一种光刻机硅片台双台交换系统.pdf

一种光刻机硅片台双台交换系统，该系统含有运行于曝光工位的硅片台和运行于预处理工位的硅片台，两个硅片台设置在同一基台上，通过气浮轴承悬浮在基台上表面；每个硅片台分别由一条沿Y方向的导轨穿过，导轨的一端与一个主驱动单元连接，两个硅片台可沿导轨在Y方向移动，导轨另一端可与一个X方向单自由度辅助驱动单元对接，并在单自由度辅助驱动单元驱动下可实现硅片台在X方向的移动；单自由度辅助驱动单元和Y方向的导轨可实现分离和精确对接，以此来实现两个硅片台的位置交换。本发明避免了在硅片台交换时气浮轴承跨导向面交换导致的极高的硅片台尺寸一致性的精度要求，以及零部件的加工和装配高精度要求等缺陷，大大简化了系统结构，二是该系统双台交换采用质心驱动，使系统的精度大大提高。

1.  一种光刻机硅片台双台交换系统，该系统含有运行于曝光工位(3)的第一硅片台(13)和运行于预处理工位(4)的第二硅片台(14)，两个硅片台设置在同一长方形基台(1)上，长边为X方向，短边为Y方向，两硅片台位于基台上表面(2)，其特征在于：在基台两个长边边缘分别设有第一Y方向直线电机定子(5a)、第二Y方向直线电机定子(5b)、第三Y方向直线电机定子(6a)和第四Y方向直线电机定子(6b)，第二单自由度辅助驱动单元(8)使用第一Y方向直线电机定子(5a)，第一主驱动单元(11)使用第二Y方向直线电机定子(5b)，第二主驱动单元(12)使用第三Y方向直线电机定子(6a)，第一单自由度辅助驱动单元(7)使用第四Y方向直线电机定子(6b)；Y方向第一导轨(15)穿过第一硅片台(13)，Y方向的第二导轨(16)穿过第二硅片台(14)；Y方向第一导轨(15)的一端与第一主驱动单元(11)连接，Y方向第一导轨(15)的另端与第一单自由度辅助驱动单元(7)对接，第一单自由度辅助驱动单元(7)和Y方向第一导轨(15)采用分离式结构，在两个硅片台交换位置时断开；Y方向第二导轨(16)的一端与第二主驱动单元(12)连接，Y方向第二导轨(16)的另一端与第二单自由度辅助驱动单元(8)对接，第二单自由度辅助驱动单元(8)和Y方向第二导轨(16)采用分离式结构，在两个硅片台交换位置时断开；
在两个硅片台交换位置时，首先，硅片台(13)沿Y方向第一导轨(15)向第一主驱动单元(11)方向运动，硅片台(14)沿Y方向第二导轨(16)向第二主驱动单元(12)方向运动；之后，Y方向第一导轨(15)与第一单自由度辅助驱动单元(7)分开并向第一主驱动单元(11)方向运动，Y方向第二导轨(16)与第二单自由度辅助驱动单元(8)分开并向第二主驱动单元(12)方向运动；然后，第一主驱动单元(11)和第二主驱动单元(12)分别驱动硅片台(13)和硅片台(14)沿X方向进行工位交换，同时第二单自由度辅助驱动单元(8)运动至曝光工位(3)的初始位置，第一单自由度辅助驱动单元(7)运动至预处理工位(4)的初始位置；最后，Y方向第一导轨(15)和第二单自由度辅助驱动单元(8)对接，硅片台(13)运动至预处理工位(4)初始位置，Y方向第二导轨(16)和第一单自由度辅助驱动单元(7)对接，硅片台(14)运动至曝光工位(3)初始位置，交换完成进入下一循环。

2.  按照权利要求1所述的一种光刻机硅片台双台交换系统，其特征在于：所述的第一单自由度辅助驱动单元(7)、第二单自由度辅助驱动单元(8)的底部均安装有直线电机动子(17)，每个单自由度辅助驱动单元与基台接触的侧面装有真空预载气浮轴承(19)，每个单自由度辅助驱动单元与基台接触的底面装有永磁预载气浮轴承(20)；所述的第一主驱动单元(11)和第二主驱动单元(12)是一个两自由度的驱动单元，底部均安装有与单自由度辅助驱动单元相同的直线电机动子(17)，每个主驱动单元与基台接触的侧面装有真空预载气浮轴承(19)，每个主驱动单元与基台接触的底面装有永磁预载气浮轴承(20)，另外，每个主驱动单元的顶部与Y方向导轨之间安装有滚珠导轨或气浮轴承作为导向，安装直线电机或摩擦轮加步进电机作为驱动，来实现主驱动单元对Y方向导轨的导向驱动支撑作用。

3.  按照权利要求2所述的一种光刻机硅片台双台交换系统，其特征在于：在所述的每个驱动单元的直线电机上分别安装有用于位置反馈的线性光栅。

4.  按照权利要求1所述的一种光刻机硅片台双台交换系统，其特征在于：所述的光刻机硅片台双台交换系统还包含用于硅片台运动位置反馈的双频激光干涉仪。

一种光刻机硅片台双台交换系统
技术领域
本发明涉及一种光刻机硅片台双台交换系统，该系统应用于半导体光刻机中，属于半导体制造设备技术领域。
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2007年申请的发明专利“一种光刻机硅片台双台交换系统”(公开号：CN101101454)公开了一种光刻机的双台交换系统，其具有结构简单，空间利用率高等优点，提高了光刻机的曝光效率。但是该双硅片台系统也存在一些问题，一是在硅片台交换时气浮轴承需交换导向面，导致对硅片台尺寸一致性有极高的精度要求，零部件的加工和装配的精度都要求微米级以上；二是参与交换的导轨之间很难安装用于检测相互位置的传感器，上直线导轨之间可能发生碰撞；三是硅片台系统非质心驱动等。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种新的光刻机硅片台双台交换系统，以克服已有硅片台双台交换系统非质心驱动以及要求极高的加工和装配精度等缺点，使其具有结构简单，空间利用率高以及交换时不会发生上直线导轨之间碰撞等优点，进而提高光刻机的曝光效率。
本发明的技术方案一如下：
一种光刻机硅片台双台系统的另一种交换方式，该系统含有运行于曝光工位3的第一硅片台13和运行于预处理工位4的第二硅片台14，两个硅片台设置在同一长方形基台1上，长边为X方向，短边为Y方向，两硅片台位于在基台上表面2，其特征在于：在基台两个长边边缘分别设有第一Y方向直线电机定子5a、第二Y方向直线电机定子6a、第三Y方向直线电机定子5b和第四Y方向直线电机定子6b，第二单自由度辅助驱动单元8使用第一Y方向直线电机定子5a，第一主驱动单元11使用第二Y方向直线电机定子5b，第二主驱动单元12使用第三Y方向直线电机定子6a，第一单自由度辅助驱动单元7使用第四Y方向直线电机定子6b；Y方向第一导轨15穿过第一硅片台13，Y方向的第二导轨16穿过第二硅片台14；Y方向第一导轨15的一端与第一主驱动单元11连接，Y方向第一导轨15的另一端与第一单自由度辅助驱动单元7对接，第一单自由度辅助驱动单元7和Y方向第一导轨15采用分离式结构，在两个硅片台交换位置时断开；Y方向第二导轨16的一端与第二主驱动单元12连接，Y方向第二导轨16的另一端与第二单自由度辅助驱动单元8对接，第二单自由度辅助驱动单元8和Y方向第二导轨16采用分离式结构，在两个硅片台交换位置时断开；
在两个硅片台交换位置时，首先，硅片台13沿Y方向第一导轨15向第一主驱动单元11方向运动，硅片台14沿Y方向第二导轨16向第二主驱动单元12方向运动；之后，Y方向第一导轨15与第一单自由度辅助驱动单元7分开并向第一主驱动单元11方向运动，Y方向第二导轨16与第二单自由度辅助驱动单元8分开并向第二主驱动单元12方向运动；然后，第一主驱动单元11和第二主驱动单元12分别驱动硅片台13和硅片台14沿X方向进行工位交换，同时第二单自由度辅助驱动单元8和第一单自由度辅助驱动单元7分别运动至曝光工位3和预处理工位4的初始位置；最后，Y方向第一导轨15和第二单自由度辅助驱动单元8对接，硅片台13运动至预处理工位4初始位置，Y方向第二导轨16和第一单自由度辅助驱动单元7对接，硅片台14运动至曝光工位3初始位置，交换完成进入下一循环。
上述技术方案中，所述的第一单自由度辅助驱动单元7和第二单自由度辅助驱动单元8的底部均安装有直线电机动子17，每个单自由度辅助驱动单元与基台接触的侧面装有真空预载气浮轴承19，每个单自由度辅助驱动单元与基台接触的底面装有永磁预载气浮轴承20；所述的第一主驱动单元11和第二主驱动单元12是一个两自由度的驱动单元，底部均安装有与单自由度辅助驱动单元相同的直线电机动子17，每个主驱动单元与基台接触的侧面装有真空预载气浮轴承19，每个主驱动单元与基台接触的底面装有永磁预载气浮轴承20，另外，每个主驱动单元的顶部与Y方向导轨之间安装有滚珠导轨或气浮轴承作为导向，安装直线电机或摩擦轮加步进电机作为驱动，来实现主驱动单元对Y方向导轨的导向驱动支撑作用。
本发明所述的光刻机硅片台双台交换系统，其特征还在于：在所述的每个驱动单元的直线电机分别安装有用于位置反馈的线性光栅。该系统还包含用于硅片台运动位置反馈的双频激光干涉仪。
本发明与现有技术相比，具有以下突出性的优点：一是该系统的硅片台为质心驱动；二是交换面不采用气浮轴承交换，因此尺寸一致性要求不高；三是两个辅助驱动单元都是单自由度的，简化了控制系统结构，降低了系统零部件的安装精度要求。
附图说明
图1为光刻机的工作原理示意图。
图2为本发明的光刻机硅片台双台交换系统及其交换前的状态图。
图3显示了硅片台两侧驱动单元的结构。
图4显示了硅片台和Y方向导轨的结构。
图5硅片台、Y方向导轨、主驱动单元和单自由度辅助驱动单元之间的连接方式。
图6单自由度辅助驱动单元的结构。
图7显示了两个硅片台交换过程。
图中：1-基台；2-基台上表面；3-曝光工位；4-预处理工位；5a-第一Y方向直线电机定子；5b-第二Y方向直线电机定子；6a-第三Y方向直线电机定子；6b-第四Y方向直线电机定子；7-第一单自由度辅助驱动单元；8-第二单自由度辅助驱动单元；11-第一主驱动单元；12-第二主驱动单元；13-第一硅片台；14-第二硅片台；15-Y方向第一导轨；16-Y方向第二导轨；17-单自由度辅助驱动单元直线电机动子；18-主驱动单元直线电机动子；19-真空预载气浮轴承；20-永磁预载气浮轴承；21-Y方向导轨直线电机定子磁钢；22-硅片台底面气浮轴承；23-主驱动单元与Y方向导轨气浮轴承；24-闭式预载气浮轴承；25a-Y方向导轨用于对接的侧面；25b-单自由度辅助驱动单元对接侧面；45-光源；47-掩模版；49-透镜系统；50-硅片；
具体实施方式
图2显示了光刻机硅片台双台交换系统的结构示意图，该系统含有两个硅片台设置在同一长方形基台1上，长边为X方向，短边为Y方向，两硅片台位于在基台上表面2，在基台两个长边边缘分别设有第一Y方向直线电机定子5a、第二Y方向直线电机定子6a、第三Y方向直线电机定子5b和第四Y方向直线电机定子6b，第二单自由度辅助驱动单元8使用第一Y方向直线电机定子5a，第一主驱动单元11使用第二Y方向直线电机定子5b，第二主驱动单元12使用第三Y方向直线电机定子6a，第四单自由度辅助驱动单元10使用第四Y方向直线电机定子6b。
Y方向第一导轨15穿过第一硅片台13，Y方向的第二导轨16穿过硅片台14；Y方向第一导轨15的一端与第一主驱动单元11连接，Y方向第一导轨15的另一端与第一单自由度辅助驱动单元7对接，第一单自由度辅助驱动单元7和Y方向第一导轨15采用分离式结构，在两个硅片台交换位置时断开；Y方向的第二导轨16的一端与第二主驱动单元12连接，Y方向的第二导轨16的另一端与第二单自由度辅助驱动单元8对接，第二单自由度辅助驱动单元8和Y方向的第二导轨16采用分离式结构，在两个硅片台交换位置时断开；
图3和图4显示了单自由度辅助驱动单元、硅片台、Y方向导轨和主驱动单元的结构和连接方式及气浮轴承的布置。单自由度辅助驱动单元的底部均装有直线电机动子和真空预载气浮轴承，定子安装在基台上，当单自由度辅助驱动单元与Y方向第一导轨15对接，与主驱动单元配合驱动硅片台沿X方向运动。Y方向导轨之间和主驱动单元的连接方式可以采用滚珠导轨或气浮轴承导向，直线电机或摩擦轮加电机驱动等方式实现，Y方向导轨的另一端与一个单自由度辅助驱动单元连接，采用电磁或真空吸附等方式实现精确对接。
图4显示了硅片台与Y方向导轨的连接结构。在第一硅片台13底部装有真空预载气浮轴承，基台上表面为导向面，Y方向第一导轨15从第一硅片台13内部贯穿，Y方向第一导轨15上安装有Y方向导轨直线电机定子磁钢21，线圈作为直线电机动子安装在硅片台上，在第一硅片台13两个内侧垂直面装有闭式预载气浮轴承24来约束Y方向导轨15与第一硅片台13沿Y方向的相对运动。
图5显示了Y方向导轨与单自由度辅助驱动单元之间的联接。单自由度辅助驱动单元10与Y方向第一导轨15对接，在连接面25a和25b可采用电磁或真空吸附等方式实现精确对接和脱离，来实现硅片台的位置交换。
图6显示了主驱动单元和单自由度辅助驱动单元的结构。如上所述，主驱动单元是两自由度的驱动单元，它主要是沿X方向驱动硅片台运动，另外它还需驱动Y方向导轨沿Y方向运动。因此其结构为底部装有直线电机动子线圈18，侧面装有真空预载气浮轴承19，底面装有永磁预载气浮轴承20；与Y方向导轨之间的连接方式可以采用滚珠导轨或气浮轴承作为导向，以直线电机或摩擦轮加步进电机作为驱动等方式实现。
单自由度辅助驱动单元是和主驱动单元一起驱动硅片台运动沿X方向移动，因此其结构为底部均装有直线电机线圈动子，侧面装有真空预载气浮轴承19，底面装有永磁预载气浮轴承20。
图7显示了所述的光刻机双台交换系统硅片台双台交换的过程。图7山(1)，第一硅片台13和第二硅片台14交换前的起始位置，第一单自由度辅助驱动单元7与Y方向第一导轨15对接，和第一主驱动单元11一起驱动第一硅片台13在曝光工位3作曝光运动；第二单自由度辅助驱动单元8与Y方向第二导轨16对接，和第二主驱动单元12一起驱动第二硅片台14在预处理工位4作预处理运动。
在硅片台各自完成预处理和曝光工序后，系统进入双台交换状态。如图7箭头所示，第一硅片台13沿着Y方向第一导轨15向靠近第一主驱动单元11方向运动到基台一侧，第二硅片台14沿着Y方向第二导轨16向靠近主驱动单元12方向运动到基台另一侧，如图7(2)所示。
之后，第一单自由度辅助驱动单元7与Y方向第一导轨15脱离并沿X方向向预处理工位4方向移动至基台边缘，第二单自由度辅助驱动单元8与Y方向第二导轨16脱离并沿X方向向曝光工位3方向移动至基台另一边缘，如图7(3)所示。
同时，Y方向第一导轨15向第一硅片台13方向缩进至基台一侧，Y方向第二导轨16向第二硅片台14方向缩进至基台另一侧，位置如图7(4)所示，第一硅片台13在第一主驱动单元11的驱动下沿X方向移动至预处理工位初始位置，第二硅片台14在第二主驱动单元12的驱动下沿X方向移动至曝光工位初始位置。
当硅片台到达下一个工位的初始位置后，Y方向第一导轨15伸出与第一单自由度辅助驱动单元7对接，同时，Y方向第二导轨16伸出与第二单自由度辅助驱动单元8对接，如图7(5)所示。
最后，第一硅片台13沿Y方向第一导轨15运动至预处理工位初始位置，第二硅片台14沿Y方向第二导轨16运动至曝光工位初始位置，如图7(6)所示。至此硅片台的位置交换完成，并开始下一个循环。