专利名称：一种工件台平衡质量定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于光刻机中的工件台平衡质量定位系统，特别是具有 纠偏和防漂装置的工件台平衡质量定位系统。
背景技术：
光刻是指将一 系列掩模版上的芯片图形通过曝光系统依次转印到硅片相应
层上的复杂的工艺过程。整个光刻过程大约消耗芯片前道制造时间的60%，占 有整个芯片制造的近40%的成本。而这一系列复杂、昂贵、耗时的光刻工艺过 程集中在芯片前道生产线对应的 一组光刻机上完成，因此光刻机的光刻精度和 产率高低直接影响着芯片的集成度和制造成本。而产率和光刻精度是一对矛盾 体，客户既要系统提高产率，又要改善和提高系统的曝光质量和曝光精度。
当硅片直径不大于200mm,线宽不低于100nm时，为了提高产率，工件台 一般采用反力外引方式。而上述加减速阶段的运动反力是导致系统振动的一个 重要原因，必须加以处理，以减小和避免其对光刻系统曝光质量的影响。目前 的做法是将长行程电机的运动反力引出到基础框架上，并借助一套主动减振系 统对曝光单元进行减振隔振，以保证系统的精度需求。
目前光刻直径为300mm的硅片已经成为前道光刻领域的主流技术。在光刻 机系统中，尤其对承载该直径硅片的大质量工件台系统，工件台长行程模块的 负载质量、速度、加速度都相应有较大幅度地增加，反力外引方式已经不能再 满足光刻机系统对减振的需求。而当光刻线宽小于100nm时，整机系统中任何 微小振动干扰都会对系统光刻质量带来致命的影响。
平衡质量技术正是在这种条件下出现的。通过平衡质量技术，工件台传递 给基础框架的作用力会大幅降低，这在很大程度上减少了光刻机系统的减振难 度，避免了运动反力对系统曝光的干扰。
当前的工件台平衡质量系统主要有单层和双层两种。 一种传统的采用单层
平衡质量系统的光刻机的工件台，是利用一层平衡质量框架来平衡长行程电机
在X， Y， Rz三个方向上因运动加减速所产生的反作用力，并采用两组五连杆 装置实现工件台平衡质量系统与基础框架间的物理连接。两组五连杆装置可以 完成工件台平衡质量系统的初始化回零，以及运动模式下对工件台平衡质量系 统跟踪补偿作用。然而，两组五连杆机构拥有四个控制电机，四个电机联合一 体跟踪控制X, Y， Rz三个自由度，系统需解耦，控制策略复杂。如果发生控 制故障，五连杆装置很容易受到平衡质量系统的冲击而损坏。
另一种传统的釆用双层平銜二质量系统的光刻机的工件台，它采用两层平衡 质量分别平衡长行程电机在X, Y, Rz三个方向上加减速运动时所产生的运动 反力；顶层平衡质量用来平衡一个线性运动方向(X或Y)和Rz向上所产生的 运动反力，顶层平衡质量体与底层平衡质量体间通过补偿电机连接，用以实现 顶层两个平衡质量体的同步运动以及纠偏和补偿作用，该补偿电机为一直线电 机。底层平衡质量体则用来平衡另外一个线性运动方向上(Y或X)所产生的 运动反力。上述双层平衡质量系统采用三个独立的直线电机用来实现工件台平 衡质量系统与基础框架间的连接作用，直线电机的定子安装在基础框架上，动 子安装在工件台底层平衡质量系统上。三个直线电机联合起来可以完成工件台 平衡质量系统的初始化回零，以及运动模式下对工件台平衡质量系统的跟踪补 偿作用。三个直线电机可以对X, Y， Rz三个自由度的独立控制，不存在运动 耦合问题，系统无需解耦，控制策略简单。然而，该直线电机所具有的侧向间 隙和位移特性，普通直线电机并不具备，并且售价昂贵。
因此，如何克服上述先前技术的缺失，进而使平衡质量定位系统的结构简 单，使其运动完全解耦，并且易于制定跟踪控制策略，是目前亟待解决的课题。
发明内容
鉴于上述习知技术的缺点，本发明的主要目的是提供一种平衡质量定位系 统，结构简单，使其运动完全解耦，并且易于制定跟踪控制策略。
本发明的另一目的是提供该平衡质量定位系统，提高其作大行程运动的加 速度和减速度。
为达上述目的，本发明即提供一种工件台平衡质量定位系统，应用于光刻
机中对系统工件台的减振，其包括系统框架、基础框架、硅片承载台、气浮系 统、及运动限位装置，该系统框架通过该气浮系统相对该基础框架运动，该运 动限位装置位于该系统框架的四个角点位置用以圈定该定位系统在该基础框架
上作平面运动的极限位置，其中进一步包括X向和Y向长行程模块，以实现 上述硅片承载台相对于上述系统框架在X、 Y两个方向上的独立运动，及纠偏 和防漂装置，以完成对工件台平衡质量定位系统的跟踪补偿控制和回零控制。
上述的工件台平衡质量定位系统，其进一步包括该X向和Y向长行程模 块包括Y向长刊_程电才几和X向长行程电机。
上述的工件台平衡质量定位系统，其进一步包括该Y向长行程电机和该 X向长行程电机进一步包括Yl向长行程驱动电机定子、Yl向长行程驱动电机 动子、X向长行程驱动电机定子、Y2向长行程驱动电机动子、Y2向长行程驱动 电机定子，该X向长行程电机的该等定子与该Y向两组长行程电机的该等动子 安装在一起。
上述的工件台平衡质量定位系统，其进一步包括该Y向长行程电机的个 数为2个，该X向长4亍程电才几的个数为1个。
上述的工件台平衡质量定位系统，其进一步包括该纠偏和防漂装置包括 与该系统框架刚性固联的滑道，与基础框架刚性固联的驱动电机，与该驱动电 机转轴刚性连接的曲柄，及直接与该曲柄铰接的滑块。
上述的工件台平衡质量定位系统，其进一步包括该纠偏和防漂装置进一 步包括X向和Y向的力矩补偿装置，用以补偿和抵消因该硅片承栽台的偏心运 动带来的附加转矩作用，为上述纠偏和防漂装置分担附加转矩作用，从而可以 使该硅片承载台作大行程运动的加速度得到进一 步的提高。
上述的工件台平衡质量定位系统，其进一步包括该X向和Y向的力矩补 偿装置包括分别安装在该系统框架X、 Y侧的X、 Y向偏转力矩抵消负载支撑框 架、及分别安装在该X、 Y向偏转力矩抵消负载支撑框架上的X、 Y向偏转力矩 抵消负载。
上述的工件台平衡质量定位系统，其进一步包括该X向和Y向的力矩补 偿装置的个数为3个。
综上所述，本发明的工件台平衡质量定位系统，具有纠偏和防漂装置，用
以实现工件台平衡质量定位系统的运动补偿和初始化回零。相较于习知技术， 本发明结构简单，运动不耦合，跟踪控制策略'容易制定。另外，在本发明中引 入运动负载，用以补偿和抵消因该硅片承载台的偏心运动产生的附加转矩作用， 为该组纠偏和防漂装置分担附加转矩作用，从而使上述硅片承载台作大行程运 动的加速度得到进一步的提高。
图1为本发明的一种工件台平衡质量定位系统的主4见图。
图2为本发明的一种工件台平衡质量定位系统的纠偏和防漂装置的原理图。
图3为本发明的第一4交佳实施例的一种工件台平衡质量定位系统的纠偏和 防漂装置的侧3见图。
图4为本发明的第二较佳实施例的一种工件台平衡质量定位系统的纠偏和 防漂装置的侧4见图。
图5为本发明的第一、二较佳实施例的一种工件台平衡质量定位系统的主 视图。
具体实施例方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，该领域技术人员可由本 说明书所揭示的内容轻易了解本发明其它优点及功效。
为了大幅度降低工件台运动时施加给曝光系统的反作用力，可以采用平衡 质量的方式来降低和抵消运动反力。本发明的工件台平衡质量系统属于单层平 衡质量精密定位系统。以下将对照图1对本发明的工件台平衡质量定位系统的 各組成部分进行详细的说明。
如图1所示，该工件台平衡质量定位系统包括平衡质量系统框架1、基础框 架4、 X向和Y向长行程模块(图中未标注图号)、硅片承载台7、四个气浮系 统2、 9、 13、 20、四个运动限位装置3、 8、 14、 19、三组纠偏与防漂装置11、 15、 18。上述X向和Y向长形成模块主要包括2个Y向长行程电机和1个X向 长行程电机，具体为Yl向长行程驱动电机定子5、 Yl向长行程驱动电机动子 6、 X向长行程驱动电机定子12、 Y2向长行程驱动电机动子16、 Y2向长行程驱
动电4几定子17。
上述系统框架1,以用来平衡该X、 Y向长行程电机施加给该定子5 、 12 、 17的反作用力。
上述基础框架4具有调平能力，为上述系统框架1提供了一个牢固可靠的 工作平台。该基础框架4的上方具有一铺面10 (可为大理石原料)用以设置上 述支撑气浮系统2、 9、 13、 20。该系统框架1通过该支撑气浮系统2、 9、 13、 20支撑在该铺面10上。该系统框架1相对该^5出框架4做平面运动。
上述长行程模块用于实现系统在X、 Y向的大行程运动。上述2个Y向电 机运动需要同步等速运动以实现Y向运动。上述X向长行程电机的该等定子12 与上述Y向两组长行程电机的该等动子6、 16安装在一起，该滑块与其运行导 轨之间用气浮轴承连接。
上述Y向两组长行程电机的该等定子5、 17固设在上述系统框架1上。
上述X向长行程电机的该等定子12固设在上述Yl、 Y2直线电机的该等动 子6、 16上并实现刚性连接，这样，上述长行程模块只可以实现上述硅片承载 台7相对于上述系统框架1在X、 Y两个方向上的独立运动。
上述四组运动限位装置3、 8、 14、 19固设在上述基础框架4上，位于上述 系统框架1初始化的四个角点位置，用以圈定该平衡质量定位系统在上述基础 框架4上作平面运动的极限位置，不允许其超出其圈定的运动范围。
平衡质量系统的运动漂移必须进行相应的补偿控制，否则平衡块会超出规 定的行程以及激光干涉仪的监测范围，导致系统不能连续正常工作。如图l及2 所示，该等纠偏和防漂装置ll、 15、 18具有相同的结构形式，其基本机构形式 类似一曲柄滑块积j构，其具有与该系统框架1刚性固联的滑道lll、 151、 181， 与基础框架4刚性固联的驱动电机112、 152、 182,与该驱动电才几112、 152、 182转轴刚性连接的曲柄113、 153、 183，及直接与该曲柄113、 153、 183铰接 的滑块114、 154、 184。该滑块114、 154、 184可在该滑道111、 151、 181内自 由滑动，上述三组驱动电机112、 152、 182以不同的角速度(co112、 w152、 w182) 协同工作，以完成对平衡质量定位系统的跟踪补偿控制和回零控制。因运动偏 心造成该平衡质量定位系统的旋转运动完全要靠该三组纠偏和防漂装置11、 15、 18联合作用，才能将其控制在激光干涉仪能够正常工作能够捕捉的偏转范围内。
对于大质量的工件台平衡质量定位系统，该硅片承载台7作大行程运动的加速 度和减速度将受到限制。
如图3及图5所示，本发明的第一较佳实施例中，该纠偏和防漂装置ll或 15或18具有X向和Y向的力矩补偿装置，电机支撑框架25、与基础框架4刚 性固联的驱动电机26、电才几轴端支撑罩壳27、内滚道28、滚道支撑框架29、 轴端挡图30、外滚道31、轴承外滚圏32、与该驱动电机26转轴刚性连接的旋 转曲轴33、曲轴支撑轴承34、电机轴35、曲轴曲拐旋转支撑轴承36及其固定 组件连接组成。其中该电机支撑架25与该基础框架4固连，该滚道支撑框架29 与该系统框架1固连。该电才几26驱动该旋转曲轴33并4吏之旋转，引起该轴承 外圏32上的滚套在该滚道支撑架29的该内外圏28、 31中旋转，从而推动上述 系统框架1及其上安装的设备一体相对于上述基础框架4作X向、Y向运动。 该等纠偏和防漂装置系统11、 15、 18分别用于补偿该系统框架1在X向、Y向 和Rz向的位置漂移，使其不超出规定的形成及激光干涉仪的监测范围，使本发 明连续正常工作。上述三组纠偏和防漂装置系统11或15或18各自的电机26 控制3个自由度，相对运动不耦合，控制方便。该等三组纠偏和防漂装置11、 15、 18联合作用，可以实现本发明的工件台平衡质量定位系统作小范围的平面 (dx、 dy、 dRz)运动。图3的第一较佳实施例可以单独使用，也可以结合图5 使用。图5中，该X向和Y向的力矩补偿装置具有Y向偏转力矩抵消负载21、 Y向偏转力矩抵消负载支撑框架22、 X向偏转力矩抵消负载23、 X向偏转力矩 抵消负载支撑框架24。该支撑框架22、 24分别安装在该系统框架1的X、 Y的 一侧，该负载21、 23分别安装在该Y向偏转力矩抵消负栽支撑框架22及该X 向偏转力矩抵消负载支撑框架24上，用以补偿和抵消因该硅片承载台的偏心运 动带来的附加转矩作用，为该等三组纠偏和防漂装置分担附加转矩作用，从而 可以使该硅片承载台作大行程运动的加速度得到进一步的提高。
如图4及图5所示，本发明的第二较佳实施例中，该工件台平衡质量定位 系统的纠偏和防漂装置11或15或18的电初J且成与前述的较佳实施例基本相同， 也是由该X向和Y向的力矩补偿装置，该纠偏和防漂电机支撑框架25、该电机 26、该电机轴端支撑罩壳27、该旋转曲轴33、该曲轴支撑轴承34及该电机轴 35连接组成。区别在于其进一步包括直线导轨支撑框架37、直线导轨38、轴
承支撑座39、轴承挡圏40、曲拐轴承41、滑块42、滚珠43。该电机26驱动该 旋转曲轴33使之旋转并驱动该滑块42运动，该滑块42带动刚性固联在该系统 框架1上的该直线导轨38，从而推动上述系统框架1及其上安装的设备一体相 对于上述基础框架4作X向、Y向运动。该等三组纠偏和防漂装置11、 15、 18 联合作用，可以实现本发明的工件台平衡质量定位系统作小范围的平面(dx、 dy、 dRz)运动。图4的第二较佳实施例可以单独使用，也可以结合图5使用。 图5中，该X向和Y向的力矩补偿装置具有Y向偏转力矩抵消负载21、 Y向偏 转力矩抵消负载支撑框架22、 X向偏转力矩抵消负载23、 X向偏转力矩抵消负 载支撑框架24。该支撑框架22、 24分别安装在该系统框架1的X、 Y的一侧， 该负载21 、 23分别安装在该Y向偏转力矩抵消负载支撑框架22及该X向偏转 力矩抵消负载支撑框架24上，用以补偿和抵消因该硅片承载台的偏心运动带来 的附加转矩作用，为该等三组纠偏和防漂装置分担附加转矩作用，从而可以使 该硅片承载台作大行程运动的加速度得到进一步的提高。
本发明的工件台平衡质量定位系统，具有纠偏和防漂装置，用以实现工件 台平衡质量定位系统的运动补偿和初始化回零。相较于习知技术，本发明结构 简单，运动不耦合，跟踪控制策略容易制定。另外，在本发明中引入运动负载， 用以补偿和抵消因该硅片承载台的偏心运动产生的附加转矩作用，为该组纠偏 和防漂装置分担附加转矩作用，从而使上述硅片承载台作大行程运动的加速度 得到进一步的提高。
上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明， 亦即，本发明事实上仍可作其它改变。因此，熟知本领域的技术人员均可在不 违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此本发明的权利保护 范围，应如后述的申请专利范围之所列。
权利要求
1.一种工件台平衡质量定位系统，应用于光刻机中对系统工件台的减振，其包括系统框架、基础框架、硅片承载台、气浮系统、及运动限位装置，该系统框架通过该气浮系统相对该基础框架运动，该运动限位装置位于该系统框架的四个角点位置用以圈定该定位系统在该基础框架上作平面运动的极限位置，其特征在于进一步包括X向和Y向长行程模块，以实现上述硅片承载台相对于上述系统框架在X、Y两个方向上的独立运动；及纠偏和防漂装置，以完成对工件台平衡质量定位系统的跟踪补偿控制和回零控制。
2. 如权利要求1所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于该X向和Y 向长行程模块包括Y向长行程电机和X向长行程电机。
3. 如权利要求2所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于该Y向长行 程电机和该X向长行程电机进一步包括Yl向长行程驱动电机定子、Yl向 长行程驱动电机动子、X向长行程驱动电机定子、Y2向长行程驱动电机动 子、Y2向长行程驱动电机定子，该X向长行程电机的该等定子与该Y向两 组长行程电机的该等动子安装在一起。
4. 如权利要求2所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于该Y向长行 程电机的个数为2个，该X向长行程电机的个数为1个。
5. 如权利要求1所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于该纠偏和防漂 装置包括与该系统框架刚性固联的滑道，与基础框架刚性固联的驱动电机， 与该驱动电机转轴刚性连接的曲柄，及直接与该曲柄铰接的滑块。
6. 如权利要求5所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于该纠偏和防漂 装置进一步包括X向和Y向的力矩补偿装置，用以补偿和抵消因该硅片承 载台的偏心运动带来的附加转矩作用，为上述纠偏和防漂装置分担附加转矩 作用，从而可以使该硅片承载台作大行程运动的加速度得到进一步的提高。
7. 如权利要求6所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于该X向和Y 向的力矩补偿装置包括分别安装在该系统框架X、 Y側的X、 Y向偏转力矩抵消负载支撑框架，以及分别安装在该X、 Y向偏转力矩抵消负栽支撑框架 上的X、 Y向偏转力矩抵消负载。
8.如权利要求1所述的工件台平衡质量定位系统，其特征在于该X向和Y 向的力矩补偿装置的个数为3个。
全文摘要
本发明为一种工件台平衡质量定位系统，用于光刻机中工件台的减振，其包括系统框架、基础框架、硅片承载台、气浮系统、纠偏防漂装置及运动限位装置，该系统框架通过气浮系统相对该基础框架运动，该运动限位装置位于系统框架的四个角点位置用以圈定该定位系统在基础框架上作平面运动的极限位置，X向和Y向长行程模块实现硅片承载台相对于系统框架在X、Y方向上的独立运动，纠偏防漂装置用以完成对工件台平衡质量定位系统的跟踪补偿和回零控制。本发明的平衡质量定位系统结构简单，采用特殊设计的纠偏防漂装置能使其运动完全解耦，并且易于制定跟踪控制策略，结合X、Y向力矩补偿装置，可以使硅片承载台作大行程运动的加速度得到进一步的提高。
文档编号G03F7/20GK101206409SQ20071017242
公开日2008年6月25日 申请日期2007年12月17日 优先权日2007年12月17日
发明者严天宏, 王天明, 袁志扬, 邹恒杉 申请人:上海微电子装备有限公司;上海微高精密机械工程有限公司