采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统.pdf

一种采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统，该硅片台双台交换系统包括基台和两个相同的可以在基台上做大范围平面运动的硅片台。基台顶部设置有平面永磁阵列，每个硅片台由平台和设置于平台底部的移动电磁结构和气浮结构组成，移动电磁结构由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轴对称分布的线圈阵列组成，n为大于等于4的偶数，相邻线圈阵列排列方向互成90°布置；所述气浮结构至少由两个轴对称均布的气浮轴承组成。保证了硅片台的质心驱动，简化了系统的控制结构；减轻了驱动负载，提高了硅片台的响应速度以及硅片台运动过程中的加速度和运动定位精度，提高了光刻机的生产率、套刻精度和分辨率。

1.  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)和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，基台顶部设置有平面永磁阵列(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，其特征在于：所述每个硅片台由平台(12)和设置于平台底部的移动电磁结构(14)以及气浮结构(13)组成；所述移动电磁结构由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轴对称分布的线圈阵列组成，n为大于等于4的偶数，相邻线圈阵列排列方向互成90°布置；所述气浮结构至少由两个轴对称均布的气浮轴承组成。

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：所述移动电磁结构由四个线圈阵列组成，每个线圈阵列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5个设置于平台底部的气浮轴承组成，5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，线圈阵列和气浮轴承在平台底部交错排列。

3.  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：所述的平面永磁阵列由一系列永磁体在底座上排列成Halbach阵列。

采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统
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。
技术背景
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1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1mm/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WO98/40791(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，从而大大缩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)是本发明专利的技术基础，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：
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和两个结构相同的分别工作于预处理工位硅片台和曝光工位的硅片台，基台顶部设置有平面永磁阵列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，其特征在于：所述每个硅片台由平台12和设置于平台底部的移动电磁结构14以及气浮结构13组成；所述移动电磁结构由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轴对称分布的线圈阵列组成，n为大于等于4的偶数，相邻线圈阵列排列方向互成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：所述移动电磁结构由四个线圈阵列组成，每个线圈阵列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5个设置于平台底部的气浮轴承组成，5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，线圈阵列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：该平面永磁阵列由一系列永磁体在底座上排列成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，洛伦兹力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，改进了线圈阵列的布置方式，线圈阵列不仅关于硅片台之心中心对称，而且线圈阵列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年申请的专利中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三维交换示意图。
图5是本发明所述硅片台底部移动电磁结构和气浮结构的三维视图。
图6本发明所述基台及其上部Halbach永磁阵列的三维视图。
图7是本发明所述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8是本发明所述硅片台底部移动电磁结构的受力情况示意图。
图中：
1-硅片台；2-平台；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；12-平台；13-气浮结构；14-移动电磁结构；16-平面永磁阵列；17-底座；18-第一长方体永磁体；19-第二长方体永磁体；45-光源；47-掩模版；49-透镜系统；50-硅片。
具体实施方式
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1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1mm/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，从而大大缩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1和一个运行于曝光工位的硅片台1，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11两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。
本发明所述采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统包括基台11和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，基台顶部设置有平面永磁阵列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；所述每个硅片台由平台12和设置于平台底部的移动电磁结构14以及气浮结构13组成；所述移动电磁结构由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轴对称分布的线圈阵列组成，n为大于等于4的偶数，相邻线圈阵列排列方向互成90°布置；所述气浮结构至少由两个轴对称均布的气浮轴承组成；所述移动电磁结构由四个线圈阵列组成，每个线圈阵列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5个设置于平台底部的气浮轴承组成，5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，线圈阵列和气浮轴承在平台底部交错排列。所述的平面永磁阵列由一系列永磁体在底座上排列成Halbach阵列。
图4是为本发明所述采用气浮平面电机的硅片台双台交换系统的一个具体实施例的三维交换示意图，由图可知：由基台11和两个结构相同的分别工作于预处理工位硅片台和曝光工位的硅片台1组成。其中，硅片台由平台12(其上放置有圆形硅片50)和设置于平台底部的移动电磁结构14和气浮结构13组成。动电磁结构由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轴对称分布的线圈阵列组成，n为大于等于4的偶数，相邻线圈阵列排列方向互成90°布置；所述气浮结构至少由两个轴对称均布的气浮轴承组成。
图5为本发明的一个具体实施例，移动电磁结构14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轴对称分布的线圈阵列组成，各相邻线圈阵列方向互成90°角布置，每个线圈阵列由5个矩形无铁芯线圈线性排列而成，如图5所示线圈排列方向与永磁阵列排列方向成45°角布置。气浮结构由5个设置于平台底部的气浮轴承组成，5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，线圈阵列和气浮轴承在平台底部交错排列。所述气浮结构由5个设置于平台底部的气浮轴承组成，5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，线圈阵列和气浮轴承在平台底部交错排列。工作时，由气浮轴承提供每个硅片台在竖直方向的在基台11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6所示，基台11由底座17和设置于底座17上的平面永磁阵列16组成，平面永磁阵列16由一系列长方体大永磁体18和长方体小永磁体19按图4所示规律在底座17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中长方体大永磁体18(长、宽、高分别为2a、a、a，a为永磁体18一个边的长度)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，长方体小永磁体19(长、宽、高分别为a、0.5a、2a，a为永磁体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6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在基台11和硅片台1之间的气隙中或接触面上产生气隙磁场。图7是图6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6中同一列中两相邻相同永磁体的相同侧面间的距离τ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。
所述设置于硅片台1底部的移动电磁结构14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轴对称分布的线圈阵列组成，所述每个线圈阵列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线圈阵列，每个线圈阵列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5一个短边的边长)，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，各相邻线圈阵列方向互成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F1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1.414τ的行程内按正弦规律变化，峰值大小约为2N，F1大小约为0.00001N-0.0001N，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7表示了单个硅片台具有4个线圈阵列驱动时的受力情况，4个线圈阵列分别称为第一线圈阵列、第二线圈阵列、第三线圈阵列和第四线圈阵列，它们底面的中心分别为O1、O2、O3和O4。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)线圈阵列的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O′i，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。