对接，导轨上均安装有线性光栅，运动定位检测装置用于曝光工位硅片曝光位置和预处理工位硅片对准位置的位置测量和反馈，其特征在于预处理工位设置有一个x向导轨，曝光工位设置有两个x向导轨。
2.如权利要求1所述的双台交换定位系统，其特征在于在所述每个硅片承载装置上分别设置有线缆台，线缆台通过线缆台导轨可在总基台两侧运动。
3.如权利要求2所述的双台交换定位系统，其特征在于所述线缆台包括x向滑块、设置在x向滑块内的y向滑块，驱动x向滑块运动的x向驱动装置和驱动y向滑块运动的y向驱动装置。
4.如权利要求1所述的双台交换定位系统，其特征在于所述每个硅片承载装置与导轨的连接采用气浮轴承。
5.如权利要求4所述的双台交换定位系统，其特征在于所述气浮轴承可采用真空预载的气浮轴承或永磁预载气浮轴承之一。
6.如权利要求1所述的双台交换定位系统，其特征在于所述运动定位检测装置采用双频激光干涉仪系统，分别设置于硅片台定位单元相垂直的两侧。
7.如权利要求1所述的双台交换定位系统，其特征在于所述硅片承载装置沿x向导轨作无摩擦步进运动。
8.如权利要求1所述的双台交换定位系统，其特征在于所述x向导轨的两侧与y向直线导轨成H型。
9.如权利要求1或8所述的双台交换定位系统，其特征在于所述x向导轨承载着硅片承载装置在y向导轨上可作无摩擦步进运动。
全文摘要
本发明公开了一种步进扫描光刻机双台交换定位系统，预处理工位设置有一个x向导轨，曝光工位设置有两个x向导轨。有益效果是不仅可以实现两承载装置的交换，极大地减少了曝光位的交换台的耗时，还实现了两个工位的并行工作，减少了每个硅片曝光的时间，系统可在保持单台硅片台定位系统的运动速度和加速度不变的情况下提高生产效率；简化了系统，降低了成本，有效地提高了可靠性。
文档编号G03F9/00GK1828427SQ200610025749
公开日2006年9月6日 申请日期2006年4月14日 优先权日2006年4月14日
发明者李映笙, 李小平 申请人:上海微电子装备有限公司