專利名稱：采用磁懸浮平面電機的硅片臺多臺交換系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光刻機硅片臺多臺交換系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻機中，屬于半導(dǎo) 體制造裝備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在集成電路芯片的生產(chǎn)過程中，芯片的設(shè)計圖形在硅片表面光刻膠上的曝光轉(zhuǎn)印(光刻) 是其中最重要的工序之一，該工序所用的設(shè)備稱為光刻機(曝光機)。光刻機的分辨率和曝光 效率極大的影響著集成電路芯片的特征線寬(分辨率)和生產(chǎn)率。而作為光刻機關(guān)鍵系統(tǒng)的
硅片超精密運動定位系統(tǒng)(以下簡稱為硅片臺)的運動精度和工作效率，又在很大程度上決 定了光刻機的分辨率和曝光效率。
步進掃描投影光刻機基本原理如圖l所示。來自光源45的深紫外光透過掩模版47、透 鏡系統(tǒng)49將掩模版上的一部分圖形成像在硅片50的某個Chip上。掩模版和硅片反向按一定 的速度比例作同步運動，最終將掩模版上的全部圖形成像在硅片的特定芯片(Chip)上。
硅片臺運動定位系統(tǒng)的基本作用就是在曝光過程中承載著硅片并按設(shè)定的速度和方向運 動，以實現(xiàn)掩模版圖形向硅片上各區(qū)域的精確轉(zhuǎn)移。由于芯片的線寬非常小(目前最小線寬 已經(jīng)達到45nm)，為保證光刻的套刻精度和分辨率，就要求硅片臺具有極高的運動定位精度； 由于硅片臺的運動速度在很大程度上影響著光刻的生產(chǎn)率，從提高生產(chǎn)率的角度，又要求硅 片臺的運動速度不斷提高。
傳統(tǒng)的硅片臺，如專利EP 0729073和專利US 5996437所描述的，光刻機中只有一個硅 片運動定位單元，即一個硅片臺。調(diào)平調(diào)焦等準備工作都要在上面完成，這些工作所需的時 間很長，特別是對準，由于要求進行精度極高的低速掃描(典型的對準掃描速度為1 mm/s)， 因此所需時間很長。而要減少其工作時間卻非常困難。這樣，為了提高光刻機的生產(chǎn)效率， 就必須不斷提高硅片臺的步進和曝光掃描的運動速度。而速度的提高將不可避免導(dǎo)致系統(tǒng)動 態(tài)性能的惡化，需要采取大量的技術(shù)措施保障和提高硅片臺的運動精度，為保持現(xiàn)有精度或 達到更高精度要付出的代價將大大提高。
專利W098/40791 (
公開日期1998.9.17;國別荷蘭)所描述的結(jié)構(gòu)采用雙硅片臺結(jié) 構(gòu)，將上下片、預(yù)對準、對準等曝光準備工作轉(zhuǎn)移至第二個硅片臺上，且與曝光硅片臺同時 獨立運動。在不提高硅片臺運動速度的前提下，曝光硅片臺大量的準備工作由第二個硅片臺 分擔(dān)，從而大大縮短了每片硅片在曝光硅片臺上的工作時間，大幅度提高了生產(chǎn)效率。然而 該系統(tǒng)存在的主要缺點在于硅片臺系統(tǒng)的非質(zhì)心驅(qū)動問題。
本申請人在2003年申請的發(fā)明專利"步進投影光刻機雙臺輪換曝光超精密定位硅片系 統(tǒng)"(專利申請?zhí)朲L03156436.4)，公開了一種帶雙側(cè)直線導(dǎo)軌的雙硅片臺交換結(jié)構(gòu)，該硅
3片臺多臺交換系統(tǒng)在工作空間上不存在重疊，因此不需采用碰撞預(yù)防裝置。但是該硅片臺多 臺交換系統(tǒng)也存在一些問題， 一是該系統(tǒng)要求極高的導(dǎo)軌對接精度；二是該系統(tǒng)雙側(cè)導(dǎo)軌只 有一側(cè)空間被同時利用，導(dǎo)致該硅片臺系統(tǒng)外形尺寸較大，這對空間利用率要求較高的半導(dǎo) 體芯片廠而言無疑顯得非常重要。三是該系統(tǒng)硅片臺交換時需采用帶驅(qū)動裝置的橋接裝置， 增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。
本申請人在2007年申請的發(fā)明專利"一種采用十字導(dǎo)軌的光刻機硅片臺多臺交換系統(tǒng)" (專利申請?zhí)?00710303713.5)公開了一種由4組雙自由度驅(qū)動單元實現(xiàn)硅片臺雙臺交換 的結(jié)構(gòu)，該硅片臺的運動是靠兩相鄰雙自由度驅(qū)動單元同時運動實現(xiàn)，因此系統(tǒng)對同步控制 具有一定要求。同時，本申請人在2007年申請的發(fā)明專利" 一種采用過渡承接裝置的光刻 機硅片臺多臺交換系統(tǒng)"(專利申請?zhí)?00710303712.0)和"一種采用傳送帶結(jié)構(gòu)的光刻 機硅片臺多臺交換系統(tǒng)"(專利申請?zhí)?00710303648.6)都在在預(yù)處理工位和曝光工位 上分別設(shè)有一個H型驅(qū)動單元。
所有上述發(fā)明專利中的硅片臺都是通過將多個單自由度直線電機疊加成H型或十字型等 疊層結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)多自由度平面運動。這種疊層驅(qū)動結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)平面運動時，上層直線電機及 其直接驅(qū)動的硅片臺都需要底層直線電機來驅(qū)動，大大增加了底層直線電機的負擔(dān)，同時帶 來了非質(zhì)心驅(qū)動，需要高精度同歩控制等問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，限制了硅片臺的運動定 位精度，妨礙了其定位響應(yīng)速度的提高。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高光刻機硅片臺的加速度，速度和定位精度，進而促進光刻機的生產(chǎn)率、套刻精 度和分辨率的提高，本發(fā)明提供了一種采用磁懸浮平面電機的硅片臺多臺交換系統(tǒng)。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種采用磁懸浮平面電機的硅片臺多臺交換系統(tǒng)，包括基臺ll、硅片臺組和硅片臺驅(qū)動 裝置，其特征在于所述硅片臺組包括多個結(jié)構(gòu)相同的分別工作于預(yù)處理工位或曝光工位的
硅片臺，所述硅片臺驅(qū)動裝置采用磁懸浮平面電機，磁懸浮平面電機的定子21設(shè)置在基臺頂 部，平面電機的動子24設(shè)置在硅片臺底部。
本發(fā)明所述的采用磁懸浮平面電機技術(shù)的硅片臺多臺交換系統(tǒng)，其特征還在于所述磁
懸浮平面電機采用動圈式永磁磁懸浮平面電機、動鐵式永磁磁懸浮平面電機或磁懸浮感應(yīng)式 平面電動機。
本發(fā)明所述的采用磁懸浮平面電機技術(shù)的硅片臺多臺交換系統(tǒng)，其特征還在于所述 動圈式永磁磁懸浮平面電機的定子或動鐵式永磁磁懸浮平面電機的動子采用平面永磁陣列，
所述平面永磁陣列包括大永磁體18、小永磁體19和過渡永磁體17，大永磁體、小永磁體和過 渡永磁體分別沿豎直方向、水平方向和與豎直方向成45度角方向充磁；所述大永磁體垂直于Z
軸方向的截面為正方形，在平面內(nèi)按N-S極交錯排列成平面陣列；所述小永磁體排列在兩個相
鄰大永磁體的正中間，充磁方向從沿z軸正方向充磁的大永磁體指向沿z軸負方向充磁的大永磁體，且與小永磁的一條沿X軸或Y軸方向的棱邊平行；所述過渡永磁體排列在相鄰的大永磁 體和小永磁體之間，充磁方向與相鄰永磁體充磁方向都成45。夾角。
本發(fā)明所述的采用磁懸浮平面電機技術(shù)的硅片臺多臺交換系統(tǒng)，其特征還在于所述動 圈式永磁磁懸浮平面電機的動子或動鐵式永磁磁懸浮平面電機的定子由n個在以硅片臺質(zhì) 心為原點的坐標系中關(guān)于X軸對稱分布且關(guān)于Y軸對稱分布的X向電磁單元與Y向電磁單元 組成，n為大于等于2的偶數(shù)；X向電磁單元由多個線圈沿X軸方向線性排列而成；Y向電磁 單元由多個線圈沿Y軸方向線性排列而成；線圈帶鐵芯或不帶鐵芯。
本發(fā)明所述的采用磁懸浮平面電機技術(shù)的硅片臺多臺交換系統(tǒng)，其特征還在于所述動
圈式永磁磁懸浮平面電機的動子或動鐵式永磁磁懸浮平面電機的定子由2個X向電磁單元與
3個Y向電磁單元組成；組成電磁單元的線圈不帶鐵芯。
本發(fā)明所述的采用磁懸浮平面電機的硅片臺多臺交換系統(tǒng)具有以下優(yōu)點及突出性效果
取消了這種多個單自由度運動部件疊加形成多自由度平面運動的結(jié)構(gòu)，由平面電機直接驅(qū)動 每個硅片臺實現(xiàn)水平面上的雙臺交換和相應(yīng)的步進掃描運動，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化，避免了前
述專利中的導(dǎo)軌對接，非質(zhì)心驅(qū)動，同步控制等一系列問題；采用了磁懸浮支承，不需要氣 浮系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，避免了氣浮引入的振動和噪聲；磁懸浮氣隙可達lmra，大大降低 了支承面的加工要求，降低了加工成本；可以滿足高真空度，高清潔度工作環(huán)境的要求；減 輕了驅(qū)動負載，提高了硅片臺的響應(yīng)速度，大大提高了硅片臺運動過程中的速度，加速度和 運動定位精度，進而大大提高了光刻機的生產(chǎn)率、套刻精度和分辨率。 圖附說明


圖1顯示了步進掃描投影光刻機基本工作原理。 圖2是只有一個硅片臺的運動定位系統(tǒng)。
圖3是本申請人2007年申請的專利中一種采用疊層驅(qū)動結(jié)構(gòu)的硅片臺多臺交換系統(tǒng)。 圖4是本發(fā)明所述采用磁懸浮平面電機的硅片臺多臺交換系統(tǒng)的示意圖。
圖5是本發(fā)明所述采用磁懸浮平面電機的硅片臺多臺交換系統(tǒng)的一個具體實例的交換示 意圖(俯視圖)。
圖6是本發(fā)明所述的具體實例的硅片臺底部平面電機的動子結(jié)構(gòu)的三維視圖。 圖7本發(fā)明所述的具體實例的基臺及其上部具體實例的平面電機的定子的俯視圖和剖面 視圖8是本發(fā)明所述的具體實例的永磁陣列氣隙磁感應(yīng)強度豎直分量關(guān)于XY坐標的變化 關(guān)系示意圖9是本發(fā)明所述的具體實例的硅片臺底部平面電機的動子的受力情況示意圖。 圖中
l一硅片臺；3—H型驅(qū)動單元；5 — X向直線電機；7—Y向直線電機；9一傳送帶系統(tǒng)； IO—對接滑塊；11—基臺；15—硅片；17—過渡永磁體；18—大永磁體；19—小永磁體；20一平面電機的定子；24—平面電機的動子；45—光源；47—掩模版；49—透鏡系統(tǒng)；50— 硅片；
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、機理和工作過程作進一歩的說明。
步進掃描投影光刻機基本原理如圖l所示。來自光源45的深紫外光透過掩模版47、透 鏡系統(tǒng)49將掩模版上的一部分圖形成像在硅片50的某個Chip上。掩模版和硅片反向按一定 的速度比例作同歩運動，最終將掩模版上的全部圖形成像在硅片的特定芯片(Chip)上。硅 片運動定位系統(tǒng)(硅片臺)的基本作用就是在曝光過程中承載著硅片并按設(shè)定的速度和方向 運動，以實現(xiàn)掩模版圖形向硅片上各區(qū)域的精確轉(zhuǎn)移。
傳統(tǒng)的步進掃描投影光刻機硅片臺如圖2所示，光刻機中只有一個硅片運動定位系統(tǒng)， 即只有一個硅片臺。調(diào)平、調(diào)焦等準備工作都要在同一個硅片臺上完成，這些工作所需的時 間很長，特別是對準，由于要求進行精度極高的低速掃描(典型的對準掃描速度為1 mm/s)， 因此所需時間很長。為了提高光刻機的曝光效率，本發(fā)明所述的光刻機硅片臺多臺交換系統(tǒng)， 將調(diào)平、調(diào)焦、對準等曝光準備工作轉(zhuǎn)移至預(yù)處理工位的硅片臺上，且與曝光工位的硅片臺 同時獨立工作，從而大大縮短硅片在曝光硅片臺上的工作時間。
采用疊層驅(qū)動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多自由平面運動的硅片臺多臺交換系統(tǒng)如圖3所示。該系統(tǒng)包含 一個運行于預(yù)處理工位的硅片臺1和一個運行于曝光工位的硅片臺1，所述硅片臺均由H型 驅(qū)動單元3驅(qū)動，驅(qū)動硅片臺1作大范圍X、 Y方向運動，所述的H型驅(qū)動單元由雙側(cè)X向直 線電機5以及Y向直線電機7組成，在基臺兩側(cè)安裝有傳送帶系統(tǒng)9，用以驅(qū)動硅片臺l由 預(yù)處理工位傳送到曝光工位。這種疊層驅(qū)動結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實現(xiàn)平面運動時，上層直線 電機及其直接驅(qū)動的硅片臺都需要底層直線電機來驅(qū)動，大大增加了底層直線電機的負擔(dān)， 限制了硅片臺的運動定位精度，妨礙了其定位響應(yīng)速度的提高。
圖5是本發(fā)明所述采用磁懸浮平面電機的硅片臺多臺交換系統(tǒng)的一個具體實例的三維交 換示意圖(俯視圖)。由圖可知本發(fā)明所述采用磁懸浮平面電機的硅片臺多臺交換系統(tǒng)包括基 臺ll、兩個結(jié)構(gòu)相同的分別工作于預(yù)處理工位和曝光工位的硅片臺1、以及硅片臺驅(qū)動裝置。 其中，硅片臺驅(qū)動裝置采用磁懸浮平面電機，磁懸浮平面電機的定子20設(shè)置在基臺11頂 部，磁懸浮平面電機的動子24設(shè)置在硅片臺底部.該硅片臺多臺交換系統(tǒng)通過磁懸浮平面電 機直接驅(qū)動硅片臺實現(xiàn)平面上的雙臺交換和步進掃描運動。每個硅片臺在完成上一工位的工 序后，按圖5中大箭頭所示的路徑運動到下一工位，繼續(xù)完成下一工位的工序，從而以這種類 似循環(huán)流水線的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)將前一硅片的上下片、預(yù)對準、對準等曝光準備工作和后一硅片曝 光工作的并行進行，大大提高了光刻機的生產(chǎn)率。
如圖7所示，設(shè)置于基臺ll的頂部的磁懸浮平面電機的定子20采用平面永磁陣列，該 平面永磁陣列由一系列長方體大永磁體18，小永磁體19和過渡永磁體17按圖示規(guī)律在基臺 ll上排列而成。所述大永磁體為垂直于Z軸方向的截面為正方形，邊長為2^，沿Z方向充磁，在平面內(nèi)按N-S極交錯排列，極距為f ;所述小永磁體排列在兩個相鄰大永磁體的正中 間，充磁方向從沿Z軸負方向充磁的大永磁體指向沿Z軸正方向充磁的大永磁體，且與小永 磁的一條沿X軸或Y軸方向的棱邊平行；所述過渡永磁體排列在相鄰的大永磁體和小永磁體
之間，充磁方向與相鄰永磁體充磁方向成45。，充磁方向邊長為、。通過對永磁陣列的參數(shù) ^A和匸n/r進行優(yōu)化，可以使永磁陣列氣隙磁場強度的Z向分量的高階諧波分量最小。此 平面永磁陣列在具體實例的平面電機的定子20和具體實例的硅片臺l之間的氣隙中或接觸 面上產(chǎn)生氣隙磁場。圖7是圖6所示平面永磁陣列的氣隙磁感應(yīng)強度豎直分量Bz關(guān)于XY 坐標的變化關(guān)系示意圖。圖7中同一列中兩相鄰相同永磁體的相同側(cè)面間的距離t為極距， 它也是圖8中平面永磁陣列的氣隙磁感應(yīng)強度兩相鄰峰值之間的距離。
如圖6所示，實施例中的磁懸浮平面電機的動子24由在以硅片臺質(zhì)心為原點的坐標系中關(guān) 于X軸對稱分布且關(guān)于Y軸對稱分布的2個X向電磁單元與3個Y向電磁單元組成；每個X向電磁單 元由12個線圈沿X軸方向線性排列而成，沿Y方向?qū)ΨQ布置在硅片臺底部的兩邊；每個Y向電磁 單元由7個線圈沿Y軸方向線性排列而成，沿X方向?qū)ΨQ布置在硅片臺底部的兩個X向電磁單元 的中間；每個線圈都不帶鐵芯；線圈排列方向和永磁陣列排列方向成45° 。
每個線圈通電后在永磁陣列產(chǎn)生的氣隙磁場中受洛侖茲力作用，其所受洛侖茲力可以分 解為三個互相垂直的分力，即沿豎直方向的力Fz，在XY平面內(nèi)沿線圈長邊方向的力F1和在 XY平面內(nèi)垂直于線圈長邊方向的力F2，經(jīng)過分析計算和仿真發(fā)現(xiàn)，在硅片臺沿X方向或沿Y 方向運動時Fz和F2在約1. 414 t的行程內(nèi)按正弦規(guī)律變化，峰值大小約為2N， Fl大小約為 0. 00001N-0. 0001N ，約等于0，且遠遠小于Fz和F2故忽略不計。這樣通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕?單獨控制各個線圈的電流，可以使所有線圈在豎直方向產(chǎn)生的力Fz的合力等于硅片臺所受到 的重力，實現(xiàn)磁懸浮以及每個硅片臺在基臺上完全獨立的平面運動，從而方便的實現(xiàn)水平面 上的雙臺交換和相應(yīng)的步進掃描運動。
圖7表示了單個硅片臺具有5個電磁單元驅(qū)動時的受力情況，5個電磁單元分別稱為第 一電磁單元、第二電磁單元、第三電磁單元、第四電磁單元和第五電磁單元，它們底面的中 心分別為01、 02、 03、 04和05。圖中ABCD為具體實例的硅片臺12的底面，abcd為ABCD 在基臺頂面上的投影。第i個(i4，2,3，4，， 5)電磁單元的3個方向分量F' xi、 F' yi 和F' zi作用于該電樞單元底面的中心0' i，于是在上述力分量的作用下，硅片臺實現(xiàn) 沿x、 y方向的運動和Z方向的磁懸浮。
權(quán)利要求
1.一種采用磁懸浮平面電機的硅片臺多臺交換系統(tǒng)，包括基臺(11)、硅片臺組和硅片臺驅(qū)動裝置，其特征在于所述硅片臺組包括多個結(jié)構(gòu)相同的分別工作于預(yù)處理工位或曝光工位的硅片臺，所述硅片臺驅(qū)動裝置采用磁懸浮平面電機，磁懸浮平面電機的定子(21)設(shè)置在基臺頂部，平面電機的動子(24)設(shè)置在硅片臺底部。
2.按照權(quán)利要求l所述的一種采用磁懸浮平面電機的硅片臺多臺交換系統(tǒng)，其特征在于: 所述磁懸浮平面電機采用動圈式永磁磁懸浮平面電機、動鐵式永磁磁懸浮平面電機或磁懸浮 感應(yīng)式平面電動機。
3.按照權(quán)利要求2所述的一種采用磁懸浮平面電機的硅片臺多臺交換系統(tǒng)，其特征在于所述動圈式永磁磁懸浮平面電機的定子或動鐵式永磁磁懸浮平面電機的動子采用平面永磁陣列，所述平面永磁陣列包括大永磁體(18)、小永磁體(19)和過渡永磁體(17)，大永 磁體、小永磁體和過渡永磁體分別沿豎直方向、水平方向和與豎直方向成45度角方向充磁； 所述大永磁體垂直于Z軸方向的截面為正方形，在平面內(nèi)按N-S極交錯排列成平面陣列；所述 小永磁體排列在兩個相鄰大永磁體的正中間，充磁方向從沿Z軸正方向充磁的大永磁體指向沿 Z軸負方向充磁的大永磁體，且與小永磁的一條沿X軸或Y軸方向的棱邊平行；所述過渡永磁體 排列在相鄰的大永磁體和小永磁體之間，充磁方向與相鄰永磁體充磁方向都成45。夾角。
4. 按照權(quán)利要求3所述的一種采用磁懸浮平面電機的硅片臺多臺交換系統(tǒng)，其特征在于 所述動圈式永磁磁懸浮平面電機的動子或動鐵式永磁磁懸浮平面電機的定子由n個在以硅片 臺質(zhì)心為原點的坐標系中關(guān)于X軸對稱分布且關(guān)于Y軸對稱分布的X向電磁單元與Y向電磁 單元組成，n為大于等于2的偶數(shù)；X向電磁單元由多個線圈沿X軸方向線性排列而成；Y向 電磁單元由多個線圈沿Y軸方向線性排列而成；線圈帶鐵芯或不帶鐵芯。
5. 按照權(quán)利要求4所述的一種采用磁懸浮平面電機的硅片臺多臺交換系統(tǒng)所述動圈式永磁磁懸浮 平面電機的動子或動鐵式永磁磁懸浮平面電機的定子由2個X向電磁單元與3個Y向電磁單元組成；組成電磁單元的線圈不帶鐵芯。
全文摘要
采用磁懸浮平面電機的硅片臺多臺交換系統(tǒng)，主要用于光刻機系統(tǒng)中。該硅片臺多臺交換系統(tǒng)包括基臺、硅片臺組和硅片臺驅(qū)動裝置，所述硅片臺組包括多個結(jié)構(gòu)相同的分別工作于預(yù)處理工位或曝光工位的硅片臺，所述硅片臺驅(qū)動裝置采用磁懸浮平面電機，磁懸浮平面電機的定子設(shè)置在基臺頂部，平面電機的動子設(shè)置在硅片臺底部。本發(fā)明給出了該硅片臺多臺交換系統(tǒng)的一個采用動圈式永磁磁懸浮平面電機的具體實例。實例中，平面電機的定子采用了相鄰永磁體充磁方向互成45°角的新型平面永磁陣列。該硅片臺多臺交換系統(tǒng)通過平面電機直接驅(qū)動硅片臺實現(xiàn)平面上的多臺交換和步進掃描運動，提高了光刻機的生產(chǎn)率、套刻精度和分辨率。
文檔編號G03F7/20GK101609265SQ20091008889
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者尹文生, 鳴 張, 徐登峰, 煜 朱, 楊開明, 段廣洪, 汪勁松, 胡金春, 田 蔡, 偉 閔 申請人:清華大學(xué)